JP6046364B2

JP6046364B2 - 焼入れ装置

Info

Publication number: JP6046364B2
Application number: JP2012083391A
Authority: JP
Inventors: 聡一郎脇谷
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: JP2013213252A

Description

本発明は、金属部品に焼入れを施すのに用いられる焼入れ装置に関する。

たとえば、自動車のボディには、断面がハット形状に成形(プレス加工)された鋼板からなるハット型成形品が用いられている。このハット型成形品などの金属部品には、高強度化を図ることを目的として焼入れが施されることがある。

従来、焼入れの手法として、高周波焼入れが知られている。高周波焼入れでは、成形後の鋼板(金属部品)における焼入れ対象部分にコイルが近づけられ、そのコイルに高周波電源から電流が、供給される。コイルに高周波電流が流れると、磁界が生じ、焼入れ対象部分の表面に渦電流が流れる。これにより、焼き入れ対象部分でジュール熱が発生し、焼入れ対象部分が加熱される。そして、その加熱直後に焼入れ対象部分に冷却液が直接かけられて、焼入れ対象部分が急冷され、焼入れ対象部分に対する焼入れが達成される。

また、焼き入れの他の手法として、ダイクエンチが知られている。ダイクエンチでは、加熱炉で鋼板が加熱された後、その鋼板が冷却されている金型によりプレス加工される。これにより、鋼板の成形と同時に、鋼板への焼入れが達成される。

また、焼入れの他の手法として、直接通電加熱がある。直接通電加熱では、金属部品の焼入れ対象部分の両端付近から電極を介して電流が供給される。この電流の供給により発生するジュール熱により、焼入れ対象部分の加熱が行われる。加熱後に焼入れ対象部分に冷却液がかけられ、焼入れ対象部分が急冷され、金属部品への焼入れが達成される。直接通電加熱によれば、安価な設備で、熱効率の良い金属部品の加熱を行うことができる。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、高周波焼入れでは、高周波電源が必要であり、装置のコストが高くつくうえに、冷却液が鋼板に直接かけられるので、使用済みの汚染された冷却液を浄化する設備が必要であり、設備に要するコストが高くつく。さらに、成形後の鋼板が加熟された直後に急冷されるため、鋼板に熱歪みが生じ、金属部品の寸法精度が低下するといった問題もある。

ダイクエンチでは、冷間加工と比較して、１つの金属部品の加工(成形)に長い時間がかかり、生産性が悪い。また、ダイクエンチでは、加熱された鋼板が加熱炉からプレス機械に搬送される間に、鋼板の表面に酸化スケールが生じる。そのため、成形後（プレス加工後）に、酸化スケールを除去するためのショットブラスト加工が必要となる。その結果、鋼板の加熱、プレス加工およびショットブラスト加工の一連の処理を実行する専用ラインを構築しなければならず、大規模な設備投資を余儀なくされる。また、酸化スケールの飛散や酸化スケールに起因する金型の消耗などの問題もある。

また、直接通電加熱の問題点として、焼入れ対象部分を均一に加熱することが容易でないことが挙げられる。

特開平１０−１７９３３号公報特開２０００−２５６７３３号公報特開２００３−２３９０１８号公報特開２００１−３５３５４８号公報特開平０４−２８０９２４号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、金属部品の成形および焼入れのための設備に要するコストおよびランニングコストを低減でき、高強度かつ高品質な金属部品を得ることができる焼入れ装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される焼入れ装置は、金属部品における焼入れ対象部分の両側に一対の電極を当接させて、前記一対の電極間に電流を流すことにより前記焼入れ対象部分を加熱するように構成された焼入れ装置であって、前記一対の電極のそれぞれは、前記金属部品に接触する複数の接触部と、前記金属部品に接触しない非接触部とに区分され、これら複数の接触部および非接触部は、交互に並んだ構成とされており、前記金属部品は、天井部と縦壁部とからなる断面Ｌ型形状部を有し、前記断面Ｌ型形状部が前記焼入れ対象部分に含まれるように、前記一対の電極の内、第１の電極は前記天井部に当接し、第２の電極は前記第１の電極との間に前記断面Ｌ型形状部を挟んで前記縦壁部に当接するように構成され、前記一対の電極が前記焼入れ対象部分を加熱した後に、前記断面Ｌ型形状部に合わさるように前記焼入れ対象部分の表裏面に当接し、前記焼入れ対象部分を冷却しつつ型締めする一対の冷却型を備え、前記第１および前記第２電極のそれぞれには、冷却水が供給可能なパイプ状の貫通部材が貫通しており、前記貫通部材は、両端が前記焼入れ対象部分に対して略直交するように屈曲したコ字状に形成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、金属部品のうち、一対の電極で挟まれた部分（焼き入れ対象部分）に通電を行ない、ジュール熱を発生させることによって、焼き入れ対象部分を効率良く加熱することができる。とくに、各電極は、接触部と非接触部とが交互に並んだ構成とされているために、各電極の近傍部分が他の部分と比較して局所的な高温領域となるようなことを適切に抑制し、焼き入れ対象部分全体を略均一な温度に加熱することが可能となる。したがって、焼入れ対象部分全体の均質な焼き入れが可能となり、高強度かつ高品質な金属部品を得ることができる。その結果、比較的安価な鋼板を用いて、従来の金属部品と同等以上の強度および品質を有する金属部品を得ることができる。本発明の焼入れ装置は、金属部品に電流を流すための電源として高周波電源を必要としない。また、冷間加工などによる加工後の金属部品に焼入れを行うことができるので、ダイクエンチとは異なり焼入れのための設備に要するコストを低減できるとともに、焼入れの処理時間を短くできる。その結果、従来の金属部品と同等以上の強度および品質を有する金属部品を従来よりも安価に製造することが可能である。

また、このような構成によれば、金属部品に歪みが生じることを防止しつつ、焼入れ対象部分を冷却することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る焼入れ装置の構成の一例を示す断面図である。図１に示す焼入れ装置の第１および第２電極を金属部品とともに示す斜視図である。（Ａ）は、図１に示す焼入れ装置の第１および第２電極、ならびに焼入れ対象部分の寸法条件を説明するための図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。図１に示す焼入れ装置における金属部品の冷却時の状態を示す断面図である。実施例１〜６および比較例１，２における部分焼入れの試験方法を説明するための図である。実施例１〜６および比較例１，２の（Ｌｂ＋ｐ）／Ｌｂの値と、焼入れ対象部分の中心部分からＬ方向にずれた２点における温度と、の関係を示すグラフである。実施例１〜６および比較例１，２の（Ｌｂ＋ｐ）／Ｌｂの値と、焼入れ対象部分の中心部分からＷ方向にずれた位置における温度と、の関係を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す焼入れ装置１は、直接通電加熱により金属部品７を加熱し、部分焼入れを行うための装置であり、金属部品７のクランプおよび冷却が可能なクランプ機構６と、金属部品７の通電加熱を行なうための第１および第２電極４Ａ，４Ｂとを備えている。

金属部品７は、図１の仮想線で示すように、断面ハット形状に成形された鋼板であり、縦壁部７ｂ、天井部７ｃ、およびフランジ部７ａを有している。この金属部品７は、図１の紙面に直交する方向に延びた形状を有しており、たとえば、自動車のインパクトビームなどに用いられるものである。なお、図１では、金属部品７の右側領域のみが焼き入れ対象とされた例を示している。無論、本発明において、焼入れ対象となる金属部品は、これに限定されない。

クランプ機構６は、上下クランプ部材６Ａ，６Ｂ、およびこれらを接離させるクランプ駆動機構６０を備えている。これら上下クランプ部材６Ａ，６Ｂは、ともに金属部品７の長手方向（以下、単に「長手方向」）に延びるブロック状であり、これらを互いに接近させた際に金属部品７をその両側から挟むようにして面接触可能な面を有している。上下クランプ部材６Ａ，６Ｂのうち、金属部品７の焼入れ対象部分５１（第１および第２の電極４Ａ，４Ｂ間の部分）に対向する箇所には、凹部６２ａ，６２ｂが設けられ、冷却型６１ａ，６１ｂが収容されている。この冷却型６１ａ，６１ｂは、焼入れ対象部分５１に当接させるための当接面６３ａ，６３ｂを有しており、この当接面６３ａ，６３ｂは金属部品７に当接する位置と離間する位置とに切り替え可能である。冷却型６１ａ，６１ｂ内には、冷却水流路６４ａ，６４ｂが配されており、この冷却水流路６４ａ，６４ｂには、開閉弁Ｖ２を備えた冷却水配管２８ａ，２８ｂから供給される冷却水が流通する。上下クランプ部材６Ａ，６Ｂには、凹部６２ａ，６２ｂに一端が繋がったエア供給路１８ａ，１８ｂが設けられている。このエア供給部１８ａ，１８ｂには、開閉弁Ｖ３を有するエア配管２０ａ，２０ｂを介して、エアポンプ１９からエア供給が可能である。このエア供給は、冷却型６１ａ，６１ｂの動作用である。

第１および第２電極４Ａ，４Ｂは、たとえば銅管を用いて構成されており、上クランブ部材６Ａに設けられた電極配置用の凹部３３，３５内に収容されている。図２によく表われているように、第１および第２電極４Ａ，４Ｂのそれぞれは、大径状とされて金属部品７に接触可能な複数の接触部４１ａと、これら複数の接触部４１ａよりも小径とされて金属部品７には非接触の複数の非接触部４１ｂとに区分されており、これら接触部４１ａおよび非接触部４１ｂは1つずつ交互に並んでいる。第１および第２の電極４Ａ，４Ｂによる通電は、複数の接触部４１ａのみを介して行なわれる。接触部４１ａおよび非接触部４１ｂの長さの関係については、後述する。図１に示すように、第１および第２電極４Ａ，４Ｂは、電源４３と接続されている。電源４３は、直流電源および交流電源のいずれであってもよい。なお、上下クランプ部材６Ａ，６Ｂに電流が不当に流れることを防止するこ
とを目的として、それらの適当な部分（たとえば、エア供給路１８ａ，１８ｂの内面など）には、電気絶縁材が配設されている。

第１および第２電極４Ａ，４Ｂには、パイプ状の貫通部材４２Ａ，４２Ｂが貫通している。この貫通部材４２Ａ，４２Ｂは、両端が屈曲したコ字状であり、その内部には、冷却水が供給可能である。この冷却水供給は、第１および第２電極４Ａ，４Ｂの溶融を防止するためのものであり、開閉弁Ｖ１を備えた冷却水配管４４Ａ，４４Ｂを利用して行なわれる。

次に、第１および第２電極４Ａ，４Ｂの好ましい配置や寸法条件について、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。
第１および第２電極４Ａ，４Ｂのそれぞれの全長をＬａ、第１および第２電極４Ａ，４Ｂどうしの間隔をＷ（図３（Ｂ）を参照）とした場合、これらは、次の式１の関係を満たすように設定されている。
Ｌａ／Ｗ≧１．５・・・式１

接触部４１ａの長さをＬｂ、接触部４１の間隔（非接触部４１ｂの長さ）をｐとした場合、これらは、次の式２の関係を満たすように設定されている。
１．０＜〔(Ｌｂ＋ｐ)／Ｌｂ〕≦５．０・・・式２
なお、２．０≦〔(Ｌｂ＋ｐ）／Ｌｂ〕≦５．０であることがより好ましく、２．０≦〔(Ｌｂ＋ｐ）／Ｌｂ〕≦３．０であることがさらに好ましい。

次に、前記した焼入れ装置１の作用について説明する。

まず、図１に示すように、上下クランプ部材６Ａ，６Ｂ間に、金属部品７を挟み込む。冷却型６１ａ，６１ｂについては、金属部品７から離間させておき、バキュームポンプ５０を駆動することにより、金属部品７と冷却型６１ａ，６１ｂとの間の空間部を真空引きしておく。このような状態において、電源４３をオンとする。このことにより、第１および第２電極４Ａ，４Ｂ間には、金属部品７を介して電流が流れる。したがって、その部分（焼き入れ対象部分５１）にジュール熱が発生し、当該部分５１が加熱される。なお、第１および第２の電極４Ａ，４Ｂの貫通部材４２Ａ，４２Ｂには、冷却水が供給されることにより、第１および第２電極４Ａ，４Ｂを構成する銅管が熱溶融することは適切に防止される。焼き入れ対象部分５１が所定温度（たとえば、９００℃程度）まで昇温すると電源４３はオフされる。

電源４３をオフにした後には、上下クランプ部材６Ａ，６Ｂの凹部６２ａ，６２ｂに対し、エアポンプ１９からエアが供給される。このエア圧により、図４に示すように、冷却型６１ａ，６１ｂが金属部品７側に移動し、金属部品７に接触する。このことにより、先に加熱されていた焼入れ対象部分５１が効率良く冷却され、焼入れ対象部分５１に対する焼入れが達成される。

本実施形態においては、第１および第２電極４Ａ，４Ｂのそれぞれが、接触部４１ａと非接触部４１ｂとが交互に並んだ構成されているために、第１および第２電極４Ａ，４Ｂ付近の加熱量を抑制し、焼入れ対象部分５１の中心部（間隔Ｗ方向の中心）に対し、第１および第２電極４Ａ，４Ｂ寄り部分がかなり高温となる現象を緩和することができる。もちろん、非接触部４１ｂに対応する箇所も、有効に加熱することができる。また、間隔Ｗ方向における加熱温度の均一化は、前記した式１の条件を満たすことによって、より適切に図られる。

加えて、本実施形態では、前記した式２の条件をも満たしており、接触部４１ａと非接
触部４１ｂとが程良い関係とされているために、焼入れ対象部分５１の加熱温度分布をより均一にする効果も得られる。すなわち、〔Ｌｂ＋ｐ）／Ｌｂ〕の値が過大であると、非接触部４１ｂに対応する箇所の温度が低く、かつ接触部４１ａに対応する箇所が高温となって、この部分が溶融するといった不具合を生じ易くなるが、前記の式２の条件を満足すれば、そのようなことを回避することができる。なお、本実施形態とは異なり、非接触部４１ｂが設けられておらず、その寸法ｐがゼロの場合には、〔Ｌｂ＋ｐ〕／Ｌｂ〕＝１となるが、式２では、そのような範囲は除外されている。焼入れ対象部分５１を均一に加熱することができれば、焼き入れの均質化が図られ、高強度かつ高品質な金属部品を得るのに好適となる。このような点は、後述する実施例からも理解される。

電源４３は、高周波電源である必要はない。このため、焼入れ装置１では、高周波焼入れのための装置と比較して、装置のコストを低く抑えることができる。また、加熱後の焼入れ対象部分５１には冷却液が直接かけられるようなことはなく、冷却型６１ａ，６１ｂを利用して焼入れ対象部分５１の冷却が達成される。したがって、使用済みの冷却液を処理する設備も不要である。

また、焼入れ前の金属部品７の成形は、冷間加工（冷間プレス）により達成することができる。すなわち、成形と焼入れとが同時に進行するダイクエンチとは異なり、金属部品７の成形と焼入れとを分離して行うことができる。このことにより、冷間加工を活用しつつ、比較的長い処理時間を要する焼入れを低コストの焼入れ装置１により達成することができる。よって、ダイクエンチの手法が採用される場合と比較して、金属部品７の成形のための設備コストも低減できる。また、生産性も高まる。

また、焼入れ対象部分５１がその加熱直後に冷却されるので、焼入れ対象部分５１に酸化スケールが生じることを防止できる。しかも、焼入れ装置１には、バキュームポンプ５０が備えられており、金属部品７と冷却型６１ａ，６１ｂとの間の空間が真空状態に近づけられた状態で、焼入れ対象部分５１が加熱および冷却されるので、焼入れ対象部分５１に酸化スケールが生じることを良好に防止できる。そのため、焼入れ後に、酸化スケールを除去するためのショットブラスト加工を必要としない。さらに、焼入れ対象部分５１の冷却は、冷却型６１ａ，６１ｂによって型締めされた状態で行なわれるために、金属部品７に熱歪みが生じることも防止できる。

このようなことから、本実施形態の焼入れ装置１によれば、比較的安価な鋼板を用いて、従来の金属部品と同等以上の強度および品質を有する金属部品を得ることができる。また、金属部品の成形および焼入れのための設備に要するコストを低減できる。その結果、従来の金属部品と同等以上の強度および品質を有する金属部品７を従来の金属部品よりも安価に製造することができる。

以下、実施例および比較例に基づいて、前記実施形態の構成による効果をさらに詳細に説明する。
図５は、下表１に示す実施例１〜６および比較例１，２における部分焼入れの試験方法を説明するための図である。
試験では、前記実施形態における第１および第２電極４Ａ，４Ｂにそれぞれ相当する正負の電極４Ａ’，４Ｂ’を使用し、鋼板加熱状態（温度分布）を調べた。加熱方法としては、電極４Ａ’，４Ｂ’を平板状の鋼板に当接させ、電極４Ａ’，４Ｂ’に挟まれた焼入れ対象部分５１’の中心Ｏの目標温度を９００℃に設定し、電極４Ａ’，４Ｂ’間に電流を流した。

なお、表１において、実施例１〜４の〔(Ｌｂ＋ｐ）／Ｌｂ〕の値は、前記した式２の
関係、すなわち、１．０＜〔(Ｌｂ＋ｐ)／Ｌｂ〕≦ ５．０を満たしている。比較例１の〔(Ｌｂ＋ｐ)／Ｌｂ〕の値は、１．０であり、電極の形状が非接触部のない棒状である。比較例２の〔(Ｌｂ＋ｐ)／Ｌｂ〕の値は、５．０以上の７．７である。この数字は、接触部の長さＬｂに比べて非接触部の長さｐが長いことを示している。実施例１〜４および比較例１，２は、いずれも前記した式１の関係、すなわち（Ｌａ／Ｗ）≧１．５の条件を満たしている。

図６は、実施例１〜６および比較例１，２の〔(Ｌｂ＋ｐ)／Ｌｂ〕の値と、焼入れ対象部分５１’の中心Ｏから長手方向にずれた２点（位置Ｌａ(１００％)および位置Ｌａ(８０％)）における温度と、の関係を示している。図５に示すように、位置Ｌａ(１００％)は、焼入れ対象部分５１’のＬａ方向の一端であって、電極４Ａ’，４Ｂ’の対抗方向（以下、単に「Ｗ方向」という。）の中央位置である。位置Ｌａ(８０％)は、位置Ｌａ(１００％)よりも長手方向に長さＬａの２０％分だけ内側の位置である。
図７は、実施例１〜６および比較例１，２の〔(Ｌｂ＋ｐ)／Ｌｂ〕の値と、焼入れ対象部分５１’の中心部分からＷ方向にずれた位置における温度と、の関係を示している。図５に示したように、位置Ｗ(８０％)は、中心ＯからＷ方向に３０％ずれた位置である。

図６に示すように、実施例１〜４では、位置Ｌａ(８０％)の温度は、中心Ｏの温度に対して９３〜９７％である。また、位置Ｌａ(１００％)の温度は、中心Ｏの温度に対して、７９〜８２％である。位置Ｌａ(８０％)と位置Ｌａ(１００％)の差は、１５〜１６％である。以上のように、位置Ｌａ(８０％)および位置Ｌａ(１００％)の温度差は少ない。従って、焼入れ対象部分５１’は、Ｌａ方向において、略均一に加熱されていると理解できる。また、図７に示されるように、実施例１〜４では、位置Ｗ(８０％)の温度は、中心Ｏの温度に対して９１〜９５％である。従って、焼入れ対象部分５１’は、Ｗ方向においても、略均一に加熱されていると理解することができる。

図６に示すように、比較例１では、位置Ｌ(８０％)の温度は、中心Ｏの温度に対して９６％である。位置Ｌ(１００％)の温度は、中心Ｏの温度に対して、８０％である。また、位置Ｌａ(８０％)と位置Ｌａ(１００％)の差は、１５％である。このように、位置Ｌａ(８０％)および位置Ｌａ(１００％)の温度低下は小さく、実施例１〜４の低下率と比較しても遜色がない。従って、比較例１では、長手方向の加熱は、略均一にされているといえる。しかし、図７に示すように、比較例１では、位置Ｗ(８０％)の温度は、中心点の温度に対して７８％であり、実施例１〜４と比較して低下率が大きい。

図６に示されるように、比較例２では、位置Ｌａ(８０％)の温度は、中心Ｏの温度に対して８６％である。位置Ｌａ(１００％)の温度は、中心Ｏの温度に対して、７２％である。また、位置Ｌａ(８０％)と位置Ｌａ(１００％)の差は、１４％である。このように、位置Ｌａ(８０％)および位置Ｌａ(１００％)における温度低下の幅は、実施例１〜４と比較して大きい。図７に示されるように、比較例２では、位置Ｗ(８０％)の温度は、中心Ｏの
温度に対して９１％であり、実施例１〜４と比較して低下率は大きくない。しかし、比較例２の条件では、正電極４Ａ’および負電極４Ｂ’の周辺で、鋼板の溶け落ちが発生した。

以上を纏めると、実施例１〜４の条件では、焼入れ対象部分５１’は、略均一に加熱されている。比較例１の条件による加熱は、Ｗ方向の均一性に問題がある。また、比較例２の条件による加熱は、電極４Ａ’，４Ｂ’の周辺で、鋼板の溶け落ちが発生する点で問題がある。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る焼入れ装置の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において変更可能である。

たとえば、第１および第２電極４Ａ，４Ｂは、複数の接触部４１ａおよび非接触部４１ｂが直線状に並んでいなくてもよく、屈曲または湾曲した状態に並んでいてもよい。

１焼入れ装置
２金属部品
４Ａ，４Ｂ第１および第２電極（一対の電極）
４１ａ接触部（電極の）
４１ｂ非接触部（電極の）
５１焼入れ対象部分

Claims

金属部品における焼入れ対象部分の両側に一対の電極を当接させて、前記一対の電極間に電流を流すことにより前記焼入れ対象部分を加熱するように構成された焼入れ装置であって、
前記一対の電極のそれぞれは、前記金属部品に接触する複数の接触部と、前記金属部品に接触しない非接触部とに区分され、これら複数の接触部および非接触部は、交互に並んだ構成とされており、
前記金属部品は、天井部と縦壁部とからなる断面Ｌ型形状部を有し、
前記断面Ｌ型形状部が前記焼入れ対象部分に含まれるように、前記一対の電極の内、第１の電極は前記天井部に当接し、第２の電極は前記第１の電極との間に前記断面Ｌ型形状部を挟んで前記縦壁部に当接するように構成され、
前記一対の電極が前記焼入れ対象部分を加熱した後に、前記断面Ｌ型形状部に合わさるように前記焼入れ対象部分の表裏面に当接し、前記焼入れ対象部分を冷却しつつ型締めする一対の冷却型を備え、
前記第１および前記第２電極のそれぞれには、冷却水が供給可能なパイプ状の貫通部材が貫通しており、前記貫通部材は、両端が前記焼入れ対象部分に対して略直交するように屈曲したコ字状に形成されていることを特徴とする、焼入れ装置。