圧力焼入れは、熱処理中に複雑な形状のワークピースの変形を減らすために特別に使用される一種の焼入れプロセスです。 産業用熱処理作業における変形は、多くの独立した要因によって引き起こされます。 これらの要因には、ワークピースの製造に使用される材料の品質と、以前の加工履歴が含まれます。 残留応力分布と以前の熱処理履歴; 焼入れ自体に起因する非平衡熱応力と相転移応力。 これらの要因の結果として、高精度の工作物 (工業用ベアリング リングや自動車のスパイラル ベベル ギアなど) は、拘束されていない、または自由な油焼入れ中に予測できない変形を示すことがよくあります。
圧力焼入れは、特殊なツールを使用して、ワークピースの動きを制限し、ワークピースの変形を最小限に抑えるのに役立つ集中力を作成するために、慎重に制御された方法で行われます。 適切に処理された場合、この焼入れ方法は通常、工業生産仕様で指定された比較的厳しい寸法要件を達成できます。 これは、鉄および非鉄合金で作られたさまざまな複雑なワークピースで一般的に使用されています。 圧力焼入れを使用する一般的な鋼合金には、通常、高炭素浸透焼入れ鋼 (AISI52100 および A2 工具鋼など) および低浸炭炭素鋼 (AISI、8620 および 9310 など) が含まれます。
特に、浸炭炭素鋼は、その機械加工特性と、自動車産業だけでなく、産業用および消費者向け製品のギア駆動装置での人気により、圧力硬化プロセスから恩恵を受けます。 理想的には、焼き入れ中、ワークピースの転移温度は断面全体で均一であるため、転移が均一に発生します。 ただし、浸炭加工品では、マルテンサイト転移温度は断面全体で一定ではありません。 浸炭工程では、部品の表面に拡散した炭素が組成勾配を生じ、表面付近の転移温度に勾配分布が生じます。 焼入れ中、この勾配は、そのようなワークピースの変形問題を促進または悪化させます。 このタイプの変形は、マトリックス材料の微細構造の不均一性によっても引き起こされます (たとえば、著しく偏析した材料)。一般に、大きな開口部を持つベアリング リングなどの大きな薄肉部品は、これらの影響を受けやすくなります。コンパクトな形状の厚くて重い部品よりも変形の問題。 圧力焼入れはこれらの影響を排除しませんが、その使用はそのような変形の問題を最小限に抑えるのに役立ちます.
熱処理プロセス中の変形の程度は、ワークピースに使用される熱処理プロセスの性質に強く依存します。 焼入れ中の変形を最小限に抑えるために、部品の熱放散は可能な限り均一でなければなりません。 ジオメトリが突然変化する場合、これを実現するのは困難です。 たとえば、同じパーツ内で、薄肉セクションが厚肉セクションに隣接しています。 良い例は、大小の歯車の歯です。 大型のギアやピニオンに比べて、歯の体積に対する表面積の比率が大きく、焼き入れ時に「発達」して変形しやすい傾向があります。 このような部品は、自由焼入れまたは拘束されていない焼入れ中に予期しない変形を引き起こす可能性がありますが、歯車の歯のこの特徴的な動きは、圧力焼入れ操作で非常に再現性が高く、焼入れ後の研削量を最小限に抑えるために歯車設計で考慮することができます。 ワークピースが急冷冷却媒体に浸されると、ギアの歯が冷却され、隣接する厚い部分よりも急速に収縮します。 この冷却速度の違いの結果として、ワークピースの薄くて軽い部分は急速に硬化して収縮する傾向があり、ワークピースの残りの部分は膨張したままです。 厚い部品は比較的遅い速度で冷却および収縮するため、厚い部品が結合する場所では、それらの相対的な動きが妨げられます。 その結果、厚い部分の上に薄い部分ができます
それはより急速に発達し、温度勾配と不均一な組織ストレスをもたらします. 圧力焼入れ中、この問題は、より均一な焼入れを促進するために、焼入れクーラントを選択的に厚い部分に向け、薄い部分から遠ざけることによって解決されます。 これは、主に特殊なツールを使用して達成されました。 この重要な対策を採用することで、変形による変形を最小限に抑えることができます。
1.設備
1930 年代初頭、米国の工業生産では、主に自動車 (乗用車やトラックを含む) のリング ギアの加工に焼入れ機が広く使用されるようになりました (図 1)。
▲ 図1 A 64cm (25in) 自動焼き入れ工作機械
注: 1930 年代初頭にニューヨーク州ロチェスターのグリーソン工場で製造されました。 オペレータが仕上げを急冷しています
作動中の大きなスパイラルベベルギアは、下型アセンブリから取り外されます。
これらの機械は、油圧または空圧 (設計に応じて) システムで駆動でき、さまざまな焼入れおよび冷却媒体 (最も一般的には油) を使用できます。 これらのマシンの幾何学的設計とオプション機能は、最初の発明から数十年にわたって大幅に変更されましたが、基本的な機能は同じままです。 最新の焼入れ工作機械の代表的な形状を図 2 に示します。
▲図2 現代的なフォルムのGleason529焼入れ機
全体の設計は、垂直工作機械セクション、コントロール パネル、下型テーブル、ツーリング、ベースなど、いくつかの基本的なコンポーネントで構成されています。 冷却装置は、冷却媒体の温度を特定の狭い範囲内に維持するために使用されます。冷却装置は、別個の機械システムの一部である場合もあれば、複数の冷却装置を同時に接続できる中央容器で使用される場合もあります。 機械の垂直部分には、上部ダイトップロッド、油圧システム分岐バルブボックス、油圧パイプライン、ソレノイドバルブ、およびバルブ、電気パネルコントロールボックスが含まれます。 図 3 に示すように、コントロール パネルには、焼入れサイクル中に調整が必要なさまざまなパフォーマンス パラメータが表示されます。
▲ 図3 コントロール パネルは、典型的な焼入れサイクルを示しています
ループ処理中に調整する必要があるさまざまなパラメーター
ベースは、焼入れ用冷却媒体の油貯蔵タンクとして使用でき、下型アセンブリをサポートすることもできます。 その模式図を図１に示す。 4.
▲ 図4 油溜りから冷却装置への油の流れ、そして焼入れ機への油の流れ
垂直ボディはマシンベースの前面から取り付けられ、急冷するツーリングにワークピースを配置したり、マシンが急冷後に「フェッチ」状態にあるときにワークピースを取り外したりするなど、下型のワークピースに完全にアクセスできます。 .
動作中、急冷されたワークピースは別の炉 (通常は箱型炉、連続回転炉、またはプッシュロッド炉) から手動または自動で取り出され、下型アセンブリの工具に配置されます。 下型アセンブリの全体像を図 5 に示します。
▲ 図5 「取り出し」状態の焼入機下型組立
注: スプリング加圧中央エキスパンダー コーンと独立した溝付きリング
加熱炉から焼入れ機までの輸送設備の効率は、通常、加圧焼入れの重要なパラメータであることに注意する必要があります。 熱損失を最小限に抑えるために、転送時間を最小限に抑える必要があります。 このステップに時間がかかりすぎると、焼入れが遅れて、硬度に関連する問題や望ましくない遷移生成物が発生する可能性があります。 ワークピースが下部ダイ アセンブリに正常に配置された後、機械が作動を開始し、パーツが上部油圧エジェクタ アセンブリの下の中央位置に格納されます。 工作機械の外側の保護は、アセンブリが下降するにつれて減少し、中央のひさしが 6 つ (または複数) の内部エキスパンダーを駆動して、特定の圧力点でワークピースの内径に接触し、これらの位置で真円度を維持します (図 XNUMX)。
▲ 図6 加圧焼入れ工程
A) 圧力焼き入れのために下型アセンブリにホット ギアが配置されます。
B) 中央のエジェクターロッドと上部の内外金型が落下して部品と接触する
C) タイミングサイクルを開始すると、油の流れが焼入れチャンバーと部品の周りに入り始めます
ロッド アセンブリの各コンポーネント (センター エキスパンダー、内側および外側のダイ) は、XNUMX つの個別の比例バルブによって制御され、すべて圧力センサーによって監視および制御されます。 プリセット圧力レベルは、通常、焼入れサイクル全体を通じてエキスパンダーによって維持されます。プログラミング機能を備えた一部の工作機械では、この圧力レベルが焼入れサイクル中に変化する場合があります。 焼入れ工程では、内金型と外金型を下げて、焼入れされたワークピースの上面に接触させ、部品の位置決め、ディッシング、および平面度を制御できます。 クエンチ オイルの流れは、事前に設定および事前編集することができ、ワークピースがクエンチされたときにアクティブ化されます。
図 7 に焼入れ室内に設けた焼入れ油循環経路の一例を示す．
▲ 図7 中央エキスパンダーと急冷プロセス
内外金型と部品の接触模式図
1- 上部金型アセンブリに取り付けられた機械的保護装置
2- 外上型 3- 内上型 4- 焼入れ部品
5- 下部ダイ アセンブリ 6- センター エキスパンダー コーン
矢印線 – 焼入れ時の油の流れの経路
焼入れ油は、下型の外径の周りの開口部を通って焼入れ室に送り込まれます。 ワークの周りのチャンバーが満たされると、焼入れ油が上部から流れ出します。 ツーリングが適切に設計されている場合、焼入れ油流出ワークピースの方向を調整することで、全体的な効果を最大限に高めることができます。 出口の拡張開口部は、部品の要件に応じて、急冷油の流れを制限するように調整することも、完全に開いて最大の流れにすることもできます。 下型は多数の異なる溝付き同心リングで構成されています
回転によって最大流量を得ることができます。また、流れの方向を部品の下部にある焼入れ油に制限することもできます。 焼入れ時に、これらの特性を正確に調整することで、不均一な熱放散による歪みを最小限に抑えることができます。 クエンチング サイクルでは、特定の部品に対して明確に定義されたクエンチング プロセスを確立するために、タイミング セグメントによってクエンチ オイルの流量と持続時間を変更することもできます。
下部ダイ テーブルは通常、ロッドの断面に取り付けられ、油圧または空圧ピストンによって駆動されます。 独立リングを調整するために、下型アセンブリに CAM があります。 CAM を駆動することにより、これらの個々のリングは、必要な部品の形状により適合するようにへこみまたはテーパーが付けられます (図 8 を参照)。急冷されたワークピースとの適切な接触を確立するために、各リングの下にガスケットが必要です。 この構造のもう XNUMX つの利点は、ガスケットを比較的迅速かつ簡単に切断して取り付けることができることです。 部品の適切なサポートは、金型設計が重要な役割を果たす圧力焼入れの重要な側面です。
▲ 図8:
a) ディッシュの制御機構の模式図
下型内輪を上昇させる機構です。
または下げて（締めて）、ディッシング誤差を補正します
b) 実金型組立
このメカニズムの上昇を制御する方法を示します
または、溝付きリング付きの下部独立回転テーブル
油焼入れプロセスは、次の XNUMX つの基本的な段階で構成されます。
1) 蒸気膜の初期段階では、オイルが部品に触れるとすぐに蒸発し、部品の周囲に効果的な断熱層として機能する蒸気バリアを形成します。
2) 蒸気透過段階では、急冷油が蒸気層を通過し、熱伝達速度が速くなります。
3) 対流段階では、主に対流熱伝達によって放熱が行われます。
急冷の初期段階で均一な熱放散を確保するために、急冷媒体の流量は、蒸気膜の形成を防ぐのに十分でなければなりません。 ワークピースの表面を囲む領域に気泡が形成されると、熱放散の不均一性により、許容できない硬度の変化と変形が発生します。 初期焼入れ段階が首尾よく除去されると、焼入れ冷却媒体の流速を減少させることができる。 部品に指定されたクエンチ冷却媒体の最終的な流速分布は、硬度と形状の要件を満たすように慎重に選択する必要があります。 急冷速度が遅すぎると、急冷の遅延、硬度の変化、および望ましくない遷移生成物が発生します。 焼入れ冷却速度が速すぎると、部品が変形したり割れたりします。 通常、焼入れ冷却媒体の適切な流速を決定し、部品の周りの焼入れ冷却媒体の流路を選択するには、テストを繰り返す必要があります。 焼き入れの成功は、通常、機械オペレーターの経験、知識、およびスキルに依存します。
圧力焼入れの平均油温は、焼入れ操作の性質、使用する焼入れ冷却媒体の種類、部品の材料、熱処理後の性能要件などに応じて、ほとんどが 25 ～ 75℃ (75 ～ 165°F) です。 クエンチされた冷却媒体を含む機械のシール リングの損傷を回避するための XNUMX つの方法は、通常、クエンチされた冷却媒体の平均温度が高くなりすぎないようにすることです。
60℃（140°F）。 クエンチオイルバスの適切な定期メンテナンスは重要ですが、圧力クエンチ中に見落とされることが多く、その結果、このようなシステムで処理される材料の硬化に予測できない変化が生じます。 急冷用冷媒の連続使用により、油添加剤が徐々に分解されます。 急冷用冷媒を連続的にろ過しても、時間の経過とともに微粒子が蓄積していきます。 検出されない場合、焼入れ速度が加速され、油焼入れプロセスの完全性が損なわれます。 クエンチングタンク内のクエンチング媒体の粘度、引火点、含水率、沈殿物、沈殿値は、用途に応じて定期的に監視する必要があります。 クエンチされた冷却媒体のテストは、少なくとも四半期に XNUMX 回実施する必要があります。
2. 変形制御因子
一般に、圧力焼入れのプロセスでは、ワークピースの変形に影響を与える基本的な重要な要因は次のとおりです。
1) ワークピースの材料品質と前の処理プロセス。
2) ワークの残留応力分布と予備熱処理工程。
3) 焼入れ操作による熱応力と相転移応力のアンバランス。
4) 使用鋼種とオーステナイト化温度分布。
5) オーステナイト化炉と焼入機間の移動時間。
6) 使用する焼入れ冷却媒体の種類、品質、状態、および温度。
7) ワークピースを流れる急冷冷却媒体の方向と選択性。
8) 異なる流速でのクエンチ時間。
9) 適切な焼入れ金型工具を設計、設置、維持します。
10) ワーク上の圧力点の位置。
11) 加工物の形状を維持するために加えられる圧力の量。
12) パルス。
最後は加圧焼入れならではの性質です。 焼入れ中、変形を最小限に抑えるために、通常、内側と外側の金型にパルスを加えて部品の形状を維持します。 パルス特性は、内側と外側の金型によって加えられる圧力を定期的に緩和し、必要な部品の形状を維持しながら、部品が冷却するにつれて正常に収縮できるようにします。 この機能がないと、金型間の摩擦接触によって応力が発生し、コンポーネントは冷却時に収縮できなくなります。 パルスモードは、摩擦接触を効果的に減らし、偏心や凹凸による変形を避けることができます。 パルス技術が正しく適用されると、金型が部品と接触している間、急冷サイクル全体で圧力が解放され、約 2 秒間隔で再び適用されます。 この方法では、内部モードと外部モードが周期的ですが、エキスパンダーの圧力は一般にパルス化されません。 今日の業界で使用されているほとんどの圧力焼入れ工作機械は、この設計特性を採用していますが、最新の開発ではありません。 何十年もの間、パルス技術は、高い生産性のために設計された半自動圧力焼入れ工作機械の不可欠な部分でした。 これらの半自動工作機械の 9 つの例を図 XNUMX に示します。
▲ 図9 半自動圧力のパルス原理を使用
強制焼入れ工作機械の XNUMX つの位置の概略図
各圧力焼入ワークは、特定の金型設計構造と工作機械の設定に対応する必要があります。 軌道輪や歯車では、多くの場合、断面ダイスを拡張することによって、開口サイズと真円度が維持されます。 ワークピースの開口部が小さすぎてこれらの断面金型をサポートできない場合は、代わりにソリッド プラグを使用して穴の直径とテーパーを制御できます。 プラグは焼入れ後に押し出されます。 現在の金型アセンブリに異なる位置決め面がある場合、これらの位置決め面間の寸法を小さな公差で維持する必要があることが重要です。 この規則に従わないと、矛盾する結果や望ましくない歪みが生じる可能性があります。 金型を拡大するだけでなく、金型を縮小することでも、重要な要素である外径の幾何公差を効果的に維持できます。 薄いスポークが比較的厚い歯車の歯、ボス、およびベアリング直径に接続されている歯車の良い例です。 航空宇宙用途で使用されるギアには、多くの場合、焼入れ時に不均一な収縮を引き起こす可能性のあるいくつかの特性が含まれています。 これは、コンポーネントの外面に圧縮荷重を加えることで効果的に対処できます。
圧力焼入れの誤差は大きくなる可能性があります.Φ、たとえば、230 mm (9 インチ) の真円度誤差を焼入れしない状態で開口部の Φ ギアで 0.025 mm (0.001)、焼入れ後の圧力は通常 0.064 に達する可能性があります。 mm (0.0025 インチ)。 同じギアをプレート上に配置した場合、プレートとギア表面の間の任意の位置に 0.05mm (0.002 インチ) の隙間ゲージ クリアランスを設けることはできません。 Φ 460 mm (Φ 18) のギアでは、ギャップは 0.075 mm (0.003 インチ) 未満である必要があります。上記の要因が適切に処理されている場合 (つまり、高品質の鍛造品を使用する、機械加工前に正しく正規化する、鋭利な工具を使用する、良好な機械加工操作など)、この厳しい誤差要件は通常、圧力焼入れによって達成できます。長さ 40 mm Φ 1020 mm (Φ 200 インチ) の長さの円筒部品であるローラー圧力焼入れ硬化制御 (8) の使用を拡張します。 、シャフト、クランクシャフトの変形。 この技術では、ローラーを使用して、高温の部品がその軸の周りを回転する際に制御された負荷を慎重に適用し、クエンチ チャンバーには流れるクエンチ冷却媒体が満たされます。 図 10 は、この高度に専門化された焼入れ工作機械の典型的なイメージを示しています。
▲ 図10 圧入ロールダイクエンチ工作機械のウォーム図