(57)【要約】  所定の加熱条件の下で金属製のワークを加熱する加熱工程（プロセスＰ２）と、前記加熱工程の後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で前記ワークを冷却する冷却工程（プロセスＰ３）とを有する金属製部材の熱処理方法において、前記加熱工程の前に、前記加熱工程で加熱された場合の前記ワークの熱量分布に応じて前記ワークの表面粗さを調整して加工する表面加工工程（プロセスＰ１）を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の加熱条件の下で金属製のワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で前記ワークを冷却する冷却工程とを有する金属製部材の熱処理方法において、
前記加熱工程の前に、前記加熱工程で加熱される際の前記ワークの熱量分布に応じて前記ワークの表面粗さを調整して加工する表面加工工程を有していることを特徴とする金属製部材の熱処理方法。
【請求項２】
前記表面加工工程は、前記熱量分布の熱量が大きい箇所ほど前記表面粗さが小さくなるように前記ワークを加工する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項３】
前記冷却工程は、前記ミスト冷却における噴霧液滴の平均粒径が０．１ｍｍから２．０ｍｍの範囲内となるように前記冷却水を噴霧させる工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項４】
前記ワークは、鋼製の自動車部品を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項５】
前記ワークは、ベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材を含むことを特徴とする請求項４に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項６】
前記表面加工工程は、機械加工によって前記ワークを加工する工程を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項７】
前記表面加工工程は、ショットピーニング加工、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工、研削加工、または研磨加工の少なくともいずれかによって前記ワークを加工する工程を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項８】
所定の加熱条件の下で加熱した後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で冷却する熱処理が施された金属製部材において、
前記加熱条件の下で加熱される際の熱量分布に応じて表面粗さが調整されて加工されているとともに、その加工後に前記熱処理が施されていることを特徴とする熱処理された金属製部材。
【請求項９】
前記金属製部材は、前記熱量分布の熱量が大きい箇所ほど前記表面粗さが小さくなるように表面加工されていることを特徴とする請求項８に記載の熱処理された金属製部材。
【請求項１０】
前記金属製部材は、鋼製の自動車部品を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の熱処理された金属製部材。
【請求項１１】
前記金属製部材は、ベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材を含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱処理された金属製部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、噴霧させた冷却水によって金属製のワークを冷却するミスト冷却により焼き入れもしくは急冷を行う金属製部材の熱処理方法、および、その熱処理方法を用いて熱処理された金属製部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製のワークを熱処理する際の冷却工程において、霧状に噴射した冷却水によってワークを冷却するミスト冷却が実施されている。このミスト冷却では、噴霧された冷却水がワークに衝突する際の顕熱および潜熱の作用を利用してワークを冷却するため、従来の冷却方式と比較して高い冷却効果を得ることができる。【０００３】
上記のような金属の熱処理におけるミスト冷却に関連する発明の一例が、特開２０１１−１２２２１１号公報に記載されている。この特開２０１１−１２２２１１号公報に記載されている発明は、加熱された金属製のワークに冷却用ミストを噴射して冷却するミスト冷却方法に関するものである。この特開２０１１−１２２２１１号公報に記載されている発明では、冷却用ミストを噴射する第１ノズルと、その第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径よりも小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第２ノズルとの２種類のノズルが用いられて、ワークが冷却される。【０００４】
したがって、この特開２０１１−１２２２１１号公報に記載されている発明では、第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径が第２ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より大きいことから、第１ノズルの冷却用ミスト１粒あたりの気化潜熱量が、第２ノズルの冷却用ミストよりも大きくなる。そのため、この特開２０１１−１２２２１１号公報に記載されている発明によれば、熱処理したワークを広範な冷却速度で冷却することができ、例えば、ある期間では急速な冷却を行うとともに、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するための均一なかつ緩やかな冷却を行うことができる、とされている。【０００５】
このように、ミスト冷却では、良好な冷却効果を得ることができるとともに、冷却水の噴射量や噴射時間を調整することにより、冷却速度を制御することができる。また、上記の特開２０１１−１２２２１１号公報に記載されている発明のようにノズル径が異なる複数種類のノズルを使い分けたり、ノズルの数量や位置あるいは噴射角度や噴射圧力を調整したりすることにより、冷却速度を制御し、ワークの大きさや形状に応じた適切な冷却を行うことができる。【０００６】
その反面、実際に製造するワークの大きさや形状は多種多様であり、そのような多様なワークに対応してミスト冷却によって均一でかつ適切な冷却を行うことは容易ではなかった。例えば、図９に示すような形状および熱量分布を有するワークをミスト冷却する場合は、図１０に示すように、ワークに対する各ノズルの位置ならびに噴射角度、および各ノズルの噴射圧力をそれぞれ調整することにより、ワークの熱量分布に対応して均一で適切な冷却を行うことができる。しかしながら、ワークの形状や種類を変更する場合には、その都度、新しいワークに対応してノズルの調整を行わなければならず、多様なワーク全てに対して適切にミスト冷却を実施することは困難であった。
【発明の概要】
【０００７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、種々のワークに対応して冷却速度を容易に制御することができ、均一で適切な冷却を行うことができるミスト冷却によって焼き入れもしくは急冷を実施する金属製部材の熱処理方法、および、その熱処理方法を用いて熱処理された金属製部材を提供することを目的とするものである。
【０００８】
上記の目的を達成するために、この発明は、所定の加熱条件の下で金属製のワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で前記ワークを冷却する冷却工程とを有する金属製部材の熱処理方法において、前記加熱工程の前に、前記加熱工程で加熱される際の前記ワークの熱量分布に応じて前記ワークの表面粗さを調整して加工する表面加工工程を有していることを特徴とする金属製部材の熱処理方法である。
【０００９】
また、この発明における前記表面加工工程は、前記熱量分布の熱量が大きい箇所ほど前記表面粗さが小さくなるように前記ワークを加工する工程を含んでいる。
【００１０】
また、この発明における前記冷却工程は、前記ミスト冷却における噴霧液滴の平均粒径が０．１ｍｍから２．０ｍｍの範囲内となるように前記冷却水を噴霧させる工程を含んでいる。
【００１１】
また、この発明における前記ワークは、鋼製の自動車部品を含んでいる。
【００１２】
また、この発明における前記ワークは、ベルト式無段変速機のプーリを構成する構成部材を含んでいる。
【００１３】
また、この発明における前記表面加工工程は、機械加工によって前記ワークを加工する工程を含んでいる。
【００１４】
そして、この発明における前記表面加工工程は、ショットピーニング加工、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工、研削加工、または研磨加工の少なくともいずれかによって前記ワークを加工する工程を含んでいる。
【００１５】
一方、この発明は、所定の加熱条件の下で加熱した後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で冷却する熱処理が施された金属製部材において、前記加熱条件の下で加熱される際の熱量分布に応じて表面粗さが調整されて加工されているとともに、その加工後に前記熱処理が施されていることを特徴とする熱処理された金属製部材である。
【００１６】
また、この発明における前記金属製部材は、前記熱量分布の熱量が大きい箇所ほど前記表面粗さが小さくなるように表面加工された構成とすることができる。
【００１７】
また、この発明における前記金属製部材は、鋼製の自動車部品を含んでいる。
【００１８】
そして、この発明における前記金属製部材は、ベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材を含んでいる。
【００１９】
上記のようなこの発明の金属製部材の熱処理方法では、加熱工程およびミスト冷却による冷却工程において所定の熱処理が実施される前に、面粗さ調整工程において金属製のワークの表面が、加熱工程で加熱される際の熱量分布の熱量の大きさに応じて表面粗さが調整されて加工される。例えば、加熱工程で加熱される際の熱量分布が大きい箇所ほど加工目標の表面粗さが小さい値に設定されて加工される。金属製部材の熱処理において、水を噴霧してミスト冷却を行う場合、すなわち、水の沸点以上の温度に加熱した金属製のワークをミスト冷却する場合には、図１１に示すように、ワークの表面粗さが小さいほど冷却時間が短くなること、すなわち冷却速度が速くなることが分かっている。
【００２０】
したがって、この発明の金属製部材の熱処理方法によれば、熱処理を施すワークの表面粗さを調整することにより、そのワークをミスト冷却する際の冷却速度を制御することができる。例えば、ワークを加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが小さくなるようにワークの表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが大きくなるようにワークの表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。そのため、熱処理前の表面加工工程において、ワークの表面粗さを熱量分布に応じて調整して加工しておくことにより、その後のミスト冷却の際の冷却速度を制御することができる。すなわち、ミスト冷却のためのノズルの位置や数量あるいは冷却水の噴射状態など冷却設備側で調整することなく、ワークの冷却速度を制御することができる。その結果、ワークの大きさや形状を変更した場合であっても、冷却設備の調整や変更を行うことなく、容易に、ミスト冷却によって均一でかつ適切な冷却を行うことができる。そして、上記のように適切な熱処理が実施されることにより、熱処理による歪みや変形が少ない金属製部材を製造することができる。その結果、熱処理後の仕上げ加工を省略もしくは簡略化することができ、金属製部材の製造コストを大幅に削減することができる。
【００２１】
また、表面加工工程におけるワーク表面の加工は、例えば旋盤加工やフライス加工などの機械加工によって、容易にワークの表面粗さを調整して加工することができる。あるいは、ショットピーニング加工、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工、研削加工、そして研磨加工などによっても、容易にワークの表面粗さを調整して加工することができる。
【００２２】
一方、この発明の熱処理された金属製部材では、金属製部材の表面が、熱処理の際に加熱された場合の熱量分布に応じて、表面粗さが調整されて加工される。そしてその加工後に、熱処理が実施される。前述したように、金属製部材の熱処理において、水を噴霧してミスト冷却を行う場合、図１１に示すように、ワークの表面粗さが小さいほど冷却速度が速くなることが分かっている。例えば、金属製部材を加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、表面粗さが小さくなるように加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、表面粗さが大きくなるように加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。
【００２３】
したがって、この発明の熱処理された金属製部材によれば、上記のように、金属製部材各部の表面粗さが、熱処理を実施した際の熱量分布に応じて調整されて加工されることにより、熱処理におけるミスト冷却の際の冷却速度を制御することができる。すなわち、ミスト冷却のためのノズルの位置や数量あるいは冷却水の噴射状態など冷却設備側で調整を行うことなく、容易に、ミスト冷却によって均一でかつ適切に金属製部材を冷却することができる。そして、上記のように適切な熱処理が実施されることにより、熱処理による歪みや変形の少ない金属製部材を製造することができる。その結果、熱処理後の仕上げ加工を省略もしくは簡略化することができ、製造コストを大幅に削減した金属製部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明で対象とする金属製部材の一例を示す模式図である。
【図２】この発明に係る熱処理方法によって実施されるワークの表面粗さの調整および熱処理の一例を説明するための工程図である。
【図３】この発明に係る熱処理方法および金属製部材において適用されるミスト冷却のための冷却設備の一例を説明するための模式図である。
【図４】この発明に係る熱処理方法を適用してワークをミスト冷却した場合のワーク各部の冷却速度のばらつきを説明するためのグラフである。
【図５】この発明に係る熱処理方法を適用せずにワークをミスト冷却した場合のワーク各部の冷却速度のばらつきを説明するためのグラフである。
【図６】図４，図５に示す冷却速度のばらつきを比較した結果を説明するためのグラフである。
【図７】この発明に係る熱処理方法を適用してワークをミスト冷却した場合のワークの変形量と、この発明に係る熱処理方法を適用せずにワークをミスト冷却した場合のワークの変形量とを比較した結果を説明するためのグラフである。
【図８】この発明に係る熱処理方法を適用して場合のワークの製造コストと、この発明に係る熱処理方法を適用しない場合のワークの製造コストとを比較した結果を説明するためのグラフである。
【図９】この発明で対象とする金属製部材の一例であって、その金属製部材を熱処理する際に加熱した場合の熱量分布を示す模式図である。
【図１０】従来の方法により、図９に示す金属製部材をミスト冷却する場合の冷却条件設定の一例を示す模式図である。
【図１１】金属製部材をミスト冷却した場合の表面粗さと冷却速度との関係を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、この発明を図面を参照して具体的に説明する。この発明で対象とする金属製部材の一例を図１に示してある。この図１に示すワーク１は、この発明における金属製部材である。この図１に示す例では、ワーク１は、鋼製の自動車部品であり、具体的には、自動車に搭載されるベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材である。より具体的には、この図１に示すワーク１は、ベルト式無段変速機のプーリにおける固定シーブを構成する部材である。そのために、ワーク１は、固定シーブ部２と、その固定シーブ部２と一体に形成されてプーリ軸になる軸部３とから構成されている。固定シーブ部２には、円盤形状の可動シーブ（図示せず）のシーブ面と対向して伝動ベルト（図示せず）の巻き掛かり溝を形成するシーブ面２ａが形成されている。したがって、ワーク１の軸部３に対して可動シーブを軸線方向で移動可能に挿入して固定シーブ部３と対向させることにより、ベルト式無段変速機のプーリが構成されるようになっている。
【００２６】
上記のワーク１は、例えば、鍛造加工、および、旋盤加工ならびにざぐり加工などの機械加工により、図１に示すような形状に成形されている。例えば、鍛造加工により固定シーブ部２と軸部３とが一体に成形された後に、旋盤加工によりワーク１の外周表面が所望する形状・寸法に成形されている。そして、他部材との連結・固定用の部位や潤滑油の油路を形成するために、軸部３の軸心部分がざぐり加工されている。
【００２７】
また、ワーク１は、例えば、浸炭、窒化、あるいは浸炭窒化など、所定の加熱条件の下で加熱した後に、所定の冷却条件の下で冷却する熱処理が施されている。そして、この発明では、上記のような熱処理において、焼き入れもしくは急冷など、加熱されたワーク１を冷却する際には、冷却水を噴霧して冷却を行ういわゆるミスト冷却が実施されている。
【００２８】
なお、この発明における金属製部材は、ミスト冷却によって冷却される熱処理が実施される全ての金属製の部材を対象とすることができる。この図１に示すような鋼製の部材以外に、例えば、鋳鉄製やアルミニウム合金製あるいはその他の非鉄金属製の部材も対象にすることができる。
【００２９】
そして、ワーク１は、熱処理におけるミスト冷却の際に、ワーク１各部の冷却速度を制御して、ワーク１の全体を均一に冷却させるために、ワーク１各部の表面粗さがそれぞれ調整されて加工されている。具体的には、ワーク１各部の表面粗さが、熱処理において加熱した際の熱量分布の熱量の大きさに応じて設定されている。すなわち、熱処理において加熱した際の熱量分布の熱量が大きい箇所ほど表面粗さが小さくなるように、ワーク１の表面が加工されている。
【００３０】
このようなワーク１の表面加工は、ワーク１に対する熱処理の前に実施されている。そして、上記のようにワーク１の外周面がワーク１各部の熱量分布に応じて設定された表面粗さとなるように、例えば旋盤加工により加工されている。ワーク１の表面に平面部分がある場合には、例えばフライス加工によって、所望する表面粗さとなるように加工することもできる。あるいは、上記のような旋盤加工やフライス加工などの機械加工以外に、例えば、ショットピーニング加工、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工、研削加工、そして研磨加工などのその他の表面加工方法によっても、上記のように所望する表面粗さとなるように加工することもできる。
【００３１】
この図１に示すワーク１は、熱処理において加熱された際の熱量分布が、前述の図９に示したようになっている。すなわち、ワーク１は、熱処理において加熱された際には、厚肉になっている軸部３の中間部３ｂ、および、固定シーブ部２と軸部３との連結している固定シーブ部２の連結部２ｃならびに軸部３の連結部３ｃなどで、熱量分布における熱量が相対的に大きくなる。一方、薄肉になっている固定シーブ部２の外周端部２ｂ、および、軸部３の先端部３ａなどで、熱量分布における熱量が相対的に小さくなる。この熱量分布は、ワーク１を実際に加熱した際にワーク１各部の温度を実測することにより求めることができる。あるいは、コンピュータを用いたシミュレーションによって推定して求めることもできる。
【００３２】
そして、この発明におけるワーク１は、上記のように熱処理においてワーク１が加熱された際の熱量分布に応じて、ワーク１各部の表面粗さがそれぞれ設定されている。すなわち、上記のように、熱量分布における熱量が相対的に大きくなる連結部２ｃ、連結部３ｃ、および中間部３ｂなどの箇所が、相対的に表面粗さが小さくなるように加工されている。そして、熱量分布における熱量が相対的に小さくなる外周端部２ｂ、および先端部３ａなどの箇所が、相対的に表面粗さが大きくなるように加工されている。具体的には、図１に示すように、熱量分布における熱量が大きい中間部３ｂが、算術平均粗さＲａで０．８μｍを目標値として加工されている。また、連結部３ｃが、算術平均粗さＲａで１．６μｍを目標値として加工されている。そして、連結部２ｃが、算術平均粗さＲａで２．０μｍを目標値として加工されている。一方、熱量分布における熱量が小さい先端部３ａが、算術平均粗さＲａで３．２μｍを目標値として加工されている。そして、外周端部２ｂが、算術平均粗さＲａで６．３μｍを目標値として加工されている。
【００３３】
このように、ワーク１すなわちこの発明における金属製部材は、熱処理が実施される前に、熱処理においてワーク１が加熱される際の熱量分布に応じてワーク１各部の表面粗さが調整されて、そのワーク１の表面が加工されている。すなわち、ワーク１が加熱される際の熱量分布の熱量が大きい箇所ほど表面粗さが小さくなるように、ワーク１の表面が加工されている。前述の図１１で示して説明したように、加熱した金属製部材に対して水を噴霧してミスト冷却を行う場合は、金属製部材の表面粗さが小さい箇所ほど冷却速度が速くなる、すなわち所定の冷却時間内により多くの熱量が冷却されることが分かっている。なお、この図１１のグラフは、クロム鋼を材料として表面粗さを調整したテストピースを、ミスト冷却によって冷却した場合の冷却時間の測定結果を示している。そして、この場合のミスト冷却においては、冷却水の噴霧液滴の平均粒径が０．１ｍｍから２．０ｍｍの範囲内となるように冷却水を噴霧させた場合に、この図１１に示すような冷却時間の測定結果が得られることが分かっている。
【００３４】
したがって、このワーク１は、熱処理においてミスト冷却される際に、ワーク１の熱量分布が大きい箇所ほど冷却速度が速くなるように調整されている。そのため、このワーク１は、熱処理における焼き入れもしくは急冷のためにミスト冷却される際には、ワーク１の全体がほぼ均一に冷却される。その結果、このワーク１に対しては歪みや変形が少ない良好な熱処理を実施することができる。
【００３５】
次に、上記のように構成される金属製部材の熱処理方法について説明する。この発明における熱処理方法は、例えば、鋼製のワーク１を浸炭するための熱処理方法である。そして、この発明における熱処理方法では、加熱工程後の焼き入れ（冷却）工程において、ミスト冷却が実施される。さらに、この発明における熱処理方法では、上記の加熱工程および焼き入れ工程に加えて、それら加熱工程および焼き入れ工程で実施される熱処理の前に、ワーク１が加熱工程で加熱される際の熱量分布に応じてワーク１の表面粗さを調整し、ワーク１の表面を加工する表面加工工程を有している。具体的には、この発明における熱処理方法は、図２に示すように、工程順に、成形工程（プロセスＰ０）、表面加工工程（プロセスＰ１）、加熱工程（プロセスＰ２）、冷却（焼き入れ）工程（プロセスＰ３）、および、仕上げ加工工程（プロセスＰ４）の各工程により実施される。
【００３６】
先ず、成形工程（プロセスＰ０）で、材料の鋼材が鍛造されてワーク１の素材が成形される。そして、鍛造によって生じたばり取りや旋盤加工等による粗加工が行われる。なお、これらのばり取りや粗加工は、次の表面加工工程において一括して行うこともできる。
【００３７】
そして、表面加工工程（プロセスＰ１）では、次の加熱工程でワーク１が加熱された場合の熱量分布に応じて、ワーク１の表面粗さが調整されて加工される。前述したように、ワーク１が加熱された場合の熱量分布は、予め、実測やコンピュータを用いたシミュレーション等によって求められている。そのワーク１の熱量分布のデータを基に、ワーク１の表面を加工する際の加工目標として、ワーク１各部の表面粗さがそれぞれ設定される。そして、設定された表面粗さを実現するように、ワーク１の表面が加工される。具体的には、前述の図１および図９に示したように、ワーク１が加熱された場合の熱量分布の熱量が大きい箇所ほど表面粗さが小さくなるように、旋盤加工等によってワーク１の表面が加工される。
【００３８】
前述したように、金属製部材の熱処理において、水を噴霧してミスト冷却を行う場合、図１１に示すように、ワーク１の表面粗さが小さいほど冷却速度が速くなることが分かっている。これは、ライデンフロスト現象の影響を受けているものと考えられる。ライデンフロスト現象は、液体の沸点以上に加熱した高温の固体表面に液体の液滴が接すると、固体表面と液滴との間に蒸気の層が生じ、これにより液滴の蒸発が阻害される現象である。金属の表面を水でミスト冷却する場合、金属表面の表面粗さが小さい方が水に対する濡れ性が低くなり、上記のようなライデンフロスト現象が生じ易くなる。そのため、金属表面で冷却水が直ちには蒸発せずに水滴のまま滞留する時間が長くなり、その結果、金属表面の冷却が促進されるものと考えられる。
【００３９】
したがって、この表面加工工程において、上記のように、ワーク１を加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、表面粗さが小さくなるように加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、表面粗さが大きくなるように加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。
【００４０】
加熱工程（プロセスＰ２）では、ワーク１を浸炭するための所定の加熱条件および所定のガス雰囲気の下で加熱され、その状態が所定の処理時間の間保持される。例えば、プロパンガスやメタンガスなどを変成した浸炭性ガス雰囲気内で、ワーク１が約９００〜９５０℃の浸炭温度に加熱される。
【００４１】
冷却（焼き入れ）工程（プロセスＰ３）では、蒸気の加熱工程で浸炭されたワーク１の焼き入れが実施される。従来、浸炭後の焼き入れには、ガス冷却が広く実施されているが、この発明における熱処理方法では、ミスト冷却が実施される。前述したように、ミスト冷却は、ガス冷却と比較して冷却効果が高い反面、多種多様なワーク全てに対応させて適切な冷却条件を設定するためには、冷却設備を調整することが困難であった。そこで、この発明では、ミスト冷却が行われる熱処理の前に、上記のように表面加工工程を設けている。表面加工工程でワーク１各部の表面粗さを調整することにより、その後のミスト冷却の際のワーク１各部の冷却速度を制御して、ミスト冷却によりワーク１の全体を均一に冷却することができるようにしている。
【００４２】
上記のように、この発明における熱処理方法では、冷却設備側で調整を行うことなく、ワーク１自体の表面粗さを調整することにより、冷却工程におけるワーク１各部の冷却速度を制御することができる。したがって、従来の方法では、前述の図１０に示したように、ワークの冷却速度を制御するために冷却設備側の調整が必要であったのに対して、この発明における熱処理方法では、冷却設備の噴射ノズルは、例えば図３に示すように、単純な配置のままでよい。また、冷却水の噴射量や噴射圧力なども一定に設定したままでよい。
【００４３】
上記のように、ワーク１の表面粗さを調整することにより、冷却速度を制御してミスト冷却した場合のワーク１各部の冷却時間の測定結果を図４に示してある。また、比較のために、冷却速度を制御せずにミスト冷却した場合のワーク１各部の冷却時間の測定結果を図５に示してある。図５に示すように、ワーク１の表面粗さを調整することなく、冷却速度を制御せずにミスト冷却した場合は、温度測定点ａ（固定シーブ部２の外周端部分）および温度測定点ｂ（固定シーブ部２の中間部分）で比較的に冷却速度が速いのに対して、温度測定点ｃ（固定シーブ部２の内周端部分）では冷却速度が遅くなっている。したがって、この場合は、ミスト冷却の際のワーク１各部の冷却速度が大きくばらついていることが分かる。
【００４４】
これに対して、図４に示すように、この発明の熱処理方法により、ワーク１の表面粗さを調整し、冷却速度を制御してミスト冷却した場合には、温度測定点ａ、温度測定点ｂ、および温度測定点ｃ（固定シーブ部２の内周端部分）の間に大きな差は見られない。すなわち、図６に示すように、ワーク１の表面粗さを調整することなく、冷却速度を制御せずにミスト冷却した場合の冷却速度のばらつきと比較して、ワーク１の表面粗さを調整し、冷却速度を制御してミスト冷却を実施することにより、冷却速度のばらつきが大幅に低減していることが分かる。
【００４５】
このように、この発明における熱処理方法では、ワーク１の表面粗さを調整してミスト冷却の際の冷却速度を制御することにより、ワーク１各部の間で冷却速度のばらつきが小さく、ワーク１の全体を均一に冷却することができる。そして、ミスト冷却の際に、すなわち熱処理における焼き入れの際に、ワーク１の全体を均一に冷却できることにより、図７に示すように、熱処理による歪みや変形の発生を大幅に抑制することができる。したがって、ワーク１を寸法精度良く製作することができる。
【００４６】
仕上げ加工工程（プロセスＰ４）では、上記のように浸炭および焼き入れされた後のワーク１の仕上げ加工が実施される。例えば、前工程で発生したスケールの除去や、仕上げ寸法を確保するための機械加工が実施される。上記のように、この発明における熱処理方法では、熱処理におけるミスト冷却の際に、ワーク１の全体を均一に冷却して、熱処理による歪みや変形の少ないワーク１を製作するすることができる。そして、熱処理後のワーク１の変形が小さいことにより、この仕上げ加工工程における仕上げ加工を省くこともできる。もしくは、従来と比較して、仕上げ加工の際の加工取り代が少なくなり、その分、仕上げ加工に要するコストを低減することができる。
【００４７】
上記のように、この発明における熱処理方法を適用してワーク１を製造した場合のコスト低減の効果を図８に示してある。この図８に示すように、ガス冷却によって焼き入れを行った従来方法によるワーク１の製造コストに対して、この発明の熱処理方法を適用したミスト冷却によって焼き入れを行った場合には、ワーク１の製造コストを大きく低減することができる。
【００４８】
以上のように、この発明に係る金属製部材の熱処理方法および熱処理された金属製部材によれば、熱処理を施すワーク１の表面粗さを調整することにより、そのワーク１をミスト冷却する際の冷却速度を制御することができる。すなわち、熱処理のためにワーク１を加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが小さくなるようにワーク１の表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが大きくなるようにワーク１の表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。そのため、ミスト冷却のためのノズルの位置や数量あるいは冷却水の噴射状態など冷却設備側で調整することなく、ワーク１の冷却速度を制御することができる。その結果、ワーク１の大きさや形状等を変更した場合であっても、冷却設備の調整や変更を行うことなく、容易に、ミスト冷却によって均一でかつ適切な冷却を行うことができる。そして、ミスト冷却によってワーク１の全体が均一に冷却され、適切な熱処理が実施されることにより、熱処理による歪みや変形が少ないワーク１を製造することができる。その結果、熱処理後の仕上げ加工を省略もしくは簡略化することができ、ワーク１すなわちこの発明における金属製部材の製造コストを大幅に削減することができる。
【図１】
2014115296.tif 000003
【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】
2014115296.tif 000008
【図７】
2014115296.tif 000009
【図８】
2014115296.tif 000010
【図９】
2014115296.tif 000011
【図１０】
2014115296.tif 000012
【図１１】
2014115296.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月30日(2016.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の加熱条件の下で金属製のワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で前記ワークを冷却する冷却工程とを有する金属製部材の熱処理方法において、
前記加熱工程の前に、前記加熱工程で加熱される際の前記ワークの熱量分布の熱量が大きい箇所ほど前記ワークの表面粗さが小さくなるように前記ワークを加工する表面加工工程を有していることを特徴とする金属製部材の熱処理方法。
【請求項２】
前記冷却工程は、前記ミスト冷却における噴霧液滴の平均粒径が０．１ｍｍから２．０ｍｍの範囲内となるように前記冷却水を噴霧させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項３】
前記ワークは、鋼製の自動車部品を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項４】
前記ワークは、ベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材を含むことを特徴とする請求項３に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項５】
前記表面加工工程は、機械加工によって前記ワークを加工する工程を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項６】
前記表面加工工程は、ショットピーニング加工、ショットブラスト加工、サンドブラスト加工、研削加工、または研磨加工の少なくともいずれかによって前記ワークを加工する工程を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の金属製部材の熱処理方法。
【請求項７】
冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって冷却する熱処理を施す金属製部材において、
前記熱処理で加熱される際の熱量分布の熱量が大きい箇所ほど表面粗さが小さくなるように表面加工されていることを特徴とする金属製部材。
【請求項８】
前記金属製部材は、鋼製の自動車部品を含むことを特徴とする請求項７に記載の金属製部材。
【請求項９】
前記金属製部材は、ベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材を含むことを特徴とする請求項８に記載の金属製部材。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
この発明は、噴霧させた冷却水によって金属製のワークを冷却するミスト冷却により焼き入れもしくは急冷を行う金属製部材の熱処理方法、および、その熱処理方法を用いて熱処理される金属製部材に関するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、種々のワークに対応して冷却速度を容易に制御することができ、均一で適切な冷却を行うことができるミスト冷却によって焼き入れもしくは急冷を実施する金属製部材の熱処理方法、および、その熱処理方法を用いて熱処理される金属製部材を提供することを目的とするものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記の目的を達成するために、この発明は、所定の加熱条件の下で金属製のワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって所定の冷却条件の下で前記ワークを冷却する冷却工程とを有する金属製部材の熱処理方法において、前記加熱工程の前に、前記加熱工程で加熱される際の前記ワークの熱量分布の熱量が大きい箇所ほど前記ワークの表面粗さが小さくなるように前記ワークを加工する表面加工工程を有していることを特徴とする金属製部材の熱処理方法である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
一方、この発明は、冷却水を噴霧して冷却を行うミスト冷却によって冷却する熱処理を施す金属製部材において、前記熱処理で加熱される際の熱量分布の熱量が大きい箇所ほど表面粗さが小さくなるように表面加工されていることを特徴とする金属製部材である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
したがって、この発明の金属製部材の熱処理方法によれば、熱処理を施すワークの表面粗さを調整することにより、そのワークをミスト冷却する際の冷却速度を制御することができる。例えば、ワークを加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが小さくなるようにワークの表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが大きくなるようにワークの表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。そのため、熱処理前の表面加工工程において、ワークの表面粗さを熱量分布に応じて調整して加工しておくことにより、その後のミスト冷却の際の冷却速度を制御することができる。その結果、ワークの大きさや形状を変更した場合であっても、容易に、ミスト冷却によって均一でかつ適切な冷却を行うことができる。そして、上記のように適切な熱処理が実施されることにより、熱処理による歪みや変形が少ない金属製部材を製造することができる。その結果、熱処理後の仕上げ加工を省略もしくは簡略化することができ、金属製部材の製造コストを大幅に削減することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
一方、この発明の金属製部材では、金属製部材の表面が、熱処理の際に加熱された場合の熱量分布に応じて、表面粗さが調整されて加工される。そしてその加工後に、熱処理が実施される。前述したように、金属製部材の熱処理において、水を噴霧してミスト冷却を行う場合、図１１に示すように、ワークの表面粗さが小さいほど冷却速度が速くなることが分かっている。例えば、金属製部材を加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、表面粗さが小さくなるように加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、表面粗さが大きくなるように加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
したがって、この発明の金属製部材によれば、上記のように、金属製部材各部の表面粗さが、熱処理を実施した際の熱量分布に応じて調整されて加工されることにより、熱処理におけるミスト冷却の際の冷却速度を制御することができる。すなわち、熱処理で加熱される際の熱量分布の熱量が大きい箇所ほど表面粗さが小さくなるように金属製部材の表面が加工されることにより、容易に、ミスト冷却によって均一でかつ適切に金属製部材を冷却することができる。そして、上記のように適切な熱処理が実施されることにより、熱処理による歪みや変形の少ない金属製部材を製造することができる。その結果、熱処理後の仕上げ加工を省略もしくは簡略化することができ、製造コストを大幅に削減した金属製部材を提供することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
次に、この発明の実施例を図面を参照して具体的に説明する。この実施例で対象とする金属製部材の一例を図１に示してある。この図１に示すワーク１は、この発明における金属製部材である。この図１に示す例では、ワーク１は、鋼製の自動車部品であり、具体的には、自動車に搭載されるベルト式無段変速機のプーリを構成する鋼製部材である。より具体的には、この図１に示すワーク１は、ベルト式無段変速機のプーリにおける固定シーブを構成する部材である。そのために、ワーク１は、固定シーブ部２と、その固定シーブ部２と一体に形成されてプーリ軸になる軸部３とから構成されている。固定シーブ部２には、円盤形状の可動シーブ（図示せず）のシーブ面と対向して伝動ベルト（図示せず）の巻き掛かり溝を形成するシーブ面２ａが形成されている。したがって、ワーク１の軸部３に対して可動シーブを軸線方向で移動可能に挿入して固定シーブ部２と対向させることにより、ベルト式無段変速機のプーリが構成されるようになっている。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
この図１に示すワーク１は、熱処理において加熱された際の熱量分布が、前述の図９に示したようになっている。すなわち、ワーク１は、熱処理において加熱された際には、厚肉になっている軸部３の中間部３ｂ、および、固定シーブ部２と軸部３とを連結している固定シーブ部２の連結部２ｃならびに軸部３の連結部３ｃなどで、熱量分布における熱量が相対的に大きくなる。一方、薄肉になっている固定シーブ部２の外周端部２ｂ、および、軸部３の先端部３ａなどで、熱量分布における熱量が相対的に小さくなる。この熱量分布は、ワーク１を実際に加熱した際にワーク１各部の温度を実測することにより求めることができる。あるいは、コンピュータを用いたシミュレーションによって推定して求めることもできる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
そして、この実施例におけるワーク１は、上記のように熱処理においてワーク１が加熱された際の熱量分布に応じて、ワーク１各部の表面粗さがそれぞれ設定されている。すなわち、上記のように、熱量分布における熱量が相対的に大きくなる連結部２ｃ、連結部３ｃ、および中間部３ｂなどの箇所が、相対的に表面粗さが小さくなるように加工されている。そして、熱量分布における熱量が相対的に小さくなる外周端部２ｂ、および先端部３ａなどの箇所が、相対的に表面粗さが大きくなるように加工されている。具体的には、図１に示すように、熱量分布における熱量が大きい中間部３ｂが、算術平均粗さＲａで０．８μｍを目標値として加工されている。また、連結部３ｃが、算術平均粗さＲａで１．６μｍを目標値として加工されている。そして、連結部２ｃが、算術平均粗さＲａで２．０μｍを目標値として加工されている。一方、熱量分布における熱量が小さい先端部３ａが、算術平均粗さＲａで３．２μｍを目標値として加工されている。そして、外周端部２ｂが、算術平均粗さＲａで６．３μｍを目標値として加工されている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
次に、上記のように構成される金属製部材の熱処理方法について説明する。この発明の実施例における熱処理方法は、例えば、鋼製のワーク１を浸炭するための熱処理方法である。そして、この実施例における熱処理方法では、加熱工程後の焼き入れ（冷却）工程において、ミスト冷却が実施される。さらに、この実施例における熱処理方法では、上記の加熱工程および焼き入れ工程に加えて、それら加熱工程および焼き入れ工程で実施される熱処理の前に、ワーク１が加熱工程で加熱される際の熱量分布に応じてワーク１の表面粗さを調整し、ワーク１の表面を加工する表面加工工程を有している。具体的には、この実施例における熱処理方法は、図２に示すように、工程順に、成形工程（プロセスＰ０）、表面加工工程（プロセスＰ１）、加熱工程（プロセスＰ２）、冷却（焼き入れ）工程（プロセスＰ３）、および、仕上げ加工工程（プロセスＰ４）の各工程により実施される。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
冷却（焼き入れ）工程（プロセスＰ３）では、蒸気の加熱工程で浸炭されたワーク１の焼き入れが実施される。従来、浸炭後の焼き入れには、ガス冷却が広く実施されているが、この実施例における熱処理方法では、ミスト冷却が実施される。前述したように、ミスト冷却は、ガス冷却と比較して冷却効果が高い反面、多種多様なワーク全てに対応させて適切な冷却条件を設定するためには、冷却設備を調整することが困難であった。そこで、この実施例では、ミスト冷却が行われる熱処理の前に、上記のように表面加工工程を設けている。表面加工工程でワーク１各部の表面粗さを調整することにより、その後のミスト冷却の際のワーク１各部の冷却速度を制御して、ミスト冷却によりワーク１の全体を均一に冷却することができるようにしている。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
上記のように、この実施例における熱処理方法では、冷却設備側で調整を行うことなく、ワーク１自体の表面粗さを調整することにより、冷却工程におけるワーク１各部の冷却速度を制御することができる。したがって、従来の方法では、前述の図１０に示したように、ワークの冷却速度を制御するために冷却設備側の調整が必要であったのに対して、この実施例における熱処理方法では、冷却設備の噴射ノズルは、例えば図３に示すように、単純な配置のままでよい。また、冷却水の噴射量や噴射圧力なども一定に設定したままでよい。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
これに対して、図４に示すように、この実施例の熱処理方法により、ワーク１の表面粗さを調整し、冷却速度を制御してミスト冷却した場合には、温度測定点ａ、温度測定点ｂ、および温度測定点ｃ（固定シーブ部２の内周端部分）の間に大きな差は見られない。すなわち、図６に示すように、ワーク１の表面粗さを調整することなく、冷却速度を制御せずにミスト冷却した場合の冷却速度のばらつきと比較して、ワーク１の表面粗さを調整し、冷却速度を制御してミスト冷却を実施することにより、冷却速度のばらつきが大幅に低減していることが分かる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
このように、この実施例における熱処理方法では、ワーク１の表面粗さを調整してミスト冷却の際の冷却速度を制御することにより、ワーク１各部の間で冷却速度のばらつきが小さく、ワーク１の全体を均一に冷却することができる。そして、ミスト冷却の際に、すなわち熱処理における焼き入れの際に、ワーク１の全体を均一に冷却できることにより、図７に示すように、熱処理による歪みや変形の発生を大幅に抑制することができる。したがって、ワーク１を寸法精度良く製作することができる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
仕上げ加工工程（プロセスＰ４）では、上記のように浸炭および焼き入れされた後のワーク１の仕上げ加工が実施される。例えば、前工程で発生したスケールの除去や、仕上げ寸法を確保するための機械加工が実施される。上記のように、この実施例における熱処理方法では、熱処理におけるミスト冷却の際に、ワーク１の全体を均一に冷却して、熱処理による歪みや変形の少ないワーク１を製作することができる。そして、熱処理後のワーク１の変形が小さいことにより、この仕上げ加工工程における仕上げ加工を省くこともできる。もしくは、従来と比較して、仕上げ加工の際の加工取り代が少なくなり、その分、仕上げ加工に要するコストを低減することができる。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
上記のように、この実施例における熱処理方法を適用してワーク１を製造した場合のコスト低減の効果を図８に示してある。この図８に示すように、ガス冷却によって焼き入れを行った従来方法によるワーク１の製造コストに対して、この実施例における熱処理方法を適用したミスト冷却によって焼き入れを行った場合には、ワーク１の製造コストを大きく低減することができる。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
以上のように、この発明の実施例における金属製部材の熱処理方法および金属製部材によれば、熱処理を施すワーク１の表面粗さを調整することにより、そのワーク１をミスト冷却する際の冷却速度を制御することができる。すなわち、熱処理のためにワーク１を加熱した場合の熱量分布の熱量が大きい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが小さくなるようにワーク１の表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を速くすることができる。反対に、熱量分布の熱量が小さい箇所は、熱処理の前工程で表面粗さが大きくなるようにワーク１の表面を加工しておくことにより、ミスト冷却の際の冷却速度を遅くすることができる。そのため、ミスト冷却のためのノズルの位置や数量あるいは冷却水の噴射状態など冷却設備側で調整することなく、ワーク１の冷却速度を制御することができる。その結果、ワーク１の大きさや形状等を変更した場合であっても、冷却設備の調整や変更を行うことなく、容易に、ミスト冷却によって均一でかつ適切な冷却を行うことができる。そして、ミスト冷却によってワーク１の全体が均一に冷却され、適切な熱処理が実施されることにより、熱処理による歪みや変形が少ないワーク１を製造することができる。その結果、熱処理後の仕上げ加工を省略もしくは簡略化することができ、ワーク１すなわちこの発明における金属製部材の製造コストを大幅に削減することができる。
【国際調査報告】
2014115296.tif 000014
2014115296.tif 000015