JP2019014932A

JP2019014932A - 鋼材部品の熱処理方法

Info

Publication number: JP2019014932A
Application number: JP2017132048A
Authority: JP
Inventors: 剛杉本; Takeshi Sugimoto; 田中　圭; Kei Tanaka; 圭田中; 大介山下; Daisuke Yamashita; 仙太郎中西; Sentaro Nakanishi; 敏文白木; Toshifumi Shiraki; 範之岩田; Noriyuki Iwata; 聖児河井; Seiji Kawai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: JP6977339B2

Abstract

【課題】前工程で生じた残留応力を時間やコストをかけずに除去できる鋼材部品の熱処理方法を提供する。【解決手段】熱処理炉内を第１所定温度Ｔ１まで昇温させて一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気を形成したのち、前記熱処理炉に室温状態の鋼材部品１を投入し、前記第１所定温度より低い、前記炉内雰囲気の温度と前記鋼材部品の温度とが平衡する第２所定温度Ｔ２で、前記鋼材部品を所定時間ｔｍ１保持したのち、前記鋼材部品を前記第２所定温度より高い表面硬化熱処理温度Ｔｃａ，Ｔｑまで加熱する。【選択図】図３

Description

本発明は、鋼材部品の熱処理方法に関するものである。

鋼材部品の焼入れは、鋼材部品を高温状態とした後に急冷してマルテンサイト組織を得る熱処理技術である。これにより、鋼材部品の表面に硬く緻密なマルテンサイト組織が形成され、部品表面の耐摩耗性と衝撃強度が向上する。焼入れにあたっては、鋼材部品を一旦高温にする必要があるが、この際に機械加工などの前工程で与えられた残留応力（微細歪）が解放され、鋼材部品が変形する。このため、前工程の加工条件の変動に応じて、加工完了から焼入れ完了までの熱処理歪も変動するという問題がある。この種の残留応力を小さくする方法として、プレス加工時のプレス型に高硬度の表面処理被膜を製膜し，高速でせん断加工することにより金属薄板に付加された残留応力を極小化するものが知られている（特許文献１）。

特開２００４−２６１８３６号公報

しかしながら、上述した従来方法ではプレス型に高硬度の表面処理被膜を形成する前処理が必要となり、こうした前処理にコストや時間を要するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、前工程で生じた残留応力を時間やコストをかけずに除去できる鋼材部品の熱処理方法を提供することである。

本発明は、予め一定の熱容量を有する炉内雰囲気を形成したのち、この熱処理炉に室温状態の鋼材部品を投入し、炉内雰囲気の温度と鋼材部品の温度とが平衡する温度で鋼材部品を所定時間保持したのち、鋼材部品を表面硬化熱処理温度まで昇温することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、鋼材部品を熱処理温度まで昇温する前に、当該熱処理温度より低い温度で鋼材部品を所定時間保持することにより、熱処理前に鋼材部品の残留応力を除去することができる。これにより、前工程で生じた残留応力を時間やコストをかけずに除去できる鋼材部品の熱処理方法を提供することができる。

本発明に係る鋼材部品の熱処理方法に適用される鋼材部品の一例を示す斜視図である。本発明に係る鋼材部品の熱処理方法が適用される鋼材部品の製造方法の一例を示す工程図である。図２の表面硬化熱処理の一例である処理内容、処理時間及び処理温度の関係を示す図である。図２の表面硬化熱処理の他の例である処理内容、処理時間及び処理温度の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る鋼材部品の熱処理方法に適用される鋼材部品の一例を示す斜視図である。図示する鋼材部品１は、可変圧縮比エンジンのマルチリンクを構成する部品である。このマルチリンクは、たとえば特開２０１７−０８８９２２の図６及び図７に記載されたように、一対の鋼材部品１が相互に対称に組み合わされてネジで結合された構成であり、クランクシャフトを回転軸として圧縮比を変更する分だけ回転する。

鋼材部品１は、半円形状の軸受部１１と、一対のピン圧入部１２と、ネジ部１３とを備える。一対のピン圧入部１２とネジ部１３との間に軸受部１１が設けられている。軸受部１１は、クランクシャフトの軸受を構成する。一対のピン圧入部１２は、アッパーリンク又はコントロールリンクを連結するためのピンを圧入する孔を有する。ネジ部１３は、ネジを螺合させるネジ孔１３Ａを有する。図示は省略するが、一対のピン圧入部１２の間にはネジが挿通されるネジ孔が形成されており、このネジ孔に挿通されたネジが、他方の鋼材部品１のネジ孔１３Ａに螺合する。

図２は、本発明に係る鋼材部品１の熱処理方法が適用される鋼材部品１の製造方法を示す工程図である。同図に示すように、本実施形態の鋼材部品１の製造方法では、まず、ステップＳ１において、図示しない原材料を鍛造加工してリンク形状の外形を有する鋼材部品１を形成する。この鍛造加工では、鋼材部品１のネジ部１３に、ネジ溝の無い孔１３Ｂを形成する。次に、ステップＳ２において、面削加工を実施し、鋼材部品１の表面の黒皮を除去する。こうした鍛造及び面削などの機械加工により、得られた鋼材部品１には残留応力が生じる。

次に、ステップＳ３において、鋼材部品１の表面全体に対して表面硬化処理を実施し、鋼材部品１の表面全体を熱処理により硬化させる。表面硬化処理としては、焼入れ、浸炭焼入れ、窒化焼入れ又は浸炭窒化焼入れ等の熱処理が挙げられる。以下、図３において、鋼材部品１の材料が、クロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０Ｈからなり、鋼材部品１の表面全体に対して浸炭焼入れを行うものとして具体的な温度を例示しつつ、本発明に係る熱処理を説明する。なお、クロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０Ｈとは、鉄以外の成分として、Ｃを０．１７〜０．２３重量％，Ｃｒを０．８５〜１．２０重量％，Ｓｉを０．１５〜０．３５重量％，Ｍｎを０．６０〜１．００重量％，Ｐを０．０３重量％以下，Ｓを０．０３重量％以下，Ｎｉを０．２５重量％以下、Ｃｕを０．３重量％以下含む鋼材である。ただし、本発明に係る鋼材部品はクロム鋼鋼材にのみ限定されず他の鋼材をも用いることができる。また、クロム鋼鋼材からなる場合であっても、例示する温度には何ら限定されるものではない。

図３は、本実施形態の表面硬化熱処理の一例である処理内容、処理時間及び処理温度の関係を示す図である。本実施形態の表面硬化熱処理は、図３の時間ｔ３〜ｔ８の浸炭焼入れ処理を行う前に、時間ｔ０〜ｔ１において、熱処理炉内を第１所定温度Ｔ１まで昇温させて一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気を形成したのち、時間ｔ１において熱処理炉に室温状態（たとえば０〜３５℃）の鋼材部品１を投入し、時間ｔ１〜ｔ３において、第１所定温度Ｔ１より低い、熱処理炉内の雰囲気の温度と鋼材部品１の温度とが平衡する第２所定温度Ｔ２で、鋼材部品１を所定時間ｔｍ１保持する。

本実施形態で用いられる熱処理炉としては、従来公知の浸炭炉を用いることができ、時間ｔ０〜ｔ１において、当該熱処理炉内を第１所定温度Ｔ１まで昇温させて一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気を形成する。この第１所定温度Ｔ１は、熱処理炉内の熱容量と、時間ｔ１にて投入される鋼材部品１の総熱量Ｑ２と、平衡温度たる第２所定温度Ｔ２とに応じて定められる。ここで、一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気を形成するための第１所定温度Ｔ１は、熱処理炉内の雰囲気の温度と鋼材部品１の温度とが平衡する第２所定温度Ｔ２が、好ましくは、その鋼材部品１の再結晶温度Ｔｒｃ±１００℃の範囲内になるように定められる。すなわち、熱処理炉の熱容量Ｑ１は、既知である炉内雰囲気ガスの比熱及び重量と第１温度Ｔ１により定まり、投入される鋼材部品１の総熱容量Ｑ２は、生産工程の仕様（鋼材部品1の比熱、重量及び熱処理炉に幾つの鋼材部品１が投入されるか）により定まり、鋼材部品１の再結晶温度Ｔｒｃは既知であることから、これらの数値を用いて理論式又はシミュレーション又は実験によって第１所定温度Ｔ１を求めることができる。以下、本例の場合においては、鋼材部品１の再結晶温度Ｔｒｃを６５０℃、第２所定温度を５５０〜７５０℃、熱処理炉の熱容量Ｑ１と鋼材部品１の総熱容量Ｑ２から第１所定温度Ｔ１を１０５０℃とするものとする。

熱処理炉内を１０５０℃まで昇温して一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気を形成したら、この熱処理炉内に鋼材部品１を投入する。鋼材部品１を投入したのちは、熱処理炉への熱量の印加を中断し、熱容量Ｑ１の炉内雰囲気と総熱容量Ｑ２の鋼材部品１との間の熱交換のみにより鋼材部品１を第２所定温度Ｔ２、すなわち再結晶温度Ｔｒｃまで昇温する。上述したとおり、第１所定温度Ｔ１は、熱処理炉内の雰囲気の温度と鋼材部品１の温度とが第２所定温度Ｔ２で平衡するように設定されていることから、時間ｔ１から時間ｔ２の間において炉内雰囲気の温度が降下すると同時に鋼材部品１の温度が上昇し、時間ｔ２において両者の温度が平衡する。そして、熱処理炉内は実質的に断熱空間であるため、この両者の温度が平衡した状態を所定時間ｔｍ１保持する。本例において、所定時間ｔｍ１は、５〜１５分である。

時間ｔ４以降に行われる浸炭処理などの表面硬化処理の前に、鋼材部品１を再結晶温度Ｔｒｃで所定時間ｔｍ１保持することにより、鋼材部品１の表面が硬化する前に、図２の鍛造加工や面削加工で鋼材部品１に与えられた残留応力を除去することができる。これにより、浸炭処理などの表面硬化処理を施したときの熱処理歪が、前工程で与えられた残留応力によって影響を受けることを抑制することができる。また、一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気に鋼材部品１を投入して、再結晶温度Ｔｒｃに平衡させることで、室温状態の炉内雰囲気に鋼材部品１を投入し、この室温状態から再結晶温度Ｔｒｃまで昇温する場合に比べ、短時間で再結晶温度Ｔｒｃまで昇温させることができる。

鋼材部品１を再結晶温度Ｔｒｃ±１００℃で所定時間ｔｍ１保持し、残留応力を除去したら、続けて熱処理炉に熱量を再度印加して鋼材部品1を浸炭温度Ｔｃａまで昇温する（時間ｔ３〜ｔ４）。本例の浸炭温度Ｔｃａは、たとえば１０５０℃であり、この温度を（ｔ５−ｔ４）時間保持したのち、徐冷する（時間ｔ５〜ｔ６）。また本例では、浸炭処理後に焼入れ処理を施すが、この焼入れ処理では、時間ｔ６〜ｔ７において、鋼材部品１の金属組織がオーステナイト組織になる温度Ｔｑ、たとえば９００℃まで加熱して一定時間保持し、その後、鋼材部品１の金属組織がマルテンサイト組織になるように、熱処理炉のガス雰囲気中で急冷する（時間ｔ７〜ｔ８）。なお、上述した浸炭方法、焼入れ処理の加熱温度及び急冷方法は一実施例であり、何ら限定されるものではない。またステップＳ３の表面硬化熱処理に次いで、ステップＳ４においてネジ研削加工を実施する。本工程では、浸炭焼入れしたネジ部１３の孔１３Ｂをネジ研削することにより、ネジ部１３にネジ孔１３Ａを形成する。

図４は、図２のステップＳ３の表面硬化熱処理の他の例である処理内容、処理時間及び処理温度の関係を示す図である。図３に示す実施形態では、表面硬化熱処理として浸炭焼入れ処理を行ったが、本実施形態では表面硬化熱処理として焼入れ処理を行う。本例においても、表面硬化熱処理である焼入れ前に、鋼材部品１を第２所定温度で所定時間ｔｍ１保持し、前工程の機械加工により鋼材部品１に与えられた残留応力を除去する。

すなわち、図４の時間ｔ３〜ｔ５の焼入れ処理を行う前に、時間ｔ０〜ｔ１において、熱処理炉内を第１所定温度Ｔ１まで昇温させて一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気を形成したのち、時間ｔ１において熱処理炉に室温状態（たとえば０〜３５℃）の鋼材部品１を投入し、時間ｔ１〜ｔ３において、第１所定温度Ｔ１より低い、熱処理炉内の雰囲気の温度と鋼材部品１の温度とが平衡する第２所定温度Ｔ２で、鋼材部品１を所定時間ｔｍ１保持する。第１所定温度Ｔ１の設定は、図３に示す実施形態と同様に、熱処理炉内の雰囲気の温度と鋼材部品１の温度とが平衡する第２所定温度Ｔ２が、好ましくは、その鋼材部品１の再結晶温度Ｔｒｃ±１００℃の範囲内になるように定められる。

時間ｔ３以降に行われる焼入れ処理などの表面硬化処理の前に、鋼材部品１を再結晶温度Ｔｒｃで所定時間ｔｍ１保持することにより、鋼材部品１の表面が硬化する前に、図２の鍛造加工や面削加工で鋼材部品１に与えられた残留応力を除去することができる。これにより、浸炭処理などの表面硬化処理を施したときの熱処理歪が、前工程で与えられた残留応力によって影響を受けることを抑制することができる。また、一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気に鋼材部品１を投入して、再結晶温度Ｔｒｃに平衡させることで、室温状態の炉内雰囲気に鋼材部品１を投入し、この室温状態から再結晶温度Ｔｒｃまで昇温する場合に比べ、短時間で再結晶温度Ｔｒｃまで昇温させることができる。

鋼材部品１を再結晶温度Ｔｒｃ±１００℃で所定時間ｔｍ１保持し、残留応力を除去したら、続けて熱処理炉に熱量を再度印加し、鋼材部品１の金属組織がオーステナイト組織になる温度Ｔｑ、たとえば９００℃まで加熱して一定時間保持し、その後、鋼材部品１の金属組織がマルテンサイト組織になるように、熱処理炉のガス雰囲気中で急冷する（時間ｔ３〜ｔ５）。またステップＳ３の表面硬化熱処理に次いで、ステップＳ４においてネジ研削加工を実施する。本工程では、浸炭焼入れしたネジ部１３の孔１３Ｂをネジ研削することにより、ネジ部１３にネジ孔１３Ａを形成する。

なお、上述した実施形態では、鋼材部品１を第２の所定温度Ｔ２で所定時間ｔｍ１保持する間は、熱処理炉に熱量を印加するのを中断したが、熱処理炉内の雰囲気温度が後工程で行われる浸炭温度や焼入れ温度に達しない範囲でならば熱処理炉に熱量を印加してもよい。

以上のとおり、本実施形態の熱処理方法によれば、焼入れ、浸炭焼入れ、窒化焼入れ又は浸炭窒化焼入れ等の表面硬化処理の前に、鋼材部品１を好ましくは再結晶温度Ｔｒｃ±１００℃で所定時間ｔｍ１保持することにより、鋼材部品１の表面が硬化する前に、図２の鍛造加工や面削加工で鋼材部品１に与えられた残留応力を除去することができる。これにより、浸炭処理などの表面硬化処理を施したときの熱処理歪が、前工程で与えられた残留応力によって影響を受けることを抑制することができる。

また、本実施形態の熱処理方法によれば、一定の熱容量Ｑ１を有する炉内雰囲気に鋼材部品１を投入して、再結晶温度Ｔｒｃに平衡させることで、室温状態の炉内雰囲気に鋼材部品１を投入し、この室温状態から再結晶温度Ｔｒｃまで昇温する場合に比べ、短時間で再結晶温度Ｔｒｃまで昇温させることができる。

図１に示す鋼材部品１において、一対のピン圧入部１２の間隔Ｌが、機械加工による残留応力の影響を受け易く、浸炭焼入れ等の表面硬化熱処理後にこの間隔Ｌの寸法が変動する。従来の浸炭焼入れによる表面硬化熱処理を行うと、間隔Ｌの変形量の平均が０．７０ｍｍ、同じく変形量の標準偏差３σが１．４０ｍｍであるのに対し、同じ鋼材部品１に図３に示す本実施形態の熱処理方法を適用すると、間隔Ｌの変形量の平均が０．５０ｍｍ、同じく変形量の標準偏差３σが０．０８ｍｍとなった。この結果からも、浸炭焼入れ前に鋼材部品１に与えられた残留応力が充分に除去され、特にばらつき（標準偏差３σ）の点でその影響が著しく減少していることが確認された。

１…鋼材部品
１１…軸受部
１２ピン圧入部
１３…ネジ部
１３Ａ…ネジ孔

Claims

熱処理炉内を第１所定温度まで昇温させて一定の熱容量を有する炉内雰囲気を形成したのち、
前記熱処理炉に室温状態の鋼材部品を投入し、
前記第１所定温度より低い、前記炉内雰囲気の温度と前記鋼材部品の温度とが平衡する第２所定温度で、前記鋼材部品を所定時間保持したのち、
前記鋼材部品を前記第２所定温度より高い表面硬化熱処理温度まで加熱する鋼材部品の熱処理方法。
前記表面硬化熱処理温度が、前記鋼材部品の浸炭温度、窒化温度又は浸炭窒化温度である請求項１に記載の鋼材部品の熱処理方法。
前記第２所定温度が、前記鋼材部品の再結晶温度±１００℃である請求項１又は２に記載の鋼材部品の熱処理方法。
前記第２所定温度で保持する前記所定時間が、５〜１５分である請求項３に記載の鋼材部品の熱処理方法。
前記一定の熱容量を有する炉内雰囲気を形成したのち、前記熱処理炉への熱量の付加を停止した状態で前記熱処理炉に室温状態の鋼材部品を投入する請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼材部品の熱処理方法。