JP2019039046A - 転がり摺動部材及びその製造方法、並びに、当該転がり摺動部材を備えた転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
Description
転がり軸受に関する。
粒界酸化層の厚さ ≦ 転がり摺動部材の等価直径 × 1.4×10−3
を満たすことを特徴としている。
この転がり摺動部材では、表面層が前述のビッカース硬さ及び残留オーステナイト量を有している。この表面層は、硬くしかも強靭である。この転がり摺動部材によれば、長い転動疲労寿命が達成される。しかも粒界酸化層は、その厚さが上記式(I)を満たす程度にしか形成されないため、この転がり摺動部材は良好な耐割損性を有する。この転がり摺動部材によれば、粒界酸化層は脱落しにくいため、相手部材との間で噛み込みが生じるような異物の形成が抑えられる。この転がり摺動部材は、製品寿命の向上に貢献できる。
(1)炭素0.30〜0.45質量%と、ケイ素0.15〜0.45質量%と、マンガン0.40〜1.50質量%と、クロム0.60〜2.00質量%と、モリブデン0.10〜0.35質量%と、バナジウム0.20〜0.40質量%と、アルミニウム0.005〜0.100質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する鋼材から素形材を得る工程、
(2)カーボンポテンシャルが0.9〜1.4の範囲で設定された雰囲気下で、900〜980℃の温度を保持しつつ前記素形材を加熱して、中間素材を得る工程、
(3)820〜900℃の温度から前記中間素材を冷却することで、前記中間素材に対して焼入れを行なう工程
及び
(4)焼入れされた前記中間素材に対して焼戻しを行なう工程と
を含むことを特徴としている。
本発明の一実施形態に係る転がり軸受について、円すいころ軸受を例に挙げて以下に説明する。本発明の転がり軸受は、円すいころ軸受に限られない。この転がり軸受が円筒ころ軸受であってもよい。この転がり軸受が玉軸受であってもよい。
外輪4は、転がり摺動面12において、相手部材である転動体8との間で相対的に接触する。この外輪4は、転動体8との間で相対的に接触する転がり摺動面12を有している。この転動体8との接触には、転がり接触若しくは滑り接触又は両接触が含まれる。
内輪6は、転がり摺動面14において、相手部材である転動体8との間で相対的に接触する。この内輪6は、転動体8との間で相対的に接触する転がり摺動面14を有している。この転動体8との接触には、転がり接触若しくは滑り接触又は両接触が含まれる。
この転がり軸受2では、転動体8は円すいころである。この転がり軸受2は、円すいころ軸受である。この転動体8では、円すいころの側面が転がり摺動面16である。この転動体8は、この転がり摺動面16において、相手部材である外輪4及び内輪6のそれぞれとの間で相対的に接触する。この転動体8は、外輪4及び内輪6のそれぞれとの間で相対的に接触する転がり摺動面16を有している。この外輪4及び内輪6のそれぞれとの接触には、転がり接触若しくは滑り接触又は両接触が含まれる。
前述したように、この転がり軸受2では、外輪4、内輪6及び転動体8の全てが転がり摺動部材18である。以下に、本発明の一実施形態に係る転がり摺動部材18について、外輪4、内輪6及び転動体8に基づいて説明する。
この転がり摺動部材18では、十分な内部硬さと、浸炭時間の短縮効果とを得る観点から、鋼材中に含まれる炭素の含有率は、0.30質量%以上、好ましくは0.35質量%以上である。熱処理前の加工性を十分に得る観点から、炭素の含有率は、0.45質量%以下、好ましくは0.44質量%以下である。
この転がり摺動部材18では、結晶粒界でのフィルム状炭化物の析出を抑制する観点から、鋼材中に含まれるケイ素の含有率は、0.15質量%以上、好ましくは0.20質量%以上、より好ましくは0.25質量%以上である。熱処理前において十分な加工性を確保する観点から、ケイ素の含有率は、0.45質量%以下、好ましくは0.40質量%以下、より好ましくは0.35質量%以下である。
この転がり摺動部材18では、十分な焼入れ性と残留オーステナイト量を得る観点から、鋼材中に含まれるマンガンの含有率は、0.40質量%以上、好ましくは0.45質量%以上、より好ましくは0.50質量%以上である。熱処理前の加工性を十分に得る観点から、マンガンの含有率は、1.50質量%以下、好ましくは1.30質量%以下、より好ましくは1.00質量%以下、さらに好ましくは0.75質量%以下である。
この転がり摺動部材18では、十分な硬さと残留オーステナイト量を得る観点から、鋼材中に含まれるクロムの含有率は、0.60質量%以上、好ましくは0.90質量%以上、より好ましくは1.10質量%以上である。疲労破壊の起点となりうる粗大な析出物の生成を抑制し、転動疲労寿命の低下を防ぐ観点から、クロムの含有率は、2.00質量%以下、好ましくは1.70質量%以下、より好ましくは1.30質量%以下である。
この転がり摺動部材18では、十分な硬さと残留オーステナイト量を得、結晶粒界への炭素の濃化を防ぎ、粒界強度を向上させる観点から、鋼材中に含まれるモリブデンの含有率は、0.10質量%以上、好ましくは0.15質量%以上、より好ましくは0.20質量%以上である。疲労破壊の起点となりうる粗大な析出物の生成を抑制し、転動疲労寿命の低下を防ぐ観点から、モリブデンの含有率は、0.35質量%以下、好ましくは0.30質量%以下、より好ましくは0.28質量%以下である。
この転がり摺動部材18では、析出強化により十分な硬さを得る観点から、鋼材中に含まれるバナジウムの含有率は、0.20質量%以上、好ましくは0.22質量%以上、より好ましくは0.25質量%以上である。炭素の固溶量の低下を防ぎ、残留オーステナイト量を十分に確保する観点から、バナジウムの含有率は、0.40質量%以下、好ましくは0.38質量%以下、より好ましくは0.35質量%以下である。
この転がり摺動部材18では、十分な脱酸の効果を得る観点から、鋼材中に含まれるアルミニウムの含有率は、0.005質量%以上、好ましくは0.008質量%以上、より好ましくは0.010質量%以上である。酸化物系介在物の残留を抑制する観点から、アルミニウムの含有率は、0.100質量%以下、好ましくは0.050質量%以下、より好ましくは0.048質量%以下である。
本発明においては、ビッカース硬さは、転がり摺動部材18をその表面(すなわち、外輪4の転がり摺動面12、内輪6の転がり摺動面14又は転動体8の転がり摺動面16)から深さ方向に切断して得られる切断面において、表面からの深さが50μmとなる位置にビッカース圧子をあてて測定される。
本発明においては、残留オーステナイト量は、X線回折により、転がり摺動部材18の表面から深さが10μmとなる位置までの、α相(マルテンサイト)とγ相(オーステナイト)との積分強度の比を算出することにより得られる。
粒界酸化層の厚さ ≦ 転がり摺動部材18の等価直径 × 1.4×10−3
を満たす。
この転がり摺動部材18では、表面層34が前述のビッカース硬さ及び残留オーステナイト量を有している。この表面層34は、硬くしかも強靭である。この転がり摺動部材18によれば、長い転動疲労寿命が達成される。しかも粒界酸化層は、その厚さが上記式(I)を満たす程度にしか形成されないため、この転がり摺動部材18は良好な耐割損性を有する。この転がり摺動部材18によれば、粒界酸化層は脱落しにくいため、相手部材との間で噛み込みが生じるような異物の形成が抑えられる。この転がり摺動部材18は、製品寿命の向上に貢献できる。
粒界酸化層の厚さ ≦ 転がり摺動部材18の等価直径 × 1.3×10−3
を満たすことが好ましく、次の式(III):
粒界酸化層の厚さ ≦ 転がり摺動部材18の等価直径 × 1.2×10−3
を満たすことがより好ましい。
以上説明した転がり摺動部材18は、
(1)炭素0.30〜0.45質量%と、ケイ素0.15〜0.45質量%と、マンガン0.40〜1.50質量%と、クロム0.60〜2.00質量%と、モリブデン0.10〜0.35質量%と、バナジウム0.20〜0.40質量%と、アルミニウム0.005〜0.100質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する鋼材から素形材を得る工程、
(2)カーボンポテンシャルが0.9〜1.4の範囲で設定された雰囲気下で、900〜980℃の温度を保持しつつ前記素形材を加熱して、中間素材を得る工程、
(3)820〜900℃の温度から前記中間素材を冷却することで、前記中間素材に対して焼入れを行なう工程
及び
(4)焼入れされた前記中間素材に対して焼戻しを行なう工程
を含む製造方法によって得られる。以下に、本発明に係る転がり摺動部材18の製造方法に含まれる、各工程について、図5に示された、内輪6の製造方法に基づいて説明する。
下記の表2に示された4種類の鋼材(鋼材A、鋼材B、鋼材C及び鋼材D)を準備し、円すいころ軸受(軸受呼び番号:TRA0607)用の内輪の素形材を製造した。鋼材B−Dにおける鋼材中に含まれる炭素の含有率は0.30質量%よりも低い。これに対して、鋼材Aでは、鋼材中に含まれる炭素の含有率は0.30質量%よりも高い。鋼材Cの組成には、バナジウムが含有されていない。鋼材Dの組成には、モリブデン及びバナジウムが含有されていない。表2において、Cは炭素であり、Siはケイ素であり、Mnはマンガンであり、Pはリンであり、Sは硫黄であり、Cuは銅であり、Niはニッケルであり、Crはクロムであり、Moはモリブデンであり、Vはバナジウムであり、そして、Alはアルミニウムである。
下記の表3に示された熱処理を施した後、仕上げ加工を施して、実施例1−5及び比較例1−5の内輪(試験片)を得た。
実施例1では、鋼材Aからなる素形材に対して、図6に示された温度プロファイルで、浸炭、焼入れ及び焼戻しが施された。表3に示されているように、浸炭工程では、浸炭温度Cは930℃、浸炭時間Tcは10時間、カーボンポテンシャルCPは0.9に設定された。焼入れ工程では、焼入れ温度Hは870℃、焼入れ温度Hでの保持時間Thは0.5時間に設定された。焼戻し工程では、焼戻し温度Tは180℃、均熱時間Ttは2時間に設定された。この実施例1では、二次焼入れは実施されていない。
カーボンポテンシャルCPを上記の表3に示された通りとした他は、実施例1と同様にして、実施例2−5及び比較例1−2の内輪を得た。
比較例3では、鋼材Bからなる素形材に対して、図7に示された温度プロファイルで、浸炭、一次焼入れ、二次焼入れ及び焼戻しが施された。表3に示されているように、浸炭工程では、浸炭温度Cは930℃、浸炭時間Tcは15.5時間、カーボンポテンシャルCPは1.3に設定された。一次焼入れ工程では、一次焼入れ温度H1は870℃に設定された。二次焼入れ工程では、二次焼入れ温度H2は870℃、二次焼入れ温度H2での保持時間Th2は1時間に設定された。焼戻し工程では、焼戻し温度Tは180℃、均熱時間Ttは2時間に設定された。
比較例4では、鋼材Cからなる素形材に対して、図7に示された温度プロファイルで、浸炭、一次焼入れ、二次焼入れ及び焼戻しが施された。表3に示されているように、浸炭工程では、浸炭温度Cは960℃、浸炭時間Tcは15.5時間、カーボンポテンシャルCPは1.45に設定された。一次焼入れ工程では、一次焼入れ温度H1は880℃に設定された。二次焼入れ工程では、二次焼入れ温度H2は810℃、二次焼入れ温度H2での保持時間Th2は1時間に設定された。焼戻し工程では、焼戻し温度Tは180℃、均熱時間Ttは2時間に設定された。
比較例5では、鋼材Dからなる素形材に対して、図7に示された温度プロファイルで、浸炭、一次焼入れ、二次焼入れ及び焼戻しが施された。表3に示されているように、浸炭工程では、浸炭温度Cは960℃、浸炭時間Tcは15.5時間、カーボンポテンシャルCPは1.45に設定された。一次焼入れ工程では、一次焼入れ温度H1は880℃に設定された。二次焼入れ工程では、二次焼入れ温度H2は850℃、二次焼入れ温度H2での保持時間Th2は1時間に設定された。焼戻し工程では、焼戻し温度Tは180℃、均熱時間Ttは2時間に設定された。
[等価直径]
各試験片の等価直径を設定した。この等価直径の設定では、円すいころ軸受(軸受呼び番号:TRA0607)用の内輪を試験片に用いているので、内径Xは30.00mm、肉厚Yは6.63mm、そして幅Zは19.00mmとして、前述の表1に基づいてリングの形状係数(1.48)を得た。このリングの形状係数と肉厚Yとの積が9.8なので、この試験片の評価では、等価直径を10mmとし、前述の式(I)に基づく、粒界酸化層厚さの上限基準は14μmに設定された。
実施例1−5及び比較例1−5の各試験片について、ビッカース硬さ及び残留オーステナイト量を計測した。この結果が、下記の表4に示されている。
実施例1−5及び比較例1−5の各試験片について、転がり摺動面から深さ方向に切断して切断面を得、この切断面に対してナイタール処理を行った。この切断面を金属顕微鏡で観察し、転がり摺動面から最も深い位置までの長さ、すなわち、粒界酸化層の表面から底までの長さを計測した。この計測値が、粒界酸化層厚さとして、下記の表4に示されている。なお、この粒界酸化層の観察例として、実施例3の観察写真が図9に、比較例3の観察写真が図10に示されている。
実施例1−5及び比較例1−5の各試験片について、図8に示された測定冶具40をアムスラー式の圧縮試験機(250kN)にセットして、内輪大鍔圧壊荷重を計測した。この結果が、下記の表4に示されている。なお、測定冶具40は、サポートリング42と押圧ピストン44とを備えている。圧壊荷重の計測では、図8に示されているように、試験片である内輪6を押圧ピストン44とサポートリング42とで挟み込み、圧縮試験機のクロスヘッド46で押圧ピストンを押すことで、内輪6に荷重が負荷された。なお、この計測では、負荷速度は100kgf/secに設定された。
表4に示されているように、実施例1−5と同じ鋼材Aを用い、カーボンポテンシャルCPを1.5に設定して熱処理工程を実施した比較例1では、ビッカース硬さ及び残留オーステナイト量が実施例1−5と同等のレベルにあるにもかかわらず、粒界酸化層の厚さは粒界酸化層厚さの上限基準(14μm)よりも大きく、しかも、内輪大鍔圧壊荷重が実施例1−5よりも低い。
鋼材Aを用い、カーボンポテンシャルCPを0.8に設定して熱処理工程を実施した比較例2では、粒界酸化層の厚さが2μmと粒界酸化層の形成が抑えられているにもかかわらず、ビッカース硬さ及び残留オーステナイト量は実施例1−5よりも小さい。この比較例2では、内輪大鍔圧壊荷重が低いと想定できたため、圧壊荷重は計測されていない。
鋼材中に含まれる炭素含有率が鋼材Aよりも低い、鋼材B−Dを用いた、比較例3−5では、ビッカース硬さ及び残留オーステナイト量は実施例1−5と同等である。しかし、この比較例3−5は、表面層の形成のために相対的に高いカーボンポテンシャルが設定されているが、実施例1−5よりも長い浸炭時間を要している。粒界酸化層の厚さは粒界酸化層厚さの上限基準(14μm)よりも大きく、比較例3−5の圧壊荷重は実施例1−5の圧壊荷重よりも低い。
比較例1−5に対して、実施例1−5では、ビッカース硬さが727.3−775.3(HV)であり、これらの残留オーステナイト量は26〜35(%)であった。この実施例1−5では、転がり軸受の用途で要求される、表面層の硬さ及び靭性が十分に確保されている。さらに、粒界酸化層の厚さは2〜12μmであり、粒界酸化層厚さの上限基準(14μm)よりも小さい。つまり、実施例1−5では、粒界酸化層の形成が抑えられている。さらに実施例1−5では、内輪大鍔圧壊荷重が、比較例1−5の内輪大鍔圧壊荷重よりも相対的に高く、耐割損性に優れ、製品寿命の向上に貢献できる内輪(転がり摺動部材)が形成されていることがわかる。しかも実施例1−5の浸炭時間は比較例3−5のそれよりも短く、実施例1−5は製造コストの低減にも貢献できることがわかる。
Claims (4)
- 相手部材との間で相対的に接触する転がり摺動面を有する転がり摺動部材であって、
炭素0.30〜0.45質量%と、ケイ素0.15〜0.45質量%と、マンガン0.40〜1.50質量%と、クロム0.60〜2.00質量%と、モリブデン0.10〜0.35質量%と、バナジウム0.20〜0.40質量%と、アルミニウム0.005〜0.100質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する素形材から形成されており、前記素形材の組成と同等の組成を有する基体部と、前記基体部の周囲に位置し前記転がり摺動面を含む表面層とを備えており、
前記表面層のビッカース硬さが700〜800であり、
前記表面層の残留オーステナイト量が25〜50体積%であり、
前記表面層における粒界酸化層の厚さが、前記転がり摺動部材の等価直径を用いて表される、式(I):
粒界酸化層の厚さ ≦ 転がり摺動部材の等価直径 × 1.4×10−3
を満たすことを特徴とする、転がり摺動部材。 - 前記表面層が浸炭層又は浸炭窒化層である、請求項1に記載の転がり摺動部材。
- 転がり摺動面を内周に有する外輪と、転がり摺動面を外周に有する内輪と、前記外輪の転がり摺動面と前記内輪の転がり摺動面との間に配置された複数の転動体とを有する転がり軸受であって、
前記外輪、前記内輪及び前記転動体のうち、少なくとも1つが、請求項1又は2に記載の転がり摺動部材であることを特徴とする、転がり軸受。 - 相手部材との間で相対的に接触する転がり摺動面を有する転がり摺動部材の製造方法であって、
(1)炭素0.30〜0.45質量%と、ケイ素0.15〜0.45質量%と、マンガン0.40〜1.50質量%と、クロム0.60〜2.00質量%と、モリブデン0.10〜0.35質量%と、バナジウム0.20〜0.40質量%と、アルミニウム0.005〜0.100質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である組成を有する鋼材から素形材を得る工程と、
(2)カーボンポテンシャルが0.9〜1.4の範囲で設定された雰囲気下で、900〜980℃の温度を保持しつつ前記素形材を加熱して、中間素材を得る工程と、
(3)820〜900℃の温度から前記中間素材を冷却することで、前記中間素材に対して焼入れを行なう工程と、
(4)焼入れされた前記中間素材に対して焼戻しを行なう工程と
を含むことを特徴とする、転がり摺動部材の製造方法。
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