特開 2024-13914 転がり軸受の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024013914

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】転がり軸受の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16C 33/64 20060101AFI20240125BHJP

   F16C 33/32 20060101ALI20240125BHJP

   F16C 33/34 20060101ALI20240125BHJP

   F16C 19/10 20060101ALI20240125BHJP

   B23K 26/342 20140101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

F16C33/64

F16C33/32

F16C33/34

F16C19/10

B23K26/342

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022116341

(22)【出願日】2022-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(72)【発明者】

【氏名】生田 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】児玉 春奈

(72)【発明者】

【氏名】小林 大輔

(72)【発明者】

【氏名】小俣 弘樹

【テーマコード（参考）】

3J701

4E168

【Ｆターム（参考）】

3J701AA02

3J701AA12

3J701AA52

3J701AA53

3J701AA54

3J701AA62

3J701BA09

3J701BA10

3J701BA69

3J701BA70

3J701DA11

3J701DA20

3J701EA03

3J701EA13

3J701FA15

3J701FA44

3J701XB03

3J701XB12

3J701XB34

4E168BA32

4E168BA83

4E168CB02

4E168FB01

(57)【要約】

【課題】特殊な金属間化合物や硬質粒子を用いずに、軸受の軌道面又は転動面の高強度化を実現することができる、転がり軸受の製造方法を提供すること。
【解決手段】軌道輪と転動体を有する転がり軸受の製造方法であって、軌道輪の軌道面及び転動体の転動面の少なくとも一方に、レーザ肉盛り処理を行い、肉盛り層７ａを形成する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軌道輪と転動体を有する転がり軸受の製造方法であって、
前記軌道輪の軌道面及び前記転動体の転動面の少なくとも一方に、レーザ肉盛り処理を行い、肉盛り層を形成する、転がり軸受の製造方法。

【請求項2】

前記肉盛り層は、硬さがビッカース硬度で６５０以上である、請求項１に記載の転がり軸受の製造方法。

【請求項3】

前記肉盛り層が形成される前記軌道面及び前記転動面の少なくとも一方は、前記レーザ肉盛り処理による加熱によって、前記肉盛り層よりも内部側に硬化層が形成され、
前記肉盛り層の厚み、又は前記肉盛り層から前記硬化層までの厚みが、前記転動体の転動体径の２％以上である、請求項１に記載の転がり軸受の製造方法。

【請求項4】

前記肉盛り層が形成される前記軌道面及び前記転動面の少なくとも一方は、表面から前記転動体径の２％以上の深さまで、硬さがビッカース硬度で６５０以上である、請求項３に記載の転がり軸受の製造方法。

【請求項5】

前記レーザ肉盛り処理を行った後、前記レーザ肉盛り処理により形成された肉盛り部を研磨加工することで、表面に前記肉盛り層が形成された前記軌道面及び前記転動面の少なくとも一方とし、
研磨加工された後の前記軌道面及び前記転動面の少なくとも一方は、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の転がり軸受の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、転がり軸受の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

軸受は、軌道輪と転動体が点接触あるいは線接触状態で荷重を支える部品であり、表面及び表面から数百μｍ程度の深さまでせん断応力が生じる。そのため、表面の極めて薄い層（表面から１００μｍ程度）のみにコーティングするような被膜では、実用に耐えることができない。また、せん断応力が作用する数百μｍ程度の深さの領域に欠陥が存在していると早期破損につながる。よって、軸受の軌道面表面を高強度化する場合、母材との密着性に優れ、表面から数百μｍ程度の深さの領域まで緻密な層が必要となる。

【0003】

例えば、特許文献１には、軌道面にレーザ肉盛りを適用することで耐摩耗性や耐熱性に優れる表面を実現する技術が開示されている。肉盛り層は、Ｎｉ基金属間化合物であり、硬質粒子を分散させることで形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１９０２７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１のように金属間化合物や硬質粒子を分散させると、レーザ肉盛り後の加工性が悪くなり、軸受軌道面として必要な良好な表面状態を得ることが難しくなる。さらに、特許文献１の技術は、使用中に相手材となる転動体が摩耗しやすくなるといった課題がある。軸受には、摩耗粉を排出するための溝を設けられているが、摩耗することで軌道輪と転動体とのすき間が大きくなり、精度が悪化し、軸受として機能しなくなってしまう。

【0006】

そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、特殊な金属間化合物や硬質粒子を用いずに、軸受の軌道面又は転動面の高強度化を実現することができる、転がり軸受の製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、軌道輪と転動体を有する転がり軸受の製造方法であって、上記軌道輪の軌道面及び上記転動体の転動面の少なくとも一方に、レーザ肉盛り処理を行い、肉盛り層を形成する、転がり軸受の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、特殊な金属間化合物や硬質粒子を用いずに、軸受の軌道面又は転動面の高強度化を実現することができる、転がり軸受の製造方法を提供すること。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態における転がり軸受であるスラスト玉軸受を示す断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る転がり軸受の製造方法を示す模式図であり、（Ａ）はレーザ肉盛り処理を施す様子を示し、（Ｂ）は肉盛り部が形成された状態を示し、（Ｃ）は研磨加工が施された状態を示す。

【図3】レーザ肉盛り処理を示す説明図である。

【図4】研磨加工後の軌道輪の断面を示す模式図である。

【図5】実施例における、軌道面の硬さの測定結果を示すグラフである。

【図6】実施例における、転がり疲労寿命の評価結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下の詳細な説明では、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。各図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる場合が含まれる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。

【0011】

＜転がり軸受の製造方法＞
図面を参照して、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の製造方法について説明する。図１に示すように、本実施形態では一例として、転がり軸受１がスラスト玉軸受である場合について説明する。転がり軸受１は、軌道輪２と、複数の転動体３と、保持器４とを備える。軌道輪２は、上レース２１と下レース２２の２つのレースからなる。上レース２１及び下レース２２には、軌道面２ａとなる軌道溝２１ａ，２２ａが形成されている。転動体３は玉であり、転動体３の表面を転動面ともいう。

【0012】

本実施形態では、複数の転動体３及び保持器４については、通常の方法で製造される。この際、複数の転動体３は、ＪＩＳＧ４８０５に規定されるＳＵＪ２又はＳＵＪ３などの高炭素クロム軸受鋼を材料として製造されることが好ましい。

【0013】

軌道輪２は、ＳＵＪ２又はＳＵＪ３などの軸受用鋼で製造されてもよいが、コスト低下の観点からは低価格な低グレード材を用いることが好ましい。低グレード材とは、ＳＵＪ２やＳＵＪ３などの規格の範疇でも特段の介在物対策が施されていない材料や、ＪＩＳＧ４０５１に規定されるＳ３５Ｃ～Ｓ５５Ｃなどの構造用炭素鋼材などである。

【0014】

軌道輪２は、以下のようにして製造される。まず、熱処理が施されていない材料（生材ともいう。）を軌道輪２となる所定の形状に加工する。生材は、材料メーカや製鋼メーカから仕入れた状態の材料であり、軸受に一般的に施される熱処理が施されなくてもよい。また、軌道面２ａ以外の部分は、最終的な軌道輪２の形状となるように加工が行われる。一方、軌道面２ａについては、後述するレーザ肉盛り処理が施されるため、最終的な軌道輪２の形状よりも深く溝が形成されてもよい。

【0015】

次いで、加工された材料である基材にレーザクラッディングによって肉盛り層を形成するレーザ肉盛り処理を行う。レーザ肉盛り処理では、図２（Ａ）に示すように、基材６の軌道面２ａとなる溝状の領域にレーザクラッディング装置５を用いたレーザクラッディングを行い、図２（Ｂ）に示すように、肉盛り部７を形成する。レーザクラッディング装置５によるレーザクラッディングでは、図３に示すように、図示しないレーザ光源から発射されたレーザ５１を、基材６の表面に照射し、かつ、ノズル５２から肉盛り部７を形成する材料である粉末溶材５３を、シールドガスとともに吹き付けることにより供給する。レーザ５１を基材６の表面に照射しつつ、粉末溶材５３を吹き付けると、図２（Ｂ）に示すように、基材６の溝に、肉盛り部７が形成される。この際、基材６のうち、レーザ５１が照射された表層部分に存在する金属材料と、肉盛り部７を構成する金属材料である粉末溶材５３とが一緒に溶融されて、これらが混合した溶融池（モルテンプール）７１が形成される。そして、レーザ５１の照射及び粉末溶材５３の供給を停止すると、溶融池７１を構成する金属材料が冷却されて凝固する。この結果、図４に示すように、レーザ肉盛り処理が施された基材６の表面には、肉盛り部７（肉盛り層７ａ）が形成されると同時に、基材６と肉盛り部７との境界部分に、基材６を構成する金属材料と粉末溶材５３（肉盛り部７を構成する金属材料）との混合層７２が形成される。なお、図４に示す断面図は、後述する研磨工程が行われた後の、軌道輪２の表面の断面を示している。

【0016】

レーザクラッディングを行うために、レーザ５１を、基材６の表面に照射すると、基材６の表層部分よりも下側に存在する部分の金属材料も加熱される。混合層７２の直下（つまり、肉盛り層７ａの内部側）に位置する部分は、焼入れ温度以上、融点未満の温度に加熱される。この結果、混合層７２の直下に位置する部分には、硬化層６１が形成される。

【0017】

さらに、硬化層６１の直下に位置する部分は、焼戻し温度以上、焼入れ温度未満の温度に加熱される。この結果、硬化層６１の直下に位置する部分には、熱影響層６２が形成される。なお、熱影響層６２よりも下側に位置する部分は、加熱されたとしても、焼戻し温度未満であるため、組織変化はほとんど生じない。

【0018】

粉末溶材５３は、Ｆｅ基合金、Ｃｕ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、炭素合金などの金属粉末により構成される。なお、粉末溶材５３に代えて、ワイヤ溶材を使用することもできる。

【0019】

レーザ肉盛り処理では、レーザ光源と基材６の軌道面２ａに相当する表面とを相対回転させる。これにより、軌道面２ａに相当する溝上の全周にわたって肉盛り部７が形成される。

【0020】

また、レーザ肉盛り処理では、加熱による寸法精度や真円度へ影響を考慮し、生材を予め予熱しておくことが好ましい。この際、２００℃程度に生材を予熱してから、レーザ肉盛り処理をすることが好ましい。

【0021】

レーザクラッディングによるレーザ肉盛り処理の後、肉盛り部７を研磨加工することで、図２（Ｃ）に示すように、表面に肉盛り層７ａが形成された軌道面２ａとなる。

【0022】

以上の工程を経ることで、軌道輪２を製造することができる。なお、製造される軌道輪２の肉盛り層７ａの硬さはビッカース硬さで６５０以上とすることが好ましい。また、転動体３の転動体径（直径）の２％以上の深さまで、肉盛り層７ａが単層で形成されるか、肉盛り層７ａから硬化層６１までが形成されることが好ましい。つまり、深さ方向における肉盛り層７ａの厚み、又は肉盛り層７ａから硬化層６１までの厚みは、転動体径の２％以上となることが好ましい。この場合において、転動体３の転動体径の２％以上の深さまでの硬さは、ビッカース硬さで６５０以上とすることが好ましい。さらに、研磨加工の後、軌道面２ａは算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下となることが好ましい。このようにすることで、肉盛り層７ａが形成された軌道面２ａについて、軸受に必要な性能を満足することができる。なお、ビッカース硬さが６５０以上となる深さに上限は特にないが、転動体径の２０％超だと効果に大きな違いはないため、製造コストの観点からは２０％以下とすることが好ましい。本実施形態では、肉盛り層７ａの深さが目標とするものとなるように、材料（基材６）の加工及び研磨加工が行われる。

【0023】

本実施形態では、レーザクラッディングによるレーザ肉盛り処理により肉盛り層７ａを形成する。このようにすることで、緻密で密着性に優れた高強度層を実現できる。また、特殊な金属間化合物や硬質粒子を用いずに、軸受の軌道面表面の高強度化を図ることができる。さらに、肉盛り層７ａは、肉盛り用の粉末溶材５３からなるため、基本的に介在物となる酸化物などがない。また、適切に肉盛りすることで、欠陥や空洞も発生しない。

【0024】

さらに、本実施形態では、基材６として安価な低グレード材を用いることができるため、製造コストを低廉化することができる。転がり軸受の転がり疲れ寿命について、転がり軸受のフレーキングは、転がり接触表面に比較的近い材料内部に発する疲れクラックから進行する場合が多いことが知られている。そして、接触部の応力は、深さ方向のある程度までしか及ばないことが知られている（例えば、転がり軸受工学編集委員会編：転がり軸受工学、１９７５、養賢堂）。そして、本発明者らが鋭意検討した結果、転動体径の２％以上の深さにおける硬度を制御することで、軸受として十分使用可能であることを知見した。つまり、中心部の物性は寿命などへの影響が少ないものであることから、表面のみを硬質な肉盛り層７ａとすることで、中心部を形成する基材６として低グレード材を用いることができるようになり、製造コストを低廉化することができる。また、生材にレーザ肉盛り処理をすればよいため、予備処理として生材の表面の汚れや錆を除去するだけでよく、通常の軸受の製造で行われる熱処理を行う必要もない。このため、製造コストの低廉化に加えて、エネルギーの節約やＣＯ_２排出削減にもなる。

【0025】

＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。

【0026】

例えば、上記実施形態では、レーザ肉盛り処理を軌道輪２に施すとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、転動体３の転動面にレーザ肉盛り処理を施してもよい。この場合、転動体３は、上記実施形態の軌道輪２と同様に低グレード材を材料として、上記実施形態と同様に転動面に肉盛り層を形成し、研磨加工することで製造される。なお、本発明では、肉盛り層は、軌道輪２の軌道面２ａ及び転動体３の転動面の少なくとも一方に形成されればよい。軌道輪２又は転動体３のどちらか一方に肉盛り層が形成される場合には、他方については、上記実施形態の転動体３と同様に通常の軸受と同様な素材からなり、製造方法によって製造される。

【0027】

また、上記実施形態では、転がり軸受１がスラスト玉軸受であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。転がり軸受１は、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、針状ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラストニードル軸受などの他の形態の転がり軸受であってもよい。この場合においても、軌道面及び転動面の少なくとも一方に肉盛り層が形成されることで、高強度化を実現することができる。

【実施例0028】

次に、本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、ＳＵＪ２を素材として熱処理を施していない生材でスラスト玉軸受（５１３０５）の軌道輪２を作成した。この際、生材を所定形状に加工した後、上記実施形態と同様にレーザ肉盛り処理し、研磨することで、最終的な軸受としての形状を得た。製造した転がり軸受の緒元を表１に示す。また、レーザ肉盛り処理の条件を表２に示す。

【0029】

【表1】

【表2】

【0030】

レーザ肉盛り処理及び研磨加工後の材質の状態は、図４に示すような断面構造となった。つまり、レーザ肉盛処理が施された軌道面２ａの全周にわたって、表面から、肉盛り層７ａ、混合層７２、硬化層６１、熱影響層６２が順に形成されることを確認した。

【0031】

そして、製造した転がり軸受１について、転がり疲労試験により破損までの寿命を評価した。上記の製造方法で製造した実施品を４個、従来の方法であるＳＵＪ２を用いてずぶ焼きで作成した比較品を５個、それぞれ評価した。具体的には、実施品及び比較品を運転し、軸受の振動加速度が一定割合上昇した段階で試験を停止し、軌道面にはく離が生じているのを確認した時間を転がり疲労寿命とした。なお、試験時間３００ｈｒ経過してもはく離しない場合には打ち切りとした。評価条件の詳細については、表３に示す。

【0032】

【表3】

【0033】

実施品について、研磨後の軌道面の算術表面粗さＲａを測定したところ、いずれも０．３μｍ以下であった。また、軌道面表面から内部深さ方向のビッカース硬さを測定したところ、図５に示すように、軌道面表面から転動体径の２％より深い位置まで６５０以上であった。

【0034】

転がり疲労寿命の評価結果を図６に示す。図６において、横軸は転がり疲れ寿命（時間）を、縦軸は累積破損確率（％）をそれぞれ表している。実施品は４個全てにおいて、打ち切りとなった。一方、比較品は４個が破損、１個が打切りであった。よって、実施品の転がり疲労寿命は比較品よりも明らかに長寿命であることを確認できた。

【符号の説明】

【0035】

１ 転がり軸受
２ 軌道輪
２ａ 軌道面
２１ 上レース
２１ａ 軌道溝
２２ 下レース
２２ａ 軌道溝
３ 転動体
４ 保持器
５ レーザクラッディング装置
５１ レーザ
５２ ノズル
５３ 粉末溶材
６ 基材
６１ 硬化層
６２ 熱影響層
７ 肉盛り部
７ａ 肉盛り層
７１ 溶融池
７２ 混合層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】