(57)【要約】【課題】固体粒子を噴射するための専用の設備や、新たな工程を追加させることなく、熱処理完了時点で酸化膜を効率的に除去し得る機械部品の焼入れ方法を提供する。【解決手段】この機械部品の焼入れ方法は、機械部品を大気中で高周波加熱し、その後、機械部品に冷却剤を噴射して焼入れをするに際し、冷却時に用いる冷却剤中に、粒子最大径が８５０μｍ以下の個体粒子を、流量比で１０体積％〜６０体積％混合した冷却剤を噴射する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械部品を大気中で高周波加熱し、その後、前記機械部品に冷却剤を噴射して焼入れをする方法であって、
前記冷却時に用いる前記冷却剤中に、粒子最大径が８５０μｍ以下の個体粒子を、流量比で１０体積％〜６０体積％混合した冷却剤を噴射することを特徴とする機械部品の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品の焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼入れを施す機械部品としては、例えば軸受部品を例示できる。軸受において、これを構成する内輪や外輪等の軸受部品は、その軌道面については研磨仕上げを行う。そのため、焼入れに際し、軌道面自体の僅かな酸化は問題とならないが、軸受の用途によっては、軌道面以外の研磨除去をしない面に付着した酸化膜が、軸受を使用中に剥がれ落ちることによってこれが異物となるおそれがある。仮に、このような異物を転動時に軌道面に噛みこんでしまえば、軌道面の早期剥離を起こしたり、あるいは、このような異物の噛み込みによって磨耗量が増加したり、また、その他の破壊強度の低下に結びつく要因となるおそれがある。
【０００３】
特に、高周波焼入れされる機械部品は、短時間ではあるが、大気中で高温まで加熱されるため、上記酸化膜や脱炭層が形成されてしまい、品質管理上のネックとなる場合がある。
そこで、例えば特許文献１では、加熱時に部品を酸化させないために、管理された雰囲気下で加熱するほか、高周波加熱においては、無酸化ガスや還元性ガスが充満したチャンバ内にワークを設置して加熱を行う方法が開示されている。
【特許文献１】特開平０４−３５４８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば特許文献１に記載の技術を、軸受部品の環状の内外輪の製造工程のように、大量の機械部品（以下、「ワーク」ともいう）を処理する熱処理工程に適用する場合、一つのワークを処理する度に、チャンバ内にワークを設置し、雰囲気の調整をしようとすれば、製造効率が非常に低くなるという問題がある。
一方、高温の大気中で加熱した熱間鍛造部品や焼鈍処理をした機械部品では、常温のワークにショット粒などの固体粒子を叩きつけて酸化膜を除去するショットブラスト等の方法が知られている。
【０００５】
しかしながら、例えばショットブラストを用いる場合には、例えば軸受部品では、従前の軸受部品の製造工程に対して、固体粒子を噴射するための専用の設備や、新たな工程を追加させる必要が生じるため、やはり製造効率が低くなり、また、追加の設備に要するコストも高くなるという問題がある。そのため、熱処理完了時点で酸化膜を効率的に除去する方法、あるいは付着した酸化膜を無害化できる方法が望まれていた。
【０００６】
ここで、上述のような酸化膜は、昇温過程および保持過程の高温域で生成される。そのため、約１％程度熱膨張したオーステナイト表面に酸化膜が密着していることになる。そして、その後の冷却工程において、冷却剤との接触により、オーステナイトは一気に収縮するため、母材と酸化膜との密着性が低下し、容易に酸化膜が剥がれ落ちる状態となる。また、Ｍｓ点以降において、マルテンサイト変態する際も同様で、急激な寸法膨張がおきるため、同じく酸化膜は剥がれやすい状態である。しかし、このような急激な収縮や膨張のみによってワークの表面に生成した酸化膜を全て除去できるわけではない。これは、冷却剤の噴射を行った場合でも、部分的な冷却ムラの発生を防止できないためである。したがって、除去されなかった酸化膜は製品の機能に悪影響を及ぼすことになる。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、固体粒子を噴射するための専用の設備や、新たな工程を追加させることなく、熱処理完了時点で酸化膜を効率的に除去し得る機械部品の焼入れ方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明は、機械部品を大気中で高周波加熱し、その後、前記機械部品に冷却剤を噴射して焼入れをする方法であって、前記冷却時に用いる前記冷却剤中に、粒子最大径が８５０μｍ以下の個体粒子を、流量比で１０体積％〜６０体積％混合（分散）した冷却剤を噴射することを特徴としている。
なお、冷却剤中に混合（分散）させる個体粒子としては、金属系のものであれば、金属ワイヤーを切断して角を丸めた粒子や、鋳鉄や鋳鋼の球形粒子（例えばスチールショットやスチールビーズ等）を好適に使用可能であり、また、角のある非球形粒子のグリッドを用いることもできる。あるいはアルミや亜鉛系の軽合金製の粒子も使用可能であり、さらに、アルミナ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミック系の個体粒子（例えばセラミックビーズ等）を用いてもよい。また、固体粒子を混合させた冷却剤の噴射方法としては、機械部品（ワーク）の焼入部の全表面に均一に作用するように噴射することが好ましい。
【０００８】
本発明に係る機械部品の焼入れ方法によれば、冷却段階において、冷却剤中に固体粒子を混合した冷却剤を噴射するので、温度変化による母材の膨張および収縮を利用するとともに、固体粒子による物理的な力を加えることができる。これにより、焼入れを行うのと同時に酸化膜を除去することができる。
また、本発明に係る機械部品の焼入れ方法によれば、一般的な噴射冷却とは異なり、冷却剤中に固体粒子を混合しているので、焼入れ時にワーク表面で蒸気膜を形成することが無くなる。これは、噴射によってワーク表面に衝突した粒子によって、蒸気膜が容易に崩壊するためである。そのため、冷却をより均一にさせる効果をも併せて有することになる。
【０００９】
つまり、高周波加熱でのワークを回転させた状態のまま、固体粒子を混合させた冷却剤によって焼入れする方法を用いることで、酸化膜を簡単に除去できるだけでなく、ムラなく焼入れることも可能になるのである。したがって、大気中での高周波焼入れを行った場合においても、加熱中に生成する酸化膜を焼入れ段階で効率良く除去することが可能であり、これにより、酸化膜の脱落による転動寿命の低下や、表面の酸化および脱炭による部品強度の低下を防止または抑制することができる。
ここで、本発明に係る機械部品の焼入れ方法において、前記噴射する冷却剤中に混合する個体粒子として、その粒子最大径が８５０μｍ以下の個体粒子を、流量比で１０体積％〜６０体積％混合した冷却剤を噴射して焼入れすることは好ましい。
【００１０】
つまり、冷却剤中に存在する固体粒子が、冷却剤に対する流量比で、１０体積％未満の場合には、酸化膜を除去することが困難なばかりでなく、部分的に焼ムラが生じ、ワークに変形を生じさせるおそれがあるため、最低でも１０体積％以上の個体粒子を混合することは好ましい。一方、冷却剤中に存在する固体粒子が、冷却剤に対する流量比で、６０体積％を超える場合には、冷却剤としての冷却能力が不足するため、６０体積％以下にする。また、冷却剤中に混合する固体粒子の大きさが大きい場合、ワーク細部の酸化膜を完全に除去できないときがあるため、噴射する冷却剤中に混合する個体粒子として、好ましくはその粒子最大径が８５０μｍ以下、より好ましくは粒子最大径が６００μｍ以下とする。
【発明の効果】
【００１１】
上述のように、本発明に係る機械部品の焼入れ方法によれば、固体粒子を噴射するための専用の設備や、新たな工程を追加させることなく、熱処理完了時点で酸化膜を効率的に除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の効果を確認するために実施した確認実験について説明する。
本発明の効果を確認するための機械部品（ワーク）として、まず、ＳＣＲ４２０鋼を環状に旋削して、内径６０ｍｍ、幅１１ｍｍおよび接触角３９°の所定寸法に仕上げた円錐ころ軸受用の軸受部分である内輪を、１５例の確認実験用に各２０個用意した。なお、この内輪は、図１に示す円錐ころ軸受の内輪１として用いられ、同図に示すように、円錐ころ軸受用の他の軸受部品、つまり、複数の転動体のころ３を介して内輪１にその周方向に転動可能に外嵌する機械部品である外輪２と、内輪１および外輪２の間に前記複数の転動体３保持する機械部品である保持器４と、を備えて構成される円錐ころ軸受を構成するものである。
【００１３】
次いで、上記用意した１５例（各例２０個）の確認実験用の内輪１に対して熱処理を行った。この円錐ころ軸受用の内輪１に施す熱処理は、浸炭焼入れを施した後、さらに高周波加熱（誘導加熱）をし、次いで、内輪１を回転させながら内輪１の外径側および内径側それぞれから、冷却剤を噴射して冷却することによって焼入れした。なお、冷却剤の噴射圧力は、２９４ｋＰａで、流量は７０Ｌ／ｍｉｎである。
【００１４】
ここで、この確認実験に用いた冷却剤には、表１に示すように、上記用意した１５例（各例２０個）の確認実験用の内輪１のうち、実施例１〜１０および比較例１３〜１５については、水溶性冷却剤として、３０℃の「ソリュブルクエンチＤＳ（大同化学工業製）」１０％水溶液を各試験用の内輪１に対して噴射した。また、同表に示すように、実施例１１および１２については、焼入油を用い、８０℃の「光輝焼入れ油Ｈ−２０５０（日本グリース製）」を各試験用の内輪１に対して噴射した。
【００１５】
【表１】
2009203524.tif 000002
【００１６】
また、冷却剤中に混合する個体粒子は、同表に示すように、実施例１〜１０および比較例１４，１５については、略球形のセラミックビーズを使用し、実施例１１，１２については、略球形のガラスビーズを使用した。また、冷却剤中に混合する個体粒子の粒子最大径、および流量比（固体粒子の流量割合であって体積％である）については、用意した１５例（各例２０個）の確認実験用の内輪１それぞれに対して、同表に示すように設定し、これを冷却剤として噴射してそれぞれに焼入れを施した。なお、比較例１３については、冷却剤中に個体粒子を混合しなかった。
【００１７】
その後、焼入れ後の１５例（各例２０個）の確認実験用の内輪１それぞれに対し、性能評価を行った。この性能評価は、内輪１の鍔部１ｔ（図１参照）の圧砕試験、並びに転動疲労試験によって寿命評価を実施した。
[鍔部の圧砕試験]
図１に示す円錐ころ軸受の鍔部１ｔに負荷を与え（速度０．５ｋＮ／ｓｅｃ）、鍔部１ｔの付け根部分が破断するまでの荷重を測定し、各例２０個の鍔部の圧砕強度の平均値を求めた。その求めた平均値の、比較例１に対する相対値を上記表１に示す。
【００１８】
[転動疲労試験]
アキシアル荷重：Ｆａ＝５０００Ｎを図１に示す円錐ころ軸受に負荷し、ＲＯ６８による油潤滑下で試験を行い、Ｎ＝２０個の試験よりＬ１０寿命を求めた。その求めた転動疲労寿命を、比較例１に対する相対値にて上記表１にあわせて示す。
表１に示す実験結果からわかるように、冷却剤中に存在する固体粒子が、冷却剤に対する流量比で、６０体積％を超える場合（比較例１４，１５）は、鍔部の圧砕強度および転動疲労寿命ともに、冷却剤中に固体粒子を混合していない比較例１に対して低い値となっている。これにより、冷却剤に対する流量比で６０体積％を超えると、冷却剤としての冷却能力が不足することが確認された。
【００１９】
また、同表に示す実験結果からわかるように、冷却剤中に存在する固体粒子が、冷却剤に対する流量比で、６０体積％以下の場合に、その粒子最大径が８５０μｍ以下の個体粒子を混合した冷却剤を噴射して焼入れした結果は、粒子最大径を８５０μｍとした実施例１０において、転動疲労寿命のみが比較例１に対して低い値となった以外は、他の全ての実施例において、鍔部の圧砕強度および転動疲労寿命ともに、比較例１に対して高い値となっている。これにより、粒子最大径が８５０μｍを超えると、加熱中に生成する酸化膜を焼入れ段階で除去することが十分とはいえないものになることが確認された。
【００２０】
また、同表に示す実験結果からわかるように、その粒子最大径が６００μｍの個体粒子を混合した冷却剤を噴射した場合であっても、冷却剤中に存在する固体粒子が、冷却剤に対する流量比で、１０体積％未満の場合（実施例１，２）は、比較例１に対して高い値とはなっているものの、流量比で１０体積％〜６０体積％混合した冷却剤を噴射して焼入れした場合（実施例３〜１２、但し実施例１０を除く）と比較して、鍔部の圧砕強度および転動疲労寿命ともに大きく低下している。これにより、冷却剤中に存在する固体粒子が、冷却剤に対する流量比で、１０体積％未満の場合には、酸化膜を除去することが困難なばかりでなく、部分的に焼ムラが生じ、ワークに変形を生じさせるおそれがあるため、最低でも１０体積％以上の個体粒子を混合することが好ましいことが確認された。
【００２１】
上記結果から、冷却時に用いる冷却剤中に、粒子最大径が８５０μｍ以下の個体粒子を、流量比で１０体積％〜６０体積％混合した冷却剤を噴射すれば、大気中での高周波焼入れを行った場合においても、加熱中に生成する酸化膜を焼入れ段階で除去することが可能であり、これにより、酸化膜の脱落による転動寿命の低下や、表面の酸化および脱炭による部品強度の低下を防止または抑制可能なことが確認された。
なお、本発明に係る機械部品の焼入れ方法は、上記本発明の効果を確認するために行った確認実験で用いたような軸受部品に好適であるが、本発明に係る機械部品の焼入れ方法を適用可能な機械部品は軸受部品に限定されるものではなく、種々の機械部品に対して適用が可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の効果を確認する確認実験で用いた円錐ころ軸受の説明図であり、同図は、円錐ころ軸受の軸線を含む断面を図示している。
【符号の説明】
【００２３】
１    内輪（機械部品）
２    外輪（機械部品）
３    ころ（機械部品）
４    保持器（機械部品）
【図１】
2009203524.tif 000003