JP5297091B2

JP5297091B2 - 凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイル及びこの高周波焼入焼戻コイルを用いた高周波焼入焼戻装置

Info

Publication number: JP5297091B2
Application number: JP2008139176A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　　寛; 秀明片沼; 謙山室
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: JP2009287060A

Description

本発明は、凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイル（高周波焼入処理及び高周波焼戻処理に用いるコイル）及びこの高周波焼入焼戻コイルを用いた高周波焼入焼戻装置に関し、更に詳しくは、一対の側面及び底面を有する凹状多面部を焼入焼戻するのに用いて好適な高周波焼入焼戻コイル及び高周波焼入焼戻装置に関するものである。

一般に、平面部の高周波焼入焼戻は、丸棒の外周面の高周波焼入焼戻の如く丸棒外周面に焼入焼戻コイルを配置して焼入焼戻処理のために高周波誘導加熱する場合に比べて加熱効率が劣り、かつ、平面体表面に均一な硬化層を形成することが困難であるのが実状である。

例えば、図５に示すワーク１００の凹状多面部（互いに対向する一対の側面１０１ａ，１０１ｂ及びこれら一対の側面１０１ａ，１０１ｂ間の底面１０１ｃの３面から成る凹状３面部）１０１を高周波焼入焼戻するに際しては、３面の各々に対応してヘアピン形状の高周波誘導加熱コイル１０２を配置し、それぞれ個別に３面の焼入焼戻を実施するようにしていた。具体的には、例えば、まず第１の工程でヘアピン形状の高周波誘導加熱コイル１０２を用いて右側面１０１ａを焼入して焼戻を行い（図５（Ａ）参照）、次いで第２の工程でヘアピン形状の高周波誘導加熱コイル１０２を用いて左側面１０１ｂを焼入して焼戻を行い（図５（Ｂ）参照）、最後に第３の工程でヘアピン形状の高周波誘導加熱コイル１０２を用いて底面１０１ｃを焼入して焼戻を行なって（図５（Ｃ）参照）、図６に示す如き焼入硬化層Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３を形成するようにしていた。

また、別の事例では、図７（Ａ）に示すように、まず第１の工程で右側面１０１ａを含む右凸部１０３ａと左側面１０１ｂを含む左凸部１０３ｂとの外周全部をそれぞれ取り囲むように作られた高周波誘導加熱コイル１０４により右凸部１０３ａ及び左凸部１０３ｂを同時に高周波誘導加熱して焼入して焼戻した後に、第２の工程で図７（Ｂ）に示すようにヘアピン形状の高周波誘導加熱コイル１０５を用いてワーク１００’の底面１０１ｃを焼入して焼戻を行なって、図８に示す如き焼入硬化層Ｓ_４，Ｓ_５，Ｓ_６を形成するようにしていた。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すようにワーク１００の凹状多面部１０１の例えば３面（側面１０１ａ，１０１ｂ及び底面１０１ｃ）のそれぞれを個別に焼入焼戻してゆく方法においては、焼入焼戻工程が３工程にもおよび、熱処理時間が極めて長くなり時間当たりの生産能力が著しく低いという欠点があった。従って、時間当たりの生産数量が低く、その分だけコストアップの原因となっていた。

また、高周波焼入焼戻を行なう熱処理設備も３工程分の焼入焼戻ステーションが必要であり、設備自体が大型化するとともにイニシャルコストも増大するという欠点があった。

さらに、１台の設備で複数のワークの熱処理を行なう場合、段取り替えが当然必要になるが、３工程分の段取り替えは、高周波誘導加熱コイルや治具の交換が複雑で多大な時間を必要とするものであった。

熱処理品質の面では、先に焼入焼戻した部位が後に焼入焼戻を行なう部位からの熱影響を受けて過大な焼戻となり軟化するという問題もあり（図９（Ａ）の軟化部Ｗ_１，Ｗ_２、及び図９（Ｂ）の軟化部Ｗ_３，Ｗ_４参照）、先の焼入硬化層に近接して後の焼入を行なうことができず、先の焼入焼戻部分と後の焼入焼戻部分の間に焼入れされない部分が発生し、その部分で異常磨耗が発生するなどの問題もあった。

本発明は、上述の如き種々の実状を勘案してなされたものであって、その目的は、従来の高周波焼入技術では不得意とする凹状多面部（複数の平面部）の高周波焼入焼戻において、全ての焼入焼戻部位を１回の焼入焼戻操作で完了させることにより生産性の飛躍的な向上を図ることができ、また設備の省スペース化により設備のイニシャルコストを低減させることができると共に、凹状多面部の同時焼入を行なうことにより焼入されない部分をなくし、熱処理品質の向上を図ることができる高周波焼入焼戻コイル及びこの高周波焼入焼戻コイルを用いた高周波焼入焼戻装置を提供することにある。すなわち、本発明は、生産性の飛躍的な向上、設備の省スペース化とコストの低減、さらに熱処理品質の向上を目的としたものである。

上述の目的を達成するために、本発明に係る凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルでは、一対の給電導体部と、前記一対の給電導体部にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第１及び第２の加熱導体部と、前記第１及び第２の加熱導体部にそれぞれ接続された第１及び第２の接続導体部と、前記第１及び第２の接続導体部にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第３及び第４の加熱導体部と、前記第３及び第４の加熱導体部を互いに接続する第３の接続導体部とから成り、高周波焼入焼戻を行なうべき凹状多面部の互いに対向する一対の側面のうちの一方の側面に前記第１及び第３の加熱導体部を対向配置し、かつ、前記一対の側面のうちの他方の側面に前記第２及び第４の加熱導体部を対向配置すると共に、前記凹状多面部の底面に前記第１及び第２の加熱導体部を対向配置し、前記第１及び第２の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流し、前記第３及び第４の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流すと共に、前記第１及び第３の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流し、前記第２及び第４の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流すようにしている。
また、本発明に係る凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルでは、前記第１，第２，第３，及び第４の加熱導体部の長さは、焼入焼戻部分である前記凹状多面部の長さより長く、前記焼入焼戻部分の長さの１．５倍〜４倍であるようにしている。
また、本発明に係る凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルでは、前記凹状多面部は、前記底面の部分が前記一対の側面の部分よりも大きな質量を有し、前記底面の部分に対応配置される前記第１及び第２の加熱導体部にのみ磁束集中材を配置して、前記底面の部分に対する加熱を前記一対の側面の部分における加熱よりも強くするようにしている。
また、本発明に係る高周波誘導加熱装置では、請求項１乃至３の何れか１項に記載の高周波焼入焼戻コイルを用いて、前記凹状多面部の一対の側面及び底面を高周波焼入焼戻するための高周波誘導加熱に使用する高周波電流の周波数を、２００ＫＨｚ〜３０ＫＨｚとするようにしている。

請求項１に記載の本発明に係る高周波焼入焼戻コイルは、一対の給電導体部と、一対の給電導体部にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第１及び第２の加熱導体部と、第１及び第２の加熱導体部にそれぞれ接続された第１及び第２の接続導体部と、第１及び第２の接続導体部にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第３及び第４の加熱導体部と、第３及び第４の加熱導体部を互いに接続する第３の接続導体部とから成り、高周波焼入焼戻を行なうべき凹状多面部の互いに対向する一対の側面のうちの一方の側面に第１及び第３の加熱導体部を対向配置し、かつ、一対の側面のうちの他方の側面に第２及び第４の加熱導体部を対向配置すると共に、凹状多面部の底面に第１及び第２の加熱導体部を対向配置し、第１及び第２の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流し、第３及び第４の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流すと共に、第１及び第３の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流し、第２及び第４の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流すようにしたものであるから、これにより、各加熱導体部はヘアピン形状のコイルを構成することとなって、高周波電流によって発生した磁束が有効に作用することとなるため、各凹状多面部の焼入加熱が良好に行なわれ得る。そのため、従来の高周波焼入技術では不得意とする凹状多面部（複数の平面部）の高周波焼入焼戻において、全ての焼入焼戻部位を１回の焼入焼戻操作で完了させることにより生産性の飛躍的な向上を図ることができ、また設備の省スペース化により設備のイニシャルコストを低減させることができると共に、凹状多面部の同時焼入を行なうことにより焼入されない部分をなくし、熱処理品質の向上を図ることができる。

また、請求項２に記載の本発明に係る凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルは、第１，第２，第３，及び第４の加熱導体部の長さは、焼入焼戻部分である凹状多面部の長さより長く、焼入焼戻部分の長さの１．５倍〜４倍であるようにしたものであるから、各加熱導体部を接続している接続導体部分（第１，第２，及び第３の接続導体の部分、並びに、第１及び第２の加熱導体に接続している給電導体部分）で発生する縦方向の磁束が凹状多面部の焼入焼戻部分に作用して溶解或いは過熱を起こすのを防止することができる。

また、請求項３に記載の本発明に係る凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルは、凹状多面部のうちで質量が最大である底部部分に対応配置される第１及び第２の加熱導体部にのみ磁束集中材を配置し、凹状多面部を有するワークの質量に応じて高周波電流により発生する磁束密度に疎密を設けるようにしたものであるから、凹状多面部の両側部分に質量が相対的に小さく、凹状多面部の底面部分の質量が相対的に大きな場合に、均等な焼入硬化層を得ることが可能である。すなわち、相対的に質量の小さい凹状多面部の両側部分においては、高周波加熱による発熱の逃げ場がないため熱が飽和し、過熱状態になり易い。反面、凹状多面部の底部部分では質量が大きく高周波加熱による発熱が熱伝達により逃げてなかなか温度上昇しないという現象がある。このような、質量の大きく異なる部位を均等に加熱されるようにするために、本発明では、質量の相対的に大きな凹状多面部の底部部分に対応配置される第１及び第２の加熱導体部にのみ、磁束集中材を配置して、質量の相対的に大きな底部部分の加熱を強くすることにより、均等な焼入硬化層を形成することができる。

また、請求項４に記載の本発明に係る高周波焼入焼戻装置は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルを用いて、凹状多面部の一対の側面及び底面を高周波焼入焼戻するための高周波誘導加熱に使用する高周波電流の周波数を、２００ＫＨｚ〜３０ＫＨｚとし、好ましくは５０ＫＨｚ〜３０ＫＨｚとするようにしたものであるから、実用性を有する高周波焼入焼戻装置を提供することができる。その理由は、次の通りである。すなわち、高周波焼入れにおいて高周波電流の周波数により焼入硬化層深さが決定されることが一般的に知られている。これは、高周波電流のワークヘの浸透深さが周波数により異なるという現象を利用しており、焼入硬化層深さは、２００ＫＨｚでは１．２ｍｍ、３ＫＨｚでは１０ｍｍである。また、周波数による焼入硬化層の決定と共に、テクニックとして高い周波数（浅い硬化層）での深い焼入れ、低い周波数（深い硬化層）での浅い焼入れがある程度は可能であることは高周波に携わるものであれば周知の事実である。一方、凹状多面部の高周波焼入では、テクニックを使えば２００ＫＨｚでの焼入も可能である。２００ＫＨｚでは、表面温度が高く、鋭角部での温度集中が大きくなるので、これを緩和するためのテクニックとして、投入電力を下げて加熱時間を長くする。反対に低い周波数、例えば２０ＫＨｚでは、表面温度が上がり難くなるので、投入電力を大きくして加熱時間を短くする。しかし、周波数が低くなるとコイル電流が大きくなり高周波誘導加熱コイルの耐久性に大きな影響がある。以上のことより、適切な加熱温度、熱処理サイクルにあった加熱時間が得られる周波数として５０ＫＨｚ〜３０ＫＨｚ、さらに、熱処理品質に大きな影響を与えずに、許容できる表面温度、熱処理サイクルの許容される範囲として周波数を２００ＫＨｚ〜３０ＫＨｚに設定しているのである。

図１は、本発明の一実施形態に係る高周波焼入焼戻コイル１を示しており、この高周波焼入焼戻コイル１とこの高周波焼入焼戻コイル１に高周波波電源を供給する図外の電源とにより本発明の一実施形態に係る高周波焼入焼戻装置が構成されている。なお、本実施形態の高周波焼入焼戻コイル１は、直方体の幅方向の中央部にコ字形状の凹状多面部（凹状３面部）２を有するワーク３のうち、前記凹状多面部２を構成する互いに平行な一対の側面４，５，及び底面６の凹状３面部を高周波焼入焼戻するために使用されるものである。

上述の高周波焼入焼戻コイル１は、一連の角パイプ或いは丸パイプから成る高周波誘導加熱コイルであって、図１に示す如く、一対の給電導体部（リード部）１２，１３と、これら一対の給電導体部１２，１３にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第１及び第２の加熱導体部１４，１５と、これらの第１及び第２の加熱導体部１４，１５にそれぞれ接続された第１及び第２の接続導体部１６，１７と、これらの第１及び第２の接続導体部１６，１７にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第３及び第４の加熱導体部１８，１９と、これらの第３及び第４の加熱導体部１８，１９を互いに接続する第３の接続導体部２０とから構成されている。なお、給電導体部１２は、直線部１２ａと、この直線部１２ａに対して屈曲されて第１の加熱導体部１４に接続された屈曲部１２ｂとから成り、給電導体部１３は、直線部１３ａと、この直線部１３ａに対して屈曲されて第２の加熱導体部１５に接続された屈曲部１３ｂとから成り、上述の直線部１２ａ，１３ａの間には絶縁板（図示せず）が介在されている。

そして、本実施形態においては、第１の加熱導体部１４と第３の加熱導体部１８とが互いに平行に配置されると共に、第２の加熱導体部１５と第３の加熱導体部１９とが互いに平行に配置されている。また。給電導体部１２，１３の屈曲部１２ｂ，１３ｂは、同一の直線上に沿って延びており、上述の第３の接続導体２０と平行に延びている。さらに、第１及び第２の接続導体部１６，１７は、互いに平行に配置されており、第１の接続導体部１６は、第１及び第３の加熱導体部１４，１８に対してそれぞれ直角となされ、第２の接続導体部１７は、第２及び第４の加熱導体部１５，１９に対してそれぞれ直角となされている。

また、図１及び図２に示すように、上述の第１，第２，第３，及び第４の加熱導体部１４，１５，１８，１９の長さＭは、焼入焼戻部分である凹状多面部２すなわちワーク３の凹部の一対の側面４，５及び底面６（凹状３面部）の長さＮより長く、焼入焼戻部分の長さＮの１．５倍〜４倍（Ｍ＝Ｎ×１．５〜Ｍ＝Ｎ×４））に設定されている。

さらに、図２及び図３に示すように、凹状３面部（一対の側面４，５及び底面６）のうちで質量が最大である底面６の部分に対応配置される第１及び第２の加熱導体部１４，１５にのみ磁束集中材２１（図１では図示省略）が配置されており、これにより、凹状多面部を有するワークの質量に応じて高周波電流により発生する磁束密度に疎密が設けられている。

一方、上述の凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイル１を備えた高周波焼入焼戻装置にあっては、高周波焼入焼戻コイル１の給電導体部１２，１３に接続された高周波電源（図示せず）が設けられており、凹状多面部２の一対の側面４，５及び底面６を高周波焼入焼戻するための高周波誘導加熱に使用する高周波電源の高周波電流の周波数は、２００ＫＨｚ〜３０ＫＨｚであり、好ましくは５０ＫＨｚ〜３０ＫＨｚであるように設定されている。

ワーク３の凹状多面部２を高周波焼入焼戻を行うに際しては、図１及び図３に示すように、高周波焼入焼戻を行なうべき凹状多面部２の互いに対向する一対の側面４，５のうちの一方の側面４に前記第１及び第３の加熱導体部１４，１８を対向配置し、かつ、一対の側面４，５のうちの他方の側面５に第２及び第４の加熱導体部１５，１９を対向配置すると共に、凹状多面部２の底面６に第１及び第２の加熱導体部１４，１５を対向配置した状態にする。このような状態の下で、図外の高周波電源から高周波焼入焼戻コイル１の給電導体部１２，１３に高周波電流を供給すると、ある瞬間には、図３に示すように、第１及び第２の加熱導体部１４，１５に互いに反対方向の高周波電流が流され、第３及び第４の加熱導体部１８，１９に互いに反対方向の高周波電流が流されると共に、第１及び第３の加熱導体部１４，１８に互いに反対方向の高周波電流が流され、第２及び第４の加熱導体部１５，１９に互いに反対方向の高周波電流が流される。なお、図３において、（・）で示す電流の方向は紙面の裏側から表側に向かう方向であり、（×）で示す電流の方向は紙面の表側から裏側に向かう方向である。そして、次の瞬間には、上記とは反対の向きに電流される。かくして、電流の向きが交互に切換えられ、一対の側面４，５及び底面６が焼入処理又は焼戻処理のために高周波誘導加熱される。

図４（Ａ）は、ワーク３’の凹状多面部２のすみＲ部（角部）α，βに焼逃がし部を設けた硬化層パターンの一例を示し、図４（Ｂ）は、ワーク３の凹状多面部２のすみＲ部α，βに焼入・焼戻を施した硬化層パターンの一例を示している。

図４（Ａ）に示す事例での焼入焼戻条件の一例を挙げると以下の通りである。なお、この場合、第１，第２，第３，及び第４の加熱導体部１４，１５，１８，１９の長さＭは、焼入焼戻部分の長さＮの３．５倍（すなわち、Ｍ＝Ｎ×３．５）に設定した。
焼入条件周波数：３０ｋＨｚ
電力：３３ｋＷ
加熱時間：４．０ｓｅｃ
空冷時間：１．０ｓｅｃ
冷却時間：５．０ｓｅｃ
加熱温度：８５０℃〜９００℃
焼戻条件周波数：３０ｋＨｚ
電力：３．２ｋＷ
加熱時間：４．０ｓｅｃ
空冷時間：４．０ｓｅｃ
冷却時間：３．０ｓｅｃ
加熱温度：１９５℃〜２０５℃

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焼入焼戻コイル１を角パイプ或いは丸パイプにて構成するようにしているが、必ずしもこれにこだわることはなく、一体の削りだし加工のものを用いても良い。また、凹状多面部２の一対の側面４，５は垂直面ではなく、傾斜面であっても本発明の高周波焼入焼戻コイル及び装置を適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る高周波焼入焼戻コイルをワークの凹状多面部内に配置した状態を示す斜視図ある。図１の高周波焼入焼戻コイル及びワームを側面から見た側面図である。図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。本発明の一実施形態に係る高周波焼入焼戻コイルを用いて得られた硬化層パターンを示すものであって、図４（Ａ）はワークの凹状多面部のすみＲ部（角部）に焼逃がし部を設けた硬化層パターンを示す図、図４（ｂ）はワークの凹状多面部のすみＲ部（角部）に焼入焼戻を施した硬化層パターンを示す図である。ワークの凹状多面部を焼入焼戻する場合の従来例を示すものであって、５（Ａ）はヘアピン形状の高周波誘導加熱コイルにて凹状多面部の右側面を高周波誘導加熱している状態を示す斜視図、図５（Ｂ）は前記凹状多面部の左側面を高周波誘導加熱している状態を示す斜視図、図５（Ｃ）は前記凹状多面部の底面を高周波誘導加熱している状態を示す斜視図である。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す手順にて凹状多面部を高周波誘導加熱して冷却して得られた硬化層パターンを示す図である。ワークの凹状多面部を焼入焼戻する場合の別の従来例を示すものであって、図７（Ａ）はワークの凹状多面部の右側面を含む右凸部とその左側面を含む左凸部との外周全部をそれぞれ取り囲むように作られた高周波誘導加熱コイルで右突部及び左凸部を両方を高周波誘導加熱している状態を示す斜視図、図７（Ｂ）はワークの凹状多面部の底面をヘアピン形状の高周波誘導加熱コイルにて高周波誘導加熱している状態を示す斜視図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す手順にて凹状多面部を高周波誘導加熱して冷却して得られた硬化層パターンを示す図である。先に焼入焼戻した部位が後に焼入焼戻を行なう部位からの熱影響を受けて過大な焼戻となり軟化することを示す図であって、図９（Ａ）は５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す手順によって焼入焼戻を行う場合の軟化箇所を示す図、図９（Ｂ）は図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す手順によって焼入焼戻を行う場合の軟化箇所を示す図である。

符号の説明

１高周波焼入焼戻コイル
２凹状多面部
３ワーク
４，５側面
６底面
１２，１３給電導体部
１４第１の加熱導体部
１５第２の加熱導体部
１６第１の接続導体部
１７第２の接続導体部
１８第３の加熱導体部
１９第４の加熱導体部
２０第３の接続導体部
α，β すみＲ部（角部）

Claims

一対の給電導体部と、前記一対の給電導体部にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第１及び第２の加熱導体部と、前記第１及び第２の加熱導体部にそれぞれ接続された第１及び第２の接続導体部と、前記第１及び第２の接続導体部にそれぞれ接続されて互いに平行に対向して延びる第３及び第４の加熱導体部と、前記第３及び第４の加熱導体部を互いに接続する第３の接続導体部とから成り、
高周波焼入焼戻を行なうべき凹状多面部の互いに対向する一対の側面のうちの一方の側面に前記第１及び第３の加熱導体部を対向配置し、かつ、前記一対の側面のうちの他方の側面に前記第２及び第４の加熱導体部を対向配置すると共に、前記凹状多面部の底面に前記第１及び第２の加熱導体部を対向配置し、
前記第１及び第２の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流し、前記第３及び第４の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流すと共に、前記第１及び第３の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流し、前記第２及び第４の加熱導体部に互いに反対方向の高周波電流を流すようにしたこと、
を特徴とする凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイル。
前記第１，第２，第３，及び第４の加熱導体部の長さは、焼入焼戻部分である前記凹状多面部の長さより長く、前記焼入焼戻部分の長さの１．５倍〜４倍であることを特徴とする請求項１に記載の凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイル。
前記凹状多面部は、前記底面の部分が前記一対の側面の部分よりも大きな質量を有し、前記底面の部分に対応配置される前記第１及び第２の加熱導体部にのみ磁束集中材を配置して、前記底面の部分に対する加熱を前記一対の側面の部分における加熱よりも強くするようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイル。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の凹状多面部用の高周波焼入焼戻コイルを用いて、前記凹状多面部の一対の側面及び底面を高周波焼入焼戻するための高周波誘導加熱に使用する高周波電流の周波数を２００ＫＨｚ〜３０ＫＨｚとするようにしたことを特徴とする高周波焼入焼戻装置。