JP3895668B2

JP3895668B2 - 転がり摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP3895668B2
Application number: JP2002328675A
Authority: JP
Inventors: 久原田; 規泰小熊
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: JP2004162113A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、相手部材との間で転がり接触若しくはすべり接触又は両接触を含む接触が行われる転がり摺動部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
オルタネータ、サイクロ減速機等に用いられる転がり軸受や、トロイダル型無段変速機のディスクやローラのように、高面圧下においてすべりや振動が生じる転がり摺動部材においては、その使用中にＤＥＡ（Dark Etching Area）、ホワイトバンド及び白層等の種々の疲労組織が発生し易く、特に白層が発生すると、他の疲労組織に比べて摺動部材に早期剥離を生じ、その寿命が著しく短くなる。そこで、例えば特許文献１には、所定の合金組成成分を有する鋼素材を用い、熱処理後の転がり摺動部材の表面近傍に平均粒径５０〜５００ｎｍのＭｏ・Ｖ系炭化物・炭窒化物を析出させ、鋼中に侵入した水素のトラップサイトとすることで、白層の発生を抑制する技術が開示されている。しかしながら、水素をトラップするだけでは、白層の発生を十分に抑制することはできないことが判明している。また、この場合には鋼素材として従来多用されている軸受鋼や肌焼鋼等の一般的な軸受用鋼を用いることができないので、コストが高く付くという問題もあった。
このような従来の問題点に鑑み、この発明は、白層の発生を効果的に抑制することができる軸受用鋼からなる転がり摺動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３２９００号公報（第３頁）
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明の転がり摺動部材は、軸受用鋼として高炭素クロム軸受鋼を用いた転がり摺動部材であって、高炭素クロム軸受鋼を焼き入れ及び焼き戻しすることにより、転がり摺動面の表層部におけるマルテンサイトのラス内に、平均粒径が１００ｎｍ以下の微細炭化物が析出していることを特徴としている（請求項１）。
本願発明者は、白層組織の発生初期段階を観察した結果、マルテンサイトが局部的に微細な等粒状組織に変化していることが確認された。このことから、転がり又は摺動による疲労時に、転がり摺動面の表層部に局部的なすべり変形が生じていると推測される。このようなすべり変形は、疲労時に発生する内部応力の影響で、転位が移動することによって生じることから、当該転位が移動するのを規制すれば、白層が発生するのを抑制することができるとの知見を得た。この発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、マルテンサイトのラス内に析出させた平均粒径が１００ｎｍ以下の微細炭化物によって、前記転位が移動するのを規制することにより、白層が発生するのを抑制している。前記微細炭化物の平均粒径を１００ｎｍ以下としたのは、微細炭化物の析出はマルテンサイト中に固溶している炭素原子の拡散、凝集によって生じるため、平均粒径が１００ｎｍを超えると、微細炭化物の個数が減少する結果、すべり（転位の移動）を抑制する効果が十分に得られないためである。
【０００５】
前記転がり摺動部材において、前記微細炭化物は、転がり摺動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの領域に析出しているのが好ましい（請求項２）。この場合には、当該表層部において白層が発生するのをより効果的に抑制することができる。
また、前記転がり摺動部材において、前記微細炭化物の平均粒径は４０ｎｍ以下であるのがより好ましい（請求項３）。これにより、前記転位が移動するのをより効果的に規制することができ、表層部において白層が発生するのをより一層効果的に抑制することができる。
【０００６】
さらにこの発明の転がり摺動部材の製造方法は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の転がり摺動部材を製造する方法であって、高炭素クロム軸受鋼で所定形状に形成された転がり摺動部材用のブランクを焼き入れ処理した後、２００℃を超え２３０℃以下の温度にて焼き戻し処理を行う工程を含むことを特徴としている（請求項４）。
この製造方法によれば、請求項１から請求項３の転がり摺動部材を、容易かつ安定的に製造することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態に係る転がり摺動部材としての転がり軸受の外輪を示す断面図である。
この外輪は、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼）であるＪＩＳＳＵＪ２を用いて作製したものであり、その転がり摺動面である軌道面１には、研磨による超仕上げ加工が施されている。前記軌道面１の表層部２におけるマルテンサイト３のラス３ａ内には、平均粒径が１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下の微細炭化物４が析出している（図２参照）。前記平均粒径とは、微細炭化物４単体の最大径と最小径との平均値である。
【０００８】
前記微細炭化物４が析出している範囲は、軌道面１の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの領域である。この領域は、軌道面１とその相手部材であるボールとの接触部Ａは、平面上において図３に示すような接触楕円を形成しているが、この接触楕円の短径をＤとした場合に、軌道面１から１．０Ｄ程度までの領域である。なお、前記表層部２には未固溶の球状炭化物５が析出するが、その平均粒径は０．１〜３μｍであり、前記ラス３ａ内に析出している微細炭化物４に比べてきわめて大きいものである。
【０００９】
前記マルテンサイト３のラス３ａ内の微細炭化物４は、所定形状に形成された外輪用のブランクを、従来よりも高温で焼き戻しすることによって析出させることができる。例えば、従来においては８４０℃で焼き入れした後、１６０°Ｃで焼き戻しているが、この焼き戻し温度を１９０〜２５０℃にすることによって析出させることができる。このような高温で焼き戻しすると、外輪の硬さがＨＲＣ５６〜６２程度と、従来に比べて低くなる。また、焼き戻し温度が１９０℃未満であるとマルテンサイト３のラス３ａ内に微細炭化物４が析出し難く、２５０℃を超えると炭化物が大きくなるとともに、外輪の硬さが大きく低下して転がり軸受として必要な硬さを得難くなる。前記焼き戻し温度は２４０°Ｃ以下であるのがより好ましく、２００℃を超え２３０℃以下であるのがさらに好ましい。これにより、外輪の硬さと炭化物分散とのバランスを良好に確保することができる。
【００１０】
以上の構成の転がり摺動部材によれば、マルテンサイト３のラス３ａ内に析出させた平均粒径が１００ｎｍ以下の微細炭化物４によって、転位が移動するのを規制することができ、これにより、軌道面１の表層部２に白層が発生するのを抑制することができる。特に前記ラス３ａ内に析出させた微細炭化物４の平均粒径が４０ｎｍ以下である場合には、白層の発生をより効果的に抑制することができる。
【００１１】
なお、上記実施形態では、軸受用鋼としてＳＵＪ２を用いているが、他の高炭素クロム軸受鋼を用いて実施することができる。
また、この発明は、前記転がり軸受用の外輪の他、内輪や転動体にも適用して実施することができる他、トロイダル型無段変速機のディスクやローラのように、高面圧下においてすべりや振動が生じる種々の転がり摺動部材についても同様に適用して実施することができる。
【００１２】
[実施例]
軸受用鋼としてＪＩＳＳＵＪ２を用いて転がり軸受（ＪＩＳ−６２０２）の外輪用ブランクを複数個作製し、このブランクを８４０℃で油焼き入れした後、２１０〜２３０℃で焼き戻しを行った。その後、外周面、両端面及び軌道面を研磨し、さらに当該軌道面を超仕上げして転がり軸受用の外輪を複数個作製した（実施例１〜２）。これらの外輪を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察したところ、その軌道面表面から最大せん断応力が作用する深さ０．２ｍｍに至る領域において、マルテンサイトのラス内に平均粒径が４０〜１００ｎｍ以下の微細炭化物が析出していることが確認された。また、これらの外輪の表面の硬さはＨＲＣ５８．８〜６０．８であった（表１参照）。
【００１３】
[比較例]
軸受用鋼としてＪＩＳＳＵＪ２を用いて転がり軸受（ＪＩＳ−６２０２）の外輪用ブランクを複数個作製し、このブランクを８４０℃で油焼き入れした後、１３０〜１８０℃、及び３００℃で焼き戻しを行った。その後、外周面、両端面及び軌道面を研磨し、さらに当該軌道面を超仕上げして転がり軸受用の外輪を複数個作製した（比較例１〜４）。これらの外輪をＴＥＭにて観察したところ、比較例１〜３の軌道面の表層部におけるマルテンサイトのラス内には微細炭化物が全く析出していないことが確認された。また、比較例１〜３の表面の硬さはＨＲＣ６３〜６５．５であり、比較例４の表面の硬さはＨＲＣ５４．５であった（表１参照）。一方、比較例４では平均粒径が１００ｎｍを超える炭化物が析出していることが確認された。
[ 参考例 ]
軸受用鋼としてＪＩＳＳＵＪ２を用いて転がり軸受（ＪＩＳ−６２０２）の外輪用ブランクを複数個作製し、このブランクを８４０℃で油焼き入れした後、１９０℃及び２５０℃で焼き戻しを行った。その後、外周面、両端面及び軌道面を研磨し、さらに当該軌道面を超仕上げして転がり軸受用の外輪を複数個作製した（参考例１〜２）。これらの結果も表１に示す。
【００１４】
＜寿命試験＞
前記実施例、比較例及び参考例の外輪を用いて転がり軸受を作製し、以下の条件で寿命試験を行った。これらの転がり軸受の外輪と玉は、全て通常の焼入焼き戻し品（内輪１８０℃、玉１７５℃焼き戻し）である。この寿命試験の結果を表１に示す。
(1)試験機ラジアル寿命試験機
(2)最大接触面圧２．６ＧＰａ
(3)回転数９０００〜１８０００ｒｐｍ
(4)潤滑グリース封入
(5)油温自然昇温（約１００℃）
【００１５】
【表１】

【００１６】
表１より比較例１〜３は数十時間で白層剥離が発生したのに対して、実施例１〜２及び参考例１は１０００時間を経過した時点でも白層剥離が全く発生していなかった。また、参考例２は８２４時間で剥離が発生した。このことから、前記マルテンサイトのラス内に析出させた微細炭化物が、白層発生を効果的に抑制していることが確認された。また実施例は比較例１〜３に比べて硬さが若干低いが、それを十分カバーできる軸受寿命を発揮できることも確認された。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、この発明の転がり摺動部材及びその製造方法によれば、転がり摺動面の表層部におけるマルテンサイトのラス内に析出させた微細炭化物によって、転がり摺動面の白層の発生を抑制することができるので、その長寿命化を図ることができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る転がり摺動部材としての外輪を示す断面図である。
【図２】表層部の組織を示す模式図である。
【図３】外輪とボールとの接触部における接触楕円を示す図である。
【符号の説明】
１軌道面
２表層部
３マルテンサイト
３ａラス
４微細炭化物

Claims

軸受用鋼として高炭素クロム軸受鋼を用いた転がり摺動部材であって、
高炭素クロム軸受鋼を焼き入れ及び焼き戻しすることにより、転がり摺動面の表層部におけるマルテンサイトのラス内に、平均粒径が１００ｎｍ以下の微細炭化物が析出していることを特徴とする転がり摺動部材。
前記微細炭化物が、転がり摺動面の表面から最大せん断応力が作用する深さまでの領域に析出している請求項１記載の転がり摺動部材。
前記微細炭化物の平均粒径が４０ｎｍ以下である請求項１又は２記載の転がり摺動部材。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の転がり摺動部材を製造する方法であって、高炭素クロム軸受鋼で所定形状に形成された転がり摺動部材用のブランクを焼き入れ処理した後、２００℃を超え２３０℃以下の温度にて焼き戻し処理を行う工程を含むことを特徴とする転がり摺動部材の製造方法。