DE102015117529A1

DE102015117529A1 - Wärmebehandlungsvorrichtung und Wärmebehandlungsverfahren

Info

Publication number: DE102015117529A1
Application number: DE102015117529.0A
Authority: DE
Inventors: Wataru Yoshida; Towako MATSUI; Katsuhiko Kizawa; Takashi Sada; Tsuyoshi Mikami
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2016-04-21
Also published as: JP2016079466A; US10538821B2; JP6572530B2; CN105525086B; US11319605B2; CN105525086A; US20160108486A1; US20180305779A1

Abstract

Eine Wärmebehandlungsvorrichtung, welche ein ringförmiges, aus einem Stahlmaterial ausgebildetes Werkstück durch induktives Erwärmen des Werkstücks thermisch behandelt, beinhaltet einen Behandlungsbehälter, in den das Werkstück eingesetzt ist und thermisch behandelt wird, einen Halteabschnitt, welcher das Werkstück an einer vorbestimmten Position hält, eine Induktionserwärmungsspule, welche das Werkstück umgibt, um das Werkstück induktiv zu erwärmen, und ein Kühlmedium, welches Oberflächen des Werkstücks während der Induktionserwärmung des Werkstücks kühlt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmebehandlungsvorrichtung und ein Wärmebehandlungsverfahren.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein, ein Wälzlager ausbildender Lagerring, welches in Automobilen, Industriemaschinen und dgl. verwendet wird, hat einen Laufringabschnitt bzw. Laufbahnabschnitt, welche mit den Wälzkörpern in relativem Wälzkontakt sind. Es ist wahrscheinlich, dass der Laufringabschnitt Stößen/Einwirkungen von den Wälzkörpern als Ergebnis des Wälzkontakts damit, ausgesetzt ist. In Zusammenhang mit der Herstellung des Lagerrings wurden daher verschiedene Methoden vorgeschlagen, welche die mechanischen Eigenschaften des Lagerrings verbessern.
Zum Beispiel wurde eine Methode praktisch umgesetzt/angewendet, in welcher Gesamt-Abschrecken („bulk quenching”) (Durchhärten) und Anlassen an einem Stahlmaterial durchgeführt werden, welches aus kohlenstoffreichem Chrom-Lagerstahl ausgebildet ist, um die Härte des Lagerrings zu erhöhen, um die Verschleißbeständigkeit und Druckfestigkeit des Lagerrings zu verbessern. Jedoch kann das dem Gesamt-Abschrecken ausgesetzte Stahlmaterial eine hohe/große Härte aufweisen und somit eine hohe Druckfestigkeit, das Stahlmaterial im Gesamten jedoch ist von den Oberflächen zu dessen Innerem hauptsächlich aus der gleichen Struktur von angelassenem Martensit ausgebildet. Somit beinhaltet das Stahlmaterial keine Bereiche geringer Härte und neigt dazu, eine schlechtere Stoßfestigkeit zu aufzuweisen.
Um die Stoßfestigkeit zu verbessern wurde auch eine Methode praktisch umgesetzt, in welcher Aufkohlen und Vergüten (Abschrecken und Anlassen) an einem Stahlmaterial aus Einsatzstahl durchgeführt werden. Jedoch hat das Stahlmaterial, was dem Aufkohlen und Vergüten ausgesetzt ist, eine verbesserte Stoßfestigkeit, aber Oberflächen des Stahlmaterials haben aufgrund des Aufkohlens eine reduzierte Korngrenzenfestigkeit. Somit neigt das Stahlmaterial dazu, eine schlechtere Druckfestigkeit aufzuweisen. Darüber hinaus ermöglicht ein zweites Abschrecken der Druckfestigkeit, verbessert zu werden, aber ein Anstieg in den Kosten, welcher aus einer erhöhten Anzahl an Schritten resultiert, ist unvermeidbar.
Die japanische Patentveröffentlichung mit Nummer 2013-238274 ( JP 2013-238274 A ) gibt an, dass kohlenstoffreicher Chrom-Lagerstahl, wie bspw. SUJ2 thermisch verfeinert ist, wobei nur die Oberflächen davon einer Induktionshärtung ausgesetzt sind, um zu ermöglichen, dass die Härte der Oberflächen des Stahls auf 700 HV oder mehr festgelegt wird, während der internen/innerlichen Härte des Stahls ermöglicht wird, auf einen kleinen Wert von 340 bis 490 HV festgelegt zu sein. Als Ergebnis verbessert diese Methode die Wälzlebensdauer und Stoßfestigkeit des Lagerrings. Jedoch scheitert die in der JP 2013-238274 A offenbarte Methode, die gesamte Peripherie eines inneren Schichtabschnitts des Stahlmaterials (Werkstück) mit einer Schicht großer Härte zu umgeben. Als Ergebnis ist das Gebiet geringer Härte zwischen den Schichten hoher Härte eingeklemmt/eingeschoben, und es ist schwierig, die Druckfestigkeit ausreichend zu verbessern.
Wie vorstehend beschrieben hat die konventionelle Methode Schwierigkeiten einen Lagerring bereitzustellen, der eine verlängerte Lebensdauer hat und der ermöglicht, sowohl eine hohe Stoßfestigkeit als auch eine hohe Druckfestigkeit zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Wärmebehandlungsvorrichtung und ein Wärmebehandlungsverfahren bereitzustellen, welche die Bereitstellung eines ringförmigen Teils, wie bspw. ein Lagerring ermöglichen, welche ermöglicht, dass sowohl eine hohe Stoßfestigkeit als auch eine hohe Druckfestigkeit erreicht werden, welche in einer Zielkonfliktbeziehung zueinander stehen.
Eine Wärmebehandlungsvorrichtung in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, welche ein ringförmiges Werkstück, das aus einem Stahlmaterial ausgebildet ist, durch induktives Erwärmen des Werkstücks thermisch behandelt, beinhaltet einen Behandlungsbehälter, in den das Werkstück eingesetzt wird und thermisch behandelt wird, einen Halteabschnitt, der das Werkstück an einer vorbestimmten Position hält, eine Induktionserwärmungsspule, welche das Werkstück umgibt, um das Werkstück induktiv zu erwärmen, und ein Kühlmedium, das Oberflächen des Werkstücks während der Induktionserwärmung des Werkstücks kühlt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen dazu verwendet werden gleiche Elemente zu repräsentieren und wobei:
1 eine Schnittansicht eines wichtigen Teils eines Kugellagers zeigt, welches aus der Anwendung der vorliegenden Erfindung resultiert;
2 eine Schnittansicht eines wichtigen Teils eines Außenrings des in 1 abgebildeten Kugellagers zeigt;
3A bis 3E Schritte für ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings abbilden, in welchem eine Wärmebehandlungsvorrichtung und ein Wärmebehandlungsverfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
4A und 4B einen Wärmebehandlungsprozess in dem in den 3A bis 3E dargestellten Herstellungsverfahren abbildet;
5 eine schematische Darstellung zeigt, welche ein Beispiel einer Anlassvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet;
6A eine Längsschnittansicht zeigt, welche ein anderes Beispiel der Anlassvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet, und 6B eine Draufsicht zeigt, welche dieses Beispiel der Anlassvorrichtung abbildet;
7 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 1 abbildet;
8 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 2 abbildet;
9 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 3 abbildet;
10 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 4 abbildet;
11 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 5 abbildet;
12 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 6 abbildet;
13 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 7 abbildet;
14 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 8 darstellt;
15 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 9 darstellt;
16 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 1 abbildet;
17 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 2 abbildet;
18 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 3 abbildet;
19 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 4 abbildet;
20 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 5 abbildet; und
21 eine Darstellung zeigt, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 6 abbildet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zuerst werden ein Wälzlager und ein Lagerring beschrieben, welche unter Einsatz einer Wärmebehandlungsvorrichtung und eines Wärmebehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden können. Ringförmige Teile, welche unter Einsatz der Wärmebehandlungsvorrichtung und des Wärmebehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, sind nicht auf das Wälzlager und den Lagerring beschränkt. Ein Kugellager wird nachfolgend als ein Beispiel des Wälzlagers beschrieben. 1 zeigt eine Schnittansicht eines wichtigen Teils des Kugellagers, welches ein Beispiel für das Wälzlager ist.
Ein in 1 abgebildetes Kugellager 1 beinhaltet einen ringförmigen Außenring 10, einen ringförmigen Innenring 20, eine Vielzahl an Kugeln 30 (Wälzkörper) und einen Käfig 40. Der Innenring 20 ist näher zu einem inneren Umfang des Außenrings 10, konzentrisch zu dem Außenring 10 angeordnet. Die Kugeln 30 sind zwischen dem Außenring 10 und dem Innenring 20 angeordnet. Der Käfig 40 hält die Kugeln 30.
Der Außenring 10 hat einen Außenring-Laufbahnabschnitt bzw. einen Außenring-Laufringabschnitt 11a, eine Endoberfläche 11b und eine äußere Umfangsoberfläche 11d. Der Außenring-Laufringabschnitt 11a ist auf einer inneren Umfangsoberfläche des Außenrings 10 ausgebildet und dient als eine Wälzkontaktoberfläche, auf der die Vielzahl an Kugeln 30 abrollen. Diese Oberflächen sind geschliffene Abschnitte. Der Außenring 10 hat eine Fase 11e an einem äußeren Umfang bzw. einer äußeren Peripherie des Außenrings 10 und eine Schulteroberfläche 11c. Die Fase 11e ist mit der Endoberfläche 11b und der äußeren Umfangsoberfläche 11d zusammenhängend ausgebildet. Die Schulteroberfläche 11c ist mit dem Außenring-Laufringabschnitt 11a zusammenhängend ausgebildet. Diese Oberflächen sind ungeschliffene Abschnitte. Der Innenring 20 hat einen Innenring-Laufringabschnitt bzw. Laufbahnabschnitt 21a, eine Endoberfläche 21b und eine innere Umfangsoberfläche 21d. Der Innenring-Laufringabschnitt 21a ist auf einer äußeren Umfangsoberfläche des Innenrings 20 ausgebildet und dem Außenring-Laufringabschnitt 11a zugewandt. Die Vielzahl an Kugeln 30 rollen auf dem Innenring-Laufringabschnitt 21a ab. Diese Oberflächen sind geschliffene Abschnitte. Der Innenring 20 hat eine Fase 21e, welche auf einem inneren Umfang bzw. einer inneren Peripherie des Innenrings 20 platziert ist, und eine Schulteroberfläche 21c, welche mit dem Innenring-Laufringabschnitt 21a zusammenhängend ausgebildet ist. Die Fase 21e ist mit der Endoberfläche 21b und der inneren Umfangsoberfläche 21d zusammenhängend ausgebildet. Diese Oberflächen sind ungeschliffene Oberflächen. Die Kugeln 30 haben jeweils Wälzoberflächen 30a, welche als Wälzkontaktoberflächen dienen, die den Außenring 10 und den Innenring 20 in Wälzkontakt berühren, welches Gegenstücke der Kugeln 30 sind. Der Außenring 10, der Innenring 20 und die Kugeln 30 sind aus kohlenstoffreichem Chrom-Lagerstahl ausgebildet. Beispiele für den kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahl beinhalten SUJ2 und SUJ3.
In dem Kugellager 1 entspricht zumindest einer von dem Außenring 10 und dem Innenring 20 einem Lagerring wie nachfolgend beschrieben. Daher ist das Kugellager 1 ausgezeichnet in der Stoßfestigkeit und der Druckfestigkeit und hat eine verlängerte Wälzlebensdauer.
Als ein Beispiel für den Lagerring wird nachfolgend ein Außenring beschrieben. 2 zeigt eine Schnittansicht eines wichtigen Teils des Außenrings, welcher ein Beispiel für den Lagerring ist. Der Lagerring ist aus vergütetem (abgeschrecktem und angelassenem) kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahl ausgebildet. Der Lagerring beinhaltet einen inneren Schichtabschnitt bzw. Innenschichtabschnitt und einen Oberflächenschichtabschnitt. Der Innenschichtabschnitt ist aus Martensit oder Sorbit ausgebildet und weist eine Vickershärte von über 490 HV und 710 HV oder weniger auf. Der Oberflächenschichtabschnitt ist ausgebildet, um eine gesamte Peripherie des Innenschichtabschnitts zu umgeben und besteht aus angelassenem Martensit und hat eine höhere Vickershärte als der Innenschichtabschnitt.
Die ”Vickershärte”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen Wert, welcher zur Messung durch (Auf-)Pressen eines Vickers-Eindringkörpers auf eine Oberfläche des geschliffenen Abschnitts des Lagerrings (z. B. der Außenring) oder auf einen Schnitt des Lagerrings, geschnitten entlang einer Radialrichtung, erhalten wird.
Der in 2 abgebildete Außenring 10 hat einen Innenschichtabschnitt 13 und einen Oberflächenschichtabschnitt 12, welcher so ausgebildet ist, dass er eine gesamte Peripherie des Innenschichtabschnitts 13 umgibt. Der Oberflächenschichtabschnitt 12 ist so ausgebildet, dass er, verglichen mit dem Innenschichtabschnitt 13, eine relativ hohe Härte (Vickershärte) aufweist. Somit ermöglicht der Außenring 10, dass sowohl eine hohe Druckfestigkeit als auch eine hohe Stoßfestigkeit erreicht werden.
Der Innenschichtabschnitt 13 weist eine angelassene Martensit-Struktur oder eine Sorbit-Struktur auf. Der Innenschichtabschnitt 13 hat eine Vickershärte von über 490 HV und 710 HV oder weniger. Für den Innenschichtabschnitt 13 ist es wichtig solch eine Konfiguration aufzuweisen, um den Außenring 10 mit sowohl hoher Druckfestigkeit als auch hoher Stoßfestigkeit zu versehen. Wenn der Innenschichtabschnitt 13 eine Vickershärte von 490 HV oder weniger aufweist, ist die Druckfestigkeit unzureichend/mangelhaft. Andererseits, wenn der Innenschichtabschnitt 13 eine Vickershärte von mehr als 710 HV aufweist, ist es schwierig, die Druckfestigkeit und die Stoßfestigkeit zu verbessern. Die Vickershärte des Innenschichtabschnitts 13 beträgt vorzugsweise 500 HV oder mehr und 700 HV oder weniger.
Die Vickershärte des Innenschichtabschnitts 13 beträgt vorzugsweise 490 HV oder mehr und 620 HV oder weniger und weiter vorzugsweise 500 HV oder mehr und 610 HV oder weniger, wenn der Lagerring (Außenring 10) für Anwendungen eingesetzt wird, die insbesondere Stoßfestigkeit benötigen.
Die Vickershärte des Innenschichtabschnitts 13 beträgt vorzugsweise 620 HV oder mehr und 710 HV oder weniger und weiter vorzugsweise 630 HV oder mehr und 700 HV oder weniger, wenn der Lagerring (Außenring 10) für Anwendungen eingesetzt wird, welche insbesondere eine hohe Druckfestigkeit benötigen.
Der Oberflächenschichtabschnitt 12 ist dazu ausgebildet, die gesamte Peripherie des Innenschichtabschnitts 13 zu umgeben und weist eine angelassene Martensit-Struktur auf. Die Vickershärte des Oberflächenschichtabschnitts 12 kann höher sein als die Vickershärte des Innenschichtabschnitts 13 und kann von einer äußersten Oberfläche des Oberflächenschichtabschnitts 12 in Richtung zum Innenschichtabschnitt 13 allmählich abnehmen. Die Vickershärte des Oberflächenschichtabschnitts 12 ist nicht genau begrenzt, solange die Vickershärte des Oberflächenschichtabschnitts 12 höher ist als die Vickershärte des Innenschichtabschnitts 13. Jedoch weist der Außenring-Laufringabschnitt 11a, ein Teil des Oberflächenschichtabschnitts 12, vorzugsweise eine Vickershärte von 740 HV oder mehr und weniger als 800 HV an der äußersten Oberfläche auf. Eine Vickershärte von weniger als 740 HV kann die Wälzlebensdauer des Außenrings 10 (Lagerring) verkürzen, wohingegen eine Vickershärte von mehr als 800 HV die Stoßfestigkeit reduzieren kann.
Der Außenring-Laufringabschnitt 11a weist vorzugsweise einen Bereich auf, welcher sich von der äußersten Oberfläche in Richtung zum Innenschichtabschnitt 13 erstreckt und eine Vickershärte von 700 HV oder mehr aufweist (nachfolgend auch als eine Oberflächenschicht hoher Härte bezeichnet (schattierter Abschnitt in 2)). Eine Tiefe d1 der Oberflächenschicht hoher Härte des Außenring-Laufringabschnitts 11a erfüllt vorzugsweise nachfolgende Ungleichung (1) mit Bezug zu einer maximalen Scherspannungstiefe Z0. 3Z0 ≤ d1 < 8Z0 (1)
Wenn die Tiefe d1 in dem Außenring-Laufringabschnitt 11a kleiner als dreimal so groß wie die maximale Scherspannungstiefe Z0 ist, ist die Ermüdungsfestigkeit der Oberfläche gering. Demzufolge kann der Außenring 10 eine verkürzte Wälzlebensdauer aufweisen. Wenn die Tiefe d1 in dem Außenring-Laufringabschnitt 11a wiederum zumindest achtmal so groß ist wie die maximale Scherspannungstiefe Z0, ist der Anteil, den der Innenschichtabschnitt 13 in dem Außenring 10 einnimmt, gering, wodurch die Zähigkeit/Härte des Außenrings 10 möglicherweise mangelhaft ist. Wenn der Lagerring verwendet wird, beträgt die maximale Scherspannungstiefe Z0 etwa 0,1 bis 0,2 mm, wobei die maximale Scherspannungstiefe Z0 gemäß einer Nennbelastung/Nennlast variiert.
Ein Bereich des Oberflächenschichtabschnitts 12, welcher sich von der äußersten Oberfläche des Außenring-Laufringabschnitts 11a zu der maximalen Scherspannungstiefe Z0 erstreckt, weist vorzugsweise eine Druckeigenspannung von 50 MPa oder mehr auf. Wenn die Druckeigenspannung geringer als 50 MPa ist, kann die Wälzlebensdauer nicht sichergestellt/garantiert werden.
Ein Teil (Außenring-nicht-Laufringabschnitt) des Oberflächenschichtabschnitts 12, welcher von dem Außenring-Laufringabschnitt 11a verschieden ist, weist vorzugsweise eine höhere Vickershärte auf als der Innenschichtabschnitt 13, sodass die Vickershärte an der äußersten Oberfläche 700 HV oder mehr und weniger als 800 HV beträgt. Wenn die Vickershärte des Außenring-nicht-Laufringabschnitts an der äußersten Oberfläche geringer ist als 700 HV, kann die Druckfestigkeit gering sein. Andererseits, wenn die Vickershärte des Außenring-nicht-Laufringabschnitts an der äußersten Oberfläche mehr als 800 HV beträgt, kann die Stoßfestigkeit gering sein. Der Teil des Oberflächenschichtabschnitts 12, welcher von dem Außenring-Laufringabschnitt 11a verschieden ist, weist an der äußersten Oberfläche vorzugsweise eine Vickershärte von 720 HV oder mehr auf.
Der Teil des Oberflächenschichtabschnitts 12, welcher von dem Außenring-Laufringabschnitt 11a verschieden ist (Außenring-nicht-Laufringabschnitt), weist vorzugsweise ebenfalls einen Bereich auf, welcher sich von der äußersten Oberfläche in Richtung zum Innenschichtabschnitt 13 erstreckt und eine Vickershärte von 700 HV oder mehr (Oberflächenschicht hoher Härte) aufweist. In dem Außenring-nicht-Laufringabschnitt des Außenrings 10 erfüllen die Verhältnisse von einer Tiefe d2 der Oberflächenschicht hoher Härte an der äußeren Umfangsoberfläche 11d und Tiefen d3 und d4 der Oberflächenschicht hoher Härte an der Endoberfläche 11b zu einer maximalen Dicke t des Außenrings 10 (d2/t, d3/t und d4/t) vorzugsweise Ungleichung (2). 0,05 < (d2/t, d3/t und d4/t) ≤ 0,45 (2)
Wenn die Verhältnisse der Tiefen d2 bis d4 der Oberflächenschichten hoher Härte zu der maximalen Dicke t 0,05 oder weniger betragen, kann die Druckfestigkeit mangelhaft sein. Betragen die Verhältnisse der Tiefen d2 bis d4 der Oberflächenschichten hoher Härte zu der maximalen Dicke t wiederum mehr als 0,45, nimmt die Oberflächenschicht hoher Härte einen größeren Teil des Oberflächenschichtabschnitts 12 ein, was zu einer unzureichenden/mangelhaften Stoßfestigkeit führt.
Der Außenring 10 wird unter Verwendung von vergütetem (abschrecken und anlassen), kohlenstoffreichem Chrom-Lagerstahl hergestellt. Beispiele für kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahl beinhalten SUJ2 und SUJ3. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele begrenzt. Das Vergüten (Abschrecken und Anlassen) wird nachfolgend beschrieben. Selbstverständlich ist der Lagerring der vorliegenden Erfindung nicht auf den Außenring begrenzt, sondern kann der Innenring sein.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des Lagerrings anhand eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung des Außenrings 10 beschrieben. In dem Verfahren zur Herstellung des Lagerrings kann das Wärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung für einen Abschreckprozess und einen Anlassprozess übernommen werden. 3A bis 3E bilden Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerrings gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab. 4A und 4B bilden einen Wärmebehandlungsprozess (das Wärmebehandlungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung) in dem in den 3A bis 3E abgebildeten Verfahren zur Herstellung des Außenrings 10 ab.
Als erstes wird ein aus dem kohlenstoffreichen Chrom-Lagerstahl ausgebildetes ringförmiges Material W1 (siehe 3A) hergestellt. Das ringförmige Material W1 wird in eine vorbestimmten Form verarbeitet, um ein Werkstück W2 des Außenrings 10 zu erhalten, welches Abschnitte entsprechend zu dem Außenring-Laufringabschnitt 11a, der Endoberfläche 11b, der Schulteroberfläche 11c und der äußeren Umfangsoberfläche 11d aufweist (”Vorbearbeitungsschritt”, siehe 3B).
Anschließend werden Abschrecken (siehe 3C) und Anlassen (siehe 3D) an dem resultierenden Werkstück W2 durchgeführt. Verfahren für das Abschrecken und das Anlassen sind nicht genau/speziell begrenzt und das Wärmebehandlungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um das Abschrecken und das Anlassen zu erreichen/erzielen. Das Wärmebehandlungsverfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmebehandlungsverfahren zum thermischen Behandeln eines Werkstücks aus kohlenstoffreichem Chrom-Lagerstahl. Das Wärmebehandlungsverfahren beinhaltet einen Schritt (A) des Abschreckens des Werkstücks W2 und einen Schritt (B) des Anlassens des abgeschreckten Werkstücks W2. In dem Schritt (B) wird das abgeschreckte Werkstück W2 induktiv erwärmt, sodass eine Anlassdauer 20 Sekunden oder weniger beträgt und eine Oberflächentemperatur zumindest 40°C geringer als eine innere Temperatur bzw. Innentemperatur ist. Der Schritt (A) und der Schritt (B) werden in dieser Reihenfolge beschrieben.
In dem Schritt (A) wird das erhaltene Werkstück W2 abgeschreckt (”ein Abschreckprozess”, siehe 3C und 4A). Beim Abschrecken wird das Werkstück W2 gänzlich gleichmäßig erwärmt und rasch gekühlt, sodass sowohl der Innenschichtabschnitt 13 als auch der Oberflächenschichtabschnitt 12 zu Martensit werden und sodass eine unvollständig abgeschreckte Struktur (Feinperlit) 5% oder weniger beträgt. Wenn die unvollständig abgeschreckte Struktur mehr als 5% beträgt, hat der hergestellte Außenring 10 eine unzureichende Härte und somit eine verkürzte Wälzlebensdauer. Ein Verfahren zum Abschrecken ist nicht besonders begrenzt und kann Induktionshärten, Durchhärten oder dgl. sein.
Das Abschrecken kann unter Bedingungen durchgeführt werden, dass das Werkstück W2 bei einer Abschrecktemperatur von 810 bis 850°C für 0,5 bis 2 Stunden erwärmt und dann rasch gekühlt wird. Die Abschrecktemperatur ist vorzugsweise auf 820°C oder höher festgelegt, um eine ausreichende Abschreckvermögen zu erreichen und auf 840°C oder weniger, um zu verhindern, dass die Korngröße zunimmt. Eine Aufheizzeit ist vorzugsweise auf 0,5 Stunden oder länger festgelegt, um die Teile gleichmäßig zu erwärmen und auf 1,5 Stunden oder weniger, um zu verhindern, dass die Korngröße zunimmt. Das rasche Abkühlen wird z. B. durch Ölabkühlen in einem Ölbad aus Kühlöl durchgeführt. Eine Ölbadtemperatur für das Kühlöl beträgt üblicherweise 60 bis 180°C.
Dann wird Schritt (B) ausgeführt.
In dem Schritt (B) wird das abgeschreckte Werkstück W2 angelassen, um ein Werkstück W3 zu erhalten (”ein Anlassprozess”, siehe 3D und 4B). Das Anlassen wird, wie in 4B gezeigt, durch Erwärmen des Werkstücks W2 mit der Anlasstemperatur der äußersten Oberfläche des abgeschreckten Werkstücks W2 durchgeführt (siehe eine ”Oberflächentemperatur A” in 4B), die so angepasst ist, dass sie geringer ist als die Anlasstemperatur innerhalb des Werkstücks W2 (siehe eine ”Innentemperatur B” in 4B) (d. h., die Innentemperatur B – die Oberflächentemperatur A ≥ 40°C). Wenn das Anlassen also mit einer Oberflächentemperatur A, welche zumindest 40°C geringer ist als die Innentemperatur B, durchgeführt wird, kann die Härte innerhalb des Werkstücks W2 so festgelegt sein, dass sie geeignet ist, eine ausreichende Stoßfestigkeit zu erzielen bzw. zu erreichen. Wenn das Anlassen unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen durchgeführt wird, wird dann zusätzlich während des Anlassens eine Abnahme der Menge von zurückbleibendem Austenit unterdrückt und eine Druckspannung kann erhöht werden. Wenn ein aus den vorliegenden Prozessschritten resultierender Lagerring als ein Außenring und/oder ein Innenring für ein Wälzlager oder ähnliches verwendet wird, kann daher die Lebensdauer des Lagers (dem von der Oberfläche ausgehenden Verschleiß zugerechnet) verbessert werden und eine hohe statische Traglast kann sichergestellt werden. Darüber hinaus kann das die Schritte (A) und (B) enthaltende Wärmebehandlungsverfahren ringförmige Teile bereitstellen, welche eine Stoßfestigkeit vergleichbar zu der aufweist, welche durch Aufkohlen und eine hohe Druckfestigkeit erreicht wird, mit einer geringen Anzahl an Schritten und geringem Energieverbrauch.
Eine Anlassdauer für das Anlassen beträgt 20 Sekunden oder weniger (siehe ”Anlassdauer T” in 4B). Dies ermöglicht, dass eine ausreichende Druckeigenspannung auf das Werkstück W2 aufgebracht wird. Die ”Anlassdauer”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Dauer von dem Start des Erwärmens bis eine vorbestimmte Anlasstemperatur (Oberflächentemperatur und Innentemperatur) erreicht ist. Solch ein Anlassen kann z. B. unter der Verwendung einer Wärmebehandlungsvorrichtung, wie nachfolgend beschrieben, durchgeführt werden. Kühlung für das Anlassen kann z. B. Kühlung mit Luft sein oder das Werkstück W2 zum Kühlen liegen zu lassen.
In dem Anlassprozess ist der Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur (Innentemperatur – Oberflächentemperatur) vorzugsweise 600°C oder weniger. Wenn der Unterschied mehr als 600°C beträgt, kann das Werkstück W2 rissig sein. Die Anlassdauer T ist vorzugsweise auf 2 Sekunden oder länger festgelegt und weiter vorzugsweise 3 Sekunden oder länger, um mögliche Temperaturungleichheiten zu unterdrücken, um die Qualität des ringförmigen Teils zu stabilisieren. Andererseits ist die Anlassdauer vorzugsweise auf 18 Sekunden oder kürzer festgelegt, um zu ermöglichen, dass eine ausreichende Druckeigenspannung auf das Werkstück W2 eingebracht werden kann.
Spezifische bevorzugte Temperaturen für das Anlassen sind so, dass die Oberflächentemperatur auf 260 bis 290°C angepasst ist und die Innentemperatur auf 320 bis 715°C angepasst ist. Die Oberflächentemperatur ist vorzugsweise auf 275°C oder weniger festgelegt, um eine angemessene Wälzlebensdauer zu erreichen. Die Innentemperatur ist vorzugsweise auf 365°C oder höher festgelegt und weiter vorzugsweise auf 450°C oder höher, um eine angemessene Stoßfestigkeit sicherzustellen. Die Innentemperatur ist vorzugsweise auf 575°C oder geringer festgelegt, um eine angemessene Druckfestigkeit sicherzustellen. Wenn die Innentemperatur zwischen 450 und 575°C liegt, kann eine verlängerte Wälzermüdungslebensdauer bzw. Wälzdauerhaltbarkeit und eine hohe Stoßfestigkeit erreicht werden und dieser Temperaturbereich ist geeigneter zum Bereitstellen einer hohen Druckfestigkeit. Die Oberflächentemperatur und die Innentemperatur können unter Verwendung eines Typ-K-Thermoelements gemessen werden.
In dem Anlassprozess wird eine Variation/Abweichung der Temperatur über die gesamte Oberfläche des Werkstücks W2 vorzugsweise auf 20°C oder weniger angepasst, um die Qualität zu stabilisieren. Ein Verfahren zur Unterdrückung einer Variation in der Oberflächentemperatur kann, beim Anlassen unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Wärmebehandlungsvorrichtung, das Rotieren des Werkstücks W2 oder das Bewegen/Zirkulieren/Rühren eines Kühlmediums involvieren, um die Temperatur des Kühlmediums während der Induktionserwärmung gleichförmig zu machen.
Frequenz und Abgabeleistung während der Induktionserwärmung sind bei Bedarf so festgelegt, um die vorstehend beschriebenen Temperaturbereiche gemäß der Dicke und Masse des Werkstücks W2 und der Kühlleistung eines Kühlmittels zu erreichen. Die Frequenz beträgt vorzugsweise 300 bis 600 Hz. Eine Frequenz von mehr als 600 Hz kann die Oberflächentemperatur erhöhen, um den Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur zu reduzieren. Die Abgabeleistung beträgt üblicherweise etwa 1 bis 300 kW und vorzugsweise 5 bis 100 kW.
Anschließend wird das Feinschleifen bzw. der Feinschliff an Abschnitten des angelassenen Werkstücks W3, welche dem Außenring-Laufringabschnitt 11a, der Endoberfläche 11b und der äußeren Umfangsoberfläche 11d entsprechen, durchgeführt (”Feinschliff”, 3E). Der Außenring 10 (Lagerring) kann durch die vorstehend beschriebenen Schritte produziert werden.
Nun wird die Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist passend zum Ausführen des vorstehend beschriebenen Wärmebehandlungsverfahrens gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Wärmebehandlungsvorrichtung kann nicht nur für den Anlassprozess in dem Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings in geeigneter Weise verwendet werden, sondern auch für verschiedene Erwärmungsprozesse zum Erwärmen eines ringähnlichen Werkstücks, sodass die Oberflächentemperatur des Werkstücks geringer ist als die Innentemperatur des Werkstücks. Eine spezifische Konfiguration der Wärmebehandlungsvorrichtung wird mit Bezug zu zwei Ausführungsformen als Beispiele beschrieben.
Eine Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. 5 zeigt eine Schnittansicht eines wichtigen Teils von einem Beispiel der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein ringförmiges Werkstück W2 ist in einer in 5 dargestellten Wärmebehandlungsvorrichtung 100 eingesetzt. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 beinhaltet einen Behandlungsbehälter 101, einen Halteabschnitt 102, eine erste Induktionserwärmungsspule 103, eine zweite Induktionserwärmungsspule 104, ein Kühlmittel 105, Einspritzabschnitte 106 und einen Energieübertragungsabschnitt 107. In dem Behandlungsbehälter 101 wird die Wärmebehandlung an dem Werkstück W2 durchgeführt. Der Halteabschnitt 102 hält das Werkstück W2 so, dass das Werkstück W2 um eine Achse dessen rotierbar ist, während Bewegung des Werkstücks W2 in einer Aufwärtsrichtung und der Horizontalrichtung unterdrückt wird. Die erste Induktionserwärmungsspule 103 erwärmt das Werkstück W2 von einer inneren Peripherie des Werkstücks W2 aus induktiv. Die zweite Induktionserwärmungsspule 104 umgibt das Werkstück W2, um das Werkstück W2 von einer äußeren Peripherie des Werkstücks W2 aus induktiv zu erwärmen. Das Kühlmittel 105 ist ein Kühlmedium, welches in dem Behandlungsbehälter 101 gespeichert ist, um die Oberflächen des Werkstücks W2 zu kühlen. Die Einspritzabschnitte 106 ermöglichen dem Kühlmittel 105 auf das Werkstück W2 gespritzt zu werden, um die Oberflächen des Werkstücks W2 zu kühlen. Der Energieübertragungsabschnitt 107 überträgt Energie auf den Halteabschnitt 102, welche dem durch den Halteabschnitt 102 gehaltenen Werkstück W2 ermöglicht, um die Achse des Werkstücks W2 zu rotieren. Die Verwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht dem Werkstück W2 induktiv erwärmt zu werden, wobei die Oberflächen des Werkstücks W2, die zwangsgekühlt werden. Folglich kann während der Induktionserwärmung die Innentemperatur des Werkstücks W2 höher werden als die Oberflächentemperatur des Werkstücks W2. Somit, wenn die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 z. B. für einen Anlassprozess für das abgeschreckte Werkstück W2 verwendet wird, kann der Innenschichtabschnitt eine geringere Härte haben als der Oberflächenschichtabschnitt. Demzufolge kann ein ringförmiges Werkstück mit einer hohen Stoßfestigkeit und einer hohen Druckfestigkeit mit reduzierten Mannstunden und reduziertem Energieverbrauch bereitgestellt werden.
Der Behandlungsbehälter 101 ist ein zylindrischer Behälter bzw. ein zylindrisches Gefäß mit Boden, der das Kühlmittel 105 speichern kann. Der den Behandlungsbehälter 101 ausbildende Behälter ist aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildet. Folglich weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 den aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildeten Behälter als den Behandlungsbehälter 101 auf. Somit kann die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 selbst darin beschränkt werden, erhitzt zu werden. Die Größe des Behälters kann bei Bedarf/nach Bedarf gemäß der Anwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung 100, der Größe des Werkstücks W2 und dgl. festgelegt werden. Das Kühlmittel 105 ist in dem Behandlungsbehälter 101 gespeichert. Der Behandlungsbehälter 101 ist mit einem Auslaufstutzen 108 versehen, durch welchen ein Überschussanteil des Kühlmittels 105 aus dem Behandlungsbehälter 101 nach außen abgelassen wird. Das Werkstück W2 ist in den Behandlungsbehälter 101 eingesetzt, um in das in dem Behandlungsbehälter 101 gespeicherte Kühlmittel 105 eingetaucht zu sein. Solch eine Konfiguration ermöglicht das Erwärmen des Werkstücks W2, welches in dem in dem Behandlungsbehälter 101 gespeicherten Kühlmittel 105 eingetaucht ist. Somit kann das Werkstück W2 erwärmt werden, wobei die Oberflächen des Werkstücks W2 effizient gekühlt werden, wodurch eine zuverlässige Wartung/Erhaltung des Unterschieds zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur des Werkstücks W2 während des Erwärmens sichergestellt wird.
Der Halteabschnitt 102 hat erste Stützabschnitte 121c, dritte Stützabschnitte 121a und zweite Stützabschnitte 121b. Die ersten Stützabschnitte 121c nehmen eine untere Oberfläche des Werkstücks W2 in einer Punktkontaktweise auf. Die dritten Stützabschnitte 121a unterdrücken eine Aufwärtsbewegung des Werkstücks W2. Die zweiten Stützabschnitte 121b unterdrücken die Horizontalbewegung des Werkstücks W2. Folglich unterdrückt der Halteabschnitt 102 die Aufwärtsbewegung und Horizontalbewegung des Werkstücks W2, während des Haltens des Werkstücks W2 in Punktkontaktweise. Zu diesem Zeitpunkt können die Stützabschnitte 121a das Werkstück W2 berühren oder es kann ein Spalt von bis zu etwa 1 mm zwischen jedem der Stützabschnitte 121a und dem Werkstück W2 ausgebildet sein. Die Stützabschnitte 121b können das Werkstück W2 berühren oder es kann ein Spalt von bis zu etwa 0,5 mm zwischen jedem der Stützabschnitte 121b und dem Werkstück W2 ausgebildet sein. Die Ausbildung eines solchen Spalts ermöglicht das Vermeiden einer Situation, in der die Oberflächen des Werkstücks W2 durch die Stützabschnitte 121a und 121b gedrückt/gepresst werden, selbst wenn sich das Werkstück W2 thermisch ausdehnt.
Die Stützabschnitte 121a bis 121c sind alle Sphären/Kugeln. Daher sind die Stützabschnitte 121a bis 121c bei Berührung des Werkstücks W2 mit dem Werkstück W2 in Punktkontakt. Dies unterdrückt Wärmeübertragung von dem Werkstück W2 zu jedem der Stützabschnitte 121a bis 121c. Folglich kann das Werkstück W2 davor bewahrt werden, eine ungleichmäßige Temperatur aufzuweisen. Darüber hinaus ist es weniger wahrscheinlich, dass das Kühlen des Werkstücks W2 mit dem Kühlmittel 105 durch die Stützabschnitte 121a bis 121c behindert wird. Demzufolge kann das Werkstück W2 davor bewahrt werden, als Ergebnis einer mangelhaften Kühlung zu überhitzen. Die Anzahl der Stützabschnitte 121a bis 121c kann in einer Umfangsrichtung in einer Draufsicht jeweils drei oder mehr betragen und beträgt üblicherweise drei bis sechs. Vorzugsweise sind drei Stützabschnitte in regelmäßigen Abständen vorgesehen.
In der Wärmebehandlungsvorrichtung 100 ist der Halteabschnitt aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildet. Somit kann der Halteabschnitt 102 selbst davor bewahrt werden, erhitzt zu werden und eine Variation in der Oberflächentemperatur des Werkstücks W2 kann unterdrückt werden.
Die ersten und zweiten Induktionserwärmungsspulen 103 und 104 sind innerhalb des Behandlungsbehälters 101 eingebaut. Die erste Induktionserwärmungsspule 103 ist spiralförmig und hat einen Außendurchmesser, welcher kleiner ist als ein Innendurchmesser des Werkstücks W2. Das Werkstück W2 ist um eine äußere Peripherie der ersten Induktionserwärmungsspule 103 festgelegt. Die zweite Induktionserwärmungsspule 104 wiederum ist spiralförmig und hat einen Innendurchmesser größer als ein Außendurchmesser des Werkstücks W2. Das Werkstück W2 ist innerhalb einer inneren Peripherie der zweiten Induktionserwärmungsspule 104 festgelegt. Die ersten und zweiten Induktionserwärmungsspulen 103 und 104 werden mit einem Hochfrequenzstrom versorgt. Folglich kann das Werkstück W2 von sowohl der inneren Peripherie als auch der äußeren Peripherie des Werkstücks W2 aus bis zu einer gewünschten Temperatur induktiv erwärmt werden.
Das Kühlmittel 105 kann eine beliebige Flüssigkeit sein, welche den Oberflächen des Werkstücks W2 ermöglicht, gekühlt zu werden. Das Kühlmittel 105 ist nicht genau begrenzt/eingeschränkt. Beispiele für das Kühlmittel 105 beinhalten Wasser, Öl und ein wasserlösliches Polymer. Ein Beispiel für das Öl kann Abschrecköl sein. Ein Beispiel für das wasserlösliche Polymer kann Polyglykol (PAG) sein. Das wasserlösliche Polymer kann als eine Wasserlösung des Polymers verwendet werden. In diesem Fall kann die Mischmenge des wasserlöslichen Polymers in Wasser nach Bedarf gemäß dem Typ des Polymers und dgl. festgelegt werden. Vorzugsweise hat das Kühlmittel 105 eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um die Oberflächen des Werkstücks W2 effizient zu kühlen und ist einfach zu handhaben.
Eine Vielzahl an Einspritzabschnitten 106 ist in vorbestimmten Abständen entlang einer Umfangsrichtung des Werkstücks W2 vorgesehen. Jeder der Einspritzabschnitte 106 hat eine Einspritzöffnung 106a und eine Einspritzöffnung 106b. Die Einspritzöffnung 106a ermöglicht dem Kühlmittel 105 in Richtung einer inneren Umfangsoberfläche des Werkstücks W2 eingespritzt zu werden. Die Einspritzöffnung 106b ermöglicht dem Kühlmittel 105 in Richtung einer äußeren Umfangsoberfläche des Werkstücks W2 eingespritzt zu werden. Das Kühlmittel 105 wird durch die Einspritzöffnungen 106a und 106b eingespritzt, um den Oberflächen des Werkstücks W2 zu ermöglichen, gleichförmig gekühlt zu werden. Die Einspritzöffnungen 106a und 106b sind an Positionen angeordnet, an denen die Einspritzöffnungen 106a und 106b in das gespeicherte Kühlmittel 105 eingetaucht sind. Das Anordnen der Einspritzöffnungen 106a und 106b an diesen Positionen ermöglicht das Mitführen von Luftblasen zu verhindern, wenn das Kühlmittel 105 zugeführt wird. Kanäle für die Einspritzabschnitte 106 sind jeweils mit einem Strömungsventil und einem Druckregelventil versehen (keins von beiden in den Zeichnungen dargestellt). Somit können die Zuführbedingungen für das Kühlmittel angepasst werden.
In der Wärmebehandlungsvorrichtung ist das von den Einspritzabschnitten 106 eingespritzte Kühlmittel 105 in dem Behandlungsbehälter 101 gespeichert. Der Überschussanteil des Kühlmittels 105 wird aus dem Behandlungsbehälter 101 durch den Auslaufstutzen 108 nach außen abgelassen. Ein Kanal (in den Zeichnungen nicht dargestellt), durch welchen das abgelassene Kühlmittel 105 über die Einspritzabschnitte 106 wieder zugeführt wird, kann bei Bedarf vorgesehen sein.
Der Energieübertragungsabschnitt 107 ist mit dem Halteabschnitt 102 so verbunden, dass er fähig ist, Energie auf den Halteabschnitt 102 zu übertragen. Somit kann der Halteabschnitt 102 aufgrund der von dem Energieübertragungsabschnitt 107 übertragenen Energie um eine Achse des Halteabschnitts 102 rotieren. Die Rotation des Halteabschnitts 102 ermöglicht dem durch den Halteabschnitt 102 gehaltenen Werkstück W2 um die Achse des Werkstücks W2 rotiert zu werden. Daher ermöglicht die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 dem Werkstück W2 gleichförmig induktiv erwärmt zu werden. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, beinhaltet die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 erforderliche/notwendige Teile, wie bspw. eine für die Induktionserwärmung notwendige Stromversorgung, eine Abgleichvorrichtung und ein Temperaturregelungsteil zur Steuerung der Temperatur des Kühlmittels.
Eine Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. 6A zeigt eine Schnittansicht eines wichtigen Teils eines anderen Beispiels einer Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6B zeigt eine Draufsicht des anderen Beispiels der Wärmebehandlungsvorrichtung. Ein ringförmiges Werkstück W2 ist innerhalb einer in den 6A und 6B dargestellten Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 beinhaltet eine Befestigungsspannvorrichtung 202, eine erste Induktionserwärmungsspule 203, eine zweite Induktionserwärmungsspule 204, ein Kühlmittel 205 und einen Einspritzabschnitt 206. Das Werkstück W2 wird in dem Behandlungsbehälter 201 thermisch behandelt. Die Befestigungsspannvorrichtung 202 ist ein Halteabschnitt, der das Werkstück W2 in dem Behandlungsbehälter 201 hält. Die erste Induktionserwärmungsspule 203 erwärmt das Werkstück W2 von der inneren Peripherie des Werkstücks W2 aus induktiv. Die zweite Induktionserwärmungsspule 204 umgibt das Werkstück W2, um das Werkstück W2 von der äußeren Peripherie des Werkstücks W2 aus induktiv zu erwärmen. Das Kühlmittel 205 ist ein Kühlmedium, welches in dem Behandlungsbehälter 201 gespeichert ist, um die Oberflächen des Werkstücks W2 zu kühlen. Der Einspritzabschnitt 206 spritzt das Kühlmittel 205 auf das Werkstück W2.
Der Behandlungsbehälter 201 ist ein ringförmiger Behälter bzw. ein ringförmiges Gefäß mit Boden, welcher das Kühlmittel 205 speichern kann und beinhaltet ein zylindrisches Innengehäuse 201A und ein zylindrisches Außengehäuse 201B. An einem Bodenabschnitt des Außengehäuses 201B ist eine Vielzahl an Stützteilen 209 in vorbestimmten Abständen entlang einer Umfangsrichtung des Außengehäuses 201B montiert, um das Innengehäuse 201A in dem Außengehäuse 201B zu lagern/zu stützen, sodass ein Bodenabschnitt des Innengehäuses 201A von dem Bodenabschnitt des Außengehäuses 201B separiert/getrennt ist. Das Innengehäuse 201A und das Außengehäuse 201B, welche den Behandlungsbehälter 201 ausbilden, sind aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildet. Wie vorstehend beschrieben weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 den aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildeten Behälter als den Behandlungsbehälter 201 auf. Somit kann die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 selbst davor bewahrt werden, erwärmt zu werden. Die Größe des Behälters kann nach Bedarf gemäß der Anwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung 200, der Größe des Werkstücks W2 und dgl. festgelegt werden. Das flüssige Kühlmittel 205 ist in dem Behandlungsbehälter 201 gespeichert. Der Behandlungsbehälter 201 ist mit einem Auslaufstutzen 208 versehen, welcher an dem Bodenabschnitt des Behandlungsbehälters 201 platziert ist und durch welchen ein Überschussanteil des Kühlmittels 205 aus dem Behandlungsbehälter 201 nach außen abgelassen wird. Das Werkstück W2 ist in dem Behandlungsbehälter 201 so festgelegt, dass es in das in dem Behandlungsbehälter 201 gespeicherte Kühlmittel 205 eingetaucht ist.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 beinhaltet die Befestigungsspannvorrichtung 202 als ein Halteabschnitt, der das Werkstück W2 in dem Behandlungsbehälter 201 hält. Die Befestigungsspannvorrichtung 202 beinhaltet eine untere Befestigungsspannvorrichtung 202A und obere Befestigungsspannvorrichtungen 202B. Die untere Befestigungsspannvorrichtung 202A hält das Werkstück W2 auf einer vorbestimmten Höhe. Die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B unterdrücken die Aufwärtsbewegung des Werkstücks W2. Die untere Befestigungsspannvorrichtung 202A beinhaltet einen ringartigen Bodenabschnitt 212a, welcher dem Werkstück W2 ermöglicht, gehalten zu werden, und einen Wandabschnitt 212b, welcher um eine äußere Peripherie des Bodenabschnitts 212a herum vorgesehen ist. Die untere Befestigungsspannvorrichtung 202A ist an dem Außengehäuse 201B über eine Schraube 213 befestigt. Der Bodenabschnitt 212a ist mit Stützabschnitten (erste Stützabschnitte) 221c versehen, welche die untere Oberfläche des Werkstücks W2 in einer Punktkontaktweise aufnehmen. Auf einer inneren Umfangsoberfläche des Wandabschnitts 212b sind Stützabschnitte (zweite Stützabschnitte) 221b vorgesehen, welche die Horizontalbewegung des Werkstücks W2 unterdrücken. Das Werkstück W2 und die Stützabschnitte 221b können einander berühren oder es kann ein Spalt von bis zu etwa 0,5 mm zwischen dem Werkstück W2 und jedem der Stützabschnitte 221b ausgebildet sein. Der Grund hierfür ist wie vorstehend beschrieben. Daher unterdrückt die untere Befestigungsspannvorrichtung 202A die Horizontalbewegung des Werkstücks W2, während sie das Werkstück W2 nach Art eines Punktkontakts hält.
Die Stützabschnitte 221b und 221c sind alle Sphären/Kugeln. Somit sind die Stützabschnitte 221b und 221c bei Berührung des Werkstücks W2 mit dem Werkstück W2 in Punktkontakt. Dies unterdrückt die Wärmeübertragung von dem Werkstück W2 auf jeden der Stützabschnitte 221b und 221c, was ermöglicht, zu verhindern, dass das Werkstück W2 eine ungleichmäßige Temperatur aufweist. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass das Kühlen des Werkstücks W2 mit dem Kühlmittel 205 durch die Stützabschnitte 221b und 221c behindert wird. Demzufolge kann das Werkstück W2 davor bewahrt werden als Folge einer mangelhaften Kühlung zu überhitzen. Die Anzahl der Stützabschnitte 221b und 221c kann in einer Umfangsrichtung in einer Draufsicht jeweils drei oder mehr betragen und beträgt üblicherweise drei bis sechs. Vorzugsweise sind drei Stützabschnitte in regelmäßigen Abständen vorgesehen.
Die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B wiederum sind eine Vielzahl an säulenförmigen Teilen, welche in vorbestimmten Abständen angeordnet sind. Auf unteren Oberflächen der oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B sind Stützabschnitte (dritte Stützabschnitte) 221a vorgesehen, welche eine Aufwärtsbewegung des Werkstücks W2 unterdrücken. Das Werkstück W2 und die Stützabschnitte 221a können einander berühren oder es kann ein Spalt von bis zu etwa 1 mm zwischen dem Werkstück W2 und jedem der Stützabschnitte 221a ausgebildet sein. Der Grund hierfür ist wie vorstehend beschrieben. Daher unterdrücken die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B die Aufwärtsbewegung des Werkstücks W2. Die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B sind eine Vielzahl an säulenförmigen Teilen, welche separat/getrennt voneinander angeordnet sind. Es sind Spalte zwischen den säulenförmigen Teilen vorhanden und selbst wenn das Kühlmittel 205 von oben eingespritzt wird, ist es somit weniger wahrscheinlich, dass ein Strom des Kühlmittels 205 behindert wird. Demzufolge ist es weniger wahrscheinlich, dass das Bewegen des Kühlmittels 205 behindert wird. Die Stützabschnitte 221a sind ebenfalls Kugeln. Somit berühren die Stützabschnitte 221a das Werkstück in einer Punktkontaktweise, um ähnliche Effekte zu produzieren, wie die Effekte, welche von den in Form von Kugeln ausgebildeten Stützabschnitten 221b und 221c resultieren. Die Anzahl der Stützabschnitte 221a kann in einer Umfangsrichtung in einer Draufsicht drei oder mehr betragen und beträgt üblicherweise drei bis sechs. Vorzugsweise sind drei Stützabschnitte in regelmäßigen Abständen vorgesehen. Die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B sind einstückig mit einem nachfolgend beschriebenen Abdeckungsabschnitt 211 ausgebildet, um auf einer vorbestimmten Höhe zu liegen.
Die untere Befestigungsspannvorrichtung 202A und die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B (einschließlich der Stützabschnitte 221a bis 221c) sind aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildet. In der Wärmebehandlungsvorrichtung 200 ist die Befestigungsspannvorrichtung 202 aus elektrisch isolierender Keramik oder einem elektrisch isolierenden, synthetischen Harz ausgebildet. Somit kann die Befestigungsspannvorrichtung 202 selbst davor bewahrt werden, erwärmt zu werden und eine Variation in der Oberflächentemperatur des Werkstücks W2 kann unterdrückt werden.
Die erste Induktionserwärmungsspule 203 ist innerhalb des Innengehäuses 201A montiert und die zweite Induktionserwärmungsspule 204 ist außerhalb des Außengehäuses 201B montiert. Die erste Induktionserwärmungsspule 203 ist spiralförmig und hat einen Außendurchmesser, welcher kleiner ist als ein Innendurchmesser des Innengehäuses 201A. Die zweite Induktionserwärmungsspule 204 wiederum ist spiralförmig und hat einen Innendurchmesser, welcher größer ist als ein Außendurchmesser des Außengehäuses 201B. Die ersten und zweiten Induktionserwärmungsspulen 203 und 204 werden mit einem Hochfrequenzstrom versorgt, um dem Werkstück W2 zu ermöglichen von sowohl der inneren Peripherie als auch der äußeren Peripherie des Werkstücks W2 aus bis zu einer gewünschten Temperatur induktiv erwärmt zu werden. Die ersten und zweiten Induktionserwärmungsspulen 203 und 204 können in dem Behandlungsbehälter 201 eingebaut sein.
In einem oberen Abschnitt des Behandlungsbehälters 201 sind Einspritzabschnitte 206, durch welche das Kühlmittel 205 in den Behandlungsbehälter 201 eingespritzt wird, an einer Mehrzahl Positionen in regelmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung befestigt. Jeder der Einspritzabschnitte 206 hat eine Einspritzdüse 206a, welche an einer Spitze des Einspritzabschnitts 206 platziert ist und durch welche das Kühlmittel 205 eingespritzt wird. In der Wärmebehandlungsvorrichtung 200 wird das Kühlmittel 205 durch die Einspritzdüsen 206a in den Behandlungsbehälter 201 eingespritzt (zwischen der inneren Umfangsoberfläche des Außengehäuses 201B und der äußeren Umfangsoberfläche des Innengehäuses 201A), um den Oberflächen des Werkstücks W2 zu ermöglichen, gekühlt zu werden. Darüber hinaus wird das Kühlmittel 205 durch die Einspritzdüsen 206a eingespritzt, um der Temperatur des gespeicherten Kühlmittels 205 zu ermöglichen im Allgemeinen gleichförmig zu sein. Da das Kühlmittel 205 zwischen dem Außengehäuse 201B und dem Innengehäuse 201A gespeichert ist, ist daher nur eine geringe Gesamtmenge des Kühlmittels in dem Behandlungsbehälter 201 gespeichert, was dem in dem Behandlungsbehälter 201 gespeicherten flüssigen Kühlmittel 205 ermöglicht, durch den durch die Einspritzdüsen 206a eingespritzten Fluss des Kühlmittels 205 zuverlässig bewegt zu werden. Somit ermöglicht die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 den Oberflächen des Werkstücks W2 gleichmäßig gekühlt zu werden ohne die Notwendigkeit, das Werkstück W2 zu rotieren. Darüber hinaus ist jeder der Einspritzabschnitte 206 mit einem Strömungsventil und einem Druckregelventil versehen (keins davon in den Figuren dargestellt). Dies ermöglicht eine Bedingung für die Zuführung des Kühlmittels anzupassen. Die Bedingung für die Zuführung des Kühlmittels 205 durch die Einspritzdüsen 206a, um dem gespeicherten Kühlmittel 205 zu ermöglichen gleichförmig bewegt zu werden, ist, dass die Menge des eingespritzten Kühlmittels etwa 8 bis 80 l/min beträgt, wobei dies von dem Volumen des Behandlungsbehälters 201 abhängen kann.
Die Einspritzabschnitte 206 sind so befestigt, dass die Einspritzdüsen 206a an Positionen unterhalb einer oberen Oberfläche des gespeicherten Kühlmittels 205 liegen (sodass die Einspritzdüsen 206a in das Kühlmittel 205 eingetaucht sind). Die Einspritzabschnitte 206, welche an solchen Positionen befestigt sind, ermöglichen dem in dem Behandlungsbehälter 201 gespeicherten Kühlmittel 205 in Verbindung mit der Einspritzung des Kühlmittels 205 durch die Einspritzdüsen 206a gleichmäßiger bewegt zu werden. Darüber hinaus kann das Mitführen von Luftströmungen in dem Kühlmittel verhindert werden, wenn das Kühlmittel zugeführt wird.
In dem oberen Abschnitt des Behandlungsbehälters 201 ist der Abdeckungsabschnitt 211 angeordnet, welcher wie ein Ring geformt ist und in welchem Durchgangslöcher 211a an Positionen entsprechend der Befestigungspositionen der Einspritzabschnitte 206 ausgebildet sind. Das Bereitstellen des Abdeckungsabschnitts 211 ermöglicht, das Kühlmittel 205 davor zu bewahren, aus dem Behandlungsbehälter 201 durch dessen oberen Abschnitt auszulaufen, wenn das Kühlmittel 205 bewegt wird. Der Abdeckungsabschnitt 211, die Einspritzabschnitte 206 und die oberen Befestigungsspannvorrichtungen 202B können miteinander integriert/einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall sind Vorgänge, wie bspw. das Einsetzen des Werkstücks und Entfernen des Werkstücks nach der Behandlung vereinfacht.
In der Wärmebehandlungsvorrichtung 200 ist das durch die Einspritzabschnitte 206 eingespritzte Kühlmittel 205 in dem Behandlungsbehälter 201 gespeichert und ein Überschussanteil des Kühlmittels 205 wird aus dem Behandlungsbehälter 201 durch den Auslaufstutzen 208 nach außen abgelassen. Ein Kanal (in den Zeichnungen nicht dargestellt), durch welchen das abgelassene Kühlmittel 205 über die Einspritzabschnitte 206 wieder zugeführt wird, kann bei Bedarf vorgesehen sein. In der Wärmebehandlungsvorrichtung 200 kann das Kühlmittel 205 ähnlich zu dem Kühlmittel 105 sein, welches in dem Behandlungsbehälter 101 gemäß der ersten Ausführungsform eingesetzt wird. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, beinhaltet die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 erforderliche/notwendige Teile, wie bspw. eine Stromversorgung, welche für das Induktionserwärmen benötigt wird, eine Abgleichvorrichtung und ein Temperaturregelungsteil zur Steuerung der Temperatur des Kühlmittels.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Wärmebehandlungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform darin, dass das Werkstück W2 nicht rotiert wird, wenn es thermisch behandelt wird. Somit muss die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 keinen Mechanismus beinhalten, welcher es dem Werkstück W2 ermöglicht, rotiert zu werden und hat somit eine vereinfachte Gesamtkonfiguration. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 ermöglicht den Oberflächen des Werkstücks W2, ähnlich wie die Wärmebehandlungsvorrichtung 100, gleichmäßig gekühlt zu werden.
Eine Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. In den Wärmebehandlungsvorrichtungen 100 und 200 gemäß den ersten und zweiten Ausführungsformen sind die Induktionserwärmungsspulen 103 und 203 innerhalb des Werkstücks W2 eingebaut (in der Wärmebehandlungsvorrichtung 200 ferner innerhalb des Innengehäuses 201A). Jedoch kann in der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein aus Siliziumstahl ausgebildeter Zentralkern (in den Zeichnungen nicht dargestellt) statt der Induktionserwärmungsspulen 103 und 203 vorgesehen sein. In diesem Fall können die gesamten Oberflächen des Werkstücks W2 erwärmt werden, wie es der Fall unter der Verwendung der Spulen 103 oder 203 ist, was Effekte produziert, welche ähnlich sind zu solchen, die ausgeübt werden, wenn die Spule 103 oder 203 verwendet wird.
Nun werden die Effekte der Wärmebehandlungsvorrichtung und des Wärmebehandlungsverfahrens der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu Beispielen und dgl. überprüft. Beispiel 1 wird nachfolgend beschrieben. Ein ringförmiges Material wurde aus einem aus SUJ2 ausgebildeten Stahlmaterial hergestellt und das resultierende ringförmige Material wurde in eine vorbestimmte Form geschnitten. Somit wurde ein Werkstück für einen Außenring erhalten (Außendurchmesser: 62 mm, Dicke: 3 mm). Das resultierende Werkstück wurde unter Wärmebehandlungsbedingungen in Tabelle 1 und 7 abgeschreckt und angelassen. Feinschliff wurde an dem behandelten Werkstück durchgeführt, um einen Prüfkörper für einen Außenring für ein Lager (Lagernummer: 6206) zu erhalten. Das Abschrecken wurde unter Verwendung eines Wärmebehandlungsofens mit Schutzatmosphäre durchgeführt und das Anlassen wurde unter Verwendung der in 6 dargestellten Wärmebehandlungsvorrichtung 200 durchgeführt. 7 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 1 angibt. In Beispiel 1 wurde das Werkstück bei 830°C für 0,5 Stunden für das Gesamt-Abschrecken erwärmt und anschließend in Öl auf 80°C runtergekühlt. Anschließend wurde das Werkstück in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt und angelassen, indem es bei einer Frequenz von 480 Hz und einer Abgabeleistung von 47 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 275°C und eine Innentemperatur von 365°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt werden.
Beispiele 2 bis 9 werden nachfolgend beschrieben. Außenring-Prüfkörper wurden erhalten, wie im Fall von Beispiel 1, außer dass die Anlassbedingungen zu Bedingungen aus Tabelle 1 und 8 bis 15 geändert wurden. 8 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 2 angibt. In Beispiel 2 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt, und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 430 Hz und einer Abgabeleistung von 35 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 265°C und eine Innentemperatur von 325°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt werden. 9 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 3 angibt. In Beispiel 3 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde dann in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 480 Hz und einer Abgabeleistung von 54 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 270°C und eine Innentemperatur von 420°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt werden. 10 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 4 angibt. In Beispiel 4 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 380 Hz und einer Abgabeleistung von 43 kW für 3 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 290°C und eine Innentemperatur von 335°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt werden. 11 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 5 angibt. In Beispiel 5 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 480 Hz und einer Abgabeleistung von 40 kW für 3 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 286°C und eine Innentemperatur von 328°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden. 12 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 6 angibt. In Beispiel 6 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 430 Hz und einer Abgabeleistung von 58 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 260°C und eine Innentemperatur von 450°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden. 13 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 7 angibt. In Beispiel 7 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 430 Hz und einer Abgabeleistung von 72 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 270°C und eine Innentemperatur von 575°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden. 14 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 8 angibt. In Beispiel 8 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 380 Hz und einer Abgabeleistung von 95 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 260°C und eine Innentemperatur von 715°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden. 15 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 9 angibt. In Beispiel 9 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 430 Hz und einer Ausgabeleistung von 68 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 265°C und eine Innentemperatur von 535°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden.
Vergleichsbeispiele 1 und 3 werden nachfolgend beschrieben. Außenring-Prüfkörper wurden wie im Fall von Beispiel 1 erhalten, außer dass das Anlassen unter Verwendung eines Anlassofens durchgeführt wurde und dass die Anlassbedingungen Bedingungen waren, wie in Tabelle 1 und 16 und 18 aufgezeigt. 16 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 1 angibt. Im Vergleichsbeispiel 1 wurde das Werkstück bei 830°C für 0,5 Stunden zum Gesamt-Abschrecken erwärmt und anschließend in Öl auf 80°C runtergekühlt. Anschließend wurde das Werkstück bei 180°C (180°C für sowohl die Oberflächentemperatur als auch die Innentemperatur) für 1,5 Stunden zum Anlassen erwärmt. 18 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 3 angibt. Im Vergleichsbeispiel 3 wurde das Werkstück bei 830°C für 0,5 Stunden zum Gesamt-Abschrecken erwärmt und anschließend in Öl auf 80°C runtergekühlt. Anschließend wurde das Werkstück bei 250°C (250°C für sowohl die Oberflächentemperatur als auch die Innentemperatur) für 1,5 Stunden zum Anlassen erwärmt.
Vergleichsbeispiele 2 und 4 werden nachfolgend beschrieben. Außenring-Prüfkörper wurden wie im Fall von Beispiel 1 erhalten, außer dass die Anlassbedingungen zu Bedingungen in Tabelle 1 und 17 und 19 geändert wurden. 17 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 2 angibt. Im Vergleichsbeispiel 2 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 605 Hz und einer Abgabeleistung von 83 kW für 40 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 220°C und eine Innentemperatur von 600°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden. 19 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 4 angibt. Im Vergleichsbeispiel 4 wurde das Abschrecken wie im Fall von Beispiel 1 durchgeführt und das Werkstück wurde anschließend in die Wärmebehandlungsvorrichtung 200 eingesetzt. Das Werkstück wurde angelassen, indem es bei einer Frequenz von 430 Hz und einer Abgabeleistung von 29 kW für 5 Sekunden induktiv erwärmt wurde, um eine Oberflächentemperatur von 255°C und eine Innentemperatur von 285°C aufzuweisen, wobei die Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig gekühlt wurden.
Vergleichsbeispiel 5 wird nachfolgend beschrieben. Außenring-Prüfkörper wurden wie im Fall von Vergleichsbeispiel 1 erhalten, außer dass das Anlassen unter Verwendung des folgenden Verfahrens durchgeführt wurde. Das heißt, thermische Veredelung und Induktionshärten wurden unter Bedingungen in Tabelle 1 und 20 durchgeführt, unter Verwendung des Wärmebehandlungsofens mit Schutz(gas)atmosphäre, einem Anlassofen und einer Induktionshärtemaschine. 20 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 5 angibt. Im Vergleichsbeispiel 5 wurde das Werkstück zuerst der thermischen Veredelung einschließlich Abschrecken bei 830°C für 0,5 Stunden und Anlassen bei 600°C für 1,5 Stunden ausgesetzt. Dann wurde Induktionshärten (200 kHz, 250 kW) für 0,32 Sekunden durchgeführt, um die Temperatur auf 950°C zu erhöhen. Anschließend wurde das Anlassen unter Bedingungen ähnlich der Bedingungen im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt. Im Vergleichsbeispiel 5 sind Bereiche hoher Härte in dem Außenring-Laufringabschnitt, der Schulteroberfläche und der äußeren Umfangsoberfläche des Außenrings ausgebildet.
Vergleichsbeispiel 6 wird nachfolgend beschrieben. Ein ringförmiges Material wurde aus einem aus SAE5120 ausgebildeten Stahlmaterial hergestellt und das resultierende ringförmige Material wurde in eine vorbestimmte Form geschnitten. Somit wurde ein Werkstück für einen Außenring erhalten (Außendurchmesser: 62 mm, Dicke: 5 mm). Anschließend wurde das resultierende Werkstück in einer Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpotenzial von 1,1 unter Wärmebehandlungsbedingungen aus Tabelle 1 und 21 abgeschreckt. Anschließend wurde das Anlassen unter Wärmebehandlungsbedingungen aus Tabelle 1 und 21 durchgeführt und der Feinschliff wurde an dem Werkstück ausgeführt, um einen Prüfkörper für einen Außenring für ein Lager (Lagernummer 6206) zu erhalten. Für das Abschrecken wurden Aufkohlen und Abschrecken unter der Verwendung eines Wärmebehandlungsofens mit Schutzatmosphäre durchgeführt und das Anlassen wurde wie im Fall von Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt. 21 zeigt eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleichsbeispiel 6 angibt. Im Vergleichsbeispiel 6 wurde das Werkstück aufgekohlt und abgeschreckt, indem es bei 930°C für 5 Stunden erhitzt/erwärmt wurde und anschließend in Öl auf 80°C runtergekühlt wurde. Dann wurde das Anlassen unter Bedingungen ähnlich zu den Bedingungen im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt.
Die Überprüfung/Evaluation der Prüfkörper wird nachfolgend beschrieben. Eine Vickershärte-Testmaschine wurde verwendet, um die Verteilung/Streuung der Härte in einem Schnitt von jedem der Außenring-Prüfkörper in den Beispielen 1 bis 9 und Vergleichsbeispielen 1 bis 6 zu bestimmen. Basierend auf der Verteilung wurde die Tiefe der Oberflächenschicht hoher Härte (d1 bis d4 in 2) berechnet. Die Messung der Verteilung der Härte in dem Schnitt klärt ebenfalls, dass, für die Prüfkörper in den Beispielen, die Vickershärte in dem Schnitt des Oberflächenabschnitts von der äußersten Oberfläche in Richtung zum Innenschichtabschnitt hin allmählich abnimmt. Das Nachfolgende wurde ebenfalls für die Außenring-Prüfkörper in den Beispielen 1 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 untersucht: Die Härte des Oberflächenabschnitts (Härte der äußersten Oberfläche der Oberflächenschicht hoher Härte), die Härte des Innenschichtabschnitts, maximale Scherspannungstiefe, Druckeigenspannung, Wälzlebensdauer, Druckfestigkeit, Kerbschlagzähigkeit nach Charpy und Herstellkosten. Darüber hinaus wurden die Strukturen des Oberflächen- und Innenschichtabschnitts der Außenring-Prüfkörper in den Beispielen 1 bis 9 und Vergleichsbeispielen 1 bis 6 unter Verwendung eines Lichtmikroskops untersucht.
Die Härte des Oberflächenabschnitts wurde durch Eindrücken bzw. Aufpressen eines Vickers-Eindringkörpers in die Oberfläche von jedem Außenring-Prüfkörper gemessen. Die Härte des Innenschichtabschnitts wurde durch Eindrücken des Vickers-Eindringkörpers auf eine Position in dem Schnitt des Außenring-Prüfkörpers gemessen, welche in einer Tiefenrichtung 1,5 mm von dem Bodenabschnitt des Laufringabschnitts entfernt positioniert ist. Die maximale Scherspannungstiefe wurde basierend auf der Kontakttheorie nach Hertz berechnet. Die Druckeigenspannung wurde durch Röntgenbeugung unter Verwendung einer Eigenspannungsmessvorrichtung gemessen. Die Wälzlebensdauer wurde durch Ausführen eines Radial-Wälzermüdungsdauerversuchs gemessen. Ein Verfahren zum Messen der Druckfestigkeit wird nachfolgend beschrieben. Zuerst wurde eine Amsler-Testmaschine dazu verwendet in einer Radialrichtung eine erste Position und eine zweite Position des Außenring-Prüfkörpers zu halten, wobei die zweite Position um 180° von der ersten Position in der Umfangsrichtung versetzt/gedreht ist. Dann wurden die Prüfkörper verformt, indem die erste Position und die zweite Position mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/min entlang einer Richtung, welche die erste Position und die zweite Position, welche senkrecht zur Achse des Prüfkörpers war, verbindet, bewegt wurden, sodass die erste Position und die zweite Position einander annähern. Der Außenring-Prüfkörper wurde somit zerstört und eine Radiallast, welche zu dem Zeitpunkt der Zerstörung aufgebracht war, wurde evaluiert/ausgewertet. Die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy wurde in Übereinstimmung mit JIS K7111-1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Wälzlebensdauer, die Druckfestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy wurden als Werte relativ zu den Messwerten im Vergleichsbeispiel 1 berechnet. In der Tabelle zeigen Kreise in einer Kostenspalte an, dass der Wert gleich oder weniger als 0,8 mal so groß wie der bewertende/evaluative Wert für den Außenring im Vergleichsbeispiel 1 ist.
Die Ergebnisse in Tabelle 2 geben an, dass die Prüfkörper (Beispiele 1 bis 9), welche durch Anlassen des Werkstücks mit einer Anlassdauer von 20 Sekunden oder kürzer erhalten wurden während das Werkstück gekühlt wurde, sodass die Oberflächentemperatur des Werkstücks zumindest 40°C geringer als die Innentemperatur des Werkstücks war, sind dem Prüfkörper (Vergleichsbeispiel 1), welcher durch das übliche Verfahren im Gesamten, der Druckfestigkeit, dem Kerbschlagzähigkeitswert nach Charpy, der Druckeigenspannung und den Herstellkosten produziert wurde, überlegen sind und Wälzlebensdauern aufweisen, welche gleich oder länger sind als die Wälzlebensdauer des Prüfkörpers (Vergleichsbeispiel 1). Dies verdeutlicht, dass die Verwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung und des Wärmebehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung einem ringförmigen Teil mit einer hohen Stoßfestigkeit und einer hohen Druckfestigkeit ermöglicht, mit reduzierten Mannstunden und reduziertem Energieverbrauch bereitgestellt zu werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einem ringförmigen Teil mit einer hohen Stoßfestigkeit und einer hohen Druckfestigkeit mit reduzierten Mannstunden und reduziertem Energieverbrauch vorgesehen zu sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013-238274 A [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE5120 [0091]
JIS K7111-1 [0093]

Claims

Wärmebehandlungsvorrichtung, welche ein aus einem Stahlmaterial ausgebildetes ringförmiges Werkstück durch induktives Erwärmen des Werkstücks thermisch behandelt, wobei die Wärmebehandlungsvorrichtung umfasst: einen Behandlungsbehälter, in dem das Werkstück eingesetzt ist und thermisch behandelt wird; einen Halteabschnitt, welcher das Werkstück an einer vorbestimmten Position hält; eine Induktionserwärmungsspule, welche das Werkstück umgibt, um das Werkstück induktiv zu erwärmen; und ein Kühlmedium, welches Oberflächen des Werkstücks während der Induktionserwärmung des Werkstücks kühlt.
Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Halteabschnitt einen ersten Stützabschnitt, welcher eine untere Oberfläche des Werkstücks in Punktkontaktweise aufnimmt, einen zweiten Stützabschnitt, welcher die Horizontalbewegung des Werkstücks unterdrückt und einen dritten Stützabschnitt aufweist, welcher die Aufwärtsbewegung des Werkstücks unterdrückt.
Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Kühlmedium in dem Behandlungsbehälter gespeichert ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einem Energieübertragungsabschnitt, welcher Energie an den Halteabschnitt überträgt, die dem Werkstück ermöglicht um eine Achse des Werkstücks zu rotieren.
Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner mit einem Einspritzabschnitt, welcher das Kühlmedium in den Behandlungsbehälter einspritzt, wobei das in dem Behandlungsbehälter gespeicherte Kühlmedium durch das, durch den Einspritzabschnitt eingespritzte Kühlmedium bewegt wird.
Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Behandlungsbehälter ein zylindrisches Außengehäuse und ein innerhalb des Außengehäuses angeordnetes zylindrisches Innengehäuse aufweist, und das Kühlmedium zwischen eine innere Umfangsoberfläche des Außengehäuses und eine äußere Umfangsoberfläche des Innengehäuses durch den Einspritzabschnitt eingespritzt wird.
Wärmebehandlungsverfahren zum thermischen Erwärmen einen aus kohlenstoffreichem Chrom-Lagerstahl ausgebildeten Werkstücks, wobei das Wärmebehandlungsverfahren umfasst: (A) Abschrecken des Werkstücks; und (B) Anlassen des abgeschreckten Werkstücks, wobei in (B), das abgeschreckte Werkstück mit einer Anlassdauer von 20 Sekunden oder weniger induktiv erwärmt wird, so dass eine Oberflächentemperatur des Werkstücks zumindest 40°C geringer ist als eine Innentemperatur des Werkstücks.
Wärmebehandlungsverfahren gemäß Anspruch 7, wobei (B) unter Verwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt wird.