JP2000226641A

JP2000226641A - 転動装置

Info

Publication number: JP2000226641A
Application number: JP2927499A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tanaka; 進田中
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2000-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】耐食性や疲労寿命に優れた転動装置を提供す
る。【解決手段】ステンレス鋼材に対して、耐食性に悪影響
を与えると共に含有量が多い場合には粗大共晶炭化物を
形成して機能を低下させる成分である炭素を、同程度の
固溶強化作用のある窒素で一部置換して、炭素濃度を一
定の範囲内に規制することにより、粗大な共晶炭化物の
形成を抑制して、結晶粒径を２０μｍ以下に制御するこ
とにより、更に耐食性や転動寿命等の機能を高める。ま
た、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗの少なくとも１種類以上を０．０５
重量％添加することにより、更にその効果を強め、長寿
命化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステンレス製の転
がり軸受、直動軸受、ボールネジ等の転動装置に関する
ものであり、特に構成部品の材料組成を改善して、高機
能化を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、例えば転がり軸受の材料として
は、軸受鋼であれば日本工業規格のＳＵＪ２が、ステン
レス鋼であれば日本工業規格のＳＵＳ４４０Ｃ或いは
０．７Ｃ−１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼
が使用されている。例えば、転がり軸受は高面圧下で繰
り返し剪断応力を受けて用いられるため、その剪断応力
に耐えて転がり疲労寿命を確保できるように、前記軸受
鋼は焼入・焼戻し、ステンレス鋼は焼入・サブゼロ処理
・焼戻しが施され、ＨＲＣ５８〜６４の硬度とされてい
る。

【０００３】転がり軸受の使用環境は多種多様であり、
ＳＵＪ２等の一般の軸受鋼を用いたのでは、腐食環境下
で使用された場合に早期に発錆して使用不能となること
がある。そこで、特に発錆を避ける必要がある場合に
は、耐食性に優れると共に軸受に必要な硬度ＨＲＣ５８
以上を有する高Ｃｒ系ステンレス軸受鋼としてマルテン
サイト系のＳＵＳ４４０Ｃや０．７Ｃ−１３Ｃｒ系のス
テンレス鋼などが使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな高炭素Ｃｒステンレス鋼においては、炭素とＣｒの
含有量が多いことに起因して、１０μｍを遙かに超える
ような粗大な共晶炭化物を多数含み、これらが応力集中
源となって疲労寿命を低下させ、更には靱性、耐食性等
の劣化をも招くという問題があった。

【０００５】本発明は前記諸問題を解決すべく開発され
たものであり、共晶炭化物を粗大化しないで、硬度、耐
食性、寿命向上が可能な転動装置を提供することを目的
とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、既に特
開平９−２８７０５３号公報に記載されるように、共晶
炭化物を粗大化しないＣ、Ｃｒ含有量の関係を見出し、
更に窒素を添加することにより、硬度、耐食性、寿命な
どの向上を可能とする転動装置を開発している。この発
明は、長寿命化と耐食性向上の原因が、炭素の低減化に
よる炭化物微細化効果並びに耐食性向上元素である窒素
の付加によるものであるとしていた。しかしながら、本
願発明者らが、更に鋭意研究を行い、未固溶炭化物量を
制御したり、或いはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ等の元素を微量添加
したりすることによって、平均結晶粒径１５μｍ以下を
達成すると、疲労寿命だけでなく、耐食性も更に向上で
きることを見出した。

【０００７】而して、本発明に係る転動装置は、軸体又
は内輪及び外輪及び複数の転動体を備えた転動装置にお
いて、前記構成部品の少なくとも一つが、重量％で、
Ｃ；０．６％以下、Ｃｒ；１０％以上２０％以下、Ｍ
ｎ；０．１％以上０．８％以下、Ｓｉ；０．１％以上
１．０％以下，Ｎ；０．０５％以上０．２％未満、Ｍ
ｏ；３．０％以下、Ｖ；１．０％以下、Ｃｏ；７％以
下、残部Ｆｅ及び不可避成分を含有し、且つＣとＣｒの
含有量の関係がＣ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１を満
足し、且つＣとＮの和Ｃ＋Ｎ≧０．４５を満足するマル
テンサイト系ステンレス鋼で構成されており、且つその
平均結晶粒径が２０μｍ以下であることを特徴とするも
のである。

【０００８】また、前記ステンレス鋼において、Ｔｉ、
Ｎｂ、Ｗの少なくとも一種以上を、０．０５〜０．５重
量％添加する。また、前記発明のステンレス鋼成分の限
定理由は以下の通りである。［Ｃ；含有量］Ｃは、基地をマルテンサイト化すること
により、焼入・焼戻後の硬さを向上させて強度を増加さ
せる元素であるが、耐食性の面からは少ないほどよい。
多量に加えると、製鋼時にＣｒが粗大な共晶炭化物を形
成する。その結果、基地中のＣｒ濃度が不足して十分な
耐食性が得られなくなるだけでなく、疲労寿命、靱性、
加工性を低下させる。従って、炭素含有量が０．６重量
％以下とした。但し、耐食性、加工性の観点からは０．
５重量％未満、更に望ましくは０．４５重量％未満とす
る。［Ｃｒ；含有量］Ｃｒは、鋼に耐食性を与える最も重要
な元素であるが、１０．０重量％に満たないと良好な耐
食性が得られない。また、Ｃｒ含有量が増加すると、耐
食性は向上するが、必要以上に添加するとδフェライト
や共晶炭化物が生成し易くなり、靱性又は疲労寿命を低
下させ、更に加工性も劣化するので、２０重量％以下と
した。更に好ましくは、１１．５重量％以上１６．５重
量％以下とする。［Ｍｎ；含有量］Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤として必要な
元素で０．１重量％以上添加されるが、多量に添加する
と冷間加工性、被削性が低下するだけでなく、Ｓ、Ｐ等
の不純物と共存して耐食性を低下させ、また場合によっ
ては残留オーステナイト量が増加して十分な焼入硬さが
得られなくなることがあるので、０．８重量％以下、好
ましくは０．５重量％以下とする。［Ｓｉ；含有量］ＳｉはＭｎと同じく、製鋼時の脱酸剤
として０．１重量％以上必要である。更に、焼戻軟化抵
抗性を高め、転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素
であるが、多量に添加すると靱性、冷間加工性を低下さ
せるので１．０重量％以下とする。［Ｎ；含有量］ＮはＣと同様に、マルテンサイトを強化
して耐食性、耐摩耗性を向上させる作用があり、更に粗
大な共晶炭化物の形成を抑制する作用もあるために０．
０５重量％以上添加する。また、一般に通常の大気圧条
件下での製鋼家庭では溶鋼及び初晶フェライト中の窒素
溶解度が小さいため、本願発明鋼の成分においては０．
２重量％以上の窒素を添加することは非常に困難で、更
に多量の窒素を添加しようとすると、凝固過程で気泡が
生じてインゴット内に多量の気孔が導入され、素材の健
全性が損なわれるため、本願発明では窒素の含有量は
０．０５重量％以上０．２重量％未満とした。［Ｍｏ；含有量］Ｍｏは焼入性及び焼戻軟化抵抗性を著
しく増大させる作用がある。更に耐食性にも有効に作用
する。しかし、過剰に添加すると靱性だけでなく、焼鈍
後の硬さが高くなり、その結果、冷汗加工性及び被削性
が低下し、素材コストだけでなく、軸受の製造コストが
高くなるの３．０重量％以下とした。［Ｖ；含有量］Ｖは、強力な炭化物・窒化物生成元素で
あり、基地の中に微細に析出して析出強化に寄与する。
特に、高温で焼戻した場合には２次硬化に作用し、高温
硬さを高める作用がある。そのため、選択的に１．０重
量％まで添加されるが、１．０重量％を超えて多量に添
加されると凝固過程で炭化物が粗大化したり、被削性等
の加工性を著しく低下させる。［Ｃｏ；含有量］ＣｏもＮｉと同様に、オーステナイト
安定化元素であり、δフェライトの生成を抑え、更に基
地を固溶強化し、高温硬さを向上させる作用がある。逆
に多量に添加すると加工性が低下するし、素材コストが
著しくアップするので、上限を７．０重量％とした。［Ｃ＋Ｎ；含有量］焼入・焼戻後にＨＲＣ５８以上の表
面硬度と十分な耐摩耗性を得るためにはＣ＋Ｎが０．４
５重量％以上必要である。また、炭素濃度の上限をＣ％
≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１に限定しないと、例えば
２０μｍを超える粗大な共晶炭化物が生成して、音響特
性、疲労寿命、靱性などを低下させる。［平均結晶粒径］結晶粒が粗大化すると、転がり寿命が
低下するだけでなく、粒界体積が減少して、粒界におけ
るＰ等の偏析を促進させて耐食性の低下を招く。好まし
い結果を得るためには、結晶粒を２０μｍ以下、好まし
くは１０μｍ以下とする。具体的には、ピンニング効果
に寄与する未固溶炭化物の大きさや量を制御することで
達成される。また、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗの少なくとも１種以
上を０．０５〜０．５重量％以上添加することによって
も、これらが微細な炭化物或いは炭窒化物として、同様
の効果を示し、更に未固溶炭化物を利用する場合に比較
して、マトリックスのＣｒ濃度を確保できるため、耐食
的に好ましい。但し、必要以上に添加しても、その効果
は飽和し、コストアップにつながるため、その上限を
０．５％とした。また、Ｐは粒界に偏析し易く、ＳはＭ
ｎＳとして存在し易く、どちらも耐食性に影響を及ぼす
ので、できる限り少ない方がよく、好ましくはそれぞ
れ、２００ｐｐｍ以下とする。更に、酸素（Ｏ）は鋼中
のＡｌと結合してＢ系介在物となって疲労寿命を低下さ
せるため、できるだけ少ない方が好ましく、好ましくは
２０ｐｐｍとした。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本実施形態の深溝玉軸受の断面図で
ある。この玉軸受は、複数の転動体（ボール）３と、そ
れよりも内方に位置する内輪１と、それよりも外方に位
置する外輪２とからなり、転動体３は内輪１と外輪２と
の間に保持されながら、転がり案内される。このとき、
内輪１及び外輪２には、転動体３を案内するための転動
溝が設けられており、転動体３は、前記転動溝において
保持器４によって等配に保持されている。

【００１０】次に、前述のような玉軸受に用いる本実施
形態の実施例及び比較例の合金成分を表１に示す。な
お、表中のは前記Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１
の右辺を、はＣ＋Ｎの値を示している。表中には、積
極的に添加した成分のみを記載しており、不可避的に含
有される成分については割愛している。また、熱処理は
次の条件とした。即ち、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗを添加したもの
については、まず１２００〜１３５０℃×１時間溶体化
処理後水冷し、その後、９００〜９５０℃に１時間保持
して微細なＴｉ、Ｎｂ、Ｗの炭化物・炭窒化物等を析出
させ、更に９５０〜１１００℃のある一定の温度で焼入
れを行うことで、未固溶炭化物及び析出物の形態を制御
し、結晶粒径を変化させ、引き続いて−７０〜−９０℃
×１時間のサブゼロ処理を行い、最終的に１６０℃で
１．５時間の焼戻しを施した。なお、Ａ−８及びＡ−９
については、焼戻温度を４５０℃とし、１．５時間の焼
戻しを施した。一方、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗを添加しないもの
については、９５０〜１１００℃のある一定の温度で焼
入れを行うことで未固溶炭化物の形態を制御し、結晶粒
径を変化させ、更に引き続いて−７０〜−９０℃×１時
間のサブゼロ処理を行い、最終的に１６０℃で１．５時
間の焼戻しを施した。

【００１１】

【表１】

【００１２】この表から明らかなように、実施例Ａ−１
〜Ａ−９は、前記本願発明の構成要件を全て満足してい
る。これに対して、比較例Ｂ−１〜Ｂ−３はＣ濃度及び
Ｎ濃度が本願発明の構成要件を満足しておらず、更にＢ
−１及びＢ−３は、前記Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．
４１の要件を満足していない。また、Ｂ−４はＣ＋Ｎ≧
０．４５重量％の要件を満足していない。また、Ｂ−５
はＣｒ濃度の要件を満足していない。

【００１３】次に、前記各実施例及び比較例のステンレ
ス鋼を用いて、実施例１〜９及び比較例１〜７の前記深
溝玉軸受の作成し、それらの玉軸受の熱処理品質及び寿
命試験、耐食性試験の結果を表２に示す。なお、寿命試
験、耐食性試験の条件は以下の通りである。［寿命試験］試験軸受：深溝玉軸受６２０６荷重：Ｆｒ９００ｋｇｆ回転数：３９００ｒｐｍ潤滑：ＶＧ６８サンプル数ｎ＝１０を評価して、ワイブルプロットを行
い、Ｌ１０寿命を算出した。［耐食性評価試験］ＪＩＳＺ２３７１に準拠した塩
水噴霧試験方法により実施した。詳細は以下の通りであ
る。

【００１４】塩水噴霧試験方法試験溶液：５％ＮａＣｌｓｏｌ．温度：３５℃ 試験時間：５０時間評価基準：発錆なしを○、やや発錆が見られたものを
△、著しく発錆が見られたものを×とした。

【００１５】また、熱処理品質は、ＨＲＣ硬さと結晶粒
径とで表し、結晶粒径は倍率１０００倍で０．０３ｍｍ
³観察し、画像解析により平均結晶粒径を算出した。

【００１６】

【表２】

【００１７】この表より明らかなように、本実施形態の
各実施例では、全て焼入硬さＨＲＣ５８以上を満足し、
且つ平均結晶粒径が２０μｍ以下であり、非常に長寿
命、高耐食である。特に、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗの少なくとも
１種類以上を０．０５重量％≧添加したものについて
は、それらの析出物によるピンニング効果によって、結
晶粒は更に細かくなる傾向にあり、幾分長寿命である。

【００１８】これに対して、比較例１、３は前記Ｃ％≦
−０．０５Ｃｒ％＋１．４１の要件を満足していない例
であり、粗大な共晶炭化物を含んでいるため、それを起
点とした剥離が発生し、短寿命となった。また、耐食性
も不十分である。また、比較例２は、前記Ｃ％≦−０．
０５Ｃｒ％＋１．４１の要件は満足しているが、比較例
１、３と共通して、やはりＣ濃度が高いことに起因して
十分な耐食性が得られない。また、比較例４はＣ＋Ｎ≧
０．４５％を満足していない例であり、硬さが不十分
で、且つ結晶粒径も粗大化して、十分な寿命が得られな
い。また、比較例５はＣｒが不足して十分な耐食性が得
られない。また、比較例６、７は実施例１、２の熱処理
条件を変えて評価した場合の例であるが、結晶粒径がや
や粗大化しており、実施例１、２に比較して寿命と耐食
性が低下している。

【００１９】なお、このようなステンレス鋼は、玉軸受
だけでなく、その他の転がり軸受、直動軸受、ボールネ
ジ等に広く適用可能である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の転動装置
によれば、その構成材料であるステンレス鋼材に対し
て、耐食性に悪影響を与えると共に含有量が多い場合に
は粗大共晶炭化物を形成して機能を低下させる成分であ
る炭素を、同程度の固溶強化作用のある窒素で一部置換
して、炭素濃度を一定の範囲内に規制することにより、
粗大な共晶炭化物の形成を抑制して、結晶粒径を２０μ
ｍ以下に制御することにより、更に耐食性や転動寿命等
の機能を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転動装置の一実施形態である玉軸受を
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１は内輪２は外輪３は転動体４は保持器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸体又は内輪及び外輪及び複数の転動体
を備えた転動装置において、前記構成部品の少なくとも
一つが、重量％で、Ｃ；０．６％以下、Ｃｒ；１０％以
上２０％以下、Ｍｎ；０．１％以上０．８％以下、Ｓ
ｉ；０．１％以上１．０％以下，Ｎ；０．０５％以上
０．２％未満、Ｍｏ；３．０％以下、Ｖ；１．０％以
下、Ｃｏ；７％以下、残部Ｆｅ及び不可避成分を含有
し、且つＣとＣｒの含有量の関係がＣ％≦−０．０５Ｃ
ｒ％＋１．４１を満足し、且つＣとＮの和Ｃ＋Ｎ≧０．
４５を満足するマルテンサイト系ステンレス鋼で構成さ
れており、且つその平均結晶粒径が２０μｍ以下である
ことを特徴とする転動装置。