JPH0428845A - 転がり軸受用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動車等のエンジンおよびエンジンにより駆
動されるオルタネータ等の補機類の高速回転化に対応し
て、振動、衝撃荷重下で使用される転がり軸受用鋼に関
するものである。

［従来の技術］ 転がり軸受の軌道輪、転動体の材料としては、高炭素ク
ロム軸受鋼（特にはＪＩＳ　　５ＵＪ２）が最も多く用
いられているか、転がり軸受の使用条件の多様化に対応
するために、例えば衝撃荷重が作用する軸受では、靭性
を与えるために肌焼＊（ＳＡＥ５１２０等）を用いて浸
炭焼入２焼戻しを行い使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ 近時、自動車等のエンジンおよびエンジンにより駆動さ
れるオルタネータ等の補機類は、小形化、軽量化、高性
能化が急であるが、それに伴う転がり軸受の高速回転化
により、転がり軸受に対する振動、衝撃荷重が著しく増
大し、また軸受温間が大きく上昇するために、上記鋼を
用いた場合、短時間で剥離が生じて使用不能に至るとい
う問題が生じている。例えば、エンジンにより駆動され
るオルタネータでは、ベルト駆動のためベルトの振動に
よる衝撃荷重が軸受に加わり易く、また、オルタネータ
はエンジンブロックに付属して固定されるものであり、
エンジンがら伝わる振動に、オルタネータ固定用フラン
ジ部を支点とする振動が加わり、より大きな振動を受は
易い。

エンジンや補機顕の小形化、軽量化、高性能化は、燃費
改善の一層の強い要請により、今後益々急進展すること
が明らかであり、高速回転、振動衝撃荷重下で長寿命を
発揮する軸受用鋼の開発が強く待たれている。

本発明者等は上記問題解決に取り組むに当たって先ず高
速回転に伴う待命低下の原因を調査した結果、寿命形態
が表面的には剥離であるが、剥離の発生過程では従来と
異なる現象が生じていることを発見した。

先ず高速回転において短時間で剥離した軸受の転走面下
の断面のミクロ組織を観察したところ、調査した全ての
軸受において、剥離と共に転走面下の最大剪断応力発生
位置付近にマトリックス（母相）と異なり、腐食され難
く、白く観察される組織（以下、白眉と称す）が生じて
いた。第１図に白眉を含む断面の金属組織の項ｇ＆鏡写
真を示す。

次に、白眉部分と周辺のマトリックスの硬さをマイクロ
ヴイッカース硬度計で測定したところ、マトリックスの
硬さが約Ｈｖ７５０であるのに対して白層の硬さはＨｖ
ｌ１００〜１３００てあり白層の硬さはマトリックスの
硬さより硬いことが判明した。

この結果から、高速回転に伴って短寿命が生じるのは、
最大剪断応力発生位置付近に白眉が生じるが、その白眉
が硬くて脆いために、剪断応力の繰り返しにより、容易
に亀裂の起点となり、白眉から発生した亀裂が進展して
、剥離に至るためであると推定される。

通常の軸受寿命試験では、白眉を生じて短寿命となる例
は認められず、ここで問題となっている白層発生による
短寿命の要因には振動、衝撃荷重が大きく作用している
ことが考えられたので、その確認試験を行った。

試験は玉軸受６３０３（内径：１７ｍ＋ｎ、外径；４７
　ａｍ）を用いて静的荷重と動的荷重の２種類の方法で
寿命試験を行った。試料軸受の内外輪の材料、熱処理を
第１表に示す。また試験方法として静的荷重試験は試料
軸受を寿命試験機に組み込み、静的に負荷した状態で連
続回転試験を実施し、動的荷重試験は寿命試験機を加振
台上に設置し、静的な荷重と同時に加振した状態で連続
回転試験を実施した。その条件を第２表に、また試験結
果を第３表に示す。

第　　　　　　　１　　　　　　　表 以 下 余 白 第 表 第 表 以 下 余 白２ この結果、静的荷重試験では回転時間１０００時間で剥
離が無く、非常に長寿命で、寿命時間として全く問題は
無いが、振動が付加される動的荷重試験では５ＵＪ２は
４３．６１時間で、またＳＡＥ；５１２０は１８９．２
０２時間で剥離が発生し寿命が大幅に低下することが判
明した。

この動的荷重試験で短寿命であった試料の転走面下を顕
微鏡観察したところ、先に第１図で示したと同様の白眉
が生じているのが認められた。

この白眉部分とマトリックスの組成をＥＰＭＡ（エレク
トロン・プローブ・マイクロアナライザ）により分析し
たところ、白眉部分ではマトリックス部分よりＣ濃度が
高いことが判明した。第２図はＥＰＭＡにより白眉とそ
の周辺のＣ分布を調査した結果を模写したものであるが
、マトリックス１中の白層２はマトリックス１より炭素
濃度の高く、白層２の中にさらに高炭素の高炭素部分３
が確認された。

白眉のＣ濃度が高いのは、白眉部分にＣが拡散、凝集す
るためであり、Ｃの拡散は振動による衝撃的応力の繰返
しによる応力誘起の拡散が生じることによるものである
と考えられる。同じく衝撃的応力により、転走面下に生
じるミクロ的歪が繰返し増大するためにＣがその部分に
固着する。即ち、衝撃的応力の繰返しにより、転走面下
の最大剪断応力発生位置付近にＣが拡散、固着してＣ濃
度が高く、硬さが高く、腐食され難い白層を生しその白
眉が短寿命の原因となっていることが判明した。

［課題を解決するための手段］ 上述の通り、高速回転に伴って短時間て早期剥離を生じ
る原因が、Ｃの拡散により白眉が発生し。

白層から亀裂か進展し剥離に至ることから、軸受を長寿
命化するためには、この白層を生じ難くすることが必要
である。本発明はＣの拡散と抑制することと、マトリッ
クス強度を向上することが重要であることに着目して、
鋭意研究の結果、白眉が生じる程度は鋼が含有する化学
成分によって大きく変化することを発見し、化学組成の
最適化を図ることによって完成したものである。なお、
実施にあたっては、応力集中を招く炭化物や非金属介在
物を極力減少させることも有効である。

即ち、Ｃおよびその他の合金元素の濃度とＣの拡散速度
その関係を調査した結果、Ｃの拡散速度を遅くする有効
な手段として、Ｃ濃度を下げることと、Ｃｒ濃度を高め
ることを知見し、さらに鋼の清浄度、機械的性質等に関
しても転がり軸受用鋼として適正な機能を得るための成
分設計を、その他の合金成分も併せて行った。

即ち、本発明は重量比にして、Ｃ，０，６５〜０゜９０
％、　Ｓｉ；０．１５〜０．５０％、　Ｍｏ；Ｏ１５〜
１０％、Ｃｒ；２．Ｏ〜５．０％を含有し、必要に応じ
てＮ　ｉ；０．２０〜０５０％、Ｍｏ；０．１〜２０％
、■・０．０５〜１０％のうち１種または２種以上を含
有することを特徴とする転がり軸受用鋼である。

次に、本発明の転がり軸受用鋼の化学成分の限定理由を
述べる。

Ｃ・０．６５〜０．９０％ 転がり軸受は接触面圧が非常に高いために硬さが高いこ
とが重要であり、耐摩耗性の点からも硬さが高いことが
必要で、そのためＣは０．６５％以上の含有か必要であ
る。しかし、０．９０％を越えるとＣの拡散速度が大き
くなり、また炭化物が巨大化することにより応力集中か
大きくなるために使用中に組織変化が促進され転がり寿
命が低下する。よって、Ｃの含有量は下限を０．６５°
≦とし、上限を０．９０％とする。

Ｓｉ：０．１５〜０５０％ Ｓｌは精練に際して脱酸のために必要で、脱酸が不十分
の場合は酸化物系介在物が増加し、これが応力集中源と
なり、使用中の組織変化を促進する。この脱酸には少な
くともｏ　、　１５　ｇｏの含有が必要である。しかし
、０５０％を越えると焼入後の残留オーステナイト量が
増加し、焼入硬さが低下して転がり寿命が低下する。ま
た球状化焼鈍後の炭化物の球状化が悪くなるために炭化
物が応力集中源となり、転がり寿命が低下するだけでな
く、焼鈍後の硬さも高くなるため被削性が低下する。従
って、Ｓｌの含有量は下限を０１５％とし、上限を０５
０％とする。

Ｍｎ・０．１　５〜１　．０％ Ｍｎは精練に際して脱酸のためにＳｉと同様に必要であ
り、また、焼入性を向上して不完全焼入を防止するため
にも必要であって、これらの効果を発揮させるためには
少なくとも０．１５％含有させる必要がある。しかし、
１．０％を越えると、焼入後の残留オーステナイト量が
多くなるために焼入硬さが低下して結果として転がり寿
命が低下する。従ってＭｎ含有量は下限を０１５％とし
、上限を１．０％とする。

Ｃｒ；２．０〜５，０％ Ｃｒは焼入性の１ｉｆｆｌに重要な元素であり、また、
Ｃの拡散による組織変化を抑制して寿命向上に寄与する
が、そのためには２．０％以上の含有が必要である。し
かし、５．０％を越えるとその効果が飽和し、圧延、鍛
造等の加工性が低下すると共に、材料価格が上昇する。

従って、Ｃｒの含有量は下限を２．０％、上限を５．０
％とする。

Ｎｉ；０．２０〜０．５０％ Ｎｉはマトリックスを強化して靭性を向上する点で転が
り寿命の向上に有効であり０．２０％以上の含有が必要
である。しがし、０．５０％を越えると残留オーステナ
イト量が増加し、焼入硬さが低下して、転がり寿命が低
下する。まなＮｉの添加は材料価格の上昇を招くことが
らその含有量は０．５０％以下とする。従ってＮｉの含
有量は下限を０．２０％、上限を０．５０％とする。

Ｍｏ；０．１〜２．０％ Ｍｏはマトリックスを強化すると共に、Ｃの拡散を抑制
することで組織変化を伴う転がり寿命の向上に有効であ
り、そのためには０．１％以上の含有が必要である。し
がし、２．０％を越えて含有すると加工性が低下し、材
料価格が上昇する。

従って、Ｍｏの含有量は下限を０．１％とし、上限を２
．０％とする。

Ｖ；０．０５〜１．０％ ■は微細で安定した炭化物を形成し、よってＣの拡散を
抑制して使用中の組織変化を抑制することにより、転が
り寿命の向上に有効であり、そのためには０．０５％の
含有が必要である。しかし、１．０％を越えて含有する
と加工性が低下し、材料価格が上昇する。従って、■の
含有量は下限を０．０５％、上限を１０％とする。

［実施例］ 次に本発明鋼の特徴を比較鋼、従来鋼と対比して実施例
でもって説明する。第４表はこれら供試鋼の化学成分を
示すものである。

（以　　下　　余　　白　　） 第 表 以 下 余 白 第４表において、Ｎ０．１〜９は本発明鋼で、Ｎ。

１〜４は第１発明鋼、ＮＯ３５〜９は第２発明鋼である
。またＮ０．１０〜１６は比較鋼である。次にＮ０．　
１７〜１８は従来鋼で、Ｎ０１７はＪＩＳ。

５ＵＪ２、Ｎ０．１８はＳＡＥ；５１２０である。

Ｎ０．１８は浸炭焼入、焼戻しを施し表面硬さをＨＲＣ
６１〜６２に調質し、他は普通焼入、焼戻しを施して硬
さをＨＲＣ６１〜６２に調質した後、第２表に示した条
件で動的荷重試験に供した。

第２表に示した条件で、オルタネータに軸受を取り付け
て試験を行った時の各試料の寿命時間を第５表に示す。

なお寿命時間とは剥離発生までの時間である。

（以下余白） 本発明＃ｌＮ　ｏ　、　１〜９は１０１９〜１４９５時
間と従来鋼Ｎ０．１７．１８の４３〜２０２時間に比べ
ると長寿命であり、材料価格の合理的範囲であって、実
用性に優れた長寿自転がり軸受用鋼である。

比較鋼Ｎ０．１０．１２〜１６は、従来ｆｉＮ０．１７
．１８より長寿命であるが、発明鋼に比べると遥かに劣
るものである。なお、比較鋼Ｎ０．１１は寿命について
は１４０３時間と本発明鋼と同等であるが、Ｃｒ含有量
が５４１％と高く、材料価格が高くなり、かつ、加工性
についても劣るものである。

なお、ここでは本発明鋼を軌道輪に用いて、その効果を
確認した結果を述べたが、転動体に実施しても有効であ
ることは、剥離が軌道輪と転動体の相互の接触によって
生ずることからして自明である。

［発明の効果］ 以上の結果から明らかなように、本発明の転がり軸受用
鋼は高速回転に伴う振動、衝撃荷重下で使用されること
による寿命低下を解決し、材料価格および加工性につい
ても合理的で実用性に優れた転がり軸受用鋼である。特
に、オルタネータのような高振動、高衝撃荷重下のおか
れるものにはきわめて大きな効果を発揮するものである
。

従って、本発明の転がり軸受用鋼は、近年の高速回転化
に対して、従来鋼では寿命低下が問題となる航空機や自
動車のエンジン関係、およびエンジンによって駆動され
る補機類、その他に適用して合理的な価格で、優れて長
い寿命を得ることが可能であり、今後−層の高速回転化
を可能にするもので、これらの機器の高性能化に大きく
貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高速回転において短時間で！ｌＩＭ、シた軸受
の転走面下の断面の金属組織を表す顕Ｖ＆鏡写真、第２
図は白層とマトリックスのｃｆＡ度分布をＥＰＭＡで分
析した結果の模写図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比にして、Ｃ；０．６５〜０．９０％、Ｓｉ
   ；０．１５〜０．５０％、Ｍｎ；０．１５〜１．０％、
   Ｃｒ；２．０〜５．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可
   避不純物からなることを特徴とする転がり軸受用鋼。
2. （２）重量比にして、Ｃ；０．６５〜０．９０％、Ｓｉ
   ；０．１５〜０．５０％、Ｍｎ；０．１５〜１．０％、
   Ｃｒ；２．０〜５．０％と、さらにＮｉ；０．２０〜０
   ．５０％、Ｍｏ；０．１〜２．０％、Ｖ；０．０５〜１
   ．０％のうち１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅお
   よび不可避不純物からなることを特徴とする転がり軸受
   用鋼。