JP2006291239A - Method for producing high-carbon chromium bearing steel-forged rough-shaped material for inner and outer rings of general purpose small type bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材からなる外輪外径がφ26〜41mmの小型汎用ベアリングの内外輪の製造に関する。 The present invention relates to the manufacture of inner and outer rings of a small general-purpose bearing having an outer ring outer diameter of φ26 to 41 mm made of a high carbon chrome bearing steel forged material.
小径汎用ベアリングの内外輪の材料として使用される高炭素クロム軸受鋼のJIS G 4805に規定するSUJ2は良好な旋削性、熱処理の容易さ、転動疲労寿命などの安定した実績から多くの使用実績がある。 SUJ2 specified in JIS G 4805, a high-carbon chromium bearing steel used as a material for inner and outer rings of small-diameter general-purpose bearings, has been used for many years because of stable results such as good turning performance, ease of heat treatment, and rolling fatigue life. There is.
さらに、ベアリング用の内外輪の製造において、製造コストを低減するために材料歩留りの改善、旋削工数の削減を実現するために各種の製造工程が採用されている。とりわけ、外輪の外径がφ26mm以上、φ41mm以下の小径汎用ベアリングの内外輪用には、毎分100個以上、170個以下の横型高速鍛造装置で、棒鋼素材から中心孔を有する環状体を熱間鍛造により成形し、この成形した鍛造素形材である環状体を球状化焼鈍し、次いでこの環状体から旋削により薄肉部で接続する内外輪素形に一体成形し、さらにプレスにより薄肉部を突っ切り加工して内外輪素形に分離した後、所定のベアリングレースの形状に仕上げ旋削する製造方法が多く採用されている。 Furthermore, in the manufacture of inner and outer rings for bearings, various manufacturing processes are employed to improve material yield and reduce the number of turning steps in order to reduce manufacturing costs. In particular, for inner and outer rings of small-diameter general-purpose bearings with an outer diameter of φ26 mm or more and φ41 mm or less, an annular body having a central hole is heated from a steel bar material with a horizontal high-speed forging device of 100 to 170 pieces per minute. Formed by hot forging, the formed annular body is forged into a spheroidized shape, and then integrally formed into inner and outer ring elements connected by a thin part by turning from this annular body. Many manufacturing methods are employed in which after parting and separating into inner and outer ring elements, finish turning to a predetermined bearing race shape is performed.
ところで、このようなベアリング内外輪の製造方法として、高炭素クロム軸受鋼からなる軌道輪素材に焼入れし、次いで180〜130℃の温度で軌道輪素材の焼戻しを行い、さらに軌道輪素材にショットピーニング加工を施して表面硬化した後、さらに180〜220℃の温度で軌道輪素材の焼戻しを行い、軌道輪を製造する方法があり、この方法で靱性が高く、しかも表面の耐圧痕性および耐摩耗性に優れた転動装置部品を製造する発明の方法(例えば、特許文献1参照。)が開示されている。 By the way, as a manufacturing method of such bearing inner and outer rings, the bearing ring material made of high carbon chromium bearing steel is quenched, and then the bearing ring material is tempered at a temperature of 180 to 130 ° C., and further shot peened into the bearing ring material. After processing and surface hardening, there is a method of manufacturing the race ring by further tempering the race ring material at a temperature of 180 to 220 ° C. This method has high toughness, and also has a pressure scar and wear resistance on the surface. A method of the invention for producing a rolling device part having excellent properties (for example, see Patent Document 1) is disclosed.
さらに、転がり軸受の内輪および外輪を高炭素クロム軸受鋼で形成し、浸炭窒化処理後に一旦高温焼戻ししたうえで高周波焼入れする熱処理を行い、その表層に材質変化抵抗層と200MPa以上の圧縮応力を付与することにより、転動疲労寿命および割れ疲労強度を大幅に改善し、繰返し曲げ応力の作用する用途にも長期間安定して使用できる方法(例えば特許文献2参照。)が開示されている。 Furthermore, the inner and outer rings of the rolling bearing are made of high carbon chrome bearing steel, heat-treated by induction hardening after high temperature tempering after carbonitriding, and a material change resistance layer and a compressive stress of 200 MPa or more are applied to the surface layer. Thus, a method is disclosed in which the rolling fatigue life and crack fatigue strength are greatly improved and can be used stably for a long period of time in applications where repeated bending stress acts (for example, see Patent Document 2).
さらに、転動体を高炭素クロム軸受鋼とし、内輪および外輪の少なくとも一方をマルテンサイト形ステンレス鋼とし、このステンレス鋼の含有する共晶炭化物の面積率は2〜7%で、共晶炭化物の長径は30μm以下で、共晶炭化物の円相当直径の平均値は1.0〜1.6μmで、共晶炭化物の平均面積は0.8〜2μm2である、静粛性に優れ、耐食性と耐寿命性を備えた軸受用材料とする発明(例えば、特許文献3参照。)が開示されている。 Furthermore, the rolling element is a high carbon chromium bearing steel, and at least one of the inner ring and the outer ring is martensitic stainless steel. The area ratio of the eutectic carbide contained in the stainless steel is 2 to 7%, and the major axis of the eutectic carbide. Is 30 μm or less, the average value of the equivalent circle diameter of the eutectic carbide is 1.0 to 1.6 μm, the average area of the eutectic carbide is 0.8 to 2 μm 2 , excellent in quietness, corrosion resistance and lifetime An invention (for example, refer to Patent Document 3) that is a bearing material having the characteristics is disclosed.
しかし、これらは必ずしも低コストで、靱性に優れた軌道面部周辺の軌道保持部を有する小径汎用ベアリングレースを量産して製造する方法のものではなかった。 However, these methods are not necessarily a method for mass-producing a small-diameter general-purpose bearing race having a track holding portion around the raceway surface portion that is low in cost and excellent in toughness.
通常、高炭素クロム軸受鋼のJIS G 4805に規定するSUJ2は安定した転動疲労寿命を得るため、硬さがHV700からHV780になるように、焼入れ炉で840℃程度に加熱した後、焼入れ油に焼入れし、さらに焼戻しを行って使用される。ところで、この高炭素クロム軸受鋼は、鋼種の焼入性と、7mm以下の肉厚の質量効果から、焼入れ後のベアリングの内外輪の芯部もHV700以上に硬化する。そのために完成したベアリング内外輪は衝撃的な荷重により割れを生じることがあった。このため衝撃荷重のかかる用途には、衝撃荷重を受けるベアリング保持構造への配慮、浸炭焼入れ熱処理により製造されたベアリング内外輪の採用といった対策を講じる必要がある。そこで、本発明が解決しようとする課題は、高炭素クロム軸受鋼で熱間鍛造する小型汎用ベアリング用の内外輪の靱性を改善して量産し得る方法およびこの方法により製造の靱性の高い小型汎用ベアリング用の内外輪を提供することである。 Usually, SUJ2 specified in JIS G 4805 of high carbon chromium bearing steel is heated to about 840 ° C. in a quenching furnace so that the hardness becomes HV700 to HV780 in order to obtain a stable rolling fatigue life. It is used after quenching and further tempering. By the way, in this high carbon chromium bearing steel, the core portions of the inner and outer rings of the bearing after hardening are hardened to HV700 or more from the hardenability of the steel type and the mass effect of the thickness of 7 mm or less. For this reason, the inner and outer rings of the completed bearing may be cracked by an impact load. For this reason, it is necessary to take measures such as consideration of the bearing holding structure that receives the impact load and the use of bearing inner and outer rings manufactured by carburizing and quenching heat treatment for applications where the impact load is applied. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to improve the toughness of the inner and outer rings for small general-purpose bearings that are hot forged with high carbon chromium bearing steel, and to produce a small-sized general purpose high toughness manufactured by this method. It is to provide inner and outer rings for bearings.
上記の課題を解決するための本発明の手段について説明する。本発明の請求項1の手段は、高炭素クロム軸受鋼であるJIS規格のG4805に規定するSUJ2の棒鋼材1の切断円盤体から横型高速鍛造装置による熱間鍛造により中心孔3を有する環状体2に成形し、次いでこの環状体2を球状化焼鈍することにより、表層部の炭素量を0.20%以下にまで脱炭する。この表層部を脱炭した環状体2の中心孔3と環状体2の外周である外径面4との間の環状側面5に環状溝7を旋削加工し、環状溝7内に形成の薄肉部8で接続する外輪素形9と内輪素形10の二重輪体11に形成する。次いで外輪素形9と内輪素形10の二重輪体11の薄肉部8をプレスにより打ち抜きし、外輪素形9および内輪素形10に完全分離する。
Means of the present invention for solving the above problems will be described. The means of claim 1 of the present invention is an annular body having a
さらに、得られた外輪素形9の内径面および内輪素形10の外径面にそれぞれ旋削により環状の軌道輪となる軌道面12、13を形成する。この場合、この環状の軌道面12、13の炭素含有量は上記の外輪素形9と内輪素形10とに分離するための旋削により、環状体内部の元のSUJ2の素材が露出することとなり、これらの軌道面12、13の炭素含有量は、元のSUJ2の炭素含有量の0.95〜1.10%となって現れている。一方、これらの軌道面12、13を支持する周囲の軌道保持部である外径面や内径面や側面の表層部の炭素量は0.20%以下までの脱炭層としてそのまま残されて、外輪素形9および内輪素形10に形成されている。すなわち、請求項1の手段は、転動疲労寿命に優れた軌道面と高い靱性の軌道保持部を有することを特徴とする外輪外径がφ26〜41mmの小型汎用ベアリングの内外輪用鍛造素形材の製造方法である。
Further,
本発明は、上記の手段で、環状体2を球状化焼鈍し、高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材である環状体2の外径面4、環状側面5、内径面6の各表面層に脱炭層を形成し、脱炭層を形成した環状体2を旋削加工して外輪素形9の内径面6と内輪素形10の外径面4は元の1%前後の炭素含有のSUJ2材とし、外輪素形9の外径面4と環状側面5、内輪素形10の内径面6と環状側面5には、炭素含有量が0.20%である脱炭層を残すことで、これらを焼入れした後の脱炭層部の焼入れ硬さを低減させ靱性を付与している。したがって、これらの部分の軌道保持部は衝撃に対する耐久性が改善され、割れが生じなくなっている。その一方で、転動面部すなわち軌道面12、13の部分は炭素含有量が元の1%前後に保持されているので、転動疲労寿命を確保する充分な硬さのHV60〜63を有し得る。
In the present invention, the
すなわち、本発明の手段で、低炭素合金層を軌道面保持部に継目なく生じさせることにより、衝撃値を改善し、延性−脆性遷移温度を低下させることにより、完成ベアリングの衝撃に対する耐久性を改善している。転動体からの繰返し荷重を受ける軌道面12、13の部分は、元の高炭素クロム軸受鋼の1%程度の炭素含有量を確保しているので、転動疲労寿命を確保するための必要な硬さが得られている。
That is, by the means of the present invention, a low carbon alloy layer is produced seamlessly in the raceway surface holding portion, thereby improving the impact value and lowering the ductility-brittle transition temperature, thereby improving the durability of the finished bearing against impact. It has improved. The portions of the
請求項2の手段は、上記の手段において、球状化焼鈍により表層部の炭素含有量を0.20%以下にまで脱炭する方法は、粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体2を繰返し、例えば20回、球状化焼鈍することにより、環状体2の表層部の炭素含有量を0.20%以下にまでとした脱炭層とする方法である。このように粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体2を繰返し球状化焼鈍することで、脱炭層が充分な形成され靱性が得られることとなる。さらに繰返し回数を調整することにより希望する脱炭層深さを得ることができる。
The means of
請求項3の手段は、請求項1、請求項2の手段の方法により製造のベアリング用の内外輪の素形材である。すなわち、高炭素クロム軸受鋼のJIS規格のG4805に規定するSUJ2からなる小型汎用ベアリング用の外輪素形9および内輪素形10のそれぞれの軌道面12、13の炭素含有量がSUJ2の炭素含有量の0.95〜1.10%であり、かつ、軌道面12、13の周囲の軌道保持部の表層部の炭素含有量が0.20%以下にまで脱炭されている外輪素形9および内輪素形10である。これらは転動疲労寿命に優れた軌道面12、13と高靱性の軌道保持部を有するベアリング用の外輪素形9および内輪素形10である。なお、上記の本発明において、小型汎用ベアリングとは、その外輪の外径がφ26mm〜φ41mmの汎用ベアリングを指しており、これは本発明で使用する横型高速鍛造装置の装置上の加工限界と、この大きさのものが、高炭素クロム軸受鋼の焼入性と7mm以下の肉厚の質量効果から焼入れ後のベアリングの内外輪の芯部もHV700以上に硬化することとによる。
The means of
本発明により製造の小型汎用ベアリングの外輪素形および内輪素形は、軌道面部以外の軌道保持部の表層部を0.2%以下の脱炭層に形成しているので、これらのベアリングの外輪素形および内輪素形の圧潰値を測定したところ、脱炭層を形成した本発明のベアリングの外輪素形および内輪素形からなる内外輪は7300Nの荷重で始めて割れを発生したが、脱炭層の充分に形成されていない従来のベアリングの外輪素形および内輪素形からなる内外輪は4800Nの荷重で割れを生じた。すなわち、本発明によるベアリングの外輪および内輪では割れに対する靱性が約5割がた向上している。しかも、それらの軌道面は素材鋼の硬さをそのまま有しているので、充分な転動疲労寿命を有するなど、汎用性の高い小型ベアリングを本発明の方法により形成することができる。 Since the outer ring element and the inner ring element of the small general-purpose bearings manufactured according to the present invention are formed with a decarburized layer of 0.2% or less of the surface layer of the track holding part other than the raceway surface part, the outer ring element of these bearings is formed. When the crushing value of the inner ring element and the inner ring element were measured, the inner ring and outer ring made of the outer ring element and inner ring element of the bearing of the present invention in which the decarburized layer was formed cracked only at a load of 7300 N. The inner and outer rings formed of the outer ring element shape and the inner ring element shape of the conventional bearing not formed on the surface were cracked at a load of 4800N. That is, the outer ring and the inner ring of the bearing according to the present invention have improved toughness against cracking by about 50%. In addition, since these raceway surfaces have the hardness of the raw steel as they are, it is possible to form a small and highly versatile bearing by the method of the present invention, such as having a sufficient rolling fatigue life.
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1に示す(a)〜(h)の工程順に、JIS G4805 規格のSUJ2の、質量%で、C:0.95〜1.10%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.50%以下、P:0.025%以下、S:0.025%以下、Cr:1.30〜1.60%、残部Feおよび不可避不純物からなる高炭素クロム軸受鋼を加工した。すなわち、上記の高炭素クロム軸受鋼からなる(a)の縮小して示す棒鋼材1を横型高速鍛造装置で必要長さに切断しながら、毎分100個以上、170個以下の高速で熱間鍛造する。この本発明において使用する横型高速鍛造装置は、この装置内に棒鋼材1を必要長さに切断する切断機構を有しており、複数の圧造工程をトランスファーして圧力を加えて目的の環状体2に成形するもので、(a)の熱間鍛造により(b)の中心孔3と外径面4と環状側面5とを有する環状体2に成形した。次いで、この環状体2を繰返し球状化焼鈍して、(c)の環状体2の中心孔3と外径面4と環状側面5のそれぞれの表層部の炭素量を0.20%以下にまで脱炭した。この場合、請求項2の手段では、球状化焼鈍は粒界酸化を生じさせない雰囲気に調整した無酸化焼鈍炉で環状体2を繰返し球状化焼鈍するものであり、特に炉中の平衡炭素濃度を0.34%から1.06%に雰囲気調整した無酸化焼鈍炉により、800℃から700℃の間で脱炭をしながら1回当たり15時間の球状化焼鈍を計20回、延べ300時間を繰り返した。このように脱炭は無酸化焼鈍炉で粒界酸化しないように注意しながら実施した。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the order of steps (a) to (h) shown in FIG. 1, the mass% of SUJ2 of JIS G4805 standard is C: 0.95 to 1.10%, Si: 0.15 to 0.35%, Mn: A high carbon chromium bearing steel composed of 0.50% or less, P: 0.025% or less, S: 0.025% or less, Cr: 1.30 to 1.60%, the balance Fe and inevitable impurities was processed. That is, while cutting the steel bar material 1 made of the above-mentioned high carbon chrome bearing steel to a required length with a horizontal high-speed forging device, it is hot at a high speed of 100 or more and 170 or less per minute. Forging. The horizontal high-speed forging device used in the present invention has a cutting mechanism for cutting the steel bar 1 into a required length in the device, and transfers a plurality of forging steps to apply pressure to apply the target annular body. 2 was formed into an
上記の20回に及ぶ焼鈍処理により(c)の環状体2の外径面4と環状側面5と中心孔3の内径面6のそれぞれの表層部は炭素量が0.13%に脱炭した。次いで、この脱炭した環状体2の環状側面5を(d)に示すように中心孔3と平行に環状溝7を旋削加工し、環状溝7の内部に(e)に示す薄肉部8で接続する外輪素形9と内輪素形10からなる二重輪体11に加工する。次いで、外輪素形9と内輪素形10の二重輪体11の薄肉部8をプレスにより(f)に示すように外輪素形9から内輪素形10を矢印方向に打ち抜き、完全に分離し、外輪素形9と内輪素形10とした。さらにこれらの外輪素形9と内輪素形10に(g)および(h)で示すようにそれぞれ転動溝14を形成した。なお、これらの(e)〜(h)において、外輪素形9の外径面4と環状側面5と内輪素形10の内径面6と環状側面5の内部近傍の点々で示す部分は、上記の繰返し球状化焼鈍により形成の脱炭層を示している。
The surface layer portions of the
外輪素形9の内径および内輪素形10の外径を旋削加工して、図2に示すように、外輪の軌道面12および内輪の軌道面13にそれぞれ仕上げた。これらの外輪の軌道面12および内輪の軌道面13の炭素含有量は元のSUJ2の鋼種の炭素含有量の0.95〜1.10%が表出されている。一方、上記の20回の球状化焼鈍で軌道面12、13以外の部分の外輪素形9の外径面4と環状側面5および内輪素形10の内径面6と環状側面5の軌道保持部の表層部の炭素量は0.13%に脱炭され、軌道保持部の表層部には高い靱性が得られたが、さらに上記の旋削加工による仕上げで、これらの内外輪鍛造素形材は軌道面12、13以外の軌道保持部の表層部も旋削加工され、これらの軌道保持部の表層部の炭素量は0.20%に脱炭された状態に仕上げられた。以上により外輪外径がφ26〜41mmである小型汎用ベアリングの内外輪が得られた。
The inner diameter of the
上記で得られた小型汎用ベアリングの内外輪は焼入れ炉で840℃に加熱後、焼入れ油に焼入れし、焼戻しして軌道面の硬さをHV700〜780とした。 The inner and outer rings of the small general-purpose bearing obtained above were heated to 840 ° C. in a quenching furnace, quenched into quenching oil, and tempered to make the raceway hardness HV700-780.
なお、本発明の方法に比して、1回の球状化焼鈍処理による従来の方法では、軌道面以外の部分の軌道保持部の表層部の炭素量は0.71%であった。 In addition, compared with the method of this invention, in the conventional method by one spheroidizing annealing treatment, the carbon content of the surface layer part of the track holding part other than the track surface was 0.71%.
高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体に20回の球状化焼鈍処理した本発明方法によるものと、高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体に1回の球状化焼鈍処理した従来の方法によるものとを対比して、それらの高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体の外径面部と環状側面部の焼鈍状態における金属組織の400倍の顕微鏡写真を図3および図4に示した。 According to the method of the present invention in which an annular body of a high carbon chrome bearing steel forged material is subjected to spheroidizing annealing 20 times, and in a conventional method, an annular body of a high carbon chrome bearing steel forged material is subjected to spheroidizing annealing once. 3 and FIG. 4, micrographs of the metal structure in the annealed state of the outer diameter surface portion and the annular side surface portion of the annular body of the high carbon chromium bearing steel forged shape member are compared with those obtained by the above method. It was shown to.
さらに、上記の20回の繰返し焼鈍処理をした本発明の高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体の焼入れ状態における金属組織の400倍の顕微鏡写真を、1回の球状化焼鈍処理した従来の環状体の金属組織の400倍の顕微鏡写真とを対比して図5および図6に示した。 Furthermore, the micrograph of the metal structure in the quenched state of the annular body of the high carbon chrome bearing steel forged shape material of the present invention that has been subjected to the above 20 repeated annealing treatments is a conventional spheroidizing annealing treatment. FIG. 5 and FIG. 6 show a comparison with a 400 × magnification micrograph of the metal structure of the ring.
これらの(a)および(b)のそれぞれの対比顕微鏡写真から本発明の20回の繰返し焼鈍処理をした高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体の外径面、内径面、環状側面には従来のものに比して炭化物量が少なくなった脱炭層がそれぞれ観察された。 From the respective contrast micrographs of (a) and (b), the outer diameter surface, the inner diameter surface, and the annular side surface of the annular body of the high carbon chrome bearing steel forged shaped body that has been subjected to 20 repeated annealing treatments of the present invention. In each case, a decarburized layer with a reduced amount of carbide was observed compared to the conventional one.
さらに高炭素クロム軸受鋼鍛造素形材の環状体を焼鈍処理し、さらに焼入れした状態でのHVスケールでの硬さ成績を本発明におけるものと従来のものとの比較を図7の(a)、(b)および図8の(a)、(b)の各グラフで示した。 Furthermore, FIG. 7 (a) shows a comparison of the hardness results on the HV scale in the state where the annular body of the high carbon chromium bearing steel forged base material is annealed and further quenched, in the present invention and the conventional one. , (B) and graphs (a) and (b) of FIG.
これらグラフから、旋削加工後の軌道面保持部になる外輪素形の環状側面および外径面では、焼鈍で環状側面はHV300以下で、環状側面から内部へ1.5mmの深さまではHV700未満の硬さの高靱性層が残存している。外径面ではHV300以下で、表面を旋削加工した後の外径面から内部へ2.0mmの深さまではHV700未満の硬さに低減した層の高靱性層が残存している。 From these graphs, the annular side surface and outer diameter surface of the outer ring element that becomes the raceway surface holding part after turning are annealed and the annular side surface is HV300 or less, and the depth from the annular side surface to the inside is less than HV700. A hard tough layer remains. The outer diameter surface is HV300 or less, and a high toughness layer having a hardness reduced to less than HV700 remains at a depth of 2.0 mm from the outer diameter surface after turning the surface to the inside.
本発明におけるこれらのベアリングの外輪素形あるいは内輪素形の軌道面保持部の高靱性層の深さはそれぞれ焼鈍処理時間により調整することができる。さらに、これらのベアリングの外輪素形あるいは内輪素形の軌道保持部の高靱性層の生成には、酸化鉄あるいは鉄鋼石中で焼鈍処理する方法により生成することもできる。 The depth of the high toughness layer of the raceway surface holding portion of the outer ring shape or inner ring shape of these bearings in the present invention can be adjusted by the annealing time. Furthermore, the high-toughness layer of the outer ring-shaped or inner ring-shaped raceway holding portion of these bearings can also be generated by a method of annealing in iron oxide or steel stone.
1 棒鋼材
2 環状体
3 中心孔
4 外径面
5 環状側面
6 内径面
7 環状溝
8 薄肉部
9 外輪素形
10 内輪素形
11 二重輪体
12 外輪の軌道面
13 内輪の軌道面
14 転動溝
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