JP5372316B2 - 転動部材 - Google Patents
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Description
このため、SUJ2を用いてマルストレッシングと呼ばれる浸炭窒化処理を施し、窒素を固溶させることにより、軌道面表面の残留オーステナイト量を増加させることによって、異物混入潤滑下での圧痕縁の応力緩和を図ったり、窒素の効果で、耐焼き付き性の改善を図ったりしている。しかしながら、近年、転がり軸受の使用環境は益々過酷化し、SUJ2に浸炭窒化処理下だけでは、十分な効果が得られない場合が発生している。
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、Si・Mn系窒化物の適正化を図ることで、より長寿命で、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる転動部材を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、異物混入潤滑下の寿命を支配する因子を鋭意研究した結果、以下に述べるメカニズムによって転がり軸受の寿命が影響を受けることを見出した。異物混入潤滑下では、異物の噛み込みによって軌道輪に圧痕が形成される。この圧痕上を転動体が繰り返し通過すると、転動体が弱い場合には、形状の崩れを起こす。この形状が崩れた転動体が軌道輪に更に大きなダメージを与えて剥離に至る。従って、異物混入潤滑下で寿命を延長するためには、従来のように軌道輪の残留オーステナイトのみを増やして圧痕縁の応力を緩和させるだけでは寿命延長効果が小さく、転動体表面の圧痕の形成自体を抑制できるように転動体を強化する必要がある。
転動体の強さは、Si・Mn系窒化物が寄与するものである。圧痕の形成を抑制するためには、変形の抵抗を大きくすることが重要であり、析出物の大きさが大きくなると、強化の効果が低減する。即ち、表面を強化するためには、Si・Mn系窒化物を微細に分散させる必要がある。本発明では、窒化物の面積率を1〜10%にして、十分に析出させると共に、1μm以下又は500nm以下の細かい析出物の個数を増やしたり比率を窒化物全体の20%以上としたりすることによって表面を強化することを特徴としている。
[窒素濃度が0.2質量%以上、Si・Mn系窒化物の面積率が1〜10%]
Si及びMnを含有した析出物は、熱的に安定な窒化物であり、窒化物中におけるSiとMnとの組成の比率が約5:1であり、基地組織に0.01μm〜1μmの大きさで均一微細に分散し、硬さを向上させる特徴がある。この効果によって、寿命延長、耐摩耗性、耐焼き付き性の向上を図ることができる。Si・Mn系窒化物の面積率が1%以上で寿命が著しく向上するため、下限値を1%以上とし、窒素濃度を0.2質量%とする。Si・Mn系窒化物の面積率が10%を越えると効果が飽和するので、上限値を10%、窒素濃度を2質量%とすることが好ましい。
1μmを越える窒化物は、材料の強化にあまり寄与しない。細かい窒化物が分散している方が強化される。この理由としては、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、析出粒子数が多ければ、相対的に粒子間距離が短くなり、強化される。即ち、Si及びMnの含有量の多い鋼を用い、Si・Mn系窒化物の面積率が1〜10%の範囲で、0.05μm以上1μm以下の微細な窒化物の個数を増やすのがよい。また、平均粒径が0.05μm以上のSi・Mn系窒化物のうち、0.05〜0.50μmのSi・Mn系窒化物の個数の比率を20%以上とすることにより、更に強化することが可能になる。
Si・Mn系窒化物を十分に析出させるためには、Si及びMnを多く含有した鋼を用いる必要がある(SUJ2(Si含有量0.25質量%、Mn含有量0.4質量%)では、浸炭窒化などで窒素を過剰に付与しても、Si・Mn系窒化物量が少ない)。このため、Si及びMnの含有量は以下の値を臨界値とする。
本発明に係る窒化物の析出に必要な元素であり、Mnの存在によって、0.3質量%以上の添加で、窒素と効果的に反応して顕著に析出する。
[Mn含有量:0.3〜2.0質量%]
本発明に係る窒化物の析出に必要な元素であり、Siとの共存によって、0.3質量%以上の添加でSi・Mn系窒化物の析出を促進させる作用がある。また、Mnはオーステナイトを安定化する働きがあるので、硬化熱処理後に残留オーステナイトが必要以上に増加するといった問題を防止するため、2.0質量%以下とする。
本発明に係る析出物は、焼戻しによる窒化物とは異なり、浸炭窒化処理時に侵入してきた窒素がオーステナイト域で、Mnを取り込みながら、Siと反応して形成される。従って、Si添加量に対してMn添加量が少ないと、十分に窒素を拡散させても、Si・Mn系窒化物の析出が促進されない。前述したSi及びMn添加量の範囲で、且つ窒素量を0.2%以上侵入させた場合、Si/Mn比率を5以下とすることによって、寿命延長や耐摩耗性・耐焼き付き性向上に効果のある面積率1.0%以上のSi・Mn系窒化物の析出量を確保することができる。
Cは、焼入れによってマルテンサイト組織となり、基地組織を硬化させる作用がある。転動部材として必要な心部硬さを得るためにCの下限値は0.3質量%以上とすることが好ましい。浸炭窒化時間を短縮するためには、0.5質量%以上が好ましく、0.8質量%以上がより好ましく、0.95質量%以上が更に好ましい。一方、過剰に添加すると、セメンタイトの析出が過剰となり、浸炭窒化処理によって粗大化して、靭性が低下する。このため、上限値を1.2質量%とすることが好ましい。
Crは焼入れ性を向上させると同時に、炭化物形成元素であり、材料を強化する炭化物の析出を促進し、更に微細化させる。0.5質量%未満であると焼入れ性が低下して十分な硬さが得られなかったり、浸炭窒化時に炭化物が粗大化したりする。2.0質量%を越えると、浸炭窒化時に表面にCr酸化膜が形成されて、炭素及び窒素の核酸を阻害する。そのため、Cr含有量は0.5質量%以上2.0質量%以下とすることが好ましい。
また、必要に応じて、Mo、Ni、Vの少なくとも1種類以上を添加してもよい。
Moは、焼入れ性を向上させると同時に、炭窒化物形成元素であり、材料を強化する炭化物及び炭窒化物、窒化物の析出を促進し、更に微細化させる作用がある。その効果は、0.2質量%以上の添加で顕著になる。1.2質量%を越えると効果が飽和し、コストが高くなる。従って、Mo含有量は0.2質量%以上1.2質量%以下とすることが好ましい。
Niは、焼入れ性を向上させると同時に、靭性を向上させる作用があり、その効果は0.5質量%以上の添加で顕著となる。オーステナイト安定化元素であり、3.0質量%以上添加すると残留オーステナイトが過剰となり、心部硬度が低下する。従って、Ni含有量は0.5質量%以上3.0質量%以下とすることが好ましい。
Vは、浸炭窒化によって硬質な炭化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上させる作用がある。その効果は、0.5質量%以上の添加で顕著となる。1.5質量%を越えて過剰に添加すると、素材の固溶炭素と結びついて炭化物を形成し、硬さが低下する。従って、V含有量は0.5質量%以上1.5質量%以下とすることが好ましい。
また、C:0.3質量%以上1.2質量%以下、Si:0.3質量%以上2.2質量%以下、Mn:0.3質量%以上2.0質量%以下、Cr:0.5質量%以上2.0質量%以下で、且つSi/Mnが5以下であり残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を浸炭窒化焼入れ、焼き戻し処理したことにより、より一層の長寿命、耐摩耗性、耐焼き付き性を得ることができる。
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を備えた深溝玉軸受である。
まず、窒素量とSi・Mn析出物量及び性能との関係を明らかにするため、下記表1の材料を直径65mm厚さ6mmの円板に旋削加工し、820〜900℃で2〜10時間、Rxガス、プロパンガス、及びアンモニアガスの混合ガス中で浸炭窒化処理後、油焼入れを施し、その後、160〜270℃で2時間、焼戻し処理を施した。処理温度、処理時間、アンモニアガス流量を変化させて、種々の窒素濃度の試験片を作成した。熱処理後、表面を研磨・ラッピングして鏡面仕上げした。なお、下記表1中、鋼種1はJIS SUJ3、鋼種2はJIS SUJ2に相当する。
電界放射型走査型顕微鏡(FE−SEM)を用い、加速電圧10kVで転動体表面の観察を行った。窒化物面積率については、倍率5000倍で最低3視野以上写真を撮影し、写真を二値化してから画像解析装置を用いて面積率を計算した。対象となる窒化物が微細なものであるので、測定倍率5000倍、測定面積375μm2とすると、0.05μm以上1μm以下の窒化物の数を測定することができる。窒素濃度の測定は、電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用い、加速電圧15kVで行った。
続いて、種々の試験片に対し、スラスト型寿命試験機により、異物混入潤滑下での試験を行った。試験条件は以下の通りである。
試験荷重:5880N(600kgf)
回転数:1000min−1
潤滑油:VG68
異物の硬さ:Hv870
異物の大きさ:74〜147μm
異物混入量:200ppm
各試験辺における窒素濃度、面積率、寿命比を下記表2に示す。寿命比は、比較例1のL10寿命を1としたときの比率で示す。また、転動体表面の窒化物の観察写真を図2に示す。図2の下は、エネルギー分散型X線分散型分析装置で分析した窒化物の元素分析結果を示している。分析結果から、Si、Mn、Nのピークが出現しており、表面の窒化物は、Si・Mn系窒化物であることが分かる。
試験荷重:6223N(635kgf)
回転数:3000min−1
潤滑油:VG68
異物の硬さ:Hv590
異物の大きさ:74〜147μm
異物混入量:200ppm
寿命試験の結果、化学成分(質量%)、Si/Mn比率、窒素濃度(質量%)、Si・Mn系窒化物面積率、0.05μm〜1μmのSi・Mn系窒化物の個数を表4に示す。寿命は、比較例21(SUJ2相当)のL10寿命を1としたときの比で表す。
また、この表4中のSi/Mn比率とSi・Mn系窒化物面積率との関係を図6に示す。例えば比較例13,14は、本発明範囲の鋼を用い、更に窒素濃度を0.2質量%以上としているが、Si含有量に対してMn含有量が少ないものであり、Si・Mn系窒化物の析出量が面積率で1%以下になっている。図6から明らかなように、Si/Mnの比率を5以下にすることによって、Si・Mn系窒化物の析出を促進することができる。
また、説明した深溝玉軸受を始め、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受のほか、軸受の種類を問わず、好適に使用することができる。
また、ボールねじやリニアガイドの転動体にも好適に用いることができる。
2は外輪(外方部材)
3は転動体
4は保持器
Claims (1)
- 内方部材及び外方部材及び転動体の少なくとも一つの表面層に、浸炭窒化処理又は窒化処理によるSi・Mn系窒化物を有し、当該表面層の窒素濃度が0.2質量%以上2質量%以下であり、且つ前記窒化物面積率が1%以上10%未満であり、且つ0.05μm以上1μm以下のSi・Mn系窒化物の面積375μm2中の個数が102個以上であり、C:0.3質量%以上1.2質量%以下、Si:0.3質量%以上2.2質量%以下、Mn:0.3質量%以上2.0質量%以下、Cr:0.5質量%以上2.0質量%以下で、且つSi/Mnが5以下であり残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を浸炭窒化焼入れ、焼き戻し処理したことを特徴とする転動部材。
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