JP3404899B2

JP3404899B2 - 転がり軸受

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Publication number: JP3404899B2
Application number: JP16673594A
Authority: JP
Inventors: 賢二山村; 修二和田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 2003-05-12
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: JPH0827542A; US5800637A; GB2291651B; GB2291651A; GB9514778D0

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車，農業機械，建
設機械及び鉄鋼機械等に使用される転がり軸受に係り、
長寿命かつ耐摩耗性が要求される用途に使用される転が
り軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受は、高面圧下で繰り返しせん
断応力を受けるという厳しい使われ方をするため、その
せん断応力に耐えて転がり疲労寿命を確保するために、
高炭素クロム軸受（ＳＵＪ２）を用いて、これに焼入れ
・焼戻しを施し、硬さをＨ_RＣ５８〜６４としていた。

【０００３】また、肌焼鋼を用いた転がり軸受において
は、ＳＣＲ４２０，ＳＣＭ４２０，ＳＡＥ４３２０Ｈ等
を用い、これに浸炭又は浸炭窒化処理，焼入，焼戻を施
すことにより、表面硬さがＨ_RＣ５８〜６４で、かつ心
部硬さがＨ_RＣ３０〜４８になるようにして必要とされ
る寿命を確保してきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
自動車の高速化，軽量化，低燃費化や鉄鋼設備のメンテ
ナンスフリー化で、軸受の使用条件が非常に苛酷化して
いる。このため、潤滑油中に混入する異物による軸受表
面の損傷による剥離や、潤滑不良による摩耗等が問題に
なってきている。一方、こうした厳しい条件下での軸受
の長寿命化の要求が高まっている。

【０００５】このような状況に対し、例えば特開平２−
２７７７６４号に、高クロム鋼に浸炭又は浸炭窒化を施
し軸受表層に微細炭化物を析出させ、かつ残留オーステ
ナイト量を適正化することにより、異物混入潤滑下での
長寿命下を図る技術が開示されている。しかし、潤滑不
良による摩耗に対しては十分に考慮がなされていないと
いう問題点がある。

【０００６】そこで本発明は、異物混入潤滑下での長寿
命化のみでなく、耐摩耗性にも優れた転がり軸受を提供
することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従来から、軸受材料の耐
摩耗性を向上させるためにＣｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形
成元素を多量に添加し、軸受表層に炭化物を多量に析出
させる方法が知られている。寿命に悪影響を及ぼさない
程度に炭化物の量を多くして耐摩耗性を向上させようと
する考え方によるものであるが、本願発明者等は、軸受
表層の炭化物の形態および炭化物量に着目し、それらと
寿命及び耐摩耗性との関係について研究を行った結果、
Ｖを添加し、ＶＣ型炭化物を析出させることが耐摩耗性
を著しく向上させることを見出した。

【０００８】また、Ｃｒ，Ｖの濃度とＣの濃度とが特定
の関係を満足する場合に、非常に微細で高硬度なＶＣ型
炭化物が析出し、かつ粗大で脆いＭ₃Ｃ型炭化物の析出
を防止することができ、更に炭化物の面積率を特定の範
囲内とすることにより耐摩耗性に優れるとともに長寿命
な転がり軸受が得られることを見出して本発明をなすに
至ったものである。

【０００９】上記の目的を達成するため、本発明に係る
請求項１の転がり軸受は、内輪，外輪，および転動体か
らなる転がり軸受において、当該内輪，外輪，および転
動体の少なくとも一つが、Ｃ；0.2 〜 1.0重量％、Ｃ
ｒ；3.0 〜14.0重量％、Ｖ；0.8 〜 3.0重量％を含有
し、あるいはさらにＭｏ；3.0 重量％以下を含有し、残
部がＦｅ及び不可避的不純物である合金鋼からなり、且
つ浸炭又は浸炭窒化処理に引き続いて焼入・焼戻を施さ
れ、表面炭素濃度（Ｃ％）と前記合金鋼に含まれるＣｒ
濃度（Ｃｒ％），Ｖ濃度（Ｖ％）とがＣ％≦0.13（Ｃｒ％＋Ｖ％）＋1.10 の関係を満足することを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明に係る請求項２の転がり軸受
は、前記請求項１に記載の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の軌道面又は
転動面の炭化物の面積率が15〜50％であることを特徴と
するものである。さらに、本発明に係る請求項３の転が
り軸受は、前記請求項１に記載の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の軌道
面又は転動面の炭化物の面積率が15〜35％であることを
特徴とするものである。さらにまた、本発明に係る請求
項４の転がり軸受は、前記請求項２又は請求項３に記載
の転がり軸受において、前記炭化物がＶＣ型炭化物であ
ることを特徴とするものである。

【００１１】以下に、本発明の転がり軸受に用いられる
含有元素の作用及びその臨界的意義について説明する。Ｃ；0.2 〜 1.0重量％Ｃは炭化物を形成し、基地をマルテンサイト化すること
により焼入・焼戻後の硬さを向上させるために必要な元
素である。

【００１２】炭素含有量を0.2 重量％以上したのは、浸
炭又は浸炭窒化時にオーステナイト相と未溶解炭化物の
混合組織として、結晶粒界に網目状の粗大炭化物が析出
するのを防止するためである。一方、上限を1.0 重量％
としたのは、これ以上含有すると心部の靱性を低下させ
るからである。Ｃｒ；3.0 〜14.0重量％Ｃｒは焼入れ性を向上させ、基地を固溶強化する。その
他に、多量に添加することにより浸炭又は浸炭窒化によ
り生成する炭化物を硬くて粒成長の遅いＭ₇Ｃ ₃型に変
えて炭化物の粗大化を防止し、転動疲労寿命を向上する
のに役立つ。

【００１３】Ｃｒの含有量の下限を3.0 重量％としたの
は、基地を強化させると共に粗大なＭ₃Ｃ型炭化物の生
成を防止するためである。一方、上限を14.0重量％とし
たのは、これを超えると素材の段階で巨大炭化物ができ
てしまい、この炭化物の回りで応力集中が生じて寿命の
低下をきたすためである。Ｖ；0.8 〜 3.0重量％Ｖは焼戻し軟化抵抗を増大し、非常に微細で高硬度なＶ
Ｃ炭化物を生成して耐摩耗性及び寿命特性の向上に有効
な元素である。

【００１４】Ｖ含有量の下限を0.8 重量％としたのは、
それ以下では添加効果が少ないためである。一方、上限
を3.0 重量％としたのは、あまり多量に添加すると研削
性が悪くなるため及び高価になるためである。Ｍｏ；3.0 重量％以下Ｍｏは選択的に含有する元素であって、Ｖと同様に焼戻
し軟化抵抗を増大する。また、Ｃｒと同様に浸炭又は浸
炭窒化により析出する炭化物の粗大化を防止し、転動疲
労寿命を向上するのに役立つ。

【００１５】上限を3.0 重量％としたのは、あまり多量
に添加すると塑性加工性が悪くなるため及び高価になる
ためである。次ぎに、浸炭又は浸炭窒化による表面炭素
濃度（Ｃ％）と前記合金鋼に含まれるＣｒ濃度（Ｃｒ
％），Ｖ濃度（Ｖ％）とがＣ％≦0.13（Ｃｒ％＋Ｖ％）＋1.10 の関係を満足することと、炭化物の面積率を15〜50％と
した理由について述べる。

【００１６】表面炭素濃度がＣ％≦0.13（Ｃｒ％＋Ｖ
％）＋1.10であれば、非常に微細で高硬度なＶＣ型炭化
物が析出し、その析出強化により耐摩耗性向上の効果が
著しい。一方、Ｃ％＞0.13（Ｃｒ％＋Ｖ％）＋1.10で
は、粗大で脆いＭ₃Ｃ型等の炭化物が析出するため、耐
摩耗性の向上が不十分である。また、炭化物の面積率が
１５％を越えると、耐摩耗性の向上が顕著になる。しか
し、炭化物の面積率が５０％を越えると、素材としての
機械的強度の低下が著しい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の転がり軸受１の一実施例の正面図
で、外輪２，内輪３，転動体４，保持器５を備えてい
る。この転がり軸受１に用いた素材の合金組成を表１に
示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１中、Ｎｏ．１〜６は本発明の合金鋼で
ある。比較例Ｎｏ．７はＶの含有量が本発明の範囲外に
ある。比較例Ｎｏ．８はＣｒの含有量が本発明の範囲外
にある。従来例Ｎｏ．９（ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２）及び１
０（ＪＩＳ鋼種ＳＣＲ４２０）はいずれもＶを含有せ
ず、且つＣｒの含有量も本発明の範囲外にある。表１に
示す組成の各種合金鋼を用いて転がり軸受１の内輪３を
形成して試験体とし、これに浸炭処理，焼入れ等の熱処
理を施すことにより、表２の供試片Ａ〜Ｐを作成した。
本試験における熱処理条件はつぎのようにした。

【００２０】本発明例である供試片Ａ〜Ｆ及び比較例で
ある供試片Ｇ〜Ｎの浸炭焼入処理では、浸炭を浸炭ガス
雰囲気で９２０〜９５０℃で４〜８時間行った後、その
まま焼入れし、次いで１８０℃で２時間の焼戻しを行っ
た。また、鋼種がＳＵＪ２である供試片Ｏに対しては、
８４０℃で焼入れを行った後、１８０℃で２時間の焼戻
しを行った。

【００２１】また、鋼種がＳＣＲ４２０である供試片Ｐ
に対しては、浸炭を９３０℃で４時間行ない、次いで８
６０℃で二次焼入を行った後、１８０℃で２時間の焼戻
しを行った。上記の熱処理を施した各供試片（内輪）に
ついて、熱処理品質（表面炭素濃度，炭化物面積率）の
評価、摩耗試験及び寿命試験を行って結果を比較した。

【００２２】ここに、表面炭素濃度とは、供試片である
内輪の外径面から外径の２％の深さ迄の平均炭素濃度
（重量％）である。摩耗試験は、図２に示す二円筒式摩
耗試験機を用いて行い、上下に対向させた一対の円筒１
０にそれぞれ供試片Ｓを装着して、上から荷重Ｐを負荷
しながら互いに接触状態で逆方向に低速回転させて両供
試片Ｓの摩耗率（ｍｇ／ｍ）の平均値を求めるものであ
る。特に、潤滑不良状態での耐摩耗性を試験するべく、
回転中は、油膜が切れ易い低粘度の潤滑油を注ぐように
した。

【００２３】その摩耗試験条件は次の通りとした。荷重；１００ｋｇｆ面圧；１００ｋｇｆ／ｍｍ² 回転数；１０ｒｐｍ滑り率；３０％潤滑油；Ｓ１０油温；６０℃ 寿命試験は、森式スラスト型転がり寿命試験機を用いて
行い、異物混入潤滑下で試験を行った。

【００２４】その試験条件は次ぎの通りとした。荷重；６５５ｋｇｆ面圧；５００ｋｇｆ／ｍｍ² 回転数；１０００ｒｐｍ潤滑油；＃６８タービン油混入異物；ＳＵＳ４２０Ｊ２鋼粉、硬さＨ_RＣ５２、粉
径８０〜１６０μｍ異物混入量；３００ｐｐｍ上記各試験の結果を表２に示した。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２において、本発明例の供試片Ａ〜Ｅ
は、耐摩耗性及び寿命ともに従来例の供試片Ｏ，Ｐの２
倍以上になっている。供試片Ｆは、請求項１の組成に更
にＭｏ2.4 重量％を加えたものであるが、供試片Ａ〜Ｅ
に比べて更に長寿命である。供試片Ｇ〜Ｊは、Ｃ濃度が
高過ぎる場合の比較例であり、表面には粗大で脆いＭ₃
Ｃ型の炭化物が析出しているため、耐摩耗性の向上効果
が不十分である。一方、供試片Ｋ及びＬは炭化物量が少
ない場合の比較例であり、耐摩耗性の向上効果が不十分
である。

【００２７】供試片Ｍは、Ｖ添加量が本発明の下限以下
の場合で、耐摩耗性の向上効果が不十分である。供試片
ＮはＣｒ添加量が下限以下の場合で、寿命の向上効果が
不十分である。図３は、炭化物の面積率と摩耗率との関
係を示したものである。この図から、炭化物面積率が１
５％を越えると耐摩耗性の向上効果が顕著になり、かつ
また、Ｃ％≦0.13（Ｃｒ％＋Ｖ％）＋1.10の関係を満足
する場合は耐摩耗性が非常に優れていることが明らかで
ある。

【００２８】なお、図４には、Ｃｒ，ＶおよびＣ濃度と
炭化物形態の関係を示す。直線Ｃ＝0.13（Ｃｒ＋Ｖ）＋
1.10を境に下方の領域が本発明の実施例の範囲であり、
上方の領域が比較例の範囲である。次に、機械的強度を
調べるために、供試材Ｎｏ．１及びＮｏ．５を用いて、
内径１３ｍｍ，外径２０ｍｍ，幅８ｍｍのリング試験片
を製作し、圧砕試験を行った。試験片は９２０〜９５０
℃で４〜８時間浸炭を行った後そのまま焼入し、１８０
℃で２時間の焼戻を行った後所定の寸法に研磨仕上げを
行い、表面の炭化物面積率を様々に変えて試験に用い
た。

【００２９】試験は、島津製作所製オートグラフを使用
し、ラム速度0.5 ｍｍ／ｍｉｎで行った。試験結果を図
５に示す。図５から、炭化物面積率が５０％を越える
と、圧砕荷重が急激に低下することがわかった。なお、
上記実施例は転がり軸受の内輪に本発明を適用した例を
説明したが、外輪，転動体等のその他の軸受構成部品に
対しても個々にあるいは全部に適用できる。

【００３０】また、熱処理は浸炭処理に限られず、浸炭
窒化処理をも含むことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る転が
り軸受によれば、内輪，外輪，および転動体の少なくと
も一つを、Ｃ；0.2 〜 1.0重量％、Ｃｒ；3.0 〜14.0重
量％、Ｖ；0.8 〜 3.0重量％を含有し、あるいはさらに
Ｍｏ；3.0 重量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避
的不純物である合金鋼で構成し、且つ浸炭又は浸炭窒化
処理に引き続いて焼入・焼戻を施し、表面炭素濃度（Ｃ
％）と前記合金鋼に含まれるＣｒ濃度（Ｃｒ％），Ｖ濃
度（Ｖ％）とをＣ％≦0.13（Ｃｒ％＋Ｖ％）＋1.10 の関係を満足するものとした。また、前記内輪，外輪，
および転動体の少なくとも一つの軌道面又は転動面の炭
化物の面積率を15〜50％とした。これにより、鋼組織に
非常に微細で高硬度なＶＣ型炭化物が析出すると共に、
粗大で脆いＭ3 Ｃ型炭化物の析出を防止することがで
き、異物混入潤滑下で異物との繰り返し接触により内外
輪や転動体の各表面に発生する圧痕のエッジ部に集中す
る転がり荷重が緩和されてマイクロクラックの発生が防
止されると同時に、耐摩耗性を著しく向上させることが
でき、その結果、異物混入潤滑下でも長寿命であり、か
つ優れた耐摩耗性を備えた転がり軸受を提供できるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転がり軸受の一実施例の正面図であ
る。

【図２】二円筒式摩耗試験の概要説明図、（ａ）は正面
図、（ｂ）は側面図である。

【図３】本発明品と従来品とを比較して示す供試試料の
摩耗率−炭化物面積率曲線のグラフである。

【図４】供試材の炭化物形態とＣ濃度及びＣｒ，Ｖ濃度
との関係を示すグラフである。

【図５】圧砕試験における炭化物面積率と圧砕荷重との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１転がり軸受２外輪３内輪４転動体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２３Ｃ 8/22 Ｃ２３Ｃ 8/22 8/32 8/32 Ｆ１６Ｃ 33/62 Ｆ１６Ｃ 33/62

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内輪，外輪，および転動体からなる転が
り軸受において、当該内輪，外輪，および転動体の少な
くとも一つが、Ｃ；0.2 〜 1.0重量％、Ｃｒ；3.0 〜1
4.0重量％、Ｖ；0.8 〜 3.0重量％を含有し、あるいは
さらにＭｏ；3.0 重量％以下を含有し、残部がＦｅ及び
不可避的不純物である合金鋼からなり、且つ浸炭又は浸
炭窒化処理に引き続いて焼入・焼戻を施され、表面炭素
濃度（Ｃ％）と前記合金鋼に含まれるＣｒ濃度（Ｃｒ
％），Ｖ濃度（Ｖ％）とがＣ％≦0.13（Ｃｒ％＋Ｖ％）＋1.10 の関係を満足することを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】前記内輪，外輪，および転動体の少なく
とも一つの軌道面又は転動面の炭化物の面積率が15〜50
％であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸
受。
【請求項３】前記内輪，外輪，および転動体の少なく
とも一つの軌道面又は転動面の炭化物の面積率が15〜35
％であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸
受。
【請求項４】前記炭化物がＶＣ型炭化物であることを
特徴とする請求項２又は請求項３に記載の転がり軸受。