(57)【要約】【課題】  被加熱物の内周面を効率よく高周波焼入れすることのできる内周面高周波焼入れ用加熱コイル、及びその製造方法を提供すること【解決手段】  加熱コイル部材１１が、内周から外周に向かうほど（高酸化層１１ｅ−中酸化層１１ｆ−低酸化層１１ｇに移動するにつれて）、すなわち、被加熱物１０の内周面１０ａに近づくほど、電気伝導率が高くなっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被焼入れ処理物の内周面に対向して加熱コイルを配置し、該加熱コイルに通電することにより、該焼入れ処理物の内周面を高周波焼入れする内周面高周波焼入れ用加熱コイルにおいて、
前記加熱コイルが、内周から外周に向かうほど、電気伝導率が高い材料で構成されていることを特徴とする内周面高周波焼入れ用加熱コイル。
【請求項２】
請求項１に記載する内周面高周波焼入れ用加熱コイルにおいて、
前記材料が銅−アルミ合金であり、
前記電気伝導率が高い材料が内部酸化されたものであることを特徴とする内周面高周波焼入れ用加熱コイル。
【請求項３】
被焼入れ処理物の内周面に対向して加熱コイルを配置し、該加熱コイルに通電することにより、該焼入れ処理物の内周面を高周波焼入れする内周面高周波焼入れ用加熱コイルの製造方法において、
前記加熱コイルの一面を残して被覆材により被覆する工程、
被覆された加熱コイルを高温状態で酸化物内に置いて、表面から酸化させる工程、
前記被覆を除去する工程を有することを特徴とする内周面高周波焼入れ用加熱コイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、製品の内周面を焼入れするために使用する内周面高周波焼入れ用加熱コイル、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波誘導加熱により鋼の焼入れが行われている。加熱コイルと被加熱物に流れる電流は、周波数が高くなるにしたがい、それぞれ表面に集中してくる性質がある。この現象を表皮効果と呼んでいる。加熱コイルと被加熱物に流れる電流は、向きが互いに反対方向であり、周波数が高くなると表皮効果により、反対方向の電流がますます接近して流れるので電気抵抗は少なくなる。被加熱物の表面のみが発熱するのはそのためである。
高周波焼入れの特徴は、（１）直接加熱であり、熱効率が良く、作業時間が短い。（２）局所焼入れが可能で、硬化層深さの選定も比較的容易である。（３）短時間加熱、急冷処理のため酸化、脱炭、変形が少ない。（４）急熱、急冷のため表面に大きな圧縮残留応力が生じ、耐摩耗性のみならず、耐疲労性も向上する。
【０００３】
【特許文献１】特開2002-146407号公報
【特許文献２】特開2003-115368号公報
【特許文献３】再公表特許WO2003/043379号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の高周波焼入れでは、次のような問題があった。
すなわち、被加熱対象部位が、被加熱物の外周面である場合と比較して、被加熱物の内周面である場合には、非常に効率が悪いことが知られている。内周面加熱の場合の加熱効率は、外周面加熱効率の２０〜３０％程度しかないと言われている。この理由を次に説明する。
内周面を有する製品の、内周面を焼入れするため従来使用していた装置の構成を図６に示す。製品である被加熱物１００の内周面１００ａに対向して、銅製の高周波加熱用コイル１０１が配置されている。高周波加熱用コイル１０１には、端面１０１ｃから電流が入って、端面１０１ｄから電流が出る。
高周波加熱用コイル１０１に電流を流したとき、内周面１００ａに対向するコイルの外周面１０１ａと内周面１０１ｂとを比較すると、電流は、経路の短い内周面１０１ｂ側を多く流れ、外周面１０１ａ側に流れる電流は少ないことが観測される。
このため、内周面に焼入れした時に、焼入れ深さが浅くなる問題があった。また、焼入れ深さを深くしようとすると、長い時間がかかり電流消費量も増加するため、コストアップする問題があった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、被加熱物の内周面を効率よく高周波焼入れすることのできる内周面高周波焼入れ用加熱コイル、及びその製造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】
上記目的を達成するために、本発明の内周面高周波焼入れ用加熱コイル、及びその製造方法は、次のような構成を有している。
（１）被焼入れ処理物の内周面に対向して加熱コイルを配置し、該加熱コイルに通電することにより、該焼入れ処理物の内周面を高周波焼入れする内周面高周波焼入れ用加熱コイルであって、加熱コイルが、内周から外周に向かうほど、電気伝導率が高い材料で構成されている。
（２）（１）に記載する内周面高周波焼入れ用加熱コイルにおいて、前記材料が銅−アルミ合金であり、前記電気伝導率が高い材料が内部酸化されたものであることを特徴とする。
【０００７】
（３）被焼入れ処理物の内周面に対向して加熱コイルを配置し、該加熱コイルに通電することにより、該焼入れ処理物の内周面を高周波焼入れする内周面高周波焼入れ用加熱コイルの製造方法において、加熱コイルの一面を残して被覆材により被覆する工程、被覆された加熱コイルを高温状態で酸化物内に置いて、表面から酸化させる工程、被覆を除去する工程を有する。
【発明の効果】
【０００８】
次に、上記構成を有する本発明の内周面高周波焼入れ用加熱コイル、及びその製造方法の作用及び効果について説明する。
（１）に記載する内周面高周波焼入れ用加熱コイルによれば、被加熱物の内周面に対向して配置した加熱コイル（板状のコイルであり、板厚は３〜４ｍｍ）が、内周から外周に向かうほど、すなわち、被加熱物の内周面に近づくほど、電気伝導率が高くなっているので、外周面の表面に多くの高周波電流を流すことができ、被加熱物の内周面に誘導電流を発生させることができるため、効率よく被加熱物の内周面を加熱して、焼入れを行うことができる。
加熱コイルの外周面の電気伝導率を８０％程度とし、内周面の電気伝導率を２０％程度としている。すなわち、外周面と内周面とで、電気伝導率を３倍以上の比率としている。
（２）に記載する内周面高周波焼入れ用加熱コイルによれば、銅に０．４５％のアルミニウムを含む銅合金を材料として加熱コイルを構成し、加熱コイルの外周面から内部酸化を行っているので、外周面の電気伝導率を高くし、内周面の電気伝導率を低くすることが容易にできる。内部酸化を行うときの、加熱温度、酸化時間をコントロールすることにより、任意の電気伝導率分布を得ることができる。
【０００９】
（３）に記載する内周面高周波焼入れ用加熱コイルの製造方法によれば、加熱コイルの一面を残して被覆材により被覆する工程、被覆された加熱コイルを高温状態で酸化物内に置いて、表面から酸化させる工程（８００℃４５分、酸化源は酸化銅（I）粉末）、被覆を除去する工程を有するので、加熱コイルの外周面を多く酸化させ、内周面を少ししか酸化させないことが実現できるため、外周面の電気伝導率を高くし、内周面の電気伝導率を低くすることが容易にできる。
また、内部酸化を行う時の、加熱温度、酸化時間をコントロールすることにより、厚さ方向に任意に電気伝導率分布を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の内周面高周波焼入れ用加熱コイル、及びその製造方法の実施例について、図面を参照しつつ説明する。
図１に、高周波焼入れを行っている装置、及び被加熱物の構成を示す。被加熱物１０は、エンジンのシリンダボア部や、ＣＶＪ（Constant Velocity Joint）部品等の内周面を有し、内周面を焼入れする必要のあるものである。被加熱物１０の焼入れする必要のある内周面１０ａを図示する。
被加熱物１０が中心軸を中心として回転可能に保持されている。被加熱物１０の内周面１０ａに対向して、断面Ｌ字形状で、段差付円筒形状の加熱コイル１２が配置されている。加熱コイルのＬ字形状の中心部は空洞部であり、空洞部には冷却水３０が循環されている。加熱コイル１２の、内周面１０ａに対向する位置には、加熱コイル部材１１が配置されている。図１の一点鎖線IIIで示す部分である、加熱コイル部材１１の部分拡大断面図を図３に示す。加熱コイル部材１１は、内周部側に高酸化層１１ｅ、中酸化層１１ｆ、低酸化層１１ｇが形成されている。
【００１１】
次に、加熱コイル部材１１の製造方法について説明する。図２に製造方法を示す。（ａ）は、出発材料の断面を示す。加熱コイル部材１１の出発材は、厚さ３．２ｍｍの板状で、材質が銅−０．４５％Ａｌの銅合金板２０である。
次に、（ｂ）に示すように，表面（一面）を除いて、上面、下面、裏面を覆うように、Ｎｉメッキ２１により被覆する。Ｎｉメッキ２１の厚みは、２０〜３０μｍとしている。
次に、（ｃ）に示すように，粉末パッキング法による内部酸化処理を行う。すなわち、Ｎｉメッキ２１された銅合金板２０を酸化銅（I）粉末２２（Ｃｕ２Ｏ粉末）が充填された酸化槽２６内に置く。酸化槽２６内は、８００℃に加熱されている。加熱した状態で４５分保持する。これにより、３．２ｍｍの銅合金板２０内部まで酸化が進行する。
【００１２】
次に、（ｄ）に示すように，Ｎｉメッキ２１を除去して、酸化された銅合金板２３とする。ここで、Ｎｉメッキ２１の除去は、ショットブラスト及び酸洗いにより行っている。Ｎｉメッキ２１の除去方法として、ショットブラストの代わりにウォータージェットを用いても良い。
次に、酸化された銅合金板２３を密封容器２７内の水素気流中で、脱酸素処理を行う。脱酸素処理は、密封容器２７内を７５０℃に加熱して、１２０分行っている。これにより、酸化され、脱酸素された銅合金板２４が出来上がる。この銅合金板２４を加熱コイル１２の所定箇所にろう付け溶接等により接合したものが、加熱コイル部材１１である。
【００１３】
このようにして製造された加熱コイル部材１１の電気伝導率の測定値を図４に示す。横軸が加熱コイル部材１１の厚み方向の位置を示す。横軸の左端が、加熱コイル部材１１の最外周位置であり、横軸の右端が加熱コイル部材１１の最内周位置である。縦軸は、電気伝導率ＩＡＣＳ（単位％）を示す。最外周位置は、被加熱物１０の内周面１０ａに最も近い箇所である。図４において、実線３１が電気伝導率を示している。ただし、電気伝導率は、両表面では実測値であるが、内部においては、銅合金の酸化物量から推定した値である。
最外周位置における電気伝導率は、約８０％であり、最内周位置における電気伝導率は、約２０％である。
高酸化層１１ｅ内では、電気伝導率は、８０〜７０％であり、中酸化層１１ｆ内では、電気伝導率は、７０〜３０％であり、低酸化層１１ｇ内では、電気伝導率は、３０〜２０％である。
【００１４】
次に、本発明の加熱コイル１２、加熱コイル部材１１を用いて高周波焼入れを行う作用について説明する。
図１に示す状態で、加熱コイル１２に高周波電流を流す。電流が加熱コイル部材１１を流れるとき、電流は、従来であれば、流れる距離の短い部位を流れようとするが、本発明の加熱コイル部材１１においては、流れる距離は長いが、電気伝導率が低酸化層１１ｇの３倍程度ある高酸化層１１ｅに多く流れる。被加熱物１０の焼入れ対象部位である内周面１０ａに最も近い高酸化層１０ｅに大きな電流が流れるため、内周面１０ａの表面に、表皮効果により大きな誘導電流を発生させることができ、内周面１０ａの表面を効率よく加熱することができる。表面を加熱し続けることにより、温度は徐々に内部に熱伝達され、所定の深さまで、加熱を行い、必要な深さまで焼入れを行うことができる。焼入れの場合、加熱した後、被加熱物１０を急速に冷却する必要があるが、冷却方法は、従来と同じように水噴射装置により水噴射する方法なので説明を割愛している。
被加熱物１０は、中心軸を中心にして回転するため、内周面１０ａを均一に加熱することができ、均一に焼入れすることができる。加熱しているとき、加熱コイル１２も温度上昇するが、加熱コイル１２は、内部を循環する冷却水により冷却されているため、所定温度以上に上がることはない。
【００１５】
次に、本発明の加熱コイル１２を用いて高周波焼入れを行った時の効果を図５に示す。横軸は、加熱コイル部材１１と内周面１０ａとの離れている距離、すなわちコイルギャップ（単位ｍｍ）を示す。縦軸は、表面からの焼入れの深さ（単位ｍｍ）を示す。黒丸印２８で示すのが、本発明の加熱コイル部材１１を用いた時のデータであり、三角印２９で示すのが、図６に示した従来の加熱コイル１０１を用いた時のデータである。
本発明の加熱コイル部材１１を用いると、２ｍｍの焼入れ深さを得るのに、コイルギャップを１ｍｍ長くしても同等の焼入れ深さを得ることができる。また、同一のコイルギャップとした場合には、消費電力を低減することができる。
また、本発明によれば、コイルギャップを従来の加熱コイルを用いる場合よりも、大きくとることができるため、加熱コイルの寿命を向上させることができる。
【００１６】
以上詳細に説明したように、本実施例の高周波焼入れ用加熱コイル１２によれば、加熱コイル部材１１が、内周から外周に向かうほど、すなわち、被加熱物の内周面に近づくほど、電気伝導率が高くなっているので、外周面の表面に多くの高周波電流を流すことができ、被加熱物の内周面に誘導電流を発生させることができるため、効率よく被加熱物の内周面を加熱して、焼入れを行うことができる。すなわち、従来と同じ電力を用いれば、焼入れ深さを深くすることができ、同じ焼入れ深さを得るためには、電力を低減することができる。また、同じ電力で、同じ焼入れ深さとした時には、コイルギャップを大きくとることができるので、コイルの寿命を長くすることができる。
本発明の加熱コイル部材１１を用いれば、余裕を持って、最適な加熱コイルを設計することができる。
また、銅に０．４５％のアルミニウムを含む銅合金板を材料として加熱コイルを構成し、加熱コイルの外周面から内部酸化を行っているので、外周面の電気伝導率を高くし、内周面の電気伝導率を低くすることが容易にできる。
【００１７】
また、本実施例の高周波焼入れ用加熱コイルの製造方法によれば、
加熱コイルの一面を残して被覆材により被覆する工程、被覆された加熱コイルを高温状態で酸化物内に置いて、表面から酸化させる工程（８００℃４５分、酸化源は酸化銅（I）粉末）、被覆を除去する工程を有するので、加熱コイルの外周面を多く酸化させ、内周面を少ししか酸化させないことが実現できるため、外周面の電気伝導率を高くし、内周面の電気伝導率を低くすることが容易にできる。
また、内部酸化を行う時の、温度及び時間をコントロールすることにより、任意に電気伝導率を変化させることができる。
【００１８】
なお、本発明の高周波焼入れ用加熱コイルの製造方法に関しては、実施例で説明した以外に、色々な応用が可能である。
例えば、実施例では、加熱コイル部材１１の出発材として、銅−０．４５％Ａｌを使用しているが、銅よりも酸素との親和力が高く、かつ硬質の酸化物を形成する元素であれば、基本的に何でも構わない。例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒが挙げられる。元素添加量は、α固溶体を形成による制限を受ける他、内部酸化にて過剰な析出物が粒界に出て電気伝導率を阻害しない範囲として、２％以下、望ましくは、０．１以上１．０以下とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の高周波焼入れ用加熱コイル１２を用いて焼入れを行うときの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の高周波焼入れ用加熱コイル１２の加熱コイル部材１１の製造方法を示す工程図である。
【図３】図１の部分拡大断面図である。
【図４】加熱コイル部材１１の断面における電気伝導率を示すデータ図である。
【図５】本発明の加熱コイル部材１１を用いて高周波焼入れを行った時のデータ図である。
【図６】従来の加熱コイルを用いて焼入れを行うときの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０  被加熱物
１０ａ  （焼入れ対象である）内周面
１１  加熱コイル部材
１１ｅ  高酸化層
１１ｆ  中酸化層
１１ｇ  低酸化層
２２    酸化銅（I）粉末
【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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