JPH0849057A - 耐摩耗性に優れた転がり軸受 - Google Patents
耐摩耗性に優れた転がり軸受Info
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Abstract
耗特性を備え、且つ同時に生産性にも優れた転がり軸受
を提供する。 【構成】転がり軸受の軌道輪および転動体の少なくとも
一つを中低炭素低合金鋼にV;0.8 〜2.0 重量%を含有
させた鋼を素材として形成し、熱処理時に浸炭または浸
炭窒化処理を施して、表面の炭素濃度が0.8 〜1.5 重量
%で且つV/C濃度比が1 〜2.5 の関係を満すVC炭化
物を製品表面に析出させたものとした。
Description
設機械,鉄鋼機械及びその他産業機械に使用される転が
り軸受に係り、特に、軸受使用条件が厳しく(高温環境
とか、滑りを伴う転がり接触が起こる場合等)、耐摩耗
性が要求される用途に好適に使用できる耐摩耗性に優れ
た転がり軸受に関する。
断応力を受けるという厳しい使われ方をするため、その
せん断応力に耐えて転がり疲労寿命(以下、単に寿命と
いう)を確保する必要がある。そために、従来は、転が
り軸受の軌道輪(内外輪),転動体を構成する素材に高
炭素クロム軸受鋼(SUJ2)を用いて、これに焼入れ
・焼戻しを施し、ロックウエル硬さをHR C58〜64
とすることにより寿命の向上を図っていた。
上させる例もある。この例では、接触面圧に起因する内
部せん断応力分布に合わせて硬さカーブを設定する必要
から、焼入性の良好な低炭素肌焼鋼SCR420H,S
CM420H,SAE8620H,SAE4320H等
を用い、これに浸炭又は浸炭窒化処理,焼入,焼戻を施
すことにより、軸受部品の表面硬さがHR C58〜64
で、かつ心部硬さがH R C30〜48になるようにして
必要とされる寿命を確保していた。
の高負荷化,高速化が進んで、軸受の使用条件が過酷に
なる傾向が顕著になっており、それに伴い次ぎのような
問題が発生してきている。すなわち、高負荷化,高速化
により温度上昇が起こり、その影響で軸受部材の硬さが
低下して、転がり疲労特性,摩耗特性の劣化を招く。特
に、高速化によるすべりの増大、及び温度上昇に伴う潤
滑油の低粘度化による潤滑能力不足により、耐摩耗性が
著しく劣化し軸受寿命が短縮される。
65045号公報には、軸受鋼ベースに焼戻軟化抵抗性
を向上させる元素としてSi,Moを添加した材料を使
用して高温強度を上げることにより、高温下での軸受の
長寿命化を図ることが開示されている。また、特開昭6
4−83625号公報には、Si含有鋼に、焼入れ時の
雰囲気中にアンモニアガスを導入して素材表層に窒素を
侵入させるいわゆるマルストレッシング処理を施し、そ
の後400℃での高温焼戻を施して硬度HR C60以上
を維持するようにして高温下での長寿命を図ることが開
示されている。
していると耐摩耗性が向上することは既に知られてお
り、軸受材料の耐摩耗性を向上させるためにCr,M
o,V等の炭化物形成元素を多量に添加して、軸受表層
に寿命に悪影響を及ぼさない程度に炭化物を多量に析出
させることで耐摩耗性を向上させようとする考え方に基
づき、Cr,Mo,Vを多量に含んだ合金鋼に焼入・高
温焼戻を施して析出硬化させた高速度鋼M50などを耐
熱軸受用材として使用した例等もある。
開平4−165045号公報及び特開昭64−8362
5号公報に開示された従来技術は、いずれも軸受の高温
強度は向上し、それにより転がり疲労特性は向上する
が、耐摩耗性の点ではそれ程大きな向上は認められない
という問題点がある。
として使用する従来技術は、C濃度が高く素材の段階で
Cr,Mo,Vの巨大炭化物が存在するため前処理の加
工性が悪く、また巨大炭化物の存在で炭化物の回りにお
いて応力集中が起こり、その部分を起点としてフレーキ
ングを生じ、かえって寿命が低下するという問題点があ
る。この問題を解決するためには、高温での容体化処理
(約1100℃)を行い、巨大な炭化物をマトリックス
に溶け込ませた後に、炭化物を微細化する特別の熱処理
を必要とする。そのため、特別の熱処理設備が必要であ
ると共に、熱処理生産性が低下するという問題点を有す
る。
してなされたものであり、高温環境等の厳しい使用条件
下でも耐摩耗特性を向上させ、且つ同時に生産性にも優
れた転がり軸受を提供することを目的としている。
発明の転がり軸受は、軌道輪および転動体からなる転が
り軸受において、当該軌道輪および転動体の少なくとも
一つが、C;0.1 〜 0.7重量%、Cr;0.5 〜3.0 重量
%、Mn;0.3 〜1.2 重量%、Si;0.3 〜1.5 重量
%、Mo;3 重量%以下の中低炭素低合金鋼にV;0.8
〜2.0 重量%を含有させた鋼を素材とし、その素材を用
いて形成した製品の熱処理時に浸炭または浸炭窒化処理
を施し、製品表面の炭素濃度が0.8 〜1.5 重量%で且つ
表面のV/C濃度比が1 〜2.5 の関係を満すことによ
り、製品表面にVC炭化物を析出せしめていることを特
徴とするものである。
構成部品である外輪,内輪,転動体における外表面から
転動体の直径の2%迄の深さの範囲、すなわち最大せん
断応力の発生する位置の範囲をいうものとする。
び炭化物量に着目し、それらと寿命及び耐摩耗性との関
係について研究を行った結果、Vの炭化物が最も著しく
耐摩耗性を向上させること、特にVC型炭化物が顕著な
効果をもたらすこと、V/C濃度比≧1の場合にVC型
炭化物が数多く形成されることを見出した。
3 )が形成されていれば、その他の炭化物形成元素であ
るCr,Moの含有量にかかわらず耐摩耗性が良好であ
ることを見出して本発明をなすに至ったものである。以
下に、本発明の転がり軸受に用いられる含有元素の作用
及びその臨界的意義について説明する。 C;0.1 〜 0.7重量% これは熱処理前の素材自体のC量であり、本発明は鋼素
材として中低炭素鋼を用いることを意味する。C量0.7
重量%以上である高炭素鋼を用いると、素材の段階で既
に炭化物が析出しており、熱処理以前の製品形成のため
の塑性加工,旋削加工等における加工性が低くなる。ま
た素材のC濃度が高いと、焼入・焼戻を施した後に心部
まで残留オーステナイトがかなりの量存在するから、寸
法安定性が悪くなる。従って本発明では、C量が0.1 〜
0.7重量%の中低炭素鋼を素材として用いることで前加
工性を良好にし、その後の熱処理に浸炭または浸炭窒化
を用いることで製品表面を所定のC濃度(0.8 〜1.5 重
量%)に調整するものとした。熱処理法としては、焼戻
軟化抵抗性に効果のあるNを添加する浸炭窒化法が特に
望ましい。 製品表面のC濃度;0.8 〜1.5 重量% Cは炭化物を形成し、基地をマルテンサイト化すること
により焼入・焼戻後の硬さを向上させるために必要な元
素である。
したのは、製品に必要な転がり疲れ強さを得るため及び
所要の炭化物を形成させるためである。一方、製品表面
の炭素含有量の上限を1.5 重量%としたのは、C濃度が
浸炭窒化時にオーステナイト相と未溶解炭化物の混合組
織として、結晶粒界に網目状の粗大炭化物が析出するの
を防止するためである。一方、上限を1.5 重量%とした
のは、1.5 重量%を越えるとセメンタイト系炭化物(F
e3 C系)が粗大化して、それらが起点となって製品軸
受の転がり疲労特性及び割れ強度を劣化させるからであ
る。
て、以下に示す組成の合金元素を含有する低合金鋼を用
いている。 Cr;0.5 〜3.0 重量% Mo;3.0 重量%以下 Si;0.3 〜1.5 重量% Mn;0.3 〜1.2 重量% 低合金鋼を用いた理由は、前加工性あるいは熱処理生産
性などが良好なためである。 Cr;0.5 〜3.0 重量% Crは焼入性を向上させる元素で、軸受材料としては不
可欠な元素である。その他に、多量に添加することによ
り浸炭又は浸炭窒化により生成する炭化物を硬くて粒成
長の遅いM7 C3 型に変えて炭化物の粗大化を防止し、
転がり疲労特性を向上するのに役立つ。
は、焼入性向上の効果を出すのに必要な最低量のためで
ある。一方、上限を3.0 重量%としたのは、CrはVと
同じく炭化物形成元素で耐摩耗性に効果を示すが、Cr
の炭化物は粗大化し易く、粗大化した場合に転がり疲労
においてフレーキングの起点となる可能性があるためで
ある。また、Cr含有量が3.0 重量%を越えると、表面
に酸化被膜を形成して通常の浸炭処理では材料表面への
Cの侵入が阻害されるからである。 Mo;3.0 重量%以下 MoもCr,Vと同様に炭化物形成元素である。しかし
ながら、多量に添加すると前加工性を低下させ、また通
常の熱処理では炭化物を微細化しにくい。したがって上
限を3.0 重量%とした。
示す元素であり、含有していることが望ましい。 Mn;0.3 〜1.2 重量% 焼入性を向上させる元素であり、軸受材料としては不可
欠な材料である。焼入性向上効果を出すのに0.3 重量%
以上必要である。しかしながら、その含有量が多いと非
金属介在物が多く生じ易いため、その上限値を1.2 重量
%とした。 Si;0.3 〜1.5 重量% Siは焼戻軟化抵抗性向上に顕著な効果を示す元素であ
る。その効果を出すのに0.3 重量%以上必要である。し
かしながら、Siは浸炭阻害性を有する元素であること
から、上限値を1.2 重量%とした。
量のVを添加する。 V;0.8 〜 2.0重量% Vは焼戻し軟化抵抗を増大し、非常に微細で高硬度なV
C炭化物を生成して耐摩耗性及び寿命特性の向上に有効
な元素である。V含有量の下限を0.8 重量%としたの
は、それ以下では添加効果が少ないためである。すなわ
ち、VC型炭化物を析出し易くするには、V濃度がC濃
度を上回る(V/C≧1)ことが必要であり、したがっ
て下限値を0.8 重量%とした。
0 重量%を越えると加工性低下するため及び高価でコス
ト的にも不利になるためである。
本発明の転がり軸受1の一実施例の正面図で、外輪2,
内輪3,転動体4,保持器5を備えている。この転がり
軸受1に用いた素材の合金組成を、実施例,比較例及び
従来例と共に表1に示す。
合金鋼である。比較例No.3はVの含有量が本発明の
上限を越えている。比較例No.4はCrの含有量が本
発明の上限を越えている。比較例No.5はMoの含有
量が本発明の上限を越えている。比較例No.6はSi
の含有量が本発明の上限を越えている。比較例No.7
はCの含有量が本発明の上限を越えている。
り、Cの含有量が本発明の上限を越えている。従来例N
o.9は通常の肌焼鋼SCR420であり、V,Moを
含有していない。従来例No.10は、焼戻軟化抵抗性
を向上させた浸炭鋼であり、Vの含有量が本発明の下限
に達しない。従来例No.11は、高合金鋼M50であ
り、Cr,Moの含有量が本発明の上限を越えている。
て、前加工性,浸炭特性の調査を行い、その後各供試材
を用いて転がり軸受及び試験片を製作し、所定の熱処理
を施して疲労寿命試験と摩耗試験とを行った。 〔A〕加工性:転がり軸受1の構成部品の前加工性を調
査する目的で、各供試材の焼入前の状態での切削試験を
行った。
速度100 m/min、切り込み2.0mmとして供試材の
乾式切削を行い、バイトの逃げ面の摩耗率を測定する方
法で行った。切削試験の結果を図2に示す。なお、被削
性改善のために行う焼鈍は、各供試材ごとに最適温度条
件を選定し焼鈍後の硬さがその材料で最低になるように
して行った。図3はその焼鈍工程を示したもので、焼鈍
温度700〜850℃及び650〜700℃は、いずれ
も供試材毎に選定される温度の範囲を表したものであ
る。
える。 V,Cr,Moを含む高炭素鋼(C≧0.7 重量%、試
料No.7及び11)は切削性を著しく低下させる。 中炭素鋼領域においても、V,Cr,Moが本発明
の成分範囲を越えているもの(試料No.7,8,9)
に関しては、通常の軸受材である高炭素高クロム鋼(S
UJ2)よりも切削性は不良である。 〔B〕浸炭特性:狙い表面の炭素量1.0 〜1.2 重量%
(カーボンポテンシャルCp値=1.1 %)の条件で浸炭
を行い、表面からのC濃度勾配を測定した。その結果を
図4に示す。
量%を越えるもの(試料No.4)や、Siが1.5 重量
%を越えるもの(試料No.6)は、浸炭性を著しく阻
害することが明らかである。 〔C〕熱処理と、疲労寿命試験及び摩耗試験:表1から
選定した材料組成を有する試験片A〜Hについて条件を
変えた熱処理を施し、その表面のC量,硬さ,V/C比
等を測定した。その結果を表2に示す。
C値が本発明の下限に達していない。従来例(M50)
は、反対にV/C値が本発明の上限を越えている。な
お、図5〜図8に熱処理工程を示した。疲労寿命試験及
び摩耗試験の方法と条件とを、以下に示す。なお、双方
とも苛酷な使用条件を考慮に入れて、試験温度は130
℃という高温で行った。 〔C−1〕疲労寿命試験 試験機;深溝玉軸受(6206タイプ)寿命試験機 潤滑条件;特に、潤滑条件が厳しい場合を想定して、潤
滑油中に異物(鉄粉、硬さHv500〜600、大きさ
74〜147μm)を混入して行った。
ける高温硬さによって整理し、寿命データはL10寿命に
よって表した。
高温硬さが高くなるに従って良好になっていることがわ
かる。したがって、高温硬さを上昇させるような焼戻軟
化抵抗性を良好にする元素であるCr,Mo,V,Si
の量を増やすことにより寿命特性は向上するといえる。 〔C−2〕摩耗試験 試験機;二円筒式摩耗試験機(図10参照)。上下に対
向させた一対の円筒10にそれぞれ供試片Sを装着し
て、上から圧力Pを負荷し潤滑油11を吹付けながら互
いに接触状態で逆方向に低速回転させて、両供試片Sの
摩耗率(mg/m)の平均値を求めた。
ける高温硬さによって整理し、摩耗データは比摩耗量に
よって表した。
温硬さが高いと耐摩耗性が優れている傾向が認められた
が、その他に、V/C濃度比≧1の場合に良好な耐摩耗
性を示した。なお、本発明は転がり軸受を構成する内
輪,外輪,転動体のうちのいずれかに適用することもで
きるし、全部に適用することもできる。
り軸受によれば、軌道輪および転動体の少なくとも一つ
を中低炭素低合金鋼にV;0.8 〜2.0 重量%を含有させ
た鋼を素材として形成し、熱処理時に浸炭または浸炭窒
化処理を施して表面の炭素濃度が0.8 〜1.5 重量%で且
つV/C濃度比が1 〜2.5 の関係を満すVC炭化物が製
品表面に析出しているものとした。そのため、非常に微
細で高硬度なVC型炭化物で製品表面が被覆されて、厳
しい使用条件下での軸受の耐摩耗性を著しく向上させる
ことができると同時に、熱処理前の加工性が良好で生産
性にも優れた転がり軸受を提供できるという効果が得ら
れる。
る。
ある。
合)の図である。
の図である。
合)の図である。
合)の図である。
側面図、(b)は正面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 軌道輪および転動体からなる転がり軸受
において、当該軌道輪および転動体の少なくとも一つ
が、C;0.1 〜 0.7重量%、Cr;0.5 〜3.0重量%、
Mn;0.3 〜1.2 重量%、Si;0.3 〜1.5 重量%、M
o;3 重量%以下の中低炭素低合金鋼にV;0.8 〜2.0
重量%を含有させた鋼を素材とし、その素材を用いて形
成した製品の熱処理時に浸炭または浸炭窒化処理を施
し、製品表面の炭素濃度が0.8 〜1.5 重量%で且つ表面
のV/C濃度比が1 〜2.5 の関係を満すことにより、製
品表面にVC炭化物を析出せしめてなる耐摩耗性に優れ
た転がり軸受。
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