JPH07190072A - 転がり軸受の熱処理方法 - Google Patents
転がり軸受の熱処理方法Info
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Abstract
がり軸受等、異物が混入した潤滑条件下で使用される様
な転がり軸受には、高炭素軸受鋼の軸受転走面に存在す
る残留オーステナイトが、転がり疲労寿命に有効であ
る。本発明は、表層部の残留オーステナイトを高く且つ
安定化させて、異物混入潤滑に対する疲労寿命を長期化
させる為の熱処理方法を提供することを目的とする。 【構成】 転がり軸受の少なくとも軌道輪を、高Si・
高Mnの高炭素低合金鋼で形成し、830〜870℃の
浸炭窒化し且つ100℃程度に焼入れした後、160〜
190℃に焼戻して、表層部の残留オーステナイトを2
5〜50%に調節する。
Description
に、潤滑油中異物混入下で使用される自動車などのトラ
ンスミッション用の転がり軸受の熱処理方法に関する。
高炭素軸受鋼の焼入れ焼戻し材が、特に、清浄な潤滑条
件下では、良好な寿命が得られるので広く使用されてい
る。しかしながら、自動車のトランスミッションに使用
される転がり軸受は、減速用歯車と同じ容器内で使用さ
れるので、歯車の表面摩耗粉が、潤滑油中に懸濁して転
がり軸受の軌道輪と転動体との転走面に噛み込み、転走
面の剥離・摩耗を促進して、焼入れ焼戻し材では、一般
に転がり疲労寿命が不十分であった。
には、SUJ3鋼相当の高Si且つ高Mnの軸受鋼を高
温より焼入れして残留オーステナイトを増加させ、同時
に亀裂敏感生を抑制するため、焼入れ過程の冷却速度を
遅く制御する技術が知られている(特公昭62−294
87号公報)。また、表層部の窒化層を利用するもの
に、米国特許3216869号に開示されたように、高
炭素クロム軸受鋼を窒化又は浸炭窒化処理をして、表層
部に窒素の付加に伴う残留オーステナイトを安定化させ
て残留圧縮応力を形成し、同時に炭窒化物を析出せしめ
て高硬度として、耐熱性と転がり寿命を改善するものが
ある。さらに、特開昭60−92463号公報に開示さ
れたように、浸炭窒化後に200℃以上の高温焼戻しを
して、芯部のオーステナイトを完全に分解し、寸法安定
性を改善した技術もある。
た軸受鋼は、表層部に窒素富化に伴いオーステナイトが
残り、この残留オーステナイトが疲労寿命を改善する効
果を認められるが、上記のような、異物混入下の潤滑環
境で使用される転がり軸受の寿命改善に対しては、表層
部の残留オーステナイトが不安定であって使用中に分解
し易いため、不十分であった。
高くして、異物混入下の潤滑環境で使用される転がり軸
受の寿命を改善するための熱処理方法を提供しようとす
るものである。
処理方法は、軌道輪及び転動体から成る転がり軸受の少
なくとも軌道輪を、重量比にして、C0.8〜1.2
%、Si0.4〜1.0%、Cr0.2〜1.2%及び
Mn0.8〜1.5%を含有する合金鋼により形成し、
浸炭窒化処理した後、830〜870℃の温度範囲から
焼入れすると共に、160〜190℃の温度範囲に焼戻
しして、表層部の残留オーステナイトを25〜50%と
したことを特徴とするものである。
炭窒化し、高温から焼入れして後、比較的低温で焼き戻
すことにより、表層部の残留オーステナイトを25〜5
0%の範囲に高く保持して、潤滑中の異物に対して転が
り疲労寿命を向上させるものである。
%と高炭素にするのは、基本的に焼入れ焼戻しにより表
層部を硬化するためである。Cr0.2〜1.2%とす
るのは、Cr0.2%未満では、炭化物を形成せず、表
層の硬度が不足し、1.2%を越えると、炭化物が粗大
化して剥離起点となり、短寿命となり易いからである。
トを25%以上に高め、焼戻し軟化抵抗性を付与して、
耐熱性を確保するために0.4%以上必要であるが、S
i1%を越えると、浸炭窒化処理の過程で、表皮から表
層部への窒素・炭素の富化を阻害するからである。
入れするためであるが、本発明においては、焼入れ過程
及び焼戻し過程の残留オーステナイトを安定化させる元
素で表層部の残留オーステナイトを高める。多量のMn
の添加は、冷間加工性の低下や焼き割れ・脆化の原因と
なるので、Mn1.5%を越えない範囲に増加する。
3鋼が使用できる。また、Moは、焼入れ性改善のため
0.3%まで適宜添加される。Moを添加した材料とし
てSUJ5鋼が利用される。
し、浸炭窒化すると表層部は窒素含有量が高くなり、表
層部のMs点が芯部に比較すると低下するので、これを
焼入れすると、未変態のオーステナイトが芯部よりも表
層部に多くなる。表層部に窒素が高く、焼入れ開始温度
(オーステナイト化温度)を830〜870℃と高くす
るので、表層部の残留オーステナイトを25%以上にた
やすく高めることができる。この残留オーステナイトを
安定に高くするには、焼入れ終端温度を100℃程度
に、好ましくは、90〜120℃に高くする。この焼入
れ過程では、窒素富化された表層部のマルテンサイト変
態が内部より遅れて始まり、かつその変態量が内部より
少ないので、表層部には、残留圧縮応力が形成される。
が830〜870℃と通常の焼入れ焼戻し鋼に比して高
いので、本発明に使用する鋼は、焼入れに伴う亀裂敏感
値が大きくなる。このため、焼入れ過程の300〜15
0℃の範囲の冷却能Hを0.2cm-1以下とし、マルテ
ンサイト変態過程の冷却速度を制御することが好まし
い。
性ガス中にアンモニアを添加した高温ガス中で浸炭窒化
するが、この場合には、830〜870℃の温度範囲で
浸炭窒化をした後直ちに上記条件で油中焼入れする。
温度を、160〜190℃の比較的低温とし、焼戻し過
程での残留オーステナイトの分解を抑えて、表層部の残
留オーステナイトを25〜50%の範囲とする。この範
囲で残留オーステナイトが高くなる程、異物混入下での
潤滑条件で転がり疲労寿命を改善するが、他方、表面硬
さが低下して、耐摩耗性を低下させるので、表層部の残
留オーステナイトは25〜30%の範囲が良い。これに
対して、芯部は、190℃以下の低温焼戻しであるか
ら、通常は、残留オーステナイトが15〜20%程度残
留している。
オーステナイト量の関係を調べた。表1と表2に示す組
成の鋼で、円錐ころ軸受(JIS型番30206)を作
製し、本発明の熱処理法として、浸炭窒化法は、NXガ
スに容積比で10%のアンモニアガスを添加した連続炉
で、850℃に150min加熱保持して浸炭窒化した
後直ちに、油温100℃の油中に急冷した。ついで、1
80℃×2hの焼戻しを行った。
通りであった。 荷重Fr;17.64kN、 接触面圧Pmax ;2.
6GPa、回転速度;2000rpm 、 潤滑;ター
ビン56油浴給油、計算寿命;169h(異物混入無し
のとき) 混入異物;ガスアトマイズ粉(KHA30 粒径104
〜177μm) 異物混入量;1g/1000cc油
用した鋼の軸受は、異物混入潤滑下において長寿命を示
している。熱処理条件が同じでも、比較材に比べて、本
発明の鋼の表層部は、残留オーステナイトが多くなり、
500℃×1hの保持後の表面硬度がHv600以上あ
り、硬化層深さも深くなっている。
ト量と転がり疲労寿命(10%寿命時間)との関係を、
図1に示してあるが、この図から、表層部の残留オース
テナイト量が25%以上とすることにより、転がり疲労
寿命が改善できることが判る。
306とし、材料として、SUJ2鋼とSUJ3鋼を選
び、熱処理法として上記の浸炭窒化法と、比較例として
従来の標準処理である焼入れ焼戻し法とを比較した。比
較例の熱処理は、830℃× minのオーステナイ
ト化後油中焼入れし180℃× minの焼戻しを行
う方法であった。
12.25kN)と異物混入油潤滑(荷重6.9kN)
での2水準に分けて行った。異物混入油潤滑の試験条件
は次の通り。 荷重Fr; 6.9kN、接触面圧Pmax ;3.2GP
a、回転速度;2000rpm 、潤滑;タービン56油浴
給油、計算寿命;191h(異物混入無しのとき) 混入異物;ガスアトマイズ粉(KHA30,粒径104
〜177μm) 異物混入量;0.4g/1000cc油 その結果を表3に纏めた。
た軸受が、特に、異物混入下での潤滑条件で優れた寿命
の改善効果を発揮する。そして、同じ程度の荷重なら
ば、従来の焼入れ焼戻し材のSUJ2の軸受に対して、
SUJ3に浸炭窒化処理を施すことにより、1ランク小
さい軸受を利用することが可能になり、軸受の小型軽量
化に有用となる。
層部の浸炭窒化深さと10%寿命との関係を示したもの
であるが、850℃での浸炭窒化時間が同じ条件では、
SUJ2よりも本発明の実施例のSUJ3の方が浸炭窒
化深さが大きく、浸炭窒化時間を150minから60
minに短縮しても、寿命の低下は小さいことがわか
る。
nを高くして、浸炭窒化処理をして180℃の低温で焼
戻した鋼は、表層部の残留オーステナイトが高くなるか
ら、自動車のトランスミッション等の異物混入下の潤滑
環境では特に優れた長寿命を発揮する。これは、転走面
に噛み込んだ高硬度の異物は圧痕周辺での応力集中源と
なるが、表層部の残留オーステナイトがこの応力集中を
塑性変形により緩和して、亀裂の発生を遅らせるからで
ある。此の点から表層部の残留オーステナイトは25〜
50%の範囲では多いほど寿命の延長に有効である。
ステナイトを残留させた鋼であっても、SUJ3鋼とS
UJ2鋼とでは上述の如く、転がり疲労寿命に有意差が
生じている。この点について、本発明の実施例として上
記の条件で浸炭窒化して焼入れ後に低温焼戻しをしたS
UJ3鋼について、表層部の耐熱性を調べた。この試験
では、同じ熱処理条件で浸炭窒化処理をしたSUJ2鋼
の比較材と対比し、軸受運転中の表層部の昇温を考慮し
て、試験焼戻しを行った。
しをしたSUJ3鋼(図中a曲線)とSUJ2鋼(図中
b曲線)とを試験焼戻し温度200〜300℃に加熱
(加熱時間2h)したときの表層部の残留オーステナイ
トの変化を示すが、SUJ3鋼の方が220〜300℃
での残留オーステナイトの分解が明らかに少ない。
硬度と試験焼戻し温度200〜300℃との関係を示す
が、250℃までは両者に差異はなく、いずれもHRC6
0以上の高硬度となっている。試験焼戻し温度300℃
ではSUJ2鋼の表層部がより軟化する。
度での表層部の高温硬度の変化を示す。高温になる程表
面硬度は低下するが、常温から300℃までの温度範囲
ではSUJ3鋼とSUJ2鋼との間に殆ど硬度差がな
い。
ステナイトと焼戻しマルテンサイトとが混合した組織の
硬度であり、表面の残留オーステナイトが多い場合は、
測定硬度は低くなる。本実施例のSUJ3鋼は、残留オ
ーステナイトが高温まで存在するため混合組織としての
硬度は、SUJ2鋼と同じ程度になったのである。
を推定するために、試片を各温度に加熱保持し、試片温
度とマルテンサイト(211)面のX線半価幅との相関
関係を示したもので、X線半価幅は200℃以上でSU
J3鋼がSUJ2鋼より高くなっている。即ち、本発明
の熱処理方法を実施したSUJ3鋼の焼戻しマルテンサ
イトは、同じく浸炭窒化したSUJ2鋼よりも200℃
以上の高温で硬く、これが、本発明の熱処理方法が従来
のSUJ2鋼よりも長寿命となる理由の一つである。
下では、転走面は発熱と塑性変形により疲労する。本発
明の熱処理方法によれば、軸受の表層部は、高温でも残
留オーステナイトが安定でマルテンサイトの硬度も高い
ので、軸受は、これらの原因による疲労は起こり難く長
寿命になるのである。
示した熱処理後の試験軸受について、120℃及び15
0℃に2500h保持したときの寸法変化率の測定結果
を示した。本発明の浸炭窒化した試験軸受の寸法安定性
は、120℃保持までは従来のSUJ2鋼の焼入れ焼戻
し材と大差ないが、150℃の高温保持条件では、従来
のSUJ2鋼の焼入れ焼戻し材よりも低下する。これ
は、芯部の残留オーステナイトの分解によるものであ
る。
iとMnとを相対的に高くした高炭素鋼を浸炭窒化し、
焼入れ開始温度と焼入れ終端温度とを高くした焼入れを
行うことにより、表層部でのオーステナイトを多く残留
させて、低温焼戻しにより、表面部の残留オーステナイ
トを25〜50%としたから、転がり寿命、特に、異物
混入下での潤滑油環境で転がり疲労寿命を著しく改善す
ることができ、本方法による転がり軸受は、自動車用ト
ランスミッションの軸受として好適に使用でき、このよ
うな用途への軸受の信頼性を高めることができる。
表層部残留オーステナイトと転がり疲労寿命との関係を
示す図。
J3鋼(図中a曲線)とSUJ2鋼(図中b曲線)とを
試験焼戻し温度200〜300℃に加熱したときの表層
部の残留オーステナイトの変化を示す。
J3鋼(図中a曲線)とSUJ2鋼(図中b曲線)の試
験焼戻し後の表面硬度と試験焼戻し温度(200〜30
0℃)との関係を示す。
J3鋼(図中a曲線)とSUJ2鋼(図中b曲線)の試
験温度に加熱したときの表層部の高温硬度の変化を示
す。
J3鋼(図中a曲線)とSUJ2鋼(図中b曲線)の試
片温度とマルテンサイト(211)面のX線半価幅との
相関関係を示した
Claims (3)
- 【請求項1】 軌道輪及び転動体から成る転がり軸受の
熱処理方法において、 少なくとも軌道輪を、重量比にして、C0.8〜1.2
%、Si0.4〜1.0%、Cr0.2〜1.2%及び
Mn0.8〜1.5%を含有する合金鋼により形成し、
浸炭窒化処理した後830〜870℃から焼入れし、1
60〜190℃の温度範囲に焼戻しして、表層部の残留
オーステナイトを25〜50%としたことを特徴とする
転がり軸受の熱処理方法。 - 【請求項2】 上記合金鋼がMo0.3%以下を含有す
る請求項1記載の転がり軸受の熱処理方法。 - 【請求項3】 焼入れ中の300℃から150℃までの
温度範囲の冷却能Hを0.2cm-1以下とした請求項1
記載の転がり軸受の熱処理方法。
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Applications Claiming Priority (1)
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JP35323693A JP3787663B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 転がり軸受の熱処理方法 |
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JPH07190072A true JPH07190072A (ja) | 1995-07-28 |
JP3787663B2 JP3787663B2 (ja) | 2006-06-21 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP35323693A Expired - Lifetime JP3787663B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 転がり軸受の熱処理方法 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3787663B2 (ja) |
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