JP5948697B2 - 長尺材の加熱コイル、熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、長尺材を長手方向に移動させつつ第１側面部及び第１側面部の凹部を加熱するための加熱コイルと、第１側面部及び凹部を熱処理するための熱処理装置及び方法に関する。

従来より、長尺材の一側面部に凹部が設けられたワークに対し、一側面部及び凹部を熱処理し、他部の側面部を熱処理しないようにして熱処理するようにした加熱コイルが知られている。

例えば下記特許文献１では、長尺材のワークを長手方向に沿って相対移動しながら、一部の側面部の全面を誘導加熱するようにワークの長手方向と交差する方向に配置された棒状の導体部と、側面部の凹部に挿入されるように棒状の導体部に形成された凸部と、を有する加熱コイルが提案されている。この文献記載の加熱コイルでは、長尺材の両端部における焼逃げを防止することができるとされている。

下記特許文献２には、長尺材の搬送方向と直交する左右両側に配置されたコイル本体と、長尺材の側面部の凹部に向けて突出して形成された突出部と、を備えた加熱コイル装置が提案されている。ここでは突出部の幅寸法を所定のものとすることで、側面部の凹部を長手方向に均一に誘導加熱できると共に加熱効率を向上できるとされている。

特許第３９２４０８４号公報 特開２００４−２０４２４８号公報

しかしながら従来の加熱コイルでは、長尺材の一側面部の全面を加熱する部分が一側面部の長手方向に対して交差する方向に配置されている。そのため長尺材との対向面積が少なく、長尺材を高速で加熱することが困難であった。

高速で加熱処理を行うことを意図して、加熱コイルの長尺材との対向面積を広く確保するために、例えば幅の広い材料を用いて加熱コイルを構成することで一側面部と交差する部位の面積を増加するとすれば、コイルの断面積が大幅に増加するため大きな電力が必要になり、効率が悪くなる。

また幅の広い材料を用いずに、一側面部と交差する部位の数を増やすとすれば、加熱コイルの形状が複雑になり、例えば通電経路やコイル冷却液の流路が複雑化し、コイルの出力損失が大きくなり、冷却水の流量も確保できなくなる。

そこで本発明は、長尺材の一部の側面部に対する熱処理をより少ない電力で高速化することが可能な加熱コイルと、熱処理装置と、熱処理方法とを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の加熱コイルは、第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、第１側面部に角部から離間して凹部が設けられ、第１側面部及び第２側面部並びに凹部が長手方向に連続した長尺材を誘導加熱する長尺材の加熱コイルであり、第１側面部に対向する広幅導体と、凹部に対向して広幅導体より凹部側へ突出した狭幅導体と、が長手方向に沿って配設されており、狭幅導体が前記広幅導体よりも長手方向に長い。

このような加熱コイルでは、広幅導体と狭幅導体とが長尺材の長手方向に沿って配設されているので、加熱コイルの長尺材との対向距離を長く確保でき、より少ない電力で第１側面部を加熱することが可能である。また広幅導体と狭幅導体とが長尺材の長手方向に沿って設けられているため、加熱コイルを長尺材の形状に沿って長尺にできる。そのため通電距離を短くして損失を小さくでき、コイル冷却液の流路を単純にして冷却し易くできる。さらに、狭幅導体は、好ましくは広幅導体よりも長手方向に長い。これにより第１側面部を加熱する際、狭幅導体で凹部及び第１側面部の凹部近傍を十分に加熱して広幅導体で第１側面部全体について少ない加熱量で加熱できる。そのため、伝熱により第２側面部が過剰に加熱されることを抑えて第１側面部を効率よく加熱することが可能である。

上記目的を達成する本発明の加熱コイルは、第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、第１側面部に角部から離間して凹部が設けられ、第１側面部及び第２側面部並びに凹部が長手方向に連続した長尺材を誘導加熱する長尺材の加熱コイルであり、第１側面部に対向する広幅導体と、凹部に対向して広幅導体より凹部側へ突出した狭幅導体と、が長手方向に沿って配設されており、狭幅導体は、少なくとも一部が広幅導体よりも長手方向の一方側に突出するように配設されている。

このような加熱コイルでは、広幅導体と狭幅導体とが長尺材の長手方向に沿って配設されているので、加熱コイルの長尺材との対向距離を長く確保でき、より少ない電力で第１側面部を加熱することが可能である。また広幅導体と狭幅導体とが長尺材の長手方向に沿って設けられているため、加熱コイルを長尺材の形状に沿って長尺にできる。そのため通電距離を短くして損失を小さくでき、コイル冷却液の流路を単純にして冷却し易くできる。さらに、狭幅導体は、少なくとも一部が広幅導体よりも長尺材の長手方向の一方側、即ち前方側に突出するよう配設されている。これにより長尺材を加熱コイルに対して狭幅導体側から広幅導体側へ移動させつつ加熱すれば、先に狭幅導体により凹部及び凹部近傍を加熱し、その後広幅導体により第１側面部全体を加熱するため、加熱終了時点で第２側面部が伝熱により過剰に加熱されてしまうことを極力抑えることができる。

上記加熱コイルでは、広幅導体が狭幅導体と重なるように配設されているのが好適である。これにより加熱コイルの長尺材との対向部位を短くでき、加熱コイルをコンパクト化できる。

上記加熱コイルでは、狭幅導体と広幅導体とが離間せずに一体化されているのがよい。これにより通電距離及び冷却流路をより短く単純にでき、長尺材の加熱処理をより高速化できる。

上記加熱コイルは、長尺材の第２側面部の両側に設けられた第１側面部に対応するように、狭幅導体及び広幅導体が複数設けられ、狭幅導体同士又は広幅導体同士が連結されているものに適用できる。
これにより、長尺材の複数の第１側面部及び第１側面部の凹部の加熱処理をより少ない電力で高速化することが可能である。特に加熱終了時点で第２側面部が過剰に加熱されることを抑えることで、第１側面部間の第２側面部の組成の変化を防止して第２側面部の加工性を確保することができる。

上記目的を達成する本発明の長尺材の熱処理装置は、長尺材を長手方向の一方側に相対移動させつつ誘導加熱する加熱コイルと、加熱コイルの下流側に配設されて誘導加熱された長尺材を冷却する冷却部と、を備えた長尺材の熱処理装置であり、長尺材は、第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、第１側面部に角部から離間して凹部が設けられ、第１側面部及び第２側面部並びに凹部が長手方向に連続しており、加熱コイルは、第１側面部に対向する広幅導体と、凹部に対向して広幅導体より凹部側へ突出した狭幅導体と、が長手方向に沿って配設されており、狭幅導体の少なくとも一部が広幅導体より上流側に配置されている。

上記目的を達成する本発明の長尺材の熱処理方法は、加熱コイルにより長尺材を長手方向の一方側に相対移動させつつ誘導加熱し、加熱コイルの下流側で長尺材を冷却する長尺材の熱処理方法であり、長尺材は、第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、第１側面部に角部から離間して凹部が設けられ、第１側面部及び第２側面部並びに凹部が長手方向に連続しており、加熱コイルは、第１側面部に対向する広幅導体と、凹部に対向して広幅導体より凹部側へ突出した狭幅導体と、が長手方向に沿って配設されており、広幅導体よりも上流側から狭幅導体により長尺材を誘導加熱する。

このような長尺材の熱処理装置及び熱処理方法によれば、長尺材の第１側面に対する加熱処理をより少ない電力で高速化することが可能である。また狭幅導体により広幅導体より上流側から凹部を加熱でき、第１側面部全体を加熱した直後に冷却できるため、第２側面部が熱処理されることを極力抑えて第１側面部を熱処理することができる。

本発明によれば、第１側面に対向する広幅導体と凹部に対向する狭幅導体とが長尺材の長手方向に沿って配設されているので、加熱コイルの長尺材との対向距離を長く確保でき、加熱コイルの形状を長尺材に沿った簡易な形状にできる。そのため長尺材の一部の側面部に対する熱処理をより少ない電力で高速化することが可能である。

本発明の実施形態に係る熱処理装置の要部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る加熱コイルの正面図である。 本発明の実施形態に係る加熱コイルの左側面図である。 本発明の実施形態に係る加熱コイルの平面図である。 本発明の実施形態に係る加熱コイルの通電経路を模式的に示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態に係る長尺材の製造工程を説明する図である。 参考例に係る加熱コイルを示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
［ワーク］
本発明の熱処理対象のワークは、図１に示すように、長手方向と直交する断面が略一定の形状を有する長尺な部材である。ワーク１０の軸線は弧状や環状であってもよいが、本実施形態では直線の部材を熱処理するものとして説明する。

このワーク１０は断面がほぼ矩形状を呈し、図中、左右の第１側面部が異形形状を有し、上下の第２側面部が平坦に形成されている。第１側面部１１と第２側面部１２とは角部１３において隣接している。
角部１３は、第１側面部１１と第２側面部１２とが角度を有して接続される部位である。角部１３の例としては、角張った頂部、曲面、傾斜面、括れ面など何れでもよい。この角部１３は第１側面部１１や第２側面部１２に比べて熱伝達速度が速くなる部位となっている。

第１側面部１１には、角部１３から離間した位置、本実施の形態では第１側面部１１の中央部で長手方向に沿って連続した凹部１４が形成されている。凹部１４の形状は限定されず、隣接する両側部位よりも凹んでいればよい。本実施形態では、第２側面部１２の両側に設けられた第１側面部１１にそれぞれ凹部１４が設けられている。
このワーク１０は第１及び第２側面部１１，１２並びに第１側面部１１に形成され凹部１４が、長尺ワークの長手方向に連続して略一定形状で全長にわたり連続している。

［熱処理装置］
熱処理装置２０は、ワーク１０に焼入れなどの熱処理を施すもので、ここでは第１側面部１１の表面層に焼入れを施す装置となっている。この熱処理装置２０は、図１に示すように、第１側面部を誘導加熱するための加熱コイル２１と、加熱コイル２１の下流側に配設されてワーク１０に冷却液を吹き付けて冷却する冷却部２２と、を備えている。この熱処理装置２０では、ワーク１０を長手方向に沿って一方側へ一定速度で移動させる図示しない送り機構が設けられている。

［加熱コイル］
加熱コイルは、図１乃至図４に示すように、ワーク１０の第２側面部を挟んだ両側の第１側面部１１及び凹部１４に対向するように複数の狭幅導体２３及び広幅導体２４を備える。狭幅導体２３と広幅導体２４とは接合されて一体化されている。各広幅導体２４は各第１側面部１１の幅に対応する幅を有し、第１側面部１１と所定ギャップで対向する。各狭幅導体２３は広幅導体２４よりも狭い幅を有し、凹部１４と所定ギャップで対向する。

広幅導体２４は角柱乃至ブロック状の形状で、第１側面部１１側が略平面となっている。第１側面部１１と対向する面は第１側面部１１全体を加熱可能な幅であればよい。狭幅導体２３は長丸形状で、凹部１４側が広幅導体２４より突出して概略凹部１４の形状に応じた曲面となっている。狭幅導体２３の頂部はワーク１０の凹部１４内に進入した状態に配置できる大きさが好適である。

広幅導体２４及び狭幅導体２３はワーク１０の長手方向の軸線に沿って配設されており、それぞれ長手方向に所定長さで設けられている。狭幅導体２３が広幅導体２４よりも長く形成されているのが好適であり、広幅導体２４の少なくとも一部、好ましくは全部が狭幅導体２３と重なるように配設されている。
ここでは広幅導体２４の一端部と狭幅導体２３の一端部とが同じ位置となっている。そして狭幅導体２３の一部が広幅導体２４よりも長手方向の一方側、具体的には広幅導体２４の上流側に突出するように配設されている。

これらの広幅導体２４及び狭幅導体２３には、ワーク１０と対向しない部位に適宜磁束集中材２５，２６を配設して、第１側面部１１や凹部１４に磁束をより集中させるように構成してもよい。

各狭幅導体２３の一方側端部には端部導体２７が連結し、各端部導体２７にそれぞれ図示しない電源部と接続されたリード２８が設けられている。各広幅導体２４の他方側端部はコ字状の連結導体２９に接合されることで広幅導体２４同士が連結されている。この加熱コイル２１では、図５に示すように、一方のリード２８から端部導体２７を介して一方の狭幅導体２３及び広幅導体２４の順に給電され、連結導体２９を経由して他方側の広幅導体２４及び狭幅導体２３の順に給電され、端部導体２７を介して他方のリード２８に達するように電流が流れる。

この加熱コイル２１には各リード２８の接点部２８ａと、連結導体２９の接点部２８ａとにそれぞれ冷却水の導入部３１及び排出部３２が設けられている。各導体２３，２４，２７，２９は銅管などの中空部材により形成され、これらが互いに連通すると共に冷却水の導入部３１及び排出部３２と連通することで冷却水流路が形成されている。ここでは連結導体２９の中腹で遮蔽されて各第１側面部１１側で別系統の冷却水流路が形成されている。

［熱処理方法］
上述の加熱コイル２１を備えた熱処理装置２０によりワーク１０を熱処理するには、図１に示すように、加熱コイル２１に高周波電力を供給すると共に冷却部２２に冷却液を供給した状態で、ワーク１０を長手方向に沿って一方側に所定速度で相対移動させて加熱コイル２１と冷却部２２とを通過させる。

図６（ａ）に示すようなワーク１０が先に狭幅導体２３の位置を通過することで、図６（ｂ）のように凹部１４及び第１側面部１１の凹部１４近傍が誘導加熱される。次いで広幅導体２４の位置を通過することで、図６（ｃ）のように第１側面部１１全体が誘導加熱される。
この状態で加熱コイル２１の連結導体２９を通過した直後の位置で、冷却部２２から冷却液が吹き付けられて急冷される。これにより第１側面部１１の形状に沿って表面層が焼入れされる。これにより熱処理が終了する。その後、図６（ｄ）のように、焼入れされていない状態の第２側面部１２からねじ穴等の切削加工を施すことができる。

［実施形態の作用効果］
以上のようなワーク１０の加熱コイル２１によれば、第１側面部１１に対向する広幅導体２４と凹部１４に対向する狭幅導体２３とがワーク１０の長手方向に沿って配設されているので、加熱コイル２１のワーク１０との対向距離を容易に長く確保でき、より少ない電力で第１側面部１１を加熱することが可能である。
しかも広幅導体２４と狭幅導体２３とがワーク１０の長手方向に沿って設けられているため、加熱コイル２１の形状をワーク１０に沿った簡易な形状にできる。そのため通電距離を短くして損失を小さくでき、コイル冷却液の流路を単純にして冷却し易くできる。
その結果ワーク１０の第１側面部１１に対する加熱処理をより少ない電力で高速化することが可能である。

この加熱コイル２１では、広幅導体２４が狭幅導体２３と重なるように配置されているので、加熱コイル２１のワーク１０との対向部位を短くでき、加熱コイル２１をコンパクト化できる。
また狭幅導体２３が広幅導体２４よりも長手方向沿いに長いので、第１側面部１１を加熱する際、狭幅導体２３で凹部１４及び第１側面部１１の凹部１４の近傍を十分に加熱して広幅導体２４で第１側面部１１全体について少ない加熱量で加熱できる。そのため伝熱により第２側面部１２が過剰に加熱されることを抑えて第１側面部１１を効率よく加熱することが可能である。
即ち、角部１３では熱伝達が速く第１側面部１１の熱により第２側面部１２側が広く加熱され易いため、広幅導体２４により第１側面部１１全体に対して、少ない加熱量で加熱することで、第２側面部１２側の加熱を出来るだけ少なく抑えている。

この加熱コイル２１では、ワーク１０を加熱コイル２１に対して狭幅導体２３側から広幅導体２４側へ移動させつつ加熱すれば、先に狭幅導体２３により凹部１４及び凹部１４近傍を加熱し、その後広幅導体２４により第１側面部１１全体を加熱できる。そのため加熱終了時点で第２側面部１２が伝熱により過剰に加熱されてしまうことを極力抑えることができる。
また狭幅導体２３と広幅導体２４とが一体化されているので、加熱コイルの着脱や位置合わせなどが容易に行える上、通電距離及び冷却流路をより短く単純にでき、ワーク１０の加熱処理をより高速化できる。

この加熱コイル２１では、狭幅導体２３及び広幅導体２４が複数設けられ、狭幅導体２３同士又は広幅導体２４同士が連結されているので、ワーク１０の複数の第１側面部１１及び第１側面部１１の凹部１４の加熱処理をより少ない電力で高速化できる。特に加熱終了時点で第２側面部１２が過剰に加熱されることを極力抑えることで、第１側面部１１間の第２側面部１２の組成の変化を防止して第２側面部１２の加工性を確保できる。

このような加熱コイル２１を用いた熱処理装置２０及び熱処理方法によれば、ワーク１０の第１側面部１１に対する加熱処理をより少ない電力で高速化することが可能である。また狭幅導体２３により広幅導体２４より上流側から凹部１４を加熱でき、第１側面部１１全体を加熱した直後に冷却できるため、第２側面部１２が熱処理されることを極力抑えて第１側面部１１を熱処理することができる。

なお、上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば上記では、広幅導体２４の少なくとも一部が狭幅導体２３と重なるように配設された例について説明したが、それぞれワーク１０の長手方向の異なる位置に配置されたものであってもよい。その際、狭幅導体２３が広幅導体２４よりも上流側に配設されることが好適である。この場合、凹部１４が狭幅導体２３で加熱された後、広幅導体２４で第１側面部１１全体が加熱されるため、冷却部２２に到達する前に凹部１４の温度が過剰に低下するようなことはない。

［実施例１］
図１に示すような加熱コイル２１を用いて１０ＫＨｚの周波数で電力を供給する他は、全て参考例１と同等にして誘導加熱及び冷却を行ったところ、第１側面部１１及び凹部１４を適切に焼入れすることができた。このとき加熱コイル２１の冷却水の上昇温度は、入口側と出口側との間で８℃であった。

［実施例２］
図１に示すような加熱コイル２１を用いてワーク１０の送り速度を３０％増加した他は、全て参考例２と同等にして誘導加熱及び冷却を行ったところ、第１側面部１１及び凹部１４を適切に焼入れすることができた。このとき加熱コイル２１の冷却水の上昇温度は、入口側と出口側との間で１２．５℃であった。

［参考例１］
断面略四角形状で、一対の第１側面部１１に凹部１４が設けられたワーク１０を用い、図７に示すような屈曲形状の加熱コイルを作製して所定長さの加熱領域に設置し、２５ＫＨｚの周波数で電力を供給して誘導加熱及び冷却を行った。その結果、第１側面部１１及び凹部１４を適切に焼入れすることができた。このとき加熱コイルの冷却水の上昇温度は、入口側と出口側との間で２１℃であった。

［参考例２］
１０ＫＨｚの周波数で２０％高い電力を供給した他は全て参考例１と同じにして誘導加熱及び冷却を行ったところ、第１側面部１１及び凹部１４を適切に焼入れすることができず、十分な硬度が得られなかった。

以上の結果、実施例１、２の加熱コイル２１では少ない電力で熱処理速度を高速化して適切に焼入れすることが可能であった。一方、図７に示す加熱コイルでは、電気的な相互作用を抑えつつ出来るだけ加熱コイルとワーク１０との対向面積を確保したことで、熱処理速度を従来より向上することはできたものの、実施例１，２の加熱コイル２１に比べて熱処理速度を高速化することはできなかった。しかも図７に示す加熱コイルでは、冷却水の温度上昇が大きく、実施例の加熱コイル２１に比べて損失が大きくて効率が悪いことが確認できた。

１０ ワーク
１１ 第１側面部
１２ 第２側面部
１３ 角部
１４ 凹部
２０ 熱処理装置
２１ 加熱コイル
２２ 冷却部
２３ 狭幅導体
２４ 広幅導体
２５，２６ 磁束集中材
２７ 端部導体
２８ リード
２８ａ 接点部
２９ 連結導体
３１ 導入部
３２ 排出部

Claims (8)

1. 第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、前記第１側面部に前記角部から離間して凹部が設けられ、前記第１側面部及び第２側面部並びに前記凹部が長手方向に連続した長尺材を誘導加熱する長尺材の加熱コイルであり、
   前記第１側面部に対向する広幅導体と、前記凹部に対向して前記広幅導体より前記凹部側へ突出した狭幅導体と、が前記長手方向に沿って配設されており、
   前記狭幅導体が前記広幅導体よりも長手方向に長い、長尺材の加熱コイル。
2. 第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、前記第１側面部に前記角部から離間して凹部が設けられ、前記第１側面部及び第２側面部並びに前記凹部が長手方向に連続した長尺材を誘導加熱する長尺材の加熱コイルであり、
   前記第１側面部に対向する広幅導体と、前記凹部に対向して前記広幅導体より前記凹部側へ突出した狭幅導体と、が前記長手方向に沿って配設されており、
   前記狭幅導体は、少なくとも一部が前記広幅導体よりも前記長手方向の一方側に突出するように配設されている、長尺材の加熱コイル。
3. 前記広幅導体が前記狭幅導体と重なるように配設されている、請求項１又は２に記載の長尺材の加熱コイル。
4. 前記狭幅導体と前記広幅導体とが一体化されている、請求項１乃至３の何れかに記載の長尺材の加熱コイル。
5. 前記第２側面部の両側に設けられた前記第１側面部に対応するように、前記狭幅導体及び前記広幅導体が複数設けられ、上記狭幅導体同士又は上記広幅導体同士が連結されている、請求項１乃至４の何れかに記載の長尺材の加熱コイル。
6. 長尺材を長手方向の一方側に相対移動させつつ誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルの下流側に配設されて前記長尺材を冷却する冷却部と、を備えた長尺材の熱処理装置であり、
   前記長尺材は、第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、前記第１側面部に前記角部から離間して凹部が設けられ、前記第１側面部及び第２側面部並びに前記凹部が長手方向に連続しており、
   前記加熱コイルは、前記第１側面部に対向する広幅導体と、前記凹部に対向して前記広幅導体より前記凹部側へ突出した狭幅導体と、が前記長手方向に沿って配設されており、
   前記狭幅導体の少なくとも一部が前記広幅導体より上流側に配置されている、長尺材の熱処理装置。
7. 加熱コイルにより長尺材を長手方向の一方側に相対移動させつつ誘導加熱し、前記加熱コイルの下流側で前記長尺材を冷却する長尺材の熱処理方法であり、
   前記長尺材は、第１側面部と第２側面部とが角部で隣接し、前記第１側面部に前記角部から離間して凹部が設けられ、前記第１側面部及び第２側面部並びに前記凹部が長手方向に連続しており、
   前記加熱コイルは、前記第１側面部に対向する広幅導体と、前記凹部に対向して前記広幅導体より前記凹部側へ突出した狭幅導体と、が前記長手方向に沿って配設されており、
   前記広幅導体よりも上流側から前記狭幅導体により前記長尺材を誘導加熱する、長尺材の熱処理方法。
8. 前記加熱コイルは、請求項１乃至５の何れかに記載の加熱コイルが使用される、請求項７に記載の長尺材の熱処理方法。

Images