(57)【要約】【課題】  高炭素クロム軸受鋼から熱間鍛造するベアリングレースの靱性を改善し、量産し得る方法およびこの方法により製造の鋼靱性のベアリングレースを提供する。【解決手段】  高炭素クロム軸受鋼の丸棒から横型高速鍛造装置で熱間鍛造により中心孔３を有する環状体２に成形し、球状化焼鈍により表層部の炭素量を0.20％以下にまで脱炭し、この環状体２の外径面４と中心孔３の内径面６との間に環状溝７を旋削し、薄肉部８で接続する外輪素形９と内輪素形１０の二重輪体１１に形成し、次いで薄肉部８をプレス打ち抜きし、外輪素形９と内輪素形１０を完全分離した。得られた外輪素形９の内径面および内輪素形１０の外径面を旋削して、図２に示す軌道面１２、１３に形成した。軌道面１２、１３の炭素量は元のSUJ2の炭素含有量の0.95〜1.10％となっており、一方、軌道面以外の軌道保持部の表層部の炭素量は0.20％以下の脱炭層で残され、外輪および内輪に形成される。【選択図】      図２
2006291239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炭素クロム軸受鋼のＪＩＳ規格のＧ４８０５に規定するＳＵＪ２の丸棒鋼の切断円盤体から横型高速鍛造装置による熱間鍛造により中心孔を有する環状体に成形し、次いでこの環状体を球状化焼鈍により表層部の炭素含有量を０．２０％以下にまで脱炭した後、この環状体の環状側面を旋削加工して薄肉部で接続する外輪素形と内輪素形の二重輪体に形成し、次いで外輪素形と内輪素形の二重輪体の薄肉部をプレスにより打ち抜き外輪素形および内輪素形に分離し、外輪素形の内径面および内輪素形の外径面にそれぞれ旋削により軌道面を形成し、形成した軌道面の炭素含有量を高炭素クロム軸受鋼の元のＳＵＪ２の炭素含有量の０．９５〜１．１０％とし、かつ、軌道面の周囲の軌道保持部の表層部の炭素含有量を０．２０％以下の脱炭層として残すことにより、転動疲労寿命に優れる軌道面と共に高い靱性を付与した軌道保持部を形成することを特徴とする小型汎用ベアリングの内外輪素形材の製造方法。
【請求項２】
球状化焼鈍により表層部の炭素含有量を０．２０％以下にまで脱炭する方法は、粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体を繰返し球状化焼鈍することからなることを特徴とする請求項１に記載の小型汎用ベアリングの内外輪素形材の製造方法。
【請求項３】
高炭素クロム軸受鋼のＪＩＳ規格のＧ４８０５に規定するＳＵＪ２からなる小型汎用ベアリング用の内外輪素形のそれぞれの軌道面の炭素含有量が元のＳＵＪ２の炭素含有量の０．９５〜１．１０％を有し、かつ、軌道面の周囲の軌道保持部の表層部の炭素含有量が０．２０％以下にまで脱炭されていることを特徴とする小型汎用ベアリングの転動疲労寿命に優れた軌道面と高靱性の軌道保持部を有するベアリング内外輪素形材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材からなる外輪外径がφ２６〜４１ｍｍの小型汎用ベアリングの内外輪の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
小径汎用ベアリングの内外輪の材料として使用される高炭素クロム軸受鋼のＪＩＳ  Ｇ  ４８０５に規定するＳＵＪ２は良好な旋削性、熱処理の容易さ、転動疲労寿命などの安定した実績から多くの使用実績がある。
【０００３】
さらに、ベアリング用の内外輪の製造において、製造コストを低減するために材料歩留りの改善、旋削工数の削減を実現するために各種の製造工程が採用されている。とりわけ、外輪の外径がφ２６ｍｍ以上、φ４１ｍｍ以下の小径汎用ベアリングの内外輪用には、毎分１００個以上、１７０個以下の横型高速鍛造装置で、棒鋼素材から中心孔を有する環状体を熱間鍛造により成形し、この成形した鍛造素形材である環状体を球状化焼鈍し、次いでこの環状体から旋削により薄肉部で接続する内外輪素形に一体成形し、さらにプレスにより薄肉部を突っ切り加工して内外輪素形に分離した後、所定のベアリングレースの形状に仕上げ旋削する製造方法が多く採用されている。
【０００４】
ところで、このようなベアリング内外輪の製造方法として、高炭素クロム軸受鋼からなる軌道輪素材に焼入れし、次いで１８０〜１３０℃の温度で軌道輪素材の焼戻しを行い、さらに軌道輪素材にショットピーニング加工を施して表面硬化した後、さらに１８０〜２２０℃の温度で軌道輪素材の焼戻しを行い、軌道輪を製造する方法があり、この方法で靱性が高く、しかも表面の耐圧痕性および耐摩耗性に優れた転動装置部品を製造する発明の方法（例えば、特許文献１参照。）が開示されている。
【０００５】
さらに、転がり軸受の内輪および外輪を高炭素クロム軸受鋼で形成し、浸炭窒化処理後に一旦高温焼戻ししたうえで高周波焼入れする熱処理を行い、その表層に材質変化抵抗層と２００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与することにより、転動疲労寿命および割れ疲労強度を大幅に改善し、繰返し曲げ応力の作用する用途にも長期間安定して使用できる方法（例えば特許文献２参照。）が開示されている。
【０００６】
さらに、転動体を高炭素クロム軸受鋼とし、内輪および外輪の少なくとも一方をマルテンサイト形ステンレス鋼とし、このステンレス鋼の含有する共晶炭化物の面積率は２〜７％で、共晶炭化物の長径は３０μｍ以下で、共晶炭化物の円相当直径の平均値は１．０〜１．６μｍで、共晶炭化物の平均面積は０．８〜２μｍ2である、静粛性に優れ、耐食性と耐寿命性を備えた軸受用材料とする発明（例えば、特許文献３参照。）が開示されている。
【０００７】
しかし、これらは必ずしも低コストで、靱性に優れた軌道面部周辺の軌道保持部を有する小径汎用ベアリングレースを量産して製造する方法のものではなかった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３３９５７５号公報
【特許文献２】特開２００４−２９３６３２号公報
【特許文献３】特開２００３−２２２１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常、高炭素クロム軸受鋼のＪＩＳ  Ｇ  ４８０５に規定するＳＵＪ２は安定した転動疲労寿命を得るため、硬さがＨＶ７００からＨＶ７８０になるように、焼入れ炉で８４０℃程度に加熱した後、焼入れ油に焼入れし、さらに焼戻しを行って使用される。ところで、この高炭素クロム軸受鋼は、鋼種の焼入性と、７ｍｍ以下の肉厚の質量効果から、焼入れ後のベアリングの内外輪の芯部もＨＶ７００以上に硬化する。そのために完成したベアリング内外輪は衝撃的な荷重により割れを生じることがあった。このため衝撃荷重のかかる用途には、衝撃荷重を受けるベアリング保持構造への配慮、浸炭焼入れ熱処理により製造されたベアリング内外輪の採用といった対策を講じる必要がある。そこで、本発明が解決しようとする課題は、高炭素クロム軸受鋼で熱間鍛造する小型汎用ベアリング用の内外輪の靱性を改善して量産し得る方法およびこの方法により製造の靱性の高い小型汎用ベアリング用の内外輪を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための本発明の手段について説明する。本発明の請求項１の手段は、高炭素クロム軸受鋼であるＪＩＳ規格のＧ４８０５に規定するＳＵＪ２の棒鋼材１の切断円盤体から横型高速鍛造装置による熱間鍛造により中心孔３を有する環状体２に成形し、次いでこの環状体２を球状化焼鈍することにより、表層部の炭素量を０．２０％以下にまで脱炭する。この表層部を脱炭した環状体２の中心孔３と環状体２の外周である外径面４との間の環状側面５に環状溝７を旋削加工し、環状溝７内に形成の薄肉部８で接続する外輪素形９と内輪素形１０の二重輪体１１に形成する。次いで外輪素形９と内輪素形１０の二重輪体１１の薄肉部８をプレスにより打ち抜きし、外輪素形９および内輪素形１０に完全分離する。
【００１１】
さらに、得られた外輪素形９の内径面および内輪素形１０の外径面にそれぞれ旋削により環状の軌道輪となる軌道面１２、１３を形成する。この場合、この環状の軌道面１２、１３の炭素含有量は上記の外輪素形９と内輪素形１０とに分離するための旋削により、環状体内部の元のＳＵＪ２の素材が露出することとなり、これらの軌道面１２、１３の炭素含有量は、元のＳＵＪ２の炭素含有量の０．９５〜１．１０％となって現れている。一方、これらの軌道面１２、１３を支持する周囲の軌道保持部である外径面や内径面や側面の表層部の炭素量は０．２０％以下までの脱炭層としてそのまま残されて、外輪素形９および内輪素形１０に形成されている。すなわち、請求項１の手段は、転動疲労寿命に優れた軌道面と高い靱性の軌道保持部を有することを特徴とする外輪外径がφ２６〜４１ｍｍの小型汎用ベアリングの内外輪用鍛造素形材の製造方法である。
【００１２】
本発明は、上記の手段で、環状体２を球状化焼鈍し、高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材である環状体２の外径面４、環状側面５、内径面６の各表面層に脱炭層を形成し、脱炭層を形成した環状体２を旋削加工して外輪素形９の内径面６と内輪素形１０の外径面４は元の１％前後の炭素含有のＳＵＪ２材とし、外輪素形９の外径面４と環状側面５、内輪素形１０の内径面６と環状側面５には、炭素含有量が０．２０％である脱炭層を残すことで、これらを焼入れした後の脱炭層部の焼入れ硬さを低減させ靱性を付与している。したがって、これらの部分の軌道保持部は衝撃に対する耐久性が改善され、割れが生じなくなっている。その一方で、転動面部すなわち軌道面１２、１３の部分は炭素含有量が元の１％前後に保持されているので、転動疲労寿命を確保する充分な硬さのＨＶ６０〜６３を有し得る。
【００１３】
すなわち、本発明の手段で、低炭素合金層を軌道面保持部に継目なく生じさせることにより、衝撃値を改善し、延性−脆性遷移温度を低下させることにより、完成ベアリングの衝撃に対する耐久性を改善している。転動体からの繰返し荷重を受ける軌道面１２、１３の部分は、元の高炭素クロム軸受鋼の１％程度の炭素含有量を確保しているので、転動疲労寿命を確保するための必要な硬さが得られている。
【００１４】
請求項２の手段は、上記の手段において、球状化焼鈍により表層部の炭素含有量を０．２０％以下にまで脱炭する方法は、粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体２を繰返し、例えば２０回、球状化焼鈍することにより、環状体２の表層部の炭素含有量を０．２０％以下にまでとした脱炭層とする方法である。このように粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体２を繰返し球状化焼鈍することで、脱炭層が充分な形成され靱性が得られることとなる。さらに繰返し回数を調整することにより希望する脱炭層深さを得ることができる。
【００１５】
請求項３の手段は、請求項１、請求項２の手段の方法により製造のベアリング用の内外輪の素形材である。すなわち、高炭素クロム軸受鋼のＪＩＳ規格のＧ４８０５に規定するＳＵＪ２からなる小型汎用ベアリング用の外輪素形９および内輪素形１０のそれぞれの軌道面１２、１３の炭素含有量がＳＵＪ２の炭素含有量の０．９５〜１．１０％であり、かつ、軌道面１２、１３の周囲の軌道保持部の表層部の炭素含有量が０．２０％以下にまで脱炭されている外輪素形９および内輪素形１０である。これらは転動疲労寿命に優れた軌道面１２、１３と高靱性の軌道保持部を有するベアリング用の外輪素形９および内輪素形１０である。なお、上記の本発明において、小型汎用ベアリングとは、その外輪の外径がφ２６ｍｍ〜φ４１ｍｍの汎用ベアリングを指しており、これは本発明で使用する横型高速鍛造装置の装置上の加工限界と、この大きさのものが、高炭素クロム軸受鋼の焼入性と７ｍｍ以下の肉厚の質量効果から焼入れ後のベアリングの内外輪の芯部もＨＶ７００以上に硬化することとによる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により製造の小型汎用ベアリングの外輪素形および内輪素形は、軌道面部以外の軌道保持部の表層部を０．２％以下の脱炭層に形成しているので、これらのベアリングの外輪素形および内輪素形の圧潰値を測定したところ、脱炭層を形成した本発明のベアリングの外輪素形および内輪素形からなる内外輪は７３００Ｎの荷重で始めて割れを発生したが、脱炭層の充分に形成されていない従来のベアリングの外輪素形および内輪素形からなる内外輪は４８００Ｎの荷重で割れを生じた。すなわち、本発明によるベアリングの外輪および内輪では割れに対する靱性が約５割がた向上している。しかも、それらの軌道面は素材鋼の硬さをそのまま有しているので、充分な転動疲労寿命を有するなど、汎用性の高い小型ベアリングを本発明の方法により形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１に示す（ａ）〜（ｈ）の工程順に、ＪＩＳ  Ｇ４８０５  規格のＳＵＪ２の、質量％で、Ｃ：０．９５〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる高炭素クロム軸受鋼を加工した。すなわち、上記の高炭素クロム軸受鋼からなる（ａ）の縮小して示す棒鋼材１を横型高速鍛造装置で必要長さに切断しながら、毎分１００個以上、１７０個以下の高速で熱間鍛造する。この本発明において使用する横型高速鍛造装置は、この装置内に棒鋼材１を必要長さに切断する切断機構を有しており、複数の圧造工程をトランスファーして圧力を加えて目的の環状体２に成形するもので、（ａ）の熱間鍛造により（ｂ）の中心孔３と外径面４と環状側面５とを有する環状体２に成形した。次いで、この環状体２を繰返し球状化焼鈍して、（ｃ）の環状体２の中心孔３と外径面４と環状側面５のそれぞれの表層部の炭素量を０．２０％以下にまで脱炭した。この場合、請求項２の手段では、球状化焼鈍は粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体２を繰返し球状化焼鈍するものであり、特に炉中の平衡炭素濃度を０．３４％から１．０６％に雰囲気調整した無酸化焼鈍炉により、８００℃から７００℃の間で脱炭をしながら１回当たり１５時間の球状化焼鈍を計２０回、延べ３００時間を繰り返した。このように脱炭は無酸化焼鈍炉で粒界酸化しないように注意しながら実施した。
【００１８】
上記の２０回に及ぶ焼鈍処理により（ｃ）の環状体２の外径面４と環状側面５と中心孔３の内径面６のそれぞれの表層部は炭素量が０．１３％に脱炭した。次いで、この脱炭した環状体２の環状側面５を（ｄ）に示すように中心孔３と平行に環状溝７を旋削加工し、環状溝７の内部に（ｅ）に示す薄肉部８で接続する外輪素形９と内輪素形１０からなる二重輪体１１に加工する。次いで、外輪素形９と内輪素形１０の二重輪体１１の薄肉部８をプレスにより（ｆ）に示すように外輪素形９から内輪素形１０を矢印方向に打ち抜き、完全に分離し、外輪素形９と内輪素形１０とした。さらにこれらの外輪素形９と内輪素形１０に（ｇ）および（ｈ）で示すようにそれぞれ転動溝１４を形成した。なお、これらの（ｅ）〜（ｈ）において、外輪素形９の外径面４と環状側面５と内輪素形１０の内径面６と環状側面５の内部近傍の点々で示す部分は、上記の繰返し球状化焼鈍により形成の脱炭層を示している。
【００１９】
外輪素形９の内径および内輪素形１０の外径を旋削加工して、図２に示すように、外輪の軌道面１２および内輪の軌道面１３にそれぞれ仕上げた。これらの外輪の軌道面１２および内輪の軌道面１３の炭素含有量は元のＳＵＪ２の鋼種の炭素含有量の０．９５〜１．１０％が表出されている。一方、上記の２０回の球状化焼鈍で軌道面１２、１３以外の部分の外輪素形９の外径面４と環状側面５および内輪素形１０の内径面６と環状側面５の軌道保持部の表層部の炭素量は０．１３％に脱炭され、軌道保持部の表層部には高い靱性が得られたが、さらに上記の旋削加工による仕上げで、これらの内外輪鍛造素形材は軌道面１２、１３以外の軌道保持部の表層部も旋削加工され、これらの軌道保持部の表層部の炭素量は０．２０％に脱炭された状態に仕上げられた。以上により外輪外径がφ２６〜４１ｍｍである小型汎用ベアリングの内外輪が得られた。
【００２０】
上記で得られた小型汎用ベアリングの内外輪は焼入れ炉で８４０℃に加熱後、焼入れ油に焼入れし、焼戻しして軌道面の硬さをＨＶ７００〜７８０とした。
【００２１】
なお、本発明の方法に比して、１回の球状化焼鈍処理による従来の方法では、軌道面以外の部分の軌道保持部の表層部の炭素量は０．７１％であった。
【００２２】
高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体に２０回の球状化焼鈍処理した本発明方法によるものと、高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体に１回の球状化焼鈍処理した従来の方法によるものとを対比して、それらの高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体の外径面部と環状側面部の焼鈍状態における金属組織の４００倍の顕微鏡写真を図３および図４に示した。
【００２３】
さらに、上記の２０回の繰返し焼鈍処理をした本発明の高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体の焼入れ状態における金属組織の４００倍の顕微鏡写真を、１回の球状化焼鈍処理した従来の環状体の金属組織の４００倍の顕微鏡写真とを対比して図５および図６に示した。
【００２４】
これらの（ａ）および（ｂ）のそれぞれの対比顕微鏡写真から本発明の２０回の繰返し焼鈍処理をした高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体の外径面、内径面、環状側面には従来のものに比して炭化物量が少なくなった脱炭層がそれぞれ観察された。
【００２５】
さらに高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体を焼鈍処理し、さらに焼入れした状態でのＨＶスケールでの硬さ成績を本発明におけるものと従来のものとの比較を図７の（ａ）、（ｂ）および図８の（ａ）、（ｂ）の各グラフで示した。
【００２６】
これらグラフから、旋削加工後の軌道面保持部になる外輪素形の環状側面および外径面では、焼鈍で環状側面はＨＶ３００以下で、環状側面から内部へ１．５ｍｍの深さまではＨＶ７００未満の硬さの高靱性層が残存している。外径面ではＨＶ３００以下で、表面を旋削加工した後の外径面から内部へ２．０ｍｍの深さまではＨＶ７００未満の硬さに低減した層の高靱性層が残存している。
【００２７】
本発明におけるこれらのベアリングの外輪素形あるいは内輪素形の軌道面保持部の高靱性層の深さはそれぞれ焼鈍処理時間により調整することができる。さらに、これらのベアリングの外輪素形あるいは内輪素形の軌道保持部の高靱性層の生成には、酸化鉄あるいは鉄鋼石中で焼鈍処理する方法により生成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の方法の製造工程を示す図である。
【図２】本発明により製造のベアリングの外輪と内輪の組込み状態を模式的に示す図である。
【図３】本発明における高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の繰返し焼鈍状態における金属組織の４００倍の顕微鏡写真で、（ａ）は外径面部で、（ｂ）環状側面部である。
【図４】従来の方法における高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の焼鈍状態における金属組織の４００倍の顕微鏡写真で、（ａ）は外径面部で、（ｂ）環状側面部である。
【図５】本発明における高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材を繰返し焼鈍しさらに焼入れした状態における４００倍の顕微鏡写真で、（ａ）は外径面部で、（ｂ）環状側面部である。
【図６】従来の方法における高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材を繰返し焼鈍しさらに焼入れした状態における４００倍の顕微鏡写真で、（ａ）は外径面部で、（ｂ）環状側面部である。
【図７】本発明における高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材を焼鈍し、さらに焼入れした状態でのＨＶスケールでの硬さ成績をグラフで、（ａ）は環状側面部で、（ｂ）外径面部である。
【図８】従来の方法における高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材を焼鈍し、さらに焼入れした状態でのＨＶスケールでの硬さ成績をグラフで、（ａ）は環状側面部で、（ｂ）外径面部である。
【符号の説明】
【００２９】
１  棒鋼材
２  環状体
３  中心孔
４  外径面
５  環状側面
６  内径面
７  環状溝
８  薄肉部
９  外輪素形
１０  内輪素形
１１  二重輪体
１２  外輪の軌道面
１３  内輪の軌道面
１４  転動溝
【図１】
2006291239.tif 000003
【図２】
2006291239.tif 000004
【図３】
2006291239.tif 000005
【図４】
2006291239.tif 000006
【図５】
2006291239.tif 000007
【図６】
2006291239.tif 000008
【図７】
2006291239.tif 000009
【図８】
2006291239.tif 000010