JP2008169432A - 鋼球の熱処理方法および鋼球の熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼球同士のスパークによる溶着を防止しつつ、複数の鋼球を一括して誘導加熱できる方法および装置を提供する。
【解決手段】鋼球１の表面に絶縁性被膜５を形成した後、あるいは鋼球間に絶縁性粒子を混在させた後、複数の鋼球を誘導加熱コイルにて発生される磁束中において撹拌しながら一括して加熱し、さらに誘導加熱コイル２にて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球１を回転させながら、鋼球１を誘導加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は鋼球の熱処理方法および鋼球の熱処理装置に関し、特に、誘導加熱による鋼球の熱処理方法に適用して好適なものである。

軸受鋼は、軸受外輪や鋼球などの軸受を構成する部品に加工された後、焼き入れや焼き戻しが施されることにより硬さが調整され、軸受に重要な特性である転動疲労寿命について所望の性能が得られるようにされている。
例えば、特許文献１には、転動疲労寿命を向上させるために、軸受鋼の焼き入れの際に急速加熱を行うことにより、旧オーステナイト粒径を４μｍ以下にまで微細化させる方法が開示されている。

また、軸受を構成する部品のうち鋼球についても、転動疲労寿命は重要な特性であることから、旧オーステナイト粒径を微細化させるために、急速加熱を行う方法は有用であると考えられる。
ここで、鋼球の急速加熱を行う代表的な方法としては、誘導加熱コイルを用いた誘導加熱を挙げることができる。

例えば、特許文献２には、半径方向に沿って放射状に延びる複数のスリットが形成された金属製の円筒体の外周に配設される螺旋状の高周波誘導加熱コイルの中央部で、鋼球の表面を磁気変態点以上の温度に予備加熱し、次いでこの鋼球を上方に移動させて電磁力にて浮揚状態として水平軸を中心に自転を生ぜしめた状態の下で高周波誘導加熱することにより、鋼球の表面を均一加熱する方法が開示されている。

図５（ａ）は、従来の鋼球の熱処理方法のその他の例を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の方法にて熱処理された鋼球の状態を示す側面図である。
図５（ａ）において、保持具１０３には複数の鋼球１０１が接触された状態で収容されるとともに、保持具１０３の周囲には誘導加熱コイル１０２が配置されている。そして、誘導加熱コイル１０２にコイル電流を流すことにより、誘導加熱コイル１０２の周回面と直交する方向に磁束が発生する。そして、磁束が鋼球１０１を貫通すると、鋼球１０１には、磁束と直交する周回面を流れる誘導電流が発生する。そして、鋼球１０１に誘導電流が発生すると、鋼球１０１が発熱し、鋼球１０１の急速加熱が行われる。
特開２００６−１５２４０７号公報 特開平６−１１６６４６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された方法では、鋼球の急速加熱が１個づつ個別に行われ、複数の鋼球を一度に熱処理することができないことから、生産効率が悪いという問題があった。
また、複数の鋼球１０１を一括して誘導加熱するために、図６に示すように、複数の鋼球１０１を接触させた状態でこれらの鋼球１０１を誘導加熱コイル１０２により誘導加熱すると、接触した複数の鋼球１０１の最外周を周回するように誘導電流１０４が流れることから、鋼球１０１間にスパークが生じて表面が溶融し、鋼球１０１同士が溶着するという問題があった。スパークを防ぐためには、鋼球１０１同士が多数接触しない程度に数を減らせばよいが、生産性が劣るという問題があった。
そこで、本発明の目的は、鋼球同士の溶着を防止しつつ、複数の鋼球を一括して誘導加熱することが可能な鋼球の熱処理方法および鋼球の熱処理装置を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の鋼球の熱処理方法によれば、鋼球の表面に絶縁性被膜を形成する工程と、前記絶縁性被膜が形成された複数の鋼球を誘導加熱コイルにて発生される磁束中において攪拌しながら一括して誘導加熱する工程とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の鋼球の熱処理方法によれば、絶縁性物質中に鋼球を配置する工程と、前記絶縁性物質中に配置された複数の鋼球を誘導加熱コイルにて発生される磁束中において攪拌しながら一括して誘導加熱する工程とを備えることを特徴とする。

また、請求項３記載の鋼球の熱処理方法によれば、鋼球間に絶縁性粒子を混在させる工程と、前記絶縁性粒子を混在させながら誘導加熱コイルにて発生される磁束中において複数の鋼球を攪拌しながら一括して誘導加熱する工程とを備えることを特徴とする。
また、請求項４記載の鋼球の熱処理方法によれば、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように前記鋼球を回転させることを特徴とする。

また、請求項５記載の鋼球の熱処理方法によれば、複数の鋼球を保持容器内で攪拌することにより前記鋼球を回転させることを特徴とする。
また、請求項６記載の鋼球の熱処理装置によれば、請求項５に記載の鋼球の熱処理方法に用いる鋼球の熱処理装置であって、鋼球の誘導加熱を行う誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束中において複数の鋼球を保持する保持容器と、前記保持容器中で前記鋼球を攪拌することにより、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように前記鋼球を回転させる攪拌手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項７記載の鋼球の熱処理装置によれば、請求項５に記載の鋼球の熱処理方法に用いる鋼球の熱処理装置であって、鋼球の誘導加熱を行う誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束中において複数の鋼球を保持する保持容器と、前記複数の鋼球を保持させたまま前記保持容器を傾動させる傾動手段と、前記複数の鋼球を保持させたまま前記保持容器を回転させることにより、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように前記鋼球を回転させる回転手段とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、鋼球の表面に絶縁性被膜を形成することで、複数の鋼球を積載した場合においても、鋼球同士が直接接触しないようにすることができ、鋼球間が電気的に短絡するのを防止することができる。このため、鋼球に誘導電流が流れた場合においても、鋼球間にスパークが生じて表面が溶融するのを防止することができ、鋼球同士の溶着を防止しつつ、複数の鋼球を一括して誘導加熱することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る鋼球の熱処理方法について図面を参照しながら説明する。
図１から図３は、本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理方法を示す断面図である。
図１において、保持容器３内に複数の鋼球１を入れ、鋼球１が浸されるように絶縁液４を鋼球１に注ぐ。そして、絶縁液４が注がれた保持容器３内で鋼球１を攪拌することにより、鋼球１の表面に絶縁性被膜５を形成する。

なお、絶縁液４としては、鋼球１の表面に絶縁性被膜５を形成可能なもので、例えば、オイルやグリースなどを用いることができる。また、絶縁性被膜５としては、オイル膜やグリース膜などの他、例えば、酸化珪素膜や窒化珪素膜などを用いるようにしてもよい。また、酸化珪素膜や窒化珪素膜などを鋼球１の表面に形成する方法としては、スパッタやプラズマＣＶＤなどの方法を用いるようにしてもよい。あるいは、鋼球１の表面を樹脂でコーティングするようにしてもよい。

次に、図２に示すように、絶縁性被膜５が形成された鋼球１を保持容器６に移し変える。ここで、保持容器６の周囲には、鋼球１の誘導加熱を行う誘導加熱コイル２が配置され、保持容器６は誘導加熱コイル２にて発生される磁束中に複数の鋼球１を保持することができる。また、保持容器６には、複数の鋼球１を保持させたまま保持容器６を傾動させる傾動手段９および複数の鋼球１を保持させたまま保持容器６を回転させる回転手段７が設けられている。そして、傾動手段９および回転手段７は、保持容器６中で鋼球１を攪拌することにより、誘導加熱コイル２にて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球１を回転させることができる。

そして、絶縁性被膜５が形成された鋼球１が保持容器６に移し変えられると、保持容器６中で鋼球１を攪拌しながら、誘導加熱コイル２にて磁束を発生させる。そして、保持容器６中で鋼球１が攪拌されると、誘導加熱コイル２にて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球１が回転させながら磁束が鋼球１を貫通し、磁束と直交する周回面を流れる誘導電流が鋼球１に発生して、鋼球１が誘導加熱される。

次に、図３に示すように、誘導加熱された鋼球１が所定の温度に達すると、傾動手段９は保持容器６が逆さになるまで傾け、保持容器６に保持された鋼球１を水焼き入れ装置８に落下させる。そして、鋼球１が水焼き入れ装置８に落下されると、水焼き入れ装置８にて冷却されることにより、鋼球１の焼き入れを行うことができる。
ここで、鋼球１の表面に絶縁性被膜５を形成することで、複数の鋼球１を保持容器６中に入れた場合においても、鋼球１同士が直接接触しないようにすることができ、鋼球１間が電気的に短絡するのを防止することができる。このため、鋼球１に誘導電流が流れた場合においても、鋼球１間にスパークが生じて表面が溶融するのを防止することができ、鋼球１同士の溶着を防止しつつ、複数の鋼球１を一括して誘導加熱することが可能となる。

また、誘導加熱コイル２にて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球１を回転させることにより、磁束の方向に対して鋼球１の向きを変化させることができ、鋼球１に流れる誘導電流を全表面に分散させることが可能となる。このため、偏熱の発生を伴うことなく、複数の鋼球１を一括して急速加熱することが可能となり、製造効率を劣化させることなく、鋼球１の転動疲労寿命について所望の性能を得ることが可能となる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る鋼球の熱処理方法を示す断面図である。
図４において、複数の鋼球１１を絶縁性粒子１５とともに保持容器１６内に入れる。ここで、保持容器１６の周囲には、鋼球１１の誘導加熱を行う誘導加熱コイル１２が配置され、保持容器１６は誘導加熱コイル１２にて発生される磁束中に複数の鋼球１１を絶縁性粒子１５とともに保持することができる。また、保持容器１６には、複数の鋼球１１を保持させたまま保持容器１６を傾動させる傾動手段１９および複数の鋼球１１を保持させたまま保持容器１６を回転させる回転手段７が設けられている。そして、傾動手段１９および回転手段１７は、保持容器１６中で鋼球１１を攪拌することにより、誘導加熱コイル１２にて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球１１を回転させることができる。

なお、絶縁性粒子１５としては、例えば、ガラス玉やセラミック粉末などを用いることができる。また、絶縁性粒子１５の代わりに、オイルなどの液体を用いるようにしてもよい。
そして、複数の鋼球１１が絶縁性粒子１５とともに保持容器１６内に入れられると、保持容器１６中で鋼球１１を攪拌しながら、誘導加熱コイル１２にて磁束を発生させる。そして、保持容器１６中で鋼球１１が攪拌されると、誘導加熱コイル１２にて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球１１が回転させながら磁束が鋼球１１を貫通し、磁束と直交する周回面を流れる誘導電流が鋼球１１に発生して、鋼球１１が誘導加熱される。

そして、誘導加熱された鋼球１１が所定の温度に達すると、鋼球１１を水冷して焼き入れを行うことができる。
このような方法にて誘導加熱が行われた後、水冷して焼き入れが行われた鋼球１１では、鋼球断面で４５°ごとの深さ方向において硬度分布に違いは認められることはなく、全ての方向において鋼球１１の表層の１ｍｍ程度の部分に均一な焼き入れが施されていることが確認できた。
なお、保持容器１６中で鋼球１１を攪拌する方法としては、保持容器１６を傾動させながら回転させる方法に他、攪拌棒などを用いて鋼球１１を攪拌するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る鋼球の熱処理方法を示す断面図である。 図５（ａ）は、従来の鋼球の熱処理方法を示す断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の方法にて熱処理された鋼球の状態を示す側面図である。 図５の鋼球の熱処理方法における誘導電流の経路を示す斜視図である。

符号の説明

１、１１ 鋼球
２、１２ 誘導加熱コイル
３、６、１６ 保持容器
４ 絶縁液
５ 絶縁性被膜
７、１７ 回転手段
９、１９ 傾動手段
８ 水焼き入れ装置
１５ 絶縁性粒子

Claims (7)

1. 鋼球の表面に絶縁性被膜を形成する工程と、
   前記絶縁性被膜が形成された複数の鋼球を誘導加熱コイルにて発生される磁束中において攪拌しながら一括して誘導加熱する工程とを備えることを特徴とする鋼球の熱処理方法。
2. 絶縁性物質中に鋼球を配置する工程と、
   前記絶縁性物質中に配置された複数の鋼球を誘導加熱コイルにて発生される磁束中において攪拌しながら一括して誘導加熱する工程とを備えることを特徴とする鋼球の熱処理方法。
3. 鋼球間に絶縁性粒子を混在させる工程と、
   前記絶縁性粒子を混在させながら誘導加熱コイルにて発生される磁束中において複数の鋼球を攪拌しながら一括して誘導加熱する工程とを備えることを特徴とする鋼球の熱処理方法。
4. 前記誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように前記鋼球を回転させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の鋼球の熱処理方法。
5. 複数の鋼球を保持容器内で攪拌することにより前記鋼球を回転させることを特徴とする請求項４記載の鋼球の熱処理方法。
6. 請求項５に記載の鋼球の熱処理方法に用いる鋼球の熱処理装置であって、
   鋼球の誘導加熱を行う誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルにて発生される磁束中において複数の鋼球を保持する保持容器と、
   前記保持容器中で前記鋼球を攪拌することにより、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように前記鋼球を回転させる攪拌手段とを備えることを特徴とする鋼球の熱処理装置。
7. 請求項５に記載の鋼球の熱処理方法に用いる鋼球の熱処理装置であって、
   鋼球の誘導加熱を行う誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルにて発生される磁束中において複数の鋼球を保持する保持容器と、
   前記複数の鋼球を保持させたまま前記保持容器を傾動させる傾動手段と、
   前記複数の鋼球を保持させたまま前記保持容器を回転させることにより、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように前記鋼球を回転させる回転手段とを備えることを特徴とする鋼球の熱処理装置。

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