JP4318999B2 - 熱処理システム - Google Patents

Description

本発明は、鋼製部品に二段の熱処理（一次熱処理および二次熱処理）を施す熱処理システムに関するものである。

高い転動疲労寿命が求められる鋼製の機械部品、例えば転がり軸受の軸受部品に適合する熱処理方法として、特開平１５−２２６９１８号公報に記載されたものがある。これは、軸受部品用の鋼をＡ₁変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理した後、Ａ₁変態点未満の温度に冷却し、その後、Ａ₁変態点以上で浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度域（７９０℃〜８３０℃）に再加熱して焼入れを行うものである。

この方法によれば、表層の浸炭窒化層の存在により軸受部品が高硬度化され、かつ再加熱時の焼入れ温度がオーステナイト結晶粒の成長が生じにくい温度に抑えられるので、オーステナイト粒径を平均粒径８μｍ以下まで微小化することができる。これにより粒界強度が増すため、転動疲労寿命の向上、さらには耐割れ性の向上等の効果が得られる。

特開平１５−２２６９１８号公報

このように前記公報に開示された発明では、一次と二次の合計二段の熱処理を必要とする。この場合、一次ラインと二次ラインを直結して配置することも考えられるが、これでは全体のライン長さが長大となり、設置スペースの確保が困難となる。

そこで、本発明は、一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で一次熱処理での加熱温度よりも低温で焼入れする熱処理システムにおいて、その設置スペースの確保を容易化することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明にかかる熱処理システムは、Ｃ：０．６〜１．３ｗｔ％を含む鋼製部品をＡ₁変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する一次熱処理装置と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ₁変態点を越えかつ一次熱処理での加熱温度未満に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、鋼製部品を、一次熱処理装置による熱処理後、焼戻した上で二次焼処理装置に供給するものである。

この熱処理システムによれば、一次熱処理装置での熱処理により、表面に窒素が拡散した窒素富化層が形成されるので、鋼製部品の表面硬さが増す。その一方、一次熱処理後は鋼組織中のオーステナイト粒が粗大化しているが、その後に一次熱処理での加熱温度（一次加熱温度）よりも低温で二次熱処理が行われるため、オーステナイト粒が通常品の半分程度に微細化され、オーステナイト結晶粒度番号でいえば１０番を越える微細な結晶粒度が得られる。以上の特性から、耐摩耗性や耐割れ性を向上させ、さらに転動疲労寿命の大幅な向上を図ることができる。

本発明では、鋼製部品を、一次熱処理による熱処理後、焼戻し処理を行った上で二次熱処理装置に供給しているので、一次熱処理後、二次熱処理を行うまでの間に長期のタイムラグがあっても、その間に鋼製品に変寸や変形、あるいは焼割れ等の欠陥を生じることがない。これにより一次熱処理装置と二次熱処理装置をそれぞれ独立して離れた場所に設置することが可能となる。従って、両装置を直結する場合に比べ、設置スペースの確保が容易なものとなる

一次熱処理装置では、Ａ₁変態点以上に加熱することにより、鋼の表面に窒素を富化した窒素富化層が形成される。この加熱条件を満たす窒素富化層の形成手段としては、浸炭窒化処理が考えられ、コスト面や品質面を考慮すると特にガス浸炭窒化が好ましい。なお、一次熱処理装置でガス浸炭窒化を行う場合、一次熱処理装置の加熱機としては、浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガスで加熱する雰囲気炉が使用される。

一次熱処理装置および二次熱処理装置の何れも、Ａ₁変態点以上に加熱するための加熱機と、その後にＡ₁変態点未満に冷却するための冷却機を基本構成として含む。但し加熱機と冷却機に限られるものではなく、例えば冷却機で使用する焼入れ液の種類に応じて（油やソルトを使用する場合等）、部品表面に付着した焼入れ液を除去するための洗浄機を含めることもできる。さらには、一次熱処理後および二次熱処理後に焼戻しを行う焼戻し機を一次熱処理装置、および二次熱処理装置に組み込んで一体化することもできる。

以上のように、本発明によれば、一次熱処理後、二次熱処理を行うまでに輸送等によって長期のタイムラグが生じる場合でも、その間に鋼製品に経時による変寸や変形、あるいは焼割れや置き割れ等の欠陥を生じることがない。これにより、一次熱処理装置と二次熱処理装置をそれぞれ独立して離れた場所に設置することが可能となるので、システム全体の設置スペースの確保も容易となる。

以下、鋼製部品の一例として軸受部品を使用し、これに適用した本発明の一実施形態を説明する。

図１に本発明にかかる熱処理システムの構成を概念的に示す。図示のように、この熱処理システムは、一次熱処理装置１と二次熱処理装置２とで構成される。鍛造→旋削等の成形工程（図示せず）で成形された軸受部品は、一次熱処理装置１および二次熱処理装置２に順次移送され、それぞれの装置で加熱・冷却されて二段の熱処理を施される。

ここでいう軸受部品は、玉軸受、円錐ころ軸受、ころ軸受、針状ころ軸受等の転がり軸受の軸受部品を意味する。図２は、一例として外輪４１、内輪４２、および転動体４３を主要な構成要素とする深溝玉軸受４を示すものであり、これら外輪４１、内輪４２、および転動体４３がここでいう軸受部品に該当する。これら軸受部品の素材としては、ＳＵＪ２等の軸受鋼の他、Ｃ：０．６〜１．３ｗｔ％、Ｓｉ：０．３〜３．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．２〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．３〜５．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．１〜３ｗｔ％を含む（望ましくはＭｏ：０．０５〜０．２５ｗｔ％未満、Ｖ：０．０５〜１．０ｗｔ％をさらに含む）高温用の軸受鋼や、Ｃ：０．４〜０．８ｗｔ％、Ｓｉ：０．２〜０．９ｗｔ％、Ｍｎ：０．７〜１．３ｗｔ％、Ｃｒ：０．７ｗｔ％以下を含む中炭素鋼等も使用することができる。

一次熱処理装置１は、加熱機１１、冷却機１２、および洗浄機１３で構成される。図１では、一次熱処理装置１として連続式を例示しているが、バッチ式を使用することもできる。加熱機１１は、例えば浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気炉で構成される。この加熱機１１内では、軸受部品が図３に示すようにＡ₁変態点を越える温度Ｔ１（８００℃〜９００℃、例えば８５０℃）で所定時間（例えば４０分）加熱され、これにより活性状態の窒素が表層に拡散して軸受部品の表層が硬化される（ガス浸炭窒化）。加熱機１１は、基本的には表面に窒素富化層を形成することを目的とするから、少なくとも窒化すればよく、必ずしも浸炭は必要でない。但し、条件によっては、例えば脱炭が懸念される場合や使用鋼材の炭素量が少なく、十分な硬度を確保できない場合等は、窒化の他に浸炭も不可欠となる。加熱後の軸受部品は、冷却機１２にて図３に示すようにＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）され、さらに洗浄機１３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。

一次熱処理装置１で浸炭窒化された軸受部品は、コンベヤ等の搬送手段を介して焼戻し機５に移送され、適当な温度Ｔ₃₁（例えば１８０℃）で焼戻される。焼戻し終了後、軸受部品は二次熱処理装置２に移送される。一次熱処理装置１から焼戻し機５への移送は、焼割れや変形を防止するためにできるだけ迅速に行うのが望ましいが、焼戻し機５から二次熱処理装置２への移送は、焼戻し後であるのでそれほどの迅速性は要求されない。従って、焼戻し機５から二次熱処理装置２への軸受部品の移送は、コンベヤ等の搬送手段の他、車両等の輸送手段を用いて行うことも可能である。図示例では、焼戻し機５を一次熱処理装置１と分離して設置した場合を例示しているが、これを一次熱処理装置１に組み込んで一体化することもできる。

二次熱処理装置２は、普通焼入れを行うもので、加熱機２１、冷却機２２、洗浄機２３、および焼戻し機２４で構成される。図１では、二次熱処理装置２として連続式を例示しているが、バッチ式を使用することもできる。加熱機２１では、図３に示すように、焼戻し機５から移送された軸受部品をＡ₁変態点以上でかつ一次熱処理装置１での一次加熱温度Ｔ１未満の温度Ｔ２（７９０℃〜８３０℃、例えば８００℃）で所定時間（３０分）加熱する（二次加熱）。この二次加熱温度は、一次加熱温度よりも低温であるで、鋼中のオーステナイト粒は微細化される。二次加熱後の軸受部品は、冷却機２２にてＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）されて焼入れされ、さらに洗浄機２３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。その後、この軸受部品は焼戻し機２４に移送され、適当な温度Ｔ₃₂（例えば１８０℃）で焼戻される。加熱機２１としては、電気抵抗炉、燃焼炉等の一般的な加熱炉の他、真空炉、塩浴炉、あるいは高周波加熱をはじめとする誘導加熱炉等を使用することもできる。なお、焼戻し機２４は、図示のように二次熱処理装置２と一体化する他、これと分離して設置することもできる。

なお、以上の説明では、冷却機１２、２２での冷却方法として油冷を例示したが、塩浴や空冷等の他の冷却方法を採用することもでき、また、一次熱処理装置１と二次熱処理装置２で異なる冷却方法を採用することもできる。一次熱処理装置１の冷却機１２では、軸受部品を５００℃程度で恒温保持してもよい。本実施形態では、何れの冷却機１１、１２でも油冷する関係で、冷却機１２、２２の後段に洗浄機１３、２３を設置しているが、水冷や空冷等の場合にはこの種の洗浄機は不要となる。

以上に述べた一次加熱温度Ｔ１、二次加熱温度Ｔ２、および焼戻し温度Ｔ₃₁、Ｔ₃₂は何れも鋼材として軸受鋼ＳＵＪ２を使用する場合を例示したものである。使用鋼材の種類によっては、これらの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ₃₁、Ｔ₃₂は上記例示と異なる温度をとる場合がある。

以上の過程で熱処理された軸受部品では、表層に窒素富化層（窒素含有量０．１〜０．７ｗｔ％）が形成されるため、Ｈｖ７００を越える高硬度が得られ、かつミクロ組織中のオーステナイト粒が微細化されてそのオーステナイト結晶粒度は１０番を越えるものとなる。また、軸受部品の破壊応力値２６５０ＭＰａ以上、鋼中の水素濃度０．５ｐｐｍ以下、残留オーステナイト量１３〜２５％という通常品を遥かに凌ぐ良好な物性値が得られる。従って、耐割れ強度、耐摩耗性等を向上させることができ、さらには転動疲労寿命の向上に顕著な効果が得られる。

本発明では、一次熱処理装置１を経た軸受部品を焼戻し機５で焼戻してから二次熱処理装置２に供給しているため、焼戻し機５から二次熱処理装置２に供給するまでの焼割れや変形等の欠陥の発生を防止することができる。従って、一次熱処理装置１と二次熱処理装置２とを、例えば異なる工場に設置するなどして分離設置することができ、これにより両装置１、２を直結した場合のように長大な設置スペースを確保する必要がなく、設置スペースの確保の問題を解消することができる。

なお、以上の説明では熱処理の対象として軸受部品を例示したが、本発明はこれに限らず、高い転動疲労寿命が要求される機械部品（例えば等速自在継手の構成部品）、さらには鋼製部品一般に広く適用することができる。

本発明にかかる熱処理システムの概略構成を示す断面図である。 深溝玉軸受の断面図である。 上記熱処理システムにおける熱処理のサイクル図である。

符号の説明

１ 一次熱処理装置
２ 二次熱処理装置
４ 転がり軸受
５ 焼戻し機
１１ 加熱機（一次加熱）
１２ 冷却機
１３ 洗浄機
２１ 加熱機（二次加熱）
２２ 冷却機
２３ 洗浄機
２４ 焼戻し機
４１ 外輪
４２ 内輪
４２ 転動体

Claims (2)

1. Ｃ：０．６〜１．３ｗｔ％を含む鋼製部品をＡ₁変態点を越える温度に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する一次熱処理装置と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ₁変態点を越えかつ一次熱処理での加熱温度未満に加熱した後、Ａ₁変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、鋼製部品を、一次熱処理装置による熱処理後、焼戻した上で二次焼処理装置に供給することを特徴とする熱処理システム。
2. 一次熱処理装置が、ガス浸炭窒化させる加熱機を含む請求項１記載の熱処理システム。