(57)【要約】【課題】優れた転動寿命を有するとともに安価且つ製造が簡易な転がり軸受を提供する。【解決手段】深溝玉軸受の内輪１及び外輪２は、炭素を０．４質量％以上０．６質量％以下、ケイ素を０質量％超過０．５質量％以下、マンガンを０質量％超過０．８質量％以下、クロムを０質量％超過０．５質量％以下含有する合金鋼から、以下のようにして製造されたものである。５℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下の速度でＡ1 変態点以上の温度からＡ1 変態点未満の温度に冷却する焼鈍しが施された合金鋼に冷間鍛造を施して、内輪１及び外輪２の形状に成形する。そして、浸炭処理を施した後に、焼入れ及び焼戻しを施す。このようにして得られた内輪１及び外輪２は、動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置において、炭素の含有量が０．７質量％以上であり、且つ、トルースタイト組織の割合が面積率で５％未満である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が下記の５つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
条件Ａ：炭素を０．４質量％以上０．６質量％以下、ケイ素を０質量％超過０．５質量％以下、マンガンを０質量％超過０．８質量％以下、クロムを０質量％超過０．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
条件Ｂ：５℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下の速度でＡ1 変態点以上の温度からＡ1 変態点未満の温度に冷却する焼鈍しが施されている。
条件Ｃ：冷間加工法により成形されたものである。
条件Ｄ：浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて、焼入れ及び焼戻しが施されている。
条件Ｅ：動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置において、炭素の含有量は０．７質量％以上であり、且つ、トルースタイト組織の割合は面積率で５％未満である。
【請求項２】
炭素を０．４質量％以上０．６質量％以下、ケイ素を０質量％超過０．５質量％以下、マンガンを０質量％超過０．８質量％以下、クロムを０質量％超過０．５質量％以下含有する合金鋼から、転がり軸受の軌道輪を製造する方法であって、
前記合金鋼をＡ1 変態点以上の温度に加熱した後に、５℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下の速度でＡ1 変態点未満の温度に冷却する焼鈍し工程と、
前記焼鈍し工程において焼鈍しが施された前記合金鋼に冷間加工を施して軌道輪の形状に成形する成形工程と、
前記成形工程において得られた成形品に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後に、焼入れ及び焼戻しを施す熱処理工程と、
を備えることを特徴とする転がり軸受の軌道輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受及びその軌道輪の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の軌道輪は、球状化焼鈍しが施された軸受鋼を鍛造して得た環状部材に、切削加工を施すことにより製造される。軸受鋼から環状部材を製造する際には、一般には熱間鍛造法が用いられるが、寸法精度や省エネルギーの観点からは冷間鍛造法が好ましい。ところが、軸受鋼は冷間加工における変形抵抗が高いため、金型寿命が短くなる、冷間鍛造時に割れが発生しやすい等の問題がある。
【０００３】
そこで、炭素及びケイ素の含有量を低減して変形抵抗を低くすることにより、高炭素クロム軸受鋼よりも冷間加工性が改善された鋼材が、特許文献１〜３に提案されている。
【特許文献１】特許第２７２６４４０号公報
【特許文献２】特許第３３０３１７６号公報
【特許文献２】特開平８−５３７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、炭素は焼入れ後の硬さを向上させ、室温及び高温における強度を維持して耐摩耗性を付与するために必要な合金元素であるため、炭素の含有量を低減することは転動寿命の低下を招くおそれがあった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、優れた転動寿命を有するとともに安価且つ製造が簡易な転がり軸受を提供することを課題とする。また、優れた転動寿命を有する転がり軸受を得ることが可能な軌道輪を、低コスト且つ簡易に製造することが可能な、転がり軸受の軌道輪の製造方法を提供することを併せて課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が下記の５つの条件を満足することを特徴とする。
【０００６】
条件Ａ：炭素を０．４質量％以上０．６質量％以下、ケイ素を０質量％超過０．５質量％以下、マンガンを０質量％超過０．８質量％以下、クロムを０質量％超過０．５質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
条件Ｂ：５℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下の速度でＡ1 変態点以上の温度からＡ1 変態点未満の温度に冷却する焼鈍しが施されている。
条件Ｃ：冷間加工法により成形されたものである。
条件Ｄ：浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて、焼入れ及び焼戻しが施されている。
条件Ｅ：動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置において、炭素の含有量は０．７質量％以上であり、且つ、トルースタイト組織の割合は面積率で５％未満である。
【０００７】
また、本発明に係る請求項２の転がり軸受の軌道輪の製造方法は、炭素を０．４質量％以上０．６質量％以下、ケイ素を０質量％超過０．５質量％以下、マンガンを０質量％超過０．８質量％以下、クロムを０質量％超過０．５質量％以下含有する合金鋼から、転がり軸受の軌道輪を製造する方法であって、前記合金鋼をＡ1 変態点以上の温度に加熱した後に、５℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下の速度でＡ1 変態点未満の温度に冷却する焼鈍し工程と、前記焼鈍し工程において焼鈍しが施された前記合金鋼に冷間加工を施して軌道輪の形状に成形する成形工程と、前記成形工程において得られた成形品に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後に、焼入れ及び焼戻しを施す熱処理工程と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
以下に、本発明における前述の各数値（合金鋼中の合金元素の含有量、冷却速度等）の臨界的意義について説明する。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、強度及び焼入性を確保するために必要な合金元素であり、転がり軸受に十分な性能を付与し、且つ、製造コストを低減するためには、炭素の含有量は０．４質量％以上とする必要がある。ただし、炭素の含有量が０．６質量％を超えると、冷間加工性が低下し生産性が悪化するおそれがある。よって、炭素の含有量は、０．４質量％以上０．６質量％以下とする必要がある。
【０００９】
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、製鋼時に脱酸剤として作用するとともに、基地に固溶して転動寿命を高める作用を有しているので、合金鋼への添加が不可欠である。ただし、ケイ素の含有量が０．５質量％を超えると、焼鈍し後の硬さが高くなって、被削性，切断性等の加工性が低下するおそれがある。よって、ケイ素の含有量は、０質量％超過０．５質量％以下とする必要がある。
〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、焼入性を確保するために合金鋼への添加が不可欠であるが、量が多すぎると加工性が低下するおそれがある。よって、マンガンの含有量は、０質量％超過０．８質量％以下とする必要がある。
【００１０】
〔クロムの含有量について〕
マンガンの添加だけでは十分な焼入性が確保できないおそれがあるため、焼入性を向上させる作用を有するクロム（Ｃｒ）を添加する必要がある。ただし、マンガンに比べると高価であること、冷間加工性を低下させる作用を有すること、浸炭深さの低下を招くおそれがあることから、クロムの含有量はできる限り少量とすることが好ましい。よって、クロムの含有量は、０質量％超過０．５質量％以下とする必要がある。
【００１１】
〔焼鈍しにおける冷却速度について〕
冷却速度が５℃／ｈ未満であると、焼鈍し不足になるという不都合が生じるおそれがある。一方、冷却速度が３０℃／ｈ超過であると、コストアップになるという不都合が生じるおそれがある。
〔最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量について〕
転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置において、炭素の含有量が０．７質量％未満であると、転がり軸受の転動寿命が不十分となるおそれがある。
【００１２】
〔最大剪断応力が作用する位置におけるトルースタイト組織の割合について〕
トルースタイト組織は軟質な組織であり応力集中が生じやすいので、転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置において、トルースタイト組織の割合が面積率で５％以上であると、硬さが十分であっても転がり軸受の転動寿命が不十分となるおそれがある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の転がり軸受は、優れた転動寿命を有するとともに安価且つ製造が簡易である。また、本発明の転がり軸受の軌道輪の製造方法は、優れた転動寿命を有する転がり軸受を得ることが可能な軌道輪を、低コスト且つ簡易に製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る転がり軸受及びその軌道輪の製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１の深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の転動体３と、転動体３を保持する保持器４と、を備えている。そして、内輪１及び外輪２は、炭素を０．４質量％以上０．６質量％以下、ケイ素を０質量％超過０．５質量％以下、マンガンを０質量％超過０．８質量％以下、クロムを０質量％超過０．５質量％以下含有する合金鋼から、以下に示すような工程を経て製造されたものである。
【００１５】
（１）焼鈍し工程：合金鋼をＡ1 変態点以上の温度に加熱した後に、５℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下の速度でＡ1 変態点未満の温度に冷却し、その後は放冷又は徐冷する。
（２）成形工程：焼鈍し工程において焼鈍しが施された合金鋼に冷間鍛造を施して、内輪１及び外輪２の形状に成形する。
（３）熱処理工程：冷間鍛造により成形した成形品に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後に、焼入れ及び焼戻しを施す。
（４）仕上げ工程：上記のような熱処理を施した内輪１及び外輪２の軌道面の部分に、研削と超仕上げとを施すか、あるいは、超仕上げのみを施す。
【００１６】
冷間鍛造によれば、熱間鍛造と比べて軌道輪を低コスト且つ簡易に製造することが可能である。また、冷間鍛造によれば、熱間鍛造と比べて格段に精度よく成形できるので、切削加工を省略することができる。よって、製造コストの低減が可能である。
このようにして製造された内輪１及び外輪２は、軌道面部分の内部のうち動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置（深さ位置）において、炭素の含有量が０．７質量％以上となっており、且つ、トルースタイト組織の割合が面積率で５％未満となっている。よって、転がり軸受の転動寿命が長寿命である。
【００１７】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
〔冷間加工性の評価について〕
表１〜３に示すような合金元素を含有し、他部は鉄及び不可避の不純物である合金鋼（実施例１〜１６及び比較例１〜１４）に、焼鈍し（球状化焼鈍し）を施して、その冷間加工性（冷間鍛造性）を評価した。冷間加工性は、焼鈍しを施した合金鋼の表面硬さと冷間鍛造に使用する金型の寿命の指標となる合金鋼の変形抵抗との関係、及び、合金鋼に冷間加工（冷間鍛造）を施して軌道輪の形状に成形した際の割れ発生の有無によって評価した。結果を表１〜３に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
【表３】
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【００２１】
表１〜３に示した変形抵抗は、合金鋼から作製した円板状の試験片（直径１３ｍｍ，厚さ２０ｍｍ）を、据え込み率６０％で圧縮した場合の値である。また、鍛造割れは、合金鋼からなる環状の素材（直径２５ｍｍ）を冷間鍛造により加工し、呼び番号６０８ＺＺの軸受の外輪を製造した際に割れが発生したか否かを示したものである。表１〜３においては、割れが発生しなかった場合は○印、割れが発生した場合は×印で示してある。
【００２２】
なお、焼鈍しの条件は以下の通りである。すなわち、合金鋼を７５０〜８００℃に加熱し１〜２時間保持した後、２０℃／ｈの速度で３５０〜６８０℃に炉冷し、さらに空冷する。また、実施例１〜１６及び比較例１〜１４の合金鋼のＡ1 変態点は、いずれも下記式で算出できる。
Ａ1 （℃）＝７２３−１０．７×Ｍｎ％−１６．９×Ｎｉ％＋２９．１×Ｓｉ％＋１６．９×Ｃｒ％
なお、式中のＭｎ％は合金鋼中のマンガンの含有量、Ｎｉ％は同じくニッケルの含有量、Ｓｉ％は同じくケイ素の含有量、Ｃｒ％は同じくクロムの含有量である。
【００２３】
図２は、合金鋼の表面硬さと変形抵抗との関係を示すグラフである。このグラフから、表面硬さが低いほど変形抵抗が小さい傾向があり、８４を超えると変形抵抗が急激に大きくなることが分かる。そして、変形抵抗が大きいと、鍛造割れが発生するとともに、冷間鍛造に使用する金型の寿命が短くなる。よって、焼鈍し後の合金鋼の表面硬さＨＲＢは、８４以下であることが好ましく、８２以下であることがより好ましい。
【００２４】
〔転がり軸受の転動寿命の評価について〕
前述のような焼鈍しを施した合金鋼からなる環状の素材に冷間加工（冷間鍛造）を施して、軌道輪の形状に成形した。そして、下記の３条件のうちいずれか一つの熱処理を施した後、仕上げ加工し、転動体とともに組み立てて呼び番号６２０６の転がり軸受を製造した。
【００２５】
（ア）８４０〜９００℃で０．５〜４時間浸炭処理（雰囲気はＲＸガスとエンリッチガスである）を施した後に、油冷して焼入れを施した。そして、１８０℃で２時間保持した後に空冷して、焼戻しを施した。
（イ）８４０〜９００℃で０．５〜４時間浸炭窒化処理（雰囲気はＲＸガスとアンモニアとエンリッチガスである）を施した後に、油冷して焼入れを施した。そして、１８０℃で２時間保持した後に空冷して、焼戻しを施した。
（ウ）８４０〜９００℃で０．５〜４時間保持した後に油冷して、焼入れを施した。そして、１８０℃で２時間保持した後に空冷して、焼戻しを施した。
【００２６】
このようにして得られた転がり軸受について、下記のような条件で回転試験を行い、その転動寿命を評価した。回転試験は１種の転がり軸受につき１０個ずつ行い、フレーキングが発生するまでに付加された応力の累積回数を調査してワイブルプロットを作成し、ワイブル分布の結果からＬ10寿命を求めた。結果を表１〜３に示す。なお、表１〜３に示した転動寿命の数値は、比較例１の合金鋼（従来の軸受鋼）から切削加工により製造した転がり軸受の転動寿命を１とした場合の相対値で示してある。
荷重    ：６２２３Ｎ
回転速度：３０００ｍｉｎ-1
潤滑油  ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ  ＶＧ６８であるタービン油
【００２７】
従来は、「転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置において、ビッカース硬さを剪断応力の６倍以上とすれば、その転がり軸受の転動寿命を十分なものとすることができる」という考え方があった。例えば、呼び番号６２０６の深溝玉軸受において最大剪断応力が１１２７ＭＰａ（１１５ｋｇｆ／ｍｍ2 ）の場合は、最大剪断応力が作用する位置の必要な硬さは１１５の６倍のＨｖ６９０となる。しかしながら、表１の比較例７を見ると分かるように、最大剪断応力が作用する位置におけるビッカース硬さ（表においては「内部の硬さ」と記してある）がＨｖ６９０以上であっても、転動寿命が不十分なものも存在する。
【００２８】
そこで、転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量と、転がり軸受の転動寿命との関係を調査した。その結果を図３のグラフに示す。このグラフから、動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量が０．７質量％以上であれば、転がり軸受の転動寿命が優れていることが分かる。
【００２９】
また、転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置におけるトルースタイト組織の割合と、転がり軸受の転動寿命との関係を調査した。その結果を図４のグラフに示す。なお、トルースタイト組織の割合は、光学顕微鏡を用いて測定した。すなわち、５００倍の倍率で８視野について観察し、総面積０．２１８９ｍｍ2 におけるトルースタイト組織の割合を画像解析装置により測定した。
【００３０】
図４のグラフから、動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置におけるトルースタイト組織の割合が５面積％以上であると、前述の硬さ（最大剪断応力が作用する位置のビッカース硬さ）が十分であっても、転がり軸受の転動寿命が不十分であることが分かる。これは、トルースタイト組織が軟質であるため、応力集中が生じることが原因であると考えられる。
【００３１】
さらに、転がり軸受の製造コストの低減のためには、浸炭処理，浸炭窒化処理は短時間であることが不可欠であることから、転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量が０．７質量％以上であるものについて、浸炭処理，浸炭窒化処理の必要時間と合金鋼中の炭素の含有量との関係を調査した。その結果を図５のグラフに示す。
【００３２】
図５のグラフから、合金鋼中の炭素の含有量が０．４質量％未満であると、浸炭処理，浸炭窒化処理に長時間を要することが分かる。この結果から、動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量を０．７質量％以上とするためには、合金鋼中の炭素の含有量を０．４質量％以上とする必要があることが分かる。
このように、前述のような組成からなる実施例１〜１６の合金鋼は、変形抵抗が小さく焼鈍し後の表面硬さが低いので、優れた冷間加工性を有している。また、浸炭処理，浸炭窒化処理の必要時間が短いので、転がり軸受の製造コストが低減される。
【００３３】
これに対して、従来の軸受鋼である比較例１の合金鋼は、変形抵抗が大きく焼鈍し後の表面硬さが高いので、冷間加工性が低い。また、比較例２〜６の合金鋼は、炭素，ケイ素，マンガンの含有量が多いため変形抵抗が大きく、冷間鍛造の際に割れが発生した。さらに、比較例７〜９の合金鋼は、クロムの含有量が高いため、浸炭処理，浸炭窒化処理の時間が短いと、転がり軸受に動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量が０．７質量％以上とはならず、転がり軸受の転動寿命が不十分であった。さらに、比較例１０〜１２の合金鋼は、冷間加工性は問題ないが、炭素の含有量が低いため転がり軸受の転動寿命が不十分であった。さらに、比較例１３，１４の合金鋼は、動定格荷重が負荷された場合に最大剪断応力が作用する位置におけるトルースタイト組織の割合が５面積％以上であるため、転がり軸受の転動寿命が不十分であった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】合金鋼の表面硬さと変形抵抗との関係を示すグラフである。
【図３】最大剪断応力が作用する位置における炭素の含有量と転がり軸受の寿命との関係を示すグラフである。
【図４】最大剪断応力が作用する位置におけるトルースタイト組織の割合と転がり軸受の寿命との関係を示すグラフである。
【図５】合金鋼中の炭素の含有量と浸炭処理，浸炭窒化処理の必要時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１      内輪
２      外輪
３      転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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