JP2017106534A

JP2017106534A - 軸受用軸

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Publication number: JP2017106534A
Application number: JP2015240277A
Authority: JP
Inventors: 泰延大野; Yasunobu Ono
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2035-12-09
Also published as: JP6637304B2

Abstract

【課題】耐久性に優れた軸受用軸を提供する。【解決手段】軸受用軸１は、転動体２が接触する軌道面（側面）を含む外周面を備える軸受用軸１であって、炭素を０．７％以上含有する鋼により構成されている。軌道面には、窒素富化層１ａが形成されている。窒素富化層１ａの表面（軸受用軸１の側面における、ショットピーニングにより形成された硬化層１ｂの表面）における圧縮残留応力の絶対値は、６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である。このようにすれば、軸受用軸１の長寿命化を図ることができる。【選択図】図１

Description

この発明は、軸受用軸に関し、より特定的には、外輪を回転させる態様で使用する軸受に用いられる軸受用軸に関する。

従来、遊星歯車減速機などの機械装置に用いられる軸受が知られている。このような軸受は、外輪を回転させる態様で使用される。この場合、内輪側に位置する軸受用軸では負荷域が常に同じ位置になるため、疲労剥離に関して寿命が短くなるという問題がある。

このような問題に対処するため、たとえば特開２０１５−７２６５号公報では、０．１〜０．５質量％の炭素およびその他の合金元素を含む合金鋼により軸受用軸を作成し、当該軸受用軸に対して浸炭窒化処理、高周波焼入処理および焼戻し処理を施した後、ショットピーニング処理を行うことにより、軸受用軸の表面に硬化層を形成する技術が開示されている。

上記特開２０１５−７２６５号公報では、上述した硬化層を軸受用軸の表面に形成することにより、当該硬化層の表面硬度を十分高くするするとともに、硬化層に圧縮残留応力を発生させることによって、転動疲労強度や耐ピーリング性を向上させることができるとしている。

特開２０１５−７２６５号公報

しかし、上記遊星歯車減速機などの機械装置においては、上述した軸受用軸が疲労剥離に関して最も厳しい状態で使用されるため、当該軸受用軸の寿命が機械装置全体の寿命を制約する。そのため、軸受用軸に対しては、さらなる耐久性の向上が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、耐久性に優れた軸受用軸を提供することである。

この発明に従った軸受用軸は、転動体が接触する軌道面を含む外周面を備える軸受用軸であって、炭素を０．７％以上含有する鋼により構成されている。軌道面には、窒素富化層が形成されている。窒素富化層の表面における圧縮残留応力の絶対値は６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である。

本発明によれば、軸受用軸の長寿命化を図ることができる。

本実施形態に従った軸受の断面模式図である。図１に示した軸受を構成する軸受用軸の断面模式図である。図１に示した軸受を構成するニードルころの断面模式図である。図１に示した軸受を構成する保持器の部分断面模式図である。図２に示した軸受用軸の変形例を示す断面模式図である。図３に示したニードルころの変形例を示す部分断面模式図である。図４に示した保持器の変形例を示す部分断面模式図である。図１に示した軸受を適用した遊星歯車減速機の模式図である。図８の線分ＩＸ−ＩＸにおける断面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

＜軸受の構成＞
図１は、本実施形態に従った軸受の断面模式図を示す断面模式図である。図１を参照して、本実施形態に従った軸受の構成を説明する。

図１に示すように、軸受１０は、軸受用軸１と、ニードルころである転動体２と、保持器３とを備える。軸受用軸１は、円柱状の形状を有する。軸受用軸１の軌道面である側面上に複数の転動体２が配置されている。複数の転動体２は、軸受用軸１の側面において、周方向に間隔を隔てて配置されている。複数の転動体２は、軸受用軸１の側面に等間隔となるように配置されている。

軸受用軸１は、炭素を０．７％以上含有する鋼により構成される。軌道面には、窒素富化層１ａが形成されている。窒素富化層１ａは、軸受用軸１の内周部１ｃより窒素濃度が高くなっている。軌道面において、窒素富化層１ａの表面には硬化層１ｂが形成されている。軸受用軸１の側面では、窒素富化層１ａの表面（すなわち硬化層１ｂの表面）における圧縮残留応力の絶対値が６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である。

保持器３は、軸受用軸１の側面上に配置され、当該側面の周方向に沿った環状の形状を有する。保持器３には転動体２を内部に保持するためのポケットが複数形成されている。当該ポケットの内部に転動体２が収容されることにより、転動体２の位置が決定される。

＜軸受用軸の構成＞
図２は、図１に示した軸受を構成する軸受用軸の断面模式図である。図２を参照して、軸受用軸１の構成を具体的に説明する。

図２に示すように、軸受用軸１の表面（軌道面としての側面および当該側面に交差するように伸びる端面）には窒素富化層１ａが形成されている。軸受用軸１の側面には、窒素富化層１ａの表面に硬化層１ｂが形成されている。当該硬化層１ｂは、ショットピーニングを行うことにより形成されている。上述のように、当該硬化層１ｂの表面における圧縮残留応力の絶対値は６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である。

当該硬化層１ｂの表面における硬度はＨｖ８５０以上Ｈｖ１０００以下である。また、硬化層１ｂの表面粗さは算術平均粗さＲａで０．２μｍ以下である。さらに、硬化層１ｂにおける残留オーステナイト量は９体積％以下である。

軸受用軸１は、たとえば高炭素クロム軸受鋼により構成される。軸受用軸１を構成する鋼としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２を用いてもよい。

＜ニードルころの構成＞
図３は、図１に示した軸受を構成する転動体２の断面模式図である。図３を参照して、転動体２の構成を具体的に説明する。

図３に示すように、転動体２はニードルころであって、その表面（軸受用軸１と接触する側面および当該側面と交差する方向に伸びる端面）には窒素富化層２ａが形成されている。窒素富化層２ａは、転動体２の内周部２ｃより窒素濃度が高くなっている。転動体の表面における表層部での残留オーステナイト量は軸受用軸の軌道面に形成された窒素富化層の表層部における残留オーステナイト量より多くなっている。具体的には、転動体の表面における表層部での残留オーステナイト量は９体積％以上５０体積％以下である。当該残留オーステナイト量は９体積％超えであってもよい。

＜保持器の構成＞
図４は、図１に示した軸受を構成する保持器を示す部分断面模式図である。図４を参照して、保持器３を説明する。

保持器３は、上述のように環状の形状を有している。保持器３には、転動体２（図１参照）を内部に保持するためのポケット３ａが複数形成されている。ポケット３ａは、互いにほぼ等しい間隔を隔てて形成されている。保持器３の材料としては任意の材料を用いることができる。保持器３を構成する材料としては、たとえば鋼を用いることができる。保持器３は、鋼に対してプレス加工を行うことにより形成されていてもよい。また、保持器３を構成する材料として樹脂を用いてもよい。

＜製造方法＞
軸受１０の製造方法としては、まず軸受１０を構成する部材（軸受用軸１、転動体２、保持器３）を以下のように準備する。そして、当該部材を組立てる工程を実施することにより、軸受１０を得ることができる。

軸受用軸１の製造方法：
上述した軸受用軸１の製造方法としては、まず軸受用軸１を構成する組成の鋼により棒状の素材（たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる素材）を準備する。そして、当該素材に対して旋削加工など従来周知の機械加工工程を適用することで、軸受用軸１の形状に当該素材を加工する(機械加工工程）。その後、熱処理工程を実施する。具体的には、上記のように加工された素材に対して浸炭窒化処理、調質処理、焼入処理、焼戻し処理などを実施する。熱処理の具体的な条件例としては、たとえば、浸炭窒化処理の処理温度について、Ａ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃未満といった温度条件を用いることができる。

その後、熱処理された素材に対して研削などの従来周知の機械加工を行うことで、軸受用軸１の寸法となるように当該素材を仕上げ加工する。

さらに、軸受用軸１の側面（転走面となるべき側面）に対して、ショットピーニング処理を行う。このようにして、軸受用軸１を得ることができる。なお、上述した仕上げ加工とショットピーニング処理との順番を変え、先にショットピーニング処理を行ってもよい。

転動体２の製造方法：
転動体２の製造方法としては、従来周知の製造方法を用いることができる。たとえば、転動体２として鋼（たとえば高炭素クロム軸受鋼）からなる棒状の素材を準備する。当該素材に対して従来周知の機械加工を行うことにより、転動体２の形状となるよう当該素材を加工する。その後、熱処理工程を実施する。具体的には、上記のように加工された素材に対して浸炭窒化処理などを実施する。熱処理の具体的な条件例としては、たとえば、浸炭窒化処理の処理温度について、Ａ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃未満といった温度条件を用いることができる。

その後、熱処理された素材に対して研削などの従来周知の機械加工を行うことで、転動体２の寸法となるように当該素材を加工する。このようにして、転動体２を得ることができる。

保持器３の製造方法：
保持器３の製造方法としては、従来周知の製造方法を用いることができる。

＜作用効果＞
本実施形態に従った軸受用軸１は、上述のように転動体２が接触する軌道面（側面）を含む外周面を備える軸受用軸１であって、炭素を０．７％以上含有する鋼により構成されている。軌道面には、窒素富化層１ａが形成されている。窒素富化層１ａの表面（軸受用軸１の側面におけるショットピーニングにより形成された硬化層１ｂの表面）における圧縮残留応力の絶対値は６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である。

また、本実施形態に従った軸受１０は、軌道面を有する外周面を含む軸受用軸１と、当該軌道面に接触する表面を含む転動体２とを備える。軸受用軸１は、炭素を０．７％以上含有する鋼により構成される。軌道面には、窒素富化層１ａが形成されている。窒素富化層１ａの表面（硬化層１ｂの表面）における圧縮残留応力の絶対値は６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である。

このようにすれば、軌道面における窒素富化層１ａの表面（硬化層１ｂの表面）に十分大きな圧縮残留応力を付与しているので、当該表面における亀裂の発生や当該亀裂の進展を抑制することができる。このため、軸受用軸１における上記表面での疲労亀裂の発生を抑制できる。この結果、軸受用軸１の疲労に対する耐力を向上させることができるので、軸受用軸１および軸受１０の長寿命化を図ることができる。ここで、圧縮残留応力の測定方法としては、Ｘ線回折による測定方法を用いることができる。

なお、上記圧縮残留応力の絶対値の下限値は１０００ＭＰａであってもよい。この場合、上述した疲労に対する耐力を明確に高める（たとえば疲労剥離に関する寿命を従来より長くする）ことができる。また、上記圧縮残留応力の絶対値の下限値は１３００ＭＰａであってもよい。この場合、軸受用軸１の疲労に対する耐力を確実に向上させることができる。

上記軸受１０において、転動体２の表面における表層部（窒素富化層２ａ）での残留オーステナイト量は、軸受用軸１の軌道面に形成された窒素富化層１ａの表層部（硬化層１ｂ）における残留オーステナイト量より多くてもよい。ここで、残留オーステナイト量の測定方法としては、Ｘ線回折による測定方法を用いることができる。

この場合、転動体２の残留オーステナイト量が軸受用軸１の表層部（硬化層１ｂ）における残留オーステナイト量より多くなっているので、軸受用軸１の軌道面と転動体２との間に異物が噛み込んだ場合であっても、転動体２の表面が当該異物により変形できる。このため、当該異物の存在に起因して軸受用軸１側に傷や亀裂などの破損部が発生する可能性を低減できる。

なお、転動体２の表面における表層部（窒素富化層２ａ）での残留オーステナイト量は９体積％以上５０体積％以下であってもよい。転動体２の表層部における残留オーステナイト量の上限を５０体積％としたのは、当該上限を超えると使用時に結晶組織が変態することで発生する寸法変化が軸受１０の特性に影響を与える可能性が高くなるためである。

なお、転動体２の表層部での残留オーステナイト量の上限は３０体積％としてもよい。この場合、結晶組織の変態による寸法変化の影響をより低減できる。また、転動体２の表層部での残留オーステナイト量の下限は１５体積％としてもよい。この場合、異物の噛み込み時に転動体２側で当該異物に起因する変形を容易に起こすことができるため、当該異物により軸受用軸１にて傷などが発生する可能性をより低減できる。

上記軸受１０において、上述のように転動体２の表面には窒素富化層２ａが形成されている。この場合、転動体２の疲労強度や耐摩耗性を向上させることができる。なお、ここで窒素富化層２ａとは、鋼中の窒素濃度を、素材の鋼が含有する窒素濃度に対して増加させた層である。

上記軸受用軸１において、軌道面（側面）に形成された窒素富化層１ａの表面(硬化層１ｂの表面）における硬度（ビッカース硬度）はＨｖ８５０以上Ｈｖ１０００以下である。この場合、当該硬化層１ｂの表面の硬度を十分に高くしているので、異物の噛込みなどに起因する軸受用軸１における圧痕などの発生を抑制できる。このため、異物混入条件下での軸受用軸１における疲労剥離に対する耐久性を高めることができる。

上記軸受用軸１において、軌道面（側面）に形成された窒素富化層１ａの表面粗さ（硬化層１ｂの表面における表面粗さ）は算術平均粗さＲａで０．２μｍ以下である。この場合、軸受用軸１の窒素富化層１ａの表面（硬化層１ｂの表面）に転動体２を接触させて軌道面として用いるときに、軸受用軸１の当該表面の表面粗さが大きすぎて軌道面として利用できない、といった問題の発生を抑制できる。

なお、上記窒素富化層１ａの表面粗さ（硬化層１ｂの表面における表面粗さ）の上限は算術平均粗さＲａで０．０５μｍであってもよい。この場合、軸受用軸の当該表面に接触させた転動体を円滑に転動させることができる。また、上記窒素富化層の表面粗さの上限は算術平均粗さＲａで０．０３μｍであってもよい。

上記軸受用軸１において、軌道面（側面）に形成された窒素富化層１ａの表層部（硬化層１ｂ）における残留オーステナイト量は９体積％以下である。この場合、表層部（硬化層１ｂ）における残留オーステナイト量が低く抑えられているので、軌道面を構成する当該表層部（硬化層１ｂ）における硬度や強度を十分高めることができる。また、上記表層部（硬化層１ｂ）における残留オーステナイト量は５体積％以下であってもよく、３体積％以下であってもよい。

上記軸受用軸１において、上述のように当該軸受用軸１を構成する鋼は高炭素クロム軸受鋼である。この場合、軸受用軸１の内周部１ｃについても十分高い硬度や強度を得ることができる。

＜変形例＞
図５は、図２に示した軸受用軸１の変形例を示す断面模式図である。図５に示すように、軸受用軸１の変形例は、基本的には図２に示した軸受用軸１と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、軸受用軸１の端面から軸受用軸１の中心軸に沿って延びる油穴２１と、軸受用軸１の内部において当該油穴２１に接続されるとともに軸受用軸１の径方向に延びる分岐穴２２とが形成されている点が図２に示した軸受用軸１と異なっている。分岐穴２２の端部は軸受用軸１の側面（転動体２と接触する軌道面）に到達し、当該側面に形成された開口部に繋がっている。このような油穴２１および分岐穴２２が形成されることにより、油穴２１および分岐穴２２を介して軸受用軸１と転動体２との接触部に潤滑油を容易に供給することができる。なお、油穴２１は軸受用軸１を中心軸方向に貫通するように設けられていてもよい。

図６は、図３に示した転動体２の変形例を示す部分断面模式図である。図６に示すように、転動体２の変形例は、基本的には図３に示した転動体２と同様の構成を備え同様の効果を得ることができるが、側面において転動体２の中心軸方向での両端部にクラウニング２ｄが形成されている点が図３に示した転動体２と異なっている。つまり、上記軸受１０において、転動体２は、クラウニング付ころでとなっている。この場合、転動体２の端部における軸受用軸１と転動体２との接触部の接触面圧が局所的に高くなることを防止できる。この結果、軸受用軸１における剥離などの不良の発生を抑制できる。なお、転動体２のクラウニングの形状としては任意の態様を採用することができるが、たとえば対数クラウニングを適用することができる。

図７は、図４に示した保持器３の変形例を示す部分断面模式図である。図７に示すように、保持器３の変形例は、基本的には図４に示した保持器３と同様の構成を備えるが、ポケットに保持される転動体２の中心軸より外側に保持器３の構造（隣接する２つのポケットの間に位置し、転動体２の中心軸に沿って延びる支柱部）が配置されるように構成されている点が、図４に示した保持器３と異なっている。このような構成とすることにより、図７に示した保持器３では図４に示した保持器３より隣接するポケット間の距離を小さくし、結果的に保持される転動体２の数を図４に示した保持器３より多くすることができる。このため、図４に示した保持器を用いる場合より、軸受１０の定格荷重を増加させることができる。

＜適用例＞
図８は、本実施形態に係る軸受用軸１または軸受１０を適用した遊星歯車減速機（遊星減速機とも呼ぶ）を示す模式図である。図９は、図８の線分ＩＸ−ＩＸにおける部分断面模式図である。図８および図９に示すように、本実施形態に係る軸受用軸１または軸受１０を適用した遊星歯車減速機は、入力軸１１と、当該入力軸１１と同軸状に取り付けられた太陽歯車１２と、太陽歯車１２の外径側において減速機のケーシング（図示しない）に同心状態に固定された内歯歯車１３と、太陽歯車１２と内歯歯車１３との間に介在し周方向に等間隔に（図示の場合は入力軸１１から見て約９０°づつ周方向にずれた４個所に）配置された複数個の遊星歯車１４と、各遊星歯車１４の回転を支持する遊星ピンとしての軸受用軸１と、すべての軸受用軸１を回転自在な状態に連結した環状のキャリヤ１６と、キャリヤ１６と同心状態であって一体に設けられた出力軸１７とにより構成される。

図９に示すように、遊星歯車１４と、当該遊星歯車１４を支持する遊星ピンとしての軸受用軸１との間には転動体２（ニードルころ）が配置されている。軸受用軸１は、本実施形態に従った軸受用軸１であり、転動体２と接触する側面（軌道面）に窒素富化層１ａ（図１参照）および硬化層１ｂ（図１参照）が形成されている。また、転動体２も図３に示した転動体２と同様の構成を備えている。

軸受用軸１は、図９に示すように遊星歯車１４の両側に突き出す長さに形成されている。軸受用軸１において遊星歯車１４の端面から突き出た部分の一方を突出部１９、他方を突出部２０とする。軸受用軸１の軸心に油穴２１が貫通状態に設けられている。油穴２１の中間部分である交差部２３において分岐穴２２が当該油穴２１に直交するように設けられる。分岐穴２２の両端部は軸受用軸１の側面（外径面）における開口部に連なっている。

上述した突出部１９は、遊星歯車１４との間に滑り軸受２８（サイドワッシャ）を介した状態で、キャリヤ１６に嵌合固定されている。また、他方の突出部２０も遊星歯車１４との間に滑り軸受２８を介した状態で抜け止め部材２７に嵌合固定されている。抜け止め部材２７は、各遊星歯車１４の軸受用軸１ごとに個別の部材であってもよいが、キャリヤ１６と同様の環状の部材であってもよい。あるいは、抜け止め部材２７はキャリヤ１６と一体になっていてもよい。

このように、遊星歯車１４において本実施形態に従った軸受用軸１および転動体２を用いることで、軸受用軸１の疲労に対する耐力を向上させることができ、軸受用軸１の長寿命化を図ることができる。この結果、当該軸受用軸１によって遊星減速機の寿命が制約されることを避けることができる。

なお、上述した遊星歯車減速機の潤滑方式として油浴潤滑方式を採用することができる。たとえば、減速機を概ねその中心付近まで潤滑油に浸す（図８の潤滑油の油面Ｌ参照）。減速機が駆動されると、遊星歯車１４は自転しつつ、図８の矢印Ｘで示す方向へ点Ｐを中心として公転して油内に出入りする。油中にあるとき油穴２１に流入した油は、分岐穴２２を経て転動体２と軸受用軸１との接触部に供給される。

また、上述した遊星歯車減速機をモータなどの駆動部と接続して一体としてもよい。当該駆動部としては、任意の構成の駆動部を用いることができるが、たとえば電導モータ、あるいは斜板式モータなどの油圧モータを用いることができる。また、本実施形態に係る遊星歯車減速機は、たとえば建設機械のキャタピラを駆動する駆動部に適用されてもよい。この場合、軸受用軸１として内部に油穴２１や分岐穴２２が形成されていない軸受用軸１を適用してもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本実施形態は、遊星歯車減速機などの軸受用軸に特に有利に適用される。

１軸受用軸、１ａ，２ａ窒素富化層、１ｂ硬化層、１ｃ，２ｃ内周部、２転動体、２ｄクラウニング、３保持器、３ａポケット、１０軸受、１１入力軸、１２太陽歯車、１３内歯歯車、１４遊星歯車、１６キャリヤ、１７出力軸、１９，２０突出部、２１油穴、２２分岐穴、２３交差部、２７抜け止め部材、２８滑り軸受。

Claims

転動体が接触する軌道面を含む外周面を備える軸受用軸であって、
炭素を０．７％以上含有する鋼により構成され、
前記軌道面には、窒素富化層が形成され、
前記窒素富化層の表面における圧縮残留応力の絶対値が６００ＭＰａ以上１７００ＭＰａ以下である、軸受用軸。
前記窒素富化層の表面における硬度はＨｖ８５０以上Ｈｖ１０００以下である、請求項１に記載の軸受用軸。
前記窒素富化層の表面粗さは算術平均粗さＲａで０．２μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の軸受用軸。
前記窒素富化層の表層部における残留オーステナイト量が９体積％以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の軸受用軸。
前記鋼は高炭素クロム軸受鋼である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の軸受用軸。