JP2005106204A

JP2005106204A - 転がり軸受用保持器

Info

Publication number: JP2005106204A
Application number: JP2003341353A
Authority: JP
Inventors: Koji Ueda; 光司植田; Yasuyuki Shimizu; 康之清水; Takashi Murai; 隆司村井; Susumu Iwasaki; 進岩崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP4487530B2

Abstract

【課題】高速回転，高ＰＶ領域で使用される転がり軸受にも適用可能な耐摩耗性に優れた転がり軸受用保持器を提供する。
【解決手段】冷間圧延鋼板ＳＰＣＣ材又は熱間圧延鋼板ＳＰＨＤ材からプレス成形にて自動調心ころ軸受用のプレス保持器を作製し、軟窒化処理及び熱処理を施した。保持器の表面には窒化物層が形成され、その外側には酸化物粒子で構成された緻密層がさらに形成されている。酸化物粒子の平均粒径は０．５〜０．８μｍであり、酸化物粒子で構成された緻密層の厚さは３μｍである。
【選択図】図３

Description

本発明は、転がり軸受に組み込まれる鋼製の保持器に関する。

従来から、負荷が作用する転がり軸受には、強度に優れる高力黄銅製のもみ抜き保持器がよく使用されている。しかしながら、高力黄銅は自己潤滑性を有し摺動性，耐摩耗性に優れるものの高価であるので、高力黄銅製のもみ抜き保持器は材料コストが高いという問題点があった。また、もみ抜きにより加工されるため、加工費が高く、材料歩留まりも低い。よって、高力黄銅製のもみ抜き保持器は、特殊用途に限定されていた。
そのため、近年においては、保持器の設計を最適化してコストダウンや保持器強度の向上を図ることによって、ＳＰＣＣ材に代表される冷間圧延鋼板やＳＰＨＤ材に代表される熱間圧延鋼板から製造されたプレス保持器が使用されるようになっている。

一般にＳＰＣＣ材は高力黄銅と比較して摺動性，耐摩耗性が劣るため、潤滑条件が厳しい場合には、転動体と保持器ポケットとの接触部や、保持器の案内面と軌動輪との接触部で摩耗が著しく進行して、回転精度が低下する場合があり、最悪の場合には焼付きが生じて破損に至る場合があった。このため、ＳＰＣＣ材製又はＳＰＨＤ材製の保持器には、塩浴窒化処理やガス軟窒化処理に代表される軟窒化処理を施して、鉄と窒素の化合物からなる硬質な窒化物層を保持器表面に形成して耐摩耗性を向上させる努力がなされてきた。

例えば、特許文献１には、鋼板製プレス保持器に軟窒化処理を施して表面に窒化物層を形成し、耐摩耗性を改善する技術が開示されている。窒化物層の耐摩耗性は窒化物層の構造に支配されるので、表面側に形成される多孔質層と、多孔質層の直下に形成される緻密層との厚さを規定することにより、多孔質層の油溜まりとしての効果を高め、保持器の耐摩耗性を改善している。
特開２００１−９０７３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の保持器は、転がり軸受の使用条件が通常の条件である場合は、多孔質層の油溜まりの効果によって安定した耐摩耗性を発揮することができるが、転がり軸受が許容回転速度に近い高速で回転され、保持器と転動体との滑り速度が１５ｍ／ｓとなるような高ＰＶ領域で使用される場合は、強度が低い最表面側の多孔質層が脱落し、耐摩耗性が不十分となる場合があった。
そこで、本発明は前述のような従来の転がり軸受用保持器が有する問題点を解決し、高速回転，高ＰＶ領域で使用される転がり軸受にも適用可能な耐摩耗性に優れた転がり軸受用保持器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受用保持器は、鋼製の転がり軸受用保持器において、窒化処理による窒化物層が表面に形成され、酸化物粒子で構成された緻密層が前記窒化物層の外側にさらに形成されていることを特徴とする。
窒化処理により形成された窒化物層は、通常は表面側の多孔質層と母材側の緻密層とを有しているが、本発明の転がり軸受用保持器は、その最表面に（すなわち多孔質層の外側に）酸化物粒子で構成された緻密層が形成されているので、表面に形成されている被膜全体（窒化物層及び酸化物粒子で構成された緻密層）としての強度が高い。よって、本発明の転がり軸受用保持器は、耐摩耗性が優れている。

また、本発明に係る請求項２の転がり軸受用保持器は、請求項１に記載の転がり軸受用保持器において、前記酸化物粒子の平均粒径が１μｍ以下であり、前記緻密層の厚さが０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする。
酸化物粒子で構成された緻密層は、酸化物粒子が多孔質層の空孔を埋めるようにして形成される。酸化物粒子の粒径が大きすぎると、多孔質層の空孔が酸化物粒子で完全に充填されず、酸化物粒子で構成された緻密層の緻密さが不十分となる場合があるので、酸化物粒子の平均粒径は１μｍ以下が好ましく、８００ｎｍ以下がより好ましい。
また、緻密層の厚さが０．５μｍ未満であると、緻密層が薄いため、表面に形成されている被膜全体（窒化物層及び酸化物粒子で構成された緻密層）としての強度が低くなるおそれがある。一方、緻密層の厚さが５μｍ超過であると、酸化物粒子で構成された緻密層は窒化物層よりも硬さが低いので、耐摩耗性が劣化するおそれがある。

本発明の転がり軸受用保持器は、耐摩耗性が優れている。

本発明に係る転がり軸受用保持器の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
ＳＰＣＣ材やＳＰＨＤ材に代表される低炭素鋼板に軟窒化処理等の窒化処理を施すと、鋼表面で窒素と鉄とが反応し、窒素原子が鋼中に拡散して行き、最表面では窒素濃度に応じてＦｅ₂Ｎ，Ｆｅ₃Ｎ，Ｆｅ₄Ｎ等の鉄と窒素との化合物からなる硬質な窒化物層が形成される。窒化物層の硬さは一般的にはＨｖ４００以上で、母材に比較して硬度が増している。また、窒化物層が形成された鋼製の転がり軸受用保持器においては、転動体と保持器との間の金属接触や、摺動する案内面と保持器との間の金属接触が窒化物層により防止されるので、耐摩耗性，耐焼付性が改善される。

図１に、鋼の表面に形成された窒化物層の模式的な断面図を示す。冷間圧延鋼板，熱間圧延鋼板から製造された転がり軸受用保持器に軟窒化処理を施すと、鋼である母材１の上に拡散層２が形成され、さらにその上に窒化物層３が形成される。そして、この窒化物層３は、表面側の多孔質層４と母材側の緻密層５とで構成されている（二層構造）。
多孔質層４はポーラスであり多数の空孔４ａを有しているので、前述したように油溜まりとして機能する。よって、このような保持器は、転がり軸受に組み込んで潤滑油やグリースの潤滑下で使用すると、摩擦摩耗特性が優れている。しかしながら、転がり軸受が高速回転，高ＰＶ領域で使用される場合には、多孔質層の強度が低いために転動体や案内面との接触により脱落してしまい、油溜まりの効果があっても耐摩耗性が不十分となってしまう。したがって、転がり軸受用保持器に優れた耐摩耗性を付与するためには、窒化物層の最表面を緻密化し、被膜の強度を向上させることが有効である。

多孔質層が少なく緻密な窒化物層を形成するためには、被膜の形成速度を遅くする方法が有効であり、具体的には、４８０℃以下の低温での軟窒化処理や、イオン窒化法等のような特殊な窒化方法があげられる。しかしながら、これらの方法では、十分な厚さの窒化物層を形成するために非常に長い時間を要する。また、これらの方法を用いても、窒化物層の厚さが増すと、最表面には多孔質層が形成される傾向がある。さらに、イオン窒化法は特殊な設備を必要とするので、処理コストが大きくなり量産には適していない。

このように、一般的な軟窒化処理のみを施した場合には、窒化物層の最表面に形成される多孔質層を無くして、窒化物層の全体を緻密層とすることは困難である。そこで、本実施形態においては、前述のような特殊な窒化方法を用いることなく、４８０〜５７０℃程度の比較的高温条件での窒化処理により窒化物層を形成させた後に、緻密化処理を施すことにより、最表面に形成された多孔質層を緻密化させた。この緻密化処理としては、例えば、酸素の存在下（例えば空気中）において軟窒化処理温度よりも低温の３５０〜４５０℃で１〜５時間保持する熱処理があげられる。

図２に、熱処理により緻密化した後の窒化物層の模式的な断面図を示す。上記のような熱処理により、窒化物層３の表面から内部に向かって酸化反応が進行し、窒化物層３の最表面に緻密な酸化物層６が形成される。このときに形成される酸化物は、非常に微細な粒子であり、酸化物粒子が多孔質層４の空孔４ａを埋めて多孔質層４を緻密化することにより酸化物層６（本発明の構成要件である「酸化物粒子で構成された緻密層」である）が形成される。このようにして、従来の軟窒化処理のみでは形成することが困難であった緻密層を、窒化物層の最表面に形成することができる。

さらに、この熱処理においては、加熱により、多孔質層４の空孔４ａを埋めるように窒化物の拡散が進行して、多孔質層４自体が緻密化されるという現象も起きる。すなわち、熱処理によって、酸化物粒子が多孔質層４の空孔４ａを埋めて緻密な酸化物層６が形成されるとともに、窒化物の拡散による窒化物層３の緻密化が生じて、窒化物層３の最表面に緻密層が形成されるのである。その結果、摩耗の原因となる多孔質層の脱落が抑制されることとなり、保持器の耐摩耗性が著しく改善される。

また、前述の熱処理は、酸素の存在下で加熱保持するだけでよいので、特別な設備を必要とせず、安価に処理が可能である。
なお、軟窒化処理の種類は特に限定されるものではなく、例としては、一般的な軟窒化処理であるガス軟窒化処理や塩浴窒化処理があげられる。また、熱処理は、軟窒化処理がどのような種類のものであっても同様の効果があり、窒化物層の最表面に緻密層を形成することができる。

〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。
冷間圧延鋼板ＳＰＣＣ材からプレス成形にて自動調心ころ軸受（呼び番号２２２１１）用のプレス保持器を作製し、その保持器に軟窒化処理及び熱処理を表１及び表２に示すように種々組み合わせて施した。軟窒化処理を施した後に行う熱処理は、空気中で加熱するというものである。その条件は、表１及び表２中の条件Ａは４００〜４３０℃で２時間加熱した後に放冷するというものであり、条件Ｂは４００〜４３０℃で０．５時間加熱した後に放冷するというものであり、条件Ｃは５５０℃で１時間加熱した後に放冷するというものである。なお、表１及び表２に記載のような条件で各種窒化処理を施した後の冷却は、ガス軟窒化処理の場合は炉冷であり、その他の窒化処理の場合は油冷である。

このような条件で軟窒化処理を施すことにより、保持器の表面に、多孔質層と緻密層との二層構造を有する窒化物層が形成される。そして、さらに熱処理を施すことにより、窒化物層の最表面部分が酸化され、酸化物粒子からなる緻密な緻密層が形成される。
酸化物粒子からなる緻密層の厚さは、以下のようにして測定した。熱処理後の保持器を小さく切断し、樹脂に埋め込んで切断面を研磨した。研磨した切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、顕微鏡写真を解析することにより、酸化物粒子からなる緻密層の厚さを測定した。また、酸化物粒子の平均粒径は、熱処理後の保持器の表面をＳＥＭで観察し、顕微鏡写真を解析することにより測定した。

酸化物粒子の平均粒径と、酸化物粒子からなる緻密層の厚さとを、表１及び表２に示す。また、保持器の切断面（切断部位は保持器の柱である）の拡大図（ＳＥＭによる顕微鏡写真）の例を、図３，４に示す。図３は実施例５の保持器であり、図４は比較例５の保持器である。軟窒化処理のみである比較例５の保持器は、最表面に多孔質層が形成されているのに対し、軟窒化処理及び熱処理が施された実施例５の保持器は、多孔質層の外側に酸化物粒子で構成された緻密層が形成されていることが分かる。

次に、実施例１〜８及び比較例１〜１０の保持器の耐摩耗性を評価した。すなわち、保持器を自動調心ころ軸受（呼び番号２２２１１）に組み込んで高速回転試験を行い、回転試験後の保持器の摩耗状況を質量変化によって評価した。回転試験の条件は、以下の通りである。
・荷重：１５４１５Ｎ
・回転速度：６７５０ｍｉｎ^-1
・潤滑条件：グリース潤滑
・試験時間：２４時間

保持器の摩耗量を表１及び表２に併せて示す。なお、保持器の摩耗量は、比較例１の保持器の摩耗量を１とした場合の相対値で示してある。
実施例１〜８の保持器は、平均粒径０．５〜０．８μｍの酸化物粒子で構成された厚さ０．５μｍ以上の緻密層が形成されているため、酸化物粒子で構成された緻密層が形成されていない比較例１〜８の保持器と比較して、摩耗量が少なく耐摩耗性が大幅に優れていた。また、軟窒化処理の種類に関係なく、熱処理による耐摩耗性の向上効果があることも分かる。

比較例９の保持器は、熱処理の時間が短く、酸化物粒子で構成された緻密層の厚さが０．５μｍ未満であるため、耐摩耗性が不十分であった。また、比較例１０の保持器は、熱処理の温度が高すぎるため、酸化物粒子が粗大となった。そのため、緻密層が構成されにくくなり、酸化物粒子で構成された緻密層がポーラスとなって、耐摩耗性が不十分となった。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、保持器を構成する鋼の種類は特に限定されるものではなく、冷間圧延鋼板や熱間圧延鋼板以外の材料を用いて保持器を製造してもよい。また、保持器の製造法も特に限定されるものではなく、プレス保持器に限らず、もみ抜き保持器でもよい。

さらに、本実施形態においては、自動調心ころ軸受用の保持器を例示して説明したが、転がり軸受の種類は自動調心ころ軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

本発明の転がり軸受用保持器は、一般産業機械，工作機械，振動篩，鉄鋼用機械等に使用される転がり軸受に好適である。

窒化処理後の保持器の表面の構造を説明する模式的断面図である。熱処理後の保持器の表面の構造を説明する模式的断面図である。実施例５の保持器の切断面の拡大図である。比較例５の保持器の切断面の拡大図である。

符号の説明

３窒化物層
４多孔質層
６酸化物層（酸化物粒子で構成された緻密層）

Claims

鋼製の転がり軸受用保持器において、窒化処理による窒化物層が表面に形成され、酸化物粒子で構成された緻密層が前記窒化物層の外側にさらに形成されていることを特徴とする転がり軸受用保持器。
前記酸化物粒子の平均粒径が１μｍ以下であり、前記緻密層の厚さが０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受用保持器。