JP2004169848A - 転動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を提供する。
【解決手段】内側軌道輪11、外側軌道輪13及び球状転動体15は、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されている。また、内側軌道輪11、外側軌道輪13及び球状転動体15は、表面から10μm深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たしている。
【選択図】 図1
【解決手段】内側軌道輪11、外側軌道輪13及び球状転動体15は、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されている。また、内側軌道輪11、外側軌道輪13及び球状転動体15は、表面から10μm深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たしている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、直動案内軸受装置(リニアガイド)等の転動装置に係り、特に、工作機械、エンジン、トランスミッション、過給機などのように潤滑条件が厳しい環境下で使用される転動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
転がり軸受等の転動装置は、外方部材(転がり軸受の場合は「外側軌道輪」、ボールねじの場合は「ナット」、リニアガイドの場合は「スライダ」を指す。)と、この外方部材の内方に配置された内方部材(転がり軸受の場合は「内側軌道輪」または「軸体」、ボールねじの場合は「ねじ軸」、リニアガイドの場合は「案内レール」を指す。)と、この内方部材と外方部材との間に配設された複数の転動体とを備えており、外方部材または内方部材の一方が回転もしくは直線運動をすると外方部材および内方部材に相対向して形成された転動面を転動体が転動するようになっている。
【0003】
このような転動装置の転動体は外方部材および内方部材との間で接触圧力を受けながら転がり運動をするため、外方及び内方部材や転動体の素材としては、硬くて負荷に耐え、転がり疲労寿命が長く、滑りに対する耐摩耗性が良好である材料が要求される。そこで、このような要求を満たすため、従来においては、JIS鋼種であるSUJ2やSUJ3等の軸受鋼が転動体等の素材として使用されている。
【0004】
転がり軸受では、その軌道輪や転動体が高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、その剪断応力に耐えて転がり疲労寿命を確保するべく、前述したSUJ2やSUJ3等の軸受鋼に熱処理を施し、表面硬度をHRC58〜64としたものが使用されている。
また、疲労強度に優れた機械構造用部品およびその製造方法として、特許文献1に開示されたものが知られている。
【0005】
【特許文献1】
特許第3145517号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、転動装置を使用する機械の高負荷化、高速化が進んでおり、これに伴い転動装置の使用条件が過酷になる傾向が顕著になってきている。特に、高速化による滑りの増大や温度上昇に伴う潤滑油の低粘度化による潤滑能力不足により耐摩耗性が著しく低下し、寿命が短縮されるという問題がある。また、特許文献1に開示されたものでは、Cr含有量が少ないため、十分な耐摩耗性が得られないという問題がある。
【0007】
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記に述べたような、高速化に伴う潤滑不良に対しては、耐摩耗性を向上させることが有効である。摩耗を抑制するためには表面の窒素濃度を高くして、耐摩耗性向上に有効な微細窒化物を析出させることが効果的である。本発明では焼入れ前に窒化処理を行い、表面の窒素濃度を向上させておく手法を採用した。また、窒素(N)はオーステナイト安定化元素であるため、焼入れ後の残留オーステナイト量を高くすることができる。残留オーステナイトを一定量含ませると異物混入潤滑下における寿命低下を抑制することができるという効果があるため、転動装置自身やその周辺の構成部品の摩耗粉が混入しやすい機械(例えばエンジン用トランスミッション等)などでは、特に好適に使用できる。
【0009】
そこで、請求項1の発明は、外方部材と、この外方部材の内方に配置された内方部材と、この内方部材と前記外方部材との間に配列された複数の転動体とを備えてなる転動装置であって、前記外方部材、内方部材および転動体のうち少なくとも一つが、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成され、かつ完成品表面から10μm深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことを特徴とする。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1記載の転動装置において、前記完成品最表面層の残留オーステナイトが15体積%以上で45体積%以下であることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の転動装置において、前記完成品表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことを特徴とする。
【0011】
請求項4の発明は、請求項3記載の転動装置において、前記完成品表面層の残留オーステナイトが15体積%以上で45体積%以下であることを特徴とする。請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の転動装置は、前記鋼が3.0重量%以下のMoを含むことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が2.0重量%以下のWを含むことを特徴とする。
【0012】
請求項7の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が2.0重量%以下のVを含むことを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が1.0重量%以下のMnを含むことを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項1乃至8のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が1.5重量%以下のSiを含むことを特徴とする。
【0013】
本発明における各数値限定の臨界的意義を以下に説明する。
[I]母材について
(1)Cr:3.0重量%以上7.5重量%以下
Cr(クロム)はCr炭化物や窒化物を生成して硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる効果がある。十分な耐摩耗性を確保するためには、Crを3重量%以上含ませることが好ましい。また、Crを多量に添加しても添加効果が飽和するだけでなく、窒化処理によって得られる窒素富化層厚さが減少するなど熱処理生産性が低下するため、Crの上限添加量は7.5重量%とすることが好ましい。なお、例えば高振動や高荷重等の諸条件により油膜形成が困難となる場合には、白色組織(White Structure)に伴う早期剥離が発生することがあるが、Crはこのような組織変化を抑制することができるという効果も有している。
(2)C:0.3重量%以上1.1重量%以下
C(炭素)は、基地をマルテンサイト化することにより強度を増加させる元素である。そのため、Cの含有量は0.3重量%以上とすることが好ましいが、Cを過剰に添加すると製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転がり寿命や靭性を低下させる原因となる。また、粗大な共晶炭化物は固溶し難いため、素材の加熱及び保持が短時間で行われる高周波焼入れなどでは、焼入れ硬さが不十分になったり、オーバーヒート(過度焼入れ)の原因になったりすることがある。この傾向は炭素の含有量が1.1重量%を超えると顕著になることから、炭素含有量の上限は1.1重量%、より好ましくは0.9重量%以下とすることが望ましい。
(3)必要に応じて添加される元素
Mo(モリブデン)は、炭化物や窒化物を生成して機械的強度や硬度を向上させると共に耐摩耗性や耐焼付き性を向上させる元素であり、さらに焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させる元素でもある。従って、Moを必要に応じて添加することが望ましい、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は3.0重量%以下とすることが好ましい。
【0014】
W(タングステン)もMoと同様な添加効果を有する元素であり、必要に応じて添加することが望ましいが、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は2.0重量%以下とすることが好ましい。
V(バナジウム)は強力な炭化物や窒化物の生成元素であり、耐摩耗性や強度を向上させるのに有用な元素であると共に焼戻し軟化抵抗性を増大させる元素でもある。しかし、多量に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性が低下するため、添加量は2.0重量%以下とすることが好ましい。なお、上記のMo、W、VはCrと同様に組織変化を抑制することができるため、白色組織等の組織変化が原因となる剥離が発生する転動部材では、積極的に添加されることが好ましい。
(4)製鋼上不可欠な元素について
Si(ケイ素)は、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、0.1重量%以上添加されることが望ましい。また、焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに窒化物を生成して耐焼付き性を向上させるために、より好ましくは0.45重量%以上添加するが、多量に添加すると靭性を低下させるため、上限を1.5重量%とすることが望ましい。
【0015】
Mn(マンガン)は脱酸剤として0.1重量%以上必要であるが、多量に添加すると鍛造性や被削性が低下するだけでなく、SやPなどの不純物と共存して耐食性を低下させるため、上限を1.0重量%程度とすることが望ましい。
(5)不可避不純物について
鋼中に含まれる不純物について重要なものに酸化物系介在物がある。鋼中の酸素含有量が多くなると疲労破壊の起点になる粗大な酸化物系介在物の存在量が多くなり、転がり寿命が低下する。また、窒化層に粗大な酸化物系介在物が存在すると窒化層の早期剥離が発生する虞があることから、酸素含有量はできるだけ低く抑えられることが望ましい。鋼中の酸素含有量は15ppm以下、より好ましくは12ppm以下とすることが望ましい。
【0016】
なお、本発明における合金鋼には、これらの添加元素以外にも不可避の不純物として、P(リン)、S(イオウ)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、Pb(鉛)、Ca(カルシウム)、Zr(ジルコニア)、Te(テルル)、Sb(アンチモン)等が含有される。
[II]完成品品質について
本発明でいう完成品最表面層とは表面から10μm深さまでの全域を指し、完成品表面層とは完成品最表面層を含み、表面から転動体直径Daの2%深さまでの全域を指している。
(1)完成品表面層及び完成品最表面層のC+N濃度
N(窒素)は、Cと同様に基地をマルテンサイト化する効果を有し、さらに焼戻し軟化抵抗性にも優れるため、高温使用での硬度向上に重要な元素である。通常、鋼中に窒素を含ませる場合には製鋼時に窒素を添加するが、窒化処理によると比較的高い窒素濃度が得られやすいため、本発明者らは窒化処理によって表面に窒素を添加する方法の適用可否について検討を行った。しかし、窒素を過剰に添加するとMs点(マルテンサイト変態開始温度)が低下し、十分に焼入れ硬化されない虞がある。Ms点はNだけでなくCやCrなどの添加元素によっても変化する。そこで、本発明者らは検討を行った結果、完成品表面層及び完成品最表面層における炭素と窒素の濃度が下記の式(1)で示される条件を満たせば、焼戻しによって完成品表面層の硬さをHv650以上とすることができるという知見を得、十分な転動寿命や耐摩耗性を得ることが可能であることを見出した。
【0017】
(0.86N+C)≦1.7−0.057×[Cr当量] ‥‥(1)
ただし、[Cr当量]=Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V ‥‥(2)
また、式(1)を満たしても表面層のCとNの合計濃度が0.5重量%に満たない場合は、完成品の硬さがHv650以上とならず、十分な転動寿命が得られない。十分な転動寿命を得るためには、式(3)の条件を満たすことが望ましい。
【0018】
C+N≧0.5重量% ‥‥(3)
また、表面層のビッカース硬さはHv650以上、好ましくはHv700以上とすることが望ましい。
(2)完成品最表面のN濃度
最表面に形成されている窒素富化層は、FeやCrなどの合金元素の窒化物(γ’:Fe4NやCrNなど)を主体として形成されており、優れた耐摩耗性を発揮する。優れた耐摩耗性や耐焼付き性を得るためには、少なくとも表面から10μm深さまでの完成品最表面層において、窒素濃度を0.05重量%以上、より好ましくは0.2重量%以上とすることが望ましい。
(3)芯部硬さについて
芯部硬さは、高温や高荷重の条件下で使用されるときには荷重や使用温度の影響による変形を抑制するために、Hv300以上とすることが好ましく、より好ましくはHv400以上とする。なお、高荷重及び高温下で使用されない場合においては、この限りではない。
(4)完成品表面層及び完成品最表面層の残留オーステナイトについて
残留オーステナイト(γR)は、異物混入潤滑下において転動面に形成される圧痕による応力集中を緩和するという効果をもたらすため、必要に応じて適量の残留オーステナイトを完成品表面層及び完成品最表面層に存在させることが好ましい。この場合の残留オーステナイト量としては、15体積%以上45体積%以下、より好ましくは20体積%以上40体積%以下であることが望ましい。
【0019】
このようにすれば、特にバリなどの金属異物が混入して潤滑油が劣化しやすい環境下、例えば自動車、農業機械、建設機械および鉄鋼機械等で使用されるトランスミッションや、無段変速機用(トロイダルCVT、ベルトCVT)エンジン補機(オルタネータ、コンプレッサー等)においても好適に使用できる。
[III]本発明による転動装置の熱処理方法について
(1)窒化処理に先立つ熱処理について
高温または高荷重の条件で使用される転動装置においては、芯部硬さが余りにも低いと外部応力や熱などによって変形や曲がりが生じる場合がある。そのため、完成品の芯部硬さはHv300以上、好ましくはHv400以上とすることが望ましい。
【0020】
本発明の焼入れ方法には高周波焼入れを採用することが好ましいが、高周波焼入れでは芯部さが十分に得られない場合がある。従って、高周波焼入れを採用する場合には窒化処理に先立って焼入れ焼戻しを行って全体の硬さをHv300以上に調質しておくことが好ましい。
(2)窒化処理について
窒化処理については、ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化、軟窒化などのいずれの方法を選択してもよい。窒化処理後に行う高周波焼入れは、加熱及び保持時間が短いため、窒素の拡散はほとんど起こらないと考えてよく、従って、高周波焼入れ前には適当な窒化層パターンを得ておくことが必要となる。
【0021】
高周波焼入れ後に仕上げ加工を行うため、高周波焼入れ前の窒化層深さは少なくとも仕上げ加工の取り代以上としておく。なお、仕上げ加工の取り代は部材や焼入れ方法によって異なるため、必要とされる窒化層のパターンはそれぞれの部材ごとに定める。また、熱処理後の加工取り代を小さくするために、前加工の加工精度を高めておいてもよい。
【0022】
窒化の処理温度や時間は上記の窒化層のパターンを満たす温度や時間であれば、特に限定されないが、窒化処理で生じる歪みを極力抑えたり、あるいは組織の粗大化を抑制したりするために、Ac1変態点未満の温度、好ましくは500℃以下で窒化処理を行うことが望ましい。
低温窒化処理の好ましい形態の一例としては、比較的低温で処理が可能なNv窒化プロセス(エア・ウオーター株式会社の商品名)がある。Nv窒化プロセスは窒化処理前に、例えばNF3(三フッ化窒素)等のフッ素系ガスを用いて2500℃〜400℃でフッ化処理を行うプロセスとNH3ガスによる窒化処理を行うプロセスとからなる。フッ化処理は窒化反応を阻害するCr酸化物を除去し、表面を活性化するフッ化層を形成するため、処理時間が短く、低温でも非常に均一な窒化層を形成することが可能となる。
(3)焼入れ焼戻しについて
焼入れは、高周波焼入れで行うことが好ましい。高周波焼入れは、加熱から冷却までの熱処理時間が短く、窒化処理によって生成された窒素濃度分布が殆ど変化することがないため、高い窒素濃度を得ることが可能となる。さらに、高周波焼入れはワークの表面のみを焼入れする方法であるため、ずぶ焼入れよりもワーク全体としての熱処理変形が減少し、後加工の取り代を少なくできるという利点もある。冷却は十分な焼入れ硬さが得られる方法であれば、油冷や水冷などの方法を用いても構わない。また、短時間加熱を行うことができる焼入れ方法であれば、どのような方法を採用してもよく、例えばレーザ焼入れ、火炎焼入れなどが適用可能である。
【0023】
また、母相中にCやN、さらにはCrなどの合金元素が多いほどMs点が低下するが、Ms点が室温以下まで低下するような合金成分の場合などではサブゼロを行う。通常のサブゼロは−60℃付近で処理されることが多いが、−60℃の処理で十分に焼入れされない場合は、−190℃程度で処理する超サブゼロを行ってもよい。
(4)仕上げ加工について
熱処理を施した転動部材は、研削や研磨及び超仕上などを行って目的の形状寸法にする。仕上げ加工後の窒化層厚さをより深く得るためには、仕上げ加工取り代は極力少なくすることが望ましい。例えば、熱処理変形が小さい小型の部材などでは、要求される寸法精度を満たすことができれば研削工程を省いてもよい。また、リニアガイドなど棒状の製品では、必要に応じて曲げ加工を行ってもよい。また、前述したように完成品表面のC、N及びCr含有量の関係が重量比で0.86N+C≦1.7−0.057×[Cr当量]及び0.5≦C+Nを満たすように取り代を設定する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。同図に示すように、転がり軸受10は、外周面に転動体軌道溝12を有する内側軌道輪11と、この内側軌道輪11の外周面と対向する内周面に転動体軌道溝14を有する外側軌道輪13と、この外側軌道輪13の転動体軌道溝14と内側軌道輪11の転動体軌道溝12との間に配列された複数の球状転動体15と、これらの球状転動体15を内側軌道輪11及び外側軌道輪13の円周方向に一定の間隔で保持する保持器16と防塵用シール17とを備えて構成されている。
【0025】
内側軌道輪11、外側軌道輪13及び球状転動体15は、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されており、表面から10μm深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たしている。
【0026】
次に、このように構成された転がり軸受の作用について説明する。
本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、次のような実験を行った。すなわち、表1に示す材料A〜Rで図3に示すような試験片31を全部で21個作製し、これらの試験片31に対して表2に示す熱処理A〜Fを選択的に施した後、図2に示す最表面層21(表面から10μm深さまでの領域)と表面層22(表面から転動体直径の2%深さまでの領域)におけるN濃度及びC濃度をEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)にて分析するとともに、最表面層21と表面層22のビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ試験機にて測定した。なお、マイクロビッカース硬さ試験機による硬さ測定は、荷重50g、負荷時間30秒の条件でそれぞれ10回ずつ測定し、その平均値を最表面層21及び表面層22のビッカース硬さとした。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
また、本発明者らは、各試験片に対して摩耗試験と焼付き試験を行った。ここでの摩耗試験は、面圧:3GP、滑り速度0.5m/s、滑り距離1000m、潤滑油粘度ISO VG68、試験温度:40℃の試験条件で行った。また、図3に示すサバン式摩耗及び焼付き試験機を使用し、試験片であるピン31(表面粗さ:0.1Ra以下)をリング2(表面粗さ:0.1Ra以下)の外周面に押し当てた状態でリング32を円周方向に回転させて行った。そして、試験終了後、摩耗したピン31の摩耗痕の任意の3点を表面形状測定器で測定し、測定した摩耗痕形状から摩耗面積を求め、3点の平均をとって各ピン31の摩耗量を算出した。なお、潤滑はリング32を潤滑油34中に浸すことにより行った。また、リング32はSUJ2からなる素材に通常のずぶ焼入れ及び焼戻しを施し、表面硬さがHv650以上のものを使用した。
【0030】
焼付き試験は、面圧:3GP、滑り速度0〜0.5m/s、潤滑油粘度ISOVG68、試験温度:40℃の試験条件で行った。また、図3に示すピン31とリング32との接触部に発生する摩擦トルクをロードセル34で測定し、ロードセル34の測定値が定常状態の5倍以上となった時点を焼付きと判断した。そして、そのときの面圧と滑り速度から焼付きPV値を算出した。
【0031】
上述した各試験片31の表面層N濃度、最表面層N濃度、表面層C濃度、最表面層C濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、摩耗量比及び焼付きPV値を表3に、また表3のビッカース硬さと式(1)との関係を図4に示す。
【0032】
【表3】
【0033】
表3及び図4から明らかなように、試験片番号1〜14の試験片は、その表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が式(1)で表される条件、すなわち0.86N+C≦1.7−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たしており、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがHv650以上であることがわかる。これに対し、試験片番号16の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が式(1)で表される条件を満たしているが、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがHv650未満となっている。これは、表面層及び最表面層におけるNとCの合計濃度がC+N≧0.5重量%の条件を満たしていないためである。なお、比較例17は素材のC量が規定量より多く、高周波焼入れにおいてオーバーヒートを発生したため、その後の評価は行わなかった。
【0034】
表3の最表面層N濃度と摩耗量比との関係を図5に、また表3の最表面層N濃度と焼付きPV値との関係を図6に示す。表3に示すように、試験片番号1〜14の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が0.86N+C≦1.7−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たしているため、良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示しており、特に最表面層のN濃度が0.2重量%以上の試験片(試験片番号1〜8及び10〜14)は、より良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示している。これに対し、図5及び図6に示すように、試験片番号18及び19の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が上記の条件を満たさないため、ビッカース硬さが十分でなく、試験片番号21の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号16の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの合計濃度が0.5重量%未満であるため、試験片番号21の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号20の試験片は、表面層及び最表面層におけるN濃度が0.05重量%を下回っているため、耐摩耗性及び耐焼付き性が十分でないことがわかる。さらに、試験片番号15の試験片は、試験片番号21の試験片に比べて良好な耐摩耗性が得られるものの、Crの含有量が3.0重量%を下回っているため、試験片番号1〜14の試験片に比べて耐摩耗性が低い。
【0035】
また、本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、表1に示す材料A〜Rで図7に示すような円盤状試験片72を全部で21個作製し、これらの試験片72に対して表2に示す熱処理A〜Fを選択的に施した後、前記と同様に、各試験片の表面層N濃度、最表面層N濃度、表面層C濃度、最表面層C濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量を測定した。さらに、図7に示すスラスト型寿命試験機を用いて異物混入寿命試験を面圧:4GP、異物径:74〜147μm、異物硬さ:Hv870、異物材質:セメンタイト系金属、異物混入量:10mg、試験回数:10回の試験条件で行った。
【0036】
ここでの異物混入寿命試験は、潤滑油槽71の底面に下面を固定された下レース(試験片)72の上面に複数個のボール(ボール材質:SUJ2)73を下レース72の円周方向に沿って配置し、下レース72と対向する上レース(上レース材質:SUJ2)74をプーリ75及びベルト76を介して図示しないモータの動力により1000min−1の回転速度で円周方向に回転させて行った。そして、異物混入寿命試験の試験結果から、各試験片のL10寿命比を算出した。なお、表面層残留オーステナイト量および最表面層残留オーステナイト量はX線回析装置で測定した。また、図7中77は黄銅製保持器、78は潤滑油を示している。
【0037】
上述した各試験片72の表面層N濃度、最表面層N濃度、表面層C濃度、最表面層C濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量及びL10寿命比を表4に、また表4の表面層残留オーステナイト量とL10寿命比との関係を図8に示す。
【0038】
【表4】
【0039】
表4に示す試験結果から、試験片番号31〜47の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがHv650以上となるのに対し、試験番号48〜50の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがHv650を下回ることがわかる。これは、試験片番号31〜47の試験片は表面層と最表面層のN及びCが0.86N+C≦1.7−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)およびC+NC+N≧0.5重量%の条件を満たしているのに対し、試験番号48〜50の試験片は表面層と最表面層のN及びCが上記の条件を満たしていないためと考えられる。
【0040】
また、試験片番号31〜44の試験片(実施例)は、試験片番号45〜50の試験片(比較例)に比較して、異物混入寿命L10が高い値を示していることがわかる。これは、試験片番号31〜44の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が15〜45体積%であるのに対し、試験片番号45〜47の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が15体積%未満で、試験片番号48〜50の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が45体積%を上回るためと考えられる。
【0041】
以上のことから、完成品表面から10μm深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことにより、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。また、表面層と最表面層の残留オーステナイト量を15〜45体積%とすることにより、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動体等の耐摩耗性と耐焼付き性が向上するので、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。
【図2】最表面層と表面層を説明するための説明図である。
【図3】サバン式摩耗及び焼付き試験機の概略構成を示す図である。
【図4】硬さ測定試験の試験結果を示す図である。
【図5】摩耗試験の試験結果を示す図である。
【図6】焼付き試験の試験結果を示す図である。
【図7】スラスト型寿命試験機の概略構成を示す図である。
【図8】異物混入寿命試験の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
11 内側軌道輪
12 転動体軌道溝
13 外側軌道輪
14 転動体軌道溝
15 転動体
16 保持器
17 防塵用シール
21 最表面層
22 表面層
31 ピン(試験片)
32 リング
33 ロードセル
34 潤滑油
71 潤滑油槽
72 下レース(試験片)
73 転動体
74 上レース
75 プーリ
76 ベルト
77 保持器
78 潤滑油
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、直動案内軸受装置(リニアガイド)等の転動装置に係り、特に、工作機械、エンジン、トランスミッション、過給機などのように潤滑条件が厳しい環境下で使用される転動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
転がり軸受等の転動装置は、外方部材(転がり軸受の場合は「外側軌道輪」、ボールねじの場合は「ナット」、リニアガイドの場合は「スライダ」を指す。)と、この外方部材の内方に配置された内方部材(転がり軸受の場合は「内側軌道輪」または「軸体」、ボールねじの場合は「ねじ軸」、リニアガイドの場合は「案内レール」を指す。)と、この内方部材と外方部材との間に配設された複数の転動体とを備えており、外方部材または内方部材の一方が回転もしくは直線運動をすると外方部材および内方部材に相対向して形成された転動面を転動体が転動するようになっている。
【0003】
このような転動装置の転動体は外方部材および内方部材との間で接触圧力を受けながら転がり運動をするため、外方及び内方部材や転動体の素材としては、硬くて負荷に耐え、転がり疲労寿命が長く、滑りに対する耐摩耗性が良好である材料が要求される。そこで、このような要求を満たすため、従来においては、JIS鋼種であるSUJ2やSUJ3等の軸受鋼が転動体等の素材として使用されている。
【0004】
転がり軸受では、その軌道輪や転動体が高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、その剪断応力に耐えて転がり疲労寿命を確保するべく、前述したSUJ2やSUJ3等の軸受鋼に熱処理を施し、表面硬度をHRC58〜64としたものが使用されている。
また、疲労強度に優れた機械構造用部品およびその製造方法として、特許文献1に開示されたものが知られている。
【0005】
【特許文献1】
特許第3145517号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、転動装置を使用する機械の高負荷化、高速化が進んでおり、これに伴い転動装置の使用条件が過酷になる傾向が顕著になってきている。特に、高速化による滑りの増大や温度上昇に伴う潤滑油の低粘度化による潤滑能力不足により耐摩耗性が著しく低下し、寿命が短縮されるという問題がある。また、特許文献1に開示されたものでは、Cr含有量が少ないため、十分な耐摩耗性が得られないという問題がある。
【0007】
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記に述べたような、高速化に伴う潤滑不良に対しては、耐摩耗性を向上させることが有効である。摩耗を抑制するためには表面の窒素濃度を高くして、耐摩耗性向上に有効な微細窒化物を析出させることが効果的である。本発明では焼入れ前に窒化処理を行い、表面の窒素濃度を向上させておく手法を採用した。また、窒素(N)はオーステナイト安定化元素であるため、焼入れ後の残留オーステナイト量を高くすることができる。残留オーステナイトを一定量含ませると異物混入潤滑下における寿命低下を抑制することができるという効果があるため、転動装置自身やその周辺の構成部品の摩耗粉が混入しやすい機械(例えばエンジン用トランスミッション等)などでは、特に好適に使用できる。
【0009】
そこで、請求項1の発明は、外方部材と、この外方部材の内方に配置された内方部材と、この内方部材と前記外方部材との間に配列された複数の転動体とを備えてなる転動装置であって、前記外方部材、内方部材および転動体のうち少なくとも一つが、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成され、かつ完成品表面から10μm深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことを特徴とする。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1記載の転動装置において、前記完成品最表面層の残留オーステナイトが15体積%以上で45体積%以下であることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の転動装置において、前記完成品表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことを特徴とする。
【0011】
請求項4の発明は、請求項3記載の転動装置において、前記完成品表面層の残留オーステナイトが15体積%以上で45体積%以下であることを特徴とする。請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の転動装置は、前記鋼が3.0重量%以下のMoを含むことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が2.0重量%以下のWを含むことを特徴とする。
【0012】
請求項7の発明は、請求項1乃至6のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が2.0重量%以下のVを含むことを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が1.0重量%以下のMnを含むことを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項1乃至8のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が1.5重量%以下のSiを含むことを特徴とする。
【0013】
本発明における各数値限定の臨界的意義を以下に説明する。
[I]母材について
(1)Cr:3.0重量%以上7.5重量%以下
Cr(クロム)はCr炭化物や窒化物を生成して硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる効果がある。十分な耐摩耗性を確保するためには、Crを3重量%以上含ませることが好ましい。また、Crを多量に添加しても添加効果が飽和するだけでなく、窒化処理によって得られる窒素富化層厚さが減少するなど熱処理生産性が低下するため、Crの上限添加量は7.5重量%とすることが好ましい。なお、例えば高振動や高荷重等の諸条件により油膜形成が困難となる場合には、白色組織(White Structure)に伴う早期剥離が発生することがあるが、Crはこのような組織変化を抑制することができるという効果も有している。
(2)C:0.3重量%以上1.1重量%以下
C(炭素)は、基地をマルテンサイト化することにより強度を増加させる元素である。そのため、Cの含有量は0.3重量%以上とすることが好ましいが、Cを過剰に添加すると製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転がり寿命や靭性を低下させる原因となる。また、粗大な共晶炭化物は固溶し難いため、素材の加熱及び保持が短時間で行われる高周波焼入れなどでは、焼入れ硬さが不十分になったり、オーバーヒート(過度焼入れ)の原因になったりすることがある。この傾向は炭素の含有量が1.1重量%を超えると顕著になることから、炭素含有量の上限は1.1重量%、より好ましくは0.9重量%以下とすることが望ましい。
(3)必要に応じて添加される元素
Mo(モリブデン)は、炭化物や窒化物を生成して機械的強度や硬度を向上させると共に耐摩耗性や耐焼付き性を向上させる元素であり、さらに焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させる元素でもある。従って、Moを必要に応じて添加することが望ましい、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は3.0重量%以下とすることが好ましい。
【0014】
W(タングステン)もMoと同様な添加効果を有する元素であり、必要に応じて添加することが望ましいが、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は2.0重量%以下とすることが好ましい。
V(バナジウム)は強力な炭化物や窒化物の生成元素であり、耐摩耗性や強度を向上させるのに有用な元素であると共に焼戻し軟化抵抗性を増大させる元素でもある。しかし、多量に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性が低下するため、添加量は2.0重量%以下とすることが好ましい。なお、上記のMo、W、VはCrと同様に組織変化を抑制することができるため、白色組織等の組織変化が原因となる剥離が発生する転動部材では、積極的に添加されることが好ましい。
(4)製鋼上不可欠な元素について
Si(ケイ素)は、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、0.1重量%以上添加されることが望ましい。また、焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに窒化物を生成して耐焼付き性を向上させるために、より好ましくは0.45重量%以上添加するが、多量に添加すると靭性を低下させるため、上限を1.5重量%とすることが望ましい。
【0015】
Mn(マンガン)は脱酸剤として0.1重量%以上必要であるが、多量に添加すると鍛造性や被削性が低下するだけでなく、SやPなどの不純物と共存して耐食性を低下させるため、上限を1.0重量%程度とすることが望ましい。
(5)不可避不純物について
鋼中に含まれる不純物について重要なものに酸化物系介在物がある。鋼中の酸素含有量が多くなると疲労破壊の起点になる粗大な酸化物系介在物の存在量が多くなり、転がり寿命が低下する。また、窒化層に粗大な酸化物系介在物が存在すると窒化層の早期剥離が発生する虞があることから、酸素含有量はできるだけ低く抑えられることが望ましい。鋼中の酸素含有量は15ppm以下、より好ましくは12ppm以下とすることが望ましい。
【0016】
なお、本発明における合金鋼には、これらの添加元素以外にも不可避の不純物として、P(リン)、S(イオウ)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、Pb(鉛)、Ca(カルシウム)、Zr(ジルコニア)、Te(テルル)、Sb(アンチモン)等が含有される。
[II]完成品品質について
本発明でいう完成品最表面層とは表面から10μm深さまでの全域を指し、完成品表面層とは完成品最表面層を含み、表面から転動体直径Daの2%深さまでの全域を指している。
(1)完成品表面層及び完成品最表面層のC+N濃度
N(窒素)は、Cと同様に基地をマルテンサイト化する効果を有し、さらに焼戻し軟化抵抗性にも優れるため、高温使用での硬度向上に重要な元素である。通常、鋼中に窒素を含ませる場合には製鋼時に窒素を添加するが、窒化処理によると比較的高い窒素濃度が得られやすいため、本発明者らは窒化処理によって表面に窒素を添加する方法の適用可否について検討を行った。しかし、窒素を過剰に添加するとMs点(マルテンサイト変態開始温度)が低下し、十分に焼入れ硬化されない虞がある。Ms点はNだけでなくCやCrなどの添加元素によっても変化する。そこで、本発明者らは検討を行った結果、完成品表面層及び完成品最表面層における炭素と窒素の濃度が下記の式(1)で示される条件を満たせば、焼戻しによって完成品表面層の硬さをHv650以上とすることができるという知見を得、十分な転動寿命や耐摩耗性を得ることが可能であることを見出した。
【0017】
(0.86N+C)≦1.7−0.057×[Cr当量] ‥‥(1)
ただし、[Cr当量]=Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V ‥‥(2)
また、式(1)を満たしても表面層のCとNの合計濃度が0.5重量%に満たない場合は、完成品の硬さがHv650以上とならず、十分な転動寿命が得られない。十分な転動寿命を得るためには、式(3)の条件を満たすことが望ましい。
【0018】
C+N≧0.5重量% ‥‥(3)
また、表面層のビッカース硬さはHv650以上、好ましくはHv700以上とすることが望ましい。
(2)完成品最表面のN濃度
最表面に形成されている窒素富化層は、FeやCrなどの合金元素の窒化物(γ’:Fe4NやCrNなど)を主体として形成されており、優れた耐摩耗性を発揮する。優れた耐摩耗性や耐焼付き性を得るためには、少なくとも表面から10μm深さまでの完成品最表面層において、窒素濃度を0.05重量%以上、より好ましくは0.2重量%以上とすることが望ましい。
(3)芯部硬さについて
芯部硬さは、高温や高荷重の条件下で使用されるときには荷重や使用温度の影響による変形を抑制するために、Hv300以上とすることが好ましく、より好ましくはHv400以上とする。なお、高荷重及び高温下で使用されない場合においては、この限りではない。
(4)完成品表面層及び完成品最表面層の残留オーステナイトについて
残留オーステナイト(γR)は、異物混入潤滑下において転動面に形成される圧痕による応力集中を緩和するという効果をもたらすため、必要に応じて適量の残留オーステナイトを完成品表面層及び完成品最表面層に存在させることが好ましい。この場合の残留オーステナイト量としては、15体積%以上45体積%以下、より好ましくは20体積%以上40体積%以下であることが望ましい。
【0019】
このようにすれば、特にバリなどの金属異物が混入して潤滑油が劣化しやすい環境下、例えば自動車、農業機械、建設機械および鉄鋼機械等で使用されるトランスミッションや、無段変速機用(トロイダルCVT、ベルトCVT)エンジン補機(オルタネータ、コンプレッサー等)においても好適に使用できる。
[III]本発明による転動装置の熱処理方法について
(1)窒化処理に先立つ熱処理について
高温または高荷重の条件で使用される転動装置においては、芯部硬さが余りにも低いと外部応力や熱などによって変形や曲がりが生じる場合がある。そのため、完成品の芯部硬さはHv300以上、好ましくはHv400以上とすることが望ましい。
【0020】
本発明の焼入れ方法には高周波焼入れを採用することが好ましいが、高周波焼入れでは芯部さが十分に得られない場合がある。従って、高周波焼入れを採用する場合には窒化処理に先立って焼入れ焼戻しを行って全体の硬さをHv300以上に調質しておくことが好ましい。
(2)窒化処理について
窒化処理については、ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化、軟窒化などのいずれの方法を選択してもよい。窒化処理後に行う高周波焼入れは、加熱及び保持時間が短いため、窒素の拡散はほとんど起こらないと考えてよく、従って、高周波焼入れ前には適当な窒化層パターンを得ておくことが必要となる。
【0021】
高周波焼入れ後に仕上げ加工を行うため、高周波焼入れ前の窒化層深さは少なくとも仕上げ加工の取り代以上としておく。なお、仕上げ加工の取り代は部材や焼入れ方法によって異なるため、必要とされる窒化層のパターンはそれぞれの部材ごとに定める。また、熱処理後の加工取り代を小さくするために、前加工の加工精度を高めておいてもよい。
【0022】
窒化の処理温度や時間は上記の窒化層のパターンを満たす温度や時間であれば、特に限定されないが、窒化処理で生じる歪みを極力抑えたり、あるいは組織の粗大化を抑制したりするために、Ac1変態点未満の温度、好ましくは500℃以下で窒化処理を行うことが望ましい。
低温窒化処理の好ましい形態の一例としては、比較的低温で処理が可能なNv窒化プロセス(エア・ウオーター株式会社の商品名)がある。Nv窒化プロセスは窒化処理前に、例えばNF3(三フッ化窒素)等のフッ素系ガスを用いて2500℃〜400℃でフッ化処理を行うプロセスとNH3ガスによる窒化処理を行うプロセスとからなる。フッ化処理は窒化反応を阻害するCr酸化物を除去し、表面を活性化するフッ化層を形成するため、処理時間が短く、低温でも非常に均一な窒化層を形成することが可能となる。
(3)焼入れ焼戻しについて
焼入れは、高周波焼入れで行うことが好ましい。高周波焼入れは、加熱から冷却までの熱処理時間が短く、窒化処理によって生成された窒素濃度分布が殆ど変化することがないため、高い窒素濃度を得ることが可能となる。さらに、高周波焼入れはワークの表面のみを焼入れする方法であるため、ずぶ焼入れよりもワーク全体としての熱処理変形が減少し、後加工の取り代を少なくできるという利点もある。冷却は十分な焼入れ硬さが得られる方法であれば、油冷や水冷などの方法を用いても構わない。また、短時間加熱を行うことができる焼入れ方法であれば、どのような方法を採用してもよく、例えばレーザ焼入れ、火炎焼入れなどが適用可能である。
【0023】
また、母相中にCやN、さらにはCrなどの合金元素が多いほどMs点が低下するが、Ms点が室温以下まで低下するような合金成分の場合などではサブゼロを行う。通常のサブゼロは−60℃付近で処理されることが多いが、−60℃の処理で十分に焼入れされない場合は、−190℃程度で処理する超サブゼロを行ってもよい。
(4)仕上げ加工について
熱処理を施した転動部材は、研削や研磨及び超仕上などを行って目的の形状寸法にする。仕上げ加工後の窒化層厚さをより深く得るためには、仕上げ加工取り代は極力少なくすることが望ましい。例えば、熱処理変形が小さい小型の部材などでは、要求される寸法精度を満たすことができれば研削工程を省いてもよい。また、リニアガイドなど棒状の製品では、必要に応じて曲げ加工を行ってもよい。また、前述したように完成品表面のC、N及びCr含有量の関係が重量比で0.86N+C≦1.7−0.057×[Cr当量]及び0.5≦C+Nを満たすように取り代を設定する。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。同図に示すように、転がり軸受10は、外周面に転動体軌道溝12を有する内側軌道輪11と、この内側軌道輪11の外周面と対向する内周面に転動体軌道溝14を有する外側軌道輪13と、この外側軌道輪13の転動体軌道溝14と内側軌道輪11の転動体軌道溝12との間に配列された複数の球状転動体15と、これらの球状転動体15を内側軌道輪11及び外側軌道輪13の円周方向に一定の間隔で保持する保持器16と防塵用シール17とを備えて構成されている。
【0025】
内側軌道輪11、外側軌道輪13及び球状転動体15は、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されており、表面から10μm深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たしている。
【0026】
次に、このように構成された転がり軸受の作用について説明する。
本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、次のような実験を行った。すなわち、表1に示す材料A〜Rで図3に示すような試験片31を全部で21個作製し、これらの試験片31に対して表2に示す熱処理A〜Fを選択的に施した後、図2に示す最表面層21(表面から10μm深さまでの領域)と表面層22(表面から転動体直径の2%深さまでの領域)におけるN濃度及びC濃度をEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)にて分析するとともに、最表面層21と表面層22のビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ試験機にて測定した。なお、マイクロビッカース硬さ試験機による硬さ測定は、荷重50g、負荷時間30秒の条件でそれぞれ10回ずつ測定し、その平均値を最表面層21及び表面層22のビッカース硬さとした。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
また、本発明者らは、各試験片に対して摩耗試験と焼付き試験を行った。ここでの摩耗試験は、面圧:3GP、滑り速度0.5m/s、滑り距離1000m、潤滑油粘度ISO VG68、試験温度:40℃の試験条件で行った。また、図3に示すサバン式摩耗及び焼付き試験機を使用し、試験片であるピン31(表面粗さ:0.1Ra以下)をリング2(表面粗さ:0.1Ra以下)の外周面に押し当てた状態でリング32を円周方向に回転させて行った。そして、試験終了後、摩耗したピン31の摩耗痕の任意の3点を表面形状測定器で測定し、測定した摩耗痕形状から摩耗面積を求め、3点の平均をとって各ピン31の摩耗量を算出した。なお、潤滑はリング32を潤滑油34中に浸すことにより行った。また、リング32はSUJ2からなる素材に通常のずぶ焼入れ及び焼戻しを施し、表面硬さがHv650以上のものを使用した。
【0030】
焼付き試験は、面圧:3GP、滑り速度0〜0.5m/s、潤滑油粘度ISOVG68、試験温度:40℃の試験条件で行った。また、図3に示すピン31とリング32との接触部に発生する摩擦トルクをロードセル34で測定し、ロードセル34の測定値が定常状態の5倍以上となった時点を焼付きと判断した。そして、そのときの面圧と滑り速度から焼付きPV値を算出した。
【0031】
上述した各試験片31の表面層N濃度、最表面層N濃度、表面層C濃度、最表面層C濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、摩耗量比及び焼付きPV値を表3に、また表3のビッカース硬さと式(1)との関係を図4に示す。
【0032】
【表3】
【0033】
表3及び図4から明らかなように、試験片番号1〜14の試験片は、その表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が式(1)で表される条件、すなわち0.86N+C≦1.7−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たしており、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがHv650以上であることがわかる。これに対し、試験片番号16の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が式(1)で表される条件を満たしているが、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがHv650未満となっている。これは、表面層及び最表面層におけるNとCの合計濃度がC+N≧0.5重量%の条件を満たしていないためである。なお、比較例17は素材のC量が規定量より多く、高周波焼入れにおいてオーバーヒートを発生したため、その後の評価は行わなかった。
【0034】
表3の最表面層N濃度と摩耗量比との関係を図5に、また表3の最表面層N濃度と焼付きPV値との関係を図6に示す。表3に示すように、試験片番号1〜14の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が0.86N+C≦1.7−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たしているため、良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示しており、特に最表面層のN濃度が0.2重量%以上の試験片(試験片番号1〜8及び10〜14)は、より良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示している。これに対し、図5及び図6に示すように、試験片番号18及び19の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの濃度が上記の条件を満たさないため、ビッカース硬さが十分でなく、試験片番号21の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号16の試験片は、表面層及び最表面層におけるNとCの合計濃度が0.5重量%未満であるため、試験片番号21の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号20の試験片は、表面層及び最表面層におけるN濃度が0.05重量%を下回っているため、耐摩耗性及び耐焼付き性が十分でないことがわかる。さらに、試験片番号15の試験片は、試験片番号21の試験片に比べて良好な耐摩耗性が得られるものの、Crの含有量が3.0重量%を下回っているため、試験片番号1〜14の試験片に比べて耐摩耗性が低い。
【0035】
また、本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、表1に示す材料A〜Rで図7に示すような円盤状試験片72を全部で21個作製し、これらの試験片72に対して表2に示す熱処理A〜Fを選択的に施した後、前記と同様に、各試験片の表面層N濃度、最表面層N濃度、表面層C濃度、最表面層C濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量を測定した。さらに、図7に示すスラスト型寿命試験機を用いて異物混入寿命試験を面圧:4GP、異物径:74〜147μm、異物硬さ:Hv870、異物材質:セメンタイト系金属、異物混入量:10mg、試験回数:10回の試験条件で行った。
【0036】
ここでの異物混入寿命試験は、潤滑油槽71の底面に下面を固定された下レース(試験片)72の上面に複数個のボール(ボール材質:SUJ2)73を下レース72の円周方向に沿って配置し、下レース72と対向する上レース(上レース材質:SUJ2)74をプーリ75及びベルト76を介して図示しないモータの動力により1000min−1の回転速度で円周方向に回転させて行った。そして、異物混入寿命試験の試験結果から、各試験片のL10寿命比を算出した。なお、表面層残留オーステナイト量および最表面層残留オーステナイト量はX線回析装置で測定した。また、図7中77は黄銅製保持器、78は潤滑油を示している。
【0037】
上述した各試験片72の表面層N濃度、最表面層N濃度、表面層C濃度、最表面層C濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量及びL10寿命比を表4に、また表4の表面層残留オーステナイト量とL10寿命比との関係を図8に示す。
【0038】
【表4】
【0039】
表4に示す試験結果から、試験片番号31〜47の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがHv650以上となるのに対し、試験番号48〜50の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがHv650を下回ることがわかる。これは、試験片番号31〜47の試験片は表面層と最表面層のN及びCが0.86N+C≦1.7−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)およびC+NC+N≧0.5重量%の条件を満たしているのに対し、試験番号48〜50の試験片は表面層と最表面層のN及びCが上記の条件を満たしていないためと考えられる。
【0040】
また、試験片番号31〜44の試験片(実施例)は、試験片番号45〜50の試験片(比較例)に比較して、異物混入寿命L10が高い値を示していることがわかる。これは、試験片番号31〜44の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が15〜45体積%であるのに対し、試験片番号45〜47の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が15体積%未満で、試験片番号48〜50の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が45体積%を上回るためと考えられる。
【0041】
以上のことから、完成品表面から10μm深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことにより、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。また、表面層と最表面層の残留オーステナイト量を15〜45体積%とすることにより、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動体等の耐摩耗性と耐焼付き性が向上するので、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。
【図2】最表面層と表面層を説明するための説明図である。
【図3】サバン式摩耗及び焼付き試験機の概略構成を示す図である。
【図4】硬さ測定試験の試験結果を示す図である。
【図5】摩耗試験の試験結果を示す図である。
【図6】焼付き試験の試験結果を示す図である。
【図7】スラスト型寿命試験機の概略構成を示す図である。
【図8】異物混入寿命試験の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
11 内側軌道輪
12 転動体軌道溝
13 外側軌道輪
14 転動体軌道溝
15 転動体
16 保持器
17 防塵用シール
21 最表面層
22 表面層
31 ピン(試験片)
32 リング
33 ロードセル
34 潤滑油
71 潤滑油槽
72 下レース(試験片)
73 転動体
74 上レース
75 プーリ
76 ベルト
77 保持器
78 潤滑油
Claims (9)
- 外方部材と、この外方部材の内方に配置された内方部材と、この内方部材と前記外方部材との間に配列された複数の転動体とを備えてなる転動装置であって、前記外方部材、内方部材および転動体のうち少なくとも一つが、0.3〜1.1重量%のCと3.0〜7.5重量%のCrとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成され、かつ完成品表面から10μm深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が(0.86N+C)≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W+1.75V))の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことを特徴とする転動装置。
- 前記完成品最表面層の残留オーステナイトが15体積%以上で45体積%以下であることを特徴とする請求項1記載の転動装置。
- 前記完成品表面から転動体直径の2%深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が0.86N+C≦2.05−0.057×(Cr+2Mn+0.5(Mo+0.5W)+1.75V)の条件を満たすと共にC+N≧0.5重量%の条件を満たすことを特徴とする請求項1又は2記載の転動装置。
- 前記完成品表面層の残留オーステナイトが15体積%以上で45体積%以下であることを特徴とする請求項3記載の転動装置。
- 前記鋼は、3.0重量%以下のMoを含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、2.0重量%以下のWを含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、2.0重量%以下のVを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、1.0重量%以下のMnを含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、1.5重量%以下のSiを含むことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の転動装置。
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