(57)【要約】【課題】鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上と多く、安価な鋼材を用いながらも、鋼中酸素濃度を１０質量ｐｐｍ未満に抑えた鋼材や、合金組成を調整するなどした鋼材からなる転がり軸受と同等レベルの転がり疲労寿命を備える転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪及び外輪の少なくとも一方が、鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上の軸受鋼または肌焼鋼を、焼入れ前に、軌道面表面に残留した応力が、転動体の通過方向に対して平行方向及び垂直方向ともに圧縮であるように熱間鍛造処理を１回以上施した後、焼入れ・焼戻し処理、所定形状への機械加工を施して得られた転がり軸受。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪及び外輪の少なくとも一方が、
鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上の軸受鋼または肌焼鋼を、焼入れ前に、軌道面表面に残留した応力が、転動体の通過方向に対して平行方向及び垂直方向ともに圧縮であるように熱間鍛造処理を１回以上施した後、焼入れ・焼戻し処理、所定形状への機械加工を施して得られたことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
焼入れ・焼戻し処理が施され、表面硬さがＨＶ５５０〜８５０であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関し、特に転動疲労寿命を延長した転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の最も典型的な破損モードは「転がり疲労剥離」と呼ばれる破損モードであり、内輪または外輪が回転することにより内外輪の間に配置されている転動体と転がり接触することによって引き起こされる。
【０００３】
転がり疲労剥離は、その起点別に「内部起点型剥離」と「表面起点型剥離」とに大別され、このうち「内部起点型剥離」の多くは内輪中または外輪中に内在する非金属介在物が破損の起点になることが知られている。この非金属介在物はＡｌ２Ｏ３を始めとした酸化物であることから、内輪または外輪を形成する鋼中の酸素量を減少させることが転がり軸受の寿命を延長させる手段として非常に有効である。特に日本国内で生産される軸受鋼は、製鋼技術の向上により鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ未満にまで達しており、現代の転がり軸受の長寿命性能の支配的要因になっている。
【０００４】
鋼中酸素濃度以外にも、軸受に適用される鋼材の合金成分を調整して転がり剥離寿命の長寿命化を図ったり、熱処理の工夫によって材料組織を最適化することによって寿命延長効果を得る手法も知られている。
【０００５】
今日では、転がり軸受の長寿命化とともに、コスト低減への要求も急速に高まってきているが、上記に挙げた鋼中酸素濃度の低減や合金成分の調製、熱処理による組織の最適化による対策は、何れもコスト増が避けられず、用途によっては顧客が望む費用対効果に合致しないこともある。また、国内外のメーカーがグローバル生産を推進しており、納期や費用の面で転がり軸受においても世界の現地調達・現地生産が求められているが、上記に挙げた対策を展開するには設備投資や材料調達性、技術流出等の問題から、現状では極めて限定的になっている。
【０００６】
そこで、グローバル化を推進する上で、既存設備を流用してコスト増を抑えつつ、長寿命化を図ることも行われている。例えば、転がり疲労剥離に大きな影響を及ぼす非金属介在物と母相金属との間に存在する隙間（図２参照）に着目して、特許文献１〜３では、一般機械構造用部品の疲労寿命に効果があることが知られているＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）を、転がり疲労を起こす部品にも適用して寿命延長効果を得ることを提案している。しかしながら、この手法では、コスト面や量産化に不向きな技術であることから、市販品への適用は実現し難い。
【０００７】
また、特許文献４、５では冷間ローリング法を採用することを提案しているが、鋼中酸素濃度を８質量ｐｐｍ以下に規定しており、展開範囲は限定的である。
【０００８】
また、特許文献６では降伏応力の１．５倍の静水圧応力を作用することを提案しているが、実験室レベルでは可能であるものの、量産品加工にこのような静水圧応力を作用させることは現実的はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５４０３９４５号公報
【特許文献２】特許第５４０３９４６号公報
【特許文献３】特許第５４７３２４９号公報
【特許文献４】特開２０１２−６０４４号公報
【特許文献５】特開２０１２−６０４５号公報
【特許文献６】特開２０１３−１２１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上と多く、安価な鋼材を用いながらも、鋼中酸素濃度を１０質量ｐｐｍ未満に抑えた鋼材や、合金組成を調整するなどした鋼材からなる転がり軸受と同等レベルの転がり疲労寿命を備える転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、下記の転がり軸受を提供する。
（１）内輪及び外輪の少なくとも一方が、
鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上の軸受鋼または肌焼鋼を、焼入れ前に、軌道面表面に残留した応力が、転動体の通過方向に対して平行方向及び垂直方向ともに圧縮であるように熱間鍛造処理を１回以上施した後、焼入れ・焼戻し処理、所定形状への機械加工を施して得られたことを特徴とする転がり軸受。
（２）焼入れ・焼戻し処理が施され、表面硬さがＨＶ５５０〜８５０であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり軸受は、内輪または外輪を形成する鋼材が、鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上の軸受鋼または肌焼鋼であり、鋼中酸素濃度を１０質量ｐｐｍ未満に抑えた鋼材や、合金組成を調整するなどした鋼材に比べて安価に到達することができる。また、焼入れ前の加工も熱間鍛造であり、特別な設備を必要とせず、既存の設備をそのまま使用することできる。しかも、鋼中酸素濃度を１０質量ｐｐｍ未満に抑えた鋼材や、合金組成を調整するなどした鋼材で作製した転がり軸受に比べて、同等レベルの転がり疲労寿命を得ることもできる。このように、安価で長寿命の転がり軸受となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の転がり軸受の内輪を作製する場合の工程図であり、（Ａ）棒材を輪切りにして得た切断片を示す断面図、（Ｂ）切断片に熱間鍛造を行う際の断面図、（Ｃ）打ち抜き後の切断片（円環部材）を示す断面図、（Ｄ）旋削加工前の円環部材の断面図、（Ｅ）旋削加工した後の断面図である。
【図２】非金属介在物の周りを撮影した写真であり、（Ａ）は熱間鍛造を施さない場合、（Ｂ）は熱間鍛造を施した場合を示す。
【図３】切断片に単純据込加工する場合を示す模式図である。
【図４】鋼中酸素濃度とＬ１０寿命との関係を示すグラフである。
【図５】鋼中酸素濃度と寿命倍率との関係を示すグラフである。
【図６】表面硬さとＬ１０寿命との関係を示すグラフである。
【図７】表面硬さと寿命倍率との関係を示すグラフである。
【図８】軌道面表面の残留応力とＬ１０寿命との関係を示すグラフである。
【図９】軌道面表面の残留応力と寿命倍率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
本発明の転がり軸受は、その内輪及び外輪の少なくとも一方、好ましくは両方が、鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上の軸受鋼または肌焼鋼を原料鋼材とするものであり、安価に調達することができる。尚、原料鋼材において、酸素濃度以外に制限はないが、炭素を０．１７〜１．２質量％含有することが好ましい。炭素はマトリックスに固溶してマルテンサイトを強化する元素であり、焼入れ・焼戻し後の硬さや強度の確保と、疲労寿命を向上させる効果がある。
【００１６】
尚、後工程で浸炭処理または浸炭窒化と、焼入れ・焼戻し処理を行う場合には、割れを抑制するために鋼中の炭素含有量を０．１７〜０．６質量％にすることが好ましい。そして、浸炭処理または浸炭窒化処理に、表層部の炭素含有量を１．０〜２．０質量％にすることが好ましい。
【００１７】
また、浸炭処理または浸炭窒化処理を行わずに焼入れ・焼戻し処理を行う場合には、表層部の強度を確保するために鋼中の炭素含有量を０．５〜１．２質量％にする。
【００１８】
何れの場合も、原料鋼材の炭素含有量に応じて適切な熱処理により硬さを確保するが、炭素含有量が０．１７質量％未満では表面に必要な硬さを得るための処理時間が長時間化し、コストが増大するため好ましくいない。一方で１．２質量％を超えると、熱間鍛造時に巨大炭化物が生成しやすく、加工性が悪くなることや、巨大炭化物が起点となって早期剥離するおそれがある。
【００１９】
また、鋼中に存在する酸素は、主な非金属介在物である酸化物系介在物を構成する主要元素であるため、寿命の観点からみれば可能な限り少ないことが望ましいが、酸素濃度が低くなるほど高度な製鋼技術が要求されて高コストになる。そこで本発明では、酸素濃度を１０質量ｐｐｍ以上とし、ある程度の量の酸化物系介在物の存在を許容する。但し、酸素濃度は１０質量ｐｐｍ以上の範囲でも、より少ない方が好ましい。
【００２０】
原料鋼材における他の元素には制限はなく、従来の軸受鋼や肌焼鋼と同様で構わない。
【００２１】
そして、図１（Ａ）に示すように、上記の原料鋼材からなる棒材を輪切りにして厚い円板状の切断片１を得る。
【００２２】
次いで、この切断片１に対し、熱間鍛造を１回以上行う。この熱間鍛造では、所定の素材温度にしながら、密封据込加工を行う。即ち、図１（Ｂ）に示すように、切断片１の径方向外側に、切断片１の外径に一致する内径の円環状治具１０を設置する。また、切断片１の外径に一致する円板状の基部１１ａと、得られる内輪の内径に一致する円筒状の凸部１１ｂを有する上治具１１と、切断片１の外径に一致する円板状の下治具１２とで切断片１を挟み、切断片１を加熱しながら上治具１１を下治具１２の方向へ押し込むことを行う。尚、押し込み回数は１回以上であれば特に制限はない。
【００２３】
通常、内輪や外輪は、必要な硬さを得るために焼入れ・焼戻しが施される。この熱処理後は、硬さが高く、加工できる範囲は表面の研磨加工程度であるため、熱処理前に旋削加工または塑性加工、あるいは両方によりその形状の大部分が形成される。塑性加工では、単に内輪や外輪の形状を得るためだけでなく、非金属介在物の周りに存在する母相金属との隙間を埋める効果を持たせることができる。本発明では、塑性加工に着目し、熱間鍛造を行うことにより、この隙間を効果的に埋める。そのため、塑性加工として、熱を加えた状態で鍛造（熱間鍛造）を１回以上行う。熱間鍛造時の加熱温度が高いほど母材金属が塑性変形しやすくなるため好ましく、原料鋼材の再結晶温度以上で鍛造を行う。
【００２４】
非金属介在物の周りに存在する母相金属との隙間の中でも、軌道面の底に存在する隙間を埋めることが特に効果的である。また、軌道面において、転動体が通過する方向に対して平行な方向及び垂直な方向ともに隙間が埋め込まれていることが必要である。そこで、図示されるように円環状治具１０、上治具１１及び下治具１２とで切断片１を包囲し、上治具１１の凸部１１ｂを切断片１に押し込むことにより、図１（Ｄ）の円環部材２の外周面、即ち図１（Ｅ）に示す内輪３の軌道面３ａの転動体通過方向に対して水平方向及び垂直方向の両方に対して圧縮を加える。転動体通過方向に対して平行な方向、もしくは垂直な方向の何れか一方が圧縮応力でない場合には、寿命延長効果が実質的に得られない。また、転動体通過方向に対して平行な方向及び垂直な方向ともに圧縮応力ではない場合は、従来品よりも寿命に劣るようになる。
【００２５】
図２は非金属介在物の周りを撮影した写真であるが、（Ａ）は熱間鍛造を行わない場合、（Ｂ）は熱間鍛造を行った場合を示すが、熱間鍛造を行うことにより、非金属介在物と母材金属との間の隙間が埋められていることがわかる。
【００２６】
尚、上記の圧縮に際して、静水圧応力ではなく一般的な熱間鍛造設備を用いて行うことができる。
【００２７】
次いで、図１（Ｃ）に示すように、打ち抜き加工を行い、図１（Ｄ）に示すような円環部材２が得られる。そして、この円環部材２の外周面に溝加工や面取り加工を施すことにより、図１（Ｅ）に示すような内輪３の軌道面３ａを形成する。
【００２８】
その後、図１（Ｅ）に示す内輪３について、焼入れ・焼戻し処理を施して表面を硬化させる。材料硬さは、転動疲労剥離の起点が表面または内部であることを問わず大きな影響を剥離寿命に及ぼし、材料硬さが高いほど転動疲労剥離が起こり難くなり、長寿命になる。本発明者らは、転がり軸受における転動面の表面近傍の硬さがＨＶ５５０〜８５０であれば、短寿命にならないことを見出した。尚、表面近傍とは、転動体と接触することによって高応力が作用する領域を意味しており、それよりも深い領域の硬さは不問である。この硬さがＨＶ５５０未満では著しく表面性状安定性が悪くなり、表面粗さが起因となる剥離を生じる可能性が高くなる。一方、この硬さがＨＶ８５０を超えると靭性が低下し、転動体が溝と接触する際に生じる衝撃により割れが発生する可能性が高くなる。好ましい硬さは、ＨＶ６５０〜８００である。
【００２９】
尚、焼入れ・焼戻し処理は、上記硬さに調整できれば、方法や条件には制限はない。
【００３０】
そして、従来と同様に、研削加工、仕上げ加工等を行うことで内輪が得られ、外輪や転動体、保持器等とともに組み立てることにより、本発明の転がり軸受が得られる。
【００３１】
上記では内輪３の製造方法について説明したが、外輪についても図１（Ｄ）までの工程はそのまま適用でき、内輪３の軌道面３ａの代わりに外輪の軌道面を加工すればよい。
【実施例】
【００３２】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００３３】
［試験軸受の作製］
本発明の効果を検証するために、単列深溝玉軸受（呼び番号：６２０６）を用いて後述する評価試験を行った。一般に、内輪回転の転がり玉軸受では外輪や転動体（鋼球）よりも内輪の剥離寿命が短いため、ここでの評価試験は内輪を対象に実施した。即ち、内輪を下記のように作製し、外輪、転動体及び保持器は市販品を用いて試験軸受とした。
【００３４】
（工程１）
本発明に従い、所定合金組成の鋼材からなる棒材を輪切りにして、図１（Ａ）に示すような厚い円板状の切断片を得た。次いで、この切断片に対し、図１（Ｂ）に示すように円環状治具、上治具及び下治具を用いて熱間鍛造を１回以上行った。このときの素材温度は１１００℃とした。次いで、図１（Ｃ）に示すように打ち抜き加工を行って図１（Ｄ）に示すような円環部材とした。そして、円環部材の外周面に溝加工や面取り加工を施すことにより図１（Ｅ）に示すような軌道面を形成し、焼入れ・焼戻し処理を施して表面を硬化させて内輪を作製した。
【００３５】
（工程２）
熱間鍛造に代えて、図３に示すように、棒材を輪切りにした切断片（符号１）を単純据込加工し、工程１と同様にして外周面に溝加工や面取り加工を施した後、焼入れ・焼戻し処理を施して表面を硬化させて内輪を作製した。
【００３６】
［鋼中酸素濃度の検証］
表１に示すように鋼中の炭素含有量が０．９８質量％で、酸素濃度が異なる種々のＳＵＪ２を用意し、上記の工程１に従い内輪を作製した。尚、熱処理後の表面硬さをＨＶ７４０とし、転動体通過方向に平行な方向における残留応力を−３０ＭＰａ、転動体通過方向に垂直な方向における残留応力を−２５ＭＰａ（何れも圧縮）とした。
【００３７】
そして、下記の条件により寿命試験を行い、Ｌ１０寿命を求めた。試験は８回行い、その平均値とした。結果を表１、並びに図４及び図５にグラフ化して示すが、寿命倍率は従来品に対する相対値である。尚、従来品は、同じ鋼中酸素濃度の鋼材を用い、熱間鍛造しないで内輪を作製した場合である。
・ラジアル荷重Ｆｒ＝１３８１８Ｎ（１４１０ｋｇｆ）
・回転数：３９００ｍｉｎ−１
・潤滑方式：クリーン潤滑、汎用多用途潤滑油ＶＧ６８
【００３８】
【表１】
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【００３９】
鋼中酸素濃度の増加とともに長寿命になる傾向にあるが、鋼中酸素濃度が７質量ｐｐｍ以下では寿命延長効果は微小であり、市場においてもその効果の恩恵は得られない。一方で１０質量ｐｐｍ以上になると寿命延長効果が明確に発揮されることから、本発明は鋼中酸素濃度が１０質量ｐｐｍ以上の鋼材に適用される。尚、鋼材としてＳＵＪ２を用いたが、適用材料の観点からは鋼中酸素濃度のみによって寿命延長効果の大小が決定されるため、一般に転がり軸受に適用される材料であれば全ての材料で効果が発現する。
【００４０】
［熱処理後の表面硬さの検証］
炭素含有量が０．９８質量％で、酸素濃度が１０質量ｐｐｍのＳＵＪ２を上記の工程１に従い内輪を作製した。尚、転動体通過方向に平行な方向における残留応力を−３０ＭＰａ、転動体通過方向に垂直な方向における残留応力を−２５ＭＰａ（何れも圧縮）とした。また、熱処理条件を変えて表面硬さを表２に示すように調整した。そして、上記の条件により寿命試験を行い、Ｌ１０寿命を求めた。試験は８回行い、その平均値とした。結果を表２、並びに図６及び図７にグラフ化して示すが、寿命倍率は従来品に対する相対値である。尚、従来品は、同組成の鋼材からなり、熱間鍛造せず、同じ表面硬さとした内輪を用いた場合である。
【００４１】
【表２】
2016151352.tif 000004
【００４２】
表面硬さがＨＶ５５０を下回ると、表面性状の悪化に伴う表面起点型剥離等を生じて寿命延長効果が限定的であるのに対し、ＨＶ５５０以上の範囲では寿命延長効果が安定して得られている。寿命そのものの観点からはＨＶ６５０以上が望ましいといえる。また、介在物起因の剥離には影響を及ぼさなかったが、ＨＶ８５０を超えると試験後の試験軸受に複数の割れが確認されたため、ＨＶ８５０以下が好ましい。
【００４３】
［軌道面の残留応力の検証］
炭素含有量が０．９８質量％で、酸素濃度が１０質量ｐｐｍのＳＵＪ２を上記の工程１または工程２に従い内輪を作製した。その際、熱間鍛造時の初期形状として鍛造加工前の軸方向長さや外径、加工時の据込量を調整するため単純据込加工後の軸方向長さや外径、密封据込加工後の外径、内径、軸方向の長さ、目抜き部の厚み等を変更することにより、残留応力を調整した。尚、軌道面の残留応力は、Ｘ線回折法により、転動体通過方向に対して平行な方向及び垂直な方向のそれぞれを測定した。そして、上記の条件により寿命試験を行い、Ｌ１０寿命を求めた。試験は８回行い、その平均値とした。結果を表３、並びに図８及び図９にグラフ化して示すが、寿命倍率は従来品に対する相対値である。尚、従来品は、残留応力が０であり、鍛造加工しない場合を示す。
【００４４】
【表３】
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【００４５】
転動体通過方向に対して平行な方向及び垂直な方向の残留応力が、共に圧縮の場合に寿命延長効果が大きく、しかも残留応力の値が大きいほどその効果が顕著になっている。これに対し、転動体通過方向に対して平行な方向、もしくは垂直な方向の何れか一方が引張応力の場合には、寿命延長効果が確認できない。また、転動体通過方向に対して平行な方向及び垂直な方向ともに引張応力の場合は、従来品よりも寿命に劣っている。
【００４６】
非金属介在物まわりの隙間を埋めることによる寿命延長効果は、軌道面表面の残留応力が大きくなればその効果も大きくなるが。ある程度の残留応力を超えると効果は一定になると推定される。これは隙間が完全に埋まると、それ以上の効果を望めないためである。しかしながら、残留応力は亀裂の発生・進展を遅延させる効果があるため、転がり疲労寿命が更に延長する。寿命に対し、圧縮の残留応力は悪影響を及ぼさないことから、本発明では完成した軌道輪の軌道面表面の残留応力が圧縮であると規定し、その上限は規定しない。
【符号の説明】
【００４７】
１  切断片
２  円環部材
３  内輪
１０  円環状治具
１１  上治具
１２  下治具
【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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