JP4026514B2

JP4026514B2 - 転がり軸受部材及び転がり軸受部材の製造方法

Info

Publication number: JP4026514B2
Application number: JP2003053962A
Authority: JP
Inventors: 一寿戸田; 久原田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP2004263768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道輪又は転動体といった転がり軸受部材、及び転がり軸受部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受の材料には非金属介在物が含まれており、非金属介在物にせん断応力が集中することで、この非金属介在物を起点として亀裂（内部起点剥離）が発生し、転がり軸受の破損を招くことが知られている。
このため、従来は、転がり軸受の長寿命化を図るために、非金属介在物の径を小さくした清浄度の高い材料を用いることが行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２０７３号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６８２５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来のように高清浄度鋼を用いて内部起点剥離の発生を防止するのではなく、大きな非金属介在物が含まれる低清浄度鋼を用いた場合であっても、非金属介在物を原因とする内部起点剥離の発生を抑制することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る転がり軸受部材は、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含んだ低清浄度鋼を材料とする。したがって、材料として高清浄度鋼を用いる必要がなくコストを低減できる。そして、本発明は、転がり軸受部材の転動面の表層部に存在する非金属介在物が、粉砕されて小径化されていることを特徴とする。低清浄度鋼鉄を材料としても、せん断応力が作用する転動面表層部における非金属介在物が小径化しているため、材料自体の清浄度が高いものと同様に内部起点剥離の発生が抑制される。
【０００６】
また、前記低清浄度鋼は、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含んだものであり、ボールを強圧で押し付けて転がり接触させる前記転動面に施されたローラバニシング加工により、前記転動面の表層部に存在する非金属介在物の粒径の最大径が３０μｍ未満となるように粉砕されている。また、前記転動面から、部材の転動に起因して部材内に生ずるせん断応力が最大となる深さ（最大せん断応力深さ）までの表層部に存在する非金属介在物を粉砕するとさらに好ましい。この場合、内部起点剥離の発生が一層確実に抑制される。
【０００７】
さらに、前記転動面に施されたローラバニシング加工により前記最大せん断応力が作用する深さの硬さがＨｖ８００以上とされているのが好ましく、ローラバニシング加工によって転動面に残留圧縮応力が生じるとともに、その表面粗さが向上して疲労強度が高まるため、内部起点剥離の発生が抑制されていることと相まって、転がり軸受部材の長寿命化を図ることができる。
【０００８】
また、前記転動面に施されたローラバニシング加工により前記最大せん断応力が作用する深さの残留圧縮応力が８００Ｍｐａ以上とされているのが好ましく、この場合には、転動面の疲労強度がより効果的に高められている。
【０００９】
また、製造方法に係る本発明は、低清浄度鋼を材料としながらも非金属介在物による内部起点剥離が抑制された転がり軸受部材を製造する方法であって、
前記低清浄度鋼は、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含むものであり、
転がり軸受部材の転動面にボールを強圧で押し付けて転がり接触させてローラバニシング加工を施して、当該転動面表層部の非金属介在物の粒径の最大径が３０μｍ未満となるように粉砕することを特徴とする。ローラバニシング加工によって、せん断応力が作用する転動面表層部における大きな径の非金属介在物が粉砕されるため、低清浄度鋼を材料としても、材料自体の清浄度が高いものと同様に内部起点剥離の発生が抑制される。
なお、前記特許文献２には、転がり軸受に単にローラ加工を施すことが記載されているが、特許文献２に記載には、ローラ加工の対象を低清浄度鋼とし、当該低清浄度鋼の大きな非金属介在物を粉砕して内部起点剥離を抑制するという技術思想についての記載は存在しない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る転がり軸受部材（軌道輪）の製造方法を示す工程図である。この製造方法は、深溝玉軸受の軌道輪としての内輪１の製造に適用されるものであり、まず、Ｓ４５Ｃ・Ｓ５５Ｃ等の機械構造用炭素鋼、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼、又はＳＡＥ５１２０・ＳＣ４２０等の合金鋼であって、酸化物系介在物や硫化物系介在物等の非金属介在物の粒径の最大値が３０μｍ程度である低清浄度鋼からなる環状素材Ａ（図１(a)参照）に切削加工を施して、端面１ａ、外周１ｂ、軌道部及び内周１ｄ等を所定形状に加工する（図１(b)参照）。次に、この旋削加工されたブランクＢをいわゆるズブ焼入あるいは浸炭焼入によって熱処理して、ＨＲＣ５５程度の硬さに硬化させる（図１(c)参照）。その後、熱処理が完了したブランクＢの端面１ａ、軌道部１ｃ及び内周１ｄを、研削によって所定精度に仕上げる（図１(d)参照）。
【００１１】
研削後に軌道部１ｃ（転動面）の仕上加工として、当該軌道部１ｃの表面にローラバニシングを施す（図１(e)参照）。このローラバニシング加工は、油圧で保持されたセラミックス製の鏡面ボールＣを、軌道部１ｃの表面に強圧で押し付けて転がり接触させながら、軌道部１ｃの軸方向断面に沿って移動させるものである。このローラバニシング加工においては、軌道部１ｃの表面から少なくとも０．２ｍｍの深さの硬さをＨｖ８００以上に加工硬化させるとともに、軌道部１ｃの表面から少なくとも０．１５ｍｍの深さの残留圧縮応力が８００ＭＰａ以上、より好ましくは、表面から少なくとも０．２ｍｍの深さにおいても残留圧縮応力が８００ＭＰａ以上となるように、そのバニシング量や加圧力等の加工条件を選択する。
【００１２】
ローラバニシング加工による加圧力は、軌道部１ｃの表面からある程度の深さまでの表層部における非金属介在物に作用し、当該表層部における非金属介在物が粉砕される。図２は、非金属介在物が粉砕される様子を示す概念図であり、図２(a)に示すように軌道部１ｃ（転動面）の表層部に存在する非金属介在物２ａが、ローラバニシング加工後には図２(b)に示すように粉砕されて小径化した非金属介在物２ｂとなっている。
【００１３】
ローラバニシング加工では、軌道部１ｃの表面から比較的深い位置までローラバニッシング加工による力が作用するため、表層部の比較的深い位置の非金属介在物まで粉砕することができ、少なくとも最大せん断応力深さ（最大せん断応力が作用する深さであり、例えば、表面から０．１５ｍｍ程度の深さ、さらに好ましくは表面から０．２ｍｍ程度の深さ）にまで存在する非金属介在物が粉砕されている。
軸受における内部起点剥離は、最大せん断応力深さよりも浅い位置に存在する非金属介在物を起点として生じるため、軌道部１ｃ表面から最大せん断応力深さまでに大きな非金属介在物が存在すると、内部起点剥離が発生し易くなるが、少なくとも最大せん断応力深さまでの非金属介在物が粉砕されて小径化しているため、安価な低清浄度鋼を材料としていても、内部起点剥離の発生が抑制され軸受寿命に及ぼす影響が小さくなっている。つまり、低コストで軸受の長寿命化を図ることができる。
【００１４】
非金属介在物の最大径が３０μｍ程度である低清浄度鋼を材料としたものの寿命を１とすると、ローラバニシング加工によって軌道部１ｃ表層部の非金属介在物の最大径を２０μｍ程度に粉砕した場合には寿命が１．８程度に延び、同じく非金属介在物の最大径を１０μｍ程度にまで粉砕した場合には寿命が２．７程度に延びる。
【００１５】
図３は、前記ローラバニシング加工後における軌道部１ｃの表面からの各深さにおける硬さを測定した結果を示すグラフ図であり、図４は前記軌道部１ｃの表面からの各深さにおける残留圧縮応力を測定した結果を示すグラフ図である。これら各図には、参考のために軌道部１ｃにショットピーニングを施したものの測定結果も併せて記載している。
【００１６】
図３より明らかなように、ローラバニシング加工後の軌道部１ｃは、その表面から少なくとも０．２ｍｍの深さにおいて、Ｈｖ８００以上の硬さが確保されており、ショットピーニング品よりも大幅に硬くなっている。また、図４より明らかなように、前記軌道部１ｃは、その表面から少なくとも０．１５ｍｍの深さにおいて大きな残留圧縮応力が生じており、しかも、最大残留圧縮応力発生深さは、ショットピーニング品に比べて約２倍であり、より深く加工硬化が生じている。このことから、ローラバニシング加工では、ショットピーニング加工に比べてより深い位置まで加圧力が作用していることがわかり、深い位置の非金属介在物を確実に粉砕できる。
【００１７】
なお、前記ローラバニシング加工によって軌道部１ｃの表面粗さを小さくすることができ、例えば、最大高さ粗さ（Ｒｍａｘ）で加工前の１／２以下にできることが確認されている。また、前記の製造方法によって得られた内輪１は、ローラバニシング加工によって軌道部１ｃの表面から少なくとも０．２ｍｍの深さの硬さをＨｖ８００以上に加工硬化させているので、軌道部１ｃの表面の粗さが小さくなる点と相まって、ローラバニシング加工を施していないものと比べて軌道部１の疲労強度を効果的に高めることができる。特に、前記実施の形態においては、軌道部１ｃの表面から少なくとも０．１５ｍｍの深さの残留圧縮応力を８００ＭＰａ以上としているので、軌道部１ｃの疲労強度をより効果的に高めることができる。したがって、内部起点剥離の抑制とも相まって、低清浄度鋼を用いても、前記内輪１を組み込んだ深溝玉軸受の寿命を大幅に延ばすことができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、転がり軸受部材としては、内輪だけでなく、外輪や転動体（玉、ころ等）も含まれるものである。
【００１９】
【発明の効果】
転がり軸受部材に係る本発明によれば、低清浄度鋼鉄を材料としても、せん断応力が作用する転動面表層部における非金属介在物が小径化しているため、材料自体の清浄度が高いものと同様に内部起点剥離の発生が抑制され、長寿命化を図ることができる。
【００２０】
また、低清浄度鋼が、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含んだものであり、転動面の表層部に存在する非金属介在物の粒径の最大径が３０μｍ未満となるように粉砕されている場合には、内部起点剥離の発生が一層確実に抑制される。
【００２１】
また、転動面に施されたローラバニシング加工により最大せん断応力が作用する深さの硬さがＨｖ８００以上とされている場合には、ローラバニシング加工によって転動面に残留圧縮応力が生じるとともに、その表面粗さが向上して疲労強度が高まるため、内部起点剥離の発生が抑制されていることと相まって、転がり軸受部材の一層の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
また、転動面に施されたローラバニシング加工により最大せん断応力が作用する深さの残留圧縮応力が８００Ｍｐａ以上とされている場合には、転動面の疲労強度がより効果的に高められている。
【００２３】
また、製造方法に係る本発明によれば、ローラバニシング加工によって、せん断応力が作用する転動面表層部における大きな径の非金属介在物が粉砕されるため、低清浄度鋼を材料としても、材料自体の清浄度が高いものと同様に内部起点剥離の発生が抑制され、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】転がり軸受部材の製造方法の位置実施形態を示す工程図である。
【図２】非金属介在物が粉砕される様子を示す概念図である。
【図３】軌道部（転動面）の表面からの各深さにおける硬さを測定した結果を示すグラフ図である。
【図４】軌道部（転動面）の表面からの各深さにおける残留圧縮応力を測定した結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１内輪（転がり軸受部材）
１ｃ軌道部（転動面）
２ａ非金属介在物（粉砕前）
２ｂ非金属介在物（粉砕後）

Claims

低清浄度鋼を材料とする転がり軸受部材であって、
前記低清浄度鋼は、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含んだものであり、
当該転がり軸受部材の転動面の表層部に存在する非金属介在物が、前記転動面に施されたボールを強圧で押し付けて転がり接触させるローラバニシング加工により、その粒径の最大径が３０μｍ未満となるように粉砕されて小径化されていることを特徴とする転がり軸受部材。
前記転動面に施されたローラバニシング加工により、最大せん断応力が作用する深さの硬さがＨｖ８００以上とされるとともに、最大せん断応力が作用する深さの残留圧縮応力が８００Ｍｐａ以上とされていることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受部材。
低清浄度鋼を材料としながらも非金属介在物による内部起点剥離が抑制された転がり軸受部材を製造する方法であって、
前記低清浄度鋼は、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含んだものであり、
転がり軸受部材の転動面にボールを強圧で押し付けて転がり接触させてローラバニシング加工を施して、当該転動面表層部の非金属介在物の粒径の最大径が３０μｍ未満となるように粉砕することを特徴とする転がり軸受部材の製造方法。
前記ローラバニシング加工により、最大せん断応力が作用する深さの硬さがＨｖ８００以上とすることを特徴とする請求項３記載の転がり軸受部材の製造方法。
前記ローラバニシング加工により、最大せん断応力が作用する深さの残留圧縮応力が８００Ｍｐａ以上とすることを特徴とする請求項３又は４記載の転がり軸受部材の製造方法。