JP4627981B2

JP4627981B2 - 薄肉軸受軌道輪の製造方法

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Publication number: JP4627981B2
Application number: JP2003414967A
Authority: JP
Inventors: 喜久男前田; 光男笹部
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005169475A

Description

本発明は、薄肉軸受軌道輪の製造方法に関するものであり、特に、スラストニードルころ軸受の軌道輪、薄肉軸受軌道輪のように熱処理時に変形が大きくなり易く、また熱処理後の研磨加工も行なわれない薄肉軸受軌道輪の製造方法に関するものである。

従来、スラストニードル（針状）ころ軸受の軌道輪やシェル型ラジアルニードルころ軸受の軌道輪は、低炭素のＳＰＣＣ（ＪＩＳ：冷間圧延鋼板）材や、ＳＣＭ４１５材（ＪＩＳ：クロムモリブデン鋼鋼材）に短時間の浸炭処理を施し、表層の硬度必要部を硬化したものが用いられてきた。また、ＳＫ５材（ＪＩＳ：炭素工具鋼鋼材）のような中〜高炭素鋼を全体加熱でずぶ焼入れしたものも作られている。これらはいずれも熱処理に浸炭やバッチ加熱炉を用いていた。

一方、一部では高周波加熱での薄肉品の焼入れも行なわれており、これまでに高周波加熱による薄肉品や偏肉部品の焼入れに関しては、下記の特許文献１〜４などの技術がある。しかし、これらはいずれも焼入れ時にエアーやガスで冷却し、冷却速度を制御して歪みを抑えたり、厚肉部と薄肉部との焼入れ速度差をなくし、変形を抑えるものであった。

また、管状部材に関しては拘束を与えながらの焼入れ技術（たとえば特許文献５）もあるが、焼入れは溶液を用いており、金型を拘束と焼入れ媒体との両方に使った技術はなかった。
特開平６−１７９９２０号公報特開平９−３０２４１６号公報特開２００１−２１４２１３号公報特開２００３−５５７１３号公報特開平７−２１６４５６号公報

従来の低炭素のＳＰＣＣ材やＳＣＭ４１５材に短時間の浸炭処理を施し、表層の硬度必要部を硬化したものでは、素材の加工性は優れるが、熱処理に浸炭を用いるため、オフラインでの熱処理になり、浸炭時の粒界酸化や焼入れ時の反り、変形などによって寿命や強度が安定しない問題があった。

また、ＳＫ５材のような中〜高炭素鋼には素材が高硬度で加工しにくいという問題があり、雰囲気炉での全体加熱−焼入れしたものでは、浸炭と同様、冷却むらによる変形が出る。これらのずぶ焼入れ品に対しては、冷却をゆっくりと均一に行なうこと（たとえば不活性ガスを吹付けて冷却する）などが行なわれているが、変形をなくすことは困難で、反りを少なくするには反り直しのための焼戻しが必要であった。

一方、高周波加熱品でも、高周波加熱−水焼入れの工程時の焼入れ媒体に空気や水を使う以上、いかにゆっくりと冷却しても焼入れ時の変形は避けられず、特に水を使う場合は液の劣化や消耗での液交換が必要であった。

金型による焼入れは高周波加熱と連動させることで反りや変形のない焼き入れが可能であるが、型を冷媒として用いるのではなく、油や水で冷却したり、油焼入れをした後に所定の温度で製品を引き上げて型で拘束する技術が一般的である。

それゆえ本発明の目的は、熱処理時（焼入れ時）の反りや変形を抑えることができ、均一で高い硬度を有する薄肉軸受軌道輪の製造方法を提供するものである。

本発明の薄肉軸受軌道輪の製造方法は、炭素を０．４質量％以上含む鋼よりなる薄肉軸受軌道輪を加熱した後、金型でプレスしながらその金型を薄肉軸受軌道輪の冷却媒体として型温度を一定に制御の下、薄肉軸受軌道輪に焼入れおよび恒温変態のいずれかの処理を施すことで、マルテンサイト組織および下部ベイナイト組織の少なくともいずれかを発生させることを特徴とするものである。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、薄肉軸受軌道輪の焼入れは、金型を焼入れ媒体として行なわれる。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、金型は冷却手段を有し、金型により薄肉軸受軌道輪を連続的に焼入れることができる。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、薄肉軸受軌道輪の酸化を防止した雰囲気中で薄肉部品が焼入れられる。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、薄肉軸受軌道輪を焼入れた後、金型を温度制御媒体として薄肉軸受軌道輪に焼戻し処理が施される。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、薄肉軸受軌道輪を焼入れる工程と、焼戻す工程とにおいて金型が用いられる。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、薄肉軸受軌道輪を焼入れる工程において、金型を用いた薄肉軸受軌道輪の成型加工も同時に行なわれる。

上記の薄肉軸受軌道輪の製造方法において好ましくは、薄肉軸受軌道輪の加熱は誘導加熱により行われる。

本願発明者らは、薄肉部品の製造方法において、薄肉部品を金型でプレスしながらその金型を薄肉部品の冷却媒体として薄肉部品に焼入れおよび恒温変態いずれかの処理を施すことにより、変形や反りがなく、均一な硬度分布をもち、靭性に優れた長寿命の軸受軌道輪を製造できることを見出した。

このように本発明の薄肉部品の製造方法によれば、反り・変形を抑えることができるため、薄肉部品を精度よく製作することができる。また、金型を冷却媒体として焼入れおよび恒温変態のいずれかの処理を施すため、衝風や油による焼入れよりも短時間でかつ均一な処理が可能であるとともに、プレス圧力、金型の温度を一定にすることで安定した品質を確保することができる。また、水や油を使わないので、作業環境がクリーンであり、廃液などの環境汚染問題もない。

また、薄肉部品の１個１個に焼入れおよび恒温変態のいずれかの処理を施すため、品質管理が行ないやすい。

焼入れを行なう場合には、代表的な中炭素鋼であるＳ５３Ｃ（ＪＩＳ：機械構造用炭素鋼鋼材）などはもちろんであるが、焼入れ硬化しやすい組成の鋼を用いることで、工程中にゆっくりとした焼入れ硬化を行なっても、上記の品質を得ることができる。

また、恒温変態の場合には、恒温保持することで変態を生じさせるため、薄肉部品の材質はベイナイト組織になり、マルテンサイト組織に比べて焼入れ歪が少なく、焼き戻しを行わなくても靭性があり、経年寸法変化も抑えられる利点がある。また、焼き戻しを行う必要がないため、転がり軸受軌道輪をピースバイピースで熱処理することができる。また、焼き戻しを行う必要がないため、通常の焼入れ・焼き戻しを１回の工程で終了でき、生産工程が省略できる。また、下部ベイナイトを生じさせることにより硬度も高くすることができる。

上記の薄肉部品の製造方法において、薄肉部品の加熱を誘導加熱により行なうことにより、安価な高周波用材料（機械構造用鋼）が適用でき、寿命も安定している。また、誘導加熱により加熱するため、短時間で加熱でき、粒界酸化や脱炭などの表面異常層ができない。また、誘導加熱により加熱するため、焼入れ条件やコイル形状を変えて、部分的に非恒温変態部を作ることができるので、熱処理後に曲げ加工が必要な製品にも適用できる。

上記の薄肉部品の製造方法において、薄肉部品が炭素を０．４質量％以上含む中炭素鋼であることにより、十分な硬度を得ることができる。

上記の薄肉部品を用いることにより、寿命や強度の安定した軸受軌道輪およびそれを用いたスラストニードルころ軸受を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明の一実施の形態における薄肉部品の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず、素材として、所定の組成を有する鋼、たとえば０．４質量％以上の炭素を含む中炭素鋼が準備される。その鋼がたとえば板材の打ち抜きなどの加工を施されて、薄肉部品の一例として軸受軌道輪の形状とされる。なお、本実施の形態において薄肉部品とは、具体的には３ｍｍまでの厚さのものとする。

図１を参照して、軸受軌道輪１が回転テーブル１０の断熱材１０ａ上に載置されて、たとえば加熱コイル１１により誘導加熱される。この際、軸受軌道輪１は回転テーブル１０により回転される。

図２を参照して、所定温度に加熱された軸受軌道輪１は、金型１２ａと１２ｂとに挟まれ、かつ金型１２ｂ上に重り１３が載せられる。これにより、軸受軌道輪１が、たとえば２．９４Ｎ／ｃｍ²（０．３ｋｇｆ／ｃｍ²）以上のプレス圧力で、金型１２ａ、１２ｂでプレス（矯正）されながら金型１２ａ、１２ｂを冷却媒体として焼入れ処理または恒温変態処理が施される。つまり、金型１２ａ、１２ｂは、軸受軌道輪１を拘束するとともに、軸受軌道輪１の焼入れにおける焼入れ媒体、または恒温変態における恒温変態媒体となる。

軸受軌道輪１の焼入れ後には、軸受軌道輪１を金型１２ａと１２ｂとで拘束した状態で焼戻しが施されてもよい。この場合、金型１２ａと１２ｂは、軸受軌道輪１の焼戻しにおける焼戻し媒体となる。

上記の方法により、均一な硬度分布をもち、表層面に酸化や脱炭などの欠陥がなく、反り・変形も非常に少ない、長寿命の軸受軌道輪１を製造することができる。

このようにして製造された軸受軌道輪１では、エアーやガスを焼入れ媒体として製造された従来の軸受軌道輪と比較して、平面度が低く揃い、かつ硬さも安定している。

なお、軸受軌道輪１に焼入れを施す場合には、金型１２ａ、１２ｂを焼入れ媒体とするために、軸受軌道輪１に比べて金型１２ａ、１２ｂの熱容量を相当程度大きくする方法がある。たとえば、軸受軌道輪１の温度を９００℃下げるのに金型１２ａ、１２ｂの温度上昇を５℃以下に抑えるためには、金型１２ａ、１２ｂの熱容量は軸受軌道輪１の熱容量の１８０倍以上とする必要がある。軸受軌道輪１は上下の金型１２ａと１２ｂとにより挟まれるため、上下の金型１２ａ、１２ｂのいずれか一方の熱容量は軸受軌道輪１の熱容量の９０倍以上とする必要がある。このため、仮に軸受軌道輪１と金型１２ａ、１２ｂとが同じ材質（たとえば鋼）からなり同じ比熱を有する場合には、上下の金型１２ａ、１２ｂのいずれか一方の質量は軸受軌道輪１の質量の９０倍以上とする必要がある。

また、短時間であっても加熱・焼入れが空気中で行なわれると薄肉部品が酸化し、酸化膜の形成が生じたり、脱炭によって表面硬度が低下したり、トルースタイトの析出が生じたりする。スラストニードルころ軸受の軌道輪のような熱処理後に機械加工での仕上げ（研磨、超仕上げ）を行なわないものでは、酸化・脱炭を抑える熱処理（焼入れ）が必要であるが、このような熱処理としては雰囲気に不活性ガスを用いることで対応できる。

本実施の形態のように型を冷却媒体とする焼入れまたは恒温変態はピースバイピースの熱処理となるので、従来のように熱処理工程を生産ラインから外す必要がなく、機械加工の生産ラインの中に組み込むことができる。さらに、焼戻しも高周波誘導加熱や金型でプレスしながら高周波加熱（高周波プレステンパ）で行なうと、素材投入から製品完成までの全体をライン化できる利点がある。

処理速度を高めるためには、金型内部やプレス面を絶えず水、油、空気などで冷却しながら焼入れを行なうことで効率のよい連続焼入れが可能である。このため、金型に水、油、空気などの媒体を通す冷却手段を設けることが好ましい。

なお、後述する実施例では厚さ１ｍｍの板材で試験したが、プレス時の圧力を高めれば、金型による冷却速度で焼入れ硬化させるための肉厚は限定されてくるものの、本発明の方法を厚板（厚みが５ｍｍ〜６ｍｍの板）にも適用することができる。

また、フランジや鍔などの成型加工は、金型の形状やプレス圧力を制御することで、焼入れ時に同時に行なうことができる。

上記のような方法で製造された軸受軌道輪１を用いて、たとえば図３に示すようなスラストニードルころ軸受を製造することができる。このスラストニードルころ軸受は、１対の軸受軌道輪１と、この１対の軸受軌道輪１間に配置された複数の転動体（ニードルころ）２と、複数の転動体２を転動可能に保持するための保持器３とを有している。

また、上記のような方法で製造された軸受軌道輪１を用いて、たとえば図４に示すようなシェル型ラジアルニードルころ軸受を製造することもできる。このシェル型ラジアルニードルころ軸受は、軸受軌道輪１である円筒状の外輪１と、この外輪１の内周側に配置された保持器付きころ４とを有している。保持器付きころ４は、複数の転動体（ニードルころ）２と、複数の転動体２を転動可能に保持するための保持器３とを有している。なお、外輪１の両端部には、鍔部６、７が設けられているが、この鍔部６、７のいずれか一方または両方がなくてもよい。また、図５に示すように１つの外輪１の内周側に複数（たとえば２つ）の保持器付きころ４が配置されていてもよい。

なお、図４または図５に示す軸受軌道輪１は円筒状の外輪１であるため、この外輪１の焼入れ時に用いる冷却金型は図２の冷却金型１２ａ、１２ｂとは異なる形状、たとえば円筒形状などにする必要がある。

上記においては薄肉部品がスラストニードルころ軸受の軸受軌道輪である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、摩耗されるところに用いられるワッシャや、板バネであってもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。

素材として、中炭素鋼Ｓ５３Ｃを用い、内径６０ｍｍ、外径８５ｍｍ、肉厚１ｍｍの外形を有するスラストニードルころ軸受軌道輪（ＮＴＮ品名：ＡＳ１１１２）を板材からの打ち抜きにより製作した。

高周波誘導加熱装置（８０ｋＨｚ）を用い、上記軌道輪を回転させながら、片幅面に近接した誘導コイルに所定の電流を流して誘導加熱した（図１）。この場合、全体が均一温度（約９００℃）になるようにゆっくりと加熱した。その後、軌道輪に比べ相当大きい熱容量を持つ鉄製の上下プレス型中に軌道輪をセットし、直ちにプレスにより所定圧力で押え付けるとともに、プレスによる型冷却で軌道輪を変態硬化させた（図２）。変態硬化時の型温度、型での拘束時間を種々に振り、硬度とミクロ組織との関係を調べた。

表１に、型温度および型による拘束時間（保持時間）と、プレス圧力、反り変形、熱処理後の硬度およびミクロ組織との関係を示す。

また、表１には、高周波加熱後に水焼入れしたサンプルと、全体的に加熱した後に衝風焼入れしたサンプルと、高周波加熱後に空冷したサンプルとの反り変形、熱処理後の硬度およびミクロ組織との関係も併せて示す。

表１の結果より、本発明例のようにプレス圧力を２．９４Ｎ／ｃｍ²（０．３ｋｇｆ／ｃｍ²）としたとき、型温度を２５０℃以上３２０℃以下にするとともに、型による拘束時間（保持時間）を３０秒以上５分以下にすることにより、恒温変態が生じて下部ベイナイトを有する組織が得られることがわかる。また本発明例の下部ベイナイトを有する組織において、反り変形が１９μｍ以下になるとともに、ビッカース硬度ＨＶ６８５以上になることがわかる。また本発明例の一部においては、焼戻しを行っていないにもかかわらず、焼き戻しを行った際に見られる焼き戻しマルテンサイトと同様の組織が観察された。

また、本発明例のように型温度を３０℃、型による拘束時間（保持時間）を１分として連続冷却させた場合には、マルテンサイト変態が生じて焼入れマルテンサイトを有する組織が得られることがわかる。また、このサンプルにおいては、反り変形が２０μｍ、ビッカース硬度ＨＶが７５０になることがわかる。

以上より、本発明例のすべてのサンプルでは、反り変形が２０μｍ以下になるとともに、ビッカース硬度ＨＶ６８５以上になることがわかる。

一方、比較例のサンプルでは反り変形が２０μｍより大きくなったり、ＨＶ６８５以上のビッカース硬度が得られない材質であった。

また、これらの軸受軌道輪の代表について、表２の条件で寿命評価を行った結果を表３に示す。

ここで、本発明例の恒温変態の軌道輪はその一部あるいは全体を恒温変態させているので、焼き戻しは行っていない。

本発明例の連続冷却焼入れでマルテンサイト変態させたものは、１５０℃×１２０分の焼き戻しを行った。試験は希薄な潤滑条件での試験である。

表３の結果より、本発明例サンプルでは、Ｌ１０寿命が１５．２時間以上と長くなっていることがわかる。また、通常の高周波加熱後に水焼入れした比較例のサンプルでは変形が大きく試験できない精度であった。また、全体加熱後に衝風焼入れした比較例のサンプルではＬ１０寿命が１１．９時間と短くなった。また、薄肉部材といえども、高周波加熱後に空冷した比較例のサンプルでは焼入れ硬化していなかった。

上記の結果より、本方法により得られた軌道輪（本発明例）では、比較例よりも反り変形を抑えられ、硬度を高くでき、かつ寿命を長くすることができる。

今回開示された実施の形態および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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。

本発明の薄肉部品の製造方法は、スラストニードルころ軸受の軌道輪、薄肉軸受軌道輪のように熱処理時に変形が大きくなり易く、また熱処理後の研磨加工も行なわれない薄肉部品の製造方法に有利に適用される。

本発明の一実施の形態における薄肉部品の製造方法において軸受軌道輪を加熱する工程を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態における薄肉部品の製造方法において軸受軌道輪を焼入れおよび恒温変態のいずれかの処理を施す工程を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態における転がり軸受軌道輪を用いたスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。本発明の一実施の形態における転がり軸受軌道輪を用いたシェル型ラジアルニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。外輪内に複数の保持器付きころが配置されたシェル型ラジアルニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１薄肉部品（転がり軸受軌道輪）、２転動体、３保持器、４保持器付きころ、６，７鍔部、１０回転テーブル、１０ａ断熱材、１１加熱コイル、１２ａ，１２ｂ金型、１３重り。

Claims

炭素を０．４質量％以上含む鋼よりなる薄肉軸受軌道輪を加熱した後、金型でプレスしながら前記金型を前記薄肉軸受軌道輪の冷却媒体として型温度を一定に制御の下、前記薄肉軸受軌道輪に焼入れおよび恒温変態のいずれかの処理を施すことで、マルテンサイト組織および下部ベイナイト組織の少なくともいずれかを発生させることを特徴とする、薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪はスラストニードルころ軸受の軌道輪である、請求項１に記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪の前記焼入れは、前記金型を焼入れ媒体として行なわれることを特徴とする、請求項１または２に記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記金型は冷却手段を有し、前記金型により前記薄肉軸受軌道輪を連続的に焼入れできることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪の酸化を防止した雰囲気中で前記薄肉軸受軌道輪を焼入れることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪を焼入れた後、前記金型を温度制御媒体として前記薄肉軸受軌道輪を焼戻すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪を焼入れる工程と、焼戻す工程との双方において前記金型を用いることを特徴とする、請求項６に記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪を焼入れる工程において、前記金型を用いた前記薄肉軸受軌道輪の成型加工も同時に行なわれることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。
前記薄肉軸受軌道輪の前記加熱は誘導加熱により行われることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の薄肉軸受軌道輪の製造方法。