JP2008138262A - ショットピーニング加工面の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素材コストや加工コストの上昇を招くことなく転動装置部品の表面にショットピーニング加工面を形成することのできるショットピーニング加工面の形成方法を提供する。
【解決手段】ショットピーニング加工面が形成される転動装置部品の素材として、炭素含有量が０．９５質量％以上１．１質量％以下の軸受鋼を用いる。また、転動装置部品の焼戻し温度より低く且つ３７３Ｋより高い温度に転動装置部品を加熱した状態でショットピーニングを施す。
【選択図】なし

Description

本発明は、転がり軸受、ボールねじ、直動案内装置等の転動装置の転動装置部品表面にショットピーニング加工面を形成する方法に関する。

一般に、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下で玉軸受等の転がり軸受を使用すると、潤滑剤に混入した異物が転動体と軌道輪との間に噛み込まれることによって圧痕が転動体や軌道輪の表面に発生し、転動体や軌道輪の表面に発生した圧痕が疲労破壊の起点となる。このため、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下では、転がり軸受の寿命が短くなりやすい。

また、軌道輪と転動体との間に油膜を形成する潤滑剤が不足すると、軌道輪と転動体が金属接触することによって金属表面の疲労破壊が進行する。このため、潤滑剤が不足しやすい環境下では、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下と同様に、転がり軸受の寿命が短くなりやすい。
このような軸受寿命の低下を抑制する方策としては、従来、種々のものが提案されている。たとえば、軌道輪、転動体等の軸受部品に浸炭処理、浸炭窒化処理等の熱処理を施して圧縮残留応力を軸受部品の表面に付与する方法や、軌道輪、転動体等の軸受部品にショットピーニングを施して軸受部品の表面にショットピーニング加工面を形成する方法（例えば、特許文献１参照）などが知られている。
特許第２９４７９４号公報

しかしながら、前者の方法では軌道輪や転動体の素材として一般的に用いられる軸受鋼ではなく、肌焼鋼を用いる必要があり、しかも浸炭あるいは浸炭窒化に要する熱処理時間も長いため、コストアップを招くという問題がある。
一方、後者の方法は、ショットピーニングが施される軸受部品の素材として軸受鋼を用いると、ショットピーニングによる塑性変形が生じ難くなる。このため、軸受部品の表面にショットピーニング加工面を形成するのに時間がかかり、軸受部品の表面にショットピーニング加工面を形成する際の加工コストが上昇するという問題がある。

本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、素材コストや加工コストの上昇を招くことなく転動装置部品の表面にショットピーニング加工面を形成することのできるショットピーニング加工面の形成方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下や潤滑剤が不足しやすい環境下で使用する場合に好適な転動装置を提供することにある。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明に係るショットピーニング加工面の形成方法は、転動装置部品にショットピーニングを施してショットピーニング加工面を形成するに際して、前記転動装置部品の素材として炭素含有量が０．９５質量％以上１．１質量％以下の軸受鋼を用い、前記転動装置部品の焼戻し温度より低く且つ３７３Ｋより高い温度に転動装置部品を加熱した状態でショットピーニングを施すことを特徴とする。

請求項２記載の発明に係るショットピーニング加工面の形成方法は、請求項１記載のショットピーニング加工面の形成方法において、前記ショットピーニング加工面の硬さがＨＶ８００以上ＨＶ９００以下となるようにショットピーニングを施すことを特徴とする。
請求項３記載の発明に係るショットピーニング加工面の形成方法は、請求項１または２記載のショットピーニング加工面の形成方法において、前記ショットピーニング加工面から深さ１００μｍの表層部における圧縮残留応力が５００ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下となるようにショットピーニングを施すことを特徴とする。

請求項４記載の発明に係る転動装置は、請求項１〜３のいずれか一項記載の方法によりショットピーニング加工面が形成された転動装置部品を備えたことを特徴とする。
［作用］
転がり軸受のような転動装置は、軌道輪と転動体の接触点に高面圧が発生するため、それに耐え得る高硬度が必要である。しかし、軸受鋼の炭素含有量が０．９５質量％未満であると、焼入れ焼戻し後の硬度を安定的に得ることができない。また、軸受鋼の炭素含有量が１．１質量％を超えると、加工性が低下する。しかしながら、転動装置部品は非常に高硬度であり、塑性変形が生じ難いため、浸炭などの表面硬化熱処理を用いない場合には、表面下の深い領域にまで大きな圧縮残留応力を付与することは困難である。したがって、表面下の深い領域に大きな圧縮残留応力を付与するためには、ショットピーニングを長時間行うか、あるいはショット粒を被加工物に強く当てる必要があり、表面の靭性を低下させる場合がある。

本発明では、転動装置部品を加熱した状態でショットピーニングを行なうため、下記のような効果がある。
（１）ショットピーニングの際に転動装置部品を加熱すると、転動装置部品表面の変形抵抗が下がるため、ショットピーニングによる塑性変形が転動装置部品表面に発生しやすくなる。したがって、より大きな値で、かつ表面下の深い領域まで圧縮残留応力を付与することができる。

（２）ショットピーニングを室温で行った場合には、ショット粒の衝撃によって微小な亀裂が転動装置部品の表面に発生し、転動装置部品の強度を低下させる場合があるが、ショットピーニングの際に転動装置部品を加熱すると転動装置部品素材（軸受鋼）の靭性が高くなり、ショット粒の衝撃による微小亀裂が転動装置部品の表面に発生し難くなるので、転動装置の寿命を安定的に延ばすことができる。

（３）ショットピーニングの際に転動装置部品を加熱すると、転動装置部品全体が熱膨張した状態でショット粒が転動装置部品の表面に当たり、転動装置部品の表面付近に塑性変形が生じる。そして、転動装置部品にショットピーニングを施した後、転動装置部品の温度が下がると、それまで熱膨張していた転動装置部品が収縮するが、転動装置部品の表面付近は熱膨張した状態に合わせて塑性変形しているため、表面付近と内部の変形量の差が大きくなり、表面付近の圧縮残留応力が大きくなる。

ここで、３７３Ｋ未満の温度でショットピーニングを行うと、上記の効果が小さくなり、転がり疲労の長寿命化への寄与が小さい。また、軸受鋼の焼戻し温度（通常、４２０Ｋ〜６００Ｋの範囲内）を超えた温度でショットピーニングを行うと、転動装置部品全体の硬さが低下するため、転がり疲労が低下する。
本発明者らは、表面からの疲労亀裂の発生および伝播を抑制し、転動装置部品の転動寿命を延ばすためには、表面下深さ１００μｍの位置での圧縮残留応力を所定の値にすることが効果的であるという知見を得た。本発明の方法でショットピーニングを行うことによって、表面下深さ１００μｍの位置で５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を得ることが可能であり、転がり疲労寿命を向上させることができる。ただし、圧縮残留応力が１０００ＭＰａを超えると、転動装置部品素材の靭性が低下する場合があるので、１０００ＭＰａ以下が好ましい。

また、本発明の加工方法でショットピーニングを行い、転動装置部品の表面硬さをＨＶ８００以上にすることで、転動装置部品表面の耐圧痕性が向上し、転がり疲労寿命が向上する。しかし、転動装置部品の表面硬さがＨＶ９００を超えると靭性が低下する場合がある。

請求項１記載の発明に係るショットピーニング加工面の形成方法によれば、３７３Ｋより高く且つ焼戻し温度より低い温度に転動装置部品を加熱すると、転動装置部品表面の変形抵抗が低下し、転動装置部品の表面にショットピーニング加工面を比較的時間で形成しやすくなる。したがって、加工コストの上昇を招くことなく転動装置部品の表面にショットピーニング加工面を形成することができる。また、ショットピーニング加工面が形成される転動装置部品の素材として肌焼鋼を用いる必要がなく、軸受鋼を用いることができるので、素材コストの上昇を抑えることができる。

請求項２記載の発明によれば、上述した効果に加え、転動装置部品の転がり疲労寿命を低下させる疲労破壊が転動装置部品の表面に生じ難くなる。したがって、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下や潤滑剤が不足しやすい環境下で使用する場合でも好適に使用することができる。
請求項３記載の発明によれば、上述した効果に加え、転動装置部品の転がり疲労寿命を低下させる疲労破壊が転動装置部品の表層部に生じ難くなる。したがって、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下や潤滑剤が不足しやすい環境下で使用する場合でも好適に使用することができる。

本発明者は、潤滑剤に混入した異物による転がり疲労寿命の低下の度合いを調べるために、表１に示す鋼種Ａ，Ｂ，Ｃのいずれかを用いて軌道輪を作製した。そして、作製した軌道輪をスラスト玉軸受（呼び番号：51305）の上レース及び下レースとして用い、アキシアル荷重：7８００Ｎ、回転数：１０００ｍｉｎ^−１、潤滑油：ＶＧ６８（異物として、３００ｐｐｍのＦｅ_３Ｃ粉末を混入）の条件でスラスト玉軸受の転がり疲労試験を実施して累積破損確率５０％に対応するスラスト玉軸受の寿命（以下「Ｌ_５０寿命」という）を求めた。その結果を表２に示す。

表２において、試験例１，２，４，５，７，８は図１（ａ）に示す方法で作製された軌道輪、すなわち鍛造工程、切削工程、焼入れ工程、焼戻し工程、ショットピーニング工程及び研削工程を経て作製された軌道輪を上レース及び下レースとするスラスト玉軸受を示し、試験例３及び試験例６は図１（ｂ）に示す方法で作製された軌道輪、すなわち鍛造工程、切削工程、焼入れ工程、焼戻し工程、第１の研削工程、ショットピーニング工程及び第２の研削工程を経て作製された軌道輪を上レース及び下レースとするスラスト玉軸受を示している。

また、表２において、試験例１−７の加熱温度は図１に示すショットピーニング工程で軌道輪にショットピーニングを施すときの軌道輪の加熱温度を示し、試験例１−７のショットピーニング加工面硬さは軌道輪の表面に形成されたショットピーニング加工面の硬さを転がり疲労試験を実施する前にビッカース硬度計で測定した測定値を示している。さらに、試験例１−７の圧縮残留応力はショットピーニング加工面から深さ１００μｍの表層部における圧縮残留応力を測定した測定値を示している。

また、図１に示すショットピーニング工程では、ショットピーニング装置として図２に示す構成のものを用い、ショット粒平均粒径：０．７２ｍｍ、ショット粒材質：平均硬さＨＲＣ６１の鋼球、ショット粒投射速度：３２〜１２０ｍ／ｓｅｃの条件でショットピーニングを行った。
なお、図２中３１はショット粒、３２はショット粒３１が充填された加圧タンク、３３は加圧タンク３２に加圧空気を供給する加圧空気供給管、３４は加圧タンク３２内に供給された空気を排気する排気管、３５は加圧空気供給管３３の分岐管、３６は分岐管３５からの圧縮空気とショット粒３１とを混合するミキサ、３７は被処理物表面にショット粒３１を先端のノズル３８から投射するホース、４１は加圧タンク３２内にシャッタ４０を介してショット粒３１を供給するホッパ、４２はショット粒３１の投射速度を調整するための空気圧を調整可能なバルブを示している。

試験例１−４と試験例８とを比較すると、試験例１−４はＬ_５０寿命が２．８以上であるのに対し、試験例８はＬ_５０寿命が０．８であった。これは、試験例１−４は軌道輪素材が鋼種Ａまたは鋼種Ｂであるのに対し、試験例８は軌道輪素材が鋼種Ｃのためであり、炭素含有量の値が十分でないためである。
このことから、軌道輪の表面にショットピーニング加工面を形成してスラスト玉軸受の転がり疲労寿命を高めるためには、軌道輪素材として炭素含有量が０．９５質量％以上１．１質量％以下の軸受鋼を用いることが好ましく、軌道輪素材として肌焼鋼を用いる必要がない。したがって、素材コストの上昇を招くことなく軌道輪の表面にショットピーニング加工面を形成することができる。

次に、試験例１−４と試験例５とを比較すると、試験例１−４はＬ_５０寿命が２．８以上であるのに対し、試験例５はＬ_５０寿命が１．０であった。これは、試験例１−４は軌道輪にショットピーニングを施すときの軌道輪の加熱温度が３７３Ｋ以上４４３Ｋ以下であるのに対し、試験例５は軌道輪にショットピーニングを施すときの軌道輪の温度が２９３Ｋであり、軌道輪を加熱しない状態でショットピーニングを行ったためである。

このことから、軌道輪の表面にショットピーニング加工面を形成してスラスト玉軸受の転がり疲労寿命を高めるためには、軌道輪の焼戻し温度（４２０Ｋ〜６００Ｋ）より低く且つ３７３Ｋより高い温度に軌道輪を加熱した状態でショットピーニングを軌道輪に施すことが好ましく、上記の温度に軌道輪を加熱すると軌道輪表面の変形抵抗が低下し、軌道輪の表面にショットピーニング加工面を比較的時間で形成しやすくなる。したがって、加工コストの上昇を招くことなく軌道輪の表面にショットピーニング加工面を形成することができる。

次に、試験例１−４と試験例７とを比較すると、試験例１−４はＬ_５０寿命が２．８以上であるのに対し、試験例７はＬ_５０寿命が１．４であった。これは、試験例１−４はショットピーニング加工面の硬さがＨＶ８００以上ＨＶ９００以下であるのに対し、試験例７はショットピーニング加工面の硬さがＨＶ７８０のためであり、ショットピーニング加工面の硬さが十分でないためである。

このことから、軌道輪の表面にショットピーニング加工面を形成してスラスト玉軸受の転がり疲労寿命を高めるためには、ショットピーニング加工面の硬さをＨＶ８００以上ＨＶ９００以下にすることが好ましく、スラスト玉軸受の転がり疲労寿命を低下させる疲労破壊が軌道輪の表面に生じ難くなる。したがって、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下や潤滑剤が不足しやすい環境下で使用する場合でも好適に使用することができる。

次に、試験例１−４と試験例６とを比較すると、試験例１−４はＬ_５０寿命が２．８以上であるのに対し、試験例６はＬ_５０寿命が１．３であった。これは、試験例１−４は圧縮残留応力が５００ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下であるのに対し、試験例６は圧縮残留応力が２００ＭＰａのためであり、ショットピーニング加工面から深さ１００μｍの表層部における圧縮残留応力の値が十分でないためである。

このことから、軌道輪の表面にショットピーニング加工面を形成してスラスト玉軸受の転がり疲労寿命を高めるためには、ショットピーニング加工面から深さ１００μｍの表層部における圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下にすることが好ましく、スラスト玉軸受の転がり疲労寿命を低下させる疲労破壊が軌道輪の表層部に生じ難くなる。したがって、潤滑剤に異物が混入しやすい環境下や潤滑剤が不足しやすい環境下で使用する場合でも好適に使用することができる。

なお、上述した転がり疲労試験では試験軸受としてスラスト玉軸受を用いたが、ラジアル玉軸受、フランジを有する車輪支持用転がり軸受、ころ軸受等の転がり軸受を試験軸受として用いても同様の試験結果を得ることができる。
また、ショットピーニング加工面が形成される表面は軌道輪の表面に限られるものではなく、転がり軸受、ボールねじ、直動案内装置等の転動装置の転動装置部品表面に適用可能である。

また、図１に示すショットピーニング工程で軌道輪を加熱する方法としては、大気炉、ガス雰囲気炉、真空炉などの各種の加熱炉で軌道輪を加熱する方法を用いることができる。この場合、軌道輪を加熱炉から直ちに取り出してショットピーニングを行ってもよいし、加熱炉の中にショットピーニング装置のノズル３８を挿入して加熱炉の中でショットピーニングを行ってもよい。

さらに、表１に示した鋼種Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ及びＯの含有量を表１に示す数値とした理由は以下の通りである。
Ｃｒは、素材あるいは鍛造後に球状化焼鈍をする際に、セメンタイトの球状化を促進すると共に焼入れ時の焼入れ性を向上させるため、１．０質量％以上添加することが好ましい。しかし、６．０質量％を超えて添加すると、加工性が低下する場合があるため、鋼種Ａ，Ｂ，ＣではＣｒ含有量を１．０−１．４質量％の範囲内とした。

Ｓｉは、製綱時の脱落のために必要な元素であり、さらに焼戻し軟化抵抗を高め、転がり疲労寿命を向上させるため、０．１５質量％以上添加することが好ましい。しかし、２．０質量％を超えて添加すると、加工性が低下する場合があるため、鋼種Ａ，Ｂ，ＣではＳｉ含有量を０．１８−０．２５質量％の範囲内とした。
Ｍｎは、焼入れ性を高め、転動部材の硬さを安定的に得るために必要が元素であり、０．２質量％以上添加することが好ましい。しかし、１．０質量％を超えて添加しても、その効果は飽和するため、鋼種Ａ，Ｂ，ＣではＭｎ含有量を０．３６−０．７２質量％の範囲内とした。

Ｏは、鋼中で非金属介在物を形成し、転がり疲労寿命に非常に有害な元素であるため、１５ｐｐｍ以下にすることが好ましい。より好ましくは、転がり疲労寿命の安定性のために、１０ｐｐｍ以下にすることが望ましく、鋼種Ａ，Ｂ，Ｃでは０含有量を０．０００６−０．０００９質量％の範囲内とした。
Ｐは、結晶粒界などに偏析し、鋼の靭性を低下させる元素である。このため、鋼種Ａ，Ｂ，ＣではＰ含有量を０．０１３−０．００１５質量％の範囲内とした。

Ｓは、結晶粒界などに偏析し、鋼の靭性を低下させる元素であるため、０．０２質量％以下にすることが好ましい。しかし、０．０１質量％未満になると切削性が低下する場合があるため、鋼種Ａ，Ｂ，ＣではＳ含有量を０．００６−０．０１５質量％の範囲内とした。
ＣuおよびＮｉは、鋼の原材料となるスクラップに混入する元素であり、それぞれ０．３質量％を超えると、焼入れ後の残留オーステナイト量が多くなり、寸法安定性が低下する場合がある。このため、鋼種Ａ，Ｂ，ＣではＣu含有量を０．１２−０．１５質量％の範囲内とし、Ｎｉ含有量を０．１５−０．２０質量％の範囲内とした。

ショットピーニング工程を含む軌道輪の作製方法を示す図である。 軌道輪にショットピーニング加工面を形成するときに用いられるショットピーニング装置の一例を示す図である。

Claims (4)

1. 転動装置部品にショットピーニングを施してショットピーニング加工面を形成するに際して、前記転動装置部品の素材として炭素含有量が０．９５質量％以上１．１質量％以下の軸受鋼を用い、前記転動装置部品の焼戻し温度より低く且つ３７３Ｋより高い温度に転動装置部品を加熱した状態でショットピーニングを施すことを特徴とするショットピーニング加工面の形成方法。
2. 前記ショットピーニング加工面の硬さがＨＶ８００以上ＨＶ９００以下となるようにショットピーニングを施すことを特徴とする請求項１記載のショットピーニング加工面の形成方法。
3. 前記ショットピーニング加工面から深さ１００μｍの表層部における圧縮残留応力が５００ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下となるようにショットピーニングを施すことを特徴とする請求項１または２記載のショットピーニング加工面の形成方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の方法によりショットピーニング加工面が形成された転動装置部品を備えたことを特徴とする転動装置。

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