(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールベアリング溝をそなえたスラスト型ボールベアリングレースを製造するに際し、鋼素材の長手方向のメタルフローがスラスト荷重方向と直角となる向きにし且つメタルフローを緻密化するようにベアリングレース本体を鍛造加工により成形し、次いで仕上げ加工を行った後に、浸炭ないしは浸炭窒化焼入れ処理を施すことを特徴とするスラスト型ボールベアリングレースの製造方法。
【請求項２】
浸炭処理条件が、９２０℃で８時間実施するものであり、焼入れ処理条件が、１００℃の油中に投じた後、１７０℃で９０分間の焼戻しを行うことを特徴とする請求項１に記載のスラスト型ボールベアリングレースの製造方法。
【請求項３】
ボールベアリング溝をそなえたスラスト型ボールベアリングレースを製造するに際し、鋼素材に浸炭ないしは浸炭窒化処理を施した後、浸炭ないしは浸炭窒化処理時の残熱を利用しないしは再加熱し、鋼素材の長手方向のメタルフローがスラスト荷重方向と直角となる向きにし且つメタルフローを緻密化するようにベアリングレース本体を鍛造加工により成形し、次いで仕上げ加工を行った後に、焼入れ処理を施すことを特徴とするスラスト型ボールベアリングレースの製造方法。
【請求項４】
浸炭処理条件が、９２０℃で１２時間実施するものであり、再加熱条件が、窒素中１０００℃で実施するものであり、焼入れ処理条件が、８０℃の油中に投じた後、１７０℃で９０分間の焼戻しを行うことを特徴とする請求項３に記載のスラスト型ボールベアリングレースの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のスラスト型ボールベアリングレースの製造方法によって製造したことを特徴とするスラスト型ボールベアリングレース。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スラスト型ボールベアリングレースの製造方法に関する。
【０００２】
軸受用鋼の転動疲労強度の向上に関しては、古くから多くの開発がなされている。その例として、軸受用鋼中に混在する非金属介在物を極力低減する方法や、表面に圧縮残留応力を付与しさらには残留オーステナイト量を制御する方法等がある。
【０００３】
また、軸受用鋼の転動疲労寿命の向上に関しては、鋼中の酸素含有量を低減して清浄鋼とすることが主要な技術のひとつとなっている（例えば、特開平７−１０９５４１号では、Ｍｎ含有量を０．２０％以下に規制した軸受用鋼を母材として使用し、電子ビーム溶解法によって溶解し且つ溶解金属中から直径が１５μｍ以上の非金属介在物が浮上分離する時間を確保して、鋼中の非金属介在物の直径を１５μｍ以下とする超清浄軸受用鋼の製造方法が開示されている。）。
【０００４】
このような超清浄鋼とする技術では、鋼中の酸素含有量を低減することで疲労破壊の起点となる酸化物系非金属介在物を少なくするようにしており、具体的には、鋼を溶解して真空脱ガスを行う方法、さらに、取鍋精錬，連続鋳造および多重溶解技術の導入などで、鋼中の酸素含有量は大幅に低減できるようになった。
【０００５】
さらにまた、酸化物系非金属介在物の総量と大きさを制御し、大形介在物を除去し、組成と形態を制御して超微細化しかつ均一に分布させることで、転動疲労寿命が大幅に長寿命化してきている（例えば、ＮＳＫ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｎｏ．６５２  １９９２）。
【０００６】
転動疲労寿命のさらなる向上対策として、表面の圧縮残留応力や、残留オーステナイトを積極的に利用するために、軸受用鋼としてＪＩＳに制定されている従来のＳＵＪ鋼から、浸炭ないしは浸炭窒化用鋼としてＪＩＳに制定されている肌焼用鋼へと、鋼種を変更することも一部行われており、クリーンな潤滑環境から摩耗粉等の異物が混入するダーティな潤滑環境に至るまで幅広い環境に対応した対策が図られていて、前述の清浄鋼化との組合わせで転動疲労寿命のより一層の向上が図られている。
【０００７】
しかしながら、近年の自動車の軽量化、低燃費化による使用環境の苛酷化のために、軸受寿命に対する信頼性がより重要な課題であり、現状では十分なものとは言い難たいのが実情である。
【０００８】
従来開発されている最も優れた材料および熱処理を組み合わせた軸受では、クリーンな潤滑条件下でのスラスト型寿命試験の結果、５．０ＧＰａの面圧でＬ１０寿命が１×１０８である。しかし、実使用条件下ではトルク変動による偏荷重や片当たりが発生し、５．０ＧＰａを超える条件下では表面剥離が発生するという問題点があった。
【０００９】
従来のスラスト型ボールベアリングレースの製造方法としては、例えば、図５に示すようなものがある。
【００１０】
すなわち、肌焼用鋼の組成よりなり且つ図５に示すような長手方向のメタルフローＦを有する丸棒状鋼素材１１を使用し、この丸棒状鋼素材１１の長手方向を輪切りにしてベアリングレース本体（焼入れ前供試体Ａ）１２を得たのち、このベアリングレース本体１２にボールベアリング溝を機械加工で荒仕上げし、浸炭ないしは浸炭窒化焼入れ処理を施した後研磨で仕上げ加工してスラスト型ボールベアリングレース（焼入れ後供試体Ａ）を得るようにしていた。
【００１１】
そして、このような方法で製造されたスラスト型ボールベアリングレースは、面疲労強度の向上および作動時に発生する摩耗粉等の異物が潤滑油中に混入することによる面疲労強度の低下防止のために、浸炭ないしは浸炭窒化処理時に、浸炭ないしは浸炭窒化層の表面部分の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％に調整することも行われていた（例えば、特開平８−３７２０号公報，特開平８−４７７４号公報）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来におけるスラスト型ボールベアリングレースの製造方法では、図５に示したように、丸棒状鋼素材１１の長手方向のメタルフローＦに対して直角の向きに切断しているため、使用状態では、図６に示すように、ボールベアリングレース１３に作用する荷重Ｐの方向がメタルフローＦの方向と平行となるものとなっていた。
【００１３】
そして、この種のスラスト型ボールベアリングレースにおいては、自動車の軽量化，低燃費化等による使用環境の苛酷化に対しても十分な信頼性を有するものとなすために、転動疲労寿命をさらに延長することができるようにすることが課題としてあった。
【００１４】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、鋼素材が本来持ち合わせている特性をさらに有効に活用し、従来得られている転動疲労寿命をより一層向上させることができる超高強度スラスト型ベアリングレースの製造方法を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるスラスト型ボールベアリングレースの製造方法は、ボールベアリング溝をそなえたスラスト型ボールベアリングレースを製造するに際し、鋼素材の長手方向のメタルフローがスラスト荷重方向と直角となる向きにし且つメタルフローを緻密化するようにベアリングレース本体を鍛造加工により成形し、次いで仕上げ加工を行った後に、浸炭ないしは浸炭窒化焼入れ処理を施すことを特徴としている。
【００１６】
図１は本発明に係わるスラスト型ボールベアリングレースの製造方法により製造したスラスト型ボールベアリングレース一実施形態を示すものであって、このスラスト型ボールベアリングレース１は、スラスト荷重Ｐの方向が鋼素材のメタルフローＦの方向と直角の向きになっており且つまたメタルフローＦを緻密化するようにベアリングレース本体が鍛造加工により形成され、仕上げ加工を行った後に浸炭ないしは浸炭窒化焼入れ処理を施したものである。
【００１７】
本発明に係わるスラスト型ボールベアリングレースの製造方法において、鋼素材としては肌焼用鋼を使用することができ、例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に制定された炭素鋼鋼材であるＳ０９ＣＫ，Ｓ１５ＣＫ，Ｓ２０ＣＫや、ＪＩＳ  Ｇ４１０３に制定されたニッケル・クロム・モリブデン鋼鋼材であるＳＮＣＭ２２０，ＳＮＣＭ４１５，ＳＮＣＭ４２０，ＳＮＣＭ６１６，ＳＮＣＭ８１５や、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０４に制定されたクロム鋼鋼材であるＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０や、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０５に制定されたクロム・モリブデン鋼鋼材であるＳＣＭ４１５，ＳＣＭ４１８，ＳＣＭ４２０，ＳＣＭ４２１，ＳＣＭ８２２や、ＪＩＳ  Ｇ  ４１０６に制定されたマンガン鋼鋼材であるＳＭｎ４２０や、同じくＪＩＳ  Ｇ  ４１０６に制定されたマンガン・クロム鋼鋼材であるＳＭｎＣ４２０などを使用することができるが、これらのものにのみ限定されず、適宜の合金成分を追加したものなども使用することができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係わるスラスト型ボールベアリングレースの製造方法によれば、鋼素材が本来持ち合わせている特性をさらに有効に活用し、メタルフローを高密度化して転動疲労寿命をより一層向上させるとともに耐摩耗性により優れたスラスト型ボールベアリングレースを製造することができる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
鋼素材として、ＪＩＳ  ＳＣＭ４２０Ｈ鋼に相当するものであって、Ｃ：０．２３重量％，Ｓｉ：０．２２重量％，Ｍｎ：０．８０重量％，Ｐ：０．０１０重量％，Ｓ：０．０１５重量％，Ｎｉ：０．１１重量％，Ｃｒ：０．９８重量％，Ｍｏ：０．１５重量％、残部実質的にＦｅよりなる低Ｓ，低Ｐの成分で、酸素含有量を９．０ｐｐｍの極く低量に調整した清浄鋼を用いた。
【００２０】
そして、図２の（Ａ）に示す工程において、直径４６ｍｍの丸棒状鋼素材２を長手方向（すなわち、メタルフローＦの方向）と直角の向きに３７ｍｍの長さに切断したのち、図２の（Ｂ）に示す工程において、電気炉を用いて１０００℃に加熱し、次いで、図２の（Ｃ）に示す工程において、直径８０ｍｍ，深さ１２ｍｍの円形金型３の中央に丸棒状鋼素材２の長手方向（すなわち、メタルフローＦの方向）が横向きとなるように置いた状態にしてハンマーによる第１打で１０ｍｍ潰すと共に酸化物を除去し、さらに図２の（Ｄ−１），（Ｄ−２）に示す工程において、ハンマーによる２〜３打を直径８０ｍｍ，厚さ１２ｍｍの円盤形状として金型３に充満させることにより焼入れ前供試体Ｃを得た。
【００２１】
このように鍛造することで、図５に示したごとくメタルフローＦと平行の向きに切断した焼入れ前供試体Ｂに比べてさらに緻密化したメタルフローＦをもつ焼入れ前供試体Ｃを得ることができる。
【００２２】
そして、この円盤形状をなす焼入れ前供試体Ｃおよび同じく焼入れ前供試体Ｂと、比較のために直径８０ｍｍの丸棒状鋼素材を長手方向（メタルフローＦの方向）と直角の向きに厚さ１２ｍｍに切断した円盤形状をなす焼入れ前供試体Ａをも作製した。
【００２３】
次いで、それぞれの焼入れ前供試体Ａ，Ｂ，Ｃの表面をＲｍａｘ２５Ｓに仕上げ加工し、図２の（Ｅ）および図５に示す工程において、浸炭，拡散処理（９２０℃×８Ｈｒ）を施した後１００℃の油中に焼入れし、１７０℃×９０ｍｉｎで焼戻しを行って各々焼入れ後供試体Ａ，Ｂ，Ｃを得た。
【００２４】
出来上がった各焼入れ後供試体Ａ，Ｂ，Ｃの諸特性は、従来品および鍛造品において差は殆どなく、有効硬化層深さ：１．００ｍｍ，表面硬度：Ｈｖ７００，芯部硬度：Ｈｖ３４５〜３６３，表面部の残留オーステナイト量：約１８％であり、また、残留応力は最表面の部分で±０ＭＰａ，深さ約０．２ｍｍの部分で圧縮の最大値−４００ＭＰａから１．５ｍｍ深さでほぼ０ＭＰａにもどる曲線であった。また、旧オーステナイト結晶粒度はＪＩＳ  Ｇ  ０５５１においてＧｃ１０であった。
【００２５】
次に、焼入れ後供試体Ａ，Ｂ，Ｃの試験表面をＲｍａｘ０．０３ａに超仕上げで加工し、スラスト型転動疲労試験機によって次表に示す条件で表面の剥離寿命を比較した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
鍛造で作製した本発明実施例の供試体Ｃは、荷重Ｐの方向とメタルフローＦの方向が図１に示したように直角になり、丸棒状鋼素材を切断したままの供試体Ａは荷重Ｐの方向とメタルフローＦの方向は図６に示したように平行になる。
【００２８】
スラスト型転動疲労試験機による表面剥離寿命のワイブル分布を測定した結果を図４に示す。図４より明らかであるように、焼入れ後の供試体ＡとＢとの比較では、供試体Ｂの方が約２５％剥離寿命が向上している。
【００２９】
一方、焼入れ後の供試体Ｃは鍛造比３．８の例であるが、メタルフローＦの密度が高くなっていることから、従来品に比較して本発明品の寿命は約１００％向上していることが認められた。
【００３０】
スラスト型ボールベアリングレースの製造に当っては、ボールベアリング溝Ｒも鍛造で成形し、浸炭ないしは浸炭窒化処理をした後研磨仕上げすることでスラスト試験結果とほぼ同等な剥離寿命が得られた。
【００３１】
上記実施例１のように、ボールベアリング溝をそなえたスラスト型ボールベアリングレースを製造するに際し、鋼素材の長手方向のメタルフローがスラスト荷重方向と直角となる向きにしてベアリングレース本体を鍛造加工により成形することにより、鋼素材が本来持ち合わせている特性をさらに有効に活用して転動疲労寿命をより一層向上させたスラスト型ボールベアリングレースを製造することが可能になる。
【００３２】
また、鋼素材の長手方向のメタルフローがスラスト荷重方向と直角となる向きにしてベアリングレース本体を鍛造加工により成形し、次いで仕上げ加工を行った後に浸炭ないしは浸炭窒化焼入れ処理を施ことにより、転動疲労強度や耐摩耗性がより向上し、より望ましくは、浸炭処理条件として９２０℃で８時間実施し、焼入れ処理条件として１００℃の油中に投じた後に１７０℃で９０分間の焼戻しを行うことにより、転動疲労強度がより一層向上し、耐摩耗性により優れたスラスト型ボールベアリングレースを製造することが可能になる。
【００３３】
実施例２
この実施例２では、実施例１のメタルフローの緻密化と、浸炭後に鍛造して焼入れする工法とを複合化することで、さらに優れた転動疲労寿命をもつスラスト型ボールベアリングレースを製造する場合を示す。
【００３４】
まず、図３の（Ａ）に示す工程において、直径４６ｍｍの丸棒状鋼素材２を長手方向（すなわち、メタルフローＦの方向）と直角の向きに３７ｍｍの長さに切断したのち、図３の（Ｂ）に示す工程において、浸炭および拡散処理（９２０℃×１２Ｈｒ）した後約１００℃に焼入れして、有効硬化層深さが１．２ｍｍの丸棒状鍛造素材とした。
【００３５】
次に、図３の工程（Ｃ）において、上記浸炭後の丸棒状鍛造素材を高周波加熱で１０００℃に昇温したのち、図３の（Ｄ）に示す工程において、直径８０ｍｍ，深さ１２ｍｍの円形金型３の中央に丸棒状鋼素材２の長手方向（すなわち、メタルフローＦの方向）が横向きとなるように置いた状態にしてハンマーによる第１打で１０ｍｍ潰し、さらに図３の（Ｅ−１），（Ｅ−２）に示す工程において、ハンマーによる鍛造で直径８０ｍｍ，厚さ１２ｍｍの円盤形状として金型３に充満させることにより焼入れ前供試体Ｄを得たのち、さらに図３の（Ｆ）に示す工程において、余熱を利用して、８０℃の油中に焼入れし、１７０℃×９０ｍｉｎで焼戻しを行って焼入れ後供試体Ｄを得た。
【００３６】
上記工程（Ｃ）において、高周波加熱時は酸化防止を目的に窒素ガス雰囲気中で加熱した。また、鍛造終了温度は輻射温度計で測定した結果、約８５０℃であったので、工程（Ｆ）における焼入れはその熱を利用した。
【００３７】
その後、焼入れ後供試体Ｄの試験面を０．３ｍｍ研磨で仕上げ、最後に超仕上げでＲｍａｘ０．０３ａにして実施例１と同様に転動疲労試験を実施した。
【００３８】
焼入れ後供試体Ｄの諸特性を調査した結果は、表面硬度：Ｈｖ８００，有効硬化層深さ：０．６ｍｍ，芯部硬度：Ｈｖ４００〜４２０，旧オーステナイト結晶粒度：ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１においてＧｃ１０以下（２〜１２μｍ）、表面部残留オーステナイト量：約２２％であり、また、残留応力は最表面で（圧縮）−８００ＭＰａ，０．２ｍｍ深さでほぼ０になる分布であった。
【００３９】
転動疲労試験の結果は、図４に併記したように、この実施例２の鍛造品（焼入れ後の供試体Ｄ）は実施例１の鍛造品（焼入れ後の供試体Ｃ）に比較してさらに約３０％向上したことが認められた。
【００４０】
この場合の転動疲労寿命の向上要因としては、鍛造によるメタルフローの高密度化，旧オーステナイト結晶粒の微細化、鍛造焼入れに伴う転位，双晶などの内部欠陥の増加による最大剪断応力発生深さ域での組織変化に対する抵抗の増加、などがあるものと考えられた。
【００４１】
上記実施例２のように、鋼素材に浸炭ないしは浸炭窒化処理を施した後、浸炭ないしは浸炭窒化処理時の残熱を利用しないしは再加熱し、鋼素材の長手方向のメタルフローがスラスト荷重方向と直角となる向きにしてベアリングレース本体を鍛造加工により成形し、次いで仕上げ加工を行った後に焼入れ処理を施すことにより、メタルフローをより高密度化して転動疲労強度および転動疲労寿命を高めることができ、より望ましくは、浸炭処理条件として９２０℃で１２時間実施し、再加熱条件として窒素中１０００℃で実施し、焼入れ処理条件として８０℃の油中に投じた後に１７０℃で９０分間の焼戻しを行うことにより、転動疲労強度をより高めることができると共に、さらに優れた転動疲労寿命を有するスラスト型ボールベアリングレースを製造することが可能になる。
【００４２】
そして、上記実施例１および２で説明したスラスト型ボールベアリングレースの製造方法によって製造したスラスト型ボールベアリングは、転動疲労強度が高く、転動疲労寿命および耐摩耗性に非常に優れたものとなり、例えば、自動車の軽量化，低燃費化等による使用環境の苛酷化に対しても十分な信頼性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるスラスト型ボールベアリングレースをそのメタルフローの方向と共に示す説明図である。
【図２】本発明の実施例１におけるスラスト型ボールベアリングレースの製造工程を図（Ａ）〜図（Ｅ）に分けて示す説明図である。
【図３】本発明の実施例２におけるスラスト型ボールベアリングレースの製造工程を図（Ａ）〜図（Ｆ）に分けて示す説明図である。
【図４】スラスト型転動疲労試験機による表面剥離寿命のワイブル分布を調べた結果を示すグラフである。
【図５】丸棒状鋼素材の長手方向（メタルフローの方向）と試験片Ａ，Ｂの切り出し方向との関係を示す説明図である。
【図６】図５に示した試験片Ａに相当するボールベアリングレースにおけるメタルフローの方向と荷重の方向との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１  スラスト型ボールベアリングレース
２  丸棒状鋼素材
３  円形金型
【図１】
0003938891.tif 000003
【図２】
0003938891.tif 000004
【図３】
0003938891.tif 000005
【図４】
0003938891.tif 000006
【図５】
0003938891.tif 000007
【図６】
0003938891.tif 000008