JP6365189B2 - 鋼材の熱処理装置およびその熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性材料からなる鋼材を熱処理する鋼材の熱処理装置および熱処理方法であって、加熱コイルに電流を通電することにより誘導加熱で熱処理するに好適な鋼材の熱処理装置および熱処理方法に関する。

従来から、軟磁性材料からなる鋼材を、加熱コイルに電流を通電することにより誘導加熱で熱処理することが行われている。この誘導加熱では、加熱コイルに所定の周波数および所定の大きさの交流電流を通電することにより、加熱コイル内部に電磁誘導による磁力を発生させるとともに、鋼材の表面に渦電流を発生させている。鋼材の表面に渦電流が流れると、鋼材そのものの有する電気抵抗により、ジュール熱が発熱する。この結果、ジュール熱により、鋼材が加熱（熱処理）されることになる。

ここで、軟磁性材料からなる鋼材では、鋼材のキュリー温度において、鋼材の磁気特性が変化することが知られている。たとえば、特許文献１には、鋼板のキュリー温度未満の場合、高周波誘導加熱装置により鋼板を加熱し、キュリー温度を超えた場合、ガス加熱または電気ヒータによる加熱により鋼板を加熱する鋼板の焼鈍方法が提案されている。

特開２００９−２２１５７８号公報

しかしながら、特許文献１では、鋼板（鋼材）がキュリー温度以上に加熱されると、鋼材の磁気特性が変化することから、誘導加熱からガス加熱または電気ヒータによる加熱に、加熱方法を変更しているが、このような加熱方法の変更は、装置構成が複雑になるばかりでなく、装置が大型化しやすい。

そこで、たとえば、焼き入れなどを目的として、誘導加熱で鋼材を熱処理する際には、鋼材の温度を測定しながら、測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、加熱コイルに通電する電流の大きさをフィードバック制御している。

しかしながら、このような制御方法で鋼材を熱処理した場合には、キュリー温度以上に加熱された鋼材は、非磁性体となり鋼材表面の電気抵抗が増加するため、鋼材がキュリー温度未満のときよりも昇温されやすい。

これにより、加熱コイルに通電した電流により加熱される鋼材の加熱温度（測定温度）が過応答となる。測定温度が一旦、目標温度を超えた場合には加熱コイルに通電する電流が制限され、測定温度が目標温度を下回ると加熱コイルへの通電が開始される。これにより、加熱コイルへの電流の通電のオン・オフが繰り返され、電流が大きく変動し、コイルに通電する電流の電流値がゼロに近づく頻度が高くなり、電流値がゼロに近づいた後の通電による入熱が著しく増加するため、鋼材の加熱状態が変化してしまう。

このような結果、１つの鋼材を熱処理する際には、この過応答に起因した加熱コイルに通電される電流の変動と、加熱コイルおよび鋼材の形状と、が起因して、鋼材の加熱ムラが生じることがあった。さらに、同じ形状からなる複数の鋼材を順次この熱処理方法で熱処理した場合、加熱コイルに流れる電流の変動は、その鋼材ごとに異なるため、複数の鋼材（ロット）ごとに加熱状態にばらつきが生じてしまうことがあった。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、鋼材を該鋼材のキュリー温度以上の温度まで、フィードバック制御により誘導加熱により熱処理する場合であっても、鋼材の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる鋼材の熱処理装置および熱処理方法を提供することにある。

上記課題を鑑みて、本発明に係る鋼材の熱処理方法は、加熱コイルに電流を通電することにより、鋼材のキュリー温度以上の温度まで、前記鋼材を誘導加熱で熱処理する鋼材の熱処理方法であって、前記鋼材の熱処理方法は、前記鋼材の温度を測定しながら、測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、前記加熱コイルに通電する前記電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御するものであり、前記加熱コイルにより加熱された前記鋼材の測定温度が、前記鋼材のキュリー温度以上となったときに、前記鋼材のキュリー温度未満に設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更することを特徴とする。

本発明によれば、前記鋼材の温度を測定しながら、測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、前記加熱コイルに通電する前記電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御するので、鋼材の温度を目標温度に昇温することができる。

ここで、キュリー温度以上に加熱された鋼材は非磁性体となり、鋼材の電気抵抗が増加するため、誘導加熱により鋼材の温度がキュリー温度未満のときよりも昇温しやすく、鋼材の昇温（昇温制御）が過応答になりやすい。

しかしながら、本発明では、加熱された鋼材の測定温度が鋼材のキュリー温度以上となったときに、鋼材のキュリー温度未満で設定されたＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインが低くなるようにＰＩＤ制御のゲインを変更するので、鋼材の昇温の応答を遅らせ、鋼材の昇温の過応答を抑えることができる。これにより、ＰＩＤ制御の各ゲインを変更しない場合に比べて、測定温度が目標温度に到達するまでの時間が遅くなるので、加熱コイルへの電流の通電がオフとなる（具体的には通電する電流の値がゼロに近づく）頻度を減少させ、安定した（変動の小さい）電流を加熱コイルに通電することができる。

このような結果、鋼材のキュリー温度以上の温度まで、フィードバック制御により誘導加熱により熱処理する場合であっても、鋼材の表面の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

より好ましくは、前記ＰＩＤ制御のゲインの変更を、少なくとも前記比例ゲインを低くすることにより行う。ここで、これまでの熱処理方法では、ＰＩＤ制御の各ゲインを変更していないため、鋼材の測定温度がキュリー温度に到達したときに、鋼材が非磁性体となり、加熱コイルの通電により、測定温度は目標温度に対してオーバーシュートする傾向にあった。しかしながら、本実施形態では、鋼材の測定温度がキュリー温度に到達したタイミングで、ＰＩＤ制御のゲインのうち少なくとも比例ゲインを低くすることにより、このタイミングにおける上述したオーバーシュートを低減することができる。

さらに好ましい態様としては、前記鋼材の熱処理方法は、さらに、前記鋼材を所定の目標温度まで昇温する昇温工程と、昇温した鋼材を一定の目標温度となるように加熱する均熱工程と、を含むものであり、前記昇温工程から前記均熱工程に移行する際に、前記昇温工程で設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更する。

この態様によれば、均熱工程において、ＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインを低くすることにより、均熱工程における鋼材の加熱温度（測定温度）の過応答を抑制する。これにより、ＰＩＤ制御の各ゲインを変更しない場合に比べて、均熱工程において測定温度が目標温度に到達するまでの時間が遅くなるので、加熱コイルへの電流の通電がオフとなる（具体的には通電する電流の値がゼロに近づく）頻度を減少させることができる。このような結果、測定温度が一定の目標温度付近となるように、加熱コイルへの通電がなされるため、均熱工程における鋼材の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

より好ましい態様としては、前記昇温工程から前記均熱工程への変更を、前記鋼材のキュリー温度以上で行う。鋼材のキュリー温度以上では、上述したように、鋼材のキュリー温度未満の場合よりも、均熱工程における鋼材の温度制御の過応答が起こりやすいので、このような過応答を効率的に抑えることができる。この結果、たとえば、鋼材の焼き入れ深さを均一にすることができるばかりでなく、浸炭ガスによる浸炭焼入れなどにおいて、鋼材の表層により均一に炭素を固溶拡散することができる。

本発明として、上述した鋼材の熱処理方法を実現する熱処理装置を開示する。本発明に係る鋼材の熱処理装置は、鋼材のキュリー温度以上の温度まで、前記鋼材を誘導加熱で熱処理する鋼材の熱処理装置であって、電流を通電することにより前記鋼材を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルに前記電流を供給する電流供給部と、前記加熱コイルで加熱される前記鋼材の温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部で測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、前記電流供給部が前記加熱コイルに通電する前記電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御する電流制御部と、を備えており、前記電流制御部は、前記測定温度が、前記鋼材のキュリー温度以上となったときに、前記鋼材のキュリー温度未満で設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更することを特徴とする。

本発明によれば、温度測定部で鋼材の温度を測定しながら、測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、電流制御部で、加熱コイルに通電する電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御するので、鋼材の温度を目標温度に昇温することができる。

上述したように、キュリー温度以上に加熱された鋼材は非磁性体となり、鋼材の電気抵抗が増加するため、誘導加熱により鋼材の温度がキュリー温度未満のときよりも昇温しやすく、鋼材の昇温（昇温制御）が過応答になりやすい。

しかしながら、本発明では、加熱された鋼材の測定温度が鋼材のキュリー温度以上となったときに、電流制御部で、鋼材のキュリー温度未満で設定されたＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインが低くなるようにＰＩＤ制御のゲインを変更するので、鋼材の昇温の応答を遅らせ、鋼材の昇温の過応答を抑えることができる。これにより、ＰＩＤ制御の各ゲインを変更しない場合に比べて、測定温度が目標温度に到達するまでの時間が遅くなるので、加熱コイルへの電流の通電がオフとなる（具体的には通電する電流の値がゼロに近づく）頻度を減少させることができ、安定した電流（変動の小さい）を加熱コイルに通電することができる。

このような結果、鋼材のキュリー温度以上の温度まで、フィードバック制御により誘導加熱により加熱する場合であっても、鋼材の表面の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

より好ましくは、前記電流制御部は、前記ＰＩＤ制御のゲインの変更を、少なくとも前記微分ゲインを低くすることにより行う。ここで、これまでの熱処理装置を用いた場合、ＰＩＤ制御の各ゲインを変更していないため、鋼材の測定温度がキュリー温度に到達したときに、鋼材が非磁性体となり、加熱コイルの通電により、測定温度は目標温度に対してオーバーシュートする傾向にあった。しかしながら、本実施形態では、鋼材の測定温度がキュリー温度に到達したタイミングで、ＰＩＤ制御のゲインのうち少なくとも比例ゲインを低くすることにより、他のゲインを低くした場合に比べて、このタイミングにおける上述したオーバーシュートを低減することができる。

さらに好ましい態様としては、前記電流制御部は、さらに前記鋼材を所定の目標温度まで昇温する昇温工程と、昇温した鋼材を一定の目標温度となるように加熱する均熱工程と、を含むように、前記電流を制御しており、前記電流制御部は、前記昇温工程から前記均熱工程に移行する際に、前記昇温工程で設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更する。

この態様によれば、電流制御部が、均熱工程において、ＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインを低くすることにより、均熱工程における鋼材の加熱温度（測定温度）の過応答を抑制する。これにより、ＰＩＤ制御の各ゲインを変更しない場合に比べて、測定温度が目標温度に到達するまでの時間が遅くなるので、加熱コイルへの電流の通電がオフとなる（具体的には通電する電流の値がゼロに近づく）頻度が減少する。このような結果、測定温度が一定の目標温度付近となるように、加熱コイルへの通電の電流の制御がなされるため、均熱工程における鋼材の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

より好ましい態様としては、前記電流制御部は、前記昇温工程から前記均熱工程への変更を、前記鋼材のキュリー温度以上で行うように、設定した目標温度に基づいて電流を制御する。鋼材のキュリー温度以上では、上述したように、鋼材のキュリー温度未満の場合よりも、均熱工程における鋼材の温度制御の過応答が起こりやすいので、このような過応答を効率的に抑えることができる。この結果、たとえば、鋼材の焼き入れ深さを均一にすることができるばかりでなく、浸炭ガスによる浸炭焼入れなどにおいて、鋼材の表層により均一に炭素を固溶拡散することができる。

本発明によれば、鋼材を該鋼材のキュリー温度以上の温度まで、フィードバック制御により誘導加熱により加熱する場合であっても、鋼材の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る鋼材の熱処理装置を説明するための模式図。 図１に示す熱処理装置の電流制御部を説明するための図。 図１に示す熱処理装置を用いた熱処理方法を説明するための図であり、（ａ）は、目標温度の温度プロフィールを示した図、（ｂ）は、従来の熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図、（ｃ）は、本実施形態に係る熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図。 第２実施形態に係る熱処理装置を用いた別の熱処理方法を説明するための図であり、（ａ）は、目標温度の温度プロフィールの一例を示した図、（ｂ）は、比較例に相当する熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図、（ｃ）は、本実施形態に係る熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図。 第２実施形態に係る熱処理装置を用いた別の目標温度の温度プロフィールを示した図。 （ａ）は、実施例に係る鋼材の温度と発振器の出力との関係を示した図、（ｂ）は、比較例に係る鋼材の温度と発振器の出力との関係を示した図。 実施例および比較例に係る各鋼材の表面の温度差を示した図。 実施例および比較例に係る各鋼材の焼き入れ深さを示した図。

以下に、図１〜５に示す図面を参照して、本発明の実施形態に係る鋼材の熱処理装置およびその熱処理方法を説明する。
〔第１実施形態〕
１．鋼材について
本実施形態に係る鋼材は、キュリー温度を有した軟磁性材料である。すなわち、キュリー温度未満では、軟磁性体であり、キュリー温度以上では、非磁性体の材料である。このような材料としては、たとえばフェライト組織およびパーライト組織からなる鋼材を挙げることができる。このような鋼材は、キュリー温度以上（厳密にはＡ_１変態点以上）で、オーステナイト組織に変態し、非磁性体となる。より具体的には、鋼材としては、たとえば、クロム鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ４１５〜４３５）、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４１５〜４３５）などを挙げることができる。

２．熱処理装置１０について
本実施形態では、上述した鋼材を準備し、図１に示す熱処理装置１０を用いて鋼材を熱処理する。熱処理装置１０について、以下に簡単に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る鋼材Ｗの熱処理装置１０を説明するための模式図である。図２は、図１に示す熱処理装置１０の電流制御部１６を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る熱処理装置１０は、ギアなどの鋼材Ｗを収容する熱処理炉１１を備えており、熱処理炉１１の内部には、鋼材Ｗを載置ための載置台１８と、鋼材Ｗを誘導加熱する加熱コイル１２とが配置されている。載置台１８は、熱処理時に鋼材Ｗを回転させることができ、これにより、加熱コイル１２の形状に起因した加熱ムラを低減することができる。

加熱コイル１２には、電源盤１４を介して発振器１３が接続されている。電源盤１４は、電源から所定の大きさに電流Ｉ１を制御し、制御した電流Ｉ１を発振器１３に供給する。発振器１３は、供給された電流Ｉ１を所定の周波数に調整し、調整された電流Ｉ２を加熱コイル１２に供給する。本実施形態に係る電源盤１４および発振器１３が、本発明でいう「電流供給部」に相当する。

さらに、熱処理炉１１には、放射温度計（温度測定部）１５が取り付けられており、放射温度計１５は、加熱コイル１２で加熱される鋼材Ｗの温度を非接触で測定する。放射温度計１５で測定した鋼材Ｗの測定温度Ｔの信号は、電流制御部１６に入力される。

電流制御部１６は、測定温度Ｔが目標温度Ｔａとなるように、電源盤１４に制御信号Ｓを出力し、発振器１３を介して加熱コイル１２に供給する電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御する。

電流制御部１６は、演算装置（ＣＰＵ）および記憶装置（メモリ）を備えている（図示せず）。演算装置では、放射温度計１５で測定された測定温度Ｔに基づいて、加熱コイル１２に供給すべき電流の大きさ等を演算する。記憶装置には、たとえば図３（ａ），図４（ａ）等で後述する熱処理時における目標温度の温度プロフィール、各ゲイン等が記憶されている。

より具体的には、電流制御部１６は、図２に示すように、鋼材（ワーク）Ｗからの測定温度Ｔと目標温度Ｔａとの偏差ｅを演算し、この偏差ｅが０となるように、一般的に知られたＰＩＤ制御を行う比例制御部１６ａ、積分制御部１６ｂ、および微分制御部１６ｃを介して、電源盤１４を制御する制御量を演算し、電源盤１４に制御信号Ｓを出力する。

電流制御部１６は、測定温度Ｔが、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上となったときに、鋼材Ｗのキュリー温度未満で設定されたＰＩＤ制御の比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、または微分ゲインＫｄのうち少なくとも１つのゲイン（好ましくは比例ゲインＫｐ）が低くなるように（すなわち、ゲインを下げるように）ＰＩＤ制御の比例制御部１６ａ，積分制御部１６ｂ，および微分制御部１６ｃのゲインＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄを変更する。本実施形態では、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上となったときに、すべてのゲインＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄが低くなるように、ゲインの設定がされている。

３．熱処理方法について
以下に図１および２に示す熱処理装置１０を用いた鋼材の熱処理方法を説明する。図３は、図１に示す熱処理装置１０を用いた熱処理方法を説明するための図であり、（ａ）は、目標温度の温度プロフィールを示した図であり、（ｂ）は、従来の熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図であり、（ｃ）は、本実施形態に係る熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図である。なお、本実施形態では、フィードバック制御により、鋼材Ｗの測定温度Ｔを目標温度Ｔａに近づけるため、図３（ａ）では、これらのプロフィールが一致しているように模式的に示している。

まず、熱処理装置１０の熱処理炉１１内の載置台１８に、鋼材Ｗを載置するとともに、加熱コイル１２を鋼材Ｗに対向する位置に配置し、載置台１８とともに鋼材Ｗを回転させる。次に、図３（ａ）に示す目標温度の温度プロフィールとなるように、放射温度計１５で熱処理炉１１内の鋼材Ｗの温度を測定しながら、時間変化とともに、測定した鋼材の測定温度Ｔが目標温度Ｔａの温度プロフィールとなるように、電流制御部１６が、加熱コイル１２に通電する電流Ｉ２の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御する。これにより、鋼材Ｗの実際の表面温度である計測温度Ｔが、目標温度Ｔａに近いプロフィールとなる。

ここで、加熱コイル１２により加熱された鋼材Ｗの測定温度Ｔが、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ未満では、鋼材Ｗは磁性体であり、鋼材Ｗの測定温度Ｔが、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上では、鋼材Ｗは非磁性体となる。鋼材Ｗがフェライト組織およびパーライト組織からなる場合には、キュリー温度ＴＣを超えたあたりから、オーステナイト組織に組織変態し、非磁性体となる。

従来では、図３（ｂ）に示すように、昇温される鋼材Ｗが測定温度に拘わらず、電流制御部は、ＰＩＤ制御の比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、または微分ゲインＫｄを変更していなかった。これにより、キュリー温度ＴＣ以上に加熱された鋼材Ｗは非磁性体となり、鋼材Ｗの電気抵抗が増加するため、鋼材Ｗの温度がキュリー温度ＴＣ未満のときよりも上昇しやすく、鋼材Ｗの昇温（昇温制御）が過応答になりやすい。

この結果、図３（ａ），（ｂ）に示す、時刻ｔ１以降、測定温度Ｔが目標温度Ｔａを超え易く、加熱コイル１２に通電する電流が制限される（加熱コイルへの電流の通電が一時的にオフとなる）が、測定温度Ｔが目標温度Ｔａを下回ると、すぐに加熱コイル１２への通電が開始される。これにより、加熱コイル１２への電流の通電のオン・オフが繰り返され、加熱コイル１２に通電される電流の値がゼロに近づくような大きな電流変動が、高い頻度で生じる。このため、再通電時には、鋼材Ｗへの入熱量が大きくなる傾向にあり、鋼材Ｗの加熱状態が変化してしまうことがあった。

そこで、本実施形態では、図３（ｃ）に示すように、加熱された鋼材Ｗの測定温度Ｔが鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上となったときに、すなわち時刻ｔ１となったときに、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ未満で設定されたＰＩＤ制御のすべてのゲイン（比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、または微分ゲインＫｄ）が低くなるようにＰＩＤ制御のゲインを変更するので、鋼材Ｗの昇温の応答を遅らせることができる。

これにより、測定温度Ｔが鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上となった時刻ｔ１以降において、従来の鋼材Ｗの昇温の過応答を抑えることができる。このように、ＰＩＤ制御の各ゲインＫｐ，Ｋｉ,Ｋｄを変更しない場合に比べて、これらのゲインを下げた場合には、測定温度Ｔが目標温度Ｔａに到達するまでの時間が遅くなるので、加熱コイル１２への電流Ｉ２の通電がオフとなる（具体的には加熱コイル１２に通電される電流の値がゼロに近づく）頻度が減少する。

このような結果、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上の温度まで、フィードバック制御により誘導加熱により熱処理する場合であっても、鋼材Ｗの表面の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

特に、鋼材Ｗの測定温度Ｔがキュリー温度ＴＣに到達したときに、鋼材Ｗが非磁性体となるため加熱コイル１２の通電により、測定温度Ｔは目標温度Ｔａに対してオーバーシュートしやすい。しかしながら、本実施形態では、鋼材の測定温度がキュリー温度に到達したタイミングで、ＰＩＤ制御のゲインのうち比例ゲインを低くしているので、上述したオーバーシュートを低減することができる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態が、第１実施形態と相違する点は、電流制御部１６による制御である。したがって、その他の点は、第１実施形態と同じであるので、その詳細な説明を省略する。図４は、第２実施形態に係る熱処理装置を用いた熱処理方法を説明するための図であり、（ａ）は、目標温度の温度プロフィールの一例を示した図であり、（ｂ）は、比較例の熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図であり、（ｃ）は、本実施形態に係る熱処理装置における発振器から出力される出力電流を示した図である。なお、図４（ｂ）では、キュリー温度以上となったときに、ＰＩＤ制御のゲインを低くしている（下げている）ことから本発明に含まれる比較例である。

第１実施形態では、鋼材Ｗを加熱する目標温度の温度プロフィールは昇温のみを特定して説明したが、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、電流制御部１６は、さらに、鋼材Ｗを所定の目標温度（Ｔａ＝ＴＦ）まで昇温する昇温工程と、昇温した鋼材Ｗを一定の目標温度ＴＦとなるように加熱する均熱工程と、を含むように、目標温度Ｔａを設定し、設定した目標温度Ｔａに基づいて加熱コイル１２に通電する電流を制御している。

ここで、電流制御部１６は、昇温工程から均熱工程に移行する際に、昇温工程で設定されたＰＩＤ制御の比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、または微分ゲインＫｄのうち少なくとも１つのゲインが低くなるようにＰＩＤ制御のゲインを変更する。本実施形態では、昇温工程において、設定されたＰＩＤ制御の比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、または微分ゲインＫｄに対して、均熱工程では、すべてのゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄが昇温工程におけるゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄよりも低くなるように設定されている。

ここで、図４（ｂ）に示すように、加熱された鋼材Ｗの測定温度Ｔが鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上となったときに、すなわち時刻ｔ１となったときに、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ未満で設定されたＰＩＤ制御のすべてのゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄが低くなるようにＰＩＤ制御のゲインを変更するので、鋼材Ｗの昇温の応答を遅らせることができる。

しかしながら、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ２で均熱工程に移行する段階で、一定の目標温度ＴＦを保持すべく加熱コイル１２に電流を通電しようとＰＩＤ制御（フィードバック制御）を行う際に、ＰＩＤ制御のすべてのゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄを変更しない（一定に保持した）場合、以下の如き現象が生じる。

具体的には、ＰＩＤ制御では、一定の目標温度ＴＦを測定温度Ｔが超えた際に、加熱コイル１２の電流の通電がオフとなり、その後一定の目標温度ＴＦを測定温度Ｔが下回った際に、再度加熱コイル１２への電流の通電が再度なされ、昇温の応答性が高い場合には、図４（ｂ）の時刻ｔ２以降に示すように、加熱コイル１２への電流の通電がオフとなる（具体的には通電がゼロに近づく）頻度が高くなる。

そこで、本実施形態では、均熱工程において、昇温工程に比べて、ＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインを低くする（本実施形態ではすべてのゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄを低くする）ことにより、均熱工程における鋼材Ｗの加熱温度（測定温度）の過応答を抑制する。

これにより、図４（ｂ）に示すＰＩＤ制御の各ゲインを変更しない場合に比べて、測定温度が目標温度に到達するまでの時間が遅くなるので、図４（ｃ）に示すように、加熱コイル１２への電流の通電がオフとなる（具体的には通電がゼロに近づく）頻度が減少する。このような結果、測定温度が一定の目標温度付近となるように、加熱コイルへの通電がなされるため、均熱工程における鋼材の加熱ムラを低減するとともに、そのロットごとの加熱状態のばらつきを抑制することができる。

特に、本実施形態では、電流制御部１６は、昇温工程から均熱工程への変更を、鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上で行うように設定した目標温度に基づいて電流を制御している。鋼材Ｗのキュリー温度ＴＣ以上では、上述したように、鋼材Ｗのキュリー温度未満の場合よりも、均熱工程における鋼材の加熱温度（測定温度）の過応答が起こりやすい。しかしながら、昇温工程から均熱工程に移行する際に（時刻ｔ２で）、例えばＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインを低くなるように変更することで、このような過応答を効率的に抑えることができる。この結果、たとえば、この均熱工程において、鋼材の焼き入れ深さを均一にすることができるばかりでなく、浸炭ガスによる浸炭焼入れなどにおいて、鋼材Ｗの表層により均一に炭素を固溶拡散することもできる。

さらに、図５に示すように、鋼材のキュリー温度ＴＣ未満の温度領域において、時刻ｔａまでの間で、第１昇温工程（昇温１）を行い、時刻ｔａから時刻ｔｂまでの間、第１均熱工程（均熱１）を行ってもよい。

この場合であっても、第１昇温工程（昇温１）から第１均熱工程（均熱１）に移行する際に、この以降のタイミング（時刻ｔａ）で、ＰＩＤ制御の少なくとも１つのゲインを低く（本実施形態ではその一例として、すべてのゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄを低く）すればよい。これにより、加熱コイル１２への電流の通電がオフとなる（具体的には通電する電流の値がゼロに近づく）頻度を減少させることができる。

さらに第１均熱工程（均熱１）後の第２昇温工程（昇温２）途中で測定温度Ｔがキュリー温度以上となった時刻ｔｃでは、図３（ｃ）に示すように、ＰＩＤ制御のゲインを低くし（下げ）、第２昇温工程（昇温２）から第２均熱工程（均熱２）に移行する時刻ｔｄでは、図３（ｃ）に示すように、さらにＰＩＤ制御の各ゲインを低くしてもよい（下げてもよい）。

ここで、第１および第２実施形態で示したＰＩＤ制御における各ゲインを低下させる下げ代の設定は、実際に鋼材Ｗを加熱したときに、たとえば加熱コイル１２に通電さえる電流の値がゼロとならない、または電流の変動が所望の変動範囲となるように、予め設定するとよい。

以下に本発明を実施例により説明する。
（実施例）
熱処理を行う鋼材として、クロム鋼からなる鋼材（歯車）を準備した。次に、図５に示す温度プロフィールとなるように、測定温度に基づいて、ＰＩＤ制御により加熱コイルに通電する電流の大きさをフィードバック制御し、鋼材を回転させながら鋼材を加熱コイルで加熱した。具体的には、発振器容量は２００ｋＷ、電圧１５０Ｖであり、昇温時の実行電力５５ｋＷとなるように、制御した。

ここで、鋼材のキュリー温度は、７３０℃である。第１昇温工程（昇温１）から第１均熱工程（均熱１）に移行する際に、ＰＩＤ制御の各ゲインを下げ、第１均熱工程（均熱１）から第２昇温工程（昇温２）までの間で、測定温度がキュリー温度を超えた時点でＰＩＤ制御の各ゲインをさらに下げた。

さらに、第２昇温工程（昇温２）から第２均熱工程（均熱２）に移行する際に、ＰＩＤ制御の各ゲインをさらに下げた。この時の鋼材の測定温度（℃）と、加熱コイルに通電する発振器出力（％）とを図６（ａ）に示す。

また、第２均熱工程における鋼材の測定温度のばらつき（温度差）を測定した。この結果を、図７に示す。さらに、熱処理後の鋼材の焼き入れ深さを３０カ所測定した。この結果を図８に示す。

（比較例）
実施例と同じ温度プロフィールとなるように、クロム鋼からなる鋼材（歯車）を熱処理した。実施例１と異なる点は、ＰＩＤ制御の各ゲインを一定とした点である。この時の鋼材の測定温度（℃）と、加熱コイルに通電する電流値に相当する発振器出力（％）と、を図６（ｂ）に示す。また、第２均熱工程における鋼材の測定温度のばらつき（温度差）を測定した。この結果を、図７に示す。さらに、熱処理後の鋼材の焼き入れ深さを３０カ所測定した。この結果を図８に示す。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例では、比較例に比べて、特に第１均熱工程、および、測定温度がキュリー温度を超えたあたりにおける、発振器出力（すなわち加熱コイルに流す電流）の変化は小さく、さらに第２均熱工程における、発振器出力（すなわち加熱コイルに流す電流）の変化も小さかった。

これにより、図７に示すように、実施例の鋼材の測定温度の温度差（１６℃）は、比較例の鋼材の測定温度の温度差（１２５℃）とりも小さくなったと考えられる。このような結果、図８に示すように、実施例の鋼材の焼き入れ深さは、比較例の鋼材の焼き入れ深さよりもばらつきが少なくなったと考えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０：熱処理装置
１１：熱処理炉
１２：加熱コイル
１３：発振器（電流供給部）
１４：電源盤（電流供給部）
１５：放射温度計（温度測定部）
１６：電流制御部
１６ａ：比例制御部
１６ｂ：積分制御部
１６ｃ：微分制御部
Ｗ：鋼材

Claims (6)

1. 加熱コイルに電流を通電することにより、鋼材のキュリー温度以上の温度まで、前記鋼材を誘導加熱で熱処理する鋼材の熱処理方法であって、
   前記鋼材の熱処理方法は、前記鋼材の温度を測定しながら、測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、前記加熱コイルに通電する前記電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御するものであり、
   前記加熱コイルにより加熱された前記鋼材の測定温度が、前記鋼材のキュリー温度以上となったときに、前記鋼材のキュリー温度未満に設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更し、
   前記鋼材の熱処理方法は、さらに、前記鋼材を所定の目標温度まで昇温する昇温工程と、昇温した鋼材を一定の目標温度となるように加熱する均熱工程と、を含むものであり、
   前記昇温工程から前記均熱工程に移行する際に、前記昇温工程で設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更することを特徴とする鋼材の熱処理方法。
2. 前記ＰＩＤ制御のゲインの変更を、少なくとも前記比例ゲインを低くすることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼材の熱処理方法。
3. 前記昇温工程から前記均熱工程への変更を、前記鋼材のキュリー温度以上で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の熱処理方法。
4. 鋼材のキュリー温度以上の温度まで、前記鋼材を誘導加熱で熱処理する鋼材の熱処理装置であって、
   電流を通電することにより前記鋼材を加熱する加熱コイルと、
   前記加熱コイルに前記電流を供給する電流供給部と、
   前記加熱コイルで加熱される前記鋼材の温度を測定する温度測定部と、
   前記温度測定部で測定した鋼材の測定温度が目標温度となるように、前記電流供給部が前記加熱コイルに通電する前記電流の大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御する電流制御部と、を備えており、
   前記電流制御部は、前記測定温度が、前記鋼材のキュリー温度以上となったときに、前記鋼材のキュリー温度未満で設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更し、
   前記電流制御部は、さらに前記鋼材を所定の目標温度まで昇温する昇温工程と、昇温した鋼材を一定の目標温度となるように加熱する均熱工程と、を含むように、前記電流を制御しており、
   前記電流制御部は、前記昇温工程から前記均熱工程に移行する際に、前記昇温工程で設定された前記ＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲインのうち少なくとも１つのゲインが低くなるように前記ＰＩＤ制御のゲインを変更することを特徴とする鋼材の熱処理装置。
5. 前記電流制御部は、前記ＰＩＤ制御のゲインの変更を、少なくとも前記比例ゲインを低くすることにより行うことを特徴とする請求項４に記載の鋼材の熱処理装置。
6. 前記電流制御部は、前記昇温工程から前記均熱工程への変更を、前記鋼材のキュリー温度以上で行うように設定した目標温度に基づいて電流を制御することを特徴とする請求項４または５に記載の鋼材の熱処理装置。

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