JP2015200351A - 玉軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道面の長寿命を確保しつつ耐圧痕性を高めた玉軸受を提供する。
【解決手段】高炭素クロム軸受鋼からなり、浸炭窒化処理後に、１５０〜２４０℃で、かつ、下記（１）式の温度範囲で焼戻しされた軌道輪を備える玉軸受。
（１）式：−６．９Ｄｗ＋２４０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３０５
（ここで、Ｄｗは玉の直径（ｍｍ）、Ｔは焼戻し温度（℃）である。）
【選択図】図６

Description

本発明は玉軸受に関し、より詳細には軌道面の長寿命を確保しつつ、耐ブリネル圧痕性を向上した玉軸受に関する。

近年、機械の燃費の向上が重要視されており、転がり軸受の小型化に対する要求が高くなってきている。通常、軸受サイズの選定基準として、塑性変形抵抗性を示す静定格荷重と寿命の長さに関係する動定格荷重があり、軸受を小型化するためには静定格荷重と動定格荷重の向上が必要になる。

静定格荷重とは静止時に負荷できる最大荷重のことであり、例えば、機械が停止している時や低速回転時に静定格荷重を超える荷重が負荷されると、軸受の軌道輪や転動体に局部的な永久変形が生じ、騒音や振動の原因だけでなく円滑な回転を妨げてしまう。静定格荷重は旧ＪＩＳ １５１９では「転動体と軌道輪の永久変形量の和が転動体直径の１／１００００になる荷重」と定義されていたが、現在のＪＩＳ １５１９では４２００ＭＰａの面圧となる荷重を静定格荷重と定義されている。

しかし、実際には、塑性変形抵抗性は一定ではなく、軸受の材料や熱処理条件によって変わるため、静定格荷重の基準となる許容面圧も異なる可能性がある。従って、材料開発、熱処理条件改善などによって塑性変形抵抗性を向上させ、許容面圧を高くすることができれば、軸受選定サイズを小さくできると考えられる。

軸受の塑性変形抵抗性は、鋼球を一定荷重で押し込んで形成された圧痕深さの大小によって評価されることが多く、耐ブリネル圧痕性として示される。一般的に耐ブリネル圧痕性は大きく分けて、残留オーステナイト量と硬さによって変化する。即ち、軟らかい組織である残留オーステナイト量が少ない程、また、硬さが高いほど耐ブリネル圧痕性は向上する。

また、耐ブリネル圧痕性だけでなく、寿命、特に自動車のトランスミッション等で問題となる異物混入潤滑下で生じる表面起点型はく離寿命にも残留オーステナイト量と硬さが大きく影響を与えることが知られている。一般的に、異物混入潤滑環境下で生じる早期はく離は、転動体と軌道輪間に異物を噛み込む事によって形成された圧痕を起点として生じており、圧痕が形成されることによって生じる圧痕縁の応力集中が原因であると言われている。そこで、特許文献１では、熱処理によって軟らかい組織である残留オーステナイトを増加させ、圧痕縁の形状をなめらかにすることによって応力集中を緩和し、寿命延長を達成させている。また、硬さが高いほど、圧痕が形成されにくくなるため、寿命は延長することが知られている。

しかし、上述したように、耐ブリネル圧痕性と残留オーステナイト量には相関があり、従来技術のように軟らかい組織である残留オーステナイトを増加させるだけでは、耐ブリネル圧痕性が低下してしまうことが懸念される。

また、特許文献２では、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の平板を窒化処理した後、２４０〜３００℃という高温にて焼戻しを行うことで残留オーステナイト量を低減させ、耐ブリネル圧痕性を向上させている。しかし、上述したように、残留オーステナイト量と寿命には相関があり、特許文献２のように、耐ブリネル圧痕性を向上させるために残留オーステナイトを減少させるだけでは、寿命が短くなってしまうことが懸念される。

従って、寿命を維持したまま耐ブリネル圧痕性を向上させるためには、残留オーステナイト量と硬さとのバランスが非常に重要であると考えられる。

また、耐ブリネル圧痕性には表面近傍だけでなく、変形に関係する内部深さの品質も重要になると考えられる。非特許文献１にも記載されているように、一般的に、玉軸受の転動体と軌道輪の接触のように接触部が楕円状になるような場合、内部に働くせん断応力が最大になる深さ（最大せん断応力深さ）と接触楕円短半径には相関があり、接触楕円短半径が大きくなるほど最大せん断応力深さは深くなることが知られている。例えば、同一面圧を作用させた場合、転動体径が大きくなるほど接触楕円短半径も大きくなり、最大せん断応力が作用する深さも深くなる。従って、転動体径が大きくなるほど、耐ブリネル圧痕性にはより深い位置の熱処理品質（残留オーステナイト量と硬さとのバランス）が関係してくると考えられる。しかし、特許文献２では、平板と鋼球の接触という接触面積が小さく、作用するせん断応力深さも非常に浅くなるような条件にて評価を行っているため、耐ブリネル圧痕性には表面近傍のみの品質の影響を受ける。このような条件では、高温焼戻しにて表面の残留オーステナイト量を低減させることで、耐ブリネル圧痕性を向上させることが可能だが、平板よりも接触面積が大きくなる実際の軸受では最大せん断応力が深くなり、耐ブリネル圧痕性にはより内部の品質まで影響が大きくなると考えられるため、特許文献２の焼戻し温度範囲で軸受を製造しても、必ずしも耐ブリネル圧痕性の向上を達成できるとは限らない。

特開昭６４−５５４２３号公報 特開２０１２−１０７６７５号公報

正文社（１９９０）"ころがり軸受・ころ軸受の動的負荷容量（Ｌｕｎｄｂｅｒｇ−Ｐａｌｍｇｒｅｎ理論の詳解）"

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、長寿命を確保しつつ軌道面の耐圧痕性を高めた玉軸受を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意研究を行い、硬さと残留オーステナイト量とのバランスを最適化することで、寿命を維持しつつ、耐ブリネル圧痕性を向上させることができることを見出した。また、玉径によって、耐ブリネル圧痕性を向上させるための最適な硬さと残留オーステナイト量とのバランスが存在することがわかり、各玉径において、そのバランスを満たすための最適焼戻し温度範囲を見出した。

本発明はこのような知見に基づくものであり、内周面に転動面を有する外方部材と、外周面に転動面を有する内方部材と、当該外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の玉とを備えた玉軸受において、前記軌道輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、浸炭窒化処理後に、１５０〜２４０℃で、かつ、下記（１）式の温度範囲で焼戻しされたことを特徴とする玉軸受を提供する。
（１）式：−６．９Ｄｗ＋２４０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３０５
（ここで、Ｄｗは玉の直径（ｍｍ）、Ｔは焼戻し温度（℃）である。）

本発明によれば、軌道輪が玉径に応じて最適な温度で焼戻し処理されており、長寿命を確保しつつ、軌道面の耐圧痕性を高めた玉軸受が提供される。

玉軸受の一例を示す断面図である。 Ｎｏ．１〜６の焼戻し温度と、残留オーステナイト量及び心部硬さとの関係を示すグラフである。 軸受Ｎｏ．１、３、４、５、９の各表面残留オーステナイト量と圧痕深さ比との関係を示すグラフである。 軸受Ｎｏ．１、３、４、５、９の心部硬さと圧痕深さ比との関係を示すグラフである。 焼戻し温度ごとの、玉径と圧痕跡深さ比との関係を示すグラフである。 耐圧痕比が条件Ｎｏ．７の１．２８倍以上となる焼戻し温度範囲（最低温度、最高温度）を示すグラフである。 耐圧痕比が条件Ｎｏ．７の１．４３倍以上となる焼戻し温度範囲（最低温度、最高温度）を示すグラフである。 焼き戻し温度と寿命比との関係を示すグラフである。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明において玉軸受の種類や構造には制限はなく、例えば図１に示す玉軸受を例示することができる。図示される玉軸受は、外周面に転動面１を有する内輪２と、内周面に転動面３を有する外輪４との間に、複数の玉５が保持器７により転動自在に配設されており、潤滑剤（図せず）を充填してシール部材６により封止したものである。

但し、本発明では、内輪２及び外輪４を高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）で形成し、更に浸炭窒化処理を施すとともに、（１）式に従い、玉径に応じた温度にて焼戻し処理を行う。
（１）式：−６．９Ｄｗ＋２４０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３０５ （１５０≦Ｔ≦２４０）（ここで、Ｄｗは玉の直径（ｍｍ）、Ｔは焼戻し温度（℃）である。）

（１）式の導出に際し、下記に示す試験を行った。

（耐ブリネル圧痕性の評価）
転動体の材料に高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、熱処理はずぶ焼入れ（８３０〜８５０℃×１ｈｒ、ＲＸガス雰囲気、油焼入れ）の後、焼戻し（１６０〜２００℃×１．５ｈｒ）を施し、後工程を行った。

一方、軌道輪の材料に高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、浸炭窒化処理（８３０〜８５０℃×３〜５ｈｒ、ＲＸガス・エンリッチガス・アンモニアガス雰囲気、油焼入れ）、または、ずぶ焼入れ（８３０〜８５０℃×１ｈｒ、ＲＸガス、油焼入れ）の後、種々の温度の焼戻し(１５０〜２７０℃×２ｈｒ)を施した。

表１に軌道輪の熱処理条件、品質を示す。条件Ｎｏ．１〜６は浸炭窒化を施した後、１５０〜２７０℃で焼戻しを行った軌道輪を示し、Ｎｏ．７は比較としてずぶ焼き入れ後に１８０℃で焼戻しを行った軌道輪を示している。図２に軌道輪に浸炭窒化を施した条件Ｎｏ．１〜６における焼戻し温度と、残留オーステナイト量及び心部硬さとの関係を示す。また、Ｎｏ．７の軌道輪の表面硬さはＨＲＣ６２であった。図２より、焼戻し温度が高くなるほど、表面残留オーステナイト量は減少し、心部硬さも低下することがわかる。この結果より、焼戻し温度のみを変化させることで種々の表面残留オーステナイト量と心部硬さの軌道輪を作製することができた。なお，焼戻し温度の上昇に伴う残留オーステナイト量の低下は残留オーステナイトの分解（残留オーステナイト→マルテンサイト変態）によるものであり、心部硬さの低下は転位密度の減少によるものである。

また、表１に示す名番の軸受の軌道輪を上記と同条件にて熱処理を行って作製し、表面と心部硬さがＨＲＣ６４の玉を組込んで試験軸受を作製した。そして、各試験軸受について、市場にて現実的に考えて作用しうるであろう最大の接触応力を想定して、玉軸受の基本静定格荷重によって作用する面圧（４．２ＧＰａ）の１．２倍程度の応力（５．０ＧＰａ）となる荷重を負荷して静的荷重負荷試験を行った。

試験結果を表１に示すが、各試験軸受に形成された圧痕深さをフォームタリサーフにて測定し、得られた圧痕深さを条件Ｎｏ．７の試験軸受に形成された圧痕深さを基準とした場合の比とした。即ち、圧痕深さ比が１．０以下では条件Ｎｏ．７より耐ブリネル圧痕性は良好であることを示し、圧痕深さ比が小さくなるほど耐ブリネル圧痕性は向上することを表している。

図３に軸受Ｎｏ．１、３、４、５、９の各表面残留オーステナイト量と圧痕深さ比との関係を、図４に同軸受の心部硬さと圧痕深さ比との関係を示す。図３より、表面残留オーステナイト量が少ない場合、玉径が小さいほど良好な耐ブリネル圧痕性を示すが、残留オーステナイト量が多くなるにつれて、玉径が大きいほど良好な耐ブリネル圧痕性を示すようになることがわかる。また、図４より、心部硬さが低い場合、玉径が小さいほど良好な耐ブリネル圧痕性を示し、心部硬さが高くなるのに伴い、玉径が大きいほど良好な耐ブリネル圧痕性を示すようになることがわかる。

この結果は、玉径が小さい（最大せん断応力深さが浅い）場合は耐ブリネル圧痕性には心部硬さより表面近傍の残留オーステナイト量の影響が大きいが、玉径が大きく（最大せん断応力深さが深く）なるのにつれてその傾向は逆転し、心部硬さの影響が大きくなったためと考えられる。従って、この結果は、玉径によって良好な耐ブリネル圧痕性を与える品質のバランスも変化することを示唆し、言い換えれば玉径によって最適な品質のバランスを与える焼戻し温度も変化すると推測される。

また、図５に焼戻し温度ごとの、玉径と圧痕跡深さ比との関係を示す。図５より、玉径が小さい（最大せん断応力深さが浅い）場合は焼戻し温度が高いほど圧痕深さ比は小さくなり、玉径が大きく（最大せん断応力深さが深く）なるのに伴い、焼戻し温度が低いほど圧痕深さ比が小さくなることがわかる。これは、図３及び図４での考察と同様に、玉径が小さい（最大せん断応力深さが浅い）場合は耐ブリネル圧痕性には心部硬さより表面近傍の残留オーステナイト量の影響が大きいが、玉径が大きく（最大せん断応力深さが深く）なるのにつれてその傾向は逆転し、心部硬さの影響が大きくなったためと考えられる。この結果より、玉径によって良好な耐ブリネル圧痕性を得るための最適な焼戻し温度も変化することが明らかになった。

更に、各玉径において良好な耐ブリネル圧痕性を得るための最適な焼戻し温度と耐ブリネル圧痕性が条件Ｎｏ．７の１．２８倍以上または１．４３倍以上となる焼戻し温度範囲（最低温度、最高温度）を図５から読み取り、表２、並びに図６及び図７にまとめた。表２より、玉径が大きくなるほど、最適焼戻し温度は低くなることがわかる。また、図６より、焼戻し温度が（１）式「−６．９Ｄｗ＋２４０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３０５」で示される範囲内であるときに、耐ブリネル圧痕性が条件Ｎｏ．７の１．２８倍以上となることが確認できる（表１の下線を引いた値）。従って、（１）式を満たす焼戻し温度を本発明範囲とした。更に、図７より、耐ブリネル圧痕性を１．４３倍以上にするためには、焼戻し温度が「−６．９Ｄｗ＋２５０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３００の範囲（表１の二重下線を引いた値）を満たせばよいことが明らかになった。

（表面起点型はく離寿命の評価）
ここでは、異物混入潤滑下での寿命を評価した。即ち、表1に示した条件Ｎｏ．１〜７で作製した内外輪を備える深溝玉軸受６２０６（Ｄｗ＝９．５２５ｍｍ；軸受Ｎｏ．５に相当）を用い、下記試験条件にて各ｎ=１０ずつ試験を行い、そのＬ_１０寿命を読み取り、条件Ｎｏ．７で作製した内外輪を備える同軸受のＬ_１０寿命との寿命比をそれぞれ算出した。結果を表３及び図８に示す。
＜異物混入潤滑環境下寿命試験＞
試験荷重：Ｆｒ=６．５ｋＮ
回転数：３０００ｍｉｎ−１
潤滑油：ＩＳＯ−ＶＧ６８
異物の硬さ：ＨＶ５１９
異物サイズ：７４〜１４７μｍ
異物混入量：０．０５ｇ

表３及び図８より、焼戻し温度が高くなる、すなわち表面残留オーステナイト量が低下するにつれて、圧痕縁の応力緩和効果低減に起因した寿命比の低下を確認できる。また、焼戻し温度が２４０℃より大きくなると寿命比が１．０より小さくなる。従って、２４０℃より高温の焼戻しを施した場合、耐ブリネル圧痕性を向上させることができたとしても、寿命の低下が問題となることが懸念されるため、本発明範囲の上限を２４０℃とした。また、焼戻し温度が１５０℃より低いと、著しい靭性の悪化が懸念されることより本発明範囲の下限を１５０℃とした。

以上の結果より，高炭素クロム軸受鋼からなる玉軸受の内輪および外輪を、浸炭窒化処理を施した後、１５０〜２４０℃で、かつ、（１）式（−６．９Ｄｗ＋２４０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３０５）の温度範囲にて焼戻しを行うにより、表面残留オーステナイト量と硬さとのバランスを最適化し、表面起点型はく離寿命を維持したまま耐ブリネル圧痕性を向上させた軸受を提供することができる。また、（１）式の中でも、−６．９Ｄｗ＋２５０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３００を満たす焼戻し温度にて処理することにより、一段と耐ブリネル圧痕性を向上させた軸受を提供できる。

１ 転動面
２ 内輪
３ 転動面
４ 外輪
５ 玉
６ シール部材
７ 保持器

Claims (1)

1. 内周面に転動面を有する外方部材と、外周面に転動面を有する内方部材と、当該外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の玉とを備えた玉軸受において、
   前記軌道輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、浸炭窒化処理後に、１５０〜２４０℃で、かつ、下記（１）式の温度範囲で焼戻しされたことを特徴とする玉軸受。
   （１）式：−６．９Ｄｗ＋２４０≦Ｔ≦−６．９Ｄｗ＋３０５
   （ここで、Ｄｗは玉の直径（ｍｍ）、Ｔは焼戻し温度（℃）である。）

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