JP4444162B2

JP4444162B2 - 鋼材の熱処理方法および熱処理装置

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Publication number: JP4444162B2
Application number: JP2005149471A
Authority: JP
Inventors: 浩二八代; 誠司清水; 大介鈴木; 良雄杉田; 基樹齊藤; 文彦竹田; 勝彦久保田; 勝男小田切
Original assignee: Yamanashi Prefecture
Current assignee: Yamanashi Prefecture
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006328439A

Description

本発明は、表面に熱処理によって形成された硬化層を有する鋼材部品、鋼材の熱処理方法および熱処理装置に関する。なお、本明細書においては、鋼材とは熱処理前のもの、鋼材部品とは熱処理が施され硬化層が形成されたものを示す。

炭素鋼などでなる鋼材は、例えばシャフト、ネジ、バルブ部品、歯車等の各種部品材料として用いられている。このような鋼材には、その用途に応じて耐磨耗性、耐疲労特性等の機械的特性を向上させるため焼入れ等の熱処理が施される。熱処理の方法としては例えば炎焼入れ、レーザー焼入れ、高周波焼入れがあるが、中でも高周波焼入れは表皮効果によって鋼材の表面のみ加熱することができるので、部分的に硬化層を形成する場合に好適に用いられている。

例えば、下記特許文献１においては、被処理部材としてトランスミッション部品を用い、その被処理面を冷却液中に浸漬した状態でコイルを近づけて２．５ＭＨｚの超高周波を供給し、０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの厚さの硬化層が設けられた熱処理の例が記載されている。
特開２００２−３５６７１３号公報

高周波の周波数が高いほど硬化層が薄く形成され得ることは知られているが、高周波電力の供給を短時間に制御しても、今まで厚さ３００μｍ未満の硬化層を形成することはできなかった。特に薄い被処理部材あるいは直径の小さな被処理部材に対しては、加熱された表面からその内部深くまで熱が伝導してしまい、被処理材が変形してしまうという問題もあり、薄い硬化層を形成する技術が望まれていた。上記特許文献１に記載される熱処理は、冷却液中に被処理部材を浸漬した状態で行われ、鋼材表面の加熱が冷却と同時になされるため十分な硬度を持つ３００μｍ未満の硬化層を得ることは難しく、また冷却が緩慢であるため鋼材内部まで熱が入りこむ恐れがあった。

本発明者らは上記課題に鑑み、鋼材の新規な熱処理方法およびその装置を見出し、鋼材表面に３００μｍ未満の硬化層を有する新規な鋼材部品を製造するに至った。
すなわち、本発明の鋼材部品は、鋼材の外表面に厚さ５０μｍ以上３００μｍ未満の熱処理された硬化層を有してなることを特徴とする。

本発明の鋼材の熱処理方法は、鋼材に上記厚さの硬化層を形成するための方法であり、棒状の鋼材を、この鋼材表面に１〜４ＭＨｚの超高周波が出力２〜１５ｋＷで供給できる誘導加熱手段に近接させ、鋼材および誘導加熱手段の少なくとも一方を移動させながら鋼材の表面を加熱し、加熱直後の鋼材表面を急冷する鋼材の熱処理方法であって、前記棒状の鋼材表面の急冷は、少なくとも前記鋼材の移動する方向とは直交する平面上において、鋼材表面に対し鋼材の周方向に傾斜した方向から冷却液を噴射することを特徴とする。

本発明の鋼材の熱処理装置は、本発明の熱処理方法を実施するのに好適な装置であり、誘導加熱手段と、この誘導加熱手段に１〜４ＭＨｚの超高周波を供給する発振装置と、棒状の鋼材を保持して前記誘導加熱手段に近接するように鋼材を回転させながら軸方向に移動させる保持冶具と、鋼材表面に対し鋼材の周方向に傾斜した方向から冷却液を噴射する冷却手段とを備え、前記誘導加熱手段が、コイルと、このコイルで生じた磁場を集約して前記鋼材表面に供給する導電性部材とを備えると共に、この導電性部材が、コイルと接合された板状体であって、コイルの内周の中央位置に鋼材が通過可能な大きさの開口部を有することを特徴とする。

本発明によれば、従来なかった１００μｍ以上３００μｍ未満の薄い硬化層を有する鋼材部品を提供することができる。また、本発明の熱処理方法によれば、誘導加熱による熱の影響を鋼材の内部まで及ぼすことがないので、直径の小さな棒状の鋼材、あるいは厚さの薄い鋼材に対しても熱処理することができる。本発明の熱処理装置によれば、鋼材表面の加熱と加熱直後の冷却を効率的に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照してさらに詳細に説明する。

本発明の鋼材部品は、本発明の以下の熱処理方法、すなわち、１〜４ＭＨｚの超高周波が出力５〜１５ｋＷで供給された誘導加熱手段に鋼材を近接させ、鋼材および誘導加熱手段の少なくとも一方を移動させながら鋼材の表面を加熱し、加熱直後の鋼材表面を急冷することにより製造することができる。図１は、本発明の鋼材部品の一例を示し、丸棒状の鋼材１にこの熱処理を施してなる鋼材部品３を軸方向に直交する面で切断した状態を示している。その外表面には硬化層２が形成され、その厚さＴは１００μｍ以上３００μｍ未満である。

誘導加熱は１〜４ＭＨｚ、好ましくは１．５〜２．５MHz、さらに好ましくは２MHz程度の超高周波を用いて行う。１ＭHｚ未満では鋼材の表面における渦電流の発生部位が３００μｍ以上の深い部分まで及ぶ恐れがある。周波数が高いほど表面効果により渦電流は鋼材表面の浅い部位に集中させることができるが、４MHｚより高い周波数では、放電状態となってエネルギーが空中に放出され、鋼材の誘導加熱がなされない恐れがある。

超高周波の出力は、２〜１５ｋW、好ましくは８〜１２ｋW、さらに好ましくは１０ｋW程度である。２ｋW未満では十分な硬度を持った硬化層が得られない恐れがある。また１５ｋW以上では、過熱されて硬化層の厚さが３００μｍ以上になり、また、薄い鋼材あるいは細い鋼材を熱処理する場合には塑性変形する恐れがある。

上記誘導加熱は、鋼材表面に超高周波が供給できる状態の誘導加熱手段と鋼材を近接させ、瞬時に高エネルギーの磁場を鋼材へ供給することにより行う。また、誘導加熱手段と鋼材の少なくとも一方を移動させながら加熱することで、鋼材表面近くのみを加熱し、かつ鋼材深層部に加熱の影響が及ぶことを防止することができる。鋼材が棒状である場合、特に鋼材を周方向に回転させて軸方向に移動させながら誘導加熱手段に近接させてその表面を加熱すれば、鋼材深層部への熱の侵入を防ぐためにより効果的である。

さらに、誘導加熱手段からの磁場を集約した状態で鋼材表面に供給すれば、より効率よく集中してエネルギーを鋼材表面に供給できるだけでなく、加熱部位を限定し、他の部位への影響を防ぎながら処理することができ好ましい。

鋼材表面の硬化層の形成は、加熱方法だけでなく加熱部位の冷却状態にも影響されるため、薄く形成するためには加熱後急冷することが必要である。鋼材表面の急冷は水等の冷却液あるいは冷却ガスを噴射することによって行うことが好ましく、特に冷却液を用いることがより好ましい。この冷却液の噴射は鋼材表面に対して斜めの方向から、すなわち、少なくとも鋼材の移動する方向とは直交する平面上において鋼材表面に対し傾斜した方向から、加熱中の部位が冷却されないように行うことが好ましい。

上記冷却液の噴射の方向について、例えば鋼材が図６（ａ）に示すような角棒状である場合について説明する。この角棒状の鋼材６１の移動方向がその軸方向Ｘ_１である場合、冷却液は鋼材６１の表面６２に対して斜めの方向Ａ_１から噴射される。この方向Ａ_１は、軸方向Ｘ_１に対して直交する面Ｓ上で、表面６２に対し真っ直ぐな方向Ｂ_１よりも所定の角度α_１だけ傾斜した方向である（なお、上記「鋼材の移動する方向とは直交する平面上において鋼材表面に対し傾斜した方向」とは、鋼材が棒状である場合にはその周方向に傾斜した方向となる）。このような角度α_１を有する複数の方向Ａ_１から鋼材６１の表面６２に向けて冷却液を噴射した場合の、表面６２上の冷却液の流れを図６（ｂ）に点線の矢印で示す。また、図７（ａ）に示すように、鋼材が丸棒状であってこれを軸方向Ｘ_２に移動させながら冷却する場合は、鋼材７１の中心に向けた方向Ｂ_２（表面７２に対し真っ直ぐな方向）よりも、円周方向に所定の角度α_２だけ傾いた方向Ａ_２から鋼材表面７２に向けて冷却液の噴射を行う。このような角度α_２を有する複数の方向Ａ_２から鋼材７１の表面７２に冷却液を噴射した場合の、表面７２上の水の流れを図７（ｂ）に点線の矢印で示す。

このような棒状の鋼材６１、７１を、先述のように周方向に回転させかつ軸方向に移動させながら誘導加熱手段に近接させてその表面を加熱し、加熱直後の部位を冷却する場合には、鋼材の中心に向けた方向よりも前記回転の方向に傾斜した方向から冷却液を噴射し冷却する。

上記のように鋼材表面に斜めの方向から冷却液を噴射することにより、図６（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｂ）に点線の矢印で示したように冷却液が鋼材表面上をまつわりながら連続して流れ落ちるため、鋼材表面に対して真っ直ぐに噴射するよりも均一かつ急速に効率よく加熱部位を冷却することができる。さらに、冷却液が鋼材表面で跳ね返ることを軽減することができるため、冷却効率を向上させるだけでなく、加熱中の鋼材表面に冷却液がかかることを防止することもできる。なお、方向Ａ_１およびＡ_２を、軸方向Ｘ_１あるいはＸ_２の下向きに適宜傾斜させてもよい。それによりさらに、冷却液が螺旋状に鋼材６１、７１の表面６２、７２にまつわるように流れ落ちやすくすることができる。

なお、冷却液の温度は、温度が高いとこの冷却液の中に気泡が生じやすくなり冷却効率が下がるおそれがあるので、少なくとも室温程度以下、さらには２０℃前後であることが好ましい。

硬化層の厚さや硬さは、これら熱処理の諸条件を変えることにより調節することが可能である。例えば、超高周波の出力と鋼材の移動速度についていえば、同じ出力であれば移動速度が速いほど硬化層は薄くなり、移動速度が同じであれば出力が大きいほど硬化層は厚くなる傾向がある。同じ厚さの硬化層を有する鋼材部品であっても、大きな出力で短時間処理したものよりも小さな出力で長時間処理したものの方が硬化層が密になる傾向があるので、鋼材部品に要求される硬化層の質や作業効率等を考慮し、適宜熱処理条件を設定すればよい。

本発明の熱処理方法は、棒状、板状、また平面の一部に筋状の突起あるいは溝を有するレール形状や歯車形状等の異形状等の鋼材いずれにも適用可能であるが、鋼材表面の浅い部位のみを加熱でき、かつその加熱による影響を鋼材の深層部に及ぼすことがないので、直径または厚さが6ｍｍ以下の鋼材に対しても変形することなく熱処理することができる。なお、ここで直径とは、鋼材が断面形状多角形の棒状である場合にはこの多角形に外接する円の直径をいうものとする。

また、鋼材の材料としては、構造用鋼、炭素鋼、工具鋼、合金鋼、ステンレス鋼、ばね鋼、軸受鋼等が挙げられる。炭素鋼としては、ＪＩＳのＳ１０Ｃ〜Ｓ６０Ｃ等、合金鋼としては、ＪＩＳのＳＮＣ（ニッケルクロム鋼）、ＳＮＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）、ＳＣｒ（クロム鋼）、ＳＣＭ（クロムモリブデン鋼）等が挙げられる。特に好ましくは炭素鋼である。鋼材中の炭素の含有量は０．０５〜２．１％であることが好ましい。

次に、本発明の熱処理装置について説明する。図２は装置の構成を示した概略図である。熱処理装置は、誘導加熱手段４と、この誘導加熱手段４に1〜4ＭＨｚの超高周波を供給する発振装置５と、鋼材１を保持して前記誘導加熱手段４に近接するように移動させる保持冶具６と、加熱直後の鋼材１の表面を急冷する冷却手段７を有する。

発振装置５には発振される周波数と電力を制御する制御手段８が備えられており、変成器９を介して誘導加熱手段４に超高周波を供給するように構成されている。発振装置５は、トランジスタ方式、真空管方式等の１〜４ＭＨｚの超高周波を発振可能なものであれば特に限定されないが、ノイズおよび消費電力の少なさ、また装置の小型化が容易であるという点からトランジスタ方式の発振装置が好ましく用いられる。

誘導加熱手段４は、図３および図４に示すように、超高周波電流が供給された際に磁場を発生させるコイル１０および、これにろう付された導電性の板状体１１でなる。コイル１０はこれと一体形成された一対のリード部１０a、１０ｂにより変成器９と接続されており、また板状体１１にはリード部１０a、１０ｂの分岐点に相当する位置にスリット１１ａが設けられている。コイル１０と板状体１１は、銅等導電性を有する材料であればいずれを用いて形成してもよい。コイル１０および板状体１１は、電流印加時にこれら自身も加熱されてしまうので、鋼材１に誘導加熱以外の熱の影響を与えないために、冷却手段を備えることが好ましい。例えば、図4に示すようにコイル１０がパイプ形状を有し、そのパイプ内部には水等の冷却液１２が流れる構成とする。

コイル１０の形状は必ずしも円でなくともよく、角張った形状、楕円形状など、被処理物である鋼材の形状等に合わせてその大きさや形状を適宜調節して用いることができる。

板状体１１はコイル１０の内周中央位置に相当する部分に、鋼材１が通過可能な大きさの開口部１３を有し、鋼材１をこの開口部１３を通過させた際にその縁部１４から磁場を鋼材１の表面に供給する構成となっている。これにより誘導加熱手段４で発生した磁場を集約して鋼材１表面に供給することができる。この開口部１３の縁部１４においては、より磁場を集約するため図４にその断面が示されるように、板状体１１の他の部分と比べて厚さが薄くなるように形成することが好ましい。

鋼材１を保持する保持冶具６は上記誘導加熱手段４の上方に設けられている。保持冶具６にはこれを回転させるモータ１５および上下方向に移動させる手段（図示せず）が備えられており、鋼材１を回転させながらコイル１０および板状体１１の開口部１３を通過させる構成となっている。なお、これらモータ１５および前記移動させる手段にはこれらの動作を制御する装置（図示せず）が設けれられている。

上記板状体１１の下方には冷却手段７が設けられている。この冷却手段７は、図４に示すように、その内部に給水管１６を備えた環状体であり、その内周部には、給水管１６と連通し、環の中心に向かって突出する複数のノズル１７が設けられている。上記ノズル１７は、図５に示すように、環状体の中心に向かう向きよりも環状体の周方向に傾斜した向きに、さらに図４に示すように下方（鋼材１の移動方向）にやや傾斜した向きに備えられている。

冷却手段７上の板状体１１との間の位置には、塩化ビニル等の樹脂、ガラス等の絶縁体でなるシート状体１８が設けられており、絶縁すると共にノズル１７から噴射した冷却液が誘導加熱手段４側に跳ね返ることを防止する構成となっている。さらに、冷却手段７の下方には、冷却液を受ける排水槽１９が設けられている。

次に、この熱処理装置を用いて棒状の鋼材１を熱処理する場合の動作について説明する。まず、発振装置５から超高周波をコイル１０に供給し、板状体１１の開口部１３の縁部１４に磁場を集約させ、次いで前記ノズル１７からは冷却液を噴射させる。熱処理装置をこの状態で保持し、誘導加熱手段４の上部位置にて保持冶具６に固定した鋼材１を回転させながら下降させ、開口部１３および冷却手段７内を通過させる。これにより、鋼材１の表面は連続的に加熱、そして冷却され熱処理が終了する。なお、冷却される際、ノズル１７の上方に前記シート状体１８があるため、これらの間の空間では冷却液が蒸発することにより生じた正圧によって、噴射中の冷却液が下方に押し出され、さらに確実に鋼材１の加熱中の部位に冷却液がかかることが防止されると考えられる。鋼材１の上部の所定位置まで誘導加熱手段４内を通過させたら超高周波の供給を止め、保持冶具６を上昇させ（この時冷却液は噴射したままでもよい）熱処理装置から取り出す。

上記においては、棒状の鋼材をコイルの内部を通して熱処理する場合、あるいは鋼材がコイル内部を通過可能な大きさのものである場合について述べたが、本発明は棒状以外の板状やコイルの内部を通過できない大きさや形状の鋼材に対しても適用可能である。

例えば、コイルの内径より大きな幅および長さを有する板状の鋼材を熱処理する場合は、以下のように行うことが可能である。誘導加熱手段の外側部位において磁場が作用する位置に鋼材表面を近接させ、鋼材および／または誘導加熱手段を鋼材表面から所定の近接した距離を保持し移動させながら加熱する。加熱直後、誘導加熱手段に隣接する位置に設けた冷却手段によって、鋼材表面に対し斜め方向から冷却液を噴射させ急冷することにより処理を行う。

図２〜図５において示される上述の構成の熱処理装置において、発振装置としてＭＯＳＦＥＴ方式発振器を装置を使用し、誘導加熱後噴霧する冷却液として約２０℃の水を用いてＪＩＳのＳ４５Ｃ炭素鋼でなる丸棒状鋼材を熱処理した。
高周波誘導条件：２ＭＨｚ、１０ｋＷ
鋼材の直径：６ｍｍ
鋼材の長さ：１０ｃｍ
鋼材の回転数：３０ｒｐｓ
鋼材の送り速度：１７．６ｍｍ／ｓｅｃ
これにより、表面に２９０μｍの硬化層を有する鋼材部品が得られた。鋼材部品表面のビッカース硬度は７００ＨＶであった。

実施例１と同様の装置を用い、同様の素材でなり、直径が異なる丸棒状鋼材を熱処理した。
高周波誘導条件：２ＭＨｚ、１０ｋＷ
鋼材の直径：３ｍｍ
鋼材の長さ：１０ｃｍ
鋼材の回転数：３０ｒｐｓ
鋼材の送り速度：５０ｍｍ／ｓｅｃ
これにより、表面に１３９μｍの硬化層を有する鋼材部品が得られた。鋼材部品表面のビッカース硬度は６０２であった。

実施例１と同様の装置を用い、実施例２と同様の丸棒状鋼材について下記の通り条件を変えて熱処理した。
高周波誘導条件：２ＭＨｚ、６．５ｋＷ
鋼材の直径：３ｍｍ
鋼材の長さ：１０ｃｍ
鋼材の回転数：３０ｒｐｓ
鋼材の送り速度：５０ｍｍ／ｓｅｃ
これにより、表面に９０μｍの硬化層を有する鋼材部品が得られた。鋼材部品表面のビッカース硬度は５９７であった。

実施例１と同様の装置を用い、実施例２と同様の丸棒状鋼材について下記の通り条件を変えて熱処理した。
高周波誘導条件：２ＭＨｚ、６．０ｋＷ
鋼材の直径：３ｍｍ
鋼材の長さ：１０ｃｍ
鋼材の回転数：３０ｒｐｓ
鋼材の送り速度：５０ｍｍ／ｓｅｃ
これにより、表面に７９μｍの硬化層を有する鋼材部品が得られた。鋼材部品表面のビッカース硬度は５１５であった。

本発明の鋼材部品の一例を示す斜視図である。本発明の熱処理装置の一実施態様の構成を示す概略図である。図２の熱処理装置を構成する誘導加熱手段の斜視図である。図２の熱処理装置によって鋼材に熱処理を施す状態を示す縦断面図である。図２の熱処理の熱処理装置を構成する冷却装置の横断面図である。本発明の熱処理方法において角棒状の鋼材に水が噴射される角度を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。本発明の熱処理方法において丸棒状の鋼材に水が噴射される角度を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。

符号の説明

１、５１、６１鋼材
２硬化層
３鋼材部品
４誘導加熱手段
５発振装置
６保持冶具
７冷却手段
１０コイル
１１板状体
１３開口部
１４縁部
１７ノズル
５２、６２鋼材表面

Claims

棒状の鋼材を、この鋼材表面に１〜４ＭＨｚの超高周波が出力２〜１５ｋＷで供給できる誘導加熱手段に近接させ、鋼材および誘導加熱手段の少なくとも一方を移動させながら鋼材の表面を加熱し、加熱直後の鋼材表面を急冷する鋼材の熱処理方法であって、
前記棒状の鋼材表面の急冷は、少なくとも前記鋼材の移動する方向とは直交する平面上において、鋼材表面に対し鋼材の周方向に傾斜した方向から冷却液を噴射することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
前記鋼材を、周方向に回転させかつ軸方向に移動させながら周波数が１〜４ＭＨｚで、出力が２〜１５ｋＷの超高周波が供給される誘導加熱手段に近接させてその表面を加熱し、加熱直後の部位に、鋼材の中心に向けた方向よりも前記回転の方向に傾斜した方向から冷却液を噴射し冷却することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
前記鋼材の外表面に厚さ５０μｍ以上３００μｍ未満の熱処理された硬化層を有してなる請求項１又は２に記載の鋼材の熱処理方法。
前記鋼材が丸棒であり、その直径が２〜６ｍｍである請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法。
誘導加熱手段と、この誘導加熱手段に１〜４ＭＨｚの超高周波を供給する発振装置と、棒状の鋼材を保持して前記誘導加熱手段に近接するように鋼材を回転させながら軸方向に移動させる保持冶具と、鋼材表面に対し鋼材の周方向に傾斜した方向から冷却液を噴射する冷却手段とを備え、
前記誘導加熱手段が、コイルと、このコイルで生じた磁場を集約して前記鋼材表面に供給する導電性部材とを備えると共に、この導電性部材が、コイルと接合された板状体であって、コイルの内周の中央位置に鋼材が通過可能な大きさの開口部を有することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
前記板状体の厚さがその開口部の縁部において他の部分より薄く形成されている構造を有する請求項５記載の鋼材素材の熱処理装置。
前記発振装置がトランジスタ式発振装置である請求項５記載の鋼材の熱処理装置。
前記冷却手段が、給水管をその内部に備えた環状体であり、環状体の内周側に給水管に連通しかつ環状体の中心に向かって周方向に傾斜した向きに設けられた一以上のノズルを有する請求項５記載の鋼材の熱処理装置。