JP3413975B2

JP3413975B2 - 耐摩耗性に優れた転がり軸受

Info

Publication number: JP3413975B2
Application number: JP18571894A
Authority: JP
Inventors: 宣晶三田村; 賢二山村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1994-08-08
Publication date: 2003-06-09
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: JPH0849057A; GB2292389A; GB2292389B; US5660647A; GB9516174D0

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，鉄鋼機械及びその他産業機械に使用される転が
り軸受に係り、特に、軸受使用条件が厳しく（高温環境
とか、滑りを伴う転がり接触が起こる場合等）、耐摩耗
性が要求される用途に好適に使用できる耐摩耗性に優れ
た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（以下、単に寿命と
いう）を確保する必要がある。そために、従来は、転が
り軸受の軌道輪（内外輪），転動体を構成する素材に高
炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いて、これに焼入れ
・焼戻しを施し、ロックウエル硬さをＨ_RＣ５８〜６４
とすることにより寿命の向上を図っていた。

【０００３】また、肌焼鋼を用いることにより寿命を向
上させる例もある。この例では、接触面圧に起因する内
部せん断応力分布に合わせて硬さカーブを設定する必要
から、焼入性の良好な低炭素肌焼鋼ＳＣＲ４２０Ｈ，Ｓ
ＣＭ４２０Ｈ，ＳＡＥ８６２０Ｈ，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、軸受部品の表面硬さが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いた。

【０００４】しかし最近は、転がり軸受を使用する機械
の高負荷化，高速化が進んで、軸受の使用条件が過酷に
なる傾向が顕著になっており、それに伴い次ぎのような
問題が発生してきている。すなわち、高負荷化，高速化
により温度上昇が起こり、その影響で軸受部材の硬さが
低下して、転がり疲労特性，摩耗特性の劣化を招く。特
に、高速化によるすべりの増大、及び温度上昇に伴う潤
滑油の低粘度化による潤滑能力不足により、耐摩耗性が
著しく劣化し軸受寿命が短縮される。

【０００５】これらの対策として、例えば特開平４−１
６５０４５号公報には、軸受鋼ベースに焼戻軟化抵抗性
を向上させる元素としてＳｉ，Ｍｏを添加した材料を使
用して高温強度を上げることにより、高温下での軸受の
長寿命化を図ることが開示されている。また、特開昭６
４−８３６２５号公報には、Ｓｉ含有鋼に、焼入れ時の
雰囲気中にアンモニアガスを導入して素材表層に窒素を
侵入させるいわゆるマルストレッシング処理を施し、そ
の後４００℃での高温焼戻を施して硬度Ｈ_RＣ６０以上
を維持するようにして高温下での長寿命を図ることが開
示されている。

【０００６】また、従来、鋼表面に微細な炭化物が析出
していると耐摩耗性が向上することは既に知られてお
り、軸受材料の耐摩耗性を向上させるためにＣｒ，Ｍ
ｏ，Ｖ等の炭化物形成元素を多量に添加して、軸受表層
に寿命に悪影響を及ぼさない程度に炭化物を多量に析出
させることで耐摩耗性を向上させようとする考え方に基
づき、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖを多量に含んだ合金鋼に焼入・高
温焼戻を施して析出硬化させた高速度鋼Ｍ５０などを耐
熱軸受用材として使用した例等もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平４−１６５０４５号公報及び特開昭６４−８３６２
５号公報に開示された従来技術は、いずれも軸受の高温
強度は向上し、それにより転がり疲労特性は向上する
が、耐摩耗性の点ではそれ程大きな向上は認められない
という問題点がある。

【０００８】また、析出硬化型のＭ５０を耐熱軸受用材
として使用する従来技術は、Ｃ濃度が高く素材の段階で
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの巨大炭化物が存在するため前処理の加
工性が悪く、また巨大炭化物の存在で炭化物の回りにお
いて応力集中が起こり、その部分を起点としてフレーキ
ングを生じ、かえって寿命が低下するという問題点があ
る。この問題を解決するためには、高温での容体化処理
（約１１００℃）を行い、巨大な炭化物をマトリックス
に溶け込ませた後に、炭化物を微細化する特別の熱処理
を必要とする。そのため、特別の熱処理設備が必要であ
ると共に、熱処理生産性が低下するという問題点を有す
る。

【０００９】そこで本発明は、上記従来の問題点に着目
してなされたものであり、高温環境等の厳しい使用条件
下でも耐摩耗特性を向上させ、且つ同時に生産性にも優
れた転がり軸受を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の転がり軸受は、軌道輪および転動体からなる転が
り軸受において、当該軌道輪および転動体の少なくとも
一つが、Ｃ；0.1〜0.7重量％、Ｖ；0.8〜2.0重量％、Ｃ
ｒ；0.5〜3.0重量％、Ｍｎ；0.3〜1.2重量％、Ｓｉ；0.
3〜1.5重量％及びＭｏ；3重量％以下を選択的に含有す
る合金鋼を素材とし、浸炭または浸炭窒化処理を施し、
前記軌道輪の軌道輪溝表面及び転動体の転動表面の表面
炭素濃度が0.8〜1.5重量％で且つ表面のＶ／Ｃ濃度比が
1〜2.5の関係を満たすことにより、製品表面にＶＣ炭化
物を析出せしめていることを特徴とするものである。

【００１１】ここで、上記「表面」とは、転がり軸受の
構成部品である外輪，内輪，転動体における外表面から
転動体の直径の２％迄の深さの範囲、すなわち最大せん
断応力の発生する位置の範囲をいうものとする。

【００１２】

【作用】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の炭化物が最も著しく
耐摩耗性を向上させること、特にＶＣ型炭化物が顕著な
効果をもたらすこと、Ｖ／Ｃ濃度比≧１の場合にＶＣ型
炭化物が数多く形成されることを見出した。

【００１３】更に、Ｖを適量含むＶＣ型炭化物（Ｖ₄Ｃ
₃）が形成されていれば、その他の炭化物形成元素であ
るＣｒ，Ｍｏの含有量にかかわらず耐摩耗性が良好であ
ることを見出して本発明をなすに至ったものである。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；0.1 〜 0.7重量％これは熱処理前の素材自体のＣ量であり、本発明は鋼素
材として中低炭素鋼を用いることを意味する。Ｃ量0.7
重量％以上である高炭素鋼を用いると、素材の段階で既
に炭化物が析出しており、熱処理以前の製品形成のため
の塑性加工，旋削加工等における加工性が低くなる。ま
た素材のＣ濃度が高いと、焼入・焼戻を施した後に心部
まで残留オーステナイトがかなりの量存在するから、寸
法安定性が悪くなる。従って本発明では、Ｃ量が0.1 〜
0.7重量％の中低炭素鋼を素材として用いることで前加
工性を良好にし、その後の熱処理に浸炭または浸炭窒化
を用いることで製品表面を所定のＣ濃度（0.8 〜1.5 重
量％）に調整するものとした。熱処理法としては、焼戻
軟化抵抗性に効果のあるＮを添加する浸炭窒化法が特に
望ましい。製品表面のＣ濃度；0.8 〜1.5 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。

【００１４】製品表面の炭素含有量を0.8 重量％以上と
したのは、製品に必要な転がり疲れ強さを得るため及び
所要の炭化物を形成させるためである。一方、製品表面
の炭素含有量の上限を1.5 重量％としたのは、Ｃ濃度が
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1.5 重量％とした
のは、1.5 重量％を越えるとセメンタイト系炭化物（Ｆ
ｅ₃Ｃ系）が粗大化して、それらが起点となって製品軸
受の転がり疲労特性及び割れ強度を劣化させるからであ
る。

【００１５】本発明は、上記中低炭素鋼をベースとし
て、以下に示す組成の合金元素を含有する低合金鋼を用
いている。Ｃｒ；0.5 〜3.0 重量％Ｍｏ；3.0 重量％以下Ｓｉ；0.3 〜1.5 重量％Ｍｎ；0.3 〜1.2 重量％低合金鋼を用いた理由は、前加工性あるいは熱処理生産
性などが良好なためである。Ｃｒ；0.5 〜3.0 重量％Ｃｒは焼入性を向上させる元素で、軸受材料としては不
可欠な元素である。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Ｍ₇Ｃ₃型に変えて炭化物の粗大化を防止し、
転がり疲労特性を向上するのに役立つ。

【００１６】Ｃｒの含有量の下限を0.5 重量％としたの
は、焼入性向上の効果を出すのに必要な最低量のためで
ある。一方、上限を3.0 重量％としたのは、ＣｒはＶと
同じく炭化物形成元素で耐摩耗性に効果を示すが、Ｃｒ
の炭化物は粗大化し易く、粗大化した場合に転がり疲労
においてフレーキングの起点となる可能性があるためで
ある。また、Ｃｒ含有量が3.0 重量％を越えると、表面
に酸化被膜を形成して通常の浸炭処理では材料表面への
Ｃの侵入が阻害されるからである。Ｍｏ；3.0 重量％以下ＭｏもＣｒ，Ｖと同様に炭化物形成元素である。しかし
ながら、多量に添加すると前加工性を低下させ、また通
常の熱処理では炭化物を微細化しにくい。したがって上
限を3.0 重量％とした。

【００１７】Ｍｏは焼戻軟化抵抗性向上に顕著な効果を
示す元素であり、含有していることが望ましい。Ｍｎ；0.3〜1.2重量％焼入性を向上させる元素であり、軸受材料としては不可
欠な材料である。焼入性向上効果を出すのに0.3重量％
以上必要である。しかしながら、その含有量が多いと非
金属介在物が多く生じ易いため、その上限値を1.2重量
％とした。Ｓｉ；0.3〜1.5重量％Ｓｉは焼戻軟化抵抗性向上に顕著な効果を示す元素であ
る。その効果を出すのに0.3重量％以上必要である。し
かしながら、Ｓｉは浸炭阻害性を有する元素であること
から、上限値を1.5重量％とした。

【００１８】本発明は上記の中低炭素低合金鋼に、所定
量のＶを添加する。Ｖ；0.8 〜 2.0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。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。すなわ
ち、ＶＣ型炭化物を析出し易くするには、Ｖ濃度がＣ濃
度を上回る（Ｖ／Ｃ≧１）ことが必要であり、したがっ
て下限値を0.8 重量％とした。

【００１９】一方、上限値を2.0 重量％としたのは、2.
0 重量％を越えると加工性低下するため及び高価でコス
ト的にも不利になるためである。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。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、実施例，比較例及び
従来例と共に表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１中、材料記号Ｎｏ．１〜２は本発明の
合金鋼である。比較例Ｎｏ．３はＶの含有量が本発明の
上限を越えている。比較例Ｎｏ．４はＣｒの含有量が本
発明の上限を越えている。比較例Ｎｏ．５はＭｏの含有
量が本発明の上限を越えている。比較例Ｎｏ．６はＳｉ
の含有量が本発明の上限を越えている。比較例Ｎｏ．７
はＣの含有量が本発明の上限を越えている。

【００２３】従来例Ｎｏ．８はＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２であ
り、Ｃの含有量が本発明の上限を越えている。従来例Ｎ
ｏ．９は通常の肌焼鋼ＳＣＲ４２０であり、Ｖ，Ｍｏを
含有していない。従来例Ｎｏ．１０は、焼戻軟化抵抗性
を向上させた浸炭鋼であり、Ｖの含有量が本発明の下限
に達しない。従来例Ｎｏ．１１は、高合金鋼Ｍ５０であ
り、Ｃｒ，Ｍｏの含有量が本発明の上限を越えている。

【００２４】表１に示す組成の各種合金鋼素材を用い
て、前加工性，浸炭特性の調査を行い、その後各供試材
を用いて転がり軸受及び試験片を製作し、所定の熱処理
を施して疲労寿命試験と摩耗試験とを行った。〔Ａ〕加工性：転がり軸受１の構成部品の前加工性を調
査する目的で、各供試材の焼入前の状態での切削試験を
行った。

【００２５】試験方法は、送り0.3 ｍｍ／ｒｅｖ、切削
速度100 ｍ／ｍｉｎ、切り込み2.0ｍｍとして供試材の
乾式切削を行い、バイトの逃げ面の摩耗率を測定する方
法で行った。切削試験の結果を図２に示す。なお、被削
性改善のために行う焼鈍は、各供試材ごとに最適温度条
件を選定し焼鈍後の硬さがその材料で最低になるように
して行った。図３はその焼鈍工程を示したもので、焼鈍
温度７００〜８５０℃及び６５０〜７００℃は、いずれ
も供試材毎に選定される温度の範囲を表したものであ
る。

【００２６】図２の切削試験結果から、次のことが言え
る。Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏを含む高炭素鋼（Ｃ≧0.7重量
％、試料Ｎｏ．7及び11）は切削性を著しく低下させ
る。中炭素領域においても、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏが本発
明の成分範囲を越えているもの（試料Ｎｏ．3，4，5）
に関しては、通常の軸受材である高炭素高クロム鋼（Ｓ
ＵＪ2）よりも切削性は不良である。〔Ｂ〕浸炭特性：狙い表面の炭素量1.0〜1.2重量％（カーボンポテンシャ
ルＣｐ値＝1.1％）の条件で浸炭を行い、表面からのＣ
濃度勾配を測定した。その結果を図4に示す。

【００２７】この浸炭特性調査結果から、Ｃｒが3.0 重
量％を越えるもの（試料Ｎｏ．４）や、Ｓｉが1.5 重量
％を越えるもの（試料Ｎｏ．６）は、浸炭性を著しく阻
害することが明らかである。〔Ｃ〕熱処理と、疲労寿命試験及び摩耗試験：表１から
選定した材料組成を有する試験片Ａ〜Ｈについて条件を
変えた熱処理を施し、その表面のＣ量，硬さ，Ｖ／Ｃ比
等を測定した。その結果を表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２中の比較例である試験片Ｄ，ＥはＶ／
Ｃ値が本発明の下限に達していない。従来例（Ｍ５０）
は、反対にＶ／Ｃ値が本発明の上限を越えている。な
お、図５〜図８に熱処理工程を示した。疲労寿命試験及
び摩耗試験の方法と条件とを、以下に示す。なお、双方
とも苛酷な使用条件を考慮に入れて、試験温度は１３０
℃という高温で行った。〔Ｃ−１〕疲労寿命試験試験機；深溝玉軸受（６２０６タイプ）寿命試験機潤滑条件；特に、潤滑条件が厳しい場合を想定して、潤
滑油中に異物（鉄粉、硬さＨｖ５００〜６００、大きさ
７４〜１４７μｍ）を混入して行った。

【００３０】潤滑油；ＦＫＢオイルＲＯ１５０荷重；Ｆｒ＝６４０ｋｇｆ回転数；５０００ｒｐｍ判定；フレーキングを起こした時点で寿命とした。試験の結果を図９に示した。なお、結果は１３０℃にお
ける高温硬さによって整理し、寿命データはＬ₁₀寿命に
よって表した。

【００３１】図９の結果から、転がり疲労寿命特性は、
高温硬さが高くなるに従って良好になっていることがわ
かる。したがって、高温硬さを上昇させるような焼戻軟
化抵抗性を良好にする元素であるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｓｉ
の量を増やすことにより寿命特性は向上するといえる。〔Ｃ−２〕摩耗試験試験機；二円筒式摩耗試験機（図１０参照）。上下に対
向させた一対の円筒１０にそれぞれ供試片Ｓを装着し
て、上から圧力Ｐを負荷し潤滑油１１を吹付けながら互
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）の平均値を求めた。

【００３２】面圧；１００ｋｇｆ／ｍｍ² 回転数；１０００ｒｐｍ滑り率；２０％潤滑油；ＦＢＫオイルＲＯ８０湯量；７００ｃｃ／ｍｉｎ試験の結果図１１に示した。なお、結果は１３０℃にお
ける高温硬さによって整理し、摩耗データは比摩耗量に
よって表した。

【００３３】図１１の結果から、耐摩耗性においては高
温硬さが高いと耐摩耗性が優れている傾向が認められた
が、その他に、Ｖ／Ｃ濃度比≧１の場合に良好な耐摩耗
性を示した。なお、本発明は転がり軸受を構成する内
輪，外輪，転動体のうちのいずれかに適用することもで
きるし、全部に適用することもできる。

【００３４】

【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、軌道輪および転動体の少なくとも一つ
を中低炭素低合金鋼にＶ；0.8 〜2.0 重量％を含有させ
た鋼を素材として形成し、熱処理時に浸炭または浸炭窒
化処理を施して表面の炭素濃度が0.8 〜1.5 重量％で且
つＶ／Ｃ濃度比が1 〜2.5 の関係を満すＶＣ炭化物が製
品表面に析出しているものとした。そのため、非常に微
細で高硬度なＶＣ型炭化物で製品表面が被覆されて、厳
しい使用条件下での軸受の耐摩耗性を著しく向上させる
ことができると同時に、熱処理前の加工性が良好で生産
性にも優れ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】切削試験の結果を示したグラフである。

【図３】切削試験時の切削前の焼ならし条件を示す図で
ある。

【図４】浸炭特性試験の結果を示すグラフである。

【図５】熱処理試験における熱処理工程（ずぶ焼きの場
合）の図である。

【図６】熱処理試験における熱処理工程（浸炭の場合）
の図である。

【図７】熱処理試験における熱処理工程（ずぶ焼きの場
合）の図である。

【図８】熱処理試験における熱処理工程（浸炭窒化の場
合）の図である。

【図９】疲労寿命試験結果を示すグラフである。

【図１０】二円筒式摩耗試験の概要説明図で、（ａ）は
側面図、（ｂ）は正面図である。

【図１１】摩耗試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１転がり軸受２外輪（軌道輪）３内輪（軌道輪）４転動体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−82736（ＪＰ，Ａ) 特開平４−337063（ＪＰ，Ａ) 特開平６−17189（ＪＰ，Ａ) 特開平１−234554（ＪＰ，Ａ) 特開平３−24257（ＪＰ，Ａ) 特開平６−172961（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 8/22,8/32 C21D 1/06 C22C 38/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軌道輪および転動体からなる転がり軸受
において、当該軌道輪および転動体の少なくとも一つ
が、Ｃ；0.1〜0.7重量％、Ｖ；0.8〜2.0重量％、Ｃｒ；
0.5〜3.0重量％、Ｍｎ；0.3〜1.2重量％、Ｓｉ；0.3〜
1.5重量％及びＭｏ；3重量％以下を選択的に含有する合
金鋼を素材とし、浸炭または浸炭窒化処理を施し、前記
軌道輪の軌道輪溝表面及び転動体の転動表面の表面炭素
濃度が0.8〜1.5重量％で且つ表面のＶ／Ｃ濃度比が1〜
2.5の関係を満たすことにより、製品表面にＶＣ炭化物
を析出せしめてなる耐摩耗性に優れた転がり軸受。
【請求項２】前記軌道輪の軌道輪溝表面及び転動体の
転動表面の表面窒素濃度を0.3重量％以下にしたことを
特徴とする請求項１記載の転がり軸受。