JP2008509280A - 鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

本発明は鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理方法に関し、オーステナイト化温度またはそれを超える温度における、ある保持時間後に、マルテンサイトが生成される上限であるマルテンサイト開始温度を超える温度に焼き入れされ、それに続く保持時間内にオーステナイトからベイナイトへの変態が起こる。本発明による熱処理方法は、加工材温度が変態時間インターバル中に下がり、オーステナイトからベイナイトへの変態がその際に進行することを特徴とする。

Description

本発明は、鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理方法に関する。

鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理方法には様々な実施形態が周知である。熱処理は特に加工材の硬さを高めるのに役立つ。その際、熱処理の方式は加工材の特性に大きな影響を与えるため、好適な熱処理方法の選択は、鋼鉄および鋳鉄の好適な組成の選択と並び、加工材の利用性に対して本質的な意味を持っている。これは高い品質要求を満たす必要があって、長期の使用時間にわたって高い負荷にさらされる、例えば転がり軸受などのような加工材に対して特に当てはまる。この種の加工材の場合、その品質は熱処理の詳細に非常に過敏に依存する。加工材の品質の判定基準はエージングに対する強度、耐久性、継ぎ目安定性である。

前に挙げた、およびそれ以外の、またはそのいずれかの品質判定基準を可能な限り好ましく満足する意味において、その他の熱処理対策と多様に組み合わされている常套の熱処理方法はベイナイト化を意味している。そのため、例えば特許文献１または特許文献２から周知な様に、加工材をオーステナイト温度まで加熱し、ある一定時間、前記温度に保つ。続いてマルテンサイト開始温度の上ぎりぎりの温度に焼き入れする。その後で変態が終わるまで加工材を前記温度に保ち、最終的に室温まで冷却する。
特許文献１ではさらに、残留オーステナイトの変態を加速するために、オーステナイトのベイナイトへの変態が終わる前に加工材温度を上げることに言及している。
特許文献２から、オーステナイトのベイナイトへの変態が終わる前に、急激に室温まで冷却することが周知になる。室温に短時間保持した後で、短時間の焼き入れが続く。
ベイナイト化によって達成される良好な特性にも係わらず、得られた硬さがマルテンサイト硬化によるものより劣るということが多くの適用ケースにおいてはマイナスに作用する。
欧州特許第０８９６０６８号明細書 独国特許発明第１９８４９６８１号明細書

この発明は鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理を、是認可能な負担を伴って、高度な品質要求を満たし、それによって加工材の長期の使用が可能になる様に、特にベイナイト化において可能な限り高い硬さが得られる、および可能な限り短い保持時間で十分である、またはそのいずれかである様に形成する課題を基礎としている。

前記課題は請求項１の特徴を組み合わせた加工材の熱処理方法によって解決する。

本発明による鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理方法において、加工材はオーステナイト化温度またはそれを超える温度における、ある保持時間後に、マルテンサイトが生成される上限であるマルテンサイト開始温度を超える温度に焼き入れされる。それに続く時間インターバル内にオーステナイトからベイナイトへの変態が起こる。本発明による加工材の熱処理方法の独自性は、加工材温度が変態時間インターバル中に下がり、オーステナイトからベイナイトへの変態がその際に進行することにある。

本発明は、等温ベイナイト化に対してより高い硬さが得られる有利性を持つ。こうしてその様に処理された加工材は耐久年限が伸びる。

特に、加工材温度は少なくとも変態期間の２０％の相当時間中に焼き入れによって達する温度未満の温度に下げられる。

加工材温度は、主としてマルテンサイト開始温度に依存して下げられる。特に加工材温度は、マルテンサイトの形成を避けるため、それぞれマルテンサイト開始温度を超える温度に下げられる。それにより加工材における混合組織の形成を避けることができる。

これは加工材温度が予め与えられた温度配分（プロフィール）に基づいて下げられる場合に特に有利である。この方式で本発明による熱処理方法で最適および再現可能な結果を得る。例えば加工材温度は段階的に下げることができる。このバリエーションは比較的少ない負担で実現する。温度を下げるためには、様々に加工材を調質された媒体にさらす、特に様々に調質された槽に装填するという実現方法がある。

本発明による熱処理方法のそれ以外のバリエーションでは、温度を連続的に下げている。特に加工材温度をマルテンサイト開始温度の経過に合わせて下げる。そうすることによってオーステナイトのベイナイトへの変態の全期間において、マルテンサイト開始温度に非常に近い温度に維持でき、そのため変態が低加工材温度で起こることができる。これがまた加工材の目標の硬さにポジティブに働く。本発明による熱処理方法の前記またはその他のバリエーションにおいて、加工材温度は一つまたは多数の制御可能な装置、特に炉によって下げることができる。それによってほとんどの任意の温度配分を実現する。

本発明による熱処理方法の発展形態においては、加工材はオーステナイトのベイナイトへの部分的な変態の後で、変態を加速するために加熱される。これは、加工材の熱処理に必要な全体の時間の短縮に効果的な手段である。別選択肢として変態の時間インターバルを、オーステナイトのベイナイトへの完全な変態が起こらないように、変態の時間インターバルへの移行時に加工材を室温に冷却し、短時間維持し、最後に焼き入れるように制御する。

本発明による熱処理方法は焼き入れ可能なベアリング鋼または焼き入れ鋼から造られた加工材に適用する。例えばころがり軸受の部品に係わる加工材などがある。

本発明を、以降に実施例の図解により記述する。

図１から５は、本発明による熱処理方法の様々なバリエーションの視覚化のための時間−温度図を示す。横軸上にはそれぞれの時間を対数尺に、縦軸上にそれぞれの加工材温度を示す。

本発明による熱処理方法は鋼鉄製または鋳鉄製の加工材に実施する。特に硬化ベアリング鋼および焼き入れ鋼に好適である。ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６８３−１７に定義されているベアリング鋼の代表的なものは記号１００Ｃｒ６の鋼である。前記項は、重量パーセントで、０.９３から１.０５％の炭素、１.３５から１.６０％のクローム、０.２５から０.４５％のマンガン、０.１５から０.３５％のケイ素および０.１％までのモリブデンを含む。リン含有量は最大０.０２５、硫黄含有量は０.０１５％になる。これら以外にも製造条件によって少量の他元素を含むことがある。

熱処理に先立って加工材はそれを望みの形状にするための、例えば転がり軸受部品として形成される軟化処理が施される。前記形状は熱処理後に続く機械加工のため加工材の最終形状とは異なることがある。

図１は、本発明による熱処理方法の第一のバリエーションの視覚化のための時間−温度図を示す。加工材は先ず室温からオーステナイト温度に加熱され、少しの時間、前記温度に維持される。オーステナイト化の後で、加工材は焼き入れされ、それによってマルテンサイト開始温度の上ぎりぎりの温度に冷却される。マルテンサイト開始温度未満の温度でマルテンサイトが形成する。マルテンサイト形成は、本発明による熱処理方法の範ちゅうでは好ましくは無いため、目標とする施工手順に反しない限り、マルテンサイト開始温度を下回ることを避ける。焼き入れは、実利的には加工材を塩槽に浸けることによる。塩浴は発熱反応によって自由になったエネルギーを受け止めることができるという長所がある。それによって加工材温度は非常に狭い境界値を維持される。焼き入れ後に除々にオーステナイトのベイナイトへの変態が起こる。前期変態はベイナイト変態、ベイナイト硬化、またはベイナイト化を呼ばれる。破線で示す様に、ベイナイト化は技術の水準に基づき、一定温度で実施する。

本発明による熱処理方法は、加工材温度がベイナイト変態中に下がることを特徴とする。これは可能な限り下回るべきでないマルテンサイト開始温度がベイナイト変態中に同じ様に下がることによって可能になる。加工材温度の低下によって硬化ベアリング鋼の場合、通常の等温ベイナイト変態の場合より、５９から６４ＨＲＣ程の、比較的大きな硬さが得られる。明確な効果を達成するために加工材温度は主としてベイナイト変態に目標とする変態時間の少なくとも２０％の時間インターバルをかけて、焼き入れによって達成される加工温度未満の温度に下げる。特に良好な成果は、少なくとも変態期間の８０％の時間インターバルによって得られる。

図１に示した本発明による熱処理方法の最初のバリエーションにおいては加工材温度は段階的に下がる。これは加工材をそれぞれ特定時間、一定の温度に保持してから、急激にマルテンサイト開始温度の実際値に下げることを意味する。次に一定の部分があり、新たに下降を始める、等々。加工材温度のこの様な経過は、例えば加工材を順々に装填するために、複数の様々に調質された塩槽で実現できる。また加工材を先ず塩槽を使って焼き入れして、最初の保持相において塩槽に放置することも可能である。続いてそれぞれの保持相における加工材は別様に調質された焼き入れ槽、特に空気焼き入れ槽に装填される。ベイナイト変態に対して目標とする時間インターバルが経過したときに加工材は室温に冷却される。

以降に記述した本発明による熱処理方法のバリエーションは最初に記述したバリエーションとは、ベイナイト変態中の温度経過に関して異なり、ベイナイト変態後においても図５に示したバリエーションの場合とは異なる。それを除けば、第一のバリエーションに対して記述したことは同様にその他のバリエーションに対しても有効である。

図２は、本発明による熱処理方法の第二のバリエーションの視覚化のための時間−温度図を示す。第二のバリエーションは、ベイナイト変態中に加工材を焼き入れた後、一定加工材温度の保持相が予定され、そして連続的に加工材温度が低下する相が続くことを特徴とする。最後に一定加工材温度の保持相がある。ベイナイト変態に対して目標とする時間インターバル以外は、第一のバリエーションのために記述した経過と一致する。

この様な温度経過の実現のためには、加工材は先ず塩槽で焼き入れし、塩槽中にしばらく放置する。次に加工材を一定時間毎に様々に調質された媒体、例えば焼き入れ炉または塩槽に装填し、加工材温度が希望どおりの方式で下降し、保持されるように制御する。

図３は、本発明による熱処理方法の第三バリエーションの視覚化のための時間−温度図を示す。第三のバリエーションにおいては加工材温度がベイナイト変態中に加工材を焼き入れた後、短期の保持相への接続時に連続的に低下する。この低下はマルテンサイト開始温度が下がるのと同様な方式で起こる。それによって、ベイナイト変態のために目標とする時間インターバル中には、マルテンサイト開始温度の開始温度に本質的に平行な経過が生まれる。この温度経過の実現のために、加工材は焼き入れ後、長い焼き入れ炉または調質制御された室窯に送り、希望する温度配分（プロフィール）に設定し、制御する。

図４は、本発明による熱処理方法の第三バリエーションの発展形態の視覚化のための時間−温度図を示す。この発展形態においては、加工材温度がベイナイト変態中に先ず、図３に似た様に下がる。ベイナイト変態に目標とする時間インターバルの終了前に、加工材温度が明確になお少し上げられ、ある時間だけ一定に保持される。ここで達した温度値は、主としてベイナイト変態の開始時の加工材温度より高い。一定の相への接続に加工材温度は室温にまで下げる。ベイナイト変態中、短時間に加工材温度を上げることによってベイナイト変態が加速され、完全なベイナイト変態に必要な総時間を節減する。

本発明による熱処理方法の第一および第二のバリエーションも同じ様式の発展形態となる。

図５は、本発明による熱処理方法の第二のバリエーションの発展形態の視覚化のための時間−温度図を示す。この発展形態は、加工材温度が、既に第一の保持相および第一の低下相の後に室温まで下げられることを特徴とする。第二のバリエーションにおいて、これはベイナイト変態の目標時間インターバル中に実行される。室温における短期保持期間の後に、短時間または標準焼き入れが続く。そのためには加工材は主として、ベイナイト変態の開始の加工材温度とベイナイト変態の直前の加工材温度との間の温度に過熱し、続いて再び室温に下げる。この方式によって、熱処理全体に必要な時間が、図２に示した本発明による熱処理方法の第二のバリエーションと比較して短縮される。その際、マルテンサイトも組織成分として表れることを甘受する。

図５に示した発展形態（バリエーション）は、類似形式で本発明による第一および第三の熱処理方法に移行できる。

加工材温度の明示的経過以外にも、加工材温度がベイナイト変態の目標時間インターバル中に下がることが一致すれば、発明による熱処理方法の範囲における別様の経過も可能である。

本発明による熱処理方法の第一のバリエーションの時間−温度図である。 本発明による熱処理方法の第二のバリエーションの時間−温度図である。 本発明による熱処理方法の第三のバリエーションの時間−温度図である。 本発明による熱処理方法の第三のバリエーションの更に具体的な（発展形態の）時間−温度図である。 本発明による熱処理方法の第二のバリエーションの更に具体的な（発展形態の）時間−温度図である。

Claims (14)

1. 鋼鉄製または鋳鉄製の加工材の熱処理方法であって、オーステナイト化温度またはそれを超える温度における、ある保持時間後に、マルテンサイトが生成される上限であるマルテンサイト開始温度を超える温度に焼き入れされ、それに続く保持時間インターバル内にオーステナイトからベイナイトへの変態が起こり、加工材温度が変態時間インターバルの間に下がり、オーステナイトからベイナイトへの変態がその際に進行することを特徴とする加工材の熱処理方法。
2. 加工材の温度を少なくとも変態期間の２０％の時間インターバル中に、焼き入れによって達する温度未満に下げられることを特徴とする請求項１に記載の加工材の熱処理方法。
3. 加工材の温度がマルテンサイト開始温度に依存して下げられることを特徴とする、請求項１または２に記載の加工材の熱処理方法。
4. 加工材の温度が、それぞれマルテンサイト開始温度を超える温度までに下げられることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
5. 加工材の温度が予め与えた温度配分（プロフィール）に基づいて下げられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
6. 加工材の温度が段階的に下げられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
7. 加工材がその温度を低下させるために様々に調質された媒体に委ねられること、特に様々に調温された槽に装填されることを特徴とする、請求項６に記載の加工材の熱処理方法。
8. 加工材の温度が、連続的に下げられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
9. 加工材の温度がマルテンサイト開始温度に経過に従って低下されることを特徴とする、請求項８に記載の加工材の熱処理方法。
10. 加工材の温度が、一つのまたは幾つかの制御可能な装置によって、特に炉によって下げられることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
11. 加工材が、オーステナイトからベイナイトへの部分的な変態の後、変態を加速させるためより高い温度に加熱されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
12. 変態の時間インターバルがオーステナイトからベイナイトへの完全な変態が生じないよう、また加工材が変態の時間インターバルに継続して室温にまで冷却され、短期に保持され、続いて焼戻しされるように測られることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
13. 加工材が焼き入れされたベアリング鋼または焼き入れ鋼から加工されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。
14. 加工材が圧延構造部材に関するものであることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の加工材の熱処理方法。

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