(57)【要約】【課題】  二段熱処理を行う熱処理システム全体の熱処理効率の向上を図る。【解決手段】  軸受部品を、一次加熱機１１〜１３でＡ1変態点を越える温度に加熱した後、一次冷却機１４でＡ1変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する。次いで、この軸受部品を、二次加熱機１５でＡ1変態点を越えかつ一次加熱機１１〜１３での加熱温度未満に加熱し、その後、二次冷却機２でＡ1変態点未満に冷却する。一次加熱機１１〜１３および二次加熱機１５は何れもバッチ式とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製部品をＡ1変態点を越える温度に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する一次熱処理と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ1変態点を越えかつ一次熱処理での加熱温度未満に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却する二次熱処理とを行う熱処理システムであって、
一次熱処理での加熱を、複数のバッチ式加熱機で行うことを特徴とする熱処理システム。
【請求項２】
一次熱処理での冷却を行う冷却機、および二次熱処理での加熱を行うバッチ式加熱機をさらに含み、かつ前記各加熱機、および冷却機を一体にユニット化した請求項１記載の熱処理システム。
【請求項３】
前記各加熱機および冷却機での鋼製部品の装入・抽出が、不活性ガスを満たした搬送室内で行われる請求項２記載の熱処理システム。
【請求項４】
一次加熱用の加熱機が、ガス浸炭窒化させるものである請求項１〜３何れか記載の熱処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製部品に二段の熱処理（一次熱処理および二次熱処理）を施す熱処理システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高い転動疲労寿命が求められる鋼製の機械部品、例えば転がり軸受の軸受部品に適合する熱処理方法として、特開平１５−２２６９１８号公報に記載されたものがある。これは、軸受部品用の鋼をＡ1変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理した後、Ａ1変態点未満の温度に冷却し、その後、Ａ1変態点以上で浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度域（７９０℃〜８３０℃）に再加熱して焼入れを行うものである。
【０００３】
この方法によれば、表層の浸炭窒化層の存在により軸受部品が高硬度化され、かつ再加熱時の焼入れ温度がオーステナイト結晶粒の成長が生じにくい温度に抑えられるので、オーステナイト粒径を平均粒径８μｍ以下まで微小化することができる。これにより粒界強度が増すため、転動疲労寿命の向上、さらには耐割れ性の向上等の効果が得られる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１５−２２６９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように前記公報に開示された発明では、一次加熱と二次加熱の二段の加熱工程が必要となるが、通常、一次加熱の加熱時間は、浸炭窒化を進行させるために二次加熱の加熱時間よりも長くなる。従って、そのままでは、一次加熱と二次加熱での熱処理効率に差が生じ、二次加熱を行う加熱機で炉の待機時間が増え、システム全体での熱処理効率の低下を招くおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる二段熱処理を行う熱処理システム全体の熱処理効率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するため、本発明にかかる熱処理システムは、鋼製部品をＡ1変態点を越える温度に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却して表面に窒素富化層を形成する一次熱処理と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ1変態点を越えかつ一次熱処理での加熱温度未満に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却する二次熱処理とを行う熱処理システムであって、一次熱処理での加熱を、複数のバッチ式加熱機で行うものである。
【０００８】
この熱処理システムによれば、一次熱処理により、表面に窒素が拡散した窒素富化層が形成されるので、鋼製部品の表面硬さが増す。その一方、一次熱処理後は鋼組織中のオーステナイト粒が粗大化しているが、その後に一次熱処理での加熱温度（一次加熱温度）よりも低温で二次熱処理が行われるため、オーステナイト粒が通常品の半分程度に微細化され、オーステナイト結晶粒度番号でいえば１０番を越える微細な結晶粒度が得られる。以上の特性から、通常の浸炭窒化品に比べて耐割れ性を向上させ、さらに転動疲労寿命の大幅な向上を図ることができる。
【０００９】
この熱処理システムでは、一次熱処理での加熱（一次加熱）を複数のバッチ式加熱機（一次加熱機）で行うので、各加熱機に時間差をもって鋼製部品を順次供給することにより、断続的に一次加熱品を取り出すことができる。従って、一次加熱の熱処理効率を向上させ、二次加熱側での熱処理効率とバランスさせてシステム全体の熱処理効率の向上を図ることができる。また、使用する一次加熱機の数を変更することで、加熱時間や単位時間あたりの処理量といった加熱条件の変更にも柔軟に対応することができ、熱処理条件の変更に対してフレキシブルな対応が可能となる。さらにはバッチ式であるから、多品種少量生産にも容易に対応可能である。
【００１０】
この熱処理システムは、一次熱処理での冷却（一次冷却）を行う冷却機（一次冷却機）、および二次熱処理での加熱（二次加熱）を行うバッチ式加熱機（二次加熱機）をさらに含み、かつ各加熱機（一次加熱機と二次加熱機）、および冷却機を一体にユニット化したものとするのが望ましい。これら各機器をユニット化することにより、連続式に比べてシステムをコンパクトにできる。また、各機器がユニット化されているので、各機器への鋼製部品の装入・抽出を短時間で行うことができ、熱処理効率をさらに高めることができる。通常、Ａ1変態点以上に加熱した熱処理品では、冷却後に焼割れ等を生じるおそれがあるが、一次冷却機と二次加熱機をユニット化しており、一次冷却後の熱処理品は直ちに二次加熱されるため、一次熱処理と二次熱処理の間で焼割れ等を生じる心配がない。従って、この点からもシステムのコンパクト化、さらには熱処理時間の短縮を図ることができる。
【００１１】
各加熱機（一次加熱機と二次加熱機）および冷却機（一次冷却機）に対する鋼製部品の装入・抽出は、鋼製部品の酸化を防止するため、不活性ガスを満たした搬送室内で行うのが望ましい。
【００１２】
一次熱処理装置では、Ａ1変態点以上に加熱することにより、鋼の表面に窒素を富化した窒素富化層が形成される。この加熱条件を満たす窒素富化層の形成手段としては、浸炭窒化処理が考えられ、コスト面や品質面を考慮すると特にガス浸炭窒化が好ましい。この場合、一次熱処理装置の加熱機では、雰囲気ガスとして例えば浸炭性ガスにアンモニアを添加したものが使用される。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、一次加熱での加熱効率が高まるので、一次熱処理側と二次熱処理側で熱処理効率をバランスさせることができる。従って、システム全体の熱処理効率を向上させ、熱処理コストの削減を通じて鋼製部品の低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、鋼製部品の一例として軸受部品を使用し、これに適用した本発明の一実施形態を説明する。
【００１５】
図１に本発明にかかる熱処理システムの構成を概念的に示す。図示のように、この熱処理システムは、複数のバッチ式の加熱機１１〜１３・１５とバッチ式の冷却機１４とをユニット化した熱処理装置１と、冷却機（二次冷却機）２と、洗浄機３と、焼戻し機５とで構成される。鍛造→旋削等の成形工程（図示省略）で成形された軸受部品は、バスケット６等の治具に多数収容した状態で熱処理装置１、二次冷却機２、洗浄機３、および焼戻し機５に搬送され、これらの機器で一次熱処理、次いで二次熱処理を施されて製品化される。
【００１６】
ここでいう軸受部品は、玉軸受、円錐ころ軸受、ころ軸受、針状ころ軸受等の転がり軸受の軸受部品を意味する。図２は、一例として外輪４１、内輪４２、および転動体４３を主要な構成要素とする深溝玉軸受４を示すものであり、相手部材と転がり接触するこれら外輪４１、内輪４２、および転動体４３がここでいう軸受部品に該当する。軸受部品の素材としては、ＳＵＪ２等の軸受鋼の他、Ｃ：０．６〜１．３ｗｔ％、Ｓｉ：０．３〜３．０ｗｔ％、Ｍｎ：０．２〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．３〜５．０ｗｔ％、Ｎｉ：０．１〜３ｗｔ％を含む（望ましくはＭｏ：０．０５〜０．２５ｗｔ％未満、Ｖ：０．０５〜１．０ｗｔ％をさらに含む）高温用の軸受鋼や、Ｃ：０．４〜０．８ｗｔ％、Ｓｉ：０．２〜０．９ｗｔ％、Ｍｎ：０．７〜１．３ｗｔ％、Ｃｒ：０．７ｗｔ％以下を含む中炭素鋼等も使用することができる。
【００１７】
図１に示すように熱処理装置１は、一次加熱用の３つのバッチ式加熱機（一次加熱機）１１〜１３と、一次冷却用の１つのバッチ式冷却機（一次冷却機）１４と、二次加熱用の１つのバッチ式加熱機（二次加熱機）１５と、搬送室１６とを備える。一次加熱機１１〜１３、一次冷却機１４、および二次加熱機１５は上流側からこの順で配置され、搬送室１６はこれら各機に跨る形で連続して形成されている。
【００１８】
搬送室１６内では、多数の軸受部品を収容したバスケット６がコンベヤ等からなる搬送装置７によって移送される。搬送装置７はバスケット６を各機１１〜１５直下で停止させ、これをエレベータ等の移送機構を介して各機１１〜１５の室内に装入・抽出する。各機１１〜１５の室内は、図示しない開閉扉によって搬送室１６に対して区画され、この扉を閉めることで各機１１〜１５の室内が密閉され、扉を開くことで各機１１〜１５の室内が搬送室１６に開放してバスケット６の装入・抽出が行われる。搬送室１６の上流側および下流側は開閉可能のシャッター１７、１８で区画され、このシャッター１７、１８を閉めることで熱処理装置１内の各室１１〜１６が外気に対して遮断される。搬送室１６には窒素等の不活性ガスを満たし、搬送中の軸受部品の酸化を防止する。
【００１９】
軸受部品は、バスケット６に収容した状態でコンベヤ等の搬送装置７によって前工程から移送され、シャッターの１７の開扉後、熱処理装置１内に搬入される。搬入されたバスケット６は、先ず３つの一次加熱機１１〜１３のうちの何れかの室内に装入される。一次加熱機１１〜１３は、例えば雰囲気ガスとして浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気炉で構成され、その室内では、軸受部品が図３に示すようにＡ1変態点を越える温度Ｔ１（８００℃〜９００℃、例えば８５０℃）で所定時間（例えば９０分）加熱され、これにより活性状態の窒素が表層に拡散して軸受部品の表層が硬化される（ガス浸炭窒化）。３つの一次加熱機１１〜１３にはバスケット６が時間差をつけて順次装入され、これにより各一次加熱機１１〜１３から一次加熱品が断続的に抽出される。なお、一次加熱機１１〜１３は、基本的には表面に窒素富化層を形成することを目的とするから、少なくとも窒化すればよく、必ずしも浸炭は必要でない。但し、条件によっては、例えば脱炭が懸念される場合や使用鋼材の炭素量が少なく、十分な硬度を確保できない場合等は、窒化の他に浸炭も不可欠となる。
【００２０】
一次加熱室１１〜１３から抽出されたバスケット６は次いで一次冷却機１４に移送される。一次冷却機１４の室内では、窒素ガス等の冷却ガスによりバスケット６内の軸受部品がＭｓ点以下に冷却される。この冷却により一次熱処理が完了する。
【００２１】
一次冷却終了後、バスケット６は二次加熱機１５に移送され、軸受部品の二次加熱が行われる。二次加熱機１５は、図３に示すように、浸炭窒化処理した軸受部品をＡ1変態点以上でかつ一次加熱機１１〜１３での一次加熱温度Ｔ１未満の温度Ｔ２（７９０℃〜８３０℃、例えば８００℃）で所定時間（例えば３０分）加熱する。この時の二次加熱温度は、一次加熱温度よりも低温であるで、鋼中のオーステナイト粒は微細化される。
【００２２】
二次加熱終了後、バスケット６は、シャッター１８を開いた上で熱処理装置１外に搬出される。次いで軸受部品は、二次冷却機２でＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）して焼入れされ、これによって二次熱処理が完了する。その後、軸受部品は、洗浄機３で冷却液を洗浄除去した後、焼戻し機５によって図３に示すように、適当な温度Ｔ３（例えば１８０℃）で焼戻して後工程へ移送される。なお、二次冷却としては、油冷の他にも塩浴や水冷等の他の冷却方法を採用することもでき、二次冷却を水冷や空冷等で行う場合には洗浄機３は不要となる。
【００２３】
以上に述べた一次加熱温度Ｔ１、二次加熱温度Ｔ２、および焼戻し温度Ｔ３は何れも鋼材として軸受鋼ＳＵＪ２を使用する場合を例示したものである。使用鋼材の種類によっては、これらの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は上記例示と異なる温度をとる場合がある。
【００２４】
以上の過程で熱処理された軸受部品では、表層に窒素富化層（窒素含有量０．１〜０．７ｗｔ％）が形成されるため、Ｈｖ７００を越える高硬度が得られ、かつミクロ組織中のオーステナイト粒が微細化されてそのオーステナイト結晶粒度は１０番を越えるものとなる。また、軸受部品の破壊応力値２６５０ＭＰａ以上、残留オーステナイト量１３〜２５％、鋼中の水素濃度０．５ｐｐｍ以下という従来の通常品を遥かに凌ぐ良好な物性値が得られる。従って、耐割れ強度、耐摩耗性等を向上させることができ、さらには転動疲労寿命の向上に顕著な効果が得られる。
【００２５】
本発明では、上述のように一次熱処理での一次加熱を複数のバッチ式加熱機１１〜１３で行っているので、一次加熱時の熱処理効率を向上させ、二次加熱での熱処理効率とバランスさせることができる。従って、後工程に配置した一次冷却機１４、二次加熱機１５、および二次冷却機２等の待機時間を減じてシステム全体の熱処理効率を向上させることができる。例えば上記実施形態において、一次熱処理時間が二次熱処理時間の三倍であると仮定すると、一次加熱機１１〜１３の数が二次加熱機１５の三倍であるので、結果的に遊びが生じないことになる。一次熱処理機１１〜１３の数は、一次熱処理側と二次熱処理側の熱処理効率の差を考慮し、二次加熱機１５よりも多く、かつ両者の熱処理効率がバランスする範囲で任意に選択することができる。なお、上記実施形態では、二次熱処理装置２の数を一つとした場合を例示しているが、これを複数設置することもできる。
【００２６】
また、本発明では、バッチ式の一次加熱機１１〜１３、一次冷却機１４、および二次加熱機１５を一体にユニット化しているので、連続式に比べてシステムをコンパクトにできる。ユニット化により、一次加熱機１１〜１３から一次冷却機１４、一次冷却機１４から二次加熱機１５への鋼製部品の移送を短時間で行うことができ、熱処理効率をさらに高めることができる。通常、Ａ1変態点以上に加熱した熱処理品では、冷却後の焼割れ等を防止するために焼戻しが必要となるが、本発明では一次冷却機１４と二次加熱機１５とをユニット化しており、一次冷却後の熱処理品が直ちに二次加熱機１５で再加熱されるため、一次熱処理と二次熱処理の間での焼戻しが不要となる。従って、焼戻し機の設置数を減じて、システムのさらなるコンパクト化および熱処理時間の短縮化を図ることができる。
【００２７】
なお、以上の説明では熱処理の対象として軸受部品を例示したが、本発明はこれに限らず、高い転動疲労寿命が要求される機械部品（例えば等速自在継手の構成部品）、さらには鋼製部品一般に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる熱処理システムの概略構成を示す断面図である。
【図２】深溝玉軸受の断面図である。
【図３】上記熱処理システムにおける熱処理のサイクル図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      熱処理装置
２      冷却機（二次冷却機）
３      洗浄機
４      転がり軸受
５      焼戻し機
６      バスケット
７      搬送装置
１１〜１３  加熱機（一次加熱機）
１４    冷却機（一次冷却機）
１５    加熱機（二次加熱機）
１７    シャッター（上流側）
１８    シャッター（下流側）
４１    外輪
４２    内輪
４２    転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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