JP2005299775A

JP2005299775A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005299775A
Application number: JP2004115573A
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: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】形状を考慮して溶融塩を用いた窒化処理よりも均質な窒化層厚さを提供することにより使用条件の選定に適した転がり軸受を提供すること。
【解決手段】転動体１１と、転動体１１を転動自在に保持する保持器１２と、を備え、保持器１２が、折り曲げ加工された折り曲げ部１７，１８，２１，２２を有し、折り曲げ部１７，１８，２１，２２に、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２３，２４，２５，２６を成形し、塑性加工部２３，２４，２５，２６の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上に設定された転がり軸受１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、一般産業機械、工作機械、鉄鋼機械、等に用いられる転がり軸受に関し、特に、プレス成形された保持器を備えた転がり軸受に関する。

転がり軸受のうち、ニードル軸受に組み込まれる保持器は、転動体である針状ころに対して滑り接触するため、耐摩耗性、耐焼付き性を満足する必要がある。また、ニードル軸受の回転時に保持器が引張や圧縮の繰返し応力を受ける場合がある。ニードル軸受に大きな負荷が作用する場合、強度に優れる高力黄銅製のもみ抜き保持器が使用されている。高力黄銅は自己潤滑性を有し摺動性、耐摩耗性に優れるが、材料コストが高く、また、もみ抜きで加工されるために、加工費が高く、材料歩留まりも低くなってしまい、特殊用途に限定されている。

近年、ＳＰＣＣに代表される冷間圧延用鋼板あるいはＳＰＨＤに代表される熱間圧延鋼板製の鋼製のプレス成形された保持器は材料費も安く、プレス成形性も良いので、量産性に優れ、コストが安価であるという利点を有して使用されているが、強度、耐摩耗性、耐焼付き性を向上する必要がある。例えば、ニードル軸受に振動や衝撃荷重が作用するような場合は、保持器の破損が問題になり、また、潤滑油の供給が少ない場合には、ポケット部分が摩耗してしまうという問題がある。このような課題を解決するため、例えば、ＳＰＣＣからなる保持器の表面に、塩浴窒化、ガス窒化及び塩浴窒化の窒化処理を含む表面硬化処理を施して強度の向上と耐摩耗性の向上を図るようにしたものが提案されている。

そこで、保持器の表面の酸化物を、金属フッ化膜に置き換えるフッ化処理をした後処理を施した転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平８−９７６６号公報

ところで、近年、保持器の高機能化が進み、単にプレス板の打ち抜きではなく、案内機能や針状ころの姿勢制御の機能を持たせるために、プレス保持器が複雑形状化している。
そして、上記の特許文献１では、プレス加工が特に厳しい場所に、窒化が不十分な場所が存在する。特に、保持器に折り曲げ加工部があり、折り曲げ部内面側の曲率が小さくなると、塩浴が十分に行き渡らなくなって窒化されにくい傾向がある。その場合、回転条件によって保持器の特定部位に過大な繰返し応力が負与されると、窒化層の薄くなった部分が破壊の起点となってしまう虞がある。

本発明はこのような問題を改善するためになされたものであり、その目的は、形状を考慮して溶融塩を用いた窒化処理よりも均質な窒化層厚さを提供することにより使用条件の選定に適した転がり軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。
１）本発明に係る転がり軸受は、軌道面を転動する複数の転動体と、前記転動体を転動自在に保持する保持器と、を備えた転がり軸受であって、前記保持器が、折り曲げ加工された折り曲げ部を有し、前記折り曲げ部に、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部が成形され、前記塑性加工部の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上に設定されていることを特徴とする。
前記構成の転がり軸受によれば、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部を有する鋼製の保持器に塩浴窒化を施す場合、折り曲げ部の内側と外側とで窒化層の厚さが異なるものとなり、保持器の強度にばらつきが生ずる。これに対して、塑性加工部の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上に設定されることにより、均一な強度をもつ保持器を得ることができる。

２）本発明に係る転がり軸受は、前記１）に記載の転がり軸受であって、前記保持器は、窒化処理がガスを窒化媒体とした方法により処理されたこと特徴とする。
前記構成の転がり軸受によれば、ガスを窒化媒体とした窒化処理を行うことにより、塩浴窒化と比較して流動性が良好になるために、窒化反応が緩慢になり難く、保持器全体の窒化層を均一にして強度を向上することができる。

ここで、上記目的を達成するために、本発明者は鋭意研究を重ね、窒化むらの発生と保持器形状の関係を明らかにし、更に窒化むらの発生しやすい形状については窒化方法を変えることで均一な窒化層で得られるという知見を得た。具体的には、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下である保持器において、窒化むらの発生しやすい折り曲げ部の内側に着目し、塑性加工部の、内側厚さ／外側厚さの比率が０．８以上にする窒化方法として、塩浴窒化でなくガス軟窒化に代表されるガス系窒化を適用し、保持器の強度を向上させることを可能とした。

本発明の転がり軸受によれば、形状を考慮して溶融塩を用いた窒化処理よりも均質な窒化層厚さを提供することにより使用条件の選定に適した転がり軸受を得ることができる。

以下、本発明の実施形態に係る転がり軸受を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る一実施形態の転がり軸受の断面図、図２（ａ）は実施例に用いた試験片の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の正面図、図３はタフトライド処理の条件表、図４は実施例で行った疲労試験の結果を示すグラフ、図５は（折り曲げ部半径）／（板厚）と（内側厚さ）／（外側厚さ）との関係を調べたグラフ、図６（ａ）は実施例で行った試験用保持器の平面図、図６（ｂ）は実施例で行った疲労試験の模式図、図７は実施例の結果表である。

図１に示すように、本発明の一実施形態である転がり軸受１０は、軌道面を転動する複数の転動体である針状ころ１１と、針状ころ１１を転動自在に保持する保持器１２と、から構成されている。

針状ころ１１は、例えば、オートマチックトランスミッションのパワートレン内やトルクコンバータ内における、回転部分と非回転部分との間、または、回転部分と回転部分との間に挟まれて、それらの軌道面に対して相対的に回転する。

保持器１２は、スラストケージとも呼ばれ、鋼板をプレス加工することにより全体が円環形状に形成され、それぞれ端部断面がコ字形状に形成された第１，第２保持器部材１３，１４を組み合わせてなる。

第１保持器部材１３は、円環板形状に形成された本体１５に、長方形形状の第１保持器部材側ポケット１６が放射状にして円周方向に複数形成されている。そして、本体１５の内周縁部に内周側折り曲げ部１７が形成され、本体１５の外周縁部に外周側折り曲げ部１８が形成されている。

第２保持器部材１４は、第１保持器部材１３と同様にして、円板形状に形成された本体１９に、長方形形状の第２保持器部材側ポケット２０が放射状にして円周方向に複数形成されている。そして、本体１９の内周縁部に内周側折り曲げ部２１が形成され、本体１９の外周縁部に外周側折り曲げ部２２が形成されている。

保持器１２は、第１，第２保持器部材側ポケット１６，２０によって針状ころ１１を挟み込むようにして、第１保持器部材１３を第２保持器部材１４のコ字形状の開口の内側に嵌め込むことにより、第１，第２保持器部材１３，１４が一体的に組み付けられて、針状ころ１１を転動自在に保持する。

そして、第１保持器部材１３における内周側折り曲げ部１７に、折り曲げ部１７の半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２３が形成されており、第１保持器部材１３における外周側折り曲げ部１８に、折り曲げ部１８の半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２４が成形されている。

そしてまた、第２保持器部材１４における内周側折り曲げ部２１に、折り曲げ部２１の半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２５が形成されており、第２保持器部材１４における外周側折り曲げ部２２に、折り曲げ部２２の半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２６が成形されている。

さらに、保持器１２は、第１保持器部材１３における各塑性加工部２３，２４の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上にして成形されており、第２保持器部材１４における塑性加工部２５，２６の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上にして成形されている。通常、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部を有する鋼製の保持器に塩浴窒化を施す場合、折り曲げ部の内側と外側とで窒化層の厚さが異なるものとなり、保持器の強度にばらつきが生ずる。これに対して、転がり軸受１２では、塑性加工部２３，２４，２５，２６の窒化層を、内側厚さ／外側厚さの比率が０．８以上とすることによって、均一な強度をもつ保持器を得ている。

そして、保持器１２は、第１保持器部材１３における塑性加工部２３，２４、第２保持器部材１４における塑性加工部２５，２６が、窒化処理にガスを窒化媒体とした方法を用いて処理されている。保持器１２が、ガスを窒化媒体とした窒化処理を行うことにより成形されているために、塩浴窒化と比較して流動性が良好になるために、窒化反応が緩慢になり難く、保持器１２全体の窒化層が均一にされて強度が向上されている。

ところで、転がり軸受１０に使用されるＳＰＣＣやＳＰＨＤ等の低炭素鋼に前処理として、４５０〜６００℃の温度領域で鋼をオーステナイト化させずに、外部から鋼内部へ窒化を拡散させることで、ξ相（Ｆｅ_２Ｎ）、ε相（Ｆｅ_２〜３Ｎ）、γ´相（Ｆｅ_４Ｎ）、からなる窒化鉄が形成される。窒化処理により鋼の表面を硬質にすることができ、強度、耐摩耗性、耐焼付きに大きく影響し、それに伴い材料の寿命に大きく影響を与える。一般的な窒化方法として、日本パーカライジング株式会社のタフトライド処理、ナルソナイト処理の塩浴窒化、同和鉱業株式会社のタフナイト処理、エアー・ウオーター株式会社の商品名Ｎｖ超窒化に代表されるガス軟窒化やイオン窒化があげられる。

プレス加工によって折り曲げ部を形成した保持器１２にタフトライドやパルソナイト等の塩浴窒化処理を施した場合、折り曲げ部の内側と外側とで窒化層の厚さに違いが生じる場合がある。保持器の製造手順は、鋼製の板に塑性加工を加えることで保持器形状にし、その後に窒化処理を施すため、溶融塩を用いた窒化の場合、折り曲げ部の内側では溶融塩の流動が不良になってしまう傾向にある。そのため、反応時間の経過とともに折り曲げ部の内側では反応に関与する窒素の供給が不十分となり、窒化反応が緩慢になる。そこで、折り曲げ部の内側において窒化反応を緩慢にしない手段が不可欠である。ガスを媒体とした窒化は塩浴窒化と比較して流動性が良いため、窒化反応が緩慢になり難く、保持器全体の窒化層が均一なものになる。

窒化をした場合の強度や疲労強度は、窒化層の厚さが厚いほど高くなることが知られている。従って、保持器の窒化処理において窒化層厚さが部位により不均一になってしまう場合、その箇所において応力集中が負荷される条件下では窒化層の薄い部分が材料破壊の起点となってしまう場合がある。このため、保持器１２全体の窒化むらをなくすことが材料強度に非常に重要である。

転がり軸受１０によれば、保持器１２が、第１保持器部材１３に内周側，外周側折り曲げ部１７，１８を有し、内周側，外周側折り曲げ部１７，１８に、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２３，２４が成形されているとともに、第２保持器部材１４に内周側，外周側折り曲げ部２１，２２を有し、内周側，外周側折り曲げ部２１，２２に、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部２５，２６が成形されており、各塑性加工部２３，２４，２５，２６の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上に設定されていることにより、均一な強度をもつ保持器１２を得ることができる。

また、転がり軸受１０によれば、ガスを窒化媒体とした窒化処理を行うことにより、塩浴窒化と比較して流動性が良好になるために、窒化反応が緩慢になり難く、保持器１２全体の窒化層を均一にして強度を向上することができる。

（疲労試験１）
本発明の転がり軸受１０における保持器１２の窒化むらによる強度の影響を調べるために、疲労試験１とする平面曲げ疲労試験を行って評価した。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、平面曲げ疲労試験には、試験片１００を用いた。試験片１００は、予め定められた厚さをもつ四角形形状の板部材であり、両側面の中央部に凹部が形成されている。試験片１００に対して２０Ｈｚの曲げ応力を加え、試験片１００にクラックが入るまでの繰り返し数を測定した。繰り返し数１×１０^７サイクルをもって疲労限とし、疲労限の応力を評価した。

試験片１００への窒化処理の手順は以下の通りである。
まず、試験片１００の下部にめっきを施した後、図３に示す条件でタフトライド処理を行った。その後、めっきを取り除きサイド窒化処理することにより、上部厚さ／下部厚さをコントロールした。その後、窒化層厚さをＳＥＭにより観察して、上部厚さ／下部厚さを算出した。

図４に示すように、疲労試験１の結果は、窒化層厚さと曲げ疲労との関係により明らかになる。この結果からわかるように、（上部厚さ）／（下部厚さ）が、本発明に相当する、０．８〜１．０の範囲では疲労強度に顕著な低下は見られない。一方、（上部厚さ）／（下部厚さ）が０．８未満になると疲労強度が顕著な低下を示していることがわかる。上述した通り、このことは、材料の部位による窒化むらがあると材料強度が低下することを示しており（上部厚さ）／（下部厚さ）が０．８以上でなければ、材料強度に及ぼす窒化の影響が大きいと言える。

上述したように、窒化むらは、折り曲げ加工の内面で起こりやすいので、窒化と形状との関係を知るために内径部の曲率と板厚に着目した。その後、図３に示した条件で窒化処理を施し、外側半径と内側半径との窒化層厚さをＳＥＭ観察し算出した。

図５により明らかなように、（折り曲げ部半径）／（板厚）が０．７以下になると、図中に線Ｂで示すように、タフトライドの場合、折り曲げ部の（内側厚さ）／（外側厚さ）が低下していることがわかる。一方、本発明に係るＮｖ窒化（ガス軟窒化）の場合は、図中に線Ａで示すように、（折り曲げ部）／（板厚）が０．７以下になった場合でも、折り曲げ部の（内側厚さ）／（外側厚さ）に変動はほとんどないことがわかる。この結果からもわかるように、タフトライド処理における窒化むらの発生は形状に依存し、折り曲げ部の内側での塩浴の滞留によって生じると考えられる。これに対し、Ｎｖ窒化は形状に依存せず、本発明の０．８以上を保っている。以上の結果から、折り曲げ部の値が０．７以下の厳しい加工部を有する場合、ガスを媒体とした窒化を施し、（内側厚さ）／（外側厚さ）を０．８とすることで強度むらのない、強固な保持器を提供することができる。

（疲労試験２）
本発明の効果を確認するために、更に、疲労試験２として、以下の実験を行った。加工により（折り曲げ部半径）／（板厚）を変えた４種類のスラストニードル保持器（素材：Ｓ１０Ｃ）に、図３に示した条件で窒化処理を施し、図６に示すように、試験用保持器１０１の端面（ベクトル部）に２０Ｈｚで繰返し応力を加え、疲労試験を行った。疲労試験は、試験用保持器１０１にクラックが入るまでの繰り返し数を測定し、繰り返し数１×１０^７サイクルを疲労強度として評価した。その後、折り曲げた部分の窒化層厚さをＳＥＭ観察により算出した。これらの結果を図７に示す。図７では、Ｎｖ窒化処理した保持器の疲労強度を１としてタフトライドのものと比較した。４種類の保持器の仕様は以下の通りである。
実施例１：（折り曲げ部半径（Ｒ））／（板厚）の値が０．３、窒化処理の種類：Ｎｖ窒化
比較例１：（折り曲げ部半径（Ｒ））／（板厚）の値が０．３、窒化処理の種類：タフトライド
実施例２：（折り曲げ部半径（Ｒ））／（板厚）の値が０．７、窒化処理の種類：Ｎｖ窒化
比較例２：（折り曲げ部半径（Ｒ））／（板厚）の値が０．７、窒化処理の種類：タフトライド

図７に示す結果からわかるように、タフトライドで窒化したものは、（内側厚さ）／（外側厚さ）の値が、比較例１では０．４７、比較例２では０．６５となっていずれも低い値を示しており、それに伴って疲労強度比の値が、比較例１では０．５５、比較例２では０．６７となっていずれも低い。一方、Ｎｖ窒化を施したものは、（内側厚さ）／（外側厚さ）の値が、実施例１では０．９９、実施例２では０．９８となっていずれも高い値を示しており、それに伴って疲労強度比の値が、実施例１では１．００、実施例２では１．００となっていずれも高い値になった。これにより、Ｎｖ窒化を施すことにより、窒化むらがほとんどなく、疲労強度を比較してもタフトライドよりも優れていることがわかる。このような窒化むらを有する材料は保持器としての性能を十分に発揮できず、転がり軸受に組み込んだ直後に窒化層の薄い部分が起点となり保持器が早期に破壊されることが考えられる。尚、上記の各実施例において、ガス窒化の例としてＮｖ窒化を例示したが、ガスを媒体にした窒化であれば種類は問わない。また、実施例ではスラストニードル保持器を例示したが限定されない。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、転がり軸受として、図示したような針状ころと保持器とから構成されるものに代えて、フランジなしの軌道輪が片側に組み付けられたものや、フランジ付きの軌道輪が片側に組み付けられたもの、或いは、これら軌道輪が両側に組み付けられたものに本発明を適用しても良い。

本発明に係る一実施形態の転がり軸受の断面図である。（ａ）は実施例に用いた試験片の平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。タフトライド処理の条件表である。実施例で行った疲労試験の結果を示すグラフである。（折り曲げ部半径）／（板厚）と（内側厚さ）／（外側厚さ）との関係を調べたグラフである。（ａ）は実施例で行った試験用保持器の平面図、（ｂ）は実施例で行った疲労試験の模式図である。実施例の結果表である。

符号の説明

１０転がり軸受
１１針状ころ（転動体）
１２保持器
１７内周側折り曲げ部（折り曲げ部）
１８外周側折り曲げ部（折り曲げ部）
２１内周側折り曲げ部（折り曲げ部）
２２外周側折り曲げ部（折り曲げ部）
２３塑性加工部
２４塑性加工部
２５塑性加工部
２６塑性加工部

Claims

軌道面を転動する複数の転動体と、前記転動体を転動自在に保持する保持器と、を備えた転がり軸受であって、
前記保持器が、折り曲げ加工された折り曲げ部を有し、前記折り曲げ部に、折り曲げ部半径／板厚の比率が０．７以下となる塑性加工部が成形され、前記塑性加工部の窒化層が、内側厚さ／外側厚さの比率を０．８以上に設定されていることを特徴とする転がり軸受。
前記保持器は、窒化処理がガスを窒化媒体とした方法により処理されたこと特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。