JP5103987B2 - 転がり軸受構成部材の製造方法および転がり軸受 - Google Patents

Description

この発明は転がり軸受構成部材の製造方法に関する。

転がり軸受の寿命を長くするための従来技術としては、軌道面の硬さと介在物に着目した方法が主である。軸受に用いられる鋼としては、そのまま焼入れを行って十分な表面強度が得られる高炭素鋼と、浸炭または浸炭窒化を行って表面を硬化する低炭素鋼（肌焼鋼）がある。大きな靱性や耐衝撃強度が求められる用途では、低炭素鋼を用いて表面を硬化する方法が採用されることが多い。

下記の特許文献１には、鋼製ローラの支持軸受等の大型軸受のように、軌道面に浸炭窒化層を深く形成する必要がある場合に、希土類元素の存在下で浸炭を行うことで、浸炭時間を短くすることが記載されている。
下記の特許文献２には、多段圧延機のバックアップロール用転がり軸受について、内輪の酸化物系介在物の大きさと単位面積当たりの個数を特定することにより、内輪の損傷を抑え、軸受寿命を長くすることが記載されている。
また、最近では、鋼のオーステナイト結晶粒径を微細化することで材料強度を高める技術が、注目を集めている。
特開２００２−２５６４１１号公報 特開２００４−８４８６９号公報

しかしながら、これらの長寿命化技術を単独で採用した場合には、コストの上昇や品質の不安定化等が生じることは避けられない。
本発明の課題は、転がり軸受の長寿命化技術として、コストの上昇や品質の不安定化等が生じないようにできる方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体のいずれか一つからなる構成部材を製造する方法において、下記の構成(a) と(b) を満たすことを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法を提供する。

［構成 (a)］
炭素含有率〔Ｃ〕が０．０３質量％以上０．６質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上０．６質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３質量％以上２．０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．３質量％以上２．０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が２．０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が５．０質量％以下で、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を使用する。

［構成 (b)］
使用する鋼の炭素含有率〔Ｃ〕（質量％）を変数とする式（１）および（２）で表されるパラメータＡと、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ（μｍ）を変数とする式（３）および（４）で表されるパラメータＢと、芯部の最大介在物粒径ｒ（μｍ）を変数とする式（５）で表されるパラメータＤとが下記の（６）式を満たすように、８５０〜１０５０℃での浸炭または浸炭窒化処理、６００〜９００℃での焼鈍処理、８００〜９００℃に保持した後に油冷する焼入れ処理、１５０〜２６０℃の焼戻し処理をこの順に行う。

Ａ＝１．５５（（（２００〔Ｃ〕−３）² ／４）＋２５６）‥（１）
（ただし、０．０３質量％≦〔Ｃ〕＜０．１８質量％のとき）
Ａ＝０．１２５（（（３３〔Ｃ〕＋２７）² ／４）＋２５６）＋７００‥（２）
（ただし、０．１８質量％≦〔Ｃ〕≦０．６質量％のとき）
Ｂ＝１５６‥（３）（ただし、ｄ_M ≦３０μｍのとき）
Ｂ＝（２５００／√ｄ_M ）−３００‥（４）（ただし、ｄ_M ≧３０μｍのとき）
Ｄ＝ｒ^e ‥（５）（ただし、ｅ＝−１／６）
（Ａ＋Ｂ）Ｄ＞２８０‥（６）

［構成 (a)について］
素材をなす鋼の炭素含有率〔Ｃ〕が０．０３質量％以上０．６質量％以下の限定理由は以下の通りである。
炭素は組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。本発明の方法では表面は浸炭または浸炭窒化で硬化するが、芯部に必要な強度を付与するために炭素含有率を０．０３質量％以上とする。好ましくは０．１質量％以上とする。ただし、炭素含有率が０．６質量％を超えると、転動疲労寿命の低下原因となる粗大な炭化物が生成される可能性が出てくる。

素材をなす鋼の珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上０．６質量％以下の限定理由は以下の通りである。
珪素は、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用する元素である。珪素含有率が０．１質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。ただし、珪素含有率が０．６質量％を超えると、素材の鍛造性や、被切削性等の加工性が低下する。

素材をなす鋼のマンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３質量％以上２．０質量％以下の限定理由は、以下の通りである。
マンガンは、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用するとともに、マトリックスに固溶して焼入れ性を向上させる元素である。マンガン含有率が０．３質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。好ましくは０．５質量％以上とする。ただし、マンガン含有率が２．０質量％を超えると、転動疲労寿命の低下原因となる粗大な非金属介在物が生成し易くなるとともに、素材の鍛造性や、被切削性等の加工性が低下する。

素材をなす鋼のクロム含有率〔Ｃｒ〕が０．３質量％以上２．０質量％以下の限定理由は以下の通りである。
クロムは、マトリックスに固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を高める元素であり、転動疲労寿命を向上させる作用も有する。また、微細な炭化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上させる作用も有する。クロム含有率が０．３質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。ただし、クロム含有率が２．０質量％を超えると、表面に不動態膜が生じて浸炭を阻害する恐れがある。

素材をなす鋼のモリブデン含有率〔Ｍｏ〕が２．０質量％以下の限定理由は以下の通りである。モリブデンを含有すると焼入れ性が向上するが、含有率が２．０質量％を超えると、熱間加工性の低下やコストの上昇等が問題となる。
素材をなす鋼のニッケル含有率〔Ｎｉ〕が５．０質量％以下の限定理由は以下の通りである。ニッケルを含有すると焼入れ性が向上するが、含有率が５．０質量％を超えると、熱間加工性の低下やコストの上昇等が問題となる。

［構成 (b)について］
＜（１）式と（２）式について＞
（１）式および（２）式は以下の方法で導出された式である。
焼入れマルテンサイト組織の最高硬度は、加熱した状態で、オーステナイト組織内に何％の炭素が含有されているかによって決定され、合金元素などの影響は受けない。この炭素含有率〔Ｃ〕と最高硬さ（ロックウエルＣ硬度：ＨＲＣ）は、図１のグラフに示すような関係になる。

このグラフで、〔Ｃ〕≦０．１８で両者の関係を示す直線１が「ＨＲＣ」＝２００〔Ｃ〕＋１５であり、０．１８≦〔Ｃ〕≦０．６０で両者の関係を示す直線２が「ＨＲＣ」＝３３〔Ｃ〕＋４５である。
ロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）とビッカース硬度（Ｈｖ）の関係は、図２に示すようにな二次式に近似される。この二次式は「Ｈｖ」＝（（「ＨＲＣ」−１８）² ／４）＋２５６である。

一方、ビッカース硬度（Ｈｖ）と疲労強度（パラメータＡ）の関係は、図３に示すように、Ｈｖ４００程度まではＡ＝１．５５「Ｈｖ」（直線３）で表され、Ｈｖ４００程度より大きい範囲では、Ａ＝０．１２５「Ｈｖ」＋７００（直線４）で表される。
ここで、〔Ｃ〕≦０．１８質量％に対応する直線１の式を「Ｈｖ」＝（（「ＨＲＣ」−１８）² ／４）＋２５６に代入して、「Ｈｖ」と〔Ｃ〕の関係式に変形してから、直線３の式に代入すると、
Ａ＝１．５５（（（２００〔Ｃ〕＋１５−１８）² ／４）＋２５６）‥（１’）となり、（１）式が導出される。

また、０．１８質量％≦〔Ｃ〕≦０．６質量％に対応する直線２の式を「Ｈｖ」＝（（「ＨＲＣ」−１８）² ／４）＋２５６に代入して、「Ｈｖ」と〔Ｃ〕の関係式に変形してから、直線４の式に代入すると、
Ａ＝０．１２５（（（３３〔Ｃ〕＋４５−１８）² ／４）＋２５６）＋７００‥（２’）となり、（２）式が導出される。

＜（３）式と（４）式について＞
引っ張り強さや降伏強さ（σ）と結晶粒径（ｄ）との関係は、ホールペッチの法則によってσ＝σ₀ ＋ｋ／√ｄで表される。σ₀ は粒径に依存しない量であり、ｋは粒径に依存する係数である。
軸受構成部材をなす鋼の組織は、鍛造の影響や組成揺らぎの影響によって、一般に、様々な大きさの粒子が混合された状態となっている。疲労破壊は、負荷の加わる範囲で最も弱い部分が起点となって発生する。よって、軸受構成部材をなす鋼においては、焼入れによってマルテンサイト化された旧オーステナイト粒のうち、直径の最も大きなものが、疲労破壊の起点になると想定される。

そこで、熱処理条件を変えて得た各種軸受構成部材を用いて疲労強度を測定するとともに、対応する各試験片を用いて熱処理後の鋼からオーステナイト組織を露出させ、オーステナイト粒径の最大値（ｄ_M ）を極値統計法により推定した。極値統計法では、６．２５ｍｍ² を１観察範囲として全被検面積２００ｍｍ² を観察し、各視野における最大の旧オーステナイト粒子の面積の平方根を測定し、極値統計グラフを作成して、面積が１３００００ｍｍ² の場合に予測される最大粒径を計算した。

このようにして得られたオーステナイト粒径の最大値（ｄ_M ）の１／２乗の逆数（１／√ｄ_M ）と、疲労強度（パラメータＢ）との関係を図４にグラフで示す。
図４のグラフから、１／√ｄ_M ≧１／√３０μｍ（すなわち、ｄ_M ≦３０μｍ）のときＢ＝１５６であり、１／√ｄ_M ≦１／√３０μｍ（すなわち、ｄ_M ≧３０μｍ）のときＢ＝（２５００／√ｄ_M ）−３００を満たすことが分かった。これにより、（３）式と（４）式が導出される。

＜（５）式について＞
疲労強度に影響を及ぼす要素として、非金属介在物の応力方向への投影面積の平方根√areaがあり、疲労強度は√areaの−１／６乗に比例することが知られている。この考え方に基づいて、極値統計法により推定して得られた√areaの最大値を、芯部の最大介在物粒径ｒ（μｍ）として、その−１／６乗をパラメータＤとした式が（５）式である。
このｒは、極値統計法の条件が、１観察範囲：６．２５ｍｍ² 、全被検面積：２００ｍｍ² 、予測を行う面積：１３００００ｍｍ² の時の最大介在物粒径である。

＜（６）式について＞
（１）〜（５）式に基づいて得られた各パラメータＡ，Ｂ，Ｄを要素とした材料強度Ｘを「Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）Ｄ」とした場合、この材料強度Ｘが２８０を超えることで、２８０以下の場合と比較して、製造された転がり軸受構成部材を用いた転がり軸受の寿命が著しく長くなる。

本発明の転がり軸受構成部材の製造方法によれば、疲労強度に影響を及ぼす複数のパラメータを総合的に評価した指数を設定し、その数値を限定しているため、コストの上昇や品質の不安定化等を生じさせずに、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
ＳＮＣＭ８１５鋼をベースとして、炭素含有率〔Ｃ〕を変化させた鋼からなる素材を用意し、各素材を、呼び番号「ＮＵ２２８」の円筒ころ軸受（内径：１４０ｍｍ、外径：２５０ｍｍ、幅：４２ｍｍ）の内輪、外輪、円筒ころ（転動体）の各形状に通常の方法で加工した。
ＳＮＣＭ８１５鋼の炭素含有率〔Ｃ〕は０．１５質量％であり、珪素含有率〔Ｓｉ〕は０．２３質量％であり、マンガン含有率〔Ｍｎ〕は０．４３質量％であり、クロム含有率〔Ｃｒ〕は０．８１質量％であり、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕は０．１７質量％であり、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕は４．００質量％である。

次いで、以下の手順で熱処理を行った。
先ず、浸炭処理として、ＲＸガス（＋プロパンガス）雰囲気中に、温度８５０〜１０５０℃で１０〜１２０時間保持した後に、結晶粒度に対応させた冷却速度で冷却する。この浸炭処理により、圧延機用の大型軸受（呼び番号６００ＲＶ相当）に必要とされる剪断応力を付与するために、表層部の炭素含有率０．９０〜１．０５質量％、浸炭深さ５〜７ｍｍとなるようにした。 次に、焼鈍処理として、６００〜９００℃で１〜５時間保持した後に放冷する。次に、焼入れ処理として、８００〜９００℃で１〜３時間保持した後に油冷する。次に、焼戻し処理として、１５０〜２６０℃で２時間保持した後に放冷する。

この熱処理の各条件を変えることで、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M と芯部の最大介在物粒径ｒを変えて、表１〜５の各構成とした。また、材料強度Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）Ｄを算出した。
得られた内輪、外輪、円筒ころを用いて円筒ころ軸受を組み立てて、ラジアル荷重：Ｐ／Ｃ＝０．６、回転速度：１０００ｍｉｎ^-1、潤滑剤：Ｒｏ６８の条件で、回転寿命試験を行った。その結果も表１〜５に併せて示す。

表１には、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１３質量％で同じであり、芯部の最大介在物粒径ｒが３５μｍで同じであり、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が各種値である結果をまとめて示した。また、各サンプルのＬ１０寿命から、ｄ_M が２００μｍのNo. １−６のＬ１０寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表１に示す。図５は、この結果をＬ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M との関係で示したグラフである。

表２には、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１５質量％で同じであり、芯部の最大介在物粒径ｒが３５μｍで同じであり、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が各種値である結果をまとめて示した。また、各サンプルのＬ１０寿命から、ｄ_M が４００μｍのNo. ２−７のＬ１０寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表２に示す。図６は、この結果をＬ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M との関係で示したグラフである。

表１および表２の結果から、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕と最大介在物粒径ｒが同じであっても、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が異なるとＬ１０寿命が異なり、ｄ_M が小さいほどＬ１０寿命が長くなることが分かる。また、No. １−１〜１−８とNo. ２−１〜２−８では、それぞれ〔Ｃ〕のみが異なるが、〔Ｃ〕が大きいほど材料強度Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）Ｄが大きくなることが分かる。

表３には、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１３質量％で同じであり、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が８０μｍで同じであり、芯部の最大介在物粒径ｒが各種値である結果をまとめて示した。また、各サンプルのＬ１０寿命から、ｒが１５０μｍのNo. ３−４のＬ１０寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表３に示す。図７は、この結果をＬ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部の最大介在物粒径ｒとの関係で示したグラフである。

表４には、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１５質量％で同じであり、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が８０μｍで同じであり、芯部の最大介在物粒径ｒが各種値である結果をまとめて示した。また、各サンプルのＬ１０寿命から、ｒが２００μｍのNo. ４−５のＬ１０寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表４に示す。図８は、この結果をＬ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部の最大介在物粒径ｒとの関係で示したグラフである。

表５には、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．３０質量％で同じであり、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が２００μｍで同じであり、芯部の最大介在物粒径ｒが各種値である結果をまとめて示した。また、各サンプルのＬ１０寿命から、ｒが２００μｍのNo. ５−５のＬ１０寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表５に示す。図９は、この結果をＬ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部の最大介在物粒径ｒとの関係で示したグラフである。

表３〜５の結果から、芯部の炭素含有率〔Ｃ〕とオーステナイト最大粒径ｄ_M が同じであっても、芯部の最大介在物粒径ｒが異なるとＬ１０寿命が異なり、ｒが小さいほどＬ１０寿命が長くなることが分かる。また、表３および表４の結果から、No. ３−１〜３−５とNo. ４−１〜４−５では、それぞれ〔Ｃ〕のみが異なるが、〔Ｃ〕が大きいほど材料強度Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）Ｄが大きくなることが分かる。

また、表１〜５の全てのサンプルのＬ１０寿命から、No. １−６を「１」とした相対値を算出した。図１０は、その結果を、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と材料強度Ｘとの関係で示したグラフである。
このグラフから分かるように、材料強度Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）Ｄが大きいほどＬ１０寿命比が大きくなり、Ｘ＝２８０を境にＬ１０寿命比が著しく大きくなっている。よって、Ｘ＞２８０を満たすことでＬ１０寿命を著しく長くすることができる。

使用する鋼の炭素含有率〔Ｃ〕と焼入れ最高硬さ（ＨＲＣ）の関係を示すグラフである。 ロックウエルＣ硬度（ＨＲＣ）とビッカース硬度（Ｈｖ）の関係を示すグラフである。 ビッカース硬度（Ｈｖ）と疲労強度（パラメータＡ）の関係を示すグラフである。 オーステナイト粒径の最大値（ｄ_M ）の１／２乗の逆数（１／√ｄ_M ）と、疲労強度（パラメータＢ）との関係を示すグラフである。 芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１３質量％、芯部の最大介在物粒径ｒが３５μｍ、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が各種値である場合の、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M との関係を示すグラフである。 芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１５質量％、芯部の最大介在物粒径ｒが３５μｍ、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が各種値である場合の、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M との関係を示すグラフである。 芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１３質量％、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が８０μｍ、芯部の最大介在物粒径ｒが各種値である場合の、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部の最大介在物粒径ｒとの関係を示すグラフである。 芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．１５質量％、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が８０μｍ、芯部の最大介在物粒径ｒが各種値である場合の、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M との関係を示すグラフである。 芯部の炭素含有率〔Ｃ〕が０．３０質量％、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M が２００μｍ、芯部の最大介在物粒径ｒが各種値である場合の、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と芯部の最大介在物粒径ｒとの関係を示すグラフである。 表１〜５の結果を、Ｌ１０寿命の相対値（Ｌ１０寿命比）と材料強度Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）Ｄとの関係で示したグラフである。

Claims (2)

1. 鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行うことにより、転がり軸受の内輪、外輪、および転動体のいずれか一つからなる構成部材を製造する方法において、
   炭素含有率〔Ｃ〕が０．０３質量％以上０．６質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上０．６質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３質量％以上２．０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．３質量％以上２．０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が２．０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が５．０質量％以下で、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼を使用し、
   使用する鋼の炭素含有率〔Ｃ〕（質量％）を変数とする式（１）および（２）で表されるパラメータＡと、芯部のオーステナイト最大粒径ｄ_M （μｍ）を変数とする式（３）および（４）で表されるパラメータＢと、芯部の最大介在物粒径ｒ（μｍ）を変数とする式（５）で表されるパラメータＤとが下記の（６）式を満たすように、８５０〜１０５０℃での浸炭または浸炭窒化処理、６００〜９００℃での焼鈍処理、８００〜９００℃に保持した後に油冷する焼入れ処理、１５０〜２６０℃の焼戻し処理をこの順に行うことを特徴とする転がり軸受構成部材の製造方法。
   Ａ＝１．５５（（（２００〔Ｃ〕−３）² ／４）＋２５６）‥（１）
   （ただし、０．０３質量％≦〔Ｃ〕＜０．１８質量％のとき）
   Ａ＝０．１２５（（（３３〔Ｃ〕＋２７）² ／４）＋２５６）＋７００‥（２）
   （ただし、０．１８質量％≦〔Ｃ〕≦０．６質量％のとき）
   Ｂ＝１５６‥（３）（ただし、ｄ_M ≦３０μｍのとき）
   Ｂ＝（２５００／√ｄ_M ）−３００‥（４）（ただし、ｄ_M ≧３０μｍのとき）
   Ｄ＝ｒ^e ‥（５）（ただし、ｅ＝−１／６）
   （Ａ＋Ｂ）Ｄ＞２８０‥（６）
2. 請求項１の方法で得られた内輪、外輪、または転動体を備えた転がり軸受。