JP5187680B2 - 構成部材をケースハードニング処理する方法および同方法を実施する処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、構成部材をケースハードニング（Case hardening）処理する方法および同方法を実施する装置に関する。

転がり軸受の表面は、所定の摺動性（トリボロジー）な応力条件の元で、亀裂が生じやすい。その際に、場合によっては摺動性に支援された、亀裂の導入は、古典的な転がり疲労の場合とは異なり、走行路自体で生じ、かつ亀裂の広がりは、該当する表面層の剥離をもたらす。このメカニズムは、長い走行時間に耐えるように設計された軸受においては、特別に重要性である。

本発明の課題は、機械的に、特に動的に、トリボロジカルに、および／または腐食的に負荷を受ける構成部材をできるだけ長い使用期間耐えられるように、処理する方法を提供することである。

この課題は、請求項１の対象によって解決される。好ましい形態が、従属請求項に記載されている。

請求項１によれば、結晶質、部分結晶質または無定形の構造の、従って特に金属またはセラミックの材料を有する、構成部材を処理する方法において、端縁層硬化のために、従って表面近傍の領域を改良するために、構成部材の表面の少なくとも一部にオイルジェットが噴射され、その場合にオイル噴射が温度調節されたオイルによって実施され、および／または構成部材が温度調節される。

その場合に、本発明は、セラミックの場合にたとえば引張り応力制御されて、結晶質、部分結晶質または無定形の構造の材料からなる構成部材がサイクリックに応力を受けた場合、小溝形成を伴う表面亀裂が生じる可能性があり、その場合に特に金属の構成部材に表面から不具合が生じた場合に、損傷経過において機械的に誘導される、圧力固有応力の崩壊がもたらされる、という認識に基づいている。請求項１に記載の方法によって、処理された構成部材の高い負荷を受ける端縁層内に圧力固有応力が構築されて、それが亀裂導入および亀裂の広がりに拮抗作用して、それを遅延させる。

さらに、本発明は、金属の構成部材がサイクリックに負荷を受けた場合、たとえば冒頭で説明した、レースの上を転動体が転がる場合に、金属の材料の材料疲労の重要なメカニズムとして、駆動中にだんだんと材料の転位の移動が開始されることが、本質的に材料の時効（最初は金属組織学的に証明可能な相変化なしでも）とそれに伴って最終的に構成部材の故障に寄与する、という認識に基づいている。その場合に請求項１に示す方法によって、動的な応力時効プロセスを介して上述した転位のエネルギー的に好ましい状態が安定化されて、それに伴って寿命が増大される。同時に、構築された、亀裂を阻止する圧力固有応力が、数値的な減少なしで安定化される。

時間的に後続の、構成部材の温度調節と結びついた、室温に暖められたオイルによるオイル噴射が、温度調節されたオイルによって、あるいは構成部材が然るべく温度調節される場合に、特に温度調節のための８０℃から４００℃の温度によって、実施されることにより、上述した安定化プロセスが効果的に支援される。セラミックの場合には、もっと高い温度も適用できる。オイル酸化を回避するために、保護ガス雰囲気下で、特に適切なハウジング内の窒素流下で、処理することができる。

ボールブラストまたはサンドブラストとは異なり、オイルジェットの場合には、たとえば、研ぎ上げによって形成された、極めて粗度の小さい表面特性が、ずっと良好に得られ、それに対してボールブラストまたはサンドブラストの場合には、同一の表面特性を得るために吹付け後に研磨および／または研ぎ上げされなければならず、それによって好ましくないことに、吹付け処理された領域の一部が再び除去される。技術において知られている高圧ウォータージェットとは異なり、オイルジェットの場合には、可能な温度作用によって材料固化のより大きい深さおよび／またはより強い固化を得ることができ、それがたとえば、形成された構成部材を固有応力深さの測定（機械的にも可能、たとえば孔あけ方法）によってレントゲングラフ分析する場合、および特に金属の構成部材において、半減幅を適切に遡行することによって、証明可能である。さらに、ウォータージェットは、特に腐食に耐えない材料、特にステンレスではない鋼において、腐食損傷の危険のために、不利である。

以下において、本発明の他の利点、特徴および詳細が、本発明の実施例としての、転がり軸受鋼から形成された、転がり軸受のレースのホットオイルジェットの説明を用いて得られる。

レースの走行路表面に直接連続し、かつ転がり軸受の駆動の際に高い負荷を受ける、（弾性的−）可塑的な層の領域に、レースの先行する製造ステップの間の残留する変形によって、転位の多い、サブ構造によって安定化された組織が生じる。前記走行路表面のホットオイルジェットによって、表面近傍に好ましい圧力固有応力状態が構築される。動的な応力時効と比較し得る、転位移動性の減少に基づいて、調節された端縁層内にさらに、材料疲労に、より耐える組織の安定化がもたらされる。

その場合に、特に鋼内で、格子内に間質的に溶解された炭素が移動可能になり、いわゆるコットレルクラウドを形成しながら、転位コアへ拡散することができ、それが偏析とも称される。この原子配置は、エネルギー的に好ましく、従って転がり軸受を駆動する際に、生じる転位移動に拮抗作用する。それによって、転がり軸受の寿命が増大される。

ホットオイルジェットによって、同時に、特に転がり軸受の駆動において高い負荷を受ける端縁層内で、亀裂を阻止する圧力固有応力状態の安定化が行われる。その場合に、それぞれ噴射パラメータ（たとえば速度とオイル密度）の調節に応じて、数百ＭＰａの最大値と、数１０μｍから１００μｍを越える領域までの深さの延びを有する、亀裂の広がりを阻止する圧力固有応力が発生される。それに伴って、好ましいことに、走行路表面から比較的大きい距離においても、その最大値の典型的に１０％から２０％の減少を有する、圧力固有応力の温度および時間に依存するわずかな崩壊のみで、それに先行するハード加工（たとえば丸削り）によって形成された転位配置が安定化される。

その場合に、ホットオイルジェットのための適切な温度は、レースの材料と適用される熱処理に従って、８０℃と４００℃の間の領域にある。マルテンサイト的に完全硬化あるいは端縁層硬化された（たとえば表面硬化または誘導硬化）転がり軸受鋼について、典型的な領域は１００℃と２２０℃の間にあり、それに対してたとえばベイナイト鋼のためには、１００℃と３００℃の間が効果的である。さらに、温度はもちろん、レースのそれぞれの寸法安定要請に注意しながら選択される。リングが誘導的に、あるいは炉内で加熱される場合に、短時間（たとえば１０分を越えて）もっと高い温度を選択することもできる。温度およびホットオイルジェットを実施するための設備のそれぞれの形成に従って、約１分から３０分の間、吹き付けられる。その場合にジェットオイルとして、適切な、特にそれに応じた熱耐性を有するオイルが使用される。

その場合にオイルジェットは、好ましくは、熱処理および／または、ハード丸削り、ハード仕上げ丸削り、研磨および研ぎ上げのような、仕上げ加工に続く最後の加工ステップとして適用されるが、所望の表面品質を調節するために、狭く限定された材料除去（たとえば研ぎ上げ）による機械的な後加工も行うことができる。上述したように、ホットオイルジェットによって、応力時効による走行路表面下の比較的深い場所における転位状態も、安定化させることができるので、たとえば、比較的深い場所においても適切な固有応力状態を調節する、適切な機械的加工方法（たとえばハード丸削り）による、レースの前加工が、特に好ましい結果をもたらす。

ホットオイルジェットを実施するための装置は、噴射の間転がり軸受リングを保持するための保持手段とオイルジェットを放出するための放射手段を有している。その場合に保持手段は、たとえばインナーレースについて、その保持手段がレースを内部に保持して、レースの外側面に配置されている走行路の完全な噴射のために、走行路を放射手段のそばを通過するように回転させ、かつレースの主軸線の方向に移動させることを可能にするように、形成されている。その場合に放射手段は、特に間隙ノズルとして形成された、ノズルを有している。さらに、装置は、誘導加熱または炉によって、オイルおよび／またはレースを温度調節するための加熱手段を有している。もちろん他の実施形態において、放射手段も少なくとも空間の一方向に移動可能に形成されている。装置は、特に適切なハウジングによって、保護ガス雰囲気（たとえば窒素流）の元でのオイル噴射を実施することができる。

その場合に、上述した方法に従って形成されたレースおよび／または転動体を有する転がり軸受は、たとえばトランスミッションにおいて、特に効果的に使用することができる。

Claims (19)

1. 結晶質、部分結晶質および／またはアモルファス構造の材料を有する構成部材である金属をケースハードニング処理する方法であって、
   前記方法において端縁層硬化のために構成部材の表面の少なくとも一部にオイルジェットが噴射されて、かつオイルジェットが８０℃と４００℃の間で温度調節されたオイルによって実施され、前記構成部材が温度調節されたことを特徴とする構成部材をケースハードニング処理する方法。
2. 前記オイルジェットが高圧下で、１５０バールより大きい圧力で行われる、請求項１に記載のケースハードニング処理する方法。
3. 前記オイルジェットが、保護ガス雰囲気下で行われる、請求項１または２に記載のケースハードニング処理する方法。
4. 前記構成部材がオイルジェット噴射する間、時間的にオイルジェット噴射に続いて、温度調節される、請求項１から３のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
5. 前記構成部材は、１００℃と２２０℃の間の温度で温度調節され、マルテンサイト変態により完全硬化され、あるいは端縁層硬化されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
6. 前記構成部材が、ベイナイト鋼からなる場合には、１００℃と３００℃の間の温度で温度調節される、請求項１から４のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
7. 前記所定温度でのオイルジェット噴射は、より低い温度または転位温度に時間的に先行する構成部材の熱処理によって、実行される請求項１から６のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
8. 前記オイルジェット噴射に時間的に先行して、構成部材の熱処理および／または仕上げ加工が実施される、請求項１から７のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
9. 前記仕上げ加工が、ハード丸削り、研磨および／または研ぎ上げを含む、請求項８に記載のケースハードニング処理する方法。
10. 前記金属が転がり軸受鋼である、請求項１から８のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
11. 前記構成部材が、転がり軸受の一部、転がり軸受のレースおよび／または転動体である、請求項１から１０のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
12. 前記レースおよび／または転動体の走行路にオイルジェットが噴射される、請求項１１に記載のケースハードニング処理する方法。
13. 前記オイルジェット噴射後に、最大１５μｍまでの除去深さで表面の少なくとも一部が機械的加工される、請求項１から１２のいずれか１項に記載のケースハードニング処理する方法。
14. 前記機械的加工が研ぎ上げである、請求項１３に記載のケースハードニング処理する方法。
15. 結晶質、部分結晶質および／またはアモルファス構造の材料を有する構成部材である金属をケースハードニング処理する装置であって、
    前記構成部材の表面の少なくとも一部に、端縁層硬化のためにオイルジェットを噴射するための放射手段と、
    前記放射手段がオイルジェット噴射する間、前記構成部材を保持するための保持手段と、
    オイルを温度調節するための加熱装置とを有し、
    前記オイルジェットが温度調節されたオイルによって実施されると共に、前記構成部材は温度調節されることを特徴とする構成部材のケースハードニング処理装置。
16. 前記保持手段が、回転対称の構成部材を、その主軸線を中心に回転させるため、および／または主軸線の方向に移動させるように構成されている、請求項１５に記載の装置。
17. 前記放射手段が、回転対称の構成部材に関して、少なくとも構成部材の主軸線の方向に移動可能に構成されている、請求項１５から１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記放射手段が、間隙ノズルとして形成された、少なくとも１つのノズルを有している、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記装置が、保護ガス雰囲気下でオイル噴射を行うように構成されている、請求項１５から１８のいずれか１項に記載の装置。