Method for manufacturing machine component superior in rolling fatigue life

本発明は、軸受、ギア、ハブユニット、無段変速機、等速ジョイント、ピストンピンなどの、鋼材から成る機械部品の製造に関するもので、その特性として、良好な転動疲労寿命が求められる環状体からなる機械部品の製造に関する。

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。 このような要求に対し、鋼材の面からの対策としては、鋼成分の適正化や鋼成分と共に含有される不純物元素の低減化が行われている。

これらの機械部品や装置を形成する鋼成分と共に含有される不純物元素のうち、これら不純物元素からなるＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＭｎＳ、ＴｉＮその他の非金属介在物は、機械部品や装置における鋼部品の破損の起点となる。 このために、これらの非金属介在物は特に有害であることが知られている。 さらに、これらの非金属介在物の径が大きいほど、鋼部品の転がり疲労寿命は短くなることが知られている。 そのために、非金属介在物量を少なく、すなわち、鋼の清浄度を高くして、非金属介在物の径が２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物の極めて少なくした高清浄度鋼が種々提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

ところで、このような高清浄度鋼からなる鋼材を機械部品や装置に用いても、これらの機械部品や装置が短寿命で破損することを抑制することは未だ十分にできていない。 そのために、鋼材中の非金属介在物を低減し、さらに該非金属介在物を小径化しようとする開発が盛んに行なわれている。

一方、鋼材中の非金属介在物の低減及びその小径化を図らなくても、転動疲労寿命に優れた機械部品を提供する技術開発も盛んに進められている。 例えば、（１）部品の転動による製造時に転動部上におけるファイバーフロー（鍛流線）を制御し、優れた転動疲労寿命を得る技術（例えば、特許文献３参照。）、さらに、（２）転動部に対して予め圧縮応力を作用させることにより、優れた転動疲労寿命を得る技術（例えば、特許文献４参照。）が提案されている。 また（３）鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態を改善した鋼材とすることで、優れた転動疲労寿命を得る技術が出願人から出願されており、これらは、非特許文献１及び非特許文献２に発表されている。

これらの非特許文献１及び非特許文献２により、転動疲労における破損、つまり、剥離に至る過程について、以下のように説明されている。 すなわち、非金属介在物からき裂発生及び進展して剥離に至る過程において、非金属介在物の周囲への応力集中効果により、き裂が変位する初期き裂（以下「開口型の初期き裂」という。）過程を経る。 その後、せん断応力によるき裂の伝ぱを経て破損に至ることが知られている。 このことは、開口型の初期き裂が起こらなければ、その後のき裂伝ぱや破損が起こらないことを意味している。 また開口型の初期き裂は非金属介在物と母相との界面に物理的な隙間すなわち空洞が生じていることを前提として起こるのであり、物理的な隙間が生じていなければ、開口型のき裂は生じないことも検証されている。

一方、熱間圧延鋼材から切り出し、イオンミリングを行った後に、走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて非金属介在物周囲の空洞有無を観察した影像を、図５の概念図にて示す。 図５において、符号の５はＡｌ ₂ Ｏ ₃の非金属介在物であり、符号の４は空洞すなわち空隙である。 特に機械構造用鋼では、通常Ａｌによる脱酸が行なわれる。 その際に生成するＡｌ ₂ Ｏ ₃系の非金属介在物５は母材との変形能の違いや形状から特に母相との界面に空隙４が生成しやすいことが確認されている。 そこで、機械部品７の転動疲労寿命を向上させるためには、非金属介在物５と母相との界面に存在する空隙４を閉鎖もしくは空隙４の体積を減少させることが有効である。

本発明が解決しようとする課題は、上記の段落０００５に記載の（３）に関連する技術であって、リング状素材である鋼材中に含有の非金属介在物と母相である鋼材との界面状態を塑性加工によって改善することで、従来の鋼の製造時に非金属介在物の低減及び非金属介在物の小径化を図った鋼材の製造方法に比して、リング状素材の内径に優れた転動疲労寿命の転動部を有する転動部品である機械部品を製造する方法を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の手段は、請求項１の発明では、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圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工により、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である。 なお、この鍛造加工は熱間・冷間を問わない。
すなわち、この転動部を形成しようとするリング状素材内径面に、圧縮の静水圧応力を付与して鍛造加工することにより、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。

請求項２の発明では、転動部品を形成しようとするリング状素材の内径面に圧縮の静水圧応力を付与する鍛造加工は少なくとも素材の降伏応力の１．５倍とすることを特徴とする請求項1の手段の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である。
鍛造加工時に少なくとも素材の降伏応力の１．５倍の圧縮の静水圧応力を付与させて転動面を形成することで、鋼中に含有する非金属介在物を母相である鋼との界面に存在する空隙を閉鎖して、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。

請求項３の発明では、鍛造加工は、転動部品の転動方向への塑性ひずみが圧縮となる加工であることを特徴とする請求項１または２の手段の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である。

本発明の製造方法は、上記の手段のリング状素材の鍛造加工時に、リング状素材の内径面に圧縮の静水圧応力を付与して、請求項２の手段では少なくとも素材の降伏応力の１．５倍の圧縮の静水圧応力を付与して、鍛造加工をすることで、さらに請求項３の手段では転動部品の転動方向への塑性ひずみが圧縮となる鍛造加工をすることで、鋼材の製造時に非金属介在物の低減及び小径化を図らなくても、非金属介在物と母相である鋼との界面に生じた空隙を閉鎖もしくは低減させることができ、その結果、非金属介在物を破壊起点とする転動疲労による剥離が回避でき、転動疲労寿命の大幅に向上した優れた転動部を有する機械部品を製造することができる。

本発明のリング母材の鍛造工程を説明する概略図である。

本発明方法により製造の転がり軸受けの縦断面図である。

本発明方法で製造の転がり軸受けのＣＡＥによる解析を示す図である。

鍛造前後の非金属介在物とその周囲の空隙を示す概念図である。

従来の熱間圧延鋼材の非金属介在物とその周囲の空隙を示す概念図である。

本発明を実施するための形態について、表及び図面を参照して以下に説明する。 先ず、本発明の転動部品である機械部品の製造に求められる鋼材としては、機械構造用鋼や軸受鋼などである。

これらの鋼材は、１）アーク溶解炉または転炉による溶鋼の酸化精錬、２）取鍋精錬炉（ＬＦ）による還元精錬、３）還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）による還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）、４）連続鋳造または一般造塊による鋼塊の鋳造及び５）鋼塊の熱間圧延あるいは熱間での鍛造及び冷間圧延、もしくは冷間圧延及び冷間鍛造による塑性加工の工程を経て鋼材に製造される。

上記の１）〜５）の一連の工程を経て、上記の機械構造用鋼や軸受鋼などのＪＩＳに規定する鋼材を製造し、この鋼材をアッセルミルによる加工または押出し加工もしくは熱間鍛造などの熱間加工により鋼管へと加工した後、この鋼管を所定長さに切断した。 さらに、この切断した鋼管の外径及び内径を切削処理によって所定の寸法の鋼管として、本発明のリング母材２とした。

本発明の工法を図１により説明する。 所定の形状のリング母材２もしくは加工を行う金型に、適切な潤滑処理を施して、室温近辺の温度もしくは熱間加工に適切な温度としたリング母材２を、プレス装置の環状の拘束枠１内に、図１の（ａ）に示すように、セットする。 拘束枠１内には、金型３が上下にそれぞれに配置されており、これらの金型３はそれぞれプレス装置の上下の図示しない稼動部に固定されている。 プレス装置が加工動作を開始するに伴い、固定されている金型３の上パンチ３ａ及びその周囲に配置の環状上パンチ３ｂが矢印方向の下降運動を開始する。 金型３内の所定の位置にセットされたリング母材２は、下降してきた上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂによって、リング母材２の内径２ａ及びその上端面２ｂが塑性加工を受ける。 また、上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂの下降に伴い、リング母材２は下方向に押し下げられ、同時に下パンチ３ｃ及び環状下パンチ３ｄからも、リング母材２の内径２ａ及び下端面２ｃに塑性加工を受ける。 すなわち、リング母材２の上端面２ｂは、上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂの下降に伴い下方向へ押し下げられ、その結果、リング母材２の下端面２ｃは下パンチ３ｃ及び環状下パンチ３ｄにより相対的に押し上げられる。 加工末期には、リング母材２は上パンチ３ａ及び環状上パンチ３ｂ、並びに下パンチ３ｃ及び環状下パンチ３ｄの双方から鍛造による圧縮加工を受け、転動部６を形成しようとするリング母材２の内径２ａの面に、素材の降伏応力の１．５倍となる静水圧応力を付与し、かつ転動部６近傍での転動方向への塑性ひずみが圧縮となる鍛造加工をすることにより、リング母材２の鋼の母相とその非金属介在物５との間に存在する空隙４は閉鎖される。

リング母材２に上記の圧縮加工を施すことにより、図１の（ｂ）に示すように、製作しようとする機械部品７である転動部品の転動部６の近傍には、リング母材２の鋼の母相とその非金属介在物５との間に存在する空隙４を閉鎖する効果を付与する。 この圧縮の静水圧応力の作用および転動方向への塑性ひずみを圧縮とすることによって、非金属介在物５と母相であるリング母材２の鋼との間に存在する、図４の（ａ）に示す、空隙４が閉鎖する方向へもしくは空隙４の体積が減少する方向へ変化する。 この変化によって、非金属介在物５を破壊起点とする転動疲労による剥離が回避される。 その結果、優れた転動疲労寿命の転動部６を有する機械部品７が得られることとなる。

本発明の実施例として、実施の条件と得られた結果について説明する。 先ず、表１に、リング母材２の鋼材の鋼種として使用した供試材の成分組成を示す。

この実施例では、表１に示す鋼種の供試材について実施した。 先ず、アーク溶解炉にて溶鋼を酸化精錬し、これを取鍋精錬炉（ＬＦ）で還元精錬し、さらに還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）で脱ガスにより溶鋼中の酸素成分を減少し、この溶鋼を経て連続鋳造にて鋼塊に製造した。 この鋼塊を慣用どおりに熱間圧延にて鋼材とし、その後アッセルミルにて鋼管とした後、これらを慣用の球状化熱処理を施した鋼管に準備した。 なお、鋼材を慣用の熱間鍛造にてリング状素材とする場合も考えられる。

上記で得られた外径φ９０．０ｍｍ、肉厚９．７５ｍｍの表１に示す供試材からなる鋼管を、鋼管の長手方向である幅寸法３０．０ｍｍにノコ切断した後、外径及び内径を切削加工することにより、外径φ８９．５ｍｍ、肉厚９．０ｍｍのリング状素材とした。 次いで当該リング状素材に慣用の潤滑処理を施して鍛造用のリング母材２とした。 なお、鋼材を慣用の熱間鍛造にてリング状素材とし、切削加工を施してリング母材２とする場合も考えられる。 このリング母材２を、図２に示すように、幅２９．０ｍｍ、外径φ９０．０ｍｍ、内径の中央部に幅１０．０ｍｍでかつその内径φ６５．０ｍｍからなる突出部２ｄ、転動部６の外側の内径２ａ７５．０ｍｍの鍛造品が得られるように設計した金型３を用いて以下の鍛造加工を行った。 鍛造加工は、冷間鍛造の場合および熱間鍛造の場合双方を実施した。 冷間鍛造の場合は、リング母材２及び金型３ともに室温近辺の温度で、上記の図１に示す金型３による加工方式により、成形時の荷重４０００〜４２００ｋＮ、成形時の加工面圧１８００〜１９００ＭＰａとなるようして冷間鍛造を施した。 熱間鍛造の場合は、リング母材２を９００℃および１１００℃の温度に加熱し、上記の図１に示す金型３による加工方式により、成形時の荷重２０００〜３５００ｋＮ、成形時の加工面圧７００〜１０００ＭＰａとなるようして熱間鍛造を施した。 なお、素材の降伏応力は、室温近辺で約５００ＭＰａ、９００℃近辺では約１２０ＭＰａ、１１００℃近辺では約５０ＭＰａである。

この鍛造加工により、図３に示すＣＡＥ解析による図面に、予想して見られるように、転動部６の近傍には、少なくとも素材の降伏応力の１．５倍の静水圧応力が作用して、転動部６の近傍では、転動方面へ圧縮の塑性ひずみが発生していると考えられる。

また、この鍛造加工の前後における、非金属介在物５とリング母材２である鋼との間に存在する空隙４の変化の様子の模式図を図４に示す。 図４の（ａ）は、鍛造加工前のリング母材２の非金属介在物５の形状を示し、この非金属介在物５に隣接して空隙４が形成されている。 しかし、図４の（ｂ）に示すように、鍛造加工の後では、非金属介在物５のみであり、したがって非金属介在物５とリング母材２である鋼との間に存在する空隙４は閉鎖されていることが確認された。

さらに、本発明の効果である機械部品７である転動部品の転動疲労寿命の評価を検るために、表２に加工条件Ａ〜Ｒ、並びに鋼種条件１〜４のＳＵＪ２、ＳＵＪ３、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５３Ｃの鋼種を示す。 これらから、加工条件Ａ〜Ｒのテストピースを採取した。 表２において、加工条件のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは加工開始温度が２０℃の冷間鍛造であり、加工条件のＧ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌは加工開始温度が９００℃の熱間鍛造であり、加工条件のＭ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒは加工開始温度が１１００℃の熱間鍛造である。 それぞれの素材の最大静水圧応力はその素材の降伏応力の１倍〜６倍とし、表２に示す通りである。 発生した転動方向への塑性ひずみは圧縮ひずみあるいは引張りひずみで表２に示すとおりである。 転動部品の疲労寿命の評価である寿命評価は◎が優れており、○は良好であり、△は可であり、このように寿命評価が◎、○、△であるものは、発生した塑性ひずみはいずれも圧縮ひずみである。 これに対して、寿命評価が×のものは不可を示し、塑性ひずみはいずれも引張りひずみである。

これらの採取したテストピースを、スラスト型の転がり軸受の部材である軌道盤形状へと旋削加工し、焼入れ、焼戻し処理を施すことで、ＳＵＪ２及びＳＵＪ３は５８ＨＲＣ以上、Ｓ４５ＣはＨＲＢ９４以上、Ｓ５３ＣはＨＲＣ２０以上の硬度をそれぞれ得た。 さらに、これらに研磨を施してスラスト型の転がり軸受に仕上げ、転動疲労寿命の総合評価を行った。 なお、転動体には、市販のスラスト型の転がり軸受用ボールを使用した。

上記の転動疲労寿命の総合評価の結果を表３に示す。 これは表２における加工条件Ａ〜Ｒと鋼種条件１〜４の組合せで総合評価したものである。 転動疲労寿命の評価は、同じ鋼種間での比較で行った。 先ず、加工開始温度が２０℃の冷間鍛造時の最大静水圧応力が素材の降伏応力の１．５倍になり、かつ、圧縮の塑性ひずみが発生する場合、表３に示すように、転動疲労寿命が○あるいは◎で示すように向上することが確認された。 発生した転動方向への塑性ひずみが引張の場合は、転動疲労寿命の評価は×であり、転動疲労寿命は向上しない。 一方、加工開始温度が９００℃あるいは１１００℃の熱間鍛造時の最大静水圧応力が素材の降伏応力の１．５倍になり、かつ、圧縮の塑性ひずみが発生する場合、転動疲労寿命が○あるいは◎で示すように向上することが確認された。 発生した転動方向への塑性ひずみが引張の場合は、転動疲労寿命の評価は×であり、転動疲労寿命は向上しない。

以上の４鋼種条件で、１８加工条件のテストピースによる転動疲労寿命試験の表３に示す評価の結果から、冷間鍛造であろうと熱間鍛造であろうと、転動面の近傍に少なくとも素材の降伏応力の１．５倍以上の圧縮の静水圧応力を付与し、転動方向への塑性ひずみが圧縮となるように加工することにより、非金属介在物５とリング母材２である鋼との間にある空隙４が閉鎖もしくは減少し、転動疲労寿命を向上する役割が果たされることが判明した。 なお、複列軌道輪の外輪用リング素材においても、上記したと同様に転動疲労寿命の向上が果たされることはいうまでもない。

１ 拘束枠 ２ リング母材 ２ａ 内径 ２ｂ 上端面 ２ｃ 下端面 ２ｄ 突出部 ３ 金型 ３ａ 上パンチ ３ｂ 環状上パンチ ３ｃ 下パンチ ３ｄ 環状下パンチ ４ 空隙 ５ 非金属介在物 ６ 転動部 ７ 機械部品