JP5260931B2 - 誘導加熱用コイル及び高周波熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材に熱処理を施して硬度を上げるために用いられる誘導加熱用コイル及び該誘導加熱用コイルを具備した高周波熱処理装置に関する。

特許文献１及び２には、誘導加熱用コイルの一端から他端に向かって棒状の金属部材を通し、所望の加熱速度で加熱し、その後、冷却する熱処理手段が開示されている。
特開２００４−６８１２５号公報 特開２００７−６３６４８号公報

特許文献１及び特許文献２において用いられている誘導加熱用コイルは、いずれも一端から他端まで同径である。これは、処理対象である金属部材に均等な熱処理を施し、金属部材全体ができるだけ均一に微細化された金属組織となるようにするためである。従来の高周波熱処理装置では、特許文献１及び２に開示されたものに限らず、通常、このような誘導加熱用コイルが用いられている。なお、特許文献２は、処理対象の金属部材の形状が変わっても誘導加熱用コイルを取り替えなくて済むように、誘導加熱用コイルの形状変更手段、すなわち、コイル内径を拡縮したり、コイル長を伸縮させたりする手段を備えている。そして、特許文献２の図１１には、予め、コイルの略中央部の内径を細く絞った初期形状の誘導加熱用コイルが開示されているが、これは、誘導加熱用コイルの形状を変更する場合に、具体的には、コイルの内径を縮小する場合に、変更前の初期形状をこのような形状にしておかないと、縮小した時点でコイル内径が均等にならないからである。すなわち、コイル内径を縮小して使用する際に、コイル全長に亘り同じ内径で均等に熱処理を施すことを目指して、このような初期形状に形成したものであり、略中央部における内径を絞った状態のままで熱処理するものではない。

特許文献１及び２に開示された誘導加熱用コイルを用いた場合、上記のように金属部材全体に亘り均一な微細結晶粒組織が得られるが、均一に微細化されるため、硬度は高まるものの、靭性とのバランスの点では課題がある。この種の誘導加熱において、加熱金属の硬度と靭性のバランスをとるためは、できる限り急加熱・急冷にすることが理想であり、そのために、加熱速度、金属部材の移動速度など、加熱、冷却条件の工夫は種々なされている。しかしながら、誘導加熱用コイルの形状との関連でこれを解決しようとする試みはなされていない。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、従来よりも急加熱、急冷の温度履歴を容易に実現でき、加熱対象の金属部材について所望の硬度と靭性を得やすい形状に工夫された誘導加熱用コイル並びに該誘導加熱用コイルを具備した高周波熱処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の本発明では、高周波熱処理装置に用いられ、熱処理対象の金属部材が一端から挿入されて他端へと通過する間に、該金属部材に熱処理を施す誘導加熱用コイルであって、
前記一端と他端との間の中途に、一端及び他端の内径よりも小さな内径の小径部を備え、前記小径部から、前記一端及び他端にそれぞれ向かうに従って、次第に内径が大きくなる形状であることを特徴とする誘導加熱用コイルを提供する。
請求項２記載の本発明では、前記小径部が、前記一端と他端との間の略中央部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱用コイルを提供する。
請求項３記載の本発明では、熱処理対象の金属部材が一端から挿入されて他端へと通過する間に、該金属部材に熱処理を施す誘導加熱用コイルと、この誘導加熱用コイルによって加熱された金属部材を冷却する冷却手段とを備えた高周波熱処理装置であって、
前記誘導加熱用コイルとして、その一端と他端との間の中途に、一端及び他端の内径よりも小さな内径の小径部を備え、前記小形部から、前記一端及び他端にそれぞれ向かうに従って、次第に内径が大きくなる形状のものが用いられていることを特徴とする高周波熱処理装置を提供する。
請求項４記載の本発明では、前記小径部が、前記一端と他端との間の略中央部に形成されていることを特徴とする請求項３記載の高周波熱処理装置を提供する。

本発明では、誘導加熱用コイルの一端と他端との間に小径部を形成した構成である。加熱対象の金属部材は、誘導加熱用コイルの一端からその内径内に入って他端から抜け出る間に加熱されるが、小径部を通過する際に最高温度で加熱される。最高温度での加熱時間が、この小径部を通過するときのみであるため、従来よりも、加熱、冷却の温度履歴が急峻になる。誘導加熱用コイルを通過している間、その磁力は金属部材をせん断変形させる力として作用する。このとき、小径部において最も強い磁力が働き、せん断変形させる力も大きいため、誘導加熱用コイルの中で最も微細化が促進される。一方、小径部以外の部分では、小径部よりも相対的に金属部材への磁力が弱まるため、小径部における場合と比較すると微細化が進行しにくい。この結果、加工対象の金属部材は、小径部を通過している際とそれ以外の部位を通過している際とにおいて、微細化の進行具合いが異なることになり、全体が均等に微細化されるのではなく、微細結晶組織と比較的粗大な結晶組織とが入りくんだ複合組織が生じ、硬度が高まるだけでなく、所定の靭性も兼ね備えた金属部材が得られる。

以下、図面に示した実施形態に基づき本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る誘導加熱用コイル１を示す斜視図であり、図２は側面図、図３は縦断面図、図４は端面図である。

これらの図に示したように、本実施形態の誘導加熱用コイル１は、一端１１と他端１２との間に、他の部位よりも内径の小さな小径部１３を備えている。好ましくは、本実施形態のように、一端１１と他端１２との間の略中央部に、該小径部１３が形成されている。また、小径部１３から、一端１１及び他端１２のそれぞれに向かうに従って次第に内径がテーパ状に大きくなるように形成されていることがより好ましい。

一端１１及び他端１２、並びに小径部１３の内径サイズは限定されるものではなく、処理対象の金属部材２０の直径、処理後の目標硬度、靭性などに応じて種々選択できる。従来、棒状の金属部材を加工する場合、該金属部材の外径よりも若干大きめであって、かつ一端から他端まで同じ内径の誘導加熱用コイルを用いているが、同じ金属部材を加工するとした場合に、小径部１３がこの従来形式の誘導加熱用コイルと同程度の内径になるようにし、他の部位はそれよりも大きな内径となるようにすることが好ましい。

従来形状の誘導加熱用コイルの場合、一端から他端まで全て同じ内径であるため、最高加熱温度に到達するまでの時間が早い一方で、最高加熱温度の持続時間が長いが、本実施形態によれば、上記のような形状を備えているため、小径部１１に相対する位置に至ると最高加熱温度に到達し、小径部１３に相対する位置から外れると温度が低下していく。しかも、従来形状の誘導加熱用コイルの場合には、一端から他端までその磁力が一定であるが、本実施形態の場合には、小径部１３における磁力が最も強く、一端１１及び他端１２における磁力が最も小さい。この結果、金属部材２０が小径部１３に相対する位置では、該金属部材２０に大きなせん断変形させる力が働くと共に、処理温度が最も高くなるため、微細化が促進される。

局部的に高い加熱温度を付与するという点で、本実施形態の小径部１３のみを有する形状、つまり、一端から他端までが同じ内径であって、かつ一端から他端までの長さが本実施形態の小径部１３程度しかない従来形状の誘導加熱用コイルを準備することも考えられる。しかし、この場合、加熱時間が極めて短くなるため、金属部材が所定温度まで加熱されない。これに対し、本実施形態では、金属部材２０は一端１１から内径内に挿入された時点から加熱されることになり、しかも小径部１３に向かうに従って、徐々に径が絞られるため、金属部材２０の温度は、小径部１３に相対する位置で、微細化に必要な所定の温度まで上昇する。一方、小径部１３を通過した後、他端１２に向かうに従って、金属部材２０は温度が低下していくが、小径部１３を通過した後も、該小径部１３よりも大きな内径の部位によって他端１２から抜け出るまでは加熱処理が継続される。従来形状の誘導加熱用コイルの場合には、小径部１３に相当する内径の部分を抜け出た直後から加熱されなくなって温度が低下するが、本実施形態では、小径部１３を通過した後も、加熱されるため、小径部１３の長さが短いにも拘わらず、微細化に必要な所定の温度をある程度維持できる。このことから、小径部１３を挟んだ一端１１方向及び他端１２方向共に、徐々にテーパ状に拡径していくような形状であることが最も好ましい。

また、本実施形態の誘導加熱用コイル１１の横断面形状（図４の端面形状）は、円形に限らず、楕円形、略長方形など、加工処理対象である金属部材２０の横断面形状に合わせて、例えば、平板状であれば、誘導加熱用コイル１１を略長方形にするなど、種々の形状とすることができる。その一方、加工処理対象である金属部材２０と誘導加熱用コイル１１の各横断面形状を異ならせることもできる。例えば、加工処理対象である金属部材２０が、横断面円形の棒状部材であるとして、これを図１〜図４に示したような横断面形状が円形の誘導加熱用コイル１１で処理した場合には、該棒状部材はその円周（外周）方向にはほぼ均等に加熱処理される。これに対し、例えば、横断面形状が楕円形の誘導加熱用コイル１１を作製し、これにより横断面円形の棒状部材を処理した場合には、該棒状部材は、楕円形の誘導加熱用コイル１１の短軸方向に対応する部位において、より高い熱を受けることになる。すなわち、誘導加熱用コイル１１の横断面形状を、加工処理対象の金属部材２０の横断面形状と異ならせることにより、金属部材２０の外周方向に、均一ではなく異なった加熱温度で処理することが可能となり、外周方向の所望の位置についてのみ微細化を促進させることが可能になる。

本実施形態によれば、高周波熱処理装置に設けた上記の誘導加熱用コイル１の一端１１から金属部材２０をその内径内に挿入し、他端１２方向に向かって該金属部材２０を相対移動させる。金属部材２０は、一端１１に挿入された時点から加熱され、該金属部材２０の温度は次第に上昇していく。小径部１３に相対する位置に至ると、金属部材２０の温度は最も高くなる。小径部１３に相対する位置から他端１２方向に向かうと、内径が徐々に大きくなるため、金属部材２０の温度は徐々に低下する。金属部材２０が誘導加熱用コイル１の他端１２から抜け出た後は、高周波熱処理装置に設けられた冷却手段によって急冷される。なお、冷却手段としては、冷却水、冷却空気など各種冷却媒体を吹き付ける手段などが用いられる。

本実施形態は、上記のように、微細化が最も促進される小径部１３と、小径部１３よりも微細化が進行しにくい一端１１及び他端１２を含むその他の部位とで加熱されることにより、金属部材２０の結晶組織は、微細結晶組織とそれよりも大きな結晶組織とが含まれる複合組織となり、所定の硬度が確保されると共に、所定の靭性も確保される。

（試験例）
誘導加熱用コイル１（試験例１）として、コイル線材の太さφ５ｍｍ、コイル長４７０ｍｍ、巻数５回、一端１１及び他端１２の内径２８．５ｍｍ、小径部１３の内径２４ｍｍ、小径部１３の幅（コイル長方向に沿った寸法）５ｍｍからなるものを用いた。

この誘導加熱用コイル１の内径内に、直径φ１２ｍｍの横断面円形の棒状の鋼材を１０ｍｍ／秒で通過させて加熱処理を行った。図５は、鋼材中のある特定のポイントにおける温度履歴を示したものである。また、比較のため、一端から他端まで、試験例１の小径部１３と同じ内径で作成した誘導加熱用コイル（比較例１）にも上記と同じ棒状の鋼材を同じ条件で通過させて加熱処理を行い、鋼材中のある特定ポイントにおける加熱温度を測定した。なお、比較例１の誘導加熱用コイルのその他の条件は試験例１の誘導加熱用コイル１と同じである。

図５に示したように、比較例１の場合には、温度がより早く上昇した後、最高温度を長く保ち、その後、温度が低下しているのに対し、試験例１の場合には、比較例１よりも緩やかに温度上昇し、最高温度に到達した後、比較例１よりも早く温度低下していることがわかる。従って、試験例１の方が、温度履歴は急峻な変化になっている。

試験例１及び比較例１で加熱処理した鋼材を、いずれも、冷却手段によって同条件で冷却し、その表面組織を電子顕微鏡写真をとって調べた。その結果が図６（試験例１）及び図７（比較例１）である。図６及び図７から、試験例１の場合には、微細組織と、微細組織より大きな組織とが入りくんだ複合組織となっているが、比較例１の場合には、ほぼ均一な微細組織になっていた。

また、両者の硬度を求めたところ、図８に示したように、試験例１及び比較例１は共に約３８０Ｈｖ（約１２０５Ｍｐａ）で、ほぼ同じであった。また、靭性試験を、ＪＩＳ１４号Ｃ試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１金属材料引張試験を行ったところ（試験機は、ＪＩＳ Ｂ ７７２１による等級１級以上とする）、試験例１は、伸び１６％であり、比較例１は、伸び１２％であった。以上のことから、試験例１は、比較例１とほぼ同じ硬度を有しながら、比較例１よりも靭性が高かった。

図１は、本発明の一の実施形態に係る誘導加熱用コイルを示す斜視図である。 図２は、図１の側面図である。 図３は、図１の縦断面図である。 図４は、図１の端面図である。 図５は、試験例１及び比較例１で加熱処理した鋼材の温度履歴を示す図である。 図６は、試験例１の結晶組織を示す電子顕微鏡写真を示す図である。 図７は、比較例１の結晶組織を示す電子顕微鏡写真を示す図である。 図８は、試験例１及び比較例１で加熱処理した鋼材の硬度を示す図である。

符号の説明

１ 誘導加熱用コイル
１１ 一端
１２ 他端
１３ 小径部

Claims (4)

1. 高周波熱処理装置に用いられ、熱処理対象の金属部材が一端から挿入されて他端へと通過する間に、該金属部材に熱処理を施す誘導加熱用コイルであって、
   前記一端と他端との間の中途に、一端及び他端の内径よりも小さな内径の小径部を備え、前記小径部から、前記一端及び他端にそれぞれ向かうに従って、次第に内径が大きくなる形状であることを特徴とする誘導加熱用コイル。
2. 前記小径部が、前記一端と他端との間の略中央部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱用コイル。
3. 熱処理対象の金属部材が一端から挿入されて他端へと通過する間に、該金属部材に熱処理を施す誘導加熱用コイルと、この誘導加熱用コイルによって加熱された金属部材を冷却する冷却手段とを備えた高周波熱処理装置であって、
   前記誘導加熱用コイルとして、その一端と他端との間の中途に、一端及び他端の内径よりも小さな内径の小径部を備え、前記小形部から、前記一端及び他端にそれぞれ向かうに従って、次第に内径が大きくなる形状のものが用いられていることを特徴とする高周波熱処理装置。
4. 前記小径部が、前記一端と他端との間の略中央部に形成されていることを特徴とする請求項３記載の高周波熱処理装置。

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