JP5665565B2 - 軌道輪の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は軌道輪の製造方法、軌道輪および転がり軸受に関し、より特定的には、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、高周波焼入によって焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって均質に形成することが可能な軌道輪の製造方法、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成された転がり軸受の軌道輪、および当該軌道輪を備えた転がり軸受に関するものである。

鋼からなる転がり軸受の軌道輪に対する焼入硬化処理として、高周波焼入が採用される場合がある。この高周波焼入は、軌道輪を炉内で加熱した後、油などの冷却液中に浸漬する一般的な焼入硬化処理に比べて、設備を簡略化できるとともに、短時間での熱処理が可能となるなどの利点を有している。

しかし、高周波焼入において、軌道輪の転走面に沿った焼入硬化すべき環状の領域を同時に加熱するためには、転走面に対向するように、当該軌道輪を誘導加熱するためのコイルなどの誘導加熱部材を配置する必要がある。そのため、大型の軌道輪を焼入硬化する場合、それに応じた大型のコイルや当該コイルに対応する大容量の電源が必要となり、焼入装置の製作コストが高くなるという問題がある。

このような問題を回避する方策として、小型の誘導加熱コイルを用いた移動焼入が採用される場合がある。この移動焼入においては、軌道輪の加熱すべき環状の領域の一部に対向して配置され、当該領域に沿って相対的に移動するコイルを用いて高周波誘導加熱を実施し、加熱された領域に対してコイルの通過直後に水などの冷却液を噴射することにより、当該領域を順次焼入硬化する。しかし、単にこの移動焼入を採用した場合、焼入が開始された領域（焼入開始領域）からコイルが一回りし、最後に焼入を実施すべき領域（焼入終了領域）を焼入硬化する際、焼入開始領域と焼入終了領域とが部分的に重複する。そのため、重複した領域が再焼入されることによる焼割れの発生が懸念される。また、上記重複した領域に隣接する領域は、焼入終了領域の加熱に伴ってＡ_１点以下の温度に加熱されて焼戻されるため、硬度が低下するおそれもある。そのため、移動焼入が採用される場合、焼入開始領域と焼入終了領域との間に焼入を実施しない領域（ソフトゾーン）を残存させる対策が採られるのが一般的である。このソフトゾーンは、硬度が低いため降伏強度が低く、また耐摩耗性も不十分である。そのため、軌道輪にソフトゾーンを形成した場合、当該ソフトゾーンが負荷域とならないように配慮する必要がある。

これに対し、ソフトゾーンを形成する上記移動焼入を実施した後、ソフトゾーンに相当する領域を切除するとともに、当該領域に焼入を施した栓体を嵌め込む方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。これにより、硬度の低いソフトゾーンが残存することを回避することができる。

また、軌道輪の周方向反対向きに移動する２つのコイルを用いて、ソフトゾーンの形成を回避する方法も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。この方法では、２つのコイルが互いに隣接するように配置された状態で焼入を開始し、再度衝合する位置で焼入を終了することにより、ソフトゾーンの形成を回避しつつ、再焼入される領域の発生をも回避することができる。

特開平６−１７８２３号公報 特開平６−２００３２６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された方法では、軌道輪を製造するための工数が大幅に増加するという問題がある。また、上記特許文献２に開示された方法では、最後に焼入される領域に焼入硬化に伴う残留応力が集中し、熱処理ひずみや焼割れの発生が懸念される。

本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、高周波焼入によって焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって均質に形成することが可能な軌道輪の製造方法、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成された転がり軸受の軌道輪、および当該軌道輪を備えた転がり軸受を提供することである。

本発明の一の局面に従った軌道輪の製造方法は、転がり軸受の軌道輪の製造方法である。この軌道輪の製造方法は、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成される成形体を準備する工程と、成形体において軌道輪の転走面となるべき環状領域の一部に面するように配置され、成形体を誘導加熱する誘導加熱部材を、環状領域の周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体にＡ_１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域を形成する工程の後、成形体を加熱が停止された状態に保持する工程と、保持する工程の後、加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。

また、本発明の他の局面に従った軌道輪の製造方法は、転がり軸受の軌道輪の製造方法である。この軌道輪の製造方法は、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１０質量％以上０．２５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成される成形体を準備する工程と、成形体において軌道輪の転走面となるべき環状領域の一部に面するように配置され、成形体を誘導加熱する誘導加熱部材を、環状領域の周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体にＡ_１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、加熱領域を形成する工程の後、成形体を加熱が停止された状態に保持する工程と、保持する工程の後、加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する工程とを備えている。

本発明の軌道輪の製造方法においては、転走面となるべき環状領域の一部に面するように配置された誘導加熱部材が周方向に沿って相対的に回転することにより、成形体に加熱領域が形成される。そのため、軌道輪の外形形状に対して小さい誘導加熱部材を採用することが可能である。その結果、大型の軌道輪を焼入硬化する場合でも、焼入装置の製作コストを抑制することができる。また、本発明の軌道輪の製造方法においては、加熱領域全体がＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却される。そのため、焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって同時に形成することが可能となり、一部の領域に残留応力が集中することが抑制される。さらに、本発明の軌道輪の製造方法においては、焼入硬化により十分に高い硬度および十分な炭化物量を実現できるとともに、高い焼入性を確保しつつ焼割れを抑制することが可能な適切な成分組成を有する鋼が素材として採用される。このように、本発明の軌道輪の製造方法によれば、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、高周波焼入によって焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって均質に形成することができる。なお、「炭化物」とは、Ｆｅ_３Ｃで表わされる鉄の炭化物（セメンタイト）を主体とした炭化物である。

ここで、成形体を構成する鋼の成分範囲、すなわち製造される軌道輪を構成する鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。

炭素：０．９５質量％以上１．１０質量％以下
炭素含有量は、焼入硬化後における軌道輪の転走面の炭化物量に大きな影響を与える。成形体（軌道輪）を構成する鋼の炭素含有量が０．９５質量％未満では、焼入硬化後における転走面に十分な量の炭化物を存在させることが困難となる。一方、炭素含有量が１．１０質量％を超えると、焼入硬化の際の割れの発生（焼割れ）が懸念される。そのため、炭素含有量は０．９５質量％以上１．１０％質量％以下とした。

珪素：０．４０質量％以上０．７０質量％以下
珪素は、鋼の焼戻軟化抵抗の向上に寄与する。成形体（軌道輪）を構成する鋼の珪素含有量が０．４０質量％未満では、焼戻軟化抵抗が不十分となり、焼入硬化後の焼戻や、軌道輪の使用中における温度上昇により転走面の硬度が大幅に低下する可能性がある。一方、珪素含有量が０．７０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を軌道輪に成形する際の加工性が低下する。そのため、珪素含有量は０．４０質量％以上０．７０質量％以下とした。

マンガン：０．９０質量％以上１．１５質量％以下
マンガンは、鋼の焼入性の向上に寄与する。マンガン含有量が０．９０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が１．１５質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を軌道輪に成形する際の加工性が低下する。そのため、マンガン含有量は０．９０質量％以上１．１５質量％以下とした。

クロム：０．９０質量％以上１．２０質量％以下
クロムは、鋼の焼入性の向上に寄与する。クロム含有量が０．９０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、クロム含有量が１．２０質量％を超えると、素材コストが高くなるとともに焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を軌道輪に成形する際の加工性が低下する。そのため、クロム含有量は０．９０質量％以上１．２０質量％以下とした。

モリブデン：０．１０質量％以上０．２５質量％以下
モリブデンも、鋼の焼入性の向上に寄与する。モリブデンは、本発明の軌道輪を構成する鋼において必須の成分ではないが、軌道輪の外形が大きい場合など、軌道輪を構成する鋼に特に高い焼入性が求められる場合に添加することができる。モリブデン含有量が０．１０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、モリブデン含有量が０．２５質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、モリブデンは０．１０質量％以上０．２５質量％以下の範囲で必要に応じて添加されることが好ましい。

上記軌道輪の製造方法においては、加熱領域を形成する工程よりも前に、成形体に焼ならし処理を実施する工程をさらに備えていてもよい。

高周波焼入により転走面を含む領域が部分的に焼入硬化されて製造される軌道輪においては、焼入硬化されない領域（非硬化領域）においても所定の強度を確保可能な硬度を有している必要がある。そして、非硬化領域において所定の硬度を確保するためには、高周波焼入処理前に成形体（軌道輪）全体に焼入処理を実施した後、さらに焼戻処理を実施してもよい。しかし、上述のように炭素含有量が比較的高く、かつ焼入性の高い上記成分組成を有する鋼が素材として採用される場合、焼割れが発生しやすいという問題がある。一方、上記成分組成の鋼からなる成形体においては、焼ならし処理により十分な硬度を確保することができる。そのため、上記焼入および焼戻による硬度の確保に代えて、焼ならし処理を高周波焼入の前に実施しておくことにより、非硬化領域に適切な硬度を付与することができる。

上記軌道輪の製造方法においては、焼ならし処理を実施する工程では、成形体に気体とともに硬質の粒子が吹き付けられることにより、成形体が冷却されつつショットブラスト処理が実施されてもよい。

これにより、焼ならし処理の際の衝風冷却と同時にショットブラスト処理を実施することができる。そのため、焼きならし処理の加熱によって成形体の表層部に生成したスケールが除去され、スケールの生成に起因した軌道輪の特性低下やスケールの生成による熱伝導率の低下が抑制される。

上記軌道輪の製造方法においては、加熱領域を形成する工程では、誘導加熱部材は成形体の周方向に沿って相対的に２周以上回転してもよい。これにより、転走面の周方向における温度のばらつきを抑制し、均質な焼入硬化を実現することができる。

上記軌道輪の製造方法においては、加熱領域を形成する工程では、誘導加熱部材は成形体の周方向に沿って複数個配置されてもよい。これにより、転走面の周方向における温度のばらつきを抑制し、均質な焼入硬化を実現することができる。

上記軌道輪の製造方法においては、加熱領域を形成する工程では、加熱領域の複数箇所の温度が測定されてもよい。これにより、転走面の周方向において均質な加熱が実現されていることを確認した上で急冷して焼入硬化処理を実施することができる。その結果、転走面の周方向において均質な焼入硬化を実現することができる。

本発明の一の局面に従った軌道輪は、上記本発明の軌道輪の製造方法により製造され、１０００ｍｍ以上の内径を有している。本発明の一の局面における軌道輪によれば、上記本発明の軌道輪の製造方法により製造されていることにより、熱処理のコストが抑制されつつ、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって均質に形成された大型の軌道輪を提供することができる。

本発明の他の局面に従った軌道輪は、１０００ｍｍ以上の内径を有する転がり軸受の軌道輪である。この軌道輪は、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成され、転走面における炭化物の面積率が２％以上１１％以下である。

また、本発明のさらに他の局面における軌道輪は、１０００ｍｍ以上の内径を有する転がり軸受の軌道輪である。この軌道輪は、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１０質量％以上０．２５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成され、転走面における炭化物の面積率が２％以上１１％以下である。

上記他の局面およびさらに他の局面における軌道輪においては、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成されている。そのため、上記他の局面およびさらに他の局面における軌道輪は、転走面のいずれの領域をも負荷域にすることができる耐久性に優れた軌道輪となっている。また、上記他の局面およびさらに他の局面における軌道輪においては、焼入硬化により十分に高い硬度および十分な炭化物量を実現できるとともに、高い焼入性を確保しつつ焼割れを抑制することが可能な適切な成分組成を有する鋼が素材として採用されている。このように、本発明の他の局面およびさらに他の局面における軌道輪によれば、耐久性に優れた大型の軌道輪を提供することができる。

本発明に従った転がり軸受は、内輪と、内輪の外周側を取り囲むように配置された外輪と、内輪と外輪との間に配置された複数の転動体とを備えている。そして、内輪および外輪の少なくともいずれか一方は上記本発明の軌道輪である。

本発明の転がり軸受によれば、上記本発明の軌道輪を備えていることにより、耐久性に優れた大型の転がり軸受を提供することができる。

上記転がり軸受は、風力発電装置において、内輪にはブレードに接続された主軸が貫通して固定され、外輪はハウジングに対して固定されることにより、主軸をハウジングに対して回転自在に支持する転がり軸受（風力発電装置用転がり軸受）として用いることができる。上記耐久性に優れた大型の転がり軸受である本発明の転がり軸受は、風力発電装置用転がり軸受として好適である。

なお、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

また、大型の転がり軸受の軌道輪、たとえば１０００ｍｍ以上の内径を有する転がり軸受の軌道輪においては、必要な硬化層深さは最大で４．７ｍｍ程度となる。さらに、焼入硬化処理における熱処理変形に対応するため、焼入硬化後の軌道輪に対しては、研削を実施し、表層部の厚み３ｍｍ程度の領域を除去する必要がある。したがって、大型の転がり軸受の軌道輪に対する焼入硬化処理においては、表面から厚み８ｍｍ程度の領域を焼入硬化することが好ましい。このような焼入硬化を実現するためには、素材となる鋼の選定が重要であり、焼入性の高い鋼を素材として採用することが望ましい。

焼入性の指標の１つとして、臨界冷却速度がある。臨界冷却速度とは、焼入硬化処理により鋼をマルテンサイト変態させて十分に硬化させるために必要な最低限の冷却速度である。大型の転がり軸受の軌道輪を焼入硬化する際、表面からの深さが８ｍｍの位置における冷却速度は３．５℃／ｓ程度と見積もられる。したがって、臨界冷却速度が３．５℃／ｓ以下である鋼を素材として採用することが好ましいといえる。このような条件を満たす鋼としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ３、ＳＵＪ５などが挙げられる。

以上の説明から明らかなように、本発明の軌道輪の製造方法、軌道輪および転がり軸受によれば、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、高周波焼入によって焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって均質に形成することが可能な軌道輪の製造方法、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成された転がり軸受の軌道輪、および当該軌道輪を備えた転がり軸受を提供することができる。

転がり軸受内輪の製造方法の概略を示すフローチャートである。 焼入硬化工程を説明するための概略図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。 実施の形態２における焼入硬化工程を説明するための概略図である。 実施の形態３における焼入硬化工程を説明するための概略図である。 風力発電装置用転がり軸受を備えた風力発電装置の構成を示す概略図である。 図６における主軸用軸受の周辺を拡大して示す概略断面図である。 移動焼入を実施した場合の転走面の任意の一点における温度履歴を示す図である。 本発明に従った焼入を実施した場合の転走面の任意の一点における温度履歴を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、転がり軸受の軌道輪である内輪の製造方法を例に、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態における内輪の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として成形体準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼材が準備され、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、所望の内輪の形状に応じた形状を有する成形体が作製される。より具体的には、１０００ｍｍ以上の内径を有する内輪の形状に応じた成形体が作製される。ここで、製造すべき内輪が特に大きく、鋼により高い焼入性が求められる場合、上記合金成分に加えて０．１０質量％以上０．２５質量％以下のモリブデンを添加した鋼材を採用してもよい。上記成分組成を満足する鋼としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ３、ＳＵＪ５などが挙げられる。

次に、工程（Ｓ２０）として、焼ならし工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において作製された成形体がＡ_１変態点以上の温度に加熱された後、Ａ_１変態点未満の温度に冷却されることにより焼ならし処理が実施される。このとき、焼ならし処理の冷却時における冷却速度は、成形体を構成する鋼がマルテンサイトに変態しない冷却速度、すなわち臨界冷却速度未満の冷却速度であればよい。そして、焼ならし処理後の成形体の硬度は、この冷却速度が大きくなると高く、冷却速度が小さくなると低くなる。そのため、当該冷却速度を調整することにより、所望の硬度を成形体に付与することができる。

次に、図１を参照して、焼入硬化工程が実施される。この焼入硬化工程は、工程（Ｓ３０）として実施される誘導加熱工程と、工程（Ｓ４０）として実施される冷却工程とを含んでいる。工程（Ｓ３０）では、図２および図３を参照して、誘導加熱部材としてのコイル２１が、成形体１０において転動体が転走すべき面である転走面１１（環状領域）の一部に面するように配置される。ここで、コイル２１において転走面１１に対向する面は、図３に示すように転走面１１に沿った形状を有している。次に、成形体１０が中心軸周り、具体的には矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。これにより、成形体１０の転走面１１を含む表層領域がＡ_１点以上の温度に誘導加熱され、転走面１１に沿った円環状の加熱領域１１Ａが形成される。このとき、転走面１１の表面の温度は、放射温度計などの温度計２２により測定され、管理される。

次に、工程（Ｓ４０）においては、工程（Ｓ３０）において形成された加熱領域１１Ａを含む成形体１０全体に対して、たとえば冷却液としての水が噴射されることにより、加熱領域１１Ａ全体がＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却される。これにより、加熱領域１１Ａがマルテンサイトに変態し、硬化する。以上の手順により、高周波焼入が実施され、焼入硬化工程が完了する。

次に、工程（Ｓ５０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ３０）および（Ｓ４０）において焼入硬化された成形体１０が、たとえば炉内に装入され、Ａ_１点以下の温度に加熱されて所定の時間保持されることにより、焼戻処理が実施される。

次に、工程（Ｓ６０）として仕上工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、たとえば転走面１１に対して研磨加工などの仕上げ加工が実施される。以上のプロセスにより、転がり軸受の内輪が完成し、本実施の形態における内輪の製造は完了する。その結果、図２および図３を参照して、１０００ｍｍ以上の内径ｄ_３を有し、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面１１に沿って全周にわたって均質に形成された内輪１０が完成する。

本実施の形態では、工程（Ｓ３０）において、成形体１０の転走面の一部に面するように配置されたコイル２１を周方向に沿って相対的に回転させることにより、成形体１０に加熱領域１１Ａが形成される。そのため、成形体１０の外形形状に対して小さいコイル２１を採用することが可能となっており、大型の成形体１０を焼入硬化する場合でも、焼入装置の製作コストを抑制することができる。また、本実施の形態では、加熱領域１１Ａ全体がＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却される。そのため、周方向に均質な環状の焼入硬化領域を形成することが可能となり、一部の領域に残留応力が集中することが抑制される。さらに、本実施の形態では、焼入硬化により十分に高い硬度および十分な炭化物量を実現できるとともに、高い焼入性を確保しつつ焼割れを抑制することが可能な適切な成分組成を有する鋼が素材として採用されている。その結果、本実施の形態における内輪の製造方法は、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、高周波焼入によって焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって均質に形成することが可能な軌道輪の製造方法となっている。

なお、上記工程（Ｓ２０）は、本発明の軌道輪の製造方法において必須の工程ではないが、これを実施することにより、製造される軌道輪の非硬化領域（焼入硬化層以外の領域）の硬度を調整することができる。非硬化領域の硬度の調整は、工程（Ｓ２０）に代えて焼入処理および焼戻処理を実施することにより達成することも可能である。しかし、本実施の形態においては炭素含有量が高く、かつ焼入性の高い上記成分組成を有する鋼が素材として採用されるため、焼割れが発生しやすい。そのため、非硬化領域の硬度調整には、工程（Ｓ２０）として焼ならし処理を実施することが好ましい。

また、上記工程（Ｓ２０）においては、成形体１０に気体とともに硬質の粒子が吹き付けられることにより、成形体１０が冷却されつつショットブラスト処理が実施されてもよい。これにより、焼ならし処理の際の衝風冷却と同時にショットブラスト処理を実施することができる。そのため、焼きならし処理の加熱によって成形体１０の表層部に生成したスケールが除去され、スケールの生成に起因した軌道輪の特性低下やスケールの生成による熱伝導率の低下が抑制される。ここで、硬質の粒子（投射材）としては、たとえば鋼や鋳鉄などからなる金属製の粒子を採用することができる。

さらに、上記工程（Ｓ３０）では、成形体１０は少なくとも１回転すればよいが、周方向における温度のばらつきを抑制し、より均質な焼入硬化を実現するためには、複数回回転することが好ましい。すなわち、誘導加熱部材としてのコイル２１は、成形体１０の転走面の周方向に沿って相対的に２周以上回転することが好ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における内輪の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における内輪の製造方法は、工程（Ｓ３０）におけるコイル２１の配置において、実施の形態１の場合とは異なっている。

すなわち、図４を参照して、実施の形態２における工程（Ｓ３０）では、成形体１０を挟んで一対のコイル２１が配置される。そして、成形体１０が矢印αの向きに回転されるとともに、コイル２１に対して電源（図示しない）から高周波電流が供給される。これにより、成形体１０の転走面１１を含む表層領域がＡ_１点以上の温度に誘導加熱され、転走面１１に沿った円環状の加熱領域１１Ａが形成される。

このように、コイル２１が成形体１０の周方向に沿って複数個（本実施の形態では２個）配置されることにより、実施の形態２における転がり軸受の内輪の製造方法は、周方向における温度のばらつきを抑制し、均質な焼入硬化を実現可能な軌道輪の製造方法となっている。また、周方向における温度のばらつきを一層抑制するためには、コイル２１は成形体１０の周方向において等間隔に配置されることが好ましい。

（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。実施の形態３における内輪の製造方法は、基本的には実施の形態１および２の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３における内輪の製造方法は、工程（Ｓ３０）における温度計２２の配置において、実施の形態１および２の場合とは異なっている。

すなわち、図５を参照して、実施の形態３における工程（Ｓ３０）では、加熱領域である転走面１１の複数箇所（ここでは４箇所）の温度が測定される。より具体的には、実施の形態３の工程（Ｓ３０）では、成形体１０の転走面１１の周方向に沿って等間隔に複数の温度計２２が配置される。

これにより、転走面１１の周方向において同時に複数箇所の温度が測定されるため、転走面１１の周方向において均質な加熱が実現されていることを確認した上で成形体１０を急冷し、焼入硬化処理を実施することができる。その結果、実施の形態３における転がり軸受の内輪の製造方法によれば、転走面１１の周方向において一層均質な焼入硬化を実現することができる。

なお、上記実施の形態においてはコイル２１を固定し、成形体１０を回転させる場合について説明したが、成形体１０を固定し、コイル２１を成形体１０の周方向に回転させてもよいし、コイル２１および成形体１０の両方を回転させることにより、コイル２１を成形体１０の周方向に沿って相対的に回転させてもよい。ただし、コイル２１には、コイル２１に電流を供給する配線などが必要であるため、上述のようにコイル２１を固定することが合理的である場合が多い。

また、上記実施の形態においては、軌道輪の一例としてラジアル型転がり軸受の内輪が製造される場合について説明したが、本発明を適用可能な軌道輪はこれに限られず、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪であってもよいし、スラスト型軸受の軌道輪であってもよい。ここで、工程（Ｓ２０）において、たとえばラジアル型転がり軸受の外輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の内周側に形成された転走面に面するように配置すればよい。また、工程（Ｓ２０）において、たとえばスラスト型転がり軸受の軌道輪を加熱する場合、コイル２１を成形体の端面側に形成された転走面に面するように配置すればよい。

さらに、成形体１０の周方向における誘導加熱部材としてのコイル２１の長さは、効率よく均質な加熱を実現するように適切に決定することができるが、たとえば加熱すべき領域の長さの１／１２程度、すなわち成形体（軌道輪）の中心軸に対する中心角が３０°となる程度の長さとすることができる。

さらに、本発明における高周波焼入の具体的な条件は、軌道輪（成形体）の大きさ、肉厚、材質、電源の容量など条件を考慮して、適切に設定することができる。

また、周方向における温度のばらつきを抑制するためには、誘導加熱完了後、Ｍ_Ｓ点以下の温度への冷却前に、成形体を加熱が停止された状態に保持する工程を設けることが好ましい。より具体的には、上記成形体の形状および加熱条件の下においては、たとえば加熱完了後３秒間加熱を停止した状態に保持することにより、加熱された領域の表面における周方向の温度のばらつきを２０℃以下程度にまで抑制することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の軌道輪が風力発電装置用軸受（風力発電装置用転がり軸受）を構成する軌道輪として用いられる実施の形態４について説明する。

図６を参照して、風力発電装置５０は、旋回翼であるブレード５２と、ブレード５２の中心軸を含むように、一端においてブレード５２に接続された主軸５１と、主軸５１の他端に接続された増速機５４とを備えている。さらに、増速機５４は、出力軸５５を含んでおり、出力軸５５は、発電機５６に接続されている。主軸５１は、風力発電装置用転がり軸受である主軸用軸受３により、軸まわりに回転自在に支持されている。また、主軸用軸受３は、主軸５１の軸方向に複数個（図６では２個）並べて配置されており、それぞれハウジング５３により保持されている。主軸用軸受３、ハウジング５３、増速機５４および発電機５６は、機械室であるナセル５９の内部に格納されている。そして、主軸５１は一端においてナセル５９から突出し、ブレード５２に接続されている。

次に、風力発電装置５０の動作について説明する。図６を参照して、風力を受けてブレード５２が周方向に回転すると、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３によりハウジング５３に対して支持されつつ、軸まわりに回転する。主軸５１の回転は、増速機５４に伝達されて増速され、出力軸５５の軸まわりの回転に変換される。そして、出力軸５５の回転は、発電機５６に伝達され、電磁誘導作用により起電力が発生して発電が達成される。

次に、風力発電装置５０の主軸５１の支持構造について説明する。図７を参照して、風力発電装置用転がり軸受としての主軸用軸受３は、風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の外輪３１と、外輪３１の内周側に配置された風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての環状の内輪３２と、外輪３１と内輪３２との間に配置され、円環状の保持器３４に保持された複数のころ３３とを備えている。外輪３１の内周面には外輪転走面３１Ａが形成されており、内輪３２の外周面には２つの内輪転走面３２Ａが形成されている。そして、２つの内輪転走面３２Ａが、外輪転走面３１Ａに対向するように、外輪３１と内輪３２とは配置されている。さらに、複数のころ３３は、２つの内輪転走面３２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面３１Ａと内輪転走面３２Ａとに、ころ接触面３３Ａにおいて接触し、かつ保持器３４に保持されて周方向に所定のピッチで配置されることにより複列（２列）の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、外輪３１には、外輪３１を径方向に貫通する貫通孔３１Ｅが形成されている。この貫通孔３１Ｅを通して、外輪３１と内輪３２との間の空間に潤滑剤を供給することができる。以上の構成により、主軸用軸受３の外輪３１および内輪３２は、互いに相対的に回転可能となっている。

一方、ブレード５２に接続された主軸５１は、主軸用軸受３の内輪３２を貫通するとともに、外周面５１Ａにおいて内輪の内周面３２Ｆに接触し、内輪３２に対して固定されている。また、主軸用軸受３の外輪３１は、ハウジング５３に形成された貫通孔の内壁５３Ａに外周面３１Ｆにおいて接触するように嵌め込まれ、ハウジング５３に対して固定されている。以上の構成により、ブレード５２に接続された主軸５１は、内輪３２と一体に、外輪３１およびハウジング５３に対して軸まわりに回転可能となっている。

さらに、内輪転走面３２Ａの幅方向両端には、外輪３１に向けて突出する鍔部３２Ｅが形成されている。これにより、ブレード５２が風を受けることにより発生する主軸５１の軸方向（アキシャル方向）の荷重が支持される。また、外輪転走面３１Ａは、球面形状を有している。そのため、外輪３１と内輪３２とは、ころ３３の転走方向に垂直な断面において、当該球面の中心を中心として互いに角度をなすことができる。すなわち、主軸用軸受３は、複列自動調心ころ軸受である。その結果、ブレード５２が風を受けることにより主軸５１が撓んだ場合であっても、ハウジング５３は、主軸用軸受３を介して主軸５１を安定して回転自在に保持することができる。

そして、実施の形態４における風力発電装置用転がり軸受の軌道輪としての外輪３１および内輪３２は、たとえば上記実施の形態１〜３に記載の軌道輪の製造方法により製造されている。この外輪３１および内輪３２は、１０００ｍｍ以上の内径を有する風力発電装置用転がり軸受の軌道輪である。そして、外輪３１および内輪３２には、高周波焼入によって焼入硬化層が外輪転走面３１Ａおよび内輪転走面３２Ａに沿って全周にわたって均質に形成されている。すなわち、外輪３１および内輪３２は、１０００ｍｍ以上の内径を有するとともに、高周波焼入により形成され、周方向に沿った円環形状の一様な深さの焼入硬化層を有し、当該焼入硬化層の表面が、それぞれ外輪転走面３１Ａおよび内輪転走面３２Ａとなっている。その結果、上記外輪３１および内輪３２は、熱処理のコストが抑制されつつ、高周波焼入によって焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって均質に形成された大型の軌道輪となっており、過酷な環境下においても使用可能な風力発電装置用軸受を構成する軌道輪となっている。

なお、本発明の軌道輪の製造方法は、大型の転がり軸受の軌道輪の製造に好適である。上記実施の形態４においては、大型の転がり軸受の一例として風力発電装置用軸受について説明したが、他の大型の転がり軸受への適用も可能である。具体的には、たとえばＣＴスキャナのＸ線照射部が設置された回転架台を、当該回転架台に対向するように配置される固定架台に対して回転自在に支持するＣＴスキャナ用転がり軸受の軌道輪の製造に、本発明の軌道輪の製造方法を好適に適用することができる。また、本発明の軌道輪の製造方法は、たとえば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、スラスト玉軸受など、任意の転がり軸受の軌道輪に適用可能である。

本発明に従った転がり軸受の軌道輪の耐摩耗性を確認する実験を行なった。実験は、サバン型摩耗試験機を用いて実施された。まず、素材としてＪＩＳ規格ＳＵＪ５を採用し、所望の試験片の形状に加工した後、焼入硬化処理することにより試験片を作成した（実施例）。試験片の表面粗さＲａは０．０１０μｍとした。一方、比較のため、素材としてＪＩＳ規格Ｓ５５Ｃを採用し、同様の方法で作成された試験片も準備した（比較例）。そして、得られた試験片における炭化物の面積率を測定するとともに、試験片をサバン型摩耗試験に供した。相手材としてはＳＵＪ２からなり、表面粗さＲａが０．０１５μｍである部材を採用した。また、試験時の荷重は５０Ｎ、試験片と相手材との相対速度は０．０５ｍ／ｓ、試験時間は６０分間、潤滑油にはモービルベロシティーオイルＮｏ．３（登録商標）（ＶＧ２）を採用した。そして、試験終了後の試験片の摩耗量から比摩耗量を算出し、耐摩耗性を評価した。表１に試験結果を示す。

表１を参照して、実施例の試験片の比摩耗量は、比較例の試験片の比摩耗量の６３％程度となっている。これは、比較例の試験片における炭化物の面積率が０．１％であったのに対し、実施例の試験片における炭化物の面積率が８．８％となっていることに起因すると考えられる。このように、本発明の転がり軸受の軌道輪によれば、十分な炭化物量を有していることにより、高い耐摩耗性を確保することができることが確認された。

なお、十分な耐摩耗性を確保する観点からは、炭化物の面積率は２％以上であることが好ましく、４％以上であることがより好ましい。一方、硬度低下という問題が発生するおそれがあるため、炭化物の面積率は１１％以下とすることが好ましく、９％以下とすることがより好ましい。

本発明の軌道輪の製造方法の優位性を確認するシミュレーションを行なった。外径φ２０００ｍｍの軌道輪を焼入硬化処理する場合を想定し、転走面の任意の一点における温度履歴を算出した。焼入硬化の方法として、転走面の周方向の一部に対向するコイルを用いて高周波誘導加熱を実施し、加熱された領域に対してコイルの通過直後に冷却液を噴射することにより当該領域を順次焼入硬化する方法（移動焼入；本発明の範囲外）と、転走面の一部に面するコイルを周方向に沿って相対的に回転させて環状の加熱領域を形成し、加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する方法（実施例；本発明の軌道輪の製造方法に対応）とについて検討した。なお、上記移動焼入は、上述の特許文献２に記載された方法に相当する。

図８に示すように、移動焼入を実施した場合、転走面の一点は短時間で急速に加熱された後、直ちに冷却されている。ここで、本発明において対象とする過共析鋼を素材とした軌道輪の焼入硬化においては、軌道輪を構成する鋼のミクロ組織中に所望の量の炭化物（セメンタイト）を残存させつつ、素地に必要十分な量の炭素を固溶させた適切な炭素の固溶状態から軌道輪を急冷することにより、適切な焼入硬化が達成される。炭化物の残存量が多く炭素の固溶量が少ない場合は転走面に十分な硬度を付与することが困難となる。逆に炭化物の残存量が少なく炭素の固溶量が多い場合は、十分な耐摩耗性を付与することが困難となることに加えて、焼割れ発生のリスクが高まる。また、鋼の素地への炭素の固溶量は加熱温度および保持時間に依存するが、加熱温度の変化が小さければ固溶量の増加は時間の経過によって飽和する。そのため、加熱温度の変化を小さくするとともに当該加熱温度で長時間保持することにより、炭素の固溶量を容易にコントロールすることができる。しかし、上述のように、図８に示す移動焼入を用いた本発明の範囲外の焼入硬化では、加熱温度の変化が大きく、かつ保持時間が短いため、炭素の固溶量をコントロールすることは極めて困難である。そのため、過共析鋼からなる軌道輪の製造方法に移動焼入を採用して適切な焼入硬化を達成することは現実的であるとはいえない。

一方、図９に示すように、本発明の軌道輪の製造方法に対応する実施例の焼入硬化方法を採用した場合、転走面の一点は焼入硬化が可能なＡ_１変態点以上の温度に加熱された後、温度の変化が小さい状態で長時間保持されている（Ｍ_Ｓ点以下の温度への冷却はさらに時間が経過した後に実施されるため、図中には示されていない。）。そのため、実施例の方法においては、炭素の固溶量を容易にコントロールすることができる。その結果、実施例の焼入方法を採用した場合、適切な焼入硬化を容易に達成することができる。

以上の結果より、本発明の軌道輪の製造方法によれば、過共析鋼からなる軌道輪の適切な焼入硬化を容易に達成できることが確認された。

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。

本発明の軌道輪の製造方法、軌道輪および転がり軸受は、焼入装置の製作コストを抑制しつつ、焼入硬化層を転走面に沿って全周にわたって均質に形成することが求められる軌道輪の製造方法、焼入硬化層が転走面に沿って全周にわたって形成されることが求められる転がり軸受の軌道輪、および当該軌道輪を備えた転がり軸受に、特に有利に適用され得る。

３ 主軸用軸受、１０ 成形体（内輪）、１１ 転走面、１１Ａ 加熱領域、２１ コイル、２２ 温度計、３１ 外輪、３１Ａ 外輪転走面、３１Ｅ 貫通孔、３１Ｆ 外周面、３２ 内輪、３２Ａ 内輪転走面、３２Ｅ 鍔部、３２Ｆ 内周面、３３ ころ、３３Ａ ころ接触面、３４ 保持器、５０ 風力発電装置、５１ 主軸、５１Ａ 外周面、５２ ブレード、５３ ハウジング、５３Ａ 内壁、５４ 増速機、５５ 出力軸、５６ 発電機、５９ ナセル。

Claims (5)

1. 転がり軸受の軌道輪の製造方法であって、
   ０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成される成形体を準備する工程と、
   前記成形体において前記軌道輪の転走面となるべき環状領域の一部に面するように配置され、前記成形体を誘導加熱する誘導加熱部材を、前記環状領域の周方向に沿って相対的に回転させることにより、前記成形体にＡ_１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、
   前記加熱領域を形成する工程の後、前記成形体を加熱が停止された状態に保持する工程と、
   前記保持する工程の後、前記加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する工程と、
   前記加熱領域を形成する工程よりも前に、前記成形体に焼ならし処理を実施する工程とを備え、
   前記焼ならし処理を実施する工程では、前記成形体に気体とともに硬質の粒子が吹き付けられることにより、前記成形体が冷却されつつショットブラスト処理が実施される、軌道輪の製造方法。
2. 転がり軸受の軌道輪の製造方法であって、
   ０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．１０質量％以上０．２５質量％以下のモリブデンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成される成形体を準備する工程と、
   前記成形体において前記軌道輪の転走面となるべき環状領域の一部に面するように配置され、前記成形体を誘導加熱する誘導加熱部材を、前記環状領域の周方向に沿って相対的に回転させることにより、前記成形体にＡ_１点以上の温度に加熱された環状の加熱領域を形成する工程と、
   前記加熱領域を形成する工程の後、前記成形体を加熱が停止された状態に保持する工程と、
   前記保持する工程の後、前記加熱領域全体をＭ_Ｓ点以下の温度に同時に冷却する工程と、
   前記加熱領域を形成する工程よりも前に、前記成形体に焼ならし処理を実施する工程とを備え、
   前記焼ならし処理を実施する工程では、前記成形体に気体とともに硬質の粒子が吹き付けられることにより、前記成形体が冷却されつつショットブラスト処理が実施される、軌道輪の製造方法。
3. 前記加熱領域を形成する工程では、前記誘導加熱部材は、前記成形体の周方向に沿って相対的に２周以上回転する、請求項１または２に記載の軌道輪の製造方法。
4. 前記加熱領域を形成する工程では、前記誘導加熱部材は、前記成形体の周方向に沿って複数個配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軌道輪の製造方法。
5. 前記加熱領域を形成する工程では、前記加熱領域の複数箇所の温度が測定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の軌道輪の製造方法。

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