WO2019181561A1 - 転動部品、軸受およびそれらの製造方法 - Google Patents

転動部品、軸受およびそれらの製造方法 Download PDF

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WO2019181561A1
WO2019181561A1 PCT/JP2019/009318 JP2019009318W WO2019181561A1 WO 2019181561 A1 WO2019181561 A1 WO 2019181561A1 JP 2019009318 W JP2019009318 W JP 2019009318W WO 2019181561 A1 WO2019181561 A1 WO 2019181561A1
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rolling
inner ring
outer ring
bearing
raceway surface
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PCT/JP2019/009318
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尚弘 岡田
直哉 嘉村
工 藤田
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Ntn株式会社
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    • F16C19/34—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
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    • F16C2223/00—Surface treatments; Hardening; Coating
    • F16C2223/02—Mechanical treatment, e.g. finishing
    • F16C2223/08—Mechanical treatment, e.g. finishing shot-peening, blasting

Definitions

  • the present invention relates to rolling parts, bearings, and methods for manufacturing the same, and particularly relates to rolling parts, bearings, and methods for manufacturing the same, whose constituent members include fiber flows.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-263768
  • roller burnishing is performed on low cleanliness steel containing nonmetallic inclusions having a particle size of 30 ⁇ m or more.
  • non-metallic inclusions are pulverized and reduced in diameter, so that a rolling part having an excellent rolling fatigue life can be obtained.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-116689
  • the outer ring is formed by being cold rolled after hot forging, and the fiber flow of the outer ring is connected along the outer shape without being cut.
  • a wheel bearing device is disclosed. Thereby, it is supposed that the durability of the wheel bearing device is improved.
  • JP 2004-263768 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-116689 JP 2003-301850 A
  • non-metallic inclusions are often present in the rolling parts, particularly on the raceway surface, and often exposed to the raceway surface. This is because a gap is formed between the non-metallic inclusion as the exposed portion and the base material of the rolling part, which acts as a crack and causes early breakage of the bearing.
  • the processing depth at which the roller burnishing disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-263768 is performed is determined by the size of the ellipse at the portion where the burnishing tool and the bearing raceway contact each other.
  • the machining depth can be increased by increasing the elliptical shape of the contact portion. In this way, the gap between the non-metallic inclusion and the base material of the rolling part can be closed, and not only the separation starting from the surface of the bearing but also the separation starting from the inside of the bearing can be suppressed.
  • plastic processing such as burnishing is performed after the members are heat-treated to increase the hardness.
  • the present invention has been made in view of the above problems.
  • the purpose of the rolling is to suppress the gap from acting as a crack by filling the gap between the non-metallic inclusions exposed on the surface of the raceway and the base material, even if the angle between the surface and the fiber flow is large. It is to provide a component, a bearing including the rolling component, and a manufacturing method thereof.
  • the rolling component according to the present invention has a surface.
  • the rolling parts include fiber flow and non-metallic inclusions.
  • a gap between the nonmetallic inclusion and the base material constituting the rolling component is filled.
  • the first depth is 50 ⁇ m or more.
  • the angle formed by the surface and the fiber flow is 15 ° or more.
  • the bearing according to the present invention includes an outer ring, a rolling element disposed on the inner peripheral surface of the outer ring, and an inner ring disposed on the inner peripheral side of the rolling element. At least one of the outer ring, the rolling element and the inner ring is the above-described rolling component.
  • the surface of the rolling component is any one of the raceway surface of the outer ring, the raceway surface of the inner ring, and the rolling surface of the rolling element.
  • a member having a work surface and including a fiber flow is prepared.
  • Plastic working is performed on the work surface.
  • the member is subjected to heat treatment after the plastic working step.
  • the gap between the non-metallic inclusions included in the rolling part and the base material constituting the rolling part is filled in the region from the surface of the rolling part to the first depth.
  • the first depth is 50 ⁇ m or more.
  • the angle formed by the surface and the fiber flow is 15 ° or more.
  • the present invention is a method for manufacturing a bearing including an outer ring, a rolling element disposed on the inner peripheral surface of the outer ring, and an inner ring disposed on the inner peripheral side of the rolling element. At least one of the outer ring, the rolling element and the inner ring is the above-described rolling component.
  • the surface of the rolling component is any one of the raceway surface of the outer ring, the raceway surface of the inner ring, and the rolling surface of the rolling element.
  • the gap between the non-metallic inclusion exposed on the surface of the raceway surface and the base material is filled to a deep region, so that the gap works as a crack even if the angle between the surface and the fiber flow is large.
  • the rolling component which suppresses that can be obtained.
  • plastic processing (burnishing) before heat treatment can fill the gap between the non-metallic inclusion and the base material to a deep region even if the angle between the surface and the fiber flow is large. It can suppress working as a crack.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a tapered roller bearing according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a first example (A) and a second example (B) of a schematic enlarged cross-sectional view of a region A surrounded by a dotted line in FIG.
  • a tapered roller bearing 2 as a bearing formed in the present embodiment mainly includes an outer ring 20, an inner ring 21, a plurality of rollers 22, and a cage 23.
  • the outer ring 20 has an annular shape and has an outer ring raceway surface 20A on the inner peripheral surface.
  • the inner ring 21 has an annular shape and has an inner ring raceway surface 21A on the outer peripheral surface.
  • the inner ring 21 is disposed on the inner peripheral side of the outer ring 20 so that the inner ring raceway surface 21A faces the outer ring raceway surface 20A.
  • Rollers 22 as rolling elements are arranged on the inner peripheral surface of the outer ring 20.
  • the roller 22 has a roller rolling surface 22A, contacts the inner ring raceway surface 21A and the outer ring raceway surface 20A on the roller rolling surface 22A, and is arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction by a cage 23.
  • the roller 22 is rotatably held on the annular raceway of the outer ring 20 and the inner ring 21.
  • the inner ring 21 is disposed on the inner peripheral side of the roller 22.
  • each vertex of the cone including the outer ring raceway surface 20A, the cone including the inner ring raceway surface 21A, and the cone including the locus of the rotating shaft when the roller 22 rolls is on the center line of the bearing. It is configured to intersect at one point. With such a configuration, the outer ring 20 and the inner ring 21 of the tapered roller bearing 2 are rotatable relative to each other.
  • the tapered roller bearing 2 includes the outer ring 20, the inner ring 21, and the rollers 22 as rolling parts.
  • at least one of the outer ring 20, the inner ring 21 and the roller 22 is the above-described rolling component.
  • inner ring raceway surface 21A of inner ring 21 and roller rolling surface 22A of 22 contact each other.
  • each rolling component has a surface that contacts another rolling component.
  • the outer ring raceway surface 20A of the outer ring 20 and the roller rolling surface 22A of 22 also contact each other. That is, the outer ring 20 that is a rolling component also has a surface that contacts the roller 22 that is another rolling component.
  • the inner ring 21 which is a rolling part includes a fiber flow FF in its structure.
  • the angle ⁇ formed by the inner ring raceway surface 21A that is the surface of the inner ring 21 and the fiber flow FF included in the inner ring 21 is 15 ° or more.
  • the fiber flow FF may be included on the roller 22 side. Also in this case, the angle ⁇ formed by the roller rolling surface 22A, which is the surface of the roller 22, and the fiber flow FF included in the roller 22 is 15 ° or more.
  • the surface of the rolling component is any one of an outer ring raceway surface 20 ⁇ / b> A as a raceway surface of the outer ring 20, an inner ring raceway surface 21 ⁇ / b> A as a raceway surface of the inner ring 21, and a roller rolling surface 22 ⁇ / b> A as a rolling surface of the roller 22. . That is, the arithmetic average roughness of the inner ring raceway surface 21A, the outer ring raceway surface 20A, and the roller rolling surface 22A is 0.1 ⁇ mRa or less and Rsk ⁇ 0. The compressive residual stress on the surface is 700 MPa or more.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing aspects of the base material of the rolling part and the nonmetallic inclusions present in the base material.
  • the rolling component such as the inner ring 21 includes a nonmetallic inclusion 41 in the structure.
  • the region from the inner ring raceway surface 21A to the first depth is a region in which the depth D extending in the vertical direction in FIG. 3 from the inner ring raceway surface 21A is 50 ⁇ m or more.
  • the outer ring 20 and the rollers 22 include non-metallic inclusions 41 in the structure.
  • the outer ring raceway surface 20 ⁇ / b> A which is the surface of the outer ring 20
  • a gap between the nonmetallic inclusion 41 and the base material constituting the outer ring 20 is filled.
  • the depth D is 50 ⁇ m or more.
  • a gap between the non-metallic inclusion 41 and the base material constituting the 22 is filled.
  • a gap 42 between the non-metallic inclusion 41 existing on the surface side of the inner ring raceway surface 21 ⁇ / b> A (upper side in FIG. 3A) and the base material constituting the inner ring 21. 11 may be smaller than the gap 42 between the non-metallic inclusion 41 existing on the inner ring 21 away from the inner ring raceway surface 21 ⁇ / b> A and the base material constituting the inner ring 21. .
  • the material constituting the outer ring 20, the inner ring 21, and the roller 22 may be steel.
  • the steel contains iron (Fe) as a main component and may contain inevitable impurities in addition to the above elements.
  • Inevitable impurities include phosphorus (P), sulfur (S), nitrogen (N), oxygen (O), aluminum (Al), and the like.
  • the amounts of these inevitable impurity elements are each 0.1% by mass or less.
  • the outer ring 20, the inner ring 21 and the roller 22 may be formed of a steel material having an oxygen content of, for example, 5 ppm or more.
  • the steel is, for example, JIS standard S53C, which is an example of a bearing material.
  • S53C contains 0.5% by mass or more and 0.56% by mass or less of carbon, 0.15% by mass or more and 0.35% by mass or less of silicon, and 0.6% by mass or more and 0.9% by mass or less of manganese. .
  • S53C contains 0.03 mass% or less of phosphorus, 0.035 mass% or less of sulfur, 0.2 mass% or less of chromium, and 0.02 mass% or less of nickel.
  • FIGS. a rolling part having the above configuration and a method for manufacturing the tapered roller bearing 2 including the rolling part will be described with reference to FIGS. That is, what will be described below is a method of manufacturing a tapered roller bearing 2 that includes an outer ring 20, a roller 22 disposed on the inner peripheral surface of the outer ring 20, and an inner ring 21 disposed on the inner peripheral side of the roller 22. It is. 4 to 9 below show the manufacturing process of the inner ring 21 as an example.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an outline of a manufacturing method of the tapered roller bearing of the present embodiment.
  • a member for forming tapered roller bearing 2 is prepared (S10).
  • Plastic processing is performed on the prepared member (S20).
  • the member is subjected to heat treatment (S30).
  • the surface of the member is polished (S40).
  • a steel material 101 for forming any member of outer ring 20, inner ring 21, and rollers 22 that are rolling parts is prepared.
  • the material of the steel material 101 is as described above.
  • the steel material 101 includes, for example, a fiber flow FF extending in the left-right direction in the figure.
  • the rolling part forming region 103 is cut from the steel material 101 by the cutting tool 102.
  • a member having a cavity 104 at the center is formed in order to form inner ring 21.
  • a member including the fiber flow FF and having an outer peripheral surface inclined with respect to the extending direction of the fiber flow FF, that is, a processed surface 21B is formed.
  • the processed surface 21B is formed so that an angle formed with the fiber flow FF is 15 ° or more.
  • the target member is prepared as shown in step (S10) in FIG.
  • step (S ⁇ b> 20) in FIG. 4 plastic working is performed on the work surface 21 ⁇ / b> B.
  • the work surface 21B becomes the inner ring raceway surface 21A.
  • FIG. 8 shows a first example of the plastic working.
  • burnishing is preferably performed.
  • a pressing portion CC such as a hard ball made of ceramic or a protruding shape portion made of diamond is used as a tool.
  • a spherical pressing part CC is shown as an example.
  • the pressing portion CC is rotated on the work surface 21B while rotating the pressing portion CC in the direction of the arrow R1 in the drawing and rotating the inner ring 21 in the circumferential direction of the arrow R2 around the virtual axis L penetrating the cavity 104. Press with the force shown by arrow F.
  • This pressing is performed so that the burnishing tool 25 to which the pressing portion CC is attached applies a force indicated by an arrow F to the pressing portion CC. Further, the burnishing tool 25 feeds the processing surface 21B so that the pressing portion CC moves in the direction of the arrow M. Thereby, the minute uneven shape etc. which exist on the to-be-processed surface 21B are planarized.
  • FIG. 9 shows a second example of the plastic working.
  • cold rolling may be performed.
  • a forming roll 31 and a mandrel 32 are prepared.
  • Each of the forming roll 31 and the mandrel 32 has, for example, a circular cross section that intersects the axial direction (the left-right direction in FIG. 9), and has a bar shape as a whole.
  • a part of the outer peripheral surface of the forming roll 31 is pressed onto the work surface 21 ⁇ / b> B to be the inclined inner ring raceway surface 21 ⁇ / b> B for the inner ring 21 of the tapered roller bearing 2.
  • a part of the outer peripheral surface of the forming roll 31 may have a conical shape that is partially inclined with respect to the axial direction.
  • the forming roll 31 is pressed from the outside of the inner ring 21 onto the work surface 21B by the force of arrow F, and the mandrel 32 is pressed from the inside of the inner ring 21 onto the inner wall surface of the cavity 104. That is, the steel material portion of the inner ring 21 is disposed so as to be sandwiched between the forming roll 31 and the mandrel 32. In this state, the inner ring 21 is rotated in the circumferential direction of the arrow R3 about the virtual axis L1 penetrating the cavity 104.
  • the forming roll 31 is rotated in the direction of the arrow R4 about the virtual axis L2 that passes through the center of the cross section in the axial direction, and the virtual axis L3 that passes through the center of the cross section in the axial direction. Is rotated in the direction of arrow R5.
  • the rotation direction R4 of the forming roll 31 is preferably opposite to the rotation directions R3 and R5.
  • the forming roll 31 moves in the direction indicated by the arrow M toward the inner ring 21 while rotating.
  • the mandrel 32 rotates, it does not move like the forming roll 31.
  • a member such as inner ring 21 is subjected to a heat treatment such as quenching.
  • the surface 21B to be processed of the inner ring 21 is polished.
  • the inner ring 21 having the inner ring raceway surface 21A that has been plastically processed is formed.
  • a non-metallic inclusion 41 included in the inner ring 21 and the members constituting the inner ring 21 by the plastic working step
  • the gap with is filled.
  • the region up to the first depth is a region in which the depth D extending in the vertical direction in FIG. 3 from the surface is up to 50 ⁇ m or more.
  • the angle of the surface of the inner ring raceway surface 21A and the fiber flow FF is 15 ° or more.
  • the surface of the inner ring raceway surface 21A after plastic working is preferably Ra ⁇ 0.1 ⁇ m, Rsk ⁇ 0, and the compressive residual stress is 700 MPa or more.
  • the gap 42 between the non-metallic inclusion 41 (see FIG. 3) existing on the surface side of the inner ring raceway surface 21A after plastic working and the base material constituting the inner ring 21 is separated from the inner ring raceway surface 21A of the inner ring 21.
  • the non-metallic inclusions 41 existing on the inner side of the inner ring 21 are preferably formed to be smaller than the gap 42 between the base material constituting the inner ring 21.
  • the manufacturing process of the inner ring 21 has been described as an example, but the outer ring 20 is also basically formed by the same manufacturing process as the inner ring 21. Further, with respect to the roller 22, the formed shape is greatly different from that of the outer ring 20 and the inner ring 21. However, the roller 22 is the same as the other rolling parts in that the rolling part forming region 103 is cut from the steel material 101 and the processed surface 21B is subjected to polishing and subsequent plastic working.
  • the tapered roller bearing 2 having a configuration as shown in the cross-sectional view of FIG. 1 is formed by assembling the rolling parts formed by the above processes.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a mode in which non-metallic inclusions exist inside a rolling part, for example, the inner ring 21.
  • FIG. 11 is an enlarged schematic cross-sectional view of a region XI surrounded by a dotted line in FIG.
  • a rolling part such as inner ring 21
  • non-metallic inclusions 41 included in the rolling part may be exposed to inner ring raceway surface 21 ⁇ / b> A or the like. Get higher.
  • One is that the cleanliness of the steel material which is a base material constituting the rolling part is low.
  • the other is that the angle formed between the inner ring raceway surface 21A and the like and the fiber flow FF is large.
  • the non-metallic inclusion 41 exposed on the inner ring raceway surface 21A or the like generates a crack starting from the gap 42 with the base material, causing early damage to the bearing including the rolling component. Since the gap 42 is also exposed to the inner ring raceway surface 21A, the lubricating oil enters the gap 42 when the bearing is used. If the roller 22 or the like rolls on the gap 42 in this state, the gap 42 is widened by hydraulic pressure. This causes the crack starting from the gap 42 to be extended.
  • plastic working such as burnishing is performed on the work surface 21B in order to form the inner ring raceway surface 21A.
  • the gap 42 between the non-metallic inclusion 41 and the base material is filled with the material of the base material and the gap 42 is almost absent, thereby eliminating the source of cracks and extending the life of the bearing. Plan.
  • the following problems can occur in this burnishing process.
  • FIG. 12 (A) shows a mode in which plastic working is performed after heat treatment on the work surface where the gap 42 between the non-metallic inclusion 41 and the base material constituting the inner ring 21 is exposed.
  • plastic processing such as burnishing is performed after heat treatment such as quenching
  • a contact ellipse that is a portion where the tool for performing burnishing and the workpiece are in contact with each other becomes small. This is because the burnishing tool is brought into contact with the workpiece to be hardened by the heat treatment, so that the tool does not easily advance in the depth direction of the workpiece.
  • the effect of filling the gap 42 by the burnishing process with the base material and reducing it can be obtained only in the region where the depth d from the inner ring raceway surface 21A is shallow. For this reason, in the region where the depth from the inner ring raceway surface 21A is deeper than d, the gap 42 remains, and there is a possibility that this portion acts as a crack.
  • FIG. 12 (B) shows a case where plastic working is first performed on the work surface where the gap 42 between the non-metallic inclusion 41 and the base material constituting the inner ring 21 is exposed, and then heat treatment is performed.
  • plastic working such as burnishing or cold rolling is performed on such a surface to be processed before heat treatment, and then heat treatment is performed.
  • the contact ellipse which is a portion where the tool to be burned and the object to be processed are in contact with, is larger than in the case of FIG.
  • the burnishing tool 25 is brought into contact with the workpiece that has not been heat-treated and is in a soft state, so that the tool easily proceeds in the depth direction of the workpiece.
  • the gap between the nonmetallic inclusion 41 and the base material constituting the inner ring 21 is filled.
  • the depth D is 50 ⁇ m or more.
  • the gap 42 between the non-metallic inclusion 41 on the surface side such as the inner ring raceway surface 21A and the base material is formed between the non-metallic inclusion 41 on the inner side of the rolling part and the base material by plastic working. It becomes smaller than the gap 42. Therefore, the cause of the early breakage of the rolling parts due to the crack is reduced (or disappears). Thereby, the extension of the crack starting from the gap 42 between the nonmetallic inclusion 41 and the base material on the inner ring raceway surface 21A can be suppressed, and the life of the bearing can be extended.
  • the machining feed rate of the pressing portion CC (see FIG. 8) of the burnishing tool 25 can be increased as compared with the comparative example of FIG. 12A, the descending cycle time is shortened. be able to.
  • the damage caused by the non-metallic inclusions 41 can be suppressed by plastic working as described above, even if the bearing is formed from a low-cleanness member containing a large amount of non-metallic inclusions 41, it is formed from a high-cleanness member.
  • the service life can be as high as that of a bearing. Therefore, a low cleanliness member can be used as a material for the bearing, and the manufacturing cost can be reduced. According to the present embodiment, stable production can be achieved at low cost without going through a high-cost process such as HIP even in foreign countries where high-purity steel is difficult to obtain.
  • the machining is performed under favorable operating conditions, a satisfactory lubrication state can be obtained if the numerical range of each parameter of the surface such as the inner ring raceway surface 21A in the finished product is 0.1 ⁇ mRa or less and Rsk ⁇ 0. .
  • the compressive residual stress can be set to 700 MPa or more, and crack extension can be suppressed.
  • any one selected from the group consisting of shot peening, water jet, and UIT may be used instead of burnishing. Even in this case, the same effects as those obtained when the burnishing process is performed can be obtained.
  • the angle between the fiber flow FF and the raceway surface or rolling surface is preferably 15 ° or less as described above.
  • the oxygen content of the rolling parts is preferably 5 ppm or less.
  • the plastic working described above can suppress the occurrence of delamination due to cracks, thereby extending the life of the bearing. it can.
  • the oxygen content of the outer ring 20, the inner ring 21 and the rollers 22 as rolling parts is 5 ppm or more, the above-described plastic working suppresses the occurrence of peeling due to cracks. Therefore, the life of the bearing can be extended.
  • FIG. 13 shows that when the inner ring 21 rotated in the direction of the arrow R2 is burnished, the burnishing tool 25 is added so as to press from a direction perpendicular to the work surface 21B for forming the inner ring raceway surface 21A. The mode which presses is shown.
  • FIG. 14 shows that when the inner ring 21 rotated in the direction of the arrow R2 is burnished, the inner ring 21 is pressed from a direction oblique to the direction perpendicular to the work surface 21B for forming the inner ring raceway surface 21A.
  • the burnishing tool 25 pressurizes.
  • the burnishing tool 25 may press this with a normal force F1 from a direction perpendicular to the workpiece surface 21B, as in FIG.
  • F1 normal force
  • the burnishing tool 25 presses it from a direction oblique to the direction perpendicular to the work surface 21B during the burnishing.
  • the pressing portion CC which is a tool as a diamond-shaped protruding portion attached to the burnishing tool 25, is pressed from a direction having an inclination angle ⁇ with respect to a direction perpendicular to the processing surface 21B.
  • the inner ring raceway surface 21A is formed by plastic working while pressing the work surface 21B with the force F3.
  • the pressing force F3 that presses the work surface 21B is decomposed into a vertical force F1 applied in a direction perpendicular to the work surface 21B and a tangential force F2 applied along the direction intersecting the vertical force F1, that is, the left-right direction in FIG. Is possible. Therefore, from a different point of view, as shown in FIG.
  • Processing is preferably performed by applying a resultant force (pressing force F3).
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing the distribution of residual stress in the depth direction of the inner ring 21 during burnishing.
  • the lower curve of the pressing portion CC is the depth from the surface of the work surface (ordinate), compressive residual stress (coordinate right from the center), and tensile residual stress (coordinate left from the center). Shows the relationship.
  • pressing portion CC as a burnishing tool performs plastic working on work surface 21 ⁇ / b> B for forming inner ring raceway surface 21 ⁇ / b> A and the like.
  • the processed surface 21B before plastic working has a maximum height roughness Rz of 12.5 ⁇ m
  • the inner ring raceway surface 21A after plastic processing has a maximum height roughness Rz of 0.8 ⁇ m.
  • the gap between the base material and the nonmetallic inclusion is filled by the deformation of the work surface 21 ⁇ / b> B by plastic working.
  • control is performed so that the position P where the compressive residual stress on the base material by the plastic working shown in FIG. 15 becomes maximum is located on the surface side (upper side in FIG. 15). It is preferable.
  • Such control can be realized by providing the angle ⁇ .
  • the pressure direction is tilted with respect to the work surface 21B during burnishing so that the resultant force of both the vertical force F1 and the tangential force F2 is applied.
  • the position where the amount of plastic deformation and the amount of compressive residual stress are maximized can be shifted to a position closer to the surface which is a shallower position from the work surface.
  • This fills the gap between the nonmetallic inclusion and the base material, and leads to an increase in the adhesion between the inclusion and the base material on the surface of the base material. Therefore, the effect of suppressing the crack extension starting from the gap is enhanced.
  • the horizontal axis represents ⁇ x / Pmax
  • the vertical axis represents z / b.
  • ⁇ x represents the stress in the circumferential direction during burnishing
  • Pmax represents the maximum surface pressure of the inner ring raceway surface 21A and the like during burnishing
  • z represents the position coordinate in the depth direction of the inner ring raceway surface 21A or the like to be burned
  • b represents the elliptical short axis radius of the contact portion between the workpiece such as the inner ring raceway surface 21A and the burnishing tool 25 or the like.
  • the stress distribution is changed by applying a tangential force F2 to the workpiece during burnishing. For this reason, when tangential force F2 is applied to the workpiece during burnishing (with tangential force), ⁇ x / Pmax is less than when tangential force F2 is not applied and only vertical force F1 is applied (without tangential force).
  • the distribution has a peak near the processing surface. Also, when applying tangential force F2 to the workpiece during burnishing (with tangential force), the peak position of the residual stress is also compared with applying only normal force F1 without applying tangential force F2 (without tangential force). Close to the surface. For this reason, by applying a tangential force F2 to the workpiece during the burnishing process, the gap between the inclusions on the inner ring raceway surface 21A and the base material can be efficiently filled.

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Abstract

転動部品（２１）は、表面（２１Ａ）を有する。当該転動部品（２１）にはファイバーフロー（ＦＦ）および非金属介在物が含まれる。転動部品（２１）の表面（２１Ａ）から第１の深さまでの領域内において、非金属介在物と、転動部品（２１）を構成する部材との隙間が埋められている。第１の深さは５０μｍ以上である。表面（２１Ａ）とファイバーフロー（ＦＦ）とのなす角度は１５°以上である。

Description

転動部品、軸受およびそれらの製造方法
　本発明は転動部品、軸受およびそれらの製造方法に関し、特に構成部材がファイバーフローを含む転動部品、軸受およびそれらの製造方法に関するものである。
　軸受を長寿命化するためには、軸受を構成する転動部品における、剥離の起点となる非金属介在物を減らしかつそのサイズを小さくすることが要求される。このため鋼材メーカ各社はその製鋼方法を工夫してきた。しかし転動部品に含まれる非金属介在物を完全に排除することはできない。またそのような特殊な工程を経た鋼材は高コストであり、かつグローバル市場での入手が困難であるという問題がある。
　そこで、転動部品に不可避的に存在する非金属介在物に対する対策として、たとえば特開２００４－２６３７６８号公報（特許文献１）においては、以下の方法がとられている。特開２００４－２６３７６８号公報では、粒径が３０μｍ以上の非金属介在物を含む低清浄度鋼に対しローラバニシング加工がなされる。これにより非金属介在物が粉砕され小径化されるため、転動疲労寿命に優れた転動部品が得られる。
　一方、転動部品を構成する素材の耐久性の向上を図る観点から、当該素材に形成されるファイバーフローに着目する場合もある。たとえば特開２０１３－１１６６８９号公報（特許文献２）においては、外輪が熱間鍛造加工後に冷間ローリング加工されることにより、外輪のファイバーフローが切断されずに外郭形状に沿って繋がって形成された車輪用軸受装置が開示されている。これにより、車輪用軸受装置の耐久性が向上するとされている。
　また非金属介在物は、圧延時にファイバーフローに沿って引き延ばされる。このため、ファイバーフローと軌道面との角度が大きければ、非金属介在物が軌道面に露出する可能性が高くなる。そこでファイバーフローと軌道面との角度を極力小さくする対策がなされる。たとえば特開２００３－３０１８５０号公報（特許文献３）においては、ファイバーフローと軌道面とのなす角度を１５°以下とすることにより軸受の長寿命化を図っている。
特開２００４－２６３７６８号公報 特開２０１３－１１６６８９号公報 特開２００３－３０１８５０号公報
　そもそも非金属介在物は、転動部品の特に軌道面の表面に介在し、軌道面の表面に露出することが問題となることが多い。これにより当該露出部としての非金属介在物と、転動部品の母材との隙間が形成され、それがき裂として働き、軸受の早期破損の原因となるためである。
　非金属介在物の露出を防ぐ観点から上記のようにファイバーフローと軌道面との角度を極力小さくする対策がなされる。しかし製品の形状によっては、鍛造後にどうしても上記角度が大きくなる場合がある。特開２０１３－１１６６８９号公報においては、上記の課題に対する対策が十分になされていない。
　また、特開２００４－２６３７６８号公報に開示のローラバニシング加工がなされる加工深さは、バニシングツールと軸受の軌道面との接触する部分の楕円形の大きさによって決まる。当該接触する部分の楕円形を大きくすることにより加工深さを深くすることができる。このようにすれば、非金属介在物と転動部品の母材との隙間を塞ぎ、軸受の表面を起点とする剥離だけでなく、軸受の内部を起点とする剥離を抑制することもできる。しかし特開２００４－２６３７６８号公報、特開２０１３－１１６６８９号公報および特開２００３－３０１８５０号公報においては部材を熱処理し硬度が高くされた後にバニシング加工などの塑性加工がなされる。このため部材の加工が困難となり加工深さを深くすることが困難である。その結果、塑性加工を行なっても、き裂としての隙間を塞ぎ、軸受の剥離を抑制する効果が十分に得られない可能性がある。
　本発明は以上の問題に鑑みなされたものである。その目的は、たとえ表面とファイバーフローとのなす角度が大きくても、軌道面の表面に露出した非金属介在物と母材との隙間を埋めることで隙間がき裂として働くことを抑制する転動部品、および当該転動部品を含む軸受、ならびにそれらの製造方法を提供することである。
　本発明に係る転動部品は、表面を有する。当該転動部品にはファイバーフローおよび非金属介在物が含まれる。転動部品の表面から第１の深さまでの領域内において、非金属介在物と、転動部品を構成する母材との隙間が埋められている。第１の深さは５０μｍ以上である。当該表面とファイバーフローとのなす角度は１５°以上である。
　本発明に係る軸受は、外輪と、外輪の内周面上に配置される転動体と、転動体の内周側に配置される内輪とを備える。外輪、転動体および内輪の少なくとも１つは上記の転動部品である。上記の転動部品の表面は、外輪の軌道面、内輪の軌道面および転動体の転動面のいずれかである。
　本発明に係る転動部品の製造方法は、まず被加工面を有し、ファイバーフローを含む部材が準備される。被加工面に塑性加工が施される。塑性加工を施す工程の後に部材に熱処理が施される。塑性加工を施す工程により、転動部品の表面から第１の深さまでの領域内において、転動部品に含まれる非金属介在物と、転動部品を構成する母材との隙間が埋められる。第１の深さは５０μｍ以上である。表面とファイバーフローとのなす角度は１５°以上である。
　本発明は、外輪と、外輪の内周面上に配置される転動体と、転動体の内周側に配置される内輪とを備える軸受の製造方法である。外輪、転動体および内輪の少なくとも１つは上記の転動部品である。上記の転動部品の表面は、外輪の軌道面、内輪の軌道面および転動体の転動面のいずれかである。
　本発明によれば、軌道面の表面に露出した非金属介在物と母材との隙間を深い領域まで埋めることで、たとえ表面とファイバーフローとのなす角度が大きくても、隙間がき裂として働くことを抑制する転動部品を得ることができる。また製造方法においては熱処理前の塑性加工（バニシング加工）により、たとえ表面とファイバーフローとのなす角度が大きくても、非金属介在物と母材との隙間を深い領域まで埋めることができ、隙間がき裂として働くことを抑制できる。
本実施の形態に係る円錐ころ軸受の構造を示す概略断面図である。 図１中の点線で囲まれた領域Ａの概略拡大断面図である。 転動部品の母材と、その母材に存在する非金属介在物との態様を示す概略断面図である。 本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の概略を示すフローチャートである。 本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の第４工程の第１例を示す概略断面図である。 本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の第４工程の第２例を示す概略断面図である。 内輪の内部に非金属介在物が存在する態様を示す概略断面図である。 図１０の点線で囲まれた領域ＸＩの拡大概略断面図である。 非金属介在物および母材との隙間が露出する被加工面に対し、熱処理後に塑性加工を行なった場合（Ａ）および塑性加工後に熱処理を行なった場合（Ｂ）の態様を示す概略断面図である。 バニシング加工の際に、内輪軌道面などを形成するための被加工面に対し垂直な方向から押圧するようにバニシングツールが加圧する態様を示す概略図である。 バニシング加工の際に、内輪軌道面などを形成するための被加工面に対し垂直な方向に対し斜めの方向から押圧するようにバニシングツールが加圧する態様を示す概略図である。 バニシング加工前後の表面粗さの一例、およびバニシング加工時の残留応力の分布を示す概略図である。 バニシング加工の際に斜め方向から押圧力を加えることにより、き裂を抑制する効果が高められることを示すグラフである。
　以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず本実施の形態において形成される転がり軸受について、図１および図２を用いて説明する。
　図１は本実施の形態に係る円錐ころ軸受の構造を示す概略断面図である。図２は図１中の点線で囲まれた領域Ａの概略拡大断面図の第１例（Ａ）と第２例（Ｂ）とである。図１を参照して、本実施の形態において形成される軸受としての円錐ころ軸受２は、外輪２０と、内輪２１と、複数のころ２２と、保持器２３とを主に備えている。外輪２０は、環形状からなり、内周面に外輪軌道面２０Ａを有している。内輪２１は、環形状からなり、外周面に内輪軌道面２１Ａを有している。内輪２１は、内輪軌道面２１Ａが外輪軌道面２０Ａに対向するように外輪２０の内周側に配置されている。
　転動体としてのころ２２は、外輪２０の内周面上に配置されている。ころ２２はころ転動面２２Ａを有し、当該ころ転動面２２Ａにおいて内輪軌道面２１Ａおよび外輪軌道面２０Ａに接触し、かつ保持器２３により周方向に所定のピッチで配置されている。これにより、ころ２２は、外輪２０および内輪２１の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。逆に言えば、上記の内輪２１は、ころ２２の内周側に配置されている。また、円錐ころ軸受２は、外輪軌道面２０Ａを含む円錐、内輪軌道面２１Ａを含む円錐、およびころ２２が転動した場合の回転軸の軌跡を含む円錐のそれぞれの頂点が軸受の中心線上の１点で交わるように構成されている。このような構成により、円錐ころ軸受２の外輪２０および内輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。
　以上のように、円錐ころ軸受２は、転動部品としての外輪２０、内輪２１およびころ２２を含んでいる。言い換えれば、外輪２０、内輪２１およびころ２２の少なくとも１つは上記の転動部品である。図２（Ａ）を参照して、たとえば内輪２１の内輪軌道面２１Ａところ２２のころ転動面２２Ａとが互いに接触する。この内輪軌道面２１Ａおよびころ転動面２２Ａのようにそれぞれの転動部品は、互いに他の転動部品と接触する表面を有している。図２には示されないが、外輪２０の外輪軌道面２０Ａところ２２のころ転動面２２Ａとも互いに接触する。つまり転動部品である外輪２０も、他の転動部品であるころ２２と接触する表面を有している。
　図２（Ａ）に示すように、転動部品であるたとえば内輪２１は、その組織内に、ファイバーフローＦＦを含んでいる。内輪２１の表面である内輪軌道面２１Ａと、内輪２１に含まれるファイバーフローＦＦとのなす角度αは１５°以上である。
　図２（Ｂ）を参照して、ファイバーフローＦＦはころ２２の側に含まれていてもよい。この場合においても、ころ２２の表面であるころ転動面２２Ａと、ころ２２に含まれるファイバーフローＦＦとのなす角度αは１５°以上である。
　転動部品の表面は、外輪２０の軌道面としての外輪軌道面２０Ａ、内輪２１の軌道面としての内輪軌道面２１Ａ、およびころ２２の転動面としてのころ転動面２２Ａのいずれかである。すなわち内輪軌道面２１Ａ、外輪軌道面２０Ａおよびころ転動面２２Ａの表面は、算術平均粗さが０．１μｍＲａ以下、Ｒｓｋ＜０である。また当該表面の圧縮残留応力は７００ＭＰａ以上である。
　図３は転動部品の母材と、その母材に存在する非金属介在物との態様を示す概略断面図である。図３を参照して、内輪２１などの転動部品は、その組織内に、非金属介在物４１を含んでいる。内輪２１の表面である内輪軌道面２１Ａから第１の深さまでの領域内において、非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間が埋められている。ここで内輪軌道面２１Ａから第１の深さまでの領域内とは、内輪軌道面２１Ａから図３の上下方向に延びる深さＤが５０μｍ以上までの領域内である。このことは転動部品である外輪２０、ころ２２についても同様である。すなわち外輪２０およびころ２２は、その組織内に、非金属介在物４１を含んでいる。そして外輪２０の表面である外輪軌道面２０Ａから深さＤ以内の領域内において、非金属介在物４１と外輪２０を構成する母材との隙間が埋められている。深さＤは５０μｍ以上である。同様に、ころ２２の表面であるころ転動面２２Ａから深さＤ以内の領域内において、非金属介在物４１ところ２２を構成する母材との隙間が埋められている。
　なお内輪２１などの転動部品においては、内輪軌道面２１Ａなどの表面の側（図３（Ａ）の上側）に存在する非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間４２（図１１、図１２参照）は、内輪２１の内輪軌道面２１Ａから離れた内部の側に存在する非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間４２よりも小さくてもよい。
　外輪２０、内輪２１、ころ２２を構成する材料は鋼であってもよい。当該鋼は、言うまでもなく鉄（Ｆｅ）を主成分とし、上記の元素の他に不可避的不純物を含んでいてもよい。不可避的不純物としては、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、アルミ（Ａｌ）などがある。これらの不可避的不純物元素の量は、それぞれ０．１質量％以下である。その結果、外輪２０、内輪２１およびころ２２は、酸素含有量がたとえば５ｐｐｍ以上の鋼材により形成される場合がある。
　当該鋼は、軸受用材料の一例であるたとえばＪＩＳ規格Ｓ５３Ｃである。Ｓ５３Ｃは、炭素を０．５質量％以上０．５６質量％以下含み、珪素を０．１５質量％以上０．３５質量％以下含み、マンガンを０．６質量％以上０．９質量％以下含む。またＳ５３Ｃは、リンを０．０３質量％以下、硫黄を０．０３５質量％以下、クロムを０．２質量％以下、ニッケルを０．０２質量％以下含む。
　次に、以上の構成を有する転動部品、およびそれを含む円錐ころ軸受２の製造方法について、図４～図９を用いて説明する。すなわち以下に述べるのは、外輪２０と、外輪２０の内周面上に配置されているころ２２と、ころ２２の内周側に配置されている内輪２１とを備える円錐ころ軸受２の製造方法である。なお以下の図４～図９は一例として内輪２１の製造工程を示している。
　図４は、本実施の形態の円錐ころ軸受の製造方法の概略を示すフローチャートである。図４を参照して、本実施の形態の製造方法においては、まず円錐ころ軸受２を形成するための部材が準備される（Ｓ１０）。その準備された部材に対して塑性加工がなされる（Ｓ２０）。塑性加工がなされた後に、当該部材に熱処理が施される（Ｓ３０）。そして当該部材の表面が研磨される（Ｓ４０）。以下、図５～図９を用いてこれらの各工程について詳細に説明する。
　図５を参照して、まず転動部品である外輪２０、内輪２１、ころ２２のいずれかの部材を形成するための鋼材１０１が準備される。当該鋼材１０１の材質は上記のとおりである。鋼材１０１はたとえば図の左右方向に延びるファイバーフローＦＦを含んでいる。切削工具１０２により、転動部品形成領域１０３が、鋼材１０１から切り取られる。図６を参照して、内輪２１を形成するために中央部に空洞１０４を有する部材が形成される。
　図７を参照して、内輪２１の外周面に対して一般公知の旋削などの加工がなされる。これにより、図に示すようにファイバーフローＦＦを含み、そのファイバーフローＦＦの延びる方向に対して傾斜した外周面すなわち被加工面２１Ｂを有する部材が形成される。被加工面２１Ｂは、ファイバーフローＦＦとのなす角度が１５°以上となるように形成される。以上により、図４に工程（Ｓ１０）で示すように対象部材が準備される。
　図８を参照して、図７のように部材としての内輪２１が準備された後、図４に工程（Ｓ２０）で示すように、被加工面２１Ｂに塑性加工が施される。これにより被加工面２１Ｂは内輪軌道面２１Ａとなる。
　図８は上記塑性加工の第１例を示している。図８を参照して、塑性加工を施す工程においては、たとえばバニシング加工がなされることが好ましい。バニシング加工においては、たとえばセラミック製の硬球、またはダイヤモンド製の突起形状部などの押し付け部ＣＣが工具とされる。図８では一例として球形の押し付け部ＣＣが図示される。押し付け部ＣＣを図中の矢印Ｒ１の方向に回転させ、内輪２１を空洞１０４を貫通する仮想の軸Ｌを中心として矢印Ｒ２の周方向に回転させながら、押し付け部ＣＣが被加工面２１Ｂ上を矢印Ｆに示す力で押圧する。この押圧は、押し付け部ＣＣが取り付けられたバニシングツール２５が、押し付け部ＣＣに対して矢印Ｆの力を加えるようになされる。またバニシングツール２５は、押し付け部ＣＣが矢印Ｍの方向に移動するように、被加工面２１Ｂ上を送らせる。これにより、被加工面２１Ｂ上に存在する微小な凹凸形状などが平坦化される。
　図９は上記塑性加工の第２例を示している。図９を参照して、塑性加工を施す工程においては、たとえば冷間ローリング加工がなされてもよい。冷間ローリング加工においては、成形ロール３１とマンドレル３２とが準備される。成形ロール３１およびマンドレル３２は、いずれもたとえば軸方向（図９の左右方向）に交差する断面が円形状でありその全体が棒状である。ただし図９に示すように成形ロール３１は、その外周面の一部が、円錐ころ軸受２の内輪２１用の傾斜した内輪軌道面２１Ｂとなるべき被加工面２１Ｂ上に押し当てられる。このため成形ロール３１の外周面の一部は、部分的にその軸方向に関して傾斜した円錐状の形状を有していてもよい。
　成形ロール３１は内輪２１の外側から矢印Ｆの力で被加工面２１Ｂ上に押し当てられ、マンドレル３２は内輪２１の内側から空洞１０４の内壁面上に押し当てられる。すなわち内輪２１の鋼材部分は、成形ロール３１とマンドレル３２とに挟まれるように配置される。この状態で内輪２１を空洞１０４を貫通する仮想の軸Ｌ１を中心として矢印Ｒ３の周方向に回転させる。このとき同時に、成形ロール３１をその軸方向に関する断面の中央を貫通する仮想の軸Ｌ２を中心として矢印Ｒ４の方向に回転させ、マンドレル３２をその軸方向に関する断面の中央を貫通する仮想の軸Ｌ３を中心として矢印Ｒ５の方向に回転させる。ここで、内輪２１の回転方向Ｒ３とマンドレル３２の回転方向Ｒ５とは等しいが、成形ロール３１の回転方向Ｒ４は上記回転方向Ｒ３，Ｒ５とは逆方向であることが好ましい。また成形ロール３１は回転しながら、内輪２１側へ向かう矢印Ｍで示す方向に移動する。しかしマンドレル３２は回転するものの、成形ロール３１のような移動はなされない。以上の回転および移動により、被加工面２１Ｂ上に存在する微小な凹凸形状などが平坦化され、内輪軌道面２１Ａが形成される。
　再度図８を参照して、以上のように塑性加工を施す工程の後に、図４に工程（Ｓ３０）で示すように、内輪２１などの部材に焼入れなどの熱処理が施される。その後、図４に工程（Ｓ４０）で示すように、内輪２１の被加工面２１Ｂに対して研磨加工が施される。ここではたとえば内輪研削盤による研磨加工がなされることが好ましい。これにより、内輪２１の被加工面２１Ｂの算術平均粗さが０．１μｍＲａ以下となるように、研磨加工がなされる。
　以上により、塑性加工された内輪軌道面２１Ａを有する内輪２１が形成される。塑性加工を施す工程により、内輪２１の内輪軌道面２１Ａの表面から第１の深さまでの領域内において、内輪２１に含まれる非金属介在物４１（図３参照）と、内輪２１を構成する部材との隙間が埋められる。ここで第１の深さまでの領域内とは、表面から図３の上下方向に延びる深さＤが５０μｍ以上までの領域内である。内輪軌道面２１Ａの表面は、ファイバーフローＦＦとのなす角度が１５°以上である。また塑性加工後の内輪軌道面２１Ａの表面は、Ｒａ≦０．１μｍ、Ｒｓｋ＜０、圧縮残留応力が７００ＭＰａ以上であることが好ましい。また塑性加工後の内輪軌道面２１Ａの表面の側に存在する非金属介在物４１（図３参照）と、内輪２１を構成する母材との隙間４２は、内輪２１の内輪軌道面２１Ａから離れた内部の側に存在する非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間４２よりも小さくなるように形成されることが好ましい。
　以上においては一例として内輪２１の製造工程について説明したが、外輪２０も基本的に内輪２１と同様の製造工程により形成される。またころ２２については、形成される形状が外輪２０および内輪２１と大きく異なる。しかしころ２２についても、鋼材１０１から転動部品形成領域１０３が切り取られ、被加工面２１Ｂに研磨加工およびその後の塑性加工が施される点については他の転動部品と同様である。
　その後、以上の工程により形成された各転動部品が組み立てられることにより、たとえば図１の断面図に示すような構成を有する円錐ころ軸受２が形成される。
　次に、本実施の形態の背景を説明したうえで本実施の形態の作用効果、およびその他の好ましい構成等について説明する。
　図１０は転動部品、たとえば内輪２１の内部に非金属介在物が存在する態様を示す概略断面図である。図１１は図１０の点線で囲まれた領域ＸＩの拡大概略断面図である。図１０および図１１を参照して、内輪２１などの転動部品において、以下の２条件を満たす場合、転動部品に含まれる非金属介在物４１が内輪軌道面２１Ａなどに露出する可能性が高くなる。１つは転動部品を構成する母材である鋼材の清浄度が低いことである。他の１つは内輪軌道面２１ＡなどとファイバーフローＦＦとのなす角度が大きいことである。内輪軌道面２１Ａなどに露出する非金属介在物４１は、母材との隙間４２を起点とするき裂を発生させ、当該転動部品を含む軸受を早期破損させる原因となる。隙間４２も内輪軌道面２１Ａに露出するため、軸受の使用時にこの隙間４２内に潤滑油が進入する。その状態でころ２２などがその隙間４２の上を転動すれば、油圧により隙間４２が広がる。このことが隙間４２を起点とするき裂を伸展させる原因となる。非金属介在物４１が内輪軌道面２１Ａなどに露出しないようにするためには高清浄度鋼を使用することが理想であるが、これはコストが高く調達性に劣る。また内輪軌道面２１ＡなどとファイバーフローＦＦとのなす角度を極力小さくすることが理想であるが、製品の形状によってはどうしても当該角度が大きくなる場合もある。
　また、非金属介在物４１の母材との隙間４２による軸受の早期破損を防ぐための長寿命化技術として、非金属介在物４１が露出する表面に対するＨＩＰ（Hot　Isostatic　Pressing）を用いた加工を行なうことも考えられる。ＨＩＰにより、非金属介在物４１と母材との隙間４２を埋める効果が確認されている。したがってＨＩＰによりき裂の発生に起因する軸受の早期破損を抑制することができる。しかしこの加工法はコストが高く、量産品には採用が難しいという欠点がある。
　そこで本実施の形態においては、内輪軌道面２１Ａを形成するために被加工面２１Ｂに対しバニシング加工などの塑性加工を行なう。これにより非金属介在物４１の母材との隙間４２を母材の材料などにより充填し、隙間４２がほとんど存在しない状態とすることで、き裂の発生源をなくし、軸受の長寿命化を図る。しかしこのバニシング加工においても以下の問題が生じうる。
　図１２（Ａ）は非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間４２が露出する被加工面に対し熱処理後に塑性加工を行なった場合の態様を示している。図１２（Ａ）を参照して、焼入れなどの熱処理の後にバニシング加工などの塑性加工を行なった場合、バニシング加工を行なうツールと加工対象物との接触する部分である接触楕円が小さくなる。これは熱処理により硬くなった加工対象物に対してバニシングツールを接触させるため、当該ツールが加工対象物の深さ方向に進行しにくくなるためである。このためバニシング加工による隙間４２を母材で埋めてこれを少なくする効果は、内輪軌道面２１Ａからの深さｄが浅い領域内のみでしか得られない。このため内輪軌道面２１Ａからの深さがｄより深い領域においては隙間４２が残存し、この部分がき裂として作用する可能性が残存する。
　これに対し、図１２（Ｂ）は非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間４２が露出する被加工面に対し先に塑性加工を行ない、その後に熱処理を行なった場合の態様を示している。本実施の形態においては、図１２（Ｂ）に示すように、そのような被加工面に対し、熱処理前にバニシング加工または冷間ローリング加工などの塑性加工がなされ、その後に熱処理がなされる。この場合は、特に図３および図１２（Ｂ）に示すように、バニシング加工を行なうツールと加工対象物との接触する部分である接触楕円が図１２（Ａ）の場合よりも大きくなる。これは熱処理がなされておらず軟らかい状態の加工対象物に対してバニシングツール２５を接触させるため、当該ツールが加工対象物の深さ方向に進行しやすくなるためである。このため本実施の形態においては、たとえば内輪軌道面２１Ａから深さＤ以内の領域内において、非金属介在物４１と、内輪２１を構成する母材との隙間が埋められる。深さＤは５０μｍ以上である。このため本実施の形態においては、図１２（Ａ）の場合に比べてより深い領域までき裂の発生源を排除することができる。したがって軸受の表面を起点とする剥離だけでなく、軸受の内部を起点とする剥離の発生を抑制することができ、軸受の長寿命化を図ることができる。
　より具体的には、塑性加工により、内輪軌道面２１Ａなどの表面側の非金属介在物４１と母材との隙間４２は、転動部品の内部側の非金属介在物４１と母材との隙間４２よりも小さくなる。したがって、き裂による転動部品の早期破損の原因が小さくなる（または消滅する）。これにより、内輪軌道面２１Ａにおける非金属介在物４１と母材との隙間４２を起点とするき裂の伸展が抑制でき、軸受の長寿命化を図ることができる。
　また本実施の形態においては、図１２（Ａ）の比較例に比べてバニシングツール２５の押し付け部ＣＣ（図８参照）の加工送り速度を高くすることができるため、下降のサイクルタイムを短くすることができる。
　上記のように塑性加工により非金属介在物４１に起因する損傷を抑制できるため、非金属介在物４１を多く含む低清浄度の部材から軸受を形成しても、高清浄度の部材から形成される軸受と同水準の寿命とすることができる。したがって低清浄度の部材を軸受の材料として使用することが可能となり、製造コストを削減することができる。本実施の形態によれば、ＨＩＰなどの高コスト工程を経ることなく、高清浄度鋼が入手困難な海外などでも低コストで安定した生産が可能となる。
　一般的に良好な運転条件にて加工すれば、完成品における内輪軌道面２１Ａなどの表面の各パラメータの数値範囲が０．１μｍＲａ以下、Ｒｓｋ＜０であれば良好な潤滑状態とすることができる。また圧縮残留応力を７００ＭＰａ以上とすることでき裂の伸展を抑制することができる。
　なお上記の塑性加工を施す工程においては、バニシング加工の代わりに、ショットピーニング、ウォータージェット、ＵＩＴ（Ultrasonic　Impact　Treatment：超音波衝撃処理）からなる群から選択されるいずれかが用いられてもよい。この場合においても、バニシング加工がなされた場合と同様の作用効果を奏する。
　また、き裂に起因する剥離を抑制する観点からは、上記のようにファイバーフローＦＦと軌道面または転動面とのなす角度は１５°以下であることが好ましいとされている。しかし実際にはそのような制御を行なうことは困難であり、当該角度が不可避的に大きくなってしまう場合も生じ得る。また清浄な鋼材を用いるという観点からは、転動部品の酸素含有量は５ｐｐｍ以下であることが好ましいと考えられる。しかし本実施の形態においては、たとえ上記角度が１５°以上であっても、上記の塑性加工により、き裂に起因する剥離の発生を抑制することができ、軸受の長寿命化を図ることができる。また本実施の形態においては、転動部品としての外輪２０、内輪２１およびころ２２の酸素含有量が５ｐｐｍ以上であっても、上記の塑性加工により、き裂に起因する剥離の発生を抑制することができ、軸受の長寿命化を図ることができる。
　以上のようにバニシング加工による塑性加工により非金属介在物と母材との隙間を埋める効果を高めるためには、以下のようにすることがより好ましい。図１３は、矢印Ｒ２の方向に回転された内輪２１をバニシング加工する際に、内輪軌道面２１Ａを形成するための被加工面２１Ｂなどに対し垂直な方向から押圧するようにバニシングツール２５が加圧する態様を示している。図１４は、矢印Ｒ２の方向に回転された内輪２１をバニシング加工する際に、内輪軌道面２１Ａを形成するための被加工面２１Ｂなどに対し垂直な方向に対し斜めの方向から押圧するようにバニシングツール２５が加圧する態様を示している。図１３を参照して、たとえばバニシング加工の際には、図８と同様に、バニシングツール２５が被加工面２１Ｂに垂直な方向から垂直力Ｆ１でこれを押圧する場合もある。ただし図１４を参照して、本実施の形態においては、バニシング加工の際に、バニシングツール２５が被加工面２１Ｂに垂直な方向に対して斜めの方向からこれを押圧することが好ましい。すなわちこの場合、バニシングツール２５に取り付けられた、ダイヤモンド製の突起形状部としての工具である押し付け部ＣＣが、被加工面２１Ｂに対して垂直な方向に対して傾斜角θを有する方向から、押し付け力Ｆ３で被加工面２１Ｂを押圧しながら塑性加工し内輪軌道面２１Ａを形成する。被加工面２１Ｂを押圧する押し付け力Ｆ３は、被加工面２１Ｂに垂直な方向に加わる垂直力Ｆ１と、垂直力Ｆ１に交差する方向すなわち図１４の左右方向に沿って加わる接線力Ｆ２とに分解可能である。よって異なる観点から言えば、図１４に示すように、バニシング加工においては、被加工面２１Ｂに対して垂直な方向に加わる垂直力Ｆ１と、垂直力Ｆ１に交差する方向に加わる接線力Ｆ２との合力（押し付け力Ｆ３）が加わることにより加工がなされることが好ましい。
　図１５は、バニシング加工時における内輪２１の深さ方向の残留応力の分布を示す概略図である。図１５において、押し付け部ＣＣの下側の曲線は、被加工面の表面からの深さ（縦座標）と圧縮残留応力（中央より右側の座標）および引張残留応力（中央より左側の座標）との関係を示している。図１５を参照して、バニシング加工の工具としての押し付け部ＣＣが、内輪軌道面２１Ａなどを形成するための被加工面２１Ｂに塑性加工を施す。塑性加工前の被加工面２１Ｂは、最大高さ粗さＲｚが１２．５μｍであるとし、塑性加工後の内輪軌道面２１Ａは、最大高さ粗さＲｚが０．８μｍであるとする。図１５のように被加工面２１Ｂの塑性加工による変形により、母材と非金属介在物との隙間が埋められる。この隙間を埋める効果を高めるためには、図１５中に示す塑性加工による母材への圧縮残留応力が最大となる位置Ｐが、より表面側（図１５の上側）に位置するように制御することが好ましい。このような制御は、上記角度θを設けることにより実現可能となる。
　言い換えれば、バニシング加工時に被加工面２１Ｂに対して加圧方向を傾け、垂直力Ｆ１と接線力Ｆ２との双方の合力が加わるようにする。これにより、塑性変形量および圧縮残留応力量が最大となる位置を、被加工面からより浅い位置である表面に近い位置にシフトさせることができる。このことが、非金属介在物と母材との隙間を埋め、母材表面における介在物と母材との密着性を高めることにつながる。したがって隙間を起点とするき裂の伸展を抑制する効果が高められる。
　図１６のグラフの横軸はσｘ／Ｐmaxを、縦軸はｚ／ｂを示している。ここでσｘはバニシング加工時の周方向の応力を示し、Ｐmaxはバニシング加工時の内輪軌道面２１Ａなどの最大面圧を示す。またｚはバニシング加工がされる内輪軌道面２１Ａなどの深さ方向の位置座標を示し、ｂは内輪軌道面２１Ａなどの加工対象物とバニシングツール２５などとの接触部分の楕円形の短軸半径を示す。すなわち図１６のグラフはバニシング加工時の、内輪軌道面２１Ａなどの表面からの深さと、接線力Ｆ２の方向の応力分布との関係を示している。
　図１６を参照して、バニシング加工時に加工対象物に接線力Ｆ２を加えることにより応力分布が変化する。このためバニシング加工時に加工対象物に接線力Ｆ２を加える場合（接線力あり）の方が、接線力Ｆ２を加えず垂直力Ｆ１のみを加える場合（接線力なし）に比べてσｘ／Ｐmaxが被加工面に近い部分でピークを有する分布となる。またバニシング加工時に加工対象物に接線力Ｆ２を加える場合（接線力あり）の方が、残留応力のピーク位置も、接線力Ｆ２を加えず垂直力Ｆ１のみを加える場合（接線力なし）に比べて表面近くとなる。このためバニシング加工時に加工対象物に接線力Ｆ２を加えることにより、内輪軌道面２１Ａの介在物と母材との隙間を効率的に埋めることができる。
　以上に述べた実施の形態（に含まれる各例）に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　２　円錐ころ軸受、２０　外輪、２０Ａ　外輪軌道面、２１　内輪、２１Ａ　内輪軌道面、２１Ｂ　被加工面、２２　ころ、２２Ａ　ころ転動面、２３　保持器、２５　バニシングツール、３１　成形ロール、３２　固定ロール、４１　非金属介在物、４２　隙間、１０１　鋼材、１０２　切削工具、１０３　転動部品形成領域、１０４　空洞、ＦＦ　ファイバーフロー。

Claims (8)

  1. 　表面を有する転動部品であって、
    　前記転動部品にはファイバーフローおよび非金属介在物が含まれ、
    　前記転動部品の前記表面から第１の深さまでの領域内において、前記非金属介在物と、前記転動部品を構成する母材との隙間が埋められ、
    　前記第１の深さは５０μｍ以上であり、
    　前記表面と前記ファイバーフローとのなす角度は１５°以上である、転動部品。
  2. 　酸素含有量が５ｐｐｍ以上の鋼材により形成される、請求項１に記載の転動部品。
  3. 　外輪と、
    　前記外輪の内周面上に配置される転動体と、
    　前記転動体の内周側に配置される内輪とを備える軸受であり、
    　前記外輪、前記転動体および前記内輪の少なくとも１つは請求項１または２に記載の転動部品であり、
    　前記転動部品における表面は、前記外輪の軌道面、前記内輪の軌道面および前記転動体の転動面のいずれかである、軸受。
  4. 　表面を有する転動部品の製造方法であって、
    　被加工面を有し、ファイバーフローを含む部材を準備する工程と、
    　前記被加工面に塑性加工を施す工程と、
    　前記塑性加工を施す工程の後に前記部材に熱処理を施す工程とを備え、
    　前記塑性加工を施す工程により、前記転動部品の前記表面から第１の深さまでの領域内において、前記転動部品に含まれる非金属介在物と、前記転動部品を構成する母材との隙間が埋められ、
    　前記第１の深さは５０μｍ以上であり、
    　前記表面と前記ファイバーフローとのなす角度は１５°以上である、転動部品の製造方法。
  5. 　前記塑性加工を施す工程においてはバニシング加工がなされる、請求項４に記載の転動部品の製造方法。
  6. 　前記バニシング加工においては、前記被加工面に対して垂直な方向に加わる垂直力と、前記垂直力に交差する方向に加わる接線力との合力が加わることにより加工がなされる、請求項５に記載の転動部品の製造方法。
  7. 　前記塑性加工を施す工程においては、ショットピーニング、ウォータージェット、ＵＩＴからなる群から選択されるいずれかが用いられる、請求項４に記載の転動部品の製造方法。
  8. 　外輪と、
    　前記外輪の内周面上に配置される転動体と、
    　前記転動体の内周側に配置される内輪とを備える軸受の製造方法であり、
    　前記外輪、前記転動体および前記内輪の少なくとも１つは請求項４～７のいずれか１項に記載の転動部品であり、
    　前記転動部品における表面は、前記外輪の軌道面、前記内輪の軌道面および前記転動体の転動面のいずれかである、軸受の製造方法。
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