JP3326834B2 - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、転がり軸受に関し、特
に、自動車、農業機械、建設機械、および鉄鋼機械等の
トランスミッションやエンジン用等に好適に使用され
る、転がり疲れ寿命の長いものに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、転がり軸受の内輪、外輪、および
転動体の材料としては、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を
初めとして各種の合金鋼が使用されている。しかし、近
年、転がり軸受にかかる荷重が大きくなる反面、転がり
軸受にも小型化が要求されることから、負荷される面圧
が増大する傾向にある。また、回転部材の高速回転化や
機械の密閉化に伴って転がり軸受の使用温度が上昇し、
潤滑用の油膜形成が不十分となるなど、転がり軸受の使
用環境は過酷になってきている。
【０００３】特に、各種機械のトランスミッション等用
の転がり軸受においては、潤滑油中に金属の切粉や削り
屑、バリ、磨耗粉等の異物が混入したまま使用されるた
め、このような異物が内輪、外輪、および転動体に損傷
を与えて、転がり疲れ寿命を著しく低下させていた。こ
のような問題を解決するために、本出願人は、転がり軸
受を構成する内輪、外輪、および転動体の少なくとも一
つが、Ｍｎ；０．２〜１．７重量％、Ｓｉ；０．２〜
１．２重量％、Ｃｒ；０．２〜１．７重量％、Ｍｏ；
０．１〜０．３重量％、Ｎｉ；０．１〜１．０重量％の
二種以上、およびＣ；０．４〜０．７重量％、残部Ｆｅ
よりなる合金鋼を、表面部の浸炭量および窒化量の合計
が０．３５〜０．６重量％、且つ表面部の固溶炭素量お
よび固溶窒素量の合計が０．７５〜１．１重量％となる
ように浸炭窒化してなり、芯部の硬さがＨR Ｃ５７〜６
４、表面部と芯部の硬さの差が±ＨR Ｃ５以内である転
がり軸受を提案した（特開昭６３−３０３２２２号公報
参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術においても、異物混入潤滑下における転がり疲れ
寿命向上の点においてさらなる改善の余地があった。ま
た、耐磨耗性や耐焼付き性については特に考慮されてい
なかった。したがって、本発明は、転がり軸受の、異物
混入潤滑下における転がり疲れ寿命を向上させるととも
に、耐磨耗性や耐焼付き性をも改善することを課題とす
るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、内輪、外輪、および転動体を備えた転が
り軸受において、前記内輪、外輪、および転動体の少な
くとも一つが、Ｃを０．１０〜１．０重量％、Ｃｒを
０．５０〜３．０重量％含有する合金鋼を浸炭窒化して
なり、その表層部における炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）との
合計含有量（Ｃ＋Ｎ）が１．０〜２．０重量％であり、
炭素（Ｃ）に対する窒素（Ｎ）の含有割合（Ｎ／Ｃ）が
０．８〜２．０であることを特徴とする転がり軸受を提
供する。本発明の転がり軸受において、前記合金鋼は、
更に、Ｍｏを０．１０〜２．０重量％、Ｓｉを０．１５
〜１．０重量％、Ｍｎを０．２０〜１．５重量％、およ
びＮｉを０．２０〜１．０重量％を含有することが好ま
しい。 本発明の転がり軸受において、表層部における炭
素（Ｃ）と窒素（Ｎ）との合計含有量（Ｃ＋Ｎ）が１．
６５〜２．００重量％であり、炭素（Ｃ）に対する窒素
（Ｎ）の含有割合（Ｎ／Ｃ）が１．１０〜１．９３であ
ることが好ましい。
【０００６】なお、本発明における表層部とは、表面か
ら転動体直径の２％に対応する深さまでをいう。また、
前記合金鋼には、前記成分以外にＯ，Ｓ，Ｔｉなどの不
純物を、軸受用鋼における許容含有率以下で含有されて
いてもよい。
【０００７】
【作用】本発明によれば、転がり軸受の内輪、外輪、お
よび転動体の少なくとも一つにおいて、その表層部にお
ける炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）との合計含有量（Ｃ＋Ｎ）
を１．０〜２．０重量％とし、炭素（Ｃ）に対する窒素
（Ｎ）の含有割合（Ｎ／Ｃ）を０．８〜２．０とするこ
とにより、炭化物とともに、炭化物よりも微細な炭窒化
物およびクロム窒化物とを前記表層部に多量に分散させ
ることができる。これにより、異物混入潤滑下における
転がり疲れ寿命が向上されるとともに、耐磨耗性、耐焼
付き性、および耐焼戻し性にも優れた転がり軸受を得る
ことができる。
【０００８】（Ｃ＋Ｎ）を１．０〜２．０重量％とした
のは、炭化物、炭窒化物、およびクロム窒化物を表層部
に多量に分散させながら、マトリックス中のＣ，Ｎ量を
確保することによりマトリックスに十分な強度を与える
ためである。そして、（Ｃ＋Ｎ）が１．０重量％未満で
あると、炭化物、炭窒化物、およびクロム窒化物の分散
が十分に行われず、マトリックスの強度も不十分とな
る。（Ｃ＋Ｎ）が２．０重量％を超えると、表層部に巨
大炭化物が形成されることにより、マトリックスとの境
界に応力が集中して転がり疲れ寿命を低下させる。
【０００９】また、（Ｃ＋Ｎ）が１．０〜２．０重量％
の範囲にあっても（Ｎ／Ｃ）が０．８未満であると、表
層部に巨大炭化物が形成されて、前述のように転がり疲
れ寿命が低下する。（Ｎ／Ｃ）が２．０を超えると、表
層部における残留オーステナイト量が多くなりすぎて、
マトリックスの強度が不十分となる。一方、本発明にお
いて、素材の合金鋼は、Ｃを０．１０〜１．０重量％、
Ｃｒを０．５０〜３．０重量％含有するものである。本
発明の好適態様において、前記合金鋼は、更に、Ｍｏを
０．１０〜２．０重量％、Ｓｉを０．１５〜１．０重量
％、Ｍｎを０．２０〜１．５重量％、およびＮｉを０．
２０〜１．０重量％含有するものである。
【００１０】Ｃの含有量０．１０〜１．０重量％は、通
常の軸受用材料となる肌焼鋼や軸受鋼の炭素含有率であ
る。Ｃの含有量が０．１０重量％未満であると、浸炭窒
化処理にかかる時間が長くなり、Ｃの含有量が１．０重
量％を超えると、表層部に巨大炭化物が形成されること
になる。Ｃｒを０．５０〜３．０重量％含有したのは、
炭化物、炭窒化物、およびクロム窒化物を表層部に多量
に析出させるとともに、これらの粒径を微細にするため
である。Ｃｒの含有量が０．５０重量％未満であると、
浸炭窒化時に炭化物の巨大化が起こりやすく、３．０重
量％を超えると、表面にＣｒ酸化物が形成されて炭素や
窒素が入り難くなることから浸炭窒化特性が低下する。
【００１１】Ｍｏを０．１０〜２．０重量％含有したの
は、焼入性を増進し、強靱性を付与するためである。
０．１０重量％未満ではその作用が発揮できず、２．０
重量％を超えると炭窒化物の粒径が大きくなる。Ｓｉを
０．１５〜１．０重量％含有したのは、機械的性質と熱
処理特性とを確保するためである。０．１５重量％未満
であると芯部の靱性が低下し、１．０重量％を超える
と、炭素や窒素が表面から入り難くなることから浸炭窒
化特性が低下する。
【００１２】Ｍｎを０．２０〜１．５重量％含有したの
は、焼入性を増進し、強靱性を付与するためである。
０．２０重量％未満ではその作用が発揮できず、１．５
重量％を超えると鋼材の被切削性および熱間加工性が低
下する。Ｎｉを０．２０〜１．０重量％含有したのは、
焼入組織を均質化して耐衝撃性を向上させるためであ
る。０．２０重量％未満ではその作用が発揮できず、
１．０重量％を超えて大量にＮｉを含有させることは不
経済である。Ｎｉの代わりにＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒを用
いた方が経済的となる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。下
記の表１に示す組成の合金鋼に対して、図１に示すサイ
クルにより、浸炭窒化とその後処理としての熱処理とを
行った。
【００１４】
【表１】
【００１５】すなわち、『ＲＸガス』（商標）〔ガス組
成：ＣＯ2 ；０．３体積％，ＣＯ；２４．０体積％，Ｈ
2 ；３３．４体積％，ＣＨ4 ；０．４体積％，Ｎ2 ；残
り〕に２０体積％のＮＨ3 を加えた気体を用いて８４０
℃で８時間浸炭窒化を行い、油焼入れを行った後に、硬
さ向上を目的として８２０℃で３０分間保持し、油焼入
れを行った後に、１８０℃で１００分間焼戻しを行っ
た。このような処理を行った合金鋼の表層部におけるＣ
およびＮの含有量を、表面からの深さに対して調べたプ
ロファイルを図２に示す。
【００１６】図２の結果を参考にして前記合金鋼を浸炭
窒化することにより、０．１ｍｍ深さにおける（Ｃ＋
Ｎ）と（Ｎ／Ｃ）とが、表２に示すような各値となる板
状の試験片を作製した。
【００１７】
【表２】
【００１８】表２に示した各ロットの試験片について、
常温（２５℃）と１３０℃とにおいて、異物混入潤滑下
における転がり寿命試験を、『特殊鋼便覧』第一版（電
気製鋼研究所編、理工学社、１９６９年５月２５日）第
１０−２１頁記載のスラスト型軸受鋼寿命試験機を用い
て行った。試験条件は以下の通りである。 ＜常温下＞ Ｐmax （面圧）：５００ｋｇｆ／ｍｍ2 回転数 ：１０００ｒｐｍ 潤滑油 ：タービンＶＧ６８ ＜１３０℃下＞ Ｐmax （面圧）：５６０ｋｇｆ／ｍｍ2 回転数 ：１０００ｒｐｍ 潤滑油 ：タービンＶＧ１５０ ＜混入異物＞ 硬さＨｖ８７０のＦｅ3 Ｃ系粉（粒径７４〜１４７μ
ｍ） 潤滑油中に３００ｐｐｍだけ混入 ここでは、各ロットの試験片１０枚ずつについて試験を
行い、各ロット毎に、各試験片にフレーキングが発生し
た時点までの累積応力繰り返し回数（寿命）を調べてワ
イブルプロットを作成し、各ワイブル分布の結果から、
それぞれのＬ10寿命を求めた。このＬ10寿命を比較した
結果を示すグラフを、常温下については図３に、１３０
℃下については図４にそれぞれ示す。
【００１９】また、各ロットの試験片について、図５に
示すようなサバン式磨耗試験機を用いて、比磨耗量と焼
付き限界とを測定した。 ＜試験条件＞ 潤 滑：乾燥（無潤滑） 荷 重：３．６８ｋｇｆ （初期面圧Ｐmax ：１０ｋｇｆ／ｍｍ2 ） すなわち、同じロットの試験片からなる固定試験片１と
回転試験片２とを取り付け、荷重用の重り３とバランス
用の重り４とを取り付けた状態で、回転試験片２を固定
試験片１に対して１ｍ／ｓの速度で回転させて、回転試
験片２の外周面の総走行距離が１ｋｍとなるまでの間
に、一定距離毎に固定試験片１の磨耗体積を測定して比
磨耗量を算出する。また、焼付き限界については、摩擦
速度０．５〜３．５ｍ／ｓで回転試験片２を回転させ、
磨耗状態が非付着磨耗から付着磨耗に変化する時の摩擦
速度を調べた。結果を以下の表３に示す。
【００２０】
【表３】
【００２１】図３および図４と表３の結果から、本発明
の実施例に相当するロットNo. １〜４の試験片では、常
温および１３０℃での異物混入潤滑下における転がり寿
命、耐磨耗性、および耐焼付き性のいずれの点において
も、比較例（ロットNo. ５〜１０）のものと比べて良好
な結果が得られていることが分かる。したがって、本発
明により、異物混入潤滑下における転がり疲れ寿命、耐
磨耗性、および耐焼付き性に優れた転がり軸受を提供す
ることができる。
【００２２】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の転が
り軸受によれば、前記内輪、外輪、および転動体の少な
くとも一つが、Ｃを０．１０〜１．０重量％、Ｃｒを
０．５０〜３．０重量％含有する合金鋼を浸炭窒化して
なり、その表層部における炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）との
合計含有量（Ｃ＋Ｎ）が１．０〜２．０重量％であり、
炭素（Ｃ）に対する窒素（Ｎ）の含有割合（Ｎ／Ｃ）が
０．８〜２．０であることにより、異物混入潤滑下にお
ける転がり疲れ寿命を向上させるとともに、耐磨耗性や
耐焼付き性をも改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において採用した浸炭窒化処理および熱
処理サイクルを示すグラフである。
【図２】実施例で図１のサイクルにより浸炭窒化された
表１の合金鋼における、表層部のＣおよびＮの含有量と
その表面からの深さとの関係を示すグラフである。
【図３】実施例における各ロット（No. １〜１０）のＬ
10寿命（常温下）を比較したグラフである。
【図４】実施例における各ロット（No. １〜１０）のＬ
10寿命（１３０℃下）を比較したグラフである。
【図５】実施例において使用したサバン式磨耗試験機の
概要図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 33/30 - 33/34 F16C 33/62 - 33/64 C22C 38/00 C23C 8/32

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内輪、外輪、および転動体を備えた転が
    り軸受において、前記内輪、外輪、および転動体の少な
    くとも一つが、 Ｃを０．１０〜１．０重量％、Ｃｒを０．５０〜３．０
    重量％含有する合金鋼を浸炭窒化してなり、その表層部
    における炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）との合計含有量（Ｃ＋
    Ｎ）が１．０〜２．０重量％であり、炭素（Ｃ）に対す
    る窒素（Ｎ）の含有割合（Ｎ／Ｃ）が０．８〜２．０で
    あることを特徴とする転がり軸受。
  2. 【請求項２】 前記合金鋼は、更に、Ｍｏを０．１０〜
    ２．０重量％、Ｓｉを０．１５〜１．０重量％、Ｍｎを
    ０．２０〜１．５重量％、およびＮｉを０．２０〜１．
    ０重量％を含有する請求項１記載の転がり軸受。
  3. 【請求項３】 表層部における炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）
    との合計含有量（Ｃ＋Ｎ）が１．６５〜２．００重量％
    であり、炭素（Ｃ）に対する窒素（Ｎ）の含有割合（Ｎ
    ／Ｃ）が１．１０〜１．９３である請求項１または２記
    載の転がり軸受。
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