JPH06341441A - 転がり軸受 - Google Patents
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- JPH06341441A JPH06341441A JP5152915A JP15291593A JPH06341441A JP H06341441 A JPH06341441 A JP H06341441A JP 5152915 A JP5152915 A JP 5152915A JP 15291593 A JP15291593 A JP 15291593A JP H06341441 A JPH06341441 A JP H06341441A
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Abstract
大幅に向上した転がり軸受を提供する。 【構成】浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部
に、窒素を0.3重量%以下含有し、完成品表面層に、
炭素を0.9重量%以上且つ1.6重量%以下の範囲で
含有すると共に、窒素を0.05重量%以上且つ0.3
重量%以下の範囲で含有し、且つ完成品表面層の窒素勾
配が、0.5%/mmである転がり軸受。
Description
特に、自動車、農業機械、建設機械及び鉄鋼機械等のト
ランスミッションやエンジン用として使用される高寿命
な転がり軸受に関する。
鋼からなる素材を圧延した後、これを熱間、温間または
冷間で鋳造ならびに旋削される。そして、転がり軸受の
寿命を向上させるために、例えば、650〜900℃の
範囲内の温度で浸炭窒化処理を施した後、油冷却した
り、または、900〜950℃の範囲内の温度で浸炭処
理した後、800〜860℃の範囲内の温度で浸炭窒化
処理を施し、さらに油冷却する等の、表面硬化処理が施
されている。この表面硬化処理により、転がり軸受の焼
戻し抵抗性が大幅に改善され、耐摩耗性、耐食性を向上
させ、長寿命な軸受を得ている。
しくなってきており、さらなる軸受寿命の向上が要求さ
れてきている。そこで、特公昭62−24499号公報
や特開平2−34766号公報に開示されているよう
に、浸炭等の熱処理により、低中炭素低合金鋼表面に球
状カッティング炭化物を析出させることで、鋼表面(軌
道輪及び転動体の表面)の硬さを向上させ、軸受寿命を
向上させる従来例が紹介されている。
示されているように、異物が混入している潤滑下で転が
り軸受を使用する場合でも、軸受の転がり表面層の炭素
の含有量、残留オーステナイト量(γR vol%)、及び炭
窒化物の含有量を適正値にすることで、異物により生じ
る圧痕のエッジ部における応力の集中を緩和し、クラッ
クの発生を抑え、転がり寿命を向上する従来例が紹介さ
れている。
9号公報や特開平2−34766号公報に開示されてい
る従来例のように、軌道輪及び転動体の表面硬さを向上
すると、異物による圧痕の付き方が軽減される反面、当
該軌道輪及び転動体の靱性が低下し、潤滑油中に存在す
る異物により引き起こされる損傷箇所からクラックが生
じ、それが起点となって早期にフレーキングが生じ、軸
受寿命を十分に向上することができないという問題があ
った。
に開示されている従来例は、適当量の残留オーステナイ
トにより異物混入潤滑下での寿命向上を図ることができ
る反面、残留オーステナイトにより表面硬さが低下し
て、耐疲労性が下がるという問題があった。即ち、残留
オーステナイト量(γR vol%)と表面硬さ(Hv)との
適正な関係について、未だ改良の余地があった。
り表面層における残留オーステナイト量(γR vol%)と
表面硬さ(Hv)との最適な関係を見いだし、さらに、
転がり表面層に存在する炭化物、炭窒化物の平均粒径を
最適な値にすることで、残留オーステナイトの存在によ
り表面硬さの低下を改善した、長寿命な転がり軸受を紹
介している。
示されているように、浸炭鋼部品に750〜800℃の
温度範囲で浸窒処理を施した後、900℃以上の温度で
浸炭処理を行う、または、800℃以上の温度で浸炭窒
化処理を施すことで、前記浸窒処理により、表面層に窒
素を侵入させて表面窒素濃度を高め、その後の浸炭処理
によりこの窒素を拡散させて炭素と共に深く侵入させ、
長寿命な転がり軸受を提供する従来例が紹介されてい
る。
来の転がり軸受は、通常、一般的な処理温度と言われて
いる650〜900℃程度の温度で浸炭窒化処理等が施
されている。前記のように、一般的な処理温度で浸炭窒
化処理が施された転がり軸受では、熱処理後の表面層
に、必要以上に多量の窒素が含まれるため、炭窒化物が
多量に析出し易く、さらに、表面層に必要以上に含有さ
れた窒素の影響により、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が向上
してしまう。また、必要以上に残留オーステナイトが生
成されることもあり、研削加工性が低下するという問題
があった。即ち、研削加工性については、あまり考慮さ
れていなかった。
常の浸炭処理に比べて処理温度が低いため、浸炭処理で
得られる硬化層と同一の硬化層を得るまでに時間がかか
り、生産性が低下すると共に、設備費も増加するという
問題があった。さらにまた、前記温度における浸炭窒化
処理等は、処理時間が長くかかり、これに起因して素材
のフローに沿って炭窒化物が粗大化し易く、この粗大化
した炭窒化物がクラックの起点となって疲労寿命が低下
するという問題があった。
を課題とするものであり、研削効率を向上すると共に、
転がり疲れ寿命を大幅に向上した転がり軸受を提供する
ことを目的とする。
に、本発明は、炭素を0.1重量%以上且つ1.2重量
%以下の範囲で含有した合金鋼を素材とし、浸炭窒化処
理及び硬化熱処理後、研削取代部に研削仕上げが施され
た転がり軸受において、前記転がり軸受の外輪、内輪及
び転動体の完成品の少なくとも一つは、表面層の炭素濃
度が、0.9重量%以上且つ1.6重量%以下、表面層
の窒素濃度が、0.05重量%以上且つ0.3%以下、
表面層の窒素勾配が0.5重量%/mm以下、であるこ
とを特徴とする転がり軸受を提供するものである。
後の完成品表面からせん断応力が最大となる転動体直径
Daの2%に相当する深さ(以後、『2%Da深さ』と
いう)までをいう。また、窒素勾配とは、表面層におけ
る深さ方向の窒素濃度(重量%)の変化の割合(重量%
/mm)のことで、{(完成品表面の窒素濃度)−(2
%Da深さの窒素濃度)}/2%Da深さ(重量%/m
m)で定義する。
度で行うか、または、900℃以下の温度で浸炭窒化処
理を行い、途中から拡散処理を行うか、または、900
℃以下の温度で浸炭窒化処理を行い、途中から900℃
を越える温度で浸炭窒化処理を行うか、のいずれかの方
法とすることが好適である。
硬化熱処理後の研削取代部に、窒素が0.3重量%以下
で含有されるようにしたため、前記研削取代部に、必要
以上に窒素が含有されることがない。従って、前記窒素
の影響により、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が必要以上に向
上してしまうことが防止され、研削加工性が向上され
る。
重量%以上且つ0.3重量%以下の範囲で含有すること
で、浸炭窒化処理によって、巨大化した炭化物を析出す
ることなく微細炭化物を得ることができ、転がり疲れ寿
命を大幅に向上することができる。以下、本発明に係る
転がり軸受に含まれる各種元素の含有量の臨界的意義等
について説明する。
上且つ1.2重量%以下』転がり軸受として必要な硬さ
(HRC60以上)を得るためには、当該転がり軸受の
表面層に、炭素が0.6重量%以上含有されていること
が必要である。素材(軸受材料)に浸炭窒化処理を施し
て表面硬化を行う際、当該素材芯部の炭素含有量が0.
1重量%未満であると、後述の本発明に係る浸炭窒化処
理によっても、浸炭窒化処理時間が長くなり、コストが
かかると共に生産性を低下する。また、芯部に硬さが不
足して塑性変形を起こし、転がり軸受の寿命を低下す
る。
2重量%を越えると、前記浸炭窒化処理を行う前に特別
な前処理を行わないと、製鋼過程で、Fe3 C7 、Cr
3 C等の巨大炭化物が析出し、また、浸炭窒化処理後に
も前記のような巨大炭化物が析出し易く、析出した巨大
炭化物が起点となってクラックが生じ、転がり軸受の寿
命を著しく低下させてしまう。さらにまた、浸炭窒化処
理を行った際に、素材に進入する炭素量及び窒素量が低
下するため、マトリックスに固溶する炭素、窒素の割合
が低下して不均一な固溶状態となり、この部分が応力集
中源となり、転がり軸受の寿命を低下してしまう。
量%以上且つ1.2重量%以下に限定した。 『浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部における
窒素含有量;0.3重量%以下』一般的な処理温度と言
われている650〜900℃程度の温度で浸炭窒化処理
を行うと、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部
に、必要以上に多量の窒素が含まれることが知られてい
る。このため、前記研削取代部に炭窒化物が多量に析出
し易く、また、研削取代部に含有された窒素の影響によ
り、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が必要以上に向上し、研削
加工性が低下してしまう。
の研削取代部に含有される窒素量を限定することで、前
記窒素の含有に起因した研削加工性の低下を抑制するこ
とができることが判る。そこで、前記研削取代部におけ
る窒素含有量に起因した研削加工性の低下状況を以下の
方法で調査した。
を施した後の研削取代部における窒素含有量が、0〜
1.0重量%の範囲内である転がり軸受の内輪軌道面に
相当するサンプルを砥石で研削し、各々の窒素含有量に
おける砥石の形状くずれ及び目詰まりの状態を観察し、
砥石のドレスを行うまでに研削したサンプル数(研削個
数)を調査した。なお、調査は、以下に示す条件で行っ
た。
0.3重量%以下であると、ドレスまでの研削個数が大
幅に増加し、研削加工性が極めて向上することが確認さ
れた。これより、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削
取代部における窒素含有量を、0.3重量%以下に限定
した。また、図9から、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後
の研削取代部における窒素含有量を0.25重量%以下
にすることで、研削加工性がさらに向上することが確認
された。従って、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削
取代部における窒素含有量は、0.25重量%以下にす
ることがより望ましい。
表面層における炭素含有量;0.9重量%以上且つ1.
6重量%以下』転がり軸受完成品の寿命化を達成するた
めには、完成品の表面硬さと残留オーステナイト量とが
最適な関係となることが必要である。ここで、浸炭窒化
処理及び硬化熱処理後の完成品表面層における炭素含有
量が0.9重量%未満であると、完成品の表面硬さ(H
v)が十分に得られず、完成品の寿命を向上することが
困難となる。
の完成品表面層における炭素含有量が1.6重量%を越
えると、完成品に、Fe3 C7 、Cr3 C等の巨大炭化
物が析出し、これが起点となってクラックが生じ、転が
り軸受の寿命を著しく低下させてしまう。従って、浸炭
窒化処理及び硬化熱処理後の完成品表面層における炭素
含有量を0.9重量%以上且つ1.6重量%以下に限定
した。
量%以上且つ0.3重量%以下』浸炭窒化処理及び硬化
熱処理後、研削仕上げが施された完成品の表面には、転
がり軸受の寿命の向上に必要な量の窒素を含有すること
が要求される。この完成品の表面層における窒素含有量
と、転がり寿命との関係を以下の方法で調査した。
含有量が0〜0.6重量%の範囲内にあるサンプルを各
窒素含有量毎に10個用意し、各サンプルについて、異
物混入潤滑下における転がり寿命試験を『特殊鋼便覧』
第一版(電気製鋼研究所編、理工学社、1969年5月
25日発行)第10〜21頁記載のスラスト型軸受鋼寿
命試験機を用いて行い、各サンプルにフレーキングが発
生した時点までの累積応力繰り返し回数(寿命)を調査
してワイブルプロットを作成し、各ワイブル分布の結果
から各々のL10寿命を求めた。なお、試験条件を以下に
示す。
8mm) Pmax (面圧) 4900MPa 回転数 3000cpm 潤滑油 #68タービン油 混入異物 組成;Fe3 C系粉 硬さ;HRC52 粒径;74〜147μm 混入量;潤滑油中に300ppm この結果を図10に示す。
含有量が、0.05重量%未満であると、窒素の固溶不
足により、微細炭窒化物が得られず、転がり寿命(L10
寿命)が大幅に低下することが確認できる。大型の軸受
においては、せん断応力が最大となる2%Da深さが深
くなる(即ち、表面層が深くなる)。大型の軸受の場合
も転がり疲労寿命向上に、表面層に適正な量の窒素を含
有することが要求されることは、同様である。従って、
小型軸受の場合に比べ、より深く窒素が侵入することが
必要となる。
表面の残留オーステナイト量や、硬さ(窒素含有量)等
が転がり疲労寿命に対して影響が大きいのに対し、クリ
ーン潤滑下や準高温クリーン潤滑下では、最大せん断応
力位置の硬さ、窒素含有量も転がり寿命に対し大きく影
響する。そこで、大型の軸受として円筒ころ軸受NU2
20(外径180、内径100、幅34)を選び、完成
品の窒素含有率(2%Da深さにおける)と、クリーン
潤滑下及び準高温クリーン潤滑下における転がり寿命の
関係を以下の方法で調べた。 (調査方法)日本精工(株)製のラジアル軸受用の耐久
試験機を用い、以下の試験条件とした他は、前記調査方
法に準じ、L10寿命(但し、単位は、hr)を求めた。 (条件) ・クリーン潤滑下 転動体直径Da 20mm(2%Da=0.4m
m) Pmax (面圧) 2500MPa 回転数 1500rpm 潤滑油 #68タービン油 油温 70〜80℃ ・準高温クリーン潤滑下 転動体直径Da 20mm(2%Da=0.4m
m) Pmax (面圧) 2500MPa 回転数 1500rpm 潤滑油 #150タービン油 油温 130〜140℃ これらの結果を図11及び図12に示す。
が0.05重量%未満だと、転がり疲れ寿命が低下して
しまうことが確認できる。これは、窒素の固溶不足によ
り、焼戻し抵抗性や微細炭窒化物を十分に得ることがで
きないためである。さらに、図12から、通常、軸受が
使用される温度より若干高い準高温では、2%Da深さ
の窒素含有量が0.05重量%未満の場合には、さらに
顕著に転がり疲労寿命が低下することが確認できる。
が、0.3重量%を越えるサンプルは、前記浸炭窒化処
理及び硬化熱処理後の研削取代部の表面層における窒素
含有量が0.3重量%を越えてしまい、研削加工性の向
上に支障を来してしまう。従って、完成品表面層におけ
る窒素含有量を0.05重量%以上且つ0.3重量%以
下に限定した。
%/mm以下』研削取代部の窒素含有量を0.3重量%
以下に抑えるための後述する特殊浸炭窒化熱処理を行う
ことで、研削取代部はもとより、完成品表面層において
も炭素、窒素(特に窒素)の深さ方向における濃度勾配
が小さくなる傾向にある。これは、前記処理により窒素
が表面から内部へ深く拡散させることができるためであ
る。
取代部の窒素含有量(重量%、最大値)との関係を示
す。図7から、完成品表面層の窒素勾配が0.5重量%
/mmを越えると、研削取代部の窒素含有量が0.3重
量%を越えてしまうことが確認できる。従って、完成品
表面の窒素勾配を0.5重量%/mm以下と限定した。
また、研削加工性をより考慮すると、望ましくは、完成
品表面の窒素勾配を0.4重量%/mm以下とすること
が好適である。
の窒素含有量が、0.3重量%を越えており、寿命も短
いのに、完成品表面層の窒素勾配が、0.5重量%/m
m以下となるものがある(後述する表2参照)。しかし
ながら、これらは、前記完成品表面層の窒素含有量につ
いての条件、即ち、含有量が0.05〜0.3重量%の
条件を満たさない(2%Da深さで、0.05重量%未
満となる)。
で窒素含有量が、0.3重量%を越えるのに、完成品表
面層の窒素含有量が、0.05〜0.3重量%を満たす
ものがある(後述する表1参照)。しかしながら、これ
らは、窒素勾配0.5重量%/mm以下の条件を満たさ
ない。即ち、小型軸受から比較的大型の軸受まで、前記
2つの条件を同時に満たせば、研削加工性と転がり耐久
性を同時に得ることができる。
下に述べる。 『浸炭窒化処理』浸炭処理では、転がり軸受の寿命を向
上する目的で、残留オーステナイト量(γR vol%)を最
適な値(例えば、25〜45vol%)とし、さらに残
留オーステナイトの存在による表面硬さの低下を補償す
るため、素材に浸炭処理を施した後、ダイレクトクエン
チによる焼入れを行い、当該焼入れ温度を高くする方法
をとっている。
と、マトリックスに炭素が溶け込む量が多くなり、炭化
物へ向けられる炭素が減少するため、生成される炭化物
が減少し、必要な表面硬さを得ることが困難となる。そ
こで、前記炭素濃度を高くして浸炭を行うと、今度は巨
大炭化物が発生してしまい、これが起点となってクラッ
クが発生してしまう。
炭素と窒素が共に溶け込むため、当該窒素がマトリック
スに溶け込む分だけ炭素がマトリックスに溶け込む量を
減少しても、前記浸炭処理を行った際と同様の表面硬さ
を得ることができる。このため、浸炭処理に比べて炭素
濃度を減少させることができるため、巨大炭化物の発生
を抑制することができる。
化物は、浸炭処理により得られる炭化物よりも微細であ
り、転がり軸受の寿命を向上する上で有効である。従っ
て、本発明では、浸炭窒化処理を採用した。さらに、前
記浸炭窒化処理を900℃を越える温度で行うか、また
は、900℃以下の温度で浸炭窒化処理を行った後に、
900℃を越える温度で拡散処理を行うこと、または、
900℃以下の温度で浸炭窒化処理を行った後、900
℃を越える温度で浸炭窒化処理を行うことで、前記研削
取代部における窒素含有量及び完成品の表面層における
窒素含有量を、容易に最適な値(請求項1記載の値)に
することが可能となる。以下、この理由を述べる。
度』浸炭窒化処理に使用するアンモニアの分解率は、通
常の浸炭窒化処理温度でもかなり高く、『熱処理』8巻
6号(日本熱処理技術協会、1968年12月発行)第
404頁記載、または、『日本金属学会誌26』(日本
金属学会編、1962年発行)第91頁記載、に紹介さ
れているように、900℃を越える温度では、窒素が殆
ど認められなくなるという場合もある。
では、900℃を越える温度で浸炭窒化処理を行うと、
前記研削取代部における窒素含有量が、0.1重量%以
上且つ0.3重量%以下の範囲になることを見いだし
た。さらに、通常の浸炭窒化処理では、研削取代部の窒
素含有量が著しく高くなってしまい、研削加工性を低下
していたが、本発明に係る900℃を越える温度で行う
浸炭窒化処理では、研削取代部表面から完成品表面に相
当する深さまで、ほぼ均一の窒素濃度分布を得ることが
できる。
理に比べ、深い硬化層を得ることができ、さらに素材の
フローに沿って粗大化する炭窒化物を無くすことがで
き、転がり寿命の向上に大いに貢献することができる。
また、前記浸炭窒化処理は、さらに好ましくは、900
℃を越え且つ980℃未満の範囲内の温度で行うことが
望ましい。
と、前記最適な窒素含有量を得るためには、当該浸炭窒
化処理後に拡散処理を行う必要が生じ、処理時間が長く
なってしまう。一方、前記浸炭処理温度が980℃以上
では、焼戻し抵抗性、耐摩耗性を得るために必要な窒素
含有量を得ることが困難となると共に、大がかりな炉設
備が必要となる。
化処理を行うこと、さらに好ましくは、900℃を越え
且つ980℃未満の範囲内の温度で浸炭窒化処理を行う
ことが好適である。この方法は、比較的大型の軸受にも
適用できることなどから、最も好適な方法である。
い、途中から拡散処理を行う』通常の浸炭窒化処理温度
(900℃以下)で、浸炭窒化処理を行うと、前記研削
取代部の窒素含有量が高くなり、研削加工性が低下す
る。従って、浸炭窒化処理の途中で、アンモニアガスの
供給を停止(エンリッチガスの供給は停止しない)し、
前記研削取代部に含有された窒素を通常の浸炭窒化温度
で拡散させ、当該研削取代部における窒素量を低減し、
研削取代部表面から完成品表面に相当する深さまで、ほ
ぼ均一の窒素濃度分布を得てもよい。
℃以上且つ900℃以下の範囲内の温度で行うことがよ
り好適である。前記浸炭窒化処理温度が850℃未満で
あると、マトリクスに炭素が侵入しにくくなり、窒素の
侵入量が増加して、拡散時間が長くなってしまう。従っ
て、900℃以下の温度で浸炭窒化処理を行った後、さ
らに好ましくは、850℃以上且つ900℃以下の範囲
内の温度で浸炭窒化処理を行い、途中から拡散処理を行
うことが好適である。
ば、転がり寿命と研削加工性の両立という本願の目的を
満たす転がり軸受を得ることができる。 『900℃以下の温度で浸炭窒化処理を行、途中から9
00℃を越える温度で浸炭窒化処理を行う』通常の浸炭
窒化処理温度(900℃以下)で、ある程度浸炭窒化処
理を行ない、途中から浸炭窒化処理温度を900℃を越
える温度に上昇することで、窒素ポテンシャルが低下す
ることができるため、前記研削取代部に侵入した窒素の
拡散を行うことができる。従って、研削取代部表面から
完成品表面に相当する深さまで、ほぼ均一の窒素濃度分
布を得ることができる。この場合も、前記と同様の理由
から、最初の浸炭窒化処理は、850℃以上且つ900
℃以下の範囲内の温度で行うことがより好適である。
果が得られる。 『焼入れ処理』前記のような各種浸炭窒化処理の後に行
う焼入れ処理(硬化熱処理)は、以下のように行うこと
が好適である。一般に、従来の浸炭窒化処理は、焼入れ
性を向上する、あるいは、炭素と窒素の固溶強化を行う
目的で行っていたため、焼入れ性の向上、炭素と窒素の
固溶強化を行うに十分な炭素量及び窒素量が得られれば
よく、浸炭窒化処理後、ダイレクトに焼入れ(ダイレク
トクエンチ)を行っていた。
窒化処理した場合は、ダイレクトクエンチを行うと、長
時間加熱により結晶粒度が粗大化し、機械的強度が低下
すること、また芯部で素材の炭素量が必要以上に固溶す
ることにより、残留オーステナイトが増加して寸法安定
性が悪化することが懸念される。そこで、本発明では、
浸炭窒化温度から、A1 変態点(723℃)以下に温度
を下げた後、再びA1 変態点以上(焼入れ温度)に上昇
保持し、焼入れ・焼戻しを行う。即ち、2次焼入れを行
うことで、結晶粒度の微細化及び芯部の残留オーステナ
イトを低く抑えることができる。また、2次焼入れ温度
の選択により、適量の残留オーステナイトを容易に得る
ことができる。
以下の場合は、ダイレクトクエンチを行っても、硬さの
低い芯部の存在により機械的強度の低下を抑え、芯部の
残留オーステナイト量も抑えることができる。そして、
前述した浸炭窒化処理により、表面層の窒素量が低く表
面層に適量の残留オーステナイトを得ることが可能にな
っているので、コスト上、炭素量が0.5重量%以下の
素材を用いてダイレクトクエンチ、あるいは浸炭窒化温
度から若干温度を下げて(A1 変態点以上)からダイレ
クトに焼入れを行う(ステップクエンチ)ことが望まし
い。
研削後の完成品表面からある所望深さまでの範囲をい
い、せん断応力が最大となる転動体平均直径の2%に対
応する深さ(2%Da深さ)までをいう。
る。素材(軸受材料)として、通常肌焼鋼(SCR44
0、SCR420)、軸受鋼(SUJ2)を用い、これ
らの素材に、以下に示す熱処理を行った。なお、各素材
に対する熱処理の種類は、表1に示す。
0〜960℃で、5時間、Rxガス雰囲気で、エンリッ
チガス=0.3〜0.7%、アンモニアガス=3〜10
%の条件で浸炭窒化処理を行った後、室温まで放冷し、
次いで840〜860℃で30分間保持した後、焼入れ
(硬化熱処理)を行い、次いで、160〜200℃で2
時間焼戻しを行う。
時間、Rxガス雰囲気で、エンリッチガス=0.3〜
0.7%、アンモニアガス=3〜10%の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで840〜8
60℃で30分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)を
行い、次いで、160〜200℃で2時間焼戻しを行
う。
〜940℃で、5時間、Rxガス雰囲気で、エンリッチ
ガス=0.3〜0.7%、アンモニアガス=3〜10%
の条件で浸炭窒化処理を行った後、840〜860℃で
30分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)を行い、次
いで、160〜200℃で2時間焼戻しを行う。
0〜890℃で、4時間、Rxガス雰囲気で、エンリッ
チガス=0.3〜0.7%、アンモニアガス=3〜10
%の条件で浸炭窒化処理を行い、そのままアンモニアガ
スの供給のみを停止し、拡散処理を1時間行う。その
後、室温まで放冷し、次いで、840〜860℃で30
分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)を行い、次い
で、160〜200℃で2時間焼戻しを行う。
0〜890℃で、3時間、Rxガス雰囲気で、エンリッ
チガス=0.3〜0.7%、アンモニアガス=3〜10
%の条件で浸炭窒化処理を行い、そのまま温度のみを9
40〜960℃に昇温し、2時間浸炭窒化処理を行い、
その後、室温まで放冷し、次いで、840〜860℃で
30分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)を行い、次
いで、160〜200℃で2時間焼戻しを行う。
時間、Rxガス雰囲気で、エンリッチガス=0.3〜
0.7%、アンモニアガス=3〜10%の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで、840〜
860℃で30分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)
を行い、次いで、160〜200℃で2時間焼戻しを行
う。
時間、Rxガス雰囲気で、エンリッチガス=0.3〜
0.7%、アンモニアガス=3〜10%の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで、840〜
860℃で30分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)
を行い、次いで、160〜200℃で2時間焼戻しを行
う。
時間、Rxガス雰囲気で、エンリッチガス=0.3〜
0.7%、アンモニアガス=3〜10%の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで、840〜
860℃で30分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)
を行い、次いで、160〜200℃で2時間焼戻しを行
う。
時間、通常の浸炭処理を行った後、室温まで放冷し、次
いで、840〜860℃で30分間保持した後、焼入れ
(硬化熱処理)を行い、次いで、160〜200℃で2
時間焼戻しを行う。 『熱処理AX』温度980〜990℃で、5時間、Rx
ガス雰囲気で、エンリッチガス=0.3〜0.7%、ア
ンモニアガス=3〜10%の条件で浸炭窒化処理を行っ
た後、室温まで放冷し、次いで840〜860℃で30
分間保持した後、焼入れ(硬化熱処理)を行い、次い
で、160〜200℃で2時間焼戻しを行う。
プルNo.1〜20)について、研削取代部の窒素含有
量(重量%)及び完成品表面の炭素含有量及び、完成品
の表面層(表面及び2%Da深さ)における窒素含有量
(重量%)、表面層の窒素勾配(%/mm)及び転がり
寿命(L10)、ドレスまでの研削個数(個)を調査し
た。なお、転がり寿命(L10)及びドレスまでの研削個
数(個)の調査は、前記作用に記載した方法に準じて行
った。
記各サンプルの研削取代部における窒素含有量(重量
%)とドレスまでの研削個数(個)との関係を、図6
に、完成品の表面層における窒素含有量(重量%)と転
がり寿命(L10)との関係を、図7に完成品の表面層に
おける窒素含有量(重量%)と研削取代部における窒素
含有量(重量%)との関係を示す。
てのデータを表2に示す。
窒素含有量が0.3重量%以下のサンプルは、ドレスま
での研削個数が26個以上と良好であるのに対し、研削
取代部の窒素含有量が0.3重量%を越えたサンプル
は、ドレスまでの研削個数が大幅に減少し、研削加工性
が大幅に低下したことが確認される。この結果から、研
削取代部における窒素含有量を0.3重量%以下にする
ことで、転がり軸受の研削加工性を向上することができ
ることが立証された。
2から、サンプルNo.21を除き、完成品の表面層に
おける窒素含有量が0.05重量%以上のサンプルは、
完成品の表面層における窒素含有量が0.05重量%未
満であるサンプルに比べ、転がり寿命(L10)が大幅に
向上していることが確認された。ここで、完成品の表面
層における窒素含有量が、0.3重量%を越えるサンプ
ルは、前記浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部
の表面層における窒素含有量が0.3重量%を越えてし
まい、研削加工性の向上に支障を来すため適当でない。
ける窒素含有量が、0.05重量%以上にもかかわら
ず、転がり寿命が低いが、これは、完成品表面層の炭素
の含有量が、1.6重量%を上回っていることにより、
転がり寿命に対し、有害な巨大炭化物の析出が生じてい
るためである。サンプルNo.22も転がり寿命が低い
が、これは、完成品表面層の炭素の含有量が0.9重量
%を下回っており十分な表面硬さが得られないためであ
る。
削取代部における窒素含有量が0.3重量%以下のもの
は、完成品表面層における窒素勾配が、0.5重量%/
mm以下になることが確認された。そして、実施例1〜
10、サンプル21〜23のいずれも、本発明に係る熱
処理(熱処理A、熱処理B、熱処理BX、熱処理C及び
熱処理Dのいずれか)が施されていることが確認され
た。
満たしており、ドレスインターバルが大きくなっている
が、窒素含有量が少なすぎるため、転がり寿命が短くな
っている。これは、熱処理AXの浸炭窒化処理温度が、
980〜990℃と高すぎるためである。逆に、完成品
表面層の窒素含有量が、0.05〜0.3重量%でも、
研削取代部の窒素含有量0.3重量%を上回るもの(比
較例14、17〜19、21、22)があるが、これら
は、完成品表面層の窒素勾配が、0.5重量%/mmを
上回っている。また、完成品表面層の窒素勾配が、0.
5重量%/mm以下でも、研削取代部の窒素含有量が、
0.3重量%を上回り、転がり寿命も短いもの(比較例
27、28)があるが、これらは、2%Da深さの窒素
含有量が、0.05重量%を割っている。即ち、完成品
表面層の窒素含有量と窒素勾配の条件を同時に満たすこ
とが必要である。
処理後の研削取代部における窒素含有量が0.3重量%
以下、及び完成品表面の炭素が含有量が0.9重量%以
上且つ1.6重量%以下の範囲であって、完成品の表面
層における窒素含有量が0.05重量%以上且つ0.3
重量%以下の範囲で、さらに、完成品表面層の窒素勾配
が、0.5重量%/mm以下であるサンプル(No.1
〜No.10及びNo.23〜25;発明品)は、研削
加工性及び転がり寿命が大幅に向上したことが立証され
た。
を施したサンプル)の表面層近傍の金属組織と、従来の
転がり軸受の表面層近傍の金属組織の代表例を示す。図
8(A)及び(B)は、それぞれ表1のサンプルNo.
13及びサンプルNo.18の従来の転がり軸受の表面
層近傍の金属組織を示す顕微鏡写真であり、図8(C)
は、本発明に係るサンプルNo.1の転がり軸受の表面
層近傍の金属組織を示す顕微鏡写真である。
処理の条件に応じて、表面近傍で炭窒化物の粗大化が顕
著であるが、本発明に係る転がり軸受は、炭窒化物の粗
大化がほとんど認められず、窒素が表面近傍に偏ってし
まうこともなく、転がり軸受の寿命向上に貢献する微細
炭窒化物が得られると同時に、良好な研削加工性も得ら
れやすいことが確認された。
440、SCR420及びSUJ2を使用したが、これ
に限らず、芯部に炭素を0.1重量%以上且つ1.2重
量%以下の範囲で含有し、転がり軸受を製造することが
可能な鋼であれば、SUJ3やSUJ4等、他の素材を
使用してよい。但し、クロム及び硅素は、窒素の固溶を
促進する傾向にあり、多量に含有すると、浸炭窒化後の
研削性を悪化させる。従って、クロムの含有量は、3重
量%以下、硅素の含有量は、1.0重量%以下とするこ
とが望ましい。
の少なくとも一つに本発明を適用した転がり軸受につい
て説明したが、本発明は、転動体と相対的に転動する相
手部材を、単に軸受の外輪、または内輪の一つに限定す
るものではなく、ハウジング、シャフト、ナット、ネジ
等、転動体を相対的に転動する相手部材に適用できるも
のである。
り軸受は、浸炭窒化処理及び焼入れ処理後の研削取代部
に、窒素を0.3重量%以下含有し、完成品の表面層
に、炭素を0.9重量%以上且つ1.6重量%以下の範
囲で含有し、且つ、窒素を0.05重量%以上且つ0.
3重量%以下の範囲で含有してなるため、前記研削取代
部に、必要以上に窒素が含有されることがなく、当該窒
素の影響により、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が必要以上に
向上してしまうことや、必要以上に残留オーステナイト
が生成されることを防止することができる。また、本発
明に係る浸炭窒化処理により、巨大炭窒化物を析出する
ことなく、微細炭化物と適量の残留オーステナイトを得
ることができる。この結果、研削加工性及び転がり寿命
を大幅に向上することができる。
図である。
図である。
図である。
図である。
おける窒素含有量(重量%)とドレスまでの研削個数
(個)との関係を示す図である。
おける窒素含有量(重量%)と転がり寿命(L10)との
関係を示す図である。
における窒素勾配(重量%/mm)と研削取代部におけ
る窒素含有量(重量%)との関係を示す。
本発明に係る転がり軸受の表面層近傍の金属組織を示す
顕微鏡写真である。
(重量%)とドレスまでの研削個数(個)との関係を示
す図である。
有量(重量%)と転がり寿命(L10)との関係を示す図
である。
%深さ位置における窒素含有量(重量%)と転がり寿命
との関係を示す図である。
%深さ位置における窒素含有量(重量%)と転がり寿命
との関係を示す図である。
鋼からなる素材を圧延した後、これを熱間、温間または
冷間で鍛造ならびに旋削される。そして、転がり軸受の
寿命を向上させるために、例えば、650〜900℃の
範囲内の温度で浸炭窒化処理を施した後、油冷却した
り、または、900〜950℃の範囲内の温度で浸炭処
理した後、800〜860℃の範囲内の温度で浸炭窒化
処理を施し、さらに油冷却する等の、表面硬化処理が施
されている。この表面硬化処理により、転がり軸受の焼
戻し抵抗性が大幅に改善され、耐摩耗性、耐食性を向上
させ、長寿命な軸受を得ている。
下に述べる。 『浸炭窒化処理』浸炭処理では、転がり軸受の寿命を向
上する目的で、残留オーステナイト量(γR vol%)を最
適な値(例えば、25〜45vol%)とし、さらに残
留オーステナイトの存在による表面硬さの低下を補償す
るため、素材に浸炭処理を施した後、ダイレクトクエン
チによる焼入れを行い、引き続き、2次焼入れする方法
をとっている。
リックスに炭素が溶け込む量が多くなり、炭化物へ向け
られる炭素が減少するため、生成される炭化物が減少
し、必要な表面硬さを得ることが困難となる。そこで、
前記炭素濃度を高くして浸炭を行うと、今度は巨大炭化
物が発生してしまい、これが起点となってクラックが発
生してしまう。
化物は、浸炭処理により得られる炭化物よりも微細であ
り、転がり軸受の寿命を向上する上で有効である。従っ
て、本発明では、浸炭窒化処理を採用した。さらに、前
記浸炭窒化処理を900℃を越える温度で行うか、また
は、900℃以下の温度で浸炭窒化処理を行い、途中か
ら拡散処理を行うこと、または、900℃以下の温度で
浸炭窒化処理を行い、途中から900℃を越える温度で
浸炭窒化処理を行うことで、前記研削取代部における窒
素含有量及び完成品の表面層における窒素含有量を、容
易に最適な値(請求項1記載の値)にすることが可能と
なる。以下、この理由を述べる。
℃以上且つ900℃以下の範囲内の温度で行うことがよ
り好適である。前記浸炭窒化処理温度が850℃未満で
あると、マトリクスに炭素が侵入しにくくなり、窒素の
侵入量が増加して、拡散時間が長くなってしまう。従っ
て、900℃以下さらに好ましくは、850℃以上且つ
900℃以下の範囲内の温度で浸炭窒化処理を行い、途
中から拡散処理を行うことが好適である。
窒化処理した場合は、ダイレクトクエンチを行うと、長
時間加熱により結晶粒度が粗大化し、機械的強度が低下
すること、また芯部で素材の炭素量が必要以上に固溶す
ることにより、残留オーステナイトが増加して寸法安定
性が悪化することが懸念される。そこで、本発明では、
浸炭窒化温度から、A1 変態点(723℃)以下に温度
を下げた後、再びA1 変態点以上(焼入れ温度)に上昇
保持し、焼入れ・焼戻しを行う。即ち、2次焼入れを行
うことで、結晶粒度を微細化でき、かつ芯部の残留オー
ステナイトを低く抑えることができる。また、2次焼入
れ温度の選択により、適量の残留オーステナイトを容易
に得ることができる。
以下の場合は、ダイレクトクエンチを行っても、硬さの
低い芯部の存在により機械的強度の低下を抑え、芯部の
残留オーステナイト量も抑えることができる。そして、
前述した浸炭窒化処理により、表面層の窒素量が低く表
面層に適量の残留オーステナイトを得ることが可能にな
っているので、コスト上、炭素量が0.5重量%以下の
素材を用いてダイレクトクエンチ、あるいは浸炭窒化温
度から若干温度を下げて保持した後(A1 変態点以上)
その温度からダイレクトに焼入れを行う(ステップクエ
ンチ)ことが望ましい。
プルNo.1〜22)について、研削取代部の窒素含有
量(重量%)及び完成品表面の炭素含有量及び、完成品
の表面層(表面及び2%Da深さ)における窒素含有量
(重量%)、表面層の窒素勾配(重量%/mm)及び転
がり寿命(L10)、ドレスまでの研削個数(個)を調査
した。なお、転がり寿命(L10)及びドレスまでの研削
個数(個)の調査は、前記作用に記載した方法に準じて
行った。
2から、サンプルNo.21及び22を除き、完成品の
表面層における窒素含有量が0.05重量%以上のサン
プルは、完成品の表面層における窒素含有量が0.05
重量%未満であるサンプルに比べ、転がり寿命(L10)
が大幅に向上していることが確認された。ここで、完成
品の表面層における窒素含有量が、0.3重量%を越え
るサンプルは、前記浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研
削取代部の表面層における窒素含有量が0.3重量%を
越えてしまい、研削加工性の向上に支障を来すため適当
でない。
削取代部における窒素含有量が0.3重量%以下のもの
は、完成品表面層における窒素勾配が、0.5重量%/
mm以下になることが確認された。そして、実施例1〜
10、23〜25のサンプルはいずれも、本発明に係る
熱処理(熱処理A、熱処理B、熱処理BX、熱処理C及
び熱処理Dのいずれか)が施されていることが確認され
た。
を施したサンプル)の表面層近傍の金属組織と、従来の
転がり軸受のそれぞれの熱処理直後(研削加工前)の表
面層近傍の金属組織の代表例を示す。図8(A)及び
(B)は、それぞれ表1のサンプルNo.13及びサン
プルNo.18の従来の転がり軸受の表面層近傍の金属
組織を示す顕微鏡写真であり、図8(C)は、本発明に
係るサンプルNo.1の転がり軸受の表面層近傍の金属
組織を示す顕微鏡写真である。
り軸受は、浸炭窒化処理及び焼入れ処理後の研削取代部
に、窒素を0.3重量%以下含有し、完成品の表面層
に、炭素を0.9重量%以上且つ1.6重量%以下の範
囲で含有し、且つ、窒素を0.05重量%以上且つ0.
3重量%以下の範囲で含有し、さらに窒素勾配0.5重
量%/mm以下としてなるため、前記研削取代部に、必
要以上に窒素が含有されることがなく、当該窒素の影響
により、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が必要以上に向上して
しまうことや、必要以上に残留オーステナイトが生成さ
れることを防止することができる。また、本発明に係る
浸炭窒化処理により、巨大炭窒化物を析出することな
く、微細炭化物と適量の残留オーステナイトを得ること
ができる。この結果、研削加工性及び転がり寿命を大幅
に向上することができる。
Claims (1)
- 【請求項1】 炭素を0.1重量%以上且つ1.2重量
%以下の範囲で含有した合金鋼を素材とし、浸炭窒化処
理及び硬化熱処理後、研削取代部に研削仕上げが施され
た転がり軸受において、 前記転がり軸受の外輪、内輪及び転動体の完成品の少な
くとも一つは、表面層の炭素濃度が、0.9重量%以上
且つ1.6重量%以下、表面層の窒素濃度が、0.05
重量%以上且つ0.3%以下、表面層の窒素勾配が0.
5重量%/mm以下、であることを特徴とする転がり軸
受。
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