JP2019014932A - 鋼材部品の熱処理方法 - Google Patents

鋼材部品の熱処理方法 Download PDF

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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。
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 (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
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