JP2000192962A

JP2000192962A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2000192962A
Application number: JP10370354A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Okayama; 智雄岡山; Hiroshi Murakami; 裕志村上; Kikuo Maeda; 喜久男前田; Takuya Atsumi; 卓彌厚見; Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野; Kenichi Amano; 虔一天野
Original assignee: NTN Corp; Kawasaki Steel Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp; JFE Steel Corp
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 2000-07-11
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: DE19960235A1; DE19960235B8; DE19960235B4; US20010015240A1; JP3550308B2; US6306227B2

Abstract

(57)【要約】【課題】素材コストの低減を図るとともに、表層硬度
の確保と浸炭深さの適切化による長寿命化または浸炭時
間の短縮を図ることのできる転がり軸受を提供する。【解決手段】軌道輪と直径が２０ｍｍ以上の転動体と
を有する転がり軸受において、軌道輪と転動体との少な
くとも一方が炭素を０．２重量％以上０．３５重量％以
下、Ｎｉを２．２重量％以上３．６重量％以下含有し、
かつ浸炭または浸炭窒化された鋼よりなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に関
し、より具体的には、鉄鋼産業における圧延機用軸受の
ような転動体平均直径が２０ｍｍ以上の大型転がり軸受
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、鉄鋼産業などに使用される上記大型肉厚の軸受に
は、必要な表層硬化深さと靭性とを確保する目的から、
ＳＮＣＭ８１５などの合金元素の多い素材に浸炭を施し
たものが用いられていた。しかしながら、このＳＮＣＭ
８１５では、Ｎｉ量が多いため、素材価格が高く、浸炭
時に表層硬度が出にくく、また浸炭に長時間を要するな
どの問題があり、転がり軸受のコストが高くなるととも
に転動寿命がばらつく要因となっていた。

【０００３】一方、合金元素量が少ないと、素材コスト
は下がるが、焼入れ性が低下し、必要な硬度分布（硬化
深さ）や内部硬度が得られないという問題があった。

【０００４】それゆえ本発明の目的は、素材コストを低
減するとともに、表層硬度の確保と浸炭深さの適切化と
による長寿命化または浸炭時間の短縮を図ることのでき
る転がり軸受を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、鋭意検
討した結果、ＳＮＣＭ８１５の組成に対してＮｉ（ニッ
ケル）量を少なくし、Ｃ（炭素）量を多くすることで、
素材コストを低減できるとともに、適切な浸炭処理を行
なうことで表層硬度や内部硬度を適切な値に管理して長
寿命で割れ強度も従来品と遜色のない転がり軸受用の材
質の得られることを見出した。さらに、高い内部靱性が
必要となる場合には、Ｃ量の増加による靱性の低下を主
に特定の不可避的不純物の低位規制により、抑制できる
ことがわかった。

【０００６】１）それゆえ本発明の転がり軸受は、軌
道輪と転動体とを有する転がり軸受において、転動体の
直径が２０ｍｍ以上であり、軌道輪と転動体との少なく
とも一方が、Ｃを０．２重量％以上０．３５重量％以
下、Ｎｉを２．２重量％以上３．６重量％以下含有し、
かつ浸炭または浸炭窒化された鋼よりなる。

【０００７】本発明の転がり軸受では、ＳＮＣＭ８１５
よりもＮｉ量を少なくし、その分Ｃ量を多くしたため、
ＳＮＣＭ８１５よりも素材コストを低減できるととも
に、ＳＮＣＭ８１５と同じ浸炭処理を施してもＳＮＣＭ
８１５よりも浸炭深さを深くでき、またＳＮＣＭ８１５
と同じ浸炭深さとする場合には浸炭時間をＳＮＣＭ８１
５よりも短縮することができる。

【０００８】Ｃ量を０．２重量％以上０．３５重量％以
下としたのは、Ｃが０．２重量％未満では内部の強度を
確保するのに必要な内部硬度が確保できず、０．３５重
量％を超えると鍛造性や機械加工性が劣ることと浸炭鋼
特有の内部の靭性が確保できなくなるからである。また
Ｎｉが２．２重量％未満では内部の靭性が低下し、また
焼入れ性も低下してしまう。Ｎｉは高価な材料であるた
め、Ｎｉが３．６重量％を超えると価格的なメリットが
なくなってしまい、かつ中間焼き鈍しなどの熱処理工程
が必要になるため、Ｎｉ量の上限は３．６重量％であ
る。

【０００９】２）上記の転がり軸受において好ましく
は、Ｃｒ（クロム）が０．７重量％以上０．９重量％以
下、Ｍｏ（モリブデン）が０．２重量％以上０．２５重
量％以下、Ｐ（リン）が０．０１５重量％以下含有され
ている。

【００１０】Ｃｒは炭化物を作ること、耐熱性をもたら
すことの両方から多い方が良いが、高価な化学成分であ
る。このため、Ｃｒ量が少ないと、炭化物を作る効果、
耐熱性をもたらす効果が小さくなるため、Ｃｒ量の下限
は０．７重量％である。またＣｒ量が多すぎると価格が
高価になってしまうため、Ｃｒ量の上限は０．９重量％
である。

【００１１】ＭｏはＣｒと共存させることで副炭化物を
作り、焼戻し抵抗性を向上させて寿命を向上させる元素
である。Ｍｏ量が少な過ぎると寿命が低下するため、Ｍ
ｏ量の下限は０．２重量％である。またＭｏ量が多すぎ
ると、価格が高くなり過ぎるためＭｏ量の上限は０．２
５重量％である。

【００１２】またＣの増加とＮｉの減少とによる内部硬
化の上昇や内部靭性の低下を抑えるため、靭性に悪影響
を及ぼすＰの量が０．０１５重量％以下に制御される。

【００１３】３）上記の転がり軸受において好ましく
は、鋼は、Ｃを０．２５重量％以上０．３５重量％以
下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下含有す
る。

【００１４】このようにＮｉ量を減らすことで素材コス
トを低減できるとともに、Ｃ量を増やすことで内部の強
度を確保するのに必要な内部硬度の確保が容易となる。

【００１５】４）上記の転がり軸受において、好まし
くは、鋼は、Ｃを０．２５重量％以上０．３０重量％以
下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下、Ｃｒを
０．７重量％以上０．９重量％以下、Ｍｏを０．２重量
％以上０．２５重量％以下、Ｓｉ（シリコン）を０．１
５重量％以上０．４重量％以下、Ｍｎ（マンガン）を
０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｔｉ（チタン）を
０．００１重量％以上０．０１重量％以下、Ｎ（窒素）
を０．００１重量％以上０．００５重量％以下含有し、
Ｐを０．０１５重量％以下、Ｃｕ（銅）を０．０５重量
％以下、Ｎｂ（ニオブ）を０．０１重量％以下、Ｖ（バ
ナジウム）を０．０１重量％以下とする。

【００１６】高い内部靱性と高い転動疲労寿命が必要と
なる場合には、特に特定の不純物元素の低位規制を主に
した化学組成の限定が必要である。すなわち、不可避的
不純物元素の低減がＣ量の増加による靭性の低下を補
う。さらに、疲労破壊を惹起させるこれら元素が減るた
めに、転動疲労寿命が向上する。化学組成の限定理由を
以下に示す。

【００１７】Ｓｉ：０．１５〜０．４％Ｓｉは鋼溶製時の脱酸元素として必要である。このため
には、Ｓｉは０．１５重量％以上添加する必要がある
が、多く添加すると靭性低下、あるいはガス浸炭時に粒
界酸化を助長して破壊の起点となりやすいので、Ｓｉの
上限は０．４重量％とした。

【００１８】Ｍｎ：０．３〜２．０％Ｍｎは鋼溶製時の脱酸および脱硫元素として必要であ
る。さらに、焼入れ性を高めて芯部の強度を増す元素と
して、浸炭焼入れした部品に所定の芯部硬さを与え、か
つ有効硬化深さを深くするために必要である。このため
には、Ｍｎは０．３重量％以上添加する必要があるが、
多く添加すると焼入れ性が過大となるため靱性の低下、
被削性および冷間加工性が劣ってくるためＭｎの上限は
２．０重量％とした。

【００１９】Ｐ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．０５％
以下、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｖ：０．０１％以下Ｐ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖは、靱性を低下させるとともに、転
動体として用いた場合には疲労破壊を引き起こす有害元
素である。本発明では、特にこれらの元素を低位に規制
することが有効であることを知見した。すなわち、Ｐ、
Ｃｕ、ＮｂおよびＶ、それぞれの元素の上限を０．０１
５重量％、０．０５重量％、０．０１重量％、および
０．０１重量％とすることにより、優れた靱性と転動疲
労寿命を得ることができた。

【００２０】Ｔｉ：０．００１〜０．０１％Ｔｉは浸炭加熱時のオーステナイト結晶粒成長を抑制す
る元素である。この効果を発揮させるためには、Ｔｉは
０．００１重量％以上添加する必要があるが、多く添加
すると靱性および転動疲労寿命が低下してくるため、Ｔ
ｉの上限は０．０１重量％とした。

【００２１】Ｎ：０．００１〜０．００５％Ｎは上述のＴｉと化合し、ＴｉＮとして結晶粒を微細化
させる。このような効果を上げるには、本発明では０．
００１重量％以上のＮを含有する必要がある。一方、
０．００５重量％を越えて含有させると、Ｔｉ系の介在
物により靱性および転動疲労寿命が低下してくるため、
Ｎの上限は０．００５％とした。

【００２２】５）上記の転がり軸受において好ましく
は、内部硬度がＨＶ４５０以上ＨＶ５５０以下である。

【００２３】内部硬度は高過ぎると転動寿命に有効な表
層の圧縮応力が小さくなったり、また靭性が低下して割
れに敏感になったりし、低すぎると大きな荷重が作用し
たときに内部が塑性変形する危険がある。このため、内
部硬度には適当な値が存在するが、これについては本願
出願人のこれまでの転動寿命試験結果（特開昭６２−１
３２０３１号公報の知見に基づく）から、転動寿命に関
してはＨＲＣ４８〜５８（ＨＶ４８０〜６５０）が良い
ことがわかっている。この内部硬度に対して圧延機では
衝撃や大きな荷重が作用することを考慮し、内部が塑性
変形を起こさない程度まで硬度を下げて、靭性を確保す
ることとすると、内部硬度はＨＶ４５０以上５５０以下
であることが好ましい。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００２５】表１に、今回試験した開発鋼１１鋼種（Ａ
〜Ｋ）と比較鋼２鋼種（ＪＩＳのＳＮＣＭ８１５および
ＳＮＣＭ４２０）の化学成分を示す。開発鋼の化学成分
は、比較鋼２鋼種の化学成分の間で、主にＮｉとＣとを
変えた成分系であり、Ｎｉの低減による焼入れ性の低下
をＣで補っている。また、Ｃの増量による内部靱性の低
下を主に不純物元素の低位規制で補っている。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１中には化学成分から推定される臨界焼
入れ直径ＤＩを示したが、開発鋼はＳＮＣＭ８１５と同
等以上の焼入れ特性を示し、内部特性（組織、硬度）的
にはＳＮＣＭ８１５に近い材質にできることがわかる。

【００２８】表１に示す開発鋼および比較鋼について迅
速浸炭性評価と転動寿命、割れ強度に関する試験を行な
った。迅速浸炭性は直径２５ｍｍのころ状試験片に浸炭
時間を変えて浸炭し、評価した。転動寿命は、大型軸受
を想定したφ６０×Ｌ９０の大型円筒試験片と標準的な
φ１２円筒試験片とにより、これらの標準的な寿命試験
条件（表２、表３）で評価した。割れ強度は外径６０ｍ
ｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍのリングで評価した。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】これらの試験片は表１の各鋼に９６０℃で
保持時間を変えて浸炭し、表層硬度と内部硬度とを所定
の値にコントロールするように、７７０〜８２０℃から
の２次焼入れを行なって製作した。浸炭・拡散時の炭素
ポテンシャルは１．５〜１．２とした。

【００３２】図１と図２とは１６時間浸炭した後の各試
験片の断面硬度分布を示している。図１と図２とを参照
して、一般的に表層硬度とＨＲＣ５８（ＨＶ６５０）ま
での硬化深さとが軸受の転がり寿命に影響し、これらが
大きい方が長寿命になるが、開発鋼はいずれも表層（浸
炭部）硬度がＳＮＣＭ８１５より高く、ＨＲＣ５８（Ｈ
Ｖ６５０）までの深さが両比較鋼よりも深くなることが
判明した。また内部硬度はＳＮＣＭ８１５並およびそれ
よりもやや高く、ＳＮＣＭ４２０よりも高硬度であるこ
とが判明した。

【００３３】図３と図４とは各鋼の浸炭時間と浸炭深さ
（ＨＶ５５０深さ）との相関を示す図である。図３と図
４とを参照して、ＳＮＣＭ８１５やＳＮＣＭ４２０に比
べて、開発鋼は同じ浸炭時間でも深くまで浸炭深さが得
られやすいが、開発鋼のうち、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、
Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋの９鋼種が特に迅速浸炭性が大きいこと
が判明した。

【００３４】表４はＳＮＣＭ８１５を基準にした浸炭深
さの比を示すが、これら９つの開発鋼（Ｃ、Ｄ、Ｅ、
Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ）はいずれもＳＮＣＭ８１５の
１．３〜１．９倍の値であり、浸炭時間に換算して、約
６０〜３０％の時間で同じ浸炭硬化深さが得られること
になる。

【００３５】

【表４】

【００３６】すなわち、これらの結果より、開発鋼では
比較鋼よりも短い浸炭時間で比較鋼と同等の硬度分布を
得ることができ、比較鋼と浸炭時間を同じとすると比較
鋼よりも浸炭深さを深くすることができる。

【００３７】表５はこれらの各鋼製の試験片による転動
寿命を、表６は割れ（疲労および静的）強度を示す。こ
こで、各試験片の表層での硬度分布がほぼ同じになるよ
うに、浸炭時間を変えて評価した。すなわち、肉厚に対
するＨＶ６５０以上の高硬度深さの比を各試験片とも
０．１〜０．１５とし、内部硬度をＨＶ４６０〜５４０
にした。表５より開発鋼の中でも特にＣ〜Ｋの各鋼は比
較鋼に比べ、同等以上の寿命を示し、転動寿命面でも安
定していることが判明した。またこれらの鋼Ｃ〜Ｋは内
部硬度がＨＶ４９０以上であり、内部硬度が高い方が、
転動寿命や割れ強度に有利な傾向があることが判明し
た。

【００３８】すなわち、開発鋼は比較鋼よりも迅速浸炭
性が大きいため、開発鋼と比較鋼との表層の硬度分布が
同じとなるように浸炭すると開発鋼は比較鋼よりも内部
硬度が高くなり、それによって開発鋼の寿命が向上す
る。

【００３９】なお、表５中には各鋼製の試験片に浸炭窒
化を加えたデータも併せて示す。浸炭窒化によりさらに
寿命が向上するが、開発鋼の寿命向上率は比較鋼よりも
大きく、浸炭窒化にも適した鋼であることが判明した。
また表６の割れ強度でも、リング回転割れ疲労強度では
Ｃ〜Ｋの各鋼が強いことが判明した。リング静圧壊強度
では開発鋼とＳＮＣＭ８１５とでは強度差はほとんど見
られなかった。

【００４０】

【表５】

【００４１】

【表６】

【００４２】表７に浸炭（９６０℃×３４ｈ）後の内部
の靱性値を示す。特に、特定の不純物元素を低位に規定
したＧ〜Ｋ鋼は、比較鋼と同等以上の靱性を有すること
がわかる。

【００４３】

【表７】

【００４４】今回開示された実施例は全ての点で例示で
あって制限的なものではないと考えられるべきである。
本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲
によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範
囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の転がり軸受はＮｉ量を少なくした分だけＣ量を多くす
ることによって、素材コストを低減するとともに、表層
硬度の確保と浸炭深さの適切化による長寿命化または浸
炭時間の短縮を図ることができる。また浸炭時間の短縮
により生産性を向上でき、表層硬度の安定化、高硬度化
による長寿命化を図ることができ、内部硬度の適切化に
よる割れ強度の向上を図ることができ、かつ浸炭窒化と
の組合せによる長寿命・高強度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１６時間浸炭した後の各鋼Ａ〜Ｆの断面硬度分
布を示す図である。

【図２】１６時間浸炭した後の各鋼Ｇ〜Ｋの断面硬度分
布を示す図である。

【図３】浸炭時間を変化させた場合の各鋼Ａ〜ＦのＨＶ
５５０硬化深さの変化を示す図である。

【図４】浸炭時間を変化させた場合の各鋼Ｇ〜ＫのＨＶ
５５０硬化深さの変化を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｃ 33/62 Ｆ１６Ｃ 33/62 (72)発明者村上裕志三重県桑名市大字東方字尾弓田3066 エヌティエヌ株式会社内 (72)発明者前田喜久男三重県桑名市大字東方字尾弓田3066 エヌティエヌ株式会社内 (72)発明者厚見卓彌岡山県倉敷市水島川崎通１丁目川崎製鉄株式会社内 (72)発明者星野俊幸岡山県倉敷市水島川崎通１丁目川崎製鉄株式会社内 (72)発明者天野虔一岡山県倉敷市水島川崎通１丁目川崎製鉄株式会社内Ｆターム(参考） 3J101 BA10 BA70 DA02 EA02 FA15 FA44 GA36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軌道輪と転動体とを有する転がり軸受に
おいて、前記転動体の直径が２０ｍｍ以上であり、前記
軌道輪と前記転動体との少なくとも一方は、Ｃを０．２
重量％以上０．３５重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以
上３．６重量％以下含有し、かつ浸炭または浸炭窒化さ
れた鋼よりなる、転がり軸受。
【請求項２】Ｃｒを０．７重量％以上０．９重量％以
下、Ｍｏを０．２重量％以上０．２５重量％以下含有
し、Ｐを０．０１５重量％以下とする、請求項１に記載
の転がり軸受。
【請求項３】前記鋼はＣを０．２５重量％以上０．３
５重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以
下含有する、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項４】Ｃを０．２５重量％以上０．３０重量％
以下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下、Ｃｒ
を０．７重量％以上０．９重量％以下、Ｍｏを０．２重
量％以上０．２５重量％以下、Ｓｉを０．１５重量％以
上０．４重量％以下、Ｍｎを０．３重量％以上２．０重
量％以下、Ｔｉを０．００１重量％以上０．０１重量％
以下、Ｎを０．００１重量％以上０．００５重量％以下
含有し、Ｐを０．０１５重量％以下、Ｃｕを０．０５重
量％以下、Ｎｂを０．０１重量％以下、Ｖを０．０１重
量％以下とする、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項５】内部硬度がＨＶ４５０以上ＨＶ５５０以
下である、請求項１〜４のいずれかに記載の転がり軸
受。