(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材に設けられた底面を有する穴の内周面及び底面を誘導加熱する方法であって、複数のヘアピン状コイルを前記穴内に配置し、該コイルを穴の中心線を軸として180°以内の範囲で一体的に回転させながらコイルへの通電を行うことにより、穴の内周面の各部と底面とを均等に昇温させることを特徴とする穴内表面の加熱方法。
【請求項２】
２体のヘアピン状コイルをそのＵ字面を向き合わせて穴内に配置し、コイルの通電極性を２つのコイルに関して互に逆にするとともに、前記コイルの、相互に極性の異なる平行部分の間に磁気集束用のコア材を配し、かつ、前記回転の角振巾を90°とする請求項１に記載の穴内表面の加熱方法。
【請求項３】
２体のヘアピン状コイルをそのＵ字面を向き合わせて穴内に配置し、コイルの通電極性を２つのコイルに関して同じにするとともに、前記コイルの、相互に極性の異なる平行部分の間に磁気集束用のコア材を配し、かつ、前記回転の角振巾を90°ないしは180°とする請求項１に記載の穴内表面の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型などの金属部材に設けられた水冷穴などの、底面を有する穴の内壁面を、各種の熱処理等を施す目的で誘導加熱する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカスト金型に例をとれば、鋳造作業性あるいは鋳造品質を確保させるために複数の水冷穴が設けられている場合が多く、この水冷穴は、一般的には、直径が10mm前後、深さが100〜数100mm程度の底面を有する穴である。
【０００３】
ダイカスト金型では、型彫面のヒートクラック防止のために、通常、金型全体に焼入れ−焼戻しが施される。しかし、特開平６−３１５７５３号公報に開示されているように、過大な熱応力がかかりやすい水冷穴については、割れを回避するために、穴の内周面及び底面に軟化熱処理を施して靭性を確保することが望ましいが、上記軟化処理によって肝心の型彫面の特性が損われてはならないので、表層部を集中的に急速加熱できる誘導加熱法が好適な加熱手段となる。
【０００４】
また、上記底面を有する穴の内表面に施す熱処理が焼入れである場合にも、加熱後に所期の急冷を行って焼入れ効果を確保するために、あるいは歪を小さくするために、表層部中心の加熱が望ましい場合が多く、よって、誘導加熱法が好適手段となる。
【０００５】
上記軟化熱処理，焼入れあるいは焼戻し、歪除去など各種熱処理のための加熱温度は概ね600〜1200℃の範囲にあり、多くの場合は±50℃の精度が望まれるので、誘導加熱法によって表層部を急熱する場合にも上記精度を指向しなければならない。
【０００６】
さて、底面を有する穴の内表面の表層部の急速加熱は、前記公報に図を以て表示されているように、細長い螺旋状に巻回したコイル（ソレノイドコイル）を穴内に挿入し、これに交流を通電することによって行うことができる。しかし、穴の内周面に比べて底面が加熱されにくい傾向にあるため、内周面の加熱効率を抑え気味とする必要があることから、全体として加熱時間が長くなり、延いては加熱深さも大き目となっていた。即ち、作業能率あるいは熱処理仕様に限界があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような従来技術に鑑み、上記穴内表面の誘導加熱において、加熱の効率を減ずることなく均一に加熱できる方法を提供することを、その課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本要旨は、金属部材に設けられた底面を有する穴の内周面及び底面を誘導加熱する方法であって、複数のヘアピン状コイルを前記穴内に配置し、該コイルを穴の中心線を軸として180°以内の範囲で一体的に回転させながらコイルへの通電を行うことにより、穴の内周面の各部と底面とを均等に昇温させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明において、ヘアピン状のコイルを用いたのは、前記穴の底面に内周面と同オーダーの渦電流を生じさせるためである。また、コイルの数を複数にしたのは、特に穴の内周面に関して、円周方向の多方位に渦電流を生じさせて加熱を均等化させるためであって、数が多いほどより均等化される。しかし、寸法上の制約あるいは電磁的な取合の問題により、コイルの設計・製作が複雑になるので、穴の径が特に大きくなければ、コイルは通常２つでよい。
【００１０】
一方、コイルの数を多くしても、上記渦電流発生方位、即ち、コイルの電線に近くて磁力線が及ぶ方位以外の方位が伝熱によって昇温する迄には大なり小なり時間を要し、この間に生じる深部への伝熱によって、表層部中心の加熱を行うという指向から外れてくる。よって、本発明においては、前記コイルを穴内で回転させながら誘導加熱を行って、加熱条件を円周方向に平均化するものである。本発明においては、２体以上のヘアピン状コイルを用いるので、上記渦電流は円周方向の少なくとも４方位に生じる。よって、上記回転の角振巾は、90°又はその倍の180°以下でよいことになる。なお、上記回転を通電時間中に一方向に一回だけ行うか、あるいは往復的に行うかといった動作モードは、状況に応じて適宜に選定すればよい。
【００１１】
本発明は、上述のように加熱の均一化を指向するものであるから、前記複数のコイルには、当然ながら均等な電流を供給することが望ましい。即ち、コイルへの通電は、電流の均一化の点で、通常は、複数のコイルを直列接続して行うのがよい。
【００１２】
次に、複数配置するコイルに対する通電極性に関しては、特に制約はないが、極性の設定によって前記渦電流発生方位の現れ方が多少変ってくるので、それに応じて前記回転の角振巾を設定すればよい。たとえば、２体のコイルを、そのＵ字面を向き合わせて前記穴内に配置した場合については、図３に示すように、２つのコイルへの通電を互に逆の極性で行うと、渦電流が生じて加熱される部位９が４方対称的になるので、90°の角振巾の回転を行えばよく、また、図４に示すように、２つのコイルへの通電を同じ極性にて行った場合には、加熱される部位が左右対称になるので、90°〜180°の角振巾での回転を行えばよい。
【００１３】
上記コイルの回転は、交流電源から、必要に応じてトランス等の整合器を経由してコイルに至る通電経路中の適宜部分の配線を可撓性材料によって行うことにより、金型等の部材の方を回転させずに実施できるが、上記手段を限定するものではない。
【００１４】
上述のようにして穴内表面の円周方向の昇温を均等化できるので、あとは、穴の内周面と底面の昇温が均等化されるように、ヘアピン状コイルの先端部と穴の底面との間隔を調整すればよい。これにより、穴内表面の各部及び底面を均等に昇温させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明方法の実施の形態を図に拠り説明する。図１は、本発明方法を実施する態様を概念的に示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３及び図４は２体のヘアピン状コイルを用いて実施する例のコイルの配置と極性設定を示す平面図、図５及び図６は夫々図３及び図４の構成と対応したコイルの接続態様を示す図、図７及び図８は本発明の別例のコイルの配置と極性設定を示す図、図９は本発明方法により加熱した穴内面の表面硬度と軟化深さを測定した部位を示す図である。
【００１６】
図において、１は金属部材、２は該部材に設けられた穴、３は穴の内周面、４は底面であり、又、５及び、５′はヘアピン状コイル、６，７あるいは６′，７′はコイルの平行部分である。
【００１７】
而して、穴の直径が10mm前後の場合、コイル５，５′は外径３mm程度の銅パイプを曲げ加工して作るとよい。２つのコイルを直列接続して、これに通電を行うようにすれば、両コイルに均等な電流を流すことができる。この際、接続の仕方は、Ｕ字面が向き合うように並べた２つのコイルの極性を互に逆にする図５の接続と、２つのコイルの極性を同じにする図６の接続の２通りにできるが、いずれの場合も、接続部の渡り８は、図に示したように、コイルとひと続きにするのがよい。これにより２つのコイルは一体化され、取扱いが容易になる。
【００１８】
また、ヘアピン状コイルを３体あるいは４体用いる場合の配置と極性設定の例を図７及び図８に示す。このような構成は、直径の大きい穴２に対して有用となるものである。図７，図８において51，51′はヘアピン状コイルである。
【００１９】
コイルの数がいくつの場合でも、コイル内で、あるいはコイル間で、コイルの平行部分６，７、６′，７′が相異なる極性（図５，６における矢印の方向が異なる）で接近する状況が生じる。このような状況においては、電路により生じる磁力線が相互に打消されないよう、常法に従って、極性の異なる平行部分の間に磁気集束用のコア材（図示せず）を配して所期の誘導加熱効果が得られるようにする。また、裸のコイルが穴内表面に接して短絡が起らないよう、上記コイルとコアからなる系の外周をガラスクロスで覆装するなどの手段によって絶縁を施すものとする。
【００２０】
本発明における誘導加熱のための通電の周波数は、系の寸法や取合関係によっても異なるが、本発明のように表層部中心の急速加熱を指向する場合には、加熱深さと効率の兼ね合いから、10〜100KHzが好適である。但し、限定はされない。この範囲の周波数によって直径10mm×深さ100mm前後の穴内の加熱を行う場合で、10〜20KW程度の電力により、所期の急速加熱を行うことができる。
【００２１】
上記加熱とともに行うコイルの回転は、次のようにする。たとえば、一定の通電を３秒程度行って、昇温と短時間の温度保持を履歴させればよいという仕様の加熱を、図３のコイル構成によりコイルを回転させながら実施する場合には、10°／秒の角速度で回転させながら通電する操作を９〜10秒間続ければよい。９秒がよいか10秒がよいかといった点は、実験的に選定すればよい。
【００２２】
次に、焼入れのように、加熱処理対象部位を同時に所定の温度範囲に到達させたい場合、あるいは、温度保持を分のオーダで行いたい場合などには、図３のコイル構成により、コイルを約90°の角振巾範囲に往復回転させながら、あるいは、図４のコイル構成により、90°ないしは180°の角振巾範囲に往復回転させながら加熱を行って、全体を所定温度範囲に急速昇温させればよい。上記往復の回数は加熱時間と加熱の均等化との兼合いで適宜選定すればよいが、２〜５回が実用的である。
【００２３】
【実施例】
100×100×200(mm)の冷間ダイス鋼（SKD 61）ブロックの100×100(mm)の面に直径10mm，深さ100mmの穴を設けたものを、1010℃×70分で全体焼入れした後、560℃で全体焼戻したものを試験体として用意した。このものの表面硬度はおおむねHV560〜590の範囲にあった。
【００２４】
次に、外径３mmの銅パイプにて製作した図３（図５）の構成のコイルを穴内に配置し、0.25°／秒の角速度で回転させながら、60KHzの高周波交流を通電する操作を15KWで360秒間行って穴内表面を約700℃となるよう誘導加熱し、この後、自然冷却させて穴内表面の軟化熱処理を終えた。
【００２５】
図９に示した各部位の表面硬度と、応力腐食割れ回避に有効と目された硬度HV370以下に軟化した軟化深さを表１に示す。上記軟化深さは、試験体の材質から見て、穴内表面からその深さ迄が670〜720℃の範囲に加熱されたことの証左となるものであり、表１の結果から、穴内の全域に亘って、上記温度範囲への加熱を0.5〜１mmの深さ迄、集中的に実施できたことが判る。ここで、ブロック表面の硬度は穴の間口付近を除いて有意に変化していなかった。
【００２６】
【表１】
0003779611.tif 000002
【００２７】
なお、比較例１は、上記本発明と同様の加熱を、コイルを回転させずに行った事例であり、比較例２では、ソレノイドコイルを用いて、穴内周面の加熱効率を抑えることなく、即ち、穴の内周面と底面の加熱バランスをとらずに、加熱を行った事例である。本発明、比較例共、常法に従ってコア材を使用した。
【００２８】
上記実施例から明らかなように、本発明によれば、底面を含めた穴内表面各部の均等な加熱を短時間で、延いては好ましい急熱条件と作業能率を以って行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、底面を有する穴の内表面を誘導加熱するに際して、ヘアピン状コイルを穴内に複数個配して、これを適宜に回転させながら誘導加熱する構成により、底面を含めた穴内表面各部を均等に急速加熱する操作を高能率で実施できる。
【００３０】
鋼管の内面からの誘導加熱を、鋼管を回転させながら行って、加熱条件を円周方向に均等化させることは、従来、屡々行われていたが、この方法を、本発明のように、ダイス等の部材に設けた穴の内周面の加熱に適用することは、部材の把持手段，回転のスペース・パワー・芯出し精度などの諸点から実質上不可能であり、一方、上記方法とは逆に、コイルの方を回転させながら加熱する方法は、誘導加熱に必要な大電流をスリップリングを介して流さなければならないので、これまた、実質的に不可能である。
【００３１】
本発明は、コイルを180°迄の範囲で回転するという、コイルへの通電経路の可撓性の範囲で、穴内表面の均等加熱を実現できるので、穴内表面に各種熱処理を施すという多くの要請に対応でき、従って、産業界に資するところ大なるものがある。なお、上述の実施の形態並びに実施例は、熱処理のための加熱についてのものであるが、本発明加熱方法は、そのような熱処理以外に例えば合成樹脂の焼付けのための加熱など、他の目的の加熱に適用できること勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法を実施する態様を概念的に例を示す平面図。
【図２】  図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】  本発明方法の一実施例の平面図。
【図４】  別例の平面図。
【図５】  コイルの接続態様を示す図。
【図６】  コイルの接続態様を示す図。
【図７】  本発明の他の別例のコイルの配置と極性設定を示す図。
【図８】  本発明の他の別例のコイルの配置と極性設定を示す図。
【図９】  本発明方法により加熱した穴内面の表面硬度と軟化深さを測定した部位を示す図。
【符号の説明】
１        金属部材
２        穴
３        穴の内周面
４        穴の底面
５，５′，51，51′  ヘアピン状のコイル
６，７、６′，７′  コイルの平行部分
【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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