JP4997832B2 - 転がり軸受 - Google Patents
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Description
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、コストの増大を抑制しながら、異物混入潤滑環境下でも長寿命化が可能な転がり軸受を提供することを目的とするものである。
そこで、本発明は、軌道輪と転動体の耐圧痕性(圧痕のつきにくさ)を異なる組合せにし、どちらか一方に圧痕が優先的に形成されるような仕様にすることを特徴としている。どちらか一方に圧痕をつけることにより、圧痕がつきにくい部材は、圧痕による応力集中が発生しないため、長寿命化することができる。一方で、圧痕のつきやすい部材は圧痕による応力集中は大きくなるが、それによる短寿命作用よりも相手側(圧痕のついていない部材)の表面状態が良好であることにより長寿命効果の方が大きくなることによって、長寿命化が図れる。
具体的な数値限定理由は後述するが、軌道輪と転動体の組合せにおいて最も長寿命となる特徴として請求項1に示すように、内外輪、転動体からなる転がり軸受において、その軌道輪軌道面の表面窒素濃度が0.05wt%以下、転動体の表面窒素濃度が0.20wt%以上となるような軌道輪と転動体の組合せ、更には請求項2に示すように、軌道輪軌道面の窒素濃度が0.05wt%以下、転動体の表面窒素濃度が0.20wt%以上、転動体材料のSi含有量+Mn含有量が1.0wt%以上であるような軌道輪と転動体の組合せが寿命に最も有効であることを見出した。
[軌道輪軌道面の表面窒素濃度が0.05wt%以下、転動体の表面窒素濃度が0.2wt%以上]
窒素は、炭素と同じようにマルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物又は炭窒化物を形成して耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる作用がある。後述するように、表面窒素濃度が0.05wt%を超えると徐々に耐圧痕性が上昇し、0.2wt%を超えると大幅な向上が見られる。そこで、本発明では、軌道輪軌道面に圧痕がつきやすくするため、軌道輪表面の窒素濃度を0.05wt%以下とし、転動体表面に圧痕がつきにくくするため、転動体表面の窒素濃度を0.2wt%以上とし、より好ましくは0.35wt%以上とする。また、耐圧痕性向上のためには、転動体表面のSi・Mn系窒化物の面積率を2%以上とすることが好ましい。
前述したように、表面の窒素濃度が高いほど、材料の耐圧痕性、耐摩耗性が向上することが明らかになった。しかし、本発明者らは更に、窒素濃度が同じ場合でも、材料内部の窒素の存在状態によって耐圧痕性が変わるという知見を得た。窒素は、材料内部に固溶して存在する場合と、窒化物として析出して存在する場合がある。Si・Mnを多く含む材料を窒化若しくは浸炭窒化処理した場合には、同じ窒素濃度でも材料中に固溶して存在する窒素量より、表面にSi・Mn系の窒化物を析出して存在する窒素量が多くなる。後述するように、素材のSi+Mn量が増大することにより耐圧痕性が向上し、Si+Mnが1.0wt%を超えると顕著に耐圧痕性が向上する。これは同じ窒素濃度でも、窒素が基地組織に固溶して存在するよりも、より硬度の高いSi・Mn系窒化物を形成して存在する方が、より耐圧痕性が向上するためである。従って、本発明では、Si+Mn量を1.0wt%以上とした。
析出強化の理論において析出物粒子間距離の小さい方が強化能に優れるので、窒化物の面積率が同じであっても、面積375μm2の範囲の、平均粒径0.05μm以上1μm以下のSi・Mn系窒化物を100個以上とすることで、析出数を増やし、析出物粒子間距離を小さくして強化することが好ましい。また、0.05μm以上のSi・Mn系窒化物のうち、0.05〜0.50μmのSi・Mn系窒化物の個数比率を20%以上にすることにより、更に強化することが可能になる。
また、本発明のうち請求項2に係る転がり軸受によれば、転動体材料のSi含有量+Mn含有量を1.0wt%以上ですることにより、より硬度の高いSi・Mn系窒化物の析出量を増加させ、より一層、耐圧痕性を向上することができる。
図1は、本実施形態の転がり軸受の断面図である。この転がり軸受は、内方部材である内輪1、外方部材である外輪2、転動体3、保持器4を備えた、呼び番号L44649/610の円錐ころ軸受である。
まず、耐圧痕性に及ぼす窒素の影響を調査するため、図2に示す耐圧痕性試験を行った。耐圧痕性試験は、直径2mmの鋼球を試料に5GPaで押し付けた後、圧痕の深さを測定した。表面窒素量の測定は、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いた。表面窒素濃度と圧痕深さとの関係を図3に示す。図3に示すように、表面窒素濃度が0.05wt%を超えると徐々に耐圧痕性が上昇し、0.2wt%を超えると大幅な向上が見られる。このことから、圧痕をつきにくくするためには表面窒素濃度を0.2wt%以上とすればよく、圧痕をつきやすくするためには表面窒素濃度を0.05wt%以下とすればよいことが分かる。
試験荷重:ラジアル荷重Fr=12kN、アキシアル荷重Fa=3.5kN
回転数:3000min-1
潤滑油:VG68
異物の硬さ:Hv870
異物の大きさ:74〜134μm
異物混入量:0.1g
内外輪には高炭素クロム軸受鋼(SUJ2)又はクロム鋼(SCr420)を用い、転動体には、Si+Mn量以外は、SUJ3相当の化学成分である鋼を用いた。熱処理に関しては、SUJ2、SUJ3相当の材料は830〜850℃のRxガス雰囲気で焼入れ、又は830〜850℃のRxガス+エンリッチガス+アンモニアガス(アンモニアガスは浸炭窒化時)雰囲気中で1〜20時間の浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、180〜240℃で焼戻しを行った。また、SCr420については、850〜900℃で浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、800〜850℃で二次焼入れ、150〜200℃で焼戻しを行った。
なお、試験では、軌道輪に高炭素クロム軸受鋼(SUJ2)又はクロム鋼(SCr420)、転動体に素材炭素量1.0wt%の鋼を適用し、焼入れ、焼戻し若しくは浸炭又は浸炭窒化した事例を挙げたが、完成品軌道面、転動面の表面硬さがHRC55より大きく、本発明の範囲であれば、同様の効果が得られる。
2は外輪
3は転動体
4は保持器
Claims (2)
- 内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、前記外方部材の軌道面と内方部材の軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、前記内方部材及び外方部材の軌道面の表面窒素濃度を0.05wt%以下、転動体の表面窒素濃度を0.2wt%以上、転動体表面のSi・Mn系窒化物の面積率を2.0%以上としたことを特徴とする転がり軸受。
- 前記転動体材料のSi含有量+Mn含有量が1.0wt%以上であることを特徴とする請求項1に記載の転がり軸受。
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