JPH11304795A

JPH11304795A - 鋼部品の窒素侵入深さ検出方法

Info

Publication number: JPH11304795A
Application number: JP10110894A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Uchiumi; 靖夫内海
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便に鋼部品についての表面からの窒素の侵入
深さの検出方法を提供することを課題としている。【解決手段】軸受鋼又は浸炭鋼に浸炭窒化焼入れ・焼戻
し処理を施して製造された軸受部品について、５００度
で１時間加熱した後，室温に戻し、さらに、表面から硬
さがＨｖ５００となる深さを求め、その深さを窒素が侵
入した深さと同定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、農業機
械、建設機械、鉄鋼機械その他に使用される転がり軸受
の部品である軌道輪，転動体として好適な鋼部品につい
ての表面からの窒素侵入深さを検出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受における軌道輪等の軸受部品
には、一般に、軸受鋼（ＳＵＪ２など）や浸炭鋼（ＳＣ
Ｒ４２０など）が使用されるが、近年、荷重の増加や軸
受のダウンサイジングによって、軸受に負荷される面圧
が増加される傾向にある。このため、軸受の使用温度は
上昇し、それに伴い、軸受潤滑用の油膜形成が不十分に
なるなど、使用条件が過酷になってきている。特に、ト
ランスミッション用の軸受などにおいては、潤滑油中に
摩耗粉などの異物が混入するため、軸受の寿命低下が著
しい。

【０００３】これらの対策として、上記軸受鋼等に浸炭
や浸炭窒化処理を施したり、合金成分や熱処理法などが
検討されているが、一般に、浸炭処理よりも浸炭窒化処
理を施した方が軸受寿命は優れている。

【０００４】そして、浸炭窒化処理を行った軸受部品に
おいては、その表層の炭素量や窒素量が寿命を決定する
上で重要な因子であり、それらを管理する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この鋼中に含有される
炭素や窒素を測定する方法としては、発光分光分析法や
溶融法、あるいは、ＥＰＭＡによる方法などがあるが、
いずれの方法も問題が多い。

【０００６】一般的な分析法として、発光分光分析法が
用いられるが、この方法は、鋼部品の表面にある程度以
上の大きさの平面を有していることが必須条件であるの
で、平板試験片を用いて代替値とする必要があり、形状
の違いによる実物との測定誤差が大きい。また、実物を
測定する場合には、平面の作成が困難である。

【０００７】溶融法やＥＰＭＡ法においては、手間が掛
かるなどと問題が多く、一般的でないというのが実状で
ある。また、炭素や窒素の拡散深さについても特に、考
慮はされていない。

【０００８】本発明は、上記のような問題点に着目し、
さらに、鋼中の炭素量よりも窒素量の方が軸受の寿命を
決定する上で重要な因子であると考えの下に、簡便に鋼
部品についての表面からの窒素の侵入深さの検出方法を
提供することを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、軸受鋼又は浸炭鋼に浸炭窒化焼入れ・焼
戻し処理を施して製造された鋼部品についての表面から
の窒素侵入深さを検出する方法において、予め、４００
度〜５５０度の範囲のうちの所定加熱温度で鋼部品を加
熱し冷却した後の当該鋼部品の硬さと窒素量との相関関
係から、上記所定加熱温度の場合での窒素量が０％とな
る硬さを求め、その窒素量が０％となる上記硬さを検出
硬さとし、対象とする鋼部品を、上記所定加熱温度で加
熱し冷却した後に、上記検出硬さとなる表面からの深さ
を求め、その深さを窒素が侵入した深さとすることを特
徴とする鋼部品の窒素侵入深さ検出方法を提供するもの
である。

【００１０】ここで、上記検出硬さの決定は、鋼種に限
定されず、上記所定加熱温度において一度だけ行えばよ
い。本発明は、本発明者らが研究を重ねた結果、所定温
度範囲で加熱した後の硬さと窒素量との間に一定の相関
関係があることを見い出し、その知見に基づき硬さから
簡便に窒素侵入深さ（窒化層，浸炭窒化層）を検出する
ものである。

【００１１】次に、本発明の根拠について説明する。浸
炭窒化処理によって、窒素が鋼部品の表面から所定深さ
まで侵入するが、その侵入した窒素によって焼戻し軟化
抵抗性があるため、再び焼戻し温度以上に加熱しても浸
炭窒化層では、窒素量に応じて硬さの低下が小さく抑え
られると考えられる。

【００１２】また、炭素量の影響を確認するために、表
層の炭素量及び窒素量が異なる鋼種（ＳＵＪ２又はＳＣ
Ｒ４２０）について、各加熱温度で加熱し冷却して、表
面と芯部との硬さの差を求めて見たところ、図１に示す
結果を得た。試験は、円柱状のテストピースを使用して
いる。

【００１３】ここで、窒素は表面から侵入するので、芯
部には窒素が拡散していない。このため、芯部の硬さ
は、焼入れ焼戻し後は素材の炭素量に応じた硬さとなっ
ている。なお、炭素量が多けいほど、焼入れ焼戻し後の
硬さは大きい。

【００１４】このテストピースを焼入れすると硬さの低
下を生じるが、表面（表層）に窒素が侵入している場合
には、窒素の焼戻し軟化抵抗性によって容易に硬さが低
下しないため、上記図１に示されるように、加熱温度に
よって、表面と芯部の硬さの差が大きくなる。

【００１５】また、炭素においては、加熱温度によって
表面と芯部の硬さの差が余り変化せず、炭素は加熱温度
に焼戻し抵抗性が依存していないことが分かる。以上の
ことから、窒素は、炭素に比べて加熱温度に焼戻し軟化
抵抗性が依存していることを表し、また、上記表面と芯
部の硬さの差が大きいほど、硬さにおける炭素量の影響
が小さく抑えられて、窒素の同定感度が良くなることが
分かる。

【００１６】従って、図１から、表面と芯部の硬さの差
が大きくなる加熱温度、つまり、４００度から５５０
度、好ましくは５００度前後を上記所定加熱温度とする
ことで、検出精度を良くすることができることが分か
る。

【００１７】次に、所定加熱温度を５００度として１時
間加熱後室温まで戻したときの、窒素量と硬さとの関係
を求めてみたところ、図２及び図３に示す結果が得られ
た。図２は、鋼種としてＳＵＪ２（軸受鋼）を使用した
ものであり、図３は鋼種としてＳＣＲ４２０（浸炭鋼）
を使用したものである。

【００１８】この両図から分かるように、両鋼種とも窒
素量０％で硬さがＨｖ５００であり、適当な鋼種で検出
硬さを設定すれば、異なる鋼種であっても同じ検出硬さ
を採用できる。また、鋼種に限らず、窒素量が０．１５
％以下では窒素量と硬さとは所定の勾配で比例した関係
にある。このことは、深さを求める場合であっても、窒
素量０％となる硬さがＨｖ５００の位置まで必ずしも表
面研削を行わなくても、硬さがＨｖ５００の位置（検出
硬さの位置）が求められることを示す。

【００１９】さらに、浸炭窒化処理においては窒素に比
べて炭素の侵入深さが深く、また、窒素を含まない場合
の硬さはＨｖ４５０程度とＨｖ５００より低いので、上
記Ｈｖ５００の位置が窒素０％の位置、つまり窒素侵入
の深さ位置とすることができる。

【００２０】以上のように、窒素の焼戻し軟化抵抗性は
加熱温度に依存するが、加熱温度を適当に決定すれば、
窒素量が０％から所定濃度（加熱温度５００度の場合に
は０．１５％）迄の間には、硬さと窒素量との間には所
定勾配の比例関係があるので、表面からの硬さ勾配をみ
ることで、検出硬さの位置が同定され、窒素の侵入深さ
が検出される。

【００２１】ここで、上述のように、加熱温度を４００
度から５５０度、好ましくは５００度前後に加熱温度を
設定することで、検出精度を向上させることができる。
また、図２及び図３から、加熱温度を５００度前後に設
定した場合には、鋼種に関係なく検出硬さはＨｖ５００
とすればよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を説明す
る。軸受鋼又は浸炭鋼から形成された軸受部品である軌
道輪及び転動体の少なくとも一つに浸炭窒化焼入れ、焼
戻し処理を施して製品としての鋼部品である軸受部品を
製造する。

【００２３】その浸炭窒化焼入れ、焼戻し処理を施した
軸受部品について、５００度の加熱温度で１時間加熱し
て室温まで戻した後に、図２及び図３に基づき検出硬さ
をＨｖ５００として、少しずつ表面を研削しながら硬さ
を測定し、硬さがＨｖ５００となった時点での研削代か
ら、その検出硬さとなる深さ位置を求める。

【００２４】これによって、上記軸受部品についての窒
素侵入深さが簡便に，検出される。次に、上記窒素侵入
深さ検出方法によって窒素侵入深さを同定するようにし
て、内外輪及び転動体の少なくとも一つについて、窒素
侵入深さが転動体の平均直径の１〜６％の深さとなるよ
うに、好ましくは２〜６％、さらに好ましくは３〜６％
の深さとなるように設定して、転がり軸受を製造した。

【００２５】即ち、浸炭窒化処理時の処理温度及び時
間、炉内雰囲気を調整することで、窒素が上記侵入深さ
となるようにして軸受部品を製造し、その軸受部品につ
いて、上記窒素侵入深さ検出方法に基づき、５００度で
加熱して冷却した後に硬さがＨｖ５００となる表面から
の深さが転動体の平均直径の１〜６％の深さ、好ましく
は２〜６％、さらに好ましくは３〜６％の深さとなって
いるかの確認を行って、所望の軸受部品、更には転がり
軸受となっていることを簡便に検査した。

【００２６】このように硬さを通じて窒素深さを設定す
ることで、転動体の平均直径の１〜６％の深さまで高硬
度域の浸炭窒化層が設けられる。そして、軸受に実際に
掛かる最大剪断応力深さは、転動体の平均直径の２％が
一般的であるので、上述の範囲で窒素を侵入させ表面の
実質上の耐熱性を上げて硬化させておくことで、異物混
入潤滑下での使用であっても、微視的に見れば摩耗が少
なくなり軸受が長寿命となる。

【００２７】ここで、転動体の平均直径の１％未満の窒
素深さでは、浸炭窒化の効果はほとんど認められない。
また、６％を越えると、寿命は横ばいとなる。また、異
物混入潤滑下で軸受を使用しても、残留オーステナイト
があると、異物による圧痕が生じても、圧痕によるクラ
ック伝播が防止されて、異物混入潤滑下での軸受寿命の
向上につながる。そして、この効果は、残留オーステナ
イトが、２５〜４０VOL.％、更に好ましくは２５〜３５
VOL.％となる場合に有効に作用する。

【００２８】そして、残留オーステナイトと窒素量との
関係について求めたところ、図４及び図５に示す結果を
得た。ここで、図４は、鋼種ＳＵＪ２に対するものであ
り、図５は鋼種ＳＣＲ４２０に対するものである。

【００２９】この両図から分かるように、窒素量を０．
１％以上とすることで残留オーステナイトを２５VOL.％
以上とすることができ、窒素量が０．１％は、上記加熱
温度５００度で硬さがＨｖ５５０であるので（図２及び
図３参照）、上記窒素侵入深さ検出方法によって窒素侵
入深さを同定するようにして、５００度で加熱し冷却し
た後に硬さがＨｖ５５０となる表面からの深さが転動体
の平均直径の１〜６％の深さとなるように、好ましくは
２〜６％、さらに好ましくは３〜６％の深さとなるよう
にする。これによって、その深さまでの残留オーステナ
イトが２５VOL.％以上に設定されて、さらに異物混入潤
滑下における軸受の寿命を向上させることができる。

【００３０】ここで、以上のことは、本発明者等によ
り、５００度で加熱し冷却後の硬さ、窒素量、及び残留
オーステナイト量の三者間には、おおよその相関が認め
られることを見い出し、この知見によりなされたもので
ある。

【００３１】

【実施例】次に、本発明にかかる実施例について説明す
る。軸受鋼（ＳＵＪ２）、および浸炭鋼（ＳＣＲ４２
Ｏ）について、図６又は図７に示す熱処理サイクルによ
り熱処理を行い、ＪＩＳ型番の６２０６の玉軸受を製作
した。

【００３２】ここで、６２０６の転動体の平均直径は、
９．５２５mmであるので、転動体の平均直径の１〜６％
の深さは、０．０９５mm〜０．５７mmとなる。そして、
各試験軸受について、５００度で１時間加熱後に室温ま
で冷却して、熱処理品質を測定したみた。

【００３３】表１及び表２がその結果であり、表１は軸
受鋼（ＳＵＪ２）、表２は浸炭鋼（ＳＣＲ４２０）につ
いてのものである。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】ここで、表１は、上記図６に示す熱処理サ
イクルで熱処理を行ったものであるが、比較例７は、浸
炭窒化処理の代わりに浸炭処理（雰囲気ガスとしてＲＸ
ガスとエンリッチガスのみ）を行ったものであり、比較
例８については、ずぶ焼入れ（雰囲気ガスとしてＲＸガ
スのみ）を８４０度で１時間→油冷→１８０度で２時間
焼戻しを行ったものである。

【００３７】また、表２は、図７に示す熱処理サイクル
で熱処理を行ったものであるが、比較例１７，１８につ
いては、浸炭窒化処理の代わりに浸炭処理（雰囲気ガス
としてＲＸガスとエンリッチガスのみ）を行ったもので
ある。

【００３８】即ち、表１及び表２中の熱処理品質におい
て、Ｈｖ５００における深さは浸炭窒化焼入れの熱処理
時間によって、また、表面硬さ、残留オーステナイト量
は、炭窒化焼入れの雰囲気条件（ＮＨ３、エンリツチガ
ス量など）を変えることによって行なったものである。

【００３９】なお、表中の残留オーステナイトは最表面
での値である。次に、上記各実施例及び比較例の試験軸
受について、下記の条件（異物混入環境下）で転がり寿
命試験を行った。

【００４０】荷重＝６３００Ｎ、接触面圧＝２５５０ＭＰａ、回転速度＝３０００ｒｐｍ、潤滑＝ＲＯ＃６８オイル、潤滑異物＝ＳＵＳ４２０Ｊ２鋼粉（Ｈｖ５４０、粒径７４〜１４７）本試験に際しては、各々、１０個ずつの寿命試験を行な
い、フレーキングが発生した時点までの時間をもって寿
命とし、定量的評価として、ワイブル分布でＬ₁₀寿命を
求め、これを比較した。

【００４１】試験結果を図８と図９、さらにＨｖ５００
における深さで整理した結果を図１０に示す。この結果
から分かるように、軸受鋼、および浸炭鋼とも、実施例
の軸受では、いずれもＨｖ５００における深さが転動体
の平均直径の１％以上であり、さらに、表面硬さがＨｖ
５５０以上であるので、比較例の軸受と比較して、異物
混入潤滑下での寿命が長い。また、本実施例に軸受で
は、表面での残留オーステナイト量も２５％以上が得ら
れている。

【００４２】即ち、比較例の５や１５のように、表面硬
さがＨｖ５５０以上であっても、Ｈｖ５００における深
さが１％以下のもの（表面窒素量は０．１％以上である
が、窒素の侵入深さが浅いもの）や、比較例の６や１６
のように、Ｈｖ５００における深さが１％以上であって
も、表面硬さがＨｖ５５０以下のもの（窒素の侵入深さ
は十分であるが、表面の窒素量が少ないもの）は、浸炭
窒化の効果が少なく、実施例の１／２程度の寿命となっ
ている。

【００４３】また、比較例の７、１７、及び１８のよう
に、浸炭だけのものは、さらに短寿命である。ここで、
Ｈｖ５００における深さは、転動体の平均直径の５％以
上（本実施例の場合、約０．５ｍｍ）であれば、寿命へ
の影響は変らないので、熱処理生産性などを考慮すると
６％で十分である。

【００４４】また、上記比較例の６及び１６は、本発明
の窒素侵入深さ検出方法によれば、転動体の平均直径の
１％まで窒素が侵入していることになるが、上記結果
（表面の硬さ）から、上記検出方法で求められた浸炭窒
化層の窒化量が０．１％未満になっているからと推定さ
れる。これは、上記検出方法で浸炭窒化層とされた部分
の窒素の一部が内部に拡散されることで減少したものと
思われる。

【００４５】以上、説明した様に、５００℃で加熱、冷
却後の硬さ勾配において、Ｈｖ５００の深さを転動体の
平均直径の１〜６％の範囲とし、さらには、表面硬さを
Ｈｖ５５０以上とすることで、窒素の効果を期待出来る
ため、転がり寿命、特に、異物混入潤滑下での寿命に優
れた転がり軸受を提供できる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明を採用
すると、簡便に窒素の侵入深さが検出できるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】焼入れした際の加熱温度と硬さとの関係を示す
図である。

【図２】鋼種ＳＵＪ２での窒素量と硬さとの関係を示す
図である。

【図３】鋼種ＳＣＲ４２０での窒素量と硬さとの関係を
示す図である。

【図４】鋼種ＳＵＪ２での窒素量と残留オーステナイト
との関係を示す図である。

【図５】鋼種ＳＣＲ４２０での窒素量と残留オーステナ
イトとの関係を示す図である。

【図６】実施例における熱処理サイクルを示す図であ
る。

【図７】実施例における熱処理サイクルを示す図であ
る。

【図８】異物混入潤滑下の試験結果を示す図である。

【図９】異物混入潤滑下の試験結果を示す図である。

【図１０】転動体の平均直径に対する窒素深さと軸受寿
命との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０１Ｎ 3/40 Ｇ０１Ｎ 3/40 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受鋼又は浸炭鋼に浸炭窒化焼入れ・焼
戻し処理を施して製造された鋼部品についての表面から
の窒素侵入深さを検出する方法において、予め、４００度〜５５０度の範囲のうちの所定加熱温度
で鋼部品を加熱し冷却した後の当該鋼部品の硬さと窒素
量との相関関係から、上記所定加熱温度の場合での窒素
量が０％となる硬さを求め、その窒素量が０％となる上
記硬さを検出硬さとし、対象とする鋼部品を、上記所定加熱温度で加熱し冷却し
た後に、上記検出硬さとなる表面からの深さを求め、そ
の深さを窒素が侵入した深さとすることを特徴とする鋼
部品の窒素侵入深さ検出方法。