JP2004293632A

JP2004293632A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2004293632A
Application number: JP2003085309A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田; Yukio Fujii; 幸生藤井
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Also published as: EP1462669A3; EP1462669A2; CN1534212A; US20040190808A1; CN100410556C; US20080276458A1

Abstract

【課題】潤滑条件の厳しい用途や曲げ応力が作用する用途でも長期間安定して使用できる安価な転がり軸受を提供することである。
【解決手段】自動車のロッカーアーム４に組み込まれる転がり軸受１の内輪５および外輪６を、高炭素クロム軸受鋼で形成し、浸炭窒化処理後に一旦高温焼戻ししたうえで高周波焼入れする熱処理を行って、その表層に材質変化抵抗性と２００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与することにより、材料コストを従来と同等としながら、転動疲労寿命および割れ疲労強度を大幅に改善したのである。従って、この軸受１は、総ころ型式で潤滑条件が悪化しやすく、また外輪６がカム３から繰返し曲げ応力を受けるが、長期間安定して使用することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車のロッカーアーム用軸受等、潤滑条件の厳しい用途や曲げ応力が作用する用途で使用される転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等の機械において、低燃費化やメンテナンスフリー化のために、機械に組み込んでいる転がり軸受の潤滑油の粘度を下げたり、潤滑油を交換せずに長期間使用する等、軸受を従来よりも厳しい潤滑条件で運転する場合が増えてきている。このような潤滑条件の厳しい用途で使用される軸受では、軌道輪と転動体との間に適度な油膜が形成されず、表面発熱や金属接触が生じて、要求される寿命を満足できない場合も散見される。特に、総ころ型式の軸受においては、軌道輪ところの間への潤滑油供給量が不足しやすいため、軌道輪の表面を起点とした剥離が生じやすい。例えば、本発明の実施形態である図１に示す自動車のロッカーアーム用軸受や針状ころ軸受では、内輪（または内輪と一体に形成された軸）に剥離が生じて、寿命が大幅に短縮される場合がある。
【０００３】
一方、今後、機械の動力性能向上等のために転がり軸受がより高荷重で使用されるようになるにつれて、軸受の割れの問題が顕在化してくると予想される。特に、前記ロッカーアーム用軸受のようにハウジングに装着されずに荷重を受ける軸受や、薄いハウジングに装着される軸受では、使用時に繰返し曲げ応力が作用するため、疲労による割れが問題となる可能性が高い。
【０００４】
上記のような転がり軸受の使用条件の過酷化によって生じる問題に対して、軸受材料の変更で対応しようとすると、通常は大幅に材料コストが増加してしまうため、熱処理面での工夫によるコスト増加の少ない対応策が求められている。
【０００５】
このような熱処理面からの対策の一つとして、浸炭窒化処理が知られている。浸炭窒化処理は、鋼製の材料の表面から窒素と炭素を拡散侵入させ、表層に材質変化抵抗性（ミクロ組織変化抵抗性、硬度軟化抵抗性）を付与することにより材料を長寿命化する技術であって、一般的な軸受材料として知られる軸受鋼や浸炭鋼、あるいは機械構造用炭素鋼で形成された軸受の内輪や外輪に対しても適用が広がってきている。
【０００６】
しかし、浸炭窒化処理は、材料表面からの拡散技術であるため、必要な浸炭窒化深さを得るのに長時間を要する。このため、浸炭窒化処理された材料は、表層の組織が粗くなったり、全体の結晶粒が大きくなったりして、疲労強度が低くなる問題が残る。
【０００７】
また、ロッカーアーム用軸受に関しては、相手カムとの接触による外輪の摩耗を防ぐ目的で外輪の外径面と転走面とで炭素濃度分布を変えたり、内輪と一体に形成された軸の表層の炭素濃度と硬度および内部の硬度を制御して、耐摩耗性を向上させる方法（浸炭または浸炭窒化処理後に高周波焼入れした軸）の提案がある（特許文献１参照。）が、転動寿命や割れ強度に着目した技術はなかった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１９４４３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の課題は、潤滑条件の厳しい用途や曲げ応力が作用する用途でも長期間安定して使用できる安価な転がり軸受を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明は、軸受鋼、浸炭鋼または機械構造用炭素鋼により形成された内輪および外輪と、これらの両軌道輪の間に組み込まれる複数の転動体とから成る転がり軸受において、前記内輪と外輪の少なくとも一方に対して、浸炭窒化処理とその後の高周波焼入れを含む熱処理を行うことにより、その表層に２００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与した構成を採用したのである。
【００１１】
すなわち、少なくとも内輪または外輪を浸炭窒化処理後に高周波焼入れして、その表層に材質変化抵抗性と２００ＭＰａ以上の高い圧縮応力を付与することにより、材料コストを従来と同等としながら、耐表面損傷性を向上させて、転動疲労寿命の延長と疲労強度の向上とを同時に実現できるようにしたのである。
【００１２】
このとき、前記熱処理の対象とする軌道輪は、転動疲労寿命の面からは、その表層の５００℃での焼戻し硬度をＨｖ５５０以上とすることが好ましく、疲労強度の面からは、表層のオーステナイト結晶粒度をＧｃ１０以上とすることが好ましい。
【００１３】
また、その浸炭窒化処理と高周波焼入れとの間で高温焼戻しを行うようにすれば、焼戻し時に軌道輪全体が低硬度になるため、その後の高周波焼入れにより付与される表層の圧縮応力をより大きくすることができ、転動疲労寿命および疲労強度をさらに改善することができる。
【００１４】
この発明は、前記転動体がころであり、その配列が総ころ配列である転がり軸受に有効に適用することができる。
【００１５】
また、厳しい潤滑条件で使用され、使用時に繰返し曲げ応力が作用する自動車のロッカーアーム用軸受では、この発明の適用による効果が大きい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図３に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、実施形態の転がり軸受１を、自動車のエンジンバルブ２とこれを開閉するカム３との間に介装されるロッカーアーム４に組み込んだ状態を示す。転がり軸受１は、ロッカーアーム４の固定軸４ａに嵌め込まれた内輪５と、カム３に対向する外輪６と、これらの両軌道輪５、６間に総ころ状態で配列された複数のころ７とで構成されている。一方、ロッカーアーム４は、その中央部が回動自在なロッカーシャフト８に固定され、一端部をバルブ２に連結されてバルブスプリング９により図面下方向へ付勢されており、他端側に組み込んだ軸受１の外輪６の外径面を常にカム３に押し付けるようになっている。従って、カム３がカムシャフト１０とともにその軸心まわりに回転すると、軸受１を介してロッカーアーム４が揺動し、バルブ２が上下動して開閉する。
【００１７】
上記転がり軸受１の内輪５、外輪６およびころ７は、いずれも高炭素クロム軸受鋼で形成されている。そして、熱処理時には、ころ７が通常の浸炭窒化処理のみを受け、内輪５と外輪６は、浸炭窒化処理後に一旦高温焼戻しされたうえ高周波焼入れされている。この熱処理により、各軌道輪５、６は、その表層に２００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与されるとともに、表層の５００℃での焼戻し硬度がＨｖ５５０以上となり、その結果として、転動疲労寿命および割れ疲労強度が大幅に改善されている。また、外輪６については、高周波焼入れ時の加熱温度を適切に設定して表層のオーステナイト結晶粒度がＧｃ１０以上の細粒となるように制御することにより、割れ疲労強度を内輪５よりもさらに高くしている。
【００１８】
従って、この軸受１は、総ころ型式で潤滑条件が悪化しやすく、また外輪６がカム３から繰返し曲げ応力と接触応力を受ける状態で使用されるが、早期に軌道輪５、６の表面剥離や割れが発生することなく、長期間安定して使用することができ、自動車の性能向上を目的とした潤滑条件や荷重条件の過酷化にも対応することができる。
【００１９】
上述した実施形態では、内輪と外輪の両方について、浸炭窒化処理後に高温焼戻しと高周波焼入れを行う熱処理により、それぞれの表層に２００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与するようにしたが、いずれか一方にこの熱処理を行うようにしてもよい。なお、軸受の用途や使用条件によっては、前記熱処理のうちの高温焼戻しを省略することもできる。
【００２０】
また、浸炭窒化処理とその後の高周波焼入れを含む熱処理を受ける軌道輪の素材としては、軸受鋼に限らず、浸炭鋼や機械構造用炭素鋼を使用することもできる。
【００２１】
次に、上述のような本発明の軸受の性能を確認するために行った実験について説明する。
（１）転動疲労寿命比較実験
この実験は、総ころ型式で、内輪が軸と一体に形成された針状ころ軸受について、その内輪（軸）の転動疲労寿命を調査した。実験の対象材としては、内輪軸）の素材および熱処理の異なる軸受を、比較例を含めて合計７個用意した。各軸受は、内輪（軸）が外径１４．６４ｍｍ×幅１７．３ｍｍ、外輪が内径１８．６４ｍｍ×外径２４ｍｍ×幅６．９ｍｍ、ころが外径２ｍｍ×長さ６．８ｍｍ（２６本）のもので、それぞれの内輪（軸）の素材および熱処理は、実験の結果と併せて図２に示している。なお、外輪およびころには、高炭素クロム軸受鋼で形成され、通常の浸炭窒化処理を受けたものを使用した。
【００２２】
図２の表に示した内輪（軸）の熱処理のうち、実施例の軸受鋼の浸炭窒化処理（Ｎｏ．１，３）は、カーボンポテンシャル１．１〜１．２％、アンモニア濃度５％の雰囲気中で８５０℃×９０分加熱して、深さ約０．３ｍｍの浸炭窒化層を形成した後、油焼入れしており、処理後の表層の炭素濃度は１．０５〜１．１％、窒素濃度は約０．２５％であった。
【００２３】
一方、浸炭鋼の浸炭窒化処理（Ｎｏ．２，４）は、９２０℃×４００分の加熱時間のうち、前半の２５０分間はカーボンポテンシャル１．０％の雰囲気で浸炭のみを行い、後半の１５０分間では、カーボンポテンシャル０．８％、アンモニア濃度７％の雰囲気で浸炭窒化を行って、深さ約１．５ｍｍの浸炭硬化層と深さ約０．３ｍｍの浸炭窒化層を形成した後、油焼入れを行った。処理後の表層の炭素濃度は約１．０％、窒素濃度は約０．３５％であった。
【００２４】
そして、各実施例の浸炭窒化処理後の高周波焼入れ（Ｎｏ．１〜４）では、深さ約１ｍｍの硬化層を形成するようにした。また、浸炭窒化処理と高周波焼入れとの間で高温焼戻しを行う場合（Ｎｏ．３，４）の焼戻し温度は、６００℃とした。
【００２５】
これに対して、比較例のうちの軸受鋼の標準熱処理（Ｎｏ．５）は、カーボンポテンシャル０．９％の雰囲気中で８５０℃×４５分加熱後に油焼入れを行った。軸受鋼の浸炭窒化処理（Ｎｏ．６）の条件は、実施例（Ｎｏ．２，４）と同じである。また、浸炭鋼の標準浸炭処理（Ｎｏ．７）は、９２０℃×４００分の加熱時間のうち、前半の２５０分間はカーボンポテンシャル１．０％の雰囲気での浸炭を、後半の１５０分間はカーボンポテンシャル０．８％の雰囲気での拡散を行い、その後油焼入れを行った。
【００２６】
これらの各軸受を、外輪回転型寿命試験機にセットして、下記の試験条件でそれぞれの内輪（軸）の表層に剥離が生じるまでの時間を測定した。
【００２７】
（試験条件）
荷重：２．５８ｋＮ（基本動定格荷重の３０％）
外輪回転速度：７０００ｒｐｍ
潤滑油：エンジンオイル油（１０Ｗ−３０）
潤滑油温度：１００℃
そして、各軸受の内輪（軸）表層剥離までの時間を、軸受鋼の標準熱処理品（Ｎｏ．５）を基準とする比に換算し、これを転動疲労寿命比として図２中に示した。
【００２８】
図２から明らかなように、各実施例は、いずれも内輪（軸）の表層において、２００ＭＰａ以上の圧縮応力と、Ｈｖ５５０以上の５００℃焼戻し硬度が確保されており、転動疲労寿命が標準品（Ｎｏ．５）の３．５倍以上となっている。また、実施例のうちでも、浸炭窒化処理と高周波焼入れとの間で高温焼戻しを行ったもの（Ｎｏ．３，４）は、それぞれ同じ鋼種で高温焼戻ししないもの（Ｎｏ．１，２）に比べて、圧縮応力が高く、長寿命となっている。
（２）割れ疲労寿命比較実験
この実験では、素材および熱処理の異なるリング試験片を、比較例を含めて合計７種類（各４個）用意した。各試験片の寸法は、内径４５ｍｍ×外径６０ｍｍ×幅１５ｍｍであり、それぞれの素材および熱処理は、実験の結果と併せて図３に示している。図３の表に示した各実施例および比較例の熱処理の内容は、前述の図２について説明したものと同じである。
【００２９】
これらの各試験片を、リング割れ疲労寿命試験機にセットし、下記の試験条件で回転させながら繰返し荷重をかけて割れが生じるまでの繰返し数を測定した。
【００３０】
（試験条件）
荷重：９．８ｋＮ
負荷速度：８０００ｃｐｍ
潤滑油：タービン油（ＶＧ６８）
そして、各試験片の割れまでの繰返し数を、軸受鋼の標準熱処理品（Ｎｏ．５）を基準とする比に換算し、これを割れ疲労寿命比として図３中に示した。なお、図３中の数値は、同一種類の４個の試験片の平均値である。
【００３１】
図３から明らかなように、各実施例は、表層の圧縮応力が２００ＭＰａ以上、５００℃焼戻し硬度がＨｖ５５０以上、オーステナイト結晶粒度がＧｃ１０以上で、割れ疲労寿命が標準品（Ｎｏ．５）に対して大幅に改善されている。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、この発明は、転がり軸受の内輪と外輪の少なくとも一方を浸炭窒化処理後に高周波焼入れすることにより、その表層に材質変化抵抗性と２００ＭＰａ以上の高い圧縮応力を付与したので、軸受の材料コストを従来と同等としながら、転動疲労寿命と割れ疲労強度を大幅に改善することができる。
【００３３】
従って、この発明を適用した転がり軸受は、潤滑条件の厳しい用途や曲げ応力が作用する用途でも長期間安定して使用することができ、今後の潤滑条件や荷重条件の過酷化にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の転がり軸受のロッカーアームへの組込み状態を示す正面断面図
【図２】転動疲労寿命比較実験の対象材と実験結果を示す表
【図３】割れ疲労寿命比較実験の対象材と実験結果を示す表
【符号の説明】
１転がり軸受
２バルブ
３カム
４ロッカーアーム
４ａ固定軸
５内輪
６外輪
７ころ
８ロッカーシャフト
９スプリング
１０カムシャフト

Claims

軸受鋼、浸炭鋼または機械構造用炭素鋼により形成された内輪および外輪と、これらの両軌道輪の間に組み込まれる複数の転動体とから成る転がり軸受において、前記内輪と外輪の少なくとも一方が、浸炭窒化処理とその後の高周波焼入れを含む熱処理により、その表層に２００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与されていることを特徴とする転がり軸受。
前記内輪と外輪のうち、前記熱処理を受けた軌道輪は、その表層の５００℃での焼戻し硬度がＨｖ５５０以上である請求項１に記載の転がり軸受。
前記内輪と外輪のうち、前記熱処理を受けた軌道輪は、その表層のオーステナイト結晶粒度がＧｃ１０以上である請求項１または２に記載の転がり軸受。
前記熱処理が、浸炭窒化処理と高周波焼入れとの間に高温焼戻しを行うものである請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受。
前記転動体がころであり、その配列が総ころ配列である請求項１乃至４のいずれかに記載の転がり軸受。
自動車のロッカーアームに組み込まれる請求項１乃至５のいずれかに記載の転がり軸受。