JP2000290725A - 高周波焼入方法及び高周波焼入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ワーク１０が球状化処理を受けた高Ｃｒ合金
からなる難焼入材の場合も、焼入時の加熱温度及び加熱
時間を抑える。焼入前に焼ならし熱処理を行うことによ
る能率低下を回避する。 【構成】 ワーク１０の表層部を加熱手段２０により変
態点以上に高周波誘導加熱した後、当該表層部を冷却手
段３０により冷却コントロールして、焼入に適した組織
とする。引き続き、当該表層部を加熱手段４０により焼
入温度に高周波誘導加熱し、冷却手段５０により急冷し
て、焼入組織とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球状化処理を受け
た高Ｃｒ合金のような難焼入材の高周波焼入に適した高
周波焼入方法及び高周波焼入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ワークの表層部を限定的に焼入するのに
高周波焼入が使用される。この高周波焼入では、ワーク
の表層部が短時間でオーステナイト化温度以上に加熱さ
れるため、その焼入性は素材の組織の影響を大きく受け
る。一般に、同一の加熱時間の場合は、素材の組織がマ
ルテンサイト、ソルバイト、パーライト、球状炭化物と
変わるに連れて、オーステナイト化温度は高温側へ移行
する。また、結晶粒度が細かいほど、オーステナイト化
温度は高温側へ移行する。

【０００３】これに加え、ＦＣやＦＣＤなどの鋳物で
は、素材中のパーライトもこのオーステナイト化温度に
影響を及ぼし、このパーライト量が少ないほどオーステ
ナイト化温度は高温側へ移行する傾向がある。

【０００４】また、ＳＣＭ材やＳＵＳ材のような高Ｃｒ
合金では、Ｃｒ炭化物が析出し、この析出物は炭素鋼で
析出するセメンタイト以上にオーステナイト中への固溶
が困難であるため、オーステナイト化温度は一層高くな
る。

【０００５】そして、オーステナイト化温度が高温側へ
移行することは、焼入のための加熱時間が同一であれ
ば、その加熱温度を上げなければならいこと意味し、同
一温度で焼入しようとする場合は、加熱時間を十分に確
保しなければならないことを意味する。さもなくば、加
熱時に均一なオーステナイト化が行われず、不完全な焼
入となるため、硬度やその他の焼入品質に支障をきたす
ことになる。

【０００６】ところで、最近では機械加工性（引き抜き
や冷間鍛造等における冷間加工性）を良くする目的で、
素材を軟らかくして、加工後に高周波焼入を行う品物が
増加してきた。一般に素材を軟らかくするには、球状化
焼鈍といって変態点直下の温度に保持後徐冷して炭化物
を球状化する熱処理が行われるが、このような球状化組
織は、前述した通り、高周波焼入には不適な組織であ
り、良好な焼入組織を得るためには、焼入時の加熱温度
を通常の組織よりかなり上げるか、加熱時間を十分に確
保する必要がある。

【０００７】特にＳＣＭ材やＳＵＳ材のような高Ｃｒ合
金では、Ｃｒ炭化物が球状化した組織となるため、焼入
性は劣悪である。

【０００８】図１は５０Ｃｒ−５０Ｍｏ合金のＴ−Ｔ−
Ａ線図である。Ａは焼なまし材で、焼なまし条件は８５
０℃×２０分−５４０℃×６１０００秒の炉冷である。
Ｎは焼ならし材で、焼ならし条件は８５０℃×２０分−
６５０℃×１５００秒の炉冷である。Ｈは焼もどし材
で、焼もどし条件は８５０℃×２０分−水冷−７１０℃
×４時間−空冷である。Ｓは球状化焼なまし材で、焼な
まし条件は８５０℃×３０分−７４５℃×７時間−徐冷
−７２０℃×１５時間−徐冷である。

【０００９】加熱速度が速くなるほどオーステナイト化
温度は上昇する。そのため、ワークの表層部が短時間加
熱される高周波焼入では、本質的に高い加熱温度が必要
になる。なかでも、球状炭化物組織である球状化焼なま
し材Ｓは、特に高い加熱温度まで上げないと、充分オー
ステナイト化しない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】球状化処理を受けた高
Ｃｒ合金のような高周波焼入に不適な難焼入材では、焼
入時の加熱温度を通常の組織よりかなり上げるか、加熱
時間を十分に確保する必要がある。しかし、加熱時間の
延長は焼入パターンが崩れたり、生産性の低下を招く。

【００１１】加えて、品物の形状や焼入仕様によって
は、焼入時の加熱温度を上げることも、加熱時間を延長
することができないものも数多く存在する。即ち、加熱
温度を上げると、品物によっては歪みや割れが発生し、
加熱時間を延長した場合は焼入深さが深くなりすぎて、
焼入仕様によってはその仕様が満足されなくなるのであ
る。

【００１２】このような場合、従来は焼入前に熱処理を
行って素材組織を焼入しやすい焼ならし組織等に変える
ことが行われる。また、ある程度のリスクを覚悟して焼
入温度をかなり高めに設定することが行われる。

【００１３】しかしながら、材料学的に素材組織を変え
るためには拡散時間を必要とする。このため、高周波誘
導加熱のような長くても数十秒単位での短時間加熱で
は、素材組織を変えるまでには至らない。このため、長
時間のバッチ処理が必要となり、焼入作業の効率が著し
く低下する。

【００１４】焼入温度を高めに設定した場合は、品物に
よっては歪みや割れが発生するおそれがある。

【００１５】なお、移動焼入での作業効率を高めるため
に、焼入加熱前にワークの表層部を高周波誘導加熱によ
り予熱することは行われているが、加熱温度が低く、し
かも予熱後の冷却コントロールが行われていないため
に、焼入性を高めるまでには至っていない。

【００１６】本発明はかかる事情に鑑みて創案されたも
のであり、球状化処理を受けた高Ｃｒ合金のような難焼
入材についても、歪みや割れを発生させることなく、し
かも能率的に高周波焼入することができる高周波焼入方
法及び高周波焼入装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る高周波焼入方法は、高周波誘導加熱に
よりワークの表層部を限定的に焼入する前に、当該表層
部を高周波誘導加熱により変態点に昇温し、当該昇温と
これに続く冷却コントロールとにより当該表層部のみを
焼入に適した組織に変更し、しかる後に当該表層部を焼
入することを特徴とする。

【００１８】また、本発明に係る高周波焼入装置は、焼
入前のワークの表層部を変態点以上に高周波誘導加熱す
る組織変更用の加熱手段と、変態点以上に加熱されたワ
ークの表層部の冷却速度をコントロールして焼入に適し
た組織に変更する組織変更用の冷却手段と、焼入に適し
た組織に変更されたワークの表層部を焼入温度に高周波
誘導加熱する焼入用の加熱手段と、焼入温度に加熱され
たワークの表層部を急冷して焼入組織とする焼入用の冷
却手段とを具備する。

【００１９】移動焼入を行う場合は、特に、長尺ワーク
を軸方向に搬送するワーク搬送手段と、ワーク搬送路に
設けられて長尺ワークの表層部を軸方向の一部について
変態点以上に高周波誘導加熱する組織変更用の加熱手段
と、当該加熱手段の加熱の下流側に設けられて、ワーク
の表層部を軸方向の一部について強制的に冷却して焼入
に適した組織に変更する組織変更用の冷却手段と、当該
冷却手段の下流側に設けられて、ワークの表層部を軸方
向の一部について焼入温度に高周波誘導加熱する焼入用
の加熱手段と、当該加熱手段の加熱の下流側に設けられ
て、ワークの表層部を軸方向の一部について急冷して焼
入組織とする焼入用の冷却手段とを具備する。

【００２０】高周波誘導加熱では、素材全体の組織を焼
入に適した組織に変えることは困難である。しかし、高
周波誘導加熱で焼入される部分はワークの表層部であ
り、ワークの表層部のみであれば、高周波誘導加熱でも
その組織を焼入に適した組織に変えることが可能であ
る。

【００２１】従って、本発明に係る高周波焼入方法及び
高周波焼入装置では、焼入される表層部が短時間で焼入
に適した組織に変更され、これにより、球状化処理を受
けた高Ｃｒ合金のような難焼入材についても、歪みや割
れが生じることなく、しかも能率的に高周波焼入され
る。

【００２２】焼入に適した組織としては焼ならし組織が
好ましい。この組織は変態点、具体的にはＡ₃ 点以上の
加熱と、これに続くＡ₁ 以下までの冷却とで得られる。
また、一部マルテンサイトの組織も焼入に適する。

【００２３】焼入方法としてはワークの一部分ずつ焼入
を行う移動焼入でも、ワークの全体を一度に焼入する非
移動焼入でもよい。移動焼入の場合は特に能率的な焼入
作業が可能となる。組織変更用の冷却手段は省略するこ
とができるが、その場合は放熱となり、冷却時間が長く
なる。組織変更用の冷却手段を設けることにより、作業
効率が特に向上し、生産性が増大する。非移動焼入の場
合、焼入用の加熱手段及び冷却手段は組織変更用の加熱
手段及び冷却手段をそれぞれ兼ねることが可能である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図２は本発明の実施形態に係る高周
波焼入装置の構成図である。

【００２５】本発明の実施形態に係る高周波焼入装置
は、本発明に係る高周波焼入方法を実施するのに使用さ
れる。具体的には、レールのような長尺ワーク１０の移
動焼入に使用される。長尺ワーク１０は、例えばＳＣＭ
材やＳＵＳ材のような高Ｃｒ合金からなる。この高Ｃｒ
合金は、球状化処理により加工性を改善された後、引き
抜きと軟化焼鈍を繰り返して所定の形状の長尺ワーク１
０に加工され、最後に高周波焼入により表層部が硬化さ
れる。

【００２６】この表層部の硬化に使用される上記高周波
焼入装置は、長尺ワーク１０を軸方向に搬送する図示さ
れない搬送手段と、長尺ワーク１０の搬送路に設けられ
た組織変更用の加熱手段２０と、加熱手段２０の下流側
に設けられた組織変更用の冷却手段３０と、冷却手段３
０の更に下流側に設けられた焼入用の加熱手段４０と、
加熱手段４０の更に下流側に設けられた焼入用の冷却手
段５０とを備えている。

【００２７】加熱手段２０，４０は何れも長尺ワーク１
０の軸方向一部を包囲する高周波誘導加熱コイルであ
る。前者の加熱手段２０、即ち組織変更用の加熱手段
は、長尺ワーク１０の表層部を変態点以上の温度に高周
波誘導加熱する。後者の加熱手段４０、即ち焼入用の加
熱手段は、長尺ワーク１０の表層部をオーステナイト化
温度以上に高周波誘導加熱する。

【００２８】冷却手段３０，５０は何れも長尺ワーク１
０の軸方向一部を包囲する環状のジャケットである。前
者の冷却手段３０、即ち組織変更用の冷却手段は、長尺
ワーク１０の表面に冷却液、冷却用空気等の冷媒を吹き
付けることにより、Ａ₃ 点以上に加熱された表層部を変
態点以下まで冷却して焼入に適した焼ならし組織とす
る。後者の冷却手段５０、即ち焼入用の冷却手段は、オ
ーステナイト化温度以上の焼入温度に加熱された表層部
に焼入液を吹き付けることにより、その表層部を急冷し
て焼入組織とする。

【００２９】球状化処理を受けた高Ｃｒ合金からなる長
尺ワーク１０は難焼入材で、しかも高周波焼入で歪みを
生じやすい。このため、焼入温度の確保が困難であり、
焼入温度が不足する場合は焼入品質が確保されず、焼入
温度を上げた場合は焼入品質は確保されるものの、顕著
な歪みが発生する。そこで従来は、焼入前にバッチ式の
焼ならし熱処理を行って、焼入品質の確保と歪みの防止
を両立させるようにしていたが、作業能率が著しく低下
するのを避け得なかった。

【００３０】しかるに、上記高周波焼入装置を使用し
て、本発明に係る高周波焼入方法を実施すれば、長尺ワ
ーク１０の表層部が加熱手段２０によってＡ₃ 点以上に
短時間で加熱された後、冷却手段３０によってＡ₁ 点以
下まで短時間で冷却されることにより、その表層部が短
時間で焼入に適した焼ならし組織となる。このため、こ
れに続く、加熱手段４０による焼入温度への加熱では、
オーステナイト化温度が下がり、加熱温度の低下が可能
になるので、焼入品質を確保した場合にも、冷却手段５
０による急冷後の歪みの発生が防止される。

【００３１】即ち、本発明に係る高周波焼入方法及び高
周波焼入装置によれば、第１に、加熱温度を上げずとも
高い焼入品質が確保される。第２に、加熱温度を上げな
いことにより、焼入深さの増大が回避される。第３に、
加熱温度を上げないことにより、歪みの発生が防止され
る。第４に、焼入前のバッチ式の焼ならし熱処理が不要
になり、不要にならずとも、その条件緩和により処理時
間の短縮が可能になるので、生産性が向上する。

【００３２】上記実施形態では、組織変更のための冷却
時間を短縮し、ライン長を短縮することを目的として冷
却手段３０を使用しているが、この冷却手段３０は省略
してもよい。その場合は、組織変更のための冷却は放冷
となる。また、焼入用の冷却手段５０の下流側には、ア
フタクーリングジャケットを配置することが可能であ
る。

【００３３】また、上記実施形態は移動焼入装置である
が、ワークの種類によっては図３のような非移動式の焼
入装置も可能である。

【００３４】図３の高周波焼入装置では、ワークを円周
状に搬送する放射状に搬送するいわゆるターンテーブル
式の搬送手段がある。すなわち、組織変更用第１加熱ス
テーション２０′、組織変更用第２加熱ステーション３
０′、組織変更用冷却ステーション４０′、焼入用加熱
冷却ステーション５０′が設けられている。

【００３５】まず、 組織変更用第１加熱ステーション
２０′に搬入されたワークは、ワーク全体の表層部がＡ
₃ 変態点以上に高周波誘導加熱される。その加熱が終わ
ると、組織変更用第１加熱ステーション２０′から組織
変更用第２加熱ステーション３０′へと移動する。さら
に、組織変更用冷却ステーション４０′に移動され、ワ
ーク全体の表層部がＡ₁ 変態点以下に冷却される。これ
により、ワーク全体の表層部が焼入に適した焼ならし組
織とされる。

【００３６】この組織変更用の加熱・冷却が終わると、
ワークは焼入用加熱冷却ステーション５０′へと移動さ
れ、ワーク全体の表層部が焼入温度以上に高周波誘導加
熱された後、冷却されワーク全体の表層部が焼入組織と
される。

【００３７】このような高周波焼入装置の場合も、本発
明に係る高周波焼入方法が実施されることにより、第１
に高い焼入品質が確保される。第２に、焼入深さの増大
が回避される。第３に、歪みの発生が防止される。第４
に、焼入前に焼ならし熱処理を受けるも、表層部に限定
された熱処理のため、短時間であり、生産性が向上す
る。

【００３８】

【実施例】次に本発明の実施例を示し、従来例及び比較
例と対比する。

【００３９】球状化処理を受け、その後の焼ならし処理
を省略した高Ｃｒ合金（マルテンサイト系ステンレス
鋼）の表層部を、高周波誘導加熱により図４に示す３種
類のパターンＡ〜Ｃで熱処理した。各熱処理後の表層部
の硬度分布を調査した結果を図５に示す。

【００４０】パターンＡは焼入時の加熱時間を短縮ため
に、焼入前に低温予熱を行った従来例である。焼入時の
加熱温度は歪みが発生しない程度の比較的低温に抑制さ
れている。加熱時間は焼入深さの増大を回避するために
十分に短く設定されている。低温予熱に引き続いて焼入
を行ったが、予熱温度がＡ₁ 変態点未満であり、組織の
変更に至らないため、焼入後の表面硬度はビッカース硬
さＨｖで約５００、ロックウエル硬さ（Ｈ_R Ｃ）で約５
０である。

【００４１】パターンＢは予熱温度をＡ₁ 変態点以上に
高めた比較例である。予熱温度をＡ ₁ 変態点以上に高め
たが、予熱に続く冷却で冷却温度がＡ₁ 変態点以上と高
く、十分な冷却コントロールが行われていないため、焼
入後の表面硬度はビッカース硬さＨｖで約６００、ロッ
クウエル硬さ（Ｈ_R Ｃ）で約５６である。

【００４２】これらに対し、パターンＣは予熱温度をＡ
₃ 点以上に高め、且つ予熱に続く冷却での冷却温度をＡ
₁ 変態点以下にコントロールした本発明例である。焼入
時の加熱温度が従来例及び比較例と同じ比較的低温で、
加熱時間も制限されているにもかかわらず、焼入後の表
面硬度はビッカース硬さＨｖで約６８０、ロックウエル
硬さ（Ｈ_R Ｃ）で約５９と高かった。これは予熱処理で
表層部に焼入に適した焼ならし組織が形成されたことに
よる。

【００４３】このように、本発明によれば、ワークが難
焼入材の場合に焼入温度を比較的低温に抑制しても高い
焼入品質が確保され、焼入温度を比較的低温に抑制した
ことにより、ワークの歪みや割れが防止される。また、
加熱時間を延長する必要がないので、焼入深さの増大が
回避される。更に、焼入に適した組織をワークの表層部
に限定的に形成するため、その形成に要する時間が僅か
であり、移動焼入でもその形成が可能である。このた
め、焼入作業の能率が高く、バッチ式の焼ならし熱処理
の省略やその時間短縮が可能になることとあいまって、
高い生産性が確保される。

【００４４】図４の本発明例Ｃでは、予熱後のワークを
放冷したため、冷却時間が長くなっているが、ここで冷
却コントロールを行うことにより、冷却時間の短縮も可
能である。

【００４５】なお、本発明は球状化処理を受けた高Ｃｒ
合金のような難焼入材の高周波焼入に適するが、これ以
外の材料、例えば炭素鋼等の高周波焼入にも適用可能で
あり、その適用により、歪みや割れを発生させることな
く、しかも能率的に高周波焼入することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明に係る高
周波焼入方法及び高周波焼入装置は、ワークの表層部を
高周波焼入する前に、その表層部を、高周波誘導加熱と
これに続く冷却コントロールとにより、焼入に適した組
織とする。このため、高周波焼入での加熱温度の低下が
可能になり、ワークの歪みや割れが防止される。また、
焼入温度を低下させても、優れた焼入品質が確保され
る。更に、加熱時間を延長する必要がないので、焼入深
さの増大が回避される。更に又、焼入時間が短い上に、
焼入前の加熱・冷却が比較的短時間で行われ、しかも、
焼ならし熱処理の省略や条件緩和が可能になることによ
り、高い生産性が確保される。従って、高品質の焼入製
品が能率よく経済的に生産される。

【図面の簡単な説明】

【図１】５０Ｃｒ−５０Ｍｏ合金のＴ−Ｔ−Ａ線図であ
る。

【図２】本発明の実施形態に係る高周波焼入装置の構成
図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係る高周波焼入装置の
構成図である。

【図４】従来例、比較例及び本発明例での加熱パターン
を示す線図である。

【図５】従来例、比較例及び本発明例での硬度分布を示
す線図である。

【符号の説明】

１０ ワーク ２０ 組織変更用の加熱手段 ２０′ 組織変更用第１加熱ステーション ３０ 組織変更用の冷却手段 ３０′ 組織変更用第２加熱ステーション ４０ 焼入用の加熱手段 ４０′ 組織変更用冷却ステーション ５０ 焼入用の冷却手段 ５０′ 焼入用加熱冷却ステーション ７０ ローディング・アンローディングステーション

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波誘導加熱によりワークの表層部を
   限定的に焼入する前に、当該表層部を高周波誘導加熱に
   より変態点以上に昇温し、当該昇温とこれに続く冷却コ
   ントロールとにより当該表層部のみを焼入に適した組織
   に変更し、しかる後に当該表層部を焼入することを特徴
   とする高周波焼入方法。
2. 【請求項２】 焼入前のワークの表層部を変態点以上に
   高周波誘導加熱する組織変更用の加熱手段と、変態点以
   上に加熱されたワークの表層部の冷却速度をコントロー
   ルして焼入に適した組織に変更する組織変更用の冷却手
   段と、焼入に適した組織に変更されたワークの表層部を
   焼入温度に高周波誘導加熱する焼入用の加熱手段と、焼
   入温度に加熱されたワークの表層部を急冷して焼入組織
   とする焼入用の冷却手段とを具備することを特徴とする
   高周波焼入装置。
3. 【請求項３】 長尺ワークを軸方向に搬送するワーク搬
   送手段と、ワーク搬送路に設けられて長尺ワークの表層
   部を軸方向の一部について変態点以上に高周波誘導加熱
   する組織変更用の加熱手段と、当該加熱手段の加熱の下
   流側に設けられて、ワークの表層部を軸方向の一部につ
   いて強制的に冷却して焼入に適した組織に変更する組織
   変更用の冷却手段と、当該冷却手段の下流側に設けられ
   て、ワークの表層部を軸方向の一部について焼入温度に
   高周波誘導加熱する焼入用の加熱手段と、当該加熱手段
   の加熱の下流側に設けられて、ワークの表層部を軸方向
   の一部について急冷して焼入組織とする焼入用の冷却手
   段とを具備することを特徴とする高周波焼入装置。