JP2005134117A

JP2005134117A - 転がり軸受の寿命評価方法

Info

Publication number: JP2005134117A
Application number: JP2003366850A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Kizawa; 克彦木澤; Takeshi Mikami; 剛三上
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】比較的短時間でかつばらつきなく寿命を把握しうる転がり軸受の寿命評価方法を提供する。
【解決手段】軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与する。圧痕の周囲に形成された盛り上がり部のＸ線半価幅から圧痕が付与されていない軌道面の表層部のＸ線半価幅を減じたＸ線半価幅変化量、および前記盛り上がり部の残留オーステナイト量から圧痕が付与されていない軌道面の表層部の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト変化量に基づいて、前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価する。
【選択図】図３

Description

この発明は転がり軸受の寿命評価方法、さらに詳しくは、潤滑油に異物が混入した環境下で使用される転がり軸受の寿命を評価する方法に関する。

転がり軸受の軌道輪は、JIS ＳＵＪ２のような高炭素クロム軸受鋼や、JIS ＳＣＲ４２０のような肌焼き鋼などの軸受用鋼を用いて形成されるが、このような軌道輪を有する転がり軸受が、たとえば自動車部品のように、周囲の部品の摩耗粉などの異物が混入した異物混入潤滑環境下で使用される場合、短寿命領域の転がり疲れ現象である表面起点剥離が発生し、著しく短寿命となる。そのため、予めこのような異物混入潤滑環境下での寿命を把握しておく必要がある。

従来、転がり軸受の異物混入潤滑環境下での寿命は、寿命試験機を密封状態にし、潤滑油に故意に所定の粒径および硬さを有する異物を混入させて転がり寿命試験を行い、表面起点剥離が発生するまでの時間を測定することにより把握されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来の方法では、使用潤滑油、試験機内温度などの影響を受けて異物の攪拌程度が異なり、安定した異物濃度環境下で試験を行うことが困難になって試験結果にばらつきが生じるという問題がある。また、寿命を求めるのに長時間かかるという問題がある。
特開平５−２７１７７９号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、比較的短時間でかつばらつきなく寿命を把握しうる転がり軸受の寿命評価方法を提供することにある。

本発明者等は、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、表面起点剥離は異物により軌道輪の軌道面に形成される圧痕の周囲の盛り上がり部への応力集中が原因であり、この盛り上がり部の性状に基づいて転がり軸受の寿命を評価しうることを見出した。

この発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。

この発明による第１の転がり軸受の寿命評価方法は、軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与し、圧痕の周囲に形成された盛り上がり部のＸ線半価幅から圧痕が付与されていない軌道面の表層部のＸ線半価幅を減じたＸ線半価幅変化量、および前記盛り上がり部の残留オーステナイト量から圧痕が付与されていない軌道面の表層部の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト変化量に基づいて、前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価することを特徴とするものである。

この発明による第２の転がり軸受の寿命評価方法は、軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与した後清浄な潤滑油を用いて転がり運転を行い、圧痕の周囲に形成された盛り上がり部における運転開始前と所定時間運転した後の残留オーステナイト変化量と、前記盛り上がり部における運転開始前と所定時間運転した後の高さ変化量とに基づいて前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価するものである。

この発明による第３の転がり軸受の寿命評価方法は、軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与した後清浄な潤滑油を用いて転がり運転を行い、圧痕の周囲に形成された盛り上がり部における運転開始前と所定時間運転した後の硬さ変化量に基づいて、前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価することを特徴とするものである。

なお、前記第２および第３の方法において、転がり運転の時間は、表面起点剥離が発生するまでの時間に比べて短くてよい。

この発明の第１の方法は上述のように構成されているので、転がり運転を全く行うことなく、極めて短時間で転がり軸受の寿命を把握することができる。しかも、長寿命の転がり軸受の開発指標として役立たせることができる。

この発明の第２および第３の方法は上述のように構成されているので、実際に剥離が発生するまでの長時間にわたる寿命試験を実施しなくても、短時間で転がり軸受の寿命を正確に把握することができる。しかも、長寿命の転がり軸受の開発指標として役立たせることができる。

以下、この発明の実施形態について説明する。

JIS ＳＵＪ２を用いて型番６２０６の深溝玉軸受用内輪素材を形成した後、これらの素材に異なる熱処理を施して、４種類の内輪（試料１〜４）を作製した。これらの内輪の軌道面表層部の硬さ(ロックウェルＣ硬さ)および表層部の残留オーステナイト量(γＲ)を、熱処理方法とともに表１に示す。なお、熱処理方法１は焼入処理であり、熱処理方法２は浸炭窒化処理であり、熱処理方法３は低温浸炭処理＋１６０℃焼戻し処理であり、熱処理方法４は低温浸炭処理＋サブゼロ処理＋１８５℃焼戻し処理である。また、前記表層部とは、軌道面の最表面から、転動体との接触による最大せん断応力が作用する深さまでの部分を意味するものとする。

ついで、図１および図２に示すように、各試料の軌道面(1)における１直径上に位置する２つの部分の幅方向の中央部に、直径１．０ｍｍのＳｉ_３Ｎ_４からなる球を圧子とするロックウェル硬さ試験機を用いて荷重１４７１Ｎでそれぞれ圧痕(2)を付与した。

そして、各試料における圧痕(2)の周囲に形成された盛り上がり部(3)のＸ線半価幅から軌道面(1)における圧痕(2)が付与されていない円滑部(4)の表層部のＸ線半価幅を減じたＸ線半価幅変化量、および前記盛り上がり部(3)の残留オーステナイト量から円滑部(4)の表層部の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト変化量を求めた。なお、Ｘ線半価幅は、Ｘ線回折装置として、リガク社製のRINT2000を使用し、Ｘ線：Ｃｒ−Ｋα線、管速電圧４０ｋＶ、管電流２００ｍＡ、回折面：α（２１１）面という条件で測定した。

その結果を図３に示す。図３から明らかなように、試料１および２においては、すべてのものがＸ線半価幅変化量が０．２度以上でかつ残留オーステナイト変化量が１％以上であった。

次に、圧痕(1)が付与された試料１〜４と、JIS ＳＵＪ２からなりかつ通常の浸炭窒化処理が施されてなる外輪および玉と組み合わせて玉軸受を組み立て、清浄な潤滑油を使用して、剥離が生じるまで転がり運転を行った。この運転の際に、所定の運転時間毎に転がり軸受を分解し、盛り上がり部(3)の残留オーステナイト量、高さおよび硬さを測定し、再び転がり軸受を組み立てて運転を行った。運転条件は表２に示す通りである。

なお、表２に示す試験機は、同時に２個の玉軸受の試験を行うことが可能であり、表２中のラジアル荷重は、１つの玉軸受のラジアル荷重を意味する。

各試料の剥離が生じるまでの時間を表３に示す。

図３および表３より、転がり運転を行う前のＸ線半価幅変化量および残留オーステナイト変化量が大きくなるほど寿命が長くなることが分かる。したがって、転がり軸受の寿命は、転がり運転を行う前のＸ線半価幅変化量および残留オーステナイト変化量に基づいて評価することが可能であり、たとえばＸ線半価幅変化量が０．２度以上でかつ残留オーステナイト変化量が１％以上であれば、長寿命であると評価することができる。

その理由は、次の通りであると推定される。

すなわち、試料１および２のように、残留オーステナイト変化量およびＸ線半価幅変化量がともに大きい傾向にある場合、盛り上がり部において歪み誘起マルテンサイト変態により残留オーステナイトからマルテンサイトへの新たな変態が生じ、結晶格子の歪みの尺度とされるＸ線半価幅の増加量が大きくなっていると考えられる。一方、試料３および４のように、Ｘ線半価幅変化量に対して残留オーステナイト変化量が依存しない傾向にある場合、盛り上がり部においては歪み誘起マルテンサイト変態による残留オーステナイトからマルテンサイトへの変態が少ないと考えられる。一般的な加工硬化は転位密度の増加で強化される（以下、転位強化という）が、残留オーステナイト変化量およびＸ線半価幅変化量がともに大きい場合には、転位強化に加えて歪み誘起マルテンサイト変態による強化も寄与し、その結果転がり寿命が長くなると推定される。

ここで、試料１〜４の盛り上がり部(3)および軌道面(1)における圧痕(2)が付与されていない円滑部(4)の硬さを、マイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇ）により測定した結果を図４に示す。なお、盛り上がり部(3)では、測定箇所は図２にXで示す４箇所であり、その平均値をとった。また、円滑部(4)では、測定箇所は図２にYで示す深さの４箇所であり、その平均値をとった。図４から明らかなように、同程度の円滑部(4)の硬さを有する試料１および３を比べた場合、試料１の盛り上がり部(3)の硬さは試料３の盛り上がり部(3)の硬さよりもはるかに大きくなっていることが分かる。また、円滑部(4)の硬さが試料３よりも小さい試料２の盛り上がり部(3)の硬さは、試料３の盛り上がり部(3)の硬さよりも大きくなっていることが分かる。そして、盛り上がり部(3)の硬さが大きいほど、寿命が長くなることが分かる。

図５は、運転時間と、盛り上がり部(3)における運転開始の前後の残留オーステナイト変化量、すなわち運転開始前の盛り上がり部(3)の残留オーステナイト量から所定時間経過した後の盛り上がり部(3)の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト減少量との関係を示す。図６は、転がり運転時間と、盛り上がり部(3)における運転開始前と所定時間運転した後の高さ変化量、すなわち運転開始前の盛り上がり部(3)の高さから所定時間運転した後の盛り上がり部(3)の高さを減じた高さ減少量との関係を示す。

図５、図６および表３より、転がり運転開始後所定時間経過した際の盛り上がり部(3)の残留オーステナイト変化量が大きく、かつ高さ変化量が小さくなるほど寿命が長くなることが分かる。したがって、転がり軸受の寿命は、圧痕(2)を付与した後、清浄油を用いて転がり運転を行い、盛り上がり部(3)における運転開始前と所定時間運転した後の残留オーステナイト変化量と、盛り上がり部(3)における運転開始前と所定時間運転した後の高さ変化量とに基づいて評価することが可能であり、運転開始後、たとえば１時間経過した際の残留オーステナイト変化量がたとえば１％以上でありかつ高さ変化量がたとえば０．８μｍ以下であれば、長寿命であると評価することができる。

その理由は、次の通りであると考えられる。

すなわち、図５より、試料１および２は、残留オーステナイト量が転動開始直後から漸減していく傾向が認められたのに対し、試料３および４は、残留オーステナイト量が転動開始直後から１時間経過するまでほとんど変化せず、その後漸減していく傾向を示している。一方、図６より、試料２〜４においては転がり運転開始直後に盛り上がり部の高さが急激に減少し、その後転がり運転時間の増加に伴って盛り上がり部の高さが漸減し、さらに剥離に向かって再び盛り上がり部の高さが急激に減少していく傾向を示している。また、図６より、試料１においては転がり運転開始直後の盛り上がり部の高さの急激な減少はなく、転がり運転開始初期から盛り上がり部の高さが漸減し、その後剥離に向かって盛り上がり部の高さが急激に減少していく傾向を示している。そして、図５および図６を照らし合わせると、試料１および２においては、運転開始直後から歪み誘起マルテンサイト変態によって残留オーステナイトからマルテンサイトへの新たな変態が生じ、前記転位強化に加えて歪み誘起マルテンサイト変態による強化も寄与し、その結果転がり寿命が長くなると推定される。これに対し、試料３および４においては残留オーステナイトの分解が進行しておらず、盛り上がり部の高さは減少するものの残留オーステナイト減少量が小さいので、歪み誘起マルテンサイト変態は生じておらず、前記転位強化のみに支配されて転がり寿命が短くなると推定される。

図７は、転がり運転時間と、盛り上がり部の硬さ変化量、すなわち所定時間運転した後の盛り上がり部の硬さから運転開始前の盛り上がり部の硬さを減じた硬さ減少量との関係を示す。

図７および表３より、硬さ変化量が０になる運転時間が長いほど寿命が長くなることが分かる。したがって、転がり軸受の寿命は、硬さ変化量に基づいて評価することが可能であり、たとえば硬さ変化量が０になる転がり運転時間が５時間以上であれば、長寿命であると評価することができる。

次に、上述した実験から推定される各試料の疲労課程について述べる。

試料１においては、転がり運転開始前に圧痕を付与することにより形成された盛り上がり部の硬化は、変形による転位強化と歪み誘起マルテンサイト変態による強化の両者が支配しているため、硬さ増加量はかなり大きい。すなわち、盛り上がり部の硬さが大きく変形しにくいので、転がり運転初期において盛り上がり部の高さは緩慢に漸減する。また、転がり運転初期において盛り上がり部の高さが急激に減少していないにもかかわらず、その段階での硬さの上昇は比較的大きくかつ残留オーステナイト減少量が比較的大きい。したがって、転がり運転初期における盛り上がり部の硬さ上昇には、転位強化に加えて、残留オーステナイトの歪み誘起マルテンサイト変態による強化も寄与している。その後、転がりによる繰り返し応力を受けることにより、転がり運転初期に導入された高密度の転位が再配列し、組織の回復、再結晶化といった組織変化が発生する転がり運転終期への移行する。一般的に転位強化は固溶強化や分散析出強化といった他の強化機構と比べて転位の繰り返し運動に対する抵抗が小さく、再配列し易いため疲労強度が低下するといわれている。しかしながら、試料１の場合、転位強化に加えて、固溶強化の範疇に入る歪み誘起マルテンサイト変態による強化が認められるので、組織変化抵抗性に優れ、その結果寿命が長くなると考えられる。なお、試料１における盛り上がり部からの剥離発生過程は、転がり運転開始前の圧痕付与時の変形に伴う転位強化と歪み誘起マルテンサイト変態による強化とによる硬さ上昇→転がり運転開始初期の盛り上がり部の緩慢な減少に伴う転位強化と歪み誘起マルテンサイト変態による強化とによるさらなる硬さ上昇→転がり運転中の転位の繰り返し運動による再配列およびそれに伴う組織変化による硬さ低下→硬さ低下に伴う強度低下→共同低下領域からの亀裂発生→剥離発生である。

試料２においては、盛り上がり部の硬さ変化量および残留オーステナイト減少量については、試料１と同様な経時変化となる。但し、試料２の場合、転がり運転初期の盛り上がり部の高さ減少量が試料１よりも大きくなっている。これは運転開始前の盛り上がり部の硬さが試料１よりも低いことに起因し、これにより試料１に比べて、残留オーステナイトの歪み誘起マルテンサイト変態による強化の寄与が少なく、試料１に比べて寿命は短くなると考えられる。

試料３においては、転がり運転開始前に圧痕を付与することにより形成された盛り上がり部の硬化は、試料１と異なり、主として変形による転位強化に支配されているため、硬さ増加量も比較的小さい。そのため、転がり運転開始直後において盛り上がり部の高さは急激に減少する。また、転がり運転開始直後において盛り上がり部の高さが急激に減少している段階での硬さの上昇も試料１に比べて小さくかつ残留オーステナイト減少量も試料１に比べて小さい。したがって、転がり運転初期における盛り上がり部の硬さ上昇には、主として転位強化が寄与している。その後、転がりによる繰り返し応力を受けることにより、転がり運転初期に導入された高密度の転位が再配列し、組織の回復、再結晶化といった組織変化が発生する転がり運転終期への移行する。一般的に転位強化は固溶強化や分散析出強化といった他の強化機構と比べて転位の繰り返し運動に対する抵抗が小さく、再配列し易いため疲労強度が低下するといわれており、組織変化抵抗性におとり、その結果寿命が短くなると考えられる。

試料４においては、転がり運転開始前に圧痕を付与することにより形成された盛り上がり部には、予歪みにより高密度の転位が形成されている。このときの硬さ上昇は転位強化に支配されており、歪み誘起マルテンサイト変態による強化は寄与していない。そして、転がり運転初期の段階においてまず盛り上がり部の高さが急激に減少し、その変形に伴う加工硬化により硬さがさらに上昇する。このとき、残留オーステナイト量は減少していないため、歪み誘起マルテンサイト変態は生じておらず、この加工硬化も転位強化のみに支配されている。その後、さらに転がりによる繰り返し応力を受けることにより、転がり運転初期に導入された高密度の転位が再配列し、組織の回復、再結晶化といった組織変化が発生する転がり運転終期への移行する。この転がり運転終期において残留オーステナイトの分解が開始するが、この組織変化は歪み誘起マルテンサイト変態が生じたためではなく、疲労組織（４００℃前後の焼戻しトルースタイト〜ソルバイト組織）に変化したために起こると考えられる。そして、疲労組織の発生および変化に起因する硬さ低下および硬さ低下に伴う局所的な強度低下が起こり、その領域がさらに繰り返し応力を受けることにより亀裂が発生して剥離が発生し、その結果寿命が短くなると考えられる。

軌道面に圧痕を付与した転がり軸受用内輪を示す図である。図１に示す内輪の圧痕と盛り上がり部を示す拡大図である。圧痕の周囲に形成された盛り上がり部のＸ線半価幅から軌道面における圧痕が付与されていない円滑部の表層部のＸ線半価幅を減じたＸ線半価幅変化量と、盛り上がり部の残留オーステナイト量から円滑部の表層部の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト変化量との関係を示すグラフである。圧痕の周囲に形成された盛り上がり部の硬さと、軌道面における圧痕が付与されていない円滑部の硬さとの関係を示すグラフである。転がり運転時間と、運転開始前の盛り上がり部の残留オーステナイト量から所定時間経過した後の盛り上がり部の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト変化量との関係を示すグラフである。転がり運転時間と、運転開始前の盛り上がり部の高さから所定時間運転した後の盛り上がり部の高さを減じた高さ変化量との関係を示すグラフである。転がり運転時間と、所定時間運転した後の盛り上がり部の硬さから運転開始前の盛り上がり部の硬さを減じた硬さ変化量との関係を示すグラフである。

Claims

軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与し、圧痕の周囲に形成された盛り上がり部のＸ線半価幅から圧痕が付与されていない軌道面の表層部のＸ線半価幅を減じたＸ線半価幅変化量、および前記盛り上がり部の残留オーステナイト量から圧痕が付与されていない軌道面の表層部の残留オーステナイト量を減じた残留オーステナイト変化量に基づいて、前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価することを特徴とする転がり軸受の寿命評価方法。
軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与した後清浄な潤滑油を用いて転がり運転を行い、圧痕の周囲に形成された盛り上がり部における運転開始前と所定時間運転した後の残留オーステナイト変化量と、前記盛り上がり部における運転開始前と所定時間運転した後の高さ変化量とに基づいて前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価することを特徴とする転がり軸受の寿命評価方法。
軸受用鋼からなる転がり軸受用軌道輪の軌道面に圧痕を付与した後清浄な潤滑油を用いて転がり運転を行い、圧痕の周囲に形成された盛り上がり部における運転開始前と所定時間運転した後の硬さ変化量に基づいて、前記転がり軸受用軌道輪を用いた転がり軸受の寿命を評価することを特徴とする転がり軸受の寿命評価方法。