JP5598016B2

JP5598016B2 - 針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法

Info

Publication number: JP5598016B2
Application number: JP2010037680A
Authority: JP
Inventors: 幸一山本; 浩道武村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP2011174506A

Description

本発明は、針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法に関し、より詳細には、高温や潤滑不良などの油膜形成性が劣る環境や、異物が混入する虞がある環境で使用される、トランスミッションやトルクコンバータに用いられる針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法に関する。

針状スラスト軸受は、正常回転時においても、針状ころの内径側と外径側との間に差動滑りが生じ、転がり接触面の油膜形成性が劣るという構造上の問題がある。このため、従来のスラスト軸受のスラストレースは、例えば、Ｃ０．９〜１．２重量％、Ｃｒ１．２〜１．７重量％、Ｍｎ０．１〜０．５重量％、Ｓｉ０．１５〜０．３５重量％、および残部Ｆｅの組成を有する高炭素鋼を冷間圧延して得られるみがき帯鋼を、プレス加工することで所定の形状に成形した後、熱処理を施し、更にバレル処理などによってスケール除去して製作されていた（例えば、特許文献１参照。）。また、転がり軸受の材料として、軟らかく、比較的加工が容易な中炭素鋼を使用し、軌道輪または転動体の熱処理による残留オーステナイト量および表面硬度を規定したものが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８−２４０７５８号公報特公平８−２６４４６号公報

近年、車両のトランスミッションやトルクコンバータに用いられる針状スラスト軸受は、発熱量の増大や潤滑油不足などによって高温環境下で使用されることが多く、また、燃費向上による部品小型化により軸受容量が低下し、早期剥離などの問題発生が懸念される。また、高炭素鋼を冷間圧延して得られるみがき帯鋼をプレス加工してスラストレースを製作する特許文献１に記載のスラスト軸受では、廃材となる部分が多く、材料の歩留まりが悪く製造コストが増大する問題があった。特許文献２は、中炭素鋼を材料として転がり軸受を成形しているが、針状スラスト軸受のスラストレースの具体的な製造方法についての記載はない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐摩耗性、耐熱性、耐ピーリング性に優れ、且つ材料の歩留まりが良い、低コストで製作可能な針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）複数の針状ころと、前記針状ころが接触する少なくとも１つのスラストレースとを備える針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法であって、
中炭素鋼の線材を切断して素材を成形する切断工程と、
前記素材を鍛造加工して第１中間素材を成形する鍛造工程と、
前記第１中間素材をプレス加工により目抜きして、第２中間素材を成形する目抜き工程と、
前記第２中間素材を所定の形状に旋削加工して旋削加工品とする旋削工程と、
前記旋削加工品に浸炭窒化、焼入れ、および焼戻しの各硬化処理を施して硬化処理品とする表面処理工程と、
前記硬化処理品の表面に研削加工を施して所定形状の製品に仕上げる研削工程と、
を備え、
前記中炭素鋼は、Ｃ０．３〜０．４重量％、Ｃｒ０．５〜３．０重量％、Ｍｎ１．５〜３．０重量％、Ｓｉ１．０〜１.５重量％、および残部Ｆｅよりなる合金鋼であり、
前記製品は、表面硬度Ｈｖ７３５〜７９６、表面残留オーステナイト３８〜４５体積％を有することを特徴とする針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法。
（２）前記目抜き工程によって目抜きされた目抜き材をプレス加工によりさらに目抜きして、他の第２中間素材を成形する他の目抜き工程をさらに備え、
前記他の第２中間素材を前記第２中間素材として前記旋削工程、前記表面処理工程、及び前記研削工程を行うことで、前記製品より小さな他の製品を形成することを特徴とする上記（１）に記載の針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法。

本発明の針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法によれば、Ｃ０．３〜０．５重量％、Ｃｒ０．５〜３．０重量％、Ｍｎ０．５〜３．０重量％、Ｓｉ０．１〜１.５重量％、および残部Ｆｅよりなる中炭素鋼の線材または棒材から、切断、鍛造加工、プレス加工、旋削加工、硬化処理、および研削加工によって所定形状のスラストレースを製作し、表面硬度Ｈｖ６５０〜９００、表面残留オーステナイト量１５〜５０体積％としたので、従来の高炭素鋼を用いたスラストレースの製造方法と比較して加工性に優れ、且つ希薄環境下においても耐摩耗性、耐熱性、耐ピーリング性に優れたスラストレースを、材料の歩留まりが良く、低コストで製造することができる。

更に、目抜き工程によって目抜きされた目抜き材をプレス加工によりさらに目抜きして他の第２中間素材とし、この他の第２中間素材に旋削工程、表面処理工程、及び研削工程を施して、製品より小さな他の製品を形成するようにしたので、全体として更に材料の歩留まりを向上させることができ、製造コストを抑制することができる。

本発明に係る針状スラスト軸受の断面図である。図１に示す針状スラスト軸受のスラストレースの概略製造工程を示す工程図である。

以下、本発明に係る針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、針状スラスト軸受１０は、複数の針状ころ１４と、複数の針状ころ１４を保持する保持器１５と、複数の針状ころ１４を保持器１５の厚み方向から挟持する一対のスラストレース１２，１３とを備える。なお、針状ころとは、直径が５ｍｍより小さく長さがその３〜１０倍のころを意味する。

針状スラスト軸受１０は、負荷容量や剛性を大きくとれるものの、スラストレース１２，１３と針状ころ１４との間、特に、針状ころ１４の両端部において差動滑りが生じるので、スラストレース１２，１３の摩耗量が大きくなる傾向がある。また、ころ本数が多いため内部空間が狭く、潤滑油が軌道面に行き渡り難く、潤滑不足が生じて転走跡端部付近で表面起点型の剥離が生じる虞がある。

このため、針状スラスト軸受１０のスラストレース１２，１３には、耐摩耗性、耐熱性、耐ピーリング性、更には潤滑油に異物が混入した場合にも寿命低下を極力抑制することができる厳しい性能が求められる。

針状スラスト軸受１０のスラストレース１２，１３の製造は、図２に示すように、Ｃ０．３〜０．５重量％、Ｃｒ０．５〜３．０重量％、Ｍｎ０．５〜３．０重量％、Ｓｉ０．１〜１.５重量％、および残部Ｆｅの組成を有する中炭素鋼（例えば、ＪＩＳ規格記号ＳＡＣ１相当）の線材または丸棒材２０を所定の長さに切断して素材２１を作成する（図２（ａ）及び図２（ｂ））。次いで、素材２１を鍛造加工して平板状の第１中間素材２２を成形した後（図２（ｃ））、プレス加工により中心部を目抜きしてリング状の第２中間素材２３、および目抜き材２４に分離する（図２（ｄ））。第２中間素材２３は、更に旋削加工によって所定の形状に加工され（図２（ｅ））、浸炭窒化、焼入れ、および焼戻しの硬化処理（図２（ｆ））が施された後、研削加工されて所定形状のスラストレース１２，１３に仕上げられる（図２（ｇ））。尚、必要に応じて更にバレル研磨処理が施されてもよい。

目抜き材２４は、廃材とされるか、更に小型のスラストレースの素材として使用可能な場合は、小型のスラストレースの第１中間素材として利用することもできる。具体的には、目抜き工程によって目抜きされた目抜き材２４をプレス加工によりさらに目抜きして、小さな他の製品を形成するための他の第２中間素材２３とし、これに旋削加工、表面処理加工、及び研削加工を施してスラストレース１２，１３より小さな他の製品（スラストレース）を製作する。これにより、小さなスラストレース製作工程の前半加工（切断および鍛造加工）を省略することができ、製作コストが抑制されると共に、全体として更に、材料の歩留まり性が向上する。

尚、小さな他の製品を形成するための他の第２中間素材２３としては、中炭素鋼から製作されることが多い円錐ころ軸受の製作過程で発生する目抜き材を使用することもできる。この場合、円錐ころ軸受と針状スラスト軸受１０のスラストレース１２，１３との材料（中炭素鋼）の共通化が可能となって、更に製造コストを抑制することができる。

本発明に係るスラストレース１２，１３は、Ｃ０．３〜０．５重量％を含有する上記組成の中炭素合金鋼を用い、これに浸炭窒化、焼入れ、および焼戻し処理を施して、表面硬度Ｈｖ６５０〜９００、表面残留オーステナイト量１５〜５０体積％としている。

以下、本発明に係る合金鋼の作用及び特性値の臨界的意義等について説明する。

中炭素合金鋼に含まれる成分のうち、Ｃｒ、Ｍｎ、およびＳｉは、いずれも焼入性の向上に寄与する成分であり、特に、Ｍｎは残留オーステナイトを生成し易く、Ｓｉは基地の組織の強度を高め、Ｃｒは耐摩耗性を付与する。

Ｃ０．３〜０．５重量％としたのは、０．３重量％より小さいと、所望の硬さ（表面硬度Ｈｖ６５０〜９００）を得るための浸炭時間が長くなる他、オーステナイト中に固溶する炭素の拡散長が長くなり、その結果オーステナイト中の炭素の固溶状態が不均一となって応力集中源が生成し、ころがり疲れ寿命Ｌ_１０も低下する。また、０．５重量％より大きい場合には、オーステナイト中の固溶炭素量が過多となり、その結果、焼入れ後の残留オーステナイトが増して表面硬さが低下する。また、炭素量が多くなると、鍛造性が悪くなることによる。

Ｍｎ０．５〜３．０重量％としたのは、０．５重量％以上で、焼入性を向上させると共に溶解精練時の脱酸剤として作用する。しかし、３．０重量％より大きい場合には、残留オーステナイトが増えて鋼材の被削性及び熱間加工性が低下することによる。

Ｓｉ０．１〜１.５重量％としたのは、０．１重量％以上で、焼入性向上及び脱酸に寄与する。しかし、１．５重量％より大きい場合には、熱処理時に表面が脱炭するとともに、芯部にフェライトが増えてプレス成形性、冷間鍛造性及び機械的性質が低下する。Ｓｉ含有量が０．１〜１．５重量％の範囲にあれば、圧壊値も向上し、ころがり疲れ寿命Ｌ_１０の向上にも寄与することによる。

Ｓｉには、脱酸剤効果があり、焼戻し軟化抵抗を向上させ、耐熱性向上に有効な元素である。また、Ｓｉは、オーステナイトの安定化を図る元素であり、残留オーステナイトの分解速度を遅らせる作用がある。このため、０．１重量％未満であると転がり寿命が低下する場合がある。但し、１．５重量％より多いと靭性が悪くなる。

Ｃｒ０．５〜３．０重量％としたのは、０．５重量％以上で、焼入性、浸炭性、耐摩耗性及び機械的性質の向上に寄与する。しかし、３．０重量％より大きい場合には、過剰浸炭となり残留オーステナイトが増え、また粒状炭化物が増えて浸炭焼入層がもろくなることによる。

また、潤滑油中等に異物が混入すると、転がり表面層に圧痕が発生し、この圧痕のエッジ部分に発生するクラックが広がって最終的な疲労破損に至ることが多い。このクラックは、残留オーステナイトと密接な関係があることが分かっている。残留オーステナイトは、素材のＣ含有量により多少異なるが、通常は軟らかくて粘い。従って、この残留オーステナイトを所望の割合で転がり表面層に存在させると、圧痕のエッジ部分における応力集中を緩和することができ、クラックの発生を抑制することができる。

また、転がり表面層における残留オーステナイトは、転動時に圧痕を通過する部材（例えば、スラストレースに対して転動体）の相対通過回数が所定数を過ぎると、表面に加わる変形エネルギーによりマルテンサイト変態し、硬化するという効果があり、異物混入潤滑下での針状スラスト軸受１０の寿命向上に寄与する。

表面残留オーステナイト量１５〜５０体積％としたのは、残留オーステナイト量が１５体積％未満だとごみ圧痕発生の際の応力集中効果を十分発揮することができず、また、残留オーステナイト量が５０体積％を越えると応力集中を緩和する効果は飽和し、かえって表面硬さが低下することにより耐疲労性が低下し、異物混入潤滑下及びクリーンの潤滑下でも寿命が低下してしまうことによる。

このため、表面硬度は、下限値をＨｖ６５０として、Ｈｖ６５０〜９００の範囲に設定されている。

以上説明したように、本実施形態の針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法によれば、高炭素鋼（例えば、ＪＩＳ規格記号ＳＵＪ２）を冷間圧延して得られたみがき帯鋼を用い、プレス加工による所定形状の成形、浸炭窒化、焼戻しなどの熱処理、およびバレル処理などによるスケール除去、の各工程を備える従来のスラストレースの製造方法と比較して、加工性に優れ、且つ希薄環境下においても耐摩耗性、耐熱性、耐ピーリング性に優れたスラストレースを低コストで製造することができる。

本発明の効果を確認するため、本発明の針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法に係る実施例と、該実施例と比較する比較例について説明する。

試験に用いたスラストレースは、実施例および比較例共に、表１に示す組成の各合金鋼の棒材を切断して素材とし、これに鍛造加工、目抜き加工、旋削加工、硬化処理、研削加工、およびバレル加工を施して製作した。

尚、表１中、合金鋼の種類Ａ〜Ｆは本発明の範囲に含まれる組成を有し、合金鋼の種類Ｇ〜Ｊは本発明の範囲外の組成である。また、合金鋼の種類ＫはＪＩＳ規格記号ＳＵＪ２相当の高炭素鋼である。尚、合金鋼の種類Ｋ（ＳＵＪ２）は、従来のスラストレースに一般的に用いられている合金鋼であり、比較のために採用した。

表２に、各種合金鋼、表面性状（表面硬度、表面残留オーステナイト量）のスラストレースを用い、下記寿命試験条件で行った転動疲労寿命試験の結果を比較して示す。転動疲労寿命は、合金鋼の種類Ｋ（ＳＵＪ２）の寿命を基準として、それとの比で示す。

（寿命試験条件）
寿命試験機：ＮＳＫ製スラストニードル試験機
試験軸受: ＰＣＤ５０ｍｍ、針状ころ φ３ｍｍ×６ｍｍ
基本動定格荷重Ｃ：２４０００Ｎ
基本静定格荷重Ｃ_０：５５０００Ｎ
スラスト荷重：５０００Ｎ
相対回転数：１００００ｒｐｍ
計算寿命：Ｌ_１０＝３１１ｈ
潤滑油および油温：ＡＴＦ、１００℃

表２から分かるように、実施例１から実施例７のスラストレースの転動疲労寿命は、いずれもＳＵＪ２（比較例６）のスラストレースの３倍以上であり、大幅に転動疲労寿命が長くなっている。これに対して、比較例１のスラストレースは、表面残留オーステナイト量が５０体積％以上であり表面硬度もＨｖ６４０と小さいため転動疲労寿命が短い。比較例２のスラストレースは合金中のＣｒ含有量が０．４％と少なく、また比較例３のスラストレースは合金中のＭｎ含有量が０．３％と少ないため表面残留オーステナイト量が１３体積％と少なく転動疲労寿命が短くなっている。更に、比較例４のスラストレースは表面残留オーステナイト量が１５体積％より少なく（１３体積％）、比較例５のスラストレースは表面硬度がＨｖ６５０以下（Ｈｖ６４０）であるため転動疲労寿命が短い。

比較例６のスラストレースは、Ｍｎ含有量が０．３％と少ないため表面残留オーステナイト量が１２体積％と少なく転動疲労寿命が短くなっている。また、比較例７のスラストレースは、Ｓｉ含有量が０．０９％と少ないため転動疲労寿命が短くなっている。また、比較例８のスラストレースは、Ｃ含有量が０．６％と多いため表面残留オーステナイト量が５２体積％と多く転動疲労寿命が短くなっている。

上記したように、実施例のスラストレースは、比較例のどのスラストレースよりも転動疲労寿命が長く、本発明の有効性が実証された。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１０針状スラスト軸受
１２スラストレース（製品）
１３スラストレース（製品）
１４針状ころ
２０棒材
２１素材
２２第１中間素材
２３第２中間素材
２４目抜き材

Claims

複数の針状ころと、前記針状ころが接触する少なくとも１つのスラストレースとを備える針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法であって、
中炭素鋼の線材を切断して素材を成形する切断工程と、
前記素材を鍛造加工して第１中間素材を成形する鍛造工程と、
前記第１中間素材をプレス加工により目抜きして、第２中間素材を成形する目抜き工程と、
前記第２中間素材を所定の形状に旋削加工して旋削加工品とする旋削工程と、
前記旋削加工品に浸炭窒化、焼入れ、および焼戻しの各硬化処理を施して硬化処理品とする表面処理工程と、
前記硬化処理品の表面に研削加工を施して所定形状の製品に仕上げる研削工程と、
を備え、
前記中炭素鋼は、Ｃ０．３〜０．４重量％、Ｃｒ０．５〜３．０重量％、Ｍｎ１．５〜３．０重量％、Ｓｉ１．０〜１.５重量％、および残部Ｆｅよりなる合金鋼であり、
前記製品は、表面硬度Ｈｖ７３５〜７９６、表面残留オーステナイト３８〜４５体積％を有することを特徴とする針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法。
前記目抜き工程によって目抜きされた目抜き材をプレス加工によりさらに目抜きして、
他の第２中間素材を成形する他の目抜き工程をさらに備え、
前記他の第２中間素材を前記第２中間素材として前記旋削工程、前記表面処理工程、及び前記研削工程を行うことで、前記製品より小さな他の製品を形成することを特徴とする請求項１に記載の針状スラスト軸受のスラストレースの製造方法。