ローラ軸の製造方法
【課題】表面起点剥離などの表面損傷や内部起点剥離に対して長寿命になり、かつ軸端面がかしめ加工が可能な転がり軸受およびその転がり軸受を用いたローラ付きカムフォロアを提供する。
【解決手段】ローラ軸２の製造方法は、鋼からなる部材にＡ１点以上の浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理を行なうことにより窒素富化層を形成する工程と、窒素富化層が形成された上記部材をＡ１点よりも低い温度に冷却することにより、当該部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程と、内部にフェライトとセメンタイトとが生成した上記部材の表面層を高周波焼入れする工程とを備えた熱処理が実施されることを特徴とする。
【解決手段】ローラ軸２の製造方法は、鋼からなる部材にＡ１点以上の浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理を行なうことにより窒素富化層を形成する工程と、窒素富化層が形成された上記部材をＡ１点よりも低い温度に冷却することにより、当該部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程と、内部にフェライトとセメンタイトとが生成した上記部材の表面層を高周波焼入れする工程とを備えた熱処理が実施されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、その転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアおよびカムに関するものである。また、本発明は、ローラ軸の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の転がり軸受の中には、たとえば、ロッカーアーム用軸受のように、保持器を用いない総ころタイプの軸受でありながら、高速、高荷重用途の要求が増えている。本説明では、とくに総ころ軸受と他の転がり軸受とを区別せず、すべて転がり軸受と記する。保持器のない転がり軸受では、ころ同士の干渉が避けられず、また潤滑剤が軸受内部にうまく供給されないことにより、ころやレースの表面を起点にする剥離を生じることがある。
【０００３】
また、ころの回転速度が高速になると、組付け誤差や偏荷重の影響によりころに表面損傷が生じたり、スムーズにころ位置が制御されずスキューを起こしやすい。このため、滑りによる表面起点剥離や局部的な面圧上昇による内部起点型剥離が生じることもある。この結果、滑り発熱や局部的な面圧上昇が起こり、ピーリング、スミアリング、表面起点型剥離などの表面損傷や内部起点型剥離が生じやすかった。
【０００４】
上記の問題を解決するために、下記に示す方策が提案されてきた。
（１） エンジンの動弁機構用カムフォロア装置用軸受において、エンジンの定格回転数での軸受の計算寿命を１０００時間以上とするもの（特許文献１参照）。
【０００５】
（２） 炭化物の割合を１０％〜２５％とし、残留オーステナイトの初期値に対する分解率を１０分の１〜１０分の３とし、また、端面硬度をＨＶ８３０〜９６０とし、さらに表面粗さの平均波長を２５μｍ以下とした、エンジンの動弁機構用カムフォロア装置用軸受軸。上記特性を実現するために、軸受鋼に浸炭窒化処理およびハードショットピーニングを施す（特許文献２参照）。
【０００６】
（３） 軸の耐摩耗性向上のため、軸に高分子化合物などの固体潤滑膜を形成したカムフォロア軸（特許文献３参照）。
【０００７】
（４） 工具鋼などで製作し、焼戻し温度よりも低い温度でイオン窒化やイオンプレーティングを行ない、高硬度にしたカムフォロア軸（特許文献４参照）。
【０００８】
（５） 軸に対する曲げ応力を１５０ＭＰａ以下に規制したエンジンにおける動弁機構用カムフォロア装置用軸受（特許文献５参照）。
【０００９】
（６） 軸受構成部品の転走面に潤滑油保持性に優れたリン酸塩被膜をつけたエンジンの動弁機構用カムフォロア（特許文献６、７参照）。
【００１０】
（７） 軸のころ転動領域にクラウニングをつけたエンジンの動弁機構用カムフォロア（特許文献８参照）。
【００１１】
（８） 軸の転走面を構成する表層は、炭素濃度を１．２％〜１．７％にするために、高濃度浸炭処理または浸炭窒化処理を行ない、内部は硬度をＨＶ３００程度にした軸（特許文献９参照）。
【００１２】
しかし、エンジンのローラ付きカムフォロアは、ロッカーアームに固定する際に、軸の両端面部にかしめ成形を施して、軸支持部材にかしめる加工がなされる場合がある。この場合、ころの転走面は高硬度を必要とするが、端部はかしめ成形が可能となるように軟質でなければならない。この点を考慮した開発も多くなされてきた（特許文献１０−１３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−３８９０７号公報
【特許文献２】特開平１０−４７３３４号公報
【特許文献３】特開平１０−１０３３３９号公報
【特許文献４】特開平１０−１１０７２０号公報
【特許文献５】特開２０００−３８９０６号公報
【特許文献６】特開２０００−２０５２８４号公報
【特許文献７】特開２００２−３１２１２号公報
【特許文献８】実開昭６３−１８５９１７号公報
【特許文献９】特開２００２−１９４４３８号公報
【特許文献１０】特開平５−３２１６１６号公報
【特許文献１１】特開昭６２−７９０８号公報
【特許文献１２】特公平６−１５８１１号公報
【特許文献１３】特公平６−８０２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、今後、エンジンのローラ付きカムフォロアでは、通常の軸受同様に、高速化と大荷重化、潤滑油の低粘度化が進むことが避けられない。このような使用条件下での転動寿命の長寿命化を達成することが求められている。
【００１５】
本発明は、苛酷な使用条件下で表面起点剥離などの表面損傷や内部起点剥離に対して長寿命になり、かつ端部でのかしめ加工が容易な転がり軸受、その転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアおよびカム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】
【００１６】
本発明の転がり軸受は、外方部材と、外方部材の内方に位置する内方部材と、外方部材と内方部材との間に介在する転動部材とを備え、外方部材および内方部材の少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、前記少なくとも１つの部材において、転動体が転走する転走面の領域の表層部のオーステナイト結晶粒度が１１番以上であり、その部材の端部の硬さがＨＶ（ビッカース硬度）３００以下とする。
【００１７】
この構成により、上記転走面の領域の表層部において、表面起点剥離などの表面損傷および内部起点剥離を抑制して長寿命を実現し、また、前記部材の端部では硬さを上記のように限定しているので、かしめ成形を行ない易くすることができる。転走面の表層部のオーステナイト結晶粒度が１１番未満では苛酷な使用条件下での転動疲労寿命を長くすることができないので、表層部のオーステナイト結晶粒度を１１番以上とする。また、窒素富化層を配置するのは、窒素富化層を高周波焼入れすることによりミクロ組織を微細化して強靭化するためである。なお、オーステナイト結晶粒とは、焼入加熱中に相変態したオーステナイトの結晶粒のことであり、これは、冷却によりマルテンサイトに変態した後も、過去の履歴として残存しているものをいう。上記オーステナイト結晶粒は、対象とする部材の金相試料に対してエッチングなど、粒界を顕出する処理を施して観察することができる粒界であればよい。低温焼入れ直前の加熱された時点での粒界という意味で、旧オーステナイト粒と呼ぶ場合がある。測定は、上述のようにＪＩＳ規格の粒度番号の平均値から平均粒径に換算して求めてもよいし、切片法などにより金相組織に重ねたランダム方向の直線が粒界と会合する間の間隔長さの平均値をとり、補正係数をかけて２次元から３次元の間隔長さにしてもよい。
【００１８】
なお、上記窒素富化層は、あとで説明するように、浸炭窒化処理により形成されるが、上記窒素富化層に炭素が富化されていてもよいし、富化されていなくてもよい。
【００１９】
上記の転走面の領域の表層部以外の領域では、そのミクロ組織がフェライトと炭化物とを有するようにしてもよい。
【００２０】
ここで、フェライトは鉄のα相のことであり、マルテンサイトなどのように転位を高密度に含まないフェライトを指す。オーステナイト（γ）相から徐冷されて生成するフェライトや、焼入れられた後に十分に焼き戻されたフェライトがこれに対応する。このような転位密度の低いフェライトに対応したセメンタイトなどの炭化物は、凝集粗大化した状態で分散している。したがって、上記のフェライトと炭化物とを有するミクロ組織は、典型的な軟化された状態に対応する。
【００２１】
なお、炭化物は、主にセメンタイトＦｅ3Ｃをさすが、窒素富化層では炭素ほどではないが窒素を多く含むため、Ｆe3（Ｃ、Ｎ）のように炭窒化物というべきである。しかし、説明を簡単にするため、炭化物というとき、上記炭窒化物も含めて指すこととする。また、通常、鋼材はＭｎなどを含むため、炭化物の中に固溶して（Ｆｅ、Ｍｎ）3（Ｃ、Ｎ）のような形態をとるが、このような形態を当然含む。さらに、焼戻しが高温で行なわれるとき、Ｍ3Ｃ型の炭化物だけでなく、Ｍ23Ｃ6型の炭化物やその他の炭化物をも含むが、上記炭化物にはそのような炭化物をも含んでいる。
【００２２】
上記の転走面の領域の表層部は高周波焼入れされて形成されてもよい。その表層部の硬度をＨＶ６５３以上の範囲とすることができる。
【００２３】
この構成により、表層部における表面損傷や内部起点剥離を確実に抑制することにより長寿命を実現し、またその他の部分におけるかしめ加工を容易化することができる。表層部の硬度がＨＶ６５３未満では、上記の条件下での長寿命化は難しく、また表層部以外の部分の硬度がＨＶ３００を超えると大量生産工程でかしめ加工を行なうことが困難になる。
【００２４】
上記の転走面の領域の表層部において残留オーステナイトが１０〜５０体積％を占めるようにできる。この構成により、表面起点剥離や内部起点剥離における亀裂進展を抑制することができる。残留オーステナイトが１０体積％未満では苛酷な使用条件下での長寿命を得ることができず、また５０体積％を超えると微細な残留オーステナイトにならず、かえって上記の使用条件下での寿命を短くする。
【００２５】
上記の残留オーステナイトの測定は、Ｘ線回折法、透過型電子顕微鏡観察(TEM:Transimission Electron Microscopy)、など周知の方法で行なうことができる。オーステナイトは、フェライトやセメンタイトと異なり、強磁性体ではないことを利用して、磁気天秤などの磁気測定装置を用いて測定することもできる。
【００２６】
上記の少なくとも１つの部材は、Ａ1点以上で浸炭窒化処理した後にＡ1点未満にまで徐冷し、次いで表層部を高周波焼入れする処理、およびＡ1点以上で浸炭窒化処理した後、Ａ1点未満にまで急冷し、次いでＡ1点未満で焼戻しを行ない、その後表層部を高周波焼入れする処理、のいずれかの処理がなされることができる。上記のＡ1点は、共析温度に対応しており、たとえばＦｅ−Ｃ系では７２３℃である。また、転がり軸受に通常用いられる鋼材のＡ1点もその付近の温度である。
【００２７】
上記の処理により、表層部において各種の損傷を受け難くいために長寿命であり、その他の部分でかしめ加工しやすい部材を得ることができる。高周波焼入れされる表層部で、オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ規格にしたがって１１番以上で、残留オーステナイトが１０〜５０体積％で、硬度ＨＶ６５３以上になるのは、浸炭窒化処理と、転走面を含む表層部に高周波焼入れとが施されるためである。また、高周波焼入れの影響が及ばない部位で、硬度がＨＶ３００以下になるのは、浸炭窒化処理後に徐冷するかまたは急冷しても調質（焼戻し）処理するからである。
【００２８】
上記のいずれかの転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアであって、外方部材であるローラが、内方部材である軸との間に該ローラの内周を転走するころを介在させて、その軸により支持され、ころが転走する部分が軸の転走面の領域の表層部とされている。
【００２９】
この構成により、ローラ付きカムフォロアのローラの転走部からの損傷発生を抑えて長寿命を実現することができる。
【００３０】
上記のいずれかの転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアであって、その軸は、その端部が塑性加工され、支持部材に固定されるようにできる。
【００３１】
この構成により、たとえば軸の端部などにおけるかしめ加工を容易に行なうことが可能になる。
【００３２】
また、上記のカムフォロア本体がプレス成形されていてもよい。
上記プレス成形により、カムフォロア本体を能率よく大量に生産することが可能となる。プレス成形は、具体的には冷間鍛造等である。
【００３３】
本発明のカムは、ロッカーアームに設けられた外方部材に当接するカムであって、前記カムの前記外方部材と当接する表層部において、オーステナイト結晶粒度が１１番以上である。
【００３４】
この構成により、上記カムの表層部において、表面起点剥離などの表面損傷および内部起点剥離を抑制して長寿命を実現することができる。
【００３５】
本発明に従ったローラ軸の製造方法は、鋼からなる部材にＡ１点以上の浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理を行なうことにより窒素富化層を形成する工程と、窒素富化層が形成された上記部材をＡ１点よりも低い温度に冷却することにより、当該部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程と、内部にフェライトとセメンタイトとが生成した上記部材の表面層を高周波焼入れする工程とを備えた熱処理が実施されることを特徴とする。
【００３６】
上記ローラ軸の製造方法においては、上記部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程は、浸炭窒化処理温度から上記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程を含んでいてもよい。
【００３７】
上記ローラ軸の製造方法においては、上記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程は、浸炭窒化処理温度〜（Ａ１点−１００℃）の温度域において実施されてもよい。
【００３８】
上記ローラ軸の製造方法においては、上記部材の表面層を高周波焼入れする工程では、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが実施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。
【図２】（ａ）は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ部拡大図であり、かしめ加工固定部を示す図である。
【図３】本発明の別の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。
【図４】本発明のさらに別の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。
【図５】図４のエンジンのローラ付きカムフォロアのカムと接触する総ころ軸受の部分の拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態における熱処理パターンを説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態における別の熱処理パターンを説明する図である。
【図８】実施例における熱処理パターンＨ1を示す図である。
【図９】実施例における熱処理パターンＨ2を示す図である。
【図１０】試験体における硬度測定位置を示す図である。
【図１１】外輪回転の転動疲労試験機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアの構成を示す概略正面図であり、図２（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応する図である。図１および図２（ａ）を参照して、回動部材であるロッカーアーム１は、中央部において軸受メタルなどを介してロッカーアーム軸５に回転自在に支持されている。
【００４１】
このロッカーアーム１の他の端部１ｂには、アジャストねじ７が螺挿されている。このアジャストねじ７はロックナット８により固定され、その下端において内燃機関の給気弁もしくは排気弁のバルブ９の上端と当接している。このバルブ９はばね１０の弾発力で付勢されている。
【００４２】
ロッカーアーム１は、一の端部１ａにカムフォロア本体５０が設けられ、カムフォロア本体５０は二股状に形成されたローラ支持部１４を一体に有している。図２（ａ）のＥ部拡大図である図２（ｂ）に示すように、この二股状のローラ支持部１４には面取り部１４ａが設けられ、内方部材に相当するローラ軸２の両端２ａがかしめ加工されてかしめ加工部２５を形成し固定されている。すなわち、ローラ軸の少なくとも両端２ａでは硬度をＨＶ３００以下に抑制されてかしめ加工が容易にされ、かしめ加工を施されてローラ支持部の面取り部にかしめ加工固定部２５を形成している。
【００４３】
このローラ軸２の外周面中央部には、転動体であるころ３を介して回転自在に、外方部材を構成するローラ４が支持されている。ころ３の軸線方向は、ローラ軸の軸線に平行に配置されている。このローラ４の外周面は、ばね１０の付勢力によりカム軸に設けられたカム６のカム面に当接されている。
【００４４】
ここで、ローラ軸２と、ころ３と、ローラ４とにより構成される転がり軸受がロッカーアーム用転がり軸受として用いられている。一般に、保持器が用いられない場合、総ころ軸受と呼称されるが、本説明では上述のようにとくに区別せずに説明する。上記のロッカーアーム用転がり軸受は、カム６と接触しながら回転するものであるため、ローラ４にはカム６の押付け力と衝撃力とが作用する。本発明の実施の形態のエンジンのローラ付きカムフォロアは、上記ロッカーアーム用転がり軸受、カムフォロア本体を備える部材である。
【００４５】
本実施の形態におけるローラ付きカムフォロアでは、ローラ軸２が窒素富化層を有し、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが施されてオーステナイト結晶粒度が１１番以上（ＪＩＳ規格による）と超微細であり、かつ硬度がＨＶ６５３以上ある。前記転走面の領域の表層部以外の領域では、フェライト粒度またはオーステナイト結晶粒度は１０番以下と比較的粗く、また前記ローラ軸の端部の硬度は低く、ＨＶ３００以下の範囲にある。また、転動体が転走する転走面の領域の表層部では高周波焼入れが施されたために、残留オーステナイトが１０〜５０体積％を占める。この結果、表層部では表面損傷および内部起点型剥離ともに生成しにくく、一方、他の部位では硬度が低いためにかしめ加工しやすい。
【００４６】
図３は、本発明の他の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。このカムフォロアでは、カムフォロア本体５０は、ロッカーアーム１の一方の端部１ｂと他方の端部１ａとの間に開けられ２つの側壁の間にわたるローラ孔（図示せず）にローラ軸２を固定し、一方の端にエンジンの開閉用バルブ９の端部が当接し、他方の端に図示しないピボットが当接する。ピボット受け部１５を設けたカムフォロア本体５０は、バルブの周り所定の向きにばね１０によって付勢され、カム６から伝達される駆動力をローラ４で受けて、前記ばねの付勢力に抗してバルブ９を動かす。
【００４７】
また、図４は、本発明のさらに別の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。図５は、図４のロッカーアーム転がり軸受を含む部分を拡大した図である。図４において、ロッカーアーム１の中央部に回転軸５が配置され、その周りにロッカーアーム１が回動する。ロッカーアーム１の一方の腕の端部１ｂは、エンジンバルブ９の端と当接し、他方の腕の端部１ａは、連動棒１６の端と当接する。アジャストねじ８はロッカーアームの端部１ａと連動棒１６との当接位置を調節する機能を有する。
【００４８】
連動棒１６の下端に位置する中空の軸受取付部１６ａに、カムフォロア本体５０が設けられ、取付部材１７によりロッカーアーム用転がり軸受が取り付けられる。カム６はこの転がり軸受のローラ４に当接して駆動力を連結棒に伝達する。
【００４９】
上記エンジンのローラ付きカムフォロアの転がり軸受を構成する部材のうち、内方部材のローラ軸２は、これから説明する熱処理を施され、その表層部が超微細オーステナイト粒とされている。
【００５０】
上記の図３および図５における内方部材であるローラ軸２が窒素富化層を有し、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが施されてオーステナイト結晶粒度が１１番以上（ＪＩＳ規格による）と超微細であり、かつ硬度がＨＶ６５３以上ある。前記転走面の領域の表層部以外では、オーステナイト結晶粒度は１０番以下と比較的粗く、また硬度は低くＨＶ３００以下の範囲にある。また、転動体が転走する転走面の領域の表層部では高周波焼入れが施されたために、残留オーステナイトが１０〜５０体積％を占める。この結果、表層部では表面損傷および内部起点型剥離ともに生成しにくく、一方、他の部位では硬度が低いためにかしめ加工しやすい。このため、図示していないが、ローラ軸の両端はかしめ加工され、ローラ軸支持部の面取り部にかしめ加工固定部を形成している。
【００５１】
次に、これら転がり軸受の内方部材（ローラ軸）に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。図６は、本発明の実施の形態における熱処理方法を説明する図である。また、図７は、本発明の実施の形態における別の熱処理方法を説明する図である。図６はＡ1点以上で浸炭窒化処理を行なった後、そのまま徐冷する熱処理パターンであり、図７は浸炭窒化処理を行なった後、急冷し、次いでＡ1点未満で調質処理すなわち焼戻し処理を行なう熱処理パターンである。図６の熱処理パターンにおける徐冷処理また図７における調質処理は、互いに対応しており、表層部以外の部分の硬度を低くすることに寄与している。図６および図７の熱処理パターンのどちらもその後で、転走面のある表層部に高周波焼入れを施し、その後、低温焼戻しを施す。
【００５２】
上記のいずれかの熱処理を軸受部材の内方部材およびカムに施すことができる。
上記のいずれの熱処理によってもその中の浸炭窒化処理によって、「浸炭窒化処理層」である窒素富化層が形成される。浸炭窒化処理において素材となる鋼の炭素濃度が高いため、通常の浸炭窒化処理の雰囲気から炭素が鋼の表面に侵入しにくい場合がある。たとえば炭素濃度が高い鋼の場合、それ以上高い炭素濃度の浸炭層が生成する場合もあるし、それ以上高い炭素濃度の浸炭層は生成しにくい場合がある。しかし、窒素濃度は、Ｃｒ濃度などにも依存するが、通常の鋼では最大限０.０２５ｗｔ％程度以下と低いので、素材の鋼の炭素濃度によらず窒素富化層が明瞭に生成される。本実施の形態では、かしめ加工を行なうためにミクロ組織にフェライトを含むようにするため、炭素濃度は比較的低くするので、上記窒素富化層には炭素も併せて富化される場合が多い。
【００５３】
次に、図６および図７の各処理ごとにミクロ組織がどのように生成されてゆくか説明する。まず、たとえばＡ1点以上で浸炭窒化処理を行なう。この浸炭窒化処理おいて、転がり軸受の対象部材に窒素富化層を形成する。この窒素富化層では、鉄原子Ｆｅに対する侵入型元素であるＣ、Ｎが過共析に侵入し、たとえばオーステナイト中に炭化物が析出している（２相共存）。すなわち、窒素富化層では過共析鋼となっている。また、浸炭窒化処理されない内部では、素材である元々の鋼材の組成により、オーステナイト相となっている。また、素材である鋼材がフェライトとオーステナイトとの２相、またはオーステナイトとセメンタイトとの２相、が共存する温度で浸炭窒化処理を行なってもよい。
【００５４】
次いで、冷却する際に、図６のパターン（ヒートパターンＨ1とする）では、浸炭窒化処理温度から徐冷する。この徐冷の目的は、組織を軟化し加工性を向上するためである。この徐冷中に、内部では上記のオーステナイトから、フェライトとセメンタイトとで構成されるパーライトが生成するが、パーライト中のセメンタイトを層状化させずに凝集粗大化させることにより、軟化を推進する。したがって、徐冷する温度域は浸炭窒化処理温度〜（Ａ1点−１００℃）程度まででよい。これより低い温度まで徐冷してもセメンタイトの凝集粗大化は期待できず、時間ばかりかかり能率を低下させる。目安としては６２０℃程度まででよい。その後は、時間短縮のために空冷してもよいし、水冷や油冷を行なってもよい。
【００５５】
窒素富化層では、炭化物＋オーステナイトのオーステナイトからパーライトが生成し、その中の炭化物が凝集粗大化する。
【００５６】
また、図７のパターン（ヒートパターンＨ2とする）では、浸炭窒化処理温度から、たとえば油冷などして焼き入れる。この場合、内部では、もともとの鋼材の組成によりオーステナイトからマルテンサイトなどが生成する。このマルテンサイト組織は硬い。このままでは、かしめ加工は困難なので、上記焼戻処理（調質処理）を行なう。焼戻しはＡ1点直下でＡ1点にできるだけ近い温度で急速に進行する。すなわち、高温焼戻しを行なう。したがって、焼戻しはＡ1点〜６５０℃の範囲、またより好ましくはＡ1点〜６８０℃の範囲で行なうことが望ましい。この焼戻しにより、マルテンサイト組織における高い転位密度は消失し、転位密度の低いフェライトと凝集粗大化したセメンタイトとの組織が得られる。
【００５７】
また、窒素富化層では、油冷などの焼入れによって（炭化物＋オーステナイト）のオーステナイトからマルテンサイトが生成する。マルテンサイトは、上記の焼戻しにより、内部に生成したマルテンサイトと同様に軟化される。元々あった炭化物は凝集する。
【００５８】
なお、上記のミクロ組織の説明は、分りやすさを優先させているので、上述したように、窒素やより複雑な実際のミクロ組織における副次的な要因は無視している。
【００５９】
次に、ヒートパターンＨ1およびＨ2ともに、高周波焼入れを行なう。この高周波焼入れの前段階では、窒素富化層は、凝集した炭化物（比率大）と、フェライトとが混在した組織であった。高周波焼入れでは急速加熱され、このとき、炭化物が固溶しながらオーステナイトを核発生させる。分散している炭化物の密度は非常に高いために、オーステナイト核発生密度は非常に高く、発生したオーステナイトが互いに会合して形成されるオーステナイト組織の結晶粒は超微細である。また、窒素富化層は過共析鋼なので、炭化物が共存し、この炭化物ができたばかりで超微細なオーステナイト粒の成長を阻止する。このため、窒素富化層において、超微細なオーステナイト粒を得ることができる。急速加熱の温度が高くなるにつれ炭化物は固溶し、超微細オーステナイトに多くの炭素が固溶される。
【００６０】
次に、急速加熱した後に焼入れを行なうと、超微細オーステナイトはマルテンサイトに変態する。このとき炭素を多く固溶しているためにオーステナイトが安定化され、マルテンサイトの間の微細な領域に未変態のオーステナイトが取り残される。これが残留オーステナイトである。この残留オーステナイトはマルテンサイトの間に形成されるため非常に微細である。体積率にして残留オーステナイトは１０〜５０体積％となる。
【００６１】
この後、１８０℃程度で硬度をあまり落とさない程度の焼戻しを行なう。この１８０℃程度の焼戻しでは、高密度の転位はほとんど消失しないで維持される。この焼戻しは組織を安定化するために行なう。この焼戻しでは、セメンタイトの凝集は生じないし、軟化もほとんど生じない。鋼材によっては、この焼戻しは省略してもよい。
【００６２】
上記の残留オーステナイトを含んだ高周波焼入れ組織は、強靭であり、苛酷な使用条件下で長寿命を実現することができる。
【００６３】
上記の熱処理を行なうことにより、表層部のオーステナイト粒度を１１番以上の超微細粒にし、また内部のミクロ組織をフェライトと炭化物との混合組織にすることができる。また、表層部の硬度をＨＶ６５３以上とし、残留オーステナイトを１０〜５０体積％、より好ましい範囲である１５〜３５体積％の範囲にすることができる。一方、表層部以外の部分の硬度をＨＶ３００以下とすることができる。したがって、上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労特性が長寿命であり、かしめ加工が容易である。
【実施例１】
【００６４】
軸受鋼ＳＵＪ２または浸炭鋼ＳＣＭ４２０を用いて、図８に示すヒートパターンＨ1（図６に対応）および図９に示すヒートパターンＨ2（図７に対応）の熱処理を施した。すなわち、鋼管または冷間加工された鋼材に、まずＡ1点以上で浸炭窒化処理を施し、その後、ヒートパターンＨ1またはＨ2に応じて、（ヒートパターンＨ1）Ａ1点以下に徐冷（炉冷）するか、または（ヒートパターンＨ2）Ａ1点以下に急冷後に焼戻し（調質）する。その後、転走面に対応する表層部のみに高周波焼入れを施す。上記のヒートパターンＨ1、Ｈ2における温度は、図８および図９に示すとおりである。
【００６５】
ローラ軸２を試料として、上記の熱処理により作製された試験体では、表層部で残留オーステナイトが１０〜５０体積％、より好ましい１５〜３５体積％であり、オーステナイト結晶粒度が１１番以上と超微細化される。この試験体について硬度測定を行なった。また、比較のために、浸炭窒化処理を行なわずに高周波焼入れのみを行なった従来例の試験体Ｊについても硬度測定を行なった。各試験体の形状および硬度測定位置を図１０に示す。また、測定結果を表１に示す。なお、図１０の斑点模様部は硬化部分を示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
表１によれば、本発明例の試験体１および２では、表層部ＡおよびＢでは、硬度がＨＶ７６０〜８０５と非常に高く、また、表層部以外の位置ＣおよびＤではＨＶ２６０〜２８０となっている。この位置ＣおよびＤにおける硬度は、かしめ加工に適切な硬度である。一方、従来例では、浸炭窒化処理を行なわないことを反映して、表層部ＡおよびＢでの硬度がＨＶ７３５〜７８０と低い側にばらつき、また測定位置ＣおよびＤの硬度もＨＶ２１０〜２４０と低い。
【００６８】
次に、上記の試験体１および２に対して外輪回転型疲労寿命試験を行なった。試験体および試験条件を表２および表３に示す。また、疲労試験装置を図１１に示す。この疲労試験装置では、試験体３０の外側上下から挟むようにローラ３５が配置され、ローラ３５が試験体３０の表層部に外側から密着して外圧を加えながら回転して、試験体３０に応力が印加される。
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
【００７１】
上記の試験条件によれば、試験中に表面損傷または内部起点型剥離が発生する。したがって、本試験を実施することにより、表面損傷および内部起点剥離の両方の寿命を確認することができる。この疲労試験の結果を表４に示す。
【００７２】
【表４】
【００７３】
表４によれば、本発明例の試験体１および２は従来例の試験体Ｊの３倍の長寿命を有する。従来例の試験体Ｊでは、浸炭窒化処理を行なわないことに起因する金属組織（オーステナイト結晶粒度、残留オーステナイト量）のために疲労寿命が短いものと考えられる。
【００７４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の転がり軸受では、超微細なオーステナイト粒、適量の残留オーステナイト量および高硬度からなる表層部と、それ以外の軟質部を有する部材を配置することにより、長寿命と良好なかしめ加工性との両方を確保することができる。上記のような１つの部材における２つのミクロ組織は、適切な熱処理パターンを施すことにより得ることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１ ロッカーアーム、１ａ，１ｂ カムフォロア本体の端部、２ ローラ軸（内輪）、２ａ ローラ軸かしめ加工部、３ ころ（転動体）、４ ローラ（外輪）、５ カムフォロア軸、６ カム、７ アジャストねじ、８ ロックナット、９ バルブ、１０ ばね、１４ ローラ支持部、１４ａ ローラ支持面取り部、１５ ピボット受け部、１６ 連動棒、１６ａ 軸受取付部、１７ 取付部材、２５ かしめ加工固定部、３０ 試験体、３１ 高周波焼入れ部、３５ 転動試験装置の外輪、５０ カムフォロア本体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、その転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアおよびカムに関するものである。また、本発明は、ローラ軸の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の転がり軸受の中には、たとえば、ロッカーアーム用軸受のように、保持器を用いない総ころタイプの軸受でありながら、高速、高荷重用途の要求が増えている。本説明では、とくに総ころ軸受と他の転がり軸受とを区別せず、すべて転がり軸受と記する。保持器のない転がり軸受では、ころ同士の干渉が避けられず、また潤滑剤が軸受内部にうまく供給されないことにより、ころやレースの表面を起点にする剥離を生じることがある。
【０００３】
また、ころの回転速度が高速になると、組付け誤差や偏荷重の影響によりころに表面損傷が生じたり、スムーズにころ位置が制御されずスキューを起こしやすい。このため、滑りによる表面起点剥離や局部的な面圧上昇による内部起点型剥離が生じることもある。この結果、滑り発熱や局部的な面圧上昇が起こり、ピーリング、スミアリング、表面起点型剥離などの表面損傷や内部起点型剥離が生じやすかった。
【０００４】
上記の問題を解決するために、下記に示す方策が提案されてきた。
（１） エンジンの動弁機構用カムフォロア装置用軸受において、エンジンの定格回転数での軸受の計算寿命を１０００時間以上とするもの（特許文献１参照）。
【０００５】
（２） 炭化物の割合を１０％〜２５％とし、残留オーステナイトの初期値に対する分解率を１０分の１〜１０分の３とし、また、端面硬度をＨＶ８３０〜９６０とし、さらに表面粗さの平均波長を２５μｍ以下とした、エンジンの動弁機構用カムフォロア装置用軸受軸。上記特性を実現するために、軸受鋼に浸炭窒化処理およびハードショットピーニングを施す（特許文献２参照）。
【０００６】
（３） 軸の耐摩耗性向上のため、軸に高分子化合物などの固体潤滑膜を形成したカムフォロア軸（特許文献３参照）。
【０００７】
（４） 工具鋼などで製作し、焼戻し温度よりも低い温度でイオン窒化やイオンプレーティングを行ない、高硬度にしたカムフォロア軸（特許文献４参照）。
【０００８】
（５） 軸に対する曲げ応力を１５０ＭＰａ以下に規制したエンジンにおける動弁機構用カムフォロア装置用軸受（特許文献５参照）。
【０００９】
（６） 軸受構成部品の転走面に潤滑油保持性に優れたリン酸塩被膜をつけたエンジンの動弁機構用カムフォロア（特許文献６、７参照）。
【００１０】
（７） 軸のころ転動領域にクラウニングをつけたエンジンの動弁機構用カムフォロア（特許文献８参照）。
【００１１】
（８） 軸の転走面を構成する表層は、炭素濃度を１．２％〜１．７％にするために、高濃度浸炭処理または浸炭窒化処理を行ない、内部は硬度をＨＶ３００程度にした軸（特許文献９参照）。
【００１２】
しかし、エンジンのローラ付きカムフォロアは、ロッカーアームに固定する際に、軸の両端面部にかしめ成形を施して、軸支持部材にかしめる加工がなされる場合がある。この場合、ころの転走面は高硬度を必要とするが、端部はかしめ成形が可能となるように軟質でなければならない。この点を考慮した開発も多くなされてきた（特許文献１０−１３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−３８９０７号公報
【特許文献２】特開平１０−４７３３４号公報
【特許文献３】特開平１０−１０３３３９号公報
【特許文献４】特開平１０−１１０７２０号公報
【特許文献５】特開２０００−３８９０６号公報
【特許文献６】特開２０００−２０５２８４号公報
【特許文献７】特開２００２−３１２１２号公報
【特許文献８】実開昭６３−１８５９１７号公報
【特許文献９】特開２００２−１９４４３８号公報
【特許文献１０】特開平５−３２１６１６号公報
【特許文献１１】特開昭６２−７９０８号公報
【特許文献１２】特公平６−１５８１１号公報
【特許文献１３】特公平６−８０２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、今後、エンジンのローラ付きカムフォロアでは、通常の軸受同様に、高速化と大荷重化、潤滑油の低粘度化が進むことが避けられない。このような使用条件下での転動寿命の長寿命化を達成することが求められている。
【００１５】
本発明は、苛酷な使用条件下で表面起点剥離などの表面損傷や内部起点剥離に対して長寿命になり、かつ端部でのかしめ加工が容易な転がり軸受、その転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアおよびカム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】
【００１６】
本発明の転がり軸受は、外方部材と、外方部材の内方に位置する内方部材と、外方部材と内方部材との間に介在する転動部材とを備え、外方部材および内方部材の少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、前記少なくとも１つの部材において、転動体が転走する転走面の領域の表層部のオーステナイト結晶粒度が１１番以上であり、その部材の端部の硬さがＨＶ（ビッカース硬度）３００以下とする。
【００１７】
この構成により、上記転走面の領域の表層部において、表面起点剥離などの表面損傷および内部起点剥離を抑制して長寿命を実現し、また、前記部材の端部では硬さを上記のように限定しているので、かしめ成形を行ない易くすることができる。転走面の表層部のオーステナイト結晶粒度が１１番未満では苛酷な使用条件下での転動疲労寿命を長くすることができないので、表層部のオーステナイト結晶粒度を１１番以上とする。また、窒素富化層を配置するのは、窒素富化層を高周波焼入れすることによりミクロ組織を微細化して強靭化するためである。なお、オーステナイト結晶粒とは、焼入加熱中に相変態したオーステナイトの結晶粒のことであり、これは、冷却によりマルテンサイトに変態した後も、過去の履歴として残存しているものをいう。上記オーステナイト結晶粒は、対象とする部材の金相試料に対してエッチングなど、粒界を顕出する処理を施して観察することができる粒界であればよい。低温焼入れ直前の加熱された時点での粒界という意味で、旧オーステナイト粒と呼ぶ場合がある。測定は、上述のようにＪＩＳ規格の粒度番号の平均値から平均粒径に換算して求めてもよいし、切片法などにより金相組織に重ねたランダム方向の直線が粒界と会合する間の間隔長さの平均値をとり、補正係数をかけて２次元から３次元の間隔長さにしてもよい。
【００１８】
なお、上記窒素富化層は、あとで説明するように、浸炭窒化処理により形成されるが、上記窒素富化層に炭素が富化されていてもよいし、富化されていなくてもよい。
【００１９】
上記の転走面の領域の表層部以外の領域では、そのミクロ組織がフェライトと炭化物とを有するようにしてもよい。
【００２０】
ここで、フェライトは鉄のα相のことであり、マルテンサイトなどのように転位を高密度に含まないフェライトを指す。オーステナイト（γ）相から徐冷されて生成するフェライトや、焼入れられた後に十分に焼き戻されたフェライトがこれに対応する。このような転位密度の低いフェライトに対応したセメンタイトなどの炭化物は、凝集粗大化した状態で分散している。したがって、上記のフェライトと炭化物とを有するミクロ組織は、典型的な軟化された状態に対応する。
【００２１】
なお、炭化物は、主にセメンタイトＦｅ3Ｃをさすが、窒素富化層では炭素ほどではないが窒素を多く含むため、Ｆe3（Ｃ、Ｎ）のように炭窒化物というべきである。しかし、説明を簡単にするため、炭化物というとき、上記炭窒化物も含めて指すこととする。また、通常、鋼材はＭｎなどを含むため、炭化物の中に固溶して（Ｆｅ、Ｍｎ）3（Ｃ、Ｎ）のような形態をとるが、このような形態を当然含む。さらに、焼戻しが高温で行なわれるとき、Ｍ3Ｃ型の炭化物だけでなく、Ｍ23Ｃ6型の炭化物やその他の炭化物をも含むが、上記炭化物にはそのような炭化物をも含んでいる。
【００２２】
上記の転走面の領域の表層部は高周波焼入れされて形成されてもよい。その表層部の硬度をＨＶ６５３以上の範囲とすることができる。
【００２３】
この構成により、表層部における表面損傷や内部起点剥離を確実に抑制することにより長寿命を実現し、またその他の部分におけるかしめ加工を容易化することができる。表層部の硬度がＨＶ６５３未満では、上記の条件下での長寿命化は難しく、また表層部以外の部分の硬度がＨＶ３００を超えると大量生産工程でかしめ加工を行なうことが困難になる。
【００２４】
上記の転走面の領域の表層部において残留オーステナイトが１０〜５０体積％を占めるようにできる。この構成により、表面起点剥離や内部起点剥離における亀裂進展を抑制することができる。残留オーステナイトが１０体積％未満では苛酷な使用条件下での長寿命を得ることができず、また５０体積％を超えると微細な残留オーステナイトにならず、かえって上記の使用条件下での寿命を短くする。
【００２５】
上記の残留オーステナイトの測定は、Ｘ線回折法、透過型電子顕微鏡観察(TEM:Transimission Electron Microscopy)、など周知の方法で行なうことができる。オーステナイトは、フェライトやセメンタイトと異なり、強磁性体ではないことを利用して、磁気天秤などの磁気測定装置を用いて測定することもできる。
【００２６】
上記の少なくとも１つの部材は、Ａ1点以上で浸炭窒化処理した後にＡ1点未満にまで徐冷し、次いで表層部を高周波焼入れする処理、およびＡ1点以上で浸炭窒化処理した後、Ａ1点未満にまで急冷し、次いでＡ1点未満で焼戻しを行ない、その後表層部を高周波焼入れする処理、のいずれかの処理がなされることができる。上記のＡ1点は、共析温度に対応しており、たとえばＦｅ−Ｃ系では７２３℃である。また、転がり軸受に通常用いられる鋼材のＡ1点もその付近の温度である。
【００２７】
上記の処理により、表層部において各種の損傷を受け難くいために長寿命であり、その他の部分でかしめ加工しやすい部材を得ることができる。高周波焼入れされる表層部で、オーステナイト結晶粒度がＪＩＳ規格にしたがって１１番以上で、残留オーステナイトが１０〜５０体積％で、硬度ＨＶ６５３以上になるのは、浸炭窒化処理と、転走面を含む表層部に高周波焼入れとが施されるためである。また、高周波焼入れの影響が及ばない部位で、硬度がＨＶ３００以下になるのは、浸炭窒化処理後に徐冷するかまたは急冷しても調質（焼戻し）処理するからである。
【００２８】
上記のいずれかの転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアであって、外方部材であるローラが、内方部材である軸との間に該ローラの内周を転走するころを介在させて、その軸により支持され、ころが転走する部分が軸の転走面の領域の表層部とされている。
【００２９】
この構成により、ローラ付きカムフォロアのローラの転走部からの損傷発生を抑えて長寿命を実現することができる。
【００３０】
上記のいずれかの転がり軸受が適用されたローラ付きカムフォロアであって、その軸は、その端部が塑性加工され、支持部材に固定されるようにできる。
【００３１】
この構成により、たとえば軸の端部などにおけるかしめ加工を容易に行なうことが可能になる。
【００３２】
また、上記のカムフォロア本体がプレス成形されていてもよい。
上記プレス成形により、カムフォロア本体を能率よく大量に生産することが可能となる。プレス成形は、具体的には冷間鍛造等である。
【００３３】
本発明のカムは、ロッカーアームに設けられた外方部材に当接するカムであって、前記カムの前記外方部材と当接する表層部において、オーステナイト結晶粒度が１１番以上である。
【００３４】
この構成により、上記カムの表層部において、表面起点剥離などの表面損傷および内部起点剥離を抑制して長寿命を実現することができる。
【００３５】
本発明に従ったローラ軸の製造方法は、鋼からなる部材にＡ１点以上の浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理を行なうことにより窒素富化層を形成する工程と、窒素富化層が形成された上記部材をＡ１点よりも低い温度に冷却することにより、当該部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程と、内部にフェライトとセメンタイトとが生成した上記部材の表面層を高周波焼入れする工程とを備えた熱処理が実施されることを特徴とする。
【００３６】
上記ローラ軸の製造方法においては、上記部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程は、浸炭窒化処理温度から上記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程を含んでいてもよい。
【００３７】
上記ローラ軸の製造方法においては、上記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程は、浸炭窒化処理温度〜（Ａ１点−１００℃）の温度域において実施されてもよい。
【００３８】
上記ローラ軸の製造方法においては、上記部材の表面層を高周波焼入れする工程では、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが実施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。
【図２】（ａ）は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ部拡大図であり、かしめ加工固定部を示す図である。
【図３】本発明の別の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。
【図４】本発明のさらに別の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。
【図５】図４のエンジンのローラ付きカムフォロアのカムと接触する総ころ軸受の部分の拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態における熱処理パターンを説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態における別の熱処理パターンを説明する図である。
【図８】実施例における熱処理パターンＨ1を示す図である。
【図９】実施例における熱処理パターンＨ2を示す図である。
【図１０】試験体における硬度測定位置を示す図である。
【図１１】外輪回転の転動疲労試験機を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアの構成を示す概略正面図であり、図２（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応する図である。図１および図２（ａ）を参照して、回動部材であるロッカーアーム１は、中央部において軸受メタルなどを介してロッカーアーム軸５に回転自在に支持されている。
【００４１】
このロッカーアーム１の他の端部１ｂには、アジャストねじ７が螺挿されている。このアジャストねじ７はロックナット８により固定され、その下端において内燃機関の給気弁もしくは排気弁のバルブ９の上端と当接している。このバルブ９はばね１０の弾発力で付勢されている。
【００４２】
ロッカーアーム１は、一の端部１ａにカムフォロア本体５０が設けられ、カムフォロア本体５０は二股状に形成されたローラ支持部１４を一体に有している。図２（ａ）のＥ部拡大図である図２（ｂ）に示すように、この二股状のローラ支持部１４には面取り部１４ａが設けられ、内方部材に相当するローラ軸２の両端２ａがかしめ加工されてかしめ加工部２５を形成し固定されている。すなわち、ローラ軸の少なくとも両端２ａでは硬度をＨＶ３００以下に抑制されてかしめ加工が容易にされ、かしめ加工を施されてローラ支持部の面取り部にかしめ加工固定部２５を形成している。
【００４３】
このローラ軸２の外周面中央部には、転動体であるころ３を介して回転自在に、外方部材を構成するローラ４が支持されている。ころ３の軸線方向は、ローラ軸の軸線に平行に配置されている。このローラ４の外周面は、ばね１０の付勢力によりカム軸に設けられたカム６のカム面に当接されている。
【００４４】
ここで、ローラ軸２と、ころ３と、ローラ４とにより構成される転がり軸受がロッカーアーム用転がり軸受として用いられている。一般に、保持器が用いられない場合、総ころ軸受と呼称されるが、本説明では上述のようにとくに区別せずに説明する。上記のロッカーアーム用転がり軸受は、カム６と接触しながら回転するものであるため、ローラ４にはカム６の押付け力と衝撃力とが作用する。本発明の実施の形態のエンジンのローラ付きカムフォロアは、上記ロッカーアーム用転がり軸受、カムフォロア本体を備える部材である。
【００４５】
本実施の形態におけるローラ付きカムフォロアでは、ローラ軸２が窒素富化層を有し、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが施されてオーステナイト結晶粒度が１１番以上（ＪＩＳ規格による）と超微細であり、かつ硬度がＨＶ６５３以上ある。前記転走面の領域の表層部以外の領域では、フェライト粒度またはオーステナイト結晶粒度は１０番以下と比較的粗く、また前記ローラ軸の端部の硬度は低く、ＨＶ３００以下の範囲にある。また、転動体が転走する転走面の領域の表層部では高周波焼入れが施されたために、残留オーステナイトが１０〜５０体積％を占める。この結果、表層部では表面損傷および内部起点型剥離ともに生成しにくく、一方、他の部位では硬度が低いためにかしめ加工しやすい。
【００４６】
図３は、本発明の他の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。このカムフォロアでは、カムフォロア本体５０は、ロッカーアーム１の一方の端部１ｂと他方の端部１ａとの間に開けられ２つの側壁の間にわたるローラ孔（図示せず）にローラ軸２を固定し、一方の端にエンジンの開閉用バルブ９の端部が当接し、他方の端に図示しないピボットが当接する。ピボット受け部１５を設けたカムフォロア本体５０は、バルブの周り所定の向きにばね１０によって付勢され、カム６から伝達される駆動力をローラ４で受けて、前記ばねの付勢力に抗してバルブ９を動かす。
【００４７】
また、図４は、本発明のさらに別の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。図５は、図４のロッカーアーム転がり軸受を含む部分を拡大した図である。図４において、ロッカーアーム１の中央部に回転軸５が配置され、その周りにロッカーアーム１が回動する。ロッカーアーム１の一方の腕の端部１ｂは、エンジンバルブ９の端と当接し、他方の腕の端部１ａは、連動棒１６の端と当接する。アジャストねじ８はロッカーアームの端部１ａと連動棒１６との当接位置を調節する機能を有する。
【００４８】
連動棒１６の下端に位置する中空の軸受取付部１６ａに、カムフォロア本体５０が設けられ、取付部材１７によりロッカーアーム用転がり軸受が取り付けられる。カム６はこの転がり軸受のローラ４に当接して駆動力を連結棒に伝達する。
【００４９】
上記エンジンのローラ付きカムフォロアの転がり軸受を構成する部材のうち、内方部材のローラ軸２は、これから説明する熱処理を施され、その表層部が超微細オーステナイト粒とされている。
【００５０】
上記の図３および図５における内方部材であるローラ軸２が窒素富化層を有し、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが施されてオーステナイト結晶粒度が１１番以上（ＪＩＳ規格による）と超微細であり、かつ硬度がＨＶ６５３以上ある。前記転走面の領域の表層部以外では、オーステナイト結晶粒度は１０番以下と比較的粗く、また硬度は低くＨＶ３００以下の範囲にある。また、転動体が転走する転走面の領域の表層部では高周波焼入れが施されたために、残留オーステナイトが１０〜５０体積％を占める。この結果、表層部では表面損傷および内部起点型剥離ともに生成しにくく、一方、他の部位では硬度が低いためにかしめ加工しやすい。このため、図示していないが、ローラ軸の両端はかしめ加工され、ローラ軸支持部の面取り部にかしめ加工固定部を形成している。
【００５１】
次に、これら転がり軸受の内方部材（ローラ軸）に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。図６は、本発明の実施の形態における熱処理方法を説明する図である。また、図７は、本発明の実施の形態における別の熱処理方法を説明する図である。図６はＡ1点以上で浸炭窒化処理を行なった後、そのまま徐冷する熱処理パターンであり、図７は浸炭窒化処理を行なった後、急冷し、次いでＡ1点未満で調質処理すなわち焼戻し処理を行なう熱処理パターンである。図６の熱処理パターンにおける徐冷処理また図７における調質処理は、互いに対応しており、表層部以外の部分の硬度を低くすることに寄与している。図６および図７の熱処理パターンのどちらもその後で、転走面のある表層部に高周波焼入れを施し、その後、低温焼戻しを施す。
【００５２】
上記のいずれかの熱処理を軸受部材の内方部材およびカムに施すことができる。
上記のいずれの熱処理によってもその中の浸炭窒化処理によって、「浸炭窒化処理層」である窒素富化層が形成される。浸炭窒化処理において素材となる鋼の炭素濃度が高いため、通常の浸炭窒化処理の雰囲気から炭素が鋼の表面に侵入しにくい場合がある。たとえば炭素濃度が高い鋼の場合、それ以上高い炭素濃度の浸炭層が生成する場合もあるし、それ以上高い炭素濃度の浸炭層は生成しにくい場合がある。しかし、窒素濃度は、Ｃｒ濃度などにも依存するが、通常の鋼では最大限０.０２５ｗｔ％程度以下と低いので、素材の鋼の炭素濃度によらず窒素富化層が明瞭に生成される。本実施の形態では、かしめ加工を行なうためにミクロ組織にフェライトを含むようにするため、炭素濃度は比較的低くするので、上記窒素富化層には炭素も併せて富化される場合が多い。
【００５３】
次に、図６および図７の各処理ごとにミクロ組織がどのように生成されてゆくか説明する。まず、たとえばＡ1点以上で浸炭窒化処理を行なう。この浸炭窒化処理おいて、転がり軸受の対象部材に窒素富化層を形成する。この窒素富化層では、鉄原子Ｆｅに対する侵入型元素であるＣ、Ｎが過共析に侵入し、たとえばオーステナイト中に炭化物が析出している（２相共存）。すなわち、窒素富化層では過共析鋼となっている。また、浸炭窒化処理されない内部では、素材である元々の鋼材の組成により、オーステナイト相となっている。また、素材である鋼材がフェライトとオーステナイトとの２相、またはオーステナイトとセメンタイトとの２相、が共存する温度で浸炭窒化処理を行なってもよい。
【００５４】
次いで、冷却する際に、図６のパターン（ヒートパターンＨ1とする）では、浸炭窒化処理温度から徐冷する。この徐冷の目的は、組織を軟化し加工性を向上するためである。この徐冷中に、内部では上記のオーステナイトから、フェライトとセメンタイトとで構成されるパーライトが生成するが、パーライト中のセメンタイトを層状化させずに凝集粗大化させることにより、軟化を推進する。したがって、徐冷する温度域は浸炭窒化処理温度〜（Ａ1点−１００℃）程度まででよい。これより低い温度まで徐冷してもセメンタイトの凝集粗大化は期待できず、時間ばかりかかり能率を低下させる。目安としては６２０℃程度まででよい。その後は、時間短縮のために空冷してもよいし、水冷や油冷を行なってもよい。
【００５５】
窒素富化層では、炭化物＋オーステナイトのオーステナイトからパーライトが生成し、その中の炭化物が凝集粗大化する。
【００５６】
また、図７のパターン（ヒートパターンＨ2とする）では、浸炭窒化処理温度から、たとえば油冷などして焼き入れる。この場合、内部では、もともとの鋼材の組成によりオーステナイトからマルテンサイトなどが生成する。このマルテンサイト組織は硬い。このままでは、かしめ加工は困難なので、上記焼戻処理（調質処理）を行なう。焼戻しはＡ1点直下でＡ1点にできるだけ近い温度で急速に進行する。すなわち、高温焼戻しを行なう。したがって、焼戻しはＡ1点〜６５０℃の範囲、またより好ましくはＡ1点〜６８０℃の範囲で行なうことが望ましい。この焼戻しにより、マルテンサイト組織における高い転位密度は消失し、転位密度の低いフェライトと凝集粗大化したセメンタイトとの組織が得られる。
【００５７】
また、窒素富化層では、油冷などの焼入れによって（炭化物＋オーステナイト）のオーステナイトからマルテンサイトが生成する。マルテンサイトは、上記の焼戻しにより、内部に生成したマルテンサイトと同様に軟化される。元々あった炭化物は凝集する。
【００５８】
なお、上記のミクロ組織の説明は、分りやすさを優先させているので、上述したように、窒素やより複雑な実際のミクロ組織における副次的な要因は無視している。
【００５９】
次に、ヒートパターンＨ1およびＨ2ともに、高周波焼入れを行なう。この高周波焼入れの前段階では、窒素富化層は、凝集した炭化物（比率大）と、フェライトとが混在した組織であった。高周波焼入れでは急速加熱され、このとき、炭化物が固溶しながらオーステナイトを核発生させる。分散している炭化物の密度は非常に高いために、オーステナイト核発生密度は非常に高く、発生したオーステナイトが互いに会合して形成されるオーステナイト組織の結晶粒は超微細である。また、窒素富化層は過共析鋼なので、炭化物が共存し、この炭化物ができたばかりで超微細なオーステナイト粒の成長を阻止する。このため、窒素富化層において、超微細なオーステナイト粒を得ることができる。急速加熱の温度が高くなるにつれ炭化物は固溶し、超微細オーステナイトに多くの炭素が固溶される。
【００６０】
次に、急速加熱した後に焼入れを行なうと、超微細オーステナイトはマルテンサイトに変態する。このとき炭素を多く固溶しているためにオーステナイトが安定化され、マルテンサイトの間の微細な領域に未変態のオーステナイトが取り残される。これが残留オーステナイトである。この残留オーステナイトはマルテンサイトの間に形成されるため非常に微細である。体積率にして残留オーステナイトは１０〜５０体積％となる。
【００６１】
この後、１８０℃程度で硬度をあまり落とさない程度の焼戻しを行なう。この１８０℃程度の焼戻しでは、高密度の転位はほとんど消失しないで維持される。この焼戻しは組織を安定化するために行なう。この焼戻しでは、セメンタイトの凝集は生じないし、軟化もほとんど生じない。鋼材によっては、この焼戻しは省略してもよい。
【００６２】
上記の残留オーステナイトを含んだ高周波焼入れ組織は、強靭であり、苛酷な使用条件下で長寿命を実現することができる。
【００６３】
上記の熱処理を行なうことにより、表層部のオーステナイト粒度を１１番以上の超微細粒にし、また内部のミクロ組織をフェライトと炭化物との混合組織にすることができる。また、表層部の硬度をＨＶ６５３以上とし、残留オーステナイトを１０〜５０体積％、より好ましい範囲である１５〜３５体積％の範囲にすることができる。一方、表層部以外の部分の硬度をＨＶ３００以下とすることができる。したがって、上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労特性が長寿命であり、かしめ加工が容易である。
【実施例１】
【００６４】
軸受鋼ＳＵＪ２または浸炭鋼ＳＣＭ４２０を用いて、図８に示すヒートパターンＨ1（図６に対応）および図９に示すヒートパターンＨ2（図７に対応）の熱処理を施した。すなわち、鋼管または冷間加工された鋼材に、まずＡ1点以上で浸炭窒化処理を施し、その後、ヒートパターンＨ1またはＨ2に応じて、（ヒートパターンＨ1）Ａ1点以下に徐冷（炉冷）するか、または（ヒートパターンＨ2）Ａ1点以下に急冷後に焼戻し（調質）する。その後、転走面に対応する表層部のみに高周波焼入れを施す。上記のヒートパターンＨ1、Ｈ2における温度は、図８および図９に示すとおりである。
【００６５】
ローラ軸２を試料として、上記の熱処理により作製された試験体では、表層部で残留オーステナイトが１０〜５０体積％、より好ましい１５〜３５体積％であり、オーステナイト結晶粒度が１１番以上と超微細化される。この試験体について硬度測定を行なった。また、比較のために、浸炭窒化処理を行なわずに高周波焼入れのみを行なった従来例の試験体Ｊについても硬度測定を行なった。各試験体の形状および硬度測定位置を図１０に示す。また、測定結果を表１に示す。なお、図１０の斑点模様部は硬化部分を示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
表１によれば、本発明例の試験体１および２では、表層部ＡおよびＢでは、硬度がＨＶ７６０〜８０５と非常に高く、また、表層部以外の位置ＣおよびＤではＨＶ２６０〜２８０となっている。この位置ＣおよびＤにおける硬度は、かしめ加工に適切な硬度である。一方、従来例では、浸炭窒化処理を行なわないことを反映して、表層部ＡおよびＢでの硬度がＨＶ７３５〜７８０と低い側にばらつき、また測定位置ＣおよびＤの硬度もＨＶ２１０〜２４０と低い。
【００６８】
次に、上記の試験体１および２に対して外輪回転型疲労寿命試験を行なった。試験体および試験条件を表２および表３に示す。また、疲労試験装置を図１１に示す。この疲労試験装置では、試験体３０の外側上下から挟むようにローラ３５が配置され、ローラ３５が試験体３０の表層部に外側から密着して外圧を加えながら回転して、試験体３０に応力が印加される。
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
【００７１】
上記の試験条件によれば、試験中に表面損傷または内部起点型剥離が発生する。したがって、本試験を実施することにより、表面損傷および内部起点剥離の両方の寿命を確認することができる。この疲労試験の結果を表４に示す。
【００７２】
【表４】
【００７３】
表４によれば、本発明例の試験体１および２は従来例の試験体Ｊの３倍の長寿命を有する。従来例の試験体Ｊでは、浸炭窒化処理を行なわないことに起因する金属組織（オーステナイト結晶粒度、残留オーステナイト量）のために疲労寿命が短いものと考えられる。
【００７４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の転がり軸受では、超微細なオーステナイト粒、適量の残留オーステナイト量および高硬度からなる表層部と、それ以外の軟質部を有する部材を配置することにより、長寿命と良好なかしめ加工性との両方を確保することができる。上記のような１つの部材における２つのミクロ組織は、適切な熱処理パターンを施すことにより得ることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１ ロッカーアーム、１ａ，１ｂ カムフォロア本体の端部、２ ローラ軸（内輪）、２ａ ローラ軸かしめ加工部、３ ころ（転動体）、４ ローラ（外輪）、５ カムフォロア軸、６ カム、７ アジャストねじ、８ ロックナット、９ バルブ、１０ ばね、１４ ローラ支持部、１４ａ ローラ支持面取り部、１５ ピボット受け部、１６ 連動棒、１６ａ 軸受取付部、１７ 取付部材、２５ かしめ加工固定部、３０ 試験体、３１ 高周波焼入れ部、３５ 転動試験装置の外輪、５０ カムフォロア本体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる部材にＡ１点以上の浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理を行なうことにより窒素富化層を形成する工程と、
前記窒素富化層が形成された前記部材をＡ１点よりも低い温度に冷却することにより、前記部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程と、
内部にフェライトとセメンタイトとが生成した前記部材の表面層を高周波焼入れする工程とを備えた熱処理が実施されることを特徴とする、ローラ軸の製造方法。
【請求項２】
前記部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程は、前記浸炭窒化処理温度から前記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程を含んでいる、請求項１に記載のローラ軸の製造方法。
【請求項３】
前記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程は、前記浸炭窒化処理温度〜（Ａ１点−１００℃）の温度域において実施される、請求項２に記載のローラ軸の製造方法。
【請求項４】
前記部材の表面層を高周波焼入れする工程では、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが実施される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のローラ軸の製造方法。
【請求項１】
鋼からなる部材にＡ１点以上の浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理を行なうことにより窒素富化層を形成する工程と、
前記窒素富化層が形成された前記部材をＡ１点よりも低い温度に冷却することにより、前記部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程と、
内部にフェライトとセメンタイトとが生成した前記部材の表面層を高周波焼入れする工程とを備えた熱処理が実施されることを特徴とする、ローラ軸の製造方法。
【請求項２】
前記部材の内部にフェライトとセメンタイトとを生成させる工程は、前記浸炭窒化処理温度から前記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程を含んでいる、請求項１に記載のローラ軸の製造方法。
【請求項３】
前記部材を徐冷することによりセメンタイトを凝集粗大化させる工程は、前記浸炭窒化処理温度〜（Ａ１点−１００℃）の温度域において実施される、請求項２に記載のローラ軸の製造方法。
【請求項４】
前記部材の表面層を高周波焼入れする工程では、転動体が転走する転走面の領域の表層部に高周波焼入れが実施される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のローラ軸の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１５９８８０（Ｐ２０１０−１５９８８０Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１０９９（Ｐ２０１０−２１０９９）
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【分割の表示】特願２００４−１５８０４６（Ｐ２００４−１５８０４６）の分割
【原出願日】平成１６年５月２７日（２００４．５．２７）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【分割の表示】特願２００４−１５８０４６（Ｐ２００４−１５８０４６）の分割
【原出願日】平成１６年５月２７日（２００４．５．２７）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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