JPH0426752A

JPH0426752A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH0426752A
Application number: JP2127930A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Murakami; 保夫村上; Kyosaburo Furumura; 恭三郎古村; Shinichi Shirota; 伸一城田; Shigeru Okita; 滋沖田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1992-01-29
Anticipated expiration: 2011-03-13
Also published as: GB2244103B; GB9110094D0; US5137375A; GB2244103A; JPH0826446B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は転がり軸受に係り、特に、自動車、農業機械、
建設機械及び鉄鋼機械等のトランスミッション、エンジ
ン用等に使用する転がり軸受の寿命向上に関する。

〔従来の技術〕

従来、転がり軸受の寿命の低下をもたらす要因の一つと
して、軸受潤滑油中の異物混入があげられる。軸受潤滑
油中には金属の切粉、削り屑、パリ及び摩耗粉等が混入
していることが知られている。このような異物が混入し
ている転がり軸受の使用環境下では、当該異物が転がり
軸受の軌道輪及び／又は転動体に損傷を与え転がり軸受
の寿命を低下させていた。そして、この転がり軸受の寿
命低下は、潤滑油中に異物が混入していない場合に比べ
１／１０まで低下するという問題があった。

また、自動車の変速機用歯車等に生じるピッチングのよ
うに、軸受の軌道面又は転勤面が転がり疲れにより、斑
点状の微孔を生じ、転がり軸受の寿命を低下させていた
。そこで、特公昭６２−２４４９９号及び特開平２−３
４７６６号に開示されているように、浸炭等の熱処理に
より低中炭素低合金鋼表面に球状化炭化物を析出させる
ことで、鋼表面の硬さを向上させ、耐ピツチング性を向
上した低中炭素低合金鋼を提供する従来例が知られてい
る。

しかしながら、前記従来例のように、前記軌道輪及び転
動体の表面硬さを向上すると異物による圧痕の付き方は
軽くなるが、その反面、当該軌道輪及び転動体の靭性が
乏しくなり潤滑油中に存在する異物により引き起こされ
る損傷箇所からクランクが発生し、それが起点となって
早期にフレーキングが生じ、転がり軸受の寿命を向上す
るには限界があった。

そこで、本出願人が提案した特開昭６４−５５４２３号
に開示されているように、異物が混入している潤滑下で
転がり軸受を使用する場合でも、軸受の転がり表面層の
Ｃの含有量、残留オーステナイト量、及び炭窒化物の含
有量を適性値にすることで、異物により生じる圧痕のエ
ツジ部における応力の集中を緩和し、クラックの発生を
抑え、転がり軸受の寿命を向上する従来例が存在する。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記特開昭６４−５５４２３号に開示されている従来例
では、適当量の残留オーステナイトにより異物混入潤滑
下での寿命向上を図ることができるものであるが、一方
で、残留オーステナイトにより表面硬さが低下して耐疲
労性が下がるという課題があった。即ち、残留オーステ
ナイト量と表面硬さとの適性な関係についての改良の余
地があった。

また、従来の軸受材料において、軸受寿命を向上する上
での炭化物、炭窒化物の粒径をいかなる値にすれば良い
かについての配慮がないと言う課題もあった。大型炭化
物が繰り返し応力を受けると、当該大型炭化物は疲労起
点となりクラック。

フレーキングが発生するという問題がある。

そこで、本発明は、このような課題を解決するために、
転がり表面層の残留オーステナイト量と表面硬さとの最
適な関係を見いだし、さらに、転がり表面層に存在する
炭化物、炭窒化物の平均粒径を最適な値にすることで、
異物混入潤滑下ばかりでなくクリーンな潤滑下でも、従
来品よりも長寿命な転がり軸受を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために本発明は、軌道輪及び転動体
とを備えた転がり軸受において、前記軌道輪及び転動体
の少なくとも一つは、炭化物形成元素を含有し、転がり
表面層の残留オーステナイト量（γ、ｌ■０２％）が２
０〜４５ｖＯｉ％、且つ、平均粒径０．５〜１．５μｍ
の微細炭化物又は炭窒化物の分散強化により、前記転が
り表面のビッカース硬さ（Ｈｖ）が前記残留オーステナ
イト量（γＲｖｏβ％）に対し、４．７Ｘ（ｒ＊ｖｏｊ！％）＋９２０≦■Ｖ≦−４，７
Ｘ　（Ｔｌｌ　ｖｏｗ％）＋１０２０の範囲にある合金
鋼、から構成されてなることを特徴とする転がり軸受に
係るものである。

そして、請求項（２）記載の発明は、前記合金鋼を、Ｃ
；０．７重量％、Ｃｒ；１〜３重景重量含有するものし
た転がり軸受に係るものである。

〔作用〕

この発明では、炭化物形成元素を積極的に添加し、微細
炭化物の析出強化により、残留オーステナイトの存在に
よる表面硬さの低下を補償するものであり、しかも残留
オーステナイト量と表面硬さの関係を最適な範囲にする
ことにより、長寿命な転がり軸受を提供するというもの
である。

以下、本発明に係る合金鋼の作用及び特性値の臨界的意
義等について詳説する。

転がり表面層の残留オーステナイト量（γＲｖ０１％）
；２０〜４５ｖｏｊｌ！％潤滑油中等に混入する異物により、転がり表面層に圧痕
が発生する。この圧痕のエツジ部分に発生しやすいクラ
ックは、残留オーステナイトと密接な関係がある。残留
オーステナイトは、素材のＣ含有量により多少異なるが
、通常は軟らかくて粘い。従って、この残留オーステナ
イトを所望の割合で転がり表面層に存在させると圧痕の
工・ンジ部分における応力集中を緩和することができ、
クランクの発生を抑制することができる。また、転がり
表面層における残留オーステナイトは、転勤時に圧痕を
通過する部材（例えば、転動体に対して軌道輪）の相対
通過回数が所定数を過ぎると、表面に加わる変形エネル
ギーによりマルテンサイト変態し、硬化するという効果
により、異物混入潤滑下での転がり軸受の寿命を向上す
ることができる。これらの効果を最大限発揮する転がり
表面層における残留オーステナイト量は、第２図に示す
ように、２０〜４５ｖｏｎ％である。

残留オーステナイト量が２０ｖｏＲ％未満だと前記ごみ
圧痕発生の際の応力集中効果を十分発揮することができ
ない。

また、残留オーステナイト量が４５ｖｏｊ！％を越える
と応力集中を緩和する効果は飽和し、かえって表面硬さ
を低下することにより耐疲労性が低下してしまう。

以上より、転がり表面層の残留オーステナイト量を２０
〜４５ｖｏｆ％、好ましくは、２５〜４Ｏｖｏｌ％とし
たのである。

ところで、この残留オーステナイト量は、焼入温度及び
焼入法を選択すること、マトリックスに固溶するＣ濃度
を調整すること等により制御可能である。

尚、本発明において、「表面層」とは、表面からある所
望深さまでの範囲を言い、例えば、せん断応力が最大と
なる転動体平均直径の２％に対応する深さまでを言う。

転がり表面層に存在する微細炭化物及び／又は炭窒化物
の平均粒径；０．５〜１．５μｍ第１図の比較例範囲に
示すように、残留オーステナイト量（γ、１ＶＯＩ！、
％）が増えるしたがって、表面硬さ（Ｈ，）が低下する
ことがわかる。そこで、本発明では、第１図の本発明範
囲に示すように、微細炭化物、炭窒化物の析出強化によ
り残留オーステナイ量に対する表面硬さを向上すること
ができる。

ここで、炭化物、炭窒化物の平均粒径は、０．５〜１．
５μｍである。平均粒径が０．５μｍ未満だと寿命向上
が不十分で、かつ、耐摩耗性が低下する。

また、平均粒径が１．５μｍを越えると前記炭化物。

炭窒化物が応力の集中源となり、クランク等が発生し易
くなり転がり軸受の寿命を低下する。

ところで、転がり表面層に含有する前記微細炭化物及び
炭窒化物の含有量は、面積比で１０〜２０％が望ましい
。炭化物、炭窒化物が少ないと、残留オーステナイ量の
増加に対する表面硬さの低下を補償することができない
。一方、これらの量が多すぎると、炭化物が粗大化する
他、マトリックスに固溶する炭素量が低下し必要な残留
オーステナイト量を確保することができない。尚、炭化
物、炭窒化物量は、炭化物形成元素量の調整、焼戻し温
度の調整等により制御可能である。

炭化物形成元素としては、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ等公知の
各種の元素がある（Ｗは窒化物も形成ずする）。特にＣ
ｒが好ましい。

これらの炭化物形成元素のうち所望の一種以上を含有す
ることにより、各種の炭化物が発生する。

また、炭窒化物は、浸炭に変えて浸炭窒化を行ったとき
の上記炭化物及びＦｅ５（ＣＮ）ａ等の窒化物を言う。

炭化物形成元素として好ましいのは、Ｃｒである。

このＣｒは、鋼の焼入性及び焼戻し抵抗性を向上すると
伴に、微細な炭化物を析出して合金鋼の硬さを向上する
ために必要な炭化物形成元素である。転がり表面層に析
出する炭化物を微細化するのに適したＣｒの含有量は、
１〜３重景重量ある。

Ｃｒ含有量が１重量％未満の鋼に対し浸炭等め処理によ
りＣ濃度を高め表面硬さのみ大きくすることは可能であ
るが、これでは、炭化物の核発生が少なく炭化物が成長
しやすく巨大炭化物が発生する。

第３図は、５ＵＰ９　（ばね鋼材；マンガンクロム鋼−
〇　０．６％、　Ｍｎ　０．８％、Ｃｒ０．８％）を浸
炭焼入した時に表層部に析出した平均粒径５μｍ程度の
巨大炭化物の組織写真（ｘ４００）であり、炭化物は白
斑状に示されている。写真中、白色の塊が巨大炭化物に
相当する。

Ｃｒ含有量が３重量％を越えると、素材の段階で巨大炭
化物が晶出してしまい、応力集中により寿命が低下する
。そして、コスト的にも不利であるとともに、巨大炭化
物を微細化しようとすると炭化物をマトリックス中に固
溶して再度析出させるための熱処理、高温焼入れ等が必
要となり、熱処理生産性が低下する。

尚、素材を作製する方法として、鋳造の他、公知の粉末
焼結等があるが、この粉末焼結は、焼結する際、素材の
段階で巨大炭化物、炭窒化物が晶出してしまうことがな
く、好ましい方法である。

その他の炭化物形成元素として、例えば、Ｍｏ；８重量
％以下、特に、２．０重量％以下、ｖ；７重量％以下、
特に、３重量％以下、Ｗ、１５．０重量％以下を必要に
応じて適宜含有することができる。

尚、微細炭化物の析出に際しては、球状化焼鈍を行って
も良い。

転がり表面層の硬さ（Ｈｖ）；転がり表面層の残留オー
ステナイト量（ＴＲｖｏｆ％）に対し、４．７　Ｘ　（
ｒｉ　　ｖ　ｏ　Ｉ！、％）＋９２０≦Ｆｌｙ≦−４゜
７Ｘ　　（ｒＲｖｏＩ！、％）＋１０２０・−・−（１
）前記本発明では、各残留オーステナイト量に対応する硬
さ範囲を上記の（１）の範囲内にした。

（１）の関係において、硬さが前記下限値より小さいと
、耐疲労性が低下し、異物混入潤滑下及びクリーンの潤
滑下でも寿命が低下する。一方、硬さを前記上限値より
大きくすることは困難である。

そこで、（１）のような関係を得たのである。

本発明に使用する合金鋼としては、低中炭素（Ｃ；０．
３〜０．７重量％）程度の肌焼鋼の他、中高炭素（Ｃ；
０．７〜１．２重量％）程度の高炭素クロム軸受鋼、高
温軸受用高速度鋼を使用することができる。

ここで、肌焼鋼の炭素量を前記値にした理由について説
明する。

浸炭法では、マトリックスへのカーボンの固溶はマトリ
ックスに最初から存在するベースカーボンと浸炭により
マトリックスに侵入固溶するカーンの両者により行われ
るので均一固溶が可能である。軸受鋼の焼入れでは、ベ
ースカーボンがマトリックスに固溶する際のカーボン量
は０．５重量％が限度であるが、浸炭法では、固溶限度
が１重量％を越える範囲まで可能である。それによって
、転がり疲労による転移の移動をカーボン原子が阻止し
、転移の集積により塑性変形を防ぎ、従ってマイクロク
ラックの発生を遅延させ、転がり軸受の長寿命及び高僧
転性が達成できる。

前記浸炭又は浸炭窒化による表面硬化を行う際、Ｃの含
有量が０．３重量％未満だと、本発明の目的とする表面
硬さを得るためには、浸炭又は浸炭窒化により前記肌焼
鋼に侵入するＣ景又はＮ量を多くしなければならない。

このため、浸炭、浸炭窒化熱処理時間が長くなり、熱処
理生産性が低下する。また、コア（芯部）の硬さが不足
し、コアが塑性変形し転がり軸受の寿命を低下する。

逆に、Ｃの含有量が０．７重量％を越えると浸炭又は浸
炭窒化により前記肌焼鋼に侵入するＣ量。

Ｎｌが少なくなる。このため、前記肌焼鋼に侵入固溶す
るＣ、　Ｈの割合が低下し不均一固溶状態となり、この
部分が応力集中源となってしまい、転がり軸受の寿命が
低下してしまう。以上より、前記軌道輪及び転動体の少
なくとも一つに使用する肌焼鋼のＣ含有量を０゜３〜０
．７重量％にすることが望ましい。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について、説明する。

鋳造により第１表に示すような組成の鋼を材料とする試
験片１〜５及び、５ＣＲ４２０，ＳＣＭ４２０．５ＵＰ
９等の鋼種を用いた試験片６〜２７について、浸炭の熱
処理を行い、その後、各試験片１〜２７の歿留オーステ
ナイト量、炭化物の平均粒径９表面硬さを測定した。尚
、残留オーステナイト量はＸ線分析法によって行い、炭
化物の平均粒径の測定は顕微鏡法によった。

各試験片１〜２７について残留オーステナイト量、炭化
物の平均粒径２表面硬さを第２表及び第１図に示す。尚
、第２表において、試験片１〜５はこれらの特性値の全
てが本発明の範囲にある発明鋼であり、試験片６〜２５
は、残留オーステナイ量に対する表面硬さの範囲が本発
明の下限値未満であり、且つ、炭化物粒径が本発明範囲
外及び残留オーステナイ量が本発明範囲外の少なくとも
一つに該当する比較例鋼である。試験片２６．２７は、
表面硬さと残留オーステナイト量が本発明の範囲内であ
るが、炭化物平均粒径が本発明の範囲外となる比較例鋼
である。

第１表次に浸炭方法の一例について説明する。浸炭としては、
イオン浸炭を行った。イオン浸炭における、昇温、クリ
ーニング、浸炭、拡散、焼入、焼戻しの各々の工程にお
ける条件は以下の通りである。

昇温；真空度０．０１Ｔｏｒｒ、９５０”Ｃまで１，５
時間行う。

クリーニング；真空度１．３Ｔｏｒｒ、９５０°Ｃで０
．３３時間行う。この時、１００Ｖ、２Ａでグロー放電
する。ガスとしてＡｒ；２．５ｊ２／分、Ｈ２；１．Ｏ
！！、／分を使用する。

浸炭；真空度２．０Ｔｏｒｒ、９５０°Ｃで３時間行う
。浸炭ガスとしてＣ３Ｈ８；　ｏ、　６ｉｔ／分を使用
する。

拡散；９５０°Ｃ×１時間焼入れ；６０　’ＣＸ　０．２５時間、油焼入れ焼戻し
：１８０°ＣＸ２時間次に、このようにして得られた各試験片について複数の
円板状材料を作成し、ｒ特殊鋼便覧」（第１版、電気製
鋼研究所編、理工学社　１９６９年５月２５日）第１０
〜２１頁記載のスラスト形軸受鋼試験機を用いてスラス
ト寿命試験を行った。試験条件は次の通りである。

Ｎ−Ｎ−１Ｏ０Ｏｒｐ、、、　＝　５００　ｋｇ　ｆ　７ｍｍ２潤滑油　＃
６８タービン油二の寿命試験においては、ゴミとして、硬さＨｖ＝８７
０のＦｅ、Ｃ系粉（径７４〜１４７μｍ）を用い、潤滑
油中に３００ｐｐｍ混入した。

尚、本試験に際して、各試験片についてその１０％に顕
微鏡又は肉眼で視認できるクラック、フレーキングが発
生した時点を寿命（Ｌ　＋　ｏ寿命）と判定し、この時
点迄の累積回転数をもって寿命の定量的表現とした。

寿命試験の結果は、前記第２表及び第２図に示した。

第１図は、残留オーステナイト量と表面硬さとの関係を
示したもので、図中の番号が試験片の各番号に対応する
。そして、第２図は、残留オーステナイ量と寿命との関
係を示したもので、図中の番号が試験片の各番号に対応
する。

第１．２図及び第２表から分かるように、試験片６〜２
７と比較して、残留オーステナイ目りこの残留オーステ
ナイト量に対する表面硬さ、及び炭化物の平均粒径が本
発明の範囲にある試験片１〜５では、良好な寿命となっ
ていることが分かる。

本実施例では、第１表に示すような組成の鋼を材料とす
る試験片１〜５を用いたが、この成分は一例であり、こ
れに限らず、他の成分組成の鋼を用いても良い。

尚、本実施例では、浸炭方法としてイオン浸炭を行った
が、これに限らずガス浸炭等を行っても良い。また、浸
炭に変えて浸炭窒化を用いてもよいことは勿論である。

（発明の効果］以上説明したように本発明によれば、炭化物形成元素を
積極的に添加し、微細炭化物の析出強化により、残留オ
ーステナイトの存在による表面硬さの低下を補償するも
のであり、しかも残留オーステナイト量と表面硬さの関
係を最適な範囲にすることにより、異物混入潤滑下ばか
りでなくクレーンな潤滑下でも長寿命な転がり軸受を提
供することができるという効果を達成することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、残留オーステナイト量と表面硬さとの特性図
、第２図は、残留オーステナイト量と応力繰り返し数と
の特性図、第３図は、５ＵＰ９の組織写真を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）軌道輪及び転動体とを備えた転がり軸受において
、前記軌道輪及び転動体の少なくとも一つは、炭化物形
成元素を含有し、転がり表面層の残留オーステナイト量
（γ＿Ｒｖｏｌ％）が２０〜４５ｖｏｌ％、且つ、平均
粒径０．５〜１．５μｍの微細炭化物又は炭窒化物の分
散強化により、前記転がり表面硬さ（Ｈｖ）が前記残留
オーステナイト量（γ＿Ｒｖｏｌ％）に対し、 −４．７×（γ＿Ｒｖｏｌ％）＋９２０≦Ｈｖ≦−４．
７×（γ＿Ｒｖｏｌ％）＋１０２０の範囲にある合金鋼、から構成されてなることを特徴とする転がり軸受。
（２）前記合金鋼は、Ｃ；０．３〜０．７重量％及びＣ
ｒ；１〜３重量％を含有してなることを特徴とする請求
項（１）記載の転がり軸受。