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【発明の名称】 軸の製造方法
【発明者】 【氏名】國分 秀樹
【住所又は居所】神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番５０号 日本精工株式会社内
【氏名】沖田 滋
【住所又は居所】神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番５０号 日本精工株式会社内
【課題】「転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸」の製造方法として、内輪軌道面として機能する面を所定の硬さとし、端部を「かしめ」可能な硬さにできる方法を提供する。

【解決手段】軸１の表層部に浸炭窒化処理を行った後、軸１の端部１１ａ，１１ｂのみを焼鈍する。次に、軸１の中央部１２のみを高周波焼入れし、焼戻しを行う。これにより、端部１１ａ，１１ｂの硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で３００未満とし、中央部１２の表面硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上とし、中央部１２の表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上４０体積％以下とする。芯部の残留オーステナイト量を０にする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸の製造方法において、
所定の合金鋼からなる素材を軸の形状に加工した後、
前記面の表層部に窒素を導入して、その窒素含有率を０．０５質量％以上０．４質量％以下にし、
次いで、焼入れを行わないで、軸の端部のみを焼鈍して前記面は焼鈍せず、前記端部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で３００未満とし、
次いで、前記面に対する高周波焼入れ、焼戻しを行うことにより、前記面の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上とし、前記面の表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上４０体積％以下とし、芯部のオーステナイト量を０にすることを特徴とする軸の製造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラジアル軸受においては、内輪を用いず軸の面を内輪軌道面として使用する（すなわち、軸に転動体を転がり接触させる）ことがある。特に、ニードル軸受では内輪を用いない場合が多い。従来より、内輪を用いないニードル軸受の軸としては、ＳＵＪ２等のずぶ焼き鋼に焼入れ、焼き戻しを施して、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を６５０以上としたものが使用されている。具体的には、軸の表面硬さがＨｖ３００以下である状態で旋削等の加工を行った後に、高周波焼入れを施すことにより、表面硬さをＨｖ６５０以上にしている。
【０００３】
このような従来の「内輪を用いないニードル軸受」の軸には、転がり疲労特性を向上することと、衝撃荷重が大きい場合であっても塑性変形を生じ難くすることが課題となっている。
この課題を解決するために、下記の特許文献１には、内輪を用いないニードル軸受の軸を、０．５〜１．２ｗｔ％の炭素を含有する鋼で構成するとともに、芯部の残留オーステナイト量を０とし、表面層の窒素含有率を０．０５〜０．４ｗｔ％とし、表面層の硬さをＨｖ６５０以上とし、表面層の残留オーステナイト量を１５〜４０ｖｏｌ％とすることが開示されている。また、この文献には、前記構成の軸の製造方法として、高周波焼入れ後に、通常の加熱炉による焼戻しを行う方法が記載されている。
【０００４】
一方、下記の特許文献２には、「転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸」として、プラネタリアギア装置のピニオンシャフトが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−００４００３号公報
【特許文献２】特開２００３−３０１９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特に、径が小さかったり中空状に形成されていることで軸の熱容量が小さい場合に、処理時間の短い高周波焼入れを行うと、軸が十分に加熱され難いため、マトリックス中に固溶される炭素および窒素の量が不十分となって、焼入れ後の残留オーステナイト量を高くすることは難しい。
また、プラネタリアギア装置のピニオンシャフトは、端部がキャリアに「かしめ」によって固定される。そのため、ピニオンシャフトの場合、内輪軌道面として機能する面は硬くし、端部は「かしめ」可能な硬さにする必要がある。
本発明の課題は、「転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸」の製造方法として、内輪軌道面として機能する面を所定の硬さとし、端部を「かしめ」可能な硬さにできる方法を提供することにある。
【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、本発明の軸の製造方法は、転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸の製造方法において、所定の合金鋼からなる素材を軸の形状に加工した後、前記面の表層部に窒素を導入して、その窒素含有率を０．０５質量％以上０．４質量％以下にし、次いで、焼入れを行わないで、軸の端部のみを焼鈍して前記面は焼鈍せず、前記端部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で３００未満とし、次いで、前記面に対する高周波焼入れ、焼戻しを行うことにより、前記面の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で６５０以上とし、前記面の表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上４０体積％以下とし、芯部のオーステナイト量を０にすることを特徴とする。
【０００７】
「高周波焼入れ」とは、高周波誘導加熱による焼入れであり、ワークに近接したコイルに高周波電流を流すことにより、渦電流を発生させて急速加熱する方法である。「高周波焼入れ」で使用する高周波電流の周波数は特に定義されていないが、例えば、商用周波数（５０Ｈｚ）を超える周波数を使用する。
本発明において、使用可能な合金鋼としては、ＳＵＪ２、ＳＫ５、ＳＣＭ４４０等が挙げられる。
【０００８】
前記表層部への窒素の導入方法としては、浸炭窒化処理や窒化処理が挙げられる。
ここで、合金鋼からなる軸の表層部に対して浸炭窒化処理または窒化処理を行った後に焼鈍を行うと、前記表層部に炭化物が析出し、特に焼鈍温度が高いと炭化物が粗大化するため、次工程で高周波焼入れを行うと、前記表層部に炭素および窒素が固溶し難くなる。また、炭化物の粗大化を防止するために焼鈍温度を低くすると、端部の硬さを低く（Ｈｖ３００未満）することが難しくなる。
【０００９】
これに対して、本発明の方法によれば、合金鋼からなる軸の表層部に対して浸炭窒化処理または窒化処理を行った後に、焼入れを行わないで（Ａ1 点以上の温度で保持する処理をした場合には、残留オーステナイト量を０にする処理を行った後に）、軸の端部のみを部分的に焼鈍し、内輪軌道面として機能する面を焼鈍しないため、前記面の表層部に存在する炭化物の粗大化が抑制される。よって、次工程である高周波焼入れ工程で、前記面の表層部に炭素および窒素が固溶し易くなるため、前記表層部の残留オーステナイト量を高くすることができる。また、芯部のオーステナイト量を０にすることができるため、軸の変形を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法によれば、「転がり軸受の内輪軌道面として機能する面を有する軸」であって、前記面が所定の硬さとなり、端部が「かしめ」可能な硬さとなっているものを、低コストで得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
ＳＵＪ２からなる棒状の素材を用意し、この素材から直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの軸を旋削加工により形成した。この軸に対して、下記の表１に示す構成で熱処理を行うことにより、軸のサンプルNo. １〜５を得た。
各処理の条件は以下の通りである。
浸炭窒化：図１（ａ）に示すように、軸１を炉２内に入れ、軸１全体の表層部に浸炭窒化を行った。雰囲気ガスは「ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス」とした。処理温度は８００〜８５０℃、処理時間は２〜１０時間とした。
【００１２】
油焼入れ：浸炭窒化直後の軸１を焼入れ油に浸漬した。
徐冷後急冷：浸炭窒化直後の軸１を、加熱を止めた炉２内に６００℃となるまで放置することにより徐冷し、６００℃となった時点で、炉２内に１０〜３０℃の窒素ガスを導入して急冷した。
端部のみを焼鈍：図１（ｂ）に示すように、軸１の両端部１１ａ，１１ｂにのみコイル３を配置して、周波数１０ｋＨｚ、電力５ｋＷ、昇温速度６０℃／秒、最高温度６５０℃、放冷時間５〜１０分の条件で、誘導加熱を行った後に水冷した。
【００１３】
中央部のみを高周波焼入れ：図１（ｃ）に示すように、軸１の下端部１１ｂより上側にコイル３を配置し、その下に冷却ジャケット４を配置し、軸１を下側（矢印方向）に移動させながら、高周波焼入れを行った。この移動はＡの位置がコイル３の上端になるまで行った。これにより、軸１の中央部１２のみが高周波焼入れされた。各サンプルとも、周波数１２０ｋＨｚ、電力２５ｋＷ、冷却水流速３５リットル／分とした。軸の送り速度は０．５ｍ／分とした。また、Ｈｖ５００以上で規定する硬化深さが１〜２ｍｍとなるようにした。
加熱炉焼戻し：各サンプルとも１６０℃、２時間の条件で行った。
全体を焼鈍：軸１を真空焼鈍炉内に入れて、速度１０℃／分で６５０℃まで昇温し、この温度に２時間保持した後、加熱を止めた炉内に１０〜３０℃の窒素ガスを導入して冷却した。
【００１４】
得られた各軸１の中央部１２について、表層部（表面から５０μｍの位置で）の窒素含有率（Ｎ）と、表面硬さ（Ｈｖ）と、表層部の残留オーステナイト量を測定した。端部１１については、表面硬さ（Ｈｖ）を測定した。また、芯部の残留オーステナイト量を軸１の端部１１で測定した。窒素含有率は電子線マイクロアナライザーを用いて、表面硬さはビッカース硬度計を用いて、残留オーステナイト量はＸ線回折装置を用いて、それぞれ測定した。その結果を表１に併せて示す。
【００１５】
また、No. １〜５と同じ方法で、図２に示すニードル軸受の軸１０を作製して寿命試験を行った。
このニードル軸受は、軸１０と外輪５の間に、複数のニードルローラ６が転動自在に介装されており、軸１０の中央部１２の表面が内輪軌道面として機能する。ニードルローラ６の外径は２ｍｍで長さは１５ｍｍである。なお、この軸１０の内部には、長さ方向の一端から中央部１２の周面に向けて潤滑油を供給する給油路が設けてある。この給油路は、軸線に沿って延びる平行路１０ａと、軸の長さ方向中心位置で、軸の径方向に沿って延びる垂直路１０ｂとからなる。これにより、平行路１０ａの開口端から導入された潤滑油が、垂直路１０ｂの開口端から軸１０とニードル６との間に供給される。
【００１６】
試験条件は、軸の回転速度：１００００ｍｉｎ-1、ラジアル荷重：４２００Ｎ、潤滑油：合成油、潤滑油の温度：１５０℃とした。そして、軸１０を回転させ、剥離が生じるまでの試験を寿命として測定した。なお、ラジアル荷重は、図示しないサポート軸受を介して外輪５に加えた。
この結果も下記の表１に併せて示す。
【００１７】
【表１】


【００１８】
この表に示すように、浸炭窒化後に軸の端部のみを焼鈍したNo. １と２の軸は、中央部の表層部の残留オーステナイトが２２体積％と高かった。これらのうち、本発明の方法（浸炭窒化後に、焼入れせずに、軸の端部のみを焼鈍）で熱処理されたNo. ２の軸は、芯部の残留オーステナイト量が０であったが、No. １の軸は芯部の残留オーステナイト量が１０体積％であった。
また、浸炭窒化後に軸の全体を焼鈍したNo. ３と４の軸は、中央部の表層部の残留オーステナイトが１２体積％以下と低かった。
【００１９】
また、No. ２の軸を使用したニードル軸受は、No. １、３、４の軸を使用したニードル軸受よりも寿命が長かった。No. １の軸を使用したニードル軸受は、芯部の残留オーステナイト量が１０体積％であるため、軸の変形が生じて寿命が短くなった。No. ３と４の軸を使用したニードル軸受は、軸の内輪軌道面（中央部の表層部）の残留オーステナイト量が低かったため、寿命が短くなった。
【００２０】
なお、No. ５の軸は、中央部の表層部の残留オーステナイト量がNo. １および２と同等であったが、端部の硬さが硬いため、プラネタリアギア装置のピニオンとして使用した場合に端部を「かしめ」でキャリアに固定することができない。これに対して、No. １および２の軸は、プラネタリアギア装置のピニオンとして使用した場合に端部を「かしめ」でキャリアに固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態で行った軸の熱処理方法を説明する断面図である。
【図２】実施形態で行った寿命試験で使用したニードル軸受を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１，１０ 軸
１１ａ，１１ｂ 軸の端部
１２ 軸の中央部（内輪軌道面として機能する面）
２ 炉
３ コイル
４ 冷却ジャケット
５ 外輪
６ ニードル
【出願人】 【識別番号】０００００４２０４
【氏名又は名称】日本精工株式会社
【住所又は居所】東京都品川区大崎１丁目６番３号
【出願日】 平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【代理人】 【識別番号】１０００６６９８０
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也

【識別番号】１０００７５５７９
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 嘉昭

【識別番号】１００１０３８５０
【弁理士】
【氏名又は名称】崔 秀▲てつ▼
【公開番号】 特開２００６−２１９４（Ｐ２００６−２１９４Ａ）
【公開日】 平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願番号】 特願２００４−１７７９９５（Ｐ２００４−１７７９９５）