JP4811006B2 - 高周波熱処理方法および高周波熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波熱処理方法および高周波熱処理装置に関する。

焼入れを必要とする第１部位および焼入れが不要である第２部位を有する加工物を、焼入れ温度まで高周波加熱する際、第２部位に、逆位相の磁束を生じる導電体を配置したり、銅や真鍮あるいは絶縁部を密着させたりすることで、磁束を遮断し、第２部位の温度上昇を抑制することで、第２部位を非焼入れ状態に維持し、焼入れ範囲を限定している（例えば、特許文献１参照。）。

一方、焼入れ温度に到達した加工物を、冷却液によって急冷する際、第２部位に向かって圧縮エアを噴射することで、冷却液と第２部位との接触による伝熱を妨げ、第２部位の冷却速度を低下させることで、第２部位を非焼入れ状態に維持しているものもある（例えば、特許文献２参照。）
特開平８−１７６６５１号公報 特開平５−１３２７１２号公報

しかし、焼入れが不要である第２部位が、焼入れを必要とする第１部位に隣接している場合、第１部位の境界近傍領域が、非焼入れ状態となり、焼入れ範囲が安定しない問題を有する。

例えば、加工物を焼入れ温度まで高周波加熱する際、第１部位の境界近傍領域の温度は、相対的に低温である第２部位の影響を受けて、焼入れ温度に到達しない虞がある。また、焼入れ温度に到達した加工物を急冷する際、相対的に高温である第２部位の影響を受けて、第１部位の境界近傍領域が急冷されず、十分な冷却速度が確保されない虞がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、焼入れを必要とする第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物において、焼入れ範囲を安定化させることが可能である高周波熱処理方法および高周波熱処理装置を、提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
焼入れを必要とする第１部位および前記第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物の高周波熱処理方法であって、
前記第１部位を焼入れする際、前記第１部位と前記第２部位との境界の温度である代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の温度を調整することによって、前記第２部位を非焼入れ状態に維持し、
前記焼入れは、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱工程と、高周波加熱によって焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷するための急冷工程とを有し、
前記加熱工程あるいは前記急冷工程において、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度が調整され、
前記加熱工程に係る前記基準温度は、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱する際における前記代表温度の経時変化のデータからなり、
前記急冷工程に係る前記基準温度は、焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷する際における前記代表温度の経時変化のデータからなる
ことを特徴とする高周波熱処理方法である。

上記目的を達成するための請求項１４に記載の発明は、
焼入れを必要とする第１部位および前記第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物の高周波熱処理装置であって、
前記第１部位を、焼入れするための焼入れ手段、
前記第１部位と前記第２部位との境界の温度である代表温度を、検出するための温度検出手段、および、
前記第１部位を前記焼入れ手段によって焼入れする際、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の温度を調整することによって、前記第２部位を非焼入れ状態に維持するための焼入れ防止手段を有し、
前記焼入れ手段は、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱手段と、前記加熱手段によって焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷するための急冷手段とを有し、
前記焼入れ防止手段は、前記第１部位を前記加熱手段によって焼入れ温度まで加熱する際、あるいは、焼入れ温度に到達した前記第１部位を前記急冷手段によって急冷する際、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度を調整し、
前記第１部位を前記加熱手段によって焼入れ温度まで加熱する際における前記基準温度は、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱する際における前記代表温度の経時変化のデータからなり、
焼入れ温度に到達した前記第１部位を前記急冷手段によって急冷する際における前記基準温度は、焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷する際における前記代表温度の経時変化のデータからなる
ことを特徴とする高周波熱処理装置である。

請求項１に記載の発明によれば、第１部位を焼入れする際、加熱工程あるいは急冷工程において、第１部位と第２部位との境界の温度である代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、第２部位の温度が調整される。例えば、加工物を焼入れ温度まで高周波加熱する際、加熱工程に係る基準温度は、第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱する際における代表温度の経時変化のデータからなり、第２部位の温度が変態点に到達しないように、第２部位の温度が調整され、あるいは、焼入れ温度に到達した加工物を急冷する際、急冷工程に係る基準温度は、焼入れ温度に到達した第１部位を急冷する際における代表温度の経時変化のデータからなり、第２部位の結晶構造が変化しないように、第２部位の温度が調整される。したがって、第１部位の境界近傍領域の温度を、焼入れ温度に確実に到達させ、あるいは、第１部位の境界近傍領域を確実に急冷し、十分な冷却速度を達成することで、第１部位の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。つまり、焼入れを必要とする第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物において、焼入れ範囲を安定化させることが可能である高周波熱処理方法を、提供することができる。

請求項１４に記載の発明によれば、第１部位を焼入れする際、加熱工程あるいは急冷工程において、第１部位と第２部位との境界の温度である代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、第２部位の温度を調整することによって、第２部位を非焼入れ状態に維持することが可能である。例えば、加工物を焼入れ温度まで高周波加熱する際、加熱工程に係る基準温度は、第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱する際における代表温度の経時変化のデータからなり、第２部位の温度が変態点に到達しないように、第２部位の温度が調整され、あるいは、焼入れ温度に到達した加工物を急冷する際、急冷工程に係る基準温度は、焼入れ温度に到達した第１部位を急冷する際における代表温度の経時変化のデータからなり、第２部位の結晶構造が変化しないように、第２部位の温度を調整することができる。したがって、第１部位の境界近傍領域の温度を、焼入れ温度に確実に到達させ、あるいは、第１部位の境界近傍領域を確実に急冷し、十分な冷却速度を達成することで、第１部位の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。つまり、焼入れを必要とする第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物において、焼入れ範囲を安定化させることが可能である高周波熱処理装置を、提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係るワークを説明するための平面図、図２は、図１に示されるワークの側面図である。

ワーク（加工物）１０は、周方向に凹凸状部を有するコンロッド（連接棒）であり、内燃機関におけるピストンとクランクシャフトとを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達するために使用される。

ワーク１０は、焼入れを必要とする第１部位および焼入れが不要である第２部位を有する。第１部位は、連接部１５であり、第２部位は、連接部１５の一端側に位置する大端部１１と、連接部１５の他端側に位置する小端部１８である。

連接部１５は、断面形状が略同一かつＩ型断面を有する本体、および、本体に向かって断面積が連続的に減少するつなぎ部１４，１６を有する。つなぎ部１４は、大端部１１と連接部１５の本体との間に位置する。つなぎ部１６は、小端部１８と連接部１５の本体との間に位置する。

大端部１１は、分割式であり、半円状部１２を有し、ボルトを使用してコンロッドキャップが組み合わされ、クランクシャフトのピンに連結される。小端部１８は、ピストンピンを連結するための開口部１９を有する。

ワーク１０の製造方法は、鍛造工程、ショットブラスト工程、コイニング工程、焼入れ工程、および機械加工工程を有する。

鍛造工程においては、素材鋼が熱間鍛造によって成形される。素材鋼は、例えば、炭素鋼（Ｓ４０Ｃ〜Ｓ５０Ｃ）である。

ショットブラスト工程においては、ワーク１０の表面の酸化スケールが除去される。コイニング工程においては、軽度の冷間鍛造によって、ワーク１０の厚さが修正される。

焼入れ工程は、焼入れを必要とする連接部１５（第１部位）を、焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱工程、および、高周波加熱によって焼入れ温度に到達した連接部１５を、急冷するための急冷工程を有する。

この際、連接部１５と小端部１８との境界の温度（代表温度）の検出に基づいて、小端部１８（第２部位）の温度を調整することによって、小端部１８を非焼入れ状態に維持される。実施の形態１においては、ワーク１０を焼入れ温度まで高周波加熱する際、小端部１８の温度がＡ_３変態点に到達しないように、小端部１８の温度が調整される。

したがって、連接部１５の境界近傍領域の温度を、焼入れ温度に確実に到達させることで、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。そのため、焼入れ範囲のバラツキを考慮し、ワーク１０の肉厚を増やして、ワーク１０の強度を確保することが不要であり、ワーク１０の軽量化あるいはワーク１０の強度向上を図ることが可能である。

なお、大端部１１は、小端部１８と同様に第２部位であるが、小端部１８に比べて温度管理条件が緩やかであるため、実施の形態１においては、小端部１８の温度のみを調整としている。また、焼入れ温度は、Ａ_３変態点の温度を越えた所定の温度、例えば、Ａ_３変態点の温度より５０度程度高い温度である。

機械加工工程においては、大端部および小端部の摺動部の仕上げや、大端部１１および小端部１８に油穴を形成するために、機械加工が施され、製品としてのコンロッドが得られる。焼入れ工程と機械加工工程の間に、ショットピーニングを施すことによって、疲労強度を向上させることも可能である。

次に、焼入れ工程に適用される、実施の形態１に係る高周波熱処理装置および高周波熱処理方法を、順次詳述する。

図３は、実施の形態１に係る高周波熱処理装置を説明するための概略図である。

高周波熱処理装置１００は、把持手段、焼入れ手段、温度検出手段１４０、および、小端部１８を非焼入れ状態に維持するための焼入れ防止手段を有する。

把持手段は、ワーク１０を固定するために使用され、ワーク１０の大端部１１を把持するチャック部１１２と、チャック部１１２を駆動するためのアクチュエータ１１４とを有する。

焼入れ手段は、連接部１５を、所定の焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱手段、および、加熱手段によって焼入れ温度に到達した連接部１５を、急冷するための急冷手段を有する。

加熱手段は、誘導加熱コイル１２４および高周波発生装置１２６を有する。誘導加熱コイル１２４は、例えば、電線を螺旋状に巻いて構成した後で機械加工することによって形成されており、把持手段によって固定されたワーク１０の連接部１５が挿入される。高周波発生装置１２６は、誘導加熱コイル１２４に接続されており、誘導加熱コイル１２４に電流を流すことによって、連接部１５を加熱し、焼入れ温度に到達させることが可能である。

急冷手段は、対向して配置される一対のジャケット１３３と、ジャケット１３３に冷却媒体Ｃ_１を供給するための配管系１３５とを有する。冷却媒体Ｃ_１は、例えば、４０度以下（常温）の水、食塩水、あるいは油である。ジャケット１３３は、把持手段によって固定されたワーク１０の連接部１５に向かって、冷却媒体Ｃ_１を噴射するためのノズル（噴射手段）１３４を有する。

配管系１３５は、冷却媒体Ｃ_１を保持するタンク１３９に連結されており、タンク１３９からの冷却媒体Ｃ_１を圧送するためのポンプ１３７、冷却媒体Ｃ_１の圧力を調整するためのレギュレータ（圧力調整手段）１３８、および、冷却媒体Ｃ_１の供給を適宜停止のための電磁弁１３６が配置されている。配管系１３５は、冷却媒体Ｃ_１をジャケット１３３に供給することで、加熱手段によって焼入れ温度に到達した連接部１５を、適当な冷却速度で急冷し、結晶構造を変えて硬化させる（焼入れする）ために、使用される。

温度検出手段１４０は、放射温度計からなり、連接部１５と小端部１８との境界に位置するつなぎ部１６の温度を、非接触式に検出するために使用される。

焼入れ防止手段は、小端部１８の温度を、Ａ_３変態点以下に維持するための冷却手段を有し、連接部１５を焼入れ手段によって焼入れする際、温度検出手段１４０によって検出されるつなぎ部１６の温度に基づいて、小端部１８の温度を調整するために使用される。

つまり、冷却手段は、加熱手段によって連接部１５を焼入れ温度まで高周波加熱する際、小端部１８の温度上昇を抑制し、小端部１８の温度がＡ_３変態点以下に維持されるように、小端部１８の温度を調整することができる。したがって、連接部１５の境界近傍領域の温度を、焼入れ温度に確実に到達させることで、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。

冷却手段は、冷却媒体Ｃ_２が流れる通路を有する冷却ブロック１５２、冷却ブロック１５２を駆動するためのアクチュエータ１６３、冷却ブロック１５２に冷却媒体Ｃ_２を供給するための配管系１６５、および冷却媒体Ｃ_２の温度を制御するための制御装置１８０を有する。冷却媒体Ｃ_２は、例えば、４０度以下（常温）の水である。

冷却ブロック１５２は、誘導加熱を避けるため非導電性材料から形成され、小端部１８の側面形状に対応する平坦な伝熱面を有する。非導電性材料は、セラミックや、適当な耐熱性を有するエンジニアリングプラスチックである。冷却ブロック１５２は、必要に応じ、小端部１８の外周形状に一致する伝熱面を有することも可能である。

冷却ブロック１５２は、アクチュエータ１６３によって小端部１８の側面に当接させられ、伝熱により冷却（除熱）することで、小端部１８の温度上昇を抑制するために使用される。冷却ブロック１５２による冷却は、圧縮空気や水などの媒体に比べ、冷却範囲のバラツキが少ないため、好ましい。

配管系１６５は、冷却媒体Ｃ_２を保持するタンク１６９に連結されており、タンク１６９からの冷却媒体Ｃ_２を圧送するためのポンプ１６７、冷却媒体Ｃ_２の供給を適宜停止のための電磁弁１６６、および、冷却媒体Ｃ_２の温度を調整するための温度調整手段１７０が配置されている。配管系１６５は、冷却媒体Ｃ_２を冷却ブロック１５２に適宜供給することで、小端部１８の温度をＡ_３変態点以下に維持する一方、小端部１８が過度に低温となることを防ぐために、使用される。

制御装置１８０は、温度検出手段１４０によって検出されるつなぎ部１６の温度に基づいて、冷却媒体Ｃ_２の温度を調整するための制御手段であり、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路、およびＲＯＭなどの読取り専用メモリやＲＡＭなどの高速のランダムアクセスメモリが配置される記憶部１８２を有し、温度調整手段１７０および温度検出手段１４０に接続されている。

記憶部１８２は、温度調整手段１７０の制御プログラム、データベースが格納される記憶領域と、制御プログラムを実行するための作業領域とを有する。データベースは、連接部１５を焼入れ温度まで高周波加熱する際における、つなぎ部１６の温度、小端部１８の温度、冷却ブロック１５２の温度、および冷却媒体Ｃ_２の温度の相互関係を示している温度データを含んでいる。

温度データは、例えば、ワーク１０を実際に使用し、高周波発生装置１２６の作動条件や、冷却媒体Ｃ_２の温度を変更したテストによって、つなぎ部１６の温度、小端部１８の温度、冷却ブロック１５２の温度の経時変化を実測することで、取得される。

制御装置１８０は、温度検出手段１４０によって検出されるつなぎ部１６の温度に基づき、データベースを利用し、小端部１８の温度を適正に維持するための冷却媒体Ｃ_２の温度を取得し、温度調整手段１７０を制御する。温度調整手段１７０は、制御装置１８０の指示にしたがい、冷却媒体Ｃ_２の温度を適正な値に維持する。

したがって、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。特に、つなぎ部１６の検出温度に基づいて、冷却媒体Ｃ_２の温度を自動的に微調整する場合、寸法バラツキが大きい鍛造素材がワーク１０として適用される場合であっても、良好な精度かつ安定した焼入れ範囲を確保でき、また、多品種少量生産に容易に対応することが可能である。

次に、実施の形態１に係る高周波熱処理方法を説明する。図４は、実施の形態１に係る高周波熱処理方法の加熱工程における温度制御を説明するためのフローチャートである。

まず、ワーク１０が、コイニング工程から焼入れ工程に投入される。アクチュエータ１１４は、チャック部１１２を駆動し、大端部１１を把持および固定する。連接部１５は、誘導加熱コイル１２４の内側に位置決めされる。

アクチュエータ１６３は、冷却ブロック１５２を駆動し、小端部１８の側面に当接させる。電磁弁１６６が開に設定され、ポンプ１６７は、冷却ブロック１５２に向かって冷却媒体Ｃ_２の圧送を開始する。冷却ブロック１５２は、小端部１８と当接するように配置されているため、伝熱によって、小端部１８を冷却し、温度上昇を抑制する。

制御装置１８０は、記憶部１８２に格納されているデータベースを利用し、つなぎ部１６および冷却媒体Ｃ_２の基準温度を取得する。

つなぎ部１６および冷却媒体Ｃ_２の基準温度は、小端部１８の温度が、Ａ_３変態点以下に維持され、かつ、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることを可能とする、つなぎ部１６および冷却媒体Ｃ_２の温度の計算値である。

温度調整手段１７０は、制御装置１８０によって制御され、冷却媒体Ｃ_２の温度を、基準温度に一致させる。

温度検出手段１４０は、制御装置１８０に対し、つなぎ部１６の検出温度の送信を、開始する。一方、高周波発生装置１２６は、誘導加熱コイル１２４に電流を流し、連接部１５の加熱を開始する。

制御装置１８０は、つなぎ部１６の検出温度を受信すると（Ｓ１０１）、つなぎ部１６の基準温度と比較する（Ｓ１０２）。

つなぎ部１６の検出温度と基準温度とが一致する場合、プロセスは、急冷工程に移行する。

一方、例えば、ワーク１０の寸法バラツキに基づき、つなぎ部１６の検出温度と基準温度とが異なる場合、制御装置１８０は、記憶部１８２に格納されているデータベースを利用し、つなぎ部１６の検出温度に対応する小端部１８の修正温度、小端部１８の修正温度を得るために必要とされる冷却ブロック１５２の修正温度、冷却ブロック１５２の修正温度を得るために必要とされる冷却媒体Ｃ_２の修正温度を、順次算出する（Ｓ１０３，Ｓ１０４，Ｓ１０５）。

温度調整手段１７０は、制御装置１８０によって制御され、冷却媒体Ｃ_２の温度を、修正温度に一致させることで、小端部１８の温度を適正に維持し（Ｓ１０６）、その後、プロセスは、急冷工程に移行する。

急冷工程においては、電磁弁１３６が開に設定され、ポンプ１３７は、ジャケット１３３に対する冷却媒体Ｃ_１の供給を開始する。ジャケット１３３のノズル１３４は、把持手段によって固定されたワーク１０の連接部１５に向かって、冷却媒体Ｃ_１を噴射する。

冷却媒体Ｃ_１は、加熱手段によって焼入れ温度に到達した連接部１５を、適当な冷却速度で急冷し、結晶構造を変えて、硬化させる。この際、小端部１８の温度は、Ａ_３変態点以下に維持されており、かつ、連接部１５の境界近傍領域の温度は、焼入れ温度に確実に到達している。

したがって、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲が確実に得される。特に、つなぎ部１６の検出温度に基づいて、冷却媒体Ｃ_２の温度を自動的に微調整しているため、量産ラインにおいて、寸法バラツキが大きい鍛造素材からなるワーク１０が適用される場合であっても、良好な精度かつ安定した焼入れ範囲が確保され、また、多品種少量生産に容易に対応することが可能である。

以上のように、実施の形態１は、焼入れを必要とする連接部（第１部位）１５に隣接しかつ焼入れが不要である小端部（第２部位）１８を有するワーク（加工物）１０において、焼入れ範囲を安定化させることが可能である高周波熱処理方法および高周波熱処理装置を、提供することができる。

なお、寸法バラツキに基づく小端部１８の温度の微調整は、冷却媒体Ｃ_２の温度の変更に基づくことに限定されず、冷却媒体Ｃ_２の供給量の変更や、冷却媒体Ｃ_２の温度および供給量の両者の変更に基づくことも可能である。

次に、実施の形態２を説明する。図５は、実施の形態２に係る高周波熱処理装置を説明するための概略図、図６は、図５に示されるカバー部を説明するための側面図、図７は、図５に示されるカバー部を説明するための平面図である。

実施の形態２は、急冷工程において小端部１８の温度を調整する点で、加熱工程において小端部１８の温度を調整する実施の形態１と概して異なる。詳述すると、高周波熱処理装置２００は、把持手段、焼入れ手段、温度検出手段２４０、および焼入れ防止手段を有する。

把持手段は、ワーク１０を固定するために使用され、チャック部２１２，２１７と、チャック部２１２，２１７を駆動するためのアクチュエータ２１４，２１９とを有する。チャック部２１２は、アクチュエータ２１４によって駆動され、大端部１１を把持するために使用される。チャック部２１７は、アクチュエータ２１９によって駆動され、小端部１８を把持するために使用される。

焼入れ手段は、連接部１５を、所定の焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱手段、および、加熱手段によって焼入れ温度に到達した連接部１５を、急冷するための急冷手段を有する。

加熱手段は、誘導加熱コイル２２４および高周波発生装置２２６を有する。誘導加熱コイル２２４は、把持手段によって固定されたワーク１０の連接部１５が挿入される。高周波発生装置２２６は、誘導加熱コイル２２４に接続されており、誘導加熱コイル２２４に電流を流すことによって、連接部１５を加熱し、Ａ_３変態点以上の焼入れ温度に到達させることが可能である。

急冷手段は、把持手段によって固定されたワーク１０の連接部１５に向かって、冷却媒体Ｃ_１を噴射するためのノズル２３４が配置されるジャケット２３３と、ジャケット２３３に冷却媒体Ｃ_１を供給するための配管系２３５とを有する。

配管系２３５は、冷却媒体Ｃ_１を保持するタンク２３９に連結されており、タンク２３９からの冷却媒体Ｃ_１を圧送するためのポンプ２３７、冷却媒体Ｃ_１の圧力を調整するためのレギュレータ２３８、および、冷却媒体Ｃ_１の供給を適宜停止のための電磁弁２３６が配置されている。

配管系２３５は、冷却媒体Ｃ_１をジャケット２３３に供給することで、加熱手段によって焼入れ温度に到達した連接部１５を、適当な冷却速度で急冷し、結晶構造を変えて、硬化させるために、使用される。

温度検出手段２４０は、放射温度計からなり、連接部１５と小端部１８との境界に位置するつなぎ部１６の温度を、非接触式に検出するために使用される。

焼入れ防止手段は、小端部１８の結晶構造を維持するための冷却速度調整手段を有し、焼入れ温度に到達した連接部１５を急冷手段によって急冷する際、温度検出手段２４０によって検出されるつなぎ部１６の温度に基づいて、小端部１８の温度を調整し、小端部１８の冷却速度を低下させるために使用される。

つまり、冷却速度調整手段は、焼入れ温度に到達した連接部１５を、急冷手段によって急冷する際、小端部１８の冷却速度が、焼入れに必要とされる冷却速度に到達しないように、小端部１８の温度を調整することができる。したがって、連接部１５の境界近傍領域を確実に急冷し、十分な冷却速度を達成することで、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。

冷却速度調整手段は、チャック部２１７に取付けられるカバー部２５２、カバー部２５２の周囲に配置されるノズル２６３、ノズル２６３に圧縮気体Ｇを供給するための配管系２６５、圧縮気体Ｇの圧力を制御するための制御装置２８０を有する。圧縮気体Ｇは、例えば、空気である。

カバー部２５２は、小端部１８の周囲を覆うように配置される１対の半割りパーツ２５３，２５６からなる。半割りパーツ２５３，２５６は、誘導加熱を避けるため非導電性材料から形成され、平滑な端面２５４，２５７および端面２５４，２５７に配置される凹部２５５，２５８を有する。非導電性材料は、セラミックや、適当な耐熱性を有するエンジニアリングプラスチックである。端面２５４，２５７は、互いに当接させることで、密着し、凹部２５５，２５８の内面形状は、一体として、小端部１８の外周形状に一致する。

小端部１８を、凹部２５５，２５８に配置し、端面２５４，２５７を、互いに当接させる場合、カバー部２５２は、小端部１８を密着して覆うため、焼入れ温度に到達した連接部１５を急冷するために噴射される冷却媒体Ｃ_１は、小端部１８と接触することが妨げられる。つまり、小端部１８に向かって飛散あるいは流れ落ちる冷却媒体Ｃ_１と、小端部１８との間の伝熱が妨げられ、小端部１８の温度低下が抑制されることで、小端部１８の冷却速度を緩やかとすることが可能である。

したがって、急冷工程において、連接部１５の結晶構造を変化させ、硬化させる際に、小端部１８の冷却速度を適宜調整することで、小端部１８の結晶構造を維持し、硬化を引き起こさないように、制御することが可能である。

ノズル２６３は、カバー部２５２の周囲に圧縮気体Ｇを噴射するための噴射手段である。圧縮気体Ｇは、焼入れ温度に到達した連接部１５を急冷するために噴射される冷却媒体Ｃ_１と、カバー部２５２との接触を抑制し、伝熱を妨げる。したがって、カバー部２５２の温度を制御することが可能である。一方、カバー部２５２は、小端部１８と密着しているため、カバー部２５２の温度は、小端部１８の温度に影響を与える。つまり、ノズル２６３から噴射される圧縮気体Ｇを利用し、小端部１８の冷却速度を調整することが可能である。

なお、圧縮気体Ｇは、カバー部２５２の温度を低下させるため、小端部１８を経由する連接部１５からの伝熱に基づくカバー部２５２の熱劣化を、抑制する機能も有する。

配管系２６５は、圧縮気体Ｇを生成するためのコンプレッサ２６７に連結されており、圧縮気体Ｇの圧力を調整するためのレギュレータ（圧力調整手段）２７０、圧縮気体Ｇの供給を適宜停止のための電磁弁２６６が配置されている。

制御装置２８０は、温度検出手段２４０によって検出されるつなぎ部１６の温度に基づいて、圧縮気体Ｇの圧力を調整するための制御手段であり、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路、およびＲＯＭなどの読取り専用メモリやＲＡＭなどの高速のランダムアクセスメモリが配置される記憶部２８２を有し、レギュレータ２７０および温度検出手段２４０に接続されている。

記憶部２８２は、レギュレータ２７０の制御プログラム、データベースが格納される記憶領域と、制御プログラムを実行するための作業領域とを有する。データベースは、焼入れ温度に到達したワーク１０の連接部１５を急冷する際における、温度−圧力データおよび冷却速度データを含んでいる。

温度−圧力データは、つなぎ部１６の温度、小端部１８の温度およびカバー部２５２の温度と、圧縮気体Ｇの圧力との相互関係を示しているデータである。冷却速度データは、温度−圧力データの計時変化に基づいて算出される、つなぎ部１６、小端部１８およびカバー部２５２における冷却速度のデータである。

温度−圧力データおよび冷却速度データは、例えば、ワーク１０を実際に使用し、高周波発生装置２２６の作動条件や、圧縮気体Ｇの圧力を変更したテストによって、つなぎ部１６の温度、小端部１８の温度、カバー部２５２の温度の経時変化を実測することで、取得される。

制御装置２８０は、温度検出手段２４０によって検出されるつなぎ部１６の温度に基づき、データベースを利用し、小端部１８の冷却速度を適正に維持するための圧縮気体Ｇの圧力を取得し、レギュレータ２７０を制御する。レギュレータ２７０は、制御装置２８０の指示にしたがい、圧縮気体Ｇの圧力を適正な値に維持する。

したがって、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。特に、つなぎ部１６の検出温度に基づいて、圧縮気体Ｇの圧力を自動的に微調整可能で有るため、量産ラインにおいて、寸法バラツキが大きい鍛造素材からなるワーク１０が適用される場合であっても、良好な精度かつ安定した焼入れ範囲を確保でき、また、多品種少量生産に容易に対応することが可能である。

次に、実施の形態２に係る高周波熱処理方法を説明する。図８は、実施の形態２に係る高周波熱処理方法の急冷工程における温度制御を説明するためのフローチャートである。

まず、ワーク１０が、鍛造工程から焼入れ工程に投入される。アクチュエータ２１４，２１９は、チャック部２１２，２１７を駆動し、大端部１１および小端部１８を把持し、固定する。連接部１５は、誘導加熱コイル２２４の内側に位置決めされる。この際、チャック部２１７に取付けられているカバー部２５２は、小端部１８に密着しかつ覆うように配置される。

高周波発生装置２２６は、誘導加熱コイル２２４に電流を流し、連接部１５の加熱を開始する。この際、実施の形態１の場合と異なり、小端部１８の温度は、特に、調整されない。

その後、ワーク１０の連接部１５が焼入れ温度に到達すると、プロセスは、急冷工程に移行する。

急冷工程においては、電磁弁２３６が開に設定され、ポンプ２３７は、ジャケット２３３に対する冷却媒体Ｃ_１の供給を開始する。ジャケット２３３のノズル２３４は、把持手段によって固定されたワーク１０の連接部１５に向かって、冷却媒体Ｃ_１を噴射する。

冷却媒体Ｃ_１は、ワーク１０の連接部１５を、適当な冷却速度で急冷し、結晶構造を変えて、硬化させる。この際、カバー部２５２は、小端部１８を密着して覆っているため、飛散あるいは流れ落ちる冷却媒体Ｃ_１は、小端部１８と直接接触しないため、小端部１８の冷却速度は、連接部１５に比べ、穏やかとなる。

一方、制御装置１８０は、記憶部１８２に格納されているデータベースを利用し、つなぎ部１６の基準温度および圧縮気体Ｇの基準圧力を取得する。

つなぎ部１６の基準温度および圧縮気体Ｇの基準圧力は、小端部１８が非焼入れ状態に維持され、かつ、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避けることを可能とする、つなぎ部１６の温度および圧縮気体Ｇの圧力の計算値である。

レギュレータ２７０は、制御装置２８０によって制御され、カバー部２５２の周囲に配置されるノズル２６３に供給される圧縮気体Ｇの圧力を、基準圧力に一致させる。

温度検出手段２４０は、制御装置２８０に対し、つなぎ部１６の検出温度の送信を、開始する。制御装置２８０は、つなぎ部１６の検出温度を受信すると（Ｓ２０１）、基準温度と比較する（Ｓ２０２）。

つなぎ部１６の検出温度と基準温度とが一致する場合、プロセスは、Ｓ２０８に移行する。

一方、例えば、ワーク１０の寸法バラツキに基づき、つなぎ部１６の検出温度と基準温度とが異なる場合、制御装置２８０は、記憶部２８２に格納されているデータベースを利用し、つなぎ部１６の検出温度に対応するつなぎ部１６の修正冷却速度、つなぎ部１６の修正冷却速度を得るために必要とされる小端部１８の修正冷却速度、小端部１８の修正冷却速度を得るために必要とされるカバー部２５２の修正冷却速度、カバー部２５２の修正冷却速度を得るために必要とされる圧縮気体Ｇの修正圧力を、順次算出する（Ｓ２０３，Ｓ２０４，Ｓ２０５，Ｓ２０６）。

レギュレータ２７０は、制御装置２８０によって制御され、圧縮気体Ｇの圧力を、修正圧力に一致させると（Ｓ２０７）、プロセスは、Ｓ２０８に移行する。

Ｓ２０８においては、電磁弁２６６は開に設定され、カバー部２５２の周囲に配置されるノズル２６３から、圧縮気体Ｇの噴射が開始される。

圧縮気体Ｇの圧力は、以上のように設定されるため、小端部１８を非焼入れ状態に維持し、かつ、連接部１５の境界近傍領域は、焼入れに必要とされる適切な冷却速度が、得られる。つまり、連接部１５の境界近傍領域が、非焼入れ状態となることを避け、所定の焼入れ範囲を確実に得ることが可能である。特に、つなぎ部１６の検出温度に基づいて、圧縮気体Ｇの圧力を自動的に微調整しているため、量産ラインにおいて、寸法バラツキが大きい鍛造素材からなるワーク１０が適用される場合であっても、良好な精度かつ安定した焼入れ範囲が確保され、また、多品種少量生産に容易に対応することが可能である。

以上のように、実施の形態２は、焼入れを必要とする連接部（第１部位）１５に隣接しかつ焼入れが不要である小端部（第２部位）１８を有するワーク（加工物）１０において、焼入れ範囲を安定化させることが可能である高周波熱処理方法および高周波熱処理装置を、提供することができる。

なお、寸法バラツキに基づく小端部１８の温度の微調整は、圧縮気体Ｇの圧力の変更に基づくことに限定されず、圧縮気体Ｇの供給量の変更や、圧縮気体Ｇの圧力および供給量の両者の変更に基づくことも可能である。

カバー部２５２（半割りパーツ２５３，２５６）は、誘導加熱を避けるため非導電性材料から形成されているが、加熱工程の完了後に、カバー部２５２を配置する場合は、非導電性材料から形成されることに限定されない。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、ワーク１０の代表温度は、連接部１５と小端部１８との境界（つなぎ部１６）の温度を利用する形態に限定されず、小端部１８の温度を利用することも可能である。温度検出手段１４０．２４０は、接触式を適用することも可能である。

大端部１１は、小端部１８と同様に第２部位であるが、小端部１８に比べて温度管理条件が緩やかであるため、小端部１８の温度のみを調整としているが、小端部１８および大端部１１の両方の温度を調整することも可能である。この場合、大端部１１と連接部１５との境界（つなぎ部１４）の温度を検出するための温度検出手段と、大端部１１用の焼入れ防止手段とを設けることが可能である。

実施の形態１に係るワークを説明するための平面図である。 図１に示されるワークの側面図である。 実施の形態１に係る高周波熱処理装置を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る高周波熱処理方法の加熱工程における温度制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に係る高周波熱処理装置を説明するための概略図である。 図５に示されるカバー部を説明するための側面図である。 図５に示されるカバー部を説明するための平面図である。 実施の形態２に係る高周波熱処理方法の急冷工程における温度制御を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０・・ワーク、
１１・・大端部、
１２・・半円状部、
１４・・つなぎ部、
１５・・連接部、
１６・・つなぎ部、
１８・・小端部、
１９・・開口部、
１００・・高周波熱処理装置、
１１２・・チャック部、
１１４・・アクチュエータ、
１２４・・誘導加熱コイル、
１２６・・高周波発生装置、
１３３・・ジャケット、
１３４・・ノズル、
１３５・・配管系、
１３６・・電磁弁、
１３７・・ポンプ、
１３８・・レギュレータ、
１３９・・タンク、
１４０・・温度検出手段、
１５２・・冷却ブロック、
１６３・・アクチュエータ、
１６５・・配管系、
１６６・・電磁弁、
１６７・・ポンプ、
１６９・・タンク、
１８０・・制御装置、
１８２・・記憶部、
２００・・高周波熱処理装置、
２１２，２１７・・チャック部、
２１４，２１９・・アクチュエータ、
２２４・・誘導加熱コイル、
２２６・・高周波発生装置、
２３３・・ジャケット、
２３４・・ノズル、
２３５・・配管系、
２３６・・電磁弁、
２３７・・ポンプ、
２３８・・レギュレータ、
２３９・・タンク、
２４０・・温度検出手段、
２５２・・カバー部、
２５３，２５６・・半割りパーツ、
２５４，２５７・・端面、
２５５，２５８・・凹部、
２６３・・ノズル、
２６５・・配管系、
２６６・・電磁弁、
２６７・・コンプレッサ、
２７０・・レギュレータ、
２８０・・制御装置、
２８２・・記憶部
Ｃ_１，Ｃ_２・・冷却媒体、
Ｇ・・圧縮気体。

Claims (26)

1. 焼入れを必要とする第１部位および前記第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物の高周波熱処理方法であって、
   前記第１部位を焼入れする際、前記第１部位と前記第２部位との境界の温度である代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の温度を調整することによって、前記第２部位を非焼入れ状態に維持し、
   前記焼入れは、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱工程と、高周波加熱によって焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷するための急冷工程とを有し、
   前記加熱工程あるいは前記急冷工程において、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度が調整され、
   前記加熱工程に係る前記基準温度は、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱する際における前記代表温度の経時変化のデータからなり、
   前記急冷工程に係る前記基準温度は、焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷する際における前記代表温度の経時変化のデータからなる
   ことを特徴とする高周波熱処理方法。
2. 前記加熱工程において、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度が調整される場合、前記加熱工程において、前記第２部位の温度は、前記代表温度の検出温度に基づいて、変態点以下に維持されるように調整されることを特徴とする請求項１に記載の高周波熱処理方法。
3. 前記加熱工程において、前記第２部位と当接するように配置される非導電性の冷却ブロックに対する伝熱によって、前記第２部位の温度は、変態点以下に維持されることを特徴とする請求項２に記載の高周波熱処理方法。
4. 前記冷却ブロックは、冷却媒体が流れる通路を有することを特徴とする請求項３に記載の高周波熱処理方法。
5. 前記冷却媒体の温度は、前記代表温度の検出温度に基づいて、調整されることを特徴とする請求項４に記載の高周波熱処理方法。
6. 前記急冷工程において、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度が調整される場合、前記急冷工程において、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の冷却速度を低下させることで、前記第２部位の結晶構造が維持されるように調整されることを特徴とする請求項１に記載の高周波熱処理方法。
7. 前記急冷工程において、前記第１部位の周囲に、冷却媒体が噴射されることを特徴とする請求項６に記載の高周波熱処理方法。
8. 前記冷却媒体は、前記第２部位の周囲を覆うように配置されるカバー部によって、前記第２部位との接触が、妨げられることを特徴とする請求項７に記載の高周波熱処理方法。
9. 前記カバー部の周囲に、圧縮気体が噴射されることを特徴とする請求項８に記載の高周波熱処理方法。
10. 前記圧縮気体の圧力は、前記代表温度の検出温度に基づいて、調整されることを特徴とする請求項９に記載の高周波熱処理方法。
11. 前記代表温度の検出は、非接触式であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の高周波熱処理方法。
12. 前記加工物は、内燃機関におけるピストンとクランクシャフトとを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達するために使用されるコンロッドであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の高周波熱処理方法。
13. 前記コンロッドは、本体をなす連接部、前記連接部の一端側に位置する大端部、および、前記連接部の他端側に位置する小端部を有し、
    前記第１部位は、前記連接部であり、前記第２部位は、前記小端部であることを特徴とする請求項１２に記載の高周波熱処理方法。
14. 焼入れを必要とする第１部位および前記第１部位に隣接しかつ焼入れが不要である第２部位を有する加工物の高周波熱処理装置であって、
    前記第１部位を、焼入れするための焼入れ手段、
    前記第１部位と前記第２部位との境界の温度である代表温度を、検出するための温度検出手段、および、
    前記第１部位を前記焼入れ手段によって焼入れする際、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の温度を調整することによって、前記第２部位を非焼入れ状態に維持するための焼入れ防止手段を有し、
    前記焼入れ手段は、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱するための加熱手段と、前記加熱手段によって焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷するための急冷手段とを有し、
    前記焼入れ防止手段は、前記第１部位を前記加熱手段によって焼入れ温度まで加熱する際、あるいは、焼入れ温度に到達した前記第１部位を前記急冷手段によって急冷する際、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度を調整し、
    前記第１部位を前記加熱手段によって焼入れ温度まで加熱する際における前記基準温度は、前記第１部位を焼入れ温度まで高周波加熱する際における前記代表温度の経時変化のデータからなり、
    焼入れ温度に到達した前記第１部位を前記急冷手段によって急冷する際における前記基準温度は、焼入れ温度に到達した前記第１部位を急冷する際における前記代表温度の経時変化のデータからなる
    ことを特徴とする高周波熱処理装置。
15. 前記第１部位を前記加熱手段によって焼入れ温度まで加熱する際、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度を調整する場合、前記焼入れ防止手段は、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の温度を、変態点以下に維持するための冷却手段を有することを特徴とする請求項１４に記載の高周波熱処理装置。
16. 前記冷却手段は、前記第２部位と当接するように配置される非導電性の冷却ブロックを有し、
    前記第２部位の温度は、前記冷却ブロックに対する伝熱によって、変態点以下に維持されることを特徴とする請求項１５に記載の高周波熱処理装置。
17. 前記冷却ブロックは、冷却媒体が流れる通路を有することを特徴とする請求項１６に記載の高周波熱処理装置。
18. 前記冷却手段は、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記冷却媒体の温度を調整するための温度調整手段を有することを特徴とする請求項１７に記載の高周波熱処理装置。
19. 焼入れ温度に到達した前記第１部位を前記急冷手段によって急冷する際、前記代表温度の検出温度がデータベースに含まれる基準温度と一致するように、前記第２部位の温度を調整する場合、前記焼入れ防止手段は、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記第２部位の冷却速度を低下させることで、前記第２部位の結晶構造を維持するための冷却速度調整手段を有することを特徴とする請求項１８に記載の高周波熱処理装置。
20. 前記急冷手段は、前記第１部位の周囲に、冷却媒体を噴射するための噴射手段を有することを特徴とする請求項１９に記載の高周波熱処理装置。
21. 前記冷却速度調整手段は、前記第２部位の周囲を覆うように配置されるカバー部を有することを特徴とする請求項２０に記載の高周波熱処理装置。
22. 前記冷却速度調整手段は、前記カバー部の周囲に、圧縮気体を噴射するための噴射手段を有することを特徴とする請求項２１に記載の高周波熱処理装置。
23. 前記冷却速度調整手段は、前記代表温度の検出温度に基づいて、前記圧縮気体の圧力を調整するための圧力調整手段を有することを特徴とする請求項２２に記載の高周波熱処理装置。
24. 前記温度検出手段は、前記代表温度を、非接触式に検出することを特徴とする請求項１４〜２３のいずれか１項に記載の高周波熱処理装置。
25. 前記加工物は、内燃機関におけるピストンとクランクシャフトとを連結し、ピストンの往復運動をクランクシャフトに伝達するために使用されるコンロッドであることを特徴とする請求項１４〜２４のいずれか１項に記載の高周波熱処理装置。
26. 前記コンロッドは、本体をなす連接部、前記連接部の一端側に位置する大端部、および、前記連接部の他端側に位置する小端部を有し、
    前記第１部位は、前記連接部であり、前記第２部位は、前記小端部であることを特徴とする請求項２５に記載の高周波熱処理装置。

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