(57)【要約】【課題】連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法として、生産性を重視して連続的に大量焼入れを行う方法でありながら、焼入れ変形を抑えることができる方法を提供する。【解決手段】環状体からなるワーク６をベルト３で搬送しながら連続的に加熱する加熱炉１と、この加熱炉１の搬送ベルト３上に環状体を、径方向が水平方向に沿って置かれるように導くフィーダー２と、焼入れ剤８を入れた容器７と、加熱後のワーク６を搬送ベルト３から容器７内に配置された搬送メッシュベルト９上に落下させるシューター４と、を備え、搬送メッシュベルト３はワークを焼入れ剤８に浸漬しながら容器７外まで導くものである連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法において、フィーダー２上、加熱炉１の搬送ベルト３上、搬送メッシュベルト９上で、全ての環状体５，６，１０同士を接触しない状態に保持しながら移動させる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状体からなるワークをベルトで搬送しながら連続的に加熱する加熱炉と、この加熱炉の搬送ベルト上に環状体を、径方向が水平方向に沿って置かれるように導くフィーダーと、焼入れ剤を入れた容器と、加熱後のワークを搬送ベルトから前記容器内に配置された搬送メッシュベルト上に落下させるシューターと、を備え、搬送メッシュベルトはワークを焼入れ剤に浸漬しながら容器外まで導くものである連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法において、
前記フィーダー上、前記加熱炉の搬送ベルト上、前記搬送メッシュベルト上で、全ての環状体同士を接触しない状態に保持しながら移動させることを特徴とする連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法。
【請求項２】
環状体の厚さをｔとし、外径をＤとしたとき、「Ｄ／ｔ」で表される肉厚率（Ｋ）が１１．２以上２７．２以下である環状体を対象とする請求項１記載の連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の内輪や外輪に対しては、焼入れによる硬化処理が行われる。焼入れは、加熱工程と冷却工程とからなり、加熱工程で使用される焼入れ炉には、ベルトなどの駆動によりワークを搬送しながら連続的に加熱する連続焼入れ炉と、ワークを一つ一つ加熱処理するバッチ式の焼入れ炉がある。一般に、バッチ式の焼入れ炉よりも連続焼入れ炉の方が焼入れ変形が大きいことが分かっている。また、連続焼入れ炉は、生産性を重視して大量のワークに焼入れを行う場合に適しており、バッチ式の焼入れ炉は、多品種、異種条件に対応し易い。
図１は、転がり軸受の内輪や外輪に対する一般的な連続熱処理設備を示す。この設備は、連続加熱炉１と、その内部に配置された耐熱リンクベルト３と、このベルト３の上流側にワーク５を導入するためのフィーダー２と、ベルト３の下流に達したワーク（加熱後のワーク）６を、焼入れ油８を入れた容器７に落とすシューター４を備えている。
【０００３】
容器７内には、ワーク６を焼入れ油８に浸漬しながら上昇させて容器７外まで導く搬送メッシュベルト９が配置されている。そして、焼入れ後のワーク１０は、搬送メッシュベルト９から洗浄槽１１内とその前後に渡って配置された搬送ベルト１６の上流側に落とされる。搬送ベルト１６に載せられたワーク（焼入れ後のワーク）１０は、洗浄槽１１内で洗浄されながら進み、洗浄後のワーク１４が焼戻し炉１２用の搬送ベルト１７に載せられて焼戻しがなされ、焼戻し完了後のワーク１５として次工程のために回収される。
焼入れ油８を入れた容器７に自然落下させた時のワーク６の姿勢や落下のタイミングによって、ワーク６の冷却状態が変わり、図２（ａ）に示すように、比較的素直に落下する場合と、図２（ｂ）に示すように、後ろのワーク６と干渉して落下が遅れる場合とでは、後者の方が冷却ムラが発生し易いため、焼入れ変形が大きくなる。
【０００４】
［本発明に至る経緯］
図１に示す連続熱処理設備で、呼び番号が６００９である深溝玉軸受の外輪を熱処理し、各工程を行うことによって生じる外輪の変形量を調べる試験を行った。
この外輪は、外径が７５ｍｍで、有効肉厚が３．７３４ｍｍで、幅が１６ｍｍの環状体である。また、この外輪の材質は高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）である。
連続加熱炉１としては、リンクベルト３で搬送する方式のものを用い、フィーダー２としては振動を加えてワーク５をリンクベルト３に向かわせる振動フィーダーを用いた。焼入れ剤としては、出光興産（株）製の「ダフニーブライドクエンチ油」を用い、洗浄槽に入れる洗浄液としては、カンエイ産業（株）製「クリンスーパー２８５Ｎ」を用いた。
【０００５】
先ず、フィーダー２を２５〜５０Ｈｚで稼動して、ワーク５を連続加熱炉１内のリンクベルト３に載せる。リンクベルト３の駆動速度は、炉の加熱部長さ当り１５〜４３分である。この条件でワーク５の移動を行うと、図３（ａ）に示すように、フィーダー２からワーク５がリンクベルト３の上に載せられ、図３（ｂ）に示すように、フィーダー２内でワーク５が詰まり、空間ができる場合があるが、その後にフィーダー２から入れられたワークにより押されて詰まりが解消し、図３（ｃ）に示すように、密に配置された状態となってリンクベルト３で搬送されながら加熱される。この加熱温度は８３０〜８５０℃とし、加熱時間は１５〜４３分とした。
【０００６】
フィーダー２上の下流端まで進んだワーク６は、シューター４から焼入れ油８が入った容器７内に落下して、搬送メッシュベルト９上に載る。搬送メッシュベルト９上に載ったワーク１０は、メッシュベルト９の駆動により、容器７の底側から徐々に上昇して焼入れ油８の上方まで搬送されることで焼入れされる。焼入れ後のワーク１０は、搬送メッシュベルト９から洗浄槽１１内とその前後に渡って配置された搬送ベルト１６の上流側に落とされる。搬送ベルト１６に載せられたワーク（焼入れ後のワーク）１０は、洗浄槽１１内で洗浄されながら進み、洗浄後のワーク１４が焼戻し炉１２用の搬送ベルト１７に載せられて焼戻しがなされ、焼戻し完了後のワーク１５が得られる。
【０００７】
各工程後のワークの変形量は、真円度を測定してその変化率で比較した。ワークである外輪の外径寸法の最大値と最小値を測定して、その差を真円度とし、この真円度を外径の最小値で割った値を変形率とした。また、熱処理したワークを各工程後に６０個ずつ測定して、変形率の平均値を算出し、平均変形率（％）とした。
その結果を下記の表１と図４に示す。
【０００８】
【表１】
2009084635.tif 000003
【０００９】
この結果から、焼入れ時の加熱工程と冷却工程で変態応力や熱応力が作用することで、焼入れ後の変形が大きくなるが、その後の工程では搬送時の落下やワーク同士の衝突などで徐々に変形したものと考えられる。
次に、焼入れ時の加熱工程のみでのワークの変形量を調べるために、リンクベルト３の最も下流の位置に達したワークを、リンクベルト３の回転の向きを交互に変えることで、その位置にとどめた状態で炉内で徐冷し、焼入れしない状態で取り出して変形率を調べた。また、徐冷後に、洗浄および焼き戻し工程を行った後のワークの変形率も調べた。その結果を、下記の表２と図５に併せて示す。
【００１０】
【表２】
2009084635.tif 000004
【００１１】
この結果から、焼入れ時の加熱工程のみでも大きく変形していることが分かる。
次に、加熱焼入れによって発生する変形の一部として、前工程として行った旋削などの機械加工で付与された残留応力が解放されることで発生する変形があるため、この残留応力の解放による変形のみを調べた。すなわち、バッチ式の熱処理炉を用いてワークを加熱した後、球状焼鈍の熱処理パターンで時間をかけてゆっくり冷却した場合の変形量を測定した。その結果を表３と図６に示す。
【００１２】
【表３】
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【００１３】
この結果から、残留応力の解放による変形のみで生じる変形量は、加熱炉で加熱後に放冷した場合の変形量（表２参照）より小さいことが分かる。
以上のことから、図１に示す連続熱処理設備で処理されたワークは、加熱炉１での加熱工程で大きく変形しているが、その主な原因は残留応力の解放ではないことが分かる。
標準的な連続焼入れ設備では、平面図である図７（ａ）と側面図である図７（ｂ）に示すように、フィーダー２上のワーク５も加熱炉１内のワーク６も、互いに接触して押し合いながら密に存在しているため、温度が上昇してワークが熱膨張すると、図８（ａ）の状態から図８（ｂ）の状態になる。ワークがＳＵＪ２製の前記寸法の外輪であるため、７３０℃で約１ｍｍほど膨張する（ｄ２−ｄ１≒１ｍｍ）。この外輪が押し合い状態となってオーステナイト組織に変態するため、変態超塑性が作用して変形しやすい状態になる。変態超塑性とは、変態が発生、進行しているときに、低い作用応力で塑性が発生する現象である。図８（ｂ）に示すように、互いに押し合った状態で変態超塑性が作用してワークが変形する。
【００１４】
このように、従来の連続焼入れ方法ではワークの変形を抑えることは困難である。
下記の特許文献１には、焼入れ変形を小さくするために、処理材を投入する際の焼入れ油の面圧を減圧し、処理材の表面が蒸気膜段階または沸騰段階にある状態で不活性ガスあるいは空気を導入して焼入れ油面圧を大きくすることで、冷却ムラに起因して発生する歪みを小さくする方法が記載されている。しかし、この方法は連続焼入れ炉ではなく、バッチ式の焼入れ炉に適用される方法である。
【００１５】
また、下記の特許文献２には、転がり軸受の環状体の焼入れにおける冷却工程で、環状体の組織がオーステナイト状態のうちに、環状体を金型に圧入して塑性加工による変形矯正を行うことで焼入れ変形を小さくすることが記載されている。しかし、この方法は、連続焼入れ炉で加熱した後の冷却工程でワークを一つ一つ処理する方法であるため、生産性が低く、大量生産には向いていない。
【特許文献１】特開２００１−３１６７２２号公報
【特許文献２】特許３８１７７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の課題は、連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法として、生産性を重視して連続的に大量焼入れを行う方法でありながら、焼入れ変形を抑えることができる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明は、環状体からなるワークをベルトで搬送しながら連続的に加熱する加熱炉と、この加熱炉の搬送ベルト上に環状体を、径方向が水平方向に沿って置かれるように導くフィーダーと、焼入れ剤を入れた容器と、加熱後のワークを搬送ベルトから前記容器内に配置された搬送メッシュベルト上に落下させるシューターと、を備え、搬送メッシュベルトはワークを焼入れ剤に浸漬しながら容器外まで導くものである連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法において、前記フィーダー上、前記加熱炉の搬送ベルト上、前記搬送メッシュベルト上で、全ての環状体同士を接触しない状態に保持しながら移動させることを特徴とする連続焼入れ炉を用いた環状体の焼入れ方法を提供する。
本発明の方法は、環状体の厚さをｔとし、外径をＤとしたとき、「Ｄ／ｔ」で表される肉厚率（Ｋ）が１１．２以上２７．２以下である環状体が対象の時に、高い効果が得られ、１３．７以上２４．０以下である環状体が対象の時に、特に高い効果が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の方法によれば、生産性を重視して連続的に大量焼入れを行いながら、焼入れ変形を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図９は、この実施形態の方法が実施できる設備を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。この設備は、ワーク（環状体）５をベルト３で搬送しながら連続的に加熱する連続加熱炉１と、ベルト３上にワーク５を、径方向が水平方向に沿って置かれるように導くフィーダー２と、焼入れ油（焼入れ剤）８を入れた容器７と、加熱後のワーク６を搬送ベルト３から容器７内に配置された搬送メッシュベルト９上に落下させるシューター４と、からなる。
【００２０】
そして、フィーダー２上、加熱炉１の搬送ベルト３上、搬送メッシュベルト９上で、全てのワーク５，６，１０同士が接触しない状態に保持しながら移動させる。具体的には、加熱時のワーク最大径などから加熱前のワーク同士の隙間を計算し、ワーク加熱時でもワーク同士が接触しないようにフィーダー２の周波数を調整することで、この移動を実現する。
【実施例】
【００２１】
実施形態に記載した設備を用い、焼入れ時の加熱工程のみでのワーク６の変形量を調べるために、リンクベルト３の最も下流の位置に達したワークを、リンクベルト３の回転の向きを交互に変えることで、その位置にとどめた状態で炉内で徐冷し、焼入れしない状態で取り出して変形率を調べた。また、徐冷後に、洗浄および焼き戻し工程を行った後のワークの変形率も調べた。その結果を、下記の表４と図１０に併せて示す。
【００２２】
【表４】
2009084635.tif 000006
【００２３】
この結果を前述した従来法の結果（表２および図５）と比較すると、焼入れ時の加熱工程のみでのワークの変形量が低減している（平均変形量０．１８→０．１１）ことが分かる。ただし、焼戻し後の変形量が従来法では低減していた（表２で０．１８→０．１４）のに対して、この実施形態の方法では僅かではあるが増加していた（表４で０．１１→０．１６）。また、最大変形率が従来法では０．９４であったのに対して、この実施形態の方法では０．３８と大幅に低減されていた。
【００２４】
次に、振動フィーダー２でワーク５を加熱炉１に送り込むことを、振動強度を低下させてワーク５同士が接触せずに移動するスピードで行った。これにより、図９（ａ）に示すように、振動フィーダー２およびベルト３上で、１ｍｍ程度の熱膨張でもワーク５同士が接触しない状態で加熱を行った。また、リンクベルト３の最も下流の位置に達したワークを、リンクベルト３の回転の向きを交互に変えることで、その位置にとどめた状態で炉内で徐冷し、焼入れしない状態で取り出して変形率を調べた。また、徐冷後に、洗浄および焼き戻し工程を行った後のワークの変形率も調べた。その結果を、下記の表５と図１１に併せて示す。
【００２５】
【表５】
2009084635.tif 000007
【００２６】
この結果を前述した従来法の結果（表２および図５）と比較すると、焼入れ時の加熱工程のみでのワークの変形量が低減している（平均変形量０．１８→０．１２）ことが分かる。ただし、焼戻し後の変形量が従来法では低減していた（平均変形量０．１８→０．１４）のに対して、この実施形態の方法では僅かではあるが増加していた（平均変形量０．１２→０．２７）。また、最大変形率が従来法では０．９４であったのに対して、この実施形態の方法では０．３８と大幅に低減されていた。ただし、焼戻し後の変形率は加熱放冷後の変化率より大きい。
【００２７】
焼戻し後の変形率が大きくなる理由として、焼入れの冷却工程でワーク間の隙間が適切に保持されていないことが考えられる。そのため、焼入れ時に変態しないステンレス鋼を用いて矩形リングを作製し、これを用いて、従来の方法とこの実施形態の方法でそれぞれ連続焼入れ、洗浄、焼戻しの一連の工程を行った。その結果を、従来法については表６と図１２に、実施形態の方法については表７と図１３に示す。
【００２８】
【表６】
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【００２９】
【表７】
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【００３０】
この結果から従来例（表６と図１２）よりも実施例（表７と図１３）の方が、加熱放冷後も焼戻し後も変形率が少なくなることが分かる。ただし、従来例と実施例とで加熱放冷後と焼戻し後での変形率の増加量が同じになっている。このことから、実施例の方法により、焼入れの冷却工程での変態応力を制御する効果があると推測される。
また、実施例の方法では、図１４に示すように、ワーク６をベルト３から焼入れ油８を入れた容器７に自然落下させる際に一定のタイミングで安定して落下するが、従来法では図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、ワーク６の落下のタイミングがばらついたり、落下姿勢や落下時の回転量が異なるため安定しない。
【００３１】
次に、下記の表８に示す、各寸法の内輪および外輪のそれぞれ１０００個について、従来の方法と本発明の方法で、連続焼入れ、洗浄、焼戻しを行い、最大真円度が０．１５ｍｍを超えたものを不良品として、不良率を測定した。なお、熱処理前の旋削工程や冷間加工で発生する残留応力のばらつきを考慮して、同じサンプルを前工程のロットが異なる別のタイミングで２回測定している。この結果も下記の表８に併せて示す。そして、図１５は、この結果を、肉厚率と変形不良率との関係で示すグラフである。図１５において、「●」は実施例の方法による結果を、「○」は従来例の方法による結果を示す。
また、同じ肉厚率の従来例の２種類の不良率と本発明例の２種類の不良率のうち、従来例の不良率の最小値から本発明例の不良率の最大値を引いた値を、変形不良率の差として算出した。この結果も下記の表８に併せて示す。そして、図１６は、この結果を、肉厚率と「変形不良率の差」との関係で示すグラフである。
【００３２】
【表８】
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【００３３】
この結果から、肉厚率が８．７の場合は従来の方法でも不良率が０であり、３１．７の場合は本発明例の方が不良率が高いため、肉厚率が１１．２以上２７．２以下で本発明の方法による効果が得られ、肉厚率が１３．７以上２４．０以下であるとさらに高い効果が得られることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】転がり軸受の内輪や外輪に対する一般的な連続熱処理設備を示す概略構成図である。
【図２】加熱炉の下流端から焼入れ油を入れた容器に自然落下させた時のワークの姿勢や落下のタイミングを説明する図であり、比較的素直に落下する場合（ａ）と後ろのワークと干渉して落下が遅れる場合（ｂ）を示す。
【図３】フィーダーからワークがリンクベルトの上に載せられた状態を示す側面図（ａ）、フィーダー内でワークが詰まり、空間ができる場合を示す平面図（ｂ）、フィーダーから入れられたワークにより押されて詰まりが解消した状態を示す平面図（ｃ）である。
【図４】従来法で各工程後のワークの平均変形率を示すグラフである。
【図５】従来法で、加熱後に焼入れしない状態（徐冷後）で取り出して調べた変形率と、徐冷後に、洗浄および焼き戻し工程を行った後に調べたワークの変形率を示すグラフである。
【図６】バッチ式の熱処理炉を用いてワークを加熱した後、球状焼鈍の熱処理パターンで時間をかけてゆっくり冷却した場合の変形量を測定した結果を示す図である。
【図７】標準的な連続焼入れ設備を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図８】図７の連続焼入れ設備で温度が上昇してワークが熱膨張した時の変化を示す図であり、加熱前の状態（ａ）と加熱後の状態（ｂ）の状態を示す。
【図９】本発明の実施形態の方法が実施できる設備を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図１０】実施形態の方法で、加熱後に焼入れしない状態（徐冷後）で取り出して調べた変形率と、徐冷後に、洗浄および焼き戻し工程を行った後に調べたワークの変形率を示すグラフである。
【図１１】実施形態の方法で、振動フィーダーの振動強度を低下させて、ワーク同士が接触せずに加熱炉に送り込み、さらに、加熱炉での加熱後に焼入れしない状態（徐冷後）で取り出して調べた変形率と、徐冷後に、洗浄および焼き戻し工程を行った後に調べたワークの変形率を示すグラフである。
【図１２】焼入れ時に変態しないステンレス鋼を用いて矩形リングを作製し、これを用いて、従来の方法で連続焼入れ、洗浄、焼戻しの一連の工程を行った結果を示すグラフである。
【図１３】焼入れ時に変態しないステンレス鋼を用いて矩形リングを作製し、これを用いて、実施例の方法で連続焼入れ、洗浄、焼戻しの一連の工程を行った結果を示すグラフである。
【図１４】実施例の方法で、加熱炉の下流端から焼入れ油を入れた容器に自然落下させた時のワークの姿勢や落下のタイミングを説明する図である。
【図１５】表８に示す、各寸法の内輪および外輪のそれぞれ１０００個について、従来の方法と本発明の方法で、連続焼入れ、洗浄、焼戻しを行い、不良率を測定した結果を示すグラフであって、変形不良率と肉厚率との関係を示す。
【図１６】表８に示す、各寸法の内輪および外輪のそれぞれ１０００個について、従来の方法と本発明の方法で、連続焼入れ、洗浄、焼戻しを行い、不良率を測定した結果を示すグラフであって、「従来例と本発明例とでの変形不良率の差」と肉厚率との関係を示す。
【符号の説明】
【００３５】
１  連続加熱炉
２  フィーダー
３  耐熱リンクベルト
４  シューター
５  ワーク
６  加熱後のワーク
７  容器
８  焼入れ油
９  搬送メッシュベルト
１０  焼入れ後のワーク
１１  洗浄槽
１２  焼戻し炉
１４  洗浄後のワーク
１５  焼戻し完了後のワーク
１６  搬送ベルト
１７  搬送ベルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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