JP2005291343A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで且つ生産性を低下させることなく、結晶粒の微細化を可能にし、これにより、材料を強化して転がり軸受の長寿命化を図る。
【解決手段】 内輪、外輪及び転動体の内の少なくとも一つの素材をＣ含有量：０．８重量％以上の高炭素軸受鋼とすると共に、熱処理完了後の最大炭化物粒子径を０．８μｍ以下とし、且つ旧オーステナイト粒径を６μｍ以下とし、前記熱処理が、素材を９００°〜１０００°Ｃに加熱してオーステナイト化した後、急冷によりマルテンサイト組織とする第１の工程と、５００〜７００°Ｃで１〜２時間保持する第２の工程と、５００〜７００°Ｃの温度に保持した状態で塑性加工した後、冷却する第３の工程と、冷却後、オーステナイト温度域に加熱した後、焼入れする第４の工程と、焼戻しする第５の工程とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車、一般産業機械、工作機械、鉄鋼機械等に用いられる玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受等の転がり軸受の長寿命化に関する。

通常、転がり軸受の材料としては、高炭素クロム軸受鋼が用いられるが、近年、使用条件の過酷化傾向に対応するために転がり軸受の長寿命化の要求が高まり、クリーンな潤滑条件下では、材料の清浄度を高めることで、長寿命化が図られている。また、軸受鋼は、通常、焼き入れ、焼戻し処理が施されるが、寿命を延長させるため、浸炭窒化焼き入れ処理が施される場合もある。

上述した材料の清浄度の向上については、鋼の製造上、介在物を無くすことは不可能であり、極限まで介在物を低減させるには特殊な溶解方法が必要となるため、素材のコストアップにつながる。また、浸炭窒化処理を施す場合には、長時間の浸炭窒化処理が必要となり、やはり製品のコストアップにつながる。
そこで、このような問題点を解決するため、軸受鋼の強度を向上させて、転動疲労寿命の改善を図ることが考えられる。材料の強度を改善する手法としては、金属学的には、（１）結晶粒を細かくする、（２）炭素、窒素の固溶量を増加させ、固溶強化を図る、（３）炭化物による析出強化が主に挙げられている。

上記（２）の手法は、上述した浸炭窒化処理に相当し、コスト上の問題があり、また、上記（３）の手法は、通常の軸受鋼ではセメンタイトが析出物に相当し、強化に必要とされる析出量が確保されているため、析出硬化で強度を向上させるには、ＭｏやＶ等の特殊な元素の添加が必要となり、やはり素材のコストアップにつながる。
上記（１）の結晶粒の微細化による強化は、結晶粒径ｄの−１／２乗に比例して、材料強度が増すというホールペッチ則で知られており、素材を変えずに、結晶粒径を細かくするだけで強度が改善されるので、近年、注目を集めている強化方法である。

軸受鋼の結晶粒の微細化を図った事例としては、軸受鋼ＳＵＪ２をオーステナイト温度域に加熱後、熱間、温間域に跨がるように、塑性加工を施した後、室温まで被加熱物を下げずに、再度、オーステナイト化温度まで加熱して焼入れすることによって、通常の焼入れ、焼戻し処理で得られる１０〜１５μｍ程度の結晶粒を、最も細かくした場合、４μｍ程度まで細粒化し、これにより、寿命延長を図るようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許２５２４１５６号公報

しなしながら、上記特許文献１においては、変態点よりも高い温度域と低い温度域の２段階で塑性加工を行うので、被加熱物の正確な温度制御が必要となるばかりか、５０％以上の大きな加工率での塑性加工が必要になるため、加熱時に塑性加工を施す装置が複雑になってコスト高になり、また、塑性加工後、室温まで被加熱物を下げずに、再度、オーステナイト化温度まで加熱して焼入れするため、生産性に劣るという問題がある。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、低コストで且つ生産性を低下させることなく、結晶粒の微細化を可能にし、これにより、材料を強化して長寿命化を図ることができる転がり軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内輪と外輪との間に複数の転動体が周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
前記内輪、前記外輪及び前記転動体の内の少なくとも一つの素材をＣ含有量：０．８重量％以上の高炭素軸受鋼とし、且つ熱処理時に塑性加工を行うことで、該熱処理完了後の最大炭化物粒子径を０．８μｍ以下、旧オーステナイト粒径を６μｍ以下としたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記熱処理が、素材を９００°〜１０００°Ｃに加熱してオーステナイト化した後、急冷によりマルテンサイト組織とする第１の工程と、５００〜７００°Ｃで１〜２時間保持する第２の工程と、５００〜７００°Ｃの温度に保持した状態で塑性加工した後、冷却する第３の工程と、冷却後、オーステナイト温度域に加熱した後、焼入れする第４の工程と、焼戻しする第５の工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、内輪、外輪及び転動体の内の少なくとも一つの素材をＣ含有量：０．８重量％以上の高炭素軸受鋼とし、且つ熱処理時に塑性加工を行うことで、該熱処理完了後の最大炭化物粒子径を０．８μｍ以下、旧オーステナイト粒径を６μｍ以下とすることにより、熱処理完了後の最大炭化物粒子径及び旧オーステナイト粒径を微細化して材料を強化し、これにより、転動疲労寿命の延長を可能にする。

また、前記熱処理が、素材を９００°〜１０００°Ｃに加熱してオーステナイト化した後、急冷によりマルテンサイト組織とする第１の工程と、５００〜７００°Ｃで１〜２時間保持する第２の工程と、５００〜７００°Ｃの温度に保持した状態で塑性加工した後、冷却する第３の工程と、冷却後、オーステナイト温度域に加熱した後、焼入れする第４の工程と、焼戻しする第５の工程とを具備することで、塑性加工を施す装置を簡略にして低コスト化を図ることができると共に、塑性加工後、被加熱物を室温まで下げてから、再度、オーステナイト化温度まで加熱して焼入れすることができるので、生産性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態の一例である転がり軸受の熱処理工程を説明するための図、図２は比較例１の熱処理工程を説明するための図、図３は比較例２の熱処理工程を説明するための図、図４は比較例４の熱処理工程を説明するための図、図５は比較例５及び比較例６の熱処理工程を説明するための図、図６は比較例７の熱処理工程を説明するための図、図７は実施例２の走査型電子顕微鏡による写真、図８は比較例７の走査型電子顕微鏡による写真、図９は温間での塑性加工率と結晶粒径との関係を示すグラフ図、図１０は結晶粒径と寿命比との関係を示すグラフ図、図１１は結晶粒径と最大炭化物粒径と寿命比との関係を示すグラフ図である。

本発明では、一般的に転がり軸受に使用される高炭素クロム鋼ＳＵＪ２に代表される高炭素鋼の最大炭化物粒子径及び旧オーステナイト粒径を、通常の焼入れ、焼戻し処理を施した場合よりも微細にすることによって、転がり疲労特性を改善する。
本発明における結晶粒の微細化の方法は、素材を一度焼入れてマルテンサイト組織として、マルテンサイトを高温で焼戻し、微細な炭化物を多量に析出させることによって、オーステナイト化時にオーステナイト粒の核の発生箇所となる炭化物と基地（フェライト）との界面を増やし、この状態で、塑性加工を行って加工歪を与え、この加工歪によって更にオーステナイト粒の核発生の箇所を増やすことを特徴としている。

即ち、本発明の実施の形態の一例である転がり軸受は、内輪、外輪及び転動体の内の少なくとも一つの素材をＣ含有量：０．８重量％以上の高炭素軸受鋼とし、且つ熱処理時に塑性加工を行うことで、該熱処理完了後の最大炭化物粒子径を０．８μｍ以下、旧オーステナイト粒径を６μｍ以下としたもので、前記熱処理が、図１に示すように、素材を９００°〜１０００°Ｃで２０〜６０分加熱してオーステナイト化した後、油冷による急冷でマルテンサイト組織とする第１の工程と、５００〜７００°Ｃで１〜２時間保持する第２の工程と、５００〜７００°Ｃの温度に保持した状態でＡ１変態点より低い温度域で温間加工率２５〜７０％の塑性加工を行った後、冷却する第３の工程と、冷却後、８００〜８４０°Ｃで１０〜３０分オーステナイト温度域に加熱した後、焼入れする第４の工程と、焼戻しする第５の工程とを具備する。

これにより、熱処理完了後の最大炭化物粒子径及び旧オーステナイト粒径を微細化して材料を強化し、転動疲労寿命の延長を可能にすると共に、塑性加工を施す装置を簡略にして低コスト化を図り、更に、塑性加工後、被加熱物を室温まで下げてから、再度、オーステナイト化温度まで加熱して焼入れできるようにして、生産性の向上を図るようにしている。

次に、各工程について詳述する。
（第１の工程）
第１の工程は、前処理としての焼入れ処理であり、マルテンサイト組織とする工程である。焼入れ温度は９００〜１０００°Ｃの範囲内で行なわれ、マルテンサイトと残留オーステナイトの二相組織とする。通常の軸受鋼の標準焼入れ温度である８３０〜８５０°Ｃよりも高い温度で焼入れを施すのは、９００〜１０００°Ｃで焼入れをすることによって、球状化セメンタイトを消失させ、炭素の固溶量を増やし、第２の工程における焼戻し炭化物量を増やすためである。

（第２の工程）
第２の工程は、高温焼戻し工程であり、５００〜７００°Ｃで１〜２時間行う。このときに第１の工程で得られた基地組織であるマルテンサイトが焼戻され、セメンタイトが析出する。この焼戻しセメンタイトは、マルテンサイトの基地中に均一に微細に析出する。この焼戻しによって、セメンタイトと基地組織のフェライトとの界面が球状化焼鈍の状態よりも増加し、その後の焼入れでオーステナイト粒の核ができる箇所が増え、球状化焼鈍材をオーステナイト化して焼入れる場合よりも微細化する。

なお、５００°Ｃ未満においても微細な焼戻し炭化物は析出するが、５００°Ｃ未満で析出する炭化物は５００°Ｃ以上の高温では不安定であるため、後述する第４の工程でのオーステナイト化の際の昇温過程で分解してしまい、オーステナイト粒の核発生箇所になりにくいため、微細化が進行しにくい。このため、保持温度は、オーステナイト化時に安定にかつ微細に存在できる炭化物が得られる５００〜７００°Ｃとする。

（第３の工程）
第３の工程は、さらに微細化を促進するために、加工歪を導入する工程である。５００〜７００°Ｃは温間加工領域であり、塑性加工によって材料内に導入された歪は、残存したままになる。この加工による歪を蓄えた状態で、オーステナイト域に再度加熱すると、オーステナイト結晶粒の核が生成する箇所が増えて微細化が進行する。この段階での歪量が大きければ、第４の工程で焼入れを行なう際に、オーステナイト粒の核が発生する箇所が増え、更に結晶粒の微細化が進行しやすくなる。

また、第２の工程における高温の焼戻し処理によって僅かではあるが結晶粒界に層状にセメンタイトが析出する部位があり、第３の工程における塑性加工で層状の炭化物を分断させて微細化を促進させる作用もある。塑性加工を施した後の冷却については、水冷、油冷などの急冷が望ましいが放冷でもよい。
更に、５００〜７００°Ｃでの温間加工の方法としては、ローリングミルによるローリング成形、温間鍛造が挙げられる。

微細化に必要な温間での塑性加工率は、肉厚比で２５％以上であり、安定的に微細化を図る場合は、３０％以上の加工率とする。塑性加工の加工率が大きくなると、結晶粒の微細化は比例的に進行するが、塑性加工時の温度が５００〜７００°Ｃでは材料の変形抵抗が大きくなるため、肉厚比で７０％を越えるような加工率で加工歪を加えると、割れが発生する可能性がある。したがって、本発明では、温間での塑性加工の加工率を２５〜７０％とし、安定した製造ができる範囲としては、３０〜５０％とする。

（第４の工程）
第４の工程は焼入れ処理であり、８００〜８４０°Ｃで行われる。オーステナイト化時に第２の工程及び第３の工程で得られた微細炭化物と加工歪によって、オーステナイト核発生箇所が増え、結晶粒が微細化する。また、この高温焼戻しによる炭化物は微細であるので、焼入れ時に成長しても最大粒子径で０．８μｍ以下と、球状化焼鈍材の焼入れで得られる最大径数μｍよりも微細化し、結晶粒成長を抑える効果が増加する。
更に、前述した第３の工程で高温で長時間保持されて硬さが低下しているので、再度焼入れて転動部材としての必要な硬さを得る工程として第４の工程は必須である。

第４の工程による焼入れ後、第５の工程の焼戻し処理を行い、研磨を施して軸受として用いる。
以上の第１〜第５の工程を経ることによって、球状化焼鈍材を出発素材とした通常の焼入れ、焼戻し処理では、結晶粒径が１５〜２０μｍ程度のマルテンサイト組織であるが、本発明では、微細な焼戻し炭化物および温間加工で導入された加工歪によるオーステナイト核発生箇所の増加効果によって、通常の焼入れ、焼戻し処理の約半分以下の６μｍ以下の結晶粒の微細化が可能となり、この結晶粒の微細化によって、材料強度が向上し、軸受寿命が延長する。
なお、本発明は、軸受形式に限定されず、玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受等の転がり軸受に適用でき、いずれの軸受の場合も同様の作用効果が得られる。

本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
高炭素クロム鋼ＳＵＪ２を用いて、試験片を作製した。出発素材は、球状化焼鈍材である。試験片の熱処理工程は次の通りである。
（実施例１〜８）
第１の工程：９００〜１０００°Ｃで３０分加熱後、油冷
第２の工程：５００〜７００°Ｃで９０分保持
第３の工程：保持後、５００〜７００°Ｃで圧下率２５〜７０％の圧延加工を施した後、急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

また、比較例として、次の試験片を用意した。
（比較例１（図２参照）：第３の工程を省いた例）
第１の工程：９５０°Ｃで２０分加熱後、油冷
第２の工程：６００°Ｃで９０分、加熱後急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

（比較例２（図３参照）：第２の工程を省いた例）
第１の工程：９５０°Ｃで２０分加熱後、油冷
第３の工程：６００°Ｃで３分保持後、圧下率で２５〜７０％の圧延加工を施した後、急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

（比較例３：第３の工程で圧下率を２５％未満とした例）
第１の工程：９５０°Ｃで２０分加熱後、油冷
第２の工程：６００°Ｃで９０分保持
第３の工程：保持後、６００°Ｃで圧下率２０％の圧延加工を施した後、急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

（比較例４（図４参照）：第１の工程を省いた例）
第２の工程：６００°Ｃで９０分保持
第３の工程：保持後、６００°Ｃで圧下率２５〜７０％の圧延加工を施した後、急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

（比較例５（図５参照）：第１の工程の焼入れ温度が低い例）
第１の工程：８９０°Ｃで２０分保持後、油冷
第２の工程：６００°Ｃで９０分保持
第３の工程：保持後、６００°Ｃで圧下率２５〜７０％の圧延加工を施した後、急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

（比較例６（図５参照）：第１の工程の焼入れ温度が低い例）
第１の工程：８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第２の工程：６００°Ｃで９０分保持
第３の工程：保持後、６００°Ｃで圧下率２５〜７０％の圧延加工を施した後、急冷
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後、油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し

（比較例７（図６参照）：通常の焼入れ・焼戻し処理）
第４の工程：８００〜８４０°Ｃで２０分保持後油冷
第５の工程：１６０〜１８０°Ｃで２時間焼戻し
各実施例及び比較例共に、第５の工程での焼戻し処理後に研磨を行い、試験片を作製した。また、圧延完了温度は、加熱保持温度の２０°Ｃ未満にならないようにしている。各試験片の処理工程を整理したものを表１に示す。

これらの試験片について、スラスト寿命試験を行った。寿命試験には森式スラスト転がり寿命試験機を用いた。試験条件は次の通りである。
面圧：４９００ＭＰａ
回転数：１０００ｍｉｎ^-1
潤滑油：６８番タービン油（油浴）
各試験片の平均結晶粒径および最大炭化物粒子径を測定した。平均結晶粒径は各試験片を塩化第二鉄と塩酸の混合溶液でエッチングして旧オーステナイト粒界のみを現出させ、走査型電子顕微鏡を用い、２０００〜３０００倍で撮影した写真から切片法で測定し、平均化した。最大炭化物粒子径は、走査型電子顕微鏡を用いて、５０００〜１００００倍で撮影した写真から視野中で大きい物を５個選定し、平均化した。

試験結果を表１に併せて示す。表１中の寿命比は、比較例７の通常焼入れ、焼戻しのＬ₁₀寿命を１とし、その比率で示してある。
表１から判るように、本発明の実施例１〜８は、本発明の熱処理工程を施すことによって、いずれも最大炭化物粒径は０．８μｍ以下であり、かつ結晶粒径（旧オーステナイト粒径）が６μｍ以下に微細化されており、寿命延長効果は明らかである。例として図７に本発明の実施例２の走査型電子顕微鏡による写真を示し、図８に比較例７の走査型電子顕微鏡による写真を示す。各図共に、（ａ）は２０００〜３０００倍で撮影した写真、（ｂ）は５０００〜１００００倍で撮影した写真である。

図１０に結晶粒径（旧オーステナイト粒径）と寿命比との関係を示す。本発明では、結晶粒径を６μｍ以下にすることによって、従来の焼入れ、焼戻し品（結晶粒径が１５〜２０μｍ）に比べて寿命が延長することが判る。
比較例１（図２参照）は、第３の工程の温間での塑性加工を施さなかった場合、比較例２（図３参照）は、第２の工程の高温焼戻しを施さないで、第３の工程で温間加工のみを施した場合である。いずれも、比較例７の焼入れ、焼戻しのみを施した場合よりは、結晶粒が微細化されているが、本発明の実施例よりは粒径が大きく、６μｍを超え、寿命の延長効果は小さい。結晶粒径を６μｍ以下にするためには、第２の工程の高温焼戻しによって、微細な炭化物を析出させるのと、第３の工程の温間での塑性加工の両方の作用が必要であることが判る。

比較例３は、第３の工程における温間での塑性加工率を２５％未満の２０％で行なった場合であり、微細化に必要な加工歪が得られないので、結晶粒径が６μｍ超えとなっている。
図９に温間での塑性加工率と結晶粒径の関係を示すが、寿命延長効果のある６μｍ以下にするには、加工率が２５％以上の塑性加工を加える必要があることが判る。

比較例４（図４参照）は、第１の工程を省いた場合であるが、球状化焼鈍材を５００〜７００°Ｃで保持して、温間での塑性加工を施しても、球状化炭化物が粗大化してしまい、オーステナイトの核となる微細炭化物が得られない。したがって、微細化は進まず、寿命延長効果は小さい。
比較例５および比較例６（図５参照）は、第１の工程の焼入れ温度が９００°Ｃよりも低い場合である。この場合は、素材時に存在する球状化炭化物の基地組織への溶け込みが不十分であり、２〜３μｍの粗大な炭化物が残存する。溶け込みが不十分であるために、第２の工程において、微細化に必要とされる炭化物の析出量が少なくなり、結晶粒径６μｍ以下の微細化は達成できない。

図１１に本発明範囲の結晶粒径（旧オーステナイト粒径）と最大炭化物粒子径と寿命比との関係を示す。図から明らかなように、寿命延長に必要な結晶粒径と最大炭化物粒子径について、結晶粒径６μｍ以下で、且つ最大炭化物粒子径０．８μｍ以下とする必要があることが判る。。
なお、本発明の実施例では、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の事例のみを示したが、鋼種はこれに限定されず、ＳＵＪ３のほか、炭素量で０．８重量％以上の鋼で、構成組織が、マルテンサイト、セメンタイト、残留オーステナイトからなる鋼種であれば、同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態の一例である転がり軸受の熱処理工程を説明するための図である。 比較例１の熱処理工程を説明するための図である。 比較例２の熱処理工程を説明するための図である。 比較例４の熱処理工程を説明するための図である。 比較例５及び比較例６の熱処理工程を説明するための図である。 比較例７の熱処理工程を説明するための図である。 実施例２の走査型電子顕微鏡による写真で、（ａ）は２０００〜３０００倍で撮影した写真、（ｂ）は５０００〜１００００倍で撮影した写真である。 比較例７の走査型電子顕微鏡による写真で、（ａ）は２０００〜３０００倍で撮影した写真、（ｂ）は５０００〜１００００倍で撮影した写真である。 温間での塑性加工率と結晶粒径との関係を示すグラフ図である。 結晶粒径と寿命比との関係を示すグラフ図である。 結晶粒径と最大炭化物粒径と寿命比との関係を示すグラフ図である。

Claims (2)

1. 内輪と外輪との間に複数の転動体が周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
   前記内輪、前記外輪及び前記転動体の内の少なくとも一つの素材をＣ含有量：０．８重量％以上の高炭素軸受鋼とし、且つ熱処理時に塑性加工を行うことで、該熱処理完了後の最大炭化物粒子径を０．８μｍ以下、旧オーステナイト粒径を６μｍ以下としたことを特徴とする転がり軸受。
2. 前記熱処理が、素材を９００°〜１０００°Ｃに加熱してオーステナイト化した後、急冷によりマルテンサイト組織とする第１の工程と、５００〜７００°Ｃで１〜２時間保持する第２の工程と、５００〜７００°Ｃの温度に保持した状態で塑性加工した後、冷却する第３の工程と、冷却後、オーステナイト温度域に加熱した後、焼入れする第４の工程と、焼戻しする第５の工程とを具備することを特徴とする請求項１に記載した転がり軸受。