JP2005106205A

JP2005106205A - 転がり軸受の保持器

Info

Publication number: JP2005106205A
Application number: JP2003341354A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Shimizu; 康之清水; Koji Ueda; 光司植田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】過酷な条件下であっても良好な耐摩耗性が得られる保持器を提供する。
【解決手段】ＳＰＰＣ製の冷間圧延鋼板を用いてプレス成形法により形成された保持器に窒化処理を行って、表面に窒化物層２を形成する。次に、この保持器に酸化処理を行って、前記窒化物層の外側に、Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層１を形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受の保持器に関する。

従来より、高負荷がかかる転がり軸受用の保持器としては、強度に優れた高力黄銅製のもみ抜き保持器が使用されている。この保持器は、自己潤滑性を有するため摺動性および耐摩耗性に優れるが、材料コストが高いとともに、加工費も高く、歩留まりも低いため、特殊な用途にのみ使用されている。
これに対して、ＳＰＣＣに代表される冷間圧延鋼板やＳＰＤＨに代表される熱間圧延鋼板を、プレスにより所定形状に加工して形成されるプレス保持器は、高力黄銅製のもみ抜き保持器と比較して、コストの点で有利であるが、摺動性および耐摩耗性の点では劣っている。そのため、窒化処理を施して保持器の表面に硬質な窒化物層を形成することにより、プレス保持器の摺動性および耐摩耗性を向上させることが行われている。

一般に、ＳＰＣＣやＳＰＤＨ等の低炭素鋼（炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料）からなる鉄鋼部材に窒化処理を施すと、鉄鋼部材の表面で鉄および合金成分と窒素が反応し、窒素原子が鉄鋼部材の中に拡散して、表面に窒化物層（窒素と鉄および合金成分との化合物からなる層）が形成される。この窒化物層に含まれる窒化鉄は、部材の表面側に向かうにつれて窒素濃度が高い相になっている。すなわち、窒化物層は、最も内側の母材との境界付近から最表面に向かって、γ’相（Ｆｅ₄Ｎ）、ε相（Ｆｅ2`₃Ｎ）、ζ相（Ｆｅ₂Ｎ）の順に変化する。

そして、従来のプレス保持器で行われている窒化処理（タフトライド法およびガス軟窒化法）では、５５０〜６００℃の高温で窒化処理が行われるため、窒化物層表面のε相およびζ相は多孔質構造になり易い。ここで、タフトライド法は、シアン化ナトリウムとシアン酸ナトリウムとの混合塩浴中に保持器を浸漬して、５５０〜６００℃で１〜３時間加熱処理する方法である。ガス軟窒化法は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス中に、５５０〜６００℃で０．３〜５時間保持する方法である。

下記の特許文献１には、窒化物層（化合物層）により安定した耐摩耗性を確保するために、母材側の緻密層と表面側の多孔質層の厚さを特定することが記載されている。すなわち、多孔質層の厚さを、油溜まりとして好適に機能する範囲に特定し、緻密層の厚さを摩耗量が少なくなる範囲に特定することにより、保持器の耐摩耗性を改善している。
また、この多孔質層を酸化して緻密な酸化層を表面に設けることにより、更なる耐摩耗性および耐焼き付き性を向上させることも記載されている。そして、この酸化層の酸素含有率を所定範囲に限定することで、Ｆｅ₃Ｏ₄相を主成分としてＦｅ₂Ｏ₃相を含まない酸化層を設けるようにしている。
特開２００１−９０７３４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の酸化層と窒化物層を備えた保持器には、高荷重および高速回転の過酷な条件下での耐摩耗性の点で、更なる改善の余地がある。
なお、耐摩耗性を更に改善する方法として、窒化物層全体を硬質にする方法も挙げられる。そのためには、ガス軟窒化法や塩浴窒化法を従来より低温で行うか、イオン窒化法（例えば、窒素と水素の混合ガス雰囲気で、保持器を陰極、処理炉の内壁を陽極として、５５０℃程度の温度で１０時間程度グロー放電する方法）を行う必要がある。

これらの方法では、窒化処理にかかる材料コストまたは時間が掛かるため、製造コストが上昇する。また、表面を硬質な窒化物層とすると、表面で潤滑油を保持する機能が得られなくなる。
本発明は、鉄鋼材料を用いて所定形状に加工した後、窒化処理を行うことにより表面に窒化物層が形成された保持器に関し、この保持器の過酷な条件下での耐摩耗性を、製造コストを上昇させない方法で改善することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、鉄鋼材料を用いて所定形状に加工した後、窒化処理を行うことにより表面に窒化物層が形成された保持器において、窒化処理後に酸化処理を行うことで、前記窒化物層の外側に、Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層が形成されていることを特徴とする保持器を提供する。すなわち、この保持器は、最表面に前記混合相からなる酸化層を有し、その直下に窒化物層を有する。
本発明の保持器によれば、窒化物層の外側に、Ｆｅ₂Ｏ₃相を積極的に含有させた「Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層」を設けることにより、「Ｆｅ₃Ｏ₄相を主成分としてＦｅ₂Ｏ₃相を含まない酸化層」を設けた場合よりも、耐摩耗性が向上する。

「Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層」は、空気中等の酸化雰囲気で、３００〜５００℃に３０分〜５時間保持する熱処理を行うことにより形成することができるため、前述の特許文献１の方法と比較して製造コストが上昇しない。
本発明の保持器において、前記窒化物層が、４８０℃〜５２０℃に保持されたアルカリ金属塩からなる塩浴に１〜２時間浸漬した後に水冷する塩浴窒化法で形成されたものである場合には、前記酸化層の厚さの前記窒化物層に対する厚さの比が０．０３以上１．０以下とすることにより、耐摩耗性が特に高くなる。

本発明の保持器によれば、過酷な条件下であっても良好な耐摩耗性が得られる。また、この保持器は、窒化物層全体を硬質にする方法と比較して低いコストで製造できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
先ず、ＳＰＰＣ製の冷間圧延鋼板を用いて、自動調心ころ軸受（ＪＩＳ呼び番号２２２１１）用の保持器をプレス成形法により作製した。次に、下記の表１に示す各条件で窒化処理と酸化処理を行うことにより、各保持器の表面に窒化物層と酸化層を形成した。
なお、塩浴窒化（１）では、シアン化ナトリウムとシアン酸ナトリウムとの混合組成の塩浴を、塩浴窒化（２）では、アルカリ金属塩からなる塩浴を使用した。

次に、得られた各保持器を用いて自動調心ころ軸受を組み立て、荷重：１５４１５Ｎ、潤滑：グリース潤滑、回転速度：６７５０ｍｉｎ^-1、温度：２５℃の条件で、４８時間、軸受を回転させる試験を行った。試験前後に保持器の重量を測定し、重量減少量を摩耗量として算出した。そして、各サンプルの摩耗量をNo. １の摩耗量で除算することにより、No. １の値を「１」とした相対値を算出した。

得られた各保持器について、保持器の柱を切断し、切断面を研磨して、研磨面を走査型電子顕微鏡で観察した。また、この電子顕微鏡像から保持器の表面に形成された窒化物層と酸化層の厚さを測定した。また、最表面に形成された酸化層の酸化鉄の結晶構造を、ＣｏＫα線を用いたＸ線回折装置により調べた。なお、酸化層の厚さは数μｍ以下であったため、結晶構造の同定は薄膜Ｘ線回折法で行った。
これらの結果を下記の表１に示す。

また、前記研磨面の電子顕微鏡写真の一例（No. ２１）を図１に示す。この写真から、保持器の最表面に酸化層１が形成され、その直下に窒化物層２が形成されていることが分かる。
また、No. ２１の保持器の断面を模式図で示すと図２のようになる。すなわち、この保持器は、表面側から順に、Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層１、窒化物層２、ＳＰＰＣに窒素原子が拡散している拡散層３、母材（ＳＰＰＣからなる部分）４となっている。なお、窒化物層２は、拡散層３側の下層２１と酸化層１側の上層２２とで異なる相になっており、上層２２には空孔２３が含まれている。

また、図３に示すように、窒化物層の厚さに対する酸化層の厚さの比を横軸とし、摩耗量比（No. １を「１」とした相対値）を縦軸としたグラフに、No. １〜２６の結果をプロットした。
このグラフから、窒化物層に耐する酸化物層の厚さの比が小さすぎても大き過ぎても摩耗量は大きくなり、前記比には適正な範囲があることが分かる。また、窒化処理が塩浴窒化（２）である場合には、前記比が０．０３以上１．０以下の範囲（図３の「Ａ」）であると、耐摩耗性が特に高くなることが分かる。

また、Ｆｅ₃Ｏ₄相のみからなる酸化層が形成されていたNo. ２５と２６は、前記比が図３のＡの範囲である他のデータと比較して、摩耗量が大きくなっている。なお、酸化処理を行ったサンプルのうちNo. ２５と２６以外のサンプルには、Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層が形成されていた。このことから、酸化層を「Ｆｅ₃Ｏ₄相のみからなるもの」でなく「Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなるもの」にすることで、耐摩耗性が高くなることが分かる。
なお、この実施形態では、自動調心ころ軸受の保持器について試験を行っているが、その他の転がり軸受（玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受等）の保持器でも同様の効果が得られる。

実施形態で得られた保持器の断面を示す電子顕微鏡写真である。実施形態で得られた保持器の断面を示す模式図である。実施形態で行った試験で得られた、窒化物層の厚さに対する酸化層の厚さの比と、摩耗量比（No. １を「１」とした相対値）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１酸化層
２窒化物層
３拡散層
４母材

Claims

鉄鋼材料を用いて所定形状に加工した後、窒化処理を行うことにより表面に窒化物層が形成された保持器において、
窒化処理後に酸化処理を行うことで、前記窒化物層の外側に、Ｆｅ₂Ｏ₃とＦｅ₃Ｏ₄との混合相からなる酸化層が形成されていることを特徴とする保持器。
前記窒化物層は、４８０℃〜５２０℃に保持されたアルカリ金属塩からなる塩浴に１〜２時間浸漬した後に水冷する塩浴窒化法で形成されたものであり、
前記酸化層の厚さの前記窒化物層に対する厚さの比が０．０３以上１．０以下である請求項１記載の保持器。