WO2013085008A1 - 転動疲労寿命に優れた機械部品の製造方法 - Google Patents

転動疲労寿命に優れた機械部品の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of mechanical parts made of steel, such as bearings, gears, hub units, continuously variable transmissions, constant velocity joints, piston pins, etc., and has an annular shape that requires good rolling fatigue life as its characteristics.
  • the present invention relates to the production of machine parts.
  • Steel materials forming these machine parts and devices contain impurity elements in addition to steel components, and Al 2 O 3 , MnS, TiN and other non-metallic inclusions made of these impurity elements are machine parts. This is the starting point for damage to steel parts in equipment. For this reason, these non-metallic inclusions are known to be particularly harmful. Furthermore, it is known that the rolling fatigue life of steel parts becomes shorter as the diameter of these non-metallic inclusions is larger. For this reason, various high cleanliness steels have been proposed in which the amount of nonmetallic inclusions is reduced, that is, the cleanliness of the steel is increased and the content of large oxide nonmetallic inclusions having a diameter of 20 ⁇ m or more is extremely reduced. (For example, refer to Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 the process leading to breakage in rolling fatigue, that is, delamination is described as follows.
  • stress concentrates around the non-metallic inclusions, causing the cracks to displace (hereinafter referred to as “open-type initial cracks”). .) Occurs.
  • open-type initial cracks After that, it is known that damage is caused through propagation of cracks due to shear stress. This means that subsequent crack propagation and breakage do not occur unless an opening-type initial crack occurs.
  • the opening type initial crack occurs on the premise that a physical gap, that is, a cavity, is generated at the interface between the nonmetallic inclusion and the parent phase. It is verified in these non-patent documents that no crack occurs.
  • FIG. 5 shows a conceptual diagram of an image obtained by observing the presence or absence of cavities around non-metallic inclusions with a scanning electron microscope (FE-SEM) after being cut out from hot-rolled steel and subjected to ion milling.
  • reference numeral 5 represents a nonmetallic inclusion of Al 2 O 3
  • reference numeral 4 represents a cavity or void.
  • deoxidation with Al is usually performed. It has been confirmed that the Al 2 O 3 -based non-metallic inclusions 5 generated at that time are likely to generate voids 4 especially at the interface with the matrix due to the difference in deformability and shape from the matrix. Therefore, in order to improve the rolling fatigue life of the mechanical component 7, it is effective to close the gap 4 existing at the interface between the nonmetallic inclusion 5 and the parent phase or to reduce the volume of the gap 4. is there.
  • JP 2006-63402 A Japanese Patent Laid-Open No. 06-192790 JP-A-4-357324 JP 2006-77854 A
  • the problem to be solved by the present invention is the technique (3) for obtaining an excellent rolling fatigue life by improving the interface state between the non-metallic inclusions contained in the steel material and the parent steel. It is a related technology that improves the interfacial state between non-metallic inclusions contained in steel materials that are ring-shaped materials (including cylindrical materials) and steel materials that are the parent phase by plastic working. Compared to conventional steel manufacturing methods that reduce non-metallic inclusions and reduce non-metallic inclusions in the manufacture of steel, the machine has a rolling part with an excellent rolling fatigue life on the inner surface of the ring-shaped material. It is to provide a method of manufacturing a part.
  • Means of the present invention for solving the above problem is a method of manufacturing a machine part having a rolling part on which the rolling part rolls on the inner diameter surface of a ring-shaped material, wherein the ring is intended to form the rolling part.
  • a rolling part on which a rolling component rolls is formed on the inner diameter surface of the ring-shaped material by a forging process in which a compressive hydrostatic pressure stress is applied to the inner diameter surface of the ring-shaped material.
  • the forging process may be hot or cold. That is, by applying a hydrostatic stress of compression to the inner diameter surface of the ring-shaped material where the rolling part is to be formed, forging is performed at the interface between the nonmetallic inclusions in the steel and the steel that is the parent phase.
  • the existing voids are directed in the closing direction, and a machine part having an excellent rolling fatigue life can be manufactured.
  • the forging process is preferably a process of applying a hydrostatic pressure stress of 1.5 times or more the yield stress of the ring-shaped material to the inner surface of the ring-shaped material.
  • the forging process is a process in which the plastic strain in the rolling direction of the rolling component is compressed.
  • a method of manufacturing a machine part having a rolling part in which a rolling part rolls on an inner diameter surface of a ring-shaped material Prepare a ring-shaped material, Set the ring-shaped material in an annular restraint frame in the press device, It is preferable to perform a forging process in which compressive hydrostatic stress is applied to at least one end section and the inner diameter surface of the ring-shaped material from at least one side direction of the end section of the ring-shaped material.
  • the manufacturing method of the present invention applies compressive hydrostatic stress to the inner diameter surface of the ring-shaped material during forging of the ring-shaped material of the above means, and preferably compresses at least 1.5 times the yield stress of the material.
  • non-metallic inclusions at the time of manufacturing the steel material by forging by applying a hydrostatic pressure stress of, or preferably by forging that compresses the plastic strain in the rolling direction of the rolling parts. Without reducing and reducing the diameter, voids generated at the interface between the non-metallic inclusions and the parent phase steel can be closed or reduced. Separation due to fatigue can be avoided, and a machine part having an excellent rolling part with significantly improved rolling fatigue life can be manufactured.
  • steel materials required for manufacturing a machine part having a rolling part of the present invention include steel for machine structure and bearing steel.
  • These steel materials are: 1) oxidation refining of molten steel by an arc melting furnace or converter, 2) reductive refining by a ladle refining furnace (LF), 3) recirculation vacuum degassing treatment by a recirculation type vacuum degassing apparatus (RH) ( RH treatment) 4) Casting of steel ingot by continuous casting or general ingot and 5) Hot rolling or hot forging and cold rolling of steel ingot, or plastic working process by cold rolling and cold forging It is manufactured to steel materials through.
  • the steel materials specified in JIS such as the above steel for machine structural use and bearing steel, are manufactured, and this steel material is processed by an assel mill, extruded, or hot forged such as hot forging. After processing into a steel pipe by the inter-process, this steel pipe was cut into a predetermined length. Furthermore, the ring base material 2 of the present invention was obtained as a steel pipe having an outer diameter and an inner diameter of predetermined dimensions by cutting the outer diameter surface and the inner diameter surface of the cut steel pipe.
  • the construction method of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the ring base material 2 having a predetermined shape or a mold for processing is subjected to appropriate lubrication treatment, and the ring base material 2 having a temperature near room temperature or a temperature suitable for hot working is constrained in an annular shape of the press device.
  • An upper mold 3 and a lower mold 3 ′ are respectively arranged in the upper and lower directions in the restraint frame 1, and these molds 3 and 3 ′ are fixed to operating parts (not shown) above and below the press device, respectively. Yes.
  • the upper punch 3a of the upper mold 3 fixed and the annular upper punch 3b arranged around the upper punch 3 start a downward movement in the arrow direction.
  • the ring base material 2 set at a predetermined position in the upper and lower molds 3 and 3 ′ is formed such that the inner surface 2 a and the upper end surface 2 b of the ring base material 2 are plastic by the upper punch 3 a and the annular upper punch 3 b that have been lowered.
  • the ring base material 2 is pushed downward, and at the same time, from the lower punch 3c and the annular lower punch 3d, the inner diameter surface 2a and the lower end surface 2c of the ring base material 2 are also obtained. Undergoes plastic working. That is, the upper end surface 2b of the ring base material 2 is pushed downward as the upper punch 3a and the annular upper punch 3b are lowered. As a result, the lower end surface 2c of the ring base material 2 is lowered to the lower punch 3c and the annular lower punch 3d. Is pushed up relatively.
  • the ring base material 2 is subjected to compression processing by forging from both the upper punch 3a and the annular upper punch 3b, and the lower punch 3c and the annular lower punch 3d, and the ring base material which is to form the rolling part 6
  • a hydrostatic pressure stress that is 1.5 times the yield stress of the material to the inner diameter surface 2a of No. 2 and performing a forging process in which the plastic strain in the rolling direction in the vicinity of the rolling part 6 is compressed.
  • the gap 4 between the steel matrix of the ring matrix 2 and its non-metallic inclusions 5 is closed.
  • the ring base material 2 is placed in the vicinity of the rolling part 6 of the rolling part that is the machine part 7 to be manufactured.
  • the effect of closing the void 4 existing between the parent phase of the steel and the non-metallic inclusion 5 is imparted.
  • FIG. 4 (FIG. 4), which exists between the nonmetallic inclusion 5 and the steel of the ring base material 2 which is the parent phase, by compressing the action of the hydrostatic stress of compression and the plastic strain in the rolling direction. It changes to the direction which the space
  • Table 1 shows the component composition of the test material used as the steel type of the steel material of the ring base material 2.
  • the molten steel is oxidatively refined in an arc melting furnace, this is reduced and refined in a ladle smelting furnace (LF), and further the oxygen component in the molten steel is reduced by degassing in a reflux type vacuum degasser (RH).
  • the molten steel was manufactured into a steel ingot by continuous casting.
  • the steel ingot was made into a steel material by hot rolling as usual, and then made into a steel pipe by an Assel mill, and these were prepared into a steel pipe subjected to a conventional spheroidizing heat treatment. It is also conceivable that the steel material is made into a ring-shaped material by conventional hot forging.
  • the ring base material 2 has a width 29.0 mm, an outer diameter ⁇ 90.0 mm, a projecting portion 2d having a width 10.0 mm and an inner diameter ⁇ 65.0 mm at the center of the inner diameter surface, rolling.
  • the following forging process was performed using the molds 3 and 3 ′ designed to obtain a forged product having an inner diameter ⁇ of 75.0 mm outside the portion 6.
  • Forging was performed for both cold forging and hot forging. In the case of cold forging, both the ring base material 2 and the dies 3 and 3 ′ have a load of 4000 to 4200 kN at the time of molding by a processing method using the dies 3 and 3 ′ shown in FIG.
  • Cold forging was performed so that the processing surface pressure during molding was 1800 to 1900 MPa.
  • the ring base material 2 is heated to a temperature of 900 ° C. and 1100 ° C., and the processing method using the molds 3 and 3 ′ shown in FIG. Hot forging was performed so that the processing surface pressure was 700 to 1000 MPa.
  • the yield stress of the material is about 500 MPa around room temperature, about 120 MPa around 900 ° C., and about 50 MPa around 1100 ° C.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the state of change of the void 4 existing between the nonmetallic inclusion 5 and the steel that is the ring base material 2 before and after the forging process.
  • FIG. 4A shows the shape of the non-metallic inclusion 5 of the ring base material 2 before forging, and a gap 4 is formed adjacent to the non-metallic inclusion 5.
  • FIG. 4B after the forging process, only the non-metallic inclusions 5 exist, and therefore the voids 4 existing between the non-metallic inclusions 5 and the steel that is the ring base material 2. Was confirmed to be closed.
  • Table 2 shows processing conditions A to R and steel type conditions 1 to 4 SUJ2, SUJ3, S45C. , S53C steel type. From these, test pieces of processing conditions A to R were collected.
  • processing conditions A, B, C, D, E, and F are cold forging with a processing start temperature of 20 ° C.
  • processing conditions G, H, I, J, K, and L are processing start temperatures. Is hot forging at 900 ° C.
  • processing conditions M, N, O, P, Q, and R are hot forging at a processing start temperature of 1100 ° C.
  • the maximum hydrostatic stress of each material is 1 to 6 times the yield stress of the material, as shown in Table 2.
  • the generated plastic strain in the rolling direction is as shown in Table 2 in terms of compressive strain or tensile strain.
  • ⁇ is excellent, ⁇ is good, and ⁇ is acceptable.
  • the generated plastic strain is a compressive strain.
  • those having a life evaluation of x indicate impossibility, and the plastic strains are all tensile strains.
  • Table 3 shows the results of comprehensive evaluation of the rolling fatigue life. This is a comprehensive evaluation of combinations of processing conditions A to R and steel type conditions 1 to 4 in Table 2.
  • the rolling fatigue life was evaluated by comparison between the same steel types. First, when the maximum hydrostatic stress during cold forging at a processing start temperature of 20 ° C. is 1.5 times the yield stress of the material and a compressive plastic strain occurs, as shown in Table 3, It was confirmed that the dynamic fatigue life was improved as indicated by ⁇ or ⁇ . When the generated plastic strain in the rolling direction is tensile plastic strain, the evaluation of the rolling fatigue life is x, and the rolling fatigue life is not improved. On the other hand, when the maximum hydrostatic pressure stress during hot forging at a processing start temperature of 900 ° C. or 1100 ° C.
  • the rolling fatigue life is 1.5 times the yield stress of the material, and a compressive plastic strain occurs, the rolling fatigue life is The improvement was confirmed as indicated by ⁇ or ⁇ .
  • the generated plastic strain in the rolling direction is tensile plastic strain, the evaluation of the rolling fatigue life is x, and the rolling fatigue life is not improved.

Abstract

　内径面に優れた転動疲労寿命の転動部を有するリング状機械部品の製造方法が開示される。この製造方法は、転動部を形成しようとするリング状素材の内径面に圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工により、リング状素材の内径面に転動部品が転動する転動部を形成することで行われる。

Description

転動疲労寿命に優れた機械部品の製造方法 関連出願の相互参照
　この出願は、２０１１年１２月９日に出願された日本国特許出願第２０１１－２７０２１５号に基づく優先権を主張するものであり、その全体の開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。
　本発明は、軸受、ギア、ハブユニット、無段変速機、等速ジョイント、ピストンピンなどの、鋼材から成る機械部品の製造に関するもので、その特性として、良好な転動疲労寿命が求められる環状体からなる機械部品の製造に関する。
　近年、各種の機械装置の高性能化にともない、転動疲労寿命が求められる機械部品や装置における使用環境は非常に厳しくなり、これらの機械部品や装置の寿命の向上ならびに信頼性の向上が強く求められている。このような要求に対し、鋼材の面からの対策としては、鋼成分の適正化や鋼成分と共に含有される不純物元素の低減化が行われている。
　これらの機械部品や装置を形成する鋼材には、鋼成分の他に不純物元素が含有されており、これら不純物元素からなるＡｌ2Ｏ3、ＭｎＳ、ＴｉＮ、その他の非金属介在物は、機械部品や装置における鋼部品の破損の起点となる。このために、これらの非金属介在物は特に有害であることが知られている。さらに、これらの非金属介在物の径が大きいほど、鋼部品の転がり疲労寿命は短くなることが知られている。そのために、非金属介在物量を少なく、すなわち、鋼の清浄度を高くして、径が２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物の含有量を極めて少なくした高清浄度鋼が種々提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
　しかし、このような高清浄度鋼からなる鋼材を機械部品や装置に用いても、これらの機械部品や装置が短寿命で破損することを抑制することは未だ十分にできていない。そのために、鋼材中の非金属介在物を低減するだけでなく、さらに該非金属介在物を小径化しようとする開発が盛んに行なわれている。
　一方、鋼材中の非金属介在物の低減及びその小径化を図ることなく、転動疲労寿命に優れた機械部品を提供する技術の開発も盛んに進められている。例えば、（１）部品の転動による製造時に転動部上におけるファイバーフロー（鍛流線）を制御し、優れた転動疲労寿命を得る技術（例えば、特許文献３参照。）、さらに、（２）転動部に対して予め圧縮応力を作用させることにより、優れた転動疲労寿命を得る技術（例えば、特許文献４参照。）が提案されている。また（３）鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態を改善することで、優れた転動疲労寿命を得る技術が本出願人から出願されており、これらは、非特許文献１及び非特許文献２にも発表されている。
　これらの非特許文献１及び非特許文献２において、転動疲労における破損、つまり、剥離に至る過程は、以下のように説明されている。すなわち、非金属介在物から亀裂が発生及び進展して剥離に至る過程において、非金属介在物の周囲へ応力が集中することで、亀裂が変位する初期亀裂（以下「開口型の初期亀裂」という。）が起こる。その後、せん断応力による亀裂の伝播を経て破損に至ることが知られている。このことは、開口型の初期亀裂が起こらなければ、その後の亀裂伝播や破損が起こらないことを意味している。また開口型の初期亀裂は非金属介在物と母相との界面に物理的な隙間、すなわち空洞、が生じていることを前提として起こるのであり、物理的な隙間が生じていなければ、開口型の亀裂は生じないこともこれらの非特許文献において検証されている。
　ここで、熱間圧延鋼材から切り出し、イオンミリングを行った後に、走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）にて非金属介在物周囲の空洞有無を観察した影像の概念図を、図５に示す。図５において、符号の５はＡｌ2Ｏ3の非金属介在物を示し、符号の４は空洞すなわち空隙を示す。特に機械構造用鋼では、通常Ａｌによる脱酸が行なわれる。その際に生成するＡｌ2Ｏ3系の非金属介在物５は、母材との変形能の違いや形状から、特に母相との界面に空隙４を生成しやすいことが確認されている。そこで、機械部品７の転動疲労寿命を向上させるためには、非金属介在物５と母相との界面に存在する空隙４を閉鎖するか、もしくは空隙４の体積を減少させることが有効である。
特開２００６－６３４０２号公報 特開平０６－１９２７９０号公報 特開平４－３５７３２４号公報 特開２００６－７７８５４号公報
鉄と鋼、９４（２００８）、ｐ．１３ 平成２０年度兵庫県立大学学位論文、平岡和彦（２００８年１月）
　本発明が解決しようとする課題は、上記（３）の、鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態を改善することで優れた転動疲労寿命を得る技術に関連する技術であって、リング状素材（円筒状素材も含まれる）である鋼材中に含有される非金属介在物と母相である鋼材との界面状態を塑性加工によって改善することで、鋼の製造時に非金属介在物の低減及び非金属介在物の小径化を図る従来の鋼材の製造方法に比して、リング状素材の内径面に優れた転動疲労寿命の転動部を有する機械部品を製造する方法を提供することである。
　上記の課題を解決する本発明の手段は、リング状素材の内径面に転動部品が転動する転動部を有する機械部品を製造する方法であって、転動部を形成しようとするリング状素材の内径面に圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工により、前記リング状素材の内径面に転動部品が転動する転動部を形成することを特徴とする方法である。なお、この鍛造加工は熱間・冷間を問わない。
　すなわち、この転動部を形成しようとするリング状素材内径面に、圧縮の静水圧応力を付与して鍛造加工することにより、鋼中の非金属介在物と母相である鋼との界面に存在する空隙が閉鎖する方向へ向かうこととなり、転動疲労寿命に優れた機械部品を製造することができる。
　本発明の他の態様において、鍛造加工が、リング状素材の内径面に該リング状素材の降伏応力の１．５倍以上の静水圧応力を付与する加工であることが好ましい。
　鍛造加工時に少なくとも素材の降伏応力の１．５倍の圧縮の静水圧応力を付与させて転動面を形成することで、鋼中に含有する非金属介在物を母相である鋼との界面に存在する空隙を閉鎖して、転動疲労寿命に優れた機械部品を製造することができる。
　本発明の他の態様において、鍛造加工が、転動部品の転動方向への塑性ひずみが圧縮となる加工であることが好ましい。
　本発明の他の態様において、リング状素材の内径面に転動部品が転動する転動部を有する機械部品を製造する方法が、
　リング状素材を用意し、
　前記リング状素材をプレス装置内の環状の拘束枠内にセットし、
　前記リング状素材の端部断面の少なくとも片側方向から、前記リング状素材の少なくとも片方の端部断面および内径面に圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工を行う
　方法であることが好ましい。
　本発明の製造方法は、上記の手段のリング状素材の鍛造加工時に、リング状素材の内径面に圧縮の静水圧応力を付与して、好ましくは少なくとも素材の降伏応力の１．５倍の圧縮の静水圧応力を付与して、鍛造加工をすることで、または好ましくは転動部品の転動方向への塑性ひずみが圧縮となる鍛造加工をすることで、鋼材の製造時に非金属介在物の低減及び小径化を図らなくても、非金属介在物と母相である鋼との界面に生じた空隙を閉鎖もしくは低減させることができ、その結果、非金属介在物を破壊起点とする転動疲労による剥離が回避でき、転動疲労寿命の大幅に向上した優れた転動部を有する機械部品を製造することができる。
本発明のリング母材の鍛造工程を説明する概略図である。 本発明方法により製造の転がり軸受けの縦断面図である。 本発明方法で製造の転がり軸受けのＣＡＥによる解析を示す図である。 鍛造前後の非金属介在物とその周囲の空隙を示す概念図である。 従来の熱間圧延鋼材の非金属介在物とその周囲の空隙を示す概念図である。
　本発明を実施するための形態について、表及び図面を参照して以下に説明する。先ず、本発明の転動部を有する機械部品の製造に求められる鋼材としては、機械構造用鋼や軸受鋼などである。
　これらの鋼材は、１）アーク溶解炉または転炉による溶鋼の酸化精錬、２）取鍋精錬炉（ＬＦ）による還元精錬、３）還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）による還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）、４）連続鋳造または一般造塊による鋼塊の鋳造及び５）鋼塊の熱間圧延あるいは熱間での鍛造及び冷間圧延、もしくは冷間圧延及び冷間鍛造による塑性加工の工程を経て鋼材に製造される。
　上記の１）～５）の一連の工程を経て、上記の機械構造用鋼や軸受鋼などのＪＩＳに規定する鋼材を製造し、この鋼材をアッセルミルによる加工または押出し加工もしくは熱間鍛造などの熱間加工により鋼管へと加工した後、この鋼管を所定長さに切断した。さらに、この切断した鋼管の外径面及び内径面を切削処理することで、所定の寸法の外径および内径を有する鋼管として、本発明のリング母材２とした。
　本発明の工法を図１により説明する。所定の形状のリング母材２もしくは加工を行う金型に、適切な潤滑処理を施して、室温近辺の温度もしくは熱間加工に適切な温度としたリング母材２を、プレス装置の環状の拘束枠１内に、図１の（ａ）に示すように、セットする。拘束枠１内には、上金型３および下金型３’が上下にそれぞれに配置されており、これらの金型３および３’はそれぞれプレス装置の上下の図示しない稼動部に固定されている。プレス装置が加工動作を開始するに伴い、固定されている上金型３の上パンチ３ａ及びその周囲に配置の環状上パンチ３ｂが矢印方向の下降運動を開始する。上下金型３、３’内の所定の位置にセットされたリング母材２は、下降してきた上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂによって、リング母材２の内径面２ａ及びその上端面２ｂが塑性加工を受ける。また、上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂの下降に伴い、リング母材２は下方向に押し下げられ、同時に下パンチ３ｃ及び環状下パンチ３ｄからも、リング母材２の内径面２ａ及び下端面２ｃに塑性加工を受ける。すなわち、リング母材２の上端面２ｂは、上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂの下降に伴い下方向へ押し下げられ、その結果、リング母材２の下端面２ｃは下パンチ３ｃ及び環状下パンチ３ｄにより相対的に押し上げられる。加工末期には、リング母材２は上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂ、並びに下パンチ３ｃ及び環状下パンチ３ｄの双方から鍛造による圧縮加工を受け、転動部６を形成しようとするリング母材２の内径面２ａに、素材の降伏応力の１．５倍となる静水圧応力を付与し、かつ転動部６近傍での転動方向への塑性ひずみが圧縮となる鍛造加工をすることにより、リング母材２の鋼の母相とその非金属介在物５との間に存在する空隙４は閉鎖される。
　リング母材２に上記の圧縮加工を施すことにより、図１の（ｂ）に示すように、製作しようとする機械部品７である転動部品の転動部６の近傍に、リング母材２の鋼の母相とその非金属介在物５との間に存在する空隙４を閉鎖する効果を付与する。この圧縮の静水圧応力の作用および転動方向への塑性ひずみを圧縮とすることによって、非金属介在物５と母相であるリング母材２の鋼との間に存在する、図４の（ａ）に示す、空隙４が閉鎖する方向へもしくは空隙４の体積が減少する方向へ変化する。この変化によって、非金属介在物５を破壊起点とする転動疲労による剥離が回避される。その結果、優れた転動疲労寿命の転動部６を有する機械部品７が得られることとなる。
　本発明の実施例として、実施の条件と得られた結果について説明する。先ず、表１に、リング母材２の鋼材の鋼種として使用した供試材の成分組成を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この実施例では、表１に示す鋼種の供試材について試験を実施した。先ず、アーク溶解炉にて溶鋼を酸化精錬し、これを取鍋精錬炉（ＬＦ）で還元精錬し、さらに還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）で脱ガスにより溶鋼中の酸素成分を減少し、この溶鋼を経て連続鋳造にて鋼塊に製造した。この鋼塊を慣用どおりに熱間圧延にて鋼材とし、その後アッセルミルにて鋼管とした後、これらを慣用の球状化熱処理を施した鋼管に準備した。なお、鋼材を慣用の熱間鍛造にてリング状素材とする場合も考えられる。
　上記で得られた外径φ９０．０ｍｍ、肉厚９．７５ｍｍの表１に示す供試材からなる鋼管を、鋼管の長手方向である幅寸法３０．０ｍｍにノコ切断した後、外径面及び内径面を切削加工することにより、外径φ８９．５ｍｍ、肉厚９．０ｍｍのリング状素材とした。次いで当該リング状素材に慣用の潤滑処理を施して鍛造用のリング母材２とした。なお、鋼材を慣用の熱間鍛造にてリング状素材とし、切削加工を施してリング母材２とする場合も考えられる。このリング母材２を、図２に示すように、幅２９．０ｍｍ、外径φ９０．０ｍｍ、内径面の中央部に幅１０．０ｍｍでかつその内径φ６５．０ｍｍからなる突出部２ｄ、転動部６の外側の内径φ７５．０ｍｍの鍛造品が得られるように設計した金型３、３’を用いて以下の鍛造加工を行った。鍛造加工は、冷間鍛造の場合および熱間鍛造の場合双方を実施した。冷間鍛造の場合は、リング母材２及び金型３、３’ともに室温近辺の温度で、上記の図１に示す金型３、３’による加工方式により、成形時の荷重４０００～４２００ｋＮ、成形時の加工面圧１８００～１９００ＭＰａとなるようして冷間鍛造を施した。熱間鍛造の場合は、リング母材２を９００℃および１１００℃の温度に加熱し、上記の図１に示す金型３、３’による加工方式により、成形時の荷重２０００～３５００ｋＮ、成形時の加工面圧７００～１０００ＭＰａとなるようして熱間鍛造を施した。なお、素材の降伏応力は、室温近辺で約５００ＭＰａ、９００℃近辺では約１２０ＭＰａ、１１００℃近辺では約５０ＭＰａである。
　この鍛造加工により、図３に示すＣＡＥ解析による図面に、予想して見られるように、転動部６の近傍には、少なくとも素材の降伏応力の１．５倍の静水圧応力が作用して、転動部６の近傍では、転動方面へ圧縮の塑性ひずみが発生していると考えられる。
　また、この鍛造加工の前後における、非金属介在物５とリング母材２である鋼との間に存在する空隙４の変化の様子の模式図を図４に示す。図４の（ａ）は、鍛造加工前のリング母材２の非金属介在物５の形状を示し、この非金属介在物５に隣接して空隙４が形成されている。しかし、図４の（ｂ）に示すように、鍛造加工の後では、非金属介在物５のみであり、したがって非金属介在物５とリング母材２である鋼との間に存在する空隙４は閉鎖されていることが確認された。
　さらに、本発明の効果である転動部を有する機械部品７の転動疲労寿命の評価を検るために、表２に加工条件Ａ～Ｒ、並びに鋼種条件１～４のＳＵＪ２、ＳＵＪ３、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５３Ｃの鋼種を示す。これらから、加工条件Ａ～Ｒのテストピースを採取した。表２において、加工条件のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは加工開始温度が２０℃の冷間鍛造であり、加工条件のＧ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌは加工開始温度が９００℃の熱間鍛造であり、加工条件のＭ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒは加工開始温度が１１００℃の熱間鍛造である。それぞれの素材の最大静水圧応力はその素材の降伏応力の１倍～６倍とし、表２に示す通りである。発生した転動方向への塑性ひずみは圧縮ひずみあるいは引張りひずみで表２に示すとおりである。転動部品の疲労寿命の評価である寿命評価は◎が優れており、○は良好であり、△は可である。このように寿命評価が◎、○、△であるものは、発生した塑性ひずみはいずれも圧縮ひずみである。これに対して、寿命評価が×のものは不可を示し、塑性ひずみはいずれも引張りひずみである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　これらの採取したテストピースを、スラスト型の転がり軸受の部材である軌道盤形状へと旋削加工し、焼入れ、焼戻し処理を施すことで、ＳＵＪ２及びＳＵＪ３は５８ＨＲＣ以上、Ｓ４５ＣはＨＲＢ９４以上、Ｓ５３ＣはＨＲＣ２０以上の硬度をそれぞれ得た。さらに、これらに研磨を施してスラスト型の転がり軸受に仕上げ、転動疲労寿命の総合評価を行った。なお、転動体には、市販のスラスト型の転がり軸受用ボールを使用した。
　上記の転動疲労寿命の総合評価の結果を表３に示す。これは表２における加工条件Ａ～Ｒと鋼種条件１～４の組合せで総合評価したものである。転動疲労寿命の評価は、同じ鋼種間での比較で行った。先ず、加工開始温度が２０℃の冷間鍛造時の最大静水圧応力が素材の降伏応力の１．５倍になり、かつ、圧縮の塑性ひずみが発生する場合、表３に示すように、転動疲労寿命が○あるいは◎で示すように向上することが確認された。発生した転動方向への塑性ひずみが引張の塑性歪みである場合は、転動疲労寿命の評価は×であり、転動疲労寿命は向上しない。一方、加工開始温度が９００℃あるいは１１００℃の熱間鍛造時の最大静水圧応力が素材の降伏応力の１．５倍になり、かつ、圧縮の塑性ひずみが発生する場合、転動疲労寿命が○あるいは◎で示すように向上することが確認された。発生した転動方向への塑性ひずみが引張の塑性歪みである場合は、転動疲労寿命の評価は×であり、転動疲労寿命は向上しない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　以上の４鋼種条件で、１８加工条件のテストピースによる転動疲労寿命試験の表３に示す評価の結果から、冷間鍛造であろうと熱間鍛造であろうと、転動面の近傍に少なくとも素材の降伏応力の１．５倍以上の圧縮の静水圧応力を付与し、転動方向への塑性ひずみが圧縮となるように加工することにより、非金属介在物５とリング母材２である鋼との間にある空隙４が閉鎖もしくは減少し、転動疲労寿命を向上する役割が果たされることが判明した。なお、複列軌道輪の外輪用リング素材においても、上記したと同様に転動疲労寿命の向上が果たされることはいうまでもない。
　１　拘束枠
　２　リング母材
　２ａ　内径面
　２ｂ　上端面
　２ｃ　下端面
　２ｄ　突出部
　３　　上金型
　３’　下金型
　３ａ　上パンチ
　３ｂ　環状上パンチ
　３ｃ　下パンチ
　３ｄ　環状下パンチ
　４　空隙
　５　非金属介在物
　６　転動部
　７　機械部品

Claims (7)

  1. 　リング状素材の内径面に転動部品が転動する転動部を有する機械部品を製造する方法であって、転動部を形成しようとするリング状素材の内径面に圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工により、前記リング状素材の内径面に転動部品が転動する転動部を形成することを特徴とする、方法。
  2. 　前記鍛造加工が、前記リング状素材の内径面に該リング状素材の降伏応力の１．５倍以上の静水圧応力を付与する加工であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 　前記鍛造加工が、転動部品の転動方向への塑性ひずみが圧縮となる加工であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 　リング状素材を用意し、
    　前記リング状素材をプレス装置内の環状の拘束枠内にセットし、
    　前記リング状素材の端部断面の少なくとも片側方向から、前記リング状素材の少なくとも片方の端部断面および内径面に圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工を行う
    　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 　リング状素材を用意し、
    　前記リング状素材をプレス装置内の環状の拘束枠内にセットし、
    　前記拘束枠内で、前記リング状素材の上下に上金型および下金型をそれぞれ配置し、
    　前記リング状素材の上方に配置された前記上金型を下降させて、前記リング状素材の内径面及びその上端面に鍛造加工を加える
    　ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 　前記リング状素材の下方に配置された前記下金型によって、前記リング状素材の内径面及びその下端面に鍛造加工をさらに加えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. 　前記リング状素材の上端面、内径面および下端面への鍛造加工が同時に行われることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
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