(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】加熱したワーク２をダミーワーク３０上に載置し、冷却液を収容した冷却槽内へ浸漬して、ワーク２の焼入処理を行なう熱処理方法であって、ダミーワーク３０またはワーク２の少なくとも相手側との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料を形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した熱処理部品を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、前記熱処理部品の焼入処理を行なう熱処理方法であって、
前記熱処理治具または前記熱処理部品の少なくとも相手側との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料を形成したことを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
前記低熱伝導材料は、前記熱処理治具または前記熱処理部品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に記載の熱処理方法。
【請求項３】
前記低熱伝導材料は、前記熱処理治具または前記熱処理部品の円周方向に均等に間隔を隔てて３箇所以上に分割形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
前記低熱伝導材料は、前記熱処理治具または前記熱処理部品の基材に被覆された皮膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理方法。
【請求項５】
冷却液を収容した冷却槽内へ加熱した熱処理部品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熱処理部品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熱処理部品との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
熱処理治具上に配置し、冷却液を収容した冷却槽内へ浸漬して焼入処理を行なう熱処理部品であって、
前記熱処理部品の少なくとも前記熱処理治具との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料が形成されていることを特徴とする熱処理部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理方法、熱処理装置および熱処理部品に関する。本発明は、特に、冷却液を収容した冷却槽内へ加熱した熱処理部品を浸漬して焼入処理を行なう場合の熱処理方法、熱処理装置および熱処理部品に関する。
【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方法、熱処理装置および熱処理部品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、加熱した熱処理部品を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、前記熱処理部品の焼入処理を行なう熱処理方法が提供される。前記熱処理方法は、前記熱処理治具または前記熱処理部品の少なくとも相手側との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料を形成したことを特徴とする。
【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、冷却液を収容した冷却槽内へ加熱した熱処理部品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熱処理部品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熱処理部品との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料が形成されている。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明のさらに他の側面によれば、熱処理治具上に配置し、冷却液を収容した冷却槽内へ浸漬して焼入処理を行なう熱処理部品が提供される。前記熱処理部品の少なくとも前記熱処理治具との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料が形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、冷却液への熱処理部品の浸漬時に、熱処理治具または熱処理部品の内部温度が高く維持された状態で、低熱伝導材料の最表層温度が冷却液により冷却される。これにより、熱処理治具または熱処理部品の極最表層は局部的に蒸気膜崩落開始温度よりも低くなり、内部温度が高いうちに蒸気膜の崩落部が生じ、蒸気膜界面の振動による間欠的固液接触によって、瞬時にばらつきなく蒸気膜が崩落することになる。
【００１５】
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、熱処理部品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】
【００１６】
【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】低熱伝導皮膜の形成状況を示す断面図である。
【図４】低熱伝導材料を例示する説明図である。
【図５】低熱伝導材料の熱伝導率と蒸気膜崩落時間との関係を説明する図である。
【図６】熱処理装置のダミーワークを示す平面図である。
【図７】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８】低熱伝導皮膜のない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９】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。
【図１０】低熱伝導皮膜による蒸気膜崩落の原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
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。
【００１９】
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、低熱伝導皮膜の形成状況を示す断面図である。図４は、低熱伝導材料を例示する説明図である。図５は、低熱伝導材料の熱伝導率と蒸気膜崩落時間との関係を説明する図である。図６は、熱処理装置のダミーワークを示す平面図である。なお、図２および図３において、説明の便宜のため、低熱伝導皮膜４０の厚みを実際の厚みよりも厚く表現している（図７においても同様）。
【００２０】
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。
【００２１】
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上に直に配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、例えば複数の熱処理部品（以下、「ワーク」とも表記する）２が多段に載置されるようになっている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
そして、ダミーワーク３０上には、熱処理部品（ワーク）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。
【００２７】
ダミーワーク３０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の本体３１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】
図２および図３（ａ）に示すように、この接触部分３２を含むダミーワーク３０の上面には、低熱伝導材料が低熱伝導皮膜４０として形成されている。低熱伝導材料としては、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２；熱伝導率λ＝２Ｗ／（ｍ・Ｋ））等が挙げられる。低熱伝導材料は、ＺｒＯ２に限定されず、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の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、低熱伝導材料は９００℃以上の融点を有することが望ましい。低熱伝導皮膜４０の厚みは、例えば、５０μｍ〜１５０μｍ程度に形成する。
【００２９】
低熱伝導皮膜４０の形成方法としては、例えば、溶射、化学的蒸着法（ＣＶＤ）、物理的蒸着法（ＰＶＤ）、めっき処理の他、粉体の低熱伝導材料を接着剤によってコーティングすること等が考えられる。また、窒化処理を行ないダミーワーク３０の表層にＣｒＮ等の窒化化合物を形成してもよい。このように、低熱伝導材料は、低熱伝導皮膜４０とされることにより、容易に所定の厚さおよび品質で形成され得る。
【００３０】
図４に、本実施形態で使用可能な熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料を例示する。
【００３１】
また、図５に示すように、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料のうち、熱伝導率が小さいほど蒸気膜破断時間が早いことが判る。その中でも、珪藻土およびＺｒＯ２の特性が特に優れており、ＺｒＯ２が好適であることが判る。
【００３２】
低熱伝導皮膜４０は、ダミーワーク３０の円周方向に均等に形成することが好ましい。本実施形態では、図６（ａ）に示すように、低熱伝導皮膜４０は、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。
【００３３】
図７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。
【００３４】
図７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７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。
【００３５】
次に、図８〜図１０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８は、低熱伝導皮膜のない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９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。図１０は、低熱伝導皮膜による蒸気膜崩落の原理を説明する図である。
【００３６】
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。
【００３７】
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８（ｂ）のａ点）を伝わり、最後に背面（図８（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８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。
【００３８】
図８（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。
【００３９】
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９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９では、ギアの歯形状を図示省略している。
【００４０】
すなわち、低熱伝導皮膜４０の存在しないダミーワークを用いて冷却液に浸漬すると、図１０（ａ）に示すように、ダミーワーク３０の最表面に熱伝導率の低い蒸気膜５０が数１０μｍ形成される。そして、冷却液自体の温度は数１０℃から２００℃程度であるのにもかかわらず、ダミーワーク３０の表面温度はこの蒸気膜５０を通して緩慢に冷却される。ダミーワーク３０の表面の一部に蒸気膜５０が薄くなっている部分Ａがあっても、その部分の温度は８００℃程度あり、まだ蒸気膜崩落開始温度（特性温度６００℃）以上を保っているため、蒸気膜５０の崩落の起点とはならない。つまり、蒸気膜５０が冷却液とダミーワーク表面との直接接触を妨げ、熱伝導率の小さい蒸気膜５０が熱移動を阻害する。
【００４１】
そこで、本実施形態の熱処理方法では、ダミーワーク３０の少なくともワーク２（相手側）との接触部分３２に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導皮膜４０を形成している。
【００４２】
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。
【００４３】
したがって、図１０（ｂ）に示すように、冷却液へのワーク２の浸漬時に、ダミーワーク３０の内部温度が高く維持された状態で、低熱伝導皮膜４０の最表層温度が冷却液により冷却される。これにより、ダミーワーク３０の極最表層は局部的に蒸気膜崩落開始温度（特性温度６００℃）よりも低くなり、ダミーワーク３０の内部温度が高いうちに蒸気膜５０の崩落部Ｂが生じ、蒸気膜界面の振動による間欠的固液接触によって、瞬時にばらつきなく蒸気膜５０が崩落することになる。
【００４４】
そして、ダミーワーク３０で崩落した蒸気膜の当該崩落がハイポイドギアの背面に伝播し、ハイポイドギアの背面の蒸気膜が瞬時にばらつきなく崩落することにより、蒸気膜崩落時間のばらつきが減少する。
【００４５】
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５０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。
【００４６】
また、本実施形態では、低熱伝導皮膜４０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、低熱伝導皮膜４０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。
【００４７】
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。
【００４８】
上記実施形態では、ダミーワーク３０の少なくともワーク２との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料が形成されているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、ワーク２の少なくともダミーワーク３０との接触部分に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料が形成されていてもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００４９】
例えば具体的には、図３（ｂ）に示すように、熱処理部品（ワーク）２のダミーワーク３０との接触部分２Ａ、もしくは当該接触部分２Ａを含むその周辺に、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導皮膜４０が形成されていてもよい。
【００５０】
また、低熱伝導皮膜４０は、図６（ｂ）に示すように、円周方向に均等に間隔を隔てて分割形成してもよい。低熱伝導皮膜４０を複数に分割形成する場合は、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。
【００５１】
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。
【００５２】
また、上記実施形態では、低熱伝導材料が低熱伝導皮膜として形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば部分的にバルク（窪みなど）が形成され、そこに低熱伝導材料が埋め込まれていてもよい。あるいは、熱処理治具全体（ダミーワーク全体）が、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の低熱伝導材料で形成されていてもよい。
【００５３】
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】
【００５４】
１  熱処理装置、
２  熱処理部品（ワーク）、
１０  トレイ、
２０  立ち棒、
３０  ダミーワーク、
３２  接触部分、
４０  低熱伝導皮膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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