JP2009092161A

JP2009092161A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2009092161A
Application number: JP2007264500A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Tobitaka; 秀幸飛鷹; Hiroki Komata; 弘樹小俣; Daisuke Watanuki; 大輔渡貫
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】異物混入潤滑環境下でも寿命の長い転がり軸受を提供する。
【解決手段】軌道輪２ａ，２ｂが０．６〜１．２質量％のＣと、０．４〜１．０質量％のＳｉと、０．４〜１．０質量％のＭｎと、０．７〜１．５質量％のＣｒと、０．２〜１．０質量％のＭｏとを含有し、かつ残りが残部Ｆｅと不可避不純物である軌道輪素材からなる転がり軸受であって、軌道輪２ａ，２ｂの表面硬度がＨｖ７４０以上になると共に軌道輪２ａ，２ｂの表面残留オーステナイト量が２０〜４０ｖｏｌ％となるように、軌道輪２ａ，２ｂの表層部に硬化層を高周波焼入れによって形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼用圧延機などで使用される大形の転がり軸受に関する。

鉄鋼用圧延機などで使用される大形の転がり軸受を製造する場合、通常、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏなどにより焼入れ性を確保した中炭素鋼（Ｃ：０．１〜０．４質量％）が軌道輪素材として用いられ、中炭素鋼を浸炭処理することによって転がり軸受として必要な硬さを得ている。ここで、軌道輪素材として中炭素鋼が用いられる理由としては、靭性の確保が挙げられる。焼入れされた鋼では硬度が炭素量に依存し、硬度と靭性がトレードオフの関係にあることから、低炭素な母材を用いるほど高靭性の軸受とすることができる。

靭性は転がり軸受に要求される機能の中でも重要なものの一つであり、低炭素化によって浸炭時間が長時間になるというデメリットを考慮しても中炭素鋼あるいは低炭素鋼が用いられる。
一方、転がり軸受の寿命に関して、特に重視されるものが比較的短寿命である異物混入潤滑下などで発生する表面疲労であり、表面疲労に対しては表面硬度の上昇と残留オーステナイトの増加によって対応できることが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平６−１１７４３８号公報特開平６−１２９４３６号公報

しかしながら、表面部の残留オーステナイト量を確保するためには、それに応じた炭素量が必要であり、靭性の面も考慮すると、中炭素鋼あるいは低炭素鋼に長時間の浸炭を施して転がり軸受を製造しているのが現状である。このため、従来では、鉄鋼用圧延機などで使用される大形の転がり軸受を製造するときに、軸受鋼のような高炭素鋼を軌道輪素材として用いることができず、必要な硬度と靭性を確保するために、中炭素鋼あるいは低炭素鋼を軌道輪素材として用い、長時間の浸炭を軌道輪素材に施す必要があるため、コストの上昇等を招くという問題があった。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る転がり軸受は、軌道輪と転動体のいずれか一方または両方が０．６〜１．２質量％のＣと、０．４〜１．０質量％のＳｉと、０．４〜１．０質量％のＭｎと、０．７〜１．５質量％のＣｒと、０．２〜１．０質量％のＭｏとを含有し、かつ残りが残部Ｆｅと不可避不純物である鋼からなる転がり軸受であって、前記鋼からなる軌道輪または転動体の表面残留オーステナイト量が２０〜４０ｖｏｌ％になると共に前記鋼からなる軌道輪または転動体の表面硬度がＨｖ７４０以上になるように、前記鋼からなる軌道輪または転動体の表層部に硬化層が高周波焼入れによって形成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明に係る転がり軸受は、請求項１記載の転がり軸受において、前記鋼からなる軌道輪または転動体が芯部に非焼入れ部を有することを特徴とする。
ここで、炭素（Ｃ）は疲労強度を確保するための必須元素であり、基本的に、Ｃ量の増加に伴って強度が上昇し、疲労強度が高くなるが、炭素量が多過ぎると炭化物がネット状に析出し易くなり、靭性の確保が難しくなる。したがって、本発明では、Ｃ量の上限を１．２質量％とし、Ｃ量の下限は十分な疲労強度およ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な０．６質量％とした。

Ｓｉ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、０．４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低下するため、本発明では、Ｓｉを０．４〜１．０質量％に規定した。
Ｍｎ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、０．４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低下するため、本発明では、Ｍｎを０．４〜１．０質量％に規定した。

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、０．７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低下するため、本発明では、Ｃｒを０．７〜１．５質量％に規定した。
Ｍｏは、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させると共に合成炭化物を形成しやすく、表面硬度の上昇により長寿命化に貢献する元素である。この効果を付与するためには、０．２質量％以上の添加が必要であるが、添加量の上昇に伴って被削性が低下するため、本発明では、Ｍｏを０．２〜１．０質量％に規定した。

本発明によれば、転がり軸受として必要な硬度を確保できるので、異物混入潤滑環境下でも寿命の長い転がり軸受を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す図であり、同図に示されるスラスト玉軸受１は、一対の軌道輪２ａ，２ｂを備えている。これらの軌道輪２ａ，２ｂは互いに対向しており、軌道輪２ａと軌道輪２ｂとの間には、転動体である複数の玉３が設けられているとともに、玉３を軌道輪２ａ，２ｂの円周方向に一定間隔で保持する保持器４が設けられている。

また、軌道輪２ａ，２ｂは０．６〜１．２質量％のＣと、０．４〜１．０質量％のＳｉと、０．４〜１．０質量％のＭｎと、０．７〜１．５質量％のＣｒと、０．２〜１．０質量％のＭｏとを含有し、かつ残りが残部Ｆｅと不可避不純物である鋼に高周波焼入れを施して形成されており、高周波焼入れが施された部分の表面残留オーステナイト量は２０〜４０ｖｏｌ％となっている。また、軌道輪２ａ，２ｂの高周波焼入れが施された部分の表面硬度はＨｖ７４０以上となっている。
（実施例）

本発明者らは、表１に示す組成の鋼種Ｍ１〜Ｍ１１，ＳＵＪ２，ＳＵＪ３から転がり軸受（呼び番５１３０５）の軌道輪を作製した。具体的には、鋼種Ｍ１〜Ｍ１１，ＳＵＪ２，ＳＵＪ３を旋削によって粗加工した後、高周波焼入れを施して軌道輪の表層部に硬化層を形成した。その後、焼戻しを行い、最後に研削加工を行なって転がり軸受の完成寸法（内径：２５ｍｍ、外径：５２ｍｍ、幅：１８ｍｍ）に仕上げた。そして、上記の工程で作製された各軌道輪の表面硬度と表面残留オーステナイト量（γＲ）を測定した。その測定値を表１に併記する。

また、本発明者らは上記の工程で作製された軌道輪とＳＵＪに浸炭窒化処理を施した3/8inch鋼球３個とを組み合せたものを試験軸受とし、面圧：４ＧＰａ、軸受形式：５１３０５、潤滑油：♯６８タービンオイルの条件で各試験軸受の異物混入潤滑下寿命試験を行い、試験軸受の累積破損確率が１０％となる寿命（Ｌ_１０寿命）を求めた。
各試験軸受のＬ_１０寿命を表２に示す。また、表１および表２から、軌道輪の表面硬度と軸受寿命比との関係を調べた結果を図２に示すとともに、軌道輪の表面残留オーステナイト量と軸受寿命比との関係を調べた結果を図３に示す。なお、表２に示す数値は表１に示した比較例１のＬ_１０寿命を１．０とした場合の寿命比を表している。

比較例１〜３と実施例１〜１０とを比較すると、実施例１〜１０のほうが軸受の転がり疲労寿命が長いことがわかる。これは、比較例１〜３は軌道輪の表面硬度がＨｖ７４０未満で且つ軌道輪表面の残留オーステナイト量が２０ｖｏｌ％未満であるのに対し、実施例１〜１０は軌道輪の表面硬度がＨｖ７４０以上で且つ軌道輪表面の残留オーステナイト量が２０ｖｏｌ％以上であり、実施例１〜１０の軌道輪表面硬度と軌道輪表面の残留オーステナイト量が比較例１〜３より高い値となる理由は、転がり軸受の軌道輪素材として、０．６〜１．２質量％のＣと、０．４〜１．０質量％のＳｉと、０．４〜１．０質量％のＭｎと、０．７〜１．５質量％のＣｒと、０．２〜１．０質量％のＭｏとを含有し、かつ残りが残部Ｆｅと不可避不純物である鋼種を用いているためと考察される。

表３に、本発明の実施例１１と比較例４，５を示す。

表３において、実施例１１は軌道輪素材として表１に示す組成の鋼種Ｍ３を用い、軌道輪素材に高周波焼入れを施して形成された軌道輪を示している。また、比較例４は軌道輪素材として肌焼鋼（ＳＣＲ４２０）を用い、軌道輪素材に浸炭処理を施して形成された軌道輪を示し、比較例５は軌道輪素材（ＳＵＪ２）に高周波焼入れを施して形成された軌道輪を示している。

表３に示す比較例４，５および実施例１１の軌道輪表面品質と靭性値を表３に併記する。また、表３に示す各軌道輪を用いて軸受形式５１３０５の転がり軸受（内径：２５ｍｍ、外径：５２ｍｍ、幅：１８ｍｍ）を作製し、作製された転がり軸受を異物混入潤滑環境下と異物非混入潤滑環境下で寿命試験を行った結果を表３に併記する。
前述したように、異物混入潤滑環境下での軸受寿命は表面の残留オーステナイト量と硬度に依存するため、実施例１１と比較例４の寿命は比較例５よりも高い値を示している。また、高周波焼入れを施した実施例１１および比較例４の軸受寿命は、潤滑剤中に異物が混入していない潤滑環境下でも良好な値を示すが、この場合の寿命は材料の清浄度に依存するため、大差がない。

一方、靭性については、高周波焼入れが施されたもの（実施例１１および比較例４）は芯部に非焼入れ層を有するため、芯部まで焼入れされた比較例１よりも高い値を示している。このことから、Ｍｏ等の添加で硬質の合金炭化物を有し、かつ高周波により芯部に高靭性の非焼入れ層を残存させたものが良好な寿命特性と靭性特性を有していることがわかる。

したがって、転がり軸受の軌道輪素材として、０．６〜１．２質量％のＣと、０．４〜１．０質量％のＳｉと、０．４〜１．０質量％のＭｎと、０．７〜１．５質量％のＣｒと、０．２〜１．０質量％のＭｏとを含有し、かつ残りが残部Ｆｅと不可避不純物である鋼種を用い、軌道輪表面の硬度がＨｖ７４０以上で軌道輪表面の残留オーステナイト量が２０ｖｏｌ％以上になるように、軌道輪の表層部に硬化層を高周波焼入れによって形成することにより、異物混入潤滑下でも転がり疲労寿命の長い転がり軸受を得ることができる。

また、軌道輪の芯部に高靭性の非焼入れ部を残存させることにより、異物混入潤滑下でも転がり疲労寿命のより長い転がり軸受を得ることができる。
上述した第１の実施形態では、本発明をスラスト玉軸受に適用した場合を例示したが、これに限定されるものではない。たとえば、ラジアル軸受、フランジを有する車輪支持用軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、ニードル軸受についても本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。転がり軸受の軌道輪表面硬度と異物混入潤滑環境下での軸受寿命との関係を示す図である。転がり軸受の軌道輪表面残留オーステナイト量と異物混入潤滑環境下での軸受寿命との関係を示す図である。

符号の説明

１スラスト玉軸受
２ａ，２ｂ軌道輪
３玉
４保持器

Claims

軌道輪と転動体のいずれか一方または両方が０．６〜１．２質量％のＣと、０．４〜１．０質量％のＳｉと、０．４〜１．０質量％のＭｎと、０．７〜１．５質量％のＣｒと、０．２〜１．０質量％のＭｏとを含有し、かつ残りが残部Ｆｅと不可避不純物である鋼からなる転がり軸受であって、前記鋼からなる軌道輪または転動体の表面残留オーステナイト量が２０〜４０ｖｏｌ％になると共に前記鋼からなる軌道輪または転動体の表面硬度がＨｖ７４０以上になるように、前記鋼からなる軌道輪または転動体の表層部に硬化層が高周波焼入れによって形成されていることを特徴とする転がり軸受。
請求項１記載の転がり軸受において、前記鋼からなる軌道輪または転動体が芯部に非焼入れ部を有することを特徴とする転がり軸受。