JP4706140B2

JP4706140B2 - 軸受用鋼の寿命推定方法

Info

Publication number: JP4706140B2
Application number: JP2001224541A
Authority: JP
Inventors: 克彦木澤; 将夫後藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: JP2003035656A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばJISＳＵＪ２からなる軸受用鋼の寿命推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受の寿命は、軸受用鋼の表面に生じる剥離現象でほとんど決定する。この剥離現象は、軸受用鋼の転がり接触による一種の疲労破損であり、その形態は表面起点剥離と内部起点剥離に大別される。表面起点剥離は、主に、転がり環境下において異物等の噛み込み等による外的要因から生じるとされている。
【０００３】
一方、内部起点剥離は、材料内部に存在する非金属介在物が原因とされる。すなわち、軸受用鋼中の材料清浄度が寿命に大きな影響を及ぼすとされている。そのため、従来からＪＩＳ、ＡＳＴＭ等の清浄度評価手法により軸受用鋼中の清浄度が評価されてきた。しかし、上記の清浄度評価手法は、酸素含有量を始めとする鋼中不純物量が飛躍的に減少し、それに伴い非金属介在物が減少した今日の材料については良好な評価結果が得られていない。すなわち、転がり寿命との相関関係を得ることができず、軸受用鋼の品質管理手法としては不十分である。そこで、以前から、より正確に清浄度を評価する手法として、軸受用鋼中の非金属介在物の大きさや分布を基準として行う方法が知られている（特開平５−２５５８７号公報、特開２００１−６５５６０号公報）。
【０００４】
しかしながら、上記の管理方法は、ＪＩＳ、ＡＳＴＭ法より評価制度が改善されたものの、転がり寿命との高精度な相関関係を得ることが出来ていないため、軸受用鋼の寿命品質管理手法として未確立である。したがって、軸受用材料の品質管理のために、従来から、実際に転動疲労寿命試験が実施されているのが現状である。転動疲労寿命試験は、数ＧＰａ程度の最大接触応力でボールを試験片に対して転動させ、試験片が剥離するまでの転動サイクル数を調査するものであり、長寿命のものは破損するまでの転動サイクル数が１０^８オーダーを超えるものがある。通常試験片には円筒状や平板状のものが用いられる。この転動疲労寿命試験では、全試験片の１０％が破損する寿命をＬ_１０寿命として、このＬ_１０寿命で各ロット毎の転動寿命を評価し、軸受用鋼の品質管理を行っている。ところが、本評価手法は各試験片が破損するまで試験を行う必要があるために多大な時間を要する。特に、今日の高清浄度化した材料については、なかなか剥離に至らず、より一層長い評価時間が必要となっている。
【０００５】
そこで、この発明の課題は、短時間で軸受用鋼の寿命を精度よく推定しうる方法と、その寿命推定式を指標として決定した長寿命で信頼性の高い軸受用鋼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による軸受用鋼の寿命推定方法は、軸受用鋼に含まれる不純物の含有量や非金属介在物の大きさから複数の寿命支配パラメータ候補を選択し、全ての寿命支配パラメータ候補を説明変数とし、目的変数を寿命試験における実際の寿命として重回帰分析を行って第１の寿命推定式を導出し、前記寿命支配パラメータ候補の中から自由度２重調整済み寄与率が最大になる説明変数を求めるとともに、この説明変数を用いて再度重回帰分析を行って第２の寿命推定式を求め、第２の寿命推定式により軸受用鋼を用いた転がり軸受の寿命を推定する軸受用鋼の寿命推定方法であって、
前記軸受用鋼がJISＳＵＪ２であり、前記寿命支配パラメータ候補を転がり軸受用鋼中のＰ、Ｓ、Ｏ、固溶Ａｌ、Ｔｉ、ＮおよびＳｂの含有量、ならびに酸化物系介在物、チタン系介在物および硫化物系介在物の予測最大径と個数とし、前記自由度２重調整済み寄与率が最大になる説明変数がＯ、ＳおよびＮの含有量、ならびに酸化物系介在物の予測最大径であり、前記第２の寿命推定式が下記の式である軸受用鋼の寿命推定方法。
【０００７】
Ｌ _１０ｅ＝(５２６０／Pmax) ^９・ＥＸＰ｛３．２６５−０．２１６×Ｆ _１ *（Ｘ _１）−０．３６３×Ｆ _２ *（Ｘ _２）−０．４０７×Ｆ _３ *（Ｘ _３）−０．１８２×Ｆ _４ *（Ｘ _４）｝
ここで、Ｌ _１０ｅ：スラスト寿命試験機における推定Ｌ _１０寿命
Pmax：スラスト型寿命試験機におけるボールと平板の最大接触面圧
Ｆ _１ ^＊（Ｘ _１）：｛Ｘ _１ −１９．９｝／３．９２
Ｆ _２ ^＊（Ｘ _２）：｛Ｘ _２ −０．０００５５｝／０．０００１５
Ｆ _３ ^＊（Ｘ _３）：｛Ｘ _３ −０．００２６｝／０．００１５
Ｆ _４ ^＊（Ｘ _４）：｛Ｘ _４ −０．００５５｝／０．００１７
Ｘ _１：酸化物系介在物の予測最大径、μｍ
Ｘ _２：Ｏ含有量、質量％
Ｘ _３：Ｓ含有量、質量％
Ｘ _４：Ｎ含有量、質量％
請求項１の発明による軸受用鋼の寿命推定方法は、上述のように構成されているので、軸受用鋼の寿命を推定することが可能になる。したがって、実際に長時間にわたる寿命試験を実施しなくても軸受用鋼の品質管理（寿命性能の把握）を行うことが可能になる。また、本寿命推定式は長寿命軸受用鋼の開発指標として役立たせることができる。
【０００８】
【発明の実施形態】
以下、この発明の実施例について説明する。
【０００９】
表１に示す３２種の高清浄度ＳＵＪ２を用意した。なお、これらのＳＵＪ２について、必須成分であるＣ、ＳｉおよびＣｒ含有量は、それぞれJIS規格に基づくようにＣ０．９５〜１．１０質量％、Ｓｉ０．１５〜０．３５質量％、Ｃｒ１．３０〜１．６０質量％である。
【００１０】
【表１】

そして、表１に示す３２種類の試料からそれぞれ円環状の試験片を以下の方法により作製した。すなわち、圧延材に焼準および球状化焼鈍を施した後、旋削加工により所定の形状に形成し、ついで８３０℃で４０分間加熱した後油冷する焼入処理および１８０℃で２０分間加熱した後徐冷する焼戻し処理を施し、最後に研磨処理を施して試験片を作製した。各試験片の表面硬さは６１〜６３ＨＲＣである。
【００１１】
これらの全ての試験片について、図１に示すようなスラスト型転動寿命試験を使用し、ラジアル荷重を負荷して表２に示す条件で実際の転動疲労寿命Ｌ_１０（以下、実Ｌ_１０寿命という）を測定した。なお、図１において、(1)は試験片、(2)は鋼球、(3)は潤滑油である。鋼球(2)としてはＳＵＪ２製の直径３／８インチで、表面硬さ６２〜６６ＨＲＣのものが３個配される。
【００１２】
【表２】

本寿命試験により求めた実Ｌ_１０寿命を表１に示す。
【００１３】
そして、Ｐ、Ｓ、Ｏ、固溶Ａｌ、Ｔｉ、ＮおよびＳｂの含有量、ならびに酸化物系介在物、チタン系介在物および硫化物系介在物の予測最大径と個数を寿命支配パラメータ候補として選択し、全ての寿命支配パラメータ候補を説明変数とし、目的変数を実Ｌ_１０寿命として重回帰分析を行って第１の寿命推定式(a)を導出した。
【００１４】
Ｌ_１０ｅ＝（５２６０／Pmax）^９・EXP｛β_０＋β_１・Ｆ_１ ^＊（Ｘ_１）＋β_２・Ｆ_２ ^＊（Ｘ_２）＋……β_ｉ・Ｆ_ｉ ^＊（Ｘ_ｉ）｝（ｉ＝１〜１３）…(a)
Ｌ_１０ｅ：スラスト寿命試験機における推定Ｌ_１０寿命（×１０^６cycles）
β_０：定数
β_１〜β_１３：標準偏回帰係数
Ｘ_１〜Ｘ_９：Ｐ、Ｓ、Ｏ、固溶Ａｌ、Ｔｉ、ＮおよびＳｂ含有量、ならびに酸化物系介在物、チタン系介在物および硫化物系介在物の予測最大径と個数
Ｆ_ｉ ^＊（Ｘ_ｉ）：Ｘ_ｉの尺度依存性を除去するために各Ｘ_ｉ値を平均０、分散１に基準化した関数
Ｆ_ｉ ^＊（Ｘ_ｉ）＝Ｘ_ｉ−Ｘ_ｉ／Ｓ_ｉ、Ｘ_ｉ：平均、Ｓ_ｉ：標準偏差
なお、酸化物系介在物、チタン系介在物、硫化物系介在物の予測最大径（予測面積１００００mm^２）は、画像解析装置を用いて介在物の投影面を表３に示す条件により測定し、極値統計法によって求めた。また、予測最大径を算出する介在物の投影面は、寿命試験片とボールとの接触面に対して垂直な断面とした。ここで、酸化物系介在物およびチタン系介在物はほぼ球状であるから、投影面形状は寿命試験片のどの断面で測定してもほぼ同等となるので、予測最大径は、介在物投影面積を求めて円換算により直径を求めた。一方、硫化物系介在物は試験片における材料の圧延方向に細長い形状となるから、断面方向により投影面における投影面積が大きく異なる。そこで、硫化物系介在物については、投影面における最大幅（細長い形状の最大幅）を最大径として求めた。
【００１５】
【表３】

なお、極値統計法は、「金属疲労微少欠陥と介在物の影響」（村上敬宜著、養賢堂発行、第２３３〜２４０頁）に記載されているように、以下に述べるような方法である。すなわち、ある基本分布関数に従うデータの集合から一定の数のデータの集合取り出した時、各集合の極値（最大値、最小値）が従う分布を極値分布という。基本分布関数が正規分布や指数分布であってもその極値分布は異なった分布となるが、この極値分布について解析するのが極値統計法である。基本分布関数のすそ野が指数的に減少すると見なせる基本分布関数（たとえば正規分布、指数分布）を極値分布では２重指数分布と呼び、２重指数分布は極値分布上では直線となるため任意の予測領域内での最大値を推定できる。軸受用鋼中の介在物分布も指数分布となるため、極値統計法を用いて任意の予測面積（体積）中の予測最大径（area_ｍａｘ）^１／２を算出することが可能となる。ここで、極値統計法を用いて予測最大径を求める時に必要となるパラメータを表４に示す。表４により表５の最大介在物分布直線を求めて予測最大径を算出する。このときの極値統計グラフの例を図２に示す。
【００１６】
【表４】

【表５】

酸化物系介在物、チタン系介在物、硫化物系介在物の個数は、上述の予測最大径を求める際の総測定面積中（４００ｍｍ^２中）の個数とした。
【００１７】
酸化物系介在物、チタン系介在物、硫化物系介在物の予測最大径および個数を表６に示す。
【００１８】
【表６】

ついで、上記式(a)より、上記説明変数の全ての組合せについての自由度調整済み寄与率を求め、その中で自由度２重調整済み寄与率が最大となる説明変数の組合せを求めた。この説明変数は、酸化物系介在物の予測最大径（μｍ）、Ｏ含有量（質量％）、Ｓ含有量（質量％）およびＮ含有量（質量％）であった。
【００１９】
ついで、この説明変数を用いて重回帰分析を行って、第２の寿命推定式(b)を求めた。
【００２０】
Ｌ_１０ｅ＝(５２６０／Pmax)^９・ＥＸＰ｛３．２６５−０．２１６×Ｆ_１*（Ｘ_１）−０．３６３×Ｆ_２*（Ｘ_２）−０．４０７×Ｆ_３*（Ｘ_３）−０．１８２×Ｆ_４*（Ｘ_４）｝・・・(2)
ここで、Ｌ_１０ｅ：スラスト寿命試験機における推定Ｌ_１０寿命
Pmax：スラスト型寿命試験機におけるボールと平板の最大接触面圧
Ｆ_１ ^＊（Ｘ_１）：｛Ｘ_１−１９．９｝／３．９２
Ｆ_２ ^＊（Ｘ_２）：｛Ｘ_２−０．０００５５｝／０．０００１５
Ｆ_３ ^＊（Ｘ_３）：｛Ｘ_３−０．００２６｝／０．００１５
Ｆ_４ ^＊（Ｘ_４）：｛Ｘ_４−０．００５５｝／０．００１７
Ｘ_１：酸化物系介在物の予測最大径、μｍ
Ｘ_２：Ｏ含有量、質量％
Ｘ_３：Ｓ含有量、質量％
Ｘ_４：Ｎ含有量、質量％
上記(b)式による推定Ｌ_１０寿命を表１に示す。
【００２１】
また、式(b)による推定Ｌ_１０寿命と実Ｌ_１０寿命の関係を図３に示す。図３の実線Ｘは、図中のプロットから最小２乗法を用いて描いたものである。この実線Ｘの寄与率（この寄与率は自由度２重調整済み寄与率とは異なる）は０．７８２であり、寄与率の平方根である重相関係数は０．８８５となった。すなわち(2)式は実Ｌ_１０寿命の変動に対して７８．２％の説明が可能な寿命推定式であるといえる。
【００２２】
ついで、図３において、推定Ｌ_１０寿命および実Ｌ_１０寿命のいずれもが３０×１０^６cycles以上である鎖線Ｙで囲まれた領域を長寿命域であるとすると、表１中のＮｏ．１〜１１が長寿命域に含まれることが判明した。
【００２３】
そこで、式(b)により寿命支配パラメータと判明した酸化物系介在物の予測最大径、Ｏ含有量、Ｓ含有量およびＮ含有量の最大値を上記(b)式に代入し、推定Ｌ_１０寿命を求めた。
【００２４】
なお、実施例に用いたＳＵＪ２試料における酸化物系介在物の予測最大径、Ｏ含有量、Ｓ含有量およびＮ含有量は、図４〜図７に示すとおりである。
【００２５】
この場合、統計上、当然のことながら推定Ｌ_１０寿命は３０×１０^６cyclesより短くなる。そこから、酸化物系介在物の予測最大径、Ｏ含有量、Ｓ含有量およびＮ含有量の値をＮｏ．１〜１１の順に小さくすることにより安全側に移行し、順次推定Ｌ_１０寿命を求めていった。そして、推定Ｌ_１０寿命が３０×１０^６cycles以上となる酸化物系介在物の予測最大径、Ｏ含有量、Ｓ含有量およびＮ含有量の最大値を決定した。その結果を表７に示す。
【００２６】
【表７】

こうして、Ｏ含有量を０．０００５質量％以下、Ｓ含有量を０．００２質量％以下、Ｎ含有量を０．００５５質量％以下、酸化物系介在物の予測最大径を２０μｍ以下にすることにより、スラスト型寿命試験で推定Ｌ_１０寿命が３０×１０^６cycles以上となる軸受用鋼をとなることが推定された。
【００２７】
（式(b)の説明変数の妥当性に関する説明）
Ｏ含有量および酸化物系介在物の予測最大径が、転動疲労寿命と相関関係を有することは、従来の知見から妥当なものであると考えられる。
【００２８】
Ｓは、軸受用鋼中においてほとんどが硫化物系介在物として存在するものである。一般に、ＭｎＳは軟質な介在物で酸化物系介在物を包み込んで応力集中を緩和するという効果があるために寿命にさほど影響しないと考えられていたが、式(b)の寿命推定式から、ＳＵＪ２の長寿命化実現のためには硫化物系介在物は酸化物系介在物と同様、少なくすることが必要であることが分かった。
【００２９】
Ｎは、ＳＵＪ２中ではマトリックスに固溶した状態、およびＡｌＮやＴｉＮとして析出した状態で存在する。そして、マトリックス中に固溶することにより衝撃値を低下させ材料の脆化、およびＴｉＮによる介在物起点の生成により、寿命に影響を及ぼしていると考えられる。
【００３０】
なお、上記実施例においては、寿命としてＬ_１０寿命を用いたが、これに限るものではなく、Ｌ_５０寿命等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実Ｌ_１０寿命を測定する方法を示す図である。
【図２】表４により求めた表５の最大介在物分布直線示すグラフである。
【図３】推定Ｌ_１０寿命と実Ｌ_１０寿命との関係を示すグラフである。
【図４】実施例に使用したＳＵＪ２試料の酸化物系介在物の予測最大径を示すグラフである。
【図５】実施例に使用したＳＵＪ２試料のＯ含有量を示すグラフである。
【図６】実施例に使用したＳＵＪ２試料のＳ含有量を示すグラフである。
【図７】実施例に使用したＳＵＪ２試料のＮ含有量を示すグラフである。

Claims

軸受用鋼に含まれる不純物の含有量や非金属介在物の大きさから複数の寿命支配パラメータ候補を選択し、全ての寿命支配パラメータ候補を説明変数とし、目的変数を寿命試験における実際の寿命として重回帰分析を行って第１の寿命推定式を導出し、前記寿命支配パラメータ候補の中から自由度２重調整済み寄与率が最大になる説明変数を求めるとともに、この説明変数を用いて再度重回帰分析を行って第２の寿命推定式を求め、第２の寿命推定式により軸受用鋼を用いた転がり軸受の寿命を推定する軸受用鋼の寿命推定方法であって、
前記軸受用鋼がJISＳＵＪ２であり、前記寿命支配パラメータ候補を転がり軸受用鋼中のＰ、Ｓ、Ｏ、固溶Ａｌ、Ｔｉ、ＮおよびＳｂの含有量、ならびに酸化物系介在物、チタン系介在物および硫化物系介在物の予測最大径と個数とし、前記自由度２重調整済み寄与率が最大になる説明変数がＯ、ＳおよびＮの含有量、ならびに酸化物系介在物の予測最大径であり、前記第２の寿命推定式が下記の式である軸受用鋼の寿命推定方法。
Ｌ _１０ｅ＝(５２６０／Pmax) ^９・ＥＸＰ｛３．２６５−０．２１６×Ｆ _１ *（Ｘ _１）−０．３６３×Ｆ _２ *（Ｘ _２）−０．４０７×Ｆ _３ *（Ｘ _３）−０．１８２×Ｆ _４ *（Ｘ _４）｝
ここで、Ｌ _１０ｅ：スラスト寿命試験機における推定Ｌ _１０寿命
Pmax：スラスト型寿命試験機におけるボールと平板の最大接触面圧
Ｆ _１ ^＊（Ｘ _１）：｛Ｘ _１ −１９．９｝／３．９２
Ｆ _２ ^＊（Ｘ _２）：｛Ｘ _２ −０．０００５５｝／０．０００１５
Ｆ _３ ^＊（Ｘ _３）：｛Ｘ _３ −０．００２６｝／０．００１５
Ｆ _４ ^＊（Ｘ _４）：｛Ｘ _４ −０．００５５｝／０．００１７
Ｘ _１：酸化物系介在物の予測最大径、μｍ
Ｘ _２：Ｏ含有量、質量％
Ｘ _３：Ｓ含有量、質量％
Ｘ _４：Ｎ含有量、質量％