JP5169030B2 - 焼入れ方法および焼入れ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに対し加熱後冷却を行う焼入れ方法および焼入れ装置に係わり、特にワークとして鋳造アルミ合金を溶体化温度まで加熱した後冷却する焼入れ方法および焼入れ装置に関する。

近年、自動車の軽量化に伴い使用されるアルミニウム鋳物部品の高強度化の要求が高まっている（下記特許文献１参照）。このようなアルミニウム鋳物部品に使用されるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のアルミ合金で製造するシリンダブロックにおいても例外ではない。

従来は鋳造・凝固時に生じる鋳物の歪みを開放（除去）する目的でＴ５熱処理（２００℃〜２５０℃）を実施していたが、近年のエンジンの高出力化に対応すべく、クランクシャフト支持部を有するバルク部の高強度化を狙ったＴ６，Ｔ７熱処理を実施する必要が生じている。

Ｔ６，Ｔ７熱処理は、溶体化処理（５００℃程度）で溶質元素を拡散させる工程と、過飽和固溶体を作る焼入れ工程と、析出層を形成する人工時効（２００℃程度）の３工程からなり、Ｔ５熱処理に比較して、高温になることと、焼入れにより急激に冷却することが特徴である。

特開２００６−２２６５６１号公報

しかしながら、上記したＴ６，Ｔ７熱処理では、焼入れにより急激な冷却を行うために、鋳物に残留応力・歪を発生させ、特に寸法精度が要求されるシリンダボア部が変形すると、その後の加工取代を大きく設定する必要が生じるなど、生産性の低下を招く。

また、シリンダボア部に鋳鉄製のライナを鋳包むタイプのアルミシリンダブロックにおいては、アルミ鋳物本体と鋳包んでいる鋳鉄ライナとの熱膨張差によりライナ剥がれが発生し、エンジンとして燃焼室の熱の逃げが悪くなる虞がある。

このため、実際の熱処理においては、焼入れ時の冷却速度を遅くするために、焼入れ媒体として水ではなくて、空気を利用するなどの手段をとらざるを得ず、結果として熱処理によって得られる材料特性も、前述したバルク部の高強度化が充分達成できないものとなる。

すなわち、現状では、シリンダブロックにおけるシリンダボア部の寸法高精度化を維持しつつ、バルク部の高強度化を達成できないものとなっている。

そこで、本発明は、ワークを焼入れする際に部位毎に必要な材料特性を確保できるようにすることを目的としている。

本発明は、ワークに対し、その部位毎に冷却速度を変えてそれぞれ冷却することで、前記各部位毎に材料特性を変化させる焼入れ方法であって、前記ワークは、エンジンのシリンダブロックであり、該シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対する冷却速度を、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺を冷却する冷却速度より遅くすることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、ワークの部位毎に応じて冷却速度を変えて冷却することで、該部位毎に材料特性を変化させ必要な材料特性を確保することができる。
また、シリンダボア部周辺に対しては冷却速度を遅くすると同時に、クランクシャフト支持部周辺に対しては冷却速度を速くしているので、シリンダボア部周辺の変形を抑えてボア寸法の高精度化を維持しつつ、クランクシャフト支持部周辺の高強度化を達成して、エンジンの高出力化に対応可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる焼入れ装置による焼入れ方法を示す動作説明図で、ワークとしてＶ型エンジンのシリンダブロック１を用いている。このシリンダブロック１は、アルミ合金製の鋳造材であり、重力鋳造法、低圧鋳造法あるいは高圧鋳造法などの工法で鋳造される。

このようなシリンダブロック１は、溶体化処理（５００℃程度）で溶質元素を拡散させた後、図１に示す焼入れ装置にて過飽和固溶体を作る焼入れ作業を実施する。焼入れ作業の後は、析出層を形成する人工時効（２００℃程度）を実施する。

図１に示す焼入れ装置は、液体冷却手段を構成する、液体を貯留する液体貯留手段としての水槽３を備え、該水槽３内に液体としての水５を貯留している。水槽３の側部には給排水管７を接続して水の供給および排出を行う。また、水槽３の側部上端には水５の水面５ａの位置（水位）を検出する水位センサ９を設けている。

また、水槽３の図１中で左右両側の平坦部１１の上方には、気体冷却手段を構成する、送風手段としてのファンやブロワからなる送風機１３を配置している。

さらに、平坦部１１上には、送風機１３を駆動する際の水５の上方への跳ね上がりを防止する跳ね上がり防止部材としての跳ね上がり防止板１５を設置している。この跳ね上がり防止板１５は、駆動シリンダ１７のピストンロッド１９の先端に連結され、図１（ａ），（ｂ）に示す待機位置である後退限位置と、図１（ｃ）に示す作業位置である前進限位置との間を移動可能である。跳ね上がり防止板１５は、後退限位置では先端が水槽３の側部にほぼ対応する位置にあり、前進限位置では水槽３内に配置したシリンダブロック１の側部に先端が近接する位置にある。

シリンダブロック１は、本焼入れ装置に搬入する前に、前述したように溶体化処理を実施しており、その後図１（ａ）に示すように、ワーク保持手段であるパレット２１上に載置した状態で適宜図示しない搬入機構を用いるなどして水槽３の上方に移動させ、さらに図１（ｂ）のように下降させて、水槽３の水５の中に下部を浸した状態とする。

この際シリンダブロック１は、上部がシリンダボア部２３、下部がクランクシャフト支持部２５ａを有するバルク部２５となる状態で、クランクシャフト支持部２５ａを含むバルク部２５の一部を水５の中に浸した状態となる。また、このとき、送風機１３の送風方向前方に、シリンダブロック１のシリンダボア部２３が位置する状態とする。

また、パレット２１は、上記したバルク部２５の下端部を支持する、図１中で紙面に直交する方向に延びるロッド状の支持部２１ａと、シリンダブロック１の周囲四方を囲むように立設する側壁部２１ｂとを備えている。

次に、上記した構成の焼入れ装置による焼入れ方法について説明する。図１（ａ）に示すように、シリンダブロック１を、パレット２１上に載置した状態で適宜図示しない搬入機構を用いるなどして水槽３の上方に移動させた後、図１（ｂ）のように下降させて、水槽３の水５の中に、バルク部２５のクランクシャフト支持部２５ａ周辺を浸した状態とする。

続いて、図１（ｃ）に示すように、駆動シリンダ１７のピストンロッド１９を前進駆動して跳ね上がり防止板１５を前進限位置とし、跳ね上がり防止板１５の先端をシリンダブロック１の側壁近傍位置とする。これにより、シリンダブロック１の外周側の水５を跳ね上がり防止板１５によって覆うことになる。

そしてこの状態で、送風機１３を駆動してシリンダボア部２３に向けて気体である空気２７を送り込む。

この場合、バルク部２５が水により急冷されると同時に、シリンダボア部２３が空気により水よりも緩やかに冷却される。すなわち、本実施形態では、ワークであるシリンダブロック１に対し、その部位毎であるバルク部２５やシリンダボア部２３に応じて水や空気を用いて異なる冷媒によりそれぞれ冷却している。

このような２種の冷媒を用いて冷却する焼入れ作業を所定時間行った後は、跳ね上がり防止板１５を、図１（ａ），（ｂ）の待機位置まで後退させた後、シリンダブロック１を載置してあるパレット２１を水槽３から引き上げて、次の人工時効を実施する図示しない時効炉にシリンダブロック１を搬送する。

図２は、シリンダブロック１におけるシリンダボア部２３とバルク部２５のそれぞれ２箇所ずつの冷却速度を、第１の実施形態（Ａ）と、空気のみの焼入れ（Ｂ）と、水のみの焼入れ（Ｃ）とで比較して示している。

これによれば、空気焼入れ（Ｂ）では冷却速度が全体として遅いので、シリンダボア部２３の変形を抑えられるものの、バルク部２５の高強度化が達成できず、一方水焼入れ（Ｃ）では冷却速度が全体として速いので、バルク部２５の高強度化を達成できるものの、シリンダボア部２３の変形を抑えることができない。

これに対して第１の実施形態では、シリンダボア部２３に対しては空気焼入れを実施して冷却速度を遅くすると同時に、バルク部２５に対しては水焼入れを実施して冷却速度を速くしているので、シリンダボア部２３の変形を抑えてボア寸法の高精度化を維持しつつ、バルク部２５の高強度化を達成して、近年のエンジンの高出力化に対応可能となる。

すなわち、本実施形態では、ワークの部位毎に必要な材料特性を確保していることになる。

また、シリンダボア部２３に鋳鉄製のライナを鋳包むタイプのアルミシリンダブロックにおいては、シリンダボア部２３を空気冷却により冷却速度を遅くしているので、アルミ鋳物本体と鋳包んでいる鋳鉄ライナとの熱膨張差を小さく抑えてライナ剥がれを防止でき、このためエンジン性能低下やピストン焼き付きといった不具合を防止することができる。

なお、本実施形態では、水没部位となるバルク部２５より上の水没していない部分も、水没側からの熱伝導によって空気だけの焼入れに比較して焼入れ速度が速まるので、その点も見越した水没範囲（水面位置）となるように、水位センサ９を利用して水面５ａの位置を設定しておく必要がある。

また、図１（ｃ）に示すように、焼入れ作業時には、跳ね上がり防止板１５により水面５ａを覆っているので、送風機１３が送風する空気の影響を受けて水槽３内の水５が跳ね上がるのを防止し、シリンダボア部２３に水が接触することによる冷却速度の変化を回避でき、シリンダボア部２３の空気による冷却を適正に行うことができる。

また、上記した跳ね上がり防止板１５は、必要時のみ前進させて先端をシリンダブロック１の近傍位置に設定できるので、焼入れ作業時にて露出する水面５ａを極力少なくすることができ、水跳ね現象を効率よく防止することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係わる焼入れ装置による焼入れ方法を示す動作説明図である。第２の実施形態は、前記図１に示した焼入れ装置に対し、水槽３の底部に気体気体供給通路としての気体供給管２９を接続している。

気体供給管２９は、水槽３の底部に設けた貫通孔３ａに挿入して接続し、かつ水５の中を貫通させて先端の気体吐出口２９ａを水面５ａより上方に位置させている。この際、気体吐出口２９ａは、左右のシリンダボアの下部開口の双方に連通するよう開口させている。

第２の実施形態では、焼入れ作業時には、第１の実施形態と同様に、バルク部２５を水槽３内にて水焼入れする一方、シリンダボア部２３を送風機１３により空気焼入れを実施する。この際、気体供給管２９に図示しない空気供給源から気体として空気を別途供給し、シリンダボア内に空気を送り込み、シリンダボア部２３を内部からも空気により冷却する。

このように、第２の実施形態においては、シリンダボア部２３を空気焼入れする際に、外側に加えて内側からも冷却するので、シリンダボア部２３全体をより均一に冷却でき、ボア部の変形をより一層抑えることが可能となる。

なお、前記した図２には、気体供給管２９からシリンダボア内に冷却空気を供給した場合のシリンダボア部２３の冷却速度を破線で示している。

図４は、本発明の第３の実施形態に係わる焼入れ装置による焼入れ方法を示す動作説明図である。第３の実施形態は、水槽３Ａを第１の実施形態の水槽３よりも深いものとし、該水槽３Ａ内に、シリンダブロック１を載せたパレット２１を昇降させる昇降手段としての昇降機構３１を設けている。

昇降機構３１は、パレット２１を載せるパレット受け台３３と、パレット受け台３３を昇降させる昇降駆動部３５とを備え、昇降駆動部３５は例えば油圧などを駆動源として昇降動作する。

第３の実施形態では、第１の実施形態と同様のシリンダブロック１を焼入れする場合には、バルク部２５に対する水面５ａの位置が第１の実施形態と同様となるように、昇降機構３１の昇降位置を設定する。

また、パレット２１上に載置したシリンダブロック１の水焼き入れするバルク部２５が、図に示すものより下方に長く形成されている場合や、逆に短く形成されている場合には、これら各例に合わせてシリンダブロックの高さ位置を昇降機構３１によって適宜変更することで、異種のシリンダブロックに対応することができる。

また、第３の実施形態では、シリンダブロック以外のワークを焼入れするに際し、ワーク全体を水没させて水焼入れする場合には、昇降機構３１を適宜最下降位置とし、空気焼入れのみが必要なワークに対しては、水槽３Ａの水５を排出することなく満たしたままで、昇降機構３１を最上昇位置として平坦部１１より上方にワークを位置させることで空気焼入れのみを実施することができる。

本発明の第１の実施形態に係わる焼入れ装置による焼入れ方法を示す動作説明図である。 シリンダブロックのシリンダボア部とバルク部のそれぞれ２箇所ずつの冷却速度を、本実施形態と、空気のみの焼入れと、水のみの焼入れとで比較して示した冷却速度特性図である。 本発明の第２の実施形態に係わる焼入れ装置による焼入れ方法を示す動作説明図である。 本発明の第３の実施形態に係わる焼入れ装置による焼入れ方法を示す動作説明図である。

符号の説明

１ シリンダブロック（ワーク）
３，３Ａ 水槽（液体貯留手段，液体冷却手段，冷却手段）
５ 水（液体，冷媒）
１３ 送風機（送風手段，気体冷却手段，冷却手段）
１５ 跳ね上がり板（跳ね上がり防止部材）
２３ シリンダボア部（ワークの部位）
２５ バルク部（クランクシャフト支持部周辺，ワークの部位）
２５ａ クランクシャフト支持部
２７ 空気（気体，冷媒）
２９ 気体供給管（気体供給通路）
３１ 昇降機構（昇降手段）

Claims (16)

1. ワークに対し、その部位毎に冷却速度を変えてそれぞれ冷却することで、前記各部位毎に材料特性を変化させる焼入れ方法であって、前記ワークは、エンジンのシリンダブロックであり、該シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対する冷却速度を、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺を冷却する冷却速度より遅くすることを特徴とする焼入れ方法。
2. 前記シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対し第１の冷媒により冷却する一方、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺に対し前記第１の冷媒とは別な第２の冷媒により冷却し、前記シリンダボア部周辺を冷却する第１の冷媒による冷却速度を、前記クランクシャフト支持部周辺を冷却する第２の冷媒による冷却速度より遅くすることを特徴とする請求項１に記載の焼入れ方法。
3. ワークに対し、その部位毎に異なる冷媒を用いてそれぞれ冷却することで、前記各部位毎に材料特性を変化させる焼入れ方法であって、前記ワークは、エンジンのシリンダブロックであり、該シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対し前記冷媒として気体により冷却する一方、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺に対し前記気体とは別な冷媒として液体により冷却することを特徴とする焼入れ方法。
4. 前記シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対し前記冷媒として気体により冷却する一方、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺に対し前記気体とは別な冷媒として液体により冷却することを特徴とする請求項２に記載の焼入れ方法。
5. 前記ワークをアルミ合金からなる鋳物材とし、該鋳物材を溶体化温度まで加熱した後冷却することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の焼入れ方法。
6. ワークに対し、その部位毎に冷却速度を変えてそれぞれ冷却する複数の冷却手段を設けた焼入れ装置であって、前記ワークは、エンジンのシリンダブロックであり、該シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対して冷却する第１の冷却手段と、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺に対して冷却する第２の冷却手段とを、それぞれ設け、前記第１の冷却手段による前記シリンダボア部周辺を冷却する冷却速度は、前記第２の冷却手段による前記クランクシャフト支持部周辺を冷却する冷却速度より遅いことを特徴とする焼入れ装置。
7. 前記第１の冷却手段は前記シリンダボア部周辺に対し第１の冷媒により冷却するもので、前記第２の冷却手段は前記クランクシャフト支持部周辺に対し前記第１の冷媒とは別な第２の冷媒により冷却するものであり、前記第１の冷却手段による前記シリンダボア部周辺を冷却する冷却速度は、前記第２の冷却手段による前記クランクシャフト支持部周辺を冷却する冷却速度より遅いことを特徴とする請求項６に記載の焼入れ装置。
8. ワークに対し、その部位毎に異なる冷媒を用いてそれぞれ冷却する複数の冷却手段を設けた焼入れ装置であって、前記ワークは、エンジンのシリンダブロックであり、該シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対し前記冷媒として気体により冷却する気体冷却手段と、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺に対し前記気体とは別な冷媒として液体により冷却する液体冷却手段とを、それぞれ設けたことを特徴とする焼入れ装置。
9. 前記第１の冷却手段は、前記シリンダブロックのシリンダボア部周辺に対し前記第１の冷媒として気体により冷却する気体冷却手段であり、前記第２の冷却手段は、前記シリンダブロックのクランクシャフト支持部周辺に対し前記気体とは別な第２の冷媒として液体より冷却する液体冷却手段であることを特徴とする請求項７に記載の焼入れ装置。
10. 前記ワークはアルミ合金からなる鋳物材であり、前記各冷却手段は前記鋳物材を溶体化温度まで加熱した後冷却することを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の焼入れ装置。
11. 前記気体冷却手段は、気体を前記シリンダボア部周辺に向けて送風する送風手段で構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の焼入れ装置。
12. 前記液体冷却手段は、液体を貯留する液体貯留手段を備え、この液体貯留手段に貯留した液体中に前記クランクシャフト支持部周辺を配置させることで冷却することを特徴とする請求項８，９，１１のいずれか１項に記載の焼入れ装置。
13. 前記気体冷却手段は、気体を前記シリンダボア部周辺に向けて送風する送風手段で構成され、前記液体貯留手段と前記送風手段との間に、前記送風手段の送風による前記液体貯留手段の液体の跳ね上がりを防止する跳ね上がり防止部材を設けたことを特徴とする請求項１２に記載の焼入れ装置。
14. 前記跳ね上がり防止部材は、前記ワークの周囲における前記液体貯留手段の液体の表面を覆う作業位置と、該作業位置から後退した待機位置との間を移動可能とされていることを特徴とする請求項１３に記載の焼入れ装置。
15. 前記液体貯留手段に配置した前記ワークの上下高さ位置を変化させる昇降手段を設けたことを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の焼入れ装置。
16. 前記液体貯留手段に、該液体貯留手段の液体中を貫通して液面から気体吐出口が突出する気体供給通路を接続し、前記気体吐出口から前記シリンダボア内に気体を供給することを特徴とする１２ないし１５のいずれか１項に記載の焼入れ装置。

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