(57)【要約】【課題】低コストでありながら、転がり疲労寿命を向上させた転がり軸受用軌道輪を提供する。【解決手段】部分拡散合金鋼粉を圧縮成形した後、焼結することにより焼結金属素材１０’を形成し、焼結金属素材１０’に塑性加工で軌道面２を形成して軌道輪１を製作する。軌道輪１の少なくとも危険体積を予測体積として、少なくともこの予測体積に存在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√areamaxを５０μｍ未満に設定する。【選択図】図１
2015183706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転動体が転動する軌道面を有し、前記軌道面が焼結金属素材に塑性加工を施すことで形成されている軸受用軌道輪であって、
前記焼結金属素材が、部分拡散合金鋼粉を圧縮成形した後、焼結することにより形成され、少なくとも危険体積を予測体積として、該予測体積に存在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√areamaxが５０μｍ未満であることを特徴とする軸受用軌道輪。
【請求項２】
転動体が転動する軌道面を有し、前記軌道面が焼結金属素材に塑性加工を施すことで形成されている軸受用軌道輪であって、
前記焼結金属素材が、部分拡散合金鋼粉を圧縮成形した後、焼結することにより形成され、軌道面に生じる接触楕円の軸方向幅の範囲で最大せん断応力を生じる深さに至るまでの領域を予測体積として、該予測体積に存在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√areamaxが５０μｍ未満であることを特徴とする軸受用軌道輪。
【請求項３】
前記部分拡散合金鋼粉として、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系を使用した請求項１または２記載の軸受用軌道輪。
【請求項４】
前記部分拡散合金鋼粉として、水アトマイズされた鋼粉もしくは純鉄粉に合金成分を拡散接合させたものを使用した請求項１〜３何れか１項に記載の軸受用軌道輪。
【請求項５】
前記部分拡散合金鋼粉がＮｉ：０．５〜５ｗｔ％、およびＭｏ：０．５〜３ｗｔ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる請求項１〜４何れか１項に記載の軸受用軌道輪。
【請求項６】
少なくとも軌道面を熱処理により硬化させた請求項１〜５何れか１項に記載の軸受用軌道輪。
【請求項７】
前記塑性加工が、冷間ローリング加工、転造加工、バニシング加工、またはショットピーニング加工のうちの少なくとも何れか一つである請求項１〜６何れか１項に記載の軸受用軌道輪。
【請求項８】
シール部材と接触もしくは近接するシール部を有し、シール部が前記焼結金属素材に塑性加工を施すことで成形されている請求項１〜７何れか１項に記載の軸受用軌道輪。
【請求項９】
内周に外側軌道面を有する外輪と、外周に内側軌道面を有する内輪と、外側軌道面と内側軌道面の間に配置された複数の転動体と、転動体を保持する保持器とを有し、前記外輪および内輪のうち、少なくとも一方または双方に、請求項１〜８の何れか一項に記載の軸受用軌道輪を用いた転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軌道輪および該軌道輪を有する転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の構成部材である軌道輪（例えば内輪や外輪）は、ボールやころ等の転動体が転動する軌道面を有している。この種の軌道輪は、中実の金属素材（溶製材）に切削等の機械加工あるいは鍛造等の塑性加工を施すことで略完成品形状の中間加工品を得る工程、中間加工品に焼入れ等の熱処理を施す熱処理工程、および特に高精度が要求される部位に研削、研磨等の仕上げ加工を施す仕上げ工程などを経て最終製品に仕上げられるのが一般的である。
【０００３】
既存の軌道輪の製造方法において、中間加工品を得るために機械加工を選択した場合、高精度の中間加工品を得ることができるという利点はあるが、加工量が多く材料ロスが大きいために歩留の向上を図る上で難がある。また、加工量が多く、加工工具を頻繁に交換する必要があるためにダウンタイムが長くなり易く、生産効率を有効に高め得ないという問題もある。これらの問題は、軌道輪が複雑形状を呈する場合ほどその傾向が大きくなる。一方、中間加工品を得るために塑性加工を選択すると、中間加工品の製作段階における材料ロスを少なくすることができるという利点はあるが、機械加工ほどの加工精度を確保することが難しいために入念かつ大幅な仕上げ加工が必要となる。そのため、仕上げ加工に手間とコストを要し、また、期待するほどの材料ロスの軽減効果を得られないのが実情である。
【０００４】
このように、溶製材から軌道輪を得るようにした場合、上述した各理由から、軌道輪、ひいては転がり軸受の低コスト化に限界が生じる。そこで、例えば下記の特許文献１〜３に記載されているように、軌道輪としての内輪又は外輪を焼結金属（金属焼結体）で形成する提案がなされている。
【０００５】
特許文献１には、ガスアトマイズした高速度工具鋼粉をＣＩＰ法（冷間等方圧加圧法）＋熱間押出法、もしくはＨＩＰ法（熱間等方圧加圧法）で焼結することで、最大空孔の真円換算直径が３μｍ以下で、最大炭化物の真円換算直径が１２μｍ以下であり、かつ硬さがＨＲＣ６４を超え６９未満の軌道輪や転動体を製作する旨が開示されている。
特許文献２には、ガスアトマイズした、クロムを多く含む所定組成の鋼粉末をＨＩＰ法で焼結した軸受部品が開示されている。
特許文献３には、焼結体に塑性加工で軌道面を形成することで、相対密度を８０％以上１００％未満にした軸受用軌道輪が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２８７６７１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−５３３６８８号公報
【特許文献３】特開２０１２−１２７４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１で使用される高速度工具鋼粉末は、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム等を多く含む鋼粉末であるため、高価である。特許文献２で使用される粉末も入手困難な特殊粉末であり、同様の問題を生じる。また、何れの粉末もガスアトマイズされた完全合金鋼粉であるために圧縮性が低い。従って、高密度化するためにＨＩＰやＣＩＰ等の量産性の低い焼結工程を用いざるを得ない。以上から、特許文献１および２に開示された軌道輪や転がり軸受では、製造コストが高騰する問題がある。
【０００８】
また、特許文献３では、機械的強度確保のために軌道輪の相対密度を向上させる旨が記載されているが、軌道輪全体が高密度でも、軌道面付近に粗大気孔を生じる可能性がある。その場合、この粗大気孔が起点となって軌道面の剥離等を生じるおそれがあり、軌道輪の転動疲労寿命が不十分となる。
【０００９】
そこで、本発明は、低コストでありながら、転がり疲労寿命を向上させた転がり軸受用軌道輪および該軌道輪を用い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】
【００１０】
本発明にかかる軸受用軌道輪は、転動体が転動する軌道面を有し、前記軌道面が焼結金属素材に塑性加工を施すことで形成されているものであって、前記焼結金属素材が、部分拡散合金鋼粉を圧縮成形した後、焼結することにより形成され、危険体積を予測体積として、該予測体積に存在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√areamaxが５０μｍ未満（好ましくは４０μｍ未満、より好ましくは３０μｍ未満）であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明にかかる軸受用軌道輪は、転動体が転動する軌道面を有し、前記軌道面が焼結金属素材に塑性加工を施すことで形成されているものであって、前記焼結金属素材が、部分拡散合金鋼粉を圧縮成形した後、焼結することにより形成され、軌道面に生じる接触楕円の軸方向幅の範囲で最大せん断応力を生じる深さに至るまでの領域を予測体積として、該予測体積に存在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√areamaxが５０μｍ未満（好ましくは４０μｍ未満、より好ましくは３０μｍ未満）であることを特徴とするものである。
【００１２】
これらの構成により、軌道面周辺の焼結組織に粗大空孔が存在しなくなるので、この粗大空孔を起点として軌道輪にフレーキング等の損傷が生じるのを防止することができ、溶製材に匹敵する転動疲労寿命を得ることが可能となる。
【００１３】
また、部分拡散合金鋼粉としてＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系を使用すれば、この粉末が軟らかいため、圧縮成形時に高密度化することができる。従って、塑性加工による緻密化の作用と併せて、軌道面周辺での粗大気孔の発生を回避することができる。また、軌道面等を塑性加工で成形する際の成形性も良好なものとなる。
【００１４】
また、部分拡散合金鋼粉として、水アトマイズされた鋼粉もしくは純鉄粉に合金成分を拡散接合させたものを使用すれば、軌道輪、延いては転がり軸受の低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低コストでありながら、転がり疲労寿命を向上させた軌道輪を提供することができる。従って、この軌道輪を転がり軸受の構成部品として用いることで、転がり軸受の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）図は外輪の断面図、（ｂ）図は塑性加工前における焼結金属素材の断面図である。
【図２】軌道輪の製造工程を示すブロック図である。
【図３】塑性加工工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）図は外輪の断面図、（ｂ）図は塑性加工前における焼結金属素材の断面図である。
【図５】玉軸受の拡大断面図である。
【図６】玉軸受の断面図である。
【図７】（ａ）図は転動疲労寿命試験前の内輪を示す写真であり、（ｂ）図は該試験後の内輪を示す写真である。
【図８】（ａ）図は転動疲労寿命試験前の内輪を示す拡大写真であり、（ｂ）図は該試験後の内輪を示す拡大写真である。外輪を除いた状態で、図６の固体潤滑転がり軸受を外径側から見た展開図である。
【図９】転動疲労寿命試験の結果を示す表である。
【図１０】実施例１と比較例１の各断面の拡大写真である。
【図１１】外輪を軌道面側から見た平面図である。
【図１２】二物体の接触を表すモデル図である。
【図１３】接触面下の等応力線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１（ａ）に、本発明の一実施形態に係る転がり軸受用軌道輪の断面図を示す。同図に示す軌道輪は単列の玉軸受の構成部材である外輪１であり、その内径面の軸方向略中央部に、転動体としてのボールが転動する環状の軌道面２を有する。軌道面２の軸方向両側には、シール部として環状のシール取り付け溝３が形成されている。シール取り付け溝３には、図５に示すように、外輪１の内周面と内輪５の外周面との間の空間をシールするシール部材９が固定される。シール部材９としては、同図に示すように相手側の軌道輪（内輪５）に接触するものの他、相手側の軌道輪に対して非接触となるものも含まれる。
【００１９】
この外輪１は、原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成し、この圧粉体を焼結温度以上で加熱することによって焼結させた焼結金属で形成される。この実施形態において、軌道面２およびシール取り付け溝３は、焼結金属素材の内周面に塑性加工を施すことによって成形された塑性加工面である。外輪１の少なくとも軌道面２は、熱処理により硬化されている。
【００２０】
この外輪１は、図２に示す原料粉末準備工程Ｓ１、圧縮成形工程Ｓ２、脱脂工程Ｓ３、焼結工程Ｓ４、塑性加工工程Ｓ５、熱処理工程Ｓ６、および仕上げ工程Ｓ７を経て製造される。
【００２１】
原料粉末準備工程Ｓ１では、鉄系低合金粉末と、炭素固溶源としての炭素粉末と、成形時の潤滑を担う成形用潤滑剤とを混合して原料粉末が製造される。
【００２２】
鉄系低合金粉末としては、合金成分としてＮｉおよびＭｏを含み、残部をＦｅ及び不可避的不純物としたＮｉ-Ｍｏ系の部分拡散合金鋼粉が使用される。この実施形態で使用する部分拡散合金鋼粉は、Ｆｅ−Ｍｏ合金の周囲にＮｉを拡散接合させたものである。このように、Ｆｅ合金にＮｉ等の金属を拡散付着させることで、ＦｅとＮｉとを完全に合金化した鋼粉（プレアロイ鋼粉）と比べて、焼結前の合金鋼粉の硬さが抑えられるため、圧縮成形時の成形性が確保される。その結果、比較的多量のＮｉを配合することが可能となる。具体的に、本実施形態の部分拡散合金鋼粉におけるＮｉの配合割合は、０．５〜５．０ｗｔ％、好ましくは１．７〜２．２ｗｔ％とされる。一方、Ｍｏは、多量に添加してもその効果は飽和して、かえって成形性を悪化させる原因となる。このため、部分拡散合金鋼粉におけるＭｏの配合割合は、０．５〜３．０ｗｔ％、好ましくは０．８〜１．１ｗｔ％、より好ましくは０．９〜１．１ｗｔ％とされる。
【００２３】
部分拡散合金鋼粉のベースとなる鋼粉としては、アトマイズ粉や還元粉等が存在するが、還元粉は粒子が多孔質で高密度化が困難であるため、本実施形態では、空孔を有しない中実のアトマイズ粉、特にコスト面も考えて水アトマイズ粉を使用する。なお、部分拡散合金鋼粉の例として、Ｆｅ−Ｍｏ合金の周囲にＮｉを拡散接合させたものを例示したが、純鉄粉の周囲にＮｉやＭｏを拡散接合させた合金粉を使用することもできる。
【００２４】
この部分拡散合金鋼粉は軟質であり、純鉄粉と同程度の硬さを有する。部分拡散合金鋼粉の硬さの目安として、マイクロビッカース硬度で１２０ＨＶ０．０５未満、望ましくは１００ＨＶ０．０５未満、より好ましくは９０ＨＶ０．０５未満のものが使用される。この硬度は、特許文献３で使用される、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系の完全合金粉末（プレアロイ粉末）における粒子の硬さ（概ね１２０ＨＶ０．０５以上）に比べて低い。そのため、この種の完全合金粉末に比べ、同一の加圧力でもより高密度化させやすくなる。
【００２５】
この部分拡散合金鋼粉としては、粒径が最大で５００μｍ以下（好ましくは２５０μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下）のものを使用するのが望ましい。この粒径は、目開きが上限粒径（例えば５００μｍ）である篩を使用して、入手した粉末を篩分けすることで得ることができる。５００μｍを越える粗大粉末が含まれていると、後述の圧縮成形工程Ｓ２での充填性が悪化し、焼結組織中に粗大空孔が発生し易くなる。微細な粒子径を有する合金鋼粉では、金型での粉末の流動性低下を防止するため、造粒により粒径を大きくする場合があるが、本実施形態の部分拡散合金鋼粉は粒子径が大きく、流動性も良好であるので、造粒は基本的に不要である。
【００２６】
炭素粉末としては、例えば人造黒鉛の粉末が使用される。黒鉛粉末は、粒径Ｄ９０が８μｍ以下のものが使用され、好ましくは６μｍ以下、より好ましくは４μｍ以下のものが使用される。また、黒鉛粉末の粒径Ｄ９０は、２μｍ以上、好ましくは３μｍ以上のものが使用される。黒鉛粉末の配合割合は、混合粉末全体に対して０．３５ｗｔ％以下、好ましくは０．３ｗｔ％以下、より好ましくは０．２５ｗｔ％以下とされる。また、黒鉛粉末の配合割合は、混合粉末全体に対して０．０５ｗｔ％以上、好ましくは０．１ｗｔ％以上、より好ましくは０．１５ｗｔ％以上とされる。炭素粉末としては、黒鉛粉末の他、カーボンブラック、ケッチェンブラック、ナノカーボン粉末などを使用することもできる。これらの何れかの粉末を二種以上使用することも可能である。
【００２７】
成形用潤滑剤としては、金属石けん（例えばステアリン酸亜鉛）やアミドワックス（例えばエチレンビスステアルアミド）等の公知の潤滑剤粉末を任意に選択して使用することができる。本発明の目的を果たす上では、焼結後に素材内部に残存しない成分であれば潤滑剤粉末の種類は問わない。また、二種類以上の成形用潤滑剤を併用することもできる。
【００２８】
成形圧縮工程Ｓ２では、成形金型のキャビティに上記の原料粉末を投入・充填し、これを圧縮することで圧粉体１０を成形する。この時の成形は、一軸および多軸加圧成形、ＣＮＣプレス成形などの連続生産に適した成形機で行われる。図１（ｂ）に示すように、圧縮成形工程Ｓ２にて成形される圧粉体１０は、図１（ａ）に示す外輪１と同様のリング状に成形されるが、その内径面および外径面の双方は凹凸のない平滑な円筒面とされている。
【００２９】
成形圧縮工程Ｓ２での成形圧力は５８８ＭＰａ（６ｔｆ／ｃｍ2）以上、より好ましくは９８０ＭＰａ（１０ｔｆ／ｃｍ2）以上とする。圧粉体１０の成形時には、上記の高い加圧力により成形用潤滑剤が液相化し、この液相化された固体潤滑剤が原料粉末相互間に拡散・浸透する。但し、上記の成形圧力は目安にすぎない。本発明の目的を達成するためには、焼結体の密度や空孔サイズが重要となるので、使用する粉末の種類や成形条件によっては、上記成形圧力よりも低い圧力で成形しても構わない。また、さらなる高密度化のために金型および粉末を６０℃以上に加温して成形する温間成形を採用し、あるいは成形用潤滑剤の使用量を削減するために金型潤滑を用いた成形機を使用することもできる。
【００３０】
脱脂工程Ｓ３では、圧粉体１０に含まれる成形用潤滑剤が除去される。脱脂は、一般的な焼結金属製品を製作する場合と同様の条件で行うことができる。
【００３１】
焼結工程Ｓ４では、脱脂された圧粉体１０を焼結温度以上で加熱し、焼結金属素材１０’を形成する。緻密で空孔の小さい焼結金属素材１０’が得られるように、焼結温度は１１５０℃以上１３５０℃以下、より好ましくは１２５０℃以上１３００℃以下とする。また、酸化による焼結性および強度の低下と、脱炭とを防止するため、窒素、水素、アルゴン等を主成分とする不活性もしくは還元性雰囲気下で焼結するのが好ましい。なお、真空下で焼結することもできる。焼結後の焼結金属素材１０’は、相対密度９０％以上（好ましくは９５％以上、より好ましくは９７％以上）を有する。
【００３２】
塑性加工工程Ｓ５では、上記のようにして形成された焼結金属素材１０’に対して塑性加工を施すことにより、焼結金属素材１０’の内径面に軌道面２およびシール取り付け溝３が成形される。これらの成形は、例えば図３に示すような転造機（リング転造機）２０を用いて同時に行うことができる。転造機２０は、軌道面２およびシール取り付け溝３を成形するための型部２１を外周に有する軸状のマンドレル２２と、焼結金属素材１０’外径面に接した状態で図示外の駆動源の出力を受けて回転するダイロール２３と、マンドレル２２の回転を支持するサポートロール２４とを備えている。このような転造機２０において、焼結金属素材１０’の内周に挿通したマンドレル２２をサポートロールで支持しつつ、焼結金属素材１０’の内外径面をマンドレル２２とダイロール２３とで挟み込み、ダイロール２３をサポートロール２４側に押し付けつつ回転させる。これにより、焼結金属素材１０’の内径面に軌道面２およびシール取り付け溝３が成形される。
【００３３】
軌道面２と二つのシール取り付け溝３は、上記のように同時成形する他、個別に順次成形しても構わない。また、軌道面２とシール取り付け溝３の成形は、金属焼結体１０’の薄肉化および大径化を伴うように行っても良いし、金属焼結体１０’の薄肉化および大径化を伴わないように行っても良い。塑性加工法は、転造に限らず、常温下で焼結金属素材１０’を回転させながら圧延する冷間ローリング加工、さらにはバニシング加工等を採用することもできる。何れの塑性加工法を採用する場合でも、冷間で塑性加工を行えば、温間あるいは熱間で塑性加工を行う場合に比べ、軌道面２やシール取り付け溝３の精度およびそれらの周辺での密度を効率的に高めることができる。
【００３４】
また、軌道面２等の塑性加工後に、軌道面２をはじめとする必要部位に硬質粒子を投射し、そのエネルギーで表層近傍の空孔を目潰しする加工（例えばショットピーニング）を施してもよい。
【００３５】
熱処理工程Ｓ６は、軌道面２およびシール取り付け溝３が成形された焼結金属素材１０’に焼入れおよび焼き戻しを行うことにより、焼結金属素材１０’の少なくとも軌道面２を硬化させて軌道面２に必要とされる転動疲労寿命を確保する工程である。焼入れの手法としては、ずぶ焼入れの他、浸炭、浸炭窒化、高周波焼入れ等の各種焼入れ処理（もしくは表面硬化処理）を採用することができる。焼入れ後に焼き戻しを行うことで、焼結金属素材内部の靭性が確保されるため、き裂の進展が抑制される。
【００３６】
仕上げ工程Ｓ７は、熱処理工程Ｓ６を経た金属焼結体１０’の所定部位（例えば、軌道面２やシール取り付け溝３）に対して研削加工、研磨加工、ラップ加工、超仕上げ加工等の仕上げ処理を一又は複数種施すことにより、金属焼結体１０’の所定部位の精度を一層高める工程である。この仕上げ工程Ｓ７は、必要に応じて実行すれば足り、必ずしも実行する必要はない。なお、この仕上げ工程Ｓ７で仕上げ処理を実行するにしても、その加工量（加工時間）は極めて少なく、従って歩留や加工工数に及ぼす影響は極めて軽微である。
【００３７】
以上の工程を経て製作した外輪１は高密度であるので、溶製材からなる外輪１と同程度の機械的強度を得ることができる。また、軌道輪を焼結金属製とし、さらに塑性加工によって軌道面２およびシール取り付け溝３を成形しているため、ニヤネットシェイプ化が可能で、材料歩留りが良好となる。そのため、転がり軸受の低コスト化を図ることができる。
【００３８】
次に転がり軸受の構成を説明する。
図７は、転がり軸受の一種である単列の玉軸受４０を示すものである。同図に示す玉軸受４０は、内径面に環状の軌道面２が設けられた外輪１と、外径面に環状の軌道面６が設けられた内輪５と、両軌道面２，６の間に配された転動体としての複数のボール４と、ボール４を円周方向所定間隔で保持する保持器８と、ボール４の軸方向両側に配設されたシール部材９とを備えている。各シール部材９の内径端部は、内輪５の外周面に設けられたシール溝７と接触して接触シールを構成している。シール部材９の外径端部は外輪１のシール取り付け溝３に圧入固定されている。
【００３９】
図７に示す玉軸受の外輪１のみならず、内輪５も上記の製造手順で製造することができる。この場合、上記と同様に原料粉末準備工程Ｓ１および圧縮成形工程Ｓ２を経て図５（ｂ）に示す円筒状の圧粉体１５が製作され、次いで、脱脂工程Ｓ３および焼結工程Ｓ４を経て焼結金属素材１５’が製作される。その後、塑性加工工程Ｓ５で軌道面６およびシール部としてのシール溝７が成形される。その後、熱処理工程Ｓ６、および仕上げ工程Ｓ７を経ることで、図５（ａ）に示す内輪５が完成する。
【００４０】
図７では、転がり軸受として単列の玉軸受を例示しているが、これ以外にも、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、針状ころ軸受、アンギュラ玉軸受等のような他のタイプの転がり軸受における軌道輪の製造工程にも上記の製造手順を適用することができる。もちろん、単列タイプの転がり軸受用軌道輪のみならず、複列タイプの転がり軸受用軌道輪や、スラスト軌道面を有するスラスト転がり軸受の軌道輪にも上記の製造手順を適用することができる。また、軸受用途によっては、シール取付け溝３やシール溝を省略した軌道輪、さらにはシール部材９を有しない転がり軸受にも上記の製造手順を適用することができる。
【００４１】
ところで、上記の製造手順のように、軌道面２（シール取り付け溝３も含む）を塑性加工すれば、焼結金属素材１０’の少なくとも軌道面２周辺では、塑性加工時の加圧力がおよびにくい領域、例えば焼結金属素材１０’の厚み方向の中央部に比べて多孔質組織を一層緻密化（高密度化）することができる。軌道面２の周辺が緻密に形成されれば、応力集中源となる粗大気孔が少なくなり、それを起点とした軌道面２の剥離等も発生し難くなることから、軌道輪の繰り返し疲労強度をさらに向上させることができると考えられる。
【００４２】
このように軌道面周辺の粗大気孔の有無は軌道輪の耐久寿命に大きな影響を与えると考えられるため、軌道輪の耐久寿命を評価するためには、粗大気孔の存在の程度を何らかの形で数値化することが望まれる。数値化する一つの手段として、特許文献３に記載のように、焼結金属素材１０’の相対密度を規定することが考えられる。ここで、相対密度は以下に示す式（１）で表されるものである。
【数１】
2015183706.tif 000003
【００４３】
なお、式（１）における真密度［ｇ／ｃｍ3］は溶製材のように素材内部に空孔が存在しない材料の理論密度を意味し、詳細には下記の式（２）から求めることができる。
【数２】
2015183706.tif 000004
【００４４】
例えば、Ｆｅ、Ｃｒの化学成分が８７．０、１３．０［ｗｔ％］であるステンレス材の真密度は、上記各元素の密度がそれぞれ７．８７、７．１５［ｇ／ｃｍ3］であることから、下記の式（３）のとおりとなる。
【数３】
2015183706.tif 000005
【００４５】
しかしながら、相対密度は軌道輪全体の緻密化の程度を評価する上では有効な尺度であるにしても、軌道面周辺に限った領域での粗大気孔の有無を評価する上では必ずしも有効ではない。例えば、軌道輪全体の相対密度が下限値を超えていても、軌道面周辺に数は少ないながらも粗大気孔が存在する場合があり、この粗大気孔が剥離の起点となることが予想される。軌道輪のうち、軌道面周辺に限った相対密度を規定することも考えられるが、そのような軌道輪の一部領域の相対密度を厳密に測定することは容易ではない。また、塑性加工により緻密化されるべき領域は、本来、軌道面２に負荷される荷重（面圧）に応じて決定すべきである。
【００４６】
以上の検証に基づき、本発明では、軌道輪のうち、少なくとも軌道輪の危険体積（一般に最大せん断応力の９０％以上の応力が掛かる深さ）の領域に内在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√ａｒｅａmax（ａｒｅａmax）1/2に着目した。
【００４７】
ここで、危険体積は、軌道面の剥離を生じる危険性のある部分の体積を意味し、
危険体積＝（接触楕円長径）×（軌道面の円周方向長さ）×（最大せん断応力の９０％が作用する深さ）
で表される。
【００４８】
また、最大せん断応力τ45（表面に対して４５°傾いて作用する最大せん断応力）の深さは、以下に述べる手法で計算することができる。
【００４９】
例えば、溶製材製６２０６型番の転がり軸受（材質：ＳＵＪ２、ヤング率２１２００ｋｇｆ／ｍｍ2、ポアソン比：０．３３）の内輪の場合を記述する。
・球の直径  ：９．５２５ｍｍ  →  半径４．７６２５ｍｍ
・球数      ：８ケ
・内輪溝径  ：９．７１６ｍｍ  →  半径４．８５８ｍｍ
・内輪溝底径：３６．９７５ｍｍ  →  半径１８．４８７５ｍｍ
【００５０】
図１２に記載の二物体の接触を考え、以下、物体１を内輪、物体２をボール（球）として考える。
接触物体の主曲率ρの総和Σρは、
【数４】
2015183706.tif 000006
で表される。
なお、主曲率ρは半径の逆数であり、凸面では正、凹面では負の符号を持つ。
【００５１】
また、以後の計算で用いる補助変数ｃｏｓτは、
【数５】
2015183706.tif 000007
である。
ヘルツ接触の係数μ・ポアソン比・油の動粘度νは、各種資料に記載されている代表的な数値の上下限の中央値を採用することができる。ここでは、μ=４．９９、ν=０．３５９とした。
【００５２】
ここで、試験荷重Ｆｒをｘ(ｋｇｆ)とすると、最大転動体荷重はＦｒ/ 球数=ｘ/8となり、接触楕円の短径ｂは以下となる。
【数６】
2015183706.tif 000008
【数７】
2015183706.tif 000009
（ｍ1およびｍ2：内輪および球のポアソン比、Ｅ1およびＥ2：内輪および球の縦弾性係数）
さらに、上記接触楕円の短径ｂとτ45の発生する深さｚとの比ｚ／ｂの分布を、図１３に示す。以上より、最大せん断応力深さＺmax≒０．７５ｂとなり、試験荷重（例えば６３０ｋｇｆ）が決まれば一義的に算出することが可能である（この場合、ｂ＝０．２１ｍｍとなる）。
【００５３】
なお、補助変数ｃｏｓτ、ヘルツ接触の係数とμ、および油の動粘度νは、完全楕円積分を媒介として以下の各式から算出することもできる。
【数８】
2015183706.tif 000010
【数９】
2015183706.tif 000011
【数１０】
2015183706.tif 000012
ここにＫ，Ｅはそれぞれ第一種および第二種の完全楕円積分で、以下の式で表される値である。この他、数表からＫおよびＥを求めることができる。
【数１１】
2015183706.tif 000013
【数１２】
2015183706.tif 000014
【００５４】
次に、最大空孔の包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxの推定手法を以下に説明する。
【００５５】
まず、焼結体の空孔の極値分布が二重指数分布に従うとする。これにより、極値統計を用いた空孔包絡面積の最大値の推定を行う。具体的には以下の手順を経て、推定最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxが算出される。
【００５６】
鏡面研磨を施した試験片について顕微鏡観察を行い、定めた基準面積Ｓ0（ｍｍ2）のｙ領域の画像を取得する。得られた画像について画像解析ソフトを用いて二値化し、空孔の包絡面積を解析する。得られた包絡面積のうち最も大きなものを基準面積（Ｓ0ｍｍ2）中の最大空孔包絡面積とし、その平方根をその領域における√ａｒｅａmaxとする。この測定を、検査領域を変えてｎ回繰り返す。
【００５７】
測定したｎ個の√ａｒｅａmaxを小さいものから順に並べ、それぞれ√ａｒｅａmax,j（ｊ＝１〜ｎ）とする。（式１３参照）
【数１３】
2015183706.tif 000015
【００５８】
それぞれのｊ（ｊ＝１〜ｎ）について、式１４で表される累積分布関数Ｆj（％）および式１５で表される基準化変数ｙjを計算する。
【数１４】
2015183706.tif 000016
【数１５】
2015183706.tif 000017
【００５９】
極値確率用紙の座標横軸に√ａｒｅａmaxを取り、上記結果をプロットして極値分布を得る。（極値確率用紙の縦軸はＦもしくはｙを取っている）
最小二乗法による近似直線を極値分布に対して外挿し、式１６で表されるａおよびｂを得る。ただし、ｙは式１７で表される基準化変数、Ｔは式１８で表される再帰期間、Ｖは推定対象領域の体積（ｍｍ3）、Ｖ0は式１９で表される基準体積（ｍｍ3）、ｈは式２０で表される測定した√ａｒｅａmax,jの平均値（ｍｍ）である。
【数１６】
2015183706.tif 000018
【数１７】
2015183706.tif 000019
【数１８】
2015183706.tif 000020
【数１９】
2015183706.tif 000021
【数２０】
2015183706.tif 000022
【００６０】
極値確率用紙の縦軸であるＦ目盛の１０〜８５％におけるプロット点が近似直線状に乗ることを確認する。これにより、得られた極値分布が二重指数分布に従うことを確認できる。
式１８に推定対象領域の体積Ｖを代入し、再帰期間Ｔと得られた極値分布が交わる点が推定最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxである。
【００６１】
次に、推定した最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxの値の大小が軌道輪の転動疲労寿命に与える影響について検証するため、転動疲労寿命試験を行った。以下、この試験方法を説明する。
【００６２】
［軌道輪］
この試験では、まず、原料粉末として２ｗｔ％のＮｉ、１ｗｔ％のＭｏ、残部を鉄および不可避的不純物とする部分拡散合金鋼粉（ＪＦＥスチール株式会社製 シグマロイ２０１０）を用い、炭素固溶源として黒鉛粉（ＴＩＭＣＡＬ社製 ＴＩＭＲＥＸ Ｆ−１０）を０．２ｗｔ％、成形用潤滑剤としてエチレンビスステアリルアミド（ロンザジャパン株式会社製  ＡＣＲＡＷＡＸ Ｃ）を０．５ｗｔ％添加したものを用意した。当該粉末を外径φ４８ｍｍ×内径φ３４ｍｍおよび外径φ３２ｍｍ×内径φ１６ｍｍの金型にそれぞれ充填し、一軸加圧成形した後、窒素・水素からなる不活性ガス雰囲気下において１２５０℃で１５０分間焼結し、密度７．５ｇ／ｃｍ3のリング状焼結金属素材を得た。前者は外輪用、後者は内輪用の焼結金属素材である。なお、当該密度測定結果は、アルキメデス法によるものである。
【００６３】
次いで、当該素形材リングに塑性加工として冷間ローリング加工を適用して軌道面を形成した後、サイジングと呼ばれる寸法矯正工程を経ることで、各試験片間の寸法バラつきを所定域内に揃えた。さらに、当該塑性加工品を８８０℃で浸炭処理、８４０℃に加熱して焼入れし、１８０℃で焼戻しを行った後、研磨による仕上げ工程を経ることで、外径φ６２ｍｍ×内径φ５２．１ｍｍの外輪と、外径φ４０ｍｍ×内径φ３０ｍｍの内輪を得た（以下、この内外輪を「実施例１」とする）。当該内外輪は、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受内外輪に準拠するものである。
【００６４】
また、比較例１として、１．５ｗｔ％のＣｒ、０．２ｗｔ％のＭｏ、０．３ｗｔ％の炭素(Ｃ)を含有し残部を鉄とする完全合金粉を用い、実施例１と同様の製法で内外輪を作製した（比較例１）。これは、特許文献３に記載の条件に適合する試験片であり、塑性加工前の焼結密度は６．８ｇ／ｃｍ3（相対密度 約８７％）である。
【００６５】
この他、比較のため、実施例１と同様に成形、焼結した後、塑性加工ではなく旋削加工により軌道輪形状に形成し、実施例１同様に浸炭熱処理、仕上げ加工した内外輪（比較例2）と、溶製材製６２０６型番の軸受（材質：ＳＵＪ２、熱処理：ズブ焼入れ焼戻し、シールなし開放型、Ｃ３隙間）の内外輪とを用意した（比較例3）。
【００６６】
［軸受］
実施例１および比較例１〜３の各内外輪に対して、軸受鋼ＳＵＪ２からなる３／８インチの鋼球（ＪＩＳ等級  Ｇ２０）を８個、およびＰＡ６６＋ＧＦ  ２５ｗｔ.％からなる樹脂製冠型保持器を組み込み、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を組み立てた（シールなし開放型、Ｃ３隙間）。
【００６７】
［試験方法］
転動疲労寿命試験の試験条件は、最大接触面圧Ｐｍａｘを３．２ＧＰａ、軸受回転数を３０００ｒｐｍとした。潤滑油としてタービン油ＶＧ５６を使用し、試験中は、この清浄油を軸受に循環給油させることとした。振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視することで、軸受内外輪にはく離等の損傷が発生し、軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止して、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して内外輪の損傷状態を確認した。
【００６８】
［√ａｒｅａmaxの推定］
この試験では、基準面積Ｓ0を０．０５９ｍｍ2（縦０．２１ｍｍ×横０．２７９ｍｍ）、検査回数ｎを３２回、予測体積Ｖを内輪２５０ｍｍ3、外輪３５０ｍｍ3とした。基準面積は、縦は軌道面の表層から深さ方向で最大せん断応力の９０％応力が掛かる深さ（危険体積領域の深さ）の概算値０．２１ｍｍとし、横は縦の１．３３倍である０．２７９ｍｍとした。当該基準面積での断面観察を５０視野以上実施し、既述の手法で画像処理、およびデータ抽出を行い、得られた各√ａｒｅａmax,jの上位３２ケを用いて、当該軌道輪の予測体積中に含まれる最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxを推定した。ここでの予測体積Ｖは、軌道面全体から厚さ約０．２１ｍｍの深さに至る領域（図６の斜線部Ｖを１周回転させた回転体）とし、外輪１では３５０ｍｍ3、内輪３では２５０ｍｍ3とした。この予測体積の数値は、より安全側で評価するため、実際の危険体積（外輪では約３２０ｍｍ、内輪では約２１０）よりも若干大きくしている。
【００６９】
［考察］
以上の転動疲労寿命試験の結果を図９に示す。なお、この試験結果の判定欄においては、時間に換算したＬ10寿命を基に転動疲労寿命を判定した。○はＬ10寿命が１００以上のもの、△はＬ10寿命が５０以上１００未満のもの、×印はＬ10寿命が５０未満のものを表している。
【００７０】
図９に示す実施例１と、比較例１、２との対比から、最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxの推定値が小さいほど、軌道輪の転動疲労寿命が増大することが明らかになった。また、この推定値が５０μｍ未満であれば、比較例３のＳＵＪ２製の内外輪を使用した軸受には及ばないものの、同軸受のＬ10寿命に対して７〜８割程度の寿命を示すことが明らかになった。このことから、実施例１は、使用環境や条件によっては溶製材軸受（比較例３）を代替できる可能性があると考えられる。なお、実施例１でも転動疲労寿命に至った時の損傷（フレーキング）の形態はＳＵＪ２をはじめとする溶製材製軸受と同じく、内輪または外輪の内部起点型剥離と考えられる。実施例１における損傷の代表例として、剥離が発生した内輪の試験前後の写真を図７（ｂ）に、当該剥離部拡大写真を図８（ｂ）に示す。なお、図７（ａ）および図８（ａ）は何れも試験前のものである。
【００７１】
次に、実施例１と比較例１の焼結金属製内外輪の断面を観察した。観察用断面は、内外輪を端面に垂直でかつそれぞれの中心を通る面で切断したものを樹脂埋めし、切断面に鏡面仕上げを施すことで得ている。この断面における空孔数および空孔サイズをデジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製 ＶＨＸ−９００）を用いて観察した。図１０は、実施例１および比較例１の外輪の表層および内部（未塑性加工領域）の観察結果の代表例を示している。
【００７２】
図１０から明らかなように、実施例１では、塑性加工前の段階で７．５ｇ／ｃｍ3（相対密度 約９６％）まで高密度化しているため、内部には推定最大包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxで５０μｍを超える粗大空孔は存在していない。塑性加工の及ばない領域がこのような緻密構造である以上、塑性加工を施した表層部（特に危険体積相当深さより浅い領域）にも５０μｍを超える粗大空孔は存在していない。また、表層部では、推定最大包絡面積の平方根が２０μｍを超えるような空孔も観察されなかった。
【００７３】
その一方、比較例１では、塑性加工前の密度が６．８ｇ／ｃｍ3(相対密度 約８７％)であり、十分に高密度化していない。そのため、内部には同じく推定最大包絡面積の平方根で１００μｍを越える粗大空孔を含む多数の空孔が観察された。この焼結体に塑性加工を施すことで、表層部の大半の領域は目潰しされて緻密化していたが、一部空孔が潰れきらなかったため、推定最大包絡面積の平方根で５０μｍを越える粗大空孔が、一般に危険体積とされる表層数百μｍ以内の浅い領域にも複数残存していることが確認できた。
【００７４】
このように本発明では、軌道輪の危険体積を予測体積として、少なくとも予測体積に存在すると推定される最大空孔の包絡面積の平方根√areamaxが５０μｍ未満（好ましくは４０μｍ未満、より好ましくは３０μｍ未満）としているので、軌道面周辺に粗大空孔は存在しない。そのため、この粗大空孔を起点として軌道輪に剥離等の損傷が生じるのを防止することができ、溶製材に匹敵する転動疲労寿命を得ることが可能となる。
【００７５】
特に本発明では、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系の部分拡散合金鋼を使用しているが、この粉末は既に述べたように純鉄粉と同程度に軟らかい。そのため、圧縮成形時に高密度化することができ、このことと塑性加工による緻密化との相乗作用により、軌道面周辺での粗大気孔の発生を回避することができる。また、軌道面２等を塑性加工で成形する際の成形性も良好なものとなる。さらに、この粉末は入手が容易で低コストであるため、軌道輪、延いては転がり軸受の低コスト化を図ることができる。
【００７６】
これに対して比較例１の軌道輪では、軌道面を含む表層部に粗大空孔が残存している。これは、比較例１で使用したＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金粉では、酸化され易いＣｒを含むために合金成分を予め合金化したプレアロイ粉末を使用するのが一般的であり、そのために粉末が硬質化していることに起因すると考えられる。このように硬い粉末を成形する場合、高圧成形するとクラックやラミネーションを生じるために低圧成形せざるを得ないが、低圧成形では高密度化させることが困難であるため、焼結体に粗大気孔を生じると考えられる。
【００７７】
なお、特許文献３には、比較例１のＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系合金粉の他、ＳＵＳ４２０等のステンレス鋼粉やＳＵＪ２等の軸受鋼粉を使用することも記載されているが、これらの鋼粉も多くのＣｒを含むため、比較例１と同様の問題を生じることになる。
【００７８】
実施例１では、最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxを推定する際に、予測体積の数値を実際の危険体積よりも若干大きくし、軌道面の軸方向全体を含む領域を予測体積Ｖとしているが（図６参照）、これは軸受にアキシャル荷重等が作用することも考えて、安全側で評価するためである。接触楕円の軸方向幅（長径）に相当する危険体積を予測体積Ｖとし、少なくともこの予測体積内で最大空孔包絡面積の平方向を５０μｍ未満にすれば、軌道輪の転動疲労寿命を向上させることができる。
【００７９】
また、以上の説明では、危険体積に基づいて予測体積Ｖを定めて最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxを推定する場合を例示しているが、この他に、図１１に示すように、軌道面２に生じる接触楕円Ｅの軸方向幅Ｗの範囲で最大せん断応力を生じる深さに至るまでの領域を想定し、少なくともこの領域を予測体積Ｖとして、最大空孔包絡面積の平方根√ａｒｅａmaxを推定することもできる。これにより、危険体積よりも深い領域に至るまで粗大空孔が存在しないことを保障することができ、軌道輪の転動疲労寿命のさらなる向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１        外輪
２        外輪軌道面
３        シール取り付け溝（シール部）
４        転動体
５        内輪
６        内輪軌道面
７        シール溝（シール部）
８        保持器
９        シール部材
Ｅ        接触楕円
【図１】
2015183706.tif 000023
【図２】
2015183706.tif 000024
【図３】
2015183706.tif 000025
【図４】
2015183706.tif 000026
【図５】
2015183706.tif 000027
【図６】
2015183706.tif 000028
【図７】
2015183706.tif 000029
【図８】
2015183706.tif 000030
【図９】
2015183706.tif 000031
【図１０】
2015183706.tif 000032
【図１１】
2015183706.tif 000033
【図１２】
2015183706.tif 000034
【図１３】
2015183706.tif 000035