JP2003226918A

JP2003226918A - 軸受部品、その熱処理方法および転がり軸受

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Publication number: JP2003226918A
Application number: JP2002194775A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Oki; 力大木
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2003-08-15
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP3905429B2

Abstract

(57)【要約】【課題】転動疲労に対して長寿命であり、かつ高い割
れ強度を有し、かつ経年寸法変化率の増大が抑制された
軸受部品、その熱処理方法および転がり軸受を提供す
る。【解決手段】軸受部品の鋼をＡ₁変態点を超える浸炭
窒化処理温度で浸炭窒化処理後、Ａ₁変態点未満の温度
に冷却した後、Ａ₁変態点以上で浸炭窒化処理の温度未
満の焼入れ温度に再加熱し、その後、焼入れを行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、減速機、ドライブ
ピニオン、トランスミッション用軸受などに用いられる
軸受部品、その熱処理方法および転がり軸受に関し、よ
り具体的には、転動疲労特性が長寿命で、かつ高度の耐
割れ強度や耐経年寸法変化を有する軸受部品、その熱処
理方法および転がり軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】軸受部品の転動疲労に対して長寿命を与
える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ＲＸガス
中に、さらにアンモニアガスを添加するなどして、その
軸受部品の表層部に浸炭窒化処理を施す方法がある（た
とえば特開平８−４７７４号公報、特開平１１−１０１
２４７号公報）。この浸炭窒化処理を用いることによ
り、表層部を硬化させ、さらにミクロ組織中に残留オー
ステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させること
ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
浸炭窒化処理方法は拡散処理のため、長時間高温に保持
する必要があるので、組織が粗大化する等して割れ強度
の向上を図ることは困難である。また、残留オーステナ
イトの増加による経年寸法変化率の増大も問題となる。

【０００４】一方、転動疲労に対して長寿命を確保し、
割れ強度を向上させ、経年寸法変化率の増大を防ぐに
は、鋼の合金設計によって行なうことが可能である。し
かし合金設計によると、原材料コストが高くなるなどの
問題点が発生する。

【０００５】今後の軸受部品には、使用環境の高荷重
化、高温化に伴い、従来よりも、大きな荷重条件でかつ
より高温で使用できる特性を備えることが要求される。
このため、転動疲労特性が長寿命で、高度の割れ強度と
寸法安定性とを有する軸受部品が必要になる。

【０００６】本発明は、転動疲労に対して長寿命であ
り、高度の割れ強度を有し、経年寸法変化率の増大が抑
制された軸受部品、その熱処理方法および転がり軸受を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の軸受部品の熱処
理方法は、軸受部品の熱処理方法であって、軸受部品用
の鋼をＡ₁変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化
処理した後、Ａ₁変態点未満の温度に冷却し、その後、
Ａ₁変態点以上で浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度
域に再加熱し、焼入れを行なう（請求項１）。

【０００８】この構成により、浸炭窒化処理後Ａ₁変態
点未満の温度に冷却した後に最終的な焼入れを行なうの
で、オーステナイト粒径を細かくすることができる。こ
の結果、シャルピー衝撃値、破壊靭性値、割れ強度、転
動疲労寿命などを向上させることができる。

【０００９】さらに、たとえばオーステナイトが変態す
る温度にまで冷却することにより、浸炭窒化処理の際の
オーステナイト粒界と最終焼入れの際のオーステナイト
粒界とを無関係にすることができる。さらに、最終焼入
れの際の加熱温度が浸炭窒化処理時の加熱温度よりも低
いので、浸炭窒化処理の効果が及ぶ表層部における未溶
解セメンタイト量は浸炭窒化処理のときよりも増大す
る。このため最終焼入れの加熱温度において、浸炭窒化
処理のときより、未溶解セメンタイト量の比率が増大
し、オーステナイト量の比率が低下する。しかも、鉄−
炭素２元状態図から、セメンタイトとオーステナイトと
の共存領域において、焼入れ温度の低下にともないオー
ステナイトに固溶する炭素濃度も低くなる。

【００１０】最終焼入れ温度に加熱したとき、オーステ
ナイト粒の成長を妨げる未溶解セメンタイト量が多いた
めに、オーステナイト粒は微細となる。また、焼入れに
よってオーステナイトからマルテンサイトやベイナイト
に変態した組織は炭素濃度が低いので、浸炭窒化処理温
度から焼き入れた組織に比べて靭性に富んだ組織とな
る。

【００１１】なお、軸受部品用の鋼とは、軸受部品に通
常用いられる鋼であって、普通焼入れなどの熱処理が適
用されて用いられる鋼である。

【００１２】上記本発明の軸受部品の熱処理方法では、
再加熱時の焼入れ温度域を、７９０℃〜８３０℃の温度
域とすることができる（請求項２）。

【００１３】この構成により、オーステナイト結晶粒の
成長が生じにくい温度に再加熱して焼入れするので、オ
ーステナイト粒径を細かくすることができる。

【００１４】本発明の軸受部品は、上記のいずれかの軸
受部品の熱処理方法が行われ、オーステナイト結晶粒径
を平均粒径で８μｍ以下とすることができる（請求項
３）。

【００１５】オーステナイト粒径を平均粒径で８μｍ以
下とすることにより、転動疲労強度のみならず、シャル
ピー衝撃値、破壊靭性値、圧壊強度などを向上させるこ
とができる。

【００１６】本発明の軸受部品は、軸受部品用の鋼から
なる軸受部品であって、浸炭窒化層を備え、焼入れ後の
ミクロ組織において、そのオーステナイト結晶粒が平均
粒径で８μｍ以下である（請求項４）。

【００１７】この構成により、高い転動疲労寿命を有し
た上で、いずれも優れた、シャルピー衝撃値、破壊靭性
値、圧壊強度などを確保することができる。

【００１８】本発明の軸受部品の鋼は、浸炭窒化処理さ
れた表層以外の部分で、少なくとも炭素を０．６〜１．
２重量％、ケイ素を０．１５〜１．１重量％、マンガン
を０．３〜１．５重量％含むことができる（請求項
５）。

【００１９】上記の構成において、炭素が１．２重量％
を超えると、球状化焼鈍を行なっても素材硬度が高いの
で冷間加工性を阻害し、冷間加工を行なう場合に十分な
冷間加工量と、加工精度を得ることができない。また、
浸炭窒化処理時に過浸炭組織になりやすく、割れ強度が
低下する危険性がある。他方、炭素含有量が０．６重量
％未満の場合には、所要の表面硬さと残留オーステナイ
ト量を確保するのに長時間を必要としたり、再加熱後の
焼入れで必要な内部硬さが得られにくくなる。

【００２０】Ｓｉ含有率を０．１５〜１．１重量％とす
るのは、Ｓｉが耐焼戻し軟化抵抗を高めて耐熱性を確保
し、異物混入潤滑下での転がり疲労寿命特性を改善する
ことができるからである。シリコン含有率が０．１５重
量％未満では異物混入潤滑下での転がり疲労寿命特性が
改善されず、一方、１．１重量％を超えると焼きならし
後の硬度を高くしすぎて冷間加工性を阻害する。

【００２１】Ｍｎは浸炭窒化層と芯部の焼入れ硬化能を
確保するのに有効である。Ｍｎ含有率が０．３重量％未
満では、十分な焼入れ硬化能を得ることができず、芯部
において十分な強度を確保することができない。一方、
Ｍｎ含有率が１．５重量％を超えると、硬化能が過大に
なりすぎ、焼きならし後の硬度が高くなり冷間加工性が
阻害される。また、オーステナイトを安定化しすぎて芯
部の残留オーステナイト量を過大にして経年寸法変化を
助長する。

【００２２】なお、本発明の鋼は、言うまでもなくＦｅ
を主成分とし、上記の元素の他に不可避的不純物を含ん
でいる。不可避的不純物としては、リン（Ｐ）、硫黄
（Ｓ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、アルミ（Ａｌ）など
がある。これらの不可避的不純物元素の量は、それぞれ
０．１重量％以下である。

【００２３】本発明の軸受部品の鋼は、さらに、２．０
重量％以下のクロムを含むことができる（請求項６）。

【００２４】上記のように、さらに、２．０重量％以下
のクロムを含むことにより、表層部においてクロムの炭
化物や窒化物を析出して表層部の硬度を向上しやすくな
る。Ｃｒ含有率を２．０重量％以下としたのは、２．０
重量％を超えると冷間加工性が著しく低下したり、２．
０重量％を超えて含有しても上記表層部の硬度向上の効
果が小さいからである。

【００２５】本発明の軸受部品は、転がり軸受における
軌道輪および転動体の少なくとも一方であるようにでき
る（請求項７）。

【００２６】この構成により、転動疲労寿命に優れ、高
い耐割れ性を有する軌道輪および／または転動体を得る
ことができる。

【００２７】本発明の転がり軸受は、上記のいずれかの
軸受部品を含むことができる（請求項８）。

【００２８】この構成により、疲労寿命に対する耐久性
に優れ、高い耐割れ性を有する転がり軸受を得ることが
できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に図面を用いて本発明の実施の
形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に
おける転がり軸受を示す概略断面図である。図１におい
て、この転がり軸受１０は、外輪１と、内輪２と、転動
体３とを主に有している。図面はラジアル軸受を表して
いるが、玉軸受、円すいころ軸受、ころ軸受、ニードル
ころ軸受も同様に本発明の実施の形態の対象になる。転
動体３は、外輪１と内輪２との間に配置された保持器に
より転動可能に支持されている。これらの外輪１、内輪
２および転動体３のうち少なくともいずれか一つの部材
は、浸炭窒化層を有する鋼から構成され、かつ浸炭窒化
層およびその内部の鋼のオーステナイト結晶粒度が平均
粒径で８μｍ以下である。

【００３０】図２は、本発明の実施の形態における熱処
理方法を説明する図であり、また、図３は、その変形例
を説明する図である。図２は１次焼入れおよび２次焼入
れを行なう方法を示す熱処理パターンであり、図３は焼
入れ途中で材料をＡ₁変態点温度未満に冷却し、その
後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パタ
ーンである。これらの図において、処理Ｔ1では鋼の素
地に炭素や窒素を拡散させまた炭素の溶け込みを十分に
行なった後、Ａ₁変態点未満に冷却する。次に、図中の
処理Ｔ2において、処理Ｔ1よりも低温に再加熱し、そこ
から油焼入れを施す。

【００３１】上記の熱処理を普通焼入れ、すなわち浸炭
窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、
表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年
寸法変化率を減少することができる。上記本発明の熱処
理方法によれば、オーステナイト結晶粒の粒径が従来の
２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。上
記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労に対して長寿
命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少
させることができる。

【００３２】

【実施例】図４は、軸受部品のミクロ組織、とくにオー
ステナイト粒を示す図である。図４(ａ)は本発明例の軸
受部品であり、図４（ｂ）は従来の軸受部品である。す
なわち、上記図２に示す熱処理パターンを適用した軸受
鋼のオーステナイト結晶粒度を図４（ａ）に示す。ま
た、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオー
ステナイト結晶粒度を図４（ｂ）に示す。また、図５
（ａ）および図５（ｂ）に、上記図４（ａ）および図４
（ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒度を示す。これ
らオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオー
ステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であ
り、また本発明による熱処理方法によれば１２番の細粒
を得ることができる。また、図４（ａ）の平均粒径は、
切片法で測定した結果、５．６μｍであった。また、焼
入れ温度を８３０℃とすると、平均粒径は８μｍ程度に
なる。

【００３３】次に、下記のＡ材、Ｂ材およびＣ材につい
て、一連の試験を行なった。熱処理用素材には、ＪＩＳ
規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ
−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ａ材
〜Ｃ材に共通とした。（Ａ材：比較例）：普通焼入れのみ（浸炭窒化処理せ
ず）。（Ｂ材：比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼き入れ
る（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理温度８４５
℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、Ｒ
Ｘガス＋アンモニアガスとした。（Ｃ材：本発明例）：図３の熱処理パターンを施した軸
受鋼。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分
間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガ
スとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。

【００３４】（１）転動疲労寿命転動疲労寿命試験の試験条件および試験装置の略図を、
表１および図６に示す。図６(ａ)は転動疲労寿命試験装
置の正面図であり、図６(ｂ)は側面図である。駆動ロー
ル１１によって回転駆動される転動疲労寿命試験片１
は、案内ロール１３に支持された（３／４）”ボール１
３と接触し、面圧を発生させる。所定の面圧の下で、転
動させ、転動疲労寿命試験片１に損傷が発生するまでの
転動回数を調べる。この転動疲労寿命試験結果を表２に
示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】表２によれば、比較例のＢ材は、同じく比
較例で普通焼入れのみを施したＡ材のＬ10寿命（試験片
１０個中１個が破損する寿命）の３.１倍を示し、浸炭
窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対
して、本発明例のＣ材は、Ｂ材の１．７４倍、またＡ材
の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミ
クロ組織の微細化によるものと考えられる。

【００３８】（２）シャルピー衝撃試験シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、ＪＩ
ＳＺ２２４２に準じた方法により行なった。試験片に
は、ＪＩＳＺ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩ
Ｓ３号試験片）を用いた。試験結果を表３に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】浸炭窒化処理を行なったＢ材（比較例）の
シャルピー衝撃値は、普通焼入れのＡ材（比較例）より
高くないが、Ｃ材はＡ材と同等の値が得られた。

【００４１】（３）静的破壊靭性値の試験図７は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。こ
の試験片のノッチ部に、予き裂を約１ｍｍ導入した後
に、３点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Ｐを求め
た。破壊靭性値（Ｋ_Ic値）の算出には次に示す（Ｉ）式
を用いた。また、試験結果を表４に示す。Ｋ_Ic＝（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）

【００４２】

【表４】

【００４３】予き亀裂深さが浸炭窒化層深さよりも大き
くなったため、比較例のＡ材とＢ材とには違いはない。
しかし、本発明例のＣ材は比較例に対して約１．２倍の
値を得ることができた。

【００４４】（４）静圧壊強度試験図８は、静圧壊強度試験の試験片を示す図である。図
中、Ｐ方向に荷重を付加して、静圧壊強度試験を行なっ
た。試験結果を表５に示す。

【００４５】

【表５】

【００４６】浸炭窒化処理を行なっているＢ材は普通焼
入れのＡ材よりもやや低い値である。しかしながら、本
発明のＣ材は、Ｂ材よりも静圧壊強度が向上し、Ａ材と
遜色ないレベルが得られている。

【００４７】（５）経年寸法変化率保持温度１３０℃、保持時間５００時間における経年寸
法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト
量（０．１ｍｍ深さ）と併せて表６に示す。

【００４８】

【表６】

【００４９】残留オーステナイト量の多いＢ材の寸法変
化率に比べて、本発明例のＣ材は２分の１以下に抑制さ
れていることがわかる。

【００５０】（６）異物混入潤滑下における寿命試験玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異
物混入潤滑下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を
表７に、また試験結果を表８に示す。

【００５１】

【表７】

【００５２】

【表８】

【００５３】Ａ材に比べ、従来の浸炭窒化処理を施した
Ｂ材は約２．５倍になり、また、本発明例のＣ材は約
２．３倍の長寿命が得られた。本発明例のＣ材は、比較
例のＢ材に比べて残留オーステナイトが少ないものの、
窒素の侵入と微細化されたミクロ組織の影響でほぼ同等
の長寿命が得られている。

【００５４】上記の結果より、本発明例のＣ材、すなわ
ち本発明の熱処理方法によって製造された軸受部品は、
従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長
寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項
目を同時に満足することができることがわかった。

【００５５】今回開示された実施の形態はすべての点で
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における転がり軸受を示
す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態における熱処理方法を説
明する図である。

【図３】本発明の実施の形態における熱処理方法の変
形例を説明する図である。

【図４】軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイ
ト粒を示す図である。(ａ)は本発明例の軸受部品であ
り、（ｂ）は従来の軸受部品である。

【図５】（ａ）は図４（ａ）を図解したオーステナイ
ト粒界を示し、（ｂ）は図４（ｂ）を図解したオーステ
ナイト粒界を示す。

【図６】転動疲労寿命試験機の概略図である。(ａ)は
正面図であり、(ｂ)は側面図である。

【図７】静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。

【図８】静圧壊強度試験の試験片を示す図である。

【符号の説明】

１外輪、２内輪、３転動体、１０転がり軸受、
１１駆動ロール、１２案内ロール、１３（3/
4）”ボール、２１転動疲労寿命試験片、Ｔ1 浸炭窒
化処理温度、Ｔ2 焼入れ加熱温度。

───────────────────────────────────────────────────── 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 33/32 Ｆ１６Ｃ 33/32 33/34 33/34 33/62 33/62 33/64 33/64 Ｆターム(参考） 3J101 AA02 AA12 AA32 AA42 AA52 AA62 BA10 BA70 DA02 DA03 EA03 FA35 FA44 GA11 4K028 AA03 AB01 AC01 4K042 AA22 BA01 BA02 BA04 CA06 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受部品の熱処理方法であって、軸受部
品用の鋼をＡ₁変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭
窒化処理した後、Ａ₁変態点未満の温度に冷却し、その
後、前記Ａ₁変態点以上で前記浸炭窒化処理の温度未満
の焼入れ温度域に再加熱し、焼入れを行なう、軸受部品
の熱処理方法。
【請求項２】前記焼入れ温度域が７９０℃〜８３０℃
の温度域である、請求項１に記載の軸受部品の熱処理方
法。
【請求項３】前記請求項１または２に記載の軸受部品
の熱処理方法が行われ、オーステナイト結晶粒径が平均
粒径で８μｍ以下である、軸受部品。
【請求項４】軸受部品用の鋼からなる軸受部品であっ
て、浸炭窒化層を備え、焼入れ後のミクロ組織におい
て、そのオーステナイト結晶粒が平均粒径で８μｍ以下
である、軸受部品。
【請求項５】前記軸受部品の鋼が、浸炭窒化処理され
た表層以外の部分で、少なくとも炭素を０．６〜１．２
重量％、ケイ素を０．１５〜１．１重量％、マンガンを
０．３〜１．５重量％含む、請求項３または４に記載の
軸受部品。
【請求項６】前記軸受部品の鋼が、さらに、２．０重
量％以下のクロムを含む、請求項５に記載の軸受部品。
【請求項７】前記軸受部品が、転がり軸受における軌
道輪および転動体の少なくとも一方である、請求項３〜
６のいずれかに記載の軸受部品。
【請求項８】前記請求項３〜７のいずれかの軸受部品
を含む、転がり軸受。