JP2008298192A

JP2008298192A - 転がり軸受構成部材の製造方法および転がり軸受

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Publication number: JP2008298192A
Application number: JP2007145321A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Tobitaka; 秀幸飛鷹; Daisuke Watanuki; 大輔渡貫
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: JP5145774B2

Abstract

【課題】圧延機用転がり軸受のように、独特な形態の損傷が生じる転がり軸受の転動疲労寿命を長くする。
【解決手段】芯部の旧オーステナイト最大粒径ｄ_M（μｍ）と、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍおよび標準偏差σと、転位密度に対応する局所ひずみε_hklを変数とする下記の式（１）で表される材料パラメータＹが６００以上となるように、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行う。
Ｙ＝（０．４（ε_hkl−０．７４８）＋１．２＋３／√ｄ_M）（Ｍ−４σ）‥（１）
【選択図】図２

Description

この発明は転がり軸受構成部材の製造方法に関する。

鉄鋼設備で使用される転がり軸受は、高荷重下及び高面圧下等の苛酷な環境で使用されることが多いため、このような苛酷な環境下でも転動疲労寿命を長くすることが要求されている。そのため、このような苛酷な環境で使用される転がり軸受用の軌道輪および転動体の製造に際しては、Ｎｉ（ニッケル）やＭｏ（モリブデン）が添加されたＳＮＣ８１５等の肌焼鋼を用い、剪断応力に耐え得る有効硬化層深さを得るための長時間の浸炭又は浸炭窒化処理と、焼入れ及び焼戻しを施すことが行われている。

また、特許文献１では、高荷重下、高面圧下、及び異物混入下等の苛酷な環境下で生じる表面損傷を抑制するために、内輪、外輪、及び転動体のうち少なくとも一つを、単位面積当たりに存在する非金属介在物（酸化物系介在物）の数や大きさが規定された鋼で作製するとともに、その表面層の残留オーステナイト量を２０体積％以上４５体積％以下とすることが提案されている。

さらに、特許文献２では、高荷重下、高面圧下、及び清浄環境下等の苛酷な環境下で生じる非金属介在物を起点とする内部損傷を抑制するために、転動部材を構成する軸受鋼中の単位面積や単位体積当たりに存在する非金属介在物（酸化物系介在物やＴｉ系介在物）の数や大きさを規定することが提案されている。
なお、非特許文献１には、Ｘ線回折により得られたαＦｅの（１１０）（２１１）（２２０）の各ピークの格子定数と半価幅から、局所ひずみε_hklを求める方法（Ｈａｌｌ−Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎの方法）が記載されている。
特開平６−１４５８８３号公報特開２００４−８４８６９号公報Ｇ．Ｋ．ＷｉｌｌｉａｍｓｏｎａｎｄＷ．Ｈ．Ｈａｌｌ；ＡｃｔａＭｅｔａｌｌ１（１９５３）２２

近年、特に高荷重環境で使用される圧延機用転がり軸受では、異物混入による表面損傷だけでなく、非金属介在物に起因した内部損傷とは異なる形態の損傷が生じるため、上述のような介在物の規定のみでは転動疲労寿命を十分に長くすることができないという問題点がある。

すなわち、外径が２００ｍｍ以上である大型の転がり軸受では、厚さも大きく形成されるため、焼入れによる完全硬化層の深さが不十分となり、焼入れが不完全な部分に起因する疲労強度や寿命の低下が懸念される。特に、浸炭または浸炭窒化された場合には、硬化層と芯部との境界（切れ目）に引っ張りの残留応力が存在するため、この部分に応力集中元となる不完全焼入れ組織（ベイナイト）が存在すると、その部分が起点となって破壊が生じる恐れがある。
本発明の課題は、圧延機用転がり軸受のように、独特な形態の損傷が生じる転がり軸受の転動疲労寿命を長くすることである。

上記課題を解決するために、本発明は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、下記の構成(a) と(b) を満たすことを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法を提供する。

［構成 (a)］
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１質量％以上０．２質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５質量％以上１．５質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上０．５質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２質量％以上０．６質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１質量％以上０．５質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．０質量％以上５．０質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなる鋼を使用する。

［構成 (b)］
芯部の旧オーステナイト最大粒径ｄ_M（μｍ）と、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍおよび標準偏差σと、転位密度に対応する局所ひずみε_hklを変数とする下記の式（１）で表される材料パラメータＹが６００以上となるように、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行う。
Ｙ＝（０．４（ε_hkl−０．７４８）＋１．２＋３／√ｄ_M）（Ｍ−４σ）‥（１）

［構成 (a)について］
〔Ｃ〕が０．１質量％以上０．２質量％以下の限定理由は以下の通りである。
炭素は組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。本発明の方法では表面は浸炭または浸炭窒化で硬化するが、芯部に必要な強度を付与するために炭素含有率を０．１質量％以上とする。ただし、炭素含有率が０．２質量％を超えると、芯部の靱性が損なわれる。

〔Ｃｒ〕が０．５質量％以上１．５質量％以下の限定理由は以下の通りである。
クロムは、マトリックスに固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を高める元素であり、転動疲労寿命を向上させる作用も有する。また、微細な炭化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上させる作用も有する。クロム含有率が０．５質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、クロム含有率が１．５質量％を超えると、表面に不動態膜が生じて浸炭を阻害する恐れがある。

〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上０．５質量％以下の限定理由は以下の通りである。
珪素は、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用する元素である。珪素含有率が０．１質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、珪素含有率が０．５質量％を超えると、素材の鍛造性や、被切削性等の加工性が低下する。
〔Ｍｎ〕が０．２質量％以上０．６質量％以下の限定理由は以下の通りである。
マンガンは、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用するとともに、マトリックスに固溶して焼入れ性を向上させる元素である。マンガン含有率が０．２質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。好ましくは０．３質量％以上とする。ただし、マンガン含有率が０．６質量％を超えると、転動疲労寿命の低下原因となる粗大な非金属介在物が生成し易くなるとともに、素材の鍛造性や、被切削性等の加工性が低下する。

〔Ｍｏ〕が０．１質量％以上０．５質量％以下の限定理由は以下の通りである。
モリブデンは、鋼の焼入れ性および焼戻し後の強度と靱性を向上させる作用を有する元素である。モリブデン含有率が０．１質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、モリブデン含有率が０．５質量％を超えると、熱間加工性の低下や製造コストの上昇等が問題となる。

〔Ｎｉ〕が３．０質量％以上５．０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
ニッケルは、鋼の焼入れ性および焼戻し後の靱性を向上させる作用を有する元素である。ニッケルの含有率が３．０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、ニッケルの含有率が５．０質量％を超えると、熱間加工性の低下や製造コストの上昇等が問題となる。
なお、酸化物系の非金属介在物を低減するために、使用する鋼中の酸素含有率は１２ｐｐｍ以下であることが好ましく、９ｐｐｍ以下であることがより好ましい。

［構成 (b)について］
Ｙ＝（０．４（ε_hkl−０．７４８）＋１．２＋３／√ｄ_M）（Ｍ−４σ）‥（１）
（１）式は、芯部の旧オーステナイト最大粒径ｄ_M（μｍ）と、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍおよび標準偏差σと、転位密度に対応する局所ひずみε_hklを変数としている。
軸受構成部材をなす鋼の組織は、鍛造の影響や組成揺らぎの影響によって、一般に、様々な大きさの結晶粒が混在した状態となっている。疲労破壊は、負荷の加わる範囲で最も弱い部分が起点となって発生する。よって、軸受構成部材をなす鋼においては、焼入れによってマルテンサイト化された旧オーステナイト粒のうち、直径の最も大きなものが、疲労破壊の起点になると想定される。また、材料強度は、旧オーステナイト粒径の最大値（ｄ_M）の１／２乗の逆数（１／√ｄ_M）に比例することが知られている。

旧オーステナイト粒径の最大値（ｄ_M）は次の方法で得られた値を用いる。先ず、鋼製の試料に対して所定の熱処理を行った後に旧オーステナイト粒界を露出させて、１００ｍｍ²を１観察範囲とした３０範囲を顕微鏡で観察して、各範囲での最大結晶粒径を、旧オーステナイト粒径の長軸と短軸の平均値から測定する。次に、得られた測定値から極値統計グラフを作成して、面積が１５０００ｍｍ²の場合に予測される最大粒径を計算して、これを旧オーステナイト粒径の最大値（ｄ_M）とする。
局所ひずみε_hklは、前述の非特許文献１に記載されている方法（Ｈａｌｌ−Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎの方法）で求めた値を用いる。

芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍおよび標準偏差σは、マイクロビッカース硬度計を用いて、荷重４．９Ｎを付加し、同じ試料の５０カ所について測定した硬さから算出する。「Ｍ−４σ」は疲労強度と比例関係にあることが分かっている。
そして、（１）式で表される材料パラメータＹが６００以上となるように熱処理を行って転がり軸受構成部材を作製することにより、転がり面（軌道輪の軌道面および転動体の転動面）の硬化層と芯部との境界に、応力集中元となる不完全焼入れ組織（ベイナイト）が発生し難くなる。よって、この方法で作製された転がり軸受構成部材を用いて組み立てた転がり軸受に、前記境界を起点とした内部破壊が生じ難くなる。

本発明の転がり軸受構成部材の製造方法によれば、得られた部材（転がり軸受の内輪、外輪、および転動体）の不完全焼入れ組織に起因する内部起点の破壊が抑制される。よって、この方法を適用して得られた圧延機用転がり軸受の転動疲労寿命を長くすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
改良ＳＮＣＭ８１５鋼の合金成分を微調整することで、ε_hklや「Ｍ−４σ」等を変化させた鋼からなる素材を用意し、各素材を、呼び番号「ＮＵ２２８」の円筒ころ軸受（内径：１４０ｍｍ、外径：２５０ｍｍ、幅：４２ｍｍ）の内輪、外輪、円筒ころ（転動体）の各形状に熱間鍛造により成形した。熱間鍛造は１０００〜１２５０℃で行った。
改良ＳＮＣＭ８１５鋼の合金成分の平均含有率は、炭素含有率〔Ｃ〕が０．２質量％であり、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．３質量％であり、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．５質量％であり、クロム含有率〔Ｃｒ〕が１．２質量％であり、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１質量％であり、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．２質量％である。

次いで、以下の手順で熱処理を行った。
先ず、７５０〜９５０℃で１時間保持した後に放冷する焼きならし処理を行った。次に、浸炭処理として、ＲＸガス雰囲気中に、温度８００〜１０５０℃で１０〜９０時間保持した後に、結晶粒度に対応させた冷却速度で冷却する。この浸炭処理により、圧延機用の大型軸受（呼び番号６００ＲＶ相当）に必要とされる剪断応力を付与するために、表層部の炭素含有率０．７〜１．０質量％、浸炭深さ１０００〜２０００μｍとなるようにした。

次に、焼鈍処理として、５００〜７００℃で１〜３時間保持した後に放冷する。次に、焼入れ処理として、７５０〜８８０℃で１〜３時間保持した後に油冷する。次に、焼戻し処理として、１５０〜３００℃で２時間保持した後に放冷する。
この熱処理の各条件を変えることで、表１に示すように、サンプルNo. 毎に芯部の旧オーステナイト最大粒径ｄ_M、ビッカース硬さの平均値Ｍと標準偏差σ、局所ひずみε_hklが異なる、内輪、外輪、および円筒ころを得た。

得られた内輪、外輪、円筒ころを用いて円筒ころ軸受を組み立てて、ラジアル荷重：Ｐ／Ｃ＝０．６、回転速度：１０００ｍｉｎ^-1、潤滑剤：Ｒｏ６８の条件で、回転寿命試験を行った。寿命の判定は剥離に伴う振動値の増加を検出することにより行った。各サンプルのＬ１０寿命から、Ｙが５５７であるNo. １５のＬ１０寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表１に示す。

また、サンプルNo. １〜１７と同じ組成の鋼からなる素材を、１５０ｍｍ×２００ｍｍ×厚さ４０ｍｍの試験片として、各試験片に対してサンプルNo. 毎に上記と同じ方法で熱処理を行った。得られた各試験片に対して、厚さの中心部から回転曲げ試験片（最小直径８ｍｍ）を切り出し、小野式回転曲げ試験法による回転曲げ試験を行い、疲労限（一定の繰り返し応力を１０００万回以上負荷しても破断しない応力の最大値）を測定した。その結果も下記の表１に併せて示す。

また、得られた各試験片の中心部を、直径８ｍｍの領域の５０カ所について、試験荷重４．９Ｎで芯部のビッカース硬度を測定し、その平均値（Ｍ）と標準偏差（σ）を求めた。そして、これらの結果からＭ−４σを算出した。その結果も下記の表１に併せて示す。
また、Ｘ線回折用の試験片も同様に作製して、各試験片に対してサンプルNo. 毎に上記と同じ方法で熱処理を行った。得られた各試験片に対するＸ線回折の結果からＨａｌｌ−Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎの方法により局所ひずみε_hklを求めた。その結果も下記の表１に併せて示す。

また、これらの結果から「Ｍ−４σ」とＹを算出した。これらの算出値も下記の表１に併せて示す。
これらの結果を疲労限と材料パラメータＹとの関係にまとめたグラフを、図１に示す。また、これらの結果をＬ１０寿命の相対値（転がり寿命比）と材料パラメータＹとの関係にまとめたグラフを、図２に示す。

図１から分かるように、疲労限と材料パラメータＹは比例関係にある。図２から分かるように、材料パラメータＹを６００以上にすることで転がり軸受の寿命を著しく長くすることができる。

実施形態で行った試験の結果を、疲労限と材料パラメータＹとの関係にまとめたグラフである。実施形態で行った試験の結果を、転がり寿命比と材料パラメータＹとの関係にまとめたグラフである。

Claims

鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１質量％以上０．２質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５質量％以上１．５質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上０．５質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２質量％以上０．６質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１質量％以上０．５質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．０質量％以上５．０質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなる鋼を使用し、
芯部の旧オーステナイト最大粒径ｄ_M（μｍ）と、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍおよび標準偏差σと、転位密度に対応する局所ひずみε_hklを変数とする下記の式（１）で表される材料パラメータＹが６００以上となるように、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行うことを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法。
Ｙ＝（０．４（ε_hkl−０．７４８）＋１．２＋３／√ｄ_M）（Ｍ−４σ）‥（１）
請求項１の方法で得られた内輪、外輪、または転動体を備えた転がり軸受。