JPWO2017081760A1 - ガス焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

本発明のガス焼入れ方法は、冷却用ガスの強制的な循環によりワークを急冷する第１段階（ｔ１〜ｔ２）と、冷却用ガスの循環を停止するとともに炉内を減圧して断熱する第２段階（ｔ２〜ｔ３）と、冷却用ガスにより再度ワークを冷却する第３段階（ｔ３以降）と、を含む。第２段階では、マルテンサイト変態開始温度よりも高い中間の温度にワークが維持され、この間に、ワーク各部が均熱化する。従って、均一な焼入れを実現でき、冷却速度の差異による歪みを抑制できる。

Description

この発明は、鋼の焼入れとして、ワークを加熱した後に、冷却用ガスを用いて冷却を行うガス焼入れ方法に関する。

鋼の焼入れは、鋼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。従来、比較的大きな部品の焼入れを行うには、冷却性の比較的高い油や水あるいはポリマー溶液などの液体を冷却剤として、加熱後の冷却を行う液体焼入れ方法が多く採用されてきた。しかし、この液体焼入れでは、焼入れ中に不均一に沸騰が発生する結果、冷却速度が不均一になり、品質が安定しない。また、焼入れ後に冷却剤を除去する洗浄工程が必要であり、洗浄により生じた廃水の処理も大きな問題となる。

このような点から、近年、窒素ガスなどの不活性なガスを冷却剤として用い、例えば炉内に並べたワークの周囲に冷却用ガスを通流させることで、ワークの急冷つまり焼入れを行うガス焼入れ方法が注目されている。

さらに、非特許文献１には、ガス焼入れ方法の一種として、３００℃程度の高温のホットガスを用いることで、冷却の途中で一定時間等温に保持するようにした等温焼入れ（多段階焼入れとも呼ばれる）が開示されている。このものでは、工場排熱などを利用して冷却用ガスを予め３００℃程度に予熱しておき、１０００℃程度に加熱したワークを収容したガス炉に、このホットガスを循環させることで、ワークを冷却するとともに、ホットガスの温度と平衡した３００℃前後の温度にワークを等温処理する。そして、温度平衡後、クーラを通過して低温となった冷却用ガスの循環に切り換えることで、ワークを冷却し、焼入れを完了させる。

非特許文献１には、このような多段階焼入れを行うことで、通常の連続的な焼入れに比して、ワークに生じる歪みが低減することが記載されている。

しかしながら、非特許文献１のように温度が異なる複数のガスを用いて多段階焼入れを実現する従来の方法では、ガス炉に、ガス加熱用の熱交換器やガス冷却用のクーラ、さらには、流路の切換のダンパなどが必要となり、設備が複雑化する。

また、ホットガスの温度とワークの温度との平衡によって等温化を図っているので、ワークの温度が目標とする等温処理温度に収束するまでに時間がかかり、焼入れ処理全体のサイクルタイムが長くなる。

浜辺晃弘、「ホットガスを利用した真空焼入れ及び浸炭マルクエンチ処理について」、Jaurnal of the Vacuum Society of Japan、一般社団法人日本真空学会、２０１０年、第５３巻、第１号、ｐ．４９−５２

本発明は、鋼からなるワークを加熱し、炉内で冷却用ガスをワーク周囲に通流させることによりワークを冷却して焼入れするガス焼入れ方法において、
ワークがマルテンサイト変態開始温度に達する前の焼入れの途中で、冷却用ガスの供給を停止し、
炉内を減圧状態として、マルテンサイト変態開始温度よりも高い中間の温度にワーク温度を維持しつつ、輻射冷却によりワーク各部を均熱化させ、
ワーク各部が均熱化した後に冷却用ガスの供給を再開し、マルテンサイト変態開始温度を通過するように焼入れを行う。

すなわち、本発明の焼入れ方法では、冷却用ガスを用いた焼入れの途中で、冷却用ガスの供給を停止するとともに、炉内を減圧することで、ワークの冷却速度を抑制する。特に、炉内の減圧によって、対流による冷却作用が速やかに抑制され、実質的に輻射冷却のみとなる。換言すれば、減圧によって炉内が断熱された状態となり、ワークは中間の温度に一時的に維持される。このとき、ワークの中で相対的に温度が高い部位から相対的に温度が低い部位に熱が移動し、ワーク各部が均熱化する。従って、その後の冷却用ガスの供給による冷却の際には、ワークの各部がマルテンサイト変態開始温度をほぼ同時にかつ同様の温度勾配でもって通過することとなり、より均一に焼入れがなされる。

本発明によれば、温度の異なる複数のガスを必要とせずに多段階焼入れを実現することができ、ワーク各部の均熱化により焼入れに伴うワークの歪みが低減する。また、ホットガスを用いる従来の方法に比べて、中間の温度までの冷却ならびに均熱化処理を短時間で行うことができ、焼入れ処理全体のサイクルタイムが短くなる。

本発明のガス焼入れ方法に用いられるガス焼入れ炉の構成説明図。 一実施例のガス焼入れ方法の工程を示す説明図。 ワークの一例を示す斜視図。 ワークとなるロアリンク全体の斜視図。 焼入れに伴う歪み量を実施例と比較例とで比較して示す特性図。

以下、本発明の一実施例を詳細に説明する。

図１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の一例を示している。このガス焼入れ炉１は、前方から見て上下に細長い長円形をなす縦型の炉であり、上部に、ガス焼入れ炉１内で冷却用ガスを循環させるとともに該冷却用ガスを攪拌するファン２が設けられている。下部には、焼入れ処理の対象となる後述するワークが複数並べられるトレイ３が、１段もしくは複数段配置されている。このトレイ３は、ファン２によって送られる冷却用ガスの流れ（図中に矢印Ｇで示す）が該トレイ３を貫通して上方方向に通流可能なように、多数の開口部を有する格子状に構成されている。なお、このトレイ３は、図示せぬドアを介して炉内に出し入れされる。

ガス焼入れ炉１は、所定の減圧状態に耐えられる密閉構造を有し、かつ炉内部を減圧するための減圧ポンプ４を外部に備えている。この減圧ポンプ４は、減圧通路５を介して炉内の空間に接続されており、減圧通路５は、電磁弁等からなる開閉弁６を備えている。

またガス焼入れ炉１は、例えば、窒素ガス、あるいは、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、等からなる冷却用ガスを炉内に導入するためのガス導入通路７と、冷却用ガスを炉内から排出するためのガス排出通路９と、を備えている。ガス導入通路７は、電磁弁等からなる開閉弁８を備えており、ガス排出通路９は、同じく電磁弁等からなる開閉弁１０を備えている。

図２は、上記のガス焼入れ炉１を用いた本発明のガス焼入れ方法の一実施例を示している。この実施例に用いられるワークは、例えば、ＳＣｒ４２０のクロム鋼を母材とし、所定の形状に機械加工した後に、予めガス浸炭によって表面を浸炭処理したものである。浸炭処理における表面の目標の炭素濃度は、０．６％であり、従って、ワーク表面の材料は、ＳＣｒ４６０相当のものとなっている。浸炭処理は、別の炉で行われ、浸炭処理温度から徐冷した後、焼入れのために１０５０℃まで再加熱した状態でトレイ３とともにガス焼入れ炉１内部に搬入される。

ガス焼入れ炉１の図示せぬドアを密閉した後、ガス導入通路７を介してガス焼入れ炉１内に冷却用ガスを導入し、冷却用ガスが充満したら開閉弁８等を閉じて、ガス焼入れ炉１内部を密閉状態とする。そして、ファン２を駆動し、冷却用ガスの強制的な循環によるワークの冷却を行う。冷却用ガスとしては、例えば、４０℃に温度調整した窒素ガスを用いる。

図２の（ａ）はワークの温度変化を、（ｂ）はガス冷却つまりファン２のＯＮ・ＯＦＦ状態を、（ｃ）は炉内の減圧つまり減圧ポンプ４のＯＮ・ＯＦＦ状態を、それぞれ示しているが、時刻ｔ１から冷却用ガスの強制的な循環によるワークの急冷が行われる。これにより、ワークの温度は比較的急激に低下する。なお、図２の（ａ）には、冷却に伴ってマルテンサイト変態の前にベイナイトへの変態が生じるベイナイト変態曲線（Ｂ）を併せて示しているが、このノーズ状のベイナイト変態曲線を横切ることがないように、冷却用ガスによる温度低下速度が設定されている。

このような急冷期間に続いて、ワークの温度がマルテンサイト変態開始温度に達する前に、時刻ｔ２において、ファン２を停止し、冷却用ガスの循環・攪拌を停止する。これと実質的に同時に、減圧ポンプ４を作動させ、ガス焼入れ炉１の内部を減圧する。ファン２の停止によって冷却用ガスによる冷却が抑制されるが、さらにガス焼入れ炉１内部を減圧することによって、ガス焼入れ炉１内部が断熱された状態となる。つまり、対流による冷却作用が速やかに抑制され、僅かに、ワーク表面からの輻射による輻射冷却のみとなる。これによって、ワークの冷却速度は非常に小さくなり、ワークの温度は、図２（ａ）に示すように、マルテンサイト変態開始温度よりも高い中間の温度に一時的に保持される。目標とする中間の温度としては、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）よりも僅かに高い例えば３００℃である。

時刻ｔ１〜ｔ２の間の急冷期間においては、ワークの各部で多少の冷却速度の差異が存在し、冷却速度の速い部位では図２（ａ）に実線Ｆで示すように温度低下が早期に進行するのに対し、相対的に冷却速度の遅い部位では破線Ｌで示すように温度低下の進行が遅れる。そのため、時刻ｔ２においては、各々の部位に温度差が生じているが、ファン２の停止および減圧によってワークを実質的に断熱している間に、ワークの中で相対的に温度が高い部位から相対的に温度が低い部位に熱が移動し、マルテンサイト変態開始温度よりも僅かに高い目標とする中間温度（例えば３００℃）付近でワーク各部が均熱化する。つまり、図２（ａ）の実線Ｆで示す温度と破線Ｌで示す温度とが互いに収束し、３００℃前後に維持される。

ここで、時刻ｔ２におけるファン２の停止および減圧ポンプ４のＯＮ作動の制御としては、ワークの実際の温度を例えば赤外線型温度センサ等を用いてモニタし、温度変化の遅れを考慮して均熱時の目標とする中間の温度よりも僅かに高い所定の温度となったときに、ファン２の停止および減圧ポンプ４のＯＮ作動を実行するようにしてもよい。あるいは、時刻ｔ１から所定の温度に低下するまでの所要時間を実験的に求めておき、時刻ｔ１からの経過時間が所定値に達したときにファン２の停止および減圧ポンプ４の作動開始を実行するようにしてもよい。一実施例では、時刻ｔ１〜ｔ２の間の初期の急冷期間は、例えば４５秒程度である。

中間の温度に維持することでワーク各部の均熱化が完了したら、時刻ｔ３において、減圧ポンプ４をＯＦＦとし、かつガス導入通路７を介してガス焼入れ炉１内に冷却用ガスを再び導入した上で、ファン２を駆動し、冷却用ガスの強制的な循環によるワークの急冷を再開する。冷却用ガスは、初期の急冷期間のものと同じものでよく、例えば、４０℃に温度調整した窒素ガスを用いる。

上記の急冷によって、ワークの温度は、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）を横切って低下（つまり、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）を通過する）し、焼入れが行われる。このとき、ワーク各部が均熱化しているので、ワークの各部について、マルテンサイト変態開始温度を通過するときのタイミングならびに温度勾配（冷却速度）が一定となる。従って、各部で一様にマルテンサイト変態が生じ、均一な焼入れが得られる。

時刻ｔ２〜ｔ３の間の所要時間は、一実施例では、例えば３０秒程度である。時刻ｔ３における冷却再開の制御としては、均熱化に必要な所要時間を実験的に求め、時刻ｔ２からの経過時間が所定値に達したときに、冷却を再開するようにすればよい。あるいは、ワークの複数箇所の実際の温度を赤外線型温度センサ等を用いてモニタし、これらが略等しい温度に収束したときに冷却を再開するようにしてもよい。

時刻ｔ３以降の冷却は、一実施例では、例えば２〜５分程度行う。

このように、上記実施例の焼入れ方法では、単一の冷却用ガスを用いたガス焼入れとして、時刻ｔ１〜ｔ２の間の急冷期間である第１段階と、時刻ｔ２〜ｔ３の間の均熱化期間となる第２段階と、時刻ｔ３以降の急冷期間である第３段階と、からなる多段階焼入れが実現される。このようにマルテンサイト変態開始温度よりも僅かに高い中間の温度において均熱化期間となる第２段階を備えることで、均一な焼入れを行うことができ、焼入れに伴う歪みが小さくなる。しかも、第２段階として減圧による断熱を利用して冷却速度を速やかに低下させることができるため、第１段階ならびに第２段階の所要時間が短くなり、例えば従来のホットガスを利用する方法に比べて、サイクルタイムが短くなる。

ここで、時刻ｔ２〜ｔ３の間における第２段階の温度は、図２（ａ）に示すように、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）よりも高く、かつノーズ状のベイナイト変態曲線よりも低い温度に設定される。つまりワークの温度変化の特性がベイナイト変態曲線を横切ることがないように、中間の温度ならびに第２段階の期間が設定されている。これにより、焼入れ中のベイナイトへの変態が抑制される。

図３は、本発明の焼入れ方法に適したワークの一例を示している。このワークは、内燃機関の複リンク式ピストンクランク機構におけるロアリンク１１（図４参照）の一部を構成する部品である。この種のロアリンク１１は、例えば特開２０１５−４２８４９号公報に記載されているように、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４に示すように、クランクピンに嵌合する円筒形のクランクピン軸受部１２を中央に有し、かつこのクランクピン軸受部１２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１３およびコントロールピン用ピンボス部１４がそれぞれ設けられている。このロアリンク１１は、全体として菱形に近い平行四辺形をなしており、クランクピン軸受部１２の中心を通る分割面１５において、アッパピン用ピンボス部１３を含むロアリンクアッパ１１Ａと、コントロールピン用ピンボス部１４を含むロアリンクロア１１Ｂと、の２部品に分割して形成されている。上記実施例のワークは、上記のロアリンクアッパ１１Ａである。

このロアリンクアッパ１１Ａにおけるアッパピン用ピンボス部１３は、アッパリンクを軸方向中央部に挟むように二股状の構成となっており、つまり、中央の凹部１６を挟んで互いに対向した一対の壁状のものとなっている。

このようなワークつまりロアリンクアッパ１１Ａは、前述したトレイ３上に図３に示した姿勢でもって配置される。つまり、分割面１５と直交する一方の側面１７（図４参照）がトレイ３と接する底面となり、かつ分割面１５がトレイ３の面から垂直に立ち上がるような縦型の姿勢に保持される。そして、ガス焼入れ炉１内で冷却用ガスは分割面１５と平行に案内されることとなり、壁状をなす一対のピンボス部１３の表裏面に沿って冷却用ガスが通流する。

このようなワークに対する焼入れにあっては、壁状のピンボス部１３が分割面１５付近の部分に比べて薄肉であるとともにガス流れに対し広く露出していることから、一般に、壁状のピンボス部１３が冷却速度の速い部位となり、分割面１５付近の厚肉部が冷却速度の遅い部位となる。しかも、壁状のピンボス部１３の外側面と内側面（凹部１６側の面）とでも冷却速度が相違する。その結果、焼入れに伴って、壁状のピンボス部１３がロアリンク１１の軸方向に変位する歪みが生じやすい。

上記実施例の多段階の焼入れ方法によれば、このような壁状のピンボス部１３の軸方向の歪みを抑制することができる。

図５は、上記の歪みによる一対のピンボス部１３の間隔（換言すれば凹部１６の軸方向の幅）の変化量について、実施例の多段階焼入れ方法による場合と、比較例として冷却用ガスによる冷却を継続した単純な連続焼入れによる場合と、で比較実験した結果を示している。ここで、実施例の焼入れは、第１段階として、４０℃の窒素ガスを０．６ＭＰａの圧力で封入し、ファン２で循環させて１分間急冷した後、第２段階として、１ｋＰａに減圧して３０秒間保持し、さらに第３段階として、４０℃の窒素ガスを０．６ＭＰａの圧力で封入し、ファン２で循環させて１分間冷却した。比較例では、４０℃の窒素ガスを０．６ＭＰａの圧力で封入し、ファン２で循環させて、２分３０秒の間、冷却した。

図示するように、実施例の多段階焼入れによれば、連続焼入れに比較して、ピンボス部１３の軸方向の歪みが半減する結果が得られた。

以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、処理の温度や時間などを含め、種々の変更が可能である。また、本発明は、図４に示すロアリンク１１のロアリンクロア１１Ｂ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。

Claims (4)

1. 鋼からなるワークを加熱し、炉内で冷却用ガスをワーク周囲に通流させることによりワークを冷却して焼入れするガス焼入れ方法において、
   ワークがマルテンサイト変態開始温度に達する前の焼入れの途中で、冷却用ガスの供給を停止し、
   炉内を減圧状態として、マルテンサイト変態開始温度よりも高い中間の温度にワーク温度を維持しつつ、輻射冷却によりワーク各部を均熱化させ、
   ワーク各部が均熱化した後に冷却用ガスの供給を再開し、マルテンサイト変態開始温度を通過するように焼入れを行う、ガス焼入れ方法。
2. マルテンサイト変態開始温度よりも高くかつベイナイト変態曲線よりも低い温度にワーク温度を維持してワーク各部の均熱化を行う、請求項１に記載のガス焼入れ方法。
3. ワークは、予め表面の浸炭処理が行われている、請求項１または２に記載のガス焼入れ方法。
4. 鋼からなるワークを炉内で加熱状態から冷却用ガスにより急冷する第１の工程と、
   ワークの温度低下の途中で、ワークがマルテンサイト変態開始温度よりも高い中間の温度を維持するように、ワークへの冷却用ガスの供給を停止するとともに炉内を減圧する第２の工程と、
   ワークが均熱化した後に再度冷却用ガスにより急冷する第３の工程と、
   を備える、ガス焼入れ方法。

Images