JP4345417B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

この発明は転がり軸受に関する。特に、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途であっても、転がり軸受の寿命を長くすることのできる技術に関する。

車両用交流発電機（オルタネータ）、電磁クラッチ、中間プーリ、およびテンショナー等のエンジン補機用の転がり軸受は、一般の軸受よりも高温、高振動、高荷重下で使用される。
そのため、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い。これにより、軌道面と転動体とが接触し易くなる。特に、潤滑膜が破断された部分の軌道面は活性な新生面（鋼の組織が露出している面）となるため、この新生面が触媒となって、トライボケミカル反応により潤滑剤の成分および潤滑剤に含まれる水分が分解して、水素イオンが生じ易い。そして、この水素イオンが前記新生面に吸着して水素原子となり、高歪み場（最大剪断応力位置の近傍）に集積されることにより、組織が白色組織に変化する。

前記用途の転がり軸受は、このような組織変化に起因して、軌道面に早期剥離が生じ易いため、計算寿命に比べて実際の寿命が極端に短くなる場合がある。
一方、車両のベルト式無段変速機は、自動変速機の変速機構として、ベルト駆動のプーリの半径を連続的に変える機構を有するものである。
例えば下記の特許文献１に記載のベルト式無段変速機では、図３に示すように、平行に配置された入力軸（駆動軸）５と出力軸（従動軸）６にそれぞれプーリ７，８が設けてあり、これらのプーリ間に金属製のベルト９が巻き付けてある。このベルト９は、厚さ０．２ｍｍ程度の薄板を１０枚程度重ねた構造の２条のリング９１に、多数の薄い（厚さ２ｍｍ程度の）摩擦片９２を取り付けた構造となっており、この摩擦片９２が押し合うときの押力で動力を伝えるものである。

このベルト９を介して、入力軸プーリ（プライマリプーリ）７から出力軸プーリ（セカンダリプーリ）８に駆動力の伝動がなされる。両プーリ７，８は、各軸５，６に固定された固定円錐板７１，８１と、油圧機構によって軸方向に移動可能な可動円錐板７２，８２とで構成され、両円錐板によってＶ字状プーリ溝が形成されている。
これらのプーリ７，８の各可動円錐板７２，８２を軸方向に移動して溝幅を変え、ベルト９がプーリ７，８に接触する位置（プーリの有効回転半径）を変更することで、変速比を無段階に変えることができる。例えば、入力軸プーリの溝幅を縮小するとともに出力軸プーリの溝幅を拡大すれば、入力軸プーリの有効回転半径は小さくなり、出力軸プーリの有効回転半径が大きくなって、大きな変速比が得られる。

各プーリ７，８の固定円錐板７１，８１が一体化された軸部（プーリ軸）７１ａ，８１ａは、ラジアル玉軸受１１，１２により支持されている。
このようなベルト式無段変速機の潤滑には、トルクコンバーター、歯車機構、油圧機構、湿式クラッチ等を円滑に作動させて動力を伝達するために、前記プーリ軸を支持する玉軸受も含めて、トラクション係数（トルク伝達能力）の高い自動変速機用潤滑油（ＡＴＦ：Automatic Transmission Fluid）や無段変速機用潤滑油（ＣＶＴＦ：Continuously Variable Transmission Fluid）等の潤滑油が使用される。

ここで、前述のリング９１と多数の摩擦片９２とからなる構造のベルトに生じる振動の周波数（ｆ：Ｈｚ）は、摩擦片の個数（Ｚｂ）とベルトの回転速度（Ｎｂ：ｒｐｍ）とにより「ｆ＝Ｚｂ×（Ｎｂ／６０）」で表される。通常、摩擦片の数は例えば２５０〜４００個であり、この場合、エンジンの回転速度が６００ｍｉｎ^-1から７０００ｍｉｎ^-1へ変化すると、プライマリプーリに生じる振動の周波数の一次成分は減速時で１０００〜３０００Ｈｚ、加速時で１００００〜３５０００Ｈｚとなる。

この周波数は、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）や普通の（無段変速機以外の）オートマチックトランスミッション（ＡＴ）でギヤのかみ合いに伴って生じる振動の周波数より高い。これは、ＭＴやＡＴでかみ合うギヤの歯数が５０以下であるのに対して、Ｂ−ＣＶＴの摩擦片の数が２５０〜４００個と多いためと考えられる。
また、車両の走行中は加速と減速が繰り返されるため、ベルトの振動と車体の振動とが共振する場合がある。そして、車体には様々な周波数の振動が生じるため、ベルトとの間で頻繁に共振が生じ易い。その結果、ベルト式無段変速機用の転がり軸受には大きな振動が生じ易い。

また、加減速時に各プーリに作用するモーメントが変動したり、急な加減速等に伴って両プーリに僅かでも同期遅れが生じることによりベルトのバタツキ生じたりするため、各プーリ軸を支持する転がり軸受には荷重変動や滑りが生じ易い。
すなわち、ベルト式無段変速機のプーリ軸を支持する転がり軸受は、このように高周波振動、荷重変動、滑り等が生じ易いとともに、ベルトとプーリとの摩擦による熱の影響を受けて高温になり易いため、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い。したがって、前述のエンジン補機用転がり軸受と同様のメカニズムで、軌道面に早期剥離が生じ易い。さらに、ベルト式無段変速機内にはベルトやプーリ等の摺動部品が存在するため、異物の噛み込みによる寿命低下も懸念される。

ここで、ＳＵＪ２を用い、通常の焼入れ、焼戻しを行って作製された内輪、外輪、および玉により、呼び番号６２０６の深溝玉軸受を組み立て、潤滑剤としてＣＶＴＦを用いて、１２０℃で１００時間回転させる回転試験を行った。この試験の前後に各温度で玉からの水素放出速度を測定したところ、図５に示すグラフが得られた。このグラフから、潤滑剤としてＣＶＴＦを用いた場合には、前述のトライボケミカル反応により水素イオンが生じ、この水素が玉に保持されていることが分かった。

この試験結果を考慮すると、前述のような過酷な環境で使用されるベルト式無段変速機のプーリ軸を支持する転がり軸受では、内外輪の軌道面および転動体の転動面の新生面で水素イオンが発生することは避けられず、早期剥離が生じ易いと考えられる。
このようなトライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離を防止するために、下記の非特許文献１には、転動体の転動面に電気めっき法によりＮｉ被膜を形成することにより、トライボケミカル反応で生じた水素イオンを鋼の組織に吸着し難くすることが記載されている。
特公平８−３０５２６号公報 社団法人自動車技術会、学術講演会前刷集、No. ３０−０２（２００２年）、５〜８頁

しかしながら、前述のように過酷な環境で使用されるエンジン補機用やベルト式無段変速機用の転がり軸受では、前記非特許文献１に記載の方法を採用しても、Ｎｉ被膜が比較的柔らかいことから摩耗により脱落し易いため、鋼の組織への水素イオンの吸着を効果的に抑制することは難しい。
本発明の課題は、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用される転がり軸受であっても、トライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離を効果的に防止して、寿命を長くすることにある。

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複数の転動体が転動自在に配設された転がり軸受において、内輪、外輪、および転動体のうちの少なくともいずれかは、合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻しを施して得られ、軌道輪の軌道面または転動体の転動面をなす表層部は、硬さがＨＲＣ（ロックウエルＣ硬度）６０以上であり、残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下であり、一定温度に所定時間保持したときの残留オーステナイトの分解速度を示す定数（下記の（１）式で算出されるＫ）が、保持温度１７０℃で０．００３以下であり、前記合金鋼は、下記の（２）式で表されるクロム（Ｃｒ）当量が３．０以上であり、下記の（３）式で表されるニッケル（Ｎｉ）当量が０．５以上であることを特徴とする転がり軸受を提供する。

Ｋ＝−Ｉｎ（γＲ_t ／γＲ₀ ）／ｔ…（１）
式中、ｔは一定温度での保持時間、γＲ_t はｔ時間経過後の残留オーステナイト量（体積％）、γＲ₀ はｔ＝０での残留オーステナイト量（体積％）である。
前記定数Ｋを保持温度１７０℃で０．００３以下とするために、前記表層部をなす鋼のマトリックス（組織から炭化物やその他の化合物からなる析出物を除いた部分）のクロム（Ｃｒ）当量を３．０以上とする。すなわち、クロム（Ｃｒ）当量が３．０以上である合金鋼を使用して所定形状に加工した後に、前記熱処理を行う。また、前記表層部をなす組織のマトリックスのニッケル（Ｎｉ）当量を０．５以上とする。クロム（Ｃｒ）当量は下記の（２）式で表される。ニッケル（Ｎｉ）当量は下記の（３）式で表される。

Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋１．５Ｍｏ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋１．５Ｔｉ＋０．７５Ｗ…（２）
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋Ｃｏ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ…（３）
浸炭処理および浸炭窒化処理は、例えば、雰囲気温度９００〜９６０℃で、浸炭処理ではＲＸガス＋エンリッチガスを、浸炭窒化処理ではＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスを導入した炉内で数時間、加熱保持することにより行う。

浸炭処理または浸炭窒化処理の直後に焼入れを行うと、主として大きな粒径の残留オーステナイトとレンズ状のマルテンサイトとからなる組織が得られるが、この組織では寿命改善効果が得られ難い。そのため、浸炭処理または浸炭窒化処理後に、Ａｌ変態点以下の温度で一旦保持するか室温まで徐冷した後に、再度８２０〜９００℃程度に加熱して焼入れを行い、１６０〜２００℃で焼戻しを行うことが好ましい。これにより、微細で硬い炭化物または炭窒化物が、マルテンサイトとオーステナイトとからなるマトリックスに均一に分散した、良好な組織が得られる。

前記表層部の硬さおよび残留オーステナイト量を確保するためには、前記表層部の炭素含有率および炭素と窒素の合計含有率を１．０質量％以上とする必要があり、１．２質量％以上とすることが好ましい。ただし、炭素含有率が高すぎると粗大な炭化物が形成されて、転がり疲れ寿命が低下するため、その上限値を２．５質量％、好ましくは２．０質量％とする。
なお、焼戻し温度は１８０〜２４０℃とすることが、残留オーステナイトを安定的に形成するという点で好ましい。

本発明の転がり軸受によれば、軌道輪の軌道面または転動体の転動面をなす表層部の硬さをＨＲＣ６０以上とし、残留オーステナイト量を１５体積％以上４５体積％以下とすることにより、前記表層部の転がり疲労強度と硬さが良好な状態に保持される。前記表層部の残留オーステナイト量が１５体積％未満であると転がり疲労が十分に軽減されない。前記表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以上であることが好ましい。前記表層部の残留オーステナイト量が４５体積％を超えると、表面硬さが低下したり、組み込み時に軌道輪に変形が生じる恐れがある。

また、浸炭処理または浸炭窒化処理を施すことにより、前記表層部に高い残留圧縮応力が付与される。
前記表層部に存在する残留オーステナイトは、前述のトライボケミカル反応により生じる水素イオンを捕らえる機能を有する。そして、前記オーステナイトに捕らえられた水素イオンは、軸受の回転時には、前記表層部（表層部を構成する組織のオーステナイト部分）への吸着速度と前記表層部からの放出速度が平衡状態となり、軸受の停止時には、前記表層部から容易に放出される。これにより、軸受の回転時に、水素イオンが前記表層部を構成する組織のマルテンサイト部分に吸着することが抑制される。

そして、前記定数Ｋを保持温度１７０℃で０．００３以下とすることにより、前記表層部の残留オーステナイトが、熱や転がり疲労によって分解し難くなるため、過酷な条件（高周波振動、荷重変動、滑り等が生じ易く、且つ高温の環境）で使用されても、水素イオンを捕らえる機能が発揮される。
保持温度１７０℃での前記定数Ｋは０．００２以下であることが好ましく、０．００１以下であることがさらに好ましい。

本発明の転がり軸受の好適な用途としては、車両用ベルト式無段変速機のベルトを巻き付けるプーリの回転軸を支持する用途（例えば、図３のラジアル玉軸受１１，１２）、および車両用交流発電機の回転子が固定された回転軸と、固定子が固定された固定子側部材との間で、前記回転軸を前記固定子側部材に対して回転自在に支持する用途（例えば、図４のラジアル玉軸受２０，２１）が挙げられる。

本発明によれば、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用される転がり軸受であっても、トライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離が効果的に防止されて、寿命が長くなる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
試験用の転がり軸受として、呼び番号６２０６に相当する単列深溝玉軸受を、以下のようにして作製した。
内輪および外輪については、リング状の素材として、下記の表１に示す各組成のものを用意し、内輪および外輪の形状に切削加工した後、被加工物に対して各条件で熱処理を行った。No. １〜３と６については、先ず、浸炭窒化処理を、雰囲気温度：９３０℃、導入ガス：ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス（０．８ｍ³ ／ｈ）、処理時間：３．５時間の条件で行った。次に、室温まで徐冷した後に、表１に示す各焼入れ温度まで加熱して、焼入れを行った。次に、１８０℃で焼戻しを行った。

No. ４と５については、表１に示す各焼入れ温度まで加熱して焼入れを行った後に、１８０℃で焼戻しを行った。
玉（転動体）については、先ず、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）からなる素材を切削加工し、前記と同じガスを導入し、雰囲気温度８２０〜８４０℃、処理時間１．５時間で浸炭窒化処理を行った後に、そのまま焼入れを行い、さらに１８０℃での焼戻しを行った。
次に、研磨による仕上げ加工を行うことにより、内輪および外輪の表面粗さ（Ｒａ）を０．０１〜０．０３μｍとし、玉の表面粗さ（Ｒａ）を０．００３〜０．０１０μｍとした。

このようにして作製された内輪および外輪について、軌道面の表層部（表面から玉の直径の２％の深さまでの部分）の硬さ（ロックウエルＣ硬度：ＨＲＣ）と、残留オーステナイト量（γＲ）と、炭素および窒素の合計含有率（Ｃ＋Ｎ）を測定した。これらの測定結果も下記の表１に併せて示す。残留オーステナイト量の測定はＸ線回折により行った。
また、各内輪を１７０℃に保持し、その軌道面の表層部の残留オーステナイト量を、１００時間後、２００時間後、３００時間後、４００時間後、５００時間後に測定して、各保持時間での定数Ｋを前記（１）式から求め、その平均値を算出した。その結果も下記の表１に併せて示す。

次に、これらの内輪、外輪、および玉からなる転がり軸受を、図１に示す油浴潤滑式寿命試験機に取り付けて、寿命を調べる試験を行った。この寿命試験は、同じ構成の試験用軸受を１０個ずつ用意して行った。
この試験機は、油浴１４と荷重付与装置１５とからなり、油浴１４内に、転がり軸受１が取り付けられたハウジング２の全体と、軸３の基端部３１以外の部分とが配置されている。油浴１４には、転がり軸受１の内輪と軸３の間に設けた止め輪１７が略埋まる高さまで、潤滑油１４ａが入れてある。荷重付与装置１５は、ハウジング２を介して転がり軸受１に荷重を与える負荷レバー１５ａを備えている。

潤滑油としては、４０℃での動粘度が３０．４ｍｍ² ／ｓ、１００℃での動粘度が５．２ｍｍ² ／ｓであるトラクション油を用いた。試験条件は、試験荷重：９１００Ｎ、回転速度：３０００ｍｍ^-1、温度：１１０℃とした。
転がり軸受を回転させて、回転試験中に軸受に生じる振動を測定し、回転中の振動値が初期振動値の５倍となった時点で試験を中断して、内輪もしくは外輪の軌道面または玉の表面にフレーキングが生じているかどうかを調べた。

試験を中断した場合にはその時点までの回転時間を寿命時間とした。回転時間が計算寿命の３倍となっても振動値が初期振動値の５倍とならなかったものについては、その時点で回転試験を中止した。また、１０個の試験用軸受の寿命時間をワイブル分布関数により整理し、短寿命側から１０％の軸受にフレーキングが生じるまでの総回転時間を求めて、Ｌ₁₀寿命とした。Ｌ₁₀寿命の計算寿命Ｌ_cal に対する比（Ｌ₁₀／Ｌ_cal ）を算出した。
これらの結果も下記の表１に示す。また、これらの結果から得られた、残留オーステナイト分解定数（Ｋ）と寿命比（Ｌ₁₀／Ｌ_cal ）との関係を図２にグラフで示す。

これらの結果から分かるように、内輪および外輪が全て本発明の範囲（軌道面表層部の硬さ：ＨＲＣ６０以上、残留オーステナイト量１５〜４５体積％、１７０℃でのＫが０．００３以下）を満たすNo. １〜３の試験軸受は、計算寿命より長い寿命が得られた。これに対して、内輪および外輪が全て本発明の範囲の少なくともいずれかを満たさないNo. ４〜６の試験軸受の寿命は、計算寿命より短かった。剥離した部分を観察したところ、全てのサンプルで白色組織が確認された。

このように、内輪および外輪が本発明の範囲を満たすNo. １〜３の深溝玉軸受によれば、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途（ベルト式無段変速機のベルトを巻き付けるプーリの回転軸支持用、エンジン補機用、コンプレッサ、ガスフートポンプ等）で使用されても、トライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離を効果的に防止して、寿命を長くすることができる。
なお、本発明の転がり軸受は玉軸受に限定されず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、ニードル軸受も含まれる。

実施形態に記載の試験で使用した油浴潤滑式寿命試験機を示す概略構成図である。 実施形態に記載の試験結果から得られた、残留オーステナイト分解定数（Ｋ）と寿命比（Ｌ₁₀／Ｌ_cal ）との関係を示すグラフである。 車両のベルト式無段変速機の一例を示す図である。 車両用交流発電機（オルタネータ）の一例を示す図である。 ＳＵＪ２製の内輪、外輪、および玉からなる玉軸受を、潤滑剤としてＣＶＴＦを用いて回転試験を行った前後の、各温度での玉からの水素放出速度を示すグラフである。

符号の説明

１ 転がり軸受
２ ハウジング
３ 軸
３１ 軸の基端部
１１ ラジアル玉軸受
１２ ラジアル玉軸受
１４ 油浴
１４ａ 潤滑油
１５ 荷重付与装置
１５ａ 負荷レバー
１７ 止め輪
２０ ラジアル玉軸受
２１ ラジアル玉軸受
５ 入力軸（駆動軸）
６ 出力軸（従動軸）
７ 入力軸プーリ（プライマリプーリ）
７１ 固定円錐板
７２ 可動円錐板
８ 出力軸プーリ（セカンダリプーリ）
８１ 固定円錐板
８２ 可動円錐板
９ ベルト
９１ リング
９２ 摩擦片

Claims (3)

1. 内輪と外輪との間に複数の転動体が転動自在に配設された転がり軸受において、
   内輪、外輪、および転動体のうちの少なくともいずれかは、
   合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻しを施して得られ、軌道輪の軌道面または転動体の転動面をなす表層部は、硬さがＨＲＣ（ロックウエルＣ硬度）６０以上であり、残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下であり、一定温度に所定時間保持したときの残留オーステナイトの分解速度を示す定数（下記の（１）式で算出されるＫ）が、保持温度１７０℃で０．００３以下であり、
   前記合金鋼は、下記の（２）式で表されるクロム（Ｃｒ）当量が３．０以上であり、下記の（３）式で表されるニッケル（Ｎｉ）当量が０．５以上であることを特徴とする転がり軸受。
   Ｋ＝−Ｉｎ（γＲ_t ／γＲ₀ ）／ｔ…（１）
   式中、ｔは一定温度での保持時間、γＲ_t はｔ時間経過後の残留オーステナイト量（体積％）、γＲ₀ はｔ＝０での残留オーステナイト量（体積％）である。
   Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋１．５Ｍｏ＋５Ｖ＋５．５Ａｌ＋１．７５Ｎｂ＋１．５Ｔｉ＋０．７５Ｗ…（２）
   Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋Ｃｏ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ…（３）
2. 車両用ベルト式無段変速機のベルトを巻き付けるプーリの回転軸を支持する用途で使用される請求項１記載の転がり軸受。
3. 車両用交流発電機の回転子が固定された回転軸と、固定子が固定された固定子側部材との間で、前記回転軸を前記固定子側部材に対して回転自在に支持する用途で使用される請求項１記載の転がり軸受。

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