JP2008169430A - 鋼球の熱処理装置および鋼球の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏熱の発生を伴うことなく、複数の鋼球を一括して誘導加熱するとともに、鋼球同士の溶着を防止する。
【解決手段】誘導加熱コイル２にて発生された磁束３の方向と略一致する軸を周回する螺旋状の鋼球案内路８を設け、鋼球１を鋼球案内路８上に転がすことにより、誘導加熱コイル２にて発生される磁束３中において磁束３の方向と回転軸５が一致しないように鋼球１を回転させながら鋼球１を誘導加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は鋼球の熱処理装置および鋼球の熱処理方法に関し、特に、誘導加熱による鋼球の熱処理方法に適用して好適なものである。

軸受鋼は、軸受外輪や鋼球などの軸受を構成する部品に加工された後、焼き入れや焼き戻しが施されることにより硬さが調整され、軸受に重要な特性である転動疲労寿命について所望の性能が得られるようにされている。
例えば、特許文献１には、転動疲労寿命を向上させるために、軸受鋼の焼き入れの際に急速加熱を行うことにより、旧オーステナイト粒径を４μｍ以下にまで微細化させる方法が開示されている。

また、軸受を構成する部品のうち鋼球についても、転動疲労寿命は重要な特性であることから、旧オーステナイト粒径を微細化させるために、急速加熱を行う方法は有用であると考えられる。
ここで、鋼球の急速加熱を行う代表的な方法としては、誘導加熱コイルを用いた誘導加熱を挙げることができる。

例えば、特許文献２には、半径方向に沿って放射状に延びる複数のスリットが形成された金属製の円筒体の外周に配設される螺旋状の高周波誘導加熱コイルの中央部で、鋼球の表面を磁気変態点以上の温度に予備加熱し、次いでこの鋼球を上方に移動させて電磁力にて浮揚状態として水平軸を中心に自転を生ぜしめた状態の下で高周波誘導加熱することにより、鋼球の表面を均一加熱する方法が開示されている。

図５（ａ）は、従来の鋼球の熱処理方法を示す斜視図、図５（ｂ）は、従来の鋼球の熱処理方法による磁束の方向と発熱領域との関係を示す断面図である。
図５（ａ）において、鋼球１０１の周囲には誘導加熱コイル１０２が配置されている。そして、誘導加熱コイル１０２にコイル電流を流すことにより、誘導加熱コイル１０２の周回面と直交する方向に磁束１０３が発生する。そして、磁束１０３が鋼球１０１を貫通すると、鋼球１０１には、磁束１０３と直交する周回面を流れる誘導電流１０４が発生する。そして、鋼球１０１に誘導電流１０４が発生すると、誘導電流１０４が流れる領域１０６が発熱し、鋼球１０１の急速加熱が行われる。

図６（ａ）は、従来の鋼球の熱処理方法のその他の例を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の方法にて熱処理された鋼球の状態を示す側面図、図７は、図６の鋼球の熱処理方法における誘導電流の経路を示す斜視図である。
図６（ａ）および図７において、保持具２０５には複数の鋼球２０１が接触された状態で収容されるとともに、保持具２０５の周囲には誘導加熱コイル２０２が配置されている。そして、誘導加熱コイル２０２にコイル電流を流すことにより、誘導加熱コイル２０２の周回面と直交する方向に磁束２０３が発生する。そして、磁束２０３が鋼球２０１を貫通すると、鋼球２０１には、磁束２０３と直交する周回面を流れる誘導電流２０４が発生する。そして、鋼球２０１に誘導電流２０４が発生すると、鋼球２０１が発熱し、鋼球２０１の急速加熱が行われる。
特開２００６−１５２４０７号公報 特開平６−１１６６４６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された方法では、鋼球の急速加熱が１個づつ個別に行われ、複数の鋼球を一度に熱処理することができないことから、生産効率が悪いという問題があった。
また、図５（ｂ）に示すように、鋼球１０１を誘導加熱する時に鋼球１０１が静止している場合には、鋼球１０１の特定の領域１０６しか発熱せず、偏熱を生じることから、転動疲労寿命について所望の性能が得られないという問題があった。

また、図６に示すように、複数の鋼球２０１を接触させた状態でこれらの鋼球２０１を誘導加熱すると、図７に示すように、接触した複数の鋼球２０１の最外周を周回するように誘導電流２０４が流れることから、鋼球２０１間にスパークが生じて表面が溶融し、鋼球２０１同士が溶着するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、偏熱の発生を伴うことなく、複数の鋼球を一括して誘導加熱するとともに、鋼球同士の溶着を防止することが可能な鋼球の熱処理装置および鋼球の熱処理方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の鋼球の熱処理装置によれば、鋼球の誘導加熱を行う誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルにて発生される磁束中において前記磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球を回転させながら前記鋼球を案内する案内手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の鋼球の熱処理装置によれば、前記案内手段は、前記磁束と交差するように配置された直線状の案内路と、前記案内路に前記鋼球を送り出す送り手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項３記載の鋼球の熱処理装置によれば、前記案内手段は、前記磁束の方向と略一致する軸を周回する螺旋状の案内路であることを特徴とする。
また、請求項４記載の鋼球の熱処理装置によれば、前記案内路は互いに並行に配置されるようにして複数個設けられていることを特徴とする。
また、請求項５記載の鋼球の熱処理装置によれば、前記案内手段は、前記磁束と交差する軸の周りを回転自在に配置され、前記鋼球を内面に沿って周回させる円筒と、前記円筒を周方向に回転させる駆動手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項６記載の鋼球の熱処理装置によれば、前記円筒の内面には、鋼球を１個ずつ通すように鋼球の進路を規定するガイド部材が形成されていることを特徴とする。
また、請求項７記載の鋼球の熱処理装置によれば、前記円筒は互いに並行に配置されるようにして複数個設けられていることを特徴とする。
また、請求項８記載の鋼球の熱処理方法によれば、誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球を回転移動させながら、前記磁束中において前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする。

また、請求項９記載の鋼球の熱処理方法によれば、誘導加熱コイルにて発生される磁束と交差するように配置された直線状の案内路に沿って前記鋼球を転がしながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする。
また、請求項１０記載の鋼球の熱処理方法によれば、誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と略一致する軸を周回する螺旋状の案内路に沿って前記鋼球を転がしながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする。
また、請求項１１記載の鋼球の熱処理方法によれば、誘導加熱コイルにて発生される磁束と交差する軸の周りを回転する円筒の内面に沿って前記鋼球を周回させながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする。

また、請求項１２記載の鋼球の熱処理方法によれば、前記円筒の内面に形成されたガイド部材によって個々の鋼球が接触しないように分離された状態で前記鋼球を周回させることを特徴とする。
また、請求項１３記載の鋼球の熱処理方法によれば、並行に配置された複数個の円筒にそれぞれ沿って鋼球を周回させながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする。
また、請求項１４記載の鋼球の熱処理方法によれば、前記誘導加熱された鋼球を冷却して焼き入れを行う工程をさらに備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球を回転移動させながら鋼球を誘導加熱することができ、鋼球に流れる誘導電流を全表面に分散させることが可能となるとともに、複数の鋼球が静止したまま接触した状態で誘導加熱されるのを防止することができる。このため、偏熱の発生を伴うことなく、複数の鋼球を一括して急速加熱することが可能となるとともに、鋼球同士の溶着を防止することが可能となり、製造効率を劣化させることなく、鋼球の転動疲労寿命について所望の性能を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る鋼球の熱処理装置について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理装置の概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は、磁束の方向と鋼球の回転軸との関係を示す側面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理装置のその他の概略構成を示す断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）において、鋼球１の熱処理装置には、鋼球１の誘導加熱を行う誘導加熱コイル２、誘導加熱コイル２にて発生された磁束３の方向と略一致する軸を周回する螺旋状の鋼球案内路８および誘導加熱された鋼球１を冷却して焼き入れを行う水焼き入れ装置９が設けられている。ここで、鋼球案内路８は、誘導加熱コイル２にて発生される磁束３中において磁束３の方向と回転軸５が一致しないように鋼球１を回転させながら鋼球１を水焼き入れ装置９に案内することができる。

なお、誘導加熱コイル２は、略水平面内でコイル電流が周回するように構成することができ、誘導加熱コイル２内の上下方向に磁束３を発生させることができる。また、鋼球案内路８は、セラミックなどの絶縁性材料にて構成することができ、レール状や溝状あるいはパイプ状の形状であってもよい。
そして、鋼球１の誘導加熱を行う場合、誘導加熱コイル２にて磁束３を発生させながら、鋼球案内路８の上端から鋼球１を順次供給し、鋼球案内路８に沿って鋼球１を転がらせる。そして、鋼球案内路８に沿って鋼球１が転がると、回転軸５が磁束３の方向と一致しないように鋼球１が回転しながら磁束３が鋼球１を貫通し、磁束３と直交する周回面を流れる誘導電流ｉが鋼球１に発生して、鋼球１が誘導加熱される。そして、誘導加熱された鋼球１が鋼球案内路８の下端に到達すると、水焼き入れ装置９に落下し、水焼き入れ装置９にて冷却されることにより、鋼球１の焼き入れを行うことができる。

ここで、回転軸５が磁束３の方向と一致しないように鋼球１を回転させながら磁束３を鋼球１に貫通させることにより、磁束３の方向に対して鋼球１の向きを変化させることができ、鋼球１に流れる誘導電流ｉを全表面に分散させることが可能となるとともに、複数の鋼球１が静止したまま接触した状態で誘導加熱されるのを防止することができる。このため、偏熱の発生を伴うことなく、鋼球１を急速加熱することが可能となるとともに、鋼球１同士の溶着を防止することが可能となり、製造効率を劣化させることなく、鋼球１の転動疲労寿命について所望の性能を得ることが可能となる。

また、鋼球案内路８の上端から鋼球１を連続的に供給することにより、複数の鋼球１を一括して誘導加熱することが可能となり、製造効率を向上させることができる。
なお、図１（ｃ）に示すように、互いに並行に配置された複数の鋼球案内路８ａ〜８ｃを誘導加熱コイル２にて発生される磁束中に設け、これらの鋼球案内路８ａ〜８ｃ上で鋼球１をそれぞれ転がすことにより、複数の鋼球１を一括して誘導加熱するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、鋼球案内路８は、磁束３の方向と略一致する軸を周回する螺旋状とする方法について説明したが、磁束３の方向と交差する軸を周回する螺旋状としてもよい。

図２は、本発明の第２実施形態に係る鋼球の熱処理装置の概略構成を示す斜視図である。
図２において、鋼球１１の熱処理装置には、鋼球１１の誘導加熱を行う誘導加熱コイル１２、誘導加熱コイル１２にて発生された磁束１３と交差するように配置された直線状の鋼球案内路１８、鋼球案内路１８に鋼球１１を送り出す送り装置１０および誘導加熱された鋼球１１を冷却して焼き入れを行う水焼き入れ装置１９が設けられている。ここで、鋼球案内路１８は、誘導加熱コイル１２にて発生される磁束１３中において磁束１３の方向と回転軸が一致しないように鋼球１１を回転させながら鋼球１１を水焼き入れ装置１９に案内することができ、例えば、鋼球１１の回転軸が磁束１３の方向と直交するように鋼球１１を転がらせることができる。

なお、誘導加熱コイル１２は、略水平面内でコイル電流が周回するように構成することができ、誘導加熱コイル１２内の上下方向に磁束１３を発生させることができる。また、鋼球案内路１８は、セラミックなどの絶縁性材料にて構成することができ、レール状や溝状あるいはパイプ状の形状であってもよい。また、送り装置１０は、鋼球案内路１８に沿って前後に往復移動できるように構成することができ、送り装置１０の送り速度を一定とすることにより、一定の速度で鋼球１１を転がすことができる。

そして、鋼球１１の誘導加熱を行う場合、誘導加熱コイル１２にて磁束１３を発生させながら、送り装置１０にて鋼球１１を鋼球案内路１８に順次送り出し、鋼球案内路１８に沿って鋼球１１を転がらせる。そして、鋼球案内路１８に沿って鋼球１１が転がると、回転軸が磁束１３の方向と一致しないように鋼球１１が回転しながら磁束１３が鋼球１１を貫通し、磁束１３と直交する周回面を流れる誘導電流が鋼球１１に発生して、鋼球１１が誘導加熱される。そして、誘導加熱された鋼球１１が鋼球案内路１８の端に到達すると、水焼き入れ装置１９に落下し、水焼き入れ装置１９にて冷却されることにより、鋼球１１の焼き入れを行うことができる。

ここで、回転軸が磁束１３の方向と一致しないように鋼球１１を回転させながら磁束１３を鋼球１１に貫通させることにより、磁束１３の方向に対して鋼球１１の向きを変化させることができ、鋼球１１に流れる誘導電流を全表面に分散させることが可能となるとともに、複数の鋼球１１が静止したまま接触した状態で誘導加熱されるのを防止することができる。このため、偏熱の発生を伴うことなく、鋼球１１を急速加熱することが可能となるとともに、鋼球１１同士の溶着を防止することが可能となり、製造効率を劣化させることなく、鋼球１１の転動疲労寿命について所望の性能を得ることが可能となる。

また、送り装置１０にて鋼球１１を鋼球案内路１８に連続的に送り出すことにより、複数の鋼球１１を一括して誘導加熱することが可能となり、製造効率を向上させることができる。
なお、鋼球案内路１８は、互いに並行に配置された複数の鋼球案内路であってもよく、これら複数の鋼球案内路上で鋼球１１をそれぞれ転がすことにより、複数の鋼球１１を一括して誘導加熱するようにしてもよい。

図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る鋼球の熱処理装置の概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の円筒２８の内部構成の一例を示す斜視図である。
図３において、鋼球２１の熱処理装置には、鋼球２１の誘導加熱を行う誘導加熱コイル２２、誘導加熱コイル２２にて発生された磁束２３と略直交する軸の周りを回転自在に配置され、鋼球２１を内面に沿って周回させる円筒２８、円筒２８を円周方向に回転させる駆動部２５、駆動部２５に駆動力を与えるモータ２６および誘導加熱された鋼球２１を冷却して焼き入れを行う水焼き入れ装置２９が設けられている。ここで、円筒２８は、誘導加熱コイル２２にて発生される磁束２３中において磁束２３の方向と回転軸が一致しないように鋼球２１を回転させながら鋼球２１を水焼き入れ装置２９に案内することができる。

なお、誘導加熱コイル２２は、略水平面内でコイル電流が周回するように構成することができ、誘導加熱コイル２２内の上下方向に磁束２３を発生させることができる。また、円筒２８は、セラミックなどの絶縁性材料にて構成することができ、円筒２８の回転に合わせてその内面に沿って鋼球２１が周回できるようにするために、円筒２８の回転軸を略水平に保つことができる。

そして、鋼球２１の誘導加熱を行う場合、誘導加熱コイル２２にて磁束２３を発生させながら、円筒２８の一端から鋼球２１を順次供給し、円筒２８を円周方向に回転させる。そして、円筒２８が円周方向に回転させられると、円筒２８の内面に沿って鋼球２１が転がり、回転軸が磁束２３の方向と一致しないように鋼球２１が回転しながら磁束２３が鋼球２１を貫通し、磁束２３と直交する周回面を流れる誘導電流が鋼球２１に発生して、鋼球２１が誘導加熱される。そして、誘導加熱された鋼球２１が円筒２８の他端に到達すると、水焼き入れ装置２９に落下し、水焼き入れ装置２９にて冷却されることにより、鋼球２１の焼き入れを行うことができる。

ここで、回転軸が磁束２３の方向と一致しないように鋼球２１を回転させながら磁束２３を鋼球２１に貫通させることにより、磁束２３の方向に対して鋼球２１の向きを変化させることができ、鋼球２１に流れる誘導電流を全表面に分散させることが可能となるとともに、複数の鋼球２１が静止したまま接触した状態で誘導加熱されるのを防止することができる。このため、偏熱の発生を伴うことなく、鋼球１を急速加熱することが可能となるとともに、鋼球２１同士の溶着を防止することが可能となり、製造効率を劣化させることなく、鋼球２１の転動疲労寿命について所望の性能を得ることが可能となる。

また、円筒２８の一端から鋼球２１を連続的に供給することにより、複数の鋼球２１を一括して誘導加熱することが可能となり、製造効率を向上させることができる。
なお、図３（ｂ）に示すように、円筒２８の内面には鋼球２１を１個ずつ通すように鋼球２１の進路を規定する案内溝２４を設け、個々の鋼球２１が接触しないように分離された状態で鋼球２１を周回させるとともに、鋼球２１の前進や後退を調節できるようにしてもよい。また、下端が円筒２８の一端に接続され、上方から鋼球２１を円筒２８に挿入可能な挿入案内部２７を設け、鋼球２１を円筒２８に連続して挿入できるようにしてもよい。

また、円筒２８は、互いに並行に配置された複数の円筒であってもよく、これら複数の円筒の内面に沿って鋼球２１をそれぞれ転がすことにより、複数の鋼球２１を一括して誘導加熱するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、磁束２３と略直交する軸の周りに円筒２８を回転させる方法について説明したが、磁束２３と交差する軸の周りに円筒２８を回転させるようにしてもよい。

図４は、本発明の一実施形態に係る熱処理方法にて熱処理された鋼球の表面から中心に至る深さ方向の硬度を従来例と比較して示す図である。
図４（ｂ）において、図５の方法にて誘導加熱が行われた後、水冷して焼き入れが行われた鋼球１０１では、発熱部分を含む深さ方向（Ａ´）と発熱部分を含まない深さ方向（Ｂ´）とでは、硬度分布が大きく異なるようになり、硬度に異方性が認められた。
一方、図４（ａ）において、図１の方法にて誘導加熱が行われた後、水冷して焼き入れが行われた鋼球１では、鋼球断面で４５°ごとの深さ方向（Ａ、Ｂ、Ｃ）において硬度分布に違いは認められることはなく、全ての方向において鋼球１の表層の１ｍｍ程度の部分に均一な焼き入れが施されていることが確認できた。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理装置の概略構成を示す断面図、図１（ｂ）は、磁束の方向と鋼球の回転軸との関係を示す側面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る鋼球の熱処理装置のその他の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る鋼球の熱処理装置の概略構成を示す斜視図である。 図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る鋼球の熱処理装置の概略構成を示す斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の円筒２８の内部構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る熱処理方法にて熱処理された鋼球の表面から中心に至る深さ方向の硬度を従来例と比較して示す図である。 図５（ａ）は、従来の鋼球の熱処理方法を示す斜視図、図５（ｂ）は、従来の鋼球の熱処理方法による磁束の方向と発熱領域との関係を示す断面図である。 図６（ａ）は、従来の鋼球の熱処理方法のその他の例を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の方法にて熱処理された鋼球の状態を示す側面図である。 図６の鋼球の熱処理方法における誘導電流の経路を示す斜視図である。

符号の説明

１、１１、２１ 鋼球
２、１２、２２ 誘導加熱コイル
３、１３、２３ 磁束
５ 回転軸
８、８ａ〜８ｃ、１８ 鋼球案内路
９、１９、２９ 水焼き入れ装置
１０ 送り装置
２４ 案内溝
２５ 駆動部
２６ モータ
２７ 挿入案内部
２８ 円筒

Claims (14)

1. 鋼球の誘導加熱を行う誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルにて発生される磁束中において前記磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球を回転させながら前記鋼球を案内する案内手段とを備えることを特徴とする鋼球の熱処理装置。
2. 前記案内手段は、
   前記磁束と交差するように配置された直線状の案内路と、
   前記案内路に前記鋼球を送り出す送り手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の鋼球の熱処理装置。
3. 前記案内手段は、前記磁束の方向と略一致する軸を周回する螺旋状の案内路であることを特徴とする請求項１記載の鋼球の熱処理装置。
4. 前記案内路は互いに並行に配置されるようにして複数個設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の鋼球の熱処理装置。
5. 前記案内手段は、
   前記磁束と交差する軸の周りを回転自在に配置され、前記鋼球を内面に沿って周回させる円筒と、
   前記円筒を周方向に回転させる駆動手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の鋼球の熱処理装置。
6. 前記円筒の内面には、鋼球を１個ずつ通すように鋼球の進路を規定するガイド部材が形成されていることを特徴とする請求項５記載の鋼球の熱処理装置。
7. 前記円筒は互いに並行に配置されるようにして複数個設けられていることを特徴とする請求項５または６記載の鋼球の熱処理装置。
8. 誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と回転軸が一致しないように鋼球を回転移動させながら、前記磁束中において前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする鋼球の熱処理方法。
9. 誘導加熱コイルにて発生される磁束と交差するように配置された直線状の案内路に沿って前記鋼球を転がしながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする請求項８記載の鋼球の熱処理方法。
10. 誘導加熱コイルにて発生される磁束の方向と略一致する軸を周回する螺旋状の案内路に沿って前記鋼球を転がしながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする請求項８記載の鋼球の熱処理方法。
11. 誘導加熱コイルにて発生される磁束と交差する軸の周りを回転する円筒の内面に沿って前記鋼球を周回させながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする請求項８記載の鋼球の熱処理方法。
12. 前記円筒の内面に形成されたガイド部材によって個々の鋼球が接触しないように分離された状態で前記鋼球を周回させることを特徴とする請求項１１記載の鋼球の熱処理方法。
13. 並行に配置された複数個の円筒にそれぞれ沿って鋼球を周回させながら、前記鋼球を誘導加熱することを特徴とする請求項１１または１２記載の鋼球の熱処理方法。
14. 前記誘導加熱された鋼球を冷却して焼き入れを行う工程をさらに備えることを特徴とする請求項８から１３のいずれか１項記載の鋼球の熱処理方法。

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