JP2013136802A

JP2013136802A - 焼入れ方法および焼入れ装置

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Publication number: JP2013136802A
Application number: JP2011287400A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kasai; 雅博笠井; Nobuyuki Miyamoto; 信行宮本
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP5756745B2

Abstract

【課題】焼入れ深さを確保しつつエネルギービームの出力を抑制する。
【解決手段】回転する軸部材は、レーザ光(エネルギービーム)の照射によって加熱された後に、レーザ光の照射停止に伴って急冷される。急冷直前における軸部材は、軸部材の外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を上回り、かつ最も低温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を下回るとともに変態点Ｔｍｓを上回る加熱状態となる。このように、急冷直前において最も低温となる部位の温度が変態点Ａｃ３を下回ることを許容することにより、軸部材の回転速度を引き下げることができるため、深く焼入れを行うことが可能となる。これにより、焼入れ深さを確保しつつエネルギービームの出力を抑制することができるため、焼入れコストを抑制することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸部材に焼入れを行う焼入れ方法および焼入れ装置に関する。

一般的に、クランクシャフト、カムシャフト、回転軸等の軸部材には、疲労強度や耐摩耗性を向上させる観点から表面に焼入れが施される。この焼入れ方法として、焼入れ箇所にエネルギービームとしてのレーザ光を照射するレーザ焼入れが開発されている(例えば、特許文献１参照)。照射されたレーザ光は、ワークの表面近傍に吸収されてワーク表面を急速に加熱する。また、ワーク表面に比べてワーク中心部は低温であることから、ワーク中心部がヒートシンクとして機能しており、ワーク表面の自己冷却によって焼入れが施されている。

特開２００４−８４９３１号公報

ところで、特許文献１に記載されるように、軸部材に対して焼入れを実施する際には、ワーク表面を均一に加熱して焼入れのムラを解消するため、レーザ光を照射する際に軸部材を高速回転させている。しかしながら、軸部材を高速回転させながらワーク表面を加熱し、必要な焼入れ深さでワーク表面全体をオーステナイト状態にするためには、レーザ出力を大幅に引き上げることが必要であった。このレーザ出力の引き上げは、設備コストを増大させる主要な要因となるため、必要な焼入れ深さを確保しつつレーザ出力を抑制することが所望されている。

本発明の目的は、焼入れ深さを確保しつつエネルギービームの出力を抑制することにある。

本発明の焼入れ方法は、回転する軸部材にエネルギービームを照射し、前記軸部材の外周部に焼入れを行う焼入れ方法であって、エネルギービームによって加熱される前記外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度がオーステナイト化温度を上回り、かつ最も低温となる部位の温度が前記オーステナイト化温度を下回るとともにマルテンサイト変態開始温度を上回る加熱状態から、エネルギービームの照射を停止して前記軸部材を冷却することを特徴とする。

本発明の焼入れ装置は、軸部材を回転させる回転機構と、回転する前記軸部材の外周部にエネルギービームを照射する照射器とを備え、前記軸部材の前記外周部に焼入れを行う焼入れ装置であって、前記照射器の作動状態を制御する制御手段を有し、前記制御手段は、エネルギービームによって加熱される前記外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度がオーステナイト化温度を上回り、かつ最も低温となる部位の温度が前記オーステナイト化温度を下回るとともにマルテンサイト変態開始温度を上回る加熱状態から、エネルギービームの照射を停止させて前記軸部材を冷却することを特徴とする。

本発明によれば、エネルギービームによって加熱される外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度がオーステナイト化温度を上回り、かつ最も低温となる部位の温度がオーステナイト化温度を下回るとともにマルテンサイト変態開始温度を上回る加熱状態から、エネルギービームの照射を停止して軸部材を冷却している。このように、冷却直前において最も低温となる部位の温度がオーステナイト化温度を下回ることを許容することにより、軸部材の回転速度を引き下げることができるため、深く焼入れを行うことが可能となる。これにより、焼入れ深さを確保しつつエネルギービームの出力を抑制することができるため、焼入れコストを抑制することが可能となる。しかも、冷却直前において最も低温となる部位の温度がマルテンサイト変態開始温度を上回ることから、オーステナイト組織を維持することができ、良好な焼入れ品質を得ることが可能となる。

本発明の一実施の形態である焼入れ装置を示す概略図である。レーザ光の照射によるクランクピンの加熱状態を示すイメージ図である。クランクピンの外周部の部位における加熱工程と冷却工程との温度変化を示す線図である。クランクピンの外周部の部位における加熱工程と冷却工程との温度変化を示す線図である。レーザ光の照射が停止される時点のクランクピンの加熱状態を示すイメージ図である。 (ａ)〜(ｅ)は加熱工程終盤におけるクランクピンの加熱状態を示すイメージ図である。クランクピンを高速回転させた場合の温度変化を示す線図である。 (ａ)および(ｂ)はクランクピンの深さ方向の加熱状態を示すイメージ図である。 (ａ)および(ｂ)はクランクピンの外周面の温度分布を示す線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である焼入れ装置１０を示す概略図である。この焼入れ装置１０を用いて本発明の一実施の形態である焼入れ方法が実施される。図１に示すように、焼入れ装置１０は、軸部材であるクランクシャフト１１を回転させる回転機構部(回転機構)１２を有している。回転機構部１２はベース部材１３を備えており、ベース部材１３の両端部には一対の支持板１４，１５が固定されている。一方の支持板１４には回転プレート１６が回転自在に取り付けられており、他方の支持板１５には電動モータ１８によって駆動される回転プレート１７が回転自在に取り付けられている。これら回転プレート１６，１７によってクランクシャフト１１の両端部が支持されており、電動モータ１８によってクランクシャフト１１を回転させることが可能となっている。また、回転プレート１６，１７に対してクランクシャフト１１を複数の位置で固定することが可能となっており、クランクシャフト１１の焼入れ部位に応じた固定位置の変更が可能となっている。

クランクシャフト１１は、軸中心に配置される複数のクランクジャーナル２０と、軸中心から偏心する複数のクランクピン２１，２２と、クランクジャーナル２０とクランクピン２１，２２とを連結する複数のクランクアーム２３とを備えている。クランクシャフト１１のクランクピン２１，２２には、図示しないコネクティングロッドの大端部が回転自在に組み付けられるため、クランクピン２１，２２の疲労強度や耐摩耗性を向上させる観点から、軸部材を構成するクランクピン２１，２２の外周部には所定の深さで焼入れが施される。また、クランクシャフト１１のクランクジャーナル２０は、図示しないシリンダブロックのジャーナルボアに回転自在に支持されるため、同様に、クランクジャーナル２０の疲労強度や耐摩耗性を向上させる観点から、軸部材を構成するクランクジャーナル２０の外周部には所定の深さで焼入れが施される。なお、図示する場合には、クランクシャフト１１のクランクピン２１に焼入れを行うため、回転プレート１６，１７の回転中心とクランクピン２１の軸中心とが一致するように、クランクシャフト１１の両端部は回転プレート１６，１７の回転中心から外れた位置に固定されている。すなわち、図示する回転機構部１２を用いてクランクシャフト１１を回転させることにより、クランクピン２１を中心に回転させることが可能となっている。

図１に示すように、焼入れ装置１０は、クランクシャフト１１に向けてエネルギービームであるレーザ光Ｌを照射するレーザ照射部(照射器)２４を備えている。レーザ照射部２４は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２５と、これに光ファイバー２６を介して接続されるレンズユニット２７とを有している。レーザ発振器２５から発振されたレーザ光Ｌは、光ファイバー２６を介してレンズユニット２７に案内され、レンズユニット２７からクランクシャフト１１の焼入れ部位に連続的に照射される。また、レンズユニット２７はスライダ機構２８に装着されており、焼入れ部位に合わせて水平方向に移動させることが可能となっている。なお、エネルギービームとしては、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等のレーザ光Ｌに限られることはなく、エネルギービームとして電子ビームを採用しても良い。

なお、図１に示す場合には、レーザ照射部２４が、レーザ発振器２５、光ファイバー２６およびレンズユニット２７によって構成されているが、これに限られることはない。例えば、半導体レーザを用いる場合には、レーザ発振器等が一体となるレーザヘッド(ダイレクト半導体レーザ：ＤＤＬ)を用いてレーザ照射部を構成することが可能である。また、図示する回転機構部１２を用いた場合には、クランクピン２１を中心にクランクシャフト１１を回転させているが、これに限られることはない。例えば、クランクジャーナル２０を中心にクランクシャフト１１を回転させるとともに、公転するクランクピン２１にレンズユニット２７を追従させながらレーザ光Ｌを照射しても良い。この場合には、マシニングセンタ等を用いてレンズユニット２７を駆動することにより、クランクピン２１にレンズユニット２７を追従させることが可能となる。

また、焼入れ装置１０の回転機構部１２やレーザ照射部２４等の作動状態を制御するため、焼入れ装置１０には制御ユニット(制御手段)２９が設けられている。クランクシャフト１１に焼入れを施す際には、制御ユニット２９から電動モータ１８に対して制御信号が出力され、回転機構部１２は予め設定された回転速度でクランクシャフト１１を回転させる。そして、制御ユニット２９からレーザ発振器２５に対して制御信号が出力され、レーザ照射部２４は位置決めされたレンズユニット２７から、予め設定されたレーザ出力と照射時間でレーザ光Ｌを照射することになる。なお、制御ユニット２９は、制御信号等を演算するＣＰＵ、制御プログラム、演算式およびデータ等を格納するＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭ等によって構成されている。

続いて、レーザ光Ｌの照射によるクランクピン２１の加熱について説明し、その後のクランクピン２１の自己冷却による焼入れについて説明する。図２はレーザ光Ｌの照射によるクランクピン２１の加熱状態を示すイメージ図である。なお、図２に示すクランクピン２１の断面形状は、図１のＡ−Ａ線に沿って示したクランクピン２１の断面形状である。また、図２には徐々に加熱されるクランクピン２１が白抜きの矢印の順に示されている。図２に示すように、矢印Ｘ１方向に回転するクランクピン２１には上方からレーザ光Ｌが照射されている。図２に薄墨で示すように、クランクピン２１の外周部の各部位は、上部に位置したときにレーザ光Ｌによって加熱され、回転によって再び上部に近づくまでは冷却される。そして、クランクピン２１の外周部の各部位においては、複数回に渡ってレーザ光Ｌの照射を受けることから、クランクピン２１の表面から内部に向けて徐々に温度が上昇することになる。このように、回転するクランクピン２１の外周部は特定箇所で繰り返し加熱されることから、クランクピン２１の外周部はその周方向の部位毎に温度が変化した状態となっている。

ここで、図３はクランクピン２１の外周部の部位αにおける加熱工程と冷却工程との温度変化を示す線図である。図４はクランクピン２１の外周部の部位βにおける加熱工程と冷却工程との温度変化を示す線図である。なお、図３および図４に示す冷却工程においては連続冷却曲線(ＣＣＴ曲線)を重ねて図示している。また、図５はレーザ光Ｌの照射が停止される時点のクランクピン２１の加熱状態を示すイメージ図である。さらに、図６(ａ)〜(ｅ)は加熱工程終盤におけるクランクピン２１の加熱状態を示すイメージ図である。なお、図５および図６において、図３に示す温度変化の対象である部位αの一例を白抜きの丸で示し、図４に示す温度変化の対象である部位βを黒塗りの丸で示している。また、図５および図６に網掛けで示す領域は、変態点(オーステナイト化温度)Ａｃ３を上回って加熱される領域であり、図５および図６にハッチングで示す領域は、変態点(マルテンサイト変態開始温度)Ｔｍｓを上回って加熱される領域である。さらに、図６(ａ)に示す状態は図３および図４に符号ａで示す加熱状態に対応し、図６(ｂ)に示す状態は図３および図４に符号ｂで示す加熱状態に対応し、図６(ｃ)に示す状態は図３および図４に符号ｃで示す加熱状態に対応し、図６(ｄ)に示す状態は図３および図４に符号ｄで示す加熱状態に対応している。

ここで、図３に示される温度変化の対象である部位αとは、図５に範囲α１で示すように、オーステナイト組織を得るための変態点Ａｃ３を超えて加熱された後に急冷される部位となっている。また、図４に示される温度変化の対象である部位βとは、図５に範囲β１で示すように、レーザ光Ｌによって変態点Ａｃ３を超えて加熱された後に、再び変態点Ａｃ３を下回る範囲で加熱されてから急冷される部位となっている。すなわち、図４に温度変化が示される部位βとは、レーザ光Ｌが照射される上部に達する直前で、レーザ光Ｌの照射が停止されてしまう部位を意味している。

図２に示すように、回転するクランクピン２１の外周部は特定箇所で繰り返して加熱されることから、図３に示すように、部位αにおいては、変態点Ａｃ３に達するまで温度を上下させながら加熱される(加熱工程)。その後、レーザ光Ｌの照射停止に伴いクランクピン２１は所定時間内に変態点Ｔｍｓを下回るように急冷される(冷却工程)。このように、クランクピン２１が加熱されて急冷されることから、変態点Ａｃ３を上回って得られたオーステナイト組織は、変態点Ｔｍｓを下回ることでマルテンサイト組織への変態を開始する。このような焼入れにおいては、図６(ｅ)の拡大部分に示すように、表面から深さＤａ１の範囲のオーステナイト組織が、硬いマルテンサイト組織に変態することになる。すなわち、焼入れによって得られる硬化層の厚み、つまり焼入れ深さはＤａ１となる。

ここで、図３に符号γで示すように、冷却工程に入る直前において、部位αの温度は低下することになるが、その温度は変態点Ｔｍｓを上回る温度となっている。したがって、冷却工程直前においては、クランクピン２１の外周部が全周に渡って変態点Ｔｍｓを上回る加熱状態、つまり全周に渡ってオーステナイト組織を維持する(マルテンサイト組織に変態しない)状態となっている。すなわち、冷却工程直前におけるクランクピン２１の加熱状態とは、クランクピン２１の外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を上回り、かつ最も低温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を下回るとともに変態点Ｔｍｓを上回る加熱状態となっている。

このように、冷却工程直前において、最も低温となる部位の温度が変態点Ｔｍｓを上回ることから、クランクピン２１の周方向の全部位において、マルテンサイト組織を析出させることなく、オーステナイト組織を維持することが可能となる。すなわち、図４に符号ｄで示される部位βのように、冷却工程直前に変態点Ａｃ３を超えて加熱されない場合、つまり冷却工程直前に改めてオーステナイト組織に変態させる温度まで加熱されない場合であっても、マルテンサイト組織が析出していない状態から焼入れを行うことが可能となる。これにより、全周に渡って良好な焼入れ品質を得ることが可能となる。なお、図６(ｅ)の拡大部分に示すように、部位βにおいても、深さＤａ２の範囲でオーステナイト組織が維持されることから、深さＤａ２で良好な硬化層を得ることが可能となる。

また、前述したように、全周に渡って良好な焼入れ品質を得るためには、冷却工程直前において最も低温となる部位の温度が変態点Ｔｍｓを上回っていれば良い。つまり、冷却工程直前において最も低温となる部位の温度が変態点Ａｃ３を下回っても良いことから、クランクシャフト１１の回転速度を引き下げることが可能となる。このように、クランクシャフト１１の回転速度を低下させることは、レーザ光Ｌによる加熱周期を延ばすことになるため、各部位における１回当たりの加熱時間を延ばすことができ、レーザ出力を維持したまま深く焼入れを行うことが可能となる。すなわち、焼入れ深さを維持したままレーザ出力を抑制することができるため、焼入れコストを引き下げることが可能となる。

続いて、本発明の焼入れ装置(焼入れ方法)によって得られる効果について、クランクピン２１を高速回転させた場合を比較例として挙げて説明する。ここで、図７はクランクピン２１を高速回転させた場合の温度変化を示す線図である。また、図８(ａ)および(ｂ)はクランクピン２１の深さ方向の加熱状態を示すイメージ図であり、図９(ａ)および(ｂ)はクランクピン２１の外周面の温度分布を示す線図である。なお、図８(ａ)および図９(ａ)には高速回転しながら加熱されるクランクピン２１の加熱状態や温度分布が示され、図８(ｂ)および図９(ｂ)には低速回転しながら加熱されるクランクピン２１の加熱状態や温度分布が示されている。すなわち、図８(ａ)および図９(ａ)には図７の加熱工程で得られる加熱状態や温度分布が示され、図８(ｂ)および図９(ｂ)には図３の加熱工程で得られる加熱状態や温度分布が示されている。また、図８(ａ)および(ｂ)に網掛けで示す領域は、変態点Ａｃ３を上回って加熱される領域であり、図８(ａ)および(ｂ)にハッチングで示す領域は、変態点Ｔｍｓを上回って加熱される領域である。また、図８および図９においては、レーザ光Ｌが照射される上部を０°とし、回転方向と同じ反時計回りに９０°、１８０°、２７０°と角度を割り振っている。

図７、図８(ａ)および図９(ａ)に示すように、クランクシャフト１１を高速回転させた場合には、レーザ光Ｌによる加熱周期が短くなることから、クランクピン２１の外周面が全周に渡ってほぼ均一に加熱される。このように、回転速度を上昇させた場合には、図９(ａ)に示すように、クランクピン２１の外周面の全てが変態点Ａｃ３を上回って加熱されており、レーザ光Ｌの熱エネルギーが広い領域に分散することから、図８(ａ)に示すように、表面から浅い領域(Ｄｂ１)だけが変態点Ａｃ３を上回って加熱されることになる。一方、クランクピン２１の回転速度を低下させた場合には、図９(ｂ)に示すように、クランクピン２１の外周面の一部が変態点Ａｃ３を上回って加熱されており、レーザ光Ｌの熱エネルギーが狭い領域に集中することから、図８(ｂ)に示すように、表面から深い領域(Ｄａ１)まで変態点Ａｃ３を上回って加熱することが可能となる。すなわち、図８(ｂ)に示すように、回転速度を上昇させた場合(例えば毎分３３０回転)には、焼入れ深さがＤｂ１と浅くなるのに対し、図８(ａ)に示すように、回転速度を低下させた場合(例えば毎分３０回転)には、焼入れ深さをＤａ１と深くすることが可能となる。なお、回転速度を低下させることは、図示するクランクシャフト１１のように、重量バランスの問題から高速回転が困難な軸部材に対して、本発明を適用する際に特に有効となる。

また、図９(ｂ)に符号Ｘａで示すように、クランクピン２１の外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を上回り、図９(ｂ)に符号Ｘｂで示すように、最も低温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を下回るとともに変態点Ｔｍｓを上回ることになる。このように、クランクピン２１を低速回転させた場合には、クランクピン２１を全周に渡って均一に加熱することが困難となるが、図８(ｂ)に符号Ｘｂで示すように、最も温度が低下する部位においても深さＤａ２の範囲で変態点Ｔｍｓを上回った状態となっている。すなわち、図５に示した範囲β１における部位のように、冷却工程直前に変態点Ａｃ３を超えて加熱されない部位、つまり冷却工程直前に改めてオーステナイト組織に変態する温度まで加熱されない部位においても、マルテンサイト組織が析出していない状態で焼入れを行うことができるため、全周に渡って良好な焼入れ品質を得ることが可能となる。

これまで説明したように、加熱工程において、クランクピン２１の外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を上回り、かつ最も低温となる部位の温度は変態点Ａｃ３を下回るとともに変態点Ｔｍｓを上回ると、制御ユニット２９はレーザ照射部２４に対して停止信号を出力し、レーザ光Ｌの照射を停止してクランクピン２１を冷却する。この場合に、制御ユニット２９は、実験やシミュレーション等によって予め設定された回転速度、レーザ出力、照射時間に基づいて、回転機構部１２やレーザ照射部２４を制御しているが、これに限られることはなく、例えば焼入れ部位の温度を実測することにより、回転速度、レーザ出力、照射時間を制御しても良い。なお、前述した加熱工程においては、少なくともクランクピン２１の外周部の表面温度のうち、最も高温となる部位の温度が変態点Ａｃ３を上回り、かつ最も低温となる部位の温度が変態点Ａｃ３を下回るとともに変態点Ｔｍｓを上回っていれば良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前述の説明では、軸部材としてクランクシャフト１１を挙げているが、これに限られることはなく、カムシャフトや回転軸等の軸部材であっても良い。また、前述の説明では、円形の断面形状を備えるクランクピン２１に対する焼入れについて説明したが、これに限られることはなく、例えば、楕円形の断面形状を備える軸部材に対しても本発明を有効に適用することが可能である。なお、オーステナイト化温度である変態点Ａｃ３やマルテンサイト変態開始温度である変態点Ｔｍｓは、軸部材を構成する鉄鋼材料の種類に応じて変化するものである。例えば、鉄鋼材料がＳ４５Ｃである場合には、変態点Ａｃ３は約７８０℃であり、変態点Ｔｍｓは約３５０℃である。

１０焼入れ装置
１１クランクシャフト(軸部材)
１２回転機構部(回転機構)
２０クランクジャーナル(軸部材)
２１クランクピン(軸部材)
２２クランクピン(軸部材)
２４レーザ照射部(照射器)
２９制御ユニット(制御手段)
Ｌレーザ光(エネルギービーム)
Ａｃ３変態点(オーステナイト化温度)
Ｔｍｓ変態点(マルテンサイト変態開始温度)

Claims

回転する軸部材にエネルギービームを照射し、前記軸部材の外周部に焼入れを行う焼入れ方法であって、
エネルギービームによって加熱される前記外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度がオーステナイト化温度を上回り、かつ最も低温となる部位の温度が前記オーステナイト化温度を下回るとともにマルテンサイト変態開始温度を上回る加熱状態から、エネルギービームの照射を停止して前記軸部材を冷却することを特徴とする焼入れ方法。
軸部材を回転させる回転機構と、回転する前記軸部材の外周部にエネルギービームを照射する照射器とを備え、前記軸部材の前記外周部に焼入れを行う焼入れ装置であって、
前記照射器の作動状態を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、エネルギービームによって加熱される前記外周部の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度がオーステナイト化温度を上回り、かつ最も低温となる部位の温度が前記オーステナイト化温度を下回るとともにマルテンサイト変態開始温度を上回る加熱状態から、エネルギービームの照射を停止させて前記軸部材を冷却することを特徴とする焼入れ装置。