(57)【要約】【課題】鋼球またはローラーに接触して負荷を支える転がりベアリングの鋼製部材の変形を小さくし高硬度とすることを課題とする。【解決手段】転がりベアリングの前記鋼製部材の炭素含有量を０．３〜０．４５％、クローム含有量を１％以上とし、焼入れ・焼戻しを行って全体をＨＲＣ４０〜５０の硬度とし、切削加工で成形して窒化を行って表層を高硬度とし、前記鋼製部材が使用時に受ける負荷により表層から深部に至るまでの全域に生じる剪断応力に耐えるべく過剰・不足のない精密な硬度分布を変形の少ない状態で作る硬化方法。【選択図】図１
2013216952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の（１）〜（４）の工程順序で行うことを特徴とする、鋼球またはローラーに接触して負荷を支える転がりベアリングの鋼製部材すなわちボールベアリングにおいては内輪および外輪、ボールねじにおいてはナットおよびねじ軸、ローラーベアリングにおいては内輪および外輪、リニアボールベアリングにおいては案内軸およびベアリング本体の硬化方法。
（１）前記鋼製部材の材料として炭素含有量０．３〜０．４５重量％かつクローム含有量１重量％以上の鋼材を選定する。
（２）前記材料を切削加工により前記鋼製部材の形状に成形する。
（３）成形された前記鋼製部材を鉄―炭素平衡状態図のオーステナイト領域温度から焼入れし、摂氏３００度以下での焼戻しを行って全体の硬度がロックウエル硬度Ｃスケールで４０〜５０になるようにする。
（４）転がりベアリングとして完成して使用されて動的な定格荷重が作用したときの前記鋼製部材と鋼球またはローラーとの接触面と剪断応力が最大となる深さ位置との距離を計算しておき、前記鋼製部材を鉄―炭素平衡状態図のオーステナイト領域の下限のＡ３線未満の温度においてアンモニアを含む雰囲気中で、該接触面から剪断応力が最大となる深さまでの距離の１．２〜１．４倍の深さまでがロックウエル硬度Ｃスケールで５７〜６４になるように窒化を行う。
【請求項２】
下記の（１）〜（４）の工程順序で行うことを特徴とする、鋼球またはローラーに接触して負荷を支える転がりベアリングの鋼製部材すなわちボールベアリングにおいては内輪および外輪、ボールねじにおいてはナットおよびねじ軸、ローラーベアリングにおいては内輪および外輪、リニアボールベアリングにおいては案内軸およびベアリング本体の硬化方法。
（１）前記鋼製部材の材料として炭素含有量０．３〜０．４５％かつクローム含有量１％以上の鋼材を選定する。
（２）前記鋼材を鉄―炭素平衡状態図のオーステナイト領域温度から焼入れし、摂氏３００度以下での焼戻しを行って全体の硬度がロックウエル硬度Ｃスケールで４０〜５０になるようにする。
（３）前記ロックウエル硬度Ｃスケールで４０〜５０とされた材料を切削加工により前記鋼製部材の形状に成形する。
（４）転がりベアリングとして完成して使用されて動的な定格荷重が作用したときの前記鋼製部材と鋼球またはローラーとの接触面と剪断応力が最大となる深さ位置との距離を計算しておき、前記鋼製部材を鉄―炭素平衡状態図のオーステナイト領域の下限のＡ３線未満の温度においてアンモニアを含む雰囲気中で、該接触面から剪断応力が最大となる深さまでの距離の１．２〜１．４倍の深さまでがロックウエル硬度Ｃスケールで５７〜６４になるように窒化を行う。
【請求項３】
請求項１に示す工程により硬化させたことを特徴とする、鋼球またはローラーに接触して負荷を支える転がりベアリングの鋼製部材。
【請求項４】
請求項２に示す工程により硬化させたことを特徴とする、鋼球またはローラーに接触して負荷を支える転がりベアリングの鋼製部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つの鋼製部材に鋼球やローラーが挿入されて負荷を支える機能を持つ転がりベアリングなる、ＪＩＳ  Ｂ１５１１で規定されるボール・ローラーベアリング及びＪＩＳ  Ｂ１１９１で規定されるボールねじ及びＩＳＯ１３０１２で規定されるリニアボールベアリング、の該鋼製部材の硬化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二つの鋼製部材の間に鋼球やローラーが挿入されて負荷を支える機能を持つ転がりベアリングすなわちボール及びローラーベアリング、ボール及びローラーねじ、リニアボールベアリングにおいては、鋼球が挿入されているときは該鋼製部材と鋼球とは負荷時に長円状の点接触をなし、ローラーが挿入されているときは鋼製部材とローラーとは帯状の線接触をなす。前記鋼球の場合もローラーの場合も荷重を支える接触面積が小さいから面圧が極めて高くなり、使用限界を定める動定格荷重と等量の荷重が作用したときには最大面圧が３０００〜４０００（Ｎ／ｍｍ２）に達する。高面圧の作用により鋼球またはローラーが接触する二つまたは一つの鋼製部材の表層部がついには破壊されて寿命となるが、破壊の機序は高面圧に伴って生ずる剪断応力による金属疲労である。破壊の起点となる剪断応力が最大となる位置は鋼製部材と鋼球の接触する表面ではなく、鋼球との接触では接触表面から接触長円の短径の約４０％の深さの位置（ｍｍ）にあること、ローラーとの接触では帯状接触の幅の約４０％の深さの位置（ｍｍ）であること、また該深さより深い部分にも深くなるにつれて剪断応力が漸減しつつ分布していることが、ドイツ人ヘルツによって創られた弾性接触論という難解な理論が転がりベアリングの解析に適用されて発見され、実験による証明もされてきた。ヘルツ理論については、秀和システム出版、ジェイテクト、ベアリング入門書編集委員会編、「図解入門よくわかる最新ベアリングの基本と仕組み」なる書籍に記されている。この剪断応力に耐えるようにするため、前記の従来の転がりベアリングでは、鋼球またはローラーが挿入される鋼製部材の全体または表層を高硬度ＨＲＣ５７〜６４とする処理を行っている。硬度ＨＲＣはＪＩＳＺ２２４５に規定されるロックウエル硬度のＣスケールを示す。
【０００３】
前記鋼製部材を高硬度にするため、炭素含有量を１％（重量比）前後に設定し、鋼の状態を、オーステナイトである温度、すなわち図７の「鉄―炭素系平衡状態図」という横軸に炭素濃度（重量％）をとり縦軸に温度をとった座標平面に描かれるＡ３線とＡｃｍ線の上側のオーステナイト領域温度（斜線部）からの急冷を行ってマルテンサイトという高硬度の状態に変態させる焼入れという方法が用いられている。鉄―炭素系平衡状態図は、株式会社工業調査会発行、内山郁編著「鉄鋼・高強度に挑む」の本の１２５ページに掲載されている。炭素含有量を増すほど硬度は高くできるが脆性も出てくるので１．１重量％が常用限界であって、前記鋼製部材の専用鋼種としてＪＩＳ  Ｇ４８０５に規定された高炭素軸受鋼ＳＵＪの４種類すべての炭素含有量が０．９５〜１．１重量％である。焼入れは有史以前から知られており、わが国古来の日本刀にもこの硬化法が用いられていた。焼入れの後に行う処理として焼入れ時よりも若干ながら硬度が下がるが、鋼の焼入れに伴って生じる応力を除去し靭性を高くするため、摂氏１８０〜６００度に再加熱した後に冷却する焼戻しなる方法がある。焼戻しでは再加熱温度が低いほど最終の硬度が高くなる特性がある。前記鋼製部材の焼入れ・焼戻し後の硬度は高いほど金属疲労に対して有効であるが、一方、高くなると脆性が出てくるので前記部材での実用限界はＨＲＣ５７〜６４となっている。日本規格協会発行「熱処理技術マニュアル」１８６ページに転がりベアリングの焼入れ・焼戻しの説明がある。
【０００４】
前記オーステナイト領域温度からの焼入れでは鋼の高硬度が達成できる反面、鋼の状態がマルテンサイトに変態することに起因する変形が不可避的に生じる。該変形はマルテンサイトに変化するとき体積が膨張することに依るもので、炭素含有量が多いほど大きくなる。日本規格協会発行の「熱処理技術マニュアル」の１３４ページに掲げる炭素含有量とマルテンサイトによる膨張量の関係を調べた表８・２によれば、炭素含有量が０．３重量％のとき体積変化が＋０．４０４％、炭素含有量が１重量％のとき体積変化が＋１．５５７％となっている。真っ直ぐな刃として鍛造された日本刀を焼入れすると弓形に反る変形となって好都合な場合も稀にはあるが、転がりベアリング工業分野では有害である。本願対象のボール及びローラーベアリング内輪や外輪というリング状の鋼製部材にあっては円形の輪郭が長円形や多角形に歪むほか円周方向と直角の方向に曲がる反りと称される歪みが生じる、長尺で円柱形のボールねじ軸にあっては曲がりのほかにねじピッチの不等が生じる、長尺で角柱状のリニアボールベアリングのレールは曲がりとともに捩じりも生じる、リニアボールベアリングのレール上を走行するスライドベアリングの形はコ字状で閉じた輪郭でないので開いてしまう、という問題がある。  
【０００５】
焼入れに伴う変形はマルテンサイトへの変態によるものであるから、鋼製部材全体を焼入れするのではなく表層だけを焼入れしてマルテンサイトの量を減らして変形を減らし、かつ、深部は硬化していないので変形方向と逆の方向に力を加えて塑性変形させて該変形を減らそうという肌焼入れという方法が高度成長時代に普及した。肌焼入れには二つの方法がある。肌焼入れの一つ目は浸炭焼入れといい、炭素濃度の低い鋼材を炭化水素系ガスの雰囲気中で鋼をオーステナイト領域温度まで加熱して炭素を鋼の表層に浸入させて高い炭素濃度とし、同温度から焼入れを行い表層だけを硬化させる方法である。
【０００６】
肌焼入れの二つ目は高周波誘導焼入れといい、製鋼時に材料全体の炭素濃度を高くした鋼材を用い、旋盤などで切削加工を行って所要の形状に成形した後に、表層だけを高周波誘導加熱で鋼のオーステナイト領域温度に赤熱し、冷水噴霧をかけるなどして急冷による焼入れをする。しかしながら肌焼入れでも、表面に発生する応力の影響は中心部に発生する応力よりもはるかに影響が大きいという、いわゆる、表面効果により表層だけのマルテンサイト変態ということでも変形は半減するにすぎず、また以下の（００１０）、（００１１）に述べるが、逆方向に塑性変形させて変形を小さくする作業を行うのが、簡単ではなく人件費がかかること、大量生産に向いていないという問題がある。
【０００７】
変形のない高硬化法として、近年に至り普及が始まった窒化が注目され始めた。窒化とは、摂氏５００〜５５０度の温度で分解するアンモニアから出る活性窒素をクロームやモリブデンやアルミニウムを添加した鋼に吸収させて窒化鉄や窒化クロームや窒化モリブデンや窒化アルミニウムなどの硬度の高い物質を生成させ、鋼の表層をＨＲＣ６０〜７０の高硬度にする方法である。摂氏５００〜５５０度のアンモニア雰囲気で窒素を吸収させると高硬度層ができるが、この領域温度は鋼のオーステナイト領域でないのでマルテンサイトは生成しないから変形は少なく上記（０００３）に述べた焼入れ法の約１／１０以下の量にすぎない。しかしながら窒化には、窒素を鋼に含浸させるのに浸炭の２倍以上の時間がかかるという問題があって高コストになるから転がりベアリングの前記鋼製部材には用いられない。なお、プラズマ窒化という放電を利用して活性窒素を鋼中に浸入させる方法で、放電を用いない窒化よりも処理時間を短くする方法があるが、設備費がかさむという問題があり、いずれにせよ、窒化で硬化層を厚くするにはコストがかかってしまう。窒化については、前記した日本規格協会発行の「熱処理技術マニュアル」６２ページに記述がある。
【０００８】
変形の少ない硬化法として戦前より用いられているものに調質という方法がある。図７の鉄―炭素系平衡状態図のオーステナイト領域であるＡ３線またはＡｃｍ線より上の温度から焼入れを行うところは上記の（０００３）と同じであるが、鋼中の炭素を０．３〜０．６重量％の低〜中程度の含有量とし、焼戻し温度を摂氏４００〜６００度とするところが異なる。炭素含有量が少ないため変形は軽微だが、硬度は上限で約ＨＲＣ４５にしかならず、転がりベアリングの前記鋼製部材においては、必要とするＨＲＣ５７〜６４に達しないので使われていない。  
【０００９】
オーステナイト領域温度からの焼入れおよび肌焼入れによる変形を少なくするため、転がりベアリングの外輪などのリング状部材において締め付け治具で固定して焼入れ・焼戻しを行う方法があるが、治具製作費が発生すること、治具への取り付け取り外しの手間が要るという難点があってコストが高くなり変形量も半減するにすぎないから、部材の肉がごく薄くて変形量が大きく、この方法を使わなくては製造が著しく困難な稀な用途を除く圧倒的に多数の部材は硬化処理前に変形量分を上回る取り代を付けておき、硬化処理後の研磨作業で取り去るという加工時間が長い方式に依らざるをえないという問題がある。肌焼きをした部材の変形した方向の逆方向に圧力を加える逆塑性変形により変形を減らすという方法は、変形量を測定しては手加減で圧力を加え、また測定しては手加減で圧力を加えるということを繰り返すので人件費がかかり、コストがかさみ大量生産に向いていないという問題があって用いられていない。肌焼きによる転がりベアリングも生産されてはいるが、変形を塑性変形させて減少させるために行うのではなく、部材の深部を低硬度にしておき、衝撃荷重を受けても低硬度の部分で柔軟に吸収するためであり目的が異なるので逆塑性変形による変形矯正は行われていない。
【００１０】
長尺であるボールねじ軸は、焼入れ・焼戻しにより曲がって弓形になり、軸が曲がる前の中心線と、曲がった後の中心線との距離の最大値は大きく、例えば長さ１ｍで直径が１０ｍｍのものでは１０〜３０ｍｍに達するので、肌焼入れを行って変形を減少させるが、それでも５〜１０ｍｍの曲がりが出る。これだけの取り代を付けて研磨で取り去るのは不可能なので、軸の両端を支持し弓形の山を上方に置き、上からプレスなどにより下方に圧しつけるという塑性変形を利用した曲がり矯正を行うと、ついには曲がりが０．２ｍｍとなり研磨で除去できる水準に達する。
【００１１】
しかしながら、逆方向に塑性変形させて変形を小さくする作業は簡単ではなく、測定しては力を加え、また測定しては力を加えるということを繰り返さなければならない。このため浸炭焼入れの場合は、炭素含有量０．２重量％未満の鋼材、例えばＪＩＳ規格G４１０４のＳＣｒ４１５などを用いて表面の焼入れ硬化層以外の部分に焼きが入らないようにして全体を柔らかくし、曲がり矯正の工数を減じるという工夫をしている。高周波誘導焼入れの場合は、炭素含有量が０．５５重量％の鋼種、例えばＪＩＳ規格Ｇ４５０１のＳ５５Ｃなどを使っているが、表面を瞬間的に加熱・冷却するだけなので表層以外への熱影響がないから表層以外はＨＲＣ２０以下の低い硬度を保っていて曲がり矯正への阻害を少なくしている。ボールねじ軸は焼き入れのときは上下に吊るすか、横に置くときは多点支持として曲がり対策としていることが日刊工業新聞社発行の専門誌「機械設計」第２２巻  第８号  １９７８年８月号４３〜４５ページ  にあるが、これはマルテンサイト変態による変形を減少させるものではなく、肌焼きするときの水平２点で保持したときの撓みによる付加的な変形を与えないためなどのものであって、このことはボールねじ軸では曲がりがいかに生産を阻害するかを示す間接的な証の一つである。
【００１２】
長尺で断面が矩形状であるリニアボールベアリングの案内軸は、焼入れ・焼戻しにより曲がりが生じ、軸が曲がる前の中心線と曲がった後の中心線との距離の最大値は大きく、例えば長さ１ｍで直径が１０ｍｍのものでは２０〜４０ｍｍに達するので、高周波焼入れを行って変形を減少させるが、それでも１０〜２０ｍｍの値となる。さらに軸が捩れて両端の矩形断面が３度〜１０度の位相ずれを起こす。これだけの取り代を付けて研磨で取り去るのは不可能なので、軸の両端を支持し、弓形の山を上方に置き、上からプレスなどにより下方に圧しつけるという塑性変形を利用した曲がり矯正と、軸の両端を保持して捩れている方向と逆に捩じる矯正を行うと、曲がりと捩じりが合わさっても０．３ｍｍとなり、研磨で除去できる水準に達する。しかしながら、捩じりと曲がりの二つの変形に対して逆方向に塑性変形させて変形を小さくする作業は簡単ではなく、測定しまた測定しては矯正を加えるということを繰り返すので人件費がかかること、大量生産に向いていないという問題がある。  
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】秀和システム発行、ジェイテクト、ベアリング入門書編集委員会        「図解入門よくわかる最新ベアリングの基本と仕組み」
【非特許文献２】株式会社工業調査会発行、内山郁編著「鉄鋼・高強度に挑む」１２５ページ
【非特許文献３】日本規格協会発行、「熱処理技術マニュアル」６８ページおよび１３４ページおよび１８６ページ
【非特許文献４】日刊工業新聞社発行「機械設計」  第２２巻  第８号  １９７８年８月号４３〜４５ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
鋼球またはローラーに接触して負荷を受ける転がりベアリングの鋼製部材の変形を小さくし高い硬度とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記鋼製部材の工程を次の（１）〜（５）の順序で行う硬化処理をもって課題の解決手段とする。
（１）鋼球またはローラーに接触して負荷を受ける転がりベアリングの鋼製部材の材料として、炭素含有量０．３〜０．４５重量％かつクローム含有量１重量％以上の鋼材を選定する。０．３％以下の炭素含有量では焼入れ・焼戻し時に必要とするＨＲＣ４０〜５０の硬度が出ないし、０．４５％以上では焼入れによる変形が大きくなる。クローム含有量が１％以下では後の工程で行う窒化で必要とするＨＲＣ５７〜６４の硬度が出ない。参考までにＪＩＳ規定の窒化鋼とされているものは全てクローム含有量が１．３％以上である。この選定条件にかなう機械構造用の鋼種を見出すためにＪＩＳ  Gを見てみると、４８０３規定の中の数十の鋼種の合金鋼の中に５種が見つかるので、この選定は成立する。
（２）選定した前記材料を切削または鍛造加工により前記鋼製部材の形状に成形する。
（３）成形した前記鋼製部材を図７の鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度すなわち鉄―炭素平衡状態図のＡ３線以上の温度から焼入れし、摂氏３００度以下で焼戻しを行い、全体の硬度がＨＲＣ４０〜５０になるようにする。炭素含有量が少ないので、マルテンサイト変態するが変形は小さい。本願に示すような炭素含有量が０．３〜０．４５％の鋼の焼戻しを摂氏３００度以下という低温ですることは転がりベアリングの鋼製部材に行われることはないが、工業的には可能なので炭素含有量が少なくてもＨＲＣ４０〜５０の硬度を出すために行うものである。すなわち摂氏３００度以上で焼戻しをするとＨＲＣ４０〜５０の硬度が出にくくなるからである。なお（２）で行う成形をこの熱処理の後に持ってくることも可能である。
（４）転がりベアリングとして完成して使用されるときの動的な定格荷重が作用したときに前記鋼製部材に生ずる剪断応力が最大になる深さ位置の値を計算しておき、図７に示される鉄―炭素系状態平衡図のＡ３線の下の領域温度でのアンモニアを含む雰囲気中でアンモニア量や処理時間や温度などを調節して表面から該深さの値の１．２〜１．４倍の深さまでがＨＲＣ５７〜６４の高硬度層になるように窒化を行う。
【発明の効果】
【００１６】
本発明になる転がりベアリングにおいては、鋼球またはローラーに接触して負荷を受ける鋼製部材を高い硬度にするための処理による変形がごく少ないので、変形矯正工程が不要で、かつ研磨作業時間を大幅に削減できる又は研磨を省略できる、ことから製造原価の低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本願発明になるボールベアリングの実施例１の説明図。
【図２】図２は、図１を説明するための参照図。
【図３】図３は、本願発明になるボールねじの実施例２の説明図。
【図４】図４は、図３を説明するための参照図。
【図５】図５は、本願発明になるローラーベアリングの実施例３の説明図。
【図６】図６は、図５を説明するための参照図。
【図７】図７は、鋼のオーステナイト領域温度を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
転がりベアリングは、鋼球またはローラーを介して負荷を支える機能を持つ機械部品であって、該鋼球またはローラーを挟み負荷を受ける二つの鋼製部材が必ず存在する。実施例１の図１のボールベアリングにおいて該鋼製部材はボールベアリング外輪１ａとボールベアリング内輪１ｂであり、実施例２の図３のボールネジにおいて該鋼製部材はナット２ａとねじ軸２ｂであり、実施例３の図５において該鋼製部材はローラーベアリング外輪３ａとローラーベアリング内輪３ｂである。ベアリングが負荷を受けて機能するとき、前記鋼球またはローラーと前記鋼製部材との接触面積は小さいから接触面圧は高い。この高い接触面圧に比例して前記鋼製部材の接触点には表面から内部の深部にかけて分布する剪断応力が生じる。図２および図４で前記鋼球荷重と直角の方向に向く矢印の長さで前記剪断応力の大きさを示す。同様に図６で前記ローラー荷重と直角の方向に向く矢印の長さで前記剪断応力の大きさを示す。この剪断応力の分布の中で最大の値を示すものすなわち最大剪断応力が在るのは表面ではなく表面から接触幅の約４０％の距離に相当する深さすなわち図２でのＬ１、図４でのＬ２、図６でのＬ３であるから、この深さＬ１、Ｌ２、Ｌ３の１．２ないし１．４倍までの距離をＨＲＣ５７〜６４の高硬度にする必要があり、またＬ１、Ｌ２、Ｌ３より深い位置にも相対的に小さいけれども剪断力が働くのでＬ１、Ｌ２、Ｌ３の約３倍までの深さをＨＲＣ４０〜５０とする必要がある。このため従来の転がりベアリングにおいては、前記鋼製部材の材料を高炭素濃度とする方法または低炭素濃度の材料の表面深くまで炭素を高濃度に浸炭させる方法のどちらかを用いて焼入れ・焼戻しにより所定の硬度を得てきた。しかし焼入れ・焼戻しによるマルテンサイトの生成の影響で前記鋼製部材は変形が大きく、取り代を多く付けて研磨加工せざるをえないという問題がある。本願発明は、前記鋼製部材の材料として炭素含有量０．３〜０．４５重量％かつクローム含有量１重量％以上の鋼材を選定し、図７の鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度すなわち鉄―炭素系平衡状態図のＡ３線以上の温度から水または油で急冷して焼入れを行い、３００度以下の温度で焼戻しを行って全体を硬度ＨＲＣ４０〜５０にする。炭素含有量の下限を０．３％とするのは、これ未満の含有量では必要な硬度が得られなくなるからであり、炭素含有量の上限を０．４５％とするのは変形の発生を少なくするためである。鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度すなわち該状態図のＡ３線以下の温度のアンモニアを含む雰囲気中でアンモニア量や処理時間や温度を調節して表面から接触長円の短径の約４０％の深さＬ１、Ｌ２、Ｌ３の１．２〜１．４倍の深さまでがＨＲＣ５７〜６４になるように変形の少ない処理である窒化を行う。これにより表層はＨＲＣ５７〜６４の高硬度、深部ではＨＲＣ４０〜５０の硬度を得る。剪断応力が最大になるのは接触長円幅の約４０％の深さＬ１、Ｌ２、Ｌ３であって、それより深いところでは剪断応力は減衰して小さくなるから、接触長円の短径の４０％の深さの１．２〜１．４倍の深さＬ１、Ｌ２、Ｌ３まで窒化による高硬度層とすれば、これより深い部分に鋼への窒素浸入に時間のかかる窒化を行って硬化させる必要がなく、焼入れ・焼戻し時に達成された硬度ＨＲＣ４０〜５０で十分である。ゆえに表層から深部に至る全域の剪断応力に対応する精密に作られた無駄のない硬度分布を持つ鋼製部材が変形を少なくして作られるので、研磨工程においての削り代が従来の硬化処理のときに比べて０〜１／１０ですむからコストを低くできる。
【実施例１】
【００１９】
図1は、本願発明の一実施例で、ボールベアリング１を正面と平面の二方向から見ており、正面図では半分を断面図としてある。ボールベアリング外輪１ａとボールベアリング内輪１ｂとボールベアリング鋼球１ｃの３部品でボールベアリング１が構成されている。ボールベアリング外輪１ａに上からの荷重がかかると、この荷重はボールベアリング外輪１ａからボールベアリング鋼球１ｃに伝達され、次にボールベアリング鋼球１ｃからボールベアリング内輪１ｂへと伝達される。断面図中、輪郭に沿って黒く塗りつぶされた部分は窒化による高硬度層であり、斜線部は窒化硬化を行う前に行ったオーステナイト温度領域からの焼入れ・焼戻しによる硬さとして得られた部分である。
【００２０】
図２は、図１の実施例の説明のための図であって、ボールベアリング１が負荷を受けて転動するときの、ボールベアリング鋼球１ｃとボールベアリング内輪１ｂが接触する状態を示している。ボールベアリング鋼球１ｃにはボールベアリング内輪１ｂを圧する鋼球荷重と称される荷重が働き、鋼球荷重の作用により接触長円の真下の点ｐには剪断応力が発生する。図２で該鋼球荷重と直角の方向に向く矢印の長さで該剪断応力の大きさを示す。前記剪断応力はボールベアリング内輪２ｂの表面から深部へと分布し、剪断応力が最大値となる点は表面ではなく表面から深さ方向に接触長円の短径の約４０％に相当した距離の点ｑにある。点ｐとｑの距離をＬ１で表す。Ｌ１はヘルツの接触理論により計算で求められる。図１のボールベアリング外輪２ａとボールベアリング内輪２ｂの材料として炭素含有量０．３〜０．４５重量％かつクローム含有量１重量％以上の鋼材を選定し、図７の鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度すなわち鉄―炭素系平衡状態図のＡ３線以上の温度から水または油で急冷して焼入れを行い、３００度以下の温度で焼戻しを行って全体を硬度ＨＲＣ４０〜５０にする。炭素含有量の下限を０．３％とするのは、これ未満の含有量では必要な硬度が得られなくなるからであり、炭素含有量の上限を０．４５％とするのは変形の発生を少なくするためである。鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度すなわち該状態図に示されるＡ３線以下の温度のアンモニアを含む雰囲気中でアンモニア量や処理時間や温度を調節して表面から接触長円の短径の約４０％の深さＬ１の１．２〜１．４倍の深さまでがＨＲＣ５７〜６４になるように変形の少ない処理である窒化を行う。これにより表層はＨＲＣ５７〜６４の高硬度、深部ではＨＲＣ４０〜５０の硬度を得る。剪断応力が最大になるのはＬ１の深さであって、それより深いところでは剪断応力は減衰して小さくなるから、Ｌ１の深さの１．２〜１．４倍まで窒化による高硬度層とすれば、これより深い部分に鋼への窒素浸入に時間のかかる窒化を行って硬化させる必要がなく、焼入れ・焼戻し時に達成された硬度ＨＲＣ４０〜５０で十分である。ゆえに表層から深部に至る全域の剪断応力に対応する精密に作られた無駄のない硬度分布を持つ鋼製部材が変形を少なくして作られるので、研磨工程においての削り代が従来の硬化処理のときに比べて０〜１／１０ですむからコストを低くできる。
【実施例２】
【００２１】
図３は、本願発明の一実施例で、ボールねじ２を正面と平面（軸方向）の二方向から見ており、正面図では半分を断面図としてある。ナット２ａとねじ軸２ｂとボールねじ鋼球２ｃとボール循環チューブ２ｄの４部品でボールねじ２を構成している。ボール循環チューブ２ｄはナット２ａ内の螺旋軌道にボールねじ鋼球２ｃを循環させるための部品である。ナット２ａとねじ軸２ｂはボールねじ鋼球２ｃと接触していて、ねじ軸２ｂを長手方向に荷重をかけながら回転させると、この荷重はねじ軸２ｂからボールねじ鋼球２ｃに伝達され、次にボールねじ鋼球２ｃからナット２ａへと伝達される。ナット２ａの断面図中、輪郭に沿って黒く塗りつぶされた部分は窒化による高硬度層であり、斜線部は窒化硬化を行う前に行ったオーステナイト領域の温度からの焼入れ・焼戻しによる硬さとして得られた部分である。ねじ軸２ｂもナット２ａと同様に輪郭に沿った窒化硬化層およびオーステナイト領域の温度からの焼入れ・焼戻しによって得た硬さを持つ部分があるが、ねじ軸２ｂが断面図になっていないので図３には示されていない。
【００２２】
図４は、実施例２の説明のための図であって、ボールねじ鋼球２ｃが挿入されたボールねじ２が負荷を受けて螺旋回転運動するときの、ボールねじ鋼球２ｃがねじ軸２ｂおよびナット２ａと接触する状態を示している。ボールねじ鋼球２ｃとナット２ａおよびねじ軸２ｂとの接触点には鋼球荷重と称される荷重が働き、鋼球荷重の作用により接触点ｓには剪断応力が発生する。図４で該鋼球荷重と直角の方向に向く矢印の長さで該剪断応力の大きさを示す。図４に示すように、この剪断応力はねじ軸２ｂの表面から深部へと分布し、剪断応力の最大値は表面ではなく表面から接触長円の短径の約４０％の深さの点ｔにある。点ｓとｔの距離Ｌ２はヘルツの接触理論により求められる。図３のナット２ａとねじ軸２ｂの材料を炭素含有量０．３〜０．４５重量％、クローム含有量１重量％以上の鋼材とし、図７の鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度から水や油で急冷して焼入れを行い、摂氏３００度以下の温度で焼戻しを行って全体の硬度をＨＲＣ４０〜５０にする。炭素含有量の下限を０．３％とするのは、これ未満の含有量では必要な硬度が得られなくなるからであり、炭素含有量の上限を０．４５％とするのは変形を少なくするためである。旋盤などの切削加工により成形した鋼製部材を、オーステナイト領域温度以下のアンモニアを含む雰囲気中でアンモニア量や処理時間や温度などを調節して表面から接触長円の幅の約４０％すなわちＬ２の１．２〜１．４倍の深さまでがＨＲＣ５７〜６４になるように変形の少ない処理である窒化を行う。これにより表層はＨＲＣ５７〜６４の高硬度、深部はＨＲＣ４０〜５０の硬度となる。剪断応力が最大になるのは接触長円の短径の約４０％の深さＬ２であって、それより深いところでは剪断応力は減衰して小さくなるから、Ｌ２の１．２〜１．４倍の深さまで窒化による高硬度層とすれば、これより深い部分に鋼への窒素浸入に時間のかかる窒化を行って硬化させる必要がなく、焼入れ・焼戻し時に達成された硬度ＨＲＣ４０〜５０で十分である。このように表層から深部に至る全域の剪断応力に対応する精密に作られた無駄のない硬度分布を持つ部材ができ、切削加工後に変形がごく少ない窒化を行っているので、研磨工程においての削り代が従来の硬化処理のときに比べて０〜１／１０ですむのでコストを低くできる。
【実施例３】
【００２３】
図５は、本願発明の1実施例で、ローラーベアリング３を正面と平面の二方向から見ており、正面図では半分を断面図としてある。ローラーベアリング外輪３ａとローラーベアリング内輪３ｂとローラー３ｃの３部品でローラーベアリング３を構成している。ローラーベアリング外輪３ａに上からの荷重がかかると、この荷重はローラーベアリング外輪３ａからローラー３ｃに伝達され、次にローラー３ｃからローラーベアリング内輪３ｂへと伝達される。断面図中、輪郭に沿って黒く塗りつぶされた部分は窒化による高硬度層であり、斜線部は窒化硬化を行う前に行ったオーステナイト領域温度からの焼入れ・焼戻しによる硬さとして得られた部分である。
【００２４】
図６は、図５の実施例の説明のための図で、ローラー３ｃが挿入されたローラーベアリング３が負荷を受けて転動するときの、ローラー３ｃとローラーベアリング内輪３ｂが接触する状態を示している。ローラー３ｃにはローラーベアリング内輪３ｂを圧するローラー荷重と称される荷重が働き、ローラー荷重の作用により接触幅の下には剪断応力が発生する。接触幅の中心点をｕとする。図６で該鋼球荷重と直角の方向に向く矢印の長さで該剪断応力の大きさを示す。この剪断応力はローラーベアリング内輪３ｂの表面から深部へと分布し、剪断応力が最大になるのは表面ではなく表面から接触幅の約４０％の深さ位置の点ｖである。点ｕとｖの距離をL３とすると、この値はヘルツの接触理論により求められる。図５のローラーベアリング外輪３ａとローラーベアリング内輪３ｂの材料として炭素含有量０．３〜０．４５重量％、クローム含有量１重量％以上の鋼材を選定し，鉄―炭素平衡状態図でのオーステナイト領域温度から焼入れし，摂氏３００度以下で焼戻しを行って全体を硬度ＨＲＣ４０〜５０にする。炭素含有量の下限を０．３％とするのは、これ未満の含有量では必要な硬度が得られなくなるからであり、炭素含有量の上限を０．４５％とするのは変形を少なくするためである。切削加工により成形された硬度ＨＲＣ４０〜５０の部材をオーステナイト領域温度のアンモニアを含む雰囲気中でアンモニア量や処理時間や温度を調節して表面から帯状接触幅の約４０％の距離L３の１．２〜１．４倍の深さまでがＨＲＣ５７〜６４になるように変形の少ない硬化処理である窒化を行う。これにより表層はＨＲＣ５７〜６４の高硬度、深部ではＨＲＣ４０〜５０の硬度となる。剪断応力が最大になるのはL３の深さ位置であって、L３の１．２〜１．４倍の深さまで窒化による高硬度層とすれば、それより深い部分に生じる剪断応力に対しては、焼入れ・焼戻し時に達成された硬度ＨＲＣ４０〜５０で十分である。よって表層から深部に至る全域の剪断応力に対応する精密に作られた無駄のない硬度分布を持つ部材となっている。また、切削加工後に変形がごく少ない窒化を行っているので、研磨工程においての削り代が従来の硬化処理のときに比べて０〜１／１０ですむのでコストダウンができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本願硬化処理は、鋼球またはローラーに接触して負荷を受ける転がりベアリングの鋼製部材の硬化処理工程において用いられ、該鋼製部材の変形を少なくできるので、変形を矯正するコストがかからないこと、変形が少ないので取り代を少なくして研磨できる又は変形が少ないので取り代をゼロにできて研磨が省略できること、により原価低減に貢献する。
【符号の説明】
【００２６】
１        ボールベアリング                
１ａ      ボールベアリング外輪            
１ｂ      ボールベアリング内輪
１ｃ      ボールベアリング鋼球
ｐ        ボールベアリング鋼球１ｃとボールベアリング内輪１ｂとの接触長円の中心
ｑ        剪断応力が最大になる深さ位置を示す点
L１  点ｐと点ｑの距離
２        ボールねじ
２ａ      ナット
２ｂ      ねじ軸
２ｃ      ボールねじ鋼球
２ｄ      ボール循環チューブ
ｓ        ボールねじ鋼球２ｃとねじ軸２ｂとの接触長円の中心
ｔ        剪断応力が最大になる深さ位置を示す点
L２        点ｓと点ｔとの距離
３        ローラーベアリング
３ａ      ローラーベアリング外輪  
３ｂ      ローラーベアリング内輪
３ｃ      ローラー
ｕ        ローラー３ｃとローラーベアリング内輪との接触幅の中心
ｖ        剪断応力が最大になる深さ位置を示す点
L３        点ｕと点ｖとの距離
Ａ３線    炭素０．８％以下の鋼材で、焼入れ時にマルテンサイトが生成する領域温度と          マルテンサイトが生成しない領域温度を分かつ線
Ａｃｍ線  炭素０．８％以上の鋼材で、焼入れ時にマルテンサイトが生成する領域温度と          マルテンサイトが生成しない領域温度を分かつ線
【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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