JP2013221200A

JP2013221200A - 転がり軸受軌道輪の製造方法

Info

Publication number: JP2013221200A
Application number: JP2012094869A
Authority: JP
Inventors: Riichiro Matoba; 理一郎的場
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】転がり軸受の軌道輪の製造方法として、従来の方法よりも、熱処理効率が高く、熱処理時の変形を小さくできる方法方法を提供する。
【解決手段】内輪７に対して、先ず、浸炭処理室１で、減圧下でＡ₁変態点を超える温度に誘導加熱して浸炭処理を行った後に、Ａ₁変態点未満に冷却する。次に、焼入れ・矯正部３で焼入れと矯正を行う。冷却途中のＭ_S点に到達する前に、内輪７を外径拘束型３４に入れてＭ_S点以下になるまで冷却する。次に、焼戻し部４で高周波焼戻しを行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱処理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。

転がり軸受の軌道輪を誘導加熱により浸炭または浸炭窒化処理を行う場合には、処理温度を高くして処理時間を短縮化することにより、熱処理効率を高めることが求められている。
例えば、特許文献１には、鋼部品の浸炭方法として、１．３３〜１３．３ｋＰａの減圧無酸化雰囲気下で高周波加熱手段により１０００〜１２００℃に加熱し、鎖状炭化水素ガス供給を行う浸炭処理と行わない拡散処理を、鋼部品の表面炭素量がオーステナイト固溶限に到達しない範囲で、各浸炭時間を５秒〜３分として適数回繰り返し、その後、減圧無酸化雰囲気下において一次冷却、再加熱、均熱保持及びガス焼入れを行う方法が記載されている。

しかし、処理温度を高くすると熱処理時の変形が大きくなるため、熱処理後に行う研削工程での取り代が多くなり、研削工程の作業効率が低下する。よって、転がり軸受の軌道輪を誘導加熱により浸炭または浸炭窒化処理を行う場合には、熱処理時の変形を低減することが求められている。
例えば、特許文献２には、焼入れ処理によって生じる熱変形を、焼入れ処理中に矯正することができるリング状品（例えば軸受の軌道輪）の焼入れ方法が記載されている。この方法は、リング状品を誘導加熱により焼入れ温度まで加熱する加熱過程と、焼入れ温度まで加熱されたリング状品をマルテンサイト変換点温度よりも高い変形矯正開始温度まで冷却する一次冷却過程と、二次冷却過程を含むことを特徴とする。

二次冷却過程は、変形矯正開始温度まで冷却されたリング状品の外周面に、一対の受けロールをリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに転動自在に接触させた状態で、前記一対の受けロールの中間点とリング状品を介して対向する側から、リング状品の外周面にリング状品の中心と平行な回転中心軸回りに回転する加圧ロールを押付けつつ、マルテンサイト変態点温度よりも低い温度まで冷却する過程である。

特許文献２の方法において、一次冷却過程と二次冷却過程は油槽内で行われている。
特許文献３には、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（Ｍ_S点）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、Ｍ_S点以下となるまでガス冷する焼入れ工程を備え、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を特徴とする転がり軸受軌道輪の製造方法が記載されている。

特許４０４１６０２号公報特開２００９−８４６１１号公報特開２００９−２０３５２２号公報

この発明の課題は、転がり軸受を構成する鋼製の軌道輪に対して、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ、および焼戻しからなる熱処理を行う転がり軸受軌道輪の製造方法として、熱処理効率が高く、熱処理時の変形を小さくできる方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の転がり軸受軌道輪の製造方法は、下記の構成(1) 〜(3) の工程を順に行うことを特徴とする。
(1) 転がり軸受を構成する鋼製の軌道輪（内輪または外輪）を、減圧下でＡ₁変態点を超える温度Ｔ１に誘導加熱して浸炭または浸炭窒化処理を行う浸炭工程。
加熱温度Ｔ１が高いほど、浸炭または浸炭窒化処理にかかる時間が短くできが、高すぎるとオーバーヒートが発生する。オーバーヒートの発生温度は鋼種によって異なるが、軸受鋼の場合は１２５０℃程度、浸炭鋼の場合は１３００℃程度まで、加熱温度Ｔ１を高くすることができる。
加熱温度Ｔ１の範囲としては、加熱時間を短くすることが主な目的の場合には１０００℃〜１３００℃とすることが好ましく、良好な金属組織を確保しつつ加熱時間を短くするためには１０００℃〜１１００℃にすることが好ましい。

(2) 前記浸炭工程後の軌道輪をＭ_S点以下になるまで冷却する工程であって、冷却途中のＭ_S点に到達する前に、前記軌道輪の外周面、内周面、および軌道溝肩のいずれか一箇所を拘束し、この状態で前記軌道輪の冷却を継続する焼入れ・矯正工程。
(3) 前記焼入れ・矯正工程後の軌道輪を誘導加熱することで焼戻しを行う高周波焼戻し工程。
高周波焼戻し工程の加熱温度は、１６０℃〜３００℃とすることが好ましく、１６０℃〜２４０℃とすることがより好ましい。高周波焼戻し工程の加熱温度が３００℃を超えると、靱性が不十分となる。高周波焼戻し工程の加熱温度が２４０℃を超えると、硬さが不十分となる。
この発明の方法では、浸炭または浸炭窒化処理を減圧下で誘導加熱により行うことで、炉加熱により行った場合と比較して、浸炭または浸炭窒化処理に要する時間が短くなる。

また、焼入れ時の冷却途中のＭ_S点に到達する前に、軌道輪の外周面、内周面、および軌道溝肩のいずれか一箇所を拘束し、この状態で前記軌道輪の冷却を継続することにより、過冷オーステナイトからマルテンサイトへの変態膨張を利用した矯正が行われる。よって、このような矯正を行わない場合と比較して、熱処理時の変形を小さくすることができる。
なお、Ｍ_S点は、浸炭または浸炭窒化処理により鋼材の表面と芯部とで異なるものとなる。前記構成(2) のＭ_S点は、浸炭層または浸炭窒化層におけるＭ_S点を意味する。
この発明の方法において、前記焼入れ・矯正工程の冷却を、ガス冷のみで行うかガス冷と水冷の組み合わせで行えば、水冷のみで行う場合よりも冷却速度を遅くできるため、タイミング良く焼入れから矯正へ移行することができる。

この発明の方法は、転がり軸受を構成する鋼製の軌道輪に対して、浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ、および焼戻しからなる熱処理を行う転がり軸受軌道輪の製造方法であって、従来の方法よりも、熱処理効率が高く、熱処理時の変形を小さくできる方法である。

実施形態の方法を実施可能な処理ラインを示す概略構成図である。図１の処理ラインを構成する焼入れ・矯正部で、内輪を冷却しながら矯正している状態を示す図である。図１の処理ラインを構成する焼戻し部で、内輪を加熱している状態を示す図である。

以下、この発明の実施形態について説明する。
この実施形態の方法では、図１に示す処理ラインを使用して、転がり軸受の内輪（軌道輪）に対する処理を行う。
この処理ラインは、浸炭または浸炭窒化工程を行う浸炭処理室１と、焼入れ・矯正部３と、焼戻し部４と、コンベヤ６とを有する。内輪７は、各室および部間をコンベヤ６で搬送される。なお、内輪７の各室および部間を搬送する方法はこの限りではない。

浸炭処理室１の内部には、環状の誘導加熱コイル１１１と、被処理物である内輪７を配置する台１１２が配置されている。浸炭処理室１から外部に延びる各配管には、内部を所定の減圧下に保持する真空ポンプ１１４と、浸炭性ガス供給装置１１５と、アンモニアガス供給装置１１６が接続されている。
焼入れ・矯正部３には、回転テーブル３１と、環状の冷却ジャケット３２と、内部冷却装置３３と、円筒形の外径矯正型３４と、ピストン３５が配置されている。回転テーブル３１は、下方に延びる回転軸３１ａを有し、この回転軸３１ａに沿って昇降自在に構成されている。回転テーブル３１はコンベヤ６とほぼ同じ高さの位置に待機している。

冷却ジャケット３２は、外径矯正型３４より内径および軸方向寸法が大きい環状体からなる。冷却ジャケット３２の内側には多数のノズルが配置されている。冷却ジャケット３２には、切り替え弁を介して、冷却液を供給する冷却液供給装置と冷却ガス（窒素ガス等）を供給する冷却ガス供給装置が接続されている。また、切り替え弁には制御装置が接続されている。
この制御装置により、所定のタイミングで切り替え弁の切り替えが行われて、設定量の冷却液または冷却ガスが冷却ジャケット３２のノズルから噴射される。冷却ジャケット３２は、回転テーブル３１の回転軸３１ａと中心を合わせて、コンベヤ６より高い位置に配置されている。

内部冷却装置３３はピストン３５の下部に固定されている。内部冷却装置３３の外側には多数のノズルが配置されている。内部冷却装置３３の配管は、ピストン３５を通って外部まで延設されている。この配管には、切り替え弁を介して、冷却液を供給する冷却液供給装置と冷却ガス（窒素ガス等）を供給する冷却ガス供給装置が接続されている。また、切り替え弁には制御装置が接続されている。
この制御装置により、所定のタイミングで切り替え弁の切り替えが行われて、設定量の冷却液または冷却ガスが内部冷却装置３３のノズルから内輪７に向けて噴射される。

外径矯正型３４は、冷却ジャケット３２の内部の上側に、回転テーブル３１の回転軸３１ａと中心を合わせて配置されている。
ピストン３５は、円板状の押え板３５ａと上方に延びる軸３５ｂを有し、軸３５ｂに沿って昇降自在に構成されている。押え板３５ａの下面の中央部に内部冷却装置３３が固定されている。ピストン３５は、回転テーブル３１の回転軸３１ａと中心を合わせて、外径矯正型３４の内部の上側に配置されている。

焼入れ・矯正部３で内輪７を冷却する際には、内輪７を載せた回転テーブル３１を上昇させて、図２（ａ）に示すように、冷却ジャケット３２内の内径矯正型３４より下側に内輪７を配置する。また、ピストン３５を下降させて押え板３４ａで内輪７を上から押える。これにより、内部冷却装置３３が内輪７の内部に入る。この状態で、冷却ジャケット３２および内部冷却装置３３を作動させて、回転テーブル３１を回転させる。

焼入れ・矯正部３で内輪７を矯正する際には、内輪７を載せた回転テーブル３１を、図２（ａ）の状態からさらに上昇させて、図２（ｂ）に示すように、内輪７を外径矯正型３４に圧入する。この状態で、冷却ジャケット３２および内部冷却装置３３を作動させて、回転テーブル３１を回転させる。
焼戻し部４には、回転テーブル４１と、環状の誘導加熱コイル４２とが配置されている。回転テーブル４１は、下方に延びる回転軸４１ａを有し、この回転軸４１ａに沿って昇降自在に構成されている。回転テーブル４１はコンベヤ６とほぼ同じ高さの位置に待機している。

誘導加熱コイル４２は、回転テーブル４１の回転軸４１ａと中心を合わせて、コンベヤ６より高い位置に配置されている。誘導加熱コイル４２としては、処理対象の内輪７の外側に一定の間隔が生じる内径のものを使用する。
焼戻し部４で内輪７を加熱する際には、内輪７を載せた回転テーブル４１を上昇させて、図３に示すように、誘導加熱コイル４２内に内輪７を配置する。この状態で、回転テーブル２１を回転させ、誘導加熱コイル４２に通電する。
この実施形態の方法では、図１の処理ラインを使用し、以下の方法で、内輪７に対する処理を行う。

先ず、浸炭処理室１内に内輪７を入れて、台１１２の上に載せ、真空ポンプ１１４を作動させて、内部を減圧下（０．１〜１０ｋＰａ）に保持する。
次に、浸炭を行う場合には、浸炭性ガス供給装置１１５から浸炭性ガス（ブタン、プロパン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素ガス、または炭化水素ガスに窒素ガスを添加した混合ガス）を浸炭処理室１内に供給することで、内部を浸炭雰囲気にする。浸炭窒化を行う場合には、浸炭性ガス供給装置１１５から浸炭性ガスを供給するとともに、アンモニアガス供給装置１１６からアンモニアガスを供給ことで、浸炭処理室１内を浸炭窒化雰囲気にする。
この状態で、誘導加熱コイル１１１に高周波（５〜１５ｋＨｚ）を所定時間通電する。これにより、内輪７の軌道面７１を、Ａ₁変態点（７２６℃）を超える温度Ｔ１（例えば、９５０〜１１００℃）に加熱して、この温度に所定時間保持する。これにより、内輪７に対する浸炭処理または浸炭窒化処理を行う。

次に、内輪７を浸炭処理室１から出して、コンベヤ６に載せて焼入れ・矯正部３まで搬送する。次に、コンベヤ６上の内輪７を回転テーブル３１の上に載せて、回転テーブル３１を上昇させるとともに、ピストン３５を降下して図２（ａ）に示す状態とする。この状態で、冷却ジャケット３２および内部冷却装置３３を作動させて、回転テーブル３１を回転させることにより、内輪７を冷却する。
この冷却により、内輪７が浸炭層のＭ_S点より少し高い温度になった時点で、回転テーブル３１をさらに上昇させて、図２（ｂ）に示すように、内輪７を外径矯正型３４に圧入する。この状態で浸炭層のＭ_S点以下の温度になるまで冷却を行う。これにより、内輪７の外径が矯正される。また、図２（ａ）および（ｂ）の工程により、内輪７に対する焼入れが行われる。

次に、回転テーブル３１をコンベヤ６の高さまで降下して、内輪７をコンベヤ６に載せて焼戻し部４まで搬送する。次に、コンベヤ６上の内輪７を回転テーブル４１の上に載せて、回転テーブル４１を上昇させることで、図３に示す状態とする。この状態で、回転テーブル３１を回転させて、誘導加熱コイル４２に高周波（３〜１０ｋＨｚ）を短時間（３〜１０秒）通電する。これにより、内輪７の軌道面７１を、焼戻し加熱温度（１８０〜３００℃）に加熱する。
この実施形態の方法によれば、浸炭または浸炭窒化処理を減圧下で誘導加熱により行うことで、炉加熱により行った場合と比較して、浸炭または浸炭処理工程に要する時間が短くなる。

また、焼入れ・矯正部３で、冷却途中の内輪７が浸炭層のＭ_S点に到達する前に、内輪７の外周面を拘束し、この状態で内輪７の冷却を継続することにより、過冷オーステナイトからマルテンサイトへの変態膨張を利用した矯正が行われるため、熱処理時の変形を小さくすることができる。
したがって、この実施形態の方法は、従来の方法よりも、熱処理効率が高く、熱処理時の変形を小さくできる方法であることが分かる。

なお、この実施形態では、焼入れ・矯正部３の冷却ジャケット３２および内部冷却装置３３を、冷却液供給装置と冷却ガス供給装置の両方を備えたものとすることで、焼入れ・矯正工程の冷却をガス冷と水冷の組み合わせで行うことができるようにしている。しかし、これに代えて、焼入れ・矯正部３を、ガス冷のみが可能な冷却ジャケット３２および内部冷却装置３３を備えた設備と、これとは別に設けた、水冷のみが可能な冷却ジャケット３２および内部冷却装置３３を備えた設備とで構成してもよい。

以下、この発明の実施例について説明する。
ＳＣｒ４２０（浸炭後の表面Ｍ_S点：２００℃）からなる素材を旋削することで、玉軸受の内輪の形状（外径１０１ｍｍ、内径９５ｍｍ、幅１３ｍｍ、溝底厚さ２ｍｍ）に加工した。この内輪７に対して、表１に示す熱処理を行った。

サンプルNo. １〜３では、図１の処理ラインを用いて、上述の実施形態の方法に基づき、浸炭工程、焼入れ・矯正工程、高周波焼戻し工程を行った。
浸炭工程では、先ず、浸炭処理室１の内部を減圧下（１ｋＰａ）でアセチレン雰囲気とし、誘導加熱コイル１１１に高周波を通電した。この通電を、サンプルNo. １では周波数１０ｋＨｚで行い、軌道面７１の溝底位置での表面温度を１１００℃として、軌道面７１の有効硬化層深さが０．５ｍｍになるまで２０分間保持した。

サンプルNo. ２では周波数１０ｋＨｚで行い、軌道面７１の溝底位置での表面温度を１０００℃として、軌道面７１の有効硬化層深さが０．５ｍｍになるまで６０分間保持した。サンプルNo. ３では周波数１０ｋＨｚで行い、軌道面７１の溝底位置での表面温度を９５０℃として、軌道面７１の有効硬化層深さが０．５ｍｍになるまで１２０分間保持した。

次に、内輪７を焼入れ・矯正部３に移動して、冷却ジャケット３２から冷却液を噴射することによる冷却（水冷）を、先ず、図２（ａ）の状態で２秒間行うことで内輪７の表面温度を３００℃とした。次に、図２（ｂ）の状態として、さらに１０秒間、冷却液で冷却することで内輪７の表面温度を３０℃とした。
高周波焼戻し工程では、誘導加熱コイル４２による加熱条件を、周波数５ｋＨｚ、加熱時間５秒とすることにより、内輪７に対する焼戻しを１８０℃で行った。
サンプルNo. ４では、図１の処理ラインを用いて、浸炭工程、焼入れ・矯正工程、高周波焼戻し工程を行った。すなわち、先ず、内輪７に対する浸炭工程を浸炭処理室１でサンプルNo. ３と同様に行った。

次に、内輪７を焼入れ・矯正部３に移動して、先ず、図２（ａ）の状態として、冷却ジャケット３２から冷却ガスを噴射することによる冷却（ガス冷）を１５秒間行うことで内輪７の表面温度を３００℃とした。次に、図２（ｂ）の状態として、冷却ジャケット３２から冷却液を噴射することによる冷却（水冷）を１０秒間行うことで、内輪７の表面温度を３０℃とした。次に、サンプルNo. ３と同様に高周波焼戻し工程を行った。
サンプルNo. ５では、図１の処理ラインを用いて、浸炭工程、焼入れ・矯正工程、高周波焼戻し工程を行った。すなわち、先ず、内輪７に対する浸炭工程を浸炭処理室１でサンプルNo. ３と同様に行った。

次に、内輪７を焼入れ・矯正部３に移動して、冷却ジャケット３２から冷却ガスを噴射することによる冷却（ガス冷）を、先ず、図２（ａ）の状態で１５秒間行うことで内輪７の表面温度を３００℃とした。次に、図２（ｂ）の状態として、さらに３０秒間、冷却ガスで冷却することで内輪７の表面温度を３０℃とした。次に、サンプルNo. ３と同様に高周波焼戻し工程を行った。

サンプルNo. ６では、図１の処理ラインを用いて、浸炭工程、焼入れ工程、高周波焼戻し工程を行った。すなわち、サンプルNo. ５では、焼入れ・矯正部３での冷却を、図２（ａ）の状態で１２秒間、水冷により行うことで内輪の表面温度を３０℃とすることで終え、図２（ｂ）の状態にする矯正工程は行わなかった。浸炭工程と高周波焼戻し工程はサンプルNo. ３と同様にして行った。
サンプルNo. ７では、先ず、大気圧下、アセチレン雰囲気（No. １〜５と同じアセチレン濃度）で、温度９５０℃に保持した加熱炉内に１８０分間保持した。次に、油冷却による油焼入れを行った。次に、温度１８０℃に保持した加熱炉内に９０分間保持することにより、内輪７に対する焼戻しを１８０℃で行った。

また、No. １〜７の全てのサンプルについて、焼戻し工程の後に、研削室５で内輪７を設計通りの形状になるように研削する仕上げ工程を行った。この仕上げ工程にかかった時間を測定した。
また、各サンプルで、熱処理のうち浸炭処理と焼入れにかかった時間および仕上げ工程にかかった時間を、No. １の値で除算して、No. １の値を「１」とした相対値を算出した。その結果と各サンプルの熱処理方法の違いを表２に示す。

表２の結果から以下のことが分かる。
浸炭処理を同じ９５０℃で行ったNo. ３〜７の結果を比較すると、浸炭処理を減圧下での誘導加熱で行ったNo. ３〜６の熱処理時間は、浸炭処理を炉加熱で行ったNo. ７の熱処理時間の２／３程度に短くすることができた。
浸炭処理を減圧下での誘導加熱で行い、浸炭処理の温度のみが異なるNo. １〜３の結果を比較すると、１１００℃であるNo. １で９５０℃であるNo. ３の１／６となっており、著しく短くすることができた。
浸炭処理を減圧下での誘導加熱で同じ９５０℃で行い、矯正工程の有無のみが異なるNo. ３と５を比較すると、矯正工程を行うことで研削時間を半分以下（１／２．５）にすることができた。

浸炭処理を減圧下での誘導加熱で同じ９５０℃で行い、焼入れ時の冷却方法が異なるNo. ３〜５を比較すると、水冷のみで行うNo. ３で最も冷却時間が短く、ガス冷のみで行うNo. ５が最も冷却時間が長かった。しかし、水冷のみで行ったNo. ３では、冷却速度が早くて焼入れから矯正へ移行するタイミングがつかみ難かった。これに対して、ガス冷後に水冷を行ったNo. ４とガス冷のみで行ったNo. ５では、冷却速度が遅いため、タイミング良く焼入れから矯正へ移行することができた。
以上のように、この発明の実施例に相当するサンプルNo. １〜５に対して行った方法によれば、この発明の比較例に相当するサンプルNo. ６，７に対して行った方法よりも、熱処理効率が高く、熱処理時の変形を小さくすることができる。

１浸炭処理室
１１１誘導加熱コイル
１１２台
１１４真空ポンプ
１１５浸炭性ガス供給装置
１１６アンモニアガス供給装置
３焼入れ・矯正部
３１回転テーブル
３１ａ回転軸
３２冷却ジャケット
３３内部冷却装置
３４外径矯正型
３５ピストン
３５ａ押え板
３５ｂ軸
４焼戻し部
４１回転テーブル
４１ａ回転軸
４２誘導加熱コイル
６コンベヤ
７内輪（軌道輪）
７１軌道面

Claims

転がり軸受を構成する鋼製の軌道輪を、減圧下でＡ₁変態点を超える温度に誘導加熱して浸炭または浸炭窒化処理を行う浸炭工程と、
前記浸炭工程後の軌道輪をＭ_S点以下になるまで冷却する工程であって、冷却途中のＭ_S点に到達する前に、前記軌道輪の外周面、内周面、および軌道溝肩のいずれか一箇所を拘束し、この状態で前記軌道輪の冷却を継続する焼入れ・矯正工程と、
前記焼入れ・矯正工程後の軌道輪を誘導加熱することで焼戻しを行う高周波焼戻し工程と、
をこの順に行うことを特徴とする転がり軸受軌道輪の製造方法。
前記焼入れ・矯正工程の冷却を、ガス冷のみで行うかガス冷と水冷の組み合わせで行う請求項１記載の転がり軸受軌道輪の製造方法。