JP2011047037A - 誘導加熱コイル、熱処理装置、及び熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理効率を向上することが可能な誘導加熱コイル、熱処理装置及び熱処理方法を提供する。
【解決手段】第１方向の一方側に開口する曲部３４と、前記第１方向の他方側に開口する曲部３５とが、交互に、対向する向きで、前記第１方向に交差する第２方向に沿って連続して配置されるジグザグ形状を成す加熱導体部３１を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、誘導加熱コイル、誘導加熱装置、熱処理装置、及び熱処理方法に係り、例えば処理対象物と誘導加熱コイルを相対的に移動しながら処理するものに関する。

金属部材に高周波焼入れ等の熱処理を行う熱処理装置において、被処理部全域に対向する誘導加熱コイルを用いて処理を行う一発加熱方式の誘導加熱装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような一発加熱方式の熱処理装置では、誘導加熱コイルは、被処理部全域に対応する形状に構成されている。例えば被処理部が円筒形状の場合には円環状の誘導加熱コイルを用いる。

一方、被処理部の一部のみに対向する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに追従する冷却ジャケットとを、被処理部に対して相対的に移動させながら加熱処理及び冷却処理を順次行う移動式の熱処理方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。このような移動式の熱処理方法において、誘導加熱コイルは、被処理部の一部に対応する形状に構成されている。

特開２００２−１７４２５１号公報 特開昭６０−１１６７２４号公報

しかしながら、上記技術には以下のような問題がある。すなわち、上述の一発加熱方式の熱処理装置では、処理対象物及び被処理部の形状及び大きさに対応する誘導加熱コイルを用いるため、処理対象物及び被処理部が大きい場合には、大型の誘導加熱コイルが必要となり、また高出力の電力を要する。また、処理対象物に誘導加熱時の熱膨張などによる変形が生じる場合には、誘導加熱コイルと処理対象物との間の寸法を適正に維持することが困難となる。このため、誘導加熱コイルを予め大きめに設定する必要があるので、加熱効率が悪くなるという問題を生じる。

一方、上述の移動式の熱処理方法において、誘導加熱コイルが被処理部の一部に対応する形状に構成されている場合には、単位時間当たりの処理面積が小さく、処理時間が長くなり、処理効率が悪い。また、加熱処理及び冷却処理を連続的に行いながら移動する場合には、例えば環状の被処理部を対象とする際に、処理の開始部と終端部の境目において必要な硬さが得られないソフトゾーンが発生するという問題がある。

本発明は、大型の処理対象物であっても誘導加熱する際の熱処理効率を向上することが可能な誘導加熱コイル、熱処理装置、及び熱処理方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る誘導加熱コイルは、導体部材で形成され、第１方向の一方側に開口する曲部と、前記第１方向の他方側に開口する曲部とが、交互に、対向する向きで、前記第１方向に交差する第２方向に沿って連続して配置されるジグザグ形状を成す加熱導体部を有することを特徴とする。

本発明の一形態に係る熱処理装置は、前記誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルに接続される高周波電源と、前記被処理部を前記誘導加熱コイルに対して前記第２方向に沿って相対的に移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の一形態に係る熱処理方法は、前記誘導加熱コイルを、前記第２方向に沿って連続する無端のループ状を成す被処理部のうち一部に対向させて誘導加熱により前記被処理部を加熱しながら、前記被処理部を前記誘導加熱コイルに対して前記第２方向に沿って相対的に移動させる、移動加熱工程と、前記被処理部の前記第２方向における全行程に対する加熱処理の後に、前記被処理部を冷却する冷却工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、大型の処理対象物であっても誘導加熱する際の熱処理効率を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱処理装置を示す説明図。 同実施形態に係る熱処理装置を示す平面図。 同実施形態に係る熱処理装置を示す側面図。 同実施形態に係る熱処理装置を示す正面図。 同実施形態に係る加熱コイルの断面構造を示す説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の説明図。

以下、本発明の一実施形態にかかる熱処理装置について、図１乃至図５を参照して説明する。図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

図１は本実施形態に係る熱処理装置の全体構成を概略的に示す説明図である。図２乃至図４は、それぞれ、熱処理装置の平面図、側面図、正面図を示す。

図１に示すように、熱処理装置１０は、処理対象物であるワークＰ１を移動可能に支持する移動支持部１１と、ワークＰ１の被処理部Ａ１に対して相対的に移動しながら被処理部Ａ１を誘導加熱する誘導加熱部１２と、被処理部Ａ１の加熱処理工程の後にワークＰ１を冷却する冷却部１３（冷却手段）と、を備えて構成される。

図２乃至図５に示すように、誘導加熱部１２は、電源供給手段としての高周波電源２１と、高周波電源２１に接続されるリード線２２、２３と、リード線２２，２３に接続される一対の導電板２４，２５を備えるスペーサ２８と、両端が一対の導電板２４，２５にそれぞれ接続された誘導加熱コイル２６と、誘導加熱コイル２６の加熱導体部３１の裏側に配置されるコア２７（図２及び図５のみに図示）と、を備えて構成されている。

図１に示す処理対象物の一例としてのワークＰ１は厚さ２５ｍｍ以上の肉厚部品（厚肉部）であり、例えばここでは、軸心Ｃ１を中心として、外側半径ｒ１＝２５０ｍｍ、内側半径ｒ２＝２００ｍｍ、肉厚寸法ｔ１＝５０ｍｍ、軸方向（第１方向）長さｌ１＝１００ｍｍの円筒状部材を用いる。ワークＰ１の被処理部Ａ１における一部分に対向して、所定のギャップ寸法Ｇ１を確保して、加熱導体部３１が配置される。

本実施形態においては、例えば、ワークＰ１の外周面の軸方向中央部分の円形の帯状の領域を被処理部Ａ１とし、肉厚部であるこの被処理部Ａ１を全周にわたって熱処理する場合を示す。この実施形態においては、ワークＰ１の軸方向であるＺ方向が第１方向となり、軸心Ｃ１を中心としてワークＰ１の外周面に沿う周方向Ｒが第２方向となる。ここでは周方向Ｒの半径寸法はワーク外周面の半径寸法ｒ１に、ギャップ寸法Ｇ１を足した値であって、ｒ１＋Ｇ１となる。

被処理部Ａ１は、ワークＰ１の外周面において周方向に沿って連続する無端のループ状を成す。移動支持部１１によって、ワークＰ１が軸心Ｃ１を中心に回転することにより、被処理部Ａ１と加熱導体部３１とが周方向Ｒに沿って相対移動することとなる。

図２乃至図４に示すように、誘導加熱コイル２６は、ワークＰ１の被処理部Ａ１に対向するジグザグ形状の加熱導体部３１と、加熱導体部３１の一端側３１ａに連続する第１の接続導体部３２と、加熱導体部３１の他端側３１ｂに連続する第２の接続導体部３３と、を連続して一体に備えている。

図４に示すように、加熱導体部３１は、導体部材３１ｗにより形成され、複数のコ字状の屈曲部３４、３５がＺ方向における中央Ｃ２に向かって開口して、交互に対向する向きで、周方向Ｒに沿って複数連続して配置されるジグザグ形状を成す。屈曲部３４は下向きに開口したコ字形状を成し、屈曲部３５は上向きに開口したコ字形状を成す。

加熱導体部３１の第２方向の全寸法Ｒ２は、加熱導体部３１に対向する被処理部Ａ１の第２方向の全周の寸法の１/１０以上１/２以下である。被処理部Ａ１に対する加熱導体部３１の第２方向の寸法の割合であるカバー率は、ここでは１/１０程度となるように設定している。

なお、隣り合う導体部材３１ｗの間隔であるＲ５は導体部材３１ｗの幅であるＲ４の寸法の１倍以上、かつ、２倍以下に設定する。隣り合う導体部材３１ｗの間隔が導体部材３１ｗの幅寸法の１倍以下だと隣同士の電流が逆方向のため磁束を打ち消し合ってしまい、２倍より大きいと離れすぎて加熱効率が悪くなるためである。本実施形態においては、図４中のＲ４＝１５ｍｍ、Ｒ５＝２０ｍｍに寸法設定されている。

第１の接続導体部３２は、加熱導体部３１の一端側３１ａの端部からＹ方向に延びる導体部３２ａと、導体部３２ａの端部から屈曲してＸ方向に沿って導電板２４の幅方向中央側に向かって延びる導体部３２ｂと、導電板２４の中央で屈曲してＹ方向に向かって延びる導体部３２ｃと、さらに屈曲してＺ方向に延びる導体部３２ｄと、を連続して一体に備えて構成されている。第１の接続導体部３２の端部には冷却液用のホースなどの部品を接続するためのカップラ３６が設けられている。

第２の接続導体部３３は、加熱導体部３１の他端側３１ｂの端部からＹ方向に延びる導体部３３ａと、導体部３３ａの端部から屈曲してＸ方向に沿って導電板２５の幅方向中央側に向かって延びる導体部３３ｂと、導電板２５の中央で屈曲してＹ方向に向かって延びる導体部３３ｃと、さらに屈曲してＺ方向に延びる導体部３３ｄと、を連続して一体に備えて構成されている。第２の接続導体部３３の端部には冷却液用のホースなどの部品を接続するためのカップラ３７が設けられている。

第１の接続導体部３２と第２の接続導体部３３とは、スペーサ２８を挟んで厚さ（Ｚ軸）方向に離間して配置されている。スペーサ２８は、それぞれ矩形の平板状を成す一対の導電板２４，２５と、これら一対の導電板２４，２５の間に挟まれる矩形の平板状の絶縁板３８とがＺ方向に重ねて配置されるとともに、これら導電板２４，２５及び絶縁板３８が絶縁ブッシュ３９を介してボルト４１及びナット４２により固定されて構成されている。各導電板２４，２５は、リード線２２，２３を介して高周波電源２１に接続されている。

図５に断面を示すように、誘導加熱コイル２６は銅などの材質から例えば矩形の中空形状に形成されている。この中空部分２６ａは冷却液が流通する通路となる。誘導加熱コイル２６の幅寸法Ｗ１＝１５ｍｍとし、Ｙ方向の厚み寸法Ｔ１＝１０ｍｍとした。

コア２７は、ケイ素鋼板、ポリアイアンコア、フェロトン等の高透磁率を有する材料からなり、加熱導体部３１の裏側に配置されている。コア２７は、厚さＴ２＝５ｍｍ程度を有し、加熱導体部３１の両側部及び後方の壁部を一体に備える断面コ字形状に形成されている。

図１に示す移動支持部１１は、ワークＰ１を、所定位置にセットした状態で、軸心Ｃ１を中心に回転移動させる。このとき、移動支持部１１は、加熱導体部３１とワークＰ１との間のギャップ寸法Ｇ１を所定値に維持するよう制御する。さらに、移動支持部１１は、被処理部Ａ１の全周（全行程）にわたって加熱処理が終了した後、ワークＰ１を軸方向に沿って下方の冷却部１３に移動させる。

加熱コイル２６の下方に設けられた冷却部１３は、加熱処理後に下方に移動したワークＰ１の外側を囲むように筒状に構成され、内側の空間１３ａに配されたワークＰ１を冷却する。

以下、本実施形態にかかる熱処理方法について説明する。本実施形態の熱処理方法は、被処理部Ａ１を加熱しながら相対移動させる移動加熱工程と、移動加熱工程後に被処理部Ａ１を冷却する冷却工程とで構成される。

移動加熱工程において、図１乃至図４に示すように被処理部Ａ１のうち一部に加熱導体部３１を対向させた状態で、高周波電源２１をＯＮ状態とすると、高周波電流が、リード線２２、第１の導電板２４、第１の接続導体部３２、加熱導体部３１、第２の接続導体部３３、第２の導電板２５、及びリード線２３、を順に経て、高周波電源２１に戻る。

このとき、加熱導体部３１において高周波電流は図２乃至図４中に矢印で示すように一端３１ａ側から他端３１ｂ側へ向かって流れ、加熱導体部３１の表面に誘導電流が発生し、対向配置される被処理部Ａ１が加熱される。

このとき、移動支持部１１により、ワークＰ１の被処理部Ａ１の表面と加熱導体部３１の表面との間のギャップ寸法Ｇ１を所定値に維持した状態で、ワークＰ１を回転することにより、被処理部Ａ１に対して加熱導体部３１が第２方向に所定の速度で相対移動する。

例えばここでは、電力を１００〜１５０ｋＷ、ギャップ寸法Ｇ１＝２．５ｍｍを維持しながら、２００〜３００ｍｍ／ｓｅｃの速度で相対移動させる。

以上により、加熱導体部３１に対向配置されるワークＰ１の外周面の帯状の領域である被処理部Ａ１全域が均一に加熱される。

被処理部Ａ１の全周にわたって加熱処理が終了した後、移動支持部１１は、ワークＰ１を、Ｚ方向に沿って下方の冷却部１３に移動させる。冷却部１３は冷却ジャケットに囲まれた冷却領域である空間１３ａに配置されたワークＰ１を冷却液で冷却する。

さらに、誘導加熱コイル２６の内側の中空部分２６ａを通って、第１の接続導体部３２、加熱導体部３１、第２の接続導体部３３、の中空部分２６ａを経由して冷却液が流れることにより、誘導加熱コイル２６及び導電板２４，２５が冷却される。

本実施形態にかかる誘導加熱コイル、熱処理装置及び熱処理方法によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、加熱導体部３１を、複数の曲部を連続して有するジグザグ形状としたことにより、強磁界を確保できるとともに、良好な温度パターンが得られる。このため、少ない電力で、高速かつ均一な熱処理が可能となる。

例えばヘアピン状のコイルを用いた場合はコイル効率が３０％程度であるのに対し、本実施形態のようなジグザグ形状とした場合には７０％程度のコイル効率を確保することが出来る。

さらに、隣り合う導体部材３１ｗの間隔は、加熱導体部３１の導体部材３１ｗの幅寸法の１倍以上２倍以下に設定することで、磁束の打ち消しあいを防止でき、コイルの自己損失を低減することが可能である。

本実施形態にかかるジグザグ形状の加熱導体部３１を用いた場合には、電力１００ｋＷとして被処理部Ａ１の表面の到達温度８５０度にする場合には２００〜３００ｍｍ／ｓｅｃの速度とし、加熱時間＝３００ｓで実現できる。すなわち、ジグザグ形状の加熱導体部３１を有する誘導加熱コイル２６を用いることで、例えば平板状の誘導加熱コイルでは実現できない移動式の部分加熱による大型ワークの熱処理が実現可能となる。

また、部分加熱であっても、被処理部Ａ１がループ状の場合に処理開始端及び終了端においてソフトゾーンのない均一な熱処理が可能となる。

このため、例えば転がり軸受をワークとし、転動体が通過する軌道面を被処理部Ａ１とした場合に、ソフトゾーンのない均一な硬化層を形成できるので、特に良好な特性を得ることができる。

被処理部Ａ１の一部のみに対向させつつ相対移動させながら加熱処理を行うこととしたので、被処理部Ａ１及びワークＰ１が大型となる場合には複数配置することにより加熱導体部３１のサイズを小さく抑えることができ、熱処理装置１０を小型にすることができる。このため、必要な電力を低くするとともに製造コストを低く抑えることが可能となる。

また、被処理部Ａ１の一部のみに対向させつつ相対移動させながら加熱処理を行うこととしたので、円形などの曲部を有する部材をワークとした場合に、誘導加熱時の熱膨張等の要因によりワークが変形しても、容易に、適正なギャップ寸法を維持することができる。例えば円形の被処理部に対応する円環状の誘導加熱コイルを用いて一発加熱方式で熱処理を行う場合には、熱膨張によりワークが変形するため、誘導加熱コイルを予め大きめに設定する必要があるので、加熱効率が悪くなるという問題があるが、本実施形態のようにカバー率が小さい場合には、ワークとの配置を調整するだけで適正なギャップを維持することが出来る。

なお、本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、各構成は適宜変形実施可能である。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、処理条件や、各構成要素の形状、材料、材質、寸法などは上記実施形態で例示したものに限られず、適宜変更可能である。また、ワークの厚さ２５ｍｍ以上の部位を肉厚部品（厚肉部）とする。

例えば、上記実施形態においてはワークＰ１を回転させることにより相対移動をする例を挙げたが、これに限られるものではなく、誘導加熱部１２側を第２方向に沿う所定の軌跡で移動させることにより相対移動させてもよい。屈曲部３４，３５をそれぞれ２つずつ配置したが、これに限られるものではなく、１つあるいは３つ以上であってもよいし、屈曲部３４と屈曲部３５の数が異なっていてもよい。

上記実施形態においては、１つの被処理部Ａ１に対して１つの誘導加熱部１２を一箇所のみに配置した場合を例示したが、これに限られるものではなく、第２方向に沿って複数の誘導加熱部１２を配置してもよい。例えば２つの誘導加熱部１２を設置する場合には、図６に示すように互いに対向するように中心角が１８０度ずれた位置に２つの誘導加熱コイル２６を配置し、３つの場合には中心角を１２０度とする。図１０には４つの誘導加熱コイル２６を中心角を９０度ずつずらして配置した平面図を示す。このように複数の誘導加熱部１２を用いると処理時間を短縮して加熱処理を早く完了することができるので、ワークのサイズが大きい場合に好適である。

上述の実施形態では、加熱導体部３１は平面視において中央が両端よりも突出するように湾曲した構成としたが、これに限られるものではなく、ワークの形状に応じて適宜変更可能である。例えば図７に示すように、円形のワークＰ２の内周面を被処理部Ａ２とする場合には、加熱導体部３１は両端部分が中央側よりも突出するように上記とは逆方向に湾曲した構成とする。また、図８に示すようにワークＰ３の平面を被処理部Ａ３とする場合には、加熱導体部３１は平面視直線状となるように構成する。なお、この場合には直線状のＸ方向が第１方向となる。これらの場合にも上記実施形態と同様の効果が得られる。

上記実施形態では、曲部として、コ字状に矩形に屈曲した屈曲部３４，３５を例示したがこれに限られるものではない。例えば図９に示すように、半円周状に湾曲した形状の湾曲部１３４，１３５を有する構造としてもよい。この場合には、第１方向の中央Ｃ２に集中する温度パターンで加熱される。このため、例えば中央Ｃ２側の加熱温度を上げたい場合に好適となる。

上記実施形態では、厚みが均一な円弧状の面を被処理部Ａ１とした場合を例示したが、これに限られるものではなく、被処理部の表面が傾斜していてもよいし、凹部などの段差部分を有するものであってもよい。

上記実施形態では、ワークの半径が２５０ｍｍ程度でカバー率が１/１０程度である場合について例示したが、これに限られるものではない。例えばカバー率の範囲はワークの径等の条件に応じて適宜変更可能であり、例えば１/１０倍以上１/２倍以下、１/１０〜１/３のカバー率が好ましい。１/１０未満では十分な加熱ができない。１/２を超えると、加熱時のワーク膨張にコイルを追従させるのが難しい。また、設備コストも高くなる。

本発明の他の実施形態として、例えば被処理部Ａ１の寸法を、ワークの外径ｒ１＝φ１０００ｍｍ、高さｌ１＝１１０ｍｍ、と設定した場合には、被処理部Ａ１に対向して２箇所に加熱導体部３１を設置し、２箇所の加熱導体部３１の合計の周方向の寸法を６００ｍｍとし、カバー率を１/５程度とした。この場合には、熱処理条件は、電力１４０ｋＷ、加熱時間＝３１０ｓで、被処理部Ａ１の表面の到達温度を９００度として熱処理が実現できた。

さらに、本発明の他の実施形態として、例えば被処理部Ａ１の寸法を、ワークの外径ｒ１＝φ３０００ｍｍ、高さｌ１＝１３５ｍｍ、とした場合には、被処理部Ａ１に対向して４箇所に加熱導体部３１を設置し、４箇所の加熱導体部３１の合計の周方向の寸法を２４００ｍｍとし、カバー率を１/４程度とした。この場合には、熱処理条件は、電力１８５ｋＷ、加熱時間＝２８０ｓで、被処理部Ａ１の表面の到達温度を９２０度として熱処理が実現できた。

図１０には本発明の他の実施形態として、カバー率を１/３倍とし、第２方向に沿って４つの加熱導体部３１を配置した場合を例示する。ここでは等間隔に配置される４つの加熱導体部３１の合計のカバー率を１/３に設定した。このようにカバー率を設定することで、所望の処理時間及び処理効率を維持しつつ、誘導加熱装置の小型化が可能となる。

また、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を組合せてもよい。

Ｐ１〜Ｐ４…ワーク（処理対象物）、Ａ１〜Ａ４…被処理部、Ｃ１…軸心、Ｒ…周方向（第２方向）、Ｃ２…中央、１０…熱処理装置、
１１…移動支持部（移動手段）、１２…誘導加熱部、１３…冷却部、
２１…高周波電源、２６…誘導加熱コイル、２６ａ…中空部分、２７…コア、
３１…加熱導体部、３４，３５…屈曲部（曲部）、１３４、１３５…湾曲部（曲部）。

Claims (8)

1. 導体部材で形成され、第１方向の一方側に開口する曲部と、前記第１方向の他方側に開口する曲部とが、交互に、対向する向きで、前記第１方向に交差する第２方向に沿って連続して配置されるジグザグ形状を成す加熱導体部を有することを特徴とする誘導加熱コイル。
2. 前記加熱導体部は、隣り合う曲部を形成する導体部材の間隔が、前記曲部を形成する導体部材の幅寸法の１倍以上、かつ、２倍以下であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイル。
3. 前記加熱導体部の前記第２方向の寸法は、前記加熱導体部に対向する被処理部の前記第２方向の寸法の１／１０以上１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイル。
4. 前記各曲部はそれぞれコ字形状に屈曲して構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の誘導加熱コイル。
5. 前記被処理部は厚肉部であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の誘導加熱コイル。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルに接続される高周波電源と、
   前記被処理部を前記誘導加熱コイルに対して前記第２方向に沿って相対的に移動させる移動手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。
7. 前記被処理部は前記第２方向に沿って連続する無端のループ状を成し、
   前記被処理部を前記誘導加熱コイルに対して前記第２方向に沿って相対的に移動させながら前記被処理部の前記第２方向における全行程を加熱した後、前記被処理部の冷却処理を行う冷却部を備えたことを特徴とする請求項６記載の熱処理装置。
8. 請求項１乃至５のいずれかに記載の誘導加熱コイルを、前記第２方向に沿って連続する無端のループ状を成す被処理部のうち一部に対向させて誘導加熱により前記被処理部を加熱しながら、前記被処理部を前記誘導加熱コイルに対して前記第２方向に沿って相対的に移動させる、移動加熱工程と、
   前記被処理部の前記第２方向における全行程に対する加熱処理の後に、前記被処理部を冷却する冷却工程と、を備えたことを特徴とする、熱処理方法。

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