(57)【要約】【課題】減圧熱処理を行った場合にも熱処理用治具と被処理材とが固着することを防止することができる減圧熱処理用治具及びこれを用いた減圧熱処理方法を提供すること。【解決手段】鉄系の被処理材８を大気圧よりも減圧した減圧雰囲気中において熱処理する際に被処理材８を支持するために用いる減圧熱処理用治具１であって、治具１は、鉄系材料よりなると共に、少なくとも被処理材８と接触する表面に、熱処理中において残存する材料よりなる皮膜２が形成されている。皮膜２は、減圧雰囲気での熱処理温度よりも蒸発温度が高い金属酸化物を含有してなることが好ましい。皮膜２は、アルミナを含有することが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系の被処理材を大気圧よりも減圧した減圧雰囲気中において熱処理する際に上記被処理材を支持するために用いる減圧熱処理用治具であって、
該治具は、鉄系材料よりなると共に、少なくとも上記被処理材と接触する表面に、上記熱処理中において残存する材料よりなる皮膜が形成されていることを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項２】
請求項１において、上記皮膜は、上記減圧雰囲気での上記熱処理温度よりも蒸発温度が高い金属酸化物を含有してなることを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項３】
請求項２において、上記皮膜は、アルミナを含有することを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項４】
請求項２又は３において、上記皮膜は、上記金属酸化物を構成する金属の溶融浴内に上記治具を浸漬して該治具の表面に金属を配置し、その後、空気中に放置又は加熱処理を行って上記金属酸化物を生成させることにより形成することを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項５】
請求項２又は３において、上記皮膜は、上記金属酸化物の粒子を含有する塗料又はスラリーを上記治具の表面に塗布することにより形成することを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、上記皮膜は、上記治具の略全面に配設されていることを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記熱処理は、減圧浸炭処理であることを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、上記熱処理の減圧状態は、０．００１〜０．１ｂａｒの範囲であることを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、上記被処理材は、略円筒形状のリング部を有し、該リング部の外周面又は内周面にスプライン歯を形成してなるリングギアであることを特徴とする減圧熱処理用治具。
【請求項１０】
鉄系の被処理材を大気圧よりも減圧した減圧雰囲気中において熱処理を行うに当たり、上記被処理材を請求項１〜９のいずれか１項に記載の減圧熱処理用治具によって支持して行うことを特徴とする減圧熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧雰囲気下において熱処理を行う際に被処理材を支持するための熱処理用治具及びこれを用いた減圧熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼あるいは特殊鋼等の鋼に代表される鉄系材料よりなる各種部材は、例えば減圧浸炭処理などの減圧下での熱処理を施される場合がある。この場合に、鉄系材料よりなる被処理材は、熱処理炉内に配置される場合に、直置きされるのではなく、熱処理用治具によって支持された状態で配置されるのが通常である。
上記熱処理用治具としては、耐熱性に優れ、耐久性があるＮｉ鋼等の鋼に代表される鉄系材料が使用される。
なお、減圧熱処理としては、例えば以下の特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３２５７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、鉄系材料よりなる熱処理用治具上に鉄系材料よりなる被処理材を支持して熱処理する場合でも、通常の大気圧程度の雰囲気下において熱処理を行う場合には、被処理材と熱処理用治具との間において大きな問題が生じることがない。
しかしながら、大気圧よりも減圧した雰囲気下で熱処理を行った場合に、熱処理用治具とこれに支持された被処理材とが固着するという問題が生じることがあった。
【０００５】
固着の程度がわずかであっても、例えば非常に寸法精度の要求が厳しい被処理材の場合には、寸法精度が悪化して不良品になってしまう場合も生じうる。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、減圧熱処理を行った場合にも熱処理用治具と被処理材とが固着することを防止することができる減圧熱処理用治具及びこれを用いた減圧熱処理方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、鉄系の被処理材を大気圧よりも減圧した減圧雰囲気中において熱処理する際に上記被処理材を支持するために用いる減圧熱処理用治具であって、
該治具は、鉄系材料よりなると共に、少なくとも上記被処理材と接触する表面に、上記熱処理中において残存する材料よりなる皮膜が形成されていることを特徴とする減圧熱処理用治具にある（請求項１）。
【０００７】
本発明の減圧熱処理用治具（以下、適宜「治具」という）は、上記のごとく、鉄系材料よりなるが、その表面のうち、少なくとも上記被処理材と接触する表面に上記皮膜を形成している。この皮膜は、上記熱処理中、すなわち、上記減圧雰囲気で熱処理温度まで昇温して保持している間、燃焼や蒸発等することなく残存する材料よりなる皮膜である。
【０００８】
鉄系材料よりなる治具表面及び被処理材には、通常、酸化鉄の皮膜が形成されている。発明者らの調査の結果、酸化鉄の皮膜は、減圧下の高温雰囲気下において蒸発しやすいことが判明した。そして、酸化鉄が蒸発した表面には鉄系材料の新生面が現れるので、治具と被処理材とは新生面同士が接触した状態で高温下に晒されることとなる。その結果、治具と被処理材とが固着する場合が生じていると推定された。
【０００９】
本発明の治具は、上記のような材料よりなる皮膜が形成されており、この皮膜は、上記熱処理中において蒸発等することなく残存する。そのため、上記治具の表面のうち上記皮膜を形成した面は、鉄系材料の新生面が現れることなく、皮膜に覆われたままとなる。それ故、被処理材と治具とが、熱処理中に新生面同士で接触することを防止することができ、両者が固着することを確実に防止することができる。
【００１０】
そして、この治具を用いれば、例えば非常に寸法精度の要求が厳しい被処理材を処理する場合においても固着による変形等を防止することができ、品質向上にも寄与することができる。
以上のように、本発明によれば、減圧熱処理を行った場合にも熱処理用治具と被処理材とが固着することを防止することができる減圧熱処理用治具を提供することができる。
【００１１】
第２の発明は、鉄系の被処理材を大気圧よりも減圧した減圧雰囲気中において熱処理を行うに当たり、上記被処理材を第１の発明の減圧熱処理用治具によって支持して行うことを特徴とする減圧熱処理方法にある（請求項１０）。
本発明の減圧熱処理方法は、上述した非常に優れた治具に被処理材を支持して実施する。そのため、上述したごとく、減圧下において熱処理しても、被処理材と治具とが固着することを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の減圧熱処理用治具は、上記のごとく鉄系材料を用いて構成する。鉄系材料としては、熱処理温度が非常に高温である場合には、Ｎｉ鋼その他の各種の公知の耐熱鋼を用いることができる。また、その形状は、被処理材を支持するのに適した様々な形状を採用することができる。
【００１３】
また、上記皮膜としては、上記減圧雰囲気で熱処理温度に昇温した場合に蒸発等することなく安定的に残存する材料であれば、様々な材料を用いることができる。
その中でも特に、上記皮膜は、上記減圧雰囲気での上記熱処理温度よりも蒸発温度が高い金属酸化物を含有してなることが好ましい（請求項２）。蒸発温度が高い金属酸化物であることにより、熱処理中においても安定に存在し、上記の固着防止効果を確実に得ることができる。
【００１４】
また、上記皮膜は、アルミナを含有することが好ましい（請求項３）。アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）は、後述する図３からも知られるように、同図に示された全圧力範囲においても、酸化鉄（ＦｅＯ）よりも蒸発温度が高く、通常行われる熱処理温度（９５０℃以上）においては、安定的に存在する。また、比較的安価で、取り扱いも比較的容易であるため、上記皮膜の材質として非常に有効である。
【００１５】
また、上記皮膜は、上記金属酸化物を構成する金属の溶融浴内に上記治具を浸漬して該治具の表面に金属を配置し、その後、空気中に放置又は加熱処理を行って上記金属酸化物を生成させることにより形成することができる（請求項４）。この場合には、溶融金属と治具との接触により、治具表面に金属を密着させて配置させることができ、密着性の高い上記皮膜を形成することができる。また、溶融金属が治具の鉄系材料表面に浸透し合金化する効果も得られ、皮膜の耐久性を向上させることができる。また、金属が空気中で酸化しやすい材料、例えば、アルミニウム等の場合には、空気中に放置するだけで安定な金属酸化物を生成させることができる。
【００１６】
また、上記皮膜は、上記金属酸化物の粒子を含有する塗料又はスラリーを上記治具の表面に塗布することにより形成することもできる（請求項５）。この場合には、非常に簡単に上記皮膜を形成することができる。塗布する塗料又はスラリーは、少なくとも上記金属酸化物の粒子を含有するものでれば様々な形態をとることができる。そして、塗布方法も、公知の様々な方法を利用できる。塗布後には、必要に応じて加熱して焼き付けることも有用である。
いずれにしても、上記皮膜の形成方法としては、上記の例に限らず、様々な方法を採用できる。
【００１７】
また、上記皮膜は、機能的には、上記のごとく、少なくとも上記被処理材と接触する表面に形成してあればよい。しかしながら、例えば、上記皮膜を部分的に形成するよりも、治具全体に皮膜を形成した方が容易な場合がある。したがって、上記皮膜は、上記治具の略全面に配設されていてもよい（請求項６）。
【００１８】
また、上記熱処理は、減圧浸炭処理であることが好ましい（請求項７）。減圧浸炭処理は、鋼材料の表面改質方法として、非常に有効な浸炭処理を減圧下において行うものである。減圧浸炭処理を行う場合には、特に鉄系材料よりなる治具と被処理材とが固着しやすいという問題があった。そのため、この減圧浸炭処理において上記治具を使用して固着を防止することは非常に有効である。
【００１９】
また、上記熱処理の減圧状態は、０．００１〜０．１ｂａｒの範囲とすることができる（請求項８）。減圧熱処理としては、この減圧範囲において行われることが多いので、この雰囲気条件において実施される熱処理に上記治具を用いることは非常に有効である。
【００２０】
また、上記被処理材が、略円筒形状のリング部を有し、該リング部の外周面又は内周面にスプライン歯を形成してなるリングギアである場合には、特に有効である（請求項９）。上記リングギアは、寸法精度の要求が非常に厳しい部品であり、固着が生じることに起因するわずかな変形や寸法精度の悪化が大きな問題となる。したがって、上記リングギアに対する減圧熱処理に適用することは非常に有効である。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
本発明の実施例に係る減圧熱処理用治具及び減圧熱処理方法につき、図を用いて説明する。
本例では、炭素鋼よりなる被処理材８としてのリングギアを大気圧よりも減圧した減圧雰囲気中において熱処理する方法を例にあげ、この処理に用いる減圧熱処理用治具１（以下、適宜「治具１」という）についても説明する。
【００２２】
本例の被処理材８は、図２に示すごとく、円筒形状のリング部８０を有し、該リング部８０の内周面にスプライン歯８１を形成してなるリングギアである。このリングギアは、自動車用の自動変速機（Ａ／Ｔ）に組み込まれる部品であり、真円度等の寸法精度に対する要求が非常に高い。
【００２３】
この被処理材８を支持する治具１は、図１に示すごとく、上記被処理材８の軸心を垂直方向にして支持するタイプの治具である。同図に示すごとく、治具１は、多数の空隙１０を骨格部１１によって囲うように設けた骨格構造を有しており、熱処理の雰囲気ガスが流通可能となっている。また、治具１は、複数の位置決め突起部１２を有しており、各被処理材８の支持位置を容易に定めることができるように構成されている。
そして、治具１は、各骨格部１１の上面に被処理材８のリング部８０の端面が当接した状態で、被処理材８を支持するように構成されている。
【００２４】
また、治具１は、鉄系材料、具体的には、材質として耐熱鋳鋼ＳＣＨ１３を採用した。そして、治具１の骨格部１１の上面に、後述する本例の減圧熱処理の処理中に残存する皮膜２が形成されている。
本例の皮膜２は、アルミナを最も多い成分として含有する膜であり、アルミニウム拡散浸透皮膜処理方法により形成した。
【００２５】
また、本例で行う減圧熱処理は、減圧浸炭処理である。
具体的には、雰囲気ガスとしては浸炭用のアセチレンを用い、その圧力は０．００１ｂａｒに減圧し、浸炭温度は９５０℃とし、所定時間保持後に徐冷する処理である。
そして、この減圧浸炭処理は、上述した図１に示すごとく、皮膜２を表面に有する上記治具１によって被処理材８を支持した状態で実施する。
【００２６】
上記減圧浸炭処理を行った後、被処理材８を治具１から取り外す際に、両者の間に固着が生じているか否かを調査した結果、固着した箇所は全くなかった。
皮膜２を有していない従来の治具により上記と同じ減圧浸炭処理を行った場合に固着が生じていたことを考慮すれば、本例の治具１を用いることが非常に有効であることが分かる。
【００２７】
このような優れた作用効果が得られる理由は、次のように推定される。
図３には、高温・減圧下における金属酸化物の蒸気圧曲線が示されている。同図には、本例の熱処理条件、つまり、減圧度と温度の条件点（符号Ａ）をプロットしてある。
同図からは、少なくとも、上記条件点においては、酸化鉄（ＦｅＯ）は蒸発して安定的には存在できず、一方、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）は酸化物のまま安定して存在できることが分かる。この現象は、本例の浸炭用のアセチレン雰囲気においても同様に生じると考えられる。
したがって、従来なら治具１の表面及び被処理材８の表面が減圧熱処理中に酸化鉄の無い新生面となっていたとところ、本例では、治具１の表面にはアルミナを含む皮膜２が安定して存在し続ける。これらの違いが、固着の発生と固着の防止の差を生み出していると考えられる。
【００２８】
（実施例２）
本例では、実施例１における治具１に代えて、図４に示すごとく、減圧熱処理用治具３（以下、適宜「治具３」という）を用いた例である。被処理材８及び減圧浸炭処理は実施例１と同様である。
本例の治具３は、同図に示すごとく、被処理材８の軸心を水平方向にして、治具３の一部である吊り枠３５に吊した状態で支持するよう構成された治具である。同図に示すごとく、治具３の底板部３１は、多数の空隙３２０を設けた骨格構造を有しており、雰囲気ガスが流通可能となっている。底板部３１には、複数の支柱部３２が立てられ、さらに支柱部３２によって、横枠３４および吊り枠３５を支持するように構成されている。
【００２９】
そして、本例で注目すべき点は、上記吊り枠３５の表面に、実施例１と同様の皮膜２を形成したことである。
そして、本例の治具３を用いて減圧浸炭処理を行っても、吊り枠３５と被処理材８との接触部における固着の発生が全くなかった。
【００３０】
（実施例３）
本例では、実施例１に記載の治具１を用いて上記減圧浸炭処理を行った場合の効果を明確にすべく、被処理材８の処理後の寸法精度を測定して評価する試験を行った。
具体的には、上記治具１とは別に、皮膜２を形成していない同形状の従来の治具を準備し、それぞれ実施例１と同じ減圧浸炭処理を２チャージずつ行い、合計それぞれ３３６個の被処理材８の熱処理を行った。
【００３１】
寸法精度の評価は、いわゆる「ＢＢＤだ円」の測定により行った。具体的には、図２に示すごとく、スプライン歯８１の谷部分に接触するように所定の直径の鋼球８８を配置し、対向する硬球８８同士の内径寸法を測定して得られた寸法である「ＢＢＤ」を求める。この測定を軸方向３箇所（同図（ｂ）のａ位置、ｂ位置及びｃ位置）において、全周に対して行い、その測定値の平均値（Ａｖｅ）、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）を求める。
次に、軸方向の各測定位置における上記「ＢＢＤ」の最大値と最小値の差を「ＢＢＤだ円（μｍ）」として求めた。
【００３２】
本例では、上記軸方向位置のｂ位置（軸方向中央部）を代表として例に取り、図５及び図６に示した。図５は、実施例１に示した本発明の治具１を用いて減圧浸炭処理を行った本発明の実施例の結果を示すものである。図６は、皮膜を有していない従来の治具を用いて減圧浸炭処理を行った従来例の結果を示すものである。図５及び図６の横軸はＢＢＤだ円（μｍ）の値を、縦軸に個数を取ったものである。
【００３３】
図５から知られるように、本発明の皮膜２を有する治具１を用いた場合には、ＢＢＤだ円が突発的に寸法精度の悪いものは１個も発生しておらず、また、平均値（Ｘ1）及び平均値＋３σ（Ｘ1＋３σ1）、（σ：標準偏差）の値も後述する従来例より大幅に小さくなっていることが分かる。また、本発明の例では、治具１から被処理材８を取り外す際に全く抵抗がなく、固着が全くなかった。
【００３４】
一方、図６から知られるように、皮膜を有していない従来の治具を用いた場合には、ＢＢＤだ円が非常に大きな値にまで悪化したものが頻発した。これらの突発的にＢＢＤだ円が悪化したものは、いずれも、治具から被処理材８を取り外す際に、抵抗があり、ある程度の固着が生じていた。なお、固着の有無は、被処理材８を治具から取り外す際の応力を測定することによって確認できる。
また、従来例では、平均値（Ｘ2）、及び平均値＋３σ（Ｘ2＋３σ2）、（これらは突発的に大きな値のものを除いて算出した）の値は、本発明のものより大きくなっていた。本発明の場合と従来例の場合を平均値及び及び平均値＋３σの差で比較すると、それぞれ、Ｘ2−Ｘ1＝１２μｍ、（Ｘ2＋３σ2）−（Ｘ1＋３σ1）＝４３μｍであり、これらの値分だけ本発明の方がＢＢＤだ円が優れていることがわかる。
【００３５】
以上のように、本例によれば、実施例１の皮膜２を有する治具１を用いて減圧浸炭処理を行うことが、リングギア（被処理材８）の品質向上に非常に有効であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例１における、減圧熱処理用治具の構造を示す説明図。
【図２】実施例１における、被処理材（リングギア）の構造を示す、（ａ）平面図、（ｂ）断面図。
【図３】実施例１における、高温・減圧下における金属酸化物の蒸気圧曲線を示す説明図。
【図４】実施例２における、減圧熱処理用治具の構造を示す説明図。
【図５】実施例３における、本発明の減圧熱処理用治具を用いた場合のＢＢＤだ円測定結果を示す説明図。
【図６】実施例３における、従来の減圧熱処理用治具を用いた場合のＢＢＤだ円測定結果を示す説明図。
【符号の説明】
【００３７】
１、３  減圧熱処理用治具
２  皮膜
８  被処理材（リングギア）
【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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