JP4400203B2

JP4400203B2 - 鋼製環状部材の焼入方法

Info

Publication number: JP4400203B2
Application number: JP2003413476A
Authority: JP
Inventors: 滋沖田; 秀樹國分; 昭広木内; 厚成重; 明弘西田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP2005171322A

Description

本発明は、転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材の焼入方法に関する。

一般に、転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材はＳＵＪ２（ＪＩＳＧ４８０５）から形成されており、このような鋼製環状部材を転がり軸受の軌道輪として使用するためには、必要な硬さを得るために、焼入を鋼製環状部材に施す必要がある。しかし、鋼製環状部材を焼入する場合、従来では、「鋼の熱処理」日本鉄鋼協会、丸善（株）、１９６９年１０月１発行、ｐ４２９に記載されているように、焼入温度を８００〜８４０℃に設定し、かつ焼入冷却剤として油を使用しているため、有効な冷却能力が得られる反面、焼入冷却中に蒸気膜が発生する。このため、均一な冷却が得られず、鋼製環状部材に変形が生じ易くなる。

また、焼入が終了した後は、図１０に示すように、鋼製環状部材１に付着した焼入油１１を洗浄液１２で除去する必要があり、焼戻し工程では洗浄工程で除去しきれなかった油分がガス化するため、ガス化した油分によって作業環境が汚染されるという問題がある。さらに、定期的な清掃点検を怠った場合には、火災等の発生原因にもなりかねない。そこで、熱処理による変形や焼入油による環境汚染などを抑制するために、焼入冷却剤として高圧ガスを用いた焼入方法が提案されている（特許文献１及び２参照）。
特許第３０１７３０３号明細書特開２００２−１５５３１４号公報

しかしながら、焼入冷却剤として高圧ガスを用いると、真空状態や高圧状態を維持することのできる熱処理設備を必要とするだけでなく、熱処理設備に高圧ガスを供給する設備も必要とする。このため、焼入冷却剤として高圧ガスを用いた場合には、多大の設備費を必要とし、焼入コストを増大させる要因となる。また、鋼製環状部材の焼入を高圧状態で行なうため、大量の鋼製環状部材を連続的に焼入処理することが困難となる。このため、鋼製環状部材の焼入処理がバッチ処理となってしまい、処理効率が大きく低下する可能性がある。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材を低コストで且つ高効率で焼入することのできる鋼製環状部材の焼入方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、転がり軸受の軌道輪として使用され、０．８重量％以上１．２重量％以下のＣと、０．１５重量％以上０．５重量％以下のＳｉと、０．１５重量％以上０．５重量％以下のＭｎと、１．２重量％以上２．０重量％以下のＣｒとを含み、かつ上記成分から算出される理想臨界直径値が３以上の有効肉厚比が８％以下である鋼製環状部材を焼入れする方法であって、前記鋼製環状部材を８４０℃を超える焼入温度まで加熱した後、１０ｍ／ｓｅｃ以上３０ｍ／ｓｅｃ以下の焼入冷却風により前記鋼製環状部材を大気圧中で焼入冷却することを特徴とする。

本発明に係る鋼製環状部材の焼入方法によれば、鋼製環状部材を焼入冷却する際に真空状態や高圧状態を維持したりする必要がないので、転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材を低コストで且つ高効率で焼入することができる。

本発明に係る鋼製環状部材の焼入方法を説明する前に、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
本発明者らは、転がり軸受の軌道輪材料として最も多く用いられているＳＵＪ２相当材を使用し、高圧ガスによる焼入実験を行った。その結果、次のような知見を得た。
１．現状の高圧ガス冷炉は、図８に示すように、鋼製環状部材１をヒータ５で加熱する加熱室１３と加熱された鋼製環状部材１を冷却ファン１４で冷却する冷却室１５とが共用されるタイプと、加熱室１３と冷却室１５とが分かれているタイプがあるが、炉壁やヒータ等まで冷却しない分、後者のタイプのほうが高い冷却能を示す。

２．加熱室と冷却室とが分かれているタイプで鋼製環状部材を高圧ガスで焼入冷却する場合、図９（ａ）に示すように、少量で焼き入れる場合に比べ、図９（ｂ）に示すように、通常の量産スタイルでトレー１６を重ねた場合は焼入冷却能が低下する。
３．高圧ガスとして窒素ガスを使用し、５〜１０ｂａｒのガス圧条件でＳＵＪ２材を焼入冷却した場合、肉厚が厚いものは焼きが入らない場合があった。従って、ＳＵＪ２材で高圧焼入を適用する場合には肉厚の選定が必要となる。
４．高圧ガスとして窒素ガスを使用し、５〜１０ｂａｒのガス圧条件でＳＵＪ２材を焼入冷却した場合、同じＳＵＪ２材であっても材料成分のばらつきで焼きが入らない場合があった。従って、ＳＵＪ２材で高圧焼入を適用する場合には、材料成分のばらつきで焼入性が低下しないようにする必要がある。

上記の知見から本発明者らは、ＳＵＪ２相当材を高圧ガスで焼入冷却する場合の条件を検討した結果、焼入冷却剤として高圧ガスを用いた場合には、図９（ａ）に示すような少量処理は可能であるが、処理コストが高くなってしまうことを防ぐことができないとの結論に達した。そこで、本発明者らは常圧でのガス冷却技術に着目し、常圧でのガス冷却技術に関して種々の実験を行った。その結果、転がり軸受の軌道輪材料に最も多く使用されているＳＵＪ２相当材を十分な硬さに焼入するためには、
（１）軌道輪として使用される鋼製環状部材の炭素含有量が０．８重量％以上１．２重量％以下であること、
（２）軌道輪として使用される鋼製環状部材のＳｉ含有量が０．１５重量％以上０．５重量％以下であること、
（３）軌道輪として使用される鋼製環状部材のＭｎ含有量が０．１５重量％以上０．５重量％以下であること、
（４）軌道輪として使用される鋼製環状部材のＣｒ含有量が１．２重量％以上２．０重量％以下であること、
（５）上記成分から算出される鋼製環状部材の理想臨界直径値ＤＩが３以上であること、
（６）軌道輪として使用される鋼製環状部材の有効肉厚比Ｆが８％以下であること、
（７）軌道輪として使用される鋼製環状部材の焼入温度が８４０℃を超える温度であること、
（８）軌道輪として使用される鋼製環状部材を１０ｍ／ｓｅｃ以上の焼入冷却風により大気圧中で焼入冷却すること、
の条件が必要であるとの知見を得た。

ここで、鋼製環状部材の炭素含有量の下限値を０．８重量％とした理由は、炭素含有量が０．８重量％を下回ると、図２に示すように、転がり軸受の寿命が大きく低下するためである。また、炭素含有量の上限値を１．２重量％とした理由は、炭素含有量が１．２重量％を超えると製鋼過程で巨大炭化物が析出し、図２に示すように、転がり軸受の寿命が大きく低下するためである。

なお、図２は表１に示す組成の鋼製環状部材を焼入温度：８７０〜８９０℃、加熱時間：２５〜３５分、焼入冷風速度：１５ｍ／ｓｅｃ、焼戻し温度：１６０〜１８０℃、焼戻し時間：９０〜１２０分の熱処理条件で焼入処理を行った後、これを深溝玉軸受６８０６（ＪＩＳＢ１５１３）の軌道輪として用い、使用試験機名：日本精工（株）製玉軸受寿命試験機、試験荷重：Ｐ／Ｃ＝０．５、軸受回転数：３０００ｍｉｎ^-1、試験温度：５０〜１００℃、潤滑油：ＲＯ♯６８タービン油の試験条件で寿命試験を行った試験結果を示している。具体的には、各試験軸受を１０個ずつ用いて寿命試験を行ない、試験軸受の振動値が初期振動値の２倍になるまでの時間を測定し、その測定値を基に１０％の破損寿命をワイブル関数分布により算出した結果を示している。また、図２の縦軸は表１にＮo.２で示す鋼製環状部材を軌道輪として用いたときの軸受寿命を１とした場合の寿命比を示している。

鋼製環状部材のＳｉ含有量の下限値を０．１５重量％とした理由は、Ｓｉは焼戻し抵抗性を高め、転がり寿命に有効であるが、Ｓｉ含有量が０．１５重量％を下回ると有効な焼入性が得られないためである。また、Ｓｉ含有量の上限値を０．５重量％とした理由は、Ｓｉ含有量が０．５重量％を超えると冷間加工性が大きく低下したり、粒界酸化層や脱炭量が増加する傾向を示したりするためである。

鋼製環状部材Ｍｎ含有量の下限値を０．１５重量５とした理由は、Ｍｎは焼入性を向上させる元素であるが、Ｍｎ含有量が０．１５重量％を下回ると有効な焼入性が得られないためである。また、Ｍｎ含有量の上限値を０．５重量％とした理由は、Ｍｎ含有量が０．５重量％を超えると冷間加工や熱間加工に悪影響を及ぼす傾向があるためである。
鋼製環状部材のＣｒ含有量の下限値を１．２重量％とした理由は、Ｃｒは焼入性向上および焼戻し軟化抵抗性向上など基地を強化する元素であるが、Ｃｒ含有量が１．２重量％を下回ると転がり寿命が大きく低下するためである。また、Ｃｒ含有量の上限値を２．０重量％とした理由は、Ｃｒ含有量が２．０重量％を超えると製鋼過程で巨大炭化物が析出し、転がり軸受の寿命が大きく低下するためである。

鋼製環状部材の理想臨界直径値ＤＩ（ジョミニーインデックス）を３以上とした理由は、理想臨界直径値ＤＩが３を下回ると、図３に示すように、転がり軸受の寿命が大きく低下するためである。なお、理想臨界直径値は焼入性を表す１つのパラメータであって、芯部まで５０％のマルテンサイト組織で構成することのできる直径の臨界値を示しており、一般的には次式で表される（「鉄の熱処理」改定５版、（１９８９）、ｐ２４〜２８参照）。
ＤＩ＝〔基本（Ｃ鋼）のＤｉ〕×ｆ_Si×ｆ_Mn×ｆ_Ni×ｆ_Cr ‥‥（１）

ここで、ｆ_X（Ｘは各合金元素）は焼入倍数であり、本発明においては、これらの情報を基に独自に定義した下記の式（２）を用いてＤＩ値を算出した。その算出値を表１に併記する。
ＤＩ＝（０．２×Ｃ％＋０．１４）×（０．６４×Ｓｉ％＋１）×（４．１×Ｍｎ％＋１）×（２．３３×Ｃｒ％＋１） ‥‥（２）
鋼製環状部材の有効肉厚比Ｆを８％以下とした理由は、有効肉厚比Ｆが８％を超えると、表２及び図４に示すように、鋼製環状部材の平均硬さ（端面が鏡面研磨された１０個の鋼製環状部材の表面硬さをビッカース硬さ計で測定し、その測定値を平均化した硬さ）が大きく低下し、転がり軸受の軌道輪として必要な硬さが得られないためである。

なお、表２及び図４は表１にＮｏ．２で示す鋼製環状部材の有効肉厚比Ｆを３．３３％〜８．５５％の範囲で変化させたときの表面硬さをビッカース硬さ計で測定し、その平均硬さと有効肉厚比との関係を示している。また、有効肉厚比Ｆは、図７に示すように、鋼製環状部材の有効外径をＤ、鋼製環状部材の有効肉厚をＴとすると、次式で表される。
Ｆ＝（Ｔ／Ｄ）×１００ ‥‥（２）
但し、Ｔ＝ｔ₁−（（ｔ₁−ｔ₂）／４）
ｔ₁：最大肉厚
ｔ₂：最小肉厚
鋼製環状部材の焼入温度を８４０℃より高い温度とした理由は、図５に示すように、焼入温度が８４０℃以下になると、表３及び図５に示すように、平均硬さが大きく低下し、転がり軸受の軌道輪として必要な硬さが得られないためであり、安定した焼入硬さを得るためには、焼入温度を８８０℃以上にすることが望ましい。

なお、表３及び図５は表１にＮo.２で示す鋼製環状部材の焼入温度を８２０〜９２０℃の範囲で変化させたときの表面硬さをビッカース硬さ計で測定し、その平均硬さと焼入温度との関係を示している。
鋼製環状部材を大気圧中で焼入冷却する焼入冷却風の速度を１０ｍ／ｓｅｃ以上とした理由は、焼入冷却風の速度が１０ｍ／ｓｅｃを下回ると、表４及び図６に示すように、平均硬さが大きく低下し、転がり軸受の軌道輪として必要な硬さが得られないためである。

なお、表４及び図６は表１にＮo.２で示す鋼製環状部材を５ｍ／ｓｅｃ〜３０ｍ／ｓｅｃの焼入冷却風で焼入冷却したときの表面硬さをビッカース硬さ計で測定し、その平均硬さと焼入冷却風の速度との関係を示している。
図１に、本発明に係る鋼製環状部材の焼入方法で使用される熱処理設備の一例を示す。同図において、符号１は鋼製環状部材、２は加熱炉を示しており、この加熱炉２の内部には、シュート３から炉内に搬入された鋼製環状部材１を加熱炉２の出口に搬送するコンベヤ４が設けられていると共に、コンベヤ４上に置かれた鋼製環状部材１を加熱するヒータ５が設けられている。また、符号６はコンベヤ４により加熱炉２の出口に搬送された鋼製環状部材１を冷却炉７に投入するシュートを示しており、冷却炉７の内部には、シュート６から炉内に搬入された鋼製環状部材１を冷却炉７の出口に搬送するコンベヤ８が設けられていると共に、コンベヤ８上に載置された鋼製環状部材１に１０ｍ／ｓｅｃ以上の焼入冷却風９を送風する送風機１０が設けられている。

このように構成される熱処理設備を用いて鋼製環状部材１を焼入する場合は、先ず、鋼製環状部材１を加熱炉２で８４０℃を超える温度まで加熱する。次に、鋼製環状部材１を冷却炉７に搬送し、１０ｍ／ｓｅｃ以上の焼入冷却風９により大気圧中で焼入冷却する。
このように、０．８重量％以上１．２重量％以下のＣと、０．１５重量％以上０．５重量％以下のＳｉと、０．１５重量％以上０．５重量％以下のＭｎと、１．２重量％以上２．０重量％以下のＣｒとを含み、かつ上記成分から算出される理想臨界直径値が３以上の鋼製環状部材を所定の焼入温度まで加熱した後、１０ｍ／ｓｅｃ以上の焼入冷却風により前記鋼製環状部材を大気圧中で焼入冷却することで、焼入冷却剤として高圧ガスを用いた場合のように、鋼製環状部材１を焼入冷却する際に真空状態や高圧状態を維持したりする必要がないので、転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材１を低コストで且つ高効率で焼入することができる。

なお、上述した実施形態では、焼入性の不足や寿命の低下を防ぐために、鋼製環状部材の理想臨界直径値を３以上としたが、安定して高い寿命を得るためには、理想臨界直径値を４以上とすることが好ましい。また、理想臨界直径値は高ければ高いほど有利な条件となるが、必要以上に理想臨界直径値を高くするとＣｒやＭｏを多量に添加する必要性が生じ、コスト高となるため、ＳＵＪ２相当材の場合には、理想臨界直径値を９以下とすることが好ましい。

さらに、上述した実施形態では、焼入性の不足や不完全焼入組織の出現を防ぐために、鋼製環状部材の有効平均肉厚比を８％以下としたが、安定した高い硬さを得るためには、鋼製環状部材の有効平均肉厚比を５％以下とすることが好ましい。また、上述した実施形態では、焼入性の不足や不完全焼入組織の出現を防ぐために、焼入冷却風の速度を１０ｍ／ｓｅｃ以上としたが、安定した高い硬さを得るためには、焼入冷却風の速度を１５ｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。

本発明に係る鋼製環状部材の焼入方法で使用される熱処理設備の一例を示す概略図である。鋼製環状部材の炭素含有量と転がり軸受の寿命との関係を示す図である。鋼製環状部材の理想臨界直径値と転がり軸受の寿命との関係を示す図である。鋼製環状部材の有効肉厚比と焼入後の平均硬さとの関係を示す図である。鋼製環状部材の焼入温度と焼入後の平均硬さとの関係を示す図である。鋼製環状部材を冷却風で焼入冷却した場合の冷風速度と焼入後の平均硬さとの関係を示す図である。転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材の断面図である。焼入冷却剤として高圧ガスを使用した熱処理設備の概略をタイプ別に示す図である。焼入冷却剤として高圧ガスを使用した場合の問題点を説明するための説明図である。焼入冷却剤として焼入油を使用した熱処理設備の概略図である。

符号の説明

１鋼製環状部材
２加熱炉
３シュート
４コンベヤ
５ヒータ
６シュート
７冷却炉
８コンベヤ
９焼入冷却風
１０送風機
１１焼入油
１２洗浄液
１３加熱室
１４冷却ファン
１５冷却室
１６トレー

Claims

転がり軸受の軌道輪として使用され、０．８重量％以上１．２重量％以下のＣと、０．１５重量％以上０．５重量％以下のＳｉと、０．１５重量％以上０．５重量％以下のＭｎと、１．２重量％以上２．０重量％以下のＣｒとを含み、かつ上記成分から算出される理想臨界直径値が３以上の有効肉厚比が８％以下である鋼製環状部材を焼入れする方法であって、前記鋼製環状部材を８４０℃を超える焼入温度まで加熱した後、１０ｍ／ｓｅｃ以上３０ｍ／ｓｅｃ以下の焼入冷却風により前記鋼製環状部材を大気圧中で焼入冷却することを特徴とする鋼製環状部材の焼入方法。