JPS6052556B2 - 誘導加熱による軸類の重畳熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は未調質の軸類を単一の誘導子を用いて所定周
波数て誘導加熱した後、水槽中で噴射冷却して、表面硬
化と芯部の母材調質とを同時に行なうようにした誘導加
熱による重畳熱処理方法に関するものである。

従来、軸類の表層を高周波焼入れする場合、前処理と
して調質や廃車などの熱処理が必要であるとされていた
。

というのは、前処理を行わす直接素材に焼入れを行うと
、第１図に示すように、硬さ分布曲線Ｈが、捩りに対す
る応力分布曲線Ａ−Ｂ以下になり、捩りに対する応力分
布曲線が横切る芯部の機械的強度が低いことから、捩り
応力に耐えられない、きわめて脆弱な製品しか得られな
い。 なお、第１図において縦軸は硬さ、横軸は素材の
中心からの距離を示し、Ｓｆは被熱処理材の表面、Ｃは
中心を示す。

そこで、高周波焼入れに先立つて前処理すなわち、焼
入れ、焼もどしによる調質を行うことによつて焼入時の
オーステナイト化を容易とし、芯部の強度を高めて製品
自体の捩り耐力を高めることを期待している。

しかし、前処理をしさえすれば、常に上述したような効
果をえられるというものではない。もし、前処理後の被
熱処理材の硬さが高いと、焼入れ時の熱影響によつて硬
化層から芯部への移行部分に硬さの低い軟化部が生ずる
。第２図は前処理後、高周波焼入れを行つた熱処理材の
硬さ分布曲線の一例を示すものであるが、第２図ａにお
いて熱処理材の芯部の硬さは高いが１として示す軟化部
は捩り耐力分布曲線を下まわつているため、耐摩耗のみ
を要求される場合は別として、特に捩り耐力を要求され
る軸類製品としては致命的である。又当該軟化部に引張
り残留応力を残すこととなつて、焼われの原因となる場
合がしばしばある。第２図において、縦軸は硬さ、横軸
は被熱処理材の中心Ｃからの距離を示す。 これを避け
るためには、必要とされる焼入れ硬化深さ以上に深く焼
入れすることが必要である。すなわち、第２図ａにおい
て硬化深さをを必要とする場合であつても硬化深さをを
’（を’＞を）となるように設定し、第２図をに示すよ
うに、捩り耐・力分布曲線が軟化部にかからないように
仕上げなければならない。そのためには焼入れに先立つ
て前処理を行つた被熱処理材の硬さを測定し、それに応
じて誘導子に流す電流の周波数を、要求される硬化深さ
との関係においてきわめて慎重に選定しなければ所望の
捩り耐力を有する焼入れ製品を得ることができない。特
に最近の傾向として、熱処理による強度向上法をとらず
、素材のもつ強度をそのまま用いていた合金鋼からなる
部品は強度不足の場合が多いとして合金元素を比較的わ
ずかしか含有しない低合金鋼を熱処理した部品が多く用
いられるようになつてきた。このことはまた素材原価の
切下げという看点からも歓迎されている。本発明は誘導
加熱による焼入れに存する上述のような問題点を解決す
るためになされたものである。

本発明は次のような構成からなる。

１調質や焼準を施さない素材軸類（機械加工を行つたも
のを含む）を、単一誘導子で所定熱処理部全域の表層が
焼入れ温度以上に、また芯部がオーステナイト化温度直
上を限度とする温度にまで同時に昇温するような投入電
力の周波数を選定して誘導加熱する。

されに具体的に云えば被熱処理材の径に応じ、かつ被熱
処理材の表−層の昇温速度を従来の高周波焼入れによる
場合のそれよりある程度遅くなるように周波数を選定し
、これにより加熱時間に余裕をもたせてオーステナイト
化を容易とし、かつ加熱温度を制御して、芯部まで変態
点直上まで加熱する。被一熱処理材の表層と芯部とで温
度差をつけることは投下電力を制御することによつて可
能てある。第３図は被加熱処理材の中心からの距離に応
する昇温の変化が投下電力によつて異つてくることを示
している。第３図において、横軸は！被熱処理材の中心
からの距離を示し、異なる投下電力１１〜Ｉ２に応する
昇温特性を示す。２表層と芯部とを所定の温度差たとえ
ば第３図におけるＩ３のごとき曲線で同時に昇温加熱せ
しめた被熱処理材を水槽中で噴射冷却をする。この冷却
により、焼入れ温度以上の温度に加熱されている表層は
、第４図ａにおける冷却速度曲線２が示すように、Ｓ曲
線を横切ることなく急速冷却されてＮ″変態を起こし、
マルテンサイト組織をもつ焼入硬化層が形成される。又
《オーステナイト化温度直上を限度として加熱されてい
る芯部には第４図ｂにおける冷却速度曲線３が示すよう
に、Ｓ曲線を横切る緩冷却がなされて、Ａビ変態を起こ
し、かつＡ１変態点またはＡ３変態点を上下させること
によつて、母材のフエライトをパーライト組織中に溶け
込ませて均一に分散した調質が行われる。本発明者は本
発明の効果を確認するため、次の足験を行つた。

Ｊ険例 １供試体 ２熱処理方法 〜 本発明による熱処理 第５図ａに示すごとく素材のままの供試体２Ａをセンタ
ー４で支持して回転させつつ、全長を同時に加熱できる
長さを有する誘導子３ａをもちい、下記諸元に従つて供
試体２Ａの断面における温度曲線が第５図ｂに示すよう
になるように誘導加熱した後、第５図Ｃに示す水槽５中
でセンター４で支持した状態で回転させつつ噴射冷却機
構６により冷却し、その後焼もどしを行つた。

ト）従来方法による黛ｉ理 供試体２Ａと同一材質、同一寸法の供試体２Ｂをセンタ
ー４で支持して回転させた状態で第６図に示すように単
巻誘導子３ｂを供試体２Ｂの一方端から他方端へ移動さ
せ、当該供試体２Ｂを下記諸元で移動焼入れた後、焼も
どしを行つた。

｝ 曲げ試験 熱処理済の供試体２Ａおよび２Ｂのそれぞれに）いて曲
げ試験を行つた。

．）曲げ試験方法 第７図に示すように、供試体２を１５５？離して位置さ
せた支点Ｃで支承し、中央部上面０から加重ｗを加え、
各供試体のそれぞれの曲げ耐力を測定した。

試験はアムスラ一試験機によつた。１）試験結果 測定値は第８図ａおよびｂに示すとおりであつた。

第８図ａおよびｂにおいて、それぞれ縦軸は撓み量（Ｔ
ｌｎ入横軸は荷重（ＴＯｎ）を示し、ＲｌＯ．ｌおよび
ＮＯ．２は本発明による供試体の、又ＮＯ．３およびＮ
Ｏ．４は従来方法による供試体のそれぞれ試験結果を示
す。第１表は第８図に示す測定値を表に書き直したもの
である。上記試験結果によれば本発明による供試体Ａは
破断荷重および撓み量の点において従来方法による供試
体Ｂと比し飛躍的に高い数値を示している処から供試体
Ｂに比し格段に高強度かつ高耐力であることが証明され
た。その上、降状から破断に至るカーブはゆるやかであ
る処から衝撃がかかつてもすぐに折れることがなく、き
わめて安定した機械的性質を有していることが判明する
。４確認試験 本発明者は上記の曲け試験の結果を裏付ける資料をうる
ため、次のような観察および試験を行つた。

｛１）顕微鏡写真による組織の観察 第９図ａおよびｂは本発明による供試体Ａの試料ＮＯ，
ｌの、また第１０図ａおよびｂは従来方法による供試体
Ｂの試料ＮＯ．３の、それぞれの焼入組織と芯部組織の
顕微鏡写真（倍率４００）を示す。

図ａに示す本発明による供試体Ｎｂ．ｌの表面焼入組織
は第１０図ａに示す従来方法による供試体陥．３のそれ
より荒れが少いことが判明する。

又第９図ｂと第１０図ｂを対比することにより従来方法
による供試体ＮＯ．３の芯部の組織は圧延材の組織その
ままを示しているのに対し本発明による供試体ＮＯ．ｌ
のそれは微細な調質組織であることが如実に観察できる
。′）硬ざ試験 熱処理済の供試体の表面から中心部へ至る硬さを測定し
た。

本発明による供試体Ａの試料ＮＯ．ｌの測定値を第１１
図ａに、従来方法による供試体Ｂの試料ＲｓｌＯ．３の
それを第１１図ｂに示す。第１１図ａおよびｂにおいて
縦軸は硬さ（Ｈｖ）を、横軸は表面からの距離（１ａ）
を示す。

それによると、従来方法による供試体ＮＤ．３の芯部の
ビツカース硬さは２００ＨＶであるのに対し、本発明に
よる供試体ＮＯ．ｌの芯部の硬さはそれより高い、３０
０Ｈｖを示している。上記の各試験の結果から明らかな
ように、本発弗こより軸類の表面硬化と、母材調質とを
同時に行うことが可能である。

本発明によれば １ この種の熱処理において従来から行われていた母材
調質工程が省略されるので、熱処理工程の簡素化と省エ
ネルギーを図ることが可能となり、２単一の誘導子で表
面硬化と母材調質の２つの熱処理が同時に行われ、しか
も表面の硬化層と芯部の調質部との間の硬さ勾配をゆる
やかにすることが可能であるので、前処理後、焼入れす
る従来方法においてしばしば表われる境界部における軟
化部の発生がなくなり、有害な残留応力の低減が可能と
なり、かつ、曲げ、捩りおよび衝撃に対する耐力などの
機械的性質を飛躍的に改善させることができる。

３誘導加熱の特徴を利用して表面温度と中心温度との間
に所定の温度差が生ずるようにし、芯部をオーステナイ
ト化直上まてを限度として昇温せしめた上で冷却するの
で、当該芯部は変態点を通過することによつてその結晶
粒度は微細化され、特にフエライト相の微細化が効果的
に行われることにより芯部の強さを著しく改善させるこ
とができる。

４誘導加熱を利用するので炉加熱では不可能な表面温度
と芯部温度との設定温度差に制御が容易に可能で、これ
により適切な表面硬化層厚さおよび硬さをもつ焼入層を
得ることができるばかりでなく、炉加熱の場合に生ずる
被熱処理材全断面における結晶粒の粗大化を防止するこ
とができることによつて焼入れ後の表面硬化部の機械的
性質の改善に役立つ。

５冷却時に噴射冷却と浸涜冷却とを併用するので、噴射
冷却における流量制御によつて表面硬さならびに金属組
織を所望の如く制御することが可能であり、かつ浸漬冷
却によつて芯部の冷却をも十分に行うことができる。

本発明は１回の熱処理によつて表面焼入れと母材調質と
を同時に行うことができ、またその効果も上述したごと
く、きわめて優れているので、軸類にかぎらず全ての焼
入れ部材にも適用することが可能であるが、たとえば、
建設機械用履板ピン、自動車用駆動軸、トーシヨンバ一
のように、強さ、曲げ、捩り、疲れなどの耐力が高く要
求される軸類の熱処理方法として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は未調質材を高周波表面焼入した場合における硬
さ分布と捩り耐力分布との関係を示す線図、第２図ａお
よびｂはそれぞれ調質材を高周波表面焼入れをした場合
における硬さ分布と捩り耐力分布の関係の例を示す線図
、第３図は誘導加熱コイルへの投下電力ど加熱温度との
関係を示す線図、第４図ａおよびｂは本発明における被
熱処理材の表層および芯部の冷却速度をそれぞれ示す線
図、第５図ａおよびｃは本発明の実験例における実験方
法を示す斜視図、第５図ｂは本発明の実験例における供
試体の加熱温度分布を示す線図、第６図は本発明の実験
例において、比較対照のために行つた従来方法を説明す
るための正面図、第７図は本発明の実験例において行つ
た曲げ試験方法を説明するための正面図、第８図ａは本
発明による供試体Ａの荷重と撓み量との関係を示す線図
、第８図ｂは本発明による供試体との比較対照のために
行われた、従来方法による供試体の荷重と撓み量との関
係を示す線図、第９図ａおよびｂはそれぞれ本発明によ
る供試体の表面硬化層および芯部組織の顕微鏡写真図、
第１０図ａおよびｂは従来方法による供試体の表面硬化
層および芯部組織”の顕微鏡写真図、第１１図ａは本発
明による供試体の表面から中心にかけての硬さ分布を示
す線図、第１１図ｂは従来方法による供試体の表面から
中心にかけての硬さ分布を示す線図である。 ２Ａ・・・・・・未調質の被熱処理材、３Ａ・・・・・
・誘導加熱手段、５・・・・・・水槽、６・・・・・・
噴射冷却機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軸類を誘導加熱手段を用いて熱処理する場合におい
   て、単一の誘導子で未調質の被熱処理材の所定被熱処理
   部の全表層を焼入れ温度以上に、芯部をオーステナイト
   化温度直上までを限度とした温度に同時に昇温せしめる
   ように投入電力の周波数を選定して加熱し、しかる後被
   熱処理材を水槽中で噴射冷却することにより、被熱処理
   部の表層には焼入れ硬化層を形成し、同時に芯部には母
   材調質を施すことを可能としたことを特徴とする誘導加
   熱による軸類の重畳熱処理方法。