JP2008260993A - 転がり軸受構成部材の製造方法および転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】内部起点の破壊を抑制して、転がり軸受を長寿命化する。
【解決手段】（１）式で表されるＤＩ値と、厚さｔ（ｍｍ）と、焼入れ時の冷却剤の温度Ｔ（℃）と、の関係が、下記の（２）式を満たすように、使用する鋼の組成と焼入れ時の冷却剤の温度を設定して、内輪１および外輪２を製造する。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）
（１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）
【選択図】図１

Description

この発明は転がり軸受構成部材の製造方法に関する。

転がり軸受の寿命を長くするための従来技術としては、軌道面の硬さと介在物に着目した方法が主である。軸受に用いられる鋼としては、そのまま焼入れを行って十分な表面強度が得られる高炭素鋼と、浸炭または浸炭窒化を行って表面を硬化する低炭素鋼（肌焼鋼）がある。大きな靱性や耐衝撃強度が求められる用途では、低炭素鋼を用いて表面を硬化する方法が採用されることが多い。

下記の特許文献１には、鋼製ローラの支持軸受等の大型軸受のように、軌道面に浸炭窒化層を深く形成する必要がある場合に、希土類元素の存在下で浸炭を行うことで、浸炭時間を短くすることが記載されている。
下記の特許文献２には、多段圧延機のバックアップロール用転がり軸受について、内輪の酸化物系介在物の大きさと単位面積当たりの個数を特定することにより、内輪の損傷を抑え、軸受寿命を長くすることが記載されている。
特開２００２−２５６４１１号公報 特開２００４−８４８６９号公報

外径が２００ｍｍ以上である大型の転がり軸受では、厚さも大きく形成されるため、焼入れによる完全硬化層の深さが不十分となり、焼入れが不完全な部分に起因する疲労限界（無限回の繰り返しを与えても破壊しない応力の上限値）や寿命の低下が懸念される。特に、浸炭または浸炭窒化された場合には、硬化層と芯部との境界（切れ目）に引っ張りの残留応力が存在するため、この部分に応力集中元となる不完全焼入れ組織（ベイナイト）が存在すると、その部分が起点となって破壊が生じる恐れがある。

本発明の課題は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことで製造される、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体において、前述のような内部起点の破壊を抑制して、転がり軸受を長寿命化することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、下記の構成(a) と(b) を満たすことを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法を提供する。

［構成 (a)］
使用する鋼の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が０．０１質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなる。

［構成 (b)］
下記の（１）式で表されるＤＩ値と、前記構成部材の厚さｔ（ｍｍ）と、焼入れ時の冷却剤の温度Ｔ（℃）と、の関係が、下記の（２）式を満たすように、使用する鋼の組成と焼入れ時の冷却剤の温度を設定する。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）
（１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）

［構成 (a)について］
〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
炭素は組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。本発明の方法では表面は浸炭または浸炭窒化で硬化するが、芯部に必要な強度を付与するために炭素含有率を０．１０質量％以上とする。ただし、炭素含有率が０．２０質量％を超えると、靱性および被削性が不十分となる。

〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
珪素は、焼入れ後の組織を緻密化し、靱性、耐疲労性、および焼入れ性を向上させる作用を有する元素である。珪素含有率が０．１０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、珪素含有率が０．５０質量％を超えると、加工性（鍛造性や熱間加工性等）や被削性が不十分となる。

〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
マンガンは、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用するとともに、マトリックスに固溶して焼入れ性を向上させる元素である。マンガン含有率が０．２０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、マンガン含有率が０．６０質量％を超えると、加工性や被削性が不十分となる。

〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下の限定理由は以下の通りである。
ニッケルは、鋼の焼入れ性および焼戻し後の靱性を向上させる作用を有する元素である。ニッケルの含有率が３．００質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、ニッケルの含有率が５．００質量％を超えると、加工性や被削性が不十分となる。

〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
クロムは、マトリックスに固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を高める元素であり、転動疲労寿命を向上させる作用も有する。また、微細な炭化物や炭窒化物を形成して、靱性を向上させる作用も有する。クロム含有率が０．５０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、クロム含有率が１．５０質量％を超えると、表面に不動態膜が生じて浸炭を阻害する恐れがある。

〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
モリブデンは、鋼の焼入れ性および焼戻し後の強度と靱性を向上させる作用を有する元素である。モリブデン含有率が０．１０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、モリブデン含有率が０．５０質量％を超えると、焼入れ性および被削性が不十分となる。

〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
銅は、焼入れ性および耐候性を向上させる作用を有する元素であるが、含有率が０．３０質量％を超えると、加工性および靱性が不十分となる。また、高価であるため、コストも高くなる。
〔Ｏ〕が０．０１質量％以下の限定理由は以下の通りである。
酸素の含有率が０．０１質量％を超えると、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の大型介在物が増加して、転がり疲れ強さが不十分となる。

この構成(a) により、本発明の方法で得られた転がり軸受構成部材（内輪、外輪、または転動体）は、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍと標準偏差σが下記の（３）式を満たす。
Ｍ−４σ≧４００‥‥（３）

［構成 (b)について］
（１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）
（２）式の左辺の（１．９−０．０１Ｔ）は、温度Ｔ（＜１９０℃、通常はＴ≦９０℃）が低いほど大きな値になるため、焼入れ時の冷却剤の温度Ｔを低くすることは、構成部材の厚さｔを薄くすることの代りになる。

そして、（２）式を満たす鋼を用いて転がり軸受構成部材を作製することにより、硬化層と芯部との境界に、応力集中元となる不完全焼入れ組織（ベイナイト）が発生し難くなる。よって、この方法で作製された転がり軸受構成部材を用いて組み立てた転がり軸受に、前記境界を起点とした内部破壊が生じ難くなる。
また、鋼の組成を変えずに焼入れ時の冷却剤の温度Ｔを変えることで、前記（２）式を満たすようにすることができるため、合金成分を増加させることに伴う、脆化等の機械的強度の低下、結晶粒の粗大化、浸炭層における極端なオーステナイトの増加、コストの増加などが避けられる。

本発明はまた、本発明の方法で得られ、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍと標準偏差σが下記の（３）式を満たす内輪、外輪、または転動体を備えた転がり軸受を提供する。
Ｍ−４σ≧４００‥‥（３）

本発明の転がり軸受構成部材の製造方法によれば、得られた部材（転がり軸受の内輪、外輪、および転動体）の内部起点の破壊を抑制して、転がり軸受を長寿命化することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
下記の表１に示す組成の鋼からなる素材を用意し、各素材を、図１に示す、呼び番号「ＮＵ２２８」の円筒ころ軸受（内径：１４０ｍｍ、外径：２５０ｍｍ、幅：４２ｍｍ）の内輪１、外輪２、円筒ころ（転動体）３の各形状に通常の方法で加工した。

次いで、以下の手順で熱処理を行った。
先ず、浸炭処理として、ＲＸガス雰囲気中に、温度８５０〜１０５０℃で１０〜１２０時間保持した後に、５〜３００℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却する。この浸炭処理により、表層部の炭素含有率０．９０〜１．０５質量％、浸炭深さ５〜７ｍｍとなるようにした。次に、焼鈍処理として、６００〜７００℃で１〜５時間保持した後に放冷する。次に、焼入れ処理として、７８０〜９００℃で１〜３時間保持した後に、表１の各温度（Ｔ）に保持された油（冷却剤）で冷却する。次に、焼戻し処理として、１５０〜２４０℃で２時間保持した後に放冷する。

なお、焼入れは、冷却速度が、厚さが１４．５ｍｍ、２９．０ｍｍ、４５．０ｍｍのリングに対する焼入れを行った時の冷却速度と同じになるように、冷媒の温度を表１の各温度とするとともに、冷媒の攪拌条件を変えて行った。そのために、予め厚さが１４．５ｍｍ、２９．０ｍｍ、４５．０ｍｍのリングに対して、前記と同じ条件で熱処理を行って焼入れ時の芯部の冷却速度を測定した。これにより、各冷却速度で得られた内輪１、外輪２、円筒ころ３は、芯部の状態が前記各厚さのリングと同じになっている。表１の「ｔ」はその厚さを示す。

得られた内輪、外輪、円筒ころを用いて円筒ころ軸受を組み立てて、ラジアル荷重：Ｐ／Ｃ＝０．６、回転速度：１０００ｍｉｎ^-1、潤滑剤：Ｒｏ６８の条件で、回転試験を行い、内輪１、外輪２、円筒ころ３のいずれかに剥離等の破壊が生じるまでの時間を軸受寿命とした。各サンプルによる寿命試験の結果から、サンプルNo. １の寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表１に併せて示す。

また、サンプルNo. １〜１６と同じ組成の鋼からなる素材を、５０ｍｍ×１００ｍｍで厚さが１４．５ｍｍ、２９．０ｍｍ、４５．０ｍｍの試験片とし、各試験片に対して予め防炭メッキを施すことで浸炭がなされないようにした後に、サンプル毎に上記と同じ方法で熱処理を行った。これにより、得られた試験片は表面が芯部と同じ状態にされた。そして、得られた各試験片の中心部から直径８ｍｍの平滑回転曲げ試験用の試験片を切り出した。この試験片を用いて回転曲げ試験を行い、疲労限界を測定した。その結果も下記の表１に併せて示す。

また、得られた各試験片（回転曲げ試験用に切り出す前の試験片）の中心から４ｍｍ以内となる領域の３０カ所以上について、試験荷重４９００Ｎで芯部のビッカース硬度を測定し、その平均値（Ｍ）と標準偏差（σ）を求めた。そして、これらの結果からＭ−４σを算出した。その結果も下記の表１に併せて示す。
また、これらの結果を「Ｍ−４σ」と疲労限界との関係にまとめたグラフを図２に、疲労限界と軸受寿命との関係にまとめたグラフを図３に、「（１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ」と軸受寿命との関係にまとめたグラフを図４に示す。

この結果から分かるように、「（１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ」が０．４５以上で「Ｍ−４σ」が４００以上であるNo. ４〜８，１１，１２，１５，１６は、No. １の２倍以上の寿命が得られた。
また、図２のグラフから、「Ｍ−４σ」が大きいほど疲労限界が高くなることが分かる。なお、靱性を確保するという観点からは、「Ｍ−４σ」を５００以下にすることが好ましい。

実施形態で作製した転がり軸受を示す断面図である。 実施形態で行った試験の結果を「Ｍ−４σ」と疲労限界との関係にまとめたグラフである。 実施形態で行った試験の結果を疲労限界と寿命との関係にまとめたグラフである。 実施形態で行った試験の結果を「（１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ」と寿命との関係にまとめたグラフである。

符号の説明

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 円筒ころ（転動体）
４ 保持器

Claims (2)

1. 鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を行い、次いで焼入れ焼戻しを行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体からなる構成部材を製造する方法において、
   前記鋼は、炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．２０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上０．６０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が３．００質量％以上５．００質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．５０質量％以上１．５０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．３０質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が０．０１質量％以下で、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物からなり、
   下記の（１）式で表されるＤＩ値と、前記構成部材の厚さｔ（ｍｍ）と、焼入れ時の冷却剤の温度Ｔ（℃）と、の関係が、下記の（２）式を満たすように、使用する鋼の組成と焼入れ時の冷却剤の温度を設定することを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法。
   ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１２８）（１＋０．７〔Ｓｉ〕）（１＋３．４５〔Ｍｎ〕）（１＋０．０７〔Ｎｉ〕＋０．２７〔Ｎｉ〕〔Ｎｉ〕）（１＋２〔Ｃｒ〕）（１＋２．５〔Ｍｏ〕）（１＋０．３５〔Ｃｕ〕）‥‥（１）
   （１．９−０．０１Ｔ）ＤＩ／ｔ≧０．４５‥‥（２）
2. 請求項１に記載の方法で得られ、芯部の硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）の平均値Ｍと標準偏差σが下記の（３）式を満たす内輪、外輪、または転動体を備えた転がり軸受。
   Ｍ−４σ≧４００‥‥（３）