JP5372316B2

JP5372316B2 - 転動部材

Info

Publication number: JP5372316B2
Application number: JP2006148497A
Authority: JP
Inventors: 光司植田; 徹植田; 直也瀬野; 宣晶三田村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2026-05-29
Also published as: JP2007332390A

Description

本発明は転動部材に関するものであり、例えば転がり軸受やボールねじ、リニアガイドの寿命延長や耐摩耗性・耐焼付き性向上といった機能向上に好適なものである。

従来、転がり軸受には、ＪＩＳＳＵＪ２、ＳＵＪ３に代表される軸受鋼が用いられ、通常、焼入れ・焼戻し処理によって硬度ＨＲＣ６０以上で使用される。しかし、転がり軸受の使用環境が多様化し、異物が混入するような潤滑下や潤滑が不十分な環境下では、これらの軸受鋼では十分な寿命が得られなかったり、焼き付きが生じたりする場合がある。
このため、ＳＵＪ２を用いてマルストレッシングと呼ばれる浸炭窒化処理を施し、窒素を固溶させることにより、軌道面表面の残留オーステナイト量を増加させることによって、異物混入潤滑下での圧痕縁の応力緩和を図ったり、窒素の効果で、耐焼き付き性の改善を図ったりしている。しかしながら、近年、転がり軸受の使用環境は益々過酷化し、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理下だけでは、十分な効果が得られない場合が発生している。

これを解決するため、下記特許文献１に記載される転がり軸受では、Ｓｉ添加量の多い材料を用い、Ｓｉ−Ｍｎを含有する炭化物又は炭窒化物を面積率で１〜３０％析出させ、滑り接触を伴う環境下や潤滑油が枯渇する環境下での耐摩耗性及び耐焼き付き性を改善している。
特開２００３−１９３２００号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される転がり軸受では、Ｓｉ及びＭｎを含有した窒化物（以下、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物と記す）を形成するための適正な材料組成や窒素濃度が規定されておらず、十分な性能を発揮できない場合がある。
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、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の適正化を図ることで、より長寿命で、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる転動部材を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係る転動部材は、内方部材及び外方部材及び転動体の少なくとも一つの表面層に、浸炭窒化処理又は窒化処理によるＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、当該表面層の窒素濃度が０．２質量％以上２質量％以下であり、且つ前記窒化物面積率が１％以上１０％未満であり、且つ０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積３７５μｍ^２中の個数が１０２個以上であることを特徴とするものである。

また、Ｃ：０．３質量％以上１．２質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上２．２質量％以下、Ｍｎ：０．３質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ：０．５質量％以上２．０質量％以下で、且つＳｉ／Ｍｎが５以下であり残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を浸炭窒化焼入れ、焼き戻し処理したことを特徴とするものである。
本発明者らは、異物混入潤滑下の寿命を支配する因子を鋭意研究した結果、以下に述べるメカニズムによって転がり軸受の寿命が影響を受けることを見出した。異物混入潤滑下では、異物の噛み込みによって軌道輪に圧痕が形成される。この圧痕上を転動体が繰り返し通過すると、転動体が弱い場合には、形状の崩れを起こす。この形状が崩れた転動体が軌道輪に更に大きなダメージを与えて剥離に至る。従って、異物混入潤滑下で寿命を延長するためには、従来のように軌道輪の残留オーステナイトのみを増やして圧痕縁の応力を緩和させるだけでは寿命延長効果が小さく、転動体表面の圧痕の形成自体を抑制できるように転動体を強化する必要がある。

本発明では、転動体にＳｉ及びＭｎを多く添加した鋼を用い、浸炭窒化処理を施して窒素を高濃度化し、硬質なＳｉとＭｎとを含有する窒化物、即ちＳｉ・Ｍｎ系窒化物を表面に析出させて転動体を強化し、軌道輪に生じた圧痕による転動体の形状変化を著しく抑制しようとするものである。
転動体の強さは、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物が寄与するものである。圧痕の形成を抑制するためには、変形の抵抗を大きくすることが重要であり、析出物の大きさが大きくなると、強化の効果が低減する。即ち、表面を強化するためには、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を微細に分散させる必要がある。本発明では、窒化物の面積率を１〜１０％にして、十分に析出させると共に、１μｍ以下又は５００ｎｍ以下の細かい析出物の個数を増やしたり比率を窒化物全体の２０％以上としたりすることによって表面を強化することを特徴としている。

転動体に関する数値の臨界的意義は以下の通りである。
［窒素濃度が０．２質量％以上、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜１０％］
Ｓｉ及びＭｎを含有した析出物は、熱的に安定な窒化物であり、窒化物中におけるＳｉとＭｎとの組成の比率が約５：１であり、基地組織に０．０１μｍ〜１μｍの大きさで均一微細に分散し、硬さを向上させる特徴がある。この効果によって、寿命延長、耐摩耗性、耐焼き付き性の向上を図ることができる。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上で寿命が著しく向上するため、下限値を１％以上とし、窒素濃度を０．２質量％とする。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１０％を越えると効果が飽和するので、上限値を１０％、窒素濃度を２質量％とすることが好ましい。

［面積３７５μｍ^２中における０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が１０２個以上］
１μｍを越える窒化物は、材料の強化にあまり寄与しない。細かい窒化物が分散している方が強化される。この理由としては、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、析出粒子数が多ければ、相対的に粒子間距離が短くなり、強化される。即ち、Ｓｉ及びＭｎの含有量の多い鋼を用い、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜１０％の範囲で、０．０５μｍ以上１μｍ以下の微細な窒化物の個数を増やすのがよい。また、平均粒径が０．０５μｍ以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物のうち、０．０５〜０．５０μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数の比率を２０％以上とすることにより、更に強化することが可能になる。

面積３７５μｍ^２の範囲で、０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を１０２個以上にする手法としては、浸炭窒化処理温度を８００℃以上８７０℃以下とすることが好ましい。この温度を越えると、窒化物が粗大化して、微細なＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が減少する。また、この処理温度より温度が高くなると、窒素の固溶限が大きくなるため、窒化物の量が少なくなり、所望の面積率が得られなくなる。浸炭窒化工程の初期から、Ｒｘガスとエンリッチガスとアンモニウムガスの混合ガス雰囲気とし、ＣＰ値は１．２以上、アンモニアガスの流量はＲｘガス流量の少なくとも１／５以上とする。また、浸炭窒化後の焼入れは、油温６０〜１２０℃の範囲で行う。この温度より高いと、十分な硬さが得られない場合がある。焼戻しは、１６０〜２７０℃の温度で行い、硬さの範囲としてはＨｖ７４０以上、望ましくはＨｖ７８０以上とする。また、必要に応じて、焼入れ処理後に、サブゼロ処理を行ってもよい。

［Ｓｉ含有量：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ含有量：０．３〜２．０質量％、且つＳｉ／Ｍｎ比率：５以下］
Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を十分に析出させるためには、Ｓｉ及びＭｎを多く含有した鋼を用いる必要がある（ＳＵＪ２（Ｓｉ含有量０．２５質量％、Ｍｎ含有量０．４質量％）では、浸炭窒化などで窒素を過剰に付与しても、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物量が少ない）。このため、Ｓｉ及びＭｎの含有量は以下の値を臨界値とする。

［Ｓｉ含有量：０．３〜２．２質量％］
本発明に係る窒化物の析出に必要な元素であり、Ｍｎの存在によって、０．３質量％以上の添加で、窒素と効果的に反応して顕著に析出する。
［Ｍｎ含有量：０．３〜２．０質量％］
本発明に係る窒化物の析出に必要な元素であり、Ｓｉとの共存によって、０．３質量％以上の添加でＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出を促進させる作用がある。また、Ｍｎはオーステナイトを安定化する働きがあるので、硬化熱処理後に残留オーステナイトが必要以上に増加するといった問題を防止するため、２．０質量％以下とする。

［Ｓｉ／Ｍｎ比率：５以下］
本発明に係る析出物は、焼戻しによる窒化物とは異なり、浸炭窒化処理時に侵入してきた窒素がオーステナイト域で、Ｍｎを取り込みながら、Ｓｉと反応して形成される。従って、Ｓｉ添加量に対してＭｎ添加量が少ないと、十分に窒素を拡散させても、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出が促進されない。前述したＳｉ及びＭｎ添加量の範囲で、且つ窒素量を０．２％以上侵入させた場合、Ｓｉ／Ｍｎ比率を５以下とすることによって、寿命延長や耐摩耗性・耐焼き付き性向上に効果のある面積率１．０％以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量を確保することができる。

［Ｃ：０．３質量％以上１．２質量％以下］
Ｃは、焼入れによってマルテンサイト組織となり、基地組織を硬化させる作用がある。転動部材として必要な心部硬さを得るためにＣの下限値は０．３質量％以上とすることが好ましい。浸炭窒化時間を短縮するためには、０．５質量％以上が好ましく、０．８質量％以上がより好ましく、０．９５質量％以上が更に好ましい。一方、過剰に添加すると、セメンタイトの析出が過剰となり、浸炭窒化処理によって粗大化して、靭性が低下する。このため、上限値を１．２質量％とすることが好ましい。

［Ｃｒ：０．５質量％以上２．０質量％以下］
Ｃｒは焼入れ性を向上させると同時に、炭化物形成元素であり、材料を強化する炭化物の析出を促進し、更に微細化させる。０．５質量％未満であると焼入れ性が低下して十分な硬さが得られなかったり、浸炭窒化時に炭化物が粗大化したりする。２．０質量％を越えると、浸炭窒化時に表面にＣｒ酸化膜が形成されて、炭素及び窒素の核酸を阻害する。そのため、Ｃｒ含有量は０．５質量％以上２．０質量％以下とすることが好ましい。
また、必要に応じて、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖの少なくとも１種類以上を添加してもよい。

［Ｍｏ：０．２質量％以上１．２質量％以下］
Ｍｏは、焼入れ性を向上させると同時に、炭窒化物形成元素であり、材料を強化する炭化物及び炭窒化物、窒化物の析出を促進し、更に微細化させる作用がある。その効果は、０．２質量％以上の添加で顕著になる。１．２質量％を越えると効果が飽和し、コストが高くなる。従って、Ｍｏ含有量は０．２質量％以上１．２質量％以下とすることが好ましい。

［Ｎｉ：０．５質量％以上３．０質量％以下］
Ｎｉは、焼入れ性を向上させると同時に、靭性を向上させる作用があり、その効果は０．５質量％以上の添加で顕著となる。オーステナイト安定化元素であり、３．０質量％以上添加すると残留オーステナイトが過剰となり、心部硬度が低下する。従って、Ｎｉ含有量は０．５質量％以上３．０質量％以下とすることが好ましい。

［Ｖ：０．５質量％以上１．５質量％以下］
Ｖは、浸炭窒化によって硬質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がある。その効果は、０．５質量％以上の添加で顕著となる。１．５質量％を越えて過剰に添加すると、素材の固溶炭素と結びついて炭化物を形成し、硬さが低下する。従って、Ｖ含有量は０．５質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましい。

而して、本発明の転動部材によれば、内方部材及び外方部材及び転動体の少なくとも一つの表面層に、浸炭窒化処理又は窒化処理によるＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、当該表面層の窒素濃度が０．２質量％以上２質量％以下であり、且つＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上１０％未満であり、且つ０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積３７５μｍ^２中の個数を１０２個以上としたことにより、より長寿命で、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる。
また、Ｃ：０．３質量％以上１．２質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上２．２質量％以下、Ｍｎ：０．３質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ：０．５質量％以上２．０質量％以下で、且つＳｉ／Ｍｎが５以下であり残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を浸炭窒化焼入れ、焼き戻し処理したことにより、より一層の長寿命、耐摩耗性、耐焼き付き性を得ることができる。

次に、本発明の転動部材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を備えた深溝玉軸受である。
まず、窒素量とＳｉ・Ｍｎ析出物量及び性能との関係を明らかにするため、下記表１の材料を直径６５ｍｍ厚さ６ｍｍの円板に旋削加工し、８２０〜９００℃で２〜１０時間、Ｒｘガス、プロパンガス、及びアンモニアガスの混合ガス中で浸炭窒化処理後、油焼入れを施し、その後、１６０〜２７０℃で２時間、焼戻し処理を施した。処理温度、処理時間、アンモニアガス流量を変化させて、種々の窒素濃度の試験片を作成した。熱処理後、表面を研磨・ラッピングして鏡面仕上げした。なお、下記表１中、鋼種１はＪＩＳＳＵＪ３、鋼種２はＪＩＳＳＵＪ２に相当する。

［表面の窒化物の面積率及び窒素濃度の測定］
電界放射型走査型顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用い、加速電圧１０ｋＶで転動体表面の観察を行った。窒化物面積率については、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影し、写真を二値化してから画像解析装置を用いて面積率を計算した。対象となる窒化物が微細なものであるので、測定倍率５０００倍、測定面積３７５μｍ^２とすると、０．０５μｍ以上１μｍ以下の窒化物の数を測定することができる。窒素濃度の測定は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ｋＶで行った。

［寿命試験］
続いて、種々の試験片に対し、スラスト型寿命試験機により、異物混入潤滑下での試験を行った。試験条件は以下の通りである。
試験荷重：５８８０Ｎ（６００ｋｇｆ）
回転数：１０００ｍｉｎ^−１
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬さ：Ｈｖ８７０
異物の大きさ：７４〜１４７μｍ
異物混入量：２００ｐｐｍ
各試験辺における窒素濃度、面積率、寿命比を下記表２に示す。寿命比は、比較例１のＬ１０寿命を１としたときの比率で示す。また、転動体表面の窒化物の観察写真を図２に示す。図２の下は、エネルギー分散型Ｘ線分散型分析装置で分析した窒化物の元素分析結果を示している。分析結果から、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎのピークが出現しており、表面の窒化物は、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物であることが分かる。

図３には、窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示す。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率、即ち析出量は、窒素濃度に比例して増大することが分かる。従って、Ｓｉ、Ｍｎ添加量の多い鋼の方が、同一窒化量で比較した場合に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多いことになる。また、図４には、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率とＬ１０寿命との関係を示す。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上になると寿命が著しく向上することが分かる。また、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１０％を越えると効果が飽和していることが分かる。

また、下記表３には、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率、０．０５μｍ〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数、寿命試験結果を、図５には０．０５μｍ〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数と寿命比率との関係を示す。これらから明らかなように、測定面積３７５μｍ^２の範囲内にＳｉ・Ｍｎ系窒化物を１０２個以上分散させることにより、基地組織が強化され、異物混入潤滑下での寿命が延長する。

次に、前述と同様に、種々の鋼に対し、８２０〜８７０℃で２〜１０時間、Ｒｘガス、プロパンガス、及びアンモニアガスの混合ガス中で浸炭窒化処理後、油焼入れを施し、その後、１６０〜２７０℃で２時間、焼戻し処理を施した。その際、熱処理時間、熱処理温度、アンモニアガス流量を変化させて鋼種１１〜２７の鋼を作製し、その鋼で、ＪＩＳ６２０６深溝玉軸受の転動体を作製し、合わせてＳＵＪ２で軌道輪を作製し、以下の寿命試験を行った。

［寿命試験］
試験荷重：６２２３Ｎ（６３５ｋｇｆ）
回転数：３０００ｍｉｎ^−１
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬さ：Ｈｖ５９０
異物の大きさ：７４〜１４７μｍ
異物混入量：２００ｐｐｍ
寿命試験の結果、化学成分（質量％）、Ｓｉ／Ｍｎ比率、窒素濃度（質量％）、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物面積率、０．０５μｍ〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数を表４に示す。寿命は、比較例２１（ＳＵＪ２相当）のＬ１０寿命を１としたときの比で表す。

表４から明らかなように、本発明範囲の鋼を用い、窒素濃度０．２質量％以上２．０質量％以下、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物面積率１％以上１０％以下、０．０５〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が１０２個以上の実施例は、比較例に比べて寿命延長効果が大きい。
また、この表４中のＳｉ／Ｍｎ比率とＳｉ・Ｍｎ系窒化物面積率との関係を図６に示す。例えば比較例１３，１４は、本発明範囲の鋼を用い、更に窒素濃度を０．２質量％以上としているが、Ｓｉ含有量に対してＭｎ含有量が少ないものであり、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が面積率で１％以下になっている。図６から明らかなように、Ｓｉ／Ｍｎの比率を５以下にすることによって、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出を促進することができる。

なお、上記実施形態では、転動体に本発明の転動部材を適用した事例のみを示したが、内外輪の何れか、又は内外輪、転動体全てに適用しても同様の効果が得られる。
また、説明した深溝玉軸受を始め、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受のほか、軸受の種類を問わず、好適に使用することができる。
また、ボールねじやリニアガイドの転動体にも好適に用いることができる。

本発明の転動部材を用いた深溝玉軸受の一実施形態を示す断面図である。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の観察写真である。窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示す説明図である。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率とＬ１０寿命との関係を示す説明図である。０．０５〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数と寿命比との関係を示す説明図である。Ｓｉ／ＭＮ比率とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示す説明図である。

１は内輪（内方部材）
２は外輪（外方部材）
３は転動体
４は保持器

Claims

内方部材及び外方部材及び転動体の少なくとも一つの表面層に、浸炭窒化処理又は窒化処理によるＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、当該表面層の窒素濃度が０．２質量％以上２質量％以下であり、且つ前記窒化物面積率が１％以上１０％未満であり、且つ０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積３７５μｍ^２中の個数が１０２個以上であり、Ｃ：０．３質量％以上１．２質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上２．２質量％以下、Ｍｎ：０．３質量％以上２．０質量％以下、Ｃｒ：０．５質量％以上２．０質量％以下で、且つＳｉ／Ｍｎが５以下であり残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼を浸炭窒化焼入れ、焼き戻し処理したことを特徴とする転動部材。