JP2005054937A

JP2005054937A - 転動部品

Info

Publication number: JP2005054937A
Application number: JP2003287929A
Authority: JP
Inventors: Yukio Fujii; 幸生藤井
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】転動部品が高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用されると、転動によって潤滑剤が分解して水素が発生し、転走表面に繰返し作用する引張応力の影響によって、転走面直下に存在する非金属介在物を起点として初期欠陥が形成され、早期はく離が生じる。そのような早期はく離を防止することである。
【解決手段】Ａｌ_２Ｏ_３系またはＴｉＮ系を含む非金属介在物に許容サイズを設けて、前記許容サイズよりも小さい非金属在物を含む鋼材で転動部品を形成して、非金属介在物を起点として初期欠陥が形成される早期はく離を防止した転動部品である。特に、鋼材に含まれる最も大きなＡｌ_２Ｏ_３系介在物とＴｉＮ系介在物との投影面積の平方根（√area）が、それぞれ１５［μｍ］以下および８［μｍ］以下の鋼材を用いる転動部品である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用される転動部品に関するものである。

工作機に用いられるアンギュラ玉軸受をはじめとする転動部品は、高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用される。このとき、転動によって潤滑剤が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入するために、早期はく離が生じることがある。

従来は、早期はく離を防止するために、回転速度を制限したり、潤滑条件を良好にする対策がとられてきた。しかしながら、今後、コンパクト化、省エネ化などに向け、回転速度は更に高速になり、潤滑は希薄になる傾向にある。

鋼中に含まれる非金属介在物は、素地との機械的特性の違いによって、転動負荷を受けると応力集中源となるために、そのサイズが大きいほど転動疲労寿命は短くなると考えられてきた。

非金属介在物のうちで有害とされている要因は、素地よりも硬く、ヤング率が大きいＡｌ_２Ｏ_３系介在物およびＴｉＮ系介在物である。例えば、特許第２６５７４２０号公報（特許文献１参照）は、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物のサイズを小さくし、個数を少なくした鋼材を転がり軸受に用いることによって、転動疲労寿命を延長させる技術である。

一方、すべりを伴う条件下、希薄潤滑条件下などにおける転動のように、接線力によって表面に引張応力が作用する場合は、引張モードの損傷発生に対する非金属介在物の影響が問題である。以下に例を示すように、大気中における疲労寿命は、介在物のサイズにほとんど依存しないが、水素が侵入すると疲労強度は大幅に低下し、しかも疲労寿命は介在物のサイズに強く依存するようになる。

図１は、単一ロットの高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の水素チャージ条件を変えた負荷回数［回数］（横軸）と応力振幅（疲労強度）［ＭＰａ］（縦軸）との関係で示した軸荷重疲労試験結果線図である。このように、水素チャージの有無に関係なく、この図１では起点はすべてＡｌ_２Ｏ_３系介在物であった。水素チャージは、水の電気分解を利用し、試料を陰極にして水素を試料中に導入する方法であって、電流密度を調整することによって侵入水素量を制御して、疲労寿命に及ぼす水素の影響を合理的に評価することができる。

同図において、実線Ａ（●）は水素チャージなしで試験した軸受鋼の軸荷重疲労試験結果線図であり、点線Ｂ（△）は水素チャージ後２４［ｈ］放置して試験した軸受鋼の軸荷重疲労試験結果線図であり、実線Ｃ（▲）は水素チャージ後に直ちに試験した軸受鋼の軸荷重疲労試験結果線図である。

実線Ｃで示した水素チャージ後に直ちに試験した軸受鋼は、実線Ａで示した水素チャージなしの場合に比べ、疲労強度が大幅に低下した。また、点線Ｂで示す水素チャージ後２４［ｈ］放置して試験した軸受鋼は、疲労強度（応力振幅）が回復した。

実線Ａで示す水素チャージなしの軸荷重疲労試験結果線図に示すように、実線Ｃで示す水素チャージ後に直ちに試験した軸受鋼および点線Ｂで示す水素チャージ後２４［ｈ］放置して試験した軸受鋼に比べて、応力振幅［ＭＰａ］値が高く良好である。

これらの現象は、拡散性水素が疲労強度低下に寄与することを示している。拡散性水素は常温でも鋼中を高速拡散するために、水素チャージ後に直ちに試験しなければ、拡散性水素は発散して逃げてしまい、疲労強度は回復する。なお、疲労試験の負荷周波数は２０［ｋＨｚ］であり、１［ｈ］余りで負荷回数が１０^８回（１０の８乗）に達する。

したがって、水素チャージ後に直ちに試験を行った場合は、拡散性水素がほとんど逃げない（発散しない）うちに、試験上では、破断させて水素の影響を判別できるので、疲労強度に及ぼす水素の影響を有効に評価することができる。

図２は、図１とはロットが異なる高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の水素チャージ条件を変えた負荷回数（横軸）と応力振幅（縦軸）との関係で示した軸荷重疲労試験結果線図である。

同図において、実線Ｄ（●）は水素チャージなしで試験した軸受鋼の軸荷重疲労試験結果線図であり、実線Ｅ（▲）は水素チャージ後に直ちに試験した軸受鋼の軸荷重疲労試験結果線図である。

この図２の場合、水素チャージの有無によらず、起点はすべてＴｉＮ系介在物であった。図１と同様に、水素チャージなしの場合に比べ、水素チャージ後に直ちに試験した軸受鋼は疲労強度が大幅に低下した。

図３は、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物を起点として破断したロットの負荷回数と起点介在物の投影面積の平方根（√area）との関係を示す負荷回数・投影面積関係図である。同図（Ａ）は、水素チャージなしで応力振幅値が１２００［ＭＰａ］の場合の負荷回数変化を示し、同図（Ｂ）は、水素チャージありで応力振幅値が７００［ＭＰａ］の場合の負荷回数変化を示す。

図４は、ＴｉＮ系介在物を起点として破断したロットの負荷回数と起点介在物の投影面積の平方根（√area）との関係を示す負荷回数・投影面積関係図である。同図（Ａ）は、水素チャージなしで応力振幅値が１２００［ＭＰａ］の場合の負荷回数変化を示し、同図（Ｂ）は、水素チャージありで応力振幅値が７００［ＭＰａ］の場合の負荷回数変化を示す。大量溶解される軸受鋼ではそれほど大きなＴｉＮ系介在物が存在しないので、影響は少ないが、小量溶解される軸受鋼では製鉄プロセスにおいて、ＴｉＮ系介在物が大きくなって問題となることがある。

これらの図３および図４では、複数ロットの高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の同一応力振幅における軸荷重疲労試験結果を示している。水素チャージなしの場合、図３（Ａ）および図４（Ａ）のように、破断までの負荷回数と起点介在物の投影面積の平方根（√area）との間にはほとんど相関関係は見られない。

一方、水素チャージありの場合、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）のように、破断までの負荷回数と投影面積の平方根（√area）との間には明瞭な相関関係が見られ、投影面積の平方根（√area）が大きいほど疲労寿命は低下する。すなわち、水素侵入条件下におけるき裂発生に対しては介在物のサイズと種類とが非常に強く影響する。なお、起点となった介在物は、その種類の中で試験片の有効負荷体積中に含まれる最大のものと考えられる。試験片の有効負荷体積中とは、意図する応力が作用する部分の体積である。例えば、試験片で試験片両端の試験中の把持部分よりも小断面に形成されて破断を予定する断面部分（意図する応力が作用する部分の体積）を試験片の有効負荷体積という。

ＴｉＮ系介在物は、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物よりも投影面積の平方根（√area）が小さいにもかかわらず、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物と同様に疲労寿命を低下させる。したがって、ＴｉＮ系介在物はＡｌ_２Ｏ_３系介在物よりも有害である。その理由は、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の形状は球状であるのに対し、ＴｉＮ介在物の形状は角張っているために、小さいサイズでも局所的に大きな応力集中が生じると考えられる。疲労寿命は介在物の大きさに支配される。従来技術の平均径の規定では大きな介在物の存在を許容してしまうことになり、疲労寿命の向上を保証することができない。したがって、最大サイズを規定することが重要である。

特許文献は下記のとおりである。
特許第２６５７４２０号公報

転動部品が高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用されると、転動によって潤滑剤が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入するために早期はく離が生じることがある。このはく離のメカニズムは、転走表面に繰返し作用する引張応力の影響によって、転走面直下に存在する非金属介在物を起点として初期欠陥が形成され、はく離に至るものと考えられる。本発明の課題は、そのような早期はく離を防止することである。

非金属介在物を起点として初期欠陥が形成されると考えられる早期はく離を防止するために、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物およびＴｉＮ系介在物の許容サイズを設け、その許容サイズよりも小さいＡｌ_２Ｏ_３系介在物およびＴｉＮ系介在物を含む鋼材で転動部品を形成する。許容サイズよりも小さい介在物を含む鋼材で転動部品を形成する。このように形成した転動部品は、転動によって発生する水素が鋼中に侵入したときには、早期はく離につながるＡｌ_２Ｏ_３系介在物またはＴｉＮ系介在物を起点とした初期欠陥が発生することを防止することができる。

このような最大のＡｌ_２Ｏ_３系介在物およびＴｉＮ系介在物を許容サイズ以下にした鋼材で転動部品を形成すると、高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用されたときに、転動によって発生する水素が鋼中に侵入することによって生じる早期はく離を防止することができる。

本発明は、最大のＡｌ_２Ｏ_３系介在物およびＴｉＮ系介在物を許容サイズ以下にした鋼材で転動部品を形成すると、高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用されたときに、転動によって発生する水素が鋼中に侵入することによって生じる早期はく離を防止することができる。

本発明の転動部品は、鋼材に含まれる最も大きなＡｌ_２Ｏ_３系介在物とＴｉＮ系介在物との投影面積の平方根（√area）が、それぞれ１５［μｍ］以下および８［μｍ］以下の鋼材を用いる。

（１）軸荷重疲労試験
ロットが異なる６種類の高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２（Ａ鋼、Ｂ鋼、Ｃ鋼、Ｄ鋼、Ｅ鋼およびＦ鋼）から試験片を製作した。予め試験片に下記の条件で水素チャージを行った後に、直ちに下記の条件で軸荷重疲労試験を行った。Ａ鋼、Ｃ鋼およびＤ鋼はすべてＡｌ_２Ｏ_３系介在物を起点として破断し、Ｂ鋼、Ｅ鋼およびＦ鋼はすべてＴｉＮ系介在物を起点として破断した。

表１は、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物が起点となったＡ鋼、Ｃ鋼およびＤ鋼のＡｌ_２Ｏ_３系介在物試験結果表である。

Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の投影面積の平方根（√area）は、Ａ鋼が平均値１３．２［μｍ］で最も小さく、次いでＣ鋼が平均値１６．７［μｍ］、Ｄ鋼が平均値１８．９［μｍ］であって、破断までの負荷回数は投影面積の平方根（√area）の平均値が小さいほど多くなっている。

表２は、ＴｉＮ系介在物が起点となったＢ鋼、Ｅ鋼およびＦ鋼のＴｉＮ系介在物試験結果表である。

ＴｉＮ系介在物の投影面積の平方根（√area）は、Ｂ鋼が平均値６．７［μｍ］で最も小さく、次いでＥ鋼が平均値１０．１［μｍ］、Ｆ鋼が平均値１２．７［μｍ］であり、破断までの負荷回数は、投影面積の平方根（√area）の平均値が小さいほど多くなっている。なお、起点となった介在物は、その種類の中で試験片の有効負荷体積中に含まれる最大のものと考えられる。

＜水素チャージ従動条件＞
電解液：０．１Ｎ硫酸＋１．４ｇ／ｌチオ尿素
電流密度：０．３［ｍＡ／ｃｍ^２］
チャージ時間：２０［ｈ］
＜超音波疲労試験条件＞
負荷周波数：２０［ｋＨｚ］
応力比：Ｒ＝−１
応力振幅：７００［ＭＰａ］
（２）２円筒型転がりすべり試験
表３は、Ａ鋼ないしＦ鋼の高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の２円筒型転がりすべり試験のき裂発生数結果表を示す。

軸荷重疲労試験で用いた６種類の高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２（Ａ鋼、Ｂ鋼、Ｃ鋼、Ｄ鋼、Ｅ鋼およびＦ鋼）から試験片を作製した。従動側の円筒試験片に軸荷重疲労試験のときと同じ条件で予め水素チャージを行い、直ちに下記の条件で転がりすべり試験を行った。２４［ｈ］試験を行い、き裂の発生個数を調べた。

Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値が最も小さなＡ鋼と、ＴｉＮ系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値が最も小さなＢ鋼とは、き裂が発生しなかった。それ以外は、すべて水素チャージした従動側にき裂が発生した。Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値が最も大きなＤ鋼とＴｉＮ系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値が最も大きなＦ鋼とに、多くのき裂が発生した。

図１に示したように、水素チャージ後に２４［ｈ］放置すると、拡散性水素が発散することができるので、疲労強度を回復することができる。その理由は、軸荷重疲労試験の負荷周波数は２０［ｋＨｚ］であって極めて高速であるのに対して、転がりすべり試験における負荷周波数は約５０［Ｈｚ］であり、試験中に拡散性水素が発散して徐々に拡散することにある。

Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値が最も小さなＡ鋼とＴｉＮ系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値が最も小さなＢ鋼とは、転動によって介在物を起点とした初期欠陥が生成される前に拡散性水素が逃げて疲労強度が回復したために、き裂が発生しなかったと考えられる。

実際に転動部品が使用されるときの最大接触面圧、負荷周波数などは、転がりすべり試験の条件と同程度なので、転動部品を形成する鋼材に含まれるＡｌ_２Ｏ_３系介在物、ＴｉＮ系介在物などの大きさが、転がりすべり試験でき裂が発生しなかったＡ鋼およびＢ鋼程度であれば、過酷な条件下で水素が侵入しても、通常の条件下、停止時などに発散する。したがって、介在物を起点とした初期欠陥は形成されないので、早期はく離が生じなくなると考えられる。

図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示したように、投影面積の平方根（√area）が小さいほど破断までの負荷回数は増加するが、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の場合には、投影面積の平方根（√area）が１５［μｍ］以下で、ＴｉＮ系介在物の場合には、投影面積の平方根（√area）が８［μｍ］以下で増加の度合いが緩やかになる。

このＡｌ_２Ｏ_３系介在物の場合には、投影面積の平方根（√area）が１５［μｍ］を越えると、負荷回数が急激に低下するために実用範囲とすることができない。また、同様に、ＴｉＮ系介在物の場合には、投影面積の平方根（√area）が８［μｍ］を越えると、負荷回数が急激に低下するために実用範囲とすることができない。

表１および表２に示したように、Ａ鋼のＡｌ_２Ｏ_３系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値は、１３．２［μｍ］であり、Ｂ鋼のＴｉＮ系介在物の投影面積の平方根（√area）の平均値、６．７［μｍ］である。したがって、Ａ鋼とＢ鋼との耐水素性は上限値に近いと判断される。

以上説明したように、本発明では、鋼材に含まれる最も大きなＡｌ_２Ｏ_３系介在物とＴｉＮ系介在物との投影面積の平方根（√area）が、それぞれ１５［μｍ］以下および８［μｍ］以下にした鋼材を転動部品に用いれば、転動によって発生する水素を鋼中に発散させることによって生じる早期はく離を防止することができる。

＜２円筒型転がりすべり試験条件＞
従動円筒：主曲率半径２０［ｍｍ］×副曲率半径６０［ｍｍ］、回転数３０００［ｒｐｍ］
駆動円筒：主曲率半径２０［ｍｍ］×副曲率半径６０［ｍｍ］、回転数３０６０［ｒｐｍ］
すべり率：２［％］
最大接触面圧：２．１［ＧＰａ］
潤滑方法：ＶＧ２２をパット給油

本発明に係るアンギュラ玉軸受をはじめとする転動部品は、高速ですべりを伴う条件下、希薄潤滑下などで使用される工作機に用いられる。

単一ロットの高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の水素チャージ条件を変えた負荷回数［回数］（横軸）と応力振幅［ＭＰａ］（縦軸）との関係で示した軸荷重疲労試験結果線図である。図１とはロットが異なる高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の水素チャージ条件を変えた負荷回数（横軸）と応力振幅（縦軸）との関係で示した軸荷重疲労試験結果線図である。Ａｌ_２Ｏ_３系介在物を起点として破断したロットの負荷回数と起点介在物の投影面積の平方根（√area）との関係を示す負荷回数・投影面積関係図である。ＴｉＮ系介在物を起点として破断したロットの負荷回数と起点介在物の投影面積の平方根（√area）との関係を示す負荷回数・投影面積関係図である。

Claims

鋼材に含まれる最も大きなＡｌ_２Ｏ_３系介在物とＴｉＮ系介在物との投影面積の平方根（√area）が、それぞれ１５［μｍ］以下および８［μｍ］以下の鋼材を用いる転動部品。
請求項１に記載の鋼材を、内輪、外輪および転動体のうちの少なくとも１つに用いる転がり軸受。
Ａｌ_２Ｏ_３系またはＴｉＮ系を含む非金属介在物に許容サイズを設けて、前記許容サイズよりも小さい非金属在物を含む鋼材で転動部品を形成して、非金属介在物を起点として初期欠陥が形成される早期はく離を防止した転動部品。