リング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法
【課題】焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供する。
【解決手段】リング状部材の熱処理方法は、鋼からなるリング状の成形体１０の転走面１１に面するように配置され、成形体１０を誘導加熱するコイル２１を、成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体１０に、上記鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。そして、加熱領域を形成する工程では、転走面１１の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される。
【解決手段】リング状部材の熱処理方法は、鋼からなるリング状の成形体１０の転走面１１に面するように配置され、成形体１０を誘導加熱するコイル２１を、成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体１０に、上記鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。そして、加熱領域を形成する工程では、転走面１１の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に関し、より特定的には、焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の軌道輪などの鋼からなるリング状部材に対する焼入硬化処理として、高周波焼入が採用される場合がある。この高周波焼入は、リング状部材を炉内で加熱した後、油などの冷却液中に浸漬する一般的な焼入硬化処理に比べて、設備を簡略化できるとともに、短時間での熱処理が可能となるなどの利点を有している。
【０００３】
しかし、高周波焼入において、リング状部材の周方向に沿った焼入硬化すべき環状の領域を同時に加熱するためには、当該領域に対向するように、リング状部材を誘導加熱するためのコイルなどの誘導加熱部材を配置する必要がある（たとえば、特許文献１参照）。そのため、大型のリング状部材を焼入硬化する場合、それに応じた大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源が必要となり、焼入装置の製作コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
このような問題を回避する方策として、リング状部材の周面の一部に面するようにコイルを配置し、当該コイルをリング状部材の周方向に沿って相対的に回転させ、Ａ１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成した上で、当該加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１１８８１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２６６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、リング状部材を構成する鋼が加熱されて表面がオーステナイト化すると、鋼が強磁性体から常磁性体へと変化することに起因して、誘導加熱による発熱密度が低下する。そのため、所望の厚みを有し、Ａ１点以上に加熱された環状の加熱領域を形成するためには、長時間を要することとなる。したがって、上記特許文献２の熱処理方法を採用した場合、環状部材のサイズが大きい場合には、コイルの数を増やす、周方向に長いコイルを使用する、電源出力を大きくするなどの対策が必要となる。その結果、焼入装置の製作コストが上昇するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従ったリング状部材の熱処理方法は、鋼からなるリング状部材の周面の一部に面するように配置され、リング状部材を誘導加熱する誘導加熱部材を、リング状部材の周方向に沿って相対的に回転させることにより、リング状部材に、上記鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。そして、加熱領域を形成する工程では、上記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される。
【０００９】
本発明のリング状部材の熱処理方法においては、リング状部材の一部に面するように配置された誘導加熱部材が周方向に沿って相対的に回転することにより、リング状部材に加熱領域が形成される。このとき、加熱領域全体がＡ１点温度を超える状態に加熱するのではなく、上記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを周方向に順次繰り返すように加熱される。より具体的には、まず周面のうち誘導加熱部材に面する領域がＡ１点温度を超える状態に加熱される。そして、誘導加熱部材がリング状部材の周方向に相対的に移動することにより、加熱された領域は誘導加熱部材に面する位置から離脱し、温度が低下する。ここで、当該領域の温度がＡ１点温度未満にまで低下しても、材質によって定まる所定の温度を下回らない限り、過冷オーステナイト状態を維持することができる。そして、過冷オーステナイト状態が維持されたまま、当該領域が再度誘導加熱部材に面するようになると、再度温度が上昇し、Ａ１点温度を超える状態となる。これを繰り返すことにより、鋼がオーステナイト状態を維持しつつ、Ａ１点温度を超える状態に保持される時間が積算されていき、炭素の母材への固溶状態が焼入に適した状態となった後、加熱領域全体がＭＳ点以下の温度に同時に冷却され、焼入硬化される。
【００１０】
このようなプロセスで焼入処理が実現されることにより、たとえ誘導加熱部材に加熱領域全体をＡ１点温度を超える状態にする能力が無くても、加熱領域全体を同時に焼入硬化することができる。そのため、たとえば大型のリング状部材を焼入硬化する場合でも、加熱領域全体を同時にＡ１点温度を超える状態にすることが可能な大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源を準備する必要がない。その結果、焼入装置の製作コストを抑制することが可能となる。
【００１１】
上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程では、誘導加熱部材は、リング状部材の周方向に沿って複数個配置されてもよい。これにより、加熱領域を形成する工程において過冷オーステナイト状態を維持することが容易となる。
【００１２】
上記リング状部材の熱処理方法においては、上記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなるものであってもよい。
【００１３】
また、上記リング状部材の熱処理方法においては、上記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンと、０．３５質量％以上０．７５質量％以下のニッケルとを含有し、残部鉄および不純物からなるものであってもよい。
【００１４】
このように、適切な成分組成を有する鋼を採用することにより、本発明の熱処理方法によって転がり軸受の軌道輪など、高硬度かつ耐久性に優れたリング状部材を得ることができる。
【００１５】
ここで、鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。
炭素：０．４３質量％以上０．６５％質量％以下
炭素含有量は、焼入硬化後における鋼の硬度に大きな影響を与える。リング状部材を構成する鋼の炭素含有量が０．４３質量％未満では、焼入硬化後における十分な硬度を確保することが困難となる。一方、炭素含有量が０．６５質量％を超えると、焼入硬化の際の割れの発生（焼割れ）が懸念される。そのため、炭素含有量は０．４３質量％以上０．６５％質量％以下とすることが好ましい。
【００１６】
珪素：０．１５質量％以上０．３５質量％以下
珪素は、鋼の焼戻軟化抵抗の向上に寄与する。リング状部材を構成する鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満では、焼戻軟化抵抗が不十分となり、焼入硬化後の焼戻や、リング状部材の使用中における温度上昇により硬度が大幅に低下する可能性がある。一方、珪素含有量が０．３５質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を成形する際の冷間加工における加工性が低下する。そのため、珪素含有量は０．１５質量％以上０．３５質量％以下とすることが好ましい。
【００１７】
マンガン：０．６０質量％以上１．１０質量％以下
マンガンは、鋼の焼入性の向上に寄与する。マンガン含有量が０．６０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が１．１０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、冷間加工における加工性が低下する。そのため、マンガン含有量は０．６０質量％以上１．１０質量％以下とすることが好ましい。
【００１８】
クロム：０．３０質量％以上１．２０質量％以下
クロムは、鋼の焼入性の向上に寄与する。クロム含有量が０．３０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、クロム含有量が１．２０質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、クロム含有量は０．３０質量％以上１．２０質量％以下とすることが好ましい。
【００１９】
モリブデン：０．１５質量％以上０．７５質量％以下
モリブデンも、鋼の焼入性の向上に寄与する。モリブデン含有量が０．１５質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、モリブデン含有量が０．７５質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、モリブデン含有量は０．１５質量％以上０．７５質量％以下とすることが好ましい。
【００２０】
ニッケル：０．３５質量％以上０．７５質量％以下
ニッケルも、鋼の焼入性の向上に寄与する。リング状部材の外径が大きい場合など、リング状部材を構成する鋼に特に高い焼入性が求められる場合に、ニッケルを添加することができる。ニッケル含有量が０．３５質量％未満では、焼入性向上の効果が十分に得られない。一方、ニッケル含有量が０．７５質量％を超えると、焼入後における残留オーステナイト量が多くなり、硬さの低下、寸法安定性の低下などの原因となるおそれがある。そのため、必要に応じて０．３５質量％以上０．７５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。
【００２１】
上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程において、上記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態に累積時間で１分間以上保持された後、加熱領域全体を冷却する工程が実施されてもよい。これにより、より確実に、鋼を構成する炭素が母材に適切に固溶した状態で焼入処理を実施することができる。
【００２２】
上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程では、上記周面が１０００℃を超えることがないように上記加熱領域が形成されてもよい。これにより、鋼の結晶粒が粗大化することによる特性の低下を抑制することができる。
【００２３】
上記リング状部材の熱処理方法においては、上記リング状部材の内径は１０００ｍｍ以上であってもよい。このような大型のリング状部材を焼入処理する場合でも、本発明のリング状部材の熱処理方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制することができる。
【００２４】
本発明に従ったリング状部材の製造方法は、鋼からなるリング状の成形体を準備する工程と、成形体を焼入硬化する工程とを備えている。そして、成形体を焼入硬化する工程では、上記本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて成形体を焼入硬化する。本発明のリング状部材の製造方法では、上記本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて成形体を焼入硬化することにより、焼入設備の製作コストを抑制することができる。
【００２５】
上記リング状部材の製造方法においては、上記リング状部材は軸受の軌道輪であってもよい。周面の全周にわたって均質な焼入硬化を実現することが可能な上記リング状部材の製造方法は、軸受の軌道輪の製造に好適である。
【００２６】
上記リング状部材の製造方法においては、上記軌道輪は、風力発電装置において、ブレードに接続された主軸を支持する転がり軸受に用いられるものであってもよい。大型のリング状部材の製造が可能な本発明のリング状部材の製造方法は、直径の大きい風力発電用転がり軸受の軌道輪の製造に好適である。
【００２７】
なお、Ａ１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】転がり軸受内輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図２】焼入硬化工程を説明するための概略図である。
【図３】図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。
【図４】転走面からの深さ７ｍｍの所定部位における温度履歴を示す図である。
【図５】温度履歴の主要部を拡大して示す図である。
【図６】転走面および転走面から深さ７ｍｍの位置における温度履歴を示す図である。
【図７】急冷工程における温度履歴を示す図である。
【図８】実施の形態２における焼入硬化工程を説明するための概略図である。
【図９】風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成を示す概略図である。
【図１０】図９における主軸用軸受の周辺を拡大して示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３１】
（実施の形態１）
まず、リング状部材である転がり軸受の軌道輪（内輪）の製造方法を例に、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における内輪の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として成形体準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＰ１３からなる鋼材が準備され、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、所望の内輪の形状に応じた形状を有するリング状の成形体が作製される。
【００３２】
次に、図１を参照して、焼入硬化工程が実施される。この焼入硬化工程は、工程（Ｓ２０）として実施される予備加熱工程と、工程（Ｓ２１）として実施される加熱工程と、工程（Ｓ２２）として実施される過冷工程と、工程（Ｓ３０）として実施される急冷工程とを含んでいる。工程（Ｓ２０）では、まず図２および図３を参照して、誘導加熱部材としてのコイル２１が、工程（Ｓ１０）において作製された成形体１０において転動体が転走すべき面である転走面１１の一部に面するように配置される。ここで、コイル２１において転走面１１に対向する面は、図３に示すように転走面１１に沿った形状を有している。次に、成形体１０が中心軸周り、具体的には矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。これにより、成形体１０の転走面１１を含む表層領域が加熱される。
【００３３】
工程（Ｓ２０）において転走面１１がＡ１点以上の温度にまで加熱されると、鋼が強磁性体から常磁性体へと変化することに起因して、誘導加熱による発熱密度が低下する。そのため、転走面１１がＡ１点以上の温度に加熱された時点、あるいは転走面１１がＡ１点以上の温度に加熱されるよりも前の時点で工程（Ｓ２０）を終了し、工程（Ｓ２１）を開始する。
【００３４】
工程（Ｓ２１）では、コイル２１に面する領域であって所望の硬化深さに対応する位置、たとえばコイル２１に面する転走面１１からの深さ７ｍｍの位置における温度がＡ１点温度を超える状態にまで加熱される。具体的には、たとえば工程（Ｓ２０）に比べて遅い速度で成形体１０を回転させることにより、１回転あたりに転走面１１の各領域がコイル２１に面する時間を長くする。これにより、コイル２１に面する領域を通過するごとに転走面１１を含む表層部に与えられる熱量が大きくなり、たとえば転走面１１からの深さ７ｍｍの位置における温度がＡ１点温度を超える状態にまで加熱される。つまり、工程（Ｓ２１）では成形体１０の回転速度を工程（Ｓ２０）の場合よりも小さくする。これによって、転走面１１のうちコイル２１に面する領域、およびその直下の表層部（たとえば深さ７ｍｍまでの領域）がＡ１点温度を超える状態に加熱される。
【００３５】
次に、工程（Ｓ２２）では、成形体１０が回転を続けることにより、工程（Ｓ２１）において加熱された転走面１１の領域はコイル２１に面する位置から離脱し、当該領域の温度が低下する。そして、工程（Ｓ２２）では、工程（Ｓ２１）において加熱された転走面１１およびその直下の表層部がＡ１点温度未満にまで冷却されるものの、過冷オーステナイト状態が維持された状態で再度コイル２１に面する領域にまで到達する。これにより、工程（Ｓ２２）が終了し、再度工程（Ｓ２１）が実施される。つまり、工程（Ｓ２０）が完了した後、成形体１０が工程（Ｓ２０）の場合よりも小さい速度で複数回回転することにより、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）が複数回繰り返して実施される。これにより、鋼がオーステナイト状態を維持しつつ、Ａ１点温度を超える状態に保持される時間が積算されていく。そして、成形体１０の転走面１１を含む領域に、鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域１１Ａが形成されるとともに、炭素の母材への固溶状態が焼入に適した状態となった時点で工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）の繰り返しを終了し、工程（Ｓ３０）が実施される。
【００３６】
工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ２２）において形成された加熱領域１１Ａを含む成形体１０全体に対して、たとえば冷却液としての水が噴射されることにより、加熱領域１１Ａ全体がＭＳ点以下の温度に同時に冷却される。これにより、加熱領域１１Ａがマルテンサイトに変態し、硬化する。以上の手順により、高周波焼入が実施され、焼入硬化工程が完了する。
【００３７】
次に、工程（Ｓ４０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ３０）において焼入硬化された成形体１０が、たとえば炉内に装入され、Ａ１点以下の温度に加熱されて所定の時間保持されることにより、焼戻処理が実施される。
【００３８】
次に、工程（Ｓ５０）として仕上工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、たとえば転走面１１に対して研磨加工などの仕上加工が実施される。以上のプロセスにより、転がり軸受の内輪が完成し、本実施の形態における内輪の製造は完了する。
【００３９】
上記本実施の形態では、上記工程（Ｓ２０）〜（Ｓ３０）のプロセスによって焼入処理が実現されることにより、たとえコイル２１によって加熱領域１１Ａ全体を同時にＡ１点温度を超える状態にする能力を焼入設備が有していなくても、加熱領域１１Ａ全体を同時に焼入硬化することができる。そのため、大型の成形体１０を焼入硬化する場合でも、加熱領域１１Ａ全体を同時にＡ１点温度を超える状態にできるような大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源を準備する必要がないため、焼入装置の製作コストを抑制することができる。
【００４０】
ここで、上記工程（Ｓ２０）〜（Ｓ３０）について、ＪＩＳ規格ＳＵＰ１３からなり、内径ｄ（図３参照）が１０００ｍｍを超えるリング状部材を準備し、上記実施の形態におけるプロセスを実際に実施した場合のデータを参照して、より詳細に説明する。図４は、転走面１１から深さ７ｍｍのある点における温度履歴を測定した結果を示しており、曲線Ａは転走面１１の周方向に沿って８個のコイルを並べて配置した場合、曲線Ｂは４個のコイルを並べて配置した場合を示している。また、図５は、曲線Ｂの工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）に対応する領域を拡大して示した図である。図６は、図５に対して最表面（すなわち転走面１１）における温度履歴を示す曲線を重ねて示した図である。図４〜図６において、破線はＡ１点温度を示している。
【００４１】
図４を参照して、転走面１１の周方向に沿って８個のコイルを並べて配置した場合、加熱開始から２５０秒程度で測定位置における温度がＡ１点温度を超えている。そのため、曲線Ａに対応する焼入設備が存在する場合、たとえば上記特許文献２に開示された方法により、加熱領域１１Ａ全体がＡ１点温度を超える状態に加熱して、焼入硬化処理を実施することができる。これに対し、転走面１１の周方向に沿って４個のコイルを並べて配置した場合、同様の条件では加熱開始から８００秒近く経過した時点でも、測定位置における温度がＡ１点温度に到達していない。そのため、加熱領域１１Ａ全体がＡ１点温度を超える状態に加熱する特許文献２の方法を採用することは困難である。
【００４２】
これに対し、図４および図５に示すように、温度がＡ１点温度に近づいた時点で成形体１０の回転速度を低下させることにより工程（Ｓ２０）を終了し、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）に移行することができる。この工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）では、図４および図５に示すように、上記測定位置がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される。このとき、図６に示すように、最表面における温度が１０００℃を超えることがないように、工程（Ｓ２１）が実施されることが好ましい。これにより、転走面１１における結晶粒の粗大化に起因した耐久性の低下を抑制することができる。
【００４３】
図７は、ＳＵＰ１３のＣＣＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）線図に、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）終了後、工程（Ｓ３０）完了までの成形体１０の温度履歴を重ねて描いた図である。図７には、転走面１１から深さ７ｍｍの領域における温度履歴が示されており、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）終了時点において、コイル２１に最も近い位置にあった領域の温度履歴が太線で、最も遠い位置にあった領域（コイル２１による最後の加熱が完了して最も長い時間が経過していた領域）の温度履歴が細線で示されている。
【００４４】
図７に示すように、コイル２１に最も近い位置にあった領域だけでなく、最も遠い位置にあった領域もパーライトノーズ（図中「Ｐ」で示す）およびベイナイトノーズ（図中「Ｂ」で示す）に触れることなく、Ｍｓ点以下の温度にまで冷却されている。このように工程（Ｓ３０）を実施することにより、良好な焼入硬化層が形成される。
【００４５】
なお、成形体を構成する鋼としては種々の鋼を採用することができるが、上記実施の形態におけるプロセスに適した焼入性等を備える鋼、たとえば０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼、あるいはこれに０．３５質量％以上０．７５質量％以下のニッケル添加した鋼を採用することが好ましい。具体的には、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＰ１３、ＳＣＭ４４５、ＳＡＥ規格８６６０Ｈなどを採用することができる。
【００４６】
また、上記工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）において、転走面１１の各領域がＡ１点温度を超える状態に累積時間で１分間以上保持された後、工程（Ｓ３０）が実施されることが好ましい。これにより、より確実に鋼を構成する炭素が母材に適切に固溶した状態で焼入処理を実施することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２におけるリング状部材としての内輪の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における内輪の製造方法は、工程（Ｓ２０）におけるコイル２１の配置において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００４８】
すなわち、図８を参照して、実施の形態２における工程（Ｓ２０）では、成形体１０を挟んで一対のコイル２１が配置される。そして、成形体１０が矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。
【００４９】
このように、コイル２１が成形体１０の周方向に沿って複数個（本実施の形態では２個）配置されることにより、実施の形態２における転がり軸受の内輪の製造方法は、上記工程（Ｓ２２）において過冷オーステナイト状態を維持することが容易となっている。
【００５０】
なお、上記実施の形態においてはコイル２１を固定し、成形体１０を回転させる場合について説明したが、成形体１０を固定し、コイル２１を成形体１０の周方向に回転させてもよいし、コイル２１および成形体１０の両方を回転させることにより、コイル２１を成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させてもよい。ただし、コイル２１には、コイル２１に電流を供給する配線などが必要であるため、上述のようにコイル２１を固定することが合理的である場合が多い。
【００５１】
また、上記実施の形態においては、リング状部材の一例としてラジアル型転がり軸受の内輪の熱処理および製造が実施される場合について説明したが、本発明を適用可能なリング状部材はこれに限られず、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪であってもよいし、スラスト型軸受の軌道輪であってもよい。さらに、本発明を適用可能なリング状部材は軸受の軌道輪に限られず、鋼からなるリング状の種々の部材の熱処理および製造に、本発明を適用することができる。ここで、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ２２）において、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の内周側に形成された転走面に面するように配置すればよい。また、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ２２）において、たとえばスラスト型転がり軸受の軌道輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の端面側に形成された転走面に面するように配置すればよい。
【００５２】
さらに、上記実施の形態では、被処理物を部分的に焼入硬化することが可能な高周波焼入の特徴を利用して、転がり軸受の軌道輪の転走面を含む表層部のみを焼入硬化する部分焼入が実施される場合について説明したが、本発明は部分焼入のみに適用可能なものではなく、たとえば軌道輪の全体を焼入硬化する場合にも適用可能である。
【００５３】
また、成形体１０の周方向におけるコイル２１の長さは、適切な加熱を実現するように任意に決定することができるが、たとえば加熱すべき領域の長さの１／４以上１／１．５以下程度の長さとすることができる。複数のコイル２１を用いる場合、コイル２１の長さの合計値が上記範囲となればよい。
【００５４】
（実施の形態３）
次に、リング状部材が風力発電装置用軸受（風力発電装置用転がり軸受）を構成する軌道輪として用いられる実施の形態３について説明する。
【００５５】
図９を参照して、風力発電装置５０は、旋回翼であるブレード５２と、ブレード５２の中心軸を含むように、一端においてブレード５２に接続された主軸５１と、主軸５１の他端に接続された増速機５４とを備えている。さらに、増速機５４は、出力軸５５を含んでおり、出力軸５５は、発電機５６に接続されている。主軸５１は、風力発電装置用転がり軸受である主軸用軸受３により、軸まわりに回転自在に支持されている。また、主軸用軸受３は、主軸５１の軸方向に複数個（図９では２個）並べて配置されており、それぞれハウジング５３により保持されている。主軸用軸受３、ハウジング５３、増速機５４および発電機５６は、機械室であるナセル５９の内部に格納されている。そして、主軸５１は一端においてナセル５９から突出し、ブレード５２に接続されている。
【００５６】
次に、風力発電装置５０の動作について説明する。図９を参照して、風力を受けてブレード５２が周方向に回転すると、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３によりハウジング５３に対して支持されつつ、軸まわりに回転する。主軸５１の回転は、増速機５４に伝達されて増速され、出力軸５５の軸まわりの回転に変換される。そして、出力軸５５の回転は、発電機５６に伝達され、電磁誘導作用により起電力が発生して発電が達成される。
【００５７】
次に、風力発電装置５０の主軸５１の支持構造について説明する。図１０を参照して、風力発電装置用転がり軸受としての主軸用軸受３は、風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の外輪３１と、外輪３１の内周側に配置された風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の内輪３２と、外輪３１と内輪３２との間に配置され、円環状の保持器３４に保持された複数のころ３３とを備えている。外輪３１の内周面には外輪転走面３１Ａが形成されており、内輪３２の外周面には２つの内輪転走面３２Ａが形成されている。そして、２つの内輪転走面３２Ａが、外輪転走面３１Ａに対向するように、外輪３１と内輪３２とは配置されている。さらに、複数のころ３３は、２つの内輪転走面３２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面３１Ａと内輪転走面３２Ａとに、ころ接触面３３Ａにおいて接触し、かつ保持器３４に保持されて周方向に所定のピッチで配置されることにより複列（２列）の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、外輪３１には、外輪３１を径方向に貫通する貫通孔３１Ｅが形成されている。この貫通孔３１Ｅを通して、外輪３１と内輪３２との間の空間に潤滑剤を供給することができる。以上の構成により、主軸用軸受３の外輪３１および内輪３２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００５８】
一方、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３の内輪３２を貫通するとともに、外周面５１Ａにおいて内輪の内周面３２Ｆに接触し、内輪３２に対して固定されている。また、主軸用軸受３の外輪３１は、ハウジング５３に形成された貫通孔の内壁５３Ａに外周面３１Ｆにおいて接触するように嵌め込まれ、ハウジング５３に対して固定されている。以上の構成により、ブレード５２に接続された主軸５１は、内輪３２と一体に、外輪３１およびハウジング５３に対して軸まわりに回転可能となっている。
【００５９】
さらに、内輪転走面３２Ａの幅方向両端には、外輪３１に向けて突出する鍔部３２Ｅが形成されている。これにより、ブレード５２が風を受けることにより発生する主軸５１の軸方向（アキシャル方向）の荷重が支持される。また、外輪転走面３１Ａは、球面形状を有している。そのため、外輪３１と内輪３２とは、ころ３３の転走方向に垂直な断面において、当該球面の中心を中心として互いに角度をなすことができる。すなわち、主軸用軸受３は、複列自動調心ころ軸受である。その結果、ブレード５２が風を受けることにより主軸５１が撓んだ場合であっても、ハウジング５３は、主軸用軸受３を介して主軸５１を安定して回転自在に保持することができる。
【００６０】
そして、実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての外輪３１および内輪３２は、たとえば上記実施の形態１または２に記載のリング状部材の製造方法により製造されている。この外輪３１および内輪３２は、１０００ｍｍ以上の内径を有する風力発電装置用転がり軸受の軌道輪である。このように、焼入装置の製作コストを抑制することが可能な製造方法により製造されることにより、外輪３１および内輪３２の製造コストを低減することができる。また、上記実施の形態１および２においては、加熱領域１１Ａ全体がＭＳ点以下の温度に同時に冷却されて焼入硬化されるため、転走面（外輪転走面３１Ａおよび内輪転走面３２Ａ）を含む焼入硬化層を全周にわたって一様な深さに形成することが可能となり、耐久性に優れた外輪３１および内輪３２を得ることができる。
【００６１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法は、焼入装置の製作コストを抑制することが求められるリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００６３】
３ 主軸用軸受、１０ 成形体、１１ 転走面、１１Ａ 加熱領域、２１ コイル、３１ 外輪、３１Ａ 外輪転走面、３１Ｅ 貫通孔、３１Ｆ 外周面、３２ 内輪、３２Ａ 内輪転走面、３２Ｅ 鍔部、３２Ｆ 内周面、３３ ころ、３３Ａ ころ接触面、３４ 保持器、５０ 風力発電装置、５１ 主軸、５１Ａ 外周面、５２ ブレード、５３ ハウジング、５３Ａ 内壁、５４ 増速機、５５ 出力軸、５６ 発電機、５９ ナセル。
【技術分野】
【０００１】
本発明はリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に関し、より特定的には、焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の軌道輪などの鋼からなるリング状部材に対する焼入硬化処理として、高周波焼入が採用される場合がある。この高周波焼入は、リング状部材を炉内で加熱した後、油などの冷却液中に浸漬する一般的な焼入硬化処理に比べて、設備を簡略化できるとともに、短時間での熱処理が可能となるなどの利点を有している。
【０００３】
しかし、高周波焼入において、リング状部材の周方向に沿った焼入硬化すべき環状の領域を同時に加熱するためには、当該領域に対向するように、リング状部材を誘導加熱するためのコイルなどの誘導加熱部材を配置する必要がある（たとえば、特許文献１参照）。そのため、大型のリング状部材を焼入硬化する場合、それに応じた大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源が必要となり、焼入装置の製作コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
このような問題を回避する方策として、リング状部材の周面の一部に面するようにコイルを配置し、当該コイルをリング状部材の周方向に沿って相対的に回転させ、Ａ１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成した上で、当該加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１１８８１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−２６６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、リング状部材を構成する鋼が加熱されて表面がオーステナイト化すると、鋼が強磁性体から常磁性体へと変化することに起因して、誘導加熱による発熱密度が低下する。そのため、所望の厚みを有し、Ａ１点以上に加熱された環状の加熱領域を形成するためには、長時間を要することとなる。したがって、上記特許文献２の熱処理方法を採用した場合、環状部材のサイズが大きい場合には、コイルの数を増やす、周方向に長いコイルを使用する、電源出力を大きくするなどの対策が必要となる。その結果、焼入装置の製作コストが上昇するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従ったリング状部材の熱処理方法は、鋼からなるリング状部材の周面の一部に面するように配置され、リング状部材を誘導加熱する誘導加熱部材を、リング状部材の周方向に沿って相対的に回転させることにより、リング状部材に、上記鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。そして、加熱領域を形成する工程では、上記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される。
【０００９】
本発明のリング状部材の熱処理方法においては、リング状部材の一部に面するように配置された誘導加熱部材が周方向に沿って相対的に回転することにより、リング状部材に加熱領域が形成される。このとき、加熱領域全体がＡ１点温度を超える状態に加熱するのではなく、上記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを周方向に順次繰り返すように加熱される。より具体的には、まず周面のうち誘導加熱部材に面する領域がＡ１点温度を超える状態に加熱される。そして、誘導加熱部材がリング状部材の周方向に相対的に移動することにより、加熱された領域は誘導加熱部材に面する位置から離脱し、温度が低下する。ここで、当該領域の温度がＡ１点温度未満にまで低下しても、材質によって定まる所定の温度を下回らない限り、過冷オーステナイト状態を維持することができる。そして、過冷オーステナイト状態が維持されたまま、当該領域が再度誘導加熱部材に面するようになると、再度温度が上昇し、Ａ１点温度を超える状態となる。これを繰り返すことにより、鋼がオーステナイト状態を維持しつつ、Ａ１点温度を超える状態に保持される時間が積算されていき、炭素の母材への固溶状態が焼入に適した状態となった後、加熱領域全体がＭＳ点以下の温度に同時に冷却され、焼入硬化される。
【００１０】
このようなプロセスで焼入処理が実現されることにより、たとえ誘導加熱部材に加熱領域全体をＡ１点温度を超える状態にする能力が無くても、加熱領域全体を同時に焼入硬化することができる。そのため、たとえば大型のリング状部材を焼入硬化する場合でも、加熱領域全体を同時にＡ１点温度を超える状態にすることが可能な大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源を準備する必要がない。その結果、焼入装置の製作コストを抑制することが可能となる。
【００１１】
上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程では、誘導加熱部材は、リング状部材の周方向に沿って複数個配置されてもよい。これにより、加熱領域を形成する工程において過冷オーステナイト状態を維持することが容易となる。
【００１２】
上記リング状部材の熱処理方法においては、上記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなるものであってもよい。
【００１３】
また、上記リング状部材の熱処理方法においては、上記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンと、０．３５質量％以上０．７５質量％以下のニッケルとを含有し、残部鉄および不純物からなるものであってもよい。
【００１４】
このように、適切な成分組成を有する鋼を採用することにより、本発明の熱処理方法によって転がり軸受の軌道輪など、高硬度かつ耐久性に優れたリング状部材を得ることができる。
【００１５】
ここで、鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。
炭素：０．４３質量％以上０．６５％質量％以下
炭素含有量は、焼入硬化後における鋼の硬度に大きな影響を与える。リング状部材を構成する鋼の炭素含有量が０．４３質量％未満では、焼入硬化後における十分な硬度を確保することが困難となる。一方、炭素含有量が０．６５質量％を超えると、焼入硬化の際の割れの発生（焼割れ）が懸念される。そのため、炭素含有量は０．４３質量％以上０．６５％質量％以下とすることが好ましい。
【００１６】
珪素：０．１５質量％以上０．３５質量％以下
珪素は、鋼の焼戻軟化抵抗の向上に寄与する。リング状部材を構成する鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満では、焼戻軟化抵抗が不十分となり、焼入硬化後の焼戻や、リング状部材の使用中における温度上昇により硬度が大幅に低下する可能性がある。一方、珪素含有量が０．３５質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を成形する際の冷間加工における加工性が低下する。そのため、珪素含有量は０．１５質量％以上０．３５質量％以下とすることが好ましい。
【００１７】
マンガン：０．６０質量％以上１．１０質量％以下
マンガンは、鋼の焼入性の向上に寄与する。マンガン含有量が０．６０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が１．１０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、冷間加工における加工性が低下する。そのため、マンガン含有量は０．６０質量％以上１．１０質量％以下とすることが好ましい。
【００１８】
クロム：０．３０質量％以上１．２０質量％以下
クロムは、鋼の焼入性の向上に寄与する。クロム含有量が０．３０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、クロム含有量が１．２０質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、クロム含有量は０．３０質量％以上１．２０質量％以下とすることが好ましい。
【００１９】
モリブデン：０．１５質量％以上０．７５質量％以下
モリブデンも、鋼の焼入性の向上に寄与する。モリブデン含有量が０．１５質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、モリブデン含有量が０．７５質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、モリブデン含有量は０．１５質量％以上０．７５質量％以下とすることが好ましい。
【００２０】
ニッケル：０．３５質量％以上０．７５質量％以下
ニッケルも、鋼の焼入性の向上に寄与する。リング状部材の外径が大きい場合など、リング状部材を構成する鋼に特に高い焼入性が求められる場合に、ニッケルを添加することができる。ニッケル含有量が０．３５質量％未満では、焼入性向上の効果が十分に得られない。一方、ニッケル含有量が０．７５質量％を超えると、焼入後における残留オーステナイト量が多くなり、硬さの低下、寸法安定性の低下などの原因となるおそれがある。そのため、必要に応じて０．３５質量％以上０．７５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。
【００２１】
上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程において、上記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態に累積時間で１分間以上保持された後、加熱領域全体を冷却する工程が実施されてもよい。これにより、より確実に、鋼を構成する炭素が母材に適切に固溶した状態で焼入処理を実施することができる。
【００２２】
上記リング状部材の熱処理方法においては、加熱領域を形成する工程では、上記周面が１０００℃を超えることがないように上記加熱領域が形成されてもよい。これにより、鋼の結晶粒が粗大化することによる特性の低下を抑制することができる。
【００２３】
上記リング状部材の熱処理方法においては、上記リング状部材の内径は１０００ｍｍ以上であってもよい。このような大型のリング状部材を焼入処理する場合でも、本発明のリング状部材の熱処理方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制することができる。
【００２４】
本発明に従ったリング状部材の製造方法は、鋼からなるリング状の成形体を準備する工程と、成形体を焼入硬化する工程とを備えている。そして、成形体を焼入硬化する工程では、上記本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて成形体を焼入硬化する。本発明のリング状部材の製造方法では、上記本発明のリング状部材の熱処理方法を用いて成形体を焼入硬化することにより、焼入設備の製作コストを抑制することができる。
【００２５】
上記リング状部材の製造方法においては、上記リング状部材は軸受の軌道輪であってもよい。周面の全周にわたって均質な焼入硬化を実現することが可能な上記リング状部材の製造方法は、軸受の軌道輪の製造に好適である。
【００２６】
上記リング状部材の製造方法においては、上記軌道輪は、風力発電装置において、ブレードに接続された主軸を支持する転がり軸受に用いられるものであってもよい。大型のリング状部材の製造が可能な本発明のリング状部材の製造方法は、直径の大きい風力発電用転がり軸受の軌道輪の製造に好適である。
【００２７】
なお、Ａ１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制することが可能なリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】転がり軸受内輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図２】焼入硬化工程を説明するための概略図である。
【図３】図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。
【図４】転走面からの深さ７ｍｍの所定部位における温度履歴を示す図である。
【図５】温度履歴の主要部を拡大して示す図である。
【図６】転走面および転走面から深さ７ｍｍの位置における温度履歴を示す図である。
【図７】急冷工程における温度履歴を示す図である。
【図８】実施の形態２における焼入硬化工程を説明するための概略図である。
【図９】風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成を示す概略図である。
【図１０】図９における主軸用軸受の周辺を拡大して示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３１】
（実施の形態１）
まず、リング状部材である転がり軸受の軌道輪（内輪）の製造方法を例に、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における内輪の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として成形体準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＰ１３からなる鋼材が準備され、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、所望の内輪の形状に応じた形状を有するリング状の成形体が作製される。
【００３２】
次に、図１を参照して、焼入硬化工程が実施される。この焼入硬化工程は、工程（Ｓ２０）として実施される予備加熱工程と、工程（Ｓ２１）として実施される加熱工程と、工程（Ｓ２２）として実施される過冷工程と、工程（Ｓ３０）として実施される急冷工程とを含んでいる。工程（Ｓ２０）では、まず図２および図３を参照して、誘導加熱部材としてのコイル２１が、工程（Ｓ１０）において作製された成形体１０において転動体が転走すべき面である転走面１１の一部に面するように配置される。ここで、コイル２１において転走面１１に対向する面は、図３に示すように転走面１１に沿った形状を有している。次に、成形体１０が中心軸周り、具体的には矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。これにより、成形体１０の転走面１１を含む表層領域が加熱される。
【００３３】
工程（Ｓ２０）において転走面１１がＡ１点以上の温度にまで加熱されると、鋼が強磁性体から常磁性体へと変化することに起因して、誘導加熱による発熱密度が低下する。そのため、転走面１１がＡ１点以上の温度に加熱された時点、あるいは転走面１１がＡ１点以上の温度に加熱されるよりも前の時点で工程（Ｓ２０）を終了し、工程（Ｓ２１）を開始する。
【００３４】
工程（Ｓ２１）では、コイル２１に面する領域であって所望の硬化深さに対応する位置、たとえばコイル２１に面する転走面１１からの深さ７ｍｍの位置における温度がＡ１点温度を超える状態にまで加熱される。具体的には、たとえば工程（Ｓ２０）に比べて遅い速度で成形体１０を回転させることにより、１回転あたりに転走面１１の各領域がコイル２１に面する時間を長くする。これにより、コイル２１に面する領域を通過するごとに転走面１１を含む表層部に与えられる熱量が大きくなり、たとえば転走面１１からの深さ７ｍｍの位置における温度がＡ１点温度を超える状態にまで加熱される。つまり、工程（Ｓ２１）では成形体１０の回転速度を工程（Ｓ２０）の場合よりも小さくする。これによって、転走面１１のうちコイル２１に面する領域、およびその直下の表層部（たとえば深さ７ｍｍまでの領域）がＡ１点温度を超える状態に加熱される。
【００３５】
次に、工程（Ｓ２２）では、成形体１０が回転を続けることにより、工程（Ｓ２１）において加熱された転走面１１の領域はコイル２１に面する位置から離脱し、当該領域の温度が低下する。そして、工程（Ｓ２２）では、工程（Ｓ２１）において加熱された転走面１１およびその直下の表層部がＡ１点温度未満にまで冷却されるものの、過冷オーステナイト状態が維持された状態で再度コイル２１に面する領域にまで到達する。これにより、工程（Ｓ２２）が終了し、再度工程（Ｓ２１）が実施される。つまり、工程（Ｓ２０）が完了した後、成形体１０が工程（Ｓ２０）の場合よりも小さい速度で複数回回転することにより、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）が複数回繰り返して実施される。これにより、鋼がオーステナイト状態を維持しつつ、Ａ１点温度を超える状態に保持される時間が積算されていく。そして、成形体１０の転走面１１を含む領域に、鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域１１Ａが形成されるとともに、炭素の母材への固溶状態が焼入に適した状態となった時点で工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）の繰り返しを終了し、工程（Ｓ３０）が実施される。
【００３６】
工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ２２）において形成された加熱領域１１Ａを含む成形体１０全体に対して、たとえば冷却液としての水が噴射されることにより、加熱領域１１Ａ全体がＭＳ点以下の温度に同時に冷却される。これにより、加熱領域１１Ａがマルテンサイトに変態し、硬化する。以上の手順により、高周波焼入が実施され、焼入硬化工程が完了する。
【００３７】
次に、工程（Ｓ４０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ３０）において焼入硬化された成形体１０が、たとえば炉内に装入され、Ａ１点以下の温度に加熱されて所定の時間保持されることにより、焼戻処理が実施される。
【００３８】
次に、工程（Ｓ５０）として仕上工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、たとえば転走面１１に対して研磨加工などの仕上加工が実施される。以上のプロセスにより、転がり軸受の内輪が完成し、本実施の形態における内輪の製造は完了する。
【００３９】
上記本実施の形態では、上記工程（Ｓ２０）〜（Ｓ３０）のプロセスによって焼入処理が実現されることにより、たとえコイル２１によって加熱領域１１Ａ全体を同時にＡ１点温度を超える状態にする能力を焼入設備が有していなくても、加熱領域１１Ａ全体を同時に焼入硬化することができる。そのため、大型の成形体１０を焼入硬化する場合でも、加熱領域１１Ａ全体を同時にＡ１点温度を超える状態にできるような大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源を準備する必要がないため、焼入装置の製作コストを抑制することができる。
【００４０】
ここで、上記工程（Ｓ２０）〜（Ｓ３０）について、ＪＩＳ規格ＳＵＰ１３からなり、内径ｄ（図３参照）が１０００ｍｍを超えるリング状部材を準備し、上記実施の形態におけるプロセスを実際に実施した場合のデータを参照して、より詳細に説明する。図４は、転走面１１から深さ７ｍｍのある点における温度履歴を測定した結果を示しており、曲線Ａは転走面１１の周方向に沿って８個のコイルを並べて配置した場合、曲線Ｂは４個のコイルを並べて配置した場合を示している。また、図５は、曲線Ｂの工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）に対応する領域を拡大して示した図である。図６は、図５に対して最表面（すなわち転走面１１）における温度履歴を示す曲線を重ねて示した図である。図４〜図６において、破線はＡ１点温度を示している。
【００４１】
図４を参照して、転走面１１の周方向に沿って８個のコイルを並べて配置した場合、加熱開始から２５０秒程度で測定位置における温度がＡ１点温度を超えている。そのため、曲線Ａに対応する焼入設備が存在する場合、たとえば上記特許文献２に開示された方法により、加熱領域１１Ａ全体がＡ１点温度を超える状態に加熱して、焼入硬化処理を実施することができる。これに対し、転走面１１の周方向に沿って４個のコイルを並べて配置した場合、同様の条件では加熱開始から８００秒近く経過した時点でも、測定位置における温度がＡ１点温度に到達していない。そのため、加熱領域１１Ａ全体がＡ１点温度を超える状態に加熱する特許文献２の方法を採用することは困難である。
【００４２】
これに対し、図４および図５に示すように、温度がＡ１点温度に近づいた時点で成形体１０の回転速度を低下させることにより工程（Ｓ２０）を終了し、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）に移行することができる。この工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）では、図４および図５に示すように、上記測定位置がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される。このとき、図６に示すように、最表面における温度が１０００℃を超えることがないように、工程（Ｓ２１）が実施されることが好ましい。これにより、転走面１１における結晶粒の粗大化に起因した耐久性の低下を抑制することができる。
【００４３】
図７は、ＳＵＰ１３のＣＣＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）線図に、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）終了後、工程（Ｓ３０）完了までの成形体１０の温度履歴を重ねて描いた図である。図７には、転走面１１から深さ７ｍｍの領域における温度履歴が示されており、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）終了時点において、コイル２１に最も近い位置にあった領域の温度履歴が太線で、最も遠い位置にあった領域（コイル２１による最後の加熱が完了して最も長い時間が経過していた領域）の温度履歴が細線で示されている。
【００４４】
図７に示すように、コイル２１に最も近い位置にあった領域だけでなく、最も遠い位置にあった領域もパーライトノーズ（図中「Ｐ」で示す）およびベイナイトノーズ（図中「Ｂ」で示す）に触れることなく、Ｍｓ点以下の温度にまで冷却されている。このように工程（Ｓ３０）を実施することにより、良好な焼入硬化層が形成される。
【００４５】
なお、成形体を構成する鋼としては種々の鋼を採用することができるが、上記実施の形態におけるプロセスに適した焼入性等を備える鋼、たとえば０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼、あるいはこれに０．３５質量％以上０．７５質量％以下のニッケル添加した鋼を採用することが好ましい。具体的には、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＰ１３、ＳＣＭ４４５、ＳＡＥ規格８６６０Ｈなどを採用することができる。
【００４６】
また、上記工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）において、転走面１１の各領域がＡ１点温度を超える状態に累積時間で１分間以上保持された後、工程（Ｓ３０）が実施されることが好ましい。これにより、より確実に鋼を構成する炭素が母材に適切に固溶した状態で焼入処理を実施することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２におけるリング状部材としての内輪の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における内輪の製造方法は、工程（Ｓ２０）におけるコイル２１の配置において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００４８】
すなわち、図８を参照して、実施の形態２における工程（Ｓ２０）では、成形体１０を挟んで一対のコイル２１が配置される。そして、成形体１０が矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。
【００４９】
このように、コイル２１が成形体１０の周方向に沿って複数個（本実施の形態では２個）配置されることにより、実施の形態２における転がり軸受の内輪の製造方法は、上記工程（Ｓ２２）において過冷オーステナイト状態を維持することが容易となっている。
【００５０】
なお、上記実施の形態においてはコイル２１を固定し、成形体１０を回転させる場合について説明したが、成形体１０を固定し、コイル２１を成形体１０の周方向に回転させてもよいし、コイル２１および成形体１０の両方を回転させることにより、コイル２１を成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させてもよい。ただし、コイル２１には、コイル２１に電流を供給する配線などが必要であるため、上述のようにコイル２１を固定することが合理的である場合が多い。
【００５１】
また、上記実施の形態においては、リング状部材の一例としてラジアル型転がり軸受の内輪の熱処理および製造が実施される場合について説明したが、本発明を適用可能なリング状部材はこれに限られず、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪であってもよいし、スラスト型軸受の軌道輪であってもよい。さらに、本発明を適用可能なリング状部材は軸受の軌道輪に限られず、鋼からなるリング状の種々の部材の熱処理および製造に、本発明を適用することができる。ここで、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ２２）において、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の内周側に形成された転走面に面するように配置すればよい。また、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ２２）において、たとえばスラスト型転がり軸受の軌道輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の端面側に形成された転走面に面するように配置すればよい。
【００５２】
さらに、上記実施の形態では、被処理物を部分的に焼入硬化することが可能な高周波焼入の特徴を利用して、転がり軸受の軌道輪の転走面を含む表層部のみを焼入硬化する部分焼入が実施される場合について説明したが、本発明は部分焼入のみに適用可能なものではなく、たとえば軌道輪の全体を焼入硬化する場合にも適用可能である。
【００５３】
また、成形体１０の周方向におけるコイル２１の長さは、適切な加熱を実現するように任意に決定することができるが、たとえば加熱すべき領域の長さの１／４以上１／１．５以下程度の長さとすることができる。複数のコイル２１を用いる場合、コイル２１の長さの合計値が上記範囲となればよい。
【００５４】
（実施の形態３）
次に、リング状部材が風力発電装置用軸受（風力発電装置用転がり軸受）を構成する軌道輪として用いられる実施の形態３について説明する。
【００５５】
図９を参照して、風力発電装置５０は、旋回翼であるブレード５２と、ブレード５２の中心軸を含むように、一端においてブレード５２に接続された主軸５１と、主軸５１の他端に接続された増速機５４とを備えている。さらに、増速機５４は、出力軸５５を含んでおり、出力軸５５は、発電機５６に接続されている。主軸５１は、風力発電装置用転がり軸受である主軸用軸受３により、軸まわりに回転自在に支持されている。また、主軸用軸受３は、主軸５１の軸方向に複数個（図９では２個）並べて配置されており、それぞれハウジング５３により保持されている。主軸用軸受３、ハウジング５３、増速機５４および発電機５６は、機械室であるナセル５９の内部に格納されている。そして、主軸５１は一端においてナセル５９から突出し、ブレード５２に接続されている。
【００５６】
次に、風力発電装置５０の動作について説明する。図９を参照して、風力を受けてブレード５２が周方向に回転すると、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３によりハウジング５３に対して支持されつつ、軸まわりに回転する。主軸５１の回転は、増速機５４に伝達されて増速され、出力軸５５の軸まわりの回転に変換される。そして、出力軸５５の回転は、発電機５６に伝達され、電磁誘導作用により起電力が発生して発電が達成される。
【００５７】
次に、風力発電装置５０の主軸５１の支持構造について説明する。図１０を参照して、風力発電装置用転がり軸受としての主軸用軸受３は、風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の外輪３１と、外輪３１の内周側に配置された風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の内輪３２と、外輪３１と内輪３２との間に配置され、円環状の保持器３４に保持された複数のころ３３とを備えている。外輪３１の内周面には外輪転走面３１Ａが形成されており、内輪３２の外周面には２つの内輪転走面３２Ａが形成されている。そして、２つの内輪転走面３２Ａが、外輪転走面３１Ａに対向するように、外輪３１と内輪３２とは配置されている。さらに、複数のころ３３は、２つの内輪転走面３２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面３１Ａと内輪転走面３２Ａとに、ころ接触面３３Ａにおいて接触し、かつ保持器３４に保持されて周方向に所定のピッチで配置されることにより複列（２列）の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、外輪３１には、外輪３１を径方向に貫通する貫通孔３１Ｅが形成されている。この貫通孔３１Ｅを通して、外輪３１と内輪３２との間の空間に潤滑剤を供給することができる。以上の構成により、主軸用軸受３の外輪３１および内輪３２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００５８】
一方、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３の内輪３２を貫通するとともに、外周面５１Ａにおいて内輪の内周面３２Ｆに接触し、内輪３２に対して固定されている。また、主軸用軸受３の外輪３１は、ハウジング５３に形成された貫通孔の内壁５３Ａに外周面３１Ｆにおいて接触するように嵌め込まれ、ハウジング５３に対して固定されている。以上の構成により、ブレード５２に接続された主軸５１は、内輪３２と一体に、外輪３１およびハウジング５３に対して軸まわりに回転可能となっている。
【００５９】
さらに、内輪転走面３２Ａの幅方向両端には、外輪３１に向けて突出する鍔部３２Ｅが形成されている。これにより、ブレード５２が風を受けることにより発生する主軸５１の軸方向（アキシャル方向）の荷重が支持される。また、外輪転走面３１Ａは、球面形状を有している。そのため、外輪３１と内輪３２とは、ころ３３の転走方向に垂直な断面において、当該球面の中心を中心として互いに角度をなすことができる。すなわち、主軸用軸受３は、複列自動調心ころ軸受である。その結果、ブレード５２が風を受けることにより主軸５１が撓んだ場合であっても、ハウジング５３は、主軸用軸受３を介して主軸５１を安定して回転自在に保持することができる。
【００６０】
そして、実施の形態３における風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての外輪３１および内輪３２は、たとえば上記実施の形態１または２に記載のリング状部材の製造方法により製造されている。この外輪３１および内輪３２は、１０００ｍｍ以上の内径を有する風力発電装置用転がり軸受の軌道輪である。このように、焼入装置の製作コストを抑制することが可能な製造方法により製造されることにより、外輪３１および内輪３２の製造コストを低減することができる。また、上記実施の形態１および２においては、加熱領域１１Ａ全体がＭＳ点以下の温度に同時に冷却されて焼入硬化されるため、転走面（外輪転走面３１Ａおよび内輪転走面３２Ａ）を含む焼入硬化層を全周にわたって一様な深さに形成することが可能となり、耐久性に優れた外輪３１および内輪３２を得ることができる。
【００６１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法は、焼入装置の製作コストを抑制することが求められるリング状部材の熱処理方法およびリング状部材の製造方法に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００６３】
３ 主軸用軸受、１０ 成形体、１１ 転走面、１１Ａ 加熱領域、２１ コイル、３１ 外輪、３１Ａ 外輪転走面、３１Ｅ 貫通孔、３１Ｆ 外周面、３２ 内輪、３２Ａ 内輪転走面、３２Ｅ 鍔部、３２Ｆ 内周面、３３ ころ、３３Ａ ころ接触面、３４ 保持器、５０ 風力発電装置、５１ 主軸、５１Ａ 外周面、５２ ブレード、５３ ハウジング、５３Ａ 内壁、５４ 増速機、５５ 出力軸、５６ 発電機、５９ ナセル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなるリング状部材の周面の一部に面するように配置され、前記リング状部材を誘導加熱する誘導加熱部材を、前記リング状部材の周方向に沿って相対的に回転させることにより、前記リング状部材に、前記鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域を形成する工程と、
前記加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備え、
前記加熱領域を形成する工程では、前記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される、リング状部材の熱処理方法。
【請求項２】
前記加熱領域を形成する工程では、前記誘導加熱部材は、前記リング状部材の周方向に沿って複数個配置される、請求項１に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項３】
前記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる、請求項１または２に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項４】
前記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンと、０．３５質量％以上０．７５質量％以下のニッケルとを含有し、残部鉄および不純物からなる、請求項１または２に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項５】
前記加熱領域を形成する工程において、前記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態に累積時間で１分間以上保持された後、前記加熱領域全体を冷却する工程が実施される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項６】
前記加熱領域を形成する工程では、前記周面が１０００℃を超えることがないように前記加熱領域が形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項７】
前記リング状部材の内径は１０００ｍｍ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項８】
鋼からなるリング状の成形体を準備する工程と、
前記成形体を焼入硬化する工程とを備え、
前記成形体を焼入硬化する工程では、請求項１〜７のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法を用いて前記成形体を焼入硬化する、リング状部材の製造方法。
【請求項９】
前記リング状部材は軸受の軌道輪である、請求項８に記載のリング状部材の製造方法。
【請求項１０】
前記軌道輪は、風力発電装置において、ブレードに接続された主軸を支持する転がり軸受に用いられる、請求項９に記載のリング状部材の製造方法。
【請求項１】
鋼からなるリング状部材の周面の一部に面するように配置され、前記リング状部材を誘導加熱する誘導加熱部材を、前記リング状部材の周方向に沿って相対的に回転させることにより、前記リング状部材に、前記鋼がオーステナイト化した環状の加熱領域を形成する工程と、
前記加熱領域全体をＭＳ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備え、
前記加熱領域を形成する工程では、前記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態と、Ａ１点温度未満であって過冷オーステナイト状態が維持される温度の状態とを複数回繰り返すように加熱される、リング状部材の熱処理方法。
【請求項２】
前記加熱領域を形成する工程では、前記誘導加熱部材は、前記リング状部材の周方向に沿って複数個配置される、請求項１に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項３】
前記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる、請求項１または２に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項４】
前記リング状部材を構成する鋼は、０．４３質量％以上０．６５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．６０質量％以上１．１０質量％以下のマンガンと、０．３０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１５質量％以上０．７５質量％以下のモリブデンと、０．３５質量％以上０．７５質量％以下のニッケルとを含有し、残部鉄および不純物からなる、請求項１または２に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項５】
前記加熱領域を形成する工程において、前記周面の各領域がＡ１点温度を超える状態に累積時間で１分間以上保持された後、前記加熱領域全体を冷却する工程が実施される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項６】
前記加熱領域を形成する工程では、前記周面が１０００℃を超えることがないように前記加熱領域が形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項７】
前記リング状部材の内径は１０００ｍｍ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法。
【請求項８】
鋼からなるリング状の成形体を準備する工程と、
前記成形体を焼入硬化する工程とを備え、
前記成形体を焼入硬化する工程では、請求項１〜７のいずれか１項に記載のリング状部材の熱処理方法を用いて前記成形体を焼入硬化する、リング状部材の製造方法。
【請求項９】
前記リング状部材は軸受の軌道輪である、請求項８に記載のリング状部材の製造方法。
【請求項１０】
前記軌道輪は、風力発電装置において、ブレードに接続された主軸を支持する転がり軸受に用いられる、請求項９に記載のリング状部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−９５９３９（Ｐ２０１３−９５９３９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７４９５（Ｐ２０１１−２３７４９５）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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