JP2019090475A

JP2019090475A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2019090475A
Application number: JP2017219508A
Authority: JP
Inventors: 秀幸飛鷹; Hideyuki Tobitaka; 理嗣名取; Masahide Natori; いずみ下地; Izumi Shimoji
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2019-06-13

Abstract

【課題】介在物を起点とする剥離を抑制するために、剥離の元となる介在物を起点とした組織変化の発生を抑えた長寿命の転がり軸受を提供する。【解決手段】軸受の稼働前における内輪、外輪または転動体の、表面から１００〜３００μｍの領域における平均硬さをＨｖ１とし、軸受を稼働させ、計算寿命に至ったときの内輪、外輪または転動体の、表面から１００〜３００μｍの領域における平均硬さをＨｖ２とするとき、下記を満足する転がり軸受。（Ｈｖ２−Ｈｖ１）≧３９【選択図】図３

Description

本発明は、転がり軸受に関し、より詳細には軸受寿命を改善した転がり軸受に関する。

転がり軸受の寿命は、ＩＳＯ等の標準規格で定められており、規定された期間まで寿命を確保することが求められている。軸受の寿命は剥離に左右されることが多く、異物の混入の無い潤滑条件が推奨されているが、このような潤滑条件下での剥離は、内輪や外輪、転動体を構成する材料の介在物が起点となって起こる内部起点型剥離が主な原因である。

介在物は、製鋼時に発生する不可避の不純物であり、これを全く無くすることは現状の量産工程ではほぼ不可能である。そこで、材料中の介在物の個数を極力少なくして剥離を抑える技術が提案されている。例えば、特許文献１には、被検面積３２０ｍｍ^２に存在する厚さ１μｍ以上の硫化物系介在物の個数と、酸化物系介在物の最大径を１０μｍ以下に制御することにより、長寿命化した軸受用鋼が開示されている。また、特許文献２には、被検面積３２０ｍｍ^２に存在する酸化物系介在物を１００〜２００個に規定し、更に不純物元素であるＳｂ量を規定して長寿命化した軸受用鋼が開示されている。

特許第３３３８７６１号公報特許第３７７９０７８号公報

しかしながら、微小な被検面積での介在物の個数や大きさを規定しても、実際の軸受においては高い応力が加わる部分に存在する最大の介在物を起点として剥離が生じるため、剥離寿命が予想外に早まることがある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、介在物を起点とする剥離を抑制するために、剥離の元となる介在物を起点とした組織変化の発生を抑えた長寿命の転がり軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受において、軸受の稼働前における内輪、外輪または転動体の、表面から１００〜３００μｍの領域における平均硬さをＨｖ１とし、軸受を稼働させ、計算寿命に至ったときの内輪、外輪または転動体の、表面から１００〜３００μｍの領域における平均硬さをＨｖ２とするとき、「（Ｈｖ２−Ｈｖ１）≧３９」であることを特徴とする転がり軸受を提供する。

本発明によれば、介在物を起点とする組織変化の発生を抑えることができ、それに伴って長寿命の転がり軸受が得られる。

本発明の対象の一つであるラジアル玉軸受を示す一部切欠斜視図である。本発明の対象の一つであるラジアル円すいころ軸受を示す一部切欠斜視図である。実施例１の試験軸受における、バタフライ型組織変化の発生頻度または動的せん断応力の深さ方向の分布を示すグラフである。比較例１の試験軸受における、バタフライ型組織変化の発生頻度または動的せん断応力の深さ方向の分布を示すグラフである。実施例２の試験軸受における、バタフライ型組織変化の発生頻度または動的せん断応力の深さ方向の分布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。

本発明において転がり軸受の種類や構成に制限はなく、例えば図１に示すラジアル玉軸受や、図２に示すラジアル円すいころ軸受を対象とすることができる。図示されるように、ラジアル玉軸受１は、内周面に外輪軌道２を有する外輪３と、外周面に内輪軌道４を有する内輪５と、これら外輪軌道２と内輪軌道４との間に設けた、それぞれが転動体である複数個の玉６、６とを備える。これら各玉６、６は、円周方向に等間隔に配置された状態で、保持器７により、転動自在に保持されている。また、ラジアル円すいころ軸受８は、内周面に円すい凹面状の外輪軌道２ａを有する外輪３ａと、外周面に円すい凸面状の内輪軌道４ａを有する内輪５ａと、これら外輪軌道２ａと内輪軌道４ａとの間に、保持器７ａに保持された状態で転動自在に設けられた、それぞれが転動体である複数の円すいころ９、９とを備える。また、内輪５ａの外周面両端部のうち、大径側端部には大径側鍔部１０を、小径側端部には小径側鍔部１１を、それぞれ形成している。

上記各軸受１，８において、外輪３，３ａや内輪５，５ａの軌道輪、並びに玉６や円すいころ９の転動体は鋼製である。鋼は鉄を主成分とし、各種元素が添加されるが、主な添加元素を下記に示す。

Ｃは、焼入れによって基地に固溶し、硬さを向上させる効果があるため、軌道輪や転動体に必要な硬さを確保するために添加される元素である。

Ｓｉは、基地に固溶して焼き入れ性及び焼き戻し軟化抵抗性を向上させる効果があるため、軌道輪や転動体に必要な硬さを確保させるために添加される元素である。また、Ｓｉは、本発明の重要な目的である介在物起点側剥離の発生を抑える効果もある。即ち、Ｓｉは、基地組織中のマルテンサイトを安定化させ、非金属介在物の周辺に生じるバタフライ型組織変化を遅延させて、介在物起点型剥離が発生するのを抑えて寿命延長に寄与する。

Ｍｎは、基地に固溶して焼き入れ性を向上させる効果があるため、軌道輪や転動体に必要な硬さを確保するために添加される元素である。また、Ｍｎは、Ｓｉと同様に、介在物起点型剥離の発生を抑える効果もある。即ち、ＭｎもＳｉと同様に、基地組織中のマルテンサイトを安定化させ、非金属介在物の周辺に生じるバタフライ型組織変化を遅延させて、介在物起点型剥離が発生するのを抑えて寿命延長に寄与する。尚、鋼中の残留オーステナイトは、軸受の使用に伴って少しずつ分解し、分解に伴って僅かとはいえ膨張する。Ｍｎの含有量が多くなると残留オーステナイト量も多くなるため、過剰のＭｎ添加は軌道輪や転動体の形状及び寸法の安定性を損ねる。

Ｃｒは、基地のマルテンサイト中に固溶する分と、球状化炭化物中に固溶する分とに分配される。そして、基地中のマルテンサイトに固溶したＣｒは、焼入れ性を向上させて軌道輪や転動体に必要な硬さを確保させる。また、Ｃｒは、ＳｉやＭｏと同様に、介在物起点型剥離を抑える効果もある。即ち、Ｃｒは、基地組織中のマルテンサイトを安定化させ、非金属介在物の周辺に生じるバタフライ型組織変化を遅延させて、介在物起点型剥離が発生するのを抑えて寿命延長に寄与する。

Ｍｏは、基地中に固溶して焼き入れ性及び焼き戻し軟化抵抗性を向上させるため、軌道輪や転動体に必要な硬さを確保するために添加される元素である。また、Ｍｏは、ＳｉやＭｎ、Ｃｒと同様に、介在物起点型剥離を抑える効果もある。即ち、Ｍｏは、基地組織中のマルテンサイトを安定化させ、非金属介在物の周辺に生じるバタフライ型組織変化を遅延させて、介在物起点型剥離が発生するのを抑えて寿命延長に寄与する。

Ｎｉは、焼入れ性を向上させる効果と、オーステナイトを安定化させる効果とを持つ元素であり、更には多量に添加すると靱性が向上する。但し、非常に高価であるため、転がり軸受の製造コストが高くなる。

Ｃｕは、焼入れ性を向上させる効果と、粒界強度を向上させる効果とを有する元素である。但し、Ｃｕの含有量が多くなると熱間鍛造性が低下する。

Ｓは、ＭｎＳを形成し、介在物として作用するため、鋼中に含まれるＳ量は少ないほど好ましい。但し、Ｓは自然界に多く存在する元素であり、Ｓの含有量を少なく抑えようとすると鋼材の生産性が低下して製造コストが高まる。

Ｐは、結晶粒界に偏析して鋳塊強度や破壊靱性値を低下させるため、Ｐ量は少ないほど好ましい。但し、Ｐは、Ｓと同様に、自然界に多く存在する元素であるため、Ｐの含有量を少なく抑えようとすると鋼材の生産性が低下して製造コストが高まる。

Ｏは、鋼中でＡｉ_２Ｏ_３等の酸化物系の非金属介在物を形成して、剥離の起点となり転がり疲れ寿命に悪影響を及ぼすため、Ｏの含有量は少ないほど好ましい。

上記の中でも、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｃｒ及びＭｏは、上記のように介在物起点型剥離の発生を抑える効果があるため、添加することが好ましいといえる。なお、本発明は上記に示した合金元素の量によって効果が増減すると考えられるが、汎用の軸受鋼として利用される、例えばＳＵＪ２やＳＵＪ３などに含まれる合金元素量で効果を発揮することが示唆される。

そして、上記の鋼材を所定形成に加工し、焼入れ焼き戻し処理を行ない、表面を研磨して軌道輪や転動体とする。また、素材に軸受鋼や浸炭鋼を用い、浸炭処理や浸炭窒化処理を行って表面に炭素や窒素を浸潤させた層を形成した後、焼入れ・焼戻し処理を行って、表面硬化層を形成しても良い。

本発明では、軌道輪や転動体において、軸受稼働前の表面から１００〜３００μｍの領域での硬さの平均をＨｖ１とし、稼働後、計算寿命に至ったときの表面から１００〜３００μｍの領域での硬さの平均をＨｖ２とすると、（Ｈｖ２−Ｈｖ１）が３９以上となるように制御する。

即ち、軸受の稼働に伴って、軌道輪や転動体がより硬くなりやすいことが重要である。介在物を起点とする剥離では、介在物周りに応力が集中してバタフライと呼ばれる組織変化（以下「バタフライ型組織変化」）が生じ、このバタフライ型組織変化を起点として亀裂が発生し、亀裂が進展して剥離に至ると考えられている。また、バタフライ型組織変化は、塑性変形が集中した結果、生じる組織変化であることが知られている。一方、金属材料では、内部に硬さが異なる部分が存在すると、軟質な部分に変形が集中しやすく、その部分が変形によって強度（硬さ）が増加すると、その部分はそれ以上変形せず、変形する場所は別の軟質部分へと移動することが知られている。従って、介在物の周囲が変形した際の硬化が十分であれば、言い換えると応力集中による介在物周辺の優先的な塑性変形を上回る硬化が生じれば、介在物の周囲のみに変形が集中すること無く、結果として剥離の起点となるバタフライ型組織変化が起こり難くなると考えられる。

冒頭で述べたように、介在物を完全に除去することは現在の量産工程ではほぼ不可能であり、その一方で実際に問題となるのは計算寿命を下回る早期剥離である。従って、計算寿命に至る過程で軌道輪や転動体に加えられる転がり疲労に伴う歪が介在物周りに集中せず、分散させることができれば上記問題を解決できると考えられる。

後述する試験例に示すように、このΔＨｖを３９以上にすることにより、バタフライ型組織変化の発生を抑えて剥離を抑制する効果が顕著に現れる。尚、ΔＨｖは、大きいほど剥離の抑制効果が高まり、好ましい。

ΔＨｖが大きいという事は、言い換えると加工硬化率が高いということであり、例えば後述する試験例に示すような、高温焼戻しが効果的である。本発明で用いている軸受用鋼では炭素量が多いことおよび焼入れによりマルテンサイト組織とすることが標準的であり、これを高温で焼き戻すと、基地組織の転位密度が低下すると同時に炭化物の微細分散が生じる。このような組織では一般に加工硬化率が高いことが知られている。また、残留オーステナイトのマルテンサイト変態によって加工硬化率を上昇させる手段も考えられる。このように種々の手法が考えられるが、結果的には硬さの上昇量で特性を表現することが可能になる。

これらの事項を検証するために、次のような試験を行った。
試験軸受として深溝玉軸受６２０６を想定し、実施例及び比較例とも同じ鋼材を用いて各験軸受を作製した。各試験軸受とも、剥離の起点となる介在物の量や大きさ、分布は同等と見做すことができる。また、熱処理条件を変更して、実施例１及び比較例１の各試験軸受では、内外輪のＨｖ１をＨｖ７３５とし、実施例２の試験軸受では高温焼戻しを行い、Ｈｖ６００とした。尚、ここでのＨｖ１は、軸受稼働後に転がり疲労を受けていない部分の平均硬さである。

また、試験条件は以下の通りとした。
＜試験条件Ａ＞
・試験荷重：１３．８ｋＮ（１４１０ｋｇ）
・回転数：３９００ｍｉｎ^−１
・潤滑方式：強制循環給油（ＦＢＫオイルＲ０６８使用）
・計算寿命：１１．９時間
・試験時間：２０〜３００時間
＜試験条件Ｂ＞
・試験荷重：６．４ｋＮ（６５０ｋｇ）
・回転数：３９００ｍｉｎ^−１
・潤滑方式：強制循環給油（ＦＢＫオイルＲ０６８使用）
・計算寿命：１２１時間
・試験時間：２０〜３００時間

そして、試験軸受のＨｖ１と試験条件との組み合わせを以下の通りとし、試験軸受を回転させ、計算寿命以上稼動させた時点で断面組織を観察し、剥離の起点となるバタフライ型組織変化の発生状態を比較した。具体的には、計算寿命以上稼動させた時点で試験軸受を停止し、内輪の表面近傍の断面を観察し、深さ５０μｍごとにバタフライ型組織変化の発生頻度を測定した。なお、バタフライ型組織変化の発生頻度が高いほど、介在物起点型剥離が起こりやすくなると考えられる。また、動的せん断応力分布は、ヘルツの接触理論から計算によって求めた。
・実施例１：Ｈｖ７３５、試験条件Ａ
・比較例１：Ｈｖ７３５、試験条件Ｂ
・実施例２：Ｈｖ６００、試験条件Ａ

図３に実施例１の試験軸受についての深さ方向におけるバタフライ型組織変化の発生頻度または動的せん断応力の分布を、図４に比較例１の試験軸受についての深さ方向におけるバタフライ型組織変化の発生頻度及び動的せん断応力の分布をそれぞれ示す。

図３と図４とを比較すると、比較例１ではバタフライ型組織変化の発生頻度の分布が動的せん断応力の分布とほぼ一致しているが、実施例１ではバタフライ型組織変化の発生頻度の分布が動的せん断応力の分布に従わず、むしろせん断応力が大きく作用する深さ１００〜３００μｍ付近で減少することが確認できる。

また、深さ１００〜３００μｍの領域において、硬さの高い３点を抽出し、その平均値（Ｈｖ２）を算出し、上記Ｈｖ１からの差であるΔＨｖを求めたところ、実施例１ではΔＨｖ＝３９であり、比較例１ではΔＨｖ＝２５であった。このことから、ΔＨｖが大きいほど、バタフライ型組織変化の発生頻度を少なくすることができ、結果として剥離を抑制できるといえる。

図５に実施例２の試験軸受についての測定結果を示すが、バタフライ型組織変化の発生が大幅に減少しており、表面近傍ではバタフライ型組織変化は見られない。また、同様にしてΔＨｖを求めたところ、Ｈｖ７８であった。試験条件が同じである実施例１との比較から、Ｈｖ１がより小さい、即ちより軟らかい鋼材を用いたこと、軟らかくするために行った高温焼戻しにより、基地組織の転位密度が低下すると供に炭化物が微細分散することで加工硬化率が大きくなり、ひずみが分散されやすくなった結果バタフライ型組織変化の発生が抑えられ、より剥離し難くなると考えられる。

１ラジアル玉軸受
３，３ａ外輪
５，５ａ内輪
６玉
７，７ａ保持器
８ラジアル円すいころ軸受
９円すいころ

Claims

内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受において、
軸受の稼働前における内輪、外輪または転動体の、表面から１００〜３００μｍの領域における平均硬さをＨｖ１とし、
軸受を稼働させ、計算寿命に至ったときの内輪、外輪または転動体の、表面から１００〜３００μｍの領域における平均硬さをＨｖ２とするとき、
（Ｈｖ２−Ｈｖ１）≧３９
であることを特徴とする転がり軸受。