JP2010209965A

JP2010209965A - 転がり軸受用保持器

Info

Publication number: JP2010209965A
Application number: JP2009054800A
Authority: JP
Inventors: Yukari Katayama; 裕加里片山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】耐摩耗性及び疲労強度に優れ、過酷な条件下で使用されても耐久性に優れている転がり軸受用保持器を提供する。
【解決手段】鋼をプレス成形等によりスラストころ軸受用保持器の形状に成形して、鋼製素材を得た。この鋼製素材にショットブラスト処理を施すことにより、その表面に転位組織を均一に分布させた。この転位組織の転位密度は、１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下の範囲内となっている。次に、鋼製素材に４００℃以上５９０℃以下の温度でガス窒化処理を施すと、硬質な窒化物層が形成された。さらに、ガス窒化処理が施された鋼製素材を５００℃以上５９０℃以下の温度に所定時間保持し、その後に急冷することにより焼入れを施して、保持器４を完成した。
【選択図】図２

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。

近年、転がり軸受の使用条件は益々厳しくなっているため、転がり軸受に組み込まれる保持器には、過酷な条件下で使用されても摩耗や損傷が生じにくい性能が要求されている。そのため、保持器の形状に成形された鋼製の素材に窒化処理を施すことにより、硬質な窒化物層を保持器の表面に形成して、耐摩耗性や疲労強度を向上させる工夫がなされている。

例えば、特許文献１には、アルミキルド鋼製の素材に塩浴窒化処理を施して製造した打ち抜き保持器が開示されている。また、特許文献２には、プレス成形した鋼製の素材の表面の金属酸化物をフッ化処理により金属フッ化物に置換した後にガス窒化処理を施して製造した保持器が開示されている。さらに、特許文献３には、所定の形状に成形した鋼製の素材に窒化処理を施した後に、６８０℃以上７５０℃以下の温度から急冷する焼入れを施し、さらに−８０℃以下でサブゼロ処理を施して製造した保持器が開示されている。

特開平６−４９６２３号公報特開平１０−２３３６号公報特開２００７−１０７０７７号公報

近年においては、保持器に案内機能や転動体の姿勢制御機能を持たせるために、保持器の形状は益々複雑化しているので、特許文献１のように塩浴窒化処理を採用すると、複雑形状の素材に塩浴が十分に行き渡らず、窒化ムラが発生するおそれがあった。このような場合には、回転条件によって保持器の特定部位に過大な繰り返し応力が負荷されると、窒化物層の厚さが薄い部分が破壊の起点となるおそれがあった。

特許文献２のようにガス窒化処理を採用すれば、窒化ムラが発生するおそれはほとんど無いが、深い硬化層（窒化物層）が得られにくいため、保持器の強度が不十分となる場合があった。特に、自動車の低燃費化に伴うオートマチックトランスミッションの多段化により、転がり軸受の使用条件が益々厳しくなっているため、転がり軸受の高速回転化及び高負荷容量化に対応できる保持器が望まれている。しかも、高い寸法精度が要求されるので、熱処理による変形は可能な限り抑制する必要がある。

特許文献３の保持器は、窒化処理後に焼入れを施してあるため、優れた疲労強度を有している。しかしながら、焼入れにおいて高温に保持するため、熱応力を低減することはできるものの、窒化物層の分解や拡散が進行して耐摩耗性が低下するおそれがあった。また、高温から急冷する焼入れが施されるため、変形を免れることは困難であり、要求される高い寸法精度が満たされないおそれがあった。

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、耐摩耗性及び疲労強度に優れ、過酷な条件下で使用されても耐久性に優れている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、本発明の転がり軸受用保持器は、表面に分布している転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下である所定形状の鋼製素材に、４００℃以上５９０℃以下でガス窒化処理を施し、さらに５００℃以上５９０℃以下の温度から急冷する焼入れを施して得られたものであることを特徴とする。

ここで、前記鋼は、炭素を０．０１質量％以上０．２質量％以下、ケイ素を０．３質量％以下、マンガンを０．０５質量％以上１質量％以下、リンを０．０３質量％以下、イオウを０．０５質量％以下、アルミニウムを０．０１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなることが好ましい。

本発明の転がり軸受用保持器は、耐摩耗性及び疲労強度に優れ、過酷な条件下で使用されても耐久性に優れている。

本発明に係る転がり軸受用保持器が組み込まれたころ軸受の構造を示す要部拡大断面図である。本発明に係る転がり軸受用保持器の一実施形態であるころ軸受用保持器の構造を示す正面図である。図２のころ軸受用保持器の断面図である。

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詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受用保持器が組み込まれたスラストころ軸受の構造を示す要部拡大断面図である。また、図２は、図１のスラストころ軸受に組み込まれたころ軸受用保持器の構造を示す正面図である。さらに、図３は、図２のころ軸受用保持器の断面図である。

図１のスラストころ軸受は、図示しない軸に固定される内輪１と、図示しないハウジングに固定される外輪２と、これら両輪１，２の間に転動自在に配された複数の転動体（ころ）３と、複数の転動体３を両輪１，２の間に保持する保持器４と、を備えている。両輪１，２の間に形成され転動体３が内設された空隙部内には、グリース，潤滑油等の潤滑剤が配されていて、この潤滑剤によって両輪１，２の軌道面１ａ，２ａと転動体３の転動面３ａとの間の潤滑がなされている。

この保持器４は、以下のようにして製造されたものである。鋼をプレス成形等によりスラストころ軸受用保持器の形状に成形して、鋼製素材を得た。そして、この鋼製素材にショットブラスト処理を施すことにより、その表面に転位組織を均一に分布させた。この転位組織の転位密度は、１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下の範囲内となっている。ショットブラスト処理は常温下で行うことが好ましく、投射材としては、鋼製素材よりも硬さが低く且つ表面が凸曲面でエッジを有していない微粒子が好ましい。

次に、この鋼製素材の表面には金属酸化物膜が形成されているので、フッ化処理を施して金属酸化物膜を金属フッ化物膜に置き換えた。すなわち、フッ素化合物又はフッ素を含むガスを高温下において鋼製素材の表面に接触させると、鋼製素材の表面に付着していた無機物又は有機物からなる汚染物質が、活性化したフッ素原子により破壊除去されて表面が浄化されるとともに、フッ素原子が金属酸化物膜と反応して金属フッ化物膜に変性し、鋼製素材の表面が金属フッ化物膜で被覆保護された状態となる。

そして、フッ化処理が施された鋼製素材に、４００℃以上５９０℃以下の温度でガス窒化処理を施すと、活性化された鋼製素材の表面に窒素原子が浸透，拡散して、硬質な窒化物層が迅速且つ均一に形成された。さらに、ガス窒化処理が施された鋼製素材を５００℃以上５９０℃以下の温度に所定時間保持し、その後に急冷（例えば水冷，油冷）することにより焼入れを施して、保持器４を完成した。なお、ガス窒化処理工程から焼入れ工程に移行する際には、一旦室温まで冷却した後に焼入れ工程に移行してもよいし、冷却を行うことなくすぐに昇温して焼入れを行ってもよい。

このようにして製造された保持器４は、表面に窒化物層を備えているため表面硬さが高く、耐摩耗性が優れている。また、焼入れが施されることにより、窒化物層の窒素が拡散して窒化物層が厚くなることに加えて、窒化物層の内方の心部が硬化されるため、疲労強度に優れている。さらに、焼入れが施されることにより、Ｆｅ₄Ｎが析出せずにフェライト中に固溶し、拡散層の硬さが向上するため、疲労強度がより高められる。このような保持器４は、耐摩耗性及び疲労強度に優れているので、過酷な条件下で使用されても耐久性に優れている。

さらに、窒化処理にはガス窒化処理を採用したため、塩浴窒化処理を採用した場合のような窒化ムラが発生するおそれがほとんどない。さらに、焼入れを施す際に保持する温度を比較的低温に抑えたので、窒化物層の分解が起こりにくい上、急冷時の変形が少ない。よって、保持器４は寸法精度が高精度である。さらに、ガス窒化処理や焼入れの前に成形を行うため、保持器製造時の鋼の成形性が高く、保持器４の製造が容易である。

このような保持器４が組み込まれた転がり軸受は、自動車，一般産業機械，工作機械，鉄鋼機械等に用いられる転がり軸受として好適である。
なお、鋼製素材の表面に多量の転位組織が導入されていると、後工程の窒化処理において窒素の拡散が容易となり、窒化物層の厚さが大きくなるので、疲労強度がより高められる。転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2未満であると、上記のような作用が不十分となるおそれがある。一方、１×１０¹²ｃｍ^-2超過であると、鋼製素材の表面粗さが悪くなり、窒化物層の厚さ（硬化層深さ）が不均一となるおそれがある。ただし、転位組織の分布が不均一であると、窒化物層の厚さ（硬化層深さ）も不均一となるおそれがあるため、転位組織の分布は均一であることが好ましい。

また、ガス窒化処理によって窒化物層が形成され耐摩耗性が向上するが、ガス窒化処理の温度が４００℃未満であると、良好な窒化物層が形成されないおそれがあり、耐摩耗性が不十分となるおそれがある。一方、ガス窒化処理の温度が５９０℃超過であると、Ａ１変態点を超えるため、鋼製素材に熱変形が生じやすくなり、高い寸法精度が得られないおそれがある。

さらに、焼入れによって疲労強度が向上するが、焼入れ時の保持温度が５００℃未満であると、焼入れの効果が不十分となって十分な硬さが得られなくなるため、疲労強度が不十分となるおそれがある。一方、焼入れ時の保持温度が５９０℃超過であると、Ａ１変態点を超えるため、鋼製素材に熱変形が生じやすくなり、高い寸法精度が得られないおそれがある。

焼入れは酸化雰囲気中で行うことが好ましい。そうすれば、窒化物層の表面に酸化物層を形成することができる。酸化物層が保持器４の最表面に存在すると、転がり軸受に組み込んで使用する際に、初期のなじみ性が良好である。また、酸化物層が潤滑油の油溜まりとして機能するため、油膜が保護されて焼付きが抑制される。このように、酸化物層が保持器４の最表面に存在すると、保持器４の耐摩耗性や耐焼付き性が向上する。

さらに、鋼製素材を構成する鋼は、炭素を０．０１質量％以上０．２質量％以下、ケイ素を０．３質量％以下、マンガンを０．０５質量％以上１質量％以下、リンを０．０３質量％以下、イオウを０．０５質量％以下、アルミニウムを０．０１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなることが好ましい。
炭素は、鋼の強度確保のために必要な元素であり、炭素の含有量が０．０１質量％未満であると、強度が不十分となるおそれがある。ただし、０．２質量％超過であると、鋼の加工性が低下するおそれがある。

また、ケイ素は、脱酸のために必要な元素である。ただし、ケイ素の含有量が０．３質量％超過であると、鋼の加工性が低下するおそれがある。
さらに、マンガンは、脱酸及び脱硫のために必要な元素である。マンガンの含有量が０．０５質量％未満であると、脱酸が不十分となって、非金属介在物の量が多くなるおそれがある。ただし、１質量％超過であると、鋼の靱性が低下するおそれがある。

さらに、リンは、鋼中に不可避的に混入する有害不純物元素であり、その含有量は０．０３質量％以下であることが好ましい。
さらに、イオウは、鋼中に不可避的に混入する有害不純物元素であり、その含有量は０．０５質量％以下であることが好ましい。
さらに、アルミニウムは、窒化特性の向上に寄与し、特に表面硬さの向上や結晶粒粗大化抑制のために有効な元素であり、その含有量は０．０１質量％以上であることが好ましい。ただし、０．１質量％超過であると、鋼の靱性が低下するおそれがある。

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、鋼製素材の表面に転位組織を分布させる方法は、投射材を吹き付けるショットブラスト処理（例えば特開２００４−１３６３７２号公報に開示の方法）が好ましいが、これに限定されるものではなく、転位組織の転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下の範囲内とすることができるのであれば、他の方法（例えば塑性加工）を用いても差し支えない。

また、鋼から鋼製素材を得る際の成形方法は特に限定されるものではなく、保持器の種類は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転がり軸受用保持器の例としてスラストころ軸受用保持器をあげて説明したが、本発明は、他の種類の様々な転がり軸受用の保持器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，自動調心ころ軸受等のラジアル形転がり軸受用の保持器や、スラスト玉軸用保持器である。

〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
炭素を０．０８質量％、ケイ素を０．０４質量％、マンガンを０．３５質量％、リンを０．０１質量％、イオウを０．０１質量％、アルミニウムを０．０５質量％含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる鋼を、プレス成形して、スラストころ軸受用保持器の形状に成形した。

得られた鋼製素材にショットブラスト処理を施して、その表面に転位組織を均一に分布させた。ショットブラスト処理の投射材としては、硬さがＨＶ１５０以上で粒径が２０〜１００μｍの粒子を用いた。そして、Ｘ線回折法により、転位組織の転位密度を測定した。転位組織の転位密度を表１に示す。
次に、フッ化処理を施して、鋼製素材の表面に形成されている金属酸化物膜を金属フッ化物膜に置き換えた後に、窒化処理を施して表面に硬質な窒化物層を形成した。窒化処理が終了したら、窒化温度から室温に炉冷した。窒化処理の種類及び窒化温度は、表１に示す通りである。

さらに、窒化処理が施された鋼製素材を高温に昇温して所定時間保持した後に急冷することにより、焼入れを施した。焼入れ時の保持温度及び冷却方法は、表１に示す通りである。
このようにして得られた保持器の疲労強度を、以下のようにして測定した。保持器の軸方向端面に、軸方向の繰り返し応力（図３の矢印を参照）を周波数２０Ｈｚで加えて、保持器にクラックが入るまでの繰り返し数を測定した。種々の強さの繰り返し応力を加えて繰り返し数を測定し、繰り返し数１×１０⁷回でクラックが入る繰り返し応力の強さを、疲労強度とした。結果を表１に示す。なお、表１に記載の疲労強度は、実施例１の疲労強度を１とした場合の相対値で示してある。

表１から分かるように、実施例１〜６の保持器は優れた疲労強度を有していた。これに対して、窒化処理又は焼入れの温度条件が本発明の好適な範囲よりも低い比較例１，３、焼入れの冷却方法が炉冷であるため焼入れとはならなかった比較例７、焼入れを行わなかった比較例８、窒化処理の種類が塩浴窒化である比較例９、及び転位組織の転位密度が好適な範囲から外れている比較例５，６は、疲労強度が不十分であった。また、窒化処理又は焼入れの温度条件が本発明の好適な範囲よりも高い比較例２，４は、熱処理により変形したため疲労試験を行うことができなかった。

１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３転動体
３ａ転動面

Claims

表面に分布している転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下である所定形状の鋼製素材に、４００℃以上５９０℃以下でガス窒化処理を施し、さらに５００℃以上５９０℃以下の温度から急冷する焼入れを施して得られたものであることを特徴とする転がり軸受用保持器。
前記鋼は、炭素を０．０１質量％以上０．２質量％以下、ケイ素を０．３質量％以下、マンガンを０．０５質量％以上１質量％以下、リンを０．０３質量％以下、イオウを０．０５質量％以下、アルミニウムを０．０１質量％以上０．１質量％以下含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からな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。