JP2011021242A - 高周波誘導加熱方法及び高周波誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の位置によって昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークを良好に加熱処理する高周波誘導加熱方法及び高周波誘導加熱装置を提供することである。
【解決手段】ワーク１０を所定の焼入温度まで昇温した後に急冷する焼入工程と、その後に焼入温度よりも低い温度まで昇温した後に徐冷する再加熱工程を有し、ワークの焼入する部位の長さ及び再加熱する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイル２を使用して、焼入工程においては、発生する磁界の磁力線密度が高い部位をワーク１０の昇温困難な部位１０ａに近接して焼入し、再加熱工程においては、焼入工程と同一の誘導加熱コイル２で熱処理すると共に、ワーク昇温の際に誘導加熱コイル２とワーク１０の軸方向の相対位置を変更する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、軸状であって、外形形状や横断面の形状が一様ではないワークを誘導加熱する高周波誘導加熱方法及び高周波誘導加熱装置に関するものである。

鉄鋼材料で作られたワークを焼き入れ処理した後、多くの場合焼戻しが行われる。焼戻しは、主として硬さ調整と、内部応力の除去及び靱性の付与を目的とするものである。焼戻しは、ワークを焼き入れ温度より低い温度に昇温し、その後に除冷する熱処理である。すなわち公知の通り、鉄鋼材料を昇温すると鉄鋼の組織がオーステナイトに変態する。そしてこれを急冷すると硬いマルテンサイトに変態し、焼き入れが行われる。
しかしながら焼き入れによって生じたマルテンサイトは硬くて脆く、また内部応力を内包する。そこでワークを再度昇温し、その後に除冷することによって、硬さ調整と、内部応力の除去及び靱性の付与を行う。

高周波誘導加熱を利用して焼き入れを行う場合には、焼き入れ用の誘導加熱コイルによってワークを焼き入れ温度（Ａ１変態点以上の温度）まで昇温し、これを急冷して焼き入れ処理を終え、その後に別の誘導加熱コイルによって焼戻しを行う。すなわち焼き入れ用とは別に、焼戻し専用の誘導加熱コイルを使用し、焼き入れによる急冷後に、焼戻し専用の誘導加熱コイルでワークを再度昇温する。

この様に高周波誘導加熱による焼き入れを行う場合には、焼戻し専用の誘導加熱コイルによって焼戻しが行われるのが通例である。例えば、特許文献１には、焼戻し専用の加熱コイルに関する発明が開示されている。

これに対して極めて稀であるが、焼き入れと焼戻しに同一の誘導加熱コイルを使用する例もある。すなわち同一の誘導加熱コイルを使用する表面焼き入れ・焼戻し方法が、特許文献２に開示されている。特許文献２に記載の発明は、焼き入れの際の残留応力を緩和するために、焼き入れ部分だけでなく、焼き入れ部分の周囲についても焼戻しを行うことを目的としている。すなわち焼き入れした領域よりも広い領域に渡って焼戻しを行う。そのため、一旦焼き入れした後に、再度同一の誘導加熱コイルを焼き入れ部分に近接して昇温し、その後に誘導加熱コイルをずらして焼き入れ部分以外の部分を同一の誘導加熱コイルで昇温する。

すなわち特許文献２に記載の発明で採用する誘導加熱コイルは、図１４（特許文献の図２）の様に円形のワンターンコイルであり、軸方向の全長が極めて短い。特許文献２に記載の発明では、焼き入れの際には、ワークの焼き入れ希望箇所Ｆ（図１３）及び薄肉部との境界部分に誘導加熱コイルを近接して焼き入れ希望箇所Ｆを昇温する（図１４ｂ）。そして当該部分を急冷して焼き入れ作業を終える（図１４ｃ）。

続いて焼戻し作業を行うが、特許文献２に記載の発明では、焼き入れの際と同一の誘導加熱コイルを使用して焼戻し作業を行う。すなわち前記した誘導加熱コイルを、再度ワークの焼き入れ希望箇所Ｆに誘導加熱コイルを近接し、焼き入れ希望箇所Ｆを昇温する（図１４ｄ）。そして誘導加熱コイルをずらして前記した焼き入れ希望箇所Ｆから外れた位置にまで誘導加熱コイルを移動させる（図１４ｅ）。このとき、先に焼戻しのために昇温された部位は、温度降下が始まり、焼戻しの為の除冷が始まる。
一方、新たに誘導加熱コイルが移動された部位では、誘導加熱コイルによって新たに昇温される。また当該部位についても、一定温度まで昇温された後に、除冷が行われる。

特開２００８−１５０６６１号公報 特開昭６３−２３８２１２号公報

前記した様に、一般に、ワークを焼入する誘導加熱コイルと、焼戻しする誘導加熱コイルは別に設けられる。

ところが、昨今は装置の小型化や簡素化のために、焼入用の加熱コイルと焼戻し用の加熱コイルとを共用したいという要望が出てきた。
ここでワークの形状が、単純な円筒形等の形状である場合には、焼入用の加熱コイルを使用して焼戻しを行っても、特に不具合は生じない。
例えば特許文献１に開示した方策では、本来焼き入れを行う部位は、図１３のＦ領域であり、表面は単純な円筒形状である。
そのため、焼き入れの際の温度上昇カーブと焼戻しの際の温度上昇カーブは同一であり、目標の焼戻し温度に図１３のＦ領域を昇温することができる。

しかしながら、外形形状が異形であって肉厚が著しく異なるワークに対して焼き入れ・焼戻しを行う場合に、焼入用の加熱コイルと焼戻し用の加熱コイルの共用を試みたところ、焼戻し後の表面硬度に予期しないばらつきが生じた。

例えば、図１，２に示すワーク１００の様に、一部に直径が大きい部位１０１があり、他の部位については直径が細いワークである場合の様に、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり、昇温困難な部位Ａと昇温容易な部位Ｂとを有するワークに対し高周波焼き入れ・焼戻しを行うと、昇温容易な部位Ｂと昇温困難な部位Ａで硬度にばらつきが生じた。

この問題を解決するために本発明者らが調査したところ、ワークを焼戻しする際に、ワークの表面温度にばらつきが生じ、この温度ばらつきが原因で表面硬度がばらつくことが判明した。
すなわち焼き入れ時においては、昇温困難な部位Ａと昇温容易な部位Ｂの温度差に大きな相違は無かったが、焼戻しの際における昇温時には、昇温容易な部位Ｂの温度と昇温困難な部位Ａの温度に相当の温度差があった。
より具体的には、昇温困難な部位Ａの温度が昇温容易な部位Ｂの温度に比べて著しく高いものとなっていた。
すなわち焼戻しの際には、断面積等が大きくて昇温し難い部位Ａの方が温度が高く、昇温容易であるはずの部位Ｂの温度が低くなる傾向にある。
本発明者らの実測によると、両者の間の温度差は、摂氏２００度程度であり、無視できない温度差であった。

すなわち焼戻しには、高温焼戻しと称される焼戻しと低温焼戻しと称される焼戻しがあり、前者は、摂氏１５０度から摂氏２００度程度に昇温され、後者は摂氏５５０度から摂氏６５０度程度に昇温される。この様に焼戻しは目的によって昇温させる目標温度が相違し、かつ理想的に焼戻しを行い得る温度幅は、摂氏５０度程度と狭い。
そのため摂氏２００度もの温度ばらつきが生じると、焼戻し後の表面硬度が目標値から外れてしまう懸念がある。

そこで本発明者らは、焼き入れの際に温度ばらつきが小さいにも係わらず、焼戻しの際に大きな温度ばらつきが生じてしまう原因についてさらに調査研究した。
その結果、高周波誘導加熱を行う場合、常温からＡ１変態点を越える温度まで昇温すると、全体の温度ばらつきが小さくなり、かつ昇温時間のばらつきも小さいが、常温からＡ１変態点未満の昇温カーブだけに注目すると、昇温容易な部位Ｂと昇温し難い部位Ａとの間に僅かに差異があり、この昇温カーブの相違が焼戻しの際に大きな温度ばらつきが生じてしまう原因であることが判明した。
以下、この理由について説明する。

前記した図１，２の様な、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり、昇温困難な部位Ａと昇温容易な部位Ｂとを有するワーク１００に対し高周波焼き入れを行う場合は、昇温容易な部位Ｂを通過する磁力線密度が低く、昇温困難な部位Ａを通過する磁力線密度が高い特性を有する誘導加熱コイル１２０が使用される。
すなわちワークの温度が均一になる様に、昇温容易な部位Ｂを通過する磁力線密度が低く、昇温困難な部位Ａを通過する磁力線密度が高い特性を有する誘導加熱コイル１２０が使用される。

より具体的には、図３に示すような、焼入を希望する部位の長さＬ及び再加熱を希望する部位の長さＬに応じた全長Ｌを有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルが使用される。
すなわち図３に示す焼き入れ用誘導加熱コイル１２０は、半開放鞍形コイルであり、直線部１０２，１０３と、大径曲線部１０５及び小径曲線部１０６を有した形状であり、これらが直列形状に接続された構造をしている。

また大径曲線部１０５と直線部１０２，１０３との間には、段部１１０、１１１が設けられている。
さらに大径曲線部１０５と段部１１０、１１１には、複数のコア１２１が設けられている。
従って誘導加熱コイル１２０は、大径曲線部１０５及び段部１１０、１１１たる軸方向ａ領域で発生する磁力線の強度が高く、直線部１０２，１０３たる軸方向ｂ領域で発生する磁力線の強度が弱い。
そして図３に示す焼き入れ用誘導加熱コイル１２０は、図５に示す位置関係となる様に、ワーク１００に近接される。すなわち発生する磁力線の強度が高いａ領域は、ワーク１００の昇温困難な部位Ａを覆い、発生する磁力線の強度が弱いｂ領域は、ワーク１００の昇温容易な部位Ｂを覆う。

その結果、焼き入れ時においては、ワーク１００の昇温困難な部位Ａにより強い磁力線が通過し、全体の温度が均一となる。

しかしながら、ワークの昇温困難な部位Ａと昇温容易な部位Ｂの昇温カーブをより詳細に観察すると、図６の様に僅かながら差異を有するものであった。
ここで図６は、軸方向に相当の長さを有し、且つ、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークに対し、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルを使用して焼き入れした場合のワークの温度変化を模式的に表したグラフである。

図３に示す様な誘導加熱コイル１２０を使用して図１に示すようなワークを昇温すると、供給される磁力線密度が高いＡ部が先行して昇温し、わずかに遅れて供給される磁力線密度が高いＢ部が昇温する。すなわちＡ部とＢ部との間で温度上昇の傾きが相違し、供給される磁力線密度が高いＡ部の方が、Ｂ部よりも高い傾きで温度上昇する。
ところが、先に昇温したＡ部が変態点Ａ１の温度を越えると、ワーク中のフェライト組織がオーステナイトに変態し、透磁率が著しく低下する。その結果、ワーク１００のＡ部を流れる誘導電流が急激に低下し、温度上昇カーブが鈍化する。
これに対して、先に昇温したＡ部が変態点Ａ１の温度を越えると、他の部位に流れる誘導電流が増大し、Ｂ部の温度上昇カーブが上向きとなり、短時間の内にＢ部についても、変態点Ａ１の温度に達する。その後は、Ａ部、Ｂ部共に同様の上昇カーブを描いて温度上昇する。そして急冷されて両者ともに温度降下する。
そのためワーク１００のＡ部とＢ部の最終的な温度は略同一の温度となる。また所望の焼き入れ温度に達する時間についても大差は無い。そのため焼き入れの際にはワークの表面硬度にばらつきは生じない。

ところが、同じ誘導コイル１２０を使用して焼戻しを行うと、図７の様な温度変化を遂げる。
すなわち前記した様に、図３に示す様な誘導加熱コイル１２０を使用して図１に示すようなワークを昇温すると、当初、供給される磁力線密度が高いＡ部の温度上昇勾配が高く、供給される磁力線密度が高いＢ部の温度上昇勾配が低いものとなる。
例えば図６，７のグラフで、Ｂ部側の温度が摂氏３００度の場合、昇温し難い部位Ａの温度は、摂氏４５０度に達している。
そのためＢ部側の温度が摂氏３００度となった状態で、誘導加熱コイル１２０に対する通電を停止しても、昇温し難い部位Ａの温度は、既に摂氏４５０度となっており、加熱し過ぎの状態となっている。

なお前記した特許文献１の様に、円形のワンターンコイルを使用し、ワンターンコイルを昇温困難な部位Ａに近接させて当該部位Ａを昇温した後に、ワンターンコイルを昇温容易な部位Ｂに移動させて当該Ｂ部位を昇温させれば、焼戻し時の温度ばらつきが解消し、硬度ばらつきも減少するが、全体の作業時間が著しく伸び、実用的ではない。
すなわち、円形のワンターンコイルを使用し、ワンターンコイルを昇温困難な部位Ａに近接させて当該部位Ａを昇温した後に、ワンターンコイルを昇温容易な部位Ｂに移動させて当該Ｂ部位を昇温させた場合は、図８に示すような昇温カーブを描き、部位Ａを昇温している間は部位Ｂの温度上昇がない。そのため昇温工程を実質的に２回くり返すこととなり、作業時間が著しく延びる。

そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、焼き入れと焼戻しを一つの誘導加熱コイルで行い、且つ焼戻し時におけるワークの温度ばらつきを抑制して硬度ばらつきの少ない、高周波誘導加熱方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、軸方向に相当の長さを有し、且つ、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークに対し高周波誘導加熱を行う方法であって、軸方向に相当の長さを有する領域を所定の焼入温度まで昇温した後に急冷する焼入工程と、その後に前記焼入温度よりも低い温度まで昇温した後に徐冷する再加熱工程を有する高周波誘導加熱を行う方法において、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルを使用し、前記焼入工程においては、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位に近接して焼入を希望する部位を全体的に焼入温度以上に昇温して焼入し、前記再加熱工程においては、前記焼入工程と同一の誘導加熱コイルを使用し、昇温の最中に誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離すことを特徴とする高周波誘導加熱方法である。

請求項１の発明では、焼入工程においては、発生する磁界の磁力線密度が高い部位をワークの昇温困難な部位に近接し、焼入を希望する部位を全体的に焼入温度に昇温して焼入するので、ワークの温度が一様に上昇し易い。その結果、ワークに一様な深さの焼入を施すことができる。
また、再加熱工程においては、焼入工程と同一の誘導加熱コイルを使用するので、焼入工程と再加熱工程とで誘導加熱コイルを入れ代える必要がない。
また再加熱工程においては、焼入工程と同一の誘導加熱コイルを使用するので、前記した様に、ワークの昇温困難な部位Ａが先行して昇温する。しかしながら、本発明では、昇温の最中に誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離すので、昇温の途中で、昇温困難な部位Ｂの温度上昇カーブが鈍化する。その結果、図９のグラフに示すように、当初、ワークの昇温困難な部位Ａの温度上昇勾配が高く、部位Ａが急速に昇温するが、誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離すと、昇温困難な部位のＡの温度上昇カーブは急速に鈍化する。一方、誘導コイルは、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有しているから、誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更しても、昇温容易な部位のＢの温度上昇カーブは変化しない。そのため昇温容易な部位のＢの温度が、昇温困難な部位のＡの温度に追いつき、両者の間の温度ばらつきが減少する。
この状態で、誘導加熱コイルに対する通電を停止すれば硬度ばらつきを起こさずにワークの熱処理を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、焼き入れ時におけるワークの温度上昇は、昇温困難な部位が昇温容易な部位よりも先行するものであることを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱方法である。

請求項２の発明では、焼き入れ時におけるワークの温度上昇を、昇温困難な部位が昇温容易な部位よりも先行するようにした。ここで昇温困難な部位とは、熱容量が大きく、昇温させるのに要する熱量（誘導電流）が多いことを意味する。この昇温困難な部位の昇温を先行させて、組成が変化する磁気変態点に差し掛かると、誘導電流が流れにくくなって温度上昇の仕方が小さくなる。そして、昇温困難な部位に流れるべき誘導電流の一部が昇温容易な部位に流れ、昇温容易な部位の温度上昇の仕方が向上し、比較的早期に昇温容易な部位の温度も磁気変態点に到達し、昇温困難な部位の温度に昇温容易な部位の温度が近付く。よって、ワークの焼入部位の全領域を均一に焼入することができる。

請求項３に記載の発明は、焼入する領域と同一の領域を再加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波誘導加熱方法である。

請求項３の発明では、焼入する領域と同一の領域を再加熱するので、再加熱時には焼入した部位が再度昇温し、良好に熱処理される。

請求項４に記載の発明は、再加熱工程の加熱を開始してから所定時間が経過した後に、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を、昇温困難な部位から離すことを特徴とする請求項３に記載の高周波誘導加熱方法である。
である。

請求項４の発明では、再加熱工程の加熱を開始してから所定時間が経過した後に、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離すので、再加熱工程において加熱中のワークの熱処理部の温度が均一化される。その結果、ワークの熱処理部の硬度と粘り強さを均一化することができる。

請求項５の発明は、再加熱工程の加熱を開始し、昇温困難な部位の温度が所定温度に達すると、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を、昇温困難な部位から離すことを特徴とする請求項３に記載の高周波誘導加熱方法である。

請求項５の発明では、再加熱工程中に、昇温困難な部位の温度が所定温度に達すると、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離すので、再加熱工程において加熱中のワークの熱処理部の温度が均一化される。その結果、ワークの熱処理部の硬度と粘り強さを均一化することができる。

請求項６の発明は、ワークとしてアクスルチューブを加熱することを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の高周波誘導加熱方法である。

請求項６の発明では、アクスルチューブを良好に焼入及び焼戻し等することができる。すなわち、アクスルチューブには軸方向の位置によって直径が異なる部位が存在し、段が形成されている。この段部分には応力が集中し易いが、請求項６の発明を実施すると、同一の誘導加熱コイルで誘導加熱することによって、アクスルチューブにおける応力が集中し易い段部分に、所望する硬度及び粘り強さを提供することができる。

請求項７の発明は、軸方向に相当の長さを有し、且つ、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークを誘導加熱する高周波誘導加熱装置であって、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波交流電力を供給する高周波電源と、ワークと誘導加熱コイルとを軸方向に相対的に所定距離だけ移動させる移動手段を備え、ワークを所定の焼入温度に加熱する第１加熱モードが実行され、それに続いて前記第１加熱モードよりも低い温度に加熱する第２加熱モードが自動的に実行され、前記第１加熱モードによる加熱の際には、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位に近接させ、前記第２加熱モードによる加熱の最中に、前記移動手段によってワークと誘導加熱コイルとを軸方向に相対的に所定距離だけ移動させて誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離す離反動作を行うことを特徴とする高周波誘導加熱装置である。

請求項７の発明の高周波誘導加熱装置は、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルを備えているので、誘導加熱コイルに高周波電流を通じると、ワーク上には磁力線密度に応じた誘導電流が流れ、ワークを昇温させることができる。
またワークを焼入温度又は焼入温度以上に加熱する第１加熱モードから、前記第１加熱モードよりも低い温度に加熱する第２加熱モードに自動的に移行するので、焼入と焼戻し等の再加熱を同じ誘導加熱コイルで実施することができる。
また、第２加熱モードによる加熱の際には、前記移動手段によってワークと誘導加熱コイルとを軸方向に相対的に所定距離だけ移動させて誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離す離反動作を行う。そのため前述した理由により、ワークの温度が均一化し、ワークの偏った昇温を防止することができる。

請求項８に記載の発明は、ワークの前記昇温困難な部位の温度を検出する温度検出手段を設け、第２加熱モードにおいて、前記温度検出手段が検出した温度が所定温度に達するか、又は加熱する時間が所定時間になると、前記離反動作を実行させる制御機構を設けたことを特徴とする請求項７に記載の高周波誘導加熱装置である。

請求項８に記載の発明では、ワークの昇温困難な部位の温度を検出する温度検出手段を設け、第２加熱モードにおいて、温度検出手段が検出した温度が所定温度に達すると、移動手段を作動させる制御機構を設けたので、ワークの昇温困難な部位の過剰な昇温を回避でき、ワークの加熱部位の温度の均一化を図ることができる。

また、請求項８の発明では、第２加熱モードにおいて、誘導加熱コイルのうち発生する磁界の磁力線密度が高い部位で、ワークの昇温困難な部位を加熱する時間が所定時間になると、移動手段を作動させる制御機構を設けたので、ワークの昇温困難な部位の加熱時間が制約され、当該部位の過剰な昇温を防止できると共に、ワークの加熱部位の温度の均一化を図ることができる。

請求項９の発明は、前記誘導加熱コイルは、半開放鞍型コイルであることを特徴とする請求項７又は請求項8に記載の高周波誘導加熱装置である。

請求項９の発明では、誘導加熱コイルが半開放鞍型コイルであるので、ワークに誘導加熱コイルを対向配置させ易く、また、装置の小型化を図ることができる。

本発明の高周波誘導加熱方法を実施すると、焼入工程においては、発生する磁界の磁力線密度が高い部位をワークの昇温困難な部位に近接して焼入を希望する部位を全体的に焼入温度以上に昇温して焼入するので、ワークの温度が一様に上昇し易い。その結果、ワークに一様な深さの焼入を施すことができる。
また、再加熱工程においては、焼入工程と同一の誘導加熱コイルを使用するので、焼入工程と再加熱工程とで誘導加熱コイルを入れ代える必要がない。また、ワークの昇温の際に誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更するので、ワークが一様に昇温し易くなる。そのため望ましい状態で熱処理を行うことができる。

本発明の高周波誘導加熱装置では、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルを備えているので、誘導加熱コイルに高周波電流を通じると、ワーク上には磁力線密度に応じた誘導電流が流れ、ワークを昇温させることができる。
また、ワークを焼入温度又は焼入温度以上に加熱する第１加熱モードから、前記第１加熱モードよりも低い温度に加熱する第２加熱モードに自動的に移行するので、焼入と焼戻し等とを同じ誘導加熱コイルで実施することができる。
さらに、第２加熱モードにおいて、ワークと誘導加熱コイルとを軸方向に相対的に所定距離だけ移動させる移動手段を備えたので、誘導加熱コイルとワークの対向する部位が移動する。その結果、ワークの偏った昇温を防止することができ、良好に焼入と焼戻し等とを実施することができる。

本発明によって焼き入れ及び焼戻しを行うワークの一例を示す斜視図である。 図１のワークの断面図である。 本発明の実施形態で採用する誘導加熱コイルの斜視図である。 図３の誘導加熱コイルを反対側から観察した斜視図である。 図３，４の誘導加熱コイルを図１に示すワークに近接した状態を示す斜視図である。 軸方向に相当の長さを有し、且つ、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークに対し、焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルを使用して焼き入れした場合のワークの温度変化を模式的に表したグラフである。 図６と同様のグラフであり、ワークの昇温容易な部位が一定温度に達した後にワークを除冷した場合の温度変化を模式的に表したグラフである。 特許文献１に開示された方策を応用して焼き入れ・焼戻しを行った場合の温度変化を模式的に表したグラフである。 本発明の実施形態を採用してワークの昇温容易な部位が一定温度の至った後にワークを除冷した場合の温度変化を模式的に表したグラフである。 本発明を実施するための誘導加熱コイルと、誘導加熱されるワークの側面図であり、（ａ）はワークを焼入される第１モード時の状態を示し、（ｂ）はワークを再加熱する第２モード時の状態を示し、（ｃ）は熱処理後のワークの断面を示す。 本発明の高周波誘導加熱装置の信号系統図である。 本発明の高周波誘導加熱方法を実施する手順を示す流れ図である。 特許文献２の第１図を再掲した断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、各々特許文献２の第２図（ａ）〜（ｅ）を再掲した断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
以下の実施例では、ワーク１０として自動車の車軸に使用されるアクスルチューブを例に挙げて、本発明の構成及び実施方法を説明する。

高周波誘導加熱装置１は、ワーク１０に対向配置して誘導加熱を行う誘導加熱コイル２と、加熱コイル移動装置８，高周波電力供給装置９，ワーク回転駆動装置６，ワーク移動装置７，ワーク温度検出装置１１，タイマー１２，及び制御装置１３を備えている。

ワーク１０は、軸状であって、直径が異なる部位を有する。すなわち、ワーク１０は、大径部１５と小径部１６を有している。この大径部１５と小径部１６の接続部分にはコーナ部１０ａが形成されている。小径部１６の直径は、多少の差があるものの、全長（図１０で見て左右方向の長さ）に渡ってほぼ同じである。図１０に示すように小径部１６は、軸方向に相当な長さを有している。

コーナ部１０ａは、ワーク１０の他の部位（小径部１６）よりも昇温が困難な部位である。すなわち、加熱されたコーナ部１０ａの熱は、大径部１５の内部方向へ移動するために、他の部位よりも昇温しにくくなるものと考えられる。
そのためワーク１０を軸方向の領域に分けて観察したとき、図１０（ａ）のＡ領域は昇温困難な部位であり、Ｂ領域は、昇温容易な部位である。

また、ワーク１０は、熱処理時には両端がワーク支持部材５によって着脱可能に挟持される。ワーク支持部材５には、ワーク回転駆動装置６とワーク移動装置７（図１１）が接続されている。すなわち、ワーク回転駆動装置６を動作させるとワーク１０はワーク支持部材５と一体に回転する。また、ワーク１０は、ワーク移動装置７によって水平方向（図１０で見て左右方向）に移動可能である。ワーク回転駆動装置６とワーク移動装置７の動作は、制御装置１３（図１１）によって制御される。

本発明で使用される誘導加熱コイル２は半開放鞍型コイルであり、制御装置１３によって動作が制御される加熱コイル移動装置８（図１１）によって上下方向及び水平方向に移動可能である。誘導加熱コイル２は、導電が良好な銅製の管で構成されており、管内部に冷却液を流すことができる。また、誘導加熱コイル２には、高周波電力供給装置９（高周波電源）から高周波の交流電流が供給可能である。高周波電力供給装置９から電力が供給されると、対向するワーク１０の表面に誘導電流を生じさせ、ワーク１０を加熱（誘導加熱）することができる。

また、誘導加熱コイル２は、両端に半円形部２ａ，２ｂが配置され、両端の半円形部２ａ，２ｂの間には直線部２ｃが配置されている。半円形部２ａには複数のコア３が所定等角度毎に設置されており、直線部２ｃには複数のコア４が所定間隔毎に配置されている。

コア３及びコア４は、誘導加熱コイル２に電流が流れた際に、周囲に生じさせる磁気の磁力線密度を密にする機能を有している。すなわち、誘導加熱コイル２に対向するワーク１０のうち、コア３又はコア４に近接する部位は、特に大きい誘導電流が流れる。
本実施形態では、半円形部２ａのコア３の間隔が直線部２ｃのコア４の間隔よりも狭く、半円形部２ａの方がコア３が密に取り付けられている。またコア４よりもコア３の方が、透磁率が高くなるように設定されている。そのため誘導加熱コイル２を軸方向の領域に分けて観察したとき、図１０（ａ）のａ領域は発生する磁気の磁力線密度が大きく、ｂ領域は発生する磁気の磁力線密度が小さい。

高周波電力供給装置９は、制御装置１３によってワーク１０への電力の供給が制御される。すなわち、供給する電力量や電力供給時間が、制御装置１３によって後述する第１加熱モード（焼入工程）や、第２加熱モード（再加熱工程）に設定され制御される。

制御装置１３（制御機構）は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータで構成されており、ワーク温度検出装置１１やタイマー１２から適宜信号を受信したり、加熱コイル移動装置８，高周波電力供給装置９，ワーク回転駆動装置６及びワーク移動装置７に制御信号を送信し、各装置を動作させる。

次に、ワーク１０の誘導加熱（熱処理）の仕方を、図１２を参照しながら説明する。図１２に示すように、本発明の高周波誘導加熱方法は、ステップ１からステップ５までのステップで構成される。

まず、ステップ１において、ワーク１０がワーク支持部材５で支持されると共に、ワーク移動装置７によって所定の位置まで搬送されて待機する。また、誘導加熱コイル２は、加熱コイル移動装置８によって所定の焼入実施位置まで搬送され、ワーク１０に対向配置される。その際、誘導加熱コイル２のコア３は、図１０（ａ）に示すようにワーク１０のコーナ部１０ａに近接している。すなわち昇温困難な部位たる部位Ａに、誘導加熱コイル２の磁力線密度が大きいａ領域を近接させる。また昇温容易な部位たる部位Ｂには、誘導加熱コイル２の磁力線密度が小さいｂ領域が近接する。

次にステップ２に移行し、ワーク１０がワーク回転駆動装置６によって回転駆動されると共に、誘導加熱コイル２には高周波電力供給装置９から電力の供給を受ける。ステップ２では、第１加熱モード（焼入工程）でワーク１０が誘導加熱され、焼入される。すなわち、第１加熱モードでは、ワーク１０の温度がＡ１変態点を越えるまで昇温する。その際、コーナ部１０ａにはコア３が近接しているので、コーナ部１０ａには他の部位よりも誘導電流が多く流れ、一部の熱が大径部１５側や内部方向に移動するが、良好に焼入される。すなわち昇温困難な部位たる部位Ａに、誘導加熱コイル２の磁力線が強い（磁力線密度が大きい）ａ領域が近接され、昇温容易な部位たる部位Ｂに、誘導加熱コイル２の磁力線が弱い（磁力線密度が大きい）ｂ領域が近接されているので、ワーク１０は略均一に昇温される。ただしワーク１０の各部位の昇温状況を詳細に観察すると、前記した図６のグラフの様に、昇温困難な部位たる部位Ａの温度上昇勾配が大きく、Ａ１変態点を越えると部位Ａの昇温カーブが鈍化し、同時期にｂ領域の昇温カーブが上向いてワーク１０の温度が均一化する。

そして誘導加熱が完了すると、制御装置１３は高周波電力供給装置９の電力供給を停止させると共に、図示しない冷却ジャケットから冷却液を噴射させ、ワーク１０を急冷する。これにより第１加熱モード（焼入工程）が終了し、ワーク１０の焼入が完了する。

次に、ステップ３へ移行し、第２加熱モード（再加熱工程）が実施される。第２加熱モードでは、第１加熱モードよりも高周波電力供給装置９の供給電力が小さくなるように制御装置１３によって制御され、ワーク１０の加熱量は少ない。すなわち、第２加熱モードでは、ステップ３においてワーク１０が再加熱されるが、ワーク１０の硬度と粘り強さが、所望する値（又は所望する程度）になるようにワーク１０の昇温が制御される。

ステップ３における再加熱時にもワーク１０はワーク回転駆動装置６によって回転駆動されており、誘導加熱コイル２のコア３は、ワーク１０のコーナ部１０ａに近接している。

そしてステップ４に移行し、再加熱が開始されてから所定時間が経過したか否か、又はワーク１０のコーナ部１０ａ（昇温困難な部位たる部位Ａ）の温度が所定温度に達したか否かが判定される。制御装置１３は、タイマー１２やワーク温度検出装置１１から信号を受信し、ステップ４の判定を行う。

再加熱が開始されてから所定時間が経過していなかったり、ワーク１０のコーナ部１０ａの温度が所定温度に達していない場合には、再加熱が開始されてから所定時間が経過するまで、又はワーク１０のコーナ部１０ａの温度が所定温度に達するまでステップ４に留まる。

再加熱における各部の昇温カーブは、前記した様にワーク１０のコーナ部１０ａ（昇温困難な部位たる部位Ａ）が先行する。従ってワーク１０のコーナ部１０ａの温度が所定温度に達した際の、ワーク１０の小径部１６（部位Ｂ）の温度は、コーナ部１０ａよりも低い。

そして、タイマー１２の経時が、再加熱が開始されてから所定時間が経過するか、又はワーク温度検出装置１１によって検出されたワーク１０のコーナ部１０ａの温度が所定温度に達したと制御装置１３が判定すると、ステップ５へ移行する。

ステップ５では、制御装置１３は、ワーク移動装置７に制御信号を送り、ワーク１０を所定距離だけ移動させる。すなわち、ワーク１０は、熱処理（誘導加熱）されながら、ワーク移動装置７によって図１０（ａ）に示す位置から図１０（ｂ）に示す位置まで矢印Ａで示す方向に所定距離を移動し、ワーク１０のコーナ部１０ａ（昇温困難な部位たる部位Ａ）から誘導加熱コイル２の半円形部２ａ（発生する磁気磁力線が強いａ領域）を離す（離反動作）。
ここで、ワーク１０を矢印Ａで示す方向に移動させる代わりに、加熱コイル移動装置８で誘導加熱コイル２を矢印Ａで示す方向と反対方向に移動させてもよい。

ステップ４における判定がＹＥＳになると、ワーク１０は図１０（ｂ）に示す位置まで移動しながら誘導加熱される。その結果、最も温度が高いコーナ部１０ａは温度上昇が鈍化する。一方、誘導加熱コイル２は相当の全長を持つので、ワーク１０との軸方向の相対位置が多少変化しても、ワーク１０の小径部１６（部位Ｂ）については依然として同じペースで昇温され続ける。

なおワーク１０の移動は、予め設定された時間をかけて行われ、移動が完了すると同時に高周波電力供給装置９による電力供給も停止され、誘導加熱も終了する。その後、ワーク１０は徐々に冷却され、再加熱工程である第２加熱モード（再加熱工程）が完了する。

その結果、図１０（ｃ）において、左上から右下に傾斜するハッチング領域で示す良好な焼入パターン１４が得られる。すなわち、応力が集中し易いコーナ部１０ａにも十分な深さの焼入が施される。

図１２のステップ４における所定時間，所定温度，ステップ５におけるワーク１０の移動距離及び移動時間は、ワーク１０の形状や大きさによって任意に設定可能である。例えば、ワーク１０の内径を５０ｍｍとし、大径部１５の直径（外径）を１２０ｍｍ、小径部１６の直径（外径）を９０ｍｍとすると、ステップ４における所定時間は、例えば１〜３秒であり、所定温度は、例えば摂氏２００度〜３００度とすることができる。

また、ステップ５におけるワーク１０の移動距離は、コア４の配置間隔の半分程度（例えば３０ｍｍ〜５０ｍｍ）であり、移動時間は６〜１０秒とすることができる。例えば、コア３がコーナ部１０ａに近接してワーク１０を誘導加熱する時間を２秒、移動時間を８秒として、全体の再加熱時間は１０秒（２秒＋８秒）とすることができる。このようにワーク１０を誘導加熱コイル２で再加熱することにより、ワーク１０には良好な焼入及び焼戻しが施される。

本発明者が実験した結果、ワークの表面硬度の許容範囲は５５０Ｈｖ〜７２０Ｈｖであるところ、図１２のステップ５でワーク１０を移動させずに再加熱を実施すると、ワーク１０の表面硬度は５７０Ｈｖ〜７００Ｈｖとなり、許容範囲内には入っているもののばらつきが大きかった。しかし、本発明を実施してステップ５でワーク１０を移動させると、ワーク１０の表面硬度は、６１０Ｈｖ〜６７０Ｈｖの範囲に収まるという極めて良好な結果が得られた。

すなわち、本発明を実施すると、ワークの表面硬度は、許容範囲に収まるだけではなく、許容範囲内のさらに狭い範囲の値に仕上げることができる。本発明者が実験した結果では上述の通りであるが、ワーク毎に図１２におけるステップ４の所定時間，所定温度，ステップ５の移動時間，移動距離をチューニングすることで、さらに良好な結果が得られるものと予想できる。

１ 高周波誘導加熱装置
２ 誘導加熱コイル
３ 誘導加熱コイルの半円形部に設けられるコア
４ 誘導加熱コイルの直線部に設けられるコア
７ ワーク移動装置
８ 加熱コイル移動装置
９ 高周波電力供給装置（高周波電源）
１０ ワーク
１１ ワーク温度検出装置
１２ タイマー

Claims (9)

1. 軸方向に相当の長さを有し、且つ、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークに対し高周波誘導加熱を行う方法であって、
   軸方向に相当の長さを有する領域を所定の焼入温度まで昇温した後に急冷する焼入工程と、その後に前記焼入温度よりも低い温度まで昇温した後に徐冷する再加熱工程を有する高周波誘導加熱を行う方法において、
   焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルを使用し、
   前記焼入工程においては、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位に近接して焼入を希望する部位を全体的に焼入温度以上に昇温して焼入し、
   前記再加熱工程においては、前記焼入工程と同一の誘導加熱コイルを使用し、昇温の最中に誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離すことを特徴とする高周波誘導加熱方法。
2. 焼き入れ時におけるワークの温度上昇は、昇温困難な部位が昇温容易な部位よりも先行するものであることを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱方法。
3. 焼入する領域と同一の領域を再加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波誘導加熱方法。
4. 再加熱工程の加熱を開始してから所定時間が経過した後に、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を、昇温困難な部位から離すことを特徴とする請求項３に記載の高周波誘導加熱方法。
5. 再加熱工程の加熱を開始し、昇温困難な部位の温度が所定温度に達すると、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を、昇温困難な部位から離すことを特徴とする請求項３に記載の高周波誘導加熱方法。
6. ワークとしてアクスルチューブを加熱することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の高周波誘導加熱方法。
7. 軸方向に相当の長さを有し、且つ、軸方向の位置によって外形形状及び断面形状が異なり昇温容易な部位と昇温困難な部位を有するワークを誘導加熱する高周波誘導加熱装置であって、
   焼入を希望する部位の長さ及び再加熱を希望する部位の長さに応じた全長を有し、且つ、軸方向の部位によって発生する磁力線密度が異なる部位を有する誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに高周波交流電力を供給する高周波電源と、ワークと誘導加熱コイルとを軸方向に相対的に所定距離だけ移動させる移動手段を備え、
   ワークを所定の焼入温度に加熱する第１加熱モードが実行され、それに続いて前記第１加熱モードよりも低い温度に加熱する第２加熱モードが自動的に実行され、
   前記第１加熱モードによる加熱の際には、誘導加熱コイルの発生する磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位に近接させ、
   前記第２加熱モードによる加熱の最中に、前記移動手段によってワークと誘導加熱コイルとを軸方向に相対的に所定距離だけ移動させて誘導加熱コイルとワークの軸方向の相対位置を変更して磁界の磁力線密度が高い部位を昇温困難な部位から離す離反動作を行うことを特徴とする高周波誘導加熱装置。
8. ワークの前記昇温困難な部位の温度を検出する温度検出手段を設け、第２加熱モードにおいて、前記温度検出手段が検出した温度が所定温度に達するか、又は加熱する時間が所定時間になると、前記離反動作を実行させる制御機構を設けたことを特徴とする請求項７に記載の高周波誘導加熱装置。
9. 前記誘導加熱コイルは、半開放鞍型コイルであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の高周波誘導加熱装置。

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