特許 7595735 鋼材の加工方法及び転動部品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】鋼材の加工方法及び転動部品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B21B 5/00 20060101AFI20241129BHJP

   B21B 1/38 20060101ALI20241129BHJP

   B21H 1/00 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

B21B5/00

B21B1/38 Z

B21H1/00 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023202877

(22)【出願日】2023-11-30

(65)【公開番号】P2024092967

(43)【公開日】2024-07-08

【審査請求日】2024-03-04

(31)【優先権主張番号】P 2022208466

(32)【優先日】2022-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100160886

【弁理士】

【氏名又は名称】久松 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】三田（山田） 麻由

(72)【発明者】

【氏名】中崎 盛彦

【審査官】祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１２１６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２８４４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２６５９１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２１Ｂ ５／００

Ｂ２１Ｂ １／３８

Ｂ２１Ｈ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の鋼材の加工方法によって製造された半製品を転動部品の形状に加工する転動部品の製造方法であって、
前記所定の鋼材の加工方法は、非金属介在物を含む鋼材からなる母材に圧縮応力を付与し、前記母材とは異なる形状に加工する方法であって、この鋼材の加工方法において、歪比εｘ／εｘ´を管理指標として、前記鋼材に圧縮応力を付与するときの圧下率を決定することを特徴とする転動部品の製造方法。
ただし、εｘ´は、非金属介在物と鋼材の母相との接点が、せん断応力の方向が反転する反転位置に到達したときの前記接点の延伸方向における歪である。εｘは、非金属介在物のない鋼材の前記接点に対応する接点対応部が、せん断応力の方向が反転する反転位置に到達したときの前記接点対応部の延伸方向における歪である。

【請求項2】

前記圧縮応力は、圧延又は鍛造ロールによって鋼材に付与されることを特徴とする請求項１に記載の転動部品の製造方法。

【請求項3】

歪比εｘ／εｘ´を所定値以下に抑えるための圧延又は鍛造ロールの圧下率を予め圧延又は鍛造解析モデルによって求めておき、当該圧下率にて鋼材を圧延又は鍛造することを特徴とする請求項２に記載の転動部品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非金属介在物を含む鋼材に圧縮応力を付与して、加工を行う加工方法などに関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。
軸受などの鋼材部品には、鋼の製造工程である精錬工程、鋳造工程及び凝固工程等の製造工程に由来して、非金属介在物と呼ばれる異物が、不可避的に含まれることが知られている。

【0003】

また、圧延工程や鍛造工程を経て製造された軸受などの鋼材部品においては、非金属介在物の周囲に隙間が形成されることがある。この隙間は、非金属介在物と母相である鋼との変形性の違いにより界面で発生するものと考えられる。例えば、鋼材部品が軸受である場合、前述の隙間が使用中に転がり疲れを受ける軸受部品内でのき裂発生を助長し、き裂の起点になる場合がある。良好な転動疲労寿命が求められる軸受以外の転動部品においても、同様の課題がある。

【0004】

したがって、軸受等の転動部品の転動疲労寿命を向上させるためには、非金属介在物の周囲の隙間を減らすことが有効である。

【0005】

特許文献１には、リング状素材の内径に転動部品が転動する転動部を有する機械部品の製造において、転動部を形成しようとするリング状素材の内径面に素材の降伏応力の１．５倍以上の圧縮の静水圧応力を付与して転動部品の転動方向への塑性ひずみが０．１０以上の圧縮ひずみとなる鍛造加工により、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を特徴とする転動疲労寿命に優れた転動部を有するリング状の機械部品の製造方法が開示されている。これにより、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。

【0006】

特許文献２には、転動部を形成しようとする冷間鍛造に供するリング状加工母材の内径面に先端になるにつれてスムーズに縮径された上パンチ及び下パンチにより少なくとも１０００ＭＰａの静水圧応力を作用させて冷間鍛造することにより転動部を形成する工程を含むリング状の機械部品の製造方法であって、前記の静水圧応力の作用によって、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が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第５８９６７１３号

【文献】特許第５６６９１２８号

【文献】特許第２９２３０９５号

【文献】特開２０１４‐５５３４６号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】軽金属/Vol.42 No.2(1992) 塑性加工における有限要素解析の現状

【文献】神戸製鋼技法/Vol.48 No.1(Apr.1998) 塑性加工特集 定常板圧延解析における入り側計算領域長さが板厚分布に及ぼす影響

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述の特許文献１及び２では、既に鋼製部品や素形材の内部に存在している隙間の閉塞に対して、鋼製部品や素形材にある一定以上の静水圧圧縮応力や圧縮ひずみを加えるのみであり、非金属介在物および周囲の母材の変形現象を制御していないため、隙間の閉塞に関する効果を評価することは難しい。

【0010】

本発明は、鋼材に含まれる非金属介在物および母相の変形現象を制御することによって、優れた転動寿命の転動部品を製造する方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、非金属介在物を含む鋼材からなる母材に圧縮応力を付与し、前記母材とは異なる形状に加工する鋼材の加工方法において、歪比εｘ／εｘ´を管理指標として、前記鋼材に圧縮応力を付与するときの圧下率を決定することを特徴とする鋼材の加工方法。ただし、εｘ´は、非金属介在物と鋼材の母相との接点が、せん断応力の方向が反転する反転位置に到達したときの前記接点の延伸方向における歪である。εｘは、非金属介在物のない鋼材の前記接点に対応する接点対応部が、せん断応力の方向が反転する反転位置に到達したときの前記接点対応部の延伸方向における歪である。

【0012】

（２）前記圧縮応力は、圧延又は鍛造ロールによって鋼材に付与されることを特徴とする上記（１）に記載の鋼材の加工方法。

【0013】

（３）歪比εｘ／εｘ´を所定値以下に抑えるための圧延又は鍛造ロールの圧下率を予め圧延又は鍛造解析モデルによって求めておき、当該圧下率にて鋼材を圧延又は鍛造することを特徴とする上記（２）に記載の鋼材の加工方法。

【0014】

（４）上記（１）乃至（３）のうちいずれか一つに記載の鋼材の加工方法によって製造された半製品を転動部品の形状に加工することを特徴とする転動部品の製造方法。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、鋼材に含まれる非金属介在物および母相の変形現象を制御することによって、転動寿命に優れた軸受などの転動部品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】圧延解析の方法を説明するための説明図である。

【図2】圧延中のあるタイミングで取得した板モデル１１のせん断応力分布である。

【図3】先進域及び後進域の説明図である。

【図4】歪εｘ´を説明するための非金属介在物及び母相の接点の模式図である。

【図5】リングローリングの概略図である。

【図6】歪εｘ（εｘ´）と圧下率との関係を整理したグラフである（実施例）。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明者等は、非金属介在物を含む鋼材からなる母材に圧縮応力を付与し、母材とは異なる形状に加工する鋼材の加工方法において、鋼材に含まれる非金属介在物および母相の変形現象を制御することによって、転動寿命に優れた軸受などの転動部品を提供し得る加工方法を発見した。

【0018】

転動部品には、良好な転動疲労寿命が求められる部品が含まれる。この種の転動部品として、例えば、軸受、ギア、ハブユニット、無段変速機、等速ジョイント、クランクピン、ピストンピンなどが含まれる。

【0019】

本発明者等は、鋼材を圧延する際に、鋼材に含まれる非金属介在物および母相の変形現象を制御し得る方法を、公知の剛塑性有限要素法による圧延解析モデル（非特許文献１参照）によって解析することにより、明らかにした。圧延解析には、ＣＡＥ解析を使用した。

【0020】

ＣＡＥ解析とは、Computer Aided Engineering の頭文字を取った略語であり、コンピュータ上に疑似的に再現した製品の設計問題を評価（シミュレーション）する解析方法である。ＣＡＥ解析は、コンピュータプログラムによって実現される。

【0021】

図１は、圧延解析の方法を説明するための説明図である。上下一対の圧延ロール１２を用いて板モデル１１を圧延したときの非金属介在物Lの周囲の隙間発生挙動及び歪の関係を解析する。非金属介在物L及び母相の接触条件をせん断摩擦係数にて定義し、非金属介在物Lが圧延ロール１２の入側から出側に向かって通過する際のせん断応力、歪履歴を取得する。ここで、歪とは、板モデル１１の延伸方向（図１のX軸方向）における、非金属介在物L及び母相の接点の塑性歪のことである。

【0022】

圧延解析モデルに与える諸元には、上述した非金属介在物L及び母相の接触条件（せん断摩擦係数）の他に代表的なものとして、板厚、熱間又は冷間の条件（温度等）、非金属介在物の位置及び大きさ、非金属介在物周囲に存在する隙間の位置及び大きさ、圧下率、材料の物性データ（ヤング率、ポアソン比、応力ひずみ曲線）、圧延ロールのロール直径及び周速、圧延ロールと板モデルのせん断摩擦係数等が含まれる。
なお、圧下率とは、圧延の加工度を百分率で表したものであり、圧延前後の材料の板厚をそれぞれｈ１，ｈ２としたとき、（ｈ１‐ｈ２）/ｈ１なる算出式によって算出される。
これらの諸元は、軸受などの転動部品に使用される鋼材の性状等を予め分析することにより、把握することができる。なお、非金属介在物Lが二つ以上存在する場合には、機械加工後の転動部品を想定し、当該転動部品のより表面に近い位置に存在する非金属介在物Lを対象とするのが望ましい。非金属介在物Lから転動部品の表面までの距離が短くなるほど、転動部品に与える有害性が相対的に大きくなると考えられるからである。

【0023】

図２は、圧延中のあるタイミングで取得した板モデル１１のせん断応力分布であり、せん断応力の大小及び正負を色分けしたものである。当該せん断応力分布から、せん断応力の方向が反転する位置（以下、反転位置ともいう）を特定することができる。すなわち、図２のせん断応力分布から、せん断応力の正負が変化する位置、つまり、反転位置を把握することができる。同図に示す点線は、非金属介在物Ｌの反転位置を示している。

【0024】

反転位置の概念は、後進域及び予変形域によって定義できる。すなわち、反転位置は後進域及び予変形域の境界に位置する。後進域について、図３を参照しながら説明する。ロール入側（Ａ点）における板モデル１１の速度をＶ_Ａ、出側（Ｂ点）における板モデル１１の速度をＶ_Ｂと定義したとき、Ｖ_Ａ及びＶ_Ｂの大小関係は、Ｖ_Ａ＜Ｖ_Ｂとなる。板モデル１１の速度Ｖ_Ｎがロールの周速Ｖと等速になる点（Ｎ点）を中立点と呼び、この中立点から前方（ロール出側）が先進域、後方（ロール入側）が後進域である。かかる先進域及び後進域の定義は、特許文献３にも記載されている。

【0025】

予変形域とは、圧延ロール１２の入側において、圧延ロール１２と圧延材の接触前に圧延ロール１２から引き込まれる力により、板厚が減少し始める領域のことである。圧延材がロールと接触する前に変形すること、つまり、予変形することは技術常識であるから（例えば、非特許文献２参照）、詳細な説明を省略する。

【0026】

そして、本発明者等は、非金属介在物Lが反転位置に到達したときの板モデル１１の長手方向（ｘ軸方向）における歪であるεｘ´に着目した。より詳細には、図４の模式図に示す通り、反転位置に非金属介在物Lが到達したときの非金属介在物L及び母相の接点に着目し、この接点のｘ軸方向の歪であるεｘ´を歪履歴から求める。

【0027】

また、非金属介在物Lが存在しない一様な板モデルについても、同様の圧延解析を実施し、上述の接点に対応する接点対応部が反転位置に到達したときの板モデル１１の長手方向（ｘ軸方向）における歪であるεｘを求め、歪比εｘ／εｘ´を算出する。すなわち、反転位置に到達した当該接点対応部のｘ軸方向における歪であるεｘを歪履歴から求めて、歪比εｘ／εｘ´を算出する。

【0028】

圧延加工によって、歪εｘ、歪εｘ´はともに増加するが、非金属介在物の有無によってその増加幅が異なることから、歪比εｘ／εｘ´によって隙間発生挙動に関する評価が可能である。本発明者等は、隙間発生挙動に関する評価が可能な歪比εｘ／εｘ´を管理指標として、圧延処理を実施することにより、母相および非金属介在物界面の密着性が高く、疲労寿命に優れた転動部品の製造が可能となることを発見した。

【0029】

具体的には、上述の圧延解析を、圧下率を変えながら、複数回実施することにより、圧下率と、歪比εｘ／εｘ´と、最終隙間面積との関係（以下、相関情報ともいう）を把握することができる。ここで、予め最終隙間面積の合格基準を定めておけば、前記の相関情報から、歪比εｘ／εｘ´の適切な範囲（特許請求の範囲に記載の「所定値以下」に相当する）を把握することができる。最終隙間面積の合格基準は、圧延材の用途等に応じて適宜設定することができる。具体的には、隙間の有害性を低くするための定量的な情報として、「歪比εｘ／εｘ´を所定値以下に設定する」等の情報を取得することができる。なお、転動部品では、一般的に最終隙間面積率として８～９％以下が推奨される。

【0030】

最終隙間面積率（％）は、圧延処理が終了した後に算出される隙間面積率のことであり、（隙間断面積／非金属介在物断面積）×１００にて算出することができる。最終隙間面積率（％）についても、圧延解析による出力値として得られる。隙間断面積が図４における「Ｘ―Ｚ断面の隙間の断面積」であること、非金属介在物断面積が図４における「Ｘ―Ｚ断面の非金属介在物の断面積」であること、は言うまでもない。なお、隙間断面積は、板モデル１１の板幅方向（図１の紙面法線方向）における非金属介在物Lの中央の位置で切断したときの「隙間断面積」とするのが望ましい。
そして、前記の相関情報から、歪比εｘ／εｘ´を所定値以下に設定するための圧下率を把握することができる。所定値は、圧延解析モデルに与える諸元によって変わるため、本明細書では限定しない。
したがって、把握した圧下率に基づき鋼材を圧延することにより、母相および非金属介在物界面の密着性が高く、疲労寿命に優れた転動部品用の半製品を製造することができる。この半製品の形状を加工することにより、疲労寿命に優れた転動部品を製造することができる。

【0031】

上述の実施形態では、板状鋼材の圧延処理について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、リングローリングにも適用することができる。ここで、リングローリングとは、「数個のロールを用いて，リング状鋼材の半径方向の厚みを減らすことにより、リングを拡径する鍛造処理」のことであり、塑性加工のうち回転鍛造の1つに分類される。

【0032】

図５は、リングローリングの概略図である。同図を参照して、鍛造ロールは、駆動ロール２１及び従動ロール２２からなる。駆動ロール２１は、不図示の駆動源から回転力が付与されることにより、回転動作する。リング状鋼材２０は、駆動ロール２１及び従動ロール２２に挟まれており、従動ロール２２をリング状鋼材２０に向かってＺ軸方向に押圧することによって、従動ロール２２が摩擦力により回転するとともに、リング状鋼材２０の内径を拡径方向に塑性変形させることができる。

【0033】

このリングローリングにおいても、鍛造解析モデルを用いたＣＡＥ解析を実施することにより、前記の相関情報に対応した相関情報を取得することができる。そして、かかる相関情報に基づき、歪比εｘ／εｘ´を所定値以下に設定するための圧下率を把握することができる。

【0034】

（実施例）
実施例を示しながら、本発明について具体的に説明する。上述の圧延解析モデルを用いて、歪比εｘ／εｘ´及び圧下率の関係をＣＡＥ解析するとともに、最終隙間面積率を８％以下に縮小するための歪比εｘ／εｘ´及び圧下率を調べた。ＣＡＥ解析の解析ソフトには、Scientific Forming Technologies社製のDEFORM-3Dを使用した。

【0035】

モデルに与える諸元は、圧下率のほか、非金属介在物L及び母相の接触条件（せん断摩擦係数）：０．３、板モデル１１の板厚：５０ｍｍ、板のヤング率：２０６ＧＰａ、板のポアソン比：０．３、

非金属介在物の位置：表層から１ｍｍ、非金属介在物のφ：１ｍｍ、熱間圧延の温度条件：１０００℃、介在物及び母相：密着（隙間なし）、圧延ロールのロール直径：φ２５０ｍｍ、ロール周速：１２．６ｒａｄ／ｓ、圧延ロールと板モデルのせん断摩擦係数：０．７等とした。なお、非金属介在物は、剛体と定義した。本実施例では、最終隙間面積率（％）の合格基準を８％以下とした。

【0036】

歪εｘ（εｘ´）と圧下率の関係を、図６のグラフに示す。歪εｘを黒塗りの正方形でプロットし、歪εｘ´を黒塗りの円でプロットした。同図において、横軸が圧下率（％）であり、縦軸が歪εｘ（εｘ´）である。歪εｘ及び圧下率の関係を一次関数にフィッテングさせ、y=0.0030x-0.018の関係式を得た（相関係数：0.98）。同様に、歪εｘ´及び圧下率の関係を一次関数にフィッテングさせ、y=0.0099x-0.0035の関係式を得た（相関係数：0.98）。圧下率が２（％）、５（％）、１０（％）、２０（％）、４０（％）であるときの歪比εｘ／εｘ´を上述の関係式から求めて、出力された最終隙間面積率（％）とともに表１に整理した。

【表1】

【0037】

これらの結果から、歪比εｘ／εｘ´を０．１３以下に設定することにより、最終隙間面積率を８％以下に縮小できることがわかった。したがって、本実施例では、歪比εｘ／εｘ´を０．１３以下にするための、圧下率を決定することにより、母相および非金属介在物界面の密着性が高く、疲労寿命に優れた素材の製造が可能になることがわかった。圧延解析モデルに与える諸元が変化した場合には、改めて解析処理を実施し、適切な歪比εｘ／εｘ´を取得すればよい。

【符号の説明】

【0038】

１１ 板モデル
１２ 圧延ロール
L 非金属介在物
２０ リング状鋼材
２１ 駆動ロール
２２ 従動ロール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】