(57)【要約】【課題】ワークへのパーライトやベイナイトの生成を防止するとともに、ワークに生じる歪を抑制するワークの焼入れ方法及び装置を提供する。【解決手段】ワーク焼入れ方法は、ワークを浸炭処理する浸炭処理工程（ａ）と、浸炭処理されたワークを冷却する高温緩冷却工程（ｂ）と、緩冷されたワークを恒温変態曲線とマルテンサイト変態開始温度との間の温度に急速冷却する急速冷却工程（ｃ）と、急冷されたワークの温度を恒温変態曲線とマルテンサイト変態開始温度との間の温度に保持するＭｓ点直上恒温保持工程（ｄ）と、恒温保持されたワークを再び急冷する急速冷却工程（ｃ）とからなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材からなるワークを浸炭処理する浸炭工程と、
該浸炭工程で処理されたワークを恒温室内で冷却する第１冷却工程と、
該第１冷却工程で冷却されたワークを水槽内の水で恒温変態曲線とマルテンサイト変態開始温度との間の温度に冷却する第２冷却工程と、
該第２冷却工程で冷却されたワークの温度を前記恒温室内で前記ワークの恒温変態曲線とマルテンサイト変態開始温度との間の温度に保持する恒温保持工程と、
該恒温保持工程で前記温度に保持されたワークを、前記水槽内の水で冷却する第３冷却工程とを備えることを特徴とするワークの焼入れ方法。
【請求項２】
鋼材からなるワークを浸炭処理する浸炭炉と、
浸炭処理されたワークを所定温度に保持する恒温室と
マルテンサイト変態開始温度より低い温度の水を貯留する水槽と、
前記恒温室内のワークを前記水槽に送る第１ワーク運搬手段と、
前記水槽内の水で冷却したワークを前記恒温室内に送る第２ワーク運搬手段とを備え、
前記第１ワーク運搬手段は、恒温変態曲線よりも高い温度のワークを前記水槽に送る高温ワーク運搬手段と、前記恒温変態曲線とマルテンサイト変態開始温度との間の温度のワークを前記水槽に送る低温ワーク運搬手段とを有することを特徴とするワークの焼入れ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークの焼入れ方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼材からなるワークの焼入れ方法としてマルクエンチ処理が知られている。マルクエンチ処理とは、オーステナイトを形成する温度領域に加熱されたワークを、マルテンサイトの形成を開始するマルテンサイト変態開始温度（以下、Ｍｓ点という）より高い温度まで冷却し、ワークの表面と各部位の温度が均一になるようにワークをＭｓ点より高い温度に保持した後、マルテンサイトの形成を終了するマルテンサイト変態終了温度以下の温度まで冷却してワークにマルテンサイトを生成する処理である。
【０００３】
上記のマルクエンチ処理において、オーステナイトを形成する温度領域にワークを加熱する工程では、ワークの表面層を硬くするためにワークに炭素を拡散させる浸炭処理が行われる。そして、浸炭処理されたワークを所定の焼入温度に保持した後、ワークを油に浸漬してＭｓ点の直上温度まで冷却し、その後油から取り出してワークの保有熱で均熱化し、再び油に浸漬して冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３０９３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の方法では、ワークを油に浸漬することにより冷却しているが、冷却中のワークに結晶構造の異なるパーライトやベイナイトが生成されるため、ワークの品質にばらつきが生じる場合がある。また、冷却中のワークの各部位で生じる温度差により歪が生じる場合もある。
【０００６】
本発明は、上記のように高温加熱されたワークを、ワークにパーライトやベイナイトが生成されないように冷却することにより、ワークに歪を生じさせない焼入れ方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の方法は、鋼材からなるワークを浸炭処理する浸炭工程と、該浸炭工程で処理されたワークを恒温室内で冷却する第１冷却工程と、該第１冷却工程で冷却されたワークを水槽内の水で恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度に冷却する第２冷却工程と、該第２冷却工程で冷却されたワークの温度を前記恒温室内で前記ワークの恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度に保持する恒温保持工程と、該恒温保持工程で前記温度に保持されたワークを、前記水槽内の水で冷却する第３冷却工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の方法によれば、浸炭工程で浸炭処理されたワークは、第１冷却工程で冷却された後、第２冷却工程で恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度まで冷却される。ここでは、ワークが水で急速に冷却されることにより、パーライトやベイナイトの生成が防止され、ワークの品質のばらつきを抑制することができる。また、第２冷却工程での急速な冷却により、ワークの各部位の温度差を小さくすることができ、恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度に冷却する際のワークの各部位の温度差に起因するワークの歪を抑制することができる。
【０００９】
さらに、水槽内の水で急速に冷却されたワークは、恒温保持工程で恒温に保持された後、第３冷却工程で再び水で冷却される。これにより、各部位の温度が恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度に均等化されて冷却されるので、ワークの各部位の温度差に起因して生じるワークの歪を抑制することができる。
【００１０】
本発明の装置は、鋼材からなるワークを浸炭処理する浸炭炉と、浸炭処理されたワークを所定温度に保持する恒温室と、Ｍｓ点より低い温度の水を貯留する水槽と、前記恒温室内のワークを前記水槽に送る第１ワーク運搬手段と、前記水槽内の水で冷却したワークを前記恒温室内に送る第２ワーク運搬手段とを備え、前記第１ワーク運搬手段は、前記恒温変態曲線よりも高い温度のワークを前記水槽に送る高温ワーク運搬手段と、恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度のワークを前記水槽に送る低温ワーク運搬手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の装置によれば、浸炭工程で浸炭処理されたワークは、恒温室で冷却された後、高温ワーク運搬手段で水槽に移されて、この水槽内の水で恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度まで冷却される。ここでは、ワークが急速に冷却されて、パーライトやベイナイトの生成が防止され、ワークの品質のばらつきを抑制することができる。また、水槽内の水での急速な冷却により、ワークの各部位の温度差を小さくすることができ、恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度に冷却する際のワークの各部位の温度差に起因するワークの歪を抑制することができる。
【００１２】
さらに、ワークは水槽内の水で急速に冷却された後に、第２ワーク運搬手段で恒温室に移されて、恒温室で恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度で恒温に保持された後、低温ワーク運搬手段で水槽に移されて、水槽内の水で冷却される。これにより、ワークの部位の温度が恒温変態曲線とＭｓ点との間の温度になり、冷却する際のワークの各部位の温度差に起因するワークの歪を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態のワークの焼入れ装置にワークを入れた状態を示す平面図。
【図２】実施形態のワークの焼入れ方法の工程を示す工程図。
【図３】実施形態のワークの焼入れ方法の工程を示すフローチャート。
【図４】実施形態のワークの焼入れ方法を実行するときのワークの温度と時間との関係を示すグラフ。
【図５】ワークの一例であるプーリシャフトの断面図。
【図６】実施形態の焼入れ方法でプーリシャフトを焼入れするときのプーリシャフトの温度と時間との関係を示すグラフ。
【図７】恒温保持処理を行わない焼入れ方法でプーリシャフトを焼入れするときのプーリシャフトの温度と時間との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１５】
図１に示されるワーク焼入れ装置１は、鋼材からなるワーク２を浸炭処理する浸炭炉１０と、浸炭処理されたワーク２を所定温度に保持する恒温室２０と、恒温室２０の下側に設けられた水槽３０とを備える。
【００１６】
浸炭炉１０は、ガス導入管３を介して不活性ガスのガス供給源４に接続されると共に、浸炭炉１０に導入されたガスを浸炭炉１０の外部に排気するガス排気管５と接続されている。
【００１７】
浸炭炉１０には、浸炭炉１０の内部温度を測定する温度センサ１１と、ガス供給源４により浸炭炉１０に導入されたガスを加熱する加熱用バーナー１２とが設けられている。温度センサ１１としては、例えば熱電対が用いられる。
【００１８】
恒温室２０は、ガス導入管６を介して不活性ガスのガス供給源７に接続されると共に、ガス排気管８と接続されている。ガス供給源７には図外の温度調節機が設けられ、温度調節機は、温度センサ２１で測定された恒温室２０の内部温度に応じて、不活性ガスの温度を調節することができる。なお、恒温室２０に接続されているガス供給源７は、浸炭炉１０に接続されているガス供給源４と同一であってもよい。
【００１９】
恒温室２０には、恒温室２０の内部温度を測定する温度センサ２１が設けられている。温度センサ２１としては、例えば熱電対が用いられる。また、恒温室２０にはエレベータ２２が形成されている。エレベータ２２は、底板２２ａが恒温室２０と水槽３０との間を昇降するように形成されており、底板２２ａにワーク２を搭載することができる。エレベータ２２において、底板２２ａの下降により恒温室２０内のワーク２を水槽３０内に送る構成が第1ワーク運搬手段に該当し、底板２２ａの上昇により水槽３０内のワーク２を恒温室２０内に送る構成が第２ワーク運搬手段に該当する。
【００２０】
浸炭炉１０及び恒温室２０には、それぞれ開閉自在な中間扉１３、２３が設けられ、これらの中間扉１３、２３を介して浸炭炉１０と恒温室２０が接続されている。
【００２１】
水槽３０にはワーク２を冷却するための水３１が充填される。また、水槽３０には、充填された水３１の温度を調節する水温調節器３２が設けられている。この水３１の温度は、Ｍｓ点より低くなるように水温調節機３２により調節される。ワーク２は、恒温室２０内でエレベータ２２の底板２２ａに搭載され、底板２２ａの下降により水３１に浸される。
【００２２】
次に、図２から図４を参照して、本発明のワークの焼入れ方法の実施形態を説明する。
【００２３】
本実施形態のワークの焼入れ方法は、図２に示すように、初めにワーク２を浸炭処理する浸炭処理工程（ａ）と、浸炭処理されたワーク２を恒温室２０内で冷却する第１冷却工程としての高温緩冷却工程（ｂ）と、ここで冷却されたワーク２を水槽３０内の水３１で冷却する第２冷却工程としての急速冷却工程（ｃ）と、急速冷却されたワーク２の温度を恒温室２０内でワーク２の恒温変態曲線とマルテンサイト変態開始温度との間の温度に保持する恒温保持工程としてのＭｓ点直上恒温保持工程（ｄ）と、恒温に保持されたワーク２を、再び水槽３０内の水３１で冷却する第３冷却工程としての急速冷却工程（ｃ）からなる。
【００２４】
上記の各工程からなるワーク焼入れ方法は、以下の手順で実施される。図３に示すように、初めに、鋼材からなるワーク２を浸炭処理する浸炭工程が実行される（ステップＳ１）。この浸炭工程では、浸炭炉１０内でバーナー１２によってワーク２がオーステナイト化温度（以下、「Ａｅ１点」という）以上の温度に加熱される。Ａｅ１点とは、鋼材においてオーストナイトの存在下限を定義する平衡温度であり、他にフェライト（体心立方格子）の存在上限を定義する平衡温度を「Ａｅ３点」という。この浸炭工程が、図２（ａ）に該当する。
【００２５】
次に、上記の浸炭工程で浸炭処理されたワーク２を、例えばコンベアより具体的にはローラ機構やリフター機構等によって、恒温室２０に送り、このワーク２をＡｅ１点以上の温度まで冷却する高温緩冷却工程が実行される（ステップＳ２）。高温緩冷却工程は、恒温室２０に不活性ガスが導入された状態で実行される。不活性ガスは図外の温度調節機により加熱されており、不活性ガスと浸炭処理されたワーク２との温度差は小さい。そのため、ステップＳ２ではワーク２の冷却は緩やかに行われる。この高温緩冷却工程が図２（ｂ）に該当し、ステップＳ１からステップＳ２への移行が図２に示す（１）に該当する。
【００２６】
次に、ワーク２を恒温室２０から水槽３０に送り、水槽３０内の水で急速冷却して、ワーク２を恒温変態曲線（以下、ＴＴＴ曲線という）とＭｓ点との間の温度に冷却する急速冷却工程が実行される（ステップＳ３）。水槽３０に貯留されている水の温度は、水温調節器３２によって、Ｍｓ点より低い温度に調節される。ステップＳ３では、ワーク２を搭載したエレベータ２２の底板２２ａが下降することにより、ワーク２が恒温室２０から水槽３０に送られる。このとき、ワークを送るエレベータ２２の底板２２ａが、本発明装置の高温ワーク運搬手段に該当する。この急速冷却工程が図２（ｃ）に該当し、ステップＳ２からステップＳ３への移行が図２に示す（２）に該当する。
【００２７】
次に、ワーク２を水槽３０から恒温室２０に送り、恒温室２０内のワーク２をＴＴＴ曲線とＭｓ点との間の温度に恒温保持する恒温保持工程が実行される（ステップＳ４）。ワーク２の恒温保持は、ガス供給源４から恒温室２０に不活性ガスが供給された状態で行われる。この不活性ガスの温度は、ガス供給源４に備えられた図外の温度調節機により、ＴＴＴ曲線とＭｓ点との間の温度に設定されている。この恒温保持工程が図２（ｄ）のＭｓ点直上恒温保持工程に該当し、ステップＳ３からステップＳ４への移行が図２に示す（３）に該当する。
【００２８】
次に、恒温室２０内でＴＴＴ曲線とＭｓ点との間の温度に保持されたワーク２を水槽３０に送り、水槽３０内の水で急速冷却する急速冷却工程が実行される（ステップＳ５）。このステップＳ５では、ワーク２を搭載した底板２２ａが下降することにより、ワーク２が恒温室２０から水槽３０に送られる。このとき、ワーク２を送るエレベータ２２の底板２２ａが本発明装置の低温ワーク運搬手段に該当する。第３冷却工程の終了により、ワークの焼入れ方法が完了する。この急速冷却工程が図２（ｃ）に該当し、ステップＳ４からステップＳ５への移行が図２に示す（４）に該当する。また、ワークの焼入れ方法は、ワーク２を恒温室２０から取り出すことで完了する。この取り出しが図２に示す（５）に該当する。
【００２９】
図４は、本実施形態のワーク焼入れ方法を実行したときの、ワーク２の温度と時間との関係を示している。実線Ｌ１は本実施形態によるワーク２の温度を示し、破線Ｌ２は従来の油によるマルクエンチ冷却の場合のワーク２の温度を示している。また、一点鎖線Ｌ３はマルクエンチ処理を行わずにワーク２を油で冷却した場合のワーク２の温度を示している。
【００３０】
本実施形態での焼入れとワークの温度との関係について説明する。始めの時刻ｔ０で、浸炭処理を行ったワーク２が恒温室２０に送られて、ワーク２の冷却が開始される。時刻ｔ０からｔ１１では、ワーク２は恒温室２０に導入された不活性ガスにより冷却されるため、温度曲線Ｌ１で示すように、ワーク２の冷却は緩やかに行われる。時刻ｔ１１では、ワーク２の温度はＡｅ１点以上となる。時刻ｔ０からｔ１１で行われる恒温室２０での冷却が、図３に示すステップＳ２に該当する。
【００３１】
時刻ｔ１１で、Ａｅ１点以上の温度でワーク２を冷却する第1冷却工程が終了し、ワーク２は恒温室２０から水槽３０に送られる。ワーク２は水槽３０内の水に浸漬されて急速に冷却される。ワーク２の冷却は、ＴＴＴ曲線と重ならないように行われる。
【００３２】
ワーク２の温度はＭｓ点よりも少し高い温度となった時刻ｔ１２で、ワーク２は水槽３０から恒温室２０に送られる。恒温室２０には不活性ガスが導入されている。不活性ガスの温度は、ガス供給源４に備えられた図外の温度調節機により、ＴＴＴ曲線とＭｓ点との間の温度に調節されている。時刻ｔ１１からｔ１２で行われる水での冷却が図３に示すステップＳ３に該当する。
【００３３】
時刻ｔ１３で、ワーク２は恒温室２０から水槽３０に送られる。水槽３０に送られたワーク２は、水槽３０内の水３１に浸漬されて、急速冷却される。時刻ｔ１２からｔ１３で行われる恒温室２０での冷却が図３に示すステップＳ４に該当し、時刻ｔ１３以降が図３に示すステップＳ５に該当する。
【００３４】
ところでワーク２の冷却開始から一定時間経過した時刻ｔ３で、図４のＴＴＴ曲線で囲まれたＴＴＴ曲線領域に入る。すなわち、時刻ｔ３でワーク２の温度がＴＴＴ曲線領域にかかると、ワーク２にパーライトやベイナイトが生じる。しかしながら、本実施形態では、温度曲線Ｌ１で示すように、ワーク２の温度はＴＴＴ曲線領域にかからないので、ワーク２の変態は生じない。
【００３５】
次に、従来の油による冷却の場合について説明する。
【００３６】
この場合、曲線Ｌ２で示されるように時刻ｔ０から恒温室２０内で冷却されたワーク２は時刻ｔ２１で恒温室２０から図外の油槽に移され、時刻ｔ２４まで、油槽内の油で冷却される。
【００３７】
こうしてワーク２を油で冷却する場合、Ａｅ１点からＴＴＴ曲線とＭｓ点との間の温度まで冷却するために要する時間は、水冷の場合と比較して長くなる。そのため、時刻ｔ２２とｔ２３との間で、温度曲線Ｌ２がＴＴＴ曲線領域にかかる。すなわち、図示の時刻ｔ２２と時刻ｔ２３との間で、ワーク２の変態が生じて、パーライトやベイナイトが形成される。
【００３８】
図５は、本実施形態で焼入れされるワークの一例として、ＣＶＴのプーリを構成するプーリシャフト４０を示しており、以下、これの焼入れ方法について説明する。
【００３９】
まず、図５に示されるプーリシャフト４０の外周部には、固定プーリ部４１が形成されている。固定プーリ部４１には、図外の可動プーリに対向するコーン面４２と、このコーン面４２の反対側に設けられた裏面４３とが形成されている。また、プーリシャフト４０の外周部に軸部４４が形成されている。軸部４４は、固定プーリ４１に接合されて、接合部４５を形成している。
【００４０】
図６は、図５に示されたプーリシャフト４０を、Ａｅ１点以上の温度から、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点以上の温度まで水で冷却した後、恒温保持をし、さらにマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点以下の温度まで水で冷却したときのプーリシャフト４０の各部位の温度と冷却時間との関係を示す。図６には、プーリシャフト４０の軸部４４、コーン面４２、裏面４３、接合部４５の各部の温度の変化が示されている。
【００４１】
なお、前述でマルクエンチ処理は、ワークをＭｓ点より高い温度に保持した後、マルテンサイト変態終了温度以下の温度まで冷却すると述べた。しかしながら、図６に示されるプーリシャフト４０の冷却の場合は、第３冷却工程において、プーリシャフト４０がマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ点以下の温度まで急冷されるものの、マルテンサイト変態終了温度以下の温度までは冷却しない。プーリシャフト４０の各部は、マルテンサイト変態終了温度以下の温度に冷却するか否かを問わず、同様の温度変化を示すからである。
【００４２】
時刻ｔ３０からｔ３１の時間では、プーリシャフト４０の温度はＡｅ１点以上である。時刻ｔ３１で、プーリシャフト４０の水による冷却が開始され、プーリシャフト４０は急速冷却される。このとき、油より比熱が大きく冷却能力が高い水を利用したマルクエンチ冷却をすることにより、時刻ｔ３１からｔ３２に向かっての単位時間当たりの各部位同士の温度差が少なくなる。
【００４３】
急速冷却されたプーリシャフト４０の各部位の温度はＭｓ点よりも少し高い温度となった時刻ｔ３２で、水３１による冷却を一旦終了して、プーリシャフト４０を恒温に保持する。急速冷却の際には、プーリシャフト４０の各部位間で温度差が生じるが、油で冷却するとＭｓ点よりも少し高い温度に向かって緩慢な温度変化になるので単位時間当たりの各部位同士の温度差が開く傾向である。その後、恒温に保持されることにより、プーリシャフト４０の各部位の温度差がなくなり、プーリシャフト４０は均一の温度となる。
【００４４】
プーリシャフト４０が均一の温度に形成されている時刻ｔ３３で、再度水３１によるプーリシャフト４０の冷却が開始されて、プーリシャフト４０が冷却される。プーリシャフト４０の各部位が均一の温度に形成された状態で冷却が開始されているため、プーリシャフト４０の各部位の温度差は小さくなる。
【００４５】
図７は、図５に示されたプーリシャフト４０を、Ａｅ１点以上の温度から、マルテンサイト変態終了温度以下の温度まで、マルクエンチ処理を行うことなく、水で冷却したときのプーリシャフト４０の各部位の温度と冷却時間との関係を示す。
【００４６】
時刻ｔ４０からｔ４１の時間では、プーリシャフト４０の温度はＡｅ１点以上である。時刻ｔ４１で、プーリシャフト４０の水による冷却が開始されて、プーリシャフト４０は急速冷却される。
【００４７】
プーリシャフト４０の冷却がある程度進行してＭｓ点付近の温度になった時刻ｔ４２では、プーリシャフト４０の各部位間で温度差が生じる。その際、裏面４３がより低温に冷却され、以下、コーン面４２、軸部４４、接合部４５の順序で冷却の効果が小さくなり、温度が上昇する。また、時刻ｔ４３以降では、プーリシャフト４０の冷却が完了した状態となり、プーリシャフト４０の各部位の温度差は解消される。
【００４８】
以上のように、水でマルクエンチ処理を実行した場合は、油より比熱が大きい水のようなものでマルクエンチ処理を実行しない場合に比べて、Ｍｓ点の近傍におけるプーリシャフト４０の各部位の温度差が小さくなる。そのため、冷却する際のワーク２の各部位の温度差に起因するワーク２の歪を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…焼入れ装置、２…ワーク、４…ガス供給源、１０…浸炭炉、２０…恒温室、２２…エレベータ（第１ワーク運搬手段、第２ワーク運搬手段、低温ワーク運搬手段、高温ワーク運搬手段）、３０…水槽、３１…水。
【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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