(57)【要約】【課題】不完全焼入れの発生抑制に有効な水系冷却液を提供することである。【解決手段】水溶液からなる冷却液であって、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）系水溶性冷却剤の濃度が０質量％以上２０質量％以下であり、さらに、炭酸ナトリウムを含有する。このようにすれば、炭酸ナトリウムを添加することにより冷却液の冷却能を向上させることができる。焼入れ処理時に焼割れが生じやすい低温度域では冷却速度が低下、もしくはほとんど炭酸ナトリウムを添加しない場合と変わらない一方で、不完全焼入れが生じやすい高温度域においては冷却速度を高めることができる。このため、不完全焼入れの発生抑制に有効である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶液からなる冷却液であって、
ポリアルキレングリコール系水溶性冷却剤の濃度が０質量％以上２０質量％以下であり、さらに、
炭酸ナトリウムを含有する、冷却液。
【請求項２】
前記炭酸ナトリウムの濃度は５質量％以上２０質量％以下である、請求項１に記載の冷却液。
【請求項３】
前記ポリアルキレングリコール系水溶性冷却剤の濃度が５質量％以上２０質量％以下であり、
前記炭酸ナトリウムの濃度は１０質量％以上２０質量％以下である、請求項１に記載の冷却液。
【請求項４】
前記炭酸ナトリウムの濃度が１０質量％以上であり、
ｐＨが１０．９以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却液。
【請求項５】
機械部品を加熱する工程と、
加熱された前記機械部品を冷却する工程とを備え、
前記冷却する工程では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却液を用いる、機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷却液および機械部品の製造方法に関し、より特定的には水系冷却液および当該水系冷却液を用いた機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、機械部品の製造方法の工程の１つとして、鋼製の機械部品に対する焼入れ処理が知られている。焼入れ処理については、冷媒として油系冷却液を用いる場合があるが、当該油系冷却液に代わる冷媒として水系冷却液が知られている（たとえば、特開平９−２２７９３２号公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２２７９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水系冷却液は、難燃性と高い冷却能を特徴としている。一方で、このような高い冷却能は機械部品における焼割れの要因ともなり得る。このため、焼割れの防止策として、冷却抑制効果を持つ水溶性冷却剤（水溶性ポリマー）を添加した水系冷却液が実用化されている。
【０００５】
しかし、このように水溶性冷却剤を転嫁した水系冷却液においては、冷却能低下が高温域においても生じるため、熱処理対象物の鋼種や肉厚によっては不完全焼入れが生じる恐れがある。
【０００６】
この発明は、このような課題を解決するためのものであり、この発明の目的は、不完全焼入れの発生抑制に有効な水系冷却液を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態に係る冷却液は、水溶液からなる冷却液であって、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）系水溶性冷却剤の濃度が０質量％以上２０質量％以下であり、さらに、炭酸ナトリウムを含有する。
【０００８】
本実施形態に係る機械部品の製造方法は、機械部品を加熱する工程と、加熱された機械部品を冷却する工程とを備える。冷却する工程では、上記冷却液を用いる。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、機械部品の焼入れといった工程に上記冷却液を用いた場合に、焼割れの発生を助長することなく、不完全焼入れの発生抑制に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る機械部品の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】実験において用いた試料を説明するための断面模式図である。
【図３】実験結果を示すグラフである。
【図４】実験結果を示すグラフである。
【図５】実験結果を示すグラフである。
【図６】実験結果を示すグラフである。
【図７】鉄の電位とｐＨとの関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１２】
＜冷却液＞
本実施形態に係る冷却液は、たとえばポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）系水溶性冷却剤を含む冷却液であって、ポリアルキレングリコール系水溶性冷却剤の濃度が０質量％以上２０質量％以下であり、さらに、炭酸ナトリウムを含有する。ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度は０でもよいが、好ましくは０質量％超え２０質量％以下である。また、当該ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度の下限は５質量％以上でもよく、８質量％以上でもよく、１０質量％以上でもよい。また、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度の上限は１５質量％以下でもよく、１２質量％以下でもよい。また、炭酸ナトリウムの濃度の下限は５質量％以上でもよく、８質量％以上でもよく、１０質量％以上でもよい。また、炭酸ナトリウムの濃度の上限は、２０質量％以下でもよく、１５質量％以下でもよく、１２質量％以下でもよい。
【００１３】
なお、ＰＡＧ系水溶性冷却剤としては、たとえばポリアルキレングリコールの濃度が３０〜６０％とされた水溶液である冷却剤を用いることができる。また、ポリアルキレングリコールの濃度はたとえば４５質量％以上５５質量％以下でもよく、また当該濃度は３０質量％以上４５質量％以下でもよい。また、ＰＡＧ系水溶性冷却剤は、他の添加材（たとえば亜硝酸ナトリウムなど）を含んでいてもよい。
【００１４】
このように、冷却液に炭酸ナトリウムを添加することにより、特に不完全焼入れが生じやすい高温度域（たとえば４３０℃以上８５０℃以下の温度域）において冷却能を高めることができる。このため、不完全焼入れの発生抑制に有効である。また、当該炭酸ナトリウムの添加によっては、焼割れが生じやすい低温度域（たとえば１００℃以上２２０℃以下）において冷却速度がほとんど変わらない／あるいは低下するため、焼割れの発生を助長することが無い。このため、焼割れの発生を助長することなく不完全焼入れの発生抑制に有効である。
【００１５】
また、上記冷却液について、ｐＨを１０．９以上とすることにより、加工対象材である機械部品や当該冷却液を用いる設備での錆の発生を抑制できる。この場合、炭酸ナトリウムの濃度を１０質量％以上とすることが好ましい。
【００１６】
＜機械部品の製造方法＞
上記冷却液を用いた機械部品の製造方法について、図１を参照して説明する。図１に示すように、機械部品の製造方法においては、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、処理対象材である機械部品（たとえば鋼製の機械部品であって、形状は任意の形状であってもよい）を準備する。また、当該工程（Ｓ１０）では、上述した冷却液も準備する。
【００１７】
次に、図１に示すように、熱処理工程（Ｓ２０）を実施する。この工程では、処理対象材である機械部品を加熱する。たとえば、この工程（Ｓ２０）では、Ａ１変態点以上の焼入れ温度にまで機械部品を加熱し、所定の時間だけ保持する。この熱処理時の雰囲気は、たとえばＲＸガスを用いることができるが、他のガスを用いてもよい。
【００１８】
次に、焼入れ工程（Ｓ３０）を実施する。この工程では、上述した冷却液に加熱後の機械部品を浸漬して冷却し、焼入れ処理を行う。なお、冷却方法として冷却液を入れた浴槽に機械部品を浸漬してもよいが、たとえば機械部品に冷却液を噴射するといった方法を用いてもよい。このように、本実施形態に従った冷却液を用いることにより、焼入れ工程（Ｓ３０）において焼割れの発生を助長することなく不完全焼入れの発生を抑制できる。
【００１９】
この後、焼戻処理や機械部品の表面研削などを行うことにより、所定の形状の機械部品を得ることができる。
【００２０】
（実施例）
＜試料＞
図２に示したリング状の試料１０を準備した。試料１０の材質はＪＩＳ−ＳＵＪ３である。図２に示すように、リング状の試料１０の内径は４０ｍｍ、外径は７０ｍｍ軸方向における厚さは２０ｍｍ、軸方向に対して交差する方向である径方向での幅が１５ｍｍである。また、試料中の温度を測定するため、当該試料の表面（径方向に沿ってのびる端面）には直径１．８ｍｍ、深さ１０ｍｍの穴１１を形成した。穴１１の位置は、上記試料の表面のほぼ中央部である。また、別の観点から言えば、穴１１の中心軸と、試料１０の軸との間の（径方向での）距離は２７．５ｍｍである。穴１１の内部には、当該穴１１の底面に先端部が接触するように熱電対が挿入、固定される。熱電対は、針金で固定した。
【００２１】
＜実験内容＞
上述した試料を、８５０℃まで加熱し、当該温度で１５分間保持した。そのあと、浴槽内に保持されている冷却液に試料を浸漬して、熱履歴を記録した。なお、試料を浸漬する前には、冷却液の温度を５０℃に保持した。また、各冷却液のｐＨも測定した。
【００２２】
冷却液としては、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度を０質量％、５質量％、１０質量％、２０質量％、とし、また炭酸ナトリウムの濃度を０質量％、１０質量％、２０質量％と変えた１０種類の冷却液（表１のＩＤ１〜ＩＤ１０に示した冷却液）を用いた。
【００２３】
＜結果＞
冷却能について：
実験結果を以下の表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
また、図３〜図６に、冷却液毎の冷却曲線を示す。なお、図３〜図６において、横軸は時間（単位：秒）であり縦軸は温度（単位：℃）である。
【００２６】
冷却液のＩＤ１（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が０質量％の水）およびＩＤ２（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が０質量％の水に炭酸ナトリウムを１０質量％添加したもの）については、図３に冷却曲線が示されている。冷却液のＩＤ３（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が５質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを添加していないもの）、ＩＤ４（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が５質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを１０質量％添加したもの）、ＩＤ５（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が５質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを２０質量％添加したもの）については、図４に冷却曲線が示されている。
【００２７】
冷却液のＩＤ６（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が１０質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを添加していないもの）、ＩＤ７（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が１０質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを１０質量％添加したもの）、ＩＤ８（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が１０質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを２０質量％添加したもの）については、図５に冷却曲線が示されている。冷却液のＩＤ９（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が２０質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを添加していないもの）およびＩＤ１０（ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が２０質量％の水溶液で炭酸ナトリウムを１０質量％添加したもの）については、図６に冷却曲線が示されている。
【００２８】
図３に示すように、冷却液のＩＤ１に比べて、ＩＤ２は炭酸ナトリウム添加によって冷却能が高くなっている。
【００２９】
また、冷却液のＩＤ３〜ＩＤ１０の結果からも、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が５〜２０質量％とした場合においても同様に、炭酸ナトリウム添加による冷却能向上が確認できた。これらの結果より、炭酸ナトリウムには水およびＰＡＧ系水溶性冷却剤の冷却能を高める効果があると考える。
【００３０】
また、表１に示すように、焼割れが生じやすい低温度域（表１の温度域２）では、炭酸ナトリウムの添加によっては冷却速度が低下する、或いはほとんど変化していない。一方、表１に示すように、不完全焼入れが生じやすい高温度域（表１の温度域１）では、炭酸ナトリウムの添加によって冷却能が向上していることがわかる。この結果、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度が０質量％以上２０質量％以下である冷却液において、炭酸ナトリウムの添加によっては焼割れ発生は助長されず、温度域１での冷却能を向上させて不完全焼入れの発生抑制に有効であることがわかる。
【００３１】
なお、表１に示すように、冷却液のＩＤ４、５、７、８の結果より、炭酸ナトリウムの添加量に応じて冷却能が変化していることがわかる。このため、冷却液におけるＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度などに応じて、炭酸ナトリウムの添加量は適宜調整することができる。
【００３２】
防錆性について：
表１のｐＨの欄には、各冷却液におけるｐＨの値が示されている。また、図７は、温度２５℃の水中における鉄の電位とｐＨとの関係を示す図（電位−ｐＨ図）である。図７に示した電位−ｐＨ図では、特定の電位とｐＨとにおける金属（鉄）の反応傾向が示されている。図７のＦｅ2+、Ｆｅ3+、ＨＦｅＯ2?の領域は腐食域と言い、腐食反応が起こる。そのため、この領域にある液体は金属材料（鉄）の冷媒としては腐食が発生することから不適切と考える。たとえば、ｐＨ値が約７．８の市水では金属（鉄）に錆が発生するため、その市水の電位は０〜−０．５Ｖ付近だと考えられる。そして、図７によれば、冷却液のｐＨ値を上昇させることによって発錆を抑制できる。
【００３３】
ここで、表１によれば、炭酸ナトリウム添加によりｐＨも変化している。たとえば、ＩＤ２、４，５、７、８、１０などのデータからわかるように、炭酸ナトリウムの添加により冷却液のｐＨ値が上昇している。このように冷却液のｐＨをアルカリ側に傾けることにより、処理対象材である機械部品などの腐食を抑制することができる。つまり、炭酸ナトリウム添加には防錆性の向上効果があると考える。
【００３４】
上述した説明と一部重複する部分もあるが、本発明の実施形態の特徴的な構成を列挙する。
【００３５】
本実施形態に係る冷却液は、水溶液からなる冷却液であって、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）系水溶性冷却剤の濃度が０質量％以上２６質量％以下であり、さらに、炭酸ナトリウムを含有する。
【００３６】
このようにすれば、炭酸ナトリウムを添加することにより冷却液の冷却能を向上させることができる。また、炭酸ナトリウムを添加することにより、焼入れ処理時に焼割れが生じやすい低温度域（たとえば１００℃以上２２０℃以下の温度域）では冷却速度が低下、もしくはほとんど炭酸ナトリウムを添加しない場合と変わらない一方で、不完全焼入れが生じやすい高温度域（たとえば４３０℃以上８５０℃以下の温度域）においては冷却速度を高める（つまり冷却能を向上させる）ことができる。このため、不完全焼入れの発生抑制に有効である。
【００３７】
なお、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度の上限を２０質量％以下としたのは、２０質量％超えでは高温度域における冷却能の低下が不完全焼入れの観点から致命的であり、安全性を確保するためという理由による。また、好ましくはＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度は０質量％超え２０質量％以下である。
【００３８】
上記冷却液において、炭酸ナトリウムの濃度は５質量％以上２０質量％以下であってもよい。なお、炭酸ナトリウムの濃度は好ましくは１０質量％であってもよい。
【００３９】
この場合、焼割れが発生しやすい温度域での冷却速度をあまり高めることなく（つまり焼割れの発生を助長することなく）、不完全焼入れが生じやすい上記高温度域での冷却速度を高めることができる。なお、炭酸ナトリウムの濃度が５質量％未満の場合、上記高温度域での不完全焼入れの発生抑制効果を得ることが難しくなる。また、炭酸ナトリウムが２０質量％越えの場合、炭酸ナトリウムは一部溶解せずに沈殿する。
【００４０】
上記冷却液において、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）系水溶性冷却剤の濃度が５質量％以上２０質量％以下であってもよく、炭酸ナトリウムの濃度は１０質量％以上２０質量％以下であってもよい。
【００４１】
この場合、焼割れ発生を助長することなく、冷却能を向上させて不完全焼入れの発生を抑制できる。なお、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度の下限を５質量％としたのは、低濃度すぎるとＰＡＧ系水溶性冷却剤の効力が大きく損なわれるためである。また、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度の下限は、６質量％以上であってもよく、８質量％以上であってもよく、１０質量％以上であってもよい。また、ＰＡＧ系水溶性冷却剤の濃度の上限は、１５質量％以下であってもよく、１２質量％以下であってもよい。
【００４２】
上記冷却液において、炭酸ナトリウムの濃度は１０質量％以上であってもよく、ｐＨが１０．９以上であってもよい。
【００４３】
この場合、加工対象材である機械部品や冷却液を用いる冷却設備での錆の発生を抑制できる。なお、ｐＨを１０．９以上としたのは、当該ｐＨの値を満足すれば錆の発生を抑制する効果を確実に得られるためである。また、炭酸ナトリウムの濃度を１０質量％以上としたのは、このように炭酸ナトリウムの濃度を規定することでｐＨの値を容易に１０．９以上とすることができるからである。
【００４４】
本実施形態に係る機械部品の製造方法は、機械部品を加熱する工程（図１の熱処理工程（Ｓ２０））と、加熱された機械部品を冷却する工程（図１の焼入れ工程（Ｓ３０））とを備える。冷却する工程（Ｓ３０）では、上記冷却液を用いる。冷却する工程（Ｓ３０）は、たとえば焼入れ工程であってもよい。
【００４５】
このようにすれば、機械部品の熱処理後の冷却（たとえば焼入れ）時に、焼割れ発生を助長することなく、機械部品での不完全焼入れの発生抑制に有効である。
【００４６】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、機械部品の焼入れ工程に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００４８】
１０  試料、１１  穴。
【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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