JPH0147527B2 - - Google Patents

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。

Cr，Mn，Mo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で、これを避けるため、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
をする方法も採られている。

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Wl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、また
G′は気体噴射用冷却環であつて、ともに上記段
付材Ｗの大径軸部Wl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
心と同軸を保つ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Ｃを小径軸部
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を矢印方向へ
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に対向せしめたうえ、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Wlを通過可能にするため、
それぞれの内径を大径軸部Wlの外径と間隙αを
おくように構成してあるので、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
をへだてて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、従つて生産性も低
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Φ₁および段付材Ｗの小
径軸部Wsを貫通して大径軸部Wlへ誘導され、第
１図ａに示す如き径路を辿る磁束Φ₂によつて気
体噴射用冷却環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つて、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、当
該構造部分は接点部となるが故に消耗がはげしく
洩水のおそれがあり、洩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つているので冷却液
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
数となつ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つた。

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つ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、 (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) それぞれ相寄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相寄る方向への変位によ
つ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つて上記大径軸部
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、気体供給源に連通する単数または複数
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つて
段付材の軸心に沿つ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および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Wlの外径よりやや大きく、
これらを同心状に位置させた場合には小間隙αを
へだてる如く設定し、その巾を小径軸部Wsの焼
入れを施すべき所定局部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
管体内にはニツプルN₁およびN₂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Ｋ
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によつて、上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Ｋ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が固
定配置され、当該直線運動機構Ｐ・Ｐの上記基板
Ｋ・Ｋそれぞれに孔設されている貫通孔Kh・Kh
を摺動可能に貫通しているそれぞれのロツドＲお
よびＲの先端には、半径が段付材Ｗの小径軸部
WsのそれよりΔだけ大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Gbそれぞれの弧状内
周壁には複数の細孔Gsが設けられており、また
弧状外周壁には例えばニツプル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
図示しないホ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、
いづれか一方の管端が他方の管端に嵌合すること
が可能となつている。従つて諸元を所定の如く設
定することによつて、上記上記基板Ｋ・Ｋに固定
配置となつ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のロツドＲ・Ｒをそ
れぞれ後退位置とすれば、当該ロツドＲ・Ｒの先
端に固着されている管体GaおよびGb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Wl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のロツドＲ・Ｒをそ
れぞれ前進位置とすれば、管体GaおよびGbは相
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
冷却環Ｇ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環Ｇ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Ｋ・Ｋ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のロツドＲ・Ｒをそれ
ぞれ後退せしめて気体噴射用冷却管Ｇを開成状態
とし、相対移動によつて段付材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つ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から十分離れた位置にあ
るので、加熱コイルＣの発生する磁束Φ₁の影響
は勿論のこと、小径軸部Wsを貫通して大径軸部
Wlへ誘導される磁束Φ₂の影響も殆ど受けないの
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間の大きく開かれている
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
をロツド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環Ｇ
の内周壁は加熱された所定局部と間隙Δをへだて
て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にあたつ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隙βをへだてた位置から
の気体噴射の冷却効果と比較した結果を第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
軸に経過時間をとつた図表に加熱所定局部が同一
焼入れ加熱温度t₁か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つ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2/3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ツ
ドＲ・Ｒを後退せしめ、これによつて気体噴射用
割型冷却環Ｇ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Ｋ・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つて
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、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（熱収奪率）は噴射孔Gsの
孔径Ｂと微少間隙、即ち対象物までの距離Δとの
関係において、第４図に示す如く、Δ／Ｂ≒９で
あるとき最大であり、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伝熱工学上
知られている。

従つて本発明において、所定内径に形成され、
その内周壁に所定孔径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
つても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) 金属製の焼入れ用冷却環を用いても、通電時
に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つて経済
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
説明するた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
ａ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つた場合との冷
却効果を比較するものであつて、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、Wl……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、Gs……気体噴射孔、Δ……微少間隙。

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つ
   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
   れ相寄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
   れは相寄る方向への変位によつて管端を互いに衝
   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
   方向への変位によつ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
   体供給源に連通する単数または複数の気体供給用
   パイプが接続している、誘導加熱コイルと所定間
   隔をへだてて平行に配置され、当該誘導加熱コイ
   ルと一体となつて段付材の軸心に沿つて相対移動
   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。