JP2005113213A

JP2005113213A - 熱処理システム

Info

Publication number: JP2005113213A
Application number: JP2003349675A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Nakajima; 碩一中島; Kikuo Maeda; 喜久男前田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で一次熱処理での加熱温度よりも低温で焼入れするにあたり、鋼製部品の光輝性を向上させる。
【解決手段】真空炉からなる一次熱処理装置１は軸受部品４１をＡ₁変態点を越える温度（一次加熱温度）に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却して軸受部品の表面に窒素富化層を形成する。この軸受部品４１は引き続いて二次熱処理装置２に移送され、Ａ₁変態点を越えかつ一次加熱温度未満に誘導加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼製部品に二段の熱処理（一次熱処理および二次熱処理）を施す熱処理システムに関するものである。

高い転動疲労寿命が求められる鋼製の機械部品、例えば転がり軸受の軸受部品に適合する熱処理方法として、特開平１５−２２６９１８号公報に記載されたものがある。これは、軸受部品用の鋼をＡ₁変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理した後、Ａ₁変態点未満の温度に冷却し、その後、Ａ₁変態点以上で浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度域（７９０℃〜８３０℃）に再加熱して焼入れを行うものである。

この方法によれば、表層の浸炭窒化層の存在により軸受部品が高硬度化され、かつ再加熱時の焼入れ温度がオーステナイト結晶粒の成長が生じにくい温度に抑えられるので、オーステナイト粒径を平均粒径８μｍ以下まで微小化することができる。これにより粒界強度が増すため、転動疲労寿命の向上、さらには耐割れ性の向上等の効果が得られる。

特開平１５−２２６９１８号公報

このように前記公報に開示された発明では、一次と二次の合わせて二回の熱処理が行われる。このうち、一次熱処理で浸炭窒化層を形成するための手段としては、ガス浸炭窒化が代表的である。このガス浸炭窒化では、通常、雰囲気ガスとして浸炭性ガスにアンモニアを添加したものが使用されるが、この雰囲気ガスは酸化性であるため、鋼中の炭素が酸化して脱炭し易く、熱処理品の光輝性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で一次熱処理での加熱温度よりも低温で焼入れするにあたり、鋼製部品の光輝性を向上させることを目的とする。

この目的を達成するため、本発明にかかる熱処理システムは、鋼製部品をＡ₁変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する一次熱処理装置と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ₁変態点を越えかつ一次熱処理での加熱温度未満に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、一次熱処理装置に真空炉を使用したものである。

この熱処理システムによれば、一次熱処理装置での熱処理により、表面に窒素が拡散した窒素富化層が形成されるので、鋼製部品の表面硬さが増す。その一方、一次熱処理後は鋼組織中のオーステナイト粒が粗大化しているが、その後に一次熱処理での加熱温度（一次加熱温度）よりも低温で二次熱処理が行われるため、オーステナイト粒が通常品の半分程度に微細化され、オーステナイト結晶粒度番号でいえば１０番を越える微細な結晶粒度が得られる。以上の特性から、通常の熱処理品に比べて耐摩耗性や耐割れ性を向上させ、さらに転動疲労寿命の大幅な向上を図ることができる。

本発明システムでは、一次熱処理装置に真空炉を使用し、大気圧未満で鋼製部品と雰囲気ガスとを接触させているので、酸化および脱炭を防止して鋼製部品の光輝性を向上させることができる。窒素富化層を形成するため、この真空炉内では、例えば浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガスを使用してガス浸炭窒化を行うのが望ましい。

真空熱処理は一般に加熱・冷却速度が遅く、一次熱処理の熱処理効率が低下するため、これを補う観点からも、二次熱処理装置では、加熱時間を短縮できる高周波加熱機等の誘導加熱機を使用するとよい。

このように二次熱処理で誘導加熱する場合、特に薄肉部品や厚さの不均一な部品を誘導加熱する際、二次熱処理装置では、型焼入れを行って焼入れ変形の防止に努めるのが望ましい。なお、型焼入れは、被加熱品を型で拘束した状態で焼入れする処理をいい、型に圧力を加えて拘束するプレス焼入れも含む意である。

以上のように、本発明によれば、一次熱処理で窒素富化層を形成すると共に、二次熱処理で一次熱処理での加熱温度よりも低温で焼入れした鋼製部品の光輝性が向上するので、鋼製部品の高品質化を図ることができる。

以下、鋼製部品の一例として軸受部品を使用し、これに適用した本発明の一実施形態を説明する。

図１に本発明にかかる熱処理システムの構成を概念的に示す。図示のように、この熱処理システムは、一次熱処理装置１、二次熱処理装置２、洗浄装置３、および焼戻し装置５で構成される。鍛造→旋削等の成形工程（図示省略）で成形された軸受部品は、一次熱処理装置１および二次熱処理装置２に順次移送され、それぞれの装置で加熱・冷却されて一次熱処理および二次熱処理が施される。

ここでいう軸受部品は、玉軸受、円錐ころ軸受、ころ軸受、針状ころ軸受等の転がり軸受の軸受部品を意味する。図２は、一例として外輪４１、内輪４２、および転動体（円錐ころ）４３を主要な構成要素とする円錐ころ軸受４を示すものであり、これら構成要素のうち相手部材と転がり接触する外輪４１、内輪４２、および転動体４３がここでいう軸受部品に該当する。これら軸受部品の素材としては、ＳＵＪ２等の軸受鋼の他、Ｃ：０．６〜１．３ｗｔ％、Ｓｉ：０．３〜３．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．２〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．３〜５．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．１〜３ｗｔ％を含む（望ましくはＭｏ：０．０５〜０．２５ｗｔ％未満、Ｖ：０．０５〜１．０ｗｔ％をさらに含む）高温用の軸受鋼や、Ｃ：０．４〜０．８ｗｔ％、Ｓｉ：０．２〜０．９ｗｔ％、Ｍｎ：０．７〜１．３ｗｔ％、Ｃｒ：０．７ｗｔ％以下を含む中炭素鋼等も使用することができる。

本発明において一次熱処理装置１は、大気圧未満で加熱する真空炉で構成される。図示の一次熱処理装置１は、減圧下で加熱する加熱室１１、ガス冷却する冷却室１２、および焼入れ室１３を備える。加熱室１１内には、浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガスが満たされている。この加熱室１１内で軸受部品が例えば０．1ｋＰａ程度の圧力下で、図３に示すようにＡ₁変態点を越える温度Ｔ₁（８００℃〜９００℃、例えば８５０℃）で所定時間加熱され（一次加熱）、これにより活性状態の窒素が表層に拡散して軸受部品の表層が硬化される（ガス浸炭窒化）。加熱後の軸受部品は、ガス冷却室１２にて窒素ガス等の不活性ガスでガス冷却され、さらに焼入れ室１３で例えば油焼入れされる。一次熱処理装置１から取り出した軸受部品は、図示しない洗浄機に移送して油の洗浄除去が行われる。もちろん焼入れ室１３で水焼入れすることもでき、この場合冷却液を洗浄除去するための洗浄機は不要となる。

図１に示すように、一次熱処理装置１で浸炭窒化された軸受部品（図面では円錐ころ軸受の外輪４１を例示している）は、高周波加熱等の誘導加熱を行う二次熱処理装置２に供給される。軸受部品４１は、誘導子２１の内周に金型２２で位置決めして配置され、この状態で図３に示すようにＡ₁変態点以上でかつ一次熱処理装置１での一次加熱温度Ｔ１未満の温度Ｔ２（７９０℃〜８３０℃、例えば８００℃）に誘導加熱される（二次加熱）。この二次加熱温度は、一次加熱温度よりも低温であるで、鋼中のオーステナイト粒は微細化される。加熱終了後、軸受部品４１は、金型２２で保持されたままの状態で、金型２２の各所に設けた細孔から噴出した油等の冷却液でＭｓ点以下に冷却され、焼入れされる（型焼入れ）。軸受部品のうち、外輪や内輪は一般に薄肉であるため、特に円錐ころ軸受の外輪４１や内輪４２は不均一な厚さを持つために焼入れ変形が生じやすいが、このように二次熱処理で型焼入れを採用することで、熱処理品の精度を高めることができる。もちろん焼入れ変形が問題とならないのであれば、あえて型焼入れする必要はなく、通常の焼入れを行えば足りる。冷却は、図示のように誘導加熱位置で行う他、誘導加熱位置とは別の位置に移送して行うこともできる。

二次熱処理の終了した軸受部品は、洗浄装置３にて冷却液を洗浄除去した後、焼戻し装置５に移送されて図３に示すように適当な温度Ｔ３（例えば１８０℃）で焼戻される。この焼戻しは、加熱時間短縮による処理効率向上のため、高周波加熱等の誘導加熱で行うのが望ましい。

以上に述べた一次加熱温度Ｔ１、二次加熱温度Ｔ２、および焼戻し温度Ｔ３は何れも鋼材として軸受鋼ＳＵＪ２を使用する場合を例示したものである。使用鋼材の種類によっては、これらの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は上記例示と異なる温度をとる場合がある。

以上の過程で熱処理された軸受部品では、表層に窒素富化層（窒素含有量０．１〜０．７ｗｔ％）が形成されるため、Ｈｖ７００を越える高硬度が得られ、かつミクロ組織中のオーステナイト粒が微細化されてそのオーステナイト結晶粒度は１０番を越えるものとなる。また、軸受部品の破壊応力値２６５０ＭＰａ以上、鋼中の水素濃度０．５ｐｐｍ以下、鋼中の残留オーステナイト量１３〜２５％という通常品を遥かに凌ぐ良好な物性値が得られる。従って、以上から耐割れ強度、耐摩耗性等を向上させることができ、さらには転動疲労寿命の向上に顕著な効果が得られる。

本発明では、一次熱処理装置１に真空炉を使用し、大気圧未満で軸受部品と雰囲気ガスとを接触させているので、酸化および脱炭を防止して軸受部品の光輝性を向上させることができ、軸受部品の高品質化が可能となる。この際、二次熱処理装置２で誘導加熱を行っているので、一次熱処理での熱処理効率の低下を補うことができ、システム全体における熱処理効率の低下を防止することができる。

なお、以上の説明では熱処理の対象として軸受部品を例示したが、本発明はこれに限らず、高い転動疲労寿命が要求される機械部品（例えば等速自在継手の構成部品）、さらには鋼製部品一般に広く適用することができる。

本発明にかかる熱処理システムの概略構成を示す断面図である。円錐ころ軸受の断面図である。上記熱処理システムにおける熱処理のサイクル図である。

符号の説明

１一次熱処理装置
２二次熱処理装置
３洗浄装置
４円錐ころ軸受（転がり軸受）
５焼戻し装置
１１加熱室
１２ガス冷却室
１３焼入れ室
２１誘導子
２２金型
４１外輪
４２内輪
４２転動体

Claims

鋼製部品をＡ₁変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する一次熱処理装置と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ₁変態点を越えかつ一次熱処理での加熱温度未満に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、一次熱処理装置に真空炉を使用したことを特徴とする熱処理システム。
二次熱処理装置が誘導加熱機を含む請求項１記載の熱処理システム。
二次熱処理装置で型焼入れを行う請求項２記載の熱処理システム。
前記真空炉でガス浸炭窒化を行う請求項１〜３何れか記載の熱処理システム。