WO2023026621A1 - 転がり軸受 - Google Patents

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理嗣 名取
弘樹 小俣
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日本精工株式会社
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to rolling bearings.
  • surface-initiated flaking is a phenomenon in which when foreign matter is mixed in lubricating oil, indentations occur on the raceway surface, stress is concentrated on the edges of the indentations, and fatigue cracks occur with these as starting points, leading to flaking.
  • Patent Document 1 As a countermeasure against white structure exfoliation, for example, as shown in Patent Document 1, a steel material to which a large amount of Cr is added is used. However, if a large amount of Cr is added, the steel tends to crack during the manufacturing process, and the quenching temperature must be raised to obtain the necessary hardness in the bearing manufacturing process. sexuality declines. In Patent Documents 2 to 4, the amounts of C, Si, Mn and Mo are adjusted together with the amount of Cr to suppress the occurrence of delamination of white tissue while maintaining productivity.
  • Patent Document 5 by optimally distributing Cr between the matrix structure and the carbide, both the matrix martensite structure and the spheroidized carbide are strengthened to delay the formation of the white structure.
  • Patent Documents 6 and 7 focus on the amount of Si, Mn, Cr, Ni and Mo dissolved in the matrix structure, and the technology leads to the precipitation of carbides that reduce rolling contact fatigue characteristics and a significant increase in material costs.
  • Patent Documents 1 to 7 do not sufficiently suppress the occurrence of white tissue delamination, and there is a demand for a technique that can further suppress the occurrence of white tissue delamination. Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a rolling bearing capable of suppressing the occurrence of white tissue exfoliation.
  • the structure of the surface including at least the rolling surface has a dissolved carbon content in the martensitic structure after heat treatment of 0.35% by mass or more and 0.65% by mass or less, and the diameter
  • a rolling bearing comprising a structure in which the volume fraction of spheroidized carbides with a diameter of 200 nm or more is 4.5% or less.
  • a rolling bearing capable of suppressing the occurrence of delamination of white tissue.
  • 4 is a graph showing the relationship between the amount of C dissolved in the martensite structure and the life ratio of the G-1 product. 4 is a graph showing the relationship between the total amount of Si, Mn, Cr and Mo dissolved in the martensitic structure and the life ratio of the G-1 product. 4 is a graph showing the relationship between the spheroidized carbide volume fraction and the life ratio of the G-1 product.
  • the inventors of the present invention focused on the state of the structure obtained after heat treatment, particularly the amount of solid solution elements in the martensite structure and spheroidized carbides, for applications where white structures occur during use of rolling bearings and lead to early flaking. , found that the generation of the white structure can be suppressed by appropriately controlling the amount of elements dissolved in the martensite structure and the spheroidized carbide.
  • the treated inner ring and outer ring were ground to a finished shape, and combined with SUJ2 3/8-inch steel balls and a resin cage to produce a test bearing. Then, the test bearing was mounted on a radial type life tester, and a rolling contact fatigue life test was conducted under the following conditions. This test was performed seven times each, and the average value of the life (L50) at which the cumulative failure probability was 50% was obtained.
  • ⁇ Lubricating oil Special lubricating oil that easily generates hydrogen due to decomposition of lubricating oil
  • Table 2 shows the amounts of C, Si, Mn, Cr and Mo dissolved in the martensite structure after heat treatment, carbide volume fraction, hardness, retained austenite amount ⁇ R , and the results of the rolling contact fatigue life test.
  • the unit of solid solution C, solid solution Si, solid solution Mn, solid solution Cr and solid solution Mo, which are the amounts of solid solution C, Si, Mn, Cr and Mo, is mass%, and the amount of retained austenite The unit is % by volume.
  • the amount of solid solution elements in the martensitic structure was calculated by measuring the volume ratio of the spheroidized carbide and the amount of each solid solution element in the spheroidized carbide by EDS analysis, and subtracting it from the added amount of each element contained in the steel.
  • the number of occurrences of white etching area is expressed by (the number of bearings in which white etching area was observed)/(the number of bearings subjected to the rolling contact fatigue test).
  • the carbide volume fraction targets carbides with a diameter of 200 nm or more.
  • the alphabet of the material number corresponds to the alphabet of the steel material number.
  • Q in the heat treatment column indicates quenching treatment
  • IH indicates induction hardening treatment.
  • 1 to 3 show the life ratio of SUJ2 material to G-1, which is a standard heat-treated product, the amount of C dissolved in the martensitic structure, the total amount of alloying elements other than C dissolved in solid solution, and the volume of carbides. The results arranged by ratio are shown respectively. Since the object to be measured is almost spherical, the volume ratio can be obtained from the area ratio appearing in the cross section, and has almost the same value (ratio) as the area ratio.
  • sample E-2 in which a large amount of Cr is dissolved (2.86% by mass) in the martensitic structure, produces white structures in all bearings, while samples A-1, Structures such as B-1, C-1, D-1 and D-2, in which the amount of solid solution C is 0.65% by mass or less and the volume fraction of spheroidized carbides is 4.5% or less are solid solution Si, No white structure was observed regardless of the amounts of Mn, Cr and Mo.
  • the amounts of Si, Mn, Cr, and Mo dissolved in solid solution are equal to or less than those of the comparative material G-1, as in the sample B-1, although the life is somewhat extended, the other sample A-1 1, C-1, D-1 and D-2 have no life extension effect. It is believed that this is because Si, Mn, Cr and Mo dissolved in the martensitic structure affect the generation and propagation of cracks.
  • the amount of carbon dissolved in the martensite structure after heat treatment is 0.35% by mass or more and 0.65% by mass or less, and the diameter is 200 nm or more. It has been found that the essential condition is that the volume fraction of carbide is 4.5% or less.
  • the lower limit of the amount of solid solution carbon is the amount of C necessary to obtain the minimum hardness of 650 HV required for the bearing, "Materials Science and Engineering: A Vol. : Martensite in steel: strength and structure)".
  • the total amount of solid solution of at least Si, Mn, Cr and Mo is preferably 1.0% by mass or more, and preferably 2.0% by mass or more. more preferred.
  • the amount of solid-solution elements other than C is preferably 1.0% by mass or more, and preferably 2.0% by mass or more. more preferred.
  • the long life effect can be further obtained.
  • Si, Mn, Cr, and Mn for example, N, Ni, V, and Cu may be included in the elements whose solid solution amount is defined as described above as the solid solution amount of elements other than C.
  • evaluation was performed on bearings that were tempered after hardening or induction hardening, but other heat treatment methods such as carburizing or carbonitriding may be used.
  • the rolling bearing according to one embodiment of the present invention is based on the above findings.
  • the surface structure including at least the rolling contact surface has a solute carbon content in the martensite structure after heat treatment of 0.35% by mass or more and 0.65% by mass or less, and the diameter It consists of a structure in which the volume fraction of spheroidized carbides with a diameter of 200 nm or more is 4.5% or less.
  • the surface of the rolling bearing for which the solid solution carbon content and the volume ratio of the spheroidized carbide are defined is the hardened region of the rolling bearing, and is appropriately set according to the application and standard, for example, within 1 mm from the surface. be.
  • the heat treatment method for the rolling bearing may be any one of quenching, carburizing, carbonitriding, and induction hardening.
  • the amount of carbon dissolved in the matrix structure is not clear, and the amount of dissolved carbon has not been controlled.
  • the present embodiment by controlling the solid solution carbon content and the volume ratio of the spherical carbide in the rolling bearing as described above, it is possible to further suppress the occurrence of white etching area flaking, and an excellent rolling contact fatigue life can be achieved. Obtainable.
  • the structure of the rolling bearing as elements other than iron and carbon, Si, Mn, Cr, Mo, N, Ni, V and Cu are dissolved in the martensite structure in a total amount of 1.0% by mass or more. It is preferable that the solid solution is 2.0% by mass or more. Furthermore, with respect to the structure of the rolling bearing, the amount of dissolved carbon is 0.40% by mass or more and 0.60% by mass or less, and the amount of dissolved Cr is 2.40% by mass or more and 2.95% by mass or less. more preferred. Furthermore, it is more preferable that the hardness of the surface including at least the rolling surface is 640 HV or more in the structure in which the amount of dissolved carbon and the amount of dissolved Cr are within the above ranges. With such a configuration, it is possible to further extend the life of the rolling bearing.
  • the rolling bearing according to the present embodiment is applied, for example, as a bearing for automobiles, agricultural machinery, construction machinery, steel machinery, linear motion devices, and the like. More specifically, it is suitable for automotive electrical accessories, wind turbine generators, for example, alternator bearings and wind turbine bearings.

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Abstract

白色組織剥離の発生を抑制することができる、転がり軸受を提供すること。熱処理後のマルテンサイト組織中の固溶炭素量が0.35質量%以上0.65質量%以下であり、かつ直径が200nm以上の球状化炭化物体積率が4.5%以下の組織からなる、転がり軸受。

Description

転がり軸受
 本発明は、転がり軸受に関する。
 転がり軸受では、荷重が負荷されて長時間使用されることによって金属疲労が生じ、軌道面表面が剥離する場合がある。軌道面表面の剥離のメカニズムとしては、従来から「内部起点型剥離」と「表面起点型剥離」とがよく知られている。「内部起点型剥離」は、材料内部の非金属介在物周辺に応力集中が生じ、それを起点として疲労亀裂が生じて剥離に至る現象である。また、「表面起点型剥離」は、潤滑油中に異物が混入すると軌道面に圧痕が生じて圧痕縁に応力が集中し、それを起点として疲労亀裂が生じて剥離に至る現象である。
 しかしながら、一部の用途では、潤滑油の分解によって水素が発生し、発生した水素が鋼中に侵入して金属組織の変化を引き起こす場合がある。金属組織の変化が生じると、組織変化部と正常部との界面から疲労亀裂が生じて剥離が発生するため、転がり軸受の寿命が著しく低下する。この金属組織変化は、軸受鋼の基地組織であるマルテンサイトが、侵入した水素によって微細なフェライト粒に変化する現象である。金属組織変化が生じた転がり軸受にエッチングを行って金属組織を観察すると、組織変化部が白く見えることから、このような組織は「白色組織」等とも呼ばれており、以降の説明ではこの白色組織による剥離を「白色組織剥離」と呼ぶ。この白色組織剥離は、上記の「内部起点型剥離」及び「表面起点型剥離」とは異なるメカニズムで生じるため、剥離の発生を抑制するための対策も全く異なる。
 白色組織剥離の対策としては、例えば特許文献1に示すように、Crを多量に添加した鋼材を用いることが行われている。しかしながら、Crを多量に添加すると、鋼材の製造工程で割れ易くなり、更には軸受の製造工程においても必要な硬さを得るための焼入れ温度を高くしなければならず、軸受の製造に際しての生産性が低下する。特許文献2~4では、Cr量とともにC量、Si量、Mn量及びMo量を調整して、生産性を維持しつつ、白色組織剥離の発生を抑制している。
 また、特許文献5では、Crを基地組織と炭化物とに最適に分配することにより基地のマルテンサイト組織及び球状化炭化物の両方を強化して白色組織の形成を遅らせている。
 特許文献6,7では基地組織中に固溶したSi、Mn、Cr、Ni及びMoの量に着目しており、転動疲労特性を低下させる炭化物の析出や大幅な素材コスト増につながる技術に頼ることなく、鋼材に水素が侵入する環境において優れた転動疲労寿命を有する高清浄度軸受用鋼を提供している。
特開2005-147352号公報 特許第5018995号公報 特許第5803618号公報 特許第6481652号公報 特開2016-069695号公報 特許第6639839号公報 特許第6846901号公報
 しかしながら、特許文献1~7に開示された技術では、白色組織剥離の発生の抑制が十分ではなく、白色組織剥離の発生をさらに抑制可能な技術が求められている。
 そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、白色組織剥離の発生を抑制することができる、転がり軸受を提供することを目的としている。
 本発明の一態様によれば、少なくとも転動面を含む表面の組織が、熱処理後のマルテンサイト組織中の固溶炭素量が0.35質量%以上0.65質量%以下であり、かつ直径が200nm以上の球状化炭化物体積率が4.5%以下の組織からなる、転がり軸受が提供される。
 本発明の一態様によれば、白色組織剥離の発生を抑制することができる、転がり軸受が提供される。
マルテンサイト組織中に固溶したC量とG-1品との寿命比との関係を示すグラフである。 マルテンサイト組織中に固溶したSi、Mn、Cr及びMoの合計量とG-1品との寿命比との関係を示すグラフである。 球状化炭化物体積率とG-1品との寿命比との関係を示すグラフである。
 以下の詳細な説明では、本発明の実施形態を説明する。以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。
 本発明者らは、転がり軸受の使用中に白色組織が生じ早期はく離に至る用途に対し、熱処理後に得られる組織の状態、特にマルテンサイト組織中に固溶する元素量と球状化炭化物に着目し、マルテンサイト組織中に固溶する元素量と球状化炭化物とを適切に制御することで、白色組織の生成を抑制できることを知見した。
 <転動疲労寿命試験>
 ここで、本発明に先立ち、本発明者らは、転がり軸受の基地中に固溶するCやCr、Mn等の添加元素を変えて転動疲労寿命試験を行った。本試験では、まず、表1に示す合金組成の鋼材を旋削加工して深溝玉軸受6206用の内輪及び外輪を作製した。なお、表1において、Oの単位は質量ppmであり、O以外の元素の単位は質量%である。次いで、作成した内輪及び外輪に焼入れ処理又は高周波熱処理を行った後、焼戻し処理を施した。さらに、処理を施した内輪及び外輪を研削加工して完成形状とし、SUJ2製3/8インチ鋼球及び樹脂製保持器と組み合わせて試験軸受を作製した。そして、試験軸受をラジアル型寿命試験機に装着し、下記条件にて転動疲労寿命試験を行った。本試験は各7回行い、累積破損確率が50%になる寿命(L50)の平均値を求めた。
 ・試験荷重(ラジアル荷重):910kgf
 ・回転速度:3000min-1
 ・潤滑油:潤滑油の分解により水素が発生しやすい特殊潤滑油
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 熱処理後のマルテンサイト組織中に固溶したC、Si、Mn、Cr及びMoの量、炭化物体積率、硬さ、残留オーステナイト量γ並びに転動疲労寿命試験した結果を表2に示す。表2において、固溶したC、Si、Mn、Cr及びMoの量である固溶C、固溶Si、固溶Mn、固溶Cr及び固溶Moの単位は質量%であり、残留オーステナイトの単位は体積%である。マルテンサイト組織中の固溶元素量は、球状化炭化物の体積率およびEDS分析による球状化炭化物中の各固溶元素量を測定し、鋼中に含まれる各元素の添加量から差し引いて算出した。また、白色組織の発生数については、(白色組織が見られた軸受の数)/(転動疲労試験を行った軸受の数)で表記している。さらに、炭化物体積率は直径が200nm以上の炭化物を対象としている。さらに、資料Noのアルファベットは鋼材Noのアルファベットに対応する。さらに、熱処理欄のQは焼入れ処理であることを示し、IHは高周波焼入れ処理であることを示す。また、図1~図3には、SUJ2材の標準熱処理品であるG-1との寿命比をマルテンサイト組織中に固溶したC量、固溶したC以外の合金元素の総量及び炭化物体積率で整理した結果をそれぞれ示す。体積率については、測定の対象がほぼ球状であるため、断面に表れる面積率から求めることができ、面積率とほぼ同じ値(割合)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 マルテンサイト組織に固溶する元素に着目して白色組織の発生の有無を調査した結果、固溶したSi、Mn、Cr及びMoの量に関わらず、マルテンサイト組織中に固溶したC量と球状化炭化物の体積率とが白色組織の発生に影響を及ぼしていることがわかる(表2)。例えば、マルテンサイト組織中にCrが多量に固溶(2.86質量%)している試料E-2は、すべての軸受で白色組織が発生しているのに対して、試料A-1,B-1,C-1,D-1及びD-2のように固溶C量が0.65質量%以下かつ球状化炭化物の体積率が4.5%以下の組織は固溶したSi、Mn、Cr及びMoの量に関わらず白色組織が観察されていない。一方、試料B-1のように固溶したSi、Mn、Cr及びMoの量が比較材のG-1と同等もしくはそれ以下の場合では、多少寿命は延びているものの、他の試料A-1,C-1,D-1及びD-2と比較して寿命延長効果がないことがわかる。これは、マルテンサイト組織中に固溶したSi、Mn、Cr及びMoがき裂の発生や進展に影響しているためであると考えられる。
 以上の結果より、水素侵入による白色組織はく離の対策として、熱処理後のマルテンサイト組織中に固溶する炭素量が0.35質量%以上0.65質量%以下でありかつ直径200nm以上の球状化炭化物の体積率が4.5%以下であることが必須条件であることが知見された。なお、固溶炭素量の下限値は、軸受に必要な最小硬さ650HVを得るのに必要なC量を「MaterialsScience and Engineering:A Vol.273-275No.15 P.40-57 (1999) 題名:Martensite in steel:strength and structure)」に記載された方法により決定することができる。さらに、C以外の固溶元素量については、少なくとも、Si、Mn、Cr及びMoの固溶量が合計で1.0質量%以上であることが好ましく、2.0質量%以上であることがより好ましい。C以外の固溶元素量についてこのような範囲とした組織とすることで、長寿命効果をさらに得ることができる。なお、C以外の固溶元素量として上記のように固溶量が規定される元素には、Si、Mn、Cr及びMn以外に、例えばNやNi、V、Cuが含まれてもよい。さらに、本調査は、焼入れ処理又は高周波焼入れ処理の後、焼戻し処理した軸受で評価しているが、熱処理手法については上記以外の例えば、浸炭処理や浸炭窒化処理等でも構わない。
 <転がり軸受>
 すなわち、本発明の一実施形態に係る転がり軸受は、上記の知見に基いたものである。本実施形態に係る転がり軸受は、少なくとも転動面を含む表面の組織について、熱処理後のマルテンサイト組織中の固溶炭素量が0.35質量%以上0.65質量%以下であり、且つ直径が200nm以上の球状化炭化物の体積率が4.5%以下の組織からなる。また、固溶炭素量及び球状化炭化物の体積率が規定される転がり軸受の表面とは、転がり軸受の硬化領域であり、例えば表面から1mm以内といったように、用途や規格に応じて適宜設定される。なお、転がり軸受に対する熱処理の手法は、焼入れ処理、浸炭処理、浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理のいずれのものであってもよい。
 ここで、引用文献1~7に記載のような従来の技術では、基地組織中に固溶した炭素量については明らかでなく、この固溶炭素量を制御することは行われていなかった。しかし、本実施形態では、転がり軸受の固溶炭素量と球状炭化物の体積率を上記のように制御することで、白色組織剥離の発生をさらに抑制できるようになり、優れた転動疲労寿命を得ることができる。
 また、転がり軸受の上記組織について、鉄及び炭素以外の元素として、Si、Mn、Cr、Mo、N、Ni、V及びCuが、マルテンサイト組織中に合計で1.0質量%以上固溶していることが好ましく、2.0質量%以上固溶していることがより好ましい。さらに、転がり軸受の上記組織について、固溶炭素量が0.40質量%以上0.60質量%以下であり、固溶Cr量が2.40質量%以上2.95質量%以下であることがより好ましい。さらに、固溶炭素量及び固溶Cr量が上記範囲の組織において、少なくとも転動面を含む表面の硬さが640HV以上であることがさらに好ましい。このような構成とすることで、転がり軸受のさらなる長寿命化を実現することができる。
 なお、本実施形態に係る転がり軸受は、例えば、自動車、農業機械、建設機械、鉄鋼機械、直動装置などの軸受として適用される。より具体的には、自動車の電装補機、風力発電装置、例えばオルタネータ用軸受や風車用軸受等に好適である。

Claims (5)

  1.  少なくとも転動面を含む表面の組織が、熱処理後のマルテンサイト組織中の固溶炭素量が0.35質量%以上0.65質量%以下であり、かつ直径が200nm以上の球状化炭化物体積率が4.5%以下の組織からなる、転がり軸受。
  2.  前記マルテンサイト組織中に、Si、Mn、Cr、Mo、N、Ni、V及びCuが合計で1.0質量%以上固溶している、請求項1に記載の転がり軸受。
  3.  前記固溶炭素量が0.40質量%以上0.60質量%以下であり、固溶Cr量が2.40質量%以上2.95質量%以下である、請求項2に記載の転がり軸受。
  4.  少なくとも転動面を含む表面の硬さが640HV以上である、請求項3に記載の転がり軸受。
  5.  前記熱処理は、焼入れ処理、浸炭処理、浸炭窒化処理、高周波焼入れ処理のいずれかの手法である、請求項1~4のいずれか1項に記載の転がり軸受。
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Citations (4)

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