JPH0439416A - 転がり軸受 - Google Patents

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） この発明は、自動車、！Ｒ業機械、建設機械、鉄鋼機械
等に使用される転がり軸受であって、特に長寿命が要求
される転がり軸受に関する。

（従来の技術） 従来、この種の転がり軸受に用いる鋼としては、軸受鋼
２種（ＳＵＪ２）等の各種の合金鋼がある。

しかし、近年の転がり軸受を用いた機械の性能向上に伴
う転がり軸受に加えられる荷重の増大や軸受のサイズダ
ウンにより、軸受の負荷面圧が増大する傾向があり、耐
久寿命の改善が要求されている。

転がり軸受の長寿命化の対策として、軌道面又は転勤面
の残留オーステナイト濃度の最適値化や非金属介在物の
低減等が実施されてきた。これらの対策により寿命はあ
る程度は延長されたが、転がり軸受に対する上記近年の
長寿命化の要求に十分に応え得るものではなかった。

長寿命化のために耐疲労性を向上させる方法としては、
転がり軸受の構成部材の硬さを高めることが一つの方法
であるが、鋼を高硬度化するためには高速度工具鋼の如
く、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の炭化物形成元素を多量に添加しな
ければならず、その結果、凝固の際に晶出する大型炭化
物が疲労起点となり、必ずしも長寿命化を達成すること
ができない。

かかる状況下で、近年、粉末高速度鋼のごとく、通常の
鋳造法を経ずに、アトマイズ法により高速度鋼微粉末を
作製し、これを焼結、圧延することにより大型炭化物を
含有しない高硬度の鋼を得る方法が例えば、特開昭６１
−１９７５６号公報及び特開昭６０−６７６４．４号公
報により提案されている。特開昭６１−１９７５６号に
提案の方法は、Ｃ：ｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖから成る郡から選
択した炭化物形成元素の炭化物粉末と、軟質のＦｅと炭
素の粉末との混合粉末を焼結固化して焼結高速度鋼を形
成するものである。又、特開昭６０−６７６４４号によ
れば、合金粉末に焼結、熱処理時にマトリックス金属と
反応しないものの粒子（非反応粒子）を均一に混合して
焼結し、熱処理時に析出する粒子（反応粒子）を併用し
て焼結固化して焼結高速度鋼を形成する方法が開示され
ている。

（発明が解決しようとする課題） 上記提案のいずれの方法も、晶出炭化物が微細である粉
末高速度鋼を焼結して大型炭化物を形成せずに鋼を析出
硬化させることによって、高硬度、従って耐摩耗性の良
好な高速度鋼を得るものである。しかし、これらの提案
方法は、空孔及び炭化物の大きさの上限値、硬さの最適
範囲等についての配慮がなく、単に高硬度の焼結高速度
鋼を使用するだけでは、転がり軸受の所望の長寿命化を
図ることができないと云う量産があった。

従って、本発明は焼結合金鋼の空孔及び炭化物の大きさ
の上限値、硬さの最適範囲等を特定することにより、転
がり疲労寿命の向上を図った転がり軸受を提供すること
を目的とする。

（問題を解決するための手段） 本発明者は上述の観点から鋭意検討したところによると
、焼結合金鋼を素材として用いた転がり軸受の転がり疲
労寿命（以下、寿命と言う）は、空孔の大きさ、炭化物
の大きさおよび硬さに依存するが、これらが、ある一定
の範囲に入った時に、極太値を持つとの知見を得たので
ある。

本発明の請求項１に依れば、内輪・外輪を有する軌道輪
と転動体とから成り、前記内輪、前記外輪及び前記転動
体の少なくとも１つは焼結合金鋼により形成され、最大
空孔の真円換算直径が３μｍ以下で、最大炭化物の真円
換算直径が１２μｍ以下であり、且つ、硬さがＨＲＣ６
４を超え６９未満であることを特徴とする転がり軸受が
提供される。

本発明の請求項２に依れば、前記転動体は、６；Ｉ記軌
道輪より高い硬さを有する。

本発明の請求項３に依れば、前記焼結合金鋼は、焼結体
を圧縮比７以上で圧延して形成される。

本発明は、上記知見に基いてなされたものであり、以下
に空孔の大きさ、炭化物の大きさ、表面硬さ、転動体と
軌道輪との硬さの関係、及び圧延比を上記の通りに限定
した理由を説明する。

（ａ）　　空孔の大きさ：真円換算直径で３μｍ以下軌
道輪と転動体とが転がり接触するとそれぞれの表面下に
せん断応力が発生する。この転がり接触が繰返しなされ
ると、やがて軌道輪または転動体にクラックが発生し、
さらにそれが進展しはく離の発生に至る。このとき、最
もクラックの起点となりやすいのが空孔である。空孔は
、全く、予亀裂と同等とみなすことができ、クラックの
進展速度等は空孔の大きさに比例する。従って、大きな
空孔が存るほと転がり疲れ強さは低くなる。しかしなが
ら、空孔の大きさが真円換算直径で３μｍ以下の場合に
は、クラックの進展速度は極めて遅く、真円換算直径が
３μｍ以下の空孔は、実質的にクラックの起点となりえ
ない。

（ｂ）　　炭化物の大きさ　真円換算直径で１２７１ｍ
以下炭化物も転がり疲れによるクラックの起点となり得
る。空孔程有害でないものの炭化物も予亀裂とみなすこ
とができ、大きな炭化物が存るほと転がり疲れ強さは低
下する。しかしながら、炭化物の大きさが真円換算直径
で１２μｍ以下の場合には、クラックの進展速度は極め
て遅く真円換算直径が１２μｍ以下の炭化物は、実質的
にクラックの起点となりえない。

（ｃ）　　硬さ：ＨＲＣ６４越え６９未満軌道面および
転勤面は局部的に大きな面圧が繰返し加わるので、その
転がり疲れ強さを向上させるには、表面硬さを高くする
ことが有効である。

硬さがＨＲＣ６４までは硬さの上昇に伴い転がり疲れ強
さは増加する。しかしながら、硬さがＨＲＣ６４を越え
ると、亀裂敏感性が高まり小さな欠陥もクラックの起点
となるので硬さが上昇しても転がり疲れ強さは向上せず
、さらに硬さがＨＲＣ６９以上になると、むしろ転がり
疲れ強さは低下する。このことより、上記臨界値を導い
た。

（ｄ）　　転動体硬さ：軌道輪硬さ以上転がり疲れ強さ
を向上させるには、空孔の大きさ、炭化物の大きさ、お
よび硬さ範囲を上記の如く限定することが必要であるが
、転がり軸受の寿命を延すためには、上記の他に、転動
体硬さと軌道輪硬さに高低関係を設けることが重要であ
る。

なぜならば、転がり軸受のはく離は主に内、外輪に発生
するが転動体硬さが軌道輪硬さより低いと、転動体に集
中的に且つ早期にはく離が発生し軸受として短寿命とな
ってしまうためであるにのことから、上記の臨界条件を
設けた。

（ｅ）　　焼結体からの圧延比＝７以上本発明の狙いと
する空孔の低減には、焼結体から素材に至るまでの圧延
比、従って、圧延又は押出しなどによる断面減少比率を
高めることが有効である。しかしながら、圧延比が７以
上となると、その効果は飽和するので、上記制限を定め
た。

（実施例） 実施例１ 第１表に示す化学成分の５ＫＨ５４相当の調香１乃至１
１の各高速度工具銅粉をガスアトマイズ法で製造した。

この方法は真空誘導炉で溶解した各溶鋼をタンデイツシ
ュに移し、タンデイツシュ底面のノズルより流出する溶
鋼に高圧のＮ２ガスを吹きつけ、球状の微粉末を製造す
るものである。

このとき、吹きつけるＮ２ガス中の酸素濃度は、同表に
示すごとく、各調香ごとに変化させた。各高速度鋼粉を
、同表に示す如＜ＨＩＰ法及びＣＩＰ十熱間押出法の２
方法で焼結した。ＨＩＰ法による焼結においては、８０
メツシユ（１７７μｍ）以下の細粒に分級した粉末を軟
鋼製カプセルに充填し、これに脱気管付の上蓋を溶接、
さらに脱気管から回転ポンプで真空引きしながら１１５
０℃まで加熱し、６時間保持した後、真空弁を閉め、脱
気管を気密に圧着、切断し、ＴＩＧ溶接にて密封したも
のを１１００℃の温度、１５００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力
下で２時間保持の条件でＨＩ　Ｐ処理を行ない、ＨＩＰ
処理後の鋼塊を圧延比的１０で圧延し直径６５ｍｍの棒
鋼を作製した。他方、ＣＩＰ＋熱間押出法による焼結に
おいては、８０メツシユ以下の細粒に分級した粉末を軟
鋼製カプセルに充填し、これに脱気管付の上蓋を溶接、
さらに脱気管から回転ポンプで真空引きしながら１１５
０℃まで加熱し、６１時間保持した後、真空弁を閉め、
脱気管を気密に圧着、切断し、ＴＩＧ溶接にて密封した
ものを３０℃の温度、５０００ｆｋｇ／ｃｍ２の圧力下
で１０分間保持の条件でＣＩＰ処理を行ない、さらにこ
の圧粉成形体を加熱し１１００℃で１０分間保持したも
のを熱間押出し、直径６５ｍｍの棒鋼を作製した。熱間
押出の前後での断面積比は約１０：１であった。

各焼結棒鋼を、右部を通り圧延方向に平行に切断し、断
面を研磨後、顕微鏡を用いて空孔の大きさと数とを調査
した。被検面積は３６００ｍｍ２であった。各調香のＨ
ＩＰ法、およびＣＩＰ＋熱間押出法により製造した棒鋼
に存在する最大空孔の真円換算直径を第１表に又、各焼
結決別の最大空孔の真円換算直径と銅粉中の酸素濃度と
の関係を第１図に示す。いずれの焼結方法によっても銅
粉中の酸素濃度が低くなると最大空孔は小さくなるが、
同一の酸素濃度ではＣＩＰ十熱間押出法の方が最大空孔
は小さい。空孔の発生原因は、本発明者らの調査によれ
ば、銅粉の表面に存在する酸化鉄がＨＩＰ処理中あるい
は熱間押出法中に銅粉中の炭素と反応して一酸化炭素ガ
ス（Ｃｏ）を発生し、バルク外へｌｌＪ＋することがで
きないためである。銅粉中の酸素濃度が同一の場合、Ｃ
ＩＰ十熱間押出法による処理の方が最大空孔が小さいの
は、高温かつ高圧である時間が短く分解しないためであ
る。

各棒鋼から直径６０ｍｍ、厚さ６Ｍの円盤状試験片を作
製し、第２図に示す熱処理で焼入れ焼戻し処理を施し、
さらに平面部を研磨し、表面平均粗さＲａＯ，０１μｍ
以下の寿命試験用試験片を作製した。硬さはＨＲＣ６６
，１、最大炭化物の大きさは、真円換算直径で、ＨＩＰ
法で製造したものは５．４μｍ、ＣＩＰ十熱間押出法で
製造したものは２．８μｍであった。これら試験片を「
特殊鋼便覧（第１版）電機製鋼研究所編、理工学社、１
９６５年５月２５日、第１０〜２１項」記載の試験機を
用いて寿命試験を行なった。試験条件は次の通りである
。

最大接触面圧（Ｐｍａｘ）　＝　５７８　ｋｇｆ／　ｍ
ｍ２回転数（Ｎ）　＝　３０００ｃｐｍ 潤滑油＝ＶＧ６８タービン油 寿命試験より得られた各試験片の９９％残存寿命（Ｌｘ
、以下［寿命値ｊという）と最大空孔の真円換算直径と
の関係を第３図に示す。寿命値の計算は、ＪＩＳ　　Ｂ
　　１５１８によれば２．６×１ｏ５サイクルである。

第３図から、いずれの焼結法でも、最大空孔の真円換算
直径が小さくなるほど寿命値は増大するが、最大空孔の
真円換算直径が３μｍ以下となると飽和することが分る
。

実施例２ 第１表の調香１１の銅粉を、温度１１００℃、１１２０
℃、１１４０℃、１１６０℃、１１８０℃、１１９０℃
、１２００℃でＨＩＰ法により焼結した。ＨＩＰ法によ
る焼結において、８０メツシユ（１７７μｍ）以下の細
粒に分級した粉末を軟鋼製カプセルに充填し、これに脱
気骨付の上蓋を溶接、さらに脱気管から回転ポンプで真
空引きしながら１１５０℃まで加熱、６時間保持後、真
空弁を閉め、脱気管を気密に圧着、切断し、ＴＩＧ溶接
にて密封したものを前記各温度で１５００ｋｇｆ／ｃｍ
２の圧力下で２時間保持の条件でＨＩ　Ｐ処理を行った
。ＨＩＰ処理後の鋼塊を圧延比１０で圧延し直径６５ｍ
ｍの棒鋼を作製した。各棒鋼を、右部を通り圧延方向に
平行に切断し、断面を研磨後、顕微鏡を用いて炭化物、
空孔の大きさと数とを調査した。被検面積３６００ｍｍ
２であった。各焼結温度における棒鋼中に存在する最大
炭化物、最大空孔の真円換算直径を第２表に示す。各棒
鋼から直径６０ｍｍ、厚さ６鴫の円盤状試験片を作製し
、第２図に示す熱処理で焼入れ焼戻し処理を施し、さら
に平面部を研磨し、表面平均粗さＲａＯ，０１μｍ以下
の寿命試験片を作製した。各試験片の硬さを第３表に示
す。これら試験片を「特殊鋼便覧（第１版）電機製鋼研
究所編、理工学社、１９６５年５月２５日、第１Ｏ〜２
１項」記載の試験機を用いて寿命試験を行なった。試験
条件は次の通りである。

最大接触面圧（Ｐｍａｘ）　＝　５７８　ｋｇ「７ｍｍ
２回転数（Ｎ）＝３０００ｃｐｍ 潤滑油＝ＶＧ６８タービン油 寿命試験より得られた各試験片の寿命値と最大炭化物の
真円換算直径との関係を第４図に示す。

同図から最大炭化物が小さくなるほど寿命値は大きくな
るが、１２μｍ以下となると飽和することが分かる。

実施例３ 第４表に示す各種の化学成分の調香１２乃至１８の各鋼
粉を、８０メツシユ以下の細粒に分級し、その粉末を軟
鋼製カプセルに充填し、これに脱気管付の上蓋を溶接、
さらに脱気管から回転ポンプで真空引きしなから１１５
０’ｃまで加熱、６時間保持後、真空弁を閉め、脱気管
を気密に圧着、切断し、ＴＩＧ溶接にて密封したものを
３０℃の温度、５０００　ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下、１
０分間保持の条件でＣＩＰ処理し、さらにこの圧粉成形
体を加熱し１１００℃で１０分間保持したものを熱間押
出し、直径６５胴の棒鋼を作製した。熱間押出の前後で
の断面積比は１０：１であった。各棒鋼から直径６０Ｍ
、厚さ６ｍｍの円盤状試験片を作製し、調香１５以外は
第２図に示す熱処理で、調香１５は第５図に示す熱処理
で焼入れ焼戻し処理を施し、さらに平面部を研磨し、表
面平均粗さＲａＯ，０１μｍ以下の寿命試験片を作製し
た。各試験片の硬さを第４表に示す。これら試験片を［
特殊鋼便覧（第１版）電機製鋼研究新編、理工学社、１
９６５年５月２５日、第１０〜２１項」記載の試験機を
用いて寿命試験を行なった。試験条件は次の通りである
。

最大接触面圧（Ｐｍａｘ）　＝　５７８　ｋｇｆ／ｍｍ
２回転数（Ｎ）　＝　３０００ｃｐｍ 潤滑油＝ＶＧ６８タービン油 寿命試験より得られた各試験片の寿命値と硬さの関係を
第６図に示す。同図から、硬さがＨＲＣ６４を越え６９
未満の領域で、寿命値が最大値を示すことが認められる
。

実施例４ 第４表の調香１２，１５．１６の各銅粉を８０メツシユ
以下の細粒に分級し、その粉末を軟鋼製カプセルに充填
し、これに脱気管付の上蓋を溶接、さらに脱気管から回
転ポンプで真空引きしながら１１５０℃まで加熱、６時
間保持後、真空弁を閉め、脱気管を気密に圧着、切断し
、ＴＩＧ溶接にて密封したものを３０℃の温度、５００
０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下、１０分間保持の条件でＣＩ
Ｐ処理し、さらにこの圧粉成形体を加熱し１１００℃で
１０分間保持したものを熱間押出し、直径６５ｍｍの棒
鋼を作製した。熱間押出の前後での断面積比は１０：］
であった。各棒鋼をＪＩＳ　　６２０６による深みぞ玉
軸受の内、外輪、転動体の形に素加工し、内外輪と転動
体を第５表に示す処理温度、時間で熱処理を行ない、研
磨後、軸受１乃至９を完成させた。各軸受の内外輪と転
動体の硬さと、（転動体の硬さ一内外輪の硬さ）を同じ
く同表に示す。各軸受を、［日本精工株式会社編、テク
ニカル　ジャーナル　Ｎｏ、６４６　　第２０項」記載
の油浴ｉｌｌ！Ｉ渭形軸受耐久寿命試験機を用いて寿命
試験を行なった。試験条件は次の通りである。

ラジアル荷重Ｆｒ＝１４１０ｋｇｆ 最大接触面圧（Ｐｍａｘ）＝　３５０ｋｇｆ／ｍｍ２潤
滑油＝ＶＧ６８タービン油 回転数（内輪回転、外輪静止）＝３００Ｏｒｐｍ寿命試
験結果を第７図に示す。ここで、縦軸のＬｌｏは内外輪
、転動体のいずれかにはく離が発生したときの時間より
算出した寿命値である。同図から、△ＨＲＣ（転動体の
硬さ一内外輪の硬さ）が第５表 負になると寿命値が低下することがわかる。

なお、軸受Ｊ乃至９は、いずれの部位も残留オーステナ
イト濃度か５％以下であり、かつ高温焼戻しを複数回施
しであるので、通常の５ｔＪＪ２製軸受（焼入れ温度８
２０〜８６０℃、焼戻し温度１６０〜２００℃）の３倍
以上の寸法安定性を有しており、１２０℃〜２００℃の
高温でも、はめおいが使用１科こ変化することは無い。

さらに、軸受１，２，５，７，８は長寿命でもある。ま
た、本実施例の軸受で使用した材料は、Ｒ＃Ｉ炭化物が
多数分散するので、円錐ころ１＋１１１１受のつば面の
ごとく耐摩耗性の必要な部位を有する軸受にも適する。

また、本実施例の軸受は、高硬度であるので、鉄粉等の
異物を混入した潤滑油中でもほとんど圧痕の発生がなく
、長寿命である。

実施例５ 第４表の調香１２の銅粉を８０メツシユ以下の細粒に分
級し、その粉末を種々の大きさの軟鋼製カプセルに充填
し、これに脱気骨付の上蓋を溶接、さらに脱気管から回
転ポンプで真空引きしながら１１５０℃まで加熱、６時
間保持後、真空弁を閉め、脱気管を気密に圧着、切断し
、ＴＩＧ溶接にて密封したものを３０℃の温度、５００
０ｋｇｆ’／ｃｍ２の圧力下で１０分間保持の条件でＣ
ＩＰ処理し、さらにこの圧粉成形体を加熱し１１００’
Ｃで１０分間保持したものを熱間押出し、直径６５ｍｍ
の棒鋼を作製した。熱間押出の前後での断面積比は１０
：１〜５・ｌであった。各棒鋼をＪＩＳ６２０６による
深みぞ玉軸受の内、外輪、転動体の形に切削により素加
工し、内外輪と転動体を第５表のｔｌｉｍ受Ｎｏ、Ｉに
示す処理温度、時１７Ｊ］で熱処理を行ない、研磨後、
軸受を完成させた。各軸受を、　［日本精工株式会社編
、テクニカル　ジャーナル　Ｎｏ、６４６　１２０項Ｊ
記載の油浴ｎ′Ｗ＃形軸受耐久寿命試験機を用いて寿命
試験を行なった。試験条件は次の通りである。

ラジアル荷重Ｆｒ＝１４１０ｋｇｆ 最大接触面圧（Ｐｍａｘ）＝＝　３５０）ｃｇｆ／ｍｍ
２潤滑油＝ｖＧ６８タービン油 回転数（内輪回転、外輪静止）−３００Ｏｒｐｍ寿命試
験結果を第８図に示す。ここで、縦軸のＬｌｏは内外輪
、転動体のいずれかにはく離が発生したときの時間より
算出した寿命値である。同図から、熱間押出の前後での
断面積比すなわち圧延比が７未満になると寿命が低下す
ることがわかる。

なお、圧延比５の軸受においても最大空孔の真円換算直
径は２．８μｍであり、言うまでもなく、第８図中の全
ての軸受が請求項１および２の要件を満たしている。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の焼結性別の棒鋼中の最大空孔の真円
換算直径と原料銅粉中の酸素濃度との関係を示す図、第
２図は同実施例の銅粉より作製した棒鋼の熱処理仕様説
明図、第３図は同実施例のＬｌ（９９％残存寿命）と最
大空孔の真円換算直径との関係を示す図、第４図は実施
例２のＬｌ（９９％残存寿命）と最大炭化物の真円換算
直径との関係を示す図、第５図は実施例３の調香１５の
熱処理仕様説明図、第６図は同実施例のＬｌ（９９％残
存寿命）と硬さとの関係を示す図、第７図は実施例４に
おけるＬｌｏ（９０％残存寿命）と△ＨＲＣ（転動体の
硬さ一内外輪の硬さ）との関係を示す図、第８図は実施
例５におけるＬｚｏ（９０％残存寿命）と圧延比との関
係を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内輪・外輪を有する軌道輪と転動体とから成り、前
   記内輪、前記外輪及び前記転動体の少なくとも１つは焼
   結合金鋼により形成され、最大空孔の真円換算直径が３
   μｍ以下で、最大炭化物の真円換算直径が１２μｍ以下
   であり、且つ、硬さがＨＲＣ６４を超え６９未満である
   ことを特徴とする転がり軸受。 ２、前記転動体は、前記軌道輪より高い硬さを有する請
   求項１記載の転がり軸受。 ３、前記焼結合金鋼は、焼結体を圧縮比７以上で圧延し
   て形成される請求項１又は２記載の転がり軸受。