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(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】2025-01-27
(45)【発行日】2025-02-04
(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 20060101AFI20250128BHJP
F16C 33/62 20060101ALI20250128BHJP
F16C 19/06 20060101ALI20250128BHJP
C21D 1/06 20060101ALI20250128BHJP
C21D 9/40 20060101ALI20250128BHJP
C23C 8/22 20060101ALI20250128BHJP
C23C 8/32 20060101ALI20250128BHJP
C22C 38/00 20060101ALN20250128BHJP
C22C 38/22 20060101ALN20250128BHJP
【ＦＩ】
F16C33/64
F16C33/62
F16C19/06
C21D1/06 A
C21D9/40 A
C23C8/22
C23C8/32
C22C38/00 301Z
C22C38/22
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021097988
(22)【出願日】2021-06-11
(65)【公開番号】P2022189424
(43)【公開日】2022-12-22
【審査請求日】2024-03-07
(73)【特許権者】
【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】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】石神 隼人
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 博史
(72)【発明者】
【氏名】名取 理嗣
(72)【発明者】
【氏名】小俣 弘樹
(72)【発明者】
【氏名】飛鷹 秀幸
【審査官】糟谷 瑛
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－３４４０３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１９３２００（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｃ １９／００－１９／５６
Ｆ１６Ｃ ３３／３０－３３／６６
Ｃ２１Ｄ ９／００－ ９／４４
Ｃ２１Ｄ ９／５０－ ９／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の製造方法であって、前記軌道輪を構成する材料が、質量％で、Ｃ：０．２～１．２％、Ｓｉ：０．５～１．５％、Ｍｎ：０．１～１．５％、Ｃｒ：２．５％以下、含有し、Ｍｏ：１．５％以下（０％を含む）であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記材料に浸炭窒化処理又は浸炭処理を行い、２５０℃以上での焼戻しを施した後、機械加工により前記軌道面に加工硬化処理を施す工程を備え、
前記軌道面に前記機械加工が施される前の状態における、前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第１の曲線と、
前記軌道面に前記機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第２の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第３の曲線と、を求めるとともに、
前記第１の曲線と前記第２の曲線を上回り、かつ前記第３の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Ａとし、
前記第１の曲線を上回り、かつ前記第３の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Ｓとするとき、
前記面積Ａ＜前記面積Ｓを満足する加工条件にて前記機械加工を行うことを特徴とする、転がり軸受の製造方法。
【請求項2】
前記浸炭窒化処理又は前記浸炭処理により、前記軌道面の表面層にＳｉ炭窒化物又はＳｉ炭化物を分散析出させることを特徴とする、請求項１に記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項3】
前記Ｓｉ炭窒化物又は前記Ｓｉ炭化物は、Ｓｉ－Ｍｎ、Ｓｉ－Ｍｏ及びＳｉ－Ｃｒの少なくとも一つを含有することを特徴とする、請求項２に記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項4】
前記機械加工がバニシング加工であることを特徴とする、請求項１～３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】
転がり軸受では、嵌め込み時や静止中に過大な静的荷重が加わった時、外輪軌道輪及び内輪軌道輪と転動体との間にヘルツ接触が生じることで、この接触部に永久変形（圧痕）が形成されることが知られている。このような圧痕が軌道輪に存在すると、玉軸受の使用時に音響や振動特性に影響を及ぼす。例えば、高温条件高速回転下で使用される工作機械では、１μｍ程度の微小な圧痕でも、異音や振動で大きな問題となる。このため、転がり軸受を設計する際には基本静定格荷重を接触応力で定めており、ＪＩＳ Ｂ １５１９より、例えば、スラスト玉軸受や自動調心玉軸受を除くラジアル玉軸受の接触応力は４．２ＧＰａにすることが定められている。
【0003】
また、自動車での燃費など性能向上を背景として、軸受の小型化に対する要求が高まっており、過大な静的荷重に耐え得る塑性変形抵抗能が求められている。軸受の塑性変形抵抗能を向上させるためは、軸受の外輪及び内輪の材料硬さと残留オーステナイト量のバランスが重要となってくる。そのため、外輪及び内輪の硬さを向上させたり、軟質な残留オーステナイトを減少させることで、耐圧痕性を向上させる取り組みがなされてきた。例えば、特許文献１では、サブゼロ処理と高温焼戻しにより残留オーステナイトを低減させることで軸受の耐圧痕性を向上させている。また、特許文献２では、高炭素クロム鋼に浸炭窒化処理を施すことで耐圧痕性を向上させている。
【0004】
さらに、工作機械の高温・高速回転下のような使用環境においては、油膜形成が不十分になり、外輪及び内輪と、転動体とが金属接触を引き起こすことで、焼付きが生じることが考えられる。そのため、軸受に使用される材料の耐圧痕性以外にも耐焼付き性を考慮する必要がある。例えば、特許文献３では、成分調整により、浸炭窒化処理後に高温焼戻しを施してもそれによる硬さなどの機能は低下せず、潤滑不良な条件においても耐焼付き性を確保させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０００－２７４４４０号公報
【文献】特開２０１５－２００３５１号公報
【文献】特許第３８７３７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、耐圧痕性の更なる向上への要求は高く、上記したような熱処理や組成調整のみでは耐圧痕性の更なる向上には限度がある。また一方で、耐焼付き性の十分な確保も要求されている。
【0007】
本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、耐焼付き性に優れるとともに、耐圧痕性を向上させるための転がり軸受の製造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】
【0008】
ここで、圧痕の形成は軌道輪の塑性変形であり、単純な材料の降伏現象と捉えることができ、加工硬化という手法が存在する。本発明者らは、耐焼付き性に優れるとともに、耐圧痕性を向上させるためには、軌道輪を構成する材料として、耐焼付き性に優れた材料である所定の化学組成を有する鋼材を採用し、該鋼材に特定の熱処理、すなわち浸炭窒化処理又は浸炭処理を行った後、軌道輪の軌道面に機械加工による加工硬化処理を施すことが有効であることを見出した。
【0009】
本発明はこのような知見に基づくものであり、上記の課題を解決するために下記（１）に示す転がり軸受の製造方法を提供する。
【0010】
軌道面を有する軌道輪の間に、複数の転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受の製造方法であって、
前記軌道輪を構成する材料が、質量％で、Ｃ：０．２～１．２％、Ｓｉ：０．５～１．５％、Ｍｎ：０．１～１．５％、Ｃｒ：２．５％以下、含有し、Ｍｏ：１．５％以下（０％を含む）であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記材料に浸炭窒化処理又は浸炭処理を行い、２５０℃以上での焼戻しを施した後、機械加工により前記軌道面に加工硬化処理を施す工程を備えることを特徴とする、転がり軸受の製造方法。
前記軌道輪を構成する材料が、質量％で、Ｃ：０．２～１．２％、Ｓｉ：０．５～１．５％、Ｍｎ：０．１～１．５％、Ｃｒ：２．５％以下、含有し、Ｍｏ：１．５％以下（０％を含む）であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記材料に浸炭窒化処理又は浸炭処理を行い、２５０℃以上での焼戻しを施した後、機械加工により前記軌道面に加工硬化処理を施す工程を備えることを特徴とする、転がり軸受の製造方法。
【0011】
また、転がり軸受の製造方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の（２）～（５に関する。
【0012】
（２）前記浸炭窒化処理又は前記浸炭処理により、前記軌道面の表面層にＳｉ炭窒化物又はＳｉ炭化物を分散析出させることを特徴とする、上記（１）に記載の転がり軸受の製造方法。
（３）前記Ｓｉ炭窒化物又は前記Ｓｉ炭化物は、Ｓｉ－Ｍｎ、Ｓｉ－Ｍｏ及びＳｉ－Ｃｒの少なくとも一つを含有することを特徴とする、上記（２）に記載の転がり軸受の製造方法。
（４）前記機械加工がバニシング加工であることを特徴とする、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の転がり軸受の製造方法。
（５）前記軌道面に前記機械加工が施される前の状態における、前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第１の曲線と、
前記軌道面に前記機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第２の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第３の曲線と、を求めるとともに、
前記第１の曲線と前記第２の曲線を上回り、かつ前記第３の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Ａとし、
前記第１の曲線を上回り、かつ前記第３の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Ｓとするとき、
前記面積Ａ＜前記面積Ｓを満足する加工条件にて前記機械加工を行うことを特徴とする、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の転がり軸受の製造方法。
（３）前記Ｓｉ炭窒化物又は前記Ｓｉ炭化物は、Ｓｉ－Ｍｎ、Ｓｉ－Ｍｏ及びＳｉ－Ｃｒの少なくとも一つを含有することを特徴とする、上記（２）に記載の転がり軸受の製造方法。
（４）前記機械加工がバニシング加工であることを特徴とする、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の転がり軸受の製造方法。
（５）前記軌道面に前記機械加工が施される前の状態における、前記軌道面の深さ方向の降伏せん断応力を示す第１の曲線と、
前記軌道面に前記機械加工が施されている状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第２の曲線と、
前記軌道面に前記転動体が接触して静的荷重が負荷された状態における、前記軌道面の深さ方向の静的せん断応力を示す第３の曲線と、を求めるとともに、
前記第１の曲線と前記第２の曲線を上回り、かつ前記第３の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Ａとし、
前記第１の曲線を上回り、かつ前記第３の曲線を下回ることにより囲まれる領域を面積Ｓとするとき、
前記面積Ａ＜前記面積Ｓを満足する加工条件にて前記機械加工を行うことを特徴とする、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の転がり軸受の製造方法。
【発明の効果】
【0013】
本発明の製造方法によれば、例えば、工作機械主軸などの、軌道輪に過大な静的荷重が負荷され、圧痕がされやすい軸受において、軌道面に生じる１μｍ程度の微小な圧痕形成を抑制でき、高速回転下においても焼付きが生じにくい、すなわち耐焼付き性に優れるとともに、耐圧痕性が向上した転がり軸受を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
【0016】
本発明において、得られる転がり軸受の種類や構成に制限はなく、例えば図１に示すラジアル玉軸受を示すことができる。図示されるように、ラジアル玉軸受１は、内周面に外輪軌道面２を有する外輪３と、外周面に内輪軌道面４を有する内輪５と、これら外輪軌道面２と内輪軌道面４との間に設けた、それぞれが転動体である複数個の玉６とを備える。これら各玉６は、円周方向に等間隔に配置された状態で、保持器７により、転動自在に保持されている。
【0017】
本実施形態に係る転がり軸受の製造方法において、まず、軌道輪（外輪３及び内輪５）を構成する材料として、後述する所定の化学組成を有する鋼材に浸炭窒化処理又は浸炭処理を施して、軌道面の表面層にＳｉを含有する炭窒化物（以下、「Ｓｉ炭窒化物」という。）又はＳｉを含有する炭化物（以下、「Ｓｉ炭化物」という。）を分散析出させる。Ｓｉ炭窒化物やＳｉ炭化物は自己潤滑効果を有しており、転動寿命を損なうことなく、焼付き性や耐摩耗性を大幅に向上させる。これは、二流化モリブデンを始めとする自己潤滑作用と同様の効果を示し、金属接触を防止して焼付き寿命及び摩耗寿命を向上させることができるためである。
【0018】
上記表面層におけるＳｉ炭窒化物又はＳｉ炭化物の含有量は、自己潤滑効果を十分に発揮させるために１～３０質量％とすることが好ましい。これらの含有量が１質量％未満であると潤滑効果が不十分であり、一方で３０質量％を超えると潤滑効果が飽和するだけでなく、靱性の低下を引き起こし、転がり寿命が低くなるおそれがある。
【0019】
また、上記表面層におけるＳｉ炭窒化物やＳｉ炭化物としては、例えばＳｉ－Ｍｎ、Ｓｉ－Ｍｏ又はＳｉ－Ｃｒであり、これらのうち少なくとも一つを含有することが好ましい。
【0020】
さらに、上記表面層におけるＳｉ炭窒化物やＳｉ炭化物は、その大きさ（円相当径）が１０μｍを超えると応力集中が大きくなり、転がり寿命の低下を引き起こすおそれがある。なお、上記表面層におけるＳｉ炭窒化物やＳｉ炭化物の大きさの実質的な下限は０．５μｍである。
【0021】
上記浸炭窒化処理や浸炭処理は常法に従って行うことができ、熱処理温度や熱処理時間を調整して、上記した適量のＳｉ炭窒化物やＳｉ炭化物を析出させることができる。なお、熱処理の条件として、例えば８５０～９５０℃の範囲で、時間を１～２４時間の間で変化させることができる。
【0022】
なお、軌道輪を構成する鋼材におけるその他の元素の化学成分としては、それぞれ下記に示す数値範囲であることが好ましい。
【0023】
［Ｃ：０．２～１．２質量％］
転がり軸受として要求される清浄度を得るためには、Ｃ（炭素）は０．２質量％以上が必要である。また、Ｃが１．２質量％を超えると、残留オーステナイトが増加して軸受の寸法安定性を低下させたり、共晶炭化物を形成して短寿命になったりする。よって、Ｃ含有量は、０．２～１．２質量％であることが好ましい。なお、清浄度を向上し、残留オーステナイトの過多防止及び共晶炭化物の形成防止のためには、Ｃ含有量は０．３５～１．１質量％であることがより好ましい。
転がり軸受として要求される清浄度を得るためには、Ｃ（炭素）は０．２質量％以上が必要である。また、Ｃが１．２質量％を超えると、残留オーステナイトが増加して軸受の寸法安定性を低下させたり、共晶炭化物を形成して短寿命になったりする。よって、Ｃ含有量は、０．２～１．２質量％であることが好ましい。なお、清浄度を向上し、残留オーステナイトの過多防止及び共晶炭化物の形成防止のためには、Ｃ含有量は０．３５～１．１質量％であることがより好ましい。
【0024】
［Ｓｉ：０．５～１．５質量％］
Ｓｉ（珪素）は、焼付き、摩擦摩耗に効果のあるＳｉ炭窒化物やＳｉ炭化物を形成する上で必要不可欠である。製鋼時の脱酸のために必要なＳｉ濃度：０．１５～０．３５質量％では、耐焼付き、耐摩耗性を向上させるのは困難であり、０．５質量％以上の添加が必要である。しかし、その添加量が多すぎると、Ｓｉ炭窒化物やＳｉ炭化物の耐焼付き、耐摩耗性効果が低下するため、Ｓｉ含有量は１．５質量％以下であることが好ましい。
Ｓｉ（珪素）は、焼付き、摩擦摩耗に効果のあるＳｉ炭窒化物やＳｉ炭化物を形成する上で必要不可欠である。製鋼時の脱酸のために必要なＳｉ濃度：０．１５～０．３５質量％では、耐焼付き、耐摩耗性を向上させるのは困難であり、０．５質量％以上の添加が必要である。しかし、その添加量が多すぎると、Ｓｉ炭窒化物やＳｉ炭化物の耐焼付き、耐摩耗性効果が低下するため、Ｓｉ含有量は１．５質量％以下であることが好ましい。
【0025】
［Ｍｎ：０．１～１．５質量％］
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様に製鋼時の脱酸のために必要な元素であり、０．１質量％以上添加される。また、Ｍｎは焼入性を高め、熱処理後の強度や転動疲労寿命の向上にも寄与する。しかし、その添加量が多すぎると、寸法安定性に有害な残留オーステナイトが生成したり、加工性も劣化したりするため、Ｍｎ含有量は１．５質量％以下であることが好ましい。
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様に製鋼時の脱酸のために必要な元素であり、０．１質量％以上添加される。また、Ｍｎは焼入性を高め、熱処理後の強度や転動疲労寿命の向上にも寄与する。しかし、その添加量が多すぎると、寸法安定性に有害な残留オーステナイトが生成したり、加工性も劣化したりするため、Ｍｎ含有量は１．５質量％以下であることが好ましい。
【0026】
［Ｃｒ：２．５質量％以下］
Ｃｒ（クロム）は、焼入性を高め、熱処理後の強度や転動疲労強度の向上に寄与する。ただし、その添加量が多いと、加工性が低下したり、共晶炭化物が生成したりするため、Ｃｒ含有量は２．５質量％以下であることが好ましい。
Ｃｒ（クロム）は、焼入性を高め、熱処理後の強度や転動疲労強度の向上に寄与する。ただし、その添加量が多いと、加工性が低下したり、共晶炭化物が生成したりするため、Ｃｒ含有量は２．５質量％以下であることが好ましい。
【0027】
［Ｍｏ：１．５質量％以下（０質量％を含む）］
Ｍｏ（モリブデン）は、焼入性を高め、熱処理後の強度及び転動疲労寿命の向上に寄与するので選択的に添加されるが、多量に炭化されると素材コストが高くなり、加工性も低下するため、Ｍｏ含有量は１．５質量％以下であることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量は選択的に添加されるものであるため、その含有量が０質量％の場合も含む。
Ｍｏ（モリブデン）は、焼入性を高め、熱処理後の強度及び転動疲労寿命の向上に寄与するので選択的に添加されるが、多量に炭化されると素材コストが高くなり、加工性も低下するため、Ｍｏ含有量は１．５質量％以下であることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量は選択的に添加されるものであるため、その含有量が０質量％の場合も含む。
【0028】
［残部：Ｆｅ及び不可避的不純物］
軌道輪を構成する鋼材における上記化学成分を除く残部は、Ｆｅ（鉄）及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）、Ｏ（酸素）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）等が挙げられる。
軌道輪を構成する鋼材における上記化学成分を除く残部は、Ｆｅ（鉄）及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）、Ｏ（酸素）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）等が挙げられる。
【0029】
続いて、本実施形態に係る転がり軸受の製造方法においては、上記浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った後、２５０℃以上での焼戻しを施す必要がある。焼戻し温度は、２７０℃以上であることが好ましく、２９０℃以上であることがより好ましい。また、焼戻し温度の上限は、軸受機能の確保や処理効率を考慮すると３５０℃以下であることが好ましい。なお、特に好ましいのは、３００℃近傍であり、数値範囲で規定すると２９０～３１０℃である。
【0030】
転がり軸受に用いられる軸受用鋼に浸炭窒化処理を行うと、軌道輪の表面層（表層部分）の組織は、マルテンサイトと呼ばれる強固な組織と残留オーステナイトと呼ばれる軟質な組織を有する複合組織となる。その後、その複合組織を安定化させるため、上記所定の焼戻しを行うものとする。なお、上記所定の熱処理、すなわち上記浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った後、２５０℃以上での焼戻しを施すことで、軌道輪の表面層（深さ１００μｍ程度）は硬さＨＶ７００前後となり、また残留オーステナイト量は５％以下となる。
【0031】
ここで、本発明において対象となる軸受鋼（すなわち、質量％で、Ｃ：０．２～１．２％、Ｓｉ：０．５～１．５％、Ｍｎ：０．１～１．５％、Ｃｒ：２．５％以下、含有し、Ｍｏ：１．５％以下（０％を含む）であり、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材）は、ＪＩＳ Ｇ ４８０５の高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２（以下、「ＳＵＪ２鋼」という。）と比較して、はるかに高い焼戻し軟化抵抗性を有するため、焼戻しを行っても硬さが大きく低下しない特徴がある。すなわち、該鋼材に、浸炭窒化処理又は浸炭処理を行い、その後所定の高温焼戻しを施すことで、優れた耐圧痕性を持たせることが可能となる。
【0032】
さらに、本実施形態に係る転がり軸受の製造方法においては、上記所定の焼戻しを施した後、軌道輪の軌道面に、機械加工による加工硬化処理を施す必要がある。機械加工を実施する場合、加工荷重が与える静的せん断応力分布が大きくかつ深いほど塑性変形抵抗能が高まると想定される。そのため、使用する材料に対して、熱処理と機械加工を適切な条件で施すことで大きな塑性変形抵抗能が得られるのが好ましい。
【0033】
機械加工の方法の種類は特に制限はないが、バニシング加工やショットピーニング加工が好ましい。バニシング加工とは、加工治具である先端が球状で高硬度の部品が設けられた装置を外輪軌道面２や内輪軌道面４に押し当てて、外輪３や内輪５を自身の軸線を中心にして回転させて、外輪軌道面２や内輪軌道面４に圧縮応力を作用させる加工方法である。また、ショットピーニング加工とは、高硬度で略球状の投射材を外輪軌道面２や内輪軌道面４に噴射する加工方法である。略球状の投射材の大きさや材質、噴射速度などの処理条件を調整し、バニシング加工と同等の品質に調整することができる。なお、バニシング加工はショットピーニングのような表面性状の悪化が抑えられ、後工程で必要に応じて実施する仕上げ加工時の取り代を抑制できるため、機械加工としてバニシング加工を採用することが好ましい。
【0034】
加工硬化処理により、外輪軌道面２及び内輪軌道面４には、外輪３及び内輪５の形成材料の降伏せん断応力を上回る静的せん断応力が導入される。加工条件は、例えば次のように求めることができる。
【0035】
図２において、軌道面の深さ方向における鋼材（転がり軸受の形成材料）の降伏せん断応力を示す「曲線ａ」と、ある一定の最大面圧（静的荷重）が負荷された場合の、軌道輪の内部に生じる軌道面の深さ方向における静的せん断応力を示す「曲線ｂ」を示す。図示されるように、曲線ｂで示される静的せん断応力が、曲線ａで示される転がり軸受の形成材料の降伏せん断応力を上回る領域（図中、ハッチング部分）が形成されており、その「面積Ｓ」の大きさによって軌道面の塑性変形量を推定することができる。この面積Ｓが小さいほど、塑性変形し難く、軌道面に圧痕が付き難いといえる。
【0036】
同様に、軌道面に加工硬化処理を施した場合も、加工治具（バニシング加工であれば先端部が球状部品、ショットピーニング加工であれば略球状の投射材）と、軌道面とが接触するため、Ｈｅｒｔｚ接触と考えることができる。また、静的荷重が負荷される前にあらかじめ、転がり軸受の形成材料の降伏せん断応力を上回る静的せん断応力が導入されたと考えることができる。
【0037】
図３は、図２に対し、加工治具先端がＨｅｒｔｚ接触することで軌道輪内部に生じる静的せん断応力を示す「曲線ｃ」を重ねて示すが、線ａと線ｂと線ｃとで囲まれた領域（図中のハッチング部分）の「面積Ａ」が小さくなれば、耐圧痕性が向上すると考えられる。すなわち、機械加工により、軸受軌道輪の耐圧痕性を向上させるためには、「面積Ａ＜面積Ｓ」である必要がある。なお、「面積Ａ＝面積Ｓ」であると、バニシング加工による強化が不十分であり、耐圧痕性の向上に寄与しない。そして、面積Ｓの減少に寄与する線ｃが軌道輪内部に加わるような最大接触面圧にて機械加工することが好ましい。
【0038】
なお、線ａ、線ｂ及び線ｃは、以下の計算から求めることができる。
【0039】
軌道輪の内部に生じる静的せん断応力τｓｔは、軌道輪と転動体との接触点において、
転動体の接線方向に対して生じる垂直応力σｘ（単位ＭＰａ）、法線方向に対して生じる垂直応力σｚ（単位ＭＰａ）とすると以下の式（１）で表される。
転動体の接線方向に対して生じる垂直応力σｘ（単位ＭＰａ）、法線方向に対して生じる垂直応力σｚ（単位ＭＰａ）とすると以下の式（１）で表される。
【0040】
【数1】
【0041】
垂直応力σｘとσｚは、点接触の場合、例えばＨａｎｓｏｎの弾性理論解（Ｈａｎｓｏｎ，Ｍ．Ｔ．ａｎｄ Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｔ．，“Ｔｈｅ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｈｅｒｔｚｉａｎ Ｃｏｎｔａｃｔ ｏｆ Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｂｏｄｉｅｓ Ｒｅｖｉｓｉｔｅｄ：Ｓｏｍｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ”，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１１５（１９９３），ｐｐ．３２７－３３２）を用いて計算することができる。Ｈｅｒｔｚ接触の最大接触面圧ｑｍａｘ、接触面半径ａ、
ポアソン比νを用いて、σｘとσｚは以下の式（２）～（７）で表される。
ポアソン比νを用いて、σｘとσｚは以下の式（２）～（７）で表される。
【0042】
【数2】
【0043】
【数3】
【0044】
【数4】
【0045】
【数5】
【0046】
【数6】
【0047】
【数7】
【0048】
ここで、ｘ＝ｒｃｏｓθ（ｒ＞０）であり、ｘ＞０のときθ＝０、ｘ＜０のときθ＝πとする。Ｈｅｒｔｚ接触の最大接触面圧ｑｍａｘ、接触面半径ａは、例えば「ボールベアリング設計計算入門」（岡本純三．，２０１１年）などを参考に計算することができる。
なお、線接触の場合は、例えばＳｍｉｔｈの弾性理論解（Ｓｍｉｔｈ，Ｊ．Ｏ．， Ｌｉｕ，Ｃ．Ｋ．ａｎｄ Ｉｌｌ Ｕ．，“Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｕｅ ｔｏ Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ａｎｄ Ｎｏｒｍａｌ Ｌｏａｄｓ ｏｎ ａｎ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｓｏｌｉｄ Ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｏｍｅ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ“，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２０（１９５３），ｐｐ．１５７－１６６）を用いて計算することができる。
なお、線接触の場合は、例えばＳｍｉｔｈの弾性理論解（Ｓｍｉｔｈ，Ｊ．Ｏ．， Ｌｉｕ，Ｃ．Ｋ．ａｎｄ Ｉｌｌ Ｕ．，“Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｕｅ ｔｏ Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ａｎｄ Ｎｏｒｍａｌ Ｌｏａｄｓ ｏｎ ａｎ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｓｏｌｉｄ Ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｏｍｅ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｓｔｒｅｓｓ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ“，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２０（１９５３），ｐｐ．１５７－１６６）を用いて計算することができる。
【0049】
また、転がり軸受の形成材料の降伏せん断応力τｙ（単位ＭＰａ）は、０．２％耐力をσ０．２、軌道輪のビッカース硬さをＨＶとすると、以下の式（８）で表される。
【0050】
【数8】
【0051】
そして、上記式から各線を算出し、表面からの同一深さにおける線ａと、線ｂと、曲線ｃとの差分を、表面から深さ方向に積分することにより、面積Ａを求めることができる。
【0052】
また、計算を容易にするために、区分求積法を用いて近似的に算出することもできる。
すなわち、軌道輪と転動体との接触点を基準として転動体の法線方向に対して、複数の微小区間ΔＺに分割し、これら微小区間の面積を合算すればよい。より正確に計算するためには、微小区間ΔＺを小さくすることが望ましいが、０．０１ｍｍが適当である。これ以上小さくしても、算出される面積Ａの差は無視できるほど小さい。
すなわち、軌道輪と転動体との接触点を基準として転動体の法線方向に対して、複数の微小区間ΔＺに分割し、これら微小区間の面積を合算すればよい。より正確に計算するためには、微小区間ΔＺを小さくすることが望ましいが、０．０１ｍｍが適当である。これ以上小さくしても、算出される面積Ａの差は無視できるほど小さい。
【0053】
上記の加工硬化処理の後、常法に従い仕上げ処理を施し、玉６や保持器７を組み込んで転がり軸受が得られる。
【実施例】
【0054】
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0055】
＜１．転がり軸受の製造＞
（実施例１～４）
軸受軌道輪である内輪及び外輪のそれぞれに、化学組成が質量％で、Ｃ：０．３～０．４％、Ｓｉ：０．９～１．１％、Ｍｎ：０．６～０．８％、Ｃｒ：１．５％、Ｍｏ；０．９～１．１％の鋼材を用い、８９０℃×１２時間の熱処理で浸炭窒化処理を施した。
なお、処理後の軌道面から深さ１００μｍ位置近傍には、Ｓｉ炭窒化物が２～５面積％析出していた（上記面積率は、ＥＤＳ分析を用い、軌道面から深さ１００μｍ位置近傍において５視野で測定した平均値である。）。
そして、上記浸炭窒化処理後に、３００℃での高温焼戻しを実施した。
（実施例１～４）
軸受軌道輪である内輪及び外輪のそれぞれに、化学組成が質量％で、Ｃ：０．３～０．４％、Ｓｉ：０．９～１．１％、Ｍｎ：０．６～０．８％、Ｃｒ：１．５％、Ｍｏ；０．９～１．１％の鋼材を用い、８９０℃×１２時間の熱処理で浸炭窒化処理を施した。
なお、処理後の軌道面から深さ１００μｍ位置近傍には、Ｓｉ炭窒化物が２～５面積％析出していた（上記面積率は、ＥＤＳ分析を用い、軌道面から深さ１００μｍ位置近傍において５視野で測定した平均値である。）。
そして、上記浸炭窒化処理後に、３００℃での高温焼戻しを実施した。
【0056】
ここで、図４は、実施例で用いた鋼材（図中、「当該軸受材料」で示す。）及びＳＵＪ２鋼（図中、「標準軸受鋼」で示す。）の焼付きが生じるまでの限界ＰＶ値を示すグラフである。また、図５は、実施例で用いた鋼材（当該軸受材料）及びＳＵＪ２鋼（標準軸受鋼）の焼戻し軟化抵抗性能を示すグラフである。図４に示すように「当該軸受材料」は、焼付きや摩耗などの表面損傷が生じる目安となるＰＶ値が、「標準軸受鋼」と比較して約１．５倍の性能を有し、耐焼付き性に優れていることが分かる。また、図５に示すように、高温保持時の軟化抵抗性（焼戻し軟化抵抗性）に優れていることが分かる。なお、図４及び５に示す結果における「当該軸受材料」は、８９０℃×１２時間の熱処理の条件で浸炭窒化処理を行い、その後、３００℃での高温焼戻しを施したものである。
【0057】
続いて、高温焼戻しを施した後の軸受軌道輪に加工硬化処理を施し、仕上げ加工を施した。なお、加工硬化処理には、機械加工としてバニシング加工を採用した。
【0058】
バニシング加工条件については、実施例１及び２では、バニシングツールの先端形状はφ６ｍｍであり、周速を１５０ｍ／ｍｉｎ、ツールの送り速度を０．１ｍｍ／ｒｅｖとした。また、実施例３及び４では、バニシングツールの先端形状はφ１０ｍｍとし、他のパラメータは実施例１及び２と同様とした。なお、加工荷重は、実施例１では６．２ＧＰａ、実施例２では６．７ＧＰａ、実施例３では５．５ＧＰａ、実施例４では５．７ＧＰａとした。
なお、上記バニシング加工条件については、上述したような、「面積Ａ＜面積Ｓ」を満足する加工条件であり、面積Ｓの減少に寄与する線ｃが軌道輪内部に加わるような最大接触面圧を加工条件として採用している。
なお、上記バニシング加工条件については、上述したような、「面積Ａ＜面積Ｓ」を満足する加工条件であり、面積Ｓの減少に寄与する線ｃが軌道輪内部に加わるような最大接触面圧を加工条件として採用している。
【0059】
（比較例）
実施例１～４と同じ鋼材を用いて内輪及び外輪とし、上記と同様の熱処理のみを実施し、バニシング加工を施さず、仕上げ加工を施した。
実施例１～４と同じ鋼材を用いて内輪及び外輪とし、上記と同様の熱処理のみを実施し、バニシング加工を施さず、仕上げ加工を施した。
【0060】
＜２．圧痕試験＞
実施例１～４及び比較例に係る転がり軸受の耐圧痕性を検証するため、インストロンジャパン社製の引張圧縮試験機を用いて圧痕試験を実施した。圧痕形成の試験条件として、ひずみ速度０．２ｍｍ／ｍｉｎにて、直径１２ｍｍの窒化ケイ素球を実施例１～４及び比較例の軌道輪に押し付けた。また、所定の最大面圧に到達した後、明瞭な圧痕形状を形成するため、３０秒間保持した。なお、圧痕形成時の最大面圧は５．００ＧＰａ、５．３８ＧＰａ及び５．７５ＧＰａの３条件で行った。その後、テーラーホブソン社製の３次元表面性状測定器タリサーフを用いて、形成した圧痕の深さを測定した。
実施例１～４及び比較例に係る転がり軸受の耐圧痕性を検証するため、インストロンジャパン社製の引張圧縮試験機を用いて圧痕試験を実施した。圧痕形成の試験条件として、ひずみ速度０．２ｍｍ／ｍｉｎにて、直径１２ｍｍの窒化ケイ素球を実施例１～４及び比較例の軌道輪に押し付けた。また、所定の最大面圧に到達した後、明瞭な圧痕形状を形成するため、３０秒間保持した。なお、圧痕形成時の最大面圧は５．００ＧＰａ、５．３８ＧＰａ及び５．７５ＧＰａの３条件で行った。その後、テーラーホブソン社製の３次元表面性状測定器タリサーフを用いて、形成した圧痕の深さを測定した。
【0061】
表１及び図６にその結果を示す。これらの結果により、実施例１～４はいずれも、比較例と比べて圧痕深さが浅いことが確認された。また、実施例の中では、実施例４が最も許容できる最大面圧が大きく、圧痕深さが最も浅いことが確認された。なお、図６の各プロットは実測値であり、各曲線はそのプロットを元にした近似曲線である。また、表１の圧痕深さは図６の近似曲線における最大面圧５．００ＧＰａ、５．３８ＧＰａ、５．７５ＧＰａ時の圧痕深さである。
【0062】
【表1】
【0063】
続いて、実施例１～４のそれぞれについて上述した「面積Ａ」（図３参照）を算出した。また、比較例については、図３に示すバニシング加工に伴う線ｃがないため、図２に示す「面積Ｓ」を算出した。そして、最大面圧５．００ＧＰａ、５．３８ＧＰａ、５．７５ＧＰａの３条件にて圧痕形成を実施する際の面積Ｓから各面積Ａを差し引いた差分を求め、この差分を比較例の面積Ｓで除した値を「変形抵抗向上指数ＲＤ」として算出した。表２に、これらの算出結果を示す。
【0064】
【表2】
【0065】
さらに、図７に、実施例１～４及び比較例における、各最大面圧と変形抵抗向上指数ＲＤとの関係を示す。変形抵抗向上指数ＲＤは、値が１に近づくにつれバニシング加工により形成される圧痕深さが小さくなることを示している。すなわち、変形抵抗向上指数ＲＤの値が１に近づくほど、優れた塑性変形抵抗能を有するといえる。
【0066】
また、０＜ＲＤ＜１の範囲において、バニシング加工による性能向上が確認できる。なお、本試験結果より、実施例１～４はいずれも、変形抵抗向上指数ＲＤが０超の値を有していることが確認された。また、どの最大面圧下においても、変形抵抗向上指数ＲＤが最も高くなる実施例４が最も好適であるといえる。
【符号の説明】
【0067】
１ ラジアル玉軸受
２ 外輪軌道面
３ 外輪
４ 内輪軌道面
５ 内輪
６ 玉
７ 保持器
２ 外輪軌道面
３ 外輪
４ 内輪軌道面
５ 内輪
６ 玉
７ 保持器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】