JP2015010238A - 熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つのワークにおける異なる領域で異なる特性が要求されるようなワークを焼入処理及び焼戻し処理する際、品質を確保しつつ短時間で容易に処理することが可能な熱処理方法を提供する。【解決手段】ワークＷを横断方向に離間した第１領域１１と第２領域１２とを焼入れ処理及び焼戻し処理する際、第１領域１１と第２領域１２とを焼入れ処理した後、第１領域１１と第２領域１２とを互いに異なる温度にして同時に焼戻し処理することで、第１領域１１の硬度と第２領域１２の硬度とを異ならせる。【選択図】図１

Description

本発明は、第１領域と第２領域とが横断方向に離間して設けられたワークを焼入れ処理及び焼戻し処理する熱処理方法に関する。

従来、建設機械等には、内周又は外周の一方にギヤ歯が設けられ他方にベアリングのボールやコロ等の転動面が設けられた大型の旋回輪が使用されている。このような大型の旋回輪ではギヤ歯と転動面との両方に焼入及び焼戻の熱処理が施されている（例えば下記特許文献１）。

このような大型の旋回輪では、ギヤ歯を有する内周は靱性や耐久性を向上させるように熱処理することが要求される。一方、転動輪を有する外周は硬度を確保して転動特性を向上させるように熱処理することが要求されている。そのため内周と外周とで要求される特性が異なっていた。

このように熱処理条件が異なる旋回輪を焼入れする場合、例えば内周の要求特性範囲と外周の要求特性範囲とを同時に達成できる条件を探して特定することで、焼戻し処理されていた。例えば内周と外周とをそれぞれ誘導加熱して急冷することで焼入れした後、ワーク全体を炉加熱によりゆっくり昇温させて、所定の狭い温度範囲内に加熱して放冷することで焼戻し処理していた。

なお、このような旋回輪のギヤ歯を有する内周だけを焼入れ処理するために、例えば下記特許文献２のように、内輪の各歯部を高周波電流により誘導加熱して急冷し、所定の冷却温度に達したときに冷却を即座に停止することで、残熱を利用して自己焼戻しすることが提案されている。

特開２００８−２３１４９６号公報 特開２００７−２０４８３４号公報

しかしながら、大型の環状ワークの内周と外周とを焼入後に炉加熱でゆっくり昇温させて焼戻しを行うと、処理時間が長く生産性が悪いという問題があった。焼入れ後に誘導加熱を利用して内周と外周とを順番に焼戻しするとすれば、作業工程が多く手間を要する上、焼戻し時に要求される温度範囲が焼入れ時に比べて狭く、しかも低温であるため、一方の加熱時の熱が他方に影響して、焼入れ品質が低下するという問題点もあった。

本発明は、一つのワークにおける異なる領域で要求される特性が異なるようなワークを焼入処理及び焼戻し処理により熱処理する際、品質を確保しつつ短時間で容易に熱処理することが可能な熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の熱処理方法は、ワークに横断方向に離間して設けられた第１領域と第２領域とを焼入れ処理及び焼戻し処理する際、第１領域と第２領域とを焼入れ処理した後、第１領域と第２領域とを互いに異なる温度にして同時に焼戻し処理することで、第１領域の硬度と第２領域の硬度とを異ならせることを特徴とする。

この熱処理方法の焼戻し処理では、第１領域を加熱することで第２領域を所定の焼戻し温度範囲に加熱するのがよい。その場合、焼戻し処理では、第１領域を第１加熱コイルにより誘導加熱するのが好適である。
さらに、第１領域を第１加熱コイルで誘導加熱して急冷すると共に、第２領域を第２加熱コイルで誘導加熱して急冷することで第１領域と第２領域とを焼入れ処理し、その後、第１領域を第１加熱コイルで誘導加熱して冷却することで、第１領域と第２領域とを焼戻し処理するのが、特に好ましい。

本発明の熱処理方法は、ワークに横断方向に離間して設けられた第１領域と第２領域とを焼入れ処理及び焼戻し処理する熱処理方法であって、焼入れ処理における加熱後に、ワークに温度分布を形成するように急冷し、高温部分が焼戻し温度範囲以上の状態で急冷を中止して放熱することで、第１領域と第２領域とを互いに異なる温度にして同時に焼戻し処理することでもよい。その場合、ワークの横断方向に温度分布を形成するように急冷し、横断方向の所定位置における温度が所定温度に達した時点で、急冷を中止して放熱するのがよい。

この熱処理方法は、環状に形成されて内周又は外周のうちの一方に多数のギヤ歯を有する第１領域が設けられると共に、他方に転動面を有する第２領域が設けられた、歯付旋回輪用のワークの焼入れ処理及び焼戻し処理を行うのに好適に使用できる。

本発明によれば、焼入れ処理された第１領域と第２領域とを互いに異なる温度にして焼戻し処理するので、同一のワークにおいて硬度の異なる第１領域と第２領域とを形成することが可能であり、第１領域と第２領域とのそれぞれの品質を確保できる。しかも第１領域と第２領域とを同時に焼戻し処理するので、焼戻し処理に要する手間や時間を少なくできる。よって、品質を確保しつつ短時間で容易に熱処理することが可能な熱処理方法を提供することができる。

（ａ）〜（ｆ）は本発明の第１実施形態の熱処理工程を説明する概略断面図である。 本発明の第１実施形態の熱処理工程における第２領域の温度の経時変化を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第２実施形態の熱処理工程を説明する概略断面図である。 本発明の第２実施形態の熱処理工程における第１領域の温度の経時変化を示すグラフである。 本発明の各実施形態において、熱処理を施すワークを示す部分正面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態における熱処理の対象となるワークＷは、大型の歯付旋回輪用に予め加工された鋼材からなる環状の中間加工品で、図５に示すように、環状に形成され、横断方向に離間して第１領域１１と第２領域１２とが設けられたものである。

このワークＷでは、第１領域１１は内周に連続して設けられており、多数のギヤ歯１３を有している。第２領域１２は外周に連続して設けられており、ベアリングのボールやコロ等の転動面１４を有している。多数のギヤ歯１３は、それぞれ厚み方向の全体、即ち両端面間の全体に軸方向延設されている。転動面１４は厚み方向の一部に凹状に設けられている。

本実施形態では、多数のギヤ歯１３の歯底から刃先までの全体を焼入れ処理及び焼戻し処理すると共に、転動面の内表面を焼入れ処理及び焼戻し処理することで、ワークＷに熱処理を施す。熱処理の際、内周の第１領域１１と外周の第２領域１２とに形成される金属の熱処理組織を連続させてもよいが、この例では連続させない。

使用する熱処理装置は、図１に示すように、図示しない支持手段により支持され、周方向に回転するワークＷの内周に配置される第１熱処理手段２１と、同じく図示しない支持手段により支持され、周方向に回転するワークＷの外周に配置される第２熱処理手段２２と、を備える。

第１熱処理手段２１は、ワークＷの内周に配置され多数のギヤ歯１３と対向可能な円環状の第１加熱コイル２３と、ワークＷの内周に冷却液を噴射可能な第１冷却ノズル２５と、を有する。第２熱処理手段２２は、ワークＷの外周に配置され、転動面１４と対向可能な円環状の第２加熱コイル２４と、ワークＷの外周に冷却液を噴射可能な第２冷却ノズル２６と、を有する。

ワークＷを熱処理するには、図１（ａ）（ｂ）に示すように第１領域焼入れ工程を施し、次に図１（ｃ）（ｄ）に示すように第２領域焼入れ工程を施し、その後、図１（ｅ）（ｆ）に示すように焼戻し工程を施す。第２領域焼入れ工程及び焼戻し工程において、ワークＷの第２領域１２における表面温度の経時変化の例を図２に示す。

第１領域焼入れ工程では、図１（ａ）に示すように、第１領域１１を第１加熱コイル２３で高周波誘導加熱することで、ギヤ歯１３の全体、即ち歯底及び歯底から内側へ突出する部位の表面及び内部を焼入れ温度範囲に加熱する。焼入れ温度範囲は、例えばＡ３変態点以上の温度とする。
次いで図１（ｂ）に示すように、第１冷却ノズル２５から第１領域１１に冷却液を噴射して加熱された第１領域１１を急冷する。

第２領域焼入れ工程では、図１（ｃ）及び図２のＰ１１に示すように、第２領域１２を第２加熱コイル２４で高周波誘導加熱することで、転動面１４の内表面を焼入れ温度範囲に加熱し、図１（ｄ）に示すように、第２冷却ノズル２６から第２領域１２に冷却液を噴射して、加熱された第２領域１２を急冷する。

焼戻し工程では、図１（ｅ）及び図２のＰ１２に示すように、第１領域１１を第１加熱コイル２３で高周波誘導加熱することで、第１領域１１を所定の第１焼戻し温度範囲に加熱すると共に、例えば伝熱等により第２領域１２の転動面を所定の第２焼戻し温度範囲に加熱する。

焼戻し処理では、加熱温度に応じて得られる特性が変化するため、第１焼戻し温度範囲及び第２焼戻し温度範囲は何れもＡ１変態点未満の温度で、要求特性に応じて適宜設定される。本実施形態では、第２領域１２の転動面１４の硬度を高く保つと共に、第１領域１１のギヤ歯１３の硬さを抑えて靱性を向上させるために、例えば第１焼戻し温度範囲を２５０±２０度に設定すると共に、第２焼戻し温度範囲を第１焼戻し温度範囲より２０〜５０度低く設定してもよい。
このような第１焼戻し温度範囲と第２焼戻し温度範囲とを同時に達成するためには、例えば第１加熱コイル２３へ給電する電力や周波数等の電気的条件を調整する方法を採用することができる。

各種の条件の設定は、例えばワークＷの形状、材質、コイルの形状、配置、周波数、電力等の電気的条件、加熱時間、熱伝達速度、熱容量等、種々のパラメータを利用して、ＦＥＭ解析モデルを用いたシミュレーションなどにより予め設定することができる。

このように第２領域１２を第２焼戻し温度範囲に加熱した後、好ましくは同時に第１領域１１を第１焼戻し温度範囲にした後、大気中で放熱する等、徐冷により冷却することで、第１領域１１と第２領域１２とを焼戻し処理する。
これにより熱処理を終了する。

以上のような熱処理方法によれば、焼入れ処理された第１領域１１と第２領域１２とを互いに異なる温度にして焼戻し処理するので、同一のワークＷにおいて硬度の異なる第１領域１１と第２領域１２とを形成することが可能である。しかも、第１領域１１と第２領域１２とを同時に焼戻し処理するので、焼戻し処理に要する手間や時間を少なくできる。

この実施形態では、内周及び外周に設けられた多数のギヤ歯１３と転動面１４とを、それぞれ所望の程度に焼戻しを行うことができるため、ギヤ歯１３に十分な焼戻しを行って硬さを低下させて靱性や耐久性を向上でき、転動面１４の焼戻しを抑えて十分な硬さに保つことで、ベアリングのボールやコロ等の転動特性を向上することができる。

この実施形態の焼戻し処理工程では、第１領域１１を加熱することで第１領域１１と第２領域１２とを加熱するので、第１領域１１を強く加熱して第２領域１２を例えば伝熱により弱く加熱できる。このとき、第２領域１２を第２焼戻し温度範囲に加熱するので、第２領域１２を所定の硬さにできると共に、第１領域１１の硬さを第２領域１２よりも低下させることができる。

この実施形態の焼戻し処理工程では、第１領域１１を第１加熱コイル２３により誘導加熱するので、周波数や電力等の電気的条件を適宜設定することで、第１領域１１の加熱温度や昇温速度等を調整できる。そのため、第１領域１１を所定の第１焼戻し温度範囲に加熱すると共に、第２領域１２を所定の第２焼戻し温度範囲に加熱することが可能であり、第１領域１１及び第２領域１２をそれぞれ所望の硬さにすることができる。

この実施形態では、第１領域１１を第１加熱コイル２３で誘導加熱して急冷すると共に、第２領域１２を第２加熱コイル２４で誘導加熱して急冷することで焼入れ処理するので、第１領域１１と第２領域１２とをそれぞれ所望の硬さに焼入れすることができる。そして第１領域１１を第１加熱コイル２３で誘導加熱して冷却することで、第１領域１１と第２領域１２とを焼戻し処理すれば、焼戻しのために別の設備を設ける必要がない。よって、簡素な設備で第１領域１１及び第２領域１２をそれぞれ所望の硬さに焼入れ処理及び焼戻し処理を行うことができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、各工程の順序及び加熱方法が異なる他は、第１実施形態と同様である。

この実施形態で、図５に示す環状のワークＷを熱処理するには、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第２領域焼入れ工程を施し、次に図３（ｃ）（ｄ）に示すように、第１領域焼入れ工程を施し、図３（ｅ）に示すように焼戻し工程を施す。第１領域焼入れ工程及び焼戻し工程において、ワークＷの第１領域１１における表面温度の経時変化の例を図４に示す。

第２領域焼入れ工程では、図３（ａ）に示すように、第２領域１２を第２加熱コイル２４で高周波誘導加熱することで、転動面１４の内表面を焼入れ温度範囲に加熱し、図１（ｂ）に示すように、第２冷却ノズル２６から第２領域１２に冷却液を噴射して第２領域１２を急冷する。

第１領域焼入れ工程では、図３（ｃ）及び図４のＰ２１に示すように、第１領域１１を第１加熱コイル２３で高周波誘導加熱することで、ギヤ歯１３全体、即ち歯底及び歯底から内側突出する部位の表面及び内部を所定の焼入れ温度範囲に加熱する。
続いて図３（ｄ）に示すように、第１冷却ノズル２５から第１領域１１に冷却液を噴射して第１領域１１を急冷する。

この第２実施形態では、第１焼入れ工程で加熱後に冷却する際、ワークＷの横断方向、即ち径方向に温度分布を形成するように急冷する。例えば第１領域１１と第２領域１２とに冷却液を接触させ、内部に比べて第１領域１１及び第２領域１２が低温となるように温度分布を形成してもよいが、ここでは第１領域１１のみに直接冷却液を接触させることで、第１領域１１が第２領域１２よりも低温となるように温度分布を形成している。

そして冷却途中で、第１冷却ノズルからの冷却液の噴射を停止し、急冷を中止することで、図３（ｅ）及び図４のＰ２２に示すように、ワークＷを徐冷して焼戻し処理を施す。
急冷を中止すると、ワークＷに温度分布が形成されているため、ワークＷの横断方向の一部に高温部分が形成される。この実施形態では、その高温部分の温度が少なくとも第１焼戻し温度範囲以上の状態で冷却を中止する。

この急冷を中止するタイミングは、例えば急冷時間等により設定していてもよいが、この実施形態では、ワークＷの横断方向における所定位置Ｘの表面温度により設定しており、表面温度が所定温度に到達した時点で急冷を中止している。この位置はワークＷの大きさや形状等に基づいて予め定めておくのが好ましい。例えば、シミュレーションや予備実験等により設定しておくことも可能である。

これにより高温部分の熱が低温側へ拡散される。そして第２領域１２の温度を第２焼戻し温度範囲にし、その後放熱を継続して徐冷する。その場合、第１領域１１の温度が第１焼戻し温度範囲となるように急冷時に温度分布を形成しておき、第２領域１２を第２焼戻し温度範囲にすると共に、第１領域１１を第１焼戻し温度範囲にするのが好適である。これにより、第１領域１１と第２領域１２とを互いに異なる温度にして、同時に焼戻し処理することができ、熱処理を終了する。

以上のようなワークＷの熱処理方法によれば、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに第２実施形態によれば、焼入れ処理時に途中で急冷を中止して放熱することで、第１領域１１と第２領域１２とを焼戻し処理するので、焼入れ時の熱を利用して焼入れ処理と焼戻し処理とを行うことができる。特に急冷時に、ワークＷに温度分布を形成することで、第１領域１１と第２領域１２とを互いに異なる温度にするので、焼戻し処理を容易に行うことができる。

この実施形態では、ワークＷの横断方向に温度分布を形成するので、急冷を中止した後で残熱を横断方向に拡散させることができ、横断方向に離間して設けられた第１領域１１と第２領域１２とを異なる温度にすると共に、各領域内で温度のバラツキが生じることを防止でき、焼戻し処理を容易に行うことができる。

なお 以上の実施形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば上記では、内周にギヤ歯１３が設けられ、外周に転動面１４が設けられたワークＷについて説明したが、外周にギヤ歯１３が設けられ、内周に転動面１４が設けられたワークＷであっても、内外周を逆にすればよい。
第１領域１１にギヤ歯１３を有し、第２領域１２に転動面１４を有するワークＷについて説明したが、何ら限定されない。ここでは第１領域１１と第２領域１２とで異なる特性が要求されるような構造のワークＷであれば、同様に適用することができる。
さらに上記では、第１領域１１と第２領域１２とが内周と外周に設けられた例について説明したが、環状のワークＷの一方の端面と他方の端面に第１領域１１と第２領域１２とが設けられていてもよい。また環状のワークＷに限らず、他の形状のワークＷであっても同様である。
また上記では、第１領域１１を加熱急冷すると共に、第２領域１２を加熱急冷することで焼入れ処理するために、第１実施形態では、先に第１領域１１を加熱急冷した後で、第２領域１２を加熱急冷した。一方、第２実施形態では、先に第２領域１２を加熱急冷した後で第１領域１１を加熱急冷した。しかし、第１領域１１と第２領域１２との焼入れ処理の順序は任意であり、逆であってもよい。さらに第１領域１１と第２領域１２とを同時に加熱し、又は同時に急冷することで、同時に第１領域１１と第２領域１２とを焼入れ処理することも可能である。

Ｗ ワーク
１１ 第１領域
１２ 第２領域
１３ ギヤ歯
１４ 転動面
２１ 第１熱処理手段
２２ 第２熱処理手段
２３ 第１加熱コイル
２４ 第２加熱コイル
２５ 第１冷却ノズル
２６ 第２冷却ノズル

Claims (7)

1. ワークに横断方向に離間して設けられた第１領域と第２領域とを焼入れ処理及び焼戻し処理する熱処理方法であって、
   上記第１領域と第２領域とを焼入れ処理した後、該第１領域と第２領域とを互いに異なる温度にして同時に焼戻し処理することで、上記第１領域の硬度と上記第２領域の硬度とを異ならせる、熱処理方法。
2. 前記焼戻し処理では、前記第１領域を加熱することで前記第２領域を所定の焼戻し温度範囲に加熱する、請求項１に記載の熱処理方法。
3. 前記焼戻し処理では、前記第１領域を第１加熱コイルにより誘導加熱する、請求項２に記載の熱処理方法。
4. 前記第１領域を前記第１加熱コイルで誘導加熱して急冷すると共に前記第２領域を第２加熱コイルで誘導加熱して急冷することで前記第１領域と第２領域とを前記焼入れ処理し、その後前記第１領域を前記第１加熱コイルで誘導加熱して冷却することで前記第１領域と第２領域とを焼戻し処理する、請求項３に記載の熱処理方法。
5. ワークに横断方向に離間して設けられた第１領域と第２領域とを焼入れ処理及び焼戻し処理する熱処理方法であって、
   上記焼入れ処理における加熱後に、上記ワークに温度分布を形成するように急冷し、高温部分が焼戻し温度範囲以上の状態で急冷を中止して放熱することで、上記第１領域と第２領域とを互いに異なる温度にして同時に焼戻し処理する、熱処理方法。
6. 前記ワークの横断方向に温度分布を形成するように急冷し、該横断方向の所定位置における温度が所定温度に達した時点で急冷を中止して放熱する、請求項５に記載の熱処理方法。
7. 環状に形成されて内周又は外周のうちの一方に多数のギヤ歯を有する前記第１領域が設けられると共に、他方に転動面を有する前記第２領域が設けられた、歯付旋回輪用の前記ワークの焼入れ処理及び焼戻し処理を行う、請求項１乃至６の何れかに記載の熱処理方法。

Images