(57)【要約】【課題】プレス成形性を損なうことなく、耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、過酷な使用条件下でも耐久性に優れた転がり軸受用保持器を提供する。【解決手段】母材組織のフェライトの平均結晶粒径が２０〜１００μｍの鋼材をプレス成形した後、一次熱処理で４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施し、二次熱処理で５００〜５９０℃の温度に保持し、次いで急冷を行うことにより、プレス成形性を損なうことなく、耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、過酷な使用条件下でも耐久性に優れる。また、一次熱処理で、プレス成形後の鋼材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後、ガスを窒化媒体とした窒化処理を施すことにより、迅速且つ均一な窒化層の形成が可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材組織のフェライトの平均結晶粒径が２０〜１００μｍの鋼材をプレス成形した後、一次熱処理で４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施し、二次熱処理で５００〜５９０℃の温度に保持し、次いで急冷を行うことを特徴とする転がり軸受用保持器。
【請求項２】
前記鋼材が、質量比でＣ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．３０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：≦０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避不純物からなる組成であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受用保持器。
【請求項３】
前記一次熱処理で、プレス成形後の鋼材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後、ガスを窒化媒体とした窒化処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受用保持器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受用保持器に関するものであり、特に鋼製の転がり軸受用保持器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼製の転がり軸受用保持器に関する先行技術の表面硬化処理技術としては、例えば下記特許文献１に記載されるものがあり、その構成は、深溝玉軸受の打ち抜き保持器を、０．１２％Ｃ以下の低炭素鋼であって、且つＴｉ含有量を０．００１５％以下に規制したＡｌキルド鋼板から窒化処理をして形成するものであり、鋼中Ｔｉ含有量を規制するので、タフトライド処理の際に鋼板内質部の脆化がなく、保持器の靭性を確保し、その破壊強度を高めるというものである。
【０００３】
また、鋼製の転がり軸受用保持器に関する先行技術のガス窒化としては、例えば下記特許文献２に記載されるものがあり、窒化処理の前に保持器の表面の酸化物を金属フッ化膜に置き換えるフッ化処理を含む鋼製軸受用保持器の製造方法であり、これによって鋼表面に均一な窒化層を迅速に得ることが可能となる。金属フッ化膜は酸化物の生成も防止し、酸化物は確実に表面から除去されて、この表面に窒化処理がなされ、緻密且つ均一で、平滑な窒化層を安定して形成することができる。
【０００４】
また、鋼製の転がり軸受用保持器に関する先行技術の窒化物層最表面の緻密化技術としては、例えば下記特許文献３に記載されるものがあり、特殊な窒化方法を用いることなく、４８０〜５７０℃程度の比較的高温条件での窒化処理により窒化物層を形成させた後に、緻密化処理を施すことにより、最表面に形成された多孔質層を緻密化させるというものである。この緻密化処理としては、例えば、酸素の存在下（例えば空気中）において軟窒化処理温度よりも低温の３５０〜４５０℃で１〜５時間保持する熱処理が挙げられており、窒化物層の最表面を緻密化し、被膜の強度を向上させることによって、保持器に優れた耐摩耗性を付与することができる。
【特許文献１】特開平６−４９６２３号公報
【特許文献２】特開平１０−２３３６号公報
【特許文献３】特開２００５−１０６２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年、保持器の高機能化が進み、案内機能や針状ころの姿勢制御の機能を持たせるためにプレス保持器は複雑形状化しているため、前記特許文献１のように塩浴窒化処理を行う際、塩浴が十分に行き渡らなくなって窒化ムラが発生する可能性がある。そして、そのような場合、回転条件によって保持器の特定部位に過大な繰返し応力が付与されると、窒化層の薄い部分が破壊の起点となってしまう恐れがある。
【０００６】
また、前記特許文献２では、深い硬化層を得にくく、保持器素材の強度不足を招く可能性がある。特に、自動車の低燃費化に伴う自動変速機の多段化に伴い、転がり軸受の使用条件が益々厳しくなりつつあり、転がり軸受の高速回転化及び高負荷容量化に対応できる保持器が望まれており、しかも極めて高い寸法精度が要求され、変形をできるだけ抑制する必要があるが、現状では、そのような要求に応えられない。
【０００７】
また、前記特許文献３では、一次熱処理においてガス軟窒化を施した場合、二次熱処理において低温の３５０〜４５０℃に保持した後、炉冷されており、冷却速度が遅いため、拡散層のフェライト組織の針状のＦｅ４Ｎが析出し、疲労強度が低下する恐れがある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、プレス成形性を損なうことなく、耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、過酷な使用条件下でも耐久性に優れた転がり軸受用保持器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の転がり軸受用保持器は、母材組織のフェライトの平均結晶粒径が２０〜１００μｍの鋼材をプレス成形した後、一次熱処理で４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施し、二次熱処理で５００〜５９０℃の温度に保持し、次いで急冷を行うことを特徴とするものである。
また、本発明の転がり軸受用保持器は、前記鋼材が、質量比でＣ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．３０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：≦０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避不純物からなる組成であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の転がり軸受用保持器は、前記一次熱処理で、プレス成形後の鋼材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後、ガスを窒化媒体とした窒化処理を施すことを特徴とするものである。
臨界的意義は以下の通りである。
［母材組織のフェライトの平均結晶粒径が２０〜１００μｍの鋼材］
通常、大部分フェライト組織の鋼は、フェライトの平均結晶粒径が大きいほど、ホールペッチの関係より降伏強度が低下し、疲労強度も減少する。しかし、平均結晶粒径が大きくなると窒素の拡散速度が速くなるため、硬化層深さを増す。これにより、疲労強度を高めることが可能になる。但し、フェライトの平均結晶粒径が１００μｍを超えると、粗大化したことによる強度低下の影響が大きくなり、疲労強度の向上効果を得ることができない。なお、フェライトの好ましい平均結晶粒径は３０〜６０μｍである。
【００１０】
［一次処理で４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理］
一次処理として、ガスを窒化媒体とした窒化処理を行うことにより、塩浴窒化と比較して流動性が良好となるために、窒化反応が緩慢になりにくく、保持器全体の窒化層を均一にして強度を向上することができる。この一次熱処理の窒化処理により、表面に窒化層が形成されるので表面硬さが増し、耐摩耗性が向上する。なお、４００℃未満では良好な窒化膜を得ることができず、５９０℃以上では、Ａ１変態点を超えるため熱処理変形が発生し、高い寸法精度を得ることができない。
【００１１】
［二次熱処理で５００〜５９０℃の温度に保持し、次いで急冷］
二次熱処理で５００〜５９０℃に加熱保持することにより、窒素が拡散し、硬化層が深くなる。５００℃未満では高い硬さを得ることができず、５９０℃を超えるとＡ１変態点を超えるため熱処理変形が発生し、高い寸法精度を得ることができない。また、加熱後急冷するため、芯部が硬化し、疲労強度が向上すると共に、Ｆｅ４Ｎが析出せずにフェライト中に固溶し、拡散層の硬さを向上させることによっても疲労強度を高めることができる。なお、急冷には、水冷などが用いられる。
【００１２】
［Ｃ：０．０１〜０．２０質量％以下］
Ｃは、強度確保のために必要な元素であり、炭素含有量が０．０１質量％を下回ると十分な強度が得られなくなる。但し、炭素含有量が０．２０質量％を超えると保持器素材の加工性が低下する。
［Ｓｉ：≦０．３０質量％］
Ｓｉは脱酸のために必要な元素であるが、０．３０質量％を超えると加工性が低下する。
【００１３】
［Ｍｎ：０．０５〜１．０質量％］
Ｍｎは脱酸・脱硫のために必要な元素であり、０．０５質量％を下回ると脱酸が不十分となって非金属介在物量の増加を招く。但し、１．０質量％を超えると靭性が低下する。
［Ｐ：≦０．０３質量％］
Ｐは不可避的に鋼中に混入する有害不純物元素であり、その上限を０．０３質量％とする。
【００１４】
［Ｓ：≦０．０５質量％］
Ｓは不可避的に鋼中に混入する有害不純物元素であり、その上限を０．０５質量％とする。
［Ａｌ：０．０１〜０．１質量％］
Ａｌは窒化特性向上、特に表面硬さ向上や、結晶流粗大化抑制のために必要であり、０．０１質量％以上含有させる必要がある。但し、０．１質量％を超えると靭性が低下する。
【００１５】
［一次熱処理で、プレス成形後の鋼材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後、ガスを窒化媒体とした窒化処理を施す］
鋼の窒化に先立って、まず鋼を炉中で加熱しながら、その状態で炉中にフッ素化合物若しくはフッ素を含むガスを導入して鋼表面を上記ガスと接触させると、活性化したフッ素原子により鋼表面に付着していた無機・有機物の汚染物質が破壊除去されて表面が浄化されると共に、このフッ素原子が酸化膜と反応してフッ化物膜に変化して鋼の表面がフッ化物膜で被覆保護された状態となる。そして、この活性化された鋼の表面に、窒素原子が浸透・拡散して迅速且つ均一な窒化層が形成される。
【発明の効果】
【００１６】
而して、本発明の転がり軸受用保持器によれば、母材組織のフェライトの平均結晶粒径が２０〜１００μｍの鋼材をプレス成形した後、一次熱処理で４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施し、二次熱処理で５００〜５９０℃の温度に保持し、次いで急冷を行うこととしたため、プレス成形性を損なうことなく、耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、過酷な使用条件下でも耐久性に優れる。
【００１７】
また、本発明の転がり軸受用保持器によれば、鋼材が、質量比でＣ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．３０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：≦０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避不純物からなる組成であることとしたため、より一層、プレス成形性を損なうことなく、より一層の耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、より一層過酷な使用条件下でも耐久性に優れる。
また、本発明の転がり軸受用保持器によれば、一次熱処理で、プレス成形後の鋼材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後、ガスを窒化媒体とした窒化処理を施すこととしたため、迅速且つ均一な窒化層の形成が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の転がり軸受用保持器の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の実施例及び比較例として作成された円筒ころスラスト軸受に用いられる試験用転がり軸受用保持器１０１を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断面図である。この試験用転がり軸受用保持器１０１を用いた疲労強度試験に先立ち、本発明者は、以下の実験を経て本発明の転がり軸受用保持器を発明するための知見を得た。
【００１９】
即ち、疲労強度の向上を目的に、試験片を５２０℃で窒化処理した後、５６０℃で１時間保持し、水冷した。そして、その試験片の硬さ勾配を測定したところ、窒化処理したままの試験片の硬さ勾配と比較して、より深い硬化層を得ることができた。これは、二次熱処理で所定の温度に保持することにより窒素が拡散し、また、急冷することによって、拡散層のフェライト中にＦｅ４Ｎが固溶し、これらによって高い硬さを得ることができたためである。
【００２０】
図２には、試験片の表面からの距離（深さ）と疲労強度の関係を示す。疲労強度は、ビッカース硬さで５００Ｈｖ程度までは硬さに比例していることから、硬さ分布を疲労強度に換算してグラフ化した。なお、図中の破線は外力の分布を示す。破損形態は、窒化処理も施さない無処理材では最大応力の負荷する最表面が破壊の起点になるが、窒化処理材は一般的に内部に破壊の起点が生じる。この破損の起点の耐負荷性能が向上すると、疲労強度が上昇すると考えられる。図２のグラフからも明らかなように、二次熱処理を施した試験片は、窒素の拡散により内部の疲労強度が上昇したため、耐負荷性能も向上し、窒化処理のみの試験片に対して約１．２倍疲労強度が上昇した。
【００２１】
このような知見に基づき、本実施形態の試験用転がり軸受用保持器１０１の実施例及び比較例に対して以下の疲労強度試験を行った。まず、下記表１に示す合金成分並びにフェライト結晶粒径の鋼材をプレス成形し、図３に示すように、一次熱処理として鋼の表面の酸化物をフッ化物に置き換えるフッ化処理をした後、下記表２に示す処理条件で窒化処理を施して炉冷し、二次熱処理として加熱・保持した後、冷却することによって実施例Ａ〜Ｆ及び比較例ａ〜ｉの試験用転がり軸受用保持器１０１を作成した。そして、これらの試験用転がり軸受用保持器１０１に対し、図１ｂに示すように、端面に２０Ｈｚで繰返し応力を加え、疲労強度試験を行った。疲労強度試験は、試験用転がり軸受用保持器１０１にクラックが入るまでの繰返し数を測定し、繰返し数１×１０７サイクルを疲労強度として評価した。評価結果を下記表２にまとめて記す。評価結果は、実施例Ａの疲労強度を１として、他の例と比較した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
表２から明らかなように、規定した処理温度より低い温度で処理した場合（比較例ａ・ｃ）、フェライト結晶粒径が規定の範囲外の場合（比較例ｅ・ｆ）、二次熱処理において水冷を行わずに炉冷した場合（比較例ｇ）、二次熱処理を行わなかった場合（比較例ｈ）、一次熱処理においてガス窒化ではなく塩浴窒化を施した場合（比較例ｉ）には、何れも十分な疲労強度を得ることができなかった。また、規定した処理温度より高い温度で処理した場合（比較例ｂ・ｄ）には、熱処理変形が生じたため、疲労強度試験を行うことができなかった。一方、本発明の実施例Ａ〜Ｆは、何れも良好な疲労強度を得ることができた。
【００２５】
このように本実施形態の転がり軸受用保持器では、母材組織のフェライトの平均結晶粒径が２０〜１００μｍの鋼材をプレス成形した後、一次熱処理で４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施し、二次熱処理で５００〜５９０℃の温度に保持し、次いで急冷を行うこととしたため、プレス成形性を損なうことなく、耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、過酷な使用条件下でも耐久性に優れる。
【００２６】
また、鋼材の組成を、質量比でＣ：０．０１〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．３０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：≦０．０３％、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有し、残部は実質的にＦｅ及び不可避不純物とすることにより、より一層、プレス成形性を損なうことなく、より一層の耐摩耗性・疲労強度を高めることを可能とし、より一層過酷な使用条件下でも耐久性に優れる。
【００２７】
また、一次熱処理で、プレス成形後の鋼材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後、ガスを窒化媒体とした窒化処理を施すことにより、迅速且つ均一な窒化層の形成が可能となる。
なお、前記実施形態は、本発明の転がり軸受用保持器の一例示であり、主旨を逸脱しない範囲において当業者の知識に基づき様々な変更を加えた態様で実施可能であり、例えば一次熱処理で窒化した後、冷却を行うことなく二次熱処理温度まで加熱し、一定時間保持した後、水冷を行ってもよい。また、保持器の製造方法は特に限定されるものではなく、プレス保持器に限らず、もみ抜き保持器でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の転がり軸受用保持器の一実施形態としての実施例及び比較例を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は横断面図である。
【図２】図１の転がり軸受用保持器の表面からの距離と疲労強度の関係を示す説明図である。
【図３】本発明の転がり軸受用保持器の熱処理の説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１は転がり軸受用保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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