CN103492739B - 滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明的滚动轴承的内圈(1)和外圈(2)的表层部的残余奥氏体量(γRAB)设定为大于0体积％。通过对Si含量为0.3～2.2质量％、Mn含量为0.3～2.0质量％以下、Si/Mn≤5(质量比)的合金钢制坯料进行加工，然后实施包括渗碳氮化处理或氮化处理在内的热处理而得到滚珠(滚动体)(3)。在滚珠(3)的滚动面，存在着面积比在1.0～20.0％的范围内的由硅(Si)的氮化物和锰(Mn)的氮化物形成的Si‑Mn类氮化物。滚珠(3)的表层部的N含量在0.2～2.0质量％、残余奥氏体量(γRC)为大于0体积％、50体积％以下，并满足下式(1)γRAB‑15≤γRC≤γRAB+15 (1)。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承，其以40℃时的运动粘度为1～5×10-5m2/s(10～50cSt)的润滑油进行润滑，或者以基础油的40℃时的运动粘度为1～5×10-5m2/s(10～50cSt)的润滑脂进行润滑，在内圈或外圈的滚道面与滚动体的滚动面之间的滚动接触的PV值在100MPa·m/s以上、Dmn值在80万以上的旋转条件下使用。
背景技术
用于机床的滚动轴承在Dmn值(轴承内径和外径的平均尺寸Dm≈滚动体的节圆直径Dp(mm)和转速n(min-1)的积)超过80万的高速旋转区域的条件下使用。最近也有Dmn值超过100万的情况。而且，为了提高主轴的刚性而施加了高预压。机床主轴用滚动轴承的PV值(P：表面压力(Pa)，V：滑动速度(m/s))也随之大部分达到100MPa·m/s以上。
此外，为了抑制使用中滚动轴承的发热并降低扭矩，采用了粘度低的润滑剂，以使得在进行润滑油润滑的情况下润滑油在40℃时的运动粘度和在进行润滑脂润滑的情况下基础油在40℃时的运动粘度均为1～5×10-5m2/s(10～50cSt)。如果小于1×10-5m2/s，则难以形成油膜，在高速旋转的情况下，极有可能随着滑动在滚动接触面发生金属接触，以致导致烧熔。如果超过5×10-5m2/s，则尽管油膜的形成性良好，但是由于油的搅拌阻力及粘性阻力，将使得轴承的温度上升幅度增大。随之导致主轴的热位移变大，机床的加工精度将变得不足。
这样，由于机床用滚动轴承在PV值较高且油膜较薄的条件下被使用，所以尽管是在清洁的环境下被使用，但滚动接触面呈容易发生金属接触的状态这一事实没有改变。
在专利文献1中，记载了一种支承机床主轴的滚动轴承，其为了提高在高速旋转下使用时的润滑性能、实现低扭矩化和发热量的减少，在内圈和外圈的滚道面以及滚动面上形成润滑剂保持用槽，在该槽中形成有疏油薄膜。
在专利文献2中，记载了一种Dmn值达到1.0×106以上的高速旋转环境下所使用的滚动轴承，其PV值提高，滚动体和滚道面之间产生的滑动摩擦变大，在达到滚动疲劳寿命之前即产生磨损和/或烧熔。另外，还记载了为了在润滑脂润滑的情况下也能很好地防止烧熔，使滚动体满足下述条件(a)～(c)的内容。
(a)在滚动面的表层部具有含有5重量％以上的Si的氮化析出物，氮化析出物的表面覆盖率在10％以上。
(b)形成所用坯料的钢含有C：0.3～1.2重量％、Si：0.5～2.0重量％、Mn：0.2～2.0重量％、Cr：0.5～2.0重量％，且以合计量计，Mo、V以及Nb的1种以上的含量为0.05～0.2重量％，其余为Fe和不可避免的杂质。
(c)滚动面的表层部的残余奥氏体量在5体积％以下。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-192330号公报
专利文献2：日本特开2004-353742号公报
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1、2所述的滚动轴承在提高机床用滚动轴承的耐烧熔性方面仍有改善的余地。
另外，如上所述，由于机床用滚动轴承是在PV值较高且油膜较薄的条件下使用，因此在滚动接触面容易发生金属接触。而且，一旦在滚动接触面发生金属接触，就有可能在内外圈的滚道面以及滚动体的滚动面上发生磨损、粘合、压痕的转印等，在严酷的使用条件下，还有可能残留带状的运行痕迹。在运行痕迹内，表面粗糙度将粗于初始状态。
即，机床用滚动轴承有可能在其内外圈的滚道面以及滚动体的滚动面发生表面粗糙度恶化的情况。伴随着这样的表面粗糙度的恶化，油膜参数值(油膜的厚度/表面粗糙度)将变小，使得更容易发生金属接触。另外，随着表面粗糙度的恶化的进展，容易发生烧熔，寿命将降低，振动将变大。
并且，由于机床主轴用滚动轴承如上所述，是在Dmn值为80万以上的旋转条件下使用，所以与其它产业机械(例如，铁路车辆、工程车辆、建筑机械、泵、汽轮机等)用滚动轴承相比，在PV值同等的情况下，在表面压力P较小但滑动速度V非常高(例如0.080m/s以上、0.100m/s以上)的条件下使用。
如果在Dmn值较高且滑动速度V较高的条件下使用滚动轴承，则滚动接触面的剧烈抗剪阻力将导致润滑油局部温度升高、润滑油粘度下降。油膜随之变薄，因此油膜参数值进一步变小。结果使得机床主轴用滚动轴承与PV值同等的其它产业机械用滚动轴承相比，更容易发生金属接触和烧熔。
另一方面，在具有ATC(自动刀具更换装置)的机床上，由于支承主轴的滚动轴承在松开时被施加了非常大的轴向载荷，因此要求构成滚动轴承的轴承套圈的滚道面以及滚动体的滚动面具有较高的耐压痕性。
另外，在五轴加工机床等动作复杂的机床中，存在包含刀具的主轴前端部有可能发生意外碰撞的问题，伴随这样的碰撞，构成支承主轴的滚动轴承的轴承套圈的滚道面以及滚动体的滚动面有可能出现压痕。一旦轴承套圈的滚道面以及滚动体的滚动面出现压痕，则有可能使滚动轴承发生振动或使滚动轴承的声学性能下降，进而使机床的加工性能降低。
本发明的课题在于提供一种与现有的滚动轴承相比耐烧熔性能更优异的机床用滚动轴承。
解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的一个实施方式涉及一种滚动轴承，其特征在于，具有内圈、外圈和滚动体，且其使用条件满足下述特性(1)，内圈以及外圈的表层部的残余奥氏体量(γRAB)大于0体积％，滚动体具有下述特性(2)～(5)：
(1)以40℃时的运动粘度为1～5×10-5m2/s(10～50cSt)的润滑油进行润滑，或者以基础油的40℃时的运动粘度为1～5×10-5m2/s(10～50cSt)的润滑脂进行润滑，在内圈或外圈的滚道面与滚动体的滚动面之间的滚动接触的PV值在100MPa·m/s以上、Dmn值在80万以上的旋转条件下被使用。
(2)将Si含量在0.3质量％以上、2.2质量％以下，Mn含量在0.3质量％以上、2.0质量％以下，且Si和Mn的含量比Si/Mn以质量比计在5以下的合金钢制坯料加工成预定形状后，进行包括渗碳氮化处理或氮化处理在内的热处理而得到，尽管Si能够提高淬硬性并对马氏体具有增强作用，但是，为了实现延长寿命的效果以及为了确保滚动接触面(高PV且高V的条件下)的耐烧熔性，Si的含量被设定在0.3质量％以上。但当Si含量过多时，韧性降低将使得因程序错误等引起的碰撞载荷所导致的破损风险增高，并使得切削性降低，所以将Si的含量设定在2.2质量％以下。另外，为了高效析出Si-Mn类氮化物，Mn的含量设定在0.3质量％以上。但当Mn含量过多时，热处理后表层部的残余奥氏体量过多，硬度、抗冲击性、耐压痕性降低，因此设定在2.0质量％以下。而且，如果Mn的含量少于Si的含量，即使氮充分扩散也不易促使Si-Mn类氮化物的析出，因此Si/Mn比设定在5以下。
(3)在滚动面上，存在着面积比在1.0％以上、20.0％以下的范围内的由硅(Si)的氮化物以及锰(Mn)的氮化物形成的Si-Mn类氮化物。Si-Mn类氮化物具有提高耐磨损性和耐压痕性、以及提高滚动疲劳寿命的作用。为了有效实现该作用，Si-Mn类氮化物的面积比率设定在1.0％以上。但当Si-Mn类氮化物过多时，将达不到作为滚动部件所需的韧性和强度，因此面积率设定在20.0％以下。
(4)滚动面的表层部(从表面至深度为50μm的范围)的N含量在0.2质量％以上、2.0质量％以下。存在于表层部的氮具有强化马氏体的固溶性和确保残余奥氏体的稳定性、形成氮化物和/或碳氮化物以提高耐磨损性和耐压痕性、并减小作用于滚动面的切向力的作用，为了高效实现这样的作用，将表层部的N含量设定在0.2质量％以上。但当N含量过多时，将达不到作为滚动部件所需的韧性和强度，因此N含量设定在2.0质量％以下。
(5)滚动面的表层部(从表面至深度为50μm的范围)的残余奥氏体量(γRC)大于0体积％、且在50体积％以下，并满足下式(1)。
γRAB-15≤γRC≤γRAB+15 (1)
在上述特性(1)所示的条件下使用的滚动轴承，如上所述，在滚动接触面(内外圈的滚道面与滚动体的滚动面之间的接触面)容易发生金属接触，但通过使滚动体具有上述特性(2)～(5)，滚动体的耐磨损性以及耐压痕性变得良好。结果使得内外圈的滚道面以及滚动体的滚动面上不易形成如上所述的带状的运行痕迹，抑制了表面粗糙度的恶化，因此提高了滚动轴承的耐烧熔性能。
机床主轴用滚动轴承在满足上述特性(1)和下述特性(6)的条件下使用。该滚动轴承在满足上述特性(1)和下述特性(6)的条件下使用时，也能达到良好的耐烧熔性能。
(6)上述内圈的滚道面或外圈的滚道面与滚动体的滚动面之间的滚动接触的滑动速度V在0.080m/s以上(或者0.100m/s以上)。
该滚动轴承优选具有下述特性(7)，更优选具有下述特性(8)。
(7)上述内圈的表层部及外圈的表层部的残余奥氏体量(γRAB)以及上述滚动体的滚动面的表层部的残余奥氏体量(γRC)大于0体积％、且在30体积％以下。
(8)上述内圈的表层部及外圈的表层部的残余奥氏体量(γRAB)以及上述滚动体的滚动面的表层部的残余奥氏体量(γRC)大于0体积％、且在20体积％以下。
残余奥氏体量越多，则构成滚动轴承的轴承套圈的滚道面以及滚动体的滚动面越容易出现压痕，耐烧熔性以及耐磨损性越低。
由于该形态的滚动轴承具有上述特性(7)(更优选具有上述特性(8))，使得构成滚动轴承的轴承套圈的滚道面以及滚动体的滚动面的耐压痕性变得优良，即使在支承具有ATC(自动刀具更换装置)的机床及五轴加工机床等机床的主轴的用途中也能够很好地使用。
另外，由于该形态的滚动轴承具有上述特性(7)(更优选具有上述特性(8))，使得滚动轴承的耐烧熔性以及耐磨损性变得优良，因此能够很好地用于满足上述特性(1)和特性(6)的条件下的用途(机床主轴用)中。
发明的效果
根据本发明，提供了一种耐烧熔性能比现有的滚动轴承更优异的机床用滚动轴承。
附图说明
图1是相当于本发明一个实施方式的角接触球轴承的剖面示意图。
图2是实施方式中所使用的耐烧熔性能评价试验仪的结构示意图。
图3是按照实施方式进行的试验的结果得到的累积破损概率与寿命之间的关系的曲线示意图。
图4是为测量临界PV值和扭矩而在实施方式中所使用的试验仪的结构示意图。
图5是由实施方式中所进行的试验的结果得到的累积破损概率与临界PV值之间的关系的曲线示意图。
图6是按照实施方式进行的试验的结果得到的转速与扭矩之间的关系的曲线示意图。
符号说明
1 内圈
2 外圈
3 滚珠(滚动体)
4 保持架
5 驱动主轴装置
6 汽缸(Air Cylinder)装置
7 传动皮带
8 支承主轴
81 联轴器(Coupling)
9 试验主轴
91 联轴器(Coupling)
10 扭矩测试仪
J 试验轴承
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
[耐烧熔性能研究试验]
首先制作了具有图1所示的形状、相当于日本精工株式会社的型号为“50BNR10ST”的角接触球轴承，作为研究耐烧熔性能的试验轴承。该球轴承具有内圈1、外圈2、滚珠(滚动体)3和保持架4。
内圈1以及外圈2是使用SUJ2制坯料，采用常规加工方法和热处理方法而得到。比较例的滚珠3是使用SUJ2制坯料，采用常规方法进行加工并进行下述条件I的热处理而得到。实施例的滚珠3是使用下述坯料A，采用常规方法加工并进行下述条件II的热处理而得到。
＜坯料A＞
构成坯料A的合金钢的组成：C含量为1.01质量％、Cr含量为1.10质量％、Si含量为0.56质量％、Mn含量为1.10质量％、Si含量与Mn含量之比Si/Mn＝0.51、其余部分为Fe和不可避免的杂质。
＜热处理I：淬火和回火＞
在Rx气体环境下保持预定的时间后，进行油冷淬火，接着进行回火，然后进行风冷。
＜热处理II：渗碳氮化→淬火和回火＞
在Rx气体+丙烷气体+氨气的气体环境下进行保持预定时间的渗碳氮化处理后，进行油冷淬火，接着进行回火，然后进行风冷。
测量内圈1和外圈2的表层部的残余奥氏体量(γRAB)，结果为5.1体积％。
测量所得实施例的滚珠3的表面(滚动面)中所存在的由硅(Si)的氮化物和锰(Mn)的氮化物形成的Si-Mn类氮化物，结果Si-Mn类氮化物的存在比为2面积％。测量所得实施例的滚珠3的表层部中所存在的N含量，结果为0.5质量％。
测量所得实施例的滚珠3的表层部的残余奥氏体量(γRC)，结果为10体积％。实施例的滚珠3中，滚珠3的表层部的残余奥氏体量(γRC)与内圈1及外圈2的表层部的残余奥氏体量(γRAB)之间的关系满足式(1)。
测量所得比较例的滚珠3的表面(滚动面)中所存在的由硅(Si)的氮化物和锰(Mn)的氮化物形成的Si-Mn类氮化物，结果Si-Mn类氮化物的存在比为0.5面积％。测量所得比较例的滚珠3的表层部中所存在的N含量，结果为0.1质量％。
测量所得比较例的滚珠3的表层部的残余奥氏体量(γRC)，结果为10体积％。
将使用实施例的滚珠3组装而得的实施例的角接触球轴承与使用比较例的滚珠3组装而得的比较例的角接触球轴承作为图2所示的耐烧熔性能评价试验仪的试验轴承J进行安装，在下述条件下使其旋转，研究了至轴承发生烧熔为止的时间(寿命)。
图2的试验仪具有驱动主轴装置5、向试验轴承J施加轴向载荷的汽缸装置6、和向驱动主轴装置5的主轴施加旋转力的传动皮带7。
＜试验条件＞
润滑剂：含有40℃时的运动粘度为2.3×10-5m2/s(23cSt)的基础油和钡复合皂增稠剂的润滑脂
转速：18000min-1(Dmn值：115万，PV值：500MPa·m/s)
轴向载荷：1400N
试验结果示于图3的曲线中。
另外，实施例的角接触球轴承的L50寿命为485.0小时，比较例的角接触球轴承的L50寿命为55.3小时。即，实施例的角接触球轴承的耐烧熔性能为比较例的角接触球轴承的8.8倍，该实施例的角接触球轴承的耐烧熔性能优异。
[扭矩研究试验]
首先制作了具有图1所示的形状，相当于日本精工株式会社的型号为“50BNR10ST”的角接触球轴承(内径50mm、外径80mm、宽度16mm、滚珠直径6.35mm)，作为扭矩试验用试验轴承。该球轴承具有内圈1、外圈2、滚珠(滚动体)3和保持架4。
内圈1以及外圈2是使用SUJ2制坯料，采用常规加工方法和热处理方法而得到。比较例的滚珠3是使用SUJ2制坯料，采用常规方法进行加工并进行上述条件I的热处理而得到。实施例的滚珠3是使用上述坯料A，采用常规方法加工并进行上述条件II的热处理而得到。
将使用实施例的滚珠3组装而得的实施例的角接触球轴承与使用比较例的滚珠3组装而得的比较例的角接触球轴承作为图4所示的试验仪的试验轴承J进行安装，在下述条件下使其旋转，研究其临界PV值。
图4的试验仪具有支承主轴8、试验主轴9、配置在两主轴之间的扭矩测试仪10、和向支承主轴8施加旋转力的传动皮带7。支承主轴8以及试验主轴9与扭矩测试仪10之间通过联轴器81、91结合。试验主轴9旋转时的动态扭矩由扭矩测试仪10进行检测。
＜试验条件＞
润滑剂：含有40℃时的运动粘度为2.3×10-5m2/s(23cSt)的基础油和钡复合皂增稠剂的润滑脂
转速：8000min-1
预压方式：DB组合的定位预压
组装时的预压载荷：1180N
在试验中，对试验主轴9的外筒进行油冷，测量试验轴承J的外圈温度和扭矩(由扭矩测试仪10检测出的扭矩值)。试验主轴9匀速旋转，且每20小时将其转速提高1000min-1，研究匀速旋转中的试验轴承J是否产生了忽快忽慢等较大的变化，将产生该变化的时刻的转速(V)与表面压力(P)之积(PV值)作为临界PV值。
实施例和比较例的轴承分别准备7组相同的试验轴承J，各进行7次该试验。图5表示将该结果描点绘制到威布尔图表做成的曲线图。实施例轴承的临界PV值的平均值为330Pa·m/s，比较例轴承的临界PV值的平均值为280Pa·m/s。另外，由图5的曲线图可知，实施例轴承具有90％可靠系数时的临界PV值约为280Pa·m/s，比较例轴承具有90％可靠系数时的临界PV值约为190Pa·m/s，比较例轴承具有99％可靠系数时的临界PV值约为110Pa·m/s。
即，根据实施例的轴承，能够使具有90％可靠系数的临界PV值高于比较例轴承的该值40％以上(约47％)。另外，在考虑到安全系数的情况下，也可以说PV值在100Pa·m/s以上的情况下，就能够发挥实施例轴承所起到的效果。
另外，该试验中匀速旋转的转速与分别进行7次试验的平均扭矩的关系示于图6的曲线图。在该曲线图中，还一并表示了实施例轴承的平均扭矩相对于比较例轴承的平均扭矩的扭矩减少率。由图6的曲线图可知，当转速在11000min-1(Dmn值为70万)以上时，实施例轴承的扭矩低于比较例轴承的扭矩，特别是当转速在12000min-1(Dmn值为77万)以上时，扭矩减少率达13％以上。
这样，根据实施例的轴承，能够降低在PV值较高的条件下使用时的扭矩的增大量。发明人推断，这是由于提高了滚珠的耐磨损性，使得内外圈的滚道面与滚珠的表面不易产生劣化(带状的运行痕迹等)。
需要说明的是，尽管本实施方式中是以角接触球轴承为例进行的说明，但本发明也适用于单列圆柱滚子轴承、双列圆柱滚子轴承等角接触球轴承以外的滚动轴承。
本发明虽然是参照特定的实施方式进行了详细说明，但在不脱离本发明的精神和范围的前提下能够进行各种变更和修正，这对于本领域技术人员而言是不言而喻的。
本申请基于2012年4月25日提交的日本专利申请(日本特愿2012-100027)、2012年10月22日提交的日本专利申请(日本特愿2012-233165)、2013年4月8日提交的日本专利申请(日本特愿2013-80642)，其内容作为参照援引于此。
产业实用性
本发明的滚动轴承在用作Dmn值为80万以上的条件下使用的机床主轴支承用滚动轴承时特别有效。

Claims (1)

1.一种滚动轴承，其特征在于，
具有：内圈、外圈以及滚动体，
所述滚动轴承以40℃时的运动粘度为1～5×10-5m2/s的润滑油进行润滑，或者以基础油的40℃时的运动粘度为1～5×10-5m2/s的润滑脂进行润滑，
在所述内圈或所述外圈的滚道面与所述滚动体的滚动面之间的滚动接触的PV值在100MPa·m/s以上、Dmn值在80万以上的旋转条件下被使用，其中，所述PV值为滚动轴承的表面压力Pa与滑动速度m/s的乘积，所述Dmn值是滚动轴承内径和外径的平均尺寸mm与转速min-1的乘积，其中，
所述内圈的表层部以及所述外圈的表层部的残余奥氏体量γRAB大于0体积％、且在30体积％以下，
所述滚动体是通过将合金钢制坯料加工成预定形状后，进行包括渗碳氮化处理或氮化处理在内的热处理而得到，所述合金钢的Si含量在0.3质量％以上、2.2质量％以下，Mn含量在0.3质量％以上、2.0质量％以下，且Si和Mn的含量比Si/Mn以质量比计在5以下，
在滚动面上，存在着面积比在1.0％以上、20.0％以下的范围内的由硅Si的氮化物以及锰Mn的氮化物形成的Si-Mn类氮化物，
滚动面的表层部的氮N含量在0.2质量％以上、2.0质量％以下，
滚动面的表层部的残余奥氏体量γRC为大于0体积％、且在30体积％以下，并满足以下的式(1)：
γRAB－15≤γRC≤γRAB+15 (1)，
所述内圈的滚道面或所述外圈的滚道面与所述滚动体的滚动面之间的滚动接触的滑动速度V在0.080m/s以上。
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