JP5945106B2

JP5945106B2 - 表面焼入れ層を有する鋼材部品及び鋼材部品に表面焼入れを行う方法

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Publication number: JP5945106B2
Application number: JP2011214965A
Authority: JP
Inventors: 後藤　光宏; 光宏後藤; 繁山野
Original assignee: 富士高周波工業株式会社
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: JP2013076106A

Description

本発明は、表面焼入れ層を有する鋼材部品及び鋼材部品に表面焼入れを行う方法に係り、特に、移動焼入れ法を用いる際に、表面焼入れが重ねて行われることで生じる部分的焼戻しあるいは焼割れを抑制した表面焼入れ層を有する鋼材部品及び鋼材部品に表面焼入れを行う方法に関する。

小さな鋼材部品については、全体を変態点温度以上に加熱した後、所定の冷却速度以上で急冷して焼入れを行うことができる。鋼材部品が大きくなると、全体を加熱しまた急冷することが困難になることがあり、その場合、摩耗等の観点から必要な部位のみ表面から部分焼入れすることが行われる。部分焼入れの方法としては、誘導加熱コイルを鋼材部品の焼入れ部位から所定間隔離して設置し、誘導加熱コイルに高周波電力を供給しながら、鋼材部品の焼入れ部位の上を移動させて、誘導加熱しながら冷却媒体で冷却する移動焼入れ法が用いられる。

例えば、円環状の鋼材部品において内周部分に焼入れを行う場合のように、焼入れ部位が無端状であると、焼入れ開始位置から無端状の延びる方向に沿って移動焼入れを行い、再び焼入れ開始位置の近くに戻ってきたら、焼入れを終了させる。この際、焼入れ開始位置と焼入れ終了位置が重なると、そこで、表面焼入れが重ねて行われることになる。表面焼入れが重ねて行われると、その箇所が部分的に焼戻しされて硬度が低下し、あるいは焼割れが生じる。

そこで、移動焼入れ法では、表面焼入れが重ねて行われないようにソフトゾーンが設けられる。すなわち、焼入れ部が無端状に延びる１つの焼入れ領域を有する場合には、無端状の開始位置における焼入れ端部と無端状の終了位置における焼入れ端部との間の領域であり、主焼入れ部が複数の焼入れ領域を有する場合には、隣接する焼入れ領域の間の領域であるソフトゾーンの領域が設けられる。ソフトゾーンの領域は、所望の焼入れ硬度となっていないので、鋼材部品としては、その領域で摩耗性、耐久性が低下することになる。そこで、ソフトゾーンにおける性能低下を抑制する様々な工夫が提案されている。

例えば、特許文献１には、軸受軌道輪の焼入れ方法として、円環状の軌道面に接近して軌道輪廻りに相反対方向に回転する一対の冷却器付き誘導加熱コイルを配設し、両コイルが接近した状態の位置から加熱急冷を開始して相反対方向に移動焼入れすることが開示されている。そして、相反対方向に移動して再び両コイルが接近して衝合する位置にくると、両コイルによる加熱を止め、両コイルのそれぞれを今までの移動方向と逆方向に離間させ、衝合位置の部分を別の冷却装置で急冷する。これにより、衝合位置にソフトゾーンを形成することなく、軌道全面に均質な焼入れができると述べられている。

また、特許文献２には、無端状の焼入面に沿って加熱コイルを相対的に移動させる連続焼入方法において、焼継ぎ部に形成されるソフトゾーンを斜めに形成することが述べられている。具体的には、焼入開始時には、焼入れ面の無端状に延びる方向に対し直交する方向の一方側から他方側に向かって、無端状に延びる方向に対し傾斜する方向に加熱コイルを移動して傾斜状焼入れを行い、他方端まで移動すると、無端状に延びる方向に焼入れを行う。そして、焼入れ開始時の位置に戻ってきたら、焼入れ開始時の傾斜状焼入れ部分に重ならないように、無端状に延びる方向に対し傾斜する方向に加熱コイルを移動して傾斜状焼入れを行って焼終わりとする。これにより、焼入開始位置と焼入終了位置との間に傾斜したソフトゾーンが形成され、摩耗しやすい部分が無端状に延びる方向に沿って分散させることができる。

なお、本発明に関連する技術として、特許文献３には、ダンパーディスク組立体のスプラインハブに焼入層を形成する際の熱歪みを抑制するため、焼入れ硬化層を部分的に形成することが述べられている。ここでは、高周波焼入れの周波数を４００ｋＨｚ以上に設定することで焼入れ硬化層の深さを６００μｍ以下とできること、また、レーザ焼入れを用いるときは、焼入れ硬化層の深さを３μｍ以上となるようにすることが述べられている。

特開平６−２００３２６号公報特開平５−３３０３４号公報特開平１１−９３９７１号公報

特許文献１，２の方法は、誘導加熱コイルを用いる移動焼入れにおいてソフトゾーンの影響を抑制することができるが、複雑な構成を要する。特許文献３で述べられているレーザ焼入れを用いると、熱歪みが少ないので、場合によっては、ソフトゾーンを設けなくても済む可能性がある。しかし、レーザ焼入れは、誘導加熱コイルによる高周波焼入れに比較して、焼入れ深さがかなり浅いので、適用できる範囲がかなり限定される。

本発明の目的は、移動焼入れ法を用いる際に、表面焼入れが重ねて行われることで生じる部分的焼戻しあるいは焼割れを抑制した表面焼入れ層を有する鋼材部品を提供し、また、移動焼入れ法を用いる際に、表面焼入れが重ねて行われることで生じる部分的焼戻しあるいは焼割れを抑制することを可能とする鋼材部品に表面焼入れを行う方法を提供することである。

本発明に係る表面焼入れ層を有する鋼材部品は、円環状の穴の内周面の周方向に沿った全周に渡る表面焼入れ層の領域として、穴の軸方向周りの回転方向に沿って所定の角度の角度範囲の領域をソフトゾーン部として、ソフトゾーン部を除く角度範囲の領域において予め定めた所定の主焼入れ深さの表面焼入れ層を有する主焼入れ部と、ソフトゾーン部の角度範囲の領域を完全に覆って、主焼入れ深さよりも浅い焼入れ深さの表面焼入れ層を有する副焼入れ部と、を含み、副焼入れ部は、複数の焼入れ領域でソフトゾーン部の角度範囲の領域を完全に覆っていることを特徴とする。

また、本発明に係る鋼材部品に表面焼入れを行う方法は、円環状の穴の内周面の周方向に沿った全周に渡って表面焼入れを行う方法であって、穴の軸方向周りの回転方向に沿って所定の角度の角度範囲の領域をソフトゾーン部として、ソフトゾーン部を除く角度範囲の領域において予め定めた所定の主焼入れ深さで表面焼入れを行う主焼入れ工程と、ソフトゾーン部の角度範囲の領域を完全に覆って、主焼入れ深さよりも浅い焼入れ深さで表面焼入れを行う副焼入れ工程と、を含み、主焼入れ工程は、誘導加熱コイルを鋼材部品に対し相対的に移動しながら高周波焼入れを行い、副焼入れ工程は、ソフトゾーン部にレーザ光を照射してレーザ焼入れを行うことを特徴とする。

本発明に係る表面焼入れ層を有する鋼材部品及び鋼材部品に表面焼入れを行う方法によれば、移動焼入れ法を用いる際に、表面焼入れが重ねて行われることで生じる部分的焼戻し、焼割れを抑制することができる。

本発明に係る実施の形態における主焼入れ部と副焼入れ部を有する鋼材部品を示す図である。図１の鋼材部品において、まず主焼入れを行ったときの様子を示す拡大図である。図２の主焼入れを行った後、副焼入れを行ったときの様子を示す拡大図である。本発明に係る実施の形態の効果を説明するために、ソフトゾーン部を設けて主焼入れを行った鋼材部品の断面図である。図４における硬度分布を示す図である。本発明に係る実施の形態の効果を説明するために、比較例として、ソフトゾーン部を設けずに焼入れを行った鋼材部品の断面図である。図６における硬度分布を示す図である。本発明に係る実施の形態の効果を説明するために、レーザ焼入れにおける硬度分布を示す図である。本発明に係る実施の形態において、副焼入れ条件として、図８の有効硬化層深さが０．５５ｍｍとしたレーザ焼入れ条件を用いた鋼材部品の断面図である。図９における有効硬化層深さを０．７５ｍｍとしたときの鋼材部品の断面図である。図９、図１０における硬度分布を示す図である。本発明に係る実施の形態の効果を説明するために、図８の有効硬化層深さが０．５５ｍｍとしたレーザ焼入れ条件で、表面焼入れを重ならせたときの鋼材部品の断面図である。図１２における有効硬化層深さを０．７５ｍｍとしたときの鋼材部品の断面図である。図１２、図１３における硬度分布を示す図である。本発明に係る実施の形態の効果を説明するために、図５、図７、図１１、図１４の結果をまとめた図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、表面焼入れが行われる鋼材部品の材質をＳ４５Ｃの炭素鋼としたが、これは説明のための例示であって、Ｓ４５Ｃ以外であっても、表面焼入れが可能な材質であればよい。また、表面焼入れが行われる鋼材部品として、円環状のポケット抜きダイ金型を述べるが、これは表面焼入れ層が無端状に延びる鋼材部品の一例である。パワーショベル、ブルドーザ、クレーン、風車、回転電機等に用いられる円環状の軸受軌道、旋回軌道を有する鋼材部品であってもよい。また、表面焼入れ層が無端状ではなくて、複数の焼入れ領域を有して、隣接する焼入れ領域の間にソフトゾーンが設けられる鋼材部品であってもよい。

また、以下では、主焼入れ部には、誘導加熱コイルを用いる高周波焼入れ法が用いられ、副焼入れ部には、レーザ光の走査によるレーザ焼入れ法が用いられるものとして説明するが、これは、副焼入れ部の焼入れ深さが主焼入れ部の焼入れ深さよりも浅くできる方法の組み合わせの一例として説明したものである。これ以外でも、焼入れ深さが浅い高周波焼入れ法を副焼入れ部に用いてもよい。また、電子ビーム焼入れ法を副焼入れ部に用いてもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、表面焼入れ層を有する鋼材部品１０として、円環状のポケット抜きダイ金型を示す図である。この鋼材部品１０は、材質がＳ４５Ｃの炭素鋼で構成され、内周面が金型の抜き面となる円環状の穴を有する。この内周面の耐摩耗性、耐久性等を確保するため、内周面の全周に渡って表面焼入れ層が設けられる。表面焼入れ層は、主焼入れ部１２と、副焼入れ部２０とを含んで構成される。なお、図１には、円環状の軸方向をＺ方向、Ｚ方向周りの回転方向をθ方向として示した。

主焼入れ部１２は、鋼材部品１０の内周面において、θ方向に沿ってほぼ３６０度の範囲で表面焼入れが行われる部分である。ほぼ３６０度の範囲というのは、θ方向に沿った一部がソフトゾーン１４とされて、その領域では主焼入れ部１２が形成されないからである。

主焼入れ部１２に表面焼入れを行うために、図示されていない誘導加熱装置が用いられる。誘導加熱装置は、鋼材部品の内周面形状に合わせた形状を有する誘導加熱コイルと、それに近接して配置され冷媒が吐出される冷却ノズルと、これらを鋼材部品１０の焼入れ面である内周面に対し予め定めた隙間を保ちながらθ方向に移動させる移動機構と、誘導加熱コイルに高周波電力を供給する電源部を含んで構成される。

誘導加熱装置を用いて、誘導加熱コイルに高周波電力を供給しながら、誘導加熱コイルを鋼材部品１０の内周面に沿って移動させることで、鋼材部品１０の内周面の表面に誘導電流が流れる。これによって鋼材部品１０の内周面の表面から内部側が加熱される。鋼材部品１０の内周面の温度がＳ４５Ｃの変態点温度を超えると、Ｓ４５Ｃの鋼材組織がオーステナイト組織となり、冷却ノズルによって所定の冷却速度以上の急冷が行われることで、マルテンサイト組織に変態し、焼入れが行われる。このような誘導加熱装置を用いて行われる焼入れ法は、移動焼入れ法の一種で、一般的に高周波焼入れ法と呼ばれる。

ソフトゾーン１４は、移動焼入れにおいて、焼入れの開始位置からθ方向に沿ってぐるっと回って焼入れを行い、再び焼入れの開始位置の近傍に戻ったとき、焼入れが既に行われた領域に重ねて焼入れが行われないように、その手前で焼入れを停止するために形成された領域である。したがって、主焼入れ部１２が形成された直後では、ソフトゾーン１４は、焼入れが行われていないＳ４５Ｃの素材領域である。

図２は、図１のＡ領域を拡大して示す図である。ここでは、主焼入れ部１２の焼入れ開始位置がＳで示され、Ｓの位置からぐるっとθ方向に沿って回って、焼入れ終了位置がＥで示される。焼入れ開始位置Ｓと焼入れ終了位置Ｅとの間が、ソフトゾーン１４である。

寸法の一例を上げると、鋼材部品１０の外径が約６００ｍｍ、内周面の直径が約３００ｍｍ、高さが約１５０ｍｍである。この場合のソフトゾーン１４は、θ方向に沿って約１０ｍｍとすることができる。内周長が約１０００ｍｍであるので、ソフトゾーン１４のθ方向に沿った角度は、約３．６度である。なお、図２の例では、ソフトゾーン１４がＺ方向に沿って一様な幅ではなく、上部で約１０ｍｍ、下部で約５ｍｍである。これらの寸法は、説明のための例示であって、勿論、これ以外の寸法であっても構わない。

また、主焼入れ部１２の焼入れ深さは約１ｍｍから約５ｍｍ、硬度は、ビッカース硬度Ｈ_Vで、Ｓ４５Ｃの素材部分でＨ_V＝２５０程度、主焼入れ部１２でＨ_V＝７５０程度である。なお、主焼入れ部１２の硬度をロックウェル硬度Ｈ_RCで示すと、Ｈ_RC＝５６〜５９程度、ショア硬度Ｈ_Sで示すと、Ｈ_S＝７５〜８０程度である。勿論、仕様によって、これら以外の数値であっても構わない。

副焼入れ部２０は、主焼入れ部１２が形成された後に、ソフトゾーン１４において表面焼入れが行われる部分である。ソフトゾーン１４を設けた目的は、重ね焼入れが行われないようにすることである。重ね焼入れが行われると、一度焼入れされた領域が再度加熱されることで焼戻しされ、あるいは場合によって、焼き割れが生じる。したがって、副焼入れ部２０は、焼戻しされる領域をより狭くし、焼割れが生じないように、表面焼入れが行われる。

そのためには、主焼入れ部１２の形成の際に、鋼材部品１０に供給される入熱量に比べてより少ない入熱量で焼入れが行われる。より少ない入熱量としながら、温度を変態点以上とするには、面積当たりの入熱エネルギを確保しながら、小さな入熱面積で走査することがよい。これによって、主焼入れ部１２の焼入れ深さよりも浅い焼入れ深さを有する副焼入れ部２０を形成することができる。

具体的には、図示されていないレーザ焼入れ装置を用い、ソフトゾーン１４について、適当なビーム径のレーザ光をＺ方向に沿って走査する。図２の例では、ソフトゾーン１４の幅がＺ方向の下部で約５ｍｍ、上部で約１０ｍｍである。そこで、まず、ビーム径が約５ｍｍのレーザ光をＺ方向の下部と上部の間に渡って走査し、その後で、ソフトゾーン１４の上部で残された約５ｍｍの領域について、２度目のレーザ光の走査を行う。

図３は、ソフトゾーン１４に、副焼入れ部２０が形成される様子を示す図である。ここでは、副焼入れ部２０が、第１副焼入れ部２２と、第２副焼入れ部２４とで構成される。このように、ソフトゾーン１４の幅寸法、形状等によって、副焼入れ部２０は、１以上の適当な数の焼入れ領域で構成することもできる。

副焼入れ部２０の焼入れ深さの一例を上げると、約０．１ｍｍから約１ｍｍである。副焼入れ部２０の焼入れ深さは、主焼入れ深さよりも浅く設定される。

図３に示されるように、副焼入れ部２０は、ソフトゾーン１４を完全に覆って形成される。すなわち、副焼入れ部２０が形成された後では、鋼材部品１０の内周面において、Ｓ４５Ｃの素材部分は現れない。このような構成の他に、副焼入れ部２０が形成された後でも、部分的にソフトゾーン１４が残され、Ｓ４５Ｃの素材部分が現れるものとしてもよい。

このように、鋼材部品１０の表面焼入れ層の形成は、誘導加熱装置を用いて、ソフトゾーン１４を残しながら主焼入れ部１２を形成する主焼入れ工程と、これに引き続き、レーザ焼入れ装置を用いて、ソフトゾーン１４に、副焼入れ部２０を形成する副焼入れ工程とを行うことで実現される。

上記構成の作用効果を、比較例を用いながら、図４から図１５を用いて説明する。図４と図５は、主焼入れ工程のみが行われた試料Ｎｏ．１についての断面図と硬度分布図である。図６と図７は、図４、図５に対する比較例で、ソフトゾーンを形成しない試料Ｎｏ．２の断面図と硬度分布図である。図８は、レーザ焼入れを説明する図である。図９から図１１は、主焼入れ工程の後でソフトゾーンに副焼入れ工程を行った試料Ｎｏ．３，５についての断面図と硬度分布図である。すなわち、図９から図１１が、図１の鋼材部品１０に対応する断面図と硬度分布図である。図１２から図１４は、比較例で、レーザ焼入れのみを用いて重ね焼入れを行った試料Ｎｏ．４，６についての断面図と硬度分布図である。図１５は、試料Ｎｏ．１からＮｏ．６の結果をまとめた図である。

図４は、主焼入れ工程のみが行われた試料１について、ソフトゾーン１４の付近を示す断面図である。図の右側と左側に高周波焼入れによって形成された主焼入れ部１２が示され、その間の破線で囲んだ領域が主焼入れ部１２のないソフトゾーン１４である。

図５は、図４の断面において、深さ＝０．１ｍｍのところで測定したビッカース硬度Ｈ_Vを縦軸に取り、横軸にθ方向距離を取った硬度分布図である。これから、高周波焼入れが行われた主焼入れ部１２のＨ_Vが約７５０前後であり、Ｓ４５Ｃの素材部分の硬度Ｈ_Vが約２５０であることが分かり、素材部分の幅、すなわちソフトゾーン１４の幅が９．５ｍｍであることが示されている。なお、ソフトゾーン１４の幅を決めるＨ_Vの閾値は６００とした。

図６は、比較例として、ソフトゾーン１４を形成しないで、高周波焼入れの開始位置と終了位置を重複させて重ね焼入れを行った試料２の断面図である。破線で囲んだ領域が重ね焼入れが行われたことによって焼戻しされた領域に相当する。図７は、試料２の硬度分布図で、縦軸、横軸の意味は図５と同じである。図７から、重ね焼入れが行われた領域では、再加熱のために焼戻しが生じ、Ｈ_Vが約３００まで低下することが分かる。Ｈ_Vの閾値を６００とした焼戻し部の幅は、約５ｍｍである。

図８から図１１は、図１の構成に対応するものである。図８は、Ｓ４５Ｃにレーザ焼入れを行ったときの特性を示す図で、横軸に硬化層深さ、つまり表面からの深さを取り、縦軸にビッカース硬度Ｈ_Vが取られている。有効硬化深さを決める閾値として、Ｈ_V＝４５０を用い、試料Ｎｏ．３は、レーザ硬化層の目標を０．５ｍｍとしてレーザ焼入れを行ったもので、有効硬化深さは０．５５ｍｍであった。試料Ｎｏ．５は、レーザ硬化層の目標を０．８ｍｍとしてレーザ焼入れを行ったもので、有効硬化深さが０．７５ｍｍであった。

図９は、図４で説明した主焼入れ工程を行った後に、副焼入れ部２０を形成するため、有効硬化深さが０．５５ｍｍとなるレーザ焼入れをソフトゾーン１４に行ったときの断面図である。図１０は、有効硬化深さが０．７５ｍｍとなるレーザ焼入れをソフトゾーン１４に行ったときの断面図である。これらの図で、破線で囲んだ領域が、主焼入れ部１２と副焼入れ部２０とが重なりあう部分である。

図１１は、図９の試料Ｎｏ．３と図１０の試料Ｎｏ．５についての硬度分布をまとめた図である。縦軸、横軸の意味は、図５、図７と同じである。図１１から、重ね焼入れが行われた領域では、再加熱のために焼戻しが生じ、Ｈ_Vが約３００程度まで低下することが分かる。Ｈ_Vの閾値を６００とした焼戻し部の幅は、試料Ｎｏ．３で約１．５ｍｍ、試料Ｎｏ．５で約２．０ｍｍである。

図１２から図１４は、比較例として、レーザ焼入れの開始位置と終了位置を重複させて重ね焼入れを行ったときの様子を示すものである。試料Ｎｏ．４は、有効硬化深さが０．５５ｍｍで、試料Ｎｏ．６は、有効硬化深さが０．７５ｍｍである。図１２は、試料Ｎｏ．４の断面図、図１３は、試料Ｎｏ．６の断面図である。これらの図で、破線で囲んだ領域が、重ね焼入れとなる部分である。

図１４は、図１２の試料Ｎｏ．４と図１３の試料Ｎｏ．６についての硬度分布をまとめた図である。縦軸、横軸の意味は、図５、図７、図１１と同じである。図１４から、重ね焼入れが行われた領域では、再加熱のために焼戻しが生じ、Ｈ_Vが約３００程度まで低下することが分かる。Ｈ_Vの閾値を６００とした焼戻し部の幅は、試料Ｎｏ．４で約１．５ｍｍ、試料Ｎｏ．６で約２．０ｍｍである。

図１５は、図５、図７、図１１、図１４の結果をまとめた図である。一番右側の欄に、主焼入れ部１２よりも硬度が低い領域の幅、すなわち、素材部分の幅あるいは焼戻し部の幅が示されている。この幅を決める閾値は、Ｈ_V＝６００である。図１５の結果から、図１の構成、すなわち、主焼入れ部１２の形成の後で、ソフトゾーン１４に副焼入れ部２０を形成することで、素材部分の幅が約７０％減少することが分かる。すなわち、ソフトゾーン１４の幅のうち、７０％がＨ_V＝６００以上となり、鋼材部品１０としては、耐摩耗性、耐久性が大幅に向上することが期待される。

本発明に係る表面焼入れ層を有する鋼材部品及び鋼材部品に表面焼入れを行う方法は、移動焼入れ法によって焼入れが行われる鋼材部品に利用される。

１０鋼材部品、１２主焼入れ部、１４ソフトゾーン、２０副焼入れ部、２２第１副焼入れ部、２４第２副焼入れ部。

Claims

円環状の穴の内周面の周方向に沿った全周に渡る表面焼入れ層の領域として、
前記穴の軸方向周りの回転方向に沿って所定の角度の角度範囲の領域をソフトゾーン部として、該ソフトゾーン部を除く角度範囲の領域において予め定めた所定の主焼入れ深さの表面焼入れ層を有する主焼入れ部と、
前記ソフトゾーン部の角度範囲の領域を完全に覆って、前記主焼入れ深さよりも浅い焼入れ深さの表面焼入れ層を有する副焼入れ部と、
を含み、
前記副焼入れ部は、複数の焼入れ領域で前記ソフトゾーン部の角度範囲の領域を完全に覆っていることを特徴とする表面焼入れ層を有する鋼材部品。
円環状の穴の内周面の周方向に沿った全周に渡って表面焼入れを行う方法であって、
前記穴の軸方向周りの回転方向に沿って所定の角度の角度範囲の領域をソフトゾーン部として、該ソフトゾーン部を除く角度範囲の領域において予め定めた所定の主焼入れ深さで表面焼入れを行う主焼入れ工程と、
前記ソフトゾーン部の角度範囲の領域を完全に覆って、前記主焼入れ深さよりも浅い焼入れ深さで表面焼入れを行う副焼入れ工程と、
を含み、
前記主焼入れ工程は、誘導加熱コイルを鋼材部品に対し相対的に移動しながら高周波焼入れを行い、
前記副焼入れ工程は、前記ソフトゾーン部にレーザ光を照射してレーザ焼入れを行うことを特徴とする鋼材部品に表面焼入れを行う方法。