JPH084774A - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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JPH084774A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 主に自動車のトランスミッションに使用され
る浸炭窒化材軸受を対象にして、軸受の鋼材の合金成分
を低減しその冷間加工性を保持し、浸炭窒化処理時間を
短縮して製造コストを低減し、且つ特に異物混入油潤滑
条件下での転がり疲労寿命に優れた転がり軸受を提供す
ることを目的とする。 【構成】 軸受の少なくとも軌道輪を、０．４〜０．８
％Ｃ、０．４％〜０．９％Ｓｉ、０．７〜１．３％Ｍ
ｎ、≦０．５％Ｃｒから成る中炭素鋼により成形し、該
軌道輪に浸炭窒化焼入れと焼戻しによる表面硬化層を備
え、表面硬化層の残留オーステナイトが２０〜４０％で
あり、該軌道輪の芯部硬さをＨＲＣ５８以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車用トランスミッ
ション等の異物混入潤滑条件下で使用される転がり軸受
に関する。
【０００２】
【従来の技術】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、トランスミッションのギヤの摩耗粉が
潤滑油中に懸濁し、転がり軸受の軌道輪転走面と鋼球な
どの転動体表面との間に摩耗粉が噛み込んで圧痕を形成
し、圧痕ないしその周辺を起点として転走面の剥離を生
じて軸受の転がり疲労寿命を低下させるので、一般の清
浄油潤滑下で使用される軸受に比して、寿命が短い。
【０００３】清浄な潤滑条件下で使用される転がり軸受
については、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２鋼など）の
焼入れ焼戻し材よりも、低炭素構造鋼（ＳＣｒ４２０鋼
など）の浸炭処理材の方が一般に転がり寿命は優れてい
るが、この低炭素鋼の浸炭処理をもってしても異物混入
油潤滑条件下の寿命改善には不十分であり、この点を解
決すべく、既に、０．１５〜０．４％Ｃ含有の低炭素浸
炭鋼により形成して、軌道輪及び転動体に浸炭により表
面硬化層を一定厚み以上に確保しかつ、芯部硬さを高硬
度に調製した異物混入潤滑条件下で使用される転がり軸
受を提案した（特開昭６２−１３２０３１号公報）。
【０００４】また、従来技術として、上記軸受鋼の浸炭
窒化処理後高温焼戻しを行って耐摩耗性と耐熱性を改善
した転がり軸受（特公平３−５６３０５号公報）や、
０．４〜０．８％Ｃ含有の中炭素高クロム（モリブデ
ン）鋼を浸炭ないし浸炭窒化処理して異物混入潤滑油環
境下での使用に適した転がり軸受（特公平６−１１８９
９号公報）が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】近年の自動車用軸受に
は、特に、異物混入油潤滑条件下における寿命の一層の
向上とともに、低コスト化が要求され、これに対応し
て、製造コストの削減が必要であり、軌道輪の加工工程
で成形精度の高い冷間加工（冷間の旋削や転動溝成形を
含む冷間鍛造ないし冷間ローリング加工）による切削工
程の削減および熱処理工程の簡素化を前提とした軸受用
鋼材の開発が要求されている。
【０００６】異物混入潤滑条件下における寿命には、表
面硬化層の硬さとともに、硬化層中に残留オーステナイ
トが一定量が含まれることが有効であるが、この点か
ら、鋼の母材中の炭素含有量を高くするか、低中炭素鋼
として、表層に充分な浸炭層ないし浸炭窒化層を形成す
る必要がある。しかし、上記軸受鋼は１％Ｃ程度の高炭
素であるため冷間加工性が悪く、他方、低炭素鋼とする
と、加工性が良好であるが、表面硬化に必要な浸炭ない
し浸炭窒化の処理に長時間を要し、加工コスト高ないし
熱処理コスト高を招くことになる。さらに、従来の鋼材
中の合金成分は１％以上のＣｒを含有するので、素材の
低コスト化を図る上で合金成分配合の低減の余地が残さ
れていた。
【０００７】本発明は、上述の問題に鑑み、鋼材中の合
金成分の低減と冷間加工による製造コストの削減を図っ
た低コストで、且つ、特に異物混入油潤滑条件下におけ
る転がり疲労寿命に優れた転がり軸受を提供しようとす
るものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の転がり軸受は、
内輪及び外輪の軌道輪と該内輪及び外輪との間に介装さ
れる転動体とから成る転がり軸受において、少なくとも
上記軌道輪は、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％と、Ｓｉ
０．４〜０．９％と、Ｍｎ０．７〜１．３％と、Ｃｒ
０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含
有して成る鋼により成形され、該軌道輪に浸炭窒化焼入
れと焼戻しによる表面硬化層が形成され、該表面硬化層
の残留オーステナイト量が２０〜４０％で、且つ芯部硬
さがＨＲＣ５８以下であることを特徴とするものであ
る。
【０００９】本発明の軸受の軌道輪は、上記組成の鋼に
より冷間形成し、次いで、浸炭窒化処理により表面浸炭
窒化層を形成しながら、その最後に焼入れして表面浸炭
窒化層を、基地がマルテンサイト組織で且つ適度の残留
オーステナイトを含む表面硬化層とし、その後低温で焼
戻しをして、表面硬化層の残留オーステナイトを２０〜
４０％の範囲に調整する。軌道輪の芯部は、上記組成の
中炭素鋼の焼入れ焼戻し材と同じで、焼戻し後の芯部硬
さをＨＲＣ５８以下にする。また、転がり軸受は、軌道
輪と共に転動体も、上記組成の鋼で形成し、浸炭窒化焼
入れ後焼戻しをして、表面硬化層の残留オーステナイト
と芯部硬さを同様に調整したものが好ましい。
【００１０】
【作用】本発明は、まず、０．４〜０．８％Ｃの範囲の
中炭素鋼を冷間加工後に浸炭窒化処理するものである
が、０．４〜０．８％Ｃの範囲としたのは、０．８％Ｃ
を超えると、焼きならし材が硬くて、軌道輪成形時の冷
間加工性を阻害し、冷間鍛造等の場合には充分な加工量
と成形精度が得られないためである。特に、Ｃ含有量を
０．６％Ｃ以下とするのが、冷間加工性の点から好まし
い。他方、Ｃ含有量が０．４％Ｃ未満であると、所要の
表面硬さと残留オーステナイト量を確保するのに浸炭窒
化処理に長時間を必要とするからである。
【００１１】鋼中のＣｒは、製鋼原料及び製鋼法により
決まる程度の不純物として含まれるが、添加されるにし
ても０．５％Ｃｒ以下の含有量とする。本発明において
Ｃｒ含有量を低減するのは、従来の浸炭窒化用綱が１％
Ｃｒ以上を含有させて、表面の浸炭窒化層に多量のＣｒ
炭窒化物を微細に分散させて表面硬さと耐摩耗性、耐熱
性を確保していたのに対して、本発明は、Ｃｒ炭窒化物
の形成に消費されるＮ含有量を低減して、短時間の浸炭
窒化処理で表面硬化層の残留オーステナイトの形成に要
する浸炭窒化温度でのオーステナイト基地中の固溶Ｎ量
を高めるためであり、さらに、Ｃｒ添加量の低減による
コスト低減を図るためである。本発明が０．５％Ｃｒ以
下とするのは、０．５％Ｃｒを超えると、表層の浸炭窒
化層にＮが侵入濃化し難くなり、表面硬化層に所要の残
留オーステナイトを形成するのに長時間の浸炭窒化処理
を要し妥当でない。Ｃｒ含有量は、好ましくは０．３％
以下がよく、特に製鋼原料から混入するＣｒを考慮し
て、０．０２〜０．３％Ｃｒの程度の含有量とする。
【００１２】鋼中Ｍｎ含有量は、０．７〜１．３％Ｍｎ
の範囲とする。Ｍｎの添加により浸炭窒化層と芯部の焼
入れ硬化能を確保するためで、０．７％Ｍｎ未満では、
Ｃｒ含有量を低減したことによる焼入れ性を補償するた
めであり、１．３％Ｍｎ超過では、冷間加工性を阻害
し、Ｍｎがオーステナイトを安定化させて芯部の残留オ
ーステナイト量が増加するので、寸法安定性に悪影響を
及ぼす。
【００１３】鋼中Ｓｉ含有量を０．４〜０．９％Ｓｉの
範囲とするのは、Ｓｉが耐焼戻し軟化抵抗性を上げて耐
熱性を確保し、異物混入油潤滑条件下での転がり疲労寿
命を改善するからで、本発明は、Ｃｒ含有量の低減に伴
う軌道溝・転走面の耐熱性の不足をＳｉの増加が補って
余りある効果を示す。０．４％Ｓｉ未満では、寿命改善
効果がなく、０．９％Ｓｉ超過では、焼きならし材を硬
くして冷間加工性を阻害するからである。
【００１４】その他の不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｏの含有
量は極力低くするが、特に、酸化物系介在物を低減し
て、表面硬化層の介在物回りの応力集中に伴う寿命の影
響をなくするために、Ｏ含有量は、１５ｐｐｍ以下に低
減する必要がある。
【００１５】上記組成の鋼を軌道輪に成形して浸炭窒化
すると、表面にＣ及びＮの含有量の高い浸炭窒化層が形
成される。本発明の鋼材は、Ｃｒ含有量を低減したの
で、浸炭窒化過程で、Ｃと特にＮの表面への拡散濃縮は
速やかに進行し、浸炭窒化処理時間の短縮に有効であ
る。この濃化したＮは、焼入れ過程のＭｓ点を低下させ
て、オーステナイトを安定させるので、焼入れ後には浸
炭窒化層の焼入れ組織中に多量のオーステナイトが残留
する。これを２００℃以下の低温で焼戻して表面硬さＨ
ＲＣ６０以上の表面硬化層とし、最終的にその残留オー
ステナイトを２０〜４０％にする。
【００１６】表面硬化層の残留オーステナイトは、潤滑
油中の硬質の異物粉の転走面への噛み込みによって転走
面に圧痕が形成されても、表面硬化層中に分散するオー
ステナイト粒が圧痕周縁で容易に塑性変形して、表面硬
化層での応力集中を緩和し、亀裂伝播を遅延させ、転が
り寿命を改善する。残留オーステナイト量を２０〜４０
％に調整するのは、２０％未満では、転がり寿命の改善
に不十分であり、４０％を超えると、表面硬化層の硬さ
がＨＲＣ５８以下となり、耐摩耗性が低下して適当でな
いからである。
【００１７】他方、芯部の硬さはＨＲＣ５８以下に調整
するが、好ましくは、ＨＲＣ４８〜５８の範囲とする。
芯部の硬さは、異物混入油潤滑条件下における転動疲労
寿命に対して、ある程度高い方がよいが、表面硬化層の
硬さ（ＨＲＣ６０以上）よりは低くする（ＨＲＣ５８以
下）のが望ましい。表面硬化層に対して芯部硬さを低下
させると、熱処理により表面硬化層に残留圧縮応力が発
生し、これは、上記異物圧痕周縁に形成される残留応力
を相殺し、亀裂発生を抑制して、寿命延長に良好な影響
を及ぼす。
【００１８】芯部は、中炭素鋼の焼入れ焼戻し組織に相
当するから、残留オーステナイト量は、表面硬化層より
遙かに少なく、また、高炭素軸受鋼の焼入れ焼戻し材よ
りも少ないから、高炭素軸受鋼に比して、寸法安定性が
すぐれている。
【００１９】従来から高炭素Ｃｒ軸受鋼の浸炭窒化処理
材の寸法安定性を改善するのに、２００℃以上の高温焼
戻しをして、芯部残留オーステナイトを分解させ寸法安
定性を確保する方法があるが、この為には、高温焼戻し
による表面硬化層の軟化を防止するために高Ｃｒ含有量
とし、同時に、表面硬化層に高温焼戻しによる残留オー
ステナイトの分解を補償するために多量の残留オーステ
ナイトを生成させる必要があり、このため長時間の浸炭
窒化処理を行う必要があった。本発明は、中炭素鋼であ
るので、低温焼戻しでも芯部残留オーステナイトが少な
く、必要な寸法安定性を容易に確保でき、従って、高温
焼戻しを要しないから、浸炭窒化層を高濃度に浸炭窒化
する必要がなく、表面硬化層（浸炭処理後の浸炭窒化
層）に所要の残留オーステナイトを確保できるので、浸
炭窒化処理時間を短縮できるのである。
【００２０】他方、従来の低炭素Ｃｒ鋼は、芯部の残留
オーステナイトが少なく寸法安定性は良好であるが、表
面硬化層に所要の硬さと残留オーステナイトを形成する
のに長時間の浸炭窒化処理を必要とする。本発明は、中
炭素鋼としているので、浸炭窒化処理時間の短縮が可能
となるのである。
【００２１】さらに、本発明における浸炭窒化は、鋼材
を中炭素鋼として且つ鋼中Ｃｒを低減しないしは実質的
に含まないので、上述の如く浸炭窒化速度が大きく、上
記表面硬化層の残留オーステナイト量を確保するのに短
時間の処理でよく、従って、高炭素軸受鋼や低炭素Ｃｒ
鋼の浸炭窒化に比して、浸炭窒化処理の簡素化に有効で
ある。
【００２２】
【実施例】本発明の実施例及び比較例に使用した鋼種Ａ
〜Ｇの化学組成を表１に示したが、比較例の鋼種Ｆ、Ｇ
については、低Ｓｉとして、Ｓｉの影響を見ることと
し、比較例には、従来のＳＣｒ４２０鋼とＳＵＪ２鋼も
含めた。これらの鋼材によりＪＩＳ型番６２０６の玉軸
受用の内輪、外輪及び転動体の玉を冷間加工により形成
し、下記の熱処理を行って、玉軸受とした。
【００２３】浸炭窒化処理は、次の３条件で行った。 浸炭窒化Ｉ：８５０℃×１５０ｍｉｎの浸炭窒化後１０
０℃油中焼入れ。 浸炭窒化II：８８０℃×４０ｍｉｎの浸炭窒化後１００
℃油中焼入れ。 浸炭窒化IIは、処理時間短縮の可能性を調べるためのも
のである。上記浸炭窒化処理後いずれも、１８０℃２ｈ
の焼戻しを行った。また、従来のＳＣｒ４２０鋼につい
ては、低炭素であることを考慮して、浸炭窒化III とし
て、９５０℃×４５０ｍｉｎの浸炭窒化と８５０℃×３
０ｍｉｎの拡散加熱した後、１００℃油中焼入れを行
い、同様に１８０℃２ｈの焼戻しを行った。
【００２４】製作した比較例及び実施例の軸受につき、
下記の条件で、転がり寿命試験を行った。 異物混入油潤滑下での試験： ラジアル荷重Ｆｒ：６．
９ｋＮ、回転速度：２０００ｒｐｍで、潤滑は、油中に
異物として鋼微粉０．４ｇ／ｌを混合したＶＧ５６ター
ビン油の油浴潤滑であった。 清浄油潤滑下での試験： ラジアル荷重Ｆｒ：１２．２
５ｋＮ、回転速度：２０００ｒｐｍで、潤滑は、清浄な
ＶＧ５６タービン油の循環給油によった。
【００２５】従来例としては、ＳＵＪ２鋼の従来の焼入
れ焼戻し処理をした軸受についても同じ試験を行い、こ
の焼入れ焼戻しした軸受を基準として、上記実施例と比
較例の転がり疲労寿命を評価した。
【００２６】
【表１】
【００２７】試験条件及び結果を表１にまとめてある
が、まず、Ｃ含有量と浸炭窒化焼入れして焼戻し後の表
面硬さを見ると、表面硬さＨＲＣ６０以上を確保するた
めには、この熱処理条件下に示す如く短時間の浸炭窒化
処理では、この表に示すように、０．４％Ｃ以上のＣ含
有量が必要であり、他方、Ｃ含有量の増加は冷間加工性
を阻害するので、本実施例の如く、好ましいＣ含有量は
０．４〜０．６％Ｃの範囲である。
【００２８】Ｓｉ含有量と転がり疲労寿命の関係を表１
に見ると、実施例の鋼種Ａ〜Ｅと比較例Ｆ〜Ｇの寿命デ
ータから、Ｓｉ０．５〜０．８％を含有する軸受は、従
来例（ＳＵＪ２鋼の焼入れ焼戻し軸受）に比して、異物
混入油潤滑下での１０％寿命を２倍以上向上させること
が判る。Ｓｉ含有量の低い軸受では充分な寿命改善効果
は得られない（比較例Ｆ〜Ｇ）。また、Ｓｉ０．５〜
０．８％含有軸受は、清浄油潤滑下での１０％寿命も従
来例軸受より優れている。
【００２９】表２は、本発明の鋼種Ｃと従来のＳＵＪ２
鋼とにつき、熱処理条件である浸炭窒化Ｉと、浸炭窒化
処理時間を短縮した浸炭窒化IIとの１０％寿命比に及ぼ
す効果を調べた結果をまとめたものである。表中の窒化
深さは、５００℃×１ｈの焼戻し後の硬さ分布を測定し
て、表層部の表面からの高硬度域の深さを以て表してい
る。
【００３０】表２において、本発明の鋼種Ｃの浸炭窒化
材は、浸炭窒化処理時間を短縮した場合でも、窒化深さ
を減ずることなく確保でき、転がり疲労寿命も大差な
く、ＳＵＪ２鋼の焼入れ焼戻し材及び同じ浸炭窒化条件
でのＳＵＪ２鋼の浸炭窒化材に比して優れた長寿命を発
揮している。このように、本発明の転がり軸受は、８８
０℃×４０ｍｉｎの短時間の浸炭窒化処理（浸炭窒化I
I）で転がり疲労寿命の確保に十分に対処することがで
きることがわかる。
【００３１】
【表２】
【００３２】表３は、本発明の鋼種Ｃの浸炭窒化材と従
来のＳＵＪ２鋼の焼入れ焼戻し材との経時的寸法安定性
を調べたもので、１２０℃での長時間の寸法測定結果で
は、浸炭窒化材の寸法変化がＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材
の１／２以下となって寸法安定性が改善されている。寸
法変化は軸受使用中の残留オーステナイトの分解によっ
て生じるのであるが、表面硬化層はＮ富化によりオース
テナイトが安定化されて残留オーステナイト量が多い
が、容積の大部を占める芯部は中炭素鋼の焼入れ材組織
とほぼ同じであるから、ＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材より
残留オーステナイト量が少なく、結果として、寸法安定
性が改善される。
【００３３】
【表３】
【００３４】次に、本発明の鋼種Ｃの浸炭窒化材と従来
のＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材との耐食性を調べた結果を
調べたが、試験方法は、いずれも試料１８個について、
鋼材の表面を＃３２０エメリー紙で研磨したあと、研磨
面に防錆油を塗布し、次いで、防錆油を払き取って、そ
の表面に蒸留水を滴下した状態で表面錆の発生を観察し
た。
【００３５】錆発生率は、試験個数に対する錆発生個数
の割合で示すと、従来のＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材が６
７％であるのに対して、本発明の鋼種Ｃが９％であつ
て、本発明の浸炭窒化材が防錆の点でも優れていること
が判った。浸炭窒化材の防錆性の改善は、表層のＮの濃
化によるものである。
【００３６】
【発明の効果】本発明の転がり軸受は、０．４〜０．８
％Ｃの中炭素鋼として、Ｃｒ含有量を低減して浸炭窒化
の際の固溶Ｎ量を相対的に多くするので、短時間の浸炭
処理により所要の表面硬さと表面硬化層の残留オーステ
ナイト量を確保し、Ｓｉの添加により耐熱性を付与し、
清浄油潤滑下だけでなく、特に、異物混入油潤滑条件下
での転がり疲労寿命に優れている。
【００３７】また、冷間加工が容易で、合金元素添加に
要する素材費を相対的に低減でき、浸炭窒化処理時間を
短縮できるので、軸受製造コストの削減に効果的であ
る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内輪及び外輪の軌道輪と該内輪及び外輪
    との間に介装される転動体とから成る転がり軸受におい
    て、 少なくとも上記軌道輪が、重量％で、Ｃ０．４〜０．８
    ％と、Ｓｉ０．４〜０．９％と、Ｍｎ０．７〜１．３％
    と、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純
    物とを含有して成る鋼により成形され、該軌道輪に浸炭
    窒化焼入れと焼戻しによる表面硬化層を有し、該表面硬
    化層の残留オーステナイト量が２０〜４０％で、且つ芯
    部硬さがＨＲＣ５８以下であることを特徴とする転がり
    軸受。
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