JP2007177288A - 転がり支持装置及びその転動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり疲れ寿命が長く、優れた靱性を有する転がり支持装置を低コストで提供する。
【解決手段】内輪１、外輪２、及び玉３のうち少なくとも一つの転動部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、表層部の硬度をｋ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００を満たすものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイド等の転がり支持装置及びその転動部材の製造方法に関する。

転がり軸受には、転がり疲れ寿命に加えて、割れを生じ難くするための靱性を向上させることが求められている。近年、転がり軸受は、益々高面圧下で使用される傾向があるため、高面圧下で使用されても長寿命が得られるように、転がり軸受を構成する転動部材（内輪、外輪、転動体等）の表面損傷を抑制する技術報告が数多くなされている。
表面損傷を抑制する技術としては、特許文献１に記載のように、表面の硬度を高くするとともに、異物の噛み込みにより生じる圧痕縁への応力集中を緩和するために表層部の残留オーステナイト量を増加させる技術が知られている。

特許文献１には、内輪、外輪、及び転動体のうち少なくとも一つの転動部材を、Ｃｒ含有率が１〜３質量％で、Ｃ含有率が０．１〜１．２質量％で、Ｍｏ含有率がＣｒ含有率の１／３〜２質量％の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理を施すことで作製し、その転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量γ_R を２０〜４５体積％とし、このγ_R に対して前記表層部の硬度Ｈｖを、−４．７×γ_R ＋９２０≦Ｈｖ≦−４．７×γ_R ＋１０２０の範囲にすることが提案されている。

ところで、硬度と靱性との間には、トレードオフの関係が成り立つことが一般的に知られている。実際に、上述した特許文献１に記載のように、浸炭又は浸炭窒化が施された転動部材を備えた転がり軸受では、浸炭又は浸炭窒化が施されていない転動部材を備えた転がり軸受と比べて、転がり疲れ寿命は長くなるが、靱性が劣るという問題がある。このため、転がり疲れ寿命と靱性のバランスを確保するために、浸炭又は浸炭窒化が施された後に転動部材に施される焼戻しを、最も転がり疲れ寿命を長くできる焼戻し温度よりも高温で行なう場合がある。

そこで、浸炭又は浸炭窒化が施された転動部材を備えた転がり軸受において、転がり疲れ寿命を長くし、且つ、優れた靱性を得るための手段として、転動部材をなす鋼の結晶粒を微細化することで、結晶粒界への応力集中を軽減し、粒界破壊による脆性破損を抑制するという組織制御法が知られている。
特許第２５４１１６０号公報

しかしながら、上述した組織制御法においては、結晶粒の微細化を過度に行うと、熱処理の条件設定が複雑になるため、熱処理による変形が生じて必要な転がり疲れ寿命や靱性が得られなかったり、熱処理に要するコストが増大するという問題がある。
そこで、本発明は、転がり疲れ寿命が長く、優れた靱性を有する転がり軸受を低コストで提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される一対の軌道面を有する第１部材及び第２部材と、前記第１部材及び第２部材の間に転動自在に配置され、前記軌道面に対する転動面を有する転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより、前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、前記第１部材、前記第２部材、及び前記転動体のうち少なくとも一つの転動部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、前記表層部の硬度をｋ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００を満たすことを特徴とする転がり支持装置を提供する。

本発明はまた、互いに対向配置される一対の軌道面を有する第１部材及び第２部材と、前記第１部材及び前記第２部材の間に転動自在に配置され、前記軌道面に対する転動面を有する転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより、前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置の前記第１部材、前記第２部材、及び前記転動体を製造する方法において、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、前記表層部の硬度をｋ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００となるような条件で、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理を施すことを特徴とする転がり支持装置の転動部材の製造方法を提供する。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、上述した脆性破壊は、結晶粒内の強度が、結晶粒界への応力集中を起点とした粒界破壊応力を上回ることで生じていることを見出した。
すなわち、比較的高温（例えば、約２２０℃よりも高い温度）で焼戻しが施され、表層部の硬度をＨｖ７２０よりも小さくした転動部材においては、粒内の硬度が低いため、結晶粒径をそれほど微細化しなくても、靱性が確保できることを見出した。

一方、長寿命化を図るために、比較的低温（例えば、約２２０℃以下）で焼戻しが施され、表層部の硬度をＨｖ７２０以上に大きくした転動部材においては、結晶粒内の強度が粒界破壊強度を上回らないように、表層部の硬度に応じて表層部の結晶粒径を微細化する必要があることを見出し、転がり疲れ寿命及び靱性をともに向上できる表層部の硬度及び結晶粒径の範囲を特定した。

本発明によれば、転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、表層部の硬度をｋ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００を満たすことにより、転がり疲れ寿命及び靱性をともに向上させるために最低限必要な結晶粒の微細化が行えるため、熱処理による変形が生じたり、熱処理に要するコストを増加させることなく、転がり疲れ寿命が長く、優れた靱性を有する転がり支持装置が得られる。

なお、本発明の「転がり支持装置」とは、例えば、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイドを指す。ここで、転がり支持装置が転がり軸受の場合には、第１部材及び第２部材は内輪及び外輪を指し、同様に、転がり支持装置がボールねじの場合には、第１部材及び第２部材はねじ軸及びナットを、転がり支持装置がリニアガイドの場合には、第１部材及び第２部材は案内レール及びスライダをそれぞれ指す。また、本発明の「転がり面」とは、第１部材や第２部材の軌道面や、転動体の転動面を指す。さらに、本発明の「表層部」とは、転がり面から所定深さ（例えば、５００μｍ）までの部分を指す。

また、本発明における転動部材を構成する鋼としては、例えば、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）等の軸受鋼のように、芯部（浸炭又は浸炭窒化による影響を受けない部分）の硬度がＨＲＣ４０〜６３（Ｈｖ３００〜７８０）の高硬度鋼を好適に用いることができる。
さらに、本発明において「７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００となるような条件」で行う浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理の一例について、以下に示す。
まず、混合ガス（例えば、ＲＸガス＋エンリッチガス）を導入した炉内で加熱保持することによる「浸炭処理」を行うか、混合ガス（例えば、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）を導入した炉内で加熱保持することによる「浸炭窒化処理」を行う。このとき、強度向上のためには、「浸炭窒化処理」を行うことがより好ましい。

次に、焼入れ（急冷）等の冷却処理を行う。ここで、結晶粒の微細化を効率よく行うためには、マルテンサイト変態点（Ｍｓ点）よりも低い温度まで冷却する冷却処理を、浸炭又は浸炭窒化後に２回以上行うことが好ましく、３回以上行うことがより好ましい。また、これらの冷却処理のうち、少なくとも焼戻し処理直前の冷却処理を焼入れとするのであれば、それ以外の冷却処理は、炉冷、放冷、空冷、ガス冷等でもよいが、結晶粒の微細化を効率よく行うためには、冷却処理を全て焼入れとすることが好ましい。
次に、焼戻し処理を行う。この焼戻し処理は、転動部材の転がり面をなす表層部に必要な硬度と靱性とを付与するために、低温（例えば、１５０〜２２０℃程度）で行うことが好ましい。

本発明によれば、転がり支持装置を構成する第１部材、第２部材、及び転動体のうち少なくとも一つの転動部材を、鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理を施して作製し、その転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、その表層部の硬度をｋ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００を満たすようにしたことにより、転がり疲れ寿命が長く、優れた靱性を有する転がり支持装置を低コストで得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、図１に示すように、日本精工株式会社製呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受（外径：５２ｍｍ，内径：２５ｍｍ，幅：１８ｍｍ）を用意した。
このスラスト玉軸受は、図１に示すように、互いに対向配置される軌道面（転がり面）１ａ，２ａを有する内輪（第１部材）１及び外輪（第２部材）２と、軌道面１ａ，２ａに対する転動面（転がり面）を有する複数の玉（転動体）３と、を備えている。

内輪１、外輪２、及び玉３は、以下に示す手順で作製した。
まず、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、表１に示す各条件で熱処理を施した。
なお、表１に示す熱処理方法「浸炭窒化一次焼入れ→焼戻し」は、以下に示す条件で行った。まず、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）を導入した炉内において８２０〜８６０℃で１〜１０時間加熱保持した後、油焼入れすることによる浸炭窒化焼入れを行った。次に、１５０〜２２０℃の範囲の所定温度で２時間保持することによる焼戻しを行った。

また、表１に示す熱処理方法「浸炭窒化一次焼入れ→二次焼入れ→焼戻し」は、以下に示す条件で行った。まず、上述と同様の浸炭窒化焼入れを行った後、Ｎ₂ ガス或いはＲＸガスを導入した炉内において８２０〜８６０℃の間の所定温度で１〜３時間加熱保持した後、油焼入れすることによる二次焼入れを行った。次に、上述と同様の焼戻しを行った。

さらに、表１に示す熱処理方法「浸炭窒化一次焼入れ→二次焼入れ→三次焼入れ→焼戻し」は、以下に示す条件で行った。まず、上述と同様の浸炭窒化焼入れを行った後、Ｎ₂ ガス或いはＲＸガスを導入した炉内において８２０〜８６０℃で１〜３時間加熱保持した後に、油焼入れすることによる二次焼入れを行った。次に、Ｎ₂ ガス或いはＲＸガスを導入した炉内において８２０〜８６０℃で１〜３時間加熱保持した後に、油焼入れすることによる三次焼入れを行った。次に、１５０〜２４０℃の範囲の所定温度で２時間保持することによる焼戻しを行った。

次に、これらの転がり面（軌道面１ａ，２ａや転動面）に表面仕上げ加工を施して、内輪１、外輪２、及び玉３を完成させた。
このようにして得られた内輪１の破壊検査用サンプルを用いて、軌道面１ａをなす表層部（表面から５００μｍの深さまでの部分）の平均オーステナイト結晶粒径（平均γ粒径）を、以下に示す手順で測定した。

まず、内輪１の軌道面１ａを、飽和ピクリン酸溶液でエッチングして、軌道面１ａのオーステナイト粒界を現出させた。次に、この軌道面１ａを、金属顕微鏡（５００〜１０００倍）を用いて撮影した。次に、得られた写真を用いてオーステナイト結晶粒径を測定し、一視野中における平均値を、平均オーステナイト結晶粒径ｄ（ｍ）として算出した。この結果は、表１に併せて示した。そして、平均オーステナイト結晶粒径ｄに基づいて、「ｄ^-1/2」の値と、「０．５×ｄ^-1/2＋６００」の値と、「０．５×ｄ^-1/2＋５７０」の値とをそれぞれ算出し、表１に併せて示した。

また、得られた内輪１の破壊検査用サンプルを用いて、転がり面をなす表層部（表面から１００〜２００μｍの深さ位置）の硬度を、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に規定されたビッカース硬度試験法を用いて測定した。この結果は、表１に併せて示した。
さらに、得られた内輪１と同様の構成となるように、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に規定されたシャルピー衝撃試験用試験片１０号（１０Ｒノッチ）を作製して、ＪＩＳ Ｂ ７７２２に規定されたシャルピー衝撃試験を行った。この結果は、得られた衝撃値を靭性とみなし、表１に示すＮｏ．４の構成と同様の試験片の靭性を１とした時の比を表１に併せて示した。

なお、外輪２及び玉３では、内輪１と同様の熱処理を施して作製しているため、その転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径及び硬度や、靱性は内輪１と同様であった。
さらに、得られた内輪１、外輪２、及び玉３の寿命試験用サンプルを用いて、スラスト玉軸受を組み立てた後、異物混入潤滑下で使用することを想定した以下に示す条件下で寿命試験を行った。この寿命試験は、内輪１、外輪２、及び玉３の転がり面のいずれかに損傷が生じるまで内輪１を回転させることで行った。そして、転がり面に損傷が生じるまでの回転時間を寿命とみなし、表１に示すＮｏ．４の寿命を１とした時の比を表１に併せて示した。
＜寿命試験条件＞
試験荷重：８８２０Ｎ（９００ｋｇｆ）
最大面圧Ｐｍａｘ：３．９ＧＰａ
潤滑油：♯６８タービンオイル（油浴）
異物：ステンレス粉末を潤滑油に対して１０００ｐｐｍとなるように混入

表１に示すように、表層部の硬度ｋが、Ｈｖ７２０以上で、且つ、表層部の平均オーステナイト結晶粒径ｄに基づいて算出される「０．５×ｄ^-1/2＋６００」の値以下である発明例Ｎｏ．１，Ｎｏ．５〜Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２０では、比較例Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４，Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１６，Ｎｏ．２１と比べて、寿命が長く、且つ、優れた靱性が得られていた。

特に、発明例のうち、表層部の硬度ｋが、Ｈｖ７２０以上で、且つ、表層部の平均オーステナイト結晶粒径ｄに基づいて算出される「０．５×ｄ^-1/2＋５７０」の値以下である発明例Ｎｏ．６，Ｎｏ．８，Ｎｏ．９，Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２０では、Ｎｏ．４の１．５倍以上の靱性が得られていた。
一方、比較例のうち、表層部の硬度ｋが、表層部の平均オーステナイト結晶粒径ｄに基づいて算出される「０．５×ｄ^-1/2＋６００」の値よりも大きなＮｏ．２〜Ｎｏ．４，Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１６では、十分な靱性が得られなかった。
また、比較例のうち、表層部の硬度ｋがＨｖ７２０よりも小さいＮｏ．２１では、長寿命が得られなかった。

表１に示す結果に基づいて、表層部の平均オーステナイト結晶粒径ｄのｄ^-1/2（ｍ^-1/2）と、表層部の硬度ｋ（Ｈｖ）との関係を示す図２のグラフを作成した。
図２に示すように、表１において、長寿命及び優れた靭性が得られた発明例Ｎｏ．１，Ｎｏ．５〜Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２０は、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００の範囲内であり、このうち、より優れた靱性が得られた発明例Ｎｏ．６，Ｎｏ．８，Ｎｏ．９，Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２０は、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋５７０の範囲内であることが分かる。

以上の結果から、内輪１、外輪２、及び玉３の転がり面をなす表層部において、平均オーステナイト結晶粒径ｄと硬度ｋとが７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００を満たすようにすることにより、異物混入潤滑下で使用された場合であっても、玉軸受に長寿命と優れた靱性との両方が得られることを確認できた。

本発明に係る転がり支持装置の一例として、スラスト玉軸受を示す断面図である。 表層部の平均オーステナイト結晶粒径ｄのｄ^-1/2（ｍ^-1/2）と、表層部の硬度ｋ（Ｈｖ）との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内輪（第１部材）
１ａ 軌道面（転がり面）
２ 外輪 (第２部材）
２ａ 軌道面（転がり面）
３ 玉 (転動体）

Claims (2)

1. 互いに対向配置される一対の軌道面を有する第１部材及び第２部材と、前記第１部材及び第２部材の間に転動自在に配置され、前記軌道面に対する転動面を有する転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより、前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
   前記第１部材、前記第２部材、及び前記転動体のうち少なくとも一つの転動部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理が施されて得られ、
   その転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、前記表層部の硬度をｋ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｋ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００を満たすことを特徴とする転がり支持装置。
2. 互いに対向配置される一対の軌道面を有する第１部材及び第２部材と、前記第１部材及び前記第２部材の間に転動自在に配置され、前記軌道面に対する転動面を有する転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより、前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置の前記第１部材、前記第２部材、及び前記転動体を製造する方法において、
   鋼からなる素材を所定形状に加工した後、転がり面をなす表層部の平均オーステナイト結晶粒径をｄ（ｍ）とし、前記表層部の硬度をｄ（Ｈｖ）とした時に、７２０≦ｄ≦０．５×ｄ^-1/2＋６００となるような条件で、浸炭又は浸炭窒化を含む熱処理を施すことを特徴とする転がり支持装置の転動部材の製造方法。

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