JPH09264328A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 連続鋳造機用軸受のように極低速回転で使用
され、早期剥離や割れが問題となっている転がり軸受に
対し、長寿命な転がり軸受を提供する。 【解決手段】 内輪、外輪及び転動体からなる転がり軸
受において、当該転動体に、Ｃを０．６〜１．３重量
％、Ｃｒを８〜２０重量％を含有する合金鋼を用い、且
つ、内輪または外輪の内の少なくとも固定輪を、表面硬
化処理として浸炭または浸炭窒化処理を施した軸受材料
により構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば連続鋳造機
用軸受のように極低速回転で使用される転がり軸受に関
する。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受は、高面圧下で繰り返しせん
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を確保すべく、高炭
素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、これに焼入れ・焼
戻し処理を施して硬さがＨＲＣ５８〜６４になるように
していた。また、肌焼鋼を用いた転がり軸受において
は、ＳＣＲ４２０，ＳＣＭ４２０，ＳＡＥ４３２０Ｈ等
を用い、これに浸炭又は浸炭窒化・焼入れ・焼戻し処理
を施すことにより、表面硬さがＨＲＣ５８〜６４、且
つ、心部硬さがＨＲＣ３０〜４８になるようにして必要
とされる寿命を確保してきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、転がり軸受
の内輪または外輪と転動体との間には、軸受が回転する
ことにより潤滑油またはグリースが引き込まれ、油膜が
形成される。この油膜の最も薄い部分の厚さが、内外輪
及び転動体の表面粗さよも十分に厚ければ、金属接触は
起こらず磨耗が問題となることはない。

【０００４】また、転がり軸受の寿命に関する指標とし
て、油膜形成の程度を表す油膜パラメータΛという概念
が用いられている（「転がり軸受工学」転がり軸受工学
編集委員会編：養賢堂昭和５０年７月１０日第１版発
行）。

【０００５】Λ＝ｈmin ／（ｈｒ₁ ²＋ｈｒ₂ ²） ここに、ｈmin ＝最小油膜厚さ ｈｒ₁ ²，ｈｒ₂ ²＝接触２面（軌道輪と転動体との転がり
接触面）の自乗平均粗さ 上式から油膜パラメータΛの値が大きい程、内外輪と転
動体との間に十分に油膜が形成され、金属接触による表
面損傷が生じにくくなることが理解されるが、Λ≦１．
５になると、いわゆる境界潤滑状態になり金属接触が生
じるため、最大せん断応力が発生する位置が軸受内部か
ら軸受表面へと移動し、かつ最大せん断応力が大きくな
るために寿命が短縮するとされている。

【０００６】しかし、連続鋳造機用軸受は数ｒｐｍとい
う極低速回転で使用されるため、内外輪と転動体との間
に潤滑油またはグリースが引き込まれにくくなって油膜
が殆ど形成されなくなり、油膜パラメータΛの値が１．
５以下の小さい値になって金属接触が生じるという問題
がある。

【０００７】金属接触を防止するためには、潤滑剤に極
圧添加剤を加える等潤滑剤での対策もあるが、連続鋳造
機用軸受においては、冷却水やスケール等の侵入により
更に潤滑条件が悪化し、早期剥離や割れと言った問題が
生じている様な状況であり、潤滑剤の対策のみでの問題
の解決は困難である。また近年では、鉄鋼設備のメンテ
ナンスフリー化の要求が高く、軸受の長寿命化が要求さ
れている。

【０００８】本発明はかかる不都合を解消するためにな
されたものであり、連続鋳造機用軸受のように極低速回
転で使用され、早期剥離や割れが問題となっている転が
り軸受に対し、長寿命な転がり軸受を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、連続鋳造
機用軸受の長寿命化を目的とし、該軸受の破損形態及び
破損原因の解明に努めてきた。その結果、連続鋳造機用
軸受は、数ｒｐｍという極低速回転で使用されるため油
膜の形成が不十分であり、また、冷却水やスケール等の
侵入により更に潤滑条件が悪くなるため作動滑り等によ
り磨耗を生じるが、純転がり部の磨耗量は小さく、固定
輪である外輪負荷圏部の純転がり部における応力集中が
激しくなり、この部分に剥離が生じるケースが最も多い
ことが分かった。更に、この剥離を起点として割れに至
るということも分かった。その破損の様子を図１３に示
す様にこの様子は図１３（ａ）〜（ｆ）の経過でクラッ
クが進展することが分かった。またこのことは、連鋳機
用球面軸受において、外輪に発生する接触圧力と外輪と
転動体に生じる作動滑りの滑り速度の絶対値との積であ
るＰＶ値を計算で求めた結果、そのＰＶ値の分布形状と
実際に連鋳機に使用した球面軸受の磨耗形状が良く一致
することからも裏付けられる。球面ころ軸受２４１２８
Ｃの外輪において、最大負荷位置におけるＰＶ値の計算
結果、および実際に連鋳機に使用した球面軸受の磨耗形
状の測定結果を、図１４および図１５にそれぞれ示す。

【００１０】図１４は球面ころ軸受２４１２８Ｃの外輪
のＰＶ値を計算によって求めた図を示し、実際の軸受を
回転使用前の状態を意味する。この軸受は複列となって
いるので、その片側列について図示しており、左側が軸
受の中心位置を示し、右側が軸受端面側の軸方向距離
（位置）をｍｍで示し、縦軸を図１４（ａ）では負荷圏
で軸受外輪に転動体との間にＦｒ（半径方向荷重）＝２
０ｔｏｎｆ負荷した条件での接触圧力Ｐ（ｋｇｆ／ｍｍ
² ） 図１４（ｂ）では外輪固定、内輪の回転数２ｒｐｍで回
転したとき、負荷圏で生成する転動体と外輪軌道面との
作動滑り速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）を、図１４（ｃ）では図１
４（ａ），（ｂ）のそれぞれで図示されている軸方向距
離での積であるＰＶ値（ｋｇｆ／ｍｍ² ・ｍｍ／ｓ）を
求めて示した図である。この状態で軸受（Ｆｒ＝２０ｔ
ｏｎｆ，内輪回転数２ｒｐｍ）で回転すると図１３の
（ｂ）と（ｃ）間の状態で外輪軌道面を観察してみると
図１４（ｃ）でＰＶ値が高い所が磨耗が多い所と一致し
ている（縦軸は磨耗深さμｍで表している）。そして、
山状（磨耗していないところ）の所に応力が生じ図１３
（ａ）〜（ｆ）に示すクラック発生過程となる。これら
のことから、連続鋳造機用軸受の長寿命化のためには、
まず第１に外輪負荷圏部の磨耗を抑え、且つ、応力の集
中を低減すればよいことが分かる。

【００１１】従来から軸受の耐磨耗性を向上させるため
に、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形成元素を多量に添加
し、軸受表層に炭化物あるいは窒化物を多量に析出させ
る方法が知られており、磨耗が問題となる部分にこれら
の耐磨耗性に優れた材料を用いる方法が考案されてい
る。

【００１２】しかしながら、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物
形成元素を多量に添加した材料で軸受軌道輪を製造する
場合、材料費の他にも研削や熱処理コストも高くなるた
め非常に高価な軸受となり、特に大型軸受においては、
設備上製造が困難となる場合も生じる。

【００１３】また、特開昭６３−３０３２２１号公報
に、内外軌道輪と転動体との内、内外軌道輪の少なくと
も一方または転動体に０．３０重量％以上のＣと３重量
％以上のＣｒを含む鋼を使用し、残りに高炭素クロム軸
受鋼若しくは軸受用浸炭鋼を使用することにより、高速
で振動が作用する環境化においても長寿命な軸受を得る
技術が開示されているが、この公報に開示された技術内
容は剥離寿命に対する考慮にとどまっており、低速で使
用する場合に問題となる磨耗に対する考慮がなされてい
ない。

【００１４】本発明者等は材料の耐磨耗性について鋭意
研究を行ってきた結果、Ｃｒを８重量％以上添加した材
料は、相手材に浸炭処理または浸炭窒化処理が施されて
いれば、相手材の耐磨耗性をも向上させるという知見を
得た。特に相手材に浸炭窒化処理を施した場合、耐磨耗
性の向上に顕著な効果がみられる。

【００１５】本発明はかかる知見に基づいてなされたも
のであり、転動体にＣｒを８重量％以上添加した合金鋼
を用い、軌道輪に浸炭処理または浸炭窒化処理を施した
表面硬化鋼を用いることにより、軌道輪の磨耗を著しく
低減させることができ、これにより軌道輪負荷圏部の純
転がり部における応力の集中を緩和し、早期剥離を防ぐ
ことが可能な転がり軸受を完成するに至った。この場
合、軌道輪に表面硬化鋼を用いることにより、表面に圧
縮残留応力が生じるため、最終的に割れが生じるのを防
止することにも有利となる。また、転動体のみをＣｒを
８重量％以上とし、内外輪には表面硬化鋼を用いれば良
いので、高耐磨耗性及び耐割れ性に優れた低速回転用転
がり軸受を低コストで製造することができる。なお、耐
磨耗性を更に向上させるために、転動体にＭｏ，Ｖ等の
炭化物形成元素を少量添加しても同様の効果が得られ
る。また、当該転動体に、Ｃｒを８重量％以上添加した
合金鋼に浸炭窒化処理を施した材料を用いれば、より一
層の効果が得られる。更に、当該転動体に、Ｃｒを８重
量％以上添加した合金鋼に窒化処理を施し、引き続いて
高温焼入れ・焼戻し処理、または高温焼入れ・サブゼロ
・焼戻し処理を施した材料を用いれば、更により一層の
効果が得られる。

【００１６】また、耐磨耗性を向上させるために軸受の
軌道面に固体潤滑剤の被膜を形成する方法が考案されて
いるが、軌道面に固体潤滑剤の被膜を形成するには、軌
道輪または転動体等の軸受部品に研磨処理を施した後、
燐酸塩等で表面処理を行い、次いで、固体潤滑剤を塗布
して１６０〜２００°Ｃという高温で熱硬化させなけれ
ばならない。

【００１７】しかしながら、このような処理を通常の軸
受鋼軌道輪に施す場合には、熱硬化処理時に軸受材料の
焼戻しによる変形が生じて寸法精度不良を起こすため、
極力低温で時間をかけて硬化させたり、軌道輪の熱処理
時の焼戻し温度を高くする等様々な方法で、熱硬化処理
時の変形を抑えなければならず、製造上極めて困難であ
る。また、通常の軸受鋼に固体潤滑剤の被膜を施す場合
には、少なくとも１０〜４０μｍの厚さの層を形成しな
ければその効果が十分に得られず、その厚さのために長
期間の使用中に固体潤滑材が剥がれ落ちてしまうことが
あるという問題点がある。

【００１８】ここで、本発明者等は、転動体に、Ｃｒを
８重量％以上添加した合金鋼を用いた場合、固体潤滑剤
の被膜厚が３μｍあればその効果が十分に発揮されると
いう知見を得た。これにより、従来問題となっていた長
期間の使用による固体潤滑剤の剥がれ落ちが解決でき、
更に、熱硬化処理時の変形が比較的小さい転動体のみに
固体潤滑剤の被膜を施せば、上述した製造上の問題も解
決され、耐磨耗性および耐久性に優れた転がり軸受を提
供することが可能となる。

【００１９】更に、従来、磨耗やピーリングといった表
面損傷を防止するため、転がり軸受の軌道輪と転動体と
の転がり接触面をできるだけ滑らかな面に加工して、油
圧パラメータΛの値を大きくしようとする努力がなされ
てきた。

【００２０】しかしながら、油膜パラメータΛの値を十
分大きくするためには、表面粗さを０．１μｍＲａ未満
にするという非常に高精度な加工が必要であり、転動体
および軌道輪の両方の転がり接触面を共に０．１μｍＲ
ａ未満の表面粗さに加工することは困難である。特に、
転がり軸受の部品としては大きい軌道輪や形状の複雑な
球面軸受等は極めて困難である。さらに加えて、転動体
として上述のようにＣｒ８重量％以上の材料を用いてい
ること等により、ＳＵＪ２等の材料を用いた場合に比
べ、表面層の炭化物も多くなるため、研削加工性が悪く
なり、結果として相対的に表面の粗さが悪くなりやす
い。このことも先に述べた連続鋳造機用という点と共に
潤滑条件を厳しくする要因となる。

【００２１】このため、転動体および軌道輪のいずれか
一方の表面粗さを０．１μｍＲａ未満に加工できても、
片方の表面粗さを０．１μｍＲａ未満にできず、表面粗
さの組合せが一定の条件を満たさないため、満足すべき
効果が得られないという問題があった。

【００２２】そこで、本発明者等が鋭意検討した結果、
油膜パラメータΛの値が１．５以下である条件で使用さ
れる転がり軸受において、転動体および軌道輪の転がり
接触面の中心線平均粗さσ1 ，σ2 のいずれもが０．１
〜０．５μｍＲａであり、且つ、σ1 ／σ2 またはσ2
／σ1 を３以下に設定することにより、転がり接触面に
発生する応力の大きさおよび分布を適切にし、表面損傷
の発生を抑えることができるという知見を得た。

【００２３】境界潤滑状態で転がり軸受を使用する場合
において、σ1 とσ2 との組合せの相違により相手材の
接触面に発生する応力と表面損傷発生との関係は図８〜
図１０に示すとおりであり、この応力と繰り返し数との
関係を示すと図１１のようになる。

【００２４】図８は、σ1 ＞＞σ2 である場合（σ2 ／
σ1 ＞３）を示し、転動体面（σ2面）の凸部群が相手
材面（σ1 面）に対して微小な接触だ円により接触し、
σ1面の表面近傍（最大せん断応力位置より極めて浅い
位置）にＰ1 という応力が全面にわたって生じる。ま
た、図１０に示すように、σ1 ≒σ2 であっても、σ1
およびσ2 がいずれも大きい場合（σ1 ，σ2 ＞０．５
μｍＲａ）には、局所的に許容せん断応力Ｐｃを超える
Ｐ3 がσ1 面に生じる。

【００２５】これに対し、図９はσ1 ，σ2 の大きさと
その比率を上述した規定条件に設定した場合であり、局
所的に許容せん断応力Ｐｃよりも小さい応力Ｐ2 が生じ
るだけであり、σ1 面の全面にＰ2 が生じることはな
い。

【００２６】上記の応力および繰り返し数と粗さの条件
により決まる表面損傷の発生確率とを総合して定まる表
面損傷確率の図８，９，１０の場合の大小関係を数式で
表すと（１）式のようになる。

【００２７】 （Ｐ1 ・ｎ1 ）^a ・Ａ1 ^b ≒（Ｐ3 ・ｎ3 ）^a ・Ａ3 ^b ＞（Ｐ2 ・ｎ2 ）^a ・ Ａ2 ^b ＞（Ｐ0 ・ｎ0 ）^a ・Ａ0 ^b …………（１） 但し、Ｐ0 ，Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 は発生応力 ｎ0 ，ｎ1 ，ｎ2 ，ｎ3 は繰り返し数 Ａ0 ，Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 は表面損傷発生確率 ａ，ｂは定数 （１）式から理解されるように、図８の場合は応力Ｐ1
がσ1 面の全面に生じるため、表面損傷発生確率Ａ1 が
高くなり、広範囲にわたって表面損傷が起こる。また、
図１０の場合は応力Ｐ3 （＞Ｐｃ）がσ1 面に局所的に
生じて粗面の凸部が破断により除去されてしまうため、
表面損傷発生確率Ａ3 が低くても短時間で表面損傷が起
こることになる。一方、図９の場合は応力Ｐ2 （＜Ｐ
ｃ）がσ1面に局所的に生じるだけであるから、表面損
傷発生確率Ａ2 が低下し、表面損傷の発生は少なくな
る。

【００２８】なお、σ1 ，σ2 を０．１μｍＲａよりも
小さくすることは、転動体および軌道輪の転がり接触面
を超高精度の精度で研削加工する必要があり、コスト高
となるので好ましくないだけでなく、０．１μｍＲａよ
りも小さい表面粗さの２面を組み合わせて接触させる
と、当然に油膜パラメータΛの値が１．５を超えるか
ら、境界潤滑を条件とする上記規定条件と合致しないこ
とになる。

【００２９】更に、σ1 ，σ2 の片方のみ０．１μｍＲ
ａを下回る場合、コスト高になることに加え、粗い方と
の差が大きすぎる場合は、σ1 ／σ2 ≦３またはσ2 ／
σ1≦３が成立するという粗さ比の条件を満たしても表
面損傷発生確率が高くなり、図８の場合と同様の理由で
短寿命となる。結局、前記粗さ比の条件（σ1 ／σ2≦
３またはσ2 ／σ1 ≦３）と、０．１μｍＲａ≦σ1 ≦
０．５μｍＲａ，０．１μｍＲａ≦σ2 ≦０．５μｍＲ
ａとを同時に満たすことが必要である。

【００３０】

【作用】次に、本発明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。 Ｃｒ：８〜２０重量％（より好ましくは１２〜２０重量
％） Ｃｒは、焼入れ性を向上させ基地を固溶強化する他、多
量に添加すること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、炭化物の粗大化を防止し転動
疲労寿命および耐磨耗性を向上させるのに役に立つ。Ｃ
ｒの含有量の下限を８重量％（より好ましくは１２重量
％以上）としたのは、相手材の耐磨耗性をも向上させる
ためには８重量％以上必要なためである。また、上限を
２０重量％としたのは、これを超えると素材の段階で巨
大炭化物ができてしまい、この炭化物の回りで応力集中
が生じて寿命の低下を来すためと、軸受が高価となるた
めである。 Ｃ：０．６〜１．３重量％ Ｃは、基地をマルテンサイト化することにより、焼入れ
・焼戻し処理後の硬さを向上させるために必要な元素で
ある。炭素含有量を０．６重量％以上としたのは、軸受
として必要な強度を確保するためである。上限を１．３
重量％としたのは、これ以上含有すると、心部の靭性を
低下させるためである。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。表１に、磨耗試験に用いた供試材
（転動体を想定）の材料成分を示す。磨耗試験は、図１
に示すような二円筒式磨耗試験機を用いて行い、上下に
対向させた一対の円筒１０にそれぞれ供試材及び相手材
（内外輪を想定）を装着して、上から荷重Ｐを負荷しな
がら互いに接触状態で逆方向に低速で回転させて供試材
及び相手材の磨耗率（ｍｇ／ｍ）を求めるものである。
ここで、特に、潤滑不良状態での磨耗特性を試験すべ
く、回転中は油膜が切れやすい低粘度の潤滑油を注ぐよ
うにした。

【００３２】

【表１】

【００３３】その磨耗試験条件は次の通りとした。 荷重Ｐ：２００ｋｇｆ 回転数：１０ｒｐｍ 滑り率：３０％ 潤滑：♯１０スピンドル油 油温：常温 なお、ＪＩＳ鋼種ＳＣＲ４２０材である供試材Ａおよび
供試材Ｃには、９４０°Ｃで６時間の浸炭処理を行った
後、８６０°Ｃの焼入れ、１８０°Ｃで２時間の焼戻し
処理を施し、その他の供試材（Ｂ，Ｄ〜Ｉ）には８４０
〜１０７０°Ｃで焼入れ、１６０〜１８０°Ｃで２時間
の焼戻し処理を施し、表面硬さＨＲＣ５９〜６２として
高速側の試験片に用いた。

【００３４】相手材には、表２に示すように、ＪＩＳ鋼
種ＳＵＪ２材（表１の供試材Ｂ相当）およびＪＩＳ鋼種
ＳＣＲ４２０材（表１の供試材Ａ相当）を用い、ＳＵＪ
２材には８４０°Ｃで焼入れ、１８０°Ｃで２時間の焼
戻し処理を施し、ＳＣＲ４２０材には、９４０°Ｃで６
時間の浸炭窒化または浸炭処理を行った後、８６０°Ｃ
の焼入れ、１８０°Ｃで２時間の焼戻し処理を施し、本
実施形態例および比較例として用いた。

【００３５】

【表２】

【００３６】表２に、相手材であるＳＵＪ２材およびＳ
ＣＲ４２０材の磨耗率を示す。また、図２に、この磨耗
試験における供試材（転動体を想定）のＣｒ含有量と相
手材（内外輪を想定）の磨耗率との関係を相手材の熱処
理条件別に示す。

【００３７】図２から明らかなように、相手材が浸炭処
理を施したＳＣＲ４２０材の場合（表２のＮＯ．１０〜
１３，１８〜２２）、供試材のＣｒ添加量が８重量％を
超えると（表２のＮＯ．１８〜２２：Ｅ〜Ｉ）急激に磨
耗率が低下し、１２重量％以上でほぼ最小となってお
り、相手材が浸炭窒化処理を施したＳＣＲ４２０材（表
２のＮＯ．２３〜２７：Ｅ〜Ｉ）の場合は更に著しく低
下しているが、相手材がずぶ焼入れであるＳＵＪ２材
（表２のＮＯ．１〜９）の場合、供試材のＣｒ添加量が
８重量％を超えても（表２のＮＯ．５〜９：Ｅ〜Ｉ）耐
磨耗性の向上効果は少ないことが分かる。

【００３８】次に、スラストころ軸受３０ＴＭＰ１２を
作製して、図３に示す試験機で耐久試験を行った。この
試験機は、「特殊鋼便覧」第１版、電気製鋼所編、理工
学社、１９６９年５月２５日発行の第１０の２１頁に記
載のスラスト型軸受鋼寿命試験機の構造を基礎として３
０ＴＭＰ１２軸受試験用としたものであり、スラストこ
ろ軸受３の外輪が固定される固定部材１と、スラストこ
ろ軸受３の内輪が固定される回転部材４と、スラスト荷
重負荷装置２とから構成されている。

【００３９】表３にかかる耐久試験に用いた内外輪材料
の主成分を示す。

【００４０】

【表３】

【００４１】転動体には、表１の記号Ｈ材を用い、これ
に１０５０°Ｃで焼入れ処理を施した後、−８０°Ｃで
サブゼロ処理、１６０°Ｃで２時間焼戻し処理を施して
試験に用いた。

【００４２】内外輪（表３の記号Ｊ〜Ｐ）には、９２０
〜９５０°Ｃで４〜６時間浸炭または８７０〜９５０°
Ｃで４〜６時間浸炭窒化処理を施した後、８６０〜８８
０°Ｃで焼入れ、１６０〜１８０°Ｃで２時間の焼戻し
処理を施して本実施形態例として試験に用いた。なお、
比較例としては、内外輪にＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２材にずぶ
焼入れ処理を施したものを用いた。試験条件を以下に示
す。

【００４３】荷重：２０００ｋｇｆ 回転数：１０ｒｐｍ 潤滑：ユーレットＣＣ 図４に、耐久試験時間と内外輪の磨耗量の平均値との関
係を内外輪の素材及び熱処理条件別に示す。

【００４４】図から明らかなように、内外輪に浸炭処理
を施した本実施形態例は比較例に比べて非常に優れた耐
磨耗性を示しており、特に内外輪に浸炭窒化処理を施し
た本実施形態例は更に優れた耐磨耗性を示している。更
に、比較例においては試験後に剥離が生じていたが、本
実施形態例においては剥離は認められなかった。

【００４５】続いて、本実施形態例として、内外輪に、
表３の記号Ｋ材に９５０°Ｃで４時間の浸炭窒化処理を
施した後、８６０°Ｃの焼入れ、１８０°Ｃで２時間の
焼戻し処理を施した材料を、転動体に、表１の記号Ｈ材
（Ｃｒ含有量が１８重量％＞８重量％）に表４に示す熱
処理（イ）〜（ヘ）を施した材料を用いてスラストころ
軸受３０ＴＭＰ１２を作製し、上述した試験機を用いて
耐久試験を行った。

【００４６】

【表４】

【００４７】試験条件を以下に示す。 荷重：５００ｋｇｆ 回転数：１０ｒｐｍ 潤滑：♯１０ スピンドル油 油温：６０°Ｃ なお、比較例として、転動体に、表３の記号Ｋ材（Ｃｒ
含有量が１．５重量％＜８重量％）に、９５０°Ｃで４
時間の浸炭窒化処理を施した後、８６０°Ｃで焼入れ、
１８０°Ｃで２時間の焼戻し処理を施した材料を用いた
スラストころ軸受３０ＴＭＰ１２を作製し、同様に耐久
試験を行った。図５に、耐久試験時間と内外輪の磨耗量
平均値との関係を転動体の素材及び熱処理条件別に示
す。

【００４８】図から明らかなように、Ｃｒ添加量が８重
量％以上の転動体に表４の（イ）（ロ）及び（ハ）の熱
処理を施した場合の内外輪の磨耗量は、比較例に対し約
１／３と小さく、転動体に表４の（ニ）の熱処理（浸炭
処理）を施した場合の内外輪の磨耗量はさらにその約１
／２であり、転動体に表４の（ホ）および（ヘ）の熱処
理（窒化処理）を施した場合の内外輪の磨耗量は更に優
れた耐磨耗性を示している。

【００４９】これに対し、比較例は転動体のＣｒ添加量
が不足するため、転動体に浸炭処理を施しても内外輪の
磨耗量が大きくなることが分かる。続いて、供試材（転
動体を想定）として、表１の記号Ｈ材（Ｃｒ含有量が１
８重量％＞８重量％）に膜厚１，３，５，８，１０，１
５，２０μｍの固体潤滑剤被膜を、およびＪＩＳ鋼種Ｓ
ＵＪ２である表１の記号Ｂ材（Ｃｒ含有量が１．５重量
％＜８重量％）に膜厚０，３，５，８，１０，１５，２
０μｍの固体潤滑剤被膜をそれぞれ施して高速側の試験
片として用い、相手材（内外輪を想定）には、ＪＩＳ鋼
種ＳＣＲ４２０材（表１の記号Ａ材に相当）に浸炭窒化
・焼入れ・焼戻し処理を行い、固体潤滑剤被膜を施さな
いものを用いて、図１に示す二円筒式磨耗試験機を使用
して同様の磨耗試験を行った。

【００５０】その磨耗試験条件は次の通りとした。 荷重Ｐ：２００ｋｇｆ 回転数：１０ｒｐｍ 滑り率：３０％ 潤滑：♯１０スピンドル油 油温：常温 なお、固体潤滑剤被膜の形成には、二硫化モリブデン粒
子を分散したエポキシ−酢酸エチル溶液を供試材にスプ
レーし、１６０°Ｃで熱硬化処理することにより行っ
た。図６に、供試材の固体潤滑剤の膜厚と磨耗試験時間
が１００時間経過後の相手材の磨耗量平均値との関係を
供試材のＣｒ添加量（Ｃｒ≧８重量％，Ｃｒ＜８重量
％）別に示す。

【００５１】図から明らかなように、Ｃｒ添加量が８重
量％以上のＨ材は固体潤滑剤を被覆しても磨耗低減効果
があり、特に膜厚が３μｍ以上であれば十分な潤滑効果
が得られて耐磨耗性が顕著になるのに対し、Ｃｒ添加量
が８重量％未満のＢ材はＨ材より磨耗低減効果が大幅に
小さいのが分かる。

【００５２】続いて、表１の供試材Ａ〜Ｉに固体潤滑剤
被膜を施して、図１に示す二円筒式磨耗試験機を用いて
磨耗試験を行った。なお、試験片の作製については、供
試材ＡおよびＣには浸炭・焼入れ・焼戻し処理を施し、
その他の供試材（Ｂ，Ｄ〜Ｉ）には焼入れ・焼戻し処理
を施した後研磨を行い、次いで供試材Ａ〜Ｉにシュウ酸
塩化成処理を施してＰＴＦＥ粒子を分散したポリアミド
イミドＤＭＦ溶液をスプレーすることにより３μｍの膜
厚で塗布し、最後に１８０ °Ｃで熱硬化処理を施して
磨耗試験片とした。

【００５３】その磨耗試験条件は次の通りとした。 荷重Ｐ：２００ｋｇｆ 回転数：１０ｒｐｍ 滑り率：３０％ 潤滑：♯１０スピンドル油 油温：常温 なお、供試材は高速側の試験片に用い、相手材にはＪＩ
Ｓ鋼種ＳＣＲ４２０材（表１の供試材Ａに相当）に浸
炭．焼入れ．焼戻し処理を行い、固体潤滑剤被膜を施さ
ないものを用いた。図７に、固体潤滑剤被膜を有する供
試材のＣｒ添加量と磨耗試験時間が１００時間経過後の
相手材の磨耗量平均値との関係を示す。

【００５４】図から明らかなように、Ｃｒ添加量が８重
量％以上（より好ましくは１２重量％以上）であれば膜
厚３μｍでも十分な潤滑効果が得られて相手材の磨耗量
が図２より更に抑えられ、非常に良好な耐磨耗性が得ら
れることが分かる。

【００５５】以上のことから、Ｃｒを８重量％以上（よ
り好ましくは１２重量％以上）含有した合金鋼であれ
ば、膜厚３μｍ以上で十分な潤滑効果が得られることが
分かる。しかしながら、Ｃｒを多量に添加しすぎると、
素材に巨大な炭化物ができてしまいこの炭化物の回りで
応力集中が生じて剥離が発生し、寿命の低下をきたすこ
とと軸受が高価になるため、Ｃｒの添加量は２０重量％
以下とすることが望ましい。

【００５６】次に、スラストころ軸受３０ＴＭＰ１２を
作製して、図３に示す試験機で耐久試験を行った。内外
輪には、ＪＩＳ鋼種ＳＣＲ４２０材である表１の記号Ａ
材に浸炭窒化・焼入れ・焼戻し処理を施したものを用
い、転動体に、表５に記載のＮＯ．１〜１０を用いて試
験を行った。試験条件としては、荷重５００ｋｇｆ、回
転数１０ｒｐｍ、潤滑にＮＬＧ１グレード１グリースを
０．１ｃｃ転走面に塗布し、５００時間の試験を行っ
た。表５に、転動体の材料、固体潤滑剤の膜厚、試験後
の内外輪の磨耗量の平均値及び損傷状態等を示す。

【００５７】

【表５】

【００５８】転動体材料としてＣｒ濃度が８重量％以上
のＳＵＳ４４０Ｃを用い、且つ、膜厚が３μｍ以上の本
実施形態例１〜３は、磨耗量も小さく、試験後の軸受に
何ら異常は認められなかった。比較例４は、損傷状態に
は異常はないが膜厚が薄いために潤滑効果が不十分で比
較的磨耗量が大きい。転動体材料としてＣｒ濃度が８重
量％未満のＳＵＪ２を用い、且つ、膜厚が０〜５μｍの
比較例５〜７では、試験後軌道輪に剥離が生じていた。
更に、転動体材料としてＣｒ濃度が８重量％未満のＳＵ
Ｊ２を用い、且つ、膜厚が１０μｍ以上の比較例８〜１
０においては、試験後の軌道輪に剥離は発生しないもの
の固体潤滑剤被膜が剥がれていることが確認された。

【００５９】次に、図１に示す二円筒磨耗試験機を用い
て、表６に示すような表面粗さの試験片（高速側試験
片：表１のＥ材に８４０〜１０７０°Ｃの焼入れ、１８
０°Ｃで２時間の焼戻し処理を施したもの、低速側試験
片：ＳＣＲ４２０材に９４０°Ｃで６時間の浸炭窒化ま
たは浸炭処理を施した後、８６０°Ｃの焼入れ、１８０
°Ｃで２時間の焼戻し処理を施したもの）を作製し、磨
耗試験を実施した。

【００６０】

【表６】

【００６１】試験条件としては、荷重５００ｋｇｆ、回
転数５０ｒｐｍ、滑り率１０％で♯４６０の潤滑油を常
温で供給して行い、肉眼または顕微鏡で観察し、試験面
にクラック、フレーキングまたはピーリングが発生して
いることを確認した時点をもって寿命と判定し、この時
点までの累積回転数を寿命の定量的表現として用いた。

【００６２】この結果は表６および図１２に示すとおり
である。油膜パラメータΛの値が１．５以下の場合に、
表面粗さの比の条件（σ1 ／σ2 ≦３またはσ2 ／σ1
≦３）と、表面粗さの大きさの条件（０．１μｍＲａ≦
σ1 ≦０．５μｍＲａ、０．１μｍＲａ≦σ2 ≦０．５
μｍＲａ）とを同時に満たす本実施形態例においては、
非常に長寿命が得られることが分かる。

【００６３】次に、転動体に表１記載のＨ材、外輪に表
３記載のＫ材、内輪にＳＵＪ２材を用いて球面ころ軸受
２２２１０ＣＤを作製し、ラジアル荷重５０００ｋｇ
ｆ，回転数１０ｒｐｍで潤滑に動粘度１４３ｃｓｔ（４
０°Ｃ）のグリースを用いて試験を行い、肉眼または実
体顕微鏡で観察し、軌道面にクラック，フレーキングま
たはピーリングが発生していることを確認した時点をも
って寿命と判定し、この時点までの累積応力繰り返し数
を寿命の定量的表現として用いた。

【００６４】結果を表７に示す。

【００６５】

【表７】

【００６６】表７から明らかなように、油膜パラメータ
Λの値が０．１２以下と非常に小さい場合においても、
表面粗さの比の条件（σ1 ／σ2 ≦３またはσ2 ／σ1
≦３）と、表面粗さの大きさの条件（０．１μｍＲａ≦
σ1 ，σ2 ≦０．５μｍＲａ）とを同時に満たす本実施
形態例においては、非常に長寿命が得られることが分か
る。

【００６７】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
によれば、連続鋳造機用軸受のように極低速回転で使用
され、早期剥離や割れが問題となっている転がり軸受に
対し、長寿命な転がり軸受を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二円筒式磨耗試験機の概略図である。

【図２】供試材（転動体を想定）のＣｒ含有量と相手材
（内外輪を想定）の磨耗率との関係を該相手材の熱処理
条件別に示したグラフ図である。

【図３】スラストころ軸受の耐久試験機の概略図であ
る。

【図４】スラストころ軸受の耐久試験時間と内外輪の磨
耗量平均値との関係を内外輪の素材及び熱処理条件別に
示したグラフ図である。

【図５】スラストころ軸受の耐久試験時間と内外輪の磨
耗量平均値との関係を転動体の素材及び熱処理条件別に
示したグラフ図である。

【図６】供試材（転動体を想定）に施した固体潤滑剤の
膜厚と磨耗試験時間が１００時間経過後の相手材（内外
輪を想定）の磨耗量平均値との関係を供試材のＣｒ含有
量（Ｃｒ≧８重量％，Ｃｒ＜８重量％）別に示したグラ
フ図である。

【図７】固体潤滑剤被膜を有する供試材のＣｒ添加量と
磨耗試験時間が１００時間経過後の相手材（内外輪を想
定）の磨耗量平均値との関係を示すグラフ図である。

【図８】転がり接触する２面の表面粗さの比が３を超え
るときの応力図である。

【図９】転がり接触する２面の表面粗さの比が３以下で
あるときの応力図である。

【図１０】転がり接触する２面の表面粗さの比がほぼ１
であるが、各面の表面粗さがいずれも０．５μｍＲａを
超えるときの応力図である。

【図１１】転がり接触面（滑らかな面）に発生する応力
とその繰り返し数との関係図である。

【図１２】表６の結果をプロットしたグラフ図である。

【図１３】クラックの進展経過を説明するための説明図
である。

【図１４】球面ころ軸受２４１２８Ｃの外輪において、
ＰＶ値を計算によって求めたグラフ図である。

【図１５】実際に連鋳機に使用した球面軸受の磨耗形状
の測定結果を示すグラフ図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内輪、外輪及び転動体からなる転がり軸
   受において、当該転動体に、Ｃを０．６〜１．３重量
   ％、Ｃｒを８〜２０重量％含有する合金鋼を用い、且
   つ、内輪または外輪の内の少なくとも固定輪が、表面硬
   化処理として浸炭または浸炭窒化処理を施した軸受材料
   により構成されていることを特徴とする転がり軸受。