(57)【要約】【課題】従来品より耐摩耗性・耐フレーキング性に優れ、加工寿命を延ばして耐久性を向上させることができる圧延工具を提供することにある。【解決手段】窒化処理層を窒素雰囲気中で加熱する拡散処理により形成された、深さ方向に硬度がなだらかに低下している窒化拡散層を表層部に具えてなる圧延工具である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化処理層を窒素雰囲気中で加熱する拡散処理により形成された、深さ方向に硬度がなだらかに低下している窒化拡散層を表層部に具えてなる圧延工具。
【請求項２】
前記圧延工具の表面硬度はＨｖ１０００以上かつＨｖ１４００以下であり、
前記窒化拡散層の深さは表面から２０μｍ以上かつ８０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の圧延工具。
【請求項３】
前記窒化処理層の窒化処理は、処理温度４００℃以上かつ５７０℃以下で、処理時間１０分以上かつ３０分以下であり、
前記窒化拡散層の拡散処理は、処理温度４８０℃以上かつ５７０℃以下で、保持時間５分以上かつ６０分以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の圧延工具。
【請求項４】
前記窒化拡散層の表面は研磨されていることを特徴とする、請求項１から３までの何れか記載の圧延工具。
【請求項５】
前記圧延工具の材質はハイス鋼であることを特徴とする、請求項１から４までの何れか記載の圧延工具。
【請求項６】
所定形状に形成した圧延工具素材に窒化処理雰囲気中で加熱する窒化処理を行ってその圧延工具素材の表層部に窒化処理層を形成し、引き続いて窒素雰囲気中で加熱する拡散処理を行ってその窒化処理層の深さを深めることにより、前記圧延工具素材の表層部に深さ方向に硬度がなだらかに低下している窒化拡散層を形成することを特徴とする、圧延工具の製造方法。
【請求項７】
前記圧延工具の表面硬度はＨｖ１０００以上かつＨｖ１４００以下であり、
前記窒化拡散層の深さは表面から２０μｍ以上かつ８０μｍ以下であることを特徴とする、請求項６記載の圧延工具の製造方法。
【請求項８】
前記窒化処理層の窒化処理を、処理温度４００℃以上かつ５７０℃以下で、処理時間１０分以上かつ３０分以下とし、
前記窒化拡散層の拡散処理を、処理温度４８０℃以上かつ５７０℃以下で、保持時間５分以上かつ６０分以下とすることを特徴とする、請求項６または７記載の圧延工具の製造方法。
【請求項９】
前記窒化拡散層の表面を研磨することを特徴とする、請求項６から８までの何れか記載の圧延工具の製造方法。
【請求項１０】
前記圧延工具素材の材質はハイス鋼であることを特徴とする、請求項６から９までの何れか記載の圧延工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クランクシャフトのフィレット面（隅Ｒ面）を圧延加工するフィレットローラ等の圧延工具および、その圧延工具の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧延工具の一種であるフィレットローラは、エンジンのクランクシャフトのピンやジャーナル部のフィレット面（隅Ｒ面）の圧延加工に用いられる小さな円盤状の工具で、圧延加工の際にはホルダに装着されて、回転するクランクシャフトの周囲に周辺部を押し付けられ、極めて高い圧力を受けることから、従来からその材質には、工具寿命を延ばすためおよび圧延加工に耐える高い表面硬度を得るために、圧延工具に適したハイス鋼が使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかるフィレットローラについて近年、耐久性を向上させるための耐摩耗性および耐フレーキング性の向上の要請がある処、材質としてハイス鋼を使用した工具素材の表面に各種の表面処理やコーティング技術によって皮膜を付着させることで表面硬度を高める通常の方法では、圧延工具表面に加わる加工圧力が極めて高くなると、表面皮膜の剥離が発生してしまい、耐摩耗性、耐フレーキング性の向上に十分な効果が出ないという問題があった。
【０００４】
そしてこの問題につき研究していた本願発明者は、従来の表面処理等では工具の表面付近は硬度が高められているが、ある程度の深さになると硬度が急激に素材の硬度まで低下しているため、その硬度急変部に応力が集中することが原因ではないかということに想到した。
【０００５】
この発明は、本願発明者の上述の知見に鑑みてなされたもので、従来品より耐摩耗性・耐フレーキング性に優れ、加工寿命を延ばして耐久性を向上させることができる圧延工具を提供することを目的とし、さらにその圧延工具の提供に際して従来品からのコストアップを極力抑えることをも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を有利に解決したこの発明の圧延工具は、窒化処理層を窒素雰囲気中で所定温度で所定時間加熱する拡散処理により形成された、深さ方向に硬度がなだらかに低下している窒化拡散層を表層部に具えてなるものである。
【０００７】
また上記課題を有利に解決したこの発明の圧延工具の製造方法は、所定形状に形成した圧延工具素材に窒化処理雰囲気中で加熱する窒化処理を行ってその圧延工具素材の表層部に窒化処理層を形成し、引き続いて窒素雰囲気中で所定温度で所定時間加熱する拡散処理を行ってその窒化処理層の深さを深めることにより、前記圧延工具素材の表層部に深さ方向に硬度がなだらかに低下している窒化拡散層を形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
かかるこの発明の圧延工具およびその製造方法によれば、圧延工具がその表層部に、深さ方向に従来よりも硬度がなだらかに低下している窒化拡散層を具えていることから、圧延加工の際に圧延工具表面に加わる加工圧力が極めて高くても工具内部で応力集中が生じにくいので、窒化処理による高い表面硬度で耐摩耗性を向上させつつ、拡散処理による硬度のなだらかな変化で耐フレーキング性を向上させ得て、圧延工具の加工寿命を延ばし、耐久性を向上させることができる。
【０００９】
しかもこの発明の圧延工具およびその製造方法によれば、拡散処理は、窒化処理に続けて炉内で行い得るので、新たな設備投資によるコストアップを避けることができる。
【００１０】
なお、この発明の圧延工具およびその製造方法においては、前記圧延工具の表面硬度をＨｖ１０００以上かつＨｖ１４００以下とし、前記窒化拡散層の深さを表面から２０μｍ以上かつ８０μｍ以下とすると好ましい。このようにすれば、窒化処理によるＨｖ１０００以上かつＨｖ１４００以下の高い表面硬度で耐摩耗性を向上させつつ、拡散処理による２０μｍ以上かつ８０μｍ以下の深さまでの硬度のなだらかな変化で耐フレーキング性を向上させ得て、充分に圧延工具の加工寿命を延ばし耐久性を向上させることができる。
【００１１】
また、この発明の圧延工具およびその製造方法においては、前記窒化処理層の窒化処理が、処理温度４００℃以上かつ５７０℃以下で、処理時間１０分以上かつ３０分以下であり、前記窒化拡散層の拡散処理が、処理温度４８０℃以上かつ５７０℃以下で、保持時間５分以上かつ６０分以下であると好ましい。このようにすれば、処理温度４００℃以上かつ５７０℃以下で処理時間１０分以上かつ３０分以下の窒化処理で、工具素材金属を表面から２０μｍ程度の深さまで硬化させることができ、その後の処理温度４８０℃以上かつ５７０℃以下で保持時間５分以上かつ６０分以下の拡散処理で、工具素材金属の表面を硬度Ｈｖ１０００〜１４００に硬化させるとともに内部を硬度が２０〜８０μ程度の深さまでなだらかかつ穏やかに低下するように硬化させることができる。
【００１２】
さらにこの発明の圧延工具およびその製造方法においては、前記窒化拡散層の表面が、例えばバレル研磨等で研磨されると好ましい。このようにすれば、拡散処理で生じた表面の脆い窒化化合物層を除去するとともに工具素材の熱処理による肌荒れを改善し得て、工具表面の仕上げ面粗さを向上させることができる。
【００１３】
そしてこの発明の圧延工具およびその製造方法においては、前記圧延工具の材質がハイス鋼であると好ましい。このようにすれば、従来と同様の材質を使用し得るので、製造コストの過大な上昇を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ），（ｂ）は、この発明の圧延工具の一実施例としてのフィレットローラを示す平面図および断面図、図２（ａ），（ｃ）は、上記実施例のフィレットローラを製造するためのこの発明の圧延工具の製造方法の一実施例の製造工程および従来のフィレットローラを製造するための従来の製造方法の製造工程をそれぞれ示す工程図、図３は、上記実施例のフィレットローラと通常の窒化処理を施した比較例のフィレットローラと従来のフィレットローラとのそれぞれの表面からの深さと硬度との関係の測定結果を比較して示す関係線図であり、図中符号１はその実施例のフィレットローラ、１ａは表層部、１ｂは内部を示す。
【００１５】
この実施例のフィレットローラ１は、エンジンのクランクシャフトのピンやジャーナル部のフィレット面（隅Ｒ面）の圧延加工に用いられる圧延工具であって、図１に拡大して示すように、直径１０ｍｍ〜１４ｍｍ程度の小さな円盤状（略ボタン状）をなしており、その表層部１ａには、後述の窒化拡散層が形成されている。
【００１６】
この実施例のフィレットローラ１を製造するに際しては、図２（ａ）に示すように、先ず形状を成形する工程として、同図（ｃ）に示す従来技術の工程と同様、溶解ハイス鋼または粉末ハイス鋼の丸棒状材料から短い円柱状材料を切り出すステップＳ１の材料切断工程と、その切り出した短い円柱状材料を図１に示す如き円盤状に切削で荒加工するステップＳ２の輪郭形状加工工程と、その荒加工した円盤状材料を熱処理（焼入れ）により全体的に硬化させるステップＳ３の熱処理工程と、その熱処理した円盤状材料を図１に示す如き円盤状に研削で仕上げ加工するステップＳ４の輪郭形状研削工程と、その仕上げ加工した円盤状材料の表面をバレル研磨によって滑らかにするバレル研磨加工工程Ｓ５とを順次に行い、その後、ステップＳ６の特殊窒化処理工程において、そのバレル研磨した円盤状材料（フィレットローラ素材）に以下の条件で窒化処理および拡散処理からなる窒化拡散処理を施して、フィレットローラを形成する。
【００１７】
すなわち、このステップＳ６では、先ず炉内を窒化雰囲気にして、その炉内で上記フィレットローラ素材に、窒化処理温度４００℃〜５７０℃（例えば５１０℃）、処理時間10分〜30分（例えば１５分）で窒化処理を行って、フィレットローラ素材の表層部に窒化処理層を形成する。なお、上記窒化雰囲気を構成する混合ガスは、例えば、アンモニアガス流量１９リットル／分、二酸化炭素０．６リットル／分、窒素ガス１２．５リットル／分とすれば良い。
【００１８】
この窒化処理の完了後、引き続き上記炉内に窒素ガスを例えば上記窒化雰囲気の時と同量（１２．５リットル／分）流す一方で他のガスの供給を止めて、炉内を窒素ガスのみからなる窒素雰囲気に変え、その炉内で上記フィレットローラ素材の窒化処理層に、温度４８０℃〜５７０℃（例えば５４０℃）、保持時間５分〜６０分（例えば６０分）で拡散処理を行って、その窒化処理層の深さを深め、窒化拡散層を形成する。
【００１９】
かかる窒化拡散処理を施したフィレットローラ１の表面硬さはＨｖ（ビッカース硬さ）１０００〜１４００となり、その表層部１ａの窒化拡散層は表面から２０μm〜４０μmの深さに及ぶものとなる。しかもその窒化拡散層の硬度は深さ方向になだらかにかつ緩やかに変化しており、このなだらかな硬度変化により、この実施例のフィレットローラ１によれば、耐摩耗性・耐フレーキング性を効果的に向上させることができる。
【００２０】
図２（ｂ）は、この発明の圧延工具の他の一実施例としてのフィレットローラを製造するためのこの発明の圧延工具の製造方法の他の一実施例の製造工程を示す工程図である。この実施例では、図２（ａ）に示す先の実施例の製造工程に加えて、そのステップＳ６の特殊窒化処理工程の後に、ステップＳ７のバレル研磨加工工程を行っており、このバレル研磨加工工程Ｓ７では、上記窒化拡散処理を施したフィレットローラにバレル研磨を施すことによって、上記窒化拡散処理で生じたフィレットローラ表面の脆い窒化化合物層を除去するとともに熱処理による肌荒れを改善して、フィレットローラ表面の仕上げ面荒さを向上させている。
【００２１】
かかる実施例のフィレットローラおよびその製造方法によれば、先の実施例と同様窒化拡散処理の効果で、表面から２０μm〜４０μmの深さまでなだらかな硬度変化で窒化層が入って硬度が上がり、後処理のバレル加工との相乗効果で耐摩耗性・耐フレーキング性・耐繰り返し応力破壊性を効果的に向上させることができる。
【００２２】
図３は、上記他の実施例即ち後者の実施例のフィレットローラ（図中Ｌ１）と、図２（ａ）に示す工程でステップＳ６の代わりに通常の窒化処理を施した比較例のフィレットローラ（図中Ｌ２）と、図２（ｃ）に示す従来技術の工程で製造した従来のフィレットローラ（図中Ｌ３）とのそれぞれの、表面からの深さと硬度との関係の測定結果を比較して示しており、図の縦軸はビッカース硬さ、横軸はフィレットローラの表面からの深さを表している。なお、上記後者の実施例のフィレットローラは、窒化処理が処理温度５１０℃、処理時間１５分、拡散処理が処理５４０℃、保持時間６０分のものである。
【００２３】
この関係線図から、従来品のフィレットローラ（Ｌ３）では、表面硬度Ｈｖ１０２５から深さ方向に硬度が低下し、深さ１５μm付近で母材（ハイス）の熱処理後硬度まで下がっていることが読み取れる。従来品の表面硬度が母材の熱処理後硬度より上がっているのは、バレル研磨加工を施したことによる効果である。一方、上記後者の実施例のフィレットローラ（Ｌ１）では、表面硬度はＨｖ１１６５であり、窒化処理の効果で従来品より表面硬度が上がっている。また拡散処理の効果で探さ３５μm付近まで硬度が母材の熱処理後硬度より高くなっているのが読み取れる。上記比較例のフィレットローラ（Ｌ２）では、表面硬度はＨｖ１２０４とかなり上がっているが、窒化拡散処理とは異なり、深さ２０μm付近で既に母材の熱処理後硬度まで下がっている。
【００２４】
従って、上記後者の実施例のフィレットローラおよびその製造方法によれば、従来品に比較して、より硬度を高くできかつなだらかな硬度変化でより深くまで硬くすることができるので、耐摩耗性および耐フレーキング性に優れたフィレットローラをもたらすことができ、ひいてはフィレットローラの加工寿命を延ばし、耐久性を向上させることができる。
【００２５】
従来のフィレットローラと上記後者の実施例のフィレットローラとにつき、どちらも新品で荷重４００ｋｇ〜７００ｋｇ（サイズに応じて異なる）をかけてクランクシャフトを定数加工した後の状態を調べる定数加工テストを行った後、電子顕微鏡にて表面を観察したところ、従来品では表面の剥離がかなり生じていたが、上記後者の実施例のフィレットローラの方は、表面の剥離がほとんどなく、劣化状態の極めて少ない良好な結果が出ており、このことから、上記後者の実施例のフィレットローラが極めて高い耐摩耗性・耐フレーキング性・耐繰り返し応力破壊性を持っていることが実証された。
【００２６】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上記例に限定されるものでなく、例えば転造ローラ等の、他の種類の圧延工具にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
かくしてこの発明の圧延工具およびその製造方法によれば、耐摩耗性および耐フレーキング性に優れた圧延工具をもたらすことができ、ひいては圧延工具の加工寿命を延ばし、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ），（ｂ）は、この発明の圧延工具の一実施例としてのフィレットローラを示す平面図および断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上記実施例のフィレットローラを製造するためのこの発明の圧延工具の製造方法の一実施例の製造工程と、この発明の圧延工具の他の一実施例としてのフィレットローラを製造するためのこの発明の圧延工具の製造方法の他の一実施例の製造工程と、従来のフィレットローラを製造するための従来の製造方法の製造工程とをそれぞれ示す工程図である。
【図３】上記前者の実施例のフィレットローラと通常の窒化処理を施した比較例のフィレットローラと従来のフィレットローラとのそれぞれの、表面からの深さと硬度との関係の測定結果を比較して示す関係線図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  フィレットローラ
１ａ  表層部
１ｂ  内部
【図１】
2005082884.tif 000003
【図２】
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【図３】
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