JP5465933B2

JP5465933B2 - 転がり軸受の製造方法

Info

Publication number: JP5465933B2
Application number: JP2009149773A
Authority: JP
Inventors: 泰弘岩永; 徹植田; 浩志大崎
Original assignee: NSK Ltd; Amatsuji Steel Ball Mfg Co Ltd
Current assignee: NSK Ltd; Amatsuji Steel Ball Mfg Co Ltd
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-06-24
Also published as: JP2011007234A

Description

この発明は、転がり軸受に関する。

転がり軸受の転動体と軌道輪の表面硬さの関係については、下記の非特許文献１に、玉軸受の場合、転動体である玉の表面硬さが軌道輪の表面硬さよりもロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）で１．５〜２．０だけ硬い場合に、最も寿命が長くなると記載されている。そのため、従来は、これに基づいて転動体と軌道輪の表面硬さを決めて転がり軸受を製造している。

また、下記の非特許文献２には、転動体の表面硬さが軌道輪の表面硬さよりもＨＲＣで１〜２だけ高い場合には、軌道輪の軌道面の深さ方向で剪断応力が最大である位置（最大剪断応力位置）に残留圧縮応力が発生して、破損を抑制するという理論が記載されている。また、この理論は実験による証明もなされている。この理論では、軸受が良好な潤滑条件で使用された場合に、最大剪断応力位置の近くに存在する非金属介在物から発生する内部起点型剥離に起因する、転がり疲労寿命を対象としている。

しかし、昨今の製鋼技術の進歩により、軸受鋼の清浄度が大幅に改善され、非金属介在物の含有率が激減したため、内部起点型剥離に起因する寿命の問題は減少している。これに代わって、潤滑油中の異物の噛み込みによって生じる圧痕から発生する表面起点型剥離に起因する寿命が問題となっている。

特殊鋼倶楽部、「特殊鋼ガイド第４編熱処理」、社団法人特殊鋼倶楽部、平成９年７月１日、ｐ．１００ E.V.Zaretsky et.al,「Transaction of ASEM,Journal of Lubrication Technology 」, January(1967)

この発明の課題は、転がり軸受の表面起点型剥離に起因する寿命を長くすることである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様である転がり軸受の製造方法は、転動体は、高炭素クロム軸受鋼からなる素材を転動体の形状に加工し、焼入れ、焼戻しした後、ピーニング処理を行ってから粗研磨を行い、さらに仕上げ研磨を行うことで製造し、転動面の圧縮残留応力を、最表面が最大で深さ方向に連続的に減少するように設け、前記圧縮残留応力の最大値を６００ＭＰａ以上とし、前記転動体の転動面から５０μｍの深さ位置での硬さを、軌道輪の軌道面から５０μｍの深さ位置での硬さより硬くし、その差をビッカース硬さ（ＨＶ）で５０以上１５０以下にすることを特徴とする。
この発明の一態様である転がり軸受は、転動体の転動面から５０μｍの深さ位置での硬さ（表面硬さ）が、軌道輪の軌道面から５０μｍの深さ位置での硬さ（表面硬さ）より硬く、その差はビッカース硬さ（ＨＶ）で５０以上１５０以下であることを特徴とする。前記差はビッカース硬さ（ＨＶ）で１００以上１３０以下であることが好ましい。

図１は、表面硬さが、転動体の転動面（玉の表面）の方が軌道輪の軌道面よりも僅かに硬い（差がＨＶで５０未満である）場合の、転動体の転動面（玉の表面）を示す顕微鏡写真である。図１に示すように、この場合には、転動体の表面にも軌道面と同程度の圧痕が生じる。これにより、転動体の表面粗さが粗くなり、軌道輪の圧痕縁に作用する接線力が増大することで、軌道輪に表面起点型剥離が生じやすくなるため、軌道輪の破損率が高くなる。

図２は、表面硬さが、転動体の転動面（玉の表面）の方が軌道輪の軌道面よりも圧倒的に硬い（差がＨＶで１５０を超える）場合の、転動体の転動面（玉の表面）を示す顕微鏡写真である。図２に示すように、この場合には、圧痕は主に軌道面に生じ、転動体の表面には生じにくくなる。これにより、軌道面の表面粗さが粗くなり、その劣化した軌道面を転動体が転がることにより、転動体の圧痕縁に表面疲労を加速する過大な接線力が作用するため、転動体に表面起点型剥離が生じやすくなって、転動体の破損率が高くなる。

なお、表面硬さとして、表面（転動体の転動面および軌道輪の軌道面）から５０μｍの深さ位置での硬さを採用している理由は、転動体および軌道輪の材料である高硬度鋼（硬さが約ＨＶ７５０）のビッカース硬さを荷重試験９．８Ｎで測定すると、圧痕幅が約５０μｍとなるため、深さ５０μｍより表面側の硬さを正確に測定できないからである。
前記転動体の転動面の圧縮残留応力は、最表面が最大で深さ方向に連続的に減少し、前記圧縮残留応力の最大値が６００ＭＰａ以上であることが好ましい。

転動体の耐疲労強度を高くする方法として表面に圧縮応力を残留させる方法があり、転動体が鋼製の玉（鋼球）の場合には、通常、ボールピーニング（鋼球をバレル形の容器に入れて回転させ、鋼球同士の衝突により鋼球の表面に塑性加工歪を付与する方法）が行われる。

ボールピーニング後の玉の表面から深さ方向における圧縮残留応力の変化は、図３に示すような曲線（II型）となる。このように、圧縮残留応力の最大値が最表面ではなく、表面からある程度の深さの位置にあると、内部起点型剥離に起因する寿命を延長するために有効であるが、表面起点型剥離に起因する寿命の延長に対しては有効ではない。表面から玉の深さ方向における圧縮残留応力の変化が、図４に示すような、最表面が最大で深さ方向に連続的に減少する曲線（Ｉ型）となるようにすることで、表面起点型剥離に起因する寿命を延長する効果が得られる。

また、圧縮残留応力の最大値が６００ＭＰａ以上であると、６００ＭＰａ未満である場合よりも表面起点型剥離に起因する寿命を著しく長くすることができる。
この発明の一態様は、前記態様の転がり軸受を構成する転動体の製造方法として、熱処理工程後の転動体をピーニング処理した後に研磨することで、転動体の転動面の圧縮残留応力を、最表面が最大で深さ方向に連続的に減少するように設けた転がり軸受の転動体の製造方法を提供する。

転動体の転動面と軌道輪の軌道面とで表面硬さの差を５０以上１５０以下とする方法としては、転動体の焼入れ温度を軌道輪の焼入れ温度よりも２０〜４０℃高くし、転動体の焼戻し温度を軌道輪の焼戻し温度よりも２５〜５５℃低くする方法が挙げられる。また、水焼入れや、焼入れ後にサブゼロ処理を施す方法を採用してもよい。

焼入れ温度を高くすると固溶炭素量が増加して表面硬さが硬くなり、焼戻し温度を低くすると材料内部の残留歪（転位）が抜けにくくなって表面硬さが硬くなる。一方、焼入れ温度を高くし過ぎると、固溶炭素量が多くなり過ぎて靱性が極端に低下する恐れがあり、焼戻し温度を低くし過ぎると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎて大幅な寸法安定性の悪化が懸念される。これらの恐れや懸念を考慮して、差が前記範囲内となる温度で焼入れ、焼戻し温度を設定する。

この発明によれば、転動体の転動面と軌道輪の軌道面との表面硬さの差をビッカース硬さで特定の範囲とすることで、転がり軸受の表面起点型剥離に起因する寿命を長くすることができる。

表面硬さが、転動体の転動面（玉の表面）の方が軌道輪の軌道面よりも僅かに硬い場合の、転動体の転動面（玉の表面）を示す顕微鏡写真である。図２は、表面硬さが、転動体の転動面（玉の表面）の方が軌道輪の軌道面よりも圧倒的に硬い場合の、転動体の転動面（玉の表面）を示す顕微鏡写真である。玉の表面から深さ方向における、圧縮残留応力の変化を示す曲線（II型）のグラフである。玉の表面から深さ方向における、圧縮残留応力の変化を示す曲線（Ｉ型）のグラフである。この発明の実施形態の転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。玉の圧縮残留応力の最大値と寿命比との関係を示すグラフである。［実施例］で得た、表面硬さをビッカース硬さ（ＨＶ）で求めた場合の、表面硬さの差と寿命比との関係を示すグラフである。［実施例］で得た、表面硬さをロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）で求めた場合の、表面硬さの差と寿命比との関係を示すグラフである。［実施例］で得た、表面硬さの差と軌道輪破損率との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態について説明する。
図５は、この実施形態の転がり軸受の構造を示す部分縦断面図である。この転がり軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪（軌道輪）１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪（軌道輪）２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、玉３を保持する保持器４と、からなる玉軸受である。

玉３の表面（転動面）から５０μｍの深さ位置での硬さを、内輪１および外輪２の軌道面１ａ，２ａから５０μｍの深さ位置での硬さより硬くし、その差をビッカース硬さ（ＨＶ）で５０以上１５０以下の範囲とした。そのために、玉３の焼入れ温度を内輪１および外輪２の焼入れ温度よりも高くし、玉３の焼戻し温度を内輪１および外輪２の焼戻し温度よりも低くした。

また、玉３の表面（転動面）の圧縮残留応力は、最表面が最大で深さ方向に連続的に減少し、圧縮残留応力の最大値が６００ＭＰａ以上となっている。すなわち、この玉３の表面から深さ方向における圧縮残留応力の変化を示す曲線は、図４に示すＩ型である。
そのために、この玉３は、高炭素クロム軸受鋼からなる素材を通常の方法で球状に加工し、所定の条件で焼入れ、焼戻し処理を行った後、所定の条件でボールピーニングを行ってから粗研磨を行い、さらにラップ盤による仕上げ研磨を行うことにより作製した。

これにより、この実施形態の玉軸受は、表面起点型剥離に起因する寿命が長くなる。
また、圧縮残留応力の変化を示す曲線がＩ型で、軌道輪の軌道面に対する表面硬さの差（ΔＨＶ）が１００〜１１７で、圧縮残留応力の最大値が３４４〜１０９８である玉（転動体）を使用して、転がり軸受を組み立てて異物混入潤滑下での寿命試験を行った。軌道輪の焼入れ温度は８４０℃とし、焼戻し温度は１７０℃とした。玉の焼入れ温度は８６０℃とし、焼戻し温度は１３０℃とした。

なお、圧縮残留応力の最大値は、玉に対するボールピーニング（ＢＰ）の処理時間を変えることで変化させた。この結果を下記の表１に示す。また、この結果から得られた玉の圧縮残留応力の最大値と寿命比との関係を、図６にグラフで示す。

この結果から分かるように、玉の圧縮残留応力の最大値の増加に伴って寿命の延長効果が大きくなり、玉の圧縮残留応力の最大値が４００ＭＰａと６００ＭＰａとの間で急激に寿命比が高くなり、６００ＭＰａを超えると寿命の延長効果は徐々に飽和していく。よって、玉の圧縮残留応力の最大値は６００ＭＰａ以上であると好ましい。また、８００ＭＰａ以上であると、３４４ＭＰａの時の２．５倍以上の寿命となるためより好ましい。

図５の玉軸受として、呼び番号６０００の深溝玉軸受（内径１０ｍｍ、外径２６ｍｍ、幅８ｍｍ、玉の直径４．７６２ｍｍ）を以下のようにして作製した。
内輪１と外輪２は、高炭素クロム軸受鋼からなる素材を所定形状に加工し、所定の条件で焼入れ、焼戻しを行うことで、軌道面１ａ，２ａから５０μｍの深さ位置での硬さがＨＶ７４８（ＨＲＣ６２．１）であるものと、ＨＶ７７６（ＨＲＣ６２．９）であるものの２種類を用意した。

玉３は、No. １〜１２とNo. ２７〜３８では、高炭素クロム軸受鋼からなる素材を通常の方法で球状に加工し、所定の条件で焼入れ、焼戻しした後、所定の条件（容器の回転速度：３０〜６０ｍｉｎ^-1、処理時間：３０〜９０分）でボールピーニングを行ってから粗研磨を行い、さらにラップ盤による仕上げ研磨を行うことにより作製した。これにより、玉３の深さ方向における圧縮残留応力の変化を示す曲線が、図４に示すＩ型となるようにした。

No. １３〜２６とNo. ３９〜４８の玉３は、高炭素クロム軸受鋼からなる素材を通常の方法で球状に加工し、所定の条件で焼入れ、焼戻しした後、粗研磨を行い、次いで、所定の条件（容器の回転速度：３０〜６０ｍｉｎ^-1、処理時間：３０〜９０分）でボールピーニングを行い、ラップ盤による仕上げ研磨を行うことにより作製した。これにより、玉３の深さ方向における圧縮残留応力の変化を示す曲線が、図３に示すII型となるようにした。

このようにして作製した内輪１および外輪２と玉３を、表２に示す組合せで使用して玉軸受を組み立て、下記の条件で寿命試験を行いＬ１０寿命を求めた。なお、内輪１と外輪２は同じ軌道面硬さのものを組合せたので、表２には軌道輪と記した。

＜試験条件＞
ラジアル荷重（Ｆｒ）：６２２３Ｎ
回転速度：３０００ｍｉｎ^-1
潤滑油：ＲＯ６８
潤滑油に混入する異物：硬さＨＶ８７０、粒径７４〜１４７μｍ
異物混入量：０．０５ｇ（潤滑油中の含有率３００ｐｐｍ）
寿命の判定方法：振動値が初期値の２倍となった時点までの回転時間を寿命とした。

得られたＬ１０寿命値から、寿命が最も短かったNo. ４０のＬ１０寿命値を「１」とした比を寿命比として算出した。その結果を表２に示す。また、寿命となった後に、軌道輪と玉のどちらが破損しているかを調べて、軌道輪が破損している割合を「軌道輪破損率」として表２に示した。

さらに、表面硬さをビッカース硬さ（ＨＶ）で求めた場合とロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）で求めた場合のそれぞれについて、表面硬さの差と寿命比との関係、表面硬さの差と軌道輪破損率との関係をグラフにした。各グラフにおいて、圧縮残留応力の変化を示す曲線がＩの場合を「△」で、IIの場合を「○」でプロットした。

表面硬さをビッカース硬さ（ＨＶ）で求めた場合、図７に示すように、表面硬さの差が５０〜１５０の範囲に寿命比のピークがあり、この範囲で寿命比は、曲線Ｉの場合に３以上であり、曲線IIの場合に２以上となっている。このように、曲線ＩおよびIIのいずれの場合も、表面硬さの差と寿命比との間に関連性が認められる。また、曲線Ｉの場合の方が曲線IIの場合よりも、表面硬さの差が５０〜１５０の範囲での寿命比が大きいことが分かる。さらに、表２から、No. ４、６、７、９、１１は、ビッカース硬さ（ＨＶ）で求めた表面硬さの差が９５〜１２２であって、寿命比が３．８７〜４．０３と特に高いことが分かる。

これに対して、表面硬さをロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）で求めた場合、図８に示すように、寿命比のピークとなる表面硬さの差の範囲が特定できない。また、非特許文献１および２で特定している範囲（ＨＲＣ１．５〜２．０および１〜２）での寿命比が最大値となってもいない。
また、表面硬さの差（ΔＨＶ）と軌道輪破損率との関係は、図９に示すように、硬さの差が１５０以下の場合は全ての軸受で軌道輪が破損しているが、１５０を超えると転動体の破損も生じ、硬さの差が大きくなるほど転動体が破損する割合が高くなっていくことが分かる。

１内輪（軌道輪）
１ａ内輪の軌道面
２外輪（軌道輪）
２ａ外輪の軌道面
３玉（転動体）
４保持器

Claims

転動体は、高炭素クロム軸受鋼からなる素材を転動体の形状に加工し、焼入れ、焼戻しした後、ピーニング処理を行ってから粗研磨を行い、さらに仕上げ研磨を行うことで製造し、転動面の圧縮残留応力を、最表面が最大で深さ方向に連続的に減少するように設け、前記圧縮残留応力の最大値を６００ＭＰａ以上とし、
前記転動体の転動面から５０μｍの深さ位置での硬さを、軌道輪の軌道面から５０μｍの深さ位置での硬さより硬くし、その差をビッカース硬さ（ＨＶ）で５０以上１５０以下にすることを特徴とする転がり軸受の製造方法。