(57)【要約】【課題】完成品間での寿命のバラツキを抑制し、安定して長寿命化を実現可能な転動装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率である鋼材から構成されるように、光学顕微鏡及び画像解析装置を用いて選別するとともに、軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する全ての酸化物系介在物の平方根長さが２００μｍ以下となるように、超音波探傷機を用いて選別し、転動装置を製造する。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率である鋼材から構成されているとともに、
前記鋼材から構成された前記部材の軌道面表面から前記転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する全ての酸化物系介在物は、その平方根長さが２００μｍ以下となっていることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が鋼材で構成された転動装置の製造方法において、
前記鋼材で構成された部材を、
平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率のものを選別する第一の選別工程と、
軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する全ての酸化物系介在物の平方根長さが２００μｍ以下のものを選別する第二の選別工程と、を経て選出し、
その選出された部材を用いて転動装置を製造することを特徴とする転動装置の製造方法。
【請求項３】
前記第一の選別工程を、顕微鏡を利用した画像処理法を用いて行うことを特徴とする請求項２に記載の転動装置の製造方法。
【請求項４】
前記第二の選別工程を、超音波探傷法を用いて行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の転動装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、農業機械、建設機械、鉄鋼機械などで適用される転動装置及びその製造方法に関し、特に、各製品間での寿命のバラツキを抑制し、安定して長寿命化を実現させるために有効な技術に関する。
【０００２】
【従来技術】
転がり軸受をはじめとする転動装置は、高面圧下で繰り返し剪断応力を受けて使用されるため、いずれの転動装置であっても転がり疲労寿命を有している。この転がり疲労寿命には、転動装置を構成する鋼材中に存在する非金属介在物、特に、酸化物系介在物の数や大きさが大きな影響を及ぼしていることが知られている。
【０００３】
このため、鋼中に存在する非金属介在物の数や大きさを検査し、それらを限定することによって、転動装置の転がり疲労寿命をできる限り長くしようとする手段が各種提案されている。
例えば、特開昭６３−３０９８４４号公報において、ＪＩＳ（ＪＩＳ−Ｇ−０５５５）やＡＳＴＥＭ（ＡＳＴＥＭ−Ｅ−４５）で規定されている顕微鏡と、画像処理法とを適用した顕微鏡画像解析装置が開示されており、鋼中に存在する酸化物系介在物の数や大きさを容易に検査することが可能となった。
【０００４】
このような手段を用いて転動装置の長寿命化を図る手段として、例えば、特開平６−１４５８８３号公報、特開平３−５６６４０号公報、特開平５−１１７８０４号公報、及び特開平６−１９２７９０号公報には、サンプル鋼材を顕微鏡で観察し、一定面積中に存在するＡｌ２　Ｏ３　（アルミナ）系介在物やＴｉ（チタン）系介在物などの硬い酸化物系介在物の個数を規定することで、長寿命化を実現させるという技術が開示されている（第一従来例）。
【０００５】
ところが、上記第一従来例においては、サンプルとして一部の鋼材を評価し、鋼材中に存在する酸化物系介在物の数や大きさを検査しているため、適用される転動装置自体の保証にはならないという問題があった。
また、鋼在中に存在し、剥離の原因となる大型の酸化物系介在物は、その大きさや鋼材中の存在位置に大きなばらつきを有しているため、サンプルでは推定不可能な巨大な酸化物系介在物が存在してしまうという問題があった。このため、完成品全体としての長寿命化を実現できたとしても、稀に存在する巨大な酸化物系介在物が原因となって短寿命完成品が発生してしまうため、完成品全体の寿命を完全に保証することは困難であった。
【０００６】
そこで、上記第一従来例で問題視されている短寿命完成品の発生を抑制するため、超音波探傷法（特殊鋼４６巻６号、ｐ３１（社）特殊鋼倶楽部編）を用いて完成品の検査を行い、短寿命の原因となる巨大な酸化物系介在物を検出する手段が様々提案されている（第二従来例）。なお、この超音波探傷法は、通常、製鋼メーカーにて、圧延後丸棒などの製品に対して内部欠陥を検査するために適用された方法が一般的に知られているが、ラインの生産性を高めるため、又、この時の素材の表面粗さが粗いため、検出能力には限界があった。そして、転動装置に適用改良した例では、次のものが挙げられる。
【０００７】
例えば、特開平１１−３３７５３０号公報には、転動装置の完成品段階で、軌道面表面から２ｍｍ内部に入り込んだ範囲内に存在する酸化物系介在物は斜角超音波探傷法を用いて検出するとともに、それよりも深い位置に入り込んだ位置に存在する酸化物系介在物は直角超音波探傷法を用いて検出し、様々な寸法の酸化物系介在物を制限することで、短寿命完成品の発生を抑制するという技術が提案されている。
【０００８】
また、特開２０００−１３０４４７号公報には、軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ範囲内に存在する酸化物系介在物を超音波探傷法を用いて検出し、その大きさを５００μｍ以下に制限することで、短寿命完成品の発生を抑制するという技術が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の第二従来例で用いられている超音波探傷法においては、その探傷速度や探傷能力に限界があり、長さが数百μｍ程度である大型の酸化物系介在物しか検出することができない。このため、短寿命の原因となる大型の酸化物系介在物は検出可能であっても、さらなる長寿命化を実現させるために問題となってくる平均粒子径が数十μｍ程度である比較的小型の酸化物系介在物は検出することが不可能であるという不具合があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、完成品間での寿命のバラツキを抑制し、安定して長寿命化を実現可能な転動装置及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明らは鋭意検討を重ねた結果、平均粒子径数十μｍの比較的小型の酸化物系介在物はサンプル鋼材の検査により制限し、且つ、短寿命完成品の原因となる長さが数百μｍ程度の大型の酸化物系介在物は完成品の検査により制限することで、上記課題を解決できることを見い出し、本発明をなすに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の転動装置は、内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率である鋼材から構成されているとともに、前記鋼材から構成された前記部材の軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する全ての酸化物系介在物は、その平方根長さが２００μｍ以下となっていることを特徴としている。
【００１３】
ここで、酸化物系介在物とは、特に限定されないが、例えば、Ａｌ２　Ｏ３　、ＳｉＯ２　、ＭｇＯ、ＣａＯなどを指す。
本発明の転動装置の製造方法は、内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が鋼材で構成された転動装置の製造方法において、前記鋼材で構成された部材を、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率のものを選別する第一の選別工程と、軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する全ての酸化物系介在物の平方根長さが２００μｍ以下のものを選別する第二の選別工程と、を経て選出し、その選出された部材を用いて転動装置を製造することを特徴としている。
【００１４】
ここで、第一の選別工程と第二の選別工程の順番は、特に限定されず、第一の選別工程を行った後第二の選別工程を行ってもよいし、第二の選別工程を行った後第一の選別工程を行ってもよい。或いは、第一の選別工程と第二の選別工程とを同時進行で行うようにしてもよい。
また、本発明の転動装置の製造方法は、前記第一の選別工程を、顕微鏡を利用した画像処理法を用いて行うことが好ましい。
【００１５】
ここで、顕微鏡は、特に限定されず、光学顕微鏡を用いてもよいし、電子顕微鏡を用いてもよい。
さらに、本発明の転動装置の製造方法は、前記第二の選別工程を、超音波探傷法を用いて行うことが好ましい。
本発明における転動装置によれば、内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率である鋼材から構成しているとともに、鋼材から構成した部材の軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する酸化物系介在物は、その平方根長さが２００μｍ以下としたことによって、大型の酸化物系介在物に起因する短寿命完成品の発生を抑制するとともに、さらなる長寿命化を実現することが可能となる。
【００１６】
本発明における転動装置の製造方法によれば、本発明の転動装置を容易に実現することが可能となる。
なお、本発明における転動装置とは、外方部材と、内方部材と、この外方部材及び内方部材との間に転動自在に配設された転動体とから構成された転がり軸受、リニアガイド、或いはボールねじ等の装置を指す。ここで、転動装置が転がり軸受の場合、外方部材は外輪を、内方部材は内輪をそれぞれ指す。また、転動装置がリニアガイドの場合、外方部材はスライダを、内方部材は案内レールをそれぞれ指す。さらに、転動装置がボールねじの場合、外方部材はナットを、内方部材はねじ軸をそれぞれ指す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の効果を、実施例及び比較例に基づいて検証する。
表１に、転動装置の一例として、ころ軸受（ＨＲ３２０１７ＸＪ）の寿命試験の結果を示す。
【００１８】
【表１】
2004028223.tif 000002
【００１９】
表１に示す二種類の鋼種（ＳＵＪ２とＳＣＲ４２０）素材から、内輪及び外輪を作製するとともに、旋削、焼入れ・焼き戻し、研削の工程を施した。なお、鋼種がＳＣＲ４２０の場合には、上述の旋削と焼入れ・焼き戻しの間に浸炭を行った。そして、この内輪及び外輪と、ＳＵＪ２から構成したころとを組み立て、ころ軸受を完成させた。
【００２０】
このとき、内輪及び外輪は、研削後、図１に示すような超音波探傷機を用いて、以下の条件下で酸化物系介在物の有無を検証した。なお、図１中の符号１０は、超音波伝達媒体である水が貯留された水槽を示し、同様に、１１は被検体であるころ軸受の軌道輪、１２は超音波探傷用探触子、１３、１４はプーリ、１５はベルト、１６は回転駆動用モータ、１７はモータ駆動用制御アンプ、１８は制御装置、１９はリニアガイド装置、２０はＸＹステージ、２１は探触子取り付け具、２２はリニアガイド用コントローラ、２３は超音波探傷装置をそれぞれ指す。
【００２１】
この超音波探傷機は、水槽１０内に浸漬された軌道輪１１を回転駆動モータ１６の駆動により所定速度で回転させるとともに、超音波探傷用探触子１２を移動させることで、所定体積を探傷して酸化物系介在物を検出し、その検出信号を超音波探傷装置２３で解析するようになっている。
〔超音波探傷試験条件〕
探触子：１０〜１５ＭＨｚ　焦点型探触子
振動子径：１０ｍｍ
超音波探傷機：ＨＩＳ２（日本クラウトクレーマー製）
入射角：１９°（斜角探傷法、屈折角４５°）
ここで、外輪に酸化物系介在物（つまり、欠陥）が発見された場合には、超音波探傷機からの情報により、欠陥の位置と大きさを正確に把握しておく。また、この欠陥が発見された外輪と組み合わせる内輪は、同様の超音波探傷機により酸化物系介在物の有無を検出し、本発明の範囲内である酸化物系介在物を含むもののみを選別し適用した。なお、外輪については、数多くの検査を行い、前もっていくつかの欠陥品を検出しておき、それらの欠陥品に切断検査を行った。そして、実際の欠陥の大きさや深さと、超音波探傷機からの結果との相関をとっておくことで、試験軸受に存在する酸化物系介在物の状態を確認した。
【００２２】
次に、上述の超音波探傷機により欠陥が確認された外輪を備えた試験軸受を用い、以下の条件下で寿命試験を行った。なお、外輪の欠陥は、軸受の負荷圏にくるように予め位置決めした上で試験を行い、その結果を表１に示す。
〔寿命試験条件〕
試験軸受：円筒ころ軸受（ＨＲ３２０１７ＸＪ）
ラジアル荷重：３５７５０Ｎ
アキシャル荷重：１５６８０Ｎ
内輪回転数：１５００ｍｉｎ−１
潤滑油：ＶＧ６８相当鉱油
表１に示すように、平方根長さが２００μｍ（０．２ｍｍ）以下の酸化物系介在物が存在している実施例１〜７においては、打ち切り時間（５００時間）となっても剥離が生じず、長寿命を実現できていることが分かる。一方、平方根長さが２００μｍを超える酸化物系介在物が存在している比較例１〜５においては、超音波探傷機にて欠陥が発見された位置より剥離が発生し、短寿命であったことが分かる。
【００２３】
また、比較例６及び７においては、平方根長さが本発明の範囲外である酸化物系介在物が存在しているため、短寿命が予想されるものの、打ち切り時間になっても剥離が生じず、長寿命を実現できていることが分かる。これは、軸受の最大剪断応力位置である軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ位置（以下、Ｄａ２％位置と称す）よりも深い位置であるため、寿命には無関係であると考えられる。
【００２４】
この結果より、軌道面表面からＤａ２％位置までの範囲内に存在する酸化物系介在物は、平方根長さを２００μｍ以下とすることで、長寿命化を実現可能であることが確認できた。
表２に、スラスト試験片において、酸化物系介在物量と寿命との関係について示す。
【００２５】
【表２】
2004028223.tif 000003
【００２６】
表２に示す鋼材から、円盤状で、各々チャージの異なる鋼種（ＳＵＪ２）を用いてスラスト試験片を作製し、このスラスト試験片に対して上述の超音波探傷機を用いた検査を行い、平方根長さが本発明の範囲内であることを確認したもののみを選別した。
そして、それぞれのスラスト試験片に対して、鏡面仕上げを施し、２００倍の光学顕微鏡と画像解析装置とを用いて、解像度の限界である３μｍ以上の介在物の単位面積（１６０ｍｍ２　）あたりの酸化物系介在物の数を測定した。このとき、画像解析装置は、ＴＶカメラと、ＴＶスクリーンと、カウンタとの組み合わせからなり、光学顕微鏡による像をＴＶカメラに写し、これを電子線で走査してＴＶスクリーン上の明暗を電気信号に変えることで、酸化物系介在物の大きさ（粒子径）や数を求めることができる。なお、本実施形態においては、光学顕微鏡を用いたが、　これに限らず電子顕微鏡を用いるようにしてもかまわない。
【００２７】
また、それぞれのスラスト試験片を、「電気製鋼所編　特殊鋼便覧（第一版）、理工学社１９６５年５月発行、ｐ１０〜２１」記載のスラスト試験機に組み込んで、以下の条件下でスラスト寿命試験を行った。ここで、本試験に際して、試験数ｎ＝３０で行い、各試験片の１０％に、顕微鏡又は肉眼で観察できるクラック、フレーキングが発生した時点を寿命（Ｌ１０寿命）と判定し、計算寿命（Ｌｃａｌ）で割った値を表２に示した。
〔スラスト寿命試験条件〕
面圧：Ｐｍａｘ＝５１６５Ｎ／ｍｍ２　
回転数：Ｎ＝３０００ｃｐｍ
潤滑油：ＶＧ６８相当鉱油
図２は、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物の粒子数と、寿命との関係を示すグラフである。
【００２８】
図３は、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物中に存在する平均粒子径１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率と、寿命との関係を示す。
表２及び図２に示すように、単位面積（１６０ｍｍ２　）に３〜３０μｍの酸化物系介在物が２００個以下である実施例８〜１７では、計算寿命よりも長寿命が得られ、寿命比で４０以上を示すことが分かる。ところが、３〜３０μｍの酸化物系介在物が２００個を超えている比較例８〜１２では、寿命低下が大きくなり、計算寿命に近づいていることが分かる。
【００２９】
また、表２及び図３に示すように、３〜３０μｍの酸化物系介在物が２００個以下であっても、３〜３０μｍの酸化物系介在物中に１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率が４％を超えている比較例１３及び１４では、寿命低下が大きくなり、計算寿命に近づいていることが分かる。
この結果より、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が、単位面積（１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率を４％以下とすることで、長寿命化を実現可能であることが確認できた。
【００３０】
表３は、スラスト試験片において、本発明の範囲内で酸化物系介在物の制限を行っている場合と、本発明の範囲外で酸化物系介在物の制限を行っている場合とにおける寿命を示す。
【００３１】
【表３】
2004028223.tif 000004
【００３２】
表３に示す鋼材から、円盤状で、各々チャージの異なる鋼種（ＳＵＪ２）を用いてスラスト試験片を作製し、このスラスト試験片に対して、本発明の範囲内と本発明の範囲外とでそれぞれ酸化物系介在物の制限を行った。つまり、本発明の範囲内の酸化物系介在物の制限は、予め上述の超音波探傷機を用いた検査を行い、試験片の表面からＤａ２％の範囲内には平方根長さが２００μｍを超える酸化物系介在物を存在しないようにするとともに、光学顕微鏡（２００倍）と画像解析装置とを用いた検査によって、３〜３０μｍの酸化物系介在物を単位面積（１６０ｍｍ２　）あたりに２００個以下とし、且つ、そのうち１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率を４％以下となるようにした。また、本発明の範囲外の酸化物系介在物の制限は、超音波探傷機を用いた検査を行わず、光学顕微鏡（２００倍）と画像解析装置とを用いた検査によって、３〜３０μｍの酸化物系介在物を単位面積（１６０ｍｍ２　）あたりに２００個以下とし、　且つ、そのうち１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率を４％以下となるようにした。
【００３３】
そして、それぞれのスラスト試験片を、上述したスラスト試験機に組み込んで、同様の条件下でスラスト寿命試験を行った。ここで、本試験に際しては、試験数をｎ＝５０とした。
表３に示すように、予め超音波探傷機を用いた検査で、短寿命の原因となる平方根長さが２００μｍを超える酸化物系介在物が存在しないように制限し、且つ、光学顕微鏡と画像解析装置とを用いた検査で、３〜３０μｍの酸化物系介在物の制限を行った実施例１８及び１９においては、寿命比で４０以上を超え、試験数をｎ＝５０としても安定的に長寿命化を実現していることが分かる。ところが、それぞれ同じチャージのＳＵＪ２から構成した試験片であっても、超音波探傷機を用いた検査を行わず、光学顕微鏡と画像解析装置とを用いた検査のみによって酸化物系介在物の制限を行った比較例１５及び１６においては、寿命は大きく低下していることが分かる。これは、短寿命完成品が発生したため、Ｌ１０寿命が大きく低下したためであると考えられる。
【００３４】
また、光学顕微鏡と画像解析装置とを用いた検査で、３〜３０μｍの酸化物系介在物中に存在する１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率を本発明の範囲外とした比較例１７においては、超音波探傷機を用いた検査で酸化物系介在物を制限したとしても短寿命であることが分かる。また、光学顕微鏡と画像解析装置とを用いた検査で本発明の範囲外とし、且つ、超音波探傷機を用いた検査で酸化物系介在物を制限しなかった比較例１８においては、比較例１７よりもさらに短寿命であることが分かる。
【００３５】
この結果より、光学顕微鏡と画像解析装置とを用いた検査で比較的小型の酸化物系介在物を制限し、超音波探傷機を用いた検査で短寿命の原因となる比較的大型の酸化物系介在物を制限することで、さらなる長寿命化を実現可能であることが確認できた。
すなわち、光学顕微鏡と画像解析装置とを用いた検査で比較的小型の酸化物系介在物を制限し、且つ、超音波探傷機を用いた検査で短寿命の原因となる比較的大型の酸化物系介在物を制限した転動部材を用いて転動装置を製造することによって、短寿命完成品の発生を抑制し、安定して長寿命化を実現可能な転動装置を提供することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の転動装置によれば、内方部材、外方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物が１６０ｍｍ２　あたりに２００個以下であり、且つ、そのうち平均粒子径が１０μｍ以上の酸化物系介在物が４％以下の構成比率である鋼材から構成されているとともに、鋼材から構成した部材の軌道面表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置までの範囲内に存在する全ての酸化物系介在物は、その平方根長さが２００μｍ以下としたことによって、大型の酸化物系介在物に起因する短寿命完成品の発生を抑制し、安定して長寿命化を実現することが可能となる。
【００３７】
本発明の転動装置の製造方法によれば、本発明の転動装置を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波探傷機を示す模式図である。
【図２】平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物の粒子数と、寿命との関係を示すグラフである。
【図３】平均粒子径３〜３０μｍの酸化物系介在物中に存在する平均粒子径１０μｍ以上の酸化物系介在物の構成比率と、寿命との関係を示す。
【符号の説明】
１０　　　　水槽
１１　　　　軌道輪
１２　　　　超音波探傷用探触子
１３、１４　プーリ
１５　　　　ベルト
１６　　　　回転駆動用モータ
１７　　　　モータ駆動用制御アンプ
１８　　　　制御装置
１９　　　　リニアガイド装置
２０　　　　ＸＹステージ
２１　　　　探触子取り付け具
２２　　　　リニアガイド用コントローラ
２３　　　　超音波探傷装置
【図１】
2004028223.tif 000005
【図２】
2004028223.tif 000006
【図３】
2004028223.tif 000007