JP2005330544A - 高周波焼入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高合金鋼製のワークや、薄肉ワーク等について、変形や焼割の生じ難い焼入が行える高周波焼入装置を提供する。
【解決手段】 ワークＷを誘導加熱する加熱コイル１に、焼入冷却用のガスの流路７と、この流路７内のガスをワークＷに向けて吐出する吐出口８とを設ける。前記流路７に焼入冷却用のガスを供給する焼入冷却ガス供給装置４を設ける。焼入冷却用のガスには、窒素ガス等の非酸化性ガスを用い、焼入に伴う酸化層の形成緩和を兼用させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高合金鋼製等の各種の機械部品、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）。焼入のための冷却は、加熱コイル内から吐出させた冷却液により行う。
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。
（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、ワークの材質等によっては、焼入時に変形を生じたり、焼割れを生じることがある。また、冷却液を浴びることによって、ワーク表面の酸化が促進されることがある。特に、軸受の軌道輪等の機械部品は、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。また、後工程の研削における取代を大きく設定することが必要となる。

この発明の目的は、変形や焼割の生じ難い高周波焼入装置を提供することである。
この発明の他の目的は、ワーク表面の酸化を防止することである。

この発明の高周波焼入装置は、ワークを誘導加熱する加熱コイルに、焼入冷却用のガスの流路と、この流路内のガスをワークに向けて吐出する吐出口とを設け、前記流路に焼入冷却用のガスを供給する焼入冷却ガス供給装置を設けたものである。前記焼入冷却用のガスとしては、非酸化性ガスを用いることが好ましい。前記ワークは高合金鋼製のものであってもよい。

この構成の高周波焼入装置によると、加熱コイルで誘導加熱されたワークは、加熱コイルから吐出されるガスで急冷されることにより焼入される。ガス冷却によると、水等の冷却液で冷却する場合に比べて、緩やかに冷却されることになり、そのため、変形や焼き割れが生じ難く、また均等に焼入が行える。一般の鋼材では、冷却時間が長くなると焼入が行えないが、高合金鋼製のワーク等のように、ワークの材質によっては、冷却時間を長くしても焼入が可能なものがある。このような冷却時間が長くても良いワークは、冷却時間を長くすることで、変形や焼き割れが生じ難くなり、また均等に焼入が行え、そのような緩やかな冷却は、ガスを用いて行うことが好ましい。また、ワークの肉厚が薄い場合は、焼入冷却液で冷却すると変形や焼割の問題が生じ易く、ガス冷却を行うことで、冷却速度が早くなり過ぎることによる変形や焼割防止に優れた効果が得られる。

ガス冷却は、従来は、高周波焼入では用いられることが無く、仕切り室内のガス雰囲気下で行われていたが、高周波焼入の場合は、焼入冷却液と同様にして加熱コイルから冷却ガスを吐出させるようにすることができ、これにより加熱から冷却の間にワークを移動させることなく焼入が行える。これにより、高温状態のワークを移動させることによる変形も回避される。また、加熱コイルの冷却も、焼入冷却用のガスで行われる。

焼入冷却用のガスとしては、不活性ガスである窒素ガス等の非酸化性ガスを用いることが好ましく、これにより、ワーク表面が酸化してスラッジを生じることが防止される。
このように、非酸化性ガスによるガス冷却とすることで、ワークの変形，焼割の防止、焼入の均等化と共に、ワーク表面の酸化防止の効果も得られる。

この発明において、前記加熱コイルが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り、前記加熱コイルに対してワークを支持して加熱コイルの中心回りに回転させるワーク支持手段を設けても良い。
ワークがリング状品の場合は、このように単巻きのコイルの内周または外周に位置させて、加熱コイルに対して回転させることで、全周に渡り均等な加熱、およびその後の焼入のための冷却が行える。このため焼入品質が全周に均等なものとなる。

前記リング状のワークは転がり軸受の軌道輪であっても良い。転がり軸受の軌道輪は、形状，寸法，材質等に厳しい精度，品質が求められる。そのため、ガス冷却が可能な材質の軌道輪の場合は、上記のようにガス冷却とし、また回転させながら加熱および冷却を行うことによる形状，寸法，材質等の精度，品質上の利点が効果的に発揮される。

この発明の高周波焼入装置は、ワークを誘導加熱する加熱コイルに、焼入冷却用のガスの流路と、この流路内のガスをワークに向けて吐出する吐出口とを設け、前記流路に焼入冷却用のガスを供給する焼入冷却ガス供給装置を設けたものであるため、ガス冷却が可能な材質のワークについて、変形や焼割の生じ難い焼入を行うことができる。前記ガスとして非酸化性ガスを用いる場合は、焼入処理時の冷却媒体によるワーク表面の酸化防止の効果も併せて得ることができる。

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。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、焼入冷却ガス供給装置４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。ワークＷの材質は、高合金鋼製である。高合金鋼は、クロム，モリブデン等の合金元素が所定値以上の鋼材であり、ＪＩＳ規格や、ＩＳＯ規格等の各種の規格で規定されているが、いずれかの規格で該当するものであれば良い。

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。

加熱コイル１は、円筒形の単巻きのものであって、内部に焼入冷却ガスの流路７を有し、かつ内径側へ焼入冷却ガス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、焼入冷却ガス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、焼入冷却ガス供給装置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ガスが、所定のタイミングで供給される。焼入冷却ガスには、非酸化性ガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスが用いられる。

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。

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の温度が焼入前加熱最高温度、つまりオーステナイト化温度まで昇温すると、その温度を一定時間維持した後、加熱コイル１内に焼入冷却ガスを供給して吐出孔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。

この急冷は、ガス冷却であるため、水冷却の場合に比べて冷却速度が遅く、そのため、焼入後の変形が少なく、焼割も生じ難く、かつ全体に均等な焼入が行える。一般の鋼材では、冷却時間が長くなると焼入が行えないが、高合金鋼等のように、ワークＷの材質によっては、冷却時間を長くしても焼入が可能なものがある。このような冷却時間が長くても良いワークＷは、冷却時間を長くすることで、変形や焼き割れが生じ難くなり、また均等に焼入が行え、そのような緩やかな冷却は、ガスを用いて行うことが好ましい。また、ワークＷの肉厚が薄い場合は、焼入冷却液で冷却すると変形や焼割の問題が生じ易く、ガス冷却を行うことで、冷却速度が早くなり過ぎることによる変形や焼割防止に優れた効果が得られる。

冷却用のガスは、加熱コイル１から吐出させることができ、このため加熱から冷却の間にワークＷを移動させることなく焼入が行える。これにより、高温状態のワークＷを移動させることによる変形も回避される。焼入冷却用のガスとして非酸化性ガスを用いる場合は、ワーク表面が酸化してスラッジを生じることが防止される。そのため、焼入冷却用のガスが酸化防止手段を兼用することができる。

この実施形態では、単巻きの加熱コイル１を用い、その内周でワークＷを支持手段３により回転させながら誘導加熱およびガス冷却を行うようにしたため、リング状のワークＷを全周に渡り均等に加熱，急冷でき、このため焼入品質が全周に均等なものとなる。したでがって、ワークＷが、形状，寸法，材質等に厳しい精度，品質が求められる軸受軌道輪である場合は、この実施形態の高周波焼入装置における精度，品質上の利点が効果的に発揮される。

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、この発明は、ワークＷがリング状品の場合に限らず、ガス冷却で焼入が可能な材質の機械部品一般に適用することができる。

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。

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…焼入冷却ガス供給装置
Ｗ，ＷＡ…ワーク

Claims (5)

1. ワークを誘導加熱する加熱コイルに、焼入冷却用のガスの流路と、この流路内のガスをワークに向けて吐出する吐出口とを設け、前記流路に焼入冷却用のガスを供給する焼入冷却ガス供給装置を設けた高周波焼入装置。
2. 請求項１において、前記ガスとして非酸化性ガスを用いる高周波焼入装置。
3. 請求項１または請求項２おいて、前記ワークが高合金鋼である高周波焼入装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記加熱コイルが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り、前記加熱コイルに対してワークを支持して加熱コイルの中心回りに回転させるワーク支持手段を設けた高周波焼入装置。
5. 請求項４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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