特開 2024-7214 ワークの加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024007214

(43)【公開日】2024-01-18

(54)【発明の名称】ワークの加工方法

(51)【国際特許分類】

   C21D 8/00 20060101AFI20240111BHJP

   C21D 9/32 20060101ALI20240111BHJP

   B21B 1/16 20060101ALI20240111BHJP

【ＦＩ】

C21D8/00 A

C21D9/32 A

B21B1/16 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022108534

(22)【出願日】2022-07-05

(71)【出願人】

【識別番号】000231350

【氏名又は名称】ジヤトコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】古谷 美佳

(72)【発明者】

【氏名】豊田 宏章

【テーマコード（参考）】

4E002

4K032

4K042

【Ｆターム（参考）】

4E002AC12

4E002BC07

4E002BD07

4E002CB08

4K032BA00

4K032CA01

4K032CA02

4K032CA03

4K032CC04

4K032CD01

4K032CD05

4K042AA18

4K042BA13

4K042CA15

4K042DA06

4K042DB01

4K042DC02

4K042DC05

4K042DD05

4K042DD06

4K042DE03

4K042DE04

4K042DE05

(57)【要約】

【課題】熱間加工後のワークの冷却時間を短縮する。
【解決手段】ワークＷの加工方法は、オーステナイト組成の金属材を第１の温度領域で鍛造または圧延加工し、オーステナイトの結晶粒が小さくなるように再結晶化させて荒地形成する第１工程と、第１工程で再結晶化したオーステナイト組成の金属材を、第１の温度領域よりも低い第２の温度領域で鍛造または圧延加工し、オーステナイトの結晶を更に小さくなるように再結晶化させて成形する第２工程と、第２工程で成形されたオーステナイト組成の金属材を、炉内で、第２の温度領域よりも低い第３の温度領域で、組成がフェライトとパーライトとの混合状態になる冷却速度で冷却する第３工程と、第３工程で冷却されたオーステナイト組成の金属材を炉外に出し、外気で冷却する第４工程と、を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークの加工方法であって、
オーステナイト組成の金属材を第１の温度領域で鍛造または圧延加工し、前記金属材のオーステナイトの結晶粒が小さくなるように再結晶化させて荒地形成する第１工程と、
前記第１工程で再結晶化した前記金属材を、前記第１の温度領域よりも低い第２の温度領域で鍛造または圧延加工し、前記金属材のオーステナイトの結晶粒を更に小さくなるように再結晶化させて成形する第２工程と、
前記第２工程で成形された前記金属材を、炉内で、前記第２の温度領域よりも低い第３の温度領域で、組成がフェライトとパーライトとの混合状態になる冷却速度で冷却する第３工程と、
前記第３工程で冷却された前記金属材を炉外に出し、外気で冷却する第４工程と、を有するワークの加工方法。

【請求項2】

請求項１に記載されたワークの加工方法であって、
前記金属材は、機械用構造用鋼であるワークの加工方法。

【請求項3】

請求項２に記載されたワークの加工方法であって、
前記第１の温度領域は、１１００℃から１３００℃の範囲であり、
前記第２の温度領域は、１０００℃から１２００℃の範囲であり、
前記第３の温度領域は、５５０℃から７５０℃の範囲であるワークの加工方法。

【請求項4】

請求項３に記載されたワークの加工方法であって、
前記機械用構造用鋼は、ＳＣＲ４２０Ｈであって、
前記炉内での冷却速度は、約２５℃／ｍｉｎであるワークの加工方法。

【請求項5】

請求項３に記載されたワークの加工方法であって、
前記機械用構造用鋼は、ＳＣＭ４２０Ｈであって、
前記炉内での冷却速度は、約１３℃／ｍｉｎであるワークの加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワークの加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、変態点以上の温度に加熱された高焼入性鋼鋼材（ばね材など）を冷却する冷却方法が開示されている。具体的には、特許文献１に記載された発明では、熱間圧延を終えた８００℃の鋼材（1C-0.25Si-1.2Mn-0.35Cr-0.12Mo-0.45W）を冷却装置の冷却室に搬入し、冷却室に設けられた通気孔の開口度を調整して７５０～５００℃の間を６．０℃／分の冷却速度で冷却している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－２６００５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された冷却方法では、７５０～５００℃の間を６．０℃／分の冷却速度で冷却しているため、少なくとも４０分以上の冷却時間が必要になる。このため、加工時間短縮のため、冷却時間の短縮が求められていた。

【0005】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、熱間加工後のワークの冷却時間を短縮することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によれば、ワークの加工方法であって、オーステナイト組成の金属材を第１の温度領域で鍛造または圧延加工し、オーステナイトの結晶粒が小さくなるように再結晶化させて荒地形成する第１工程と、第１工程で再結晶化したオーステナイト組成の金属材を、第１の温度領域よりも低い第２の温度領域で鍛造または圧延加工し、オーステナイトの結晶を更に小さくなるように再結晶化させて成形する第２工程と、第２工程で成形されたオーステナイト組成の金属材を、炉内で、第２の温度領域よりも低い第３の温度領域で、組成がフェライトとパーライトとの混合状態になる冷却速度で冷却する第３工程と、第３工程で冷却されたオーステナイト組成の金属材を炉外に出し、外気で冷却する第４工程と、を有するワークの加工方法が提供される。

【発明の効果】

【0007】

この態様によれば、熱間加工後のワークの冷却時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本実施形態に係るワークの加工方法の流れを示すフローチャートである。

【図2】図２は、本実施形態に係るワークの形状の変化を示す図である。

【図3】図３は、本実施形態に係るワークの加工方法における温度変化を説明するためのである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

【0010】

本実施形態におけるワークＷは、例えば、車両に搭載される動力伝達機構を構成する歯車である。ワークＷは、例えば、機械構造用合金鋼などの金属材、具体的には、クロム鋼鋼材（ＳＣＲ）やクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ）などによって形成される。より具体的には、ワークＷは、ＳＣＲ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈといった材料によって形成される。

【0011】

まず、図１及び図２を参照して、ワークＷの加工方法について説明する。図１は、本実施形態に係るワークＷの加工方法の流れを示すフローチャートである。図２は、本実施形態に係るワークＷの形状の変化を示す図である。

【0012】

図１に示すように、本実施形態のワークＷは、加熱工程（ステップＳ１）、熱間鍛造工程（ステップＳ２）、熱間圧延工程（ステップＳ３）、トリム工程（ステップＳ４）、制御冷却工程（ステップＳ５）、及び自然冷却工程（ステップＳ６）の順に加工される。なお、本実施形態では、ワークＷは、以下で説明する、素材、予備成形品、及び成形品（図２参照）の全ての形態を意味する。また、以下で述べる温度は、ワークＷの温度である。本実施形態のワークＷの温度は、肉厚がさほどないため、表面温度であってもよい。

【0013】

まず、ステップＳ１（加熱工程）において、所定の大きさに切断された機械構造用合金鋼からなる金属材Ｓ（素材）を加熱する。金属材Ｓ（素材）は、例えば、誘導加熱によって、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）まで加熱される。金属材Ｓの温度が、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）に達すると、ステップＳ２（熱間鍛造工程）に進む。

【0014】

ステップＳ２（熱間鍛造工程）では、複数回の工程に分けて（例えば、２～３回）鍛造を行い、荒地形成する（予備成形品（図２参照）を加工する）。このとき、金属材Ｓが、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）まで加熱されているので、金属材Ｓのオーステナイトの結晶粒は、結晶粒の大きさが小さくなるように再結晶化される。なお、この熱間鍛造工程は、特許請求の範囲における「第１工程」に相当する。

【0015】

ステップＳ３（熱間圧延工程）では、ステップＳ２（熱間鍛造工程）で加工された金属材Ｓ（予備成形品）に対して、圧延加工を施す。ステップＳ３（熱間圧延工程）では、金属材Ｓの温度が、ステップＳ２（熱間鍛造工程）での温度よりも、低い値、具体的には、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）よりも低い第２の温度領域（１０００℃～１２００℃）内にある時に、圧延加工を行う。本実施形態のステップＳ３（熱間圧延工程）では、例えば、ローリングミルを使用して、金属材Ｓ（予備成形品）を拡径する（図２の「成形品」参照）。なお、この熱間圧延工程は、特許請求の範囲における「第２工程」に相当する。

【0016】

また、このとき、金属材Ｓのオーステナイトの結晶粒は、結晶粒の大きさが、ステップＳ３（熱間圧延工程）での加工前に対し、さらに小さくなるように再結晶化される。なお、このような、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）より低い第２の温度領域（１０００℃～１２００℃）で、圧延加工を行うことにより、金属材Ｓ（成形品）に、ベイナイトが発生することを防止できる。

【0017】

ステップＳ４（トリム工程）では、ステップＳ３（熱間圧延工程）で加工された金属材Ｓのバリなどを削除する。バリなどが削除された金属材Ｓ（成形品）は、炉（図示せず）に送られる。

【0018】

ステップＳ５（制御冷却工程）では、所定の温度領域において、金属材Ｓ（成形品）の組成がフェライトとパーライトとの混合状態になる冷却速度で冷却する。具体的には、ステップＳ５（制御冷却工程）では、第２の温度領域（１０００℃～１２００℃）よりも低い第３の温度領域（５５０℃～７５０℃）において、金属材Ｓ（成形品）を所定の冷却速度で冷却する。冷却速度は、金属材Ｓの材質によって異なり、例えば、金属材ＳがＳＣＲ４２０Ｈで構成される場合には、約２５℃／ｍｉｎ程度、金属材ＳがＳＣＭ４２０Ｈで構成される場合には、約１３℃／ｍｉｎ程度に設定される。

【0019】

ステップＳ５（制御冷却工程）では、金属材Ｓ（成形品）は、炉内において冷却される。金属材Ｓ（成形品）の入炉温度、つまり、制御冷却工程が開始される時点での金属材Ｓ（成形品）の温度は、６５０℃～７５０℃程度である。また、金属材Ｓ（成形品）の出炉温度、つまり、制御冷却工程が終了する時点での金属材Ｓ（成形品）の温度は、５５０℃～６５０℃程度である。金属材Ｓ（成形品）は、制御冷却工程を経ることにより、フェライトとパーライトとの混合状態になる。

【0020】

ステップＳ６（自然冷却工程）では、炉外に出された金属材Ｓ（成形品）を自然冷却する。なお、このとき、ファンなどを用いて強制的に冷却してもよい。

【0021】

次に、本実施形態の加工方法におけるワークＷの温度変化を、図３に示す一例を参照しながら具体的に説明する。なお、図３に示す各工程は、図２に示す各工程に対応している。

【0022】

まず、所定の大きさ金属材Ｓ（素材）を加熱する。そして、金属材Ｓ（素材）の温度が約１２５０℃に達すると（時刻ｔ１）、熱間鍛造加工を開始する。

【0023】

熱間鍛造加工が終了すると（時刻ｔ２）、金属材Ｓ（予備成形品）の温度は、約１１００℃程度まで低下している。この温度のまま、熱間圧延加工を開始する。なお、熱間鍛造工程では、金属材Ｓのオーステナイトの結晶粒は、結晶粒の大きさが小さくなるように再結晶化される。

【0024】

熱間圧延加工が終了すると（時刻ｔ３）、トリム工程を開始する。なお、熱間圧延工程では、金属材Ｓ（成形品）のオーステナイトの結晶粒は、結晶粒の大きさが、熱間圧延加工前に比べて、さらに小さくなるように再結晶化される。

【0025】

トリム工程が終了し（時刻ｔ４）、金属材Ｓ（成形品）の温度が７００℃程度になると、金属材Ｓ（成形品）を炉内に入れ、制御冷却工程を開始する。

【0026】

上述のように、制御冷却工程では、所定の冷却速度で所定の温度（図３では６００℃）程度まで冷却する。金属材Ｓ（成形品）の温度が、所定の温度（図３では６００℃）まで低下すると、制御冷却工程を終了する（時刻ｔ５）。

【0027】

制御冷却工程が終了すると（時刻ｔ５）、金属材Ｓ（ワークＷ）を炉内から取り出し、外気で自然冷却する。

【0028】

このように、本実施形態のワークＷの加工方法によれば、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）で熱間鍛造工程を行い、第１の温度領域（１１００℃～１３００℃）よりも低い第２の温度領域（１０００℃～１２００℃）で熱間圧延工程を行っている。これにより、金属材Ｓにおけるオーステナイトの結晶粒を小さくなるように再結晶化させることができる。そして、オーステナイトの結晶粒が小さくなっているので、制御冷却工程において、金属材Ｓを所定の冷却速度で冷却することで、短時間（最長で１５分程度）でフェライトとパーライトとの混合状態にすることができる。つまり、本実施形態の加工方法によれば、熱間加工後のワークＷの冷却時間を短縮することができる。

【0029】

また、本実施形態のワークＷの加工方法によれば、ワークＷの冷却時間が短くなるので、ワークＷの冷却するための炉の滞在時間が短くなる。これにより、入炉させるワークＷの数量を少なくできるので、炉を小型化することができるとともに、省エネ化が可能となる。

【0030】

さらに、本実施形態のワークＷの加工方法によれば、ワークＷの冷却時間が短くなることにより、入炉中に発生するワークＷの表面に生じる酸化スケールの量が減少する。これにより、ワークＷの酸化スケールを除去するためのショットブラスト工程が短縮できる。あるいは、ショットブラスト工程自体を廃止することができる。この結果、ワークＷの加工にかかる作業時間を短縮することができる。

【0031】

なお、上記実施形態では、ステップＳ２で行われる加工として、熱間鍛造加工（熱間鍛造工程）を例に説明したが、これに換えて、ステップＳ２で行われる加工として、熱間圧延加工を行ってもよい。

【0032】

また、上記実施形態では、ステップＳ３で行われる加工として、熱間圧延加工（熱間圧延工程）を例に説明したが、これに換えて、熱間鍛造加工を行ってもよい。

【0033】

上記実施形態における加工方法において、各工程に係る温度は、必ずしもワークＷ自体の温度を測定して行う必要はない。例えば、実験などにより、各温度に到達する時間をあらかじめ測定しておき、測定した時間に基づいて、各工程を行うようにしてもよい。

【0034】

以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

【0035】

（１）ワークＷの加工方法は、オーステナイト組成の金属材Ｓを第１の温度領域で鍛造または圧延加工し、金属材Ｓのオーステナイトの結晶粒が小さくなるように再結晶化させて荒地形成する第１工程（熱間鍛造工程）と、第１工程（熱間鍛造工程）で再結晶化した金属材Ｓを、第１の温度領域よりも低い第２の温度領域で鍛造または圧延加工し、金属材Ｓのオーステナイトの結晶粒を更に小さくなるように再結晶化させて成形する第２工程（熱間圧延工程）と、第２工程（熱間圧延工程）で成形された金属材Ｓを、炉内で、第２の温度領域よりも低い第３の温度領域で、組成がフェライトとパーライトとの混合状態になる冷却速度で冷却する第３工程（制御冷却工程）と、第３工程（制御冷却工程）で冷却された金属材Ｓを炉外に出し、外気で冷却する第４工程（自然冷却工程）と、を有する。

【0036】

この構成では、第１の温度領域で第１工程（熱間鍛造工程）を行うとともに、第２の温度領域で第２工程（熱間圧延工程）を行うことにより、金属材Ｓにおけるオーステナイトの結晶粒が小さくなるように再結晶化される。これにより、第３工程（制御冷却工程）において、金属材Ｓを所定の冷却速度で冷却することで、短時間でフェライトとパーライトとの混合状態にすることができる。つまり、本実施形態の加工方法によれば、熱間加工後のワークＷの冷却時間を短縮することができる。

【0037】

（２）ワークＷの加工方法では、オーステナイト組成の金属材Ｓは、機械用構造用鋼である。

【0038】

金属材Ｓが、機械用構造用鋼である場合にも、上記加工方法を適用できる。

【0039】

（３）ワークＷの加工方法では、第１の温度領域は、１１００℃から１３００℃の範囲であり、第２の温度領域は、１０００℃から１２００℃の範囲であり、第３の温度領域は、５５０℃から７５０℃の範囲である。

【0040】

このような温度範囲とすることにより、オーステナイトの結晶粒の大きさが、小さくなるように再結晶化されるとともに、ベイナイトの出現を防止できる。

【0041】

（４）ワークＷの加工方法では、機械用構造用鋼は、ＳＣＲ４２０Ｈであって、炉内での冷却速度は、約２５℃／ｍｉｎである。

【0042】

ワークＷが、ＳＣＲ４２０Ｈで構成する場合には、冷却速度を約２５℃／ｍｉｎとすることで、冷却時間を短縮することができる。

【0043】

（５）ワークＷの加工方法では、機械用構造用鋼は、ＳＣＭ４２０Ｈであって、炉内での冷却速度は、約１３℃／ｍｉｎである。

【0044】

ワークＷが、ＳＣＭ４２０Ｈで構成する場合には、冷却速度を約１３℃／ｍｉｎとすることで、冷却時間を短縮することができる。

【0045】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0046】

上記実施形態では、ワークＷが車両に搭載される減速機の動力伝達を構成する歯車である場合を例に説明したが、これに限らず、上記実施形態の加工方法は、どのような用途の部品にも適用できる。

【符号の説明】

【0047】

Ｗ・・・ワーク
Ｓ・・・金属材

【図1】

【図2】

【図3】