JP2007100121A - 焼戻し処理方法、焼戻し処理装置及び被熱処理部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱処理対象物の圧縮残留応力を高く保持しつつ疲労強度を向上できる焼戻し処理方法、焼戻し処理装置及び前記焼戻し処理方法によって焼戻された被熱処理部材を提供する。
【解決手段】 本発明に係る焼戻し処理装置は、焼入れ処理が行われた熱処理対象物であるワーク１の表面を冷却する冷却機構と、前記ワーク１を誘導加熱により加熱する加熱機構と、を具備する。前記冷却機構は冷却材４をワーク１に供給する冷却材供給部５を有している。前記加熱機構は誘導加熱用コイル２に電力を入力する電源を有している。前記ワーク１の表面を前記冷却機構により冷却しながら前記ワーク１を前記加熱機構により加熱することによって焼戻し処理を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焼戻し処理方法、焼戻し処理装置及び被熱処理部材に係わり、特に、熱処理対象物の圧縮残留応力を高く保持しつつ疲労強度を向上できる焼戻し処理方法、焼戻し処理装置及び前記焼戻し処理方法によって焼戻された被熱処理部材に関する。

鋼を硬化させ且つ靭性を回復させて疲労強度を持たせるために、鋼を焼入れ処理した後に焼戻し処理を行う熱処理が従来より広く実施されている。この焼入れ処理の一例としては高周波を用いた高周波焼入れがある。詳細には、１４０ＫＷの入力電力により高周波電流の表層電流効果を利用して熱処理対象物の表面を２２秒間高温に加熱し、この加熱した熱処理対象物に冷却水を１００リットル／分の水量で５０秒間供給して熱処理対象物を冷却することにより焼入れ処理を行う。これにより、熱処理対象物を硬化させる。

焼戻し処理の例としては加熱炉（例えば非特許文献１参照）あるいは誘導加熱（例えば非特許文献２参照）を用いた焼戻しがある。詳細には、加熱炉による焼戻し処理の場合、焼入れ処理後の熱処理対象物を加熱炉により１８０℃の温度で１．５時間の焼戻し処理を行う。また、誘導加熱を用いた焼戻し処理の場合、焼入れ後の熱処理対象物を１１〜３３ＫＷの入力電圧により６０秒間誘導加熱することにより焼戻し処理を行う。このように焼戻し処理を行うことにより、熱処理対象物の靭性を回復させて疲労強度を高めることができる。
また、他の従来の焼戻し処理の例について説明する。高周波誘導子を用いて歯車の歯を高周波加熱することにより、歯車の焼き入れ・焼戻しを行う熱処理装置において、歯車を温浴槽内の沸騰水に浸した状態で焼き入れ・焼戻し作業を行う。歯車を沸騰水に浸すことによって焼戻し開始時の歯車の温度が安定し、温度のばらつきが小さくなって焼戻しを均一に行うことができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−１１５２１２２号公報（第１９段落〜第２６段落、図６） 「新・知りたい熱処理」、出版社；（株）ジャパンマシニスト社、著者；不二越熱処理研究会（８２〜８５頁） 「熱処理技術入門」、出版社；（株）大河出版、著者；（社）日本熱処理技術協会（２８７頁）

上述した従来の加熱炉による焼戻し処理では、処理時間に１．５時間という長時間が必要となるため、熱処理のサイクルタイムが長くなるという問題がある。これに対し、誘導加熱による焼戻し処理では、加熱炉による焼戻し処理に比べて熱処理のサイクルタイムを大幅に短くすることができる。

しかしながら、誘導加熱による焼戻し処理を行った熱処理対象物は、加熱炉による焼戻し処理を行ったものに比べて疲労強度が低くなる。その理由は次のとおりである。誘導加熱による焼戻し処理では、熱処理対象物の表面が内部より高い温度で加熱されるため、焼入れ時のマルテンサイトが表面において内部よりも大きく収縮し、その結果、焼入れ時の圧縮残留応力が大きく低下する。これに対し、加熱炉による焼戻し処理では、熱処理対象物を全体として同じ温度で焼戻すことにより、誘導加熱に比べて熱処理対象物の表面を低い温度で焼戻すことができ、その結果、誘導加熱に比べて圧縮残留応力の低下を抑制することができる。従って、誘導加熱による焼戻し処理を行った熱処理対象物の場合、焼入れ時の圧縮残留応力が大きく低下することにより、疲労強度が低下するという問題がある。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、熱処理対象物の圧縮残留応力を高く保持しつつ疲労強度を向上できる焼戻し処理方法、焼戻し処理装置及び前記焼戻し処理方法によって焼戻された被熱処理部材を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る焼戻し処理方法は、焼入れ処理が行われた熱処理対象物に、その表面温度より高い温度で内部から発熱させて加熱することにより焼戻し処理を行うことを特徴とする。

本発明に係る焼戻し処理方法は、焼入れ処理が行われた熱処理対象物に、その表面を冷却しながら誘導加熱により加熱することによって焼戻し処理を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る焼戻し処理方法において、前記表面を冷却する方法は、前記熱処理対象物を冷却材に浸漬させることにより冷却する方法、前記熱処理対象物に冷却材を供給することにより冷却する方法、前記熱処理対象物に冷却材を噴霧することにより冷却する方法、前記熱処理対象物をポリマーに浸漬させることにより冷却する方法、前記熱処理対象物にポリマーを供給することにより冷却する方法、及び前記熱処理対象物にポリマーを噴霧することにより冷却する方法のうちいずれかの方法であることも可能である。

また、本発明に係る焼戻し処理方法において、前記誘導加熱を行う際に使用する周波数は１ＫＨｚ以上３００ＫＨｚ以下であることが好ましい。

本発明に係る焼戻し処理装置は、焼入れ処理が行われた熱処理対象物の表面を冷却する冷却機構と、
前記熱処理対象物を誘導加熱により加熱する加熱機構と、
を具備し、
前記熱処理対象物の表面を前記冷却機構により冷却しながら前記熱処理対象物を前記加熱機構により加熱することによって焼戻し処理を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る焼戻し処理装置において、前記冷却機構及び前記加熱機構を制御する制御部をさらに具備し、前記制御部によって前記熱処理対象物の表面の冷却度合と前記熱処理対象物の加熱度合を制御することも可能である。

本発明に係る被熱処理部材は、焼入れ、焼戻し処理を行った被熱処理部材において、内部に比べて表層が硬く形成されたことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、熱処理対象物の圧縮残留応力を高く保持しつつ疲労強度を向上できる焼戻し処理方法、焼戻し処理装置及び前記焼戻し処理方法によって焼戻された被熱処理部材を提供することができる。

発明を実施するための形態

図１は、本発明の実施の形態による焼戻し処理装置の構成を示す模式図である。
この焼戻し処理装置は、鋼などの熱処理対象物であるワーク１に焼戻し処理を行う装置であり、ワーク１を囲むように配置されたリング状の誘導加熱用コイル２を備えている。この誘導加熱用コイル２には電力を入力するための電源３が接続されている。この電源３は、誘導加熱用コイル２に１ＫＨｚ〜３００ＫＨｚの周波数の電力を入力するものである。

また、焼戻し処理装置は、ワーク１に冷却材４を供給する冷却材供給部５を備えている。この冷却材供給部５は、誘導加熱用コイル２の近傍に冷却材（例えば冷却水４）を供給するものである。この冷却水４は、誘導加熱用コイル２の近傍からワーク１にシャワー状に噴出されるようになっている。

また、焼戻し処理装置は、電源３及び冷却材供給部５それぞれに接続された制御部６を備えている。この制御部６は電源３及び冷却材供給部５を制御するものである。詳細には、制御部６は、電源３から入力される周波数、電力量、入力時間等を制御するとともに、冷却材供給部５から供給される冷却水４の量、供給時間等を制御するものである。

次に、上記焼戻し処理装置を用いた焼戻し処理方法について図２〜図４を参照しつつ説明する。図２は、焼入れ処理後のワーク、焼入れ焼戻し処理後のワークそれぞれの表面からの距離と硬さの関係を示すグラフである。図３は、焼入れ処理後のワーク、焼入れ焼戻し処理後のワークそれぞれの圧縮残留応力を示す棒グラフである。図４は、図１に示す焼戻し処理装置を用いて焼戻し処理を行っている際のワークの表面からの距離と温度との関係を測定した結果を示すグラフである。

まず、ワーク１に焼入れ処理を行う。詳細には、例えば１４０ＫＷの入力電力により高周波電流の表層電流効果を利用してワーク１の表面を例えば２２秒間高温に加熱し、この加熱したワーク１に冷却水を例えば１００リットル／分の水量で例えば５０秒間供給してワーク１を冷却することにより焼入れ処理を行う。これにより、ワーク１の表層には膨張して大きくなったマルテンサイトが形成され、ワーク１の表層が硬化される。この硬化されたワーク１の表面からの距離と硬さの関係は、図２に示す参照符号７のグラフのとおりである。このグラフによれば、ワーク１の表面からの深さが深くなるほど硬さが低くなっていることが確認できる。また、焼入れ処理が行われたワーク１の表層の圧縮残留応力は図３の参照符号１１に示すとおりである。

この後、上記の焼入れ処理が行われたワーク１に図１に示す焼戻し処理装置を用いて焼戻し処理を行う。詳細には、例えば１ＫＨｚ〜３００ＫＨｚの周波数で例えば６０ＫＷの入力電圧を電源３によってワーク１に入力すると同時に例えば１５リットル／分の水量の冷却水を冷却材供給部５によってワーク１の表面に供給する。この際、ワーク１に誘導加熱と冷却が行われる時間は例えば６０秒間である。このように誘導加熱とワーク１の表面の冷却を同時に行っている際のワーク１の表面からの距離と温度との関係は、図４に示すとおりになっている。このようにしてワーク１に焼戻し処理が行われる。

上記焼戻し処理が行われたワーク１の表面からの距離と硬さの関係は、図２に示す参照符号８のグラフのとおりである。このグラフによれば、ワーク１の表層の硬さがワーク１の内部に比べて硬く形成されていることが確認できる。つまり、上述したような誘導加熱と冷却を同時に行う焼戻し処理方法を用いることにより、図４に示すように焼戻し処理時のワーク１の表層の昇温を抑え、表層の温度をワーク１の内部に比べて低く抑えることができる。これにより、ワーク１の表層より内部をより焼戻して表層のマルテンサイトの収縮を抑えるとともにワーク１の内部のマルテンサイトを表層より収縮させることができ、その結果、ワーク１の表層を内部に比べて硬くすることができる。
また、上述した焼戻し処理が行われたワーク１の表層の圧縮残留応力は図３の参照符号１２に示すとおりである。

次に、上述した焼戻し処理と比較するために、従来の焼戻し処理の例である加熱炉や誘導加熱を用いた焼戻し処理が行われたワークを用意し、そのワークの表面からの距離と硬さとの関係を測定し、またワークの表層の圧縮残留応力を測定した。

詳細には、焼入れ処理の条件は前述したものと同様のものを用いる。加熱炉による焼戻し処理の条件は、温度が１８０℃で処理時間が１．５時間である。この条件で焼戻し処理が行われたワークの表面からの距離と硬さとの関係は図２の参照符号９に示すとおりであり、またワークの表層の圧縮残留応力は図３の参照符号１３に示すとおりである。また、誘導加熱を用いた焼戻し処理の条件は、入力電圧が１１〜３３ＫＷで処理時間が６０秒間である。この条件で焼戻し処理が行われたワークの表面からの距離と硬さとの関係は図２の参照符号１０に示すとおりであり、またワークの表層の圧縮残留応力は図３の参照符号１４に示すとおりである。

誘導加熱による焼戻し処理では、ワークの表面がワークの内部より高い温度で加熱されるため、焼入れ時のマルテンサイトがワーク表層において内部よりも大きく収縮し、その結果、図３の参照符合１４に示す棒グラフのように焼入れ時の圧縮残留応力が大きく低下するとともに図２に示す参照符号１０のグラフのようにワークの表層の硬さがワーク内部よりも低下する。また、加熱炉による焼戻し処理では、ワークを全体として同じ温度で焼戻すことにより、誘導加熱に比べてワークの表面を低い温度で焼戻すことができ、そのため、焼入れ時のマルテンサイトが表層において大きく収縮するのを抑制できる。その結果、加熱炉による焼戻し処理では、図３の参照符合１３、１４に示すように誘導加熱に比べて圧縮残留応力の低下が抑制されるとともに図２の参照符号９、１０に示すように誘導加熱に比べてワークの表層の硬さが硬くなる。

これに対し、本実施の形態では、誘導加熱と冷却を同時に行う焼戻し処理方法を用いることにより、焼戻し処理時のワーク１の表層の温度をワーク１の内部より低く抑えることができる（図４参照）。これにより、ワーク１の表層よりワーク１の内部をより焼戻して表層のマルテンサイトの収縮を抑えるとともに内部のマルテンサイトを表層より収縮させることができ、その結果、ワークの表層の硬度低下を抑え、図２の参照符号８〜１０に示すようにワーク１の表層を従来の誘導加熱及び加熱炉に比べて硬くすることができる。また、図３の参照符号１２〜１４に示すようにワーク１の表層の圧縮残留応力を従来の誘導加熱及び加熱炉に比べて高くすることができる。従って、本実施の形態による焼戻し処理を行ったワーク１では疲労強度を向上させることができる。

また、本実施の形態では、電源３及び冷却材供給部５を制御する制御部６を設けているため、電源３から入力される周波数、電力量、入力時間等を制御するとともに、冷却材供給部５から供給される冷却水４の量、供給時間等を制御することができる。これにより、ワーク１の表面の冷却度合とワーク１の加熱度合を制御することができる。従って、焼戻し処理後のワーク１の表層と内部の硬さや表面から内部への硬度分布をコントロールすることができ、圧縮残留応力の値を制御することができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、焼戻し処理時にワークの表面を冷却する方法として冷却水をワークの表面にシャワー状に噴出させる方法を用いているが、これに限定されるものではなく、他の冷却方法を用いることも可能である。他の冷却方法としては、例えば、ワークに冷却水以外の冷却材を供給することにより冷却する方法、冷却材にワークを浸漬させることにより冷却する方法、ワークに冷却材を噴霧することにより冷却する方法、ワークをポリマーに浸漬させることにより冷却する方法、ワークにポリマーを供給することにより冷却する方法、及びワークにポリマーを噴霧することにより冷却する方法などを用いることも可能である。
焼戻し時の冷却に使用するポリマーは、表面からの冷却を水よりも弱める場合に用い、形状、サイズにより、濃度を変えて使用することが好ましい。水溶性ポリマーの例としては、出光興産製水溶性焼入液、ダフニープラスチッククエンチＦＱを５％に希釈して用いることができる。ダフニープラスチッククエンチＦＱは、ポリアルキレングリコールを主成分とし、それに腐敗防止剤、防錆剤等を配合した浸漬焼入れに適した水溶性焼入油である。

また、上記実施の形態では、冷却水４を誘導加熱用コイル２の近傍からワーク１にシャワー状に噴出させているが、これに限定されるものではなく、冷却機構を他の構造に変更することも可能である。他の構造としては、例えば、ワーク１に冷却水を供給するノズルを複数設け、各々のノズルから供給される冷却水の量を制御部によって制御できるように構成する。つまり、供給される冷却水の量をワーク１の部位によって異なるように制御して焼戻し処理を行うことにより、ワーク１の部位によって異なる焼戻し硬さや異なる圧縮残留応力を実現することができる。

本発明の実施の形態による焼戻し処理装置の構成を示す模式図である。 焼入れ処理後のワーク、焼入れ焼戻し処理後のワークそれぞれの表面からの距離と硬さの関係を示すグラフである。 焼入れ処理後のワーク、焼入れ焼戻し処理後のワークそれぞれの圧縮残留応力を示す棒グラフである。 図１に示す焼戻し処理装置を用いて焼戻し処理を行っている際のワークの表面からの距離と温度との関係を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 熱処理対象物（ワーク）
２ 誘導加熱用コイル
３ 電源
４ 冷却材
５ 冷却材供給部
６ 制御部

Claims (7)

1. 焼入れ処理が行われた熱処理対象物に、その表面温度より高い温度で内部から発熱させて加熱することにより焼戻し処理を行うことを特徴とする焼戻し処理方法。
2. 焼入れ処理が行われた熱処理対象物に、その表面を冷却しながら誘導加熱により加熱することによって焼戻し処理を行うことを特徴とする焼戻し処理方法。
3. 前記表面を冷却する方法は、前記熱処理対象物を冷却材に浸漬させることにより冷却する方法、前記熱処理対象物に冷却材を供給することにより冷却する方法、前記熱処理対象物に冷却材を噴霧することにより冷却する方法、前記熱処理対象物をポリマーに浸漬させることにより冷却する方法、前記熱処理対象物にポリマーを供給することにより冷却する方法、及び前記熱処理対象物にポリマーを噴霧することにより冷却する方法のうちいずれかの方法であることを特徴とする請求項２に記載の焼戻し処理方法。
4. 前記誘導加熱を行う際に使用する周波数は１ＫＨｚ以上３００ＫＨｚ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の焼戻し処理方法。
5. 焼入れ処理が行われた熱処理対象物の表面を冷却する冷却機構と、
   前記熱処理対象物を誘導加熱により加熱する加熱機構と、
   を具備し、
   前記熱処理対象物の表面を前記冷却機構により冷却しながら前記熱処理対象物を前記加熱機構により加熱することによって焼戻し処理を行うことを特徴とする焼戻し処理装置。
6. 前記冷却機構及び前記加熱機構を制御する制御部をさらに具備し、前記制御部によって前記熱処理対象物の表面の冷却度合と前記熱処理対象物の加熱度合を制御することを特徴とする請求項５に記載の焼戻し処理装置。
7. 焼入れ、焼戻し処理を行った被熱処理部材において、
   内部に比べて表層が硬く形成されたことを特徴とする被熱処理部材。

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