JP2006169565A - 転がり支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転動体の回転範囲が限定された範囲となる転がり軸受であっても、耐摩耗性が良好となって、十分な転がり疲労寿命が得られるようにする。
【解決手段】スラストころ軸受１０の軌道盤１１，１２および針状ころ１３を、以下の方法で作製する。Ｖ含有率が０．６〜２．０質量％、Ｃ含有率が０．１０〜０．８０質量％、Ｓｉ含有率が０．１〜１．５質量％、Ｍｎ含有率が０．１〜１．５質量％、Ｃｒ含有率が０．５〜３．０質量％、Ｍｏ含有率が１．５質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に形成した後、浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻し処理を行い、転がり面の表層部の炭素含有率を０．５０質量％以上２．０質量％以下、前記表層部の窒素含有率を０．２０質量％以上２．０質量％以下とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受、リニアガイド、ボールねじ等の転がり支持装置（互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより、第１部材および第２部材の一方が他方に対して荷重を受けながら相対移動する装置）に関する。

自動車や各種産業機械などに用いられるトロイダル型無段変速機として、図６に示すものが知られている（特許文献１参照）。
図６は、トロイダル型無段変速機の入力軸に沿った断面図である。このトロイダル型無段変速機は、入力軸１０１と連動して回転する入力ディスク１０２と、出力軸と連動して回転する出力ディスク１０３と、これら両ディスク１０２，１０３間に配置されたパワーローラ１０５と、を備えている。また、枢軸１０６を中心として入力軸１０１の軸方向（図６の左右方向）に揺動可能なトラニオン１０７と、このトラニオン１０７の揺動に伴って傾斜角度が変化する変位軸１０８と、を備えている。

さらに、パワーローラ１０５に作用するスラスト荷重を支持しつつ、パワーローラ１０５の回転を許容するスラスト玉軸受１２０と、スラスト玉軸受１２０の外輪（ハウジング側軌道盤）１０９に作用するスラスト荷重を支持しつつ、トラニオン１０７が枢軸１０６を中心として揺動することを許容するスラストニードル軸受１３０を備えている。
スラストニードル軸受１３０は、内輪軌道面１０９ｂがスラスト玉軸受１２０の外輪１０９に形成され、外輪軌道面１０７ａがトラニオン１０７に形成されている。また、内輪軌道面１０９ｂ及び外輪軌道面１０７ａの間に複数のニードル１１２が転動自在に配設され、このニードル１１２を転動自在に保持する保持器１１３を備えている。このスラストニードル軸受１３０は、一般に用いられるスラストニードル軸受のように高速で一方向に連続回転することはなく、トラニオン１０７の揺動時に、限定された角度範囲で回転するだけである。

スクロールコンプレッサは、一対の渦巻き部品である可動スクロールと固定スクロールを備え、可動スクロールを旋回させて両スクロール間に生じる空間の容積を小さくすることにより、冷媒を圧縮する構造となっている。そのため、スクロールコンプレッサは、可動スクロールの自転を阻止しながら旋回運動させる自転阻止機構として、例えばスラスト軸受を備えている。

図７は、下記の特許文献２に記載されたスクロールコンプレッサである。この図において、符号「８１」が可動スクロール、「８２」が固定スクロール、「８３」が自転阻止機構を示す。このように、図７の例ではスクロールコンプレッサの自転阻止機構として、ボールカップリング（スラスト玉軸受）を使用している。このスラスト玉軸受は、旋回運動する可動スクロールを支持している。

近年の機械の小型化に伴い、玉軸受の玉と軌道面との間に作用する面圧が高くなることに起因して、転がり疲労寿命が短くなるという問題が生じている。面圧を低減するためには、転がり軸受の転動体として、玉の代わりにころを使用することが好ましい。しかしながら、スクロールコンプレッサ用の前記スラスト玉軸受に代えてスラストころ軸受を使用した場合は、回転する軸を支持するころ軸受とは異なり、ころの回転範囲が限定された範囲となる。

このように、前述のトロイダル型無段変速機のスラストニードル軸受やスクロールコンプレッサ用のスラストころ軸受は、ころの回転範囲が限定された範囲であるため、ころと軌道面との間に潤滑剤が行き渡り難くなって、摩耗が生じ易くなることが考えられる。
摩耗を生じ難くするための対策として、耐摩耗性に優れた高速度鋼（ハイス）等を使用することが考えられるが、高速度鋼を使用すると粗大な炭化物の存在により応力の集中が生じて転がり疲労寿命が低下するという問題がある。また、素材のコストが高く加工性が低いため、製造コストが高くなるという問題もある。

なお、一般的な転がり軸受の場合には、転がり疲労寿命を高くするために、従来より、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を用い、焼入れ、焼戻しを施すか、肌焼鋼（ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０、ＳＡＥ８６２０、ＳＡＥ４３２０等）に浸炭または浸炭窒化処理、焼入れ焼戻しを施すことによって、転がり面の表層部の硬さをロックウエル硬さＨＲＣで５８〜６４としている（例えば、特許文献３を参照）。
特開平８−２４０２５２号公報 特開２００３−３２８９７４号公報 図６ 特開平８−６１３７２号公報 ［０００２］［０００３］

本発明の課題は、転動体の回転範囲が限定された範囲となる転がり軸受（例えば、旋回運動や往復運動を支持する用途の転がり軸受）であっても、耐摩耗性が良好となって、十分な転がり疲労寿命が得られるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより、第１部材および第２部材の一方が他方に対して荷重を受けながら相対移動する転がり支持装置において、前記第１部材、第２部材、および転動体の少なくとも一つは、バナジウム（Ｖ）含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下、炭素（Ｃ）含有率が０．１０質量％以上０．８０質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）含有率が１．５質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に形成した後、浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻し処理を行うことにより得られ、転がり面の表層部の炭素含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下であり、前記表層部の窒素含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下であることを特徴とする転がり支持装置を提供する。

本発明の転がり支持装置によれば、硬度が高く微細な炭化物を形成可能なＶを前記範囲で含む鋼を素材として用いることと、浸炭窒化処理により転がり面の表層部に窒素を前記範囲で導入して微細な炭化物や炭窒化物を析出させることにより、転動疲労寿命を確保しながら耐摩耗性を向上できる。
本発明の転がり支持装置において、前記表層部の残留オーステナイト量（γ_R ）は２ ５体積％未満であることが好ましい。
なお、「転がり面」とは、第１部材および第２部材では軌道面、転動体では転動面を指す。

鋼の各成分の限定理由は以下の通りである。
〔バナジウム（Ｖ）含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下〕
Ｖは、微細で硬い炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上させるのに有効な元素であり、浸炭窒化処理によって表層部の窒素含有率を高くする作用も有する。Ｖの含有率が０．６質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。２．０質量％を超えてＶを含有すると、これらの作用が飽和する。そればかりでなく、素材のコストが増大し、加工性も低下するため製造コストが高くなる。好ましい上限値は１．５質量％である。

〔炭素（Ｃ）含有率が０．１０質量％以上０．８０質量％以下〕
Ｃは、焼入れにより組織をマルテンサイト化するために必要な元素であり、マトリックスに固溶して鋼に硬さを付与する。ここで言うＣ含有率は、浸炭窒化処理前のＣ含有率であり、浸炭窒化処理によって表層部には炭素が導入されるが、芯部には導入されない。よって、このＣ含有率は、芯部の硬さを確保するために０．１０質量％以上とする。また、浸炭窒化処理にかかる時間を短くするという観点からは、０．３０質量％以上にすることが好ましい。
Ｃを０．８０質量％を超えて含有すると、製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成され易くなって、転がり疲労寿命や機械的強度が著しく低下する場合がある。また、冷間加工性や旋削加工性が低くなって、加工コストが高くなる。

〔珪素（Ｓｉ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下〕
Ｓｉは、製鋼時の脱酸素剤として作用する元素であり、焼戻し軟化抵抗性を高くして、転動疲労寿命を向上するために有効な元素でもある。Ｓｉの含有率が０．１質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
Ｓｉの含有率が１．５質量％を超えると、浸炭窒化処理時に炭素および窒素の転がり面からの導入が阻害され易くなって、熱処理生産性を低下させる。

〔マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下〕
Ｍｎは、製鋼時の脱酸素剤および脱硫剤として作用する元素であり、Ｍｎの含有率が０．１質量％未満であると、この作用が実質的に得られない。また、焼入れ性の向上効果を得るためには、０．２質量％以上含有することが好ましい。
Ｍｎの含有率が１．５質量％を超えると、非金属介在物が多くなって、寿命が低下する恐れがある。また、素材の鍛造性および被削性等の機械加工性が低下する。

〔クロム（Ｃｒ）含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下〕
Ｃｒは、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を向上するために有効な元素であり、マトリックスを強化して、転動疲労寿命を長くする作用を有する。また、微細で硬い炭化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上する作用も有する。さらに、浸炭窒化処理時の炭素含有率を高くする作用も有する。Ｃｒの含有率が０．５質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
Ｃｒを３．０質量％を超えて含有させても、これらの効果が飽和する。また、表面に不働体膜が形成されて、浸炭窒化処理時に炭素および窒素の転がり面からの導入が阻害される恐れもある。

〔モリブデン（Ｍｏ）含有率が１．５質量％以下〕
Ｍｏは、Ｃｒと同様に、焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を向上するために有効な元素である。また、微細で硬い炭化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上する作用も有する。しかしながら、多量に添加すると、製鋼時に粗大な炭化物を形成し、粗大炭化物に応力集中が生じて転動疲労寿命を低下させる恐れがある。よって、Ｍｏは、選択的に含有させてもよいが、その含有率を１．５質量％以下とする。

〔残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物〕
製鋼上不可避な不純物としては、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｏ（酸素）等が挙げられる。これらのうち、Ｏ（酸素）の含有率は１２質量ｐｐｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは９質量ｐｐｍ以下とする。
転がり面の表層部の限定理由は以下の通りである。

〔炭素含有率が０．５０質量％以上２．０質量％以下〕
転がり面の表層部の炭素含有率が０．５０質量％未満であると、転がり面の表層部の硬さをロックウエル硬さ（ＨＲＣ）で５８以上とすることができない。転がり面の表層部の炭素含有率が２．０質量％を超えると、粗大な炭化物が形成されて転動疲労寿命を低下させる恐れがある。

〔窒素含有率が０．２０質量％以上２．０質量％以下〕
転がり面の表層部の窒素含有率が０．２０質量％未満であると、耐摩耗性向上効果が実質的に得られない。転がり面の表層部の窒素含有率が２．０質量％を超えると、脆弱な窒化物が生成し、転動疲労寿命を低下させる恐れがある。
転がり面の表層部の窒素含有率の好ましい下限値は０．２５質量％であり、より好ましい下限値は０．３０質量％である。

〔残留オーステナイト量（γ_R ）が２５体積％未満〕
表層部の窒素含有率を高くすると、残留オーステナイト量が多くなる傾向があるが、オーステナイトはマルテンサイトと比較して軟質であることから、接触する面との間で凝着が生じ易くなる。よって、良好な耐摩耗性を得るために、残留オーステナイト量（γ_R ）を２５体積％未満とすることが好ましい。また、焼戻し温度を高くして残留オーステナイトを安定化することで、耐摩耗性を向上することもできる。ただし、焼戻し温度が高すぎると、転動疲労寿命を低下する恐れがあるため、残留オーステナイト量の下限値を５体積％として、焼戻し温度を高くしすぎないようにすることが好ましい。

本発明によれば、転動体の回転範囲が限定された範囲となる転がり軸受（例えば、旋回運動や往復運動を支持する用途の転がり軸受）であっても、耐摩耗性が良好となって、十分な転がり疲労寿命が得られるようにすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に相当するスラストころ軸受を示す断面図である。
図２は、図１のスラストころ軸受が組み込まれたコンプレッサを示す断面図である。このコンプレッサは斜板式であり、駆動軸２に対して傾斜角度が可変に取り付けられた斜板３を備えている。また、符号４は、コンプレッサ内の潤滑油を駆動軸２に向かわせるための油路である。

スラストころ軸受１０は、回転する軌道盤（第１部材）１１と、静止している軌道盤（第２部材）１２と、両軌道盤１１，１２の間に転動自在に配置された複数の針状ころ（転動体）１３と、断面波形の保持器１４とで構成されている。
このスラストころ軸受１０の軌道盤１１，１２および針状ころ１３を、下記の実施例に示す記号Ａ〜Ｊの鋼からなる素材を用いて各形状に加工した後、浸炭窒化、焼入れ、焼戻しを行って、転がり面の表層部の炭素含有率を０．５０質量％以上２．０質量％以下、前記表層部の窒素含有率を０．２０質量％以上２．０質量％以下とする。この方法で得られた軌道盤１１，１２および針状ころ１３を用いて組み立てたスラストころ軸受１０は、図２のコンプレッサに組み込まれて使用された場合でも、十分な転動疲労寿命と良好な耐摩耗性を有する。

なお、本発明が適用可能な転がり支持装置の別の例としては、図５に示すローラガイドが挙げられる。このローラガイドは、スライダ（第１部材）５と案内レール（第２部材）６とローラ（転動体）７を備え、スライダ５の軌道面５１と案内レール６の軌道面６１が対向配置されている。また、スライダ５にローラ７の戻し路５２が形成されている。
また、図６に示すトロイダル型無段変速機のスラストニードル軸受１３０や、図７に示すスクロールコンプレッサのボールカップリング８３にも、本発明は適用可能である。

〔浸炭窒化による表層部への窒素導入性の評価〕
下記の表１に示す記号Ａ〜Ｍの鋼からなる板状の素材を試験片として用意して、各鋼に対する浸炭窒化による窒素導入性を評価する試験を行った。試験片の形状は、２０ｍｍ×８０ｍｍの長方形で、厚さは２ｍｍとした。
各鋼からなる試験片に対して、Ｒｘガス＋プロパンガス＋アンモニアガス雰囲気中で８４０℃で３時間保持する浸炭窒化処理を行った後に、急冷する焼入れを行い、次いで、２４０℃で１．５時間保持する焼戻しを行った。
得られた各試験片を、仕上げ研磨を行わずに電子線マイクロアナライザーにかけて深さ方向分析を行い、深さ方向各位置での窒素含有率（質量％）を測定した。その結果を図３にグラフで示す。

この結果から、同一条件で浸炭窒化処理を行っても、使用した鋼によって表層部の窒素含有率は異なり、本発明の範囲内のＡ〜Ｊの鋼は、表面から０．１５ｍｍまでの深さで窒素含有率が０．２０質量％以上となっているが、Ｃｒ含有率が本発明の範囲から外れるＫと、Ｖ含有率が本発明の範囲から外れるＬおよびＭの鋼は、表面から０．１５ｍｍまでの深さで窒素含有率が０．２０質量％未満となっている。

〔耐摩耗性の評価〕
下記の表１に示す記号Ａ〜Ｊ，Ｌ，Ｍの鋼からなる板状の素材を試験片として用意して、各鋼の耐摩耗性を評価する試験を行った。試験片の形状は、２０ｍｍ×８０ｍｍの長方形で、厚さは２ｍｍとした。また、外径が４．５ｍｍで軸方向長さが１４ｍｍであるＳＵＪ２製の円筒ころを用意した。

Ａ〜Ｆ，Ｉ，Ｊ，Ｌ，Ｍの各試験片に対して、Ｒｘガス＋プロパンガス＋アンモニアガス雰囲気中で８２０〜８６０℃で２〜６時間保持する浸炭窒化処理を行った後に、急冷する焼入れを行い、次いで、１６０〜２００℃で１〜２時間保持する焼戻し（低温焼戻し）を行った。これにより、表層部の硬さをＨＲＣ５８以上とした。
なお、Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｈの鋼からなる試験片については、別の試験片を用いて、Ｒｘガス＋プロパンガス＋アンモニアガス雰囲気中で８２０〜８６０℃で２〜６時間保持する浸炭窒化処理を行った後に、急冷する焼入れを行い、次いで、２２０〜３００℃で１〜２時間保持する焼戻し（高温焼戻し）を行った。

また、Ｌの鋼からなる試験片については、別の試験片を用いて、浸炭窒化処理をしないで、８４０℃に０．５時間保持した後に急冷する焼入れを行い、次いで、１８０℃で１．５時間保持する焼戻しを行った。
このようにして得られた各鋼からなる板状の試験片２枚と、ＳＵＪ２製の円筒ころを用いて、以下の方法で板状の試験片の摩耗量を測定した。なお、各試験片としては、熱処理後に０．１５ｍｍの取り代で両面を研磨仕上げしたものを用いた。

同じ鋼を用い同じ方法で作製した板状試験片２枚の間に円筒ころを挟んだ状態で、冷凍機油を入れた容器に浸漬し、一方の試験片にスラスト荷重５００Ｎをかけて固定して、他方の試験片を周波数４０Ｈｚ、幅２ｍｍで５０時間、往復運動させた。その後、往復運動させた方の試験片の摩耗痕深さを形状測定器により測定して、最も大きい方から４個の摩耗痕深さを平均して摩耗量とした。各試験片の摩耗量について、Ｌの鋼からなり浸炭窒化処理をしていない試験片の場合を「１００」とした比を算出した。

また、得られた各試験片を、研磨仕上げ後に電子線マイクロアナライザーにかけて深さ方向分析を行い、表層部（表面から５μｍの深さ）の窒素含有率の平均値を測定した。
この試験の結果を図４にグラフで示す。このグラフは、各試験片の表層部の窒素含有率（表面から５μｍの深さでの平均値）と、摩耗量比との関係を示す。このグラフにおいて、「Ｌ^* 」は、Ｌの鋼からなり浸炭窒化処理をしていない試験片の結果を示す。また、「○」は低温焼戻しをした試験片の結果を、「△」は高温焼戻しをした試験片の結果を示す。

この結果から、本発明の範囲内であるＡ〜Ｊの鋼を用いて表層部の窒素含有率を０．２質量％以上とした試験片では、Ｌの鋼からなり浸炭窒化処理をしていない試験片の１／４以下の摩耗量となった。また、Ａ〜Ｊの鋼を用いて表層部の窒素含有率を０．２５質量％以上とした試験片では、Ｌの鋼からなり浸炭窒化処理をしていない試験片の１／５以下の摩耗量となった。この結果から、本発明の範囲内のＡ〜Ｊの鋼を用いて表層部の窒素含有率を０．２質量％以上とすることで、ＳＵＪ２を用いた場合よりも優れた耐摩耗性が得られることが分かる。

また、同じ鋼で低温焼戻しをした試験片の結果（○）と高温焼戻しをした試験片の結果（△）とを比較すると、同じ窒素含有率でも、高温焼戻しをした試験片の方が摩耗量比が小さくなっている。各鋼で低温焼戻しをした試験片の表層部の残留オーステナイト量を測定したところ、２５体積％以上であり、高温焼戻しをした試験片の表層部の残留オーステナイト量を測定したところ、２５体積％未満であった。この結果から、焼戻し温度を高くして表層部の残留オーステナイト量を２５体積％未満とすることで、耐摩耗性がさらに向上することが分かる。

本発明の一実施形態に相当するスラストころ軸受を示す図である。 斜板式のコンプレッサの一例を示す断面図である。 鋼の種類による深さ方向各位置での窒素含有率の違い示すグラフである。 耐摩耗性試験の結果を示すグラフである。 本発明が適用可能な転がり支持装置の別の例であるローラガイドを示す部分断面正面図である。 トロイダル型無段変速機の一例を示す断面図である。 スクロールコンプレッサの一例を示す断面図である。

符号の説明

１０ スラストころ軸受
１１ 軌道盤（第１部材）
１２ 軌道盤（第２部材）
１３ 針状ころ（転動体）
１４ 保持器
２ 駆動軸
３ 斜板
４ 油路
５ スライダ（第１部材）
５１ 軌道面
６ 案内レール（第２部材）
５２ 戻し路
６１ 軌道面
７ ローラ（転動体）
８１ 可動スクロール
８２ 固定スクロール
８３ ボールカップリング（スラスト玉軸受）
１０１ 入力軸
１０２ 入力ディスク
１０３ 出力ディスク
１０５ パワーローラ
１０６ 枢軸
１０７ トラニオン
１０８ 変位軸
１３０ スラストニードル軸受

Claims (2)

1. 互いに対向配置される軌道面を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより、第１部材および第２部材の一方が他方に対して荷重を受けながら相対移動する転がり支持装置において、
   前記第１部材、第２部材、および転動体の少なくとも一つは、
   バナジウム（Ｖ）含有率が０．６質量％以上２．０質量％以下、炭素（Ｃ）含有率が０．１０質量％以上０．８０質量％以下、珪素（Ｓｉ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．１質量％以上１．５質量％以下、クロム（Ｃｒ）含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下、モリブデン（Ｍｏ）含有率が１．５質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に形成した後、浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻し処理を行うことにより得られ、
   転がり面の表層部の炭素含有率が０．５０質量％以上２．０質量％以下であり、前記表層部の窒素含有率が０．２０質量％以上２．０質量％以下であることを特徴とする転がり支持装置。
2. 前記表層部の残留オーステナイト量（γ_R ）が２５体積％未満である請求項１記載の転がり支持装置。

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