JP2005008987A

JP2005008987A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005008987A
Application number: JP2004228480A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Narai; 弘奈良井; Tsutomu Abe; 力阿部; Kazuhiro Kamimura; 和宏上村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【目的】最短寿命と関連した清浄度評価項目を見出すことにより、より高い確率で長寿命で信頼性の高い軸受用鋼を提供する。
【構成】酸化物系非金属介在物の粒子径分布から、その累積分布の対数減少率及び単位体積または単位面積当たりに存在する推定最大介在物径を求め、前記対数減少率または推定最大介在物径に基づいて清浄度を定める。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受用鋼に係り、特に、自動車、農業機械、建設機械及び鉄鋼機械、特に、トランスミッションやエンジン用として用いられる長寿命な軸受を提供することが可能な軸受用鋼に関する。

従来から鋼中の非金属介在物、特に、酸化物系介在物は、その鋼の加工、例えば、伸線の場合などの際に断線回数を多くし、製品の捻回値、疲労などの機械的性質を悪化させることなどが知られている。また、軸受などの転動部材においても、転がり接触応力を繰り返し受けると、酸化物系非金属介在物が起点となってマイクロクラックが発生し、ついにはフレーキングに至り寿命となる。

そこで、鋼中の酸素量が少ない高清浄度鋼が種々提案されており、含有酸素量を５０ｐｐｍ以下とした高清浄度鋼が開示されている（特許文献１参照）。また、鋼材の品質は、酸化物系非金属介在物の数，大きさにより大きく左右されるため、この介在物の数，大きさを検査する方法として、ＪＩＳ（ＪＩＳ−Ｇ−０５５５）及び、ＡＳＴＭ（ＡＳＴＭ−Ｅ４５）を用いた従来例が存在し、さらに画像処理法を適用した介在物画像検査装置が開示されている（特許文献２参照）。

軸受寿命と軸受鋼の清浄度との間には、密接な関係があり、軸受の長寿命化にあたっては、鋼中酸素量、もしくはＡＳＴＭ基準などに基づく介在物指数の指定を行うことが一般的である。酸化物系介在物の評価法の従来例としては、エレクトロンビーム法により鋼中の介在物をサンプル表面に浮上させ、その量，形態，組成などを定量化する介在物評価法が開示されている（非特許文献１参照）。

しかしながら、前記従来例は、酸化物系介在物の数，大きさが、いかなる範囲内にあれば軸受の疲労寿命を向上する上で有効であるかについての具体的開示がなく、従来の軸受においては、十分な寿命を確保する関係が知られていないという問題があった。そして、最近の高清浄化の要求の中で、従来の清浄度評価項目のみでは、軸受の長寿命，短寿命の差別化が困難になり、同項目のみの指定によっては、これ以上の軸受寿命の向上は望めない状況であった。

このような問題を解決するために、介在物の平均粒径，存在個数，存在率を一定範囲内に制限し、さらに、酸素濃度を一定値以下にすることにより、長寿命な軸受用鋼及び転がり軸受を提供する従来例が知られている（特許文献３参照）。
特開昭５３−７６９１６号公報特開昭６３−３０９８４４号公報特開平３−１２６８３９号公報斉藤ら、「エレクトロンビーム法による介在物の評価法の開発」、（昭和６２年５月１９日；日本学術振興会、５−１〜５−１４、）

しかしながら、前記特許文献３に開示されている軸受であっても、０．１％以下と頻度は少ないものの、短寿命な軸受が存在するという問題があった。本発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、最短寿命と関連した清浄度評価項目を見出すことにより、より高い確率で長寿命で信頼性の高い軸受用鋼を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、酸化物系非金属介在物の粒子径分布から、その累積分布の対数減少率及び単位体積または単位面積当たりに存在する推定最大介在物径を求め、前記対数減少率または推定介在物径に基づいて清浄度を定めたことを特徴とした軸受用鋼を提供するものである。

以上説明したように本発明によれば、酸化物系非金属介在物の粒子径分布から、その累積分布の対数減少率及び単位体積または単位面積当たりに存在する推定最大介在物径を求め、前記対数減少率または推定最大介在物径に基づいて清浄度を求めたことで、ワイブルスロープを急増させて軸受寿命の長短のバラツキを減少させることができる。さらに、Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌを急激に増加させて軸受寿命を向上することができる。
この結果、より高い確率で信頼性が向上した長寿命な軸受を提供することができる。

本発明者が検討したところによると、酸化物系介在物の粒子分布は、指数関数で近似できることを見出した。即ち、酸化物系介在物の粒子径分布から、その累積分布は、図１に示すように、酸化物系介在物の平均粒子径を横軸に、累積粒子数を指数表示してこれを縦軸にとると、直線に近似されることが判明した。

一方、軸受のスラスト寿命試験結果（Ｌ₁₀）において、実測寿命と計算寿命との比（Ｌ₁₀／Ｌ₁₀ｃａｌ）が同一で、最短寿命が異なるものについて調査すると、前記直線の勾配（ｔａｎα）、即ち、対数減少率がある一定値を越える試験片は、ワイブルスロープが急増することを見出した。ワイブルスロープが増加すると、これに伴って、寿命の長い軸受と寿命の短い軸受との寿命が接近し、軸受寿命のバラツキが非常に小さくなり、より高い確率で長寿命な軸受を提供することができる。図２は、ほぼ同一のＬ₁₀を与える数種の異なったチャージのＳＣＲ４４０について、対数減少率とワイブルスロープとの相関を調べた結果を示すものであり、１μｍ当たりの対数減少率が０．４以上の場合は、ワイブルスロープが急激に増加し、寿命のバラツキが非常に小さくなり、より高い確率で長寿命な軸受を提供できることが判明した。これより、対数減少率を０．４以上とすることが好適である。

尚、以上の説明では、酸化物系介在物の平均粒子径分布が指数関数で近似できる場合について説明したが、これに限らず、平均粒子径分布が累積粒子数との間に、また、推定最大介在物が統計上その累積分布関数との間に、ほぼ直線近似または統計上ほぼ直線関係にある分布に対しても同様に、その直線の勾配から本発明が適用できる。

また、軸受のスラスト寿命試験結果（Ｌ₁）において、極値統計による１ｃｍ³当たりの最大介在物径の推定値と、実測寿命と計算寿命との比（Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌ）と、の相関について調査すると、最大介在物径がある一定値を越えると、Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌが急激に変化することが判った。尚、このＬ₁／Ｌ₁ｃａｌは、その値が大きいほど長寿命であると判断される。図３は、異なった数種の軸受用鋼２種（ＳＵＪ２）について１ｃｍ³当たりの最大介在物径とＬ₁／Ｌ₁ｃａｌとの相関を調べた結果を示すものであり、最大介在物径が１５μｍ以下の場合は、Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌが急激に増加し、軸受寿命が向上することが判る。これより、１ｃｍ³当たりの前記推定最大介在物径の推定値を１５μｍ以下とすることが好適である。

尚、以上の説明では、単位体積（１ｃｍ³）当たりの最大介在物径について説明したが、これに限らず、単位面積当たりの最大介在物径について調査しても同様の結果が得られる。尚、前記軸受のスラスト寿命試験は、円板状試験片について、『電気製鋼所編特殊鋼便覧（第１版）、理工学社、１９６５年５月２５日発光、第１０〜２１頁』記載の試験機を用いて行った。試験条件は、次の通りである。

Ｐ_max＝５００ｋｇｆ／ｍｍ²
Ｎ＝３０００ｃ．ｐ．ｍ．
潤滑油＝ＶＧ６８タービン油
また、Ｌ₁₀は、試験片の１０％が寿命に達した時点での累計の回転数を示し、Ｌ₁は、試験片の１％が寿命に達した時点での累計の回転数を示す。

そして、前記極値統計の手法は、『機論、５５−５０９（１９８９），５８頁』に従い、被検単位は、８０ｍｍ²、総被検面積は、３２００ｍｍ²とした。さらに、前記累積分布の対数減少率は、任意の大きさ（平均径Ｘμｍ）以上の介在物総数をＦ（Ｘ）とした際の、Ｌｏｇ｛Ｆ（Ｘ＋１）／Ｆ（Ｘ）｝で定義した。これは、前記直線の勾配、即ちｔａｎαに相当する。

そしてまた、Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌの算出に際しては、信頼度係数を０．２１とした。前記最短寿命の保証に関しては、Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌの増加による寿命の向上のみによっては不十分であり、ワイブルスロープが大きく寿命のバラツキが十分に小さいことが必要である。即ち、Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌの値を大きくして軸受自体の寿命を向上し、且つ、ワイブルスロープを大きくして、前記長寿命な軸受の存在確率を増加することで、長寿命で信頼性の高い軸受をより高い確率で提供することが可能となる。従って、両者を同時に満足する必要がある。

また、前記最大介在物径は、鋼から酸化物系介在物を抽出して計測することにより精度が高い立体評価法、例えば、より精度の高い電子ビーム溶解抽出評価法により実測して、保証することができる。本発明に係る鋼の製造にあたっては、大型電気炉，偏心炉底出鋼，ＬＦ炉外精錬，ＲＨ脱ガス，垂直型ブルーム連続鋳造など、通常の量産プロセスの中では、電気炉の底吹きと出鋼温度の高温適正化、スラブ組成と脱酸時期の調整、ＬＦ精錬とＲＨ脱ガスでの攪拌強さの調整などにより前記両条件を達成できる。このため、効果的に前記両条件を達成することができる範囲は、合金の成分により一定の制限を受けることが考えられる。そこで、前記対数減少率及び推定最大介在物径と熱処理前の炭素濃度との相関を調査したところ、図４及び図５に示すように、炭素濃度が０．３５％以上となると、対数減少率が増大し、且つ、最大介在物径が減少することが判る。これより、熱処理前の炭素濃度を０．３５％以上とすることが好適である。

次に、本発明に係る実施例について説明する。
（実施例１）
１０種の異なるチャージの軸受用鋼２種（ＳＵＪ２）を用いて、この軸受用鋼を成形加工後、浸炭処理及び焼戻しの処理を行い、円板状試験片を作製した。
このような円板状試験片の各々について、１μｍ当たりの対数減少率、１ｃｍ³当たりの推定酸化物系最大介在物径（推定値）及び電子ビーム溶解抽出評価法による酸化物系最大介在物径（実測値）、ワイブルスロープ、寿命試験結果（Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌ）を調査した。この結果を表１に示す。尚、介在物の粒子径分布形状の定量は、『材料とプロセス、ｖｏｌ．４、３２１頁、１９９１年発行』に記載されている方法に基づき、寿命試験に用いた試料の一部に対し光学顕微鏡画像解析装置を用いて行った。また、電子ビーム溶解抽出評価法による酸化物系最大介在物径の実測に際しては、『鉄と鋼、第７５、第１０号、８３〜９０頁、１９８９年発行』に記載されている装置を用い、加速電圧＝１０Ｋｖ、ビーム電流＝６０ｍＡ、ビーム走査範囲＝４０％、照射時間＝８秒、の条件で溶解を行い、冷却後、ＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像解析装置を用いて計測を行った。また、寿命試験は、前記段落番号〔００１５〕に記載した方法と同様に行った。

表１より、１μｍ当たりの対数減少率が０．４以上、１ｃｍ³当たりの酸化物系最大介在物径（推定値及び実測値）が１５μｍ以下を満たす試料片（チャージＮｏ．１〜Ｎｏ．５）は、他の試料片（チャージＮｏ．６〜Ｎｏ．１０）と比較して、ワイブルスロープ及びＬ₁／Ｌ₁ｃａｌが極めて大きな値を示すことが確認された。これより、チャージＮｏ．１〜Ｎｏ．５の軸受用鋼は、長寿命な軸受をより高い確率で提供することができることが判る。

また、本実施例では、電子ビーム溶解抽出評価法により酸化物系最大介在物径を実測しているため、評価精度が向上する。
（実施例２）表２に示す１０種類の異なる炭素濃度を有する鋼を用いて、実施例１と同様に１μｍ当たりの対数減少率、１ｃｍ³当たりの推定酸化物系最大介在物径（推定値）及び電子ビーム溶解抽出評価法による酸化物系最大介在物径（実測値）、ワイブルスロープ、寿命試験結果（Ｌ₁／Ｌ₁ｃａｌ）を調査した。この結果を表２に示す。

表２より、炭素濃度（％）が０．３５％以上の試験片（チャージＮｏ．１〜Ｎｏ．５）は、他の試料片（チャージＮｏ．６〜Ｎｏ．１０）と比較して、対数減少率が大幅に増加し、酸化物系最大介在物径（推定値及び実測値）が大幅に減少していることが判る。また、チャージＮｏ．１〜Ｎｏ．５は、１μｍ当たりの対数減少率が０．４以上、且つ、１ｃｍ³当たりの酸化物系最大介在物径（推定値及び実測値）が１５μｍ以下を満たし、長寿命な軸受をより高い確率で提供することができることが確認された。

また、本実施例では、電子ビーム溶解抽出評価法により酸化物系最大介在物径を実測しているため、評価精度が向上する。尚、本実施例では、軸受用鋼として、ＳＵＪ２を用いたが、これに限らず、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４等、他の軸受用鋼を使用してもよいことは勿論である。また、本実施例では、単位体積（１ｃｍ³）当たりの酸化物系最大介在物径について調査を行ったが、これに限らず、転移面積当たりの酸化物系最大介在物径について調査してもよいことは勿論である。

本発明に係る軸受用鋼の酸化物系介在物の平均粒子と累積粒子数（指数表示）との関係を示す図である。本発明に係る軸受用鋼の対数減少率とワイブルスロープとの関係を示す図である。本発明に係る軸受用鋼の最大介在物径とＬ₁／Ｌ₁ｃａｌとの関係を示す図である。本発明に係る軸受用鋼の炭素濃度と対数減少率との関係を示す図である。本発明に係る軸受用鋼の炭素濃度と最大介在物径との関係を示す図である。

Claims

酸化物系非金属介在物の粒子分布から求められる、その累積分布の対数減少率で０．４以上であり、前記酸化物系非金属介在物の総被検面積３２００ｍｍ²から実測される最大介在物径値から、１ｃｍ³当たりに存在する推定最大介在物径が１１μｍ以下で、且つ熱処理前の炭素濃度を０．８１％以上とする鋼から形成されることを特徴とする転がり軸受。
前記転がり軸受は自動車用途に供せられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。