JP2020056058A

JP2020056058A - 熱処理方法

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Publication number: JP2020056058A
Application number: JP2018186174A
Authority: JP
Inventors: 藤田　悦則; Yoshinori Fujita; 悦則藤田; 誠也吉田; Seiya Yoshida; 勝義桑田; Katsuyoshi Kuwata
Original assignee: Delta Kogyo Co Ltd
Current assignee: Delta Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-09
Also published as: EP3859018A1; WO2020066983A1; US20220033923A1; EP3859018A4; CN112955573A

Abstract

【課題】熱処理により高硬度化されるワークの面が荒れることを抑制する。【解決手段】誘導加熱装置により直接加熱される加熱面を、ガイドプレート１１等のワーク中、硬化を所望する部位（硬化対象位置）である溝部１１ａの表面１１ａ１ではなく、その反対面１１ａ２として熱処理を行う。そのため、硬化対象位置の表面１１ａ１が熱処理により荒れて、熱処理前よりも面精度が低下することを抑制できる。また、本発明によれば、誘導加熱装置を用いており、必要な部分のみ熱処理することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属製のワークの表面を熱処理により硬化させる熱処理方法に関する。

例えば、自動車シートのリクライナーを構成する部品、ギヤの歯などは、焼き入れ等の熱処理を行い表面硬度を高めることが行われている。表面硬化法としては、浸炭焼き入れや炭素含有量が所定以上の材料を用いた熱処理等が行われているが、炉内に配置して部品全体を焼き入れする場合には、後工程で溶接を行う際、溶接部が脆くなったり、割れが発生したりする場合がある。そのため、誘導加熱装置を用い、所望の部位のみを部分的に熱処理する熱処理方法も用いられている。例えば、特許文献１では、ギヤの歯の硬度を高める熱処理方法として、誘導加熱装置の加熱コイルを一つ一つの歯に対向するように相対移動可能に設け、ギヤ全体ではなく、一つ一つの歯の表面のみを部分的に熱処理する技術が開示されている。

特開２０１６−１７８０１６号公報

しかし、特許文献１のように、歯の表面に加熱装置の加熱コイルを対峙させ、歯の表面を熱処理する場合には、表面が荒れ、面精度が低下するおそれがある。それにより、ギヤの噛み合い精度の低下や異音の要因になる場合もある。また、ギヤ以外の部品においても、処理した表面が例えば他の部品の表面に摺動する関係にある場合、表面の荒れにより摺動の円滑性が低下したりする場合もある。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、誘導加熱を利用してワークの必要な部分のみを熱処理し、後工程で溶接を行った際に溶接部が脆くなったり割れが発生したりすることを抑制することができると共に、硬化させる部位（硬化対象位置）の面の面精度の低下を抑制することができる熱処理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、本発明の熱処理方法は、
金属製のワークを誘導加熱により部分的に熱処理する熱処理方法であって、
前記ワークの表面中、硬化対象位置の面とは異なる位置の面を、誘導加熱装置の加熱部により直接加熱される加熱面として熱処理し、前記硬化対象位置の面を硬化させることを特徴とする。

前記硬化対象位置の面が、所定の面精度で加工された加工面の熱処理に適用する。
前記加工面が凹凸面であり、前記凹凸面の反対面を前記加熱面として熱処理することが好ましい。
前記加工面が凹凸面であり、前記凹凸面に略直交する面を前記加熱面として熱処理することが好ましい。この場合、かかる凹凸面が、ギヤの歯の表面である場合に適用するとより好ましい。

本発明では、誘導加熱装置により直接加熱される加熱面を、ワーク中、硬化を所望する部位（硬化対象位置）の面ではなく、当該硬化対象位置の面とは異なる面として熱処理を行う。そのため、硬化対象位置の面が熱処理により荒れて、熱処理前よりも面精度が低下することを抑制できる。また、本発明によれば、誘導加熱装置を用いており、必要な部分のみ熱処理することができる。それにより、熱処理後の工程において溶接を行う場合には、熱処理した部位とは異なる部位で行えばよく、溶接をより確実に行うことができる。また、熱処理された部位が部分的であるため、熱処理されていない部位で歪みを吸収でき、全体を熱処理する方法と比較して、残留応力が少なくなる。

図１（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態のワークである自動車用シートのリクライナーの要部を示す図であり、図１（ａ）は、ロックプレートを省略して示したガイドプレートの平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２（ａ）は、誘導加熱装置の加熱部である加熱コイル及びコアをガイドプレートの裏面側に配置した状態を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３は、第１の実施形態の実験例における断面検査を行った位置を示すためのガイドプレートの断面図である。図４（ａ）は、図３のａ１，ａ２における硬度を条件別に示した図であり、図４（ｂ）は、図３のｂ１，ｂ２における硬度を条件別に示した図であり、図４（ｃ）は、図３のｃ点に沿った横方向の硬度を示した図である。図５（ａ）は、図３のｄ領域のミクロ組織を条件別に示した図であり、図５（ｂ）は、図３のｅ領域のミクロ組織を条件別に示した図である。図６は、実験例において熱処理を行ったガイドプレートの表面に沿った形状（面精度）を条件別に示した図である。図７（ａ）は、第２の実施形態のワークであるギヤを示した平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図８（ａ）は、第２の実施形態で用いた誘導加熱装置の加熱部である加熱コイル及びコアをギヤの上面の上方に配置した状態を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の平面図であり、図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。図９は、第２の実施形態の実験例における断面検査を行った位置を示すためのギヤの断面図である。図１０（ａ）は、図９のＸ点に沿った硬度を条件別に示した図であり、図１０（ｂ）は、図９のＹ点に沿った硬度を条件別に示した図であり、図１０（ｃ）は、図９のＺ点に沿った硬度を条件別に示した図である。図１１（ａ）は、図９のａ領域のミクロ組織を条件別に示した図であり、図１１（ｂ）は、図９のｂ領域のミクロ組織を条件別に示した図であり、図１１（ｃ）は、図９のｃ領域のミクロ組織を条件別に示した図である。

以下、図面に示した実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
（第１の実施形態）
まず、自動車用シートのリクライナー１０に、本発明の熱処理方法を施す実施形態について説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、誘導加熱装置１００を用いて部分的に熱処理を施した自動車用シートのリクライナー１０の要部を示す図である。ここで、リクライナー１０は、自動車用シートのシートクッション及びシートバックのうちの一方に連結されるガイドプレート１１と、シートクッション及びシートバックのうちの他方に連結され、ガイドプレート１１に対して回転するインターナルギヤ（図示せず）とを有している。ガイドプレート１１及びインターナルギヤ間に、径方向に摺動可能に配置されるロックプレート１３を有していると共に、ロックプレート１３の外周面には外歯（図示せず）が形成されており、ロックプレート１３が径方向の外方に摺動すると、該外歯が、インターナルギヤの内歯に噛み合ってロックし、ロックプレート１３が径方向の内方に摺動すると両者の噛み合いが外れ、ガイドプレート１１及びインターナルギヤがリクライニング操作に伴って相対回転可能になる。

また、ガイドプレート１１とロックプレート１３との対向面（摺動面）には、それぞれ溝部１１ａ，１３ａが形成され、この溝部１１ａ，１３ａ間に、ガイドプレート１１及びロックプレート１３間のガタ解消と摺動性の向上のため摺動用ボール１４が配設されている。なお、この例では、図１（ａ）に示したように、ガイドプレート１１において円周方向に１８０度隔てて、２箇所の溝部１１ａが形成されており、図示しないが、それに対応してロックプレート１３も２枚配設されている。

一方、ガイドプレート１１は、シートクッション又はシートバックのフレーム部分への溶接のため、例えば、炭素含有量の低いＳＰＦＨ鋼（炭素含有量：０．０７〜０．０８％）が用いられるのに対し、ロックプレート１３は、例えば、浸炭焼き入れ焼き戻しされたＳ２０ＣＫ鋼（炭素含有量０．２％）からなるものが用いられる。よって、ガイドプレート１１側において、摺動用ボール１４による変形を抑制するため、摺動用ボール１４の転動範囲付近、すなわち、ガイドプレート１１の溝部１１ａの表面１１ａ１の硬度を高める必要がある。この溝部１１ａは、プレス加工により形成されており、溝部１１ａを凹部とすると、その周囲の部位は相対的に凸部となり、溝部１１ａ及びその周囲を含んだ部位が凹凸面からなる加工面となる。

本実施形態の熱処理方法は、誘導加熱装置１００の加熱コイル１０１を、金属製のワークの表面中、高硬度化を図る部位（硬化対象位置）の面に直接対向させて加熱するのではなく、硬化対象位置とは異なる位置の面に対向させて加熱する。従って、ワーク中、硬化対象位置とは異なる位置の面が誘導加熱装置１００により直接加熱される加熱面となる。図１（ａ）〜（ｃ）の例では、ガイドプレート１１の溝部１１ａの表面１１ａ１が硬化対象位置の面（プレス加工による加工面）となるが、加熱面はこの表面１１ａ１ではなく、その反対面１１ａ２とする。そこで、反対面１１ａ２側に加熱コイル１０１を対向させ、表面１１ａ１まで誘導加熱を生じさせる（図２（ａ）〜（ｃ）参照）。その結果、図１（ａ）〜（ｃ）においてハッチングで示した領域が加熱されることになる。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態で用いた誘導加熱装置１００の要部を示した図である。この図に示したように、誘導加熱装置１００は、加熱部として、略Ｕ字状に形成した加熱コイル１０１と、ガイドプレート１１の溝部１１ａの形成位置に対応させて対称位置において、加熱コイル１０１の背後に配設された磁力線を集中させるための磁性材からなるコア１０２を有している。この誘導加熱装置１００を用いてガイドプレート１１を熱処理する際には、まず、加熱コイル１０１を、ガイドプレート１１の裏面（溝部１１ａが刻設されていない溝部１１ａの反対面１１ａ２を含む面）側において、２つのコア１０２が２つの溝部１１ａに対応する位置となるように配置する。この状態で、加熱コイル１０１に交流電流を流し、誘導加熱によりガイドプレート１１を裏面側から加熱する。２つのコア１０２が２つの溝部１１ａに対向しているため、溝部１１ａの反対面１１ａ２に対する誘導加熱が促進され、溝部１１ａの表面１１ａ１に至るまで加熱される。所定時間加熱した後、急冷して焼入れする。

（ガイドプレート１１に対する熱処理実験）
・実験条件
図１（ａ）〜（ｃ）に示したガイドプレート１１（ＳＰＦＨ鋼（炭素含有量：０．０７〜０．０８％））に対して熱処理を施し、その評価を行った。ガイドプレート１１に形成された溝部１１ａの形状は、図１（ｂ）に示したとおりであり、溝部１１ａの反対面１１ａ２から、溝部１１ａの底面及びテーパ面を含む表面（硬化対象位置の面）１１ａ１のうち、該テーパ面と摺動用ボール１４との接点までの距離は２．２ｍｍであり、図１（ｂ）の断面における摺動用ボール１４の２つの接点間の距離は３ｍｍであった。

誘導加熱装置１００の加熱コイル１０１は、上記のように、ガイドプレート１１の裏面側において、２つのコア１０２が２つの溝部１１ａの反対面（硬化対象位置とは異なる位置の面）１１ａ２に対向するように配置した。加熱時間を変化させて、溝部１１ａの硬度を比較した。なお、ガイドプレート１１及び加熱コイル１０１間のエアギャップ、電源出力（周波数は一定であるが、少なくとも、溝部１１ａの反対面１１ａ２から表面１１ａ１に向かった摺動用ボール１４との接点までの距離２．２ｍｍまで熱が浸透する周波数に設定）、冷却条件は一定とした。

・評価方法
熱処理した部位の断面検査（断面硬度測定、ミクロ組織観察）、形状測定を行う。断面検査位置は図３に示したとおりである。硬度測定は、図３の断面において、溝部１１ａの表面１１ａ１中、中心から各サイドに１．１ｍｍの位置ａ１，ａ２（ａ１，ａ２間の距離２．２ｍｍ）、溝部１１ａの中心から各サイドに１．５ｍｍの位置ｂ１，ｂ２（ｂ１，ｂ２間の距離３ｍｍ）を、表面１１ａ１から反対面１１ａ２方向に縦方向に測定した。また、図３の断面において、溝部１１ａの表面１１ａ１の底面位置から０．２ｍｍ反対面１１ａ２側に寄ったｃ点に沿った横方向の硬度を測定した。結果を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。

ミクロ組織観察は、図３の断面において、溝部１１ａの中心から図の右側に１．５ｍｍ離間した四角で囲ったｄ領域と、溝部１１ａの形成位置より外方で、加熱コイル１０１に対向していない位置に相当する四角で囲ったｅ領域において比較した。結果を図５（ａ），（ｂ）に示す。

・実験結果
図４（ａ）より、中心から１．１ｍｍの位置ａ１，ａ２は、４秒加熱後に急冷するという条件でＨＶ３６０〜３６５が確保できた。図４（ｂ）より、中心から１．５ｍｍの位置ｂ１，ｂ２は、５秒加熱後に急冷するという条件で、ＨＶ３６０〜３８５が確保できた。図４（ｃ）に示したｃ点に沿った横方向の硬度は、加熱時間が長くなるに従って、高硬度の範囲が広くなっている。

ミクロ組織は、溝部１１ａの形成範囲内である中心から１．５ｍｍ離れたｄ領域では、図５（ａ）に示したように、４秒以上の加熱でマルテンサイトとなり、５秒間の加熱では４秒間の加熱よりも結晶粒が大きくなっている。溝部１１ａの外方のｅ領域では、図５（ｂ）に示したように、材料のままの組織で、熱処理されていなかった。よって、本実施形態の熱処理方法によれば、加熱コイル１０１に対向する部位のみを部分的に熱処理できる。

硬度測定結果及びミクロ組織の観察から、加熱時間が長いと、不要な範囲まで硬度が高くなり、結晶粒が粗大化して脆くなる。従って、溶接予定の部位まで熱処理されないよう、加熱時間に留意する必要がある。また、加工時間が長くなることで生産効率が低下し、コストアップにつながる。よって、本実験例では、加熱時間として、４秒以上５秒以内が適切であり、このように、加工対象の形状、厚さ等により、所望の範囲のみを効率的に熱処理できる適切な加熱時間を予め決定していおくことが好ましい。

図６は、未処理の場合（Ｕｎｔｒｅａｔｅｄ）、４秒加熱後急冷処理した場合（Ｈｅａｔｉｎｇｆｏｒ４ｓｅｃｏｎｄ）、５秒加熱後急冷処理した場合（Ｈｅａｔｉｎｇｆｏｒ５ｓｅｃｏｎｄ）について、溝部１１ａの断面の表面１１ａ１に沿った形状線を示した図である。この図に示したように、未処理、４秒加熱後急冷処理、５秒加熱後急冷処理の形状線のいずれもが重なってほぼ一本線となっており、本実施形態の反対面１１ａ２側に加熱コイル１０１を配置して行う熱処理方法により、溝部１１ａの表面１１ａ１に荒れが生じていないことがわかる。すなわち、プレス加工により形成された加工面である溝部１１ａの表面１１ａ１が、熱処理後も、熱処理前の面精度を維持した状態で硬化されている。

（第２の実施形態）
次に、ワークとして、金属製のギヤ２０に本発明の熱処理方法を施す実施形態について説明する。本実施形態で用いたギヤ２０は、図７（ａ），（ｂ）に示したように、内周面に加工面（凹凸面）である歯２１が形成されたインターナルギヤである。このギヤ２０は、図７（ｂ）に示したように、断面略Ｌ字状となる上下２段に形成され、上段及び下段の内周面のそれぞれに歯筋が略上下方向に沿うように歯２１，２２が形成されている。本実施形態では、上段の歯２１を熱処理を行う例について説明する。

本実施形態では、加工面（凹凸面）である歯２１の表面２１ａを硬化対象位置の面とし、この硬化対象位置の面とは異なる面、すなわち、歯２１の表面２１ａに対して略直交する方向（歯２１の歯筋の上端側）に位置する面（上面）２３を加熱面として熱処理する。すなわち、図８（ｃ）に示したように、歯２１の表面２１ａに対して略直交する方向に位置する上面２３に、誘導加熱装置２００の加熱部である加熱コイル２０１を対向配置させて加熱する。ギヤ２０の上面２３は略円形となっているため、図８（ａ），（ｂ）に示したように、加熱コイル２０１も略円形に形成され、この加熱コイル２０１の背後に、加熱コイル２０１と共に加熱部を構成するコア２０２が配置されている。なお、コア２０２は、隣接するもの同士が内周縁側で隙間がないように、略円周上に複数配設されている。

上面２３を加熱面として加熱する際、上面２３からの熱の浸透する距離が、上面２３側から見て略下方向に延びる歯２１の下端に相当する位置となるように周波数が調整される。本実施形態では、図９に示したように、上段の歯２１の下端に相当する上面２３から４ｍｍの深さの位置まで誘導加熱されるように周波数が調整されている。

誘導加熱装置２００に交流電流を流すと、加熱コイル２０１及びコア２０２により、上面２３が直接加熱され、上面２３から４ｍｍの深さまで熱が浸透する。このため、歯２１の表面２１ａも熱処理され、所定時間加熱後、急冷して焼入れする。

（ギヤ２０に対する熱処理実験）
・実験条件
図８（ｃ）に示したように、誘導加熱装置２００の加熱コイル２０１及びコア２０２をギヤ２０の上面２３に対向するように配置し、加熱コイル２０１及びコア２０２を固定し、加熱コイル２０１と上面２３とのエアギャップを一定の距離で保ち、ギヤ２０を円周方向に１０００ｒｐｍで回転させて加熱し、その後４０Ｌ／ｍｉｎの水とエアを合わせた気水で冷却して熱処理する。

そして、次の３つの加熱条件について評価した。
条件１）加熱時間：４秒間、エアギャップ：１．５ｍｍ
条件２）加熱時間：５秒間、エアギャップ：２．０ｍｍ
条件３）加熱時間：５秒間、エアギャップ：１．５ｍｍ

・評価方法
熱処理した部位の断面硬度測定、ミクロ組織観察により評価する。硬度測定は、図９の断面において、歯２１の溝底面から外方に０．２ｍｍ向かったＸ点、同じく歯２１の溝底面から外方に２．５ｍｍに向かったＹ点（ギヤ２０の歯２１の溝底面と外周面２４間の厚み方向中心線に沿った位置）、ギヤ２０の外周面２４から内方に０．２ｍｍ向かったＺ点の３箇所において、上面２３に接する位置を０ｍｍとし、下面２５に向かう縦方向の硬度を測定した。ミクロ組織の観察は、歯２１の溝底面から外方に２．５ｍｍ向かったＹ点に位置する厚み方向中心線に沿って、上面（加熱面）２３に接するａ領域、上面２３から下方に４ｍｍ向かった位置におけるｂ領域、及び、下面２５に接するｃ領域において観察した。

図１０（ａ）〜（ｃ）に示したように、条件（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）１〜３のいずれも、全ての位置で、上面２３から深さ４ｍｍの範囲まで高硬度化され、未処理部（Ｕｎｔｒｅａｔｅｄ）の硬度がＨＶ１６０程度であるのに対して、熱処理後はＨＶ４５０程度となっていた。４ｍｍを越えると徐々に硬度が下がり、条件１及び条件２では５ｍｍの深さから、条件３では６ｍｍの深さから未処理部と同等の硬度となった。

図１１（ａ）〜（ｃ）に示したミクロ組織からは、いずれの条件、いずれの部位も、上面（加熱面）２３に近いａ領域は典型的なマルテンサイトとなっており（図１１（ａ）参照）、深くなるについて微細な結晶粒となった。上面（加熱面）２３から４ｍｍの深さのｂ領域では、条件１，２ではフェライトとマルテンサイトが混在している組織となっており、条件３では微細なマルテンサイトになっていた（図１１（ｂ）参照）。熱処理の影響のないｃ領域では、フェライトパーライト組織となっており、未処理材と同様の組織であった（図１１（ｃ）参照）。

なお、図１０（ａ）〜（ｃ）より、条件３は、最も深い位置まで高硬度化していることがわかるが、上面（加熱面）２３が溶け落ちる部分が発生していた。条件１の場合には、高硬度化された範囲が、深さ４ｍｍぎりぎりであった。よって、本実験例では、加熱時間：５秒間、エアギャップ：２ｍｍの条件２が最も適切な加熱条件であった。

以上のとおり、本実施形態においては、歯２１が形成されている面と略直交する方向の面である上面２３に加熱コイル２０１及びコア２０２を対峙させて直接加熱しているが、図１０（ａ）〜（ｃ）より明らかなように、歯２１の表面２１ａも、当該歯２１の歯筋の上下方向の長さ（本実験例では４ｍｍ）の範囲に亘って高硬度化できた。従って、歯２１の表面２１ａは、加熱コイル２０１及びコア２０２に直接対向させて加熱する場合と比較して、表面２１ａが荒れることがなく、熱処理前と同等の加工精度（面精度）を備えた構造とすることができる。よって、熱処理により高硬度化しても、歯２１の噛合精度が低下することを抑制できる。

本発明の熱処理方法によれば、プレス加工等により所定の面精度で加工された加工面を有するワークに対し、特に上記のガイドプレート１１やギヤ２０等の所定の厚さを有する厚板状のワークに対し、硬化対象である上記の加工面と異なる面を誘導加熱装置１００，２００の加熱コイル１０１，２０１やコア１０２，２０２が直接対峙する加熱面として熱処理することで、熱処理前の当該加工面の面精度を維持したまま、当該加工面の高硬度化を図ることができる。

１０リクライナー
１１ガイドプレート
１１ａ溝部
１１ａ１溝部の表面
１１ａ２溝部の反対面
１３ロックプレート
１３ａ溝部
１４摺動用ボール
１００誘導加熱装置
１０１加熱コイル
１０２コア
２０ギヤ
２１歯
２１ａ歯の表面
２２歯
２３上面
２００誘導加熱装置
２０１加熱コイル
２０２コア

Claims

金属製のワークを誘導加熱により部分的に熱処理する熱処理方法であって、
前記ワークの表面中、硬化対象位置の面とは異なる位置の面を、誘導加熱装置の加熱部により直接加熱される加熱面として熱処理し、前記硬化対象位置の面を硬化させることを特徴とする熱処理方法。
前記硬化対象位置の面が、所定の面精度で加工された加工面である請求項１記載の熱処理方法。
前記加工面が凹凸面であり、前記凹凸面の反対面を前記加熱面として熱処理する請求項２記載の熱処理方法。
前記加工面が凹凸面であり、前記凹凸面に略直交する面を前記加熱面として熱処理する請求項２記載の熱処理方法。
前記凹凸面が、ギヤの歯の表面である請求項４記載の熱処理方法。