CN1538082A - 交流发电机用轴承及皮带轮用轴承 - Google Patents

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Abstract

一种轴承，具有转动体、内环及外环，其特征在于，这些转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的奥氏体结晶颗粒的粒度号为超过10号的范围。采用本发明，即使在因使用条件苛刻而从油脂等产生氢且载荷条件处于容易产生氢脆性剥离的使用环境下进行使用，也能抑制其氢脆性剥离。

Description

交流发电机用轴承及皮带轮用轴承
技术领域
本发明涉及交流发电机用轴承及皮带轮用轴承，更具体地说，是涉及在氢环境下不易产生因伴有白层的氢引起的脆性剥离的交流发电机用轴承及皮带轮用轴承。
背景技术
用于交流发电机或皮带轮的滚动转承中，有很多场合发现在损伤起点伴有白层的特异的剥离部。该白层的形态与因转动疲劳而产生的WEC(WhiteEtching Constituent)和在非金属中介物周围发生的蝶形不同，其特征是对于转动方向不具有方向性。在起点发生含有白层的损伤的轴承中，钢中的氢含量明显增加，存在于白层中的龟裂沿着结晶粒界会很长地一直进展到内部。因此，认为上述损伤的发生与氢有密切的联系。下面将这种伴有该白层的特异性的剥离称为氢脆性剥离。
氢脆性剥离被认为是润滑剂在转动时发生的化学性的活性金属新生面的催化剂作用下进行分解、所产生的氢进入钢中而产生的。因此，作为氢脆性剥离的对策，(a1)变更为化学上不易分解的润滑剂，(a2)不易出现金属新生面的发黑处理等，被认为是有效的。
关于上述(a1)，有以下轴承的提案。将烷基二苯醚油与聚α烯烃油以20∶80～80∶20的重量比进行配制的基油中，作为增稠剂将芳香族二尿素化合物或芳香族尿素·氨基甲酸乙酯化合物以5～40重量％进行配制，再将添加了钝化氧化剂及有机磺酸盐的油脂组成物封入滚动转承内而构成的发电机用油脂封入轴承(参照日本专利特开平5-263091号公报)。
另外，关于上述(a2)，有以下轴承的提案。在轴承内封入油脂的油脂封入轴承中，在轨道环的转动面上形成厚度为0.1～2.5μm的氧化皮膜的油脂封入轴承(参照日本专利特开平2-190615号公报)。
上述提案在本领域被证明具有延长使用寿命的效果。
但是，近年来，交流发电机用轴承及皮带轮用轴承的使用环境日益苛刻，出现了仅用上述对策还不够充分的情况。因此，需要进一步延长氢脆性剥离寿命的对策。
本发明的目的在于提供一种即使在因使用条件苛刻而从油脂等产生氢且载荷条件处于容易产生氢脆性剥离的使用环境下使用，也能抑制其氢脆性剥离的交流发电机用轴承及皮带轮用轴承。
本发明内容
本发明的交流发电机用轴承，是一种在转子轴的一端上配置有卷挂皮带的皮带轮、对利用从所述皮带传递至所述皮带轮的驱动力使转子旋转的转子轴进行支承的轴承。该交流发电机用轴承具有转动体、内环及外环，这些转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的奥氏体结晶颗粒的粒度号为超过10号的范围。这里所说的奥氏体结晶颗粒是指淬火加热中相变态后的奥氏体结晶颗粒，即使通过上述淬火冷却而向马氏体变态后，也能作为过去的经历而残留的结晶颗粒。
上述构件的奥氏体颗粒的粒度号码越是大于10号，越是微细化，通过与氮富化层的组合，具有可飞跃地提高对氢脆性剥离进行抑制的效果。其理由尽管只是推测，但可作如下考虑。在1个结晶颗粒内进行氢脆性剥离的结晶面是确定的，龟裂不会就这样地向相邻的结晶颗粒进展下去。如要使相邻的结晶颗粒中发生龟裂，需要重新聚集发生龟裂的能量。可以认为能量的聚集比如、使氢原子向规定部分进行积蓄需要时间，因此，可使氢脆性剥离的龟裂进展速度降低。
上述奥氏体结晶粒度也可利用日本JIS标准规定的通常的方法求出，也可利用切片法等求出与上述结晶粒度号码对应的平均粒径再进行换算。上述奥氏体结晶粒径越微细越好，最好是奥氏体结晶粒度号码在11号以上。另外，平均结晶粒径也可在6μm以下。不过，上述奥氏体结晶粒度号码在氮富化层处满足即可。但是，通常的场合，在氮富化层内侧的钢材本体，也满足上述奥氏体结晶颗粒微细化的基准。
上述奥氏体结晶颗粒，只要对于作为对象的构件的金相试料进行腐蚀等、实施显示粒界的处理后能观察到的粒界即可。其含义是即将低温淬火之前的加热时点的粒界，有时称为旧奥氏体颗粒。其测量方法如上所述，可从JIS标准的粒度号的平均值换算成平均粒径求出，也可利用切片法等，取出在金相组织上重叠的随意方向的直线与粒界会合期间的间隔长度的平均值，乘上修正系数使其从二维到三维的间隔长度。
而上述氮富化层如后叙那样，由浸碳氮化处理形成，不过对上述氮富化层既可进行碳富化也可不进行碳富化。
将轴承零件用的钢在超过A1相变点的浸碳氮化处理温度下进行浸碳氮化处理后，冷却至A1相变点不到的温度，然后在A1相变点以上A3相变点不到的温度区域，再加热至比浸碳氮化处理温度低的淬火温度区域进行淬火，从而可以得到上述微细的奥氏体颗粒。该熱处理方法称为低温二次淬火。关于该制造方法，在实施形态中进行详细说明。
用于同样用途的本发明的其他交流发电机用轴承中，转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的破坏应力值在2650MPa以上。
本案发明者们发现通过上述熱处理方法，可将具有浸碳氮化处理层的钢的破坏应力值做到以往所无法得到的2650MPa以上。由此，能得到强度高的滚动转承，即使是交流发电机用轴承的径向负载与力矩负载重叠的负载形态下，也显示出优良的耐久性。
用于同样用途的本发明的又一交流发电机用轴承中，转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的氢含有率在0.5ppm以下。
通过上述熱处理方法(低温二次淬火方法)，能降低用于交流发电机之前的钢构件所含有的氢含有率。因此，可延长进入钢的氢达到龟裂发生的临界值所需的时间，再加上其他还不明白的理由，能使氢脆性剥离难以发生。
以小的氢含量为佳。但是，如要减少到0.3ppm以下则需要长时间加热，从而导致奥氏体粒径粗大化，其韧性反而变差。因此，较好的氢含量在0.3～0.5ppm的范围。最好在0.35～0.45ppm的范围。
不过，上述氢含有率，不将扩散性氢作为测量的对象，仅将在规定温度以上从钢中放出的非扩散性氢作为测量的对象。扩散性氢含量，如试件尺寸小的话，在常温下就会从试件中放出而逸散，因而不作为测量对象。非扩散性氢是指搀杂在钢中的缺陷部等内、到规定的加热温度以上才会从试件中放出的氢。尽管限定为该非扩散性氢，但氢含有率还是因测量方法而有很大的变动。上述氢含有率范围是利用传热系数法的测量方法的范围。如后所叙，最好利用LECOD公司生产的DH-103型氢分析装置或以此为基准的测量装置进行测量。
上述本发明的所有交流发电机用轴承中，也可使具有上述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率在10％以上。
通过使表层部的球状碳化物的面积率在10％以上，能进一步提高交流发电机用轴承对于氢脆性剥离的耐久性。
本发明的皮带轮用轴承，在卷挂皮带的皮带轮的内侧贯通有旋转轴，在该旋转轴与皮带轮之间夹着轴承。该轴承具有转动体、内环及外环，转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的奥氏体结晶颗粒的粒度号为超过10号的范围。
用于汽车的皮带轮正努力地朝小型化、高负载化推进，因此，旋转轴高速旋转的趋势明显，成为容易从油脂等产生氢的使用条件。配置有上述皮带轮用轴承的皮带轮中，有时皮带宽度的中心相对于轴承的中央部错开状配置进行驱动。因此，上述轴承中，除了径向负载以外还作用有力矩负载，拉伸应力成分周期性作用于皮带轮用轴承的零件，引发产生的氢侵入钢中。
但是，如上所述，通过使上述构件的奥氏体颗粒的粒度号超过10号那样微细化，利用与氮富化层的结合，不仅交流发电机用轴承，而且皮带轮用轴承也能飞跃性地抑制氢脆性剥离。另外，对于将上述构件的破坏应力值做成2650MPa以上的效果，或将上述构件的氢含有率做成0.5ppm以下的效果方面，也能与交流发电机用轴承同样地进行考虑。
上述本发明的所有皮带轮用轴承中，也可使具有氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率在10％以上。
皮带轮用轴承中，通过使表层部的球状碳化物的面积率在10％以上，能进一步提高对于氢脆性剥离的耐久性。
上述交流发电机用轴承或皮带轮用轴承中，上述至少一个构件可由JIS标准SUJ2的钢材形成。对于该由SUJ2钢材构成的轴承构件，通过应用上述低温二次淬火法，能容易地得到上述那样微细的奥氏体结晶颗粒、高度的破坏应力值及低的氢含有率。
附图的简单说明
图1是表示包括本发明的实施形态的交流发电机用轴承的交流发电机的图。
图2是表示图1的交流发电机用轴承的放大图。
图3是表示本发明的皮带轮用轴承的图。
图4是表示本发明的实施形态的应用于交流发电机用轴承及皮带轮用轴承的转动体、内环及外环中的至少一个构件的热处理的一例的图。
图5是表示应用于交流发电机用轴承及皮带轮用轴承的转动体、内环及外环中的至少一个构件的热处理的其他例子的图。
图6A及图6B是表示轴承零件的微观组织，尤其是表示奥氏体颗粒的图。图6A是本发明例的轴承零件，图6B是传统的轴承零件。
图7A是将图6A进行图解的奥氏体颗粒，图7B是将图6B进行图解的奥氏体颗粒。
图8是表示静破坏强度试验(破坏应力值的测量)的试片的图。
图9A及图9B是表示转动疲劳寿命试验机的概要图。图9A是主视图，图9B是侧视图。
图10是表示静破坏韧性试验的试片的图。
图11A～图11C是表示本发明的实施形态的处理的图，图11A是本发明例1的处理图，图11B是本发明例2的处理图，图11C是表示比较例1的处理的图。
图12是表示再现氢脆性剥离的试验装置的图。
图13A及图13B是表示氢脆性剥离的图，图13A是剖面的照片，图13B是其模式图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施形态进行说明。图1中，交流发电机10中，交流发电机用轴承1，15中插入轴11，在伸出的端部上安装有皮带轮13。在皮带轮13上设有用于卷挂未图示的传动皮带的卡合槽16。
交流发电机用轴承1，位于固定于轴11的中央部的转子12与皮带轮13之间，称为前轴承。另外，另一个交流发电机用轴承15，位于上述转子12的另一端部，称为后轴承。前轴承和后轴承都安装在外壳上。作为本发明对象的轴承，既可以是前轴承也可以是后轴承，但容易产生氢脆性剥离的轴承是位于皮带轮13与转子12之间且弯曲力矩等应力大的前轴承即、交流发电机用轴承1。
图2是图1的前轴承即交流发电机用轴承1的放大图。前轴承即交流发电机用轴承1由内环5、外环7、转动体3及密封件8构成。在内环5和外环7上分别设有转动面5a、7a，在这些转动面5a与7a之间具有转动体3。转动体的材质可以是钢也可是陶瓷。轴11压入内环5内，轴11旋转自如地得到支承。另外，转动体3由未图示的保持器保持，同时，在内环5与外环7之间的两端上配置密封件8、8，以对轴承内部进行密封，该被密封的轴承内部空间内封入油脂。
图3是表示包括本发明的实施形态的皮带轮用轴承21的皮带轮20的图。皮带轮20，皮带轮本体19外嵌在皮带轮用轴承21的外轮7上，皮带卷挂部18上卷挂有皮带。皮带轮用轴承21由内环5、外环7、转动体3及密封件8构成。在内环5和外环7上分别设有转动面5a、7a，在这些转动面5a与7a之间具有转动体3。外嵌在外轮7上的皮带轮本体19旋转自如地得到支承。另外，转动体3由未图示的保持器保持，同时，在内环5与外环7之间的两端上配置密封件8、8，以对轴承内部进行密封，该被密封的轴承内部空间内封入油脂。
另外，图3中，内环5也可与用于将皮带轮20安装在对方构件上的轴形成一体。即，也可是包括在轴外径上具有槽的轴槽型。
上述轴承的外环7、内环5及转动体3中的至少一个构件是具有氮富化层的钢，并且，该构件的奥氏体结晶颗粒的粒度号为超过10号的范围。或者，外环7、内环5及转动体3中的至少一个构件是具有氮富化层的钢，并且，破坏应力值在2650Mpa以上。或者，外环7、内环5及转动体3中的至少一个构件是具有氮富化层的钢，并且，钢中的氢含有率在0.5ppm以下。
上述轴承内的上述构件，在封入油脂的上述高速、高面压的使用条件下，不易产生氢脆性剥离，能得到长时期使用寿命。
下面对包括对这些滚动转承的外环、内环及转动体中的至少一个轴承零件进行浸碳氮化处理的热处理作出说明。
图4是表示进行一次淬火及二次淬火的方法的热处理方式，图5是表示在淬火途中将材料冷却至不到A1相变点温度，然后再加热，最终进行淬火的方法的热处理方式。两种都是本发明的实施形态。这些图中，在处理T1中，碳和氮向钢的基材扩散，另外，在充分进行了碳的溶入后，冷却至不到A1相变点。接着，在图中的处理T2中，再加热至比处理T1低的温度，然后进行油淬火。
上述二种热处理的任何一种，通过其中的浸碳氮化处理，都能形成“浸碳氮化处理层”即氮富化层。在浸碳氮化处理中，因为作为基材的钢的碳浓度高，有时在通常的浸碳氮化处理的环境中碳难以侵入钢的表面。比如，碳浓度高的钢的场合(1wt％左右的钢)，既有生成更高的碳浓度的浸碳层的情况，也有难以生成更高的碳浓度的浸碳层的情况。但是，氮浓度也受到Cr浓度等的影响，但通常的钢中较低，最大限度为0.025wt％程度以下，与基材的钢的碳浓度无关地可明显生成氮化富化层。当然，上述氮化富化层中也可富化碳。
上述热处理与普通淬火即、浸碳氮化处理后接着直接进行1次淬火相比，可在使表层部分浸碳氮化的同时提高裂纹强度，可减少时效尺寸变化率。如上所述，利用上述熱处理方法，能得到奥氏体结晶颗粒的粒径为以往的二分之一以下的微观组织。经过了上述热处理的轴承零件，转动疲劳特性延长使用寿命，能提高裂纹强度，减少时效尺寸变化率。而且，显示出对氢脆性剥离有很大的耐久性。
应用了上述图4所示的热处理方式的轴承钢的奥氏体结晶颗粒如图6A所示。另外，为了比较，利用传统的热处理方法的轴承钢的奥氏体结晶颗粒如图6B所示。另外，将上述图6A及图6B进行图解的奥氏体结晶颗粒如图7A及图7B所示。根据表示这些奥氏体结晶颗粒的组织，传统的奥氏体粒径在JIS标准的粒度号中为10号，而利用本发明的热处理方法，比如能得到12号的细粒。另外，利用切片法测得的图6的平均粒径为5.6μm。
(实施例)
下面对本发明的实施例进行说明。
(实施例1)
使用JIS标准SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)，进行了本发明的实施例1。表1所示的各试料的制造记录如下。
JIS G4805 SUJ2 specifies the range of chemistry as follows：
C：0.95-1.10wt％，Si：0.15-0.35wt％，Mn：≤0.50wt％，
P：≤0.025wt％，S：≤0.025wt％，Cr：1.30-1.60wt％
表1
  试料   A B  C  D  E   F   传统浸碳氮化处理件   普通淬火件
  二次淬火温度(℃) 7801) 800 815 830 850 870 - -
  氢含量(ppm) - 0.37 0.40 0.38 0.42 0.40 0.72 0.38
  结晶粒度(JIS) - 12 11.5 11 10 10 10 10
  夏氏冲击值(J/cm2) - 6.65 6.40 6.30 6.20 6.30 5.33 6.70
  破坏应力值(MPa) - 2840 2780 2650 2650 2700 2330 2770
  转动疲劳寿命比(L10) - 5.4 4.2 3.5 2.9 2.8 3.1 1
1)这次因淬火不足而无法评价。
(试料A～D；本发明例)：浸碳氮化处理850℃、保持时间150分钟。环境是RX气体与氨气的混合气体。在图4所示的热处理方式中，从浸碳氮化处理温度850℃进行一次淬火，然后加热至比浸碳氮化处理温度低的温度区域780℃～830℃后进行二次淬火。不过，二次淬火温度780℃的试料A因淬火不足而排除在试验对象外。
(试料E、F；比较例)：浸碳氮化处理以与本发明例A～D相同的记录进行，二次淬火温度在比浸碳氮化处理温度850℃高的850℃～870℃下进行。
(传统的浸碳氮化处理件；比较例)：浸碳氮化处理850℃、保持时间150分钟。环境是RX气体与氨气的混合气体。从浸碳氮化处理温度直接进行淬火，不进行二次淬火。
(普通淬火件；比较例)：不进行浸碳氮化处理，加热至850℃后进行淬火。不进行二次淬火。
对于上述试料，进行了(1)氢含量的测量，(2)结晶粒度的测量，(3)夏氏冲击试验，(4)破坏应力值的测量，(5)转动疲劳试验的各种试验。下面对这些试验方法进行说明。
I实施例1的试验方法
(1)氢含量的测量
氢含量利用LECO公司产DH-103型氢分析装置对钢中的非扩散性氢含量进行了分析。没有测量扩散性氢含量。该LECO公司产DH-103型氢分析装置的规格如下。
分析范围：0.01～50.00ppm
分析精度：±0.1ppm或±3％H(取其中大的一方)
分析灵敏度：0.01ppm
检测方式：传热系数法
试料重量尺寸：10mg～35g(最大：直径12mm×长度100mm)
加热炉温度范围：50℃～1100℃
试药：无水高氯酸镁(ァンハイドロン)Mg(ClO4)2、烧碱石棉剂NaOH
载流气体：氮气、气体配气体(ガスド一ジングガス)：氢气，每一种气体的纯度都在99.99％以上，压力为40PSI(2.8kgf/cm2)。
测量顺序的概要如下。利用专用的采样器采取的试料按各个采样器插入上述氢分析装置内。内部的扩散性氢由氮载流气体引向传热系数检测器。本实施例中对该扩散性氢不进行测量。其次，从采样器将试料取出，放在电阻加热炉内加热，非扩散性氢由氮载流气体引向传热系数检测器。在传热系数检测器中，通过对传热系数进行测量，就能知道非扩散性氢含量。
(2)结晶粒度的测量
结晶粒度的测量是根据JIS G 0551的钢的奥氏体结晶粒度试验方法进行的。
(3)夏氏冲击试验
夏氏冲击试验是根据JIS Z 2242的金属材料的夏氏冲击试验方法进行的。试片使用了JIS Z 2202所示的U凹口试片(JIS3号试片)。
(4)破坏应力值的测量
图8是表示静压坏强度试验(破坏应力值的测量)的试片的图。在图中的P方向上作用负载，对直到破坏为止时的负载进行测量。然后，将得到的破坏负载通过下述的弯曲梁的应力计算公式换算成应力值。不过，试片并不局限于图8所示的试片，也可使用其他形状的试片。
设图8的试片的凸表面上的纤维应力为σ1。，凹表面上的纤维应力为σ2，σ1及σ2：由下式求得(机械工学便览A4篇材料力学A4-40)。这里，N为包括圆环状试片的轴的截面的轴力，A为横截面积，e1为外半径，e2为内半径。另外，κ为弯曲梁的截面模量。
σ1=(N／A)+{M/(Apo)}[1+e1/{κ(ρ0+e1))]
σ2=(N/A)+{M/(Aρo)}[1-e2/{κ(p0-e2)}]
κ = - ( 1 / A ) ∫ A { η / ( ρ 0 + η ) } dA
(5)转动疲劳试验
转动疲劳寿命试验的试验条件如表2所示。另外，图9A及图9B是转动疲劳寿命试验机的概要图。图9A是主视图，图9B是向视图。图9A及图9B中，转动疲劳寿命试片61，由驱动滚筒51驱动，与球53接触进行旋转。球53是(3/4)”的球，由导轨52引导，在与转动疲劳寿命试片61之间边施加高的面压边进行转动。
II实施例1的试验结果
(1)氢含量
根据表1，浸碳氮化处理后的状态下的传统的浸碳氮化处理件是非常高的值，为0.72ppm。可以认为这是因为浸碳氮化处理的环境中含有的氨气(NH3)分解，氢侵入钢中的缘故。相比之下，试料B～D，氢含量减少到近一半的0.37～0.40ppm。该氢含量与普通的淬火件程度相同。
通过降低上述氢含量，能减轻氢的固溶引起的钢的脆化。即，通过降低氢含量，本发明例的试料B～D的夏氏冲击值得到了很大的改善。
(2)结晶粒度
根据表1，结晶粒度，在二次淬火温度比浸碳氮化处理时的淬火(一次淬火)的温度低的场合即、试料B～D的场合，奥氏体颗粒显著地微细化，为结晶粒度号11～12。试料E、F及传统的浸碳氮化处理件和普通淬火件的奥氏体颗粒为结晶粒度号10，是比本发明例的试料B～D粗大的结晶颗粒。
(3)夏氏冲击试验
根据表1，传统的浸碳氮化处理件的夏氏冲击值为5.33J/cm2，相比之下，本发明例的试料B～D的夏氏冲击值是高值，为6.30～6.65J/cm2。其中，显示出二次淬火温度越低、夏氏冲击值越高的趋势。普通淬火件的夏氏冲击值很高，为6.70J/cm2。
(4)破坏应力值的测量
上述破坏应力值相当于耐裂纹强度。根据表1，传统的浸碳氮化处理件的破坏应力值为2330Mpa。与此相比，试料B～D的破坏应力值得到改善，为2650～2840Mpa。普通淬火件的破坏应力值为2770Mpa，与试料B～F的破坏应力值同等。可以推测，试料B～D得到改良的耐裂纹强度与奥氏体结晶颗粒的微细化相同，主要是降低了氢含有率所引起的效果。
(5)转动疲劳试验
根据表1，反映了普通淬火件在表层部不具有氮富化层，其转动疲劳寿命L10最低。相比之下，传统的浸碳氮化处理件的转动疲劳寿命是3.1倍。本发明的试料B～D的转动疲劳寿命比传统的浸碳氮化处理件有了大幅度的提高。试料E、F与传统的浸碳氮化处理件大致同等。
综上所述，本发明例的试料B～D的氢含有率下降，奥氏体结晶粒度被微细化为11号以上，夏氏冲击值、耐裂纹强度及转动疲劳寿命也得到改善。
(实施例2)
下面对实施例2进行说明。对于下述的X材料、Y材料及Z材料，进行了一系列的试验。热处理用基材使用了JIS标准SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)，与X材料～Z材料是共同的。X材料～Z材料的制造记录如下。
(X材料：比较例)：仅普通淬火(不进行浸碳氮化处理)。
(Y材料：比较例)：浸碳氮化处理后直接进行淬火(传统的浸碳氮化淬火)。浸碳氮化处理845℃、保持时间150分钟。浸碳氮化处理的环境是RX气体与氨气的混合气体。
(Z材料：本发明例)：实施了图4的热处理方式后的轴承钢。浸碳氮化处理845℃、保持时间150分钟。浸碳氮化处理的环境是RX气体与氨气的混合气体。最终的淬火温度为850℃。
(1)转动疲劳寿命
转动疲劳寿命试验的试验条件及试验装置如上所述，由表2及图9A及图
9B所示。该转动疲劳寿命试验结果如表3所示。
表2
  试片   φ12×L22圆筒试片
  试验数   10个
  对方钢球   3/4”(19.05mm)
  接触面压   5.88GPa
  负载速度   46240cpm
  润滑油   透平VG68强制循环供油
表3
    材质         寿命(负载次数)     L10的比
  L10(×104次)   L10(×104次)
    X材料   8017   18648     1.0
    Y材料   24656   33974     3.1
    Z材料   43244   69031     5.4
根据表3，比较例的Y材料显示出是同样的比较例中仅实施了普通淬火的X材料的L10寿命(10个试片中1个破损的寿命)的3.1倍，可以看出浸碳氮化处理带来了长寿命化的效果。相比之下，本发明例的Z材料显示出长寿命，是Y材料的1.74倍、X材料的5.4倍。其改良的主要原因可以认为是微观组织的微细化引起的。
(2)夏氏冲击试验
夏氏冲击试验利用U凹口试片，按照上述的JIS Z 2242的方法进行的。试验结果如表4所示。
表4
  材质   夏氏冲击值(J/cm2)   冲击值之比
  X材料   6.7   1.0
  Y材料   5.3   0.8
  Z材料   6.7   1.0
进行了浸碳氮化处理后的Y材料(比较例)的夏氏冲击值，不比普通淬火的X材料(比较例)高，但Z材料得到了与X材料同等的值。
(3)静破坏韧性值的试验
图10是表示静破坏韧性试验的试片的图。该试片的凹口部事先导入大约1mm的裂痕后，施加3点弯曲的静负载，求出破坏负载P。破坏韧性值(KIc)由下式(I)算出。另外，试验结果如表5所示。
KIc＝(PL√a/BW2){5.8-9.2(a/W)+43.6(a/W)2-75.3(a/W)3+77.5(a/W)4}  …(I)
表5
  材质   试验数   K1C(MPa√m)  K1C之比
  X材料   3个   16.3  1.0
  Y材料   3个   16.1  1.0
  Z材料   3个   18.9  1.2
事先龟裂深度不比氮化富化层深度大，因而比较例的X材料和Y材料没有差异。但是，本发明例的Z材料得到了比较例的大约1.2倍的值。
(4)静压坏强度试验(破坏应力值的测量)
静压坏强度试片利用了如上所述的图8所示的形状。图中，P方向上施加负载，进行了静压坏强度试验。试验结果如表6所示。
表6
  材质   试验数  静压坏强度(kgf)   静压坏强度之比
  X材料   3个  4200   1.00
  Y材料   3个  3500   0.84
  Z材料   3个  4300   1.03
进行了浸碳氮化处理的Y材料的值比普通淬火的X材料稍小。但是，本发明的Z材料的静压坏强度比Y材料得到提高，得到不比X材料逊色的程度。
(5)时效尺寸变化率
将保持温度130℃、保持时间500小时的时效尺寸变化率的测量结果与表面硬度、残留奥氏体量(0.1mm深度)一起如表7所示。
表7
材质   试验数   表面硬度(HRC)   残留γ量(％)   尺寸变化率(×10-5)   尺寸变化率之比*)
X材料   3个   62.5   9.0   18   1.0
Y材料   3个   63.6   28.0   35   1.9
Z材料   3个   60.0   11.3   22   1.2
*：值小为好。
与残留奥氏体量多的Y材料的尺寸变化率相比，可以发现本发明例的Z材料被抑制在二分之一以下。
(6)异物混入润滑条件下的寿命试验
利用滚珠轴承6206，对混入规定量的标准异物的异物混入润滑条件下的转动疲劳寿命进行了评价。试验条件如表8所示，试验结果如表9所示。
表8
    负载     Fr＝6.86kN
    接触面压     Pmax＝3.2Gpa
    转速     2000rpm
    润滑     透平56油浴供给
    异物量     0.4g/1000cc
    异物     粒径100～180μm，硬度Hv800
表9
    材质     L10寿命-(h)     L10的比
    X材料     20.0     1.0
    Y材料     50.2     2.5
    Z材料     74     3.7
与X材料相比，传统的实施了浸碳氮化处理的Y材料约为2.5倍，另外，本发明例的Z材料获得约为3.7倍的长寿命。本发明例的Z材料与比较例的Y材料相比，尽管残留奥氏体少，但由于氮的进入和微细化的微观组织的影响而得到长寿命。
通过上述结果，可以发现本发明例的Z材料即、利用本发明的热处理方法制造的轴承零件，能同时满足传统的浸碳氮化处理所难以实现的转动疲劳寿命的长寿命化、裂纹强度的提高、时效尺寸变化率的降低这3个项目。
(实施例3)
作为使难以发生上述氢脆性剥离的本发明例的钢材，准备了图11A、图11B所示的实施了2种处理的SUJ2。
图11A所示的本发明例V1的处理中，以1.3～1.6这样高的CP(CarbonPotential)值进行浸碳氮化处理后，从该温度以冷油式进行淬火。通过在这样高的CP值的环境下进行浸碳氮化处理，能可靠地使表层部的球状化碳化物的面积率达到10％以上。然后，回火至180℃。
图11B所示的本发明例V2的处理中，比较例1(参照图11C)的浸碳氮化处理及淬火处理后，加热至T1℃(845℃)-α℃这样的比最初的淬火温度低α℃的温度后进行油淬火。该(T1-α)℃温度在A1点以上，是比此前的浸碳氮化处理及淬火温度低的温度。如图所示，从浸碳氮化处理的温度进行淬火，因而淬火温度与浸碳氮化处理温度相同。本说明中，将加热至该(T1-α)℃后进行淬火处理称为低温淬火。该低温淬火后回火至180℃。
另外，作为比较例的钢材，使用实施了图11C所示的处理后的SUJ2、SUJ2的普通淬火材料、SUJ2发黑处理材料、13％Cr钢的4种钢材，进行了为了比较而作的评价。评价后的钢材的一览如表10所示。
表10
评价对象一览
 钢种   处理   备注
本发明例V1  JIS-SUJ2   参照图1   大量的球状化碳化物
本发明例V2  JIS-SUJ2   参照图1   微细的结晶颗粒+大量的球状化碳化物
比较例C1  JIS-SUJ2   参照图1   氮化层
比较例C2  JIS-SUJ2   普通淬火   -
比较例C3  JIS-SUJ2   普通淬火+发黑处理   氧化膜
比较例C4  13％Cr钢   普通淬火   钝化皮膜(氧化膜)
氢脆性剥离的评价试验中，使用了图12所示的径向负载试验机。试验轴承71a、71b安装在由安装在中央部的支撑轴承73支承的主轴两侧的2处，通过皮带轮由伺服电机驱动进行旋转。另外，试验轴承通过作用于支撑轴承73的径向负载引起的轴挠曲而受到径向偏负载。上述试验轴承71a、71b进一步由安装在轴承箱内的盒式加热器72a、72b进行温度控制。用于该评价试验的试验体的轴承71a、71b是外径32mm×内径24mm×长19.8mm的径向滚针轴承。上述试验中的试验条件如表11所示。
表11
试验条件
接触面压(Gpa)  内环侧/外环侧     2.61/2.26
转速(rpm)     500←→3000的急加减速
试验温度(℃)     100
润滑油     水乙二醇系难燃液压油
润滑条件     油浴润滑
表11所示的试验条件，通过急加减速，能重复性良好地产生氢脆性剥离。在该试验条件下试验后的试验结果如表12所示。
表12
试验结果
 钢种   处理   N数     L10寿命(h)   L10寿命比
本发明例V1  JIS-SUJ2   参照图1   10     54.3   4.6
本发明例V2  JIS-SUJ2   参照图1   10     ＞122.2*1   ＞10.3
比较例C1  JIS-SUJ2   参照图1   10     32.6   2.7
比较例C2  JIS-SUJ2   普通淬火   10     11.9   1.0
比较例C3  JIS-SUJ2   普通淬火+发黑处理   6     62.5*2   5.3
比较例C4  13％Cr钢   普通淬火   6     70.6*2   5.9
*1：剥离数仅为1个，故表示了其寿命。
*2：没有观察到氢脆性剥离的特征即白层。
图13A、图13B表示比较例C中包含了产生的氢脆性剥离的截面。图13A是剖面照片，图13B是其模式图。可见在上述试验条件下诱发了氢脆性剥离。
根据表12的试验结果，可见与传统件相比，本发明例的材料都表示了长寿命。特别是本发明例V2，比耐氢脆性剥离性提高的比较例C2的发黑处理材料及比较例C3的13％Cr钢的发黑处理材料双方都寿命长。
为了调查本发明例V2寿命特别长的原因，对本发明例V1～V2、传统件的比较例C1～C2的钢材的表层部的球状化碳化物的面积率及奥氏体结晶颗粒的JIS标准的粒度号进行了测量。其结果如表13所示。
表13球状化碳化物的面积率、奥氏体结晶颗粒的平均粒径
 钢种 处理   面积率(％)  JIS结晶粒度
本发明例V1  JIS-SUJ2 参照图1   12.9  10.1号
本发明例V2  JIS-SUJ2 参照图1   13.2  12.7号
比较例C1  JIS-SUJ2 参照图1   7.6  10号
比较例C2  JIS-SUJ2 普通淬火   7.9  10.2号
本发明例V1的球状化碳化物的面积率比比较例C1大，JIS结晶粒度与比较例相比没有很大的差异。另外，本发明例V2中，球状化碳化物的面积率比比较例大，另外，JIS结晶粒度比比较例更微细化。
比较例C2比比较例C1寿命长，另外，本发明例V1比比较例C2、另外本发明例V2比本发明例V1寿命更长，因而发现以下3个因素对抑制耐氢脆性剥离有效果。
(1)具有氮富化层。
(2)球状化碳化物的面积率在10％以上。
(3)奥氏体结晶颗粒超过JIS标准的粒度号10号。
因本发明例V2同时具备上述3个要素，因而显示出非常长的寿命。即使仅上述项目(1)也能看到耐氢脆性剥离的效果，但其延长寿命效果小，因而至少如本发明例V1那样，通过具有(1)及(2)的2个要素，能形成在氢环境下不易产生氢脆性剥离的滚动转承。

Claims (18)

1.一种交流发电机用轴承，
在转子轴的一端上配置有卷挂皮带的皮带轮，对利用从所述皮带传递至所述皮带轮的驱动力使转子旋转的转子轴进行支承，其特征在于，
具有转动体、内环及外环，所述转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的奥氏体结晶颗粒的粒度号为超过10号的范围。
2.如权利要求1所述的交流发电机用轴承，其特征在于，具有所述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率是10％以上。
3.如权利要求1所述的交流发电机用轴承，其特征在于，所述至少一个构件由JIS标准SUJ2的钢材形成。
4.一种交流发电机用轴承，在转子轴的一端上配置有卷挂皮带的皮带轮，对利用从所述皮带传递至所述皮带轮的驱动力使转子旋转的转子轴进行支承，其特征在于，
具有转动体、内环及外环，所述转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的破坏应力值是2650Mpa以上。
5.如权利要求4所述的交流发电机用轴承，其特征在于，具有所述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率是10％以上。
6.如权利要求4所述的交流发电机用轴承，其特征在于，所述至少一个构件由JIS标准SUJ2的钢材形成。
7.一种交流发电机用轴承，在转子轴的一端上配置有卷挂皮带的皮带轮，对利用从所述皮带传递至所述皮带轮的驱动力使转子旋转的转子轴进行支承，其特征在于，
具有转动体、内环及外环，所述转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的氢含有率在0.5ppm以下。
8.如权利要求7所述的交流发电机用轴承，其特征在于，具有所述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率在10％以上。
9.如权利要求7所述的交流发电机用轴承，其特征在于，所述至少一个构件由JIS标准SUJ2的钢材形成。
10.一种皮带轮用轴承，在卷挂皮带的皮带轮的内侧贯通有旋转轴，所述轴承夹在该旋转轴与所述皮带轮之间，其特征在于，
具有转动体、内环及外环，所述转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的奥氏体结晶颗粒的粒度号为超过10号的范围。
11.如权利要求10所述的皮带轮用轴承，其特征在于，具有所述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率是10％以上。
12.如权利要求10所述的皮带轮用轴承，其特征在于，所述至少一个构件由JIS标准SUJ2的钢材形成。
13.一种皮带轮用轴承，在卷挂皮带的皮带轮的内侧贯通有旋转轴，所述轴承夹在该旋转轴与所述皮带轮之间，其特征在于，
所述转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的破坏应力值是2650Mpa以上。
14.如权利要求13所述的皮带轮用轴承，其特征在于，具有所述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率是10％以上。
15.如权利要求13所述的皮带轮用轴承，其特征在于，所述至少一个构件由JIS标准SUJ2的钢材形成。
16.一种皮带轮用轴承，在卷挂皮带的皮带轮的内侧贯通有旋转轴，所述轴承夹在该旋转轴与所述皮带轮之间，其特征在于，
所述转动体、内环及外环中的至少一个构件具有氮富化层，该构件的氢含有率是0.5ppm以下。
17.如权利要求16所述的皮带轮用轴承，其特征在于，具有所述氮富化层的构件的表层部的球状碳化物的面积率在10％以上。
18.如权利要求16所述的皮带轮用轴承，其特征在于，所述至少一个构件由JIS标准SUJ2的钢材形成。
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