JP2009019230A - ワークの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】段差部又は溝部を有するワークを高周波焼入れする工程を有するワークの製造方法において、製造コストを低くする。
【解決手段】本発明に係るワーク１０の製造方法は、ワーク１０に高周波焼入れする工程において、高周波コイル２１及び冷却装置２２を、この順にワークの表面に沿って相対的に移動させ、高部１１及び低部１２の境界である段差を焼入れするときに、高周波コイル２１で段差を加熱しつつ、段差を形成する高部１１の端部１１ａを冷却装置２２で冷却し、かつ高周波コイル２１への入力をパルス状にすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、段差又は溝部を有するワークを高周波焼入れする工程を有するワークの製造方法に関する。特に本発明は、段取り時間を低減して生産性を向上させたワークの製造方法に関する。

ピストンロッドなどのワークは、所定の機械的強度を有する必要がある。このようなワークに所定の機械的強度を持たせる方法として、高周波焼入れがある。ワークに高周波焼入れを行う場合、高周波コイルとワークとの相対位置を移動させることにより、ワークの全面を高周波加熱し、その後冷却する（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２０６９９２号公報（第２〜第４段落）

例えばワークがピストンロッドなど大径部と小径部を有する部材である場合、大径部と小径部の境界部分に段差が生じる。段差があるワークに一般的な方法で高周波焼入れを行う場合、大径部にあわせた高周波コイルを用いる必要があるため、段差を加熱処理するときに上段部（すなわち大径部の端部）が集中して誘導加熱されてしまい、段差の下段部（すなわち小径部の端部）がＡｃ_３点以上に加熱される前に上段部がオーバーヒートしてしまい、結晶粒が粗大化してしまう。

この場合、段取り時間の増加により、生産性が低下して量産に適さないという問題があった。このような問題は、ワークの表面に溝が形成されている場合も生じていた。

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、段差部又は溝部を有するワークを高周波焼入れする工程を有しており、段取り時間を低減して生産性を向上させたワークの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るワークの製造方法は、ワークを加熱する高周波コイル及び前記ワークを冷却する冷却装置それぞれを、前記ワークの表面に対して相対的に移動させることにより、前記ワークの表層に高周波焼入れする工程を具備し、
前記ワークは表面に、高部、該高部より低い低部、及び前記高部及び前記低部の境界である段差を有し、
前記段差を加熱するときに、前記高周波コイルを前記段差に対向させて前記高周波コイルへの入力をパルス状にして、かつ前記段差を形成する前記高部の端部を前記冷却装置で冷却することを特徴とする。

前記段差を焼入れするときに、前記ワークに対する前記高周波コイル及び前記冷却装置の相対位置を変化させないのが好ましい。前記ワークに高周波焼入れする工程において、前記高周波コイル及び前記冷却装置を、前記高部から前記低部に向かう方向に移動させるのが好ましい。

前記段差に溝を有していてもよい。また、前記段差を加熱するときに、前記段差に接する前記高部の温度がＡｃ_３点より５０℃以上１５０℃未満である所定の温度を越えないように、前記高周波コイルへの入力を制御するのが好ましい。

本発明に係るワークの製造方法は、ワークを加熱する高周波コイル及び前記ワークを冷却する冷却装置それぞれを、前記ワークの表面に対して相対的に移動させることにより、前記ワークの表層に高周波焼入れする工程を具備し、
前記ワークは表面に溝部を有し、
前記溝部を焼入れするときに、前記高周波コイルを前記溝部の上方に配置して前記高周波コイルへの入力をパルス状にして、かつ前記溝部の周囲を前記冷却装置で冷却することを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、高周波焼入れ工程を有するワーク１０の製造方法である。図１は、本発明の実施形態に用いられる高周波焼入れ装置の構成を説明するための概略図である。この高周波焼入れ装置は、筒状又は棒状のワーク１０を高周波焼入れ処理することにより、ワーク１０の表層に硬化層を形成する装置である。ワーク１０は例えばピストンロッドであり、大径部１１、小径部１２、及び大径部１１と小径部１２の境界すなわち段差に設けられた溝部１３を有する。

この高周波焼入れ装置は、ワーク１０を加熱する高周波コイル２１、ワーク１０を冷却する冷却装置２２、高周波コイル２１に高周波を印加する電源２３、高周波コイル２１及び冷却装置２２を移動させる移動機構２４、並びに制御部２６を有する。高周波コイル２１の内側にはワーク１０が挿通する。冷却装置２２は、ワーク１０の表面に冷却液又はエアーを吹きつけることにより、ワーク１０を冷却する。冷却装置２２は、例えば円筒部材を有しており、この円筒部材の内側にワーク１０が挿通した状態で、ワーク１０の表面に冷却液又はエアーを吹きつける。なお、冷却装置２２及び電源２３は、制御部２６によって制御される。

移動機構２４は、高周波コイル２１及び冷却装置２２をワーク１０の表面に沿って移動させることにより、高周波コイル２１及び冷却装置２２とワーク１０の相対位置を移動させる。なお移動機構２４は、ワーク１０を移動させることにより、高周波コイル２１及び冷却装置２２とワーク１０の相対位置を移動させてもよい。移動機構２４は、制御部２６によって制御される。

図２は、図１に示した高周波焼入れ装置を用いてワーク１０に焼入れする方法を説明するためのチャートである。このチャートにおいて、横軸は高周波コイル２１及び冷却装置２２の位置を、縦軸は処理開始からの時間を、それぞれ示している。本図に示す例において、制御部２６は、高周波コイル２１及び冷却装置２２を、大径部１１側の端部１１ｂから小径部１２側の端部１２ｂまでこの方向に移動させることにより、大径部１１、溝部１３、及び小径部１２の順に焼入れを行う。

大径部１１及び小径部１２を焼入れ処理する場合、制御部２６は高周波コイル２１及び冷却装置２２を、この順に、一定速度でワーク１０の表面に沿って移動させる。このとき、高周波コイル２１と冷却装置２２の間隔を一定にするのが好ましい。

そして溝部１３を焼入れ処理する場合、制御部２６は、高周波コイル２１が溝部１３の上方に位置し、かつ冷却装置２２が大径部１１のうち段差を形成している端部１１ａの上方又はその近傍に位置するように、これらを停止させる。そして制御部２６は、電源２３を制御して高周波コイル２１への入力をパルス状にして、かつ冷却装置２２を動作させ、冷却液又はエアーを端部１１ａに吹きつけさせる。冷却液又はエアーは、溝部１３の底部にはほとんどかからないが、小径部１２と溝部１３の境界１２ａには少しかかる。このときの高周波コイル２１への入力電圧の変化と、端部１１ａ及び溝部１３の底部それぞれの温度変化の例を、図３に示す。

図３に示すように、高周波コイル２１への入力を開始すると、端部１１ａは溝部１３の底部より先行して温度が上昇する。そして端部１１ａの温度がＡｃ_３点より５０℃以上１５０℃未満ほど高い所定の温度（図３の例では９５０℃）に達したときに、高周波コイル２１への入力を中断する。中断後、端部１１ａの温度は冷却液又はエアーにより下がるが、溝部１３の底部の温度は伝熱により上昇しつづける。

その後、高周波コイル２１への入力を再び行う。そして端部１１ａの温度が上記した所定の温度に達した場合に、高周波コイル２１への入力を中断する。このように、冷却装置によって端部１１ａを冷却しつつ、高周波コイル２１への入力を制御してパルス状にすることにより、端部１１ａのオーバーヒートを防ぎつつ、溝部１３の底部の温度をＡｃ_３点以上にすることができる。

また図３に示す例では、最初に予熱の為のパルス入力を行い、その後、本加熱のためのパルス入力を行っている。本加熱のためのパルス入力は、予熱の為のパルス入力より入力電圧が高く、かつ時間が短い。また予熱のためのパルス入力も、加熱が進むにつれて時間が短くなっている。

なお、小径部１２と溝部１３の境界１２ａも高周波コイル２１によって加熱され、溝部１３の底部より温度が上昇するが、端部１１ａと同様の理由により、境界１２ａのオーバーヒートが防止される。

そして端部１１ａ及び溝部１３の底部の温度がＡｃ_３点以上になった後、制御部２６は、高周波コイル２１及び冷却装置２２を小径部１２側の端部１２ｂに向かって移動させる。これにより端部１１ａ及び溝部１３は冷却装置２２によって冷却され、焼入れされる。

そして大径部１１、溝部１３、及び小径部１２の表層をこの順に高周波焼入れした後、大径部１１、溝部１３、及び小径部１２の表層を、高周波コイル２１を用いて焼戻しする。この焼戻しは、例えば小径部１２、溝部１３、及び大径部１１の順に行う。

以上、本実施形態によれば、大径部１１、小径部１２、及び大径部１１と小径部１２の境界すなわち段差部に設けられた溝部１３を有するワーク１０を、一つの高周波コイル２１を用いた一回の処理で、焼入れすることができる。

なお、ワーク１０は、大径部１１及び小径部１２を有しているものに限定されず、管状又は棒状の部材の表面に周方向の溝が形成されたものであってもよい。この場合、高周波コイル２１及び冷却装置２２は溝に直交する方向に移動することになる。また、大径部１１及び小径部１２の境界に溝が形成されていなくてもよい。この場合、境界部分には段差のみが形成される。

また、上記した実施形態では、溝部１３を焼入れするときに高周波コイル２１及び冷却装置２２を停止させていたが、これらを極低速で動かしても良い。

実施形態で示した方法を用いて、ワーク１０を焼入れ処理した。実施例において、ワーク１０は炭素鋼で形成されており、その成分は、質量％で、Ｃ:０．３７％、Ｓｉ：０．２４％、Ｍｎ:１．７４％、Ｐ：０．０２１％、Ｓ：０．０１５％、ＣＵ：０．０１％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：０．４７％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。
溝部１３を焼入れ処理するときには、端部１１ａの温度が９５０℃を超えないように、高周波コイル２１へのパルス入力を行った。具体的には、６回のパルス入力を行った。パルス幅を、最初のパルスから順に、１０秒、６秒、５秒、５秒、１．５秒、１．５秒とした。これらパルスの相互間隔（すなわち高周波入力を行わない時間）を３秒とした。各パルスにおける入力電圧を、予熱である最初の４パルスを２５０Ｖとして、本加熱である残りの２パルスを４００Ｖとした。

図４の各図は、ワーク１０の組織写真である。図４（Ａ）は大径部１１の本体の組織写真であり、図４（Ｂ）は大径部１１の端部１１ａの組織写真であり、図４（Ｃ）は大径部１１と小径部１２が形成する段差の垂直部分の組織写真であり、図４（Ｄ）は溝部１３の組織写真であり、図４（Ｅ）は小径部１２と溝部１３の境界１２ａの組織写真である。図４（Ａ），（Ｄ）に示すように、大径部１１の本体及び溝部１３の底部の結晶粒は微細であり、１０視野の平均結晶粒度はそれぞれ８．９、９．８であった。また図４（Ｂ），（Ｃ），（Ｅ）に示すように、端部１１ａ、段差の垂直部分、及び小径部１２と溝部１３の境界１２ａでは、溝部１３の底部と比較して結晶粒はやや大きかったが、１０視野の平均結晶粒度はそれぞれ７．２、７．８、７．５と十分小さかった。なお、溝部１３を他の部分と同様に処理した場合（すなわち高周波コイル２１及び冷却装置２２を移動させながら処理した場合）、端部１１ａ、及び小径部１２と溝部１３の境界における結晶粒度は、４程度になる。

図５（Ａ）は、大径部１１の本体（グラフ１）、端部１１ａ（グラフ２）、及び溝部１３の底部（グラフ３，４）それぞれにおける深さ方向のビッカース硬度分布を示している。詳細には、図５（Ｂ）に示すように、グラフ１は、大径部１１の表面から垂直な方向の硬度分布を示しており、グラフ２は、端部１１ａから、ワーク１０の表面に対して４５°を成す方向の硬度分布を示しており、グラフ３は、溝部１３の底部から斜め４５°方向の硬度分布を示しており、グラフ４は、溝部１３の底部から、小径部１２側に１５°ほど垂直方向から傾いた方向の硬度分布を示している。

これらのグラフに示すように、大径部１１の本体では、深さ４ｍｍまでＨＶ６００前後の硬化層が形成されていた。そして溝部１３の底部では、大径部１１側に４５°ほど傾いた方向には深さ６．３ｍｍまでＨＶ６００前後の硬化層が形成されており、小径部１２側に１５°ほど傾いた方向には深さ２．７ｍｍまでＨＶ６００前後の硬化層が形成されていた。また、端部１１ａでは深さ２ｍｍまでＨＢ６００前後の硬化層が形成されていた。

以上より、上記した実施形態でワーク１０を処理することにより、溝部１３及び端部１１ａのいずれにも十分な深さの硬化層を形成できることが示された。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、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。

高周波焼入れ装置の構成を説明するための概略図。 ワーク１０に焼入れする方法を説明するためのチャート。 高周波コイル２１への入力電圧の変化と、端部１１ａ及び溝部１３の底部それぞれの温度変化の例を説明するための図。 各図はワーク１０の組織写真。 （Ａ）は、大径部１１の本体（グラフ１）、端部１１ａ（グラフ２）、及び溝部１３の底部（グラフ３，４）それぞれにおける深さ方向のビッカース硬度分布を示すグラフ、（Ｂ）は硬度分布の方向を説明するための図。

符号の説明

１０…ワーク、１１…大径部（高部）、１１ａ，１１ｂ，１２ｂ…端部、１２…小径部（低部）、１２ａ…境界、１３…溝部、２１…高周波コイル、２２…冷却装置、２３…電源、２４…移動機構、２６…制御部

Claims (5)

1. ワークを加熱する高周波コイル及び前記ワークを冷却する冷却装置それぞれを、前記ワークの表面に対して相対的に移動させることにより、前記ワークの表層に高周波焼入れする工程を具備し、
   前記ワークは表面に、高部、該高部より低い低部、及び前記高部及び前記低部の境界である段差を有し、
   前記段差を加熱するときに、前記高周波コイルを前記段差に対向させて前記高周波コイルへの入力をパルス状にして、かつ前記段差を形成する前記高部の端部を前記冷却装置で冷却することを特徴とするワークの製造方法。
2. 前記段差を焼入れするときに、前記ワークの表面に対する前記高周波コイル及び前記冷却装置の相対位置を変化させないことを特徴とする請求項１に記載のワークの製造方法。
3. 前記ワークに高周波焼入れする工程において、前記高周波コイル及び前記冷却装置を、前記高部から前記低部に向かう方向に移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載のワークの製造方法。
4. 前記段差に溝を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のワークの製造方法。
5. ワークを加熱する高周波コイル及び前記ワークを冷却する冷却装置それぞれを、前記ワークの表面に対して相対的に移動させることにより、前記ワークの表層に高周波焼入れする工程を具備し、
   前記ワークは表面に溝部を有し、
   前記溝部を焼入れするときに、前記高周波コイルを前記溝部の上方に配置して前記高周波コイルへの入力をパルス状にして、かつ前記溝部の周囲を前記冷却装置で冷却することを特徴とするワークの製造方法。