JP2005133212A

JP2005133212A - 熱処理システム

Info

Publication number: JP2005133212A
Application number: JP2004296164A
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】一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で再焼入れするにあたり、軸受部品の焼入れ変形を抑制する。
【解決手段】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。一次熱処理後の軸受部品４１は、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熱処理装置２で熱処理される。この二次熱処理装置２では、誘導加熱で加熱すると共に、型焼入れを行い、軸受部品の焼入れ変形を抑制する。
【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２００３−２２６９１８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２００３−２２６９１８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が、被熱処理品が特に薄肉の部材や厚さが不均一な部材である場合、熱処理に伴って焼入れ変形の発生が懸念される。転がり軸受の軸受部品では、外輪や内輪が薄肉の部材であり、その中でも特に円錐ころ軸受の外輪や内輪は厚さが不均一な部材であるから、焼入れ変形を生じるおそれがある。しかもこれらの軸受部品には、軸受性能の確保のため、極めて高い寸法精度が要求されるので、焼入れ変形はできるだけ抑制する必要がある。

そこで、本発明は、一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で再焼入れするにあたり、鋼製部品の焼入れ変形を抑制す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変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、二次熱処理装置が、誘導加熱で加熱すると共に、型焼入れするものである。

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、Ａ₁変態点を越える二次加熱温度に誘導加熱して焼入れを行うので、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。以上の特性から、通常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、上述のように二次熱処理装置で誘導加熱を行うと共に、型焼入れを行っているので、変形の少ない高い寸法精度を有する熱処理品が得られ、特に薄肉の部品や不均一な厚さを有する部品でも良好な寸法精度を確保することが可能となる。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。

一次熱処理で窒素富化層を形成するための手段としては、浸炭窒化が望ましく、特にコスト面を考慮するとガス浸炭窒化が好ましい。ガス浸炭窒化は、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雰囲気炉内で行うことができる。

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、二次熱処理で再焼入れするに際し、熱変形の少ない高い寸法精度を有する鋼製部品を低コストに得ることができ、特に薄肉部品や不均一な厚さを有する部品に適用する場合に好適となる。

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、二つの洗浄装置３および５、並びに焼戻し装置６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。

一次熱処理装置１は、加熱機１１と冷却機１２とで構成される。図１では、加熱機１１として連続式を例示しているが、バッチ式の炉を使用することもできる。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を使用する雰囲気炉で構成される。この加熱機１１内では、軸受部品が、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、例えば４０分加熱される（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）。加熱機１１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から、少なくとも窒化すればよく、必ずしも浸炭は必要でない。但し、条件によっては、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。加熱機１１としては、真空炉や塩浴炉、誘導加熱機等を使用することもできる。加熱後の軸受部品は、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３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。

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の内周に配置され、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。加熱終了後、軸受部品４１は、図１に示すように、例えば金型２２に嵌め込まれ、これに保持された状態で、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）。金型２２の各所に設けた細孔から油等の冷却液を噴出させて焼入れしてもよい。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、洗浄機５にて冷却液を洗浄除去した後、焼戻し機６に移送されて適当な温度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。

なお、以上の説明では、一次熱処理装置１および二次熱処理装置２での冷却方法として油冷を例示したが、水冷や空冷、ガス冷却等の他の冷却方法も採用することができ、また一次熱処理装置１と二次熱処理装置２で異なる冷却方法を採用することもできる。本実施形態では、一次熱処理および二次熱処理の双方で油冷している関係で、洗浄機３、５を設置しているが、水冷や空冷、ガス冷却の場合はこの種の洗浄機は不要となる。

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、上述のように二次熱処理装置２で誘導加熱を行うと共に、型焼入れを行っている。この場合、原理的に誘導加熱では熱変形が少なく、しかも加熱後の焼入れが型焼入れで行われるので、熱変形の少ない高い寸法精度を有する軸受部品が低コストに得られ、転がり軸受の外輪や内輪のような薄肉の部品、さらには円錐ころ軸受の外輪４１や内輪４２のように不均一な厚さを有する部品でも、良好な寸法精度を確保することが可能となる。従って、軸受部品が高品質化し、軸受性能の安定確保が可能となる。

また、誘導加熱は、個々の構成部品をピースバイピースで均等に加熱することができる、加熱効率がよく短時間で加熱できる、局部加熱が可能で硬化層深さの選定が自由に行える、急熱・急冷が可能で表面圧縮残留応力により疲れ強さを高めることができる、等の利点を有するので、軸受部品のさらなる低コスト化、高品質化、疲労寿命の向上等にも有効となる。

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洗浄装置
６焼戻し装置
１１加熱機
１２冷却機
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変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、二次熱処理装置が、誘導加熱で加熱すると共に、型焼入れすることを特徴とする熱処理システム。
前記一次熱処理装置でガス浸炭窒化を行う請求項１記載の熱処理システム。