JP2008121064A - Method for producing low strain quenched material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低ひずみ焼入れ材の製造方法に関し、さらに詳しくは、焼入れ時のひずみが小さく、設備維持が比較的容易な低ひずみ焼入れ材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a low strain quenching material, and more particularly to a method for manufacturing a low strain quenching material that has a small strain during quenching and is relatively easy to maintain.
浸炭とは、鋼を浸炭性雰囲気中で加熱し、表面の炭素濃度を高める処理をいう。浸炭は、一般に低炭素鋼に適用され、浸炭後に焼入れされて使用される。このような浸炭−焼入れ処理された材料は、浸炭鋼あるいは肌焼鋼と呼ばれており、表面が硬く、内部は柔らかいので、軸、軸受け、歯車、ピストンピン、カムなどの機械部品に賞用されている。
浸炭層の厚さは極めて薄いので、浸炭鋼は、通常、焼入れ後に仕上げ加工することなくそのままの状態で使用される。すなわち、焼入後の材料には、一般に、高い寸法精度が要求される。しかしながら、焼入れ時には材料の内部と表面との間に大きな温度差が発生するので、焼入れ後の材料には熱処理ひずみが発生しやすい。
Carburizing refers to a process in which steel is heated in a carburizing atmosphere to increase the carbon concentration on the surface. Carburization is generally applied to low carbon steel and is used after being carburized. Such carburized-quenched material is called carburized steel or case-hardened steel, its surface is hard and the inside is soft, so it is award for machine parts such as shafts, bearings, gears, piston pins, cams, etc. Has been.
Since the thickness of the carburized layer is extremely thin, the carburized steel is usually used as it is without being finished after quenching. That is, the material after quenching generally requires high dimensional accuracy. However, since a large temperature difference is generated between the inside and the surface of the material during quenching, heat-treated strain is likely to occur in the material after quenching.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、浸炭処理された被処理部材をオーステナイト温度から当該被処理部材の内部非浸炭部のマルテンサイト変態開始温度直上に保持した第１の熱浴（硝酸カリ−硝酸石灰浴）に浸漬した後、さらに記被処理部材の浸炭部表面のマルテンサイト変態開始温度直上に保持した第２の熱浴（硝酸カリ−硝酸石灰浴）に浸漬し、その後冷却する浸炭焼入法が開示されている。
同文献には、２段階の保持を行うことにより、処理部材の内部非浸炭部及び表面浸炭部の変態時における部材各部位の温度差がなくなり、被処理部材表面の浸炭部が同時にマルテンサイト変態するばかりでなく、内部非浸炭部についても均一にベイナイトないしマルテンサイト変態するため、熱処理ひずみの発生が最小限に抑えられる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses a first heat bath (potassium nitrate-lime nitrate bath) in which a carburized member to be treated is held immediately above the martensite transformation start temperature of the internal non-carburized portion of the member to be treated from the austenite temperature. The carburizing and quenching method further includes dipping in a second heat bath (potassium nitrate-lime nitrate bath) held immediately above the martensite transformation start temperature of the carburized portion surface of the workpiece to be processed, and then cooling. It is disclosed.
In the same document, by performing two-stage holding, there is no temperature difference in each part of the member at the time of transformation of the internal non-carburized part and the surface carburized part of the treated member, and the carburized part on the surface of the treated member is simultaneously martensitic transformed In addition, since the internal non-carburized part is uniformly transformed into bainite or martensite, the generation of heat treatment strain is minimized.
また、特許文献２には、鋼製品を含浸処理し、マルテンサイト変態開始点直上まで２００℃／秒以上の速度で急冷し、該温度で所定時間恒温保持した後、焼入れしてマルテンサイト化する浸炭焼入れ方法が開示されている。
同文献には、急冷によって製品内部でのマルテンサイト変態が先行する時間的余裕が少なく、従って製品表面と内部でのマルテンサイト変態開始タイミングを実質的にそろえることができ、製品のマルテンサイト開始点のバラツキに伴う残留応力のバラツキを少なくすることができ、もって製品精度の悪化を少なくすることができる点が記載されている。
In this document, there is little time margin for martensite transformation inside the product due to rapid cooling, so the martensite transformation start timing on the product surface and inside can be substantially aligned, and the martensite start point of the product It is described that the variation of the residual stress accompanying the variation of the product can be reduced, and the deterioration of the product accuracy can be reduced.
さらに、特許文献３には、浸炭処理したワークを等温保持可能なガス冷却炉に投入し、前記ワークの表面をマルテンサイト変態点直上温度での等温保持を介して常温以下の温度へガス焼入れを行う浸炭焼入れ方法であって、前記ガス冷却炉の冷却ガスのガス圧、風量、制御目標温度の変更等制御要素の変更を行うことにより前記等温保持の温度までの冷却速度を変化させ、前記ワークの内部と表面のマルテンサイト変態点到達時刻を管理して等温保持の制御目標温度を調節する浸炭ガス焼入れ方法が開示されている。
同文献には、任意の中間温度で等温保持可能のガス冷却炉を用いて、浸炭処理されたワークの等温保持までの冷却を行い、制御目標温度、ガス圧、風量等の制御要素の変更により冷却速度を変更し、塩浴を用いずに任意の冷却パターンを設定することができ、ひずみの少ない高品質の熱処理を簡単に行うことができる点が記載されている。
Further, in Patent Document 3, the carburized workpiece is put into a gas cooling furnace capable of holding isothermally, and the surface of the workpiece is subjected to gas quenching to a temperature below normal temperature through isothermal holding at a temperature immediately above the martensite transformation point. Carburizing and quenching method to be performed, changing the cooling rate to the isothermal holding temperature by changing the control elements such as the gas pressure of the cooling gas of the gas cooling furnace, the air volume, the change of the control target temperature, the workpiece A carburizing gas quenching method is disclosed in which the control target temperature of isothermal holding is adjusted by managing the arrival time of the martensitic transformation point inside and on the surface of the steel.
This document uses a gas-cooled furnace that can be held isothermally at any intermediate temperature, cools the carburized workpiece until it is held isothermally, and changes control elements such as the control target temperature, gas pressure, and air volume. It describes that the cooling rate can be changed, an arbitrary cooling pattern can be set without using a salt bath, and high-quality heat treatment with less distortion can be easily performed.
マルクエンチ法とは、鋼のＭｓ点直上又は直下の温度に保持した塩浴又は鉛浴中に鋼をいったん焼入れ、鋼の断面が一様な温度になるまで保持した後、引き上げて徐冷する方法をいう。マルクエンチ法は、鋼の内外部でマルテンサイト変態が同時に起こるので、焼入れ時のひずみの発生や焼割れの防止に有効な方法である。そのため、マルクエンチ法は、浸炭鋼などの寸法精度が要求される鋼材の焼入れ方法として用いられている。
しかしながら、塩浴・鉛浴を用いた従来のマルクエンチ法は、設備維持コストが高く、かつ使用済みの冷媒（塩、鉛）の廃棄コストがかかるという問題がある。
一方、特許文献３に開示されているように、ガス冷却炉を用いて焼入れ及び恒温保持を行う方法は、塩浴・鉛浴を使用する必要がないので、設備維持コストが少なく、かつ冷媒の廃棄コストが不要であるという利点がある。しかしながら、特許文献３には、不完全焼入れを生じさせることなく、寸法精度の高い浸炭鋼を得るのに適した焼入れ条件については、全く開示されていない。
The marquenching method is a method in which the steel is once quenched in a salt bath or a lead bath maintained at a temperature immediately above or directly below the Ms point of the steel, and held until the cross section of the steel reaches a uniform temperature, and then slowly pulled and cooled. Say. The marquenching method is an effective method for preventing the generation of strain and quenching cracking during quenching because martensitic transformation occurs simultaneously inside and outside the steel. Therefore, the marquenching method is used as a quenching method for steel materials that require dimensional accuracy such as carburized steel.
However, the conventional marquenching method using a salt bath / lead bath has a problem that the equipment maintenance cost is high and the disposal cost of the used refrigerant (salt, lead) is high.
On the other hand, as disclosed in Patent Document 3, the method of performing quenching and holding at a constant temperature using a gas cooling furnace does not require the use of a salt bath or a lead bath, so that the equipment maintenance cost is low, and the refrigerant There is an advantage that no disposal cost is required. However, Patent Literature 3 does not disclose quenching conditions suitable for obtaining carburized steel with high dimensional accuracy without causing incomplete quenching.
本発明が解決しようとする課題は、設備維持コストが少なく、冷媒の廃棄コストが不要であり、さらに、不完全焼入れを生じさせることなく、寸法精度の高い焼入れ材を製造することが可能な低ひずみ焼入れ材の製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is that the equipment maintenance cost is low, the disposal cost of the refrigerant is unnecessary, and further, it is possible to produce a quenching material with high dimensional accuracy without causing incomplete quenching. It is in providing the manufacturing method of a strain hardening material.
上記課題を解決するために、本発明に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法の１番目は、以下の工程を備えていることを要旨とする。
（イ） 鋼材を８００〜１２００℃に加熱する加熱工程。
（ロ） 加熱された前記鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、前記等温保持温度で３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持する１次冷却工程。
（ハ） 前記等温保持が終了した後、前記鋼材を室温まで冷却する２次冷却工程。
この場合、前記加熱工程の前に、８００〜１２００℃の浸炭温度で前記鋼材の表面を浸炭処理し、冷却する浸炭工程をさらに備えていてもよい。
In order to solve the above-mentioned problems, the first aspect of the method for producing a low strain quenching material according to the present invention is to include the following steps.
(A) A heating step of heating the steel material to 800 to 1200 ° C.
(B) The heated steel material is rapidly cooled to an isothermal holding temperature of 100 to 500 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 50 ° C./sec using pressurized gas cooling, and 30 sec to 120 min at the isothermal holding temperature. Primary cooling process for isothermal holding.
(C) A secondary cooling step of cooling the steel material to room temperature after the isothermal holding is completed.
In this case, a carburizing step of carburizing and cooling the surface of the steel material at a carburizing temperature of 800 to 1200 ° C. may be further provided before the heating step.
また、本発明に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法の２番目は、以下の工程を備えていることを要旨とする。
（イ） ８００〜１２００℃の浸炭温度で鋼材の表面を浸炭処理する浸炭工程。
（ロ） 前記浸炭工程終了後、直ちに前記浸炭温度に加熱された前記鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、前記等温保持温度で３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持する１次冷却工程。
（ハ） 前記等温保持が終了した後、前記鋼材を室温まで冷却する２次冷却工程。
The second aspect of the method for producing a low strain quenching material according to the present invention includes the following steps.
(A) A carburizing step of carburizing the surface of a steel material at a carburizing temperature of 800 to 1200 ° C.
(B) Immediately after the carburizing step, the steel material heated to the carburizing temperature is heated to an isothermal holding temperature of 100 to 500 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 50 ° C./sec using pressurized gas cooling. A primary cooling step of quenching and isothermally holding at the isothermal holding temperature for 30 sec to 120 min.
(C) A secondary cooling step of cooling the steel material to room temperature after the isothermal holding is completed.
マルクエンチ法を用いて浸炭鋼などの焼入れ材の焼入れを行う場合において、加圧ガス冷却を用いると、設備維持コストが少なく、冷媒の廃棄コストも不要となる。また、加圧ガス冷却を用いて鋼材を急冷する場合において、１次冷却時の冷却速度をある特定の範囲とすると、鋼材の形状や大きさによらず、不完全焼入れを生じさせることなく、変態に伴う熱処理ひずみを最小限に抑えることができる。 When quenching a quenching material such as carburized steel using the marquenching method, if pressurized gas cooling is used, the equipment maintenance cost is low and the disposal cost of the refrigerant becomes unnecessary. Moreover, in the case of rapidly cooling a steel material using pressurized gas cooling, if the cooling rate at the time of primary cooling is a certain range, regardless of the shape and size of the steel material, without causing incomplete quenching, Heat treatment strain accompanying transformation can be minimized.
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明の第１の実施の形態に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法は、浸炭工程と、加熱工程と、１次冷却工程と、２次冷却工程とを備えている。
浸炭工程は、８００〜１２００℃の浸炭温度で鋼材の表面を浸炭処理し、冷却する工程である。
本実施の形態が適用される鋼材は、浸炭−焼入れして使用されるあらゆる鋼材が対象となる。このような鋼材としては、具体的には、
（１） ニッケルクロム鋼（例えば、ＳＮＣ４１５、ＳＮＣ８１５（ＪＩＳ Ｇ ４１０２））、
（２） ニッケルクロムモリブデン鋼（例えば、ＳＮＣＭ２２０、ＳＮＣＭ４１５、ＳＮＣＭ４２０、ＳＮＣＭ６１６、ＳＮＣＭ６２５、ＳＮＣＭ８１５（ＪＩＳ Ｇ ４１０３））、
（３） クロム鋼（例えば、ＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４２０（ＪＩＳ Ｇ ４１０４））、
（４） クロムモリブデン鋼（例えば、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４１８、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４２１、ＳＣＭ８２２（ＪＩＳ Ｇ ４１０５））、
（５） 機械構造用マンガン鋼（例えば、ＳＭｎ４２０（ＪＩＳ Ｇ ４１０６））、
などがある。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The manufacturing method of the low distortion hardening material which concerns on the 1st Embodiment of this invention is equipped with the carburizing process, the heating process, the primary cooling process, and the secondary cooling process.
The carburizing step is a step of carburizing and cooling the surface of the steel material at a carburizing temperature of 800 to 1200 ° C.
The steel materials to which this embodiment is applied are all steel materials used by carburizing and quenching. Specifically, as such a steel material,
(1) Nickel chrome steel (for example, SNC415, SNC815 (JIS G 4102)),
(2) Nickel chromium molybdenum steel (for example, SNCM220, SNCM415, SNCM420, SNCM616, SNCM625, SNCM815 (JIS G 4103)),
(3) Chrome steel (for example, SCr415, SCr420 (JIS G 4104)),
(4) Chrome molybdenum steel (for example, SCM415, SCM418, SCM420, SCM421, SCM822 (JIS G 4105)),
(5) Manganese steel for mechanical structure (for example, SMn420 (JIS G 4106)),
and so on.
浸炭温度は、目的に応じて最適な温度を選択する。一般に、浸炭温度が高くなるほど、炭素の拡散速度が増大するので、短時間で表面の炭素濃度を高めることができる。浸炭温度は、具体的には、８００℃以上が好ましい。
一方、浸炭温度が高くなりすぎると、クリープ変形が生じ、ひずみが大きくなる。従って、浸炭温度は、１２００℃以下が好ましい。
浸炭処理が終了した後、鋼材は、ひずみの発生量を最小限に抑えるために、炉冷又は空冷される。
The optimum carburizing temperature is selected according to the purpose. In general, the higher the carburizing temperature, the higher the carbon diffusion rate, so that the surface carbon concentration can be increased in a short time. Specifically, the carburizing temperature is preferably 800 ° C. or higher.
On the other hand, when the carburizing temperature becomes too high, creep deformation occurs and strain increases. Therefore, the carburizing temperature is preferably 1200 ° C. or lower.
After the carburizing process is completed, the steel is cooled in the furnace or air to minimize the amount of strain generated.
浸炭方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。特に、ガス浸炭及び真空浸炭は、取り扱いが容易で、処理時間も短いので、浸炭方法として好適である。特定の浸炭方法を採用した場合において、浸炭条件を最適化すると、表面の炭素濃度を目的とする範囲に収めることができる。
例えば、ガス浸炭は、浸炭性ガス雰囲気中で鋼材を加熱することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルにより制御することができる。カーボンポテンシャルとは、雰囲気と平衡する純鉄の表面平衡炭素濃度であり、雰囲気中のＣＯ／ＣＯ2比やＨ2Ｏ量に依存する。一般に、カーボンポテンシャルが高くなるほど、及び／又は、浸炭温度が高くなるほど、短時間で表面の炭素濃度を高めることができる。
また、例えば、真空浸炭は、鋼材を挿入した炉内を１．３Ｐａ程度に減圧した後、浸炭温度に加熱し、メタン、プロパンなどの炭化水素ガスを炉内に導入することにより浸炭を行う。この場合、浸炭量は、炭化水素ガスの導入時間により制御することができる。なお、真空浸炭を行うと、表面近傍の炭素濃度が高くなりすぎる場合があるので、このような場合には、浸炭後に炭化水素ガスの供給を止め、その状態で保持する拡散処理を行うのが一般的である。
The carburizing method is not particularly limited, and various methods can be used. In particular, gas carburizing and vacuum carburizing are suitable as carburizing methods because they are easy to handle and the processing time is short. When a specific carburizing method is adopted, the carbon concentration on the surface can be kept within the target range by optimizing the carburizing conditions.
For example, gas carburizing is performed by heating a steel material in a carburizing gas atmosphere. In this case, the carburizing amount can be controlled by the carbon potential of the carburizing atmosphere. The carbon potential is the surface equilibrium carbon concentration of pure iron that is in equilibrium with the atmosphere, and depends on the CO / CO 2 ratio and the amount of H 2 O in the atmosphere. In general, the higher the carbon potential and / or the higher the carburizing temperature, the higher the surface carbon concentration can be achieved in a short time.
For example, vacuum carburization is performed by depressurizing the inside of the furnace into which the steel material is inserted to about 1.3 Pa, then heating to a carburizing temperature, and introducing hydrocarbon gas such as methane or propane into the furnace. In this case, the carburization amount can be controlled by the introduction time of the hydrocarbon gas. In addition, since the carbon concentration near the surface may become too high when vacuum carburizing is performed, in such a case, the supply of hydrocarbon gas is stopped after carburizing, and diffusion treatment is performed to hold in that state. It is common.
加熱工程は、浸炭処理され、かつ、一旦室温まで冷却された鋼材を８００〜１２００℃に加熱する工程である。
加熱温度は、浸炭温度と同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。加熱温度が低すぎると、加熱時に鋼材がオーステナイト単相とならないので、焼入れ後の組織は、マルテンサイト＋フェライトの２相組織となる。フェライトは、浸炭鋼の強度を低下させる原因となる。焼入れ後にマルテンサイト単相の組織を得るためには、加熱温度は、８００℃以上が好ましい。
一方、加熱温度が高くなりすぎると、加熱時にクリープ変形が生じ、ひずみが大きくなる。従って、加熱温度は、１２００℃以下が好ましい。
加熱温度における保持時間は、均熱が得られる時間であればよい。保持時間は、加熱温度にもよるが、通常、１５〜６０分程度である。
The heating step is a step of heating the steel material that has been carburized and once cooled to room temperature to 800 to 1200 ° C.
The heating temperature may be the same as the carburizing temperature or may be different. If the heating temperature is too low, the steel material does not become an austenite single phase at the time of heating, so the structure after quenching becomes a two-phase structure of martensite + ferrite. Ferrite causes a reduction in the strength of the carburized steel. In order to obtain a martensite single phase structure after quenching, the heating temperature is preferably 800 ° C. or higher.
On the other hand, if the heating temperature is too high, creep deformation occurs during heating, and the strain increases. Therefore, the heating temperature is preferably 1200 ° C. or lower.
The holding time at the heating temperature may be a time at which soaking is obtained. Although it depends on the heating temperature, the holding time is usually about 15 to 60 minutes.
１次冷却工程は、加熱された鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、等温保持温度で３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持する工程である。
本発明において、鋼材の急冷は、加圧ガス冷却を用いて行われる。加圧ガス冷却は、塩浴・鉛浴を用いた急冷方法に比べて、冷却速度及び等温保持温度の選択の自由度が大きいという特徴がある。
In the primary cooling step, the heated steel material is rapidly cooled to an isothermal holding temperature of 100 to 500 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 50 ° C./sec using pressurized gas cooling, and 30 sec to an isothermal holding temperature. This is a step of isothermal holding for 120 min.
In the present invention, the steel material is rapidly cooled using pressurized gas cooling. Pressurized gas cooling is characterized by a greater degree of freedom in selecting a cooling rate and isothermal holding temperature than a rapid cooling method using a salt bath or a lead bath.
一般に、冷却速度が遅くなると、冷却時にフェライト、パーライトが析出し、不完全組織となる。不完全組織は、強度低下の原因となる。従って、冷却速度は、０．１℃／ｓｅｃ以上が好ましい。
一方、冷却速度が速くなりすぎると、内外温度差が大きくなるために、熱ひずみが増大する。従って、冷却速度は、５０℃／ｓｅｃ以下が好ましい。冷却速度は、さらに好ましくは、１５℃／ｓｅｃ以下である。
In general, when the cooling rate is slow, ferrite and pearlite precipitate during cooling, resulting in an incomplete structure. Incomplete tissue causes a decrease in strength. Therefore, the cooling rate is preferably 0.1 ° C./sec or more.
On the other hand, if the cooling rate becomes too fast, the temperature difference between the inside and outside becomes large, and the thermal strain increases. Therefore, the cooling rate is preferably 50 ° C./sec or less. The cooling rate is more preferably 15 ° C./sec or less.
一般的な浸炭部品の浸炭層のＭｓ点は、１５０℃くらいである。そのため、急冷後の等温保持温度がＭｓ点を大きく下回ると、マルテンサイト変態に伴う変態ひずみが生じ、ひずみ量が大きくなる。従って、等温保持温度は、１００℃以上が好ましい。
一方、等温保持温度が高くなりすぎると、保持中にパーライト変態が生じ、強度が低下する。従って、等温保持温度は、５００℃以下が好ましい。
The Ms point of a carburized layer of a general carburized component is about 150 ° C. Therefore, if the isothermal holding temperature after rapid cooling is much lower than the Ms point, transformation strain accompanying martensitic transformation occurs, and the amount of strain increases. Therefore, the isothermal holding temperature is preferably 100 ° C. or higher.
On the other hand, if the isothermal holding temperature becomes too high, pearlite transformation occurs during holding, and the strength decreases. Therefore, the isothermal holding temperature is preferably 500 ° C. or less.
等温保持温度での等温保持時間が短すぎると、均熱が不十分となるので、熱処理ひずみが増大する。従って、等温保持時間は、３０ｓｅｃ以上が好ましい。
一方、不必要な保持は、実益がないだけでなく、熱処理時間が長くなり、コストを増大させる。従って、等温保持時間は、１２０ｍｉｎ以下が好ましい。
また、等温保持時間は、鋼材の厚さに応じて最適な時間を選択するのが好ましい。一般に、鋼材が厚くなるほど、均熱に時間がかかるので、長時間の等温保持を行うのが好ましい。等温保持時間ｔは、具体的には、次の（１）式を満たす時間が好ましい。
ｔ≧８×Ｄ ・・・（１）
但し、ｔ：時間（ｓｅｃ）、Ｄ：前記鋼材の厚さ（ｍｍ）。
なお、（１）式にいう「鋼材の厚さ」とは、対向する表面間に内接する球の直径の最小値をいう。また、軸方向長さが相対的に長い歯車の場合、（１）式にいう「鋼材の厚さ」とは、歯車の内周面と歯車の根本に接する滑らかな面に内接する球の直径をいう。
If the isothermal holding time at the isothermal holding temperature is too short, soaking becomes insufficient and heat treatment strain increases. Therefore, the isothermal holding time is preferably 30 seconds or more.
On the other hand, unnecessary holding not only has no real benefit, but also increases the heat treatment time and costs. Therefore, the isothermal holding time is preferably 120 min or less.
Moreover, it is preferable to select the optimum time for the isothermal holding time according to the thickness of the steel material. In general, the thicker the steel material, the longer it takes to soak, so it is preferable to keep isothermal for a long time. Specifically, the isothermal holding time t is preferably a time that satisfies the following equation (1).
t ≧ 8 × D (1)
Where t: time (sec), D: thickness of the steel (mm).
In addition, the “thickness of the steel material” in the equation (1) refers to the minimum value of the diameter of the sphere inscribed between the opposing surfaces. In the case of a gear having a relatively long axial length, the “steel thickness” in the equation (1) is the diameter of a sphere inscribed in a smooth surface in contact with the inner peripheral surface of the gear and the root of the gear. Say.
２次冷却工程は、等温保持が終了した後、鋼材を室温まで冷却する工程である。
この時点では、パーライト変態が生ずるおそれがないので、冷却速度は、遅くてもよい。鋼材を冷却することによって、鋼材の表面及び内部のマルテンサイト変態が完了する。
得られた焼入れ材は、通常、そのまま使用されるが、特に高い寸法精度が要求される場合には、仕上げ加工を施してもよい。
The secondary cooling step is a step of cooling the steel material to room temperature after the isothermal holding is completed.
At this time, there is no risk of pearlite transformation, so the cooling rate may be slow. By cooling the steel material, the surface and internal martensitic transformation of the steel material is completed.
The obtained hardened material is usually used as it is, but when particularly high dimensional accuracy is required, finishing may be applied.
次に、本発明の第２の実施の形態に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、加熱工程と、１次冷却工程と、２次冷却工程とを備えている。すなわち、浸炭工程が省略されている。この点が第１の実施の形態と異なる。
加圧ガス冷却を用いた焼入れ方法は、特に、浸炭鋼に対して適用すると高い効果が得られるが、浸炭鋼以外の鋼材（すなわち、浸炭処理することなく、焼入れのみを行って使用される鋼材）に対しても適用することができる。
このような鋼材としては、具体的には、
（１） ニッケルクロム鋼（例えば、ＳＮＣ２３６（ＪＩＳ Ｇ ４１０２））、
（２） ニッケルクロムモリブデン鋼（例えば、ＳＮＣＭ２４０（ＪＩＳ Ｇ ４１０２））、
（３） クロム鋼（例えば、ＳＣｒ４４０、ＳＣｒ４４５（ＪＩＳ Ｇ ４１０３））、
（４） クロムモリブデン鋼（例えば、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ４４５（ＪＩＳ Ｇ ４１０５））、
（５） 合金工具鋼（例えば、ＳＫＳ、ＳＫＤ（ＪＩＳ Ｇ ４４０４））、
（６） 中炭素鋼（例えば、ＳＫＣ（ＪＩＳ Ｇ ４４１０））
などがある。
その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
Next, the manufacturing method of the low distortion hardening material which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. The manufacturing method according to the present embodiment includes a heating process, a primary cooling process, and a secondary cooling process. That is, the carburizing process is omitted. This is different from the first embodiment.
The quenching method using pressurized gas cooling is particularly effective when applied to carburized steel, but steel materials other than carburized steel (that is, steel materials that are used only by quenching without carburizing treatment) ).
Specifically, as such a steel material,
(1) nickel chrome steel (for example, SNC236 (JIS G 4102)),
(2) Nickel chromium molybdenum steel (for example, SNCM240 (JIS G 4102)),
(3) Chrome steel (for example, SCr440, SCr445 (JIS G 4103)),
(4) Chrome molybdenum steel (for example, SCM435, SCM440, SCM445 (JIS G 4105)),
(5) Alloy tool steel (for example, SKS, SKD (JIS G 4404)),
(6) Medium carbon steel (for example, SKC (JIS G 4410))
and so on.
Other points are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
次に、本発明の第３の実施の形態に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、浸炭工程と、１次冷却工程と、２次冷却工程とを備えている。 Next, the manufacturing method of the low distortion hardening material which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated. The manufacturing method according to the present embodiment includes a carburizing step, a primary cooling step, and a secondary cooling step.
浸炭工程は、８００〜１２００℃の浸炭温度で鋼材の表面を浸炭処理する工程である。浸炭工程の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
１次冷却工程は、浸炭工程終了後、直ちに浸炭温度に加熱された鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、等温保持温度で３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持する工程である。
１次冷却工程は、浸炭工程終了後、冷却することなく直ちに鋼材の急冷を行う。この点が、第１の実施の形態と異なる。その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
２次冷却工程は、１次冷却工程における等温保持が終了した後、鋼材を室温まで冷却する工程である。２次冷却工程の詳細については、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
The carburizing step is a step of carburizing the surface of the steel material at a carburizing temperature of 800 to 1200 ° C. Since the details of the carburizing step are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
In the primary cooling step, the steel material immediately heated to the carburizing temperature after completion of the carburizing step is heated to an isothermal holding temperature of 100 to 500 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 50 ° C./sec using pressurized gas cooling. This is a step of quenching and isothermally holding at an isothermal holding temperature for 30 sec to 120 min.
In the primary cooling step, the steel material is immediately cooled without cooling after the carburizing step. This point is different from the first embodiment. Other points are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
The secondary cooling step is a step of cooling the steel material to room temperature after the isothermal holding in the primary cooling step is completed. The details of the secondary cooling step are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
次に、本発明に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法の作用について説明する。
マルクエンチ法を用いて浸炭鋼などの焼入れ材の焼入れを行う場合において、加圧ガス冷却を用いると、設備維持コストが少なく、冷媒の廃棄コストも不要となる。また、加圧ガス冷却を用いて鋼材を急冷する場合において、１次冷却時の冷却速度をある特定の範囲とすると、鋼材の形状や大きさによらず、不完全焼入れを生じさせることなく、変態に伴う熱処理ひずみを最小限に抑えることができる。
さらに、加圧ガス冷却法は、塩浴・鉛浴を用いた従来の焼入れ方法に比べて、焼入れ時の冷却速度と等温保持温度の選択の自由度が大きい。そのため、鋼材の組成によらず、不完全焼入れを生じさせることなく、変態に伴う熱処理ひずみを最小限に抑えることができる。
Next, the effect | action of the manufacturing method of the low distortion hardening material which concerns on this invention is demonstrated.
When quenching a quenching material such as carburized steel using the marquenching method, if pressurized gas cooling is used, the equipment maintenance cost is low and the disposal cost of the refrigerant becomes unnecessary. Moreover, in the case of rapidly cooling a steel material using pressurized gas cooling, if the cooling rate at the time of primary cooling is a certain range, regardless of the shape and size of the steel material, without causing incomplete quenching, Heat treatment strain accompanying transformation can be minimized.
Furthermore, the pressurized gas cooling method has a greater degree of freedom in selecting the cooling rate and isothermal holding temperature during quenching than the conventional quenching method using a salt bath or lead bath. Therefore, regardless of the composition of the steel material, heat treatment strain accompanying transformation can be minimized without causing incomplete quenching.
（実施例１）
［１． 歯車の作製］
ＳＣｒ４２０又はＳＣＭ４２０鋼からなるヘリカル歯車を作製した。歯車形状は、以下の通りである。
歯形 ：標準
モジュール ：２
圧力角 ：２０°
歯数 ：８０
ねじれ角 ：２６°
基準ピッチ円直径：１６０ｍｍ
歯車の厚さ：４０ｍｍ（Ｎｏ．１〜１８）、２０ｍｍ（Ｎｏ．１９）、６０ｍｍ（Ｎｏ．２０）
(Example 1)
[1. Gear making]
A helical gear made of SCr420 or SCM420 steel was produced. The gear shape is as follows.
Tooth profile: Standard Module: 2
Pressure angle: 20 °
Number of teeth: 80
Twist angle: 26 °
Standard pitch circle diameter: 160mm
Gear thickness: 40 mm (No. 1-18), 20 mm (No. 19), 60 mm (No. 20)
［２． 熱処理条件（１）］
図１に示す熱処理パターンに従い、歯車の熱処理を行った。なお、図１の右図に示す数値は、推奨値である。
まず、加工された歯車を８５０℃、１１００℃又は１３００℃に加熱し、その温度で浸炭を行った。浸炭は、ガス浸炭又は真空浸炭を用い、表層炭素濃度０．８％、浸炭深さ０．６５ｍｍとなるような条件下で行った。ここで、「浸炭深さ」とは、表層から０．３５％Ｃ位置までの距離をいう。
ガス浸炭を行う場合、図１の右上図に示すように、まず、所定の温度（℃）でカーボンポテンシャル（Ｃｐ１）１．１％の条件下でｔ１（ｍｉｎ）の浸炭１を行い、次いで、同一温度でカーボンポテンシャル（Ｃｐ２）０．８５％の条件下でｔ２（ｍｉｎ）の浸炭２を行った。
また、真空浸炭を行う場合、図１の右下図に示すように、アセチレンガスを用いて、所定の温度（℃）でｔ１（ｍｉｎ）の浸炭を行い、次いで、アセチレンガスの供給を止めて同一温度でｔ２（ｍｉｎ）の拡散を行った。
次の表１に、ガス浸炭及び真空浸炭の条件を示す。
[2. Heat treatment condition (1)]
The gears were heat-treated according to the heat treatment pattern shown in FIG. The numerical values shown in the right diagram of FIG. 1 are recommended values.
First, the processed gear was heated to 850 ° C., 1100 ° C. or 1300 ° C., and carburized at that temperature. Carburization was performed using gas carburization or vacuum carburization under conditions such that the surface carbon concentration was 0.8% and the carburization depth was 0.65 mm. Here, the “carburization depth” refers to the distance from the surface layer to the 0.35% C position.
When performing gas carburization, as shown in the upper right diagram of FIG. 1, first, carburization 1 of t1 (min) is performed at a predetermined temperature (° C.) under a carbon potential (Cp1) of 1.1%,
When vacuum carburizing is performed, as shown in the lower right diagram of FIG. 1, acetylene gas is used for carburizing at a predetermined temperature (° C.) for t1 (min), and then the supply of acetylene gas is stopped. Diffusion of t2 (min) was performed at temperature.
Table 1 below shows the conditions for gas carburizing and vacuum carburizing.
浸炭終了後、加圧ガス冷却を用いて０．１〜６０℃／ｓｅｃの冷却速度で５０〜４５０℃の等温保持温度まで急冷し、その温度で０．３３ｍｉｎ（２０ｓｅｃ）〜１２０ｍｉｎの等温保持を行った。加圧ガス冷却のガス圧は、１０ｂａｒとした。等温保持終了後、室温まで徐冷した。 After the carburization is completed, the pressure gas cooling is used to rapidly cool to an isothermal holding temperature of 50 to 450 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 60 ° C./sec, and the isothermal holding of 0.33 min (20 sec) to 120 min is performed at that temperature. went. The gas pressure for pressurized gas cooling was 10 bar. After completion of isothermal holding, it was gradually cooled to room temperature.
［３． 評価］
図２に示すように、熱処理後の歯車のＯＢＤを４箇所測定し、最大値と最小値の差（ΔＤ）を求め、これをひずみ量の指標とした。また、同一条件下で５回試験を行い、ΔＤの標準偏差を求め、これをバラツキの指標とした。表２に、各試料のΔＤ及び標準偏差を示す。なお、表２には、熱処理条件も併せて示した。
[3. Evaluation]
As shown in FIG. 2, the OBD of the gear after the heat treatment was measured at four locations, the difference (ΔD) between the maximum value and the minimum value was obtained, and this was used as an index of the strain amount. In addition, the test was performed five times under the same conditions to obtain a standard deviation of ΔD, which was used as an index of variation. Table 2 shows ΔD and standard deviation of each sample. Table 2 also shows the heat treatment conditions.
試料Ｎｏ．３のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、加熱温度（＝浸炭温度）が１３００℃であるために、加熱中に歯車がクリープ変形したためである。
試料Ｎｏ．９のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、冷却速度が６０℃／ｍｉｎであるために、熱応力に起因するひずみが発生したためである。
試料Ｎｏ．１０のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、等温保持温度が５０℃であるために、マルテンサイト変態に伴う変態ひずみが生じたためである。
試料Ｎｏ．１５のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、等温保持時間が０．３３ｍｉｎ（２０ｓｅｃ）であるために、均熱が不十分となったためである。
さらに、試料Ｎｏ．２０のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、歯車の厚さが厚いにもかかわらず、等温保持時間が相対的に短いために、均熱が不十分となったためである。
これに対し、その他の試料は、いずれも図１の右図に示す推奨値の範囲内で熱処理が行われているので、ΔＤ及び標準偏差は、いずれも小さい値となった。
Sample No. 3 has a large ΔD and standard deviation because the heating temperature (= carburizing temperature) is 1300 ° C., and thus the gear creeps during heating.
Sample No. 9 has a large ΔD and standard deviation because the cooling rate is 60 ° C./min, and thus distortion due to thermal stress occurs.
Sample No. The reason why the ΔD of 10 and the standard deviation are large is that the isothermal holding temperature is 50 ° C., and therefore, transformation strain accompanying martensitic transformation has occurred.
Sample No. The reason why ΔD of 15 and the standard deviation are large is that the isothermal holding time is 0.33 min (20 sec), so that the soaking is insufficient.
Furthermore, sample no. The reason why ΔD of 20 and the standard deviation are large is that, even though the gear is thick, the isothermal holding time is relatively short, so that the soaking is insufficient.
On the other hand, all the other samples were heat-treated within the recommended value range shown in the right diagram of FIG. 1, and thus ΔD and standard deviation were both small values.
（実施例２）
［１． 試料の作製］
実施例１と同様の歯車を作製した。但し、歯車の厚さは、４０ｍｍ（Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．３８）、２０ｍｍ（Ｎｏ．３９）、又は、６０ｍｍ（Ｎｏ．４０）とした。
(Example 2)
[1. Preparation of sample]
A gear similar to that in Example 1 was produced. However, the thickness of the gear was 40 mm (No. 21 to No. 38), 20 mm (No. 39), or 60 mm (No. 40).
［２． 熱処理条件（２）］
図３に示す熱処理パターンに従い、歯車の熱処理を行った。なお、図３の左図に示す数値は、推奨値である。
まず、加工された歯車を８５０℃、１１００℃又は１３００℃に加熱し、その温度で浸炭を行った。浸炭は、ガス浸炭又は真空浸炭を用い、表層炭素濃度０．８％、浸炭深さ０．６５ｍｍとなるような条件下で行った。
真空浸炭を行う場合、図３の左上図に示すように、アセチレンガスを用いて、所定の温度でｔ１（ｍｉｎ）の浸炭を行い、次いで、アセチレンガスの供給を止めて同一温度でｔ２（ｍｉｎ）の拡散を行った。
また、ガス浸炭を行う場合、図３の左下図に示すように、まず、所定の温度でカーボンポテンシャル（Ｃｐ１）１．１％の条件下でｔ１（ｍｉｎ）の浸炭１を行い、次いで、同一温度でカーボンポテンシャル（Ｃｐ２）０．８５％の条件下でｔ２（ｍｉｎ）の浸炭２を行った。
浸炭終了後、歯車を一旦、室温まで徐冷した。次の表３に、ガス浸炭及び真空浸炭の条件を示す。
[2. Heat treatment condition (2)]
The gears were heat-treated according to the heat treatment pattern shown in FIG. Note that the numerical values shown in the left diagram of FIG. 3 are recommended values.
First, the processed gear was heated to 850 ° C., 1100 ° C. or 1300 ° C., and carburized at that temperature. Carburization was performed using gas carburization or vacuum carburization under conditions such that the surface carbon concentration was 0.8% and the carburization depth was 0.65 mm.
When vacuum carburizing is performed, as shown in the upper left diagram of FIG. 3, acetylene gas is used to perform carburization at a predetermined temperature for t1 (min), and then the supply of acetylene gas is stopped and t2 (min ) Was diffused.
When performing gas carburization, as shown in the lower left diagram of FIG. 3, first, carburization 1 of t1 (min) is performed at a predetermined temperature under a carbon potential (Cp1) of 1.1%, and then the
After completion of carburizing, the gear was once cooled gradually to room temperature. Table 3 below shows the conditions for gas carburizing and vacuum carburizing.
次に、歯車を浸炭温度と同一の加熱温度に再加熱し、３０分間保持した。保持終了後、加圧ガス冷却を用いて０．１〜６０℃／ｓｅｃの冷却速度で５０〜４５０℃の等温保持温度まで急冷し、その温度で０．３３ｍｉｎ（２０ｓｅｃ）〜１２０ｍｉｎの等温保持を行った。加圧ガス冷却のガス圧は、１０ｂａｒとした。等温保持終了後、室温まで徐冷した。 The gears were then reheated to the same heating temperature as the carburizing temperature and held for 30 minutes. After completion of the holding, the pressure gas cooling is used to rapidly cool to an isothermal holding temperature of 50 to 450 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 60 ° C./sec, and the isothermal holding of 0.33 min (20 sec) to 120 min is performed at that temperature. went. The gas pressure for pressurized gas cooling was 10 bar. After completion of isothermal holding, it was gradually cooled to room temperature.
［３． 評価］
実施例１と同一の手順に従い、ΔＤ及び標準偏差を求めた。表４に、各試料のΔＤ及び標準偏差を示す。なお、表４には、熱処理条件も併せて示した。
[3. Evaluation]
In accordance with the same procedure as in Example 1, ΔD and standard deviation were determined. Table 4 shows ΔD and standard deviation of each sample. Table 4 also shows the heat treatment conditions.
試料Ｎｏ．２３のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、浸炭温度及び加熱温度が１３００℃であるために、加熱中に歯車がクリープ変形したためである。
試料Ｎｏ．２９のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、冷却速度が６０℃／ｍｉｎであるために、熱応力に起因するひずみが発生したためである。
試料Ｎｏ．３０のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、等温保持温度が５０℃であるために、マルテンサイト変態に伴う変態ひずみが生じたためである。
試料Ｎｏ．３５のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、等温保持時間が０．３３ｍｉｎ（２０ｓｅｃ）であるために、均熱が不十分となったためである。
さらに、試料Ｎｏ．４０のΔＤ及び標準偏差が大きいのは、歯車の厚さが厚いにもかかわらず、等温保持時間が相対的に短いために、均熱が不十分となったためである。
これに対し、その他の試料は、いずれも図３の左図に示す推奨値の範囲内で熱処理が行われているので、ΔＤ及び標準偏差は、いずれも小さい値となった。
Sample No. The reason why ΔD and standard deviation of 23 are large is that the carburizing temperature and the heating temperature are 1300 ° C., so that the gear creeps during heating.
Sample No. The reason why the ΔD and the standard deviation of 29 are large is that the cooling rate is 60 ° C./min, and therefore distortion due to thermal stress occurs.
Sample No. The reason why the ΔD of 30 and the standard deviation are large is that the isothermal holding temperature is 50 ° C., and therefore, transformation strain accompanying martensitic transformation occurred.
Sample No. The reason why the ΔD and the standard deviation of 35 are large is that the isothermal holding time is 0.33 min (20 sec), so that the soaking is insufficient.
Furthermore, sample no. The reason why the ΔD of 40 and the standard deviation are large is that the soaking is insufficient because the isothermal holding time is relatively short even though the gear is thick.
On the other hand, since the other samples were all heat-treated within the recommended value range shown in the left diagram of FIG. 3, both ΔD and standard deviation were small values.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る低ひずみ焼入れ材の製造方法は、軸、軸受け、歯車ピストンピン、カムなどの機械部品の製造方法として使用することができる。 The manufacturing method of the low distortion hardening material which concerns on this invention can be used as a manufacturing method of machine parts, such as a shaft, a bearing, a gear piston pin, and a cam.
Claims (5)
（イ） 鋼材を８００〜１２００℃に加熱する加熱工程。
（ロ） 加熱された前記鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、前記等温保持温度で３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持する１次冷却工程。
（ハ） 前記等温保持が終了した後、前記鋼材を室温まで冷却する２次冷却工程。 The manufacturing method of the low distortion hardening material provided with the following processes.
(A) A heating step of heating the steel material to 800 to 1200 ° C.
(B) The heated steel material is rapidly cooled to an isothermal holding temperature of 100 to 500 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 50 ° C./sec using pressurized gas cooling, and 30 sec to 120 min at the isothermal holding temperature. Primary cooling process for isothermal holding.
(C) A secondary cooling step of cooling the steel material to room temperature after the isothermal holding is completed.
（イ） ８００〜１２００℃の浸炭温度で鋼材の表面を浸炭処理する浸炭工程。
（ロ） 前記浸炭工程終了後、直ちに前記浸炭温度に加熱された前記鋼材を、加圧ガス冷却を用いて、０．１〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で１００〜５００℃の等温保持温度まで急冷し、前記等温保持温度で３０ｓｅｃ〜１２０ｍｉｎ等温保持する１次冷却工程。
（ハ） 前記等温保持が終了した後、前記鋼材を室温まで冷却する２次冷却工程。 The manufacturing method of the low distortion hardening material provided with the following processes.
(A) A carburizing step of carburizing the surface of a steel material at a carburizing temperature of 800 to 1200 ° C.
(B) Immediately after the carburizing step, the steel material heated to the carburizing temperature is heated to an isothermal holding temperature of 100 to 500 ° C. at a cooling rate of 0.1 to 50 ° C./sec using pressurized gas cooling. A primary cooling step of quenching and isothermally holding at the isothermal holding temperature for 30 sec to 120 min.
(C) A secondary cooling step of cooling the steel material to room temperature after the isothermal holding is completed.
ｔ≧８×Ｄ ・・・（１）
但し、ｔ：時間（ｓｅｃ）、Ｄ：前記鋼材の厚さ（ｍｍ）。 The isothermal holding time t in the primary cooling step is a method for producing a low strain quenching material according to any one of claims 1 to 4, wherein the following equation (1) is satisfied.
t ≧ 8 × D (1)
Where t: time (sec), D: thickness of the steel (mm).
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