JP2004353742A

JP2004353742A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2004353742A
Application number: JP2003151315A
Authority: JP
Inventors: Yuji Miyamoto; 祐司宮本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】グリース潤滑で高温、高速、高荷重環境下で使用されても焼付きを良好に防止できると共に、高振動の条件下のわずかな滑りによって発生するフレッチング摩耗を防止できる転がり軸受を低コストで提供する。
【解決手段】軌動輪及び該軌道輪の軌道面を転動する転動体を備えた転がり軸受において、前記軌動輪の軌道面及び前記転動体の転動面の内の少なくとも一方の摺動面は、表層に５重量％以上のＳｉを含有した窒化析出物を有し、且つ該窒化析出物の表面被覆率が１０％以上である。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温、高速、高荷重あるいは振動等の厳しい条件下で使用される自動車や産業機械、家電用モータ（クリーナモータやファンモータ等）の回転支持部に好適な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受は、高い面圧下で軌道面および転動面が繰り返し剪断応力を受けるため、特に異常がなくとも、転がり疲れによりいずれはピッチングやフレーキングが生じて寿命となる。この転がり疲労寿命を長くするために、軸受部材としてＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼が従来から使用されている。また、転がり疲労寿命を長くするための材料の開発が盛んに行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、Ｄｍｎ値（軸受内径と外径との平均寸法ｄｍ≒転動体のピッチ円の直径Ｄｐ（ｍｍ）と回転速度ｎ（ｍｉｎ^−１との積）が１．０×１０^６以上となるような高速回転環境下で使用される場合には、摩擦条件を示すＰＶ値（Ｐ：面圧、Ｖ：速度）が高くなるため、転動体と軌道面との間に生じる滑り摩擦が大きくなる。その結果、転がり疲労寿命に至る前に摩耗や焼付きが生じるという問題がある。これは、玉軸受ではスピン滑りによる摩擦、ころ軸受ではころと内外輪の鍔部との摩擦が大きくなるためである。特に、軸受に焼付きが生じると、その軸受が取付けられている機械自体の故障を引き起こす可能性があるため、焼付きを防止することは非常に重要である。
【０００４】
このような問題点を解決するために、例えば、工作機械主軸用の軸受では、オイルミストあるいはオイルエアによって効果的な潤滑を行なう方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。また、内外輪および転動体をＭ５０等の耐熱合金鋼で形成するという技術がある。さらに、内外輪の軌道面および転動体の表面に、所定の材料からなる皮膜を形成したものや、内外輪および転動体をセラミックとしたもの、窒化処理によって緻密で硬い窒化層を形成したもの等が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２５６０９号公報
【特許文献２】
特開平１０−２９９７８４号公報
【特許文献３】
特開２００１−２００３７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術のうち、皮膜を形成する方法や軸受部材の形成材料としてセラミックを使用する方法は、材料費が高くなるとともに生産性も低下するため、製造コストが高くなる。また、オイルミストやオイルエアなどの潤滑方法の改良は軸受が取り付けられる機械によっては採用できない場合もある。
さらに、機器に組み込まれた転がり軸受が振動によってわずかではあるがフレッチング摩耗損傷を受け、該機器の性能を劣化させる原因となることがある。また、機器に衝撃荷重が加えられた場合、特に小型の転がり軸受においては音響劣化や回転トルクむらが生じ、転がり軸受を組み込んだ機器の性能が劣化する。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、グリース潤滑で高温、高速、高荷重環境下で使用されても焼付きを良好に防止することができると共に、高振動の条件下のわずかな滑りによって発生するフレッチング摩耗を防止することができる転がり軸受を低コストで提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
鋼同士の摩擦時に起こる凝着の発生を抑える手段として、転がり要素の一部をセラミックなどの異種材で構成する方法や、窒化に代表されるように表面に硬質被膜を付与することが非常に効果的である。セラミックは、窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）や炭化けい素（ＳｉＣ）に代表されるように耐熱性、耐食性、耐摩耗性に非常に優れた特性を有している。そのため、従来の軸受材料では考えられなかった過酷な環境下でも使用に耐えられる代替材として利用されてきている。
【０００８】
ところが、セラミック材は非常に高価であり、加工費も高いことと、靭性については鋼がおよそ２０ＭＰａ・ｍｍ^１／２に対してセラミック（Ｓｉ_３Ｎ_４）は６ＭＰａ・ｍｍ^１／２と非常に小さい。
一方、窒化処理では、鋼より脆弱な窒化層が形成され、セラミック同様に耐衝撃性に問題が生じることがある。そのため、窒化層深さを深くする試みもなされているが、窒化処理は処理温度が低く拡散に長時間を必要とするので生産性が悪い。その結果、窒化処理を高面圧の用途で適用するのは難しい。その他のホウ化やクロマイジング処理等も硬質膜を形成し、摺動性に優れるが、素材に特殊な合金を必要とするため、適用が難しい。
【０００９】
以上のような不具合を解消すべく、本発明者らは研究を重ねた結果、転がり軸受の軌道輪及び転動体の内の少なくとも一方をＳｉ含有鋼とし、浸炭窒化処理によって表面にＳｉ含有窒化物を分散させた後、焼入れを施すと優れた軸受機能が得られることを見出した。
焼付きの原因は鋼同士の摩擦時に起こる凝着であり、この凝着がある程度大きくなると摩擦力が大きくなり、最終的に摩擦力が滑りを推進する力を上回った場合に、相対滑りに対する抵抗が非常に大きくなって焼付きが生じる。
【００１０】
そこで、摺動面で凝着が起こらないようにするのであるが、セラミックや、硬質被膜とは異なり、摺動面のすべてを異種材の表面とする必要はなく、特殊な析出物を分散させたことが本発明の特徴である。このような表面を有する軸受部材は、従来例よりも優れた耐焼付性および耐摩耗性を軸受に与えると共に、わずかな凝着、摩耗を繰り返すフレッチング損傷をも著しく抑制できることが判明し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
ここで得られる析出物は、鉄鋼材料で一般的な焼戻炭化物、窒化物とは異なり、侵入してきた窒素がオーステナイト域でＳｉと結合、成長したもので、Ｓｉを５重量％以上含有し、周囲のＭｎを取り込みながら５μｍ程度の大きさまで成長するのが特徴である。この析出物が表面被覆率（面積率）で所定の値以上分散されることで、周囲が焼入硬化されていると窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）セラミックで優れた凝着抑制効果が得られるのと同様に、耐焼付き性および耐摩耗性が向上し、さらに耐フレッチング性が向上する。
【００１２】
一方、マトリックスの強度も凝着の発生に大きな影響を与えるため、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ等を添加して摺動面を強化しておくと凝着の発生は抑制され、上記効果が得られる。
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、請求項１に係る発明は、軌動輪及び該軌道輪の軌道面を転動する転動体を備えた転がり軸受において、
前記軌動輪の軌道面及び前記転動体の転動面の内の少なくとも一方の摺動面は、表層に５重量％以上のＳｉを含有した窒化析出物を有し、且つ該窒化析出物の表面被覆率が１０％以上であることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１において、Ｃ：０．３〜１．２重量％、Ｓｉ：０．５〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有し、その他Ｆｅ及び不可避の不純物からなる鋼を素材とすることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２において、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの内の１種以上の合計が０．０５〜０．２重量％であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記摺動面の残留オーステナイト量が５％以下であることを特徴とする。
【００１４】
次に、各数値の臨界的意義を説明する。
（窒化析出物の表面被覆率が１０％以上）
Ｓｉ含有鋼を浸炭窒化してできる窒化析出物は、５重量％以上のＳｉを含有しており、径が１〜５μｍ程度で分散している。この窒化析出物の摺動面の被覆率と後述の４球式試験で求めた焼付き性との関係から、転がり軸受の摺動面の少なくとも一つに表面被覆率（面積率）で１０％以上の析出物が分散していると、耐焼付性・耐摩耗性が良好であることを見出した。これは、鋼表面を窒化した場合と同様で、表面が鋼とは異なる素材となり、いわゆる「ともがね」を回避する効果が得られるものと考えられ、耐焼き付き性が著しく向上する。同時に摺動面の凝着が原因で摩耗が進行するフレッチング摩耗も抑制することができる。
【００１５】
（Ｃ：０．３〜１．２重量％）
素材のＣ濃度によって鋼の強度および浸炭窒化処理に必要な時間が変化する。Ｃ濃度が０．３重量％未満であると必要以上に長時間の浸炭窒化処理をしなければならず、生産性が低下する。一方、Ｃ濃度が１．２重量％を超えると製鋼時に粗大な共晶炭化物が形成され、その後の焼入れ特性及び転動疲労寿命に悪影響を及ぼす虞れがある。従って、Ｃ含有量を０．３〜１．２重量％とした。
【００１６】
（Ｓｉ：０．５〜２．０重量％）
Ｓｉは製鋼時に脱酸剤として必要であるだけでなく、本発明ではＳｉ含有窒化析出物を形成する必要がある。Ｓｉが０．５重量％未満であると、浸炭窒化処理で表面窒素濃度が増加せず、結果的にＳｉ含有窒化析出物を１０％以上の表面被覆率とすることができない場合がある。
【００１７】
（Ｍｎ：０．２〜２．０重量％）
Ｍｎは製鋼時に脱酸剤としての働きがあるので０．２重量％は必要である。また、本発明の特徴であるＳｉ含有窒化析出物を形成するためにＭｎは０．２重量％は必要である。さらに、Ｍｎはオーステナイトを安定にする働きがあるので、硬化熱処理後に残留オーステナイトが必要以上に増加するといった問題を引き起こすのを防止するため、２．０重量％以下とする。
【００１８】
（Ｃｒ：０．５〜２．０重量％）
鋼中のＣｒは、鋼中の炭化物を球状化させる効果があり、高炭素軸受用鋼には必須の元素であり、０．５重量％は必要である。一方、Ｃｒが２．０重量％を超えると製鋼時に粗大な共晶炭化物を形成することになるので、Ｃｒ含有率の上限は２．０重量％とした。
【００１９】
（Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの内の一種以上の合計が０．０５〜０．２重量％）
Ｍｏ、Ｖ及びＮｂは硬化熱処理後の焼戻過程において、軟化抵抗性を示し、マトリックスを強化する。その結果、耐摩耗性、耐焼付き性を向上させることができる。
ただし、上記１種以上の合計が０．０５％未満では、十分な軟化抵抗性が得られない。また、０．２重量％を超えてもその効果は変わらず、素材費が高騰するだけである。以上の理由から０．０５重量％以上０．２重量以下とした。
【００２０】
（摺動面の残留オーステナイト量が５体積％以下）
軸受のフレッチングによる摩耗損傷においても、上記窒化析出物を所定の面積率分散させることが効果的であることを見出した。さらに、軟質な残留オーステナイト量とフレッチング特性の関係を調査した結果、焼戻しやバレルによる強烈な加工によって摺動面の残留オーステナイトを５体積％以下にまで減少させると耐フレッチング性を向上できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。
この実施の形態では、玉軸受の転動体に本発明を適用し、前記転動体の転動面（摺動面）の表層に５重量％以上のＳｉを含有した窒化物を析出させ、且つ該窒化析出物の表面被覆率を１０％以上とした。なお、この場合、Ｃ含有量を０．３〜１．２重量％、Ｓｉ含有量を０．５〜２．０重量％、Ｍｎ含有量を０．２〜２．０重量％、Ｃｒ含有量を０．５〜２．０重量％の範囲に制御することが好ましい。また、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの内の１種以上の合計を０．０５〜０．２重量％とすることが好ましい。
表１に実施例１〜１４及び比較例１〜５の転動体の素材の成分および完成品品質を示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
３／８インチ鋼球には、線材より鍛造成型、旋削によって素球を作製した後、次の１〜３の熱処理を行った。
１．浸炭窒化焼入（８４０°Ｃ×３Ｈｒ（Ｒｘ＋プロパンガス＋ＮＨ_３雰囲気）→水冷→一部は、８４０°Ｃ〜９３０°Ｃで二次焼入れ、その後１８０〜３５０°Ｃで焼戻）
２．浸炭焼入（８４０°Ｃ×４Ｈｒ（Ｒｘ＋プロパンガス雰囲気）→水冷→１８０°Ｃで焼戻）
３．焼入（８４０°Ｃ×０．５Ｈｒ（Ｒｘガス雰囲気）焼入→油冷→１８０°Ｃで焼戻）
また、鋼球をバレル加工した後、ラップ仕上げし、さらに、摺動面のＳｉ含有窒化析出物（以下、単に窒化析出物という）の表面被覆率を変化させるために、取り代を変化させた鋼球も作製した。なお、表１の比較例５は、従来品のＳＵＪ２鋼球とした。
【００２４】
摺動面の前記窒化析出物の分析には、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ｋＶで測定した。得られた面分析結果をもとに画像解析によってマトリックスと前記窒化析出物を分離し、該析出物中のＳｉ含有率が５重量％以上のものを抽出し、測定面積０．１ｍｍ^２での面積率を測定した。
摺動面の残留オーステナイト量はφ２ｍｍの範囲に照射したＸ線の回折波のうちαとγの強度の比より求めた。
【００２５】
耐焼付き性は、図１に示す４球式試験により評価した。油浴中の固定側の鋼球にはＳＵＪ２球を使用し、回転側の鋼球に実施例および比較例を用い、荷重を変化させながら焼付限界荷重、つまりＰＶ値を求めた。なお、表１に示した４球式焼付試験結果は各ＰＶ値を比較例５の結果で除した値を示している。
４球式焼付試験条件は次の通りである。
【００２６】
鋼球：３／８インチ
潤滑油：モービルＪｅｔＯｉｌＩＩ
回転速度：３０００ｍｉｎ^−１
負荷速度：５００Ｎｍｉｎ^−１
次に、玉軸受６０８によるフレッチング試験を行った。軸受の内外輪は、ＳＵＪ２を使用した。以下の条件で行った揺動試験で生じたフレッチング摩耗に起因して変化するアキシアル振動加速度の増加量を測定し、比較例５を１とした相対比で示した。
【００２７】
フレッチング試験条件は次の通りである。
軸受６０８
鋼球：５／３２インチ
予圧：Ｆａ（アキシアル荷重）：２００Ｎ
揺動回数：１００万回
揺動周波数：４Ｈｚ
グリース：リチウム石鹸＋エステル系合成油
保持器材質：ポリアミド
試験回数：ｎ＝５
図２に窒化析出物の表面被覆率と耐焼付き性との関係を示し、図３に窒化析出物の表面被覆率とフレッチング特性との関係を示し、図４に窒化析出物の表面被覆率が１７〜２０％である実施例９〜１４の残留オーステナイト量とフレッチング特性との関係を示す。
【００２８】
図２及び図３に示すように、本発明例である実施例１〜１４は、焼付きおよび転がり寿命、フレッチング試験において良好な結果が得られた。また、図４に示すように、窒化析出物の表面被覆率が１７〜２０％である実施例９〜１４については、摺動面の残留オーステナイト量が５体積％以下でより良好なフレッチング摩耗防止効果が得られるのが判る。
【００２９】
一方、窒化析出物の表面被覆率が１０％未満と不足している比較例１〜３は、耐焼付性及びフレッチング特性共に良好ではないのが判る。
また、浸炭窒化していない比較例４および比較例５は摺動面に全く窒化析出物が存在しないために、耐焼付き性・フレッチング性が悪化する。
このようにこの実施の形態では、転動体の転動面（摺動面）の表層に５重量％以上のＳｉを含有した窒化物を析出させ、且つ該窒化析出物の表面被覆率を１０％以上としているので、グリース潤滑で高温、高速、高荷重環境下で使用されても焼付きを良好に防止することができると共に、高振動の条件下のわずかな滑りによって発生するフレッチング摩耗を防止することができる転がり軸受を低コストで提供することができ、自動車用や産業機械用等の転がり軸受の性能を向上させることができる。
【００３０】
また、本発明を転がり軸受の転動体（鋼球或いはころ）に適用すると、内外輪と保持器の転がり要素のすべてと接触することができるので、焼付きを効果的に抑制することができる。つまり、転動体に用いるのが最も好ましい。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、転がり軸受の転動体に本発明を適用した場合を例に採ったが、これに限定されず、転がり軸受の軌道輪、又は軌道輪と転動体の両方に本発明を適用してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、グリース潤滑で高温、高速、高荷重環境下で使用されても焼付きを良好に防止することができると共に、高振動の条件下のわずかな滑りによって発生するフレッチング摩耗を防止することができる転がり軸受を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】４球式焼付き試験を説明するための説明図である。
【図２】窒化析出物の表面被覆率と耐焼付き性との関係を示すグラフ図である。
【図３】窒化析出物の表面被覆率とフレッチング特性との関係を示すグラフ図である。
【図４】窒化析出物の表面被覆率が１７〜２０％である実施例９〜１４の残留オーステナイト量とフレッチング特性との関係を示すグラフ図である。

Claims

軌動輪及び該軌道輪の軌道面を転動する転動体を備えた転がり軸受において、
前記軌動輪の軌道面及び前記転動体の転動面の内の少なくとも一方の摺動面は、表層に５重量％以上のＳｉを含有した窒化析出物を有し、且つ該窒化析出物の表面被覆率が１０％以上であることを特徴とする転がり軸受。
Ｃ：０．３〜１．２重量％、Ｓｉ：０．５〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有し、その他Ｆｅ及び不可避の不純物からなる鋼を素材とすることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
Ｍｏ、Ｖ及びＮｂの内の１種以上の合計が０．０５〜０．２重量％であることを特徴とする請求項１又は２記載の転がり軸受。
前記摺動面の残留オーステナイト量が５体積％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり軸受。