JPWO2019193772A1 - 転がり軸受の軌道輪の製造方法及び転がり軸受の製造方法 - Google Patents

Abstract

素材から円環部材を切り出し、表面硬化層を形成し、焼入れ・焼戻しを行った後、円環部の内径面及び外径面を研磨する一連の工程を備える転がり軸受の軌道輪の造方法において、焼入れ後に、円環部材を表面温度が５０℃以下となるように急冷し、焼戻しを行う。これにより、表面から芯部にかけて径方向における各部位の平均残留応力の絶対値が０〜１９１ＭＰａである転がり軸受の軌道輪の中間部材、更には前記中間部材の内径面及び外径面を研磨して真円度の高い軌道輪、並びに前記軌道輪を備える転がり軸受が得られる。

Description

本発明は、転がり軸受の軌道輪中間部材に関し、より詳細には軌道輪を製造する工程において熱処理した後の研磨工程の直前の資材（即ち「軌道輪中間部材」）の表層状態を規定するものである。また、本発明は、前記軌道輪中間部材から得られた軌道輪、更には前記軌道輪を備える転がり軸受に関する。更に、本発明は、転がり軸受の軌道輪の製造方法及び転がり軸受の製造方法に関し、より詳細には熱処理を工夫して残留応力の分布を制御し、研磨後に得られる軌道輪の真円度の低下を抑え、高精度の転がり軸受を製造する技術に関する。

近年、円筒ころ軸受や針状ころ軸受は、アプリケーションによって小型・軽量化が要求され、それに伴って軸受サイズが小型化するだけでなく、その内輪や外輪が薄肉化される需要がある。例えば、自動車トランスミッション、コンピュータ断層撮影機（ＣＴスキャナ）などが挙げられる。従来では、薄肉化や小型化による耐久性の不足分を、軌道輪の表面を硬化処理して補っており、例えば特許文献１のトランスミッション用軸受では、異物が混入する潤滑環境下でも長寿命にするために、浸炭や浸炭窒化を施して軌道輪表面の残留オーステナイト量を高めている。

図１は車両用トランスミッションの一例を示す断面図であるが、このトランスミッションは、マニュアル式のものであり、ハウジング１内にインプットシャフト２、アウトプットシャフト３および中間シャフトとしてのパイロットシャフト４が直列に配置され、さらに中間シャフトとしてのカウンターシャフト５とリバースシャフト６がアウトプットシャフト３と平行に配置されている。

リバースシャフト６を除く各シャフト２、３、５とパイロットシャフト４は、円筒ころ軸受７や針状ころ軸受８で回転自在に支持され、各シャフト２、３、５、６には多数のギヤ群９が取り付けられている。また、カウンターシャフト５には一端を円筒ころ軸受７で支持されたギヤ部材１０も取り付けられている。

インプットシャフト２、アウトプットシャフト３およびリバースシャフト６のギヤ９ａは、それぞれのシャフト２、３、６に回転自在に取り付けられ、これらの回転自在なギヤ９ａとパイロットシャフト４は、カウンターシャフト５のいずれかのギヤ９ｂかギヤ部材１０に噛み合っている。これらのギヤ９ａは、外部からの操作でシフトされるクラッチハブ１１で、それぞれの取り付けシャフト２、３、６に、選択的に回転を同期され、インプットシャフト２からアウトプットシャフト３へのトルク伝達経路が適切に選択されるようになっている。

そして、円筒ころ軸受７や針状ころ軸受８の内輪や外輪を浸炭や浸炭窒化処理して強化して、薄肉化が図られている。

日本国特開２００１−２００８５１号公報

転がり軸受では各部材に高い硬さが求められるため、焼入れ処理が必要とされ、これによる楕円変形が不可避である。さらに、浸炭や浸炭窒化による表面硬化処理が施された軌道輪では、当該処理後の焼入れとその後に組織調整のための再焼入れが行われることが多く、楕円変形が助長される。そして、小型・軽量化のために薄肉化されるほど、変形量が大きくなる。そのため、矯正作業を追加することもあるが、製造コストに反映する。

また、転がり軸受はスムーズな回転を維持するために用いられる機械部品であり、熱処理後に研磨加工を施して真円に近づけることが行われる。この際に求められる真円度合いはミクロンレベルでの制御を要するが、この研磨加工の際に軌道輪が歪み、十分な回転精度を確保できなくなることもある。その対策として研磨を繰り返し行って要求寸法精度に収めることが行われるが、研磨工程での負担が増して生産性が低下し、製造コストに反映する。

真円度が十分でないと軸受の回転精度が悪くなり、自動車の燃費に大きく影響するため、熱処理による楕円変形や研磨工程での真円度の低下はトランスミッション用転がり軸受において大きな問題となる。具体的には、インプットシャフト２やアウトプットシャフト３を支持している円筒ころ軸受７や針状ころ軸受８の真円度が低いと、インプットシャフト２やアウトプットシャフト３が偏心してクラッチハブ１１がギヤ９ａ，９ｂにうまく噛み合わなかったり、金属粉が発生するなどして、トランスミッション全体としてトルク損失を起こすようになる。その結果、自動車の燃費が悪くなるなどを引き起こすようになる。軸受の真円度を調整するために、軸受とシャフトとの間に間座を介在させることも考えられるが、調整のための作業が別途必要になる。

そこで本発明は、回転精度に優れた転がり軸受が効率よく得られるよう、研磨工程における軌道輪の真円度の低下を防ぐための、軌道輪中間部材を提供することを目的とする。また、本発明は、研磨後に得られる軌道輪の真円度の低下を防ぐことができる方法を提供することを目的とする。更には、真円度の高い軌道輪、並びにび真円度が高い軌道輪を備え、回転性能に優れる転がり軸受を提供することを提供する。

本発明者らは、上記した真円度の低下について鋭意検討した結果、下記の知見を得た。

例えば外輪の製造方法では、研磨工程において、外径側を研磨した後に内径側の軌道面を研磨するのが一般的である。熱処理による楕円変形量は各軌道輪によって様々であるが、例えば自動車用のトランスミッションに用いられる軸受では数百ミクロン程度である。このような軌道輪を研磨して妥当な真円度（この場合は１０ミクロン程度）に加工するが、その際、外径、内径側ともに楕円変形に起因して研磨工程での取しろが不均一になる。外径側の研磨では通常の加工で妥当な真円度を得ることができる。しかし、続いて内径側を同様に研磨すると、いったん整えた外径側の真円度が崩れ、前述の妥当な範囲をこえる場合がある。この現象は、残留応力開放によるものであり、残留応力が存在する部位を不均一に除去したために生じている。正確には、外径側を研磨した際にも内径側に生じている現象であるが、熱処理変形量に比べて１／１０程度と小さく、その後研磨されるために問題にならないためである。

したがって、解決策としては、前述のように熱処理時の変形を矯正することによって取しろを均一にする方法と、不均一な取しろであっても取しろ内の残留応力を少なくコントロールする方法が考えられる。即ち、研磨時の変形を抑制するためには、取しろ内の残留応力を緩和する（０に近づける）ことが有効であるといえる。
研磨加工による軌道輪の歪は、残留応力の不均一解放によって生じた応力と、軌道輪の変形に対する抵抗、すなわち剛性で決まる。応力については取しろの不均一差と残留応力の関数で表される。取しろの不均一は熱処理変形量で決まる為、熱処理時の変形量と取しろ深さ、取しろ内の残留応力の平均値がわかれば、研磨によって発生する応力値が算出できる。軌道輪の変形抵抗、すなわち剛性は、部品としての形状と材料のヤング率と、外輪の径及び肉厚によって決まる。以上の理論から、リングという基本形状が設定された上で、目標とする真円度と、研磨加工により除去されたる部位の量（取しろ）とを決定すれば、ばねの法則（フックの法則）から目的とする残留応力の値を算出することができる。

一方、残留応力は、部品に不均一な歪みが発生することにより生じる応力であり、その原因は、熱処理、機械加工、成分のムラなど様々である。このような不均一は、円周方向の不均一に限定するものではない。例えば、前述の浸炭や浸炭窒化は、部材の表面から、炭素や窒素を侵入させるため、部材の断面（深さ方向）には、浸炭層と非浸炭層（芯部）という不均一な状態となり、そのため、残留応力が発生する。一般に、焼入れ後、浸炭層には圧縮の残留応力が発生することが知られている。また、応力が発生すると部品は変形するが、変形が停止しているということは、発生した応力を相殺するような応力が自然と発生することを意味している。先に記述した浸炭の場合、芯部が浸炭層の応力を相殺する役割を果たすことが知られている。ほとんどの部品において、浸炭層に比べて芯部は広い体積を有している為、その全体で相殺し、芯部の残留応力はほぼ０、具体的には、０〜＋１００ＭＰａ以下となることが多い。一般的な浸炭層の残留応力はおおよそ−３００ＭＰａ程度であることが多く、表面から内部にかけて明らかに減少していく（０近づく）挙動を示す。以下に示す本発明では、このような浸炭層に発生する残留応力を熱処理条件の工夫により低減させるものである。芯部の残留応力は前述の通り、やはり０〜＋１００ＭＰａ以下である。従って、本発明では、従来品と同様の浸炭深さを有していても、熱処理の条件を制御することで、浸炭層に発生する圧縮の残留応力を緩和することで、従来品に比べて芯部方向への残留応力の勾配を明らかに緩やかにすることができる。具体的には、浸炭層に発生する残留応力を圧縮範囲ではあるが、半減させることに成功しており、その勾配は明らかに緩やかである。

本発明はこのような知見に基づくものであり、下記の転がり軸受の軌道輪中間部材、軌道輪、転がり軸受及びそれらの製造方法を提供する。
（１）熱処理後且つ研磨前の状態での軌道輪中間部材であって、
前記軌道輪中間部材は、表面硬化層を有し、かつ、
その中間部材において、表面から芯部にかけての残留応力の勾配が緩やかであることを特徴とする転がり軸受の軌道輪中間部材。
（２）前記表面から前記芯部にかけて径方向における各部位の平均残留応力の絶対値は、０〜１９１ＭＰａであることを特徴とする上記（１）に記載の軌道輪中間部材。
（３）前記表面から前記芯部にかけて径方向における各部位の平均残留応力の絶対値は、０〜１１１ＭＰａであることを特徴とする上記（２）に記載の軌道輪中間部材。
（４）前記軌道輪中間部材が肌焼鋼からなり、
前記表面硬化層が、浸炭表面硬化層、窒化表面硬化層または浸炭窒化表面硬化層であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪中間部材。
（５）円すいころ軸受又は玉軸受の軌道輪用中間部材であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪中間部材。
（６）熱処理後且つ研磨前の状態での軌道輪中間部材であって、
前記軌道輪中間部材は、表面硬化層を有し、かつ、
前記軌道輪中間部材において、表面から芯部にかけて、径方向における各部位の平均残留応力の絶対値は、０〜１９１ＭＰａであることを特徴とする転がり軸受の軌道輪中間部材。
（７）上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の転がり軸受の軌道輪中間部材から得られたことを特徴とする転がり軸受の軌道輪。
（８）上記（７）記載の軌道輪を備えることを特徴とする転がり軸受。
（９）素材から円環部材を切り出し、表面硬化層を形成し、焼入れ・焼戻しを行った後、前記円環部材の内径面及び外径面を研磨する一連の工程を備える転がり軸受の軌道輪の製造方法において、
前記焼入れ後に、前記円環部材の表面温度を５０℃以下となるように急冷して軌道輪中間部材とし、焼戻し後に前記軌道輪中間部材の内径面及び外径面を研磨することを特徴とする転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（１０）前記の急冷は、前記焼入れ後に、前記円環部材を洗浄液により洗浄を兼ねて行うことを特徴とする上記（９）記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（１１）研磨前の前記軌道輪中間部材において、表面から芯部にかけての残留応力の勾配を緩やかにすることを特徴とする上記（９）または（１０）に記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（１２）表面から芯部にかけて径方向の各部位の平均残留応力の絶対値を０〜１９１ＭＰａにすることを特徴とする上記（９）〜（１１）の何れか１項に記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（１３）上記（９）〜（１２）の何れか１項に記載の軌道輪の製造方法を行う工程を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。

本発明の軌道輪中間部材は、その表面から芯部までの深さ方向において、研磨工程における取しろ内、具体的には、５０μｍの深さ位置から２５０μｍの深さ位置までの残留応力が従来品より０に近く、非浸炭層である芯部に向ってその変化がほぼ無い程度に緩やかである。芯部の残留応力はほぼ０に近いため、必然的に研磨での取しろ内の残留応力が低くコントロールされることになる。その結果、一般的な楕円変形を有する軌道輪中間部材に研磨加工を施した後、軌道輪の変形が生じにくく、効率よく真円度が良好な軌道輪の完成品を得ることができる。

また、本発明の軌道輪は、上記の軌道輪中間部材の内径面及び外径面を研磨して得られるが、研磨の際に真円度の低下が抑えられるため真円度の高いものとなる。そして、この真円度の高い軌道輪を備える転がり軸受は、回転精度に優れたものとなる。

なお、残留応力の測定は、一般にはＸ線回折法で行われる。例えば浸炭など熱処理後の最表面の組織は酸化等により化合物が形成されており，その状態では測定に適さない。そのため、金属組織による残留応力の影響を検出するためには、電解研磨でその部分を除去することが一般的であり、今回は表面の影響層の深さを考慮して５０μｍ深さの値を最表面と同等と評価している。理論上、何らかの意図的な処理を行わなければ、これより浅い領域で本質的に残留応力が大きく変化せず、ほぼ同等レベルの残量応力値であることは軸受製造業界での常識である。

車両用トランスミッションの一例を示す断面図である。 予備試験の結果を示すグラフであり、円環部材の表面温度と残留応力との関係を示している。 比較例１における、残留応力の深さ方向の分布を示すグラフである。 実施例１における、残留応力の深さ方向の分布を示すグラフである。 実施例２における、残留応力の深さ方向の分布を示すグラフである。 （Ａ）は実施例１、（Ｂ）は実施例２、（Ｃ）は比較例１で得られた、研磨後の試験片の真円度分布を示すグラフである。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。尚、以降の説明では、転がり軸受の軌道輪中間部材を、単に「軌道輪中間部材」とも称する。

本発明において、転がり軸受の種類には制限はない。転がり軸受としては、円すいころ軸受や玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受等が一般的であり、本発明ではこれら転がり軸受、更にはその軌道輪（内輪又は外輪）を対象とする。尚、軌道輪が薄肉化される場合、ｔ／Ｄ（ｔ：軌道輪の有効肉厚、Ｄ：軌道輪の外径）が０．１以下の場合に特に有効である。

本発明では、先ず、内輪や外輪となる素材の円環部材を用意する。素材としては、浸炭処理や窒化処理、浸炭窒化処理により表面硬化層を形成しやすいように、肌焼き鋼が好ましい。また、焼入れ性を向上させるために、ＣｒやＭｎ等を合金成分として添加することも好ましい。

そして、この円環部材を用い、従来と同様に、表面硬化層を形成し、焼入れ・焼戻しの熱処理を行って軌道輪中間部材とし、その後軌道輪中間部材の内径面及び外径面を研磨して軌道輪を製造する。焼入れは、１回で良く２回でもよい。また、得られた軌道輪を、転動体や保持器とともに組み立てて転がり軸受とする。この一連の工程順序は従来と同様である。

但し、本発明では、焼入れ後に円環部材を急冷して軌道輪中間部材とし、その後に焼戻しを行い、研磨する。また、油で冷却する焼入れ後に、円環部材に付着した油を洗浄する際に、洗浄を兼ねて急冷してもよい。急冷方法としては水、あるいは洗浄液の貯槽に円環部材を浸漬してもよいが、液温が上昇するため連続処理には向かないため、水や洗浄液を円環部材に吹き付ける方法が好ましい。急冷するための冷媒は、冷却能力やコスト、後処理の容易性等を考慮すると水が特に好ましく、洗浄を兼ねることもできる。洗浄液としては、水に界面活性剤を加えたものが好ましく、防錆剤を添加してもよい。

表面硬化層が形成された円環部材では、表面に圧縮の残留応力が発生することが知られているが、これは炭素の勾配に伴うマルテンサイト変態の発生順序に依存しており、冷却に伴って芯部から表面の順にマルテンサイト変態が生じることによって発生する。マルテンサイトの硬さは炭素量に依存するため、表面から内部にかけて炭素濃度の勾配に応じた硬さ分布と残留応力分布が発生する。硬さはほぼ炭素濃度のみに依存するが、残留応力はマルテンサイト変態の発生時期に依存する。そこで、マルテンサイト変態の発生が芯部よりも遅くなる表面を速く冷却することにより、表面と芯部とのマルテンサイト変態の発生時期を同期させて、残留応力の発生を抑えることができる。

そのためには、焼入れ後の急冷、または洗浄を兼ねた急冷により、円環部材の表面の冷却速度を芯部の冷却速度よりも相対的に速くする。具体的には、焼入れ後に急冷を行い、環状部材の表面温度を５０℃以下、好ましくは１０〜４０℃にすることが有効であることを見出した。この急冷により、軌道輪中間部材の表面の残留応力およびその分布を制御し、表面に相当する取しろ、すなわち深さ方向において、５０μｍの深さ位置から芯部にかけての残留応力変化がほぼ無い程度に緩やかにする。より好ましくは、研磨取しろ内の平均残留応力の絶対値は０〜１９１ＭＰａであり、表面から芯部にかけて緩やかに０に近づくような深さ−残留応力分布を持つようにする。また、取しろ内に相当する、５０μｍから２５０μｍの深さ位置における残留応力の絶対値を、１００ＭＰａ以下にする。更に好ましくは、取しろ内に相当する、５０μｍから２５０μｍの深さ位置における残留応力の絶対値が、６０ＭＰａ以下にする。尚、急冷時の冷却速度は、１０℃／分以上とし、より好ましくは１５℃／分以上である。

また、上記した軌道輪中間部材の表面の残留応力分布は、研磨して得られる最終品である軌道輪においてもそのまま維持されていることが好ましい。即ち、最終的に得られる軌道輪においても、５０μｍの深さ位置から芯部にかけての残留応力変化がほぼ無い程度に緩やかであり、研磨取しろ内の平均残留応力の絶対値は０〜１９１ＭＰａであり、表面から芯部にかけて緩やかに０に近づくような深さ−残留応力分布を有し、好ましくは５０μｍから２５０μｍの深さ位置における残留応力の絶対値を１００ＭＰａ以下、更に好ましくは６０ＭＰａ以下にする。

次いで、常法に従って焼戻し後に、内径面や外径面の研磨を行って軌道輪が完成するが、上記したように焼入れ後の急冷、あるいは焼入れ後の洗浄兼急冷により軌道輪中間部材の表面の残留応力が小さくなっているため、研磨時における真円度の低下を抑えることができる。

また、上記の軌道輪を、転動体や保持器とともに組み立てて転がり軸受とすることができる。

真円度は、一般にＪＩＳ Ｂ １５１５にて規格化されており、一つのラジアル平面内での外径の最大値と最小値との差であり、ＪＩＳ Ｂ １５１４には、軸受外径ごと、等級ごとに真円度が規定されている。軌道輪の直径に対する真円度の要求精度は０．０１〜０．０３％程度であり、ここでは、一般品である０等級での最大値を最低の目標値とし、好ましい目標値として外径の０．０１５％以内、より好ましい目標値として外径の０．０１％以内とした場合について説明する。

また、研磨における取しろは、熱処理品では表面の性状等を考慮してＪＩＳ Ｂ ０７１１に規定されている。そして、本発明が対象とするトランスミッション用の転がり軸受では、外径の取しろは直径で０．２ｍｍが目安になっている。

真円度と取しろが決まると、取しろの範囲内で、目標とする真円度を得るために求められる残留応力を算出することができる。

部材の残留応力は、部材の曲率から求めることができ、本発明ではこの曲率法を基に残留応力を求める。即ち、内輪や外輪の素材である肌焼鋼からなる円環部材について、表面硬化層を形成し、焼入れ、焼戻しを行う熱処理を施した後に、外径及び内径の寸法変化を測定し、この変化量から曲率法による残留応力の定義式を基に、外径ごと、肉厚ごとに目標とする真円度になるような残留応力を算出した。

結果を表１〜３に示すが、同表は、取しろ０．２ｍｍの範囲で、目標真円度とするために要求される平均残留応力を、円環部材の外径と肉厚ごとに示している。表１は目標真円度をＪＩＳ規格の０等級の最大値以内とした場合、表２は外径の０．０１５％以内とした場合、表３は外径の０．０１％以内とした場合である。表１〜３に示されるように、何れの真円度でも、同じ肉厚であれば外径が大きくなるほど残留応力が小さくなっており、逆に同じ外径であれば肉厚が増すほど残留応力が大きくなっている。

そして、同表から肉厚ごとに、外径と残留応力との関係をグラフ化し、最小二乗法にて近似直線を求めてその傾きと切片とを求めた。真円度をＪＩＳ機械の０等級の最大値以内とした場合を表４に、真円度を外径の０．０１５％以内とした場合を表５に、真円度を外径の０．０１％以内とした場合を表６にそれぞれ示す。

更に、肉厚と傾きとの関係、肉厚と切片との関係をそれぞれグラフ化し、最小二乗法にて近似直線を求めた。そして、得られた近似直線と外径から、目標真円度ごとに表面から５０μｍの深さの位置での残留応力に関する下記の式（１）〜式（３）が得られる。尚、式中のＤは軌道輪の外径、ｔは軌道輪の肉厚である。
・目標真円度：ＪＩＳの０等級の最大値以内とした場合、
本発明は、
残留応力≧（１．０４×ｔ−２．２）×Ｄ−１７０．８×ｔ＋４２５・・・（１）
・目標真円度：外径の０．０１５％以内とした場合、
本発明は、
残留応力≧（０．９０×ｔ−２．６）×Ｄ−１５１．９×ｔ＋４５４・・・（２）
・目標真円度：外径の０．０１％以内とした場合、
本発明は、
残留応力≧（０．６１×ｔ−１，８）×Ｄ−１０４．６×ｔ＋３２２・・・（３）

例えば、外径が７３ｍｍで有効肉厚が４．８ｍｍの円すいころ軸受の外輪の場合、研磨後の真円度をＪＩＳ０等級の最大値以内に収めるためには、式（１）から外輪となる軌道輪中間部材の軌道面の５０μｍから２５０μｍの深さの位置における平均残留応力を約−１９１ＭＰａ以上にすればよい。更に真円度を高める場合には、式（２）から真円度を外径の０．０１５％以内にするためには同残留応力を−１５０ＭＰａ以上にすればよく、式（３）から真円度を外径の０．０１％以内にするためには同残留応力を−９７ＭＰａ以上にすればよい。

尚、浸炭や窒化、浸炭窒化による表面硬化処理では、基本的に表面の残留応力は圧縮であり、残留応力はマイナスの値となる。

そして、このように式（１）〜式（３）を満足するように残留応力を制御した軌道輪中間部材を研磨加工することにより、多少の楕円変形が生じていても取しろが不均一になることに由来する応力発生を軽減することができ、軌道輪において目標とする真円度を確保することができる。

上記したように、軌道輪中間部材の表面性状が、得られる軌道輪の表面性状に反映されるため、例えば、式（１）を満足するように熱処理した軌道輪中間部品の平均残留応力値が−１５０ＭＰａとしたとすると、軌道輪の表面の残留応力は−１５０ＭＰａよりも低い値となる。なお、軌道輪の残留応力の値を評価する場合、研磨加工による残留応力を除去する必要があり、これを達成する為には、約５０μｍの電解研磨が必要であり、研磨後の軌道輪の表面残留応力とは５０μｍ深さ位置の残留応力としている。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（予備試験）
炭素を０．４質量％含有し、油冷での焼入れ性を確保するために更にＣｒやＭｎ等の合金元素を添加した鋼材を用意した。そして、この鋼材から、外径が７５ｍｍ程度の円環部材を切り出し、３．５時間の浸炭窒化処理を行った。次いで、２次加熱後、１００℃程度の油中にて焼入れを行い、速やかに水を吹き付けて洗浄兼急冷を行って、円環部材の表面温度を２０〜５０℃とし、焼戻しを行って試験片とした。そして、試験反の円周面を所定の深さまで電解研磨し、その位置での残留応力を測定する操作を繰り返し行い、取しろ近傍である２５０μｍの深さまでの残留応力を求めた。測定の結果、２５０μｍの深さまでの平均残留応力は、表面温度が２０℃の場合は−３７ＭＰａ、３０℃の場合は−３４ＭＰａ、４０℃の場合は−４６ＭＰａ、５０℃の場合は−１３８ＭＰａであった。

測定結果をグラフ化して図２に示すが、円環部材の表面温度が４０℃以下で平均残留応力が小さい値で、一定しており、３８℃以下でより小さい値で、一定している。即ち、急冷により、円環部材の表面温度を４０℃以下、好ましくは３８℃以下とすればよいことがわかる。

（実施例１、実施例２、比較例１）
予備試験と同様に、炭素を０．４質量％含有し、ＣｒやＭｎ等の合金元素を添加した鋼材から、外径７３ｍｍで、肉厚４．８ｍｍの円すいころ軸受の外輪用円環部材を切り出し、３．５時間の浸炭窒化処理を行った。次いで、２次加熱後、１００℃程度の油中にて焼入れを行い、実施例１では焼入れ後に５０℃まで，実施例２では焼入れ後に室温（２５℃）まで急冷し、その後に１８０℃にて焼戻しを行って試験片とした。一方、比較例１では、焼入れ後、特に冷却せず、その後に１８０℃にて焼戻しを行って試験片とした。

これらの試験片について、その一部は、軌道面にあたる円周面を所定の深さまで電解研磨し、その位置での残留応力を測定する操作を繰り返して、深さ方向の残留応力の分布を求めた。ただし、測定深さは、本ワークの研削による取しろである最大２５０μｍとした。表７は各試験片の残留応力の値を示す。

図３〜５は、表７の結果を用い、各試験片の深さ方向の残留応力分布をグラフで表した結果を示す。前述のように、芯部の残留応力はほぼ０と推定されるため、比較例１では芯部に向けて明確に残留応力が減少していくのに対し、実施例１や実施例２では取しろ内である５０〜２５０μｍ深さの残留応力値が低く抑えられている為、芯部に向けて緩やかに残留応力が減少していくことがわかる。

続いて、各事例の研削加工による真円度の変化について評価した。
熱処理後の各試験片の真円度はほぼ同等であった。各試験片５０個について、外径側と内径側とを各１回ずつ研磨し、真円度を測定した。結果を図６に示すが、比較例１では真円度が３〜３２μｍであり、大きなバラつきがある。これに対して実施例１では何れもの試験片も真円度が８μｍ以下、実施例２では何れの試験片も真円度が４μｍ以下であり、真円度が小さく、かつ、揃っている。

外径７３ｍｍで有効肉厚４．８ｍｍの円すいころ軸受の外輪では、式（１）より真円度をＪＩＳ０等級の最大値以内するためには残留応力を−１９１ＭＰａ以上、式（２）より真円度を外径の０．０１５％以内にするためには残留応力を−１５０ＭＰａ以上、式（３）より真円度を外径の０．０１％以内にするためには残留応力を−９７ＭＰａ以上にすればよい。実施例１では、平均残留応力が−１１１ＭＰａであり、上記した真円度を外径の０．０１５％（＝１１μｍ）以内に抑えるための残留応力（−１５０ＭＰａ以上）を満足しており、真円度も８μｍ以下で、１１μｍ以内を満足している。同様に、実施例２では平均残留応力が−２９ＭＰａであり、上記した真円度を外径の０．０１％（＝７．３μｍ）以内に抑えるための残留応力（−９７ＭＰａ以上）を満足しており、真円度も４μｍ以下で、７．３μｍ以内を満足している。これに対して比較例１は、平均残留応力が−２７７ＭＰａであるため、真円度をＪＩＳ０等級の最大値以内するための残留応力（−１９１ＭＰａ以上）を満足しておらず、真円度も最大で３２μｍでありＪＩＳ０等級の真円度を満足していない。

このように、比較例１、実施例１及び実施例２より、目標真円度と、式（１）〜式（３）とは相関があることがわかる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１８年４月２日出願の日本特許出願（特願２０１８−０７０９４３）、２０１８年４月１３日出願の日本特許出願（特願２０１８−０７７５９８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、各種転がり軸受において、高い真円度の軌道輪が得られ、高精度の転がり軸受が得られる。例えば、自動車トランスミッション、コンピュータ断層撮影機（ＣＴスキャナ）等に使用される転がり軸受として有用である。

１ ハウジング
２ インプットシャフト
３ アウトプットシャフト
４ パイロットシャフト
５ カウンターシャフト
６ リバースシャフト
７ 円筒ころ軸受
８ 針状ころ軸受
９ ギヤ群
９ａ、９ｂ ギヤ
１０ ギヤ部材
１１ クラッチハブ

本発明は、転がり軸受の軌道輪の製造方法及び転がり軸受の製造方法に関し、より詳細には熱処理を工夫して残留応力の分布を制御し、研磨後に得られる軌道輪の真円度の低下を抑え、高精度の転がり軸受を製造する技術に関する。

本発明はこのような知見に基づくものであり、下記の転がり軸受の軌道輪の製造方法及び転がり軸受の製造方法を提供する。
（１）素材から円環部材を切り出し、表面硬化層を形成し、焼入れ・焼戻しを行った後、前記円環部材の内径面及び外径面を研磨する一連の工程を備える転がり軸受の軌道輪の製造方法において、
前記焼入れ後に、前記円環部材の表面温度を５０℃以下となるように急冷して軌道輪中間部材とし、焼戻し後に前記軌道輪中間部材の内径面及び外径面を研磨することを特徴とする転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（２）前記の急冷は、前記焼入れ後に、前記円環部材を洗浄液により洗浄を兼ねて行うことを特徴とする上記（１）に記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（３）表面から芯部にかけて径方向の各部位の平均残留応力の絶対値を０〜１９１ＭＰａにすることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の軌道輪の製造方法を行う工程を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。

Claims (13)

1. 熱処理後且つ研磨前の状態での軌道輪中間部材であって、
   前記軌道輪中間部材は、表面硬化層を有し、かつ、
   その中間部材において、表面から芯部にかけての残留応力の勾配が緩やかであることを特徴とする転がり軸受の軌道輪中間部材。
2. 前記表面から前記芯部にかけて径方向における各部位の平均残留応力の絶対値は、０〜１９１ＭＰａであることを特徴とする請求項１に記載の軌道輪中間部材。
3. 前記表面から前記芯部にかけて径方向における各部位の平均残留応力の絶対値は、０〜１１１ＭＰａであることを特徴とする請求項２に記載の軌道輪中間部材。
4. 前記軌道輪中間部材が肌焼鋼からなり、
   前記表面硬化層が、浸炭表面硬化層、窒化表面硬化層または浸炭窒化表面硬化層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪中間部材。
5. 円すいころ軸受又は玉軸受の軌道輪用中間部材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の転がり軸受の軌道輪中間部材。
6. 熱処理後且つ研磨前の状態での軌道輪中間部材であって、
   前記軌道輪中間部材は、表面硬化層を有し、かつ、
   前記軌道輪中間部材において、表面から芯部にかけて、径方向における各部位の平均残留応力の絶対値は、０〜１９１ＭＰａであることを特徴とする転がり軸受の軌道輪中間部材。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の転がり軸受の軌道輪中間部材から得られたことを特徴とする転がり軸受の軌道輪。
8. 請求項７記載の軌道輪を備えることを特徴とする転がり軸受。
9. 素材から円環部材を切り出し、表面硬化層を形成し、焼入れ・焼戻しを行った後、前記円環部材の内径面及び外径面を研磨する一連の工程を備える転がり軸受の軌道輪の製造方法において、
   前記焼入れ後に、前記円環部材の表面温度を５０℃以下となるように急冷して軌道輪中間部材とし、焼戻し後に前記軌道輪中間部材の内径面及び外径面を研磨することを特徴とする転がり軸受の軌道輪の製造方法。
10. 前記の急冷は、前記焼入れ後に、前記円環部材を洗浄液により洗浄を兼ねて行うことを特徴とする請求項９記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
11. 研磨前の前記軌道輪中間部材において、表面から芯部にかけての残留応力の勾配を緩やかにすることを特徴とする請求項９または１０に記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
12. 表面から芯部にかけて径方向の各部位の平均残留応力の絶対値を０〜１９１ＭＰａにすることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１項に記載の転がり軸受の軌道輪の製造方法。
13. 請求項９〜１２の何れか１項に記載の軌道輪の製造方法を行う工程を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。

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