JP2008303402A - 高周波焼入れ装置、転がり軸受の製造方法、転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】高炭素鋼を用いて芯部の靱性を高く保持し、表層部の硬さと残留オーステナイトを確保することと、大型の転がり軸受の内輪および外輪の高周波焼入れを均一に行う。
【解決手段】リング１の外側（焼入れ深さを制御する側）の加熱コイル２１（２１ａ〜２１ｃ），２３による高周波加熱を行う。温度検出器３２（３２１〜３２６），３４の温度検出値から、リング１の厚さ方向の温度分布を推定し、この推定値が焼入れ深さの設定値を示す値となるまで、リング１の外周面に対する高周波加熱を行う。次いで、リング１の内周面に対する高周波加熱を短時間行う。次いで、冷却装置による冷却を行う。これにより、リング１の外周面の表層部に、設定された深さで高周波焼入れが施され、芯部を高靱性組織にできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リング状品の高周波焼入れ装置、これを用いた内輪および外輪の高周波焼入れ方法に関する。

転がり軸受の内輪および外輪は、芯部には靱性が要求され、軌道面をなす表層部には、転動疲労寿命を長くするために、硬度が高く残留オーステナイトが多いことが要求されている。そのため、従来の転がり軸受の内輪および外輪の製造方法では、低炭素鋼を用いて長時間の浸炭を施すことで、靱性を確保しながら表面硬度の上昇と残留オーステナイトの増加を行っている。

一方、高周波焼入れにより、軌道面の表層部にのみ高硬度の焼入れが施され、芯部を高靱性組織にできれば、高炭素鋼に対して高周波焼入れを行うことにより、短時間で芯部の靱性と表面硬度の上昇および残留オーステナイトの増加を両立させた内輪および外輪を得ることができる。
下記の特許文献１には、リング状品の高周波焼入れ装置として、リング状品の円周方向の複数箇所に、複数の馬蹄形の加熱コイルを配置して、リング状品の円周方向の一部を各加熱コイル内に入れ、リング状品を回転させながら、加熱コイルに高周波電流を供給する装置が記載されている。この装置では、加熱中のリング状品の温度を、複数の位置で放射温度計により上方から測定し、各温度測定値に基づいて各加熱コイルへの高周波電流の供給量を制御することにより、リング状品全体で均一な高周波加熱が行われるようにしている。
特開２００５−３２５４０９号公報

しかしながら、特許文献１の高周波焼入れ装置には、風車や圧延機などの大型の転がり軸受の内輪、外輪を均一に高周波焼入れするという点では、改善の余地がある。
本発明の課題は、大型の転がり軸受の内輪、外輪であっても、均一に高周波焼入れが行われるようにすることと、高炭素鋼の表層部のみに高周波焼入れを施して、芯部は高靱性組織にして、芯部の靱性を高く保持し、表層部の硬さと残留オーステナイトを確保することである。

上記課題を解決するために、本発明は、焼入れ対象物である鉄鋼製のリングを回転させながら高周波焼入れを行う高周波焼入れ装置であって、リングの円周方向複数箇所のリング内側とリング外側に、加熱コイルがリングを挟んで対向配置され、リング内側および外側の少なくとも一方に配置された加熱コイルは、リングの幅方向で分割された複数の分割コイルからなり、リングの円周方向複数箇所のリング内側とリング外側に、リングの幅方向の温度分布を測定する温度検出器がリングを挟んで対向配置され、リングの円周方向複数箇所のリング内側とリング外側に、リングの幅方向全体に冷却水を吹き付ける冷却装置がリングを挟んで対向配置され、前記各温度検出器からの温度検出値に基づいて、前記各加熱コイルへの高周波電流の供給量と、前記冷却装置による冷却条件を制御する制御装置を有することを特徴とする高周波焼入れ装置を提供する。

本発明の高周波焼入れ装置によれば、リング内側および外側の少なくとも一方に配置された加熱コイルを、リングの幅方向で分割された複数の分割コイルからなるものとしたため、それぞれの分割コイルのリングに対する傾きや、半径方向での位置、幅方向での位置を変えることで、サイズの違うリングに対応できる。また、鍔などの複雑な形状を有するリングに対しても、分割コイルの一部を交換したり、位置を変えたりすることで対応できる。よって、軸受型番毎にコイルを作製する必要がなく、大型の転がり軸受の内輪および外輪であっても、均一に高周波焼入れが行われる。

また、複雑な形状を有する転送面のオーバーヒートを起こさず、なおかつ芯部に調質処理などで得られたＨｖ５００以下の高靱性組織を残存させることが可能であり、長時間の浸炭などの処理が必要ないことから生産性が著しく向上する。また、高周波焼入れの大きな欠点である焼入れムラに関してもリング幅方向の厳密な温度管理により極力低減させることが可能となり、そこから得られた軸受も通常の軸受鋼を素材としているにもかかわず浸炭鋼以上の寿命、靱性特性を有する。

本発明の高周波焼入れ装置の前記制御装置を、リングの焼入れ深さを制御する側とは反対の側に配置された温度検出器による温度検出値から、リングの厚さ方向の温度分布を推定し、この推定値が焼入れ深さの設定値を示す値となるまで、リングの焼入れ深さを制御する側に配置された加熱コイルに高周波電流を供給した後、リングの焼入れ深さを制御する側とは反対の側に配置された加熱コイルに高周波電流を所定時間供給した後、冷却装置へ冷却開始を指示するように構成することで、リングは以下のように処理される。

最初に、リングの焼入れ深さを制御する側（リングの第１面側）の加熱コイルによる高周波加熱が行われ、リングの焼入れ深さを制御する側とは反対の側（リングの第２面側）に配置された温度検出器による温度検出値から、リングの厚さ方向の温度分布が推定され、この推定値が焼入れ深さの設定値を示す値となるまで、リングの第１面に対する高周波加熱が行われた後、リングの第２面に対する高周波加熱が所定時間行われた後、冷却装置による冷却が行われる。これにより、リングの一方の面（第１面）の表層部に設定された深さで高周波焼入れが施され、芯部を高靱性組織にすることができる。

また、転がり軸受の製造方法として、高炭素鋼（高炭素クロム軸受鋼など）からなる素材を内輪または外輪の形状に加工した後、この高周波焼入れ装置を用いて、内輪または外輪の軌道面側を所定深さまで高周波焼入れすることにより、軌道面に設定された深さで焼入れ硬化層が形成され、芯部を高靱性組織にできる。これにより、低炭素鋼を用いて浸炭を施す方法と比較して、短時間で、芯部の靱性と表面硬度の上昇および残留オーステナイトの増加を両立させた内輪および外輪を得ることができる。
本発明の高周波焼入れ装置を用いて、転がり軸受の内輪および外輪の軌道面に高周波焼入れを施すことで、表面硬度をＨｖ６５０以上、芯部の硬度をＨｖ５００以下、最表面の残留オーステナイトを１５体積％以上、圧縮残留応力を１００ＭＰａ以上とすることができる。

これらの内輪および外輪によれば、表面硬度がＨｖ６５０以上であるため必要な転がり寿命が確保できる。芯部の硬度がＨｖ５００以下であるため良好な靱性が得られ、亀裂の進展が抑制される。最表面の残留オーステナイトが１５体積％以上であるため、異物混入潤滑環境下で長寿命となる。圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上であるため、亀裂発生が抑制されて異物混入潤滑環境下などでの表面起点型剥離が防止されて長寿命となる。
転がり軸受の場合、軌道面には高い剪断応力が加わるため、表面硬度Ｈｖ６５０未満の硬度では転がり寿命が低下する。

本発明の高周波焼入れ装置を用いることにより、大型の転がり軸受の内輪、外輪であっても、均一に高周波焼入れを行うことができる。
また、高炭素鋼からなるリングの表層部のみに高周波焼入れを施して、芯部を高靱性組織にすることができる。よって、この装置を用いて転がり軸受の内輪および外輪を高周波焼入れすることにより、内輪および外輪の芯部の靱性を高く保持し、軌道面の表層部の硬さと残留オーステナイトを確保することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１および２を用いて、この実施形態の高周波焼入れ装置を説明する。
図１（ａ）は、焼入れ対象であるリングと、この高周波焼入れ装置を構成する加熱コイル、冷却ユニット、温度センサとの配置を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）をＡ方向から見た部分斜視図である。図２は、この高周波焼入れ装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、この高周波焼入れ装置においては、リング１の円周方向に沿って等間隔に、リング１の外側となる位置に、外側加熱コイル２１、外側温度センサ３１、外側冷却ユニット４１、外側加熱コイル２３、外側温度センサ３３、外側冷却ユニット４３が配置されている。また、リング１を挟んで、これらと対向するリング１の内側となる位置に、内側加熱コイル２２、内側温度センサ３２、内側冷却ユニット４２、内側加熱コイル２４、内側温度センサ３４、内側冷却ユニット４４が配置されている。

図１（ｂ）に示すように、内側加熱コイル２２，２４のリング１の軸方向寸法は、リング１の軸方向寸法とほぼ同じである。内側加熱コイル２２，２４は、上方の装置に固定された支柱に、ボールねじを介して、リング１の径方向に移動可能に取り付けられている。
外側加熱コイル２１，２３は、リング１の軸方向で分割された３つの分割コイル２１ａ〜２１ｃ，２３ａ〜２３ｃからなる。各分割コイル２１ａ〜２１ｃ，２３ａ〜２３ｃは、上方の装置に固定された支柱に、ｘｙｚθステージを介して、所定範囲でｘ方向（リング１の周方向）、ｙ方向（リング１の径方向）、ｚ方向（リング１の軸方向）に移動可能で、且つ傾き角θも変更可能に取り付けられている。

外側温度センサ３１，３３および内側温度センサ３２，３４は、それぞれ、リング１の軸方向に沿って配置された６個の温度センサ３１１〜３１６，３２１〜３２６，３３１〜３３６，３４１〜３４６からなる。これらもまた、上方の装置に固定された支柱に、ボールねじを介して、リング１の径方向に移動可能に取り付けられている。
外側冷却ユニット４１と内側冷却ユニット４４のリング１の軸方向寸法は、リング１の軸方向寸法とほぼ同じである。これらもまた、上方の装置に固定された支柱に、ボールねじを介して、リング１の径方向に移動可能に取り付けられている。

また、図２に示すように、この高周波焼入れ装置は、制御装置２と、制御装置２に設定値を入力するための設定値入力装置３と、各冷却ユニット４１〜４４を駆動させる冷却ユニット駆動装置４と、リング１を回転させるリング回転装置５と、各加熱コイル２１ａ〜２１ｃ，２２，２３ａ〜２３ｃ，２４に高周波電流を供給する高周波電源６を備えている。
リング回転装置５は、リング１を固定する金属とセラミックスからなる円板と、この円板を回転するモータとからなり、モータの回転速度が可変になっている。

制御装置２には、各温度センサ３１１〜３１６，３２１〜３２６，３３１〜３３６，３４１〜３４６から、温度検出値Ｔ₁₁〜Ｔ₁₆，Ｔ₂₁〜Ｔ₂₆，Ｔ₃₁〜Ｔ₃₆，Ｔ₄₁〜Ｔ₄₆が、設定値入力装置３から、焼入れ深さの設定値を含む焼入れ条件等を示す信号Ｓ₃ が入力される。制御装置２には、「焼入れ深さの設定値」と「リングの厚さ方向の温度分布の推定値」との関係を示すチャートが記憶されている。

制御装置２は、リング１の焼入れ深さを制御する側とは反対の側に配置された温度検出器による温度検出値（ここでは外側温度センサ３１１〜３１６，３３１〜３３６）から、リング１の厚さ方向の温度分布を推定し、前記チャートから、この推定値に対応する焼入れ深さの設定値を比較して、前記推定値が前記設定値と一致するまでは、入力された温度検出値Ｔ₁₁〜Ｔ₁₆，Ｔ₃₁〜Ｔ₃₆からリング１の外側の軸方向での現時点での温度分布を演算し、これに応じてリング１が均一に加熱されるように、焼入れ深さを制御する側に配置された外側加熱コイル２１ａ〜２１ｃ，２３ａ〜２３ｃに高周波電流を供給する制御信号Ｓ₆ を、高周波電源６へ出力する。
これにより、外側加熱コイル２１ａ〜２１ｃ，２３ａ〜２３ｃに高周波電流が供給されて、回転しているコイル１の外周面に高周波加熱がなされる。

そして、前記推定値が前記設定値と一致した時点で、制御装置６は、外側加熱コイル２１ａ〜２１ｃ，２３ａ〜２３ｃへの高周波電流供給停止と、内側加熱コイル２２，２４への高周波電流供給開始を示す制御信号Ｓ₆ を、高周波電源６へ出力する。次に、予め設定された時間の経過後に、制御装置６は、内側加熱コイル２２，２４への高周波電流供給を停止する制御信号Ｓ₆ を高周波電源６へ出力するとともに、冷却ユニット駆動装置４に各冷却ユニット４１〜４４を駆動させる信号Ｓ₄ を出力する。これにより、リング１は冷却されて高周波焼入れがなされ、外周面に設定深さの硬化層が形成される。

図３に、高周波焼入れによって作製する軸受構成部品の簡単な熱処理パターンおよび条件を示す。機械加工によって所定の形状に加工された部品は、調質処理によってＨｖ５００以下の高靱性組織とした後に、高周波焼入れおよび低温焼戻し処理によって表層部をＨｖ６５０以上の硬化層とする。なお、前処理としては図３の調質処理の焼入れ処理の代りに、８００℃以上の温度域から空冷し、微細なパーライト組織とした後、高温焼戻しと同じ熱処理条件で保持してもよい。また、高周波焼入れ処理の周波数などの条件は表１に示す通りである。

軸受の割損を考えた場合、亀裂は剥離などを起点として表面の硬化層から発生する。すなわち、亀裂の進展を抑制するためには芯部は高靱性である必要がある。一般に硬度と靱性はトレードオフの関係にあり、Ｈｖ５００以下とすることで良好な靱性が得られる。
表２に示す試験片条件で靱性をシャルピー試験により評価した。

また、試験結果を表３に示す。

実施例１〜５および比較例３は、試料を焼入れ、焼戻し後、高周波焼入れ、低温焼戻しすることにより作製した。芯部硬度は焼戻し温度と時間により調整し、高周波焼入れによる硬化層は約２ｍｍとした。比較例１は、ずぶ焼きにより作製し、比較例２は浸炭鋼を硬化層の深さが約２ｍｍとなるように浸炭して作製した。図４は、硬度と靱性の関係を示す。Ｈｖ５００以下で比較例１の２倍の靱性が得られ、比較例２の汎用浸炭鋼の靱性を超える。
転がり寿命の中で特に問題となりやすい異物混入潤滑環境下では、表面の残留オーステナイトが寿命に大きく影響する。表４は寿命試験条件を、表５は寿命試験結果を示す。

寿命試験は円板試料を用い、実施例６〜１０および比較例６は、上記と同様に、焼入れ焼戻し後に高周波焼入れ処理し、その後鏡面研磨により寿命試験片とした。軌道面側の硬化層深さは、残留オーステナイト量の制御のため若干異なるが３〜４ｍｍ程度である。残留オーステナイト量が多いほど寿命が長くなる。図５に示すように、残留オーステナイト量１５体積％以上であれば比較例４以上の寿命が得られる。

なお、比較例４および比較例５は、それぞれ前述の比較例１および比較例２と同様の熱処理法で作製した。
残留圧縮応力は、亀裂発生を抑制するため異物混入潤滑環境など表面起点型剥離に対して非常に有効である。寿命試験条件は表４と同じであり、表６は寿命試験結果を示す。

残留応力の調整のため、硬化層深さは種々異なるが、実施例９〜１３は残留オーステナイト量が１５体積％以上となるように、高周波焼入れ後の低温焼戻し温度を調整している。
図６に示すように、表面の残留圧縮応力が１００ＭＰａを超えるような領域で比較例４の２倍以上の転がり寿命が得られる。

この実施形態の高周波焼入れ装置を説明する図であって、焼入れ対象であるリングと、この高周波焼入れ装置を構成する加熱コイル、冷却ユニット、温度センサとの配置を示す平面図（ａ）と、（ａ）をＡ方向から見た部分斜視図（ｂ）である。 この実施形態の高周波焼入れ装置の構成を示すブロック図である。 高周波焼入れによって作製する軸受構成部品の簡単な熱処理パターンおよび条件を示す図である。 硬度と靱性の関係を示すグラフである。 残留オーステナイト量と寿命の関係を示すグラフである。 残留圧縮応力と寿命の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ リング
２ 制御装置
３ 設定値入力装置
４ 冷却ユニット駆動装置
５ リング回転装置
６ 高周波電源
２１ 外側加熱コイル
２１ａ〜２１ｃ 分割コイル
２２ 内側加熱コイル
２３ 外側加熱コイル
２３ａ〜２３ｃ 分割コイル
２４ 内側加熱コイル
３１ 外側温度センサ
３１１〜３１６ 温度センサ
３２ 内側温度センサ
３２１〜３２６ 温度センサ
３３ 外側温度センサ
３３１〜３３６ 温度センサ
３４ 内側温度センサ
３４１〜３４６ 温度センサ
４１ 外側冷却ユニット
４２ 内側冷却ユニット
４３ 外側冷却ユニット
４４ 内側冷却ユニット

Claims (4)

1. 焼入れ対象物である鉄鋼製のリングを回転させながら高周波焼入れを行う高周波焼入れ装置であって、
   リングの円周方向複数箇所のリング内側とリング外側に、加熱コイルがリングを挟んで対向配置され、リング内側および外側の少なくとも一方に配置された加熱コイルは、リングの幅方向で分割された複数の分割コイルからなり、
   リングの円周方向複数箇所のリング内側とリング外側に、リングの幅方向の温度分布を測定する温度検出器がリングを挟んで対向配置され、
   リングの円周方向複数箇所のリング内側とリング外側に、リングの幅方向全体に冷却水を吹き付ける冷却装置がリングを挟んで対向配置され、
   前記各温度検出器からの温度検出値に基づいて、前記各加熱コイルへの高周波電流の供給量と、前記冷却装置による冷却条件を制御する制御装置を有することを特徴とする高周波焼入れ装置。
2. 前記制御装置は、リングの焼入れ深さを制御する側とは反対の側に配置された温度検出器による温度検出値から、リングの厚さ方向の温度分布を推定し、この推定値が焼入れ深さの設定値を示す値となるまで、リングの焼入れ深さを制御する側に配置された加熱コイルに高周波電流を供給した後、リングの焼入れ深さを制御する側とは反対の側に配置された加熱コイルに高周波電流を所定時間供給した後、冷却装置へ冷却開始を指示するように構成された請求項１記載の高周波焼入れ装置。
3. 高炭素鋼からなる素材を内輪または外輪の形状に加工した後、請求項２記載の高周波焼入れ装置を用いて、内輪または外輪の軌道面側を所定深さまで高周波焼入れすること特徴とする転がり軸受の製造方法。
4. 内輪または外輪は、請求項３の方法で軌道面に高周波焼入れを施して得られ、表面硬度がＨｖ６５０以上、芯部の硬度がＨｖ５００以下であり、最表面の残留オーステナイトが１５体積％以上、圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上であることを特徴とする転がり軸受。

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