JPH11158601A - 転動部材の製造方法 - Google Patents
転動部材の製造方法Info
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- JPH11158601A JPH11158601A JP33025597A JP33025597A JPH11158601A JP H11158601 A JPH11158601 A JP H11158601A JP 33025597 A JP33025597 A JP 33025597A JP 33025597 A JP33025597 A JP 33025597A JP H11158601 A JPH11158601 A JP H11158601A
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Abstract
でき、また高機能を有しかつ研削性及び転がり寿命を大
幅に向上させることを課題とする。 【解決手段】鋼材部材を真空炉の加熱室内で所定の炉内
温度及び圧力下で浸炭後窒化性ガスを供給し、炭素の拡
散と同時に窒化を行うことを特徴とする転動部材の製造
方法。浸炭後の窒化時の処理条件は、窒化性ガスの経済
効率や浸入窒素とのバランスを考慮して、炉内温度を8
00℃〜950℃、好ましくは840℃〜950℃と
し、炉内圧力を4Torr〜400Torr、好ましく
は4Torr〜300Torrとする。
Description
に関し、特に自動車や農業機械,建設機械,鉄鋼機械な
どで過酷な環境下で使用される高寿命なころがり軸受を
製造する方法に関する。
などで使用されるころがり軸受は、使用条件が過酷であ
る。そのため、心部靭性や表面圧縮応力に付加による長
寿命化を狙い、鋼の表面に炭素を侵入させる浸炭処理が
従来より行われてきた。
厳しくなっており、高温、高速化に伴い、焼戻し抵抗
性、耐摩耗姓の向上を目的として炭素に加え窒素を侵入
させた、浸炭窒化処理が行われるようになってきてい
る。
度範囲の炉内にワークを入れ、Rガスやメタノール等の
浸炭性のガスを炉内に導入し、これらガスに炭化水素系
のガス例えばプロパンを少量添加して浸炭を行うガス浸
炭法や、650〜900℃の範囲内の炉内に上記浸炭性
ガスに加え、窒化性のガス例えばアンモニアを炉内に同
時に導入して浸炭窒化を行う方法、または900℃〜9
50℃の温度範囲にて浸炭を行った後に800〜860
℃の温度範囲にて浸炭窒化を行う方法などが一般的に行
われている。
は、表面異常層の発生、高温浸炭への炉構造の不備等の
問題があり、これらの問題点を対策する目的で開発され
たのが、真空浸炭法である。
050℃の温度範囲にて真空加熱された炉内にワークを
入れ、この中にプロパンやブタン等の炭化水素系の浸炭
性ガスを直接炉内に導入し熱分解させ、200〜500
Torr の減圧下で熱分解にて発生した活性炭素をワーク
の表面に侵入させ、浸炭,拡散させる方法である。この
技術については、特開平2−22451号公報や特開昭
61−117268号公報に開示されている。
℃〜1100℃の温度範囲にて炉内圧力1Kpa(7T
orr )以下の真空状態の中にアセチレンを導入して浸炭
を行う新しい方法が開示されている(特開平8−325
701号公報)。この公報には、1Kpa以下の真空中
にアセチレンに加えて、更にアンモニアなどの窒素ガス
を同時に添加して浸炭窒化を行うことも可能であること
が開示されている。更に、真空(減圧)下で浸炭窒化を
行う方法としては、特開昭59−97794号公報、特
開平1−25967号公報にイオン浸炭窒化法が開示さ
れている例がある。
炭及びガス浸炭窒化の問題点を解決した、前記プロパン
やブタンを使用した従来真空浸炭例では、すすの発生が
多くメンテナンスが繁雑となり、ひいては発生したすす
がワークに付着することにより浸炭むらを起こすこと
や、さらにワーク量が増えた時の均一浸炭性の不備や、
ワーク内の小さい隙間や深穴への浸炭性の不備が生じて
問題となっていた。
げられた、1Kpa以下の真空中にアセチレンを導入す
る浸炭および浸炭窒化法によれば、生産上の問題は解決
されるものの、浸炭のみでは過酷な条件下で使用される
場合においては、機能(耐焼戻し抵抗性や耐摩耗性)や
軸受寿命が不足する場合が生じる。
ガスを同時に添加して浸炭窒化を行うことが開示されて
いるが、ここでの目的によれば浸炭窒化は浸炭に比べ低
い温度で焼入れ処理が可能だとされていることから、焼
入れ歪を低減を狙ったものである。また、浸炭窒化の処
理条件については、アセチレンとアンモニアの同時導入
とされているのみであった。すなわち、浸炭窒化を行う
場合の効果的な条件設定(浸炭窒化が可能となる処理条
件)やこれに伴う問題点の対策等は考慮されていない。
は、これらはいずれも真空(減圧)下の炉内に浸炭源、
窒化源となるガスを導入し、プラズマ放電によりイオン
化した炭素イオンや窒素イオンをワークの表面に衝突さ
せ、浸炭または窒化を可能としているもので、ガス浸炭
(窒化)法や真空浸炭法に比べ、プラズマ放電を得るの
み特別な電力設備が必要となり処理コストが増大とな
る。
は、発明者らは特開平6−341441の公報におい
て、浸炭に対しての軸受長寿命効果や、軸受表面の窒素
濃度を一定範囲とすることで硬化処理後の研削効率が向
上することを提案している。
もので、上記問題点を一挙に解決するとともに、研削効
率にも考慮した浸炭窒化法及び機能を向上させた長寿命
な転動部材の製造方法を提供することを目的とする。
空炉の加熱室内で所定の炉内温度及び圧力下で浸炭後窒
化性ガスを供給し、炭素の拡散に続いて窒化を行うこと
を特徴とする転動部材の製造方法である。
く、鋼材部品を真空炉の加熱室で真空加熱し、減圧下で
浸炭性のガスを供給して浸炭を行った後、引きつづき減
圧下で浸炭性ガスの供給を停止し、拡散期に所定の炉内
温度及び圧力下で窒化性ガスを供給し、炭素の拡散と同
時に窒化を行ってもよい。
ンモニアが好ましく、あるいは反応に寄与しない余分な
アンモニアを真空ポンプに引き出されるため、経済性を
考慮してアンモニアにN2 を同時添加して所定圧へ調整
して処理を行ってもよい。
う場合は、すすの発生などの問題を解決させた1Kpa
以下の炉内圧力下にアセチレンを導入して行う方法が望
ましい。
件は、窒化性ガスの経済効率や侵入窒素とのバランスを
考慮して、炉内温度を800℃〜950℃、好ましくは
840℃〜950℃とし、炉内圧力を4Torr〜40
0Torr、好ましくは4Torr〜300Torrと
する。
定理由について説明する。 (炉内温度)窒化源として利用されるアンモニアガスの
分解率は、本発明に係る限定範囲においてもかなり高
く、『熱処理』8巻6号(日本熱処理技術協会,196
8年12月発行)404頁、または『日本金属学会誌2
6』(日本金属学会編,1962年発行)91頁に紹介
されているように、800℃を越える温度域では残留ア
ンモニアガスが数%しか残留しないという例が紹介され
ている。
この限りではなく、950℃と高い温度域においても浸
炭窒化が可能なことを特開平6−341441号公報に
て提案してきた。本発明に係る真空下での浸炭窒化にお
いても同様に950℃までの温度域では浸炭窒化が可能
であり、これを越えると転がり疲れ寿命の向上、焼戻し
抵抗性、耐摩耗性を得るために有効な窒素量が得られな
いことを見出だしたのでめ、処理温度の上限を950℃
とした。
明に係る真空下(減圧下)では、上記公報にて提案して
いるように、表面の窒素量が必要以上に侵入することか
ら、研削性を低下させてしまい、製造コストの上昇を招
くこととなる。更に、処理温度が低くなると機能に有効
な浸炭窒化層深さを得るのに長時間要することから、8
00℃以上の温度域でかつ840℃〜950℃が好まし
い。
温度域において、真空浸炭後に続いて、減圧下に窒素源
(アンモニア)を添加することにより浸炭窒化が可能な
ことを見出した。しかし、炉内圧力が4Torr未満で
はいかなる温度域においても有効な窒素量は得られず、
これはアンモニアガスが炉内にて分解し、鋼表面から反
応侵入する過程で、4Torr未満では分解反応する時
間もなく炉外に真空ポンプによって排出されるためで、
表面より窒素は侵入できず、アンモニア流量を増量して
も効果は見られない。また、真空ポンプの排出口を分析
すると、4Torr未満の圧力下では、残留アンモニア
が確認できることからも説明できる。
と浸炭窒化が可能となり、圧力(流量)が上昇すると表
面窒素量も増量していく傾向となるが、侵入する表面窒
素量は一定の処理条件にて飽和し、その後は顕著な増量
は見られないことから、窒化性ガスの経済性も考慮し、
また窒化時の処理温度が低い程、表面窒素量は増大す
る。表面窒素量が多くなると研削性が悪化することか
ら、本発明の温度域では4Torr〜200Torr以
下が好ましい。
ていた真空浸炭法に代えて所定の条件における窒化ある
いは浸炭+窒化を行うことで、表面異常層を生じさせる
ことなく、過酷な環境下での使用に耐えうる軸受等の転
動部材が特殊な設備を必要とせず、低コストで製造が可
能となり、高機能で長寿命な転動部材が得られる。
と比較して、浸炭性ガスにCO2 やH2 Oが存在しない
ことから表面異常層(粒界酸化等)をなくすことができ
る。これによって、軸受の疲労強度を向上させることが
でき、また炉の構造上の利点により炉内温度が1100
℃程度まで使用可能となることから、浸炭時間を大幅に
短縮することができる等の有利な点が上げられる。
ては実用例が少なく、例えば特殊な電力設備を要し、イ
オン化した窒素を鋼材表面に衝突させることで浸炭窒化
を行うイオン浸炭窒化がある程度である。さらにこれら
の方法はいずれも浸炭窒化及び窒化期での処理温度は8
00℃以下であり、さらにほとんどは400〜600℃
と低い温度範囲で主に窒化処理を行うものである。
の転動部材の製造を目的として、従来の真空浸炭法を改
良した、効果的な真空窒化法あるいは真空浸炭窒化法を
見出したもので、所定の炉内温度及び圧力(流量)条件
下で窒化を行うことにより、あるいは真空浸炭後の炭素
の拡散期において、浸炭窒化作用に好適な炉内温度及び
圧力(流量)を設定することで、ワーク表面から効果的
に窒素を鋼中内部へ侵入させ、さらには研削効率をも考
慮に入れた、表面窒素量の制御を処理条件の設定により
見出したものである。
明する。φ40×10mmの試験片を下記表1、表2に
示す種々の材料で製作し、各種熱処理条件にて浸炭窒化
を行い浸炭窒化性を評価した。浸炭窒化性評価は、処理
温度と処理圧力の関係から、表面窒素量がどの様に変化
するかを調査したものである。なお、本発明に係る鋼種
としては、主に浸炭用鋼として広く使用されている構造
用鋼のなかから低炭素鋼のSCR420、SCM42
0、中炭素鋼のSCR440、炭素鋼の中からS53C
を一例として用いた。
す。まず、図1のように、熱処理は各種材料の試験片を
個々の処理にて20個ずつ使用し、減圧下にて930℃
に保持された加熱炉内に試験片を装入し、一定時間保持
する。つづいて、試験片が昇温後、炉内にアセチレンガ
スを導入し、圧力を1Torrにコントロールし2時間
真空浸炭を行った。次いで、アセチレンガスを停止、排
気後炉温を上記表1、表2の各窒素・拡散温度に変更
し、各処理圧力になる様にアンモニア、(+N2 )を導
入し、個々の試験圧力にコントロールし3時間窒化(+
拡散)を行った後、大気圧までN2 にて復圧し室温まで
放冷を行った。ひきつづき、図2に示すように、840
〜860℃で30分保持した後焼き入れ(硬化熱処理)
を行い、次いで160〜200℃で2時間焼戻しを行っ
た。なお、表面炭素量は、硬化処理後に十分な硬さが得
られる様にするため、0.8%〜1.2%炭素となる様
に浸炭条件の調整を行っている。
面を発光分析法(カントバック)にて炭素、窒素量を調
査した。その結果も上記表1、表2に示した。また、分
析結果から窒化処理時の炉内圧力と表面窒素量の関係を
図3に示す。なお、図3中、実1〜実18は表1中のサン
プルNo.を示し、比1〜比10は表2中のサンプルN
o.を示し、後述する図4〜図6中の数値も同様に解釈
する。
rr以上から可能となり、圧力が上昇すると共に表面窒
素量も増大することが判る。また、処理温度が高い程窒
素量は減少する。次に、浸炭窒化後の表面窒素量が研削
性が研削性に及ぼす影響を調査するために、上記評価試
験片を用い、以下の方法にて調査した。
り浸炭窒化処理及び硬化熱処理を行った後の表面窒素量
が0.01〜0.6%の範囲にある試験片表面を0.3
mm深さまで砥石で研削し、それぞれの窒素量における
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試験片数(研削個数)を調
査した。なお、調査は、砥石:WA100、研削液:ソ
リュブルタイプ、研削の周速度:2800〜3000m
/minの条件で行った。
部の窒素量が0.4%以下(比5、実13、実16、実8、
実2、実4)であると、ドレスまでの研削個数が大幅に
増加し、研削加工性が向上することが判る。更に、0.
3%(比5、実8、実16、実13)以下とすると、安定的
な研削性が得られることが判る。これらのことから、研
削性を考慮した表面窒素量は0.4%以下、さらに好ま
しくは0.3%以下とすれば有効である。
境下では、表面の残留オーステナイト量や硬さ(窒素含
有量)等が転がり寿命に対して影響が大きいことが従来
より知られおり、クリーン潤滑下や準高温クリーン潤滑
下においても窒素含有量はころがり寿命に対して大きく
影響する。
処理を行った円筒ころ軸受、NU220(外径180、
内径100、幅34)軸受を試験軸受として、軸受軌道
面の窒素含有量と、クリーン潤滑下及び準高温クリーン
潤滑下での転がり寿命の関係を下記の方法で調査した。
加えて比較軸受として窒化を行わずに、真空浸炭のみを
行った軸受を製作し合わせて試験を行なった。
軸受用の耐久試験機を用い、以下の試験条件にて各試験
軸受にフレーキングが発生した時点までの累積時間を調
査して、ワイブルプロットを作成し、各ワイブルプロッ
トの結果から個々のL10寿命を求めた。
pm、潤滑油:#68タービン油、油温:70〜80℃ ・準高温クリーン潤滑下 Pmax (面圧):2500Mpa、回転数:1500r
pm、潤滑油:#68タービン油、油温:130〜14
0℃ これらの結果を、図5、図6に示す。図5より軸受軌道
面の表面窒素量が0.05%未満及び浸炭のみ(比5、
比11)だと転がり寿命が低下することが判る。また、図
6から通常軸受が使用される温度より若干高い準高温に
おいても表面窒素量が0.05%未満及び浸炭のみだ
と、上記と同様、転がり疲れ寿命が低下することが判
る。これら窒素が固溶することで寿命が向上するのは、
焼戻し抵抗性や微細炭窒化物が得られることに起因する
ものである。
の点から浸炭窒化時の処理温度が800℃〜950℃、
かつ処理圧力が4Torr以上、さらに4Torr〜4
00Torrが好ましい、より好ましくは4Torr〜
300Torrとして組み合わせることがよいことが判
る。
圧)下で浸炭窒化を行なうことで、ガス浸炭やガス浸炭
窒化では問題となっていた鋼材表面の粒界酸化層を防止
することができ、このため疲労強度が高い軸受を安価に
て供給することができる。また、真空浸炭に加え本発明
に係る真空浸炭窒化を行うことで、表面に適切な量の窒
素を含有させることができる。これにより過酷な環境下
で使用される軸受について高機能(焼戻し抵抗性や耐摩
耗性)を有し、加えて研削性及び転がり寿命を大幅に向
上させることができる。
ける各種材料の試験片を用い、浸炭・窒化の場合の熱処
理条件の様子を示す説明図。
ける各種材料の試験片を用い、硬化処理の場合の熱処理
条件の様子を示す説明図。
条件下の炉内圧力と表面窒素量との関係を示す特性図。
部表面窒素含有量とドレスまでの研削個数との関係を示
す特性図。
℃での転動面表面窒素含有量と寿命との関係を示す特性
図。
40℃での転動面表面窒素含有量と寿命との関係を示す
特性図。
Claims (1)
- 【請求項1】 鋼材部材を真空炉の加熱室内で所定の炉
内温度及び圧力下で浸炭後窒化性ガスを供給し、炭素の
拡散に続いて窒化を行うことを特徴とする転動部材の製
造方法。
Priority Applications (1)
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JP33025597A JP3867376B2 (ja) | 1997-12-01 | 1997-12-01 | 転動部材の製造方法 |
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JPH11158601A true JPH11158601A (ja) | 1999-06-15 |
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ID=18230603
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