JPH05222459A

JPH05222459A - 鋳鋼カムシャフトの高周波焼入れ方法及びその装置

Info

Publication number: JPH05222459A
Application number: JP4028101A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Kadokawa; 正文角川
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1993-08-31

Abstract

(57)【要約】【目的】加熱時及び冷却時の割れ、そして冷却後の置
割れを抑えるのに有効で、鋳鋼カムシャフトの焼入れと
して好適な高周波焼入れ方法及びその焼入れ装置を提供
する。【構成】装置は、カムシャフトを挿通孔に挿通させて
保持する断熱材で成形された固定治具と、高周波による
多軸加熱コイルを有し挿通孔の同軸上で固定治具の一方
側に取り付けられた加熱部と、挿通孔の同軸上で固定治
具の他方側に加熱部との接触を断って取り付けられた冷
却部と、を含み、同軸上の加熱部及び冷却部にカムシャ
フトを挿通させて加熱及び冷却を二段階で行う構成であ
り、この装置による焼入れ方法は、１.９％以上のＣを
含む鉄系焼入れ材料のカムシャフトを固定治具にセット
す準備工程、カムシャフトを２０ＫＨｚの高周波によっ
て予備加熱及び本加熱の二段階で加熱する加熱工程、加
熱後のカムシャフトを空冷及び水冷の二段階で冷却する
冷却工程、を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋳鋼カムシャフトに好
適な高周波焼入れ方法及び焼入れ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】過酷な摺動条件下で使用される内燃機関
用カムシャフトは、従来より摺動面部に多量の炭化物を
形成させたチル鋳鉄材が多く用いられている。近年、内
燃機関の高性能化や高出力化に伴い、カムシャフトも例
外ではなくエンジン高回転、高接触面圧下での厳しい摺
動条件に耐えられる耐摩耗性、耐スカッフィング性が要
求されている。耐摩耗性及び耐スカッフィング性を向上
させるためにその摺動面部の炭化物量もますます増加の
傾向にあり、こうした意味から鋳鋼材や焼結合金材が多
く用いられつつある。鋳鋼材を使用する場合、基地の組
織の耐摩耗性を向上させるために焼入処理する必要があ
り、様々な利点を考慮して高周波焼入れが採り入れられ
ている。高周波焼入れの利点としては、１）短時間で表
面焼入れが可能。２）焼入れ深さを調節できる。３）局
部的な加熱が可能。４）均一で良質な焼入れが可能。
５）焼入れ経費を著しく節減できるなどが挙げられる。
高周波焼入れ装置においては、その使用周波数と有効硬
化層深さとの関係に、周波数が大きくなるほど逆に有効
深さが小さくなるということがある。従って、カム部ノ
ーズの硬化層深さ、カム駒の表面硬さに対する要求を満
足させるためには、使用周波数、そして加熱−冷却の条
件が必要である。要求に応えるカム部ノーズの硬化層を
得、しかも短時間に加熱−冷却が可能な周波数として
は、例えば５〜３０ＫＨｚのＭＦ帯域を用いることが理
想的である。また、カム駒の形状とそれに対応する有効
硬化層深さ及び表面硬さを考慮した場合、カム部ノーズ
のトップに近いほど有効硬化層が深くかつ硬度が高くな
ければならない。それに対して、ベース円は有効硬化層
及び硬度が共にある程度のレベルを満足すればよい。ま
た、高周波焼入れ後のカムシャフトの変形量を極小に抑
えることができれば後工程の加工にとって好都合であ
る。反面、高周波焼入れの欠点としては、急加熱及び急
冷却させるため歪が発生し易くて内部応力が生じること
である。それによって製品のカムシャフトに加熱割れや
冷却割れが発生し易い。従って、鋳鋼製のカムシャフト
の高周波焼入れ及びその後の冷却に関しては、不都合を
解消する最適の加熱速度と冷却速度を設定する必要があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、近年の
エンジン高性能化、高回転化で現状の鋳鋼カムシャフト
に含有される炭化物量では、耐摩耗性及び耐スカッフィ
ング性に対し対応しきれなくなってきている。従って、
Ｃの含有量を現状の１.６５％から１.９％以上に増大さ
せ、材料基地の面積比にして炭化物量を摺動部分に１８
％以上分布させることで機能上の問題を解決している。
しかし、従前から行われてきた同一の方法及び同一条件
で加熱及び冷却すると、加熱中、冷却中、或いは冷却後
に割れが発生するという新たな問題が発生するようにな
った。加熱冷却時の割れ防止対策として、基本的には急
加熱及び急冷却を避けることである。また、加熱と冷却
との相互作用によって置割れ（冷却終了後、数分間経っ
てから発生する割れ）が発生し易いため、加熱と冷却の
バランスの条件についても考慮する必要がある。しか
し、ゆっくり時間をかける加熱時間の延長については、
サイクル時間が増加して生産性を低下させるという両者
相反する問題を抱えることになる。また、冷却について
も品質面（硬さ不良）からその速度を遅くできないな
ど、いずれも生産管理面での制約が厳しい。そこで、本
発明は、１.９％以上のＣを含有する鋳鋼シャフトの加
熱時及び冷却時の割れ、そして冷却後の置割れを抑える
のに有効で、要求される有効硬化層及び硬さも満足する
に好適な高周波焼入れ装置及びその焼入れ方法を提供す
ることを目的としている。

【０００４】

【問題を解決するための手段】本発明による高周波焼入
れ装置は、ワークを挿通孔に挿通させて保持する断熱材
で成形された固定治具と、高周波による多軸加熱コイル
を有し挿通孔の同軸上で固定治具の一方側に取り付けら
れた加熱部と、挿通孔の同軸上で固定治具の他方側に加
熱部との接触を断って取り付けられた冷却部と、を含
み、同軸上の加熱部及び冷却部にワークを挿通させて加
熱及び冷却を二段階で行う構成である。また、本発明の
高周波焼入れ方法は、ａ．材料基地中に面積比にして１
８〜２５％の炭化物が分布している鉄系合金の鋳鋼で、
炭化物の形成元素として少なくとも１.９〜２.１％の
Ｃ、１４.４〜１５.６％のＣr、０.７〜０.９％のＭn、
０.７〜１.０％のＭo、１.０５〜１.３５％のＳi、及び
０.１５〜０.２５％のＳを含有するカムシャフトを固定
治具にセットする準備工程、ｂ．ワークを２０ＫＨｚの
高周波によって予備加熱及び本加熱の二段階で加熱する
加熱工程、ｃ．加熱後のワークを空冷及び水冷の二段階
で冷却する冷却工程、を含んでいる。本発明では、カム
シャフトの変形による割れへの影響を極小に抑えるため
に、設備として２０ＫＨｚの高周波発振装置が備わって
いる。即ち、カム部ノーズだけでなくベース円にも均一
に硬化層を発生させ、カム駒内部の組織のバラツキをで
きるだけ小さくすることにより内部歪を抑え、カム駒内
部及カム駒間の変形をできるだけ小さくして、カムシャ
フト全体の変形量を極小に抑え、変形による割れに有効
に作用するように設定されている。また、本発明では、
生産性の向上も考慮して、例えば直列３ターンの二軸コ
イルが使用されている。

【０００５】

【作用】周波数２０ＫＨzの高周波により、カムシャフ
トのカム駒のカム部ノーズだけでなくベース円にも硬化
層を均一に発生させ、カム駒内部の歪を小さく抑えてい
る。また、二段階加熱することによって、生産性を落す
ことなく加熱割れを抑える。冷却は空冷＋水冷の二段階
方式によって冷却中の割れを防止する。冷却方法を空冷
＋水冷とすることは、加熱時間に対応した冷却サイクル
を設定することが可能になり、効率面での向上が望め
る。出力の大きい設備を用いることによって多軸に対し
ても採用が可能であり、更に、コストダウンが図れる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明による鋳鋼カムシャフトの高周
波焼入れ方法及びその焼入れ装置の実施例を図に基づい
て説明する。鋳鋼カムシャフト１は、例えばＣ；２.０
％、Ｓi；１.２％、Ｃr；１５.０％、Ｍn；０.８％、
Ｓ；０.２％、Ｍo；０.８５％、鉄；残りからなる組成
で鋳造されたものである。カムトップで炭化物量２２％
のものを得て軟化焼鈍後に粗加工が行なわれる。この
後、２０ＫＨzの周波数による高周波で焼入処理が行な
われる。

【０００７】初めに、本発明の骨子は、割れの発生時期
を明らかにし、割れが発生し易い環境を解明してそれを
回避する対応策をとることである。即ち、加熱時に発生
する割れはカムシャフトの表面加熱によって表面部分の
膨張が内部より大きくなることが原因し、加熱速度が大
きいほど表面と内部の差が大きくなり割れも発生し易く
なることである。また、割れの発生タイミングについ
て、加熱速度とカムシャフト表面温度との相関を研究し
た結果、両者には密接な関係があることが明らかになっ
た。つまり、カムシャフトの表面温度が３００℃〜４０
０℃に達する間に発生し易く、この温度領域に達する速
度によって発生する場合と発生しない場合がある。ま
た、冷却時に発生する割れについては、Ａ₁変態温度を
通過する冷却速度が最も影響し、冷却速度が大きい場
合、カムシャフト表面と内部の温度差も大きくなり、そ
の結果、組織変態に差が生じて割れが発生する。その対
策として、変態温度を通過する冷却速度を小さくし、で
きるだけカムシャフト表面と内部の温度差をなくす冷却
方法を採用することによって解決できる。

【０００８】従って、本発明は、カムシャフトの表面温
度が３００℃〜４００℃になるまでの加熱速度を小さく
し、この温度通過後は加熱速度が大きくなるように設備
回路を改良し、二段加熱をすることによって加熱時の割
れ発生を解決した。また、冷却時の割れについては、変
態温度通過までは空冷を採用することによって、冷却速
度を小さくして割れの発生を解決し、更に、変態温度通
過後は水冷によってサイクル時間の短縮を図った。一
方、置割れについては、各々の加熱条件に適した空冷時
間と水冷時間を選択することによって解決した。以上か
ら、本発明は１９℃％以上のＣを含む鋳鋼カムシャフト
の焼入れに最適である。

【０００９】また、焼入れカムシャフトと供試される鋳
鋼製カムシャフトとしては、基地中に面積比で１８〜２
５％の炭化物が分布している鉄系合金材であり、炭化物
が編目状に形成される鋳鋼材を採用している。炭化物の
分布量が１８％以下では耐摩耗性が不足し、また、２５
％を超えて多量に分布させると材料の強度が低下しかつ
脆化する。従って、炭化物の分布量を１８〜２５％の範
囲とし、炭化物形成元素としては、少なくとも１.９〜
２.１％のＣと、１４.４〜１５.６％のＣrと、０.７〜
０.９％のＭnと、０.７〜１.０％のＭoを含有し、更
に、その他の元素としては、１.０５〜１.３５％のＳi
と０.１５〜０.２５％のＳを含有している。

【００１０】図１は、高周波焼入れ装置を示す。装置
は、ベークライト製の固定治具１０の上側、下側に加熱
部２０及び冷却部３０を取り付けて一体化し、これを２
軸設けてそれぞれに２つのカムシャフト１を鉛直方向に
挿通させて位置決めする直列３ターンの二軸コイル方式
である。多軸とすることにより生産効率、作業性の向上
を目標としている。また、加熱時間と冷却時間とのバラ
ンスを考慮して加熱部２０と冷却部３０が固定治具１０
を介して一体化された構造になっている。加熱部２０は
その加熱コイルに高周波発振装置（図示せず）から２０
ＫＨｚの高周波が付与されるようになっている。冷却部
３０は中心のカムシャフト１に対してその周囲からエ
ア、水を噴射して吹き付ける水冷、空冷方式である。

【００１１】図２及び図３に示すように、加熱部２０は
必要に応じて２種類の出力が可能な回路、即ち図６以下
で後述するように「予備加熱」と「本加熱」とによる二
段階の加熱方式が採られている。また、冷却部３０でも
「空冷」と「水冷」の二段階で冷却する方式を採り、空
冷用ノズルを６本及び水冷用ノズルを４本設けている。
また、生産効率を考慮して、１基の高周波発振装置に対
して加熱部２０及び冷却部３０で構成される加熱冷却装
置を２基設置し、一方の加熱冷却装置で加熱中に他方の
加熱冷却装置で冷却する「加熱時間」と「冷却時間」が
設定される。

【００１２】図４は、現状のＣ；１.６５％含有のカム
シャフトに本発明を適用して、割れが発生しない最良の
処理方法及び処理条件を示している。これに対して、図
５は、高面圧高回転で使用されるＣ；２.０％含有のカ
ムシャフトの場合の割れが発生しない処理条件を示す。
Ｃ量の含有量で異なる図４と図５の比較で明らかなよう
に、図５のＣ量２.０％を含むカムシャフト１では割れ
防止に加熱時間を長くとっている。

【００１３】図６及び図７は、カムシャフト１の高周波
焼入れ形態及びその結果を示す。図から明らかなよう
に、予備加熱と本加熱の二段階加熱方式において、予備
加熱の出力が大きい場合、つまり加熱時間が短く言い替
えれば加熱速度が速いと割れが発生する。また、図８及
び図９に示すように、予備加熱と本加熱との時間のバラ
ンスによっても割れが発生することが理解される。図１
０は、冷却時の割れを防止できる空冷時間と水冷時間と
の相関領域を示している。また、図１１及び図１２は、
加熱割れの発生を防止できる加熱条件を設定した場合
に、空冷時間と水冷時間の時間バランスによって置割れ
が発生することを示している。

【００１４】図１２までに示された各条件結果から、
Ｃ；１.９％以上のカムシャフト１の場合、割れの発生
が抑えられかつ生産効率が向上するその好適な高周波焼
入れ条件を次のように設定することができる。１）加熱条件〔２種類の出力による二段階加熱方式〕実施例・予備加熱加熱電圧：（８ＫＶ）７.５〜８.５Ｋ
Ｖ加熱時間：（１７秒）１５〜２０秒・本加熱加熱電圧；（１１ＫＶ）１０．５〜１
１．５ＫＶ加熱時間；（１７秒）１５〜２０秒２）冷却条件〔空冷及び水冷による二段階冷却方式〕・空冷空冷圧力；２Ｋg／ｃｍ² 空冷時間；２０秒・水冷水冷圧力；３Ｋg／ｃｍ² 水冷時間；１３秒

【００１５】この焼入れ条件で明らかなように、１.９
％以上のＣを含む鋳鋼カムシャフトの場合、その時間サ
イクルを大きくとる必要はなく、すべてに割れが見られ
ず、割れ防止に効果があることが理解される。また、例
えばカムトップでＨＲｃ６０以上の硬さが得られ、その
後５６０℃で３０分間の焼戻しを施しても、規格値であ
るＨＲｃ５９以上を十分に満足する硬度のものが得ら
れ、その他の品質面でも十分満足すべき結果が得られ
た。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、加熱時及び冷却時の割
れ、そして冷却後の置割れを抑えるのに効果があり、例
えば従来より割れが発生し易いとされてきた１.９％以
上のＣを含む鋳鋼カムシャフトのような材料の高周波焼
入れに有効で、しかも複数のカムシャフトを直列３ター
ン多軸コイル方式などにより水平展開できる利点があ
る。また、有効硬化層及び硬さもその要求に応えること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波焼入れ装置の概略図。

【図２】二段階の加熱方式による「予備加熱」と「本
加熱」との相関を示すグラフ。

【図３】二段階の加熱方式による「予備加熱」と「本
加熱」との相関を示すグラフ。

【図４】現状のＣ；１.６５％含有のカムシャフトに
割れが発生しない最良の処理方法及び処理条件を示すグ
ラフ。

【図５】高面圧高回転で使用されるＣ；２.０％含有
のカムシャフトに割れが発生しない処理条件のグラフ。

【図６】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの高周波焼
入れ形態を示すグラフ。

【図７】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの高周波焼
入れ結果を示すグラフ。

【図８】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの予備加熱
と本加熱との時間バランスによって割れが発生すること
の相関を示したグラフ。

【図９】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの予備加熱
と本加熱との時間バランスによる割れを抑える領域を示
したグラフ。

【図１０】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの冷却時の
割れを防止できる空冷時間と水冷時間との相関領域を示
すグラフ。

【図１１】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの空冷時間
と水冷時間の時間バランスを示したグラフ。

【図１２】Ｃ；２.０％含有のカムシャフトの空冷時間
と水冷時間の時間バランスによって置割れが発生しない
領域を示したグラフ。

【符号の説明】

１・・鋳鋼カムシャフト、１０・・固定治具、２０、・
・加熱部、３０・・冷却部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ．材料基地中に面積比にして１８〜２
５％の炭化物が分布している鉄系合金の鋳鋼で、炭化物
の形成元素として少なくとも１.９〜２.１％のＣ、１
４.４〜１５.６％のＣr、０.７〜０.９％のＭn、０.７
〜１.０％のＭo、１.０５〜１.３５％のＳi、及び０.１
５〜０.２５％のＳを含有するカムシャフトを固定治具
にセットする準備工程、ｂ．ワークを２０ＫＨｚの高周波によって予備加熱及
び本加熱の二段階で加熱する加熱工程、ｃ．加熱後のワークを空冷及び水冷の二段階で冷却す
る冷却工程、を含む高周波焼入れ方法。
【請求項２】カムシャフトを挿通孔に挿通させて保持す
る断熱材で成形された固定治具と、高周波による多軸加
熱コイルを有し挿通孔の同軸上で固定治具の一方側に取
り付けられた加熱部と、挿通孔の同軸上で固定治具の他
方側に加熱部との接触を断って取り付けられた冷却部
と、を含み、同軸上の加熱部及び冷却部にワークを挿通
させて加熱及び冷却を二段階で行うことを特徴とする高
周波焼入れ装置。