JP3824779B2 - 高周波焼入方法及び誘導加熱コイル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定方向に延びる底壁とこの底壁の幅方向両端部それぞれから立ち上がった一対の側壁とを備えた被加熱物を高周波焼入れする高周波焼入方法、及びこの高周波焼入れの際に用いられる誘導加熱コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、誘導加熱を利用して鋼製部材などの被加熱物を加熱する技術が知られている。誘導加熱を利用して鋼製部材を加熱した後は、この鋼製部材を急冷したり加工したりするなど、目的に応じた作業が行われる。鋼製部材には様々な形状をしたものがあり、このような様々な形状の鋼製部材を誘導加熱する際には一般に、鋼製部材の形状に応じた誘導加熱コイルが使用される。
【０００３】
鋼製部材の一つとして、所定方向に延びる底壁と、この底壁の幅方向両端部それぞれから立ち上がった一対の側壁とを備え、横断面が略「Ｕ」字状のものが挙げられる。このような鋼製部材は、例えば、一対の側壁の上部の内側表面層、及び、この一対の側壁それぞれと底壁との境界部分の内側表面層を硬化して使用することがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この場合、鋼製部材の材質や成型法によっては、高周波焼入れ後に、図５に示すように、鋼製部材１０の底壁１２及び側壁１４，１６双方の長手方向中央部が長手方向両端部よりも低くなるように鋼製部材１０の全体が弓なりに反る（逆曲りする）こともある。
【０００５】
このように高周波焼入れ後に逆曲りが発生した場合は、通常、鋼製部材１０を焼戻した後に矯正して曲りを無くす。しかし、逆曲りが発生した鋼製部材１０を矯正すると、この鋼製部材１０が折損する可能性が高い。この理由は、焼入れされた側壁１４，１６の内面が矯正の際に無理やりに引っ張られるからである。従って、横断面が略「Ｕ」字状の長尺な被加熱物を高周波焼入れする際には、反りがほとんど発生しないように高周波焼入れすることが望まれる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、横断面が略「Ｕ」字状であって所定方向に延びる被加熱物を高周波焼入れする際に、この被加熱物に反りがほとんど発生しないようにできる高周波焼入方法、及びこの高周波焼入れの際に使用される誘導加熱コイルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の高周波焼入方法は、所定方向に延びる底壁と、この底壁の幅方向両端部それぞれから立ち上がった一対の側壁とを備えた被加熱物を高周波焼入れする高周波焼入方法において、
（１）上記一対の側壁の上部の内側表面層、及びこの一対の側壁それぞれと上記底壁との境界部分の内側表面層並びに外側表面層を焼入温度に加熱し、これら加熱された部分を急冷して硬化させることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、
（２）上記した上部の内側表面層、及び上記境界部分の内側表面層並びに外側表面層を加熱するに当り、上記所定方向の一端から他端に向けて順次に加熱してもよい。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明の誘導加熱コイルは、所定方向に延びる底壁と、この底壁の幅方向両端部それぞれから立ち上がった一対の側壁とを備えた被加熱物を高周波焼入れする際にこの被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルにおいて、
（３）上記一対の側壁の内側表面層に向き合う一対の略Ｕ字状の内側導体部、
（４）上記一対の側壁それぞれと上記底壁との境界部分の外側表面層に向き合う一対の略Ｕ字状の外側導体部
を備え、
（５）上記内側導体部及び上記外側導体部で生成された交番磁束によって上記上部の内側表面層、上記境界部分の内側表面層、及びこの境界部分の外側表面層を、上記所定方向の一端から他端に向けて移動しながら誘導加熱することを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、誘導加熱コイルが、
（６）上記外側導体部で生成された交番磁束を上記境界部分の外側表面層に向けて収束させるコアを上記外側導体部の下部に固定されたものであってもよい。
【００１１】
また、誘導加熱コイルが、
（７）上記所定方向の一端から他端に向けて移動する移動方向の上流側に一体に形成された、加熱された部分に冷却液を噴出する冷却ジャケットを有したものであってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の誘導加熱コイルの一実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の誘導加熱コイルの一実施形態の概略構成を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１の誘導加熱コイルを用いて被加熱物を誘導加熱している状態を示す模式図である。これらの図において矢印は電流の一例を表わし、図２の破線で示す矢印は、手前の導体部の影に隠れて見えない導体部に流れる電流を表わす。また、図１においては、実線は誘導加熱コイルを示し、二点鎖線は鋼製の被加熱物を示す。
【００１４】
銅製の誘導加熱コイル２０は、図１に示すように、横断面が略「Ｕ」字状の鋼製部材１０を誘導加熱する際に使用されるものである。鋼製部材１０は、矢印Ａ方向（本発明にいう所定方向の一例である）に延びる底壁１２と、この底壁１２の幅方向（矢印Ａ方向に直交する方向）両端部それぞれから立ち上がった一対の側壁１４，１６とを備えている。誘導加熱コイル２０は、底壁１２の幅方向中央部を矢印Ａ方向に延びる線分に対して、ほぼ対称的な形状になっている。
【００１５】
誘導加熱コイル２０は、鋼製部材１０の一対の側壁１４，１６の上部の内側表面層１４ａ，１６ａに向き合う一対の略Ｕ字状の内側導体部２２，２４を有している。これら内側導体部２２，２４では、Ｕ字の底辺に相当する部分２２ａ，２４ａが、鋼製部材１０の一対の側壁１４，１６それぞれと底壁１２との境界部分１８の内側表面層１８ｂに向かって突出した形状になっている。このため、この内側表面層１８ｂは効率良く誘導加熱される。また、内側導体部２２，２４では、Ｕ字の両辺に相当する部分２２ｂ，２４ｂのうち、下の部分（境界部分１８の内側表面層１８ｂに向き合う部分）２２ｃ，２４ｃは、図２に示すように、内側表面層１４ａ，１６ａからやや離れている。一方、Ｕ字の両辺に相当する部分２２ｂ，２４ｂのうち、上の部分（内側表面層１４ａ，１６ａの上部に向き合う部分）２２ｄ，２４ｄは、図２に示すように、内側表面層１４ａ，１６ａに接近している。このため、内側表面層１４ａ，１６ａの上部は効率良く加熱されるが、内側表面層１４ａ，１６ａと境界部分１８の内側表面層１８ｂとの間の部分は、あまり加熱されない。
【００１６】
また、誘導加熱コイル２０は、一対の側壁１４，１６それぞれと底壁１２との境界部分１８の外側表面層１８ａに底辺２６ａ，２８ａが向き合う一対の略Ｕ字状の外側導体部２６，２８を有している。外側導体部２６，２８の底辺２６ａ，２８ａは矢印Ａ方向に延びており、両辺２６ｂ，２８ｂは、矢印Ａ方向に直交する方向に延びている。また、両辺２６ｂ，２８ｂのうち、底辺２６ａ，２８ａに近い部分も、境界部分１８の外側表面層１８ａに向き合っている。図２に示すように、外側導体部２６，２８の下部には、この外側導体部２６，２８で生成された交番磁束を境界部分１８の外側表面層１８ａに向けて収束させる磁性体のコア６０が固定されている。このコア６０によって、境界部分１８の外側表面層１８ａに磁束が集中するので、外側表面層１８ａが効率良く加熱される。
【００１７】
誘導加熱コイル２０は一対の端子部３０，３２を有しており、これら端子部３０，３２を介して誘導加熱コイル２０が高周波電源（図示せず）に接続されている。端子部３０からは、側壁１４の上方を鋼製部材１０の幅方向（矢印Ａ方向に直交する方向）に第１導体部３４が延びている。この第１導体部３４の終端からはほぼ直角に折れ曲がって下方に第２導体部３６が延びている。この第２導体部３６の終端は、上記した外側導体部２６につながっている。外側導体部２６の終端２６ｃからは、第２導体部３６に並行に第３導体部３８が延びている。第３導体部３８の終端からはほぼ直角に折れ曲がって第１導体部３４に並行に第４導体部４０が延びている。この第４導体部４０の終端は、上記した内側導体部２２につながっている。
【００１８】
内側導体部２２の終端２２ｅからは直角に折れ曲がって、第４導体部４０に並行に第５導体部４２が延びている。この第５導体部４２の終端は、上記した内側導体部２４につながっている。内側導体部２４の終端２４ｅからはほぼ直角にほぼ折れ曲がって第６導体部４４が延びている。さらに、この第６導体部４４の終端からはほぼ直角に折れ曲がって下方に第７導体部４６が延びている。この第７導体部４６の終端は、上記した外側導体部２８につながっている。外側導体部２８の終端２８ｃからは、上に向かって第７導体部４６に並行に第８導体部４８が延びている。第８導体部４８の終端からはほぼ直角に折れ曲がって、第６導体部４４に並行に第９導体部５０が延びている。この第９導体部５０の終端は、上記した端子部３２につながっている。
【００１９】
上述した形状の誘導加熱コイル２０は、鋼製部材１０の、矢印Ａ方向の一端から他端に向けて移動しながら、内側導体部２２，２４及び外側導体部２６，２８で生成された交番磁束によって側壁１４，１６の上部の内側表面層１４ａ，１６ａ、境界部分１８の内側表面層１８ｂ及び外側表面層１８ａを誘導加熱して、これらの表面層をオーステナイト変態点以上の焼入温度にする。
【００２０】
また、誘導加熱コイル２０の移動方向（ここでは矢印Ａ方向）の上流側には、冷却液を噴出する冷却ジャケット（図示せず）が誘導加熱コイル２０に一体的に固定されている。従って、鋼製部材１０のうち、誘導加熱コイル２０によって焼入れ温度に加熱された部分が効率良く冷却され、図２の斜線で示す部分がマルテンサイトに変態して硬化する。
【００２１】
このマルテンサイト変態に起因して、内側表面層１４ａ，１６ａ、及び境界部分１８の内側表面層１８ｂには圧縮残留応力が発生し、鋼製部材１０を、図５に示すように反らせようとする。しかし、外側表面層１８ａにも圧縮残留応力が発生し、図５に示す反りとは反対方向に鋼製部材１０を反らせようとする。この結果、２つの圧縮残留応力が釣り合って、鋼製部材１０にはほとんど反りや曲りが発生しないこととなる。
【００２２】
図３、図４を参照して、上記した反りについての実験結果を説明する。
【００２３】
図３は、反りを測定する手法を示す、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。図４は、反りの測定結果を示すグラフである。なお、鋼製部材１０長さＬは８２９ｍｍ、側壁１４，１６の高さＨは約３０ｍｍ、底壁１２の内側の幅Ｗは約６０ｍｍであり、材質はＪＩＳ規格でＳ５３Ｃ相当のものを使用した。また、反りの測定に先立って、上述した誘導加熱コイル２０を用いて鋼製部材１０を高周波焼入れし、側壁１４，１６の上部の内側表面層１４ａ，１６ａ、境界部分１８の内側表面層１８ｂ及び外側表面層１８ａに、深さ１．０ｍｍ（Ｈｖ５１３）の硬化層を形成した。
【００２４】
鋼製部材１０の反りを測定するに当っては、鋼製部材１０を底壁１２が上になるように固定台７０に固定しておき、ダイヤルゲージ７２を底壁１２の下面１２ａに接触させながら、表１に示す位置で反りを測定した。ここで、図３（ｂ）に示すＬ１は４９ｍｍ、Ｌ２は１００ｍｍ、Ｌ３は１００ｍｍ、……Ｌ８は１００ｍｍ、Ｌ９は６０ｍｍとなる。
【００２５】
【表１】

図１に示す矢印Ａ方向の一端から１０ｍｍの位置を基準点（０）にして、ダイヤルゲージ７２の振れを測定した。ダイヤルゲージ７２が＋側に振れた場合は、図５に示すような反りであり、−側に振れた場合は、図５に示す反りとは反対方向の反りである。表１の結果をグラフにしたものを図４に示す。図４の四角形で示す曲線は、側壁１４，１６の上部の内側表面層１４ａ，１６ａ、及び境界部分１８の内側表面層１８ｂのみを硬化させた従来法の結果である。一方、図４の円形で示す曲線（ほぼ直線）は、側壁１４，１６の上部の内側表面層１４ａ，１６ａ、境界部分１８の内側表面層１８ｂ及び外側表面層１８ａを硬化させた本発明法の結果である。
【００２６】
図４に示すように、従来法では、鋼製部材１０に大きな反りが発生したのに対し、本発明法では、ほとんど反りが発生しなかった。このように高周波焼入れに起因して鋼製部材１０に発生する圧縮残留応力を釣り合わせることにより、鋼製部材１０の反りを防止できることが判明した。
【００２７】
【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、一対の側壁の上部の内側表面層、及び一対の側壁それぞれと底壁との境界部分の内側表面層並びに外側表面層を焼入温度に加熱し、これら加熱された部分を急冷して硬化させるので、これに起因して発生した圧縮残留応力が被加熱物全体として釣り合って、被加熱物の反りをほぼ防止できることとなる。
【００２８】
ここで、上部の内側表面層、及び境界部分の内側表面層並びに外側表面層を加熱するに当り、所定方向の一端から他端に向けて順次に加熱する場合は、比較的短い誘導加熱コイルであっても長尺な被加熱物を加熱できる。
【００２９】
また、本発明の誘導加熱コイルによれば、内側導体部と外側導体部とによって、上部の内側表面層、境界部分の内側表面層、及び境界部分の外側表面層を焼入温度にまで誘導加熱できるので、上述したように被加熱物の反りを容易にほぼ防止できることとなる。
【００３０】
ここで、誘導加熱コイルが、外側導体部で生成された交番磁束を境界部分の外側表面層に向けて収束させるコアを外側導体部の下部に有する場合は、境界部分の外側表面層を効率よく加熱できる。
【００３１】
また、所定方向の一端から他端に向けて移動する移動方向の上流側に一体に形成された、加熱された部分に冷却液を噴出する冷却ジャケットを有する場合は、加熱された部分を迅速に効率良く冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘導加熱コイルの一実施形態の概略構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１の誘導加熱コイルを用いて被加熱物を誘導加熱している状態を示す模式図である。
【図３】被加熱物の反りを測定する手法を示す、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図４】反りの測定結果を示すグラフである。
【図５】高周波焼入れ後の被加熱物の反りを誇示する模式図である。
【符号の説明】
１０ 鋼製部材
１２ 底壁
１４，１６ 側壁
２０ 誘導加熱コイル
２２，２４ 内側導体部
２６，２８ 外側導体部
１４ａ，１６ａ 側壁の上部の内側表面層
１８ 境界部分
１８ｂ 境界部分の内側表面層
１８ａ 境界部分の外側表面層
６０ コア

Claims (4)

1. 所定方向に延びる底壁と、該底壁の幅方向両端部それぞれから立ち上がった一対の側壁とを備えた被加熱物の前記一対の側壁の上部の内側表面層及び該一対の側壁それぞれと前記底壁との境界部分の内側表面層を焼入温度に加熱し急冷して硬化する高周波焼入方法において、
   前記上部の内側表面層及び前記境界部分の内側表面層と同時に前記境界部分の外側表面層を焼入温度に加熱し急冷して硬化することにより、前記内側表面層に発生した圧縮残留応力と前記外側表面層に発生した圧縮残留応力とを釣り合わせて前記被加熱物の歪を抑制することを特徴とする高周波焼入方法。
2. 前記上部の内側表面層、及び前記境界部分の内側表面層並びに外側表面層を加熱するに当り、前記所定方向の一端から他端に向けて順次に加熱することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。
3. 前記境界部分の外側表面層を加熱するに当たり、磁性体のコアを用いて前記外側表面層に磁束を収束させることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入方法。
4. 前記所定方向の一端から他端に向けて順次に加熱した後に、この加熱した部分に冷却液を噴出することを特徴とする請求項２に記載の高周波焼入方法。

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