(57)【要約】【課題】深く焼入れすることができ、設備コストが低く、かつ生産性が高い高周波焼入装置を提供する。【解決手段】部材１を高周波焼入れする高周波コイル１３ａ，１３ｂは、第１の強加熱部１５と、第１の強加熱部１５の後端に接続され、部材１に対向した場合の該部材１からの距離が第１の強加熱部１５より長い弱加熱部１６と、弱加熱部１６の後端に接続され、部材１に対向した場合の該部材１からの距離が弱加熱部１６より短い第２の強加熱部１７とを有する。そして弱加熱部１６に対向している部材１を冷却する冷却部２０を具備する。【選択図】図１
2009030135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材を高周波加熱するコイルと、
前記コイルにより加熱された部材を冷却して焼入れする第１の冷却部と、
前記コイル及び前記第１の冷却部、若しくは前記部材のいずれか一方を他方に沿って移動させることにより、前記コイル及び前記第１の冷却部に対して前記部材を相対移動させる移動手段と、
前記コイルに高周波を印加する高周波電源と、
を具備し、
前記コイルは、前記相対移動において先に前記部材に対向する端部を先端とした場合に、
第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の後端に電気的に接続され、対向した前記部材からの距離が前記第１の加熱部より長い第２の加熱部と、
前記第２の加熱部の後端に電気的に接続され、対向した前記部材からの距離が前記第２の加熱部より短い第３の加熱部と、
を有し、
前記第２の加熱部に対向している部材を冷却する第２の冷却部を具備することを特徴とする高周波焼入装置。
【請求項２】
前記第３の加熱部に対向している部材の表層の昇温速度を低下させる第３の冷却部を具備することを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入装置。
【請求項３】
前記第２の冷却部は、前記部材が前記第２の加熱部の先端に対向した場合に該部材の冷却を開始し、その後前記部材が前記第２の加熱部の後端に対向するまで該部材の冷却を続けることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入装置。
【請求項４】
前記第２の冷却部は、前記部材が前記第２の加熱部の先端より後端側の基準位置に対向した場合に該部材の冷却を開始し、その後前記部材が前記第２の加熱部の後端に対向するまで該部材の冷却を続けることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波焼入装置。
【請求項５】
部材、及び前記部材を高周波加熱するコイルのいずれか一方を他方に沿って移動させることにより、前記部材に対向する前記コイルを先端から後端までずらし、その後、前記コイルにより加熱された前記部材を冷却して焼入れする工程を具備する部材の製造方法であって、
前記コイルに、
第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の後端に接続され、前記部材に対向した場合の該部材からの距離が前記第１の加熱部より長い第２の加熱部と、
前記第２の加熱部の後端に接続され、前記部材に対向した場合の該部材からの距離が前記第２の加熱部より短い第３の加熱部と、
を設け、
前記焼入れする工程において、
前記部材が前記第１の加熱部に対向している間に、該部材の表面をＡＣ３点以上結晶粒粗大化温度以下に昇温し、
前記部材が前記第２の加熱部に対向しているときに、該部材の表面をＡＣ１点以下に冷却し、
前記部材が前記第３の加熱部に対向している間に、該部材の表面をＡＣ３点以上結晶粒粗大化温度以下に昇温し、
その後、前記部材を冷却して焼入れすることを特徴とする部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深く焼入れすることができ、設備コストが低く、かつ生産性が高い高周波焼入装置及び高周波焼入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば建設機械の足回りに用いられるトラックリンクなど、表層を一定の深さほど焼入れする必要がある部材がある。部材の表層を焼入れする方法として、高周波焼入れ法がある。しかし、通常の高周波焼入れ法である程度深く焼入れしようとすると、ある程度の深さに熱が伝達するまで高周波加熱する必要があるが、これでは部材の表面が再結晶温度を超えてしまい、その結果、結晶粒粗大化が生じてしまい、表層の特性（例えば衝撃値や疲労強度）が低下する。
【０００３】
また、高周波の周波数を低くして表層を深く加熱できるようにする方法がある。しかし、この方法では、必要な焼入れ深さに最適な周波数を選択する必要があり、このため、部材に応じて高周波電源を取り替える必要がある。このため、設備コストが高くなってしまう。
【０００４】
一方、特許文献１には、高周波電源のＯＮ−ＯＦＦを繰り返すことにより、表層の特性を低下させずに表層をある程度深くまで焼入れする方法が開示されている。しかしこの方法では、一つの部材を処理するために必要な時間が長くなってしまい、部材の生産性が低下してしまう。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５６３３６号公報（第６〜１４段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、表層をある程度深く焼入れする従来の方法では、低設備コスト、及び高生産性を両立することは難しかった。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、深く焼入れすることができ、設備コストが低く、かつ生産性が高い高周波焼入装置及び高周波焼入方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る高周波焼入装置は、部材を高周波加熱するコイルと、
前記コイルにより加熱された部材を冷却して焼入れする第１の冷却部と、
前記コイル及び前記第１の冷却部、若しくは前記部材のいずれか一方を他方に沿って移動させることにより、前記コイル及び前記第１の冷却部に対して前記部材を相対移動させる移動手段と、
前記コイルに高周波を印加する高周波電源と、
を具備し、
前記コイルは、前記相対移動において先に前記部材に対向する端部を先端とした場合に、
第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の後端に電気的に接続され、対向した前記部材からの距離が前記第１の加熱部より長い第２の加熱部と、
前記第２の加熱部の後端に電気的に接続され、対向した前記部材からの距離が前記第２の加熱部より短い第３の加熱部と、
を有し、
前記第２の加熱部に対向している部材を冷却する第２の冷却部を具備することを特徴とする。
【０００８】
前記第３の加熱部に対向している部材の表層の昇温速度を低下させる第３の冷却部を具備するのが好ましい。
【０００９】
前記第２の冷却部は、前記部材が前記第２の加熱部の先端に対向した場合に該部材の冷却を開始し、その後前記部材が前記第２の加熱部の後端に対向するまで該部材の冷却を続けてもよいし、前記部材が前記第２の加熱部の先端より後端側の基準位置に対向した場合に該部材の冷却を開始し、その後前記部材が前記第２の加熱部の後端に対向するまで該部材の冷却を続けてもよい。
【００１０】
本発明に係る高周波焼入方法は、部材、及び前記部材を高周波加熱するコイルのいずれか一方を他方に沿って移動させることにより、前記部材に対向する前記コイルを先端から後端までずらし、その後、前記コイルにより加熱された前記部材を冷却して焼入れする工程を具備する部材の製造方法であって、
前記コイルに、
第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の後端に接続され、前記部材に対向した場合の該部材からの距離が前記第１の加熱部より長い第２の加熱部と、
前記第２の加熱部の後端に接続され、前記部材に対向した場合の該部材からの距離が前記第２の加熱部より短い第３の加熱部と、
を設け、
前記焼入れする工程において、
前記部材が前記第１の加熱部に対向している間に、該部材の表面をＡＣ３点以上結晶粒粗大化温度以下に昇温し、
前記部材が前記第２の加熱部に対向しているときに、該部材の表面をＡＣ１点以下に冷却し、
前記部材が前記第３の加熱部に対向している間に、該部材の表面をＡＣ３点以上結晶粒粗大化温度以下に昇温し、
その後、前記部材を冷却して焼入れすることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る高周波焼入装置の上面図であり、図１（Ｂ）は同側面図である。図１（Ｂ）には、高周波焼入装置による加熱チャートも図示している。
【００１２】
本図に示す高周波焼入装置は、部材１の側面に位置する２本の高周波コイル１０ａ、及び部材１の上方に位置する１本の高周波コイル１０ｂを有する。高周波コイル１０ａ，１０ｂには、それぞれ高周波電源３ａ，３ｂが接続している。高周波コイル１０ａは、部材１を挟んで互いに対向する位置に配置されている。本実施形態において部材１は、図２に示すように、建設機械の足回りに用いられるトラックリンクであり、上端部１ａの表層のみを、ある程度の深さほど（例えば１０ｍｍ以上）焼入れする必要がある。
【００１３】
高周波コイル１０ａ，１０ｂは、部材１より十分に長く、かつ複数の部材１が並んだ列に沿って延伸している。また高周波コイル１０ａ，１０ｂ及び冷却部２２、若しくは部材１の一方は、移動機構２によって他方に沿って移動する。本図に示す例では、部材１が移動機構２によって高周波コイル１０ａ，１０ｂ及び冷却部２２に沿って移動する。これにより、高周波コイル１０ａ，１０ｂのうち部材１に対向する部分は、先端から後端まで移動する。そして複数の部材１を一工程で高周波加熱することができる。そして部材１は、加熱が終了した後に冷却部２２によって急冷され、焼入れされる。このように、本図に示す高周波焼入装置によれば、複数の部材１を一工程で焼入れすることができる。
【００１４】
高周波コイル１０ａ，１０ｂは、先端側から順に、強加熱部１１、弱加熱部１２、強加熱部１３、弱加熱部１４、強加熱部１５、弱加熱部１６、強加熱部１７を、この順に接続した構成である。本図に示す例において、部材１の列の延伸方向を座標軸とした場合、強加熱部１１の後端と弱加熱部１２の先端、弱加熱部１２の後端と強加熱部１３の先端、強加熱部１３の後端と弱加熱部１４の先端、弱加熱部１４の後端と強加熱部１５の先端、強加熱部１５の後端と弱加熱部１６の先端、及び弱加熱部１６の後端と強加熱部１７の先端は、互いに重なっているが、これに限定されない。これらはそれぞれ配線又はコイル１８を介して電気的に接続している。
【００１５】
高周波コイル１０ａ，１０ｂにおいて、部材１に対向した場合の該部材からの距離は、弱加熱部１２，１４，１６が最も長く、強加熱部１１，１３が最も短く、強加熱部１５，１７はこれらの間の値である。なお、強加熱部１７は、強加熱部１５より距離が長い。このため、部材１の表層を加熱する単位時間あたりの能力は、強加熱部１１，１３が最も強く、弱加熱部１２，１４，１６が最も弱く、強加熱部１５，１７はこれらの間である。また強加熱部１７は、強加熱部１５より単位時間あたりの加熱能力が小さい。
【００１６】
また本実施形態に係る高周波焼入装置は、冷却部２０を３つ有する。３つの冷却部２０は、それぞれ部材１が弱加熱部１２，１４，１６に対向しているときに、この部材１を冷却する。冷却部２０は、例えばエアブローにより部材１を冷却する。冷却部２０による部材1の単位時間あたりの冷却能力は、弱加熱部１２，１４，１６による部材１の単位時間あたりの加熱能力より高い。冷却部２０は、部材１が弱加熱部１２，１４，１６それぞれの先端より後端側の基準位置に対向した場合に部材１の冷却を開始し、その後部材１が弱加熱部１２，１４，１６の後端に対向するまで部材１の冷却を続ける。
【００１７】
また本実施形態に係る高周波焼入装置は、冷却部２１を有する。冷却部２１は、部材１が強加熱部１７に対向しているときに、この部材１を冷却する。冷却部２１は例えばエアブローにより部材１を冷却する。冷却部２１による部材1の冷却能力は、強加熱部１７による加熱能力より低い。
【００１８】
次に、図１（Ｂ）に示している高周波焼入装置による加熱チャートについて説明する。上記したように、高周波コイル１０ａ，１０ｂは、移動機構２によって、複数の部材１が並んだ列に沿って移動する。部材１は、まず、高周波コイル１０ａ，１０ｂのうち強加熱部１１によって加熱される。これにより、部材１の上端部１ａは昇温して、表面温度がＡＣ３以上（好ましくはＡＣ３＋５０℃以上）結晶粒粗大化温度以下になる。
【００１９】
ここで結晶粒粗大化温度について説明する。旧オーステナイト粒界は、加熱時間と加熱温度により決まるが、これらのうち加熱温度の影響が大きい。そして、加熱温度がある温度以上になると、加熱時間を変動させても結晶粒度Ｇｓ７以上を確保できなくなる。この温度を結晶粒粗大化温度と定義する。なお、実際の製造工程においては、表面温度の上限をＡＣ３点＋２５０℃以下のオーステナイト化温度域に設定するのが好ましい。
【００２０】
次いで部材１は、弱加熱部１２によって加熱される。この状態において部材１の上端部１ａの表面温度はＡＣ３以上結晶粒粗大化温度以下に一定時間ほど維持される。次いで部材１は、弱加熱部１２により加熱され、かつ冷却部２０によって冷却される状態になる。これにより部材１は急冷され、上端部１ａの表面はＡＣ１以下の温度になる。冷却後の部材１の表面は、ＡＣ１−１５０〜２００℃以上であるのが好ましいが、常温であっても良い。なお本工程においても、部材１の上端部１ａの表層のうち、ある深さより深い部分は、伝熱により昇温し続ける。
【００２１】
次いで部材１の上端部１ａには、加熱部１３による処理、弱加熱部１４及び冷却部２０による処理、強加熱部１５による処理、ならびに弱加熱部１６及び冷却部２０による処理が、この順に行われる。これにより部材１の上端部１ａの表面温度は、ＡＣ３以上結晶粒粗大化温度以下への昇温工程、ＡＣ３以上結晶粒粗大化温度以下での維持工程、及びＡＣ１以下への急冷工程をさらに２回繰り返す。
【００２２】
次いで部材１の上端部１ａは、加熱部１７によって加熱され、かつ冷却部２１によって冷却される。上記したように、冷却部２１による部材1の冷却能力は、強加熱部１７による加熱能力より低い。このため上端部１ａの表面は徐々に昇温して、最終的にはＡＣ３以上再結晶温度未満になる。この状態において、上端部１ａの表層は、ある程度の深さ（例えば１０ｍｍ以上）までＡＣ３以上の温度になる。その後、部材１の上端部１ａは、冷却部２２によって急冷され、表層が一定の深さまで焼入れされる。このように、本図に示す例では、ＡＣ３以上への加熱及びＡ１以下への冷却という熱サイクルが、最後の急冷工程を含めて合計４回行われる。
【００２３】
なお、上記した熱処理チャートは、強加熱部１１、弱加熱部１２、強加熱部１３、弱加熱部１４、強加熱部１５、弱加熱部１６、強加熱部１７それぞれの長さ、及びこれらと部材１の距離を適切に設定することにより、実現できる。
【００２４】
また高周波焼入装置による部材１の熱処理チャートは上記した例に限定されず、部材１の形状及び求められる熱処理にあわせて高周波コイル１０ａ，１０ｂを設計し、高周波コイル１０ａ，１０ｂと部材１の距離を部分的に変更し、かつ冷却部を適切な位置に配置することにより、さまざまに変形することができる。
【００２５】
例えば図３に示す例は、部材１が弱加熱部１２，１４，１６の先端と対向しているときに、冷却部２０が部材１を冷却し始める点を除いて、図１に示す例と同様である。このようにすると、部材１は、強加熱部１１，１３，１５による加熱が終了した直後に冷却される。
【００２６】
また図４に示す例は、強加熱部１１，１３及び弱加熱部１２，１４、ならびに弱加熱部１２，１４に対応する冷却部２０がない点を除いて、図３に示す例と同様である。このようにすると、ＡＣ３以上への加熱及びＡＣ１以下への冷却という熱サイクルの回数が２回に減少する。
【００２７】
また図５に示す例は、冷却部２０が、部材１が弱加熱部１２，１４，１６それぞれの先端より後端側の基準位置に対向した場合に部材１の冷却を開始し、その後部材１が弱加熱部１２，１４，１６の後端に対向するまで部材１の冷却を続ける点を除いて、図４に示す例と同様である。このようにすると、部材１は、ＡＣ３以上の温度で一定時間ほど保持された後に、ＡＣ１以下へ冷却される。
【００２８】
以上、本発明の実施形態によれば、高周波コイル１０ａ，１０ｂには、強加熱部と弱加熱部を交互にそれぞれ複数設けられている。また冷却部２０を用いて、弱加熱部に対向している部材１を冷却する。このため、高周波コイル１０ａ，１０ｂと部材１のいずれかを移動させて、高周波コイル１０ａ，１０ｂのうち部材１と対向する部分を徐々にずらすことにより、部材１を所望する熱処理チャートで熱処理することができる。また高周波コイル１０ａを所望する熱処理チャートにあわせて設計して交換することにより、部材１に対する熱処理チャートを変更することができる。このため、熱処理チャートを変更するときのコストは低い。
【００２９】
また、一回の処理で複数の部材１を処理することが可能であるため、部材１の生産性が高くなる。特に高周波コイル１０ａ，１０ｂを固定して部材１を移動させるようにすると、連続して複数の部材１を処理することが可能になり、特に部材１の生産性が高くなる。
【実施例】
【００３０】
図４に示した高周波焼入装置を用いて鋼材を焼入れ処理した。鋼材の添加成分は表１の通りであり、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。この成分系において、ＡＣ１点は７３６℃、ＡＣ３点は７８８℃である。なお表１における単位は、重量％である。
【００３１】
【表１】
2009030135.tif 000003
【００３２】
本実施例において、図４に示した強加熱部１５、弱加熱部１６、及び強加熱部１７と鋼材表面までの距離は、それぞれ３ｍｍ、３０ｍｍ、及び５ｍｍであった。強加熱部１７の加熱能力は６０ｋＷ相当であり、強加熱部１５の加熱能力（１００ｋＷ相当）の６０％であった。
【００３３】
また本実施例において、図４に示した強加熱部１５，弱加熱部１６、及び強加熱部１７の長さは、それぞれ１３５ｍｍ、５０ｍｍ、及び６４０ｍｍであり、強加熱部１５、弱加熱部１６、及び強加熱部１７それぞれによる鋼材の処理時間は、それぞれ３５秒、１０秒，及び１３５秒であった。
【００３４】
また比較例として、高周波コイルと鋼材の距離が、高周波コイルのいずれの部分においても一定である高周波焼入装置を用いて、鋼材を処理した。比較例において高周波コイルの出力を６５ｋＷ相当にした。
【００３５】
図６は、実施例及び比較例それぞれにおける、処理開始からの時間と鋼材の表面温度を示すチャートである。実施例において、強加熱部１５による加熱が行われている間、鋼材の表面温度は急激に上昇し、強加熱部１５による加熱が終了した時点で８００℃になった。この温度は、ＡＣ３＋１２℃である。
【００３６】
その後鋼材には、弱加熱部１６による加熱及び冷却部２０による空冷が行われたため、鋼材の表面温度は急激に低下し、５５０℃になった。この温度は、ＡＣ１−１８０℃である。
【００３７】
その後鋼材には、強加熱部１７による加熱及び冷却部２１による空冷が行われた為、鋼材の表面温度は徐々に上昇し、強加熱部１７による加熱が終了した時点（すなわち処理開始から１８０秒後）で１０００℃になった。
【００３８】
これに対して、比較例では鋼材の表面温度が１０００℃に達するまでには２４０秒必要だった。
【００３９】
その後、チャートには示していないが、鋼材を１０００℃から急冷することにより、鋼材に焼入れを行った。
【００４０】
表２に、実施例及び比較例それぞれにおける、硬化層の深さ及び結晶粒度を示す。表２に示すように、実施例は、硬化層の深さ及び結晶粒度のいずれも比較例と同等の特性を示した。
【００４１】
【表２】
2009030135.tif 000004
【００４２】
以上から、本実施例に示した処理を行うことにより、処理時間を短くして部材の生産性を向上できることが示された。
【００４３】
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば部材１はトラックリンクに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態に係る高周波焼入装置の上面図、（Ｂ）は同側面図及び高周波焼入装置による加熱チャート。
【図２】部材１の側面図。
【図３】（Ａ）は高周波焼入装置の第１の変形例を示す上面図、（Ｂ）は同側面図及び高周波焼入装置による加熱チャート。
【図４】（Ａ）は高周波焼入装置の第２の変形例を示す上面図、（Ｂ）は同側面図及び高周波焼入装置による加熱チャート。
【図５】（Ａ）は高周波焼入装置の第３の変形例を示す上面図、（Ｂ）は同側面図及び高周波焼入装置による加熱チャート。
【図６】実施例及び比較例それぞれにおける、処理開始からの時間と鋼材の表面温度を示すチャート。
【符号の説明】
【００４５】
１…部材、２…移動機構、３ａ，３ｂ…高周波電源、１０ａ，１０ｂ…高周波コイル、１１，１３，１５，１７…強加熱部、１２，１４，１６…弱加熱部、２０，２１，２２…冷却部
【図１】
2009030135.tif 000005
【図２】
2009030135.tif 000006
【図３】
2009030135.tif 000007
【図４】
2009030135.tif 000008
【図５】
2009030135.tif 000009
【図６】
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