JP4997832B2

JP4997832B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4997832B2
Application number: JP2006150375A
Authority: JP
Inventors: 徹植田; 直也瀬野; 光司植田; 宣晶三田村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007321816A

Description

本発明は転がり軸受に関するものであり、特に自動車、建設機械、農機、鉄鋼設備等の潤滑条件の厳しい環境下で使用される玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受、ニードル軸受などの転がり軸受に関するものである。

このような環境下で使用される転がり軸受は、潤滑油に異物等が混入し、軌道面に異物の噛み込みによる圧痕が発生し、その圧痕を起点として早期剥離を生じる可能性が高い。これらを解決する方法として、下記特許文献１では、内外輪、転動体に浸炭又は浸炭窒化処理を施し、残留オーステナイトを所定量析出させることにより、軌道面表面に生じた圧痕による応力集中を緩和することで、剥離寿命の延長化を図る方法が提案されている。また、下記特許文献２では、高濃度浸炭により軌道面の硬さを高め、材料強度を向上させることにより、長寿命化を計る方法が提案されている。但し、これらの方法は、内外輪、転動体夫々を個々の部品として考え、個々の部品を夫々強化するものである。従って、軌道輪の寿命を向上したい場合には、軌道輪に所定の長寿命化処理を施すという考え方がなされるのが一般的である。
特開昭６４−５５４２３号公報特開平７−４１９３４号公報

しかしながら、市場における軸受を取り巻く環境は、昨今の機械の小型化、高速化に伴って厳しくなってきており、従来の長寿命化技術だけでは短寿命の問題を解決できないケースも増えてきている。そうした問題を解決するためには、更に材料強度を向上させるために高合金化や特殊熱処理、表面処理等を施す方法が挙げられるが、これら特殊材及び特殊処理を施すことは大幅なコスト増大につながり、最良の方法とは言えない。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、コストの増大を抑制しながら、異物混入潤滑環境下でも長寿命化が可能な転がり軸受を提供することを目的とするものである。

そこで、本発明では、従来の長寿命化技術とは異なり、軌道輪、転動体の寿命を考える場合に、夫々の部品の強度向上だけに着目するのではなく、夫々の部位の寿命に及ぼす相乗効果について考えた。例えば、軌道輪の寿命を向上させるために、従来は軌道輪材料の強度だけを考えていたが、本発明では軌道輪の寿命を延ばすために、転動体はどうあるべきかを考えた。その結果、夫々の部品の寿命は相手側の表面状態（粗さ及び圧痕等によ形状崩れ）に大きく影響を受けることが分かった。例えば、軌道輪の寿命を向上させるには、転動体の表面状態を良好にすることにより長寿命化が図れることが分かった。従って、軸受製造時に双方の部品の表面状態を良好にすることで、夫々接触相手側の寿命を向上し、軸受としての寿命を向上させることができる。

しかしながら、前述した厳しい潤滑条件下では、異物の混入は避けがたく、使用中に異物を噛み込むことによって圧痕が形成され、表面状態が劣化していく。この圧痕の形成を防ぐには、異物に対して圧倒的な硬さを有する特殊材料を用いることで達成できるが、コストが大幅に高くなり、現実的でない。
そこで、本発明は、軌道輪と転動体の耐圧痕性（圧痕のつきにくさ）を異なる組合せにし、どちらか一方に圧痕が優先的に形成されるような仕様にすることを特徴としている。どちらか一方に圧痕をつけることにより、圧痕がつきにくい部材は、圧痕による応力集中が発生しないため、長寿命化することができる。一方で、圧痕のつきやすい部材は圧痕による応力集中は大きくなるが、それによる短寿命作用よりも相手側（圧痕のついていない部材）の表面状態が良好であることにより長寿命効果の方が大きくなることによって、長寿命化が図れる。

以下に、軌道輪、転動体のどちらに優先的に圧痕を形成した方が軸受全体の寿命延長効果があるかについて考察する。接触する相手部材の表面状態が悪いと、自身の圧痕縁に作用する接線力が大きくなり、寿命が低下する。その場合、従動側（周速が遅い側）の表面状態より、駆動側（周速が速い側）の表面状態が寿命に顕著に影響を及ぼす。従って、従動側より駆動側の耐圧痕性を向上させ、圧痕をつきにくくした方が効果的である。

実際の転がり軸受では、玉軸受や自動調心ころ軸受は、面圧が高い領域において、転動体（玉）が駆動側である。また、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受は面圧が高い領域では駆動輪と転動体との間で基本的に滑りが生じない（純転がりである）ため、駆動側と従動側は存在しないが、エッジロードを抑制する目的でころにクラウニングを設けることが多く、その場合には、玉と同様、ころが駆動側となる。従って、玉軸受、ころ軸受共に、転動体の耐圧痕性を向上させ、圧痕をつきにくくする方が転がり軸受全体の寿命延長に効果的である。従って、本発明では軌道輪を圧痕のつきやすい仕様、転動体を圧痕のつきにくい仕様としている。

材料的に圧痕のつきやすさ、つきにくさをコントロールする手法としては、一般的に硬さの差を持たせることが考えられる。しかし、軸受鋼は通常でＨＲＣ６０以上の硬さを有しており、転動体、軌道輪部品の全部がこれ以上の硬さを有している。そのため、硬さのみで転動体と軌道輪との間に差をつけることはＨＲＣで２〜３程度が限界であり、この程度の硬さの差では耐圧痕性に大きな差が出ない。一方（軌道輪）をＨＲＣ６０以下にし、差をつけることは可能であるが、その場合、軌道輪の基本的な強度が低下してしまい、短寿命になる問題が生じる。

そこで、本発明では、硬さ以外に、耐圧痕性に大きな影響を及ぼす因子として表面窒素量に着目した。窒素量が多いほど、耐圧痕性が向上するため、どちらか一方に表面窒素量の多いもの、どちらか他方に表面窒素量の少ないものを用いることによって部材毎の耐圧痕性を変えることができる。
具体的な数値限定理由は後述するが、軌道輪と転動体の組合せにおいて最も長寿命となる特徴として請求項１に示すように、内外輪、転動体からなる転がり軸受において、その軌道輪軌道面の表面窒素濃度が０．０５ｗｔ％以下、転動体の表面窒素濃度が０．２０ｗｔ％以上となるような軌道輪と転動体の組合せ、更には請求項２に示すように、軌道輪軌道面の窒素濃度が０．０５ｗｔ％以下、転動体の表面窒素濃度が０．２０ｗｔ％以上、転動体材料のＳｉ含有量＋Ｍｎ含有量が１．０ｗｔ％以上であるような軌道輪と転動体の組合せが寿命に最も有効であることを見出した。

また、本発明を効果的に実施し、前記効果を得るための軌道輪、転動体素材の主要化学成分は、軌道輪が、Ｃ：０．１５〜１．２ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．２〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．１〜２．０ｗｔ％、転動体が、Ｃ：０．３〜１．２ｗｔ％、Ｓｉ：０．３〜２．２ｗｔ％、Ｍｎ：０．２〜２．０ｗｔ％、Ｃｒ：０．５〜２．０ｗｔ％である。

数値の臨界的意義は以下の通りである。
［軌道輪軌道面の表面窒素濃度が０．０５ｗｔ％以下、転動体の表面窒素濃度が０．２ｗｔ％以上］
窒素は、炭素と同じようにマルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物又は炭窒化物を形成して耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる作用がある。後述するように、表面窒素濃度が０．０５ｗｔ％を超えると徐々に耐圧痕性が上昇し、０．２ｗｔ％を超えると大幅な向上が見られる。そこで、本発明では、軌道輪軌道面に圧痕がつきやすくするため、軌道輪表面の窒素濃度を０．０５ｗｔ％以下とし、転動体表面に圧痕がつきにくくするため、転動体表面の窒素濃度を０．２ｗｔ％以上とし、より好ましくは０．３５ｗｔ％以上とする。また、耐圧痕性向上のためには、転動体表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を２％以上とすることが好ましい。

［転動体材料のＳｉ含有量＋Ｍｎ含有量が１．０ｗｔ％以上］
前述したように、表面の窒素濃度が高いほど、材料の耐圧痕性、耐摩耗性が向上することが明らかになった。しかし、本発明者らは更に、窒素濃度が同じ場合でも、材料内部の窒素の存在状態によって耐圧痕性が変わるという知見を得た。窒素は、材料内部に固溶して存在する場合と、窒化物として析出して存在する場合がある。Ｓｉ・Ｍｎを多く含む材料を窒化若しくは浸炭窒化処理した場合には、同じ窒素濃度でも材料中に固溶して存在する窒素量より、表面にＳｉ・Ｍｎ系の窒化物を析出して存在する窒素量が多くなる。後述するように、素材のＳｉ＋Ｍｎ量が増大することにより耐圧痕性が向上し、Ｓｉ＋Ｍｎが１．０ｗｔ％を超えると顕著に耐圧痕性が向上する。これは同じ窒素濃度でも、窒素が基地組織に固溶して存在するよりも、より硬度の高いＳｉ・Ｍｎ系窒化物を形成して存在する方が、より耐圧痕性が向上するためである。従って、本発明では、Ｓｉ＋Ｍｎ量を１．０ｗｔ％以上とした。

［転動体表面の面積３７５μｍ²中における０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が１００個以上］
析出強化の理論において析出物粒子間距離の小さい方が強化能に優れるので、窒化物の面積率が同じであっても、面積３７５μｍ²の範囲の、平均粒径０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を１００個以上とすることで、析出数を増やし、析出物粒子間距離を小さくして強化することが好ましい。また、０．０５μｍ以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物のうち、０．０５〜０．５０μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数比率を２０％以上にすることにより、更に強化することが可能になる。

而して、本発明のうち請求項１に係る転がり軸受によれば、内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、外方部材の軌道面と内方部材の軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、内方部材及び外方部材の軌道面の表面窒素濃度を０．０５ｗｔ％以下、転動体の表面窒素濃度を０．２ｗｔ％以上、転動体表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を２．０％以上としたことにより、従動側に相当する軌道輪表面には圧痕がつきやすいが、駆動側に相当する転動体表面には圧痕がつきにくく、全体としての耐圧痕性を向上することができるので、異物混入潤滑環境下でも長寿命を達成することができる。
また、本発明のうち請求項２に係る転がり軸受によれば、転動体材料のＳｉ含有量＋Ｍｎ含有量を１．０ｗｔ％以上ですることにより、より硬度の高いＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量を増加させ、より一層、耐圧痕性を向上することができる。

次に、本発明の転がり軸受の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の転がり軸受の断面図である。この転がり軸受は、内方部材である内輪１、外方部材である外輪２、転動体３、保持器４を備えた、呼び番号Ｌ４４６４９／６１０の円錐ころ軸受である。
まず、耐圧痕性に及ぼす窒素の影響を調査するため、図２に示す耐圧痕性試験を行った。耐圧痕性試験は、直径２ｍｍの鋼球を試料に５ＧＰａで押し付けた後、圧痕の深さを測定した。表面窒素量の測定は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いた。表面窒素濃度と圧痕深さとの関係を図３に示す。図３に示すように、表面窒素濃度が０．０５ｗｔ％を超えると徐々に耐圧痕性が上昇し、０．２ｗｔ％を超えると大幅な向上が見られる。このことから、圧痕をつきにくくするためには表面窒素濃度を０．２ｗｔ％以上とすればよく、圧痕をつきやすくするためには表面窒素濃度を０．０５ｗｔ％以下とすればよいことが分かる。

次に、耐圧痕性に及ぼすＳｉ＋Ｍｎ量の影響を調査するため、前述した図２に示す耐圧痕性試験を、Ｓｉ＋Ｍｎ量を変えた試料に対して行った。図４には、Ｓｉ＋Ｍｎ量と圧痕深さとの関係を示す。窒素濃度は、０．３ｗｔ％程度でほぼ一定である。図４に示すように、素材のＳｉ＋Ｍｎ量が増大すると耐圧痕性が向上し、Ｓｉ＋Ｍｎ量が１．０ｗｔ％を超えると顕著に耐圧痕性が向上する。このことから、圧痕をつきにくくするためには、素材のＳｉ＋Ｍｎ量を１．０ｗｔ％以上とすればよいことが分かる。

次に、前述した呼び番号Ｌ４４６４９／６１０の円錐ころ軸受を用い、異物混入潤滑環境下での寿命試験を行った。試験条件は以下の通りである。
試験荷重：ラジアル荷重Ｆｒ＝１２ｋＮ、アキシアル荷重Ｆａ＝３．５ｋＮ
回転数：３０００ｍｉｎ^-1
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬さ：Ｈｖ８７０
異物の大きさ：７４〜１３４μｍ
異物混入量：０．１ｇ
内外輪には高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）又はクロム鋼（ＳＣｒ４２０）を用い、転動体には、Ｓｉ＋Ｍｎ量以外は、ＳＵＪ３相当の化学成分である鋼を用いた。熱処理に関しては、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３相当の材料は８３０〜８５０℃のＲｘガス雰囲気で焼入れ、又は８３０〜８５０℃のＲｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス（アンモニアガスは浸炭窒化時）雰囲気中で１〜２０時間の浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、１８０〜２４０℃で焼戻しを行った。また、ＳＣｒ４２０については、８５０〜９００℃で浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、８００〜８５０℃で二次焼入れ、１５０〜２００℃で焼戻しを行った。

下記表１には、試験に用いた軌道輪、転動体の品質と寿命試験結果を示す。軌道輪、転動体の表面窒素濃度の測定には電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用い、定量分析を行った。寿命試験は、各サンプルｎ＝１２行い、剥離が発生するまでの寿命時間を調査してワイブルプロットを作製し、ワイブル分布の結果からＬ１０寿命を求め、寿命値とした。寿命は最も短寿命であった比較例１の値を１として比率で表した。

表１から明らかなように、軌道輪がＳＵＪ２の場合とＳＣｒ４２０の場合とで比較すると、ＳＣｒ４２０を用いた場合の方が本発明の効果が大きい。これは、ＳＣｒ４２０の方が心部硬さが軟らかいため、ＳＣｒ４２０を軌道輪に用いるとより軌道輪に圧痕がつきやすく、転動体に圧痕がつきにくくなるため、寿命延長効果が得られたと考えられる。
なお、試験では、軌道輪に高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）又はクロム鋼（ＳＣｒ４２０）、転動体に素材炭素量１．０ｗｔ％の鋼を適用し、焼入れ、焼戻し若しくは浸炭又は浸炭窒化した事例を挙げたが、完成品軌道面、転動面の表面硬さがＨＲＣ５５より大きく、本発明の範囲であれば、同様の効果が得られる。

本発明の転がり軸受の一実施形態を示す円錐ころ軸受の断面図である。耐圧痕性試験の説明図である。表面窒素濃度と圧痕深さとの関係を示す説明図である。Ｓｉ＋Ｍｎ量と圧痕深さとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１は内輪
２は外輪
３は転動体
４は保持器

Claims

内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、前記外方部材の軌道面と内方部材の軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、前記内方部材及び外方部材の軌道面の表面窒素濃度を０．０５ｗｔ％以下、転動体の表面窒素濃度を０．２ｗｔ％以上、転動体表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を２．０％以上としたことを特徴とする転がり軸受。
前記転動体材料のＳｉ含有量＋Ｍｎ含有量が１．０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。