(57)【要約】【課題】内部起点の破壊を抑制して、転がり軸受を長寿命化する。【解決手段】（１）式で表されるＤＩ値と厚さｔ（ｍｍ）との関係が（２）式を満たす鋼を使用して、内輪１および外輪２を製造する。  ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）  ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が０．０１質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなり、
下記の（１）式で表されるＤＩ値と、前記構成部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係が下記の（２）式を満たす鋼を使用することを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）
ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）
【請求項２】
芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍと標準偏差σが下記の（３）式を満たす請求項１記載の転がり軸受構成部材の製造方法。
Ｍ−４σ≧４００‥‥（３）
【請求項３】
鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が０．０１質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなり、
下記の（１）式で表されるＤＩ値と、前記構成部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係が下記の（２）式を満たす鋼を使用し、Ｘ線回折によりHall-Williamson プロットから求められる芯部の局所歪みを０．７０以上にすることを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）
ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）
【請求項４】
鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより得られる、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材であって、請求項１の方法で得られ、Ｘ線回折によりHall-Williamson プロットから求められる芯部の局所歪みが０．７０以上になっている転がり軸受構成部材。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法で得られた内輪、外輪、または転動体を備えた転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は転がり軸受構成部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の寿命を長くするための従来技術としては、軌道面の硬さと介在物に着目した方法が主である。軸受に用いられる鋼としては、そのまま焼入れを行って十分な表面強度が得られる高炭素鋼と、浸炭または浸炭窒化を行って表面を硬化する低炭素鋼（肌焼鋼）がある。大きな靱性や耐衝撃強度が求められる用途では、低炭素鋼を用いて表面を硬化する方法が採用されることが多い。
【０００３】
下記の特許文献１には、鋼製ローラの支持軸受等の大型軸受のように、軌道面に浸炭窒化層を深く形成する必要がある場合に、希土類元素の存在下で浸炭を行うことで、浸炭時間を短くすることが記載されている。
下記の特許文献２には、多段圧延機のバックアップロール用転がり軸受について、内輪の酸化物系介在物の大きさと単位面積当たりの個数を特定することにより、内輪の損傷を抑え、軸受寿命を長くすることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２５６４１１号公報
【特許文献２】特開２００４−８４８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
外径が２００ｍｍ以上である大型の転がり軸受では、厚さも大きく形成されるため、焼入れによる完全硬化層の深さが不十分となり、焼入れが不完全な部分に起因する疲労限度や寿命の低下が懸念される。特に、浸炭または浸炭窒化された場合には、硬化層と芯部との境界（切れ目）に引っ張りの残留応力が存在するため、この部分に応力集中元となる不完全焼入れ組織（ベイナイト）が存在すると、その部分が起点となって破壊が生じる恐れがある。
【０００５】
本発明の課題は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことで製造される、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体において、前述のような内部起点の破壊を抑制して、転がり軸受を長寿命化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、下記の構成(a) と(b) を満たす鋼を使用することを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法を提供する。
また、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍと標準偏差σが下記の（３）式を満たすことが好ましい。
Ｍ−４σ≧４００‥‥（３）
【０００７】
［構成 (a)］
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が０．０１質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなる。
【０００８】
［構成 (b)］
下記の（１）式で表されるＤＩ値と、前記構成部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係が下記の（２）式を満たす。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）
ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）
【０００９】
［構成 (a)について］
〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
炭素は組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。本発明の方法では表面は浸炭または浸炭窒化で硬化するが、芯部に必要な強度を付与するために炭素含有率を０．１０質量％以上とする。ただし、炭素含有率が０．２０質量％を超えると、靱性および被削性が不十分となる。
【００１０】
〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
珪素は、焼入れ後の組織を緻密化し、靱性、耐疲労性、および焼入れ性を向上させる作用を有する元素である。珪素含有率が０．１０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、珪素含有率が０．５０質量％を超えると、加工性（鍛造性や熱間加工性等）や被削性が不十分となる。
【００１１】
〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
マンガンは、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用するとともに、マトリックスに固溶して焼入れ性を向上させる元素である。マンガン含有率が０．２０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、マンガン含有率が０．６０質量％を超えると、加工性や被削性が不十分となる。
【００１２】
〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下の限定理由は以下の通りである。
ニッケルは、鋼の焼入れ性および焼戻し後の靱性を向上させる作用を有する元素である。ニッケルの含有率が３．００質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、ニッケルの含有率が５．００質量％を超えると、加工性や被削性が不十分となる。
【００１３】
〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
クロムは、マトリックスに固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を高める元素であり、転動疲労寿命を向上させる作用も有する。また、微細な炭化物や炭窒化物を形成して、靱性を向上させる作用も有する。クロム含有率が０．５０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、クロム含有率が１．５０質量％を超えると、表面に不動態膜が生じて浸炭を阻害する恐れがある。
【００１４】
〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
モリブデンは、鋼の焼入れ性および焼戻し後の強度と靱性を向上させる作用を有する元素である。モリブデン含有率が０．１０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、モリブデン含有率が０．５０質量％を超えると、焼入れ性および被削性が不十分となる。
【００１５】
〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
銅は、焼入れ性および耐候性を向上させる作用を有する元素であるが、含有率が０．３０質量％を超えると、加工性および靱性が不十分となる。また、高価であるため、コストも高くなる。
〔Ｏ〕が０．０１質量％以下の限定理由は以下の通りである。
酸素の含有率が０．０１質量％を超えると、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 等の大型介在物が増加して、転がり疲れ強さが不十分となる。
【００１６】
［構成 (b)について］
（１）式で表されるＤＩ値と、前記構成部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係が「ＤＩ／ｔ≧０．４５」を満たす鋼を用いて転がり軸受構成部材を作製することにより、硬化層と芯部との境界に、応力集中元となる不完全焼入れ組織（ベイナイト）が発生し難くなる。よって、この方法で作製された転がり軸受構成部材を用いて組み立てた転がり軸受に、前記境界を起点とした内部破壊が生じ難くなる。
【００１７】
本発明は、また、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、上記構成(a) と(b) を満たす鋼を使用して、Ｘ線回折によりHall-Williamson プロットから求められる芯部の局所歪みを０．７０以上にすることを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法を提供する。
本発明はまた、本発明の方法で得られ、Ｘ線回折によりHall-Williamson プロットから求められる芯部の局所歪みが０．７０以上になっている転がり軸受構成部材を提供する。
【００１８】
ＤＩ値は鋼の焼入れ性を示す値である。焼入れ性のよい鋼（ＤＩ値が大きな鋼）を使用することで、同じサイズの部材を同じ条件で熱処理した場合の芯部の局所歪みが大きくなり、疲労限度が高くなり、これに伴って転がり軸受の転がり疲労寿命が向上する。
また、局所歪みと「ＤＩ／ｔ」は線形の関係にあり、「ＤＩ／ｔ≧０．４５」を満たす鋼を用いることで芯部の局所歪みを０．７０以上にすることができる。転がり軸受構成部材の芯部の局所歪みが０．７０以上であると、０．７０未満である場合と比較して、転がり軸受の転がり疲労寿命が著しく長くなる。
【００１９】
芯部の局所歪は以下の手順で求めることができる。先ず、Ｘ線回折で求める試料のＫα1 強度曲線の半値幅βm と、標準試料（歪みのない原料鉄粉）のＫα1 強度曲線の半値幅βr を測定する。次に、これらの半値幅の測定値を真の半値幅βs との関係式βs 2 ＝βm 2 ＋βr 2 に代入して真の半値幅βs を算出する。次に、真の半値幅βs を下記の（４）式で示されるHall-Williamson プロットの式に代入して局所歪みεhkl を算出する。
βs ｃｏｓθ／λ＝（２εhkl ）ｓｉｎθ／λ＋（Ｋ／Ｄhkl ）‥‥（４）
θは回折角、λは使用したＸ線の波長、ＫはScherrerの定数、Ｄhkl は結晶格子サイズである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の転がり軸受構成部材の製造方法によれば、得られた部材（転がり軸受の内輪、外輪、および転動体）の内部起点の破壊を抑制して、転がり軸受を長寿命化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
下記の表１に示す組成の鋼からなる素材を用意し、各素材を、図１に示す、呼び番号「ＮＵ２２８」の円筒ころ軸受（内径：１４０ｍｍ、外径：２５０ｍｍ、幅：４２ｍｍ）の内輪１、外輪２、円筒ころ（転動体）３の各形状に通常の方法で加工した。
【００２２】
次いで、以下の手順で熱処理を行った。
先ず、浸炭処理として、ＲＸガス雰囲気中に、温度８５０〜１０５０℃で１０〜１２０時間保持した後に、５〜３００℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する。この浸炭処理により、表層部の炭素含有率０．９０〜１．０５質量％、浸炭深さ５〜７ｍｍとなるようにした。次に、焼鈍処理として、６００〜７００℃で１〜５時間保持した後に放冷する。次に、焼入れ処理として、７８０〜９００℃で１〜３時間保持した後に油冷する。次に、焼戻し処理として、１５０〜２４０℃で２時間保持した後に放冷する。
【００２３】
なお、焼入れは、冷却速度が、厚さが１４．５ｍｍ、２９．０ｍｍ、４５．０ｍｍのリングに対する焼入れを行った時の冷却速度と同じになるように、冷媒の温度と攪拌条件を変えて行った。そのために、予め厚さが１４．５ｍｍ、２９．０ｍｍ、４５．０ｍｍのリングに対して、前記と同じ条件で熱処理を行って焼入れ時の芯部の冷却速度を測定した。これにより、各冷却速度で得られた内輪１、外輪２、円筒ころ３は、芯部の状態が前記各厚さのリングと同じになっている。表１の「ｔ」はその厚さを示す。
【００２４】
得られた内輪、外輪、円筒ころを用いて円筒ころ軸受を組み立てて、ラジアル荷重：Ｐ／Ｃ＝０．６、回転速度：１０００ｍｉｎ-1、潤滑剤：Ｒｏ６８の条件で、回転試験を行い、内輪１、外輪２、円筒ころ３のいずれかに剥離等の破壊が生じるまでの時間を軸受寿命とした。この寿命試験結果を、サンプルNo. １〜７ではサンプルNo. １の寿命を「１」として、No. ８〜１４ではサンプルNo. ８の寿命を「１」として、No. １５〜２０ではサンプルNo. １５の寿命を「１」として、それぞれ相対値を算出した。その結果も表１に併せて示す。
【００２５】
また、サンプルNo. １〜２０と同じ組成の鋼からなる素材を、５０ｍｍ×１００ｍｍで厚さが１４．５ｍｍ、２９．０ｍｍ、４５．０ｍｍの試験片とし、各試験片に対して予め防炭メッキを施すことで浸炭がなされないようにした後に、サンプル毎に上記と同じ方法で熱処理を行った。これにより、得られた試験片は表面が芯部と同じ状態にされた。そして、得られた各試験片の中心部から直径８ｍｍの平滑回転曲げ試験用の試験片を切り出した。この試験片を用いて回転曲げ試験を行い、疲労限界を測定した。その結果も下記の表１に併せて示す。
【００２６】
また、得られた各試験片（回転曲げ試験用に切り出す前の試験片）の中心から４ｍｍ以内となる領域の３０カ所以上について、試験荷重４９００Ｎで芯部のビッカース硬度を測定し、その平均値（Ｍ）と標準偏差（σ）を求めた。そして、これらの結果からＭ−４σを算出した。その結果も下記の表１に併せて示す。
また、これらの結果を「Ｍ−４σ」と疲労限度との関係にまとめたグラフを図２に、厚さ（ｔ）毎に疲労限度と寿命との関係にまとめたグラフを図３〜５に、厚さ（ｔ）毎にＤＩ／ｔと寿命との関係にまとめたグラフを図６〜８にそれぞれ示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
この結果から分かるように、厚さが１４．５ｍｍの場合、ＤＩ／ｔが０．４５以上でＭ−４σが３８５以上であるNo. ３〜７は、No. １の２倍以上の寿命が得られた。厚さが２９．０ｍｍの場合、ＤＩ／ｔが０．４８以上でＭ−４σが４２４以上であるNo. １１〜１４は、No. ８の２倍以上の寿命が得られた。厚さが４５．０ｍｍの場合、ＤＩ／ｔが０．５３以上でＭ−４σが４１４以上であるNo. １８〜２０は、No. １５の２倍以上の寿命が得られた。
また、図２のグラフから、「Ｍ−４σ」が大きいほど疲労限度が高くなることが分かる。なお、靱性を確保するという観点からは、「Ｍ−４σ」を５００以下にすることが好ましい。
【００２９】
次に、下記の表２に示す組成の鋼からなる素材を用意し、各素材を、図１に示す、呼び番号「ＮＵ２２８」の円筒ころ軸受（内径：１４０ｍｍ、外径：２５０ｍｍ、幅：４２ｍｍ）の内輪１、外輪２、円筒ころ（転動体）３の各形状に通常の方法で加工した。
次いで、前記と同じ方法で熱処理を行い、同じ方法で軸受寿命試験を行うとともに、同じ方法で試験片を作製して試験を行った。また、Ｃｏ−Ｋα線を用いたＸ線回折法により局所歪みを測定した。その結果も下記の表２に併せて示す。なお、寿命試験結果は、厚さ（ｔ）毎に、サンプルNo. ２１〜２５ではサンプルNo. ２１の寿命を「１」として、No. ２６〜３２ではサンプルNo. ２７の寿命を「１」として、No. ３３〜３８ではサンプルNo. ３３の寿命を「１」として、それぞれ相対値を算出した。
【００３０】
また、これらの結果を、厚さ（ｔ）毎に局所歪みとＤＩ値との関係にまとめたグラフを図９に、局所歪みと「ＤＩ／ｔ」との関係にまとめたグラフを図１０に、局所歪みと疲労限度との関係にまとめたグラフを図１１に、局所歪みと寿命との関係にまとめたグラフを図１２にそれぞれ示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
この結果から分かるように、厚さが１４．５ｍｍの場合、ＤＩ／ｔが０．５３以上で局所歪みが０．７０以上であるNo. ２３〜２５は、No. ２１の２倍以上の寿命が得られた。厚さが２９．０ｍｍの場合、ＤＩ／ｔが０．４８以上で局所歪みが０．７１以上であるNo. ２９〜３２は、No. ２７の２倍以上の寿命が得られた。厚さが４５．０ｍｍの場合、ＤＩ／ｔが０．５３以上で局所歪みが０．７２以上であるNo. ３６〜３８は、No. ３３の２倍以上の寿命が得られた。
【００３３】
図９のグラフから、ＤＩ値が大きいほど局所歪みが大きくなることが分かる。図１０のグラフから局所歪みと「ＤＩ／ｔ」は線形の関係にあることが分かる。図１１のグラフから、局所歪みが大きいほど疲労限度が高くなることが分かる。図１２のグラフから、局所歪みが０．７０以上と０．７０未満ではＬ１０寿命に大きな差があることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態で作製した転がり軸受を示す断面図である。
【図２】実施形態で行った試験の結果を「Ｍ−４σ」と疲労限度との関係にまとめたグラフである。
【図３】実施形態で行った試験の結果（ｔ＝１４．５ｍｍの場合）を疲労限度と寿命との関係にまとめたグラフである。
【図４】実施形態で行った試験の結果（ｔ＝２９．０ｍｍの場合）を疲労限度と寿命との関係にまとめたグラフである。
【図５】実施形態で行った試験の結果（ｔ＝４５．０ｍｍの場合）を疲労限度と寿命との関係にまとめたグラフである。
【図６】実施形態で行った試験の結果（ｔ＝１４．５ｍｍの場合）をＤＩ／ｔと寿命との関係にまとめたグラフである。
【図７】実施形態で行った試験の結果（ｔ＝２９．０ｍｍの場合）をＤＩ／ｔと寿命との関係にまとめたグラフである。
【図８】実施形態で行った試験の結果（ｔ＝４５．０ｍｍの場合）をＤＩ／ｔと寿命との関係にまとめたグラフである。
【図９】実施形態で行った試験の結果を厚さ（ｔ）毎に局所歪みとＤＩ値との関係にまとめたグラフである。
【図１０】実施形態で行った試験の結果を局所歪みと「ＤＩ／ｔ」との関係にまとめたグラフである。
【図１１】実施形態で行った試験の結果を局所歪みと疲労限度との関係にまとめたグラフである。
【図１２】実施形態で行った試験の結果を局所歪みと寿命との関係にまとめたグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  内輪
１ａ  軌道面
２  外輪
２ａ  軌道面
３  円筒ころ（転動体）
４  保持器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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