JP2007162807A

JP2007162807A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2007162807A
Application number: JP2005358900A
Authority: JP
Inventors: Naoya Seno; 直也瀬野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼き付き性に優れた転がり軸受を提供する。
【解決手段】円すいころ３の外周面（転がり面）に、珪素（Ｓｉ）の窒化物およびマンガン（Ｍｎ）の窒化物からなり、粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を、面積比で１％以上１０％以下の範囲で存在させる。また、円すいころ３の外周面（転がり面）の表層部の残留オーステナイトを１０体積％以下にする。
【選択図】図１

Description

この発明は転がり軸受に関する。

自動車、産業機械、建設機械、鉄鋼機械等のトランスミッションやエンジン、減速機等で用いられる転がり軸受は、近年の高速化および高温化に伴い、潤滑条件が厳しくなっている。
下記の特許文献１には、ｄｍ・ｎ値が１．０×１０⁶以上となるような高速回転環境下で使用しても、転がり軸受に摩耗や焼き付きが生じないようにするための技術が記載されている。この技術では、使用する鋼を特定するとともに、表層部に炭素および窒素を所定含有率で存在させるか、表面に０．１μｍ以下のＴｉＣを析出させることで、耐摩耗性および耐焼き付き性を向上させている。

下記の特許文献２には、内輪または外輪に「ころ」の端面が摺接する鍔部が形成されている「ころ軸受」の転動疲労寿命、焼き付き、かじり、異常摩耗を効果的に抑制するための技術が記載されている。この技術では、Ｃｒ含有率が３．０〜２０％である「高Ｃｒ鋼」を用い、表層部にＨｖ９００以上の窒化層を設け、芯部の硬さをＨｖ５００以上としている。
特開２０００−４５０４９号公報特開２００１−１８７９１６号公報

しかしながら、上記特許文献１および２に記載の技術には、前記鍔部を有するころ軸受（円すいころ軸受、円筒ころ軸受）が、高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼き付き性の点で、更なる改善の余地がある。
本発明の課題は、高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼き付き性に優れた転がり軸受を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つは、転がり面に、珪素（Ｓｉ）の窒化物およびマンガン（Ｍｎ）の窒化物からなり、粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物が、面積比で１％以上１０％以下の範囲で存在し、転がり面の表層部の残留オーステナイトが１０体積％以下であることを特徴とする転がり軸受を提供する。

本発明の転がり軸受によれば、内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つの転がり面（内輪および外輪の軌道面、転動体の転動面）に、粒径１μｍ以下の高硬度なＳｉ・Ｍｎ系窒化物が面積比で１％以上存在することと、転がり面の表層部の残留オーステナイトが１０体積％以下であることにより、高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼き付き性が高くなる。
転がり面における粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の存在率が、面積比で１０％を超えると、研削性が低下したり、靱性が低下して割れが生じる恐れがある。転がり面の表層部の残留オーステナイトが１０体積％を超えると、表面硬さが低下して耐圧痕性が不十分となる。

本発明の転がり軸受は、炭素（Ｃ）の含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下、クロム（Ｃｒ）の含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下、珪素（Ｓｉ）の含有率が０．４質量％以上１．２質量％以下、マンガン（Ｍｎ）の含有率が０．４質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）の合計含有率が１．０質量％以上２．０質量％以下である鉄鋼製の素材を所定形状に加工した後、窒化処理または浸炭窒化処理と焼き入れおよび焼戻しからなる熱処理を施すことで得られる。

使用する素材をなす鉄鋼の合金成分の含有率は、以下の理由で上述の範囲とした。
炭素（Ｃ）の含有率が０．３質量％未満であると、浸炭窒化処理で表層部に十分な量の炭素を存在させるために時間がかかる。そのため、炭素（Ｃ）の含有率は０．３質量％以上とし、好ましくは０．５質量％以上とし、より好ましくは０．７質量％以上とする。
また、炭素（Ｃ）の含有率が１．２質量％を超えると、製鋼時に巨大炭化物が形成されて、焼き入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。また、冷間加工性が低下して製造コストの上昇を招く恐れもある。

クロム（Ｃｒ）の含有率が０．５質量％未満であると、焼き入れ性および焼戻し軟化抵抗性を高くする作用と、高硬度の微細な炭化物または炭窒化物を形成する作用が、実質的に得られない。これらの作用を十分に得るために、クロム（Ｃｒ）の含有率は１．３質量％以上であることが好ましい。
また、クロム（Ｃｒ）の含有率が２．０質量％を超えると、製鋼時に巨大炭化物が形成されて、焼き入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。また、冷間加工性や被削性が低下して製造コストの上昇を招く場合がある。そのため、クロム（Ｃｒ）の含有率は１．６質量％以下であることが好ましい。

珪素（Ｓｉ）およびマンガン（Ｍｎ）の含有率がそれぞれ０．４質量％未満であり、珪素（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）の合計含有率が１．０質量％未満であると、粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を、転がり面に、面積比で１％以上１０％以下の範囲で存在させることができない。
珪素（Ｓｉ）の含有率が１．２質量％を超えると、鋼の靱性が不十分となる。マンガン（Ｍｎ）の含有率が１．２質量％を超えると、鍛造性および切削性が低下したり、鋼中不純物である硫黄（Ｓ）リン（Ｐ）とともに介在物として存在し易くなる。珪素（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）の合計含有率が２．０質量％を超えると、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物が多量に析出して、切削性および靱性が低下する。

なお、本発明で使用する素材をなす鉄鋼は、上述の合金成分以外に、モリブデン（Ｍｏ）やバナジウム（Ｖ）等の炭化物形成促進元素を含有していてもよい。その場合には、材料費や加工性低下によるコスト上昇が生じない範囲で、それぞれ２質量％以下の比率で含有させる。そして、本発明で使用する素材をなす鉄鋼は、これらの選択的に含有させる成分と上述の合金成分を除く残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物（Ｓ、Ｐ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｏ等）で構成される。
本発明の転がり軸受は、転動体が「ころ」であり、内輪の外周面または外輪の内周面に「ころ」の端面が摺接する鍔部が形成されている転がり軸受として好適である。

本発明によれば、高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼き付き性に優れた転がり軸受が得られる。

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円すいころ軸受を示す断面図である。
図１の円すいころ軸受は、内輪１と外輪２と円すいころ３と保持器４とで構成されている。内輪１の外周面に鍔部１１が形成されている。図１の円すいころ軸受として、呼び番号ＨＲ３０２０６Ｃに相当するもの（ｄ＝３０ｍｍ、Ｄ＝６２ｍｍ、Ｔ＝１７．２５ｍｍ、Ｂ＝１６ｍｍ、Ｃ＝１２ｍｍ、ａ＝１７．８ｍｍ）を、以下のようにして作製した。
この円すいころ３を、下記の表１に示す各種鉄鋼からなる素材を用い、通常の方法で所定形状に加工した後、下記の条件で熱処理することで得た。表１では本発明の構成から外れる数値に下線を施した。

得られた各円すいころ３の外周面（転がり面）における粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の存在率を、下記の方法で測定した。また、得られた各円すいころ３の外周面（転がり面）について、表層部の残留オーステナイトをＸ線回折法で測定した。これらの結果を下記の表２に示す。
〔熱処理条件〕
ずぶ焼入れ：Ｒ_Xガス雰囲気中で８２０〜８７０℃に０．５〜１．０時間保持後、油冷却。
浸炭後に焼入れ：エンリッチガス雰囲気中で８２０〜８８０℃に１．０〜５．０時間保持後、放冷、その後に、Ｒ_Xガス雰囲気中で８２０〜８７０℃に０．５〜１．０時間保持後、油冷却。

窒化後に焼入れ：Ｒ_Xガス＋アンモニアガス雰囲気中で８２０〜９２０℃に１．０〜５．０時間保持後、放冷、その後に、Ｒ_Xガス雰囲気中で８２０〜８７０℃に０．５〜１．０時間保持後、油冷却。
浸炭窒化後に焼入れ：Ｒ_Xガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気中で８２０〜９２０℃に１．０〜５．０時間保持後、放冷、その後に、Ｒ_Xガス雰囲気中で８２０〜８７０℃に０．５〜１．０時間保持後、油冷却。
サンプル毎に上記いずれかの処理を行った後、全サンプルについて、焼戻しを１５０〜３００℃に３時間保持することで行う。

〔Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の存在率の測定方法〕
電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用い、加速電圧１０ｋＶ、倍率５０００倍で、円すいころ３の外周面を観察し、観察画像に占める粒径１μｍ以下のＳｉ窒化物およびＭｎ窒化物の合計面積の割合を画像解析装置により測定した。観察は３視野以上で行い、全視野の平均値を算出してＳｉ・Ｍｎ系窒化物の存在率とした。
また、内輪１と外輪２としてはＳＵＪ２製で通常の熱処理を施したものを、保持器４としては鋼製のものを用いた。

このようにして得られた各円すいころ３と、内輪１、外輪２、および保持器４を用いて円すいころ軸受を組み立てて、回転試験機にかけた。そして、先ず、潤滑油としてトラクション油「ＶＧ６８」を４８０ｃｃ／ｍｉｎの速度で供給しながら、スラスト荷重：３９２０Ｎ、回転速度：６０００ｍｉｎ^-1の条件で内輪を回転させた。次に、１０分経過後に、潤滑油の供給を停止して回転を続け、トルクが急上昇する（初期値の５倍となる）までの時間を「焼き付き寿命」として測定した。そして、各サンプルの測定値をサンプルNo. ９の測定値で除算することにより、サンプルNo. ９の焼き付き寿命を「１」とした「焼き付き寿命比」を得た。この結果も下記の表２に示す。

また、得られた各円すいころ３と同じ方法で「二円筒摩耗試験」用の各二枚の円筒試験体を作製し、下記の条件で以下のようにして摩耗試験を行った。
先ず、上下方向で対向させた一対の回転軸に、一対の円筒試験体を装着する。次に、上側の試験体に荷重をかけて両試験体を接触させ、接触位置にノズルから潤滑油を吹き付けながら、一方の試験体を回転駆動させることにより、両試験体を互いに逆方向に滑り回転させる。そして、所定の距離分だけ回転させた後に摩耗量を測定し、単位滑り距離（１ｍ）当たりの摩耗量（両試験体の合計重量減少量）を算出する。この算出値も下記の表２に示した。
〔摩耗試験の条件〕
円筒試験体の寸法：外径３０ｍｍ、内径１６ｍｍ、軸方向寸法１０ｍｍ
円筒試験体の表面粗さ（Ｒａ）：０．００５〜０．０１０μｍ
駆動側の試験体の回転速度：１０ｍｉｎ^-1
従動側の試験体の回転速度：７ｍｉｎ^-1
滑り率：３０％
滑り距離：３０００ｍ
潤滑油：スピンドル油＃１０
面圧：１．２ＧＰａ

表２では本発明の構成から外れる数値に下線を施した。ころの構成の全ての項目に下線のないものが本発明の実施例に相当し、いずれかの構成に下線のあるものが比較例に相当する。なお、表２において「（Ｓｉ，Ｍｎ）Ｎ」は「粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の転がり面における存在率」を示し、「γ_R」は「転がり面の表層部の残留オーステナイト量」を示す。

表２から分かるように、円すいころ３の転動面（転がり面）に、粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物が面積比で１％以上１０％以下で存在し、円すいころ３の転動面（転がり面）の表層部の残留オーステナイトが１体積％以上１０体積％以下であるサンプルNo. １〜４，６，７の円すいころ軸受は、これらのいずれかを満たさないサンプルNo. ５、８〜１６の円すいころ軸受と比較して、高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼き付き性が高くなっている。

また、表１および表２から分かるように、使用する鋼の珪素（Ｓｉ）含有率が０．４質量％以上、マンガン（Ｍｎ）含有率が０．４質量％以上、珪素（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）の合計含有率が１．０質量％以上であると、円すいころ３の転動面（転がり面）に、粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を面積比で１％以上存在させることができる。

本発明の一実施形態に相当する円すいころ軸受を示す断面図である。

符号の説明

１内輪
１１鍔部
２外輪
３円すいころ（転動体）
４保持器

Claims

内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つは、転がり面に、珪素（Ｓｉ）の窒化物およびマンガン（Ｍｎ）の窒化物からなり、粒径１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物が、面積比で１％以上１０％以下の範囲で存在し、転がり面の表層部の残留オーステナイトが１０体積％以下であることを特徴とする転がり軸受。
炭素（Ｃ）の含有率が０．３質量％以上１．２質量％以下、クロム（Ｃｒ）の含有率が０．５質量％以上２．０質量％以下、珪素（Ｓｉ）の含有率が０．４質量％以上１．２質量％以下、マンガン（Ｍｎ）の含有率が０．４質量％以上１．２質量％以下、珪素（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）の合計含有率が１．０質量％以上２．０質量％以下である鉄鋼製の素材を所定形状に加工した後、窒化処理または浸炭窒化処理と焼き入れおよび焼戻しからなる熱処理が施されて得られた請求項１記載の転がり軸受。
転動体が「ころ」であり、内輪の外周面または外輪の内周面に「ころ」の端面が摺接する鍔部が形成されている請求項１または２記載の転がり軸受。