(57)【要約】【課題】圧縮残留応力が付与された環状の機械部品を提供する。【解決手段】機械部品１は、高炭素クロム軸受鋼からなり、表面１４を有する環状の本体部を備える。表面１４における、試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度の最大値は６５０Ｈｖ以上である。表面１４から、深さ方向において試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度が５５０Ｈｖとなる位置までの距離である有効硬化層深さは８００μｍ以下である。表面１４からの深さが５０μ以上５００μｍ以下の領域における圧縮応力の値は２００ＭＰａ以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炭素クロム軸受鋼からなり、表面を有する環状の本体部を備え、
前記表面における、試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度の最大値は６５０Ｈｖ以上であり、
前記表面から、深さ方向において試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度が５５０Ｈｖとなる位置までの距離である有効硬化層深さが８００μｍ以下であり、
前記表面からの深さが５０μ以上５００μｍ以下の領域における圧縮応力の値が２００ＭＰａ以上である、機械部品。
【請求項２】
前記表面における固溶炭素濃度が０．１５ｍａｓｓ％以上０．６０ｍａｓｓ％以下である、請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
前記本体部は、前記表面と反対側に位置する裏面を有し、
前記表面と前記裏面との間の距離である厚さの平均値が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の機械部品。
【請求項４】
前記本体部は開口部を含み、
前記表面は、前記本体部において前記開口部を囲む環状の表面部分である、請求項３に記載の機械部品。
【請求項５】
転走面を有する内輪と、
前記内輪の外周側に位置し、転走面を有する外輪と、
前記内輪と前記外輪との間に配置され、前記内輪の前記転走面および前記外輪の前記転走面に接触する転動体とを備え、
前記内輪および前記外輪の少なくともいずれか一方が請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の機械部品であり、
前記内輪および前記外輪の少なくとも一方の前記転走面は、前記表面である、軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、機械部品および軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸受を構成する軌道輪などの機械部品が知られている。機械部品において、たとえば高はめあい応力で使用されるリング状の機械部品は、割れ疲労強度が低く問題となる。
【０００３】
このような割れ疲労強度の問題を解決する手段として、たとえば機械部品の表面近傍のみ浸炭処理し、機械部品に圧縮残留応力を付与することにより、はめあい応力を相殺させる方法が知られている。しかし、上記方法は熱処理工程での生産性が低い。また、機械部品に圧縮残留応力を付与する方法として、高周波加熱焼入れを実施することも知られている。しかし、高周波加熱焼入れにおいて処理対象領域をキュリー点以上に加熱した際に、当該領域の深さ方向における内部まで加熱されてしまうため、薄肉部に対して圧縮残留応力を付与することは困難である。
【０００４】
機械部品に圧縮残留応力を付与する方法として、上述した方法以外にはレーザ光を機械部品に照射して加熱することにより焼入れを行うレーザ焼入れ方法も知られている（たとえば、特開２００５−２１３５５３号公報参照）。特開２００５−２１３５５３号公報では、円盤状の機械部品に対して、レーザ光の照射スポット形状を調整することで、均一な焼き入れ深さを持つ環状の焼入れ領域を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１３５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献では、比較的薄肉の軸受の軌道輪といった環状の機械部品、たとえば焼入れ処理部の厚さの平均値が１０ｍｍ以下となっているような軌道輪に対して、圧縮残留応力を付与する具体的な条件や、圧縮残留応力が付与された薄肉の軌道輪といった機械部品の具体的な構成は開示されていない。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、圧縮残留応力が付与された環状の機械部品を提供することである。
【０００８】
また、この発明の目的は、圧縮残留応力が付与された機械部品を軌道輪とした軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示に従った機械部品は、高炭素クロム軸受鋼からなり、表面を有する環状の本体部を備える。表面における、試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度の最大値は６５０Ｈｖ以上である。表面から、深さ方向において試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度が５５０Ｈｖとなる位置までの距離である有効硬化層深さが８００μｍ以下である。表面からの深さが５０μ以上５００μｍ以下の領域における圧縮応力の値が２００ＭＰａ以上である。
【００１０】
このようにすれば、機械部品の表面近傍に圧縮残留応力が付与されているので、割れ疲労強度を向上させることができる。
【００１１】
本開示に従った軸受は、内輪と、外輪と、転動体とを備える。内輪は転走面を有する。外輪は、内輪の外周側に位置し、転走面を有する。転動体は、内輪と外輪との間に配置され、内輪の転走面および外輪の転走面に接触する。内輪および外輪の少なくともいずれか一方が上記機械部品である。内輪および外輪の少なくとも一方の転走面は、上記機械部品の表面である。この場合、内輪または外輪の割れ疲労強度が向上しているため、疲労強度の向上した軸受を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、割れ疲労強度の向上した機械部品および軸受を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る機械部品を示す断面模式図である。
【図２】図１に示した機械部品の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図３（Ａ）はレーザ照射工程を説明するための平面模式図であり、図３（Ｂ）はレーザ照射工程を説明するための断面模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る軸受を示す断面模式図である。
【図５】試料の周方向におけるビッカース硬度の分布を示すグラフである。
【図６】試料の断面におけるビッカース硬度の分布を示すグラフである。
【図７】試料の断面における残留応力の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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返さない。
【００１５】
（実施の形態）
＜機械部品の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る機械部品を示す断面模式図である。図１に示すように、機械部品１は、環状の形状を有している。機械部品１は、軸方向における一方端１２の外径が他方端１３の外径よりも短い。言い換えると、機械部品１は、軸方向における一方端１２側が他方端１３側よりも径方向の内側に位置している。機械部品１の一方端１２は、軸受の内輪において小つば部となるべき部分である。機械部品１の他方端１３は、内輪において大つば部となるべき部分である。機械部品１の外周面上において一方端１２と他方端１３との間には溝部が形成されている。溝部は周方向に延在している。溝部の底面は、軸方向に対して交差する方向に延びる表面１４である。機械部品１の表面１４は、内輪において転走面となるべき部分である。表面１４にはレーザ焼入れによる硬化層１５が形成されている。
【００１６】
上述した機械部品１の構成を異なる観点から言えば、本開示に従った図１に示す機械部品１は、高炭素クロム軸受鋼からなり、表面１４を有する環状の本体部を備える。表面１４における、試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度の最大値は６５０Ｈｖ以上である。表面１４から、深さ方向において試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度が５５０Ｈｖとなる位置までの距離である有効硬化層深さは８００μｍ以下である。表面１４からの深さが５０μ以上５００μｍ以下の領域における圧縮応力の値は２００ＭＰａ以上である。
【００１７】
上記機械部品１では、表面１４における固溶炭素濃度が０．１５ｍａｓｓ％以上０．６０ｍａｓｓ％以下である。また、上記機械部品１において、本体部は、表面１４と反対側に位置する裏面を有する。表面１４と裏面との間の距離である厚さの平均値は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。機械部品１において、本体部は開口部を含む。表面１４は、本体部において開口部を囲む環状の表面部分である。
【００１８】
上記機械部品１において、焼入れによる硬化層１５は、溝部の底面のみに形成されているが、溝部の側壁にまで形成されていてもよい。また、溝部の側壁において底面との接続部を含む一部のみに硬化層１５が形成されていてもよい。
【００１９】
＜機械部品の作用効果＞
上記のような構成の機械部品１によれば、機械部品１の表面１４から所定の深さの領域に圧縮残留応力が付与されているので、機械部品１の割れ疲労強度を向上させることができる。なお、表面１４におけるビッカース硬度の最大値の下限を６５０Ｈｖとしたのは、浸炭焼入れ等の表面処理での有効硬化深さを基準としたからである。なお、ビッカース硬度測定はＪＩＳ規格Ｚ  ２２４４に準拠して行うことができる。
【００２０】
上述した機械部品１において、表面１４からの有効硬化層深さの上限を８００μｍとしたのは、このようにすれば厚さ１ｍｍ程度といった薄肉の機械部品に対しても圧縮残留応力を付与できるからである。有効硬化層深さの下限は、１０μｍとしてもよい。有効硬化層深さの上限は、７００μｍとしてもよいし、６００μｍとしてもよい。有効硬化層深さの下限は、２０μｍとしてもよいし、５０μｍとしてもよい。
【００２１】
ここで、有効硬化層深さの測定は、ＪＩＳ規格Ｇ  ０５５９に準拠して行うことができる。有効硬化層深さを求めるための硬さ推移曲線を得るため実施する硬さ試験は、ＪＩＳ規格Ｚ  ２２４４に準拠して実施してもよい。
【００２２】
また、上記機械部品１において、表面１４からの深さが５０μ以上５００μｍ以下の領域における圧縮応力の値の下限を２００ＭＰａとしたのは、軸受のはめあい応力を相殺するおおよその下限値だからである。圧縮応力の下限は、２５０ＭＰａでもよく、３００ＭＰａでもよい。
【００２３】
なお、残留応力の測定方法としては、Ｘ線回折装置を用い、電界研磨を行うことで、深さ方向の応力分布を測定するという方法を用いることができる。
【００２４】
上記機械部品１において、固溶炭素濃度の下限を０．１５ｍａｓｓ％としたのは、固溶炭素濃度を上記下限値より高くすることで最高到達硬さを十分に得ることができるためである。また、固溶炭素濃度の上限を０．６０ｍａｓｓ％としたのは、固容炭素濃度が上記上限値を超えると、レンズマルテンサイトの生成が促進され、低強度になる可能性があるためである。固溶炭素濃度の下限は０．４０ｍａｓｓ％でもよい。固溶炭素濃度の上限は０．５０ｍａｓｓ％でもよい。
【００２５】
なお、表面における固溶炭素濃度の測定方法としては、析出物である炭化物（セメンタイト）の面積率から換算するという方法を用いることができる。
【００２６】
上記機械部品１において、表面１４と裏面との間の距離である厚さの平均値の下限を１ｍｍとしたのは、当該厚さの平均値が１ｍｍを下回ると、熱伝導によりただちに全体加熱となるため、表面焼入れ困難なためである。また、厚さの平均値の上限を１０ｍｍとしたのは、十分な厚さの製品では、他の加熱方法、たとえば高周波誘導加熱などでも適用可能なためである。厚さの平均値の下限は、２ｍｍでもよく、３ｍｍでもよい。厚さの平均値の上限は、９ｍｍでもよく、８ｍｍでもよく、７ｍｍでもよい。
【００２７】
上記機械部品１において、表面１４は、本体部において開口部を囲む環状の表面部分であり、当該機械部品１を軸受の軌道輪として好適に用いることができる。
【００２８】
＜機械部品の製造方法＞
図２は、図１に示した機械部品１の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３（Ａ）はレーザ照射工程を説明するための平面模式図であり、図３（Ｂ）はレーザ照射工程を説明するための断面模式図である。図２および図３を用いて機械部品１の製造方法を説明する。
【００２９】
機械部品１の製造方法では、まず図２に示すように準備工程（Ｓ１０）を実施する。具体的には、工程（Ｓ１０）において、機械部品１の本体部となる成形体を準備する。成形体は、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなり、図１に示すような形状の部材である。成形体は、任意の機械加工により作成することができる。
【００３０】
次に、加熱工程であるレーザ光照射工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、機械部品１となるべき成形体の表面１４（図３参照）にレーザ光５１を照射し、表面１４を加熱した。このとき、成形体を回転ステージ（図示せず）に固定し、図３の矢印に示すように回転軸５３を中心として回転させた。回転軸５３は、たとえば成形体の開口部中央を通るように配置される。このように成形体を回転させることで、環状の表面１４の全周にわたってレーザ光５１を照射できる。また、レーザ光５１の集光部の面積が表面１４の面積より小さい場合には、たとえば回転軸５３に沿った方向にレーザ光５１の照射位置を走査することで、表面１４の全面にわたってレーザ光５１を照射できる。このとき、成形体の回転速度、レーザ光５１の出力、集光部の面積、走査速度などを制御することで、成形体の表面１４のごく浅い領域のみをＡ１点以上の温度に昇温できる。表面１４の温度は、たとえば測温装置５２により測定できる。測温装置５２としては、たとえば放射温度計を用いることができる。上記のレーザ光５１の照射により表面１４の温度を所定の温度まで加熱した後、一定時間（たとえば１秒以上１０秒以下）保持する。
【００３１】
次に、冷却工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、成形体を所定の温度まで加熱して一定時間保持した後、レーザ光の照射を停止して成形体を冷却する。冷却方法としては、たとえば水や油などの冷媒を用いて成形体を冷却してもよい。具体的には、水や油などの冷媒曹に成形体を浸漬してもよいし、成形体に冷媒を噴射してもよい。この結果、表面１４に焼入れによる硬化層１５（図１参照）が形成される。その後、表面の洗浄や仕上げ加工などの後処理を実施することにより、図１に示した機械部品１を得ることができる。
【００３２】
＜軸受の構成および作用効果＞
図４は、本発明の実施の形態に係る軸受１０を示す断面模式図である。図４に示す軸受１０は、円錐ころ軸受であって、外輪２と、内輪１と、複数のころ４と、保持器３とを主に備えている。外輪２は、環形状からなり、内周面に転走面２４を有している。内輪１は、環形状からなり、外周面に転走面としての表面１４を有している。内輪１は、表面１４が外輪２の転走面２４に対向するように、外輪２の内周側に配置されている。内輪１は、図１に示した機械部品である。また、外輪２の転走面２４に対して、図２および図３に示したレーザ焼入れ方法を適用して焼入れ硬化層を形成してもよい。
【００３３】
ころ４は、外輪２の内周面上に配置されている。ころ４はころ転動面４４を有する。ころ転動面４４においてころ４は内輪１の転走面である表面１４および外輪２の転走面２４に接触する。複数のころ４は、たとえば合成樹脂からなる保持器３により周方向に所定のピッチで配置されている。これにより、ころ４は、外輪２および内輪１の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、軸受１０は、外輪２の転走面２４を含む円錐、内輪１の転走面である表面１４を含む円錐、およびころ４が転動した場合の回転軸の軌跡を含む円錐のそれぞれの頂点が軸受１０の中心線上の１点で交わるように構成されている。このような構成により、軸受１０の外輪２および内輪１は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００３４】
外輪２および内輪１は、軸受用材料の一例である鋼材、たとえば高炭素クロム軸受鋼により構成されていてもよい。たとえば、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２により外輪２および内輪１を構成してもよい。玉ころ４は、転動体であって、軸受用材料の一例である鋼材により構成されたていてもよいが、他の材料、たとえばセラミックスなどにより構成されていてもよい。
【００３５】
上述した軸受１０の特徴的な構成を要約すれば、軸受１０は、内輪１と、外輪２と、転動体としてのころ４とを備える。内輪１は転走面としての表面１４を有する。外輪２は、内輪１の外周側に位置し、転走面２４を有する。ころ４は、内輪１と外輪２との間に配置され、内輪１の転走面である表面１４および外輪２の転走面２４に接触する。内輪１および外輪２の少なくともいずれか一方が本実施形態に係る機械部品である。内輪１および外輪２の少なくとも一方の転走面は、上記機械部品の表面である。この場合、内輪１または外輪２の割れ疲労強度が向上しているため、疲労強度の向上した軸受１０を得ることができる。
【００３６】
（実施例）
＜試料＞
加工対象の試料として、円錐ころ軸受（ＮＴＮ社製  ３０２０６Ｕ）の内輪となるべき寸法の成形体を準備した。成形体の材質はＪＩＳ規格ＳＵＪ２である。
【００３７】
＜レーザ加熱装置＞
ドイツ国Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｎｅ社製のダイレクトダイオードレーザ装置を採用した。ダイレクトダイオードレーザ装置から出射するレーザ光は平均出力４ｋＷ、波長が９８０ｎｍ〜１０２５ｎｍである。
【００３８】
＜処理工程＞
試料を回転ステージに固定し、回転速度２０００ｒｐｍで回転させながら、転走面となるべき表面１４（図１参照）にレーザ光を照射した。レーザ光の照射条件としては、以下のような条件を用いた。レーザ光のビーム形状は５ｍｍ×５ｍｍの正方形とした。レーザ光の強度分布はトップハット型とした。試料の表面に対するレーザ光の照射角度は、試料の表面１４に対して垂直となる方向とした。
【００３９】
試料の表面温度は放射温度計を用いて測定した。レーザ光の照射領域の中央部の温度を測定し、当該温度が１１００℃に到達後１秒均熱保持した。その後、レーザ光の照射を停止し、試料を水冷することで焼入れを行った。
【００４０】
＜測定内容＞
試料の表面（転走面）における周方向での硬度分布測定：
上記焼入れ後の試料について、周方向での硬度分布測定を行った。具体的には、試験荷重を０．３ｋＮとしたビッカース硬度測定を、転走面の周方向において試料中心からの位相角度４５°ごとに測定した。測定位置は、転走面の周方向に垂直な方向である幅方向での中央部とした。測定方法はＪＩＳ規格Ｚ  ２２４４に準拠した。
【００４１】
試料の表面（転走面）における深さ方向での硬度分布測定：
上記焼入れ後の試料について、転走面における深さ方向でのビッカース硬度分布を測定した。測定は、ＪＩＳ規格Ｇ  ０５５９に準拠して行った。測定は表面から２ｍｍの深さの領域まで行った。ビッカース硬度測定は、試験荷重を０．３ｋＮとし、ＪＩＳ規格Ｚ  ２２４４に準拠した。
【００４２】
試料の表面（転走面）における深さ方向での残留応力分布測定：
上記焼入れ後の試料について、転走面における深さ方向での残留応力の分布を測定した。測定方法としては、Ｘ線回折装置を用い、電界研磨を行うことで、深さ方向の応力分布を測定するという方法を用いた。
【００４３】
＜結果＞
試料の表面（転走面）における周方向での硬度分布測定：
図５は、試料の周方向におけるビッカース硬度の分布を示すグラフである。図５の横軸は試料中心からの位相角度（単位：°）を示し、縦軸はビッカース硬度（単位：Ｈｖ）を示す。図５からわかるように、周方向の全周において、ソフトゾーンは形成されておらず焼入れできていることがわかる。
【００４４】
試料の表面（転走面）における深さ方向での硬度分布測定：
図６は、試料の転走面における深さ方向でのビッカース硬度の分布を示すグラフである。図６の横軸は試料の転走面である表面からの深さ（単位：ｍｍ）を示し、縦軸はビッカース硬度（単位：Ｈｖ）を示す。図６からわかるように、深さ０．４ｍｍ程度の位置までビッカース硬度が７００Ｈｖ超えとなっており、当該領域では十分に焼入れがなされていることがわかる。
【００４５】
試料の表面（転走面）における深さ方向での残留応力分布測定：
図７は、試料の転走面における深さ方向での残留応力の分布を示すグラフである。図７の横軸は試料の転走面である表面からの深さ（単位：ｍｍ）を示し、縦軸は残留応力の値（単位：ＭＰａ）を示す。図７の縦軸においてゼロ未満のマイナスの残留応力は圧縮残留応力を意味し、ゼロ超えのプラスの残留応力は引張残留応力を意味する。図７からわかるように、深さ１．２ｍｍ程度の位置まで３００ＭＰａ程度の圧縮残留応力が付与されていることがわかる。
【００４６】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、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を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本開示は、比較的薄肉の機械部品に対して有利に適用される。
【符号の説明】
【００４８】
１  機械部品（内輪）、２  外輪、３  保持器、４  ころ、１０  軸受、１２  一方端、１３  他方端、１４，２４  表面（転走面）、１５  硬化層、４４  転動面、５１  レーザ光、５２  測温装置、５３  回転軸。
【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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【図６】
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【図７】
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