JP2020076148A - Surface hardening treatment method for workpiece - Google Patents

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諒 中西
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亮太 犬飼
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晃弘 善生
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Abstract

To provide a surface hardening treatment method in which a sufficient depth of a cured layer is obtained while preventing a tempering layer from being formed on a surface of a shaft-shaped workpiece.SOLUTION: The surface hardening treatment method is a method for irradiating a region to be cured of a rotating shaft-shaped workpiece with laser light, heating the processed region, and then self-cooling. The method includes a first step of applying a laser beam to the cured processing region by setting a rotation speed S of the workpiece to a first rotation speed S1, and a second step of additionally irradiating the cured processing region with the laser beam while accelerating the rotation speed to a second rotation speed S2. The first rotation speed S1 has a low speed such that the irradiated region heated by being irradiated with the laser light becomes equal to or lower than a tempering temperature by self-cooling when the workpiece has been rotated by one turn. The second rotation speed S2 is such that the irradiation region heated by irradiation with the laser light is maintained at a temperature higher than the tempering temperature even when the irradiation region is self-cooled when the workpiece has been rotated by one or more turns.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、レーザや電子ビームなどのエネルギービームを利用した金属製ワークの表面硬化処理方法に関し、さらに詳しくは、少なくとも一部に軸状部を有し、かつ当該軸状部に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域を有する金属製ワークの表面硬化処理方法に関する。   The present invention relates to a surface hardening treatment method for a metal workpiece using an energy beam such as a laser or an electron beam, and more specifically, it has a shaft-like portion in at least a part thereof, and the shaft-like portion has an entire circumferential direction. The present invention relates to a method for surface-hardening a metal work having a region to be hardened which is to be hardened.

以下の説明において、少なくとも一部に軸状部を有するワークを軸形状ワークと称するものとする。   In the following description, a work having a shaft-shaped portion at least in part will be referred to as a shaft-shaped work.

また、全図面を通じて同一物および同一部分には同一符号を付す。   In addition, the same reference numerals are given to the same parts and the same parts throughout the drawings.

例えば、自動車部品のカムシャフトや、工作機械のボールネジ、主軸といった鋼材製の軸形状ワークの場合、機械的強度および耐摩耗性などが要求される軸状部分に対して、周面の全周にわたって表面硬化処理を施すことが一般に行われている。   For example, in the case of shaft-shaped workpieces made of steel, such as camshafts for automobile parts, ball screws for machine tools, and spindles, for the shaft-shaped portion that requires mechanical strength and wear resistance, etc. Surface hardening treatment is generally performed.

ところで、鋼材製ワークに対する表面硬化処理方法の一つとして、レーザ、電子ビーム等のエネルギービームによる焼入れが挙げられる。エネルギービームによる焼入れは、鋼材等のワーク表面の硬化処理すべき被硬化処理領域にエネルギービームを短時間照射することにより、照射箇所を変態点以上の温度まで加熱してオーステナイト化させた後、自己冷却、すなわちワーク内部への熱拡散により急冷させることにより、ワークの表層部を焼入れ組織(マルテンサイト組織)にするものである。   By the way, as one of the surface hardening treatment methods for a steel work, quenching by an energy beam such as a laser or an electron beam can be mentioned. Quenching with an energy beam is performed by irradiating the area to be hardened on the surface of the workpiece such as steel material to be hardened for a short time with the energy beam to heat the irradiation point to a temperature above the transformation point to austenite, The surface layer portion of the work is made to have a quenched structure (martensite structure) by cooling, that is, rapid cooling by heat diffusion inside the work.

エネルギービームによる表面硬化処理は、一般に、冷却装置や冷却材が不要であり、複雑な形状の部品への適用や、小物部品、深溝、穴側面、穴底面への処理が可能であるといった点で有利である。また、部品全体を高温に加熱する浸炭処理等では熱変形が生じ、硬化処理後に機械加工が必要となるが、エネルギービームによる焼入れはワーク表面の一部を局所的に処理することができるため、変形が少なく、処理後の機械加工を極力少なくすることができる。一方、上述したエネルギービームによる表面硬化処理の場合、十分な硬化層深さを確保することができないという問題があった。   In general, the surface hardening treatment by the energy beam does not require a cooling device or coolant, and it can be applied to parts with complicated shapes and can be applied to small parts, deep grooves, side surfaces of holes, and bottom surfaces of holes. It is advantageous. Further, in the carburizing treatment for heating the entire part to a high temperature, thermal deformation occurs, and machining is required after the hardening treatment, but quenching by the energy beam can locally treat a part of the work surface. There is little deformation, and machining after processing can be minimized. On the other hand, in the case of the surface hardening treatment using the energy beam described above, there is a problem that a sufficient hardened layer depth cannot be secured.

図8に、少なくとも一部に軸状部(1a)を有し、かつ当該軸状部(1a)に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する鋼材製軸形状ワーク(1)に、エネルギービームとしてレーザ光(4)を使用して表面硬化処理を施す方法の一例を示す。当該表面硬化処理方法は、軸形状ワーク(1)の上方に、エネルギービーム照射源としてのレーザ発振器(3)を配置し、たとえば軸形状ワーク(1)を軸状部(1a)の中心線(X)の周りに回転させてワーク(1)とレーザ発振器(3)とを相対的に移動させることによって、レーザ発振器(3)を、軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)の周方向に相対移動させながら、被硬化処理領域(2)にレーザ発振器(3)からレーザ光(4)(エネルギービーム)を照射することにより被硬化処理領域(2)の被照射領域(5)を変態点以上の温度まで加熱してオーステナイト化させた後、自己冷却により急冷させ、被硬化処理領域(2)を焼入れして硬化層を形成するものである。   FIG. 8 shows a steel shaft shape having a shaft-shaped portion (1a) in at least a part thereof, and a region to be hardened (2) to be hardened over the entire circumference in the shaft-shaped portion (1a). An example of a method for performing a surface hardening treatment on a work (1) by using a laser beam (4) as an energy beam is shown. The surface hardening treatment method, above the shaft-shaped work (1), a laser oscillator (3) as an energy beam irradiation source is arranged, for example, the shaft-shaped work (1) the center line (1a) of the shaft-shaped portion (1a). By rotating the workpiece (1) and the laser oscillator (3) relative to each other by rotating around (X), the laser oscillator (3) is moved to the cured region (2) of the shaft portion (1a). Irradiation area (5) of curing area (2) by irradiating laser beam (4) (energy beam) from laser oscillator (3) on the area to be cured (2) while moving relatively in the circumferential direction. Is heated to a temperature equal to or higher than the transformation point to be austenitized, then rapidly cooled by self-cooling, and the hardened region (2) is quenched to form a hardened layer.

図8に示す方法において、硬化層の深さを十分確保するためには、ワーク(1)の回転速度を低速に設定し、軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)に対するレーザ発振器(3)の相対移動速度を低くして軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)にレーザ光(4)を照射することにより、深さ方向に多くの入熱を与えて焼入れを行う必要がある。   In the method shown in FIG. 8, in order to secure a sufficient depth of the hardened layer, the rotation speed of the work (1) is set to a low speed, and the laser oscillator for the hardening target region (2) of the shaft-shaped part (1a) is set. By irradiating the region (2) to be cured of the shaft-shaped portion (1a) with the laser beam (4) while reducing the relative movement speed of (3), a large amount of heat is applied in the depth direction for quenching. There is a need to do.

硬化層の深さを十分に確保しうる表面硬化処理方法の一例が特許文献1に記載されている。特許文献1記載の方法は、ワーク(1)を比較的高速で回転させながらレーザ光(4)を照射して予熱した後に、ワーク(1)を比較的低速で回転させながら軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)全体を均一に変態点以上に加熱し、ついで自己冷却により急冷させる方法である。   Patent Document 1 describes an example of a surface hardening treatment method capable of sufficiently ensuring the depth of a hardened layer. In the method described in Patent Document 1, the workpiece (1) is preheated by irradiating it with the laser beam (4) while rotating the workpiece (1) at a relatively high speed, and then the workpiece (1) is rotated at a relatively low speed while the shaft-shaped portion (1a This is a method of uniformly heating the entire area (2) to be cured above the transformation point and then rapidly cooling it by self-cooling.

しかしながら、この場合、表面硬化処理が施されたワーク(1)の軸状部(1a)の断面の組織分布においては、図9に示すように、深い硬化層(6)が得られるものの、照射終端箇所(8)の近傍に焼戻し層(7)が発生している。この焼戻し層(7)は、ワーク(1)におけるレーザ光(4)の照射終端箇所(8)の近傍において、すでに冷却されて硬化層(6)が形成されている箇所が、焼戻し温度に再加熱されることに起因して発生する。焼戻し層(7)は周囲の硬化層(6)に対し硬度が低くなるために問題となる。例えば、機械部品の組み込みおよび動作時において、焼戻し層(7)上で部品同士が接触した場合、摩耗、変形、傷などの損傷が発生する。これらの損傷は部品寸法や精度を狂わせ、最悪の場合、機械部品としての機能を損なってしまう。このような理由から、焼戻し層(7)の発生の防止もしくは抑制は表面硬化処理において重要である。   However, in this case, in the tissue distribution of the cross-section of the shaft-shaped portion (1a) of the work (1) that has been subjected to the surface hardening treatment, although a deep hardened layer (6) is obtained as shown in FIG. A tempered layer (7) is formed in the vicinity of the end point (8). This tempered layer (7) was cooled to the tempering temperature at the point where the hardened layer (6) had already been cooled and formed near the irradiation end point (8) of the laser beam (4) in the work (1). It occurs due to being heated. The tempered layer (7) becomes a problem because it has a lower hardness than the surrounding hardened layer (6). For example, when parts are brought into contact with each other on the tempering layer (7) during the assembly and operation of mechanical parts, damage such as wear, deformation and scratches occurs. These damages impair the dimensions and accuracy of the parts and, in the worst case, impair their function as mechanical parts. For these reasons, preventing or suppressing the occurrence of the tempered layer (7) is important in the surface hardening treatment.

上述した焼戻し層(7)の発生を防止しうる軸形状ワークの表面硬化処理方法として、特許文献2および3記載の方法が知られている。   The methods described in Patent Documents 2 and 3 are known as surface hardening treatment methods for a shaft-shaped work that can prevent the above-mentioned tempering layer (7) from being generated.

特許文献2記載の方法は、図8に示す方法において、ワーク(1)を比較的高速で複数回回転させながらレーザ光(4)を照射することによって、軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)全体を均一に変態点温度以上に加熱した後、自己冷却により急冷させる方法である。   According to the method described in Patent Document 2, in the method shown in FIG. 8, the workpiece (1) is irradiated with a laser beam (4) while being rotated a plurality of times at a relatively high speed, so that the shaft-shaped portion (1a) is cured. This is a method in which the entire region (2) is uniformly heated to the transformation point temperature or higher and then rapidly cooled by self-cooling.

特許文献3記載の方法は、図8に示す方法において、ワーク(1)を比較的高速で複数回回転させながらレーザ光(4)を照射することによって、加熱される軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)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ように加熱した後、自己冷却により急冷させる方法である。   According to the method described in Patent Document 3, in the method shown in FIG. 8, by irradiating the laser beam (4) while rotating the workpiece (1) a plurality of times at a relatively high speed, the axial portion (1a) to be heated is Among the circumferential portions of the cured region (2), the temperature of the hottest portion exceeds the austenitizing temperature, and the temperature of the coldest portion falls below the austenitizing temperature and the martensite transformation start temperature It is a method in which the material is heated to a temperature higher than the above and then rapidly cooled by self-cooling.

特許文献2および3記載の方法によれば、ワーク(1)の軸状部(1a)における被硬化処理領域(2)の表面が自己冷却される前に再加熱することができ、レーザ光(4)の照射終端箇所(8)の近傍が焼戻し温度となるのを防止して焼戻し層の発生を防止することができる。そして、図10に示すように、レーザ光(4)の照射終端箇所(8)の近傍に焼戻し層の存在しない均一な硬化層(6)を得ることができる。   According to the methods described in Patent Documents 2 and 3, the surface of the region to be cured (2) in the shaft-shaped portion (1a) of the work (1) can be reheated before being self-cooled, and laser light ( It is possible to prevent the vicinity of the irradiation end point (8) of 4) from reaching the tempering temperature and prevent the occurrence of a tempering layer. Then, as shown in FIG. 10, it is possible to obtain a uniform hardened layer (6) having no tempering layer in the vicinity of the irradiation end point (8) of the laser beam (4).

特開平1―116025号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-116025 特開昭57―171618号公報JP-A-57-171618 特許第5756745号公報Japanese Patent No. 5756745

特許文献2および3記載の方法は、図10に示すような焼戻し層の存在しない均一な硬化層(6)を得るには有用であるが、ワーク(1)を高速回転させることの影響として、深さ方向への入熱量が減少し、十分な硬化層(6)の深さを確保することが困難となる。   The methods described in Patent Documents 2 and 3 are useful for obtaining a uniform hardened layer (6) without a tempered layer as shown in FIG. 10, but as an effect of rotating the work (1) at high speed, The amount of heat input in the depth direction decreases, and it becomes difficult to secure a sufficient depth of the hardened layer (6).

特許文献2および3記載の方法において、ワーク(1)を高速回転させた状態で、被硬化処理領域(2)においてより深い硬化層(6)を得るためには、通常、レーザ発振器(3)の出力を上げる必要があるが、高出力のレーザ発振器(3)は高価で、設備コストの大幅な増加につながる。そのため、少ないレーザ出力で、硬化層(6)の深さを確保しつつ、焼戻しによる軟化層を発生させない処理方法が強く求められている。   In the methods described in Patent Documents 2 and 3, in order to obtain a deeper hardened layer (6) in the region to be hardened (2) while the work (1) is rotated at a high speed, a laser oscillator (3) is usually used. However, the high-power laser oscillator (3) is expensive and leads to a large increase in equipment cost. Therefore, there is a strong demand for a treatment method that secures the depth of the hardened layer (6) with a small laser output and does not generate a softened layer due to tempering.

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、レーザ等のエネルギービームの照射による軸形状ワークの表面硬化処理方法として、前記照射終端箇所の近傍に焼戻し層が生じることを防止した上で、十分な深さの硬化層が得られる方法を提供することを目的としている。   This invention has been made in view of the above problems, and as a surface hardening treatment method for a shaft-shaped workpiece by irradiating an energy beam such as a laser, a tempering layer is prevented from being formed in the vicinity of the irradiation end point. Above, it aims at providing the method of obtaining a hardened layer of sufficient depth.

この発明は上記目的を達成するために、以下の態様からなる。   The present invention has the following aspects to achieve the above object.

1)少なくとも一部に軸状部を有し、かつ当該軸状部に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域を有する金属製ワークと、エネルギービーム照射源とを相対的に移動させることにより、前記エネルギービーム照射源を、前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に相対移動させながら、前記被硬化処理領域に前記エネルギービーム照射源からエネルギービームを照射して前記被硬化処理領域を加熱し、その後自己冷却させることにより、前記被硬化処理領域に硬化層を形成するワークの表面硬化処理方法であって、
前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対移動速度を第1速度に設定し、前記被硬化処理領域にエネルギービームを照射して前記ワークの前記被硬化処理領域を加熱する第1工程と、前記第1工程に続いて、前記相対移動速度を、前記第1速度よりも速い第2速度に加速して、前記被硬化処理領域にエネルギービームを重ねて照射し、ワークを加熱する第2工程とを含み、
前記第1速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に1周以上相対移動した際に、自己冷却により焼き戻し温度以下となるような低速とし、
前記第2速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に1周以上相対移動した際に、自己冷却されても焼き戻し温度を超える温度に維持されるような高速、または前記被照射領域における焼戻し温度以下となる領域が低減されるような高速とすることを特徴とするワークの表面硬化処理方法。
1) Relative movement of a metal work having at least a part of a shaft-like part and a hardening target region to be hardened along the entire circumference in the shaft-like part, and an energy beam irradiation source By doing so, the energy beam irradiation source is irradiated with an energy beam from the energy beam irradiation source to the curing target region while moving the energy beam irradiation source relatively in the circumferential direction of the curing target region of the shaft-shaped portion. A method for surface hardening treatment of a work, wherein a hardening layer is formed in the hardening target area by heating the hardening target area and then allowing it to self-cool,
The relative movement speed of the energy beam irradiation source with respect to the hardening target area of the shaft-shaped portion is set to a first speed, and the hardening target area is irradiated with an energy beam to heat the hardening target area of the workpiece. And the first step, the relative movement speed is accelerated to a second speed that is faster than the first speed, and an energy beam is overlapped and irradiated on the region to be cured, And a second step of heating
The first speed is the irradiation target area heated by being irradiated with the energy beam from the energy beam irradiation source in the hardening target area, and the energy beam irradiation source is the circumference of the hardening target area of the axial portion. When the relative movement in the direction of one or more turns, the cooling speed is set so that the tempering temperature will be below the tempering temperature due to self-cooling.
The second speed is the irradiation target area heated by the energy beam irradiation from the energy beam irradiation source in the curing processing area, and the energy beam irradiation source is the circumference of the curing processing area of the axial portion. When the relative movement in the direction of 1 or more turns, the high speed is maintained at a temperature higher than the tempering temperature even if it is self-cooled, or the high speed is reduced so that the region of the irradiated region having the tempering temperature or lower is reduced. A surface hardening treatment method for a work, comprising:

2)前記第1速度から前記第2速度への加速にあたり、一定の加速度で加速させることを特徴とする上記1)に記載のワークの表面硬化処理方法。   2) The method for hardening the surface of a work according to 1), wherein the acceleration from the first speed to the second speed is performed at a constant acceleration.

3)前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度に比例して、前記第1速度から前記第2速度へ加速させることを特徴とする上記2)に記載のワークの表面硬化処理方法。   3) Accelerate the relative moving speed from the first speed to the second speed in proportion to time or relative rotation angle of the energy beam irradiation source with respect to the region to be cured of the shaft-shaped portion. The work surface hardening treatment method according to the above 2), which is characterized in that

4)前記第1速度から前記第2速度への加速にあたり、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から前記第2速度に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることを特徴とする上記1)に記載のワークの表面硬化処理方法。   4) Upon acceleration from the first speed to the second speed, the acceleration increases with the passage of time, and gradually shifts from the initial low acceleration state to the high acceleration state as it approaches the second speed. The method for surface hardening a work according to the above 1), characterized in that the work is hardened.

5)前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度を独立変数とする下に凸な関数にしたがって、前記第1速度から前記第2速度へ加速させることを特徴とする上記4)に記載のワークの表面硬化処理方法。   5) The relative speed of the first speed according to a downward convex function whose independent variable is the time or the relative rotation angle of the energy beam irradiation source with respect to the region to be cured of the shaft-shaped portion. To the second speed, the method for hardening a surface of a work according to the above 4).

6)前記下に凸な関数は、加速開始点を最小値とした下に凸な関数である上記5)に記載のワークの表面硬化処理方法。   6) The surface hardening treatment method for a work according to the above 5), wherein the downward convex function is a downward convex function having an acceleration start point as a minimum value.

7)前記下に凸な関数が、N次関数、三角関数、指数関数およびシグモナイド関数からなる群から選ばれた1つの関数、または前記群から選ばれた2以上の関数を組み合わせた関数である上記5)または6)に記載のワークの表面硬化処理方法。   7) The downward convex function is one function selected from the group consisting of an Nth-order function, a trigonometric function, an exponential function and a sigmonide function, or a function combining two or more functions selected from the group. The surface hardening treatment method for a work according to the above 5) or 6).

上記1)〜7)の方法によれば、前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対移動速度を第1速度に設定し、前記被硬化処理領域にエネルギービームを照射して前記ワークの前記被硬化処理領域を加熱する第1工程と、前記第1工程に続いて、前記相対移動速度を、前記第1速度よりも速い第2速度に加速して、前記被硬化処理領域にエネルギービームを重ねて照射し、ワークを加熱する第2工程とを含み、前記第1工程の前記第1速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に1周以上相対移動した際に、自己冷却により焼戻し温度以下となるような低速に設定しているので、照射箇所の深さ方向への入熱量を大きくし、深い硬化層を得ることができる。   According to the methods of 1) to 7) above, the relative movement speed of the energy beam irradiation source with respect to the region to be cured of the shaft portion is set to a first speed, and the region to be cured is irradiated with an energy beam. The first step of heating the area to be cured of the work, and, following the first step, accelerating the relative movement speed to a second speed that is faster than the first speed to perform the hardening. A second step of irradiating a treatment area with an energy beam in an overlapping manner to heat the work, and the energy beam is radiated from the energy beam irradiation source in the curing treatment area at the first speed of the first step. The irradiated area heated by heating the energy beam irradiation source to a low speed such that the energy beam irradiation source becomes below the tempering temperature due to self-cooling when the energy beam irradiation source relatively moves one or more times in the circumferential direction of the cured area of the shaft-shaped portion. Since it is set, the heat input amount in the depth direction of the irradiation portion can be increased and a deep hardened layer can be obtained.

また、前記第2工程において、前記相対的移動速度を、前記第1速度から前記第2速度に加速するにあたり、前記第2速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に1周以上相対移動した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速、または前記被照射領域における焼戻し温度以下となる領域が低減されるような高速に設定しているので、前記エネルギービームの照射終端箇所の近傍への焼戻しによる焼戻し層の形成を防止または抑制することができる。また、回転速度を漸増させる過程において、深さ方向への入熱量を確保しながら、上述の焼戻しによる軟化層の形成が回避できるため、深い硬化層を得ることができる。   Further, in the second step, when accelerating the relative moving speed from the first speed to the second speed, the second speed is increased by an energy beam from the energy beam irradiation source in the region to be cured. The temperature of the irradiated area that has been irradiated and heated exceeds the tempering temperature even if it is self-cooled when the energy beam irradiation source relatively moves one or more times in the circumferential direction of the hardening target area of the shaft-shaped portion. Is set to a high speed such that the tempering temperature in the irradiated region is reduced to a temperature equal to or lower than the tempering temperature in the irradiated region. Formation can be prevented or suppressed. Further, in the process of gradually increasing the rotation speed, the formation of the softened layer due to the above-described tempering can be avoided while ensuring the heat input in the depth direction, so that a deep hardened layer can be obtained.

したがって、深さを確保しつつ、エネルギービーム照射終端箇所の近傍への焼戻しの影響の少ない周方向に比較的均一な硬度の硬化層が形成可能となる。また、これにより、硬化層の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、表面硬化処理にかかる設備コストを抑制することが可能となる。   Therefore, it is possible to form a hardened layer having a relatively uniform hardness in the circumferential direction, which is less affected by tempering to the vicinity of the end point of the energy beam irradiation, while ensuring the depth. Further, as a result, it is possible to suppress the output of the energy beam while ensuring the depth of the hardened layer, and thus it is possible to suppress the equipment cost for the surface hardening treatment.

上記4)〜7)の方法によれば、前記第2工程において、前記相対的移動速度を、前記第1速度から前記第2速度に加速する過程において、深さ方向の焼戻しを低減することが可能になり、前記第1工程で形成された硬化層の深さを一定に維持することができる。したがって、前記第1速度で周方向に1周させた場合に比べて、前記エネルギービームの照射終端箇所の近傍に、軟化層による影響が少ない上に、周方向に比較的均一な深い硬化層を得ることができる。   According to the methods 4) to 7), in the second step, tempering in the depth direction can be reduced in the process of accelerating the relative moving speed from the first speed to the second speed. This makes it possible to keep the depth of the hardened layer formed in the first step constant. Therefore, as compared with the case of making one round in the circumferential direction at the first speed, a deep hardened layer which is relatively uniform in the circumferential direction in the vicinity of the end point of irradiation of the energy beam is less affected by the softening layer. Obtainable.

軸形状ワークなどの焼入れが必要なワークにおいて、硬化層に対して要求される項目としては表面硬さと硬化層深さが挙げられる。部品組立て時や機械動作時の部品同士の接触によって発生するキズおよび摩耗を抑制するために表面硬さが必要であり、接触面経由での負荷荷重による内部変形を防ぐために一定の硬化層深さが要求される。表面硬さは上記機能を果たすために全面に対して均一になることが望まれる。また、接触面に働く負荷荷重を算出することは通常困難であり、ワーク毎に再設定、再条件出しをすることは効率的ではないため、硬化層深さは本来必要な値よりも大きく設定されることが多い。したがって、周方向に比較的均一な深い硬化層を得ることができることは、ワークにとって要求される項目を満たすことになる。   In a work requiring hardening such as a shaft-shaped work, the items required for the hardened layer include surface hardness and hardened layer depth. Surface hardness is necessary to suppress scratches and wear caused by contact between parts during assembly of parts and machine operation, and a certain hardened layer depth to prevent internal deformation due to load load via the contact surface. Is required. The surface hardness is desired to be uniform over the entire surface in order to fulfill the above functions. In addition, it is usually difficult to calculate the load applied to the contact surface, and it is not efficient to reset and recondition each work, so the hardened layer depth should be set larger than it should be. It is often done. Therefore, the ability to obtain a deep hardened layer that is relatively uniform in the circumferential direction satisfies the items required for the work.

本発明によるワークの表面硬化処理方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the apparatus which implements the surface hardening treatment method of the workpiece | work by this invention. 本発明によるワークの表面硬化処理方法の実施形態を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows an embodiment of a surface hardening treatment method of a work according to the present invention. 本発明の方法により表面硬化処理が施されるワークの被処理箇所の断面変化を工程順に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section change of the to-be-processed location of the workpiece | work which the surface hardening process is performed by the method of this invention in process order. 図2のフローチャートのステップN5において第1回転速度から第2回転速度へ回転速度を加速させる際の経過時間とワークの回転速度との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the elapsed time at the time of accelerating rotation speed from a 1st rotation speed to a 2nd rotation speed, and the rotation speed of a workpiece | work in step N5 of the flowchart of FIG. 図2のフローチャートのステップN5において第1回転速度から第2回転速度へ回転速度の加速させる際の経過時間とワークの回転速度との関係の変形例を示すグラフである。9 is a graph showing a modification of the relationship between the elapsed time and the rotation speed of the work when the rotation speed is accelerated from the first rotation speed to the second rotation speed in step N5 of the flowchart of FIG. 2. 図5に示すグラフに基づいてワークの回転速度を加速することを含む図2の方法により表面硬化処理が施されるワークの被処理箇所の断面変化を工程順に示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing, in the order of steps, a cross-sectional change in a treated portion of a work which is surface-hardened by the method of FIG. 2 including accelerating the rotation speed of the work based on the graph shown in FIG. 5. 本発明の方法による実施例1および2の結果と従来法による比較例の結果とを示すグラフである。It is a graph which shows the result of Examples 1 and 2 by the method of this invention, and the result of the comparative example by the conventional method. エネルギービームとしてレーザ光を利用して軸形状ワークに表面硬化処理を施す表面硬化処理方法の一例を示す正面図である。It is a front view showing an example of a surface hardening processing method which performs surface hardening processing on a shaft-shaped work using a laser beam as an energy beam. 特許文献1記載の方法により表面硬化処理が施されたワークの被処理箇所の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the to-be-processed location of the workpiece which surface-hardened by the method of patent document 1. 特許文献2および3記載の方法により表面硬化処理が施されたワークの被処理箇所の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the to-be-processed location of the workpiece which surface-hardened by the method of patent document 2 and 3.

以下、本発明の実施形態を図1〜図4を参照して説明する。この実施形態は、エネルギービームとしてレーザ光を利用したものである。しかしながら、利用されるエネルギービームはレーザ光に限定されるものではなく、電子ビームなどに適宜変更可能である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment uses laser light as an energy beam. However, the energy beam used is not limited to laser light, and can be changed to an electron beam or the like as appropriate.

ワーク(1)の構成およびワーク(1)とレーザ発振器(3)の配置は、図8に示す装置と同様である。なお、本発明の実施形態においては、ワーク(1)を軸状部(1a)の中心線(X)の周りに回転させる回転駆動源(11)およびレーザ発振器(3)は、制御装置(10)に接続されている。使用するレーザ発振器(3)は、エネルギー分布がワーク(1)の軸方向に対して矩形形状のものを用いることが好ましい(図8の網掛けが付された被照射領域(5)を参照)。   The structure of the work (1) and the arrangement of the work (1) and the laser oscillator (3) are the same as those of the device shown in FIG. In the embodiment of the present invention, the rotation drive source (11) and the laser oscillator (3) for rotating the work (1) around the center line (X) of the shaft-like portion (1a) are the control device (10 )It is connected to the. The laser oscillator (3) used preferably has a rectangular energy distribution with respect to the axial direction of the work (1) (see the shaded irradiated area (5) in FIG. 8). ..

制御装置(10)には、ワーク(1)の軸状部(1a)が中心線(X)の周りに回転を開始してからの時間を計測するタイマー(12)、およびワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)の周りの回転速度を検出するセンサ(13)が接続されている。また、制御装置(10)には、比較的低速の第1回転速度S1(rev/min)と、第1回転速度S1(rev/min)によりワーク(1)が1回転する時間T1(sec)と、第1回転速度S1(rev/min)よりも高速の第2回転速度S2(rev/min)と、ワーク(1)の回転開始およびレーザ光(4)の照射開始から第2回転速度S2に達するまでの時間T2(sec)とが設定されている。   The control device (10) includes a timer (12) for measuring the time from when the shaft-like portion (1a) of the work (1) starts rotating around the center line (X), and the work (1). A sensor (13) for detecting the rotation speed around the center line (X) of the shaft-like portion (1a) is connected. Further, the control device (10) has a relatively low first rotation speed S1 (rev / min) and a time T1 (sec) for one rotation of the work (1) at the first rotation speed S1 (rev / min). And a second rotation speed S2 (rev / min) higher than the first rotation speed S1 (rev / min), and a second rotation speed S2 from the start of rotation of the work (1) and the start of irradiation of the laser light (4). The time T2 (sec) to reach is set.

第1回転速度S1(rev/min)は、ワーク(1)の材質や、表面硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する軸状部(1a)の外径、得るべき硬化層(6)の深さ、レーザ発振器(3)の出力、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射される照射範囲の大きさなどに応じて、被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された1箇所の被照射領域(5)(図3(a)参照)が、ワーク(1)の軸状部(1a)が1回転以上した際に、ここでは1回転した際に自己冷却により焼戻し温度以下となるような速度である。   The first rotation speed S1 (rev / min) depends on the material of the work (1), the outer diameter of the shaft-shaped portion (1a) having the region (2) to be surface-hardened, and the hardened layer (6) to be obtained. ), The output of the laser oscillator (3), the size of the irradiation range where the laser beam (4) is irradiated from the laser oscillator (3), etc., the laser oscillator (3 ) Is irradiated with the laser beam (4) to heat the irradiated area (5) (see FIG. 3 (a)) at one place, and the shaft-like part (1a) of the work (1) makes one revolution or more. In addition, here, the speed is such that the temperature becomes equal to or lower than the tempering temperature due to self-cooling after one rotation.

第2回転速度S2は、ワーク(1)の材質や、表面硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する軸状部(1a)の外径、得るべき硬化層(6)の深さ、レーザ発振器(3)の出力、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射される照射範囲の大きさなどに応じて、被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された1箇所の被照射領域(5)(図3(c)参照)が、ワーク(1)の軸状部(1a)が1回転以上した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような速度、または被照射領域(5)における焼戻し温度以下となる領域が大幅に低減されるような速度である。前記両回転速度S1、S2および両時間T1、T2は、ワーク(1)の材質や、硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する軸状部(1a)の外径、得るべき硬化層(6)の深さ、レーザ発振器(3)の出力、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射される照射範囲の大きさなどに基づいて、制御装置(10)において算出されたり、あるいは実験的に求められて制御装置(10)に入力されている。   The second rotation speed S2 is determined by the material of the work (1), the outer diameter of the shaft-shaped portion (1a) having the region to be cured (2) to be surface-hardened, the depth of the hardened layer (6) to be obtained, Depending on the output of the laser oscillator (3), the size of the irradiation range where the laser light (4) is emitted from the laser oscillator (3), etc., the laser light from the laser oscillator (3) in the cured region (2) (3) ( One irradiated area (5) (see Fig. 3 (c)) heated by being irradiated with 4) is self-cooled when the shaft-like part (1a) of the work (1) makes one revolution or more. Even so, the speed is such that the temperature is maintained above the tempering temperature, or the area of the irradiated region (5) that is below the tempering temperature is significantly reduced. The both rotation speeds S1 and S2 and both times T1 and T2 are the material of the work (1), the outer diameter of the shaft-shaped portion (1a) having the region to be cured (2) to be cured, and the cured layer to be obtained. Based on the depth of (6), the output of the laser oscillator (3), the size of the irradiation range where the laser light (4) is irradiated from the laser oscillator (3), etc., is calculated in the control device (10), Alternatively, it is experimentally obtained and input to the control device (10).

本発明による表面硬化処理方法は、まず、ワーク(1)の軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)に対するレーザ発振器(3)の相対移動速度、すなわちワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)周りの回転速度を第1回転速度S1に設定した状態で、被硬化処理領域(2)にレーザ光(4)を照射して被硬化処理領域(2)の深さ方向への入熱量を大きくし、その後自己冷却させることにより深い硬化層(6)を得る第1工程と、第1工程に続いて、ワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)周りの回転速度を、所定の関数にしたがって第2回転速度S2まで加速して、被硬化処理領域(2)にレーザ発振器(3)からレーザ光(4)を重ねて照射することにより、ワーク(1)が自己冷却される前に再加熱し、もしくは焼戻し温度となる領域を大幅に低減した状態にし、その後自己冷却させる第2工程とを含む。   Surface hardening treatment method according to the present invention, first, the relative movement speed of the laser oscillator (3) with respect to the region to be cured (2) of the shaft-shaped portion (1a) of the work (1), that is, the shaft-shaped portion of the work (1). While the rotation speed around the center line (X) of (1a) is set to the first rotation speed S1, the region to be cured (2) is irradiated with the laser beam (4) to cure the region to be cured (2). The first step of increasing the amount of heat input in the depth direction and then self-cooling to obtain a deep hardened layer (6), and following the first step, the center of the shaft-like part (1a) of the work (1) Accelerate the rotation speed around the line (X) to the second rotation speed S2 according to a predetermined function, and irradiate the region to be cured (2) with the laser beam (4) from the laser oscillator (3) in an overlapping manner. Thus, the second step of reheating the work (1) before it is self-cooled, or in a state in which the region of the tempering temperature is significantly reduced, and then self-cooling is included.

したがって、レーザ光(4)の照射を停止したときの照射終端箇所の近傍が焼戻し温度に再加熱されることを避けること、もしくは焼戻し温度となる領域を大幅に低減することができる。また、回転速度を漸増させる過程においては、深さ方向への入熱量を確保しながら上記処理を行うため、径方向に対して焼戻しのない有効な硬化層(6)を深く得ることができる。その結果、レーザ光(4)の照射時のワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)周りの回転速度を、はじめは低速とし、その後加速させていくことで、焼戻しを回避、もしくは大幅に抑制しつつ、深い硬化層(6)を得ることが可能となる。   Therefore, when the irradiation of the laser beam (4) is stopped, the vicinity of the irradiation end point can be prevented from being reheated to the tempering temperature, or the region at the tempering temperature can be significantly reduced. Further, in the process of gradually increasing the rotation speed, the above-mentioned treatment is performed while ensuring the heat input in the depth direction, so that an effective hardened layer (6) without tempering in the radial direction can be deeply obtained. As a result, the rotation speed around the center line (X) of the shaft-like part (1a) of the work (1) at the time of irradiation with the laser light (4) is initially low, and then accelerated to quench the temper. It is possible to obtain a deep hardened layer (6) while avoiding or greatly suppressing it.

次に、フローチャートを示す図2、表面硬化処理を施したワークの断面組織の変化を示す図3、および表面硬化処理の経過時間とワークの回転速度との関係を示す図4を参照して、全体に直径Dmmの円柱状であるワーク(1)に、本発明の方法により表面硬化処理を施す具体例について説明する。   Next, with reference to FIG. 2 showing a flow chart, FIG. 3 showing a change in cross-sectional structure of the work which has been subjected to the surface hardening treatment, and FIG. 4 showing a relationship between the elapsed time of the surface hardening treatment and the rotation speed of the work, A specific example of subjecting the work (1) having a cylindrical shape with a diameter of Dmm to the whole surface by the method of the present invention will be described.

制御装置(10)は、回転駆動源(11)を介して、中心線(X)周りの回転速度(S)が第1回転速度S1となるように、ワーク(1)の軸状部(1a)の回転を開始させ(ステップN1)、ワーク(1)を中心線(X)周りに第1回転速度S1で回転させた状態で、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)をワーク(1)の軸状部(1a)における被硬化処理領域(2)の外周に対し照射する(ステップN2)。   The control device (10) uses the rotary drive source (11) so that the rotation speed (S) around the center line (X) becomes the first rotation speed S1. ) Is started (step N1), and the laser beam (4) is supplied from the laser oscillator (3) to the workpiece (1) while rotating the workpiece (1) around the center line (X) at the first rotation speed S1. The outer periphery of the region (2) to be cured in the shaft-shaped portion (1a) is irradiated (step N2).

レーザ発振器(3)からのレーザ光(4)の照射が開始されると、制御装置(10)は、タイマー(12)を用いてレーザ光(4)の照射開始からの経過時間Tの取得を開始し(ステップN3)、レーザ光(4)の照射開始からの経過時間Tが、ワーク(1)が1回転する時間T1を経過したか否かを調べる(ステップN4)。ステップN4で、経過時間Tがワーク(1)が1回転する時間T1を経過していないと、ステップN4を繰り返す。   When the irradiation of the laser light (4) from the laser oscillator (3) is started, the control device (10) uses the timer (12) to acquire the elapsed time T from the start of the irradiation of the laser light (4). It is started (step N3), and it is checked whether or not the elapsed time T from the start of irradiation with the laser light (4) has passed the time T1 for one rotation of the work (1) (step N4). If the elapsed time T has not passed the time T1 for one rotation of the work (1) in step N4, step N4 is repeated.

ステップN4において、第1回転速度S1(rev/min)は、ワーク(1)の被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された被照射領域(5)が、ワーク(1)の軸状部(1a)が1回転した際に自己冷却により焼戻し温度以下となるような比較的低速度であるから、第1回転速度S1で回転するワーク(1)の軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)へのレーザ光(4)の照射による加熱と自己冷却による急冷により、ワーク(1)の被硬化処理領域(2)の外周部に深い焼入れ硬化層(6)が形成される(図3(a)参照)。このとき、より深い硬化層(6)を得るために、被照射領域(5)の表面温度は、オーステナイト化温度を超え、溶融点以上となるような加熱状態としている。   In Step N4, the first rotation speed S1 (rev / min) is the irradiation target area heated by being irradiated with the laser beam (4) from the laser oscillator (3) in the curing processing area (2) of the work (1). (5) is a relatively low speed such that when the shaft-shaped part (1a) of the work (1) makes one rotation, the temperature becomes lower than the tempering temperature due to self-cooling, so the work (1) rotating at the first rotation speed S1 ( The outer peripheral portion of the hardened region (2) of the work (1) is heated by irradiation of the laser light (4) to the hardened region (2) of the shaft-shaped part (1a) of 1) and rapidly cooled by self-cooling. A deep quench hardened layer (6) is formed on the surface (see FIG. 3 (a)). At this time, in order to obtain a deeper hardened layer (6), the surface temperature of the irradiated region (5) exceeds the austenitizing temperature and is in a heating state such that it is equal to or higher than the melting point.

ステップN4で、経過時間Tがワーク(1)が1回転する時間T1を経過していると、制御装置(10)は、レーザ光(4)の照射開始からの時間が時間T2となるまでの間、所定の関数にしたがってワーク(1)の回転速度を第2回転速度S2まで加速させながら、被硬化処理領域(2)に重ねてレーザ光(4)を照射する(ステップN5)。   In step N4, if the elapsed time T has passed the time T1 for one rotation of the work (1), the control device (10) waits until the time T2 from the start of irradiation of the laser beam (4). In the meantime, while accelerating the rotation speed of the work (1) to the second rotation speed S2 according to a predetermined function, the laser beam (4) is irradiated onto the region to be cured (2) in a superimposed manner (step N5).

この実施形態の表面硬化処理方法におけるステップN5での回転速度Sの加速は、例えば
S=(S2−S1)×(T−T1)/(T2−T1)+S1
という式(イ)にしたがい、経過時間Tに比例するように、第1回転速度S1から第2回転速度S2へ加速させることにより行われる。このときの経過時間Tとワーク(1)の回転速度Sとの関係は図4に示す通りである。
The acceleration of the rotation speed S in step N5 in the surface hardening treatment method of this embodiment is, for example, S = (S2-S1) * (T-T1) / (T2-T1) + S1
According to the equation (a), the first rotation speed S1 is accelerated to the second rotation speed S2 in proportion to the elapsed time T. The relationship between the elapsed time T and the rotation speed S of the work (1) at this time is as shown in FIG.

なお、ステップN5において、ワーク(1)の回転速度を、ワーク(1)の回転角度に比例して、第1回転速度S1から第2回転速度S2へ加速させてもよい。   In step N5, the rotation speed of the work (1) may be accelerated from the first rotation speed S1 to the second rotation speed S2 in proportion to the rotation angle of the work (1).

ついで、制御装置(10)は、レーザ光(4)の照射開始からの経過時間Tが、予め設定されていたレーザ光(4)の照射時間T2を経過したか否かを調べる(ステップN6)。ステップN6で、経過時間Tがレーザ光(4)照射時間T2を経過していないと、ステップN5に戻る。   Next, the control device (10) checks whether or not the elapsed time T from the start of irradiation of the laser light (4) has exceeded the preset irradiation time T2 of the laser light (4) (step N6). .. If the elapsed time T has not passed the laser light (4) irradiation time T2 in step N6, the process returns to step N5.

ステップN6で、経過時間Tが予め設定されていたレーザ光(4)の照射時間T2を経過していると、制御装置(10)はレーザ光(4)の照射を停止し(ステップN7)、ワーク(1)の回転を停止する(ステップN8)。こうして、ワーク(1)の表面硬化処理が終了する。   When the elapsed time T has passed the preset irradiation time T2 of the laser light (4) in step N6, the control device (10) stops the irradiation of the laser light (4) (step N7), The rotation of the work (1) is stopped (step N8). Thus, the surface hardening treatment of the work (1) is completed.

ステップN5において、回転速度Sが、第1回転速度S1から第2回転速度S2まで加速されている間には、重ねてレーザ光(4)が照射された箇所の近傍において焼戻し温度以上に再加熱され、被照射領域(5)の近傍から硬化層(6)の内周部にかけて焼戻し層(7)が発生する(図3(b)参照)。しかしながら、第2回転速度S2は、ワーク(1)の被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された被照射領域(5)が、ワーク(1)の軸状部(1a)が1回転以上した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速度、もしくは焼戻し温度となる領域が大幅に低減されるような高速度であるから、経過時間Tが時間T2に達するまでは、ワーク(1)の被照射領域(5)が自己冷却されるよりも早く再加熱されて被硬化処理領域(2)の全周の表面温度を焼戻し温度より高く維持すること、もしくは表面近傍における焼戻し温度となる領域を大幅に低減することが可能になり、ステップN7においてレーザ光(4)の照射を停止すると、ワーク(1)の自己冷却により表面が急冷され、図3(c)に示すように、最終的にはワーク(1)の被硬化処理領域(2)の表面に焼戻しによる軟化層が形成されていない、もしくは軟化層の領域が大幅に低減された硬化層(6)が得られる。焼戻し層(7)は硬化層(6)の内周部にのみ存在する。   In step N5, while the rotation speed S is being accelerated from the first rotation speed S1 to the second rotation speed S2, reheating is performed at a temperature above the tempering temperature in the vicinity of the portion where the laser beam (4) is repeatedly irradiated. Then, a tempered layer (7) is generated from the vicinity of the irradiated region (5) to the inner peripheral portion of the hardened layer (6) (see FIG. 3 (b)). However, the second rotation speed S2 is such that the irradiated area (5) heated by being irradiated with the laser beam (4) from the laser oscillator (3) in the cured area (2) of the workpiece (1) is When the shaft-shaped part (1a) of 1) makes one rotation or more, it is possible to significantly reduce the high speed or the tempering temperature range where the temperature exceeds the tempering temperature even if it is self-cooled. Since the speed is high, until the elapsed time T reaches the time T2, the irradiated area (5) of the work (1) is reheated faster than it is self-cooled and the entire circumference of the cured area (2) is processed. It is possible to maintain the surface temperature of the workpiece above the tempering temperature or to significantly reduce the area of the tempering temperature near the surface, and when the irradiation of the laser beam (4) is stopped in step N7, the work (1) The surface of the work (1) is not hardened by the tempering process or the softening layer is not formed on the surface of the hardened area (2) of the work (1) as shown in Fig. 3 (c). A hardened layer (6) is obtained with a significantly reduced layer area. The tempered layer (7) exists only on the inner peripheral portion of the hardened layer (6).

ステップN5におけるワーク(1)の回転速度Sを変更する処理(ステップN5)については複数回、関数を変えて行ってもよい。   The function of changing the rotation speed S of the work (1) in step N5 (step N5) may be performed plural times by changing the function.

図2に示すフローチャートにおいて、この実施形態の表面硬化処理方法におけるステップN5での回転速度Sの加速は、前記式(イ)にしたがって行うことに代えて、
S=(S2−S1)×(T−T1)2/(T2−T1)2+S1
という経過時間Tを独立変数としかつ加速開始点を最小値とする下に凸な二次関数である式(ロ)にしたがって、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から第2回転速度S2に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることにより行ってもよい。このときの経過時間Tとワーク(1)の回転速度Sとの関係は図5に示す通りであり、表面硬化処理を施したワークの断面組織の変化は図6に示す通りである。
In the flowchart shown in FIG. 2, instead of performing the acceleration of the rotation speed S in step N5 in the surface hardening treatment method of this embodiment according to the equation (a),
S = (S2-S1) x (T-T1) 2 / (T2-T1) 2 + S1
According to equation (b), which is a downwardly convex quadratic function with the elapsed time T as an independent variable and the acceleration start point as the minimum value, the acceleration increases with the passage of time and Alternatively, the acceleration may be performed so as to gradually transition to the high acceleration state as the rotation speed approaches the two rotation speed S2. The relationship between the elapsed time T and the rotation speed S of the work (1) at this time is as shown in FIG. 5, and the change in the sectional structure of the work subjected to the surface hardening treatment is as shown in FIG.

なお、この場合にも、ステップN5を実施する前のワーク(1)の断面組織は図6(a)に示すように、図3(a)と同じである。また、ステップN5において、ワーク(1)の回転速度を、ワーク(1)の回転角度を独立変数としかつ加速開始点を最小値とする下に凸な関数である式にしたがって、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から第2回転速度S2に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることにより行ってもよい。   In this case as well, the sectional structure of the work (1) before performing step N5 is the same as that in FIG. 3A, as shown in FIG. 6A. Further, in step N5, the rotation speed of the work (1) is determined as a function of the rotation angle of the work (1) as an independent variable and the acceleration start point is set to the minimum value according to a downward convex function, It may be performed by accelerating so as to increase with the passage of time and gradually transition from the initial low acceleration state to the high acceleration state as the second rotational speed S2 approaches.

一般的に、同じレーザ出力下では、回転速度Sの増加とともにレーザ光(4)の照射による焼戻し温度領域は小さくなる。回転速度Sの加速を二次関数である前記式(ロ)にしたがって行えば、照射終端箇所の直前において第1回転速度S1から第2回転速度S2へ急峻に回転速度が加速するため、照射終端箇所の近傍における焼戻し温度領域が回転速度増加とともに小さくなり、焼戻し層(7)の発生を抑制し、発生した焼戻し層(7)の領域を大幅に低減することができる(図6(b)参照)。また、“下に凸な関数”での回転速度増加は、時間に比例した回転速度増加に対して第1回転速度S1程度の回転速度で回転している時間が比較的長くなる。そのため、ワーク(1)の深くまで熱が伝播しやすく、第2工程中もワーク(1)全体の温度が上昇し、その結果自己冷却時での冷却速度が遅くなり、自己冷却により焼戻し温度以下に達するまでの時間を引き延ばすことができる。したがって、自己冷却完了前に被照射領域(5)が1回転して再加熱されることになり、焼戻し層(7)の発生が防止もしくは抑制され、硬化層(6)の内周部にのみ存在する焼戻し層(7)の領域が大幅に低減される(図6(c)参照)。   Generally, under the same laser output, the tempering temperature region due to the irradiation of the laser beam (4) becomes smaller as the rotation speed S increases. If the acceleration of the rotation speed S is performed according to the above-described equation (b) which is a quadratic function, the rotation speed sharply accelerates from the first rotation speed S1 to the second rotation speed S2 immediately before the irradiation end point, and therefore the irradiation end The tempering temperature region near the location becomes smaller as the rotation speed increases, the occurrence of the tempering layer (7) can be suppressed, and the region of the tempering layer (7) that has occurred can be greatly reduced (see FIG. 6 (b)). ). In addition, with respect to the rotation speed increase by the "convex downward function", the rotation time at a rotation speed of about the first rotation speed S1 is relatively long as compared with the rotation speed increase proportional to time. Therefore, heat easily propagates deep into the work (1), the temperature of the whole work (1) rises even during the second step, and as a result, the cooling rate during self-cooling becomes slower, and the self-cooling reduces the temperature below the tempering temperature. You can extend the time to reach. Therefore, before the self-cooling is completed, the irradiated area (5) is rotated once and reheated, the occurrence of the tempering layer (7) is prevented or suppressed, and only the inner peripheral portion of the hardened layer (6) is prevented. The area of the existing tempering layer (7) is greatly reduced (see FIG. 6 (c)).

第1回転速度S1から第2回転速度S2への加速は、経過時間Tを独立変数としかつ加速開始点を最小値とする下に凸な関数にしたがって行うのであれば、二次関数である上記式(ロ)の他にも四次関数などのN次関数、三角関数、指数関数およびシグモナイド関数からなる群から選ばれた1つの関数、または前記群から選ばれた2以上の関数を組み合わせた関数にしたがって行ってもよい。さらに、ワーク(1)の回転速度Sを変更する処理(ステップN5)については複数回、関数を変えて行ってもよい。   The acceleration from the first rotation speed S1 to the second rotation speed S2 is a quadratic function if it is performed according to a downward convex function with the elapsed time T as an independent variable and the acceleration start point as the minimum value. In addition to the formula (b), one function selected from the group consisting of N-order functions such as quartic function, trigonometric function, exponential function and sigmonide function, or a combination of two or more functions selected from the group You may go according to a function. Further, the function of changing the rotation speed S of the work (1) (step N5) may be performed plural times by changing the function.

最後に、本発明の方法の実施例1および2の結果を比較例の結果とともに図7に示す。   Finally, the results of Examples 1 and 2 of the method of the present invention are shown in FIG. 7 together with the results of the comparative example.

実施例1は、本発明の表面硬化処理方法における第2工程での回転速度Sの加速を、上記式(イ)にしたがって行って得られた軸形状ワーク(1)の表面の硬度測定結果であり、実施例2は、本発明の表面硬化処理方法における第2工程での回転速度Sの加速を、上記式(ロ)にしたがって行って得られた軸形状ワーク(1)の表面の硬度測定結果である。比較例は、軸形状ワーク(1)の回転速度を、レーザ発振器からレーザ光(4)が照射されて加熱された被照射領域(5)が、ワーク(1)が1回転以上した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速の第3回転速度に維持して表面硬化処理を行った軸形状ワークの表面の硬度測定結果である。両実施例および比較例におけるレーザ発振器のレーザ出力は同一である。なお、比較例の第3回転速度は、前記第2回転速度と同一の場合も、異なる場合もある。   Example 1 is a result of measuring the hardness of the surface of the shaft-shaped work (1) obtained by performing the acceleration of the rotation speed S in the second step in the surface hardening treatment method of the present invention according to the above formula (a). In Example 2, the hardness measurement of the surface of the shaft-shaped workpiece (1) obtained by accelerating the rotation speed S in the second step in the surface hardening treatment method of the present invention according to the above formula (B) The result. In the comparative example, the rotation speed of the shaft-shaped work (1) was changed when the irradiated area (5) heated by being irradiated with the laser beam (4) from the laser oscillator was rotated once or more by the work (1). It is the result of measuring the hardness of the surface of the shaft-shaped work which has been subjected to the surface hardening treatment while being maintained at the high third rotation speed such that the temperature exceeds the tempering temperature even if it is self-cooled. The laser outputs of the laser oscillators in both Examples and Comparative Examples are the same. The third rotation speed of the comparative example may be the same as or different from the second rotation speed.

図7に示す結果から、実施例1および2で得られた硬化層(6)の深さは、比較例で得られた硬化層の深さよりも深く、ほぼ2倍となっていることが分かる。   From the results shown in FIG. 7, it can be seen that the depth of the hardened layer (6) obtained in Examples 1 and 2 is deeper than the depth of the hardened layer obtained in the Comparative Example and is almost doubled. ..

さらに、実施例2で得られた硬化層(6)の深さは、実施例1で得られた硬化層(6)の深さよりも深くなっているが、その理由は以下の通りであると考えられる。   Further, the depth of the hardened layer (6) obtained in Example 2 is deeper than the depth of the hardened layer (6) obtained in Example 1, and the reason is as follows. Conceivable.

すなわち、実施例1では、本発明の表面硬化処理方法における第2工程において、回転速度Sを経過時間Tに比例して加速させているが、この場合、加速度が一定となって回転速度Sが徐々に上昇するため、被硬化処理領域(2)における各位相での入熱量が均一になりやすく、硬化層(6)の深さも位相に対して均一になりやすい。しかしながら、時間に比例する形で回転速度Sを変化させた場合、焼戻し低減可能な高速回転に遷移するまでに比較的長い時間をかけて徐々に回転速度が上昇していくので、第1工程で形成された深い硬化層(6)が周回を繰り返すたびに深さ方向に焼戻されてしまい、第1工程で得られた硬化層(6)に比べて、最終的に得られる硬化層(6)の深さが小さくなってしまうと考えられる。   That is, in Example 1, in the second step of the surface hardening treatment method of the present invention, the rotation speed S is accelerated in proportion to the elapsed time T, but in this case, the acceleration becomes constant and the rotation speed S becomes Since the temperature gradually rises, the amount of heat input in each phase in the region to be cured (2) tends to be uniform, and the depth of the cured layer (6) also tends to be uniform with respect to the phase. However, when the rotation speed S is changed in proportion to the time, the rotation speed gradually increases over a relatively long period of time before transitioning to the high-speed rotation capable of reducing tempering. Therefore, in the first step The formed deep hardened layer (6) is tempered in the depth direction each time the orbit is repeated, and the hardened layer (6) finally obtained is compared with the hardened layer (6) obtained in the first step. It is thought that the depth of) will become small.

以上の結果より、本実施形態の表面硬化処理方法によれば、同じレーザ出力でも、従来手法に比べ、より深い硬化層を得ることができ、ワークに対して所望の機械的強度や耐摩耗性等を付与することができ、優れた性能を有する製品が得られる。   From the above results, according to the surface hardening treatment method of the present embodiment, even with the same laser output, a deeper hardened layer can be obtained as compared with the conventional method, and the desired mechanical strength and wear resistance for the workpiece can be obtained. Etc. can be added, and a product having excellent performance can be obtained.

この発明は、自動車部品のカムシャフトや、工作機械のボールネジ、主軸といった金属製の軸形状ワークを表面硬化処理するための手段として、好適に用いられる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably used as a means for surface-hardening a metal shaft-shaped work such as a cam shaft of an automobile part, a ball screw of a machine tool, and a spindle.

(1):ワーク
(1a):軸状部
(2):被硬化処理領域
(3):レーザ発振器
(4):レーザ光
(5):被照射領域
(6):硬化層
(7):焼戻し層
S1:ワークの第1回転速度
S2:ワークの第2回転速度
T1:ワークが第1回転速度S1で1回転する時間
T2:レーザ光の照射開始から照射終了までの時間
(1): Work
(1a): Shaft
(2): Cured area
(3): Laser oscillator
(4): Laser light
(5): Irradiated area
(6): Hardened layer
(7): Tempered layer
S1: First rotation speed of work
S2: Second rotation speed of work
T1: Time for the work to rotate once at the first rotation speed S1
T2: Time from the start of laser irradiation to the end of irradiation

Claims (7)

少なくとも一部に軸状部を有し、かつ当該軸状部に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域を有する金属製ワークと、エネルギービーム照射源とを相対的に移動させることにより、前記エネルギービーム照射源を、前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に相対移動させながら、前記被硬化処理領域に前記エネルギービーム照射源からエネルギービームを照射して前記被硬化処理領域を加熱し、その後自己冷却させることにより、前記被硬化処理領域に硬化層を形成するワークの表面硬化処理方法であって、
前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対移動速度を第1速度に設定し、前記被硬化処理領域にエネルギービームを照射して前記ワークの前記被硬化処理領域を加熱する第1工程と、前記第1工程に続いて、前記相対移動速度を、前記第1速度よりも速い第2速度に加速して、前記被硬化処理領域にエネルギービームを重ねて照射し、ワークを加熱する第2工程とを含み、
前記第1速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に1周以上相対移動した際に、自己冷却により焼き戻し温度以下となるような低速とし、
前記第2速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に1周以上相対移動した際に、自己冷却されても焼き戻し温度を超える温度に維持されるような高速、または前記被照射領域における焼戻し温度以下となる領域が低減されるような高速とすることを特徴とするワークの表面硬化処理方法。
To relatively move an energy beam irradiation source and a metal work having a shaft-shaped portion in at least a part thereof and having a region to be hardened to be hardened over the entire circumference in the shaft-shaped portion. Thereby, the energy beam irradiation source is irradiated with an energy beam from the energy beam irradiation source while the energy beam irradiation source is relatively moved in the circumferential direction of the curing target area of the shaft-shaped portion, and the curing target is processed. By heating the area, and then by self-cooling, a method of surface hardening treatment of a work for forming a hardened layer in the hardened area,
The relative movement speed of the energy beam irradiation source with respect to the hardening target area of the shaft-shaped portion is set to a first speed, and the hardening target area is irradiated with an energy beam to heat the hardening target area of the workpiece. And the first step, the relative movement speed is accelerated to a second speed that is faster than the first speed, and the energy beam is overlapped and irradiated on the region to be cured, And a second step of heating
The first speed is the irradiation target area heated by the energy beam irradiation from the energy beam irradiation source in the hardening target area, and the energy beam irradiation source is the circumference of the hardening target area of the shaft-shaped portion. When the relative movement in the direction of one or more turns, the cooling speed is set so that the tempering temperature will be below the tempering temperature due to self-cooling.
The second speed is the irradiation target area heated by the irradiation of the energy beam from the energy beam irradiation source in the hardening target area, and the energy beam irradiation source is the circumference of the hardening target area of the shaft-shaped portion. When relatively moving in one direction or more in the direction, a high speed is maintained such that the temperature exceeds the tempering temperature even if it is self-cooled, or a high speed that reduces the region of the irradiated region that is below the tempering temperature. A surface hardening treatment method for a work, comprising:
前記第1速度から前記第2速度への加速にあたり、一定の加速度で加速させることを特徴とする請求項1に記載のワークの表面硬化処理方法。   The surface hardening treatment method for a work according to claim 1, wherein the acceleration from the first speed to the second speed is performed at a constant acceleration. 前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度に比例して、前記第1速度から前記第2速度へ加速させることを特徴とする請求項2に記載のワークの表面硬化処理方法。   Accelerating the relative movement speed from the first speed to the second speed in proportion to time or relative rotation angle of the energy beam irradiation source with respect to the region to be cured of the shaft-shaped portion. The surface hardening treatment method for a work according to claim 2, which is characterized in that. 前記第1速度から前記第2速度への加速にあたり、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から前記第2速度に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることを特徴とする請求項1に記載のワークの表面硬化処理方法。   Upon acceleration from the first speed to the second speed, the acceleration increases with time, and the acceleration gradually changes from the initial low acceleration state to the high acceleration state as the second speed approaches. The surface hardening treatment method for a work according to claim 1, wherein the method is accelerated. 前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度を独立変数とする下に凸な関数にしたがって、前記第1速度から前記第2速度へ加速させることを特徴とする請求項4に記載のワークの表面硬化処理方法。   The relative movement speed is changed from the first speed to the first speed according to a downward convex function whose independent variable is a relative rotation angle of the energy beam irradiation source with respect to the hardening target region of the shaft-shaped portion. The surface hardening treatment method for a workpiece according to claim 4, wherein the method is accelerated to a second speed. 前記下に凸な関数は、加速開始点を最小値とした下に凸な関数である請求項5に記載のワークの表面硬化処理方法。   The surface hardening treatment method for a work according to claim 5, wherein the downward convex function is a downward convex function having an acceleration start point as a minimum value. 前記下に凸な関数が、N次関数、三角関数、指数関数およびシグモナイド関数からなる群から選ばれた1つの関数、または前記群から選ばれた2以上の関数を組み合わせた関数である請求項5または6に記載のワークの表面硬化処理方法。

The downward convex function is one function selected from the group consisting of an Nth-order function, a trigonometric function, an exponential function and a sigmonide function, or a function in which two or more functions selected from the group are combined. 5. The method for surface hardening treatment of a work according to 5 or 6.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115612790A (en) * 2021-07-13 2023-01-17 住友重机械工业株式会社 Heat treatment method

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