高周波焼入れ

高周波焼入れは、金属部品を高周波加熱し、その後急冷する表面硬化の一種です。急冷された金属はマルテンサイト変態を起こし、部品の硬度と脆さが増加します。高周波焼入れは、部品全体の特性に影響を与えずに、部品またはアセンブリの領域を選択的に硬化させるために使用されます。^[1]

誘導加熱は、電磁誘導の原理を利用してワークピースの表面層内部に熱を発生させる非接触加熱プロセスです。導電性材料を強力な交流磁場に置くと、電流が材料に流れ、材料のI ^{2 R 損失により熱が発生します。磁性材料では、}ヒステリシス損失によりキュリー点以下でさらに熱が発生します。発生した電流は主に表面層を流れ、この層の深さは交流磁場の周波数、表面電力密度、材料の透磁率、加熱時間、バーの直径または材料の厚さによって決まります。この加熱された層を水、油、またはポリマーベースの急冷剤で急冷すると、表面層が変化してベース金属よりも硬いマルテンサイト構造が形成されます。 ^[2]

鋼の表面硬化に広く使用されているプロセス。部品は交流磁場によって変態範囲内または変態範囲を超える温度に加熱され、その後直ちに急冷される。部品の中心部は処理の影響を受けず、その物理的特性は機械加工されたバーと同じであるが、ケースの硬度は 37/58 HRC の範囲内になる。このプロセスには、同等の炭素含有量が 0.40/0.45% の範囲にある炭素鋼および合金鋼が最も適している。^[1]

大きな交流電流がコイルに流され、内部の空間に非常に強力で急速に変化する磁場が生成されます。加熱するワークピースをこの交流磁場内に置くと、ワークピース内に渦電流が生成され、抵抗によって金属が ジュール加熱されます。

シャフト、ギア、スプリングなどの多くの機械部品は、摩耗挙動を改善するために機械加工後に表面処理が施されます。これらの処理の有効性は、表面材料の特性変更と残留応力の導入の両方に依存します。これらの処理のうち、高周波焼入れは部品の耐久性を向上させるために最も広く採用されているものの1つです。高周波焼入れにより、ワークピースに引張残留応力を持つ強靭なコアと圧縮応力を持つ硬い表面層が形成され、部品の疲労寿命と耐摩耗性を延ばすのに非常に効果的であることが証明されています。^[3]

高周波焼入れされた低合金中炭素鋼は、高い耐摩耗性が要求される重要な自動車や機械の用途に広く使用されています。高周波焼入れ部品の耐摩耗性挙動は、焼入れ深さと表面層の残留圧縮応力の大きさと分布に依存します。^[2]

すべての誘導加熱システムの基礎は、1831年にマイケル・ファラデーによって発見されました。ファラデーは、共通の磁気コアの周りに2つのコイルを巻くことで、最初の巻線の電流をオン/オフすることで、 2番目の巻線に瞬間的な起電力を作り出すことができることを証明しました。彼はさらに、電流が一定に保たれると、2番目の巻線に起電力が誘導されず、この電流は回路内の電流が増加するか減少するかに応じて反対方向に流れることを観察しました。^[4]

ファラデーは、変化する磁場によって電流を生成できると結論付けました。一次巻線と二次巻線の間に物理的な接続がないため、二次コイルの起電力は誘導されると考えられ、ファラデーの誘導の法則が生まれました。これらの原理は発見されてから、次の世紀ほど、ダイナモ（発電機と電動機、どちらも同じものの変形）の設計や電気変圧器の形で採用されました。これらの用途では、電気回路または磁気回路で発生する熱は望ましくないと考えられていました。技術者は多大な労力を費やし、積層コアやその他の方法を使用して影響を最小限に抑えました。^[4]

前世紀初頭、この原理は鋼を溶かす手段として研究され、誘導炉に必要な電力を供給するためのモーター発電機が開発されました。鋼を溶かすためのこの方法が一般に受け入れられた後、技術者たちはこのプロセスを利用するための他の可能性を模索し始めました。鋼への電流浸透の深さは、その透磁率、抵抗率、および印加磁場の周波数の関数であることがすでにわかっていました。ミッドベール・スチールとオハイオ・クランクシャフト・カンパニーの技術者たちは、この知識を利用して、モーター発電機を使用した最初の表面硬化誘導加熱システムを開発しました。^[5]

迅速で簡単に自動化できるシステムの必要性から、誘導加熱処理の理解と使用は飛躍的に進歩し、1950 年代後半には、モーター ジェネレーターと熱電子放出 三極管発振器を使用した多くのシステムが、さまざまな業界で日常的に使用されるようになりました。現代の誘導加熱ユニットは、最新の半導体技術とデジタル制御システムを使用して、1 kW から数メガワットまでのさまざまな電力を生み出します。

シングルショットシステムでは、部品はコイル内で静的に保持されるか回転され、処理される領域全体が事前に設定された時間同時に加熱され、その後フラッドクエンチまたはドロップクエンチシステムが実行されます。シングルショットは、ハンマーの平面硬化、複雑な形状の工具のエッジ硬化、または小型ギアの製造など、他の方法では目的の結果が得られない場合によく使用されます。^[6]

シャフト硬化の場合、シングルショット方式のさらなる利点は、プログレッシブ トラバース硬化方法と比較して生産時間が短いことです。さらに、部品に直径方向の電流ではなく縦方向の電流を流すことができるコイルを使用できることも、特定の複雑な形状の場合に利点となります。

シングルショット方式には欠点もあります。コイルの設計は極めて複雑で、複雑なプロセスになることがあります。多くの場合、特定の領域での磁場の集中に影響を与え、生成される熱パターンを洗練させるために、フェライトまたは積層負荷材料を使用する必要があります。もう1つの欠点は、トラバース方式と比較して加熱される表面積が大きくなるため、より多くの電力が必要になることです。^[7]

トラバース焼入れシステムでは、ワークピースは誘導コイルを徐々に通過し、その後にクエンチスプレーまたはリングが使用されます。トラバース焼入れは、車軸、掘削機のバケットピン、ステアリング部品、電動工具シャフト、ドライブシャフトなどのシャフト型部品の製造に広く使用されています。部品は、通常 1 回転のリング型インダクターに通されます。回転の幅は、トラバース速度、使用可能な電力、およびジェネレーターの周波数によって決まります。これにより、移動する熱帯が生成され、これがクエンチされると、硬化した表面層が生成されます。クエンチリングは、アプリケーションの要件に応じて、一体型または後続の配置、またはその両方の組み合わせのいずれかになります。速度と電力を変えることで、全長にわたって硬化したシャフト、または特定の領域のみを硬化したシャフトを作成したり、直径のステップまたはスプラインでシャフトを硬化したりできます。円形シャフトを硬化する場合、コイルと部品の 同心度による変動が確実に除去されるように、プロセス中に部品を回転させるのが一般的です。

トラバース法は、ペーパーナイフ、レザーナイフ、芝刈り機の底刃、弓のこ刃などのエッジ部品の製造にも使用されます。これらのタイプのアプリケーションでは通常、ヘアピン コイルまたは横方向のフラックス コイルが使用され、部品のエッジ上に配置されます。部品はコイルを通過し、ノズルまたはドリル ブロックで構成されるスプレー クエンチが続きます。

コイルを連続的に動かすにはさまざまな方法が使用され、垂直システムと水平システムの両方が使用されています。通常、位置制御、切り替え、監視、設定にはデジタル エンコーダとプログラマブル ロジック コントローラが使用されます。いずれの場合も、移動速度は厳密に制御され、一定である必要があります。速度の変化は硬度の深さと達成される硬度値に影響するためです。

誘導硬化用の電源の電力は、加熱する部品のサイズや、シングルショット硬化、トラバース硬化、またはサブマージ硬化などの製造方法に応じて、数キロワットから数百キロワットまでさまざまです。

適切な電源を選択するには、まず加熱する部品の表面積を計算する必要があります。これが確定したら、さまざまな方法を使用して、必要な電力密度、加熱時間、および発電機の動作周波数を計算できます。従来、これは一連のグラフ、複雑な実験計算、および経験を使用して行われていました。現代の技術では、通常、有限要素解析とコンピューター支援製造技術が使用されますが、このようなすべての方法と同様に、誘導加熱プロセスに関する徹底した実用的な知識が依然として必要です。

シングルショットアプリケーションの場合、加熱される総面積を計算する必要があります。トラバース硬化の場合、コンポーネントの円周にコイルの面幅を掛けます。コイル面幅を選択するときは、選択した幅のコイルを実際に構築できること、およびアプリケーションに必要な電力で稼働することを注意する必要があります。

焼入れ用の誘導加熱システムには、通常 1 kHz から 400 kHz までのさまざまな動作周波数が用意されています。これより高い周波数やより低い周波数も用意されていますが、通常は専門的な用途に使用されます。動作周波数と電流浸透深さ、したがって硬化深さの関係は反比例します。つまり、周波数が低いほど、硬化層は深くなります。

上記の表は単なる説明であり、電力密度、周波数、および最終的な選択、加熱時間、コイル幅に影響を与える可能性のあるコストなどのその他の実際的な考慮事項のバランスをとることで、これらの範囲外でも良好な結果が得られます。電力密度と周波数だけでなく、材料が加熱される時間も、伝導によって熱が流れる深さに影響します。コイル内の時間は、トラバース速度とコイル幅によって影響を受ける可能性がありますが、これは全体的な電力要件または機器のスループットにも影響します。

上記の表から、特定の結果を得るためには、電力、周波数、速度の複数の組み合わせが使用される可能性があるため、あらゆる用途に適した機器の選択は非常に複雑になる可能性があることがわかります。ただし、実際には、過去の経験と実用性に基づいて、多くの選択がすぐに明らかになります。

• プロセスが速く、保持時間が不要で、生産率が向上
• スケールや脱炭なし
• ケースの深さが最大8mmに増加
• 選択的硬化
• 高い耐摩耗性と耐疲労性

このプロセスは、鋼鉄などの導電性磁性材料に適用できます。

車軸などの長いワークも加工可能です。

• 表面硬化
• 誘導鍛造
• 誘導加熱装置
• 誘導焼嵌め

• デイヴィス、ジョン、シンプソン、ピーター（1979）、誘導加熱ハンドブック、マグロウヒル、ISBN 0-07-084515-8。
• ラポポート、エドガー、プレシフツェワ、ユリア（2006）、誘導加熱プロセスの最適制御、CRC Press、ISBN 0-8493-3754-2。
• ルドネフ、ヴァレリー、ラヴレス、ドン、クック、レイモンド、ブラック、ミカ（2002）、誘導加熱ハンドブック、CRC Press、ISBN 0-8247-0848-2。

• 誘導加熱プロセスに関するよくある質問と誘導加熱アプリケーションの例 2017-01-06 にWayback Machineでアーカイブされました
• 国立金属センターは、高周波焼入れプロセスに関連する設計、モデリング、シミュレーション (DMS) 技術を提供しています - NAMTEC