JP6468420B2

JP6468420B2 - 真空熱処理方法

Info

Publication number: JP6468420B2
Application number: JP2014244757A
Authority: JP
Inventors: 篤司山下; 勝園部; 園部　　勝; 昇宮腰
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: JP2016108584A

Description

本発明は、ギヤなどの鋼製ワークを熱処理する真空熱処理方法に関する。

ギヤやシャフトなどは強度部品であるため、このような機械部品は、強度向上を目的に、熱処理が施される。そして、その熱処理には、焼入れ、浸炭、窒化などの硬化方法が知られている。

例えば、図５に示すように、ワーク１０１に真空浸炭焼入れを施すにあたって、複数個のワーク１０１をワーク保持具１０２に取り付けて、ワーク保持具１０２を荷台１０３に乗せて加熱室１１０で加熱する。

このとき、中央部のワーク１０１ｂは温まりにくく、冷えにくいのでワーク１０１を一旦加熱室１１０から自然冷却室１００へ移して（矢印（Ｉ））、ガス中で数分間自然冷却した後、再び自然冷却室１００から加熱室１１０へ移して（矢印（ＩＩ））、目標温度まで加熱するサイクルを、ワーク１０１が目標温度に達するまでに１回又は複数回行う加熱方法が特許文献１に開示されている。

この加熱方法により冷却ガス中で数分間自然冷却した後は、ワーク１０１自体の表面温度が下がるため表面と中心との温度差が縮まる。また、ワーク１０１が複数個ある場合は、ヒータ１１１に近い外側のワーク１０１ａの温度が下がるためヒータ１１１から遠い中央部のワーク１０１ｂとの温度差が縮まる。

これにより、ワーク１０１の表面と中心の温度差を小さくすることができる。また、ワーク１０１が複数個ある場合はワーク１０１ａ、１０１ｂの相互間の温度差を小さくすることができるので、ワーク１０１を均一に加熱することができる。

また、図６に示すように、ワーク１０１に真空浸炭することで硬化させる方法において、ワーク１０１を荷台１０３に単層で乗せて二以上の空間方向からヒータ１１１によりワーク１０１を直接熱放射１１２のみで加熱後、ガス冷却する真空浸炭熱処理方法が特許文献２に開示されている。

この真空浸炭熱処理方法により、ワーク１０１を均一に加熱することができる。また、ワーク１０１を均一に冷却することもできる。これにより、冷却の際にワーク１０１に発生する熱的歪みを軽減することができ、後に複雑な再機械加工が不要になる。

特開２００８−２６６７２９号公報特表２０１３−５０４６８６号公報

しかし、特許文献１に記載の加熱方法は、ワーク１０１が加熱室１１０と自然冷却室１００とを１回又は複数回は往復する必要があり熱エネルギーの損失が発生する。また、特許文献２に記載の真空浸炭熱処理方法は、荷台１０３に載せられるワーク１０１の数量に限りがあり、したがって、一バッチで処理できるワーク１０１の数量も限られてしまう。

そこで、本発明においては前述した問題点に鑑みて、ギヤなどの鋼製ワークを一バッチで多量に均一に熱処理する真空熱処理方法を提供することを目的とする。

本発明においては、複数個の鋼製ワークに対する加熱冷却を連続的に行う真空熱処理方法において、内部にヒータが取付けられた加熱室と、仕切扉が開閉されて前記加熱室と該加熱室の隣に繋がっている冷却室とを前記各鋼製ワークが移動自在に可動してガス冷却される該冷却室と、を有する真空熱処理設備を用いた真空熱処理方法であって、前記加熱室内にて前記鋼製ワークが可動する方向に沿って間隔をおいて立てた状態で配置されている複数枚の金網の間に前記各鋼製ワークが配置された状態で、前記加熱室内を加熱して前記各鋼製ワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程後に前記加熱室に配置した前記各鋼製ワーク及び前記各金網を前記冷却室内に移動させて、前記冷却室内をガス冷却して前記各鋼製ワークを冷却するガス冷却工程と、を含むことを特徴とする真空熱処理方法を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、加熱工程において、各金網と各鋼製ワークとを交互に並べて列にして加熱室内に配置する。これにより、ヒータから発生する熱の一部を、熱交換を速やかに行う金網に一旦吸収させ、ヒータによる直接的な熱放射及び金網による間接的な熱放射により各鋼製ワークを加熱することができる。

さらに、ガス冷却工程においては、加熱工程後に各金網と各鋼製ワークとを交互に並べて列にして冷却室内に配置する。これにより、各鋼製ワークから発する熱の一部を、熱交換を速やかに行う金網に一旦吸収させ、冷却ガスによる直接的な熱吸収及び金網による間接的な熱吸収により、各鋼製ワークを冷却することができる。

したがって、加熱工程及びガス冷却工程において、各鋼製ワークの両端に各金網を配置して間接的な熱放射又は間接的な熱吸収を各金網が各鋼製ワークに作用させて、各鋼製ワークを略均一に加熱、ガス冷却することができる。

また、請求項２に記載の発明については、仕切蓋が開閉されて前記冷却室と該冷却室の階下に繋がっている油焼入れ槽とを前記各鋼製ワークが昇降自在に可動して該各鋼製ワークが自在に対流する油で油冷される該油焼入れ槽をさらに有する前記真空熱処理設備を用いた真空熱処理方法であって、前記加熱工程と、前記ガス冷却工程と、前記ガス冷却工程後に前記冷却室に配置した前記各鋼製ワーク及び前記各金網を前記油焼入れ槽内に降下して該各鋼製ワーク及び該各金網を冷却する油冷工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の真空熱処理方法とした。

さらに、請求項３に記載の発明については、前記真空熱処理が真空浸炭熱処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空熱処理方法とした。

さらにまた、請求項４に記載の発明については、前記真空熱処理が真空窒化熱処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空熱処理方法とした。

即ち、加熱工程とガス冷却工程を１回又は数回繰り返した後に、最後の加熱工程後に、油焼入れ槽内で油が対流する方向に対して略垂直方向に、各金網及び各鋼製ワークの列が油焼入れ槽内に配置される。これにより、各金網が妨げになることなく各鋼製ワークを油冷するので、各鋼製ワークを略均一に油冷することができる。

本発明においては、各金網と各鋼製ワークとを交互に列にすることで、加熱工程においては直接熱放射及び間接熱放射により各鋼製ワークを加熱することができる。さらに、加熱工程後のガス冷却工程においては、冷却ガスにより各鋼製ワーク及び各金網を冷却することで、直接熱吸収及び間接熱吸収によって各鋼製ワークを冷却することができる。これにより、一バッチで多量の各鋼製ワークを略均一に加熱又はガス冷却することができるので、熱歪の少ない熱処理品を多量に製造することができる。

また、請求項２に記載の発明においては、各鋼製ワークを略均一に加熱、ガス冷却することができる。また、油の対流方向に略垂直方向に、各金網と各鋼製ワークとを交互に並べて列にすることで、各鋼製ワークの油冷に各金網が妨げにならず、温度ムラを生じさせることなく各鋼製ワークを略均一に油冷することができる。これにより、熱歪の少ない熱処理品、例えば、熱処理品質の良好なギヤやシャフト等の高強度な機械部品を一バッチで多量に製造することができる。

さらに、請求項３に記載の発明においては、各鋼製ワークを略均一に加熱、ガス冷却、油冷することができる。これにより、熱歪の少なく、さらに、各鋼製ワークの表層に炭化物を析出させた浸炭品を一バッチで多量に製造することができる。

さらにまた、請求項４に記載の発明においては、各鋼製ワークを略均一に加熱、ガス冷却、油冷することができる。これにより、熱歪の少なく、さらに、各鋼製ワークの表層に窒化物を析出させた窒化品を一バッチで多量に製造することができる。

真空浸炭熱処理設備の原理を説明する断面図である。図１のＡ−Ａ線の断面概略図であって、（ａ）本発明に係る真空熱処理方法の加熱方法を説明する図である。（ｂ）本発明からは除かれる真空熱処理方法の加熱方法を説明する図である。図１のＢ−Ｂ線の断面概略図であって、（ａ）本発明に係る真空熱処理方法の冷却方法を説明する図である。（ｂ）本発明からは除かれる真空熱処理方法の冷却方法を説明する図である。真空浸炭熱処理後のＳＣＭ４１５の表層組織を示す図であって、（ａ）は大金網を使用したもの、（ｂ）は中金網を使用したもの、（ｃ）は小金網を使用したものである。従来の加熱方法を説明する図である。従来の真空浸炭熱処理方法を説明する図である。

図１に示すように、真空浸炭熱処理設備５０は、鋼製ワーク１０を待機させるワーク載せ台５９と、扉５１及び窒素ガス供給源５４を備えている冷却室２０と、冷却室２０に仕切扉５２を介して繋がっている加熱室３０と、冷却室２０の底に仕切蓋５３を介して繋がっていて油４１が溜められている油焼入れ槽４０とを備える。

ワーク載せ台５９に荷台１３が載せられ、該荷台１３の上に鋼製ワーク１０より比熱の小さい複数枚の金網１２が間隔をおいて列１６にされて、上下左右に複数個の鋼製ワーク１０がワーク保持具１１により略同一平面上に保持されて、各鋼製ワーク１０が各金網１２の間に配置されている。

そして、扉５１が開閉されて、荷台１３は移動自在に可動してワーク載せ台５９の隣に繋がっている冷却室２０に相互に移動することができる。さらに、仕切扉５２が開閉されて、荷台１３は移動自在に可動して冷却室２０から該冷却室２０の隣に繋がっている加熱室３０に相互に移動することができる。また、仕切蓋５３が開閉されて、荷台１３は昇降自在に可動して冷却室２０から該冷却室２０の階下に繋がっている油焼入れ槽４０に相互に下降、上昇することができる。

また、加熱室３０は、炉体６０と、炉体６０の内部に配置された複数のヒータ３１と、雰囲気温度を検出する熱電対５７と、熱電対５７で検出した温度が所定の温度になるようにヒータ３１の出力を制御する温度制御部５６と、炉体６０の内部を排気する真空ポンプ５８と、炉体６０へ窒素含有ガスを供給する窒素ガス供給源５５と、炉体６０へアセチレンやエチレン等の浸炭ガスを供給する浸炭ガス供給源６１とを備える。

図２（ａ）に示すように、加熱室３０において、各鋼製ワーク１０の温度分布３４が略均一になるように各金網１２と各鋼製ワーク１０とを交互に列１６にして加熱室３０内に配置し、ヒータ３１が加熱室３０内を加熱する。

この加熱方法による加熱工程により、金網１２は重量当りの比表面積が大きいために５００℃以上での熱放射速度、熱吸収速度が大きいので、鋼製ワーク１０よりも温度上昇が速く、加熱室３０やヒータ３１とすみやかに同一温度となる。また、金網１２は鋼製ワーク１０よりも表面の熱放射係数が大きい。

これにより、ヒータ３１から発生する熱の一部を、熱交換を速やかに行う金網１２が一旦吸収してから放射するため、ヒータ３１による直接的な熱放射及び金網１２による間接的な熱放射により各鋼製ワーク１０を加熱することができる。よって、中心と外側の鋼製ワーク１０を略等しい速度で加熱することができ、一バッチで多量の鋼製ワーク１０を略均一に加熱することが可能となる。

しかし、図２（ｂ）に示すように、各鋼製ワーク１０のみを列１７にして加熱室３０内に配置し、ヒータ３１が加熱室３０内を加熱する。このとき、隣り合う鋼製ワーク１０同士が熱放射により熱のやりとりを行うために中心の加熱速度は外側よりも遅くなる。よって、真ん中に配置された鋼製ワーク１０を中心に円を描くような温度分布３５になり、各鋼製ワーク１０の温度分布３５は不均一になる。

このような場合、例えば、特許文献１に開示されている加熱方法のように（図５参照）、各鋼製ワーク１０の温度分布３５を略均一にするために、自然冷却して各鋼製ワーク１０の温度差を小さくする必要が生じる。

図３（ａ）に示すように、加熱室３０において各鋼製ワーク１０が略均一に加熱された後（図２（ａ）参照）、冷却室２０に移動して、各鋼製ワーク１０の温度分布２１が略均一になるように各金網１２と各鋼製ワーク１０とを交互に列２３にして冷却室２０内に配置し、冷却ガスが冷却室２０内を冷却する。

この冷却方法によるガス冷却工程により、金網１２は重量当りの比表面積が大きいために５００℃以上での熱放射速度、熱吸収速度が大きいので、鋼製ワーク１０よりも温度低下が速く、加熱室３０からの移動後に冷却室２０や冷却ガスとすみやかに同一温度となる。また、金網１２は鋼製ワーク１０よりも表面の熱放射係数が大きい。

これにより、加熱された各鋼製ワーク１０から発する熱の一部を金網１２が一旦吸収するため、冷却ガス（窒素ガス）による直接的な熱吸収及び金網１２による間接的な熱吸収により各鋼製ワーク１０を冷却することができる。よって、中心と外側の鋼製ワーク１０を略等しい速度で冷却することができ、一バッチで多量の各鋼製ワーク１０を略均一に冷却することが可能となる。

しかし、図３（ｂ）に示すように、各鋼製ワーク１０のみを列２４にして冷却室２０内に配置し、窒素ガスが冷却室２０内を冷却する。このとき、隣り合う鋼製ワーク１０同士が熱放射により熱のやりとりを行うために熱は逃げることができず、中心の冷却速度は外側よりも遅くなる。よって、真ん中に配置された鋼製ワーク１０を中心に円を描くような温度分布２２になり、各鋼製ワーク１０の温度分布２２は不均一になる。

また、図１に示すように油焼入れ槽４０においては、加熱工程及び冷却工程を経た後、油の対流方向４２に対して略垂直になるように各金網１２及び各鋼製ワーク１０からなる列１６が油焼入れ槽４０内に配置される。

この油冷方法による油冷工程おいては、金網１２は鋼製ワーク１０よりも熱伝達係数が大きく、金網１２内での温度差が生じにくい。また、油焼入れ槽４０の底から上方向に流れる油４１の整流板として各金網１２が機能するために、該各金網１２が妨げにならず、温度ムラを生じさせずに各鋼製ワーク１０を略均一に油冷することができる。

これにより、熱歪の少ない熱処理品、さらに、熱歪が少なく各鋼製ワーク１０の表層に炭化物を析出させた浸炭品を一バッチで多量に製造することが可能となる。さらにまた、熱歪が少なく各鋼製ワーク１０の表層に窒化物を析出させた窒化品を一バッチで多量に製造することが可能となる。

よって、加熱工程、ガス冷却工程、油冷工程を必要に応じて１回または数回繰り返す各工程をそれぞれ組み合わせることで、真空焼入れ焼戻し熱処理、真空浸炭熱処理、真空窒化熱処理等の真空熱処理を行うことも可能である。

例えば、真空浸炭熱処理を施す場合、加熱室３０において室温から目標の加熱温度（浸炭温度）まで加熱する。目標温度に達したら数時間の均熱時間が経過するまで保持した後に、鋼製ワーク１０を冷却室２０に移動させて目標の冷却温度までガス冷却する。浸炭ガスは均熱中に何度かに分けて導入される。

この加熱工程、ガス冷却工程のサイクルを数回繰り返し、最後のガス冷却工程を油焼入れ槽４０での油冷工程に変更することもできる。また、最後の加熱冷却工程において浸炭ガスの変わりに鋼製ワーク１０が窒化ガスに暴露されることで、表層に窒化物を析出させることで鋼製ワーク１０表層の硬度差を小さくすることも可能である。

本発明に係る真空浸炭熱処理方法を用いて鋼製ワーク（ＳＣＭ４１５）に真空浸炭熱処理を施し、光学顕微鏡により熱処理後のＳＣＭ４１５表層の組織観察を行った。

また、使用した金網はステンレス鋼製であり、大（以下、大金網という。）、中（以下、中金網という。）、小（以下、小金網という。）の三種類を使用した。大金網は線径φ１×８メッシュ、中金網はφ０．２５×２０メッシュ、小金網はφ０．１８×４０メッシュのＪＩＳ規格相当品にそれぞれ該当するものである。

図４（ａ）に示すように、ＳＣＭ４１５の表層０．２ｍｍを観察した結果、大金網を使用した場合は表層に浸炭熱処理による炭化物の析出は認められない。しかし、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、中金網及び小金網を使用した場合は表層０．１ｍｍ以下に浸炭による炭化物析出範囲Ｌが認められる。

表１は、大金網のステンレス鋼鉄線一本の体積及び表面積を１とした場合の中金網及び小金網の鉄線一本の表面積比Ｓと、体積比Ｖと、表面積比Ｓを体積比Ｖで除した体積当りの表面積比（Ｓ／Ｖ）と表層観察の結果である。表に示すように、大金網に比べて中金網は約４倍、小金網は約５倍、体積当りの表面積比が大きいことがわかる。

さらに、表層観察の結果から、大金網を使用した場合に比べて、炭化物の析出が確認された中金網及び小金網を使用した場合のほうが加熱後の冷却速度が速いことがわかる。これは、中金網及び小金網は線径が細く、Ｓ／Ｖが大きいので各鋼製ワークから発せられる熱を間接的に吸収、放射する速度が高いためである。

また、縦、横の長さが同寸法の金網を使用した場合、大金網に比べて中金網及び小金網のほうが線の間隔が狭い（目開きが小さい）ため、ステンレス鋼鉄線の本数が多い。これにより、実際には、大金網の体積及び表面積を１とした場合は、大金網に比べて中金網は４倍以上、小金網は５倍以上、Ｓ／Ｖが大きいことになる。

よって、鋼製ワークの形状、寸法、重量、数量等に応じて、熱を間接的に吸収、放射する金網サイズを変更することで、略均一に加熱、ガス冷却、油冷することが可能となる。

また、加熱工程、ガス冷却工程、油冷工程を必要に応じて１回または数回繰り返される各工程をそれぞれ組み合わされることで、真空浸炭熱処理だけでなく、真空焼入れ焼戻し熱処理、真空窒化熱処理等の真空熱処理を行うことも可能である。

なお、本発明の真空熱処理方法は、鋼材からなる鋼製ワークのみならず、アルミ、ニッケル、チタン合金等の非鉄金属からなるワークにも使用できる。

１０鋼製ワーク
１２金網
２０冷却室
３０加熱室
３１ヒータ
４０油焼入れ槽
４１油
４２対流方向
５０真空浸炭熱処理設備（真空熱処理設備）
５２仕切扉
５３仕切蓋

Claims

複数個の鋼製ワークに対する加熱冷却を連続的に行う真空熱処理方法において、内部にヒータが取付けられた加熱室と、仕切扉が開閉されて前記加熱室と該加熱室の隣に繋がっている冷却室とを前記各鋼製ワークが移動自在に可動してガス冷却される該冷却室と、を有する真空熱処理設備を用いた真空熱処理方法であって、
前記加熱室内にて前記鋼製ワークが可動する方向に沿って間隔をおいて立てた状態で配置されている複数枚の金網の間に前記各鋼製ワークが配置された状態で、前記加熱室内を加熱して前記各鋼製ワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程後に前記加熱室に配置した前記各鋼製ワーク及び前記各金網を前記冷却室内に移動させて、前記冷却室内をガス冷却して前記各鋼製ワークを冷却するガス冷却工程と、を含むことを特徴とする真空熱処理方法。
仕切蓋が開閉されて前記冷却室と該冷却室の階下に繋がっている油焼入れ槽とを前記各鋼製ワークが昇降自在に可動して該各鋼製ワークが自在に対流する油で油冷される該油焼入れ槽をさらに有する前記真空熱処理設備を用いた真空熱処理方法であって、
前記ガス冷却工程後に前記冷却室に配置した前記各鋼製ワーク及び前記各金網を前記油焼入れ槽内に降下して該各鋼製ワーク及び該各金網を冷却する油冷工程と、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の真空熱処理方法。
前記真空熱処理が真空浸炭熱処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空熱処理方法。
前記真空熱処理が真空窒化熱処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空熱処理方法。