金属制部件的热处理方法及进行了热处理的金属制部件

摘要

一种金属制部件的热处理方法，具有在预定的加热条件下对金属制的工件进行加热的加热工序(工艺P2)、在所述加热工序之后通过以雾状喷出冷却水进行冷却的喷雾冷却而在预定的冷却条件下对所述工件进行冷却的冷却工序(工艺P3)，在所述加热工序之前，具有根据在所述加热工序中进行加热的情况下的所述工件的热量分布来调整并加工所述工件的表面粗糙度的表面加工工序(工艺P1)。

说明书

技术领域

本发明涉及通过由喷雾的冷却水对金属制的工件进行冷却的喷雾冷却来进行淬火或急冷的金属制部件的热处理方法及使用该热处理方法进行了热处理的金属制部件。

背景技术

近年来，在对金属制的工件进行热处理时的冷却工序中，实施通过雾状喷射的冷却水对工件进行冷却的喷雾冷却。在该喷雾冷却中，利用喷雾的冷却水与工件发生碰撞时的显热及潜热的作用对工件进行冷却，因此与以往的冷却方式相比，能够得到高的冷却效果。

上述那样的金属的热处理中的与喷雾冷却相关的发明的一例记载于日本特开2011-122211号公报中。该日本特开2011-122211号公报记载的发明涉及向加热后的金属制的工件喷射冷却用雾进行冷却的喷雾冷却方法。在该日本特开2011-122211号公报记载的发明中，使用喷射冷却用雾的第一喷嘴和喷射比从该第一喷嘴喷射的冷却用雾的粒径小的粒径的冷却用雾的第二喷嘴这两种喷嘴，对工件进行冷却。

因此，在该日本特开2011-122211号公报记载的发明中，从第一喷嘴喷射的冷却用雾的粒径大于从第二喷嘴喷射的冷却用雾的粒径，因此第一喷嘴的冷却用雾每1粒的气化潜热量比第二喷嘴的冷却用雾每1粒的气化潜热量大。因此，根据该日本特开2011-122211号公报记载的发明，能够以广泛的冷却速度对热处理后的工件进行冷却，例如，在某期间能够进行急速的冷却，并且在其他期间能够进行用于防止翘曲、弯曲等的发生的均匀且平缓的冷却。

这样一来，在喷雾冷却中，能够得到良好的冷却效果，并且通过调整冷却水的喷射量、喷射时间，能够控制冷却速度。而且，如上述的日本特开2011-122211号公报记载的发明那样分开使用喷嘴直径不同的多种喷嘴，或者调整喷嘴的数量、位置或喷射角度、喷射压力，由此能够控制冷却速度，进行与工件的大小、形状对应的适当的冷却。

其反面，实际制造的工件的大小、形状多种多样，对应于这样的多样的工件通过喷雾冷却进行均匀且适当的冷却的情况并不容易。例如，在对具有图9所示的形状及热量分布的工件进行喷雾冷却的情况下，如图10所示，通过分别调整各喷嘴相对于工件的位置、喷射角度及各喷嘴的喷射压力，能够对应于工件的热量分布而进行均匀且适当的冷却。然而，在变更工件的形状、种类的情况下，每次必须对应于新的工件而进行喷嘴的调整，难以对全部的多样的工件适当地实施喷雾冷却。

发明内容

本发明着眼于上述的技术课题而作出，目的在于提供通过对应于各种工件能够容易地控制冷却速度、能够进行均匀且适当的冷却的喷雾冷却来实施淬火或急冷的金属制部件的热处理方法及使用该热处理方法进行了热处理的金属制部件。

为了实现上述的目的，本发明涉及一种金属制部件的热处理方法，具有：加热工序，在预定的加热条件下对金属制的工件进行加热；及冷却工序，在所述加热工序之后，通过以雾状喷出冷却水进行冷却的喷雾冷却而在预定的冷却条件下对所述工件进行冷却，所述金属制部件的热处理方法的特征在于，在所述加热工序之前，具有根据在所述加热工序中被加热时的所述工件的热量分布来调整并加工所述工件的表面粗糙度的表面加工工序。

而且，本发明的所述表面加工工序包含以下工序：对所述工件进行加工使得所述热量分布的热量越大的部位所述表面粗糙度越小。

而且，本发明的所述冷却工序包含以下工序：以使所述喷雾冷却中的喷雾液滴的平均粒径处于0.1mm至2.0mm的范围内的方式以雾状喷出所述冷却水。

而且，本发明的所述工件包含钢制的汽车零件。

而且，本发明的所述工件包含构成带式无级变速器的带轮的钢制部件。

而且，本发明的所述表面加工工序包含通过机械加工来对所述工件进行加工的工序。

并且，本发明的所述表面加工工序包含通过珠击(shot peening)加工、喷丸加工、喷砂加工、磨削加工或研磨加工中的至少任一种来对所述工件进行加工的工序。

另一方面，本发明涉及一种进行了热处理的金属制部件，该金属制部件被实施了以下的热处理：在预定的加热条件下加热之后通过以雾状喷出冷却水进行冷却的喷雾冷却而在预定的冷却条件下进行冷却，所述进行了热处理的金属制部件的特征在于，根据在所述加热条件下被加热时的热量分布来调整并加工表面粗糙度，并且在该加工后实施所述热处理。

而且，本发明的所述金属制部件被进行表面加工，使得所述热量分布的热量越大的部位所述表面粗糙度越小。

而且，本发明的所述金属制部件包含钢制的汽车零件。

而且，本发明的所述金属制部件包含构成带式无级变速器的带轮的钢制部件。

在上述那样的本发明的金属制部件的热处理方法中，在加热工序及喷雾冷却的冷却工序中实施预定的热处理之前，在面粗糙度调整工序中，金属制的工件的表面根据在加热工序中被加热时的热量分布的热量的大小而调整并加工表面粗糙度。例如，在加热工序中被加热时的热量分布越大的部位则加工目标的表面粗糙度设定为越小的值而进行加工。在金属制部件的热处理中，在以雾状喷出水而进行喷雾冷却的情况下，即，对加热为水的沸点以上的温度的金属制的工件进行喷雾冷却的情况下，如图11所示可知，工件的表面粗糙度越小则冷却时间越短，即冷却速度越快。

因此，根据本发明的金属制部件的热处理方法，通过调整实施热处理的工件的表面粗糙度，能够控制对该工件进行喷雾冷却时的冷却速度。例如，对工件的表面进行加工，使得对工件进行了加热时的热量分布的热量大的部位在热处理的前工序中表面粗糙度减小，由此能够加快喷雾冷却时的冷却速度。反之，对工件的表面进行加工，使得热量分布的热量小的部位在热处理的前工序中表面粗糙度增大，由此能够减慢喷雾冷却时的冷却速度。因此，在热处理前的表面加工工序中，根据热量分布来调整并加工工件的表面粗糙度，由此能够控制之后的喷雾冷却时的冷却速度。即，喷雾冷却用的喷嘴的位置、数量或冷却水的喷射状态等不在冷却设备侧进行调整，而能够控制工件的冷却速度。其结果是，即使在变更了工件的大小、形状的情况下，不进行冷却设备的调整、变更，也能够容易地通过喷雾冷却进行均匀且适当的冷却。并且，如上述那样实施适当的热处理，由此能够制造热处理引起的翘曲、变形少的金属制部件。其结果是，能够省略或简化热处理后的精加工，能够大幅削减金属制部件的制造成本。

而且，表面加工工序的工件表面的加工例如通过车床加工、铣削加工等机械加工，能够容易地调整并加工工件的表面粗糙度。或者通过珠击加工、喷丸加工、喷砂加工、磨削加工以及研磨加工等，也能够容易地调整并加工工件的表面粗糙度。

另一方面，在本发明的热处理的金属制部件中，金属制部件的表面根据在热处理时被加热的情况下的热量分布，调整并加工表面粗糙度。并且在该加工后，实施热处理。如前述那样，在金属制部件的热处理中，在以雾状喷出水而进行喷雾冷却的情况下，如图11所示可知，工件的表面粗糙度越小则冷却速度越快。例如，进行加工，使得对金属制部件进行了加热的情况下的热量分布的热量大的部位表面粗糙度减小，由此能够加快喷雾冷却时的冷却速度。反之，进行加工，使得热量分布的热量小的部位表面粗糙度增大，由此能够减慢喷雾冷却时的冷却速度。

因此，根据本发明的进行了热处理的金属制部件，如上所述，金属制部件各部的表面粗糙度根据实施了热处理时的热量分布而被调整并加工，由此能够控制热处理中的喷雾冷却时的冷却速度。即，喷雾冷却用的喷嘴的位置、数量或冷却水的喷射状态等不在冷却设备侧进行调整，能够容易地通过喷雾冷却而均匀且适当地对金属制部件进行冷却。并且，通过如上所述实施适当的热处理，能够制造出热处理引起的翘曲、变形少的金属制部件。其结果是，能够提供一种可省略或简化热处理后的精加工并大幅地削减了制造成本的金属制部件。

附图说明

图1是表示本发明中作为对象的金属制部件的一例的示意图。

图2是用于说明由本发明的热处理方法实施的工件的表面粗糙度的调整及热处理的一例的工序图。

图3是用于说明在本发明的热处理方法及金属制部件中应用的喷雾冷却用的冷却设备的一例的示意图。

图4是用于说明应用本发明的热处理方法对工件进行了喷雾冷却时的工件各部的冷却速度的变动的坐标图。

图5是用于说明不应用本发明的热处理方法而对工件进行了喷雾冷却时的工件各部的冷却速度的变动的坐标图。

图6是用于说明将图4、图5所示的冷却速度的变动进行了比较的结果的坐标图。

图7是用于说明将应用本发明的热处理方法而对工件进行了喷雾冷却时的工件的变形量与未应用本发明的热处理方法而对工件进行了喷雾冷却时的工件的变形量进行比较的结果的坐标图。

图8是用于说明将应用本发明的热处理方法时的工件的制造成本与未应用本发明的热处理方法时的工件的制造成本进行比较的结果的坐标图。

图9是表示本发明中作为对象的金属制部件的一例，是对该金属制部件进行热处理时进行了加热的情况下的热量分布的示意图。

图10是表示通过以往的方法对图9所示的金属制部件进行喷雾冷却时的冷却条件设定的一例的示意图。

图11是用于说明对金属制部件进行了喷雾冷却时的表面粗糙度与冷却速度的关系的示意图。

具体实施方式

接下来，参照附图，具体地说明本发明。本发明中作为对象的金属制部件的一例如图1所示。该图1所示的工件1是本发明的金属制部件。在该图1所示的例子中，工件1是钢制的汽车零件，具体而言，是构成搭载于机动车的带式无级变速器的带轮的钢制部件。更具体而言，该图1所示的工件1是构成带式无级变速器的带轮中的固定槽轮的部件。因此，工件1由固定槽轮部2和与该固定槽轮部2一体形成且成为带轮轴的轴部3构成。在固定槽轮部2形成有槽轮面2a，该槽轮面2a与圆盘形状的可动槽轮(未图示)的槽轮面相向并形成有传动带(未图示)的卷挂槽。因此，将可动槽轮以能够在轴线方向上移动的方式插入于工件1的轴部3而与固定槽轮部3相向，由此构成带式无级变速器的带轮。

上述的工件1通过例如锻造加工及车床加工以及锪孔加工等机械加工，成形为图1所示的形状。例如，通过锻造加工一体成形了固定槽轮部2和轴部3之后，通过车床加工将工件1的外周表面成形为所希望的形状、尺寸。并且，为了形成用于与其他部件连结、固定的部位、润滑油的油路而对轴部3的轴心部分进行锪孔加工。

而且，工件1例如实施在渗碳、氮化或渗碳氮化等预定的加热条件下加热之后在预定的冷却条件下进行冷却的热处理。并且，在本发明中，在上述那样的热处理中，在淬火或急冷等对加热后的工件1进行冷却时，实施喷射冷却水进行冷却的所谓喷雾冷却。

另外，本发明的金属制部件能够以实施通过喷雾冷却来冷却的热处理的全部的金属制的部件为对象。除了该图1所示的钢制的部件以外，例如，铸铁制、铝合金制或其他非铁金属制的部件也可以作为对象。

并且，工件1在热处理中的喷雾冷却时，为了控制工件1各部的冷却速度而使工件1的整体均匀冷却，分别调整工件1各部的表面粗糙度而被加工。具体而言，工件1各部的表面粗糙度根据热处理中进行了加热时的热量分布的热量的大小来设定。即，对工件1的表面进行加工，使得热处理中进行了加热时的热量分布的热量越大的部位则表面粗糙度越小。

这样的工件1的表面加工在对工件1进行热处理之前实施。并且，如上所述例如通过车床加工进行加工，使得工件1的外周面成为根据工件1各部的热量分布而设定的表面粗糙度。在工件1的表面存在平面部分的情况下，例如能够通过铣削加工进行加工以成为所希望的表面粗糙度。或者除了上述那样的车床加工、铣削加工等机械加工以外，例如，通过珠击加工、喷丸加工、喷砂加工、磨削加工以及研磨加工等其他表面加工方法，也能够如上述那样进行加工以成为所希望的表面粗糙度。

该图1所示的工件1在热处理中被加热时的热量分布如前述的图9所示。即，工件1在热处理中被加热时，在成为厚壁的轴部3的中间部3b及连结固定槽轮部2与轴部3的固定槽轮部2的连结部2c和轴部3的连结部3c等处，热量分布中的热量相对增大。另一方面，在成为薄壁的固定槽轮部2的外周端部2b及轴部3的前端部3a等处，热量分布中的热量相对减小。该热量分布通过在实际加热了工件1时实际测量工件1各部的温度而能够求出。或者通过使用了计算机的模拟来推定求出。

并且，本发明中的工件1如上述那样根据在热处理中加热了工件1时的热量分布，分别设定工件1各部的表面粗糙度。即，如上所述，对热量分布中的热量相对增大的连结部2c、连结部3c及中间部3b等部位进行加工使得表面粗糙度相对减小。并且，对热量分布中的热量相对减小的外周端部2b及前端部3a等部位进行加工使得表面粗糙度相对增大。具体而言，如图1所示，热量分布中的热量大的中间部3b以算术平均粗糙度Ra计0.8μm为目标值进行加工。而且，连结部3c以算术平均粗糙度Ra计1.6μm为目标值进行加工。并且，连结部2c以算术平均粗糙度Ra计2.0μm为目标值进行加工。另一方面，热量分布中的热量小的前端部3a以算术平均粗糙度Ra计3.2μm为目标值进行加工。并且，外周端部2b以算术平均粗糙度Ra计6.3μm为目标值进行加工。

这样一来，工件1即本发明的金属制部件在实施热处理之前，根据在热处理中加热工件1时的热量分布来调整工件1各部的表面粗糙度，来加工该工件1的表面。即，对工件1的表面进行加工，使得加热工件1时的热量分布的热量越大的部位则表面粗糙度越小。如前述的图11所示说明那样可知，在对加热后的金属制部件喷射水而进行喷雾冷却的情况下，金属制部件的表面粗糙度越小的部位则冷却速度越加快，即在预定的冷却时间内冷却更多的热量。另外，该图11的坐标图示出以铬钢为材料而调整了表面粗糙度的试件通过喷雾冷却进行冷却时的冷却时间的测定结果。并且可知，在该情况下的喷雾冷却中，在以使冷却水的喷雾液滴的平均粒径处于0.1mm至2.0mm的范围内的方式喷射冷却水的情况下，得到该图11所示的冷却时间的测定结果。

因此，该工件1在热处理中进行喷雾冷却时，进行调整使得工件1的热量分布越大的部位冷却速度越快。因此，该工件1在为了热处理的淬火或急冷而进行喷雾冷却时，将工件1整体大致均匀地冷却。其结果是，能够对该工件1实施翘曲、变形少的良好的热处理。

接下来，说明如上述那样构成的金属制部件的热处理方法。本发明的热处理方法例如是用于对钢制的工件1进行渗碳的热处理方法。并且，在本发明的热处理方法中，在加热工序后的淬火(冷却)工序中，实施喷雾冷却。而且，在本发明的热处理方法中，除了上述的加热工序及淬火工序之外，在通过这些加热工序及淬火工序实施的热处理之前，具有根据工件1在加热工序中被加热时的热量分布来调整工件1的表面粗糙度并对工件1的表面进行加工的表面加工工序。具体而言，本发明的热处理方法如图2所示按照工序顺序通过成形工序(工艺P0)、表面加工工序(工艺P1)、加热工序(工艺P2)、冷却(淬火)工序(工艺P3)及精加工工序(工艺P4)各工序来实施。

首先，在成形工序(工艺P0)中，对材料的钢材进行锻造而成形工件1的原料。并且，进行通过锻造产生的去飞边、基于车床加工等的粗加工。另外，这些去飞边、粗加工可以在如下的表面加工工序中一并进行。

并且，在表面加工工序(工艺P1)中，根据如下的加热工序中加热工件1时的热量分布，调整工件1的表面粗糙度而进行加工。如前所述，加热工件1时的热量分布预先通过实测、使用了计算机的模拟等来求出。以该工件1的热量分布的数据为基础，分别设定工件1各部的表面粗糙度作为对工件1的表面进行加工时的加工目标。并且，对工件1的表面进行加工以实现所设定的表面粗糙度。具体而言，如前述的图1及图9所示，通过车床加工等对工件1的表面进行加工，使得加热工件1时的热量分布的热量越大的部位表面粗糙度越小。

如前述那样，在金属制部件的热处理中，在喷射水而进行喷雾冷却的情况下，如图11所示可知，工件1的表面粗糙度越小冷却速度越快。这被认为是受到蒸汽膜现象的影响。蒸汽膜现象是如下现象：当液体的液滴与加热成液体的沸点以上的高温的固体表面相接时，在固体表面与液滴之间产生蒸气的层，由此阻碍液滴的蒸发。在利用水对金属的表面进行喷雾冷却的情况下，金属表面的表面粗糙度小的一方对于水的浸润性降低，容易产生上述那样的蒸汽膜现象。因此，在金属表面不使冷却水直接蒸发而以水滴的状态滞留的时间延长，其结果是，可认为能促进金属表面的冷却。

因此，在该表面加工工序中，如上所述，对加热工件1时的热量分布的热量大的部位进行加工使得表面粗糙度减小，由此能够加快喷雾冷却时的冷却速度。反之，对热量分布的热量小的部位进行加工使得表面粗糙度增大，由此能够减慢喷雾冷却时的冷却速度。

在加热工序(工艺P2)中，在用于对工件1进行渗碳的预定的加热条件及预定的气体气氛下被加热，该状态保持预定的处理时间期间。例如，在对丙烷气体、甲烷气体等进行改质的渗碳性气体气氛内，将工件1加热成约900～950℃的渗碳温度。

在冷却(淬火)工序(工艺P3)中，在蒸气的加热工序中实施渗碳后的工件1的淬火。以往，在渗碳后的淬火中，广泛实施气体冷却，但是在本发明的热处理方法中，实施喷雾冷却。如前述那样，喷雾冷却比气体冷却的冷却效果高，另一方面，为了对应于多种多样的工件全部来设定适当的冷却条件，难以调整冷却设备。因此，在本发明中，在进行喷雾冷却的热处理之前，如上述那样设置表面加工工序。在表面加工工序中，通过调整工件1各部的表面粗糙度，控制之后的喷雾冷却时的工件1各部的冷却速度，通过喷雾冷却能够对工件1整体均匀地进行冷却。

如上所述，在本发明的热处理方法中，在冷却设备侧不进行调整，而调整工件1自身的表面粗糙度，由此能够控制冷却工序的工件1各部的冷却速度。因此，在以往的方法中，如前述的图10所示，为了控制工件的冷却速度而需要调整冷却设备侧，相对于此，在本发明的热处理方法中，冷却设备的喷射喷嘴例如如图3所示可以为单纯的配置而保持不变。而且，冷却水的喷射量、喷射压力等也可以设定为恒定而保持不变。

如上所述，通过调整工件1的表面粗糙度来控制冷却速度而进行了喷雾冷却时的工件1各部的冷却时间的测定结果如图4所示。而且，为了比较，不控制冷却速度而进行了喷雾冷却时的工件1各部的冷却时间的测定结果如图5所示。如图5所示，不调整工件1的表面粗糙度，不控制冷却速度而进行了喷雾冷却的情况下，在温度测定点a(固定槽轮部2的外周端部分)及温度测定点b(固定槽轮部2的中间部分)冷却速度比较快，相对于此，在温度测定点c(固定槽轮部2的内周端部分)冷却速度变慢。因此可知，在这种情况下，喷雾冷却时的工件1各部的冷却速度较大地变动。

相对于此，如图4所示，通过本发明的热处理方法，在调整工件1的表面粗糙度、控制冷却速度而进行了喷雾冷却的情况下，在温度测定点a、温度测定点b及温度测定点c(固定槽轮部2的内周端部分)之间未观察到较大的差别。即，如图6所示可知，与不调整工件1的表面粗糙度、不控制冷却速度而进行了喷雾冷却时的冷却速度的变动相比，通过调整工件1的表面粗糙度、控制冷却速度而实施喷雾冷却，冷却速度的变动大幅减少。

这样一来，在本发明的热处理方法中，调整工件1的表面粗糙度而控制喷雾冷却时的冷却速度，由此工件1各部之间的冷却速度的变动小，能够均匀地对工件1整体进行冷却。并且，在喷雾冷却时，即热处理的淬火时，能够均匀地对工件1整体进行冷却，由此如图7所示，能够大幅抑制热处理引起的翘曲、变形的发生。因此，能够尺寸精度良好地制作工件1。

在精加工工序(工艺P4)中，如上述那样实施渗碳及淬火后的工件1的精加工。例如，实施前工序中产生的锈的除去、用于确保精加工尺寸的机械加工。如上所述，在本发明的热处理方法中，在热处理的喷雾冷却时，对工件1整体均匀地进行冷却，能够制作出热处理引起的翘曲、变形少的工件1。并且，由于热处理后的工件1的变形小，也可以节省该精加工工序中的精加工。或者与以往相比，精加工时的加工量减少，相应地，能够减少精加工所需的成本。

如上述那样，应用本发明的热处理方法而制造工件1时的成本减少的效果如图8所示。如该图8所示，相对于通过气体冷却进行淬火的以往方法的工件1的制造成本，在通过应用了本发明的热处理方法的喷雾冷却进行了淬火的情况下，能够较大地减少工件1的制造成本。

如以上那样，根据本发明的金属制部件的热处理方法及进行了热处理的金属制部件，通过调整实施热处理的工件1的表面粗糙度，能够控制对该工件1进行喷雾冷却时的冷却速度。即，为了热处理而对工件1的表面进行加工，使得对工件1进行加热时的热量分布的热量大的部位在热处理的前工序中表面粗糙度减小，由此能够加快喷雾冷却时的冷却速度。反之，对工件1的表面进行加工，使得热量分布的热量小的部位在热处理的前工序中表面粗糙度增大，由此能够减慢喷雾冷却时的冷却速度。因此，喷雾冷却用的喷嘴的位置、数量或冷却水的喷射状态等不在冷却设备侧进行调整，而能够控制工件1的冷却速度。其结果是，即使在变更了工件1的大小、形状等的情况下，不用进行冷却设备的调整、变更，而能够容易地通过喷雾冷却进行均匀且适当的冷却。并且，通过喷雾冷却对工件1整体均匀地进行冷却，实施适当的热处理，由此能够制造出热处理引起的翘曲、变形少的工件1。其结果是，能够省略或简化热处理后的精加工，能够大幅削减工件1即本发明的金属制部件的制造成本。