高周波焼入れ・焼き戻し
「ハードニング」とは何ですか？
焼入れとは、簡単に言えば、材料の硬度を高め、延性を低下させるあらゆるプロセスを指します。このプロセスは、摩耗しやすい表面を強化し、部品全体の耐久性を高めるために用いられます。さまざまな焼入れ方法が存在し、それぞれ材料に応じて適した方法がありますが、誘導加熱技術は、「焼入れ・焼戻し」として知られる特定の焼入れプロセスで頻繁に採用されています。
焼入れ・焼戻しとは何ですか？
焼入れ・焼戻しは、中～高炭素鋼にのみ適用される焼入れ処理です。まず、鋼を十分に高い温度まで加熱し、結晶構造をフェライトからオーステナイトへと変化させます。 この変化した状態では、鋼は通常の状態よりも多くの炭素を吸収することができます。その後、誘導加熱装置内で水、油、または水・ポリマー溶液を用いて鋼を急速に冷却します。この急速冷却により、鋼の最終的な硬度を損なう可能性のある炭素析出物の形成が防止されます。
鋼がより低い温度まで冷却されると、元の低温状態に戻ろうとします。しかし、元の状態では収容しきれなかった量の炭素を吸収しているため、鋼はマルテンサイトと呼ばれる特有の結晶構造へと変化します。マルテンサイトは、結晶構造が歪んでいることと炭素飽和度が高いため、極めて硬い性質を持っています。この時点で鋼は高い硬度を得る一方で、非常に脆くなります。
その次の工程は焼き戻しであり、鋼を低い温度まで再加熱して硬度をわずかに下げ、その結果として脆さを軽減するものです。焼き戻しの具体的な温度は、目標とする硬度レベルによって異なります。目標の硬度に達すると、残留熱によって鋼がさらに焼き戻されるのを防ぐため、鋼は再度焼入れ処理が行われます。
誘導加熱による焼入れ・焼戻し
誘導加熱技術は、主に焼入れ・焼戻し工程で採用されており、そこでは顕著な利点をもたらします。 この工程で所望の硬度分布を実現するには、鋼材の加熱と焼入れの両方において極めて高い精度が求められます。加熱時間がほんの少し長すぎたり、不適切な温度で焼入れを行ったりといったわずかなばらつきでさえ、部品ごとに大きな差異が生じる原因となります。したがって、プロセスを精密に制御することが極めて重要であり、誘導加熱技術は他の加熱方法に比べて優れた制御性を発揮することで際立っています。
加熱および焼入れのための部品の自動搬送と固定は、高い生産性と、さまざまな部品にわたる一貫した仕上がりを実現します。誘導加熱は、焼入れおよび熱処理において最も高速な方法として際立っており、歪みを最小限に抑え、表面の脱炭を発生させず、微細な結晶粒組織と、きめ細かく制御された硬度分布をもたらします。生産を次のレベルへと引き上げたいと考えるあらゆる施設にとって、誘導加熱は理想的なソリューションとなります。
高周波焼入れ
選択的高周波焼入れは、ハイブリッドな機械的特性を付与することで部品の性能を向上させることができます。具体的には、摩耗面に必要な硬度を確保しつつ、芯部には衝撃耐性を確保するための延性を与えることができます。
選択的高周波焼入れは、部品の特定の局所領域を的確に選定し、そこに急速に熱を加えられる技術です。その結果、部品には焼入れされた材料の層（表層）が形成されます。これは、使用時に大きな応力を受け、かつ複数の機械的特性を兼ね備えることが求められる部品に最適です。例えば、高い降伏強度、耐疲労性、および耐摩耗性を同時に備える必要がある場合などが挙げられます。
使用する周波数、誘導コイルの形状、出力レベル、およびコイル内での部品の配置を適切に調整することで、硬度分布を精密に制御することができます。Radyneシステムの業界トップクラスの精度により、部品ごとに硬度分布のばらつきが極めて少ない状態が維持されます。加熱中の回転により、均一な表面硬化が保証されます。
段階的高周波焼入れ | 高周波走査
多くの場合、部品は最適な性能と長寿命を実現するために、特定の部位の表面硬化が必要となります。段階的な加熱と焼入れを行う高周波焼入れは、シャフトやその他の部品を加工する上で経済的な方法となります。
鋼製のシャフトを加熱コイルに通し、その後水焼入れ槽へと順次通過させることで、芯部に影響を与えることなく、外層を加熱・焼入れ・硬化させることができます。完全に均一な表層処理が求められる場合、シャフトを回転させる必要があることがよくあります。誘導コイルに対する水焼入れ槽の位置が非常に重要であるため、コイルと関連する水焼入れ槽は通常、1つのユニットを構成しています。 図に示すように、給水はコイル自体を通して行われることが多い。回転させながらシャフトを誘導コイルと焼入れリングの間で制御されたスキャンを行うことで、シャフトの調整可能な長さ全体にわたって、焼入れ深さを制御することができ、これらすべてが自動サイクルで行われる。
表層硬化の深さは、発電機からの入力電力と、誘導コイル内をシャフトが通過する下降速度によって決まります。一方、硬化部の長さは、仕様に合わせて設定された高温計によって制御されます。装置のパラメータを調整して所望の表層硬化の深さと硬度パターンが得られれば、これらの設定を統一することで、すべての部品において再現性のある工程を実現できます。
ここで説明した用途は表面硬化に関するものですが、この方法は、焼鈍や焼戻しなど、段階的な加熱を必要とする他の熱処理工程にも応用可能です。