JP2015067881A - リング状部材の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼からなるリング状部材に対する焼入硬化処理を効率的に、しかも不良品を極力発生させることなく適切に実施可能とする。【解決手段】鋼からなり、保持部３により同軸的に保持された複数の外輪Ｒと、外輪Ｒよりも長寸の加熱コイル２とを軸方向に相対移動させながら加熱コイル２に通電することにより、複数の外輪Ｒを順次狙い温度に誘導加熱するに際し、加熱コイル２の出力を、加熱コイル２の対向領域に存在する外輪Ｒの個数を考慮して変化させる。【選択図】図３

Description

本発明は、リング状部材の熱処理方法に関する。

周知のように、鋼からなるリング状部材（例えば、転がり軸受の軌道輪）の製造過程においては、リング状部材に必要とされる機械的強度等を付与するために熱処理（焼入硬化処理）が施される。この焼入硬化処理は、リング状部材を狙い温度（例えば、Ａ₁変態点以上の温度域）に加熱する加熱工程や、狙い温度に加熱されたリング状部材を冷却する冷却工程などを含んでいる。加熱工程は、例えば、メッシュベルト型連続炉などの雰囲気加熱炉を用いて実施することができる。

雰囲気加熱炉は、多数のワークを同時に加熱することができるという利点がある。しかしながら、雰囲気加熱炉は、ワークだけでなく雰囲気をも加熱する必要があるため、エネルギー効率が低いという問題がある。そこで、加熱工程では、誘導加熱によりワークを狙い温度に加熱する場合がある（例えば、特許文献１を参照）。誘導加熱であれば、ワークを直接加熱することができるため、高いエネルギー効率を達成することができる。また、加熱対象のワークがリング状部材である場合には、特許文献１に記載されているように、同軸的に保持した複数のリング状部材を加熱コイルの対向領域（内周）に配置し、その状態で加熱コイルに通電する方法を採ることができる。このようにすれば、複数のリング状部材を同時に誘導加熱することができるので、熱処理効率を高めることができる。

特開２００６−２０００１９号公報

ところで、ビレットのような長寸のワークを通電状態の加熱コイルの対向領域を通過させることにより、ワークの長手方向各部を連続的に誘導加熱する連続加熱法は、長寸のワークを効率良く均熱加熱することができるという利点がある。そこで、本願発明者らは、複数のリング状部材を上記の連続加熱法で誘導加熱することを試みた。具体的には、同軸的に保持した複数のリング状部材と、リング状部材よりも長寸で、かつ一定出力となるように通電された加熱コイルとを軸方向に相対移動させることにより、複数のリング状部材を順次狙い温度に誘導加熱することを試みた。

しかしながら、このようにすると、同軸的に保持した複数のリング状部材のうち、特に加熱開始側および加熱終了側の端部、並びにその近傍に配置されたリング状部材が狙い温度を超えて加熱（過加熱）されてしまった。過加熱されたリング状部材は、所望の機械的強度等を確保することが難しくなるために廃棄処分せざるを得ず、製品歩留の低下問題を招来する。

かかる実情に鑑み、本発明は、鋼製のリング状部材に対する焼入硬化処理を効率的に、しかも不良品を極力発生させることなく適切に実施可能とすることを目的とする。

本願発明者らは鋭意検討を重ねた結果、上記の過加熱の問題は、加熱コイルが一定出力となるように加熱コイルに通電したために生じることを見出した。つまり、本願発明者らは、連続加熱を実施する際に、加熱コイルの出力を、加熱コイルの対向領域全域にリング状部材が存在する状態（加熱コイルの内周がリング状部材で充足された状態）において全てのリング状部材が狙い温度に加熱されるような一定値に設定したが、このようにすると、加熱コイルの対向領域の一部にしかリング状部材が存在しない加熱工程の開始直後および終了直前の段階では個々のリング状部材に生じる誘導電流量が増加し、その結果、リング状部材が過加熱されることを見出した。

このような知見に基づいて創案された本発明は、鋼からなり、同軸的に保持した複数のリング状部材と、リング状部材よりも長寸の加熱コイルとを軸方向に相対移動させながら加熱コイルに通電することにより、複数のリング状部材を順次狙い温度に誘導加熱する加熱工程を含むリング状部材の熱処理方法であって、加熱工程では、加熱コイルの対向領域に存在するリング状部材の個数を考慮して、加熱コイルの出力を変化させることを特徴とする。

上記のように、加熱コイルの対向領域に存在するリング状部材の個数を考慮して加熱コイルの出力を変化させるようにすれば、加熱コイルの対向領域の一部にしかリング状部材が存在しない加熱工程の開始直後および終了間際の段階においても、個々のリング状部材に生じる誘導電流量を最適化することができる。そのため、リング状部材が狙い温度を超えて加熱されるのを、またこれとは逆に、加熱不足のリング状部材が生じるのを効果的に防止することができる。また、このようにすれば、一定出力となるように加熱コイルに通電する場合に比べ、消費電力量を減じることができるので、熱処理に要するコストを減じることができる。その一方で、加熱工程は、いわゆる連続加熱により実施される。そのため、連続加熱法を採用することによって享受し得る作用効果、具体的には、各リング状部材を均熱加熱することができる、加熱処理を効率良く行い得る、などといった作用効果を有効に享受できる。従って、本発明によれば、鋼製のリング状部材に対する焼入硬化処理を効率的に、しかも不良品を極力発生させることなく適切に実施することができる。

上記の作用効果を有効に享受するための具体的手段として、加熱工程に、加熱コイルの出力を段階的に増加させる出力増加ステップと、加熱コイルの出力を段階的に減少させる出力減少ステップと、を設けることが考えられる。そしてこの場合、出力増加ステップにおける加熱コイルの出力増加態様と、出力減少ステップにおける加熱コイルの出力減少態様とは互いに異ならせるのが好ましい。加熱すべきワークの電気伝導率や磁性は温度上昇に伴って変化する、すなわち、リング状部材の温度上昇態様は加熱工程の進行度合いに応じて変化するからである。なお、「出力増加ステップにおける加熱コイルの出力増加態様と、出力減少ステップにおける加熱コイルの出力減少態様とを互いに異ならせる」とは、両ステップにおける加熱コイルの出力波形の何れか一方を反転させて他方に重ね合わせたときに、２つの出力波形が一致しないことを意味する。

本発明に係る熱処理方法は、狙い温度に誘導加熱されたリング状部材を冷却する冷却工程をさらに有するものとすることができる。これにより、リング状部材を適切に焼入硬化させることができる。

本発明に係る熱処理方法は、リング状部材が、炭素含有量０．８質量％以上の鋼からなる場合に特に好ましく適用し得る。

以上から、本発明によれば、鋼からなるリング状部材に対する焼入硬化処理を効率的に、しかも不良品を極力発生させることなく適切に実施することができる。これにより、転がり軸受の軌道輪等、鋼からなるリング状部材の製造コスト低減に寄与することができる。

本発明に係る熱処理方法を実施する際に使用する熱処理設備の初期状態を示す概要図である。 焼入硬化処理に含まれる工程のフロー図である。 加熱工程で使用する加熱コイルの出力変化態様を説明するための図である。 図１に示す熱処理設備の使用中の状態を示す概要図である。 従来方法と本発明に係る方法との比較検証結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るリング状部材の熱処理方法を実施する際に使用する熱処理設備の初期状態を示す概要図である。同図に示す熱処理設備１は、鋼からなるリング状部材の一例としての転がり軸受の外輪Ｒを焼入硬化するための熱処理設備であって、外輪Ｒに対して図２に示す加熱工程Ｓ１、搬送工程Ｓ２および冷却工程Ｓ３が順に実施される。熱処理設備１は、主に加熱工程Ｓ１で使用される加熱コイル２および保持部３と、搬送工程Ｓ２で使用される搬送手段５と、冷却工程Ｓ３で使用される冷却部４とを備え、加熱コイル２と保持部３とは同軸配置されている。

保持部３は、複数の外輪Ｒを同軸的に保持（それぞれの中心軸が一致するように軸方向に並べた状態で保持）可能であり、本実施形態の保持部３は、複数の外輪Ｒをそれぞれの中心軸が一致するように鉛直方向に積み重ねた状態で保持する。図１に示す熱処理設備１の初期状態において、保持部３（およびこれに同軸的に保持された複数の外輪Ｒ）は、加熱コイル２よりも所定寸法だけ下方に配置されている。保持部３は加熱コイル２に対して軸方向に相対移動可能とされる。本実施形態では、保持部３が図示しない駆動手段に接続されており、保持部３は駆動手段の出力を受けてピッチ送り（間欠的に連続送り）される。保持部３の１ピッチ当たりの送り量は、例えば、加熱すべき外輪Ｒの軸方向寸法と同寸に設定される。

加熱コイル２は、加熱すべき外輪Ｒをその径方向外側から取り囲むことができるようになっている。加熱コイル２の軸方向寸法は、加熱すべき外輪Ｒよりも長寸とされ、ここでは、内周に４個の外輪Ｒを配置可能（４個の外輪Ｒを同時に加熱可能）な加熱コイル２を使用している。加熱コイル２は、高周波電源６に電気的に接続されている。

図３に示すように、加熱コイル２の出力（高周波電源６から加熱コイル２に供給される電力量）は、加熱工程Ｓ１の進行度合いに応じて変化するように構成されている。より詳しくは、加熱コイル２の対向領域（内周）に存在する外輪Ｒの個数を考慮して（ここでは、加熱コイル２の対向領域に存在する外輪Ｒの個数に応じて）加熱コイル２の出力が変化する。なお、加熱コイル２の対向領域に存在する外輪Ｒの個数は、例えば、加熱コイル２に対する保持部３の軸方向相対位置に基づいて把握することができる。加熱工程Ｓ１では、加熱コイル２の出力を段階的に増加させる出力増加ステップＳ１ａ、加熱コイル２の出力を一定値に維持する中間ステップＳ１ｂ、および加熱コイル２の出力を段階的に減少させる出力減少ステップＳ１ｃが順に実施される。

同軸的に保持した４個の外輪Ｒを内周に収容可能な加熱コイル２を使用する本実施形態において、中間ステップＳ１ｂは、４個の外輪Ｒが加熱コイル２の対向領域に存在する間継続して実施されるステップである。そして、中間ステップＳ１ｂの実施中における加熱コイル２の出力を１００％とすると、本実施形態の出力増加ステップＳ１ａは、加熱工程Ｓ１が開始された後（保持部３で同軸的に保持した複数の外輪Ｒの上昇移動を開始させた後）、加熱コイル２の対向領域（内周）に存在する外輪Ｒの個数が１個増える毎に５５％→６０％→７５％の順で加熱コイル２の出力が高められるようにして実施される。一方、出力減少ステップＳ１ｃは、加熱工程Ｓ１の終了間際に実施されるステップであり、本実施形態では、加熱コイル２の対向領域に存在する外輪Ｒの個数が１個ずつ減る毎に７０％→６０％→５０％の順で加熱コイル２の出力が下がっていくようにして実施される。なお、加熱コイル２の出力変化態様は上記態様に限定されるわけではない。すなわち、加熱コイル２の出力変化態様は、加熱すべきリング状部材の形状や大きさに応じて適宜設定される。

冷却部４は、適温に保持された冷却液（例えば、焼入油）４２が貯留された冷却液漕４１で構成されている。搬送手段５は、加熱工程Ｓ１で狙い温度に誘導加熱された外輪Ｒを冷却液漕４１へと搬送する役割を担う。

以下、以上で説明した熱処理設備１を用いて実施されるリング状部材Ｒの焼入硬化処理の手順について説明する。

焼入硬化処理の実施に先立って、リング状部材作製工程が実施され、リング状部材としての外輪Ｒが作製される。具体的には、例えば炭素含有量０．８質量％以上の鋼材（ここでは、ＪＩＳ Ｇ４８０５に規定の軸受鋼に分類されるＳＵＪ２）を準備し、この鋼材に鍛造等の塑性加工や旋削、研削等の機械加工を施すことにより、全体としてリング状をなした所定形状の外輪Ｒを作製する。炭素含有量０．８質量％以上の鋼としては、ＳＵＪ２以外にも、ＳＵＪ２と同じ軸受鋼に分類されるＳＵＪ３や、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定の工具鋼に分類されるＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２、ＳＫＤ３、ＳＫＤ３１などを挙げることができる。

次に、上記の熱処理設備１を用いて焼入硬化処理が実施される。焼入硬化処理は、図２に示すように、リング状部材作製工程で作製された外輪Ｒを狙い温度に誘導加熱する加熱工程Ｓ１と、狙い温度に加熱された外輪Ｒを冷却部４（冷却液漕４１）へと搬送する搬送工程Ｓ２と、外輪Ｒを冷却して焼入硬化させる冷却工程Ｓ３とを有する。

（Ａ）加熱工程Ｓ１
この加熱工程Ｓ１では、保持部３により同軸的に保持した複数の外輪Ｒを、順次狙い温度（ここではＡ₁変態点を超える温度域）に加熱する。すなわち、この加熱工程Ｓ１では、まず、保持部３上に、中心軸が一致するようにして複数の外輪Ｒが鉛直方向に積み重ねられる。外輪Ｒは、径方向寸法に対して軸方向寸法が小さい。そのため、本実施形態のように、外輪Ｒを鉛直方向に積み重ねると、加熱工程Ｓ１の実施中における外輪Ｒの姿勢が安定するという利点がある。詳細な図示は省略するが、保持部３上に複数の外輪Ｒを積み重ねる作業は自動で実施することができる。

保持部３にて複数の外輪Ｒが同軸的に保持された後、図示しない駆動手段が作動し、保持部３に鉛直方向上向きの送り力が連続的に付与される。これに伴い、保持部３により同軸的に保持された複数の外輪Ｒは、加熱コイル２の対向領域に順次（１個ずつ）進入する。このとき、加熱コイル２の出力が図３に示す態様で変化するように、高周波電源６から加熱コイル２に向けて電力が供給される。そして、各外輪Ｒは、加熱コイル２の対向領域を通過する間に、誘導加熱によって狙い温度（Ａ₁変態点を超える温度域）に加熱される。

（Ｂ）搬送工程Ｓ２
この搬送工程Ｓ２では、図４に示すように、狙い温度に加熱された外輪Ｒが、搬送手段５により冷却部４（冷却液漕４１）へと順次搬送される。

（Ｃ）冷却工程Ｓ３
この冷却工程Ｓ３では、搬送手段５によって冷却液漕４１へと搬送された外輪Ｒが、冷却液漕４１内に貯留された冷却液４２に浸漬されることによってＡ₁変態点以上の温度域からＭｓ点以下の温度域にまで冷却され、焼入硬化される。

以上の手順により、熱処理設備１を用いた外輪Ｒの焼入硬化処理が完了する。焼入硬化処理が完了した外輪Ｒには、その後、焼き戻し処理や各種仕上げ処理などの所定の処理が実施され、完成品となる。

以上で説明したように、本発明では、保持部３により同軸的に保持した複数の外輪Ｒを、外輪Ｒよりも長寸の加熱コイル２の対向領域を通過させながら加熱コイル２に通電することにより、複数の外輪Ｒを順次狙い温度に誘導加熱する加熱工程Ｓ１において、加熱コイル２の出力を、加熱コイル２の対向領域に存在する外輪Ｒの個数を考慮して（個数に応じて）変化させるようにした。このようにすれば、加熱コイル２の対向領域の一部にしか外輪Ｒが存在しない加熱工程Ｓ１の開始直後および終了間際の段階においても、個々の外輪Ｒに生じる誘導電流量を最適化することができるので、外輪Ｒが狙い温度を超えて加熱されるのを、またこれとは逆に、加熱不足の外輪Ｒが生じるのを効果的に防止することができる。また、このようにすれば、一定出力となるように加熱コイル２に通電する場合に比べ、消費電力量を減じることができるので、熱処理に要するコストを減じることができる。その一方で、加熱工程Ｓ１は、いわゆる連続加熱により実施される。そのため、連続加熱法を採用することによって享受し得る作用効果、具体的には、各外輪Ｒを均熱加熱することができる、加熱処理を効率良く行い得る、などといった作用効果を有効に享受できる。従って、本発明によれば、転がり軸受の外輪Ｒ等、鋼からなるリング状部材に対する焼入硬化処理を効率的に、しかも不良品を極力発生させることなく適切に実施することができる。

特に本実施形態では、加熱工程Ｓ１の初期段階に、加熱コイル２の出力を段階的に増加させる出力増加ステップＳ１ａを設けると共に、加熱工程Ｓ１の終了間際に、加熱コイル２の出力を段階的に減少させる出力減少ステップＳ１ｃを設け、出力増加ステップＳ１ａにおける加熱コイル２の出力増加態様と、出力減少ステップＳ１ｃにおける加熱コイル２の出力減少態様とを互いに異ならせている。すなわち、図３に示すように、両ステップＳ１ａ，Ｓ１ｃにおける加熱コイル２の出力波形の何れか一方を反転させて他方に重ね合わせたとき、両出力波形は一致しない。このように設定したのは、誘導加熱すべきワークの電気伝導率や磁性は温度上昇に伴って変化するからである。要するに、加熱コイル２の対向領域に存在する外輪Ｒの個数が同じでも、相対的に加熱開始側に近い位置に配置された外輪Ｒと、相対的に加熱終了側に近い位置に配置された外輪Ｒとでは温度上昇態様に違いがあるからである。従って、上記のように設定しておけば、加熱工程Ｓ１に供する外輪Ｒの全てを狙い温度に加熱することができる。

ここで、ＳＵＪ２のように炭素を０．８質量％以上含む鋼材に対する加熱処理は、通常、オーステナイト中に０．６質量％程度の炭素を溶かし込み、残りは炭化物として残留させるようにして行う。これは、０．６質量％以上炭素が溶け込んでもマルテンサイトの硬度の変化が小さいことに加え、過剰な炭素の溶け込みは、残留オーステナイトの原因、すなわち硬度低下や経年劣化を引き起こす原因となるからである。また、炭化物を残留させることにより、加熱中のオーステナイト結晶粒成長の抑制や、ワークの耐摩耗性向上に寄与するからである。そして、鋼材中への炭素の溶け込み量はワークの加熱温度および加熱時間によって左右され、本発明で採用する加熱法は、加熱温度を加熱コイル２の出力で調整することができ、また、加熱時間を加熱コイル２に対する外輪Ｒ（保持部３）の相対移動速度で調整することができる。従って、本発明に係る熱処理方法は、ＳＵＪ２で作製された外輪Ｒに対する熱処理方法として特に好適である。

以上、本発明の一実施形態について説明を行ったが、本発明の実施の形態はこれに限定されるものではない。

例えば、以上で説明した実施形態では、出力増加ステップＳ１ａにおける加熱コイル２の出力変化の回数と、出力減少ステップＳ１ｃにおける加熱コイル２の出力変化の回数とを同数（何れも３回）としたが、両ステップＳ１ａ，Ｓ１ｃにおける加熱コイル２の出力変化の回数は、必ずしも同数に設定する必要はなく、互いに異ならせても良い。

また、以上で説明した実施形態では、同軸的に保持した複数の外輪Ｒを順次狙い温度に誘導加熱すると共に、狙い温度に誘導加熱された外輪Ｒを、順次搬送工程Ｓ２、さらには冷却工程Ｓ３に送り込むようにしたが、搬送工程Ｓ２および冷却工程Ｓ３は、狙い温度に誘導加熱された複数の外輪Ｒに対してまとめて実施するようにしても良い。

また、以上で説明した実施形態では、加熱部２と保持部３（保持部３により同軸的に保持された複数の外輪Ｒ）の相対移動方向を鉛直方向としたが、本発明は、加熱部２と保持部３とを水平方向に相対移動させる際にも適用することができる。また、以上で説明した実施形態では、保持部３をピッチ送り（間欠的に連続送り）するようにしたが、保持部３を滑らかに連続送りさせる場合でも、本発明は好ましく適用し得る。

また、以上では、炭素含有量０．８質量％以上の鋼からなるリング状部材としての外輪Ｒに熱処理を施す際に本発明を適用したが、本発明は、炭素含有量０．８質量％未満の鋼（例えば、ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定の機械構造用炭素鋼に分類されるＳ４５ＣやＳ５３Ｃ）からなるリング状部材に熱処理を施す際にも好ましく適用することができる。

また、本発明に係る熱処理方法は、転がり軸受の外輪のみならず、例えば、転がり軸受の内輪、すべり軸受、等速自在継手を構成する外側継手部材や内側継手部材、転がり軸受や等速自在継手に組み込まれる保持器などといった他のリング状部材に熱処理を施す際にも、好ましく適用することができる。

本発明の有用性を実証するため、従来方法を用いて複数のリング状部材を誘導加熱した場合と、本発明に係る方法を用いて複数のリング状部材を誘導加熱した場合とで、複数のリング状部材の加熱態様に差異が生じるか否かを比較検証した。ここでいう従来方法とは、同軸的に保持した複数のリング状部材と、リング状部材よりも長寸で、かつ一定電力が供給されている加熱コイルとを軸方向に相対移動させることにより複数のリング状部材を順次狙い温度に誘導加熱する方法であり、本発明に係る方法とは、図１等に示す熱処理設備１を用いて実施した方法である。なお、この比較試験では、同軸的に保持した２０個のＳＵＪ２製の外輪を８５０〜９００℃の温度範囲に順次誘導加熱することを目標とした。そして、同軸的に保持した２０個の外輪のうち、加熱開始側に配置した５個の外輪温度、中央部付近に配置した５個の外輪温度、および加熱終了側に配置した５個の外輪温度を、誘導加熱完了後にそれぞれ測定した。測定結果を図５に示す。

図５から明らかなように、従来方法（比較例）では、中央部付近に配置した外輪のみしか狙い温度に加熱されず、加熱開始側に配置した外輪および加熱終了側に配置した外輪については、全てが狙い温度を超えて加熱された。これに対し、本発明に係る方法（実施例）では、加熱開始側、中央部付近および加熱終了側に配置した外輪が、何れも、狙い温度の範囲内に加熱された。従って、本発明の有用性が実証される。

１ 熱処理設備
２ 加熱コイル
３ 保持部
４ 冷却部
６ 高周波電源
Ｒ 外輪（鋼からなるリング状部材）
Ｓ１ 加熱工程
Ｓ１ａ 出力増加ステップ
Ｓ１ｂ 中間ステップ
Ｓ１ｃ 出力減少ステップ
Ｓ３ 冷却工程

Claims (5)

1. 鋼からなり、同軸的に保持された複数のリング状部材と、リング状部材よりも長寸の加熱コイルとを軸方向に相対移動させながら前記加熱コイルに通電することにより、前記複数のリング状部材を順次狙い温度に誘導加熱する加熱工程を含むリング状部材の熱処理方法であって、
   加熱工程では、前記加熱コイルの対向領域に存在するリング状部材の個数を考慮して、前記加熱コイルの出力を変化させることを特徴とするリング状部材の熱処理方法。
2. 加熱工程は、前記加熱コイルの出力を段階的に増加させる出力増加ステップと、前記加熱コイルの出力を段階的に減少させる出力減少ステップとを有する請求項１に記載のリング状部材の熱処理方法。
3. 出力増加ステップにおける前記加熱コイルの出力増加態様と、出力減少ステップにおける前記加熱コイルの出力減少態様とを互いに異ならせる請求項２に記載のリング状部材の熱処理方法。
4. 狙い温度に誘導加熱されたリング状部材を冷却する冷却工程をさらに有する請求項１〜３の何れか一項に記載のリング状部材の熱処理方法。
5. リング状部材が、炭素含有量０．８質量％以上の鋼からなる請求項１〜４の何れか一項に記載のリング状部材の熱処理方法。

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