JP5096387B2 - 高周波焼入方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼部材を焼入処理するための高周波焼入方法に関する。

一般に、鉄鋼部材に高周波焼入を行う際、高周波誘導加熱によって焼入温度まで加熱した後の冷却工程においては、水溶性焼入液を冷却ジャケットの多数の噴射孔から噴射する方法が多く採用されている。或いは、水槽に貯められた水溶性焼入液に浸漬するようにする場合もある。公知技術としては、例えば、特開２０００−２９０７２５号（特許文献１）や特開２００３−０２７１３１号（特許文献２）が挙げられる。

特開２０００−２９０７２５号公報 特開２００３−０２７１３１号公報

図２は、一般的な高周波焼入を行う場合の温度サイクル（加熱−冷却温度サイクル）を示すものである。この場合、高周波焼入処理に際しては、Ｔ１秒間にわたり被処理物（鉄鋼部材）を所要の焼入温度まで高周波誘導加熱した後に、（Ｔ２＋Ｔ３'＋Ｔ４'）秒間にわたり冷却される（図２の温度−時間曲線ｃ１，ｃ２，ｃ３'，ｃ４'参照）。図２の温度サイクルにおいて、加熱終了直後の焼入温度からマルテンサイト変態開始温度（以下、Ｍｓ点と称する）までの間の温度域を臨界区域と呼び、Ｍｓ点からマルテンサイト変態完了温度（以下、Ｍｆ点と称する）までの温度域を危険区域と呼ぶ。適正な焼入品質を得るためには、臨界区域では時間Ｔ２を極力短く、すなわち、冷却速度を大きくして急速冷却し、危険区域では時間Ｔ３'を長くとって冷却速度を小さくし、緩やかに冷却することが焼入冷却時の一般的な温度サイクルである。このように、危険区域で冷却速度を小さくするのは、マルテンサイト変態を緩やかに進行させて、マルテンサイト変態時の変態応力などによる所謂"焼割れ"の発生を防止するためである。なお、図２において、縦軸にＭｆ９０％とあるのは９０％マルテンサイト変態完了温度であり、Ｍｆ１００％とあるのは１００％マルテンサイト変態が完了する温度であり、それらの温度は被処理物である鉄鋼部材の材質の成分により異なる。

ところで、高周波焼入工程における高周波誘導加熱時には、被処理物の鋭角部は高周波誘導加熱の特性の一つであるエッジ効果によって加熱され易く、薄肉部などの体積の小さい領域は体積の大きな他の厚肉部に比べて加熱温度が高くなる。

また、高周波誘導加熱後の焼入冷却工程においては、体積の小さな領域である鋭角部や薄肉部は厚肉部に比べて熱容量も小さいので冷却による温度降下が早く、被処理領域内で冷却速度に差が生じる。このように鋭角部、薄肉部と厚肉部とでは、加熱中は熱応力の差が大きく、更に、冷却開始時の温度差と、蓄熱量の差によって生じる冷却速度の差に起因するマルテンサイト変態時の変態応力の差との合成で、鋭角部、薄肉部といった剛性の低い領域に焼割れが発生することがある。

図３は、鉄鋼部材の一例である４気筒クランクシャフト１を示すものである。このクランクシャフト１は、クランクシャフト１の軸線Ｘに沿って配列されたジャーナル部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５と、これらのジャーナル部に隣接するカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２，ＣＷ３，ＣＷ４，ＣＷ５，ＣＷ６，ＣＷ７，ＣＷ８と、互いに対向配置された一対のカウンターウエイト部の間に位置するピン部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とからなる。そして、一対のピン部Ｐ１，Ｐ４は共通の軸線Ｙ１を有し、他の一対のピン部Ｐ２，Ｐ３は共通の軸線Ｙ２を有する。なお、これらの２本の軸線Ｙ１，Ｙ２はジャーナル部の軸線Ｘから互いに等距離だけ離れており、ピン部Ｐ１，Ｐ４とピン部Ｐ２，Ｐ３とは軸線Ｘの周りに互いに１８０度ずれて配置されている。

ジャーナル部は、ジャーナル部Ｊ１を除き、各ジャーナル部、例えばジャーナル部Ｊ２は図３及び図４に示すようにカウンターウエイト部ＣＷ２とカウンターウエイト部ＣＷ３との間に挟まれており、軸線Ｘを中心とした円周方向でその形状がほぼ一様で、肉厚の差、体積の差が少なく、また加熱され易い鋭角部などがないため、高周波誘導加熱時の各部の温度は均一であり、しかも冷却速度の差も生じにくいので、焼割れが発生する可能性は低い。

ところが、ピン部、例えばピン部Ｐ１においては、トップ側Ｔ（図４に示す如く軸線Ｘから相対的に遠い部分）ではカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２の厚さＷ１，Ｗ１が軸線Ｘから離れるにつれて徐々に薄くなってＷ２，Ｗ２となり、ボトム側Ｂ（図４に示す如く軸線Ｘから相対的に近い部分）の近傍の厚さＷ１，Ｗ１に比べて相対的に薄くなる（図４参照）。そして、厚さＷ２，Ｗ２となったカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２の終端部分がエッジ状になってピン部Ｐ１に隣接している。一方、ボトム側Ｂではカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２の厚さはＷ１，Ｗ１のまま一定である。このように、ピン部Ｐ１は、軸線Ｙ１を中心とした円周方向でその形状が一様ではなく、体積差を有する。

前記ピン部Ｐ１にクロスハッチングで示すようにフィレットＲ部まで焼入硬化層Ｈを形成させる場合（フィレットＲ焼入を行う場合）に、従来の高周波焼入方法を適用すると、以下のようになる。

高周波誘導加熱によって焼入温度まで加熱する工程では、ピン部Ｐ１のトップ側Ｔのピン部Ｐ１に隣接しているカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２のエッジ状になった厚さＷ２，Ｗ２の部分及びその近傍箇所は、高周波誘導加熱の特性であるエッジ効果により温度が上がり易い。従って、カウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２のエッジ状になった厚さＷ２，Ｗ２の部分及びその近傍箇所が他の加熱領域の温度より高くなる傾向になることは不可避である。

高周波誘導加熱完了後の焼入冷却工程では、トップ側Ｔは、ボトム側Ｂよりも体積が小さく、熱容量も小さいため、ボトム側Ｂよりも冷却速度が大きくなる傾向が現れる。特に、高周波誘導加熱工程で他の加熱領域よりも温度が高くなるエッジ状になった厚さＷ２，Ｗ２の部分及びその近傍箇所に関してはその傾向はより顕著に現れる。一方、体積の大きなボトム側Ｂの領域は、体積の大きなカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２に蓄熱しているため、トップ側Ｔに比べて冷却速度が相対的に小さくなる。その結果、トップ側Ｔの、特にエッジ状になった厚さＷ２，Ｗ２の部分及びその近傍箇所とボトム側Ｂとでは冷却速度に大きく差が生じるため、前述した理由によりエッジ状の領域近傍に焼割れが発生することがある。

前記ピン部Ｐ１を有するクランクシャフト１のように、被処理物が鋭角部や、薄肉部を有する複雑な形状のものである場合、焼割れの発生を防止するために前記危険区域における冷却速度を小さくする必要がある。なお、従来は、冷却速度の調整は、水溶性焼入液（以下、焼入液と称する）の濃度を変更することが一般的であり、焼入液の濃度が上がるほど冷却速度は小さくなる。

前記発生理由による焼割れは、従来の高周波焼入方法においては、焼入液の濃度を上げることで回避されてきたが、焼入液の濃度を上げると、適正な焼入硬さを得るために急速冷却を必要とする臨界区域の冷却速度も小さくなるため、焼入品質上好ましくない。また、焼入液の濃度に比例して粘度が高くなることで、焼入完了後の被処理物に付着する焼入液の量が多くなり焼入液の持ち出し量が増える、作業性が低下する、付着した焼入液を焼入後に除去するための洗浄工程が必要になるといった問題がある。さらに、焼入液の濃度を上げるため、使用する焼入液の原液も増加するのでランニングコストも高くなるという不具合もある。

本発明は、上述の如き実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、焼割れが発生し易い鉄鋼部材に焼割れを生じるのを回避しながら適正な高周波焼入処理をすることができる高周波焼入方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、鉄鋼材料からなる被処理領域を高周波誘導加熱コイルにより焼入温度まで加熱した後に、前記被処理領域を冷却する高周波焼入方法において、前記被処理領域の冷却過程で前記高周波誘導加熱コイルにより前記被処理領域を再加熱して冷却速度を制御することを特徴とする。

また、本発明において、前記被処理領域の冷却開始直後の臨界区域は冷却のみを行い、マルテンサイト変態が進行する危険区域に前記再加熱を行うことが好適である。

本発明に係る高周波焼入方法によれば、被処理物を焼入温度まで加熱する高周波誘導加熱コイルにより、被処理物の冷却過程で再加熱することで、既存の設備を利用して冷却速度を制御できる。これにより、例えば、臨界区域における冷却速度を小さくすることなく危険区域における冷却速度を小さくすることができ、鋭角部や薄肉部を有する被処理物に適正な焼入硬さを付与することができると共に、焼割れの発生を回避して良好な焼入品質を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る高周波焼入方法を実施する際の加熱−冷却温度サイクルを示すグラフである。 従来の高周波焼入方法を実施する際の加熱−冷却温度サイクルを示すグラフである。 被処理物としてのクランクシャフトを示す側面図である。 被処理物としてのクランクシャフトのピン部を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る高周波焼入方法について図１を参照して説明する。なお、以下の説明において、図２〜図４と同様の部分には同一の符号を用いるものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係る高周波焼入方法を実施する際の温度サイクル（加熱−冷却温度サイクル）を示している。この場合には、図１に示すように、常温の被処理物（鉄鋼材料）をＴ１秒間にわたり高周波誘導加熱して所要の焼入温度まで加熱した後に、冷却手段により（Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）秒間にわたり冷却を行うことにより、被処理物に焼入硬化層を形成させる工程の中で、臨界区域の冷却時間に相当するＴ２秒間は冷却のみを行う。そして、臨界区域の冷却を完了した後の危険区域での冷却時に、被処理物の材質，寸法，形状に応じて適宜に調整された高周波出力でＴ３秒間にわたり冷却しながら高周波誘導加熱を実施する。なお、高周波誘導加熱を行う時間Ｔ３秒は被処理物の材質，寸法，形状により決定される値である。

ここで、具体的な一例として、クランクシャフト１のピン部Ｐ１に、図４においてクロスハッチングで示す焼入硬化層Ｈを形成させるために高周波焼入を行う場合について説明する。

図４のクランクシャフト１のピン部Ｐ１は前述した通り、トップ側Ｔではカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２の厚さＷ１，Ｗ１が徐々に薄くなってＷ２，Ｗ２となり、ボトム側Ｂの近傍の厚さＷ１，Ｗ１に比べて相対的に薄くなる。そして、厚さがＷ２，Ｗ２となったカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２の終端部分がエッジ状になってピン部Ｐ１に隣接している。一方、ボトム側Ｂではカウンターウエイト部ＣＷ１，ＣＷ２の厚さはＷ１，Ｗ１のまま一定である。このようにピン部Ｐ１は軸線Ｙ１を中心とした円周方向でその形状が一様ではなく体積差を有する。

高周波焼入処理のためにピン部Ｐ１を高周波誘導加熱するに際しては、ピン部Ｐ１の円筒状表面の略１／２周に対向する半開放鞍型高周波誘導加熱コイル（図示せず）をピン部Ｐ１の円筒状表面から僅かな間隔を隔ててピン部Ｐ１上に載置すると共に、クランクシャフト１をその中心軸Ｘを中心に回転させ、前記中心軸Ｘの周りに回動するピン部Ｐ１に前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルを追従させながら焼入必要領域をＴ１秒間にわたり高周波誘導加熱して所要の焼入温度まで昇温させる（図１の温度−時間曲線ｃ１参照）。

この際、カウンターウエイトＣＷ１，ＣＷ２のトップ側Ｔのエッジ状になった厚さＷ２，Ｗ２の部分及びその近傍箇所は、他の領域よりも温度が高くなっている。

上述のようにして高周波誘導加熱により所要の焼入温度にまで加熱した後に、一旦、高周波誘導加熱を止めて、冷却手段により臨界区域をＴ２秒間にわたり急速冷却する（図１の温度−時間曲線ｃ２参照）。

そして、前記Ｔ２秒間にわたる急速冷却の完了後に、危険区域をＴ３秒間にわたり、前記半開放鞍型高周波誘導加熱コイルにより冷却をしながら適宜選択された加熱出力で再び高周波誘導加熱を行う（図１の温度−時間曲線ｃ３参照）。このとき、他の領域よりも冷却速度が大きくなるピン部Ｐ１のトップ側Ｔのエッジ部近傍が高周波誘導加熱の特性（エッジ効果）により他の領域よりも早く加熱されることとなる。従って、冷却速度の大きい領域であるエッジ部近傍箇所において冷却と加熱とを同時に行うため、従来の高周波焼入方法を施行した場合に比べて危険区域における冷却速度を小さくすることができる。

このように危険区域（すなわち、Ｍｓ点からＭｆ点までの時間区域）において冷却しながら高周波誘導加熱することにより、熱容量の小さな領域（エッジ部や薄肉部）の冷却速度を小さくして他の領域の冷却速度に揃えることにより、熱応力の差とマルテンサイト変態時の変態応力の差とをなくして焼割れの発生を防止することができる。

次いで、危険区域における冷却完了後は高周波誘導加熱を止め、Ｔ４秒時間にわたり冷却のみを実施して所望の温度までピン部Ｐ１を冷却し（図１の温度−時間曲線ｃ４参照）、一連の高周波焼入れ処理を完了する。

なお、図１及び図２において、ｃ１は高周波誘導加熱所要の焼入温度に昇温させるときの温度−時間曲線であり、ｃ２は臨界区域での冷却による温度−時間曲線であり、ｃ３は本発明の高周波焼入方法を実施する際の危険区域での温度−時間曲線であり、ｃ３'は従来の高周波焼入方法を実施する際の危険区域での温度−時間曲線であり、ｃ４は本発明の高周波焼入方法を実施する際の危険区域における冷却後の温度−時間曲線であり、ｃ４'は従来の高周波焼入方法を実施する際の危険区域における冷却後の温度−時間曲線である。

以上のように、焼割れが発生しやすいエッジ部や薄肉部を有する被処理物を高周波焼入れするに際し、危険区域において冷却を行いながら高周波誘導加熱を行うようにした本実施形態の高周波焼入方法の利点としては、次のような作用効果が挙げられる。
（１）臨界区域の冷却速度を小さくすることなく、危険区域における冷却速度を小さくすることができる。
（２）焼入液の濃度を上げる必要がないので、焼入処理後における被処理物への焼入液の付着は従来どおりで済むため、焼入液の持ち出し量が増えることもなく、作業性の低下もない。
（３）焼入液の原液の使用量は従来どおりであるので、ランニングコストが増加することもない。

このように、本実施形態に係る高周波焼入方法によれば、焼入液の濃度を上げることなく危険区域の冷却速度を小さくすることができるため、臨界区域の冷却速度は小さくせずに焼割れの発生を防止でき、さらに焼入液の持ち出し量も増えず、作業性も低下しない。また、焼入液の原液の使用量も増えないので、ランニングコストも増加することがない。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。例えば、既述の実施形態では、高周波誘導加熱により所要の焼入温度まで加熱を完了した後の臨界区域において高周波誘導加熱を行わず、危険区域で冷却中に高周波誘導加熱を行っているが、焼入液濃度が低い場合、或いは焼入液として真水を使用する場合には、高周波誘導加熱によって所要の焼入温度まで加熱した後に、臨界区域における冷却中に引き続き高周波誘導加熱を行ってもよい。また、本実施形態では被処理物をクランクシャフト１としているが、それに限定されるものではなく、薄肉部やエッジ部を有する各種の部品にも本発明に係る高周波焼入方法を適用することが可能である。

１ 被処理物としての４気筒クランクシャフト
Ｐ１〜Ｐ４ ピン部
Ｊ１〜Ｊ５ ジャーナル部
ＣＷ１〜ＣＷ８ カウンターウエイト部
Ｈ ピン部に形成された焼入硬化層

Claims (2)

1. 鉄鋼材料からなる被処理領域を高周波誘導加熱コイルにより焼入温度まで加熱した後に、前記被処理領域を冷却する高周波焼入方法において、前記被処理領域の冷却過程で前記高周波誘導加熱コイルにより前記被処理領域を再加熱して冷却速度を制御することを特徴とする高周波焼入方法。
2. 前記被処理領域の冷却開始直後の臨界区域は冷却のみを行い、マルテンサイト変態が進行する危険区域に前記再加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。

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