軸の高周波焼入れ：1045 と 4140 の表面硬化

仕組み

高周波の交流電流を流した誘導コイルが軸を取り囲みます。電流は鋼の表面に渦電流を誘起し、薄い表層を数秒で変態温度より高く加熱します。直後の水またはポリマーによるスプレー焼入れが、その表層を硬いマルテンサイトへ変換します。軸の本体は熱くならないため、その本来の性質、多くの場合は予備硬化・焼戻しされた性質を保持します。

周波数がケース深さを決める

誘起された電流は表面近くに集中し、加熱される深さは周波数が上がるにつれて小さくなります。これがこの工程の中心的な設計関係です。

• 低周波（数 kHz、中周波機）：深いケースで、おおよそ 2–6 mm のクラスであり、大型の軸や重いジャーナル向けです。
• 高周波（数百 kHz）：浅いケースで、ミリメートルの何分の一から約 1.5 mm までであり、小型部品や微細な形状向けです。

実際には、ケース深さは硬さの限界値までで指定され（浸炭と同様、多くの場合 550 HV）、機械、周波数、加熱時間は、パターンのどこにおいても軟らかい未硬化の表面へ突き抜けない遷移ゾーンをもって、その深さに到達するよう選ばれます。

鋼種

中炭素鋼が指定されるのは、焼入れままの硬さが炭素に由来するためです。

• 1045 / C45 — 経済的な標準です。表面硬さは通常 50台半ば HRC で、芯部は圧延まままたは焼ならしままに残されます。
• 4140 / 42CrMo4 — 芯部が実際の負荷を担わなければならない場合に、予備硬化・焼戻しされた状態で使われます。高周波ケースは、強い母材の上に耐摩耗性と耐疲労性を加え、その合金含有量がプロセスウィンドウを広げます。

炭素が約 0.35% を下回ると、表面硬さは期待外れとなります。0.6% を大きく上回ると、焼割れのリスクが高まります。

パターンと軟質ゾーン

走査する誘導子は、軸に沿って移動しながら帯状に硬化させ、走査が始まって止まる箇所にランアウトゾーンを残します。また、複雑な軸では硬化した帯同士が軟質ゾーンによって隔てられます。肩部、アンダーカット部、隣り合う形状の間がそれであり、コイルは鋭い内隅を均一に加熱できず、走査が重なれば前の帯を再焼戻ししてしまうためです。優れた設計はこれらを欠陥ではなく事実として扱います。

• シールや軸受の接触面は、硬化パターンの内側に置き、ランアウトから遠ざけます。
• 軟質ゾーンは、曲げ応力と摩耗が低い場所に置きます。
• 割れに敏感な形状に注意します。加熱ゾーン内のキー溝、交差穴、鋭いフィレットには、面取りと工程試験が必要です。

選ぶ理由

浸炭と比較すると、高周波焼入れは速く、局所的で、ライン内での自動化が容易であり、ほとんどの機械加工の後に適用できます。浸炭の深く滑らかに勾配したケースを、速度と選択性と引き換えに手放すものです。軸においては、それが通常、正しいトレードオフです。

硬化したケースは圧縮残留応力も担います。膨張したマルテンサイト層が、変化していない芯部によって拘束されるためです。その圧縮こそが、高周波焼入れされたジャーナルやフィレットが、透焼硬化された同等品や未処理の同等品よりも、曲げ疲労寿命とねじり疲労寿命が著しく良好である理由の大きな部分を占めます。ただし、硬化パターンが応力集中部を実際に覆っていることが条件であり、それは工程上の偶然ではなく設計上の判断です。