JP2004060797A - ローラ部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】自動車用エンジンのバルブシステムにおけるカム装置のローラカムフォロワのようなローラ部材に、短期間でピーリングが発生することを防止する。
【解決手段】ローラ部材は、軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷することによって製造される。ローラ部材の転動面の表面から深さ０．５ｍｍまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で５〜２０％でかつその粒径を３μｍ以下とする。
【選択図】 図１
【解決手段】ローラ部材は、軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷することによって製造される。ローラ部材の転動面の表面から深さ０．５ｍｍまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で５〜２０％でかつその粒径を３μｍ以下とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はローラ部材およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、たとえば自動車用エンジンのバルブシステムにおけるロッカアームを揺動させるためのカム装置に用いられるローラカムフォロワなどのローラ部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
たとえば、自動車用エンジンのバルブシステムにおけるロッカアームを揺動させるためのカム装置においては、カムとローラカムフォロワとの接触部分への潤滑油の供給が十分ではなくて潤滑条件が厳しく、しかもローラカムフォロワはカムに対して純転がり接触ではなくすべりを伴う転がり接触を行うので、ローラカムフォロワの転動面である外周面に短期間でピーリングが発生しやすく、寿命が短くなる。
【０００３】
そこで、本出願人は、先に、長寿命化を目的として、浸炭鋼（肌焼き鋼）よりなり、浸炭処理が施されて、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（以下、ＨＲＣという）で６３〜６８となされ、表面残留オーステナイト量が１３〜３０ｖｏｌ％であるローラカムフォロワを提案した（特開平７−５４６１６号公報参照）。このローラカムフォロワにおいて、表面硬さをＨＲＣ６３〜６８としたのは、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きを防止するとともに、靭性を確保することを目的としたものである。また、表面残留オーステナイト量を１３〜３０ｖｏｌ％としたのは、靭性の低下を防止して亀裂進展を抑制するとともに、発熱したさいのマルテンサイト変態による寸法変化を防止することを目的としたものである。
【０００４】
しかしながら、上述した従来のローラカムフォロワは、表面に炭化物がほとんど存在しておらず、耐摩耗性が十分ではない。また、原材料として肌焼き鋼を使用しており、肌焼き鋼は、大量生産されていないので材料コストが高く、しかも肌焼き鋼の浸炭処理や浸炭窒化処理の熱処理コストも高くなる結果、ローラカムフォロワのトータルの製造コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
そこで、ＪＩＳ ＳＵＪ２などの軸受鋼より所定形状に形成された素材に、浸炭処理や浸炭窒化処理を施すことにより、ローラカムフォロワを製造することが考えられるが、この場合、表面硬さの増大と炭化物微細化の両者を同時に達成することができず、たとえば元々高炭素で炭化物が存在するＪＩＳ ＳＵＪ２に浸炭処理を施して表面硬さを増大させると、既存の炭化物がさらに成長し、巨大炭化物に成長するため、結局のところ寿命が低下するという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決し、従来のローラ部材よりも寿命の長いローラ部材およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明によるローラ部材は、軸受鋼よりなり、浸炭処理が施されて、転動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６ｗｔ％となされるとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量が０．６〜１．０ｗｔ％となされ、さらに前記表層部に球状炭化物が析出しているとともに、前記球状炭化物の量が面積率で５〜２０％でかつその粒径が３μｍ以下となされていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１の発明において、各数値の限定理由は次の通りである。
【０００９】
表層部の全炭素量
この全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％に限定したのは、上限値を越えると炭化物が極めて粗大になり、微細化できないからである。なお、下限値はＪＩＳ ＳＵＪ２等の軸受鋼がベースとなっていることから必然的に決まる。
【００１０】
表層部のマトリックス中の固溶炭素量
この固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％に限定したのは、下限値未満であると所望の表面硬さを得ることができなくて、ローラ部材、たとえば上述したローラカムフォロワの転動面に、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きが発生することにより、短期間でピーリングが発生し、上限値を越えると表層部の微細球状炭化物の量が面積率で５％未満になって、耐摩耗性が低下するからである。
【００１１】
表層部の球状炭化物の量
この球状炭化物の量を面積率で５〜２０％に限定したのは、下限値未満であると耐摩耗性が低下し、上限値を越えると粗大な炭化物が発生し、この粗大炭化物が疲労亀裂の起点となってローラ部材の短寿命化につながるからである。
【００１２】
表層部の球状炭化物の粒径
この粒径を３μｍ以下に限定したのは、３μｍを越えると、非金属介在物と同様に疲労亀裂の起点となるとともに、靭性を確保することができないからである。
【００１３】
また、表層部の球状炭化物の量および粒径が上述したとおりであると、表層部に球状炭化物が均一に分散することになり、残留オーステナイトの安定性が増してローラ部材の寸法変化を防止することができる。
【００１４】
請求項１の発明によれば、表面硬さが増大するので、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きを防止することが可能となって短期間でのピーリングの発生が防止され、しかも耐摩耗性の低下が防止されるとともに靭性が確保され、その結果ローラ部材の長寿命化を図ることができる。さらに、軸受用として大量生産される軸受鋼よりなるので、材料コストが安くなり、その結果トータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００１５】
また、請求項１の発明において、前記浸炭処理温度が８４０〜８７０℃であることが好ましい。この場合、従来の肌焼き鋼に施す浸炭処理や浸炭窒化処理の加熱温度よりも低くなり、熱処理コストが安くなる。したがって、トータルの製造コストが安くなる。
【００１６】
請求項２の発明によるローラ部材は、軸受鋼よりなり、浸炭処理が施されて、転動面における表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６ｗｔ％、同じく残留オーステナイト量が２０〜３５ｖｏｌ％、同じく圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａ、同じく表面硬さがＨＲＣ６４以上となされ、前記表層部に球状炭化物が析出しているとともに、前記球状炭化物の量が面積率で１０〜２５％でかつその粒径が３μｍ以下となされていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項２の発明において、各数値の限定理由は次の通りである。
【００１８】
表層部の全炭素量
この全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％に限定したのは、上限値を越えると炭化物が極めて粗大になり、微細化できないからである。なお、下限値はＪＩＳ ＳＵＪ２等の軸受鋼がベースとなっていることから必然的に決まる。
【００１９】
表層部の残留オーステナイト量
この残留オーステナイト量を２０〜３５ｖｏｌ％に限定したのは、この範囲内であると、転動面の表層部に発生する圧縮応力を緩和することができるとともに、亀裂の進展を抑制することができ、しかも靭性が向上して、ローラ部材の一層の長寿命化を図ることができるからである。しかしながら、残留オーステナイト量が２０ｖｏｌ％未満ではこのような効果は得られず、３５ｖｏｌ％を越えると表層部の表面硬さが６４ＨＲＣ以上にならない。
【００２０】
表層部の圧縮残留応力
この圧縮残留応力を１５０〜１０００ＭＰａに限定したのは、この範囲内であると、亀裂の進展を抑制することができ、その結果ローラ部材の一層の長寿命化を図ることができるからである。しかしながら、圧縮残留応力が１５０ＭＰａ未満であるとこのような効果は得られず、１０００ＭＰａを越えると過大な圧縮残留応力による経時変形が問題となるからである。
【００２１】
表層部の表面硬さ
表層部の表面硬さをＨＲＣ６４以上に限定したのは、この場合に転動面に短期間でピーリングが発生することを防止しうるからである。なお、この表面硬さの上限はＨＲＣ６９程度であることが好ましい。その理由は、材料の靭性を確保するためである。
【００２２】
表層部の球状炭化物の量
この球状炭化物の量の下限を面積率で１０％に限定したのは、球状炭化物の量が面積率で１０％未満になると、ミクロンオーダおよびサブミクロンオーダの炭化物の量が不足して長寿命化効果が不十分となるおそれがあるからである。ここで、ミクロンオーダの炭化物は、疲労の原因となるすべり帯の形成を防止する効果があり、サブミクロンオーダの炭化物は、すべり帯の形成を防止する効果はないが、すべり帯を分散させる効果がある。また、球状炭化物の量の上限を面積率で２５％に限定したのは、２５％を越えると必然的に球状炭化物の粒径が大きくなり、しかも各球状炭化物間の距離が小さくなって均一に分散しなくなるからである。
【００２３】
表層部の球状炭化物の粒径
この粒径を３μｍ以下に限定した理由は、請求項１の発明の場合と同様である。
【００２４】
また、表層部の球状炭化物の量および粒径が上述したとおりであると、表層部に球状炭化物が均一に分散することになり、残留オーステナイトの安定性が増してローラ部材の寸法変化を防止することができる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、表面硬さが増大するので、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きを防止することが可能となって短期間でのピーリングの発生が防止され、しかも耐摩耗性の低下が防止されるとともに靭性が確保され、その結果ローラ部材の長寿命化を図ることができる。さらに、軸受用として大量生産される軸受鋼よりなるので、材料コストが安くなり、その結果トータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００２６】
また、請求項２の発明において、前記浸炭処理温度が８４０〜８７０℃であることが好ましい。この場合、従来の肌焼き鋼に施す浸炭処理や浸炭窒化処理の加熱温度よりも低くなり、熱処理コストが安くなる。したがって、トータルの製造コストが安くなる。
【００２７】
請求項３の発明によるローラ部材の製造方法は、軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、これにより転動面における表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で５〜１５％でかつその粒径を３μｍ以下とすることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項３の発明において、浸炭処理における各数値の限定理由は次の通りである。なお、表層部の全炭素量、表層部のマトリックス中の固溶炭素量、表層部の球状炭化物の量および表層部の球状炭化物の粒径の下限については、限定理由は請求項１の発明の場合と同じである。
【００２９】
表層部の球状炭化物の量の上限
球状炭化物の量を面積率で１５％を越えたものにするには浸炭処理時間を長くしなければならず、その結果熱処理コストが高くなって、面積率が１５％以下の場合に比べてトータルの製造コストが高くなるからである。
【００３０】
浸炭処理雰囲気のカーボンポテンシャル
このカーボンポテンシャルを１．２％以上に限定したのは、１．２％未満では、炭素含有量が１ｗｔ％程度である軸受鋼に対してほとんど浸炭されないことになり、表層部の硬さおよび炭化物の面積率を所望のものにすることができず、しかも炭化物の微細化を図ることができないからである。
【００３１】
浸炭処理温度
この温度を８４０〜８７０℃に限定したのは、下限値未満であるとカーボンポテンシャルのところで述べたような必要な浸炭を行うことができず、上限値を越えると表層部の結晶粒度が大きくなりすぎるとともに巨大炭化物が析出して強度が低下するからである。すなわち、降伏強さは結晶粒度の−１／２乗に比例するので、結晶粒度が大きくなりすぎると強度が低下する。
【００３２】
浸炭処理時間
この時間を３時間以上に限定したのは、３時間未満であると浸炭深さが不足するからである。
【００３３】
請求項３の発明によれば、軸受用として多く用いられる軸受鋼よりなるローラ部材素材を用いるので、材料コストが安くなる。しかも、浸炭処理温度が８４０〜８７０℃であるとともに、１度の浸炭処理の後急冷する熱処理を行うだけであるから、熱処理コストが安くなる。したがって、ローラ部材のトータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００３４】
請求項３の発明において、カーボンポテンシャルを１．２〜１．４％とすることが好ましい。カーボンポテンシャルが１．４％を越えると、大量の煤が発生するという問題があるからである。
【００３５】
さらに、請求項３の発明において、加熱時間を３．５〜５時間とすることが好ましい。加熱時間が５時間を超えると、熱処理コストが高くなるとともに、炭化物が巨大化するという問題があるからである。
【００３６】
請求項４の発明によるローラ部材の製造方法は、軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが０．９〜１．１％の雰囲気中において９３０〜９７０℃で１時間以上加熱することにより既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる処理を施した後急冷し、ついでカーボンポテンシャルが１．２％以上の雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、これにより転動面における表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、さらに前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で１０〜２０％でかつその粒径を２μｍ以下とすることを特徴とするものである。
【００３７】
請求項４の発明において、熱処理における各数値の限定理由は次の通りである。なお、表層部の全炭素量、表層部のマトリックス中の固溶炭素量および表層部の球状炭化物の量の上限については、限定理由は請求項１の発明の場合と同じである。
【００３８】
表層部の球状炭化物の量の下限
球状炭化物の量の下限を面積率で１０％としたのは、１０％未満になると、ミクロンオーダおよびサブミクロンオーダの炭化物の量が不足して摺動寿命を向上させる効果が得られないおそれがあるからである。ここで、ミクロンオーダの炭化物は、疲労の原因となるすべり帯の形成を防止する効果があり、サブミクロンオーダの炭化物は、すべり帯の形成を防止する効果はないが、すべり帯を分散させる効果がある。
【００３９】
表層部の球状炭化物の粒径
球状炭化物の粒径を２μｍ以下としたのは、２μｍを越えると、非金属介在物と同様に疲労亀裂の起点となるとともに、靭性が不十分となるおそれがあるからである。
【００４０】
既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる工程
この工程における雰囲気中のカーボンポテンシャルを０．９〜１．１％に限定したのは、ローラ部材に対して浸炭および脱炭を起こさせないためである。１．１％を越えると炭素含有量が１ｗｔ％程度である軸受鋼に対して浸炭が起こり、０．９％未満であると脱炭が起こる。
【００４１】
この工程における加熱温度を９３０〜９７０℃に限定したのは、９３０℃未満であると球状焼鈍後存在している第２相としての炭化物のマトリックス中への固溶が不十分であり、９７０℃を越えると焼割れを起こす可能性があるからである。
【００４２】
さらに、この工程における加熱時間を１時間以上に限定したのは、１時間未満であると球状焼鈍後存在している第２相としての炭化物のマトリックス中への固溶が不十分になるからである。
【００４３】
浸炭工程
この工程における雰囲気中のカーボンポテンシャルを１．２％以上に限定したのは、１．２％未満では、炭素含有量が１ｗｔ％程度である軸受鋼に対してほとんど浸炭されないことになり、表層部の硬さおよび炭化物の面積率を所望のものにすることができず、しかも炭化物の微細化を図ることができないからである。なお、カーボンポテンシャルの上限は、大量の煤の発生を防止するために１．４％とすることが好ましい。
【００４４】
この工程における加熱温度を８４０〜８７０℃に限定したのは、下限値未満であるとカーボンポテンシャルのところで述べたような必要な浸炭を行うことができず、上限値を越えると表層部の結晶粒度が大きくなりすぎるとともに巨大炭化物が析出して強度が低下するからである。すなわち、降伏強さは結晶粒度の−１／２乗に比例するので、結晶粒度が大きくなりすぎると強度が低下する。
【００４５】
さらに、この工程における加熱時間を３時間以上に限定したのは、３時間未満であると必要な浸炭深さが得られないからである。
【００４６】
請求項４の発明によれば、既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる処理を施した後浸炭処理を施しているので、マトリックス中に固溶した炭化物の核から再度微細な炭化物を析出させることが可能になる。したがって、疲労亀裂の発生を防止するとともに、靭性を確保することができ、ローラ部材の長寿命化を図ることが可能になる。また、軸受用として大量生産される軸受鋼を用いるので、材料コストが安くなり、その結果トータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００４７】
請求項４の発明において、前記浸炭処理を施した後の表層部の球状炭化物の量を、面積率で１３〜１６％とすることが好ましい。
【００４８】
球状炭化物の量が面積率で１３％以上であると、上述した、ミクロンオーダの炭化物によるすべり帯の形成防止効果およびサブミクロンオーダの炭化物によるすべり帯分散効果が一層優れたものになって摺動寿命が向上するからである。また、コスト面を考慮すると、ガス浸炭においては球状炭化物の量は面積率で１６％以下にすることが妥当である。
【００４９】
請求項１〜請求項４の発明において、表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲とは、転動時の荷重や潤滑条件などにより異なるが、表面から深さ０．５ｍｍ程度までの範囲である。そして、この範囲を上述したような状態にした理由は次の通りである。すなわち、内部起点剥離の要因となる最大せん断応力が作用する範囲内において、全炭素量、マトリックス中の固溶炭素量、球状炭化物の量を上述したようにすることにより強度を向上させ、その結果所定の目的が達成されるからである。
【００５０】
【発明の実施形態】
以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。
【００５１】
実施例１〜４および比較例１
表１に示す２種類の鋼を用意し、これらの鋼を用いて自動車用エンジンのバルブシステムにおけるローラカムフォロワのローラをモデル化したローラ素材を、５種類作製した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
ついで、これらのローラ素材に、図１〜図３に示す熱処理条件で熱処理を施してピーリング試験用ローラを製造した（実施例１〜４および比較例１）。
【００５４】
図１に示す熱処理条件１は、カーボンポテンシャル１．３％の雰囲気中において８５０℃で３時間加熱した後、８０℃に油冷するものである。
【００５５】
図２に示す熱処理条件２は、カーボンポテンシャル１．１％の雰囲気中において９５０℃で２時間加熱した後８０℃に油冷し、ついでカーボンポテンシャル１．３％の雰囲気中において８５０℃に３．５時間加熱した後８０℃に油冷するものである。
【００５６】
図３に示す熱処理条件３は、カーボンポテンシャル０．８％の雰囲気中において９３０℃で５時間加熱した後、この加熱に引き続いてカーボンポテンシャル０．８％の雰囲気中において８５０℃で０．７時間加熱し、ついで８０℃に油冷するものである。
【００５７】
なお、上述した３つの熱処理においては、図示は省略したが、いずれの場合も最後に１６０℃で２時間加熱する焼戻し処理が施される。
【００５８】
このようにして製造された実施例１〜４および比較例１のローラの鋼種、熱処理条件および熱処理コストを表２に示す。なお、表２中の熱処理条件１Ａは熱処理条件１の加熱時間だけを５時間に変更したものであり、熱処理条件１Ｂは熱処理条件１の加熱時間だけを３．５時間に変更したものである。また、熱処理コストは、安いものから順に１〜３の数字で表す。
【００５９】
【表２】
【００６０】
実施例１〜４および比較例１のピーリング試験用ローラの転動面の表面硬さ（ＨＲＣ）、転動面の最表面の全炭素量、転動面の最表面のマトリックス中の固溶炭素量、転動面の最表面に析出した球状炭化物の量（面積率）、転動面の最表面に析出した球状炭化物の最大粒径、転動面の表面から深さ５０μｍの位置での残留オーステナイト量（γＲ量）、転動面から深さ５０μｍの位置での圧縮残留応力は、表３に示す通りである。
【００６１】
【表３】
【００６２】
評価試験
実施例１〜４および比較例１のピーリング試験用ローラを被駆動円筒とし、ＪＩＳ ＦＣＤ７００（鋳鉄）からなりかつ高周波焼入処理が施されてなるローラを駆動円筒として組み合わせて２円筒試験装置を組立てた。そして、これらの２円筒試験装置の駆動円筒をモータにより回転させ、これの外周面と接触する被駆動円筒を回転させることで、寿命試験を行った。なお、試験中は両円筒の接触部に潤滑油を供給した。寿命は、上記試験用ローラの転動面にピーリング損傷が発生して振動が増大した時点とした。寿命試験の結果も表３に示す。なお、表３に示す寿命試験結果は、比較例１の場合を１とし、これを基準として表したものである。
【００６３】
以上の結果から明らかなように、本発明品である実施例１〜４は、比較例１と比較して大幅に寿命が向上していることが分かる。しかも、実施例１〜４は、軸受鋼の中でも最も大量生産されるＪＩＳ ＳＵＪ２を用いているので、肌焼き鋼を用いた比較例１に比べて、特に材料コストが安くなる。さらに、熱処理コストも安くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理条件１を示す線図である。
【図２】熱処理条件２を示す線図である。
【図３】熱処理条件３を示す線図である。
【発明の属する技術分野】
この発明はローラ部材およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、たとえば自動車用エンジンのバルブシステムにおけるロッカアームを揺動させるためのカム装置に用いられるローラカムフォロワなどのローラ部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
たとえば、自動車用エンジンのバルブシステムにおけるロッカアームを揺動させるためのカム装置においては、カムとローラカムフォロワとの接触部分への潤滑油の供給が十分ではなくて潤滑条件が厳しく、しかもローラカムフォロワはカムに対して純転がり接触ではなくすべりを伴う転がり接触を行うので、ローラカムフォロワの転動面である外周面に短期間でピーリングが発生しやすく、寿命が短くなる。
【０００３】
そこで、本出願人は、先に、長寿命化を目的として、浸炭鋼（肌焼き鋼）よりなり、浸炭処理が施されて、表面硬さがロックウェルＣ硬さ（以下、ＨＲＣという）で６３〜６８となされ、表面残留オーステナイト量が１３〜３０ｖｏｌ％であるローラカムフォロワを提案した（特開平７−５４６１６号公報参照）。このローラカムフォロワにおいて、表面硬さをＨＲＣ６３〜６８としたのは、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きを防止するとともに、靭性を確保することを目的としたものである。また、表面残留オーステナイト量を１３〜３０ｖｏｌ％としたのは、靭性の低下を防止して亀裂進展を抑制するとともに、発熱したさいのマルテンサイト変態による寸法変化を防止することを目的としたものである。
【０００４】
しかしながら、上述した従来のローラカムフォロワは、表面に炭化物がほとんど存在しておらず、耐摩耗性が十分ではない。また、原材料として肌焼き鋼を使用しており、肌焼き鋼は、大量生産されていないので材料コストが高く、しかも肌焼き鋼の浸炭処理や浸炭窒化処理の熱処理コストも高くなる結果、ローラカムフォロワのトータルの製造コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
そこで、ＪＩＳ ＳＵＪ２などの軸受鋼より所定形状に形成された素材に、浸炭処理や浸炭窒化処理を施すことにより、ローラカムフォロワを製造することが考えられるが、この場合、表面硬さの増大と炭化物微細化の両者を同時に達成することができず、たとえば元々高炭素で炭化物が存在するＪＩＳ ＳＵＪ２に浸炭処理を施して表面硬さを増大させると、既存の炭化物がさらに成長し、巨大炭化物に成長するため、結局のところ寿命が低下するという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決し、従来のローラ部材よりも寿命の長いローラ部材およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明によるローラ部材は、軸受鋼よりなり、浸炭処理が施されて、転動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６ｗｔ％となされるとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量が０．６〜１．０ｗｔ％となされ、さらに前記表層部に球状炭化物が析出しているとともに、前記球状炭化物の量が面積率で５〜２０％でかつその粒径が３μｍ以下となされていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１の発明において、各数値の限定理由は次の通りである。
【０００９】
表層部の全炭素量
この全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％に限定したのは、上限値を越えると炭化物が極めて粗大になり、微細化できないからである。なお、下限値はＪＩＳ ＳＵＪ２等の軸受鋼がベースとなっていることから必然的に決まる。
【００１０】
表層部のマトリックス中の固溶炭素量
この固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％に限定したのは、下限値未満であると所望の表面硬さを得ることができなくて、ローラ部材、たとえば上述したローラカムフォロワの転動面に、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きが発生することにより、短期間でピーリングが発生し、上限値を越えると表層部の微細球状炭化物の量が面積率で５％未満になって、耐摩耗性が低下するからである。
【００１１】
表層部の球状炭化物の量
この球状炭化物の量を面積率で５〜２０％に限定したのは、下限値未満であると耐摩耗性が低下し、上限値を越えると粗大な炭化物が発生し、この粗大炭化物が疲労亀裂の起点となってローラ部材の短寿命化につながるからである。
【００１２】
表層部の球状炭化物の粒径
この粒径を３μｍ以下に限定したのは、３μｍを越えると、非金属介在物と同様に疲労亀裂の起点となるとともに、靭性を確保することができないからである。
【００１３】
また、表層部の球状炭化物の量および粒径が上述したとおりであると、表層部に球状炭化物が均一に分散することになり、残留オーステナイトの安定性が増してローラ部材の寸法変化を防止することができる。
【００１４】
請求項１の発明によれば、表面硬さが増大するので、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きを防止することが可能となって短期間でのピーリングの発生が防止され、しかも耐摩耗性の低下が防止されるとともに靭性が確保され、その結果ローラ部材の長寿命化を図ることができる。さらに、軸受用として大量生産される軸受鋼よりなるので、材料コストが安くなり、その結果トータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００１５】
また、請求項１の発明において、前記浸炭処理温度が８４０〜８７０℃であることが好ましい。この場合、従来の肌焼き鋼に施す浸炭処理や浸炭窒化処理の加熱温度よりも低くなり、熱処理コストが安くなる。したがって、トータルの製造コストが安くなる。
【００１６】
請求項２の発明によるローラ部材は、軸受鋼よりなり、浸炭処理が施されて、転動面における表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６ｗｔ％、同じく残留オーステナイト量が２０〜３５ｖｏｌ％、同じく圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａ、同じく表面硬さがＨＲＣ６４以上となされ、前記表層部に球状炭化物が析出しているとともに、前記球状炭化物の量が面積率で１０〜２５％でかつその粒径が３μｍ以下となされていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項２の発明において、各数値の限定理由は次の通りである。
【００１８】
表層部の全炭素量
この全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％に限定したのは、上限値を越えると炭化物が極めて粗大になり、微細化できないからである。なお、下限値はＪＩＳ ＳＵＪ２等の軸受鋼がベースとなっていることから必然的に決まる。
【００１９】
表層部の残留オーステナイト量
この残留オーステナイト量を２０〜３５ｖｏｌ％に限定したのは、この範囲内であると、転動面の表層部に発生する圧縮応力を緩和することができるとともに、亀裂の進展を抑制することができ、しかも靭性が向上して、ローラ部材の一層の長寿命化を図ることができるからである。しかしながら、残留オーステナイト量が２０ｖｏｌ％未満ではこのような効果は得られず、３５ｖｏｌ％を越えると表層部の表面硬さが６４ＨＲＣ以上にならない。
【００２０】
表層部の圧縮残留応力
この圧縮残留応力を１５０〜１０００ＭＰａに限定したのは、この範囲内であると、亀裂の進展を抑制することができ、その結果ローラ部材の一層の長寿命化を図ることができるからである。しかしながら、圧縮残留応力が１５０ＭＰａ未満であるとこのような効果は得られず、１０００ＭＰａを越えると過大な圧縮残留応力による経時変形が問題となるからである。
【００２１】
表層部の表面硬さ
表層部の表面硬さをＨＲＣ６４以上に限定したのは、この場合に転動面に短期間でピーリングが発生することを防止しうるからである。なお、この表面硬さの上限はＨＲＣ６９程度であることが好ましい。その理由は、材料の靭性を確保するためである。
【００２２】
表層部の球状炭化物の量
この球状炭化物の量の下限を面積率で１０％に限定したのは、球状炭化物の量が面積率で１０％未満になると、ミクロンオーダおよびサブミクロンオーダの炭化物の量が不足して長寿命化効果が不十分となるおそれがあるからである。ここで、ミクロンオーダの炭化物は、疲労の原因となるすべり帯の形成を防止する効果があり、サブミクロンオーダの炭化物は、すべり帯の形成を防止する効果はないが、すべり帯を分散させる効果がある。また、球状炭化物の量の上限を面積率で２５％に限定したのは、２５％を越えると必然的に球状炭化物の粒径が大きくなり、しかも各球状炭化物間の距離が小さくなって均一に分散しなくなるからである。
【００２３】
表層部の球状炭化物の粒径
この粒径を３μｍ以下に限定した理由は、請求項１の発明の場合と同様である。
【００２４】
また、表層部の球状炭化物の量および粒径が上述したとおりであると、表層部に球状炭化物が均一に分散することになり、残留オーステナイトの安定性が増してローラ部材の寸法変化を防止することができる。
【００２５】
請求項２の発明によれば、表面硬さが増大するので、異物を噛み込んださいや、潤滑条件が悪化したさいの剥離起点となる傷付きを防止することが可能となって短期間でのピーリングの発生が防止され、しかも耐摩耗性の低下が防止されるとともに靭性が確保され、その結果ローラ部材の長寿命化を図ることができる。さらに、軸受用として大量生産される軸受鋼よりなるので、材料コストが安くなり、その結果トータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００２６】
また、請求項２の発明において、前記浸炭処理温度が８４０〜８７０℃であることが好ましい。この場合、従来の肌焼き鋼に施す浸炭処理や浸炭窒化処理の加熱温度よりも低くなり、熱処理コストが安くなる。したがって、トータルの製造コストが安くなる。
【００２７】
請求項３の発明によるローラ部材の製造方法は、軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、これにより転動面における表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で５〜１５％でかつその粒径を３μｍ以下とすることを特徴とするものである。
【００２８】
請求項３の発明において、浸炭処理における各数値の限定理由は次の通りである。なお、表層部の全炭素量、表層部のマトリックス中の固溶炭素量、表層部の球状炭化物の量および表層部の球状炭化物の粒径の下限については、限定理由は請求項１の発明の場合と同じである。
【００２９】
表層部の球状炭化物の量の上限
球状炭化物の量を面積率で１５％を越えたものにするには浸炭処理時間を長くしなければならず、その結果熱処理コストが高くなって、面積率が１５％以下の場合に比べてトータルの製造コストが高くなるからである。
【００３０】
浸炭処理雰囲気のカーボンポテンシャル
このカーボンポテンシャルを１．２％以上に限定したのは、１．２％未満では、炭素含有量が１ｗｔ％程度である軸受鋼に対してほとんど浸炭されないことになり、表層部の硬さおよび炭化物の面積率を所望のものにすることができず、しかも炭化物の微細化を図ることができないからである。
【００３１】
浸炭処理温度
この温度を８４０〜８７０℃に限定したのは、下限値未満であるとカーボンポテンシャルのところで述べたような必要な浸炭を行うことができず、上限値を越えると表層部の結晶粒度が大きくなりすぎるとともに巨大炭化物が析出して強度が低下するからである。すなわち、降伏強さは結晶粒度の−１／２乗に比例するので、結晶粒度が大きくなりすぎると強度が低下する。
【００３２】
浸炭処理時間
この時間を３時間以上に限定したのは、３時間未満であると浸炭深さが不足するからである。
【００３３】
請求項３の発明によれば、軸受用として多く用いられる軸受鋼よりなるローラ部材素材を用いるので、材料コストが安くなる。しかも、浸炭処理温度が８４０〜８７０℃であるとともに、１度の浸炭処理の後急冷する熱処理を行うだけであるから、熱処理コストが安くなる。したがって、ローラ部材のトータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００３４】
請求項３の発明において、カーボンポテンシャルを１．２〜１．４％とすることが好ましい。カーボンポテンシャルが１．４％を越えると、大量の煤が発生するという問題があるからである。
【００３５】
さらに、請求項３の発明において、加熱時間を３．５〜５時間とすることが好ましい。加熱時間が５時間を超えると、熱処理コストが高くなるとともに、炭化物が巨大化するという問題があるからである。
【００３６】
請求項４の発明によるローラ部材の製造方法は、軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが０．９〜１．１％の雰囲気中において９３０〜９７０℃で１時間以上加熱することにより既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる処理を施した後急冷し、ついでカーボンポテンシャルが１．２％以上の雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、これにより転動面における表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、さらに前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で１０〜２０％でかつその粒径を２μｍ以下とすることを特徴とするものである。
【００３７】
請求項４の発明において、熱処理における各数値の限定理由は次の通りである。なお、表層部の全炭素量、表層部のマトリックス中の固溶炭素量および表層部の球状炭化物の量の上限については、限定理由は請求項１の発明の場合と同じである。
【００３８】
表層部の球状炭化物の量の下限
球状炭化物の量の下限を面積率で１０％としたのは、１０％未満になると、ミクロンオーダおよびサブミクロンオーダの炭化物の量が不足して摺動寿命を向上させる効果が得られないおそれがあるからである。ここで、ミクロンオーダの炭化物は、疲労の原因となるすべり帯の形成を防止する効果があり、サブミクロンオーダの炭化物は、すべり帯の形成を防止する効果はないが、すべり帯を分散させる効果がある。
【００３９】
表層部の球状炭化物の粒径
球状炭化物の粒径を２μｍ以下としたのは、２μｍを越えると、非金属介在物と同様に疲労亀裂の起点となるとともに、靭性が不十分となるおそれがあるからである。
【００４０】
既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる工程
この工程における雰囲気中のカーボンポテンシャルを０．９〜１．１％に限定したのは、ローラ部材に対して浸炭および脱炭を起こさせないためである。１．１％を越えると炭素含有量が１ｗｔ％程度である軸受鋼に対して浸炭が起こり、０．９％未満であると脱炭が起こる。
【００４１】
この工程における加熱温度を９３０〜９７０℃に限定したのは、９３０℃未満であると球状焼鈍後存在している第２相としての炭化物のマトリックス中への固溶が不十分であり、９７０℃を越えると焼割れを起こす可能性があるからである。
【００４２】
さらに、この工程における加熱時間を１時間以上に限定したのは、１時間未満であると球状焼鈍後存在している第２相としての炭化物のマトリックス中への固溶が不十分になるからである。
【００４３】
浸炭工程
この工程における雰囲気中のカーボンポテンシャルを１．２％以上に限定したのは、１．２％未満では、炭素含有量が１ｗｔ％程度である軸受鋼に対してほとんど浸炭されないことになり、表層部の硬さおよび炭化物の面積率を所望のものにすることができず、しかも炭化物の微細化を図ることができないからである。なお、カーボンポテンシャルの上限は、大量の煤の発生を防止するために１．４％とすることが好ましい。
【００４４】
この工程における加熱温度を８４０〜８７０℃に限定したのは、下限値未満であるとカーボンポテンシャルのところで述べたような必要な浸炭を行うことができず、上限値を越えると表層部の結晶粒度が大きくなりすぎるとともに巨大炭化物が析出して強度が低下するからである。すなわち、降伏強さは結晶粒度の−１／２乗に比例するので、結晶粒度が大きくなりすぎると強度が低下する。
【００４５】
さらに、この工程における加熱時間を３時間以上に限定したのは、３時間未満であると必要な浸炭深さが得られないからである。
【００４６】
請求項４の発明によれば、既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる処理を施した後浸炭処理を施しているので、マトリックス中に固溶した炭化物の核から再度微細な炭化物を析出させることが可能になる。したがって、疲労亀裂の発生を防止するとともに、靭性を確保することができ、ローラ部材の長寿命化を図ることが可能になる。また、軸受用として大量生産される軸受鋼を用いるので、材料コストが安くなり、その結果トータルの製造コストが安くなる。軸受鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなるので、好ましい。
【００４７】
請求項４の発明において、前記浸炭処理を施した後の表層部の球状炭化物の量を、面積率で１３〜１６％とすることが好ましい。
【００４８】
球状炭化物の量が面積率で１３％以上であると、上述した、ミクロンオーダの炭化物によるすべり帯の形成防止効果およびサブミクロンオーダの炭化物によるすべり帯分散効果が一層優れたものになって摺動寿命が向上するからである。また、コスト面を考慮すると、ガス浸炭においては球状炭化物の量は面積率で１６％以下にすることが妥当である。
【００４９】
請求項１〜請求項４の発明において、表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲とは、転動時の荷重や潤滑条件などにより異なるが、表面から深さ０．５ｍｍ程度までの範囲である。そして、この範囲を上述したような状態にした理由は次の通りである。すなわち、内部起点剥離の要因となる最大せん断応力が作用する範囲内において、全炭素量、マトリックス中の固溶炭素量、球状炭化物の量を上述したようにすることにより強度を向上させ、その結果所定の目的が達成されるからである。
【００５０】
【発明の実施形態】
以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。
【００５１】
実施例１〜４および比較例１
表１に示す２種類の鋼を用意し、これらの鋼を用いて自動車用エンジンのバルブシステムにおけるローラカムフォロワのローラをモデル化したローラ素材を、５種類作製した。
【００５２】
【表１】
ついで、これらのローラ素材に、図１〜図３に示す熱処理条件で熱処理を施してピーリング試験用ローラを製造した（実施例１〜４および比較例１）。
【００５４】
図１に示す熱処理条件１は、カーボンポテンシャル１．３％の雰囲気中において８５０℃で３時間加熱した後、８０℃に油冷するものである。
【００５５】
図２に示す熱処理条件２は、カーボンポテンシャル１．１％の雰囲気中において９５０℃で２時間加熱した後８０℃に油冷し、ついでカーボンポテンシャル１．３％の雰囲気中において８５０℃に３．５時間加熱した後８０℃に油冷するものである。
【００５６】
図３に示す熱処理条件３は、カーボンポテンシャル０．８％の雰囲気中において９３０℃で５時間加熱した後、この加熱に引き続いてカーボンポテンシャル０．８％の雰囲気中において８５０℃で０．７時間加熱し、ついで８０℃に油冷するものである。
【００５７】
なお、上述した３つの熱処理においては、図示は省略したが、いずれの場合も最後に１６０℃で２時間加熱する焼戻し処理が施される。
【００５８】
このようにして製造された実施例１〜４および比較例１のローラの鋼種、熱処理条件および熱処理コストを表２に示す。なお、表２中の熱処理条件１Ａは熱処理条件１の加熱時間だけを５時間に変更したものであり、熱処理条件１Ｂは熱処理条件１の加熱時間だけを３．５時間に変更したものである。また、熱処理コストは、安いものから順に１〜３の数字で表す。
【００５９】
【表２】
実施例１〜４および比較例１のピーリング試験用ローラの転動面の表面硬さ（ＨＲＣ）、転動面の最表面の全炭素量、転動面の最表面のマトリックス中の固溶炭素量、転動面の最表面に析出した球状炭化物の量（面積率）、転動面の最表面に析出した球状炭化物の最大粒径、転動面の表面から深さ５０μｍの位置での残留オーステナイト量（γＲ量）、転動面から深さ５０μｍの位置での圧縮残留応力は、表３に示す通りである。
【００６１】
【表３】
評価試験
実施例１〜４および比較例１のピーリング試験用ローラを被駆動円筒とし、ＪＩＳ ＦＣＤ７００（鋳鉄）からなりかつ高周波焼入処理が施されてなるローラを駆動円筒として組み合わせて２円筒試験装置を組立てた。そして、これらの２円筒試験装置の駆動円筒をモータにより回転させ、これの外周面と接触する被駆動円筒を回転させることで、寿命試験を行った。なお、試験中は両円筒の接触部に潤滑油を供給した。寿命は、上記試験用ローラの転動面にピーリング損傷が発生して振動が増大した時点とした。寿命試験の結果も表３に示す。なお、表３に示す寿命試験結果は、比較例１の場合を１とし、これを基準として表したものである。
【００６３】
以上の結果から明らかなように、本発明品である実施例１〜４は、比較例１と比較して大幅に寿命が向上していることが分かる。しかも、実施例１〜４は、軸受鋼の中でも最も大量生産されるＪＩＳ ＳＵＪ２を用いているので、肌焼き鋼を用いた比較例１に比べて、特に材料コストが安くなる。さらに、熱処理コストも安くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理条件１を示す線図である。
【図２】熱処理条件２を示す線図である。
【図３】熱処理条件３を示す線図である。
Claims (4)
- 軸受鋼よりなり、浸炭処理が施されて、転動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６ｗｔ％となされるとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量が０．６〜１．０ｗｔ％となされ、さらに前記表層部に球状炭化物が析出しているとともに、前記球状炭化物の量が面積率で５〜２０％でかつその粒径が３μｍ以下となされていることを特徴とするローラ部材。
- 軸受鋼よりなり、浸炭処理が施されて、転動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６ｗｔ％、同じく残留オーステナイト量が２０〜３５ｖｏｌ％、同じく圧縮残留応力が１５０〜１０００ＭＰａ、同じく表面硬さがロックウェルＣ硬さで６４以上となされ、前記表層部に球状炭化物が析出しているとともに、前記球状炭化物の量が面積率で１０〜２５％でかつその粒径が３μｍ以下となされていることを特徴とするローラ部材。
- 軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、これにより転動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で５〜１５％でかつその粒径を３μｍ以下とすることを特徴とするローラ部材の製造方法。
- 軸受鋼より所定の形状に形成された加工済みローラ部材素材を、カーボンポテンシャルが０．９〜１．１％の雰囲気中において９３０〜９７０℃で１時間以上加熱することにより既存の炭化物をマトリックス中に溶け込ませる処理を施した後急冷し、ついでカーボンポテンシャルが１．２％以上の雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、これにより転動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量を１．０〜１．６ｗｔ％とするとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量を０．６〜１．０ｗｔ％とし、さらに前記表層部に球状炭化物を析出させて球状炭化物の量を面積率で１０〜２０％でかつその粒径を２μｍ以下とすることを特徴とするローラ部材の製造方法。
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