JP4563534B2 - 無心焼入れ転がり軸受鋼製部品の熱処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無心焼入れ転がり軸受鋼製部品の熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受の用途に応じてないしはその形式および寸法に関係して、製造者は、転がり軸受部品に対してどのような熱処理方式を採らねばならないかを決定する。無心焼入れ転がり軸受鋼に対する熱処理方法として、マルテンサイト焼入れあるいはベイナイト化が利用される。その熱処理方法の種類に伴って、例えば硬さ、組織、残留オーステナイト含有量、寸法安定性のような部品特性が左右される。
【０００３】
【表１】

【０００４】
ベイナイトおよびマルテンサイト（安定化）は硬さ、残留オーステナイトおよび寸法安定性について差異はない。もっともベイナイトはマルテンサイトより良好な靱性を有し、異なった内部応力状態をしている。上述の両方法は次のような欠点を有している。
− これらは目下のところ常に完全に実施され、即ち完全なマルテンサイト変態あるいは完全なベイナイト変態が行われ、その場合、焼入れないしベイナイト段階における変態の時間と温度の組合せは、恒温変態曲線（Ｔ．Ｔ．Ｔ(Time-Temperatuer-Transformation) 曲線）で予め与えられているように行われる（図１における「鋼の熱処理用の図」参照）。
【０００５】
従来公知の方法はそれぞれ排他的であるために、ベイナイトとマルテンサイトとから特性を組み合わせることも、総工程時間を短縮することもできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マルテンサイトとベイナイトとの間の任意の中間の組織を形成することができ、それに応じて部品の製品特性を要求に合わせることができ、同時に処理時間を短縮できるような無心焼入れ転がり軸受鋼製部品の熱処理方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、無心焼入れ転がり軸受鋼製部品を、
ａ） オーステナイト温度に加熱する、
ｂ） この温度に保持してオーステナイト化する、
ｃ） マルテンサイト開始点（Ｍｓ−温度）まで急冷する、
ｄ） 部分的にベイナイト変態するまでベイナイト変態温度に保持する、
ｅ） 部分的なベイナイト変態後に室温まで急冷する、
ｆ） 室温に最大５分間保持する、
ｇ） 瞬間焼もどしする、
の工程を順次経る、ことによって解決される。
【０００８】
本発明に基づく方法において次の工程パラメータを変化させ、設定させる。
− オーステナイト化。
− オーステナイト温度からの急冷速度。
− ベイナイト変態の開始温度。
− ベイナイト段階の範囲における保持時間。
− この処理後における冷却様式（速度、最終温度）。
− 焼もどしまでの保持時間。
− 瞬間焼もどし。
【０００９】
これらのパラメータの設定は次の考察に基づいている。
− オーステナイト化
母体の炭素含有量は、相応した時間と温度の組合せに応じて設定される（恒温変態曲線参照）。これは、マルテンサイト開始点、ベイナイト変態が始まるまでの時間およびベイナイト変態時間にも関係する。
− 急冷速度
急冷速度は、本発明の他の特徴に基づいて、標準マルテンサイト焼入れおよび標準ベイナイト焼入れの場合のように、トルースタイト形成（変態組織内における微細な混合組織の析出）が抑えられるように選定される。急冷は、本発明の他の特徴に基づいて、焼入れ媒体として従来において普通であるように塩浴あるいは油を利用して実施される。しかし水と空気の混合物（吹付け）ないしガスも利用できる。部品の冷却は本発明に基づいて、マルテンサイト開始点（Ｍｓ−温度）を下まわる前に停止される。これは無心焼入れ転がり軸受鋼に対して（相応したオーステナイト化を前提として）約２３５°Ｃである。
− ベイナイト変態の開始温度
この温度は、生ずるベイナイトの種類（上側／下側ベイナイト段）およびこれに伴ってその組織部分の特性を決定する。この温度が高くなればなるほど、生ずる硬さが低くなるが、（少なくとも下側ベイナイト段における）靱性が高くなる。本発明の他の特徴に基づいて、その温度はＭｓ‐温度の直上の範囲にされ、即ち約２２５°Ｃ〜約２７０°Ｃにされ、さもなければ硬さが低くなるために、寿命および使用時間が短くなってしまう。
− ベイナイト変態温度に保持
この温度に保持する時間が長くなればなるほど、ベイナイト組織の分量（占有率）が増大する。その場合、発生するベイナイトの量は変態範囲における保持時間に比例しない。完全な変態にとって必要な時間の約２０％の時間経過後に既に、組織の約５０％がベイナイトに変化する。この保持時間を変更することにより、組織内における占有率（ベイナイト、マルテンサイト、残留オーステナイト）が変化し、これによって製品特性が変化する。
− 部分的なベイナイト変態後の冷却
この冷却はできるだけ急速にしなければならない。これは、本発明の他の特徴に基づいて目的に適って、水と空気の混合物を利用して行われる。静止した空気中での冷却は次の
理由から得策でない。
− 全工程時間が長くなる。
− 少なくともＭｓ−温度に達するまでなおベイナイト部分が形成される。
− 場合によっては亀裂（微細亀裂）を発生する内部応力が生じてしまう。
【００１０】
最終温度は通常は室温である。本発明の他の特徴に基づいて、標準マルテンサイト焼入れにおいて普通であるように再冷却（５〜１０°Ｃ）も差しはさまれる。この再冷却によって利用中における部品の寸法安定性が改良される。
− 焼もどし前の保持
焼もどしを開始するまでの保持時間はできるだけ短くなければならない。これは本発明の特徴に基づいて最大５分にされねばならない。経験に基づいて特に瞬間焼入れ設備によって、技術的にも３分以下に制限できる。
− 瞬間焼もどし
マルテンサイト開始点（Ｍｓ‐温度）から冷却する際に形成されるマルテンサイトおよび場合によっては既に存在するベイナイトの焼もどしは、ドイツ特許第４００７４８７Ｃ２号明細書に記載されているような瞬間焼もどし法に応じて行われる。その場合、設備温度並びに全運転時間は、必要な硬さの値、残留オーステナイト含有量、寸法安定性要求などが維持されるように選定される。
【００１１】
前述の工程パラメータの選択に応じて、本発明に基づく方法を利用する場合、ベイナイト、マルテンサイトおよび場合によっては残留オーステナイトの種々の分量（占有率）が並んで存在しているような組織が得られる。その分量（占有率）は部品の横断面にわたって異ならせることができる。
【００１２】
例えば保持時間、温度、焼入れ媒体特性のような、上述の工程パラメータの必要と見なす厳守に基づいて、プロセス制御性、温度均一性について要件を満足する設備を利用することは、必ずしも必要ではない。
【００１３】
これはまた、現存の製品要件が的確に設定でき、また達成できることを前提としている。例えば硬さに対する従来通常の公差が適用される。マルテンサイト焼入れ（安定化）ないしベイナイト焼入れについての硬さとして５８〜６２ＨＲＣに応じた要求に代わりに、例えば５８〜６０ＨＲＣ、５９〜６１ＨＲＣあるいは場合によっては６２〜６３ＨＲＣが予め与えられる。工程パラメータを的確に設定するために、適当なＰＣプログラムを利用することが得策である。このＰＣプログラムは特に利用される溶融物の化学的組成、オーステナイト化条件、焼入れ条件および変態条件から、期待すべき製品特性を計算する。これによってプログラムの自己最適化が可能となる。
【００１４】
本発明に基づく方法の温度の時間的経過が図２に示されている。
【００１５】
まず部品がオーステナイト化温度（約８６０〜１０５０°Ｃ）に加熱され、そこで肉厚に応じて約０．０１〜０．５時間（ｈ）保持される（１）。部品はこのオーステナイト化温度から短時間で塩浴中でＭｓ−温度の直上の約２２５〜２７０°Ｃに冷却され（２）、その冷却速度は、トルースタイト形成が抑えられるように選定される。部品はこの温度に、マルテンサイトおよび残留オーステナイトに対して所望の分量のベイナイト組織が得られるまで保持される（３）。図示した実施例において保持時間は約１ｈ（時間）である。それに続いて、部品が例えば水と空気の混合物を利用して室温まで急速に冷却される（４）。最大３分の短い保持時間（５）経過後に、瞬間焼もどしが行われる（６）。この瞬間焼もどしは、本件出願人出願のドイツ特許第４００７４８７号に応じて行われ、その場合、部品は次式で制限される加熱時間中に、２００〜２６０°Ｃの焼もどし温度より１００Ｋほど高い温度で焼もどしされ、その際に利用される温度は、所定の加熱時間において部品が５５〜６５ＨＲＣの硬さになるように選定され、その直後に室温に冷却される。
【００１６】
【数１】
ｔ／ｄ＝５０〜２１０
ここでｔは加熱温度（秒）、ｄは部品の肉厚（ｍｍ）である。
【００１７】
既に述べたように、部分的なベイナイト変態後の冷却と瞬間焼もどし前の保持との間に、再冷却が差しはさまれる。この本発明に基づく方法の時間は、図３に示されている通常のベイナイト焼入れの場合より、著しく短縮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼の熱処理用の恒温変態曲線図（Ｔ．Ｔ．Ｔ(Time-Temperatuer-Transformation) 曲線図）である。
【図２】本発明に基づく方法の温度の時間的経過を示した線図である。
【図３】通常のベイナイト焼入れの場合の温度の時間的経過を示した線図である。

Claims (8)

1. 無心焼入れ転がり軸受鋼製部品を、
   ａ） オーステナイト温度に加熱する、
   ｂ） この温度に保持してオーステナイト化する、
   ｃ） マルテンサイト開始点（Ｍｓ−温度）まで急冷する、
   ｄ） 部分的にベイナイト変態するまでベイナイト変態温度に保持する、
   ｅ） 部分的なベイナイト変態後に室温まで急冷する、
   ｆ） 室温に最大５分間保持する、
   ｇ） 瞬間焼もどしする、
   の工程を順次経ることによって熱処理することを特徴とする無心焼入れ転がり軸受鋼製部品の熱処理方法。
2. ｃ）工程の急冷速度が、トルースタイトの形成が抑えられるように選定されていることとする請求項１に記載の方法。
3. ｃ）工程の急冷が、塩浴中で実施されることとする請求項２に記載の方法。
4. ｃ）工程の急冷が、油中で実施されることとする請求項２に記載の方法。
5. ｃ）工程の急冷が、水と空気の混合物中で実施されることとする請求項２に記載の方法。
6. ｃ）工程の急冷が、気体中で実施されることとする請求項２に記載の方法。
7. ｄ）工程に応じた保持が、Ｍｓ−温度の直上の温度で行われることとする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の方法。
8. ｅ）工程に応じた冷却が、水と空気の混合物中で行われることとする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の方法。

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