JPH09257041A - 表面起点型損傷に強い転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 浸炭窒化処理を施した鋼製の転がり軸受につ
いて、軸受内への異物の混入や転走面での潤滑油切れに
よる表面起点型の損傷に対して転がり寿命を強化する。 【解決手段】 異物混入油潤滑条件のもとで使用される
鋼製の軸受において、混入する異物の直径の０．５〜
１．５倍の深さの浸炭窒化層を転走面に形成して転がり
軸受とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸受使用中に異物
の混入噛み込みや潤滑油膜切れにより生じやすい表面起
点型損傷に対して寿命強化した転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決課題】従来、転がり軸受は、清浄な
潤滑油条件で使用されてこそ本来の長寿命の軸受機能を
発揮するものである。近年の軸受用鋼材の高清浄度化に
より通常の使用条件下では典型的な転がり疲れ損傷であ
る剥離は殆ど生じなくなっているが、反面、使用条件の
過酷化・特殊化により、硬い異物を軸受転走面が噛み込
んで、転走面上の異物圧痕周辺に表面亀裂が生じたり、
或いは、潤滑油膜が不十分になったときにはピーリング
と呼ばれる表面起点型の微小な浅い剥離が生じたりし
て、いずれも軸受寿命を著しく低下させていた（N.Tush
ima,H.Nakashima,H.kashimura;SAE Technical Paper Se
ries 870797,SAE(USA)）。

【０００３】軸受に混入する異物としては、例えば、自
動車等の変速機のように歯車と同じ潤滑油に浸漬されて
使用される軸受においては、歯車の歯面から剥離した微
細な摩耗粉などがある。このような硬質で微細な異物に
伴う軸受の上記損傷に対しては、浸炭窒化処理が有効で
あることが知られている（前田；「機械設計」Vol39,No
13 (1995) p48〜 、日刊工業新聞社 )。

【０００４】しかし、従来の浸炭窒化処理は、表層部深
くまで浸炭窒化層を形成していたため、熱処理時の加熱
保持時間が長く（通常、数時間から十数時間）熱的に不
経済であり、ミクロ組織の粗大化による割れ強度の低下
や、熱処理時の変形量の増大等の品質上の問題があり、
この問題は、特に中型ないし大型の軸受には重要であっ
た。

【０００５】本発明は、浸炭窒化処理を施した転がり軸
受を上記表面起点型損傷に対して更に強化しようとする
ものであり、併せて、浸炭窒化処理時間の短縮を図り、
加熱に伴う歪み変形の発生や割れ強度の低下を防止しよ
うとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、異物混入油潤
滑条件下で使用される転がり軸受について、転走面下の
表層を混入異物の大きさに対応した薄い浸炭窒化層とす
ることにより、表面起点型の損傷の発生を遅延させて、
その寿命低下を改善するものである。即ち、本発明の転
がり軸受は、軸受中に混入する異物の直径の０．５〜
１．５倍の深さの浸炭窒化層を転走面の表層部に形成す
るものである。

【０００７】潤滑油膜切れに伴うピーリング損傷に対し
ては、ピーリング損傷の深さが数十μｍ程度であること
からして、本発明の軸受は、軸受の転走面からの浸炭窒
化層深さを最大０．２ｍｍとし、表面起点型損傷に対し
て強化した軸受とするのである。

【０００８】転がり軸受を形成する鋼は、浸炭窒化処理
により表層部に窒素Ｎが富化して高硬度の浸炭窒化層を
形成できるような鋼のなかで、特に、高炭素クロム軸受
鋼（ＪＩＳに規定のＳＵＪ２鋼、ＳＵＪ３鋼など、以下
単に、軸受鋼と言う）が利用される。浸炭窒化処理すべ
き転走面には、転動体と接触する内輪の外周面及び外輪
の内周面と転動体自体の外周面とが含まれる。

【０００９】また、浸炭窒化層深さとは、浸炭窒化処理
後に約５００℃前後の高温で焼戻しした後の表層部の硬
度分布から、芯部より高硬度を示す表面からの領域（Ｎ
の侵入によって焼戻し抵抗性のある領域）の厚みで表わ
される。これは、Ｎの富化深さに対応している。

【００１０】表層部の浸炭窒化層は、浸炭窒化処理によ
り、Ｃと特にＮの含有量が内部より高くなり、焼入れ焼
戻し後には芯部よりも残留オーステナイト量が高く、同
時に表層部には残留圧縮応力が形成されるので、表層部
に高い硬度とともに靱性が向上し、異物の転走面への圧
入に対して残留オーステナイト粒子の塑性変形により割
れ発生が起こり難くなり、また、使用中の転走面の温度
上昇に対しても炭窒化物による焼戻し軟化抵抗を示し、
さらに長時間の繰り返し負荷に対する耐摩耗性を示す。

【００１１】混入する異物には粒径分布を有するのが通
常であるが、本発明にあって、異物の直径とは、混入異
物の粒径分布のなかの最大直径を指すものとする。混入
異物の粒径粒の直径が大きいほど軸受の剥離疲労寿命が
短くなるからである。そして、本発明が浸炭窒化層を混
入異物の最大直径の０．５〜１．５倍と浅くするのは、
浸炭窒化層の表面から発生するような表面起点型損傷が
一層生じにくくなり、軸受寿命を著しく向上させるから
である。浸炭窒化層の深さが異物直径の０．５倍未満の
場合は、異物との接触による局部的な剪断応力の作用す
る領域及び塑性変形する領域の方が、浸炭窒化層よりも
深くなるため、表面起点型損傷が発生しやすくなり、他
方、１．５倍を越えると、浸炭窒化処理の時間が長くな
り、表層部のＣとＮはむしろ拡散により低減して、表層
部に形成される残留圧縮応力がむしろ低減して、表面起
点型損傷に対する抵抗が減ずるからである。

【００１２】また、浸炭窒化層の深さを０．２ｍｍ以下
とするのは、 現実に軸受内に混入する異物の大きさ
は、通常０．１〜０．２ｍｍまでであり、異物圧痕周辺
から生じる表面亀裂の深さもせいぜい０．１ｍｍまでで
あるから、本発明の軸受は、軸受の転走面からの浸炭窒
化層深さを０．２ｍｍ以下とすることにより、ピーリン
グ損傷と共におおよそ０．２ｍｍ以下の混入異物による
損傷に対しても有効となるのである。他方、浸炭窒化層
の深さの下限として０．１０ｍｍ程度を確保するのが好
ましい。０．１０ｍｍより薄くするのは、浸炭窒化層の
厚みの制御が難しくなり、表層部に安定したＮ濃度領域
を確保することも難しくなるからである。

【００１３】このように、本発明は、浸炭窒化層を異物
直径に対応した薄い層とするので、軸受鋼は浸炭窒化処
理時間が短縮できる。さらに、この浸炭窒化処理過程で
は短時間の加熱でよいので、加熱中の軌道輪の変形やミ
クロ組織粗大化による割れ強度の低下が防止でき、この
点では軸受鋼の標準的な焼入れ・焼戻し（ずぶ焼入れ）
処理と差異がなく、従って、熱処理中に特に変形し易い
中型・大型の軸受の製造に適している。

【００１４】

【発明の実施の形態】軸受鋼等で外輪、内輪、及び球若
しくはころ等の転動体のブランクを形成し、内外周面や
転走溝の冷間加工後に、浸炭窒化処理を行う。この場
合、軸受の用途や使用予定の環境から、混入異物の種類
と粒径分布を予め実測ないしは予測することが可能であ
るので、予め予測した異物粒径の最大値の０．５〜１．
５倍の深さ又は０．２ｍｍ以下の浸炭窒化層厚みを定め
る。

【００１５】この設定深さは、研削仕上げ後の転走面に
おける浸炭窒化層深さであるので、浸炭窒化処理におい
ては、この設定深さに熱処理後の転走面の研削仕上げに
必要な研削代（通常は、０．１〜０．２ｍｍ）を加算し
て成る浸炭窒化層深さを目標にし、浸炭窒化条件を勘案
して、処理時間を決められる。内輪、外輪及び転動体の
ブランクを浸炭窒化処理して該浸炭窒化層厚みに調製
し、焼戻し処理をした後、内輪、外輪及び転動体の転走
面に上記研削代の仕上げ研削を行うことにより、転走面
に上記浸炭窒化層深さを形成する。

【００１６】この浸炭窒化処理は、常用の処理法がその
まま適用可能であるが、例えば、ＳＵＪ２鋼のガス浸炭
窒化法の例によれば、ＮＸガス又はＲＸガスにプロパン
など炭化水素ガスを添加してカーボンポテンシャル０．
８〜１．２％にし、アンモニアガスを３〜１０％（容積
比）程度添加して、８３０〜８８０℃の浸炭窒化性雰囲
気に調整した炉内に上記外輪等の部材を入れて加熱保持
し、このときには、目標の浸炭窒化層厚みｄ（ｍｍ）対
して、ｄ＝０．３５〜０．４０・ｔ^1/2 の保持時間ｔ
（ｈ）をかけて加熱する。この浸炭窒化加熱の後に直ち
に温油中急冷し常温まで冷却した後、さらに、１５０〜
２５０℃で焼戻しを行う。

【００１７】この熱処理後のブランクは、転走面に仕上
げ研削をし、内輪、外輪及び転動体の転走面に目標深さ
の浸炭窒化層が形成されている。浸炭窒化層深さの測定
は、熱処理後のブランクまたは仕上げ後の外輪等の抜き
取り検査により、上述のように５００℃前後に加熱して
高温焼戻しを行い、その断面の表面から芯部に至る硬度
を実測して、硬度分布から求める。

【００１８】このようにして形成した転がり軸受は、異
物が混入するような潤滑油環境での使用に適しており、
例えば、鉄鋼圧延用軸受や、自動車のトランスミッショ
ン用軸受、その他の産業用軸受等の用途に使用される。
また、潤滑油膜切れの発生し易い用途に対しても好適に
使用され、この用途としては、減速機用軸受、エンジン
クランクシャフト支持軸受等がある。

【００１９】

【実施例】軸受鋼（ＳＵＪ２鋼）製で浸炭窒化処理を行
って成形した玉軸受（ＪＩＳ型番６２０６、及び６３１
２の２種）について、異物の大きさを変えた異物混入油
潤滑条件の下で、転がり寿命試験を行った。

【００２０】浸炭窒化処理条件は、ＳＵＪ２鋼で形成し
た内輪、外輪及び転動体としての玉について、ＲＸガス
をベースにカーボンポテンシャル１．０％で、アンモニ
ア７％（容積比）添加して８５０℃に調整した浸炭窒化
性雰囲気のガス炉中で保持した。浸炭窒化処理は、浸炭
窒化時間を０．５ｈ、１．０ｈ及び２．５ｈの３水準に
調整し、直ちに、油中急冷し、次いで、１８０℃×２ｈ
の焼戻しを行った。熱処理後に研削代０．１〜０．２ｍ
ｍ程度の仕上げ研磨を行い、試験軸受に組み立てた。ま
た軸受の一部は、５００℃×１ｈの高温焼戻しをして
後、転走面の浸炭窒化層深さを測定した。上記浸炭窒化
時間に対応して、転走面の浸炭窒化層深さ０．１ｍｍ、
０．２ｍｍ及び０．４ｍｍをそれぞれ得た。また、従来
例のずぶ焼入れ品として、８５０℃×０．５〜１．０ｈ
のオーステナイト化後に油中急冷し、１８０℃×２ｈの
焼戻しを行い、ずぶ焼入れ品も試験に供した。

【００２１】図３は、上記の浸炭窒化処理（８５０℃×
１ｈ）をした外輪の表層部で測定した硬度分布を示して
いるが、１８０℃での低温焼戻しをしたものは、表層部
から中心部にわたってＨｖ７００以上の高い硬さを示
し、この硬さの分布は、図示しないが、ＳＵＪ２鋼のず
ぶ焼き品と大差がない。むしろ浸炭窒化処理は、表面近
傍で僅かに硬さが低下している。しかし、この試料をさ
らに、５００℃の高温で焼戻しを行うと、試料全体に軟
化するけれども、芯部硬さに対して、表面下０．２ｍｍ
までの領域の硬度が高くなっており（図中の斜線部
分）、この領域が浸炭窒化処理によるＮ富化により炭窒
化物が生成し、焼戻し軟化抵抗を発現したものであり、
この硬さ分布からこの試料の浸炭窒化層深さは０．２ｍ
ｍと判定される。

【００２２】転がり寿命試験の条件は、型番６２０６の
軸受につき、荷重６．８６ｋＮ、回転数２０００ｒｐ
ｍ、潤滑は異物混入した油浴、試験数６個であった。ま
た、型番６３１２の軸受は、荷重２４．５０ｋＮである
点以外は、上記の型番６２０６の軸受の場合と同じであ
る。混入する異物は、ガスアトマイズ鉄粉（表面硬さＨ
ｖ約８００）で、鉄粉粒径を５０μｍ以下、５０〜１０
０μｍ及び１００〜２００μｍの３水準で区分して、潤
滑油中に混入した。転がり寿命試験の結果を表１にまと
めた。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１から、一般に、ずぶ焼入れ品よりも浸
炭窒化処理品の方が１０％寿命が長いこと、及び、浸炭
窒化処理品の場合でも、異物の粒径（最大直径）が大き
くなるほど１０％寿命でみた転がり寿命は低下すること
が判る。さらに、異物の粒径と同程度の浸炭窒化層深さ
があれば長寿命を発揮し、浸炭窒化層深さが０．３ｍｍ
以下であるとき寿命が長くなり、特に０．２ｍｍの浸炭
窒化層深さで寿命が最も長くなることも判る。

【００２５】次に、ＳＵＪ２鋼から浸炭層深さを変えた
円筒ころを成形して、ピーリング試験を行った。浸炭窒
化条件は、上記の転がり寿命試験の場合と同じである。
ピーリング試験条件は、試験材として外径５３ｍｍ（ク
ラウンＲ５０ｍｍ）のリングを使用し、その表面粗さＲ
ｍａｘ０．２μｍとし、これに接触する相手試片に、表
面粗さＲｍａｘ３μｍの外径５０ｍｍ（クラウンＲ５０
ｍｍ）のリングを使用して接触面圧Ｐｍａｘ３．０ＧＰ
ａ、負荷速度１０００ｒｐｍで、潤滑には清浄なタービ
ン油ＶＧ５６を使用して試験を行い、総負荷回数５×１
０⁶ 回で停止し、その接触表面のピーリング発生状況を
観察した。転走面全面を顕微鏡観察し、数十の視野（倍
率１００）で視野表面全体に対するピーリング亀裂と小
剥離の面積の割合を求めて平均化して面積率とした。ピ
ーリング試験によるピーリング発生率を表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２から、浸炭窒化層を設けることにより
ピーリング発生を抑制でき、特に、浸炭窒化層を０．１
ｍｍ程度に薄くしてもピーリング発生に対して充分であ
ることが判る。

【００２８】以上のように、浸炭窒化層を厚くすること
によっても異物混入油潤滑での軸受使用に有効であるけ
れども、さらに浸炭窒化層を０．２ｍｍ程度ないしそれ
以下に薄くすることがより有効である。このことは、図
１に示すように、浸炭窒化層を厚くすると、表層部に形
成される圧縮残留応力が僅かながら低減する傾向にあ
り、これは、浸炭窒化により表層部の表面直近に濃化存
在したＣや特にＮの含有量が浸炭窒化処理が長くなると
拡散によって低下することによるものと考えられる。

【００２９】従って、表面起点型損傷に対しては、浸炭
窒化層を浅い領域だけに形成するのが最も効果的であ
り、浸炭窒化層深さは、異物の直径から定まる深さを満
たせば、浅いほうが良い。また、浸炭窒化層深さを０．
１〜０．２ｍｍに調製するのに浸炭窒化処理の加熱時間
は、ずぶ焼入れの場合のオーステナイト化時間と大差な
く、浸炭窒化処理が短時間でよくなり、図２に浸炭窒化
層深さと軌道輪の割れ強度との関係を示すように、ミク
ロ組織の粗大化が抑制され、割れ強度の低下が少なくな
る利点がある。

【００３０】

【図面の簡単な説明】

【図１】玉軸受（型番６２０６）の外輪の転走面の表面
からの深さにおける残留圧縮応力の分布を示す図で、残
留圧縮応力を負の応力値で示してある。（Ａ）はずぶ焼
入れ試片のデータで、（Ｂ）〜（Ｄ）は浸炭窒化処理試
片のデータである。

【図２】玉軸受（型番６２０６）の外輪に形成した表層
部の浸炭窒化深さと該外輪の割れ強度との関係を示す図
である。ここで、浸炭窒化深さを形成した試料の割れ強
度は、浸炭窒化しない（ずぶ焼き品）場合における割れ
強度を１としたときの相対値で示す。

【図３】浸炭窒化処理後１８０℃の焼戻しの外輪試料
と、さらに５００℃高温焼戻しをした外輪試料の仕上げ
研磨後の表面からの深さとヴィッカース硬さの関係を示
す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内輪、外輪及び内輪と外輪の転走面間に
   介装される転動体より構成されて異物混入油潤滑条件下
   で使用される鋼製の転がり軸受において、 軸受中に混入する該異物の直径の０．５〜１．５倍の深
   さの浸炭窒化層を転走面に形成した転がり軸受。
2. 【請求項２】 内輪、外輪及び内輪と外輪の転走面間に
   介装される転動体より成る鋼製の転がり軸受において、 転走面に０．２ｍｍ以下の深さの浸炭窒化層を形成した
   ことを特徴とする表面起点型損傷に強い転がり軸受。
3. 【請求項３】 内輪、外輪及び内輪と外輪の転走面間に
   介装される転動体より構成されて異物混入油潤滑条件下
   で使用される鋼製の転がり軸受において、 軸受中に混入する該異物の直径の０．５〜１．５倍の範
   囲で且つ０．２ｍｍ以下の深さの浸炭窒化層を転走面に
   形成したことを特徴とする表面起点型損傷に強い転がり
   軸受。