JP4459240B2 - 軸受部品および転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、減速機、ドライブピニオン、トランスミッション用軸受などに用いられる軸受部品および転がり軸受に関し、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度を有する軸受部品および転がり軸受に関するものである。

軸受部品の転動疲労に対して長寿命を与える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ＲＸガス中にさらにアンモニアガスを添加するなどして、その軸受部品の表層部に浸炭窒化処理を施す方法がある（たとえば特許文献１および２参照）。この浸炭窒化処理法を用いることにより、表層部を硬化させ、ミクロ組織中に残留オーステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させることができる。
特開平８−４７７４号公報 特開平１１−１０１２４７号公報

しかしながら、上記の浸炭窒化処理方法は炭素および窒素を拡散させる拡散処理であるため、長時間高温に保持する必要がある。このため、組織が粗大化する等して耐割れ強度の向上を図ることは困難である。また、残留オーステナイトの増加による経年寸法変化率の増大も問題となる。

一方、転動疲労に対して長寿命を確保し、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率の増大を防ぐために、鋼の合金設計により組成を調整することによって対処することが可能である。しかし合金設計によると、原材料コストが高くなるなどの問題点が発生する。

今後の軸受部品には、使用環境の高荷重化、高温化に伴い、従来よりも、大きな荷重条件でかつより高温で使用できる特性を備えることが要求される。このため、高強度で、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有する軸受部品が必要になる。

本発明は、高度の耐割れ強度を有し、転動疲労寿命に優れた軸受部品および転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受は、内輪、外輪および複数の転動体を有する転がり軸受において、内輪、外輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が浸炭窒化層を有し、当該部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、当該部材はＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなっている。

また、本発明の軸受部品は、転がり軸受に組み込まれる軸受部品であって、浸炭窒化層を有し、オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなっている。

本発明の軸受部品および転がり軸受を用いることにより、転動疲労特性が長寿命であり、割れ強度を向上させることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態における転がり軸受を示す概略断面図である。図１において、この転がり軸受１０は、外輪１と、内輪２と、転動体３とを主に有している。図面はラジアル玉軸受を表わしているが、玉軸受、円錐ころ軸受、ころ軸受、ニードルころ軸受も同様である。転動体３は、外輪１と内輪２との間に配置された保持器により転動可能に支持されている。

これらの外輪１、内輪２および転動体３のうち少なくともいずれか一つの部材は、浸炭窒化層を有する鋼を含み、かつ破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。

また、外輪１、内輪２および転動体３のうち少なくともいずれか一つの部材は、浸炭窒化層を有する鋼を含み、かつ鋼中の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。

また、外輪１、内輪２および転動体３のうち少なくともいずれか一つの部材は、浸炭窒化層を有する鋼を含み、かつその部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。

また、外輪１、内輪２および転動体３のうち少なくともいずれか一つの部材は、浸炭窒化層を有する鋼を含み、かつシャルピー衝撃値が６．２Ｊ／ｃｍ2以上である。

次に、これら転がり軸受の外輪、内輪および転動体の少なくとも１つの軸受部品に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。

図２および図３に、本発明の実施の形態における熱処理方法を示す。図２は１次焼入れおよび２次焼入れを行なう方法を示す熱処理パターンであり、図３は焼入れ途中で材料をＡ_１変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パターンである。どちらも本発明の実施の態様例である。これらの図において、処理Ｔ_１では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させ、また炭素の溶け込みを十分に行なった後、Ａ_１変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ_２において、処理Ｔ_１よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。

上記の熱処理を普通焼入れ、すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上述したように、上記の熱処理方法によれば、オーステナイト結晶粒の粒径を従来の２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労特性が長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。

上記図２に示す熱処理パターンを適用した軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図４（ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図４（ｂ）に示す。また、図５（ａ）および図５（ｂ）に、上記図４（ａ）および図４（ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒度を示す。これらオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオーステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であり、また本発明による熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。また、図４（ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。

次に本発明の実施例について説明する。
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用いて、本発明の実施例１を行なった。表１に示した各試料の製造履歴を以下に示す。

（試料Ａ〜Ｄ；本発明例）：温度８５０℃で１５０分間保持して浸炭窒化処理を施した。その浸炭窒化処理時の雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図２に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から１次焼入れを行ない、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して２次焼入れを行なった。ただし、２次焼入れ温度７８０℃の試料Ａは焼入れ不足のため試験の対象から外した。
（試料Ｅ、Ｆ；本発明例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行ない、２次焼入れ温度を浸炭窒素処理温度（８５０℃）以上の８５０℃〜８７０℃で行なった。
（従来浸炭窒化処理品；比較例）：温度８５０℃で１５０分間保持して浸炭窒化処理を施した。その浸炭窒化処理時の雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。その浸炭窒化処理時の温度からそのまま焼入れを行ない、２次焼入れは行なわなかった。
（普通焼入れ品；比較例）：浸炭窒化処理を行なわずに、８５０℃に加熱して焼入れた。２次焼入れは行なわなかった。

上記の各試料に対して、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験、の各々を行なった。その結果を表１に合わせて示す。

次にこれらの測定方法および試験方法について説明する。
（１） 水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定していない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様を下記に示す。

分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なるほう）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイズ：１０ｍｇ〜３５ｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロン（Ｍｇ（ＣｌＯ_４）_２）、アスカライト（ＮａＯＨ）
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス（水素ガス）、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ＰＳＩ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ^２）である。

測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごとに上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取出し抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。

（２） 結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

（３） シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片には、ＪＩＳ Ｚ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いた。なお、シャルピー衝撃値は、次式の吸収エネルギーＥを断面積（０．８ｃｍ^２）で除した値である。

吸収エネルギー：Ｅ＝ＷｇＲ（ｃｏｓβ−ｃｏｓα）
Ｗ：ハンマー重量（＝２５．４３８ｋｇ）
ｇ：重力加速度（＝９．８０６６５ｍ／ｓｅｃ^２）
Ｒ：ハンマー回転軸中心から重心までの距離（＝０．６５６９ｍ）
α：ハンマー持ち上げ角度（＝１４６°）、β：ハンマー降り上がり角度
（４） 破壊応力値の測定
図６に破壊応力値の測定に用いた試験片を示す。アムスラー万能試験機を用いて図中のＰ方向に荷重を負荷して試験片が破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図６に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。

図６の試験片の凸表面における繊維応力をσ_１、凹表面における繊維応力をσ_２とすると、σ_１およびσ_２は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ_１は外半径、ｅ_２は内半径を表わす。また、κは曲がり梁の断面係数である。

σ_１＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_o）｝［１＋ｅ_１／｛κ（ρ_o＋ｅ_１）｝］
σ_２＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_o）｝［１−ｅ_２／｛κ（ρ_o−ｅ_２）｝］
κ＝−（１／Ａ）∫_Ａ｛η／（ρ_o＋η）｝ｄＡ
（５） 転動疲労試験
転動疲労寿命試験の試験条件および試験装置の略図を、表２および図７に示す。図７において、転動疲労寿命試験片２１は、駆動ロール１１によって駆動され、ボール１３と接触して回転している。ボール１３は、（３／４）”のボールであり、案内ロール１２にガイドされて、転動疲労寿命試験片２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。

次に上記の測定結果および試験結果について説明する。
（１） 水素量
表１より、浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品の鋼中水素量は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ_３）が分解して水素が鋼中に侵入したためと考えられる。これに対して、試料Ｂ〜Ｆの鋼中水素量は０．３７〜０．４２ｐｐｍとなっており、従来浸炭窒化処理品の半分近くにまで減少している。この鋼中水素量は普通焼入れ品と同じレベルである。

上記の鋼中水素量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｆのシャルピー衝撃値および破壊応力値は大きく改善されている。

（２） 結晶粒度
表１より、結晶粒度は、２次焼入れ温度が浸炭窒化処理時の焼入れ（１次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。

（３） シャルピー衝撃値
表１によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ^２であるのに比して、本発明例の試料Ｂ〜Ｆのシャルピー衝撃値は６．２０〜６．６５Ｊ／ｃｍ^２と高い値が得られている。この中でも、２次焼入れ温度が低いほうがシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。なお、普通焼入品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ^２と高い。

（４） 破壊応力値
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表１によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｆの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善されている。普通焼入品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｆの破壊応力値と同等である。このような、試料Ｂ〜Ｆの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。

（５） 転動疲労試験
表１によれば、普通焼入品は浸炭窒化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ_１０は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等であった。

上記をまとめると、本発明例の試料Ｂ〜Ｆでは、鋼中水素量が低くなり、破壊応力値やシャルピー衝撃値が向上する。しかし、転動疲労寿命まで含めて改良しうるのは、さらにオーステナイト結晶粒度を粒度番号で１１番程度以上に微細化した試料Ｂ〜Ｄである。したがって、本発明例に該当するのは試料Ｂ〜Ｆであるが、より望ましい本発明の範囲は、２次焼入れ温度を浸炭窒化処理温度より低くして結晶粒の微細化をさらに図った試料Ｂ〜Ｄの範囲である。

次に実施例２について説明する。
下記のＡ材、Ｂ材およびＣ材について、一連の試験を行なった。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ａ材〜Ｃ材に共通とした。Ａ材〜Ｃ材の製造履歴は次のとおりである。
（Ａ材：比較例）：普通焼入れのみを行なった（浸炭窒化処理せず）。
（Ｂ材：比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼き入れた（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理の温度を８４５℃とし、保持時間を１５０分間とした。また浸炭窒化処理の雰囲気を、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
（Ｃ材：本発明例）：軸受鋼に図２の熱処理パターンを施した。浸炭窒化処理の温度を８４５℃とし、保持時間を１５０分間とし、雰囲気をＲＸガス＋アンモニアガスとした。また、最終焼入れ温度を８００℃とした。

（１） 転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験装置には上述した図７の装置を用い、試験条件は表２に示す条件とした。この転動疲労寿命試験結果を表３に示す。

表３によれば、浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）のＬ_１０寿命は、普通焼入れのみを施したＡ材（比較例）のＬ_１０寿命（試験片１０個中１個が破損する寿命）の３.１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＣ材は、Ｂ材の１．７４倍、またＡ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。

（２） シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳ Ｚ２２４２に準じた方法により行なった。試験結果を表４に示す。

本発明例のＣ材では、普通焼入れのみを施したＡ材（比較例）と同等で、かつ浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）よりも高いシャルピー衝撃値が得られた。

（３） 静的破壊靭性値の試験
静的破壊靭性試験の試験片には、図８に示す試験体を用い、亀裂を予め約１ｍｍ導入した後に、３点曲げによる静的荷重Ｐを加え、破壊荷重を求めた。破壊靭性値（Ｋ_ＩＣ値）の算出には次に示す次式を用いた。また、試験結果を表５に示す。

Ｋ_ＩＣ＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ^２）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）^２−７５．３（ａ／Ｗ）^３＋７７．５（ａ／Ｗ）^４｝

予め導入した亀裂の深さが浸炭窒化層深さよりも大きくなったため、比較例のＡ材とＢ材とには違いはない。しかし、本発明例のＣ材では比較例のＡ材およびＢ材に対して約１．２倍の破壊靭性値（Ｋ_ＩＣ値）を得ることができた。

（４） 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）
静圧壊強度試験片には、上述のように図６に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を付加して、上記と同様にして静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表６に示す。

浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）の静圧壊強度は普通焼入れのみを施したＡ材（比較例）の静圧壊強度よりもやや低い値である。しかしながら、本発明例のＣ材の静圧壊強度は、Ｂ材の静圧壊強度よりも向上し、Ａ材の静圧壊強度よりもわずかに高いレベルになっている。

（５） 経年寸法変化率
温度１３０℃で５００時間保持した場合の経年寸法変化率を測定した。その測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（表面から０．１ｍｍ深さでの）とともに表７に示す。

残留オーステナイト量の多いＢ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＣ材の寸法変化率は低く抑えられていることがわかる。

（６） 異物混入潤滑下における寿命試験
玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入潤滑下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表８に、また試験結果を表９に示す。

Ａ材に比べ、浸炭窒化処理を施したＢ材（比較例）では約２．５倍の、また本発明例のＣ材では約２．３倍の長寿命が得られた。本発明例のＣ材では、比較例のＢ材に比べて残留オーステナイトが少ないものの、窒素の侵入と微細化されたミクロ組織の影響とによりほぼ同等の長寿命が得られている。

上記の結果より、本発明例のＣ材、すなわち本発明の熱処理方法によって製造された軸受部品は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の軸受部品および転がり軸受は、減速機、ドライブピニオン、トランスミッション用軸受などに用いられる軸受部品および転がり軸受に、特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態における転がり軸受を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態における熱処理方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における熱処理方法の変形例を説明する図である。 軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。(ａ)は本発明例の軸受部品であり、（ｂ）は従来の軸受部品である。 （ａ）は図４（ａ）を図解したオーステナイト粒界を示し、（ｂ）は図４（ｂ）を図解したオーステナイト粒界を示す。 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。 転動疲労寿命試験機の概略図である。(ａ)は正面図であり、(ｂ)は側面図である。 静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。

符号の説明

１ 外輪、２ 内輪、３ 転動体、１０ 転がり軸受、１１ 駆動ロール、１２ 案内ロール、１３ （３／４）”ボール、２１ 転動疲労寿命試験片、Ｔ_１ 浸炭窒化処理温度、Ｔ_２ 焼入れ加熱温度。

Claims (2)

1. 内輪、外輪および複数の転動体を有する転がり軸受において、
   前記内輪、外輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が浸炭窒化層を有し、
   前記部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、
   前記部材はＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなっている、転がり軸受。
2. 転がり軸受に組み込まれる軸受部品であって、
   浸炭窒化層を有し、
   オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、
   ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなっている、軸受部品。

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