(57)【要約】【課題】  一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で一次熱処理での加熱温度よりも低温で焼入れする熱処理システムにおいて、二次熱処理時の加熱温度を厳密に管理する。【解決手段】  一次熱処理装置１は、加熱機１１で軸受部品を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軸受部品の表面に窒素富化層を形成する。この軸受部品は引き続いて二次熱処理装置２に移送され、Ａ1変態点を越えかつ一次焼入れ温度未満に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却される。二次熱処理装置２での加熱および冷却は熱浴によって行われる。【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装置と、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装置とを備え、二次熱処理装置での熱処理が熱浴で行われることを特徴とする熱処理システム。
【請求項２】
一次熱処理装置が、ガス浸炭窒化させる加熱機を含む請求項１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、二次熱処理の加熱温度（二次加熱温度）が、Ａ1変態点温度を越えかつ一次熱処理での加熱温度よりも低温の温度領域に制限される。このように温度領域の幅が一定範囲に制限され、かつその幅も狭い（６０℃〜８０℃程度）ことから、部品全体で均一に結晶粒を微細化するためには、二次加熱温度を厳密に管理する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で一次熱処理での加熱温度よりも低温で焼入れする熱処理システムにおいて、二次熱処理時の加熱温度を厳密に管理可能とす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装置と、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装置とを備え、二次熱処理装置での熱処理が熱浴で行われるものである。
【０００８】
この熱処理システムによれば、一次熱処理装置での熱処理により、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、耐摩耗性や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】
本発明では、二次熱処理が熱浴で行われるので、厳密な温度管理が要求される二次加熱温度を精度よく制御することができる。従って、部品全体で均一に結晶粒度を微細化した高品質の鋼製部品が得られる。二次熱処理装置での熱浴は、高温と低温の二段階で行うことができ、この場合、高温の熱浴は加熱用として、低温の熱浴は等温冷却用として用いることができる。この場合、低温熱浴後の鋼製部品は例えば空冷によってさらに冷却される。
【００１０】
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。
【００１１】
一次熱処理装置は、Ａ1変態点以上に加熱するための加熱機と、その後にＡ1変態点未満に冷却するための冷却機を基本構成として含む。ガス浸炭窒化を行う場合、一次熱処理装置にはガス浸炭窒化させる加熱機が設けられる。この加熱機としては、例えば浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガスで加熱する雰囲気炉が使用される。
【００１２】
一次熱処理装置および二次熱処理装置の構成は、加熱機と冷却機に限られるものではなく、例えば冷却機で使用する焼入れ液の種類に応じて（油やソルトを使用する場合等）、部品表面に付着した焼入れ液を除去するための洗浄機を含めることもできる。さらには、一次熱処理後や二次熱処理後に焼戻しを行う場合、該当する熱処理装置に焼戻し機を組み込んで一体化することもできる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、二次熱処理装置での加熱温度を精度よく管理することができる。従って、加熱むらを防止して部品全体で結晶粒度を均一に微細化することができ、これによって鋼製部品の品質安定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、一次熱処理装置１と二次熱処理装置２とで構成される。鍛造→旋削等の成形工程（図示せず）で成形された軸受部品は、一次熱処理装置１および二次熱処理装置２に順次移送され、それぞれの装置で加熱・冷却されて二段の熱処理を施される。
【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、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。これら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】
一次熱処理装置１は、加熱機１１、冷却機１２、および洗浄機１３で構成される。図１では、一次熱処理装置１として連続式を例示しているが、バッチ式を使用することもできる。加熱機１１は、例えば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る。この加熱機１１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４０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）。加熱機１１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。加熱後の軸受部品は、図３に示すように冷却機１２にてＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）され、さらに洗浄機１３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。なお、冷却機１２で水冷や空冷する場合は、洗浄機１３は不要となる。
【００１８】
一次熱処理装置１で浸炭窒化された軸受部品は、図示しないコンベア等の搬送手段を介して二次熱処理装置２に供給される。二次熱処理装置２で加熱されるまでに長期間を要する場合（例えば一次熱処理装置１と二次熱処理装置２が別工場にある場合等）、一次熱処理装置１から搬出された軸受部品に焼戻し処理を行い、焼割れを防止するのが好ましい。その一方、一次熱処理装置１から搬出された軸受部品が短時間で二次熱処理装置２で再加熱される場合、かかる焼戻し処理は不要となる。
【００１９】
図示例の二次熱処理装置２は、熱浴焼入れを行うもので、加熱機としての高温ソルトバス２１、冷却機としての低温ソルトバス２２、洗浄機２３、および焼戻し機２４で構成される。高温ソルトバス２１では、図３に示すように、一次熱処理装置１から移送された軸受部品がＡ1変態点以上でかつ一次熱処理装置１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）浸漬されて二次加熱される。この二次加熱温度は、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。二次加熱後の軸受部品は、低温（２５０℃程度）のソルトバス２２で等温冷却されて焼入れされ、空冷後、洗浄機２３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。その後、この軸受部品は焼戻し機２４に移送され、図３に示すように適当な温度Ｔ３（例えば１８０℃）で焼戻される。なお、洗浄機２３や焼戻し機２４は、二次熱処理装置２と一体化する他、これと分離して設置することもできる。
【００２０】
この二次熱処理装置２としては、連続式およびバッチ式の何れも使用することができる。加熱機２１および冷却機２２では、塩浴の他、油浴や金属浴を行うこともでき、また、冷却機２２で４５０℃〜５００℃程度に保持するオーステンパ処理を行ってもよい。なお、軸受部品での歪の発生防止等の観点から、高温ソルトバス２１への浸漬前に一段または二段の予熱を与えるのが望ましい。
【００２１】
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。
【００２２】
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、鋼中の水素濃度０．５ｐｐｍ以下、残留オーステナイト量１３〜２５％という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。
【００２３】
本発明では、上述のように二次熱処理装置２で昇温性・均熱性に優れる熱浴によって熱処理が行われる。従って、厳しい温度管理が要求される二次熱処理工程での温度制御が容易となり、これにより部品全体で均一に結晶粒度を微細化した高品質の鋼製部品を得ることが可能となる。
【００２４】
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】
【００２５】
【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】
【００２６】
１      一次熱処理装置
２      二次熱処理装置
３      搬送手段
４      転がり軸受
１１    加熱機
１２    冷却機
１３    洗浄機
２１    加熱機（高温ソルトバス）
２２    冷却機（低温ソルトバス）
２３    洗浄機
２４    焼戻し機
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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