(57)【要約】【課題】熱処理時の変形を防止して良好な真円度を得ると共に熱処理効率が優れた新規な環状体の熱処理方法および環状体矯正治具の提供。【解決手段】鋼からなる環状体Ｗを加熱および焼入れをする際に、予め当該環状体Ｗの内側または外側に環状体矯正治具１００を取り付け、当該環状体Ｗの内側または外側を当該環状体矯正治具１００で間欠的に支持した状態で前記環状体Ｗの加熱および焼入れを行う。これによって、鋼からなる環状体を加熱および焼入れをする際の大きな変形を防止（矯正）して良好な真円度を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる環状体の熱処理方法であって、
前記環状体を加熱および焼入れをする際に、予め当該環状体の内側または外側に環状体矯正治具を取り付け、当該環状体の内側または外側を当該環状体矯正治具で間欠的に支持した状態で前記環状体を加熱および焼入れを行うことを特徴とする環状体の熱処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の環状体の熱処理方法において、
前記環状体矯正治具として、前記環状体の内側に挿入される正三角柱状のブロック体と、当該ブロック体を前記環状体に保持する保持部とからなるものを用いることを特徴とする環状体の熱処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載の環状体の熱処理方法において、
前記環状体矯正治具として、前記環状体の内部に挿入される軸部と、当該軸部から前記環状体の内面側に向かって１２０°軸回転対称に延びる３つの支持部と、当該支持部を前記環状体内に保持する保持部とからなるものを用いることを特徴とする環状体の熱処理方法。
【請求項４】
鋼からなる環状体を熱処理する際の変形を矯正する治具であって、
前記環状体の内側に挿入される正三角柱状のブロック体と、当該ブロック体を前記環状体に保持する保持部とからなることを特徴とする環状体矯正治具。
【請求項５】
鋼からなる環状体を熱処理する際の変形を矯正する治具であって、
前記環状体の内部に挿入される軸部と、当該軸部から前記環状体の内面側に向かって１２０°軸回転対称に延びる３つの支持部と、当該支持部を前記環状体内に保持する保持部とからなることを特徴とする環状体矯正治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、転がり軸受の内外輪などをはじめとした様々な機械部品に用いられる鋼製の環状体の熱処理方法およびその熱処理の際の変形を防止する環状体矯正治具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、鋼からなる金属部品の殆どは、機械的強度や耐摩耗性などを向上させるために所定の熱処理が施されているが、この熱処理に際しては素材の変形が問題となってくる。例えば、マルテンサイト変態を伴う鋼からなる環状体は、熱処理時に変形が発生し、製造の品質やコストに大きく影響する。
このような熱処理に伴う鋼材の変形が発生する要因としては、例えば、旋削、鍛造などの前加工による歪みが熱によって顕在化する他、浸炭などの熱処理による歪みが加熱時に開放されて変形が発生したり、また、浸炭などで一次焼入れによって変形が発生する場合もある。また、熱処理時における不均一加熱や不均一冷却も局所的な内部応力が発生するため、変形を招く大きな要因となっている。
【０００３】
このような熱処理に伴う鋼材の変形に対しては、その使用される部品の種類や目的などの応じてその許容度に差があり、使用目的によっては殆ど問題がないケースもあるが、使用目的が精密機械用の部品、例えば、転がり軸受の内外輪などを構成する環状体として用いる場合にあっては、熱処理時の変形に伴う真円度の悪化や反りの発生が大きな問題となる。
【０００４】
そのため、例えば以下の特許文献１などでは、素材および前加工段階で内部応力を除去したり、焼入れ槽内でバスケットを引き上げて均熱させたり、あるいは冷却時にワークをバスケットごと上下に揺動させて均一に冷却させることでワークの熱処理時の変形を防止するようにしている。
また、以下の特許文献２などでは、冷却時にワークを金型に張り付かせるようにしてマルテンサイト変態を矯正するようにしている。
【特許文献１】特開２００５−１１３１７６号公報
【特許文献２】特許２８６０４８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１などに開示されているような方法では、加熱時に生ずる変形を抑えることはできるが、熱処理要因として最も重要な冷却時の変形を低減することは難しい。
また、バスケットを移動させる方法で、従来方式に比べてバラつきを低下させるのには好ましいが、やはり積載位置によるワークの冷却の違いを完全に無くすことはできない。さらに環状体の真円度を向上させる能力において課題がある。
【０００６】
一方、特許文献２に開示されているような方法では、良好な真円度は得られるものの、単品での処理となるため、処理能力が低く製造コストが高くなる傾向がある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その主な目的は、熱処理時の変形を防止して良好な真円度を得ると共に処理効率に優れた新規な環状体の熱処理方法および環状体矯正治具を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明の環状体の熱処理方法は、
鋼からなる環状体の熱処理方法であって、前記環状体を加熱および焼入れをする際に、予め当該環状体の内側または外側に環状体矯正治具を取り付け、当該環状体の内側または外側を当該環状体矯正治具で間欠的に支持した状態で前記環状体を加熱および焼入れを行うことを特徴とするものである。
【０００８】
また、このような本発明の環状体の熱処理方法において、この環状体矯正治具として、前記環状体の内側に挿入される正三角柱状のブロック体と、当該ブロック体を前記環状体に保持する保持部とからなるものを用いることが望ましい。
また、このような本発明の環状体の熱処理方法において、前記環状体矯正治具として、前記環状体の内部に挿入される軸部と、当該軸部から前記環状体の内面側に向かって１２０°軸回転対称に延びる３つの支持部と、当該支持部を前記環状体内に保持する保持部とからなるものを用いることが望ましい。
【０００９】
一方、本発明の環状体矯正治具は、
鋼からなる環状体を熱処理する際の変形を矯正する治具であって、前記環状体の内側に挿入される正三角柱状のブロック体と、当該ブロック体を前記環状体に保持する保持部とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の環状体矯正治具は、
鋼からなる環状体を熱処理する際の変形を矯正する治具であって、前記環状体の内部に挿入される軸部と、当該軸部から前記環状体の内面側に向かって１２０°軸回転対称に延びる３つの支持部と、当該支持部を前記環状体内に保持する保持部とからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
一般に環状体の熱処理に際して発生する変形の殆どは、径方向に拡縮する楕円状の変形であり、僅かに存在するのが三角形以上の多角形を呈する変形である。これは、特に焼入れ時の冷却速度の違いに起因するものであるが、少なくとも三角形以上の多角形に変形した場合の真円度は、楕円形状に変形した場合よりも良好である。
そこで、本発明方法は、熱処理対象となる環状体を少なくとも三角形状以上の多角形に変形させれば、楕円形状の変形に比べて良好な真円度が得られるとの知見に基づいて案出されたものである。
【００１１】
具体的には、前述したように鋼からなる環状体を加熱および焼入れをする際に、予め当該環状体の内側または外側に環状体矯正治具を取り付け、当該環状体の内側または外側を当該環状体矯正治具で間欠的に支持した状態で前記環状体を加熱および焼入れを行うようにしたものである。
これによって、鋼からなる環状体を加熱および焼入れをする際に環状体が楕円形状に大きく変形するのを防止（矯正）できるため、良好な真円度を得ることができる。
また、この環状体矯正治具を取り付けた状態で加熱および焼入れ処理を纏めて行うことができるため、優れた処理効率を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明に係る環状体の熱処理方法の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１および図２は、本発明方法で用いる環状体矯正治具１００の実施の一形態を示したものである。
図示するように、この環状体矯正治具１００は、断面矩形状の環状体（ワークリング）Ｗの内側に挿入されるブロック体１０と、このブロック体１０をその環状体Ｗに保持する保持部２０とから構成されている。
【００１３】
このブロック体１０は、その中心軸から周方向に沿って１２０°軸回転対称に３つの頂部１１、１１、１１を有する正三角柱状に形成されており、各頂部１１、１１、１１がそれぞれ環状体Ｗの内周面側に当接してその内径を３点で拘束するようになっている。なお、これら頂部１１、１１、１１の先端部１２，１２，１２は、変形時の応力集中を回避すると共に着脱時などにおいて環状体Ｗの内周面を不要に傷付けないように、その高さ方向に沿って曲面状に面取りされた状態となっている。
【００１４】
一方、保持部２０は、この正三角柱状のブロック体１０の底面側にこれと一体となった正三角形状のベース２１と、このベース２１の各頂部からＬ字形に延びる３つの係合片２２，２２，２２とから構成されており、図示すように、これら３つの係合片２２，２２，２２とブロック体１０の各頂部１１、１１、１１間に前記環状体Ｗを嵌め込んでこの環状体Ｗをその内外から３点で保持するようになっている。
【００１５】
なお、この環状体矯正治具１００を構成する材料としては特に限定されるものではないが、少なくとも熱変形時の環状体Ｗの応力にも充分耐え得る程度の強度を有すると共に、熱処理時における耐熱性や耐熱衝撃および耐油性などに優れているものを用いることが望ましく、例えば、窒化珪素系のセラミックや非鉄金属などを用いることができる。
そして、このような環状体矯正治具１００を用いて環状体Ｗの熱処理を行う場合は、先ず、旋削や鍛造などの前加工や浸炭などの前処理が施された複数の環状体Ｗを、図２に示すように環状体矯正治具１００をそれぞれ取り付けた状態でバスケット内に積載して加熱炉内に設置し、その環状体Ｗを少なくとも焼入可能な温度であるＡＣ１変態点（約７３０℃）以上に加熱処理する。
【００１６】
この加熱処理に際しては、温度の上昇に伴って各環状体Ｗが径方向および軸方向に熱膨張すると共に内在する歪が顕在化して楕円形などに変形しようとするが、その外周面側は、この環状体矯正治具１００の保持部２０を構成する３つの係合片２２，２２，２２によって外径側が拘束されているため、それ以上に拡径することがなくなって楕円形状に変形することがなく、むしろ拡径しようとする力が周方向に伝達して拘束されていない係合片２２，２２，２２間の部分が膨らむように変形するような傾向になる。これによって、加熱時における変形に際して良好な真円度を維持することができる。
【００１７】
そして、このようにして各環状体Ｗを所定の温度まで加熱した状態が一定時間経過（例えば、８５０℃×３０分）したならば、これら各環状体Ｗをそのバスケットと共に焼入れ油で満たされた焼入れ槽内に浸漬してその環状体Ｗをその臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却して焼入れを実施する。
ここで、この焼入れ（冷却）に際しては、各環状体Ｗが今度は反対に熱収縮すると共に冷却ムラによって同じく楕円形などに変形しようとするが、その内周面側は、この環状体矯正治具１００のブロック体１０を構成する３つの頂部１１，１１，１１によって拘束されているため、それ以上に縮径することがなくなって楕円形状に変形することができなくなり、むしろ縮径しようとする力が周方向に伝達して三角形状に変形するような傾向になる。これによって、焼入れ（冷却）時における変形に際しても良好な真円度を維持することができる。
【００１８】
そして、この焼入れ（冷却）によって環状体Ｗの温度が低下し、Ｍｓ点に達してマルテンサイト変態膨張に転じた場合には、加熱膨張時と同様にその環状体Ｗの外周面側がこの環状体矯正治具１００の保持部２０を構成する３つの係合片２２，２２，２２によって外径側が拘束されているため、それ以上に拡径することがなくなって楕円形状に変形することがない。
【００１９】
従って、本発明方法によれば、熱膨張・収縮の際の変形のみならず、マルテンサイト変態膨張の際の変形に際しても対応することができ、終始良好な真円度を維持することができる。
また、図１に示すように、この環状体矯正治具１００（のブロック体１０）と環状体Ｗとの間には、それぞれ大きな隙間Ｓ、Ｓ、Ｓが生じ、これらの隙間Ｓ、Ｓ、Ｓを介して焼入れ油などが良好に流通することになるため、環状体矯正治具１００を取り付けたことによる環状体Ｗの冷却への悪影響（冷却ムラ）を抑えることができる。
【００２０】
従って、単に優れた真円度を得るためには、この環状体矯正治具１００のブロック体１０を三角形よりも多角形にしたほうが良いように思われる（究極的には円形）が、多角形になるほどこの隙間Ｓが狭くなって焼入れ油などが流れ難くなるため、冷却ムラ（環状体Ｗの内周側の冷却不足）による影響が顕著に現れる。従って、これらを勘案するとこの環状体矯正治具１００のブロック体１０としては三角形（三角柱状）が最良な形状と考えられる。
【００２１】
一方、このような観点から考えると、この環状体矯正治具１００のブロック体１０としては必ずしも三角形（三角柱状）でなくても良く、例えば、図３などに示すような放射状の形状であっても良い。
すなわち、図３に示す環状体矯正治具１００は、前記の三角柱状のブロック体１０に代わって、この環状体Ｗの内部に挿入される円筒状の軸部３０と、この軸部３０の周面からから前記環状体Ｗの内面側に向かって１２０°軸回転対称に延びる３つの支持部３１，３１，３１とで構成したものであり、この３つの支持部３１，３１，３１によって前記のブロック体１０と同様に環状体Ｗの内側を３点支持するようになっている。
【００２２】
そして、このような形状にすれば、前記の環状体矯正治具１００に比べて形状がやや複雑になる分製作コストは高くなるものの、前記の環状体矯正治具１００と同様に環状体Ｗとの間に大きな隙間Ｓを形成することが可能となるため、同様な効果を発揮することができる。
なお、前述したように環状体Ｗの熱処理に伴う変形は、特に焼入れ（冷却）時に顕著となるため、環状体矯正治具１００を構成する要素のなかでも環状体Ｗの内径を拘束するブロック体１０の部分の方が重要となってくる。従って、この環状体Ｗからブロック体１０が外れないような状態で冷却が行われる場合には、この環状体矯正治具１００をブロック体１０のみで構成して保持部２０などを省略した構造としても良い。
【００２３】
また、この環状体矯正治具１００の軽量化などのために、殆ど応力がかからないブロック体１０の中心部分を中抜きして筒状にしても良い。
また、本発明方法によれば、例えば、ズブ焼入れや浸炭焼入れなどを問わず、あらゆる焼入れ方式に適用することができる。
また、本発明方法の処理対象となる環状体Ｗは、前述したように転がり軸受（玉軸受）の内外輪やその軌道面、軌道を有する軸、複雑形状を有する円錐ころ軸受の内外輪などに加え、あらゆる機械部品などに適用することができる。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明方法に係る具体的実施例を説明する。
試料として熱間鍛造および旋削によって作成した外径６０ｍｍ×肉厚７ｍｍ×幅１１ｍｍの軸受鋼（ＳＵＪ２）からなる複数の環状体を用い、それら各試料にそれぞれ図４に示すような７種類の治具を取り付けてから７００×１４００ｍｍ×７段積みバスケットに収容して加熱炉で８５０℃で３０分加熱保持した後、そのバスケットごと７０℃の焼入れ油に浸漬して１０分間冷却し、冷却後を各試料の真円度を測定した。
【００２５】
ここで、真円度は、Ｎ＝１００より最大の直径不動および反りを求めた。変形位相は真円度測定機によって測定した後、調和解析によって各位相成分を求めた。
この結果、図５からも分かるように、本発明の環状体矯正治具１００に対応する治具Ａ〜Ｅを用いた実施例１〜５の各試料は、良好な真円度が得られると共に、最大反りも４０以下と小さかった。
【００２６】
これに対し、多角形（８角形）の治具Ｆを用いた比較例１では、最大反りは小さかったものの真円度は実施例よりも劣ってしまった。
また、環状体の内側を２点支持する治具Ｇを用いた比較例２および治具を用いることなくそのまま熱処理を施した比較例３（Ｈ）にあっては、いずれも大きく変形して最大反りが大きい上に真円度も悪かった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る環状体矯正治具１００の実施の一形態を示す平面図である。
【図２】本発明に係る環状体矯正治具１００の実施の一形態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る環状体矯正治具１００の他の実施の形態を示す平面図である。
【図４】本実施例で用いた治具およびその取り付け状態を示す説明図である。
【図５】本実施例の結果を示す表図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００…環状体矯正治具
１０…ブロック体
１１…頂部
１２…先端部
２０…保持部
２１…拘束片
３０…軸部
３１…支持部
Ｓ…隙間
Ｗ…環状体（ワークリング）
【図１】
2008231451.tif 000003
【図２】
2008231451.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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