JPH06346137A - 金属材の熱処理における歪抑制方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】熱処理後において歪取りのための矯正工程を必
要とせず、また大きな外力を必要としない、熱処理に際
しての歪抑制方法を提供する。 【構成】所定形状の金型１０を熱処理するに際して、金
型１０よりも熱膨張係数の大きいピンを拘束材として金
型１０の穴１４の内部に挿入しておき、それら金型１０
とピンとの熱膨張量，収縮量の差を利用して金型１０の
穴１４の寸法変化を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は鉄鋼等金属材を熱処理
する際に発生する歪の抑制方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】鉄鋼材
等の金属材は、所要の特性を付与する目的で各種の熱処
理が施される。ところでこの熱処理に際して金属材の形
状が曲がったり、ねじれたり、或いは全体若しくは一部
寸法の変化、例えば所定個所に穴を有する場合におい
て、穴寸法の変化，外径寸法の変化等を起すなど歪が発
生することがあり、問題となっている（ここでは曲り，
ねじれ或いは外径寸法変化，穴寸法変化等形状変化をま
とめて歪として扱う）。

【０００３】これらのうち曲り，ねじれ等については一
般に熱処理後において形状を矯正することが行われてい
る。例えば図６に示すような平板状の金属材１００（こ
こでは解り易くするために単純な形状の平板状の部材を
例として説明する）が熱処理にて（イ）に示すような曲
り形状となった場合、従来にあってはこれをプレスにて
平坦な形状に形状矯正した上、（ロ）に示すように押圧
板１０２，ねじ式の締結具１０４等を有する矯正治具１
０６にて金属材１００をその平坦形状に形状拘束したま
ま加熱熱処理し、元の形状に戻すといったことを行って
いる。

【０００４】しかしながらこの方法の場合以下のような
問題を生ずる。即ちこの方法の場合、金属材の製造に際
して歪取りのための矯正工程が余分の工程として必要と
なる他、この矯正方法は機械的な外力にて金属材を矯正
するため、特に焼入れ処理した鉄鋼材のような場合、焼
入れによって強度が高くなっているために大きな外力が
必要となる。

【０００５】また矯正治具にて金属材を拘束した状態で
加熱を行った場合、当初は矯正治具が良好に金属材を拘
束していたとしても、加熱に伴う膨張によって矯正治具
のねじ部に緩みが生じ、十分な矯正効果が得られなくな
ってしまう問題もある。

【０００６】一方、矯正方法として焼入れ・焼戻し等熱
処理後に金属材を部分的に加熱して矯正を行う方法も実
施されている。しかしながらこの場合作業者の技量に左
右されることとなり、安定した品質のものが得られ難い
問題の他、十分に歪を取ることが難しいといった問題が
ある。

【０００７】以上は金属材の曲り，ねじれ等に対する矯
正の場合であるが、穴寸法，外径寸法等の寸法変化（変
寸）に対する矯正については従来これといった方法がな
いのが実情である。そこで従来にあっては変寸量の最も
少ない条件を選択して熱処理を行うことにより対処して
いる。

【０００８】例えばＳＫＤ１１材の場合、焼戻しに際し
て図７に示すような変寸を起こす。そこで変寸を小さく
抑えることが求められる場合にはその変寸の程度の最も
小さくなる温度条件、この例では５００〜５１０℃の温
度にて焼戻しを行うようにしている。この温度で得られ
る硬さはＨＲＣ６０である。

【０００９】しかし、ＨＲＣ５５の硬さを得ようとする
と、焼戻し温度は５４０〜５５０℃となり、変寸が避け
られない。即ちこの方法の場合、変寸を小さく抑えよう
とすると材料の使用目的に合った硬さが得られない問題
を生ずる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような事情
を背景としてなされたものであり、その要旨は、所定形
状の金属材を熱処理するに際して、該金属材とは熱膨張
係数の異なる異種材を拘束材として用い、それら金属材
と拘束材との熱膨張量，収縮量の差を形状変化に対する
抑止力として作用させ、以て該金属材における歪の発生
を抑制することにある。

【００１１】

【作用及び発明の効果】以上のように本発明は、製品と
なる金属材とは熱膨張係数の異なる異種材と金属材との
熱膨張量，収縮量の差を製品となる金属材の形状変化に
対する抑止力として作用させつつこれを熱処理するもの
である。

【００１２】例えば所定個所に穴を有する鋼製の金型を
そのまま焼入れ処理すると穴寸法は小さくなってしまう
が、従来にあってはこのような穴径の変化を後工程で矯
正する適当な方法はなく、そこで一般には予め削り代を
確保しておいて、熱処理後に穴の内面を切削加工して所
要の寸法とする等の方法を用いていたが、本発明では焼
入れ処理する際、穴の内部に熱膨張係数の大きな棒状な
いしピン状の異種材を拘束材として挿入しておくことに
よって穴寸法の変化を防止することが可能である。

【００１３】具体的には、穴の内部に異種材から成る拘
束材を挿入した状態で焼入れを行うと、加熱過程で拘束
材が金属材に比べてより大きく膨張し、また冷却過程に
おいてより大きく収縮する。而して加熱の際の拘束材と
金属材との熱膨張量の差が穴径変化に対する抑止力とし
て作用する。従って拘束材として適当な太さ及び熱膨張
係数のものを選択することによって、結果として穴径の
変化を著しく小さく或いはゼロに抑えることができる。
同様に本発明によれば、熱処理に際しての金属材の曲り
やねじれ変形も良好に抑制することが可能である。

【００１４】本発明に従って熱処理を行った場合、従来
必要とされていた後工程としての矯正工程を省略するこ
とができる。

【００１５】また本発明は、加熱或いは冷却過程での拘
束材の熱膨張，収縮を拘束力として利用するものである
から、従来の矯正方法のように当初から大きな力を加え
て金属材を正しい形状に変形させておくといったことは
必要でなく、大きな外力を必要としなくなり、また当初
加えた外力がその後の加熱，冷却過程で減少し或いは失
われるといった不都合も生じない。

【００１６】加えて本発明によれば、変寸が小さくなる
ような温度領域を選択して熱処理をするといった制約か
ら開放されるため、熱処理を所望の温度で行い得、変寸
を小さく抑えつつ所望の特性を発現させることが可能で
ある。

【００１７】本発明は各種の熱処理に際して適用可能で
ある。例えば上述のような焼入れ或いは焼なまし，焼な
らし等材料を高温域に加熱処理する場合（一般に材料の
変態を伴う加熱処理で、通常は室温〜１２００℃程度ま
での加熱）、焼戻し，析出硬化処理等中温域までの加熱
の場合（一般に材料の変態を伴わない）、或いは金属材
を室温以下に冷却する深冷処理を行う場合（これも熱処
理の一種で通常−６０〜−１６０℃程度の低温域までの
冷却）の何れにも本発明の適用が可能である。

【００１８】

【実施例】次に本発明の特徴を更に明確にすべく、以下
にその実施例を詳述する。ＳＫＤ６１材（熱膨張係数
［数１］)にて、図１に示すように直径１７４ｍｍφの
凹所１２を中央部に有する、外径寸法４５５ｍｍφの円
板状の金型１０を作製し、その金型１０の複数個所に直
径１０ｍｍφ，公差＋０．０６〜０．０８の穴１４（図
中ａ〜ｉ，Ａ〜Ｉ，イ〜ハで示している）を形成した。

【００１９】

【数１】

【００２０】これらの穴１４のうち符号（ａ，Ａ）
（ｄ，Ｄ）（ｇ，Ｇ）（イ）（ロ）（ハ）で示すもの
に、表１に示す公差を有する、即ち穴１４よりも細い直
径１０ｍｍφのＳＵＳ３０４材（熱膨張係数［数２］)
から成るピンを挿入（括弧内の穴については同じ寸法の
ピンを挿入）する一方、ｃ，ｆ，ｉ，Ｃ，Ｆ，Ｉには耐
熱ガラス繊維を充填し、また他の穴ｂ，ｅ，ｈ，Ｂ，
Ｅ，Ｈについては空のままとし、その状態で金型１０を
表２に示す条件で焼入れ・焼戻し処理した。

【００２１】

【数２】

【００２２】尚表１中実測寸法とは熱処理前のピンの実
際の寸法測定値である。また表２中Ｈは焼入れ処理を、
Ｔ１，Ｔ２はそれぞれ第１回目の焼戻し処理，第２回目
の焼戻し処理を意味している。

【００２３】このうちＨで示す焼入れ処理は、具体的に
は図２に示しているように先ず８３０℃に加熱して２時
間保持し、しかる後１０３０℃にて３時間保持した後空
冷処理することによって行った。また第１回目の焼戻し
処理（Ｔ１）は、金型を５８０℃に３時間保持した後空
冷を行い、更に２回目の焼戻し処理（Ｔ２）は、５８０
℃に４時間保持した後空冷を行った。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】次にこのような熱処理を施した後、ピン及
び耐熱ガラス繊維を各穴１４から取り除いて穴１４の寸
法変化を調べたところ表３の如くであった。但し表３中
熱処理前の実測寸法は熱処理前の穴１４の実際の寸法で
あり、また熱処理後の実測寸法は熱処理を行った後の穴
１４の実際の寸法である。熱処理後において穴１４は大
なり小なり楕円となっており、そこでここでは短径と長
径とをそれぞれＸ，Ｙで示してある。そしてそのＸとＹ
との差が下の欄の楕円度のところに示してある。一方そ
の下欄の平均差は熱処理後の実測寸法Ｘ，Ｙの平均値と
熱処理前の実測値との差であって、この値は穴径の変化
を示している。更にその下欄の平均差の平均は穴径変化
の平均をとったものである。尚表４には熱処理後におけ
るピンの寸法変化を示してある。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】表３の結果から、穴１４にピンを挿入した
場合、熱処理後において穴径が当初よりも大きくなって
いること、またその穴径は挿入したピンが太くなるほど
大きくなっていること、一方において耐熱ガラス繊維を
詰めたもの或いは全く詰め物をしない空の状態の穴１４
については熱処理によって穴径が小さくなっていること
が分る。

【００３０】尚、耐熱ガラス繊維は金型に対する焼入れ
・焼戻しの際の冷却過程での冷却速度の影響を見るため
に穴１４に詰めたものであって（耐熱ガラス繊維を詰め
た穴ｃ，ｆ，ｉ，Ｃ，Ｆ，Ｉの場合、これを詰めない空
の状態の穴ｂ，ｅ，ｈ，Ｂ，Ｅ，Ｈに比べて冷却速度が
遅くなる）、表３の結果に表われているようにこのよう
な冷却速度による穴径の変化への影響は少ないことが分
った。また同じくこの表の結果に見られるように穴径の
変化に対して穴の位置の影響はそれほどないことが分っ
た。

【００３１】図３はａ，Ａ，ｄ，Ｄ，イ，ロ，ハで示す
穴１４の内径とそれらの穴に挿入したピンの直径との差
を横軸に、また縦軸に穴径の変化をとって表したもので
ある（ｇ，Ｇについてはピンが対応する穴から抜けなか
ったため図に示していない）。

【００３２】この図では、穴径とピン径との差が小さく
なるほど、つまりピンの太さが太くなるほど穴径の変化
が大きく（正の側に大きい）、逆にピンが細くなるにつ
れて穴径の変化が少なくなり、そして穴１４とピンとの
寸法差が０．０８５ｍｍのところで穴径の変化がゼロと
なっている。即ち穴１４とピンとの寸法差を０．０８５
ｍｍとすることによって、熱処理による穴径の変化をゼ
ロに抑え得ることが分る。

【００３３】つまり上記熱膨張係数を有するＳＵＳ３０
４製のピンを穴１４に挿入した状態で熱処理を行った場
合、ピンの太さを適当に選択することによって、熱処理
による穴径の変化をゼロに抑えることができるのであ
る。

【００３４】尚、穴１４に全く詰め物をしない場合の穴
径の変化は−０．０２２ｍｍであり（図中横の破線Ｉで
示してある）、また耐熱ガラス繊維を詰めた場合のそれ
は−０．０２７ｍｍ（図中破線IIで示してある）であ
る。従って穴径変化に対するコントロール可能な領域は
破線IIと直線Ｐとの交点（−０．１１４ｍｍ）よりも左
側の領域ということになる。

【００３５】他方穴１４とピンとの寸法差が０．０２７
ｍｍ（図中縦の破線IIIで示してある）以下になるとピ
ンが穴１４から抜けなくなってしまうため、この破線II
Iよりも右側の領域がコントロール可能な領域というこ
とになる。つまり穴径とピン径の寸法差が０．０２７ｍ
ｍ〜０．１１４ｍｍとなるようなその太さのピンを挿入
したときに穴径変化に対するコントロールが可能という
ことになる。

【００３６】以上本発明の実施例を詳述したがこれはあ
くまで一例示である。 例えば本発明は図４（イ）
（Ｂ）に示すような溝１６付きの型材１８を加熱処理す
るに際しても適用可能である。この溝１６付きの型材１
８を図（イ）（Ｂ）に示すように立てた状態で熱処理す
ると、この型材１８がおじぎをするように変形を生じて
しまうが、本発明に従ってその溝１６の内部に熱膨張係
数の大きな異種材から成る拘束材２０を嵌合させておく
ことで、その変形を有効に防止することが可能である。

【００３７】更に図４（ロ）に示しているように金属ス
リーブ２２を熱処理するに際して、その内部に熱膨張係
数がこれよりも大きな拘束材２４を嵌合しておくことで
熱処理時の変形，寸法変化を防止することが可能であ
る。

【００３８】或いは図５に示しているように、板状の金
属材２６（図６中１００で示すのものに相当）を熱処理
するに際して、これよりも熱膨張係数の大きな板状の拘
束材２８を組み合せて使用することにより、金属材２６
の変形を防止するといったことも可能である。

【００３９】以上は拘束材として何れも製品となる金属
材よりも熱膨張係数の大きいものを用いる場合の例であ
るが、これとは逆に拘束材として熱膨張係数の小さいも
のを用いて金属材の変形を防止することも可能である。

【００４０】例えば中空ないし中実の金属棒状部材を熱
処理するに際して、その外側に熱膨張係数の相対的に小
さな拘束材を嵌合しておくことで、熱処理による棒状部
材の変形，寸法変化を防止することが可能である。

【００４１】更に本発明は前述の深冷処理のような冷却
処理に際して適用することも可能であるなど、その主旨
を逸脱しない範囲において、当業者の知識に基づき様々
な変更を加えた態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例において用いた金型の図であ
る。

【図２】図１の金型を熱処理する際の条件を示す図であ
る。

【図３】同実施例において得られた穴径及びピン径の差
と穴径の変化との関係を表す図である。

【図４】本発明の他の実施例の説明図である。

【図５】本発明の更に他の実施例の説明図である。

【図６】従来行われている矯正方法の説明図である。

【図７】熱処理条件と変寸の程度との関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０ 金型 １４ 穴 １８ 型材 ２０，２４ 拘束材 ２２ スリーブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定形状の金属材を熱処理するに際し
   て、該金属材とは熱膨張係数の異なる異種材を拘束材と
   して用い、それら金属材と拘束材との熱膨張量，収縮量
   の差を形状変化に対する抑止力として作用させ、以て該
   金属材における歪の発生を抑制することを特徴とする金
   属材の熱処理における歪抑制方法。