JPS591634A - 合金鋼からなる段付材の局部焼入れ方法および装置 - 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】 本発明は合金鋼からなる段付材の小径軸部の所定局部を
全断面にわたり、または相当深さまで焼入れする焼入れ
方法および装置に関する。

Ｃｉ、Ｍｙ＋、Ｗ等の元素を比較的多量に含有する合金
鋼からなる部材は炭素鋼からなる部材にくらべて焼入れ
性が高゛い。そのため、この種の部材に焼入れを施す場
合には、冷却能力が極めて高い水を冷却剤として使用す
ると焼われを生ずるので、水の使用は絶対忌避しなけれ
ばならぬとされている。

それ故、この種の合金鋼からなる部材に焼入れを施す場
合、例えば当該部材の全体を全断面にわたる焼入れや全
表面にわたる焼入れでは、水より冷却能力の低い油槽中
に当該加熱された部材を投入して焼入れ冷却を施すのが
通例である。しかし、合金鋼材からなる部材を局部的に
焼入れする場合、特に高効率的生産性が求められる場合
の局部焼入れには冷却剤が油であると、その後処理に時
間と手数がかかるのを避けるため、油よりはるかに冷却
能力の低い気体・・・例えば空気・・・を被加熱局部へ
噴射して当該加熱局部の強制冷却をするところで、合金
鋼からなる段付材の小径軸部の所定局部を焼入れする場
合の従来装置には第１図（ａ）および（ｂ）に示すもの
が用いられている。図において大径軸部ＷＺ　　と小径
軸部Ｗｓとからなる段付材Ｗの交叉斜線で示す部分Ｑが
焼入れせんとする所定局部である。Ｃは加熱コイルであ
りζまたＧ′は気体噴射用冷却環であって、ともに上記
段付材Ｗの大径軸部Ｗｔ　の外径に対し所定間隙αを確
保する内径を有し、例えば図示しない枠体に所定間隔を
へだてて平行に固定され、段付材Ｗの軸心ど同＠を保っ
て同時に相対移動可能である。当該装置を用いて焼入れ
を実施する場合には、初め第１図（ａ）に示される如く
加熱コイルＣｌ小径軸部Ｗｓ　　の所定局部Ｑに対向す
る位置において当該局部Ｑを加熱し、加熱終了後直ちに
相対移動、例えば第１図（ｂ）に示される如く段付材Ｗ
を矢印方向−・移動せしめて気体噴射用冷却環Ｇ′を上
記加熱された局部Ｑに対向せ１−めたうえ、図示しない
気体供給源から供給される気体を当該気体噴射用冷却環
Ｇ′の内周壁に孔設されている複数の噴射孔Ｇ８から噴
射して加熱局部Ｑを強゛制冷却するようにしている。

上記の従来装置では段付材Ｗを装置に装着する際や相対
移動の際に加熱コイルＣおよび気体噴射用冷却環Ｇ′が
大径軸部Ｗｔを通過可能にするため、それぞれの内径を
大径軸部Ｗｔ　の外径と間隙αをおくように構成しであ
るので、小径軸部の所定局部Ｑに対するそれぞれの作用
時には大きな間隙βをへだてで加熱および冷却を施すこ
ととなり、加熱効率および冷却効率は悪く、従って生産
性も低く第１の解決課題とされていた。

従来装置における第２の解決課題は所定局部Ｑを加熱コ
イルＣで加熱するため当該加熱コイルＣへ通電すると、
洩れ磁束ψ、およびψ２　によって気体噴射用冷却ｍ　
Ｇ／が加熱されることである。当該気体噴射用冷却環Ｇ
′は高圧気体を流通せしめ、かつ噴射孔から噴出せしめ
るものであるので、耐圧性および耐摩耗性を考慮して金
属製が用いられている。

非金属・・・例えば合成樹脂等を用いれば加熱されるこ
とは避けられるが、耐用時間が極めて短かく使用に耐え
ない。気体噴射用冷却環Ｇ′が昇温すると、管内を通過
して噴射される冷却開始初期の気体が上記熱を吸収して
昇温し、低い冷却能力をさらに低めるばかりか、加熱電
力の損失をも生じていた。

本発明者は上述の従来焼入れ方法および装置に存する問
題点を解決するにあたり、まず加熱効率の改善の可能性
について解析を試みた。

段付材が炭素鋼や低合金鋼からなり、かつその小径軸部
を被処理部分とする場合に、被加熱部と加熱コイルとの
間隙を小として加熱効率をあげるため割型加熱コイルが
使用される場合がある。しかし乍ら割型加熱コイルの使
用が可能なのは加熱のための通電時間が３〜５秒程度と
極めて短い表面加熱焼入れの場合であって、この種の加
熱コイルでは通電時間が短時間であることから自己発熱
が低く、通電停止後に当該加熱コイルの管体内を経由し
て被加熱部へ噴射される焼入用冷却液の流通時間中に上
記発熱が十分吸収される。これに反し本願は段付材の小
径部の所定局部を全断面にわたり、または相当深さまで
を焼入れする場合であるので、通電時間が表面焼入れの
ときの１０倍以上の長さとなり、加熱コイルの自己発熱
は大きくなり通電中のコイル冷却が必須となる。この場
合コイル管内に自己冷却用冷却水を流通せしめることが
効果的なコイル冷却方法であるが、加熱コイルが割型で
あると分割コイル片の閉端面を衝接し、閉端面で電気的
に接続される環状コイルに形成しているので、上記コイ
ル管内に自己冷却用冷却水を流通せしめることができず
、たとえ細工をして自己冷却用冷却水の流通可能な構造
としても、接点部分であるので消耗がはげしく浅水のお
それがあり、浅水が被加熱部へかかつて段付材の焼われ
を生ずる危険がある。

また分割コイル片それぞれの外側周壁に自己冷却用冷却
水の導通管を付設してもコイル片の端面である接点部分
の発熱を十分に吸収できない。それに加えて、部材が本
願では合金鋼からなっているので冷却液の噴射による冷
却は忌避されなければならぬ。また所定局部が巾広の場
合に、その巾に適合する多巻の加熱コイルを割型に構成
することは接点が多数となって技術的に極めて困難でも
ある。

それ故、本発明者は本願における如き合金鋼からなる段
付材の焼入れでは、加熱効率の面よりも冷却効率の面お
よび気体噴射用冷却環Ｇ′に存する問題点から改善を図
るべきであると思了し、当該関係についての解析を行い
、その結果に基いて以下に述べる本発明を行った。

本願第１発明の要旨は、 （１）　　合金鋼からなる段付材の小径軸部の所定局部
を焼入れする場合において、 （２）　　上記所定局部を大径軸部が通過可能な内径を
有する単巻または複巻の誘導加熱コイルにより加熱し、 （３）　　当該誘導加熱コイルが所定局部を加熱中は段
付材の大径軸部によって誘導される磁束の影響圏外に待
機し、加熱終了後所定局部と微少間隙をへだてで対向す
る内径に形成される気体噴射用割型冷却環により、（４
）被加熱所定局部を近接位置から噴射される気体で強制
冷却する ことを特徴とする合金鋼からなる段付材の局部焼入れ方
法にある。

第１発明を実施する装置としての第２発明の要旨は、 （１）大径軸部と小径軸部とからなる段付材の上記小径
軸部の所定局部を焼入れする装置における冷却装置が、 （２）　　それぞれ和室る方向および相離れる方向へ変
位可能な相対向する半円弧状管体からなり、 （３）当該管体それぞれは和室る方向への変位によって
管端を互いに衝接嵌合して上記小径部外周と微少間隙を
保持する如き内径の環状体に形成可能であり、 （４）　　相離れる方向への変位によって上記大径軸部
の外径より十分大なる空間を相対向する半円弧状管体間
に形成可能であるとともに、 （５）　　それぞれの管体の半円弧状内側壁には複数の
気体噴射用孔が設けられ、 （６）　　かつ、気体供給源に連通ずる単数または複数
の気体供給用パイプが接続している、（７）　　誘導加
熱コイルと所定間隔をへだてて並行に配置され、当該誘
導加熱コイルと一体となって段付材の軸心に沿って相対
移動可能な気体噴射用割型冷却環である ことを特徴とする合金鋼からなる段付材の局部焼入装置
にある。

本発明を第２図（ａ）〜（Ｃ）に示す実施例に従つて説
明する。第２図（ａ）　：’ｔ−；よび（ｂ）において
、Ｃは単巻加熱コイルである。当該加熱コイルＣはその
内径を段付材Ｗの大径軸部Ｗｔ　の外径↓りやや大きく
、これらを同心状に位置させた場合には小間隙αをへた
てる如く設定し、その巾を小径軸部Ｗ８　　の焼入れ施
すべき所定局部Ｑの巾に見合う如く設定した環状管体で
ある。また、当該加熱コイルＣの管体内にはニップルＮ
１およびＮ、を介して自己冷却用冷却水の導通が可能で
ある。加熱コイルＣは例えば第２図における加熱定位置
に装着される被加熱段付材Ｗの軸線から上下方向へ同一
所定間隔へだてた位置に相対向して配設されている基板
におよびＫの内側面の一方側対向位置から延びている連
続部材Ｓによって、」二記加熱定位置の被加熱段付材Ｗ
と同心となるように支承されている。上記基板におよび
Ｋの他方側の外側面には、例えばシリンダ等からなる直
線運動機構ＰおよびＰが置所配置され、当該直線運動機
構ｐ−ｐの上記基板Ｋ・Ｋに孔設されている貫通孔Ｋｈ
　−Ｋｈ　ｆ：摺動可能に貫通しているそれぞれのロッ
ドＲおよびＲの先端には、半径が段付材Ｗの小径軸部Ｗ
ｓのそれよりΔだけ犬に設定されている半円弧状の硬質
金属製、例えば比較的誘導加熱されにくいクローム系ス
テンレス等の管体Ｇａ　　およびＧｂ　　がそれぞれ上
記加熱コイルＣの端面と所定間隔をへだてて平行する平
面上にある如く、またその半円弧状内周側を相対向する
如き位置関係で固着されている。当該管体Ｇａおよびｃ
ｂ　　それぞれの弧状内周壁には複数の１細孔Ｇｓ　　
が設けられており、また弧状外周壁には例えばニップル
Ｎ３　・Ｎ４およびＮ５　・Ｎ６が設けられていて気体
供給源に接続する図示しないボースが連結されている。

管体ＧａおよびＧｂ　　それぞれの一方側で相対する開
口端部ｍおよびｆとは、また他方側で相対する開口端部
ｍ′およびｆ′とは、互いに雄型・雌型に形成されいづ
れが一方の管端が他方の管端に嵌合することが可能とな
っている。従つて諸元を所定の如く設定することによっ
て、上記上記基板に−Ｋに固定配置となっている直線運
動機構Ｐ−Ｐを駆動して、当該直線運動機構Ｐ−Ｐのロ
ッドＲ−・”Ｒをそれぞれ後退位置とすれば、当該ロッ
ドＲ−Ｒの先端に固着されている管体Ｇａ　　およびＧ
ｂ　　は相離れる方向に変位し、管体内周間には段付材
Ｗの大径軸部Ｗｔ　　の外径より十分大きい空間を形成
可能である。逆に直線運動機構Ｐ−Ｐのロッ１’　Ｒ−
Ｒｆ＆−それぞれ前進位置とすれば、管体Ｇａ　　およ
びＧｂ　　は■寄る方向に変位し、一方側のそれぞれの
管端部ｍとｆとが、また他方側のそれぞれの管端部ｍ′
とｆ′とが互いに嵌合して環状中空管体・・・気体噴射
用冷却Ｍａが形成可能であり、当該状態において気体供
給源を駆動して上記気体噴射用冷却ｉＧにホースを介し
て気体を供給すれば、内周壁に孔設されている細孔から
気体を噴射可能である。

なお基板に−にと焼入れされる段付材Ｗとは相対移動可
能に構成されている。

上記構成からなる実施例装置を用いて焼入れを実施する
場合を以下に説明する。

まず直線運動機構Ｐ−ＰのロッドＲ−Ｒをそれぞれ後退
せしめて気体噴射用冷却管Ｇ′ｆ：開成状態とし、相対
移動によって段付材Ｗを管体ＧａおよびＧｂ間と加熱コ
イルＣの環内に挿通し、第２図（ａ）および（ｂ）に示
される如く所定局部Ｑが上記加熱コイルＣと対向する加
熱定位置に位置決めする。ついで電源Ｅを投入して加熱
コイルＣへ所定時間通電する。この状態において加熱コ
イルＣの管内には自己冷却用冷却水が十分量流通してい
るので通電が長時間にわたっても自己発熱は直ちに吸収
され昇温することはない。一方管体ＧａおよびＧｂ　　
は通電中の加熱コイルＣから十分量れた位置にあるので
、加熱コイルＣの発生する磁束ψ１　の影響はもちろん
のこと加熱コイルＣの発生した磁束ψ、が段付材Ｗの大
径軸部Ｗｔへ誘導されて形成される磁束ψ２　の影響も
殆んど受升ないので昇温しない。所定通電時間経過後、
電源Ｅを断とし、例えば第２図（ｃ）に矢印で示す如く
段付材Ｗを左方へ移動して所定焼入温度にまで昇温した
所定局部・Ｑを管体Ｇａ−Ｇｂ間の大きく開かれｔいる
対向空間に位置せしめ、ついで直線運動機構Ｐ−Ｐそれ
ぞれを駆動として、上記管体ＧａおよびＧｂをロッドＲ
およびＲを介して前進させて環状管体に閉成する。かく
構成された気体噴射用冷却ＷＧの内周壁は加熱された所
定局部と間隙Δをへだてで対向する位置にある。この状
態において気体供給源を駆動とすれば、ホースを介して
気体噴射用冷却環Ｇの環状管体内に供給される気体は、
内周壁に設けられている細孔Ｇｓ　　から噴出し、加熱
された所定局部Ｑにあたってこれを強制冷却する。間隙
Δをへだてた位置からの気体噴射の冷却効果を、従来装
置における間隔βをへたてた位置からの気体噴射の冷却
効果とを比較した結果を第３図に示す。第３図は供給さ
れる気体の圧力、気体噴射孔数および孔径を同一として
、縦軸に温度℃、横軸に経過時間をとった図表に加熱所
定局部が同一焼入れ加熱温度ｔ１　　がら同一冷却完了
温度ｔ２　　まで冷却されるまでの状態を、間隙Δのと
きと間隔βのときとそれぞれ曲線をもって模式的に示し
たものである。

第３図により、Δ間隙での近接位置からの気体噴射が極
めて効果的で、β間隔からの気体噴射の場合の所要時間
の子以下の時間で冷却が完了することが確認される。所
定局部の冷却が終ると直線運動機構ｐ−ｐそれぞれを駆
動してロッドＲ−Ｒｆ：後退せしめ、これによって気体
噴射用割型冷却ｉＧを開成し、段付材Ｗを焼入装置より
搬出する。

上記実施例では所定局部Ｑを加熱定位置から冷却定置に
移動するのに段付材Ｗを移動させているが、この場合加
熱コイルＣおよび気体噴射用割型冷却環Ｇを支承してい
る基板に−Ｋを第２図（ｃ）における右方へ移動させて
位置決めする構成としてもよい。

また上記実施例では加熱コイルが単巻となっているが、
所定局部が巾広の場合には、その巾に応じたコイル長に
複巻された加熱コイルを用い、かつその巾に応じた巾を
有する気体噴射用割型冷却環を用い゛るようにすればよ
い。

なお、第４図の如く噴射する気体に空気を用いる場合に
は、噴射空気の熱伝達率が噴射孔径Ｂと距離Δとの関係
においてυＢＢＯ２あるとき最大となり、Δ／Ｂが６〜
１６の範囲内で効率的な熱伝達率が維持されることが知
られている。

従って本発明において、所定内径に形成され、その内周
壁に所定径Ｂの気体噴射用細孔を有する気体噴射用割型
冷却環は、小径軸部の直径が変ってもΔ／Ｂが６〜１６
の範囲内にあれば共用して効果的な強制冷却が可能であ
る。

本発明によれば、合金鋼からなる段付材の小径軸部の所
定局部を全断面または相当深さまで焼入れするに際し、 （１）加熱コイルの自己発熱がもたらす損耗のおそれな
く必要とされる加熱通電時間が確保可能であり、 （２）通電時に金属性の焼入用冷却環でも加熱されるこ
とがないので、当該冷却環を流通して噴射される気体の
初期冷却能力を低下させることが防止され、加熱部の冷
却を効果的に行うことが可能となり、 （３）　　冷却環を非金属製とした場合に比べその耐用
時間を大巾に延長することが可能となって経済性が確保
され、 （４）　　さらに最大の効果として、加熱された所定局
部を至近距離からの気体噴射により効率的に強制冷却す
ることが可能となり、冷却所要時間を従来に比べ大巾に
短縮して生産性を飛躍的に向上せしめうる こととなり、極めて実用性が顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ従来装置の欠点を
説明するだめの一部断面正面図、第２図は本発明方法の
一実施例装置を示すもので、第２図（ａ）は加熱時にお
ける一部断面正面図、第２図（ｂ）は第２図（、）にお
けるＡ−Ａ線断面側面図、第２図（ｃ）は焼入れ冷却時
における一部断面正面図、第３図は本発明を実施した場
合と従来装置によった場合との冷却効果を比較するもの
であって、Δは本発明の、βは従来装置のそれぞれにお
ける冷却温度特性曲線を示す線図、第４図は本発明気体
噴射用割型冷却環の気体噴射孔から噴射される空気が効
果的な冷却を行いうる気体噴射孔と対象物との距離範囲
を定める目安となる衝突噴流の熱伝達率を示す曲線図で
ある。 Ｗ・・・段付材、　　　　Ｗｔ・・・大径軸部、Ｗｓ・
・・小径軸部、　　Ｑ・・・所定局部、Ｃ・・・誘導加
熱コイル、Ｇ・・・気体噴射用割型冷却環、Ｇａ、Ｇｂ
・・・管体、　　　ｈ・・・気体噴射孔、Δ・・・微小
間隙。 第　１　　図　　　（Ｑ） 第　１　　図　　　（ｂ） 第２図　（α） 第２図　（ｂ） 第２図（Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）合金鋼からなる段付材の小径軸部の所定局部を焼入
   れする場合において、上記所定局部を大径軸部が通過可
   能な内径を有する単巻または複巻の誘導加熱コイルによ
   り加熱し、当該誘導加熱コイルが所定局部を加熱中は段
   付材の大径軸部によって誘導される磁束の影響圏外に待
   機し、加熱終了後所定局部と微少間隙をへたてて対向す
   る内径に形成される気体噴射用割型冷却環により、被加
   熱所定局部を近接位置から噴射される気体で強制冷却す
   ることを特徴とする合金鋼からなる段付材の局部焼入れ
   方法。 ２）大径軸部と小径軸部とからなる段付材の上記小径軸
   部の所定局部を焼入れする装置が、それぞれ和室る方向
   および相離れる方向へ変位可能な相対向する半円弧状管
   体からなり、当該管体それぞれは和室る方向への変位に
   よって管端を互いに衝接嵌合して上記小径軸部外周と微
   少間隙を保持する如き内径の環状体に形成可能であり、
   相離れる方向への変位によって相対向する半円弧状内周
   間に上記大径軸部の外径より十分大なる空間を形成可能
   であるとともに、それぞれの管体の半円弧状内周壁には
   複数の気体噴射孔が設けられ、かつ気体供給源に連通ず
   る単数または複数の気体供給用ノｅイブが接続している
   、誘導加熱コイルと所定間隔をへたてて並行に配置され
   、当該誘導加熱コイルと一体となって段付材の軸心に沿
   って相対移動可能な気体噴射用割型冷却環であることを
   特徴とする合金鋼からなる段付材の局部焼入装置。