JP2005113256A - 転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】転がり軸受部品の合金元素の含有量が質量%で、Cを0.6%以上1.3%以下、Siを0.3%以上3.0%以下、Mnを0.2%以上1.5%以下、Pを0.03%以下、Sを0.03%以下、Crを0.3%以上5.0%以下、Niを0.1%以上3.0%以下、Alを0.050%以下、Tiを0.003%以下、Oを0.0015%以下、Nを0.015%以下含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材よりなり、窒素富化層を有し、オーステナイト結晶粒の粒度番号が10番を超える範囲にある。
【選択図】 図1
Description
Cは転がり軸受として強度を確保するために必須の元素であり、所定の熱処理後の硬さを維持するためには0.6%以上含有する必要があるため、C含有量の下限を0.6%に限定した。また、本発明においては、後述するように炭化物が転動疲労寿命に重要な役割を与えるが、C含有量が1.3%を超えて含有された場合、大型の炭化物が生成し、転動疲労寿命の低下を生じることが判明したため、C含有量の上限を1.3%に限定した。
Siは高温域での軟化を抑制し、転がり軸受の耐熱性を改善する作用があるため添加することが望ましい。しかし、Si含有量が0.3%未満ではその効果が得られないため、Si含有量の下限を0.3%に限定した。また、Si含有量の増加に伴って耐熱性は向上するが、3.0%を超えて多量に含有させてもその効果が飽和するとともに、熱間加工性や被削性の低下が生じるため、Si含有量の上限を3.0%に限定した。
Mnは鋼を製造する際の脱酸に用いられる元素であるとともに、焼入れ性を改善する元素であり、この効果を得るために0.2%以上添加する必要があるため、Mn含有量の下限を0.2%に限定した。しかし、1.5%を超えて多量に含有すると被削性が大幅に低下するため、Mn含有量の上限を1.5%に限定した。
Pは、鋼のオーステナイト粒界に偏析し、靭性や転動疲労寿命の低下を招くため、0.03%を含有量の上限とした。
Sは鋼の熱間加工性を害し、鋼中で非金属介在物を形成して靭性や転動疲労寿命を低下させるため、0.03%をS含有量の上限とした。また、Sは前記のような有害な面を持つ反面、切削加工性を向上させる効果も有しているため、可及的に少なくすることが望ましいが0.005%までの含有であれば許容される。
Crは本発明において重要な作用を果たす元素であり、焼入れ性の改善と炭化物による硬さ確保と寿命改善とのために添加される。所定の炭化物を得るためには0.3%以上の添加が必要であるため、Cr含有量の下限を0.3%に限定した。しかし、5.0%を超えて多量に含有すると、大型の炭化物が生成し転動疲労寿命の低下が生じるため、Cr含有量の上限を5.0%に限定した。
Alは鋼の製造時の脱酸剤として使用されるが、硬質の酸化物系介在物を生成し転動疲労寿命を低下させるため低減することが望ましい。また、0.050%を超えてAlが多量に含有されると顕著な転動疲労寿命の低下が認められたため、Al含有量の上限を0.050%に限定した。
(8)Tiの含有量(0.003%以下)、Oの含有量(0.0015%以下)、Nの含有量(0.015%以下)について
Ti、OおよびNは鋼中に酸化物、窒化物を形成し非金属介在物として疲労破壊の起点となり転動疲労寿命を低下させるため、Ti:0.003%、O:0.0015%、N:0.015%を各元素の上限とした。
Niは本発明において重要な作用を果たす元素であり、特に高温環境下で使用された場合の転動疲労過程における組織の変化を抑制し、また高温域での硬さの低下を抑制して転動疲労寿命を向上する効果を有する。加えて、Niは靭性を改善して異物環境下での寿命を改善するとともに耐食性の改善にも効果がある。このため、Niを0.1%以上含有させる必要があるため、Ni含有量の下限を0.1%に限定した。しかし、3.0%を超えて多量にNiを含有すると、焼入れ処理時に多量の残留オーステナイトが生成され所定の硬さが得られなくなり、また鋼材コストが上昇するため、Ni含有量の上限を3.0%に限定した。
Moは鋼の焼入れ性を改善するとともに、炭化物中に固溶することによって焼戻し処理時の軟化を防止する効果がある。特に、Moは高温域における転動疲労寿命を改善する作用が見出されたため添加されている。しかし、0.25%以上と多量にMoを含有させると鋼材コストが上昇するとともに、切削加工を容易にするための軟化処理時に硬さが低下せず被削性が大幅に劣化してしまうため、Mo含有量を0.25%未満に限定した。またMoの含有量が0.05%未満では炭化物形成に効果がないため、Mo含有量の下限を0.05%に限定した。
Vは炭素と結合して微細な炭化物を析出し、結晶粒の微細化を促進し強度・靭性を改善する効果を有するとともに、Vの含有によって鋼材の耐熱性を改善し、高温焼戻し後の軟化を抑制し、転動疲労寿命を改善し、寿命のばらつきを減少させる作用を示す。この効果が得られるVの含有量が0.05%以上であるため、V含有量の下限を0.05%に限定した。しかし、1.0%を超えて多量にVを含有すると、被削性、熱間加工性が低下するため、V含有量の上限を1.0%に限定した。
1.2重量%C−1.0重量%Si−0.5重量%Mn−1.0重量%Ni−1.5重量%Cr鋼を用いて、(1)水素量の測定、(2)結晶粒度の測定、(3)シャルピー衝撃試験、(4)破壊応力値の測定、(5)転動疲労試験の各試験を行なった。表1にその結果を示す。
水素量は、LECO社製DH−103型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このLECO社製DH−103型水素分析装置の仕様を下記に示す。
分析精度:±0.1ppmまたは±3%H(いずれか大なるほう)
分析感度:0.01ppm
検出方式:熱伝導度法
試料重量サイズ:10mg〜35mg(最大:直径12mm×長さ100mm)
加熱炉温度範囲:50℃〜1100℃
試薬:アンハイドロン Mg(ClO4)2、アスカライト NaOH
キャリアガス:窒素ガス、ガスドージングガス:水素ガス、いずれのガスも純度99.99%以上、圧力40psi(2.8kgf/cm2)である。
結晶粒度の測定は、JIS G 0551の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。
シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片は、JIS Z 2202に示されたUノッチ試験片(JIS3号試験片)を用いた。
図6は、静圧壊強度試験(破壊応力値の測定)の試験片を示す図である。図中のP方向に荷重を負荷して破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図6に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。
σ1=(N/A)+{M/(Aρ0)}[1+e1/{κ(ρ0+e1)}]
σ2=(N/A)+{M/(Aρ0)}[1−e2/{κ(ρ0−e2)}]
κ=−(1/A)∫A{η/(ρ0+η)}dA
(5)転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験条件を表2に示す。また、図7は、転動疲労寿命試験機の概略図である。図7(a)は正面図であり、図7(b)は側面図である。図7(a)および図7(b)において、転動疲労寿命試験片21は、駆動ロール11によって駆動され、ボール13と接触して回転している。ボール13は、3/4インチのボールであり、案内ロール12にガイドされて、転動疲労寿命試験片21との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。
浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品は、0.83ppmと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア(NH3)が分解して水素が鋼中に浸入したためと考えられる。これに対し、試料B〜Dは、水素量は0.42〜0.45ppmと半分近くまで減少している。この水素量は普通焼入れ品と同レベルである。
結晶粒度は二次焼入れ温度が、浸炭窒化処理時の焼入れ(一次焼入れ)の温度より低い場合、すなわち試料B〜Dの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号11〜12と顕著に微細化されている。試料EおよびFならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入れ品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号9であり、本発明例の試料B〜Dより粗大な結晶粒となっている。
表1によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は5.10J/cm2であるのに比して、本発明例の試料B〜Dのシャルピー衝撃値は6.35〜6.80J/cm2と高い値が得られている。この中でも、二次焼入れ温度が低い方がシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。普通焼入れ品のシャルピー衝撃値は6.40J/cm2と高い。
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表1によれば、従来浸炭窒化処理品は2080MPaの破壊応力値となっている。これに比して、試料B〜Dの破壊応力値は2630〜2800MPaと改善された値が得られている。普通焼入れ品の破壊応力値は2750MPaであり、試料B〜Dの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。
表1によれば、普通焼入れ品は浸炭窒化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命L10は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は1.4倍となる。試料B〜Dの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。試料E,Fは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等である。
上記をまとめると、本発明例の試料B〜Dは、水素含有率が低下し、オーステナイト結晶粒度が11番以上に微細化され、シャルピー衝撃値、耐割れ強度および転動疲労寿命も改善される。
次に実施例IIについて説明する。下記のX材、Y材およびZ材について、一連の試験を行なった。熱処理用素材には、1.2重量%C−1.0重量%Si−0.5重量%Mn――1.0重量%Ni−1.5重量%Cr)を用い、X材〜Z材に共通とした。X材〜Z材の製造履歴は次のとおりである。
X材(比較例):普通焼入れのみ(浸炭窒化処理せず)。
Y材(比較例):浸炭窒化処理後にそのまま焼入れ(従来の浸炭窒化焼入れ)。浸炭窒化処理温度845℃、保持時間150分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、RXガス+アンモニアガスとした。
Z材(本発明例):図2の熱処理パターンを施した軸受鋼。浸炭窒化処理温度845℃、保持時間150分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、RXガス+アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は800℃とした。
転動疲労寿命の試験条件および試験装置は、上述したように、表2および図7に示すとおりである。この転動疲労寿命試験結果を表3に示す。
シャルピー衝撃試験は、Uノッチ試験片を用いて、上述のJISZ2242に準じた方法により行なった。試験結果を表4に示す。
図8は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。この試験片のノッチ部に、予き裂を約1mm導入した後、3点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Pを求めた。破壊靭性値(K1c値)の算出には次に示す(I)式を用いた。また、試験結果を表5に示す。
K1c=(PL√a/BW2){5.8−9.2(a/W)+43.6(a/W)2
−75.3(a/W)3+77.5(a/W)4}・・・(I)
静圧壊強度試験片は、上述のように図6に示す形状のものを用いた。図中、P方向に荷重を付加して、静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表6に示す。
保持温度130℃、保持時間500時間における経年寸法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量(50μm深さ)と併せて表7に示す。
玉軸受6206を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表8に、試験結果を表9に示す。
表10に、窒素含有量と異物混入条件下の転動寿命との関係について行なった試験の結果を示す。なお、比較例1は標準焼入れ品、比較例2は標準の浸炭窒化品である。比較例3は本発明実施例と同様の処理を施したものの窒素量のみ過多の場合である。試験条件は次のとおりである。
供試軸受:円すいころ軸受30206(内・外輪、ころ共に、1.2重量%C−1.0重量%Si−0.5重量%Mn−1.0重量%Ni−1.5重量%Cr鋼製)
ラジアル荷重:17.64kN
アキシアル荷重:1.47kN
回転速度:2000rpm
硬質の異物混入1g/L
2 内輪
3 転動体
10 転がり軸受
11 駆動ロール
12 案内ロール
13 ボール
21 転動疲労寿命試験片
T1 浸炭窒化処理温度
T2 焼入れ加熱温度
Claims (4)
- 外輪、内輪および複数の転動体を有する転がり軸受において、前記外輪、内輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、合金元素の含有量が質量%で、Cを0.6%以上1.3%以下、Siを0.3%以上3.0%以下、Mnを0.2%以上1.5%以下、Pを0.03%以下、Sを0.03%以下、Crを0.3%以上5.0%以下、Niを0.1%以上3.0%以下、Alを0.050%以下、Tiを0.003%以下、Oを0.0015%以下、Nを0.015%以下含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼材よりなり、かつ、窒素富化層を有し、オーステナイト結晶粒の粒度番号が10番を超える範囲にある、転がり軸受。
- 前記鋼材は、質量%で、0.05%以上0.25%未満のMoおよび0.05%以上1.0%以下のVの少なくとも一種をさらに含んでいることを特徴とする、請求項1の転がり軸受。
- 窒素富化層における窒素含有量が0.1%〜0.7%の範囲である請求項1の転がり軸受。
- 前記部材が軌道輪であって、前記窒素含有量が、研削後の軌道面の表層50μmにおける値である請求項3の転がり軸受。
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