JP2017206758A - リング状部材の熱処理方法、リング状部材の製造方法、転がり軸受の軌道輪および転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能であり、さらに結晶粒の粗大化を抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供する。【解決手段】リング状部材の熱処理方法は、鋼からなるリング状の成形体１０の転走面１１に面するように配置され、成形体１０を誘導加熱するコイル２１を、成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体１０にＡ１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。加熱領域を形成する工程においては、成形体１０の表面温度が常温から８５０℃まで加熱される間における平均昇温速度が６０℃／ｍｉｎ以上となるように、成形体１０が加熱される。【選択図】図２

Description

本発明はリング状部材の熱処理方法、リング状部材の製造方法、転がり軸受の軌道輪および転がり軸受に関し、より特定的には、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法、ならびに当該製造方法により製造された転がり軸受の軌道輪および転がり軸受に関するものである。

転がり軸受の軌道輪などの鋼からなるリング状部材に対する焼入硬化処理として、高周波焼入が採用される場合がある。この高周波焼入は、リング状部材を炉内で加熱した後、油などの冷却液中に浸漬する一般的な焼入硬化処理に比べて、設備を簡略化できるとともに、短時間での熱処理が可能となるなどの利点を有している。

しかし、高周波焼入において、リング状部材の周方向に沿った焼入硬化すべき環状の領域を同時に加熱するためには、当該領域に対向するように、当該リング状部材を誘導加熱するためのコイルなどの誘導加熱部材を配置する必要がある。そのため、大型のリング状部材を焼入硬化する場合、それに応じた大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源が必要となり、焼入装置の製作コストが高くなるという問題がある。

このような問題を回避する方策として、小型の誘導加熱コイルを用いた移動焼入が採用される場合がある。この移動焼入においては、リング状部材の加熱すべき環状の領域の一部に対向して配置され、当該領域に沿って相対的に移動するコイルを用いて高周波誘導加熱を実施し、加熱された領域に対してコイルの通過直後に水などの冷却液を噴射することにより、当該領域を順次焼入硬化する。しかし、単にこの移動焼入を採用した場合、焼入が開始された領域（焼入開始領域）からコイルが一回りし、最後に焼入を実施すべき領域（焼入終了領域）を焼入硬化する際、焼入開始領域と焼入終了領域とが部分的に重複する。そのため、重複した領域が再焼入されることによる焼割れの発生が懸念される。また、上記重複した領域に隣接する領域は、焼入終了領域の加熱に伴ってＡ_１点以下の温度に加熱されて焼戻されるため、硬度が低下するおそれもある。そのため、移動焼入が採用される場合、焼入開始領域と焼入終了領域との間に焼入を実施しない領域（ソフトゾーン）を残存させる対策が採られるのが一般的である。このソフトゾーンは、硬度が低いため、降伏強度が低く、また耐摩耗性も不十分である。そのため、たとえば転がり軸受の軌道輪にソフトゾーンを形成した場合、当該ソフトゾーンが負荷域とならないように配慮する必要がある。

そこで、硬度の低いソフトゾーンの形成を回避し、かつ小型の誘導加熱コイルを用いた移動焼入が採用される方法が、たとえば特開２０１１−２６６３３号公報（特許文献１）にて提案されている。

特開２０１１−２６６３３号公報

しかしながら、特開２０１１−２６６３３号公報のような小型の誘導加熱コイルを含む移動焼入用の装置を用いて大型のリング状部材を誘導加熱する場合は、コストおよびサイズの都合により、容量が十分に大きくない電源を含む装置を用いざるを得ない場合がある。その場合、加熱時の昇温速度が遅くなり、焼入されるリング状部材の結晶粒の粗大化および混粒発生の原因となる。この現象は特に、炭化物によるピン止め効果を期待できない亜共析鋼において顕著となる。結晶粒の粗大化は、疲労強度の低下のような不具合を招来する。また混粒発生は、疲労強度の低下のような不具合を招来する。

本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能であり、さらに結晶粒の粗大化を抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法、ならびに当該製造方法により製造されたリング状部材、転がり軸受の軌道輪および転がり軸受を提供することである。

本発明に従ったリング状部材の熱処理方法は、鋼からなるリング状の成形体の一部に面するように配置され、成形体を誘導加熱する誘導加熱部材を、成形体の周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体にＡ_１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。加熱領域を形成する工程においては、成形体の表面温度が常温から８５０℃まで加熱される間における平均昇温速度が６０℃／ｍｉｎ以上となるように、成形体が加熱される。

本発明のリング状部材の熱処理方法においては、リング状の成形体の一部に面するように配置された誘導加熱部材が周方向に沿って相対的に回転することにより、成形体に加熱領域が形成される。そのため、リング状部材の外形形状に対して小さい誘導加熱部材を採用することが可能である。その結果、大型のリング状部材を焼入硬化する場合でも、焼入装置の製作コストを抑制することができる。また、本発明のリング状部材の熱処理方法においては、加熱領域全体がＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却される。そのため、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能となり、一部の領域に残留応力が集中することが抑制される。さらに、加熱工程において成形体の表面の平均昇温速度が上記のように比較的高くなるように制御されれば、焼入時の結晶粒の粗大化を抑制することができる。このように、本発明のリング状部材の熱処理方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状であり、かつ結晶粒の粗大化および混粒の発生が抑制された高品質の焼入硬化領域を形成することが可能なリング状部材の熱処理方法を提供することができる。

上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程では、誘導加熱部材が成形体の周方向に沿って相対的に２周以上回転してもよい。これにより、周方向における温度のばらつきを抑制し、均質な焼入硬化を実現することができる。

上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程では、誘導加熱部材が成形体の周方向に沿って複数個配置されてもよい。これにより、周方向における温度のばらつきを抑制し、均質な焼入硬化を実現することができる。

本発明に従ったリング状部材の製造方法は、鋼からなるリング状の成形体を準備する工程と、成形体を焼入硬化する工程とを備えている。そして、成形体を焼入硬化する工程では、上記本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて成形体を焼入硬化する。

本発明のリング状部材の製造方法では、成形体を焼入硬化する工程において、上記本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて成形体が焼入硬化される。そのため、本発明のリング状部材の製造方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能なリング状部材の製造方法を提供することができる。

本発明に従ったリング状部材は、上記本発明のリング状部材の製造方法により製造される。本発明のリング状部材によれば、上記発明のリング状部材の製造方法により製造されていることにより、熱処理のコストが抑制されつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域が形成されたリング状部材を提供することができる。

本発明の一の局面における転がり軸受の軌道輪は、上記本発明のリング状部材の製造方法により製造され、１０００ｍｍ以上の内径を有する。本発明の転がり軸受の軌道輪によれば、上記本発明のリング状部材の製造方法により製造されていることにより、熱処理のコストが抑制されつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域が転走面を含むように形成された大型の軌道輪を提供することができる。

また、本発明の他の局面における転がり軸受の軌道輪は、１０００ｍｍ以上の内径を有する転がり軸受の軌道輪である。この転がり軸受の軌道輪は、転動体が転走する面である転走面の焼入硬化層が、高周波焼入により全周にわたって一様な深さに形成されたことを特徴とする。別の観点から説明すると、本発明の他の局面における転がり軸受の軌道輪は、１０００ｍｍ以上の内径を有するとともに、高周波焼入により形成され、周方向に沿った円環形状の一様な深さの焼入硬化層を有し、当該焼入硬化層の表面が転走面となっている。なお、周方向に沿った円環形状の一様な深さの焼入硬化層とは、周方向において厚みが連続している（不連続となっていない）焼入硬化層を意味する。

本発明の他の局面における転がり軸受の軌道輪によれば、周方向に均質な円環形状の焼入硬化層が高周波焼入により形成されていることにより、耐久性に優れた大型の軌道輪を提供することができる。

本発明に従った転がり軸受は、内輪と、内輪の外周側を取り囲むように配置された外輪と、内輪と外輪との間に配置された複数の転動体とを備えている。そして、上記内輪および外輪の少なくともいずれか一方は上記本発明の転がり軸受の軌道輪である。

本発明の転がり軸受によれば、周方向に均質な環状の焼入硬化領域が転走面を含むように形成された上記転がり軸受の軌道輪が、内輪および外輪の少なくともいずれか一方に採用されているため、耐久性に優れた転がり軸受を提供することができる。

上記転がり軸受は、風力発電装置において、内輪にはブレードに接続された主軸が貫通して固定され、外輪はハウジングに対して固定されることにより、主軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受（風力発電装置用転がり軸受）として用いることができる。上記耐久性に優れた本発明の転がり軸受は、風力発電装置用転がり軸受として好適である。

なお、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

以上の説明から明らかなように、本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質でありかつ結晶粒の粗大化および混粒発生が抑制された環状の焼入硬化領域を形成することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供することができる。

転がり軸受内輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。 焼入硬化工程を説明するための概略図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。 実施の形態２における焼入硬化工程を説明するための概略図である。 風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成を示す概略図である。 図５における主軸用軸受の周辺を拡大して示す概略断面図である。 転走面付近における深さ方向の残留応力分布を示す図である。 転走面付近における深さ方向の硬度分布を示す図である。 成形体の昇温後における結晶粒の状態を示す写真である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、リング状部材である転がり軸受の軌道輪（内輪）の製造方法を例に、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における内輪の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として成形体準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえばＪＩＳ規格Ｓ５３Ｃからなる鋼材が準備され、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、所望の内輪の形状に応じた形状を有する成形体が作製される。

次に、図１を参照して、焼入硬化工程が実施される。この焼入硬化工程は、工程（Ｓ２０）として実施される誘導加熱工程と、工程（Ｓ３０）として実施される冷却工程とを含んでいる。工程（Ｓ２０）では、図２および図３を参照して、誘導加熱部材としてのコイル２１が、工程（Ｓ１０）において作製された成形体１０において転動体が転走すべき面である転走面１１の一部に面するように配置される。ここで、コイル２１において転走面１１に対向する面は、図３に示すように転走面１１に沿った形状を有している。次に、成形体１０が中心軸周り、具体的には矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。これにより、成形体１０の転走面１１を含む表層領域がＡ_１点以上の温度に誘導加熱され、転走面１１に沿った円環状の加熱領域１１Ａが形成される。

この誘導加熱の際には、成形体１０の転走面１１を含む表層領域が常温から８５０℃まで加熱される間における平均昇温速度が６０℃／ｍｉｎ以上とされる。ここでは常温とはたとえば１０℃以上３０℃以下を意味する。なお平均昇温速度は６５℃以上であることがより好ましく、７０℃以上であることがさらに好ましい。

次に、工程（Ｓ３０）においては、工程（Ｓ２０）において形成された加熱領域１１Ａを含む成形体１０全体に対して、たとえば冷却液としての水が噴射されることにより、加熱領域１１Ａ全体がＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却される。これにより、加熱領域１１Ａがマルテンサイトに変態し、硬化する。以上の手順により、高周波焼入が実施され、焼入硬化工程が完了する。

次に、工程（Ｓ４０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）において焼入硬化された成形体１０が、たとえば炉内に装入され、Ａ_１点以下の温度に加熱されて所定の時間保持されることにより、焼戻処理が実施される。

次に、工程（Ｓ５０）として仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、たとえば転走面１１に対して研磨加工などの仕上げ加工が実施される。以上のプロセスにより、転がり軸受の内輪が完成し、本実施の形態における内輪の製造は完了する。

本実施の形態では、工程（Ｓ２０）において、成形体１０の一部に面するように配置されたコイル２１を周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体１０に加熱領域１１Ａが形成される。そのため、成形体１０の外形形状に対して小さいコイル２１を採用することが可能となっており、大型の成形体１０を焼入硬化する場合でも、焼入装置の製作コストを抑制することができる。また、本実施の形態では、加熱領域１１Ａ全体がＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却される。そのため、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能となり、一部の領域に残留応力が集中することが抑制される。さらに本実施の形態では、加熱工程において成形体１０の転走面１１を含む表層領域の平均昇温速度が上記のように比較的高くなるように制御されるため、成形体１０の結晶粒の粗大化および当該結晶への混粒発生を抑制することができる。その結果、本実施の形態における内輪の製造方法は、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状であり、かつ結晶粒の粗大化および混粒の発生が抑制された高品質の焼入硬化領域を形成することが可能なリング状部材の製造方法となっている。

ここで、上記工程（Ｓ２０）では、成形体１０は少なくとも１回転すればよいが、周方向における温度のばらつきを抑制し、より均質な焼入硬化を実現するためには、複数回回転することが好ましい。すなわち、誘導加熱部材としてのコイル２１は、成形体１０の周方向に沿って相対的に２周以上回転することが好ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２におけるリング状部材としての内輪の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における内輪の製造方法は、工程（Ｓ２０）におけるコイル２１の配置において、実施の形態１の場合とは異なっている。

すなわち、図４を参照して、実施の形態２における工程（Ｓ２０）では、成形体１０を挟んで一対のコイル２１が配置される。そして、成形体１０が矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。これにより、成形体１０の転走面１１を含む表層領域がＡ_１点以上の温度に誘導加熱され、転走面１１に沿った円環状の加熱領域１１Ａが形成される。

このように、コイル２１が成形体１０の周方向に沿って複数個（本実施の形態では２個）配置されることにより、実施の形態２における転がり軸受の内輪の製造方法は、周方向における温度のばらつきを抑制し、均質な焼入硬化を実現可能なリング状部材の製造方法となっている。

なお、上記実施の形態においてはコイル２１を固定し、成形体１０を回転させる場合について説明したが、成形体１０を固定し、コイル２１を成形体１０の周方向に回転させてもよいし、コイル２１および成形体１０の両方を回転させることにより、コイル２１を成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させてもよい。ただし、コイル２１には、コイル２１に電流を供給する配線などが必要であるため、上述のようにコイル２１を固定することが合理的である場合が多い。

また、上記実施の形態においては、リング状部材の一例としてラジアル型転がり軸受の内輪の熱処理および製造が実施される場合について説明したが、本発明を適用可能なリング状部材はこれに限られず、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪であってもよいし、スラスト型軸受の軌道輪であってもよい。さらに、本発明を適用可能なリング状部材は軸受の軌道輪に限られず、鋼からなるリング状の種々の部材の熱処理および製造に、本発明を適用することができる。ここで、工程（Ｓ２０）において、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の内周側に形成された転走面に面するように配置すればよい。また、工程（Ｓ２０）において、たとえばスラスト型転がり軸受の軌道輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の端面側に形成された転走面に面するように配置すればよい。

さらに、上記実施の形態では、被処理物を部分的に焼入硬化することが可能な高周波焼入の特徴を利用して、転がり軸受の軌道輪の転走面を含む表層部のみを焼入硬化する部分焼入が実施される場合について説明したが、本発明は部分焼入のみに適用可能なものではなく、たとえば軌道輪の全体を焼入硬化する場合にも適用可能である。

また、リング状部材である成形体１０の周方向における誘導加熱部材としてのコイル２１の長さは、効率よく均質な加熱を実現するように適切に決定することができるが、たとえば加熱すべき領域の長さの１／１２程度、すなわちリング状部材の中心軸に対する中心角が３０°となる程度の長さとすることができる。

さらに、本発明における高周波焼入の具体的な条件は、リング状部材（成形体）の大きさ、肉厚、材質、電源の容量など条件を考慮して、適切に設定することができる。具体的には、たとえばＪＩＳ規格Ｓ５３からなり、外形φ２０００ｍｍ、内径φ１８６０ｍｍ、幅ｔ１００ｍｍの成形体の表層部を高周波焼入する場合、成形体の回転速度は３０ｒｐｍ、電源の周波数は３ｋＨｚ、誘導加熱による総発熱量は２５０ｋＷとすることにより、適切な焼入を達成することができる。

また、周方向における温度のばらつきを抑制するためには、誘導加熱完了後、Ｍ_Ｓ点以下の温度への冷却前に、成形体を加熱が停止された状態に保持する工程を設けることが好ましい。より具体的には、上記成形体の形状および加熱条件の下においては、たとえば加熱完了後３秒間加熱を停止した状態に保持することにより、加熱された領域の表面における周方向の温度のばらつきを２０℃以下程度にまで抑制することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明のリング状部材が風力発電装置用軸受（風力発電装置用転がり軸受）を構成する軌道輪として用いられる実施の形態３について説明する。

図５を参照して、風力発電装置５０は、旋回翼であるブレード５２と、ブレード５２の中心軸を含むように、一端においてブレード５２に接続された主軸５１と、主軸５１の他端に接続された増速機５４とを備えている。さらに、増速機５４は、出力軸５５を含んでおり、出力軸５５は、発電機５６に接続されている。主軸５１は、風力発電装置用転がり軸受である主軸用軸受３により、軸まわりに回転自在に支持されている。また、主軸用軸受３は、主軸５１の軸方向に複数個（図５では２個）並べて配置されており、それぞれハウジング５３により保持されている。主軸用軸受３、ハウジング５３、増速機５４および発電機５６は、機械室であるナセル５９の内部に格納されている。そして、主軸５１は一端においてナセル５９から突出し、ブレード５２に接続されている。

次に、風力発電装置５０の動作について説明する。図５を参照して、風力を受けてブレード５２が周方向に回転すると、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３によりハウジング５３に対して支持されつつ、軸まわりに回転する。主軸５１の回転は、増速機５４に伝達されて増速され、出力軸５５の軸まわりの回転に変換される。そして、出力軸５５の回転は、発電機５６に伝達され、電磁誘導作用により起電力が発生して発電が達成される。

次に、風力発電装置５０の主軸５１の支持構造について説明する。図６を参照して、風力発電装置用転がり軸受としての主軸用軸受３は、風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の外輪３１と、外輪３１の内周側に配置された風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の内輪３２と、外輪３１と内輪３２との間に配置され、円環状の保持器３４に保持された複数のころ３３とを備えている。外輪３１の内周面には外輪転走面３１Ａが形成されており、内輪３２の外周面には２つの内輪転走面３２Ａが形成されている。そして、２つの内輪転走面３２Ａが、外輪転走面３１Ａに対向するように、外輪３１と内輪３２とは配置されている。さらに、複数のころ３３は、２つの内輪転走面３２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面３１Ａと内輪転走面３２Ａとに、ころ接触面３３Ａにおいて接触し、かつ保持器３４に保持されて周方向に所定のピッチで配置されることにより複列（２列）の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、外輪３１には、外輪３１を径方向に貫通する貫通孔３１Ｅが形成されている。この貫通孔３１Ｅを通して、外輪３１と内輪３２との間の空間に潤滑剤を供給することができる。以上の構成により、主軸用軸受３の外輪３１および内輪３２は、互いに相対的に回転可能となっている。

一方、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３の内輪３２を貫通するとともに、外周面５１Ａにおいて内輪の内周面３２Ｆに接触し、内輪３２に対して固定されている。また、主軸用軸受３の外輪３１は、ハウジング５３に形成された貫通孔の内壁５３Ａに外周面３１Ｆにおいて接触するように嵌め込まれ、ハウジング５３に対して固定されている。以上の構成により、ブレード５２に接続された主軸５１は、内輪３２と一体に、外輪３１およびハウジング５３に対して軸まわりに回転可能となっている。

さらに、内輪転走面３２Ａの幅方向両端には、外輪３１に向けて突出する鍔部３２Ｅが形成されている。これにより、ブレード５２が風を受けることにより発生する主軸５１の軸方向（アキシャル方向）の荷重が支持される。また、外輪転走面３１Ａは、球面形状を有している。そのため、外輪３１と内輪３２とは、ころ３３の転走方向に垂直な断面において、当該球面の中心を中心として互いに角度をなすことができる。すなわち、主軸用軸受３は、複列自動調心ころ軸受である。その結果、ブレード５２が風を受けることにより主軸５１が撓んだ場合であっても、ハウジング５３は、主軸用軸受３を介して主軸５１を安定して回転自在に保持することができる。

そして、実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての外輪３１および内輪３２は、たとえば上記実施の形態１または２に記載のリング状部材の製造方法により製造されている。この外輪３１および内輪３２は、１０００ｍｍ以上の内径を有する風力発電装置用転がり軸受の軌道輪である。そして、転動体が転走する面である外輪転走面３１Ａおよび内輪転走面３２Ａの焼入硬化層は、高周波焼入により全周にわたって一様な深さに形成されている。すなわち、外輪３１および内輪３２は、１０００ｍｍ以上の内径を有するとともに、高周波焼入により形成され、周方向に沿った円環形状の一様な深さの焼入硬化層を有し、当該焼入硬化層の表面が、それぞれ外輪転走面３１Ａおよび内輪転走面３２Ａとなっている。その結果、上記外輪３１および内輪３２は、熱処理のコストが抑制されつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域が転走面を含むように形成された大型の軌道輪となっており、過酷な環境下においても使用可能な風力発電装置用軸受を構成する軌道輪となっている。

本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて鋼製の成形体（転がり軸受の内輪）を熱処理し、当該成形体の特性を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

まず、図２および図３を参照して、ＪＩＳ規格Ｓ５３Ｃからなり、外径ｄ_１が２４００ｍｍ、転走面１１の最小径ｄ_２が２３５０ｍｍ、内径ｄ_３が２２００ｍｍ、幅１００ｍｍの成形体１０を準備し、上記実施の形態１における工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）と同様の工程を実施することにより、成形体１０に高周波焼入れを施した。このとき、電源の電力は６５ｋＷ、電源の周波数は１０ｋＨｚ、成形体１０の回転速度は３０ｒｐｍとした。なお成形体１０の組成は以下の表１のとおりとした。表１中の数値の単位は質量％である。

そして、工程（Ｓ２０）において転走面１１の温度が常温である２０℃から９５０℃まで１５分間で昇温された後、工程（Ｓ３０）において加熱領域１１Ａ全体を同時にＭ_Ｓ点以下の温度にまで冷却した（実施例）。なお工程（Ｓ２０）での転走面１１の昇温工程においては、少なくとも常温から８５０℃までの平均昇温速度は６０℃／ｍｉｎ以上とされた。

一方、上記実施例と同様の成形体を準備し、上記従来の移動焼入を実施してソフトゾーンを残存させたもの（比較例１）、および上記特許文献２に記載のように、成形体の周方向反対向きに移動する２つのコイルを用いて、ソフトゾーンの形成を回避したもの（比較例２）も作製した。比較例においては、電源の電力を６５ｋＷ、電源の周波数を１０ｋＨｚ、コイルの送り速度を２ｍｍ／ｓとした。そして、上記実施例および比較例の焼入後の成形体について、転走面付近における深さ方向の残留応力分布および硬度分布を調査した。なお、比較例２については、当該調査は最後に焼入が実施された領域について行なった。また、上記実施例および比較例の焼入後の成形体について、真円度の測定を行なった。

次に、実験の結果について図７、図８および図９を参照して説明する。ここで、図７および図８において、横軸は転走面（表面）からの深さを示している。また、図７の縦軸は引張応力を正、圧縮応力を負として表した残留応力値、図８の縦軸はビッカース硬度を示している。

図７を参照して、実施例Ｂでは最大４００ＭＰａ程度の引張応力が内部に残留しており、焼割れが発生する懸念がある。これに対し、本発明の実施例では、内部における引張応力の最大値は２００ＭＰａ程度に抑制されている。また、図８を参照して、転走面付近における深さ方向の硬度分布は、実施例および比較例において大きな差は存在せず、本発明の実施例は良好な硬度分布を有しているといえる。

一方、真円度の測定を行なった結果、実施例の真円度が最も優れており、比較例Ａと比較例Ｂとの間には有意な差は見られなかった。

また図９を参照して、この写真より、実施例の旧オーステナイト結晶粒、すなわち工程（Ｓ２０）にて成形体１０を９５０℃まで６０℃／ｍｉｎ以上で昇温させた状態（その後の冷却の直前）における成形体１０の結晶粒は、粗大化が抑制できていることが分かった。

以上の実験結果より、本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法によれば、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成し、焼割れの発生等を抑制できることが確認された。またリング状部材の結晶粒の粗大化を抑制できることが確認された。

なお、上記実施の形態および実施例においては、リング状部材（成形体）を構成する鋼としてＪＩＳ規格Ｓ５３Ｃが採用される場合について説明したが、採用可能な鋼はこれに限られない。たとえば、リング状部材を構成する鋼としては、Ｓ５５Ｃなどの機械構造用炭素鋼、ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼など、種々の鋼を採用することができる。また、上記実施の形態および実施例においては、リング状部材の一例として転がり軸受の軌道輪を例示したが、本発明を適用可能なリング状部材はこれに限られず、焼入硬化処理が必要な鋼からなる種々のリング状部材に本発明を適用することができる。さらに、本発明は、大型の転がり軸受の軌道輪に適用されることが特に好ましく、具体的には、ＣＴスキャナのＸ線照射部が設置された回転架台を、当該回転架台に対向するように配置される固定架台に対して回転自在に支持するＣＴスキャナ用転がり軸受の軌道輪や、風力発電用風車の主軸や旋回部を支持する風力発電装置用軸受の軌道輪に適用されることが特に好ましい。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法は、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが求められるリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に、特に有利に適用され得る。

３ 主軸用軸受、１０ 成形体、１１ 転走面、１１Ａ 加熱領域、２１ コイル、３１ 外輪、３１Ａ 外輪転走面、３１Ｅ 貫通孔、３１Ｆ 外周面、３２ 内輪、３２Ａ 内輪転走面、３２Ｅ 鍔部、３２Ｆ 内周面、３３ ころ、３３Ａ ころ接触面、３４ 保持器、５０ 風力発電装置、５１ 主軸、５１Ａ 外周面、５２ ブレード、５３ ハウジング、５３Ａ 内壁、５４ 増速機、５５ 出力軸、５６ 発電機、５９ ナセル。

Claims (7)

1. 鋼からなるリング状の成形体の一部に面するように配置され、前記成形体を誘導加熱する誘導加熱部材を、前記成形体の周方向に沿って相対的に回転させることにより、前記成形体にＡ_１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、
   前記加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備え、
   前記加熱領域を形成する工程においては、前記成形体の表面温度が常温から８５０℃まで加熱される間における平均昇温速度が６０℃／ｍｉｎ以上となるように、前記成形体が加熱される、リング状部材の熱処理方法。
2. 前記加熱領域を形成する工程では、前記誘導加熱部材は、前記成形体の周方向に沿って相対的に２周以上回転する、請求項１に記載のリング状部材の熱処理方法。
3. 前記加熱領域を形成する工程では、前記誘導加熱部材は、前記成形体の周方向に沿って複数個配置される、請求項１または２に記載のリング状部材の熱処理方法。
4. 鋼からなるリング状の成形体を準備する工程と、
   前記成形体を焼入硬化する工程とを備え、
   前記成形体を焼入硬化する工程では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法を用いて前記成形体を焼入硬化する、リング状部材の製造方法。
5. １０００ｍｍ以上の内径を有する転がり軸受の軌道輪であって、
   転動体が転走する面である転走面の焼入硬化層が、高周波焼入により全周にわたって一様な深さに形成されたことを特徴とする、転がり軸受の軌道輪。
6. 内輪と、
   前記内輪の外周側を取り囲むように配置された外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に配置された複数の転動体とを備え、
   前記内輪および前記外輪の少なくともいずれか一方は請求項５に記載の転がり軸受の軌道輪である、転がり軸受。
7. 風力発電装置において、前記内輪にはブレードに接続された主軸が貫通して固定され、前記外輪はハウジングに対して固定されることにより、前記主軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する、請求項６に記載の転がり軸受。

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