CN106460932B - 滚道圈以及具有该滚道圈的滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

通过在将局部扩散合金钢粉压缩成形后进行烧结而形成烧结金属材料(10’)，通过塑性加工在烧结金属材料(10’)上形成滚道面(2)从而制作滚道圈(1)。将滚道圈(1)的至少危险体积设为预测体积，将被推定为存在于至少该预测体积内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure DDA0001111411750000011
设定为小于50μm。由此，提供低成本且提高了滚动疲劳寿命的滚动轴承用滚道圈。

Description

滚道圈以及具有该滚道圈的滚动轴承
技术领域
本发明涉及滚道圈以及具有该滚道圈的滚动轴承。
背景技术
作为滚动轴承的构成构件的滚道圈(例如内圈、外圈)具有供滚珠、滚子等滚动体滚动的滚道面。这种滚道圈一般经由如下工序而形成最终产品，所述工序为：对实心的金属材料(熔炼材料)实施切削等机械加工或锻造等塑性加工而得到大致成品形状的中间加工品的工序、对中间加工品实施淬火等热处理的热处理工序、以及对特别要求高精度的部位实施磨削、研磨等精加工的精加工工序等。
在现有的滚道圈的制造方法中，在为了得到中间加工品而选择机械加工的情况下，具有能够得到高精度的中间加工品的优点，但由于加工量多材料损耗大，因此在实现成品率的提高的方面存在困难。另外，加工量多，需要频繁地更换加工工具，停机时间容易变长，还存在无法有效提高生产效率的问题。在滚道圈越呈复杂形状的情况下，上述问题的倾向越大。另一方面，当为了得到中间加工品而选择塑性加工时，存在能够减少中间加工品的制作阶段中的材料损耗的优点，但难以确保如机械加工那样的加工精度，需要细致且大幅的精加工。因此，实际情况为，精加工耗费工时和成本，另外，无法得到所期待那样的材料损耗的减轻效果。
这样，在由熔炼材料得到滚道圈的情况下，基于上述的各理由，滚道圈以及滚动轴承的低成本化存在极限。因此，例如如下述的专利文献1～3所记载那样，提出了通过烧结金属(金属烧结体)形成作为滚道圈的内圈或者外圈的提案。
在专利文献1中公开了如下内容，通过CIP法(冷等静压加压法)+热挤压法、或HIP法(热等静压加压法)对气体雾化后的高速工具钢粉进行烧结，从而制作最大空孔的真圆换算直径为3μm以下、最大碳化物的真圆换算直径为12μm以下、并且硬度大于HRC64且小于69的滚道圈、滚动体。
在专利文献2中，公开了通过HIP法对气体雾化后的含有大量铬的规定组成的钢粉末进行烧结而成的轴承部件。
在专利文献3中，公开了通过利用塑性加工在烧结体上形成滚道面从而使相对密度为80％以上且小于100％的轴承用滚道圈。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第2876715号公报
专利文献2：日本特开2012-533688号公报
专利文献3：日本特开2012-127492号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，专利文献1中所使用的高速工具钢粉末为含有大量铬、钨、钼、钒等的钢粉末，因此价格高昂。专利文献2中所使用的粉末也是难以获得的特殊粉末，存在同样的问题。另外，由于为任一粉末均被气体雾化的完全合金钢粉，因此压缩性低。因此，为了高密度化，不得不使用HIP、CIP等量产性低的烧结工序。根据上述可知，在专利文献1以及2所公开的滚道圈、滚动轴承中，存在制造成本高的问题。
另外，在专利文献3中，记载了为了确保机械强度而提高滚道圈的相对密度的内容，但即便滚道圈整体为高密度也存在于滚道面附近产生粗大气孔的可能性。在该情况下，存在以该粗大气孔为起点而产生滚道面的剥离等的可能性，滚道圈的滚动疲劳寿命不充分。
因此，本发明的目的在于，提供低成本且提高了滚动疲劳寿命的滚动轴承用滚道圈以及使用该滚道圈的滚动轴承。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的轴承用滚道圈具有供滚动体滚动的滚道面，所述滚道面通过对烧结金属材料实施塑性加工而形成，其特征在于，所述烧结金属材料通过将局部扩散合金钢粉压缩成形后进行烧结而形成，至少将危险体积设为预测体积，被推定为存在于该预测体积内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000031
小于50μm(优选为小于40μm，更优选为小于30μm)。
另外，本发明所涉及的轴承用滚道圈具有供滚动体滚动的滚道面，所述滚道面通过对烧结金属材料实施塑性加工而形成，其特征在于，所述烧结金属材料通过将局部扩散合金钢粉压缩成形后进行烧结而形成，在所述滚道面上产生的接触椭圆的轴向宽度的范围内将直至产生最大剪切应力的深度的区域作为预测体积，被推定为存在于该预测体积内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000032
小于50μm(优选为小于40μm，更优选为小于30μm)。
根据上述结构，由于在滚道面周边的烧结组织中不存在粗大空孔，因此能够防止以该粗大空孔为起点而使滚道圈产生剥离等损伤，能够获得匹敌熔炼材料的滚动疲劳寿命。
另外，作为局部扩散合金钢粉，若使用Fe-Ni-Mo系，则由于该粉末较软，因此能够在压缩成形时实现高密度化。因此，与由塑性加工带来的致密化的作用相结合，能够避免在滚道面周边产生粗大气孔。另外，在通过塑性加工成形滚道面等时的成形性良好。
另外，作为局部扩散合金钢粉，若使用使合金成分与水雾化的钢粉或纯铁粉扩散结合而成的局部扩散合金钢粉，则能够实现滚道圈以及滚动轴承的低成本化。
发明效果
根据本发明，能够提供低成本且提高了滚动疲劳寿命的滚道圈。因此，通过使用该滚道圈作为滚动轴承的构成部件，能够实现滚动轴承的低成本化。
附图说明
图1a是外圈的剖视图。
图1b是塑性加工前的烧结金属材料的剖视图。
图2是表示滚道圈的制造工序的框图。
图3是表示塑性加工工序的剖视图。
图4a是内圈的剖视图。
图4b是塑性加工前的烧结金属材料的剖视图。
图5是球轴承的放大剖视图。
图6是球轴承的剖视图。
图7a是表示滚动疲劳寿命试验前的内圈的照片。
图7b是表示滚动疲劳寿命试验后的内圈的照片。
图8a是表示滚动疲劳寿命试验前的内圈的放大照片。
图8b是表示滚动疲劳寿命试验后的内圈的放大照片。
图9是表示滚动疲劳寿命试验的结果的表。
图10是实施例1与比较例1的各剖面的放大照片。
图11是从滚道面侧观察外圈时的俯视图。
图12是表示两物体的接触的模型图。
图13是接触面下的等应力线图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
图1a中示出本发明的一实施方式所涉及的滚动轴承用滚道圈的剖视图。该图所示的滚道圈是作为单列的球轴承的构成构件的外圈1，在其内径面的轴向大致中央部，具有供作为滚动体的滚珠滚动的环状的滚道面2。在滚道面2的轴向两侧形成有作为密封部的环状的密封安装槽3。如图5所示那样，在密封安装槽3中，固定有对外圈1的内周面与内圈5的外周面之间的空间进行密封的密封构件9。作为密封构件9，除如该图所示那样与对象侧的滚道圈(内圈5)接触的构件以外，还包括与对象侧的滚道圈非接触的构件。
该外圈1由烧结金属形成，该烧结金属通过将原料粉末压缩成形而形成压粉体，并将该压粉体加热至烧结温度以上进行烧结而成。在该实施方式中，滚道面2以及密封安装槽3为通过对烧结金属材料的内周面实施塑性加工而成形的塑性加工面。外圈1的至少滚道面2通过热处理而硬化。
该外圈1经由图2所示的原料粉末准备工序S1、压缩成形工序S2、脱脂工序S3、烧结工序S4、塑性加工工序S5、热处理工序S6以及精加工工序S7而制造。
在原料粉末准备工序S1中，将铁系低合金粉末、作为碳固溶源的碳粉末、以及负责成形时的润滑的成形用润滑剂混合而制造原料粉末。
作为铁系低合金粉末，使用作为合金成分包含Ni以及Mo而将其余部分设为Fe以及不可避免的杂质的Ni-Mo系的局部扩散合金钢粉。在该实施方式中使用的局部扩散合金钢粉是使Ni向Fe-Mo合金的周围扩散结合而成的。这样，通过使Ni等金属向Fe合金扩散附着，从而与使Fe与Ni完全合金化的钢粉(预合金钢粉)相比，抑制了烧结前的合金钢粉的硬度，因此确保了压缩成形时的成形性。其结果是，能够调配相对较多的Ni。具体地说，本实施方式的局部扩散合金钢粉中的Ni的调配比例为0.5～5.0wt％，优选为1.7～2.2wt％。另一方面，对于Mo而言，即便大量添加其效果饱和，反而成为使成形性恶化的原因。因此，局部扩散合金钢粉中的Mo的调配比例为0.5～3.0wt％，优选为0.8～1.1wt％，更优选为0.9～1.1wt％。
作为成为局部扩散合金钢粉的基体的钢粉，存在有雾化粉、还元粉等，但还元粉的粒子为多孔质而难以高密度化，因此在本实施方式中，使用不具有空孔的实心的雾化粉，尤其还考虑了成本方面而使用水雾化粉。需要说明的是，作为局部扩散合金钢粉的例子，例示了使Ni向Fe-Mo合金的周围扩散结合的例子，但也可以使用使Ni、Mo向纯铁粉的周围扩散结合的合金粉。
该局部扩散合金钢粉为软质，具有与纯铁粉相同程度的硬度。作为局部扩散合金钢粉的硬度的参考值，使用维氏硬度小于120HV0.05，优选为小于100HV0.05，更优选为小于90HV0.05的局部扩散合金钢粉。该硬度比专利文献3中所使用的Fe-Cr-Mo系的完全合金粉末(预合金粉末)中的粒子的硬度(大致为120HV0.05以上)低。因此，与这种完全合金粉末相比，即便为相同的加压力也更加容易高密度化。
作为该局部扩散合金钢粉，优选使用颗粒直径最大为500μm以下(优选为250μm以下，更优选为200μm以下)的局部扩散合金钢粉。该颗粒直径能够通过使用筛孔为上限颗粒直径(例如500μm)的筛子对得到的粉末进行筛分而获得。若含有大于500μm的粗大粉末，则后述的压缩成形工序S2中的填充性恶化，在烧结组织中容易产生粗大空孔。在具有微细的粒子径的合金钢粉中，为了防止模具中的粉末的流动性降低，有时通过造粒来增大颗粒直径，本实施方式的局部扩散合金钢粉的粒子径较大，流动性也良好，因此基本不需要造粒。
作为碳粉末，例如使用人造石墨的粉末。石墨粉末使用颗粒直径D90为8μm以下的粉末，优选使用6μm以下，更优选使用4μm以下的粉末。另外，使用石墨粉末的颗粒直径D90为2μm以上，优选为3μm以上的粉末。石墨粉末的调配比例相对于混合粉末整体为0.35wt％以下，优选为0.3wt％以下，更优选为0.25wt％以下。另外，石墨粉末的调配比例相对于混合粉末整体为0.05wt％以上，优选为0.1wt％以上，更优选为0.15wt％以上。作为碳粉末，除石墨粉末以外，还可以使用碳黑、科琴黑、纳米碳粉末等。也可以使用两种以上的上述的任一粉末。
作为成形用润滑剂，能够任意地选择使用金属皂(例如硬脂酸锌)、酰胺蜡(例如亚乙基双硬脂酰胺)等公知的润滑剂粉末。只要是在实现本发明的目的的基础上，在烧结后不残留于材料内部的成分，则润滑剂粉末的种类不限。另外，也可以并用二种以上的成形用润滑剂。
在压缩成形工序S2中，向成形模具的腔室投入、填充上述的原料粉末，通过对其进行压缩而成形出压粉体10。此时的成形通过适于一轴以及多轴加压成形、CNC冲压成形等连续生产的成形机而进行。如图1b所示那样，通过压缩成形工序S2成形的压粉体10成形为与图1a所示的外圈1相同的环状，其内径面以及外径面双方形成为不存在凹凸的平滑的圆筒面。
压缩成形工序S2中的成形压力为588MPa(6tf/cm2)以上，更优选为980MPa(10tf/cm2)以上。在压粉体10成形时，通过上述的较高的加压力而使成形用润滑剂液相化，该液相化后的固体润滑剂在原料粉末相互之间扩散、浸透。但是，上述的成形压力仅为参考值。为了达成本发明的目的，烧结体的密度、空孔尺寸非常重要，因此可以根据所使用的粉末的种类、成形条件，以比上述成形压力低的压力进行成形。另外，为了实现进一步的高密度化，可以采用将模具以及粉末加热至60℃以上而成形的温热成形，或者为了削减成形用润滑剂的使用量，可以使用利用了模具润滑的成形机。
在脱脂工序S3中，除去压粉体10中所含有的成形用润滑剂。能够在与制造一般的烧结金属产品的情况同样的条件下进行脱脂。
在烧结工序S4中，将脱脂后的压粉体10加热至烧结温度以上，从而形成烧结金属材料10’。为了得到致密且空孔较小的烧结金属材料10’，烧结温度设为1150℃以上且1350℃以下，更优选设为1250℃以上且1300℃以下。另外，为了防止因氧化造成的烧结性以及强度的降低、脱碳，优选在以氮、氢、氩等为主要成分的非活性或还元性气氛下进行烧结。需要说明的是，也可以在真空下进行烧结。烧结后的烧结金属材料10’的相对密度为90％以上(优选为95％以上，更优选为97％以上)。
在塑性加工工序S5中，通过对如上述那样形成的烧结金属材料10’实施塑性加工，从而在烧结金属材料10’的内径面成形出滚道面2以及密封安装槽3。上述成形能够使用例如图3所示的滚轧机(环件轧机)20同时进行。滚轧机20具备：轴状的芯棒22，其在外周具有用于成形滚道面2以及密封安装槽3的模部21；模辊23，其在与烧结金属材料10’外径面接触的状态下受到图示外的驱动源的输出而旋转；以及支承辊24，其支承芯棒22的旋转。在这种滚轧机20中，通过支承辊支承穿过烧结金属材料10’的内周的芯棒22，并利用芯棒22与模辊23夹持烧结金属材料10’的内外径面，在将模辊23向支承辊24侧按压的同时使其旋转。由此，在烧结金属材料10’的内径面成形出滚道面2以及密封安装槽3。
滚道面2与两个密封安装槽3除如上述那样同时成形以外，也可以单独地依次成形。另外，滚道面2与密封安装槽3的成形也可以伴随于金属烧结体10’的薄壁化以及大径化而进行，也可以不伴随于金属烧结体10’的薄壁化以及大径化而进行。塑性加工法不限于滚轧，也可以采用在常温下一边使烧结金属材料10’旋转一边轧制的冷轧加工，进而也可以采用辊光加工等。在采用任一塑性加工法的情况下，只要在低温下进行塑性加工，则与在常温或高温下进行塑性加工的情况相比，都能够有效地提高滚道面2、密封安装槽3的精度以及它们的周边的密度。
另外，也可以在滚道面2等的塑性加工后，向以滚道面2为代表的必要部位喷射硬质粒子，实施利用该硬质粒子的能量破坏表层附近的空孔的加工(例如喷丸硬化)。
热处理工序S6为，通过对成形有滚道面2以及密封安装槽3的烧结金属材料10’进行淬火以及回火而使烧结金属材料10’的至少滚道面2硬化从而确保滚道面2所需的滚动疲劳寿命的工序。作为淬火的方法，除整体淬火以外，还可以采用渗碳、渗碳氮化、高频淬火等各种淬火处理(或表面硬化处理)。通过在淬火后进行回火，来确保烧结金属材料内部的韧性，因此抑制了龟裂的发展。
精加工工序S7为，对经过热处理工序S6的金属烧结体10’的规定部位(例如，滚道面2、密封安装槽3)实施磨削加工、研磨加工、抛光加工、超精加工等一种或多种精加工处理，从而进一步提高金属烧结体10’的规定部位的精度的工序。该精加工工序S7只要根据需要而执行即可，并非必须执行。需要说明的是，即便在该精加工工序S7中执行精加工处理，其加工量(加工时间)也非常少，因此对成品率、加工工时带来的影响极小。
经过以上的工序制作出的外圈1具有高密度，因此能够得到与由熔炼材料构成的外圈1相同程度的机械强度。另外，将滚道圈设为烧结金属制，进而通过塑性加工成形滚道面2以及密封安装槽3，因此能够实施实现近终形化，材料成品率良好。因此，能够实现滚动轴承的低成本化。
接下来，对滚动轴承的结构进行说明。
图5是表示作为滚动轴承的一种的单列的球轴承40的图。该图所示的球轴承40具备：在内径面设置有环状的滚道面2的外圈1；在外径面设置有环状的滚道面6的内圈5；配设在两滚道面2、6之间的作为滚动体的多个滚珠4；在圆周方向上以规定间隔保持滚珠4的保持器8；以及配设在滚珠4的轴向两侧的密封构件9。各密封构件9的内径端部与设置在内圈5的外周面的密封槽7接触而构成接触密封。密封构件9的外径端部压入固定于外圈1的密封安装槽3。
不仅图5所示的球轴承的外圈1，内圈5也能够通过上述的制造步骤制造。在该情况下，与上述同样地经过原料粉末准备工序S1以及压缩成形工序S2制作出图4b所示的圆筒状的压粉体15，接下来，经过脱脂工序S3以及烧结工序S4制作出烧结金属材料15’。之后，通过塑性加工工序S5成形出滚道面6以及作为密封部的密封槽7。之后，经过热处理工序S6以及精加工工序S7，完成图4a所示的内圈5。
在图5中，作为滚动轴承例示了单列的球轴承，但除此以外，也可以将上述的制造步骤应用于圆筒滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承、角接触球轴承等其他类型的滚动轴承中的滚道圈的制造工序。当然，不仅是单列类型的滚动轴承用滚道圈，也可以将上述的制造步骤应用于多列类型的滚动轴承用滚道圈、具有推力滚道面的推力滚动轴承的滚道圈。另外，也可以将上述的制造步骤应用于根据轴承用途而省略了密封安装槽3、密封槽的滚道圈，进而可以应用于不具有密封构件9的滚动轴承。
然而，只要如上述的制造步骤那样，对滚道面2(也包括密封安装槽3)进行塑性加工，则能够在烧结金属材料10’的至少滚道面2周边，与塑性加工时的加压力难以波及的区域例如烧结金属材料10’的厚度方向的中央部相比使多孔质组织进一步致密化(高密度化)。若滚道面2的周边致密地形成，则成为应力集中源的粗大气孔减少，不易产生以粗大气孔为起点的滚道面2的剥离等，因此能够进一步提高滚道圈的重复疲劳强度。
像这样认为滚道面周边的粗大气孔的有无对滚道圈的耐久寿命带来较大的影响，因此为了评价滚道圈的耐久寿命，期望以某种形式将粗大气孔的存在的程度数值化。作为数值化的一个手段，如专利文献3所记载那样，可以考虑规定烧结金属材料10’的相对密度。在此，相对密度用以下示出的式(1)表示。
[数学式1]
Figure GDA0002319111100000091
需要说明的是，式(1)中的真密度[g/cm3]表示如熔炼材料那样在材料内部不存在空孔的材料的理论密度，详细地说能够通过下述的式(2)求出。
[数学式2]
Figure GDA0002319111100000092
例如，对于Fe、Cr的化学成分为87.0、13.0[wt％]的不锈钢材的真密度而言，由于上述各元素的密度分别为7.87、7.15[g/cm3]，因此如下述的式(3)所示。
[数学式3]
Figure GDA0002319111100000101
然而，即便相对密度在评价滚道圈整体的致密化的程度方面是有效的尺度，但在评价仅限于滚道面周边的区域中的粗大气孔的有无方面并不一定有效。例如，即便滚道圈整体的相对密度低于下限值，也有在滚道面周边存在少数粗大气孔的情况，可以想到该粗大气孔将成为剥离的起点。可以考虑规定滚道圈中的仅限于滚道面周边的相对密度，但严格测量这种滚道圈的部分区域的相对密度并不容易。另外，应当通过塑性加工而致密化的区域原本应当根据施加于滚道面2的负载(面压)来决定。
基于以上的验证，在本发明中，着眼于被推定为位于滚道圈中的、至少滚道圈的危险体积(一般为施加有最大剪切应力的90％以上的应力的深度)的区域内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000102
[(areamax)1/2]。
在此，危险体积表示存在产生滚道面的剥离的危险性的某部分的体积，通过下式表示。
危险体积＝(接触椭圆长径)×(滚道面的圆周方向长度)×(作用有最大剪切应力的90％的深度)
另外，最大剪切应力τ45(以相对于表面倾斜45°的方式作用的最大剪切应力)的深度可以通过以下所述的方法计算。
例如，描述熔炼材料制6206型号的滚动轴承(材质：SUJ2，杨氏模量为21200kgf/mm2，泊松比：0.33)的内圈的情况。
·球的直径：9.525mm→半径4.7625mm
·球数：8个
·内圈槽直径：9.716mm→半径4.858mm
·内圈槽底径：36.975mm→半径18.4875mm
考虑图12所记载的两物体的接触，以下，将物体1设为内圈，将物体2设为滚珠(球)。
接触物体的主曲率ρ的总和∑ρ通过下式表示。
[数学式4]
Figure GDA0002319111100000115
需要说明的是，主曲率ρ为半径的倒数，在凸面的情况下为正，在凹面的情况下为负。
另外，在以后的计算中使用的辅助变量cosτ为[数学式5]
Figure GDA0002319111100000111
赫兹接触的系数μ、泊松比、油的动粘度ν可以采用各种资料中所记载的代表性的数值的上下限的中间值。在此，μ＝4.99，ν＝0.359。
在此，当将试验负载Fr设为x(kgf)时，最大滚动体负载为Fr/球数＝x/8，接触椭圆的短径b如下。
[数学式6]
Figure GDA0002319111100000112
[数学式7]
其中、
Figure GDA0002319111100000113
(m1以及m2：内圈以及球的泊松比，E1以及E2：内圈以及球的纵弹性系数)
此外，在图13中示出上述接触椭圆的短径b与τ45的发生深度z之比z/b的分布。由此，最大剪切应力深度Zmax≈0.75b，若确定了试验负载(例如为630kgf)，则能够毫无疑义地算出(在该情况下，b＝0.21mm)。
需要说明的是，辅助变量cosτ、赫兹接触的系数μ、以及油的动粘度ν能够以完全椭圆积分为媒介通过以下的各式算出。
[数学式8]
Figure GDA0002319111100000114
[数学式9]
Figure GDA0002319111100000121
[数学式10]
Figure GDA0002319111100000122
在此，K、E分别为第一种以及第二种完全椭圆积分，并且为通过以下的式表示的值。此外，也可以通过数表求出K以及E。
[数学式11]
Figure GDA0002319111100000123
[数学式12]
Figure GDA0002319111100000124
接下来，以下对最大空孔的包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000125
的推定方法进行说明。
首先，设烧结体的空孔的极值分布按照双重指数分布。由此，进行使用了极值统计的空孔包络面积的最大值的推定。具体地说，经过以下的步骤来计算推定最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000126
对实施了镜面研磨的试验片进行显微镜观察，取得设定的基准面积S0(mm2)的y区域的图像。对于所得到的图像使用图像分析软件进行二值化，对空孔的包络面积进行分析。将所得到的包络面积中的最大的包络面积设为基准面积S0(mm2)中的最大空孔包络面积，将其平方根设为该区域的
Figure GDA0002319111100000127
变更检查区域而反复进行n次该测量。
将测定出的n个
Figure GDA0002319111100000128
从小到大依次排列，分别设为
Figure GDA0002319111100000129
Figure GDA00023191111000001210
(参照式13)
[数学式13]
Figure GDA00023191111000001211
对于各个j(j＝1～n)，计算用式14表示的累积分布函数Fj(％)以及用式15表示的基准化变量yj。
[数学式14]
Figure GDA0002319111100000131
[数学式15]
Figure GDA0002319111100000132
在极值概率用纸的坐标横轴上取得
Figure GDA0002319111100000133
绘制上述结果而得到极值分布(在极值概率用纸的纵轴上取得F或y)。
相对于极值分布推定由最小二乘法得到的近似直线，得到用式16表示的a以及b。其中，y是用式17表示的基准化变量，T是用式18表示的回归时间，V是推定对象区域的体积(mm3)，V0是用式19表示的基准体积(mm3)，h是用式20表示的测量出的
Figure GDA0002319111100000134
的平均值(mm)。
[数学式16]
Figure GDA0002319111100000135
[数学式17]
Figure GDA0002319111100000136
[数学式18]
Figure GDA0002319111100000137
[数学式19]
V0＝S0×h (式19)
[数学式20]
Figure GDA0002319111100000138
确认了极值概率用纸的纵轴即F刻度的10～85％中的绘制点处于近似直线状。由此，能够确认所得到的极值分布按照双重指数分布。
将推定对象区域的体积V代入式18，回归时间T与所得到的极值分布交叉的点为推定最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000141
接下来，为了对推定出的最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000142
的值的大小对滚道圈的滚动疲劳寿命带来的影响进行验证，进行了滚动疲劳寿命试验。以下，对该试验方法进行说明。
[滚道圈]
在该试验中，首先，准备如下材料，作为原料粉末使用含有2wt％的Ni、1wt％的Mo、其余部分设为铁以及不可避免的杂质的局部扩散合金钢粉(JFE钢铁株式会社制SIGMALOY2010)，作为碳固溶源添加了0.2wt％的石墨粉(TIMCAL社制TIMREX F-10)，作为成形用润滑剂添加了0.5wt％的亚乙基双硬脂酰胺(Lonza Japa株式会社制ACRAWAX C)。将该粉末分别填充至
Figure GDA0002319111100000143
以及
Figure GDA0002319111100000144
Figure GDA0002319111100000145
的模具，进行一轴加压成形，之后，在由氮、氢构成的非活性气体气氛下以1250℃烧结150分钟，得到密度为7.5g/cm3的环状烧结金属材料。前者为外圈用的烧结金属材料，后者为内圈用的烧结金属材料。需要说明的是，该密度测量结果是通过阿基米德法而得到的。
接下来，在作为塑性加工对该毛坯环应用冷轧加工而形成滚道面后，经过被称为精压的尺寸矫正工序，从而使各试验片间的尺寸偏差处于规定区域内。此外，在880℃下对该塑性加工品进行渗碳处理，然后加热至840℃进行淬火，并在180℃下进行回火，之后，经过基于研磨进行的精加工工序，得到
Figure GDA0002319111100000146
的外圈、
Figure GDA0002319111100000147
的内圈(以下，将该内外圈设为“实施例1”)。该内外圈以JIS规格6206型号的轴承内外圈为基准。
另外，作为比较例1，使用含有1.5wt％的Cr、0.2wt％的Mo、0.3wt％的碳(C)而将其余部分设为铁的完全合金粉，通过与实施例1相同的制法制作内外圈(比较例1)。这是与专利文献3所记载的条件相符的试验片，塑性加工前的烧结密度为6.8g/cm3(相对密度约为87％)。
此外，为了进行比较，准备与实施例1同样地成形、烧结后，不通过塑性加工而是通过车削加工形成滚道圈形状，并与实施例1同样地进行渗碳热处理、精加工而成的内外圈(比较例2)；熔炼材料制6206型号的轴承(材质：SUJ2，热处理：整体淬火回火、无密封开放型、C3间隙)的内外圈(比较例3)。
[轴承]
向实施例1以及比较例1～3的各内外圈装入8个由轴承钢SUJ2构成的3/8英寸的钢球(JIS等级G20)、以及由PA66+GF25wt.％构成的树脂制冠型保持器，从而组装出JIS规格6206型号的轴承(无密封开放型、C3间隙)。
[试验方法]
对于滚动疲劳寿命试验的试验条件，将最大接触面压Pmax设为3.2GPa，将轴承转转速设为3000rpm。作为润滑油使用涡轮油VG56，在试验中，将该净化油向轴承循环供给。通过振动检测装置监视运转中的轴承的振动，在轴承内外圈产生剥离等损伤，导致轴承的振动超过规定值时中止试验，将从运转开始至中止的时间记录为该轴承的寿命。另外，试验中止后，将轴承分解确认内外圈的损伤状态。
[
Figure GDA0002319111100000151
的推定]
在该试验中，将基准面积S0设为0.059mm2(纵0.21mm×横0.279mm)，将检查次数n设为32次，将预测体积V设为内圈为250mm3、外圈为350mm3。对于基准面积而言，在纵向上从滚道面的表层起在深度方向上施加有最大剪切应力的90％应力的深度(危险体积区域的深度)的概算值为0.21mm，在横向上约为纵向的1.33倍为0.279mm。实施50视野以上的该基准面积的剖面观察，通过已叙述的方法进行图像处理以及数据抽出，使用所得到的各
Figure GDA0002319111100000152
的前面32位，推定出该滚道圈的预测体积中所含有的最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000153
在此的预测体积V为从滚道面整体至厚度约为0.21mm的深度的区域(使图6的斜线部V旋转一周而得到的旋转体)，在外圈1为350mm3，在内圈3为250mm3。为了更加安全地评价，该预测体积的数值比实际的危险体积(在外圈约为320mm3，在内圈约为210mm3)稍大。
[考察]
在图9中示出以上的滚动疲劳寿命试验的结果。需要说明的是，在该试验结果的判定栏中，以换算成时间的L10寿命为基准来判定滚动疲劳寿命。○表示L10寿命为100以上，Δ表示L10寿命为50以上且小于100，×标记表示L10寿命小于50。
根据图9所示的实施例1与比较例1、2的对比清楚地得知：最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000161
的推定值越小，滚道圈的滚动疲劳寿命越增大。另外，若该推定值小于50μm，则虽然达不到比较例3的使用SUJ2制的内外圈的轴承，但呈现出相当于该轴承的L10寿命的7～8成左右的寿命。由此，认为实施例1存在根据使用环境、条件而能够代替熔炼材料轴承(比较例3)的可能性。需要说明的是，认为在实施例1中达到滚动疲劳寿命时的损伤(剥离)的方式与以SUJ2为代表性的熔炼材料制轴承相同，均为内圈或者外圈的内部起点型剥离。作为实施例1中的损伤的代表例，在图7b中示出发生剥离的内圈的试验前后的照片，在图8b中示出该剥离部放大照片。需要说明的是，图7a以及图8a均为试验前的照片。
接下来，观察实施例1与比较例1的烧结金属制内外圈的剖面。通过将与端面垂直且通过各个中心的面将内外圈剖开而得到的构件埋入树脂，并对剖切面实施镜面精加工，从而得到观察用剖面。使用数码显微镜(基恩士株式会社制VHX-900)观察该剖面中的空孔数以及空孔尺寸。图10表示实施例1以及比较例1的外圈的表层以及内部(未塑性加工区域)的观察结果的代表例。
由图10可知，在实施例1中，在塑性加工前的阶段高密度化至7.5g/cm3(相对密度约为96％)，因此在内部不存在最大包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000162
大于50μm的粗大空孔。在未涉及塑性加工的区域形成为如上述那样的致密结构的情况下，在实施了塑性加工的表层部(特别是比危险体积相当深度浅的区域)也不存在大于50μm的粗大空孔。另外，在表层部中也未观察到最大包络面积的平方根大于20μm的空孔。
另一方面，在比较例1中，塑性加工前的密度为6.8g/cm3(相对密度约为87％)，并未充分高密度化。因此，在内部观察到相同地包括最大包络面积的平方根大于100μm的粗大空孔在内的多个空孔。通过对该烧结体实施塑性加工，表层部的大部分区域被压溃而致密化，但部分空孔未被压溃，因此能够确认在通常设为危险体积的从表层起几百μm以内的较浅区域内还残存有多个最大包络面积的平方根大于50μm的粗大空孔。
像这样在本发明中，将滚道圈的危险体积作为预测体积，被推定为至少存在于预测体积内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000171
小于50μm(优选为小于40μm，更优选为小于30μm)，因此在滚道面周边不存在粗大空孔。因此，能够防止以该粗大空孔为起点而使滚道圈产生剥离等损伤，能够获得匹敌熔炼材料的滚动疲劳寿命。
特别是，在本发明中，使用Fe-Ni-Mo系的局部扩散合金钢，该粉末如上述那样较为柔软，其程度与纯铁粉相同。因此，能够在压缩成形时实现高密度化，与基于塑性加工形成的致密化相结合，能够避免在滚道面周边产生粗大气孔。另外，在通过塑性加工成形滚道面2等时的成形性良好。此外，该粉末容易得到且成本较低，因此能够实现滚道圈、以及滚动轴承的低成本化。
相对于此，在比较例1的滚道圈中，在包括滚道面在内的表层部残存有粗大空孔。其原因在于，在比较例1所使用的Fe-Cr-Mo系合金粉中，含有容易被氧化的Cr，因此一般使用将合金成分预先合金化的预合金粉末，因而粉末硬质化。像这样在成形较硬的粉末的情况下，若进行高压成形则产生裂缝、层裂而不得不采用低压成形，但在低压成形的情况下，难以高密度化，因此在烧结体中产生粗大气孔。
需要说明的是，在专利文献3中，除了比较例1的Fe-Cr-Mo系合金粉以外，还记载了使用SUS420等不锈钢粉、SUJ2等轴承钢粉的内容，但这些钢粉也含有大量的Cr，因此会产生与比较例1相同的问题。
在实施例1中，在推定最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000172
时，使预测体积的数值比实际的危险体积稍大，将包括滚道面的轴向整体在内的区域作为预测体积V(参照图6)，其原因在于，考虑到在轴承上作用有轴向负载等的情况而安全地进行评价。若将相当于接触椭圆的轴向宽度(长径)的危险体积作为预测体积V，至少在该预测体积内使最大空孔包络面积的平方根小于50μm，则能够提高滚道圈的滚动疲劳寿命。
另外，在以上的说明中，例示了根据危险体积确定预测体积V来推定最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000173
的情况，但除此以外，也可以如图11所示那样，在滚道面2上产生的接触椭圆E的轴向宽度W的范围内假定直至产生最大剪切应力的深度的区域，至少将该区域作为预测体积V，来推定最大空孔包络面积的平方根
Figure GDA0002319111100000181
由此，能够保证直至比危险体积深的区域不存在粗大空孔，能够实现滚道圈的滚动疲劳寿命的进一步提高。
附图标记说明
1 外圈
2 外圈滚道面
3 密封安装槽(密封部)
4 滚动体
5 内圈
6 内圈滚道面
7 密封槽(密封部)
8 保持器
9 密封构件
E 接触椭圆

Claims (7)

1.一种轴承用滚道圈，其具有供滚动体滚动的滚道面，所述滚道面通过对烧结金属材料实施塑性加工而形成，其特征在于，
所述烧结金属材料通过将Fe-Ni-Mo系局部扩散合金钢粉与碳粉末混合而压缩成形后进行烧结而形成，
所述轴承用滚道圈含有Ni：0.5wt％～5wt％以及Mo：0.5wt％～3wt％，其余由Fe、C以及不可避免的杂质构成，
至少将危险体积设为预测体积，利用极值统计被推定为存在于该预测体积内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure FDA0002319111090000011
小于50μm，
利用极值统计进行的所述
Figure FDA0002319111090000012
的推定在将基准面积设为S0、将基准体积设为V0、将所述预测体积设为V、将针对基准面积S0测定的最大空孔的包络面积的平方根的值设为
Figure FDA0002319111090000013
(j＝1～n)、将所述测定的反复次数设为n时，基于根据以下的式18～式20求出的回归时间T来进行，
Figure FDA0002319111090000014
V0＝S0×h (式19)
Figure FDA0002319111090000015
2.一种轴承用滚道圈，其具有供滚动体滚动的滚道面，所述滚道面通过对烧结金属材料实施塑性加工而形成，其特征在于，
所述烧结金属材料通过将Fe-Ni-Mo系局部扩散合金钢粉与碳粉末混合而压缩成形后进行烧结而形成，
所述轴承用滚道圈含有Ni：0.5wt％～5wt％以及Mo：0.5wt％～3wt％，其余由Fe、C以及不可避免的杂质构成，
在所述滚道面上产生的接触椭圆的轴向宽度的范围内将直至产生最大剪切应力的深度的区域作为预测体积，利用极值统计被推定为存在于该预测体积内的最大空孔的包络面积的平方根
Figure FDA0002319111090000016
小于50μm，
利用极值统计进行的所述
Figure FDA0002319111090000017
的推定在将基准面积设为S0、将基准体积设为V0、将所述预测体积设为V、将针对基准面积S0测定的最大空孔的包络面积的平方根的值设为
Figure FDA0002319111090000021
(j＝1～n)、将所述测定的反复次数设为n时，基于根据以下的式18～式20求出的回归时间T来进行，
Figure FDA0002319111090000022
V0＝S0×h (式19)
Figure FDA0002319111090000023
3.根据权利要求1或2所述的轴承用滚道圈，其中，
作为所述局部扩散合金钢粉，使用使合金成分与水雾化的钢粉或纯铁粉扩散结合而成的局部扩散合金钢粉。
4.根据权利要求1或2所述的轴承用滚道圈，其中，
至少所述滚道面通过热处理而硬化。
5.根据权利要求1或2所述的轴承用滚道圈，其中，
所述塑性加工为冷轧加工、滚轧加工、辊光加工、或者喷丸硬化加工中的至少任一种。
6.根据权利要求1或2所述的轴承用滚道圈，其中，
所述轴承用滚道圈具有与密封构件接触或接近该密封构件的密封部，所述密封部通过对所述烧结金属材料实施塑性加工而成形。
7.一种滚动轴承，其具有：
在内周具有外侧滚道面的外圈；
在外周具有内侧滚道面的内圈；
配置在所述外侧滚道面与所述内侧滚道面之间的多个滚动体：以及
保持所述滚动体的保持器，
所述外圈以及所述内圈中的至少一方或者双方使用权利要求1或2所述的轴承用滚道圈。
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