JP2020076148A - ワークの表面硬化処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸形状ワークの表面に対し、焼戻し層が生じることを防止した上で、十分な硬化層深さが得られる表面硬化処理方法を提供する。【解決手段】表面硬化処理方法は、回転する軸形状ワークの被硬化処理領域にレーザ光を照射して加熱した後自己冷却させる方法である。ワークの回転速度Ｓを第１回転速度S1に設定して被硬化処理領域にレーザ光を照射する第１工程と、前記回転速度を第２回転速度S2に加速しながら、被硬化処理領域にレーザ光を重ねて照射する第２工程とを含む。第１回転速度S1はレーザ光が照射されて加熱された被照射領域が、ワークが１回転した際に自己冷却により焼戻し温度以下となるような低速である。第２回転速度S2は、レーザ光が照射されて加熱された被照射領域が、ワークが１回転以上した際に自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速である。【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザや電子ビームなどのエネルギービームを利用した金属製ワークの表面硬化処理方法に関し、さらに詳しくは、少なくとも一部に軸状部を有し、かつ当該軸状部に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域を有する金属製ワークの表面硬化処理方法に関する。

以下の説明において、少なくとも一部に軸状部を有するワークを軸形状ワークと称するものとする。

また、全図面を通じて同一物および同一部分には同一符号を付す。

例えば、自動車部品のカムシャフトや、工作機械のボールネジ、主軸といった鋼材製の軸形状ワークの場合、機械的強度および耐摩耗性などが要求される軸状部分に対して、周面の全周にわたって表面硬化処理を施すことが一般に行われている。

ところで、鋼材製ワークに対する表面硬化処理方法の一つとして、レーザ、電子ビーム等のエネルギービームによる焼入れが挙げられる。エネルギービームによる焼入れは、鋼材等のワーク表面の硬化処理すべき被硬化処理領域にエネルギービームを短時間照射することにより、照射箇所を変態点以上の温度まで加熱してオーステナイト化させた後、自己冷却、すなわちワーク内部への熱拡散により急冷させることにより、ワークの表層部を焼入れ組織（マルテンサイト組織）にするものである。

エネルギービームによる表面硬化処理は、一般に、冷却装置や冷却材が不要であり、複雑な形状の部品への適用や、小物部品、深溝、穴側面、穴底面への処理が可能であるといった点で有利である。また、部品全体を高温に加熱する浸炭処理等では熱変形が生じ、硬化処理後に機械加工が必要となるが、エネルギービームによる焼入れはワーク表面の一部を局所的に処理することができるため、変形が少なく、処理後の機械加工を極力少なくすることができる。一方、上述したエネルギービームによる表面硬化処理の場合、十分な硬化層深さを確保することができないという問題があった。

図８に、少なくとも一部に軸状部(1a)を有し、かつ当該軸状部(1a)に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する鋼材製軸形状ワーク(1)に、エネルギービームとしてレーザ光(4)を使用して表面硬化処理を施す方法の一例を示す。当該表面硬化処理方法は、軸形状ワーク(1)の上方に、エネルギービーム照射源としてのレーザ発振器(3)を配置し、たとえば軸形状ワーク(1)を軸状部(1a)の中心線(X)の周りに回転させてワーク(1)とレーザ発振器(3)とを相対的に移動させることによって、レーザ発振器(3)を、軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)の周方向に相対移動させながら、被硬化処理領域(2)にレーザ発振器(3)からレーザ光(4)（エネルギービーム）を照射することにより被硬化処理領域(2)の被照射領域(5)を変態点以上の温度まで加熱してオーステナイト化させた後、自己冷却により急冷させ、被硬化処理領域(2)を焼入れして硬化層を形成するものである。

図８に示す方法において、硬化層の深さを十分確保するためには、ワーク(1)の回転速度を低速に設定し、軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)に対するレーザ発振器(3)の相対移動速度を低くして軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)にレーザ光(4)を照射することにより、深さ方向に多くの入熱を与えて焼入れを行う必要がある。

硬化層の深さを十分に確保しうる表面硬化処理方法の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１記載の方法は、ワーク(1)を比較的高速で回転させながらレーザ光(4)を照射して予熱した後に、ワーク(1)を比較的低速で回転させながら軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)全体を均一に変態点以上に加熱し、ついで自己冷却により急冷させる方法である。

しかしながら、この場合、表面硬化処理が施されたワーク(1)の軸状部(1a)の断面の組織分布においては、図９に示すように、深い硬化層(6)が得られるものの、照射終端箇所(8)の近傍に焼戻し層(7)が発生している。この焼戻し層(7)は、ワーク(1)におけるレーザ光(4)の照射終端箇所(8)の近傍において、すでに冷却されて硬化層(6)が形成されている箇所が、焼戻し温度に再加熱されることに起因して発生する。焼戻し層(7)は周囲の硬化層(6)に対し硬度が低くなるために問題となる。例えば、機械部品の組み込みおよび動作時において、焼戻し層(7)上で部品同士が接触した場合、摩耗、変形、傷などの損傷が発生する。これらの損傷は部品寸法や精度を狂わせ、最悪の場合、機械部品としての機能を損なってしまう。このような理由から、焼戻し層(7)の発生の防止もしくは抑制は表面硬化処理において重要である。

上述した焼戻し層(7)の発生を防止しうる軸形状ワークの表面硬化処理方法として、特許文献２および３記載の方法が知られている。

特許文献２記載の方法は、図８に示す方法において、ワーク(1)を比較的高速で複数回回転させながらレーザ光(4)を照射することによって、軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)全体を均一に変態点温度以上に加熱した後、自己冷却により急冷させる方法である。

特許文献３記載の方法は、図８に示す方法において、ワーク(1)を比較的高速で複数回回転させながらレーザ光(4)を照射することによって、加熱される軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)の周方向の各部位のうち、最も高温となる部位の温度がオーステナイト化温度を上回り、かつ最も低温となる部位の温度がオーステナイト化温度を下回るとともにマルテンサイト変態開始温度を上回るように加熱した後、自己冷却により急冷させる方法である。

特許文献２および３記載の方法によれば、ワーク(1)の軸状部(1a)における被硬化処理領域(2)の表面が自己冷却される前に再加熱することができ、レーザ光(4)の照射終端箇所(8)の近傍が焼戻し温度となるのを防止して焼戻し層の発生を防止することができる。そして、図１０に示すように、レーザ光(4)の照射終端箇所(8)の近傍に焼戻し層の存在しない均一な硬化層(6)を得ることができる。

特開平１―１１６０２５号公報 特開昭５７―１７１６１８号公報 特許第５７５６７４５号公報

特許文献２および３記載の方法は、図１０に示すような焼戻し層の存在しない均一な硬化層(6)を得るには有用であるが、ワーク(1)を高速回転させることの影響として、深さ方向への入熱量が減少し、十分な硬化層(6)の深さを確保することが困難となる。

特許文献２および３記載の方法において、ワーク(1)を高速回転させた状態で、被硬化処理領域(2)においてより深い硬化層(6)を得るためには、通常、レーザ発振器(3)の出力を上げる必要があるが、高出力のレーザ発振器(3)は高価で、設備コストの大幅な増加につながる。そのため、少ないレーザ出力で、硬化層(6)の深さを確保しつつ、焼戻しによる軟化層を発生させない処理方法が強く求められている。

この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、レーザ等のエネルギービームの照射による軸形状ワークの表面硬化処理方法として、前記照射終端箇所の近傍に焼戻し層が生じることを防止した上で、十分な深さの硬化層が得られる方法を提供することを目的としている。

この発明は上記目的を達成するために、以下の態様からなる。

1)少なくとも一部に軸状部を有し、かつ当該軸状部に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域を有する金属製ワークと、エネルギービーム照射源とを相対的に移動させることにより、前記エネルギービーム照射源を、前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に相対移動させながら、前記被硬化処理領域に前記エネルギービーム照射源からエネルギービームを照射して前記被硬化処理領域を加熱し、その後自己冷却させることにより、前記被硬化処理領域に硬化層を形成するワークの表面硬化処理方法であって、
前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対移動速度を第１速度に設定し、前記被硬化処理領域にエネルギービームを照射して前記ワークの前記被硬化処理領域を加熱する第１工程と、前記第１工程に続いて、前記相対移動速度を、前記第１速度よりも速い第２速度に加速して、前記被硬化処理領域にエネルギービームを重ねて照射し、ワークを加熱する第２工程とを含み、
前記第１速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に１周以上相対移動した際に、自己冷却により焼き戻し温度以下となるような低速とし、
前記第２速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に１周以上相対移動した際に、自己冷却されても焼き戻し温度を超える温度に維持されるような高速、または前記被照射領域における焼戻し温度以下となる領域が低減されるような高速とすることを特徴とするワークの表面硬化処理方法。

2)前記第１速度から前記第２速度への加速にあたり、一定の加速度で加速させることを特徴とする上記1)に記載のワークの表面硬化処理方法。

3)前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度に比例して、前記第１速度から前記第２速度へ加速させることを特徴とする上記2)に記載のワークの表面硬化処理方法。

4)前記第１速度から前記第２速度への加速にあたり、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から前記第２速度に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることを特徴とする上記1)に記載のワークの表面硬化処理方法。

5)前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度を独立変数とする下に凸な関数にしたがって、前記第１速度から前記第２速度へ加速させることを特徴とする上記4)に記載のワークの表面硬化処理方法。

6)前記下に凸な関数は、加速開始点を最小値とした下に凸な関数である上記5)に記載のワークの表面硬化処理方法。

7)前記下に凸な関数が、Ｎ次関数、三角関数、指数関数およびシグモナイド関数からなる群から選ばれた１つの関数、または前記群から選ばれた２以上の関数を組み合わせた関数である上記5)または6)に記載のワークの表面硬化処理方法。

上記1)〜7)の方法によれば、前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対移動速度を第１速度に設定し、前記被硬化処理領域にエネルギービームを照射して前記ワークの前記被硬化処理領域を加熱する第１工程と、前記第１工程に続いて、前記相対移動速度を、前記第１速度よりも速い第２速度に加速して、前記被硬化処理領域にエネルギービームを重ねて照射し、ワークを加熱する第２工程とを含み、前記第１工程の前記第１速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に１周以上相対移動した際に、自己冷却により焼戻し温度以下となるような低速に設定しているので、照射箇所の深さ方向への入熱量を大きくし、深い硬化層を得ることができる。

また、前記第２工程において、前記相対的移動速度を、前記第１速度から前記第２速度に加速するにあたり、前記第２速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に１周以上相対移動した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速、または前記被照射領域における焼戻し温度以下となる領域が低減されるような高速に設定しているので、前記エネルギービームの照射終端箇所の近傍への焼戻しによる焼戻し層の形成を防止または抑制することができる。また、回転速度を漸増させる過程において、深さ方向への入熱量を確保しながら、上述の焼戻しによる軟化層の形成が回避できるため、深い硬化層を得ることができる。

したがって、深さを確保しつつ、エネルギービーム照射終端箇所の近傍への焼戻しの影響の少ない周方向に比較的均一な硬度の硬化層が形成可能となる。また、これにより、硬化層の深さを確保しつつエネルギービームの出力を抑制することができるため、表面硬化処理にかかる設備コストを抑制することが可能となる。

上記4)〜7)の方法によれば、前記第２工程において、前記相対的移動速度を、前記第１速度から前記第２速度に加速する過程において、深さ方向の焼戻しを低減することが可能になり、前記第１工程で形成された硬化層の深さを一定に維持することができる。したがって、前記第１速度で周方向に１周させた場合に比べて、前記エネルギービームの照射終端箇所の近傍に、軟化層による影響が少ない上に、周方向に比較的均一な深い硬化層を得ることができる。

軸形状ワークなどの焼入れが必要なワークにおいて、硬化層に対して要求される項目としては表面硬さと硬化層深さが挙げられる。部品組立て時や機械動作時の部品同士の接触によって発生するキズおよび摩耗を抑制するために表面硬さが必要であり、接触面経由での負荷荷重による内部変形を防ぐために一定の硬化層深さが要求される。表面硬さは上記機能を果たすために全面に対して均一になることが望まれる。また、接触面に働く負荷荷重を算出することは通常困難であり、ワーク毎に再設定、再条件出しをすることは効率的ではないため、硬化層深さは本来必要な値よりも大きく設定されることが多い。したがって、周方向に比較的均一な深い硬化層を得ることができることは、ワークにとって要求される項目を満たすことになる。

本発明によるワークの表面硬化処理方法を実施する装置の構成を示すブロック図である。 本発明によるワークの表面硬化処理方法の実施形態を示すフローチャートである。 本発明の方法により表面硬化処理が施されるワークの被処理箇所の断面変化を工程順に示す模式図である。 図２のフローチャートのステップＮ５において第１回転速度から第２回転速度へ回転速度を加速させる際の経過時間とワークの回転速度との関係の一例を示すグラフである。 図２のフローチャートのステップＮ５において第１回転速度から第２回転速度へ回転速度の加速させる際の経過時間とワークの回転速度との関係の変形例を示すグラフである。 図５に示すグラフに基づいてワークの回転速度を加速することを含む図２の方法により表面硬化処理が施されるワークの被処理箇所の断面変化を工程順に示す模式図である。 本発明の方法による実施例１および２の結果と従来法による比較例の結果とを示すグラフである。 エネルギービームとしてレーザ光を利用して軸形状ワークに表面硬化処理を施す表面硬化処理方法の一例を示す正面図である。 特許文献１記載の方法により表面硬化処理が施されたワークの被処理箇所の断面を示す模式図である。 特許文献２および３記載の方法により表面硬化処理が施されたワークの被処理箇所の断面を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。この実施形態は、エネルギービームとしてレーザ光を利用したものである。しかしながら、利用されるエネルギービームはレーザ光に限定されるものではなく、電子ビームなどに適宜変更可能である。

ワーク(1)の構成およびワーク(1)とレーザ発振器(3)の配置は、図８に示す装置と同様である。なお、本発明の実施形態においては、ワーク(1)を軸状部(1a)の中心線(X)の周りに回転させる回転駆動源(11)およびレーザ発振器(3)は、制御装置(10)に接続されている。使用するレーザ発振器(3)は、エネルギー分布がワーク(1)の軸方向に対して矩形形状のものを用いることが好ましい（図８の網掛けが付された被照射領域(5)を参照）。

制御装置(10)には、ワーク(1)の軸状部(1a)が中心線(X)の周りに回転を開始してからの時間を計測するタイマー(12)、およびワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)の周りの回転速度を検出するセンサ(13)が接続されている。また、制御装置(10)には、比較的低速の第１回転速度S1(rev/min)と、第１回転速度S1(rev/min)によりワーク(1)が１回転する時間T1（sec）と、第１回転速度S1(rev/min)よりも高速の第２回転速度S2(rev/min)と、ワーク(1)の回転開始およびレーザ光(4)の照射開始から第２回転速度S2に達するまでの時間T2(sec)とが設定されている。

第１回転速度S1(rev/min)は、ワーク(1)の材質や、表面硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する軸状部(1a)の外径、得るべき硬化層(6)の深さ、レーザ発振器(3)の出力、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射される照射範囲の大きさなどに応じて、被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された１箇所の被照射領域(5)（図３(a)参照）が、ワーク(1)の軸状部(1a)が１回転以上した際に、ここでは１回転した際に自己冷却により焼戻し温度以下となるような速度である。

第２回転速度S2は、ワーク(1)の材質や、表面硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する軸状部(1a)の外径、得るべき硬化層(6)の深さ、レーザ発振器(3)の出力、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射される照射範囲の大きさなどに応じて、被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された１箇所の被照射領域(5)（図３(c)参照）が、ワーク(1)の軸状部(1a)が１回転以上した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような速度、または被照射領域(5)における焼戻し温度以下となる領域が大幅に低減されるような速度である。前記両回転速度S1、S2および両時間T1、T2は、ワーク(1)の材質や、硬化処理すべき被硬化処理領域(2)を有する軸状部(1a)の外径、得るべき硬化層(6)の深さ、レーザ発振器(3)の出力、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射される照射範囲の大きさなどに基づいて、制御装置(10)において算出されたり、あるいは実験的に求められて制御装置(10)に入力されている。

本発明による表面硬化処理方法は、まず、ワーク(1)の軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)に対するレーザ発振器(3)の相対移動速度、すなわちワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)周りの回転速度を第１回転速度S1に設定した状態で、被硬化処理領域(2)にレーザ光(4)を照射して被硬化処理領域(2)の深さ方向への入熱量を大きくし、その後自己冷却させることにより深い硬化層(6)を得る第１工程と、第１工程に続いて、ワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)周りの回転速度を、所定の関数にしたがって第２回転速度S2まで加速して、被硬化処理領域(2)にレーザ発振器(3)からレーザ光(4)を重ねて照射することにより、ワーク(1)が自己冷却される前に再加熱し、もしくは焼戻し温度となる領域を大幅に低減した状態にし、その後自己冷却させる第２工程とを含む。

したがって、レーザ光(4)の照射を停止したときの照射終端箇所の近傍が焼戻し温度に再加熱されることを避けること、もしくは焼戻し温度となる領域を大幅に低減することができる。また、回転速度を漸増させる過程においては、深さ方向への入熱量を確保しながら上記処理を行うため、径方向に対して焼戻しのない有効な硬化層(6)を深く得ることができる。その結果、レーザ光(4)の照射時のワーク(1)の軸状部(1a)の中心線(X)周りの回転速度を、はじめは低速とし、その後加速させていくことで、焼戻しを回避、もしくは大幅に抑制しつつ、深い硬化層(6)を得ることが可能となる。

次に、フローチャートを示す図２、表面硬化処理を施したワークの断面組織の変化を示す図３、および表面硬化処理の経過時間とワークの回転速度との関係を示す図４を参照して、全体に直径Ｄｍｍの円柱状であるワーク(1)に、本発明の方法により表面硬化処理を施す具体例について説明する。

制御装置(10)は、回転駆動源(11)を介して、中心線(X)周りの回転速度(S)が第１回転速度S1となるように、ワーク(1)の軸状部(1a)の回転を開始させ(ステップＮ１)、ワーク(1)を中心線(X)周りに第１回転速度S1で回転させた状態で、レーザ発振器(3)からレーザ光(4)をワーク(1)の軸状部(1a)における被硬化処理領域(2)の外周に対し照射する（ステップＮ２）。

レーザ発振器(3)からのレーザ光(4)の照射が開始されると、制御装置(10)は、タイマー(12)を用いてレーザ光(4)の照射開始からの経過時間Ｔの取得を開始し（ステップＮ３）、レーザ光(4)の照射開始からの経過時間Ｔが、ワーク(1)が１回転する時間T1を経過したか否かを調べる（ステップＮ４）。ステップＮ４で、経過時間Ｔがワーク(1)が１回転する時間T1を経過していないと、ステップＮ４を繰り返す。

ステップＮ４において、第１回転速度S1(rev/min)は、ワーク(1)の被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された被照射領域(5)が、ワーク(1)の軸状部(1a)が１回転した際に自己冷却により焼戻し温度以下となるような比較的低速度であるから、第１回転速度S1で回転するワーク(1)の軸状部(1a)の被硬化処理領域(2)へのレーザ光(4)の照射による加熱と自己冷却による急冷により、ワーク(1)の被硬化処理領域(2)の外周部に深い焼入れ硬化層(6)が形成される（図３(a)参照）。このとき、より深い硬化層(6)を得るために、被照射領域(5)の表面温度は、オーステナイト化温度を超え、溶融点以上となるような加熱状態としている。

ステップＮ４で、経過時間Ｔがワーク(1)が１回転する時間T1を経過していると、制御装置(10)は、レーザ光(4)の照射開始からの時間が時間T2となるまでの間、所定の関数にしたがってワーク(1)の回転速度を第２回転速度S2まで加速させながら、被硬化処理領域(2)に重ねてレーザ光(4)を照射する（ステップＮ５）。

この実施形態の表面硬化処理方法におけるステップＮ５での回転速度Ｓの加速は、例えば
Ｓ＝（S2−S1）×（Ｔ−T1）／（T2−T1）＋S1
という式(イ)にしたがい、経過時間Ｔに比例するように、第１回転速度S1から第２回転速度S2へ加速させることにより行われる。このときの経過時間Ｔとワーク(1)の回転速度Ｓとの関係は図４に示す通りである。

なお、ステップＮ５において、ワーク(1)の回転速度を、ワーク(1)の回転角度に比例して、第１回転速度S1から第２回転速度S2へ加速させてもよい。

ついで、制御装置(10)は、レーザ光(4)の照射開始からの経過時間Ｔが、予め設定されていたレーザ光(4)の照射時間T2を経過したか否かを調べる（ステップＮ６）。ステップＮ６で、経過時間Ｔがレーザ光(4)照射時間T2を経過していないと、ステップＮ５に戻る。

ステップＮ６で、経過時間Ｔが予め設定されていたレーザ光(4)の照射時間T2を経過していると、制御装置(10)はレーザ光(4)の照射を停止し(ステップＮ７)、ワーク(1)の回転を停止する(ステップＮ８)。こうして、ワーク(1)の表面硬化処理が終了する。

ステップＮ５において、回転速度Ｓが、第１回転速度S1から第２回転速度S2まで加速されている間には、重ねてレーザ光(4)が照射された箇所の近傍において焼戻し温度以上に再加熱され、被照射領域(5)の近傍から硬化層(6)の内周部にかけて焼戻し層(7)が発生する（図３(b)参照）。しかしながら、第２回転速度S2は、ワーク(1)の被硬化処理領域(2)におけるレーザ発振器(3)からレーザ光(4)が照射されて加熱された被照射領域(5)が、ワーク(1)の軸状部(1a)が１回転以上した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速度、もしくは焼戻し温度となる領域が大幅に低減されるような高速度であるから、経過時間Ｔが時間T2に達するまでは、ワーク(1)の被照射領域(5)が自己冷却されるよりも早く再加熱されて被硬化処理領域(2)の全周の表面温度を焼戻し温度より高く維持すること、もしくは表面近傍における焼戻し温度となる領域を大幅に低減することが可能になり、ステップＮ７においてレーザ光(4)の照射を停止すると、ワーク(1)の自己冷却により表面が急冷され、図３(c)に示すように、最終的にはワーク(1)の被硬化処理領域(2)の表面に焼戻しによる軟化層が形成されていない、もしくは軟化層の領域が大幅に低減された硬化層(6)が得られる。焼戻し層(7)は硬化層(6)の内周部にのみ存在する。

ステップＮ５におけるワーク(1)の回転速度Ｓを変更する処理（ステップＮ５）については複数回、関数を変えて行ってもよい。

図２に示すフローチャートにおいて、この実施形態の表面硬化処理方法におけるステップＮ５での回転速度Ｓの加速は、前記式(イ)にしたがって行うことに代えて、
Ｓ＝（S2−S1）×（Ｔ−T1）²／（T2−T1）²＋S1
という経過時間Ｔを独立変数としかつ加速開始点を最小値とする下に凸な二次関数である式(ロ)にしたがって、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から第２回転速度S2に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることにより行ってもよい。このときの経過時間Ｔとワーク(1)の回転速度Ｓとの関係は図５に示す通りであり、表面硬化処理を施したワークの断面組織の変化は図６に示す通りである。

なお、この場合にも、ステップＮ５を実施する前のワーク(1)の断面組織は図６(a)に示すように、図３(a)と同じである。また、ステップＮ５において、ワーク(1)の回転速度を、ワーク(1)の回転角度を独立変数としかつ加速開始点を最小値とする下に凸な関数である式にしたがって、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から第２回転速度S2に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることにより行ってもよい。

一般的に、同じレーザ出力下では、回転速度Ｓの増加とともにレーザ光(4)の照射による焼戻し温度領域は小さくなる。回転速度Ｓの加速を二次関数である前記式(ロ)にしたがって行えば、照射終端箇所の直前において第１回転速度S1から第２回転速度S2へ急峻に回転速度が加速するため、照射終端箇所の近傍における焼戻し温度領域が回転速度増加とともに小さくなり、焼戻し層(7)の発生を抑制し、発生した焼戻し層(7)の領域を大幅に低減することができる（図６(b)参照）。また、“下に凸な関数”での回転速度増加は、時間に比例した回転速度増加に対して第１回転速度S1程度の回転速度で回転している時間が比較的長くなる。そのため、ワーク(1)の深くまで熱が伝播しやすく、第２工程中もワーク(1)全体の温度が上昇し、その結果自己冷却時での冷却速度が遅くなり、自己冷却により焼戻し温度以下に達するまでの時間を引き延ばすことができる。したがって、自己冷却完了前に被照射領域(5)が１回転して再加熱されることになり、焼戻し層(7)の発生が防止もしくは抑制され、硬化層(6)の内周部にのみ存在する焼戻し層(7)の領域が大幅に低減される（図６(c)参照）。

第１回転速度S1から第２回転速度S2への加速は、経過時間Ｔを独立変数としかつ加速開始点を最小値とする下に凸な関数にしたがって行うのであれば、二次関数である上記式(ロ)の他にも四次関数などのＮ次関数、三角関数、指数関数およびシグモナイド関数からなる群から選ばれた１つの関数、または前記群から選ばれた２以上の関数を組み合わせた関数にしたがって行ってもよい。さらに、ワーク(1)の回転速度Ｓを変更する処理（ステップＮ５）については複数回、関数を変えて行ってもよい。

最後に、本発明の方法の実施例１および２の結果を比較例の結果とともに図７に示す。

実施例１は、本発明の表面硬化処理方法における第２工程での回転速度Ｓの加速を、上記式(イ)にしたがって行って得られた軸形状ワーク(1)の表面の硬度測定結果であり、実施例２は、本発明の表面硬化処理方法における第２工程での回転速度Ｓの加速を、上記式(ロ)にしたがって行って得られた軸形状ワーク(1)の表面の硬度測定結果である。比較例は、軸形状ワーク(1)の回転速度を、レーザ発振器からレーザ光(4)が照射されて加熱された被照射領域(5)が、ワーク(1)が１回転以上した際に、自己冷却されても焼戻し温度を超える温度に維持されるような高速の第３回転速度に維持して表面硬化処理を行った軸形状ワークの表面の硬度測定結果である。両実施例および比較例におけるレーザ発振器のレーザ出力は同一である。なお、比較例の第３回転速度は、前記第２回転速度と同一の場合も、異なる場合もある。

図７に示す結果から、実施例１および２で得られた硬化層(6)の深さは、比較例で得られた硬化層の深さよりも深く、ほぼ２倍となっていることが分かる。

さらに、実施例２で得られた硬化層(6)の深さは、実施例１で得られた硬化層(6)の深さよりも深くなっているが、その理由は以下の通りであると考えられる。

すなわち、実施例１では、本発明の表面硬化処理方法における第２工程において、回転速度Ｓを経過時間Ｔに比例して加速させているが、この場合、加速度が一定となって回転速度Ｓが徐々に上昇するため、被硬化処理領域(2)における各位相での入熱量が均一になりやすく、硬化層(6)の深さも位相に対して均一になりやすい。しかしながら、時間に比例する形で回転速度Ｓを変化させた場合、焼戻し低減可能な高速回転に遷移するまでに比較的長い時間をかけて徐々に回転速度が上昇していくので、第１工程で形成された深い硬化層(6)が周回を繰り返すたびに深さ方向に焼戻されてしまい、第１工程で得られた硬化層(6)に比べて、最終的に得られる硬化層(6)の深さが小さくなってしまうと考えられる。

以上の結果より、本実施形態の表面硬化処理方法によれば、同じレーザ出力でも、従来手法に比べ、より深い硬化層を得ることができ、ワークに対して所望の機械的強度や耐摩耗性等を付与することができ、優れた性能を有する製品が得られる。

この発明は、自動車部品のカムシャフトや、工作機械のボールネジ、主軸といった金属製の軸形状ワークを表面硬化処理するための手段として、好適に用いられる。

(1)：ワーク
(1a)：軸状部
(2)：被硬化処理領域
(3)：レーザ発振器
(4)：レーザ光
(5)：被照射領域
(6)：硬化層
(7)：焼戻し層
S1：ワークの第１回転速度
S2：ワークの第２回転速度
T1：ワークが第１回転速度S1で１回転する時間
T2：レーザ光の照射開始から照射終了までの時間

Claims (7)

1. 少なくとも一部に軸状部を有し、かつ当該軸状部に周方向の全周にわたる硬化処理すべき被硬化処理領域を有する金属製ワークと、エネルギービーム照射源とを相対的に移動させることにより、前記エネルギービーム照射源を、前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に相対移動させながら、前記被硬化処理領域に前記エネルギービーム照射源からエネルギービームを照射して前記被硬化処理領域を加熱し、その後自己冷却させることにより、前記被硬化処理領域に硬化層を形成するワークの表面硬化処理方法であって、
   前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対移動速度を第１速度に設定し、前記被硬化処理領域にエネルギービームを照射して前記ワークの前記被硬化処理領域を加熱する第１工程と、前記第１工程に続いて、前記相対移動速度を、前記第１速度よりも速い第２速度に加速して、前記被硬化処理領域にエネルギービームを重ねて照射し、ワークを加熱する第２工程とを含み、
   前記第１速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に１周以上相対移動した際に、自己冷却により焼き戻し温度以下となるような低速とし、
   前記第２速度を、前記被硬化処理領域における前記エネルギービーム照射源からエネルギービームが照射されて加熱された被照射領域が、前記エネルギービーム照射源が前記軸状部の前記被硬化処理領域の周方向に１周以上相対移動した際に、自己冷却されても焼き戻し温度を超える温度に維持されるような高速、または前記被照射領域における焼戻し温度以下となる領域が低減されるような高速とすることを特徴とするワークの表面硬化処理方法。
2. 前記第１速度から前記第２速度への加速にあたり、一定の加速度で加速させることを特徴とする請求項１に記載のワークの表面硬化処理方法。
3. 前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度に比例して、前記第１速度から前記第２速度へ加速させることを特徴とする請求項２に記載のワークの表面硬化処理方法。
4. 前記第１速度から前記第２速度への加速にあたり、加速度が時間の経過とともに増加し、かつ初期の低加速度状態から前記第２速度に近づくに連れて高加速度状態に漸増的に遷移するように加速させることを特徴とする請求項１に記載のワークの表面硬化処理方法。
5. 前記相対的移動速度を、時間、または前記軸状部の前記被硬化処理領域に対する前記エネルギービーム照射源の相対的回転角度を独立変数とする下に凸な関数にしたがって、前記第１速度から前記第２速度へ加速させることを特徴とする請求項４に記載のワークの表面硬化処理方法。
6. 前記下に凸な関数は、加速開始点を最小値とした下に凸な関数である請求項５に記載のワークの表面硬化処理方法。
7. 前記下に凸な関数が、Ｎ次関数、三角関数、指数関数およびシグモナイド関数からなる群から選ばれた１つの関数、または前記群から選ばれた２以上の関数を組み合わせた関数である請求項５または６に記載のワークの表面硬化処理方法。
   
   

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