(57)【要約】【課題】大径で薄肉の環状部材であっても、変形が少なく低コストで焼入れを施すことができる方法を提供する。【解決手段】鋼製の環状部材１の中心穴に保持治具１０の円柱状の凸部１１ｂを挿通して、環状部材１の内周面と凸部１１ｂの外周面２１との間の第一隙間Ｃ１の大きさを、環状部材１の内径Ｄの０％超過且つ０．１１％以下とした。また、保持治具１０が備える２つの保持面２２，２３で上下から環状部材１を挟み、環状部材１と保持面２３との間の第二隙間Ｃ２の大きさを、環状部材１の幅ｈの６％以下とした。環状部材１の内側に複数のピン３２を放射状に配置し、連結部材４０の長さを調整することによってピン３２の外端部の径方向位置を調整した。そして、ピン３２の外端部で環状部材１の内周面を押圧しながら焼入れを施した。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の環状部材に変形を抑制しながら焼入れ又は焼戻しを施す熱処理方法であって、
前記環状部材の中心穴に円柱状の第一保持治具を挿通して、前記環状部材の内周面と前記第一保持治具の外周面との間の第一隙間の大きさを、熱処理前においては、０より大きい値で且つ前記環状部材が収縮した際の前記第一隙間の最小部分がマイナスの値となるような大きさとするとともに、
前記環状部材の内側に複数のピンを放射状に配置し、前記環状部材の内径に応じて前記ピンの外端部の径方向位置を調整した上、
前記ピンの外端部で前記環状部材の内周面を押圧しながら前記環状部材の加熱及び冷却を行うことを特徴とする環状部材の熱処理方法。
【請求項２】
熱処理前の前記第一隙間を前記環状部材の内径の０％超過且つ０．１１％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の環状部材の熱処理方法。
【請求項３】
前記環状部材が転がり軸受の外輪であり、該外輪の軌道溝を前記ピンの外端部で押圧することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の環状部材の熱処理方法。
【請求項４】
前記軌道溝の幅方向の離れた２カ所を前記各ピンの外端部で押圧することを特徴とする請求項３に記載の環状部材の熱処理方法。
【請求項５】
ウェイトの荷重で前記複数のピンの内端部を押圧して、前記ピンの外端部に前記環状部材の内周面を押圧させるとともに、下記式で定義される矯正指数Ｋを２３．５〜１３８．２として、前記環状部材の加熱及び冷却を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の環状部材の熱処理方法。
【数１】
2004124247.tif 000004
【請求項６】
相互に対向する２つの保持面を備える第二保持治具で、径方向に垂直な方向の両側から前記環状部材を前記両保持面の間に挟み、前記環状部材と前記保持面との間の第二隙間の大きさを、熱処理前においては前記環状部材の径方向に垂直な方向の幅の６％以下として、前記環状部材の加熱及び冷却を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の環状部材の熱処理方法。
【請求項７】
鋼製の環状部材に変形を抑制しながら焼入れ又は焼戻しを施す熱処理装置であって、
前記環状部材の中心穴に挿通される円柱状の第一保持治具と、放射状に配置され、前記環状部材の内周面をその外端部で押圧する複数のピンと、前記環状部材の内径に応じて前記ピンの外端部の径方向位置を前記各ピン毎に調整するピン位置調整手段と、を備えるとともに、
前記環状部材の内周面と前記第一保持治具の外周面との間の第一隙間の大きさは、熱処理前においては、０より大きい値で且つ前記環状部材の収縮時の前記第一隙間の最小部分がマイナスの値となるような大きさであることを特徴とする環状部材の熱処理装置。
【請求項８】
前記環状部材が転がり軸受の外輪であり、該外輪の軌道溝を前記ピンの外端部で押圧することを特徴とする請求項７に記載の環状部材の熱処理装置。
【請求項９】
前記環状部材と接触する部分をセラミック材で構成したことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の環状部材の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環状部材の熱処理方法及び熱処理装置に係り、特に、転がり軸受の軌道輪等に使用される鋼製の環状部材に、変形を抑制しながら焼入れ又は焼戻しを施す方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、環状部材の焼入れは、例えば、電気炉内で８００〜８５０℃のオーステナイト化温度に保持した後に、油等に浸漬して急冷することによって行われていた。ところが、環状部材は剛性が不十分であることから、焼入れ時に歪が生じて真円度や平面度が低下しやすい。
【０００３】
そこで、上記のような焼入れを行う際において、オーステナイト化温度に加熱した環状部材を金型に装着し、環状部材の内周面又は外周面を前記金型で保持した状態で冷却することによって、焼入れ時の変形を抑制していた。これは、焼入れの冷却時の収縮現象及びマルテンサイト変態による膨張現象を利用したものである。
【０００４】
また、特開２０００−９６１３１号公報には、下記のような構成のワーク支持具を用いることにより、ワークの歪を抑えつつ高周波焼入する方法が開示されている。
すなわち、このワーク支持具は、ベース部材上に放射状に配置された径方向に移動可能な複数の可動ヘッドと、ベース部材の中心部に設けられ可動ヘッドを径方向外方に付勢するスプリングと、スプリングの付勢力を可動ヘッドに伝達するスライドリング及びリンクと、で構成されている。そして、可動ヘッドでワークの内面を周方向複数箇所で外方へ押圧しながら高周波焼入することにより、ワークの歪みが抑制されるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−９６１３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の金型を用いる方法は、比較的小さな環状部材については適用可能であるが、例えば外径が４００ｍｍを超えるような大型の環状部材の場合には、適用することが難しかった。
つまり、上記のような従来の方法においては、加熱した環状部材を金型に装着する装置や、加熱した環状部材を加熱炉から前記装置へ搬送する設備等も巨大なものが必要となるので、その設備に莫大な費用がかかってしまうという問題があった。
【０００７】
さらに、上記のような従来の方法は、比較的肉厚な環状部材については適用可能であるが、例えば肉厚比（（外径−内径）／外径×１００）が１０％を下回るような薄肉の環状部材の場合には、適用することが難しかった。
つまり、環状部材が薄肉で熱容量が少ないと、加熱された環状部材を金型に搬送する間に環状部材の温度が低下してしまい、焼入れにより十分な硬さが得られないという問題点があった。
【０００８】
このようなことから、大型で薄肉の環状部材については、熱処理による変形度合いの低減及び熱容量の確保のために、研削取代を多く取り、通常の焼入れ（前記金型を用いない焼入れ）を施した後、旋削及び研削により成形していた。つまり、最終的な製品よりも大きな寸法の環状部材に焼入れを施して、旋削及び研削により最終的な製品の寸法に加工していた。したがって、加工コストが高いという問題点があった。
【０００９】
一方、特開２０００−９６１３１号公報に記載の方法は、軸受の軌道輪の焼入れに適用した場合には、該方法が真円度を良好なものとすることのみに着目しており、反りや倒れなどの抑制に対する考慮がなされていないため、結果的に真円度を良好なものとすることは困難である。
また、軌道輪と可動ヘッドとの接触部分は、温度が十分に上昇せず硬さが不十分となってしまうおそれがある。よって、転がり寿命に悪影響を及ぼすおそれがあるため、軸受の軌道輪のように硬さを重視する部品に対しては、該方法は好適ではなかった。
【００１０】
さらに、前記接触部分には冷却剤が十分に行き渡らず、他の部分よりも冷却が遅れるおそれがあり、そうすると変形が大きくなってしまう。これは、軸受鋼に特有の問題であって、すなわち、該方法は軸受の軌道輪に対しては好適ではなかった。
さらにまた、高周波焼入れによって軸受の軌道輪に部分的に焼入れを施すことはあったが、ずぶ焼入れを施すことは、その困難性から従来行われたことはなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような従来技術が有する問題点を解決し、大径で薄肉の環状部材であっても、十分な硬さが確保され変形が少なく低コストで焼入れ又は焼戻しを施すことができる熱処理方法及び熱処理装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の環状部材の熱処理方法は、鋼製の環状部材に変形を抑制しながら焼入れ又は焼戻しを施す熱処理方法であって、前記環状部材の中心穴に円柱状の第一保持治具を挿通して、前記環状部材の内周面と前記第一保持治具の外周面との間の第一隙間の大きさを、熱処理前においては、０より大きい値で且つ前記環状部材が収縮した際の前記第一隙間の最小部分がマイナスの値となるような大きさとするとともに、前記環状部材の内側に複数のピンを放射状に配置し、前記環状部材の内径に応じて前記ピンの外端部の径方向位置を調整した上、前記ピンの外端部で前記環状部材の内周面を押圧しながら前記環状部材の加熱及び冷却を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る請求項２の環状部材の熱処理方法は、請求項１に記載の熱処理方法において、熱処理前の前記第一隙間を前記環状部材の内径の０％超過且つ０．１１％以下とすることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の環状部材の熱処理方法は、請求項１又は請求項２に記載の熱処理方法において、前記環状部材が転がり軸受の外輪であり、該外輪の軌道溝を前記ピンの外端部で押圧することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係る請求項４の環状部材の熱処理方法は、請求項３に記載の熱処理方法において、前記軌道溝の幅方向の離れた２カ所を前記各ピンの外端部で押圧することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項５の環状部材の熱処理方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の熱処理方法において、ウェイトの荷重で前記複数のピンの内端部を押圧して、前記ピンの外端部に前記環状部材の内周面を押圧させるとともに、下記式で定義される矯正指数Ｋを２３．５〜１３８．２として、前記環状部材の加熱及び冷却を行うことを特徴とする。
【００１５】
【数２】
2004124247.tif 000003
【００１６】
さらに、本発明に係る請求項６の環状部材の熱処理方法は、請求項１〜５のいずれかに記載の熱処理方法において、相互に対向する２つの保持面を備える第二保持治具で、径方向に垂直な方向の両側から前記環状部材を前記両保持面の間に挟み、前記環状部材と前記保持面との間の第二隙間の大きさを、熱処理前においては前記環状部材の径方向に垂直な方向の幅の６％以下として、前記環状部材の加熱及び冷却を行うことを特徴とする。
【００１７】
このような構成であれば、大径で薄肉の環状部材であっても、十分な硬さが確保され変形を抑制しながら低コストで焼入れ又は焼戻しを施すことができる。
前記第一隙間の大きさは、熱処理前においては前記環状部材の内径の０％超過且つ０．１１％以下とし、前記第二隙間の大きさは、熱処理前においては前記環状部材の径方向に垂直な方向の幅の６％以下とすることが好ましい。前記第一隙間の大きさ及び前記第二隙間の大きさの少なくとも一方が前記各範囲を外れると、焼入れ又は焼戻しの際の前記環状部材の変形を十分に抑制することが困難となる場合がある。
【００１８】
また、本発明に係る請求項７の環状部材の熱処理装置は、鋼製の環状部材に変形を抑制しながら焼入れ又は焼戻しを施す熱処理装置であって、前記環状部材の中心穴に挿通される円柱状の第一保持治具と、放射状に配置され、前記環状部材の内周面をその外端部で押圧する複数のピンと、前記環状部材の内径に応じて前記ピンの外端部の径方向位置を前記各ピン毎に調整するピン位置調整手段と、を備えるとともに、前記環状部材の内周面と前記第一保持治具の外周面との間の第一隙間の大きさは、熱処理前においては、０より大きい値で且つ前記環状部材の収縮時の前記第一隙間の最小部分がマイナスの値となるような大きさであることを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明に係る請求項８の環状部材の熱処理装置は、請求項７に記載の熱処理装置において、前記環状部材が転がり軸受の外輪であり、該外輪の軌道溝を前記ピンの外端部で押圧することを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項９の環状部材の熱処理装置は、請求項７又は請求項８に記載の熱処理装置において、前記環状部材と接触する部分をセラミック材で構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の環状部材の熱処理方法及び熱処理装置においては、真円度を良好なものとするため、環状部材の膨張・収縮に適正に追従する機構を設けてある。また、環状部材が転がり軸受の外輪である場合には、反りを抑制するため、外輪の軌道溝に接触するピンの外端の形状を適正化してある。さらに、真円度を良好なものとし、且つ倒れを抑制するため、環状部材の内周面と第一保持治具の外周面との間の第一隙間の大きさが適正となるような寸法の第一保持治具を使用している。
【００２１】
また、環状部材の内径に応じてピンの外端部の径方向位置が調整できるので、ピン等の熱処理装置を構成する部材の精度はそれほど高精度である必要がない。よって、前記部材の製造コストを低く抑えることができる。また、ピン等に摩耗が生じたとしても、交換することなく外端部の径方向位置を調整することによって対応可能である。
【００２２】
さらに、熱源として高周波加熱装置を用い、冷却は水系の冷却剤を使用して行い、加熱時と同じ状態（環状部材を保持治具に装着した状態）でそのまま冷却を行うようにすれば、熱処理装置を小型化することができる。
さらに、本発明の環状部材の熱処理装置は、熱処理前に環状部材が装着されるので、加熱した環状部材を金型に装着する装置や加熱した環状部材を加熱炉から前記装着装置へ搬送する設備等が不要である。よって、熱処理装置は全体的に簡易で小型である。また、加熱後直ちに焼入れを行うため、搬送中の温度低下もなく、よって、十分な硬さが確保され変形を抑制することができる。したがって、熱処理後の取代も少なくすることができるので、研削コストを抑えることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る環状部材の熱処理方法及び熱処理装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
図１は、環状部材１を保持治具１０に装着して焼入れを施す方法を説明する部分断面図であり、図２はその部分平面図である。なお、以下の説明における「上」，「下」等の方向を示す用語は、特に断りがない限り、説明の便宜上、図１におけるそれぞれの方向を意味するものである。
【００２４】
まず、焼入れが施される環状部材１について説明する。この環状部材１はＳＵＪ２製であり、転がり軸受の軌道輪（外輪）として使用されるものである。よって、その円周方向に対して垂直な断面は略矩形をなしており、また、その内周面には軌道溝が全周にわたって連続して設けられている。そして、環状部材１の外径は９４０ｍｍ、内径は９２０ｍｍ、幅（径方向に対して垂直な方向の幅）は２６ｍｍである。なお、以下に環状部材１が外輪である場合を例に焼入れ方法を説明するが、環状部材１が内輪である場合であっても、ほぼ同様に焼入れを行うことができる。
【００２５】
環状部材１への焼入れは、保持治具１０に装着した状態で施される。この保持治具１０は、略円柱状の円柱状部材１１と円板状部材１２とで構成されており、円柱状部材１１は、大径な円柱状の基台部１１ａと、該基台部１１ａの一端に設けられた小径な円環状の凸部１１ｂと、同じく基台部１１ａの一端に設けられた棒状部１１ｃと、を備えている。これら基台部１１ａ，凸部１１ｂ，及び棒状部１１ｃは全て、保持治具１０の軸線と同心に配されている。
【００２６】
また、凸部１１ｂの上下方向ほぼ中間位置には、複数の穴が環状部材１の軌道溝に対向するように放射状に設けられていて、該穴には断面円形のピン３２が径方向に進退可能に挿通されている。このピン３２は、後述する誘導加熱コイル３３によって高周波誘導を受けにくいような材質で構成されており、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼が好ましく、セラミック材がさらに好ましい。
【００２７】
なお、径方向外方を向いたピン３２の端部（以降は外端と記す）は、環状部材１の軌道溝と接触することとなるので、加熱時や冷却時の加熱ムラ，冷却ムラを抑制し、可能な限り接触面積を小さくするために、前記軌道溝を構成する曲面よりも小径の球面とされている。ただし、環状部材１が内輪の場合は、内輪の内周面には軌道溝はないので、前記球面の大きさは特に限定されない。
【００２８】
なお、この保持治具１０が、本発明の構成要件たる第一保持治具と第二保持治具とに相当する。本実施形態においては、保持治具１０が第一保持治具と第二保持治具との両方の機能を備えている（すなわち、第一保持治具と第二保持治具とが一体とされた保持治具である）が、それぞれの機能を備える２つの保持治具を用いてもよい。また、保持治具１０の材質は非磁性材料が望ましいが、軟鋼等でも差し支えない。
【００２９】
一方、径方向内方を向いたピン３２の端部（以降は内端と記す）には、連結部材４０の一端が連結されていて、連結部材４０は該連結部分を中心に上下方向に回転可能とされている。また、連結部材４０の他端は、棒状部１１ｃが挿通されたウェイト５０に連結されていて、連結部材４０は該連結部分を中心に上下方向に回転可能とされている。
【００３０】
なお、連結部材４０は、ピン３２の内端に連結された第一ロッド４１と、ウェイト５０に連結された第二ロッド４２と、第一ロッド４１及び第二ロッド４２の間に介在された連結ループ４３と、で構成されている。第一ロッド４１及び第二ロッド４２と連結ループ４３とはねじ構造によって取り付けられていて、第一ロッド４１及び第二ロッド４２は前記ねじ構造によって連結部材４０の長手方向に進退するようになっているので、連結部材４０は該進退によって所望の長さに調節可能となっている。そして、各連結部材４０の長さは環状部材１の内径に応じて調整され、さらに、全てのピン３２の外端が保持治具１０の軸線と同心となるように調整されている。なお、この連結部材４０が、本発明の構成要件たるピン位置調整手段に相当する。
【００３１】
このようなリンク機構を備えており、さらに、棒状部１１ｃが挿通されたウェイト５０は、棒状部１１ｃに沿って上下方向に移動可能となっているので、ウェイト５０が下方に移動すると径方向外方へ向いた力がピン３２に作用し、ウェイト５０が上方に移動すると径方向内方へ向いた力がピン３２に作用することとなる。
【００３２】
なお、ウェイト５０の移動に対する摩擦抵抗を減少させるため、ウェイト５０と棒状部１１ｃとの間にすべり軸受や転がり軸受を介在させてもよい。さらに、本実施形態においては、ウェイト５０の下方への移動は、ウェイト５０自身に作用する重力によって生じるようになっているが、エアシリンダ等のアクチュエータによって移動させるようにしてもよい。本実施形態においては、９８〜２９４０Ｎのウェイト５０を用いた。
【００３３】
ウェイト５０を下方に移動させると、ピン３２が凸部１１ｂに設けられた前記穴にすべり案内されて径方向外方に移動して、ピン３２の外端の球面が環状部材１の軌道面に嵌め合わされる。このように、第一実施形態においては、連結部材４０によるリンク機構を用いて、環状部材１の軌道溝にピン３２を接触させている。そして、環状部材１は前記リンク機構によって径方向外方に凸部１１ｂの軸線と同心状に押圧されているので、加熱による膨張及び冷却による収縮等の際に、環状部材１と後述する誘導加熱コイル３３との偏心が防止される。
【００３４】
このとき、ピン３２の適正な数は環状部材１の外径によって異なるが、放射状に配されたピン３２において、隣接するピン３２の外端の間の距離Ｃが２５０ｍｍ以下となるような数とすることが好ましい。前記距離Ｃが２５０ｍｍを超えると、環状部材１の変形を抑制する効果が低下するおそれがある。このような問題がより生じにくくするためには、距離Ｃが１５０ｍｍ以下となるようなピン数とすることがより好ましい。本実施形態においては１２個のピン３２を使用したが、環状部材１の変形を抑制する効果と保持治具１０の製造しやすさとを考え合わせると、６〜８個でも差し支えない。
【００３５】
また、連結部材４０の長さを調整することにより、環状部材１の内径に応じてピン３２の外端部の径方向位置を調整できるので、前記リンク機構を構成する部材やピン３２の精度はそれほど高精度である必要がない。よって、熱処理装置の製造コストを低く抑えることができる。また、前記リンク機構を構成する部材の特定の部分やピン３２の先端などは摩耗が生じやすいが、仮に摩耗が生じたとしても、それらを交換することなくピン３２の外端部の径方向位置を調整することによって対応可能である。
【００３６】
次に、環状部材１を保持治具１０に装着する方法について説明する。
初期においては、ウェイト５０は図示しないストッパーによって棒状部１１ｃの上部に固定されており、このときピン３２の外端は、凸部１１ｂの外周面２１よりも径方向外方に突出していない状態となっている。
このような保持治具１０の凸部１１ｂを環状部材１の中心穴に挿通した上、中心に穴を有する（すなわち環状の）円板状部材１２を凸部１１ｂの上端に取り付ける。そうすると、環状部材１は、凸部１１ｂの外周面２１によって径方向の動きが規制される。また、凸部１１ｂの径方向外方に位置する基台部１１ａの上端面２２と、円板状部材１２の下面２３と、によって環状部材１が上下から挟まれるため、上下方向の動きが規制される。なお、凸部１１ｂの径方向外方に位置する基台部１１ａの上端面２２と円板状部材１２の下面２３とが、本発明の構成要件たる保持面に相当するので、以降は前記各面２２，２３を保持面と記す場合もある。
【００３７】
このとき、環状部材１の内周面（軌道溝の部分は除く）と凸部１１ｂの外周面２１（円柱面）との間の径方向隙間（第一隙間Ｃ１）は、環状部材１の内径Ｄの０％超過且つ０．１１％以下とされている。また、環状部材１の上下の両平面と２つの保持面２２，２３との間の上下方向の隙間（第二隙間Ｃ２）は、環状部材１の幅ｈの６％以下とされている。ただし、本実施形態においては、環状部材１の上側の平面と保持面２３との間に、第二隙間Ｃ２が形成されている。
【００３８】
次に、環状部材１に焼入れを施す手順を説明する。
上記のように保持治具１０に装着された環状部材１の径方向外方には、適当な隙間をおいて円周状にヒータの誘導加熱コイル３３が配置されていて、図示しない放射温度計により環状部材１の温度を監視しながら、このヒータにより加熱を行うことができるようになっている。
【００３９】
また、誘導加熱コイル３３の下側には冷却ジャケット３４が円周状に配置されている。冷却ジャケット３４の内径面には複数の噴射口（図示せず）が設けられていて、該噴射口から水等の冷媒が環状部材１に向けて噴射され、環状部材１の冷却が行われるようになっている。さらに、保持治具１０は図示しない回転テーブルに固定されていて、環状部材１を回転させながら加熱することができる。静止した状態で加熱した場合は、環状部材１と誘導加熱コイル３３との軸心が一致していないと加熱ムラが生じて、硬さムラや変形が生じやすくなるが、環状部材１を回転させながら加熱するので、環状部材１と誘導加熱コイル３３との軸心が多少一致していなかったとしても、環状部材１は均一に加熱される。
【００４０】
なお、保持治具１０と誘導加熱コイル３３との間の距離は、環状部材１と誘導加熱コイル３３との間の距離よりも大きくなるようにすることが好ましい。これは、保持治具１０と誘導加熱コイル３３との間の距離が近すぎると、保持治具１０が加熱されて環状部材１の加熱効率が低下するからである。
保持治具１０に装着した環状部材１を回転させながら、誘導加熱コイル３３によって所望の温度（９００〜１１００℃）に誘導加熱する。その際には、設定温度に到達した時点で加熱を止め、その後は熱拡散によって均熱する。
【００４１】
環状部材１を加熱すると、膨張した環状部材１が基台部１１ａの上端面２２上を滑ることとなるが、環状部材１と保持治具１０とは同じ鉄系材料であり、さらに環状部材１は８００℃を超える高温となることから、両者の摩擦抵抗が大きくなる。さらに、環状部材１の径が大きくなると上端面２２上を滑る距離が大きくなるので、摩擦抵抗が環状部材１の真円度に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、基台部１１ａの保持面２２が位置する部分を、摩擦抵抗を低減し且つ耐熱性を有するセラミック材で構成したり、セラミック材や黒鉛で被覆することが好ましい。また、保持面２２に凹凸を設けて、接触面積を小さくすることも有効である。
【００４２】
環状部材１の全体が均一に加熱されたところで、環状部材１の径方向外方に冷却ジャケット３４が位置するまで、保持治具１０を下方に移動させる。そして、冷却ジャケット３４から冷却水を噴射（５０〜１００Ｌ／ｍｉｎ）して環状部材１を急冷し、焼入れを施す。
軸受鋼などのような高炭素鋼で構成された環状部材１は、全体を均一に冷却すると過冷却により割れを生じやすいため、焼き割れ対策として、環状部材１の径方向外方側のみから冷却を行うことが重要である。環状部材１の径方向外方側のみから冷却され、さらに、周方向において均一に冷却されるように、円板状部材１２を設けて環状部材１の上方をカバーして、径方向内方側に冷却水が至らないようにすることが好ましい。このとき、円板状部材１２の下面２３と環状部材１との間には、環状部材１の膨張を妨げないように、隙間を設ける必要がある。
【００４３】
冷却が終了したら、図示しないシリンダによりウェイト５０を上方に移動させてピン３２を径方向内方に移動させ、環状部材１に作用している径方向外方に向いた力を取り除く。
焼入れ後は、以下のようにして焼戻しを施した。まず、保持治具１０を上方に移動させ、再び環状部材１の径方向外方にヒータが位置するようにした。そして、ヒータに通電して２５０〜３００℃に加熱した。その際には、設定温度に到達した時点でヒータの電源を切り、その後は熱拡散によって均熱し徐冷（空冷）した。なお、焼戻しは大気炉内で行っても差し支えない。また、その際に反りや真円度の矯正を行うことも有効である。
【００４４】
ここで、焼入れ時の変形が抑制される機構について説明する。
環状部材１は加熱によって膨張するので、第一隙間Ｃ１は拡大する。このとき、第一隙間Ｃ１の拡大に応じてウェイト５０が下方に移動し、ピン３２が径方向外方に移動する。環状部材１が径方向に均一に膨張しないと（真円を保たないと）、環状部材１の円周上の位置によって誘導加熱コイル３３との相対位置にバラツキが生じて加熱ムラが起き、その結果、環状部材１に変形，割れ，硬さムラ等の不具合が生じるおそれがある。しかしながら、全てのピン３２が径方向外方に均一に移動して環状部材１を押圧するので、環状部材１が均一に膨張して、上記のような不具合が生じることを防止している。
【００４５】
また、冷却時には環状部材１は収縮し、環状部材１の内周面のほぼ全面において保持治具１０（凸部１１ｂの外周面２１）に接触するので、環状部材１は保持治具１０の形状に沿って真円度が矯正される。そして、環状部材１の温度がＭｓ点以下となると環状部材１は膨張するので、環状部材１の内周面は凸部１１ｂの外周面２１から離れるが、ピン３２により径方向外方に押圧されているので、このときの変形も防止される。
【００４６】
なお、本実施形態のような保持治具１０を用いる方法は、前述のリンク機構により、環状部材１の変形を抑制することと環状部材１を保持治具１０と同心に配置することとを同時に行うことができるので、環状部材１の焼入れを高い生産性で行うことができる。また、本実施形態における環状部材１の変形抑制は、位置によるものではなくウェイト５０の定圧によるものであることも、焼入れの生産性を向上させる理由となっている。
【００４７】
さらに、環状部材１をあらかじめ保持治具１０に装着して焼入れを施すので、従来のように、加熱した環状部材を金型に装着する装置や、加熱した環状部材を加熱炉から前記装置へ搬送する設備は不要である。したがって、焼入れを行う設備がそれほど巨大なものとはならず、簡易なものとすることができる。
さらに、加熱後は搬送することなく直ちに焼入れを行うことができるので、搬送による温度低下もなく焼入れにより十分な硬さが確保され、変形を少なく抑制することができる。よって、焼入れ後の研削取代を少なくすることができるので、加工コストを低く抑えることができ、環状部材を低コストで製造することができる。
【００４８】
次に、内径Ｄを種々変更した環状部材１に上記のように焼入れを施して、第一隙間Ｃ１の大きさと環状部材１の変形の抑制効果との関係を評価した。
図３のグラフは、環状部材１の内径Ｄに対する第一隙間Ｃ１の大きさの比率と、焼入れ後の環状部材１の真円度と、の相関を示すものである。このグラフの横軸は、環状部材１の内径Ｄに対する第一隙間Ｃ１の大きさの比率を示しており、常温における環状部材１の内径をＤ、常温における保持治具１０の凸部１１ｂの外径をｄとしたときに、（Ｄ−ｄ）／Ｄ×１００（％）で算出される値である。なお、第二隙間Ｃ２の大きさは、環状部材１の幅ｈの１％に統一した。
【００４９】
図３のグラフから、第一隙間Ｃ１の大きさが環状部材１の内径Ｄの０％超過且つ０．１１％以下であると、焼入れ後の環状部材１の真円度が優れていて、変形の抑制効果が高いことが分かる。そして、０．０７％以下であると変形の抑制効果がより高く、０．０３％以下であると変形の抑制効果が極めて高いことが分かる。なお、第一隙間Ｃ１を０％超過とする理由は、０％以下であると加熱前に環状部材１に凸部１１ｂを挿通することが困難となるためである。
【００５０】
次に、環状部材１の外径，ウェイト５０の荷重，及びピン３２の数を種々変更しつつ上記のように焼入れを施して、焼入れ後の環状部材１の真円度を測定した結果を説明する。
環状部材１は外径が４５０，６００，９６０ｍｍの３種類、ピン３２の数は６，８，１２個のいずれかとして、ウェイト５０を９８〜２９４０Ｎの間で種々変更して焼入れを施した。なお、第一隙間Ｃ１の大きさは環状部材１の内径Ｄの０．０５％に、第二隙間Ｃ２の大きさは環状部材１の幅ｈの１％に統一した。
【００５１】
その結果を図４のグラフに示す。このグラフの横軸は、矯正指数Ｋと称する本発明独自のパラメータである。この矯正指数Ｋは外径４００ｍｍの薄肉の環状部材を基準としており、前述の式から算出される。
図４のグラフから分かるように、矯正指数Ｋが２３．５〜１３８．２の場合は、真円度が１ｍｍ以下と優れた値で安定しているが、矯正指数Ｋが２３．５未満の場合及び１３８．２超過の場合は、真円度が１ｍｍを超える値となっている。そして、矯正指数Ｋが４９〜１２７．４の場合は、真円度が特に優れた値となっている。
【００５２】
矯正指数Ｋが２３．５未満の場合に真円度が大きくなるのは、ピンが環状部材に与える負荷が小さいために、前加工により付与されていた残留応力がオーステナイト変態時に開放することによる変形を抑えることができないことと、マルテンサイト変態時に生じる変態を抑えることができないことが理由として考えられる。
【００５３】
また、矯正指数Ｋが１３８．２超過の場合に真円度が大きくなるのは、ピンが環状部材に与える負荷が環状部材の剛性に対して大き過ぎるために、オーステナイト変態時に塑性変形を起こすことと、焼入れの途中過程で均一に収縮できなかったため多角形状に変形することが理由として考えられる。
なお、図５に示す変形例のように、ピン３２の外端部を平面状とすれば、環状部材１の軌道溝の幅方向の離れた上下２カ所に各ピン３２の外端が接触することとなる。そうすると、環状部材１の軌道溝とピン３２とが１カ所で接触する場合と比較して、環状部材１の反りをより効果的に抑制することができる。
【００５４】
〔第二実施形態〕
以下に、第一実施形態とは別の焼入れ方法を説明する。ただし、第二実施形態の方法は、ウェイトによる荷重を環状部材に伝える機構等が異なる点を除いては第一実施形態とほぼ同様であるので、異なる部分のみ説明し、同様の部分の説明は省略する。
【００５５】
図６は、環状部材を保持治具に装着して焼入れを施す方法を説明する正面図であり、一部を破断して示してある。なお、以下の説明における「上」，「下」等の方向を示す用語は、特に断りがない限り、説明の便宜上、図６におけるそれぞれの方向を意味するものである。また、図６においては、図１と同一又は相当する部分には、図１と同一の符号を付してある。
【００５６】
環状部材１の構成は前述の第一実施形態と同様であり、また、環状部材１への焼入れは、第一実施形態と同様に保持治具１０に装着した状態で施される。
この保持治具１０の構成は第一実施形態と同様であり、また、第一実施形態と同様に、凸部１１ｂに設けられた穴に断面円形のピン３２が径方向に進退可能に挿通されている。なお、図６においては環状部材１の軌道溝と接触するピン３２の外端は平面状であるが、第一実施形態と同様に、環状部材１の軌道溝を構成する曲面よりも小径の球面としてもよい。
【００５７】
このピン３２の内端は、略円錐状のスライドリング５１が有する円錐面５１ａに接触している。そして、スライドリング５１はウェイト５０が載置されたうえ、円錐の頂点を下方に向けて、上下方向に移動可能に棒状部１１ｃに取り付けられている。よって、スライドリング５１を下方に移動させると、円錐面５１ａによりピン３２の内端が押され、凸部１１ｂに設けられた前記穴にすべり案内されてピン３２が径方向外方へ移動することとなる。一方、スライドリング５１を上方に移動させると、円錐面５１ａとピン３２の内端とが離れるから、ピン３２に取り付けられたバネ５２の付勢力によりピン３２が径方向内方へ移動することとなる。
【００５８】
なお、ピン３２には、第一実施形態において前述した連結部材４０とほぼ同様の構造を有するピン長さ調整部６０が備えられている。そして、ピン長さ調整部６０でピン３２の長さを調整することにより、環状部材１の内径に応じてピン３２の外端部の径方向位置を調整できるようになっている。このピン長さ調整部６０が、本発明の構成要件たるピン位置調整手段に相当する。
【００５９】
このように、第二実施形態においては、第一実施形態の連結部材４０によるリンク機構の代わりにスライドリング５１による垂直方向変位を水平方向変位に変換する機構を用いて、環状部材１の軌道溝にピン３２を接触させている。そして、環状部材１は前記変換機構によって径方向外方に凸部１１ｂの軸線と同心状に押圧されているので、加熱による膨張及び冷却による収縮等の際に、環状部材１と後述する高周波誘導加熱コイル３３との偏心が防止される。
【００６０】
環状部材１を保持治具１０に装着する方法及び環状部材１に焼入れを施す手順については、第一実施形態と同様であるので詳細な説明は省略するが、環状部材１の径方向外方にヒータの高周波誘導加熱コイル３３が配置されており、このヒータによって加熱が行われる。このとき、保持治具１０はモータ５４により回転駆動することが可能とされており、環状部材１を回転させながら加熱することができるようになっている。また、高周波誘導加熱コイル３３の下側には冷却ジャケット３４が配置されており、環状部材１の冷却が行われる。これらのことから、環状部材１にずぶ焼入れ等の焼入れ処理や焼戻し処理が施される。
【００６１】
上記のように熱処理を施した際に変形が抑制される機構及び上記のように熱処理を施した場合の効果は第一実施形態と同様であるが、環状部材１の変形を抑制して真円状に近い形状を保つためには、放射状に配置されたピン３２の外端がほぼ真円状に配されている必要がある。そのためには、保持面２２の水平性，棒状部１１ｃの垂直性，円錐面５１ａの精度等が高精度である必要があるが、これらの部材は機械加工により製造されているので必要な精度で製造することが可能である。
【００６２】
例えば、第一実施形態のようなリンク機構の場合は、ピン３２と連結部材４０との連結部分やウェイト５０と連結部材４０との連結部分に、隙間や摩擦などの誤差要因が存在するため、これらを考慮して熱処理装置の設計を行う必要があるが、本実施形態のような垂直方向変位を水平方向変位に変換する機構の場合は、前記各部材を高精度に加工すればよいので、熱処理装置の精度の確保や維持管理等に大変有利である。
【００６３】
なお、ピン３２の外端と環状部材１との接触部分の面積は、できるだけ小さい方が好ましい（点接触や線接触が好ましい）。高周波誘導加熱コイル３３による加熱は環状部材１の外側から行われるので、前記接触部分の面積が大きいと熱が前記接触部分からピン３２に伝導しやすくなり、環状部材１を均熱化しにくくなる。そうすると、環状部材１の内周面に硬さの低い部分が生じ、それにより環状部材１に変形が生じるおそれがある。また、冷却時にも同様な冷却ムラが発生しやすくなる。
【００６４】
また、熱処理時に環状部材１が膨張又は収縮した際の環状部材１と保持面２２との摩擦抵抗を減少させるために、下記のような手段を講じることが好ましい。すなわち、環状部材１の下部の保持面２２と接触する部分を少なくする、セラミック，炭素材等の高融点材料で保持面２２を構成する、又は、セラミック，炭素材等で構成された潤滑剤を保持面２２に塗布する等の手段である。
【００６５】
本実施形態においてはセラミックで保持面２２を構成する手段が採用されており、図６のように基台部１１ａの保持面２２が位置する部分に、セラミックで構成された部材５５が埋設されている。
さらに、軸受鋼等のような高炭素鋼に焼入れを施す場合には、焼き割れ対策として環状部材１の外径側からのみ冷却を行うことが重要である。均一に冷却することを考慮すると、水等の冷媒が環状部材１の内周面に接触しないように環状部材１の上方に蓋等を設けることが好ましい。
【００６６】
さらに、図６のようにピン３２にバネ５２を取り付けると、環状部材１の保持治具１０からの取り外しが容易となる。
さらに、ピン３２の外端が環状部材１の軌道溝の中心に位置するように、上下方向の位置を調整してピン３２を設けておけば、環状部材１の反りが防止されやすい。
【００６７】
さらに、軸受鋼はＭｆ点が常温以下であるので、冷却は十分に行う必要がある。Ｍｆ点より高い温度で冷却を終了してしまうと、その後もマルテンサイト変態が進行して変形が生じるおそれがある。
なお、前述の第一及び第二実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は各実施形態に限定されるものではない。
【００６８】
例えば、前記各実施形態においては環状部材１はＳＵＪ２で構成されていたが、焼入れにより硬化するものであるならば、他の材料で構成されていても差し支えない。
また、前記各実施形態においては、転がり軸受の軌道輪として使用される環状部材を例示して焼入れ方法を説明したが、本発明の熱処理方法はこれに限らず種々の環状部材に適用可能であることはもちろんである。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の環状部材の熱処理方法及び熱処理装置によって熱処理を行えば、大径で薄肉の環状部材であっても焼入れ時の変形が少なく、また低コストである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る環状部材の熱処理方法の第一実施形態を説明する部分断面図である。
【図２】本発明に係る環状部材の熱処理方法の第一実施形態を説明する部分平面図である。
【図３】環状部材の内径に対する第一隙間の大きさの比率と環状部材の真円度との相関を示すグラフである。
【図４】矯正指数Ｋと環状部材の真円度との相関を示すグラフである。
【図５】本発明に係る環状部材の熱処理方法の第一実施形態の変形例を説明する部分断面図である。
【図６】本発明に係る環状部材の熱処理方法の第二実施形態を説明する一部を破断して示した正面図である。
【符号の説明】
１　　　　環状部材
１０　　　　保持治具
１１　　　　円柱状部材
１１ａ　　　基台部
１１ｂ　　　凸部
１１ｃ　　　棒状部
１２　　　　円板状部材
２１　　　　凸部の外周面
２２，２３　保持面
４０　　　　連結部材
６０　　　　ピン長さ調整部
Ｃ１　　　　第一隙間
Ｃ２　　　　第二隙間
Ｄ　　　　　環状部材の内径
ｄ　　　　　凸部の外径
ｈ　　　　　環状部材の幅
ｔ　　　　　保持面間の距離
【図１】
2004124247.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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