(57)【要約】【課題】  本発明は、鋼板部材の高周波焼入れにおいて、任意の未焼入れ領域を得ることができる高周波加熱方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、鋼板部材の高周波焼入れに際して、導電性を有する保護板を上記鋼板部材の一部を覆うように配置し、高周波加熱を行うことを特徴とする高周波加熱方法を提供することにより、上記目的を達成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板部材の高周波焼入れに際して、導電性を有する保護板を前記鋼板部材の一部を覆うように配置し、高周波加熱を行うことを特徴とする高周波加熱方法。
【請求項２】
前記保護板が、非磁性であり、かつ前記鋼板部材よりも導電性が高いことを特徴とする請求項１に記載の高周波加熱方法。
【請求項３】
前記保護板の材質が銅または銅合金であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波加熱方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の高周波加熱方法を用いて、前記鋼板部材の高周波焼入れを行う高周波焼入れ工程を有することを特徴とする焼入れ鋼板部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形部材などの鋼板部材に高周波焼入れを行う際の高周波加熱方法に関するものであり、特に鋼板部材に部分的な高周波焼入れを行う際の高周波加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波焼入れ技術は、鋼材の耐摩耗性、疲労強度、じん性の向上を目的として広く活用されており、種々の機械部品の高強度化、小型軽量化などに役立てられている。高周波焼入れの際の高周波加熱方法は、コイルに高周波電流を流し交番磁束を発生させ、被加熱体に渦電流と呼ばれる誘起電流を生じさせ直接加熱する方法である。被加熱体が加熱される主な領域は渦電流の流れる領域であり、渦電流の流れる領域は被加熱体の形状、コイルの形状、被加熱体とコイルとの位置関係、コイル電流の周波数により決まる。しかしながら、被加熱体の一部を未焼入れ領域とするという複雑な部分焼入れは、コイル形状の工夫だけでは実現できない。
【０００３】
そこで、特許文献１には、加熱を望まない箇所に、高周波による磁束と逆向きの磁束を生じさせる渦電流が流れるように、非鉄金属からなるリングを設置する方法が開示されている。鋼板部材は磁性体であるので、コイルの形状や位置に関わらず、鋼板面に沿って磁束が生じる。このため、この方法を鋼板部材に適用する場合には、鋼板部材全体を包むリングを設置する必要があり非常に不便である。また、鋼板部材の形状によってはリングを設置できない場合もある。したがって、この方法は鋼板部材への適用が難しい。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４３５５０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、鋼板部材の高周波焼入れにおいて、任意の未焼入れ領域を得ることができる高周波加熱方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、導電性の保護板で鋼板部材の焼入れを防ぎたい箇所を覆い、渦電流を保護板上に短絡させることにより、鋼板部材の保護板で覆われた部分の加熱を抑制することができることを見出し、本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は、鋼板部材の高周波焼入れに際して、導電性を有する保護板を上記鋼板部材の一部を覆うように配置し、高周波加熱を行うことを特徴とする高周波加熱方法を提供する。
本発明の高周波加熱方法によれば、鋼板部材（被加熱体）の保護板で覆った部分を未焼入れ領域とすることができ、複雑な部分焼入れが可能である。
【０００８】
上記発明においては、上記保護板が、非磁性であり、かつ上記鋼板部材よりも導電性が高いことが好ましい。保護板の導電性が鋼板部材より高いと、渦電流が保護板に優先的に流れるので、鋼板部材（被加熱体）の保護板で覆われた部分の加熱を効果的に抑制することができるからである。また、保護板が非磁性であることにより、保護板自体の発熱を抑えることができるからである。
【０００９】
また本発明においては、上記保護板の材質が銅または銅合金であることが好ましい。銅または銅合金を用いることにより、上述した性質を満足する保護板とすることができるからである。
【００１０】
さらに本発明は、上述した高周波加熱方法を用いて、上記鋼板部材の高周波焼入れを行う高周波焼入れ工程を有することを特徴とする焼入れ鋼板部材の製造方法を提供する。
本発明の焼入れ鋼板部材の製造方法は上述した高周波加熱方法を用いるので、鋼板部材（被加熱体）の保護板で覆った部分の加熱を抑制して焼入れを防ぐことができ、衝突圧壊性能に優れる焼入れ鋼板部材を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、導電性を有する保護板で鋼板部材（被加熱体）の焼入れを防ぎたい箇所を覆うことにより、焼入れを防ぎたい箇所の加熱を抑制することができるという効果を奏する。したがって、簡便な方法により、鋼板部材の一部を未焼入れ領域とするという複雑な部分焼入れが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の高周波加熱方法およびそれを用いた焼入れ鋼板部材の製造方法について詳細に説明する。
【００１３】
Ａ．高周波加熱方法
本発明の高周波加熱方法は、鋼板部材の高周波焼入れに際して、導電性を有する保護板を上記鋼板部材の一部を覆うように配置し、高周波加熱を行うことを特徴とするものである。
【００１４】
図１に本発明の高周波加熱方法の一例を示す。図１においては、口型のコイル３を鋼板部材１の上に設置しており、渦電流１１はコイル３の形状に沿って鋼板部材１上に発生する。鋼板部材１の焼入れを防ぎたい領域（以下、「焼入れ防止領域」と称する。）１２上に銅製の保護板２を設置すると、渦電流１１は保護板２上を優先的に流れるので、鋼板部材（被加熱体）１の焼入れ防止領域１２の加熱を抑制することができる。このため、鋼板部材を焼入れがなされる温度以上に加熱しても、焼入れ防止領域の温度を焼入れがなされる温度よりも低く抑えることができ、焼入れを防ぐことができる。このように本発明においては、部分焼入れの実現が可能である。
【００１５】
部分焼入れ（「断続焼入れ」ともいう。）を行った鋼板部材は、特開２００４−１１４９１２公報に記載されているように、衝突圧壊性能に優れている。したがって、本発明の高周波加熱方法を用いることにより、衝突圧壊性能に優れた鋼板部材を得ることができる。
また、一般的に部分焼入れ（断続焼入れ）を行うためにはコイル電流のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す制御が必要であるが、このＯＮ／ＯＦＦ制御では、電流のＯＮ／ＯＦＦ時に生じる過渡的な加熱によって焼入れ領域と未焼入れ領域との境界がぼやけたものとなってしまう。これに対し本発明の高周波加熱方法では、保護板の形状にほぼ沿うようにして、焼入れ領域と未焼入れ領域との鮮明な境界を形成することができる。
以下、本発明の高周波加熱方法の各構成について説明する。
【００１６】
１．保護板
本発明に用いられる保護板は導電性を有するものであり、中でも、被加熱体である鋼板部材よりも導電性が高いことが好ましい。ここで、発熱量密度Ｑ（Ｗ／ｍ３）は、渦電流密度をｉｅ（Ａ／ｍ２）とし、導電率をσ（Ｓ／ｍ）とすると、Ｑ＝ｉｅ２／σで表される。保護板の導電性が鋼板部材よりも高い場合には、渦電流が、保護板に優先的に流れ、保護板が配置された鋼板部材の焼入れ防止領域には流れにくくなるので、鋼板部材の焼入れ防止領域自体の発熱を抑制することができる。さらに、導電率が大きいほど発熱量密度が小さくなるので、保護板の導電性が鋼板部材よりも高いことにより、焼入れ防止領域の加熱を効果的に抑制することができる。
具体的には、保護板の材質の導電率が５×１０６Ｓ／ｍ以上であることが好ましく、より好ましくは９．９３×１０６Ｓ／ｍ以上である。導電率が上記範囲であることにより、焼入れ防止領域の加熱をより効果的に抑制することができるからである。また、発熱量密度を小さくするためには導電率は高ければ高いほどよく、超伝導体のように導電率が∞の材料が最も適している。ただし、一般的な導電性を有する材質の導電率を考慮すると、導電率の上限は４５．２×１０６Ｓ／ｍ程度とされる。
【００１７】
また、保護板は非磁性であることが好ましい。渦電流密度は、磁束密度の時間変化量に比例して大きくなる。すなわち、周波数を固定すると、磁束密度が大きいほど渦電流密度も大きくなり、発熱量密度も大きくなる。したがって、保護板が非磁性であることにより、保護板自体の発熱を抑制することができる。このため、保護板を冷却するために冷却装置を設ける必要がなく、あるいはこの冷却装置を小型化することができる。
さらに、上記の磁束密度と発熱量密度との関係から、発熱量密度を小さくするためには、保護板の材質の透磁率が比較的低いことが好ましい。具体的には、保護板の材質の透磁率が１．２５７×１０−５Ｈ／ｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２．５１３×１０−６Ｈ／ｍ以下である。また、発熱量密度を小さくするためには透磁率は低ければ低いほどよいが、透磁率の下限は真空の透磁率である１．２５７×１０−６Ｈ／ｍ程度とされる。
【００１８】
また、保護板は耐熱性を有するものであることが好ましく、保護板の材質の融点が比較的高いことが好ましい。保護板は、高周波加熱での加熱条件に耐え得るものであることが好ましいからである。さらに、焼入れがなされる温度まで鋼板部材（被加熱体）を加熱するため、保護板の材質の融点は、鋼板部材（被加熱体）のオーステナイト変態終了温度以上であることが好ましい。具体的には、保護板の材質の融点が８７０℃以上であることが好ましく、より好ましくは９５０℃以上である。一方、一般的な耐熱性を有する材質、例えば純鉄の融点を考慮すると、融点の上限は１５３６℃程度とされる。
【００１９】
このような保護板に用いられる材質としては、例えば銅、銅合金、金、プラチナ、銀、パラジウムなどを挙げることができる。中でも、銅または銅合金が好ましく用いられる。銅合金としては、例えば亜鉛、スズ、ニッケル、クロム、銀等との合金が挙げられ、好ましくは亜鉛を主とした銅合金である。
【００２０】
保護板の大きさとしては、鋼板部材の一部を覆うことが可能な大きさであれば特に限定されるものではないが、通常は焼入れ防止領域を覆うことが可能な大きさとされる。この場合、保護板の大きさは焼入れ防止領域の大きさよりも小さいことが好ましい。具体的には、保護板および焼入れ防止領域の大きさが異なる部分の距離が１０ｍｍ以下程度であることが好ましく、特に５ｍｍ程度であることが好ましい。例えば図２に示すように保護板２および焼入れ防止領域１２が矩形である場合、保護板２および焼入れ防止領域１２の大きさが異なる部分の距離ｄが上記範囲であることが好ましい。これは、保護板を鋼板部材の一部を覆うように配置して高周波加熱を行うと、保護板で覆った領域だけでなく、保護板で覆った領域よりも広い領域で加熱が抑制される傾向にあるからである。
また、保護板の大きさが小さいものと大きいものとを比較すると、大きいものの方が過熱抑制効果が高い傾向にある。
【００２１】
保護板の配置としては、保護板が鋼板部材の一部を覆うように配置されていれば特に限定されるものではなく、通常は鋼板部材の焼入れ防止領域上に保護板が配置される。例えば焼入れ防止領域が複数ある場合は、各焼入れ防止領域に対応して複数の保護板が配置される。
また図３に例示するように、ひとつの焼入れ防止領域１２に対して、ひとつの保護板２ａを配置してもよく（図３（ａ））、複数の保護板２ｂおよび２ｃを隙間なく並べて配置してもよい（図３（ｂ））。複数の保護板を隙間なく並べて配置することにより、一体として形成されている保護板とほぼ同様の加熱抑制効果が得られるからである。
さらに、等しい大きさの保護板を複数配置する場合、保護板の間隔が狭い場合と広い場合とを比較すると、保護板の間隔が広い場合の方が加熱抑制効果が高い傾向にある。
【００２２】
また、保護板と鋼板部材との接触状態としては、少なくとも保護板周縁部２点以上で導通可能な接触状態であれば特に限定されるものではない。このような接触状態であれば、少なくとも一方の保護板周縁部から他方の保護板周縁部まで渦電流の経路を確保することができ、保護板が配置された焼入れ防止領域の加熱を抑制することができるからである。
【００２３】
保護板の形状は、被加熱体である鋼板部材の一部を覆うように配置することが可能な形状であれば特に限定されるものではなく、焼入れ防止領域の形状に応じて適宜選択されるものであり、通常は焼入れ防止領域の形状と類似の形状にする。例えば焼入れ防止領域の形状が矩形である場合は保護板の形状も矩形とすればよく、また例えば焼入れ防止領域の形状がハット型である場合は保護板の形状もハット型とすればよい。この他にも保護板の形状としては例えば多角形、円形、楕円形等とすることができる。
【００２４】
上記保護板の厚みとしては、焼入れ防止領域の加熱抑制効果を得ることができる厚みであれば特に限定されるものではないが、具体的には０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。保護板の厚みが薄すぎると十分な加熱抑制効果が得られない可能性があり、逆に厚すぎると加熱抑制効果がほとんど変わらないにもかかわらずコストがかかるからである。
【００２５】
このような保護板は、鋼板部材に固定できるものであることが好ましい。これにより、高周波焼入れの際に、保護板が落下したり冷却水圧によって離脱したりするのを防止することができるからである。例えば、クリップやボルト止めを用いて保護板を鋼板部材に固定することができる。
【００２６】
２．鋼板部材
本発明に用いられる鋼板部材の鋼種としては、高周波焼き入れに供することが可能なものであれば限定されるものではない。例えば、高周波焼入れを行うことによってマルテンサイト組織となり硬化させることができる炭素を含有する鋼板部材や、マルテンサイト系ステンレス鋼板などを使用することができる。
【００２７】
ここで「鋼板部材」とは、フラットな鋼板、あるいは鋼板を塑性加工（プレス加工など）や溶接加工して得られる部材をいう。
【００２８】
３．高周波加熱方法
本発明においては、鋼板部材の焼入れ防止領域上に保護板を配置し、この保護板に渦電流が優先的に流れるようにした状態で高周波加熱を行う。この際、加熱温度としては、オーステナイト生成開始温度以上とすることが好ましく、具体的には７２０℃以上とすることが好ましい。保護板が配置された焼入れ防止領域は、鋼板部材をオーステナイト生成開始温度以上に加熱しても、温度がオーステナイト生成開始温度未満までしか上がらず、加熱が抑制され、未焼入れ領域となる。
【００２９】
本発明における高周波加熱のその他の加熱条件としては特に限定されるものではなく、一般的な高周波加熱の加熱条件を適用することができる。例えば、高周波電流の周波数、コイルの移動速度、鋼板部材の加熱温度などについては、一般的な条件を適用することができる。
また、高周波加熱を行う方法としては特に限定されるものではない。
【００３０】
Ｂ．焼入れ鋼板部材の製造方法
次に、本発明の焼入れ鋼板部材の製造方法について説明する。本発明の焼入れ鋼板部材の製造方法は、上述した高周波加熱方法を用いて、上記鋼板部材の高周波焼入れを行う高周波焼入れ工程を有することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明における高周波焼入れ工程の一例を図４（ａ）に示す。図４（ａ）において、鋼板部材１の一部を覆うように保護板２が配置され、鋼板部材１の上にはコイル３および冷却ジャケット１５が設置されている。被加熱体である鋼板部材１は、コイル３および冷却ジャケット１５の中を通過する。コイル３の中を鋼板部材１を通過させてコイル３に高周波電流を流すと、電磁誘導作用によって鋼板部材１の表面に渦電流が生じて、その渦電流によって発生するジュール熱で鋼板部材１が加熱される。この際、保護板２が配置された焼入れ防止領域は加熱が抑制されて焼入れがなされない。そして、冷却ジャケット１５により冷却液が鋼板部材１に直接噴射され、鋼板部材１は急冷される。これにより、表面が部分的に硬化した焼入れ鋼板部材を作製することができる。なお、矢印１６はコイル３の移動方向を示す。
【００３２】
このように、高周波焼入れ工程においては、通常、上述した高周波加熱方法を用いて鋼板部材を加熱した後、冷却する。一般的には急速に加熱して急速に冷却する。これにより、保護板が配置された焼入れ防止領域は未焼入れ領域となり、表面が部分的に硬化した、衝突圧壊性能に優れる焼入れ鋼板部材を得ることができる。
【００３３】
鋼板部材の冷却方法および冷却条件としては特に限定されるものではなく、一般的な冷却方法および冷却条件を適用することができる。
【００３４】
なお、高周波加熱については、上述した「Ａ．高周波加熱方法」の欄に詳しく記載したので、ここでの説明は省略する。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例を例示して、本発明を具体的に説明する。
［実施例］
図４は、ハット型鋼板部材１の高周波焼入れに際して、本発明の高周波加熱方法を適用する例である。図４（ａ）に例示するようにハット型鋼板部材１の一部を保護板２で覆い、高周波焼入れを行った。なお、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ´線矢視断面の断面図であり、図４中、３はコイル、１５は冷却ジャケット、１６はコイルの移動方向を示す。
【００３７】
図５にハット型鋼板部材１および保護板２の形状を示す。ハット型鋼板部材１の厚みは２ｍｍであり、幅、長さ、高さ等は図５（ａ）に示すとおりである。このハット型鋼板部材１の材質は４４０ＭＰａ級固溶強化型高張力鋼であるＪＩＳ Ｇ ３１３５に記載されたＳＰＦＣ４４０である。また、保護板２の形状はハット型鋼板部材１に沿った形状とし、その厚みは１ｍｍ、幅は３０ｍｍとし、長さ、高さ等は図５（ｂ）に示すとおりとした。また、保護板２のコーナーＲ５は５ｍｍ、コーナーＲ１８は１８ｍｍとした。この保護板は、クリップまたはボルト止めにより鋼板部材（被加熱体）に固定した。
【００３８】
図６に保護板２の設置位置を示す。図６（ａ）〜（ｃ）に示すように保護板２の設置位置を変えて高周波焼入れを行った。それぞれの場合における保護板２の間隔は、３０ｍｍ、０ｍｍ、６０ｍｍである。ハット型鋼板部材１の裏面（コイルに面しない面）には、温度測定用の熱電対１７ａ〜１７ｅを設置した。
【００３９】
そして、以下に示す条件で高周波加熱を行った際の温度を測定した。高周波加熱の加熱条件は、コイルの移動速度を１０ｍｍ／ｓ、周波数を１０ｋＨｚとし、図６（ａ）に示す場合の高周波加熱時の電力は３８ｋＷ、図６（ｂ）に示す場合の高周波加熱時の電力は３６ｋＷ、図６（ｃ）に示す場合の高周波加熱時の電力は３４ｋＷとした。測定結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
図６（ａ）に示す場合では保護板２の下に設けられた熱電対１７ｂおよび１７ｄの温度がそれぞれ５１０℃、４２０℃となり、オーステナイト生成開始温度（以下、「Ａｃ１」と称する。）の７２０℃以下であった。一方、その他の箇所の熱電対１７ａ、１７ｃおよび１７ｅの温度はＡｃ１以上となり、部分焼入れが実現できていた。
図６（ｂ）および（ｃ）に示す場合においても、保護板の下に設けられた熱電対の温度はＡｃ１未満であり、その他の箇所の熱電対の温度はＡｃ１以上であり、部分焼入れが実現できていた。
【００４２】
また、３０ｍｍ幅の保護板を隙間なしに並べた図６（ｂ）に示す場合では、保護板２の下に設けられた熱電対１７ｃの温度が３０５℃となり、保護板２がない位置の熱電対１７ａおよび１７ｅの温度と比べると６００℃程度の温度差が確認された。図６（ａ）に示す場合の保護板の有無による熱電対の温度差は４００℃程度なので、保護板の幅が広いほど加熱を抑える効果が大きいことがわかった。
さらに、図６（ｂ）に示す場合では、保護板は一体のものではなく、狭幅の保護板を隙間なく並べて配置することにより、幅広の保護板として機能することが確認できた。
【００４３】
また、図６（ｃ）に示す場合の保護板の有無による熱電対の温度差は５００℃程度であり、図６（ａ）に示す場合と比べて保護板の間隔を広くとることにより加熱を抑制する効果があることがわかった。
【００４４】
さらに、いずれの場合においても、焼入れ領域と未焼入れ領域とで鮮明な境界が形成できた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の高周波加熱方法の一例を示す模式図である。
【図２】保護板の形状および焼入れ防止領域を説明するための説明図である。
【図３】保護板の形状および焼入れ防止領域を説明するための説明図である。
【図４】実施例における高周波加熱方法を示す模式図である。
【図５】実施例における保護板の形状および大きさを示す模式図である。
【図６】実施例における保護板および熱電対の設置位置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  …  鋼板部材
２  …  保護板
３  …  コイル
１１  …  渦電流
１２  …  焼入れ防止領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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