CN105525086A - 热处理装置及热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种热处理装置及热处理方法，所述热处理装置对由钢材构成的环状的工件进行感应加热而进行热处理，所述热处理装置包括：将工件安设于内部并对该工件实施热处理的处理槽；将上述工件保持在规定的位置的保持部；将上述工件包围而进行感应加热的感应加热线圈；及在上述工件的感应加热期间对该工件的表面进行冷却的冷却介质。

Description

热处理装置及热处理方法
在2014年10月17日提出申请的日本专利申请2014-212848的说明书、附图及摘要作为参照而包含于此。
技术领域
本发明涉及热处理装置及热处理方法。
背景技术
构成汽车、工业机械等使用的滚动轴承的轴承滚道圈具有在与滚动体之间相对地进行滚动接触的滚道部。上述滚道部由于与滚动体的滚动接触而容易受到来自滚动体的冲击。因此，在制造上述轴承滚道圈时，提出了提高上述轴承滚道圈的机械的特性的各种方法。
例如，为了使轴承滚道圈的硬度为高硬度来提高耐磨损性或压坏强度，对由高碳铬轴承钢构成的钢材实施整体淬火(完全淬火)处理及回火处理的情况正在实用化。然而，实施了整体淬火的钢材成为高硬度，因此虽然能够获得高压坏强度，但是从表面到内部的整体由同一组织形成，该同一组织主要由回火马氏体构成，在钢材中不存在低硬度部位，因此存在耐冲击性差的倾向。
而且，为了提高耐冲击性，对于由表面硬化钢构成的钢材实施渗碳淬火处理及回火处理的情况也实用化。然而，在实施了渗碳淬火处理及回火处理的钢材中，虽然耐冲击性提高，但是由于渗碳而表面的晶界强度下降。因此，存在压坏强度差的倾向。而且，虽然通过2次淬火能够实现压坏强度的提高，但是无法避免与工序数的增加相伴的高成本化。
而且，在日本特开2013-238274号公报中记载了如下的内容：在对SUJ2等高碳铬轴承钢进行了调质之后，仅对表面进行高频淬火，由此使表面为700Hv以上的硬度，且能够将内部硬度降低为340～490Hv。其结果是，记载了提高轴承滚道圈的滚动寿命和耐冲击性的方法。然而，在日本特开2013-238274号公报公开的方法中，无法利用高硬度层包围钢材(中间原料)的内层部的周围整体。其结果是，低硬度部位由于高硬度层而成为夹心的构造，因此难以实现压坏强度的充分提高。
这样，在以往的方法中，难以提供一种同时实现优异的耐冲击性和压坏强度的轴承滚道圈。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够得到良好地同时实现处于相反的关系的耐冲击性和压坏强度的轴承滚道圈等环状构件的热处理装置及热处理方法。
对由钢材构成的环状的工件进行感应加热而进行热处理的本发明的一方案的热处理装置的结构上的特征在于，包括：将工件安设于内部并对该工件实施热处理的处理槽；将上述工件保持在规定的位置的保持部；将上述工件包围而进行感应加热的感应加热线圈；及在上述工件的感应加热期间对该工件的表面进行冷却的冷却介质。
附图说明
图1是应用本发明而得到的球轴承的主要部分剖视图。
图2是图1所示的球轴承的外圈的主要部分剖视图。
图3是表示能够使用本发明的实施方式的热处理装置及热处理方法的轴承滚道圈的制造方法的各工序的工序图。
图4是表示图3所示的制造方法中的热处理工序的工序图。
图5是表示本发明的实施方式的回火装置的一例的概略说明图。
图6是表示本发明的实施方式的回火装置的另一例的概略说明图，(a)是纵剖视图，(b)是俯视图。
图7是表示实施例1的热处理条件的线图。
图8是表示实施例2的热处理条件的线图。
图9是表示实施例3的热处理条件的线图。
图10是表示实施例4的热处理条件的线图。
图11是表示实施例5的热处理条件的线图。
图12是表示实施例6的热处理条件的线图。
图13是表示实施例7的热处理条件的线图。
图14是表示实施例8的热处理条件的线图。
图15是表示实施例9的热处理条件的线图。
图16是表示比较例1的热处理条件的线图。
图17是表示比较例2的热处理条件的线图。
图18是表示比较例3的热处理条件的线图。
图19是表示比较例4的热处理条件的线图。
图20是表示比较例5的热处理条件的线图。
图21是表示比较例6的热处理条件的线图。
具体实施方式
以下，先说明通过使用本发明的热处理装置及热处理方法而能够得到的滚动轴承及轴承滚道圈。需要说明的是，通过使用本发明的热处理装置及热处理方法而能够得到的环状构件没有限定于此。
以下，作为滚动轴承的一例，列举球轴承进行说明。图1是表示滚动轴承的一例的球轴承的主要部分剖视图。
图1所示的球轴承1具备环状的外圈10、环状的内圈20、多个球30(滚动体)、保持器40。内圈20在外圈10的内周侧与该外圈10同心地配置。球30在外圈10与内圈20之间排列。保持器40对球30进行保持。
外圈10具有外圈滚道部11a、端面11b、外周面11d。外圈滚道部11a形成于外圈10的内周面，成为供多个球30滚动的滚动接触面。它们的表面成为精研磨了的研磨部。而且，外圈10具有外圈10的外周侧的倒角11e、肩面11c。倒角11e与端面11b和外周面11d相连。肩面11c与外圈滚道部11a相连。它们的表面成为未精研磨的非研磨部。而且，内圈20具有内圈滚道部21a、端面21b、内周面21d。内圈滚道部21a形成于内圈20的外周面，与外圈滚道部11a相对，且供多个球30滚动。它们的表面作为进行了精研磨的研磨部。而且，内圈20具有内圈20的内周侧的倒角21e和与内圈滚道部21a相连的肩面21c。倒角21e与端面21b和内周面21d相连。它们的表面成为未精研磨的非研磨部。球30具有在作为对方构件的外圈10与内圈20之间进行滚动接触的作为滚动接触面的滚动面30a。外圈10、内圈20及球30由高碳铬轴承钢构成。作为高碳铬轴承钢，可列举例如SUJ2、SUJ3等。
在球轴承1中，外圈10及内圈20中的至少一方由后述的轴承滚道圈构成。由此，球轴承1成为在耐冲击性及压坏强度上优异且滚动寿命长的球轴承。
以下，作为轴承滚道圈的一例，列举外圈进行说明。图2是轴承滚道圈的一例的外圈的主要部分剖视图。该轴承滚道圈由实施了淬火处理及回火处理的高碳铬轴承钢构成。轴承滚道圈包括内层部和表层部。内层部由回火马氏体或索氏体构成，且维氏硬度超过490HV且为710HV以下。表层部以包围上述内层部的周围整体的方式形成，由回火马氏体构成，且维氏硬度比上述内层部硬。
需要说明的是，在本说明书中，“维氏硬度”是指使维氏压子压抵于轴承滚道圈(例如外圈)的研磨部的表面或将该轴承滚道圈沿径向切断时的切截面而测定的值。
图2所示的外圈10具有内层部13和以将内层部13的周围整体包围的方式形成的表层部12。表层部12与内层部13相比以成为相对高硬度(维氏硬度基准)的方式构成。因此，外圈10能够同时实现高压坏强度和优异的耐冲击性。
在此，内层部13具有由回火马氏体构成的组织或由索氏体构成的组织。而且，内层部13的维氏硬度超过490HV且为710HV以下。在外圈10中，为了同时实现高压坏强度和优异的耐冲击性，内层部13具有这样的结构的情况至关重要。上述内层部13的维氏硬度为490HV以下的话，压坏强度变得不充分，另一方面，超过710HV时，难以提高压坏强度及耐冲击性。内层部13的维氏硬度优选为500HV以上且700HV以下。
而且，在轴承滚道圈(外圈10)尤其是要求耐冲击性的用途下使用的情况下，内层部13的维氏硬度优选超过490HV且为620HV以下，更优选为500HV以上且610HV以下。
而且，在轴承滚道圈(外圈10)尤其是要求高压坏强度的用途下使用的情况下，内层部13的维氏硬度优选为620HV以上且710HV以下，更优选为630HV以上且700HV以下。
表层部12以包围内层部13的周围整体的方式形成，具有由回火马氏体构成的组织。表层部12的维氏硬度只要比内层部13的维氏硬度硬即可，也可以从表层部12的最表面朝向内层部13而硬度逐渐降低。而且，表层部12的维氏硬度只要比内层部13的维氏硬度硬即可，没有特别限定，但是表层部12的一部分即外圈滚道部11a的最表面的维氏硬度优选为740HV以上且小于800HV。小于740HV的话，外圈(轴承滚道圈)10的滚动寿命有时会下降，另一方面，超过800HV时，耐冲击性有时会下降。
而且，外圈滚道部11a优选从其最表面朝向内层部13具有维氏硬度为700HV以上的区域(以下，也称为高硬度表面层(图2中，斜线部分))。外圈滚道部11a的高硬度表面层的深度d1相对于使用外圈10时的最大剪切应力深度Z0，优选满足下述不等式(1)
3Z0≤d1<8Z0···(1)
。外圈滚道部11a的上述深度d1小于最大剪切应力深度Z0的3倍的话，表面的疲劳强度下降。结果是，外圈10的滚动寿命有时会下降。另一方面，外圈滚道部11a中的上述深度d1为最大剪切应力深度Z0的8倍以上的话，外圈10中的内层部所占的比例下降，外圈10的韧性有时变得不充分。需要说明的是，使用上述轴承滚道圈时的最大剪切应力深度Z0根据额定载荷而不同，但是大致为0.1～0.2mm左右。
而且，表层部12的外圈滚道部11a的从最表面到最大剪切应力深度Z0的区域的压缩残留应力优选为50MPa以上。上述压缩残留应力小于50Mpa的话，有时无法确保滚动寿命。
表层部12的外圈滚道部11a以外的部分(外圈非滚道部)具有比内层部13硬的维氏硬度，且最表面的维氏硬度优选为700HV以上且小于800HV。外圈非滚道部的最表面的维氏硬度小于700HV的话，压坏强度有时会下降。另一方面，若超过800HV，则耐冲击性有时会下降。表层部12的外圈滚道部11a以外的部分的最表面的维氏硬度更优选为720HV以上。
表层部12的外圈滚道部11a以外的部分(外圈非滚道部)也优选从其最表面朝向内层部13具有维氏硬度为700HV以上的区域(高硬度表面层)。外圈10的外圈非滚道部的外周面11d的高硬度表面层的深度d2、及端面11b的高硬度表面层的深度d3、d4都以相对于外圈10的最大厚度t之比(d2/t，d3/t及d4/t)计，优选满足下述不等式(2)
0.05<(d2/t，d3/t及d4/t)≤0.45···(2)
。上述高硬度表面层的深度d2～d4的相对于上述最大厚度t之比为0.05以下的话，压坏强度有时变得不充分。另一方面，若超过0.45，则高硬度表面层所占的比例增多，耐冲击性有时变得不充分。
上述外圈10使用实施了淬火处理及回火处理的高碳铬轴承钢来制造。作为上述高碳铬轴承钢，可列举例如SUJ2、SUJ3等，但没有限定于此。需要说明的是，关于上述淬火处理及回火处理如后所述。当然，上述轴承滚道圈没有限定为外圈，也可以是内圈。
接下来，关于上述轴承滚道圈的制造方法，以外圈10的制造方法为例进行说明。在该轴承滚道圈的制造方法中，在淬火处理工序及回火处理工序中，可以采用本发明的热处理方法。图3是轴承滚道圈的制造方法的工序图。图4是表示图3所示的制造方法中的热处理工序(本发明的实施方式的热处理方法)的工序图。
首先，制造由上述高碳铬轴承钢钢材形成的环状原料W1〔参照图3(a)〕。对所得到的环状原料W1实施切削加工等，加工成规定形状，得到具有与外圈滚道部11a、端面11b、肩面11c及外周面11d对应的部分的外圈的原材料(工件)W2〔“前加工工序”，参照图3(b)〕。
接下来，对于所得到的原料W2，实施淬火处理(参照图3(c))及回火处理(图3(d))。上述淬火处理、上述回火处理的方法没有特别限定，但是可以通过本发明的实施方式的热处理方法进行。本发明的实施方式的热处理方法是对高碳铬轴承钢制的工件实施热处理的热处理方法。热处理方法包括(A)对上述原料(工件)实施淬火处理的工序及(B)对淬火处理后的原料(工件)实施回火处理的工序。在上述工序(B)中，在回火时间20秒以下，且以表面温度成为比内部温度低40℃以上的温度的方式，对上述淬火处理后的工件进行感应加热。以下，依次说明上述工序(A)、上述工序(B)。
在上述工序(A)中，对于所得到的原材料W2，实施淬火处理〔“淬火工序”，参照图3(c)、图4(a)〕。在上述淬火处理中，优选以使内层部13、表层部12都成为马氏体、且不完全淬火组织(微细珠光体)成为5％以下的方式对整体均匀地进行加热并急冷。若上述不完全淬火组织超过5％，则制造的外圈10的硬度不足，滚动寿命有时会缩短。上述淬火处理的方法没有特别限定，可以采用高频淬火、完全淬火等方法。
上述淬火处理例如可以在将原材料W2以810～850℃的淬火温度加热0.5～2小时并急冷的条件下进行。淬火温度从确保充分的淬火性的观点出发，优选为820℃以上，从防止结晶粒的粗大化的观点出发，优选为840℃以下。加热时间从构件的均热化的观点出发，优选为0.5小时以上，从防止结晶粒的粗大化的观点出发，优选为1.5小时以下。急冷例如通过冷却油的油浴中的油冷等进行。冷却油的油浴温度通常为60～180℃。
接下来，进行上述工序(B)。
在上述工序(B)中，对于淬火处理后的原材料W2，实施回火处理，得到中间原料W3〔“回火处理工序”，参照图3(d)、图4(b)〕。上述回火处理如图4(b)所示进行：以使淬火处理后的原材料W2的最表面的回火温度(图4中，参照“表面温度A”)成为比该原材料W2的内部的回火温度(图4中，参照“内部温度B”)低的温度(即，内部温度B-表面温度A≥40℃)的方式进行调整并对该原材料W2进行加热。这样，以表面温度A比内部温度B低40℃以上的温度实施回火处理，由此能够使原材料W2的内部的硬度成为适合于得到充分的耐冲击性的硬度。此外，通过在上述的条件下进行回火处理，能够抑制回火处理时的残留奥氏体量的减少，并使压缩应力增加。因此，经由本处理工序而得到的轴承滚道圈作为滚动轴承等的外圈及/或内圈使用的情况下，能够提高该轴承的(以表面起点剥离为起因)的寿命，而且能够确保高的静态负载容量。而且，在包含上述工序(A)及(B)的热处理方法中，通过少的工时且低能量消耗量，能够得到具有与实施了渗碳处理的情况同等的耐冲击性而且具有高压坏强度的环状件。
而且，该回火处理的回火时间(图4中，参照“回火时间T”)以20秒以下进行。由此，能够向原材料W2赋予充分的压缩残留应力。需要说明的是，在本说明书中，“回火时间”是指从加热开始至达到规定的回火温度(表面温度及内部温度)的时间。这样的回火处理例如可以使用后述的热处理装置进行。而且，上述回火处理中的冷却也可以通过例如空冷、放冷等进行。
在上述回火处理工序中，表面温度与内部温度之差(内部温度-表面温度)优选为600℃以下。若超过600℃，则在原材料W2可能会产生破裂。而且，从抑制温度不均的产生而使环状构件的品质稳定化的观点出发，上述回火时间T优选为2秒以上，更优选为3秒以上。另一方面，从向原材料W2赋予充分的压缩残留应力的观点出发，进一步优选为18秒以下。
上述回火处理的具体的温度优选以使表面温度成为260～290℃且内部温度成为320～715℃的方式进行调整。从确保滚动寿命的观点出发，上述表面温度优选为275℃以下。从确保耐冲击性的观点出发，上述内部温度更优选为365℃以上，进一步优选为450℃以上。而且，从确保压坏强度的观点出发，更优选为575℃以下。在内部温度为450～575℃的情况下，能够确保长滚动疲劳寿命及高耐冲击性，且更适合于确保高压坏强度。需要说明的是，上述表面温度及上述内部温度可以通过K类型的热电偶进行计测。
在上述回火处理工序中，从品质的稳定化的观点出发，原材料W2的表面整体的表面温度的偏差优选为20℃以下。而且，作为抑制上述表面温度的偏差的方法，例如，在使用后述的热处理装置进行的回火处理中，可以采用在感应加热时，使原材料(工件)旋转或对冷却介质进行搅拌来使冷却介质的温度均匀化的方法。
感应加热时的频率及输出可以根据原材料(工件)W2的壁厚、质量、冷却剂的冷却能力等，以成为上述温度范围的方式适当设定。频率优选为300～600Hz。若超过600Hz，则表面温度升高，与内部温度之差有时会变小。输出通常为1～300kW左右，优选为5～100Kw。
接下来，关于回火工序后的中间原料W3，对于与外圈滚道部11a、端面11b及外周面11d的各自对应的部分，实施精研磨加工〔“精研磨加工”，图3(e)〕。通过经由这样的工序，从而能够制造外圈10(轴承滚道圈)。
接下来，说明本发明的实施方式的热处理装置。本发明的实施方式的热处理装置适合于进行上述的本发明的实施方式的热处理方法。上述热处理装置不仅可以在轴承滚道圈的制造方法的回火处理工序中能够良好地使用，而且在以使圆环状的工件的表面温度比内部温度降低的方式进行加热的各种加热处理中也能够良好地使用。以下，关于热处理装置的具体的结构，例示2个实施方式进行说明。
第一实施方式的热处理装置如下述所示。图5是表示本发明的实施方式的热处理装置的一例的主要部分剖视图。在图5所示的热处理装置100中，将环状的工件W2安设于内部。热处理装置100具备处理槽101、保持部102、第一感应加热线圈103、第二感应加热线圈104、冷却剂105、喷射部106、动力传递部107。在处理槽101中对工件W2实施热处理。保持部102以抑制工件W2的向上方向及在水平方向上的移动且能够使工件W2绕轴心旋转的方式保持工件W2。第一感应加热线圈103从工件W2的内周侧对工件W2进行感应加热。第二感应加热线圈104从工件W2的外周侧将工件W2包围而进行感应加热。冷却剂105积存在处理槽101内，是对工件W2的表面进行冷却的冷却介质。喷射部106向工件W2喷射冷却剂105来对该工件的表面进行冷却。动力传递部107将使由保持部102保持的工件W2绕轴心旋转的动力向保持部102传递。通过使用本发明的实施方式的热处理装置100，能够强制性地对工件W2的表面进行冷却并对工件W2进行感应加热，因此在感应加热时，能够使工件W2的内部温度比工件W2的表面温度高。因此，当将上述热处理装置100使用于例如实施了淬火处理的工件W2的回火处理时，能够使内层部的硬度比表层部的硬度低。其结果是，能够以少工时且低能量消耗量提供一种耐冲击性优异且具有高压坏强度的环状构件。
处理槽101由能够积存冷却剂105的有底圆筒状的容器构成。构成处理槽101的上述容器由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成。这样，热处理装置100具有由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成的容器作为处理槽101。因此，能够抑制热处理装置100自身的加热。容器的大小根据热处理装置100的用途、工件W2的大小等可以适当设定。在处理槽101内积存冷却剂105。而且，在处理槽101设有用于将剩余的冷却剂105向处理槽101的外部排出的排出口108。在上述处理槽101的内部，以浸渍于在处理槽101内积存的冷却剂105中的方式安设工件W2。当具备这样的结构时，能够以在积存于上述处理槽101内的冷却剂105中浸渍工件W2的状态进行工件W2的加热。因此，能够更高效地对该工件W2的表面进行冷却并进行工件W2的加热，能够更可靠地确保加热时的工件W2的表面温度与内部温度的温度差。
保持部102具有第一支承部121c、第三支承部121a、第二支承部121b。第一支承部121c对工件W2的下表面进行点接触来承受工件W2。第三支承部121a抑制工件W2的向上方向的移动。第二支承部121b抑制工件W2的在水平方向上的移动。由此，保持部102以点接触来保持工件W2，并抑制工件W2的向上方向及在水平方向上的移动。此时，支承部121a可以与工件W2接触，也可以在与工件W2之间形成最大1mm左右的间隙。而且，支承部121b可以与工件W2接触，也可以与工件W2之间形成最大0.5mm左右的间隙。若设置这些间隙，则在加热时即使工件W2发生热膨胀也能够避免由支承部121a、121b按压工件W2的表面的情况。
支承部121a～121c都是球状体。因此，在各支承部121a～121c与工件W2接触时，支承部121a～121c与工件W2的接触成为点接触。由此，能抑制从工件W2向各支承部121a～121c的热传导。因此，能够防止工件W2的温度变得不均匀的情况。此外，基于冷却剂105对工件W2的冷却难以受到各支承部121a～121c的阻碍。其结果是，能够防止因冷却不足造成的工件W2的过热。支承部121a～121c的个数分别在俯视圆周方向上只要为3个以上即可，通常为3～6个左右，优选等间隔地设置3个。
在热处理装置100中，保持部102由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成。因此，能够抑制保持部102自身的加热及工件W2的表面温度的偏差。
第一及第二感应加热线圈103、104设置在处理槽101的内部。第一感应加热线圈103是具有比工件W2的内径小的外径的螺旋状的结构，在其外周侧安设工件W2。另一方面，第二感应加热线圈104是具有比工件W2的外径大的内径的螺旋状的结构，在其内周侧设置工件W2。上述第一及第二感应加热线圈103、104被供给高频电流。由此，从工件W2的内周侧及外周侧这双方能够将工件W2感应加热成所希望的温度。
冷却剂105只要是能够对工件W2的表面进行冷却的液体即可。作为上述冷却剂105，没有特别限定，可列举例如水、油、水溶性聚合物等。作为上述油，可列举例如淬火油等。作为上述水溶性聚合物，可列举例如PAG(聚烷撑乙二醇)等。上述水溶性聚合物可以作为溶解于水中的水溶液来使用。这种情况下，水溶性聚合物向水的混合量根据水溶性聚合物的种类等可以适当设定。从高效地对工件W2的表面进行冷却的观点出发，冷却剂105优选热传递率高的冷却剂，且更优选容易处理的冷却剂。
喷射部106沿着工件的周向按照规定间隔设置多个。各喷射部106具有喷射口106a和喷射口106b。喷射口106a向工件W2的内周面喷射冷却剂105。喷射口106b向工件W2的外周面喷射冷却剂105。通过从上述喷射口106a、106b喷射冷却剂105，能够对工件W2的表面均匀地进行冷却。而且，喷射口106a、106b配置在浸渍于所积存的冷却剂105内的位置。通过在这样的位置配置喷射口106a、106b，能够防止供给冷却剂105时的气泡的卷入。需要说明的是，在喷射部106的流路设有流量调整阀及压力调整阀(均未图示)。由此，能够调制冷却剂的供给条件。
在热处理装置100中，从喷射部106喷射的冷却剂105积存于处理槽101内。剩余的冷却剂105从排出口108向处理槽101的外部排出。需要说明的是，根据需要，也可以构成用于将排出的冷却剂105经由喷射部106进行再供给的流路(未图示)。
动力传递部107以能够进行动力传递的方式与保持部102连结。由此，保持部102通过从动力传递部107传递的动力能够绕轴心旋转。伴随于此，能够使由保持部102保持的工件W2绕该工件W2的轴心旋转。因此，根据热处理装置100，能够均匀地进行工件W2的感应加热。此外，热处理装置100虽然未图示，但是具备感应加热所需的电源、整合器、用于对冷却剂的温度进行控制的调温构件等必要的构件。
第二实施方式的热处理装置如下述所示。图6示出本发明的实施方式的热处理装置的另一例，(a)是主要部分剖视图，(b)是俯视图。图6所示的热处理装置200将环状的工件W2安设于内部。热处理装置200具备处理槽201、固定夹具202、第一感应加热线圈203、第二感应加热线圈204、冷却剂205、喷射部206。在处理槽201内对工件W2实施热处理。固定夹具202是将工件W2保持在处理槽201内的保持部。第一感应加热线圈203从工件W2的内周侧对工件W2进行感应加热。第二感应加热线圈204从工件W2的外周侧将工件W2包围而进行感应加热。冷却剂205积存在处理槽201内，是对工件W2的表面进行冷却的冷却介质。喷射部206向工件W2喷射冷却剂205。
处理槽201是能够积存冷却剂205的有底圆环状的容器，由圆筒状的内壳201A和圆筒状的外壳201B构成。在外壳201B的底部，在外壳201B内用于以使底部浮起的状态支承内壳201A的多个支承构件209沿着周向每隔规定间隔地设置。构成处理槽201的内壳201A及外壳201B由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成。这样，热处理装置200具有由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成的容器作为处理槽201。因此，能够抑制热处理装置200自身的加热。容器的大小根据热处理装置200的用途、工件W2的大小等可以适当设定。在处理槽201内积存液体状的冷却剂205。而且，在处理槽201的底部设有用于将剩余的冷却剂205向处理槽201的外部排出的排出口208。在处理槽201的内部，以浸渍于在处理槽201内积存的冷却剂205中的方式安设工件W2。
热处理装置200具备固定夹具202作为将工件W2保持在处理槽201内的保持部。固定夹具202由下侧固定夹具202A和上侧固定夹具202B构成。下侧固定夹具202A将工件W2保持为规定的高度。上侧固定夹具202B抑制工件W2的向上方向的移动。下侧固定夹具202A包括：用于保持工件W2的圆环状的底部212a；在底部212a的外周部设置的壁部212b。下侧固定夹具202A利用螺栓213固定于外壳201B。而且，在底部212a设有以点接触来承受工件W2的下表面的支承部(第一支承部)221c。在壁部212b的内周面设有抑制工件W2的在水平方向上的移动的支承部(第二支承部)221b。在此，工件W2与支承部221b可以接触，也可以在两者之间形成最大0.5mm左右的间隙。其理由如已经说明那样。因此，下侧固定夹具202A以点接触来保持工件W2，并抑制工件W2的在水平方向上的移动。
而且，支承部221b、221c都是球状体。因此，在支承部221b、221c与工件W2接触时，支承部与工件的接触成为点接触。由此，抑制从工件W2向支承部221b、221c的热传导，能够防止工件的温度变得不均匀的情况。此外，基于冷却剂205对工件W2的冷却难以受到支承部221b、221c的阻碍。其结果是，能够防止冷却不足造成的工件W2的过热。支承部221b、221c的个数分别在俯视圆周方向上只要为3个以上即可，通常为3～6个左右，优选等间隔地设置3个。
另一方面，上侧固定夹具202B是以规定的间隔配置的多个柱状的构件。在其下表面设有抑制工件W2向上方向的移动的支承部(第三支承部)221a。在此，工件W2与支承部221a可以接触，也可以在两者之间形成最大1mm左右的间隙。其理由如已经说明那样。因此，上侧固定夹具202B抑制工件W2的向上方向的移动。而且，上侧固定夹具202B由分离配置的多个柱状构件构成。由于在柱状构件彼此之间存在间隙，因此在从上方注入冷却剂205时，难以阻碍水流。其结果是，难以阻碍冷却剂205的搅拌。支承部221a也是球状体。因此，与工件的接触成为点接触，起到与支承部221b、221c为球状体的情况同样的作用效果。支承部221a的个数在俯视圆周方向上只要为3个以上即可，通常为3～6个左右，优选等间隔地设置3个。需要说明的是，上侧固定夹具202B以位于规定的高度的方式与后述的盖部211进行一体化。
下侧固定夹具202A及上侧固定夹具202B(包括支承部221a～221c)由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成。在热处理装置200中，固定夹具202由电绝缘性的陶瓷或电绝缘性的合成树脂构成。因此，能够抑制固定夹具202自身的加热及工件W2的表面温度的偏差。
第一感应加热线圈203设置在内壳201A的内侧，第二感应加热线圈204设置在外壳201B的外侧。第一感应加热线圈203是具有比内壳201A的内径小的外径的螺旋状的结构。另一方面，第二感应加热线圈204是具有比外壳201B的外径大的内径的螺旋状的结构。上述第一及第二感应加热线圈203、204通过供给高频电流，能够从工件W2的内周侧及外周侧这双方将工件W2感应加热成所希望的温度。需要说明的是，第一及第二感应加热线圈203、204也可以设置在处理槽201内。
在处理槽201的上部，沿着周向，等间隔地在多个部位安装有用于将冷却剂205注入到处理槽201内的喷射部206。喷射部206在其前端具有喷射冷却剂205的喷射喷嘴206a。在热处理装置200中，从喷射喷嘴206a向处理槽201内(外壳201B的内周面与内壳201A的外周面之间)喷射冷却剂205，由此能够对工件W2的表面进行冷却。而且，通过从喷射喷嘴206a喷射冷却剂205，能够使积存的冷却剂205的温度整体均匀。这是因为，由于在外壳201B与内壳201A之间积存有冷却剂205，因此积存在处理槽201内的冷却剂的整体容量少，通过从喷射喷嘴206a喷射的冷却剂205的流动，能够可靠地搅拌积存在处理槽201内的液体状的冷却剂205。因此，在热处理装置200中，即便不使工件W2旋转，也能够将工件的表面均匀地冷却。而且，在喷射部206设有流量调整阀及压力调整阀(均未图示)。由此，能够调整冷却剂的供给条件。在此，从用于均匀地搅拌所积存的冷却剂205的喷射喷嘴206a供给冷却剂的供给条件虽然也受处理槽201的容积的影响，但大致喷射量为8～80升/分钟左右。
而且，喷射部206以位于比喷射喷嘴206a所积存的冷却剂205的上表面低的位置的方式(以喷射喷嘴206a浸渍于冷却剂205内的方式)安装。通过在这样的位置安装喷射部206，伴随着来自喷射喷嘴206a的冷却剂205的喷射，容易更均匀地搅拌在处理槽201内积存的冷却剂205。而且，能够防止供给冷却剂时的气流的卷入。
在处理槽201的上部配置有圆环状且在与喷射部206的安装部位对应的位置形成有贯通孔211a的盖部211。通过配置这样的盖部211，在搅拌冷却剂205时，能够防止从处理槽201的上部的溢出。而且，盖部211、喷射部206及上侧固定夹具202B也可以一体化。这种情况下，容易进行工件的安设、处理后的工件的取出等作业。
在热处理装置200中，从喷射部206喷射的冷却剂205积存于处理槽201内，剩余的冷却剂205从排出口208向处理槽201的外部排出。需要说明的是，根据需要，也可以构成用于将排出的冷却剂205经由喷射部206进行再供给的流路(未图示)。而且，在热处理装置200中，作为冷却剂205，可以使用与第一实施方式的热处理装置100中使用的冷却剂105同样的冷却剂。此外，热处理装置200虽然未图示，但是具备感应加热所需的电源、整合器、用于对冷却剂的温度进行控制的调温构件等必要的构件。
第二实施方式的热处理装置200在对工件W2实施热处理时，在不使工件W2旋转的点上与第一实施方式的热处理装置100不同。因此，热处理装置200无需具备用于使工件旋转的机构，能够简化热处理装置的整体结构。此外，在热处理装置200中，与热处理装置100同样，在加热时能够对工件W2的表面均匀地冷却。
其他的实施方式的热处理装置如下述所示。在第一及第二实施方式的热处理装置100、200中，在工件W2的内侧(在热处理装置200中，进而在内壳201A的内侧)设置感应加热线圈103、203，但是在本发明的热处理装置中，也可以取代该感应加热线圈103、203，而设置由硅钢构成的中央芯部(未图示)。这种情况下，与使用了线圈103、203的情况同样，能够对工件W2的表面整体进行加热。因此，能够得到与使用了线圈103、203的情况同样的效果。
接下来，通过实施例等，验证本发明的热处理装置及热处理方法的作用效果。
实施例1如下述所示。利用由SUJ2构成的钢材来制造环状原料，并对所得到的环状原料实施切削加工，加工成规定形状，得到外圈用的工件(外径：62mm，壁厚：3mm)。接着，对所得到的工件实施了表1及图7所示的热处理条件下的淬火处理及回火处理之后，实施精研磨，得到了轴承(型号6206)用的外圈的试验片。在此，淬火处理使用气氛热处理炉进行，回火处理使用图6所示的热处理装置200进行。图7是表示实施例1的热处理条件的线图。在实施例1中，将工件以830℃加热了0.5小时而进行了整体淬火之后，油冷至80℃。然后，将工件安设在图6所示的热处理装置200内，对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为275℃、内部温度成为365℃的方式以频率480Hz及输出47kW进行5秒感应加热而进行了回火。
实施例2～9如下述所示。回火条件除了变更为表1及图8～15所示的条件以外，与实施例1相同，得到了外圈的试验片。图8是表示实施例2的热处理条件的线图。在实施例2中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为265℃、内部温度成为325℃的方式以频率430Hz及输出35kW进行5秒感应加热而进行了回火。图9是表示实施例3的热处理条件的线图。在实施例3中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为270℃、内部温度成为420℃的方式以频率480Hz及输出54kW进行5秒感应加热而进行了回火。图10是表示实施例4的热处理条件的线图。在实施例4中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为290℃、内部温度成为335℃的方式以频率380Hz及输出43kW进行3秒感应加热而进行了回火。图11是表示实施例5的热处理条件的线图，在实施例5中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为286℃、内部温度成为328℃的方式以频率480Hz及输出40kW进行3秒感应加热而进行了回火。图12是表示实施例6的热处理条件的线图。在实施例6中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为260℃、内部温度成为450℃的方式以频率430Hz及输出58kW进行5秒感应加热而进行了回火。图13是表示实施例7的热处理条件的线图。在实施例7中，与实施例1同样进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为270℃、内部温度成为575℃的方式以频率430Hz及输出72kW进行5秒感应加热而进行了回火。图14是表示实施例8的热处理条件的线图。在实施例8中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为260℃、内部温度成为715℃的方式以频率380Hz及输出95kW进行5秒感应加热而进行了回火。图15是表示实施例9的热处理条件的线图。在实施例9中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为265℃、内部温度成为535℃的方式以频率430Hz及输出68kW进行5秒感应加热而进行了回火。
比较例1、3如下述所示。回火处理使用回火炉进行，除了其条件设为表1及图16、18所示的条件以外，与实施例1相同，得到了外圈的试验片。图16是表示比较例1的热处理条件的线图。在比较例1中，将工件以830℃加热0.5小时而进行了整体淬火之后，油冷成80℃。然后，将工件以180℃(表面温度及内部温度都为180℃)加热1.5小时而进行了回火。图18是表示比较例3的热处理条件的线图。在比较例3中，将工件以830℃加热0.5小时而进行了整体淬火之后，油冷成80℃。然后，将工件以250℃(表面温度及内部温度都为250℃)加热1.5小时而进行了回火。
比较例2、4如下述所示。除了将回火条件变更为表1及图17、19所示的条件以外，与实施例1相同，得到了外圈的试验片。图17是表示比较例2的热处理条件的线图。在比较例2中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为220℃、内部温度成为600℃的方式以频率605Hz及输出83kW进行40秒感应加热而进行了回火。图19是表示比较例4的热处理条件的线图。在比较例4中，与实施例1同样地进行了淬火处理之后，将工件安设在热处理装置200内。对该工件的表面进行冷却，并以使该工件的表面温度成为255℃、内部温度成为285℃的方式以频率430Hz及输出29kW进行5秒感应加热而进行了回火。
比较例5如下述所示。除了以下述的方法进行淬火处理以外，与比较例1相同，得到了外圈的试验片。即，使用气氛热处理炉、回火炉、高频淬火机，以表1及图20的条件进行了调质及高频淬火。图20是表示比较例5的热处理条件的线图。在比较例5中，首先，对工件进行了由830℃、0.5小时的淬火及600℃、1.5小时的回火构成的调质。然后，以使温度成为950℃的方式进行0.32秒的高频淬火(200kHz、250kW)，然后，以与比较例1同样的条件进行了回火。在本比较例5中，在外圈的外圈滚道部、肩面及外周面的表层部形成高硬度区域。
比较例6如下述所示。利用由SAE5120构成的钢材制造环状原料，对得到的环状原料实施切削加工，加工成规定形状，得到了外圈用的工件(外径：62mm，壁厚：5mm)。接着，对得到的工件在碳势1.1的气氛中实施了表1及图21所示的热处理条件下的淬火处理。然后，在实施了表1及图21所示的热处理条件下的回火处理之后，实施精研磨，得到了轴承(型号6206)用的外圈的试验片。在此，淬火处理使用气氛热处理炉进行渗碳淬火，回火处理与比较例1同样地进行。图21是表示比较例6的热处理条件的线图。在比较例6中，对工件以930℃进行5小时加热而进行了渗碳淬火之后，油冷成80℃，然后，以与比较例1同样的条件进行了回火。
表1
试验片的评价如下述所示。使用维氏硬度试验机求出了实施例1～9及比较例1～6的外圈的试验片的截面的硬度的分布。基于该分布，算出了高硬度表面层的深度(图2的d1～d4)。而且，在该截面的硬度的分布的测定中，就实施例的试验片而言，可知表面部的截面的维氏硬度从最表面朝向内层部逐渐成为低硬度的情况。而且，研究了实施例1～9及比较例1～6的外圈的试验片的表面部的硬度(高硬度表面层的最表面的硬度)、内层部的硬度、最大剪切应力深度、压缩残留应力、滚动寿命、压坏强度、夏比冲击值及制造成本。此外，利用光学显微镜观察了实施例1～9及比较例1～6的外圈的试验片的表面部及内层部各自的组织。
需要说明的是，表面部的硬度是使维氏压子抵碰于各外圈的试验片的表面进行了测定。内层部的硬度在各外圈的试验片的截面上，使维氏压子抵碰于距滚道部的底部沿深度方向为1.5mm的位置而进行了测定。最大剪切应力深度通过赫兹接触理论算出。压缩残留应力通过利用残留应力测定装置进行X线衍射法而进行了测定。滚动寿命通过进行径向型滚动疲劳寿命试验而进行了测定。压坏强度的测定方法如下述所示。首先，利用阿姆斯拉试验机沿径向夹持外圈的试验片的周向的第一部位和与上述周方向的第一部位相比沿周向移动了180℃的部位即第二部位。接着，沿着与连结第一部位和第二部位的试验片的轴线垂直的方向，使第一部位和第二部位以0.5mm/min的速度接近的方式移动，由此使试验片变形。并且，使外圈的试验片破坏，通过评价破坏时的径向载荷而进行了测定。夏比冲击值按照JISK7111-1进行了测定。上述的结果如表2所示。需要说明的是，关于滚动寿命、压坏强度及夏比冲击值，算出作为相对于比较例1的测定值的相对值。而且，表中，成本的圆形标记是指比较例1的外圈的评价数值的0.8倍以下的数值。
表2
根据表2所示的结果，以回火时间20秒以下且工件的表面温度成为比内部温度低40℃以上的温度的方式对工件的表面进行冷却并进行回火而得到的试验片(实施例1～9)中，与利用以往的方法制作的试验片(比较例1)相比可知，压坏强度、夏比冲击值、压缩残留应力及制造成本都优异，而且滚动寿命为同等以上。由此可知，通过使用本发明的热处理装置及热处理方法，能够以少的工时且低能量消耗量提供一种耐冲击性优异且具有高压坏强度的环状构件。
根据本发明，能够以少的工时且低能量消耗量提供一种耐冲击性优异且具有高压坏强度的环状构件。

Claims (12)

1.一种热处理装置，对由钢材构成的环状的工件进行感应加热而进行热处理，所述热处理装置的特征在于，包括：
将工件安设于内部并对该工件实施热处理的处理槽；
将所述工件保持在规定的位置的保持部；
将所述工件包围而进行感应加热的感应加热线圈；及
在所述工件的感应加热期间对该工件的表面进行冷却的冷却介质。
2.根据权利要求1所述的热处理装置，其中，
所述保持部具有：以点接触方式来承受所述工件的下表面的第一支承部；抑制所述工件的在水平方向上的移动的第二支承部；及抑制所述工件向上方向的移动的第三支承部。
3.根据权利要求1所述的热处理装置，其中，
在所述处理槽内积存所述冷却介质。
4.根据权利要求2所述的热处理装置，其中，
在所述处理槽内积存所述冷却介质。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的热处理装置，其中，
所述热处理装置还具备动力传递部，该动力传递部向所述保持部传递使所述工件绕着该工件的轴心旋转的动力。
6.根据权利要求2～4中任一项所述的热处理装置，其中，
所述热处理装置还具备向所述处理槽内喷射冷却介质的喷射部，
通过从所述喷射部喷射出的冷却介质，对积存于所述处理槽内的冷却介质进行搅拌。
7.根据权利要求6所述的热处理装置，其中，
所述处理槽具有圆筒状的外壳和在所述外壳的内侧配置的圆筒状的内壳，
从所述喷射部向所述外壳的内周面与所述内壳的外周面之间喷射冷却介质。
8.一种热处理方法，对高碳铬轴承钢制的工件实施热处理，所述热处理方法的特征在于，包括：
对所述工件实施淬火处理的工序A；及
对淬火处理后的工件实施回火处理的工序B，
在所述工序B中，以回火时间为20秒以下且以使表面温度成为比内部温度低40℃以上的温度的方式，对所述淬火处理后的工件进行感应加热。
9.根据权利要求8所述的热处理方法，其中，
使用权利要求1～4中任一项所述的热处理装置进行所述工序B。
10.根据权利要求8所述的热处理方法，其中，
使用权利要求5所述的热处理装置进行所述工序B。
11.根据权利要求8所述的热处理方法，其中，
使用权利要求6所述的热处理装置进行所述工序B。
12.根据权利要求8所述的热处理方法，其中，
使用权利要求7所述的热处理装置进行所述工序B。
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