(57)【要約】【課題】熱処理後の作業が煩雑となることなく、融点以下の温度に加熱された金属部材のうち他の部位に比べて相対的に熱効率が低い部位における冷却速度を向上させることのできる熱処理方法を提供する【解決手段】熱処理される金属部材１０の表面１２Ａに対して接触離間可能であって少なくとも炭素が含まれる熱処理用治具１を、金属部材のうち他の部位に比べて相対的に熱効率が低い境界部Ｂの表面に接触するように配置した状態で、金属部材を熱処理する熱処理方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理される金属部材の表面に対して接触離間可能であって炭素が含まれる熱処理用治具を、前記金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位の表面に接触するように配置した状態で、前記金属部材を熱処理する熱処理方法。
【請求項２】
真空雰囲気下で、前記金属部材を熱処理する請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】
前記金属部材の表面は、
前記熱処理用治具によって被覆される被覆部と、露出する露出部と、を有し、
浸炭熱処理と組み合わせて行うことで、前記被覆部において固体浸炭によって浸炭が行われ、前記露出部においてガス浸炭によって浸炭が行われる請求項１または２に記載の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部品のような金属部材を、例えば強度を向上させることを目的に、融点以下の適当な温度に加熱し、冷却速度を調整して冷却することによって、金属部材に所要の組織・性質を与える各種熱処理が行われている。
【０００３】
融点以下の温度に加熱された金属部材を冷却する際、急冷することによってマルテンサイトが析出する。このような金属部材の急冷は、油、水に浸漬、またはガス等を噴射することによって行われる。
【０００４】
また、融点以下の温度に加熱された金属部材を冷却する際、徐冷することによってフェライト、パーライト、またはベイナイトが析出する。このような金属部材の徐冷は、雰囲気環境下に放置する放冷によって行われる。
【０００５】
放冷では、雰囲気と金属部材の表面との間で発生する対流と、金属部材の表面からの放射と、を用いて冷却する。放冷では、冷却が対流および放射にのみ依存するため、冷却速度を向上させることが困難である。また、真空雰囲気で冷却する場合は、対流による冷却の効果は小さく、放射のみに依存することになり、冷却速度を向上させることがより困難である。したがって、融点以下の温度に加熱された金属部材の冷却速度を向上させる技術が求められている。特に、金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位における冷却速度を向上させる技術が求められている。
【０００６】
これに関連して、例えば下記の特許文献１には、鋼帯の圧延後の焼鈍を行う際、表面に酸素を吹きつけ、表面に酸化層を形成することによって、表面の放射率を向上させて、冷却速度を向上させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭５９−５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、部品の表面に酸化膜が形成されるため、熱処理を行った後、酸化膜を除去する必要があり、この際に部品の形状が変化する虞がある。この方法を自動車部品のような精密な形状が要求される部品に適用した場合は、形状精度を確保するために、追加工が必要となり、熱処理後の作業が煩雑となる。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、熱処理後の作業が煩雑となることなく、融点以下の温度に加熱された金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位における冷却速度を向上させることのできる熱処理方法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】
【００１０】
上記目的を達成する本発明に係る熱処理方法は、熱処理される金属部材の表面に対して接触離間可能であって炭素が含まれる熱処理用治具を、前記金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位の表面に接触するように配置した状態で、前記金属部材を熱処理する熱処理方法である。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成された熱処理方法によれば、金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位の表面に接触するように、炭素を含む熱処理用治具を配置した状態で、熱処理が行われる。炭素は金属と比較して熱伝導率および放射率が高いため、金属部材の熱を効率的に雰囲気に放出することができる。したがって、融点以下の温度に加熱された金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位における冷却速度を向上させることができる。また、熱処理用治具は、金属部材の表面に対して接触離間が可能であるため、熱処理後に、熱処理用治具を金属部材から容易に取り外すことができる。したがって、熱処理後の作業が煩雑となることなく、融点以下の温度に加熱された金属部材のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位における冷却速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る熱処理用治具をプーリーに配置した状態を示す斜視図である。
【図２】熱処理用治具をプーリーから取り外した状態を示す斜視図である。
【図３】図１の３−３線に沿う概略断面図である。
【図４】冷却速度が向上する原理を示す図３のＡ部の拡大図であって、図４（Ａ）は、熱処理用治具が配置された様子を、図４（Ｂ）は、比較例として熱処理用治具が配置されていない様子を示す。
【図５】熱処理用治具の厚みの上限値を説明するための図である。
【図６】熱処理用治具の効果を説明するための図である。
【図７】第２実施形態に係る熱処理用治具を歯車に配置した状態を示す概略図である。
【図８】浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行うときの様子を示す概略図である。
【図９】浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行うときの温度プロファイルを示す図である。
【図１０】浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行うときの効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態＞
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第１実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１４】
第１実施形態では、熱処理用治具１を無段変速装置（ＣＶＴ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ)用のプーリーに配置して熱処理を行う形態について説明する。
【００１５】
無段変速装置は、一般的に、入力側プーリーおよび出力側プーリーが可動シーブおよび固定シーブを有し、一方のプーリーの可動シーブおよび固定シーブは、他方のプーリーの軸方向反対側となるように配置されている。各可動シーブと固定シーブとの間に形成されたＶ溝には、Ｖベルトが嵌め込まれ巻き掛けられている。エンジンの駆動力は、入力側プーリーに入力され、Ｖベルトを介して出力側プーリーに伝達され、この出力側プーリーから車軸に伝達される。以下、入力側プーリーおよび出力側プーリーをプーリーと総称する。
【００１６】
図１は、第１実施形態に係る熱処理用治具１をプーリーに配置した状態を示す斜視図である。図２は、熱処理用治具１をプーリーから取り外した状態を示す斜視図である。図３は、図１の３−３線に沿う概略断面図である。
【００１７】
まず、図１、２を参照して、プーリー１０の構成について説明する。
【００１８】
プーリー１０は、図１〜３に示すように、軸方向（図１、２の上下方向）に延在する軸部１１と、軸方向に交差する平面上に延在する固定シーブ１２と、軸部１１の外周に設けられる可動シーブ（不図示）と、を有する。可動シーブは、固定シーブ１２に対して軸方向にスライド可能に配置される。
【００１９】
軸部１１は、図１の上側から順に、第１軸部１１１と、第２軸部１１２と、第３軸部１１３と、を有する。軸部１１は、第１軸部１１１、第２軸部１１２、第３軸部１１３の順に、外径が大きくなるように構成している。第１軸部１１１の外周には可動シーブが配置される。軸部１１は、軸方向に貫通する貫通孔１１Ｈを有する。
【００２０】
固定シーブ１２は、図１の上側に、Ｖベルトが接触するシーブ面１２Ａを有する。
【００２１】
プーリー１０を構成する材料は鉄である。鉄は例えば、比熱が４３７Ｊ／ｋｇ・Ｋ、密度が８．７ｇ／ｃｍ３、熱伝導率が８４Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２２】
次に、第１実施形態に係る熱処理用治具１の構成について説明する。
【００２３】
熱処理用治具１は、図１〜３に示すように、軸方向に延在する延在部１５と、軸方向に交差する面上に延在する平坦部１６と、軸方向に貫通する貫通孔１７と、を有する。
【００２４】
熱処理用治具１は、図１、３に示すように、第３軸部１１３の表面１１３Ａの一部、およびシーブ面１２Ａの一部を覆うように、プーリー１０に配置される。熱処理用治具１がプーリー１０に配置された状態において、熱処理用治具１の延在部１５の内周面１５Ａは、プーリー１０の第３軸部１１３の表面１１３Ａに接触する。また、熱処理用治具１の平坦部１６の下面１６Ａは、プーリー１０のシーブ面１２Ａに接触する。
【００２５】
貫通孔１７の内径は、第３軸部１１３の外径に対してわずかに大きく構成される。
【００２６】
上述のように、熱処理用治具１をプーリー１０に配置することによって、第３軸部１１３および固定シーブ１２の境界に位置する境界部Ｂを覆う。境界部Ｂは、熱が放出する空間が少ないため熱がこもりやすく、プーリー１０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位に相当する。
【００２７】
このように、熱処理用治具１が、プーリー１０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位である境界部Ｂを覆うように配置されることによって、融点以下の温度に加熱されたプーリー１０を冷却する際に、境界部Ｂにおける放熱量が多くなる。この結果、放熱しやすい他の部位と同等の冷却速度を得ることができ、プーリー１０の熱特性の位置ばらつきを抑制することができる。
【００２８】
熱処理用治具１は、例えば、炭素単体でできた繊維を樹脂バインダーによって結合し、高温で焼成することによって製造されるカーボンコンポジットである。バインダーには、例えば、酸素、水素、ケイ素が含まれる。なお、熱処理用治具１は、炭素を含む構成であれば特に限定されない。
【００２９】
カーボンコンポジットは例えば、比熱が７５３Ｊ／ｋｇ・Ｋ、密度が１．６ｇ／ｃｍ３、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００３０】
次に、第１実施形態に係る熱処理方法について説明する。本実施形態では、プーリー１０を融点以下の温度に加熱した後、徐冷することによって、フェライト、パーライト、またはベイナイトを析出する処理に適用する場合について説明する。
【００３１】
まず、図１に示すように、熱処理用治具１を、プーリー１０の第３軸部１１３の表面１１３Ａおよび固定シーブ１２のシーブ面１２Ａに接触するように配置する。
【００３２】
次に、熱処理用治具１が配置されたプーリー１０を炉内に入れ、所定の温度で所定時間加熱する。加熱温度は、例えば８００℃〜１２５０℃である。加熱時間は、プーリー１０のサイズに依存するが、例えば１０分である。
【００３３】
次に、熱処理用治具１が配置されたプーリー１０を真空雰囲気下で放冷する。このときの真空度は、例えば、０．１ａｔｍ以下である。真空雰囲気下で放冷する場合、対流による放熱の効果がほぼなくなるため、放熱が放射および熱伝達にのみ起因することとなり、冷却速度の制御が容易となる。また、炭素は熱伝導率および放射率が高いため、プーリー１０の熱を効率的に雰囲気に放出することができ、冷却速度を向上させることができる。
【００３４】
以下、図４を参照して、熱処理用治具１をプーリー１０に配置することによって冷却速度が向上する原理について詳述する。
【００３５】
図４は、冷却速度が向上する原理を示す図３のＡ部の拡大図であって、図４（Ａ）は、熱処理用治具１が配置された様子を、図４（Ｂ）は、比較例として熱処理用治具１が配置されていない様子を示す。
【００３６】
固定シーブ１２のシーブ面１２Ａにおける放射率をεｍ、固定シーブ１２および熱処理用治具１の界面における熱伝達率をＨｃ−ｍ、熱処理用治具１の平坦部１６の上面１６Ｂにおける放射率をεｃとする。一般的に、εｍは０．１程度、Ｈｃ−ｍは４程度、εｃは０．９８程度である。
【００３７】
また、融点以下の温度に加熱されたプーリー１０の温度をｔ１、真空雰囲気の温度をｔ２とする。ここで、熱処理用治具１を構成するカーボンコンポジットは、プーリー１０を構成する鉄と比較して、熱容量がほぼ同等である。よって熱処理用治具１の厚みを固定シーブ１２の厚さと比較して薄くすると、熱処理用治具１の温度を、固定シーブ１２の温度ｔ１と同等とみなすことができる。熱処理用治具１の好ましい厚みについては後述する。
【００３８】
シーブ面１２Ａのうち熱処理用治具１が覆う箇所において放熱する放熱量Ｔ１は、下記の式（１）で表される。
【００３９】
【数１】
2017014579.tif 000003
【００４０】
これに対して、比較例として熱処理用治具１がシーブ面１２Ａ上に配置されていない場合（図４（Ｂ）参照）におけるシーブ面１２Ａから放熱する放熱量Ｔ２は、下記の式（２）で表される。
【００４１】
【数２】
2017014579.tif 000004
【００４２】
式（１）および式（２）から、シーブ面１２Ａに熱処理用治具１が配置されていない場合に対する、熱処理用治具１が配置されている場合の放熱量の比Ｔ１／Ｔ２は、下記の式（３）で表される。
【００４３】
【数３】
2017014579.tif 000005
【００４４】
式（３）から分かるように、熱処理用治具１をシーブ面１２Ａに配置することによって、シーブ面１２Ａからの放熱量が増加する。換言すれば、熱処理用治具１をシーブ面１２Ａに配置することによってシーブ面１２Ａからの冷却速度が向上する。また、式（３）から分かるように、固定シーブ１２の温度をｔ１および空間の温度をｔ２の温度差が大きいほど、冷却速度は向上する。
【００４５】
以上では、シーブ面１２Ａの冷却速度が向上する点について説明したが、同様に、第３軸部１１３の表面１１３Ａの冷却速度も向上する。さらに、第３軸部１１３および固定シーブ１２の境界に位置する境界部Ｂにおける冷却速度も向上する。
【００４６】
次に、熱処理用治具１の厚みについて説明する。
【００４７】
まず、図５を参照して、熱処理用治具１の厚みの上限値について説明する。図５は、熱処理用治具１の厚みの上限値を説明するための図である。
【００４８】
図５において、横軸は熱処理用治具１の厚みを示し、縦軸は熱処理用治具１の厚みが０．１ｍｍであるときの放射率を１にしたときの相対放射率を示す。図５に示すように、熱処理用治具１の厚みが大きくなるほど、相対放射率は小さくなる。
【００４９】
熱処理用治具１が配置されていない場合は、相対放射率は一般的に約０．０００２である。このため、熱処理用治具１の厚みは、相対放射率が０．０００２を上回る厚みとなることが好ましい。例えば、熱処理用治具１の厚みは９ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
次に、熱処理用治具１の厚みの下限値について説明する。熱処理用治具１の厚みの下限値は、熱処理用治具１の脆性を考慮して決定される。例えば、熱処理用治具１の厚みは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００５１】
次に、実施例を参照して、熱処理用治具１の効果について説明する。図６は、熱処理用治具１の効果を説明するための図である。
【００５２】
図６において、横軸は冷却時間を示し、縦軸は境界部Ｂにおける温度を示す。また、図６において、実線は、熱処理用治具１を配置したときの温度プロファイルを、点線は、熱処理用治具１を配置しないときの温度プロファイルをそれぞれ示す。
【００５３】
実施例において、熱処理用治具１が配置されたプーリー１０を、１０５０℃の温度で１０分間、真空雰囲気で加熱した。その後、真空雰囲気下で徐冷した。
【００５４】
この結果、図６に示すように、熱処理用治具１を配置した場合は、境界部Ｂにおける温度は、１０分間で、約１０５０℃から約８７０℃に下がった。一方、熱処理用治具１を配置しない場合は、約１０５０℃から約１０００℃に下がった。よって、熱処理用治具１を配置することによって、冷却速度が向上することが分かった。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態に係る熱処理方法は、炭素が含まれる熱処理用治具１を、プーリー１０のうち、第３軸部１１３およびシーブ面１２Ａの境界部Ｂに配置した状態で、プーリー１０を熱処理する。また、熱処理用治具１は、熱処理されるプーリー１０の第３軸部１１３の表面１１３Ａおよび固定シーブ１２のシーブ面１２Ａに対して接触離間可能である。このように熱処理用治具１が、プーリー１０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位である境界部Ｂに接触するように、炭素を含む熱処理用治具１を配置した状態で、熱処理が行われる。炭素は金属と比較して熱伝導率および放射率が高いため、プーリー１０の熱を効率的に雰囲気に放出することができる。したがって、融点以下の温度に加熱されたプーリー１０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い境界部Ｂにおける冷却速度を向上させることができる。また、熱処理用治具１は、プーリー１０に対して接触離間が可能であるため、熱処理後に、熱処理用治具１をプーリー１０から容易に取り外すことができる。したがって、熱処理後の作業が煩雑となることなく、融点以下の温度に加熱されたプーリー１０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い境界部Ｂにおける冷却速度を向上させることができる。この結果、放熱しやすい他の部位と同様の冷却速度を得ることができ、プーリー１０の熱特性の位置ばらつきを抑制することができる。
【００５６】
また、熱処理方法は、真空雰囲気下でプーリー１０を熱処理する。このように真空雰囲気下で熱処理する場合、対流による放熱の効果がほぼなくなるため、放熱は放射および熱伝達にのみ起因することとなり、冷却速度の制御が容易となる。
【００５７】
＜第２実施形態＞
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
【００５８】
第２実施形態では、熱処理用治具２が歯車２０に配置される形態について説明する。歯車２０は、特に限定されないが、例えば、トランスミッションのアウトプットギアである。
【００５９】
図７は、第２実施形態に係る熱処理用治具２を歯車２０に配置した状態を示す概略図である。
【００６０】
歯車２０は、図７に示すように、周方向に亘って形成される複数の凸部２１と、周方向に亘って形成される複数の凹部２２と、を有する。
【００６１】
熱処理用治具２は、複数の凹部２２の表面２２Ａに接触するように配置される。凹部２２は熱がこもりやすく、歯車２０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位に相当する。
【００６２】
このように、熱処理用治具２が、歯車２０のうち他の部位に比べて相対的に放熱効率が低い部位である凹部２２に配置されることによって、融点以下の温度に加熱された歯車２０を冷却する際に、凹部２２における放熱量が多くなる。この結果、放熱しやすい他の部位と同様の冷却速度を得ることができ、歯車２０の熱特性の位置ばらつきを抑制することができる。
【００６３】
＜第３実施形態＞
次に、図８〜図１０を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。
【００６４】
第３実施形態では、浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行う形態について説明する。
【００６５】
図８は、浸炭熱処理と組み合わせて熱処理方法を行うときの様子を示す概略図である。図９は、浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行うときの温度プロファイルを示す図である。図１０は、浸炭熱処理と組み合わせて熱処理方法を行うときの効果を説明するための図である。
【００６６】
浸炭処理は、金属の加工において、表面層の硬化を目的として炭素を添加する処理のことであって、主に耐摩耗性を向上させるために行われる。
【００６７】
第３実施形態に係る熱処理用治具３は、金属部材３０の表面３０Ａに接触するように配置される。熱処理用治具３は、金属部材３０の表面３０Ａのうち、第１実施形態で説明したように、冷却速度を向上させたい部位に配置する。
【００６８】
金属部材３０の表面３０Ａは、熱処理用治具３によって被覆される被覆部３１と、露出する露出部３２と、を有する。
【００６９】
このように熱処理用治具３を金属部材３０に配置した状態で、図９に示す温度プロファイルで、浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行う。熱処理用治具３を配置した状態で、浸炭熱処理を行うことによって、被覆部３１において固体浸炭によって浸炭が行われ、露出部３２においてガス浸炭によって浸炭が行われる。浸炭熱処理の条件としては、例えば、処理温度が９８０℃で、処理時間が１．５時間である。
【００７０】
次に、実施例を参照して、浸炭熱処理と組み合わせて熱処理を行うときの効果について説明する。
【００７１】
図１０において、横軸は金属部材３０の表面３０Ａからの深さを示し、縦軸は炭素濃度を示す。また、図１０において、実線は、被覆部３１における炭素濃度を、点線は露出部３２における炭素濃度をそれぞれ示す。
【００７２】
実施例において、上述のように熱処理用治具３が配置された金属部材３０に対して、９８０℃の温度で、１．５時間、浸炭熱処理を行った。また、熱処理用治具３の厚みは１ｍｍのものを用いた。
【００７３】
この結果、図１０に示すように、熱処理用治具３によって被覆される被覆部３１と、露出する露出部３２とでは、表面３０Ａからの深さに対応する炭素濃度に差異は生じず、表面３０Ａに均一に浸炭を行うことが可能であることが分かった。
【００７４】
以上説明したように、第３実施形態に係る熱処理方法において、金属部材３０の表面３０Ａは、熱処理用治具３によって被覆される被覆部３１と、露出する露出部３２と、を有する。また、浸炭熱処理と組み合わせて行うことで、被覆部３１において固体浸炭によって浸炭が行われ、露出部３２においてガス浸炭によって浸炭が行われる。このため、熱処理用治具３が配置された箇所の冷却速度を向上するとともに、金属部材３０の表面３０Ａに均一に浸炭を行うことができる。
【００７５】
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々改変することができる。
【００７６】
例えば、上述した実施形態では、熱処理用治具１は、炭素および樹脂バインダーによって構成された。しかしながら、熱処理用治具は、鉄などの金属部材を浸炭処理することによって構成される、炭素が含有された金属であってもよい。
【００７７】
また、上述した実施形態では、真空雰囲気下で熱処理が行われたが、大気圧雰囲気下で熱処理が行われてもよい。
【００７８】
また、上述した実施形態では、徐冷することでフェライト、パーライト、ベイナイトに適用する場合を例に挙げて説明したが、急冷することでマルテンサイトを析出する場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１、２、３    熱処理用治具、
１０    プーリー、
１１３    第３軸部、
１１３Ａ    第３軸部の表面、
１２    固定シーブ、
１２Ａ    シーブ面、
２０    歯車、
２２    凹部（放熱効率が低い部位）、
３０    金属部材、
３０Ａ    金属部材の表面、
３１    被覆部、
３２    露出部、
Ｂ    境界部（放熱効率が低い部位）。
【図１】
2017014579.tif 000006
【図２】
2017014579.tif 000007
【図３】
2017014579.tif 000008
【図４】
2017014579.tif 000009
【図５】
2017014579.tif 000010
【図６】
2017014579.tif 000011
【図７】
2017014579.tif 000012
【図８】
2017014579.tif 000013
【図９】
2017014579.tif 000014
【図１０】
2017014579.tif 000015