(57)【要約】【課題】汎用のオーステナイト系ステンレス鋼を使用でき、オーステナイト系ステンレス鋼が持つ耐食性を維持しつつ、必要な硬さを、引張応力なく付与した転がり軸受を提供する。【解決手段】軌道輪の少なくとも一方が、オーステナイト系ステンレス鋼を下記加工率で２５％以上とした冷間ローリング成形加工にて得られ、かつ、冷間ローリング成形加工後における表面の残留応力が−３６ＭＰａ以下である転がり軸受。  加工率＝（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０−冷間ローリング成形後の断面積Ａ）            ／（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０）×１００（％）【選択図】図１
2015230012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の軌道輪の間に複数の転動体を転動自在に配置してなる転がり軸受において、
前記軌道輪の少なくとも一方が、オーステナイト系ステンレス鋼を下記加工率で２５％以上とした冷間ローリング成形加工にて得られ、かつ、冷間ローリング成形加工後における表面の残留応力が−３６ＭＰａ以下であることを特徴とする転がり軸受。
加工率＝（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０−冷間ローリング成形後の断面積Ａ）
／（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０）×１００（％）
【請求項２】
冷間ローリング成形加工後における表面硬さがＨＶ３００以上で、心部硬さがＨＶ３００以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軌道輪を冷間ローリング成形加工して得られる転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空環境や腐食環境、高温環境等で使用される転がり軸受では、軌道輪等の軸受部材にオーステナイト系ステンレス鋼が用いられることが多い。例えば、特許文献１には、オーステナイト系ステンレス鋼の軸部材を冷間圧延して表面を硬化させ、耐食性をそのままに硬度を得た動圧軸受装置が記載されている。また、特許文献２には、外輪及び内輪の少なくとも一方がオーステナイト系ステンレス鋼製で、減面率が２５％以上の塑性加工により表面硬さをＨＲＣ３５以上にした転がり軸受が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９７８１３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４７４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された転がり軸受では、オーステナイト系ステンレス鋼が軸部材に使用されるため、窒素を０．１質量％以上添加することが条件になっている。しかし、汎用的なオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４やＳＵ３１６には窒素が添加されておらず、特許文献１に記載された転がり軸受では使用材料が限定される。
【０００５】
また、特許文献２に記載された転がり軸受では、塑性加工により鋼材中に残留応力が発生する。一般的に塑性加工による加工量が大きければ鋼材の引張応力も大きくなり、早期破壊にもつながるため、加工量、もしくは引張応力に関して上限を設定しておく必要がある。特許文献２では、加工率が８０％を超えると過度の誘起変態が生じてマルテンサイト組織が現れるとしており、組織変化だけでなく破損の原因に直結する残留応力も注視する必要があると考えられる。
【０００６】
一方、腐食環境や負荷条件で使用される転がり軸受では、マルテンサイト系ステンレス鋼にＮ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の耐食性を向上させる元素を添加したり、オーステナイト系ステンレス鋼に窒素を添加し、更に熱処理を施すことも行われているが、これらの手法では添加元素のコストや、製造工程に熱処理工程が必要となり、コストと時間がかかる。
【０００７】
そこで本発明は、汎用のオーステナイト系ステンレス鋼を使用でき、オーステナイト系ステンレス鋼が持つ耐食性を維持しつつ、必要な硬さを、引張応力なく付与した転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、下記の転がり軸受を提供する。
（１）一対の軌道輪の間に複数の転動体を転動自在に配置してなる転がり軸受において、
前記軌道輪の少なくとも一方が、オーステナイト系ステンレス鋼を下記加工率で２５％以上とした冷間ローリング成形加工して得られ、かつ、冷間ローリング成形加工後における表面の残留応力が−３６ＭＰａ以下であることを特徴とする転がり軸受。
加工率＝（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０−冷間ローリング成形後の断面積Ａ）
／（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０）×１００（％）
（２）冷間ローリング成形加工後における表面硬さがＨＶ３００以上で、心部硬さがＨＶ３００以上であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の転がり軸受は、軌道輪を冷間ローリング成形加工して得られ、更には加工率を特定したことにより表面及び心部に必要な硬さが付与されている。また、汎用のオーステナイト系ステンレス鋼を使用することもでき、硬化のための熱処理も不要であり、安価に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】冷間ローリング成形の加工方法を説明するための模式図である。
【図２】加工率（拡大率）と表面硬さとの関係を示すグラフである。
【図３】加工率ごとに深さ方向の硬さを測定した結果を示すグラフである。
【図４】表面残留応力と寿命比との関係を示すグラフである。
【図５】本発明における表面残留応力の範囲を示すグラフである。
【図６】本発明における加工率の範囲を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
本発明において転がり軸受には制限はなく、玉軸受やころ軸受の他、直動装置等に適用することができ、軌道輪をオーステナイト系ステンレス鋼を冷間ローリング成形加工して得られる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、安価で、入手も容易であることなどから、汎用のＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等を好適に使用することができる。
【００１３】
冷間ローリング成形加工は、図１に示すように、オーステナイト系ステンレス製のリング材１の内部に、リング材１よりも小径の円柱状のマンドレル１０を通し、マンドレル１０を成形装置（図示せず）に固定する。また、リング材１０の外周に成形ロール２０を押し当て、マンドレル１０と成形ロール２０とでリング材１を挟み込む。そして、成形ロール２０を回転させながら矢印Ｆ方向に移動させることにより、リング材１に押圧が加えられ、リング材１は所定の円周に拡径される。同時に、リング材１は圧縮されて所定の硬さとなる。
【００１４】
この冷間ローリング成形加工では、塑性加工のように大きな加工量とはならず、また、熱処理しなくても硬化させることができ、製造コストの低減と製造時間の短縮を実現する。
【００１５】
本発明では、冷間ローリング成形加工における加工率を２５％以上とし、加工後の表面の残留応力を−３６ＭＰａ以下とすることにより、軸受寿命を大幅に向上させることができる。また、表面及び心部の硬さを、共にＨＶ３００以上とすることが好ましい。尚、加工率は下記式にて求められ、成形ロール２０のＦ方向への移動量（押し込み量）により目的の加工率とすることができる。
加工率＝（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０−冷間ローリング成形後の断面積Ａ）
／（冷間ローリング成形前の断面積Ａ０）×１００（％）
【００１６】
上記の加工率、表面残留応力、表面及び心部の硬さは、以下の実験から規定されたものである。
【００１７】
最も汎用的なオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６のリング材を試験片とした。尚、試験片には、内径１７．５ｍｍ、外径３４ｍｍ、厚さ１７．２ｍｍのものと、内径８．５ｍｍ、外径３０．４ｍｍ、厚さ１７．２ｍｍのものとの２種類用意した。そして、これら試験片に、図１に示すように冷間ローリング成形加工を施し、成形ロールの押し込み力を調整して加工率（拡軽率）を調整した。その際、ＳＵＳ３０４の試験片では、加工率０％（冷間ローリング成形加工無し）から５７％とし、ＳＵＳ３１６の試験片では、加工率０％から５３％とした。結果を図２に示すが、冷間ローリング成形加工しない場合（加工率０％）には表面の硬さがＨＶ２００であるのに対し、ＳＵＳ３０４の試験片では、表面の硬さが加工率１１％でＨＶ３００を超え、加工率５７％でＨＶ４００近くまで硬化している。また、ＳＵＳ３１６では、表面の硬さが加工率２７％でＨＶ３２０になり、加工率５３％で３６０程度まで硬化している。腐食環境で使用される転がり軸受は低面圧にて使用されることが殆どであるが、通常よりも多少大きな面圧で使用されることを考慮すると、表面硬さをＨＶ３００以上にすることが望ましい。また、高負荷で寿命が要求される用途では、表面硬さをＨＶ４００以上にすることが好ましい。
【００１８】
また、ＳＵＳ３０４のリング材を冷間ローリング成形加工して加工率を１１％、２５％、５７％とした試験片と、ＳＵＳ３１６のリング材を冷間ローリング成形加工して加工率を２７％、５３％とした試験片について、表面から深さ方向に硬さを測定した。結果を図３に示すが、加工率が１１％のＳＵＳ３０４の試験片では、表面から１ｍｍ深い位置では硬さがＨＶ３００未満となり、深さ２ｍｍの位置では硬さがＨＶ２５０まで低くなっている。軸受の軌道輪としては、表面の硬さを上記のようにＨＶ３００にすることに加えて、心部の硬さもＨＶ３００以上であることが望ましく、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６ともに、加工率が２５％以上になると、表面及び深さ２ｍｍの位置で硬さがＨＶ３００以上になっている。更には、深さ２ｍｍを超える心部においてもＨＶ３００未満になることはなかった。このように、加工率を２５％以上にすることにより、軸受の軌道輪として必要な表面及び心部の硬さをＨＶ３００以上にすることができる。
【００１９】
上記のように冷間ローリング成形加工に材料の表面及び心部の硬さを増すことができるが、一方で残留引張応力が発生する。引張応力は寿命低下や早期破損の要因の一つであり、重要な要素である。そこで、ＳＵＳ３０４のリング材を冷間ローリング成形加工して加工率を０％、１１％、２５％、４１％、４６％、５７％、６８％、７５％とした試験片と、ＳＵＳ３１６のリング材を冷間ローリング成形加工して加工率を２７％、３４％、５３％とした試験片について、表面残留応力を測定した。尚、ＳＵＳ３０４の加工率７５％の試験片については、４００℃にて１時間の時効処理を施した。その結果、下記表１にも示すように、ＳＵＳ３０４の各試験片には表面残留応力が認められなかったものの、ＳＵＳ３１６の加工率３４％、５３％の試験片では引張応力（表面残留応力が０ＭＰａ以上）が認められた。
【００２０】
また、これらの試験片を用いて寿命試験を実施し、加工率と寿命との関係を調べた。即ち、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６のリング材から上記試験片と同じ加工率にて冷間ローリング成形加工した後、研削して６２０６軸受用の内輪を作製した。そして、この内輪を６２０６軸受に組み込み、クリーン環境にて荷重を２９４０Ｎ、回転数を３０００ｍｉｎ−１、潤滑油（＃６８タービン油）で潤滑を行い、寿命を測定した。寿命の測定結果を表１に示すが、比較例１のＳＵＳ３０４の加工率０％とした内輪を用いたときの寿命を１とする相対値で示す。
【００２１】
尚、表１には、各試験片の表面の硬さ及び表面残留応力についても記載した。
【００２２】
【表１】
2015230012.tif 000003
【００２３】
表１の実施例のように、加工率を２５％以上とし、加工後の表面硬さがＨＶ３００以上で、表面残留応力が−３６ＭＰａ以下のときに、比較例１に比べて１０倍以上の寿命比がえられることがわかる。
【００２４】
比較例２では、表面硬さがＨＶ３００以上であるものの、図３のＳＵＳ３０４の加工率１１％に示すように心部硬さが３００以下であった。しかし、表面残留応力がマイナスの値で、圧縮応力であることから、比較例１よりは長寿命である。
【００２５】
比較例３では、表面硬さがＨＶ３００以上であり、図３のＳＵＳ３０４の加工率２５％、５７％に示すように心部硬さもＨＶ３００以上になるが、表面残留応力が僅かに引張応力となっており、比較例１とほぼ同等の寿命にしかならない。
【００２６】
比較例４では、表面硬さが３００ＨＶ以上であり、図３のＳＵＳ３１６の加工率５３％に示すように心部硬さもＨＶ３００以上であるが、表面残留応力が大きく引張応力となっているため、比較例１よりも大幅に短寿命になっている。
【００２７】
図４に実施例及び比較例の表面残留応力と寿命比との関係を示すが、表面残留応力が引張応力になるほど寿命が低下するのがわかる。また、図５に示すように、表面残留応力が−３６Ｍｐａ以下の範囲で格段に寿命が向上している。
【００２８】
また、図６に実施例及び比較例の加工率と寿命比との関係を示すが、加工率が２５％の範囲で格段に寿命が向上していることがわかる。
【００２９】
以上のように、オーステナイト系ステンレス鋼を、加工率２５％以上にて冷間ローリング成形加工し、表面の残留応力を−３６ＭＰａ以下にすることにより、長寿命の軌道輪が得られる。また、表面硬さ及び心部硬さを、共にＨＶ３００以上にすることがより好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１  リング材
１０  マンドレル
２０  成形ロール
【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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