(57)【要約】  接合部をフラッシュバット溶接する段階を含む、フラッシュバット溶接接合部を有する鋼構成要素(14、30、32)を製造する方法。この方法は、フラッシュバット溶接する前記段階前、および/または前記階段中に、構成要素(14、30、32)の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)を超える温度まで加熱する段階を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部をフラッシュバット溶接するステップを含む、フラッシュバット溶接接合部を有する鋼製構成要素(14、30、32)を製造する方法であって、
前記フラッシュバット溶接するステップの前、および/または前記フラッシュバット溶接するステップの間に、前記構成要素(14、30、32)の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
熱(22)が、加熱手段を用いて前記構成要素(14、30、32)の少なくとも一部を加熱することによって供給されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱手段が、誘導加熱手段を備えることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記熱(22)が、フラッシュバット溶接装置を使用して供給されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記熱(22)が、交流(AC)を使用して供給されることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記フラッシュバット溶接するステップの後のみに、前記構成要素(14、30、32)を冷却するステップを含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記フラッシュバット溶接するステップの前、および/または前記フラッシュバット溶接するステップの間に、前記構成要素(14、30、32)の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より1〜50℃高い温度まで加熱するステップを含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記鋼(10)が、0.1〜1.1重量%、好ましくは0.6〜1.1重量%、または最も好ましくは0.8〜1.05重量%の炭素含有量を有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記構成要素(14、30、32)がリング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記リング(14、30、32)が軸受リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項１１】
前記リング(14、30、32)が0.5m以上の外径を有することを特徴とする、請求項11または12に記載の方法。
【請求項１２】
棒鋼をリングまたは環状セグメントに曲げる前、および/または曲げている間に、前記棒鋼の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱するステップを含むことを特徴とする、請求項9〜11のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記鋼(10)が、重量%で以下の組成、すなわち
C： 0.5〜1.1
Si： 0〜0.15
Mn： 0〜1.0
Cr： 0.01〜2.0
Mo： 0.01〜1.0
Ni： 0.01〜2.0
Vおよび/またはNb： Vが0.01〜1.0もしくはNbが0.01〜1.0、または両元素が0.01〜1.0
S： 0〜0.002
P： 0〜0.010
Cu： 0〜0.15
Al： 0.010〜1.0
および通常生じる不純物
を有し、
残部がFe 
であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法を用いて製造されたことを特徴とする、構成要素(14、30、32)。
【請求項１５】
リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項14に記載の構成要素(14、30、32)。
【請求項１６】
軸受リング(14、30、32)であることを特徴とする、請求項15に記載の構成要素(14、30、32)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼から軸受リングなどの構成要素を製造する方法に関する。本発明はまた、かかる方法を用いて製造された構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
フラッシュバット溶接、または「フラッシュ溶接」は、金属レール、ロッド、チェーン、またはパイプのセグメントを接合する抵抗溶接技術であり、この技術では、セグメントの端部同士を位置合せし、帯電させ、電気アークを生成し、この電気アークによってセグメントのこれらの端部を溶融し、溶接し、それによって極めて強力かつ平滑な接合部をもたらす。
【０００３】
フラッシュバット溶接回路は通常、低電圧、高電流のエネルギー源(通常は溶接変圧器)と、2つのクランプ電極とからなる。溶接すべき2つのセグメントを電極で把持し、それらのセグメント同士が対合し軽く接触するまで互いに引き合わせる。変圧器に通電することによって、高密度の電流を、互いに接触している領域に流す。フラッシングが開始し、フラッシング作用を維持するのに十分な力および速度でセグメントが一体に鍛造される。溶接すべき2つの表面で熱勾配が確立された後、アプセット力を急に印加すると溶接が完了する。このアプセット力によって、溶接ゾーンからスラグ、酸化物、および溶融金属が押し出され、加熱された金属のより低温のゾーンに溶接付着物が残ることになる。次いで、この接合部を僅かに冷却してから、クランプを開いて溶接済物品を解放する。溶接付着物は、要件に応じてそのまま残しておいても、または溶接済物品がまだ熱いうちにシャーリング加工によって除去しても、またはグラインディングによって除去してもよい。
【０００４】
フラッシュバット溶接は簡単かつ効率のよい溶接技術であるが、フラッシュバット溶接によって、構成要素の溶接接合部近傍の物理的特性に悪影響が及ぼされることがあり、その原因は、フラッシュバット溶接中および溶接後に生じる、脆いマルテンサイトの形成に伴う割れなどの欠陥である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、フラッシュバット溶接接合部を有する鋼構成要素を製造する改善された方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、接合部をフラッシュバット溶接する段階と、このフラッシュバット溶接する段階の前、および/またはこのフラッシュバット溶接する段階の間に、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱する段階と、を含む方法によって達成される。それによってフラッシュバット溶接する段階中、および段階後のマルテンサイトの形成が回避または低減されることになり、したがって構成要素に割れが遥かに形成されにくくなる。すなわち、硬質で脆いマルテンサイトの形成には、収縮応力および熱応力などの機械的影響が伴い、こうした影響によって構成要素の内部応力のレベルが増大し、したがって脆性破壊または割れの危険が増す。
【０００７】
マルテンサイトは、オーステナイトの急冷(焼入れ)によって形成され、鋼の結晶構造から拡散する時間がない炭素原子を取り込み、この構造をより脆くする。このマルテンサイト反応は、冷却中にオーステナイトがマルテンサイト開始温度(Ms)に達し、母相オーステナイトが機械的に不安定になると開始する。Msを下回る一定の温度では、母相オーステナイトの一部が急速に変態し、その後さらなる変態は生じなくなる。温度が低下すると、より多くのオーステナイトがマルテンサイトに変態する。マルテンサイトは、オーステナイトよりも密度が低く、したがってマルテンサイト変態の結果、体積に相対的な変動が生じる。フラッシュバット溶接する段階の前、および/または段階中に、フラッシュバット溶接すべき構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱することによって、フラッシュバット溶接中、またはフラッシュバット溶接後のマルテンサイトの形成に伴う溶接割れ/焼入れ割れなどの欠陥を回避または低減させることができる。
【０００８】
表現「フラッシュバット溶接する段階中に、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱する」とは、フラッシュバット溶接する段階中に、フラッシュバット溶接によって発生する熱とは別に、構成要素の少なくとも一部に熱を供給することを意味する。
【０００９】
熱は、溶接接合部となる部分の近傍だけに供給しても、構成要素の1つまたは複数の部分に供給してもよく、そうするとすぐに、例えば構成要素を通じた伝導によって、熱を伝達することができる。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、熱は、誘導加熱手段などの加熱手段を用いて構成要素の少なくとも一部を加熱することによって供給される。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態によれば、熱は、フラッシュバット溶接装置を用いて構成要素の少なくとも一部を加熱することによって供給される。熱は、好ましくは交流(AC)を使用して供給され、したがって直流(DC)を使用した場合よりも構成要素を低温に保持することができる。別の実施形態では、熱は、直流(DC)によって、または直流(DC)と交流(AC)との組合せによって供給される。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、熱は、付加的にまたは代替的に、フラッシュバット溶接する段階の前、および/またはその段階の間に、構成要素の少なくとも一部を断熱することによって供給される。熱絶縁材料を構成要素の少なくとも一部の周りに設けて、構成要素の冷却を防止する、または冷却速度を低減させることができる。フラッシュバット溶接する段階の前、および/またはその段階の間に、例えば熱絶縁材料のスリーブを構成要素の少なくとも一部の周りに配置してもよい。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、本方法は、フラッシュバット溶接する段階後だけに、構成要素を例えば室温まで冷却する段階を含む。
【００１４】
本発明の別の実施形態によれば、フラッシュバット溶接する段階の前、および/またはその間に、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)を1℃〜50℃、1℃〜100℃、または1℃〜200℃高い温度まで加熱する。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態によれば、構成要素は、軸受リングなどのリングである。本発明による方法は、それだけに限られるものではないが、特に、大型寸法のリング(すなわち0.5m以上、1m以上、2m以上、または3m以上の外径を有するリング)の製造に適している。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、本方法は、棒鋼をリングまたは環状セグメントに曲げる前、および/または曲げている間に、棒鋼の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱する段階を含む。それによって、棒鋼は、リングまたは環状セグメントへと、より容易に曲げることができる。
【００１７】
本発明の別の実施形態によれば、鋼は、0.1〜1.1重量%、好ましくは0.6〜1.1重量%、または最も好ましくは0.8〜1.05重量%の炭素含有量を有する。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、鋼は重量%で以下の組成、すなわち
C： 0.5〜1.1
Si： 0〜0.15
Mn： 0〜1.0
Cr： 0.01〜2.0
Mo： 0.01〜1.0
Ni： 0.01〜2.0
Vおよび/またはNb： Vが0.01〜1.0もしくはNbが0.01〜1.0、または両元素が0.01〜1.0
S： 0〜0.002
P： 0〜0.010
Cu： 0〜0.15
Al： 0.010〜1.0
および通常生じる不純物
であって、残部がFe
の組成を有する。
【００１９】
鋼のケイ素含有量を最小限に抑え、かつマンガンおよびクロム(これらは酸化しやすい合金元素である)の含有量を上記のレベルまで低減することによって、この鋼はより安定となり、フラッシュバット溶接中に容易には酸化しなくなる。鋼の硫黄含有量を絶対最小値まで低減させると、フラッシュバット溶接を施した鋼における望ましくない非金属介在物の含有量が最小限に抑えられる。硫黄含有量を極めて低くすることを保証するとともに、非金属介在物の形状の制御を確保する製鋼中の特殊な取鍋処理によって、高度な板厚全体を通じた延性を得ることができる。
【００２０】
鋼にフラッシュバット溶接を施す際に、鋼の残留元素またはトランプ元素がオーステナイト粒界に移動するのを妨げるように、鋼の燐含有量をもやはり絶対最小値まで低減され、そうでない場合には溶接部がかなり脆弱となる。モリブデン、ニッケル、および任意にバナジウムを添加することによって、大型構成要素(すなわち外径が500mm以上の構成要素)の無心焼入れが可能となるのに十分な焼入れ性が鋼に付与される。
【００２１】
したがって、かかる鋼を使用することによって、フラッシュバット溶接から生じる好ましくない材料流れの悪影響を制限することができる。すなわち、かかる鋼を使用することによって、接合済/溶接済構成要素に、そうでない場合には生じ得た構造的脆弱領域が含まれないため、優れた溶接接合部を有する接合済/溶接済構成要素が得られる。したがって、かかる接合済/溶接済構成要素は、かかる鋼を備えない接合済/溶接済構成要素に比べて高度の構造一体性を有する。したがって、かかる鋼はフラッシュバット溶接に、特に高い疲労特性および靱性特性が求められる用途向けの構成要素の製造に適しており、このような構成要素には、製造中、または製造後にフラッシュバット溶接が施される。
【００２２】
本発明はまた、本発明の実施形態のいずれかによる方法を用いて製造された構成要素に関する。この構成要素は、軸受に使用される軸受リングなどのリングでよく、軸受には、ころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、トロイダルころ軸受、スラスト軸受、または転がり接触、もしくは転がり接触と滑り接触との組合せなど、ヘルツ応力を交番して受けるいかなる用途にも適した軸受などが含まれる。軸受は、例えば自動車、風力、海洋、金属生産、または他の機械用途など、高い耐摩耗性、および/または増強された疲労強度および引張り強度が求められる用途に使用することができる。
【００２３】
本発明について、添付の概略図を参照しながら非限定的な例によって以下にさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による方法の一段階を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるフラッシュバット溶接段階後の軸受リングを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による方法の諸段階を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による軸受を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面は、原寸に比例して示されておらず、見やすいようにある特徴の寸法が誇張されていることに留意されたい。
【００２６】
図1〜図4は、本発明の一実施形態による方法の様々な方法段階を概略的に示す。図1は、鋼10が鍛造されて、2つの対向する端部12aおよび12bを有する棒鋼12が作製される様子を示す。重量が4トン超、10トン超、15トン超、20トン超、またはそれ以上のインゴットから、スラブ、ブルーム、またはビレットを鍛造することができる。少なくとも1本の棒鋼を、スラブ、ブルーム、またはビレットから鍛造または切り出すことができる。ビレットは、230cm2未満の面積の、円形または正方形の断面を有するが1本の金属である。ブルームは、その断面積が230cm2よりも大きい点を除いて、ビレットと同様である。スラブは、断面が長方形の1本の金属である。鋼は、重量%で以下の組成、すなわちC：0.5〜11、Si：0〜0.15、Mn：0〜1.0、Cr：0.01〜2.0、Mo：0.01〜1.0、Ni：0.01〜2.0、Vおよび/またはNb：Vが0.01〜1.0もしくはNbが0.01〜1.0、または両元素が0.01〜1.0、S：0〜0.002、P：0〜0.010、Cu：0〜0.15、Al：0.010〜1.0、ならびに通常生じる不純物の組成、残部がFeを有することができる。
【００２７】
図示の実施形態に示す棒鋼12の端部12a、12bは、棒鋼12の側面12c、12dに対して90°の角度を成す端部を備えることに留意されたい。しかし、棒鋼12は、棒鋼の側面12c、12dに対して90°超の、または90°未満の角度を成す端部12a、12bを備えてもよく、すなわち棒鋼12は、斜めに傾斜した端部を備えてもよい。さらに、棒鋼12の端部12aおよび12bは、必ずしも平坦な表面を有しなくともよい。
【００２８】
棒鋼の少なくとも1つの表面12a、12b、12c、12dの少なくとも一部を、フラッシュバット溶接前に浸炭させてもよい。例えば、分解時に炭素を遊離させる別の材料の存在下で棒鋼を加熱し、次いで焼入れによって急冷する任意の従来方法を用いて、対向する端部を一様にまたは非一様に浸炭させて、連続した、または非連続の浸炭層を形成することができる。
【００２９】
図2は、単一の棒鋼12が、開口した軸受リング14に形成されたものを示す。代替的に、複数の棒鋼12をそれぞれ環状セグメントに形成し、次いで2つ以上の環状セグメントを一体にフラッシュバット溶接して、2つ以上の溶接接合部を備える軸受リング14を形成してもよいことに留意されたい。本発明の一実施形態によれば、棒鋼をリングまたは環状セグメントに曲げる前、および/または曲げている間に、棒鋼の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱して、棒鋼を形状へ、より容易に曲げることができる。
【００３０】
図3は、フラッシュバット溶接する段階の前に、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱する段階を示す。例示の実施形態では、フラッシュバット溶接に備えて把持された、開口した軸受リングの端部12a、12bに熱22を供給する。
【００３１】
熱22は、誘導加熱手段など、適切ないかなる加熱手段によっても供給することができる。追加的にまたは代替的に、熱22は、フラッシュバット溶接装置自体を用いて、例えば交流(AC)を使用して供給することができる。端部12a、12b、または構成要素の他の所定の部分の温度がマルテンサイト開始温度(Ms)に達し、かつ好ましくは所定量の時間、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度に保持すると、開口した軸受リング14の端部12aと12bとを一体にフラッシュバット溶接することができる。
【００３２】
代替的にまたは追加的に、構成要素の少なくとも一部を、フラッシュバット溶接する段階の前、および/または間に断熱してもよい。例えば、フラッシュバット溶接する段階の前に、熱絶縁材料のスリーブを構成要素の一部および/または別の部分の周りに配置しながら、構成要素のその一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)まで加熱することができる。熱絶縁材料のスリーブは、フラッシュバット溶接する段階の間、そのままその位置に留めおいてもよい。
【００３３】
図4は、フラッシュバット溶接する段階を示し、ここでは開口した軸受リング14の把持された端部12a、12bが、制御された速度で互いに引き合わせられ、変圧器16からの電流が印加される。2つの端部12aと12bとの間にアークが生成される。フラッシュバット溶接工程の始めには、アークギャップ18は、2つの表面12a、12bを平らにし、クリーンにするのに十分なほど広い。ギャップ18を減少させ、その後開閉させることによって、2つの表面12a、12bに熱が生じる。2つの表面12a、12bの温度が鍛造温度に達すると、図3のブロック矢印20の方向に圧力が印加される(または、移動可能な端部を、静止した端部に押し付けて鍛造する)。2つの表面12aと12bとの間にフラッシュが生じ、それによって溶接領域にあるいかなる炭素も、表面12a、12bから軸受リングの内側表面および外側表面12c、12dの方へと半径方向外方に流れることになり、その結果クリーンな溶接接合部が得られる。フラッシング後に、アプセット力を急激に印加すると、溶接が完了する。このアプセット力によって、溶接ゾーンからスラグ、酸化物、および溶融金属が押し出され、加熱された金属のより低温のゾーンに溶接付着物が残る。
【００３４】
熱を供給する段階の後に、溶接済構成要素の少なくとも一部は、その表面硬度、耐摩耗性、および/または疲労強度および引張り強度を増大させるために、浸炭などの溶接後熱処理にかけられてもよい。浸炭とは、分解時に炭素を遊離させる別の材料の存在下で、鉄または鋼の構成要素を加熱する熱処理工程である。構成要素の外側表面は、元の材料よりも高い炭素含有量を有することになる。鉄または鋼の構成要素を焼入れによって急冷すると、より高い炭素含有量を有する外側表面が硬化することになり、一方コアは軟質(すなわち延性を有する)かつ強靭なままとなる。
【００３５】
代替的に、フラッシュバット溶接する段階後に、溶接済構成要素を、例えば水、油、またはポリマーベースの焼入れで冷却してもよい。
【００３６】
溶接済軸受リングの内側表面12dおよび外側表面12cに蓄積した、例えばスラグ、酸化物、および/または溶融金属を含有したいかなる溶接付着物26(図5に示す)も、例えばシャーリング加工またはグラインディングによって除去することができる。
【００３７】
図6は、本発明の一実施形態による、フラッシュバット溶接接合部を有する鋼構成要素を製造する方法の諸段階を示す。この方法は、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms) より高い温度まで予熱する段階と、次いでその構成要素をフラッシュバット溶接する段階と、を含む。本発明の一実施形態によれば、構成要素の少なくとも一部の温度を、マルテンサイト開始温度(Ms) より高い温度まで上昇させる、またはその温度に維持するために、フラッシュバット溶接する段階中に、フラッシュバット溶接によって発生する熱とは別に、構成要素の少なくとも一部に追加の熱を供給することができる。構成要素を、予熱する段階と、フラッシュバット溶接する段階との間で実質的に冷却すること許容されず、好ましくは全く冷却されない。フラッシュバット溶接する段階の後に、構成要素の少なくとも一部に、例えば硬化熱処理を施すこともできる。
【００３８】
図7は、軸受28、すなわち寸法が直径10mmから直径数メートルまでの範囲におよび、かつ数十グラムから数千トンまでの負荷容量を有し得る転がり軸受の一例を示す。すなわち、本発明による軸受28は、いかなる寸法のものでもよく、いかなる負荷容量をも有することができる。軸受28は、内輪30および外輪32を有し、その一方または両方を、本発明によるリングによって構成することができ、また、この軸受28は、1組の転動体34を有する。転がり軸受28の内輪30、外輪32、および/または転動体34、ならびに好ましくは転がり軸受28の全ての転がり接触部品は、0.20から0.40重量%の炭素を含む鋼から製造される。
【００３９】
フラッシュバット溶接する前記段階前、および/または前記段階中に、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱した、本発明の一実施形態による方法を用いて製造された構成要素は、フラッシュバット溶接前、および/またはフラッシュバット溶接中に、構成要素の少なくとも一部を、マルテンサイト開始温度(Ms)より高い温度まで加熱せずに構成要素をフラッシュバット溶接する、従来の方法を用いて製造された構成要素に比べて、物理的特性が改善され、かつ/またはより均質となる。
【００４０】
特許請求の範囲に含まれる本発明のさらなる改変が、当業者には明白であろう。
【符号の説明】
【００４１】
10  鋼
12  棒鋼
12a、12b  端部
12c  外側表面
12d  内側表面
14  軸受リング
16  変圧器
18  アークギャップ
20  ブロック矢印
22  熱
26  溶接付着物
28  軸受
30  内輪
32  外輪
34  転動体
【図１】
2015504005.tif 000002
【図２】
2015504005.tif 000003
【図３】
2015504005.tif 000004
【図４】
2015504005.tif 000005
【図５】
2015504005.tif 000006
【図６】
2015504005.tif 000007
【図７】
2015504005.tif 000008
【国際調査報告】
2015504005.tif 000009
2015504005.tif 000010
2015504005.tif 000011