JP5809088B2 - 熱処理油組成物 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の焼入れなどに使用される熱処理油組成物に関する。

鋼材などの金属材料においては、その性質の改善を目的として、焼入れ、焼戻し、焼鈍し、焼ならしなどの熱処理が施される。これらの熱処理の中で、焼入れは、加熱された金属材料を冷却剤中に浸漬して所定の焼入れ組織に変態させる処理であり、この焼入れによって、処理物は非常に硬くなる。例えばオーステナイト状態にある加熱された鋼材を冷却剤中に浸漬し、上部臨界速度以上で冷却すると、マルテンサイトなどの焼入れ組織に変態させることができる。

冷却剤としては、一般に油系、水系の熱処理剤が用いられる。鋼材の焼入れについて説明すると、加熱された鋼材を冷却剤である熱処理油に投入した場合、冷却速度は一定ではなく、通常三つの段階を経る。即ち、（１）鋼材が熱処理油の蒸気で含まれる第１段階（蒸気膜段階）、（２）蒸気膜が破れて沸騰が起こる第２段階（沸騰段階）、そして（３）鋼材の温度が熱処理油の沸点以下となり、対流により熱が奪われる第３段階（対流段階）を経て冷却される。この三つの段階において、冷却速度は第２段階の沸騰段階が最も大きくなる。
一般に、熱処理油においては、冷却速度が特に沸騰段階で急激に立ち上がり、処理物表面で蒸気膜段階と沸騰段階が混在する状態において極めて大きな温度差が生じる。そして、この温度差に伴う熱収縮の差や変態の時間差に起因する熱応力や変態応力が発生して焼入れ歪が増大する。
それ故、金属の熱処理、特に焼入れにおいては、その熱処理条件に適した熱処理油の選定が重要であり、その選定が不適切な場合には十分な焼入れ硬さが得られないことがあり、また著しい歪が発生することがある。

一方、熱処理油は、ＪＩＳ Ｋ ２２４２で１種から３種まで分類されており、焼入れに使用するのは１種の１号油、２号油、２種の１号油、２号油である。この中でＪＩＳ Ｋ ２２４２では、冷却性の目安としてＪＩＳ冷却曲線における８００℃から４００℃までの冷却秒数が規定され、１種２号では４．０秒以下、２種１号では５．０秒以下、２種２号では６．０秒以下と定められている。この冷却時間が短いほど冷却性が高く、熱処理物の硬度が高くなる。一般に硬さと焼入れ歪はトレードオフの関係にあり、硬度が高いほど焼入れ歪は大きい。

また、工業的には油剤の冷却性を示す指標として、Ｈ値も広く用いられている。Ｈ値はＪＩＳ Ｋ ２２４２冷却曲線において、８００℃から３００℃までの冷却時間から導出する。ユーザーは目的の硬さと焼入れ歪を得るために、このような指標を元に焼入油を選択している。例えば、歪が問題となる自動車用の歯車部品などの焼入れには、ＪＩＳ ２種１号油が広く用いられている。これはＪＩＳ １種油では歪が大きくなることに加え、部品によっては硬度が高すぎるためである。また、２種２号油では歪は小さくなるものの、硬度が不足するためである。

ところで、自動車用変速機や減速機などの部品は、ほとんどの場合が大量生産され、１つのトレイに大量の処理物を段積みして一度に焼入れを行ういわゆる団体焼入れが行われている。その際に、段積みした部品をセットした位置により、硬さや歪にばらつきが生じる。例えば、下部にセットした部品の硬さが高く、上部にセットした部品の硬さが低くなる、などである。
この団体焼入れにおけるばらつきを低減するために、特許文献１では、振動機や噴射装置など特殊な設備を追加することが考案されている。しかしながら、従来の装置にこのような設備を追加することはコストがかかり、また設備によっては改造が困難であった。このような設備投資をすることなく、焼入油の特性のみでこのばらつきを低減できる技術が望まれていた。また、特性秒数の影響をなくすためガスにより特性温度以下まで冷却してから油焼入する方法（特許文献２）や、冷却むらによる処理物の温度差を解消するため、マルテンサイト変態開始温度直上で一旦焼入油から処理物を引き上げ均熱する方法（特許文献３）なども考案されている。しかし、いずれも単純な油焼入れよりもコストや時間がかかる。また、これらはいずれも歪を小さくする方法であり、歪ばらつきを小さくする解決方法ではない。
特許文献４では、金属材料の焼入れにおいて、冷却むらが生じにくく、焼入れ処理物の硬さを確保するとともに、焼入れ歪を低減し得る熱処理油組成物として、４０℃における動粘度が５〜６０ｍｍ^２／ｓの低粘度基油５０〜９５重量％と、４０℃における動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以上の高粘度基油５０〜５重量％とからなる混合基油からなる熱処理油組成物が提案されている。しかし、この組成範囲では自動車用のギヤなどに適用した場合、硬度が高すぎることが特許文献５に示されている。

特許文献５では、団体焼入れ時の冷却性のばらつきを低減できる焼入油、特に歪が問題となる自動車用変速機や減速機の部品の焼入れに使用されているＪＩＳ ２種1号油と同程度の冷却性を持ちながら、団体焼入れ時の冷却性のばらつきを低減できる焼入油組成物が提案されている。具体的には、５％留出温度が３００℃以上４００℃以下の低沸点基油５質量％以上５０質量％未満と、５％留出温度が５００℃以上の高沸点基油５０質量％を超え９５％以下とからなる混合基油を含むことを特徴とする熱処理油組成物である。しかしその後の検討で、当該発明の組成ではギヤの形状によっては焼入時の歪ばらつきが必ずしも改善しない場合もあることがわかってきた。

特許第３９８６８６４号 特開２００２−３８２１４ 特開２００１−１５２２４３ 特許第４６５９２６４号 特許第４６９１４０５号

本発明は、このような状況下でなされたもので、団体焼入れ時の冷却性のばらつきを低減できる熱処理油組成物を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決すべく、本発明は、以下のような熱処理油組成物を提供するものである。（１）（Ａ）４０℃動粘度が５ｍｍ^２／ｓ以上６０ｍｍ^２／ｓ以下である基油を混合基油基準で５０質量％以上９５質量％以下と、（Ｂ）４０℃動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以上である基油を混合基油基準で５質量％以上５０質量％以下と、（Ｃ）αオレフィン共重合体とを配合してりなり、前記（Ｃ）成分の質量平均分子量が１０００以上５０００以下であることを特徴とする熱処理油組成物。
（２）上述の（１）に記載の熱処理油組成物において、前記（Ｃ）成分がエチレン−αオレフィン共重合体であることを特徴とする熱処理油組成物。
（３）上述の（１）または（２）に記載の熱処理油組成物において、前記（Ｃ）成分の配合量が組成物全量基準で０．１質量％以上３０質量％以下であることを特徴とする熱処理油組成物。
（４）上述の（１）から（３）までのいずれか１つに記載の熱処理油組成物において、冷却性試験（ＪＩＳＫ ２２４２）における特性秒数（蒸気膜長さ）が１秒以下、沸騰段階における最大冷却速度が４００℃／ｓ以下であることを特徴とする熱処理油組成物。
（５）上述の（１）から（４）までのいずれか１つに記載の熱処理油組成物において、冷却性試験（ＪＩＳＫ ２２４２）における３００℃秒数が８秒以上１２秒以下であることを特徴とする熱処理油組成物。
（６）上述の（１）から（５）までのいずれか１つに記載の熱処理油組成物において、前記（Ｂ）成分の４０℃動粘度が４００ｍｍ ^２ ／ｓ以上１０００ｍｍ ^２ ／ｓ以下であることを特徴とする熱処理油組成物。
（７）上述の（１）から（６）までのいずれか１つに記載の熱処理油組成物において、さらに、酸化防止剤、清浄分散剤、および光輝性向上剤のうち少なくともいずれかを配合してなることを特徴とする熱処理油組成物。

本発明の熱処理油によれば、自動車用変速機や減速機の部品等の焼入油として使用されているＪＩＳ ２種１号油と同程度の冷却性を保ちながら、団体焼入れ時の冷却性のばらつき（歪ばらつき、硬さばらつき）を大幅に低減できる。また、様々な形状の材料・部品にも対応できる。

本発明の熱処理油組成物（以下、「本組成物」ともいう。）は、（Ａ）所定の低粘度基油と、（Ｂ）所定の高粘度基油とからなる混合基油が用いられ、さらに、（Ｃ）αオレフィン共重合体が配合されている。以下に、本発明を詳細に説明する。

前記（Ａ）成分の低粘度基油は、４０℃動粘度が５ｍｍ^２／ｓ以上６０ｍｍ^２／ｓ以下である。４０℃動粘度が５ｍｍ^２／ｓ未満のものは、揮発性が高く、本組成物の基油として適さず、一方４０℃動粘度が６０ｍｍ^２／ｓを超えると充分な硬さを有する焼入れ処理物が得られない。これらの理由から、より好ましい４０℃動粘度は、５ｍｍ^２／ｓ以上３５ｍｍ^２／ｓ以下の範囲である。
また、前記（Ｂ）成分の高粘度基油は、４０℃動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以上である。４０℃動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ未満では沸騰段階における冷却性能が高くなり過ぎ、焼入れ歪の低減効果が発揮されない。また、４０℃動粘度があまり高すぎると、冷却性の点から好ましくない。したがって、好ましい動粘度は４００ｍｍ^２／ｓ以上１０００ｍｍ^２／ｓ以下の範囲である。
本発明においては、基油として上述した性能を効果的に発揮させるために、（Ａ）成分の低粘度基油５０質量％以上９５質量％以下と、（Ｂ）成分の高粘度基油５質量％以上５０質量％以下とからなる混合基油が用いられる。

本発明における低粘度基油および高粘度基油としては、鉱油や合成油が用いられる。鉱油としては、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、芳香族系鉱油などの留分のいずれでもよく、溶剤精製、水素化精製または水素化分解などいかなる精製法を経たものでも使用することができる。合成油としては、例えばアルキルベンゼン類、アルキルナフタレン類、α−オレフィンオリゴマー、ヒンダードエステル油などを使用することができる。
本組成物においては、低粘度基油および高粘度基油として、それぞれ上記鉱油を一種用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよく、また、上記合成油を一種用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。さらに、該鉱油一種以上と合成油一種以上とを組み合わせて用いてもよい。また、本組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、上記混合基油以外に他の基油を併用することができる。

本発明においては、上述した混合基油にさらに（Ｃ）αオレフィン共重合体が配合される。この（Ｃ）成分を配合することで、焼入れ時の蒸気膜段階を制御することができ、結果的に団体焼入れ時の歪ばらつきや硬さばらつきを大幅に低減することが可能となる。ここで、蒸気膜破断剤として知られるポリオレフィン（ポリブテン等の単独重合体）やポリメタクリレート類など、αオレフィン共重合体でないものは、上述の効果を十分に発揮できないので好ましくない。
（Ｃ）成分としては、エチレン−αオレフィン共重合体が好ましい。（Ｃ）成分の質量平均分子量としては、１０００以上５０００以下のものが発明の効果の観点より好ましい。また、その本組成物中の配合量は、０．１質量％以上３０質量％以下が好ましく、より好ましくは１質量％以上２０質量％以下、さらに好ましくは３質量％以上１０質量％以下である。配合量がこの範囲であると（Ｃ）成分の蒸気膜破断効果が適度に発揮され、団体焼入れ時における各材料の歪ばらつきや硬さばらつきを低減することができる。さらに、本組成物の動粘度も適度となり、熱処理油組成物としての性能に優れる。

本組成物は、冷却性試験（ＪＩＳ Ｋ ２２４２）における特性秒数（蒸気膜長さ）が１秒以下、沸騰段階における最大冷却速度が４００℃／ｓ以下であることが好ましい。
すなわち、蒸気膜長さを短くし、かつ最大冷却速度を小さくすることにより、蒸気膜破断むらを低減でき、焼入れする材料・部品の形状によらず、歪ばらつきや硬さばらつきをより低減することが可能となる。
また、本組成物は、冷却性試験（ＪＩＳ Ｋ ２２４２）における３００℃秒数が８秒以上１２秒以下であることが好ましい。ここで３００℃秒数とは、ＪＩＳ Ｋ ２２４２冷却性試験において、８００℃から３００℃までの冷却秒数をいう。この３００℃秒数が８秒未満であると焼入れ後の硬度が高くなり過ぎるおそれがある。一方、３００℃秒数が１２秒を超えると焼入れ後の硬度が不足するおそれがある。

また、本組成物は、１００℃における動粘度が５ｍｍ^２／ｓ以上５０ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。１００℃における動粘度が５ｍｍ^２／ｓ以上であると、硬度が高くなり過ぎることがなく、また引火の危険性が低くなり好ましい。一方、１００℃における動粘度が５０ｍｍ^２／ｓ以下であると十分な硬度が得られ、また洗浄性が悪化することもなく好ましい。以上の点から、本組成物の１００℃における動粘度は８ｍｍ^２／ｓ以上３５ｍｍ^２／ｓ以下であることがさらに好ましい。

本組成物には、本発明の目的が損なわれない範囲で、必要に応じ、熱処理油に慣用されている添加剤、例えば、酸化防止剤、清浄分散剤、および光輝性向上剤などを配合することができる。
酸化防止剤としては、従来公知のフェノール系酸化防止剤やアミン系酸化防止剤を用いることができる。フェノール系酸化防止剤としては、例えば２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−メチルフェノール；２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−エチルフェノール；２，４，６−トリ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールなどの単環フェノール類、４，４’−メチレンビス（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）；４，４’−イソプロピリデンビス（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）などの多環フェノール類などが挙げられる。アミン系酸化防止剤としては、例えばジフェニルアミンやモノオクチルジフェニルアミン、モノノニルジフェニルアミンなどが挙げられる。その配合量は、酸化防止効果および経済性のバランスなどの面から、組成物全量基準で、０．０１質量％以上５質量％以下程度である。

清浄分散剤としては、無灰系分散剤や金属系清浄剤を用いることができる。ここで、無灰系分散剤としては、例えばアルケニルコハク酸イミド類、ホウ素含有アルケニルコハク酸イミド類、ベンジルアミン類、ホウ素含有ベンジルアミン類、コハク酸エステル類、脂肪酸あるいはコハク酸で代表される一価又は二価カルボン酸アミド類などが挙げられ、金属系清浄剤としては、例えば中性金属スルホネート、中性金属フェネート、中性金属サリチレート、中性金属ホスホネート、塩基性スルホネート、塩基性フェネート、塩基性サリチレート、過塩基性スルホネート、過塩基性サリチレート、過塩基性ホスホネートなどが挙げられる。前記した清浄分散剤は、熱処理油組成物を繰り返して使用した際に生じるスラッジの分散効果を有するが、金属系清浄剤は、さらに劣化酸の中和剤としての作用も有している。また、清浄分散剤の配合量は、効果および経済性のバランスなどの面から、組成物全量基準で、０．０１質量％以上５質量％以下程度である。
光輝性向上剤としては、従来公知の油脂や油脂脂肪酸、アルケニルコハク酸イミド、置換ヒドロキシ芳香族カルボン酸エステル誘導体などが挙げられる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。具体的には、試料油を用いて、２種の材料に対して熱処理（団体焼入れ）を行い、各々の材料毎に歪ばらつきおよび硬さばらつきを評価した。

［実施例１、比較例１〜６］
〔試料油〕
表１に各実施例・比較例で使用した試料油の配合組成および性状を示す。

１）基油は、ＦのみがＧｒｏｕｐI、他はＧｒｏｕｐIIである。
２）三井化学製 ルーカント（Ｍｗ ３５００）を用いた。

〔評価方法〕
以下に示す評価用材料に所定の条件で熱処理（団体焼入れ）を行い、歪ばらつきおよび硬さばらつきを評価した。評価方法は、特開２００７−９２３８号公報の実施例に記載の方法と同様である。
（１）評価用材料および熱処理条件
１）カウンタードライブギヤ（モジュール２．４５）
実施例１、比較例１〜６の試料油を用いた結果を各々実施例１−１、比較例１−１〜６−１として表２に示す。
材料：ＳＣｒ４２０
熱処理条件：浸炭工程９５０℃×４８分、Ｃｐ＝１．１質量％
拡散工程９３０℃×３６分、Ｃｐ＝０．８質量％
均熱工程８５０℃×２０分、Ｃｐ＝０．８質量％
油冷却条件：油温は以下の通り、冷却時間４分、攪拌２０ｃｍ／秒
実施例１、比較例１、２、６：油温１３０℃
比較例３、４：油温８０℃
比較例５：油温１６０℃
（試料油を実用的な動粘度とするために油温を調整した。）
焼戻し条件：１３０℃×９０分
２）デファレンシャルドライブピニオンギヤ（モジュール２．３６）
実施例１、比較例１〜６の試料油を用いた結果を各々実施例１−２、比較例１−２〜６−２として表３に示す。
材料：ＳＣＭ４２０
熱処理条件：浸炭工程９５０℃×１５０分、Ｃｐ＝１．１質量％
拡散工程９３０℃×６０分、Ｃｐ＝０．８質量％
均熱工程８５０℃×６０分、Ｃｐ＝０．８質量％
油冷却条件および焼戻し条件は１）と同じ
(２)評価項目
・ねじれ角誤差の最大最小差（μｍ）
・ねじれ角誤差の３σ（μｍ）
・歯元硬さ（内部硬度、ＨＶ）
（ＪＩＳ Ｚ２２４４に準拠）
・歯元硬さの最大最小差（ＨＶ）
・浸炭有効深さ（ｍｍ）
（ＪＩＳ Ｇ０５５７に準拠）
・浸炭有効深さの３σ（ｍｍ）
ここで、ねじれ角の誤差を小さくすることは、製造される部品（本実施例ではギヤ）の精度を向上させることになる。例えば、ギヤの精度が向上すると、ギヤの噛合い時の振動・騒音が低減され、静粛なトランスミッションを作ることが可能となる。ベアリングの場合であれば、静粛な運転と寿命の向上につながる。また、焼入精度が向上すれば、焼入前の部品の加工公差を広く取ることができ、加工がより容易となる。歯元硬さや浸炭有効深さのばらつきが小さくなることは、最小値を目標に入れるために硬さを過度に上げる必要がなく、より効率的・経済的な製造を可能にする。また、硬さばらつきが小さくなることで、疲労などの部品寿命を上げることが可能である。

〔評価結果〕
表２、３に示すように、本発明の構成を満たす試料油（実施例１）を用いた場合の団体焼入れでは、いずれも歪ばらつきや硬さばらつきが少ない（実施例１−１、１−２）。また、異なった形状の材料にも好ましく適用できることもわかる。
一方、各比較例より、低粘度基油と高粘度基油の粘度範囲、混合比、および、αオレフィン共重合体の配合について、いずれの構成が欠けていても団体焼き入れにおける歪ばらつきや硬さばらつきをともに減少させることはできないことが理解できる。
また、実施例１−１、１−２は、いずれも特性秒数が１秒以下であり、最大冷却速度も４００℃／ｓ以下である。

Claims (7)

1. （Ａ）４０℃動粘度が５ｍｍ^２／ｓ以上６０ｍｍ^２／ｓ以下である基油を混合基油基準で５０質量％以上９５質量％以下と、
   （Ｂ）４０℃動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以上である基油を混合基油基準で５質量％以上５０質量％以下と、
   （Ｃ）αオレフィン共重合体とを配合してなり、
   前記（Ｃ）成分の質量平均分子量が１０００以上５０００以下である
   ことを特徴とする熱処理油組成物。
2. 請求項１に記載の熱処理油組成物において、
   前記（Ｃ）成分がエチレン−αオレフィン共重合体である
   ことを特徴とする熱処理油組成物。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱処理油組成物において、
   前記（Ｃ）成分の配合量が組成物全量基準で０．１質量％以上３０質量％以下である
   ことを特徴とする熱処理油組成物。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の熱処理油組成物において、
   冷却性試験（ＪＩＳ Ｋ ２２４２）における特性秒数が１秒以下、沸騰段階における最大冷却速度が４００℃／ｓ以下である
   ことを特徴とする熱処理油組成物。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の熱処理油組成物において、
   冷却性試験（ＪＩＳ Ｋ ２２４２）における３００℃秒数が８秒以上１２秒以下である
   ことを特徴とする熱処理油組成物。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の熱処理油組成物において、
   前記（Ｂ）成分の４０℃動粘度が４００ｍｍ ^２ ／ｓ以上１０００ｍｍ ^２ ／ｓ以下である
   ことを特徴とする熱処理油組成物。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の熱処理油組成物において、
   さらに、酸化防止剤、清浄分散剤、および光輝性向上剤のうち少なくともいずれかを配合してなる
   ことを特徴とする熱処理油組成物。