JP5682161B2

JP5682161B2 - 転がり摺動部材の製造方法

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Publication number: JP5682161B2
Application number: JP2010160674A
Authority: JP
Inventors: 十和子松井; 木澤　克彦; 克彦木澤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: US20110030219A1; JP2011144448A; US8640341B2

Description

本発明は、転がり摺動部材の製造方法に関する。さらに詳しくは、例えば、４ＷＤ車用電子制御カップリング（ＩＴＣＣ）などに用いられる薄肉の転がり軸受などに好適に使用することができる転がり摺動部材の製造方法に関する。

転がり軸受の軌道輪として使用される鋼製環状部材を低コストでかつ高効率で焼入れすることができる鋼製環状部材の焼入方法として、特定組成を有する鋼製環状部材を所定の焼入温度まで加熱した後、特定速度の焼入冷却風により、前記鋼製環状部材を大気中で焼入冷却する鋼製環状部材の焼入方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この焼入方法によって焼入れされた鋼製環状部材の焼戻しをする際には、１６０〜２８０℃の焼戻し温度で、一般的に硬くて脆い焼入れマルテンサイトの靱性を回復させるために必要となる３０分間以上の時間である、例えば、９０〜１２０分間の焼戻し時間で鋼製環状部材を長時間加熱しなければならないため（例えば、特許文献１の段落［００１１］参照）、その加熱をするときのエネルギー損失が大きく、しかも焼戻しに長時間を要することから、製造効率に劣るという欠点がある。

したがって、近年、エネルギー損失が小さく、靱性に優れた転がり摺動部材を効率よく製造することができる転がり摺動部材の製造方法の開発が待ち望まれている。

特開２００５−１７１３２２号公報

本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、エネルギー損失が小さく、靱性に優れた転がり摺動部材を効率よく製造することができる転がり摺動部材の製造方法を提供することを課題とする。

一般に、ＪＩＳＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼からなり、所定形状に形成された転がり摺動部材用ワークを焼戻す際には、焼入れされた転がり摺動部材用ワークを構成しているマルテンサイトの靱性を回復させるために、３０分間以上の焼戻し時間で均熱加熱しなければならないと考えられている。

そこで、本発明者らは、靱性が改善された転がり摺動部材を効率よく製造することができる転がり摺動部材の製造方法を開発するべく鋭意研究を重ねたところ、
軸受用鋼からなり、所定形状に形成された転がり摺動部材用ワークを焼入れた後、加熱開始温度を１０〜１００℃とし、
加熱終了温度を２２０〜３５０℃とし、
加熱終了時と加熱開始時との間の時間を加熱時間とし、式：
〔昇温速度〕＝（加熱終了温度−加熱開始温度）／加熱時間
で表される昇温速度が７〜３５℃／ｓとなるように前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱し、
加熱終了時から加熱終了温度で保持することなく（均熱処理を施すことなく）冷却することによって焼戻した場合には、焼戻し炭化物平均粒径を小さくすることができ、靭性が向上することが見出された。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。

また、本発明において、前記転がり摺動部材用ワークを前記加熱時間の間、前記加熱開始温度から前記加熱終了温度まで前記摺動部材用ワークの温度を下げることなく昇温することが好ましい。これにより、靭性に優れた転がり摺動部材をより効率よく製造することができる。

また、本発明において、前記昇温速度が１０〜３５℃／ｓであることが好ましい。これにより、よりエネルギー損失が小さく、転がり摺動部材を効率よく製造することができる。

また、本発明において、１４〜３５℃／ｓの昇温速度で１２秒間以下の加熱時間で加熱することによって焼戻した場合には、同じ硬さを有する転がり摺動部材を得る場合、さらにエネルギー損失が小さく、靱性が改善された転がり摺動部材を効率よく製造することができる。

また、本発明において、前記昇温速度が２４〜３５℃／ｓであることが好ましい。これにより、さらに靭性に優れた転がり摺動部材をより効率よく製造することができる。

また、本発明において、軸受用鋼として高炭素クロム軸受用鋼を採用することができる。

本発明において、前記焼入れされた転がり摺動部材用ワークを高周波加熱によって加熱した場合には、焼入れされた転がり摺動部材用ワークを加熱する際の昇温速度を容易に制御することができる。

また、前記加熱された転がり摺動部材用ワークを水冷によって焼戻した場合には、前記転がり摺動部材用ワークを効率よくかつ経済的に焼戻すことができる。

本発明の転がり摺動部材の製造方法によれば、エネルギー損失が小さく、靱性に優れた転がり摺動部材を効率よく製造することができるという優れた効果が奏される。

本発明における焼入れ条件を示す線図である。本発明における焼戻し条件を示す線図である。本発明における転がり軸受の外輪形状を有する転がり摺動部材の一実施形態を示す断面図である。本発明の各実施例及び各比較例で得られた転がり軸受用の外輪の昇温速度とシャルピー衝撃値との関係を示すグラフである。

本発明は、前記したように、軸受用鋼からなり、所定形状に形成された転がり摺動部材用ワークを焼入れた後、加熱開始温度を１０〜１００℃とし、加熱終了温度を２２０〜３５０℃とし、加熱終了時と加熱開始時との間の時間を加熱時間とし、式：
〔昇温速度〕＝（加熱終了温度−加熱開始温度）／加熱時間
で表される昇温速度が７〜３５℃／ｓとなるように前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱し、加熱終了時から加熱終了温度で保持することなく（均熱処理を施すことなく）冷却することによって焼戻すことを特徴とする。

本発明に用いられる所定形状に形成された転がり摺動部材用ワークは、軸受用鋼で構成されている。軸受用鋼としては、例えば、ＪＩＳＳＵＪ２、ＪＩＳＳＵＪ３、ＪＩＳＳＵＪ５などの高炭素クロム軸受用鋼、ＳＡＥ５１２０、ＳＣｒ４２０などの肌焼鋼などが挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。これらのなかでは、ＪＩＳＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受用鋼は、硬さ及び耐荷重性がさらに改善され、長寿命を有する転がり摺動部材を製造する観点から、好適に使用することができる。

本発明においては、まず、転がり摺動部材用ワークを焼入れる。転がり摺動部材用ワークの焼入れは、例えば、転がり摺動部材用ワークを８００〜９００℃程度の温度に０．５〜３時間程度加熱した後、８０〜１２０℃程度の温度を有する油などの媒体中に浸漬して急冷することによって行なうことができる（図１参照）。この急冷、場合によってはその後の空冷により、焼入れ後の転がり摺動部材用ワークの温度が１０〜１００℃となる。

次に、加熱開始温度を１０〜１００℃とし、加熱終了温度を２２０〜３５０℃とし、加熱終了時と加熱開始時との間の時間を加熱時間とし、式：
〔昇温速度〕＝（加熱終了温度−加熱開始温度）／加熱時間
で表される昇温速度が７〜３５℃／ｓとなるように前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱し、加熱終了時から加熱終了温度で保持することなく（均熱処理を施すことなく）冷却することにより、当該転がり摺動部材用ワークが焼戻される（図２参照）。この際、加熱時間の間、加熱開始温度から加熱終了温度まで摺動部材用ワークの温度を下げることなく昇温させている。

本発明においては、転がり摺動部材用ワークを焼入れした後、当該転がり摺動部材用ワークをこのようにして加熱することによって焼戻すという操作が採られている点に１つの大きな特徴があり、この操作が採られていることから、エネルギー損失が小さく、靱性が改善された転がり摺動部材を効率よく製造することができる。

一般に、微細炭化物が密に分布しているほど転位の運動が妨げられて析出強化が働くため、微細炭化物は粗大化しないことが好ましいとされている。これに対して、本発明においては、前記昇温速度で前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱し、加熱終了時から加熱終了温度で保持することなく（均熱処理を施すことなく）冷却するため、焼戻しによって形成された微細炭化物が粗大化しない、換言すれば、前記昇温速度で加熱しても転がり摺動部材用ワークの靭性が悪化しないという利点がある。なお、前記昇温速度で加熱し、加熱終了温度で保持した（均熱処理を施した）場合には、微細炭化物が粗大化するため、同じ硬さでは靭性が悪化する。

また、前記昇温速度を１０〜３５℃／ｓに調整した場合には、加熱時間を短くすることができるので、エネルギー損失を小さくするとともに、より効率よく転がり摺動部材を製造することができる。

また、所定形状に形成された転がり摺動部材用ワークを焼入れた後、１４〜３５℃／ｓの昇温速度で１２秒間以下、好ましくは１０秒間以下の加熱時間で当該焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱することによって焼戻した場合には、同じ硬さとするにあたり、より靭性を高くすることができる。

転がり摺動部材用ワークの靭性をさらに向上させる観点及び軸受の硬さが５８〜６２ＨＲＣである観点から、昇温速度が１４℃／ｓ以上であることが好ましく、転がり摺動部材用ワークの昇温速度を容易に制御することができるようにする観点から、昇温速度が３５℃／ｓ以下であることが好ましく、２４〜３５℃／ｓであることがより好ましい。

焼入れが施された転がり摺動部材用ワークを焼戻す際に当該転がり摺動部材用ワークを加熱するときの焼戻し温度（最終加熱温度）は、転がり摺動部材全体におけるマルテンサイトのラス内に平均粒径が９０ｎｍ以下の微細炭化物粒子を析出させ、転がり摺動部材の靱性を高める観点から、好ましくは２２０℃以上、より好ましくは２３０℃以上であり、焼入れが施された転がり摺動部材用ワークの硬さ（ＨＲＣ）を高める観点から、好ましくは３８０℃以下、より好ましくは３６０℃以下である。

焼入れが施された転がり摺動部材用ワークを焼戻す際に当該転がり摺動部材用ワークを加熱するときの加熱手段は、当該焼入れが施された転がり摺動部材用ワークを所定の昇温速度で所定の時間内に加熱することができるのであればよく、特に限定されないが、昇温速度を容易に制御する観点から、例えば、高周波加熱が好ましい。

焼入れが施された転がり摺動部材用ワークを焼戻す際に当該転がり摺動部材用ワークを加熱し、所定温度にまで昇温させるのに要する時間は、加熱開始温度、昇温速度及び加熱終了温度（焼戻し温度）によって異なるので一概には決定することができないが、焼戻し炭化物の成長を抑制し、靭性を高める観点及び軸受の硬さが５８〜６２ＨＲＣである観点から、好ましくは３０秒間以下、より好ましくは１２秒間以下、さらに好ましくは１０秒間以下である。また、本発明においては、焼入れが施された転がり摺動部材用ワークを焼戻す際の昇温速度及び加熱終了温度（焼戻し温度）は、加熱後の転がり摺動部材用ワークの硬さが５８ＨＲＣ以上となるように調整することが好ましい。この際、加熱している間、すなわち加熱開始温度から加熱終了温度までの間は摺動部材用ワークの温度を下げることなく昇温させることが好ましい。

次に、所定の加熱終了温度（焼戻し温度）に加熱された転がり摺動部材用ワークを空冷により冷却するが、加熱から冷却までの空冷時間は、焼戻し炭化物の成長を抑制する観点から、好ましくは１０秒間以下、より好ましくは４秒間以下である。このとき、加熱された転がり摺動部材用ワークは、表面も内部もほぼ同じ温度になっている。この空冷は、加熱から冷却に移行する際に行なわれる。また、空冷された転がり摺動部材用ワークの冷却は、例えば、水中に当該転がり摺動部材用ワークを浸漬すること（水冷）によって行なうことができる。摺動部材用ワークは、水冷によって１０〜４０℃に冷却される。

転がり摺動部材用ワークの冷却後、当該転がり摺動部材用ワークに常法により研磨加工を施すことにより、転がり摺動部材を製造することができる。この転がり摺動部材は、全体を焼入れし、次いで焼戻すことにより、その表面及び内部を含む全体がほぼ同様に硬化されている。

この転がり摺動部材におけるマルテンサイトのラス内には、平均粒径が９０ｎｍ以下の微細炭化物粒子が析出しているので、転がり摺動部材の靱性が高められる。微細炭化物粒子の平均粒径は、靱性を高める観点から、好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下である。なお、本明細書にいう微細炭化物粒子の平均粒径は、微細炭化物粒子単体の最大粒子径と最小粒子径との平均値を意味する。

以下、本発明の転がり摺動部材の製造方法によって得られた転がり摺動部材を図面に基づいて説明する。

図３は、転がり軸受の外輪形状を有する転がり摺動部材の一実施形態を示す断面図である。この転がり摺動部材は、高炭素クロム軸受鋼で作製されており、その転がり摺動面である軌道面１には、研磨による仕上げ加工が施されている。この転がり摺動部材においては、軌道面１を含む全体に焼入れ及び焼戻しが施されている。

本発明の製造方法によって得られた転がり摺動部材は、例えば、転がり軸受用の外輪、内輪、転動体などに好適に使用することができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。なお、以下では、高周波誘導加熱による焼戻しを「高周波焼戻し」といい、通常の雰囲気炉加熱による焼戻しを「炉焼戻し」という。

実施例１〜５
高炭素クロム軸受鋼としてＪＩＳＳＵＪ２を用いて転がり軸受（ＪＩＳ−６２０２）の外輪用ワークを作製した。この外輪用ワークを８３０℃で０．５時間加熱し、８０℃の油槽へ入れて油焼入れした後、高周波焼戻しにより、２０℃の加熱開始温度から表１に示す昇温速度及び加熱時間で、表１に示す焼戻し温度（加熱終了温度）に加熱した後、４秒間空冷し、次いで水冷により室温（２５℃）に冷却した。

高周波焼戻しは、固定されたコイルの内径側に同心となるよう外輪用ワークを配置し、この外輪用ワークの中心軸を略中心に回転速度１００ｍｉｎ^-1で回転させて周波数１ｋＨｚで行なった。その際、外輪外周面とコイルとの径方向の間隔は３ｍｍであった。なお、高周波焼戻しにおける外輪用ワークの温度は、接触温度計で測定した。

次に、この外輪用ワークの外周面、両端面及び軌道面を研磨することにより、転がり軸受用の外輪を作製した。そのときの製造効率を調べ、以下の評価基準に基づいて評価した。
〔製造効率の評価基準〕
◎：加熱時間（焼戻し昇温時間）が１２秒間以下
○：加熱時間（焼戻し昇温時間）が１２秒間を超過し３０秒間以下
×：加熱時間（焼戻し昇温時間）が３０秒間を超過

得られた転がり軸受の外輪の物性として、表面の硬さ、シャルピー衝撃値（靱性）及び表面の炭化物の平均粒径を以下の方法に基づいて評価した。それらの結果を表１及び図４に示す。なお、表面の硬さ及び表面の炭化物の平均粒径は、外輪の表面以外の内部についてもほぼ同様の値であった。

（１）表面の硬さ
前記で得られた外輪ワーク端面の表面硬さを、ロックウェル硬度計を用いて測定した。

（２）シャルピー衝撃値（靱性）
前記で得られた外輪ワークと同一条件で焼入れ及び焼戻しを行なったシャルピー衝撃試験片を作製し、１００Ｊ計装化シャルピー試験機〔ＪＴトーシ社製〕を用いてシャルピー衝撃試験を行なった。外輪ワークとシャルピー衝撃試験片とが同一品質〔硬さ、ミクロ組織（ナイタール、ピラクール腐食組織、微細炭化物粒径）〕であることを確認した後に実施した。

なお、シャルピー衝撃値は、シャルピー衝撃試験片の硬さによって変動し、異なる硬さの衝撃値を同一の基準で評価することができないため、以下のように硬さごとに靱性の評価基準を設定する。

〔６４ＨＲＣのシャルピー衝撃値（靱性）の評価基準〕
◎：シャルピー衝撃値が２５Ｊ／ｃｍ²以上
○：シャルピー衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ²以上、２５Ｊ／ｃｍ²未満
△：シャルピー衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ²未満

〔６２ＨＲＣのシャルピー衝撃値（靱性）の評価基準〕
◎：シャルピー衝撃値が４７Ｊ／ｃｍ²以上
○：シャルピー衝撃値が３７Ｊ／ｃｍ²以上、４７Ｊ／ｃｍ²未満
△：シャルピー衝撃値が３７Ｊ／ｃｍ²未満

〔５８ＨＲＣのシャルピー衝撃値（靱性）の評価基準〕
◎：シャルピー衝撃値が９０Ｊ／ｃｍ²以上
○：シャルピー衝撃値が８１Ｊ／ｃｍ²以上、９０Ｊ／ｃｍ²未満
△：シャルピー衝撃値が８１Ｊ／ｃｍ²未満

（３）焼戻し炭化物（表面の炭化物）の平均粒径
転がり摺動部材全体におけるマルテンサイトのラスの微細炭化物（焼戻し炭化物）粒子の析出状態の確認のため、転がり軸受用の外輪の表面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、炭化物粒子単体の最大粒子径と最小粒子径との平均値を求めた。

なお、各実施例によれば、高周波焼戻しをすることにより、良好な製造効率の結果が得られた。また、各実施例によれば、加熱時間（焼戻し昇温時間）は、３０秒間以下であることから良好である。

比較例1〜３
実施例１において、油焼入れをした後、炉焼戻しにより、２０℃の加熱開始温度から表１に示す昇温速度及び加熱時間で表１に示す焼戻し温度（加熱終了温度）に加熱した後、水冷により室温に冷却したこと以外は、実施例１と同様にして転がり軸受用の外輪を作製した。

得られた転がり軸受用の外輪の物性として、表面の硬さ、シャルピー衝撃値（靱性）及び表面の炭化物の平均粒径を実施例１と同様にして評価した。なお、製造効率は、炉焼戻しをすることにより、好ましくない結果が得られた。また、加熱時間（焼戻し昇温時間）は、３０秒間よりも長いことから好ましくない。それらの結果を表１及び図４に示す。

比較例４
実施例１において、油焼入れをした後、高周波焼戻しにより、２０℃の加熱開始温度から表１に示す昇温速度及び加熱時間で表１に示す焼戻し温度（最終加熱温度）に加熱した後、４秒間空冷し、次いで水冷により室温に冷却したこと以外は、実施例１と同様にして転がり軸受用の外輪を作製した。

得られた転がり軸受用の外輪の物性として、表面の硬さ、靱性（シャルピー衝撃値）及び表面の炭化物の平均粒径を実施例１と同様にして評価した。なお、製造効率は、高周波焼戻しをするが、加熱時間（焼戻し昇温時間）は、３０秒間よりも長いことから好ましくない。その結果を表１及び図４に示す。

表１に示された結果から、各実施例では、比較例１〜３の炉焼戻しと対比して、靭性が向上しているとともに、高周波焼戻しを行なうことにより、製造効率が急激に向上していることがわかる。また、実施例３及び５では、比較例４の高周波焼戻しと対比して、シャルピー衝撃値（靭性）が向上していることがわかる。また、加熱時間（焼戻し昇温時間）が１２秒間以下である実施例２及び３は、加熱時間（焼戻し昇温時間）が１２秒間を超過し３０秒間以下である実施例４及び５よりもさらにシャルピー衝撃値（靭性）が向上していることがわかる。

また、一般的な製造方法である炉焼戻しで製造され、基準とする比較例１〜３の炉焼戻し品の外輪に含まれている炭化物の平均粒径は、９０ｎｍよりも大きい１００〜１２０ｎｍであり、通常の靭性を有しているのと同様に、比較例４の高周波焼戻し品の外輪に含まれている微細炭化物の平均粒径は、９０ｎｍよりも大きい１００であり、比較例１〜３の炉焼戻し品と大差がなく、靭性についても比較例１〜３の炉焼戻し品と大差がない。これに対し、各実施例では外輪に含まれている炭化物の平均粒径は、９０ｎｍ以下である８０ｎｍ以下となっており、さらに実施例１〜３では２０ｎｍ以下（１８〜２０ｎｍ）となっており、また、比較例１〜３の炉焼戻し品と対比して、靭性が向上していることがわかる。

また、図４からわかるように、各表面硬さ（全体もほぼ同じ）において、昇温速度７℃／ｓ未満（あるいは１０℃／ｓ未満）では、昇温速度の上昇によってシャルピー衝撃値があまり向上しないのに対し、昇温速度７℃／ｓ以上（あるいは１０℃／ｓ以上）では、昇温速度の上昇によってシャルピー衝撃値が向上し、さらに昇温速度１４℃／ｓ以上では、昇温速度の上昇によってシャルピー衝撃値が急激に向上することがわかる。

以上の結果から、各実施例によれば、高炭素クロム軸受鋼からなる転がり摺動部材用ワークを焼入れた後、加熱開始温度を１０〜１００℃とし、加熱終了温度を２２０〜３５０℃とし、加熱終了時と加熱開始時との間の時間を加熱時間とし、式：
〔昇温速度〕＝（加熱終了温度−加熱開始温度）／加熱時間
で表される昇温速度が７〜３５℃／ｓとなるように前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱し、加熱終了時から加熱終了温度で保持することなく冷却することによって焼戻すという操作が採られているので、同じ表面硬さ有する転がり摺動部材を製造するにあたりエネルギー損失が小さく、靱性に優れた転がり摺動部材を効率よく製造することができることがわかる。

なお、図２における昇温速度、空冷及び水冷での冷却速度は直線で記載しているが、曲線的な変化をしてもよいことは勿論である。

また、各記実施例では、焼入れを油焼入れにて行なったが、高周波焼入れによって焼入れを行なってもよい。

１：軌道面

Claims

軸受用鋼からなり、所定形状に形成された転がり摺動部材用ワークを焼入れた後、加熱開始温度を１０〜１００℃とし、
加熱終了温度を２２０〜３５０℃とし、
加熱終了時と加熱開始時との間の時間を加熱時間とし、式：
〔昇温速度〕＝（加熱終了温度−加熱開始温度）／加熱時間
で表される昇温速度が７〜３５℃／ｓとなるように前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを加熱し、
加熱終了時から加熱終了温度で保持することなく冷却することによって焼戻すことを特徴とする転がり摺動部材の製造方法。
前記転がり摺動部材用ワークを前記加熱時間の間、前記加熱開始温度から前記加熱終了温度まで前記摺動部材用ワークの温度を下げることなく昇温する請求項１に記載の転がり摺動部材の製造方法。
前記昇温速度が１０〜３５℃／ｓである請求項１又は２に記載の転がり摺動部材の製造方法。
１４〜３５℃／ｓの昇温速度で１２秒間以下の加熱時間で加熱することによって焼戻す請求項１〜３のいずれかに記載の転がり摺動部材の製造方法。
前記昇温速度が２４〜３５℃／ｓである請求項４に記載の転がり摺動部材の製造方法。
軸受用鋼が高炭素クロム軸受用鋼である請求項１〜５のいずれかに記載の転がり摺動部材の製造方法。
前記焼入れた転がり摺動部材用ワークを高周波加熱によって加熱した後、水冷によって焼戻す請求項１〜６のいずれかに記載の転がり摺動部材の製造方法。