(57)【要約】【課題】簡単な構造で装置コストを増大させることなく、蒸気膜の崩落のばらつきを小さくして冷却速度をより均一化し、ワークのうねり変形を抑制する。【解決手段】冷却液を収容した冷却槽内へ加熱したワーク２を浸漬して焼入処理を行なうための熱処理装置１は、冷却槽内への浸漬時にワーク２を載置するためのダミーワーク３０を有している。ダミーワーク３０の少なくともワーク２との接触部分３２が、ワーク２よりも熱伝導率の高い材料から形成されている。【選択図】図２
2010215941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液を収容した冷却槽内へ加熱したワークを浸漬して焼入処理を行なうための熱処理装置であって、
前記冷却槽内への浸漬時にワークを載置するための熱処理治具を有し、
前記熱処理治具の少なくとも前記ワークとの接触部分が、前記ワークよりも熱伝導率の高い材料から形成されていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記接触部分は、前記熱処理治具の円周方向全周に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記接触部分は、前記熱処理治具の円周方向に均等に間隔を隔てて３箇所以上に分割配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記熱処理治具の全体が前記ワークよりも熱伝導率の高い材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記熱伝導率の高い材料は銅又はその合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理装置。
【請求項６】
ワークの熱処理方法であって、
加熱したワークを、少なくとも前記ワークとの接触部分が当該ワークよりも熱伝導率の高い材料で形成されている熱処理治具上に載置し、冷却液を収容した冷却槽内へ浸漬して、前記ワークの焼入処理を行なうことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理装置および熱処理方法に関する。本発明は、特に、冷却液を収容した冷却槽内へ加熱したワークを浸漬して焼入処理を行なうための熱処理装置、および熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギア部品等のワークは、強度を確保するために例えば浸炭焼入した後焼き戻し処理が施される。例えばハイポイドギアのようなリング状の薄肉部品の浸炭焼入処理は、焼入後の熱処理変形によりギアのリング形状にうねりが生じ易く、熱処理部品の背面平面度の悪化や、それに伴う歯当たりの悪化等の原因となっている。そのため、通常は、プレス装置等によって熱処理する部品を拘束して焼入処理を行なうプレスクエンチを行なっている。
【０００３】
一方、プレスクエンチフリーとしてダイレクト焼入処理に取り組んでいる例もあるが、ダイレクト焼入処理は、ギア外径が小さく厚肉のギアに限られており、ギア外径が大きいものでは困難な状況である。
【０００４】
例えばギア外径が大きいハイポイドギアの浸炭焼入処理は、トレイ上に起立させた立ち棒に挿通させて上記トレイ上にダミーワークを設置し、その上にハイポイドギアを多段にセットして焼入処理を行っている。
【０００５】
ハイポイドギアを浸炭処理後、焼入油を収容した冷却槽内へ浸漬して焼入れ処理を行うと、ハイポイドギアの周囲は油の蒸気膜で覆われる。この蒸気膜の存在は、焼入油が直接ハイポイドギアに接触することを妨げ冷却を遅らせることになる。そして、冷却の早いハイポイドギア上面のギア先端から蒸気膜の崩落が始まる。蒸気膜崩落はそのままハイポイドギア側面を伝わり、最後に背面側へと伝わっていくが、それによってギア背面側の冷却速度のばらつきが大きくなり、これがハイポイドギアのうねり変形を引き起こしていると考えられる。
【０００６】
そこで、ワーク昇降手段に加振装置を備え、加振装置により縦方向の微振動を加えて蒸気膜をワークから分離、取り去る方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３５０７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、冷却速度のばらつきを抑制するには、ワークの冷却液への浸漬時に、ワーク表面の蒸気膜の崩落ばらつきを小さくする必要がある。しかし、蒸気膜の崩落はランダム事象であるため、その制御は非常に困難である。
【０００９】
また、特許文献１に記載の技術のように、加振装置により縦方向の微振動を加えて蒸気膜を強制的に破断する方法は、装置が大掛かりになり、装置コストが増大するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡単な構造で装置コストを増大させることなく、蒸気膜の崩落のばらつきを小さくして冷却速度をより均一化し、ワークのうねり変形を抑制することができる熱処理装置、および熱処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の一側面によれば、冷却液を収容した冷却槽内へ加熱したワークを浸漬して焼入処理を行なうための熱処理装置が提供される。前記熱処理装置は、前記冷却槽内への浸漬時にワークを載置するための熱処理治具を有し、前記熱処理治具の少なくとも前記ワークとの接触部分が、前記ワークよりも熱伝導率の高い材料から形成されている。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の他の側面によれば、ワークの熱処理方法が提供される。前記熱処理方法は、加熱したワークを、少なくとも前記ワークとの接触部分が当該ワークよりも熱伝導率の高い材料で形成されている熱処理治具上に載置し、冷却液を収容した冷却槽内へ浸漬して、前記ワークの焼入処理を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱処理治具の熱伝導率の高い接触部分がワークに接触して配置されるので、熱処理治具で崩落した蒸気膜の当該崩落が接触部分を崩落起点として伝播してワークの熱処理治具との接触面に均等に広がっていくことで、冷却速度が均一化される。すなわち、ワークが熱処理治具に接していて、かつ蒸気膜が通常最後に切れるワークの熱処理治具との接触面側の温度を均一化することにより、蒸気膜が切れる温度の到達時間のばらつきを減少させることができる。
【００１４】
したがって、簡単な構造で装置コストを増大させることなく、蒸気膜の崩落のばらつきを小さくして冷却速度をより均一化し、ワークのうねり変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係る熱処理装置の外観をワークと共に概略的に示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る熱処理装置をワークと共に示す断面図である。
【図３】熱処理装置のダミーワークを示す平面図である。
【図４】ワークとしてハイポイドピニオンギアを採用する場合のダミーワークをワークと共に示す模式図である。
【図５】全体がＳＣＨ１３等の耐熱鋼により形成されたダミーワークを使用した場合のハイポイドギア背面側の蒸気膜崩落時間のばらつきを示す説明図である。
【図６】ハイポイドギアの熱処理によるうねり変形を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
なお、以下の実施形態では、熱処理するワークとして、例えば自動車部品であるハイポイドギアおよびハイポイドピニオンギアを例示して説明するが、本発明はハイポイドギア等の熱処理に限定されるものではない。
【００１８】
まず、図１および図２を参照して、本発明に係る熱処理装置の一実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係る熱処理装置の外観をワークと共に概略的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る熱処理装置をワークと共に示す断面図である。図３は、熱処理装置のダミーワークを示す平面図である。
【００１９】
図１および図２に示すように、本実施形態の熱処理装置１は、主に焼入処理を行なう際に、焼入油等の冷却液を収容した冷却槽（図示せず）内へ加熱処理したワーク２を浸漬する装置である。
【００２０】
熱処理装置１は、金属製のトレイ１０と、このトレイ１０上に起立固定された立ち棒２０と、この立ち棒２０に挿通され、上記トレイ１０上に直に載置されるダミーワーク３０と、を備えている。ダミーワーク３０上には、立ち棒２０に挿通されて、例えば複数のワーク（熱処理部品）２が多段に載置されるようになっている。
【００２１】
トレイ１０は、本実施形態では外形が円形の金属板または金属枠である。冷却液への浸漬を容易にし、冷却液の流れを阻害しないように、トレイ１０の中央部には開口部１１が形成されている。トレイ１０の外形状は円形に限定されず、矩形状や多角形状の外形であっても構わないが、上述の如く、開口部１１を形成することが好ましい。このトレイ１０は、例えば、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）や耐熱鋼（例えばＳＣＨ１３）等によって構成されている。
【００２２】
立ち棒２０は、本実施形態ではコ字状（門型状）の枠体であって、一対の縦棒部２１をガイドとしてダミーワーク３０およびワーク２を挿通支持し、横棒部２２は昇降機等に把持しうるようになっている。縦棒部２１は、２本に限らず、例えば、周方向均等に３本以上配置しても構わない。この立ち棒２０は、例えば、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）や耐熱鋼（例えばＳＣＨ１３）等によって構成されている。
【００２３】
なお、面積の大きなトレイ１０上に、複数の立ち棒２０を起立固定し、各立ち棒２０にワーク２を多段に積載して、一度に多数のワーク２を熱処理可能に構成してもよい。
【００２４】
ダミーワーク３０は、略載頭円錐状の外観を有するリング状の部材であり、ここでは基本的にはワーク２と同様の形状を有している。このダミーワーク３０は、上述したように、立ち棒２０に挿通され、トレイ１０上に直に配置される。
【００２５】
そして、ダミーワーク３０上には、ワーク（熱処理部品）２としてハイポイドギアが多段に積載される。このハイポイドギアは、例えば、ＳＣＭ４１８（熱伝導率λ＝４０Ｗ／（ｍ・Ｋ））等により構成されている。
【００２６】
焼入処理を行なう際のダミーワーク３０の表面温度はワーク２の表面温度よりも小さくなるように設定され、油浸漬時にワーク２よりも先にダミーワーク３０が後述する蒸気膜崩落開始温度（特性温度）よりも低い温度まで冷却されることで、ダミーワーク側から先に蒸気膜崩落を引き起こすように設計されている。そのためには、ダミーワーク３０の蒸気膜崩落温度到達時間は、ダミーワーク３０の表面積／質量の比に比例して低くなるので、これに基づいて表面積および質量を求める設計手法を用いる。
【００２７】
ダミーワーク３０の本体３１は、例えば、ＳＣＨ１３（熱伝導率λ＝１３Ｗ／（ｍ・Ｋ））等の耐熱材料により形成されている。また、ダミーワーク３０の上面には、上方へ向けてワーク２との接触部分３２が突設されている。
【００２８】
ダミーワーク３０のうち、少なくとも上記接触部分３２は、ワーク２よりも熱伝導率の高い材料で形成されている。本実施形態では、ワーク２がＳＣＭ４１８により構成されており、接触部分３２は、例えば、このＳＣＭ４１８の熱伝導率（λ＝４０Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも熱伝導率の高い銅（Ｃｕ；熱伝導率λ＝４００Ｗ／（ｍ・Ｋ））又はその合金等によって形成されている。銅又はその合金は、通常、熱処理されるワークよりも熱伝導率が高く、浸炭加熱されるときの温度よりも融点が高いので、使用するのが好ましい。
【００２９】
但し、接触部分３２の材料は、銅又はその合金に限定されず、ワーク２の構成材料よりも熱伝導率が高い材料であれば使用することができる。また、本実施形態では、ワーク２としてのハイポイドギアが９００℃以上に浸炭加熱されるため、高熱伝導材料は９００℃以上の融点を有することが望ましい。なお、本実施形態のハイポイドギアの材質以外のワーク２に適用する場合には、９００℃未満の融点の高熱伝導材料であっても使用できる余地がある。
【００３０】
本実施形態では、接触部分３２は、図３（ａ）に示すように、ダミーワーク３０の円周方向の全周に亘ってリング状に形成されている。
【００３１】
接触部分３２の形成方法としては、高熱伝導材料を、めっき処理、溶射、圧入、あるいは接着剤により接着する方法等が考えられる。接触部分３２を部分的に形成する場合は、ダミーワーク３０の上面の当該接触部分３２以外をマスキングして選択的に溶射等を施して形成することができる。
【００３２】
図４は、ワーク２としてハイポイドピニオンギアを採用する場合のダミーワークをワークと共に示す模式図である。
【００３３】
図４に示すように、ハイポイドピニオンギアの場合には、ワーク２は回転軸３を備えた中実ギアである。この場合、ワーク２のギア部の端面（下面）にダミーワーク３０の上面が面接触している。すなわち、ダミーワーク３０は略載頭円錐状のリング部材であり、ダミーワーク３０に回転軸３を挿通させてワーク２が載置されると、ダミーワーク３０はハイポイドピニオンギアを吊り下げるように支持する。図４の場合、ダミーワーク３０の上面全体が接触部分３２となっている。
【００３４】
次に、図５および図６を参照して、本実施形態に係る熱処理装置１の作用とともに、これを用いて実施する本実施形態に係る熱処理方法について説明する。図５は、全体がＳＣＨ１３等の耐熱鋼により形成されたダミーワークを使用した場合のハイポイドギア背面側の蒸気膜崩落時間のばらつきを示す説明図である。図６は、ハイポイドギアの熱処理によるうねり変形を示す模式図である。
【００３５】
本実施形態では、熱処理対象のワーク２としてハイポイドギアを例示している。このハイポイドギアの熱処理は、例えば、まず浸炭炉内に低炭素鋼を収容し、浸炭剤中で９００℃以上に加熱し、炭素を拡散させて鋼表面層の炭素含有量を増大させる。この浸炭処理後、約７０℃の冷却液を収容した冷却槽内へハイポイドギアを浸漬して油焼入れ処理を行なった後、靱性をもたせるため加熱炉内で約１３０℃に焼き戻し処理を行なっている。
【００３６】
浸炭処理の後焼入れ処理を行うと、冷却槽内の油中では、ワーク周囲で蒸気膜を生成し、蒸気膜の崩落の後に沸騰、そして対流というように状態が変化する。具体的には、焼入開始後にハイポイドギアの周囲は油の蒸気膜で覆われ、冷却の早いハイポイドギア上面のギア先端から蒸気膜の崩落が始まり、この蒸気膜崩落はそのままハイポイドギア側面（図５（ｂ）のａ点）を伝わり、最後に背面（図５（ｂ）のｂ点）側へと伝わっていく。この蒸気膜崩落時間がずれることにより、図５に示すように、ギア背面側の冷却速度のばらつきが大きくなる。
【００３７】
図５（ａ）（ｂ）に示すように、ハイポイドギアの周方向における３箇所の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の背面（ｂ点）側（下面側）について、冷却温度を測定した。そして、図５（ｃ）に示すような３つの冷却曲線が得られた。これらの冷却曲線によれば、蒸気膜崩落開始温度に達する時間（蒸気膜崩落時間）において、Ｘ、Ｙ、Ｚの３箇所の間で約１０秒のばらつきがあることが判る。
【００３８】
このようにハイポイドギアの背面の円周方向の部位で蒸気膜崩落時間がばらつくと、各部位で冷却速度のばらつきが生じることになる。これが図６に模式的に示すように、ハイポイドギアのうねり変形を引き起こし、その背面側の平面度低下を招いていると考えられる。なお、図６では、ギアの歯形状を図示省略している。
【００３９】
そこで、本実施形態の熱処理装置１では、ワーク２としてのハイポイドギアを載置するダミーワーク３０の少なくともワーク２との接触部分３２を、ワーク２よりも熱伝導率の高い材料（例えば、銅又はその合金等）で形成している。
【００４０】
このような構成のダミーワーク３０上に浸炭処理で加熱されたハイポイドギアを載置し、冷却槽内へ浸漬してハイポイドギアの焼入処理を行なう。
【００４１】
したがって、ダミーワーク３０の熱伝導率の高い接触部分３２がハイポイドギアの背面に接触して配置されるので、ダミーワーク３０で崩落した蒸気膜の当該崩落が接触部分３２を崩落起点として伝播してハイポイドギアの背面に均等に広がっていくことで、冷却速度が均一化される。すなわち、ワーク２がダミーワーク３０に接していて、かつ蒸気膜が通常最後に切れるワーク２のダミーワーク３０との接触面側である背面側（下側）の温度を均一化することにより、蒸気膜が切れる温度の到達時間のばらつきが減少する。
【００４２】
よって、簡単な構造で装置コストを増大させることなく、蒸気膜の崩落のばらつきを小さくして冷却速度をより均一化し、ワーク２のうねり変形を防止することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、接触部分３２はダミーワーク３０の円周方向全周に形成されているので、接触部分３２がワークの背面に円周方向全周で接触して配置される。これにより、蒸気膜の崩落がワークの背面の円周方向に均等に広がっていき、ワークの冷却速度が円周方向でより均一化される。
【００４４】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。
【００４５】
例えば、接触部分３２は、図３（ｂ）に示すように、円周方向に均等に間隔を隔てて分割片３２Ａとして形成してもよい。接触部分３２を複数の分割片３２Ａとする場合は、３箇所以上で均等にワーク２と接触し得るように形成することが望ましい。このようにすれば、ワーク２がダミーワーク３０との接触面である背面の中央線で折れ曲がるような変形を防止することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、熱処理治具としてのダミーワーク上にワークが載置される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ダミーワークを使用せずに、熱処理装置のトレイ等の熱処理治具上にワークが直接載置される場合にも適用可能である。
【００４７】
また、ワークの接しているところが全て同じ温度になるように、熱処理治具全体（ダミーワーク全体）が熱伝導率の高い材料であって、一体となっている（部分的に必ずつながっていることが前提）ことが好ましい。
【００４８】
また、上記の実施形態では、ワークとしてハイポイドギアおよびハイポイドピニオンギアを使用したが、本発明はこれらの自動車部品のみならず、熱処理が施される各種のワーク（熱処理部品）にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  熱処理装置、
２  ワーク、
１０  トレイ、
２０  立ち棒、
３０  ダミーワーク、
３２  接触部分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010215941.tif 000006
【図５】
2010215941.tif 000007
【図６】
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