JP2007046759A

JP2007046759A - 転がり支持装置及びその構成部材の製造方法

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Publication number: JP2007046759A
Application number: JP2005234634A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Komata; 弘樹小俣
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】苛酷な潤滑条件下で使用された場合であっても、優れた耐久性を有する転がり支持装置を提供する。
【解決手段】タペットローラ軸受を構成するローラ６及び支持軸５を、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理を施すことにより作製する。そして、ローラ６の内周面（摺接面）６ａをなす表層部において、硬さをＨｖ６５０以上とするとともに、支持軸５の外周面５ａ（摺接面）をなす表層部において、Ｎ含有率を３．０質量％以上とし、硬さをＨｖ７００以上とする。
【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と、その構成部材の製造方法に関する。

転がり軸受の一例であるタペットローラ軸受は、エンジン内部での摩擦低減により、燃焼消費率を低減させることを目的として、クランクシャフトと同期したカムシャフトの回転を給気弁及び排気弁の往復運動に変換する動弁機構内に組み込まれて使用されている。このタペットローラ軸受は、カムシャフトに固定されたカムに対して対向配置されたロッカーアーム（タペット）に設けられ、支持軸に回転自在に支持されたローラの外周面がカムの外周面に当接されて、運動時にロッカーアームとカムとの間に働く摩擦力が低減されるようになっている。

このようなタペットローラ軸受では、通常、カムの外周面とローラの外周面との間や、支持軸の外周面とローラの内周面との間をエンジンオイルにより潤滑させている。しかしながら、このタペットローラ軸受は、潤滑油が十分に供給され難い潤滑環境下で使用されることが多く、エンジンの始動時にはさらに潤滑油が供給され難い苛酷な潤滑環境下で使用されるため、互いに摺接する構成部材の各摺接面で摩耗や焼付き等の損傷が生じる場合がある。特に、支持軸とローラとの摺接面には潤滑油がさらに供給され難いため、それらの摺接面では摩耗や焼付き等の損傷が生じ易くなっている。

そこで、互いに摺接する構成部材の摺接面での潤滑が不十分であった場合でも、それらの摺接面に上述した損傷を発生し難くするための手段として、支持軸やローラは高炭素クロム軸受鋼（例えば、ＳＵＪ２）で構成し、カムを含むカムシャフトはＳＵＪ２又は鋳鉄で構成する等、構成部材を耐摩耗性に優れる素材で構成することが提案されている。
また、上述した損傷を発生し難くするための他の手段として、特許文献１〜特許文献３では、損傷が生じ易い摺接面に表面処理を施すことが提案されている。

特許文献１では、ローラの内外周面に軟窒化処理や酸化処理等の表面処理を施すことが提案されている。
特許文献２では、互いに対向するローラの内周面と支持軸の外周面とのうち、少なくとも一方に、摩擦を低減する表面処理層を形成することが提案されている。
特許文献３では、摺動部品の母材上に窒化処理を施して、拡散層と所定深さの化合物層とを形成し、この化合物層の一部を残すように、化合物層の最外層部のみを薄く処理することが提案されている。
特開昭５９−１８３００７号公報特開平８−７４５２６号公報特開２００２−９７５６３号公報

ところで、装置の製造コストを考慮すると、表面硬化処理として窒化処理や軟窒化処理を施すことが好ましい。しかしながら、窒化処理で形成された表面処理層は非常に硬くなるため、処理が施された構成部材には優れた耐摩耗性が付与されるが、この処理が施された構成部材と摺接する相手側の構成部材には摩耗が生じ易くなるという問題がある。
すなわち、上述した特許文献１〜特許文献３に記載の技術では、損傷が生じ易い構成部材（例えば、ローラ）の耐久性は向上できるが、その相手側の構成部材（例えば、支持軸）の耐久性が不足して、結果として、転がり支持装置全体に優れた耐久性を付与できない場合がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、苛酷な潤滑条件下で使用された場合であっても、優れた耐久性を有する転がり支持装置を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、互いに対向する軌道面を有する第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び前記第二部材の間に転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材のうち一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、互いに摺接する前記第一部材又は前記第二部材と前記転動体とのうち一方の構成部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理が施されて得られ、その摺接面をなす表層部は、硬さがＨｖ６５０以上となっているとともに、他方の構成部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理が施されて得られ、その摺接面をなす表層部は、Ｎ含有率が３．０質量％以上で、硬さがＨｖ７００以上となっていることを特徴とする転がり支持装置を提供する。

本発明では、互いに摺接する二つの構成部材（第一部材と転動体や、第二部材と転動体）の相互バランスを考慮して、各摺接面をなす表層部のＮ含有率や硬さを特定したことにより、両摺接面に摩耗や焼付き等の損傷が生じ難くなる。
ここで、各構成部材において摺接面をなす表層部の硬さはＨｖ８００以上とすればより優れた耐摩耗性が得られるが、各構成部材において摺接面をなす表層部の硬さがそれぞれ本発明範囲よりも小さいと、優れた耐摩耗性が得られなくなる。また、各構成部材の摺動面をなす表層部の硬さをＨｖ８００以上とするためには、炭素含有率が０．７〜１．２質量％、より好ましくは０．８〜１．１質量％の鋼（例えば、高炭素クロム軸受鋼）を用いることが好ましい。

また、他方の構成部材において摺接面をなす表層部のＮ含有率を３．０質量％よりも少なくすると、比較的低温（例えば、７５０℃以下）での焼入れが困難になり、熱処理後に寸法変化が生じ易くなる。しかし、他方の構成部材において摺動面をなす表層部のＮ含有率が多過ぎると、Ｍｓ点が過度に低下して十分な焼入れ硬さが得られなくなるため、他方の構成部材の表層部のＮ含有率は７質量％以下とすることが好ましい。

なお、本発明における転がり支持装置とは、転がり軸受、ボールねじ、及びリニアガイド等を指す。ここで、転がり支持装置が転がり軸受の場合には、第一部材及び第二部材は内輪及び外輪を指し、転がり支持装置がボールねじの場合には、第一部材及び第二部材はねじ軸及びナットを指し、転がり支持装置がリニアガイドの場合には、第一部材及び第二部材は案内レール及びスライダを指す。

また、本発明における表層部とは、表面から所定深さ（例えば、０．０５ｍ）までの部分を指す。さらに、本発明における摺接面とは、二つの構成部材が互いに摺接する面を指し、例えば第一部材と転動体との摺接面や、第二部材と転動体との摺接面を指す。
本発明の転がり支持装置は、例えば、タペットローラ軸受やプラネタリーギア軸受のように、エンジンからの動力を受けて回転する軸を支持するための転がり軸受として好適に用いることができる。

本発明はまた、互いに対向する軌道面を有する第一部材及び第二部材と、前記第一部材及前記第二部材の間に転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材のうち一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置の前記第一部材、前記第二部材、及び前記転動体を製造する方法において、互いに摺接する前記第一部材又は前記第二部材と前記転動体とのうち一方の構成部材を、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理を施すことにより、その摺接面をなす表層部において、硬さをＨｖ６５０以上とするとともに、他方の構成部材を、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理と、６８０℃以上７５０℃以下で加熱保持した後に冷却する焼入れ処理と、サブゼロ処理と、焼戻し処理と、をこの順で含む熱処理を施すことにより、その摺接面をなす表層部において、Ｎ含有率を３．０質量％以上とし、硬さをＨｖ７００以上とすることを特徴とする転がり支持装置の構成部材の製造方法を提供する。

以下、本発明で用いる熱処理について詳細に説明する。
＜一方の構成部材の熱処理について＞
まず、鋼からなる素材を、鍛造、切削、又は研削加工により所定形状に加工した後、混合ガス（例えば、ＲＸガス＋アンモニアガスや、ＲＸガス＋アンモニアガス＋エンリッチガス）雰囲気下で、Ａ₁変態点以下の比較的低温度（例えば、５００〜５９０℃、より好ましくは５５０〜５９０℃）で所定時間加熱保持することにより、窒化処理を行う。

一方の構成部材の摺動面をなす表層部に必要な窒化物を得るためには、摺動面をなす表層部のＮ含有率を３質量％以上とすることが好ましく、５質量％以上とすることがより好ましい。また、前記表層部に脆い相が発生するのを抑制するために、一方の構成部材の摺動面をなす表層部のＮ含有率を８質量％以下とすることが好ましい。この窒化処理では、比較的低温で行っているため、熱処理後に構成部材の寸法変化が生じ難くなる。

また、一方の構成部材に対する窒化処理は、処理時間を短縮したり、他方の構成部材の摩耗を抑制したりするために、軟窒化処理とすることが好ましく、環境への影響を考慮して、ガス軟窒化処理とすることがより好ましい。さらに、一方の構成部材に対する窒化処理後は、他方の構成部材の摩耗を抑制するために、焼入れや研削仕上げを行わないことが好ましい。このような熱処理は、特に、タペットローラ軸受のインナーローラに適用した場合により顕著である。

＜他方の構成部材の熱処理について＞
まず、鋼からなる素材を、鍛造、切削、又は研削加工により所定形状に加工した後、混合ガス（例えば、ＲＸガス＋アンモニアガスや、ＲＸガス＋アンモニアガス＋エンリッチガス）雰囲気下で、Ａ₁変態点以下の比較的低温度（例えば、５００〜５９０℃、より好ましくは５５０〜５９０℃）で所定時間加熱保持することにより、窒化処理を行う。

他方の構成部材に対する窒化処理は、構成部材の摺動面をなす表層部のＮ含有率が本発明の範囲内となるような条件で行う。この窒化処理では、比較的低温で行っているため、熱処理後に構成部材の寸法変化が生じ難くなる。
また、他方の構成部材に対する窒化処理は、処理時間を短縮するために、軟窒化処理とするのが好ましく、環境への影響を考慮して、ガス軟窒化処理とすることがより好ましい。

次に、６８０℃以上７５０℃以下で焼入れ処理を行う。この時、焼入れ温度が７５０℃以下で加熱保持することにより、表層部の窒素拡散層のみでマルテンサイト変態が十分に生じ、芯部ではマルテンサイト変態が少ししか生じないため、熱応力を低減でき、熱処理後の寸法変化を抑制できる。また、窒化処理後に焼入れ処理を行うことにより、単に窒化処理を行う場合よりも、深く硬化させることが可能となる。一方、加熱保持時に表層部の窒素拡散層で十分にマルテンサイト変態を生じさせるために、焼入れ温度は６８０℃以上とする。

次に、−２１０〜−６０℃でサブゼロ処理を行う。これにより、上述した窒化処理により表層部に残存した残留オーステナイト量を低減させる。
この時、サブゼロ時の温度が−２１０℃よりも低くなると、冷却剤として液体窒素を用いることが出来なくなるので、コストの上昇を招く。一方、サブゼロ時の温度が−６０℃よりも高くなると、焼入れ時に生成した残留オーステナイトがマルテンサイトに変態されなくなるため、十分な硬さが得られなくなる。
次に、１６０〜１８０℃で２時間保持することにより、焼戻し処理を行う。そして、研削仕上げ加工を施して、他方の構成部材を完成させる。

本発明の転がり支持装置によれば、互いに摺接する二つの構成部材の相互バランスを考慮して、それらの摺接面をなす表層部のＮ含有率や硬さを特定したことにより、互いに摺接する二つの構成部材間で摩耗や焼付き等の損傷が生じ難くなる。よって、本発明の転がり支持装置は、例えば、タペットローラ軸受やプラネタリーギア軸受のように、苛酷な潤滑条件下で使用される転がり支持装置として好適に用いることができる。

以下、本発明の転がり支持装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の転がり支持装置の一例としてタペットローラ軸受の一構成を示す図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施形態のタペットローラ軸受（転がり支持装置）は、図１に示すように、エンジンのクランクシャフト（図示せず）に同期して回転するカムシャフト１に固定したカム（第一部材）２に対向配置され、カム２の回転に対応して揺動するロッカーアーム３に設けられている。

ロッカーアーム３の端部には、一対の支持壁部４，４が互いに間隔を空けて設けられている。この一対の支持壁部４，４の間には、中空の支持軸（第二部材）５が掛け渡されている。支持軸５の両端部は、支持壁部４，４にそれぞれ設けられた貫通孔４ａの内周面に加締めにより固定されており、支持軸５の外周面（摺接面）５ａには、ローラ（転動体）６が回転自在に支持されている。ローラ６は、回転抵抗を小さくするために、支持軸５の外周面５ａと摺接する内周面（摺接面）６ａを有するインナーローラ６１と、カム２の外周面（摺接面）２ａと摺接する外周面（摺接面）６ｂを有するアウターローラ６２と、からなる二重構造となっている。

支持軸５は、以下に示す手順で作製されたものを用いた。
まず、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、図２に示す熱処理を施した。次に、前工程の熱処理時に形成された窒素拡散層を残留させる程度の研削取り代で、外周面５ａに仕上げ加工を施した。これにより、支持軸５の外周面５ａをなす表層部（表面から０．０５ｍｍの深さまでの部分）は、硬さがＨｖ７００以上で、Ｎ含有率が３．０質量％以上となっている。

インナーローラ６１は、潤滑性及び耐摩耗性を向上させるために、以下に示す手順で作製されたものを用いた。
まず、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、図２と同様のガス窒化処理を施した。これにより、インナーローラ６１の内周面６ａをなす表層部は、硬さがＨｖ６５０以上で、Ｎ含有率が３〜８質量％となっている。

そして、アウターローラ６２やカム２はいずれも、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、８２０〜８６０℃で０．５〜１時間加熱保持した後冷却する焼入れ処理と、１６０〜１８０℃で２時間加熱保持した後に冷却する焼戻し処理とを施すことにより、その芯部硬さがＨｖ６５０〜８００となっているものを用いた。
このようなタペットローラ軸受によれば、支持軸５とローラ６をそれぞれ本発明の構成（熱処理方法、摺接面の硬さ及びＮ含有率）としたことによって、支持軸５とローラ６との両方に優れた耐摩耗性が付与されるため、支持軸５とローラ６の各摺接面５ａ，６ａで異常摩耗が生じることなく、優れた耐久性が得られた。

なお、本実施形態では、タペットローラ軸受の支持軸５とローラ６との間の摺接面５ａ，２ａに対して本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、タペットローラ軸受のローラ６とカム２との間の摺接面に本発明を適用してもよい。
また、本実施形態では、支持軸５を、一対の支持壁部４，４間に加締めにより固定したが、これに限らず、例えば、一対の支持壁部４，４間にピン止めにより固定してもよい。

次に、本発明の効果を、以下に示す実施例に基づいて検証した。
まず、ＳＵＪ２からなる棒状素材（棒材）を用意して、表１に示す窒化処理と、表１に示す各温度で０．５〜１時間保持した後に冷却する焼入れ処理と、１６０〜１８０℃で２時間保持した後に急冷する焼戻し処理と、をこの順で施した後、仕上げ加工を施した。
なお、表１に示す窒化処理「ガス軟窒化」とは、上述した図２に示す熱処理と同様の条件で行った窒化処理を指す。また、表１に示す窒化処理「ガス窒化」とは、混合ガス（アンモニアガス＋窒素ガス）の雰囲気下、５００〜５９０℃で２０〜３０時間加熱保持することで行った窒化処理を指す。

次に、得られた棒材のうち破壊検査用のサンプルを用いて、棒材の外周面（摺接面）をなす表層部（表面から０．０５ｍｍ深さまでの部分）の硬さ及びＮ含有率を測定した。なお、前記表層部の硬さは、公知のビッカース硬さ試験法を用いて測定した。また、前記表層部のＮ含有率は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）を用いて測定した。これらの結果は、表１に併せて示した。
そして、得られた棒材のうち耐久試験用のサンプルを、図３に示す耐久試験機に組み込んで、この棒材をタペットローラ軸受の支持軸として利用することを想定した以下に示す条件で耐久試験を行った。

この耐久試験機は、図３に示すように、試験体１０である棒材が、その軸方向中央部にローラ３０を配設し、その軸方向両端部に一対の転がり軸受２０，２０を配設した状態で配置されるように構成されている。そして、試験体１０を、一対のプーリ５０，５０間に掛け渡されたベルト６０とジョイント７０とを介して、電動モータ４０により回転駆動させるように構成されている。なお、この耐久試験では、ローラ３０として、ＳＵＪ２からなる素材を所定形状に加工した後、上述した図２に示す軟窒化処理と同様の条件で軟窒化処理のみが施され、その内周面をなす表層部においてＮ含有率を３質量％以上とし、硬さをＨｖ８００以上としたものを用いた。

この耐久試験は、ローラ３０にラジアル荷重を負荷した状態で、試験体１０を３００時間回転させて行い、３００時間回転させた後の試験体１０において外周面の摩耗量を測定し、この摩耗量の大小により棒材の耐久性を評価した。この結果は、Ｎｏ．８の棒材における外周面の摩耗量を１．０とした時の比として、表１に併せて示す。
＜耐久試験条件＞
棒材の外径：１０ｍｍ
ローラの内径：１０．５ｍｍ
ローラの外径：３０ｍｍ
棒材の回転速度：３０００ｍｉｎ^-1
ラジアル荷重：６５０Ｎ（６６ｋｇｆ）
潤滑油：エンジンオイル（ＳＥ級１０Ｗ−３０）

表１に示すように、外周面をなす表層部の硬さ及びＮ含有率が本発明の範囲内である棒材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７では、本発明の範囲外である棒材Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１２と比べて、いずれも摩耗量が少なく、優れた耐久性が得られていた。
表１に示す結果に基づいて、棒材の外周面をなす表層部の硬さと、棒材の外周面における摩耗量との関係を示す図４のグラフを作成した。
図４に示すように、棒材の外周面をなす表層部の硬さをＨｖ７００以上とすると、棒材の外周面における摩耗量が大幅に少なくなり、Ｎｏ．８の０．５倍以下の摩耗量となっていることが分かる。

以上の結果より、棒材の外周面をなす表層部の硬さ及びＮ含有率を本発明の範囲内とすることで、摺接する相手部材であるローラの外周面をなす表層部に高硬度の窒化物層が形成されている場合であっても、優れた耐久性が得られることが分かった。すなわち、本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．７の棒材を上述した図１に示すタペットローラ軸受の支持軸として用いることにより、タペットローラ軸受に優れた耐久性が得られることが確認できた。

本発明に係る転がり支持装置の一例としてタペットローラ軸受の一構成を示す図である。本実施形態で施した熱処理について示す図である。耐久試験機を示す図である。棒材の外周面をなす表層部の硬さと、棒材の外周面における摩耗量との関係を示す図である。

符号の説明

１カムシャフト
２カム（第一部材）
２ａ外周面（摺接面）
３ロッカーアーム
４支持壁部
４ａ貫通孔
５支持軸（第二部材）
５ａ外周面（摺接面）
６ローラ（転動体）
６１インナーローラ
６２アウターローラ
６ａ内周面（摺接面）
６ｂ外周面（摺接面）
１０試験体
２０転がり軸受
３０ローラ
４０電動モータ
５０プーリ
６０ベルト
７０ジョイント

Claims

互いに対向する軌道面を有する第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び前記第二部材の間に転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材のうち一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、
互いに摺接する前記第一部材又は前記第二部材と前記転動体とのうち一方の構成部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理が施されて得られ、その摺接面をなす表層部は、硬さがＨｖ６５０以上となっているとともに、
他方の構成部材は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理が施されて得られ、その摺接面をなす表層部は、Ｎ含有率が３．０質量％以上で、硬さがＨｖ７００以上となっていることを特徴とする転がり支持装置。
エンジンからの動力を受けて回転する軸を支持するための転がり軸受として用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり支持装置。
互いに対向する軌道面を有する第一部材及び第二部材と、前記第一部材及前記第二部材の間に転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材のうち一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置の前記第一部材、前記第二部材、及び前記転動体を製造する方法において、
互いに摺接する前記第一部材又は前記第二部材と前記転動体とのうち一方の構成部材を、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を含む熱処理を施すことにより、その摺接面をなす表層部において、硬さをＨｖ６５０以上とするとともに、
他方の構成部材を、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理と、６８０℃以上７５０℃以下で加熱保持した後に冷却する焼入れ処理と、サブゼロ処理と、焼戻し処理と、をこの順で含む熱処理を施すことにより、その摺接面をなす表層部において、Ｎ含有率を３．０質量％以上とし、硬さをＨｖ７００以上とすることを特徴とする転がり支持装置の構成部材の製造方法。