JPH1151065A - 転がり軸受 - Google Patents
転がり軸受Info
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- JPH1151065A JPH1151065A JP21903897A JP21903897A JPH1151065A JP H1151065 A JPH1151065 A JP H1151065A JP 21903897 A JP21903897 A JP 21903897A JP 21903897 A JP21903897 A JP 21903897A JP H1151065 A JPH1151065 A JP H1151065A
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Abstract
防止して軸受寿命の大幅な延長を可能にすることができ
る転がり軸受を提供する。 【解決手段】 転がり軸受は、固定輪と回転輪との間に
複数の転動体が配置されたものであり、少なくとも固定
輪の軸受鋼の合金組成成分として、炭素Cを0.65〜
1.20重量%,シリコンSiを0.05〜0.70重
量%,マンガンMnを0.2〜1.5重量%,クロムC
rを0.15〜2.0重量%,チタンTiを0.05〜
0.40重量%,窒素Nを0.01重量%以下含有し、
平均粒径50nm以下のチタンTi炭化物、チタンTi
炭窒化物を鋼中に分散させてなる。鋼中の平均粒径50
nm以下のチタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を微
細に分散させ、マトリックスを強化し、高荷重・高振動
を緩和し、マトリックスの組織変化を抑制しかつ遅延さ
せて転がり寿命を向上させる。
Description
ルタネータ,電磁クラッチ,中間プーリ,水ポンプ)な
どに使用される転がり軸受に関する。
ンジン補機類にも小型・軽量化と共に高性能・高出力化
が求められている。エンジンの作動時、例えば、オルタ
ネータ用軸受には高速回転に伴う高振動、高荷重(重力
加速度で4G〜20G位)がベルトを介して同時に作用
し、この結果、固定輪である外輪軌道輪に早期剥離が生
じて軸受の寿命を短くする原因になっている。
向上を図る技術として、例えば、特開平5−25580
9号公報には、アルミニウムAl,ニオブNbのうち少
なくとも一種を所定量添加することにより、マルテンサ
イト結晶粒の粗大化を防ぐ軸受鋼が開示されている。
炭素C濃度を低くし、クロムCr濃度を高くすることに
より、転がり疲労による炭素Cの拡散速度を遅らせ、更
に、ニッケルNi,モリブデンMo,バナジウムVのう
ち少なくとも一種を所定量添加することにより、組織の
強靱性を向上させた軸受鋼が開示されている。
て、「SAEテクニカルペーパー:SAE950944
(開催日1995年2月27日〜3月2日)」の第1〜
第14項には、オルタネータ用軸受の疲労メカニズムを
解明し、封入グリースをEグリース(基油:合成炭化水
素油)からダンパー効果の高いMグリース(基油:エー
テル系合成油)に変更することにより、このMグリース
で高振動・高荷重を吸収して早期剥離を防止する技術が
開示されている。
開平5−255809号公報に開示された軸受には、ア
ルミニウムAlやニオブNbによる炭化物や炭窒化物の
生成により結晶粒の粗大化を防ぐものであるが、このよ
うな添加の組合せでは結晶粒の微細化が期待できず、早
期剥離を十分に防止することができない。
開示された軸受においても、炭素C濃度を低下させ、ク
ロムCr濃度を向上させて組織変化の発生を抑制するこ
とを狙ったものであるが、単にニッケルNi,モリブデ
ンMo,バナジウムVを添加しても結晶粒の粗大化を防
ぐためだけのものであるので、早期剥離を十分に防止す
ることができない。
なされたものであり、高振動、高荷重に起因する早期剥
離を良好に防止して軸受寿命の大幅な延長を可能にする
ことができる転がり軸受を提供することを目的とする。
に、本発明者等は鋭意研究した結果、従来の軸受鋼材料
にチタンTiを0.05重量%〜0.40重量%添加す
ることにより、鋼中に平均粒径50nm以下のチタンT
i炭化物,チタンTi炭窒化物を微細に分散析出させ、
転動疲労中の組織変化を抑制しかつ焼入れ時の結晶粒の
粗大化を抑制することができるという知見を得た。
求項1に記載の転がり軸受は、固定輪と回転輪との間に
複数の転動体が配置された転がり軸受において、少なく
とも前記固定輪の軸受鋼の合金組成成分として、炭素C
を0.65〜1.20重量%,シリコンSiを0.05
〜0.70重量%,マンガンMnを0.2〜1.5重量
%,クロムCrを0.15〜2.0重量%,チタンTi
を0.05〜0.40重量%,窒素Nを0.01重量%
以下含有し、平均粒径50nm以下のチタンTi炭化
物、チタンTi炭窒化物を鋼中に分散させてなることを
特徴とする。チタンTiを0.05〜0.20重量%添
加することにより、鋼中の平均粒径50nm以下のチタ
ンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を微細に分散させ、
マトリックスを強化し、高荷重・高振動を緩和し、マト
リックスの組織変化を抑制しかつ遅延させて転がり寿命
を向上させる。
重量%、ニッケルNiを0.1〜3.0重量%の範囲内
でモリブデンMoおよびニッケルNiの少なくとも一種
を含み、平均粒径30nm以下のチタンTi炭化物、チ
タンTi炭窒化物を鋼中に分散させることが好ましい。
モリブデンMoおよびニッケルNiは転がり寿命向上に
効果のある元素であり、選択的に添加することにより平
均粒径を小さくすることができる。
i炭化物、チタンTi炭窒化物を鋼中に分散させること
がより好ましい。平均粒径が15nm以下であると、微
細分散化の効果によりさらに長寿命となるが、これは添
加されるモリブデンMo、ニッケルNiが鋼の機械的性
質を向上させる元素であり、炭素C、クロムCrと結び
つくことにより、添加前と比較して微細な炭化物を形成
するので、チタン炭化物(TiC),チタン炭窒化物
(TiCN)も超微細な炭化物を形成しやすくなるため
である。
50重量%を含み、平均粒径50nm以下のチタンTi
炭化物、チタンTi炭窒化物を鋼中に分散させることが
好ましい。ボロンBの添加は焼入れ性を向上させるため
であり、チタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物の微細
化には直接関係しない。ボロンBを添加することは肉
厚、大径の転がり軸受においても有効である。
0重量%、ニッケルNiを0.1〜3.0重量%の範囲
内でモリブデンMoおよびニッケルNiの少なくとも一
種を含み、かつボロンBを0.0005〜0.0050
重量%を含み、平均粒径50nm以下のチタンTi炭化
物、チタンTi炭窒化物を鋼中に分散させることが好ま
しい。
について説明する。図1は実施の形態における転がり軸
受およびこれを評価する試験機の概略的構成を示す図で
ある。
がハウジング8に固定され、内輪3がシャフト7に組み
込まれている。外輪2と内輪3との間には保持器5に保
持された多数の転動体4が配置されており、保持器5両
側の外輪2と内輪3との間にはシール部材6が装着され
ている。そして、外輪2、内輪3およびシール部材6に
よって囲まれる保持器5周囲の空間には、Eグリースが
封入されている。
転に伴って内輪3が回転し、その回転による振動荷重は
シャフト7から内輪3および転動体4を介して外輪2の
負荷圏に作用する。
する。すなわち、増ちょう剤:ウレア,基油:合成炭化
水素油,基油動粘度:47.3cSt(40℃),7.
9cSt(100℃),混和ちょう度:250(25
℃,60W),滴点:260℃以上,銅板腐食:合格
(100℃,24h),蒸発量:0.34%(99℃,
22h),離油度:0.3%(99℃,24h),酸化
安定度:0.025Mpa(99℃,100h),混和
安定度:364(25℃,105 W,水洗耐水度2%
(79℃,1h)である。
割合の限定理由について説明する。
を付与する元素であるが、0.65重量%未満である
と、転がり軸受として要求される硬さHRC59以上を
確保できない場合があり、一方、1.20重量%を越え
て含有させると、巨大炭化物が生成し易くなって疲労寿
命や衝撃荷重が低下する場合があるので、炭素Cの含有
量を0.65〜1.20重量%にする。
入れ性を向上させる元素であるが、0.05重量%未満
では脱酸効果が十分でなく、0.70重量%を越えると
加工性が著しく低下するので、シリコンSiの含有量を
0.05〜0.70重量%にする。
元素であるが、0.2重量%未満では焼入れ性が不足
し、1.5重量%越えると加工性が低下するので、マン
ガンMnの含有量を0.2〜1.5重量%にする。
化物球状化を促進させる元素であり、少なくとも0.1
5重量%以上を含有させる必要があるが、2.0重量%
を越えて含有させると、炭化物が粗大化して平均結晶粒
が大きくなり、また、被削性を劣化させる場合があるの
で、クロムCrの含有量を0.15重量%〜2.0重量
%にする。
タンTi炭窒化物の形で微細分散し、転がり寿命を向上
させ、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制する元素である
が、0.05重量%未満では、その多くは1μm以上の
Ti炭化物、Ti炭窒化物、Ti窒化物となり、超微細
な50nm以下のTi効果を得ることができない。ま
た、0.40重量%を超えると、加工性が低下すること
と、転がり寿命を低下させる1μm以上の介在物(Ti
N,TiS等)の個数が増加するため、Tiの含有量を
0.05重量%〜0.40重量%にする。
i炭化物、チタンTi炭窒化物の微細分散による大きな
分散強化効果を付与するが、窒素Nの含有量が増加する
ほど1μm以上のTi炭窒化物、Ti窒化物が増加し、
50nm以下のチタン炭化物(TiC)、チタン炭窒化
物(TiCN)の量が減少してしまう。このため、窒素
Nの含有量を0.01重量%以下にする。なお、チタン
窒化物が増加すると転がり寿命が低下してしまう。
焼入れ性を著しく向上させる元素であるが、0.000
5重量%未満ではその効果が十分ではなく、0.005
重量%を越えると、逆に焼入れ性を低下させて靭性を劣
化させる。このため、ボロンBの含有量を0.0005
〜0.0050重量%にする。
寿命向上に効果のある元素で選択的に添加するが、少な
すぎると寿命向上の効果がなく、多すぎると効果は飽和
する。そこで、モリブデンMoの含有量を0.03〜
1.00重量%、ニッケルNiの含有量を0.03〜
3.00重量%にする。
る元素であるので、その含有量の上限を0.02重量%
にする。
が、マンガンMnあるいはチタンTiと結合して転がり
寿命を低下させる硫化系介在物を形成するので、その含
有量の上限を0.02重量%にする。
生成し、転がり寿命を低下させる元素であるので、その
含有量の上限を0.0016重量%にする。
金組成成分として炭素Cを0.65〜1.20重量%,
シリコンSiを0.05〜0.70重量%,マンガンM
nを0.2〜1.5重量%,クロムCrを0.15〜
2.0重量%,チタンTiを0.05〜0.40重量
%,窒素Nを0.01重量%以下およびボロンBを0.
0005〜0.0050重量%含有すると共に、モリブ
デンMoを0.03〜1.0重量%,ニッケルNiを
0.1〜3.0重量%の範囲内でモリブデンMoおよび
ニッケルNiのうちのすくなくとも一種を含み、平均粒
径50nm以下のチタンTi炭化物,チタンTi炭窒化
物を鋼中に微細分散させる条件を満足するものである。
%,シリコンSiを0.05〜0.70重量%,マンガ
ンMnを0.2〜1.5重量%,クロムCrを0.15
〜2.0重量%,チタンTiを0.05〜0.40重量
%,窒素Nを0.01重量%以下含有し、平均粒径50
nm以下のチタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を鋼
中に分散させる条件を、「条件A」とする。
oを0.03〜1.0重量%、ニッケルNiを0.1〜
3.0重量%の範囲内でモリブデンMoおよびニッケル
Niの少なくとも一種を含み、平均粒径30nm以下の
チタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を鋼中に分散さ
せる条件を、「条件B」とする。
0005〜0.0050重量%を含み、平均粒径50n
m以下のチタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を鋼中
に分散させる条件を、「条件C」とする。
0.03〜1.0重量%、ニッケルNiを0.1〜3.
0重量%の範囲内でモリブデンMoおよびニッケルNi
の少なくとも一種を含み、かつボロンBを0.0005
〜0.0050重量%を含み、平均粒径50nm以下の
チタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を鋼中に分散さ
せる条件を、「条件D」とする。
の化学成分を示す。
施例6〜10は「条件B」を満足する合金鋼である。ま
た、実施例11〜15は「条件C」を満足する合金鋼で
あり、実施例6〜20は「条件D」を満足する合金鋼で
ある。これに対し、比較例1〜16はチタンTi,モリ
ブデンMo,ニッケルNi,ボロンBが「条件A〜D」
を満足していない合金鋼である。
受外輪だけを表1に示す供試材から製作した。この供試
材料では、チタンTiをマトリックスに溶け込ませるた
めに1150〜1350℃で加熱し、溶体化処理を施し
た。この外輪は、表1の材料を冷間加工し、通常熱処理
(840℃で焼入れ加熱、油冷却後、180℃で焼戻
し)を行った。
4、残留オーステナイト量は10〜20重量%、軌道表
面粗さは0.01〜0.03μmRaである。さらに、
実施例および比較例共に内輪および転動体は同じ軸受鋼
として熱処理を施し、内輪および転動体の表面の硬さを
HRC59〜64、内輪の表面粗さを0.01〜0.0
3μmRa、転動体の表面粗さを0.003〜0.01
0μmRaとした。
の寿命試験結果について説明する。試験機としては、回
転数を所定時間毎(例えば、9秒毎)に9000rpm
と18000rpmとに切り替えるベンチ急加減速試験
機を用いた。また、実施例および比較例共に、試験軸受
にはJIS呼び番号6303を用い、荷重条件をP(負
荷荷重)/C(動定格荷重)=0.10とし、封入グリ
ースにEグリースを用いた。さらに、このときの軸受の
計算寿命は、1350時間であり、したがって、試験打
ち切り時間を1000時間とした。試験は各々10個に
対して行った。
C,クロムCr,窒素Nの量で制御されるが、その他の
TiC微細分散化の要因として溶体化処理温度(高いほ
ど微細になる)が挙げられる。すなわち、各実施例の項
目において、溶体化処理温度の違いにより、TiC系が
異なったと考えられる。特に、温度が1300〜135
0℃に近いほど(実施例のB,D)、溶体化が確実とな
り、TiCが小さくなり、1200〜1250℃と低い
温度(実施例のA、C)である場合、溶体化が不十分と
なり、TiCが比較的小さくならない可能性が残る。
げて行うには、設備的にコストアップが考えられるの
で、そのバランスを考える必要がある。
i炭窒化物の平均粒径および寿命試験結果を示す。
径と軸受の耐久寿命との関係を示す特性図である。図3
は図2の平均粒径50nm以下の範囲における耐久寿命
を示す特性図である。
ンTi炭窒化物の平均粒径は15〜50nmの範囲に全
て収まっており、その耐久寿命L10はいずれも800
時間を越えている。
1〜5の軸受寿命L10は、全て800時間以上(10
個中2〜4個に剥離が発生)となり、比較例1〜16と
比べて長寿命となった。また、「条件C」を満足する実
施例11〜15の軸受寿命L10は全て900時間以上
(10個中1〜2個に剥離が発生)となり、比較例1〜
16と比べてさらに長寿命となった。
足する実施例6〜10、16〜20の軸受寿命L10は
全て1000時間以上を越えても剥離が生じず、試験を
打ち切った。
を満足することにより、鋼中に平均粒径50nm以下の
チタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物などを微細に分
散させてマトリックスを強化し、転がり疲労中の組織変
化を遅延させることにより、転がり軸受疲労寿命に到達
する時間を遅らせることができる。この結果、固定輪の
早期剥離が良好に防止され、従来に比べて大幅に転がり
寿命を延長することができる。
試験条件で2000hrに達しても剥離を生じなかっ
た。これはTiCの粒径が15nmであることの効果に
よる。実施例No.10,No.17の合金元素のTi
C微細分散化に与える効果としてはつぎのように考えら
れる。モリブデンMo、ニッケルNiの添加は、鋼の機
械的性質を向上させる元素であり、また、炭素C、クロ
ムCrと結びつくことにより、添加前と比較して微細な
炭化物を形成するので、TiC,TiCNも超微細な炭
化物を形成しやすくなる。一方、モリブデンMo,ニッ
ケルNiの添加量を増やしても寿命向上は飽和し、ま
た、高級な元素であるので、コストアップとなる。
較例1〜16では、全ての軸受の寿命L10が計算寿命
の1/4となっており、剥離部位は全て軸受外輪であっ
た。
いないので、鋼中に50nm以下のチタンTi炭化物、
チタンTi炭窒化物を生成することができず、長寿命に
ならなかった。
が多いので、チタンTi系の介在物が多くなり、鋼中に
50nm以下のチタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物
を分散させることができず、寿命延長効果が認められな
かった。さらに、比較例9〜16は「条件A〜D」を満
足しておらず、鋼中にチタンTi炭化物、チタンTi炭
窒化物を生成することができず、また、ボロンB添加の
効果がみられず、長寿命とならなかった。
通常熱処理を行い、軸受の残留オーステナイト量が10
〜20重量%としたが、さらに軸受の残留オーステナイ
ト量を10重量%以下とした寸法安定処理を施した軸受
に関しても同様の効果が得られる。
よれば、固定輪と回転輪との間に複数の転動体が配置さ
れた転がり軸受において、少なくとも前記固定輪の軸受
鋼の合金組成成分として、炭素Cを0.65〜1.20
重量%,シリコンSiを0.05〜0.70重量%,マ
ンガンMnを0.2〜1.5重量%,クロムCrを0.
15〜2.0重量%,チタンTiを0.05〜0.40
重量%,窒素Nを0.01重量%以下含有し、平均粒径
50nm以下のチタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物
を鋼中に分散させてなるので、チタンTiを0.05〜
0.20重量%添加し、鋼中に平均粒径50nm以下の
チタンTi炭化物、チタンTi炭窒化物を微細に分散さ
せることにより、高荷重・高振動を緩和し、マトリクス
を強化し、転がり疲労中の組織変化を遅延させて転がり
軸受の疲労寿命に到達する時間を遅らせることがてき
る。この結果、固定輪の早期剥離が良好に防止され、従
来に比べて大幅に転がり寿命を延長することができるよ
うになった。
0μmであったが、本願発明ではチタン炭化物(Ti
C)、チタン炭窒化物(TiCN)の粒径は50nm以
下であるので、クラックの伝幡および発生を抑制するピ
ンニング効果を得ることができる。これにより、オルタ
ネータ用軸受などのエンジン補機用軸受に適用する場
合、その寿命L10を向上させることができる。
価する試験機の概略的構成を示す図である。
粒径と軸受の耐久寿命との関係を示す特性図である。
久寿命を示す特性図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 固定輪と回転輪との間に複数の転動体が
配置された転がり軸受において、 少なくとも前記固定輪の軸受鋼の合金組成成分として、
炭素Cを0.65〜1.20重量%,シリコンSiを
0.05〜0.70重量%,マンガンMnを0.2〜
1.5重量%,クロムCrを0.15〜2.0重量%,
チタンTiを0.05〜0.40重量%,窒素Nを0.
01重量%以下含有し、 平均粒径50nm以下のチタンTi炭化物、チタンTi
炭窒化物を鋼中に分散させてなることを特徴とする転が
り軸受。
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