(57)【要約】【課題】過酷な使用条件下でも優れた疲労強度及び耐摩耗性を確保でき、しかも、熱処理変形を小さく抑えられる転がり軸受用保持器を得られる製造方法を実現する。【解決手段】鋼製の素材を所定の形状に加工し、次いで、３５０〜５２０℃の開始温度から５５０〜７００℃の終了温度まで連続的に昇温する温度条件下でガス窒化処理を施した後、急冷する。上記素材を構成する鋼として、Ｃを０．０１〜０．２０質量％、Ｍｎを０．０５〜１．０質量％、Ｐを０．０３質量％以下、Ｓを０．０５質量％以下、Ａｌを０．０１〜０．１質量％、Ｃｒを０．２〜２．０質量％含み、残部をＦｅと不可避不純物としたもの使用する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製の素材を所定の形状に加工し、次いで、３５０〜５２０℃の開始温度から５５０〜７００℃の終了温度まで連続的に昇温する温度条件下でガス窒化処理を施した後、急冷する事を特徴とする転がり軸受用保持器の製造方法。
【請求項２】
素材をプレス加工により所定の形状に加工する、請求項１に記載した転がり軸受用保持器の製造方法。
【請求項３】
プレス成形後の中間素材に弗化処理を施して、この中間素材の表面に存在する酸化膜を弗化膜に置き換えた後、ガス窒化処理を施す、請求項２に記載した転がり軸受用保持器の製造方法。
【請求項４】
素材を構成する鋼が、Ｃを０．０１〜０．２０質量％、Ｍｎを０．０５〜１．０質量％、Ｐを０．０３質量％以下、Ｓを０．０５質量％以下、Ａｌを０．０１〜０．１質量％、Ｃｒを０．２〜２．０質量％含み、残部をＦｅと不可避不純物としたものである、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した転がり軸受用保持器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ラジアル玉軸受、スラストころ軸受等、自動車、一般産業機械、工作機械、鉄鋼機械、等、各種機械装置の回転支持部に組み込まれる各種転がり軸受を構成する、玉、ころ等の転動体を保持する保持器の製造方法の改良に関する。具体的には、鋼材製で、優れた疲労強度及び耐摩耗性を有する保持器を低コストで造る事を意図したものである。
【背景技術】
【０００２】
各種機械装置の回転支持部に組み込む転がり軸受として、例えば図１に示す様な単列深溝型の玉軸受１が、広く使用されている。この玉軸受１は、外周面に内輪軌道２を設けた内輪３と、内周面に外輪軌道４を設けた外輪５と、これら内輪軌道２と外輪軌道４との間に転動自在に設けられた複数個の玉６と、これら各玉６を転動自在に保持する保持器７とを備える。又、図示の例では、１対のシールリング８、８により、これら各玉６及び保持器７を設置した空間９の両端開口部を塞いでいる。
【０００３】
上記保持器７は、例えば特許文献１、２に記載されている様な、波形プレス保持器と呼ばれるもので、図２に示す様に、１対の保持器素子１０、１０を複数本のリベット１１、１１で接合する事により構成している。これら両保持器素子１０、１０は、鋼板製の素材を円環状に打ち抜くと共に、平坦部１２、１２と半円弧部１３、１３とを円周方向に関して交互に連続させて成る。そして、このうちの平坦部１２、１２同士を互いに突き合わせた状態で、上記各リベット１１、１１により接合固定し、上記各半円弧部１３、１３に囲まれた部分を、それぞれ上記各玉６を転動自在に保持する為のポケット１４、１４としている。
【０００４】
上記玉軸受１の運転時に上記保持器７には、円周方向に関して両方向の力が繰り返し加わるし、又、上記各玉６の転動面と上記各ポケット１４、１４の内面とが擦れ合う。この理由は、荷重の負荷圏と非負荷圏とで上記各玉６の接触角が変化する等により、これら各玉６の公転速度が円周方向に関して不均一になる為である。即ち、これら各玉６の公転速度は、前記内輪３と前記外輪５との相対回転速度が一定であっても、上記空間９内を１周する間に変化する。これに対して、上記各玉６を保持した上記単一の保持器７の回転速度は、一定のままである為、これら各玉６の転動面が、上記各ポケット１４、１４の内面のうちで回転方向前側部分と後側部分とに、交互に押し付けられる。
【０００５】
この結果、上記保持器７を構成する上記両保持器素子１０、１０のうちで、上記各平坦部１２、１２と上記各半円弧部１３、１３とが連続する折れ曲がり部には、繰り返し曲げ応力が加わり、亀裂損傷を防止する面から、厳しい使用条件に曝される。又、上記各玉６は、上記各ポケット１４、１４の内面に押し付けられた状態のまま自転する。これら各玉６は、軸受鋼の如き硬質の金属により造られているのに対して、上記保持器７を構成する鋼材は、プレス加工により曲げ形成する必要上、上記軸受鋼に比べて軟らかいものを使用する。この為、上記保持器７は、耐摩耗性の面からも、厳しい使用条件に曝される。以上の説明から明らかな通り、鋼材製の保持器には、疲労強度及び耐摩耗性を確保する事が要求される。
【０００６】
この事は、図２に示した様な、玉軸受用の波形保持器に限らず、ラジアルニードル軸受用の籠型保持器にも、更には、図３に示す様な、スラストニードル軸受用の保持器７ａにも要求される。尚、この保持器７ａは、円輪状の鋼板の円周方向複数個所に、それぞれが長矩形のポケット１４ａ、１４ａを、放射方向に形成したものである。この様な保持器７ａで、これら各ポケット１４ａ、１４ａ内に保持した各ニードルの公転速度が変化すると、これら各ポケット１４ａ、１４ａの円周方向両側縁が、これら各ニードルの転動面により繰り返し押圧される。そして、これら各ポケット１４ａ、１４ａの隅部に亀裂等の損傷が発生し易くなる他、これら各ポケット１４ａ、１４ａの円周方向両側縁の摩耗が進行し易くなる。
【０００７】
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、Ｃの含有量を０．１２質量％以下に、Ｔｉの含有量を０．００１５質量％以下に、それぞれ抑えたＡｌキルド鋼板により造り、更に窒化処理した、保持器に関する発明が記載されている。この様な特許文献１に記載された発明の場合、鋼板中のＴｉの含有量を抑える事で、タフトライド処理の際に鋼板内部の脆化を抑え、保持器の靭性を確保して、破壊強度を高めるとしている。
【０００８】
一方、近年、保持器の高機能化が進み、案内機能に加えて、ニードル等の転動体の姿勢制御の機能を持たせる為に、鋼板製の保持器の形状が複雑化している。この為、塩浴窒化処理を行った際、塩浴が十分に行き渡らなくなって、完成後の鋼板製保持器に、窒化むらが生じる可能性がある。そして、窒化むらが発生した場合には、前述した様な機構により、保持器の特定部位に応力が繰り返し加えられると、窒化層の薄くなった部分が破壊の起点となって、亀裂等の損傷が発生する可能性がある。
【０００９】
又、特許文献２には、鋼板製の保持器に窒化処理を施す前に、表面の酸化膜を金属弗化膜に置き換える、鋼製保持器の製造方法が記載されている。この様な特許文献２に記載された製造方法によれば、鋼板の表面に均一な窒化層を迅速に得る事ができる。但し、深い硬化層を得にくく、やはり、この鋼板により構成される保持器の強度を確保する事が難しいものと考えられる。
【００１０】
上述の様な現状に対して、近年に於ける自動車の低燃費化に伴う自動変速機の多段化に伴い、各種転がり軸受の使用条件が益々厳しくなりつつある。具体的には、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、優れた疲労強度及び耐摩耗性を有する保持器の実現が望まれている。しかも、極めて高い寸法精度が要求されるので、熱処理等に伴う保持器の変形は、できるだけ小さく抑える必要がある。
【００１１】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、過酷な使用条件下でも優れた疲労強度及び耐摩耗性を確保でき、しかも、熱処理変形を小さく抑えられる転がり軸受用保持器を得られる製造方法を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の転がり軸受用保持器の製造方法は、先ず、鋼製の素材を、例えば請求項２に記載した発明の様に、プレス加工により所定の形状に加工する。次いで、図４に示す様に、３５０〜５２０℃の開始温度から５５０〜７００℃の終了温度まで連続的に（段階的でなく漸次）昇温する温度条件下でガス窒化処理（ガスを窒化媒体とした窒化処理）を施した後、例えば水冷により急冷する。
尚、この様な本発明を実施する場合に好ましくは、請求項３に記載した発明の様に、プレス成形後の鋼材製の中間素材に弗化処理を施して、この中間素材の表面に存在する酸化膜を弗化膜に置き換える。その後、上述の条件でガス窒化処理を施す。
この様な本発明の転がり軸受用保持器の製造方法を実施する場合に、好ましくは、請求項４に記載した発明の様に、上記素材を構成する鋼として、Ｃを０．０１〜０．２０質量％、Ｍｎを０．０５〜１．０質量％、Ｐを０．０３質量％以下、Ｓを０．０５質量％以下、Ａｌを０．０１〜０．１質量％、Ｃｒを０．２〜２．０質量％含み、残部をＦｅと不可避不純物としたものを使用する。
【発明の効果】
【００１４】
上述の様に構成する本発明の転がり軸受用保持器の製造方法によれば、過酷な使用条件下でも優れた疲労強度及び耐摩耗性を確保でき、しかも、熱処理変形を小さく抑えられる転がり軸受用保持器を得られる。この理由は、次の通りである。
先ず、本発明の転がり軸受用保持器の製造方法の場合には、ガスを窒化媒体とした窒化処理を行うので、塩浴窒化により窒化処理を行う場合に比較して、窒化媒体の流動性が良好になる。この為、窒化反応が緩慢になりにくく、鋼製の保持器の表面全体の窒化層を均一にして、この保持器の強度を向上させる事ができる。
【００１５】
又、鋼製の素材のガス窒化処理を、３５０〜５２０℃の温度で開始し、５５０〜７００℃まで連続的に昇温した後急冷する為、上記素材のプレス成形性を損なわずに、上記保持器の疲労強度及び耐摩耗性を高められる。この為、請求項２に記載した様に、低コストで造れるプレス加工により、過酷な使用条件下でも優れた耐久性を有する転がり軸受用保持器を得られる。
この場合に於いて、プレス成形後の中間素材に弗化処理を施して、この中間素材表面の酸化膜を弗化膜に置き換えてから上記ガス窒化処理を施せば、完成後の保持器の表面に、より均一な窒化層を形成できる。
【００１６】
又、本発明の転がり軸受用保持器の製造方法の場合には、連続的に昇温させながら窒化処理を行う為、上記窒化層を深く、且つ、十分に硬くできる（硬く且つ深い硬化層を得られる）。この理由は、次の通りである。窒化処理を、温度を一定としたまま行った場合、低温の窒化処理では、表面硬度が高くなる代わりに、硬化層深さが浅くなるし、高温の窒化処理では、硬化層深さが深くなる代わりに、表面硬さが低くなる。
これに対して本発明の転がり軸受用保持器の製造方法の様に、連続的に昇温させながら窒化処理を施せば（３５０〜５２０℃で開始し、５５０〜７００℃まで昇温させつつガス窒化処理を行えば）、低温時に（３５０〜５２０℃に近い状態で）高い表面硬さを得、更に連続的に昇温させる（５５０〜７００℃に近づく）過程で窒素を内部まで拡散させる事により、大きな硬化層深さを得られる。そして、鋼製の保持器の耐摩耗性を向上させられる。尚、窒化開始時の温度が３５０℃未満の場合には、鋼材中への窒素の侵入が不十分となって、表面に十分な硬化層を形成できない。逆に、上記窒化開始時の温度が５２０℃を越えると、表面硬さを十分に確保する事が難しくなる。そこで本発明の場合には、上記ガス窒化処理の開始温度の範囲を、３５０〜５２０℃とした。
【００１７】
又、本発明の転がり軸受用保持器の製造方法の場合には、５５０〜７００℃まで加熱した後、急冷する為、鋼製の保持器の芯部が硬化し、疲労強度が向上する。急冷直前の終了温度が５５０℃未満の場合には、十分に大きな硬化層深さを得る事が難しい。これに対して、この終了温度が７００℃を越えると、化合物層の分解と拡散とが進行し、十分な耐摩耗性を得る事が難しくなる。そこで本発明の場合には、上記ガス窒化処理の終了温度の範囲を、５５０〜７００℃とした。尚、上記急冷直前の加熱温度（加熱終了温度、二次熱処理温度）の、より好ましい範囲は、５５０℃〜Ａ１変態点である。この二次熱処理温度がＡ１変態点を越えると、急冷に伴う焼き入れ変形により反り等が発生し、外径が小さな小型の保持器を除き、高い寸法精度を得る事が難しくなる。逆に言えば、小型の保持器の場合には、Ａ１変態点を越えても、７００℃までは、加熱できる。
【００１８】
更に、本発明の場合には、上記ガス窒化処理の終了後に急冷するので、得られた鋼製の保持器の疲労強度を確保できる。即ち、このガス窒化処理を施した後の鋼製の保持器の温度を、炉冷等により徐々に低下させると、拡散層のフェライト組織に針状のＦｅ4 Ｎが析出し、疲労強度が低下する可能性がある。これに対して本発明の転がり軸受用保持器の製造方法の場合には、昇温しながら窒化処理を施した後急冷する為、Ｆｅ4 Ｎが、析出せずにフェライト中に固溶し、その結果、拡散層の硬さを向上させて、疲労強度を安定して高める事ができる。
【００１９】
又、請求項３に記載した発明の様に、プレス成形後の中間素材に弗化処理を施した後にガス窒化処理を施せば、ガス窒化処理の時間を徒に長くする事なく、完成後の鋼製保持器の表面に、均一な窒化層を形成できる。この場合に於ける弗化処理は、鋼製の素材をプレス成形した後の中間素材を炉中で加熱しながら、この炉中に、弗素化合物若しくは弗素を含むガスを導入して、このガスを上記中間素材の表面に接触させる。すると、活性化した弗素原子により、鋼製の中間素材の表面に付着していた、汚染物質が、無機物であるか有機物であるかを問わずに破壊除去されて、上記中間素材の表面が浄化される。同時に、上記ガス中に存在する弗素原子が、上記中間素材の表面に存在する酸化膜と反応して弗化物膜（弗化膜）に変化し、この中間素材の表面が、酸化膜に比べて活性な、弗化物膜で被覆保護された状態となる。この様に、この中間素材の表面を浄化すると共に、弗化物膜で保護した状態から、この中間素材にガス窒化処理を施せば、この中間素材を構成する鋼の表面に、窒素原子が迅速かつ均一に拡散、浸透して、均一な窒化層が形成される。
【００２０】
更に、上記保持器を構成する鋼として、請求項４に記載した組成を有するものを使用すれば、より優れた疲労強度及び耐摩耗性を有する保持器を、容易に加工できる。即ち、転がり軸受用保持器を構成する鋼材として一般的には、常温に近い温度で圧延された冷間圧延鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３１４１に規定されたＳＰＣＣ等）が用いられている。冷間圧延鋼板が多用されるのは、優れた成型加工性を有する為であるが、冷間圧延鋼板の強度そのものは高くない。この様な事情に鑑みて、上記請求項４に記載した発明の場合には、成型加工性を損なわずに疲労強度を高める為に、素材強度を高めると共に窒化性を向上させる元素を添加した鋼材を使用する。即ち、Ｃを０．０１〜０．２０質量％、Ｍｎを０．０５〜１．０質量％、Ｐを０．０３質量％以下、Ｓを０．０５質量％以下、Ａｌを０．０１〜０．１質量％、Ｃｒを０．２〜２．０質量％含み、残部をＦｅと不可避不純物とした鋼材により、上記転がり軸受用保持器を構成する。
【００２１】
より優れた疲労強度及び耐摩耗性を有する保持器を容易に加工できる様にすべく、この保持器を構成する素材である鋼材中に、上記各元素を上記範囲で添加する理由は、次の通りである。
［Ｃを０．０１〜０．２０質量％］
Ｃ（炭素）は、強度確保に必要な元素である為に含有させる。但し、含有量が０．０１質量％未満の場合には、十分な強度を得られない。これに対して、含有量が０．２０質量％を超えると、素材の加工性が低下する。そこで、Ｃの含有量を、０．０１〜０．２０質量％とした。
［Ｍｎを０．０５〜１．０質量％］
Ｍｎ（マンガン）は、脱酸・脱硫に必要である為に含有させる。但し、含有量が０．０５質量％未満の場合には、脱酸が不十分となり、非金属介在物量の増加を招く。これに対して、含有量が１．０質量％を超えると、素材の加工性が低下する。そこで、Ｍｎの含有量を、０．０５〜１．０質量％とした。
［Ｐを０．０３質量％以下］
Ｐ（燐）は、不可避的に鋼中に混入する有害不純物元素であり、含有量は少ない程好ましいが、含有量を０とする事は、コストを抑える面から非現実的である。但し、含有量が０．０３質量％を超えると、強度低下等の不利益が無視できなくなる。そこで、Ｐの含有量を０．０３質量％以下とした。
［Ｓを０．０５質量％以下］
Ｓ（硫黄）も、不可避的に鋼中に混入する有害不純物元素であり、含有量は少ない程好ましいが、含有量を０とする事は、コストを抑える面から非現実的である。但し、含有量が、０．０５質量％を超えると、強度低下等の不利益が無視できなくなる。そこで、Ｓの含有量を、０．０５質量％以下とした。
［Ａｌを０．０１〜０．１質量％］
Ａｌ（アルミニウム）は、窒化特性を向上させ、表面硬さを向上させたり、結晶粒が粗大化する事を抑制する為に必要である。但し、含有量が０．０１質量％未満の場合には、これらの効果を得られない。これに対して、含有量が０．１質量％を超えると、靭性が低下する。そこで、Ａｌの含有量を、０．０１〜０．１質量％とした。
［Ｃｒ：０．２〜２．０質量％］
Ｃｒ（クロム）は、窒化特性並びに芯部硬さを向上させる為に含有させる。Ｃｒの含有量は、多い程、表面硬さが高くなり、硬化深さが深くなるが、含有量が０．２質量％未満の場合には、上記効果を十分には得られない。これに対して、含有量が２．０質量％を越えると、加工性が低下する。そこで、Ｃｒの含有量を、０．２〜２．０質量％とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の転がり軸受用保持器の製造方法の特徴は、鋼製の素材の表面部分に窒化層を形成する為の処理方法、及び、この処理方法による効果を有効に得られる鋼材の組成にある。図面に表れる転がり軸受用保持器の形状、構造に就いては、前述の図１〜３に記載した保持器７、７ａを含めて、従来から知られている、各種転がり軸受用保持器と同様である為、実施の形態に関する図示並びに説明は省略する。
【実施例１】
【００２３】
本発明のうち、素材を構成する鋼の組成が疲労強度に及ぼす影響を知る為に行った実験に就いて説明する。この実験では、下記の表１に示した、本発明（請求項４に記載した発明）の技術的範囲に属する１２種類（実施例１〜１２）と、この発明の技術的範囲から外れる１２種類（比較例１〜１２）との２４種類の、互いに異なる組成を有する鋼材（板材）を用意した。
【表１】
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【００２４】
これら各鋼材をプレス成形（打ち抜き成形及び曲げ成形）して、前述の図３に示した形状を有する、スラストニードル軸受用の保持器７ａとなるべき中間素材とした。次いで、この中間素材に、一次熱処理として、鋼材の表面の酸化膜を弗化膜に置き換える弗化処理をした後、次の表２に示す処理条件でガス窒化処理を施した。
【表２】
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【００２５】
この様にして得た、２４種類の試料（スラストニードル軸受用のプレス保持器）に関して、端面に２０Ｈｚで繰り返し応力を加える事により、疲労試験を施した。この疲労試験では、各試料に関して亀裂が入るまでの繰り返し数（繰り返しサイクル）を疲労強度として評価した。この様にして行った疲労試験の結果を、上記表２に示した。この表２中の疲労強度比とは、実施例１の疲労強度を１した場合に於ける、各試料の疲労強度の比（当該試料の繰り返し数／実施例１の繰り返し数）を表している。
【００２６】
この様な疲労試験の結果を表した表２の記載を、前記表１の記載を勘案しつつ見れば分かる様に、本発明よりも、鋼材中のＣ、Ｃｒの含有量が少ない場合（比較例１、５）、Ｃ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｒが多い場合（比較例２、３、４、６）、窒化処理の開始温度が高い場合（比較例７）、窒化開始温度が低い場合（比較例８）、窒化処理の終了温度が低い場合（比較例１０）、窒化処理後に急冷（水冷）を行わず炉冷した場合（比較例１１）、窒化処理中に昇温を行わなかった場合（比較例１２）には、一部（比較例２、３、６）を除いて十分な疲労強度を得られなかった。又、鋼材中のＣ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量が多い場合（比較例２、３、６）には、高い疲労強度を示したものの成型加工性が劣っていた。更に、窒化処理の終了温度が高い場合（比較例９）には、熱処理変形した為、疲労試験を行えなかった。これに対して、本発明の技術的範囲に属するもの（実施例１〜１２）に就いては、疲労強度、成形加工性、変形の少なさの何れも、良好な結果を得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、鋼製の転がり軸受用保持器であれば、図示の様な波形プレス保持器（図１〜２）やスラストニードル軸受用保持器（図３）に限らずに実施できる。例えば、もみ抜き保持器で実施する事もできる。又、熱処理のパターンにしても、窒化処理後、直ちに急冷するのに限らず、窒化処理後炉冷した後、再加熱してから急冷する事もできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の製造方法の対象となる保持器の第１例を組み込んだ転がり軸受の部分断面図。
【図２】保持器を取り出して示す斜視図。
【図３】本発明の製造方法の対象となる保持器の第２例を示す、平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）。
【図４】本発明を実施する場合の熱処理パターンを示す線図。
【符号の説明】
【００２９】
１    玉軸受
２    内輪軌道
３    内輪
４    外輪軌道
５    外輪
６    玉
７、７ａ  保持器
８    シールリング
９    空間
１０    保持器素子
１１    リベット
１２    平坦部
１３    半円弧部
１４、１４ａ  ポケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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