JP2009203522A

JP2009203522A - 転がり軸受軌道輪の製造方法

Info

Publication number: JP2009203522A
Application number: JP2008046835A
Authority: JP
Inventors: Yuji Miyamoto; 祐司宮本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】転がり軸受軌道輪の製造方法において、誘導加熱の後の冷却を水系の冷却剤で行う焼入れ工程で、表面に引張残留応力が存在しないようにする。
【解決手段】焼入れ工程として、軌道輪をオーステナイト変態温度以上に誘導加熱した後、回転している軌道輪に向けて冷却液を噴射することにより、軌道輪の表面温度がマルテンサイト変態開始温度より高い温度から５００℃までの温度範囲となるまで水冷した後、マルテンサイト変態開始温度以下となるまでガス冷する。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導加熱による焼入れ工程に特徴を有する転がり軸受軌道輪の製造方法に関する。

誘導加熱による焼入れには、表層部のみを高周波で加熱してから冷却する「高周波焼入れ」と、全体を加熱してから冷却する「ずぶ焼き入れ」がある。誘導加熱後の冷却方法としては、一般的には、油ではなく水系の冷却剤による冷却が行われる。
高周波焼入れでは、周波数や出力の調整により、主に強度が必要な部分にのみ熱エネルギーを集中させ、必要な部分のみをオーステナイト変態させた後に急冷してマルテンサイト化する「局所焼き入れ」を行うことができる。また、高周波焼入れによれば、高い表面硬度が得られるだけでなく、表層部に高い圧縮残留応力が生じるため、機械部品を耐摩耗性に優れたものとすることが主流である。

これに対し、ずぶ焼き入れでは、誘導加熱後の冷却を水系の冷却剤で行った場合、マルテンサイト化に伴う高い表面硬度が得られる一方、急冷時の熱応力により、表層部には圧縮の、芯部には引張の応力が残留する。この応力分布に伴い、圧縮残留応力が非常に高い表層部の直下に引張残留応力が存在するようになる。そのため、局所的に冷却が阻害された場合には、表面に引張応力が発生する可能性がある。表面に引張残留応力が存在していると、変形や割れの原因になる。

また、鋼の表面に浸炭や浸炭窒化を行った場合は、表層部と芯部で組成が違うためＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）に差があり、誘導加熱による焼入れを行った場合に、Ｍｓ点の高い芯部の方が先に変態した後、Ｍｓ点の低い表層部が変態して浸炭層に特有の圧縮残留応力が生じる。この特有の圧縮残留応力は、油冷却のように、芯部と表層部とで冷却速度が極端に違わない場合には顕著に生じる。しかし、油と比較して冷却速度が速い水系の冷却剤による冷却の場合は、急激に表面の温度が降下して、芯部と表層部とで変態に時間差が生じ難くなるため、前述の浸炭層に特有の圧縮残留応力が小さくなって、表面に引張応力が発生する可能性がある。
なお、軌道輪を円筒状の外径矯正型に入れて拘束し、軌道輪の外径寸法を矯正する熱処理変形の矯正方法については、例えば下記の特許文献１に記載されている。
特開２００５−３２０６０９号公報

本発明の課題は、転がり軸受軌道輪の製造方法において、誘導加熱の後の冷却を水系の冷却剤で行う焼入れ工程で、表面に引張残留応力が存在しないようにすることである。

上記課題を解決するために、本発明は、軌道輪をオーステナイト変態温度以上に誘導加熱した後、回転している軌道輪に向けて冷却液を噴射することにより、軌道輪の表面温度がマルテンサイト変態開始温度より高い温度から５００℃までの温度範囲となるまで水冷した後、マルテンサイト変態開始温度以下となるまでガス冷する焼入れ工程を備えたことを特徴とする転がり軸受軌道輪の製造方法を提供する。

前記水冷またはガス冷中に、軌道輪を筒状の外径矯正型に入れて拘束し、軌道輪の外形寸法を矯正することが好ましい。
本発明の方法によれば、焼き入れ工程で、軌道輪の表面温度がマルテンサイト変態開始温度より高い温度から５００℃までの温度範囲となるまで水冷した後、マルテンサイト変態開始温度以下となるまでガス冷することにより、冷却を水冷のみで行った場合と比較して冷却速度が緩やかになるため、表層部の直下に引張残留応力が発生し難くなる。

水冷を軌道輪の表面温度がマルテンサイト変態開始温度より高い温度から５００℃までの温度範囲となるまで行う理由は、不完全焼入れ組織が発生することを防止するためである。水冷からガス冷に切り換える温度が５００℃より高温であると、連続冷却変態線図がＳ曲線（恒温変態曲線）の所謂「鼻」を通過することになる。その後、マルテンサイト変態開始温度以下となるまでガス冷を行う理由は、水冷よりも冷却速度を遅くして、表層部と芯部の温度差を小さくするためである。
また、水冷の際の冷却剤の温度は、高い方が残留オーステナイト量を多くすることができるが、冷却剤に含まれる添加剤（ポリマー）が劣化するため冷却剤の温度は５０℃以下とする。また、水冷後にガス冷を行って冷却速度を遅くすることで、残留オーステナイト量を多くする効果も得られる。

本発明の転がり軸受軌道輪の製造方法によれば、誘導加熱の後の冷却を水系の冷却剤で行う焼入れ工程で、表面に引張残留応力が存在しないようにすることができる。

以下、本発明の方法の実施形態について説明する。
この実施形態の方法では、矯正焼入れ装置を用いて、転がり軸受の外輪を焼入れしながら外径寸法を矯正する熱処理を行う。この矯正焼入れ装置と熱処理方法について、図１〜４を用いて説明する。
矯正焼入れ装置は、誘導加熱コイル１と、ピストン２と、円筒形の外径矯正型３と、回転テーブル４とからなる。

誘導加熱コイル１は、焼入れ対象となる環状体の外側を、一定の間隔を隔てて囲うように配置されている。外径矯正型３は、誘導加熱コイル１の下側に、両者の中心軸を回転テーブル４の回転中心Ｃと合わせて配置されている。
ピストン２は、大径部２１と、その下に一体化された中径部２２と、その下に一体化された小径部２３と、大径部２１の上に一体化された細長い導管２４とからなる。図３はピストン２を下から見た図である。

この図に示すように、中径部２２の周縁に沿って等間隔に、１６個の断面が円形の縦穴２５が形成されている。この縦穴２５は、大径部２１を貫通し、中径部２２と小径部２３との境界部に底面を有する。そして、図３に示すように、この縦穴２５の中径部２２に存在する部分が、径方向外周側に冷却剤を噴射する噴射ノズル２５ａとなっている。
また、中径部２２と小径部２３との境界部に、径方向で対向する縦穴２５の下端間を接続して、径方向に延びる、断面が縦穴２５と同じ径の円である横穴２６が形成されている。各横穴２６が重なる中心に、導管２４の縦穴２４ａが連通している。

ピストン２の大径部２１の径は、焼入れ対象である外輪５の内周面の径より大きく、外径より小さい。小径部２３は、外輪５の内周面の径より少し径が小さい。中径部２２の直径は、小径部２３の直径に貫通穴２ａの直径の２倍を加えた寸法である。
外径矯正型３の内周面は、焼入れ対象である外輪５の目標外径にほぼ等しい内径および１００μｍ以下の真円度を有する矯正面３１と、その上方に形成された矯正部３１に向かって径が縮小するテーパ面３２とからなる。

回転テーブル４は、大径部４１と、その上に一体化された小径部４２と、からなり、大径部４１の下に固定された回転軸４３で、昇降自在に回転可能となっている。回転テーブル４の大径部４１の径は、焼入れ対象である外輪５の内周面の径より大きく、外径より小さい。小径部４２は、外輪５の内周面の径より少し径が小さい。図４は回転テーブル４の上から見た図である。この図に示すように、小径部４２の周縁に沿って等間隔に、小径部４２と大径部４１を貫通する１６個の貫通穴４ａが形成されている。

この矯正焼入れ装置を使用し、以下の方法で本実施例の熱処理方法を実施する。先ず、図１（ａ）に示すように、回転テーブル４の大径部４１上に外輪５を、小径部４２が外輪５の内部に入るように置き、回転テーブル４を上昇させて、外輪５全体を誘導加熱コイル１内に配置する。この状態で、外輪５をオーステナイト変態温度以上（例えば８００℃以上、好ましくは８５０℃以上）に誘導加熱する。

次に、図１（ｂ）に示すように、ピストン２を下げて回転テーブル４とともに外輪５を押し下げ、外輪５を矯正装置３のテーパ面３２を通す。次に、ピストン２をさらに強く押し下げて外輪５の全体を矯正面３２に入れ、外径寸法を矯正した後、ピストン２を少し上昇させて、図２（ａ）に示すように、ピストン２の大径部２１と外輪５との間、およびピストン２の小径部２３と回転テーブル４の小径部４２との間に隙間を設ける。

この状態で、先ず、回転テーブル４を回転させながら、ピストン２の導管２４から冷却液を導入し、各横穴２６を通して各噴射ノズル２５ａから外輪５に冷却剤を吹き付けることで、外輪５を水冷する。この水冷を（外輪５をなす鋼材表面のマルテンサイト変態開始温度が１００〜２５０℃のため、それより高い）５５０℃となるまで行う。
次に、ピストン２の縦穴２５と回転テーブルの貫通穴４ａから冷却液を排出する。次に、回転テーブル４を回転させながら、ピストン２の導管２４から圧縮空気を導入し、各横穴２６を通して各噴射ノズル２５ａから外輪５に圧縮空気ガスを吹き付けることで、外輪５を４０℃までガス冷する。

次に、図２（ａ）の状態でピストン２を少し下げることにより、ピストン２の大径部２１を外輪５に、小径部２３を回転テーブル４の小径部４２に当てる。次に、ピストン２をさらに強く押し下げることにより、図２（ｂ）に示すように、外輪５を回転テーブル４とピストン２で挟んだまま矯正装置３から外して下降させる。
この実施形態の方法によれば、冷却を水冷のみで行った場合と比較して冷却速度が緩やかになるため、外輪５の表層部の直下に引張残留応力が発生し難くなる。また、外径矯正型３で拘束しながら冷却を行っているマルテンサイト変態膨張に転じた場合でも真円度を保持したまま膨張するため、変形が抑えられる。

材質がＳＣＲ４４５で表面に浸炭窒化をするため、Ｍｓ点が１５０℃である、外径７２．０ｍｍ、内径６６．８ｍｍ、幅９ｍｍの軸受外輪を用い、９５０℃で３時間、浸炭窒化処理を行った後、放冷した。次に、前述の実施形態の装置を用いて、誘導加熱コイル１にて最高加熱温度８８０℃となるまで誘導加熱した後、上述の方法にて焼入れ工程を行った。なお、冷却剤には１０質量％ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）水溶液を用いた。冷却ガスとしては３９２ｋＰａ（４ｋｇｆ／ｃｍ³）に加圧した圧縮空気を用いた。なお、水冷からガス冷に切り換える時の外輪の温度を、サンプルNo. １〜４で変化させた。No. ５では、最後まで水冷を行った。予め外輪の軌道面に熱電対を取り付けて、冷却に伴う外輪の表面温度を測定し、所定温度になった時点でガス冷に切り換えた。

このようにして焼入れ工程を行った後に、１８０℃に１．５時間保持する焼戻し工程を行った後、仕上げ研磨などの通常の工程を行ってサンプルNo. １〜５の外輪を作製した。
このようにして得られた各サンプルの外輪軌道面の残留オーステナイト量を調べた。また、外輪の軌道面に生じている残留応力を、表面から０．１ｍｍのステップで、０．５ｍｍまで電解研磨しながらＸ線回折を行って引張応力値を求めその最大値を調べた。また、各外輪と、通常の方法で作製した内輪および玉を用いて、呼び番号６８１１の深溝玉軸受を組み立て、外輪に剥離が生じるまでのＬ１０寿命を求めた。

その結果、ガス冷に切り換えた温度を５００℃としたNo. １、４００℃としたNo. ２、３００℃としたNo. ３では、外輪の軌道面に引張残留応力が存在しなかったが、６００℃としたNo. ４では、外輪の軌道面に９８ＭＰａ（１０ｋｇｆ／ｍｍ²）の最大引張残留応力が生じていた。また、水冷のみを行ったNo. ５では、外輪の軌道面に２９４ＭＰａ（３０ｋｇｆ／ｍｍ²）の最大引張残留応力が生じていた。

残留オーステナイト量は、No. １で３５体積％、No. ２で３０体積％、No. ３で３０体積％、No. ４で２５体積％、No. ５で２０体積％であった。
Ｌ１０寿命はNo. ４を「１」とした相対値で、No. １〜３は「３」であり、No. ５は「０．６」であった。
このように、誘導加熱の値の冷却を水冷後にガス冷に切り換えることで、外輪軌道面の表面に引張残留応力が存在しないようにすることができ、これを用いた玉軸受の寿命を長くすることができる。

実施形態の方法で使用する矯正焼入れ装置と、これを使用した熱処理方法について説明する図である。実施形態の方法で使用する矯正焼入れ装置と、これを使用した熱処理方法について説明する図である。ピストン２を下から見た図である。回転テーブルを上から見た図である。

符号の説明

１誘導加熱コイル
２ピストン
２５ａ噴射ノズル
３外径矯正型
４回転テーブル
５外輪

Claims

軌道輪をオーステナイト変態温度以上に誘導加熱した後、回転している軌道輪に向けて冷却液を噴射することにより、軌道輪の表面温度がマルテンサイト変態開始温度より高い温度から５００℃までの温度範囲となるまで水冷した後、マルテンサイト変態開始温度以下となるまでガス冷する焼入れ工程を備えたことを特徴とする転がり軸受軌道輪の製造方法。
前記水冷またはガス冷中に、軌道輪を筒状の外径矯正型に入れて拘束し、軌道輪の外形寸法を矯正する請求項１記載の転がり軸受軌道輪の製造方法。