JP2007294466A - 高周波誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スクリュー軸の表層部分を、凸条と溝底部との温度差小さく抑制しながら誘導加熱することを可能とする高周波誘導加熱方法を提供する。
【解決手段】 スクリュー軸１に平行に配置した誘導作用部１７ａ，１７ｂを備えた誘導子１７に矢印Ｃ方向に通電してスクリュー軸１を所定温度に昇温、保持するに際し、通電周波数を、電流浸透深さが、誘導電流の流れ方向における凸条の幅の１／２．５以下、０．３ｍｍ以上の範囲内となるように設定する構成とし、これにより、凸条２の加熱不足及び角部のオーバーヒートを防止し、温度むらを小さく抑制する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、射出成形機や押出機などに用いるスクリュー軸のように、外周面に凸条を備えた軸状部材の表層部分を誘導加熱する方法に関し、特に、前記軸状部材の表面に溶射等によって形成した金属材料の一次被覆層を再溶融処理するために前記軸状部材の表層部分を加熱するのに好適な高周波誘導加熱方法に関する。

従来より、鋼製の管やローラの外周面に、耐摩耗性などの物性を向上させるために、溶射等によって金属被覆層を形成することが行われている。また、溶射等によって金属被覆層を形成した後、その金属被覆層（一次被覆層という）を再溶融処理して、一次被覆層に存在していた気孔や酸化物を除去し、緻密な二次被覆層とすることも行われており、その再溶融処理のために管やローラ表面を誘導加熱することも知られている。この誘導加熱には、管やローラの軸線方向の小区間を取り囲む環状の誘導子を用いており、その誘導子を管やローラに沿って軸線方向に相対的に移動させることで、一次被覆層全長に再溶融処理を施していた。また、大径のリング材の外周面に一次被覆層を形成し、その円周方向の小領域を誘導加熱する誘導子を円周方向に相対的に移動させることで、一次被覆層全周に再溶融処理を施すことも知られている（例えば、特開２０００−８７２１１号公報）。

最近、外周面にらせん状の凸条を有するスクリュー軸にも自溶合金等の被覆層を形成する要求が生じてきた。そこで、スクリュー軸表面に自溶合金を溶射して一次被覆層を形成し、次いで、そのスクリュー軸の表層部分を誘導加熱して一次被覆層を再溶融処理することを試みた。この際、従来用いられている短い環状の誘導子では、再溶融処理に時間がかかり、生産性が悪いため、誘導子として、図１４に示すように、スクリュー軸１の加熱すべき領域全長に亘ってスクリュー軸１に平行に配置しうる誘導作用部１７ａ，１７ｂを備えた鞍型誘導子１７を用い、一次被覆層全長を同時に再溶融処理した。ところが、この誘導子による加熱では、スクリュー軸１の凸条２とその他の領域３（一つの凸条２と隣接の凸条２とではさまれた領域、以下溝底部という）とを均一に加熱することが困難であり、一次被覆層の良好な再溶融処理ができないという問題のあることが判明した。

以下、この問題点を図１５（ａ）に示す射出成形機用スクリュー軸１を参照して説明する。スクリュー軸１は、図示のように、先端側から、大径平行部１ａ、勾配部１ｂ、小径平行部１ｃを備えており、これらの各部にらせん状に凸条２が形成されている。この凸条２の外径は各部においてほぼ一定であるので、凸条２の高さは大径平行部１ａ、勾配部１ｂ、小径平行部１ｃにおいてそれぞれ異なっており、また凸条２の形状、傾き等も図１５（ｂ）、（ｃ）に示すように、異なっている。このようなスクリュー軸１に対して溶射により一次被覆層を形成する際、凸条２の表面を含む全域で膜厚を一定にするのが理想だが、自動で溶射を行っても、スクリュー軸１のあらゆる面に対して溶射角を一定に制御することや、粉末の跳ね返りを一定にすることは不可能あることから、膜厚を一定に溶射することはきわめて困難である。このため、現実には膜厚が場所によってかなり変動してしまい、目標１ｍｍの膜厚に対して、１〜２ｍｍ程度の範囲にしか形成できない。一方、一次被覆層の再溶融処理には、一次被覆層を適正温度に昇温させることが必要である。スクリュー軸１の表面を加熱、昇温させて、その上の一次被覆層を溶融させる場合、スクリュー軸１の表面が均一に昇温したとしても膜厚の厚いところでは薄いところに比べて昇温に時間がかかってしまう。このため、厚さむらのある一次被覆層全体を適正温度に昇温させるには、スクリュー軸１の表面を適正温度に昇温させた後、適当な時間だけその温度に保持して一次被覆層を均熱することが必要である。

しかしながら、鞍型誘導子１７の誘導作用部１７ａ，１７ｂをスクリュー軸１に平行に配置してスクリュー軸１の表層部分を誘導加熱した場合、凸条２と溝底部３とにかなりの温度差が生じてしまうとか、凸条２の高さの高いところでは低いところに比べてあまり昇温しないといった現象があり、このため、昇温途中で一次被覆層に割れが生じることがあり、また均熱中に、高温部にだれ（溶融金属が流れる現象）が生じるといった問題が生じた。これを防止するには、昇温時間をきわめて遅くするとか、スクリュー軸表面の到達温度を、再溶融処理の最適温度よりも低めに（例えば、１０〜１５℃低めに）設定し、その温度で均熱することが必要となるが、この方法では、予想以上に時間がかかり、生産性がきわめて悪くなるという問題を生じる。
特開２０００−８７２１１号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、スクリュー軸のように、外周面に凸条を備えた軸状部材の表層部分を、凸条と溝底部との温度差や、凸条の高さの異なる部分での温度差を小さく抑制しながら誘導加熱することを可能とする高周波誘導加熱方法を提供することを課題とする。

本発明者等は鞍型誘導子を用いてスクリュー軸を誘導加熱した際に、凸条と溝底部とに生じる温度むらの原因を検討の結果、次の事項を見出した。すなわち、図１４に示すように、スクリュー軸１の軸線に平行に配置した誘導作用部１７ａ，１７ｂに通電すると、電流は矢印Ｃで示すようにスクリュー軸１の軸線に平行方向に流れ、それに応じてスクリュー軸１の表層部分には矢印Ｄで示すようにスクリュー軸１の軸線方向の誘導電流が発生し、その誘導電流は凸条２を横切って流れる。このため、図３に拡大して示すように、凸条２を横切る誘導電流５は、凸条２の一方の側面２ｂを昇り、他方の側面２ｃを下る方向、及びその逆方向に交互に流れることとなる。この際、誘導電流５の電流浸透深さが深いと、凸条２の一方の側面２ｂを昇る方向に流れる誘導電流と他方の側面２ｃを下る方向に流れる誘導電流とが干渉し合い、結局凸条２を流れる誘導電流が少なくなって、温度が上がらない。特にこの現象は凸条２の高さが高いところで顕著である。一方、電流浸透深さが浅すぎると、大部分の誘導電流が凸条２の表面を流れ、熱容量の小さい角部２ａ，２ａをオーバーヒートしてしまい、角部２ａの温度が他の領域の温度よりもかなり高くなってしまう。これらの現象によりスクリュー軸の凸条と溝底部とに大きい温度差が生じていた。このような温度むらの発生を抑制するには、凸条を横切って流れる誘導電流の電流浸透深さを適正な値とすることが有効である。

本発明の高周波誘導加熱方法はかかる知見に基づいてなされたもので、外周面に凸条を備えた軸状部材の加熱すべき領域に、該加熱すべき領域を全長に亘って誘導加熱可能な誘導作用部を備えた誘導子を近接配置し、前記軸状部材をその中心軸線を中心として回転させながら、前記凸条に交叉する方向の誘導電流を発生させて軸状部材の加熱すべき領域全体を同時に誘導加熱する構成とし、その際、前記誘導子への通電周波数を、少なくとも、前記軸状部材の表面が所定温度に昇温している時には、前記通電周波数に基づく電流浸透深さが、前記誘導電流の流れ方向における前記凸条の幅の１／２．５以下、０．３ｍｍ以上の範囲内となるように設定したことを特徴とするものである。

ここで、前記した高周波誘導加熱方法は、前記軸状部材を誘導加熱することにより、該軸状部材の表面に形成した金属材料の一次被覆層を再溶融処理する工程に用いることが好ましい。

本発明は、上記したように電流浸透深さを、凸条の、誘導電流が流れる方向における幅の１／２．５以下としたことで、凸条の両側の側面を昇り降りする誘導電流が互いに干渉しあって減少するということが少なくなり、凸条を溝底部と同様に誘導加熱することができ、且つ高さの異なる凸条も同様に加熱することができ、また、電流浸透深さを、０．３ｍｍ以上としたことで、角部のオーバーヒートを抑制でき、結局、軸状部材の表面を、温度むらを小さく抑制した状態で所望温度に保持できる。以下、この条件を満たす周波数を適正周波数と称する。また、本発明は、軸状部材の加熱すべき領域全体を同時に誘導加熱する構成としたことにより、加熱処理の生産性を高めることができる。本発明を、軸状部材表面に形成した一次被覆層の再溶融処理のための軸状部材表面の誘導加熱に利用すると、一次被覆層を良好に再溶融処理できるという効果が得られる。

本発明で誘導加熱の対象とする軸状部材は、外周面に凸条を備え、且つ表層部分を誘導加熱可能な材質で構成されたものであれば任意であり、代表例として、射出成形機や押出成形機のスクリュー軸を挙げることができる。また、その軸状部材の加熱目的も任意であり、例えば、軸状部材表面に溶射等によって形成した金属の一次被覆層を再溶融処理するための軸状部材表面の加熱、或いは、軸状部材表面の熱処理のための加熱等を挙げることができる。以下、スクリュー軸の表面に形成した一次被覆層を再溶融処理する場合を例にとって、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱方法を実施するための装置の１例の主要部品を示す概略斜視図、図２はその装置を、加熱動作中の状態で示す概略斜視図である。１は誘導加熱の対象とするスクリュー軸であり、外周面に凸条２と溝底部３を備え、表面に溶射等によって自溶合金の一次被覆層を形成している。１１は固定ベース、１２は固定ベース１１に回転自在に保持され、スクリュー軸１を保持するチャック、１３はチャック１２に保持したスクリュー軸１をその中心軸線を中心として回転させる駆動モータ、１４は減圧容器、１５は真空ポンプである。１７はスクリュー軸１の表層部分の誘導加熱を行うための誘導子、１８は高周波トランス、１９は高周波電源装置である。ここで用いている誘導子１７は、角パイプ等の中空導体をループ状に且つ鞍型に形成した、いわゆる鞍型誘導子と称されるもので、スクリュー軸１の加熱すべき領域の全長に亘って平行に対向配置可能な誘導作用部１７ａ，１７ｂと、その両端をそれぞれ横方向に退避した形態で連結した連結部１７ｃ，１７ｄを備えている。この構成の誘導子１７を用いることで、チャック１２に保持されたスクリュー軸１の側方から誘導子１７を矢印Ｅで示すように移動させ、誘導子１７の誘導作用部１７ａ，１７ｂをスクリュー軸１に対向する位置にセットすることができる。誘導子１７には、それを構成する中空導体内に冷却水を通すための通水配管（図示せず）も接続されている。高周波電源装置１９は高周波トランス１８を介して誘導子１７に所定周波数を以て高周波通電するものであり、ここでは二つの周波数（詳細は後述する）を切り替えて供給可能な２周波電源装置が使用されている。

次に、上記構成の装置を用いてスクリュー軸１の表層部分を誘導加熱し、一次被覆層を再溶融処理する際の動作を説明する。図２に示すように、処理すべきスクリュー軸１をチャック１２に保持させ、誘導子１７を、誘導作用部１７ａ，１７ｂがスクリュー軸１をはさんだ位置でスクリュー軸１に平行となるようにセットする。次いで、真空ポンプ１５を作動させて減圧容器１４内を所望の真空度になるよう減圧し、その状態で駆動モータ１３でスクリュー軸１を回転させながら、誘導子１７に高周波通電を行う。これにより、誘導子１７の誘導作用部１７ａ，１７ｂにはスクリュー軸１に平行方向（矢印Ｃ方向）に電流が流れ、それに応じてスクリュー軸１の表層部分には、図４に示すように、スクリュー軸１を表面から見た状態ではスクリュー軸１の軸線に平行方向（矢印Ｄ方向）の誘導電流が発生する。そして、その誘導電流は、スクリュー軸１を断面で見た状態では、図３に符号５で示すように、溝底部３の表層部分をスクリュー軸１の軸線に平行に流れ凸条２を横切る位置では、凸条２の表面に沿って流れる。このため、スクリュー軸１の加熱すべき領域全体の表層部分が同時に昇温してゆき、一次被覆層も昇温してゆく。そして、スクリュー軸１の表面が、一次被覆層の再溶融処理に適切な所定温度に到達した後は、一次被覆層の厚さの最も厚い部分をも確実に再溶融処理するのに要する時間だけ、その温度に保持し、一次被覆層を再溶融処理する。処理後は、誘導子１７への通電を停止して冷却する。以上のようにして、スクリュー軸１の一次被覆層全体を同時に再溶融処理する。

以上の誘導加熱において、誘導子１７への通電周波数は次のように設定する。まず、少なくとも、スクリュー軸１の表面を一次被覆層の再溶融処理に適切な所定温度に保持する間は、誘導子１７への通電周波数ｆ₁ を、その通電周波数に基づく電流浸透深さδが、スクリュー軸１の凸条２の、誘導電流が流れる方向（図４の矢印Ｄ方向）における幅ｗの１／２．５以下、０．３ｍｍ以上の範囲内となるように、すなわち適正周波数に設定する。ここで、電流浸透深さδ（ｃｍ）は、通電周波数をｆ（Ｈｚ）、被加熱材（スクリュー軸）の比透磁率をμ、抵抗率をρ（Ω・ｃｍ）とすると、
δ＝５．０３×１０³ √（ρ／μｆ） ・・・（１）
であるので、この式（１）と、凸条２の幅ｗから誘導子１７への通電周波数ｆ₁ を求めることができる。このように電流浸透深さδを、凸条２の、誘導電流が流れる方向における幅ｗの１／２．５以下としたことで、凸条２の一方の側面２ｂを昇る誘導電流と、他方の側面２ｃを降りる誘導電流とがほとんど干渉しあうことがなく、凸条２を溝底部３と同様に誘導加熱することができる。また、電流浸透深さδを０．３ｍｍ（０．０３ｃｍ）以上としたことで、角部２ａ，２ａのオーバーヒートを抑制できる。かくして、通電周波数ｆ₁ を上記のように設定することで、スクリュー軸１の表面を、凸条２と溝底部３とに生じがちな温度差を小さく（例えば、１５℃程度に）抑制した状態で、一次被覆層の再溶融処理に適した温度（例えば、１０５０℃程度）に保持でき、一次被覆層に厚さむらがあっても均一に再溶融処理することができる。なお、凸条２の幅は、凸条の高さ方向に異なるとか、凸条の長手方向に異なる場合があり、必ずしも一定ではない。そこで、凸条２の幅が一定でない場合には、通電周波数ｆ₁ を求めるための凸条２の幅ｗとして、最小値を採用すればよく、これにより、ほとんどの場合に対応できる。また、凸条の最小幅が平均幅に比べてきわめて小さい場合には、凸条の幅の平均値を通電周波数ｆ₁ を求めるための凸条２の幅ｗとして用いれば良い。

上記のようにして定めた通電周波数ｆ₁ は、スクリュー軸１の加熱開始時から採用してもよいが、スクリュー軸１の表面の到達温度（一次被覆層の再溶融処理に適切な所定温度）がスクリュー軸の磁気変態点を越えた温度である場合には、加熱開始時には、この通電周波数ｆ₁ よりも低い通電周波数ｆ₂ を採用し、スクリュー軸１の昇温途中で、その表面温度が磁気変態点±１００℃の範囲内にある時に、所定の通電周波数ｆ₁ となるようにすることが好ましい（理由は後述する）。そこで、図１に示す高周波電源装置１９は、加熱初期には低い周波数ｆ₂ を出力し、スクリュー軸１の昇温途中で、その表面温度が磁気変態点±１００℃の範囲内にある時に、高い周波数ｆ₁ に切り替えて出力する構成としている。加熱初期に低い周波数ｆ₂ を用いるのは次の理由による。

すなわち、上記した式（１）に示すように、電流浸透深さδは比透磁率μの関数であり、比透磁率μが大きくなれば、電流浸透深さδは小さくなる。この比透磁率μは、スクリュー軸１の温度に大きく依存しており、特に、磁気変態点（鋼では、約８００℃）を越え、磁気変態が調う時点を境に大きく変化する。例えば、鋼製のスクリュー軸１では磁気変態が調う前には比透磁率μは、５０〜１００程度であるが、これが磁気変態点を越え、磁気変態が調った後には、ほぼ１にまで著減する。前記したように、通電周波数ｆ₁ は磁気変態点を越え、磁気変態が調った後の状態における比透磁率μを用いて計算しているので、この通電周波数ｆ₁ で磁気変態点以下のスクリュー軸１を誘導加熱すると、その時の電流浸透深さδ₂ は、磁気変態が調った後の状態における電流浸透深さδ₁ に比べてはるかに小さくなる（例えば１０分の１）。このように小さい電流浸透深さδ₂ でスクリュー軸１を誘導加熱すると、凸条２の角部２ａが他の領域に比べて昇温しやすく、スクリュー軸表面に昇温途中でかなりの温度むらを生じ、一次被覆層に割れや剥離等のトラブルを発生しやすい。これを防止するには、昇温速度を遅くする必要があり、そのため昇温時間がかかってしまう。そこで、スクリュー軸１の表面が磁気変態点を越え、磁気変態が調う時点に至るまでは、誘導子１７への通電周波数ｆ₂ を、通電周波数ｆ₁ よりも低く設定しておくことにより、加熱開始時から通電周波数ｆ₁ とした場合に比べて電流浸透深さを大きくでき、これによって凸条２の角部２ａの昇温を抑制して温度むらを小さくでき、一次被覆層に割れや剥離を生じることなく昇温速度を大きくできる。すなわち、昇温時間を短縮して生産性を上げることができる。このように、スクリュー軸１の表層部分を誘導加熱して昇温させる際、加熱初期には、低い通電周波数ｆ₂ とし、スクリュー軸１の表層部分が磁気変態点を越え、磁気変態が調った時点で、通電周波数ｆ₁ に切り替えることで、昇温速度を大きくし且つ所定温度に昇温させた時には温度むらをあまり生じることなく所定温度に保持できる。

上記したように、通電周波数の切替は、厳密にはスクリュー軸１の表層部分が磁気変態点を越え、磁気変態が調った時点とすることが好ましいが、磁気変態が調った時点の前後に多少ずれてもさほど支障はない。すなわち、磁気変態点をはさむ１００℃程度の温度範囲内であれば、その温度範囲を通過して昇温する時間は短いので、この温度範囲内において通電周波数が多少適正でなくてもさほど温度むらは発生しない。従って、加熱初期に用いる低い通電周波数ｆ₂ から、高い通電周波数ｆ₁ への切替は、実作業上的には、スクリュー軸１の昇温途中で、その表面温度が磁気変態点±１００℃の範囲内にある時に行えばよく、最も好適には、磁気変態点を５０〜１００℃程度越えた時点に行えば良い。

ここで、加熱開始時の通電周波数ｆ₂ は、磁気変態が調った時点を越えた後で採用する通電周波数ｆ₁ の場合と同様に、磁気変態点以下における電流浸透深さδが０．３ｍｍ以上となるように設定することが凸条２の角部２ａのオーバーヒートを抑制する上からは好ましい。しかしながら、このような電流浸透深さδを確保するには、通電周波数ｆ₁ の選択によっては（例えば、磁気変態が調った時点以降における電流浸透深さが０．３ｍｍとなるように通電周波数ｆ₁ を選択した場合には）、通電周波数ｆ₂ を、通電周波数ｆ₁ の１０分の１程度にせざるを得ないケースも出てくるが、単一の高周波電源装置１９で、周波数比が大きく異なる二つの周波数ｆ₁ ， ｆ₂ を切り替えて出力することは設備的にあまり得策とはいえない。すなわち、多く使用されているインバーター式の高周波電源装置で、二つの周波数ｆ₁ ，ｆ₂ を切り替えて出力する機能を付与しようとすると、適用周波数範囲及び経済性の点から、周波数比を１：５程度に抑えるのが妥当であり、又実用的である。従って、通電周波数ｆ₂ は通電周波数ｆ₁ の１／５程度に設定するのが良い。

このように、図１、図２に示す実施形態では、通電開始時からスクリュー軸表面が磁気変態点±１００℃の範囲内の適当な温度に達するまでは誘導子１７に対して低い通電周波数ｆ₂ による通電を行い、その後は、通電周波数ｆ₁ による通電を行うことができ、これにより、スクリュー軸１の表面を温度むらをあまり生じることなく敏速に昇温させて、一次被覆層の再溶融処理に適した所定温度に昇温させることができ、且つ温度むらをあまり生じることなく所定温度に保持して一次被覆層を再溶融処理することができ、一次被覆層に割れやだれ等の欠陥を生じることなく、且つ生産性良く一次被覆層の再溶融処理を行うことができる。また、上記実施形態ではスクリュー軸１を回転させながら鞍型誘導子１７を用いて誘導加熱したことにより、スクリュー軸１の長い加熱領域を同時に加熱、昇温させることができ、生産性良く、再溶融処理を行うことができる。

なお、上記実施形態では、スクリュー軸１表面の一次被覆層の再溶融処理を減圧下で行っている。これにより、溶融層からの気泡の除去を敏速に行うことができると共に被覆内の残存気孔を極小とでき、しかも酸化も極小とできるといった利点が得られる。しかしながら、本発明はこれに限らず、単に無酸化雰囲気で再溶融処理を行って酸化を極小化してもよいし、酸化しにくい材料であれば大気中で再溶融処理を行っても良い。

更に、上記実施形態では、直線状の誘導作用部１７ａ，１７ｂを備えた誘導子１７を用い、その誘導作用部１７ａ，１７ｂをスクリュー軸１に平行に近接配置してスクリュー軸１の表層部分を誘導加熱しているが、本発明の高周波誘導加熱方法はこの誘導子を用いる場合やスクリュー軸に対する誘導加熱に限定されるものでなく、凸条に対して交叉する方向の誘導電流を発生させて誘導加熱する任意の場合に適用可能である。

以下、本発明の実施に用いる誘導子の他の例を説明する。図５（ａ）は、図１に示すスクリュー軸１の誘導加熱に好適な誘導子２１を示す概略斜視図である。この誘導子２１も、図１に示す誘導子１７と同様に、角パイプ等の中空導体をループ状に且つ鞍型に形成した、いわゆる鞍型誘導子と称されるもので、スクリュー軸の加熱すべき領域の全長に亘って平行に対向配置可能な誘導作用部２１ａ，２１ｂと、その両端をそれぞれ横方向に退避した形態で連結した連結部２１ｃ，２１ｄを備えているが、誘導作用部２１ａ，２１ｂの形状が図１に示す誘導子１７とは異なっている。すなわち、図５の誘導子２１では、誘導作用部２１ａ，２１ｂが全体的には細長い形状をしているが、その長手方向に間隔を開けた複数個所に、誘導作用部２１ａ，２１ｂの幅を狭めるための切欠き２３を、その開口端が誘導作用部の両側の側縁に交互に位置するように形成している。なお、図５（ａ）では切欠き２３を誘導作用部２１ａ，２１ｂの一部領域のみに形成するように図示しているがこれは図面を簡略化するためであり、実際には誘導作用部２１ａ，２１ｂの全長に亘って均等に形成している。

この誘導子２１も、図１、図２に示す装置において誘導子１７に替えて使用される。すなわち、誘導子２１をその誘導作用部２１ａ，２１ｂがスクリュー軸１をはさむ位置となるようにセットし、その誘導子２１に通電することで、スクリュー軸１の表層部分を誘導加熱し、スクリュー軸１の表面の一次被覆層を再溶融処理することができる。ここで、誘導作用部２１ａ，２１ｂには複数の切欠き２３を形成しているので、誘導子２１に通電すると、誘導作用部２１ａ，２１ｂを流れる電流は図５（ｂ）に太い線２４で示すように、誘導作用部の中心軸線Ｏ−Ｏの両側に交互に迂回しながら波状に流れることとなる。このため、この誘導作用部２１ａ，２１ｂに対向しているスクリュー軸１の表層部分には、図５（ｃ）に太い線２５で示すように円周方向に迂回しながら軸線方向に流れる誘導電流が発生する。すなわち、スクリュー軸１の表層部分を流れる誘導電流はスクリュー軸の軸線に平行ではなく波状に流れており、かなりの領域でスクリュー軸軸線に対して右又は左に傾斜している。このため、誘導電流は、平均的には図６に矢印Ｆで示すようにスクリュー軸１の軸線に傾斜した方向に流れ、凸条２の長手方向に対する交叉角度αが、誘導電流が軸線に平行に流れる場合（図４参照）に比べて小さくなる。このため、スクリュー軸１の凸条２の、誘導電流が流れる方向（図６の矢印Ｆ方向）における幅Ｗが、図４に示すように誘導電流を軸線方向に生じさせた場合の幅ｗに比べてかなり大きくなる。このことは、図６で矢印Ｆ方向に流れる誘導電流が凸条２を横切って流れる時にその凸条２の両側面を昇り降りする誘導電流同志の干渉が生じにくいことを示している。従って、電流浸透深さδを大きくしても（従って通電周波数を小さくしても）、凸条２と溝底部３との温度差を小さく抑制することができる。

この誘導子２１を使用する場合においても、誘導子１７を使用する場合と同様に、少なくとも、スクリュー軸１の表面を磁気変態点を越えた再溶融処理に適切な所定温度に保持する間は、誘導子２１への通電周波数ｆ₃ を、その通電周波数に基づく電流浸透深さδが、スクリュー軸１の凸条２の、誘導電流が流れる方向（図６の矢印Ｆ方向）における幅Ｗの１／２．５以下、０．３ｍｍ以上の範囲内となるように設定し、加熱開始からスクリュー軸１の表面が磁気変態点±１００℃の範囲内の適当な温度に到達するまでは、前記した通電周波数ｆ₃ よりも低い、例えば、１／５程度の通電周波数ｆ₄ とすることが好ましい。このように設定することで、スクリュー軸１の表面を、温度むらをあまり生じることなく敏速に昇温させて、一次被覆層の再溶融処理に適した所定温度に昇温させることができ、且つ温度むらをあまり生じることなく所定温度に保持して一次被覆層を再溶融処理することができる。ここで、前記したように、図６に示す幅Ｗが、図４に示す幅ｗよりもかなり大きくなっているため、誘導子２１への通電周波数ｆ₃ として採用可能な周波数範囲は、前記した誘導子１７を用いる場合の適正周波数に比べて低周波数側にかなり広がっている。このため、周波数選択の自由度が増す。しかも、誘導子２１への通電周波数ｆ₃ として、誘導子１７を用いる場合の通電周波数ｆ₁ よりも低い周波数を採用すると、通電開始時における通電周波数ｆ₄ の周波数も、誘導子１７を用いる場合の通電周波数ｆ₂ よりも低い周波数とすることができ、このため、電流浸透深さを大きくして凸条２の角部２ａのオーバーヒートを一層抑制できる。このため、昇温時間を更に短縮できる利点が得られる。

なお、図５（ｃ）に太い線２５で示すように、スクリュー軸１の表層部分に生じる誘導電流は波形に流れるため、スクリュー軸１の軸線方向の一部領域では誘導電流が軸線に平行に流れており（前述のように、スクリュー軸は回転させているが、凸条２が左右の誘導作用部２１ａ，２１ｂそれぞれのジグザグのどの位相部分と出会うかの関係は、回転と関係なく一定である）、誘導子２１への通電周波数ｆ₃ を、誘導子１７に対する適正周波数よりも低い周波数とした時には、誘導電流が軸線に平行に流れる領域では凸条２の加熱が不足する場合がある。それを改善するため、スクリュー軸１をはさんで配置する二つの誘導作用部の切欠き２３のスクリュー軸１の軸線方向の位置を、誘導作用部２１ａと２１ｂとで、たとえば上記波形電流のπ／２位相分ずらすことで、上記平行電流の出現部位を倍増、出現頻度を半減させて加熱の均一化を図ることが推奨される。また、誘導子２１をスクリュー軸１の軸線方向に往復動させながら誘導加熱する構成は更に有用である。

ここで、誘導作用部２１ａ，２１ｂに形成する切欠き２３のピッチ、幅、深さ等は、誘導子への通電周波数、許容温度むら等を考慮して計算により或いは実験により適宜定めれば良い。この切欠き２３のピッチ、幅、深さ等は、誘導作用部２１ａ，２１ｂの全長に亘って均一とする必要はなく、スクリュー軸１の長手方向の温度むらを抑制するように変化させてもよい。例えば、スクリュー軸１の昇温しにくい領域では、切欠き２３のピッチを小さくするとか切欠き２３を深くする等によって円周方向に流れる誘導電流を多くし、発熱量を多くすることが推奨される。

切欠き２３の幅や深さの最適値をテストによって求める場合、切欠き２３の幅や深さを容易に変更可能な構造としておくことが好ましい。図７、図８はその場合に対応した実施形態による誘導子を示すものである。図７に示す誘導子２１Ａは、それに形成している切欠き２３Ａに、導電体からなるスペーサ３１をＣ状断面とすることで着脱可能としたものであり、この切欠き２３Ａにスペーサ３１を脱着させることで切欠き深さを調整することができる。図８に示す誘導子２１Ｂは、切欠きを形成すべき位置にあらかじめ導電体からなるスペーサ３３を埋設しておき、そのスペーサ３３をのこ等で切り欠いて、スペーサ３３に所望深さ、幅の切欠き２３Ｂを形成する構成としたものである。図７，図８のような構成とすると、誘導子を中空構造とし中空部を冷却水路としている場合でも、切欠き深さの調整を上記中空構造にまで及んで行う必要がなく、調整を容易に行うことが可能となる。

図５に示す切欠き２３を備えた誘導子２１、或いは図７，図８に示す誘導子２１Ａ、２１Ｂ等は、例えば、図９に示すように、角パイプ又は丸パイプ３５を曲げ加工し或いは寄せ木的にろう接するなどして製造できる。また、誘導子２１の誘導作用部２１ａ，２１ｂに形成する切欠き２３は、誘導作用部の長手方向に対して直角方向に形成する場合に限らず、図１０に示すように、傾斜させてもよい。更に、誘導子２１は必ずしも、パイプで形成する場合に限らず、単に導電性の板材で作っても良い。その場合、冷却が必要であれば、誘導子を構成する板材の表面に冷却パイプを取り付ける等の対策を採れば良い。

以上に説明した誘導子はいずれも、誘導作用部を細長い平板状としているが、誘導作用部は必ずしも平板状とする必要はなく、スクリュー軸１の外周面に沿うように円弧状に湾曲させた形状としてもよい。図１１はその形態の誘導子２１Ｃを示すものであり、この誘導子２１Ｃは、円弧状に湾曲した細長い誘導作用部２１Ｃａ，２１Ｃｂを、その両端で連結して一体化した構造となっており、各誘導作用部２１Ｃａ，２１Ｃｂに切欠き２３を形成している。この構成の誘導子２１Ｃでは、誘導作用部２１Ｃａ，２１Ｃｂがスクリュー軸の周面の広い範囲に近接配置されることとなり、誘導電流量を多くすることができる利点が得られる。

図１２は更に他の形態の誘導子２１Ｄを示すものである。この誘導子２１Ｄは、誘導加熱すべきスクリュー軸を取り囲むように配置可能ならせん形態の誘導作用部２１Ｄａ，２１Ｄｂと、その両端を連結する連結部２１Ｄｃ，２１Ｄｄを備えている。この誘導子２１Ｄは、スクリュー軸を取り囲むように同心配置して通電することで、スクリュー軸１にらせん状に誘導電流を発生させることができ、その誘導電流と凸条２の長手方向との交叉角度がきわめて小さくなり、凸条２を溝底部３と同等に加熱することが可能となる。

図１３は更に他の形態の誘導子４１を示すものである。この誘導子４１は、図１に示す実施形態に用いた誘導子１７と同様に、スクリュー軸１の加熱すべき領域の全長に亘って平行に対向配置可能な誘導作用部１７ａ，１７ｂと、その両端をそれぞれ横方向に退避した形態で連結した連結部１７ｃ，１７ｄを備えており、更に、その誘導作用部１７ａ，１７ｂの所望領域の外部磁路に、フェライト、鉄などの強磁性体で形成された切片（インダクター）４２を配設している。このように強磁性体の切片４２を配設すると、図１３（ｃ）に示すように、誘導作用部１７ａで発生した磁束４４が切片４２を通ろうとして引き寄せられ、切片を取り付けていない誘導作用部１７ｂで発生した磁束４５に比べてスクリュー軸１の表層に集中する。このため、切片４２を取り付けている領域ではスクリュー軸１の表層へ誘導電流が集中し、凸条２が良く加熱されるようになる。従って、凸条２の加熱が不足する領域に切片４２を配置することで、凸条２を均一加熱することができる。

前記したように、スクリュー軸１に平行に電流が流れる誘導作用部１７ａ，１７ｂを用いてスクリュー軸１を誘導加熱する場合、凸条２と溝底部３との温度差を小さく抑制して誘導加熱するには、通電周波数ｆ₁ を、適正周波数（その通電周波数に基づく電流浸透深さδが、スクリュー軸１の凸条２の、誘導電流が流れる方向における幅ｗの１／２．５以下で且つ０．３ｍｍ以上となる周波数）とすることが必要である。ところで、この周波数よりも低い周波数で誘導加熱した場合、凸条２の温度が溝底部３に比べて上がりにくいが、その場合でも、図１５（ｂ）に示すように凸条２が低い場所では凸条２は良好に加熱され、図１５（ｃ）示すように凸条２が高い場所では凸条２の加熱量が不足する。このため、加熱の不足する領域に切片４２を配置して加熱を補うことで、適正周波数よりも低い周波数で、均一加熱を行うことが可能となる。

図１３に示す形態では、単に強磁性体の切片４２を取り付けるのみであるので、簡単な構造で凸条２の加熱不足を補うことができる利点が得られる。ここで、切片４２を取り付ける場所、個数等は、適正周波数に対する使用周波数の外れ具合、或いはそれに基づく温度むら等から決定すればよく、加熱テストで確認すればよい。誘導作用部１７ａ，１７ｂに対する切片４２の取付構造は、着脱可能とすることが好ましく、これにより、所望の位置に容易に着脱することができる。切片４２の厚み、幅、長さ等の形状と材質を変えることで、効果の調整を行うこともできる。

なお、上記した強磁性体の切片４２は、図５〜図１２に示した誘導子２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ等に対しても有効であり、必要に応じ、所望の位置に取り付ければ良い。

［実施例１］
（１）試料として下記仕様のスクリュー軸１を用意した。
凸条２のピッチ：４１ｍｍ
凸条２の幅ｗ ：６ｍｍ
凸条２の外径 ：４１ｍｍ
溝底部３の外径：２７ｍｍ
材質 ：ＳＣＭ４１０
一次被覆層材質：Ｎｉ自溶合金（ＪＩＳ，ＳＦＮｉ２）（溶射で形成）
一次被覆層厚さ：１〜２ｍｍ
一次被覆層の形成長さ：１０００ｍｍ
（２）使用誘導子
図１に示す誘導子１７
誘導作用部１７ａ，１７ｂの寸法：幅＝４０ｍｍ，長さ＝１０８０ｍｍ
（３）通電周波数ｆ₁ ，ｆ₂ の決定
スクリュー軸の磁気変態点を越えた状態での物性：ρ≒１．０×１０^-4
μ≒１
スクリュー軸の磁気変態点以下の状態での物性 ：ρ≒０．６×１０^-4
μ≒５０
スクリュー軸１を磁気変態点以上に昇温させた時の電流浸透深さδを凸条２の幅の１／３（＝６／３＝２ｍｍ）に設定すると、この電流浸透深さ（δ＝２ｍｍ）を得るための周波数は、上記した式（１）から計算して、６３３００Ｈｚとなる。そこで、磁気変態点以上での通電周波数ｆ₁ を６５ｋＨｚに設定する。
加熱開始から磁気変態点までの通電周波数ｆ₂ は上記した通電周波数ｆ₁ （＝６５ｋＨｚ）の約１／５程度に設定することが好ましいので、１３ｋＨｚに設定する。なお、通電周波数ｆ₂ ＝１３ｋＨｚで磁気変態点以下のスクリュー軸を誘導加熱する際の電流浸透深さδは約０．４８ｍｍである。
（４）再溶融処理
スクリュー軸１を６０ｒｐｍで回転させながら誘導子１７に通電して誘導加熱し、一次被覆層の再溶融処理を行った。昇温速度及び保持時間は次の通りである。
ａ．８５０℃（磁気変態が完了する頃合）まで、通電周波数ｆ₂ ＝１３ｋＨｚ
昇温時間： ８分
ｂ．８５０℃から１０５０℃まで、通電周波数ｆ₁ ＝６５ｋＨｚ
昇温時間： ５分
ｃ．１０５０℃で均熱、通電周波数ｆ₁ ＝６５ｋＨｚ
保持時間： ３分
（５）結果
以上の処理により、昇温の際に一次被覆層に割れや剥離が生じることがなく、また１０５０℃に保持して均熱している間にだれが生じるといったトラブルもなく、一次被覆層を良好に再溶融処理することができた。均熱時の温度むらを測定したところ、±１０℃に保持されていた。
（６）２周波数加熱の優位性を確認するため、加熱開始時から通電周波数ｆ₁ ＝６５ｋＨｚで加熱したところ、一次被覆層に割れが生じやすい現象が見られた。そこで、割れが生じないように加熱速度を遅くして昇温させたところ、８５０℃まで昇温させるのに約２０分かかった。ちなみに、この時の電流浸透深さは約０．２２ｍｍである。この結果から明らかなように、磁気変態点以下での通電周波数を低く設定しておくことで、昇温速度を大きくすることができる。

［実施例２］
（１）試料として実施例１と同一仕様のスクリュー軸１を用意した。
（２）使用誘導子
図５に示す誘導子２１
誘導作用部２１ａ，２１ｂの寸法：幅＝４０ｍｍ，長さ＝１０００ｍｍ
切欠き２３の寸法：幅＝５ｍｍ，長さ＝１５ｍｍ，ピッチ＝４１ｍｍ
（３）通電周波数ｆ₃ ，ｆ₄ の決定
スクリュー軸を磁気変態点以上に昇温させた時の通電周波数ｆ₃ を２０ｋＨｚに設定する。この時の電流浸透深さは約３．６ｍｍである。
スクリュー軸が磁気変態点に昇温するまでの通電周波数ｆ₄ は４ｋＨｚに設定する。この時の電流浸透深さは約０．９ｍｍである。
（４）再溶融処理
スクリュー軸１を６０ｒｐｍで回転させながら誘導子１７に通電して誘導加熱し、一次被覆層の再溶融処理を行った。昇温速度及び保持時間は次の通りである。
ａ．８５０℃まで、通電周波数ｆ₄ ＝４ｋＨｚ
昇温時間： ８分
ｂ．８５０℃から１０５０℃まで、通電周波数ｆ₃ ＝２０ｋＨｚ
昇温時間： ５分
ｃ．１０５０℃で均熱、通電周波数ｆ₃ ＝３ｋＨｚ
保持時間： ３分
（５）結果
以上の処理により、昇温の際に一次被覆層に割れが生じることがなく、また１０５０℃に保持して均熱している間にだれが生じるといったトラブルもなく、一次被覆層を良好に再溶融処理することができた。均熱時の温度むらを測定したところ、この場合にも±１０℃に保持されていた。

本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱方法を実施するための装置の１例の主要部品を示す概略斜視図 図１に示す装置を、加熱動作中の状態で示す概略斜視図 図１，図２に示す装置でスクリュー軸を誘導加熱した際にスクリュー軸内に生じる誘導電流を説明する概略断面図 図１，図２に示す装置でスクリュー軸を誘導加熱した際にスクリュー軸を流れる誘導電流を説明するスクリュー軸の一部の概略正面図 （ａ）は誘導子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）はその誘導子の誘導作用部を流れる電流を説明する概略正面図、（ｃ）はスクリュー軸に生じる誘導電流を説明する概略正面図 図５に示す誘導子でスクリュー軸を誘導加熱した際にスクリュー軸を流れる誘導電流を説明するスクリュー軸の一部の概略正面図 （ａ）は誘導子の更に他の例を示す、一部の概略正面図、（ｂ）はその一部の概略側面図 誘導子の更に他の例を示す、一部の概略正面図 図５に示す誘導子の製造途中の状態を示す概略斜視図 誘導子の更に他の例を示す、一部の概略斜視図 誘導子の更に他の例を示す概略斜視図 誘導子の更に他の例を示す概略斜視図 （ａ）は誘導子の更に他の例を、スクリュー軸を加熱している状態で示す概略斜視図、（ｂ）はその一部の概略側面図 （ｃ）この誘導子でスクリュー軸を誘導加熱する際の磁束を説明する概略断面図 スクリュー軸を鞍型誘導子で誘導加熱する状態を示す概略斜視図 （ａ）はスクリュー軸の概略平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の拡大図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ部の拡大図

符号の説明

１ スクリュー軸
２ 凸条
３ 溝底部
１１ 固定ベース
１２ チャック
１３ 駆動モータ
１４ 減圧容器
１５ 真空ポンプ
１７ 誘導子
１７ａ，１７ｂ 誘導作用部
１８ 高周波トランス
１９ 高周波電源装置

Claims (2)

1. 外周面に凸条を備えた軸状部材に誘導子を近接配置し、該誘導子に通電して前記軸状部材の表層部分に誘導電流を生じさせて誘導加熱する方法において、前記誘導子を、前記軸状部材の加熱すべき領域の全長に亘って誘導加熱可能な誘導作用部を備えた構成とすると共に前記軸状部材の誘導加熱中、該軸状部材をその中心軸線を中心として回転させることで、前記軸状部材の加熱すべき領域全体を同時に加熱し、その際、前記軸状部材の表層部分に生じる誘導電流が前記凸条と交叉する方向に流れる構成とすると共に前記誘導子への通電周波数を、少なくとも、前記軸状部材の表面が所定温度に昇温している時には、前記通電周波数に基づく電流浸透深さが、前記誘導電流の流れ方向における前記凸条の幅の１／２．５以下、０．３ｍｍ以上の範囲内となるように設定したことを特徴とする高周波誘導加熱方法。
2. 前記軸状部材を誘導加熱することにより、該軸状部材の表面に形成した金属材料の一次被覆層を再溶融処理することを特徴とする請求項１記載の高周波誘導加熱方法。

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