JP5940063B2 - フラッシュバット溶接軸受構成要素 - Google Patents

Description

本発明は、軸受構成要素、すなわち玉軸受、ころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、円環ころ軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受、スラスト円錐ころ軸受、車輪軸受、ハブ軸受ユニット、旋回軸受、ボールねじ、または転がり接触、もしくは転がり接触と滑り接触との組合せなどのヘルツ応力を交番して受ける用途向けの構成要素のうちの１つの少なくとも一部を構成する構成要素に関する。

フラッシュバット溶接または「フラッシュ溶接」は、金属レール、ロッド、チェーン、またはパイプのセグメントを接合する抵抗溶接技術であり、この技術では、セグメントを端部同士突き合わせて位置合せし、電流によって加熱し、それによってセグメントの端部を溶融させ溶接する電気アークが発生し、したがって非常に強く、かつ滑らかな接合部が得られる。

フラッシュバット溶接回路は通常、低電圧、高電流のエネルギー源（通常は溶接変圧器）と、２つのクランプ電極とからなる。溶接すべき２つのセグメントは、電極に把持され、互いに直面し、軽く接触するまで引き合わされる。変圧器を作動させることによって、高密度電流が、互いに接触している領域に流れることになる。フラッシングが開始すると、両セグメントは、フラッシング動作を維持するのに十分な力および速度で一体に鍛造される。溶接すべき２つの縁部で熱勾配が確立された後、アプセット力を加えると、溶接が完了する。このアプセット力によって、溶接ゾーンからスラグ、酸化物、および溶融金属が押し出され、加熱された金属のより低温のゾーンに溶接付着物が残ることになる。次いで、この接合部は、クランプが開いて溶接物品が解放される直前まで冷まされる。溶接付着物は、要件に応じてそのまま放置する、または溶接物品がまだ熱いうちに剪断によって除去する、もしくは研削によって除去することができる。

国際公開第ＷＯ２００６／１０３０２１号は、過共晶組成物、および少なくとも０．７％の炭素含有量を有するころ軸受鋼を冷間圧延したプロファイルワイヤから作成された溶接ころ軸受リングを開示している。この溶接ころ軸受リングは、バット溶接によって得られた、軟化焼鈍しが施され粗粒球状化した（ｓｏｆｔ−ａｎｎｅａｌｅｄ ｃｏａｒｓｅ−ｇｒａｉｎｅｄ ｎｏｄｕｌａｒ）セメンタイト接合部を備える。この溶接接合部周辺の領域は、残りのリング領域に比べて炭化物数がより高く、かつより微細な構造を有するマルテンサイト系セメンタイト構造を備える。フラッシュバット溶接工程の間、２つの表面が一体に鍛造されると、２つの表面の水平面に対して垂直の材料流れが生じる。この材料流れが、２つの表面の水平面に垂直に向いた粒状構造、またはファイバーフローを形成する。材料内に存在する介在物は、この材料流れに組み込まれることになる。

従来の軸受鋼では、主要な介在物の種類は硫化物であり、これは、硫黄含有量は通常、酸素含有量よりも高いためである。硫化物は細長い形状を有するので、硫化物はフラッシュバット溶接中に、高度に配向することとなり得、したがってその鋼は溶接接合部で異方性となる。軸受構成要素の寿命は、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有した硫化物介在物などの酸素含有介在物による悪影響を最も受けやすく、その理由は、かかる介在物がマトリクス接触（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｎｔａｃｔ）を有すると、かかる介在物が亀裂の起点として作用することになるからである。したがって、軸受リングなどの構成要素をフラッシュバット溶接する際に、結果として生じる、組み込まれた硫化物を担持するファイバーフローは、完成した溶接軸受リングに疲労亀裂が発生し、伝播していくという点で、フラッシュバット溶接接合部を備えない軸受に比べて好ましくない。さらに、軸受鋼中の硫化物は、溶接ゾーンでオーステナイト中に完全に、または部分的に溶解することがある。冷却すると、硫化物は、粒界で優先的に凝結することになり、したがって溶接ゾーンが大幅に脆弱化することになる。

フラッシュバット溶接中の、硫化物に伴うこうした問題を回避するために、軸受鋼中の硫黄含有量を可能な限りゼロに近くなるまで低減させると、溶融物中のマグネシウムおよびカルシウムが、アルミン酸塩の形の酸化物介在物に入り込み、望ましくないアルミン酸塩錯体介在物が形成されることになるので、有利ではない。純粋なアルミン酸塩は、硬質で脆く、したがって加熱成形中に破壊することになり、したがって高度の成形変形を伴う軸受構成要素の製造業者にとって、純粋なアルミン酸塩は実質的に問題を課すものではない。しかし、アルミン酸塩錯体は、硬質であり得るが脆くはなく、したがってアルミン酸塩錯体は、圧延中もそのまま残ることになり、したがって完成した軸受構成要素中に組み込まれることになる。アルミン酸塩錯体介在物が、軸受構成要素の、重負荷を受ける領域に位置することになる場合、そこが疲労破壊の起点となる。

国際公開第ＷＯ２００６／１０３０２１号

本発明の目的は、疲労特性が改善された少なくとも１つのフラッシュバット溶接接合部を備える軸受構成要素を提供することである。

本発明の目的は、重量で、Ｓを最大で２０ｐｐｍ、およびＯを最大で１５ｐｐｍ含有し、かつ硫化物介在物を含み、この硫化物介在物の５％未満が、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有する鋼を含む、軸受構成要素によって達成される。

かかる鋼をフラッシュバット溶接することになる軸受構成要素を製造することによって、フラッシュバット溶接によって生成される好ましくないファイバーフローの悪影響を制限することができることが判明している。すなわち、かかる清浄な鋼を使用することによって、優れた溶接接合部を有する溶接軸受構成要素が得られ、というのは、この溶接軸受構成要素は、他の場合では生じ得る構造的脆弱領域を含まないからである。したがって、かかる溶接軸受構成要素は、かかる鋼を含まないフラッシュバット溶接軸受リングに比べて高度の構造一体性を有する。

本発明の別の実施形態によれば、鋼は、Ｏを最大で１０ｐｐｍ、またはＯを最大で８ｐｐｍ含む。

本発明の実施形態によれば、鋼は、Ｃを０．１０から１．２０重量％の間で含有する。本発明の別の実施形態によれば、鋼は、Ｃを０．１５から０．４０重量％の間で含有する。鋼は、例えば、ＩＳＯ ６８３−１７：１９９９ ＡＳＴＭ Ａ−２９５−９８などのＡＳＴＭ Ａ２９５／Ａ２９５Ｍ−０９タイプのもの、または転がり接触、もしくは転がり接触と滑り接触との組合せなどのヘルツ応力を交番して受ける用途に適した他のいかなる高炭素通し焼入れ鋼でもよい。

本発明の別の実施形態によれば、鋼は、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、またはＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、もしくはＬｕなどのランタニドの群から選択された元素を含む。本発明のさらなる実施形態によれば、鋼は、上記の群から選択された元素を重量で１０〜３０ｐｐｍ含む。

硫黄含有量が、酸素含有量と実質的に同程度のレベルまで低減した後に、かかる元素を軸受鋼（すなわち、軸受構成要素に使用するのに適した鋼）に添加すると、鋼中に残る硫化物介在物の総数が低減することになり、かつ／または残る介在物の形状を、最終的に得られる軸受構成要素の機械的特性にそれほど有害でない形状に改変させることになる（例えば、テルルは、硫化物介在物を球状化させる）。すなわち、かかる元素を軸受鋼に添加すると、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有した硫化物介在物が５％未満となる。かかる元素の添加によってまた、硫化物介在物は全て、３：１よりも低いアスペクト比（すなわち、介在物の最大直径と、介在物の最小直径との比）を有することになり、また、硫化物介在物の最大長さは、ＡＳＴＭ Ｅ２２８３−０３極値解析法（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｖａｌｕｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｔａｎｄａｒｄ）を用いて評価した基準化変数が３相当で１２５μｍである。かかる硫化物介在物は、軸受構成要素の疲労特性に関して、軸受構成要素にほとんど損傷を与えない。さらに、３：１よりも大きいアスペクト比を有し、かつ１２５μｍよりも大きい最大長さを有する硫化物介在物が存在しないため、全方向において鋼により均質な特性が得られ、それによって鋼の方向異方性が低減する。

本発明の一実施形態によれば、軸受構成要素は、玉軸受、ころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、円環ころ軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受、スラスト円錐ころ軸受、車輪軸受、ハブ軸受けユニット、旋回軸受、ボールねじ、または転がり接触、もしくは転がり接触と滑り接触との組合せなど、交番するヘルツ応力を受ける用途向けの構成要素のうちの１つの少なくとも一部を構成する。

本発明の別の実施形態によれば、軸受構成要素は、軸受リング、または２つ以上が溶接されて軸受リングとなり得る軸受リングセグメントを構成する。

添付の概略図を参照しながら、非限定的な例によって、本発明を以下でさらに説明する。

本発明の実施形態による軸受構成要素の概略図である。 標準の鋼中の、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有した硫化物介在物の百分率を示す図である。 本発明による軸受構成要素の鋼中の、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有した硫化物介在物の百分率を示す図である。 フラッシュバット溶接前の、本発明の実施形態による軸受リングを示す図である。 本発明の実施形態による軸受構成要素の２つの端部がフラッシュバット溶接されている様子を示す図である。 フラッシュバット溶接中の軸受構成要素の表面の材料流れを示す図である。

図面は、原寸に比例して描かれたものではないこと、また、ある機構（ｆｅａｔｕｒｅ）の寸法が分かりやすいように誇張されていることに留意されたい。

図１は、軸受構成要素１０、すなわち寸法が直径１０ｍｍから直径数メートルの範囲であり、かつ数十グラムから数千トンの負荷容量を有する転動体軸受の例を概略的に示す。すなわち、本発明による軸受構成要素は、いかなる寸法のものでもよく、また、いかなる負荷容量も有することができる。軸受構成要素１０は、内輪１２、外輪１４、および１組の転動体１６を有する。転動体軸受１０の内輪１２、外輪１４、および／または転動体１６、および好ましくは転動体軸受１０の転がり接触部品は全て、重量で、Ｓを最大で２０ｐｐｍ、およびＯを最大で１５ｐｐｍ、好ましくはＳを最大で２０ｐｐｍ、およびＯを最大で８ｐｐｍ含む鋼から製造される。この鋼中に含まれる硫化物介在物の５％未満が、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有する。硫化物介在物は全て、３：１よりも低いアスペクト比を有し、また、硫化物介在物の最大長さは、（ＡＳＴＭ Ｅ２２８３−０３極値解析を用いて求めた）基準化変数が３相当で１２５μｍである。

転動体軸受１０の少なくとも一部が製造される鋼は、例えば炭素を０．７０から１．２０重量％の間で含有することができる。例えば、鋼は、
炭素が０．７０〜０．９５重量％、
ケイ素が０．０５〜１．５重量％、
マンガンが０．１５〜０．５０重量％、
クロムが０．５〜２．５重量％、
モリブデンが０．１０〜１．５重量％
バナジウムが単独で、またはニオブとともに最大で０．２５重量％
の組成を有することができ、残部はＦｅであり、通常生じる不純物は、Ｃａを１０〜３０ｐｐｍ、Ｓを最大で２０ｐｐｍ、およびＯを最大で１５ｐｐｍ含み、好ましくはＯを最大で１０ｐｐｍ、または最も好ましくはＯを最大で８ｐｐｍ含む。

図２および３は、標準の鋼中の、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有した硫化物介在物の百分率と、本発明による軸受構成要素の鋼中の、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有した硫化物介在物の百分率とをそれぞれ示す。本発明による軸受構成要素の鋼では、硫化物介在物の約１％しか、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有しないことが分かる。一方、標準の鋼では、その鋼の硫化物の約８０％が、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有している。本発明による軸受構成要素の鋼の疲労強度（回転ビーム試験を９５０ＭＰａで測定）は、標準の鋼の疲労強度よりもかなり高いことが判明した。

図４は、フラッシュバット溶接前の、ころ軸受の内輪などの開口した軸受リング１２を示す。軸受リング１２は、重量で、Ｓを最大で２０ｐｐｍ、およびＯを最大で１５ｐｐｍ含み、かつ硫化物介在物を含み、この硫化物介在物の５％未満が、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有する鋼から製造される。例示の実施形態の開口した軸受リング１２は、フラッシュバット溶接によって一体に溶接されて、フラッシュバット溶接接合部を形成することになる２つの端部１２ａ、１２ｂを備える。かかる軸受リング１２は、２つ以上の軸受リングセグメントを備えることができ、これらのセグメントの各端部をフラッシュバット溶接によって溶接して、複数のフラッシュバット溶接接合部を備える軸受リングを形成することができることに留意されたい。

図５は、開口した軸受リング１２の端部１２ａ、１２ｂが一体にフラッシュバット溶接されている様子を示す図である。開口した軸受リング１２の端部１２ａ、１２ｂは把持され、制御された速度で互いに引き合わせられ、変圧器１８から電流が印加される。２つの端部１２ａと１２ｂ間でアークが発生する。フラッシュバット溶接工程の初めでは、アーク間隙２０は、２つの表面１２ａ、１２ｂを平らにし（ｅｖｅｎ ｏｕｔ）、及びきれいにするのに十分大きい。間隙２０を低減させ、次いで閉じ、また開くことによって、２つの表面１２ａ、１２ｂで熱が生じる。２つの表面１２ａ、１２ｂの温度が鍛造温度に到達したら、圧力を図５の矢印２２の方向に印加する（または可動端部を固定端部に押し付けて鍛造する）。フラッシュが、２つの表面１２ａと１２ｂ間で生じ、それによって図６の矢印２４で示すように、溶接領域の材料が表面１２ａ、１２ｂから半径方向外側に軸受リング１２の内面１２ｃ、および外面１２ｄの方に流れることになり、その結果清浄な溶接接合部が得られる。

例えば水、オイル、またはポリマーベースの焼入れ後、溶接した軸受リング１２の内面１２ｃおよび外面１２ｄに蓄積したいかなる溶接付着物も除去することができる。本発明の実施形態によれば、溶接した軸受リングに、第２の熱処理を施し、アプセット力を加えて、その構造一体性をさらに向上させることができる。

本発明の特許請求の範囲内のさらなる改変が、当業者には明白となるであろう。

１０ 軸受構成要素
１２ 内輪、軸受リング
１２ａ、１２ｂ 端部
１２ｃ 内面
１２ｄ 外面
１４ 外輪
１６ 転動体
１８ 変圧器
２０ アーク間隙

Claims (8)

1. 鋼、および少なくとも１つのフラッシュバット溶接接合部を含む軸受構成要素（１０）であって、前記鋼が、重量で、Ｓを最大で２０ｐｐｍ、Ｏを最大で１５ｐｐｍ、及びＣａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、またはＬｕの群から選択された元素を１０〜３０ｐｐｍ含むこと、ならびに前記鋼が、硫化物介在物を含み、封入された、または埋め込まれた酸化物介在物を含有する前記硫化物介在物の割合は５％未満であることを特徴とする、軸受構成要素（１０）。
2. 前記硫化物介在物の最大長さが、基準化変数が３相当で１２５μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の軸受構成要素（１０）。
3. 前記鋼が、Ｏを最大で１０ｐｐｍ、またはＯを最大で８ｐｐｍ含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受構成要素（１０）。
4. 前記硫化物介在物が全て、３：１よりも低いアスペクト比を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受構成要素（１０）。
5. 前記鋼が、Ｃを０．１から１．２０重量％の間で含有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の軸受構成要素（１０）。
6. 前記鋼が、Ｃを０．１５から０．４０重量％の間で含有することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の軸受構成要素（１０）。
7. 玉軸受、ころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、円環ころ軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受、スラスト円錐ころ軸受、車輪軸受、ハブ軸受ユニット、旋回軸受、ボールねじ、または転がり接触、もしくは転がり接触と滑り接触との組合せなどのヘルツ応力を交番して受ける用途向けの構成要素のうちの１つの少なくとも一部を構成することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の軸受構成要素（１０）。
8. 軸受リング（１２）、または軸受リングセグメントを構成することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の軸受構成要素（１０）。