JPH09241749A

JPH09241749A - 高周波焼入方法

Info

Publication number: JPH09241749A
Application number: JP8075247A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Misaka; 佳孝三阪; Yutaka Kiyozawa; 裕清澤
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1997-09-16
Anticipated expiration: 2016-03-04
Also published as: JP3699773B2

Abstract

(57)【要約】【課題】切削加工性が良好で、焼入性には劣って
いる材料を良好に輪郭焼入する。【解決手段】被加熱品を誘導加熱により３００℃／秒
以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００℃の温度に急
速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて該被加熱品を
誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温速度にて９０
０℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度よりも低い温度に
急速短時間で本加熱した後、急冷する。【効果】予加熱時にＣが分散分布することにより
本加熱時の均一オーステナイト化が容易になり、切削加
工性が良好で焼入性に劣っている材料の歯形状品にも良
好に輪郭焼入できる。また、本加熱時の加熱温度を低く
できるので、電源装置の負担を軽減し、また、結晶粒の
微細化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の部品など
に用いられる歯車などの歯形状品の歯や軸対称品等を変
形を伴わずに高強度化することができる高周波焼入方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】歯部を有する歯車やスプロケット等の歯
形状品や軸対称品等（以下歯形状品等という）は、機械
要素等として使用されることにより歯部や軸部に応力が
掛かるため高い強度を有することが必要とされており、
また、これらは機械要素等として適度な靭性や加工性を
有することも必要とされる。したがって、高強度を得る
ことのみを目的として歯形状品等を高強度材で構成する
ことはできない。このため、上記した歯形状品等では、
従来から、材料として靭性や加工性が比較的良好なもの
を採用し、これを歯切り加工等した後、高周波誘導加熱
によって歯形状品等の輪郭に沿って加熱し、これを急冷
して焼入れすることにより歯部や表層部のみを輪郭に沿
って高強度化する輪郭焼入方法が採用されている。

【０００３】ただし、歯形状品等の輪郭に沿って焼入を
するためには、輪郭部分のみを急速短時間（０．１〜
０．３秒程度）で加熱する必要があり、高周波で、かつ
非常に大電力の電源装置が必要になる。ところが、現状
の技術力を考慮すれば該装置の実現は容易でないため、
図４のヒートパターンに示すように、本加熱に先立って
歯車を例えば数ｋＨｚ、百ｋＷ程度の電源装置で高周波
誘導加熱する予加熱（数百℃）を行い、ある程度、高い
温度を維持している間に２００ｋＨｚ前後、数百ｋＷの
比較的大電力の電源装置で急速短時間で本加熱（１００
０℃前後）することによって輪郭部をオーステナイト化
して急冷する方法が採用されている。この方法によれ
ば、予加熱による残熱を利用できるので、より超短時間
加熱が可能になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、歯車等に使
用される材料（炭素鋼）は、前熱処理時の冷却速度や熱
処理によって組織形態が異なっており、フェライト面積
率や炭化物の球状化処理の有無、球状化の程度等によっ
て機械的性質（加工性や強度）も大きく相違する。例え
ばフェライト面積率が大きいほど、また球状化がなされ
ているほど、加工性がよく、一方、強度は低くなる。し
たがって歯切り加工等の点からは、フェライト面積率の
大きいものや、球状化処理がなされているものが望まし
いことになる。

【０００５】しかし、上記した輪郭焼入では急速短時間
で加熱するため焼入前である前組織の影響を受けやす
い。急速短時間加熱では、セメンタイトの分解、炭素の
素地中への固溶、拡散が不十分になりやすく、フェライ
ト面積率の大きな組織やさらに炭化物の球状化がなされ
ている組織では、これら現象が顕著になり、オーステナ
イト化が均一になされず、焼入後の組織、硬さが不均一
になり、また、硬化層深さも不足する等の問題が生じ
る。これら問題を解決するためには本加熱を高温長時間
で行うことが必要であり、より高温で加熱するためには
電源装置を大電力化しなければならないが、この大電力
化では１０００ｋＷ以上の出力が必要になり設備費用が
多大となる。また長時間の加熱では、熱移動が進むこと
により輪郭に沿った加熱が困難になり、上記材料を良好
に輪郭焼入することは事実上困難である。このため、従
来は、歯切り加工性等を優先にして焼入性を犠牲にした
材料（組織）の選択がなされており、超短時間加熱によ
る輪郭焼入れのメリットを十分に生かせないでいる。

【０００６】本発明は、上記事情を背景としてなされた
ものであり、材料の均一オーステナイト化を容易にし
て、切削性等を犠牲にすることなく良好に輪郭焼入を行
うことができる高周波焼入方法を提供することを目的と
する。

【０００７】上記課題を解決するため本発明の高周波焼
入方法のうち第１の発明は、被加熱品を誘導加熱により
３００℃／秒以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００
℃の温度に急速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて
該被加熱品を誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温
速度にて９００℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度より
も低い温度に急速短時間で本加熱した後、急冷すること
を特徴とする。第２の発明は、第１の発明において、本
加熱温度を予加熱温度よりも１００〜１５０℃低い温度
とすることを特徴とする。

【０００８】なお、本発明の熱処理対象になるものとし
ては、自動車エンジンやミッション等に用いられる歯
車、さらにスプロケット等が例示されるが、本発明とし
ては、これらに限定されるものではなく、歯形状を有
し、該歯部を部分的に高強度化したい各種歯形状品や表
層部を高強度化したい軸対称品等に適用することができ
る。また、歯形状品等の形状が特に限定されるものでは
なく、例えば歯車においても外歯、内歯、平歯車等の形
状に拘わらず適用することができる。

【０００９】また、上記歯形状品等を構成する材料につ
いても特に限定されるものではなく、焼入可能な各種炭
素鋼や合金鋼等を使用することができる。なお、その組
織形態についても特には限定されないが、良好な加工性
（切削加工性）を有するものとしてフェライト面積率が
３０％以上の炭素鋼を挙げることができる。また、この
炭素鋼において炭化物の球状化がなされているものはさ
らに加工性に優れている。これらの炭素鋼においても本
発明によれば、良好に輪郭焼入を施すことができるの
で、材料の組織としては上記したように切削加工性に優
れているものでも輪郭焼入れが可能となる。

【００１０】本発明の予加熱時の昇温は、変形を伴うこ
となくＣを素地中に分散分布させ、また大きな残留応力
を得て疲労特性を向上させることを目的として急速短時
間で行う。この昇温速度は材料の種別や組織によっても
異なるが、従来法の予熱時の昇温速度（大きくても２５
０℃／秒程度）よりは十分に大きく、具体的には３００
℃／秒以上の昇温速度とする。ここで、昇温速度が３０
０℃／秒未満であると、上記作用が十分に得られず、特
に予加熱を高温で行うことから被加熱品の変形が顕著に
なる。なお、上記と同様の理由で昇温速度を５００℃／
秒以上とするのが望ましい。一方、現状の電源装置を考
慮すれば、概ね上限は５０００℃／秒と考えられるが、
本発明としては特にこの上限に限定されるものではな
い。

【００１１】上記予加熱では、１０００℃〜１２００℃
の高温に加熱する。被加熱品を１０００℃以上の高温に
急速加熱することによりセメンタイトが分解してＣが均
一に分散分布し、組織の均一化が達成される。この組織
形態の材料を本加熱することにより均一オーステナイト
化が容易になる。これはフェライト面積率が大きな材料
やさらに炭化物の球状化がなされている材料で特に顕著
である。一方、１２００℃を越えて加熱しても上記効果
は飽和し、却って材料の溶解等の不具合が生じるため、
上記温度範囲とする。

【００１２】予加熱後は、徐冷することにより、焼きな
らし効果が得られ、例えばフェライト面積率が大きな材
料やセメンタイトの球状化処理がなされている材料でも
比較的フェライト面積率の少ないフェライト（例えば２
０％以下）＋パーライト組織になる。これにより本加熱
での均一オーステナイト化が容易になる。この徐冷は、
短時間の放冷によって行うのが望ましい。なお、徐冷時
の冷却速度は、材料によっても異なるが、１０〜２００
℃／秒であるといえる。また、望ましくは５０℃／秒以
上である。

【００１３】また、徐冷は、そのまま室温まで冷却する
のではなく、２００〜５００℃の温度範囲で止めるのが
望ましい。これにより焼きならし効果を十分に得た上
で、本加熱時における加熱の負担を軽減することができ
る。ここで、放冷を２００℃未満にまで行うと、本加熱
時の負担の軽減効果が十分に得られず、一方、５００℃
を越える温度で徐冷を停止すると、焼きならし効果が十
分に得られないため上記温度範囲で徐冷を止めるのが望
ましい。

【００１４】この本加熱での加熱温度は、上記したよう
に特別な予加熱によって低くすることができる。これ
は、従来方法の本加熱では特にフェライト面積の大きな
材料や球状化処理がなされている材料で、前組織の影響
を受けて本加熱時に十分に均一オーステナイト化がなさ
れず組織のばらつきが生じるため、これら未溶解の炭化
物やフェライトを残存させないで組織を均一にオーステ
ナイト化するためには、十分に余裕のある温度（より高
い温度）にまで加熱する必要があるためである。一方、
本発明では前述したように特別な予加熱によって炭化物
の溶解やフェライトの消失が促進されＣが分散分布する
ので、本加熱での均一オーステナイト化が容易になる。
したがって本加熱での加熱温度を低くしてもオーステナ
イト化が良好になされるので従来必須とされていた高温
長時間の加熱は必要とされない。本加熱での加熱温度を
低くすることによって上記したように投入電力を十分に
輪郭焼入れに生かすことができ、さらには、温度の低下
によって被加熱品の結晶粒の粗大化を抑制し、その結果
結晶粒の微細化が図れ、疲労強度が上がるという効果が
得られる。本加熱の加熱温度は、具体的には予加熱温度
よりも低い９００℃〜１０５０℃の範囲に設定される。
ここで、本加熱の加熱温度が９００℃よりも低いと材料
のオーステナイト化が十分になされず、良好な硬化層が
得られず、一方、１０５０℃を越えると、上記効果が得
られないため、加熱温度を上記範囲に限定する。

【００１５】なお、予加熱温度と本加熱温度とは、１０
０〜１５０℃の温度差で予加熱温度が高いのが望まし
い。これは、１００℃以上の温度差を有することによっ
て予加熱時のＣ分散が十分になされた上で、本加熱温度
を十分に低くして上記作用を確実に得ることができる。
一方、１５０℃を越えて温度差を設けると、本加熱時の
温度が低すぎて均一オーステナイト化が不十分になるの
で上記温度差が望ましい。なお、本加熱後の急冷方法
は、本発明としては特に限定されるものではなく、例え
ば、常法により強制空冷や水冷、適当な冷却剤を用いた
冷却により行うことができる。なお、焼入後は、所望に
より焼き戻し等の熱処理を行うことができ、この焼き戻
し等の熱処理においても誘導加熱を利用することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態として小形
歯車（歯形状品、外歯歯車）を輪郭焼入する場合につい
て、図１〜図３を用いて説明する。ＪＩＳＧ４０５１
に規定される機械構造用炭素鋼等で構成される歯車素材
は、歯切り加工等を経て歯車１に成形され、熱処理装置
の誘導加熱コイル２の内周側に配置される。この際に
は、通常は歯車１と誘導加熱コイル２とは同心に配置さ
れる。次いで、歯車１が均一に加熱されるように所定の
回転速度で歯車１を自転させつつ、誘導加熱コイル２に
通電し、歯車１を誘導加熱（予加熱）する。この予加熱
では、例えば数ｋＨｚ、数百ｋＷの電源装置を用いて図
３のヒートパターンに示すように急速加熱する。歯車１
が所定の温度に達した後は通電を停止することにより、
歯車１は放冷される。上記予加熱における通電時間は、
電源装置の能力を考慮すれば０．２〜５秒である。放冷
時間は予加熱温度、冷却速度、放冷停止温度にもよる
が、概ね５〜３０秒である。

【００１７】上記歯車１は、例えば、放冷中に移動させ
て本加熱用の誘導加熱コイル３の内周側に位置させる。
そして、歯車１が放冷により所望の温度にまで温度低下
すると、本加熱用の誘導加熱コイル３に通電し、歯車１
を誘導加熱（本加熱）する。この本加熱では、例えば数
百ｋＨｚ、数百ｋＷの電源装置を用いて図３に示すよう
なヒートパターンで急速加熱する。歯車が所望の温度に
まで昇温したならば、通電を止め、所定の冷却剤を用い
て歯車１を急冷する。得られた歯車１は、歯の歯先１ａ
から歯底１ｂに至るまで輪郭に沿って所望の深さｄで焼
入されて焼入硬化層１ｃが形成されており、高強度で靱
性、疲労特性等にも優れた歯車を得ることができる。

【００１８】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。Ｓ４５Ｃ相
当の成分を有し、球状化処理がなされた炭素鋼Ｎｏ．１
（Ｈｖ１６０）と、フェライト面積率が４５％の炭素鋼
Ｎｏ．２（Ｈｖ１８０）とを用意し、これら炭素鋼を歯
車素材とした。上記歯車素材を歯切り加工して歯車に加
工したところ、球状化された炭素鋼Ｎｏ．１、フェライ
ト面積率の大きい炭素鋼Ｎｏ．２ともに良好に切削加工
を行うことができた。なお、従来、使用されているフェ
ライト面積率１０％程度の炭素鋼を用いた場合には、切
削抵抗が大きく、切削作業に長時間を要す。次いで、上
記歯車を表１に示す昇温速度で各温度にまで加熱し、次
いで、４００℃まで放冷した。さらに、表１に示す昇温
速度で各温度にまで加熱した後、水溶性冷却剤により急
冷した。なお、上記予加熱では周波数１５０ｋＨｚで最
大電力６００ｋＷの電源装置を使用し、本加熱では、周
波数１５０ｋＨｚ、電力６００ｋＷの電源装置を使用し
た。

【００１９】表１から明らかなように、本発明法によれ
ば、従来、輪郭焼入を良好に行うことができないとされ
ていた球状化炭素鋼やフェライト面積比の大きな炭素鋼
でも低電力によって良好に輪郭焼入がなされており、得
られた歯車の組織も微細な組織になっている。一方、比
較法では、球状化炭素鋼やフェライト面積率の大きな炭
素鋼を良好に焼入することは困難であり、電源への負担
も大きいことが明らかとなった。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の高周波焼入
方法によれば、被加熱品を誘導加熱により３００℃／秒
以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００℃の温度に急
速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて該被加熱品を
誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温速度にて９０
０℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度よりも低い温度に
急速短時間で本加熱した後、急冷するので、予加熱時に
Ｃが均一に分散分布して、本加熱時の均一オーステナイ
ト化を容易にし、焼入性を向上させる。これにより従
来、フェライト面積率が大きかったり、さらに炭化物の
球状化がなされているために輪郭焼入が困難とされてい
た、切削性の良好な材料でも良好な輪郭焼入が可能にな
る。また、予加熱により均一オーステナイト化が容易に
なるため、本加熱での加熱温度を低くすることができ、
電源装置の負担を軽減するとともに材料の組織の微細化
がなされ、疲労強度が向上するという効果が得られる。
なお、本加熱温度を予加熱温度よりも１００〜１５０℃
低い温度とすることにより、上記効果を一層確実にした
上で、良好な輪郭焼入を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における歯車と誘導加熱
コイルの配置状態を示す断面図である。

【図２】同じく歯部を示す拡大断面図である。

【図３】同じく一実施形態におけるヒートパターンを
示す図である。

【図４】従来法におけるヒートパターンを示す図であ
る。

【符号の説明】

１歯車１ａ歯先１ｂ歯底１ｃ焼入硬化層２誘導加熱コイル３誘導加熱コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱品を誘導加熱により３００℃／秒
以上の昇温速度にて１０００℃〜１２００℃の温度に急
速短時間で予加熱した後、徐冷し、続いて該被加熱品を
誘導加熱により１０００℃／秒以上の昇温速度にて９０
０℃〜１０５０℃で、かつ予加熱温度よりも低い温度に
急速短時間で本加熱した後、急冷することを特徴とする
高周波焼入方法
【請求項２】本加熱温度を予加熱温度よりも１００〜
１５０℃低い温度とすることを特徴とする請求項１に記
載の高周波焼入方法