JP2019014945A - 鋼材部品の焼入れ方法及び焼入れ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却速度を確保しつつ鋼材部品の温度を均一にできる焼入れ方法及び焼入れ装置を提供する。【解決手段】鋼材部品１をその金属組織がオーステナイト組織となる温度以上に昇温したのち冷媒ガスを用いて急冷する焼入れ方法において、前記鋼材部品に供給される前の冷媒ガス温度Ｔ１と前記鋼材部品に供給された後の冷媒ガス温度Ｔ２との温度差を含む焼入れ炉の冷却能力を検出して登録し、焼入れ時の雰囲気圧力Ｐを、登録された前記冷却能力に応じて補正し、補正後の雰囲気圧力にて、その後の鋼材部品の焼入れを行う。【選択図】 図３

Description

本発明は、鋼材部品の焼入れ方法及び焼入れ装置に関するものである。

鋼材部品の焼入れは、鋼材部品の金属組織がオーステナイト組織になる温度以上に鋼材部品を昇温したのち急冷することで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。マルテンサイト変態は、鋼材部品の冷却曲線がマルテンサイト変態開始温度Ｍｓに達したときに開始し、マルテンサイト変態完了温度Ｍｆに達したときに終了するが、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点に達する前に、ベナイト変態開始温度Ｂｓ又はフェライト変態開始温度Ｆｓに達してしまうとマルテンサイト組織は得られない。したがって、焼入れ処理には鋼材部品を均一な温度で急冷することが必要とされる。鋼材部品の冷却温度を均一にする方法として、冷却温度のばらつきが大きくなったら、一定温度に制御した高熱伝導率の成型熱処理型に部品を押し当てることで温度を均一化し、その後、冷却を再開するという方法が知られている（特許文献１）。

特開平９−２９６２１４号公報

しかしながら、上述した従来方法では、冷却を途中で中断するため、焼入れ処理のように急冷手法に適用すると、冷却速度が不十分になり易いという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、冷却速度を確保しつつ鋼材部品の温度を均一にできる焼入れ方法及び焼入れ装置を提供することである。

本発明は、鋼材部品をその金属組織がオーステナイト組織となる温度以上に昇温したのち冷媒ガスを用いて急冷する際に、鋼材部品に供給される前の冷媒ガス温度と鋼材部品に供給された後の冷媒ガス温度との温度差を含む焼入れ炉の冷却能力を検出して登録し、焼入れ時の雰囲気圧力を、登録された前記冷却能力に応じて補正し、補正後の雰囲気圧力にて、その後の鋼材部品の焼入れを行うことによって上記課題を解決する。

本発明によれば、鋼材部品に供給される前の冷媒ガス温度と鋼材部品に供給された後の冷媒ガス温度との温度差を含む焼入れ炉の実際の冷却能力を検出して登録し、このデータに基づいて焼入れ時の雰囲気圧力を補正する。これにより、焼入れ炉の冷却能力が経時劣化しても、雰囲気圧力で補正するので、冷却速度を確保しつつ鋼材部品の温度を均一にできる焼入れ方法及び焼入れ装置を提供することができる。

本発明に係る鋼材部品の焼入れ方法及び焼入れ装置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焼入れ装置の一実施の形態を示す断面図である。 図２の制御器にて実行される処理を示すフローチャートである。 本発明に係る焼入れ装置の実施例による冷却能力と比較例による冷却能力を示すグラフである。

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焼入れ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。

本実施形態の鋼材部品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。

本実施形態の鋼材部品１は、まず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、面削加工を実施し、鋼材部品１の表面の黒皮を除去する。この後に、焼入れなどの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、焼入れの他にも、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、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焼入れを行うものとして、本発明に係る焼入れ方法及び焼入れ装置を説明する。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２は、本発明に係る焼入れ装置１００の一実施の形態を示す断面図である。本実施形態の焼入れ装置１００は、上面及び下面が開口した直方体形状の焼入れ炉１０１と、冷媒ガス入口フード１０２と、冷媒ガス出口フード１０３と、熱交換器からなる冷媒ガスの冷却器１０４と、冷媒ガスを循環する給気ファン１０５と、冷媒ガス出口フード１０３と給気ファン１０５と冷媒ガス入口フード１０２に接続されて冷媒ガスが流れる配管（またはダクト）１０６と、配管１０６に設けられた流量調節弁１０７と、を備える。

焼入れ炉１０１の対向する側壁には、密閉性ドアを有する投入口１０８と密閉性ドアを有する排出口１０９とが設けられ、焼入れ対象となる上述した鋼材部品１がトレイ１１０に搭載された状態で、投入口１０８から焼入れ炉１０１内に投入され、焼入れ処理が終了したら排出口１０９から次工程へは搬出される。トレイ１１０は、窒素ガス等からなる冷媒ガスの通流が可能となるよう格子状に構成され、冷媒ガスが全ての鋼材部品１に均等に接触するように、複数の鋼材部品１が規則的に載置されている。

冷却器１０４は、冷却水を冷却するクーラー１１１と冷却水を循環するポンプ１１２とを有する冷却水循環系が接続された熱交換器からなり、冷媒ガス入口フード１０２から給気された冷媒ガスが冷却器１０４を通過する際に、冷却水との間で熱交換が行われ（すなわち冷媒ガスの熱が冷却水に抜熱され）、これにより冷媒ガスが焼入れの急冷に適した所定温度に冷却される。一方、冷却器１０４の熱交換により冷媒ガスから吸熱した冷却水はポンプ１１２によってクーラー１１１に供給され、ここで再び所定温度まで冷却される。

給気ファン１０５は、図示しないモータによりファンが回転することで、冷媒ガスを給気ファン１０５→冷媒ガス入口フード１０２→冷却器１０４→焼入れ炉１０１→冷媒ガス出口フード１０３→配管１０６→流量調節弁１０７→配管１０６→給気ファン１０５という順で冷媒ガスを循環させる。このうち流量調節弁１０７は、給気ファン１０５の背圧（すなわち給気ファン１０５の吸込口の圧力）を調整するものであり、給気ファン１０５による体積流量（ｍ^３／ｓｅｃ，冷媒ガスの流速（ｍ／ｓｅｃ）×焼入れ炉１０１の横断面積（ｍ^２））が等しければ、流量調節弁１０７の開口面積を小さくすると焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力が高くなり、流量調節弁１０７の開口面積を大きくすると焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力が低くなる。したがって、給気ファン１０５による体積流量と流量調節弁１０７による背圧とを制御することで、焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力Ｐを制御することができる。

給気ファン１０５により冷媒ガス入口フード１０２に導かれた冷媒ガスは、徐々に拡径する冷媒ガス入口フード１０２に沿って広がり、冷却器１０４を通過する。そして、冷却器１０４を通過して冷却された冷媒ガスは、図２に矢印で示すように焼入れ炉１０１の全体に亘って流下し、トレイ１１０上に載置された複数の鋼材部品１に接触して抜熱し、これにより鋼材部品１は冷却される。一方、トレイ１１０を通過した冷媒ガスは、鋼材部品１からの吸熱により昇温し、冷媒ガス出口フード１０３に至る。

本実施形態の焼入れ装置１００は、トレイ１１０に載置された鋼材部品１の直上の冷媒ガス温度Ｔ１を検出する第１温度センサ１１３と、トレイ１１０を通過した直下の冷媒ガスの温度Ｔ２を検出する第２温度センサ１１４とを備え、それぞれの温度Ｔ１，Ｔ２に相当する検出信号は、制御器１１５に出力される。本例の第１温度センサ１１３及び第２温度センサ１１４は、焼入れ炉１０１の中心部分を通過する冷媒ガスの温度を検出するように設けられているが、これに代えて、トレイ１１０に載置された鋼材部品１の直上の冷媒ガス温度を複数個所で検出する複数の第１温度センサ１１３と、トレイ１１０を通過した直下の冷媒ガスの温度を同じく複数個所で検出する複数の第２温度センサ１１４とを設けてもよい。

制御器１１５は、第１温度センサ１１３及び第２温度センサ１１４によって検出された温度Ｔ１，Ｔ２を用いて焼入れ装置１００の冷却能力を演算する。具体的には、冷却速度ｈ（ｄｅｇ／ｓｅｃ）＝冷媒ガスの流速（ｍ／ｓｅｃ）×焼入れ炉１０１の横断面積（ｍ^２）×焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力（Ｐａ）×（Ｔ２−Ｔ１）（ｄｅｇ）により鋼材部品１の冷却速度が求められる。ここで、冷却ガスの流速は給気ファン１０５の駆動条件から求められ、焼入れ炉１０１の横断面積は既知であり、焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力は給気ファン１０５と流量調節弁１０７の開度から求められる。

しかしながら、冷却器１０４による冷却能力の劣化や焼入れ炉１０１の断熱効果の劣化などの諸要因により、焼入れ装置１００の冷却能力が経時的に劣化する。そのため、本実施形態の焼入れ装置１００においては、この冷却能力の経時的劣化を補正するために、以下の処置を講じる。図３は、制御器１１５にて実行される処理を示すフローチャートである。

まずステップＳ１において、焼入れを行う鋼材部品１が初期ロットであるか否かを判断する。またはこれに代えて、焼入れ装置１００の使用初期であるか否かを判定する。鋼材部品１の初期ロット又は焼入れ装置１００の使用初期としては、初回のみに限らず、初回から複数回を含めてもよい。ここにいう初期ロット又は使用初期とは、焼入れ装置１００の冷却能力が経時劣化する前の、基準となる冷却能力を、登録として記録するための初期ロット又は使用初期を意味する。

焼入れを行う鋼材部品１が初期ロット又は焼入れ装置１００の使用初期である場合は、ステップＳ２へ進み、上述した冷却速度の算出式［冷却速度ｈ１＝冷媒ガスの流速×焼入れ炉１０１の横断面積×焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力×（Ｔ２−Ｔ１）］を用いて基準となる冷却速度ｈ１を求め、制御器１１５に記録する。なお、第１温度センサ１１３による温度Ｔ１と第２温度センサ１１４による温度Ｔ２は、所定時間間隔で検出されるので、鋼材部品１を焼入れ炉１０１に投入して冷却を開始してから時間が経過するのにともなって温度差Ｔ２−Ｔ１は徐々に小さくなる。したがって、上記計算式で用いる温度差Ｔ２−Ｔ１は最大値を用いる。ステップＳ３では、焼入れを行う鋼材部品１が初期ロット又は焼入れ装置１００の使用初期であり、冷却能力としては問題がないことから、そのまま現在の条件で冷却、すなわち焼入れを行う。

焼入れ装置１００による焼入れ処理が複数回行われ、ステップＳ１において第ｎ回のロットになると、ステップＳ４へ進み、上述した冷却速度の算出式［冷却速度ｈ（ｎ）＝冷媒ガスの流速×焼入れ炉１０１の横断面積×焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力×（Ｔ２−Ｔ１）］を用いて基準となる冷却速度ｈｎを求め、制御器１１５に記録する。第ｎ回の数値ｎとしては特に限定されないが、冷却能力の経時的劣化が比較的小さいと予測されるｎの値を設定することが望ましい。ステップＳ５では、焼入れを行う鋼材部品１が第ｎロットであり、冷却能力としては比較的問題がないことから、そのまま現在の条件で冷却、すなわち焼入れを行う。

ステップＳ１において、鋼材部品１の第（ｎ＋１）回以降のロットにおいては、ステップＳ６へ進み、初期ロットの焼入れ時に記録した冷却速度ｈ１（ステップＳ２）と、前回の第ｎ回のロットの焼入れ時に記録した冷却速度ｈ（ｎ）（ステップＳ４）とを用いて、焼入れ炉１０１内の雰囲気圧力Ｐ（ｎ＋１）を、Ｐ（ｎ＋１）＝Ｐ（ｎ）＋（ｈ１−ｈ（ｎ））^０．７５の関係式を用いて演算する。すなわち、今回の焼入れ条件のうちの雰囲気圧力を、前回の雰囲気圧力に、初期の冷却速度に対して低下した冷却速度の０．７５乗の圧力値を加算した圧力に設定する。そして、ステップＳ７にて、演算されたＰ（ｎ＋１）と前回の雰囲気圧力Ｐ（ｎ）の差（つまり補正値）の１０倍と、前回の雰囲気圧力Ｐ（ｎ）とを加算した雰囲気圧力が１ＭＰａ以下である場合は、ステップＳ８へ進み、演算されたＰ（ｎ＋１）の雰囲気圧力となるように流量調節弁１０７の開度を小さくし（これに加えて給気ファン１０５の体積流量を制御してもよい）、この条件で焼入れを行う。これに対して、演算されたＰ（ｎ＋１）と前回の雰囲気圧力Ｐ（ｎ）の差（つまり補正値）の１０倍と、前回の雰囲気圧力Ｐ（ｎ）とを加算した雰囲気圧力が１ＭＰａを超える場合は、焼入れ雰囲気圧力としては不適切な圧力であるため、ステップＳ９へ進んで警報を発し、オペレータに喚起する。

なお、本実施形態の焼入れ方法及び焼入れ装置１００では、冷却能力の劣化相当分を、雰囲気圧を増加させることで補填するが、このときの補正値である「初期の冷却速度と前回の冷却速度との差の０．７５乗」との数値は、実験又はコンピュータシミュレーションにより求められた数値である。図４は、本発明に係る焼入れ装置１００の実施例による冷却能力と比較例による冷却能力を示すグラフである。実施例は、図３に示すように焼入れ炉１０１の雰囲気圧力を補正して焼入れを行った場合を示し、比較例は同じ焼入れ装置を用いて図３に示す補正を行うことなく焼入れを行った場合を示す。図４の初期冷却能力曲線に示すように、初期の冷却能力は、横軸の焼入れ時間（０が焼入れ開始時）に対して、４分で５８００Ｗの最大値を示した。これに対し、実施例の冷却能力も焼入れ開始４分後に５７００Ｗの最大値を示したが、比較例の冷却能力は焼入れ開始４分後に４３００Ｗの最大値しか示さなかった。

以上のとおり、本実施形態の焼入れ方法及び焼入れ装置によれば、鋼材部品１に供給される前の冷媒ガス温度Ｔ１と鋼材部品１に供給された後の冷媒ガス温度Ｔ２との温度差を含む焼入れ炉の実際の冷却能力を検出して記録し、このデータに基づいて焼入れ時の雰囲気圧力Ｐ（ｎ＋１）を補正するので、焼入れ炉１０１の冷却能力が経時劣化しても、冷却速度を確保しつつ鋼材部品１の温度を均一にすることができる。

上記給気ファン１０５が本発明に係る給気機に相当し、上記給気ファン１０５及び配管１０６が本発明に係る冷媒ガス供給系に相当し、上記流量調節弁１０７が本発明に係る圧力制御器に相当し、上記第１温度センサ１１３及び第２温度センサ１１４が本発明に係る温度差検出器に相当する。

１…鋼材部品
１１…軸受部
１２ピン圧入部
１３…ネジ部
１３Ａ…ネジ孔
１００…焼入れ装置
１０１…焼入れ炉
１０２…冷媒ガス入口フード
１０３…冷媒ガス出口フード
１０４…冷却器
１０５…給気ファン
１０６…配管
１０７…流量調節弁
１０８…投入口
１０９…排出口
１１０…トレイ
１１１…クーラー
１１２…ポンプ
１１３…第１温度センサ
１１４…第２温度センサ
１１５…制御器

Claims (6)

1. 鋼材部品をその金属組織がオーステナイト組織となる温度以上に昇温したのち冷媒ガスを用いて急冷する焼入れ方法において、
   前記鋼材部品に供給される前の冷媒ガス温度と前記鋼材部品に供給された後の冷媒ガス温度との温度差を含む焼入れ炉の冷却能力を検出して登録し、
   焼入れ時の雰囲気圧力を、登録された前記冷却能力に応じて補正し、
   補正後の雰囲気圧力にて、その後の鋼材部品の焼入れを行う鋼材部品の焼入れ方法。
2. 前記焼入れ炉の冷却能力は、冷却速度を含み、
   前記冷却速度は、前記焼入れ炉に供給された冷媒ガスの体積流量と、前記焼入れ炉内の雰囲気圧力と、前記温度差とを乗算して求める請求項１に記載の鋼材部品の焼入れ方法。
3. 前記焼入れ時の雰囲気圧力は、初期冷却速度に対する冷却速度の低下値の０．７５乗の値を、現在の雰囲気圧力に加算することにより補正する請求項１又は２に記載の鋼材部品の焼入れ方法。
4. 補正前の雰囲気圧力に、補正する雰囲気圧力の１０倍値を加算した雰囲気圧力が、１ＭＰａを超えると警報を発する請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼材部品の焼入れ方法。
5. 鋼材部品が投入される焼入れ炉と、
   前記焼入れ炉に投入された鋼材部品に冷媒ガスを供給する、給気機及び配管を含む冷媒ガス供給系と、
   前記焼入れ炉内の雰囲気圧力を制御する圧力制御器と、
   前記鋼材部品に供給される前の冷媒ガス温度と前記鋼材部品に供給された後の冷媒ガス温度との温度差を検出する温度差検出器と、
   前記温度差を含む焼入れ炉の冷却能力を演算して登録するとともに、前記焼入れ炉の雰囲気圧力を、登録された前記冷却能力に応じて補正し、補正後の雰囲気圧力にて、その後の鋼材部品の焼入れを行う制御器と、を備える鋼材部品の焼入れ装置。
6. 前記圧力制御器は、前記冷媒ガス供給系の背圧を制御する流量制御弁を含み、
   前記制御器は、前記その後の鋼材部品の焼入れを行う場合に、前記給気機と前記流量制御弁を制御して、前記焼入れ炉内の雰囲気圧力を補正後の雰囲気圧力にする請求項５に記載の鋼材部品の焼入れ装置。

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