JP4857746B2 - 転がり支持装置 - Google Patents
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Description
このような異物混入潤滑下における早期剥離は、軌道輪と転動体との間に異物が噛み込むことで転がり面に形成された圧痕のエッジ部(以下、「圧痕縁」と記す。)に、応力集中が生じることが原因であると言われている。
そこで、本発明は、異物混入潤滑下で使用された場合であっても、早期剥離が生じ難く、寿命の長い転がり支持装置を提供することを課題としている。
よって、本発明の転がり支持装置は、異物混入潤滑下で使用された場合であっても、早期剥離が生じ難くなり、寿命が長くなる。
素材をなす鋼としては、Si含有率が0.3質量%以上2.2質量%以下で、Mn含有率が0.3質量%以上2.0質量%以下で、Si含有率とMn含有率との質量比Si/Mnが5以下の鋼を用いることが好ましい。また、転がり面にSi−Mn系窒化物を効率よく析出させ、転がり面をなす表層部に本発明の範囲内のNを固溶させるためには、Si含有率とMn含有率との合計を1質量%以上とすることが好ましい。
ここで、素材をなす鋼中に存在するCは、鋼に必要な強度と寿命を付与するために必要な元素である。素材をなす鋼のC含有率が少なすぎると、転動部材に必要な強度を付与できないだけでなく、窒化又は浸炭窒化を行う際に転がり面に必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、熱処理コストが増大する。よって、素材をなす鋼のC含有率は0.3質量%以上とすることが好ましく、0.5質量%以上とすることがより好ましい。
なお、素材をなす鋼には、上述した元素に加えて、Crと同様の作用を有するMoやV等の炭化物形成促進元素を、素材費の上昇や加工性の低下によるコスト上昇を招かない範囲で含有してもよい。また、素材をなす鋼の残部は、実質的にFeからなるが、不可避不純物として、S,P,Al,Ti,O等を含有してもよい。これらの元素は、圧痕縁を起点とする表面起点型の剥離に対して特に際立った抑制効果はないと言われているが、鋼の品質が著しく悪い場合には、これらが起点となって内部起点型の剥離が生じる。このため、コストの著しい上昇を招くような厳しい不純物規制は行わないが、不可避不純物の含有率は、JIS G 4805に規定された高炭素クロム軸受鋼の清浄度規制を満たす品質レベルとする。
まず、上述した鋼からなる素材を、成形加工や粗研削等で所定形状に加工した後に、アンモニアガスを導入した炉内で加熱保持することによる「窒化」を行うか、混合ガス(例えば、RXガス+エンリッチガス+アンモニアガス)を導入した炉内で加熱保持することによる「浸炭窒化」を行う。これらの処理は、熱処理後において、転がり面のSi−Mn系窒化物の存在率が1.0%以上20.0%以下で、転がり面をなす表層部のN含有率が0.2質量%以上となるような条件で行う。
次に、焼入れ及び焼戻しを行う。これらの処理は、熱処理後における転がり面をなす表層部に、転動部材として必要な硬さ(例えば、Hv750以上)が得られるような条件で行うことが好ましい。
転がり面をなす表層部に存在するNは、マルテンサイトの固溶強化や残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性及び耐圧痕性を向上させ、転がり面に作用する接線力を小さくする作用を有する。これらの作用を得るために、転がり面をなす表層部のN含有率は0.2質量%以上とし、好ましくは0.3質量%とし、より好ましくは0.45質量%以上とする。
一方、前記表層部のN含有率が多すぎると、転動部材として必要な靱性や強度が得られなくなる。特に、転がり支持装置の転動体には、十分な靱性や強度が必要であるため、転がり面をなす表層部のN含有率は2.0質量%以下とすることが好ましい。
本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、転がり面に存在するSi−Mn系窒化物は、耐摩耗性及び耐圧痕性を向上させるとともに、転がり疲れ寿命を向上させる作用を有することを見出した。これらの作用を得るために、転がり面のSi−Mn系窒化物の存在率は1.0%以上とする。
一方、転がり面に存在するSi−Mn系窒化物が多すぎると、転動部材として必要な靱性や強度が得られなくなる。よって、転がり面のSi−Mn系窒化物の存在率は20.0%以下とし、好ましくは10.0%以下とする。
転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は、圧痕縁への応力集中を抑制するためには多くすることが好ましいが、表層部に優れた耐摩耗性や耐圧痕性を付与して、転がり面に作用する接線力を小さくするためには少なくすることが好ましい。
そこで、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、第1部材及び第2部材の軌道面をなす表層部の残留オーステナイト量をγRAB とし、転動体の転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγRCとした時に、0≦γRAB 及び0≦γRC≦50を満たすとともに、γRAB −15≦γRC≦γRAB +15を満たすようにすることにより、転がり面をなす表層部における圧痕縁への応力集中を確実に抑制しつつ、転がり面に作用する接線力をより小さくできることを見出した。ここで、転がり面に必要な硬さを付与し、優れた耐圧痕性や耐摩耗性を得るとともに、高温下で使用された場合に優れた寸法安定性を付与するために、γRCは50体積%以下とする。
<第1実施例>
まず、高炭素クロム軸受鋼二種(SUJ2)からなる素材を所定形状に加工した後、混合ガス(Rxガス+エンリッチガス+アンモニアガス)を導入した炉内において830〜850℃で1〜3時間加熱保持することによる浸炭窒化と、油焼入れと、180〜240℃で2時間加熱保持することによる焼戻しを施すことにより、円筒状の試験体(内径:16mm,外径:30mm,幅:7mm)を作製した。
このとき、浸炭窒化の条件を変えることにより、熱処理後における試験体の外周面(表面)をなす表層部(表面から50μmの深さまでの部分)のN含有率を調節した。
このようにして得られた試験体において、外周面をなす表層部のN含有率を電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて、加速電圧15kvで測定した。
なお、得られた試験体において、表層部の硬さはいずれもHv750〜780とし、表層部の残留オーステナイト量はいずれも20〜30体積%とした。
そして、得られた試験体を用いて、耐圧痕性試験、耐摩耗性試験、及びシャルピー衝撃試験を行った。
耐圧痕性試験は、図1に示すように、試験体10の外周面に直径2mmの鋼球20を載せて、5GPaで押し付けることで行った。この試験では、鋼球20を押し付けた後に試験体10の外周面に形成される圧痕深さを測定した。
そして、得られた結果に基づいて、表層部のN含有率と圧痕深さとの関係を示す図2のグラフを作成した。
図2のグラフから、表層部のN含有率が多くなる程、圧痕深さが浅くなり、表層部のN含有率を0.2質量%以上とすると、圧痕深さが250nm以下となることが分かった。
耐摩耗性試験は、図3に示すように、一対の試験体11,12の両外周面を接触させた状態で配置した後、面圧0.8GPa、滑り率30%の条件下で、駆動側の試験体11を回転速度10min-1で、従動側の試験体12を回転速度7min-1で20時間回転させることで行った。この試験では、回転前後の各試験体11,12の質量差を測定し、これらの平均値を摩耗量として測定した。なお、各試験体11,12はモータ30により回転させて、従動側の試験体12の回転速度はギア40で調節した。
そして、得られた結果に基づいて、表層部のN含有率と摩耗量との関係を示す図4のグラフを作成した。
図4のグラフから、表層部のN含有率が多くなる程、摩耗量が少なくなり、表層部のN含有率を0.2質量以上とすると、摩耗量が0.02g以下となることが分かった。
シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242に規定されたシャルピー衝撃試験方法で行った。そして、得られた結果に基づいて、表層部のN含有率と吸収エネルギーとの関係を示す図5のグラフを作成した。
図5のグラフから、表層部のN含有率が2.0質量%よりも大きくなると、吸収エネルギーが小さくなり、表層部に十分な靱性が得られなくなることが分かった。
以上の結果より、表層部に耐圧痕性、耐摩耗性、及び靱性の全てを付与するためには、表層部のN含有率を0.2質量%以上2.0質量%以下にすればよいことが確認できた。
まず、SUJ2からなる素材を所定形状に加工した後、上述した第1実施例と同様の熱処理を施すことにより、上述した第1実施例と同様の円筒状の試験体を作製した。
このとき、浸炭窒化の条件を変えることにより、熱処理後における試験体の外周面をなす表層部(表面から50μmの深さまでの部分)の硬さを調節した。
このようにして得られた試験体において、外周面をなす表層部の硬さを、JIS Z 2244に規定されたビッカース硬さ試験方法を用いて測定した。
なお、得られた試験体において、表層部のN含有率はいずれも0.3〜0.5質量%とし、表層部の残留オーステナイト量はいずれも20〜30体積%とした。
そして、得られた試験体を用いて、上述した第1実施例と同様の条件で、耐圧痕性試験及び耐摩耗性試験を行った。
その後、得られた結果に基づいて、表層部の硬さと圧痕深さとの関係を示す図6のグラフを作成した。
また、得られた結果に基づいて、表層部の硬さと摩耗量との関係を示す図7のグラフとを作成した。
図7のグラフから、表層部の硬さが大きくなる程、摩耗量が少なくなり、表層部の硬さをHv750以上とすると、摩耗量が0.011g以下となることが分かった。
以上の結果より、表層部に耐圧痕性及び耐摩耗性を確実に付与するためには、表層部の硬さをHv750以上とすればよいことが確認できた。
まず、Si及びMnを含む鋼からなる素材を所定形状に加工した後、上述した第1実施例と同様の熱処理を施すことにより、上述した第1実施例と同様の円筒状の試験体を作製した。
このとき、素材をなす鋼中のSi含有率及びMn含有率を変えることにより、熱処理後における試験体の外周面(表面)のSi−Mn系窒化物の存在率が異なるようにした。
このようにして得られた試験体の外周面において、電界放射型走査顕微鏡(Fe−SEM)を用いて、加速電圧10kVで、倍率5000倍の条件下で、最低3視野以上の写真(図8参照)を撮影した。その後、画像解析装置を用いて、得られた写真を二値化した後に存在率(面積比)を測定した。
そして、得られた試験体を用いて、上述した第1実施例と同様の圧痕性試験、耐摩耗性試験、及びシャルピー衝撃試験を行った。
その後、得られた結果に基づいて、試験体の外周面のSi−Mn系窒化物の存在率と、圧痕深さとの関係を示す図9のグラフを作成した。
図9のグラフから、外周面のSi−Mn系窒化物の存在率を大きくする程、圧痕深さが浅くなり、Si−Mn系窒化物の存在率を1.0%以上とすると、圧痕深さが100nm以下となることが分かった。
図10のグラフから、外周面のSi−Mn系窒化物の存在率を大きくする程、摩耗量が少なくなり、外周面のSi−Mn系窒化物の存在率を1.0%以上とすると、摩耗量が0.005g以下となることが分かった。
さらに、得られた結果に基づいて、試験体の外周面のSi−Mn系窒化物の存在率と、吸収エネルギーとの関係を示す図11のグラフを作成した。
まず、高炭素クロム軸受鋼三種(SUJ3)からなる素材と、SUJ2からなる素材を、それぞれ旋削加工を施して所定形状に加工した。
次に、これらに、混合ガス(Rxガス+プロパンガス+アンモニアガス)を導入した炉内において820〜900℃で2〜10時間加熱保持することによる浸炭窒化と、油焼入れと、160〜270℃で2時間加熱保持することによる焼戻しとを施した。
次に、これらに研磨及びラッピングによる鏡面仕上げ加工を施すことにより、円板状の試験体(直径65mm,厚さ6mm)を作製した。
このとき、浸炭窒化の条件を変えることにより、表1に示すように、熱処理後における試験体の表面をなす表層部のN含有率を調節した。
なお、得られた試験体において、表層部の硬さはいずれもHv750〜820とし、表層部の残留オーステナイト量はいずれも20〜30体積%とした。
そして、得られた試験体を、日本精工株式会社製のスラスト型寿命試験機に組み込んだ後、異物混入潤滑下で使用することを想定した以下に示す条件で寿命試験を行った。この試験では、試験体の表面に剥離が生じるまでの試験体の回転時間を寿命として測定し、ワイブル分布曲線に基づくL10寿命を算出した。この結果を、No.11のL10寿命を1としたときの比で、表1に併せて示した。
〔寿命試験条件〕
試験荷重:5880N(600kgf)
回転速度:1000min-1
潤滑油:VG68
異物:(硬さ)Hv870
(寸法)74〜147μm
(混入量)潤滑剤全体に対して200ppmとなるように混入
また、得られた結果に基づいて、試験体の表面をなす表層部のN含有率と、試験体の表面のSi−Mn系窒化物の存在率との関係を示す図12を作成した。
図13のグラフから、試験体の表面のSi−Mn系窒化物の存在率が大きくなる程、寿命が長くなっていることが分かる。また、SUJ2と比べてSi含有率やMn含有率の多いSUJ3からなる素材を用いた場合に、表面のSi−Mn系窒化物の存在率がSUJ2と同様でも、寿命が長くなっていることが分かる。
本実施例では、日本精工株式会社製呼び番号6206の深溝玉軸受(内径:30mm,外径:62mm,幅16mm)を以下に示す手順で作製した。この深溝玉軸受は、図14に示すように、内輪1、外輪2、玉3、及び保持器4からなる。
玉3は、表2に示す各組成の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、上述した第4実施例と同様の熱処理及び鏡面仕上げ加工を施すことにより作製した。 このようにして得られた玉3において、上述した第1実施例と同様の条件で転動面(転がり面)をなす表層部のN含有率を測定するとともに、上述した第3実施例と同様の条件で転動面のSi−Mn系窒化物の存在率を測定した。この結果を、表2に併せて示した。
この試験では、内輪1、外輪2、及び玉3のいずれかの転がり面に剥離が生じるまでの回転時間を寿命として測定し、ワイブル分布曲線に基づくL10寿命を算出した。この結果を、No.40のL10寿命を1としたときの比で、表2に併せて示した。
〔寿命試験条件〕
試験荷重:6223N(635kgf)
回転速度:3000min-1
潤滑油:VG68
異物:(硬さ)Hv590
(寸法)74〜147μm
(混入量)潤滑剤全体に対して200ppmとなるように混入
図15のグラフから、Si含有率及びMn含有率が本発明範囲内の鋼からなる素材を用いて、転動面をなす表層部のN含有率を本発明範囲内とした玉3の素材をなす鋼中のSi/Mnが質量比で5以下であると、玉3の転動面のSi−Mn系窒化物の存在率が1.0%以上になることが分かった。
本実施例では、日本精工株式会社製呼び番号L44649/610の円錐ころ軸受(内径:26.988mm,外径:50.292mm,幅14.224mm)のころを、以下に示す手順で作製した。
まず、表3に示す各組成の鋼からなる線材(素材)をヘッダー加工及び粗研削加工により所定形状に加工した後、混合ガス(Rxガス+プロパンガス+アンモニアガス)を導入した炉内において830℃で5〜20時間加熱保持することによる浸炭窒化と、油焼入れと、180〜270℃で2時間加熱保持することによる焼戻しとを施した。次に、これらの転動面に研磨及びラッピングによる鏡面仕上げ加工を施した。
内輪及び外輪は、以下に示す手順で作製した。
この時、浸炭窒化の条件を変えることで、内輪及び外輪の軌道面(転がり面)をなす表層部の残留オーステナイト量を三種類(10体積%、約20体積%、30体積%)に調節した。
〔寿命試験条件〕
試験荷重:Fr=12kN,Fa=3.5kN
回転速度:3000min-1
潤滑油:VG68
異物:(硬さ)Hv870
(寸法)74〜134μm
(混入量)潤滑剤全体に対して0.1gとなるように混入
サンプル毎の試験回数:12回
このうち、内外輪の軌道面をなす表層部の残留オーステナイト量γRAB を種々変更させたNo.67〜No.74と、No.75〜No.82と、No.83〜No.91との結果から、γRAB が多い程、寿命が長くなる傾向があることが分かる。
同様に、No.75〜No.82のうち、γRAB とγRCとの差が15体積%よりも大きなころを用いたNo.75,No.81,No.82では、寿命が短く、No.96の2.4倍以下となっており、No.83〜No.91のうち、γRAB とγRCとの差が15体積%よりも大きなころを用いたNo.83,No.84,No.90,No.91では、寿命が短く、No.96の2.9倍以下となっていることが分かる。
表3に示す結果に基づいて、ころの転動面のSi−Mn系窒化物の存在率と、寿命との関係を示す図16のグラフを作成した。
図16のグラフから、ころの転動面のSi−Mn系窒化物の存在率を1.0%以上20.0%以下とすると、No.96の2.0倍以上の寿命が得られていることが分かる。
図17のグラフから、ころの転動面をなす表層部の残留オーステナイト量γRCと、内輪及び外輪の軌道面をなす表層部の残留オーステナイト量γRAB との関係が、γRAB −15≦γRC≦γRAB +15を満たさない部分(図17における破線部)では、寿命が短くなっていることが分かる。
2 外輪(第2部材)
3 玉(転動体)
4 保持器
Claims (2)
- 互いに対向配置される軌道面を有する第1部材及び第2部材と、前記第1部材及び前記第2部材の間に転動自在に配置され、前記軌道面に対する転動面を有する転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより、前記第1部材及び前記第2部材のうち一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
前記第1部材、前記第2部材、及び前記転動体のうち少なくとも一つの転動部材は、Si含有率が0.3質量%以上2.2質量%以下で、Mn含有率が0.35質量%以上2.0質量%以下であるとともに、SiとMnとの含有率の質量比(Si/Mn)が5以下で、C含有率が0.3質量%以上1.2質量%以下で、Cr含有率が0.5質量%以上2.0質量%以下で、残部がFe及び不可避不純物からなる鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、浸炭窒化又は窒化を含む熱処理が施されて得られ、
その転がり面のSi及びMnを含む窒化物の存在率は、面積比で1.0%以上7.55%以下であるとともに、その転がり面をなす表層部のN含有率は、0.2質量%以上であることを特徴とする転がり支持装置。 - 前記軌道面をなす表層部の残留オーステナイト量をγ RAB とし、前記転動面をなす表層部の残留オーステナイト量をγ RC とした時に、0≦γ RAB 及び0≦γ RC ≦50を満たすとともに、γ RAB −15≦γ RC ≦γ RAB +15を満たすことを特徴とする請求項1に記載の転がり支持装置。
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