(57)【要約】【課題】  一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で再焼入れする熱処理システムにおいて、二次熱処理での加熱温度を厳密に管理することにより、部品全体で結晶粒を均一に微細化する。【解決手段】  一次熱処理装置１は、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表面に窒素富化層を形成する。一次熱処理後の軸受部品は、Ａ1変態点を越える温度に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却する二次熱処理装置２で熱処理される。二次熱処理装置２の加熱機２１では誘導加熱を行い、かつ誘導加熱される軸受部品の温度を検出し、この検出値に応じて加熱機２１をフィードバック制御する。【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装置と、一次熱処理後の鋼製部品を、Ａ1変態点を越える温度に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、二次熱処理装置で誘導加熱を行うと共に、誘導加熱される鋼製部品の温度を検出し、この検出値に応じて誘導加熱機をフィードバック制御することを特徴とする熱処理システム。
【請求項２】
誘導加熱される鋼製部品の温度を非接触型の温度センサで検出する請求項１記載の熱処理システム。
【請求項３】
一次熱処理装置でガス浸炭窒化を行う請求項１または２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２００３−２２６９１８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。
【特許文献１】特開２００３−２２６９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記公報に開示された発明において、部品全体で均一に結晶粒を微細化するためには、二次熱処理の加熱温度を厳密に管理する必要がある。この際、従来の一般的な焼入れ工程のように、二次加熱を雰囲気炉で行い、かつ炉内の雰囲気温度を測定していたのでは、測定温度と実際の軸受部品の温度との間にずれを生じる可能性があり、厳密な温度管理は難しい。
【０００５】
そこで、本発明は、一次熱処理で窒素富化層を形成し、二次熱処理で再焼入れする熱処理システムにおいて、二次熱処理での加熱温度を厳密に管理することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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変態点を越える温度に加熱した後、Ａ1変態点未満に冷却する二次熱処理装置とを備え、二次熱処理装置で誘導加熱を行うと共に、誘導加熱される鋼製部品の温度を検出し、この検出値に応じて誘導加熱機をフィードバック制御するものである。
【０００７】
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、Ａ1変態点を越える二次加熱温度に誘導加熱して焼入れを行うので、加熱温度と加熱時間のコントロールを通じて、熱処理後の鋼製部品のミクロ組織におけるオーステナイト結晶粒を微細化することができ、例えばＪＩＳ  Ｇ０５５１に規定されたオーステナイト結晶粒度試験方法による粒度番号が１０番を越える微細な結晶粒を得ることが可能となる。以上の特性から、通常品に比べて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。
【０００８】
本発明では、二次熱処理装置で高周波加熱等の誘導加熱を行うと共に、誘導加熱される鋼製部品の温度を検出し、この検出値に応じて誘導加熱機の加熱条件をフィードバック制御しているので、実際の鋼製部品の温度に基づいて二次加熱温度を狭い温度領域に正確にかつ精度よく保持することができ、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できる。
【０００９】
この場合、温度誤差を極力少なくするため、誘導加熱される鋼製部品の温度は非接触型の温度センサで検出するのが望ましい。
【００１０】
一次熱処理で窒素富化層を形成するための手段としては、浸炭窒化が望ましく、特にコスト面や品質面を考慮するとガス浸炭窒化が好ましい。ガス浸炭窒化は、例えば浸炭性ガスにアンモニアを添加した雰囲気ガスを使用して雰囲気炉内で行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明によれば、一次熱処理で窒素富化層を形成すると共に、二次熱処理で再焼入れするに際し、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、二次熱処理での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、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】
【００１２】
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。
【００１３】
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、二次熱処理装置２、洗浄装置３および５、並びに焼戻し装置６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、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・冷却されて一次熱処理、さらには二次熱処理が施される。
【００１４】
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（ボール）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、これら構成要素のうち相手部材と転がり接触する外輪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。
【００１５】
一次熱処理装置１は、加熱機１１と冷却機１２とで構成される。図１では、加熱機１１として連続式を例示しているが、バッチ式の炉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ガスを使用する雰囲気炉で構成される。この加熱機１１の炉内では、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分加熱される（一次加熱）。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。加熱機１１としては、真空炉や塩浴炉、誘導加熱機等を使用することもできる。加熱後の軸受部品は、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３に移送されて冷却液の洗浄除去が行われる。
【００１６】
図１に示すように、一次熱処理装置１で浸炭窒化された軸受部品は、コンベヤ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は、高周波焼入れを行うもので、加熱機２１と冷却機２２とで構成される。加熱機２１では、図３に示すように、軸受部品がＡ1変態点以上の二次加熱温度Ｔ２（例えば８８０℃〜９００℃）で所定時間（例えば１．５〜２秒）誘導加熱される。図３では、二次加熱温度Ｔ２を一次加熱温度Ｔ１よりも低温にする場合を例示しているが、二次加熱温度Ｔ２はＴ１以上であってもよい。誘導加熱では、加熱温度や加熱時間を精密にコントロールすることができ、かつ短時間の処理になるので、軸受部品のミクロ組織におけるオーステナイト結晶粒を微細化することができる。この時、オーステナイト結晶粒が微細化されるか否かは、加熱温度と加熱時間の積で評価することができ、例えば誘導加熱機２１での最高加熱温度が低い場合には加熱時間をその分長くすることにより、オーステナイト結晶粒の微細化が可能となる。
【００１７】
加熱終了後、軸受部品は、冷却機２２に移送されてＭｓ点以下に冷却（例えば油冷）され、焼入れされる。冷却は、図示のように加熱機２１から独立した冷却機２２で行う他、加熱機２１内で誘導加熱位置に保持したまま行うこともできる。焼入れ後の寸法精度を確保するため、二次熱処理装置２では高周波加熱後に型焼入れを行うこともでき、これにより転がり軸受の外輪や内輪のような薄肉の部品、さらには円錐ころ軸受の外輪や内輪のように不均一な厚さを有する部品の高精度化を図り、軸受性能を安定的に得ることが可能となる。なお、型焼入れは、被加熱品を型で拘束した状態で焼入れする処理をいい、型に圧力を加えて拘束するプレス焼入れも含む意である。
【００１８】
二次熱処理の終了した軸受部品は、二次熱処理装置２から取り出しされ、洗浄装置５にて冷却液を洗浄除去した後、焼戻し装置６に移送されて図３に示すように適当な温度Ｔ３（例えば１８０℃）で焼戻される。この焼戻しは、加熱時間短縮による処理効率向上のため、高周波加熱等の誘導加熱で行うのが望ましい。
【００１９】
二次熱処理装置２の加熱機２１には、誘導加熱される軸受部品の温度（表面温度）を非接触で検出するセンサ９が設けられる。このセンサ９としては、例えば赤外線温度センサ等が使用可能である。加熱機２１内では、軸受部品が図示しない誘導子に対して所定のクリアランスをあけて保持されており、センサ９はこの保持された軸受部品の温度を非接触に測定し、検出値を制御装置８に伝送する。制御装置８は検出した温度データにより、加熱対象の軸受部品が規定の二次加熱温度Ｔ２に達しているか否か、さらには所定の温度領域内にあるか否かを判定し、この判定結果に応じて誘導加熱機２１のフィードバック制御を行う。誘導加熱機２１の制御は、主として誘導子への入力電力や加熱時間を変更することにより行われる。
【００２０】
なお、以上の説明では、一次熱処理装置１および二次熱処理装置２での冷却方法として油冷を例示したが、水冷や空冷、ガス冷却等の他の冷却方法も採用することができ、また一次熱処理装置１と二次熱処理装置２で異なる冷却方法を採用することもできる。本実施形態では、一次熱処理および二次熱処理の双方で油冷している関係で、洗浄装置３、５を設置しているが、水冷や空冷、ガス冷却の場合はこの種の洗浄装置は不要となる。
【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、鋼中の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、以上から耐割れ強度、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】
二次加熱装置２の加熱機２１は、電磁誘導現象を利用し、鋼組織中で電気エネルギを直接熱エネルギに変えて発熱させる誘導加熱機であるから、誘導子への入力電力や加熱時間といった加熱条件を調整することで、容易にかつ正確に加熱量を制御できる。従って、センサ９の検出値に応じ、制御装置８で加熱機２１の加熱条件をフィードバック制御することにより、二次加熱温度Ｔ２を所定の温度領域に正確に保持することができる。また、誘導加熱はピースバイピースの加熱であるから、雰囲気炉を使用する場合のように炉内の装入位置によって加熱むらが生じることはない。以上から、部品全体で均一に結晶粒度を微細化した鋼製部品を得ることができ、耐摩耗性や耐割れ性の確保、あるいは転動疲労寿命の向上といった上記二段熱処理に特有の効果を安定的に得ることが可能となる。
【００２４】
また、誘導加熱は、局部加熱が可能で硬化層深さの選定が自由に行える、急熱・急冷が可能で表面圧縮残留応力により疲れ強さを高めることができる、等の利点を有するので、軸受部品のさらなる低コスト化、高品質化、疲労寿命の向上等にも有益となる。
【００２５】
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】
【００２６】
【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】
【００２７】
１      一次熱処理装置
２      二次熱処理装置
３      洗浄装置
４      深溝玉軸受（転がり軸受）
５      洗浄装置
６      焼戻し装置
８      制御装置
９      センサ
１１    加熱機
１２    冷却機
２１    加熱機（誘導加熱機）
２２    冷却機
４１    外輪
４２    内輪
４３    転動体
【図１】
2005133215.tif 000003
【図２】
2005133215.tif 000004
【図３】
2005133215.tif 000005