JP7378201B2

JP7378201B2 - 軸受部品の製造方法

Info

Publication number: JP7378201B2
Application number: JP2018097818A
Authority: JP
Inventors: 敬史結城
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2023-11-13
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: JP2019203158A

Description

本発明は、軸受部品の製造方法に関する。

焼き戻しは、軸受部品の寸法安定性を向上させるために重要な熱処理である。高温環境下で使用される軸受の軸受部品には、より寸法安定性が求められる。そのため、高温環境下で使用される軸受の軸受部品に対しては、通常よりも強い条件（長時間、高温）での焼き戻しが行われる。

熱効率向上及び環境負荷低減の観点から、近年、焼き戻しを、大気炉中における加熱ではなく、誘導加熱により実施することがある。誘導加熱による焼き戻しは、大気炉中における加熱による焼き戻しと比較すると、生産性の観点からは不利である。このような不利な点を補うため、誘導加熱による焼き戻しにおいては、大気炉中における加熱による焼き戻しと比較して高温、短時間での加熱が行われる。

誘導加熱による焼き戻しとしては、例えば、特許文献１（特開２０１３－２２１１９９号公報）に記載の焼き戻し方法が知られている。特許文献１に記載の焼き戻し方法においては、焼き戻しは、３秒以上１０秒以下の間、１８０℃以上３００℃以下の温度に加熱することにより行われる。

特開２０１３－２２１１９９号公報

しかしながら、本発明者らが見出した知見によると、特許文献１に記載の焼き戻し方法にしたがって焼き戻しが行われた軸受の軸受部品は、高温環境下での長時間使用後における寸法変化率に改善の余地がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、高温環境下での長時間使用後における寸法変化率を改善することができる軸受部品の製造方法を提供するものである。

本発明の一態様に係る軸受部品の製造方法は、高炭素クロム軸受鋼により構成される加工対象部材に焼き入れを行い、焼き入れ硬化層を形成する工程と、加工対象部材に焼き戻しを行う工程とを備える。焼き入れは、焼き入れ硬化層の硬さが６４ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下となるように行われる。焼き戻しは、加熱温度をＴ（単位：ケルビン）、保持時間をｔ（単位：秒）とした場合に、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔ＜１７．９との関係を充足するように行われる。

上記の軸受部品の製造方法において、焼き入れは、焼き入れ硬化層における炭化物面積率が８パーセント以上１２パーセント以下となるように行われてもよい。

上記の軸受部品の製造方法においては、焼き戻しを行う際の加熱は、高周波誘導加熱により行われてもよい。

上記の軸受部品の製造方法において、焼き戻しの加熱時間は２６０℃以上３２０℃以下であってもよく、焼き戻しの保持時間は３００秒以上３６００秒以下であってもよい。

上記の軸受部品の製造方法においては、大気中において１６０℃で２５００時間保持した後において、焼き戻しが行われた後の加工対象部材の外形寸法変化率は、２×１０^－４以下であってもよい。

上記の軸受部品の製造方法において、高炭素クロム軸受鋼は、ＪＩＳ規格に定めるＳＵＪ２であってもよい。

本発明の一態様に係る軸受部品の製造方法によると、高温環境下での長時間使用後における寸法変化率を改善することができる。

実施形態に係る軸受部品の上面図である。図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。実施形態に係る軸受部品の製造方法を示す工程図である。準備工程Ｓ１において準備される加工対象部材２０の上面図である。図４のＶ－Ｖにおける断面図である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

（実施形態に係る軸受部品の構成）
以下に、実施形態に係る軸受部品の構成を説明する。

図１は、実施形態に係る軸受部品の上面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図１及び図２に示すように、実施形態に係る軸受部品は、例えば、転がり軸受の内輪１０である。実施形態に係る軸受部品は、これに限られるものではないが、以下においては、内輪１０を例として説明する。

内輪１０は、上面１０ａと、底面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。上面１０ａ及び底面１０ｂは、内輪１０の中心軸１０ｅに沿う方向における端面を構成している。底面１０ｂは、上面１０ａの反対面である。

内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、上面１０ａ及び底面１０ｂに連なっている。外周面１０ｄは、内輪１０の軌道面を構成している。外周面１０ｄには、軌道溝が形成されている。軌道溝において、外周面１０ｄは、内周面１０ｃ側に向かって窪んでいる。軌道溝の形状は、断面視において、部分円形状となっている。

内輪１０は、平面視において（上面１０ａ及び底面１０ｂに直交する方向からみて）リング状の形状を有している。

内輪１０は、例えば、鋼により構成されている。内輪１０を構成する鋼は、例えば、軸受鋼である。内輪１０を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４８０５：２００８）に定める高炭素クロム軸受鋼であることが好ましい。内輪１０を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４８０５：２００８）に定めるＳＵＪ２であることがさらに好ましい。

内輪１０は、焼き入れ硬化層１０ｆを有している。焼き入れ硬化層１０ｆは、内輪１０の表面に配置されている。より具体的には、焼き入れ硬化層１０ｆは、上面１０ａ、底面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄに配置されている。

焼き入れ硬化層１０ｆにおける内輪１０の硬度は、６０ＨＲＣ以下であることが好ましい。焼き入れ硬化層１０ｆにおける内輪１０の硬度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＺ２２４５：２０１１）に定める方法にしたがって行われる。

大気中において１６０℃で２５００時間保持した後における内輪１０の寸法変化率は、２×１０^－４以下である。大気中において１６０℃で２５００時間保持した後における寸法変化率は、１．５×１０^－４以下であることが好ましい。大気中において１６０℃で２５００時間保持した後における寸法変化率は、１．０×１０^－４以下であることがさらに好ましい。

内輪１０の寸法変化率は、以下の方法により測定される。第１に、１６０℃で２５００時間の保持を行う前における内輪１０の外径（すなわち、中心軸１０ｅを通る断面での中心軸１０ｅを挟んだ外周面１０ｄ間の距離）が測定される。第２に、内輪１０に対して、大気中において、１６０℃で２５００時間の保持が行われる。第３に、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行った後における内輪１０の外径が測定される。第４に、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行う前における内輪１０の外径と大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行った後における内輪１０の外径との差を、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行う前の内輪１０の外径で除する。これにより、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行った後における内輪１０の寸法変化率が得られる。

（実施形態に係る軸受部品の製造方法）
以下に、実施形態に係る軸受部品の製造方法を説明する。

図３は、実施形態に係る軸受部品の製造方法を示す工程図である。図３に示すように、実施形態に係る軸受部品の製造方法は、準備工程Ｓ１と、焼き入れ工程Ｓ２と、焼き戻し工程Ｓ３と、後処理工程Ｓ４とを有している。

準備工程Ｓ１においては、加工対象部材２０の準備が行われる。図４は、準備工程Ｓ１において準備される加工対象部材２０の上面図である。図５は、図４のＶ－Ｖにおける断面図である。図４及び図５に示すように、加工対象部材２０は、上面２０ａと、底面２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有している。底面２０ｂは、上面２０ａの反対面である。上面２０ａ及び底面２０ｂは、加工対象部材２０の中心軸２０ｅに沿う方向における端面を構成している。

内周面２０ｃ及び外周面２０ｄは、上面２０ａ及び底面２０ｂに連なっている。外周面２０ｄには、軌道溝が形成されている。軌道溝において、外周面２０ｄは、内周面２０ｃ側に向かって窪んでいる。軌道溝の形状は、断面視において、部分円形状となっている。

加工対象部材２０は、平面視において（上面２０ａ及び底面２０ｂに直交する方向からみて）リング状の形状を有している。

加工対象部材２０は、例えば、鋼により構成されている。加工対象部材２０を構成する鋼は、例えば、軸受鋼である。加工対象部材２０を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４８０５：２００８）に定める高炭素クロム軸受鋼であることが好ましい。加工対象部材２０を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４８０５：２００８）に定めるＳＵＪ２であることがさらに好ましい。

焼き入れ工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。焼き入れ工程Ｓ２においては、焼き入れ硬化層１０ｆの形成が行われる。焼き入れ工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と、冷却工程Ｓ２２とを有している。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材２０が、加工対象部材２０を構成する鋼のＡ_１変態点以上の温度（以下においては、「第１温度」という）に加熱され、所定時間（以下においては、「第１時間」という）保持される。

Ａ_１変態点は、加工対象部材２０を構成する鋼に含まれるフェライト相がオーステナイト相への変態を開始する温度である。第１温度は、例えば、９００℃以上１０００℃以下である。第１温度は、９００℃以上９５０℃以下であることが好ましい。

第１温度が高くなるほど、また第１時間が長くなるほど、オーステナイト相中に固溶する炭素量が増加する。オーステナイト相中に固溶する炭素量が増加するほど、冷却工程Ｓ２２においてオーステナイト相がマルテンサイト相に変態した際に、焼き入れ硬化層１０ｆの硬度が上昇する。第１温度及び第１時間は、焼き入れ工程Ｓ２後における焼き入れ硬化層１０ｆの硬度が６４ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下となるように適宜選択される。

上記のとおり、第１温度が高くなるほど、また第１時間が長くなるほど、オーステナイト相中に固溶する炭素量が増加する。その結果、焼き入れ工程Ｓ２後に焼き入れ硬化層１０ｆに残留する炭化物の量が減少する。第１温度及び第１時間は、焼き入れ工程Ｓ２後における焼き入れ硬化層１０ｆ中における炭化物面積率が、８パーセント以上１２パーセント以下になるように適宜選択されることが好ましい。

焼き入れ硬化層１０ｆ中における炭化物面積率は、以下の方法により測定される。第１に、焼き入れ工程Ｓ２が行われた後の加工対象部材２０の鏡面研磨が行われる。第２に、鏡面研磨面の腐食が行われる。この腐食は、ピクリン酸及びアルコールを含む腐食液（ピラクル）を用いて行われる。第３に、腐食された鏡面研磨面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）観察が行われる。そして、腐食された鏡面研磨面から取得されたＳＥＭ画像に対して画像解析を行うことにより、焼き入れ硬化層１０ｆ中の炭化物相の面積比率が算出される。

冷却工程Ｓ２２は、加熱工程Ｓ２１の後に行われる。冷却工程Ｓ２２においては、加工対象部材２０が、Ｍｓ変態点以下の温度に冷却される。Ｍ_Ｓ変態点は、加熱工程Ｓ２１において形成されたオーステナイト相がマルテンサイト相への変態を開始する温度である。冷却工程Ｓ２２における加工対象部材２０の冷却は、油冷又は水冷により行われる。

なお、加熱工程Ｓ２１において形成されたオーステナイト相は、全てがマルテンサイト相に変態するわけではなく、その一部はオーステナイト相として残留する（この残留したオーステナイト相を、以下においては「残留オーステナイト相」という）。

焼き戻し工程Ｓ３は、焼き入れ工程Ｓ２の後に行われる。焼き戻し工程Ｓ３は、加工対象部材２０を、Ａ_１変態点未満の温度（以下においては、「第２温度」という）において所定時間（以下においては、「第２時間」という）保持することにより行われる。焼き戻し工程Ｓ３における加熱は、高周波誘導加熱により行われることが好ましい。

焼き戻し工程Ｓ３においては、焼き入れ硬化層１０ｆ中に含まれるマルテンサイト相及び残留オーステナイト相の一部が、フェライト相とセメンタイト相とに分解される。焼き戻し工程Ｓ３においてマルテンサイト相及び残留オーステナイト相の一部がフェライト相とセメンタイト相とに分解されることにより、内輪１０は、高温環境下で長時間使用された後に焼き入れ硬化層１０ｆに含まれるマルテンサイト相及び残留オーステナイト相が分解されにくくなる。

その結果、内輪１０の高温環境下で長時間使用された後の寸法変化率が改善される。また、焼き戻し工程Ｓ３においてマルテンサイト相及び残留オーステナイト相の一部がフェライト相とセメンタイト相とに分解されることにより、焼き入れ硬化層１０ｆの硬度は、低下する。

第２温度は、２６０℃以上３２０℃以下であることが好ましい。第２時間は、３００秒以上３６００秒以下であることが好ましい。

第２温度をＴ（単位：ケルビン）、第２時間をｔ（単位：秒）とした場合に、第２温度及び第２時間は、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔ＜１７．９との関係式を充足するように選択される。

焼き戻し工程Ｓ３は、焼き戻し工程Ｓ３が行われた後における焼き入れ硬化層１０ｆの硬度が６０ＨＲＣ以下となるように行われることが好ましい。

後処理工程Ｓ４は、焼き戻し工程Ｓ３の後に行われる。後処理工程Ｓ４においては、加工対象部材２０に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ４においては、例えば、加工対象部材２０の洗浄、加工対象部材２０の表面に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。以上により、内輪１０の製造が行われる。

（実施形態に係る軸受部品の製造方法の効果）
以下に、実施形態に係る軸受部品の製造方法の効果を説明する。

本発明者らが見出した知見によると、焼き入れ工程Ｓ２が焼き入れ工程Ｓ２後における焼き入れ硬化層１０ｆの硬度が６４ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下となるように行われ、かつ焼き戻し工程Ｓ３が－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔ＜１７．９との関係式を満たすように行われる場合、大気中において１６０℃で２５００時間保持した後の内輪１０（すなわち、焼き入れ工程Ｓ２及び焼き戻し工程Ｓ３を経た加工対象部材２０）の寸法変化率を２×１０^－４以下とすることができる。

（寸法変化率測定試験）
以下に、実施形態に係る軸受部品の製造方法の効果を確認するために行った寸法変化率測定試験を説明する。

＜供試材＞
上記の寸法変化率測定試験においては、供試材として、サンプル１～サンプル６が用いられた。サンプル１～サンプル６は、リング状の部材である。

サンプル１～サンプル６の外径（外周面と中心軸との距離を２倍した値）は６０ｍｍとされた。サンプル１～サンプル６の内径（内周面と中心軸との距離を２倍した値）は、５４ｍｍとされた。サンプル１～サンプル６の幅（上面と底面との距離）は、１５ｍｍとされた。

サンプル１～サンプル６を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ４８０５：２００８）に定める高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２が用いられた。サンプル１～サンプル６を構成する鋼の化学組成を、表１に示す。

＜熱処理条件＞
表２に、サンプル１～サンプル６に対して行われた熱処理（焼き入れ工程Ｓ２及び焼き戻し工程Ｓ３）の条件を示す。

表２に示すように、サンプル１～サンプル６に対して行われた焼き入れ工程Ｓ２においては、第１温度は、９５０℃とされた。第２温度は、焼き入れ工程Ｓ２が行われた後におけるサンプル１～サンプル６の焼き入れ硬化層１０ｆ中の炭化物面積率が８パーセント以上１２パーセント以下となるように設定された。冷却工程Ｓ２２は、油冷で行われた。

サンプル１に対して行われた焼き戻し工程Ｓ３は、第２温度が２６０℃、第２時間が３６００秒との条件で行われた。サンプル２に対して行われた焼き戻し工程Ｓ３は、第２温度が２８０℃、第２時間が１０００秒との条件で行われた。サンプル３に対して行われた焼き戻し工程Ｓ３は、第２温度が３００℃、第２時間が３００秒との条件で行われた。サンプル４に対して行われた焼き戻し工程Ｓ３は、第２温度が３２０℃、第２時間が３００秒との条件で行われた。

サンプル５に対して行われた焼き戻し工程Ｓ３は、第２温度が２６０℃、第２時間が１００秒との条件で行われた。サンプル６に対して行われた焼き戻し工程Ｓ３は、第２温度が２８０℃、第２時間が１０秒との条件で行われた。なお、サンプル１～サンプル６に対する焼き戻し工程Ｓ３は、高周波誘導加熱を用いて行われた。

＜寸法変化率測定結果＞
表３に、大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル１～サンプル６の寸法変化率を示す。表３において、寸法変化率が２×１０^－４以下の場合を「ＯＫ」として評価し、寸法変化率が２×１０^－４を超えている場合を「ＮＧ」として評価した。また、表３において、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値が１７．９未満である場合に「ＯＫ」と評価し、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値が１７．９以上である場合に「ＮＧ」と評価した。

表３に示すように、大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル１の寸法変化率は、１．６×１０^－４であった。大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル２の寸法変化率は、１．４×１０^－４であった。大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル３の寸法変化率は、１．３×１０^－４であった。大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル４の寸法変化率は、０．７×１０^－４であった。

大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル５の寸法変化率は、３．１×１０^－４であった。大気中において１６０℃で２５００時間保持した後のサンプル６の寸法変化率は、３．８×１０^－４であった。

サンプル１においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は１７．６であった。サンプル２においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は１７．４であった。サンプル３においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は１７．２であった。サンプル４においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は１６．６であった。

サンプル５においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は１８．４であった。サンプル６においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は１８．７であった。

上記のとおり、サンプル１～サンプル４においては、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行った後における寸法変化率は、全て「ＯＫ」との評価であった。一方、サンプル５及びサンプル６においては、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行った後における寸法変化率は、全て「ＮＧ」との評価であった。

また、上記のとおり、サンプル１～サンプル４においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は、全て「ＯＫ」との評価であった。一方、サンプル５及びサンプル６においては、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値は、全て「ＮＧ」との評価であった。

このように、大気中において１６０℃で２５００時間の保持を行った後における寸法変化率による「ＯＫ」／「ＮＧ」の判定結果と－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔの値による「ＯＫ」／「ＮＧ」の判定結果とが一致していることに鑑みると、焼き入れ硬化層１０ｆの硬度が６４ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下となるように行われ、かつ焼き戻し工程Ｓ３が－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔ＜１７．９との関係式を満たすように行われる場合、大気中において１６０℃で２５００時間保持した後の内輪１０（すなわち、焼き入れ工程Ｓ２及び焼き戻し工程Ｓ３を経た加工対象部材２０）の寸法変化率を２×１０^－４以下とすることができることが、実験的にも確認された。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、軸受部品の製造方法に特に有利に適用される。

１０内輪、１０ａ上面、１０ｂ底面、１０ｃ内周面、１０ｄ外周面、１０ｅ中心軸、１０ｆ焼き入れ硬化層、２０加工対象部材、２０ａ上面、２０ｂ底面、２０ｃ内周面、２０ｄ外周面、２０ｅ中心軸、Ｓ１準備工程、Ｓ２焼き入れ工程、Ｓ２１加熱工程、Ｓ２２冷却工程、Ｓ３焼き戻し工程、Ｓ４後処理工程。

Claims

高炭素クロム軸受鋼により構成される加工対象部材に焼き入れを行い、焼き入れ硬化層を形成する工程と、
前記加工対象部材に焼き戻しを行う工程を備え、
前記焼き入れは、前記焼き入れ硬化層の硬さが６４ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下となるように行われ、
前記焼き戻しは、前記焼き戻しの加熱温度をＴ（単位：ケルビン）、前記焼き戻しの保持時間をｔ（単位：秒）とした場合に、－ｌｏｇｔ＋１．１３×１０^４／Ｔ＜１７．９との関係を充足するように行われ、
前記焼き戻しを行う際の加熱は、高周波誘導加熱により行われ、
前記加熱温度は、２６０℃以上３２０℃以下であり、
前記保持時間は、３００秒以上３６００秒以下である、軸受部品の製造方法。
前記焼き入れは、前記焼き入れ硬化層における炭化物面積率が８パーセント以上１２パーセント以下となるように行われる、請求項１に記載の軸受部品の製造方法。
大気中において１６０℃で２５００時間保持した後において、前記焼き戻しが行われた後の前記加工対象部材の外形寸法変化率は、２×１０^－４以下である、請求項１又は請求項２に記載の軸受部品の製造方法。
前記高炭素クロム軸受鋼は、ＪＩＳ規格に定めるＳＵＪ２である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の軸受部品の製造方法。