JP2021110341A - 転がり軸受の軌道輪 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道面における転動疲労特性を改善しつつ、反軌道面における耐クリープ性を改善することができる転がり軸受の軌道輪を提供する。【解決手段】焼入れが行われた鋼製であり、内周面及び外周面を備えている。内周面及び外周面の一方は、軌道面を有している。内周面及び前記外周面の他方は、反軌道面になっている。反軌道面における鋼中の残留オーステナイト量は、軌道面における鋼中の残留オーステナイト量よりも少ない。軌道面における鋼中の残留オーステナイト量と反軌道面における鋼中の残留オーステナイト量との差は、３体積パーセント以上である。軌道面における圧縮残留応力の最小値は、１００ＭＰａ以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受の軌道輪に関する。

例えば、特許文献１（特開２０１７−１８７１０４号公報）には、転がり軸受の内輪が記載されている。特許文献１の内輪は、焼入れの行われた鋼製である。特許文献１に記載の内輪は、内輪の内部にある内層部と、内部層の周囲全体を取り囲んでいる表層部とを有している。表層部は、軌道面を含む外周面側のみならず、内周面側（反軌道面側）にも存在している。表層部における鋼中の残留オーステナイト量は、内層部における鋼中の残留オーステナイト量よりも多い。

特開２０１７−１８７１０４号公報

上記のとおり、特許文献１に記載の内輪では、表層部が外周面側のみならず内周面側にも存在しているため、経時変化により、内径が拡大して軸との嵌め合いが緩まり、クリープが生じるおそれがある。また、特許文献１に記載の内輪では、軌道面における圧縮残留応力の最小値が低く、軌道面における転動疲労特性に改善の余地がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、軌道面における転動疲労特性を改善しつつ、反軌道面における耐クリープ性を改善することができる転がり軸受の軌道輪を提供するものである。

本発明の転がり軸受の軌道輪は、焼入れが行われた鋼製であり、内周面及び外周面を有する表面を備えている。内周面及び外周面の一方は、軌道面を含んでいる。内周面及び前記外周面の他方は、反軌道面になっている。反軌道面における鋼中の残留オーステナイト量は、軌道面における鋼中の残留オーステナイト量よりも少ない。軌道面における鋼中の残留オーステナイト量と反軌道面における鋼中の残留オーステナイト量との差は、３体積パーセント以上である。軌道面における圧縮残留応力の最小値は、１００ＭＰａ以上である。

上記の転がり軸受の軌道輪では、鋼中における残留オーステナイト量の平均値が、１０体積パーセント以下であってもよい。

上記の転がり軸受の軌道輪では、表面に浸窒層が形成されていてもよい。鋼中における残留オーステナイト量の平均値が、２０パーセント以下であってもよい。

上記の転がり軸受の軌道輪では、軌道面における鋼の硬さ及び反軌道面における鋼の硬さが、７００Ｈｖ以上であってもよい。

上記の転がり軸受の軌道輪では、反軌道面における鋼中の残留オーステナイト量が、５体積パーセント以下であってもよい。

上記の転がり軸受の軌道輪では、鋼が、ＪＩＳ規格に定められた高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２であってもよい。

本発明の転がり軸受の軌道輪によると、軌道面における転動疲労特性を改善しつつ、反軌道面における耐クリープ性を改善することができる。

内輪１０の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 変形例に係る内輪１０の断面図である。 内輪１０の製造方法を示す工程図である。 焼き戻し工程Ｓ３を説明するための平面模式図である。 焼き戻し工程Ｓ３を説明するための断面模式図である。 加熱コイル３０による加熱時間と内周面２０ｃ及び外周面２０ｄにおける温度との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 内周面２０ｃの加熱温度を変化させた際の外周面２０ｄの加熱温度のシミュレーション結果を示すグラフである。

実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

（実施形態に係る転がり軸受の軌道輪の構成）
以下に、実施形態に係る転がり軸受の軌道輪の構成を説明する。

実施形態に係る転がり軸受の軌道輪は、例えば、深溝玉軸受の内輪（以下においては、「内輪１０」とする）である。但し、実施形態に係る転がり軸受の軌道輪は、これに限られるものではない。実施形態に係る転がり軸受の軌道輪は、深溝玉軸受の外輪であってもよく、深溝玉軸受以外の転がり軸受の軌道輪であってもよい。

内輪１０は、焼入れが行われた鋼製である。すなわち、この鋼は、マルテンサイト結晶粒と、残留オーステナイト結晶粒とを含んでいる。この鋼は、マルテンサイト結晶粒及び残留オーステナイト結晶粒以外（例えば、フェライト結晶粒や炭化物粒）を含んでいてもよい。この鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められた高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２である。

図１は、内輪１０の平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。図１及び図２に示されるように、内輪１０は、環状の形状を有している。内輪１０は、中心軸Ａを有している。

内輪１０は、第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。第１端面１０ａ、第２端面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄを合わせて、内輪１０の表面ということがある。

第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂは、中心軸Ａに沿う方向（以下においては、「軸方向」という）における端面を構成している。第２端面１０ｂは、軸方向における第１端面１０ａの反対面である。

内周面１０ｃは、中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向（以下においては、「周方向」という）に延在している。内周面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内周面１０ｃは、第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂに連なっている。内輪１０は、内周面１０ｃにおいて軸（図示せず）に嵌め合わされる。

外周面１０ｄは、周方向に延在している。外周面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。すなわち、外周面１０ｄは、中心軸Ａに直交し、かつ中心軸Ａを通る方向（以下において、「径方向」という）における内周面１０ｃの反対面である。

外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａを有している。外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａにおいて、内周面１０ｃ側に窪んでいる。軌道面１０ｄａは、中心軸Ａを通る断面視において円弧形状を有している。軌道面１０ｄａは、転動体（図示せず）に接触する面である。反軌道面とは、径方向において軌道面１０ｄａの反対側にある面である。内輪１０においては、内周面１０ｃが反軌道面になっている。

反軌道面である内周面１０ｃにおける残留オーステナイト量は、軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイト量よりも少ない。内輪１０を構成している鋼中の残留オーステナイト量の平均値は、１０体積パーセント以下になっていることが好ましい。「内輪１０を構成している鋼中の残留オーステナイト量の平均値」とは、内輪１０の径方向に沿って軌道面１０ｄａと内周面１０ｃとの間に等間隔で配置された複数点の測定により得られた残留オーステナイト量の分布曲線を周方向に沿って積分するとともに、それを周方向に平行な軌道輪（内輪１０）の断面積で除した値である。

内周面１０ｃにおける残留オーステナイト量と軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイト量との差は、３体積パーセント以上であることが好ましい。内周面１０ｃにおける残留オーステナイト量は、５体積パーセント以下であることが好ましい。

なお、内輪１０を構成している鋼中における残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、残留オーステナイト量は、Ｘ線を照射することにより得られた各相の回折ピークの強度を比較することにより得られる。

軌道面１０ｄａにおける圧縮残留応力の最小値は、１００ＭＰａ以上である。軌道面１０ｄａからの距離が０．２ｍｍ以下となる領域において、圧縮残留応力が１００ＭＰａ以下となっていることが好ましい。軌道面１０ｄａにおける残留応力は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、軌道面１０ｄａにＸ線を照射した際の回折ピーク角の変化に基づいて、軌道面１０ｄａにおける残留応力が測定される。

軌道面１０ｄａにおける硬さは、内周面１０ｃにおける硬さよりも高い。軌道面１０ｄａにおける硬さ及び内周面１０ｃにおける硬さは、７００Ｈｖ以上となっていることが好ましい。なお、軌道面１０ｄａにおける硬さ及び内周面１０ｃにおける硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９）に定められたビッカース硬さ試験法にしたがって測定される。

＜変形例＞
図３は、変形例に係る内輪１０の断面図である。図３に示されるように、内輪１０の表面には、浸窒層１０ｅが形成されていてもよい。浸窒層１０ｅに位置する鋼中の窒素濃度は、浸窒層１０ｅ以外に位置する鋼中の窒素濃度よりも高くなっている。なお、鋼中の窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）により測定される。

なお、内輪１０の表面に浸窒層１０ｅが形成されている場合、内輪１０を構成している鋼中の残留オーステナイト量の平均値は、２０体積パーセント以下になっていることが好ましい。

（実施形態に係る転がり軸受の軌道輪の製造方法）
以下に、内輪１０の製造方法を説明する。

図４は、内輪１０の製造方法を示す工程図である。図４に示されるように、内輪１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、焼入れ工程Ｓ２と、焼き戻し工程Ｓ３と、後処理工程Ｓ４とを有している。準備工程Ｓ１においては、焼入れ工程Ｓ２、焼き戻し工程Ｓ３及び後処理工程Ｓ４を経ることにより内輪１０となる環状の加工対象部材２０が準備される。

なお、内輪１０の表面に浸窒層１０ｅが形成される場合、焼入れ工程Ｓ２に先立って、加工対象部材２０の表面に対して浸窒処理が行われる。浸窒処理は、例えば、窒素を含む雰囲気ガス（例えば、アンモニア（ＮＨ_３）ガス）中において加工対象部材２０を所定温度で所定時間保持することにより行われる。

焼入れ工程Ｓ２においては、加工対象部材２０に対する焼入れが行われる。焼入れ工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と冷却工程Ｓ２２とを有している。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材２０がＡ_１点以上の温度に加熱され、所定時間保持される。Ａ_１点は、鋼中のフェライトがオーステナイトへの変態を開始する温度である。加熱工程Ｓ２１が行われることにより、加工対象部材２０を構成している鋼中にオーステナイト結晶粒が生じる。

冷却工程Ｓ２２は、加熱工程Ｓ２１の後に行われる。冷却工程Ｓ２２においては、加工対象部材２０がＭｓ点以下の温度に冷却される。Ｍｓ点は、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が開始される温度である。そのため、冷却工程Ｓ２２により、加工対象部材２０を構成している鋼中のオーステナイト結晶粒の一部が、マルテンサイト結晶粒になる。

冷却工程Ｓ２２においては、Ｍｓ点を下回り、Ｍｆ点以下又はその近傍の温度まで冷却される。Ｍｆ点は、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が終了する温度である。すなわち、冷却工程Ｓ２２においては、いわゆるサブゼロ処理（深冷処理）が行われる。これにより、加工対象部材２０を肯定している鋼中の残留オーステナイト量が、相当程度減少する。

焼き戻し工程Ｓ３は、焼入れ工程Ｓ２の後に行われる。焼き戻し工程Ｓ３においては、加工対象部材２０の焼き戻しが行われる。

図５は、焼き戻し工程Ｓ３を説明するための平面模式図である。図６は、焼き戻し工程Ｓ３を説明するための断面模式図である。図５及び図６に示されるように、焼き戻し工程Ｓ３における加熱は、例えば、誘導加熱により行われる。

より具体的には、加熱コイル３０を加工対象部材２０の内周面２０ｃに沿って周方向に回転させて内周面２０ｃを誘導加熱することにより行われる。加熱コイル３０により内周面２０ｃの加熱が行われている際、加工対象部材２０の外周面２０ｄは、噴射部３１から噴射される水等の冷却液により冷却されている。

図７は、加熱コイル３０による加熱時間と内周面２０ｃ及び外周面２０ｄにおける温度との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図７中において、横軸は、加熱コイル３０による加熱時間（単位：秒）であり、縦軸は、内周面２０ｃ及び外周面２０ｄにおける温度（単位：℃）である。図７のシミュレーションは、内周面２０ｃの加熱温度が４２０℃、外周面２０ｄを水冷、内周面２０ｃと外周面２０ｄとの間の距離が３ｍｍとの条件の下で行われた。図７に示されるように、焼き戻し工程Ｓ３においては、外周面２０ｄの加熱温度は、内周面２０ｃの加熱温度よりも低くなる。

図８は、内周面２０ｃの加熱温度を変化させた際の外周面２０ｄの加熱温度のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図８中において、横軸は、内周面２０ｃの加熱温度（単位：℃）、縦軸は、外周面２０ｄの加熱温度（単位：℃）である。図８のシミュレーションは、内周面２０ｃの加熱温度を変化させたことを除き、図７のシミュレーションと同様の条件で行われた。図８に示されるように、外周面２０ｄの加熱温度は、内周面２０ｃの加熱温度の一次式となる。内周面２０ｃの加熱温度をｘ、外周面２０ｄの加熱温度をｙとすると、ｙ＝ａ×ｘ＋ｂ（ａは１未満の正の数、ｂは正の数）となる（以下において、この式を「式１」という）。

例えば、特開平１０−１０２１３７号公報に記載されているように、焼き戻し工程Ｓ３が行われた後における加工対象部材２０を構成する鋼中の残留オーステナイトの体積比率（Ｍ_１）は、焼き戻し工程Ｓ３が行われる前における加工対象部材２０を構成する鋼中の残留オーステナイトの体積比率（Ｍ_０）、加熱温度（Ｔ）及び加熱時間（ｔ）を用いて、Ｍ_１＝Ｍ_０×｛Ａ×ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）×ｔ^ｎ｝（Ａ、Ｑ及びｎは定数、Ｒはガス定数）となる（以下において、この式を「式２」という）。

そのため、加熱コイル３０による内周面２０ｃの加熱温度及び加熱時間を適宜調整することにより、外周面２０ｄの加熱温度を適宜調整することができ、それに伴い、内周面２０ｃにおける残留オーステナイトの体積比率及び外周面２０ｄにおける残留オーステナイトの体積比率を適宜調整することができる。

例えば参考文献（井上毅，「新しい焼き戻しパラメータとその連続昇温曲線に沿った焼き戻し積算法への応用」，鉄と鋼，６６，１０（１９８０），１５３３）に記載されているように、焼き戻し工程Ｓ３が行われた後における加工対象部材２０を構成する鋼の硬さ（Ｈｖ）は、加熱時間（ｔ）及び加熱温度（Ｔ）を用いて、Ｈｖ＝ｃ×ｌｏｇｔ＋ｄ／Ｔ＋ｅ（ｃ、ｄ及びｅは定数）となる。そのため、加熱コイル３０による内周面２０ｃの加熱温度及び加熱時間を適宜調整することにより、内周面２０ｃにおける硬さを適宜調整することができる。

後処理工程Ｓ４においては、加工対象部材２０に対する後処理が行われる。この後処理には、加工対象部材２０に対する研削加工、加工対象部材２０に対する洗浄等が含まれている。以上により、内輪１０の製造工程が完了する。

（実施形態に係る転がり軸受の効果）
以下に、内輪１０の効果を説明する。

内輪１０においては、反軌道面（内周面１０ｃ）における残留オーステナイト量が軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイト量よりも少ないため、時間経過に伴って残留オーステナイトがマルテンサイトに変態することによる内周面１０ｃの寸法変化が小さい。そのため、内輪１０においては、軸との嵌め合いが緩みにくく、反軌道面における耐クリープ性を改善することができる。

内輪１０においては、内周面１０ｃにおける残留オーステナイト量が軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイト量よりも少ない（別の観点から言えば、内周面１０ｃにおける残留オーステナイトの減少量が、軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイトの減少量よりも多い）ため、焼き戻し工程Ｓ３の終了後における内周面１０ｃ側の収縮は、軌道面１０ｄａ側よりも大きい。

この収縮量の違いに起因し、軌道面１０ｄａには圧縮残留応力が作用する。内輪１０においては、内周面１０ｃにおける残留オーステナイト量と軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイト量との差が３体積パーセント以上になっているため、軌道面１０ｄａには、大きな圧縮残留応力（具体的には、最小値が１００ＭＰａ以上）が作用する。そのため、内輪１０によると、軌道面１０ｄａにおける転動疲労特性を改善することができる。

内輪１０を構成している鋼中の残留オーステナイト量の平均値が１０体積パーセント以下になっている（浸窒層１０ｅが形成されているときは、２０体積パーセント以下になっている）場合には、時間経過に伴う残留オーステナイトのマルテンサイトへの変態が生じにくく、耐クリープ性をさらに改善することができる。

なお、冷却工程Ｓ２２においてサブゼロ処理を行うことにより、内輪１０を構成している鋼中の残留オーステナイト量の平均値が１０体積パーセント以下（浸窒層１０ｅが形成されているときは、２０体積パーセント以下）とすることができる。焼き戻し工程Ｓ３の前に鋼中の残留オーステナイト量の平均値を減少させておけば、焼き戻し工程Ｓ３に要する時間を短縮することができ、また焼き戻し工程Ｓ３での内周面１０ｃの加熱温度を低下させることができる。その結果、軌道面１０ｄａのみならず、内周面１０ｃにおいても硬さを維持することができる。

＜実験例＞
実験に供するサンプルとして、サンプル１〜サンプル４を準備した。サンプル１〜サンプル４は、ＪＩＳ規格に定められたＳＵＪ２により形成された環状の部材である。サンプル１及びサンプル２に対しては、表面に浸窒処理が行われていない。サンプル３及びサンプル４に対しては、表面に浸窒処理が行われている。サンプル１及びサンプル３に対しては、冷却工程Ｓ２２においてサブゼロ処理が行われておらず、サンプル２及びサンプル４に対しては冷却工程Ｓ２２においてサブゼロ処理が行われている。サンプル１〜サンプル４に対しては、焼き戻し工程Ｓ３が行われている。

表１に示されるように、サンプル１の軌道面における残留オーステナイト量は、１１体積パーセントであった。他方、サンプル２の軌道面における残留オーステナイト量は、７体積パーセントであった。また、サンプル３の軌道面における残留オーステナイト量は３１体積パーセントであった一方で、サンプル４の軌道面における残留オーステナイト量は１６体積パーセントであった。

焼き戻し工程Ｓ３により加工対象部材２０を構成している鋼中の残留オーステナイト量は軌道面から反軌道面に向かい減少するため、冷却工程Ｓ２２においてサブゼロ処理を行うことにより、内輪１０を構成している鋼中の残留オーステナイト量の平均値を、１０体積パーセント以下（浸窒層１０ｅが形成されている場合、２０体積パーセント以下）にすることができる。

サンプル２に対して、焼き戻し工程Ｓ３を行った。この際、サンプル２の内周面側における加熱温度は３００℃とされ、サンプル２の外周面側は水冷された。加熱時間は、式１及び式２に基づいて、外周面における残留オーステナイト量と内周面における残留オーステナイトとの差が３体積パーセントとなるように設定された。

表２に示されるように、焼き戻し工程Ｓ３が行われる前のサンプル２においては、外周面に残留引張応力が作用していたが、焼き戻し工程Ｓ３が行われた後のサンプル２においては、外周面からの距離が０．２ｍｍまでの位置に１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が生じていた。このことから、内周面１０ｃにおける残留オーステナイト量と軌道面１０ｄａにおける残留オーステナイト量との差が３体積パーセント以上になっていることにより軌道面１０ｄａに１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が発生することが、実験的にも明らかにされた。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、転がり軸受の軌道輪に特に有利に適用される。

１０ 内輪、１０ａ 第１端面、１０ｂ 第２端面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１０ｄａ 軌道面、１０ｅ 浸窒層、２０ 加工対象部材、２０ｃ 内周面、２０ｄ 外周面、３０ 加熱コイル、３１ 噴射部、Ａ 中心軸、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 焼入れ工程、Ｓ３ 焼き戻し工程、Ｓ４ 後処理工程、Ｓ２１ 加熱工程、Ｓ２２ 冷却工程。

Claims (6)

1. 転がり軸受の軌道輪であって、
   前記軌道輪は、焼入れが行われた鋼製であり、内周面及び外周面を有する表面を備え、
   前記内周面及び前記外周面の一方は、軌道面を含み、
   前記内周面及び前記外周面の他方は、反軌道面になっており、
   前記反軌道面における前記鋼中の残留オーステナイト量は、前記軌道面における前記鋼中の残留オーステナイト量よりも少なく、
   前記軌道面における前記鋼中の残留オーステナイト量と前記反軌道面における前記鋼中の残留オーステナイト量との差は、３体積パーセント以上であり、
   前記軌道面における圧縮残留応力の最小値は、１００ＭＰａ以上である、転がり軸受の軌道輪。
2. 前記鋼中における残留オーステナイト量の平均値は、１０体積パーセント以下である、請求項１に記載の転がり軸受の軌道輪。
3. 前記表面には、浸窒層が形成されており、
   前記鋼中における残留オーステナイト量の平均値は、２０パーセント以下である、請求項１に記載の転がり軸受の軌道輪。
4. 前記軌道面における前記鋼の硬さ及び前記反軌道面における前記鋼の硬さは、７００Ｈｖ以上である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪。
5. 前記反軌道面における前記鋼中の残留オーステナイト量は、５体積パーセント以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪。
6. 前記鋼は、ＪＩＳ規格に定められた高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪。

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