机械构造用钢一般来讲，通常是通过热锻、亚热锻或温锻而成形 为规定形状后，进行利用切削加工的精加工来进行制造。作为这种构 件的制造工序，例如在专利文献1中公开了一种锻造生产工序的代表 工艺，即，将材料进行剪裁，然后加热后，通过锻造工序成形，根据 需要进行热处理的工艺。
但是，近年来，对上述用途的制品而言，期望针对作为其应用位 置的上述构件的轻量化所期望的小型化、薄壁化的实现，提高疲劳强 度。在这点上，在专利文献1中公开了一种高疲劳强度热锻构件的制 造方法，即，在热锻后将构件整体淬火，进而通过回火处理对基质进 行析出强化。
此外，在专利文献2中公开了一种在热锻后消除锻造品整体的冷 却速度不均，对整体的冷却速度进行控制的冷却装置。
然而，专利文献1中记载的方法，由于在热锻后对构件本身直接 冷却，因此构件整体的强度上升，对于不要求疲劳强度的部位也进行 不必要的高强度化。原材料的强度和加工性是相反的，因此对疲劳特 性不成问题的部位也进行高强度化就会牺牲加工性。即，上述用途的 机械构造用构件，在经热锻而赋予大致的制品形状后，该热锻构件的 表层通常是整面地实施进行切削的精加工来制造。因此，在这种机械 构造构件的制造过程中，切削加工和表面研磨是不可或缺的，然而构 件整体的硬度提高时，被削性的降低必然会成为较大问题。
此外，作为实现该方法的制造设备，为了进行析出强化处理而另 行进行回火处理的加热设备是必需的，因此从节省能量的观点出发也 是不优选的。
其次，在专利文献2中记载的技术也同样，为了对操作整体的冷 却速度进行控制，切削性的降低成为很大问题。
专利文献1：日本专利第3100492号公报
专利文献2：日本专利第2936198号公报

鉴于上述情况，要想提供一种由于锻造品的轻量化、紧凑化导致 的发生应力的增大而不仅要求疲劳强度比现有技术中得到的锻造品的 疲劳强度高，而且疲劳强度不是必需的部分自不必说，对于其以外的 部分在热锻后实施切削加工时的被削性也良好、能够容易地进行精加 工的、疲劳强度以及冷加工性优良的热锻构件，此时使用上述专利文 献1或2中记载的设备是难以实现的。
尤其是，以汽车的轮毂为代表的具有凸缘的轴构件，在其使用状 态下反复的负荷对凸缘的根部，即，凸缘和轴部的边界区域施加地最 大，因此提高该边界区域的疲劳强度最为有效。另一方面，这种构件 也是经热锻、亚热锻或温锻而粗成形为构件形状后，实施切削等冷加 工而制成最终制品，因此在热锻后要求冷加工性。当然，对凸缘部也 实施冷加工。对于对疲劳强度不作特殊要求的凸缘部，与其要求高强 度化不如提高冷加工性更为有益。尤其是，上述的汽车的轮毂，通常 是构件几乎整面被车削加工，尤其是对凸缘部利用切削实施螺栓孔的 穿孔，因此从提高切削刀刃寿命的观点出发，使凸缘部的冷加工提高 特别有效。
因此，本发明的目的在于提供一种在通过对钢原材料进行热锻而 制造具有凸缘部的轴构件时使用的、能够提高凸缘部和轴部的边界部 的疲劳强度，且能够对凸缘部赋予良好的冷加工性的热锻构件的冷却 方法及其装置、以及热锻构件的制造方法。
本发明人得到如下见解，在通过热锻制造具有凸缘部的轴构件时， 在成形为具有凸缘部和轴部的形状后，通过对凸缘部和轴部的边界部 局部地冷却，可以获得具有疲劳特性优良的边界部和冷加工性优良的 凸缘部的热锻构件。例如，在将凸缘部和轴部的边界部局部地冷却并 淬火时，在淬火后，从凸缘部等非局部冷却区域因回热而产生自身回 火作用，得到疲劳强度优良的边界部和冷加工性优良的凸缘部。
此外，在粗成形为具有凸缘部和轴部的形状后，将凸缘部和轴部 的边界部局部地冷却，使边界部的温度低于凸缘部的温度，进而实施 锻造，由此使边界部的钢组织比其他部分的钢组织更微细化、高强度 化，结果可以获得疲劳强度优良的边界部和冷加工性优良的凸缘部。
这里，在对所述边界部进行冷却时，使凸缘部保持高温的状态， 对于保持凸缘部的冷加工性是很重要的。而且，在将凸缘部保持高温 的状态下，作为对边界部有效地冷却的方法，发现如下方法从而完成 了本发明，即，若使轴部保持以其轴方向为上下方向，并从凸缘部的 下侧对边界部喷吹致冷剂，则致冷剂在接触到边界部后流落到下侧， 在凸缘部没有致冷剂流动。
即，本发明的主要构成如下所示。
(1)一种热锻构件的冷却方法，其特征在于，在对具有凸缘部和 轴部的热锻构件进行冷却时，在该热锻构件的热锻过程中或者热锻后， 将所述轴部的轴方向作为上下方向对热锻构件进行支承，从所述凸缘 部的下侧对凸缘部和轴部的边界部局部地喷吹致冷剂。
(2)一种热锻构件的冷却装置，对具有凸缘部和轴部的热锻构件 进行冷却，其特征在于，具有：支承部，将该热锻构件的轴部作为上 下方向进行支承；以及冷却喷嘴，配置在由该支承部支承的热锻构件 的所述凸缘部下侧，对该凸缘部和轴部的边界部喷吹致冷剂的。
(3)根据上述(2)所述的热锻构件的冷却装置，其特征在于， 所述冷却喷嘴能从热锻构件的圆周方向的多处进行所述喷吹。
(4)根据上述(3)所述的热锻构件的冷却装置，其特征在于， 所述冷却喷嘴排列成以所述轴部为中心轴的环状。
(5)根据上述(2)所述的热锻构件的冷却装置，其特征在于， 所述冷却喷嘴，将形成为以所述热锻构件的轴部为中心轴的环状的、1 条或2条以上的狭缝作为所述致冷剂的喷射口。
(6)根据上述(2)～(5)中任一项所述的热锻构件的冷却装置， 其特征在于，所述支承部能以所述轴部为中心轴来旋转地支承所述热 锻构件。
(7)一种热锻构件的制造方法，其特征在于，对钢原材料实施热 锻，成形为具有凸缘部和轴部的构件，以所述轴部的轴方向作为上下 方向对该成形后的构件进行支承，从所述凸缘部的下侧对凸缘部和轴 部的边界部喷吹致冷剂，将该边界部局部地冷却。
而且，本发明中所述的热锻是指加热到800℃以上进行锻造的工 序。
根据本发明，在通过热锻制造具有凸缘部和轴部的构件时，可以 制造凸缘部和轴部的边界部具有高的疲劳强度、且凸缘部具有良好的 冷加工性的构件。
附图说明
图1是表示热锻设备的构成的图。
图2a、图2b、图2c、图2d是表示热锻顺序的工序图。
图3是表示本发明的冷却装置的第一实施方式的立体图。
图4是表示本发明的冷却装置的第一实施方式的平面图。
图5是表示本发明的冷却装置的第一实施方式的剖面图。
图6是表示本发明的冷却装置的第二实施方式的剖面图。
图7a、图7b是表示本发明的冷却装置的第三实施方式的图，图 7a是立体图，图7b是剖面图。
图8是表示本发明的冷却装置的第四实施方式的剖面图。
图9是表示本发明的冷却装置的第五实施方式的剖面图。
图10是本发明的冷却装置的其他实施方式的立体图。
图11a、图11b是说明比较例的冷却装置的示意图。
图中标号的含义如下。
1加热炉
2钢原材料
3搬运线
4热锻机
5冷却装置
6台座
6a台座的空心部
6b支承面
7冷却喷嘴
7a冷却水的喷出口
8冷却喷嘴
8a冷却喷嘴的喷出口
9流量计
10流量调节阀
20锻造品
22轴部
21凸缘部
20a凸缘和轴部之间的边界部(凸缘根部)
20b锻造品的空心部
20c锻造品的内表面侧凸缘根部
A锻造品的中心轴
D冷却水的喷吹方向

首先，为了获得疲劳强度和冷加工性优良的热锻构件，优选通过 热锻后的部分冷却，在锻造品的特别要求疲劳强度的部位导入硬化部， 除此之外制成非硬化部，尤其是表面的所述硬化部的维氏硬度V1和所 述非硬化部的维氏硬度V2满足下式。
(V1-V2)/V2≥0.1
即，(V1-V2)/V2的值小于0.1时，硬化部的强度上升小，无法获 得足够的疲劳强度的提高效果。另外，为了增大(V1-V2)/V2的值，在 热锻后，首先将构件整体作为非硬化部(不实施淬火)，然后仅对要求 疲劳强度的部位实施高频淬火等，以往虽然也进行了上述操作，但是 此时，在热锻后需要另行实施淬火的工序，因此对于热锻后处于高温 的构件，通过部分冷却而实施淬火或者在热锻工序的中途阶段实施部 分冷却将钢组织微细化的本发明的技术，从省略工序的观点出发是有 益的。
此外，在热锻后通过另行实施的淬火工序实施部分淬火的情况下， 表示硬化部相对于非硬化部的硬度上升率的所述(V1-V2)/V2的值变得 非常大，但是如本发明那样热锻后立即或者在中途阶段经部分冷却而 形成硬化部的情况下，(V1-V2)/V2的值即使是最大也在0.8以下左右。 对于硬化部而言，由于实施通常的精加工，因此优选硬化部的硬度不 过高的，从这种意义来讲本发明的技术也是有益的。
接着，对(V1-V2)/V2为0.1～0.8的热锻和之后的冷却条件的一例 进行说明。
这种构件的制造一般来讲，在将钢原材料加热后导入热锻机中实 施热锻，将如此得到的锻造品以20℃/s以上的速度在Ac3点以上、 Ac1-150℃以下进行冷却，部分地进行冷却处理。即，通过将热锻后要 求高疲劳强度的部位以20℃/s以上的冷却速度在Ac3点以上、Ac1-150℃ 以下进行冷却，可以抑制冷却中的铁素体生成，并且可以将组织制成 马氏体和/或贝氏体。
这里，在Ac3点以上、Ac1-150℃以下的温度范围内进行热锻后的 部分冷却，是由于冷却后为了获得足够的回热效果，从Ac3点以上开 始的冷却是不可或缺的，而冷却到Ac1-150℃以下则是为了抑制铁素体 的生成。
之后，利用基于该构件所保有的热量的回热，在超过Ac1点的温 度区域连续地使其回火是很重要的。即，这是由于利用回热的回火温 度超过Ac1点时，经部分淬火而形成的组织再次成为奥氏体，在之后的 冷却过程中，会成为铁素体-珠光体组织。为了防止这种情况，在未超 过Ac1点的温度区域使其回火是很重要的。
这样，为了获得疲劳强度以及冷加工性优良的热锻构件，适当地 进行热锻后的部分冷却是有效的。根据图1所示对此用途的热锻设备 的例子进行详细说明。
即，在图1中，标号1是对钢原材料进行加热的加热炉，在该加 热炉1的输出侧延伸出的、加热后的钢原材料2的搬运线3上配置热 锻机4，进而，在沿着热锻机4的输出侧的搬运线3的位置上设置部分 冷却装置5。
加热后的钢原材料2在热锻机4中，被模锻成所期望的形状。然 后，如例如图2a、图2b、图2c、图2d所示，在制成具有凸缘部21和 轴部22的构件的情况下，将图2a所示的钢原材料2在热锻机4中，依 照图2b、图2c、图2d中所示的工序，成形为精加工前的具有制品形状 的锻造品20。
接着，在设置于热锻机4的输出侧的部分冷却装置5中，锻造品 20的特定部分被施以冷却。
而且，图1所示的例子，虽然是热锻后实施部分冷却时的生产线 布局，但是在热锻工艺中，也可以使用部分冷却装置5进行部分冷却。
如图2a、图2b、图2c、图2d所示，本发明摘录介绍了用于对具 有凸缘部21和轴部22的热锻构件20的凸缘根部，即，对凸缘部21 和轴部22的边界部20a喷吹致冷剂例如喷吹冷却液，从而对边界部20a 进行局部地冷却的部分冷却装置5，是特别优选的冷却方法及冷却装 置。
图3、图4和图5是说明本发明的冷却装置的示意图。图3表示 冷却装置的立体图，图4表示同一冷却装置的平面图，图5表示图4 中的B-B’剖面图，并且，在图5中示出了将锻造品20安装于冷却装置 上的状态。
该冷却装置5具有承载锻造品20的台座6和喷吹冷却水的冷却喷 嘴7。台座6起到支承部的作用，以使得轴部22的中心轴A的方向为 上下方向(铅直方向)的方式从下侧支承锻造品20的轴部22的下端。此 外，冷却喷嘴7，将管形成为环状，沿着环的圆周方向排列有多个冷却 水喷出口7a。即，可以从热锻构件的圆周方向的多个位置进行冷却水 的喷吹。并且，环的中心轴以与锻造品的轴部22的轴A一致的方式构 成。进而，在将锻造品20承载于台座6上的状态下，调整冷却喷嘴7 的位置以使其配置于锻造品20的凸缘部21的下侧，而且，以冷却水 的喷出方向D朝着凸缘21的根部，即，朝着凸缘部21和轴部22的边 界部20a(以下称为凸缘的根部20a)的方式，设定喷出口的穿孔方向。
这样，通过构成台座6和冷却喷嘴7，可以将冷却的部位局限于 凸缘的根部20a的附近(图中所示格子状的阴影区域)，而且，向锻造 品20的边界部20a喷吹的冷却水，在与边界部20a接触后，向下方流 下。因此，在与边界部20a接触后，回流到凸缘部21的冷却水量减少， 可以防止凸缘部被冷却。
此外，构成支承部的台座6，优选能以锻造品20的轴A为中心旋 转地支承锻造品20。通过如此构成，在对边界部20a进行冷却时，可 以使锻造品的圆周方向的冷却的均匀性增加。进而，即使不使冷却喷 嘴7从圆周方向的多个位置喷吹冷却水，也可以根据锻造品的尺寸、 来自冷却喷嘴7的冷却水量，实现从一个位置的冷却和凸缘根部的冷 却。这里，图6是表示台座6可以旋转地支承锻造品20的冷却装置构 成的示意图。承载锻造品20的台座6，以利用发动机13可以旋转驱动 地构成，成为旋转台座。对于环状的冷却喷嘴7而言，与图3、图4和 图5所示的结构是相同的。冷却喷嘴7与冷却水供给管12连接，在冷 却水供给管上设置有用于供给冷却水的升压泵11、用于控制喷出量的 流量调节阀10以及用于监视流量的流量计9。向锻造品的凸缘部21和 轴部22的边界部20a喷吹的冷却水，在将边界部20a冷却后，如虚线 箭头所示，向下方流下。
此外，如图7a、图7b所示，当为锻造品20的轴部22在直到轴方 向的凸缘位置附近形成空心部20b的锻造品时，通过从空心部20b侧 对凸缘部22a的内表面侧根部20c进行冷却，可以使凸缘部根部的冷却 能力进一步提高。图7a、图7b示出其例，图7a示出立体图，图7b示 出从侧面看的剖面图。
图7a、图7b中示出的实施方式，相对于图3～5示出的实施方式而 言，进一步设置了从空心部20b侧对内表面侧根部20c喷吹冷却水的喷 嘴8。台座6不仅确保能够支承锻造品20的面(支承面)6b，而且在 其轴周边设置有空心部6a。空心部6a是如下设定的，喷嘴8插入其中， 且为了使从喷嘴8喷吹的冷却水不滞留于锻造品20的空心部20b内而 流出而设定具有足够的空间。喷嘴8的多个冷却水喷射口8a以沿着以 轴A为中心的圆排列的方式设置。冷却水向喷射口8a的供给，借助穿 过台座6的空心部6a并与其连接的冷却水供给管8b来进行的。喷射口 8a以冷却水的喷吹方向D’面向凸缘部的根部20a的内表面侧而设置。 这些喷射口8a从轴部的内表面侧构成用于冷却凸缘的根部20a的内表 面20c的冷却喷嘴8。在本实施方式中，从轴部20的外表面侧利用冷 却喷嘴7对凸缘部的根部20a进行冷却，从轴部20的内表面侧利用喷 嘴8对凸缘部的根部20a进行冷却，因此对根部20a的局部冷却能力提 高。
图8进一步示出在图7a、图7b中示出的实施方式中，台座6可以 旋转地支承锻造品20的例子。即，台座6可以将旋转中心与锻造品20 的中心轴A一并旋转地支承。台座6可以利用驱动装置(未图示)旋 转驱动。喷嘴8的构成与图8中示出的喷嘴8的结构相同，因此省略 说明。
在图8所示的实施方式中，从轴部20的外表面侧利用冷却喷嘴7 对凸缘部的根部20a进行冷却，从轴部20的内表面侧利用冷却喷嘴8 对凸缘部的根部20a进行冷却，因此，对根部20a的局部冷却能力提高， 进而，通过使台座6旋转，使锻造品20不断地旋转而进行冷却，因此 可以使根部的冷却在圆周方向均一地进行。
进而，图9是表示采用狭缝状的冷却喷嘴70作为冷却喷嘴的实施 方式的剖面图。而且，冷却喷嘴70以外的构成，与图7a、图7b所示 的结构为同一结构，因此省略图示或说明。
喷嘴70以锻造品20和台座6的中心轴A为轴，台座6和成为包 围台座6所支承的锻造品20的形状的环状体71，在使台座6支承锻造 品时，配置在凸缘部的下侧。环状体71在其内部形成有与该环状体同 心的环状冷却水路72。并且，通过设置来自环状冷却水路72与环状体 71内表面连接的环状狭缝73，该环状狭缝73形成冷却水的喷射口。 环状狭缝73，以喷吹的冷却水如箭头D所示朝着锻造品20的凸缘根 部20a的方式构成。
这样一来，在使用狭缝状的喷嘴作为冷却喷嘴时，喷吹的冷却水 注也呈环状连续，因此可以进一步提高在进行局部冷却时圆周方向的 冷却均匀性。
而且，在图9的例子中，示出了环状狭缝仅为一条的例子，但是 可以增加狭缝的条数而使冷却能力增加，或者也可以在可以冷却的区 域具有宽度。
另外，对凸缘部和轴部的边界部喷吹冷却水的喷嘴形状，是使上 述多个孔穴(喷射口)以环状排列的形状，不限于狭缝状，例如也可 以图10所示，多个冷却喷嘴74在凸缘的下侧排列成与锻造品的轴相 同的同心圆环状。
此外，在上述的实施方式中，示出了从冷却喷嘴喷吹作为致冷剂 的冷却水的例子，但是致冷剂不限于水，可以使用适当配合淬火液 (quenchant)等调整冷却能力的冷却液。
实施例1
将表1所示的化学成分组成的钢在真空熔炼炉中熔炼，铸成100kg 的钢锭。接着，将钢锭通过热锻制成65mmφ的棒钢，然后导入图1所 示的热锻设备中。
首先，将该棒钢在加热炉1中加热到1200℃后，在热锻机4中实 施如图2b、图2c、图2d所示的三阶段的热锻，成形为图2d所示的具 有凸缘的热锻构件20。热锻构件的凸缘根部的轴部直径为80mm。将 该锻造品20立即搬入冷却装置中，通过喷吹流量25l/分钟的冷却水对 凸缘根部(凸缘部和轴部的边界部)20a进行局部的部分冷却后，放冷。 此时，作为冷却装置，发明例1使用图6所示的冷却装置5，发明例2 使用图8所示的冷却装置5，发明例3使用图9所示的冷却装置5。
此外，也同样进行了：作为比较例1，如图11a所示，将锻造品的 轴部上下地支承，从上侧对凸缘的根部进行冷却；以及作为比较例2， 如图11b所示，将锻造品的轴部水平方向地支承，利用配置在凸缘的 横侧的喷嘴对凸缘的根部进行冷却。进而，也利用以往通常使用的热 锻、空冷工艺(以往例1)、和热锻-整体淬火回火工艺(以往例2)制 作锻造品。在热锻-整体淬火回火工艺(以往例2)中，整体淬火后， 进行回火温度600℃×1小时的回火处理。热锻时的温度条件、冷却条 件示于表2。
而且，冷却喷嘴的形状，在发明例1和2、比较例1和2中，使 内径23mmφ、外径27.2mmφ的管形成为内径120mm的环状，使60个 孔径1mmφ的孔穴(冷却水的喷射口)沿着环的圆周方向等间距排列。 喷射口与锻造品的凸缘根部之间的距离为30mm。用于冷却发明例2中 的内表面侧根部20c的冷却喷嘴8，使40个孔径1mmφ的孔穴(冷却 水的喷射口)在直径35mm的圆周上等间距排列。该内部冷却也将冷 却水的流量设为25l/分钟。对于发明例3，狭缝的宽为0.5mm，狭缝与 锻造品的凸缘根部的距离为30mm。
冷却时，在凸缘的根部20a上安装热电偶，测定冷却时的冷却速 度。在使锻造品旋转的情况下，与旋转接头连接，在旋转时也可以进 行测温。
对如此得到的热锻构件，按以下要领实施根部和凸缘部的组织观 察、硬度测定和切削试验。
首先，组织观察是从得到的热锻构件的凸缘根部20a和凸缘部21 切下组织观察用样品，用光学显微镜和电子显微镜对其硝酸酒精液 (Nital)腐蚀组织进行观察。
维氏硬度的测定是从凸缘根部20a和凸缘部21分别对表皮下1mm 部以荷重300gf测定维氏硬度。此外，通过凸缘根部的维氏硬度Hv1 和凸缘部的维氏硬度Hv2，求出(Hv1-Hv2)/Hv2×100(％)的值，由此 算出凸缘根部相对于凸缘部21的硬度上升率。
切削试验的切削性，用凸缘部的外周旋削来评价。即，使用超硬 工具，以切削速度200m/分钟、切深0.25mm和进给速度0.5mm/rev， 用喷雾润滑剂来实施，通过利用旋削来切削凸缘部整体所需的时间来 进行评价。此时，对于同一钢种、锻造条件，将以往热锻-空冷工艺品 的切削所需时间作为t1，将各发明例、比较例和以往例2中切削所需 时间设为t2，以t2相对于t1的时间消减率(t2-t1)/t1进行评价。表2 中还示出了所得结果。
表1


如表2所示，通过使用本发明的冷却装置，凸缘根部的部分冷却 确实地进行，结果是冷却部的组织为回火马氏体或贝氏体、或者它们 的混合组织，凸缘部的组织由铁素体-珠光体或者贝氏体组织构成，得 到两者的硬度比为1.36～1.45的锻造品。此外，凸缘部的切削性的评价 结果是以往工艺的1.2倍以下，是以往实施了前面淬火的锻造品的约 1/3以下。
与此相对，确认了比较例中，在对凸缘根部进行冷却时，由于冷 却水回流到凸缘部，导致凸缘部的硬度也上升，与发明例相比，切削 性的评价结果差。