高周波焼き入れ - 用途、物理的プロセス、焼き入れの種類と方法

この記事では、相変態、つまりパーライトからオーステナイトへの変態の可能性をもたらす金属の熱処理の 1 つである高周波焼き入れに焦点を当てます。高周波焼入れにより鋼の品質が大幅に向上するため、鋼部品はより高い機械的特性を獲得します。

そのため、金属の熱処理には、表面硬化を目的として誘導加熱が使用されます。この技術により、硬化層のさまざまな深さを選択でき、さらにプロセスは簡単に自動化できるため、この方法が使用されます。進歩的であると考えられています。異なる形状の部品を固化することが可能です。

表面高周波焼入れには、表面とバルク表面の 2 つのタイプがあります。

表面加熱による表面硬化。これにより、ワークピースは硬化層の深さまで硬化温度まで加熱されますが、コアはそのまま残ります。加熱時間は1.5～20秒、加熱速度は毎秒30～300℃です。

表面の体積硬化は、マルテンサイト構造を有する層よりも大きな層を加熱することによって特徴付けられ、これは深部加熱である。鋼は、鋼の硬化によって決まる加熱層の厚さよりも小さい深さまで焼きなまされます。

凝固温度まで加熱されるマルテンサイト組織よりも深い深部では、凝固したソルビトールまたはトルースタイトの構造を有する凝固部が形成される。表面硬化と比較して、硬化時間は 20 ～ 100 秒に増加し、加熱速度は 1 秒あたり 2 ～ 10 °C に減少します。

耐久性の高いアクスル、ギヤ、クロスなどに体積表面硬化処理を施します。誘導加熱と他の加熱方法の主な違いは、熱がワークピースの体積に直接放出されることです。

基本的には以下のような流れになります。硬化した部品はインダクタ内に配置され、交流で電力が供給されます。可変磁場 EMFを誘発する ワーク表層に渦電流が発生し、ワークを加熱します。これらの領域は交流磁場の影響を受け、高温に加熱されます。

加熱速度が速く、局所加熱のオプションもあります。表面効果によりワーク表面の電流密度が高くなるため、必要な深さまでしか加熱できません。コアはわずかに加熱されます。ワークの渦電流によって伝達される力の 87% は浸透深さ内にあります。

電流の浸透の深さは金属の温度によって異なるため、このプロセスはいくつかの段階で行われます。まず、冷たい金属の表層が急速に加熱され、次にその層がより深く加熱され、最初の層はそれほど急速に加熱されず、その後、3番目の層が加熱されます。

各層を加熱するプロセスでは、各層の加熱速度は、対応する層の磁気特性の損失に伴って減少します。つまり、金属の磁気特性が層ごとに変化するため、熱が広がります。これは電流によるアクティブな加熱であり、文字通り数秒続きます。

誘導加熱は、ワーク断面の温度分布に依存し、熱伝導による加熱とは異なり、加熱層の温度は中心部に比べて著しく高く、中心部では温度が急激に低下します。部分的には、外部のアクティブ電流が金属を過熱するまで、磁気特性は失われません。電流の周波数と加熱時間を変えることで、ワークを必要な深さまで加熱します。

通常、インダクタの設計によって部品の凝固品質が決まります。インダクタは銅管でできており、その中に水を流して冷却します。インダクタと部品の間には、ミリメートル単位で測定される一定の距離が維持され、すべての面で同じになります。

焼き入れは、部品の形状やサイズ、焼き入れの要件に応じて、さまざまな方法で行われます。小さな部品は最初に加熱され、次に冷却されます。シャワー冷却では、水などの冷却媒体がインダクタの穴を通して供給されます。部品が長い場合、焼入れ中にインダクタがそれに沿って移動し、移動後にシャワー穴から水が供給されます。連続逐次硬化方式です。

連続的な逐次硬化では、インダクタは 1 秒あたり 3 ～ 30 mm の速度で移動し、部品の一部がその磁場に連続的に落ちます。その結果、部品はセクションごとに連続的に加熱および冷却されます。このようにして、必要に応じて、クランクシャフトジャーナルや大きな歯車の歯など、ワークピースの個々の部品を硬化することもできます。自動化ツールを使用すると、部品を均等に位置合わせし、インダクタを高精度に移動できます。

鋼の銘柄や前処理の方法により、焼き入れ後の性質が異なります。誘導加熱、冷却、低温焼戻しモードも結果に影響します。

従来の焼入れとは異なり、高周波焼入れは鋼を 1 ～ 2 HRC 硬く、より強くし、靭性を低下させ、耐久限界を高めます。これはオーステナイト粒子の粉砕によるものです。

加熱速度が高いと、パーライト - オーステナイト変態中心が増加します。初期のオーステナイト粒は小さいことが判明し、高い加熱速度と露出不足により成長が起こりません。

マルテンサイト結晶はより小さいです。オーステナイト粒は 12 ～ 15 ポイントです。オーステナイト粒が成長しにくい鋼を使用すると、微細な結晶粒が得られます。わずかに分散した初期構造を持つ部品が、より良い品質の結果として得られます。

残留応力が分散される結果、耐久限界が増加します。残留圧縮応力は硬化層内に存在し、引張応力は硬化層の外側に存在します。疲労破壊は引張応力に関連しています。圧縮応力は、部品の動作中の外力の作用下で破壊的な引張力を弱めます。高周波焼き入れの結果として耐久限界が増加するのはこのためです。

高周波焼き入れで決定的に重要なのは、加熱速度、冷却速度、低温での焼き入れモードです。