JP2006219726A

JP2006219726A - 転がり軸受の軌道輪の製造方法

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Publication number: JP2006219726A
Application number: JP2005034397A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Shimizu; 康之清水
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】工作機械等の高速回転軸を支持する用途に適した転がり軸受を提供する。
【解決手段】ＳＵＪ２からなる素材を内輪の形状に加工した後、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を２回繰り返した後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行う。これにより、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を６μｍ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受の軌道輪の製造方法に関する。

近年、各種の工作機械は、加工効率および生産性向上のために、マシニングセンタを中心に、主軸の回転速度および周辺機器の送り速度等の高速化が進んでおり、更なる高速化の要求も高まっている。現在、工作機械の高速回転軸を支持する軸受としては、内外輪が軸受鋼製で転動体がセラミックス製のものが使用されている。
転がり軸受の軌道輪には、遠心力や発熱による膨張で引っ張り応力が作用するが、高速化に伴ってこの引っ張り応力が大きくなると、軌道面に微小な表面損傷が発生し易くなる。そして、軌道面に微小な表面損傷が発生した状態で転がり軸受を使用し続けると、軌道輪の靱性が不十分な場合には割れに至ることが考えられる。よって、軌道輪の靱性を高くすることが求められている。

軌道輪の靱性を高くする方法としては、(1) 熱処理の焼戻し温度を高くする方法、(2) 靱性向上作用を有する元素であるニッケル（Ｎｉ）を含有する鋼を使用する方法、(3) 靱性低下成分であるリン（Ｐ）や珪素（Ｓｉ）の含有量が極力少ない鋼を使用する方法、(4) 熱処理で生じさせるオーステナイト結晶粒（焼入れによりオーステナイトはマルテンサイト化されるため、焼入れ直前のオーステナイト結晶粒という意味で「旧オーステナイト結晶粒」とも称される。）を小さくする方法が挙げられる。

これらの方法のうち(1) の方法では、高温で焼戻しすることにより硬さが低下して、転動疲労寿命が短くなる場合がある。(2) の方法では、ニッケルの含有率を１質量％以上にする必要があり、材料コストが高価になる。(3) の方法では、リンや珪素を除去するために材料コストが高価になる。(4) の方法は、(1) 〜(3) の方法と比較してコストおよび軸受性能の点で期待されている方法である。

下記の特許文献１には、前記(4) の方法の一例として、オーステナイト結晶粒を「ＪＩＳＧ０５５１」で規定された粒度番号１０を超える範囲にすることが記載されている。その方法として、８４５℃で浸炭窒化処理して冷却（一次焼入れ）を行った後に、８００℃程度に加熱して冷却（二次焼入れ）を行うか、８４５℃で浸炭窒化処理した後に焼入れを行わずに、一旦Ａ₁変態点未満の比較的高温まで冷却した後に、８００℃程度に加熱して冷却（焼入れ）を行うことが記載されている。

しかしながら、この方法では、浸炭窒化を行うため、熱処理時間が長く、芯部のオーステナイト結晶粒が大きくなって靱性低下が生じる恐れがある。
特開２００３−２２６９１９号公報

本発明は、上記特許文献１の方法とは異なる熱処理方法でオーステナイト結晶粒を小さくして、軌道輪の靱性を高くすることにより、工作機械等の高速回転軸を支持する用途に適した転がり軸受を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、炭素（Ｃ）含有率が０．６質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１質量％以上０．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が１．０質量％以上２．０質量％以下であり、残部鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、この加工された素材をＡ_C1変態点以上の温度に所定時間保持した後にＡ_r1変態点以下の温度に冷却する加熱冷却工程を２回以上繰り返した後、焼戻し工程を行うことを特徴とする転がり軸受の軌道輪の製造方法を提供する。

本発明の方法により、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を６．０μｍ以下とすることができる。この方法では、浸炭窒化を行わないため、熱処理時間が短く、芯部のオーステナイト結晶粒が大きくなることが防止されて、軌道面の靱性低下が生じない。
本発明はまた、本発明の方法で製造され、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が６．０μｍ以下とされた軌道輪を、回転輪として備えたことを特徴とする転がり軸受を提供する。

以下、本発明で使用する鋼の各成分の具体的な限定理由について説明する。
［炭素（Ｃ）含有率：０．６質量％以上１．２質量％以下］
Ｃは、マトリックスに固溶して鋼に硬さを付与するとともに、Ｃｒ等の炭化物形成元素と結合して炭化物や炭窒化物を形成し、耐摩耗性を向上させるために有効な元素である。Ｃの含有率が０．６質量％未満であると、転がり軸受の軌道輪として要求される硬さが確保できない。
Ｃの含有率が１．２質量％を超えると、製鋼時に巨大炭化物や炭窒化物が形成され易くなる。これに伴って、転動疲労寿命や強度が著しく低下する。また、鍛造性、加工性、および被削性が低下して、コストの上昇を招く場合がある。

［珪素（Ｓｉ）含有率：０．１質量％以上１．２質量％以下］
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要であるだけでなく、マトリックスに固溶してマルテンサイトを強化し、焼戻し軟化抵抗性を高くするため、転動疲労寿命向上に有効な元素である。Ｓｉの含有率が０．１質量％未満であると、これらの効果が実質的に得られない。
Ｓｉの含有率が１．２％を超えると、被削性、鍛造性、および加工性が著しく低下する。

［マンガン（Ｍｎ）含有率：０．１質量％以上０．５質量％以下］
Ｍｎは、Ｓｉと同様に製鋼時の脱酸剤として作用することに加え、マトリックスに固溶してフェライトを強化し、焼入れ性を向上させる元素である。また、残留オーステナイトの生成を促進する作用を有する。Ｍｎの含有率が０．１質量％未満であると、これらの効果が実質的に得られない。
Ｍｎの含有率が０．５％を超えると、熱処理後に多量の残留オーステナイトが残存して、十分な硬さが得られなくなる場合があるだけでなく、加工性や被削性が著しく低下する。

［クロム（Ｃｒ）含有率：１．０質量％以上２．０質量％以下］
Ｃｒは、マトリックスに固溶して、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素である。また、Ｃと結合して微細な炭化物を形成することで耐摩耗性を向上させる。Ｃｒの含有率が１．０質量％未満であると、これらの効果が実質的に得られない。
Ｃｒの含有率が２．０質量％を超えると、製鋼過程で巨大炭化物が生成して、転がり疲労寿命や強度を著しく低下させる場合がある。また、加工性や被削性が低下して、コストの著しい上昇を招く場合がある。
Ｃｒ含有率の好ましい範囲は１．３質量％以上１．６質量％以下である。

［不可避不純物］
不可避不純物としては、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、酸素（Ｏ）が含まれる。これらの元素の含有率は、軸受材料として使用できる清浄度（「ＪＩＳＧ４８０５」で規定されている範囲）を満足するものとする。

本発明の方法によれば、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を６．０μｍ以下として、軌道輪の靱性を高くすることができる。
本発明の転がり軸受は、本発明の方法で得られた靱性の高い軌道輪を回転輪として備えることで、工作機械等の高速回転軸を支持する用途に適したものとなる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態では、高炭素クロム軸受鋼第２種（ＳＵＪ２）からなる素材を内輪（回転輪）の形状に加工した後、図１に示す熱処理または図２に示す熱処理を行う。
図１の熱処理では、８４０℃（Ａ_C1変態点以上の温度）に３０分保持した後に油冷する（Ａ_r1変態点以下の温度に冷却する）加熱冷却工程を２回繰り返した後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行う。加熱冷却工程は３回以上繰り返してもよい。

図２の熱処理では、加熱冷却工程として、８４０℃に３０分保持した後に３００℃（Ａ_r1変態点以下の温度）まで冷却し、再度８４０℃まで加熱して、８４０℃に３０分保持後に油冷する。その後、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行う。加熱冷却工程は３回以上繰り返してもよい。
図１または図２の熱処理を行うことにより、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を６．０μｍ以下にすることができる。この内輪を回転輪として備えた転がり軸受は内輪の軌道面の靱性が高くなることで、高速回転軸を支持する用途に適したものとなる。

炭素（Ｃ）含有率が１．０質量％、珪素（Ｓｉ）含有率が０．２５質量％、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．４質量％、クロム（Ｃｒ）含有率が１．５質量％であるＳＵＪ２からなる素材を、旧オーステナイト結晶粒径測定用、シャルピー衝撃値測定用、転動疲労寿命測定用の各試験片形状に切り出した。これらに対して表１に示す各方法で熱処理を行い、各試験用の試験片を得た。なお、この素材のＡ_C1変態点は７５１℃であり、Ａ_r1変態点は７２０℃である。

No. １では、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を２回繰り返した後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。
No. ２では、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を３回繰り返した後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。
No. ３では、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を４回繰り返した後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。

No. ４では、８００℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を１回行った後に、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を１回行い、次いで、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。
No. ５では、８４０℃に３０分保持した後に３００℃まで冷却する加熱冷却工程を１回行った後に、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を１回行い、次いで、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。

No. ６では、８４０℃に３０分保持した後に３００℃まで冷却する加熱冷却工程を２回繰り返した後に、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を１回行い、次いで、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。
No. ７では、８４０℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を１回行った後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。
No. ８では、８００℃に３０分保持した後に油冷する加熱冷却工程を１回行った後に、１７０℃で１２０分保持する焼戻し工程を行った。

旧オーステナイト結晶粒径の平均値の測定は、「ＪＩＳＧ０５５１」に基づいて行った。すなわち、エッチング液により試験片の表面を腐食してオーステナイト組織を現出させ、その部分を走査型電子顕微鏡で拡大して所定範囲の結晶粒径を測定し、その平均値を算出した。その結果を表１に「γ粒径（μｍ）」で示す。
シャルピー衝撃値の測定は、「ＪＩＳＺ２２４２」に基づいて、「ＪＩＳＺ２２０２」のＵノッチ試験片を用いた方法で行った。そして、各サンプルの測定値をNo. ７の測定値で除算し、No. ７に対する比を算出した。その結果を表１に「シャルピー衝撃値（比）」で示す。

転動疲労寿命の測定は、森式スラスト転がり寿命試験機を用い下記の条件で行った。
荷重：８９００Ｎ
回転速度：１０００ｍｉｎ^{- 1}
潤滑油：♯６８タービン油
寿命試験は、表１のNo. １〜８の各サンプルについて１０個ずつ行い、剥離が発生した時点までの寿命（総回転数）を調べた。その結果をワイブル分布のグラフ（累積破損確率−寿命）にプロットし、このグラフからＬ₁₀寿命を求めた。そして、得られた各サンプルのＬ₁₀寿命をNo. ７のＬ₁₀寿命で除算し、No. ７に対する比を算出した。その結果を表１に「Ｌ₁₀寿命（比）」で示す。

また、表１の結果を、シャルピー衝撃値（比）を縦軸とし、旧オーステナイト結晶粒径（平均値）を横軸としたグラフにまとめた。
表１に示すように、本発明の実施例に相当するNo. １〜６は、旧オーステナイト結晶粒径の平均値が３．７〜５．８μｍであり、比較例に相当するNo. ７および８は、旧オーステナイト結晶粒径の平均値が８．０〜１２．０μｍであった。また、本発明の実施例に相当するNo. １〜６は、比較例に相当するNo. ７および８と比較して、シャルピー衝撃値が高く、Ｌ₁₀寿命は同等程度であった。すなわち、No. １〜６の方法で熱処理をすることにより、転動疲労寿命を低下させずに靱性を高くできることが分かる。

また、図３のグラフから、旧オーステナイト結晶粒径を６．０μｍ以下とすることにより、シャルピー衝撃値が著しく高くなることが分かる。この結果から、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒径の平均値を６．０μｍ以下とすることで、好ましくは４．０μｍ以下とすることで、軌道面の靱性を良好にできることが分かる。

本発明の熱処理方法の一例を示す図である。本発明の熱処理方法の一例を示す図である。実施例の結果をまとめた「シャルピー衝撃値（比）と旧オーステナイト結晶粒径（平均値）との関係」を示すグラフである。

Claims

炭素（Ｃ）含有率が０．６質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．１質量％以上１．２質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１質量％以上０．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が１．０質量％以上２．０質量％以下であり、残部鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、
この加工された素材をＡ_C1変態点以上の温度に所定時間保持した後にＡ_r1変態点以下の温度に冷却する加熱冷却工程を２回以上繰り返した後、焼戻し工程を行うことを特徴とする転がり軸受の軌道輪の製造方法。
請求項１記載の方法で製造され、軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が６．０μｍ以下とされた軌道輪を、回転輪として備えたことを特徴とする転がり軸受。