転がり軸受
【課題】工作機械のスピンドル用として好適な転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪、外輪、および転動体のうち少なくとも１つを以下の方法で製造する。先ず、炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用いて所定形状に成形する。次いで、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理、−８０〜−２０℃での深冷処理、２００℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行う。
【解決手段】内輪、外輪、および転動体のうち少なくとも１つを以下の方法で製造する。先ず、炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用いて所定形状に成形する。次いで、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理、−８０〜−２０℃での深冷処理、２００℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、農業機械、建設機械、鉄鋼機械等に使用される転がり軸受、特に、工作機械のスピンドル支持用の転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受においては、軌道輪と転動体との間で転がり運動が行われ、軌道輪及び転動体は繰り返し応力を受ける。そのため、これらの部材を構成する材料には、硬い、負荷に耐える、転がり疲労寿命が長い、滑りに対する耐摩耗性が良好である等の性質が要求される。
そこで、一般的には、これらの部材を構成する材料には、軸受鋼としては日本工業規格のＳＵＪ２、そして肌焼鋼としては日本工業規格のＳＣＲ４２０相当の鋼やＳＣＭ４２０相当の鋼等がよく使用されている。
【０００３】
これらの材料は前述のように繰り返し応力を受けるので、転がり疲労寿命等の必要とされる性質を得るために、軸受鋼であれば焼入れ、焼戻しが施され、肌焼鋼であれば浸炭処理又は浸炭窒化処理後に焼入れ、焼戻しが施されて、硬さがＨｖ６８０以上８００以下とされている。
近年、各種の工作機械は、加工効率及び生産性向上を目的として、主軸の回転速度や周辺機器の送り速度等の高速化が進んでおり、ユーザーの工作機械に対する高速化の要求はますます強くなってきている。特に、工作機械の主軸は超高速回転とすることが要求されており、主軸を支持するグリース潤滑の転がり軸受のＤm ｎ値（Ｄm は転動体のピッチ円直径（ｍｍ）であり、ｎは回転速度（ｍｉｎ-1）である）で、１×１０6 を超えるものも最近では珍しくなくなってきている。
【０００４】
下記の特許文献１には、工作機械のスピンドル用として十分な耐圧痕性を有する転がり軸受を提供するために、内輪、外輪、転動体の少なくとも何れかを、炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用い、浸炭窒化処理、油焼入れ、深冷処理、２４０℃以上４００℃以下での焼戻しをこの順に行うことで、表層部の窒素含有率を０．０５質量％以上０．５質量％以下、表層部の残留オーステナイト量を５体積％以下にすることが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−７６６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の転がり軸受には割れが生じ易いという問題点がある。
本発明の課題は、工作機械のスピンドル用として好適な、耐圧痕性が高く、割れも生じにくい転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくとも１つは、炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用いて形成された後に、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理、−８０〜−２０℃での深冷処理、２００℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行うことにより得られ、表層部の炭素含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下に、表層部の窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下に、表層部の残留オーステナイト量が５体積％以下にされていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
本発明の転がり軸受は、特許文献１に記載された方法の浸炭窒化処理後の油焼入れに代えて高周波焼入れを行うことで、特許文献１で問題になっている割れを生じにくくすることがてきる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、工作機械のスピンドル用として好適な、耐圧痕性が高く、割れも生じにくい転がり軸受が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
このアンギュラ玉軸受１０は、工作機械のスピンドル支持用として好適な転がり軸受であり、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１及び外輪１２の間に転動自在に配設された複数の玉１３と、内輪１１及び外輪１２の間に玉１３を保持する保持器１４と、で構成されている。そして、このアンギュラ玉軸受１０の内径は６５ｍｍ、外径は１００ｍｍ、幅は１８ｍｍ、玉１３の直径は７．１４４ｍｍ、玉数は２８個、接触角は１８°、内輪１１及び外輪１２に形成されている軌道溝の曲率半径は、それぞれ玉１３の直径の５２％及び５６％である。
【０００９】
内輪１１及び外輪１２は、以下のようにして製造されたものである。表１に示す組成の鋼材（Ａ〜Ｅ）を所定の形状に成形し、No. １〜３については、図２に示す熱処理、すなわち、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、周波数１０〜２０ｋＨｚ、出力電圧２００〜４００Ｖ、処理時間５秒の条件での高周波焼入れ処理、−８０℃での深冷処理、３００℃での焼戻し処理をこの順に行った。この熱処理は本発明で行う熱処理に相当する。次に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
【００１０】
No. ４については、図４に示す熱処理、すなわち、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、加熱温度８００〜８６０℃での焼入れ処理、１６０℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行った。次に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
No. ５については、図３に示す熱処理、すなわち、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、加熱温度８００〜８６０℃での油焼入れ処理、−８０℃での深冷処理、２４０℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行った。この熱処理は特許文献１の方法で行う熱処理に相当する。次に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
【００１１】
No. ６については、ＳＵＪ２（鋼種Ｅ）を用い、通常の焼入れ焼戻しを行った後に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
このようにして得られた内輪及び外輪の表層部の炭素含有率（〔Ｃ〕）と窒素含有率（〔Ｎ〕）と残留オーステナイト量（γR ）、表面硬さ（Ｈｖ）を表２に示す。
なお、本発明においては、表層部とは、超仕上げ加工後の表面から深さ２０μｍまでの部分を意味する。また、表層部の炭素含有率および窒素含有率は発光分析装置により測定し、表面硬さはビッカース硬度計により測定し、残留オーステナイト量はＸ線分析装置により測定した。
【００１２】
そして、例えば窒化ケイ素製の玉１３と、フッ素樹脂製の保持器１４を用いて、アンギュラ玉軸受１０を組み立てる。
このようにして得られたNo. １〜６の各内輪及び外輪の耐圧痕性を、円板状試験片を用いた以下の方法で評価した。
円板状試験片の寸法は、直径６０ｍｍ、厚さ６ｍｍで、表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）で０．０１μｍ以下とした。この試験片の円板面に直径４．７６ｍｍ（３／１６インチ）のＳＵＪ２製の球を様々な荷重で押し付けて、生じた圧痕の最大深さを測定した。そして、面圧が４．２ＧＰａの時の最大深さで耐圧痕性を評価した。具体的には、面圧が４．２ＧＰａの時の最大深さが０．１μｍ以下の場合に耐圧痕性がとても良い（◎）、０．１〜０．２μｍの場合に耐圧痕性があまり良くない（△）、０．２μｍ以上の場合に耐圧痕性が悪い（×）と評価した。また、面圧が４．２ＧＰａの時に割れが生じたか否かについても調べた。その結果も表２に併せて示す。
また、外輪外径の楕円変形量（直交する２直径の差）を測定した。その結果も表２に併せて示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
【表２】
【００１５】
本発明の実施例に相当するNo. １〜３では、割れも生じず、耐圧痕性も高かった。比較例に相当するNo. ４〜６のうち、特許文献１の実施例に相当するNo. ５では、耐圧痕性はよかったが割れが生じた。また、No. ４では割れは生じないが、耐圧痕性の点でNo. １〜３、５より劣っていた。No. ６では割れは生じないが、耐圧痕性が悪かった。また、No. １〜３では、楕円変形量が少ないため、仕上げ研磨による取り代を少なくすることができることから、浸炭窒化層の部分（硬度が高く、窒素含有率も高い部分）を軌道面として使用することができる。
このように、本発明の転がり軸受によれば、浸炭窒化処理後に高周波焼入れを行うことで、特許文献１で問題となっている割れが生じず、耐圧痕性も高い。よって、本発明の転がり軸受は工作機械のスピンドル用として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明で行う熱処理方法を示す図である。
【図３】本発明の比較例に相当する熱処理方法（特許文献１の方法）を示す図である。
【図４】本発明の比較例に相当する熱処理方法を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０ アンギュラ玉軸受
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ 玉
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、農業機械、建設機械、鉄鋼機械等に使用される転がり軸受、特に、工作機械のスピンドル支持用の転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受においては、軌道輪と転動体との間で転がり運動が行われ、軌道輪及び転動体は繰り返し応力を受ける。そのため、これらの部材を構成する材料には、硬い、負荷に耐える、転がり疲労寿命が長い、滑りに対する耐摩耗性が良好である等の性質が要求される。
そこで、一般的には、これらの部材を構成する材料には、軸受鋼としては日本工業規格のＳＵＪ２、そして肌焼鋼としては日本工業規格のＳＣＲ４２０相当の鋼やＳＣＭ４２０相当の鋼等がよく使用されている。
【０００３】
これらの材料は前述のように繰り返し応力を受けるので、転がり疲労寿命等の必要とされる性質を得るために、軸受鋼であれば焼入れ、焼戻しが施され、肌焼鋼であれば浸炭処理又は浸炭窒化処理後に焼入れ、焼戻しが施されて、硬さがＨｖ６８０以上８００以下とされている。
近年、各種の工作機械は、加工効率及び生産性向上を目的として、主軸の回転速度や周辺機器の送り速度等の高速化が進んでおり、ユーザーの工作機械に対する高速化の要求はますます強くなってきている。特に、工作機械の主軸は超高速回転とすることが要求されており、主軸を支持するグリース潤滑の転がり軸受のＤm ｎ値（Ｄm は転動体のピッチ円直径（ｍｍ）であり、ｎは回転速度（ｍｉｎ-1）である）で、１×１０6 を超えるものも最近では珍しくなくなってきている。
【０００４】
下記の特許文献１には、工作機械のスピンドル用として十分な耐圧痕性を有する転がり軸受を提供するために、内輪、外輪、転動体の少なくとも何れかを、炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用い、浸炭窒化処理、油焼入れ、深冷処理、２４０℃以上４００℃以下での焼戻しをこの順に行うことで、表層部の窒素含有率を０．０５質量％以上０．５質量％以下、表層部の残留オーステナイト量を５体積％以下にすることが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−７６６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の転がり軸受には割れが生じ易いという問題点がある。
本発明の課題は、工作機械のスピンドル用として好適な、耐圧痕性が高く、割れも生じにくい転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくとも１つは、炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用いて形成された後に、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理、−８０〜−２０℃での深冷処理、２００℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行うことにより得られ、表層部の炭素含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下に、表層部の窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下に、表層部の残留オーステナイト量が５体積％以下にされていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
本発明の転がり軸受は、特許文献１に記載された方法の浸炭窒化処理後の油焼入れに代えて高周波焼入れを行うことで、特許文献１で問題になっている割れを生じにくくすることがてきる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、工作機械のスピンドル用として好適な、耐圧痕性が高く、割れも生じにくい転がり軸受が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
このアンギュラ玉軸受１０は、工作機械のスピンドル支持用として好適な転がり軸受であり、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１及び外輪１２の間に転動自在に配設された複数の玉１３と、内輪１１及び外輪１２の間に玉１３を保持する保持器１４と、で構成されている。そして、このアンギュラ玉軸受１０の内径は６５ｍｍ、外径は１００ｍｍ、幅は１８ｍｍ、玉１３の直径は７．１４４ｍｍ、玉数は２８個、接触角は１８°、内輪１１及び外輪１２に形成されている軌道溝の曲率半径は、それぞれ玉１３の直径の５２％及び５６％である。
【０００９】
内輪１１及び外輪１２は、以下のようにして製造されたものである。表１に示す組成の鋼材（Ａ〜Ｅ）を所定の形状に成形し、No. １〜３については、図２に示す熱処理、すなわち、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、周波数１０〜２０ｋＨｚ、出力電圧２００〜４００Ｖ、処理時間５秒の条件での高周波焼入れ処理、−８０℃での深冷処理、３００℃での焼戻し処理をこの順に行った。この熱処理は本発明で行う熱処理に相当する。次に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
【００１０】
No. ４については、図４に示す熱処理、すなわち、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、加熱温度８００〜８６０℃での焼入れ処理、１６０℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行った。次に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
No. ５については、図３に示す熱処理、すなわち、８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、加熱温度８００〜８６０℃での油焼入れ処理、−８０℃での深冷処理、２４０℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行った。この熱処理は特許文献１の方法で行う熱処理に相当する。次に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
【００１１】
No. ６については、ＳＵＪ２（鋼種Ｅ）を用い、通常の焼入れ焼戻しを行った後に、研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を行った。
このようにして得られた内輪及び外輪の表層部の炭素含有率（〔Ｃ〕）と窒素含有率（〔Ｎ〕）と残留オーステナイト量（γR ）、表面硬さ（Ｈｖ）を表２に示す。
なお、本発明においては、表層部とは、超仕上げ加工後の表面から深さ２０μｍまでの部分を意味する。また、表層部の炭素含有率および窒素含有率は発光分析装置により測定し、表面硬さはビッカース硬度計により測定し、残留オーステナイト量はＸ線分析装置により測定した。
【００１２】
そして、例えば窒化ケイ素製の玉１３と、フッ素樹脂製の保持器１４を用いて、アンギュラ玉軸受１０を組み立てる。
このようにして得られたNo. １〜６の各内輪及び外輪の耐圧痕性を、円板状試験片を用いた以下の方法で評価した。
円板状試験片の寸法は、直径６０ｍｍ、厚さ６ｍｍで、表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）で０．０１μｍ以下とした。この試験片の円板面に直径４．７６ｍｍ（３／１６インチ）のＳＵＪ２製の球を様々な荷重で押し付けて、生じた圧痕の最大深さを測定した。そして、面圧が４．２ＧＰａの時の最大深さで耐圧痕性を評価した。具体的には、面圧が４．２ＧＰａの時の最大深さが０．１μｍ以下の場合に耐圧痕性がとても良い（◎）、０．１〜０．２μｍの場合に耐圧痕性があまり良くない（△）、０．２μｍ以上の場合に耐圧痕性が悪い（×）と評価した。また、面圧が４．２ＧＰａの時に割れが生じたか否かについても調べた。その結果も表２に併せて示す。
また、外輪外径の楕円変形量（直交する２直径の差）を測定した。その結果も表２に併せて示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
【表２】
【００１５】
本発明の実施例に相当するNo. １〜３では、割れも生じず、耐圧痕性も高かった。比較例に相当するNo. ４〜６のうち、特許文献１の実施例に相当するNo. ５では、耐圧痕性はよかったが割れが生じた。また、No. ４では割れは生じないが、耐圧痕性の点でNo. １〜３、５より劣っていた。No. ６では割れは生じないが、耐圧痕性が悪かった。また、No. １〜３では、楕円変形量が少ないため、仕上げ研磨による取り代を少なくすることができることから、浸炭窒化層の部分（硬度が高く、窒素含有率も高い部分）を軌道面として使用することができる。
このように、本発明の転がり軸受によれば、浸炭窒化処理後に高周波焼入れを行うことで、特許文献１で問題となっている割れが生じず、耐圧痕性も高い。よって、本発明の転がり軸受は工作機械のスピンドル用として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】本発明で行う熱処理方法を示す図である。
【図３】本発明の比較例に相当する熱処理方法（特許文献１の方法）を示す図である。
【図４】本発明の比較例に相当する熱処理方法を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０ アンギュラ玉軸受
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ 玉
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくとも１つは、
炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用いて形成された後に、
８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理、−８０〜−２０℃での深冷処理、２００℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行うことにより得られ、表層部の炭素含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下に、表層部の窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下に、表層部の残留オーステナイト量が５体積％以下にされていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくとも１つは、
炭素（Ｃ）を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロム（Ｃｒ）を０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素（Ｓｉ）を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）を０．５質量％以上３．０質量％以下の各範囲で含有し、酸素（Ｏ）の含有率が１０ｐｐｍ以下であり、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼を用いて形成された後に、
８４０〜９２０℃での浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理、−８０〜−２０℃での深冷処理、２００℃以上４００℃以下での焼戻し処理をこの順に行うことにより得られ、表層部の炭素含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下に、表層部の窒素含有率が０．０５質量％以上０．５質量％以下に、表層部の残留オーステナイト量が５体積％以下にされていることを特徴とする転がり軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２０３５２６（Ｐ２００９−２０３５２６Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４６８３９（Ｐ２００８−４６８３９）
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]