JPS5848620A - レ−ザ焼入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーデ焼入れ方法の改良忙関する。

各種機械部品、自動車部品の軸類には円周方向の表面を
焼入れする必要のある本のが多数あり、この場合、現状
では高周波焼入れ、浸炭あるいは素化等の表面焼入れ方
法が用いられている。しかし、これらの焼入れ方法では
熱変形の発生、焼入れ部品質のバラツキおよび高コスト
等の欠点があり、仁の欠点を解消するため高エネルギー
密度のレーデビームによるレーデ焼入れ方法が研究開発
されつつある。とζろが、軸類表面のレーデ焼入れには
次のような問題がある。

第１の問題はレーデビームの吸収効率の問題である。機
械加工等で光沢仕上げされた金属表面ではレーデビーム
がほとんど反射されて吸収されないか・ら、当該金属表
面をレーデ焼入れするためには、焼入れ部表面にレーデ
ビームがよく吸収されるように表面処理を施す必要があ
る。

現在のところ、この表面処理法としては燐酸被膜処理が
最も良好とされているが、この方法はレーデ焼入れ工程
前にこれとは別の工程で予め表面処理しておく必要があ
るため、焼入れ生産性の阻害要因になっている。

第２の問題は、軸表面をその円周方向に沿って１１１次
レーザ焼入れを進行していくと、全周の焼入れが完了し
た時点で焼入れ開始部位に軟化領域が発生するという問
題である。第１図および第２図を参照してこの理由を説
明すれば次の通りである。第１図において、１はレーザ
ビーム、２はレーザビーム集束用凸レンズ、３はレーザ
燐入れを行なう軸類である。従来のレーザ焼入方法では
、軸類３の焼入れ部分４にレーデビーム１を照射して被
照射部位を変態点以上の温度に加熱しながら軸類３を矢
印方向にゆっくり回転させる。これにより、焼入れ部分
４は円周方向に沿って順次レーデビーム照射によシ変態
点以上の温度に加熱された後、照射後は軸の自己冷却に
より焼入れされる。ところが、こうして焼入れ開始点か
ら円周方向に沿って順次、焼入れを行なっていくと、終
端部を焼入れする際のレーザビーム照射により既に焼入
れされているφ入れ開始点が変態点以上の温度に加熱さ
れて焼戻しされてしまう。この結果、焼入れ後の第１図
ｎ−ｍ１ｔｔに沿う断面図である１１２図に示すように
、軸類３には内部の焼入れされていない領域５の外側に
焼入れされた硬化領域６が形成されるが、該硬化領域６
内に焼戻しによる軟化領域ｒが形成されることになる。

との軟化領域１は円周上のどの位置に終端部を移動させ
ても発生するものである。そして、との軟化領域１の発
生により軸類３の性能が著しく低下することは言うまで
もｋい。

第３の問題は、焼入れ後の残留応力の問題である。周知
のように、レーデ焼入れまたは高周波焼入れ等において
は、焼入れ部に降伏点に近い残留応力が発生する。第３
図は軸類の一部分を円周方向に沿って表面焼入れしたと
きに発生する残留応力分布の一例を示す図である。同図
に示すように、焼入れ部分では略降伏応カに等しい残留
応力が発生し、また非煉入れ部分との境介付近には降伏
応力の略１の残留応力が発生している。このような残留
応力はクラックの発生あるいは使用中に生じる変形等の
原因となるから、使用前にこの残留応力を除去する必要
がある。現在のところ、残留応力除去は電気炉または高
周波加熱等により実施されているが、この方法はレーデ
焼入れ工程とは全く別の工程で行なわなければならない
ため、生産性に劣り、しかも比較的広範囲を加熱するこ
とから残留応力除去と同時に変形を生じることがあシ大
きな問題となっている。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、レーザビ
ーム吸収工率を向上させるための表面処理および残留応
力除去をレーデ焼入れ工程に組み込んで一貫して行なう
ことができ、かつ焼戻しによる軟化領域の発生をも防止
できるレーザ焼入れ方法を提供するものである。

即ち、本発明は、被焼入れ部材を回転させかつその焼入
れ予定部表面に酸化性ガス雰囲気下でレーデビームを照
射することによシ前記焼入れ予定部表面に酸化被膜を形
成する工程と、被焼入れ部材を高速回転させながら前記
酸化被膜の形成された焼入れ予定部表面に高エネルギー
密度のレーデビーム照射を行なって焼入れ予定部表面全
体を均一に変態点以上の温度に加熱した後、冷却するこ
とにより前記焼入れ予定部表面全体を同時に焼入れする
工程と、被焼入れ部材を回転させながらその焼入れ部に
レーデビーム照射を行なって焼入れ部表面全体を残留応
力除去に必要な変態点よりも低い温度に均一に加熱した
後、レーデビームのエネルギー密度を除徐に低下して焼
入れ部表面を徐冷することにより残留応力を除去する工
程とを同一箇所で連続的に行なうことを特徴とするレー
デ焼入れ方法である。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明において、焼入れ予定部表面に酸化被膜を形成す
るための酸化性ガスとしては酸素ガスあるいは空気を用
いることができる。この酸什性がス雰囲気下で被焼入れ
部材を回転しながらその焼入れ予定部表面をレーザー−
ム照射により加熱すれば、暁入れ予定部表面には酸素と
の反応によシ酸化被嗅が形成される。既述のように、こ
のときのレーザビームは被焼入れ部材の光沢金属表面に
よりほとんど反射されるから焼入れ予定部表面は変態点
以上の焼入れ可能な温度には加熱されないが、上記酸化
被膜を生成するための加熱温度を得る程度のレーデビー
ムは吸収される。他方、このとき用いるレーザビームは
酸化被膜を形成し得るものであればよく、一般にはレー
デ焼入れ工程で使用するレーデビームよりもエネルギー
密度が低いもので充分でアル。また、このときのレーデ
ビームによる加熱は酸化被膜の形成のみを目的とするた
め、焼入れ予定部表面全体を均一に加熱することは必ず
しも必要とされず、従って、被焼入れ部材の回転速度も
それほど速くする必要はない。なお、第４図に示すよう
なノズル８を設けたレーザビーム導入口９から導入され
た前記酸化性ガスを焼入予定部に吹き付けながらエネル
ギービーム照射。

を行なうことにより、上記酸化被膜の形成を更に容易に
行なうことができる。上記形成された酸化被膜はレーザ
ビームの吸収効率が極めて大きいから、その後のレーザ
焼入れ工程を高能率で行なうことが可能となる。

こうして焼入れ予定部表面に酸化被膜が形成されたら、
レーザビームのエネルギー密度を焼入れ予定部表面をそ
の変態点以上の温度に加熱し得る焼入れ可能表エネルギ
ー密度に高めると同時に、焼入れ予定部表面全体が均一
に加熱されるように被焼入れ部材の回転速度を上げてレ
ーザビーム照射を続ける。そして、焼入れ予定部表面全
体が均一に変態点以上の温度に加熱され九時潰でレーデ
ビームの照射を止めた後、被焼入れ部材の自己冷却によ
シ焼入予定部表面全体を均一かつ同時に焼入れする。な
お、＃ｒ４図のようにノズル８を設けたレーデビーム照
射装曾を用いる場合には、ノズル８から高速の窒素ブ′
ス、空気または水等の冷却媒体を流して強制冷却を行な
ってもよい。このような強制冷却により冷却速度が速く
なり、暁入れ深さおよび破開を増大することができる。

上記焼入れ工程が終了したら、引き続き焼入れ部の残留
応力除去工程を行なう。即ち、被焼入れ部材を回転させ
力からエネルギー密室を焼入れ条件のエネルギー密度よ
怜も低くして焼入れ部レーザビームを照射することによ
り、残留応力除去に必要な温度でかつ変態点以下の温度
まで焼入れ部表面を均一に加熱する。このとき、レーザ
ビームのエネルギー密度が焼入れ工程の場合よりも低い
ことから、被焼入れ部材の回転速度も一般に焼入れ工程
の場合より遅くとも均一な加熱を行なうことができる。

こうして焼入れ部分を均一に加熱した後、徐冷して残留
応力を除去する。このときの徐冷はレーザビームのエネ
ルギー密度を徐々に低下することにより行なうことがで
きる。

なお、箇５図は第４図に示すレーザビーム照射装置を用
いることｋより、酸化性ガスの吹き付けによる酸化被膜
形成および強制冷却による焼入れを採用して本発明を実
施する場合において、被焼入れ部材の回転数、レーザビ
ーム照射のエネルギー密度、焼入予定部または焼入れ部
の温度、ノズル８から吹きつけるガスの種類と流量を工
程の進行に従って制御する方法の１例を示す線図である
。

上記本発明のレーデ焼入れ方法によれば、レーデビーム
吸収率の高い酸化被膜をレーデビーム照射によシ形成し
ているため、酸化被膜形成を終了した段階で、次のレー
デ焼入れ工程をその場で連続的に行なうことができるか
ら、従来のようにレーデ焼入れ工程から全く独立した表
面処理方法を用いるレーデ焼入れ方法に比較して生産性
を顕著に向上することができる。しかも、この酸化被膜
のレーデビーム吸収率は極めて高いため、従来最も良好
とされていた一酸被膜処理の焼入れ性に比較した場合で
もそれと同等以上の焼入れ深さが得られ、従って比較的
低出力のレーデ装置でも所定の焼入れ部を得ることがで
きる。更に、上記酸化被膜生成の条件を一定にすること
によシ均一な被膜が得られるから、焼入れ結果としても
錫−な焼入れ部が得られる。他方、本発明における酸化
被膜の形成には特別の薬品等を必要としないから、経済
的であると共に安全衛生の面において４優れている。

また、本発明の焼入れ方法によれば、被焼入れ部材の高
速回転によシ焼入れ予定部を均一に変態点以上の温度ま
で加熱することができ、その後自己冷却または強制冷却
により焼入れ予定部表面全体を均一かつ同時に焼入れす
るから、従来のように局部的に焼戻しによる軟化領域が
形成されるのを防止することができる。

更に、本発明のレーデ焼入れ方法によれば、焼入れ後の
残留応力除去工程もレーザビーム照射による焼入れ部の
加熱と徐冷によシ行なうため、レーザ焼入れ工程が終了
した後に引き続いてその場で行なうことができる。従っ
て、従来のようにレーデ焼入れ工程から完全に独立した
工程で残留応力除去を行なっていた場合に比較して生産
性は大幅に向上する。また、被焼入れ部材の回転と適正
な条件のレーデビーム照射により焼入れ部を残留応力除
去に必要でかつ変態点よりも低い温度に均一に加熱する
ことができるから、その後の徐冷忙よ）残留応力は一様
に除去され、使用中のり２ツクおよび変形の発生を防止
することができる。しかも、レーデビーム照射による加
熱は必要な部分にのみ限定して行なうことができるから
、従来の残留応力除去方法のように加熱範囲が広範囲に
亘ることによる変形を防止することができる。

このように、本発明によるレーデ焼入れ方法によればレ
ーデビーム吸収効率を高めるための表面処理、レーデ焼
入れおよび残留応力除去の夫々の工程を同一のレーデビ
ーム照射装置を用いて１．連続的な一貫工程として行な
うことによシ生産′１性を著しく向上できると共に、焼
入れ工程および残留応力除去工程における従来の個々の
問題をも解決することができる。

次に第４図のレーザビーム照射装置を用い、第５図の工
程制御に従って本発明を実施した１実施例を説明する。

実施例 （１）被焼入れ部材として、全周機械加工仕上げされた
炭素鋼８４５Ｃからなる外径１４■φの機械構造用軸３
を用い、該軸３を回転駆動治具に設置した。続いて、軸
３を０．３３１ｍ／ｌｌ）の回転速度で回転させ、ノズ
ル８から２０４７ｍ１ｎの酸素ガスを吹きつけながら焼
入れ予定部４０表面にエネルギー密度１０　’Ｗ／ｃｍ
　２でレーデビーム１を４秒度照射した。このレーザビ
ーム照射に、よシ焼入れ予定部表面にはレーデビーム吸
収率の高い酸化被膜が均一に形成された。

（１１）次に、酸素ガスの吹き付けを止め、軸３の回転
速度を１．９比４２に増大すると共にレーデビーム照射
のエネルギー密度を１０　駒　に調整した。レーザビー
ム照射を２．７秒間続けた後に照射を中止し、直ちにノ
ズル８から５０　Ａ／ｍｉｎの窒素ガスを流して強制冷
却し、焼入れを行なった。

（ｉｉｉ）次に、焼入れ部の残留応力を除去するために
軸Ｓの回転数を１回／秒とし、レーデビーム照射のエネ
ルギー密度をｌ　Ｏ’Ｗ１０ｘ２として３秒間照射した
。続いてレーデビーム照射のエネルギー密度を徐々に低
下することによシ軸３の徐冷を行なった。

上記操作を行なった後、軸３の焼入れ部の断面を調査し
た結果、焼入れ深さは１■、焼入れ硬度は均一にＨマ＝
７５０という値が得られた。

この結果は当初の目標通）の焼入れ品質であった。ｔた
、焼入れ部全周のどの部分にも軟化領域は認められず、
第６図に示すように全周に亘って均一に焼入れされてい
た。同図において、５は変態点以上の温度に加熱されず
に焼入れされていない部分である。これに対して、６は
所定の焼入れが施された部分であシ、軟化領域の発生は
全く認められない。更に、焼入れ部の残留応力測定を行
なって第７図に示す結果を得た。

同図に示すように、上記実施例の焼入れ方法によれば残
留応力がほとんど除去されていることがわかる。

以上詳述したように、本発明によれば、良好な焼入れ品
質を得ることのできる極めて能率のよいレーデ焼入れ方
法を提供できるもので必る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来における軸傾のレーデ焼入れ方法を示す説
明図、第２図は第１図■−■線に沿う断面図、第３図は
従来のレーデ焼入れ方法による焼入れ部の残留応力分布
を示す図、第４図は本発明によるレーデ焼入れ方法を実
施するための一態様を示す説明図、第５図は第４図の態
様で本発明を実施する場合の工程制御例を示すプログラ
ム図、第６図および第７図は本発明の１′＃施例の結果
を示す図であシ、第６図は焼入れ部の断面図、第７図は
焼入れ部の残留応力分布を示す図である。 １・・・レーデビーム、２・・・集束用凸レンズ、３・
・・軸傾、４・・・焼入れ予定部または焼入部、５・・
・曹達大領域、６・・・硬化領域、７・・・軟化領域、
８・・・ノズル、９−・ガス導入口。 第１１１ ｗ２　画 １３　　図 Ｗ４　ｒ！Ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被焼入れ部材を回転させかつその焼入予定部表面に酸化
   性ガス雰囲気下でレーデビームを照射することにより前
   記焼入れ予定部表面に酸化被膜を形成する工程と、被焼
   入れ部材を高速回転させながら前記酸化被膜の形成され
   た焼入れ予定部表面に高エネルギー密度のレーザビーム
   照射を行なって焼入れ予定部表面全体を均一に変態点以
   上の温度に加熱した後、冷却することにより前記焼入れ
   予定部表面全体を同時に焼入れする工程と、被焼入れ部
   材を回転させながらその焼入れ部にレーデビーム照射を
   行なって焼入れ部表面全体を残留応力除去に必要な変態
   点よりも低い温度に加熱した後、レーザビームのエネル
   イー密彦を徐々に低下して焼入れ部表面を徐冷すること
   によυ残留応力を除去する工程とを同一箇所で連続的に
   行なうことを特徴とするレーデ焼入れ方法。