JP2018138685A - 軸受部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼戻処理を長時間行う従来の軸受部品の製造方法と比べて、焼戻処理に要する時間を短くすることができ、さらに上記従来の軸受部品の製造方法により得られる軸受部品と同等以上の材料特性を有する軸受部品を製造する方法を提供する。【解決手段】高炭素クロム軸受鋼からなり、かつ軸受部品となるべき対象材を準備する工程と、対象材に対して焼入処理を行う工程と、焼入処理を行う工程の後に、対象材を加熱することにより対象材に対して焼戻処理を行う工程とを備える。焼入処理を行う工程では、対象材の硬度が６４ＨＲＣ以上６６ＨＲＣ以下となるように焼入処理が行われる。焼戻処理を行う工程では、焼戻温度Ｔ（単位：Ｋ）と保持時間ｔ（単位：秒）とが所定の式を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、軸受部品の製造方法に関する。

特開２０１３−１１９９３０号公報には、成形部材を焼入硬化処理する工程と、焼入硬化処理された成形部材を焼戻処理する工程とを備える軸受部品の製造方法が開示されている。

焼戻処理は、軸受部品に対し、靱性を付与する、硬度を調整する、残留応力を除去する、および寸法安定性を向上させる等の観点から、重要な熱処理である。

特開２０１３−１１９９３０号公報

しかしながら、焼戻処理における焼戻温度の保持時間は、例えば２時間程度と比較的長く、生産性に課題がある。

そこで、軸受部品の製造方法における焼戻処理に高温短時間処理を用いることで、生産性の向上を見込める。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、長時間の焼戻処理を行う従来の軸受部品の製造方法と比べて処理時間を短くすることができ、さらに上記従来の軸受部品の製造方法により得られる軸受部品と同等以上の材料特性を有する軸受部品を製造する方法を提供することにある。

本発明に係る軸受部品の製造方法は、高炭素クロム軸受鋼からなり、かつ軸受部品となるべき対象材を準備する工程と、対象材に対して焼入処理を行う工程と、焼入処理を行う工程の後に、対象材に対して焼戻処理を行う工程とを備える。焼入処理を行う工程では、対象材の硬度が６４ＨＲＣ以上６６ＨＲＣ以下となるように焼入処理が行われる。焼戻処理を行う工程における焼戻温度Ｔ（単位：Ｋ）および保持時間ｔ（単位：秒）が以下の数１の式を満たす。

本発明によれば、長時間の焼戻処理を行う従来の軸受部品の製造方法と比べて、焼戻処理に要する時間を短くすることができる。さらに本発明によれば、上記従来の軸受部品の製造方法により得られる軸受部品と同等以上の材料特性を有する軸受部品を製造する方法を提供することができる。

本実施の形態に係る軸受部品の製造方法のフローチャートである。 本実施の形態に係る軸受部品の製造方法において、第２加熱工程（焼戻工程）の焼戻温度および保持時間を示すグラフである。 実施例２における静的圧壊強度を示すグラフである。 実施例２における応力振幅を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１を参照して、転がり軸受の軌道輪である内輪の製造方法を例に、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法において説明する。本実施の形態に係る軸受部品の製造方法は、上記内輪（軸受部品）となるべき成形体（対象材）を準備する工程（Ｓ１０）と、対象材に対して焼入硬化処理を行う工程（Ｓ２０）と、焼入硬化処理を行う工程（Ｓ２０）の後に、対象材に対して焼戻処理を行う工程（Ｓ３０）とを備える。

工程（Ｓ１０）では、まず、たとえば棒鋼や鋼線などの鋼材が準備される。鋼材は、例えばＳＵＪ２からなる。次に、当該鋼材に対して切断、鍛造、旋削などの加工が施される。これにより、転がり軸受用の軌道輪などの軸受部品の概略形状に成形加工された鋼材（対象材）が作製される。

工程（Ｓ２０）では、先の工程（Ｓ１０）において準備された対象材に対し、焼入硬化処理が実施される。工程（Ｓ２０）は、第１の加熱工程（Ｓ２１）と、冷却工程（Ｓ２２）とを含む。まず、工程（Ｓ２１）において、対象材の全体がＡ₁点以上の温度Ｔ₁に加熱され、均熱のために保持時間ｔ₁だけ保持される。次に、工程（Ｓ２２）において、対象材がＭs点（マルテンサイト変態点）以下の温度Ｔ₂にまで冷却される。この冷却処理は、例えば油や水などの冷却液中に対象材が浸漬されることにより実施される。これにより、当該対象材が焼入処理される。焼入処理は、焼入処理された対象材の硬度が後述する焼戻処理された対象材の硬度超えとなるような条件で実施される。焼入処理は、例えば焼入処理された対象材の硬度が６４ＨＲＣ（８００ＨＶ）以上６６ＨＲＣ（８６５ＨＶ）以下となるような条件で実施される。上記温度Ｔ₁は例えば９００℃以上１０００℃以下である。保持時間ｔ₁（均質時間）は例えば３秒以上１０分以下である。温度Ｔ₂は例えば８０℃以上２００℃以下である。

好ましくは、焼入処理は、焼入処理された対象材の炭化物面積率が８％以上１２％以下となるような条件で実施される。例えば、温度Ｔ₁が９００℃の場合、焼入処理された対象材の炭化物面積率が１２％以下となるように保持時間ｔ₁は１１秒以上であるのが好ましく、当該炭化物面積率が８％以上となるように保持時間ｔ₁は５８秒以下であるのが好ましい。温度Ｔ₁が９５０℃の場合、焼入処理された対象材の炭化物面積率が１２％以下となるように保持時間ｔ₁は３秒以上であるのが好ましく、当該炭化物面積率が８％以上となるように保持時間ｔ₁は１５秒以下であるのが好ましい。すなわち、温度Ｔ₁が９５０℃の場合、保持時間ｔ₁は３秒以上１５秒以下であるのが好ましい。

対象材に対する急冷は、例えば対象材が油温７０℃のコールド油に浸漬されることにより実施される。

工程（Ｓ３０）では、先の工程（Ｓ２０）において焼入硬化処理が実施された対象材に対し、焼戻処理が実施される。まず、対象材の全体がＡ₁点未満の焼戻温度Ｔ₃に加熱され、均熱のために保持時間ｔ₂だけ保持される。

次に、対象材が冷却される。これにより、当該対象材が焼戻処理される。焼戻処理は、焼戻処理された対象材の硬度が上記焼入処理された対象材の硬度未満となるような条件で実施される。焼戻処理は、例えば焼戻処理された対象材の硬度が６０ＨＲＣ（６９６ＨＶ）以上６２ＨＲＣ（７４６ＨＶ）以下となるような条件で実施される。この場合、焼戻処理の焼戻温度Ｔ₃（単位：Ｋ）および保持時間ｔ₂（単位：秒）は以下の数１の式を満たす。

本発明者らは、所定の硬度を有する軸受部品を得るための焼戻処理条件について鋭意研究の結果、実験的に上記数１の式を導出した。さらに本発明者らは、当該数１の式を満たす条件で焼戻処理されて得られた軸受部品が、従来の焼戻処理により得られた軸受部品と同等以上の特性を有していることを確認した（詳細は後述する）。

本発明者らは上記数１の式を以下の数２から実験的に導出した。数２の式は、焼戻処理の焼戻温度Ｔ₃（単位：Ｋ）、保持時間ｔ₂（単位：秒）および焼戻処理後の対象材の硬度（単位：ＨＲＣ）との関係を示す式である。数２の式は、非特許文献１（井上毅、「新しい焼もどしパラメータとその連続昇温曲線に沿った焼もどし効果の積算法への応用」鉄と鋼,６６，１０（１９８０）１５３３．）において記載されている。

本発明者らは、数２の式における定数ａ，ｂ，ｃを実験的に導出した。導出された定数ａが−１９．６、定数ｂが２．２１×１０⁵、定数ｃが３４７である。図２は、数１の式を満たす焼戻温度Ｔ₃および保持時間ｔ₂を説明するためのグラフである。図２の横軸は焼戻温度Ｔ₃（単位：Ｋ）を示し、図２の縦軸は保持時間ｔ₂（単位：秒）を示す。図２中、線Ｌ１〜５は、硬度が異なる軸受部品から実験的に算出された定数ａ，ｂ，ｃを含む数２の式における、焼戻温度Ｔ₃と保持時間ｔ₂との関係を示す曲線である。線Ｌ１は５９ＨＲＣ、線Ｌ２は６０ＨＲＣ、線Ｌ３は６１ＨＲＣ、線Ｌ４は６２ＨＲＣ、線Ｌ５は６３ＨＲＣであった軸受部品から実験的に算出された定数ａ，ｂ，ｃを含む数２の式における、焼戻温度Ｔ₃と保持時間ｔ₂との関係を示す線である。焼戻処理の焼戻温度Ｔ₃および保持時間ｔ₂は、図２中の線Ｌ２および線Ｌ４上、ならびに線Ｌ２と線Ｌ４との間に位置する座標のうちから任意に選択され得る。

次に、工程（Ｓ４０）として仕上工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、たとえば転走面に対して研磨加工などの仕上げ加工が実施される。以上により、転がり軸受の内輪が完成し、本実施の形態における内輪の製造は完了する。

以上のように、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法によれば、高温短時間の焼戻処理が実施される。そのため、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法によれば、焼戻処理が数時間実施される従来の軸受部品の製造方法と比べて、焼戻処理における保持時間が従来の軸受部品の製造方法と比べて短い。その結果、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法によれば、従来の軸受部品の製造方法と比べて、製造コストが低減されている。

上記軸受部品の製造方法において、焼入処理を行う工程（Ｓ２０）では、対象材の炭化物面積率が８％以上１２％以下となるように、焼入処理が実施されるのが好ましい。

このようにすれば、長時間焼入処理および焼戻処理が実施される従来の軸受部品の製造方法と比べて、高温下で長時間使用された場合にも寸法変化率の小さい軸受部品を得ることが出来る（詳細は後述する）。

軸受部品の寸法変化率は、焼入処理により対象材の母地に固溶した炭素の濃度（炭素固溶量）の影響を受ける。ただし、炭素固溶量を直接測定することは困難である。一方、対象材中の炭化物の面積率は、対象材中の炭素の固溶状態を反映する。そのため、対象材中の炭化物の面積率は、対象材中の炭素の固溶状態を精度よく予測するために用いることができる。なお、対象材の炭化物面積率は、例えば熱処理が実施された対象材を切断し、断面における炭化物の面積率を電子顕微鏡で計測することにより、測定される。

上記軸受部品の製造方法において、焼入硬化工程の前に、焼ならし工程が実施されてもよい。焼きならし工程では、工程（Ｓ１０）において作製された成形体がＡ_１変態点以上の温度に加熱された後、Ａ_１変態点未満の温度に冷却されることにより焼ならし処理が実施される。このとき、焼ならし処理の冷却時における冷却速度は、成形体を構成する鋼がマルテンサイトに変態しない冷却速度、すなわち臨界冷却速度未満の冷却速度であればよい。そして、焼ならし処理後の成形体の硬度は、この冷却速度が大きくなると高く、冷却速度が小さくなると低くなる。そのため、当該冷却速度を調整することにより、所望の硬度を成形体に付与することができる。

また、本実施の形態において、軸家部品は転がり軸受の内輪に限られるものでは無い。転がり軸受の外輪、または転動体であってもよいし、深溝玉軸受やスラストニードルころ軸受の内輪、外輪、または転動体であってもよい。

次に、本実施の形態に係る実施例について説明する。本実施例では、上記数２の式から上記数１の式を実験的に導出した手法について説明する。

まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる試験片を準備した。表１に、試験片の成分組成を示す。

上記試験片に対し、焼入処理を行った。焼入処理の温度Ｔ₁は９００℃以上９５０℃以下、保持時間ｔ₁は３秒以上６０秒以下、温度Ｔ₂は１００℃とした。

次に、焼入処理が施された試験片に対し、焼戻処理を行った。焼戻処理は、表２に示される１４通りの条件とした。これにより、試料１〜１４を作製した。

試料１〜１４に対し、ビッカース硬度計を用いてビッカース硬度を測定した。試料１〜１４について測定されたビッカース硬度を、表２の実測硬度の欄に示す。上記数２の式において、試料１〜１４についての焼戻処理の焼戻温度Ｔ₃，保持時間Ｔ₂、および上記実測硬度を代入し、定数ａ，ｂ，ｃを算出した。算出された定数ａ，ｂ，ｃの値の分布から、数２の式に定数ａ，ｂ，ｃの値を代入して求めた硬度（推定硬度）と実測硬度との差の合計が最小となるような値として、定数ａが−１９．６、定数ｂが２．２１×１０⁵、定数ｃが３４７であることが確認された。

本実施の形態に係る軸受部品の製造方法と同等の方法により得られた試料に対し、軸受部品に要求される特性について評価した。

まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる試験片を準備した。試験片の成分組成は、上記表１に示した通りである。試験片の形状は環状とした。試験片の寸法は、外径が６０ｍｍ、内径が５４ｍｍ、軸方向における幅が１５ｍｍとした。

上記試験片に対し、焼入処理よび焼戻処理を行うことにより、実施例に係る試料１５〜２７を作成した。表３に、試料１５〜２７に対する焼入処理および焼戻処理の条件を示す。

（試料１５〜２６）
上記試験片に対し、焼入処理後の炭化物面積率が８％または１２％となるように、焼入処理を施した。

試料１５〜１７は、焼入処理後の上記試験片の炭化物面積率が８％となるように、温度Ｔ₁が９００℃かつ保持時間ｔ₁が５８秒の条件で焼入処理されたものである。試料２１〜２３は、焼入処理後の上記試験片の炭化物面積率が８％となるように、温度Ｔ₁が９５０℃かつ保持時間ｔ₁が１５秒の条件で焼入処理されたものである。

試料１８〜試料２０は、焼入処理後の上記試験片の炭化物面積率が１２％となるように、温度Ｔ₁が９００℃かつ保持時間ｔ₁が１１秒の条件で焼入処理されたものである。試料２４〜２６は、焼入処理後の上記試験片の炭化物面積率が１２％となるように、温度Ｔ₁が９５０℃かつ保持時間ｔ₁が３秒の条件で焼入処理されたものである。

試料１５〜２６は、上記のように焼入処理された試験片が焼戻処理後の硬度が６０ＨＲＣまたは６２ＨＲＣとなるように焼戻処理されたものである。

試料１５，１８，２１，２４は、焼戻処理後の硬度が６２ＨＲＣとなるように、焼戻温度Ｔ₃が１８０℃、時間ｔ₂が７２００秒の条件で焼戻処理されたものである。試料１６，１９，２２，２５は、焼戻処理後の硬度が６２ＨＲＣとなるように、焼戻温度Ｔ₃が２４０℃、時間ｔ₂が４３秒の条件で焼戻処理されたものである。

試料１７，２０，２３，２６は、焼戻処理後の硬度が６０ＨＲＣとなるように、焼戻温度Ｔ₃が３１０℃、時間ｔ₂が３７秒の条件で焼戻処理されたものである。

（試料２７）
比較例としての試料２７は、焼入処理後の上記試験片の炭化物面積率が８％となるように焼入処理された後、焼戻処理後の硬度が６２ＨＲＣとなるように、焼戻し処理されたものである。焼入温度は８５０℃、保持時間は３０分とした。焼戻温度は１８０℃、保持時間は７２００秒とした。

＜寸法変化率＞
試料１５〜２７の寸法変化率を以下のように評価した。試料１５〜２７を２３０℃に加熱して２時間保持し、各試料について加熱前後での寸法変化率を算出した。表４に、同一の焼入処理条件で作製された試料１５〜１７、試料１８〜２０、試料２１〜２３、試料２４〜２６の寸法変化率の平均値を示す。

表４に示されるように、試料１５〜２６の寸法変化率は、５０×１０^-5％未満であり、試料２７の寸法変化率よりも小さいことが確認された。

＜静的圧壊強度＞
試料１５〜２７の静的圧壊強度を引張試験機（（株）島津製作所製の「オートグラフ」）を用いて評価した。試料１５〜２７に対して荷重を負荷するクロスヘッドの速度は、１ｍｍ／分とした。試料が破断したときの荷重を応力に換算したものを、静的圧壊強度とした。各試料に対し本評価を３回行った。図３は、３回の評価により算出された静的圧壊強度の平均値を示す。なお図３におけるバーは、３回の評価により算出された静的圧壊強度の標準偏差を示している。

試料１５〜２６の静的圧壊強度と試料２７の静的圧壊強度とについて、有意水準１％で有意差検定を行った。その結果、試料１５〜２６の静的圧壊強度は、試料２７の静的圧壊強度と同等以上であることが確認された。

＜せん断疲労強度＞
試料１５〜２７のせん断疲労強度を超音波ねじり疲労試験機（自社製（非特許文献２（坂中則暁ほか、「転がり軸受用鋼の超長寿命域までのせん断疲労特性の迅速評価」ＮＴＮ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ,７９（２０１１）１０４．）において記載されている．））を用いて評価した。負荷周波数は２０ｋＨｚとした。負荷と休止とを交互に繰り返す間欠負荷法を用いた。負荷回数は最大１０¹⁰回とした。負荷回数が１０¹⁰回に達しても破損しない場合、評価は打ち切りとした。このようにして試料１５〜２７について負荷回数と応力振幅との関係を求めた。得られた値を日本材料学会の金属材料疲労信頼性標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の疲労限度型折れ線モデルにあてはめＳ−Ｎ線図を作成した。

図４は、上記関係から導かれた、負荷回数が３×１０⁹回であるときに試料１５〜２７が破損されるために必要とされる応力振幅を示す。なお図４におけるバーは、上記モデルから算出された応力振幅の標準偏差を示している。３×１０⁹回という負荷回数は、最大接触面圧Ｐｍａｘを２．５ＧＰａとして寿命試験を行った場合に、疲労破壊が生じ得る負荷回数である。負荷回数が３×１０⁹回であるときに試料１５〜２７が破損されるために必要とされる応力振幅の上限値を試料１５〜２７のせん断疲労強度とする。せん断疲労強度の標準偏差が応力によらず一定であるとし、試料１５〜２６のせん断疲労強度と試料２７のせん断疲労強度とについて、有意水準５％で有意差検定を行った。その結果、試料１５〜２６のせん断疲労強度は、試料２７のせん断疲労強度と同等であることが確認された。

今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。

Claims (3)

1. 軸受部品の製造方法であって、
   高炭素クロム軸受鋼からなり、かつ軸受部品となるべき対象材を準備する工程と、
   前記対象材に対して焼入処理を行う工程と、
   前記焼入処理を行う工程の後に、前記対象材を加熱することにより前記対象材に対して焼戻処理を行う工程とを備え、
   前記焼入処理を行う工程では、前記対象材の硬度が６４ＨＲＣ以上６６ＨＲＣ以下となるように前記焼入処理が行われ、
   前記焼戻処理を行う工程における焼戻温度Ｔ（単位：Ｋ）および保持時間ｔ（単位：秒）が以下の数１の式を満たす、軸受部品の製造方法。
   

   
2. 前記焼入処理を行う工程では、前記対象材の炭化物面積率が８％以上１２％以下となるように前記焼入処理が行われる、請求項１に記載の軸受部品の製造方法。
3. 前記焼戻処理を行う工程では、前記対象材を加熱することにより前記対象材に対して前記焼戻処理が行われる、請求項１または２に記載の軸受部品の製造方法。

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