JP5061478B2

JP5061478B2 - 転がり支持装置

Info

Publication number: JP5061478B2
Application number: JP2006071466A
Authority: JP
Inventors: 直也瀬野; 毅中井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007246982A

Description

本発明は、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイド等の転がり支持装置に関する。

転がり支持装置の一例である転がり軸受では、軌道輪と転動体との間の転がり面に潤滑油が十分に供給されず、その転がり面に油膜が形成され難くなると、金属間接触が起こり、焼付きや摩耗が生じる場合がある。
特に、自動車、産業機械、建設機械、鉄鋼機械等のトランスミッション、エンジン、及び減速機等で使用される転がり軸受のように、近年の低燃費化に対する要求に応じて小型化や高効率化を図るため、高速回転・高荷重下等の過酷な潤滑環境下で使用される転がり軸受では、上述した焼付きや摩耗が生じ易い。

例えば、高速回転・高荷重下で使用される精密玉軸受では、摩擦状態を表わすＰＶ値（面圧Ｐと速度Ｖとの積）が非常に高くなり、転がり面に焼付きや摩耗が生じ易い。
一方、転がり軸受のうち深溝玉軸受では、転がり面に油膜が十分に形成された場合であっても、軌道輪と転動体とが接触する部分（接触楕円）ですべりが発生したり、転動体自身のスピンですべりが発生したりすることにより、焼付きや摩耗が生じ易い。

このような焼付きや摩耗による転がり疲れ寿命の低下を防止するための技術として、特許文献１〜特許文献４に記載の技術が提案されている。
特許文献１では、内輪、外輪、及び転動体のうち少なくとも一つは、Ｃ含有率が０．２〜１．２質量％、Ｓｉ含有率が０．７〜１．５質量％、Ｍｏ含有率が０．５〜１．５質量％、Ｃｒ含有率が０．５〜２．０質量％、Ｏ含有率が１２ｐｐｍ以下である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とを施して作製し、その表層部のＣ含有率を０．８〜１．３質量％とし、Ｎ含有率を０．２〜０．８質量％とすることが提案されている。

特許文献２では、ころ軸受において、少なくともころは、Ｃｒ含有率が３〜２０質量％以下の高Ｃｒ鋼で作製し、その表層部に硬さがＨｖ９００以上の窒化層を備え、且つ、その芯部の硬さをＨｖ５５０以上とすることが提案されている。
特許文献３では、内輪及び外輪と転動体とのうち少なくとも一つは、Ｃ含有率が０．２〜１．０質量％、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖの合計含有率が１質量％以上である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化・硬化熱処理を施すことで作製し、その表層部において、存在する炭窒化物の面積率を１０％以上で且つ最大炭窒化物径を３μｍ以下とし、表面硬さをＨｖ７５０以上とすることが提案されている。

特許文献４では、軌道輪をベリリウム鋼で作製し、転動体をセラミックス又はベリリウム鋼で作製することが提案されている。
特開２０００−４５０４９号公報特開２００１−１８７９１６号公報特開平５−７８８１４号公報特開平１１−３３６７５５号公報

しかしながら、近年、装置の軽量化及び低コスト化を図るために、転がり軸受が使用される潤滑環境がさらに過酷になってきており、上述した特許文献１〜特許文献４に記載の技術では、過酷な潤滑環境下で使用される転がり軸受において長寿命を得るという点で更なる改善の余地がある。
すなわち、特許文献１〜特許文献３に記載の技術では、転動部品の表層部のＮ含有率を増加させることで研削性が低下し、必要な耐焼付き性及び耐摩耗性が得られない場合がある。

また、特許文献４に記載の技術では、軌道輪をベリリウム鋼製とし、転動体をセラミックス製とした時に、転動体の表層部の硬さが軌道輪の表層部の硬さの約４倍となるため、固体接触が発生する過酷な潤滑下で使用すると、軌道輪にアブレシブ摩耗が生じる場合がある。
そこで、本発明は、高速回転・高荷重下等の過酷な潤滑環境下で使用した場合であっても、転がり疲れ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。

このような課題を解決するために、本発明は、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る複数の転動体と、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運動する転がり支持装置において、前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方は、Ｓｉ含有率が０．４０質量％以上１．２０質量％以下、Ｍｎ含有率が０．４０質量％以上１．２０質量％以下、Ｓｉ及びＭｎの合計含有率が１．００質量％以上２．００質量％以下、Ｃ含有率が０．９５質量％以上１．３０質量％以下、Ｃｒ含有率が０．９０質量％以上１．６０質量％以下で、残部が鉄及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とが施されて得られ、その軌道面に存在するＳｉ及びＭｎを含む１μｍ以下の窒化物（以下、「Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物」と記す。）が面積率で１．０％以上１０％以下であるとともに、前記転動体は、セラミックスからなる素材に対して、塑性加工処理が施されて得られ、その転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下であることを特徴とする転がり支持装置を提供する。
すなわち、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下に示す構成の軌道輪（第１部材及び第２部材）と転動体を用いて転がり支持装置を組み立てることにより、過酷な潤滑環境下で使用した場合であっても転がり疲れ寿命を向上できることを見出した。

＜＜軌道輪について＞＞
軌道輪のうち少なくとも一つは、Ｓｉ含有率及びＭｎ含有率を特定した以下に示す鋼からなる素材を所定形状に加工した後、その軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率が１．０％以上１０％以下となるような条件で、窒化又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とを施して作製する。

＜軌道輪をなす鋼について＞
［Ｓｉ含有率：０．４０質量％以上］
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時の脱酸剤として作用するとともに、焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。また、窒化処理時や浸炭窒化処理時に軌道面をなす表層部のＣ含有率やＮ含有率を増加させる作用を有する。よって、軌道面をなす表層部に必要なＳｉ−Ｍｎ系窒化物を存在させるために、素材をなす鋼中のＳｉ含有率を０．４０質量％以上とする。
一方、素材をなす鋼中のＳｉ含有率が多過ぎると、靱性が低下するため、素材をなす鋼中のＳｉ含有率は１．２０質量％以下とすることが好ましい。

［Ｍｎ含有率：０．４０質量％以上］
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様に、製鋼時の脱酸剤として作用し、且つ、窒化処理時や浸炭窒化処理時に軌道面をなす表層部のＣ含有率やＮ含有率を増加させる作用を有するとともに、焼入れ性を向上させる作用を有する。よって、軌道面をなす表層部に必要なＳｉ−Ｍｎ系窒化物を存在させるために、素材をなす鋼中のＭｎ含有率を０．４０質量％以上とする。
一方、素材をなす鋼中のＭｎ含有率が多過ぎると、鍛造性や切削性が低下したり、鋼中に存在する不可避不純物であるＳ（硫黄）やＰ（リン）と共存して介在物が生成されるため、素材をなす鋼中のＭｎ含有率は１．２０質量％以下とすることが好ましい。

［Ｓｉ及びＭｎの合計含有率：１．００質量％以上］
軌道面に必要な耐焼付き性及び耐摩耗性を得るためには、素材をなす鋼中のＳｉ含有率及びＭｎ含有率を増加させるとともに、熱処理時に窒素を十分に固溶させることにより、軌道面に必要なＳｉ−Ｍｎ系窒化物を存在させる必要がある。よって、素材をなす鋼中のＳｉ及びＭｎの合計含有率は、１．００質量％以上とする。
一方、素材をなす鋼中のＳｉ及びＭｎの合計含有率が多過ぎると、１μｍよりも大きなＳｉ−Ｍｎ系窒化物が生成される。これにより、軌道面でＳｉ−Ｍｎ系窒化物を起点とする表面剥離が生じたり、靱性が低下して割れが生じたりするため、転がり疲れ寿命が低下する。また、生産性の点においても、熱処理時間が長くなり、研削性が低下するため、コストが大幅に上昇する。よって、素材をなす鋼中のＳｉ及びＭｎの合計含有率は、２．００質量以下とすることが好ましい。

なお、素材をなす鋼中のＣ含有率は、軌道輪として必要な硬さを得るために０．９５質量％以上とすることが好ましく、寸法安定性を向上させるために１．３０質量％以下とすることが好ましい。また、素材をなす鋼中のＣｒ含有率は、焼入れ硬さを向上させるために０．９０質量％以上とすることが好ましく、コストを低減させるために１．６０質量％以下とすることが好ましい。

＜軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率：１．０％以上１０％以下＞
上述したＳｉ含有率及びＭｎ含有率の鋼を用いて、窒化処理又は浸炭窒化処理を含む熱処理を施すことにより、軌道面に微細で高硬度なＳｉ−Ｍｎ系窒化物が析出し、軌道面をなす表層部が分散強化される。このような作用を得るために、軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物を面積率で１．０％以上とする。
一方、軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物が多過ぎると、高硬度となり過ぎて研削性が低下したり、靱性が低下して割れが生じたりする。よって、軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率は１０％以下とする。

＜＜転動体について＞＞
転動体は、セラミックスからなる素材に対して、その転位組織の転位密度が以下に示す範囲となるように、塑性加工処理（例えば、ショットブラスト処理）を施して作製する。＜セラミックスの転位組織の転位密度：１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下＞
転動体をなすセラミックスに転位組織を形成することにより、靱性が高く、高硬度となるため、転動体の破壊靱性値を向上できる。よって、転動体に必要な破壊靱性値を得るために、セラミックスの転位組織の転位密度は１×１０⁴ｃｍ^-2以上とする。

一方、塑性加工処理時にピッチング等の不具合を生じ難くするために、転動体をなすセラミックスの転位組織の転位密度は１×１０¹²ｃｍ^-2以下とする。また、セラミックスの転位組織は、直線状に均一に分布していることが好ましい。
ここで、セラミックスに必要な転位組織を得るために塑性加工処理を施すが、塑性加工処理を施した後の転動面の表面粗さが大きいと、軌道輪との間の摩擦係数が増加して、必要な耐焼付き性や耐摩耗性が得られなくなる。よって、塑性加工処理後の転動面の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．０４μｍ以下とすることが好ましく、０．０２μｍ以下とすることがより好ましい。

なお、本発明の転がり支持装置としては、例えば、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイドが挙げられる。ここで、転がり支持装置が転がり軸受の場合には第１部材及び第２部材は内輪及び外輪を指し、同様に、転がり支持装置がボールねじの場合には、第１部材及び第２部材はねじ軸及びナットを、転がり支持装置がリニアガイドの場合には、第１部材及び第２部材は案内レール及びスライダをそれぞれ指す。

本発明の転がり支持装置によれば、第１部材及び第２部材のうち少なくとも一方をＳｉ含有率及びＭｎ含有率が特定された鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とを施して作製し、その軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率を１．０％以上１０％以下とするとともに、転動体をセラミックスからなる素材に対して、塑性加工処理を施して作製し、その転位組織の転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下とすることにより、高速回転・高荷重下等の過酷な潤滑環境下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命を長くできる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の転がり支持装置の一例として深溝玉軸受を示す断面図である。
この深溝玉軸受は、互いに対向配置される軌道面１ａ，２ａを有する内輪（第１部材）１及び外輪（第２部材）２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配置される複数の玉（転動体）３と、玉３を転動自在に保持する保持器４と、からなる。

内輪１及び外輪２は、以下に示す手順で作製したものを用いた。まず、ＪＩＳＧ４８０５に制定された軸受鋼（ＳＵＪ３）を用い、これを所定形状に加工した。次に、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）が導入された炉内において、８２０〜９２０℃で１．０〜５．０時間加熱保持した後に油冷する浸炭窒化処理と、ＲＸガスが導入された炉内において、８２０〜８７０℃で０．５〜１時間加熱保持した後に油冷する焼入れ処理と、１５０〜３００℃で２時間加熱保持した後に放冷する焼戻し処理とを施した。次に、それらの軌道面１ａ，２ａに対して仕上げ加工を施した。これにより、その軌道面１ａ，２ａに存在するＳｉ及びＭｎを含む１μｍ以下の窒化物（以下、「Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物」と記す。）の面積率は１．０％以上１０％以下とし、その表面粗さ（Ｒａ）を０．０５〜０．２０μｍとした。

玉３は、以下に示す手順で作製したものを用いた。まず、玉の形状に加工した窒化ケイ素（Ｈｖ５００）からなるセラミックス素材に対して、平均粒径が１００μｍのアルミナ粒子（Ｈｖ１３００）を噴射材としたショットブラスト処理（塑性加工処理）を施して、セラミックス素材の転位組織を直線状に均一に分散させた。これにより、玉３をなすセラミックス素材の転位密度を、１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下とし、表面粗さ( Ｒａ）を０．０４μｍ以下とした。

本実施形態の深溝玉軸受によれば、内輪１及び外輪２をＳｉ含有率及びＭｎ含有率が特定された鋼製とし、その軌道面１ａ，２ａに存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率を１．０質量％以上１０％以下に特定するとともに、玉３をセラミックス製とし、そのセラミックスの転位組織の転位密度を１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-1以下に特定することにより、その転がり面の耐焼付き性及び耐摩耗性を向上できる。よって、この深溝玉軸受を高速回転・高荷重下等の過酷な潤滑環境下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命を長くできる。

以下、本発明の効果を検証した結果について説明する。
［第１実施例］
まず、表１に示す各組成の鋼材を所定形状に加工した後、表１に示す熱処理を行って、円筒状試験体（外径：３０ｍｍ，厚さ：７ｍｍ，長さ１０ｍｍ）Ａ１〜Ａ１５を作製した。次に、その外周面に仕上げ加工を行って、外周面の表面粗さ（Ｒａ）を０．００５〜０．０１０μｍとした。

なお、表１に示す熱処理「焼入れ→焼戻し」は、以下に示す条件で行った。まず、Ｒｘガスが導入された炉内において、８２０〜８７０℃で０．５〜１．０時間加熱保持した後に油焼入れを行った。次に、１５０〜３００℃で２時間加熱保持した後に放冷する焼戻しを行った。
また、表１に示す熱処理「浸炭焼入れ→焼戻し」は、以下に示す条件で行った。まず、エンリッチガスが導入された炉内において、８２０〜８８０℃で１．０〜５．０時間加熱保持した後に放冷する浸炭を行った。次に、上述と同様の「焼入れ→焼戻し」を行った。

さらに、表１に示す熱処理「窒化焼入れ→焼戻し」は、以下に示す条件で行った。まず、混合ガス（Ｒｘガス＋アンモニアガス）が導入された炉内において、８２０〜９２０℃で１．０〜５．０時間加熱保持した後に放冷する窒化を行った。次に、上述と同様の「焼入れ→焼戻し」を行った。
さらに、表１に示す熱処理「浸炭窒化→焼戻し」は、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）が導入された炉内において、８２０〜９２０℃で１．０〜５．０時間加熱保持した後に放冷する浸炭窒化を行った。次に、上述と同様の「焼入れ→焼戻し」を行った。

このようにして得られた試験体の外周面に対して、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧が１０ｋＶで、倍率が５０００倍の条件下において、最低３視野以上の写真を撮影した。その後、画像解析装置を用いて、得られた写真を２値化した後、試験体の外周面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率を測定した。この結果は、表１に併せて示した。

次に、得られた試験体において、図２に示す２円筒摩耗試験機を用いて、耐摩耗性試験を行った。この耐摩耗性試験は、図２に示すように、一対の試験体Ｓ１，Ｓ２の外周面を接触させた状態で配置した後、以下に示す条件で駆動側の試験体Ｓ１と従動側の試験体Ｓ２を互いに逆方向に回転させることで行った。
＜耐摩耗試験条件＞
面圧：１１７６ＭＰａ（１２０ｋｇｆ／ｍｍ²）
すべり率：３０％
潤滑油：スピンドル油♯１０
駆動側の試験体Ｓ１の回転速度：１０ｍｉｎ
従動側の試験体Ｓ２の回転速度：７ｍｉｎ
そして、回転前の試験体Ｓ１，Ｓ２の質量と、すべり距離が３０００ｍとなるまで回転させた後の試験体Ｓ１，Ｓ２の質量との差から摩耗量を算出し、単位距離（１ｍ）あたりの摩耗量（ｇ／ｍ）を表１に併せて示した。

表１に示す結果から、Ｓｉ含有率が０．４０質量％以上で、Ｍｎ含有率が０．４０質量％以上で、Ｓｉ及びＭｎの合計含有率が１．００質量％以上である鋼からなる素材に対して、窒化処理又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とを施すことで作製し、その外周面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率を１．０％以上１０％以下とした試験片Ａ−１〜Ａ−６では、それ以外の試験片Ａ−７〜Ａ−１５と比べて、摩耗量が低減していることを確認できた。

［第２実施例］
まず、窒化ケイ素（硬さＨｖ５００）からなるセラミック材を所定形状に加工して棒状の試験体（縦：１０ｍｍ，横：１０ｍｍ，高さ：５ｍｍ）を作製した。次に、この試験体の表面に、平均粒径が１００μｍのアルミナ粒子（Ｈｖ１３００）を噴射材としたショットブラスト処理を表２に示す条件で施して、セラミックス材の転位組織を直線状に均一に分散させた。
このようにして得られた試験体に対して、セラミックス材の転位組織の転位密度と、表面硬さと、表面粗さと、破壊靱性値と、を以下に示す手順で測定した。この結果は、表２に併せて示した。

セラミックス材の転位組織の転位密度は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、直線状の転位組織を倍率１０万倍で観察し、単位面積（１ｃｍ²）あたりに存在する直線状の転位組織の個数を算出した。
また、表面硬さは、ＪＩＳＺ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験法を用いて測定した。さらに、表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１に規定された表面粗さ測定方法を用いて測定した。さらに、破壊靱性値は、ＪＩＳＲ１６０７に規定された破壊靱性評価方法を用いて測定した。

表２の結果から、セラミックス材で作製し、このセラミックス材の転位組織の転位密度を１×１０⁴〜１×１０¹²ｃｍ^-2とした試験体Ｂ−１〜Ｂ−３では、それ以外の試験体Ｂ−４〜Ｂ−６と比べて、破壊靭性値が高くなっていることを確認できた。

［第３実施例］
本実施例では、日本精工株式会社製の呼び番号６２０６の深溝玉軸受（外径：３０ｍｍ，内径：６２ｍｍ，幅：１６ｍｍ）を以下に示す手順で作製した。
内輪及び外輪は、表３に示すように、上述した第１実施例の試験体Ａ−３，５，６，７，１２，１５のいずれかと同様の構成となるように作製した。なお、内輪及び外輪では、その軌道面の構成を上述した第１実施例における試験体の外周面と同様の構成とした。
玉は、表３に示すように、上述した第２実施例の試験体Ｂ−１，３，４，６のいずれかと同様の構成となるように作製した。

そして、得られた内輪、外輪、及び玉と、ナイロン６６製の保持器とを用いて、深溝玉軸受を組み立てて、高速回転・高荷重下の過酷な潤滑環境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。
この寿命試験は、潤滑油を供給しつつ、トルクが初期値の３倍となるまで内輪を回転させることで行った。そして、トルクが初期値の３倍となるまでの回転時間を寿命として算出した。また、この寿命試験は、各実施例で１０回ずつ行い、ワイブル分布関数に基づくＬ１０寿命を算出し、このＬ１０寿命と計算寿命（４時間）との比を、表３に併せて示した。
＜寿命試験条件＞
スラスト荷重：１４７００Ｎ（１５００ｋｇｆ）
回転速度：９０００ｍｉｎ^-1
潤滑油：トラクション油ＶＧ６８

表３の結果から、内輪及び外輪をＳｉ含有率及びＭｎ含有率が特定された鋼製とし、その軌道面に存在するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率を特定するとともに、玉をセラミックス製とし、そのセラミックスの転位組織の転位密度を特定した深溝玉軸受Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４では、それ以外の深溝玉軸受Ｎｏ．５〜Ｎｏ．９と比べて、長寿命が得られ、高速回転・高荷重下の過酷な潤滑環境下で使用した場合であっても、計算寿命よりも長くできることを確認できた。

本発明の転がり支持装置の一例として深溝玉軸受を示す断面図である。２円筒摩耗試験機を示す説明図である。

符号の説明

１内輪（第１部材）
２外輪（第２部材）
３玉（転動体）
４保持器

Claims

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る複数の転動体と、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運動する転がり支持装置において、
前記第１部材及び前記第２部材のうち少なくとも一方は、Ｓｉ含有率が０．４０質量％以上１．２０質量％以下、Ｍｎ含有率が０．４０質量％以上１．２０質量％以下、Ｓｉ及びＭｎの合計含有率が１．００質量％以上２．００質量％以下、Ｃ含有率が０．９５質量％以上１．３０質量％以下、Ｃｒ含有率が０．９０質量％以上１．６０質量％以下で、残部が鉄及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、窒化又は浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、焼戻し処理とが施されて得られ、その軌道面に存在するＳｉ及びＭｎを含む１μｍ以下の窒化物が面積率で１．０％以上１０％以下であるとともに、
前記転動体は、セラミックスからなる素材に対して、塑性加工処理が施されて得られ、その転位組織の転位密度が１×１０⁴ｃｍ^-2以上１×１０¹²ｃｍ^-2以下であることを特徴とする転がり支持装置。