JP4223995B2 - 鉄系焼結ワークの熱処理方法 - Google Patents

Description

この発明は、焼結後の熱処理工程を改善して品質の安定した焼結スプロケットなどを焼き割れを防止して製造することを可能ならしめた鉄系焼結ワークの熱処理方法に関する。

例えば、焼結スプロケットは、鉄系の原料粉末を圧粉成形して焼結した後、必要に応じてサイジングや機械加工を施し、その後、歯部を強化するために焼き入れと焼き戻しを行って製造される。

焼き入れと焼き戻しは、歯部の高周波焼き入れ（高周波誘導加熱による焼き入れ）を行い、その後、誘導焼き戻し（低周波誘導加熱による焼き戻し）を行う方法が、設備のライン化が図れ、炉中焼き戻しを行う場合に比べて生産性やコスト面で有利である。

この高周波焼き入れと誘導焼き戻しを歯車などのワークについて行う焼き入れ焼き戻し装置が、例えば、下記特許文献１に開示されている。

ところが、熱処理するワークを搬送ラインに流して順番に処理するこの方法では、季節による室温の変動や焼き入れ加熱前のワークの温度のばらつき、焼き入れ冷却効果のばらつき等の影響を受けて焼き入れ冷却後のワーク温度がばらつきやすくなる。焼き入れ冷却後のワーク温度がばらつくと、誘導焼き戻し時の最高到達温度がばらつき、焼き戻しが不十分になって歯部の靱性が低下したり、焼き戻し過剰により歯部の硬度が低下するなど、ワークの品質にばらつきが生じる。また、焼き入れ冷却後のワーク温度をある程度安定させるために焼き入れ冷却時間を長くすると、短時間のうちにワーク温度が低くなりすぎて焼き割れが発生することがある。

なお、下記特許文献２は、焼き入れする際に、焼き戻し開始時のワークの内部残熱温度とほぼ等しい温度を有する冷却液でワークを冷却して焼き戻し開始時のワーク温度を安定させることを述べているが、この方法は、高周波誘導子をワークに沿って移動させながら焼き入れと焼き戻しを行う場合には有効であるが、焼き入れしたワークを別工程に移して焼き戻しを行う熱処理方法に適用するのは難しい。
特開平７−２３３４１２号公報 特開２００１−１１５２１２号公報

この発明は、焼き入れ後のワークを焼き戻し工程に搬送して誘導焼き戻しを行う熱処理方法において、焼き戻し開始時の温度のばらつきを抑制してその温度ばらつきに起因した品質のばらつきや焼き割れを減少させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、原料粉末を圧粉成形後に焼結して得られるワークを搬送して焼き入れ工程でそのワークの一部分の高周波焼き入れを行い、その後、焼き戻し工程で誘導焼き戻しを行う鉄系焼結ワークの熱処理方法において、
Ａ℃：５０℃〜２００℃
Ｂ℃：（３０℃〜８０℃の範囲内の一定温度）±１０℃
として、
前記焼き入れ工程と焼き戻し工程の間に、焼き入れ後にＡ℃まで冷却されたワークをＡ℃よりも低温のＢ℃に一定時間保持する中間工程を設け、
さらに、焼き戻し工程で最高到達温度を１５０℃〜４００℃の範囲に制御することを特徴とする鉄系焼結ワークの熱処理方法を提供する。

中間工程での温度保持は、液温をＢ℃に管理した液槽中にワークを浸漬して行うことができる。この中間工程での温度保持時間は３〜２０分とする。

また、焼き入れ後にワークの焼き入れ部位がＡ℃まで冷却されてから、ワークが中間工程に入るまでの時間は７秒〜６０秒にする。

鉄系焼結ワークは、高周波焼き入れする部位を有する部品として、歯部の焼き入れを要求される焼結スプロケットや焼結歯車が多用されており、これらを適用対象にする。

焼き入れ冷却後のワークの焼き入れ部位の温度を５０℃〜２００℃に規定したこと、及び焼き入れ工程と焼き戻し工程の間に中間工程を設けてワーク全体を焼き入れ冷却後のワークの焼き入れ部位の温度よりも低温の（３０℃〜８０℃の範囲内の一定温度）±１０℃に一定時間保持するようにしたことにより、マルテンサイト変態によってワークの焼き入れ部に発生する引っ張り応力が低減され、これによって焼き割れが減少する。特に、鉄系焼結ワークが鉄系焼結スプロケットや鉄系焼結歯車の歯部のように焼き入れされる部位が凹凸を有し、マルテンサイト変態によって発生する引っ張り応力が凹部（歯底部）に集中する形状の場合には、焼き割れ低減効果を最も顕著に発揮できる。

また、中間工程を設けて焼き戻し開始時のワーク全体の温度を安定させたことにより、誘導焼き戻しでの最高到達温度を１５０℃〜４００℃の範囲内の適切な温度に安定して制御して最高到達温度のばらつきを小さくすることができ、これにより、焼き戻しの過不足がなくなってワークの品質が安定する。特に、中間工程での温度保持を液温をＢ℃に管理した液槽中にワークを浸漬して行うことで、ワーク全体の温度を比較的短時間で均一にすることができる。

以下、この発明の実施の形態を、添付図面の図１〜図６に基づいて説明する。この発明の熱処理方法では、コンベヤを用いてワークを１個流しで搬送し、図１に示すように、高周波焼き入れ、ワーク搬送、中間工程、ワーク搬送、誘導焼き戻しの各工程を順に経て熱処理を完了する。そして、その後に処理したワークを再度搬送し、設備の出口に送り出す。

図２に、焼き入れ開始から焼き戻し終了迄のワークの被熱処理部位の温度変化と時間経過の関係の具体例を示す。

高周波焼き入れは、図３に示すような高周波誘導加熱コイル１を用いて行う。図示の高周波誘導加熱コイル１は、高周波電源（図示せず）に接続され、内周面に冷却液の噴射孔２を有しており、搬送路の始端側の上方に配置されている。図４に示すように、ワークＷは、回転機能と昇降機能を持つワークテーブル３に載せられて高周波誘導加熱コイル１の内側に持ち上げられ、高周波誘導加熱コイル１に通電することにより所定時間加熱される。このときの加熱は、ワークＷをワークテーブル３で回転させながら行われる。その後、高周波誘導加熱コイル１の噴射孔２から噴射される冷却液により冷却される。

次に、所定の温度まで冷却されたワークＷは、中間工程に向けて搬送され、ここで所定範囲の温度に管理されて所定時間保持される。中間工程では、図５に示すように、ワークＷが網状パレット４上に移し替えられる。網状パレット４は、ワークＷを受け取ると、下降して液槽５内に沈み込み、液槽５内をゆっくりと移動して所定時間経過後に液面上に上昇する。液槽５内の液体６は所定の温度に管理されており、この工程でワークＷの温度が落ちつく。

なお、高周波焼き入れ工程で使用する冷却液としては、油又は水を用いるが、水を冷却液として使用する場合には、焼き割れを防ぐためにポリビニルアルコールなどの焼き割れ防止剤を水に含ませることがある。この場合、冷却液中の焼き割れ防止剤がワークの表面に付着して残留して錆の原因となることがあるが、中間工程で、洗浄剤を含有した液体６（水を主成分とするものでよい）を使用して付着した高分子成分を洗い落とすことができ、ポリビニルアルコールなどの高分子成分を使用することによる不具合がなくなる。

液槽５を出たワークＷは、再び搬送されて誘導焼き戻し工程へと送られる。焼き戻し工程では、図６に示すように、回転機能と昇降機能を持つワークテーブル７に載せられて低周波誘導加熱コイル８の内側に持ち上げられ、その低周波誘導加熱コイル８に通電することにより所定時間加熱され、加熱後に冷却ファンにより強制空冷して熱処理設備の出口へと搬送される。高周波焼き入れ工程での冷却は、ワークの焼き入れ冷却直後の焼き入れ部位の温度がＡ℃、即ち５０℃〜２００℃になるところまで行われる。ここでの冷却温度Ａ℃を５０℃〜２００℃に限定した理由は、５０℃以上で焼き割れの防止が十分になされ、また、２００℃以下で要求硬度が確保できることによる。

中間工程では、ワーク全体の温度がＢ℃に管理される。Ｂ℃は、（３０℃〜８０℃の範囲内の一定温度）で、焼き戻しの最高到達温度の均一化のために目標温度のばらつきは小さい方がよいので、目標温度との誤差を±１０℃とした。ワークＷの維持温度Ｂ℃は、２０℃以下では効果の飽和が起こるので、２０℃を下限にした。この温度が９０℃以下で焼き入れ部位の硬度不足の問題を回避することができる。

中間工程での温度保持時間は、３分より短くてはワークの温度ばらつきを±１０℃以下にすることが困難となり、また、２０分より長くすると効果の飽和、生産効率の低下につながるので３分〜２０分にするのがよい。

また、ワークの焼き入れ部位が焼き入れ後にＡ℃まで冷却されてからワークが中間工程に入るまでの時間は、７秒より短くては焼き割れが発生する確率が高くなり、また、６０秒よりも長くすると効果の飽和、生産性の低下につながるので、７〜６０秒にするのがよい。

さらに、焼き戻し工程での焼き戻し部位の最高到達温度は、１５０℃より低いと歯部の靱性が極度に低下し、４００℃を越えると歯部の硬度が極度に低下してしまうので、１５０〜４００℃の範囲に制御するのがよい。

以下に、より詳細な実施例を挙げる。
２ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．８ｍａｓｓ％Ｃ−残Ｆｅの組成の鉄系焼結合金で形成されたワーク（焼結スプロケット）を、この発明の方法で熱処理した。
図２に示す高周波焼き入れの加熱時間ｔ₁ を３．７秒としてワークの歯部を約１０００℃まで加熱し、次いでｔ₂ ：２．５秒の冷却を行って、ワークの歯部の温度（狙い値）をＡ℃＝１２０℃まで低下させた。冷却を完了してから１５秒をかけてワークを中間工程へ搬送し、その後、中間工程の図５の液槽内でワーク全体の温度をＢ℃＝４５℃まで低下させ、この温度でｔ₃ ：約１０分保持した。そして、これを誘導焼き戻し工程に送り、ｔ₄ ：７．５秒の焼き戻し加熱を施してワークの歯部の温度（狙い値）が３００℃となるように加熱した。その後、冷却ファンによる強制空冷を行い、完成したワークを得た。

この方法での、試料数１０００個平均での焼き割れ発生率と歯部の硬さのばらつきを表１に示す。この表１の比較例１、２は、それぞれ図７、図８のワークの歯部の温度と時間の関係に示すように中間工程を経ずに焼き入れ後のワークを焼き戻ししたときのデータである。

なお、硬さデータについては、連続１０００個熱処理されたワークのうちの１個目、５０個目、１００個目、１５０個目、２００個目・・・の順に１０００個目まで５０個おきのワークをそれぞれ抜き取って硬さ（ロックウエルＡスケール）を測定した。

中間工程を設けてワークの焼き戻し前の温度を安定させることの有効性が、この比較試験結果によく現れている。

なお、この発明は、焼結歯車や他の焼結機械要素の熱処理に利用しても優れた効果を発揮する。

この発明の熱処理方法を示すフローチャート 図１の方法でのワークの被熱処理部位の温度変化と時間経過の関係を示す図 高周波誘導加熱コイルの概要を示す斜視図 ワークの高周波誘導加熱方法を示す断面図 中間工程での温度保持方法を示す断面図 誘導焼き戻しでの加熱方法を示す断面図 比較例１のワークの被熱処理部位の温度変化と時間経過の関係を示す図 比較例２のワークの被熱処理部位の温度変化と時間経過の関係を示す図

符号の説明

１ 高周波誘導加熱コイル
２ 噴射孔
３、７ ワークテーブル
４ パレット
５ 液槽
６ 液体
８ 低周波誘導加熱コイル

Claims (2)

1. 原料粉末を圧粉成形後に焼結して得られるワークが鉄系焼結スプロケット、または、鉄系焼結歯車であり、そのワークを搬送して焼き入れ工程でそのワークの歯部の高周波焼き入れを行い、その後、焼き戻し工程で誘導焼き戻しを行う鉄系焼結ワークの熱処理方法において、
   Ａ℃：５０℃〜２００℃
   Ｂ℃：（３０℃〜８０℃の範囲内の一定温度）±１０℃
   として、
   前記焼き入れ工程と焼き戻し工程の間に、焼き入れ後にＡ℃まで冷却されたワークをＡ℃よりも低温のＢ℃に液温を管理した液槽中に浸漬して３〜２０分間保持する中間工程を設け、
   焼き入れ後にワークの焼き入れ部位がＡ℃まで冷却されてから、ワークが前記中間工程に入るまでの時間を７秒〜６０秒とし、
   さらに、焼き戻し工程で最高到達温度を１５０℃〜４００℃の範囲に制御することを特徴とする鉄系焼結ワークの熱処理方法。
2. 前記焼き入れ工程で使用する冷却液が焼き割れ防止剤を含ませた水であり、前記中間工程での液槽中の液体として洗浄剤を含有した液体を使用し、前記焼き入れ工程における冷却過程でワークに付着した焼き割れ防止剤を中間工程での液槽中への浸漬時に洗い落とすことを特徴とする請求項１に記載の鉄系焼結ワークの熱処理方法。

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