JP2008106358A - 環状体の加熱変形矯正方法および焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に真円形に矯正できる新規な環状体の加熱変形矯正方法および焼入れ方法の提供。
【解決手段】鋼からなる環状体１０を加熱処理する際に生ずる変形を矯正する方法であって、前記環状体１０を外径拘束型２０によってその外径を拘束した状態で、当該環状体１０をＡ_Ｃ１変態点以上の温度に加熱する。これによって、その環状体１０の加熱前の歪みや変形が全て取り除かれてその環状体１０の形状を容易に真円形に近い形状に矯正できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、転がり軸受の内外輪などをはじめとした様々な機械部品に用いられる鋼製の環状体の加熱変形矯正方法および焼入れ方法に関するものである。

現在、鋼からなる金属部品の殆どは、機械的強度や耐摩耗性などを向上させるために所定の熱処理が施されているが、この熱処理に際しては素材の変形が問題となってくる。
このような熱処理に伴う鋼材の変形が発生する要因としては、例えば、旋削、鍛造などの前加工による歪みが熱によって顕在化する他、浸炭などの熱処理による歪みが加熱時に開放されて変形が発生したり、また、浸炭などで一次焼入れによって変形が発生する場合もある。また、熱処理時における不均一加熱や不均一冷却も局所的な内部応力が発生するため、変形を招く大きな要因となっている。

このような熱処理に伴う鋼材の変形に対しては、その使用される部品の種類や目的などの応じてその許容度には差があり、使用目的によっては殆ど問題がないケースもあるが、使用目的が精密機械用の部品、例えば、転がり軸受の内外輪などの軌道輪を構成する環状体として用いる場合にあっては、熱処理時の変形に伴う真円度の悪化や反りの発生が大きな問題となる。

そのため、このような環状体の熱処理時に発生する変形に対しては、従来から種々の技術が提案されており、以下に示すような、いわゆる「冷却矯正焼入れ方法」と「焼戻し矯正方法」とがある。
前者の方法としては、例えば、以下の特許文献１や２などには、軸受鋼において焼入れ冷却時に環状体の外径を矯正しながら焼き入れる変形矯正技術が開示されている。この技術によれば、オーステナイトの収縮やマルテンサイトの変態時に適切なタイミングで加工することで環状体を真円形に仕上げることができるとの記述がある。

また、以下の特許文献３には、中炭素鋼の膨張収縮特性を利用し、収縮時に内径を、膨張時に外径をそれぞれ矯正する技術が開示され、また、以下の特許文献４には、環状体を誘導加熱した後にその内径および外径を矯正して良好な真円度を得ようとする手法が開示されている。
一方、後者の方法としては、例えば、以下の特許文献５には、焼戻し時のマルテンサイトの分解を利用して環状体の矯正を行うようにした手法が開示されている。

また、以下の特許文献６には、熱間加工による矯正方法が開示されており、薄肉の環状体において、上下端面型加圧しながら誘導加熱することでその変形を防止するようにした手法が開示されている。
特許２８６０４８１号明細書 特開平５−３３０５９号公報 特許３５８６８８８号明細書 特開２００５−３２０６０９号公報 特開平１１−１８１８３０号公報 特開２００５−３３０５４３号公報

ところで、前記特許文献１，２などに開示されているような方法では、マルテンサイト変態膨張を利用するため、炭素含有量が多い鋼では膨張量が大きく容易に矯正できるが、炭素含有量が少ないと変形を矯正するのに必要な膨張量が得られなくなる。したがって従来方式では、限られた材質範囲のみでしか高い矯正効果が得られない。
また、前記特許文献３に開示されている方法では、冷却速度の遅い肉厚品には最適であるが、薄肉品となると瞬時のうちに矯正方式を変更する必要があるため、適用に限界がある。
また、前記特許文献４に開示されている方法では、同様に２回の矯正条件の管理を厳しく行う必要があり、適用に限界がある。

一方、前記特許文献５に開示されている方法では、変形能が小さく、矯正能力に限界があった。
また、前記特許文献５に開示されている方法では、反りを発生させないことは可能であるが、真円形に矯正することは不可能であった。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その主な目的は、容易に真円形に矯正できる新規な環状体の加熱変形矯正方法および焼入れ方法を提供するものである。

前記課題を解決するために本発明は、
鋼からなる環状体を加熱処理する際に生ずる変形を矯正する方法であって、前記環状体を外径拘束型によってその外径を拘束した状態で、当該環状体をＡ_Ｃ１変態点以上の温度に加熱することを特徴とする環状体の加熱変形矯正方法である。
また、本発明は、
鋼からなる環状体を加熱処理する際に生ずる変形を矯正する方法であって、前記環状体を外径拘束型によってその外径を拘束した状態で、当該環状体全面がオーステナイト組織になるまで加熱することを特徴とする環状体の加熱変形矯正方法である。

また、前記環状体の加熱方法として誘導加熱を用いることが好ましい。
また、前記加熱処理後の環状体を前記外径拘束型から取り外した後、当該環状体を回転させながらその表面に冷却剤を噴射して当該環状体を臨界冷却速度以上の速度で冷却する焼入れ方法を用いることが好ましい。
また、前記環状体の冷却中に、その環状体の内径または外径をそれぞれの拘束型で拘束する焼入れ方法を用いることが好ましい。
また、この環状体としては、具体的には転がり軸受の軌道輪が用いられる。

本発明によれば、環状体を外径拘束型によってその外径を拘束した状態で加熱するようにしたことから、その環状体が外径方向に向かって膨張する力とその外径を拘束する外径拘束型による抗力とによって、その環状体の加熱前の歪みや変形が全て取り除かれてその環状体が真円形に近い形状に矯正されることになる。

また、このような加熱膨張は変態膨張に比べ膨張量が大きいため、熱処理前の変形が大きくても真円形に加工することができる。
また、この環状体をＡ_Ｃ１変態点以上の温度に加熱することによって後の焼入れ処理が可能となる。
また、この環状体の加熱に際してＡ_Ｃ１変態点の温度を超えてさらに環状体全面がオーステナイト組織になるまで加熱すれば、環状体の延性が高くなって変形抵抗が低くなるため、より効果的に真円形に近い環状体を得ることが可能となる。

また、さらにその環状体の加熱方法として誘導加熱方法を用いれば、拘束型より環状体の温度を高くすることができるため、より顕著な矯正効果を得ることができる。
また、環状体を回転させながらその表面に冷却剤を噴射して当該環状体を臨界冷却速度以上の速度で冷却すれば、真円形に近い形状に矯正された後の環状体をむらなく均一に冷却できるため、その形状を維持したまま焼入れ処理を行うことができる。
また、前記環状体の冷却中に、その環状体の内径または外径をそれぞれの拘束型で拘束すれば、焼入れ時の変形も確実に防止することができる。
また、環状体を拘束型で拘束する時に、浸漬焼入れを用いることも可能である。

次に、本発明に係る環状体の加熱変形矯正方法および焼入れ方法の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明方法を実施するための熱処理装置１００の実施の一形態を示したものである。
図において符号１０は、素材の炭素（Ｃ）含有量が約０．１〜１．２％の鋼からなる断面矩形状の環状体であり、加熱処理時においては、同じくリング状の外径拘束型２０の内側に嵌め込まれてその外径が拘束される状態で取り付けられるようになっている。

また、この外径拘束型２０の外側には、誘導加熱コイル３０が一定の隙間を隔ててこれを囲繞するように設けられており、この外径拘束型２０に拘束された環状体１０を少なくともそのＡ_Ｃ１変態点（約７３０℃）以上の温度に誘導加熱できるようになっている。
なお、この外径拘束型２０は、少なくとも環状体１０を構成する鋼よりも十分に融点が高い耐熱性の非磁性材料、例えば、セラミックや非磁性金属などからなっており、より好ましくは窒化珪素系のセラミックなどから形成されている。また、この外径拘束型２０の内径は真円形となっており、その真円度、すなわち内径の最長径と最短径との差は、１００μｍ以下（より好ましくは５０μｍ以下、理想的には１０μｍ以下）となっている。そして、この外径拘束型２０は、型支持部材２１によって誘導加熱コイル３０内に支持されている。

また、この外径拘束型２０の上下にはそれぞれ上下方向に出没自在なピストン４０と、同じく昇降自在な回転土台５０とが設けられており、ピストン４０によってこの外径拘束型２０に拘束された環状体１０を下方に押し下げて回転土台５０上に取り外すと共に、この回転土台５０が降下してその下方に位置する冷却ジャケット６０内にこの環状体１０を位置させることができるようになっている。

この冷却ジャケット６０は、この環状体１０をその回転土台５０と共に囲繞するようなリング状の本体の内面側に多数のノズル（図示せず）を備えたものであり、図２に示すようにこのノズルから所定量の冷却剤（冷却液）を噴射してその回転土台５０上の環状体１０を臨界冷却速度以上の速度で冷却して焼入れ処理をするようになっている。
なお、この冷却ジャケット６０には図示しない冷却剤ポンプなどが付設されており所定の時期に任意量の冷却材を任意の時間供給できるようになっている。また、前記ピストン４０は、図示しない油圧シリンダなどによって制御されるようになっている。さらに、前記誘導加熱コイル３０にも図示しない制御回路が付設されており、任意のタイミングでこの誘導加熱コイル３０を制御するようになっている。

次に、このような構成をした熱処理装置１００を用いた本発明方法の一例を説明する。
先ず、図１に示すように、熱処理対象となる環状体１０（ワーク）を外径拘束型２０に嵌入して加熱時にその外径を拘束するように取り付けた後、誘導加熱コイル３０に通電してその環状体１０を誘導加熱する。
すると、この環状体１０の素材温度が上昇し始め、その昇温に伴ってその全体が径方向外方および軸方向に熱膨張するが、その周囲は外径拘束型２０によって拘束されているため、その環状体１０が外径方向に向かって膨張する力とその外径を拘束する外径拘束型２０による抗力とによって、その環状体１０の加熱前の歪みや変形が全て取り除かれてその環状体１０が真円形に近い形状に矯正されることになる。

すなわち、処理前の環状体１０は、加工歪みや浸炭処理などによって既定値通りの真円形ではなくある程度歪んだ（変形）状態となっている。そのため、これを外径拘束型２０に嵌入してその外面を拘束するように取り付けた状態では、その環状体１０の外面が外径拘束型２０の内面に完全に密着している状態ではなく、所々または全周に隙間が生じている状態となっているが、この誘導加熱による熱膨張によってその環状体１０の外面が外径拘束型２０の内面に完全に密着すると共に、その過程で内在する歪みや変形が全て取り除かれてその外径拘束型２０の内径と同じ、ほぼ真円形に近い形状に矯正されることになる。

そして、このような加熱膨張は、変態膨張に比べて膨張量が大きいため、熱処理前の変形が大きい場合であっても容易に真円形に矯正加工することができる。
また、この加熱温度としては、少なくともその環状体１０を構成する鋼素材のＡ_Ｃ１変態点（約７３０℃）以上の温度に加熱する必要があり、より好ましくはその環状体１０の全面がオーステナイト組織（固溶体）になる温度まで加熱する。
すなわち、Ｆｅ−Ｃ系平行状態図などからも明らかなように、鋼は炭素含有量によってオーステナイト組織化温度が異なってくるため、環状体１０の全面がオーステナイト組織にするには、少なくとも約８００℃以上、より好ましくは８５０℃以上の温度まで昇温加熱することが望ましいからである。

そして、このようにこの環状体１０を少なくともその環状体１０を構成する鋼素材のＡ_Ｃ１変態点（約７３０℃）以上の温度に加熱することによって後の焼入れ処理が可能になると共に、さらに環状体１０の全面がオーステナイト組織になるまで加熱すれば、環状体１０の素材の延性が高くなって変形抵抗が低くなるため、より確実に真円形に近い環状体１０に矯正することが可能となる。また、環状体１０と外径拘束型２０と型支持部材２１と回転土台５０を回転させながら加熱を行えばより均一な加熱が可能になる。

次に、このようにして環状体１０を焼入れ可能状態まで加熱すると共に、その形状を真円形に矯正したならば、図２に示すように、直ちにピストン４０によってこの外径拘束型２０に拘束された環状体１０を下方に押し下げて回転土台５０上に取り外すと共に、この回転土台５０を降下させてその下方に位置する冷却ジャケット６０内にこの環状体１０を位置させる。
そして、この回転土台５０をその軸を中心として回転させながら、その冷却ジャケット６０の図示しないノズルから冷却剤を噴射してその回転土台５０上の環状体１０の表面に吹き付けてその環状体１０を臨界冷却速度以上の速度で冷却する。

これによって、加熱段階で真円形に近い形状に矯正された後の環状体１０をむらなく均一に冷却できるため、真円形状を維持したまま焼入れ処理を行うことができる。
このように本発明方法は、従来のマルテンサイト変態膨張を利用した冷却矯正方法に対し、加熱膨張を利用したものであることから、膨張量を多く稼ぐことが可能となる。したがって、処理前の歪みが変形が大きくても容易にこれを除去して真円形に矯正することが可能となる。特に、３００℃以下の過冷オーステナイトからマルテンサイト変態完了を利用した矯正に比べ、８００℃を超えるようなオーステナイト域での加工は変形抵抗が小さいため、矯正効果が大きい。

そして、このように加熱段階で環状体１０を真円形に矯正されていれば、その後に前述したような方法でこの環状体１０を均一に冷却すれば、その真円形を維持したまま焼入れ処理を行うことができる。
ここで、この環状体１０の焼入れ方法としては前述した方法に加え、さらに図３および図４に示すような方法を用いれば、その処理時における変形をより確実に防止することができる。すなわち、図３および図４に示すように加熱後の環状体１０を載置する回転土台５０上に凸状の内径拘束型７０または第２の外径拘束型２０ａを設けておき、その環状体１０の冷却中にその環状体１０の内径または外径を拘束しておくようにすれば、焼入れ時の変形をより確実に防止することができる。

また、このように内径拘束型７０または第２の外径拘束型２０ａを用いれば、図４に示すように冷却方法として油中への浸漬焼入れなどを用いることも可能となる。
なお、図４に示すように冷却時に第２の外径拘束型２０ａを用いる場合には、矯正効果を得るためにその外径拘束型２０ａの内径は加熱時に用いる外径拘束型２０の内径よりも小さいことが好ましく、環状体１０がオーステナイト状態のうちにその外径拘束型２０ａに圧入することが望ましい。また、図４にて環状体１０などを回転させながら冷却すればより均一で早い冷却が可能となる。

また、本発明方法の処理対象となる環状体１０のサイズは、特に限定されるものではないが、肉厚（径方向）と幅（軸方向）との関係は、肉厚／幅が「１．０」以下であることが好ましい。
また、本発明方法の処理対象となる環状体１０は、前述したように転がり軸受（玉軸受）の内外輪（軌道輪）やその軌道面、軌道を有する軸、複雑形状を有する円錐ころ軸受の内外輪などに加え、あらゆる機械部品などに適用することができる。

また、誘導加熱コイル３０を環状体１０の端面や内面側に設け、その方向から環状体１０を加熱するようにしても良い。
また、冷却時に内径拘束型７０を用いる場合には、図３に示すように内径拘束型７０の頂部をテーパー状に窄めておけば、環状体１０を嵌め込みやすくなる。さらに、このような形状の内径拘束型７０を用いた場合には、ピストン４０の外周下面に押し治具４１などを突出させて設ければ、より確実に環状体１０を嵌め込むことができる。

次に、本発明方法に係る具体的実施例を説明する。
試料として外径１００ｍｍ×肉厚５ｍｍ×幅１２ｍｍの軸受鋼（ＳＵＪ２）および中炭素鋼からなる複数の環状体を用い、それぞれの試料を前述した装置１００および方法による熱処理を施して各試料の真円度および反りの変化を調べた。
ここで、真円度は熱処理前後における直径の最大最小値の差であり、図５に示す比較例６の真円度を基準（１．０）とした真円度比を求めた。

また、熱処理条件としては、全加熱時間５〜１５ｓｅｃとし、放射温度計にて測定しながら目的とする最高加熱温度になるように出力を制御した。また、冷却剤として水溶性焼入れ剤（５％ＰＡＧ、２５℃）を用いた。
この結果、図５および図６からもわかるように、本発明方法に係る実施例１〜５および実施例８〜１２は、いずれも真円度比が比較例６，７よりも低く優れた矯正能を発揮することができた。
また、実施例１に示すように、冷却時においては必ずしもその環状体の形状を矯正しなくても良いが、前述したように外径拘束型２０ａまたは内径拘束型７０などを用いて冷却時にも同様に矯正するようにすれば、より優れた矯正効果が得られることがわかる。

本発明方法を実施するための熱処理装置１００の実施の一形態を示す概念図である。 本発明方法に係る冷却工程を示す概念図である。 本発明方法に係る冷却工程の他の例を示す概念図である。 本発明方法に係る冷却工程の他の例を示す概念図である。 本実施例１〜５および比較例６，７の結果を示す表図である。 本実施例８〜１２の結果を示す表図である。

符号の説明

１００…熱処理装置
１０…環状体
２０…外径拘束型
２０ａ…第２外径拘束型
３０…誘導加熱コイル
４０…ピストン
５０…回転土台
６０…冷却ジャケット
７０…内径拘束型

Claims (6)

1. 鋼からなる環状体を加熱処理する際に生ずる変形を矯正する方法であって、
   前記環状体を外径拘束型によってその外径を拘束した状態で、当該環状体をＡ_Ｃ１変態点以上の温度に加熱することを特徴とする環状体の加熱変形矯正方法。
2. 鋼からなる環状体を加熱処理する際に生ずる変形を矯正する方法であって、
   前記環状体を外径拘束型によってその外径を拘束した状態で、当該環状体全面がオーステナイト組織になるまで加熱することを特徴とする環状体の加熱変形矯正方法。
3. 請求項１または２に記載の環状体の加熱変形矯正方法において、
   前記環状体の加熱方法として誘導加熱を用いることを特徴とする環状体の加熱変形矯正方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱変形矯正方法で処理された環状体を焼入れする方法であって、
   前記加熱処理後の環状体を前記外径拘束型から取り外した後、当該環状体を回転させながらその表面に冷却剤を噴射して当該環状体を臨界冷却速度以上の速度で冷却することを特徴とする環状体の焼入れ方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱変形矯正方法で処理された環状体を焼入れする方法において、
   前記環状体の冷却中に、その環状体の内径または外径をそれぞれの拘束型で拘束することを特徴とする環状体の焼入れ方法。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱変形矯正方法で処理された環状体を焼入れする方法において、
   前記環状体が転がり軸受の軌道輪であることを特徴とする環状体の焼入れ方法。

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