JP6326217B2 - 転がり軸受の粗形材の製造方法 - Google Patents
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Description
従来の方法(特許文献1に記載の方法)においては、高炭素クロム軸受鋼からなる鋼材を、(Ar1点+150℃)〜Ar1点の範囲内の温度で鍛造して球状セメンタイトを生成させることができる。しかし、従来の方法では、所望の条件下で鍛造した場合でも、金型や空気との接触による抜熱等により、局所的に微細なフェライト組織が形成され、微細組織に起因した硬さの分布、ミクロ組織の状態、及びミクロ組織の不均一に起因した焼入れ焼戻し処理(以下、「QT処理」ともいう)後の残留オーステナイト量の分布にばらつきが生じやすい。しかし、本発明の転がり軸受の粗形材の製造方法によれば、鍛造及び冷却(前記工程(A))の後、得られた鍛造物を、(Ae1点+25℃)〜(Ae1点+85℃)の範囲内の均熱温度で所定時間保持し、0.3℃/s以下の冷却速度で700℃以下に冷却して焼鈍するので、硬さの分布、ミクロ組織の状態及びQT処理後の残留オーステナイト量の分布のばらつきの発生を効果的に抑制することができる。
また、本発明の転がり軸受の粗形材の製造方法では、前記工程(B)における冷却速度は、0.3℃/s以下であることが好ましい。この場合、板状又は層状のセメンタイトの形成を抑制し、球状セメンタイトをより効率よく成長させることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造された軌道輪用粗形材から形成された軌道輪を備えている転がり軸受の断面図である。なお、本実施形態では、転がり軸受の一例として円錐ころ軸受を挙げて説明するが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。また、本実施形態では、粗形材として、転がり軸受の軌道輪(内輪、外輪)を形成するための粗形材を一例として説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、転動体(ころ、玉)を形成するための粗形材にも適用することができる。
図1に示される転がり軸受1は、内輪11及び外輪12と、これら内外輪11,12の間に配列された複数個のころ(転動体)13と、これら複数個のころ33を保持している保持器14とを備えている。転がり軸受1の内輪11及び外輪12は、本発明の製造方法によって製造された軌道輪粗形材(内輪粗形材及び外輪粗形材)を素材としている。
温間鍛造工程では、まず、0.7〜1.2質量%の炭素と、0.8〜1.8質量%のクロムとを含有する高炭素クロム軸受鋼からなる鋼材を、当該鋼材の中心部の温度が(Ae1点+25℃)〜(Ae1点+105℃)の範囲内の鍛造温度になるまで加熱する(図2中、(a)参照)。
前記鋼材における炭素の含有量は、軌道輪用粗形材中におけるセメンタイトの量を増加させ、軌道輪として用いるのに十分な疲労寿命を確保する観点から、0.7質量%以上、好ましくは0.98質量%以上であり、軌道輪の製造時における良好な切削性を確保する観点から、1.2質量%以下、好ましくは1.05質量%以下である。
前記鋼材におけるクロムの含有量は、鋼の焼入性及びセメンタイトの熱安定性を確保する観点から、0.8質量%以上、好ましくは1.4質量%以上であり、焼入れ時の焼き割れを抑制するとともに機械的性質の低下を防止する観点から、1.8質量%以下、より好ましくは1.6質量%以下である。
前記鋼材におけるケイ素の含有量は、軌道輪として用いるのに十分な転動疲労寿命を確保する観点から、好ましくは0.15質量%以上であり、軌道輪の製造時における熱処理の効率を向上させる観点から、好ましくは0.35質量%以下である。
前記鋼材におけるマンガンの含有量は、鋼の焼入れ性を確保する観点から、好ましくは0.25質量%以上であり、焼入れ時の焼き割れを抑制するとともに機械的性質の低下を防止する観点から、好ましくは1.55質量%以下である。
前記鋼材におけるリンは、不純物である。そのため、前記鋼材におけるリンの含有量は、靭性確保や転動疲労寿命の観点から、好ましくは0.025質量%以下であり、より好ましくは0.015質量%以下である。前記鋼材におけるリンの含有量は、少ないほど望ましいので、リンの含有量の下限は、0質量%であってもよい。しかし、リンの含有量を0質量%にするのは技術的に容易でなく、安定的に0.001質量%とするにも製鋼コストが高くなる。したがって、前記鋼材におけるリンの含有量の下限を0.001質量%としてもよい。
前記鋼材における硫黄は、不純物である。そのため、前記鋼材における硫黄の含有量は、転動疲労寿命の向上の観点から、好ましくは0.008質量%以下、より好ましくは0.005質量%以下である。前記鋼材における硫黄の含有量は、少ないほど望ましいが、硫黄の含有量を0質量%にするのは製鋼技術的に容易でなく、安定的に0.001質量%未満とするにも製鋼コストが高くなる。したがって、前記鋼材における硫黄の含有量の下限を0.001質量%としてもよい。
前記リン及び硫黄以外の不可避不純物としては、ニッケル、銅、アルミニウム、窒素、酸素などが挙げられる。
前記鋼材におけるニッケルの含有量は、材料コストの低減の観点から、0.25質量%以下である。なお、前記鋼材におけるニッケルの含有量の下限値は、不可避不純物となる程度の含有量であることが望ましく、通常、好ましくは0質量%である。
なお、前記鋼材における鉄の含有量は、前記鋼材の全組成から炭素、ケイ素、マンガン、クロム、リン、硫黄及び前記不可避不純物それぞれの含有量を除いた残部であり、通常、96〜99質量%である。
鋼材を前記鍛造温度まで加熱する際の昇温速度は、微細な球状セメンタイトの生成が可能な範囲であればよく、前記鋼材の組成、ミクロ組織状態等に応じて適宜決定することができる。
据え込み工程では、前記高炭素クロム軸受鋼からなる円柱状の鋼材(図示せず)を据え込み装置(図示せず)にセットし、当該円柱状の鋼材の軸方向両側から押圧することによって据え込み成形し、円板部材B1を得る(図3中、(a)参照)。
つぎに、成形工程では、図示しない雄型及び雌型からなる金型を用いて円板部材B1を塑性変形させ、外筒部50と内筒部60と内筒部60の下部に形成された底部60aとを有する成形ブランクB2を得る(図3中、(b)参照)。
その後、分離穴開け工程では、図示しないパンチにより、成形ブランクB2の内筒部60を打ち抜くとともに、内筒部60の底部60aを打ち抜くことにより、外輪用鍛造物51と内輪用鍛造物61とを分離するとともに、内輪用鍛造物61と底部61bとを分離し内輪用鍛造物61に下穴61aを形成する(図3中、(c)参照)。
鋼材を前記冷却温度まで冷却する際の冷却速度は、前記鋼材の組成、鍛造形状等に応じて適宜決定することができる。なお、本明細書において、「冷却温度」は、鋼材の中心部における冷却温度を意味する。
焼鈍工程では、まず、前記温間鍛造工程で得られた鍛造物を、当該鍛造物の中心部の温度が(Ae1点+25℃)〜(Ae1点+85℃)の範囲内の均熱温度になるまで加熱する(図2中、(b)参照)。
鋼材を前記均熱温度まで加熱する際の昇温速度は、前記鋼材の組成、鍛造形状等に応じて適宜決定することができる。
均熱温度に保持する時間(均熱時間)は、良好な切削性を安定して確保することができる粗形材を得る観点から、好ましくは0.5時間以上、より好ましくは1.0時間以上である。なお、均熱時間を10時間よりも多くしても、均熱時間の長さに見合った粗形材の特性のさらなる向上が見られない。そのため、製造時間を短縮する観点から、均熱時間は、できるだけ短いことが望ましい。均熱時間の上限は、通常、5.0時間以下である。
冷却速度は、生産性の向上(製造時間の短縮)の観点から、好ましくは0.007℃/s以上、より好ましくは0.020℃/s以上であり、板状又は層状のセメンタイトの生成を抑制する観点から、0.3℃/s以下、好ましくは0.27℃/s以下、より好ましくは0.25℃/s以下である。
冷却温度は、板状又は層状のセメンタイトの生成を抑制する観点から、700℃以下、好ましくは650℃以下であり、冷却設備の負荷の低減、生産効率の向上及び製造コストの低減の観点から、好ましくは常温(25℃)以上である。
このようにして、転がり軸受の軌道輪用粗形材を得ることができる。
高炭素クロム軸受鋼A(組成:炭素0.98質量%、クロム1.48質量%、ケイ素0.25質量%、マンガン0.45質量%、リン0.012質量%、硫黄0.006質量%、鉄96.822質量%及び残部不可避不純物)からなる鋼材(Ae1=735℃)を表1に示される条件で鍛造及び焼鈍し、実験番号1〜17の軌道輪用粗形材のテストピース(型番6208)を得た。
実験番号1〜17のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号1〜17のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。つぎに、各テストピースの硬さ及び組織の球状化の評価並びに総合評価を行なった。これらの結果を表2に示す。なお、各テストピースの硬さ及び組織の球状化の評価並びに総合評価の評価基準は、以下のとおりである。
○:ビッカース硬さがHv240以下である。
×:ビッカース硬さがHv240を超える。
○:板状又は層状のセメンタイトが見られず、球状セメンタイトが組織中に均一に分散している。
×:板状又は層状のセメンタイトが見られる。
○:硬さ及び組織の球状化の評価が、いずれも○である。
×:硬さ及び組織の球状化の評価の少なくとも1つが×である。
高炭素クロム軸受鋼(組成:炭素0.98質量%、クロム1.48質量%、ケイ素0.25質量%、マンガン0.45質量%、リン0.012質量%、硫黄0.006質量%、鉄96.822質量%及び残部不可避不純物)からなる鋼材(Ae1=735℃)を表3に示される条件で鍛造及び焼鈍し、実験番号18〜43の軌道輪用粗形材のテストピース(型番6208)を得た。
実験番号18及び19のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号18及び19のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。なお、実験番号18及び19のテストピースは、焼鈍工程における昇温速度が互いに異なることを除き、他の条件は同一の条件で製造されたものである。
実験番号20〜28のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号20〜28のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。なお、実験番号20〜28のテストピースは、焼鈍工程における均熱温度がそれぞれ異なることを除き、他の条件は同一の条件で製造されたものである。試験例3において、均熱温度と硬さとの関係を調べた結果及び焼鈍工程後に得られた軌道輪用粗形材の組織を観察した結果を図5に示す。図5中、(a)は均熱温度と硬さとの関係を調べた結果を示すグラフ、(b)は均熱温度が740℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(c)は均熱温度が760℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(d)は均熱温度が820℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(e)は均熱温度が840℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真である。図中、スケールバーは5μmを示す。
実験番号29〜33のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号29〜33のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。なお、実験番号29〜33のテストピースは、焼鈍工程における均熱時間がそれぞれ異なることを除き、他の条件は同一の条件で製造されたものである。
実験番号34〜37のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号34〜37のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。なお、実験番号34〜37のテストピースは、焼鈍工程における冷却速度がそれぞれ異なることを除き、他の条件は同一の条件で製造されたものである。試験例5において、冷却速度と硬さとの関係を調べた結果及び焼鈍工程後に得られた軌道輪用粗形材の組織を観察した結果を図6に示す。図中、(a)は冷却速度と硬さとの関係を調べた結果を示すグラフ、(b)は冷却速度が7℃/min(0.17℃/s)であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(c)は冷却速度が16℃/min(0.27℃/s)であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(d)は冷却速度が26℃/min(0.43℃/s)であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(e)は冷却速度が93℃/min(1.55℃/s)であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真である。図中、スケールバーは5μmを示す。
実験番号38〜43のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号38〜43のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。なお、実験番号38〜43のテストピースは、焼鈍工程における冷却温度がそれぞれ異なることを除き、他の条件は同一の条件で製造されたものである。試験例6において、冷却温度と硬さとの関係を調べた結果及び焼鈍工程後に得られた軌道輪用粗形材の組織を観察した結果を図7に示す。図中、(a)は冷却温度と硬さとの関係を調べた結果を示すグラフ、(b)は冷却温度が650℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(c)は冷却温度が700℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真、(d)は冷却温度が730℃であるときの軌道輪用粗形材の組織の図面代用写真である。図中、スケールバーは5μmを示す。
高炭素クロム軸受鋼(組成:炭素0.98質量%、クロム1.48質量%、ケイ素0.25質量%、マンガン0.45質量%、リン0.012質量%、硫黄0.006質量%、鉄96.822質量%及び残部不可避不純物)からなる鋼材(Ae1=735℃)を表4に示される条件で鍛造及び焼鈍した。得られた鍛造物に、図8に示される条件(実施例1)及び図9に示される条件(実施例2)で焼入れ処理及び焼もどし処理を施し、軌道輪用粗形材のテストピース(型番6208)を得た。
実施例1及び2における焼鈍工程後の鍛造物の中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。また、実施例1及び2のテストピース中の55か所のビッカース硬さをJIS Z 2244にしたがって測定し、測定された55か所のビッカース硬さの平均値を求めた。また、実験番号1〜17のテストピースの中心部に5質量%ピクラール腐食液を10秒間接触させて腐食させ、腐食面を走査型電子顕微鏡〔(株)島津製作所製、商品名:EPMA−1600〕によって観察した。つぎに、各テストピースの硬さ及び焼鈍工程後の鍛造物の組織の球状化の評価を行なった。また、X線回折法により、実施例1及び2の軌道輪用粗形材のテストピースの表層部及び中央部においてX線回折強度を測定し、残留オーステナイトの結晶構造であるfccのX線回折強度Iγと焼戻しマルテンサイトの結晶構造であるbccのX線回折強度Iαを求め、得られたX線回折強度の比から理論式(I):
1/Vγ=1+(Rγ/Rα)×(Iα/Iγ) (I)
(式中、Vγは残留オーステナイト量、Rγ及びRαは測定した結晶方位に依存した係数、Iγ及びIαはX線回折強度を示す)
を用い、実施例1及び2の軌道輪用粗形材のテストピースの表層部及び中央部の残留オーステナイト量を求めた。試験例7において、焼鈍工程後に得られた鍛造物の組織を観察した結果を図10に示す。図中、(a)は実施例1の鍛造物の組織を観察した結果を示す図面代用写真、(b)は実施例2の鍛造物の組織を観察した結果を示す図面代用写真である。また、図中、スケールバーは10μmを示す。実施例1及び2の軌道輪用粗形材のテストピースの表層部及び中央部の残留オーステナイト量、各テストピースの硬さ及び焼鈍工程後の鍛造物の組織の球状化を評価した結果を表5に示す。なお、各テストピースの硬さ及び焼鈍工程後に得られた鍛造物の組織の球状化の評価の評価基準は、試験例1で用いられた評価基準と同様である。また、残留オーステナイト量が転がり軸受の軌道輪での転動疲労寿命の確保と寸法安定性の確保とを両立するのに適した量(15体積系%以下)である場合を○とした。
Claims (5)
- 0.7〜1.2質量%の炭素と、0.8〜1.8質量%のクロムとを含有する高炭素クロム軸受鋼からなる鋼材を鍛造することによって転がり軸受の粗形材を製造する方法であって、
(A)前記鋼材を、(Ae1点+25℃)〜(Ae1点+105℃)の範囲内の鍛造温度に加熱しながら所定形状に鍛造し少なくとも0.5の相当歪を与えた後、Ae1点以下の温度まで冷却する工程、及び
(B)前記工程(A)で得られた鍛造物を、(Ae1点+25℃)〜(Ae1点+85℃)の範囲内の均熱温度に加熱し、当該均熱温度で0.5時間以上保持した後、0.007℃/s以上0.3℃/s以下の冷却速度で700℃以下に冷却することによって焼鈍する工程
を含むことを特徴とする転がり軸受の粗形材の製造方法。 - 前記冷却速度が0.10℃/s以上である、請求項1に記載の転がり軸受の粗形材の製造方法。
- 前記工程(B)における均熱温度が(Ae1点+35℃)〜(Ae1点+85℃)の範囲内である、請求項1又は2に記載の転がり軸受の粗形材の製造方法。
- 前記均熱温度が760〜820℃である請求項1から3のいずれかに記載の転がり軸受の粗形材の製造方法。
- 前記冷却速度が0.27℃/s以下である請求項1から4のいずれかに記載の転がり軸受の粗形材の製造方法。
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