(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その長手方向両端部の側面に流れる誘導電流が該長手方向の両端面にも流れてその側面の全体にわたって不均一加熱が生じる長尺の被処理物と誘導加熱コイルとを相対的に移動させながら該被処理物の一端部から他端部までを、前記一端部から順次に加熱して冷却することにより高周波焼入れする高周波焼入方法において、
前記被処理物を連続して一定速度で搬送しながら、
前記一端部及び他端部を加熱するときは、前記一端部及び前記他端部以外の他の部分を加熱するときよりも前記誘導加熱コイルに供給する電力を増大し、
前記一端部及び前記他端部を冷却するときは該一端部及び該他端部に冷却液を噴出せず、
前記他の部分を冷却するときは該他の部分に冷却液を噴出することを特徴とする高周波焼入方法。
【請求項２】
前記誘導加熱コイルに供給する電力を増大する際に、
電力を徐々に増大することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導加熱コイルと被処理物とを相対的に移動させながらこの被処理物の一端部から他端部までを加熱して冷却する高周波焼入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、誘導加熱を利用して鋼材などの被処理物の表面層を硬化させる高周波焼入方法が広く知られている。この高周波焼入方法の一つとして、誘導加熱コイルを固定しておき、複数本の長尺材を連続して移動させながらこの誘導加熱コイルで加熱し、その後急冷してこれら長尺材の側面の表面層を硬化させる高周波焼入方法が知られている。
【０００３】
このように、複数本の長尺材を連続して一定速度で加熱する場合、長尺材の長手方向両端部では端面にも誘導電流が流れる。このため、端面に流れた分だけ、長手方向両端部の側面の表面層に流れる誘導電流が少なくなり、この表面層が焼入温度にまで加熱されにくい。この場合、側面の表面層は充分に硬化されず、所謂「焼逃げ」が長手方向両端部に発生することとなる。このような「焼逃げ」は、長尺材のうちの加熱スタート側の端部に顕著に発生する。また、このような「焼逃げ」は、複数本の長尺材を連続して高周波焼入れする場合に限らず、一本の長尺材を高周波焼入れするときにも両端部に発生する。さらに、歯車の歯先を高周波焼入れするときにも歯先の両端部に発生することがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような「焼逃げ」が発生した複数本の長尺材を互いに接続してさらに長くして使用する場合、未硬化部分（焼逃げ部分）を除去するために、各長尺材の長手方向両端部を切断する。従って、切断作業の分の費用が増し、しかも、長手方向両端部に相当する分の材料が無駄になるという問題がある。
【０００５】
また、歯車の歯先を高周波焼入れするときに歯先の両端部に「焼逃げ」が発生すると、歯車を使用中に歯先の両端部にピッチングが起こるなどして歯車の寿命が短くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、被処理物の一端部から他端部までを均等に加熱して硬化できる高周波焼入方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の高周波焼入方法は、誘導加熱コイルと被処理物とを相対的に移動させながらこの被処理物の一端部から他端部までを加熱して冷却することにより高周波焼入れする高周波焼入方法において、
（１）上記一端部及び上記他端部を加熱するときは、上記一端部及び上記他端部以外の他の部分を加熱するときよりも上記誘導加熱コイルに供給する電力を増大することを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、
（２）上記誘導加熱コイルに供給する電力を増大する際に、電力を徐々に増大してもよい。
【０００９】
また、
（３）上記誘導加熱コイルに供給する電力を増大する際に、上記被処理物を冷却する冷却速度を、電力を増大しないときよりも遅くしてもよい。
【００１０】
また、上記目的を達成するための本発明の第２の高周波焼入方法は、誘導加熱コイルと被処理物とを相対的に移動させながらこの被処理物の一端部から他端部までを加熱して冷却することにより高周波焼入れする高周波焼入方法において、
（４）上記一端部及び上記他端部を加熱するときは、上記誘導加熱コイルと上記被処理物との相対的な移動を所定時間停止することを特徴とするものである。
【００１１】
また、上記目的を達成するための本発明の第３の高周波焼入方法は、誘導加熱コイルと被処理物とを相対的に移動させながらこの被処理物の一端部から他端部までを加熱して冷却することにより高周波焼入れする高周波焼入方法において、
（５）上記一端部及び上記他端部を加熱するときは、上記誘導加熱コイルと上記被処理物との相対的な移動の速度を、上記一端部及び上記他端部以外の他の部分を加熱するときよりも遅くすることを特徴とするものである。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明の第４の高周波焼入方法は、誘導加熱コイルと被処理物とを相対的に移動させながらこの被処理物の一端部から他端部までを加熱して冷却することにより高周波焼入れする高周波焼入方法において、
（６）上記一端部及び上記他端部を上記誘導加熱コイルで加熱するに先立って予め所定温度に加熱することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の高周波焼入方法を説明する。
【００１４】
図１から図５までを参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
【００１５】
図１から図４までは、一辺が５０ｍｍで長さが３ｍの角材（本発明にいう被処理物の一例であり、材質はＳ５５Ｃ相当（Ｓ５５Ｃ＋１．５％Ｍｎ）である）を高周波焼入れする状態を上から視て模式的に示す平面図である。図１は、角材が加熱される前の状態を模式的に示す平面図であり、図２は、角材が加熱され始める直前の状態を模式的に示す平面図である。図３は、角材の先端部が加熱されている状態を模式的に示す平面図であり、図４は、角材の先端部が冷却されている状態を模式的に示す平面図である。また、図５は、高周波焼入れされた角材の硬化層を示す模式図である。
【００１６】
図１から図４までに示すように、高周波焼入装置１０は、角材２０を矢印Ａ方向に搬送する複数のローラ１２と、レーザを利用して角材２０を検出するワーク検出センサ１４と、角材２０を加熱する誘導加熱コイル１６と、角材２０のうち、加熱された部分に冷却液を噴射して冷却する冷却装置１８を備えている。また、高周波焼入装置１０は、誘導加熱コイル１６に電力を供給する高周波電源（図示せず）も備えている。さらに、高周波焼入装置１０は制御盤（図示せず）も備えており、この制御盤を操作することにより、ローラ１２の回転速度を制御して角材２０の移動速度を調節したり、誘導加熱コイル１６に供給する電力を調整したり、冷却装置から噴射される冷却液の量を増減して冷却速度を調節したりする。
【００１７】
高周波焼入装置１０を用いて角材２０を高周波焼入れする手順を説明する。
【００１８】
ここでは、角材２０の移動速度が９．０ｍｍ／秒になるように、制御盤でローラ１２の回転数を制御した。また、図１に示すように、角材２０の先端部２２（先端２２ａから距離Ｌまでの部分であり、本発明にいう被処理物の一端部の一例である）が誘導加熱コイル１６から離れている状態では、誘導加熱コイル１６に電圧３６０Ｖ、周波数５．８ｋＨｚの高周波電力７５ｋＷが供給されている。図２に示すように角材２０が誘導加熱コイル１６に接近して、角材２０の先端２２ａが誘導加熱コイル１６の手前の所定位置（パワーアップ開始位置）Ｂに到達した時から、誘導加熱コイル１６に電圧４００Ｖ、周波数６．２ｋＨｚの高周波電力８５ｋＷを供給して高周波電力を増大した。このように誘導加熱コイル１６に供給する高周波電力を増大する時間は、角材２０の先端部２２が誘導加熱コイル１６を通過するまでの時間である。
【００１９】
図４に示すように角材２０の先端部２２が誘導加熱コイル１６を通過した後は、高周波電力を元に戻して誘導加熱コイル１６に電圧３６０Ｖ、周波数５．８ｋＨｚの高周波電力７５ｋＷを供給し、先端部２２及び後端部２４以外の部分を加熱する。また、角材２０の後端部（本発明にいう被処理物の他端部の一例である）２４が誘導加熱コイル１６を通過する際も、先端部２２の場合と同様に、誘導加熱コイル１６に電圧４００Ｖ、周波数６．２ｋＨｚの高周波電力８５ｋＷを供給して高周波電力を増大する。
【００２０】
高周波電力を増大するに当っては、角材２０の先端２２ａがパワーアップ開始位置に到達した時点から高周波電力を徐々に増大し始め、先端２２ａが誘導加熱コイル１６に到達した時点では高周波電力が８５ｋＷになるようにした。
【００２１】
また、先端部２２が冷却装置１８に到達した時から通過し終るまでの時間では、冷却液の噴出を停止して先端部２２とその近傍の冷却速度を遅くした。先端部２２が冷却装置１８を通過した後は、通常どおり冷却液を噴出して角材２０を急冷した。このように、先端部２２の冷却速度を遅くした理由は、角材２０の焼割れを防止するためである。なお、後端部２４とその近傍を冷却する場合も、先端部２２と同様に、冷却液の噴出を停止して後端部２４の冷却速度を遅くした。
【００２２】
図５を参照して、上述したようにして角材２０を高周波焼入した結果を説明する。
【００２３】
図５は、上述した熱処理条件で高周波焼入れされた角材２０の硬化層を示す模式図である。破線は、従来の高周波焼入方法による硬化層の一例を示す。一方、斜線で示す領域は、上述した高周波焼入方法による硬化層の一例を示す。ここでいう硬化層とは、ＨＶ５００以上の硬さの層をいう。
【００２４】
従来の高周波焼入方法によれば、破線で示すように角材２０の先端２２ａに近付くほど硬化層が薄くなっており、先端２２ａでは硬化層がほとんど無い。即ち、「焼逃げ」が先端部２２に発生している。この「焼逃げ」は後端部２４においても発生している。
【００２５】
一方、図１から図４までに示す高周波焼入方法によれば、斜線で示すように、角材２０の先端部２２にも均一な厚さの硬化層２２ｂが形成された。硬化層２２ｂの深さは、角材２０の材質や熱処理条件によって変わるが、例えば、１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内である。このように角材２０の先端部２２にも均一な厚さの硬化層２２ｂが形成された理由は、誘導加熱コイル１６で先端部２２を加熱する際に誘導加熱コイル１６に供給する電力を、他の部分を加熱するときよりも増大して、先端部２２を焼入温度まで充分に加熱したからである。また、上述したように先端部２２が冷却装置１８に到達した時から通過し終るまでの時間では、冷却液の噴出を停止して先端部の冷却速度を遅くしたので、焼割れは発生しなかった。なお、後端部２４（図１〜図４参照）にも、先端部２２と同様に、均一な厚さの硬化層が形成され、焼割れは発生しなかった。
【００２６】
次に、図６、図７を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
【００２７】
図６は、連続して搬送されている３本の角材を停止して、先頭の角材の後端部とその次の角材の先端部とを同時に加熱している状態を示す模式図である。図７は、図６のようにして加熱したときの加熱パターンを示すグラフである。これらの図では、図１から図４までの構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。
【００２８】
第２実施形態の高周波焼入方法で使用する高周波焼入装置１０は、図１から図４までに示す高周波焼入装置１０と同じものである。この第２実施形態の高周波焼入方法の特徴は、角材の両端部（先端部と後端部）を誘導加熱コイルで加熱する際に角材の移動（搬送）を停止する点にある。
【００２９】
高周波焼入装置１０を用いて複数本の角材２０（図６では、３本の角材２０−１，２０−２，２０−３を示す）を連続して高周波焼入れする手順を説明する。
なお、隣り合う角材２０の間には絶縁マイカが挟まれている。
【００３０】
ここでは、角材２０の移動速度が７．０ｍｍ／秒になるように、制御盤でローラ１２の回転数を制御した。また、誘導加熱コイル１６には、電圧５６０Ｖ、周波数６．０ｋＨｚの高周波電力８９ｋＷが供給され続けている。先頭の角材２０−１の先端部２２を誘導加熱コイル１６で加熱するときは、角材２０−１，２０−２，２０−３の移動を約３秒間停止して加熱した。この停止により、角材２０−１の先端部２２は誘導加熱コイル１６で３秒間加熱され続けることとなるので、充分に焼入温度まで加熱される。３秒間の停止後は、７．０ｍｍ／秒で再び角材２０−１，２０−２，２０−３を移動させる。これにより先端部２２が冷却装置１８に到達し、ここで急冷されて硬化する。先頭の角材２０−１の先端部２２と後端部２４との間の部分を誘導加熱コイル１６で加熱する際は、角材２０−１，２０−２，２０−３を移動させながら従来と同様に加熱する。
【００３１】
先頭の角材２０−１の後端部２４と二番目の角材２０−２の先端部２２は、図６に示すように、誘導加熱コイル１６で同時に加熱される。この場合は、角材２０−１，２０−２，２０−３の移動を約３秒間停止して加熱した。この停止により、角材２０−１の後端部２４と角材２０−２の先端部２２は誘導加熱コイル１６で３秒間加熱され続けることとなるので、充分に焼入温度まで加熱される。３秒間の停止後は、７．０ｍｍ／秒で再び角材２０−１，２０−２，２０−３を移動させる。このように、角材２０の先端部２２及び後端部２４を誘導加熱コイル１６で加熱するときは角材２０の移動を停止することにより、先端部２２及び後端部２４が充分に焼入温度まで加熱され、その後の冷却によって必要な深さの硬化層が均等に形成される。
【００３２】
上述したように角材２０の移動を停止して先端部２２及び後端部２４を加熱するときのこれら先端部２２及び後端部２４の表面層の加熱パターンの一例を説明する。先端部２２及び後端部２４の表面層は、図７に示すように、３秒間の停止中に７００℃まで昇温し、その後の１秒間で９５０℃まで昇温する。９５０℃に昇温した時点で冷却装置１８に到達し、ここで急冷される。この結果、図５と同様に、角材２０−２の先端部２２にも均一な厚さの硬化層２２ｂが形成された。もちろん、角材２０−１の後端部２４にも均一な厚さの硬化層２２ｂが形成された。
【００３３】
上述した例では角材２０の先端部２２及び後端部２４を誘導加熱コイル１６で加熱するときに角材２０を停止したが、停止させないで角材２０の移動速度を、先端部２２及び後端部２４以外の部分を加熱するときよりも遅くし、先端部２２及び後端部２４が充分に焼入温度にまで加熱されるようにしてもよい。
【００３４】
図８、図９を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。
【００３５】
図８は、高周波焼入装置を模式的に示す平面図である。図９は、６００℃に予熱した場合の加熱パターンを示すグラフである。図８では、図１に示す高周波焼入装置１０の構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。
【００３６】
図８に示すように、高周波焼入装置３０は、角材２０を矢印Ａ方向に搬送する複数のローラ１２と、レーザを利用して角材２０を検出するワーク検出センサ１４と、角材２０を加熱する誘導加熱コイル１６と、角材２０のうち、加熱された部分に冷却液を噴射して冷却する冷却装置１８を備えている。また、高周波焼入装置３０では、誘導加熱コイル１６よりも移動方向の上流側に、角材２０を予熱する誘導加熱コイル３２が配置されている。さらに、高周波焼入装置３０は、誘導加熱コイル１６，３２に電力を供給する高周波電源（図示せず）も備えている。さらにまた、高周波焼入装置３０は制御盤（図示せず）も備えており、この制御盤を操作することにより、ローラ１２の回転速度を制御して角材２０の移動速度を調節したり、誘導加熱コイル１６，３２に供給する電力を調整したりする。
高周波焼入装置３０を用いて角材２０を高周波焼入れする手順を説明する。
【００３７】
図９に示す加熱パターンでは、角材２０の移動速度を３０．０ｍｍ／秒とした。矢印Ａ方向から移動してきた角材２０は、先ず、その先端部２２が誘導加熱コイル３２で予熱される。先端部２２を予熱する際の電力は、加熱パターンに応じて変更される。図９に示す加熱パターンでは、誘導加熱コイル３２に電圧８．２ｋＶ、周波数３０ｋＨｚの高周波電力１５０ｋＷを供給した。
【００３８】
このように角材２０の移動速度と誘導加熱コイル３２に供給する高周波電力を変更したので、角材２０の先端部２２は、図９に示す加熱パターンでは６００℃まで予熱された。角材２０の先端部２２の温度は、予熱された後に一旦低下するが、誘導加熱コイル１６で９５０℃に加熱される。この結果、角材２０の先端部２２は均等に加熱された状態で冷却装置１８に到達してここで急冷され、図５に示すような均等な厚さの硬化層が形成された。なお、角材２０の後端部２４も同様に予熱するが、角材２０のうち、先端部２２及び後端部２４以外の部分は、予熱せずに誘導加熱コイル１６だけを用いて加熱される。
【００３９】
また、上述した実施形態では、角材２０の先端部２２から後端部２４までを均等に加熱して硬化する例を示したが、本発明は、角材に限らず、例えば歯車の歯先の一端部から他端部までを均等に加熱して硬化する場合にも適用できる。また、角材２０などの被処理物を固定しておき、誘導加熱コイルを移動させるようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の第１の高周波焼入方法によれば、被処理物の一端部及び他端部を加熱するときは、一端部及び他端部以外の他の部分を加熱するときよりも誘導加熱コイルに供給する電力を増大するので、これら一端部及び他端部は焼入温度にまで充分に加熱され、被処理物の一端部から他端部までが均等に加熱される。この加熱後の冷却によって被処理物の一端部から他端部までが均等に硬化され、「焼逃げ」の発生を防止できる。
【００４１】
ここで、誘導加熱コイルに供給する電力を増大する際に、電力を徐々に増大する場合は、歪みが低減される。
【００４２】
また、誘導加熱コイルに供給する電力を増大する際に、被処理物を冷却する冷却速度を、電力を増大しないときよりも遅くする場合は、焼き割れを確実に防止できることとなる。
【００４３】
また、本発明の第２の高周波焼入方法によれば、被処理物の一端部及び他端部を加熱するときは、誘導加熱コイルと被処理物との相対的な移動を所定時間停止するので、これら一端部及び他端部は焼入温度にまで充分に加熱され、被処理物の一端部から他端部までが均等に加熱される。この加熱後の冷却によって被処理物の一端部から他端部までが均等に硬化され、「焼逃げ」の発生を防止できる。
また、本発明の第３の高周波焼入方法によれば、被処理物の一端部及び他端部を加熱するときは、誘導加熱コイルと被処理物との相対的な移動の速度を、一端部及び他端部以外の他の部分を加熱するときよりも遅くするので、これら一端部及び他端部は焼入温度にまで充分に加熱され、被処理物の一端部から他端部までが均等に加熱される。この加熱後の冷却によって被処理物の一端部から他端部までが均等に硬化され、「焼逃げ」の発生を防止できる。
【００４４】
また、本発明の第４の高周波焼入方法によれば、被処理物の一端部及び他端部を誘導加熱コイルで加熱するに先立って予め所定温度に加熱するので、これら一端部及び他端部は焼入温度にまで充分に加熱され、被処理物の一端部から他端部までが均等に加熱される。この加熱後の冷却によって被処理物の一端部から他端部までが均等に硬化され、「焼逃げ」の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】角材が加熱される前の状態を模式的に示す平面図である。
【図２】角材が加熱され始める直前の状態を模式的に示す平面図である。
【図３】角材の先端部が加熱されている状態を模式的に示す平面図である。
【図４】角材の先端部が冷却されている状態を模式的に示す平面図である。
【図５】高周波焼入れされた角材の硬化層を示す模式図である。
【図６】連続して搬送されている３本の角材を停止して、先頭の角材の後端部とその次の角材の先端部とを同時に加熱している状態を示す模式図である。
【図７】図６のようにして加熱したときの加熱パターンを示すグラフである。
【図８】高周波焼入装置を模式的に示す平面図である。
【図９】図８の高周波焼入装置を用いて角材の先端部を６００℃に予熱した場合の加熱パターンを示すグラフである。
【符号の説明】
１０，３０  高周波焼入装置
１６，３２  誘導加熱コイル
１８  冷却装置
２０  角材
２２  角材の先端部
２４  角材の後端部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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