JP2009203523A

JP2009203523A - 鋼製リングの熱処理方法

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Publication number: JP2009203523A
Application number: JP2008046836A
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】鋼製リングの熱処理時に真円度不良などの熱的歪みが生じることを抑制することのできる鋼製リングの熱処理方法を提供する。
【解決手段】鋼製リング１より小さい線膨張係数を有し且つ鋼製リング１の常温での平均外径に対して１００.１％〜１０１．２％の内径を有する拘束部材３の内部に鋼製リング１を上下に積層し、次いで鋼製リング１に浸炭温度または浸炭窒化温度まで加熱した後、臨界冷却速度未満の冷却速度で鋼製リング１を冷却する。
【選択図】図３

Description

本発明は、たとえば転がり軸受の軌道輪を製造するときに用いられる鋼製リングの熱処理方法に関する。

玉軸受などの転がり軸受では、所要の転がり寿命を得るために、浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れなどの熱処理が軌道輪に施されている。しかし、軌道輪の肉厚−直径比（ｔ／Ｄ）が小さい転がり軸受では、熱処理時に軌道輪が大きく変形することがある。このため、矯正焼入れ（二次焼入れ）を施して軌道輪の変形量を所定の範囲内にコントロールする必要があるが、軌道輪の肉厚−直径比がさらに小さい場合には、矯正焼入れによっても反りや真円度といった精度を十分に得られないことがある。これは、軌道輪の薄肉化に伴い、浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れ後の変形量が著しく大きくなり、矯正焼入れによる形状修正能力を超えてしまうためである。

矯正焼入れによる形状修正能力を超えないようにするためには、浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れ後の軌道輪の形状を所要の精度に確保しておく必要がある。しかし、軌道輪の浸炭焼入れ工程あるいは浸炭窒化焼入れ工程では、複数段のバスケットに軌道輪を積載し、所定の浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れが終了した後に、軌道輪を油槽中で冷却するのが通常である。この場合、軌道輪が急冷される高温域では、温度差に起因する熱応力ムラが軌道輪に発生することによって、熱応力ムラによる変形が軌道輪に発生し、軌道輪が徐冷される低温域では、マルテンサイト変態に伴う変態応力ムラが軌道輪に発生することによって、変態応力ムラによる変形が軌道輪に発生する。したがって、熱処理後の軌道輪には、上述した２種類の因子によって熱的歪みが生じている。

軌道輪の熱的歪みを抑制する技術としては、たとえば、油槽中の油流をコントロールして冷却して冷却ムラを防止する技術（例えば、特許文献１参照）や、油面圧を変化させて冷却を均一にしようとする技術（例えば、特許文献２参照）などが知られている。
特開平７−０６２４２６号公報特開平６−２７９８３８号公報

しかしながら、上述した技術は冷却システム全体に特殊な設備を必要とし、コストの上昇を招くなどの欠点がある。
なお、浸炭窒化後に軌道輪を油槽中で急冷してマルテンサイト化させるのではなく、放冷してパーライト組織にすることで、上記の変形要因を防止することも考えられるが、直径−肉厚比が小さな軌道輪では、パーライト変態応力を無視することができず、放冷しても大きな反りが生じてしまうという問題があった。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋼製リングの熱処理時に真円度不良などの熱的歪みが生じることを抑制することのできる鋼製リングの熱処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る鋼製リングの熱処理方法は、鋼製リングに浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施すときに、前記鋼製リングより小さい線膨張係数を有し且つ前記鋼製リングの常温での平均外径に対して１００．１％〜１０１．２％の内径を有する円筒状の拘束部材内に前記鋼製リングを上下に積層し、次いで前記鋼製リングを浸炭温度または浸炭窒化温度まで加熱した後、臨界冷却速度未満の冷却速度で前記鋼製リングを冷却することを特徴とする。
請求項２記載の発明に係る鋼製リングの熱処理方法は、請求項１記載の鋼製リングの熱処理方法において、前記拘束部材の内周面と嵌合する外周面を有する二つの環状部材を前記拘束部材内の最下部と最上部に配置した状態で前記鋼製リングに浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施すことを特徴とする。

請求項１記載の発明に係る鋼製リングの熱処理方法では、円筒状の拘束部材内に鋼製リングを上下に積層し、この状態で鋼製リングを浸炭温度または浸炭窒化温度まで加熱すると、鋼製リングの外径方向への熱的膨張が拘束部材によって拘束される。したがって、鋼製リングの外径が焼入れ前と焼入れ後とで大きく変化することがないので、鋼製リングの熱処理時に真円度不良などの熱的歪みが生じることを抑制することができる。また、加熱された鋼製リングを臨界冷却速度未満の冷却速度で冷却すると、加熱後の鋼製リングがマルテンサイト変態ではなく、パーライト変態する。したがって、鋼製リングの冷却時にマルテンサイト変態による変態応力ムラが鋼製リングに発生することを抑制することができる。
請求項２記載の発明に係る鋼製リングの熱処理方法では、拘束部材内の最下部と最上部に配置された環状部材によって鋼製リングが上下方向に加圧された状態で加熱される。したがって、鋼製リングの熱処理時に反りなどの熱的歪みが発生することを抑制することができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る鋼製リングの熱処理方法が適用される鋼製リングの一例を示す平面図、図２は図１のII−II断面を示す図である。図１及び図２に示される鋼製リング１は円環状に形成されており、その内周面には転動体軌道溝２が鋼製リング１の全周に亘って形成されている。また、鋼製リング１は０．４％以上の炭素を含有する鉄鋼材料から形成されている。

このような鋼製リング１に浸炭窒化焼入れを施す場合は、図３（ａ）に示すように、先ず、鋼製リング１の常温時での平均外径に対して１００.１％〜１０１．２％（好ましくは、１００．１％〜１００．８％）の内径を有し且つ鋼製リング１より線膨張係数の小さい材料（例えば、窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料）からなる円筒状の拘束部材３を加熱炉内の格子板４上に鉛直に載置する。次に、拘束部材３の内周面と嵌合する外周面を有し且つ鋼製リング１より線膨張係数の小さい材料（例えば、窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料）からなる環状部材５を拘束部材３内の最下部に配置した後（図３（ｂ）参照）、図３（ｃ）に示すように、環状部材５の上面に複数の鋼製リング１を端面同士が互いに接触するように上下に積層する。

このようにして、拘束部材３の内部に鋼製リング１を上下に積層したならば、図３（ｄ）に示すように、上下に積層された鋼製リング１のうち最も上部に位置する鋼製リング１の上面に拘束部材３の内周面と嵌合する外周面を有し且つ鋼製リング１より線膨張係数の小さい材料（例えば、窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料）からなる環状部材６を配置する。そして、上下に積層された鋼製リング１を浸炭窒化温度まで加熱した後、臨界冷却速度未満の冷却速度で鋼製リング１を炉冷する。なお、拘束部材３の内径側の真円度は１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下であることが望ましい。

このように、鋼製リング１より小さい線膨張係数を有し且つ鋼製リング１の常温での平均外径に対して１００.１％〜１０１．２％の内径を有する拘束部材３の内部に鋼製リング１を上下に積層すると、拘束部材３の内周面と鋼製リング１の外周面との間に、鋼製リング１の常温での平均外径Ｄに対して０．１％〜１．２％のクリアランスＣ（図４参照）が発生する。そして、この状態で鋼製リング１を浸炭窒化温度まで加熱すると、鋼製リング１の外径方向への熱的膨張が拘束部材３によって拘束される。したがって、上述した本発明の一実施形態では、鋼製リング１の外径が焼入れ前と焼入れ後とで大きく変化することがないので、鋼製リング１の熱処理時に真円度不良などの熱的歪みが生じることを抑制することができる。

また、上下に積層された鋼製リング１を加熱すると、鋼製リング１が外径方向に熱膨張することによって鋼製リング１の外周面が拘束部材３の内周面に接触する。これにより、浸炭窒化ガスが鋼製リング１の外周面と拘束部材３の内周面との間を流れることによって鋼製リング１の外周面や端面に浸炭窒化焼入れ層が形成されることもなく、鋼製リング１の内周面のみに浸炭窒化焼入れ層を形成することができ、二次焼入れ後には、素材の炭素量に応じた表面硬さを得ることができる。なお、Ｈｖ５００以上の表面硬さを得るためには、鋼製リング１の素材が最低でも０．４質量％以上の炭素を含有している必要がある。

さらに、加熱後の鋼製リング１を臨界冷却速度未満の速度で冷却すると、鋼製リング１がパーライト変態する。したがって、焼入れ後の鋼製リング１を油冷した場合のように、マルテンサイト変態による熱的歪みが鋼製リング１に発生することを抑制することができる。
また、上記のように、拘束部材３の内周面と嵌合する外周面を有する環状部材５を拘束部材３内に配置した後、環状部材５の上面に鋼製リング１を上下に積層し、上下に積層された鋼製リング１のうち最も上部に位置する鋼製リング１の上面に拘束部材３の内周面と嵌合する外周面を有する環状部材６を配置すると、環状部材５，６によって鋼製リング１が上下方向に加圧された状態で加熱される。したがって、鋼製リング１の熱処理時に反りなどの熱的歪みが生じることを抑制することができる。

さらに、鋼製リング１の浸炭窒化焼入れ工程における変形量を低減することが可能になり、その後に実施される変形矯正を伴った二次焼入れ精度を高めることが可能となる。
なお、図３に示した本発明の一実施形態において、拘束部材３の内径の下限値を鋼製リング１の常温での平均外径に対して１００．１％とした理由は、鋼製リング１の常温での平均外径に対して拘束部材３の内径が１００．１％を超えると、鋼製リング１の熱膨張によって鋼製リング１が座屈し、鋼製リング１の真円度不良を拘束部材３によって抑制することが困難となるためである。

また、拘束部材３の内径の上限値を鋼製リング１の常温での平均外径に対して１０１．２％とした理由は、鋼製リング１の常温での平均外径に対して拘束部材３の内径が１０１．２％を下回ると、鋼製リング１の外径方向への熱膨張を拘束部材３によって拘束することができなくなるためである。
図３に示した本発明の一実施形態では、鋼製リング１に浸炭窒化焼入れを施す場合を例示したが、鋼製リング１に浸炭焼入れを施す場合にも本発明を適用することができる。

上述した効果を確認するため、本発明者らは、玉軸受の外輪を表１に示す寸法で作製した。そして、作製した各外輪に９５０℃×５Ｈｒの条件で浸炭窒化焼入れを施し、浸炭窒化焼入れ後の各外輪の真円度と平面度をＴaylor Ｈobson社製のタリロンド１３１を用いて測定した。その測定値を表１に併記する。なお、表１に示す真円度と平面度の値は、５０個のサンプルの中で測定値が最も大きかったものの値を示している。

実施例１と比較例１とを比較すると、実施例１のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例１は図３に示した拘束部材３を用いずに浸炭窒化焼入れを行なったものであるのに対し、実施例１は図３に示した拘束部材３を用いて浸炭窒化焼入れを行なったものであるためと考察される。
実施例１と比較例２とを比較すると、実施例１のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例２は図３に示した拘束部材３を用いずに浸炭窒化焼入れを行ない、かつ浸炭窒化焼入れ後の冷却が油冷であるのに対し、実施例１は図３に示した拘束部材３を用いて浸炭窒化焼入れを行ない、かつ浸炭窒化焼入れ後の冷却が炉冷であるためと考察される。

実施例２〜７と比較例３とを比較すると、実施例２〜７のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例３は浸炭窒化焼入れ後の冷却が油冷であるのに対し、実施例２〜７は浸炭窒化焼入れ後の冷却が炉冷であるためと考察される。
実施例２〜７と比較例４とを比較すると、実施例２〜７のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例４は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが０．０６％であるのに対し、実施例２〜７は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが０．１％以上、好ましくは０．２％以上であるためと考察される。

実施例２〜７と比較例５とを比較すると、実施例２〜７のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例５は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが１．５％であるのに対し、実施例２〜７は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが１．２％以下であるためと考察される。
実施例８〜１２と比較例６とを比較すると、実施例８〜１２のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例６は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが０．０８％であるのに対し、実施例８〜１２は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが０．１％以上、好ましくは０．２％以上であるためと考察される。

実施例８〜１２と比較例７とを比較すると、実施例８〜１２のほうが真円度不良や反りなどの熱的歪みが小さいことがわかる。これは、比較例７は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが１．３％であるのに対し、実施例８〜１２は外輪の外径Ｄに対する拘束部材内径のクリアランス比Ｃ／Ｄが１．２％以下であるためと考察される。

したがって、以上のことから、鋼製リング１に浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施す際に、鋼製リング１より小さい線膨張係数を有し且つ鋼製リング１の常温での平均外径に対して１００.１％〜１０１．２％の内径を有する円筒状の拘束部材３内に鋼製リング１を上下に積層し、次いで鋼製リング１を浸炭温度または浸炭窒化温度まで加熱した後、臨界冷却速度未満の冷却速度で鋼製リング１を冷却することにより、鋼製リング１の熱処理時に真円度不良などの熱的歪みが発生することを抑制することができ、形状精度の高い転がり軸受の軌道輪を得ることができる。
また、拘束部材３の内周面と嵌合する外周面を有する環状部材５，６を拘束部材３内の最下部と最上部に配置した状態で鋼製リング１に浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施すことにより、鋼製リング１の熱処理時に反りなどの熱的歪みが発生することを抑制することができる。

本発明に係る鋼製リングの熱処理方法が適用される鋼製リングの一例を示す平面図である。図１のII−II断面を示す図である。本発明に係る鋼製リングの熱処理方法の一実施形態を示す図である。図３に示す拘束部材の内周面と鋼製リングの外周面との間のクリアランスを示す図である。

符号の説明

１鋼製リング
２転動体軌道溝
３拘束部材
４格子板
５，６環状部材

Claims

鋼製リングに浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施すときに、前記鋼製リングより小さい線膨張係数を有し且つ前記鋼製リングの常温での平均外径に対して１００．１％〜１０１．２％の内径を有する円筒状の拘束部材内に前記鋼製リングを上下に積層し、次いで前記鋼製リングを浸炭温度または浸炭窒化温度まで加熱した後、臨界冷却速度未満の冷却速度で前記鋼製リングを冷却することを特徴とする鋼製リングの熱処理方法。
請求項１記載の鋼製リングの熱処理方法において、前記拘束部材の内周面と嵌合する外周面を有する二つの環状部材を前記拘束部材内の最下部と最上部に配置した状態で前記鋼製リングに浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れを施すことを特徴とする鋼製リングの熱処理方法。