(57)【要約】【課題】スラスト針状ころ軸受の板状部を有する軌道部材の製造方法として、軌道面の耐摩耗性に優れた軌道部材が、反り量の少ない状態で得られる方法を提供する。【解決手段】窒化処理後に加熱保持温度６８０〜７５０℃で焼入れを施し、次いでサブゼロ処理を施すことで、内輪軌道面１ａと外輪軌道面２ａに、表層部の硬さＨｖ７００以上、有効硬化層深さ０．１０ｍｍ以上、最表部の窒素含有率が１．０質量％以上である硬化層を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状部を有する第１および第２の軌道部材と、両軌道部材の間に転動自在に配置された複数の針状ころを備えたスラスト針状ころ軸受の、前記軌道部材の製造方法であって、
炭素含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下である鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、５５０〜５９０℃で窒化処理を行い、次いで加熱保持温度６８０〜７５０℃で焼入れを施し、次いでサブゼロ処理を施すことで、軌道面に、表層部の硬さＨｖ７００以上、有効硬化層深さ０．１０ｍｍ以上、最表部の窒素含有率が１．０質量％以上である硬化層を形成することを特徴とするスラスト針状ころ軸受の軌道部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１の方法で製造され、軌道面に、
最表部の窒素含有率が１．０質量％以上であり、
表層部の硬さがＨｖ７００以上であり、
有効硬化層深さが０．１０ｍｍ以上である硬化層が形成されている第１および第２の軌道部材を備えたことを特徴とするスラスト針状ころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラスト針状ころ軸受とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１には、カーエアコン用コンプレッサのシャフトを支持する針状ころ軸受について記載されている。この用途の針状ころ軸受は、高速回転から低速回転、さらには無負荷状態から重負荷状態まで幅広い条件下で動作するという点と、外部から多量の潤滑剤を供給することができないので潤滑性が確保され難いという点から、非常に過酷な条件下で使用される。
【０００３】
特に、スラスト針状ころ軸受は、これ以外のスラスト軸受や、ラジアルタイプの転がり軸受と比較して、滑りが大きくなるため、摩耗や面荒れが生じ易い。
近年、コンプレッサ用の冷媒として、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）−１３４ａ等の代替フロンやＣＯ2 （二酸化炭素）等が用いされているが、これらの冷媒は自己潤滑性が乏しい。また、冷媒中に添加できる潤滑油は極微量だけなので、潤滑性を確保することは益々難しい状況になっている。
【０００４】
スラスト針状ころ軸受では、板状の軌道部材を用いる場合が多いが、このような軌道部材には焼入れ時に反り等の変形が生じ易い。この変形を抑える方法として、金型でプレスした状態で焼入れや焼戻しを行う方法がある。下記の特許文献２には、金型でプレスしながら、その金型を焼入れ媒体として冷却することにより、焼入れを行う方法が記載されている。この方法では特別な設備が必要となるため、製造コストが上昇する。
【０００５】
なお、スラスト針状ころ軸受の軌道部材を過酷な使用条件に耐えられるように製造する方法としては、例えば、ＳＵＪ２やＳＫ５を素材として用い、熱処理として、加熱保持温度８４０〜９５０℃程度で浸炭処理あるいは浸炭窒化処理を行った後に、加熱保持温度８４０〜８６０℃程度で焼入れ処理を行い、次いで１６０〜２００℃程度の温度で焼戻し処理を行うことで、表層部の硬さをＨＲＣ６０以上、残留オーステナイト量を１５〜４０質量％にする方法が挙げられる。
【特許文献１】特開２００５−７６７８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１１３１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の方法で得られた板状の軌道部材には大きな反りが生じるため、前述のような特別な設備を用いて変形を矯正する必要がある。
本発明の課題は、スラスト針状ころ軸受の板状部を有する軌道部材の製造方法として、軌道面の耐摩耗性に優れた軌道部材が、反り量の少ない状態で得られる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、板状部を有する第１および第２の軌道部材と、両軌道部材の間に転動自在に配置された複数の針状ころを備えたスラスト針状ころ軸受の、前記軌道部材の製造方法であって、炭素含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下である鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、５５０〜５９０℃で窒化処理を行い、次いで加熱保持温度６８０〜７５０℃で焼入れを施し、次いでサブゼロ処理を施すことで、軌道面に、表層部（例えば、表面から５０μｍまでの範囲）の硬さＨｖ７００以上、有効硬化層深さ（例えば、Ｈｖ５００となる深さ）０．１０ｍｍ以上、最表部（例えば、表面から１μｍまでの範囲）の窒素含有率が１．０質量％以上である硬化層を形成することを特徴とするスラスト針状ころ軸受の軌道部材の製造方法を提供する。
【０００８】
この方法によれば、炭素含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下である鋼からなる素材を用い、オーステナイト変態点以下の５５０〜５９０℃で窒化処理を行うことで、軌道部材の寸法変化が抑制された状態で、軌道面の表層部に窒素拡散層が形成される。
使用する素材の鋼種としては、「ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５」で規定する高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）や、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、Ｓ７０Ｃ等のＳＣ材、ＳＣＲ４４０等のＳＣＲ材等が挙げられる。
また、焼入れの加熱保持温度を６８０〜７５０℃とすることで、前記窒素拡散層を十分にオーステナイト変態させて、表層部の硬さＨｖ７００以上、有効硬化層深さ０．１ｍｍ以上が得られながら、軌道部材の寸法変化が抑制される。焼入れ温度が７５０℃を超えると、軌道部材の寸法変化の抑制作用が不十分となる。
【０００９】
また、窒素がＭｓ点を大きく低下させるため、焼入れ後の窒素拡散層に大量に残留オーステナイトが存在するが、焼入れ後にサブゼロ処理を施すことでこれを低減させて、十分な焼入れ硬さを確保する。サブゼロ処理は、十分な焼き入れ硬さを得るために−８０℃以下で行うことが好ましい。
また、軌道面に形成する硬化層の、表層部（例えば、表面から５０μｍまでの範囲）の硬さをＨｖ７００以上とすることで、必要な耐摩耗性が得られる。
また、軌道面に形成する硬化層の有効硬化層深さ（例えば、Ｈｖ５００となる深さ）を０．１０ｍｍ以上とすることで、必要な剥離寿命が得られる。
【００１０】
また、軌道面に形成する硬化層の最表部（例えば、表面から１μｍまでの範囲）に存在する窒素は、窒化物または炭窒化物として存在し、摩擦摩耗特性を著しく高める作用があるとともに、オーステナイト変態点を低下させる作用があるため、焼入れ温度を低温にすることを可能にする。
この窒素含有率を１．０質量％以上とすることで、焼入れ温度を７５０℃以下（軌道部材の寸法変化が抑制できる温度）にすることができる。また、Ｍｓ点の過度の低下を防止し、十分な焼入れ硬さを確保するために、この窒素含有率を７．０質量％以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法で得られたスラスト針状ころ軸受の板状部を有する軌道部材は、軌道面の耐摩耗性に優れ、反り量の少ない状態で得られるため、特別な設備を用いた方法で変形を矯正する必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に示すスラスト針状ころ軸受を、以下の方法で作製した。
このスラスト針状ころ軸受は、第１の軌道部材１と第２の軌道部材２と針状ころ３と保持器４とからなる。第１の軌道部材１は、軸を内嵌する筒状部１１と円板状の軌道部１２とからなり、軌道部１２の針状ころ３との接触面１ａが内輪軌道面に相当する。第２の軌道部材２は円板であって、中心に、第１の軌道部材１の筒状部１１を遊嵌する円穴２１を有する。第２の軌道板２の針状ころ３との接触面２ａが外輪軌道面に相当する。
【００１３】
このスラスト針状ころ軸受の寸法は、内径：４０ｍｍ、外径：６０ｍｍ、高さ（軸方向の寸法）：５ｍｍであり、ＰＣＤ：４９ｍｍ、針状ころの直径：３ｍｍ、針状ころの長さ：６ｍｍである。また、第１の軌道部材１の厚さ：１ｍｍであり、第２の軌道部材２の厚さ：１ｍｍである。
第１の軌道部材１は、ＳＵＪ２からなる素材をプレス加工で円筒部１１を形成し、バレル加工し、次いで、下記の表１に示すように、各サンプルで異なる熱処理を行うことで作製した。また、熱処理後に仕上げ研磨を行った。
【００１４】
第２の軌道部材２は、ＳＵＪ２からなる円板状の素材を切削加工した後、研磨を行い、次いで、下記の表１に示すように、各サンプルで異なる熱処理を行うことで作製した。また、熱処理後に仕上げ研磨を行った。
針状ころ３は、次の方法で作製した。先ず、ＳＵＪ２からなる棒状の素材を針状ころ３の形状に切り出し、８４０〜９００℃のＲｘガス＋エンリッチガス＋アンモニア雰囲気に２〜３時間保持する浸炭窒化処理を行う。次いで、８４０〜８６０℃で１時間以内加熱保持後、油冷する焼入れを行う。次いで、１６０〜２００℃に１．５〜２時間保持する焼戻しを行う。この熱処理により、表層部の硬さをＨｖ７００以上とする。次いで、仕上げ研磨を行う。
保持器４は、鋼板をプレス加工することにより作製した。
【００１５】
第１の軌道部材１と第２の軌道部材２の熱処理方法は、以下の通りである。
［サンプルNo. １〜３］  
先ず、アンモニアガス中に、５５０〜５９０℃で２０時間〜３０時間保持するガス窒化を行う。次いで、７５０℃に３０分〜１時間保持した後に油冷する焼入れを行う。次いで、−８０℃または−１９６℃まで冷却し、その温度に３０分〜１時間保持して、室温に戻した後、１６０〜１８０℃に１．５〜２時間保持する焼戻しを行う。
【００１６】
［サンプルNo. ４〜１１］  
先ず、５５０〜５９０℃のＲｘガスとアンモニアガスとの混合ガス雰囲気に、１時間〜３時間保持するガス軟窒化を行う。次いで、６７０〜８００℃の各温度に３０分〜１時間保持した後に油冷する焼入れを行う。次いで、−８０℃または−１９６℃まで冷却し、その温度に３０分〜１時間保持して、室温に戻した後、１６０〜１８０℃に１．５〜２時間保持する焼戻しを行う。
［サンプルNo. １２〜１３］  
先ず、８４０〜９００℃のＲｘガス＋エンリッチガス＋アンモニア雰囲気に２〜３時間保持する浸炭窒化処理を行う。次いで、８４０〜８６０℃で１時間以内加熱保持後、油冷する焼入れを行う。次いで、１８０〜２００℃に１．５〜２時間保持する焼戻しを行う。
【００１７】
このようにして得られたサンプルNo. １〜１３の第１の軌道部材１および第２の軌道部材２の軌道面１ａ，２ａについて、表面から１μｍまでの範囲（最表部）の窒素含有率〔Ｎ〕を、ＥＰＭＡを用いた定量分析により測定した。また、マイクロビッカース硬さ試験機を用いて、表面から深さ方向に断面の硬さを測定し、その結果から、表面から５０μｍとなる位置での硬さ（Ｈｖ）と、Ｈｖ５００となる深さ（有効硬化層深さ）を測定した。この結果も下記の表１に示す。
【００１８】
また、サンプルNo. １〜１３の第２の軌道部材２の反り量を次の方法で求めた。転動面の一カ所の高さをダイヤルゲージを用いて円周状に測定し、最も高い部分と最も低い部分の差を「反り量」とした。そして、No. １３の反り量を「１」とした、各サンプルの反り量の相対値を算出した。この結果も下記の表１に示す。
また、サンプル毎の第１の軌道部材１および第２の軌道部材２と、全サンプルで同じ針状ころ３と保持器４を用いて、スラスト針状ころ軸受を組み立てて回転試験機にかけ、下記の条件で第１の軌道部材１を回転させた。ただし、反りの大きかったNo. １２と１３では、焼入れ後の焼戻しを金型でプレスしながら行うこと（プレステンパー）により、第２の軌道部材２の反り量の相対値を「０．３以下」にしたものを用いた。
【００１９】
そして、２４時間回転させた後に、第２の軌道部材２の軌道面２ａに摩耗や剥離が生じているかどうかを調べた。この結果も下記の表１に示す。この結果は、摩耗が目視で確認できるレベルである場合を「大」、顕微鏡で確認できるレベルである場合を「小」、顕微鏡を用いても確認できないレベルである場合を「無」と、表１に示した。剥離については、顕微鏡による観察で「有」と「無」の判断を行った。
＜回転試験条件＞
接触面圧：２ＧＰａ
回転速度：３０００ｍｉｎ-1
潤滑油：白灯油
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１では、本発明の範囲から外れる部分に下線を施した。
表１から分かるように、本発明の実施例に相当するNo. １〜２、４〜８のスラスト針状ころ軸受は、耐久性試験で摩耗および剥離が生じないだけでなく、No. １３のスラスト針状ころ軸受と比較して、反り量が「１／２」以下となったため、矯正が不要であった。これに対して、本発明の比較例に相当するNo. ３、９〜１３のスラスト針状ころ軸受は、耐久性試験の結果と反り量のどちらかが不良であった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態で作製したスラスト針状ころ軸受の形状を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  第１の軌道部材（内輪）
１ａ  内輪軌道面
２  第２の軌道部材（外輪）
２ａ  外輪軌道面
３  針状ころ
４  保持器
【図１】
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