WO2024057406A1 - 移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置 - Google Patents

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明仁 山根
利行 秦
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a mobile hardening method and a mobile hardening apparatus.
  • induction hardening is widely used to improve the surface hardness, wear resistance, and fatigue resistance of parts.
  • various induction hardening devices have been proposed. For example, when induction hardening a long member such as a steel shaft, so-called displacement hardening is performed. Traverse hardening is a method of hardening while moving a high-frequency induction heating coil (also referred to as a high-frequency coil) and a cooling means relative to the shaft-like body along the axial direction of the shaft-like body. .
  • a high-frequency induction heating coil also referred to as a high-frequency coil
  • the shaft-like body In moving hardening, the shaft-like body is locally heated by a high-frequency coil until at least the surface layer of the shaft-like body becomes an austenite phase. Next, by using a cooling means that follows the high-frequency coil, a cooling medium such as a cooling liquid is injected onto the surface of the heated shaft-shaped body to rapidly cool it in a short period of time, thereby converting the surface layer of the shaft-shaped body into a desired phase such as a martensite phase.
  • the structure has hardness.
  • the outer diameter of the shaft-shaped body may not be constant in the direction along its axis (also referred to as the axial direction). That is, in the axial direction of the shaft-like body, there is a shaft-like body having a small diameter portion having a relatively small outer diameter and a large diameter portion having a relatively large outside diameter. Further, the small diameter portion and the large diameter portion are connected by a step portion whose outer diameter gradually changes in the axial direction. For example, in the technology disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2, by moving split coils back and forth in the radial direction of the shaft-like body that is the heated object, changes in the outer diameter of the shaft-like body are accommodated. .
  • variable diameter coil method has the advantage of simplifying the equipment configuration, it is important to appropriately control the moving speed of the coil.
  • the reason is as follows. In order to uniformly heat the stepped portion of the shaft-like body in the axial direction, it is desirable to keep the moving speed along the surface as constant as possible when trying to move the coil along the radial direction of the shaft cross section. If the speed of movement of the coil in the axial direction is constant instead of the speed of movement along the surface, heating will be concentrated at the corners of the step, and the heating in the recesses of the step will be conversely reduced.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a mobile hardening method and a mobile hardening device that can perform desired hardening on the step portion and the vicinity thereof in a shaft-shaped body whose outer diameter is not constant in the axial direction.
  • the purpose is to provide
  • a moving hardening method uses a moving hardening device including a plurality of high-frequency coils and a cooling section to separate a small diameter part, a large diameter part, and a small diameter part and a large diameter part in the axial direction.
  • a moving hardening method for hardening a shaft-like body having a stepped part connecting the diameter part The shaft-shaped body inserted inside the plurality of high-frequency coils is rotated relative to the plurality of high-frequency coils, and the plurality of high-frequency coils are rotated relative to the shaft-shaped body in the axial direction.
  • the speed of the high frequency coil in the axial direction when the high frequency coil passes through the stepped portion is higher than the speed in the axial direction of the high frequency coil when the high frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion. It is also characterized by its small size.
  • the speed of the high frequency coil in the axial direction when the high frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion is V0, and the high frequency coil is set at the stepped portion.
  • the speed of the high-frequency coil in the axial direction when passing through is Vs
  • the speed of the plurality of high-frequency coils in the direction perpendicular to the axial direction is Vc
  • the following equation 1 may hold true.
  • the distance between the high-frequency coil and the cooling section in the axial direction when the high-frequency coil passes through the stepped portion is determined by the high-frequency coil.
  • the distance may be smaller than the distance between the high frequency coil and the cooling section in the axial direction when passing through the small diameter section or the large diameter section.
  • the cooling unit injects a cooling medium,
  • the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the stepped portion is determined from the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion. You can also make it smaller.
  • a mobile hardening device hardens a shaft-shaped body having a small diameter portion, a large diameter portion, and a stepped portion connecting the small diameter portion and the large diameter portion in the axial direction.
  • a mobile quenching device for The mobile quenching device is In the axial direction, a plurality of high frequency coils and a cooling section are provided, comprising a control unit capable of controlling movement of the plurality of high frequency coils and the cooling unit, Each of the high-frequency coils has a high-frequency induction part for heating the shaft-shaped body and a conductive part connected to the high-frequency induction part, and is movable in the axial direction with respect to the shaft-shaped body.
  • the cooling unit has an injection unit capable of injecting a cooling medium, and is movable in the axial direction with respect to the shaft-like body
  • the control unit includes: The movement of the high-frequency coils can be controlled in the plane so that the distance from the surface of the shaft-like body to each of the high-frequency coils is constant, and The speed of the high frequency coil in the axial direction when the high frequency coil passes through the stepped portion is higher than the speed in the axial direction of the high frequency coil when the high frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion. It is characterized in that it can be controlled so that it also becomes small.
  • the control unit sets the speed of the high frequency coil in the axial direction when the high frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion to V0, and the high frequency
  • the speed of the high-frequency coil in the axial direction when the coil passes through the stepped portion is Vs
  • the speed of the plurality of high-frequency coils in the direction orthogonal to the axial direction is Vc
  • the following formula 1 holds true.
  • the high frequency coil may be controllable.
  • the control unit may control a distance between the high-frequency coil and the cooling unit in the axial direction when the high-frequency coil passes through the stepped portion.
  • the distance between the high frequency coil and the cooling section in the axial direction when the high frequency coil passes through the small diameter section or the large diameter section may be controlled to be smaller than the distance between the high frequency coil and the cooling section.
  • the control unit controls the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the stepped portion.
  • the cooling medium may be controlled to be smaller than an injection amount or an injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion.
  • the moving hardening method and moving hardening apparatus of the present invention it is possible to perform desired hardening on the stepped portion and the vicinity thereof in the shaft-shaped body whose outer diameter is not constant in the axial direction.
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a partially cutaway view of a mobile hardening device according to an embodiment of the present invention. It is a sectional view schematically showing a partial cross section of the shaft-like body and two high-frequency coils when viewed from above in a direction along the axis of the shaft-like body, and the high-frequency coil moves according to the outer diameter of the small diameter part.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a partial cross section of the shaft-like body and two high-frequency coils when viewed from above in a direction along the axis of the shaft-like body, and the high-frequency coil is arranged in accordance with the outer diameter of the large diameter portion.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the state which moved. It is a sectional view schematically showing a partial cross section of the shaft-like body and three high-frequency coils when viewed from above in a direction along the axis of the shaft-like body, and the high-frequency coil moves according to the outer diameter of the small diameter part.
  • FIG. It is a sectional view schematically showing a partial cross section of the shaft-like body and three high-frequency coils when viewed from above in a direction along the axis of the shaft-like body, and the high-frequency coil is arranged in accordance with the outer diameter of the large diameter portion. It is a figure which shows the state which moved.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining the positional relationship between a heating section and a cooling section with respect to a shaft-shaped body in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the shaft-like body and the high-frequency coil taken along a plane passing through the axis of the shaft-like body. It is a sectional view schematically showing a partial cross section of the shaft-like body and one high-frequency coil when viewed from above in a direction along the axis of the shaft-like body, and the high-frequency coil moves according to the outer diameter of the small diameter part.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the shaft-like body and the high-frequency coil taken along a plane passing through the axis of the shaft-like body. It is a sectional view schematically showing a partial cross section of the shaft-like body and one high-frequency coil when viewed from above in a direction along the axis of the shaft-like body, and the high-frequency coil moves according to the
  • FIGS. 1 to 10 a moving hardening method and a moving hardening apparatus that are embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10. Note that it is obvious that the present invention is not limited to the following embodiments. Furthermore, it is obvious that elements of the following embodiments can be combined within the scope of the present invention.
  • a traverse hardening apparatus 100 of the present embodiment is an apparatus for performing traverse hardening on a shaft-shaped body 10 using a high-frequency current.
  • Movement hardening is a method of hardening while moving a heating section equipped with a high-frequency induction heating coil (also referred to as a high-frequency coil) and a cooling section equipped with a cooling ring that follows the heating section relative to the object to be heated. It is.
  • the object to be heated is, for example, a shaft-shaped object.
  • the shaft-shaped body 10 has a large diameter portion 11 (a large diameter portion 11A and a large diameter portion 11B) and a small diameter portion 12 provided between the large diameter portion 11A and the large diameter portion 11B in the direction along the axis C.
  • the large diameter portion 11A, the large diameter portion 11B, and the small diameter portion 12 are each formed in a columnar shape.
  • the respective central axes of the large diameter portion 11A, the large diameter portion 11B, and the small diameter portion 12 are arranged to coincide with an axis C that is a common axis.
  • the axis C is the central axis of the shaft-like body 10.
  • the portion disposed on one side D1 of the small diameter portion 12 in the direction along the axis C will also be referred to as the first large diameter portion 11A.
  • a portion disposed on the other side D2 of the small diameter portion 12 in the direction along the axis C is also referred to as a second large diameter portion 11B.
  • the first large diameter portion 11A, the small diameter portion 12, and the second large diameter portion 11B are each formed in a cylindrical shape and share the axis C as a common central axis.
  • the outer diameter of the small diameter portion 12 is smaller than the respective outer diameters of the large diameter portions 11A and 11B.
  • the outer diameter of the large diameter portion 11A and the outer diameter of the large diameter portion 11B are the same, but the outer diameter of the large diameter portion 11A and the outer diameter of the large diameter portion 11B may be different.
  • a stepped portion 13 (stepped portion 13A and stepped portion 13B) for connecting them.
  • the stepped portion 13A and the stepped portion 13B are inclined at a predetermined angle with respect to the axis C of the shaft-like body 10.
  • the angle of inclination is, for example, in the range of 15° to 90°.
  • the outer diameter of the stepped portion 13 is not particularly limited, but it may have a shape that smoothly connects the large-diameter portion 11 and the small-diameter portion 12, as illustrated in FIG. You can.
  • the shaft-shaped body 10 is arranged so that the axis C is parallel to the vertical direction of the mobile hardening apparatus 100.
  • the shaft-like body 10 is made of a conductive material such as carbon steel or low alloy steel containing 95% by weight or more of iron (Fe), which is a ferrite phase or pearlite phase.
  • the shaft-like body may be an axle for a railway vehicle or the like.
  • the number of large-diameter portions 11, stepped portions 13, etc. included in the shaft-like body 10 is not limited to the example shown in FIG. 1.
  • the number of small diameter portions 12, large diameter portions 11, and step portions 13 may be 1, 2, or 3, or may be 4 or more.
  • the shaft-like body to which the mobile hardening method and mobile hardening apparatus of the present embodiment is applied may be a shaft-like body having one large diameter portion and one small diameter portion.
  • the mobile hardening device 100 includes a heating section 110, a cooling section 120, a support section 130, a heating section moving device 140, a cooling section moving device 150, and a control section 160.
  • the heating section 110 includes a plurality of high frequency coils 111 (high frequency coil 111A and high frequency coil 111B).
  • the heating section 110 is connected to a heating section moving device 140 that is a moving means.
  • the cooling unit 120 includes a cooling ring 121.
  • the cooling unit 120 is connected to a cooling unit moving device 150 that is a moving means.
  • the support portion 130 includes an upper center 131 and a lower center 132.
  • the upper center 131 supports the first large diameter portion 11A of the shaft-like body 10 from above the first large diameter portion 11A.
  • the lower center 132 supports the second large diameter portion 11B of the shaft-like body 10 from below the second large diameter portion 11B.
  • the upper center 131 and the lower center 132 support the shaft-like body 10 so that one side D1 in the direction of the axis C is upward and the other side D2 is downward. Note that the shaft-like body 10 is rotatable in the circumferential direction of the shaft-like body 10 about the axis C while being supported by the upper center 131 and the lower center 132.
  • the shaft-like body 10 can be rotated around the axis of the shaft-like body 10 during moving hardening by a drive device (not shown).
  • Rotating the shaft-like body 10 around the axis means rotating the shaft-like body 10 in any of the circumferential directions around the axis C of the shaft-like body 10 .
  • a line connecting the center of the upper center 131 and the center of the lower center 132 is the vertical direction (also referred to as the vertical direction) of the mobile hardening device 100.
  • the heating unit moving device 140 supports the heating unit 110 and includes a support member 141 and a motor (not shown).
  • the heating unit moving device 140 is attached to a rack member 180.
  • Rack member 180 extends along the vertical direction.
  • the support member 141 is provided with a pinion gear 141a, and the pinion gear 141a meshes with a gear portion 180a of the rack member 180.
  • the motor is driven, the pinion gear 141a rotates, and the heating unit moving device 140 is configured to move upward or downward relative to the rack member 180.
  • the cooling unit moving device 150 supports the cooling unit 120 and includes a support member 151 and a motor (not shown). Cooling unit moving device 150 is attached to rack member 180.
  • the support member 151 is provided with a pinion gear 151a, and the pinion gear 151a meshes with a gear portion 180a of the rack member 180. When the motor is driven, the pinion gear 151a rotates, and the cooling unit moving device 150 is configured to move upward or downward relative to the rack member 180.
  • the moving speeds of the heating section moving device 140 and the cooling section moving device 150 are each independently controlled by the control section 160.
  • movement hardening is performed in the axial direction of the shaft-shaped body 10. That is, the vertical direction of the mobile hardening apparatus 100 can be said to be the direction in which mobile hardening is performed.
  • FIG. 1 shows an example in which a rack and pinion gear are used as a mechanism for moving the heating section 110 and the cooling section 120 in the vertical direction
  • the moving mechanism of the present invention is not limited to this. Any material may be used as long as it can move relative to the shaft-like body 10 in the vertical direction.
  • FIG. 1 shows an example in which the heating section 110 and the cooling section 120 move relative to the fixed shaft-like body 10, the moving hardening method and moving hardening apparatus of the present invention are not limited to this form.
  • the portion 110 and the cooling portion 120 may be fixed, and the shaft-like body 10 may be moved relative to the heating portion 110 and the cooling portion 120.
  • FIG. 1 shows an example in which a rack and pinion gear are used as a mechanism for moving the heating section 110 and the cooling section 120 in the vertical direction
  • the moving mechanism of the present invention is not limited to this. Any material may be used as long as it can move relative to the shaft-like body 10 in the vertical direction.
  • FIG. 1 shows an example in which the heating section 110
  • the moving hardening method and the mobile hardening apparatus of the present invention are not limited to this. It may be oriented horizontally, or the axial direction of the shaft-shaped body 10 may be inclined with respect to the vertical direction.
  • the heating unit 110 of this embodiment includes a plurality of high frequency coils.
  • FIG. 2 schematically shows the high-frequency coil 111A and high-frequency coil 111B included in the heating section 110 and the shaft-like body 10 as viewed from the AA direction (parallel to the axial direction) in FIG. 1 in the direction along the axis C. A top view is shown.
  • the shaft-like body 10 is shown broken in the middle of the small diameter portion 12.
  • the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B included in the heating unit 110 are such that a part thereof surrounds the shaft-like body 10 in a plan view when viewed from a direction along the axis C of the shaft-like body 10.
  • the high frequency induction section 112A is connected to conductive sections 113a and 113b at its ends.
  • the high frequency induction section 112B is connected to the conductive sections 113c and 113d at its ends.
  • the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B are arranged side by side and spaced apart from each other in the circumferential direction (also referred to as the circumferential direction) centered on the axis C of the shaft-like body 10.
  • This circumferential direction is parallel to the direction in which the high frequency induction section 112A of the high frequency coil 111A and the high frequency induction section 112B of the high frequency coil 111B extend. That is, the plane (also referred to as a horizontal plane) on which the high-frequency guide section 112A and the high-frequency guide section 112B extend is perpendicular to the vertical direction of the mobile hardening apparatus 100. Further, the horizontal plane is perpendicular to the axial direction of the shaft-like body 10.
  • the shape of the high-frequency induction portion 112A of the high-frequency coil 111A and the high-frequency induction portion 112B of the high-frequency coil 111B may be an arc shape as shown in FIG. Since the high-frequency guide portions 112A and 112B have an arcuate shape, there is an advantage that the high-frequency coil 111 and the shaft-shaped body 10 are uniformly close to each other in the circumferential direction.
  • the above-mentioned horizontal plane is in contact with each inner surface (the surface on the shaft-shaped body 10 side) of the high-frequency guide portion 112A and the high-frequency guide portion 112B facing the axis C.
  • the diameter of the upper inscribed circle is preferably larger than the outer diameter of the small diameter portion 12 of the shaft-like body 10 and smaller than the outer diameter of the large diameter portion 11.
  • the high-frequency guide section 112A and the high-frequency guide section 112B may form part of an elliptical shape in the horizontal plane, or may have a shape composed of a plurality of straight lines.
  • the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B may have a shape such that a part of the high-frequency coil 111A and a part of the high-frequency coil 111B overlap when viewed in the axial direction of the shaft-shaped body 10.
  • the conductive part 113a and the conductive part 113b in FIG. 2 may be located closer to the high-frequency induction part 112B than the conductive part 113d and the conductive part 113c, respectively.
  • the high frequency coil 111A and the high frequency coil 111B are arranged at different positions in the axial direction.
  • the conductive part 113a, the conductive part 113b, the conductive part 113c, and the conductive part 113d each extend in a direction away from the shaft-shaped body 10 from each end of the high-frequency guiding part 112A or the high-frequency guiding part 112B.
  • the conductive portion 113a, the conductive portion 113b, the conductive portion 113c, and the conductive portion 113d each extend in a direction perpendicular to the axis C of the shaft-like body 10 at a position where the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B are closest to each other. It is more preferable.
  • FIG. 2 shows a state in which the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B are closest to the small diameter portion 12 of the shaft-like body 10. It is preferable to heat the small diameter portion 12 in this state.
  • FIG. 3 shows that the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B move in a direction away from the shaft-like body 10 (direction P in FIG. 3) in accordance with the outer diameter of the large-diameter portion 11B, and the shaft-like body 10 is enlarged.
  • a state in which the diameter portion 11B is surrounded is shown. It is preferable to heat the large diameter portion 11 in this state.
  • the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B move in the direction of the axis C of the shaft-like body 10, and the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B are at the position of the large diameter portion 11 in the axial direction.
  • the conductive parts 113a and 113b of the high-frequency coil 111A are connected to a power source (not shown), and a high-frequency current is supplied from the power source to the high-frequency induction part 112A, so that an induced current is generated in the shaft-like body 10, and the shaft-like body Joule heat is generated in the shaft-like body 10 due to the electrical resistance of the shaft-shaped body 10 .
  • current flows in the same direction in the circumferential direction.
  • Each of the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B may be connected to the heating unit 110 via a coil moving unit (not shown).
  • the coil moving unit includes a drive motor and a stage, and is configured to be able to move each of the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B in a direction perpendicular to the axis C of the shaft-like body 10, that is, on a horizontal plane. has been done.
  • the movement of the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B in the horizontal plane is controlled by the control unit 160.
  • the above power source may be fixed to the heating unit 110, or may be moved together with the high frequency coil 111 by a coil moving unit.
  • the number of the plurality of high-frequency coils 111 included in the mobile hardening device 100 is preferably two from the viewpoint that the adjacent portion of the high-frequency coil 111 and the shaft-shaped body 10 can be continuously made longest in the circumferential direction. Further, even if the distance between the plurality of high-frequency coils 111 is narrowed or widened in accordance with the change in the diameter of the shaft-like body 10 while increasing the length of the adjacent part, the distance between the high-frequency coil 111 and the shaft-like body 10 From the viewpoint of preventing the gap from becoming too wide, three as shown in FIGS. 4 and 5 are preferable.
  • each of the plurality of high-frequency coils 111 is movable in a direction perpendicular to the axis C of the shaft-shaped body 10 to be subjected to movement hardening.
  • the cross section of each part in the extending direction of the high frequency coil 111 may be rectangular, as shown in FIG. 1, or may be elliptical or perfectly circular. Further, the inside of the high-frequency coil 111 may be hollow, and a refrigerant for cooling may flow therein.
  • the high-frequency coil 111 is preferably made of a material such as copper because it is non-magnetic, less likely to cause eddy current loss, and has low electrical resistance and less likely to cause Joule loss. Note that the surface of the high-frequency coil 111 may be covered with a heat-resistant and highly insulating material such as Bakelite or silicon to prevent a short circuit even if the high-frequency coil 111 or the high-frequency coil 111 and the shaft-shaped body 10 come into contact. good.
  • the high-frequency coil 111 may be connected to the heating unit 110 via support members (not shown) in each of the conductive portions 113a, 113b, 113c, and 113d, for example.
  • the cooling unit 120 is arranged at the rear of the heating unit 110 in the relative movement direction.
  • the relative movement direction means the direction in which the heating part 110 moves relative to the shaft-shaped body 10 in the axial direction during movement hardening.
  • the heating section 110 performs moving hardening while moving in the direction of D1 in FIG. 1, so the cooling section 120 is disposed below the heating section 110, as shown in FIG. .
  • FIG. 6 illustrates the positional relationship between the heating section 110 and the cooling section 120 with respect to the shaft-like body 10 in this embodiment.
  • the cooling unit 120 is formed in an annular shape in this embodiment.
  • the cooling unit 120 has an internal space through which the shaft-shaped body 10 can be inserted.
  • a plurality of injection nozzles 122 which are injection parts, are formed on an inner circumferential surface 121a facing the internal space of the cooling ring 121, spaced apart from each other in the circumferential direction.
  • a cooling medium can be injected from each injection nozzle 122 toward the internal space.
  • the shape of the cooling part 120 is not limited to an annular shape as shown in FIG. 6, but may be circular, oval, rectangular, etc. in a horizontal plane perpendicular to the vertical direction.
  • a pump (not shown) is connected to the cooling unit 120.
  • the pump supplies cooling medium Cl to the cooling unit 120.
  • the cooling medium cl supplied to the cooling ring 121 of the cooling unit 120 is injected toward the shaft-like body 10 through the plurality of injection nozzles 122 to cool the shaft-like body 10 .
  • the cooling medium cl is, for example, water, oil, or an aqueous solution similar to oil.
  • the injection amount of the cooling medium cl can be adjusted by, for example, controlling the pump using the control unit 160.
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of the shaft-like body 10 and the high-frequency coil 111 taken along a plane passing through the axis of the shaft-like body 10.
  • the X coordinate axis in FIG. 7 is perpendicular to the axis C of the shaft-like body 10, and perpendicular to the Z and Y coordinate axes.
  • the Y coordinate axis is oriented perpendicularly to the plane of the paper of FIG. 7 and is perpendicular to the X and Z coordinate axes.
  • the Z coordinate axis is parallel to the axis C (vertical direction of the mobile hardening apparatus 100), and the positive direction of the Z coordinate coincides with the direction of D1.
  • control is performed so that the distances from the surface of the shaft-shaped body 10 to the high-frequency coils 111A and 111B are constant.
  • the distance from the surface of the shaft-like body 10 to the high-frequency coils 111A and 111B is the distance defined as the shortest distance between the surface of the shaft-like body 10 and the surface of the high-frequency coil 111.
  • the eddy current generated in the shaft-like body 10, which is the heated body, by the current flowing through the high-frequency coil 111 changes greatly depending on the distance between the high-frequency coil 111 and the heated body, but it is possible to keep this distance constant to prevent this change. , the magnitude of the eddy current is constant and the heating is also kept constant.
  • the virtual line m in FIG. 7 is a line drawn on a plane passing through the axis of the shaft-like body 10 so that the distance from the surface of the shaft-like body 10 in the direction perpendicular to the surface of the shaft-like body 10 is constant. .
  • the closest point of the high-frequency coil 111 to the shaft-like body 10 moves on this virtual line m.
  • the Z-coordinate component of the relative moving speed of the high-frequency coil 111 with respect to the shaft-like body 10 is set as Vz
  • the X-coordinate component of the relative moving speed of the high-frequency coil 111 with respect to the shaft-like body 10 is set as Vx.
  • Vz corresponds to the relative moving speed of the high-frequency coil 111 in the axial direction with respect to the shaft-like body 10.
  • Vx corresponds to the relative moving speed of the high-frequency coil 111 with respect to the shaft-like body 10 in the direction orthogonal to the axis C of the shaft-like body 10.
  • the high-frequency coil 111 moves in the axial direction, and in the direction perpendicular to the axis C. does not move, so Vx becomes 0. Therefore, the moving speed V0 of the high frequency coil 111 along the virtual line m when the high frequency coil 111 passes through the large diameter portion 11 or the small diameter portion 12 is equal to the speed V0z of the Z coordinate component.
  • V1 of the high-frequency coil 111 along the virtual line m when the high-frequency coil 111 passes through the stepped portion 13 satisfies the relationship of formula A below.
  • V1 2 V1x 2 +V1z 2 ...Formula A
  • V1x is the speed of the X-coordinate component when the high-frequency coil 111 passes the stepped portion 13
  • V1z is the speed of the Z-coordinate component when the high-frequency coil 111 passes the stepped portion 13.
  • the moving speed of the high-frequency coil 111 along the virtual line m when the high-frequency coil 111 passes through the large-diameter portion 11, the small-diameter portion 12, and the stepped portion 13 should be as constant as possible. is desirable.
  • the response performance of an actuator such as a motor for moving the mobile device or the flow rate of the cooling medium Cl injected by the cooling unit 120 may be changed.
  • the surface of the heated object generates heat due to the eddy current generated in the shaft-like object 10, which is the object to be heated, due to the current flowing through the high-frequency coil 111.
  • the exothermic energy per unit time per unit length of the surface of the body 10 is also constant.
  • the moving speed V1z of the high-frequency coil 111 in the axial direction when the high-frequency coil 111 passes through the stepped portion 13 is the same as the moving speed V1z of the high-frequency coil 111 in the axial direction when the high-frequency coil 111 passes through the large diameter portion 11 or the small diameter portion 12.
  • the moving speed V0z of the high-frequency coil 111 in the direction is smaller than the moving speed V0z of the high-frequency coil 111 in the direction.
  • the speed of the high-frequency coil 111 in the axial direction when the high-frequency coil 111 passes through the stepped portion 13 is Vs
  • the speed of the high-frequency coil 111 in the direction orthogonal to the axial direction is Vc.
  • the moving speed of the high-frequency coil 111 is controlled so that the following equation 1 holds true.
  • V0 2 ⁇ Vs 2 +Vc 2 ...Formula 1 Vs is the same as V1z above, and Vc is the same as V1x above.
  • the distance from the surface of the shaft-like body 10 to the high-frequency coil 111A and the high-frequency coil 111B is, as shown in FIG. This is the average distance of the high-frequency coil 111 to the high-frequency induction section 112.
  • the distance d from the surface of the shaft-like body 10 in the small diameter portion 12 to the high-frequency induction portion 112 of the high-frequency coil 111 is constant in the circumferential direction.
  • the distance from the surface of the shaft-like body 10 in the large-diameter portion 11 to the high-frequency induction portion 112 of the high-frequency coil 111 is not constant in the circumferential direction.
  • the value of the arithmetic mean of the shortest distance and the longest distance from the surface of the shaft-shaped body 10 to the high-frequency induction section 112 of the high-frequency coil 111 is adopted.
  • FIG. 8 or 9 only one high-frequency coil 111A is shown for explanation. Moreover, it is preferable that the plurality of high-frequency coils 111 move at the same speed in the horizontal plane.
  • the distance between the high-frequency coil 111 and the cooling section 120 in the axial direction when the high-frequency coil 111 passes through the stepped portion 13 is set such that the distance between the high-frequency coil 111 and the cooling section 120 is It is more preferable that the distance between the high frequency coil 111 and the cooling unit 120 in the axial direction is smaller than the distance between the high frequency coil 111 and the cooling unit 120 when passing.
  • the moving speed of the cooling unit 120 approaches a constant value, and the cooling capacity also approaches a constant value.
  • the end of the cooling unit 120 (the front end in the travel direction) moves after a certain period of time from the axial position through which the end of the high-frequency coil 111 (the rear end in the travel direction) has passed. It is desirable to control the axial position of the cooling part 120 so that the cooling part 120 passes through the cooling part 120. Due to this operation, the distance between the high-frequency coil 111 and the cooling unit 120 in the axial direction is smaller when the axial movement speed of the high-frequency coil 111 is slow compared to when the axial movement speed of the high-frequency coil 111 is fast. Therefore, the distance between the high frequency coil 111 and the cooling section 120 becomes smaller.
  • the distance between the high-frequency coil 111 and the cooling unit 120 in the axial direction is the distance from the lower end of the high-frequency coil 111 to the upper end of the cooling unit 120 in the vertical direction of the mobile hardening device 100, as illustrated as distance L in FIG. It is.
  • the lower end of the high-frequency coil 111 is the rear end in the moving direction
  • the upper end of the cooling unit 120 is the front end in the moving direction.
  • the injection amount of the cooling medium Cl when the high frequency coil 111 passes through the stepped portion 13 is set to the injection amount of the cooling medium Cl when the high frequency coil 111 passes through the large diameter portion 11 or the small diameter portion 12. It is more preferable that the injection amount be controlled to be less than the injection amount.
  • the mode of cooling it is desirable to control the cooling capacity by adjusting the jetting amount or jetting pressure of the cooling medium Cl so that the cooling rate on the CCT curve is suppressed within a range that does not cause a change in hardness.
  • the axial movement speed of the high-frequency coil 111 is high, increase the jetting amount of the cooling medium Cl or increase the jetting pressure of the cooling medium Cl to increase the axial movement speed of the heating coil. If it is slow, reduce the jetting amount of the cooling medium Cl or weaken the jetting pressure of the cooling medium Cl.
  • the relationship between the heat transfer coefficient h and the amount of water injected (water density) W is shown to be, for example, that h is proportional to the nth power of W (n is a constant determined by the water cooling conditions) (Mitsuka: Cooling technology for high-temperature steel materials) , Tetsu to Hagane/Vol. 79, No. 6, p. N405-N416 (1993)).
  • the cooling capacity per unit time decreases in inverse proportion to the speed, so the injection water amount W of W n is set so that the heat transfer coefficient h increases by the speed increase rate. decide. In this way, the cooling capacity can be kept constant regardless of the moving speed of the cooling unit 120, so the cooling rate of the heated object can be kept within a desired range.
  • FIG. 10 shows a block diagram of the mobile hardening apparatus 100 of this embodiment.
  • the control unit 160 controls the movement of the heating unit moving device 140 and the cooling unit moving device 150 in the axial direction, the movement of the high frequency coil 111 in the horizontal plane, or the cooling medium Cl by the pump included in the cooling unit 120. This was explained as controlling the injection amount.
  • the mobile hardening apparatus 100 may be configured to include a plurality of control units, and each control unit may control the movement of these units and the amount of injection of the cooling medium.
  • a coil position control unit that can independently change the moving speed Vz of the high-frequency coil 111 in the axial direction of the shaft-like body 10 and the Vx in the direction orthogonal to the axis C may be provided.
  • a control unit that can control the axial movement speed of the cooling unit 120 by the cooling unit moving device 150 may be provided independently of the moving speed of the heating unit 110 by the heating unit moving device 140.
  • the heating section 110 and the cooling section 120 are positioned on the lower end side of the shaft-shaped body 10.
  • a high frequency current is passed through the high frequency coil 111.
  • the pump is driven to eject the cooling medium cl from the plurality of injection nozzles 122 of the cooling unit 120.
  • the shaft-shaped body 10 is rotated by the support part 130.
  • the motor is driven to move the heating section moving device 140 and the cooling section moving device 150 upward with respect to the rack member 180. Thereby, the heating section 110 and the cooling section 120 are sequentially extrapolated to the shaft-like body 10 and moved upward.
  • an induced current is generated on the surface of the shaft-like body 10 by the high-frequency current supplied to the high-frequency coil 111, Joule heat is generated due to the electric resistance of the shaft-like body 10, and the surface layer of the shaft-like body 10 is heated. It is heated to the area where the austenite phase is formed.
  • the cooling unit 120 rises to the location heated by the heating unit 110, and the cooling medium cl is injected to the heated location of the shaft-shaped body 10.
  • the cooling medium cl is injected to the heated location of the shaft-shaped body 10.
  • the surface layer of the shaft-shaped body 10 is rapidly cooled, and a martensitic structure is generated.
  • the high-frequency coils 111 are moved in a direction perpendicular to the axial direction of the shaft-like body 10 so that the distance from the surface of the shaft-like body 10 to each high-frequency coil 111 is constant,
  • the axial speed of the high-frequency coil 111 when the high-frequency coil 111 passes through the stepped portion 13 is smaller than the axial speed of the high-frequency coil 111 when the high-frequency coil 111 passes through the small diameter portion 12 or the large diameter portion 11. .
  • the present invention is a mobile hardening device for hardening a shaft-shaped body having a small diameter portion, a large diameter portion, and a stepped portion connecting the small diameter portion and the large diameter portion in the axial direction
  • the mobile hardening device comprising: , comprising a plurality of high-frequency coils and a cooling section in the axial direction, and a control section capable of controlling the movement of the plurality of high-frequency coils and the cooling section, each high-frequency coil having a high-frequency induction coil for heating the shaft-like body. and a conductive part connected to the high-frequency induction part, and is movable relative to the shaft-like body in the axial direction and movable relatively in a plane perpendicular to the axial direction.
  • the cooling unit has an injection unit capable of injecting a cooling medium and is movable in the axial direction with respect to the shaft-shaped body, and the control unit controls the distance between the surface of the shaft-shaped body and each high-frequency coil. It is possible to control the movement of the high-frequency coil in a plane so that the distance is constant, and the axial speed of the high-frequency coil when the high-frequency coil passes through a stepped part is controlled so that the high-frequency coil passes through a small diameter part or a large diameter part.
  • the control unit sets the axial speed of the high-frequency coil to V0 when the high-frequency coil passes through the small-diameter portion or the large-diameter portion, and the high-frequency coil when the high-frequency coil passes through the stepped portion.
  • the high-frequency coils may be controllable so that the following equation 1 is satisfied, where Vs is the speed in the axial direction of the high-frequency coils, and Vc is the speed of the plurality of high-frequency coils in the direction orthogonal to the axial direction.
  • the control section controls the distance between the high-frequency coil and the cooling section in the axial direction when the high-frequency coil passes through the stepped section, and the distance between the high-frequency coil and the cooling section when the high-frequency coil passes through the small diameter section or the large diameter section.
  • the distance between the high frequency coil and the cooling unit in the axial direction may be controlled to be smaller than the distance between the high frequency coil and the cooling unit.
  • control unit controls the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the stepped portion, and the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion. It may be possible to control the injection amount or pressure to be smaller than the injection amount or the injection pressure.
  • Example 1 A moving hardening device equipped with a plurality of high-frequency coils was used to perform moving hardening on a shaft-shaped body having a small diameter part, a large diameter part, and a stepped part connecting the small diameter part and the large diameter part in the axial direction.
  • the shaft-shaped body was made of carbon steel, and the outer diameter of the small diameter portion was 170 mm, and the outer diameter of the large diameter portion was 200 mm.
  • the number of high frequency coils was set to four.
  • the high-frequency coil when the high-frequency coil is passed through the large-diameter section, the step section, and the small-diameter section in this order, the high-frequency coil is The distance of the coil from the surface of the shaft-like body was made constant.
  • the high-frequency coil is set so that the speed in the axial direction of the high-frequency coil when the high-frequency coil passes through the stepped portion is smaller than the speed in the axial direction of the high-frequency coil when the high-frequency coil passes through the large diameter portion or the small diameter portion. controlled the speed of movement. Specifically, as shown in Table 1 below, the moving speed (feeding speed) of the high-frequency coil was kept constant.
  • the speed of the high-frequency coil in the axial direction was slower when passing through the stepped portion than when passing through the large diameter portion or the small diameter portion.
  • the times from 59 seconds to 74 seconds and from 105 seconds to 121 seconds are the times during which the vehicle passes through the stepped portion. Note that the moving speed of the cooling unit was the same as the speed of the high-frequency coil in the axial direction.
  • the temperature of the surface of the shaft-like body at the boundary between the large diameter part and the stepped part was 1176°C. Further, the depth from the surface of the region heated to 800° C. or higher at the location was 5 mm.
  • Example 2 An analysis using numerical simulation similar to that in Experimental Example 1 was performed.
  • the same shaft-shaped body and high-frequency coil as in experimental example 1 were employed.
  • the distance of the high-frequency coil from the surface of the shaft-like body was kept constant by controlling the moving speed of the high-frequency coil in the axial direction of the shaft-like body and the direction perpendicular to the axial direction. It is.
  • the high frequency coil was controlled to move at a constant speed in the axial direction. Therefore, as shown in Table 2 below, the moving speed (feeding speed) of the high-frequency coil varied between the large diameter portion or the small diameter portion and the stepped portion. Note that the moving speed of the cooling unit was the same as the speed of the high-frequency coil in the axial direction. The times from 36 seconds to 43.4 seconds and from 64.1 seconds to 71.95 seconds are the times during which the vehicle passes through the stepped portion.
  • the temperature of the surface of the shaft-like body at the boundary between the large diameter part and the stepped part was 1287°C. Further, the depth from the surface of the area heated to 800° C. or higher at the location was 4 mm.
  • Example 3 In this example experiment, we will verify the hardening state when moving hardening is performed on a cylindrical shaft-like body made of carbon steel and having a constant outer diameter (170 mm) using a moving hardening device equipped with multiple high-frequency coils. For this purpose, we conducted an analysis using numerical simulation. The shape of the high-frequency induction part of the high-frequency coil was set along the outer diameter of the shaft-like body, and the number of high-frequency coils was three.
  • the method for evaluating surface hardness and hardening depth is to obtain the temperature distribution of the shaft-shaped body through magnetic field analysis and heat transfer analysis, and to estimate the phase transformation from the time-series changes in the temperature distribution of each part of the shaft-shaped body. This was done by calculating the hardness after cooling.
  • Tables 3 and 4 show the ratio of surface hardness when the hardness of 90% martensite fraction is 1, and Tables 5 and 6 show the thickness from the surface ( mm, firing depth).
  • the cooling capacity of the cooling section in the table means the convective heat transfer coefficient of the shaft-like body surface.
  • the distance between the high frequency coil and the cooling section was set as specified in the above embodiment. Further, the high frequency coil and the cooling unit were assumed to move at the same speed shown in the table in the axial direction of the shaft-like body.
  • the hardness due to quenching tends to decrease as the moving speed of the high-frequency coil and the cooling section decreases.
  • the distance between the high frequency coil and the cooling section is shortened, the decrease in hardness can be suppressed. From this, when the shaft-like body has a stepped portion, the axial speed of the high-frequency coil when the high-frequency coil passes through the stepped portion is the same as that of the high-frequency coil when the high-frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion.
  • the distance between the high-frequency coil and the cooling section in the axial direction of the shaft-like body when the high-frequency coil passes through the stepped part when the speed in the axial direction is smaller than the speed in the small diameter part or the large diameter part It can be seen that quenching hardness can be ensured by making the distance between the high frequency coil and the cooling section smaller than the distance in the axial direction.
  • the hardness due to quenching tends to decrease when the moving speed of the high-frequency coil and the cooling section becomes slower, but the hardness due to quenching tends to decrease by improving the cooling capacity of the cooling section. can suppress the decrease in For this reason, the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the stepped portion is made smaller than the injection amount or injection pressure of the cooling medium when the high-frequency coil passes through the small diameter portion or the large diameter portion. It can be seen that the quenching hardness can be guaranteed by this.
  • the depth of quenching can be kept constant by adjusting the cooling capacity of the cooling section according to the moving speed of the coil and the cooling section.
  • the convective heat transfer coefficient was adjusted according to the quenching depth of 5 mm.
  • the convective heat transfer coefficient was adjusted according to the quenching depth of 3 mm.
  • the moving hardening method and moving hardening apparatus of the present invention it is possible to perform desired hardening on the stepped portion and the vicinity of the stepped portion of the shaft-shaped body whose outer diameter is not constant in the axial direction, so that the industrial value thereof is high. Extremely high.
  • 100 mobility baking devices 110 Heated portion 111a, 111a, 211a, 211B, 211c high frequency coil 112a, 212B, 212a, 212B, 212c High frequency inducing department 113a, 113B, 113D, 213A, 213b, 213D, 213d, 213E, 213E f -conduct Part 120 Cooling part 130 Support part 140 Heating part moving device 150 Cooling part moving device 160 Control part 10 Shaft-like bodies 11A, 11B Large diameter part 12 Small diameter part 13A, 13B Step part

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Abstract

複数の高周波コイル（１１１）によって軸状体（１０）を加熱し、軸状体（１０）の軸方向に沿って高周波コイル（１１１）の相対的な移動方向の後方から高周波コイル（１１１）に冷却部（１２０）を追従させ、高周波コイル（１１１）によって加熱された箇所を冷却部（１２０）によって冷却し、軸状体（１０）の表面からそれぞれの高周波コイル（１１１）までの距離が一定となるように、軸状体（１０）の軸方向と直交する方向へ高周波コイル（１１１）を移動させながら移動焼入れを行い、高周波コイル（１１１）が段差部（１３）を通過するときの高周波コイル（１１１）の軸方向の速度が、高周波コイル（１１１）が小径部（１２）又は大径部（１１）を通過するときの高周波コイル（１１１）の軸方向の速度よりも小さい、ことを特徴とする移動焼入れ方法を提供する。

Description

移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置
　本発明は、移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置に関する。
　長寿命であることが求められる鋼製の部品には、種々の表面処理がなされることがある。特に高周波焼入れは、部品表面の表面硬さ、耐摩耗性、耐疲労性を向上させるため、広く利用されている。このため、従来から、種々の高周波焼入れ装置が提案されている。例えば、鋼製の軸状体などの長尺の部材を高周波焼入れする場合は、いわゆる移動焼入れが行われている。移動焼入れ（ｔｒａｖｅｒｓｅ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）とは、高周波誘導加熱コイル（高周波コイルとも称する）及び冷却手段を、軸状体の軸方向に沿って軸状体に対して相対的に移動させながら焼入れする手法である。
　移動焼入れでは、高周波コイルによって軸状体の少なくとも表層がオーステナイト相になるまで、軸状体を局部的に加熱する。次いで、高周波コイルに追従させる冷却手段によって、加熱された軸状体の表面に冷却液等の冷却媒体を噴射して短時間で急冷することにより、軸状体の表層をマルテンサイト相等の所望の硬度を持つ組織とする。
　軸状体は、その軸線に沿った方向（軸方向とも称する）において、外径が一定ではないこともある。すなわち、軸状体の軸方向において、相対的に外径が小さい小径部と、相対的に外径が大きい大径部とを有する軸状体がある。また、これらの小径部と大径部とは、軸方向において漸次的に外径が変化する段差部によって接続される。例えば、特許文献１又は特許文献２に開示される技術では、被加熱体である軸状体の半径方向に分割コイルを進退させることで、軸状体の外径寸法の変化に対応させている。
　しかしながら、このような径可変コイル方式は、設備構成が簡便になる利点はあるが、コイルの移動速度を適切に制御することが重要となる。その理由は次の通りである。軸状体の段差部で、軸方向に均一に加熱するためには、軸断面の半径方向にコイルを沿わせようとしたときに，できるだけ表面に沿った移動速度を一定にすることが望ましい。もし表面に沿った移動速度ではなく、コイルの軸方向の移動速度を一定とすると、段差の角部に加熱が集中し、段差の凹部への加熱が逆に小さくなる。コイルの軸方向の移動速度を一定のまま、この不都合を抑制しようとすれば、段差の凹部への加熱により多くの電流を要することになり、例えばコイルの冷却能の制約といった電流の上限の制約により、十分な加熱を与えられなくなる不具合が生じる。すなわち、本発明者らによれば、特許文献１又は特許文献２に開示されるような分割コイルを用いる従来構造では、上述したような小径部と大径部とを接続する段差部とその近傍において、所望の組織を得るための加熱が十分に行われないという問題が見出された。
日本国特開２００８－１５０６４０号公報 日本国特許公報昭３６－１０４５７号公報
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、軸方向において外径が一定ではない軸状体における段差部とその近傍に所望の焼入れを施すことが可能な、移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置を提供することを目的とする。
（１）本発明の一態様に係る移動焼入れ方法は、複数の高周波コイルと冷却部とを備える移動焼入れ装置を用いて、軸方向において小径部と、大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続する段差部とを有する軸状体を焼入れする移動焼入れ方法であって、
　前記複数の高周波コイルの内側に挿通した前記軸状体を前記複数の高周波コイルに対して相対的に回転させかつ、前記複数の高周波コイルを前記軸状体に対して前記軸方向に相対的に移動させながら、前記高周波コイルによって前記軸状体を加熱し、
　前記軸状体の前記軸方向に沿って前記高周波コイルの相対的な移動方向の後方から前記高周波コイルに前記冷却部を追従させ、前記高周波コイルによって加熱された箇所を前記冷却部によって冷却し、
　前記軸状体の表面からそれぞれの前記高周波コイルまでの距離が一定となるように、前記軸状体の前記軸方向と直交する方向へ前記高周波コイルを移動させながら移動焼入れを行い、
　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度が、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度よりも小さい、ことを特徴とする。
（２）（１）に記載の移動焼入れ方法では、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶ０、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶｓ、前記複数の高周波コイルの前記軸方向と直交する方向の速度をＶｃとしたとき、下記の式１が成り立ってもよい。
　　Ｖ０２≦Ｖｓ２＋Ｖｃ２　・・・式１
（３）（１）又は（２）に記載の移動焼入れ方法では、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離よりも小さくしてもよい。
（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載の移動焼入れ方法では、前記冷却部が冷却媒体を噴射し、
　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力よりも小さくしてもよい。
（５）本発明の一態様に係る移動焼入れ装置は、軸方向において小径部と、大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続する段差部とを有する軸状体を焼入れするための移動焼入れ装置であって、
　前記移動焼入れ装置は、
　　前記軸方向において、複数の高周波コイルと冷却部とを備え、
　　前記複数の高周波コイルと前記冷却部の移動を制御可能な制御部を備え、
　それぞれの前記高周波コイルは、前記軸状体を加熱するための高周波誘導部と前記高周波誘導部に接続された導電部とを有し、前記軸状体に対して前記軸方向に相対的に移動可能でありかつ、前記軸方向に対して垂直な平面において相対的に移動可能であり、
　前記冷却部は、冷却媒体を噴射可能な噴射部を有し、前記軸状体に対して前記軸方向に相対的に移動可能であり、
　前記制御部は、
　　前記軸状体の表面からそれぞれの前記高周波コイルまでの距離が一定となるように、前記平面において前記高周波コイルの移動を制御可能でありかつ、
　　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度が、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度よりも小さくなるように制御可能であることを特徴とする。
（６）（５）に記載の移動焼入れ装置では、前記制御部が、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶ０、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶｓ、前記複数の高周波コイルの前記軸方向と直交する方向の速度をＶｃとしたとき、下記の式１が成り立つように前記高周波コイルを制御可能であってもよい。
　　Ｖ０２≦Ｖｓ２＋Ｖｃ２　・・・式１
（７）（５）又は（６）に記載の移動焼入れ装置では、前記制御部が、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離よりも小さくなるように制御可能であってもよい。
（８）（５）から（７）のいずれか１項に記載の移動焼入れ装置では、前記制御部が、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力よりも小さくなるように制御可能であってもよい。
　本発明の移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置によれば、軸方向において外径が一定ではない軸状体における段差部とその近傍に所望の焼入れを施すことが可能となる。
本発明の実施形態の移動焼入れ装置の一部を破断して示す図であって、同移動焼入れ装置を模式的に示す側面図である。 軸状体の軸線に沿った方向に平面視をした場合の、軸状体の部分断面及び２つの高周波コイルを模式的に示す断面図であり、小径部の外径に合わせて高周波コイルが移動した状態を示す図である。 軸状体の軸線に沿った方向に平面視をした場合の、軸状体の部分断面及び２つの高周波コイルを模式的に示す断面図であり、大径部の外径に合わせて高周波コイルが移動した状態を示す図である。 軸状体の軸線に沿った方向に平面視をした場合の、軸状体の部分断面及び３つの高周波コイルを模式的に示す断面図であり、小径部の外径に合わせて高周波コイルが移動した状態を示す図である。 軸状体の軸線に沿った方向に平面視をした場合の、軸状体の部分断面及び３つの高周波コイルを模式的に示す断面図であり、大径部の外径に合わせて高周波コイルが移動した状態を示す図である。 本発明の実施形態における、軸状体に対する加熱部と冷却部の位置関係を説明するための模式的な斜視図である。 軸状体の軸線を通る平面で軸状体と高周波コイルとを断面視した模式的な断面図である。 軸状体の軸線に沿った方向に平面視をした場合の、軸状体の部分断面及び１つの高周波コイルを模式的に示す断面図であり、小径部の外径に合わせて高周波コイルが移動した状態を示す図である。 軸状体の軸線に沿った方向に平面視をした場合の、軸状体の部分断面及び１つの高周波コイルを模式的に示す断面図であり、大径部の外径に合わせて高周波コイルが移動した状態を示す図である。 本発明の実施形態の移動焼入れ装置を説明するためのブロック図である。
　以下、本発明の実施形態である移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置について、図１～図１０を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されないことは自明である。また、本発明の範囲において、以下の実施形態の各要素を組み合わせ可能なことは自明である。
　図１に示すように、本実施形態の移動焼入れ装置１００は、軸状体１０に、高周波電流を用いて移動焼入れ（ｔｒａｖｅｒｓｅ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）を行うための装置である。移動焼入れとは、高周波誘導加熱コイル（高周波コイルとも称する）を備える加熱部と、加熱部に追従する冷却環を備える冷却部とを、被加熱体に対して相対的に移動させながら焼入れする手法である。被加熱体は、例えば軸状体である。
（軸状体）
　軸状体１０は、大径部１１（大径部１１Ａ及び大径部１１Ｂ）と、軸線Ｃに沿った方向において大径部１１Ａ及び大径部１１Ｂの間に設けられた小径部１２とを備えている。大径部１１Ａ、大径部１１Ｂ及び小径部１２は、それぞれ円柱状に形成されている。大径部１１Ａ、大径部１１Ｂ及び小径部１２のそれぞれの中心軸は、共通する軸線である軸線Ｃに一致するように配置されている。本実施形態においては、軸線Ｃを軸状体１０の中心軸とする。以下では、小径部１２に対して軸線Ｃに沿った方向の一方側Ｄ１に配置された部分を、第１大径部１１Ａとも称する。小径部１２に対して軸線Ｃに沿った方向の他方側Ｄ２に配置された部分を、第２大径部１１Ｂとも称する。
　第１大径部１１Ａ、小径部１２、及び第２大径部１１Ｂは、それぞれ円柱状に形成され、軸線Ｃを共通の中心軸として共有する。大径部１１Ａ及び大径部１１Ｂの軸線Ｃに対して垂直な断面を見た場合、小径部１２の外径は、大径部１１Ａ及び大径部１１Ｂのそれぞれの外径よりも小さい。なお、本実施形態では、大径部１１Ａの外径と大径部１１Ｂの外径を同一としているが、大径部１１Ａの外径と大径部１１Ｂの外径は異なっていてもよい。
　大径部１１Ａ又は大径部１１Ｂと小径部１２との間には、これらを接続するための段差部１３（段差部１３Ａ及び段差部１３Ｂ）がある。段差部１３Ａ及び段差部１３Ｂは、軸状体１０の軸線Ｃに対して所定の角度で傾斜している。傾斜角度は例えば１５°～９０°の範囲である。なお、軸状体１０の軸線Ｃを含む平面において、段差部１３の外径は特に限定されないが、図１に例示するように大径部１１と小径部１２とを滑らかに接続する形状であってもよい。本実施形態の移動焼入れ装置１００内では、軸状体１０は、軸線Ｃが移動焼入れ装置１００の上下方向と平行となるように配置されている。
　軸状体１０は、例えば、フェライト相もしくはパーライト相である、炭素鋼、鉄（Ｆｅ）を９５重量％以上含有する低合金鋼等の導電性を有する材料で形成されている。軸状体は、鉄道車両用の車軸等であってもよい。
　なお、軸状体１０が備える大径部１１や段差部１３等の数は、図１の例に限定されない。小径部１２、大径部１１、段差部１３の数はそれぞれ、１、２又は３でもよいし、４以上であってもよい。例えば、本実施形態の移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置の対象となる軸状体は、１つの大径部と１つの小径部とを備える軸状体であってもよい。
（移動焼入れ装置）
　移動焼入れ装置１００は、加熱部１１０と、冷却部１２０と、支持部１３０と、加熱部移動装置１４０と、冷却部移動装置１５０と、制御部１６０とを備えている。図１に示すように、加熱部１１０は、複数の高周波コイル１１１（高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂ）を備えている。加熱部１１０は、移動手段である加熱部移動装置１４０に接続されている。冷却部１２０は、冷却環１２１を備えている。冷却部１２０は、移動手段である冷却部移動装置１５０に接続されている。支持部１３０は、上方センター１３１と、下方センター１３２と、を備えている。上方センター１３１は、軸状体１０の第１大径部１１Ａを第１大径部１１Ａの上方から支持している。下方センター１３２は、軸状体１０の第２大径部１１Ｂを第２大径部１１Ｂの下方から支持している。上方センター１３１と下方センター１３２は、軸線Ｃ方向の一方側Ｄ１が上方、他方側Ｄ２が下方となるように軸状体１０を支持している。なお、軸状体１０は、上方センター１３１と下方センター１３２によって支持された状態で、軸線Ｃを中心とした軸状体１０の周方向に回転可能である。上方センター１３１と下方センター１３２を介して、駆動装置（図示せず）によって、移動焼き入れ時に軸状体１０を軸状体１０の軸周りに回転させることができる。軸状体１０を軸周りに回転させるとは、軸状体１０の軸線Ｃを中心とする周方向のいずれかに軸状体１０を回転させることを意味する。上方センター１３１の中心と下方センター１３２の中心とを結ぶ線は移動焼入れ装置１００の上下方向（上下方向とも称する）となる。
　加熱部移動装置１４０は、加熱部１１０を支持し、支持部材１４１と、モータ（図示せず）とを備えている。加熱部移動装置１４０はラック部材１８０に取り付けられている。ラック部材１８０は上下方向に沿って延在している。また、支持部材１４１にはピニオンギヤ１４１ａが設けられており、ピニオンギヤ１４１ａは、ラック部材１８０のギヤ部１８０ａに噛み合っている。モータを駆動させると、ピニオンギヤ１４１ａが回転し、ラック部材１８０に対して加熱部移動装置１４０が上方又は下方に移動するように構成されている。
　冷却部移動装置１５０は、冷却部１２０を支持し、支持部材１５１と、モータ（図示せず）とを備えている。冷却部移動装置１５０は、ラック部材１８０に取り付けられている。支持部材１５１にはピニオンギヤ１５１ａが設けられており、ピニオンギヤ１５１ａは、ラック部材１８０のギヤ部１８０ａに噛み合っている。モータを駆動させると、ピニオンギヤ１５１ａが回転し、ラック部材１８０に対して冷却部移動装置１５０が上方又は下方に移動するように構成されている。
　加熱部移動装置１４０と冷却部移動装置１５０とは、その移動速度が制御部１６０によってそれぞれ独立して制御される。加熱部１１０を支持する加熱部移動装置１４０と冷却部１２０を支持する冷却部移動装置１５０が上下方向に移動することにより、軸状体１０の軸方向において移動焼入れが行なわれる。すなわち、移動焼入れ装置１００の上下方向とは、移動焼入れが行われる方向であると言える。
　なお、図１では加熱部１１０及び冷却部１２０の上下方向の移動機構として、ラック及びピニオンギヤを用いた例を示すが、本発明の移動機構はこれに限られず、加熱部１１０及び冷却部１２０を軸状体１０に対して上下方向に相対的に移動できるものであればよい。また、図１には、固定された軸状体１０に対して加熱部１１０及び冷却部１２０が移動する例を示すが、本発明の移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置ではこの形態に限らず、加熱部１１０及び冷却部１２０を固定し、軸状体１０を加熱部１１０及び冷却部１２０に対して相対的に移動させてもよい。また、図１では軸状体１０の軸方向を鉛直方向に向けた例を想定しているが、本発明の移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置ではこれに限らず、軸状体１０の軸方向を水平方向に向けてもよく、軸状体１０の軸方向を鉛直方向に対して傾けてもよい。
（加熱部）
　本実施形態の加熱部１１０は、複数の高周波コイルを備えている。図２に、加熱部１１０が備える高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂと軸状体１０とを軸線Ｃに沿った方向に図１のＡ－Ａ方向（軸方向と平行な方向）から見た模式的な平面図を示す。図２において軸状体１０は小径部１２の途中で破断した状態で示されている。図２に示すように、加熱部１１０が備える高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂは、軸状体１０の軸線Ｃに沿った方向から見た平面視で、その一部が軸状体１０を囲むようにＣ字形に形成された高周波誘導部１１２Ａ及び高周波誘導部１１２Ｂを有している。高周波誘導部１１２Ａはその端部で導電部１１３ａ及び１１３ｂへ接続されている。高周波誘導部１１２Ｂも同様に、その端部で導電部１１３ｃ及び１１３ｄへ接続されている。
　高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂは、軸状体１０の軸線Ｃを中心とする周方向（周方向とも称する）において互いに離間されて並べて配置されている。この周方向は、高周波コイル１１１Ａの高周波誘導部１１２Ａ及び高周波コイル１１１Ｂの高周波誘導部１１２Ｂが延在する方向と平行である。すなわち、高周波誘導部１１２Ａ及び高周波誘導部１１２Ｂが延在する平面（横平面とも称する）は移動焼入れ装置１００の上下方向に対して垂直である。また、横平面は軸状体１０の軸方向に対して垂直である。
　上記の横平面において、高周波コイル１１１Ａの高周波誘導部１１２Ａ及び高周波コイル１１１Ｂの高周波誘導部１１２Ｂの形状は、図２に示すような円弧形状であってもよい。高周波誘導部１１２Ａ及び高周波誘導部１１２Ｂの形状が円弧形状であることで、高周波コイル１１１と軸状体１０が円周方向で均一に概ね近接するという利点がある。
　高周波誘導部１１２Ａ及び高周波誘導部１１２Ｂの形状が円弧形状である場合、軸線Ｃに対向する高周波誘導部１１２Ａ及び高周波誘導部１１２Ｂの各内面（軸状体１０側の面）に接する上記の横平面上の内接円の径は、軸状体１０の小径部１２の外径よりも大きく、大径部１１の外径よりも小さいことが好ましい。
　あるいは、高周波誘導部１１２Ａ及び高周波誘導部１１２Ｂの一方又は双方が、上記の横平面において、楕円形状の一部を構成してもよく、複数の直線から構成される形状であってもよい。また、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂは、高周波コイル１１１Ａの一部と高周波コイル１１１Ｂの一部とが、軸状体１０の軸方向にみて重なるような形状であってもよい。例えば、図２の導電部１１３ａと導電部１１３ｂが、それぞれ導電部１１３ｄと導電部１１３ｃよりも高周波誘導部１１２Ｂ側に位置していてもよい。この場合、軸方向において高周波コイル１１１Ａと高周波コイル１１１Ｂとは、互いに異なる位置に配されている。
　導電部１１３ａ、導電部１１３ｂ、導電部１１３ｃ及び導電部１１３ｄのそれぞれは、高周波誘導部１１２Ａ又は高周波誘導部１１２Ｂの各端部から、軸状体１０から離間する方向へ延在している。導電部１１３ａ、導電部１１３ｂ、導電部１１３ｃ及び導電部１１３ｄのそれぞれは、高周波コイル１１１Ａと高周波コイル１１１Ｂが最も近接する位置において、軸状体１０の軸線Ｃと直交する方向に延在していることがより好ましい。
　高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂのそれぞれは、軸状体１０に対して離間または近接する方向へ移動可能である。図２は、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂが軸状体１０の小径部１２に最も近接した状態を示す。この状態で小径部１２の加熱を行うことが好ましい。
　一方、図３は、大径部１１Ｂの外径に合わせて、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂが軸状体１０から離間する方向（図３のＰ方向）へ移動し、軸状体１０の大径部１１Ｂを囲む状態を示している。この状態で大径部１１の加熱を行うことが好ましい。図３の状態では、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂは軸状体１０の軸線Ｃの方向に移動し、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂは軸方向において大径部１１の位置にある。
　高周波コイル１１１Ａの導電部１１３ａ及び１１３ｂは、電源（図示せず）に接続され、高周波誘導部１１２Ａに電源から高周波電流が供給されることにより、軸状体１０に誘導電流が生じ、軸状体１０の電気抵抗により軸状体１０にジュール熱が発生する。高周波コイル１１１Ｂについても同様である。例えば、図２などに示す矢印ｉの向きに、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂ内に電流が流れる。複数の高周波コイル１１１では、周方向において、電流は同じ方向に流れる。
　高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂのそれぞれは、コイル移動部（図示せず）を介して加熱部１１０に接続されていてもよい。コイル移動部は、駆動モータ及びステージを備えていて、高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂのそれぞれを、軸状体１０の軸線Ｃと直交する方向、すなわち横平面上で移動させることができるように構成されている。高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂの横平面における移動は制御部１６０によって制御される。上記の電源は、加熱部１１０に固定されていてもよく、コイル移動部によって高周波コイル１１１と共に移動してもよい。
　移動焼入れ装置１００が備える複数の高周波コイル１１１の数は、高周波コイル１１１と軸状体１０の近接部を連続して最も円周方向に長くできるという点からは２つが好ましい。また、近接部の長さを長くしつつ、軸状体１０の径の変化に追従して複数の高周波コイル１１１の間を狭めたり広げたりしても、高周波コイル１１１と軸状体１０との隙間が広がりすぎないようにするという観点からは、図４及び図５に示すような３つが好ましい。図４及び図５に示すような３つの高周波コイル２１１（高周波コイル２１１Ａ、２１１Ｂ及び２１１Ｃ）を採用する場合、上述した２つの高周波コイル１１１及び加熱部１１０を用いる場合と同様の構成を採用することができる。なお、複数の高周波コイル１１１は、横平面において、互いに離間されて配置される。複数の高周波コイル１１１のそれぞれは、移動焼入れが施される軸状体１０の軸線Ｃと直交する方向に移動可能であることが好ましい。
　高周波コイル１１１の延在方向における各部の断面は、図１に示すような、矩形状であってもよく、楕円形状や真円形状であってもよい。また、高周波コイル１１１の内部は空洞となっており、冷却のための冷媒が流れるようなっていてもよい。
　高周波コイル１１１は、非磁性で渦電流損が生じにくく、電気抵抗が小さくジュール損も生じにくい材料であるという理由から、銅などの材料で形成されていることが好ましい。なお、高周波コイル１１１の間もしくは高周波コイル１１１と軸状体１０が接触しても短絡しないように、高周波コイル１１１の表面を耐熱性があり絶縁性が高いベークライトやシリコンなどの素材で覆ってもよい。
　高周波コイル１１１は、例えば、導電部１１３ａ、導電部１１３ｂ、導電部１１３ｃ及び導電部１１３ｄのそれぞれにおいて支持部材（図示せず）を介して加熱部１１０に接続されていてもよい。
（冷却部）
　冷却部１２０は、加熱部１１０の相対的な移動方向の後方に配置されている。相対的な移動方向とは、移動焼入れ時に加熱部１１０が軸状体１０に対して軸方向に相対的に移動する方向を意味する。本実施形態の場合は、加熱部１１０は図１のＤ１の方向へ移動しながら移動焼入れを実施するため、図１に示すように、冷却部１２０は加熱部１１０の下側に配置されている。図６に、本実施形態における軸状体１０に対する加熱部１１０と冷却部１２０の位置関係を例示する。
　冷却部１２０は、本実施形態では環状に形成されている。冷却部１２０は、軸状体１０が挿通可能な内部空間を有する。冷却部１２０のうち、冷却環１２１の内部空間を向く内周面１２１ａには、噴射部である複数の噴射ノズル１２２が周方向に互いに離間して形成されている。各噴射ノズル１２２からは、内部空間へ向けて冷却媒体が噴射可能である。冷却部１２０の形状は図６に示すような環状に限定されず、上下方向に対して垂直な横平面において、円形、楕円形、長方形等であってもよい。
　冷却部１２０には、ポンプ（図示せず）が連結されている。ポンプは、冷却媒体ｃｌを冷却部１２０に供給する。冷却部１２０の冷却環１２１に供給された冷却媒体ｃｌは、複数の噴射ノズル１２２を通して軸状体１０に向かって噴射され、軸状体１０を冷却する。冷却媒体ｃｌは、例えば水、油、油に準じる水溶液などである。冷却媒体ｃｌの噴射量は、例えば制御部１６０によってポンプを制御することによって調整することができる。
　図７に、軸状体１０の軸線を通る平面で軸状体１０と高周波コイル１１１を断面視した模式的な断面図を示す。図７のＸ座標軸は、軸状体１０の軸線Ｃと直交し、Ｚ座標軸及びＹ座標軸と直交する。Ｙ座標軸は、図７の紙面に対して垂直方向を向きＸ座標軸及びＺ座標軸と直交する。Ｚ座標軸は軸線Ｃ（移動焼入れ装置１００の上下方向）と平行であり、Ｚ座標の正方向がＤ１の方向と一致する。
　ここで、コイルを段差部の表面に沿った速度が一定になるよう制御した上で、冷却環をコイルに追随させたとすると、段差部の局面部の移動の際に冷却環の移動速度が大きく低下する。そうすると、冷却が被加熱体の軸方向に均一ではなくなるという不具合が生じる。本実施形態の移動焼入れ装置１００では、軸状体１０の表面から高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂまでの距離が一定となるように制御が行われる。軸状体１０の表面から高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂまでの距離とは、軸状体１０の表面と、高周波コイル１１１の表面の間の最短距離として定義される距離である。高周波コイル１１１に流す電流により被加熱体である軸状体１０に生じる渦電流は高周波コイル１１１と被加熱体の距離により大きく変化するが、この変化をさせないようにこの距離を一定に保つことで、渦電流の大きさが一定となり加熱も一定に保たれる。図７の仮想線ｍは、軸状体１０の軸線を通る平面において、軸状体１０の表面に垂直な方向における軸状体１０の表面からの距離が一定となるように引いた線である。この仮想線ｍ上を高周波コイル１１１の軸状体１０に対する最近接点の部位が移動する。
　ここで、高周波コイル１１１の軸状体１０に対する相対的な移動速度のＺ座標成分をＶｚとして、高周波コイル１１１の軸状体１０に対する相対的な移動速度のＸ座標成分をＶｘとする。Ｖｚは、高周波コイル１１１の軸状体１０に対する軸方向の相対的な移動速度に相当する。Ｖｘは、軸状体１０の軸線Ｃと直交する方向における、高周波コイル１１１の軸状体１０に対する相対的な移動速度に相当する。
　このように規定した場合、本実施形態の移動焼入れ装置では、高周波コイル１１１が大径部１１又は小径部１２を通過するときには、高周波コイル１１１は軸方向に移動し、軸線Ｃと直交する方向には移動しないため、Ｖｘは０となる。そのため、高周波コイル１１１が大径部１１又は小径部１２を通過するときの仮想線ｍに沿った高周波コイル１１１の移動速度Ｖ０は、Ｚ座標成分の速度Ｖ０ｚと等しくなる。
　一方、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときには、高周波コイル１１１は軸方向に移動するとともに、軸線Ｃと直交する方向にも移動する。そのため、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときの仮想線ｍに沿った高周波コイル１１１の移動速度Ｖ１は、下記の式Ａの関係を満たす。
　　Ｖ１２＝Ｖ１ｘ２＋Ｖ１ｚ２　・・・式Ａ
　ここで、Ｖ１ｘは高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときのＸ座標成分の速度であり、Ｖ１ｚは高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときのＺ座標成分の速度である。
　本実施形態の移動焼入れ装置１００では、高周波コイル１１１が大径部１１、小径部１２及び段差部１３を通過するときの、仮想線ｍに沿った高周波コイル１１１の移動速度ができるだけ一定であることが望ましい。これは換言すると、Ｖ０＝Ｖ１という関係を満たすように高周波コイル１１１が移動するということである。ここで、Ｖ０＝Ｖ０ｚ、Ｖ０≦Ｖ１という関係と式Ａより、下記の式Ｂが導かれる。
　　Ｖ０ｚ２≦Ｖ１ｘ２＋Ｖ１ｚ２　・・・式Ｂ
　移動焼入れ装置１００の制御としては、Ｖ０＝Ｖ１という関係を満たすことが望ましいが、例えば移動装置を動かすためのモータ等のアクチュエータの応答性能や冷却部１２０が噴射する冷却媒体Ｃｌの流量を変化させる際の応答性能といった様々な制約により、Ｖ０＝Ｖ１とできない場合もあり、その制限下でもできるだけＶ０＝Ｖ１に近づけることが望ましい。 
　高周波コイル１１１に流す電流によって被加熱体である軸状体１０に生じる渦電流により、被加熱体の表面が発熱するが、上記のように単位時間あたりの移動距離を一定に保つことにより軸状体１０の表面単位長さにおける単位時間あたりの該発熱エネルギーも一定となる。
　式Ｂから明らかなように、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときの軸方向における高周波コイル１１１の移動速度Ｖ１ｚは、高周波コイル１１１が大径部１１又は小径部１２を通過するときの軸方向における高周波コイル１１１の移動速度Ｖ０ｚよりも小さくなる。本実施形態の移動焼入れ装置１００では、このような構成とすることで、軸方向において外径が一定ではない軸状体における段差部とその近傍に所望の焼入れを施すことが可能となる。
　すなわち、本実施形態の移動焼入れ装置１００では、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときの高周波コイル１１１の軸方向の速度をＶｓ、高周波コイル１１１の軸方向と直交する方向の速度をＶｃとしたとき、下記の式１が成り立つように高周波コイル１１１の移動速度が制御されることがより好ましい。
　　Ｖ０２≦Ｖｓ２＋Ｖｃ２　・・・式１
　Ｖｓは上記のＶ１ｚと同じであり、Ｖｃは上記のＶ１ｘと同じである。
　なお、軸状体１０の表面から高周波コイル１１１Ａ及び高周波コイル１１１Ｂまでの距離は、図８に示すように、横平面において、軸状体１０の表面から垂直な方向における軸状体１０の表面から高周波コイル１１１の高周波誘導部１１２までの距離の平均距離とする。例えば、図８の例では、小径部１２における軸状体１０の表面から高周波コイル１１１の高周波誘導部１１２までの距離ｄは周方向において一定となっている。一方、例えば図９の例では、大径部１１における軸状体１０の表面から高周波コイル１１１の高周波誘導部１１２までの距離は周方向において一定ではない。この場合には、軸状体１０の表面から高周波コイル１１１の高周波誘導部１１２までの距離が最も短くなる箇所と最も長くなる箇所との算術平均の値を採用する。図８又は図９では、説明のために１つの高周波コイル１１１Ａのみを示している。
　また、複数の高周波コイル１１１は、横平面において、互いに同じ速度で移動することが好ましい。
　一般的に、焼き入れのための加熱後の冷却が遅れると、焼き入れされた部位の一部がパーライト変態するなどして、十分な焼き入れが施されないことがある。また、加熱後の冷却が速やかに行われた場合であっても、加熱から冷却までの時間によって焼入れされた部位の結晶の粒径が変わったり、残留オーステナイトの体積分率が変化したりして、焼き入れされた材料の硬度や機械特性が変化してしまう。しかし、本実施形態の移動焼入れ装置１００では、次のような構成とすることで、このような焼き入れされた材料の硬度や機械特性の変化を抑制することができる。
　本実施形態の移動焼入れ装置１００では、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときの軸方向における高周波コイル１１１と冷却部１２０との距離を、高周波コイル１１１が大径部１１又は小径部１２を通過するときの軸方向における高周波コイル１１１と冷却部１２０との距離よりも小さくなるように制御されることがより好ましい。このような構成とすることで、加熱されてから冷却開始されるまでの時間が一定に近づき、粒径の変化や残留オーステナイトの体積分率の変化を抑えることができるため、材料の硬度や機械特性が一定となる。また、冷却部１２０の移動速度が一定に近づき、冷却能も一定に近づくという利点がある。なお、この動作においては具体的には、高周波コイル１１１の端部（移動方向後方の端部）が通過した軸方向位置を一定時間後に冷却部１２０の端部（移動方向前方の端部）が通過するように冷却部１２０の軸方向位置を制御することが望ましい。このような動作により、高周波コイル１１１と冷却部１２０の軸方向における距離は、高周波コイル１１１の軸方向の移動速度が遅い場合には、高周波コイル１１１の軸方向の移動速度が速い場合と比較して、高周波コイル１１１と冷却部１２０との距離が小さくなる。
　軸方向における高周波コイル１１１と冷却部１２０との距離は、図１に距離Ｌとして例示するように、移動焼入れ装置１００の上下方向における高周波コイル１１１の下端部から冷却部１２０の上端部までの距離である。換言すれば、高周波コイル１１１の下端部は移動方向後方における端部であり、冷却部１２０の上端部は移動方向前方における端部である。
　本実施形態の移動焼入れ装置１００では、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときの冷却媒体ｃｌの噴射量を、高周波コイル１１１が大径部１１又は小径部１２を通過するときの冷却媒体Ｃｌの噴射量よりも少なくなるように制御されることがより好ましい。
　冷却の態様としては、ＣＣＴ曲線上での冷却速度が、硬度変化が生じない範囲に抑えられるように、冷却媒体Ｃｌの噴出量もしくは噴出圧力を調整して冷却能を制御することが望ましい。より具体的には、高周波コイル１１１の軸方向の移動速度が速い場合は、冷却媒体Ｃｌの噴出量を多くするか又は冷却媒体Ｃｌの噴出圧力を強くし、加熱コイルの軸方向の移動速度が遅い場合は、冷却媒体Ｃｌの噴出量を少なくするか又は冷却媒体Ｃｌの噴出圧力を弱くする。熱伝達係数ｈと噴射水量（水量密度）Ｗの関係は、例えば、ｈはＷのｎ乗（ｎは水冷条件によって決まる定数）に比例することが示されている（三塚：高温鋼材の冷却技術，鉄と鋼／７９巻６号，ｐ．Ｎ４０５－Ｎ４１６（１９９３））。ここで、冷却部１２０の移動速度が速いと、単位時間あたりの冷却能力が速度に反比例して落ちるため、速度上昇率の分だけ熱伝達係数ｈが大きくなるようにＷｎの噴射水量Ｗを決める。このようにすると、冷却部１２０の移動速度によらず冷却能力を一定に保てるため、被加熱体の冷却速度を望ましい範囲に保つことができる。
　図１０に、本実施形態の移動焼入れ装置１００のブロック図を示す。本実施形態の例では、制御部１６０が、加熱部移動装置１４０及び冷却部移動装置１５０の軸方向における移動、並びに高周波コイル１１１の横平面における移動、あるいは冷却部１２０が備えるポンプによる冷却媒体Ｃｌの噴射量を制御することとして説明した。しかし、移動焼入れ装置１００は複数の制御部を備え、これらの移動の制御や冷却媒体の噴射量の制御をそれぞれの制御部が行うように構成されていてもよい。例えば、高周波コイル１１１の軸状体１０の軸方向の移動速度Ｖｚと軸線Ｃと直交する方向のＶｘとを独立して変化させることができるコイル位置制御部を備えていてもよい。また、加熱部移動装置１４０による加熱部１１０の移動速度とは独立して、冷却部移動装置１５０による冷却部１２０の軸方向の移動速度を制御可能な制御部を備えていてもよい。
　次に、本実施形態の移動焼入れ装置１００を用いて軸状体１０を移動焼入れする方法について説明する。
　まず、図１に示すように、加熱部１１０及び冷却部１２０を、軸状体１０の下端側に位置させる。次に、高周波コイル１１１に高周波電流を流す。また、ポンプを駆動して、冷却部１２０の複数の噴射ノズル１２２から冷却媒体ｃｌを噴出させる。次に、支持部１３０により軸状体１０を回転させる。そして、モータを駆動させて、ラック部材１８０に対して加熱部移動装置１４０と冷却部移動装置１５０とを上方に移動させる。これにより、軸状体１０に対して、加熱部１１０及び冷却部１２０が順に外挿され、上方に移動する。
　加熱部１１０においては、高周波コイル１１１に供給された高周波電流によって、軸状体１０の表面に誘導電流が生じ、軸状体１０の電気抵抗によりジュール熱が発生し、軸状体１０の表層がオーステナイト相の形成領域まで加熱される。
　続いて、加熱部１１０によって加熱された箇所まで冷却部１２０が上昇し、軸状体１０の加熱箇所に冷却媒体ｃｌが噴射される。これにより、軸状体１０の少なくとも表層が急冷されてマルテンサイト組織が生成する。軸状体１０の下端から上端に向けて、加熱部１１０及び冷却部１２０が上昇することで、加熱部１１０による加熱と冷却部１２０による冷却が順次行われ、軸状体１０の表面が高周波焼入れされる。
　本実施形態の移動焼入れ方法では、軸状体１０の表面からそれぞれの高周波コイル１１１までの距離が一定となるように、軸状体１０の軸方向と直交する方向へ高周波コイル１１１を移動させ、高周波コイル１１１が段差部１３を通過するときの高周波コイル１１１の軸方向の速度が、高周波コイル１１１が小径部１２又は大径部１１を通過するときの高周波コイル１１１の軸方向の速度よりも小さい。これにより、軸方向において外径が一定ではない軸状体１０における段差部１３とその近傍に所望の焼入れを施すことが可能となる。
　本発明は、軸方向において小径部と、大径部と、小径部と大径部とを接続する段差部とを有する軸状体を焼入れするための移動焼入れ装置であって、移動焼入れ装置は、軸方向において、複数の高周波コイルと冷却部とを備え、複数の高周波コイルと冷却部の移動を制御可能な制御部を備え、それぞれの高周波コイルは、軸状体を加熱するための高周波誘導部と高周波誘導部に接続された導電部とを有し、軸状体に対して軸方向に相対的に移動可能でありかつ、軸方向に対して垂直な平面において相対的に移動可能であり、冷却部は、冷却媒体を噴射可能な噴射部を有し、軸状体に対して軸方向に相対的に移動可能であり、制御部は、軸状体の表面からそれぞれの高周波コイルまでの距離が一定となるように、平面において高周波コイルの移動を制御可能でありかつ、高周波コイルが段差部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度が、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度よりも小さくなるように制御可能であることを特徴とする移動焼入れ装置の使用が含まれる。
　上述の移動焼入れ装置の使用においては、制御部が、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度をＶ０、高周波コイルが段差部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度をＶｓ、複数の高周波コイルの軸方向と直交する方向の速度をＶｃとしたとき、下記の式１が成り立つように高周波コイルを制御可能であってもよい。
　　Ｖ０２≦Ｖｓ２＋Ｖｃ２　・・・式１
　上述の移動焼入れ装置の使用においては、制御部が、高周波コイルが段差部を通過するときの軸方向における高周波コイルと冷却部との距離を、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの軸方向における高周波コイルと冷却部との距離よりも小さくなるように制御可能であってもよい。
　上述の移動焼入れ装置の使用においては、制御部が、高周波コイルが段差部を通過するときの冷却媒体の噴射量又は噴出圧力を、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの冷却媒体の噴射量又は噴出圧力よりも小さくなるように制御可能であってもよい。
［実験例１］
　複数の高周波コイルを備える移動焼入れ装置を用いて、軸方向において小径部と、大径部と、前記小径部と大径部とを接続する段差部とを有する軸状体に移動焼入れを行ったときの段差部における加熱状態を検証するために、数値シミュレーションによる解析を行った。本実験例では、軸状体は、炭素鋼製であり、小径部の外径１７０ｍｍ、大径部の外径２００ｍｍとした。高周波コイルの数は４とした。
　本実験例では、高周波コイルを大径部、段差部、小径部の順に通過させる際に、軸状体の軸方向と軸方向に垂直な方向における高周波コイルの移動速度を制御することで、高周波コイルの軸状体の表面からの距離が一定となるようにした。また、高周波コイルが段差部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度が、高周波コイルが大径部又は小径部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度よりも小さくなるように高周波コイルの移動速度を制御した。具体的には、下記の表１に示すように、高周波コイルの移動速度（送り速度）は一定とした。このため、高周波コイルの軸方向における速度は大径部又は小径部を通過する際よりも段差部を通過する際に遅くなった。５９秒～７４秒、及び１０５秒～１２１秒の時間が段差部を通過している時間である。なお、冷却部の移動速度は、高周波コイルの軸方向における速度と同じとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　大径部と段差部との境界における軸状体の表面の温度は１１７６℃であった。また、当該箇所における８００℃以上に加熱される領域の表面からの深さは５ｍｍｍであった。
［実験例２］
　実験例１と同様の数値シミュレーションによる解析を行った。本実験例では、実験例１と同じ軸状体と高周波コイルを採用した。軸状体の軸方向と軸方向に垂直な方向における高周波コイルの移動速度を制御することで、高周波コイルの軸状体の表面からの距離が一定となるようにした点は実験例１と同様である。
　本実験例では、高周波コイルが軸方向において一定の速度で移動するように制御した。このため、下記の表２に示すように、高周波コイルの移動速度（送り速度）は大径部又は小径部と段差部とで変化した。なお、冷却部の移動速度は、高周波コイルの軸方向における速度と同じとした。３６秒～４３．４秒及び６４．１秒～７１．９５秒の時間が段差部を通過している時間である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　大径部と段差部との境界における軸状体の表面の温度は１２８７℃であった。また、当該箇所における８００℃以上に加熱される領域の表面からの深さは４ｍｍｍであった。
　上記の結果より、実験例１では、軸状体の段差部の表面において適切な加熱温度が得られかつ、所定の温度に到達する焼き入れの深さも十分であった。また、表１及び表２からわかるように、実験例２では、上記の加熱温度を達成するために、高周波コイルに印加される電流振幅値を段差部周辺で増加させなければならない。一方、実験例１では、電流振幅値の増加を抑制したまま、所望の焼き入れ温度と焼き入れの深さが得られていることがわかる。
［実験例３］
　本実験例では、複数の高周波コイルを備える移動焼入れ装置を用いて、炭素鋼製、一定の外径（１７０ｍｍ）を有する円柱状の軸状体に移動焼入れを行ったときの焼入れ状態を検証するために、数値シミュレーションによる解析を行った。高周波コイルの高周波誘導部の形状は軸状体の外径に沿ったものとし、高周波コイルの数は３とした。
　以下に示すように、冷却部の冷却能、高周波コイルと冷却部との距離、及び高周波コイルと冷却部の移動速度を変化させた際の軸状体の硬度分布を算出し、表面硬度と焼深さを評価した。表面硬度と焼深さの評価方法は、磁場解析と伝熱解析により軸状体の温度分布を求めるとともに、軸状体の各部位の温度分布の時系列推移から相変態を推測した上で、冷却後の硬度を算出することで行った。表３及び表４はマルテンサイト分率９０％の硬度を１としたときの表面硬度の比率を、表５及び表６はマルテンサイト分率７０％以上の硬度となる範囲の表面からの厚み（ｍｍ、焼深さ）を示している。表の冷却部の冷却能は軸状体表面の対流熱伝達係数を意味する。高周波コイルと冷却部との距離は、上記実施形態の規定の通りとした。また、高周波コイルと冷却部とは軸状体の軸方向において、表に示す同じ速度で移動するものとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表３及び表４の結果からわかるように、高周波コイルと冷却部の移動速度が遅くなると、焼き入れによる硬度が減少する傾向がある。一方、高周波コイルと冷却部との距離を縮めると、硬度の減少を抑えることができる。このことから、軸状体が段差部を有し、高周波コイルが段差部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度が、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの高周波コイルの軸方向の速度よりも小さくなる場合に、高周波コイルが段差部を通過するときの軸状体の軸方向における高周波コイルと冷却部との距離を、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの軸方向における高周波コイルと冷却部との距離よりも小さくすることにより、焼き入れ硬度を担保できることがわかる。
　また表３及び表４の結果からわかるように、高周波コイルと冷却部の移動速度が遅くなると、焼き入れによる硬度が減少する傾向があるが、冷却部の冷却能を向上させることによっても、硬度の減少を抑えることができる。このことから、高周波コイルが段差部を通過するときの冷却媒体の噴射量又は噴出圧力を、高周波コイルが小径部又は大径部を通過するときの冷却媒体の噴射量又は噴出圧力よりも小さくすることにより、焼き入れ硬度を担保できることがわかる。
　さらに、表５及び表６の結果からわかるように、コイルと冷却部の移動速度に合わせ、冷却部の冷却能を調整することにより、焼深さを一定に保つことができる。表５では、焼深さ５ｍｍに合わせて対流熱伝達率を調整した。表６では、焼深さ３ｍｍに合わせて対流熱伝達率を調整した。
　本実験例の結果より、加熱コイルの速度制御に加え、冷却部の移動速度や冷却能を適切に制御することで、所望の焼き入れ硬度を担保できることがわかる。これにより、粒径の変化や残留オーステナイトの体積分率の変化を抑えることができるため、材料の硬度や機械特性を一定に保つことができる。
　本発明の移動焼入れ方法及び移動焼入れ装置によれば、軸方向において外径が一定ではない軸状体における段差部とその近傍に所望の焼入れを施すことが可能となるため、その工業的価値は極めて高い。
１００　移動焼入れ装置
１１０　加熱部
１１１Ａ、１１１Ｂ、２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ　高周波コイル
１１２Ａ、１１２Ｂ、２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ　高周波誘導部
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ、２１３ｄ、２１３ｅ、２１３ｆ　導電部
１２０　冷却部
１３０　支持部
１４０　加熱部移動装置
１５０　冷却部移動装置
１６０　制御部
１０　軸状体
１１Ａ、１１Ｂ　大径部
１２　小径部
１３Ａ、１３Ｂ　段差部

Claims (8)

  1. 　複数の高周波コイルと冷却部とを備える移動焼入れ装置を用いて、軸方向において小径部と、大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続する段差部とを有する軸状体を焼入れする移動焼入れ方法であって、
    　前記複数の高周波コイルの内側に挿通した前記軸状体を前記複数の高周波コイルに対して相対的に回転させかつ、前記複数の高周波コイルを前記軸状体に対して前記軸方向に相対的に移動させながら、前記高周波コイルによって前記軸状体を加熱し、
    　前記軸状体の前記軸方向に沿って前記高周波コイルの相対的な移動方向の後方から前記高周波コイルに前記冷却部を追従させ、前記高周波コイルによって加熱された箇所を前記冷却部によって冷却し、
    　前記軸状体の表面からそれぞれの前記高周波コイルまでの距離が一定となるように、前記軸状体の前記軸方向と直交する方向へ前記高周波コイルを移動させながら移動焼入れを行い、
    　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度が、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度よりも小さい、
    ことを特徴とする移動焼入れ方法。
  2. 　前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶ０、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶｓ、前記複数の高周波コイルの前記軸方向と直交する方向の速度をＶｃとしたとき、下記の式１が成り立つ
    ことを特徴とする請求項１に記載の移動焼入れ方法。
    　　Ｖ０２≦Ｖｓ２＋Ｖｃ２　・・・式１
  3. 　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離よりも小さくする
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動焼入れ方法。
  4. 　前記冷却部が冷却媒体を噴射し、
    　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力よりも小さくする
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の移動焼入れ方法。
  5. 　軸方向において小径部と、大径部と、前記小径部と前記大径部とを接続する段差部とを有する軸状体を焼入れするための移動焼入れ装置であって、
    　前記移動焼入れ装置は、
    　　前記軸方向において、複数の高周波コイルと冷却部とを備え、
    　　前記複数の高周波コイルと前記冷却部の移動を制御可能な制御部を備え、
    　それぞれの前記高周波コイルは、前記軸状体を加熱するための高周波誘導部と前記高周波誘導部に接続された導電部とを有し、前記軸状体に対して前記軸方向に相対的に移動可能でありかつ、前記軸方向に対して垂直な平面において相対的に移動可能であり、
    　前記冷却部は、冷却媒体を噴射可能な噴射部を有し、前記軸状体に対して前記軸方向に相対的に移動可能であり、
    　前記制御部は、
    　　前記軸状体の表面からそれぞれの前記高周波コイルまでの距離が一定となるように、前記平面において前記高周波コイルの移動を制御可能でありかつ、
    　　前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度が、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度よりも小さくなるように制御可能である
    ことを特徴とする移動焼入れ装置。
  6. 　前記制御部が、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶ０、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記高周波コイルの前記軸方向の速度をＶｓ、前記複数の高周波コイルの前記軸方向と直交する方向の速度をＶｃとしたとき、下記の式１が成り立つように前記高周波コイルを制御可能である
    ことを特徴とする請求項５に記載の移動焼入れ装置。
    　　Ｖ０２≦Ｖｓ２＋Ｖｃ２　・・・式１
  7. 　前記制御部が、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記軸方向における前記高周波コイルと前記冷却部との距離よりも小さくなるように制御可能である
    ことを特徴とする請求項５又は６に記載の移動焼入れ装置。
  8. 　前記制御部が、前記高周波コイルが前記段差部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力を、前記高周波コイルが前記小径部又は前記大径部を通過するときの前記冷却媒体の噴射量又は噴出圧力よりも小さくなるように制御可能である
    ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の移動焼入れ装置。
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