JP2009242893A

JP2009242893A - 転がり軸受用保持器及びその表面処理方法

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Publication number: JP2009242893A
Application number: JP2008092500A
Authority: JP
Inventors: Yukari Katayama; 裕加里片山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】転がり軸受の高速回転化及び高付加容量化に対応でき、疲労強度が高く、摩耗量が少ない転がり軸受用保持器及びその表面処理方法を提供する。
【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の母材を作製し、一次熱処理、二次熱処理、及び冷却処理を施した。一次熱処理は、４００〜５９０℃の温度でのガス窒化処理であり、二次熱処理は、矯正型に拘束して５９０〜７００℃の温度に保持する処理であり、冷却処理は、例えば水冷などによる急冷処理である。
【選択図】なし

Description

本発明は、転がり軸受に組み込まれる鋼製の保持器及びその表面処理方法に関する。

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、０．１２％Ｃ以下の低炭素銅であって、かつＴｉ含有量を０．００１５％以下に規制したＡｌキルド鋼板から窒化処理をして深みぞ玉軸受の打ち抜き保持器を作製する技術が開示されている。これにより、鋼中のＴｉ含有量を規制するので、タフトライド処理の際に鋼板内質部の脆化がなく、保持器の籾性を確保し、その破壊強度を高めるというものである。

また、特許文献２には、窒化処理の前に保持器の表面の酸化物を金属フッ化膜に置き換えるフッ化処理を含むガス窒化方法が開示されている。これにより、鋼表面に均一な窒化層を迅速に得ることが可能である。
また、特許文献３には、所定の形状に成形した鋼材に窒化処理を施した後に、６８０〜７５０℃の温度から急冷する焼入れを施し、焼入れの後にサブゼロ処理を施す転がり軸受用保持器の製造方法が開示されている。この製造方法によれば、窒化後に焼入れるため、疲労強度に優れた保持器を製造することができる。
特開平６−４９６２３号公報特開平１０−２３３６号公報特開２００７−１０７０７７号公報

近年、保持器の高機能化が進み、案内機能や針状ころの姿勢制御の機能を持たせるためにプレス保持器の形状は複雑化している。したがって、特許文献１に記載のように塩浴窒化処理を行った保持器においては、回転条件によって保持器の特定部位に過大な繰返し応力が付与されことにより、保持器の破壊を引き起こすことがある。これは、塩浴が十分に行き渡らなくなって窒化ムラが発生し、窒化層の薄くなった部分が破壊の起点となってしまうことに起因する。

また、特許文献２は、硬い窒化層を深部まで得られがたく、保持器素材の強度不足を招く可能性があった。
近年では、自動車の低燃費化を目的としたＡ／Ｔの多段化に伴い、転がり軸受の使用条件が益々厳しくなりつつあるため、転がり軸受の高速回転化及び高付加容量化に対応できる保持器が望まれている。しかも、極めて高い寸法精度が要求されるので、変形はできるだけ抑制する必要がある。

また、特許文献３のように、第二熱処理において６８０〜７５０℃に保持した後、焼入を行った場合、窒化膜の分解と拡散が進行し、耐摩耗性が低下する虞がある。また、７５０℃以下に保持するため熱応力を低減することができるが、焼入れを施すため変形を免れることはできない。保持器は極めて高い寸法精度が要求されるので、変形はできるだけ抑制する必要がある。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、転がり軸受の高速回転化及び高付加容量化に対応でき、疲労強度が高く、摩耗量が低い転がり軸受用保持器及びその表面処理方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る転がり軸受用保持器の表面処理方法は、鋼材をプレス成形してなる転がり軸受用保持器の母材の表面に対して、４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施す一次熱処理を行い、その後、矯正型に拘束して５９０〜７００℃の温度に保持する二次熱処理を行い、その後、急冷する冷却処理を行うことを特徴とする。
本発明の請求項２に係る転がり軸受用保持器の表面処理方法は、請求項１に記載の転がり軸受用保持器の表面処理方法において、プレス成形後の転がり軸受用保持器の母材の表面をフッ化処理した後、前記ガス窒化処理を施すことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る転がり軸受用保持器は、鋼材をプレス成形してなる転がり軸受用保持器の表面をフッ化処理した後に、４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施す一次熱処理を行い、その後、矯正型に拘束して５９０〜７００℃の温度に保持する二次熱処理を行い、その後、急冷する冷却処理を行って得られたことを特徴とする。
転がり軸受用保持器の母材の表面に対して、ガス窒化処理による一次熱処理を行うことにより、表面に窒化層が形成されるので表面硬さが増し、耐摩耗性が向上する。なお、ガス窒化処理を行う前に、転がり軸受用保持器の母材の表面にフッ化処理を施しておくと、その効果はさらに向上する。また、二次熱処理において保持器を矯正型で拘束した状態で５９０〜７００℃の温度に保持した後急冷を行い、ベイナイトもしくはマルテンサイトを含む組織が窒化層に形成されることで、高精度で耐摩耗性及び高疲労強度の保持器を作成することが可能となる。ここで、前記矯正型は、二次熱処理前における保持器の形状を保つ形状であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択される。

本発明によれば、疲労強度が高く、摩耗量が低い転がり軸受用保持器が得られる。

本発明に係る転がり軸受用保持器の表面処理方法及び転がり軸受用保持器の一実施の形態について、図面を参照しながら以下に説明する。
ＳＰＣＣ材やＳＰＨＤ材に代表される低炭素鋼板に窒化処理を施すと、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Ｆｅ_２Ｎ，Ｆｅ_３Ｎ，Ｆｅ_４Ｎ等の鉄と窒素との化合物からなる硬質な窒化層が形成される。ビッカース硬度計による窒化層の硬さは、一般的にはＨＶ４００以上で、窒化処理前の保持器母材に比較して硬度が増している。また、窒化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。

そこで、本発明に係る転がり軸受用保持器の表面処理方法は、図１（ａ）及び（ｂ）に示す鋼材をプレス成形してなる保持器母材１の表面に、フッ化処理、一次熱処理、二次熱処理、及び冷却処理を行うことを特徴とする。
フッ化処理は、保持器母材の表面に存在する酸化物をフッ化膜に置き換える処理である。保持器母材の窒化に先立って、まず、保持器母材を炉中で加熱しながら、その状態で炉中にフッ素化合物もしくはフッ素を含むガスを導入して保持器母材の表面を上記ガスと接触させると、活性化したフッ素原子により保持器母材の表面に付着していた無機物及び有機物の汚染物質が破壊除去されて表面が浄化されると共に、このフッ素原子が酸化膜と反応してフッ化物膜に変化して保持器母材の表面がフッ化物膜で被覆保護された状態となる。

一次熱処理は、フッ化処理された鋼を、アンモニアガスを窒化媒体として４００〜５９０℃の温度で行われる窒化処理である。一次熱処理で窒化処理を行うことにより、表面に窒化層が形成されるので表面硬さが増し、耐摩耗性が向上する。一次熱処理における温度が４００℃未満であると、良好な窒化膜を得ることができず、５９０℃を超えると、保持器母材のＡ１変態点を超えるため、熱処理変形が発生し、高い寸法精度を得ることができない。

二次熱処理は、一次熱処理された保持器母材を矯正型に拘束して５９０〜７００℃の温度に保持する処理である。冷却処理は、二次熱処理された保持器母材を急冷する処理である。二次熱処理で５９０〜７００℃に加熱保持してオーステナイト化した後急冷することにより、ベイナイト、もしくはマルテンサイトを含む組織が窒化層に形成されるので疲労強度が向上する。ここで、５９０℃以上ではＡ１変態点を超えるため焼入変形により反りなどが発生し、高い寸法精度を得ることができない虞がある。そこで、保持器を矯正型で矯正した状態で加熱及び冷却を行うことにより、高い寸法精度を得ることができる。

矯正型は、二次熱処理前における保持器の形状を保つ形状であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択される。図２は、二次熱処理において、転がり軸受用保持器の母材を矯正型で拘束したときの構成を示す断面図である。図２に示すように、保持器を矯正型２で拘束することで、反りなどを減少させる。
二次熱処理における温度が５９０℃未満であると、Ａ１変態点を超えないため組織がフェライトとなり、高い硬さを得ることができない。二次熱処理における温度が７００℃を超えると窒化層における分解と拡散が進行し、十分な耐摩耗性を得ることができない。なお、好ましい二次熱処理温度は６００〜６７０℃である。また、冷却処理における冷却速度は、５０℃／ｓ以上が好ましい。冷却速度が５０℃／ｓ未満であると、保持器母材の深部が十分に硬化せず、十分な疲労強度が得られない可能性がある。

また、プレス成形される鋼材は、Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｓｉ：０．３０質量％以下、Ｍｎ：０．０５〜１．０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０５質量％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１質量％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
なお、上記含有成分の数値限定の理由は以下の通りである。

［Ｃ：０．０８〜０．２０質量％］
Ｃは強度確保のために必要な元素であり、炭素含有量が０．０８質量％を下回ると十分な強度が得られなくなる。また、炭素含有量が０．２０質量％を超えると保持器素材の加工性が低下する。
［Ｓｉ：０．３０質量％以下］
Ｓｉは脱酸のために必要な元素であり、０．３０質量％を超えると加工性が低下する。

［Ｍｎ：０．０５〜１．０質量％］
Ｍｎは脱酸・脱硫のために必要な元素であり、０．０５質量％を下回ると脱酸が不十分となり非金属介在物量の増加を招く。また、１．０％質量を超えると靱性が低下する。
［Ｐ：０．０３質量％以下］
Ｐは不可避的に鋼中に混入する有害不純物元素であり、その上限を０．０３質量％とする。

［Ｓ：０．０５質量％以下］
Ｓは不可避的に鋼中に混入する有害不純物元素であり、その上限を０．０５質量％とする。
［Ａｌ：０．０１〜０．１質量％］
Ａｌは窒化特性向上、特に表面硬さ向上や、結晶粒粗大化抑制のために必要な元素であり、０．０１質量％以上含有させる必要がある。また、０．１質量％を超えると靱性が低下する。

（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。
表１に示す成分を含む鋼材をプレス成形して、転がり軸受用保持器の母材を作製した。この母材の表面に対して、３５０℃でフッ化処理をした。その後、表２に示す処理条件に基づいて、加熱炉において一次熱処理（窒化処理）を施した後、炉冷した。その後、表２に示す処理条件に基づいて、二次熱処理として保持器を矯正型で拘束した状態で加熱炉において加熱及び保持した。その後、冷却処理として水冷を行って、実施例１〜４及び比較例１〜７の転がり軸受用保持器を得た。

次に、実施例１〜４及び比較例１〜７の転がり軸受用保持器の疲労強度を評価した。すなわち、実施例１〜４及び比較例１〜７の転がり軸受用保持器の端面に対して疲労強度試験を行い、実施例１の疲労強度を１とした疲労強度比を求め、これを評価した。疲労強度試験は、実施例１〜４及び比較例１〜７の転がり軸受用保持器の端面に対して、応力を２０Ｈｚで繰り返し加え、転がり軸受用保持器にクラックが入るまでの繰り返し数を測定し、繰り返し数が１×１０^７サイクルのときの疲労強度を求めた。疲労強度比の結果を表２に示す。

次に、実施例１〜４及び比較例１〜７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
・潤滑条件：グリース潤滑
・試験時間：２４時間
保持器の摩耗量比を表２に示す。なお、保持器の摩耗量比は、実施例１の保持器の摩耗量を１とした場合の相対値である。
表２に示すように、本発明の要件を満たす実施例１〜４については、いずれも良好な評価結果を得ることができた。

一方、比較例１及び２は、一次熱処理及び二次熱処理において規定した処理温度より低い温度で処理したので、実施例１よりも高い疲労強度を得ることができなかった。特に、一次熱処理において低い温度で処理した比較例１は、耐摩耗性も低かった。また、比較例３は、一次熱処理及び二次熱処理において規定した処理温度より高い温度で処理したので、実施例１よりも高い耐摩耗性を得ることができなかった。また、比較例５は、二次熱処理の後に冷却処理として急冷ではなく、冷却速度が５０℃／ｓよりも著しく遅い冷却速度の炉冷を行ったので、実施例１よりも高い疲労強度を得ることができなかった。また、比較例６は、二次熱処理を行わなかったので、実施例１よりも高い疲労強度を得ることができなかった。また、比較例７は、一次熱処理においてガス窒化ではなく塩浴窒化を施したので、実施例１よりも高い疲労強度及び耐摩耗性を得ることができなかった。更に、比較例４は、二次熱処理において規定した処理温度より高い温度で処理したので、熱処理変形し、疲労試験を行うことができなかった。

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、一次熱処理で窒化した後、冷却を行うことなく二次熱処理を行い、一定時間保持後冷却処理を行ってもよい。この冷却処理は、水冷でも油冷でもよい。また、一次熱処理は、保持器を矯正型で拘束した状態でガス窒化処理が行われてもよい。このときに用いられる矯正型は、一次熱処理前における保持器の形状を保つ形状であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択される。また、保持器を矯正型で拘束した状態で冷却処理が行われてもよい。また、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、本発明に係る転がり軸受用保持器は、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、自動調心ころ軸受、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、自動車、一般産業機械、工作機械、鉄鋼用機械等に使用される転がり軸受に好適である。

熱処理前の転がり軸受用保持器の母材の構造を説明する模式図である。二次熱処理において、転がり軸受用保持器の母材を矯正型で拘束したときの構成を示す断面図である。

符号の説明

１転がり軸受用保持器の母材
２矯正型

Claims

鋼材をプレス成形してなる転がり軸受用保持器の母材の表面に対して、４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施す一次熱処理を行い、その後、矯正型に拘束して５９０〜７００℃の温度に保持する二次熱処理を行い、その後、急冷する冷却処理を行うことを特徴とする転がり軸受用保持器の表面処理方法。
プレス成形後の転がり軸受用保持器の母材の表面をフッ化処理した後、前記ガス窒化処理を施す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の表面処理方法。
鋼材をプレス成形してなる転がり軸受用保持器の表面をフッ化処理した後に、４００〜５９０℃の温度でガス窒化処理を施す一次熱処理を行い、その後、矯正型に拘束して５９０〜７００℃の温度に保持する二次熱処理を行い、その後、急冷する冷却処理を行って得られたことを特徴とする転がり軸受用保持器。