JP4409321B2

JP4409321B2 - 円筒物の外面焼入方法

Info

Publication number: JP4409321B2
Application number: JP2004084738A
Authority: JP
Inventors: 正己野田; 茂樹黒田
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005272881A

Description

本発明は両端が開放された細長い円筒物の外面を焼入れするさい、長さ位置によって焼入れ深さを変化させる方法を提供するものである。

機械装置の回転軸などの部品として一般的には丸棒が使用されているが、これを中空なものとすることもある。特に軽量化に対する要請が大きい自動車などでは径がある程度大きい回転軸は中空にすることが多い。本発明が焼入れの対象とする円筒物として代表的なものはこのような機械装置の回転軸であるが、これに限定するものではない。このような機械装置の回転軸などの場合、機械加工を施したのち所定の強度を得るために通常は焼入れされる。

このような焼入れは中実な丸棒と同様に、円筒物においても外面から加熱してなされる。この場合比較的小さいものであると全体を同時に加熱して冷却液中に投入して焼入れる、いわゆるズブ焼入れを行なうこともあるが、移動焼入れを行なうことが多い。これは加熱コイルとこれに連動する水噴射装置とをワークである円筒物に貫通させて順次移動することにより、加熱、冷却を行なうものである。この場合ワークは垂直姿勢で行なうことが多く、加熱中の場所に水が掛からないようにするため下端から上方に向かって加熱コイルと水噴射装置を移動して行なわれる。またワークが長尺の場合などにおいてはワークを水平姿勢として移動焼入れを行なうこともある。

ところで円筒物を外部から誘導加熱した場合渦電流が最も大きい外表面が熱の発生が最大であるが、コイル電流の周波数や材料の透磁率などで定まる浸透深さに応じてある程度内部まで熱が発生する。さらには材料自体の熱伝導によっても温度分布の均等化がなされるので、コイル電流の周波数が特に高くない場合には円筒物の内面まで温度が上昇する。その結果、組織の少なくとも一部がオーステナイト化する温度まで達することになり、特に円筒物の肉厚が薄い場合には外面とあまり変わらない程度まで内面も温度上昇する。この状態で水噴射装置により外面から冷却すると焼入れされるが、硬度は冷却速度が大きい外面が最大になり材料成分やオーステナイト粒度などに依存する焼入性に応じて内部に行くに従って硬度が順次低下する。

上記のように円筒物を移動焼入れした場合におけるワーク内部ないし内面の焼入硬化の度合いについては種々の条件が交錯しており、これを制御するのは難しい。内面側を硬化させたくない場合コイル電流の周波数を特に高くすれば良いが、それも円筒物の肉厚が薄くなると困難になる。そこで内面側を硬化させたくない場合の対策として、特開２００１−３０３１２５においては円筒物を外部から誘導加熱しつつ移動焼入するさい、内部を水冷して行なう装置が示されている。これによると冷却液導入孔が設けられた冷却ノズルを円筒部材の一端に、冷却液排出孔が設けられた冷却ノズルとを円筒部材の他端に水密に当てがい、円筒部材内部に水を導入して外部を誘導加熱しつつ焼入れしている。またさらに冷却液導入孔と冷却液排出孔の両方が設けられた冷却ノズルを円筒部材の一端に当てがい、円筒部材の他端側は閉塞された状態で円筒物内部に水を導入する装置も併せて示されている。これらの装置により薄肉円筒の場合でも外面に均一な薄い焼入層を形成することができるとしている。
特開２００１−３０３１２５公報

機械装置の回転軸などを中空にした場合、長さ位置によって外面からの焼入れ深さを変化させた方が好ましい場合がある。特開２００１−３０３１２５の装置を使用して円筒物の内部に水を導入すれば焼入れ深さを浅くすることは可能であるので、長さの一部分だけこの装置を使用して焼入を行い、他の部分は別途この装置を使用しないで焼入れをすれば実現可能ではあるが作業の手間が煩雑になる。そこで本発明は円筒物を外面から焼入れる場合に、１回の焼入れにより長さ位置により焼入れ深さが異なるものとする方法を提供することを目的とする。

本発明は前記課題を解決するものであって、円筒物の周囲に誘導加熱コイルと水噴射装置とを設けて移動焼入れを行なう円筒物の外面焼入方法において、円筒物の一端から内部へ水を流入させ他端から排出させる通水状態と、水の排出が自由な状態で水の流入を停止する通水停止状態とのいずれかを、誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて選択しつつ行ない、かつ前記通水状態から前記通水停止状態に移行するさい、水の流入の停止後少なくとも円筒物内部の水が排出されるまでの間、円筒物の前記一端から気体を流入させることを特徴とする円筒物の外面焼入方法である。ここにおいて、誘導加熱コイルへの電力および誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度の一方または両方を誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて変化させること、円筒物が水平の姿勢で移動焼入れを行なうことも特徴とする。

本発明によれば、円筒物の一端から内部へ水を流入させ他端から排出させる通水状態と、水の排出が自由な状態で水の流入を停止する通水停止状態とのいずれかを、誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて選択しつつ行なうようにしたので、１回の焼入れにより長さ位置により焼入れ深さを変化させることができる。また加熱コイルへの電力または誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度の少なくとも一方を移動位置に応じて変化させることにより、焼入れ硬化層の外面からの深さを目標値に制御することも可能である。

図１は本発明の円筒物の外面焼入れ方法を示す断面図である。この例ではワーク１である円筒物は外径が一様ではなく中央部が太くなっており、これに伴って厚みも中央部が両端部より薄くなっている。このようなものは自動車の回転軸などでしばしば見られるものである。この例では外面の移動焼入れに当たって垂直に保持し、誘導加熱コイル２と水冷ジャケット３とをワークの下端から上方へと連動して移動するようになっている。水冷ジャケットにはワークに面した内周面に複数の水噴射口が設けられている。

ここにおいて本発明に使用する焼入装置においてはワークの内部に水を通して冷却するようになっている。水は上端から流入し下端から排出するようになっているが、ワークは加熱むらを無くするために通常は加熱中に回転させるので、回転機構を有する上端保持具５と下端保持具６で上下を保持する。下端保持具は図示しない台座に固定され、上端保持具はワークの着脱のため図示しない上下スライド機構に取り付けられている。

図１の例においては上端保持具５には回転部７を有し、ワーク１と接触してこれを支持している。さらにボールベアリング８を介して固定部９と結合され、さらに固定部は前記の上下スライド機構に取り付けられている。固定部内部には水路１０が設けられ、冷却水導入口１１から入った水をワーク内部に供給するようになっている。一方、下端保持具６には歯車１２が設けられ、図示しない歯車と噛み合って回転駆動される。またボールベアリング１３を介して回転運動をしない支持部材１４に結合され、さらにこの支持部材は前記の台座に固定されている。下端保持具の内部にはワークから排出された冷却水を通す水路１５が設けられ、放射状に複数設けられた排出口１６から冷却水を外部に排出するようになっている。

上記のような装置において誘導加熱コイルに通電して加熱する場合、通水停止状態では内面まで焼入れがなされる温度（鋼材のＡ₃ 変態点以上）に加熱される。この状態で水冷ジャケットから水を噴射し外面からの冷却すると、外面から深くなるにしたがって冷却速度が小さい分だけ硬度が低くなるが全断面が焼入れ硬化する。一方、通水状態では加熱コイルに通電して加熱しても内面は温度上昇が小さく、その後外面から冷却しても内面側は焼入れ硬化が生じない。このため、通水状態と通水停止状態とのいずれかを、誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて選択しつつ移動焼入れすることにより、１回の焼入れにより長さ位置により焼入れ深さを変化させることができる。たとえば図１に示したような回転軸において長さ中央部は全厚を硬化させ、両端部近傍においては内面までは硬化させないといった焼入方法が可能になる。

また本発明においては焼入れ硬化しない部分を内面からどれだけにするか、すなわち焼入れ硬化層を外面からどれだけの深さにするかも制御可能である。すなわち通水状態において加熱コイルへの電力または誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度の少なくとも一方を移動位置に応じて変化させれば、焼入れ硬化層の外面からの深さを変化させることができる。これら条件の変化はワークの長さ当たりの加熱入力が変化するので、加熱している外面と水冷している内面との間の熱平衡が変化して円筒物の厚み内における温度分布が変わるためである。特に加熱コイルへの電力と誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度との両方の変化を組み合わせることにより、ワークの厚みが大きい場合でも焼入れ硬化層の外面からの深さを広範囲に制御することが可能なことが判明した。

上記のように加熱コイルへの電力や誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度を移動位置に応じて変化させる場合、その様式の一つとして通水状態においては非通水状態における加熱電力等とは異なる値に切り替えるというものがある。すなわち焼入れ硬化層を外面側だけにする場合、仕様として硬化層の深さや内面の硬度が規定されることが多く、これに適合させるためには通水状態における加熱電力等を調節する必要がある。この場合に非通水状態で肉厚全部を加熱するときも通水状態と同じ加熱電力等にすると、たとえば温度が上昇し過ぎるといった場合が生ずる。これを防ぐためには通水状態の区間と非通水状態の区間とでは加熱電力等を相違させれば良い。通水状態における加熱条件を調節したときに非通水状態における加熱条件がそれにつれて従属的に変化することがないように独立して設定することは合理的であり、上記のような方法は本発明における一般的な実施態様として推奨されるものである。

また加熱コイルへの電力や誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度を移動位置に応じて変化させる様式の上記とは別のものとしては、通水状態の区間内で加熱電力等を変化させることもある。これは通水状態の区間内でさらに焼入れ硬化層の厚さを変化させる必要があるときに行なわれるものである。また本発明において、非通水状態で焼入れする区間内において加熱電力等を変化させることを特に排除するものではないので結局のところ本発明の上記技術は、加熱コイルへの電力および誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度の一方または両方を誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて変化させるものである。

本発明においてワーク内面への通水時の水の流量は、ワークを垂直にしてワーク下端を開放した状態でワーク上端から水を流入させたとき、ワーク内部空間の断面全体から水が出てくるだけの量が必要である。これより流量が少なくてワークの内周の一部分を伝わって水が排出されるような状態であると冷却がむらになるおそれがある。もっともワークからの水の排出口の断面積を小さくするなど流れの抵抗手段を設けてワークの内部に水が滞留するようにすれば流量が少なくても冷却むらが防止でき、実際に先に述べた特開２００１−３０３１２５の装置においては水の排出口でもあるワークの下端保持具の内部の水路が細くなっている。しかし本発明においては通水状態から通水停止状態に移行するさいの水の排出が遅延するのでこのような手段は好ましくない。

すなわち本発明は移動焼入れの途中においてワークである円筒物の内部へ水を流入させたり流入を停止したりするが、通水状態から通水停止状態に移行するさいにはワーク内部の水が速やかに排出せずに滞留していると、通水停止区間に移行しても内面が焼入れ温度まで上昇せず、硬化させることができなくなる。したがって図１に示した装置において下端保持具６に設けられる水の通路はなるべく太くする必要がある。図１において水の流路はワーク１の水排出部分を延長する形で接続する水路１５とこれから枝分かれして放射状に複数設けられた排出口１６とがあるが、下端保持具６内の流路の断面積がワークの水排出部分の断面積の５０％以上であることが好ましい。なお複数に枝分かれした部分においてはこれらの断面積の総和がこの条件を満たすべきである。

さらに通水状態から通水停止状態に移行するさいの水の排出を円滑にするため、水を停止すると同時に円筒物の水を流入させる側から気体を流入させることが好ましい。図２に焼入装置本体（図１に示した部分）に水を供給するための配管図を示すが、図２（ａ）においては水の供給の開閉に３ポート２位置の電磁弁２０を使用している。給水管２１からの水は電磁弁２０を経て焼入装置の冷却水導入口１１（図１）に結合された送水管２２に送られるが、送水が停止した状態では送水管２２は気体流入口２３と連通する。気体流入口は大気に開放された状態になっているので、水がワーク下端から排出されるさいワーク上端側の内部は減圧状態になることなく、円滑に水が排出される。また別の方法として図２（ｂ）においては水の供給の開閉に２ポート２位置の電磁弁２４を使用している。この電磁弁２４は単純に水の開閉をする機能だけであるが、逆止弁２５が送水管２２から分岐して設けられている。この場合通水中は水圧により逆止弁２５が閉じているが、水の流入が停止してワーク上端側の内圧が大気圧以下になると逆止弁が開き大気が流入する。

さらには上記のように単に大気に開放するのではなく、図２（ａ）の気体流入口２３から圧縮空気などの加圧気体を供給し、ワーク内部の水を積極的に押し出してもよい。この方法によればワークを水平に保持した状態での移動焼入れに対しても本発明の方法が適用できる。すなわちワークが垂直の場合では水は重力によりワークの下端から自然に排出されるが、水平の場合には重力による自然排出ができないので例えば３気圧程度の加圧気体により押し出すのである。このように加圧気体を供給するのはワークへの水の流入の停止後少なくともワーク内部の水が排出されるまでの間行なえば目的を達することができる。大気に開放する場合は水の排出が完了してもその後通水停止状態の間はそのままでよいが、加圧気体を吹き込む場合には水の排出が完了したら停止するのがエネルギー節約のため好ましい。なお通水状態から通水停止状態に移行するさいに水の排出が完了してもワーク内部は濡れた状態にあるが、この程度の水分は誘導加熱の熱で蒸発してしまい問題にならない。

図１に示したような長さが５５０ｍｍの円筒物ワークの外面焼入れを行なった。円筒物は長さの中央部のＢの区間が両端部のＡおよびＣの区間より太くなっており、外径はＢの区間では最大３２ｍｍ、ＡおよびＣの区間では２２ｍｍである。また内径はＢの区間では最大２４ｍｍ、ＡおよびＣの区間は８ｍｍであって、外径が細い両端部の肉厚が厚くなっている。上記ワークを図１および図２（ａ）に示した装置により垂直に保持して下端から上方に向かって移動焼入れを行なった。ここにおいて図１のＡの区間は内部に通水状態で、またＢの区間は通水停止状態で、さらにＣの区間は通水状態で焼入れを行なった。通水時の水の流量は８リットル／ｍｉｎである。またＢの区間、すなわち通水停止状態においては気体流入管２３は大気に開放した状態にした。

また誘導加熱コイルの加熱電力はＡおよびＣの区間は５５ｋＷ、Ｂの区間３０ｋＷであって電源周波数は１０ｋＨｚである。また誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度はワーク全長に亘って１２ｍｍ／ｓである。このようにして焼入れが完了したワークについて軸に平行な断面を研磨し、硝酸アルコール溶液で腐蝕してマクロ組織を観察した。その結果、Ｂの区間では外面から内面まで焼入れされた組織になっていたが、ＡおよびＣの区間では外面から深さ３．５ｍｍまでが焼入れ組織で、内面から３．５ｍｍは焼入れ組織になっていなかった。

また上記焼入れにおいて、誘導加熱コイルの加熱電力を通水状態であるＡおよびＣの区間について加熱電力を６０ｋＷに増加し、Ｂの区間については前と同じ３０ｋＷとした。さらに誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度をＡおよびＣの区間について８ｍｍ／ｓとし、Ｂの区間については前と同じ１２ｍｍ／ｓとした。その他の条件は前と同じである。このようにして焼入れを行なってワーク断面のマクロ組織を観察した結果、Ｂの区間では外面から内面まで焼入れされた組織になっていたが、ＡおよびＣの区間では外面から深さ５ｍｍまでが焼入れ組織で、内面から２ｍｍは焼入れ組織になっていなかった。

本発明の円筒物の外面焼入れ方法を示す断面図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ焼入装置本体に水を供給するための配管図

符号の説明

１ワーク（円筒物）
２誘導加熱コイル
３水冷ジャケット
５上端保持具
６下端保持具
７回転部
８ボールベアリング
９固定部
１０水路
１１冷却水導入口
１２歯車
１３ボールベアリング
１４支持部材
１５水路
１６排出口
２０電磁弁
２１給水管
２２送水管
２３気体流入口
２４電磁弁
２５逆止弁

Claims

円筒物の周囲に誘導加熱コイルと水噴射装置とを設けて移動焼入れを行なう円筒物の外面焼入方法において、円筒物の一端から内部へ水を流入させ他端から排出させる通水状態と、水の排出が自由な状態で水の流入を停止する通水停止状態とのいずれかを、誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて選択しつつ行ない、かつ前記通水状態から前記通水停止状態に移行するさい、水の流入の停止後少なくとも円筒物内部の水が排出されるまでの間、円筒物の前記一端から気体を流入させることを特徴とする円筒物の外面焼入方法。
誘導加熱コイルへの電力および誘導加熱コイルと水噴射装置の移動速度の一方または両方を誘導加熱コイルと水噴射装置の移動位置に応じて変化させることを特徴とする請求項１記載の円筒物の外面焼入方法。
円筒物が水平の姿勢で移動焼入れを行なうことを特徴とする請求項１または２記載の円筒物の外面焼入方法。