JP2001165174A - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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JP2001165174A JP35511999A JP35511999A JP2001165174A JP 2001165174 A JP2001165174 A JP 2001165174A JP 35511999 A JP35511999 A JP 35511999A JP 35511999 A JP35511999 A JP 35511999A JP 2001165174 A JP2001165174 A JP 2001165174A
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昭広 木内
Hiromichi Takemura
浩道 武村
Yasuo Murakami
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Abstract

(57)【要約】 【課題】オルタネータ用軸受などの高振動・高荷重で使
用される転がり軸受の寿命を大幅に延長する。 【解決手段】固定輪である外輪２を以下の組成の鉄鋼材
料で形成する。合金成分として、Ｃを０．８０〜１．１
０重量％、Ｓｉを０．２０〜１．００重量％、Ｍｎを
０．２〜１．５重量％含有する。Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶ
のいずれか２種以上を、Ｃｒ：１．２〜３．５重量％、
Ｍｏ：０．５〜１．５重量％、Ｖ：０．２〜１．０重量
％の割合で含有する。Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶの含有率が
下記の（１）式を満たす。Ｔｉおよび／またはＣｕを、
Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％、Ｃｕ：０．２〜１．
０重量％の割合で含有する。 １．８≦［Ｃｒ］×０．６＋［Ｍｏ］×０．５＋［Ｖ］
≦３．０‥‥（１）

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に関
し、特に、エンジン補機用（オルタネータ、電磁クラッ
チ、中間プーリ等）として好適な軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、転がり軸受の軌道輪および転
動体の材料としては、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２
種）が主に使用されてきた。近年、自動車の小型・軽量
化に伴い、エンジンの補機類にも小型・軽量化と共に高
性能・高出力化が求められている。例えばオルタネータ
用の軸受には、エンジンの作動と同時に、高速回転に伴
う高振動、高荷重（重力加速度で４Ｇ〜２０Ｇ位）がベ
ルトを介して作用する。そのため、従来のオルタネータ
用軸受には、特に、固定輪である外輪の軌道面に早期剥
離が生じ易いという問題があった。
【０００３】この早期剥離を防止して、高振動、高荷重
下で使用される軸受の寿命向上を図る技術は、従来より
多数提案されている。例えば、特開平４−２８８４５号
公報には、従来より使用されているＳＵＪ２と比較し
て、炭素（Ｃ）の含有率が低く（０．６５〜０．９０
％）、クロム（Ｃｒ）の含有率が高い（２．０〜５．０
％）鋼を使用することが提案されている。この公報に
は、早期剥離の原因は鋼に白色組織が発生することにあ
り、白色組織の発生原因は炭素の凝集にあることが記載
されている。そのため、上述の鋼を使用することによ
り、この凝集の元となる炭素の拡散を抑えて、長寿命化
を図っている。
【０００４】また、特開昭６２−２１８５４２号公報に
は、ＳＵＪ２またはこれに準ずる鋼にＡｌまたはＳｉを
１〜２％の含有率となる割合で添加した鋼を素材とし、
この素材で軌道輪を形成した後、通常の焼入れと高温焼
き戻しを行うことにより、残留オーステナイトを８体積
％以下に減少させる技術が提案されている。この技術に
よれば、ＡｌまたはＳｉの添加により焼き戻し軟化抵抗
性が高くなる。残留オーステナイト量を少なくすること
により、高振動、高荷重下における軌道面の塑性変形が
低減できる。これらのことから、軌道輪の硬さを高く維
持して早期剥離を防止し、長寿命化を図っている。
【０００５】また、特公平７−７２５６５号公報には、
ＳＵＪ２で形成された固定輪に対して通常の焼入れを施
した後、サブゼロ処理を施し、その後に高温焼戻し処理
を施すことで、固定輪の残留オーステナイト量を１０体
積％以下にすることが開示されている。すなわち、固定
輪の残留オーステナイト量を少なくすることによって、
固定輪の硬さを高く維持し、且つ高振動、高荷重下にお
ける固定輪の軌道面の塑性変形を低減して早期剥離を防
止しようとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近で
は、エンジンの補機類用の転がり軸受の使用環境は、ま
すます厳しくなっている。そのため、特開平４−２８８
４５号公報に記載の技術では、白色組織の発生を十分に
抑えることができないとい問題点がある。また、特公平
７−７２５６５号公報および特開昭６２−２１８５４２
号公報に記載された技術では、高温焼き戻しによって残
留オーステナイト量を少なくすることから、軌道輪全体
の硬さが低下するという問題点がある。また、Ａｌまた
はＳｉの含有率が１〜２％と高い鋼を素材とすると、酸
化物系の介在物が形成され易くなって、転がり疲れ寿命
が短くなる恐れがある。
【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
着目してなされたものであり、高振動で高荷重の条件下
で使用される転がり軸受において、早期剥離が防止され
て、軸受寿命の大幅な延長が可能な転がり軸受を提供す
ることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の転がり軸受は、少なくとも固定輪（内輪お
よび外輪のうち使用時に固定側とする軌道輪）が、合金
成分として、炭素（Ｃ）を０．８０〜１．１０重量％、
珪素（Ｓｉ）を０．２０〜０．５０重量％、マンガン
（Ｍｎ）を０．２〜１．０重量％含有し、クロム（Ｃ
ｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびバナジウム（Ｖ）の
いずれか２種以上を、Ｃｒ：１．２〜３．５重量％、Ｍ
ｏ：０．５〜１．５重量％、Ｖ：０．２〜１．０重量％
の割合で含有し、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶの含有率が下記
の（１）式を満たす鉄鋼材料で形成された後、焼入れ、
焼き戻しを施すことにより得られたものであることを特
徴とする。
【０００９】 １．８≦［Ｃｒ］×０．６＋［Ｍｏ］×０．５＋［Ｖ］≦３．０‥‥（１） （式中、［Ｃｒ］は鉄鋼材料中のＣｒの含有率（重量
％）、［Ｍｏ］は鉄鋼材料中のＭｏの含有率（重量
％）、［Ｖ］は鉄鋼材料中のＶの含有率（重量％）を示
す。）本発明の転がり軸受では、少なくとも固定輪を形
成する鉄鋼材料として、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶのいずれ
か２種以上を上述の割合で、且つ上記（１）式を満たす
ように含有するものを使用することにより、熱処理（焼
入れ、焼き戻し）後の鋼に、種類および大きさが異なる
多数の炭化物が分散析出される。これらの炭化物が炭素
の拡散を抑えて、白色組織の発生が防止または遅延され
る。これにより、早期剥離の防止効果が高くなるため、
高振動、高荷重下で使用される軸受の寿命が長くなる。
【００１０】具体的には、使用する鉄鋼材料がＣｒ、Ｍ
ｏ、およびＶのいずれか２種以上を含有することによ
り、熱処理後の鋼に、Ｍ2 Ｃ、Ｍ3 Ｃ、Ｍ7 Ｃ3 、Ｍ23
Ｃ6 などの炭化物が分散析出される。Ｖの添加では、微
細なＶＣおよびＶ3 Ｃが析出される。Ｍｏの添加では、
球状のＭｏ2 Ｃや棒状のＭｏ23Ｃ6 が析出される。Ｃｒ
の添加では、セメンタイト型Ｃｒ3 Ｃが析出される。
【００１１】これらの炭化物は炭素の拡散を抑え、転位
を生じ難くする効果が高いため、これらの含有によって
軸受寿命を長くすることができる。Ｃｒ、Ｍｏ、および
Ｖのうち、微細な炭化物を生じさせるＶの添加による効
果が一番高く、次いでＣｒ、Ｍｏの順となる。そこで、
（１）式の「［Ｃｒ］×０．６＋［Ｍｏ］×０．５＋
［Ｖ］」（これを仮に「α値」とする。）を１．８以上
３．０以下にすることにより、析出される複数種の炭化
物の鋼中での存在率が、炭素の拡散を抑える効果を得る
ための適正値となることが分かった。
【００１２】このα値が１．８未満では、炭素の拡散を
抑える効果が十分に発揮されない。このα値が３．０を
超えると、軸受寿命を低下させる巨大炭化物が形成され
易くなる。また、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶと結合して炭化
物を形成する炭素が多くなることで、素地に固溶する炭
素量が少なくなって不足するため、素地の十分な硬さが
得られ難くなる。
【００１３】本発明の転がり軸受において、前記鉄鋼材
料は、さらに、チタン（Ｔｉ）および／または銅（Ｃ
ｕ）を、Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％、Ｃｕ：０．
２〜２．０重量％の割合で含有することが好ましい。前
記鉄鋼材料が、Ｔｉおよび／またはＣｕを、Ｔｉ：０．
０５〜０．２０重量％、Ｃｕ：０．２〜２．０重量％の
割合で含有することにより、熱処理後の鋼に、ＴｉＣの
析出および／またはＣｕ粒子を含むＦｅ3 Ｃの析出が生
じる。これらのＴｉＣおよびＣｕ粒子も炭素の拡散を抑
える効果を有する。
【００１４】また、各元素の含有率に関する数値限定の
臨界的意義は以下の通りである。 〔Ｃ：０．８０〜１．１０重量％〕Ｃは素地に固溶して
鋼に硬さを付与するとともに、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶ等
の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成する元素であ
る。Ｃの含有量が０．８０未満であると、素地に固溶す
る炭素量が不足して、転がり軸受に要求される硬さ（ス
ケールＣの場合のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）で５７以
上）を確保できない場合がある。また、Ｃの含有量が
１．１０重量％を超えると、製鋼時に巨大炭化物が生成
しやすくなって、疲労寿命や耐衝撃性が低下する恐れが
ある。 〔Ｓｉ：０．２０〜０．５０重量％〕Ｓｉは製鋼時に脱
酸剤として作用し、焼入れ性を向上させるとともに、素
地のマルテンサイトを強化する元素であり、軸受寿命を
長くするために有効な元素である。Ｓｉの含有率が０．
２０重量％未満ではこれらの効果が十分には得られな
い。また、Ｓｉの含有率が０．５０重量％を超えると、
被切削性、鍛造性、および冷間加工性が著しく低下す
る。 〔Ｍｎ：０．２〜１．０重量％〕Ｍｎは鋼中のフェライ
トを強化して、焼入れ性を向上させる元素である。Ｍｎ
の含有率が０．２０重量％未満であると、その効果が不
十分となる。Ｍｎの含有率が１．０重量％を超えると、
焼入れ後の残留オーステナイト量が多くなって硬さが低
下するとともに、冷間加工性も低下する。 〔Ｃｒ：１．２〜３．５重量％〕Ｃｒは、焼入れ性の向
上、焼き戻し軟化抵抗性の向上、耐摩耗性の向上等の効
果を発現する元素である。また、炭化物を形成して上述
の効果を発現する元素でもある。Ｃｒの含有率が１．２
重量％未満であると、これらの効果が実質的に得られな
い。また、Ｃｒの含有率が３．５重量％を超えると、こ
れらの効果が飽和するばかりでなく、巨大炭化物の発生
や被切削性の劣化等の問題が生じる。 〔Ｖ：０．２〜１．０重量％〕Ｖは微細な炭化物を形成
し、耐摩耗性の向上に効果のある元素である。また、炭
化物を形成して上述の効果を発現する元素でもある。Ｖ
の含有率が０．２重量％未満であると、これらの効果が
実質的に得られない。また、Ｖの含有率が１．０重量％
を超えると、これらの効果が飽和するばかりでなく、巨
大炭化物の発生や材料コストが高くなる等の問題が生じ
る。 〔Ｔｉ：０．０５〜０．２０重量％〕Ｔｉは炭化物を形
成して、上述のように、炭素の拡散を抑える効果を発現
する元素である。Ｔｉの含有率が０．０５重量％未満で
あると、この効果が実質的に得られない。また、Ｔｉを
０．２０重量％を超えて含有していても、この効果は飽
和する。 〔Ｃｕ：０．２〜２．０重量％〕Ｃｕは鋼の耐食性を向
上させるとともに、上述のようにＣｕ粒子として析出す
る。このＣｕ粒子は、上述のように、炭素の拡散を抑え
る効果を有する。Ｃｕの含有率が０．２重量％未満であ
ると、この効果が実質的に得られない。また、Ｃｕの含
有率が２．０重量％を超えると、これらの効果が飽和す
るばかりでなく、熱間加工性が低下する等の問題が生じ
る。
【００１５】また、Ｃｕの含有量が多いと、熱間加工時
に、鋼の表面に疵が発生する恐れがある。これを防止す
るためには、Ｃｕの含有量に応じてニッケル（Ｎｉ）
を、２．０重量％以下の含有率（鋼全体での含有率）で
添加することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を具体的
な実施例および比較例により説明する。図１は、本発明
の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図であ
る。この転がり軸受１はＪＩＳ呼び番６３０３の深みぞ
玉軸受であり、外輪２がハウジング８に固定されて固定
輪となり、内輪３はシャフト７に外嵌されて回転輪とな
っている。また、外輪２と内輪３との間には、保持器５
により保持された多数の転動体４が配設され、保持器５
の両側位置の外輪２と内輪３との間には、シール部材
６，６が装着されている。
【００１７】また、シール部材６，６によって囲まれる
空間にはグリース１０として、グリースＥ（「ＳＡＥテ
クニカルペーパー：ＳＡＥ９５０９４４（開催日１９９
５年２月２７日〜３月２日）」の第１項〜第１４項に記
載されているオルタネータ用軸受に封入されたＥグリー
スと同じもの）が封入されている。そして、この転がり
軸受１は、シャフト７の回転に伴って内輪３が回転し、
この回転による振動・荷重は、シャフト７から内輪３及
び転動体４を介して外輪２の負荷圏に作用する。
【００１８】ここで、外輪２は、下記の表１に示す組成
の鉄鋼材料で所定の形状に形成した後、図２に示す熱処
理条件で焼入れ・焼き戻しすることによって作製した。
焼き戻しは、焼き戻し後の表面硬さがほぼＨＲＣ６１〜
６３となるように、焼き戻し温度を調整して行った。こ
れにより、残留オーステナイト量は１〜１５体積％とな
った。
【００１９】なお、比較例５で使用した鋼はＳＵＪ２で
ある。また、使用した各鋼には表１に示した元素以外
に、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）が不純物とし
て含まれていたが、ＰおよびＳの含有率は０．０２５重
量％以下であり、Ｏの含有率は１５ｐｐｍ以下であっ
た。また、実施例および比較例とも、内輪３及び転動体
４は、同じ高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）で形成
した後、上記と同じ条件で熱処理を施すことにより作製
した。これにより、残留オーステナイト量は８〜１２体
積％となり、表面硬さはＨＲＣ６２となった。また、内
輪３および外輪２の表面粗さはＲａで０．０１〜０．０
３μｍ、転動体４の表面粗さはＲａで０．００３〜０．
０１０μｍとした。
【００２０】このようにして作製された、外輪のみが異
なる転がり軸受（実施例１〜７、比較例１〜７）に対
し、以下のようにして寿命試験を行った。試験機として
は、特開平９−８９７２４号公報に開示されている軸受
用寿命試験装置を用い、回転数を所定時間毎（例えば９
秒毎）に９０００ｒｐｍと１８０００ｒｐｍとに切り換
える急加減速試験を行った。転がり軸受１の軸受隙間を
１０〜１５μｍとし、荷重条件は、Ｐ（負荷荷重）／Ｃ
（動定格荷重）＝０．１０とし、試験温度は７５℃で一
定にした。
【００２１】この条件で、従来のＳＵＪ２製の転がり軸
受（この実施形態の比較例５）の計算寿命は１３５０時
間であるが、この実施形態では、試験打ち切り時間を１
０００時間とした。また、この試験は、実施例１〜７お
よび比較例１〜５の試験体をそれぞれ１０個ずつ用意し
て、焼付きや剥離などの異常が生じるまでの時間を測定
した。１０個の試験体の結果からＬ10寿命を求めた。こ
れらの結果も下記の表１に併せて示す。また、異常が生
じた軸受の個数（剥離数）も下記の表１に併せて示す。
【００２２】なお、表１で下線を施した数値は、本発明
の数値限定範囲から外れるものを示す。また、１０個の
試験体すべてに試験打ち切り時間までに焼付きや剥離な
どの異常が生じなかった場合には、Ｌ10寿命を１０００
時間とした。
【００２３】
【表１】
【００２４】また、図３に、得られた寿命試験結果（Ｌ
10寿命）と、各実施例および比較例の外輪をなす鋼のα
値との関係をグラフで示す。この寿命試験結果から分か
るように、実施例１〜７の転がり軸受は、外輪を形成す
る鉄鋼材料の組成が本発明の範囲（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｖ）を満たし、外輪を形成する鉄鋼材料のα
値も（１）式の範囲を満たすため、これらの条件を満た
さない比較例１〜５の軸受と比較して、高振動、高荷重
下での寿命が著しく長くなっている。
【００２５】なお、比較例１〜５の軸受は、全て外輪の
負荷圏に剥離が生じており、この剥離部分を顕微鏡で観
察したところ、白色組織への組織変化が生じていること
が認められた。次に、外輪２の鉄鋼材料を、下記の表２
に示す組成の鉄鋼材料とした以外は全て前記と同様にし
て、実施例８〜１２および比較例６〜７の転がり軸受を
作製した。これらの転がり軸受に対して、前記と同様に
して寿命試験を行った。ただし、試験打ち切り時間は１
２００時間とした。この試験結果についても表２に併せ
て示す。
【００２６】
【表２】
【００２７】ここで、実施例８〜１２の転がり軸受は、
外輪を形成する鉄鋼材料の組成が本発明の範囲（Ｃ，Ｓ
ｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｕ）を満たし、外
輪を形成する鉄鋼材料のα値も（１）式の範囲を満た
す。比較例６，７の軸受については、α値は（１）式の
範囲を満たすが、Ｔｉ，Ｃｕの含有率は本発明の範囲か
ら外れる。
【００２８】この寿命試験結果と前記表１に示す結果か
ら分かるように、高振動、高荷重下での寿命に関して
は、比較例６，７の軸受の寿命値は実施例１〜７の軸受
と同等以上となるが、実施例８〜１２の軸受よりは劣っ
ていた。
【００２９】
【発明の効果】以上の説明したように、本発明によれ
ば、固定輪を形成する鉄鋼材料の組成の限定によって、
高振動、高荷重下で使用される転がり軸受の寿命を、大
幅に延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示
す断面図である。
【図２】実施形態で内輪、外輪、および転動体に対して
行った熱処理条件を示す図である。
【図３】実施形態で各実施例および比較例の外輪を形成
する際に使用した鉄鋼材料のα値と、各実施例および比
較例の軸受の寿命試験結果（Ｌ10寿命）との関係を示す
グラフである。
【符号の説明】
１ 転がり軸受 ２ 外輪（固定輪） ３ 内輪 ４ 転動体 ５ 保持器 ６ シール部材 ７ シャフト ８ ハウジング １０ グリース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 保夫 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 Ｆターム(参考） 3J101 BA70 DA03 EA02 FA31 GA01 4K042 AA22 BA03 CA06 CA08 CA13 DA01 DA02

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも固定輪（内輪および外輪のう
    ち使用時に固定側とする軌道輪）は、 合金成分として、炭素（Ｃ）を０．８０〜１．１０重量
    ％、珪素（Ｓｉ）を０．２０〜０．５０重量％、マンガ
    ン（Ｍｎ）を０．２〜１．０重量％含有し、クロム（Ｃ
    ｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、およびバナジウム（Ｖ）の
    いずれか２種以上を、Ｃｒ：１．２〜３．５重量％、Ｍ
    ｏ：０．５〜１．５重量％、Ｖ：０．２〜１．０重量％
    の割合で含有し、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶの含有率が下記
    の（１）式を満たす鉄鋼材料で形成された後、 焼入れ、焼き戻しを施すことにより得られたものである
    ことを特徴とする転がり軸受。 １．８≦［Ｃｒ］×０．６＋［Ｍｏ］×０．５＋［Ｖ］≦３．０‥‥（１） （式中、［Ｃｒ］は鉄鋼材料中のＣｒの含有率（重量
    ％）、［Ｍｏ］は鉄鋼材料中のＭｏの含有率（重量
    ％）、［Ｖ］は鉄鋼材料中のＶの含有率（重量％）を示
    す。）
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