JP2004205047A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】異物混入潤滑下での長寿命化だけでなく、耐磨耗性にも優れた転がり軸受を安価に提供する。
【解決手段】内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つを、Ｃ：０．１〜１．０重量％、Ｓｉ：０．１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｃｒ：０．５〜３．０重量％、Ｍｏ：３．０重量％以下、Ｖ：２．０重量％以下、Ｎｉ：２．０重量％以下、を含有し残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成され、完成品表面層の炭素量および窒素量をＣ：０．８〜１．５重量％、Ｎ：０．３〜０．７重量％とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、製鉄用、自動車、農業機械、建設機械等に使用される転がり軸受に係り、特に、異物混入潤滑下でも長寿命な転がり軸受に関する。

一般に、転がり軸受の転動体（玉および各種転がり軸受用ころ。以下すべて同様）及び内外輪（内輪および外輪。以下すべて同様）の材料として、軸受鋼であればＳＵＪ２が、肌焼鋼であればＳＣＲ４２０相当の鋼材が使用されている。転がり軸受は高面圧下で繰り返しせん断応力を受けて用いられるため、そのせん断応力に耐えて転がり疲労寿命を確保するべく、軸受鋼は焼入・焼戻し、肌焼鋼は浸炭又は浸炭窒化処理後に焼入・焼戻しが施されてＨＲＣ５８〜６４の硬度とされている。

しかし、転がり軸受は使用環境が多種多用であり、疲労寿命の他に、潤滑条件等の不備や周辺機器からの異物の混入等による摩耗や早期剥離等によって、軸受の寿命が大きく左右される場合があることも見逃せない。また、例えば、大きなアキシャル加重を受ける円錐ころ軸受においては、転送面のすべりによる摩耗及び大つば部での純すべりによる摩耗により不具合を起こす場合があり、また、スラスト軸受、自動調心ころ軸受等の円錐ころ軸受以外の転がり軸受であっても、使用条件が厳しい場合にすべりによる摩耗が問題となることもある。そこで、疲労寿命の確保のみならず、異物混入潤滑下でも長寿命が保証され摩耗や早期剥離を防止できる、耐摩耗性が良好で且つ安価な転がり軸受が要望されている。

本願発明者らは、その要望を実現しうる転がり軸受の新規な材料について研究を重ねてきた。以下に、転がり軸受に一般的に用いられている前記軸受鋼ＳＵＪ２と肌焼鋼ＳＣＲ４２０との両材料の得失を述べる。
ＳＵＪ２は合金組成中にＣとＣｒが多く含有されていて、製鋼時に巨大炭化物や偏析を生じやすい。これをなくすためにソーキング処理などが行われる結果、ＳＣＲ４２０に比べて材料費は高くなる。

成形加工に関しては、小形軸受の転動体の場合、素材はほとんど冷間線引材（コイル材）を使用し、冷間型鍛造（ヘッダ加工）により転動体の形に成形され、旋削加工は行われない。その冷間加工性を比べると、ＳＵＪ２は合金成分中のＣとＣｒの含有比率が高いのに対して、ＳＣＲ４２０の方はＣ含有比率が低いので、冷間加工性はＳＣＲ４２０の方が良好である。一方、内外輪の場合は、熱間（温間）鍛造により成形されるので、素材による加工性の差はあまり出ない。しかし、その後、切削加工に備えて鍛造後に軟化焼鈍が行われるのではあるが、素材の炭素量の関係でＳＣＲ４２０に比べてＳＵＪ２の方が切削性が悪く、コスト高の傾向にある。

熱処理に関しては、一般的なＳＵＪ２は焼入して焼戻すだけで軸受に必要な硬さが得られるのに対して、ＳＣＲ４２０は表面層に必要な硬さを得るために浸炭又は浸炭窒化焼入処理を行い、その後焼戻しを行うか、場合によっては浸炭又は浸炭窒化焼入処理を行った後さらに二次焼入して焼戻しを行う。そのため、ＳＣＲ４２０はＳＵＪ２に比べて熱処理費が大幅に高くなる。なお、本明細書中にいう「表面層」とは、最大、表面から転がり接触時に最大せん断応力が発生する深さ（具体的には転動体直径の２％）までの領域をさすものとし、軽荷重で異物の量が多い条件下では上記範囲内で浅くすることができる。

研削加工性に関しては、ＳＣＲ４２０の方が熱処理後の黒皮表面層（すなわち研削前の表面層）における初析セメンタイトや残留オーステナイト量（以下、γ_R と記す）によってはＳＵＪ２より研削性が悪くなるが、大きな差はない。しかし、ＳＣＲ４２０の浸炭窒化を行うと、黒皮表面層に炭窒化物が析出したりして研削性は著しく低下する。
以上の比較から、材料費と加工費を考慮した軸受の総合コストとしては、ＳＵＪ２の方がＳＣＲ４２０より低くなる。

そして、材料に上記の鋼材を用いて製造した転がり軸受の機能に関しては、転がり寿命ではＳＣＲ４２０を浸炭（又は浸炭窒化）したものは表面層のγ_R が多く、圧縮残留応力も発生するために、特に異物混入環境下において長寿命の傾向にある。また、軸受として重要な機能である寸法安定性なども、ＳＣＲ４２０の方がＳＵＪ２より優れている。
特開平２−１２５８４１号公報 特開昭６３−３０３２２１号公報 特開平２−２７７７６４号公報

しかしながら、上記従来の転がり軸受の材料である肌焼鋼ＳＣＲ４２０等にあっては、(1) 浸炭硬化層を深くしようとすると、基地の炭素量が低いため浸炭処理を高温かつ長時間行う必要があり、そのため熱処理生産性が低下する。(2) また、表面炭素濃度を高くすると、Ｃｒ含有量が多いために初析炭化物が生じやすく、そのため転がり疲れ寿命が低下する。(3) そこでＣｒ量を減らし、Ｎｉ，Ｍｏを添加して焼入れ性を改善しようとすると、材料コストが増加してしまうという問題点がある。(4) 更に、とくに耐磨耗性が要求される場合に、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形成元素を多量に添加し、軸受表層に炭化物を多量に析出させる方法が知られているが、この方法は、材料コストが上がるだけでなく、鍛造性、切削性、研削性等の低下による加工コスト上昇及び浸炭性低下による熱処理コストの上昇を伴い、非常に高価な転がり軸受になってしまう。

一方、軸受鋼ＳＵＪ２の場合は、コストは低く抑えられるが、特に異物混入環境下においての軸受寿命が短いという問題点がある。
こうした問題の対策として、本出願人は先に出願の特許文献１において、材料コストが低く、熱処理生産性が良好で且つ長寿命の転がり軸受を提案した。このものは、軸受の転がり疲れ寿命に有害な初析炭化物を生じ易いＣｒ量を０．３５％未満とし、Ｃｒ量低下による焼入れ性低下を避けるために、１．２〜１．７重量％のＭｎを添加するとともに基地カーボン量の多い（Ｃ量：０．４〜０．７重量％）中炭素マンガン鋼を用いることにより初析炭化物の発生を抑制し、軸受表面層におけるγ_R を２５〜４５体積％の範囲として必要な硬化層深さを得ることにより、異物混入潤滑下での転がり軸受の長寿命化を達成しようとするものである。

詳しくは、前記特許文献１で、その第１図にも開示されているように、異物混入潤滑下では、表面層にγ_R を２５〜４５体積％存在させることにより長寿命が得られる。これを実施するため、少なくとも表面層の固溶炭窒素量を０．８重量％以上とすれば前記γ_R の範囲を保ち得ることが示されている。
しかしながら、この場合、Ｍｎ量による加工性の低下、浸炭窒化したときの研削加工性の低下等の問題があり、また本来転動体と内外輪とでは要求される機能や加工条件が異なることからも、なお改良の余地がある。

また、上述のように軸受の転動体、外輪、内輪は加工方法が異なっている。転動体は冷間鍛造後、研削工程（ラップ等を含む）を経て加工され、内外輪は熱間（温間）鍛造後、切削加工、研削（超仕上等を含む）の各工程を経て加工される。
このような加工方法の差異に鑑み、転動体においては素材ＳＵＪ２の巨大炭窒化物を消失させ、ソーキングを不要とし、冷間鍛造性（金型寿命）の向上を図る必要性があり、また内外輪においては切削加工性（工具寿命）、研削加工性（ドレッシング間隔）の向上を図る必要性があるなど、それぞれに独自の課題を有していた。換言すると、異物混入潤滑下での長寿命を達成しつつ、なお且つ、できる限り低コストな転がり軸受を得るためには、なお改良の余地があった。

ところで、一般的には、転がり軸受は内輪、外輪及び転動体に全て同一材料が使用されることが多いのであるが、耐磨耗性、耐異物性等が要求される場合には、コストを考慮して内外輪又は固定輪あるいは転動体のみに高価な材料を用いる場合もある。例えば特許文献２に、内外輪と転動体のうち、内外輪の少なくともいずれか一方または転動体に、０．３重量％以上のＣと３重量％以上のＣｒを含む鋼を使用し、残りに高炭素Ｃｒ軸受鋼あるいは浸炭鋼を使用することにより長寿命な軸受を得る方法が開示されている。しかし摩耗やコストに対する考慮がなされていない。

一方、近年、自動車の高速化、軽量化、低燃費化や、鉄鋼設備のメンテナンスフリー化で軸受の使用条件が非常に過酷化している。このため、異物混入下での転がり寿命の向上に加えて、潤滑油中に混入する異物による表面損傷による剥離や、潤滑不良による磨耗等が問題になる場合がある。
これに対し、特許文献３に開示されているように、高クロム鋼に浸炭又は浸炭窒化を施し、軸受表層に微細炭化物を析出させ、かつ残留オーステナイト量γ_R を適正化することにより、異物混入潤滑下での長寿命化を図る従来例が知られているが、潤滑不良による磨耗に対する考慮が不十分であった。

そこで本発明は、異物混入潤滑下での長寿命化だけでなく、耐磨耗性にも優れた転がり軸受を安価に提供することを第１の目的としている。
また、特に高速、低荷重の条件下で使用される乗用車のトランスミッション用等の転がり軸受の場合は、耐磨耗性と共に低コスト化が強く望まれており、軸受製造コストに影響の大きい材料の被削性や研削性等の加工性の良否にも配慮が必要になる。

そこで本発明は、耐磨耗性に優れ、異物混入潤滑下でも長寿命であるのみならず、加工性にも優れてコスト的に有利でかつ高速、低荷重の使用に好適な転がり軸受を安価に提供することを第２の目的としている。
本発明は、以上に鑑み、異物混入潤滑下での転がり寿命を向上するとともに、必要に応じ、できるだけ低コストな、あるいは異物混入潤滑下で軸受の種類や使用条件の違いに応じて耐磨耗性に優れた長寿命の転がり軸受を選択的に提供することを目的としている。

上記第１の目的を達成するために、本願の請求項１に係る転がり軸受は、内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つが、
Ｃ ：０．１〜１．０重量％
Ｓｉ：０．１〜１．５重量％
Ｍｎ：０．１〜１．５重量％
Ｃｒ：０．５〜３．０重量％
Ｍｏ：３．０重量％以下
Ｖ ：２．０重量％以下
Ｎｉ：２．０重量％以下
を含有し残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成され、完成品表面層の炭素量および窒素量が
Ｃ ：０．８〜１．５重量％
Ｎ ：０．３〜０．７重量％
であることを特徴とする。

次に、この転がり軸受で用いられる合金成分の限定理由について述べる。
［Ｃ含有量］
Ｃは、基地をマルテンサイト化することにより、焼入れ・焼戻し後の硬さを向上するために必要な元素である。その含有量を０．１重量％以上としたのは、軸受として必要な強度を確保するためである。上限を１．０重量％以下としたのは、これ以上含有すると心部の靭性を低下させるからである。

［Ｓｉ含有量］
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、また焼戻し軟化抵抗を高め、転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素であるため０．１重量％以上含有させるが、浸炭窒化時に炭素や窒素が表面から侵入するのを阻害し、熱処理生産性を低下させるので上限を１．５重量％とした。
［Ｍｎ含有量］
Ｍｎは、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として必要な元素であり、また焼入れ性を向上させるのに有効な元素であるため０．１重量％以上含有させるが、多量に添加すると被削性を低下させるため上限を１．５重量％とした。

［Ｃｒ含有量］
Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、基地を固溶強化する他、浸炭窒化により軸受表面層に炭化物、窒化物および炭窒化物を析出させ、転動疲労寿命および耐磨耗性を向上するのに役に立つ。Ｃｒの含有量の好ましい下限値として０．５重量％としたのは、これ以下ではその添加効果が少ないためである。また、多量に添加すると表面にＣｒ酸化物が形成され、浸炭窒化時に炭素や窒素が表面から侵入するのを阻害し、熱処理生産性を低下させるため上限を３．０重量％とした。

［Ｍｏ含有量］
Ｍｏは、焼戻し軟化抵抗を増大し、また、Ｃｒと同様に浸炭窒化により軸受表面層に炭化物、窒化物および炭窒化物を析出させ、転動疲労寿命および耐磨耗性を向上するのに有効な元素である。上限を３．０重量％としたのは、あまり多量に添加すると塑性加工性が悪くなることおよび高価になるためである。

［Ｖ含有量］
Ｖは、Ｍｏと同様に焼戻し軟化抵抗を増大し、また浸炭窒化により非常に微細で高硬度なＶＣ炭化物や窒化物および炭窒化物を生成し、その分散強化により耐磨耗性および転動疲労寿命特性の向上に有効な元素である。上限を２．０重量％としたのは、あまり多量に添加すると被削性が悪くなることおよび高価になるためである。
［Ｎｉ含有量］
Ｎｉは、マトリクスに固溶して靭性を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、あまり多量に添加すると表面層のγ_R が増加しすぎて硬さが低下するため上限を２．０重量％とした。

［軸受完成品表面層の成分組成］
先にも述べた通り、従来から、耐磨耗性を向上させるために、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形成元素を多量に添加して軸受表面層に炭化物を析出させる方法が知られているが、合金元素を多量に含有し又熱処理コストも高くなるため非常に高価になってしまう。
そこで、特に異物混入潤滑下で転がり寿命が長寿命で且つ耐磨耗性にも優れた転がり軸受を得る、という本発明の第１の目的を達成すべく、本願発明者らは軸受表面層の炭素濃度および窒素濃度に着目し、寿命および耐磨耗性との関係について研究を行った結果、軸受表面層の窒素濃度を適正化することにより耐磨耗性を著しく向上できることを見いだした。

具体的には、図１に示すように、浸炭窒化処理を施した表面層の窒素濃度が０．３重量％以上であれば、非常に微細な炭化物、窒化物および炭窒化物の分散強化により耐磨耗性が著しく向上する。もっとも、表面層の窒素濃度があまりに高すぎるとγ_R が多くなりすぎて硬さが低下し、低速度、高荷重の条件下で使用される用等の転がり軸受としての使用に耐えないため、表面層の窒素濃度を好ましくは０．７重量％以下とする必要がある。
この時、マトリクスに十分な強度を与えて長寿命化を図るためには、表面層の炭素濃度は好ましくは０．８重量％以上必要である。一方、表面層の炭素濃度が１．５重量％を越えると、以下に述べる条件との組み合わせにより結晶粒界に網目状の粗大炭化物が析出し、そこへ応力集中が生じて転動疲労寿命が低下する。

以上の理由から、内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つについて、完成品表面層の炭素濃度を０．８％以上１．５％以下、窒素濃度を０．３％以上０．７％以下とする。
なお、本願の請求項１に係る転がり軸受において、内輪、外輪のうちの固定輪のみに先に述べた成分組成の合金鋼を用いれば、耐磨耗軸受を一層安価に供給することが可能である。また、連鋳機用軸受等のように、割れについても問題となる場合には、母材の炭素濃度を０．５重量％以下とすることが望ましい。
このように、本願の請求項１に係る転がり軸受は、異物混入潤滑の条件のうち、特に製鉄用など（比較的低速で）高荷重の条件まで耐磨耗性を得ることができるものである。

これに対し、「特に高速、低荷重の条件下で使用される乗用車のトランスミッション等用の転がり軸受で耐磨耗性と低コストを両立させる」という上記第２の目的を達成するために、本願の請求項２に係る転がり軸受は、内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つが、
Ｃ ：０．３〜０．９重量％
Ｓｉ：０．１〜０．７重量％
Ｍｎ：０．５〜１．５重量％
Ｃｒ：０．１〜０．８重量％
を含有し残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成され、完成品表面層の炭素量および窒素量が
Ｃ ：０．６〜１．２重量％
Ｎ ：０．２〜０．９重量％
であり、更に、Ｃｒと窒素の総含有量（素材中のＣｒ含有率と表面層におけるＮ含有率との合計量：「Ｃｒ＋Ｎ」）が０．４〜１．０重量％
であることを特徴とする。

次に、この転がり軸受で用いられる合金成分の作用および数値限定の臨界的意義について説明する。
一般に、転がり軸受材料として使用されているＳＵＪ２などの軸受鋼やＳＣＲ４２０相当の肌焼鋼を浸炭窒化処理した場合、窒素濃度が増加されると耐磨耗性は大きく向上するが、反面、研削性は著しく低下する傾向にあり、加工費の面で大きなコストアップとなる。
そこで、本発明者らは、材料成分と窒素濃度、研削性及び耐磨耗性等の相関について研究を重ねた結果、Ｃｒ含有量と窒素添加量を適正化することにより、異物混入下における長寿命と耐磨耗性に優れ、且つ研削性を含めた加工性も良好な軸受を低コストで提供できることを見い出した。

［Ｃ含有量］
Ｃは、軸受として必要な心部強度を得るためには必要な元素である。しかし、素材の炭素量が０．９重量％を越えると、製鋼時に巨大炭化物や偏析をなくすためのソーキングが必要となり、材料費のコストアップとなる。また、炭素量が増すと変形抵抗が増加する傾向にあり、冷間加工性や切削性が悪くなるので、上限は好ましい値として０．９重量％とした。
一方、素材の炭素量が０．３重量％未満になると浸炭（又は浸炭窒化）処理が長くなり熱処理生産性が低下するため、下限を好ましい値として０．３重量％とした。ただし、内外輪に使用する場合、寸法安定性や心部靭性が問題となるときには素材の炭素量を０．６重量％以下とすることが望ましい。

［Ｓｉ含有量］
Ｓｉは製鋼時に脱酸剤として必要な元素であり、焼入性を向上させるとともに基地マルテンサイトを強化し、さらに焼戻し軟化抵抗性を高めるのに有効な元素であるため０．１重量％以上の添加は必要である。しかし、その含有量が多すぎると冷間加工性や切削性を低下させ、さらに浸炭窒化の際の炭素及び窒素の浸透深さが減少し、熱処理費のコストアップにつながるので上限を好ましい値として０．７重量％とした。

［Ｍｎ含有量］
Ｍｎは、焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。さらに本発明では浸炭窒化処理を行うことで、軸受完成品表面に微細な窒化物を形成し耐磨耗性を向上させるが、Ｍｎを添加すると浸炭窒化しても研削性が低下しにくくなることを発見した。この効果を発揮させるため好ましくは０．５重量％以上は必要である。しかし、多量に添加されると素材の冷間加工性や切削性が低下するので上限を１．５重量％とした。

［Ｃｒ含有量］
Ｃｒは焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素であるため、０．１重量％以上は必要であり、浸炭窒化処理を行うことで軸受完成品表面に窒化物を形成し耐磨耗性を向上させるが、Ｃｒ量と窒素含有量の関係が一定量を越えると研削性が悪くなる。また、過剰な添加は材料のコストアップとなるだけでなく、浸炭窒化時の炭素および窒素の浸透深さが減少し、熱処理費のコストアップにつながるので上限を好ましい値として０．８重量％とした。

［完成品表面のＣ含有量；０．６〜１．２重量％］
通常、浸炭窒化処理後の完成品表面の炭素濃度は軸受として必要な硬さを得るために０．８以上必要とされているが、本発明では長寿命と耐磨耗性とを同時に得るために窒素含有量の上限値を増やしているので、最低必要な表面炭素量は０．６重量％となる。しかしながら、その含有量が１．２重量％を越えると窒素含有量と合わせて固溶量が過剰となり、処理条件によっては必要以上のγ_R が発生して表面硬さが逆に低下したり、初析が生じたりして転動寿命を低下させる場合がある。そのため上限を好ましい値として１．２重量％とした。

［完成品表面のＮ含有量；０．２〜０．９重量％］
完成品表面の窒素量が０．２重量％未満の場合、窒素の固溶不足により寿命と耐磨耗性を同時に得ることが困難となってくる。従って、下限として好ましくは０．２重量％とする。一方、窒素量を増加していくと、窒化物が析出し耐磨耗性が向上する。しかし、Ｃｒの添加量によっては、耐磨耗性向上と共に研削加工性が悪化する傾向にあり、０．９重量％を越えるとＣｒの添加量を減らしても研削性が改善されない。

［Ｃｒと窒素の総含有量（Ｃｒ＋Ｎ）；０．４〜１．０重量％］
Ｃｒは窒素添加によって窒化物あるいは炭窒化物を形成して耐磨耗性を向上させる作用がある反面、研削性は低下する。本発明者らは、素材中のＣｒの含有率と表面層におけるＮ含有率の和が適正な範囲内であれば研削性及び耐磨耗性が共に良好となることを実験的に見いだした（実験内容については後述の実施例で詳しく述べる）。
結論として、表面層のＮ含有量が０．２重量％以上との条件で、上記Ｃｒ＋Ｎ量が１．０重量％を越えると研削性が急激に悪化し、一方、０．４重量％未満になると耐磨耗性が著しく低下することが判明した。そこで、研削性と耐磨耗性とを同時に満足させ得るＣｒ＋Ｎ量の適正な範囲を０．４〜１．０重量％と規定した。Ｃｒ＋Ｎ量がこの範囲内にあっても、表面層Ｎ含有量が０．２重量％以上で無い場合には十分な耐磨耗性が得られない。

本願の請求項１に係る発明によれば、非常に微細な炭化物、窒化物および炭窒化物の分散強化により耐磨耗性が著しく向上できて、その結果、長寿命でかつ耐磨耗性に優れた転がり軸受を安価に提供できるという効果が得られる。また、ラジアル型転がり軸受においては、固定輪の負荷圏に磨耗が生じることが多いことに鑑み、内輪外輪のうちの固定輪となるものだけを請求項１の構成とし、回転輪となるものおよび転動体には従来の合金鋼を用いてもよい。この場合でも十分な耐磨耗性を得ることができるため、より安価に耐磨耗性に優れた長寿命の転がり軸受を提供することが可能である。
また、本願の請求項２に係る発明によれば、特に高速、低荷重の条件下で耐磨耗性に優れ、かつ低コストであるとともに長寿命の転がり軸受を提供することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
先ず、本願の請求項１に係る発明の実施例を説明する。この発明の実施例の合金組成を表１に示す。

従来例Ｍ１１はＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２であり、従来例Ｍ１２はＪＩＳ鋼種ＳＣＲ４２０である。熱処理については、本発明例および比較例の浸炭窒化処理には、８５０〜９００℃で１〜８時間の範囲の適宜の条件で浸炭窒化を行った後８２０〜８８０℃で二次焼入れを施し、１８０℃で２時間の焼戻しを行った。また、従来例ＳＵＪ２には８４０℃で焼入れを行った後１８０℃で２時間の焼戻しを行い、ＳＣＲ４２０には９３０℃で４時間浸炭を行った後８６０℃で二次焼入れを行い、１８０℃で２時間の焼戻しを行って実験に供した。表２に、供試片の熱処理品質、寿命試験結果および磨耗試験の結果を示す。

寿命試験は前記スラスト型試験機を用い、異物混入潤滑下で試験を行った。試験条件を以下に示す。
面圧；４９００ＭＰａ
回転数；１０００ｃｐｍ
潤滑油；＃６８タービン油
異物混入；ＳＵＳ４２０Ｊ２鋼粉（硬さＨＲＣ５２、粉径８０〜１６０μｍ）
異物混入量；３００ｐｐｍ
磨耗試験は図２に示すような二円筒式磨耗試験機を用いて行い、上下に対向させた一対の円筒１０にそれぞれ供試片Ｓを装着して、上から荷重Ｐを負荷しながら互いに接触状態で逆方向に低速で回転させて、両供試片Ｓの磨耗率（ｇ／ｍ）の平均値を求めるものである。特に、潤滑不良状態での磨耗特性を試験するべく、回転中は油膜が切れ易い低粘度の潤滑油を注ぐようにした。

その磨耗試験条件は次の通りとした。
荷重；１００ｋｇｆ
回転数；１０ｒｐｍ
滑り率；３０％
潤滑油；Ｓ１０
油温；６０℃
供試片Ｔ１〜Ｔ９は本発明例であり、耐磨耗性および寿命ともに従来と比較して著しく向上している。供試片Ｔ１０はＣｒ添加量が下限未満の場合で、寿命の向上効果が不十分である。供試片Ｔ１１、Ｔ１４およびＴ１５は、表面層窒素濃度が低すぎる場合の比較例であり、寿命、耐磨耗性ともに向上効果が不十分である。供試片Ｔ１２は、表面炭素濃度が上限を越えた場合の比較例であり、結晶粒界に粗大な網目状の炭化物が析出したため短寿命となっている。供試片Ｔ１３は表面炭素濃度が下限未満の場合の比較例であり、寿命の向上効果が不十分である。

なお、最も負荷条件の厳しい固定輪（転がり軸受が内輪回転で使用される場合は外輪、外輪回転で使用される場合は内輪。）を本発明例の構成とすれば、他の内輪または外輪と転動体は従来のＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０等を用いても、転がり軸受として必要な耐磨耗性および異物混入潤滑下での寿命が得られ、製品のコストを下げることができる。

［第２の実施形態］
次に、本願の請求項２に係る発明（すなわち、高速、低荷重の条件下で異物混入潤滑下での転がり寿命に加えて耐磨耗性と低コストとを両立させる場合）の実施例について説明する。
（１）軸受の合金鋼の材料成分と切削加工における工具寿命及び冷間型鍛造（据え込み加工）における型寿命との関係
実施例と比較例の各鋼種について、工具寿命と型寿命を比較した。

工具寿命試験の条件：
切削機械：高速旋盤
工具：Ｐ１０（ＪＩＳ Ｂ ４０５３）
切り込み速度：１８０〜２２０ｍ／ｓｅｃ
送り量：０．２〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ：０．６〜１．０ｍｍ
「ＪＩＳ Ｂ ４０１１」のバイト切削試験法に従って上記条件で各試料を切削し、バイトの逃げ面磨耗量が０．２ｍｍに達するまでを工具寿命とした。

型寿命試験の条件：
金型：Ｖ３０（ＪＩＳ Ｂ ４０５３）
据え込み率：１５〜２０％
加工性：毎分３００〜４００個
潤滑：燐酸亜鉛皮膜＋潤滑油
各鋼種を上記条件で加工し、金型にクラックが発生したり破損したりして加工後のワークに傷や変形が出るまでを金型寿命とし、それ迄に加工されたワークの数で金型寿命を示した。
それぞれの結果を表３に示す。

本発明の転がり軸受の合金鋼においては、全ての鋼種について工具寿命および型寿命が共に良好な結果が得られた。これに対して、比較例においては、Ｎ８及びＮ１０はＭｎ含有量あるいはＣ含有量が大きく、工具寿命および型寿命が共に低下し、しかもコストアップが生じた。したがって、Ｎ８、Ｎ１０については以下の熱処理実験を行わない。

（２）軸受合金鋼の熱処理品質
表３における実施例と比較例の各合金鋼（ただし、Ｎ８、Ｎ１０は除外）について、次のＦ、Ｇ、Ｈの各熱処理を施し、熱処理品質を評価した。
〔熱処理Ｆ〕
温度８４０〜９００℃で、１〜４時間、吸熱形ガス雰囲気中にエンリッチガス及びアンモニアガスを加えて、残留アンモニアが少なくとも０．１体積％以上含まれる条件で浸炭窒化を行い、そのままダイレクトに焼入れを行うか、または一旦ダイレクトに焼入れた後８３０〜８６０℃で３０分間保持した後、二次焼入れを行い、引き続いて１６０〜１８０℃で２時間の焼戻しを行う。

〔熱処理Ｇ〕
温度８７０〜９３０℃で、１〜４時間、吸熱形ガス雰囲気中にエンリッチガス及びアンモニアガスを加えて、残留アンモニアが０．１体積％未満の条件で浸炭窒化を行い、そのままダイレクトに焼入れを行うか、または一旦ダイレクトに焼入れた後８３０〜８６０℃で３０分間保持した後、二次焼入れを行い、引き続いて１６０〜１８０℃で２時間の焼戻しを行う。

〔熱処理Ｈ〕
温度９３０〜９６０℃で、５〜７時間、通常の浸炭処理を行った後、室温まで放冷し、次いで８３０〜８６０℃で３０分間保持した後、焼入れを行い、引き続いて１６０〜１８０℃で２時間の焼戻しを行う。
本実施例の合金鋼に行う熱処理は〔熱処理Ｆ〕であり、１〜４時間の短時間処理で十分な浸炭、浸窒深さが得られる。ほとんどの場合、ダイレクトに焼入れを行うのでコスト的に通常焼入れとほぼ同等となる。しかし、薄肉の軸受等においては焼入れ時の変形が非常に問題となるため、二次焼入れ又はプレスクエンチを施した方が変形が抑えられて不良率が減少し、研削コストも下がるのでコスト的にも有利になる場合もある。

また、アンモニア分析計により、残留アンモニア量を少なくとも０．１体積％以上となるように管理しないと、完成品表面に十分な窒素が与えられない。処理温度が９００℃を越えるとアンモニアガスの分解速度が速くなり、十分な量のアンモニアを残留させることが難しく、浸窒性が低下するだけでなく、更に結晶粒度の粗大化などにより靭性が低下して軸受としての機能が低下する。また、処理温度が８４０℃以下になると十分な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、コストアップにつながることから、処理温度は８４０℃以上９００℃以下とした。

表４に、熱処理品質と異物混入潤滑下におけるスラスト寿命試験の結果（前記スラスト型試験機を使用）及び研削性、耐磨耗性を示す。また、図３及び図４にＣｒ＋Ｎと研削性及び耐磨耗性との関係を示した。なお、寿命試験、研削試験、磨耗試験の条件は以下の通りである。
寿命試験の条件：
面圧：４９００ＭＰａ
回転数：１０００ｒｐｍ
潤滑油：＃６８タービン油
混入異物：
組成；Ｆｅ₃ Ｃ系粉
硬さ；Ｈ_R Ｃ５２
粒径；７４〜１４７μｍ
混入量；潤滑油中に３００ｐｐｍ

研削試験の条件：
砥石：ＷＡ１００
研削液：ソリュブルタイプ
研削周速：２８００〜３０００ｍ／ｍｉｎ
研削試験には呼び番号６２０６の内輪を用い、上記条件でその内輪軌道面を砥石で研削し、砥石のドレスを行うまでに研削した内輪個数を調査した。

磨耗試験の条件：
試験機：二円筒式磨耗試験機（図２に示したもの）
荷重：５０ｋｇｆ
回転数：１００ｒｐｍ
滑り率：３０％
潤滑油：Ｓ１０
油温：６０℃
磨耗試験には同一鋼種の二個の円筒試験片を用いて上記の条件で行い、それぞれの重量減小量（磨耗量）を測定し、その平均値を用いて磨耗率で示した。

表４において、No. １Ａ〜No. ８Ａは実施例の合金鋼であるが、いずれも長寿命であり、耐磨耗性及び研削性も良好であるため、低コストな長寿命耐磨耗軸受を提供することができる。一方、比較例中のNo. ９Ａ〜No. １５ＡはＣｒ＋Ｎが１．０重量％を越えた場合の例であり、研削性が非常に低下したために大きなコストアップを生じたものである。
また、No. １６ＡはＭｎやＣｒの含有量が最低必要とされる量に満たないために耐磨耗性及び寿命が改善されていない。No. １７Ａは素材のＣ重量％が低いため短時間処理では十分な炭素が与えられず、γ_R が不足したために短寿命となった。No. １８Ａ及びNo. １９Ａは通常の浸炭例であるが、Ｎが含有されていないために耐磨耗性と寿命が改善されない。

No. ２０Ａ〜No. ２２ＡはＣｒ＋Ｎが０．４重量％に満たない場合の比較例であり、十分な耐磨耗性が得られず、特にNo. ２２Ａにおいては表面近傍に必要以上のγ_R が生じたために寿命も短くなった。No. ２３Ａ及びNo. ２４は低Ｎ浸炭窒化の例であるが、Ｃｒの含有量が高く、Ｎの固溶量も十分でないために研削性と耐磨耗性の関係が改善されていない。
No. ２５Ａは研削個数及び耐磨耗性に関しては比較例中では比較的良い結果が得られたものの、表面層の炭素量が多すぎることにより若干の初析（炭化物）が生じため転がり寿命が低下した。
No. ２６Ａは表面層の窒素量が多すぎるため研削加工性が低下した。
No. ２７ＡはＣｒ及び表面層の窒素量は個々には条件を満たしているものの、Ｃｒ＋Ｎが下限値に満たないため耐磨耗性が改善されない。

（３）Ｃｒ＋Ｎと研削性及び耐磨耗性
Ｃｒ＋Ｎと研削性及び耐磨耗性との関係については、図３に示すように、Ｎを０．２重量％以上含有する場合、Ｃｒとの総含有量Ｃｒ＋Ｎが１．０重量％を越えると研削性が急激に悪化する。一方、Ｃｒ＋Ｎが０．４重量％未満になると、図４に示すように、耐磨耗性が著しく低下する。また、Ｃｒ＋Ｎが０．４〜１．０重量％の範囲内であっても、Ｎが０．２重量％以上含有されていない場合には、十分な耐磨耗性が得られない。

図５に、耐磨耗性と研削性との関係を示す。
Ｃｒ含有量、表面層のＮの含有量、またはこれらの和Ｃｒ＋Ｎの少なくともいずれかが本発明の範囲外である比較例では、耐磨耗性が向上することによって研削性が低下する傾向にあるが、本発明例では研削性、耐磨耗性共に良好な結果が得られた。比較例No. １７Ａおよび２５Ａは、比較的本発明品に近い耐磨耗性及び研削性を示しているが、表面層の炭素量が本発明の範囲外のため前記のように転がり寿命が低下している。

よって、Ｎを０．２重量％以上含有し、さらにＣｒ＋Ｎを０．４〜１．０重量％の範囲にすることにより、研削性と耐磨耗性とが共にすぐれた低コストな転がり軸受を提供することが可能になる。
なお、上記の全ての本発明は、各種転がり軸受（玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、球面ころ軸受等。ラジアル型、スラスト型は問わない）に適用することができる。

転がり軸受部材の表面窒素濃度と磨耗率との関係を表したグラフである。 二円筒式磨耗試験機の概念図である。 実施例と比較例とにおけるＣｒとＮの総含有量と研削性との関係を表したグラフである。 実施例と比較例とにおけるＣｒとＮの総含有量と耐磨耗性との関係を表したグラフである。 実施例と比較例とにおける耐磨耗性と研削性との関係を表したグラフである。

符号の説明

１０ 円筒

Claims (2)

1. 内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つが、
   Ｃ ：０．１〜１．０重量％
   Ｓｉ：０．１〜１．５重量％
   Ｍｎ：０．１〜１．５重量％
   Ｃｒ：０．５〜３．０重量％
   Ｍｏ：３．０重量％以下
   Ｖ ：２．０重量％以下
   Ｎｉ：２．０重量％以下
   を含有し残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成され、完成品表面層の炭素量および窒素量が
   Ｃ ：０．８〜１．５重量％
   Ｎ ：０．３〜０．７重量％
   であることを特徴とする転がり軸受。
2. 内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つが、
   Ｃ ：０．３〜０．９重量％
   Ｓｉ：０．１〜０．７重量％
   Ｍｎ：０．５〜１．５重量％
   Ｃｒ：０．１〜０．８重量％
   を含有し残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなる合金鋼で形成され、完成品表面層の炭素量および窒素量が
   Ｃ ：０．６〜１．２重量％
   Ｎ ：０．２〜０．９重量％
   であり、更に、Ｃｒと窒素の総含有量（Ｃｒ＋Ｎ）が０．４〜１．０重量％
   であることを特徴とする転がり軸受。

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