JP2007224330A - 転動部材の製造方法、転動部材、軸受、円錐ころ軸受および処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に成形部材の形状精度を確保できる、転動部材の製造方法、転動部材、軸受、円錐ころ軸受および転動部材の製造方法に用いる処理装置を提供する。
【解決手段】焼入方法は、鋼からなり、平面形状が円形状の貫通穴を有するとともに貫通穴の一方端部から他方端部に向けて貫通穴の幅が徐々に狭くなっている、転動部材となるべき外輪１５を準備する工程（材料準備工程）と、外輪１５をＡ_１点以上の温度に加熱する加熱工程と、冷却工程としての型焼入工程とを備える。型焼入工程では、加熱工程において加熱された外輪１５を、Ａ_１点以上の温度から冷却媒体としての油４に浸漬し、油４中に置かれた円錐形状の型９に貫通穴の一方端部側から嵌めた状態で、Ｍ_Ｓ点以下の温度に冷却する。
【選択図】図１

Description

この発明は、転動部材の製造方法、転動部材、軸受、円錐ころ軸受および処理装置に関し、より特定的には、テーパ状の貫通穴が形成された転動部材の製造方法、転動部材、軸受、円錐ころ軸受および処理装置に関する。

従来、転動部材となるべき成形部材の焼入れ時には、成形部材の肉厚の変動や焼入用の冷却媒体（主に油や水）中での成形部材の冷却速度ムラに起因する変形(たとえば真円度崩れ、反り変形など)や、相変態に起因する成形部材の寸法変化（たとえば膨張や収縮）などが発生する場合がある。このような変形や寸法変化を防止するため、たとえば薄肉の成形部材については、焼入時に当該成形部材の寸法を規定するために、型により成形部材を拘束する、いわゆる型焼入が行なわれる。具体的には、焼入温度（たとえば８５０℃以上）に加熱した成形部材を、当該成形部材の寸法を拘束するための型に入れて、その状態で焼入を行なうといった工程が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、焼入温度に加熱された成形部材を一旦冷却媒体中に入れて焼入した後、成形部材が熱収縮してその寸法が最も小さくなる温度域（たとえば２５０℃〜３００℃）で成形部材を冷却媒体中から引上げ、その後成形部材の外径側を規定する型に当該成形部材を嵌め込んでから、変態膨張させるときに当該型によって成形部材の形状を矯正するといった工程も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開平７−１５７８２２号公報 特開平５−３３０６０号公報

しかし、上述した従来提案されている方法では、以下のような問題があった。つまり、上記特許文献１において提案された方法では、型焼入を行なう際に、成形部材の寸法を正確に制御するためには、型と成形部材との正確な位置決めが必要であった。そのため、成形部材が薄肉の部材である場合には、当該成形部材を型に嵌めるときに成形部材の温度が低下してしまい、焼入不良が発生する、あるいは成形部材を型にうまく嵌めることができずに型焼入が失敗する場合があった。また、上記特許文献２において提案された方法では、処理の終了後に型から成形部材を抜出すときに大きな力を要し、作業性が良くないという問題があった。

ここで、成形部材が円錐ころ軸受の外輪である場合、当該外輪に形成された貫通穴の内周面のテーパ部がころの転走面となる。そして、特に成形部材に対して浸炭窒化を行なう場合には、型拘束の無いフリー焼入を行なうと、成形部材において転走面となる部分が湾曲するように変形する場合があった。これは、当該成形部材では肉厚が局所的に異なっており、このような肉厚の違いによって熱処理前後の寸法変化挙動が異なるためである。そして、上記のように転走面となる部分が変形した場合、当該部分を研磨することにより転走面の平坦性を確保する必要がある。しかし、このように研磨を行なうと、研磨後の転走面では局所的に浸炭深さが異なった状態となり、好ましくない。このため、予め変形量（すなわち研磨量）を見越して、通常よりも深い領域にまで浸炭深さを設定する必要があった。

だが、このような変形量を予め正確に予測することは困難であり、結果的に研磨後の成形部材での転走面における浸炭深さが局所的にばらつくことがあった。また、このように浸炭深さを深く設定することは製造コストの上昇の原因となる。

また、上述したように成形部材の外周側を拘束する外径拘束型を用いた型焼入では、成形部材の内周側に位置する転走面の寸法を正確に管理することができない恐れもあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、容易に成形部材の形状精度を確保できる、転動部材の製造方法、転動部材、軸受、円錐ころ軸受および転動部材の製造方法に用いる処理装置を提供することである。

この発明に従った転動部材の製造方法は、鋼からなり、平面形状が円形状の貫通穴を有するとともに貫通穴の一方端部から他方端部に向けて貫通穴の幅が徐々に狭くなっている、転動部材となるべき成形部材を準備する工程と、成形部材をＡ_１点以上の温度に加熱する加熱工程と、冷却工程とを備える。冷却工程では、加熱工程において加熱された成形部材を、Ａ_１点以上の温度から冷却媒体（例えば油）に浸漬し、冷却媒体中に置かれた円錐形状の型に貫通穴の一方端部側から嵌めた状態で、Ｍ_Ｓ点以下の温度に冷却する。

このようにすれば、転動部材となるべき成形部材の貫通穴の内周側を円錐型の型により拘束した状態で焼入を行なうことができる。このため、成形部材の貫通穴の内周面の寸法精度を向上させることができる。なお、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_Ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

また、成形部材を円錐型の型に嵌めるという比較的簡単な作業により、型に対する成形部材の位置を正確に位置決めすることなく成形部材の貫通穴の内周面を当該型により拘束できるとともに、冷却工程の後においても、円錐型の型から成形部材を容易に取外すことができる。このため、焼入の前後における成形部材の型への設置および取外しの作業が極めて容易に実施できる。これは、貫通穴の形状がいわゆる円錐形状となっている成形部材の場合、焼入の際にマルテンサイト変態が始まる直上の温度ではその寸法が最も収縮し、その後変態膨張することで成形部材の寸法がやや大きくなるため、焼入後に型から成形部材を容易に取出すことができるためである。

なお、焼入後の成形部材における内周側（型と接触する側）および外周側での残留応力はゼロから圧縮応力であり、型拘束した状態での焼入に起因する成形部材での引張応力の発生は問題にならない。

上記転動部材の製造方法では、成形部材を型に嵌めた状態において、貫通穴の側壁の延在方向と、側壁に対向する型の側面の延在方向とが平行になっていてもよい。貫通穴の一方端部における、貫通穴の延在方向に対して垂直な方向の断面において、型の幅は、成形部材の貫通穴の内径の９９％以上１０５％以下となっていてもよい。

この場合、冷却工程において成形部材の温度がマルテンサイト変態の始まる温度の直上の温度にまで低下したときに、成形部材の貫通穴の内周面全体を型の外周側面と接触させることにより、型によって拘束した状態とすることができる。つまり、成形部材が最も収縮した時点で型に沿った状態（型により内周面を拘束された状態）で、成形部材が変態することになる。このため、成形部材の寸法や変形を制御した状態で焼入を行なうことができる。

また、上述のように成形部材はマルテンサイト変態が始まる温度の直上の温度において最も収縮し、その後変態膨張する。そのため、型の下部にスペーサなどを配置することで、成形部材の貫通穴の一方端部（つまり貫通穴の開口部の幅が相対的に広い側の端部）において、上述のように型の幅が成形部材の焼入後の貫通穴の設定内径よりわずかに小さくなるように設定しておくことで、上述のように成形部材が最も収縮した状態で型により成形部材を拘束し、その寸法や変形を制御する一方、焼入終了後には型から成形部材を容易に取外すことができる。

なお、型の側面の延在方向に沿うような貫通穴の側壁を有する成形部材であれば、成形部材のサイズが変わっても、同じ型を用いて上述のような型焼入を行なうことができる。

なお、型の幅を貫通穴の内径の９９％以上としたのは、このようにすれば成形部材がマルテンサイト変態が始まる温度の直上の温度において収縮したときに、確実に型の側面と成形部材の貫通穴の内周面とが接触するので、型によって成形部材を確実に拘束した状態で成形部材を変態させることができるからである。また、型の幅を貫通穴の内径の１０５％以下としたのは、このようにしておけば焼入の終了後に型から成形部材を容易に取外すことができるからである。なお、貫通穴の一方端部における、貫通穴の延在方向に対して垂直な方向の断面において、型の幅は成形部材の貫通穴の内径の１００％以上１０２％以下であることがより好ましい。

上記転動部材の製造方法は、冷却工程に先立って、貫通穴の延在方向における、型に対する成形部材の位置を調節する調整工程を備えていてもよい。

この場合、上述のように成形部材の貫通穴の一方端部において、成形部材の焼入後の貫通穴の設定内径に対する型の幅を任意に設定することができる。このため、成形部材の材質などに応じて、成形部材の貫通穴の設定内径に対する型の幅を適宜調整することができる。このため、焼入後の成形部材の形状や寸法などの精度の向上を図ることができる。

上記転動部材の製造方法では、冷却工程において、成形部材に対して貫通穴の延在方向に沿った方向に応力を加えた状態で、成形部材を冷却してもよい。

この場合、成形部材における貫通穴の延在方向（いわゆる横方向）での焼入に伴う変形（たとえば反り）を抑制することができる。

上記転動部材の製造方法は、冷却工程に先立って、成形部材に対して浸炭処理または浸炭窒化処理を行なう処理工程をさらに備えていてもよい。また、上記成形部材は、円錐ころ軸受の外輪となる転動部材を構成するものであることが好ましい。

この場合、成形部材の貫通穴の内周面が型により拘束された状態で焼入が実施されるので、当該内周面が焼入により湾曲（変形）するといった問題が発生する可能性は低い。そのため、焼入後に成形部材の内周面を研磨する場合に、当該変形を修正するために内周面を研磨する研磨量の不均一が発生し難い。そのため、研磨量の不均一を見込んで浸炭深さを通常より深く設定する必要性も低い。したがって、浸炭処理あるいは浸炭窒化処理の処理時間を短縮できるとともに、浸炭層または浸炭窒化層の深さの管理が容易になる。この結果、製造コストを低減できるとともに、製品の品質を安定させることができる。

また、本発明による転動部材の製造方法では、いわゆる通常の焼入（ずぶ焼入）を行なっても上述のように研磨量の不均一が発生し難いため、焼入後の研磨工数や研磨代の低減によるコストの削減が可能になる。

上記転動部材の製造方法では、冷却工程において、型に形成された噴出穴から冷却媒体を前記成形部材に噴射してもよい。

この場合、成形部材において型と対向する内周面全体に、比較的均一に冷却媒体を供給することができる。このため、成形部材の冷却条件を均一化することができる。したがって、成形部材の冷却が局所的に不均一に行なわれることに起因する成形部材の変形や残留応力の発生を抑制することができる。

この発明に従った転動部材は、上記転動部材の製造方法により製造されたものである。本発明に従った転動部材は、上述した製造方法により製造されることにより、製造コストの増大を抑制しつつ寸法精度の向上が図られている。

この発明に従った軸受は、上記転動部材を備えている。この結果、製造コストの増大を抑制しつつ寸法精度の向上された転動部材を用いることで、低コストかつ寸法精度の高い軸受を実現できる。

この発明に従った円錐ころ軸受は、上記転動部材を備えている。この結果、製造コストの増大を抑制しつつ寸法精度の向上された転動部材を用いることで、低コストかつ寸法精度の高い軸受を実現できる。また、本発明に従った転動部材は、その内周側が型により拘束された状態で焼入を実施するため、内周側の寸法精度に優れている。そのため、上記転動部材が円錐ころ軸受の外輪である場合には、その内周面がころと接触する表面（転走面）となることから、特に本発明を適用することが有効である。

この発明に従った処理装置は、上記転動部材の製造方法を実施するものである。すなわち、この発明に従った処理装置は、円錐形状の型と、加熱された、平面形状が円形状の貫通穴を有するとともに貫通穴の一方端部から他方端部に向けて前記貫通穴の幅が徐々に狭くなっている成形部材を、型に嵌められた状態で冷却するための冷却部材とを備えている。

このようにすれば、型に嵌められた状態の成形部材を焼入することができるので、成形部材の貫通穴の内周面が型により拘束された状態で、成形部材を焼入することができる。このため、成形部材の内周面における焼入に起因する変形などを効果的に抑制できる。

このように、本発明によれば、円錐形状の貫通穴が形成された転動部材となるべき成形部材を、その内周面が変形しないように円錐形状の型を用いて型焼入するので、比較的簡単な操作で寸法精度の高い転動部材を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明に従った処理装置としての焼入装置を示す模式図である。図２は、図１に示した焼入装置において用いられる型の側面模式図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。図１〜図３を参照して、本発明に従った焼入装置１を説明する。

図１〜図３を参照して、本発明に従った焼入装置１は、外形が円錐形状の型９と、当該型９を浸漬する冷却媒体としての油４を保持するための浴槽３と、型９に形成された噴出穴２６（図２参照）から外側に向けて冷却媒体としての油４を噴出させるためのポンプ１１と、当該ポンプ１１と型９とをつなぐ配管１２と、型９を油４から取出したり、油４の中に浸漬したりできる移動部材２２とを備える。型９は、その頂部が油４の表面から突出するように配置されている。

型９は、外形が円錐形状の型本体部５と、当該型本体部５をその上に搭載するための架台７とを含む。型本体部５は、図２に示すように平面形状が円形状のベース部２４上に、外形が円錐形状の型部が配置された構成となっている。型本体部５の内部は、図３に示すように中空になっている。型本体部５の側壁には、型本体部５の頂部から底部に向けて延在する複数の溝２５が形成されている。溝２５は、型本体部５の側壁の周方向において、ほぼ等間隔となるように配置されている。隣接する溝２５の間には、上述したように油４を型９の内部から外部へ噴出するための、内壁２７から外壁２８にまで到達する噴出穴２６が形成されている。噴出穴２６は、隣接する溝２５の間であって、溝２５の延在方向に沿って並ぶように形成されている。

配管１２の一方端部はポンプ１１に接続され、他方端部は型９の架台７に接続されている。架台７の内部も、型本体部５と同様に中空になっている。そのため、ポンプを介して配管１２に送り込まれた油４は、配管１２から架台７の内部空間を通り、その上の型本体部５の内部空間へ供給される。そして、その油４は、型本体部５に形成された噴出穴２６から外部への噴射される。

移動部材２２は、アーム２１を介して移動台１９と接続されている。移動台１９上には、型９が搭載されている。移動部材２２は、図１の矢印に示すようにアーム２１を介して移動台１９を上下方向に移動可能となっている。この結果、型９に嵌め込まれた焼入対象材である外輪１５を、焼入後に油４の中から取出したりする作業を容易に行なうことができる。なお、移動部材２２としては、移動台１９を移動できるものであれば任意の構造を採用することができる。たとえば、油圧、空気圧などの流体圧シリンダや、電動機などを移動部材２２の駆動源として用いることができる。また、図１では移動部材２２を配置しているが、焼入れ装置１としてはこのような移動部材２２を備えない構成としてもよい。また、浴槽３には、油４を循環させるための循環部材（たとえばポンプなど）が設置されていてもよい。

型９には、そのベース部２４（図２参照）上に円管状のスペーサ１３が嵌めこまれている。スペーサ１３の上には、外輪１５が型９に嵌め込まれた状態で配置されている。このスペーサ１３の高さ（型９が伸びている方向でのスペーサ１３の幅）を変更することで、焼入対象材である外輪１５と型９との相対的な位置を適宜変更することができる。また、外輪１５上には、外輪１５に対して上から応力を加えるための重り１７が配置されている。

なお、図２に示した型本体部５については、図４に示すようにその側面に溝２５のみを形成し、噴出穴２６を形成しない構成としてもよい。ここで、図４は、図２に示した型本体部の変形例を示す斜視模式図である。図４に示した型本体部５は、基本的には図２に示した型本体部５と同様の構成を備えるが、その側壁に噴出穴２６（図２参照）が形成されていない点が図２に示した型本体部５と異なる。このような構成の型本体部５を用いても、その溝２５から型本体部５と焼入対象材である外輪１５との間に冷却媒体としての油４を供給することができる。したがって、図４に示した型本体部５を用いても、外輪１５の型焼入を実施することができる。なお、図４に示したような型本体部５を用いる場合には、図１に示したポンプ１１や配管１２は不要となる。

上述した焼入装置１の特徴的な構成を要約すれば、この発明に従った処理装置としての焼入装置１は、後述する本発明による転動部材の製造方法としての焼入方法を実施するものである。すなわち、この焼入装置１は、円錐形状の型９と、加熱された、平面形状が円形状の貫通穴を有するとともに貫通穴の一方端部から他方端部に向けて前記貫通穴の幅が徐々に狭くなっている（つまり円錐形状の貫通穴が形成された）成形部材としての外輪１５を、型９に嵌められた状態で冷却するための冷却部材（浴槽３、冷却媒体としての油４、ポンプ１１、配管１２）とを備えている。

このようにすれば、型９に嵌められた状態の外輪１５を焼入することができるので、外輪１５の貫通穴の内周面が型９により拘束された状態で、外輪１５を焼入することができる。このため、外輪１５の内周面での焼入に起因する変形を効果的に抑制できる。

次に、図１〜図３に示した焼入装置１を用いた転動部材の製造方法としての焼入方法を説明する。図５は、図１〜図３に示した焼入装置を用いた焼入方法を説明するためのフローチャートである。図５を参照して、本発明に従った焼入方法を説明する。

図５に示すように、まず材料準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程では、焼入対象材である成形部材としての外輪１５を、従来の機械加工方法を用いて準備する。外輪１５は、その形状が円錐形状となっている貫通穴が形成されている。この外輪１５は、いわゆる円錐ころ軸受の外輪を構成するものである。

次に、加熱工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、上記材料準備工程（Ｓ１０）において準備した外輪１５を、所定の雰囲気（たとえば還元雰囲気）の加熱炉中で、Ａ_１点以上の所定の温度で所定時間加熱する。たとえば、雰囲気ガスをＲＸガス＋ブタンガス（ＲＸガスとブタンガスとの混合ガス）、加熱温度を８４０〜８７０℃、処理時間を４０〜８０分とすることができる。

次に、型焼入工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、上述した過熱工程（Ｓ２０）において加熱された外輪１５を、貫通穴の径が大きい側を下にして、図１のように油４の中に浸漬された型９に嵌め込む。このとき、型９の先端部は油４の液面より上に位置しているが、型９に嵌め込まれた外輪１５はその全体が油４に浸漬した状態となる。また、型９の下部には、外輪１５の型９に対する相対的な位置を決定するためのスペーサ１３が予め配置されている。外輪１５は、このスペーサ１３上に載ることで、型９との相対的な位置が決定されている。また、このとき、ポンプ１１が駆動することにより、型９の噴出穴２６から油４が外輪１５の内周側に噴きつけられる。また、外輪１５の反りをより効果的に抑制するため、図１に示すような重り１７を外輪１５の上から被せてもよい。このようにして、型焼入工程（Ｓ３０）を実施する。なお、冷却媒体として上述した構成では油４を用いているが、他の冷却媒体（たとえば水などの液体）を用いてもよい。また、上述のように噴出穴２６から冷却媒体としての油４を外輪１５に噴射するので、型９と外輪１５の内周面との間の油４の流れを良好にできる。したがって、大型の外輪１５についても、均一に型焼入することができる。

次に、後処理工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、焼入された外輪１５を型９から取外す。そして、外輪１５の表面に対して研削などの加工処理を行なうことにより、外輪１５を最終の製品寸法に仕上げ、図６に示した外輪３４とする。そして、別途通常の製造方法を用いて準備した内輪３３（図６参照）、円錐ころ３５（図６参照）、保持器３６（図６参照）とともに、図６に示すような円錐ころ軸受３１を組立てる。このようにして、図６に示すような円錐ころ軸受３１を製造できる。

上述した本発明に従った焼入方法の特徴的な構成を要約すれば、この発明に従った転動部材の製造方法としての焼入方法は、図５に示すように、鋼からなり、平面形状が円形状の貫通穴を有するとともに貫通穴の一方端部から他方端部に向けて貫通穴の幅が徐々に狭くなっている（つまり円錐形状の貫通穴が形成されている）、転動部材となるべき成形部材（つまり外輪１５）を準備する工程（材料準備工程（Ｓ１０））と、外輪１５をＡ_１点以上の温度に加熱する加熱工程（Ｓ２０）と、冷却工程としての型焼入工程（Ｓ３０）とを備える。型焼入工程（Ｓ３０）では、加熱工程（Ｓ２０）において加熱された外輪１５を、貫通穴の一方端部側から円錐形状の型９に嵌めた状態で、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却する。

このようにすれば、外輪１５の貫通穴の内周側を円錐型の型９により拘束した状態で焼入を行なうことができる。このため、外輪１５の貫通穴の内周面の寸法精度を向上させることができる。また、外輪１５を円錐型の型９に嵌めるという比較的簡単な作業により、型９に対する外輪１５の位置を正確に位置決めすることなく外輪１５の貫通穴の内周面を当該型９により拘束できるとともに、型焼入工程（Ｓ３０）の後においても、円錐型の型９から外輪１５を容易に取外すことができる。このため、焼入の前後における外輪１５の型９への設置および取外しの作業が極めて容易に実施できる。なお、焼入後の外輪１５における内周側（型９と接触する側）および外周側での残留応力はゼロ〜圧縮応力であり、型拘束した状態での焼入に起因する外輪１５での引張応力の発生は問題にならない。

上記焼入方法では、外輪１５を型９に嵌めた状態において、貫通穴の側壁の延在方向と、その側壁に対向する型９の側面の延在方向とが平行になっている。貫通穴の一方端部（貫通穴の幅が広い側の端部）における、貫通穴の延在方向に対して垂直な方向の断面において、型９の幅は、外輪１５の貫通穴の内径の９９％以上１０５％以下となっていることが好ましい。

この場合、型焼入工程（Ｓ３０）において外輪１５の温度がマルテンサイト変態の始まる温度の直上の温度にまで低下したときに、外輪１５の貫通穴の内周面全体を型９の外周側面と接触させることにより、型９によって外輪１５を拘束した状態とすることができる。つまり、外輪１５が最も収縮した時点で型９に沿った状態で、外輪１５が変態することになる。このため、外輪１５の寸法や変形を制御した状態で焼入を行なうことができる。

また、上述のように外輪１５はマルテンサイト変態が始まる温度の直上の温度において最も収縮し、その後変態膨張する。そのため、型９の下部にスペーサ１３を配置することで、外輪１５の貫通穴の開口部の幅が相対的に広い側の端部において、上述のように型９の幅が外輪１５の焼入後の貫通穴の設定内径よりわずかに小さくなるように設定しておくことで、上述のように外輪１５が最も収縮した状態で型９により外輪１５を拘束し、その寸法や変形を制御する一方、焼入終了後には型９から外輪１５を容易に取外すことができる。

なお、型９の側面の延在方向に沿うような貫通穴の側壁を有する外輪１５であれば、外輪１５のサイズが変わっても、同じ型９を用いて上述のような型焼入を行なうことができる。また、型９の幅を貫通穴の内径の９９％以上としたのは、このようにすればマルテンサイト変態が始まる温度の直上の温度において外輪１５が収縮したときに、確実に型９の側面と外輪１５の貫通穴の内周面とが接触するので、型９によって外輪１５を確実に拘束した状態で外輪１５を変態させることができるからである。また、型９の幅を貫通穴の内径の１０５％以下としたのは、このようにしておけば焼入の終了後に型９から外輪１５を容易に取外すことができるからである。なお、貫通穴の一方端部における、貫通穴の延在方向に対して垂直な方向の断面において、型９の幅は外輪１５の貫通穴の内径の１００％以上１０２％以下であってもよい。

上記焼入方法は、型焼入工程（Ｓ３０）に先立って、貫通穴の延在方向における、型９に対する外輪１５の位置を調節する調整工程を備えていてもよい。具体的には、幅の異なるスペーサ１３を複数種類用意しておき、外輪１５に合わせて最適なスペーサ１３を型９に設置する工程を実施する。この場合、上述のように外輪１５の貫通穴の一方端部において、外輪１５の焼入後の貫通穴の設定内径に対する型９の幅を任意に設定することができる。このため、外輪１５の材質などに応じて、外輪１５の貫通穴の設定内径に対する型９の幅を適宜調整することができる。このため、焼入後の成形部材の形状や寸法などの精度の向上を図ることができる。

上記焼入方法では、型焼入工程（Ｓ３０）において、外輪１５に対して貫通穴の延在方向に沿った方向に応力を加えた状態で、外輪１５を冷却してもよい。具体的には、外輪１５上に重り１７を配置して、外輪１５の幅方向に応力を加えてもよい。この場合、外輪１５における貫通穴の延在方向（いわゆる横方向）での焼入に伴う反りを抑制することができる。

上記焼入方法は、型焼入工程（Ｓ３０）に先立って、外輪１５に対して浸炭処理または浸炭窒化処理を行なう処理工程をさらに備えていてもよい。また、上記外輪１５は、図６に示すように円錐ころ軸受３１の外輪３４となる転動部材を構成するものであってもよい。

この場合、外輪１５の貫通穴の内周面が型９により拘束された状態で焼入が実施されるので、当該内周面が焼入により湾曲（変形）するといった問題が発生する可能性は低い。そのため、焼入後に外輪１５の内周面を研磨する場合に、当該変形を修正するために内周面を研磨する研磨量の不均一が発生し難い。そのため、研磨量の不均一を見込んで浸炭深さを通常より深く設定する必要性も低い。したがって、浸炭処理あるいは浸炭窒化処理の処理時間を短縮できるとともに、外輪１５における浸炭層または浸炭窒化層の深さの管理が容易になる。この結果、製造コストを低減できるとともに、製品の品質を安定させることができる。

また、本発明による焼入方法では、いわゆる通常の焼入（ずぶ焼入）を行なっても上述のように研磨量の不均一が発生し難いため、焼入後の研磨工数や研磨代の低減によるコストの削減が可能になる。

上記焼入方法では、型焼入工程（Ｓ３０）において、型９に形成された噴出穴２６から冷却媒体としての油４を前記外輪１５に噴射している。この場合、外輪１５において型９と対向する内周面全体に、比較的均一に油４を供給することができる。このため、外輪１５の冷却条件を均一化することができる。したがって、外輪１５の冷却が局所的に不均一に行なわれることに起因する外輪１５の変形や残留応力の発生を抑制することができる。

図６は、本発明に従った軸受である円錐ころ軸受の断面模式図である。図６を参照して、上述した焼入方法を利用して製造された円錐ころ軸受３１を簡単に説明する。図６に示すように、円錐ころ軸受３１は、内輪３３と、外輪３４と、円錐ころ３５と、保持器３６とを備える。外輪３４は、図５に示した焼入方法を用いて製造されたものである。内輪３３の外周面である転走面上には、転走面に接触するように複数の円錐ころ３５が配置されている。円錐ころ３５を囲むように、外輪３４が配置されている。外輪３４の内周面（円錐形の貫通穴の内周面）は、円錐ころ３５が接触する転走面となっている。複数の円錐ころ３５は、その配置が保持器３６により固定されている。

上述した外輪３４の特徴的な構成を要約すれば、この発明に従った転動部材としての外輪３４は、図５に示した本発明に従った焼入方法により製造されたものである。この外輪３４は、上述した本発明に従った焼入方法により製造されることにより、製造コストの増大を抑制しつつ寸法精度の向上が図られている。また、図６に示した円錐ころ軸受３１は、この発明に従った軸受であって、上記転動部材としての外輪３４を備えている。この結果、低コストかつ寸法精度の高い軸受を実現できる。また、本発明に従った外輪３４は、その内周側が型９（図１参照）により拘束された状態で焼入されるため、内周側の寸法精度に優れている。そのため、円錐ころ軸受３１では外輪３４の内周面が円錐ころ３５と接触する転走面となることから、特に本発明を適用することが有効である。

本発明による焼入方法の効果を確認するために、以下のような実験を行なった。実験では、基本的に図１に示したような構成の焼入装置を準備した。ただし、型９を構成する型本体部５としては、図４に示したように油４の噴出穴２６の無いものを用いた。そして、焼入の対象材としての円錐ころ軸受の外輪としては、薄肉円錐ころ軸受の外輪を準備した。当該外輪の材質はＪＩＳ ＳＵＪ２、外径はφ８０ｍｍ、肉厚の最大値は５．２ｍｍ、肉厚の最小値は２．２ｍｍ、幅は１７ｍｍであった。なお、外輪１５を型９に嵌めたときに、外輪１５に形成された貫通穴の内周面に沿って型９の側壁が配置されるように、型９の形状は決定されている。このような外輪１５の試料について、表１に示した条件ＩＤ１〜１５に示す１５種類の条件で、焼入を行ない、その後硬度、真円度、寸法変化および反りを測定した。なお、各条件についてはｎ＝３とし、その平均値を示した（３つの試料について実験を行ない、その平均値を示した）。

焼入の条件としては、還元雰囲気炉内で、加熱温度８５０℃、加熱時間５０分として外輪の試料を加熱した。そして、当該試料において貫通穴の相対的に大きな径の側を、図１に示したように油４の中に浸漬された型９の頂部から型９に嵌め込んで焼入を行なった。その結果を表１に示す。また、表１に示した真円度、寸法変化、反りについては、そのデータをグラフ化したものを図７に示す。図７は、実験により得られた真円度、寸法変化、反りの各条件でのデータを示すグラフである。

表１において、焼入条件の欄のＡとは、上述のように加熱後そのまま図１に示した型焼入を実施した場合を示している。また、焼入条件の欄のＢとは、熱処理変形を大きくするために、一旦型拘束無しで、同一温度条件で焼入を行ない、その後、再度上述のような図１に示した焼入れ装置を用いて型焼入を行なった場合を示している。

また、硬度は各試料の表面について任意の箇所を５点測定し、各条件ごとに３つの試料についての平均値（５点×３試料＝１５点の平均値）を示している。

また、真円度とは、測定形状に対し、内接する円と測定形状の各点との間の最大の半径方向距離であり、真円度測定器で測定した。測定は軸受外輪の転走面部（型とはまる部分）の幅中央位置にて測定した。

また、寸法変化とは、焼入前の外輪外径寸法（直交する２直径の平均）に対する焼入後の同じ位置の外径寸法（２直径の平均）の差であり、測定方法としてはダイアルゲージにて測定した。

また、反りとは、焼入後の外輪幅方向の変形量であり、測定方法としては片方の幅面を基準にしたときのもう一方の幅面までの最大距離と最小距離（幅寸法に等しい）の差をダイアルゲージで測定した。

また、表１に示すように、一部の条件では、外輪１５を型９に嵌めこんだ後、外輪１５の上に重さ１ｋｇの重し１７（重鎮）を乗せることにより、外輪１５に応力を加えた。

この結果、表１に示すように、比較例としての条件ＩＤ１、３は、型９を使わずに焼入れを行ない、また、比較例としての条件ＩＤ２、４については、スペーサの幅を大きくすることで、外輪１５が焼入されたときに収縮しても型９と接触しないようにした。一方、本発明の実施例としての条件ＩＤ５〜１５については、基本的に焼入時に外輪１５が収縮したとき、外輪１５の内周面が型９の側壁に接触するように、スペーサの幅（高さ）が設定されている。この結果、表１や図７に示すように、比較例より本発明の実施例の方が焼入時に型拘束を行なうことにより真円度が極めて良好になっていることがわかる。

また、スペーサの幅をほぼ同じにしておけば、真円度や反りをほぼ同じレベルとすることができることがわかる（たとえば、条件ＩＤ７、８などを参照）。つまり、スペーサの幅が同じということは、外輪１５の下端での貫通穴の内径と型９の外径（幅）との比がほぼ一定となる。このようにすれば、焼入後の外輪１５の真円度などの形状をほぼそろえることができる。また、焼入条件をＡ、Ｂと変えた場合でも、型による拘束の条件が同じであれば、焼入後の硬度、真円度、寸法変化、反りなどの条件をほぼ同じにそろえることができる（たとえば、条件ＩＤ９、１０または条件ＩＤ１４、１５参照）。また、重し１７（重鎮）を用いることにより、焼入後の反りを低減できることも分かる（たとえば、条件ＩＤ５〜１０と条件ＩＤ１１〜１５を参照）。

また、表１に示した条件のうち、いくつかの条件について、転走面および外周面（外径側面）の残留応力を測定した。その測定結果を表２に示す。

なお、残留応力の測定方法は、Ｘ線応力測定装置により、マルテンサイト２１１回折面の歪を測定することで求めた。

表２では、条件ＩＤ１、３、５、１０、１１、１５の試料について、転走面および外径側面での表面から０．０５ｍｍの深さおよび０．２ｍｍの深さでの残留応力測定値を示している。また、表中残留応力についてマイナスの符号がついている数値は圧縮応力の値である。表２から分かるように、本発明の実施例ではいずれの試料についても、型に接触する面である転走面側で、残留応力（熱処理応力）はほぼゼロから圧縮応力となっている。つまり、型焼入を行なうことによる、引張応力の発生は見られなかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、円錐状の貫通穴が形成された転動部材について得に有利に適用される。特に円錐ころ軸受の外輪について、低コストでかつ高い寸法精度の外輪を得ることができる。

本発明に従った処理装置としての焼入装置を示す模式図である。 図１に示した焼入装置において用いられる型の側面模式図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面模式図である。 図２に示した型本体部の変形例を示す斜視模式図である。 図１〜図３に示した焼入装置を用いた焼入方法を説明するためのフローチャートである。 本発明に従った軸受である円錐ころ軸受の断面模式図である。 実験により得られた真円度、寸法変化、反りの各条件でのデータを示すグラフである。

符号の説明

１ 焼入装置、３ 浴槽、４ 油、５ 型本体部、７ 架台、９ 型、１１ ポンプ、１２ 配管、１３ スペーサ、１５，３４ 外輪、１９ 移動台、２１ アーム、２２ 移動部材、２４ ベース部、２５ 溝、２６ 噴出穴、２７ 内壁、２８ 外壁、３１ 円錐ころ軸受、３３ 内輪、３５ 円錐ころ、３６ 保持器。

Claims (8)

1. 鋼からなり、平面形状が円形状の貫通穴を有するとともに前記貫通穴の一方端部から他方端部に向けて前記貫通穴の幅が徐々に狭くなっている、転動部材となるべき成形部材を準備する工程と、
   前記成形部材をＡ_１点以上の温度に加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程において加熱された前記成形部材を、Ａ_１点以上の温度から冷却媒体に浸漬し、前記冷却媒体中に置かれた円錐形状の型に前記貫通穴の前記一方端部側から嵌めた状態で、Ｍ_Ｓ点以下の温度に冷却する冷却工程とを備えた、転動部材の製造方法。
2. 前記成形部材を前記型に嵌めた状態において、前記貫通穴の側壁の延在方向と、前記側壁に対向する前記型の側面の延在方向とが平行になっており、
   前記貫通穴の一方端部における、前記貫通穴の延在方向に対して垂直な方向の断面において、前記型の幅は、前記成形部材の前記貫通穴の内径の９９％以上１０５％以下となっている、請求項１に記載の転動部材の製造方法。
3. 前記冷却工程において、前記成形部材に対して前記貫通穴の延在方向に沿った方向に応力を加えた状態で、前記成形部材は冷却される、請求項１または２に記載の転動部材の製造方法。
4. 前記冷却工程に先立って、前記成形部材に対して浸炭処理または浸炭窒化処理を行なう処理工程をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転動部材の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の転動部材の製造方法により製造された、転動部材。
6. 請求項５に記載の転動部材を備えた、軸受。
7. 請求項５に記載の転動部材を備えた、円錐ころ軸受。
8. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の転動部材の製造方法を実施する、処理装置。

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