JP2005330520A - 高周波焼入方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に高い硬度が得られ、内部は比較的軟らかに維持できて、靱性に優れ、かつ熱処理に伴う残留応力が緩和され、変形，焼き割れを防止することができる高周波焼入方法およびその装置を提供する。軸受軌道輪等に適用される。
【解決手段】 この高周波焼入方法は、高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて加熱コイル１に給電可能な高周波電源２を用いる。低周波数側の高周波電流によりワークの全体をオーステナイト化温度付近の設定切換温度Ｔ２まで昇温させた後、高周波側の高周波電流に切り換えて表面のみの加熱を行う。この高周波焼入装置は、加熱中のワークＷの温度を測定する温度測定手段２８と、高周波電源２を制御する電源制御装置２１とを備える。電源制御装置２１は、温度測定手段２８で測定される温度が設定切換温度Ｔ２に達すると、高周波電源２の出力を高周波側の高周波電流に切り換える周波数切換制御手段２６を有するものとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種の機械部品、例えば転がり軸受の軌道輪等につき、焼入に際する加熱を高周波誘導加熱により行う高周波焼入方法および装置に関する。

機械部品、例えばリング状のワークの焼入に際する加熱方法として、単巻の加熱コイルを用い、その内周に同心にワークを配置し、高周波誘導加熱を行う方法がある（例えば非特許文献１）。
しかし、軸受軌道輪等の量産される機械部品の焼入は、雰囲気炉で全体焼入することが一般的である。軸受における高周波焼入は、車輪用軸受における軌道面のみの焼入等のように、局部的に焼入を施す場合に採用されている。

高周波誘導加熱は、渦電流損やヒステリシス損で材料を直接に加熱する加熱方法であるため、熱効率に優れる。また、高周波誘導加熱は、周波数と加熱深さとの関係が強く、周波数が低いほど、磁束がワーク内部まで進入し、全体の加熱が行われる。周波数が高い場合は、磁束が内部まで入っていかないため、表面焼入れに適している。このため、従来から、焼入の目的によって適切な周波数が選定されている。
（社）日本熱処理技術協会／日本金属熱処理工業会編集、「熱処理技術入門」大河出版、平成１３年４月２５日発行、第２８５頁

軸受軌道輪等の機械部品の全体焼入を行う場合の加熱は、上記のように炉内で行うことが一般的であるが、多品種少量生産の場合、炉による熱処理では、炉の処理可能個数に対して半端な個数となることがあり、効率が悪い。また、要求に応じて必要時に必要個数だけ焼入品をラインに供給したり、外部に納品するような場合は、炉による焼入れでは在庫を多く抱えることが必要となる。炉による加熱は、炉内に入れた機械部品の位置によっても、加熱温度がばらつくことがある。
このため、軸受軌道輪の焼入を、１個ずつ高周波焼入で行うことを試みた。高周波焼入によると、必要個数だけを処理することができ、また処理品間でのばらつきの少ない均一な熱処理が可能となる。

しかし、軸受軌道輪のような機械部品では、内部の硬度が比較的低くて、靱性が高く、表面は摩耗防止等のために硬いものが要求される。また、この種の機械部品は、性能確保のために寸法や形状の精度が厳しく求められ、熱処理に伴う歪みの発生は、できるだけ避ける必要がある。焼入時に歪みが大きく生じると、焼戻に時間がかかったり、焼戻を行っても十分に変形を無くすことができない場合がある。熱処理品質は、転動寿命等にも大きく影響する。

このような硬度分布や精度が求められる機械部品を高周波誘導加熱で加熱しようとした場合、高周波電流の周波数の選定が難しい。低い周波数でワークを加熱すると、内部まで高温になるため、焼入れのための急冷処理を施したときに、内部まで焼入され、ワークの靱性が不足する。高い周波数でワークを加熱すると、表面焼入が行われ、内部を軟らかく保つことができるが、残留応力が生じてワークが変形したり、焼き割れを生じることがある。

この発明の目的は、表面に高い硬度が得られ、内部は比較的軟らかに維持できて、靱性に優れ、かつ熱処理に伴う残留応力が緩和され、変形，焼き割れを防止することができる高周波焼入方法およびその装置を提供することである。

この発明の高周波焼入方法は、高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて加熱コイルに給電可能な高周波電源を用い、低周波数側の高周波電流によりワークをオーステナイト化温度付近の設定切換温度まで昇温させた後、高周波側の高周波電流に切り換えて表面のみの加熱を行う方法である。
この方法によると、オーステナイト化温度付近に達した後は、高い周波数の高周波電流で加熱を行うため、磁束がワーク内部まで入らず、表面だけを加熱することができる。したがって、表面は高温に加熱して高い硬度を得ながら、ワーク内部は軟らかく保ち、靱性に優れたものとできる。オーステナイト化温度付近に達するまでは、比較的低い周波数の高周波電流により加熱するため、ワークの全体を加熱することができる。そのため、表層部と内部との加熱温度の差による残留応力が緩和され、変形や焼き割れが防止される。

この発明の高周波焼入方法は、前記ワークが転がり軸受の軌道輪である場合に適用しても良い。この高周波焼入方法によると、上記のように残留応力が緩和されて、変形や焼き割れが防止され、表面の硬度を高く得られるため、転がり軸受の軌道輪として求められる種々の要求が満足でき、表面硬度，靱性，精度の面で優れた転がり軸受軌道輪を得ることができる。

この発明の高周波焼入装置は、加熱コイルと、この加熱コイルに高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて給電可能な高周波電源と、加熱中のワークの温度を測定する温度測定手段と、前記電源を制御する電源制御装置とを備え、この電源制御装置は、加熱開始時は前記高周波電源に低周波数側の高周波電流を出力させ、前記温度測定手段で測定される温度がオーステナイト化温度付近の設定切換温度に達すると前記高周波電源の出力を高周波側の高周波電流に切り換える周波数切換制御手段を有するものとしたことを特徴とする。
この構成の高周波焼入装置によると、この発明方法が実施でき、処理されたワークは、前述のように表面に高い硬度が得られ、内部は比較的軟らかに維持できて、靱性に優れ、かつ熱処理に伴う残留応力が緩和され、変形，焼き割れ防止性に優れたものとできる。

前記低周波数側の高周波電流の周波数は、例えば数ｋＨｚ程度とし、前記高周波側の高周波電流の周波数は例えば数十ｋＨｚ以上としても良い。数ｋＨｚ程度の高周波電流により加熱すると、ワーク全体の加熱が良好に行える。数十ｋＨｚ以上の高周波電流により加熱を行うと、表層だけを加熱するのに適する。

前記ワークは、リング状品、例えば転がり軸受の軌道輪であって良い。その場合、前記加熱コイルは単巻きのものとし、前記ワークは加熱コイルの内周または外周に配置されるものとする。
転がり軸受の軌道輪等の機械部品は、焼入品質が部品の性能や寿命等に大きく影響するため、この発明の高周波焼入装置を用いることによる表面硬度，靱性，精度に優れるという利点が効果的に発揮される。

この発明の高周波焼入方法は、高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて加熱コイルに給電可能な高周波電源を用い、低周波数側の高周波電流によりワークをオーステナイト化温度付近の設定切換温度まで昇温させた後、高周波側の高周波電流に切り換えて表面のみの加熱を行う方法であるため、この方法で処理されたワークは、表面に高い硬度が得られ、内部は比較的軟らかに維持できて、靱性に優れ、かつ熱処理に伴う残留応力が緩和され、変形，焼き割れを防止することができるという効果が得られる。
この発明の高周波焼入装置は、加熱コイルと、この加熱コイルに高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて給電可能な高周波電源と、加熱中のワークの温度を測定する温度測定手段と、前記電源を制御する電源制御装置とを備え、この電源制御装置は、加熱開始時は前記高周波電源に低周波数側の高周波電流を出力させ、前記温度測定手段で測定される温度がオーステナイト化温度付近の設定切換温度に達すると前記高周波電源の出力を高周波側の高周波電流に切り換える周波数切換制御手段を有するものとしたため、この装置で処理されたワークは、表面に高い硬度が得られ、内部は比較的軟らかに維持できて、靱性に優れ、かつ熱処理に伴う残留応力が緩和され、変形，焼き割れを防止することができるという効果が得られる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は高周波焼入装置のブロック図を示す。この高周波焼入装置は、加熱コイル１と、この加熱コイル１に高周波電流を供給する高周波電源２と、被熱処理品であるワークＷを支持するワーク支持手段３と、焼入冷却液供給装置４と、焼入制御装置５とを備える。ワークＷは、リング状品であり、例えば転がり軸受の軌道輪である。図示の例では、ワークＷは玉軸受の内輪であり、外周に軌道溝Ｗａを有している。

高周波電源２は、交流商用電源等から受電盤６を介して得た電流を、所定周波数の高周波に変換して加熱コイル１に供給する手段であり、サイリスタインバータ式やトランジスタインバータ式等のものが使用される。高周波電源２と加熱コイル１との間には電流変成器（図示せず）を介在させる。

高周波電源２は、高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて給電可能なものとする。低周波数側の高周波電流の周波数は数ｋＨｚ程度であり、高周波側の高周波電流の周波数が数十ｋＨｚ以上である。高周波電源２は、例えば、低周波数側の高周波電流を出力する低周波電源部２ａと、高周波側の高周波電流を出力する高周波電源部２ｂとを有し、両電源部２ａ，２ｂから切り換えて出力可能なものとされている。低周波電源部２ａと高周波電源部２ｂとは、互いに独立したものであっても、一部または大部分が共用される部品からなるものであっても良い。また、高周波電源２は、低周波電源部２ａと高周波電源部２ｂとに区別されずに、制御的に上記高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて出力可能なものであっても良い。

加熱コイル１は、円筒形の単巻きのものであって、内部に焼入冷却液の流路７を有し、かつ内径側へ焼入冷却液を吐出させる吐出孔８が内径側の壁面に設けられている。加熱コイル１の断面形状は、同図に示すように長方形ないし正方形状とされる。加熱コイル１の外周面における周方向の複数箇所に、焼入冷却液入口となるパイプ状の接続口９が設けられている。この接続口９に、焼入冷却液供給装置４から加熱コイル１の冷却およびワークＷの冷却たのための焼入冷却液が、所定のタイミングで供給される。

加熱コイル１は、図２に斜視図で示すように、分割部分となる円周方向の両端に一対の端子板１０を有し、２枚の端子板１０の間に絶縁板１１を挟み込んだものとされている。これら端子板１０の間に、高周波電源２が前記電流変成器を介して接続される。

図１において、ワーク支持手段３は、ワークＷを載せる下側支持部材１３と、ワークＷの上面を押える上側支持部材１２とを有し、上下いずれかの支持部材１２，１３をモータ等の駆動源１４で回転させることにより、ワークＷを回転させる構成としてある。下側支持部材１３および上側支持部材１２は、加熱コイル１と同心位置で軸受（図示せず）等により回転自在に支持されている。上下の支持部材１２，１３は、ワークＷとの接触面積ができるだけ少なくできるように、円周方向の複数箇所（例えば３箇所）に等配された突部１２ａ，１３ａを介してワークＷを支持するものとしてある。ワーク支持手段１２，１３の材質は、セラミックス等である。

上下の支持部材１２，１３は、いずれか一方または双方が昇降可能とされ、互いに上下に離れることにより、ワークＷの出し入れが可能とされている。
なお、ワーク支持手段３に対してワークＷを自動で出し入れするローディング装置（図示せず）を設けても良い。

焼入制御装置５は、高周波熱処理装置の全体を制御する装置であり、コンピュータ，電子回路等により構成される。焼入制御装置５は、高周波電源２を制御する電源制御装置２１と、焼入冷却液供給装置４を制御する冷却液制御手段２２と、ワーク支持手段３を制御するワーク支持系制御手段２３とを備える。また、ワークＷの温度を実測する温度測定手段２８が設けられている。温度測定手段２８には放射温度計等が用いられる。

電源制御手段２１は、周波数切換制御手段２６を有しており、この手段２６は、加熱開始時は高周波電源２に低周波数側の高周波電流を出力させ、温度測定手段２８で測定される温度がオーステナイト化温度付近の設定切換温度Ｔ２に達すると、高周波電源２の出力を高周波側の高周波電流に切り換える処理を行う。高周波電源２が上記低周波電源部２ａと高周波電源部２ｂとを有するものである場合は、低周波電源部２ａから高周波電源部２ｂへ出力を切換えさせる。オーステナイト化温度は、焼入前の最高加熱温度であり、焼入温度とも呼ばれる。オーステナイト化温度は、Ａ３変態点の付近の温度とされる。オーステナイト化温度は、材質により異なるが、例えば８５０℃程度に設定される。設定切換温度Ｔ２は、Ａ１変態点（７２５〜７３０℃）よりも高く、Ａ３変態点よりも低い範囲の温度とされる。

電源制御手段２１は、温度設定手段２５に設定された目標温度まで加熱し、その温度を所定時間維持するように、高周波電源２の出力する電力を制御するものとされている。電源制御手段２１は、フィードバック制御部２４を有し、上記温度測定手段２８の測定温度に応じ、加熱コイル１の電力、つまり高周波電源２の出力する電力をフィードバック制御するものとされている。フィードバック制御部２４は、高周波側の高周波電流に切り換えた後の制御は、例えばＰＩＤ制御（比例，積分，微分動作を行う制御）を行うものとされる。また、フィードバック制御部２４は、低周波側の高周波電流を出力する間は、例えば比例制御を行うものとされる。低周波側の高周波電流を出力する間は、フィードバック制御によらずに、最大電力等による一定電力の開ループ制御を行うようにしても良い。なおフィードバック制御部２４は必ずしも設けなくても良く、常に開ループ制御を行うものとしても良い。

上記構成の高周波焼入装置による熱処理過程を説明する。加熱コイル１内に、ワーク支持手段３の上下の支持部材１２，１３で挟み込むようにワークＷを設置し、支持部材１２，１３と共に駆動源１４でワークＷを回転させながら、加熱コイル１に高周波電源２から高周波電力を供給する。加熱コイル１に高周波電流が流れることにより、交番磁束が発生し、ワークＷが誘導加熱される。すなわち、ワークＷを通る磁束の変化による渦電流損やヒステリシス損等により発熱現象が生じる。ワークＷの温度が目標温度Ｔ３まで昇温すると、その温度Ｔ３を一定時間維持した後、加熱コイル１内に焼入冷却液を供給して吐出孔８から吐出させ、ワークＷを急冷する。これによりワークＷが焼入される。

ワークＷの加熱時は、電源制御手段２１により次のように温度制御される。すなわち、加熱開始時は高周波電源２に低周波数側の高周波電流を出力させ、温度測定手段２８で測定される温度がオーステナイト化温度の付近の設定切換温度Ｔ２に達すると、周波数切換制御手段２６の制御により、高周波電源２の出力を高周波側の高周波電流に切り換える処理を行う。この後、高周波側の高周波電流による加熱を続け、目標温度Ｔ３で一定時間維持するように制御する。

この構成の高周波焼入装置によると、オーステナイト化温度付近の設定切換温度Ｔ２に達した後は、高い周波数（例えば数十ｋＨｚ以上）の高周波電流で加熱を行うため、磁束がワークＷの内部まで入らず、表面だけを加熱することができる。したがって、ワークＷは、表面は高温に加熱して高い硬度を得ながら、内部は軟らかく保ち、靱性に優れたものとできる。オーステナイト化温度付近の設定切換温度Ｔ２に達するまでは、比較的低い周波数（例えば数ｋＨｚ程度）の高周波電流により加熱するため、ワークＷの全体を加熱することができる。そのため、表層部と内部との加熱温度の差による残留応力が緩和され、変形や焼き割れが防止される。また、ワークＷが肉厚差や局部的な突出部を有するような形状のものであっても、変形が生じにくい。

上記のように残留応力が緩和されて、変形や焼き割れが防止され、表面の硬度を高く得られるため、ワークＷが転がり軸受の軌道輪である場合に、その厳しい種々の要求が満足でき、表面硬度，靱性，精度の面で優れた転がり軸受軌道輪を得ることができる。

なお、上記実施形態は、ワークＷを外周から加熱する場合につき説明したが、この発明の高周波焼入装置は、例えば図３に示すように、ワークＷＡに内周から加熱する装置としても良い。この場合のワークＷＡは、例えば転がり軸受の外輪である。加熱コイル１Ａには、図４に示すように内側に端子部１０Ａが設けられた単巻きコイルを使用する。
また、例えば図５に示すように、外周にフランジＷＢｂを有し、内周に軌道面ＷＢａを有する軸受軌道輪となるワークＷＢの場合にも、図４に示す加熱コイル１Ａを用い、この発明方法で高周波焼入することができる。この場合、軌道面ＷＢａの表面焼入（焼入範囲ｂ）を行うが、比較的周波数の低い高周波電流で加熱を行うため、フランジＷＢｂ等の温度が高くなりすぎて変形や焼き割れを生じることが防止される。

さらに、この発明は、ワークＷがリング状品の場合に限らず、鋼製の機械部品一般や、その他の鋼材の焼入に適用することができる。
また、上記各実施形態は、加熱コイル１，１Ａから焼入冷却液を吐出して一発焼入を行うようにしたが、加熱コイル１，１ＡではワークＷの加熱だけを行い、焼入冷却液による冷却は加熱コイル１，１Ａの外部で行うようにしても良い。
この発明方法において、ワークＷ，ＷＡ，ＷＢがオーステナイト化温度付近の設定切換温度まで昇温したか否かは、必ずしも温度測定手段２８による実測温度によらなくても良く、加熱時間やその他の要因から、ワークＷ，ＷＡ，ＷＢの全体がオーステナイト化温度付近の設定切換温度まで昇温したと判断できた時間で切り換えるようにしても良い。

この発明の第１の実施形態にかかる高周波焼入装置の概念構成を示すブロック図である。 その加熱コイルの斜視図である。 この発明の他の実施形態における加熱コイルとワークの関係を示す断面図である。 その加熱コイルの斜視図である。 ワークのさらに他の例の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ…加熱コイル
２…高周波電源
３…ワーク支持手段
４…焼入冷却液供給装置
５…焼入制御装置
２１…電源制御手段
２４…フィードバック制御部
２６…周波数切換制御手段
２８…温度測定手段
Ｔ２…設定切換温度
Ｔ３…目標温度
Ｗ，ＷＡ，ＷＢ…ワーク

Claims (6)

1. 高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて加熱コイルに給電可能な高周波電源を用い、低周波数側の高周波電流によりワークをオーステナイト化温度付近の設定切換温度まで昇温させた後、高周波側の高周波電流に切り換えて表面のみの加熱を行う高周波焼入方法。
2. 請求項１において、前記ワークが転がり軸受の軌道輪である高周波焼入方法。
3. 加熱コイルと、この加熱コイルに高低２種類の周波数の高周波電流を切り換えて給電可能な高周波電源と、加熱中のワークの温度を測定する温度測定手段と、前記電源を制御する電源制御装置とを備え、この電源制御装置は、加熱開始時は前記高周波電源に低周波数側の高周波電流を出力させ、前記温度測定手段で測定される温度がオーステナイト化温度付近の設定切換温度に達すると前記高周波電源の出力を高周波側の高周波電流に切り換える周波数切換制御手段を有するものとしたことを特徴とする高周波焼入装置。
4. 請求項３において、前記低周波数側の高周波電流の周波数が数ｋＨｚ程度であり、前記高周波側の高周波電流の周波数が数十ｋＨｚ以上である高周波焼入装置。
5. 請求項３または請求項４において、前記加熱コイルは単巻きのものであり、前記ワークが加熱コイルの内周または外周に配置されるリング状品である高周波焼入装置。
6. 請求項５において、前記ワークが転がり軸受の軌道輪である高周波焼入装置。
   

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