JP4441947B2

JP4441947B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4441947B2
Application number: JP14005699A
Authority: JP
Inventors: 浩道武村; 保夫村上
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP2000328203A; DE10024538A1; US6565677B1; DE10024538B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受に係わり、特に金属バリなどの異物や泥水が混入し潤滑条件が劣化やすい環境下、例えば自動車、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無段変速機用（トロイダルＣＶＴ、ベルトＣＶＴ）エンジン補機用( オルタネータ、コンブレッサー、水ポンプ等）に使用される転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、転がり軸受に使用される材料として、ＪＩＳに規定された高炭素クロム軸受鋼、とくにＳＵＪ２が一般的に用いられ、焼入れ・焼戻し処理を行い、表面硬さＨＲＣ（ロックウェル硬さ）を約６２、残留オ一ステナイト量を約１０ｗｔ％として使用されている。
【０００３】
しかしながら、この従来転がり軸受は、軸受潤滑油中に異物が混入すると、転がり寿命がクリーン潤滑下と比較して著しく低下する。この潤滑油中には金属の切粉、削り屑、バリ、磨耗粉及び泥水などが混入している。このような異物が混入した転がり軸受の使用環境下では、この異物が、転がり軸受の軌道輪及び転動体の軌道面に圧痕( 損傷) や錆びを生じさせ、これを起点としてフレーキングが発生し、転がり軸受の寿命を著しく低下させているのが現状である。
【０００４】
これらの実験的研究として、「異物混入条件と転がり疲れ寿命」(ＮＳＫテクニカルジャーナルＮＯ．６５５、ｐ１７〜２４、１９９３年）に示されるように、異物の量、異物の硬さ、異物の大きさにより、クリーン潤滑下と比較して約１／８まで転がり軸受の寿命が低下するということが挙げられる。これは、自動車の変速機用歯車などに観られるピッチングのように、軸受の軌道面が異物の侵入及び転がり疲れの影響により軌道面に数十から百μｍ以上の微小圧痕を生じさせ、この圧痕を起点としてフレーキングへ進展し、転がり疲れを低下させる現象を再現してしまうのである。
【０００５】
この異物が混入した際の寿命延長対策として、軸受表面硬さを向上させることが考えれられる。
その対策として、例えば、酸化物形成元素を加え、炭化物を数多く析出させた析出硬化型の工具鋼（ＳＫＨ、ＳＫＤ）を用いて軸受を製造する従来例( 金属便覧、日本金属学会編、改定3 版ｐ７８０〜７９７）が存在する。（以下、この従来例を先願技術１と称する。）
また、他の寿命延長対策として、特公平６−１１８９９号公報（以下、先願技術２と称する。）の技術、特開平３−１７３７４７号公報（以下、先願技術３と称する。）の技術、特公平７−１１０９８８号公報（以下、先願技術４と称する。）の技術がある。
【０００６】
先願技術２は、Ｃ＝０．４〜０．８ｗｔ％、Ｃｒ＝４．０〜８．０ｗｔ％、Ｓｉ＝０．３〜１．２ｗｔ％、Ｍｎ＝１．０ｗｔ％以下、残りがＦｅ及び不可避な不純物成分からなり、浸炭または浸炭窒化処理する技術であり、異物混入した環境下でも長寿命となり、転がり疲労寿命特性に優れた高クロム系軸受鋼となるようにしている。
【０００７】
また、先願技術３は、少なくとも固定輪をマルテンサイト系ステンレス鋼とし、Ｃｒ＝１３〜１８ｗｔ％を含む高炭素ステンレス鋼からなるグリース封入軸受が開示されている。
さらに、先願技術４は、軌道輪と転動体との少なくとも一つが、Ｃ＝０．３〜０．６ｗｔ％、Ｃｒ＝３．０〜１４ｗｔ％を少なくとも含む合金鋼であり、且つ、浸炭またはは浸炭窒化、さらに硬化熱処理を施してなる表面層部を有しており、軌道輪と転動体との少なくとも一つの表面層部に存在する微細炭化物量が２０〜５０ｖｏｌ％であり、その表面層部内の残留オーステアイト量が１０〜２５ｖｏｌ％である転がり軸受が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先願技術１では、転走表面硬さが高くなり潤滑油中の異物による圧痕が付きにくくなるという利点がある反面、炭化物を形成する合金元素の含有量の如何によっては、析出する炭化物が粗大となるため、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が生じて寿命が低下するおそれがある。
【０００９】
また、先願技術２では、浸炭又は浸炭窒化処理のように高価な熱処理が必要なのでコスト高となり、また、Ｃｒが４．０〜８．０ｗｔ％の範囲しか含有されていないので、泥水が混入した際にレース表面に数μｍ程度の不動態被膜しか形成されない。このため、異物圧痕により不動態被膜が破断したり、錆びが発生してピッチングを引起こす場合が考えられ、十分な効果が期待できない。
【００１０】
また、先願技術３では、マルテンサイト系ステンレス鋼が焼戻しマルテンサィトの組織を有する１３Ｃｒ−０．７％Ｃ鋼のＳＵＳ４４０Ａ、１８Ｃｒ−１％Ｃ鋼のＳＵＳ４４０Ｃや、１３Ｃｒ−０．３％Ｃ鋼のＳＵＳ４２０Ｊ２を使用することにより、不動態被膜により耐水素脆性に対する杭性を高めるようにしているが、ＳＵＳ４２０Ｊ２は転がり疲れに対して表面硬さＨＲＣが５２と十分でなかったり、ＳＵＳ４４０ＡやＳＵＳ４２０Ｊ２は、微細な炭化物を形成させるＶやＭｏが添加されておらず、必然的に転がり表面に１０μｍを超える粗大な共晶炭化物が析出しやすくなる。また、表面起点型の剥離を生じる問題だけではなく、不動態被膜が被断しやすくなるため耐食性が低下し、さらには、軸受生産における加工性も劣化させるといった問題がある。
【００１１】
さらに、先願技術４では、浸炭や浸炭窒化といった高価な熱処理が必要となるため、更なる改良が望まれている。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、軌道輪に強固な不動態被膜を形成し、異物や泥水が混入する潤滑状態が良好でない環境下においても早期剥離を良好に防止し、軸受寿命の大幅な延長を可能にすることができる転がり軸受を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の転がり軸受は、軌道輪と転動体とを備えた転がり軸受において、少なくとも前記軌道輪が、Ｃ＝０．６０〜０．９５ｗｔ％、Ｃｒ＝１０．０〜１３．０ｗｔ％、Ｓｉ＝０．２〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ＝０．２〜１．０ｗｔ％を含有し、且つ、Ｍｏ＝０．５〜２．０ｗｔ％及びＶ＝０．５〜２．０ｗｔ％のうち少なくとも一種を添加して５０〜３００ｎｍのＭｏ系またはＶ系の微細な炭化物を分散析出させ、残部がＦｅや不可避不純物よりなる鋼であり、熱処理において前記軌道輪への10μｍを超える共晶炭化物の発生を抑制し、５〜１００ｎｍの不動態被膜を形成したことを特徴としている。
【００１３】
本願発明者等は、応力が加わった状態における耐異物、耐水、長寿命の転がり軸受について種々の検討を行った結果、各元素の含有量と、軌道輪の表面硬さ、耐腐食性、焼戻し軟化抵抗性及び不動態被膜との関係について、種々の知見を得るに至り、この知見に基づき上述した特許請求の範囲に記載のような発明に到達したのである。
【００１４】
本発明に用いられる含有元素の作用及び含有量の臨界的意義等について説明する。
Ｃ（炭素）は、転がり軸受として要求される表面硬さを付与する元素であり、表面硬さＨＲＣ＝５８以上得るためには、Ｃ＝０．６ｗｔ％以上が必要である。一方、０．９５ｗｔ％を超えると、マトリックスをマルテンサイト化することにより焼入れ・焼戻し後の硬さを向上させるが、耐食性の観点からはＣは少ないほど良好である。これは、Ｃを多量に添加すると、製鋼時にＣｒが粗大な共晶炭化物を形成するため、マトリックス中のＣｒ濃度が不足して、十分な耐食性が得られなくなるとともに、転がり寿命や靭性が低下する。特に、Ｃ＝０．６０〜０．９５ｗｔ％であることが好ましい。
【００１５】
Ｃｒ（クロム）は、鋼に耐食性を与える最も有効な元素であり、Ｃｒ＝１０．０ｗｔ％以上であれば良好な耐食性が得られ、５ｎｍ以上の不動態被膜を形成する。一方、Ｃｒ＝１３ｗｔ％を超えると耐食性がさらに向上するが、必要以上に添加するとδフェライトが生成して脆化しやすくなり、靭性を低下させたり、さらに加工性が著しく低下する。５〜１００ｎｍの強固な不動態被膜を形成するには、その上限が１３ｗｔ％として十分であるため、Ｃｒ＝１０．０〜１３．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１６】
Ｍｏ（モリブデン）は、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を著しく増加させる効果があり、また転がり疲労によって生じる組織変化を遅延させる効果を有し、更に耐孔食性を改善する元素であるが、０．５ｗｔ％未満ではその効果は十分ではない。また、５０〜３００ｎｍのＭｏ系炭化物を微細に分散させるためには、０．５ｗｔ％以上必要であるが、過剰に添加すると靭性・加工性を低下させるので、上限を２．０ｗｔ％としてＭｏ＝０．５〜２．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１７】
Ｖ（バナジウム）は、微細な炭化物・窒化物生成元素であり、Ｃｒ炭化物、窒化物の形成を抑制するとともに、４００〜５５０℃での焼戻し過程において、2 次析出による硬さ向上の効果があるため、著しく強度を高める作用がある。また、１０μｍ以上の巨大炭化物の発生を抑制するため、５０〜３００ｎｍのＶ系炭化物を微細分散析出させるためには、０．５ｗｔ％以上必要であるが、コスト面および加工性を考慮すると上限を２．０ｗｔ％として、Ｖ＝０．５〜２．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１８】
また、Ｓｉ（珪素）は、組織変化の遅延、及び焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素であるが、０．２ｗｔ％未満ではその効果は十分ではなく、１．５ｗｔ％を超えると加工性が著しく低下するため、特に、Ｓｉ＝０．２〜１．５ｗｔ％であることが好ましい。
Ｍｎ（マンガン）は、製鋼時の脱酸剤として必要な元素で、０．２ｗｔ％以上必要であり、多量に添加すると鍛造性や被削性を低下されるだけではなく、Ｓ、Ｐなどの不純物と共存して耐食性を低下させるため、その上限を１．０ｗｔ％としてＭｎ＝０．２〜１．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００１９】
さらに、Ｏ（酸素）に関しては、転がり寿命を低下させる酸化物系介在物の生成を低下されるために１０ppm 以下が好ましい。Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）に関しても、同様に０．０２ｗｔ％以下が好ましい。
ここで、例えば１０００〜１２００℃に加熱焼入れした後、高温焼戻し（４００〜５５０℃）を行うと、微細なＭｏ・Ｖ系炭化物が軌道輪に析出し、大きな共晶炭化物の発生が抑制されて強固な不動態被膜が形成されるが、若し、低温焼戻し（１８０〜２２０℃）を行っても、さほど大きな共晶炭化物が発生せず、強固な不動態被膜が形成される。
【００２０】
また、軌道輪に１０μｍ以上の粗大な共晶炭化物を生成すると、不動態被膜が形成される箇所と、不動態被膜が形成されない箇所が発生してしまい、腐食ピッチング起因の剥離や、共晶炭化物起因の剥離が発生しやすい。しかし、本発明のように、熱処理において軌道輪に１０μｍを超える共晶炭化物の発生を抑制すると、軌道輪に不動態被膜が均一に形成されて長寿命化が図られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
表１及び表２に、実施形態例及び比較例に用いた供試体の化学成分を示す。
【００２２】
【表１】

なお、表１中の各化学成分の値は、ｗｔ％である。また、供１〜６は、本実施形態の供試体ナンバーである。
【００２３】
【表２】

なお、表２中の各化学成分の値は、ｗｔ％である。また、供１〜８は、比較例の供試体ナンバーである。
【００２４】
そして、実施形態及び比較例の寿命試験に際し、表１、表２で示した材料からなる内輪、外輪を有する複数種類の転がり軸受を製作した。各転がり軸受の軌道輪は、通常熱処理（１０００〜１２００℃で加熱焼入れ後、サブゼロ処理の実施、またはサブゼロ処理無しに所定の温度にて焼戻し) し、表面硬さをＨＲＣ５５〜６５、残留オーステナイト量は０．５〜１５ｗｔ％、表面粗さを０．０１〜０．０４μｍＲａとした。また、各転がり軸受の転動体には、実施形態及び比較例とも同じＳＵＪ２を用い、熱処理後の表面硬さはＨＲＣ６１〜６３、残留オーステナイト量は１０ｗｔ％、表面粗さを０．０００３〜０．０１０μｍＲａとした。
【００２５】
次に、実施形態例の転がり軸受と比較例の転がり軸受との寿命試験結果について表３、表４に示す。
この寿命試験結果では、図１に示す試験機( 片持ち型寿命試験装置) １を用いており、試験用転がり軸受としては、内輪２、外輪３、複数個の転動体４を備えた深溝玉軸受（６２０６タイプ) ５を採用した。そして、荷重負荷装置６による試験荷重はＦｒ＝９００kgf であり、回転装置７による深溝玉軸受５の試験回転数は３９００rpm であり、潤滑油としてはタービン油ＶＧ６８を使用した。
【００２６】
実験は、初期段階として、大きさが１０〜２０μｍのステンレス粉を、ＶＧ６８の潤滑油１０００ｃｃ中に０．００５ｇ拡散させて、例えば外輪３の軌道輪表面に初期圧痕を設けておく。その後、軸受５を洗浄し内輪２及び転動体４のみを新品の軸受鋼に交換し、圧痕の付いた外輪２と新品の内輪２及び転動体４を組み込む。そして、潤滑油供給ライン８により潤滑油を所定量供給しながら１０個毎の各供試体に対して耐久試験を行った。なお、潤滑油供給ライン６は、異物混入無しのＶＧ６８の潤滑油を溜めた油浴槽９中に水道水を５ｃｃ／hrずつ滴下させ、ポンプ１０により油浴槽９から吸い上げた潤滑油をフィルタ１１、１２を通過させた後に深溝玉軸受５に供給するようにしている。
【００２７】
なお、試験の終了の判定は、初期振動値の５倍となった時点にて試験を中断し、フレーキングを確認した。この時の軸受の計算寿命は４５時間であり、したがって、試験打ち切り時間を計算寿命の約３倍の１５０時間とした。
【００２８】
【表３】

γＲ→残留オーステナイト量１５０→ … １５０hrを超える寿命
○→剥離無し
【００２９】
【表４】

【００３０】
これら表３、表４の寿命試験結果から明らかなように、実施形態１〜３では、軸受表面硬さが、それぞれＨＲＣ６０、６３、３１と高く、また、残留オーステナイト量γＲが１２、１０、１５ｗｔ％と高いため、異物圧痕による表面損傷度が緩和されて表面の不動態被膜の破断を抑制している。そして、微細なＭｏ・Ｖ系炭化物が平均粒径３００、２１５、１８０ｎｍと折出しているので、５μｍを超える共晶炭化物の発生が抑制されて強固な不動態被膜が５、３０、１５ｎｍと均一に形成されており、試験終了後に軌道面の観察を行ったが状態は良好であり、１５０時間に至っても外輪剥離が生じなかった。
【００３１】
実施形態４、５、６に関しては、４００℃以上の高温にて焼き戻してあるため、2 次析出効果により、Ｍｏ・Ｖ系の微細炭化物がそれぞれ１３０、５０、１００ｎｍ析出し、残留オーステナイト量γＲが０．５、２．０、１．０％と小さくても、軌道輪表面にシビアな初期圧痕の形成を抑制したため不動態被膜の破断を抑制している。そして、不動態被膜が１００、５５、７０ｎｍと均一に形成されており、試験終了後に軌道面の観察を行ったが、状態は良好であり、各試験において150 時間に至っても外輪剥離が生じなかった。
【００３２】
一方、比較例１は、通常のＳＵＪ２を用いた試験であり、残留オーステナイト量γＲ＝７％、表面硬さＨＲＣ＝６２であったが、Ｃｒ量が１．５％のため不動態被膜が１ｎｍと薄くなり、水が溜りやすい外輪負荷圏に、１０／１０個に腐食ピッチング起因の剥離と圧痕起点型の剥離が混在し、Ｌ₁₀寿命が１２hrと計算寿命（４５hr）より短時間となった。
【００３３】
比較例２、４は、Ｃｒ量がそれぞれ１６．５ｗｔ％、１８ｗｔ％と高いため、軸受軌道面に１５μｍ以上の粗大な共晶炭化物が多量に生成する。そのため、不動態被膜が均一に形成しておらず、5 μｍ以上の不動態被膜がある箇所と、不動態被膜がない箇所が混在するため、不動態被膜の平均厚さは３ｎｍ、２ｎｍとなる。したがって、１０／１０個の外輪全てに、腐食ピッチング起因の剥離と共晶炭化物起因の表面起点型剥離が発生し、Ｌ₁₀寿命が１３hr、１５hrとなった。
【００３４】
比較例３に関しては、Ｃｒ量が１４．５ｗｔ％と高いため、１０μｍ以上の共晶炭化物が存在しているため、平均不動態被膜厚さが１００ｎｍであったが、局部的には脆く、不動態被膜が被断しやすくなり、試験後の軌道輪には不動態被膜が残っておらず、１０／１０個の外輪全てに、腐食ピッチング起因の剥離が発生し、Ｌ₁₀寿命が３５hrとなった。
【００３５】
比較例５に関しては、共晶炭化物径を５μｍ以下とし、不動態被膜厚さを５５ｎｍとしたが、Ｃが０．４５ｗｔ％のため熱処理後の軸受表面硬さがＨＲＣ＝５６と低くなり、転がり疲労による塑性変形が促進され、１０／１０個の内外輪に剥離が生じ、Ｌ₁₀寿命が９hrと最も短寿命となった。
比較例６に関しては、Ｍｏ・Ｖ系の２０５ｎｍ径とした微細炭化物が析出しているため、２μｍ以下の共晶炭化物となったが、Ｃｒ量が８ｗｔ％と低いため、不動態被膜が３ｎｍと低くなり、１０／１０個の外輪に腐食ピッチング起因の剥離が生じ、Ｌ₁₀寿命は２９hrとなった。
【００３６】
比較例７、８に関しては、Ｃ量が０．６５ｗｔ％、０．７５ｗｔ％と高いため、熱処理後の表面硬さがＨＲＣ＝６１、６２と十分であり、且つＣｒ量が１２．５ｗｔ％、１０．５ｗｔ％であるが、微細なＭｏ・Ｖ系の炭化物の析出が認められず４２５ｎｍ、５００ｎｍと大きかったため、共晶炭化物として１０μｍを超えるものが確認された。そのため、不動態被膜が均一に形成しておらず、５μｍ以上の不動態被膜がある箇所と、不動態被膜がない箇所が混在するため、不動態被膜の平均厚さは３ｎｍとなった。したがって、１０／１０個の外輪に、腐食ピッチング起因の剥離が発生し、Ｌ₁₀寿命はそれぞれ２３hr、２１hrとなった。
【００３７】
以上の結果より、少なくとも固定輪が、Ｃ量を０．６０〜０．９５ｗｔ％、Ｃｒ量を１０．０〜１３．０ｗｔ％含有し、０．５〜２．０ｗｔ％のＭｏ量、又は０．５〜２．０ｗｔ％のＶ量のうちの少なくとも一種を添加し、５０〜３００ｎｍのＭｏ系又はＶ系の微細な炭化物を分散析出させ、残部がＦｅや不可避成分を含有し、熱処理後の表面硬さＨＲＣを５８以上とし、軌道輪に１０μｍ以上の共晶炭化物を無くしたことにより、軌道表面に強固な５〜１００ｎｍの不動態被膜を形成し、５ppm 程度の異物の混入があっても、不動態被膜の破断を抑制するため、腐食ピッチンク・起因による剥離を防止し、長寿命軸受を提供できる。
【００３８】
また、微細炭化物を分散析出させるためには、Ｍｏ、Ｖ以外に、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔｉなどの合金元素を添加し、鋼中に溶体化させることにより、５０〜３００ｎｍの炭化物を析出させても同様の長寿効果を有する。
さらに、鋼中の水素の脱ガスを目的としてベーキングしたり、真空炉にて加熱焼入れすると、鋼中の拡散性水素量が０．１ppm 以下となるので、剥離から割れに至る要因を抑制する効果を有する。
【００３９】
なお、異物の混入が多い環境下では、不動態被膜の破断を抑制するために、残留オーステナイト量γＲを１０〜１５％にすることが好ましい。
また、異物の混入が５ppm 以下で雰囲気温度が高くなる環境下では、寸法安定性が問題となるため、残留オーステナイト量γＲを２％以下にすることが好ましい。
【００４０】
さらに、今回の試験において、内外輪を本発明請求範囲内の材料にて試作したが、コストの面を考えると剥離の多発する外輪のみを製作し、内輪および転動体に関しては通常の軸受用鋼を使用してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に関わる転がり軸受によれば、軌道輪の表面硬さＨＲＣを５８以上に設定することができ、微細なＭｏ・Ｖ系炭化物が析出して大きく共晶炭化物の発生が抑制されるので、腐食ピッチングによる早期剥離を防止し、耐磨耗性に優れた強固な不動態被膜を形成するので従来と比較して大幅に転がり寿命を延長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用した型持ち型寿命試験器の概要を示す図である。
【符号の説明】
１試験機( 片持ち型寿命試験装置)
２内輪
３外輪
４転動体
５深溝玉軸受（転がり軸受）
６荷重負荷装置
７回転装置
８潤滑油供給ライン
９油浴槽
１０ポンプ
１１、１２フィルタ

Claims

軌道輪と転動体とを備えた転がり軸受において、少なくとも前記軌道輪が、Ｃ＝０．６０〜０．９５ｗｔ％、Ｃｒ＝１０．０〜１３．０ｗｔ％、Ｓｉ＝０．２〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ＝０．２〜１．０ｗｔ％を含有し、且つ、Ｍｏ＝０．５〜２．０ｗｔ％及びＶ＝０．５〜２．０ｗｔ％のうち少なくとも一種を添加して５０〜３００ｎｍのＭｏ系またはＶ系の微細な炭化物を分散析出させ、残部がＦｅや不可避不純物よりなる鋼であり、熱処理において前記軌道輪への10μｍを超える共晶炭化物の発生を抑制し、５〜１００ｎｍの不動態被膜を形成したことを特徴とする転がり軸受。