JP6665489B2 - 焼入れ方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼部品の焼入れ方法に関する。

鋼部品の焼入れは、鋼部品を高温状態とした後に急冷してマルテンサイト組織を得る熱処理技術である。焼入れ時には、マルテンサイト変態に伴って鋼部品が膨張するため、膨張に応じた鋼部品の変形が生じる。鋼部品の変形（歪み）度合は、膨張量の程度、鋼部品の部位による膨張量の差、部位による膨張のタイミングの差等によって決定される。

特許文献１には、内部にヒータを有した一対の成形熱処理型を用いて鋼部品を急冷するオーステンパー処理方法が開示されている。この処理方法では、オーステナイト域まで加熱した鋼部品を、マルテンサイト変態開始温度よりも高い温度に冷却した後に、ヒータにより鋼部品の温度をある程度上昇させてから一定に維持する。そして、マルテンサイト変態開始温度よりも低い温度まで鋼部品を冷却する。

特開平９−２９６２１４号公報

しかし、特許文献１のオーステンパー処理方法では鋼部品の冷却を一度停止させるので、マルテンサイト組織を得る鋼部品の焼入れ方法に、特許文献１のオーステンパー処理方法を適用すると、鋼部品の冷却速度が遅くなる。

また、特許文献１では、鋼部品の形状に対応した専用の熱処理型を用いるので、冷却装置の構造が複雑になり、装置にかかるコストが増加する。

本発明は、冷却用ガスの通流が可能なトレー上に、一対の壁部を有した断面Ｕ字状の鋼部品を配置し、トレーに向かって上記冷却用ガスを供給することにより鋼部品を冷却して焼入れする方法であって、鋼部品のＵ字状の面がトレー上で底面となるようにトレー上に上記鋼部品を配置し、上記鋼部品を囲む少なくとも３つの面を有し、熱伝導性を備えた治具を用いて、上記治具の１つの面でＵ字状の鋼部品の開口面を覆うとともに上記治具の２つの面を上記鋼部品の一対の壁部の外側面にそれぞれ密着させ、上記治具で上記鋼部品を囲んだ状態で上記トレーに向かって上記冷却用ガスを供給する。

従って、一対の壁部の間の開口面を治具の１つの面で覆うことで通路が形成され、この通路内を流れる冷却用ガスにより、壁部の内側面が確実に冷却される。

また、壁部の外側面は、治具を介して、壁部の外側を流れる冷却用ガスにより冷却される。

本発明によれば、壁部の内側面の冷却速度と、外側面の冷却速度との差が小さくなるので、焼入れ時に壁部に生じる歪みが小さくなる。

一実施例のガス焼入れ炉の断面図である。 一実施例の部品の説明図である。 一実施例の部品の荷姿を示す説明図である。 比較例の部品の荷姿を示す説明図である。 比較例のガス焼入れ方法および一実施例のガス焼入れ方法における２つの壁部間の距離の変化量の結果を示すグラフである。 一実施例のロアリンクの説明図である。 第２の実施例のガス焼入れ方法を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説明する。

図１には、本発明のガス焼入れ方法に用いられるガス焼入れ炉１が示されている。このガス焼入れ炉１は、図示せぬ前壁と、後壁２と、一対の側壁３ａ，３ｂと、上部壁４と、下部壁５と、で六面が構成されたボックス型の装置である。ガス焼入れ炉１は、一方の側壁３ａに、ガス焼入れの対象となる後述する鋼部品１２（または２４Ａ）をトレー６と共にガス焼入れ炉１内部に搬入するための入口７を有しており、上記一方の側壁３ａと対向する他方の側壁３ｂに、ガス焼入れ後の鋼部品１２およびトレー６をガス焼入れ炉１外部に搬出するための出口８を有している。ガス焼入れ時には、１つまたは複数の鋼部品１２（図１には１つのみを図示）が配置されたトレー６が、下部壁５の上方でかつ入口７と出口８との間に設けられている。

ガス焼入れ炉１には、冷却用ガス（冷媒）、例えば窒素ガスをガス焼入れ炉１内に導入する図示せぬガス導入部が設けられている。ガス焼入れ時には、ガス焼入れ炉１は、ガス導入部により供給された窒素ガスで満たされている。

ガス焼入れ炉１内部には、上部から下部へと図１に矢印で示すガス流れ方向Ｇに窒素ガスが流れるガス通路９が形成されている。

上記ガス通路９の上方には、モータ１０により駆動される冷却ファン１１が、設けられている。モータ１０の駆動時には、冷却ファン１１が、ガス通路９内でトレー６を垂直に横切るように窒素ガスをガス流れ方向Ｇに流し、トレー６上の鋼部品１２の急冷つまり焼入れを行う。トレー６は、窒素ガスの通流が可能となるように格子状に構成されている。

図２には、本発明が適用される鋼部品の一例として、部品１２が示されている。この部品１２は、板状の連結部１３と、部品１２の断面が概ねＵ字状となるように上記連結部１３から垂直に立ち上がる一対の壁部１４，１４と、を備えている。一対の壁部１４，１４の間には、図２の上方に開口した溝１５が形成されている。このような構成の部品１２では、ガス焼入れ時に、壁部１４の外側面１４ａが、内側面１４ｂに比較して冷却作用を受け易い。従って、壁部１４は、両者の冷却速度差によって歪み易く、多くの場合は、外側面１４ａ側に向かって互いに開くように歪む。

上記部品１２の材質は、例えばＳＣｒ４２０Ｈである。また、部品１２の寸法については、例えば、壁部１４の厚さＴが３．８ｍｍであり、一対の壁部１４，１４間の距離Ｄが２８ｍｍであり、壁部１４の付け根１６から先端１７までの長さＬが４０ｍｍである。

次に、図３を参照して、本実施例の部品１２のガス焼入れ方法について説明する。

まず、部品１２の前面（図２の手前側の概ねＵ字状の面）１２ａがトレー６上で底面となり、かつ連結部１３がトレー６の平面６ａから垂直に立ち上がるような縦型の姿勢で、矩形のトレー６上に部品１２を配置する。このとき、部品１２の溝１５は、図３の手前側に開口している。

トレー６は、矩形の複数の開口部１８を有しており、トレー６の平面６ａと垂直な方向から見たときに格子状となっている。

そして、トレー６上で部品１２を囲むように、４つのプレート部１９，２０，２１，２２を有した四角形の枠型の治具２３をトレー６上に配置する。この治具２３は、４つのプレート部１９，２０，２１，２２により筒状に一体に形成されている。治具２３の内側の寸法は、部品１２の外形寸法に対応している。

なお、最初にトレー６上に治具２３を配置してから、治具２３内に部品１２を配置するようにしても良い。

治具２３により部品１２を囲んだ状態では、プレート部１９の内側面１９ｂが、部品１２の溝１５の開口面１５ａを覆っており、プレート部１９の両側の２つのプレート部２０，２１の内側面２０ｂ，２１ｂが、一対の壁部１４，１４の外側面１４ａ，１４ａにそれぞれ密着しており、さらに、残りのプレート部２２の内側面２２ｂが、連結部１３の外側面１３ａに密着している。このとき、溝１５の開口面１５ａが閉じられており、この溝１５は、ガス焼入れ時に、窒素ガスが流れる通路となる。治具２３で部品１２を囲んだ状態では、部品１２は、治具２３によってトレー６上に保持されている。

治具２３は、熱伝導率および熱輻射率の比較的高い材料、例えばカーボンコンポジットから構成されている。

なお、本実施例では、治具２３が４つのプレート部１９，２０，２１，２２を有した例を開示したが、治具２３は、少なくとも３つのプレート部１９，２０，２１を有し、部品１２の少なくとも３つの面即ち溝１５の開口面１５ａおよび一対の壁部１４，１４の外側面１４ａ，１４ａを囲んでいれば十分である。治具２３が３つのプレート部１９，２０，２１を有する場合には、治具２３は、概ねＵ字状に形成される。

そして、ガス焼入れ可能な温度、例えば８５０℃まで部品１２を加熱した後、トレー６を部品１２および治具２３とともに、ガス流れ方向Ｇに直交するようにガス焼入れ炉１内に配置する。このとき、部品１２の一対の壁部１４，１４は、ガス流れ方向Ｇと平行に配置されている。なお、ガス焼入れ炉１に加熱機構を設けてガス焼入れ炉１内部で部品１２を加熱しても良い。加熱後の部品１２の金属組織は、オーステナイトとなっている。

トレー６上で治具２３により部品１２を囲んだ状態で、窒素ガスで部品１２の急冷つまりガス焼入れを行う。このガス焼入れは、冷却ファン１１（図１）を駆動することにより、ガス通路９を通して部品１２に向かって窒素ガスを循環供給することで行われる。一例として、窒素ガスの温度は室温であり、冷却圧力は１ＭＰａである。さらに、窒素ガスの流速は１９ｍ／秒であり、冷却時間は１２０秒である。ガス焼入れ後の部品１２の金属組織は、マルテンサイトとなる。

上記のように、本実施例では、高い熱伝導率および熱輻射率を有する治具２３を用いて、部品１２の溝１５の開口面１５ａおよび一対の壁部１４，１４の外側面１４ａ，１４ａを囲むようにしてある。部品１２を治具２３で囲むことにより、開口面１５ａが閉じられた溝１５内で、窒素ガスが通流する。従って、部品１２の一対の壁部１４，１４の内側面１４ｂ，１４ｂは、溝１５内を通流する窒素ガスにより確実に冷却される。また、２つの外側面１４ａ，１４ａは、熱が一対の壁部１４，１４から治具２３のプレート部２０，２１に伝達され、これらのプレート部２０，２１から、治具２３の周囲を通流する窒素ガスにさらに伝達されることにより冷却される。これにより、窒素ガスによる内側面１４ｂの冷却速度と、窒素ガスおよび治具２３による外側面１４ａの冷却速度との差が小さくなるので、内側面１４ｂと外側面１４ａとの間で生じる歪みが、小さくなる。さらに、壁部１４の厚さの変更、治具２３の熱伝導率の調整および治具２３の熱輻射率の調整等により、外側面１４ａ，１４ａの冷却速度を制御することで、内側面１４ｂと外側面１４ａとの冷却速度差ひいては壁部１４の歪みをさらに小さくすることができる。

また、本実施例では、ガス焼入れ炉１内に部品１２およびトレー６を配置したときに一対の壁部１４，１４がガス流れ方向Ｇと平行になるようにしたことから、窒素ガスが壁部１４，１４の内側面１４ｂ，１４ｂに平行に流れる。従って、窒素ガスによる内側面１４ｂの冷却速度が、窒素ガスの流速に比例した安定したニュートン冷却となり、量産時に繰り返し部品１２を焼入れする際も安定した冷却を行うことができる。

図４には、本実施例に対する比較例のガス焼入れ方法が示されている。比較例では、本実施例と同じ形状および材質を有した部品１２が、連結部１３の外側面１３ａがトレー６の底面となる姿勢（図２に示した部品１２の姿勢）で、治具２３を用いずに、トレー６上に配置されている。このとき、溝１５は、ガス流れ方向Ｇに対向するように開口している。ガス焼入れ時に、溝１５の開口面１５ａ側から溝１５内に流入した窒素ガスは、部品１２の周囲、特に各壁部１４の外側を通流する窒素ガスよりも低い速度で通流する。

図５に、比較例のガス焼入れ方法および本実施例のガス焼入れ方法により部品１２のガス焼入れを行ったときの壁部１４の歪みに関する試験結果を示す。図示したように、治具２３を用いない比較例のガス焼入れ方法では、一対の壁部１４，１４間の距離Ｄの変化量が０．０３〜０．１８ｍｍであった。これに対し、治具２３を用いる本実施例のガス焼入れ方法では、距離Ｄの変化量が０．０４〜０．１２ｍｍであった。従って、本実施例のガス焼入れ方法により、ガス焼入れ時の２つの壁部１４，１４間の距離Ｄの変化量を減少させることができた。

図６には、本発明が適用される他の鋼部品を有する構成要素として、例えば複リンク式ピストンクランク機構で用いられるロアリンク２４が示されている。上記ロアリンク２４は、例えば特開２０１５−４２８４９号公報に開示されているように、ピストンピンに一端が連結されたアッパリンクとクランクシャフトのクランクピンとを連結するものであって、図２に示すように、図示せぬクランクピンに嵌合する円筒形のクランクピン軸受穴２５を中央に有し、かつこのクランクピン軸受穴２５を挟んで互いにほぼ１８０°反対側となる位置に、アッパピン用ピンボス部２６およびコントロールピン用ピンボス部２７がそれぞれ設けられている。このロアリンク２４は、全体として、菱形に近い平行四辺形をなしており、クランクピン軸受穴２５の中心を通る分割面２８において、アッパピン用ピンボス部２６を含むロアリンクアッパ２４Ａと、コントロールピン用ピンボス部２７を含むロアリンクロア２４Ｂと、の２部品に分割して形成されている。ロアリンク２４は、図示したように、上面２９と、下面３０と、分割面２８と直交する一対の側面３１，３１と、を備えている。これらのロアリンクアッパ２４Ａおよびロアリンクロア２４Ｂは、クランクピン軸受穴２５をクランクピンに嵌め込んだ上で、図示せぬ複数本のボルトによって互いに締結されている。

第２の実施例では、本発明のガス焼入れ方法に適した鋼部品として、ロアリンクアッパ２４Ａの焼入れが行われる。ロアリンクアッパ２４Ａは、分割面２８およびクランクピン軸受穴２５の円弧に沿って両側面３１，３１の間に延びる厚肉部３２と、この厚肉部３２から垂直に立ち上がる一対の板状のピンボス壁部２６ａ，２６ａと、を備えている。上記一対のピンボス壁部２６ａ，２６ａの間には、溝３３が形成されている。ピンボス壁部２６ａ，２６ａは、図示せぬアッパピンと嵌合するアッパピン用穴３４，３４をそれぞれ備えている。

次に、図７を参照して、第２の実施例のガス焼入れ方法を説明する。

まず、ロアリンクアッパ２４Ａの側面３１がトレー６上で底面となり、かつ分割面２８がトレー６の平面６ａから垂直に立ち上がるような縦型の姿勢で、トレー６上にロアリンクアッパ２４Ａを配置する。

そして、トレー６上でロアリンクアッパ２４Ａの下部を囲むように、高い熱伝導率および熱輻射率を有した治具２３を配置する。治具２３は、図３の実施例と同様に、四角形の枠型で構成されている。治具２３は、長方形のプレート部１９，２２と、プレート部１９，２２よりも大きい長方形のプレート部２０，２１と、を備えている。プレート部１９，２２の長方形の長辺の長さは、ロアリンクアッパ２４Ａの厚み（外側面３６，３６の間の長さ）に対応しており、プレート部２０，２１の長方形の長辺の長さは、分割面２２と、ピンボス壁部２６ａ，２６ａのアッパピン用穴３４，３４付近の湾曲部分３７，３７（図６）と、の間の長さに対応している。プレート部１９，２０，２１，２２の長方形の短辺の長さ（ガス流れ方向Ｇに沿った高さ）は、ガス流れ方向Ｇに沿ったアッパピン用穴３４の位置よりも高くなるように設定されている。

治具２３によりロアリンクアッパ２４Ａの下部を囲んだ状態では、プレート部１９の内側面１９ｂが、溝３３の一部を覆っている。このとき、プレート部１９の内側面１９ｂの一部が、ピンボス壁部２６ａ，２６ａの湾曲部分３７，３７と接触している。プレート部２０，２１の内側面２０ｂ，２１ｂは、傾斜した上面２９およびクランクピン軸受穴２５の円弧にかかる部分を除いて、ロアリンクアッパ２４Ａの下部において、ピンボス壁部２６ａ，２６ａの外側面３６，３６と接触している。ここで、アッパピン用穴３４は、ピンボス壁部２６ａ，２６ａの外側からプレート部２０，２１で覆われている。プレート部２２の内側面２２ｂは、該内側面２２ｂの上部を除いて、ロアリンクアッパ２４Ａの下部において、ロアリンクアッパ２４Ａの分割面２８と接触している。このように治具２３内にロアリンクアッパ２４Ａを配置した状態では、ロアリンクアッパ２４Ａは、トレー６上に適宜保持されている。

仮に治具２３を用いずにガス焼入れを行った場合には、マルテンサイト変態に伴ってロアリンクアッパ２４Ａが膨張し、ピンボス壁部２６ａが歪むため、一対のピンボス壁部２６ａ，２６ａ間の距離Ｄが変化する。これを防止するために、第２の実施例のように、ロアリンクアッパ２４Ａの下部において、ロアリンクアッパ２４Ａの溝３３の開口面３３ａおよび一対のピンボス壁部２６ａ，２６ａの外側面３６，３６を治具２３で囲む。これにより、第１の実施例と同様に、開口面３３ａが閉じられた溝３３内で、窒素ガスが通流し、溝３３の内側、特に内側面３５，３５が確実に冷却される。さらに、第１の実施例と同様に、外側面３６，３６は、熱が一対のピンボス壁部２６ａ，２６ａから治具２３のプレート部２０，２１に伝達され、ここから、治具２３の周囲の窒素ガスにさらに伝達されることにより冷却される。このように、第１の実施例と同様に、ガス焼入れ時に変形し易いピンボス壁部２６ａ，２６ａの下部（アッパピン用穴３４，３４付近）において、内側面３５，３５と外側面３６，３６との冷却速度のバランスを治具２３により制御することができる。従って、窒素ガスによる内側面３５の冷却速度と、窒素ガスおよび治具２３による外側面３６の冷却速度との差が小さくなるので、内側面３５と外側面３６との間で生じる歪みが、小さくなる。

また、治具２３によりロアリンクアッパ２４Ａの残りの部分を囲わないことで、ガス焼入れ後に、作業性を悪化せずに、ロアリンクアッパ２４Ａの取り出しを行うことができる。

なお、上記各実施例では、ロアリンクアッパ２４Ａを焼入れする例を開示したが、本発明は、ロアリンクアッパ２４Ａと相似形をなすロアリンクロア２４Ｂの焼入れにも好適であり、その他種々の部品の焼入れに適用することが可能である。

また、上記各実施例では、窒素ガスを用いて部品１２やロアリンクアッパ２４Ａの焼入れを行う例を開示したが、冷媒は、他のガスでも良い。

１・・・ガス焼入れ炉
６・・・トレー
Ｇ・・・ガス流れ方向
１２・・・部品
１３・・・連結部
１４・・・壁部
１５・・・溝
１９，２０，２１，２２・・・プレート部
２３・・・治具
２４・・・ロアリンク
２４Ａ・・・ロアリンクアッパ
２６ａ・・・ピンボス壁部
３３・・・溝
３４・・・アッパピン用穴

Claims (4)

1. 冷却用ガスの通流が可能なトレー上に、一対の壁部を有した断面Ｕ字状の鋼部品を配置し、トレーに向かって上記冷却用ガスを供給することにより鋼部品を冷却して焼入れする方法であって、
   鋼部品のＵ字状の面がトレー上で底面となるようにトレー上に上記鋼部品を配置し、
   上記鋼部品を囲む少なくとも３つの面を有し、熱伝導性を備えた治具を用いて、上記治具の１つの面でＵ字状の鋼部品の開口面を覆うとともに上記治具の２つの面を上記鋼部品の一対の壁部の外側面にそれぞれ密着させ、
   上記治具で上記鋼部品を囲んだ状態で上記トレーに向かって上記冷却用ガスを供給する、焼入れ方法。
2. 上記一対の壁部を、上記冷却用ガスの流れ方向と平行に配置することを特徴とする請求項１に記載の焼入れ方法。
3. 上記冷却用ガスは、窒素ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ方法。
4. 上記治具は、４つのプレート部を有した四角形の枠型をなすことを特徴とする請求項１に記載の焼入れ方法。

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