JP3699773B2

JP3699773B2 - 高周波焼入方法

Info

Publication number: JP3699773B2
Application number: JP07524796A
Authority: JP
Inventors: 佳孝三阪; 裕清澤
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2016-03-04
Also published as: JPH09241749A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の部品などに用いられる歯車などの歯形状品の歯や軸対称品等を変形を伴わずに高強度化することができる高周波焼入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
歯部を有する歯車やスプロケット等の歯形状品や軸対称品等（以下歯形状品等という）は、機械要素等として使用されることにより歯部や軸部に応力が掛かるため高い強度を有することが必要とされており、また、これらは機械要素等として適度な靭性や加工性を有することも必要とされる。したがって、高強度を得ることのみを目的として歯形状品等を高強度材で構成することはできない。このため、上記した歯形状品等では、従来から、材料として靭性や加工性が比較的良好なものを採用し、これを歯切り加工等した後、高周波誘導加熱によって歯形状品等の輪郭に沿って加熱し、これを急冷して焼入れすることにより歯部や表層部のみを輪郭に沿って高強度化する輪郭焼入方法が採用されている。
【０００３】
ただし、歯形状品等の輪郭に沿って焼入をするためには、輪郭部分のみを急速短時間（０．１〜０．３秒程度）で加熱する必要があり、高周波で、かつ非常に大電力の電源装置が必要になる。ところが、現状の技術力を考慮すれば該装置の実現は容易でないため、図４のヒートパターンに示すように、本加熱に先立って歯車を例えば数ｋＨｚ、百ｋＷ程度の電源装置で高周波誘導加熱する予加熱（数百℃）を行い、ある程度、高い温度を維持している間に２００ｋＨｚ前後、数百ｋＷの比較的大電力の電源装置で急速短時間で本加熱（１０００℃前後）することによって輪郭部をオーステナイト化して急冷する方法が採用されている。この方法によれば、予加熱による残熱を利用できるので、より超短時間加熱が可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、歯車等に使用される材料（炭素鋼）は、前熱処理時の冷却速度や熱処理によって組織形態が異なっており、フェライト面積率や炭化物の球状化処理の有無、球状化の程度等によって機械的性質（加工性や強度）も大きく相違する。例えばフェライト面積率が大きいほど、また球状化がなされているほど、加工性がよく、一方、強度は低くなる。したがって歯切り加工等の点からは、フェライト面積率の大きいものや、球状化処理がなされているものが望ましいことになる。
【０００５】
しかし、上記した輪郭焼入では急速短時間で加熱するため焼入前である前組織の影響を受けやすい。急速短時間加熱では、セメンタイトの分解、炭素の素地中への固溶、拡散が不十分になりやすく、フェライト面積率の大きな組織やさらに炭化物の球状化がなされている組織では、これら現象が顕著になり、オーステナイト化が均一になされず、焼入後の組織、硬さが不均一になり、また、硬化層深さも不足する等の問題が生じる。
これら問題を解決するためには本加熱を高温長時間で行うことが必要であり、より高温で加熱するためには電源装置を大電力化しなければならないが、この大電力化では１０００ｋＷ以上の出力が必要になり設備費用が多大となる。また長時間の加熱では、熱移動が進むことにより輪郭に沿った加熱が困難になり、上記材料を良好に輪郭焼入することは事実上困難である。
このため、従来は、歯切り加工性等を優先にして焼入性を犠牲にした材料（組織）の選択がなされており、超短時間加熱による輪郭焼入れのメリットを十分に生かせないでいる。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、材料の均一オーステナイト化を容易にして、切削性等を犠牲にすることなく良好に輪郭焼入を行うことができる高周波焼入方法を提供することを目的とする。
【０００７】
上記課題を解決するため本発明の高周波焼入方法のうち第１の発明は、被加熱品を誘導加熱により３００℃／秒以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００℃の温度に急速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて該被加熱品を誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温速度にて９００℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度よりも１００〜１５０℃低い温度に急速短時間で本加熱した後、急冷することを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明の熱処理対象になるものとしては、自動車エンジンやミッション等に用いられる歯車、さらにスプロケット等が例示されるが、本発明としては、これらに限定されるものではなく、歯形状を有し、該歯部を部分的に高強度化したい各種歯形状品や表層部を高強度化したい軸対称品等に適用することができる。また、歯形状品等の形状が特に限定されるものではなく、例えば歯車においても外歯、内歯、平歯車等の形状に拘わらず適用することができる。
【０００９】
また、上記歯形状品等を構成する材料についても特に限定されるものではなく、焼入可能な各種炭素鋼や合金鋼等を使用することができる。なお、その組織形態についても特には限定されないが、良好な加工性（切削加工性）を有するものとしてフェライト面積率が３０％以上の炭素鋼を挙げることができる。また、この炭素鋼において炭化物の球状化がなされているものはさらに加工性に優れている。これらの炭素鋼においても本発明によれば、良好に輪郭焼入を施すことができるので、材料の組織としては上記したように切削加工性に優れているものでも輪郭焼入れが可能となる。
【００１０】
本発明の予加熱時の昇温は、変形を伴うことなくＣを素地中に分散分布させ、また大きな残留応力を得て疲労特性を向上させることを目的として急速短時間で行う。この昇温速度は材料の種別や組織によっても異なるが、従来法の予熱時の昇温速度（大きくても２５０℃／秒程度）よりは十分に大きく、具体的には３００℃／秒以上の昇温速度とする。ここで、昇温速度が３００℃／秒未満であると、上記作用が十分に得られず、特に予加熱を高温で行うことから被加熱品の変形が顕著になる。なお、上記と同様の理由で昇温速度を５００℃／秒以上とするのが望ましい。一方、現状の電源装置を考慮すれば、概ね上限は５０００℃／秒と考えられるが、本発明としては特にこの上限に限定されるものではない。
【００１１】
上記予加熱では、１０００℃〜１２００℃の高温に加熱する。被加熱品を１０００℃以上の高温に急速加熱することによりセメンタイトが分解してＣが均一に分散分布し、組織の均一化が達成される。この組織形態の材料を本加熱することにより均一オーステナイト化が容易になる。これはフェライト面積率が大きな材料やさらに炭化物の球状化がなされている材料で特に顕著である。一方、１２００℃を越えて加熱しても上記効果は飽和し、却って材料の溶解等の不具合が生じるため、上記温度範囲とする。
【００１２】
予加熱後は、徐冷することにより、焼きならし効果が得られ、例えばフェライト面積率が大きな材料やセメンタイトの球状化処理がなされている材料でも比較的フェライト面積率の少ないフェライト（例えば２０％以下）＋パーライト組織になる。これにより本加熱での均一オーステナイト化が容易になる。この徐冷は、短時間の放冷によって行うのが望ましい。
なお、徐冷時の冷却速度は、材料によっても異なるが、１０〜２００℃／秒であるといえる。また、望ましくは５０℃／秒以上である。
【００１３】
また、徐冷は、そのまま室温まで冷却するのではなく、２００〜５００℃の温度範囲で止めるのが望ましい。これにより焼きならし効果を十分に得た上で、本加熱時における加熱の負担を軽減することができる。ここで、放冷を２００℃未満にまで行うと、本加熱時の負担の軽減効果が十分に得られず、一方、５００℃を越える温度で徐冷を停止すると、焼きならし効果が十分に得られないため上記温度範囲で徐冷を止めるのが望ましい。
【００１４】
この本加熱での加熱温度は、上記したように特別な予加熱によって低くすることができる。
これは、従来方法の本加熱では特にフェライト面積の大きな材料や球状化処理がなされている材料で、前組織の影響を受けて本加熱時に十分に均一オーステナイト化がなされず組織のばらつきが生じるため、これら未溶解の炭化物やフェライトを残存させないで組織を均一にオーステナイト化するためには、十分に余裕のある温度（より高い温度）にまで加熱する必要があるためである。
一方、本発明では前述したように特別な予加熱によって炭化物の溶解やフェライトの消失が促進されＣが分散分布するので、本加熱での均一オーステナイト化が容易になる。したがって本加熱での加熱温度を低くしてもオーステナイト化が良好になされるので従来必須とされていた高温長時間の加熱は必要とされない。本加熱での加熱温度を低くすることによって上記したように投入電力を十分に輪郭焼入れに生かすことができ、さらには、温度の低下によって被加熱品の結晶粒の粗大化を抑制し、その結果結晶粒の微細化が図れ、疲労強度が上がるという効果が得られる。本加熱の加熱温度は、具体的には予加熱温度よりも低い９００℃〜１０５０℃の範囲に設定される。ここで、本加熱の加熱温度が９００℃よりも低いと材料のオーステナイト化が十分になされず、良好な硬化層が得られず、一方、１０５０℃を越えると、上記効果が得られないため、加熱温度を上記範囲に限定する。
【００１５】
なお、予加熱温度と本加熱温度とは、１００〜１５０℃の温度差で予加熱温度が高い。これは、１００℃以上の温度差を有することによって予加熱時のＣ分散が十分になされた上で、本加熱温度を十分に低くして上記作用を確実に得ることができる。一方、１５０℃を越えて温度差を設けると、本加熱時の温度が低すぎて均一オーステナイト化が不十分になるので上記温度差が望ましい。
なお、本加熱後の急冷方法は、本発明としては特に限定されるものではなく、例えば、常法により強制空冷や水冷、適当な冷却剤を用いた冷却により行うことができる。
なお、焼入後は、所望により焼き戻し等の熱処理を行うことができ、この焼き戻し等の熱処理においても誘導加熱を利用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態として小形歯車（歯形状品、外歯歯車）を輪郭焼入する場合について、図１〜図３を用いて説明する。
ＪＩＳＧ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼等で構成される歯車素材は、歯切り加工等を経て歯車１に成形され、熱処理装置の誘導加熱コイル２の内周側に配置される。この際には、通常は歯車１と誘導加熱コイル２とは同心に配置される。次いで、歯車１が均一に加熱されるように所定の回転速度で歯車１を自転させつつ、誘導加熱コイル２に通電し、歯車１を誘導加熱（予加熱）する。この予加熱では、例えば数ｋＨｚ、数百ｋＷの電源装置を用いて図３のヒートパターンに示すように急速加熱する。歯車１が所定の温度に達した後は通電を停止することにより、歯車１は放冷される。上記予加熱における通電時間は、電源装置の能力を考慮すれば０．２〜５秒である。放冷時間は予加熱温度、冷却速度、放冷停止温度にもよるが、概ね５〜３０秒である。
【００１７】
上記歯車１は、例えば、放冷中に移動させて本加熱用の誘導加熱コイル３の内周側に位置させる。そして、歯車１が放冷により所望の温度にまで温度低下すると、本加熱用の誘導加熱コイル３に通電し、歯車１を誘導加熱（本加熱）する。この本加熱では、例えば数百ｋＨｚ、数百ｋＷの電源装置を用いて図３に示すようなヒートパターンで急速加熱する。歯車が所望の温度にまで昇温したならば、通電を止め、所定の冷却剤を用いて歯車１を急冷する。
得られた歯車１は、歯の歯先１ａから歯底１ｂに至るまで輪郭に沿って所望の深さｄで焼入されて焼入硬化層１ｃが形成されており、高強度で靱性、疲労特性等にも優れた歯車を得ることができる。
【００１８】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
Ｓ４５Ｃ相当の成分を有し、球状化処理がなされた炭素鋼Ｎｏ．１（Ｈｖ１６０）と、フェライト面積率が４５％の炭素鋼Ｎｏ．２（Ｈｖ１８０）とを用意し、これら炭素鋼を歯車素材とした。
上記歯車素材を歯切り加工して歯車に加工したところ、球状化された炭素鋼Ｎｏ．１、フェライト面積率の大きい炭素鋼Ｎｏ．２ともに良好に切削加工を行うことができた。なお、従来、使用されているフェライト面積率１０％程度の炭素鋼を用いた場合には、切削抵抗が大きく、切削作業に長時間を要す。
次いで、上記歯車を表１に示す昇温速度で各温度にまで加熱し、次いで、４００℃まで放冷した。さらに、表１に示す昇温速度で各温度にまで加熱した後、水溶性冷却剤により急冷した。
なお、上記予加熱では周波数１５０ｋＨｚで最大電力６００ｋＷの電源装置を使用し、本加熱では、周波数１５０ｋＨｚ、電力６００ｋＷの電源装置を使用した。
【００１９】
表１から明らかなように、本発明法によれば、従来、輪郭焼入を良好に行うことができないとされていた球状化炭素鋼やフェライト面積比の大きな炭素鋼でも低電力によって良好に輪郭焼入がなされており、得られた歯車の組織も微細な組織になっている。
一方、比較法では、球状化炭素鋼やフェライト面積率の大きな炭素鋼を良好に焼入することは困難であり、電源への負担も大きいことが明らかとなった。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高周波焼入方法によれば、被加熱品を誘導加熱により３００℃／秒以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００℃の温度に急速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて該被加熱品を誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温速度にて９００℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度よりも１００〜１５０℃低い温度に急速短時間で本加熱した後、急冷するので、予加熱時にＣが均一に分散分布して、本加熱時の均一オーステナイト化を容易にし、焼入性を向上させる。これにより従来、フェライト面積率が大きかったり、さらに炭化物の球状化がなされているために輪郭焼入が困難とされていた、切削性の良好な材料でも良好な輪郭焼入が可能になる。また、予加熱により均一オーステナイト化が容易になるため、本加熱での加熱温度を低くすることができ、電源装置の負担を軽減するとともに材料の組織の微細化がなされ、疲労強度が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における歯車と誘導加熱コイルの配置状態を示す断面図である。
【図２】同じく歯部を示す拡大断面図である。
【図３】同じく一実施形態におけるヒートパターンを示す図である。
【図４】従来法におけるヒートパターンを示す図である。
【符号の説明】
１歯車
１ａ歯先
１ｂ歯底
１ｃ焼入硬化層
２誘導加熱コイル
３誘導加熱コイル

Claims

被加熱品を誘導加熱により３００℃／秒以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００℃の温度に急速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて該被加熱品を誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温速度にて９００℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度よりも１００〜１５０℃低い温度に急速短時間で本加熱した後、急冷することを特徴とする高周波焼入方法。