JPS60215715A - 熱処理装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鋼製品表面の熱処理方法、特に歯車、ランク等
容形に形成された部分を有する鋼製品の該谷形の部分の
表面をレーザビームを用いて熱処理する装置に関する。

歯車、ラック等の谷形の部分、すなわち歯溝の強度を増
すためには該歯溝表面に熱処理を施すことが不可欠であ
るが、工業的には電磁誘導加熱。

浸炭、窒化等の方法によりこの熱処理を行っているのが
現状である。ところがこの方法による場合は特には熱処
理の不要な歯先平頂部が過度に熱処理され強度上好まし
くないことは勿論、エネルギロスも大きく、またこれに
ともない熱処理歪が大となり、新た゛な熱処理方法の開
発が待たれでいる。

ところで近時レーザビームを加熱手段とする試みが種々
なされている。しかし、鋼製品表面の熱処理については
平坦な表面を有する鋼製品のに対しては適用されつつあ
るものの、歯車、ランクの如く凹凸表面を有する鋼製品
については実用上程々の問題点があり、未だ工業的に実
用化されていないのが実情である。

例えばランクの歯溝の表面熱処理をするために第２図に
示す如く歯溝の直上からレーザビームを照射すると硬化
層（斜線で図示）の分布は側壁面表層では薄く、底面表
層では厚い態様となり、著しく不均一な熱処理しか施し
得ない。つまり側壁面表層に適厚の硬化層を形成せんと
する場合は底面表層が溶融し、逆に底面表層に運屋の硬
化層を形成せんとする場合は側壁面表層に十分な厚さの
硬化層が形成されないことになる。このような現象を惹
起する原因の一つはレーザビームのエネルギ分布がビー
ム中心において高エネルギであるのに対し、ビーム周縁
に向かうにつれて低エネルギとなったいわゆるガウス分
布をしているために高エネルギのビーム中心が投射され
る歯溝底面が強く加熱され、逆に低エネルギのビーム周
縁部が投射される歯溝側壁面が弱く加熱されるにある。

この原因を解消すべくレーザビームの略全領域に亘って
エネルギ分布の均一な、いわゆるトップハント形の分布
をしたレーザビームを発生する装置も実現されてはいる
が、これを用いた場合にも歯溝形状に起因する次の理由
により、熱処理の均一、化は図れていない。すなわち、
第２図に示す歯溝の開口角度又は左右側壁面のなす角度
を４０°とすると底面にたいするレーザビームの入射角
が０°であるのに対し、側壁面に対するレーザビームの
入射角は７０°となり、画部分におけるエネルギ吸収能
は大幅に異ることになる。加えて側壁面に入射したレー
ザビームの一部は両側壁面の間で反復反射されて底面に
達し、この部分の加熱に寄与することになり、厚い硬化
層を得たい壁面の硬化層が薄く、逆に硬化層が薄くても
よい底面の硬化層が厚くなる不都合がある。このような
理由により、ラック、歯車等の歯溝部分に対するレーザ
ビームによる表面熱処理は、未だ実用化されるに至って
いなかった。

本発明は上述の如き技術的背景の下になされたものであ
って、その目的はラック、歯車の歯溝の如く所定角度を
隔てて対向する２つの壁面を有する谷形に、形成された
部分を具備するｍ製品の前記谷形の部分の表面の熱処理
をレーザビームを用いて行い、硬化層分布が望ましい形
態で形成され機械的強度に優れた鋼製品を得ることを可
能にすると共に前記対向する２つの壁面の夫々に投射さ
れるレーザビームの発生源を単一として、各壁面に投射
されるレーザビームの整合を容易とし、しかも簡素な構
成を有する熱処理装置を提供するにある。

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。

第１図において２１はレーザビーム発生装置であってラ
ック２０の歯溝２０１に向けてレーザビーム２１ｂが発
せられるように配置されている。２２は断面が二等辺三
角形をなす三角柱状の三面鏡てあって、等辺に相当する
二面に夫々反射鏡２２Ｌ２２２を備えており、両度射鏡
２２１，２２２の接合線がレーザビーム２１ｂにおける
歯車２０１の長手方向に延びる中心線と対向する直径と
一致し、且つレーザビーム２１ｂの各反射鏡２２１．２
２２に対する入射角が等しくなるように、換言すればレ
ーザビーム２１ｂが歯溝２０１の第２の壁面２０１２側
と第１の壁面２０１１側とに２分割されて振り分けられ
るように配設されている。

この三面鏡２２によってレーザビーム２１ｂは２分割さ
れて夫々異方向に進む第１及び第２の分割レーザビーム
２２１ｂ、　２２２ｂとなるが、反射鏡２２１によって
第２の壁面２０１２側に振り分けられた第１の分割レー
ザビーム２２１ｂの光路中には該第１の分割レーザビー
ム２２１ｂを歯溝２０１の第１の壁面２０１１に向けて
反射させるべく平面鏡２３１が配設されており、該平面
鏡２３１と第１の壁面２０１１との間にはこの分割レー
ザビーム２２１ｂを集束する凸レンズ２４１が配設され
ている。一方、反射鏡２２２によって第１の壁面２０１
１側に振り分けられた第２の分割レーザビーム２２２ｂ
の光路中には該第２の分割レーザビーム２２２ｂを歯溝
２０１の第２の壁面２０１２に向けて反射させるべく平
面鏡２３２が配設されており、該平面鏡２３２と第２の
壁面２０１２との間にはこの分割レーザビーム２２２ｂ
を集束する凸レンズ２４２が配設されている。

この場合においても第１の分割レーザビーム２２１ｂが
前記第１のレーザビーム同様第１の壁面２０１１に投射
され、且つその入射角が可及的に小となるように、また
第２の分割レーザビーム２２２ｂが前記第２のレーザビ
ーム同様第２の壁面２０１２における、第１の分割レー
ザビーム２２１ｂによる第１の壁面２０１１の投射領域
に対向する領域に投射され、且つその入射角が可及的に
小となるようにする必要があるが、これらの条件はレー
ザビーム２１ｂのビーム径、三面鏡２２０反射鏡２２１
．２２２のなす角度、分割レーザビーム２２１ｂ、　２
２２ｂの平面鏡２３Ｌ　２４１に対する入射角等を歯溝
２０１の壁面深さ、歯溝角度等に応じて適当に選択する
ことによって充足される。なお分割レーザビーム２２１
ｂ、　２２２ｂ夫々を第１の壁面２０１１゜第２の壁面
２０１２の夫々に集光投射する光学的手段としては前記
平面鏡２３１．２３２と凸レンズ２４１，２４２との組
合せに替えて、各１個の凹面鏡を用い、これを平面鏡２
３Ｌ　２３２と略同位置に配設することとしてもよい。

ランク２００幅寸法が大である場合、両レーザビーム２
２１ｂ、　２２２ｂを歯溝２０１の長手方向、すなわち
ラック２０の幅方向に沿って投射走査する必要があるこ
とは勿論であり、またランク２０の多数の歯溝に対して
の熱処理を施すにはラック２０を１ピッチ分スライドさ
せればよい。

このような装置を用いて熱処理を実施した場合は両壁面
２０１１．２０１２が同時的に、しかも略等しい条件で
熱処理されることになり、両壁面とも歯先平頂部端縁側
が厚く、底面側が薄い理想的な分布の硬化層が形成され
ることになる。そしてこの熱処理による場合は第１図に
示すレーザビーム２１ｂ及び分割レーザビーム２２１ｂ
、　２２２ｂの光路から理解されるように、レーザビー
ム２１ｂとしてガウス分布タイプのものを用いる場合は
エネルギ密度の高いレーザビーム２１ｂの中心部が壁面
２０１２．２０１１の歯先寄りに投射され、エネルギ密
度の低いレーザビーム２１ｂの周縁部が歯１４ｉ２０１
の底面寄りに投射されることになり、底面側部分におい
ては反射による二次投射効果が若干現れるので結果的に
より望ましい熱処理パターンが得られることになる。

また平面鏡２３Ｌ　２３１を適当な範囲で接近・離隔さ
せることによってエネルギ密度の高、い部分を歯溝２０
１の底面中心から離隔させ、又は該中心へ接近させるこ
とができるので、分割レーザビームが投射される領域の
投射エネルギ分布を所望形態になし得る。更に三面鏡２
２としてその両度射面２２］　、　２２２のなす角度θ
を調節可能とした構造のものを使用することも可能であ
り、この場合も角度θを適当ち調節することにより投射
エネルギ分布を所望形態にすることができる。すなわち
僅かの操作のみで、壁面深さ、歯溝角度の異なる処理対
象物にも最適のエネルギ分布でビームを投射すべく対処
できる。

なお、レーザビーム投射領域におけるエネルギ密度は１
０２〜１０５ｗａｔｔ／＊＊２程度にするのが適当であ
り、エネルギ密度がこの範囲内の値になるようにレーザ
ビーム発生装置２１の出力、又はビーム投射時間若しく
は走査速度が選定される。そしてエネルギ密度をこの範
囲内の値にすることによりビーム投射領域の表層部分の
温度は変態点以上となり、また溶融点を超えず適切な表
面焼入れが行われることになる。

叙上の如き本発明装置による熱処理による場合は、従来
方式の如く歯溝の直上からレーザビームを投射する場合
に比して壁面各部における投射エネルギの分布が均一化
され、これにより歯溝２０１の表層は歯先平頂部端縁側
がやや厚く、底面側がやや薄い理想的な分布の硬化Ｎ（
斜線で図示）が得られる熱処理を施されることになり、
その結果機械的強度に優れた鋼製品が得られる。

さて上述の如き効果は単に−の壁面２０１１又は２０１
２にレーザビームを側方から、即ち壁面２０１１又は２
０１２にたいする入射角が小となるように投射すること
のみによって得られるものではなく両壁面２０１Ｌ２０
１２の対向領域を同時的に側方から投射することによっ
て得られるものである。すなわち本発明者は本発明を完
成する過程において、次のような熱処理方法を試みた。

すなわち最初の工程において第１の壁面２０１１に対し
てのみこれに対向する方向からレーザビームを投射し、
次工程において第２の壁面２０１２に対してのみこれに
対向する方向からレーザビームを投射する方法を試みた
が、この場合は後工程におけるレーザビーム反射により
第１の壁面が過処理されて軟化ゾーンが現れることとな
り、両壁面の熱処理状態に非対称性が現れる外、底面の
表層部において先工程によって形成された硬化層と後工
程において形成された硬化層とのオーハラツブ域が現れ
、製品強度上好ましくない結果を招来することになる。

第３図は上述のようにして処理されたランクの１０倍に
拡大した金属顕微鏡写真であって、右側の壁面に黒く現
れているのが軟化ゾーンであり、左右非対称の熱処理が
行われていること及び底面にオーバラップ域が現れてい
ることが示されている。これに反して本発明装置による
場合は両壁面２Ｄ１１．２０１２の対向領域を同時的に
熱処理するので、上述の方法の如き不都合は全く現れな
いことになる。

〔実施例〕

下記の条件で本発明装置による熱処理を実施したところ
壁面表層部が硬化層となり、この硬化層は歯先平頂部端
縁寄りが厚く、壁面中央部が薄く形成されており、歯先
強度の優れたラックが得られた。

処理対称ランク仕様：ｍ＝２．５ 圧力角−２０゛ 使用レーザビーム発 生装置　：炭酸ガスレーザビーム発生 装置　１台 出力１．５ＫＷ ビーム直径　１７鶴φ レーザビームヘッド から壁面までの寸法：　２Ｂ１．５鶴 ビ一ム走査速度　：１３０鶴／ｍｉｎ 照射面前処理　：黒体化処理 そして本発明による場合は比較的硬化層の薄い底面部分
においてもビッカース硬さ２００Ｈｖ以上の硬度が得ら
れ、また硬化層の厚い歯先平頂部端縁寄りの壁面におい
ては６００　Ｈｖ以上の硬度が得られた。

以上詳述したように本発明による場合は、高エネルギビ
ームによる鋼製品の表面熱処理技術一般に得られる自己
焼入（３６］ｆ−Ｑｕｅｎｃｈ）効果が奏されることは
勿論、硬化層が望ましい厚さ分布で形成され、また溶融
による軟化ゾーンが形成されることもないなどの効果を
奏し、本発明がこの種の熱処理技術の向上に寄与すると
ころ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱処理装置の略示図、第２図は従
来方法の問題点の説明図、第３図は歯溝壁面を一例ずつ
順次的に熱処理したランクの金属顕微鏡写真である。 ２１・・・レーザビーム発生装置　２２・・・三面鏡２
３１、２３２・・・平面鏡　２４１．２４２・・・凸レ
ンズ特　許　出願人　住友金属工業株式会社代理人　弁
理士　河　野　登　夫 蕃　１　図 に４　Ｚ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 】、所定角度を隔てて対向する２つの壁面を有する谷形
   に形成された部分を具備する鋼製品の前記谷形の部分の
   表面を熱処理する装置において、レーザビーム発生装置
   と、少なくとも２つの反射面を有し、レーザビーム発生
   装置が発生したレーザビームの略半分ずつを夫々相異な
   る方向に分割反射すべく該レーザビームの光路中に配設
   された複面鏡と、該複面鏡の２つの反射面夫々によって
   反射されてなる分割レーザビームの夫々を前記谷形の部
   分を形成する第１及び第２の壁面夫々に集光投射する２
   個の光学的手段とを備えたことを特徴とする鋼製品表面
   の熱処理装置。 ２、前記複面鏡の２つの反射面のなす角度を調節可能と
   した特許請求の範囲第１項記載の鋼製品表面の熱処理装
   置。 ３、前記光学的手段が平面鏡と凸レンズの組合せである
   特許請求の範囲第１項記載の鋼製品表面の熱処理装置。 ４、前記光学的手段が凹面鏡である特許請求の範囲第１
   項記載の鋼製品表面の熱処理装置。