特開 2024-13970 熱処理方法、熱処理装置及び熱処理用加熱プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024013970

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】熱処理方法、熱処理装置及び熱処理用加熱プログラム

(51)【国際特許分類】

   C21D 9/40 20060101AFI20240125BHJP

   C21D 1/18 20060101ALI20240125BHJP

   C21D 1/42 20060101ALI20240125BHJP

   H05B 6/06 20060101ALI20240125BHJP

   H05B 6/10 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

C21D9/40 A

C21D9/40 B

C21D1/18 K

C21D1/42 T

H05B6/06 366

H05B6/10 331

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022116465

(22)【出願日】2022-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(72)【発明者】

【氏名】石代 健晃

(72)【発明者】

【氏名】藤原 徹也

【テーマコード（参考）】

3K059

4K042

【Ｆターム（参考）】

3K059AA09

3K059AB28

3K059AC09

3K059AD03

3K059AD40

3K059CD64

3K059CD73

4K042AA22

4K042AA23

4K042BA01

4K042BA10

4K042CA15

4K042DA01

4K042DB01

4K042DC05

4K042EA03

(57)【要約】

【課題】ワークに全体焼入れを施す熱処理工程において、熱処理後のワークの品質が個体間でばらつくのを可及的に防止する。
【解決手段】加熱コイル３と、加熱コイル３に電気的に接続された高周波電源５とを備え、加熱コイル３に通電することでワークＷの全体を狙い温度に加熱する加熱部２を有する熱処理装置１において、加熱部２に、高周波電源５から加熱コイル３に供給される電力量の積算値を計測する積算電力量計８と、積算電力量が所定値に到達する毎に加熱コイル３に印加する電圧を変更させる信号を高周波電源５に出力する制御部６と、をさらに設けた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークに全体焼入れを施す熱処理工程において、加熱コイルに通電することにより、前記ワークの全体を狙い温度に誘導加熱するに際し、
前記加熱コイルに供給される電力量の積算値を計測し、計測された積算電力量が所定値に到達する毎に前記加熱コイルに印加する電圧を変更することを特徴とする熱処理方法。

【請求項2】

前記積算電力量が所定値に到達するのに要する到達時間Ｔを監視し、この到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時、前記加熱コイルへの電圧印加を停止する請求項１に記載の熱処理方法。

【請求項3】

前記ワークが、転がり軸受の軌道輪の基材である請求項１又は２に記載の熱処理方法。

【請求項4】

加熱コイルと、該加熱コイルと電気的に接続された高周波電源とを備え、前記加熱コイルに通電することによりワークの全体を狙い温度に誘導加熱する加熱部を有する熱処理装置において、
前記加熱部に、前記高周波電源から前記加熱コイルに供給される電力量の積算値を計測する積算電力量計と、計測された積算電力量が所定値に到達する毎に前記加熱コイルに印加する電圧を変更させる信号を前記高周波電源に出力する制御部と、をさらに設けたことを特徴とする熱処理装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記積算電力量が所定値に到達するのに要する到達時間Ｔを監視し、この到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時、前記加熱コイルへの通電を停止させる信号を前記高周波電源に出力する請求項４に記載の熱処理装置。

【請求項6】

ワークに熱処理を施す熱処理工程において、前記ワークの全体を狙い温度に誘導加熱するために用いられる熱処理用加熱プログラムであって、
加熱コイルに対して高周波電源から供給される電力量の積算値を積算電力量計から取得する積算電力量取得処理と、
取得した前記積算電力量が所定値に到達する毎に、前記加熱コイルに印加する電圧を変更させるための信号を前記高周波電源に対して出力する信号出力処理と、を制御装置に実行させることを特徴とする熱処理用加熱プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱処理方法、熱処理装置及び熱処理用加熱プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

周知のように、ＳＵＪ２等の鋼材を用いて作製される機械部品（例えば、転がり軸受の軌道輪）の製造過程においては、機械部品に必要とされる機械的強度等を付与するために、機械部品の基材（ワーク）に対して熱処理としての焼入れ処理や焼戻し処理が施される。

【0003】

焼入れ処理には、ワーク全体を焼入れする全体焼入れ（「ずぶ焼入れ」とも称される）と、ワークの表層部のみを焼入れする表面焼入れとがあり、例えば、転がり軸受の軌道輪の製造過程においては、軌道輪の基材である環状のワークに対して全体焼入れが施される。ワークを全体焼入れする際の加熱方法としては、ワーク全体を均一に加熱し易い雰囲気加熱を採用するのが一般的であったが、近時においては、ワークのみを加熱することができてエネルギー効率に優れる、加熱時間を大幅に短縮できて機械部品の生産性を高めることができる、などの理由により、例えば下記の特許文献１に記載されているような誘導加熱（高周波誘導加熱）を採用するケースが増加しつつある。

【0004】

ワークを全体焼入れする際の加熱方法として誘導加熱を採用する場合には、短時間で所定の炭化物面積率を得られるように、ワークを雰囲気加熱する場合よりも高温の９００℃程度にまで加熱することが行われている。但し、図５に示すように、ワークの加熱温度を高めるほど残留オーステナイト量の増え方も急峻になるため、ワークの加熱温度（加熱コイルの出力）や加熱時間（加熱コイルへの通電時間）を精密に管理する必要が生じる。

【0005】

そこで、熱処理時にワークを狙い温度に誘導加熱すべく、加熱コイルへの出力や通電時間を制御するための加熱プログラムを複数準備し、ワークの形状や材質、狙いの加熱温度等に応じて加熱プログラムを使い分けている。加熱プログラムには、図６（ａ）に例示するように、加熱コイルに印加する電圧を時間毎に切り替えるタイプや、図６（ｂ）に例示するように、加熱コイルに出力する電力量を時間毎に切り替えるタイプ等、時間毎に出力を切り替えるものが好適に採用されている。時間毎の出力の切り替えは、ＰＬＣ（シーケンサ）を用いて容易にかつ精度良く（再現性良く）制御できるからである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１５－６７８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＪＩＳ Ｂ６９１２に規定されているとおり、高周波電源の出力電圧を制御する場合は、定格電圧に対して±２％まで指令値に対する誤差が許容されるものの、ワークを誘導加熱する際に高周波電源に入力される指令電圧値と、高周波電源から出力される出力電圧値との間に僅かでも差があると、ワークの加熱温度に大きな狂いが生じることが懸念される。すなわち、本発明者らが前述したＳＵＪ２製の環状ワークを用いて確認したところ、出力電圧値が指令電圧値とは１Ｖ異なるだけでも、実際の加熱温度は狙いの加熱温度に対して１５℃程度ずれることが確認された。そして、狙いの加熱温度が高温であるほど、温度ずれによるワークの品質（機械的強度等）に与える悪影響が大きくなる。

【0008】

従って、熱処理用の加熱プログラムとして、時間毎（所定時間経過する毎）に出力を変更するものを選択した場合、一次電圧の変動や高周波電源に内蔵されているコンデンサ等の電子部品の劣化などの影響によって指令値通りの出力を得られないという問題、ひいては機械的強度をはじめとするワークの品質が安定しない（ワークの品質が個体間でばらつく）という問題が発生し易いと言える。係る問題は、例えば、ワークの品質を抜き取り検査によって確認し、その確認結果に基づいて指令値を微調整する等の対策を講じることで解消可能であるが、品質確認及びその後の調整作業に多大な手間を要することから、改善する必要がある。

【0009】

上記の実情に鑑み、本発明は、ワークに熱処理としての全体焼入れを施す熱処理工程において、熱処理後のワーク（全体焼入れされたワーク）の品質が個体間でばらつくのを可及的に防止し、もって高品質の機械部品を安定的に量産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】

【0010】

上記の目的を達成するため、本発明では、ワークに全体焼入れを施す熱処理工程において、加熱コイルに通電することにより、上記ワークの全体を狙い温度に誘導加熱するに際し、加熱コイルに供給される電力量の積算値を計測し、計測された積算電力量が所定値に到達する毎に加熱コイルに印加する電圧を変更することを特徴とする熱処理方法を提供する。

【0011】

本発明に係る熱処理方法（全体焼入れ方法）においては、従来方法のように時間ではなく、積算電力量によって加熱コイルに印加する電圧を変化させるようにしている。このような方法によれば、例えば電圧指令値に対して出力電圧が１Ｖずれたとしても、ワークに与えられる出力の誤差を従来よりも少なくすることができる。これにより、誘導加熱後、ひいては熱処理後のワークの品質（機械的強度等）が個体間でばらつくのを抑制することができる。

【0012】

上記の熱処理方法において、積算電力量が所定値に到達するのに要する到達時間Ｔを監視し、この到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時（Ｔ＜Ｔ_ＭＩＮ）又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時（Ｔ＞Ｔ_ＭＡＸ）、加熱コイルへの電圧印加を停止するのが好ましい。このようにすれば、熱処理装置のうち、特にワークを誘導加熱する加熱部に重大欠陥が生じるのを未然に防止することができる。

【0013】

上記の熱処理方法において、熱処理（加熱）対象のワークは、転がり軸受の軌道輪の基材とすることができる。つまり、本発明に係る熱処理方法は、転がり軸受の軌道輪の製造過程で好ましく採用することができる

【0014】

また、上記の目的を達成するため、本発明では、加熱コイルと、加熱コイルと電気的に接続された高周波電源とを備え、加熱コイルに通電することによりワークの全体を狙い温度に加熱する加熱部を有する熱処理装置において、加熱部に、高周波電源から加熱コイルに供給される電力量の積算値を計測する積算電力量計と、計測された積算電力量が所定値に到達する毎に加熱コイルに印加させる信号を高周波電源に出力する制御部と、をさらに設けたことを特徴とする熱処理装置を提供する。

【0015】

上記の構成を有する熱処理装置であっても、上述した本発明に係る誘導加熱方法と同様の作用効果を享受することができる。

【0016】

上記構成の熱処理装置において、制御部は、積算電力量が所定値に到達するのに要する到達時間Ｔを監視し、この到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時、加熱コイルへの通電を停止させる信号を高周波電源に出力するものとすることができる。

【0017】

また、上記の目的を達成するため、本発明では、ワークに熱処理を施す熱処理工程において、ワークの全体を狙い温度に誘導加熱するために用いられる熱処理用加熱プログラムであって、加熱コイルに対して高周波電源から供給される電力量の積算値を積算電力量計から取得する積算電力量取得処理と、取得した積算電力量が所定値に到達する毎に、加熱コイルに印加する電圧を変更させるための信号を高周波電源に対して出力する信号出力処理と、を制御装置に実行させることを特徴とする熱処理用加熱プログラムを提供する。

【0018】

上記の構成を有する加熱プログラムであっても、上述した本発明に係る熱処理方法と同様の作用効果を享受することができる。

【発明の効果】

【0019】

以上から、本発明によれば、ワークに熱処理としての全体焼入れを施す熱処理工程において、熱処理後のワークの品質が個体間でばらつくのを可及的に防止することができる。これにより、所望の機械的強度等を具備した高品質の機械部品を安定的に量産することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る熱処理装置の部分概略図である。

【図2】ワークの加熱条件（加熱プログラム）の一例を示す図である。

【図3】加熱プログラムを用いた場合の処理手順を示すフロー図である。

【図4】本発明の他の実施形態に係る熱処理装置の部分概略図である。

【図5】加熱曲線に対する炭化物面積率と残留オーステナイトの関係を示すグラフ図である。

【図6】従来のワークの加熱条件（熱処理用加熱プログラム）を例示した図表であって、（ａ）図は電圧制御・時間切替タイプの加熱プログラムの一例を示す図表、（ｂ）図は電力制御・時間切替タイプの加熱プログラムの一例を示す図表である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0022】

図１に、本発明の一実施形態に係る熱処理装置１の部分概略図を示す。この熱処理装置１は、ワークＷに全体焼入れを施すために使用されるものであって、ワークＷの全体を狙い温度（例えば、Ａ_１変態点を超える温度）に加熱する加熱工程が実施される加熱部２と、加熱部２で狙い温度に加熱されたワークＷを冷却・焼入れする冷却工程が実施される冷却部（図示省略）とを備えている。図１に示す加熱部２は、加熱コイル３と、加熱（焼入れ）対象のワークＷを支持するワーク支持部材４と、加熱コイル３と電気的に接続された高周波電源５と、高周波電源５と電気的に接続され、高周波電源５から加熱コイル３に対して出力（供給）された電力量の積算値を検知（計測）する積算電力計８と、高周波電源５及び積算電力計８と電気的に接続された制御装置６と、を備える。

【0023】

図２に示すワークＷは、例えば、最終的に転がり軸受の内輪となるものであり、炭素含有量０．８質量％以上の鋼材（ここでは、ＪＩＳ Ｇ４８０５に規定の軸受鋼に分類されるＳＵＪ２）で環状形態に形成されている。炭素含有量０．８質量％以上の鋼としては、ＳＵＪ２以外にも、ＳＵＪ２と同じ軸受鋼に分類されるＳＵＪ３や、ＪＩＳ Ｇ４４０４に規定の工具鋼に分類されるＳＫＤ１１、ＳＫＤ１２、ＳＫＤ３、ＳＫＤ３１などを挙げることができる。

【0024】

加熱コイル３は、例えば銅管を環状形態に形成したもので構成され、中心軸を鉛直方向に沿わせた平置き姿勢でワークＷ（詳細には、後述する加熱位置Ｐ２に位置するワークＷ）の径方向外側に配置される。この加熱コイル３は、セラミックス等の絶縁材料で形成されたコイル支持部材７により、ワークＷが搬送される搬送路９とは異なる高さ位置（図示例では搬送路９の上側）で上記の平置き姿勢で支持されている。

【0025】

ワーク支持部材４は、鉛直方向に延びる軸部４ａと、軸部４ａの先端に設けられ、ワークＷを下方側から支持するフランジ部４ｂとを備える。このワーク支持部材４は、搬送路面９に沿って搬送されてくる加熱対象のワークＷを受け取ると共に、加熱完了後のワークＷを搬送路９に受け渡す受け渡し位置Ｐ１と、フランジ部４ｂに載置されたワークＷを加熱コイル３の対向領域に位置させる加熱位置Ｐ２との間を昇降可能に設けられている。図示例では、上記２つの位置Ｐ１，Ｐ２のうち、受け渡し位置Ｐ１が相対的に下方側に、また加熱位置Ｐ２が相対的に上方側にあるが、両者の位置関係は逆にすることもできる。

【0026】

制御装置６には、加熱位置Ｐ２で支持されたワークＷの全体を狙い温度に誘導加熱するための熱処理用加熱プログラムが記録（記憶）されている。この加熱プログラムは、加熱コイル３に対して高周波電源５から供給（出力）される電力量の積算値を、この積算値を計測する積算電力量計８から取得する積算電力量取得処理と、取得した積算電力量が所定値に到達する毎に、加熱コイル３に対する出力（電圧）を変更させるための信号を高周波電源５に対して出力する信号出力処理と、を制御装置６に実行させるものである。

【0027】

つまり、加熱部２（加熱工程）に投入されたワークＷは、加熱コイル３に印加される電圧（高周波電源５の出力電圧）が段階的に変更されることによってその全体が狙い温度に加熱され、高周波電力５の出力電圧は、高周波電源５から加熱コイル３に出力された電力量の積算値（積算電力量）に基づいて変更される。図２に、高周波電源５の出力電圧の変更プログラム（すなわち、上記の加熱プログラム）の一例を示し、図３に、上記の加熱プログラムを用いた場合のワークＷの加熱処理の流れを簡単に示す。

【0028】

図２に示すプログラムでは、高周波電源５の出力電圧が、第１ステップ：１００Ｖ→第２ステップ：２００Ｖ→第３ステップ：２５０Ｖ→第４ステップ：３００Ｖ→第５ステップ：１００Ｖの順に変更され、第１～第４ステップにおける積算電力量が、それぞれ、第１ステップ：１２３ＫＷｓ、第２ステップ：２２５ＫＷｓ、第３ステップ：２３６ＫＷｓ、第４ステップ：１２０ＫＷｓに到達すると次ステップに移行する。そして、第５ステップにおける積算電力量が５０ＫＷｓに到達すると、高周波電源５の出力電圧がゼロとなり、ワークＷの加熱処理が終了する（図２中の第６ステップを参照）。

【0029】

上記のように、本実施形態の熱処理方法（熱処理装置１の加熱部２）においては、時間ではなく、高周波電源５から加熱コイル３に出力される積算電力量によって加熱コイル３に印加する電圧が変化させられる。このような方法によれば、高周波電源５に入力される電圧指令値に対して高周波電源５の出力電圧が１Ｖずれたとしても、ワークＷに与えられる出力の誤差を従来よりも少なくすることができる。すなわち、本発明者らが、トータルで８４０ｋＷｓの電力量を加熱コイル３（ワークＷ）に付与するべく、図６（ａ）に例示したような電圧制御・時間切替プロフラムを繰り返し採用したところ、ワークＷ間での積算電力量のばらつきが５．６ｋＷｓにも達したのに対し、本発明（に係るプログラム１０）を繰り返し採用した場合には、ワークＷ間での積算電力量のばらつきを１ｋＷｓ以下に抑えることができた。従って、誘導加熱後、ひいては熱処理後のワークＷの機械的強度等が個体間でばらつくのを抑制することができるので、高品質の機械部品を安定的に量産することができる。

【0030】

なお、本実施形態においては、積算電力量が所定値に到達するのに要する到達時間Ｔを監視し、この到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時、又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時には、加熱部２で実施される加熱工程、つまり高周波電源５から加熱コイル３への電圧印加（電力供給）が強制的に停止される。具体的には、図２中に「加熱時間」と表示している時間を基準の到達時間Ｔとし、各ステップで設定した積算電力量に到達するのに要した時間が設定時間外の場合、具体的には、図２中に「加熱時間下限」と表示している下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時、又は図２中に「加熱時間上限」と表示している上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時、加熱コイル３への電圧印加が強制的に停止される（図３を参照）。

【0031】

これは、積算電力量が所定値に到達するのに要する時間（到達時間Ｔ）は、高周波電源５や積算電力量計８が故障等しない限り大きくばらつくことはないため、到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時には、高周波電源５や積算電力量計８等が故障している蓋然性が高いためである。従って、上記の到達時間Ｔが所定の下限値Ｔ_ＭＩＮよりも短い時又は所定の上限値Ｔ_ＭＡＸよりも長い時に、高周波電源５から加熱コイル３への電圧印加を強制的に停止するようにすれば、加熱部２に重大な故障が生じる可能性を可及的に低減することができる。

【0032】

以上、本発明の一実施形態に係る熱処理装置１（の加熱部２）、及びこれを用いたワークＷの熱処理方法（誘導加熱方法）について説明したが、本発明の実施の形態はこれに限られない。

【0033】

例えば熱処理装置１の加熱部２は図４に示すような構成とすることもできる。同図に示す加熱部２では、環状のワークＷを誘導加熱するための加熱コイル３として、ワークＷの径方向外側に配される加熱コイル（外側加熱コイル３Ａ）に加え、ワークＷの径方向内側に配される加熱コイル（内側加熱コイル３Ｂ）を設けている。この場合、ワークＷの加熱効率を一層高めることができる。なお、内側加熱コイル３Ｂに電力を供給するための高周波電源５は、図示するように外側加熱コイル３Ａに電力を供給する高周波電源５と兼用しても良いし、外側加熱コイル３Ａに電力を供給する高周波電源５とは別のものを用いても良い（図示省略）。

【0034】

以上では、転がり軸受の内輪となる環状のワークＷを全体焼入れする際に本発明を適用する場合を例示したが、本発明は、その他のワーク、例えば、転がり軸受の外輪、すべり軸受、転がり軸受や等速自在継手に組み込まれる保持器等になる環状のワークＷを全体焼入れする場合にも好ましく使用することができる。

【0035】

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得る。すなわち、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

【符号の説明】

【0036】

１ 熱処理装置
２ 加熱部
３ 加熱コイル
５ 高周波電源
６ 制御装置
８ 積算電力量計
１０ 熱処理用加熱プログラム
Ｗ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】