JP2022138189A - 棒状部材の高周波焼入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】棒状部材の背面側の加工性の低下を抑制でき、かつ曲がりも抑制できる棒状部材の高周波焼入方法を提供する。【解決手段】棒状部材Ｍの高周波焼入方法は、棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａをマルテンサイトが形成される温度として、背面Ｍ２ａをマルテンサイトが形成されない温度として、歯面Ｍ１ａと背面Ｍ２ａを同時に高周波加熱する高周波加熱工程と、高周波加熱後の棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａに直接的に冷却材を供給すると共に、背面Ｍ２ａに間接的に冷却材を供給する冷却工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、棒状部材の高周波焼入方法に関する。

精度が良く焼入歪の少ないラックシャフトを得ることを目的として、高周波焼入によりラックシャフトの歯部の歯面と背面に同時に焼入層を形成し、歯面側の焼入体積と歯面に対する背面側の焼入体積をほぼ等しくすることを特徴とするラックシャフトの高周波焼入法が提案されている（特許文献１）。

特開平７－２６８４８１号公報

しかしながら歯面と背面に同時に焼入層を形成する場合、背面側の加工性が低下する場合があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ラックシャフトなどの棒状部材の背面側の加工性の低下を抑制でき、かつ曲がりも抑制できる棒状部材の高周波焼入方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の棒状部材の高周波焼入方法は、棒状部材の歯面をマルテンサイトが形成される温度として、背面をマルテンサイトが形成されない温度として、前記歯面と前記背面を同時に高周波加熱する高周波加熱工程と、前記高周波加熱後の棒状部材の前記歯面に直接的に冷却材を供給すると共に、前記背面に間接的に冷却材を供給する冷却工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、棒状部材の背面側の加工性の低下を抑制でき、かつ曲がりも抑制できる棒状部材の高周波焼入方法が提供される。

本発明の実施形態を説明するための高周波焼入装置１０の概念図である。 実施例における曲がりの評価位置を示す概念図である。 実施例１、２及び比較例における曲がりの評価結果を示す概念図である。

以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態を説明するための高周波焼入装置１０の概念図である。また、図１（ａ）は、高周波焼入装置１０の側面概念図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のα領域における棒状部材Ｍの鳥瞰概念図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）中のＡ－Ａ線で切った断面概念図である。

以下、説明の便宜上、本明細書においては、ＸＹＺ直交座標系を採用する。棒状部材Ｍの長手方向を「Ｘ方向」とし、棒状部材Ｍの長手方向（Ｘ方向）に直交する横方向（図１（ａ）では紙面方向）である短手方向を「Ｙ方向」とし、棒状部材Ｍの長手方向（Ｘ方向）及び横方向（Ｙ方向）に直交する縦方向（図１（ａ）では紙面上方向）である短手方向を「Ｚ方向」とする。また、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向ともに、矢印方向をプラス方向、矢印方向と反対の方向をマイナス方向とする。

被加熱部材である棒状部材Ｍは、図１に示すように、例えば、Ｙ－Ｚ平面の短手方向の断面が矩形形状であり、当該矩形形状が長手方向（Ｘ方向）に平行に延在している棒状形状を有している。また、棒状部材Ｍは、縦方向（Ｚ方向）の一方側（Ｚプラス方向側）に、凹凸形状を有する歯が複数形成された歯部Ｍ１を有し、縦方向（Ｚ方向）の他方側（Ｚマイナス方向側）には、素地部Ｍ２を有している。棒状部材Ｍは、機械構造用炭素鋼鋼材で構成されている。

本実施形態に係る棒状部材の高周波焼入方法は、最初に、上記のような棒状部材Ｍの歯部Ｍ１側の表面Ｍ１ａ（棒状部材ＭのＺプラス方向におけるＸ－Ｙ平面：本発明では「歯面」という。）と素地部Ｍ２側の表面Ｍ２ａ（棒状部材ＭのＺマイナス方向におけるＸ－Ｙ平面：本発明では「背面」という。）を同時に高周波加熱する。この際、前記歯面をマルテンサイトが形成される温度として、前記背面をマルテンサイトが形成されない温度で行う（以下、この工程を「高周波加熱工程」という。）。
次に、高周波加熱後の棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａに直接的に冷却材を供給すると共に、背面Ｍ２ａに間接的に冷却材（例えば、水）を供給する（以下、この工程を「冷却工程」という。）。

ここで「同時に」とは、棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａを高周波加熱する高周波コイルに通電を開始するタイミングＡと棒状部材Ｍの背面Ｍ２ａを高周波加熱する高周波コイルに通電を開始するタイミングＢとの時間差（Ａ－Ｂ）が３秒以内であることを言う。
「マルテンサイトが形成される温度」とは、マルテンサイトが形成される温度であって、棒状部材（機械構造用炭素鋼鋼材）の金属組成や炭素濃度等により適時設定される温度である。
「マルテンサイトが形成されない温度」とは、マルテンサイトが形成されない温度であって、棒状部材（機械構造用炭素鋼鋼材）の金属組成や炭素濃度等により適時設定される温度である。
「歯面に直接的に冷却材を供給する」とは、冷却材供給手段（図１（ａ）では符号３５）から歯面Ｍ１ａ以外の棒状部材Ｍの箇所に当てずに、直接的に歯面Ｍ１ａに冷却材を当てることを言う。
「背面に間接的に冷却材を供給する」とは、冷却材供給手段から冷却材が背面Ｍ２ａ以外の棒状部材Ｍの箇所（例えば、歯面Ｍ１ａ）に当たった後に、当たった冷却材が背面Ｍ２ａに当たる（例えば、流れて当たるなど）ことを言う。

本実施形態に係る棒状部材の高周波焼入方法は、以上のような高周波加熱工程及び冷却工程を備えているため、棒状部材の背面側の加工性の低下を抑制でき、かつ曲がりも抑制できる。
すなわち、高周波加熱工程では、棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａをマルテンサイトが形成される温度として、背面Ｍ２ａをマルテンサイトが形成されない温度として、高周波加熱するため、背面Ｍ２ａ側には、マルテンサイトが形成されにくくなる。また、前記温度で、歯面Ｍ１ａと背面Ｍ２ａを同時に高周波加熱するため、高周波加熱時における歯面Ｍ１ａ及び背面Ｍ２の熱バランスが良くなり、棒状部材Ｍの曲がり（長手方向Ｘの曲がり：詳細は実施例で後述する）も抑制できる。

また、冷却工程では、高周波加熱後の棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａに直接的に冷却材を供給することで、歯面Ｍ１ａを急冷（マルテンサイトが形成される冷却速度）にすることができる。従って、当該歯面Ｍ１ａにマルテンサイトを形成することができる。一方、背面Ｍ１ａには間接的に冷却材を供給するため、背面Ｍ１ａは徐冷（マルテンサイトが形成されない冷却速度）にすることができる。よって、高周波加熱時に、例えば、背面Ｍ２ａの横方向（Ｙプラスマイナス方向）の両端部に熱が集中し、当該両端部だけ、マルテンサイトが形成される温度になってしまった場合でも、当該両端部のマルテンサイトの形成を抑制することができる。
なお、前記「急冷」は、歯面Ｍ１ａに直接的に供給される冷却材の供給量等で、適時、その冷却速度を調整することができる。また、前記「徐冷」も、背面Ｍ２ａに間接的に供給される冷却材の供給量等で、適時、その冷却速度を調整することができる。

具体的には、以上のような高周波加熱工程及び冷却工程は、例えば、図１に示すような高周波焼入装置１０を用いて行う。
高周波焼入装置１０は、例えば、図１に示すように、高周波加熱工程となる加熱部２０と、冷却工程となる冷却部３０と、棒状部材Ｍを搬送する図示しない搬送部とを備える。

加熱部２０は、棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａを上方（Ｚプラス方向）から加熱する上方高周波コイル２５ａと、棒状部材Ｍの背面Ｍ２ａを下方（Ｚマイナス方向）から加熱する下方高周波コイル２５ｂを有している。
上方高周波コイル２５ａは、図１に示すように、加熱部２０において、棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａの上方（Ｚプラス方向）に位置し、かつ、搬送方向（Ｘプラス方向）に延在して設けられている。
下方高周波コイル２５ｂは、図１に示すように、加熱部２０において、棒状部材Ｍの背面Ｍ２ａの下方に位置し、搬送方向（Ｘプラス方向）に延在して設けられている。
上方高周波コイル２５ａ及び下方高周波コイル２５ｂは、それぞれに通電する図示しない電源装置に接続されている。

冷却部３０は、図示しない搬送部により加熱部２０から搬送された高周波加熱後の棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａの上方（Ｚプラス方向）に位置し、当該上方から冷却材（例えば、水）を当該歯面Ｍ１ａ上に直接的に供給する冷却材供給部３５を有している。冷却材供給部３５は、図示しない冷却材供給源に連通されており、棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａの冷却時に当該冷却材供給源から冷却材（例えば、水）が冷却材供給部３５に供給され、当該冷却材が冷却材供給部３５の複数の供給孔Ｐから棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａ上に直接的に供給される。

なお、本実施形態では、高周波加熱後の棒状部材Ｍの背面Ｍ２ａの下方（Ｚマイナス方向）から背面Ｍ２ａに向かって直接的に冷却材を供給する別の冷却材供給手段は設けられていない。すなわち、本実施形態では、高周波加熱後の棒状部材Ｍの背面Ｍ２ａの冷却は、歯面Ｍ１ａ上に直接的に供給されて当該歯面Ｍ１ａに当たった冷却材が、棒状部材Ｍの側面Ｍ３ａ（棒状部材ＭのＹプラスマイナス方向におけるＸ－Ｚ平面）をつたわって当たる（間接的に冷却材が供給される）ことにより行われる。

図示しない搬送部は、例えば、棒状部材Ｍを加熱部２０内に搬入するために、加熱前の棒状部材Ｍを設置する棒状部材搬入部と、前記棒状部材設置部から棒状部材Ｍを加熱部２０内に搬入させると共に、加熱部２０による高周波加熱後、加熱部２０から搬出し、次に、冷却部３０に搬入させ、更に、冷却部３０による冷却後、冷却部３０から搬出する搬送手段（例えば、ベルトコンベア等）と、冷却部３０から搬出された棒状部材Ｍを取り出す棒状部材搬出部とを有している。

次に、本実施形態に係る棒状部材の高周波焼入方法の高周波焼入装置１０による焼入手順について詳細に説明する。
焼入れ前の機械構造用炭素鋼鋼材で構成された棒状部材Ｍを高周波焼入装置１０の図示しない棒状部材搬入部に、歯面Ｍ１ａを上面（Ｚプラス方向）側として、背面Ｍ２ａを下面（Ｚマイナス方向）側として設置し、図示しない搬送手段により加熱部２０内に棒状部材Ｍを搬入させる。その後、加熱部２０内において、図示しない搬送手段により棒状部材Ｍを搬送方向（Ｘプラス方向）に移動させながら、棒状部材Ｍの搬送方向（Ｘプラス方向）の端部ＭＡが、上方高周波コイル２５ａと下方高周波コイル２５ｂとの間の加熱領域βに入り、かつ、棒状部材Ｍの搬送方向と反対の方向（Ｘマイナス方向）の端部ＭＢが当該加熱領域βから出るまでの間、上方高周波コイル２５ａ及び下方高周波コイル２５ｂを同時に通電させて、前記温度で同時に高周波加熱する。

次に、高周波加熱後の棒状部材Ｍを図示しない搬送手段により加熱部２０内から搬出し、更に、冷却部３０内に搬入させる。その後、冷却部３０内において、図示しない搬送手段により棒状部材Ｍを搬送方向（Ｘプラス方向）に移動させながら、棒状部材Ｍの端部ＭＡが、冷却材供給部３５の下方の冷却領域γに入り、かつ、棒状部材Ｍの端部ＭＢが、冷却領域γから出るまでの間、冷却材を歯面Ｍ１ａに直接的に供給して冷却する。
この際、歯面Ｍ１ａをマルテンサイトが形成される冷却速度に、背面Ｍ２ａをマルテンサイトが形成されない冷却速度にそれぞれになるように、歯面Ｍ１ａに供給する冷却材の供給量等を調整する。
最後に、冷却した棒状部材Ｍを図示しない搬送手段により冷却部３０から搬出し、棒状部材搬出部まで搬送させて回収する。

すなわち、本実施形態に係る棒状部材の高周波焼入方法は、上述したような移動焼入れに好適に適用される。

以下、実験例について説明する。
（実施例１）
実施例１では、図１に示す高周波焼入装置１０を用い、金属組織がフェライト及び球状化セメンタイトであり、長手方向（Ｘ方向）の長さが２５００ｍｍ、横方向（Ｙ方向）の幅が３０ｍｍ及び縦方向（Ｚ方向）の幅が３０ｍｍである棒状部材Ｍを加熱部２０まで搬送させた。
次いで、加熱部２０内において、棒状部材Ｍを搬送方向（Ｘプラス方向）に所定の送り速度で移動させながら、棒状部材Ｍの端部ＭＡが、上方高周波コイル２５ａと下方高周波コイル２５ｂとの間の加熱領域βに入った時に、上方高周波コイル２５ａ及び下方高周波コイル２５ｂを同時に通電させて、歯面Ｍ１ａの温度を１０００℃に、背面Ｍ２ａの温度を８００℃まで高周波加熱し、当該移動によって棒状部材Ｍの端部ＭＢが加熱領域βから出るまでの間、前記温度を持続させた。

次いで、高周波加熱後の棒状部材Ｍを加熱部２０内から搬出し、冷却部３０内に搬入させて、棒状部材Ｍを搬送方向（Ｘプラス方向）に所定の送り速度で移動させながら、棒状部材Ｍの端部ＭＡが、冷却材供給部３５の下方の冷却領域γに入り、棒状部材Ｍの端部ＭＢが、当該冷却領域γから出るまでの間、冷却材を歯面Ｍ１ａに直接的に所定の水量で冷却材（水）を供給して冷却した。
以上の高周波加熱及び冷却をすることで、棒状部材Ｍを高周波焼入処理した。

（実施例２）
実施例１で高周波焼入処理した棒状部材Ｍを焼き戻し処理した。焼き戻し処理は、炉加熱戻しで行い、最高到達温度は２００度、最高到達温度の保持時間は１時間３０分である。
（比較例）
下方高周波加熱コイル２５ｃを通電させないで、その他は、実施例１と同様な条件で、棒状部材Ｍを高周波焼入処理した。

［曲がり評価位置及びその結果］
上記の実施例１、２及び比較例で得られた棒状部材Ｍの曲がりを測定した。
図２は、実施例における曲がりの評価位置を示す概念図である。
曲がりの評価位置は、図２に示すように、平面である定盤を基準として、棒状部材Ｍの長手方向の両端部ＭＡ、ＭＢの隙間Ａ、Ｃと、両端部ＭＡ、ＭＢの中間点である隙間Ｂと、隙間Ａ、Ｂ、Ｃの間の背面Ｍ２ａを基準とした背面形状である。

図３は、実施例１、２及び比較例における曲がりの評価結果を示す概念図である。
図３に示すように、比較例における隙間Ａ、Ｃは約１８ｍｍであったが、実施例１における隙間Ａ、Ｃは約３ｍｍまで低減できた。また、焼き戻し処理を行った実施例２では、隙間Ａ、Ｃは約１．８ｍｍまで低減されていた。

［マルテンサイトの体積率の評価方法及びその結果］
棒状部材Ｍの歯面Ｍ１ａの横方向（Ｙ方向）の一方の端部（図１（ｃ）中のＭ１ａ１）において、歯面Ｍ１ａから少なくとも深さ１ｍｍまでが観察位置になるように実施例１で高周波焼入処理した棒状部材Ｍのサンプルを採取した（サンプル１）。また、棒状部材Ｍの背面Ｍ２ａの横方向（Ｙ方向）の一方の端部（図１（ｃ）中のＭ２ａ１）において、背面Ｍ２ａから少なくとも深さ１ｍｍまでが観察位置になるように実施例１のサンプルを採取した（サンプル２）。

次に、採取したサンプル１及びサンプル２について、観察位置となる表面を鏡面研磨し、さらにナイタール腐食した後、光学顕微鏡を用いて、歯面Ｍ１ａ及び背面Ｍ２ａから深さ１ｍｍまでの範囲を観察した。次に、観察した歯面Ｍ１ａ及び背面Ｍ２ａからそれぞれにおけるマルテンサイトの面積分率を求め、その値を本発明におけるマルテンサイトの体積率とした。

その結果、サンプル１（歯面Ｍ１ａ）においては、体積率９０％のマルテンサイトが確認された。
また、サンプル２（背面Ｍ２ａ）においては、マルテンサイトが確認されなかった。

１０ 高周波焼入装置
２０ 加熱部
２５ａ 上方高周波コイル
２５ｂ 下方高周波コイル
３０ 冷却部
３５ 冷却材供給部
Ｍ 棒状部材
Ｍ１ａ 歯面
Ｍ２ａ 背面
Ｍ３ａ 側面

Claims (2)

1. 棒状部材の歯面をマルテンサイトが形成される温度として、背面をマルテンサイトが形成されない温度として、前記歯面と前記背面を同時に高周波加熱する高周波加熱工程と、
   前記高周波加熱後の棒状部材の前記歯面に直接的に冷却材を供給すると共に、前記背面に間接的に冷却材を供給する冷却工程と、を備える
   棒状部材の高周波焼入方法。
2. 前記高周波焼入れは、移動焼入れである請求項１に記載の棒状部材の高周波焼入方法。

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