JP2012241754A - 転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軌道輪および転動体の転がり表面層の残留オーステナイト量を20体積%未満とする。転動体の転動面の表層部のビッカース硬さ(Hvb )と残留オーステナイト量(γRb:体積%)との関係が下記の(1) 式を満たすように構成する。軌道面の表層部のビッカース硬さ(Hvr )と残留オーステナイト量(γRr:体積%)との関係が下記の(2) 式を満たすように構成する。
5.6γRb+770≦Hvb ≦5.6γRb+870‥‥(1)
5.6γRr+650≦Hvr ≦5.6γRr+750‥‥(2)
【選択図】図5
Description
このような異物混入潤滑下における早期剥離は、軌道輪と転動体との間に異物が噛み込むことで、転がり面(軌道輪の軌道面および転動体の転動面)に形成された圧痕のエッジ部(以下、「圧痕縁」と記す。)に、応力集中が生じることが原因であると言われている。
しかし、圧痕縁への応力集中を抑制するために、転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量を多くすることは、表層部の硬さが低下して耐疲労特性の低下につながる。
具体的には、軌道輪および転動体の少なくとも一つを、転がり表面層の残留オーステナイト量(γR vol %)が20〜45vol %、且つ、平均粒径0.5〜1.5μmの微細炭化物又は炭窒化物の分散強化により、前記転がり表面硬さ(Hv)が前記残留オーステナイト量(γR vol %)に対し、−4.7×(γR vol %)+920≦Hv≦−4.7×(γR vol %)+1020を満たすものとすることが記載されている。これにより、異物混入潤滑下ばかりでなくクリーンな潤滑下でも、従来品よりも寿命の長い転がり軸受が得られるとしている。
この発明の課題は、軌道輪および転動体の転がり表面層の残留オーステナイト量が20体積%未満の場合に適用できる、残留オーステナイト量と表面硬さとの最適な関係を提案し、コストの低い方法で、転がり軸受の剥離寿命(異物混入潤滑下での寿命)を長くすることである。
(a) 転動体は、炭素の含有率が0.80質量%以上1.20質量%以下で、炭素以外の元素の含有率はJIS G4805で規定されている高炭素クロム軸受鋼と同じである軸受鋼からなる。
(b) 転動体の転動面の表層部(表面から深さ50μmまでの範囲)の残留オーステナイト量(γRb)が20体積%未満である。
(c) 転動体の転動面の表層部(表面から深さ50μmまでの範囲)のビッカース硬さ(Hvb )と残留オーステナイト量(γRb:体積%)との関係が下記の(1) 式を満たす。
5.6γRb+770≦Hvb ≦5.6γRb+870‥‥(1)
この発明の転がり軸受は、内輪および外輪のうちの少なくとも一方が、下記の構成(d) 〜(f) を有することが好ましい。
(e) 軌道面の表層部(表面から深さ50μmまでの範囲)の残留オーステナイト量(γRr)が20体積%未満である。
(f) 軌道面の表層部(表面から深さ50μmまでの範囲)のビッカース硬さ(Hvr )と残留オーステナイト量(γRr:体積%)との関係が下記の(2) 式を満たす。
5.6γRr+650≦Hvr ≦5.6γRr+750‥‥(2)
前記構成(e) に関し、前記構成(d) の軸受鋼を用いた場合、浸炭や浸炭窒化等の特殊な熱処理や表面処理を行わずに、ずぶ焼入れと焼戻しによる低コストの熱処理で達成できる表層部の残留オーステナイト量は20体積%未満である。つまり、前記構成(e) を有することで軌道輪の熱処理コストが低くなる。
上述のように、前記構成(a) および(b) を有する転動体のうち前記構成(c) を有する(前記(1) 式を満たす)転動体は、前記構成(c) を有さない(前記(1) 式を満たさない)転動体と比較して降伏強度が高くなるため、表面性状安定性が高い。これについて以下に説明する。
先ず、軸受稼働中の転動体表面性状悪化の抑制に降伏応力が関係している理由について述べる。転動体の表面性状安定性には、転動体表面の降伏強度が大きく関係していると考えられる。線傷、圧痕などが形成されるということは、局部的に降伏点以上の応力が作用し、塑性変形したということである。即ち、降伏強度が上がると、作用する応力が降伏強度以上になる確率が小さくなるため、線傷や圧痕は発生しにくくなり、その大きさや深さも小さくなる。
硬さと降伏応力の関係は一般的に知られており、硬さが高いほど降伏応力は大きくなる。しかし、硬さを高くするために、焼入れ温度を高くし過ぎたり、焼戻し温度を低くし過ぎたりすると、残留オーステナイト量が著しく増加し、局部的に降伏応力も低下するため、表面性状安定性が悪くなる。
試験条件は、荷重:6223N、回転速度:3000min -1、異物混入潤滑:潤滑油VG68に異物(硬さ:Hv870、サイズ:74〜147μm)を0.05g混入であり、この玉軸受を1時間稼働させた前後の玉の表面粗さ(Ra)を測定し、その差(ΔRa:試験により上昇した量)を算出した。その結果も表1に示す。
上述のように、この発明の転がり軸受を構成する内輪および外輪のうちの少なくとも一方(軌道輪)が前記(2) 式を満たすことで、前記(2) 式を満たさない内輪および外輪を有する転がり軸受と比較して、軌道面の表面性状安定性が良好になって、圧痕縁への応力集中が低減される。
前記(2) 式は、Hvr ≧5.6γRr+650且つHvr ≦5.6γRr+750である。軌道面の表層部の硬さ(Hvr )が、残留オーステナイト量(γRr)との関係で5.6γRr+650より小さいと耐疲労特性が低下し、5.6γRr+750より大きいと靭性が低下して剥離や割れが生じ易くなる。
5.6γRb+770≦Hvb ≦5.6γRb+870‥‥(1)
5.6γRr+650≦Hvr ≦5.6γRr+750‥‥(2)
転動面の表層部に関する(1) 式と軌道面の表層部に関する(2) 式を比較すると、転動面の硬さHvb が軌道面の硬さHvr よりも高く設定されている。これにより、軌道輪より転動体の方が高い表面性状安定性を得られる。このように、剥離が生じやすい従動側となる軌道輪よりも駆動側となる転動体の表面性状の悪化を抑制して接線力を低減することで、軌道輪の剥離寿命を向上できる効果が高くなる。
(1) 式を満たす転動体と(2) 式を満たす軌道輪を組み合わせて転がり軸受を組み立てる場合、ΔHv(=Hvb −Hvr )を50以上150以下とすることが好ましい。
転動体、内輪、外輪を構成する軸受鋼として、炭素の含有率が0.80質量%以上1.20質量%以下で、炭素以外の元素の含有率はJIS G4805で規定されている高炭素クロム軸受鋼と同じであるものを使用する。その理由を以下に述べる。
炭素(C)はマトリックスに固溶してマルテンサイトを強化する元素であり、焼入れ焼戻し後の強度確保と疲労寿命を向上させるために不可欠である。一般に、炭素の含有量が0.80質量%未満では、こうした効果が得られにくい。一方で、炭素の含有量が1.22質量%を超えると、鋳造時に巨大炭化物が生成しやすく、加工性が悪くなることや、巨大炭化物が起点となって早期剥離することが懸念される。
転動体、内輪、外輪を構成する軸受鋼として、JIS G4805で規定されている高炭素クロム軸受鋼(SUJ2やSUJ3)に相当する鋼を使用することが好ましい。
一般に、高炭素鋼の硬さを高める方法には、熱処理の焼入れ温度を高くして固溶炭素量を増加させる方法と、焼戻し温度を低くして歪み(転位)の開放の緩和を抑制する方法がある。これらの方法を夫々単独で行うよりも、焼入れ温度の上昇と焼戻し温度の低下を組合せることで、転動体の硬さを大幅に高くすることができる。
転動体表層部の硬さを高くする方法としては、ボールピーニング処理(以下、BPとも記す)後に表面から50μm以上70μm以下の深さ部分を研磨で除去する方法が挙げられる。
この実施形態の転がり軸受は、図3に示すように、内輪1、外輪2、玉(転動体)3、および鉄鋼製で波形の保持器4で構成されている。内輪1と外輪2は、SUJ2(高炭素クロム軸受鋼)からなる素材を内輪1および外輪2の形状に加工した後、ずぶ焼入れと焼戻しからなる熱処理がなされたものである。玉3は、SUJ2(高炭素クロム軸受鋼)からなる素材を玉3の形状に加工した後、ずぶ焼入れと焼戻しからなる熱処理を行い、さらにBPと研磨処理が施されたものである。
玉3のBPは、処理対象となる玉をバレル形の容器に入れて容器を回転させることで玉同士を衝突させる方法により、容器の回転速度:30〜60min-1、処理時間:30分〜90分の条件で行った。
具体的には、呼び番号6206の玉軸受用の玉として、表2に示すように、表層部の硬さ(Hvb )と残留オーステナイト量(γRb)を変化させたもの(16種類)を用意した。また、呼び番号6206の玉軸受用の内輪および外輪として、表2に示すように、表層部の硬さ(Hvr )と残留オーステナイト量(γRr)を変化させたもの(3種類)を用意した。
これらの内輪1、外輪2、および玉3を組み合わせて呼び番号6206の玉軸受を組み立て、異物混入潤滑下での転がり寿命を調べる試験を行った。試験条件は、荷重:6223N、回転速度:3000min -1、異物混入潤滑:潤滑油VG68に異物(硬さ:Hv870、サイズ:74〜147μm)を0.05g混入とした。
表2のNo. 1〜8は、玉の表層部の硬さ(Hvb )と残留オーステナイト量(γRb)との関係が(1) 式を満たすが、軌道面の表層部の硬さ(Hvr )と残留オーステナイト量(γRr)との関係が(2) 式を満たさない。表2のNo. 9〜16は、玉の表層部の硬さ(Hvb )と残留オーステナイト量(γRb)との関係が(1) 式を満たし、軌道面の表層部の硬さ(Hvr )と残留オーステナイト量(γRr)との関係も(2) 式を満たす。
この結果から、(1) 式を満たす玉(図4のプロット●と▲)を有する玉軸受(図5のプロット●と▲)は、(1) 式を満たさない玉(図4のプロット○と△)を有する玉軸受(図5のプロット○と△)と比較して、異物混入潤滑下での剥離寿命が長くできることが分かる。具体的に、No. 1〜16の玉軸受は、No. 17の3.4〜7.0倍の寿命が得られた。
すなわち、転動面の表層部の硬さと残留オーステナイト量との関係を最適化する((1) 式を満たす転動体を用いる)ことで、転動体の表面性状安定性が高くなり、転動体と軌道輪との間に作用する接線力が低減され、軌道輪の表面起点型剥離寿命が延長できることが分かる。さらに、軌道面の表層部の硬さと残留オーステナイト量との関係を最適化し((2) 式を満たす軌道輪を用い)、この軌道輪と(1) 式を満たす転動体とで転がり軸受を組み立てることで、転がり軸受の剥離寿命がさらに延長できることが分かる。
この発明の転がり軸受は、さらに以下の構成(g) 〜(j) を有することが好ましい。
(g) 前記転動体の表層部(表面から深さ50μmまでの範囲)の炭化物面積率が1%以上5%以下であること。
(h) 前記転動体の表層部の残留圧縮応力(σR )が500MPa以上1400MPa以下であること。
(i) 内輪および外輪のうちの少なくとも一方が、極値統計により推定した面積S=30000mm2 中の酸化物系最大介在物寸法√areamax と表面硬さ(HRC)とがHRC≧0.2×√areamax +54を満たすこと。
(j) 転動体は、熱処理後の転動体に対してボールピーニング処理を施した後、表面から深さ50μm以上70μm以下までの部分を研磨で除去する方法により得られたものであること。
高炭素軸受鋼の場合、焼入れ処理によってマトリックスに固溶する炭素量が多いほど、炭素の固溶強化によって降伏応力が高くなる。一般に、マトリックスの固溶炭素量を正確に測定することは困難である。しかし、精錬時の炭素含有量(ベースカーボン量)が既知ならば、炭化物の面積率から固溶炭素量を推定することができると考えられる。即ち、焼入れ後の炭化物面積率が低いほど、マトリックスに固溶している炭素量が多いことを意味し、降伏応力が高く、表面性状安定性が高いことを示している。従って、炭素の固溶量ではなく、炭化物の面積率を規定した。
転動体の表層部の残留圧縮応力が低いと、変形抵抗が小さくなるため、降伏応力は小さくなり、軸受稼働中に表面性状が悪化しやすくなる。転動体の表層部の残留圧縮応力が500MPaより小さくなると塑性変形抵抗が小さくなり、表面性状が悪化していることが分かる。一方、加工によって付与する圧縮残留応力が高すぎる(例えば1400MPaを超える)と、既に繰返し疲労を受けている状態になり、転がり疲労が進行しやすくなる。
軌道輪の硬さを高めて強度を向上させ、内部き裂の発生・進展を抑制させることで内部起点型剥離寿命を延長できる。しかし、材料中に含まれる酸化物系介在物が大きい場合には、顕著な寿命延長効果は得られない。構成(i) の範囲内では、酸化物系介在物の微細化による応力集中の低減及び内部強度の向上によるき裂の発生・進展の抑制効果によって、内部起点型剥離寿命が延長できる。
2 外輪
3 玉(転動体)
4 保持器
Claims (2)
- 内輪、外輪、および転動体を有する転がり軸受であって、
転動体は、炭素の含有率が0.80質量%以上1.20質量%以下で、炭素以外の元素の含有率はJIS G4805で規定されている高炭素クロム軸受鋼と同じである軸受鋼からなり、
転動体の転動面の表層部の残留オーステナイト量(γRb)が20体積%未満であり、
転動体の転動面の表層部のビッカース硬さ(Hvb )と残留オーステナイト量(γRb:体積%)との関係が下記の(1) 式を満たすことを特徴とする転がり軸受。
5.6γRb+770≦Hvb ≦5.6γRb+870‥‥(1) - 前記内輪および外輪のうちの少なくとも一方は、
炭素の含有率が0.80質量%以上1.20質量%以下で、炭素以外の元素の含有率はJIS G4805で規定されている高炭素クロム軸受鋼と同じである軸受鋼からなり、
軌道面の表層部の残留オーステナイト量(γRr)が20体積%未満であり、
軌道面の表層部のビッカース硬さ(Hvr )と残留オーステナイト量(γRr:体積%)との関係が下記の(2) 式を満たすことを特徴とする請求項1記載の転がり軸受。
5.6γRr+650≦Hvr ≦5.6γRr+750‥‥(2)
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