JP2004263751A - 転がり、摺動部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一般的な軸受用鋼を用いて形成され、しかも疲労組織の発生を抑制した転がり、摺動部品およびその製造方法を提供する．
【解決手段】転がり、摺動部品における転がり、摺動面の表層部の表面硬さをロックウェルＣ硬さで５６〜６４とし、同じく残留オーステナイト量を１２ｖｏｌ％以下とし、同じくマルテンサイトのＸ線半価幅を４〜６度とする。転がり、摺動部品は、軸受用鋼より所定の形状に形成された加工済み部品素材に焼入処理を施した後、２回以上の焼戻し処理を施し、さらに表面硬化処理を施すことにより得られる。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転がり、摺動部品およびその製造方法、さらに詳しくは、たとえばエンジン補機の車両用オルタネータ、カーエアコン用コンプレッサ、ウォータポンプ部品や、トロイダル型無段変速機のディスクやローラ等の動力伝達部品のように、高温、高速、高荷重、高振動などが作用する厳しい条件下で使用される転がり、摺動部品およびその製造方法に関する。
【０００２】
この明細書において、転がり、摺動部品とは、純然たる転がり接触、純然たるすべり接触、および転がり接触とすべり接触とが混在した接触を行う部品をいうものとする。
【０００３】
【従来の技術】
たとえば転がり軸受の軌道輪や転動体などの転がり軸受部品は、ＪＩＳ ＳＵＪ２のような高炭素クロム軸受鋼や、ＪＩＳ ＳＣＲ４２０のような肌焼き鋼などの軸受用鋼を用いて形成されるが、このような転がり軸受が高温、高速、高振動、高荷重などが作用する厳しい条件下で使用される場合、表面下にＤＥＡ（Ｄａｒｋ Ｅｃｈｉｎｇ Ａｒｅａ、黒色組織）、白層（白色組織）などの疲労組織が発生する。これらの疲労組織のうち白層が発生すると、転がり軸受の寿命が著しく短くなることが判明している。たとえば、オルタネータ用玉軸受では最大で１８０００〜２２０００ｒｐｍ程度の高速回転、２０Ｇ以上の高衝撃荷重で使用され、上記疲労組織が発生しやすくなっている。
【０００４】
従来、転がり軸受の使用中に転がり軸受部品に発生するこれらの疲労組織のうち白層は結晶粒がｎｍオーダーまで微細化した組織であることが判明しているが、この白層は次のようにして発生すると考えられていた。すなわち、転がり軸受の使用時に応力集中により転がり軸受部品にクラックが発生し、このクラックにさらに応力が集中することによってクラックに沿って塑性変形が繰り返して起こり、その結果結晶粒がｎｍオーダーまで微細化されて白層が発生すると考えられていた。
【０００５】
そこで、従来、上述したような白層の発生を防止するために、軸受用鋼にＮｉやＭｏを添加することにより靭性を向上させてクラックの発生を防止し、その結果白層の発生を抑制することが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−６０９０４号公報（段落０００６、特許請求の範囲）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高炭素クロム軸受鋼や肌焼き鋼などの一般的なコストの安い軸受用鋼を用いた転がり、摺動部品において白層の発生を抑制したものは見出されていないのが現状である。
【０００８】
この発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、一般的な軸受用鋼を用いて形成され、しかも疲労組織の発生を抑制した転がり、摺動部品およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、転がり、摺動部品の転がり、摺動面の表層部において、転がり接触によって接触部内部に局在化した応力が生じ、その応力の作用によってマルテンサイト組織が局部的にせん断変形させられることにより、その領域がｎｍオーダーの結晶粒に変化し、その結果白層が形成されることを明らかにした。
【００１０】
そして、転がり、摺動部品の転がり、摺動面表層部に大きな熱処理歪みや多くの残留オーステナイトが存在すると応力集中が発生しやすくなり、その結果マルテンサイト組織内に局部的なせん断変形が生じてしまうことを見出して、この発明を完成するに至ったのである。また、転がり、摺動部品の転がり、摺動面表層部の残留圧縮応力が大きくなった場合にも、マルテンサイト組織内に局部的なせん断変形が生じてしまうことを見出した。
【００１１】
この発明による転がり、摺動部品は、軸受用鋼からなり、転がり、摺動面の表層部の表面硬さがロックウェルＣ硬さ（ＨＲＣ）で５６〜６４、同じく残留オーステナイト量が１２ｖｏｌ％以下、同じくマルテンサイトのＸ線半価幅が４〜６度となされているものである。
【００１２】
この発明の転がり、摺動部品において、軸受用鋼としては、ＪＩＳ ＳＵＪ２のような高炭素クロム軸受鋼や、ＪＩＳ ＳＣＲ４２０のような肌焼き鋼などの一般的な軸受用鋼が用いられる。
【００１３】
この発明の転がり、摺動部品において、転がり、摺動面の表層部の表面硬さをＨＲＣ５６〜６４に限定したのは、ＨＲＣ５６未満であると高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な使用条件下に限らず、一般的な使用条件下での転がり、摺動寿命が低下し、ＨＲＣ６４を越えると熱処理歪みが大きくなりすぎて白層の発生を抑制する効果が十分に得られず、結果的に高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な使用条件下での転がり、摺動寿命が低下するからである。
【００１４】
また、この発明の転がり、摺動部品において、転がり、摺動面の表層部の残留オーステナイト量を１２ｖｏｌ％以下に限定したのは、次の理由による。すなわち、オーステナイトはマルテンサイトに比べて硬さが低いため、転がり、摺動接触時の局部的な歪み発生源になるが、残留オーステナイト量が１２ｖｏｌ％を越えると多くの歪みが発生し、その結果歪みに起因する白層の発生を抑制する効果が十分に得られないからである。なお、残留オーステナイト量は、は９ｖｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１５】
さらに、この発明の転がり、摺動部品において、転がり、摺動面の表層部のマルテンサイトのＸ線半価幅を４〜６度に限定したのは、４度未満であると表層部の硬さが不足して高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な使用条件下での転がり、摺動寿命が低下し、６度を越えると表層部の熱処理歪みが大きくなりすぎて白層の発生を抑制する効果が十分に得られないからである。なお、マルテンサイトのＸ線半価幅は４〜５度であることが好ましい。
【００１６】
ここで、表層部とは表面および表面近傍であって、転がり、摺動寿命に影響がある部分をいう。たとえば、転がり、摺動面の最表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲であり、これは一般的な転がり軸受部品の軌道面および転動面では深さ０．５ｍｍまでの範囲である。また、オルタネータ用玉軸受でかつ外輪外径が３２〜７２ｍｍ程度であるものに用いられる転動体では深さ０．２ｍｍまでの範囲をいうものとする。
【００１７】
この発明の転がり、摺動部品によれば、一般的な軸受用鋼を用いた転がり、摺動部品によっても白層などの疲労組織の発生を抑制することができ、その結果高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な使用条件下での転がり、摺動寿命が長くなる。しかも、一般的な軸受用鋼を用いるので、材料コストが安くなる。軸受用鋼の中でもＪＩＳ ＳＵＪ２は特に大量生産されるため、これを用いると材料コストが極めて安くなる。
【００１８】
この発明による転がり、摺動部品において、前記転がり、摺動面の表層部の残留圧縮応力の絶対値が１０００ＭＰａ以下となされていることがある。この残留圧縮応力の絶対値が１０００ＭＰａを越えるということは過度の表面硬化処理が行われたということであり、表層部の加工による歪みが大きくなりすぎて白層の発生を抑制する効果が十分に得られない。
【００１９】
この発明による転がり軸受は、内外両輪および転動体を備えており、転動体が、上述した転がり、摺動部品からなるものである。高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な条件で使用される転がり軸受の転動体には、特に上述したような白層などの疲労組織が発生しやすく、この転動体が上述した転がり、摺動部品からなると白層などの発生を抑制することが可能となって、転がり軸受の転がり疲労寿命が長くなるからである。
【００２０】
この発明による転がり、摺動部品の製造方法は、軸受用鋼より所定の形状に形成された加工済み部品素材に焼入処理を施した後、２回以上の焼戻し処理を施し、さらに表面硬化処理を施すことを特徴とするものである。
【００２１】
この発明の転がり、摺動部品において、軸受用鋼としては、ＪＩＳ ＳＵＪ２のような高炭素クロム軸受鋼や、ＪＩＳ ＳＣＲ４２０のような肌焼き鋼などの一般的な軸受用鋼が用いられる。
【００２２】
この発明の転がり、摺動部品の製造方法において、焼入処理は、たとえば８３０〜８７０℃に１０〜６０分間加熱した後急冷することにより行う。
【００２３】
また、この発明の転がり、摺動部品の製造方法において、２回以上の焼戻し処理を施す理由は次の通りである。すなわち、白層の発生を抑制するには、残留オーステナイト量の低減およびマルテンサイトのＸ線半価幅の低減が有効であるが、これらの材料特性を改善するためには焼戻し温度の範囲を通常の温度（１５０〜１７０℃）よりも高くする必要がある。ここで、焼戻し処理を２回以上施すことにより、１回だけで高温焼戻し処理を施す場合に比べて、残留オーステナイト量およびマルテンサイトのＸ線半価幅を低減できることが判明したからである。１回目の焼戻し処理は１５０〜１７０℃に６０〜１２０分間保持することにより行うのがよく、最後の焼戻し処理は１８０〜２５０℃に６０〜１２０分間保持することにより行うのがよい。１回目の焼戻し処理の焼戻し温度を１５０〜１７０℃にするのは次の理由による。すなわち、焼戻し処理を２回以上施す場合、１回目の焼戻し温度を高めに設定すると最後の焼戻し後の硬さが低くなりすぎる。また、１回目の焼戻し温度が低すぎると最後の焼戻し後の残留オーステナイト量およびマルテンサイトのＸ線半価幅の低減幅が小さくなる。したがって、１回目の焼戻し処理の焼戻し温度を１５０〜１７０℃とする。最後の焼戻し処理の焼戻し温度を１８０〜２５０℃にするのは、焼戻し温度が１８０℃以上であると高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な条件で使用される場合にも白層などの疲労組織の発生を抑制することができるが、焼戻し温度を上げていくと硬さが低下し、転がり、摺動寿命が低下するおそれがあるので、焼戻し温度の上限は２５０℃とする。なお、焼戻し処理を２回行うこともあり、この場合１回目の焼戻し処理は１５０〜１７０℃に６０〜１２０分間保持することにより行い、２回目の最後の焼戻し処理を１８０〜２５０℃に６０〜１２０分間保持することにより行う。
【００２４】
さらに、この発明の転がり、摺動部品の製造方法において、表面硬化処理は、たとえばバレルなどの冷間加工により行う。なお、最後に研磨などの仕上げ処理が施される。
【００２５】
この発明の転がり、摺動部品の製造方法によれば、一般的な軸受用鋼よりなる部品素材を用いるので、材料コストが安くなる。しかも、製造された転がり、摺動部品においては、白層などの疲労組織の発生を抑制することができ、その結果高温、高速、高荷重、高振動のような過酷な使用条件下での転がり、摺動寿命が長くなる。
【００２６】
【発明の実施形態】
以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに示す。
【００２７】
実施例１〜３および比較例１〜８
ＪＩＳＳＵＪ２を用いて、直径１５／６４インチの玉の複数の半製品を作製し、ついでこの半製品に８５０℃で２０分間加熱した後急冷する焼入処理と、種々の温度で１２０分間保持する焼戻し処理を、２回または１回施した。ついで、熱処理の施された複数の半製品を回転ドラム内に入れ、回転ドラムを所要回転速度で所要時間回転させることにより、半製品に表面硬化処理を施した。なお、表面硬さの管理は、回転ドラムの回転速度および処理時間を適宜変更することにより行った。その後、研磨仕上げ処理を施し、直径１５／６４インチの玉の完成品を得た。そして、完成品の表層部の表面硬さ（ＨＲＣ）、残留オーステナイト量、残留圧縮応力およびマルテンサイトのＸ線半価幅を測定した。マルテンサイトのＸ線半価幅は、Ｘ線回折装置としてリガク社製のＲＩＮＴ２０００を使用し、Ｘ線：Ｃｒ−Ｋα線、加速電圧：４０ｋＶ、電流２００ｍＡ、回折面：α（２１１）面という条件で測定した。なお、２回の焼戻し処理を施したものについては、１回目の焼戻し処理が終了した後の表層部の表面硬さ（ＨＲＣ）も測定した。その結果を、焼戻し温度とともに表１に示す。
【００２８】
評価試験
実施例１〜３および比較例１〜８の玉を組込んでなる呼び型番６２０２の試験用の深溝玉軸受について、グリースを封入し、図１に示すエンジン補機用試験装置を用いて急加減速試験を行った。図１において、急加減速試験装置は、図示しないモータにより回転駆動される駆動軸（１）に固定されたプーリ（２）と、駆動軸（１）の左右両側に間隔をおいて配され、かつ左右方向に移動自在である可動ベース（３）（４）と、各可動ベース（３）を左右方向外方に付勢する圧縮コイルばね（５）（６）と、各可動ベース（３）（４）に固定されている固定軸（７）（８）とを備えている。そして、左側の可動ベース（３）の固定軸（７）に、試験軸受（９）の内輪（９ａ）を固定するとともに、外輪（９ｂ）の周囲にプーリ（１０）を固定し、さらに右側の可動ベース（４）の固定軸（８）の周囲にプーリ（１１）を回転自在に取り付けて、３つのプーリ（２）（１０）（１１）にＶベルト（１２）が掛け渡した。このときの負荷荷重（ベルトテンション）は、最大接触面厚が２．６ＧＰａとなるように設定しておいた。この状態で、０．５秒間における９０００ｒｐｍから１８０００ｒｐｍへの加速と同じく０．５秒間における１８０００ｒｐｍから９０００ｒｐｍへの減速とを、繰り返して行った。その結果も表１に示す。なお、表１の寿命の欄における「打ち切り」とは、その時間を経過した後も剥離が発生していなかったことを表す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
表１から明らかなように、表層部の表面硬さがロックウェルＣ硬さで５６〜６４、同じく残留オーステナイト量が１２ｖｏｌ％以下、同じくマルテンサイトのＸ線半価幅が４〜６度となされている実施例の玉を用いた軸受の寿命は、比較例のものよりもはるかに長くなっている。よって、高速、急加減速条件で使用されることの多いオルタネータ用玉軸受の早期破損防止に、特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例および比較例の評価試験に用いた急加減速試験装置を示す正面図である。

Claims (4)

1. 軸受用鋼からなり、転がり、摺動面の表層部の表面硬さがロックウェルＣ硬さで５６〜６４、同じく残留オーステナイト量が１２ｖｏｌ％以下、同じくマルテンサイトのＸ線半価幅が４〜６度となされている転がり、摺動部品。
2. 前記転がり、摺動面の表層部の残留圧縮応力の絶対値が１０００ＭＰａ以下となされている請求項１の転がり、摺動部品。
3. 内外両輪および転動体を備えており、転動体が請求項１または２の転がり、摺動部品からなる転がり軸受。
4. 請求項１または２の転がり、摺動部品を製造する方法であって、軸受用鋼より所定の形状に形成された加工済み部品素材に焼入処理を施した後、２回以上の焼戻し処理を施し、さらに表面硬化処理を施すことを特徴とする転がり、摺動部品の製造方法。

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