JP2007308739A - 転がり軸受の製造方法及び転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐荷重性及び耐衝撃性を向上させて寿命延長を図ることのできる転がり軸受とその製造方法を提供する。
【解決手段】内輪1、外輪2及び円錐ころ3のうち少なくとも一つの素材が鍛造後に浸炭処理を施された鋼材からなる転がり軸受の製造方法であって、A1点以上の相変態を伴う焼鈍またはA1点以下の焼鈍もしくは両者を組み合せた焼鈍を施してから前記鋼材に浸炭処理を施して製造される。
【選択図】図1
【解決手段】内輪1、外輪2及び円錐ころ3のうち少なくとも一つの素材が鍛造後に浸炭処理を施された鋼材からなる転がり軸受の製造方法であって、A1点以上の相変態を伴う焼鈍またはA1点以下の焼鈍もしくは両者を組み合せた焼鈍を施してから前記鋼材に浸炭処理を施して製造される。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば圧延機のバックアップロール用軸受として用いられる転がり軸受とその製造方法に関する。
鋼板の熱間圧延工程で使用される圧延機の圧延ロールは、生産性の面からより小径であること、より高荷重に耐えられることが求められる。このため、圧延ロールの後側に配置されるバックアップロールとしては、圧延ロールに加わる荷重や衝撃を受け止め圧延ロールの変形を抑えるために、圧延ロールよりロール径の大きいものが使用され、このような圧延機のバックアップロールを支持する転がり軸受(以下「バックアップロール用軸受」という)に要求される性能としては、より大きな荷重に耐えられること、より大きな衝撃力に耐えられることなどが挙げられる。
バックアップロール用軸受などの大型転がり軸受は、その軌道輪や転動体の素材として浸炭鋼が用いられ、これに浸炭または浸炭窒化などの処理を主に気相中で行なって軌道輪や転動体が製造されている。また、その際には、大型の軸受であるために、焼入れ性の良好な鋼種が選択され、これに浸炭または浸炭窒化を施し、次いで焼鈍を施した後、焼入れ及び焼戻しを施すことによって、HRC60以上の表面硬度とHRC30〜48の芯部硬度を得ている。
また、年々過酷化して使用環境に対して、浸炭層深さを制御することによって、端部での割れの発生を抑制した転がり軸受(例えば、特許文献1参照)や、酸化物系介在物などの非金属系介在物の大きさと量を規定することにより内部損傷を抑制して軸受の長寿命化を図る技術(例えば、特許文献2及び特許文献3参照)などが提案されている。
特開2000−314427号公報
特開2004−84869号公報
特開平6−145883号公報
しかしながら、バックアップロール用軸受などの大型の転がり軸受では、非金属系介在物によらない破壊の形態も有しており、単に材料の清浄度を向上させるだけでは転がり軸受の転がり疲労寿命が不足するという問題がある。また、単に硬さを向上させるだけでは、芯部の靭性が不足して破壊を起こすおそれもある。
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、耐荷重性及び耐衝撃性を向上させて寿命延長を図ることのできる転がり軸受とその製造方法を提供することにある。
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、耐荷重性及び耐衝撃性を向上させて寿命延長を図ることのできる転がり軸受とその製造方法を提供することにある。
本発明のうち請求項1の発明に係る転がり軸受の製造方法は、内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの素材が鍛造後に浸炭処理を施された鋼材からなる転がり軸受の製造方法であって、A1点以下の焼鈍またはA1点以上の相変態を1回以上含む焼鈍を施してから前記鋼材に浸炭処理を施して製造されることを特徴とする。
本発明のうち請求項2の発明に係る転がり軸受は、請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの芯部における結晶粒の極値統計法にて算出した最大粒径が100μm以下であることを特徴とする。
本発明のうち請求項2の発明に係る転がり軸受は、請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの芯部における結晶粒の極値統計法にて算出した最大粒径が100μm以下であることを特徴とする。
本発明のうち請求項3の発明に係る転がり軸受は、請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの芯部における疲労強度を芯部平均硬度で除した値が1.3以上で、介在物に依存しない場合の内部起点割れの発生確率が全体の30%以下であることを特徴とする。
本発明のうち請求項4の発明に係る転がり軸受は、請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体の少なくとも一つの素材がC:0.1〜0.55質量%、Cr:0.3〜2.0質量%、Si:0.1〜0.6質量%、Mn:0.3〜2.0質量%、Ni:5質量%以下、O:0.12ppm以下を含有するとともに、2質量%以下のMoと1.0質量%以下のNbのうち少なくとも一方を含有する鋼からなり、かつ、9×C(質量%)≦Ni(質量%)であることを特徴とする。
本発明のうち請求項4の発明に係る転がり軸受は、請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体の少なくとも一つの素材がC:0.1〜0.55質量%、Cr:0.3〜2.0質量%、Si:0.1〜0.6質量%、Mn:0.3〜2.0質量%、Ni:5質量%以下、O:0.12ppm以下を含有するとともに、2質量%以下のMoと1.0質量%以下のNbのうち少なくとも一方を含有する鋼からなり、かつ、9×C(質量%)≦Ni(質量%)であることを特徴とする。
上述した問題点を材料面から解決する手段としては、合金元素の調整と結晶粒微細化が有効である。
まず、合金元素の調整について説明する。軸受は焼入れにより硬化させて使用されるため、基地組織はマルテンサイト組織となる。マルテンサイトの硬さは、固溶C量に依存して上昇することが知られている。但し、マルテンサイトの靭性は、固溶C量に依存して低下することも知られている。一方で、鉄鋼材料へのNi添加は衝撃的な破壊に対して有効であることが知られている。すなわち、素材のC量に応じてNiを添加することで、硬度と靭性を兼ね備えた軸受とすることができる。
まず、合金元素の調整について説明する。軸受は焼入れにより硬化させて使用されるため、基地組織はマルテンサイト組織となる。マルテンサイトの硬さは、固溶C量に依存して上昇することが知られている。但し、マルテンサイトの靭性は、固溶C量に依存して低下することも知られている。一方で、鉄鋼材料へのNi添加は衝撃的な破壊に対して有効であることが知られている。すなわち、素材のC量に応じてNiを添加することで、硬度と靭性を兼ね備えた軸受とすることができる。
次に、結晶粒微細化による効果について説明する。
マルテンサイトは、旧オーステナイト粒界が応力の集中源となりやすく、これを起点として破壊に至ることが知られている。応力集中の程度は結晶粒径の−1/2乗に反比例して小さくなることが報告されており、結晶粒微細化は靭性の向上に有効である。
結晶粒を微細化する手段としては、まず、析出物粒子によるピンニングが挙げられる。鉄鋼材料におけるピン止め粒子としては、AlNやNb(CN)、TiNなどが挙げられる。この中で、AlNによるピン止めが有効に作用する温度範囲は960℃以下であり、近年の高温浸炭による浸炭時間短縮の観点からは不十分と考えられる。
マルテンサイトは、旧オーステナイト粒界が応力の集中源となりやすく、これを起点として破壊に至ることが知られている。応力集中の程度は結晶粒径の−1/2乗に反比例して小さくなることが報告されており、結晶粒微細化は靭性の向上に有効である。
結晶粒を微細化する手段としては、まず、析出物粒子によるピンニングが挙げられる。鉄鋼材料におけるピン止め粒子としては、AlNやNb(CN)、TiNなどが挙げられる。この中で、AlNによるピン止めが有効に作用する温度範囲は960℃以下であり、近年の高温浸炭による浸炭時間短縮の観点からは不十分と考えられる。
TiNに関しては、非常に強いピン止め効果を有するものの、被削性が劣化するという問題点があり、また、軸受の転がり疲労に関しては有害な非金属系介在物となる可能性がある。
Nbは0.1μm以下の微細な炭窒化物として析出し、その固溶温度も1050℃以上であることから、後述する本発明の浸炭温度範囲に関して十分に対応することが可能である。
Nbは0.1μm以下の微細な炭窒化物として析出し、その固溶温度も1050℃以上であることから、後述する本発明の浸炭温度範囲に関して十分に対応することが可能である。
また、結晶粒を微細化する手段としては、次に、焼鈍法の工夫が挙げられる。大型の転がり軸受に使用される鋼材には、焼入れ性を確保する目的で、例えばNi、Moなどの合金元素が多量に添加されている。したがって、多くの鋼種について、A1変態点以上から冷却した場合、芯部組織はベイナイト組織となる。このベイナイト組織は、マルテンサイト組織と同様に、旧オーステナイト粒内にパケット、ブロック、ラスといった下部組織を有しているが、焼入れの場合よりも冷却速度が緩やかであるため、ベイナイトブロックが成長しやすい。このため、ベイナイト組織を出発材として高温中に長時間曝されると、ベイナイトブロックが原因となって巨大な粗大粒が発生しやすい。これを回避するためには、変態点以下の温度で保持することが有効である。これは、冷却されたままのベイナイトブロック界面は特定の結晶方位の相対角度を有しているため、ランダムな結晶方位を有している旧オーステナイト粒界に比べて核生成サイトに成り難いが、焼鈍を施すことで組織の回復が起こり、ブロック界面の結晶方位がランダムとなるため、核生成サイトとしては旧オーステナイト粒界と同等の能力を有するようになるためである。したがって、冷却後焼鈍を施した場合、旧オーステナイト粒界のみならず粒内からも結晶粒の核生成が起こり、結晶粒の微細化が達成されることになる。
また、徐冷により粗大なベイナイト組織とするのではなく、ファン冷却などによりベイナイト組織のブロックを微細化したり、焼鈍前の組織をマルテンサイト組織とすることも有効である。
本発明では、焼鈍法を工夫することによりピン止め効果を発揮する元素を添加したものと同等の性能を発揮する、あるいはこの手法にピン止め粒子の添加を加えることにより結晶粒を微細化し、芯部の疲労強度を向上することによって、軸受寿命を向上させることができる。
本発明では、焼鈍法を工夫することによりピン止め効果を発揮する元素を添加したものと同等の性能を発揮する、あるいはこの手法にピン止め粒子の添加を加えることにより結晶粒を微細化し、芯部の疲労強度を向上することによって、軸受寿命を向上させることができる。
本発明において、炭素等の含有量を上記のように設定した理由は、以下の通りである。
C:0.1〜0.55質量%について
炭素は、芯部の疲労強度を確保するための必須元素である。基本的にC量の上昇に伴い疲労強度が上昇するが、それに反比例して靭性が劣化するので、上限を0.55質量%、好ましくは0.30質量%、より好ましくは0.20質量%とすることが望ましい。また、十分な疲労強度及び実用的な浸炭処理条件で表面のC量が転がり疲労に対して良好な特性を確保できるまで上昇可能とするために、下限を0.1質量%とした。
C:0.1〜0.55質量%について
炭素は、芯部の疲労強度を確保するための必須元素である。基本的にC量の上昇に伴い疲労強度が上昇するが、それに反比例して靭性が劣化するので、上限を0.55質量%、好ましくは0.30質量%、より好ましくは0.20質量%とすることが望ましい。また、十分な疲労強度及び実用的な浸炭処理条件で表面のC量が転がり疲労に対して良好な特性を確保できるまで上昇可能とするために、下限を0.1質量%とした。
Cr:0.3〜2質量%について
Crは焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素であり、この効果を付与するためには、0.3質量%以上の添加が必要である。しかし、添加量の上昇に伴って被削性が劣化するため、上限を2質量%、好ましくは1.4質量%とした。
Si:0.1〜0.6質量%について
SiはCrと全く同じ理由により上下限値を上記のように決定した。
Crは焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素であり、この効果を付与するためには、0.3質量%以上の添加が必要である。しかし、添加量の上昇に伴って被削性が劣化するため、上限を2質量%、好ましくは1.4質量%とした。
Si:0.1〜0.6質量%について
SiはCrと全く同じ理由により上下限値を上記のように決定した。
Mn:0.3〜2.0質量%について
MnはCrと全く同じ理由により上下限値を上記のように決定した。
Ni:5質量%以下について
Niは焼入れ性を向上させ、また、衝撃的な変形に対して鉄鋼材料の変形応力を添加によって低下させる効果があるため、靭性の向上に有効な元素であり、衝撃的な荷重が付与される用途には、好ましくは2.0質量%以上を添加することが望ましい。しかし、Niを多量に添加するとコストの上昇を招くため、上限を5質量%、好ましくは4.0質量%とすることが望ましい。
MnはCrと全く同じ理由により上下限値を上記のように決定した。
Ni:5質量%以下について
Niは焼入れ性を向上させ、また、衝撃的な変形に対して鉄鋼材料の変形応力を添加によって低下させる効果があるため、靭性の向上に有効な元素であり、衝撃的な荷重が付与される用途には、好ましくは2.0質量%以上を添加することが望ましい。しかし、Niを多量に添加するとコストの上昇を招くため、上限を5質量%、好ましくは4.0質量%とすることが望ましい。
O:12ppm以下について
Oは転がり疲労に対して有害な酸化系介在物を形成するため、その上限を12ppmとした。
Mo:2質量%以下について
MoはCr、Si、Mnと同様に焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素であり、さらに、微細な炭化物を生成して、耐摩耗性の向上に寄与するため添加が望ましい。しかし、被削性の劣化とコストの上昇が懸念されるため、上限を2質量%、好ましくは0.4質量%とした。
Oは転がり疲労に対して有害な酸化系介在物を形成するため、その上限を12ppmとした。
Mo:2質量%以下について
MoはCr、Si、Mnと同様に焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素であり、さらに、微細な炭化物を生成して、耐摩耗性の向上に寄与するため添加が望ましい。しかし、被削性の劣化とコストの上昇が懸念されるため、上限を2質量%、好ましくは0.4質量%とした。
Nb:1.0質量%以下について
Nbは微細な炭窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する効果がある。長時間の浸炭処理が行われ、靭性が必要な用途には、Nbを添加することが望ましい。ただし、多量の添加は微細化効果の飽和およびコストの上昇を招くため、上限を1質量%とすることが好ましい。
Nbは微細な炭窒化物を生成し、結晶粒の粗大化を抑制する効果がある。長時間の浸炭処理が行われ、靭性が必要な用途には、Nbを添加することが望ましい。ただし、多量の添加は微細化効果の飽和およびコストの上昇を招くため、上限を1質量%とすることが好ましい。
また、本発明において、NiとCとの含有量比を9×C(質量%)≦Ni(質量%)にした理由は、Cは強度を上昇させる働きと靭性を劣化させる働きを持っているのに対し、Niは靭性を向上させる働きを持っているため、良好な疲労強度/靭性バランスを有するために、Ni/C比を9以上とした。
本発明では、焼鈍法を工夫することによりピン止め効果を発揮する元素を添加したものと同等の性能を発揮する、あるいはこの手法にピン止め粒子の添加を加えることにより結晶粒を微細化し、芯部の疲労強度が向上することによって、軸受寿命を向上させることができる。また、バックアップロール用軸受などの大型の転がり軸受に好適に適用でき、特に、外径が120mm以上の転がり軸受に好適に適用できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の第1の実施形態に係る転がり軸受を図1に示す。同図に示される転がり軸受は内輪1と、この内輪1の外周に設けられた外輪2とを備えており、内輪1の外周面に形成された転動体軌道面1aと外輪2の内周面に形成された転動体軌道面2aとの間には、複数個の円錐ころ3が転動体として設けられている。これらの円錐ころ3は内輪1または外輪2の回転運動に伴って転動体軌道面1a,2a上を転動するようになっており、内輪1と外輪2との間には、円錐ころ3を内輪1及び外輪2の円周方向にほぼ等間隔で保持する保持器4が設けられている。
本発明の第1の実施形態に係る転がり軸受を図1に示す。同図に示される転がり軸受は内輪1と、この内輪1の外周に設けられた外輪2とを備えており、内輪1の外周面に形成された転動体軌道面1aと外輪2の内周面に形成された転動体軌道面2aとの間には、複数個の円錐ころ3が転動体として設けられている。これらの円錐ころ3は内輪1または外輪2の回転運動に伴って転動体軌道面1a,2a上を転動するようになっており、内輪1と外輪2との間には、円錐ころ3を内輪1及び外輪2の円周方向にほぼ等間隔で保持する保持器4が設けられている。
内輪1、外輪2及び転動体3のうち少なくとも一つは耐荷重性及び耐衝撃性に優れた鋼材から形成されており、このような鋼材を得るためには、所望の形状に鍛造された鋼材に、A1点以上の相変態を伴う焼鈍またはA1点以下の焼鈍もしくはA1点以上の相変態を1回以上伴う複数回の焼鈍を施してから浸炭処理を施すことが有効である。
本発明の実施例と比較例を表1に示す。
本発明の実施例と比較例を表1に示す。
表1の実施例1〜4は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Aを用い、この合金鋼Aに図2に示す熱処理パターン1、すなわち焼ならし温度:750〜900℃、焼ならし時間:1〜3時間、冷却:徐冷または空冷の条件で焼ならしを施し、次いで焼鈍温度:500〜700℃、焼鈍時間:1〜3時間の条件で軟化焼鈍を施し、軟化焼鈍後に浸炭温度:850〜1000℃、浸炭時間:3〜100時間の条件で浸炭を施し、さらに浸炭後に焼鈍温度:600〜700℃、焼鈍時間:1〜5時間の条件で2回の焼鈍を施した後、焼入れ温度:800〜900℃、焼入れ時間:0.5〜2時間、焼戻し温度:150〜300℃、焼戻し時間:1〜3時間の条件で焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例5〜8は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Aを用い、この合金鋼Aに図2に示す熱処理パターン2、すなわち焼ならし温度:750〜900℃、焼ならし時間:1〜3時間、冷却:急冷の条件で焼ならしを施し、次いで焼鈍温度:500〜700℃、焼鈍時間:1〜3時間の条件で軟化焼鈍を施し、軟化焼鈍後に浸炭温度:850〜1000℃、浸炭時間:3〜100時間の条件で浸炭を施し、さらに浸炭後に焼鈍温度:600〜700℃、焼鈍時間:1〜5時間の条件で2回の焼鈍を施した後、焼入れ温度:800〜900℃、焼入れ時間:0.5〜1時間、焼戻し温度:150〜300℃、焼戻し時間:1〜3時間の条件で焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例9〜10は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Aを用い、この合金鋼Aに図2に示す熱処理パターン3、すなわち焼ならし温度:750〜900℃、焼ならし時間:1〜3時間、冷却:徐冷または空冷の条件で2回の焼ならしを施し、次いで焼鈍温度:500〜700℃、焼鈍時間:1〜3時間の条件で軟化焼鈍を施し、軟化焼鈍後に浸炭温度:850〜1000℃、浸炭時間:3〜100時間の条件で浸炭を施し、さらに浸炭後に焼鈍温度:600〜700℃、焼鈍時間:1〜5時間の条件で2回の焼鈍を施した後、焼入れ温度:800〜900℃、焼入れ時間:0.5〜1時間、焼戻し温度:150〜300℃、焼戻し時間:1〜3時間の条件で焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例11〜14は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Bを用い、この合金鋼Bに前述した熱処理パターン1を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例15〜18は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Bを用い、この合金鋼Bに前述した熱処理パターン2を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例19〜22は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Bを用い、この合金鋼Bに前述した熱処理パターン3を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例15〜18は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Bを用い、この合金鋼Bに前述した熱処理パターン2を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例19〜22は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Bを用い、この合金鋼Bに前述した熱処理パターン3を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の実施例23は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Bを用い、この合金鋼Bに図2に示す熱処理パターン4、すなわち焼鈍温度:500〜700℃、焼鈍時間:1〜3時間の条件で軟化焼鈍を施し、次いで浸炭温度:850〜1000℃、浸炭時間:3〜100時間の条件で浸炭を施し、さらに浸炭後に焼鈍温度:600〜700℃、焼鈍時間:1〜5時間の条件で2回の焼鈍を施した後、焼入れ温度:800〜900℃、焼入れ時間:0.5〜1時間、焼戻し温度:150〜300℃、焼戻し時間:1〜3時間の条件で焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の比較例1及び2は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Aを用い、この合金鋼Aに前述した熱処理パターン3を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の比較例3は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Aを用い、この合金鋼Aに前述した熱処理パターン3を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度、硬度、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
表1の比較例3は、浸炭処理を施す鉄鋼材料として表2に示す組成の合金鋼Aを用い、この合金鋼Aに前述した熱処理パターン3を施して得られた浸炭鋼の芯部最大粒径、芯部疲労限界強度、硬度、芯部疲労限界強度/硬度、介在物無し内部起点割れ発生確率、耐久寿命比をそれぞれ示している。
ここで、表1に示した芯部旧オーステナイト最大粒径の数値は、熱処理パターン1〜4のいずれかで熱処理が施された合金鋼から試験片をそれぞれ作製し、作製された各試験片を鏡面研磨した後に粒界腐食溶液を用いて旧オーステナイト粒界を現出させ、1観察範囲:4mm2、全被検面積:32mm2の条件で顕微鏡観察したときの各視野における旧オーステナイト粒子最大面積の平方根より極値統計を行い、100000mm2の予測面積で換算したとき予測される旧オーステナイト最大粒径の計算値(μm)である。
また、表1に示した芯部疲労限界強度(MPa)/硬度(Hv)の数値は、熱処理パターン1〜4のいずれかで熱処理が施された合金鋼から転がり軸受をそれぞれ作製し、作製された各転がり軸受に回転トルクを与えながら曲げモーメント荷重を負荷し(回転曲げ試験)、転がり軸受に損傷が発生したときの曲げモーメント荷重値を、熱処理パターン1〜4のいずれかで熱処理が施された合金鋼から試験片をそれぞれ作製し、作製された各試験片の芯部硬度をビッカース硬度計により測定したときの平均値で除した値である。
さらに、表1に示した介在物無し内部起点割れ発生確率の数値は、表2に示す組成の合金鋼から試験片をそれぞれ作製し、作製された試験片に対して有効硬化層深さが1mmとなるような時間にて浸炭処理を施し、次いで熱処理パターン1〜4のいずれかを施した後、ノッチ部を研磨加工してシャルピー衝撃試験を行い、そのときに発生した内部起点割れの確率を求めた値である。
さらにまた、表1に示した耐久寿命比の数値は、熱処理パターン1〜4のいずれかで熱処理が施された合金鋼から転がり軸受(軸受品番:NU228)をそれぞれ作製し、作製された各転がり軸受に対してラジアル荷重:P/C=0.6、回転数1000min−1、潤滑油:Ro68の条件で寿命回転試験を行い、転がり軸受に損傷が発生するまでの時間を測定した結果を比較例1の寿命を1として指標化した値である。
なお、上述した熱処理パターン1〜4における軟化焼鈍、浸炭及び浸炭後の焼鈍は、冷却条件として徐冷または空冷で行った。
なお、上述した熱処理パターン1〜4における軟化焼鈍、浸炭及び浸炭後の焼鈍は、冷却条件として徐冷または空冷で行った。
実施例1〜23と比較例1〜3とを比較すると、比較例1〜3は芯部組織の最大粒径が200μmを上回る値となるのに対し、実施例1〜23は芯部組織の最大粒径が100μmを下回る値となる。そして、芯部組織の最大粒径が100μmを下回る値になると、図3〜図6に示すように、芯部疲労限界強度/硬度が1.3を上回る値になると共に内部起点割れ発生確率が30%以下の値となり、さらに耐久寿命比が1を上回る値となる。
したがって、実施例1〜23のように、転がり軸受の軌道輪や転動体の素材として用いられる鋼材に浸炭処理を施す際に、A1点以下の焼鈍またはA1点以上の相変態を1回以上含む焼鈍を施してから浸炭処理を施すことにより、結晶粒の粗大化が抑制されるので、転がり軸受の耐衝撃性及び耐荷重性が向上し、その結果、転がり軸受の寿命延長を図ることができる。
特に、実施例9,10,19〜22のように、A1点以上の相変態を2回以上含む焼鈍を施してから浸炭処理を施すことにより、芯部組織の最大粒径が60μmを下回る値になると共に芯部疲労限界強度/硬度が1.5を上回る値となるので、耐衝撃性及び耐荷重性により優れた転がり軸受を製造することができる。
また、実施例11〜23のように、1.0質量%以下のNbを添加することにより、芯部組織の最大粒径が70μmを下回る値になると共に芯部疲労限界強度/硬度が1.5を上回る値となるので、耐衝撃性及び耐荷重性により優れた転がり軸受を製造することができる。
また、実施例11〜23のように、1.0質量%以下のNbを添加することにより、芯部組織の最大粒径が70μmを下回る値になると共に芯部疲労限界強度/硬度が1.5を上回る値となるので、耐衝撃性及び耐荷重性により優れた転がり軸受を製造することができる。
また、図3及び図4に示すように、Nbを添加した鋼種Bでは全ての熱処理パターンにおいて最大粒径が小さく、芯部疲労限界強度/硬度も高いという良好な結果が得られた。一方、Nbを添加しない鋼種Aに関しては、焼ならし処理を1回行うヒートパターン1,2を適用すれば結晶粒が微細化し、芯部疲労限界強度/硬度が向上した。ただし、ヒートパターン3を適用した場合には、特に低温で処理を行なうと芯部疲労限界強度/硬度が低下した。組織観察の結果、これは微細な結晶粒組織の中に極端に粗大な結晶粒が生成しており、これを起点とした破壊が生じて強度が低下したと考えられる。すなわち、ピン止めのためのNbを添加していない鋼種Aにおいては、浸炭前に結晶粒を微細化しすぎると、それに伴って粒成長の駆動力が大きくなるので、相対的にピン止めが不足し、初期の微細化処理が逆効果になったと考えられる。
以上の結果から、Nbを添加することにより、浸炭前の状態が異なっても微細粒組織となり、良好な疲労強度が得られること、また、Nbを添加しなくとも浸炭前の粒径を焼ならしにより適切に調整すれば、Nb添加と同等の効果が得られることが明らかとなった。
なお、図1に示した第1の実施形態では、本発明を円錐ころ軸受に適用した場合を例示したが、これに限られるものではなく、例えば円筒ころ軸受、玉軸受などの転がり軸受全般に本発明を適用することが可能である。
なお、図1に示した第1の実施形態では、本発明を円錐ころ軸受に適用した場合を例示したが、これに限られるものではなく、例えば円筒ころ軸受、玉軸受などの転がり軸受全般に本発明を適用することが可能である。
1 内輪
2 外輪
3 円錐ころ
4 保持器
2 外輪
3 円錐ころ
4 保持器
Claims (4)
- 内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの素材が鍛造後に浸炭処理を施された鋼材からなる転がり軸受の製造方法であって、A1点以下の焼鈍またはA1点以上の相変態を1回以上含む焼鈍を施してから前記鋼材に浸炭処理を施して製造されることを特徴とする転がり軸受の製造方法。
- 請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの芯部における結晶粒の極値統計法にて算出した最大粒径が100μm以下であることを特徴とする転がり軸受。
- 請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの芯部における疲労強度を芯部平均硬度で除した値が1.3以上であり、かつ介在物に依存しない場合の内部起点割れの発生確率が全体の30%以下であることを特徴とする転がり軸受。
- 請求項1記載の方法にて製造された転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体のうち少なくとも一つの素材がC:0.1〜0.55質量%、Cr:0.3〜2.0質量%、Si:0.1〜0.6質量%、Mn:0.3〜2.0質量%、Ni:5質量%以下、O:0.12ppm以下を含有するとともに、2質量%以下のMoと1.0質量%以下のNbのうち少なくとも一方を含有する鋼からなり、かつ、9×C(質量%)≦Ni(質量%)であることを特徴とする転がり軸受。
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- 2006-05-16 JP JP2006136830A patent/JP2007308739A/ja active Pending
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