JP2003301849A - 針状ころ軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エアコン用コンプレッサ等のような希薄な潤
滑環境下で使用されても長寿命な針状ころ軸受を提供す
る。 【解決手段】 軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面２
ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａの間に転動自
在に配設された複数の針状ころ３と、を備える針状ころ
軸受において、両軌道面１ａ，２ａを、窒素濃度が０．
１質量％以上である合金鋼で構成し、針状ころ３を、ク
ロムの含有量が８〜１８質量％で、炭素及び窒素の合計
の含有量が０．５〜１．２質量％である合金鋼で構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は針状ころ軸受に係
り、特に、エアコンディショナー（以降はエアコンと記
す）用コンプレッサ等のような希薄な潤滑環境下で使用
されても長寿命な針状ころ軸受に関する。 【０００２】 【従来の技術】エアコン用コンプレッサ等においては、
地球温暖化防止等の環境保護の観点から、ＨＣＦＣ１３
４ａ等の代替フロンが冷媒として使用されている。この
代替フロンは、従来のＣＦＣ１２（クロロフルオロカー
ボン）等と比較して自己潤滑性が乏しいため、ポリアル
キレングリコール（ＰＡＧ）が潤滑油として添加されて
いる。 【０００３】しかしながら、冷媒中の潤滑油量を多くす
ると冷却性能が低下するので、ＰＡＧは極微量しか添加
することはできない。このため、コンプレッサに使用さ
れる軸受は希薄な潤滑環境で駆動されることになるの
で、摩耗や表面疲労型の剥離が発生するおそれがある。
潤滑油の種類を変えて潤滑性能を向上させることも考え
られるが、冷媒との相溶性を考慮すると選択肢は限定さ
れる。また、冷却性能を考慮すると、潤滑油の量を増や
すことも困難である。 【０００４】このような背景から、内輪，外輪，及び転
動体の少なくとも一つに浸炭窒化処理を施して潤滑性を
向上させた転がり軸受が、特開平８−１６６０１４号公
報に開示されている。また、特開平１１−６５２１号公
報に記載の浸硫処理を適用することが検討されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】近年、自動車の低燃費
化の要求がますます強まっており、エアコンの高効率化
の要求も強まっている。そのため、コンプレッサの圧力
上昇に伴って軸受に負荷される荷重が増大したり、発熱
による温度の上昇が生じたりする。また、エアコン用コ
ンプレッサの使用環境は、周囲の温度が高くなるなど年
々悪化してきているので、潤滑条件も厳しくなってい
る。 【０００６】その結果、エアコン用コンプレッサに使用
される針状ころ軸受には差動滑りによる摩耗が生じやす
くなり、摩耗の少ない純転がり部に応力が集中して剥離
につながり、寿命が不十分となるという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような従来の針状ころ軸受が
有する問題点を解決し、エアコン用コンプレッサ等のよ
うな希薄な潤滑環境下で使用されても長寿命な針状ころ
軸受を提供することを課題とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発
明の針状ころ軸受は、外周面に軌道面を有する内輪又は
軸と、内周面に軌道面を有する外輪と、前記両軌道面の
間に転動自在に配設された複数の針状ころと、を備える
針状ころ軸受において、前記両軌道面の少なくとも一方
は、窒素濃度が０．１質量％以上である合金鋼で構成さ
れており、前記針状ころは、クロムの含有量が８〜１８
質量％で、炭素及び窒素の合計の含有量が０．５〜１．
２質量％である合金鋼で構成されていることを特徴とす
る。 【０００８】針状ころ軸受の長寿命化のためには、損傷
の根本原因である摩耗を抑制することが重要であり、耐
摩耗性を向上させるためには鋼にクロムを多量に含有さ
せることが有効である。本発明者らが鋭意検討した結
果、クロムを多量に含有させると鋼の表面に強固な酸化
膜（不動態膜）が形成されるため、金属接触による相手
材との凝着が弱まり相手材の摩耗を抑える効果が得られ
ることが分かった。そして、この効果は、相手材の表面
の窒素濃度が０．１質量％以上である場合に顕著である
ことが分かった。 【０００９】このような効果を利用することを目的とし
て、クロムを多量に含有する合金鋼で針状ころ軸受の内
輪及び外輪を構成すると、例えばスラスト形の針状ころ
軸受の場合は、板材を製造しプレス成形する必要がある
ので、製造コストが高くなってしまうという問題が生じ
る。しかし、クロムを多量に含有する合金鋼で針状ころ
を構成すれば、針状ころは単純な形状であるので加工に
おいて大きな問題はない。そして、従来行っていた浸炭
窒化処理や表面処理等が省略できるので、製造コストの
上昇を最小限に抑えることができる。 【００１０】以下に、本発明の針状ころ軸受における前
記各数値の臨界的意義について説明する。 〔針状ころを構成する合金鋼のクロムの含有量：８〜１
８質量％〕クロムは焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向
上させるのに有効な元素であり、基地を強化して転動疲
労寿命を向上させる。また、微細で高硬度な炭化物を形
成して耐摩耗性を向上させる働きも有する。さらに、強
固で安定な酸化物層である不動態膜を表面に形成して耐
食性を向上させると同時に、相手材との凝着力を低減す
ることから、相手材の摩耗を低減する効果がある。この
ような効果を十分に発揮させるためには、クロムの含有
量は８質量％以上とする必要がある。しかし、多量に添
加しても上記効果が飽和してしまうばかりか、粗大な炭
化物が形成され加工性が低下しコストの上昇を招くの
で、クロムの含有量は１８質量％以下とする必要があ
る。 【００１１】〔針状ころを構成する合金鋼の炭素及び窒
素の合計の含有量：０．５〜１．２質量％〕転動疲労寿
命を確保するために必要なビッカース硬さＨｖ６５０以
上の表面硬さを得るためには、焼入れ時のマルテンサイ
ト変態に必要な侵入型元素である炭素及び／又は窒素を
合計で０．５質量％以上含有させる必要がある。しかし
ながら、あまり多量に含有させると、粒径２０μｍを超
える粗大な共晶炭化物が生成して転動疲労寿命が低下す
るおそれがあるため、炭素及び窒素の合計の含有量は
１．２質量％を上限とする必要がある。ただし、粗大な
共晶炭化物の析出を防止するためには、炭素及び窒素の
合計の含有量は０．７質量％を上限とすることがより好
ましい。 【００１２】また、炭化物の粒径は、熱処理生産性の点
から平均値で３μｍ以下とすることが好ましく、１．５
μｍ以下とすることがより好ましい。さらに、窒素は粗
大な炭化物の析出を防止するのに有効な元素であり、積
極的に添加することが好ましいが、０．２質量％を超え
ると製鋼時にブローホールと呼ばれる欠陥の発生を防止
するための加圧が必要となり、コストが非常に高くな
る。よって、窒素の含有量は０．２質量％以下とするこ
とが好ましい。上記のような問題がより生じにくくする
ためには、窒素の含有量は０．１〜０．１５質量％とす
ることがより好ましい。したがって、炭素の好ましい含
有量の下限値は０．３５質量％となる。 【００１３】さらに、針状ころを構成する合金鋼には、
他の合金元素を含有させてもよい。例えば、ケイ素は製
鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、さらに、焼戻し
軟化抵抗性を向上させて高温における寿命を向上させる
効果があるので、０．１５質量％以上含有させることが
好ましい。ただし、多量に含有させても寿命向上効果が
飽和するばかりでなく、鋼の被削性が低下してコストの
上昇を招くため、１．５質量％以下とすることが好まし
い。 【００１４】また、マンガンは製鋼時の脱酸剤として必
要な元素であり、さらに、焼入れ性の向上に有効である
ので、０．１５質量％以上含有させることが好ましい。
ただし、あまり多量に含有させると非金属介在物が多く
なってかえって寿命が低下するおそれがあり、また、鋼
の鍛造性，被削性等の機械加工性が低下するため、１．
５質量％以下とすることが好ましい。 【００１５】さらに、耐摩耗性の向上に有効なモリブデ
ン，バナジウム，タングステンはコストが許す限り添加
することができる。その他、リン，イオウ，ニッケル，
銅，チタン，酸素等の不可避の不純物元素を含有する場
合があるが、転動疲労寿命に有害な酸化物系の非金属介
在物を低減するためには、酸素の含有量は１５ｐｐｍ以
下とすることが好ましく、１０ｐｐｍ以下とすることが
さらに好ましい。 【００１６】〔軌道面を構成する合金鋼の窒素濃度：
０．１質量％以上〕前述したように、窒素は、転がり軸
受として必要な硬さを得るために有効な元素である。ま
た、焼戻し軟化抵抗性を向上させ、高温における硬さを
向上させる効果も有するため、耐熱性及び耐摩耗性の向
上に有効な元素である。相手材（針状ころ）に高クロム
鋼を用いた場合、軌道面を構成する合金鋼の窒素濃度を
０．１質量％以上とすると、耐摩耗性の向上効果が著し
い。 【００１７】スラスト形の針状ころ軸受の場合は、軌道
輪はＳＰＣＣ等の板材をプレス成形する必要があるの
で、プレス成形後に浸炭窒化処理することにより窒素を
添加する。このとき、転がり軸受として必要な転動疲労
寿命を確保するために必要なビッカース硬さＨｖ６５０
以上の表面硬さを得るためには、炭素及び窒素の合計の
含有量が０．５質量％以上となるように浸炭窒化処理を
施す必要がある。しかしながら、あまり多量に添加する
と、粗大な共晶炭化物が生成して転動疲労寿命が低下す
るおそれがあるため、炭素及び窒素の合計の含有量は
１．２質量％を上限とする必要がある。 【００１８】なお、軌道輪の素材はＳＰＣＣに限定され
るものではなく、軌道面を構成する合金鋼の窒素濃度が
０．１質量％以上であれば、他の素材であっても差し支
えない。また、十分な寿命を確保するためには、軌道面
の表面から０．０２ｍｍの深さまでの部分の窒素濃度を
０．１質量％以上とすることが好ましい。 【００１９】 【発明の実施の形態】本発明に係る針状ころ軸受の実施
の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、
表１に示すような組成を有する種々の鋼について、耐摩
耗性を評価した。なお、鋼種Ｈは、ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２
である。 【００２０】 【表１】【００２１】耐摩耗性の評価は、図１に示すような二円
筒式の摩耗試験により行った。すなわち、２つのリング
状の試験片をそれぞれ別々の軸に装着し、上方から荷重
を負荷しながら２つの試験片を互いに接触状態で逆方向
に回転させて、両試験片の摩耗量の平均値を求めた。試
験条件は以下の通りである。 【００２２】荷重（面圧）：１８００ＭＰａ 回転速度 ：１０ｍｉｎ^-1 滑り率 ：１０％ 潤滑剤 ：ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ） 試験時間 ：２０時間 試験温度 ：室温 試験片は、鋼材を所定の寸法に旋削加工した後に、８２
０〜１０５０℃で焼入れを行い、続いて１６０〜２００
℃で焼戻しを行ってから、さらに仕上げ研削を行うこと
により製造した。 【００２３】摩耗試験の結果を表１に併せて示す。な
お、表１中の摩耗量は、ＳＵＪ２である鋼種Ｈの摩耗量
を１とした場合の相対値で示してある。表１から分かる
ように、鋼種Ａ〜Ｅは、鋼種Ｈと比べて摩耗量が約１／
５以下と小さく、希薄な潤滑環境下においても耐摩耗性
が非常に優れていた。それに対して、鋼種Ｆ及び鋼種Ｇ
は、鋼種Ｈよりも摩耗量は少ないものの、クロムの含有
量又は炭素と窒素との合計の含有量が低いため、耐摩耗
性の向上効果が十分ではなかった。 【００２４】次に、表１に記載の８種の鋼材で針状ころ
を製造し、これを用いて図２に示すようなスラスト形針
状ころ軸受を作製した。すなわち、この針状ころ軸受
は、図示しない軸に固定される内輪１と図示しないハウ
ジングに固定される外輪２とを備えており、該両輪１，
２の対向する軌道面１ａ，２ａの間に転動自在に配設さ
れた複数の針状ころ３が保持器４によって保持されてい
る。 【００２５】両輪１，２はＳＰＣＣ材で構成され、浸炭
窒化処理に続いて焼入れ（８２０〜８３０℃で０．５〜
１時間）及び焼戻し（１６０〜２００℃で１〜２時間）
が施されており、軌道面１ａ，２ａの窒素濃度は０．２
質量％とされている。このようなスラスト形針状ころ軸
受について、ＰＡＧを潤滑剤として添加したＨＣＦＣ１
３４ａ雰囲気中で摩耗試験を行った。試験条件は、面圧
２０５０ＭＰａ、回転速度１０００ｍｉｎ^-1、試験時間
２００時間である。試験後の軌道面の最大摩耗深さを、
図３のグラフに示す。なお、図３のグラフ中の最大摩耗
深さは、ＳＵＪ２である鋼種Ｈで針状ころが構成された
針状ころ軸受の軌道面の最大摩耗深さを１００とした場
合の相対値で示してある。 【００２６】図３のグラフから、クロムの含有量が８質
量％以上である鋼材で針状ころが構成されている場合
は、浸炭窒化処理が施された軌道面の最大摩耗深さが小
さいこと分かる。また、クロムの含有量を１２質量％以
上に増やしても、その効果は飽和していることが分か
る。次に、鋼種Ｂ及びＨで針状ころが構成された針状こ
ろ軸受について、浸炭窒化処理の条件を調整することに
より軌道面の窒素濃度を種々変更して、各スラスト形針
状ころ軸受の摩耗試験を上記と同様に行った。なお、軌
道面の炭素濃度は０．７〜１．１質量％である。 【００２７】試験結果を図４のグラフに示す。なお、図
４のグラフ中の最大摩耗深さは、鋼種Ｈで針状ころが構
成され、軌道面の窒素濃度が０質量％である針状ころ軸
受の軌道面の最大摩耗深さを１００とした場合の相対値
で示してある。鋼種Ｈで針状ころが構成されている場合
は、相手材である軌道輪の軌道面の窒素濃度が高くなっ
ても、軌道面の耐摩耗性が向上した効果のみしか得られ
ていない。しかしながら、鋼種Ｂで針状ころが構成され
ている場合は、鋼種Ｈの場合と比較して最大摩耗深さが
非常に小さくなっていることに加えて、軌道面の窒素濃
度が低い場合は、その効果が比較的小さいことが分か
る。 【００２８】図３及び図４のグラフから、針状ころを構
成する鋼材のクロムの含有量を８質量％以上とし、軌道
面の窒素濃度を０．１質量％以上とすれば、耐摩耗性の
優れた針状ころ軸受が得られることが分かる。なお、本
実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明
は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実
施形態においてはスラスト形の針状ころ軸受を例示して
説明したが、本発明はラジアル形の針状ころ軸受にも適
用可能であることは言うまでもない。 【００２９】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の針状ころ
軸受は、エアコン用コンプレッサ等のような希薄な潤滑
環境下で使用されても長寿命である。

【図面の簡単な説明】 【図１】二円筒摩耗試験の試験方法を説明する概略図で
ある。 【図２】本発明の一実施形態であるスラスト針状ころ軸
受の構成を示す部分断面図である。 【図３】針状ころを構成する鋼材のクロムの含有量と軌
道面の最大摩耗深さとの相関を示すグラフである。 【図４】軌道面の窒素濃度と軌道面の最大摩耗深さとの
相関を示すグラフである。 【符号の説明】 １ 内輪 ２ 外輪 １ａ，２ａ 軌道面 ３ 針状ころ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 外周面に軌道面を有する内輪又は軸と、
   内周面に軌道面を有する外輪と、前記両軌道面の間に転
   動自在に配設された複数の針状ころと、を備える針状こ
   ろ軸受において、 前記両軌道面の少なくとも一方は、窒素濃度が０．１質
   量％以上である合金鋼で構成されており、 前記針状ころは、クロムの含有量が８〜１８質量％で、
   炭素及び窒素の合計の含有量が０．５〜１．２質量％で
   ある合金鋼で構成されていることを特徴とする針状ころ
   軸受。