JP4534537B2

JP4534537B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4534537B2
Application number: JP2004077026A
Authority: JP
Inventors: 慎治藤田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005264216A

Description

本発明は転がり軸受に関する。

金属の切粉，削り屑，バリ，摩耗粉等の異物が転がり軸受内部の潤滑剤に混入すると、軌道輪や転動体が損傷を受け、転がり軸受の寿命が大幅に低下する場合があることは良く知られている。
そこで、上記のように転がり軸受内部の潤滑剤に異物が混入しているような苛酷な環境下（以降は異物混入潤滑下と記す）で使用されても長寿命な転がり軸受が、種々提案されている。

例えば、特許文献１，２には、軌道輪や転動体の表面層の炭素量，残留オーステナイト量，炭窒化物量等を規定することにより、異物により生じる圧痕のエッジ部における応力集中を緩和し、クラックの発生を抑えて、転がり軸受の寿命を向上させる技術が提案されている。また、特許文献３には、鋼の組成，内部硬さ，及び表面硬さが規定された、転がり疲労寿命の優れた軸受部品が開示されている。

一方、特許文献４には、軌道輪や転動体について、残留オーステナイト量，合金鋼の組成，表面硬さが規定された転がり軸受が開示されている。この転がり軸受は寸法安定性に優れ、異物が混入していない清浄な潤滑剤による潤滑下において長寿命である。
特許第２１３８１０３号公報特許第２１２８３２８号公報特許第３０５１９４４号公報特許第２５４１１６０号公報

しかしながら、転がり軸受は今後さらなる高温・高速化が予想されるので、高温下且つ異物混入潤滑下で使用されることを考えると、前述した従来の転がり軸受はさらなる高性能化が必要であった。
すなわち、特許文献１，２に記載の転がり軸受は、異物混入潤滑下では優れた特性を示すが、合金鋼中のクロムの含有量が少ないため、高温・高速環境下では寸法安定性が十分とは言えなかった。また、特許文献４に記載の転がり軸受も同様に、高温・高速環境下では寸法安定性が十分とは言えなかった。

さらに、特許文献３に記載の軸受部品は、合金鋼中のクロムの含有量が十分であるため良好な寸法安定性を有しているものの、高温下において硬さの低下が生じて寿命が不十分となるという問題があった。しかも、表面の残留オーステナイト量が規定されていないため、熱処理の内容によっては異物混入潤滑下の寿命が不十分となるおそれがあった。
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、高温下且つ異物混入潤滑下で使用されても、寸法安定性に優れ長寿命な転がり軸受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は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪，前記外輪，及び前記転動体の少なくとも１つが、下記の４つの条件を満足することを特徴とする。

条件Ａ：炭素を０．３５質量％以上０．６質量％以下、クロムを２．５質量％以上７質量％以下、マンガンを０．５質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
条件Ｂ：浸炭処理又は浸炭窒化処理により硬化された表面層を有する。
条件Ｃ：表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。
条件Ｄ：部材全体の残留オーステナイト量の平均値である平均残留オーステナイト量（単位は体積％）が、前記合金鋼中のクロムの含有量（単位は質量％）とモリブデンの含有量（単位は質量％）との和の２．５倍以下である。

このように、内輪，外輪，及び転動体の少なくとも１つを、クロム及びモリブデンを十分に含有する合金鋼で構成したので、高温下において残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化が生じにくい上、硬さの低下も生じにくい。また、その表面の残留オーステナイト量と平均残留オーステナイト量とを適正値に規定したので、異物混入潤滑下で使用されても長寿命である。
なお、本発明においては、「平均残留オーステナイト量」とは、内輪，外輪，又は転動体の部材全体における残留オーステナイト量の平均値を意味し、例えば、表面から芯部までの残留オーステナイト量の分布を測定し、その平均値を算出することにより得ることができる。

以下に、本発明の転がり軸受における条件Ａ〜Ｄ中の前述の各数値（合金鋼中の合金元素の含有量、残留オーステナイト量等）の臨界的意義について説明する。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、基地に固溶して焼入れ，焼戻し後の硬さを向上させて強度を向上させるとともに、鉄，クロム，モリブデン，バナジウム等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を高める作用を有する元素である。
合金鋼中のＣの含有量が少ないと、十分な硬化層深さを得るために浸炭処理又は浸炭窒化処理に要する時間が長くなるため、コストアップを招き、場合によってはδフェライトが生じて靱性が低下する。一方、Ｃの含有量が多いと、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成しやすくなって、疲労寿命や強度が低下するおそれがある。また、鍛造性，冷間加工性，被削性が低下して、加工コストの上昇を招くおそれもある。このような理由から、合金鋼中のＣの含有量は０．２質量％以上０．６質量％以下とする必要があり、０．３質量％以上０．５質量％以下とすることがより好ましい。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して焼入れ性，焼戻し軟化抵抗性，耐食性，及び疲労寿命を高める作用を有する元素である。また、Ｃや窒素（Ｎ）等の侵入型固溶元素を実質的に動きにくくして、基地の組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用も有している。さらに、合金鋼中に微細に分布する炭化物が、より高硬度の（Ｆｅ，Ｃｒ）₃Ｃや（Ｆｅ，Ｃｒ）₇Ｃ₃等の炭化物からなるために、耐摩耗性を高める作用も有している。

合金鋼中のＣｒの含有量が少ないと、前述のような作用が十分に得られないおそれがある。一方、Ｃｒの含有量が多いと、冷間加工性，被削性，浸炭処理性が低下して、コストの上昇を招くおそれがある上、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成しやすくなって、疲労寿命や強度が低下するおそれがある。このような理由から、合金鋼中のＣｒの含有量は２．５質量％以上７質量％以下とする必要がある。そして、Ｃｒの含有量は、２．５質量％以上６質量％以下とすることがより好ましく、２．５質量％以上５質量％以下とすることがさらに好ましい。

〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤として作用することから、０．５質量％以上添加する必要がある。また、Ｃｒと同様に基地に固溶しＭｓ点を降下させて、多量の残留オーステナイトを確保したり、焼入性を高める作用を有している。
ただし、多量に添加すると、冷間加工性や被削性を低下させるだけでなく、マルテンサイト変態開始温度を低下させて、浸炭処理後に多量の残留オーステナイトが残存して十分な硬さが得られなくなる場合がある。このような理由から、合金鋼中のＭｎの含有量は０．５質量％以上２質量％以下とする必要がある。そして、０．８質量％以上１．５質量％以下とすることがより好ましく、０．８質量％以上１．２質量％以下とすることがさらに好ましい。

〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、Ｍｎと同様に製鋼時に脱酸剤として作用する。また、Ｃｒ，Ｍｎと同様に焼入性を向上させるとともに、基地のマルテンサイト化を強化し、軸受寿命の向上に有効な元素である。さらに、焼戻し軟化抵抗性を高める作用も有している。ただし、多量に添加すると、鍛造性，冷間加工性，被削性，及び浸炭処理性を低下させる場合がある。このような理由から、合金鋼中のＳｉの含有量は０．１質量％以上１．５質量％以下とする必要がある。そして、０．１質量％以上０．７質量％以下とすることがより好ましく、０．３質量％以上０．５質量％以下とすることがさらに好ましい。

〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン（Ｍｏ）は、Ｃｒと同様に基地に固溶して焼入れ性，焼戻し軟化抵抗性，耐食性，及び疲労寿命を高める作用を有する元素である。また、Ｃｒと同様にＣやＮ等の侵入型固溶元素を実質的に動きにくくして、基地の組織を安定化し、水素侵入時の寿命低下を大幅に抑制する作用も有している。さらに、Ｍｏ₂Ｃ等の微細炭化物を形成して、耐摩耗性を高める作用も有している。
合金鋼中のＭｏの含有量が少ないと、前述のような作用が十分に得られないおそれがある。一方、Ｍｏの含有量が多いと、冷間加工性や被削性が低下して、加工コストの上昇を招いたり、粗大な共晶炭化物が生成して疲労寿命や強度が低下するおそれがある。このような理由から、合金鋼中のＭｏの含有量は０．５質量％以上３質量％以下とする必要があり、０．５質量％以上１．５質量％以下とすることがより好ましい。

〔表面の残留オーステナイト量について〕
残留オーステナイトは表面疲労を軽減する作用があるので、１５体積％以上とする必要があり、２０体積％以上とすることがより好ましい。一方、表面の残留オーステナイト量が多いと、表面硬さが低下したり、軸受の組み立て時に変形が生じやすくなり組み立て性が低下する場合があるので、４５体積％以下とする必要があり、４０体積％以下とすることがより好ましい。

〔平均残留オーステナイト量について〕
Ｃｒ及びＭｏの作用により、高温下における残留オーステナイトの分解を抑制することは可能であるが、残留オーステナイト量が多いと、長期間にわたって高温に曝された場合に残留オーステナイトの分解が生じてしまう。そして、寸法変化によりすきまが減少するため、焼付きが生じるおそれがある。よって、平均残留オーステナイト量（単位は体積％）は、合金鋼中のＣｒの含有量（単位は質量％）とＭｏの含有量（単位は質量％）との和の２．５倍以下とする必要がある。

本発明の転がり軸受は、高温下且つ異物混入潤滑下で使用されても、寸法安定性に優れ長寿命である。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１の深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、を備えている。内輪１，外輪２，及び玉３の少なくとも１つは、炭素を０．２質量％以上０．６質量％以下、クロムを２．５質量％以上７質量％以下、マンガンを０．５質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３質量％以下含有する合金鋼で構成されている。そして、浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されていて、内輪１，外輪２の軌道面や玉３の転動面には、この熱処理により硬化された表面層が形成されている。また、表面の残留オーステナイト量は１５体積％以上４５体積％以下であり、平均残留オーステナイト量（単位は体積％）は、合金鋼中のクロムの含有量（単位は質量％）とモリブデンの含有量（単位は質量％）との和の２．５倍以下である。このような深溝玉軸受は、高温下且つ異物混入潤滑下で使用されても、寸法安定性に優れ長寿命である。

〔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。表１に示すような組成を有する種々の合金鋼で構成された内輪，外輪と、ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２で構成された転動体とを用意して、呼び番号６２０６の深溝玉軸受を製造し、耐久試験を行った。なお、合金鋼のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ以外の成分は、鉄及び不可避の不純物である。また、表１の鋼種Ｈは、ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２である。さらに、表１中の数値に付された下線は、その数値が本発明の推奨範囲から外れていることを意味する。

内輪及び外輪は、合金鋼を所定の寸法に旋削加工し、後述のような浸炭処理又は浸炭窒化処理を施し、さらに所定温度で焼入れ，焼戻しを施した後に、仕上げ研削を施すことにより製造した。浸炭処理の条件は、雰囲気がＲＸガスとエンリッチガスの混合物、処理時間が約３〜５時間、処理温度が９００〜９６０℃である。そして、常温まで空冷した後に、８４０℃で１時間油焼入れを行い、さらに１８０℃で２時間焼戻しを行った。浸炭窒化処理の条件は、雰囲気がＲＸガス，エンリッチガス，及びアンモニアガス（５％）の混合物、処理時間が約３〜５時間、処理温度が９００〜９６０℃である。そして、油冷した後に、浸炭処理の場合と同条件で焼入れ，焼戻しを行った。

得られた内輪及び外輪の性状（表面の残留オーステナイト量（γ_R）及び平均残留オーステナイト量（γ_{R mean}））を、表２にまとめて示す。また、合金鋼中のクロムの含有量Ｃｒ％とモリブデンの含有量Ｍｏ％との和（以降は「Ｃｒ％＋Ｍｏ％」と記す）、及び、平均残留オーステナイト量（γ_{R mean}）とＣｒ％＋Ｍｏ％との比（γ_{R mean}／［Ｃｒ％＋Ｍｏ％］）を、表２にまとめて示す。なお、残留オーステナイト量（γ_R）はＸ線回折法で測定した。また、表２中の数値に付された下線は、その数値が本発明の推奨範囲から外れていることを意味する。

次に、耐久試験の方法について説明する。前述の内輪，外輪，及び転動体を組み立てて得た深溝玉軸受を、油浴潤滑下、アキシアル荷重３．５ＧＰａ、回転速度３０００ｍｉｎ^-1の条件で回転させた。そして、内輪，外輪の少なくとも一方にフレーキングや焼付きが生じた時点を寿命とし、９０％残存寿命（Ｌ₁₀寿命）を測定した。１５００時間回転させてもフレーキングや焼付きが生じなかった場合は、Ｌ₁₀寿命は１５００時間とした。なお、潤滑油としては、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ１５０である潤滑油を用い、潤滑油の温度は１６０℃とした。また、この潤滑油には、異物として直径７４〜１４７μｍの鋼粉（硬さＨｖ６００）を３００ｐｐｍ添加した。

耐久試験の結果を表２に示す。表２から分かるように、実施例１〜６は、比較例１〜１１と比べて格段に長寿命であった。特に、実施例１〜５は、合金鋼中のＣｒの含有量，表面の残留オーステナイト量，及び平均残留オーステナイト量（γ_{R mean}／［Ｃｒ％＋Ｍｏ％］の値）の全てが好適な値であるので、高温下且つ異物混入潤滑下においても、フレーキング及び焼付きが全く生じなかった。また、実施例６は、Ｃｒの含有量が好適な範囲内ではあるものの若干多いので、非晶炭化物が生成して実施例３〜５よりも寿命が若干短かった。

これに対して、比較例１〜９は、合金鋼の組成が本発明の範囲から外れているので、実施例１〜６と比べて短寿命であった。比較例１，２はＳＵＪ２製であり、比較例１の場合はずぶ焼入れが施してあり、比較例２の場合は浸炭窒化処理が施してある。比較例２は浸炭窒化処理が施してあるため、比較例１よりも長寿命であったが、各実施例と比べると著しく短寿命であった。

また、比較例３，４は、表面の残留オーステナイト量及び平均残留オーステナイト量（γ_{R mean}／［Ｃｒ％＋Ｍｏ％］の値）は好適な範囲内であるものの、Ｃｒの含有量が好適な範囲から外れているため、短寿命であった。さらに、比較例５〜９は、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏのいずれかの含有量が好適な範囲から外れているため、短寿命であった。さらに、比較例１０，１１の場合は、合金鋼の組成は好適であるが、比較例１０については平均残留オーステナイト量（γ_{R mean}／［Ｃｒ％＋Ｍｏ％］の値）が好適な値ではなく、比較例１１については表面の残留オーステナイト量が好適な値ではないため、焼付きが生じ短寿命であった。

ここで、合金鋼中のＣｒの含有量と軸受のＬ10寿命との相関を示すグラフを、図２に示す。このグラフは、実施例１〜６、参考例、及び比較例３，４の試験結果をプロットしたものである。このグラフから分かるように、Ｃｒの含有量が２．５質量％以上７質量％以下であると軸受が長寿命であり、２．５質量％以上６質量％以下であるとより長寿命であった。

本発明の転がり軸受は、高温下且つ異物混入潤滑下においても好適に使用可能である。特に、自動車，農業機械，建設機械，鉄鋼用機械等のエンジン，トランスミッション等に好適に使用可能である。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。合金鋼中のＣｒの含有量と軸受のＬ₁₀寿命との相関を示すグラフである。

符号の説明

１内輪
２外輪
３玉（転動体）

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪，前記外輪，及び前記転動体の少なくとも１つが、下記の４つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
条件Ａ：炭素を０．３５質量％以上０．６質量％以下、クロムを２．５質量％以上７質量％以下、マンガンを０．５質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３質量％以下含有する合金鋼で構成されている。
条件Ｂ：浸炭処理又は浸炭窒化処理により硬化された表面層を有する。
条件Ｃ：表面の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。
条件Ｄ：部材全体の残留オーステナイト量の平均値である平均残留オーステナイト量（単位は体積％）が、前記合金鋼中のクロムの含有量（単位は質量％）とモリブデンの含有量（単位は質量％）との和の２．５倍以下である。