JP2005133211A

JP2005133211A - 熱処理システム

Info

Publication number: JP2005133211A
Application number: JP2004296163A
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: 2004-10-08
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】各鋼製部品における熱処理品質のむらや、鋼製部品間における熱処理品質のばらつきを抑制する。
【解決手段】二次処理装置２の加熱機２１は、軸受部品を誘導加熱（高周波加熱）により加熱するものであり、高周波加熱装置で構成される。この加熱機２１において、各軸受部品はピース・バイ・ピースで、Ａ₁変態点を越える温度で所定時間加熱される。各軸受部品をピース・バイ・ピースで加熱するので、各軸受部品における熱処理品質のむらや、軸受部品相互間における熱処理品質のばらつきが少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受部品等の鋼製部品に二段の熱処理を施す熱処理システムに関するものである。

例えば、減速機、ドライブピニオン、トランスミッション等に使用される軸受は、高荷重、潤滑剤への異物（ギヤの摩耗粉等）の混入など、厳しい条件下で運転されるが、近時の高速化や小型化等の要求に伴い、使用条件の厳しさの度合いは益々増大する傾向にある。このような近時の傾向に鑑み、下記の特許文献１では、転動疲労寿命、耐割れ強度、耐経年寸法変化という基本性能に優れた軸受部品を得ることができる熱処理方法を提供している。この熱処理方法は、軸受部品用の鋼をＡ₁変態点を越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。

上記の熱処理方法によれば、熱処理後の軸受部品のミクロ組織におけるオーステナイト結晶粒が平均粒径で８μｍ以下にまで微細化され、軸受部品の転動疲労寿命、シャルピー衝撃値、破壊靭性値、圧壊強度などが向上し、基本性能に優れた軸受部品を得ることができる。
特開２００３−２２６９１８号公報

本発明の課題は、軸受部品等の鋼製部品に上記の熱処理方法を施すための熱処理システムを提供することであり、特に、各鋼製部品に均質な熱処理を施すことができる熱処理システムを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、鋼製部品をＡ₁変態点を越える一次加熱温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却することにより表層部に窒素富化層を形成する一次処理装置と、該一次処理装置による熱処理を経た鋼製部品を、誘導加熱によりＡ₁変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次処理装置とを備えた熱処理システムを提供する。

一次処理装置は、鋼製部品をＡ₁変態点を越える一次加熱温度に加熱し、その表層部に窒素を拡散させて窒素富化層を形成した後、Ａ₁変態点未満に冷却する。その後、二次処理装置において、Ａ₁変態点を越える二次加熱温度に誘導加熱して再焼入れを行うので、加熱温度と加熱時間のコントロールを通じて、熱処理後の鋼製部品のミクロ組織におけるオーステナイト結晶粒を微細化することができ、例えばＪＩＳＧ０５５１に規定されたオーステナイト結晶粒度試験方法による粒度番号が１０番を越える微細な結晶粒を得ることが可能となる。これにより、転動疲労寿命、耐割れ強度、耐経年寸法変化に優れた鋼製部品を得ることができる。

また、二次処理装置における鋼製部品の焼入れを誘導加熱方式（例えば高周波焼入れ）により各鋼製部品ごとに行うので（ピース・バイ・ピース）、各鋼製部品における熱処理品質のむらや、鋼製部品間における熱処理品質のばらつきが少なく、均質で信頼性の高い鋼製部品を得ることができる。二次処理装置において、鋼製部品を誘導加熱方式で二次加熱温度に加熱した後、型焼入れを行っても良い。ここで、型焼入れとは、被加熱品を型で拘束した状態で焼入れする処理方法をいい、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。

一次処理装置において、鋼製部品の表層部に窒素を拡散させて窒素富化層を形成する手段として、窒化、浸炭窒化があるが、加熱温度や脱炭防止を考慮すると浸炭窒化によるのが好ましい。とりわけ、コスト面や品質面などからガス浸炭窒化が好ましい。

一次処理装置と二次処理装置は、何れも、鋼製部品を所要温度（一次加熱温度、二次加熱温度）に加熱するための加熱機と、その後に冷却するための冷却機とを基本構成として含んでいる。例えば、一次処理装置でガス浸炭窒化を行う場合、一次処理装置の加熱機としては、浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガス中で鋼製部品を加熱する加熱炉が使用される。この加熱炉は、連続式、バッチ式の如何を問わない。二次処理装置の加熱機は、鋼製部品を誘導加熱（例えば高周波加熱）により加熱するものであり、高周波加熱装置で構成される。一次処理装置および二次処理装置の冷却機における冷却方式は特に問わず、空冷、Ｎ₂ガス等によるガス冷、油冷、水冷、塩浴による冷却等、種々の方式を採用することができる。

本発明によれば、二次処理装置における鋼製部品の焼入れを誘導加熱方式（例えば高周波焼入れ）により各鋼製部品ごとに行うので（ピース・バイ・ピース）、各鋼製部品における熱処理品質のむらや、鋼製部品間における熱処理品質のばらつきが少なく、転動疲労寿命、耐割れ強度、耐経年寸法変化に優れ、かつ、均質で信頼の性の高い鋼製部品を得ることができる。

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は、この実施形態に係る熱処理システムの構成を概念的に示している。この熱処理システムは、一次処理装置１と二次処理装置２とで構成される。図示しない鍛造、旋削等の成形工程で成形された軸受部品は、一次処理装置１および二次処理装置２に順次移送され、それぞれの装置で加熱・冷却されて二段の熱処理が施される。

ここでいう軸受部品は、玉軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受等の転がり軸受の構成部品を意味する。図２は、一例として外輪４１、内輪４２、および転動体４３を主要な構成部品とする深溝玉軸受４を示しており、これら外輪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。

一次処理装置１は、加熱機１１、冷却機１２、および洗浄機１３で構成される。加熱機１１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中で軸受部品を加熱する加熱炉で構成される。この加熱機１１において、軸受部品は、図３に示すように、Ａ₁変態点を越える一次加熱温度Ｔ１（８００℃〜９５０℃、例えば８５０℃）で所定時間（例えば４０分）加熱され、これにより活性状態の窒素が軸受部品の表層部に拡散して窒素富化層（この例では浸炭窒化層）が形成される。この一次加熱は、基本的には表面に窒素富化層を形成することを目的とするものであるから、少なくとも窒化すればよく、必ずしも浸炭は必要ではない。但し、条件よっては、例えば脱炭が懸念される場合や使用鋼材の炭素量が少なく、十分な硬度を確保できない場合等は、窒化の他に浸炭も不可欠となる。加熱後の軸受部品は、図３に示すように、冷却機１２にてＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）され、さらに洗浄機１３に移送されて冷却液（例えば油）の洗浄除去が行われる。尚、冷却機１２では、Ｍｓ点以下の温度に冷却する他、５００℃程度で恒温保持してもよい。また、図１では、一次処理装置１の加熱機１１として、連続式の加熱炉を例示しているが、同図に点線で示すように、バッチ式の加熱炉１１’を採用しても良い。さらに、図１では、一次処理装置１の冷却機１２として油冷を例示しているが、同図に点線で示すように、空冷やガス冷、例えばＮ₂ガスによるガス冷の冷却機１２’を採用しても良い。この場合、冷却機１２’において、軸受部品に対する冷却液の付着がなくなるので、後続の洗浄機１３を省略して、冷却機１２’から二次処理装置２の加熱機２１に軸受部品を直接移送する構成とすることができる。これにより、一次処理装置１の構成を簡略にすることができると同時に、工程時間を短縮することができる。

一次処理装置１による熱処理を経た軸受部品は、コンベヤ等の搬送手段を介して二次処理装置２に移送される。二次処理装置２は、加熱機２１、冷却機２２、洗浄機２３、および焼戻し機２４で構成される。加熱機２１は、軸受部品を誘導加熱（高周波加熱）により加熱するものであり、高周波加熱装置で構成される。この加熱機２１において、各軸受部品はピース・バイ・ピースで、図３に示すように、Ａ₁変態点以上の二次加熱温度Ｔ２（例えば８８０℃〜９００℃）で所定時間（例えば１．５〜２秒）誘導加熱される。図３では、二次加熱温度Ｔ２を一次加熱温度Ｔ１よりも低温にする場合を例示しているが、二次加熱温度Ｔ２はＴ１以上であってもよい。誘導加熱では、加熱温度や加熱時間を精密にコントロールすることができ、かつ短時間の処理になるので、軸受部品のミクロ組織におけるオーステナイト結晶粒を微細化することができる。この時、オーステナイト結晶粒が微細化されるか否かは、加熱温度と加熱時間の積で評価することができ、例えば誘導加熱機２１での最高加熱温度が低い場合には加熱時間をその分長くすることにより、オーステナイト結晶粒の微細化が可能となる。また、各軸受部品をピース・バイ・ピースで加熱するので、各軸受部品における熱処理品質のむらや、軸受部品相互間における熱処理品質のばらつきが少ない。

加熱後の軸受部品は、図３に示すように、冷却機２２にてＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）され、さらに洗浄機２３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。その後、この軸受部品は焼戻し機２４に移送され、適当な温度Ｔ３（例えば１８０℃）で焼戻される。尚、焼戻し機２４は、二次処理装置２と分離して設置しても良い。また、冷却機２２を空冷、ガス冷、水冷方式とすることにより、洗浄機２３を省略することもできる。

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以上の高い表面硬度が得られ、かつ、ミクロ組織中のオーステナイト結晶粒が微細化されてその結晶粒度は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、残留オーステナイト量１３〜２５％であり、通常品を遥かに凌ぐ良好な物性値が得られる。従って、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。

以上に述べた一次加熱温度Ｔ１、二次加熱温度Ｔ２、焼戻し温度Ｔ３は何れも鋼材として軸受鋼ＳＵＳＪ２を使用する場合を例示したものである。使用する鋼材の種類によっては、これらの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は上記例示とは異なる温度をとる場合がある。また、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、高い転動疲労寿命や耐割れ強度等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。

実施形態に係る熱処理システムの構成を概念的に示す図である。深溝玉軸受の断面図である。上記熱処理装置における熱処理のサイクル図である。

符号の説明

１一次処理装置
２二次処理装置
４転がり軸受
１１加熱機（一次加熱）
１２冷却機
２１加熱機（二次加熱）
２２冷却機
４１外輪
４２内輪
４２転動体

Claims

鋼製部品をＡ₁変態点を越える一次加熱温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却することにより表層部に窒素富化層を形成する一次処理装置と、該一次処理装置による熱処理を経た鋼製部品を、誘導加熱によりＡ₁変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次処理装置とを備えた熱処理システム。
一次処理装置が、ガス浸炭窒化させる加熱機を含む請求項１記載の熱処理システム。
二次処理装置において、型焼入れを行う請求項１又は２に記載の熱処理システム。