(57)【要約】【課題】析出硬化型ステンレス鋼製の部品表面での組織を均一化することができ、よって機械的特性を安定して発揮することができる長寿命な機械部品及びその製造方法を提供する。【解決手段】転がり軸受の内輪１の表面での鍛錬比を９以上とするとともに、当該表面での硬さのばらつきがＨｖ５０以内とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
析出硬化型ステンレス鋼を用いて構成された機械部品であって、
前記機械部品の表面での鍛錬比が９以上であるとともに、当該表面での硬さのばらつきがＨｖ５０以内であることを特徴とする機械部品。
【請求項２】
前記析出硬化型ステンレス鋼が、２〜５％の珪素を含んだ高珪素析出硬化型ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載の機械部品。
【請求項３】
軌道輪または転動体を、請求項１または２記載の機械部品により構成したことを特徴とする転がり軸受。
【請求項４】
請求項１記載の機械部品を製造する方法であって、
析出硬化型ステンレス鋼の素材を所定形状に塑性変形させる鍛造加工の際に、その素材表面での鍛錬比が９以上となるよう当該鍛造加工を行うことを特徴とする機械部品の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の機械部品を製造する方法であって、
析出硬化型ステンレス鋼の素材を所定形状に塑性変形させて中間素材を形成する鍛造加工を行った後、前記中間素材の表面に対し、ローラバニシング加工を施してその中間素材表面での鍛錬比を９以上とすることを特徴とする機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受等に使用される軌道輪などの機械部品及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
腐食環境下で使用される機械部品の素材鋼には、一般にＪＩＳ  ＳＵＳ６３０等の耐食性に優れるステンレス鋼が用いられている。ところが、このようなステンレス鋼は軸受鋼などの他の素材鋼に比べて耐荷重性が劣っており、それ故当該ステンレス鋼製の機械部品はその用途や部品設計などが制限されることがあった。そこで、従来の機械部品には、２％〜５％の珪素を含んだ高珪素析出硬化型ステンレス鋼を用いることにより、耐荷重性を向上させたものが提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１３９５４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような析出硬化型ステンレス鋼では、溶体化処理を行うことにより、その素材鋼内部にクロムやニッケルなどの過飽和固有体を形成した後、この処理後の中間素材に対し鍛造加工などを施して機械部品としての形状に仕上げ、その後、時効処理を実施することにより、上記固有体やそれらの化合物を析出物として析出させて当該機械部品の硬さを向上させていた。
ところが、析出硬化型ステンレス鋼は、上記析出物の大きさや形状または析出物間距離などが不揃いである不均一な組織が多く存在しているため、珪素を含有させ耐荷重性を向上させた上記特許文献１の従来品でも、硬さや強度などの機械的特性を安定して発揮させるのが困難であった。特に、高荷重条件で使用される機械部品、例えば軌道輪と転動体とが高い接触面圧で接する転がり軸受に用いた場合に、その軸受面に不均一な組織が多く含まれていることから、強度不足などにより早期不具合を招くことがあった。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、析出硬化型ステンレス鋼製の部品表面での組織を均一化することができ、よって機械的特性を安定して発揮することができる長寿命な機械部品及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の機械部品は、析出硬化型ステンレス鋼を用いて構成された機械部品であって、
前記機械部品の表面での鍛錬比が９以上であるとともに、当該表面での硬さのばらつきがＨｖ５０以内であることを特徴とするものである（請求項１）。
また、上記機械部品において、前記析出硬化型ステンレス鋼が、２〜５％の珪素を含んだ高珪素析出硬化型ステンレス鋼であることが好ましい（請求項２）。
【０００７】
また、本発明の転がり軸受は、軌道輪または転動体を、請求項１または２記載の機械部品により構成したことを特徴とするものである（請求項３）。
【０００８】
上記のように構成された請求項１または２の機械部品では、その表面での鍛錬比を９以上とし、かつ表面硬さのばらつきをＨｖ５０以内とすることにより、本願の発明者は上記表面を析出物の大きさや形状及び析出物間距離などをほぼ揃えた均一な組織とすることができることを見出した。また、請求項２の機械部品では、珪素を含んでいないものに比べて耐荷重性に優れた高珪素析出硬化型ステンレス鋼を用いているので、当該部品の耐荷重性を容易に向上させることができる。また、請求項３の転がり軸受では、その軌道輪または転動体の軌道部表面での組織を均一化することができる。
【０００９】
また、本発明は、請求項１記載の機械部品を製造する方法であって、
析出硬化型ステンレス鋼の素材を所定形状に塑性変形させる鍛造加工の際に、その素材表面での鍛錬比が９以上となるよう当該鍛造加工を行うことを特徴とするものである（請求項４）。
【００１０】
また、本発明は、請求項１記載の機械部品を製造する方法であって、
析出硬化型ステンレス鋼の素材を所定形状に塑性変形させて中間素材を形成する鍛造加工を行った後、前記中間素材の表面に対し、ローラバニシング加工を施してその中間素材表面での鍛錬比を９以上とすることを特徴とするものである（請求項５）。
【００１１】
上記の請求項４及び請求項５の機械部品の製造方法では、上記析出硬化型ステンレス鋼製の素材及び中間素材に対し、その素材表面の鍛錬比が９以上となるように鍛造加工及びローラバニシング加工を行っているので、それらの各加工時に当該素材表面から内部に大きいせん断応力を発生させて析出物を分断することができる。また、鍛錬比を９以上と大きくしていることから、上記素材及び中間素材の体積を大幅に減少させることができ、析出物間距離を小さくすることができる。従って、上記機械部品の表面を微細で均一な組織とすることができる。しかも、均一化された表面組織を得ることができることから、その表面硬さのばらつきを容易にＨｖ５０以内とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の機械部品及びその製造方法を示す好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、機械部品としての転がり軸受の内輪に本発明を適用した場合について説明する。
図１は、本発明の機械部品の製造方法の一実施形態を示す工程図である。本実施形態では、内輪素材として高珪素析出硬化型ステンレス鋼を用意し、図１（ａ）〜（ｅ）に示す製造工程によって内輪１を製作した。具体的には、上記ステンレス鋼製の素材に溶体化処理（例えば１０５０℃で０．５時間）を行いオーステナイト化した後（図１（ａ）参照）、その素材鋼に熱間ローリング加工を含む鍛造加工を施して、所定形状に塑性変形させ、その後に旋削または研削によって荒仕上げ加工を行うことにより、端面１ａ、外周１ｂ、軌道部１ｃ及び内周１ｄ等を所定形状に加工した中間素材Ａを形成する（図１（ｂ）参照）。
【００１３】
上記高珪素析出硬化型ステンレス鋼は、クロム−ニッケル系ステンレス鋼に２〜５％程度の珪素を含ませたものである。尚、上記内輪素材として珪素を含まないＪＩＳ  ＳＵＳ６３０、６３１等の他の析出硬化型ステンレス鋼を用いることもできる。但し、珪素を含んだ素材鋼の方が、珪素を含有していないものに比べて耐荷重性に優れており、内輪完成品においてもその耐荷重性を容易に向上させることができる点で好ましい。
【００１４】
上記鍛造加工が完了すると、軌道部１ｃの表面にローラバニシング加工を施して、上記中間素材Ａから当該軌道部１ｃの表面での鍛錬比（鍛造加工前の素材鋼の断面積を当該鍛造加工後の断面積で割算した商の値）を９以上とした加工品Ｂを形成する（図１（ｃ）参照）。
詳細にいえば、上記鍛造加工では、例えばプレス機及びローリング機を用いた熱間鍛造処理により素材鋼から所定形状を有する上記中間素材Ａを形成しているが、少なくとも表面の鍛錬比を８以上としている。そして、上記荒仕上げ加工の後、上記ローラバニシング加工を軌道部１ｃの表面に行うことにより、中間素材Ａの軌道部１ｃの表面での鍛錬比を９以上にして加工品Ｂを得る。
また、上記ローラバニシング加工は、同図に示すように、油圧で保持された治具としてのセラミックス製の鏡面ボールＣを、軌道部１ｃに強圧で押し付けて転がり接触させながら、軌道部１ｃの軸方向断面に沿って移動させるものである。より具体的には、このローラバニシング加工では、例えば上記ボールＣとして直径６．３ｍｍのセラボールを用い、ワーク回転数１６００ｒ／ｍｉｎで回転させた軌道部１ｃに対し、上記セラボールを４０ＭＰａの液圧で押し付けつつ、ツール送り０．０５ｍｍ／ｒで転がり接触させる。
【００１５】
以上のように、上記鍛造加工及びローラバニシング加工により軌道部１ｃ表面の鍛錬比を９以上にしているので、上記表面から内部に大きいせん断応力を発生させることができ、上記溶体化処理で当該表面組織に析出したニッケル、クロム、珪素などの析出物を分断してほぼ同一の大きさ、形状とすることができる。さらに、上記表面組織での体積を１／９以下と大幅に減少させることができ、上記析出物の相互距離を小さくすることができる。この結果、上記軌道部１ｃの表面を微細で均一な組織とすることができるとともに、当該表面硬さのばらつきを容易にＨｖ５０以内とすることができる。
【００１６】
さらに、上記ローラバニシング加工を施すことにより、例えば軌道部１ｃ表面の中心線平均粗さＲａが０．２５μｍ以下、軌道部１ｃの表面から少なくとも０．２ｍｍの深さの残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上、軌道部１ｃの表面から少なくとも０．２ｍｍの深さの硬さがＨｖ７００以上にされており、ローラバニシング加工を施していない上記従来品に比べて軌道部１ｃの強度をはるかに向上し、さらには内部起点剥離及び表面起点剥離の発生を極力抑えた剥離寿命の長い軌道部１ｃを構成することができる。
【００１７】
ローラバニシング加工の完了後、加工品Ｂに対して時効処理（例えば４５０℃で３時間）を行うことにより、その表面の硬さが例えばＨＲＣ５７〜５８程度となるように硬化させる（図１（ｄ）参照）。その後、時効（硬化）処理が完了した加工品Ｂの端面１ａ、軌道部１ｃ及び内周１ｄを、旋削加工によって所定精度に仕上げる（図１（ｅ）参照）。尚、加工品Ｂの端面１ａ及び内周１ｄの仕上げ加工については、研磨加工で行ってもよい。
【００１８】
尚、上記の説明では、鍛造加工完了後に８以上の鍛錬比とした加工品Ｂを得る場合について説明したが、少なくとも軌道部１ｃの表面での鍛錬比が９以上としたものであればよく、鍛造加工完了後に中間素材Ａの全表面での各鍛錬比を９以上にしてもよく、この場合にはローラバニシング加工を割愛することもできる。また、例えば鍛錬比が４程度の鍛造加工完了後の中間素材に対し、ローラバニシング加工を複数回繰り返すことにより、少なくとも軌道部１ｃ表面での鍛錬比を９以上にしてもよい。また、鍛造加工の完了後、上記時効処理及び研磨加工を順次行った後にローラバニシング加工を実施して、上記鍛錬比を９未満から９以上にしてもよい。
【００１９】
以上により得られた内輪１について、検証試験を行った。この検証試験では、内輪１の軌道部１ｃ表面での硬さを測定し、そのばらつきを求めた。さらに、内輪１を、ＪＩＳ  ＳＵＪ２からなり、通常の浸炭窒化処理が施された外輪と、セラミックス製の転動体（玉）と組み合わせて、型番６２０６Ｃ３の玉軸受を組み立てた。そして、これらの玉軸受を使用し、異物が混入した異物混入油を用いて以下の条件により寿命試験を行った。
【００２０】
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【００２１】
上記評価試験の結果を以下の表１に示す。尚、表１の試験品Ｎｏ．１は従来相当品であり、試験品Ｎｏ．２は鍛造加工でのプレス力を従来相当品よりも高めた比較品である。また、表１の試験品Ｎｏ．４は本実施例相当品であり、試験品Ｎｏ．３及び５は軌道部１ｃに対しローラバニシング加工を施さずに、鍛造加工の実施のみで表面鍛錬比をそれぞれ９及び１０とした本発明相当品である。また、表１において、各寿命比は、試験品Ｎｏ．１での測定寿命をそれぞれ基準とした比較結果である。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１より明らかなように、鍛錬比を９以上とした試験品Ｎｏ．３〜５では、軌道部１ｃの表面硬さのばらつきがＨｖ５０以内とされており、８以下の鍛錬比である試験品Ｎｏ．１及び２に比べて１／２〜１／３程度に硬さばらつきが小さくされていることが確認された。
また、表１より明らかなように、試験品Ｎｏ．３〜５の寿命は、従来相当品の試験品Ｎｏ．１の２倍以上に延ばされており、試験品Ｎｏ．２に比べても５０％以上の時間にわたって硬さや強度などの機械的特性を安定して発揮することができ、長寿命化を図れることが実証された。これは、上記のように軌道部１ｃの表面での硬さばらつきを小さくしたことと、その表面を微細で均一な組織構造としたことにより、当該表面組織構造から不均一で比較的脆い組織を排除するとともに、当該軌道部１ｃ上を転動する玉から作用する力が分散され、弱められる結果であると考えられる。
さらに、ローラバニシング加工を実施した試験品Ｎｏ．４では、同加工を実施していない試験品Ｎｏ．３よりも寿命が延びていることが明らかとなった。これは、軌道部表面が上記鏡面ボールＣを用いた点接触によるせん断応力が当該表面から内部側により均一に作用した結果であると推測される。
尚、本発明の発明者の他の検証試験によれば、試験品Ｎｏ．３〜５のいずれの試験品においても、上記析出硬化型ステンレス鋼が本来的に有する水等に対する耐食性を保持していることが確認されている。
【００２４】
尚、上記の説明では、転がり軸受の内輪に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は析出硬化型ステンレス鋼の表面での鍛錬比を９以上にし、かつその表面硬さのばらつきをＨｖ５０以内としたものであればよく、各種機械部品、特に腐食環境の下、高荷重条件で使用される転がり接触または滑り接触または両接触を含む接触を行う転がり摺動部を有する転がり軸受や滑り軸受などの各種軸受等に適用することができる。具体的には、転がり軸受の外輪やボールあるいは円筒ころ等の転動部や摺動部などに本発明を適用できることは勿論のこと、ウォータポンプ等に用いられる滑り軸受の軸受部材や一方向クラッチのカム面やカムフォロアーのローラを構成する部材などにも適用することができる。また、ステンレス鋼本来の優れた耐食性を保持していることから、例えば大型工作機械に設けられた旋回軸を支承する転がり軸受など屋外用途などに供される機械部品に好適に用いることができる。さらに、転造加工などの他の加工を用いて形成されるねじや歯車などの他の機械部品にも適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１及び請求項２記載の機械部品によれば、析出硬化型ステンレス鋼を用いて構成された当該部品表面を均一な組織とすることができるので、上記従来品と異なり、硬さや強度などの機械的特性を安定して発揮させることができる。この結果、当該機械部品の長寿命化を図ることができる。また、請求項３記載の転がり軸受によれば、その軌道輪または転動体の軌道部表面での組織を均一化することができるので、当該軌道輪または転動体の機械的特性を安定して発揮することができるとともに、これらの軌道輪、転動体、ひいては転がり軸受の長寿命化を図ることができる。
【００２６】
また、請求項４及び請求項５記載の機械部品の製造方法によれば、析出硬化型ステンレス鋼製の当該部品の表面を微細で均一な組織とすることができるとともに、当該表面硬さのばらつきを容易にＨｖ５０以内とすることができるので、硬さや強度などの機械的特性を安定して発揮することができる長寿命な機械部品を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機械部品の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【符号の説明】
１    内輪（機械部品）
Ａ    中間素材
【図１】
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