JP2006111971A - 機械部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受部品として用いた場合に軸受の長寿命化を図ることができるとともに、ラックバーとして用いた場合に静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が増大する機械部品を提供する。
【解決手段】 機械部品、たとえば玉軸受１の内外両輪2,3は、Ｃ含有量が０．４５〜１．２０mass％である鋼からなり、表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０〜８５０であり、表層部のオーステナイト結晶粒の粒径が５μｍ以下、同じく表層部の残留オーステナイト量が１５〜２０vol ％である。
【選択図】 図１

Description

この発明は機械部品に関する。

近年の機械装置の高速化、高性能化要求に伴い、そこに使用されている軸受においては、異物を含んだ汚れ油中での使用や、潤滑不良状態での使用といった苛酷条件下での使用の際にも長寿命化が要求されており、またラックピニオン式ステアリング装置のラックバーにおいては、搭載される自動車の軽量化要求に伴い、曲げ疲労に対する疲労限界の向上、および静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度の増大が要求されている。

従来、このような要求に応えるために、軸受では、軸受鋼や軸受用合金鋼に浸炭や浸炭窒化等の表面硬化処理を施し、ラックバーでは、合金鋼を高周波焼入れして使用していた。

しかしながら、従来の軸受部品を用いた軸受の長寿命化には限度があるという問題があり、従来のラックバーでは静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が十分ではないという問題がある。

この発明の目的は、上記問題を解決し、軸受部品として用いた場合に軸受の長寿命化を図ることができるとともに、ラックバーとして用いた場合に静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が増大する機械部品を提供することにある。

この発明による機械部品は、
Ｃ含有量が０．４５〜１．２０mass％である鋼からなり、表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０〜８５０であり、表層部のオーステナイト結晶粒の粒径が５μｍ以下、同じく表層部の残留オーステナイト量が１５〜２０vol ％であることを特徴とするものである。

また、この発明は、転がり軸受の軸受部品、またはラックピニオン式ステアリング装置のラックバーに関することがある。

上記において、Ｃ含有量が０．４５〜１．２０mass％である鋼には、炭素鋼および合金鋼のいずれもが含まれる。この範囲内であれば、これらの鋼に浸炭、浸炭窒化あるいは高周波焼入れにより、所要の硬さ、靭性等が付与される。

表面硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０〜８５０に限定したのは次の理由による。すなわち、Ｈｖ６５０未満であると表面硬さが十分ではなくなり、これを軸受部品に適用すると、この軸受部品を用いた軸受を異物が混入した汚れ油中で使用した場合に軸受部品の表面に剥離起点となる圧痕等の傷が付きやすくなるとともに、潤滑不良状態で使用した場合に耐摩耗性が低下し、その結果いずれの場合も寿命が短くなり、これをラックバーに適用すると、曲げ疲労に対する疲労限界が低くなるからである。また、Ｈｖ８５０を超えると表層部の靭性が低下し、これを軸受部品に適用すると、亀裂が発生しやすくなるとともに亀裂の進展速度が速くなってこの軸受部品を用いた軸受の寿命が短くなり、これをラックバーに適用すると、静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が不足するからである。

表層部のオーステナイト結晶粒の粒径を５μｍ以下に限定したのは、５μｍを越えると表層部の靭性が低下し、転がり寿命を向上させることができず、しかも曲げ強度の向上率が低下するからである。

表層部の残留オーステナイト量を１５〜２０vol ％に限定したのは、この範囲外であれば表層部の靭性が低下し、転がり寿命を向上させることができず、しかも曲げ強度の向上率が低下するからである。

この発明による機械部品は、たとえば次の２つの製造方法で製造される。

第１の製造方法は、Ｃ含有量が０．４５〜１．２０mass％である鋼からなる素材をオーステナイト化温度域で所定時間加熱し組織をオーステナイト化する第１工程と、加熱を停止し、素材に、その温度が下がる過程において熱間加工を施して所定の形状にする第２工程と、熱間加工が施された所定形状の素材に、その温度が下がる過程において熱間温度域でショットピーニングを施す第３工程と、素材を、再度オーステナイト化温度域でかつ第１工程での加熱温度よりも低い温度で所定時間加熱した後急冷して焼入れする第４工程と、素材に焼戻し処理を施す第５工程とよりなる。

上記第１の製造方法の第１工程における加熱温度は８００〜９５０℃の範囲内であることが好ましく、同加熱時間は肉厚２５ｍｍ当たり３０分であることが好ましい。なお、高周波加熱の場合は、加熱時間は２０〜５０秒の範囲内であることが好ましい。

第１の製造方法の第２工程における熱間加工の開始温度は８００〜８５０℃の範囲内であることが好ましく、終了温度は７００〜７５０℃の範囲内であることが好ましい。また、熱間加工は３０〜５０秒の範囲内で行うことが好ましい。

第１の製造方法の第３工程におけるショットピーニングの開始温度は６５０〜７００℃の範囲内であることが好ましく、終了温度は５５０〜６００℃の範囲内であることが好ましい。ショットピーニングは３０〜３５秒の範囲内で行うことが好ましい。また、ショットピーニングの条件は、ショット粒径０．１〜０．８ｍｍ、ショット粒硬さ（Ｈｖ）５００〜８００、アークハイト０．３〜１．０ｍｍＡであることが好ましい。

第１の製造方法の第４工程における加熱温度は８００〜８５０℃の範囲内であることが好ましく、同加熱時間は１２０〜２４０秒間の範囲内であることが好ましい。第４工程での加熱温度を第１工程での加熱温度よりも低くする理由は、再結晶粒の成長を防止するとともに、操作を容易にするためである。

第１の製造方法の第５工程における加熱温度は１５０〜２２０℃の範囲内であることが好ましく、同加熱時間は１〜３時間の範囲内であることが好ましい。

第２の製造方法は、Ｃ含有量が０．４５〜１．２０mass％である鋼からなる素材を所定の形状に加工する第１工程と、所定形状の素材をオーステナイト化温度域で所定時間加熱し組織をオーステナイト化する第２工程と、加熱を停止し、素材に、その温度が下がる過程において熱間温度域でショットピーニングを施す第３工程と、素材を、再度オーステナイト化温度域でかつ第１工程での加熱温度よりも低い温度で所定時間加熱した後急冷して焼入れする第４工程と、素材に焼戻し処理を施す第５工程とよりなる。

上記第２の製造方法の第２工程における加熱温度および加熱時間は、上記第１の製造方法の第１工程における加熱温度および加熱時間と同じである。

第２の製造方法の第３工程におけるショットピーニングの開始温度は６５０〜８００℃の範囲内であることが好ましく、同終了温度は５５０〜６００℃の範囲内であることが好ましい。ショットピーニングは３０〜３５秒の範囲内で行うことが好ましい。また、ショットピーニングの条件は、上記第１の製造方法の第３工程におけるショットピーニングの条件と同じである。

第２の製造方法の第４工程および第５工程の条件は、上記第１の製造方法の第４工程および第５工程の条件と同じである。

この発明の機械部品は、表面硬さが十分であり、曲げ疲労に対する疲労限界が高く、しかも表層部の靭性が向上している。したがって、この機械部品の用途が転がり軸受の軸受部品であれば、この軸受部品を用いた軸受を異物が混入した汚れ油中で使用した場合に軸受部品の表面に剥離起点となる亀裂が発生しにくくなるとともに亀裂の進展も抑えられる。また、潤滑不良状態で使用した場合の耐摩耗性が向上する。その結果、この軸受部品を用いた軸受の寿命が長くなる。また、この機械部品の用途がラックピニオン式ステアリング装置のラックバーであれば、曲げ疲労に対する疲労限界が高くなるとともに静的負荷あるいは準静的負荷に対する曲げ強度が増大する。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

実施形態１
この実施形態は図１に示すものであり、この発明による機械部品を玉軸受の内外両輪に適用したものである。

図１において、玉軸受(1)は、内輪(2)と、外輪(3)と、内外両輪(2)(3)間に配置された複数の玉(4)とよりなる。内外両輪(2)(3)は、それぞれたとえばJIS ＳＵＪ２のような高炭素クロム軸受鋼からなり、かつ軌道溝(2a)を含む内輪(2)の外周面および軌道溝(3a)を含む外輪(3)の内周面の表面硬さがＨｖで６５０〜８５０となされるとともに、その表層部(5)(6)のオーステナイト結晶粒の粒径が５μｍ以下、同じく表層部(5)(6)の残留オーステナイト量が１５〜２０vol ％となされている。玉(4)はたとえばJIS ＳＵＪ２のような高炭素クロム軸受鋼からなる。

内外両輪(2)(3)は次の２つの方法で製造される。

第１の方法は次の通りである。すなわち、高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）からなる素材を、図２にＡで示すように、８３０〜８５０℃で２０〜４０分間加熱して組織をオーステナイト化する。ついで、素材の加熱を停止し、図２にＢで示すように、素材に、その温度が下がる過程において熱間転造加工を施して所定の形状にした後、これに引き続いて、図２にＣで示すように、ショットピーニングを施す。熱間転造加工の開始温度(T1)は８００〜８２０℃の範囲内であり、同終了温度(T2)は７４０〜７５０℃の範囲内である。熱間転造加工に要する時間(t1)は３０〜４０秒である。また、ショットピーニングの開始温度(T3)は６７０〜７００℃の範囲内であり、同終了温度(T4)は５５０〜６００℃の範囲内である。ショットピーニングに要する時間(t2)は３０〜３５秒である。また、ショットピーニングの条件は、ショット粒径０．３〜０．８ｍｍ、ショット粒硬さ（Ｈｖ）７７０〜８００、アークハイト０．３〜０．８ｍｍＡである。

ついで、所定形状に加工されかつショットピーニングが施された素材を、再度８２０〜８３０℃で１２０〜１５０秒間加熱し（図２Ｄ参照）、組織をオーステナイト化した後油冷して焼入れする。ついで、図２にＥで示すように、１５０〜２２０℃で１〜３時間加熱した後空冷することにより焼戻し処理を施す。その後、内外径面および両端面の研磨加工、ならびに軌道面の研磨加工および超仕上げ加工を施して内外両輪(2)(3)が製造される。

第２の方法は次の通りである。すなわち、高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）からなる素材に旋削加工を施して所定形状にする。ついで、所定形状に加工された素材を、第１の方法の工程Ａと同様にして８３０〜８５０℃で２０〜４０分間加熱し（図３Ａ参照）、組織をオーステナイト化する。ついで、素材の加熱を停止し、図３にＦで示すように、素材に、その温度が下がる過程においてショットピーニングを施す。ショットピーニングの開始温度(T5)は７００〜７３０℃の範囲内であり、同終了温度(T6)は５５０〜６００℃の範囲内である。ショットピーニングに要する時間(t3)は３０〜３５秒である。また、ショットピーニングの条件は、上記第１の方法のショットピーニングの条件と同じである。

また、その後の工程は上記第１の方法と同じである。こうして内外両輪(2)(3)が製造される。

実施形態２
この実施形態は図４に示すものであり、この発明による機械部品をラックピニオン式ステアリング装置のラックバーに適用したものである。

図３において、ラックバー(10)は、たとえばJIS Ｓ４５Ｃのような機械構造用炭素鋼からなる中実丸棒(11)の周面の一部に所定長さおよび幅を有する平坦部(12)が形成され、平坦部(12)に複数の歯(13)が形成されたものである。そして、少なくとも平坦部(12)における歯(13)が形成された部分（歯部）の表面硬さがＨｖで６５０〜８５０となされるとともに、その表層部(14)のオーステナイト結晶粒の粒径が５μｍ以下、同じく表層部(14)の残留オーステナイト量が１５〜２０vol ％となされている。

ラックバー(10)は次の方法で製造される。

すなわち、機械構造用炭素鋼（JIS Ｓ４５Ｃ）からなる中実丸棒(11)の周面の一部にフライス加工を施すことにより平坦部(12)を形成し、平坦部(12)にブローチ加工を施すことにより複数の歯(13)を形成する。その後は、上記実施形態１の第２の方法と同様にしてラックバー(10)を製造する。

以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに示す。

実施例１
高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）からなる素材を、８４０℃で２０分間加熱して組織をオーステナイト化した。ついで、加熱を停止し、素材に、その温度が下がる過程において熱間転造加工を施し、所定の形状にした後、これに引き続いてショットピーニングを施した。熱間転造加工の開始温度(T1)は８１０℃であり、同終了温度(T2)は７４０℃であった。熱間転造加工に要する時間(t1)は３０秒であった。また、ショットピーニングの開始温度(T3)は６９０℃であり、同終了温度(T4)は５５０℃であった。ショットピーニングに要する時間(t2)は３０秒であった。また、ショットピーニングの条件は、ショット粒径０．３ｍｍ、ショット粒硬さ（Ｈｖ）８００、アークハイト０．６０ｍｍＡであった。

ついで、所定形状に加工されかつショットピーニングが施された素材を、再度８３０℃で１２０秒間加熱し、組織をオーステナイト化した後油冷して焼入れ処理を施した。ついで、素材を、１６０℃で２時間加熱した後空冷することにより焼戻し処理を施した。その後、内外径面および両端面の研磨加工、ならびに軌道面の研磨加工および超仕上げ加工を施して内外両輪(2)(3)を製造した。

そして、内外両輪(2)(3)および高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）製玉(4)を用いて玉軸受を組み立てた。

実施例２
高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）からなる素材に旋削加工を施して所定形状にした。ついで、所定形状に加工された素材を、８４０℃で２０分間加熱して組織をオーステナイト化した。ついで、加熱を停止し、素材に、その温度が下がる過程においてショットピーニングを施した。ショットピーニングの開始温度(T5)は７３０℃であり、同終了温度(T6)は５５０℃であった。ショットピーニングに要する時間(t3)は３０秒であった。また、ショットピーニングの条件は、ショット粒径０．３ｍｍ、ショット粒硬さ（Ｈｖ）８００、アークハイト０．６０ｍｍＡであった。

ついで、素材を、再度８３０℃で１２０秒間加熱し、組織をオーステナイト化した後油冷して焼入れ処理を施した。ついで、素材を、１６０℃で２時間加熱した後空冷することにより焼戻し処理を施した。その後、内外径面および両端面の研磨加工、ならびに軌道面の研磨加工および超仕上げ加工を施して内外両輪(2)(3)を製造した。

そして、内外両輪(2)(3)および高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）製玉(4)を用いて玉軸受を組み立てた。

比較例１
高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）からなる素材に旋削加工を施した後焼入れ、焼戻し処理を施し、さらに研磨加工および超仕上げ加工を施して内外両輪を製造した。

そして、内外両輪および高炭素クロム軸受鋼（JIS ＳＵＪ２）製玉を用いて玉軸受を組み立てた。

評価試験１
実施例１〜２および比較例１の玉軸受を使用し、粒径１００〜１５０μｍのJIS ＳＵＪ２の焼入れ粉を０．０６wt％含有するタービン油＃６８中で転がり寿命試験を行い、寿命時間と累積破損確率との関係を求めた。その結果を図５に示す。図５から明らかなように、実施例１〜２の玉軸受の寿命は比較例１の玉軸受の寿命に比べて約４倍長くなっている。

評価試験２
実施例１〜２および比較例１の玉軸受を使用し、清浄なタービン油＃６８中で転がり寿命試験を行い、寿命時間と累積破損確率との関係を求めた。その結果を図６に示す。図６から明らかなように、清浄油中での全ての玉軸受の寿命はほぼ同等になっている。

実施例３
機械構造用炭素鋼（JIS Ｓ４５Ｃ）からなる中実丸棒(11)の周面の一部にフライス加工を施すことにより平坦部(12)を形成し、平坦部(12)にブローチ加工を施すことにより複数の歯(13)を形成した。ついで、中実丸棒(11)の歯部を、９００℃で３０秒間高周波加熱して組織をオーステナイト化した。ついで、加熱を停止し、歯部に、その温度が下がる過程においてショットピーニングを施した。ショットピーニングの開始温度は７５０℃であり、同終了温度は５５０℃であった。ショットピーニングに要する時間は３０秒であった。また、ショットピーニングの条件は、ショット粒径０．３ｍｍ、ショット粒硬さ（Ｈｖ）８００、アークハイト０．６０ｍｍＡであった。

ついで、歯部を、再度８３０℃で１２０秒間高周波加熱し、組織をオーステナイト化した後水冷して焼入れ処理を施した。ついで、中実丸棒(11)を、１６０℃で２時間加熱した後空冷することにより焼戻し処理を施した。こうしてラックバー(10)を製造した。

比較例２
機械構造用炭素鋼（JIS Ｓ４５Ｃ）からなる中実丸棒の周面の一部にフライス加工を施すことにより平坦部を形成し、平坦部にブローチ加工を施すことにより複数の歯を形成した。ついで、中実丸棒の歯部を高周波焼入れすることによりラックバーを製造した。

評価試験３
実施例３および比較例２のラックバーを片持ち状態で支持し、その自由端側に下向きの荷重を負荷し、ラックバーの歯底部にクラックが発生した荷重を測定した。その結果、比較例２のラックバーにおけるクラック発生荷重を１とした場合の実施例３のラックバーにおけるクラック発生荷重は１．２であった。

この発明を適用した玉軸受の実施形態を示す部分拡大縦断面図である。 図１に示す玉軸受の内外両輪の製造方法を示す工程図である。 図１に示す玉軸受の内外両輪の他の製造方法を示す工程図である。 この発明を適用したラックバーの実施形態を示す一部切欠き部分拡大正面図である。 評価試験１の結果を示すグラフである。 評価試験２の結果を示すグラフである。

符号の説明

(1)：玉軸受
(2)：内輪
(3)：外輪
(5)(6)：表層部
(10)：ラックバー
(14)：表層部

Claims (3)

1. Ｃ含有量が０．４５〜１．２０mass％である鋼からなり、表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０〜８５０であり、表層部のオーステナイト結晶粒の粒径が５μｍ以下、同じく表層部の残留オーステナイト量が１５〜２０vol ％であることを特徴とする機械部品。
2. 請求項１記載の特徴を有する転がり軸受の軸受部品。
3. 請求項１記載の特徴を有するラックピニオン式ステアリング装置のラックバー。

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