WO1995007417A1 - Piece mecanique comportant des elements de roulement - Google Patents

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Noriyuki Tsushima
Hirokazu Nakajima
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Definitions

  • the present invention relates to a mechanical component having rolling elements such as a constant velocity universal joint and a rolling bearing whose life is improved by a steel type of a constituent member and heat treatment.
  • the outer ring of a steel constant velocity universal joint, the outer ring of a hub bearing as one of the rolling bearings (these outer rings are referred to as the outer member in the following general description), and the outer member of the ball screw are It has a complicated shape with a thick part and a thin part. If carburizing or integral quenching is applied, the shape will be distorted. Also, in the constant velocity universal joint, the threaded portion of the shaft of the outer member and the mounting hole of the flange of the outer member of the hub bearing need to be left unhardened because quenching impairs toughness.
  • the induction hardening method which is convenient for quenching and hardening only the required surface layer, was used, and medium-carbon structural steel was used as the material, and the rolling and sliding surfaces were induction hardened and tempered. A hardened surface layer is formed.
  • rolling elements ball rolling elements and roller rolling elements (hereinafter simply referred to as rolling elements) used in the above mechanical parts have simple shapes, they have good hardenability and excellent rolling life, especially high carbon chromium bearing steel. (1% C, 1.5% Cr steel, etc.), it is used as a one-piece quench.
  • the above-mentioned induction hardened material contained Si and A1 in a total amount of 0.5 to 1.0% (% by weight, hereinafter the same) in addition to carbon steel for structural use, which is easy to forge.
  • Structural steels of ⁇ 0.8% C have been developed and used (Japanese Patent Publication Nos. 1991, 340, 1112, 12.77.651) These steel grades are inexpensive materials and are easy to forge, so they are suitable for forming outer members with complicated shapes.Also, there is little deformation during heat treatment during local induction quenching, and the inner parts Has high toughness and has a long rolling fatigue life because the hardened layer after induction hardening and tempering has good heat resistance and abrasion resistance.
  • the outer member and the inner member (hereinafter referred to as the inner member) See) has been awarded.
  • a mechanical component that is an object of the present invention includes: an outer member having a tread surface or a sliding surface on an inner surface; an inner member having a rolling surface or a sliding surface on an outer surface; and the outer member and the inner member. Rolling elements interposed between the rolling surface or the sliding surface.
  • the present invention provides the above-mentioned mechanical component, wherein the outer member has at least CO.50 to 0.70% and Si or A1 alone or a total amount of Si and A1 of 0.5 to 0.5%. 1.0%, and the rolling surface or the sliding surface has a hardened layer by induction hardening, and the rolling element is a quenched and tempered high carbon chromium bearing ⁇ . It is characterized in that it has a surface layer portion formed by carbonitriding on its outer peripheral surface.
  • Such mechanical parts include constant velocity universal arms, hub bearings and ball screws.
  • ball rolling elements there are rolling elements of cylindrical rollers or conical rollers.
  • the outer member has a medium carbon level of 0.50 to 0.70% C. It is made of induction hardened steel and its rolling * Since the sliding surface is tempered after induction hardening, the unhardened inner part is almost soft with good impact resistance, Since the compressive stress caused by the deformation during induction hardening remains in the hardened surface layer of the moving surface, etc., the hardened layer has excellent abrasion resistance, and the cracks in the surface layer cause the surface to become starved. Slow, long rolling fatigue life.
  • the C content of the induction hardening steel is less than 0.5%, the material becomes insufficient in induction hardenability, and if it exceeds 0.70%, the heat-workability deteriorates.
  • the composition range of C is 0.50 to 0.70% C, but preferably 0.60 to 70% C. Since this induction hardening steel contains 0.5% to 1.0% of Si and / or A1, both A1 and Si increase the tempering softening resistance and are used under high surface pressure. Even when the rolling surface generates heat, the degree of softening of the hardened layer is small, and the hardened layer has heat resistance.
  • the total amount of S i and A 1 is in the range of 0.5 to 1.0%. Normally, it is considered to be A ⁇ killed steel containing 70 to 0.90% of SiO 2 and about 1.03% of A 1.
  • the other components Mn and Cr are each set to 1.5% or less. However, since Mn secures the toughness of the internal part and increases the hardening ability of the surface hardened layer by induction hardening, it is 1.0%. It is adjusted to ⁇ 1.2% Mn, and usually 0.3% Cr or less without adding Cr. On the other hand, the rolling element high carbon chromium bearing steel is 0.90 ⁇ 1.10% C , 0.15 to 0.70% Si, 1.0% or less Mn, 1.0 to: 1.6% Cr This is a mesh with a basic composition of carbonitriding and quenching.
  • the martensitic transformation of the carbonitrided surface layer is delayed more than the inside during the quenching process after austenitization, so residual compressive stress is applied to the surface layer after transformation. Occurs, the amount of residual austenite increases, and fine carbonitrides are dispersed and precipitated in the matrix of the surface layer to increase the hardness, thereby improving the abrasion resistance and fatigue strength.
  • Rolling elements that have been carbonitrided and quenched delay rolling of the rolling element surface due to the ingress of wear powder generated due to wear of the rolling surface of the outer member or the inner member, resulting in a longer life.
  • the life of the bearing as a whole or the universal joint as a whole is prolonged, and the reliability associated with the long life is improved.
  • high carbon chromium bearing ⁇ JIS SU J2 steel (see Table 4, equivalent to DIN 100 Cr 6 ⁇ and SAE 52100 steel) is preferably used.
  • the carbonitriding of high carbon chrome shaft ⁇ if the gas carbonitriding method, generally, 0 to about 20% endothermic gas (Ji, H 2 35%, endothermic gas N 2 to about 40% of the composition : RX gas) to increase the carbon potential by adding a hydrocarbon gas such as methane, and heat and maintain the rolling elements in an atmosphere containing ammonia as a nitriding agent.
  • NX gas a nitrogen-based heating type gas (CO than about 2%, H 2 of about 2%, non-oxidizing originating mature type gas composition of the balance mostly N 2; hereinafter referred to as NX gas) or nitrogen Gas is also used.
  • the surface layer of this rolling element is formed by carbonitriding in nitrogen gas or a mixed gas of NX gas, hydrocarbon gas and ammonia gas
  • the amount of nitriding is large and the hardening by quenching is large.
  • the properties and fatigue strength are improved.
  • the atmosphere in which the nitric acid ammonia gas is mixed with the conventional RX gas contains a large amount of hydrogen gas. In this case, since hydrogen gas in the atmosphere can be reduced, there is an advantage that noise of hydrogen embrittlement in the process of using the rolling element is reduced.
  • a low-carbon chrome structure pot (0.13 to 0.48% C, 0.90 to 1.20%) is used.
  • % C r Carburized product of, for example, JIS SC r415 steel in Table 4
  • medium carbon structural rope (0.47 to 0.61% C: For example, the same S in Table 4) 53 C steel) and the above-mentioned hardened one of the high-carbon chromium bearing steel (for example, SUJ2 ⁇ in Table 4).
  • the mechanical component including the rolling bearing and the constant velocity hand of the present invention has a complicated shape because the outer member is formed of a medium carbon quenching rope and has high formability. it can.
  • the inner surface including the rolling surface and the sliding surface of the outer member is made of the induction hardened hardened layer of the medium carbon steel
  • the rolling element is slightly more abrasion resistant to rolling and sliding than the rolling element. Inferior, but excellent in starvation resistance.
  • the rolling elements are made of high carbon chromium steel and have a hardened surface layer by carbonitriding and quenching on the outer peripheral surface, so they have better abrasion resistance and rolling fatigue than solid hardened bodies. Therefore, the fatigue life of the joint or the bearing as a whole is prolonged.
  • the outer member Even if the outer member has a complicated shape, it can be easily processed and heat-treated by high-frequency heating.Since the rolling element with a simple shape is suitable for carbonitriding, select an appropriate material for the inner member. This makes it easy to reduce the weight of bearings or joints, and is suitable for mass production without incurring high molding and heat treatment costs. (I) brief description of the drawings;
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a hub bearing (A) and a fixed type ball joint (B) used for an automobile which is an object of the present invention.
  • Fig. 2 shows the Weitzkers hardness distribution of the surface layer in the cross section of the steel ball after tempering after carbonitriding and quenching.
  • Fig. 3 is a microscopic photograph (A, B) of a metal glow in a section near the surface of a pot ball that has been carbonitrided and quenched and then tempered (magnification: 400, sacrificial solution: picric acid alcohol solution) It is.
  • Fig. 4 shows the Vickers hardness distribution of the surface layer in the cross section of a steel ball which has been carbonitrided, quenched and quenched at a low temperature and further subjected to a high temperature quenching of 50 (TC) h. ⁇
  • FIG. 1 (A) shows, by way of example, a longitudinal sectional view of a hub bearing used for supporting a vehicle of a conventionally known automobile, the structure of which is known in the art.
  • a flange 5 is integrally formed on an outer side of the vehicle, and the flange 5 is provided with a bolt hole 51 through which a fixing bolt (not shown) for fixing a vehicle is inserted.
  • rolling balls 60 having rolling surfaces 6 on which two sets of balls 8 as rolling elements roll are rolled around the front and rear two rows.
  • the inner ring 2 which is an inner member, includes a pair of front and rear inner holes 2a and 2b each having a rolling surface ⁇ ⁇ on which the ball 8 rolls in the vicinity of the enlarged diameter portion 21 at one end.
  • the rolling surface 1 is in sliding contact with the ball 8 and is rotatably held in the outer bellows ⁇ ⁇ in the hollow portion of the outer race 7 with the end surfaces abutting on each other.
  • the outer race 7 is made of a 0.50 to 0.70% C medium-carbon steel to which A1 and / or Si are added, and hot A hardened layer 61 formed by induction hardening and subsequent tempering is formed only on the rolling surface 6 of the groove 60 and the peripheral portion thereof by forging.
  • the inner chamber 2 has a relatively cylindrical shape, and is formed of JIS SUJ2 steel, which is a high-carbon chromium bearing steel, and has been tempered after integral quenching.
  • FIG. 1 (B) shows an embodiment of a fixed type ball joint as a kind of constant velocity adjustable hand which is another object of the present invention, and an outer member 7 as an outer member is an inner peripheral surface of a mouse portion 7a.
  • a rolling groove 60 of a teaching line having a rolling surface 6 is engraved along the axial direction, and a stem 7 b of a shaft integrally protruding from an end of a mouth 7 a is serrated on an outer periphery.
  • Gaien 7 is integrally formed by hot forging with 0.5 to 70% C rope to which A1 and / or Si is added, and the inner peripheral surface of the mouth 7a is rolling.
  • the hardened layer 61 including the surface 6 is formed by induction hardening and subsequent tempering.
  • an inner ring 2 as an inner member is held on its outer periphery via a ball 8 of a rolling element that fits in a rolling groove 10, but this inner ring 2 is carburized and quenched. It is formed from the subsequently tempered SCr415 steel, and at least the rolling surface ⁇ in the rolling groove is hardened.
  • the ball 8 is made of SUJ2 steel that has been subjected to gas carbonitriding and post-quenching and tempering.
  • a ball screw which is another object of the present invention is a mechanical component in which a screw shaft as an inner member and a nut as an outer member operate via a ball rolling element.
  • the nut is formed from 0.50 to 0.70% C steel to which A1 and / or Si is added by hot forging, and the ball rolling surface is induction hardened.
  • SUJ 2 steel after carbonitriding and post-quenching and tempering Is used.
  • an integral hardened product of SU J2 steel or a carburized and hardened product of structural low chrome steel can be used.
  • Si-containing medium carbon composition 0.65% C, 0.80% Si, 1.10% n.0.015% P, 0.010% S, 0.030% AK 0.20% Cr; hereinafter referred to as NK J 65 class
  • NK J 65 class Si-containing medium carbon
  • the outer peripheral surface was subjected to induction hardening and tempering at 170 ° C for 2 hours to complete a cylindrical specimen with a diameter of 12 mni and a length of 22 mm.
  • JIS S53C steel, a medium carbon steel for structural use, and carbon chromium bearing steel SUJ2 steel were selected and machined into a cylindrical shape. perform tempering of 70 ° CX 2 h, also by the tempering of 1 80 e CX 2 h after the integral hardening quenching after oil austenite of 850 ° CX 0. 5 h to SUJ 2 ⁇ , similar Into cylindrical specimens.
  • JIS bearing number 620 6 (outer bellows outer diameter 62 mm, inner ring inner diameter 30 mm), using quenched and tempered steel and high-carbon chromium bearing steel SUJ 2 steel ball carburized and quenched as rolling elements ) was formed and a rolling life test was performed.
  • the carbonitriding of the balls was carried out by a bright quenching furnace in an atmosphere in which 1 part of propane gas and 10 parts of ammonia gas were added to 100 parts of RX gas for bright quenching and 100 parts of ammonia gas by volume ratio. After heating for h, it was quenched in oil. Tempering was performed at 17 (TCX for 2 h).
  • the life test conditions were as follows: test bearing 6206, bearing load 700 kg kg, number of revolutions 200 rpm, lubrication was circulating lubrication of turbine 56 oil.
  • Table 2 shows that the frequency of surface sculptures on the ball itself in bearings damaged by the life test is higher than that of the conventional combination of the medium carbon steel outer wheel and the high carbon chrome steel integrally hardened ball.
  • the combination with the carbonitrided and quenched ball of high carbon chromium steel is smaller than that of the case where the outer peripheral ball is also quenched together, and the life is extended. It turns out that there is.
  • the outer casing is made of a medium-carbon steel induction hardened product and the ball of the sintering body is made of a high carbon chromium steel SUJ2 by carbonitriding and quenching, is described below.
  • the rolling elements are spheres with a diameter of 16.669 mm.
  • a bright quenching furnace is used to select RX gas and NX gas as carrier gases.
  • 17 TC X 2 h Tempered.
  • Fig. 2 shows a hardness distribution curve measured by a micro Vickers hardness tester from the surface to the internal part in the cross section of a steel ball that has been subjected to carbonitriding and quenching and then tempering.
  • the surface layer hardens slightly from the inner part, but the treatment in an atmosphere based on NX gas (curve a in the figure) is better than that in RX gas (curve b in the figure).
  • the hardness of the part is high, and it increases by about 1 to 2 HRC in Rockwell C hardness.
  • Fig. 3 is a micrograph of the vicinity of the cross-sectional surface of the steel ball in the heat treatment. Fine carbides are observed in the surface layer of carbonitrided carbon steel in an atmosphere based on NX gas (Fig. A)). This fine carbide is considered to contribute to the improvement of the wear resistance.
  • Figure 4 after the low-temperature tempering, such as shown in FIG. 2 shows a further 5 0 0 e C 1 hardness distribution of the high-temperature tempering line ivy steel ball h. Due to this high-temperature tempering, the inner part softens to Hv500 or less, but the surface layer still has a hardness of ⁇ 600 or more.
  • the hardness of the hardened layer (curve a in the figure) on the surface of the steel ball carbonitrided on the basis of NX gas shows the hardness of the steel ball carbonitrided on the basis of the RX gas (curve a).
  • the hardness difference is considered to be due to the difference in the amount of nitrogen in the surface layer.
  • the outer wheel is made of S53C steel and the above-mentioned NKJ65 steel forged product on the inner peripheral surface of the mouse part. It has been heat-quenched.
  • the inner ring is a carburized and quenched product of SC r4 15 steel, as before.
  • the balls as the rolling elements were obtained by carbonitriding and quenching of SU J2 steel, and the atmosphere gas in the furnace during carbonitriding was RX gas as the carrier gas, as shown in the above-mentioned embodiment. And NX gas are used. Both are formed by mixing propane gas and ammonia gas, and the heat treatment conditions are the same as in the above embodiment.
  • the comparative example is a ball joint using a ball of a conventional one-piece hardened product of SU J2 steel.
  • the life test of the fixed ball joint was performed under the conditions of an operating angle of 6 °, a load torque of 21 kgf-m, and a rotation speed of 170 rpm.
  • Table 3 shows the test results.In the same manner, when the induction hardened product was used for the outer case, the carbonitrided and quenched ball was more effective in improving the life of the joint than the conventional integrally quenched ball. is there. It can also be seen that the carbonitriding product based on NX gas has a longer rolling life than that based on RX gas in a carbonitriding and quenching atmosphere.
  • the load conditions are: load torque 21 kg km, rotation speed 1700 rpm, working angle 6 °
  • Example of the present invention In this embodiment, a mixed gas based on NX gas is shown as the carbonitriding gas, but a gas obtained by mixing a hydrocarbon gas and an ammonia gas with a nitrogen gas may be used instead.
  • the machine component having the rolling element according to the present invention is a machine component having a complicated shape on the outer member, in particular, as a constant velocity universal joint of a rotary power transmission system, and a hub bearing that rotatably supports a wheel on an axle. Further, it is suitable for use as a ball screw for a control machine in the fields of the automobile industry and other machine industries.

Description

明細書
転動体を有する機械部品 分野
本発明は、 構成部材の鋼種及び熱処理によって、 寿命を改善した 等速自在継手や転がり軸受などの転動体を有する機械部品に関する
背景技術
鋼製の等速自在継手の外輪や、 転がり軸受の一つでハブベアリン グの外輪 （これらの外翰を、 以下の一般的説明では、 外側部材と参 照） 、 さらにボールねじの外側部材は、 複雑な形状を有して、 厚肉 部と薄肉部とがあって、 浸炭焼入れや一体焼入れを施すと、 形状に 歪みを生じてしまう。 また、 等速自在継手には外側部材のシャフト のネジ部ゃハブベアリングの外側部材のフランジの取り付け孔は、 焼入れされると靱性を害するので未硬化のままとする必要がある。 そこで、 従来、 必要な表層部分にのみ焼入れ硬化させるに好都合な 高周波焼入れ法を採用して、 材料に中炭素構造用鋼を使用し、 その 転走面ゃ摺動面には高周波焼入れ ·焼戻しされた表面硬化層が形成 されている。 また上記機械部品に使用するボール転動体とコロ転動 体 （以下、 単に、 転動体と称する） は単純形状であるから、 焼入れ 性よく転動寿命にすぐれた軸受鋼、 特に高炭素クロム軸受鋼 （ 1 % C一 〗 . 5 %C r鋼など） により、 一体焼入れ （ずぶ焼入れ） 焼戻 しされて使用される。
前述の高周波焼入れ材には、 鍛造容易な構造用炭素鋼の他に、 S i と A 1 とを総量で 0. 5〜 1. 0 % (重量％、 以下同じ） 含有さ せた 0. 6〜0. 8 %Cの構造用鋼が開発されて利用され （日本の 特許公開公報平 3— 1 9 9, 3 4 0号、 同平 1 一 1 2 7. 6 5 1号 ) 、 これらの鋼種は、 材料が安価で、 かつ、 鍛造が容易であるから 複雑な形状の外側部材の成形に適し、 また、 局部的な高周波焼入れ 時の熱処理中の変形少なく、 且つ内質部は靱性があり、 更に高周波 焼入れ焼戻し後の硬化層が耐熱性と耐摩耗性に便れているので、 転 がり疲労寿命が長い特長を有し、 外側部材及び内轆 （以下、 内側部 材と参照） に賞用されて来た。
また、 上記の髙炭素クロム軸受鋼により形成して、 その表面に浸 炭窒化処理を行い、 一体焼入れ後に焼戻しをした軸受部品が提案さ れており （ァメリ力特許 U S P 3 . 2 1 6 , 8 6 9 ) 、 また焼入れ 後の比較的高温での焼戻しにより、 内質部の残留オーステナイ ト量 を極力低減させ、 表層の浸炭層は適量のオーステナイ トを残留させ て転動疲労寿命を向上させた熱処理法が知られている （日本の特許 公開公報昭 6 2 - 2 1 8 , 5 4 2号） 。
解決課題
一般に、 中炭素鋼の高周波焼入れ材を軸受の軌道輪や等速自在継 手の外側部材に使用した場合は、 これら外側部材の寿命は、 高炭素 クロム軸受綱一体焼入れの転動体の寿命より短かった。 しかるに、 上述のような寿命の長い中炭素鋼の高周波焼入れ材の外側部材が出 現するに伴い、 また、 自動車用の軸受ゃ等速自在継手に小型化♦軽 量化が要求されるに伴い、 転走面等に対する作用圧力が高くなる傾 向にあり、 このような高面圧下での使用条件では、 相対的に高炭素 ク口ム軸受鍋に一体焼入れした転動体の疲労寿命に不満を生じるこ ととなった。
高面圧下での転動体の疲労寿命のこの相対的低下は、 高周波焼入 れ材の焼入れ硬化した外側部材の転走面又は摺動面の摩耗によって 発生する摩耗粉により、 転動体の表面が剝雕するために生じるので ある。 転動体表面の剝離は、 特に、 等速自在継手のように、 耘動体 と外側部材等との摺動面で転動体の転がり運動とともにすベり運動 が関与する場合に多くなる。
また、 外側部材の摩耗を防止低減するために外側部材に上記の高 炭素クロム軸受鐧のずぷ焼入れ品や浸炭窒化処理品を使用するのは 、 複雑な形状に鍛造するのが困難であって、 切削加工に頼らざるを 得ず、 量産性に欠け、 製造コストが高価となり、 実用的ではなかつ 本発明は以上の問題を解決すべく、 外側部材転走面の長寿命化に 対応して転動体の剝濉による寿命限界を改善して、 寿命が長く信頼 性が高く、 且つ量産性に優れた軸伝動部材ゃ軸受などの機械部品を 提供することを目的とする。 発明の開示
本発明の対象とする機械部品は、 内面に耘走面若しくは摺動面を 具備した外側部材と、 外面に転走面若しくは摺動面を具備した内側 部材と、 当該外側部材と内側部材との転走面若しくは摺動面の間に 介装された転動体と、 から成るものである。
本発明は、 上記の機械部品において、 当該外側部材が、 少なくと も、 C O . 5 0〜0 . 7 0 %と、 S i若しくは A 1の単独又は S i 及び A 1の総量 0 . 5〜 1 . 0 %とを含有して成る鋼により形成さ れ、 且つ当該転走面若しくは摺動面に高周波焼入れによる硬化層を 有し、 当該転動体が、 焼入れ焼戻しされた高炭素クロム軸受鐧によ り形成され、 且つその外周表面に浸炭窒化された表層部を有してい ることを特徵とするものである。
このような機械部品には、 等速自在維手、 ハブベアリング及びボ ールねじがある。 また、 転動体には、 ボール転動体のほかに、 円筒 コロ又は円錐コ口のコロ転動体がある。
外側部材は、 0 . 5 0〜0 . 7 0 % Cを含有する中炭素レベルの 高周波焼入れ用鋼で形成され、 その転動 *摺動面が高周波焼入れ後 の焼戻しがされているから、 未焼入れの内質部が耐衝撃特性の良い ほぼ軟質とされているの対して、 転動面等の焼入れ硬化した表層部 には高周波焼入れの際の変憨に伴う圧縮応力が残留しているから、 硬化層は耐摩耗性に優れ、 表層部の亀裂による表面剝饑への進展が 遅く、 転がり疲労寿命が長い。
この高周波焼入れ用鋼の C含有量が 0. 5 0%未満であると、 材 料の高周波焼入れ性が不十分となり、 他方、 0. 70%を越えると 、 熱閭加工性が悪くなるので、 Cの組成範囲は、 0. 5 0〜0. 7 0%Cとするが、 好ましくは、 0. 6 0〜 70 %Cとする。 この高周波焼入れ用鋼が S i及び/又は A 1を 0. 5〜1. 0% 含有するので、 A 1と S iとが共に耐焼戻し軟化抵抗性を高めて、 高い面圧下での使用条件で転走面が発熱しても硬化層の軟化の程度 が小さく、 硬化層は耐熱性が得られる。 また、 通常の〗 7 (TC焼戻 しょり高い温度の 1 8 0〜26 0 °Cで焼戻しても表面硬化層の硬さ を殆ど低下させずに、 残留オーステナィ ト 1 5 %以下の適量に謌整 することができ、 これにより硬化層の硬さと靱性が確保できる。
S iと A 1とは、 その含有量の総量で 0. 5%未満であると、 耐 焼戻し軟化抵抗性、 耐熱性が不十分で、 1. 0%をこえると、 熱間 加工性が低下するので、 S iと A 1の総量を 0. 5〜1. 0%の範 囲とする。 通常は、 S i O. 70〜0. 90%と、 A 1 0. 0 3 % 程度を含む A〗キルド鋼とされる。
その他の成分 Mnと C rとは、 それぞれ 1. 5 %以下とされるが 、 Mnについては内質部の靱性を確保し且つ高周波焼入れの表面硬 化層の硬化能を高めるので、 1. 0〜1. 2%Mnに調整され、 C rは添加せずに通常 0. 3 %C r以下とされる。 他方、 転動体の高炭素クロム軸受鋼は、 0. 9 0〜1. 1 0%C 、 0. 1 5〜0. 70%S i、 1. 0%以下の Mn、 1. 0〜： 1. 6 %Crを基本組成とする網で、 これを浸炭窒化焼入れすると、 転 動体表層部にある炭素 *窒素濃化層の Ms点が低下して、 オーステ ナイ ト化後の焼入れ過程で、 浸炭窒化表層部のマルテンサイ ト変態 が内部よりも遅れるので、 変態後の表層部に残留圧縮応力が発生し 、 残留オーステナイ ト量が増加し、 且つ表層部のマトリックス中に 微細な炭窒化物が分散析出しその硬度が上昇して、 酎摩耗性と疲労 強度が向上する。
浸炭窒化焼入れされた転動体は、 外側部材又は内側部材の転走面 の摩耗により発生する摩耗粉のかみ込みに対して、 転動体表面の剝 雜を遅延して、 寿命が長くなるので、 転がり軸受全体として、 ある いは自在継手全体としての寿命が長くなり、 長寿命に伴う信頼性が 向上する。
高炭素クロム軸受鐧としては、 J I Sの SU J 2鋼 （第 4表参照 、 D I Nの l O O Cr 6鐦及び S AE 521 00鋼に相当） が好ま しく使用される。 この高炭素クロム軸受鐧の浸炭窒化処理は、 ガス 浸炭窒化法の場合は、 一般には、 吸熱型ガス （じ0約20%、 H2 約 35 %、 N2 約 40 %の組成の吸熱型ガス ：以下、 RXガスと称 する） にメタン等の炭化水素ガスを添加してカーボンポテンシャル を高め、 窒化剤としてアンモニアを添加してなる雰囲気中で転動体 を加熱保持して行う。 RXガスに代えて、 窒素系発熱型ガス （CO 約 2%以下、 H2 約 2%以下、 残部殆ど N2 の組成の非酸化性の発 熟型ガス ；以下、 NXガスと称する） や窒素ガスも利用する。
この転動体の表層部は、 窒素ガス若しくは上記 NXガスと炭化水 素ガスとアンモニアガスとの混合ガス中の浸炭窒化による場合には 、 浸窒量が大きく、 焼入れによる硬化が大きいので、 酎摩耗性と疲 労強度が向上する。 又、 従来の RXガスに窒化剤アンモニアガスを 混合した雰囲気には水素ガスを多量に含有するが、 NXガスを基礎 とすると雰囲気中の水素ガスを低減できるので、 転動体の使用過程 での水素脆性の騷念が少なくなる利益がある。
内側部材については、 概ね筒状の単純形状であるので、 本発明に おいては、 低炭素クロム構造用鍋 （ 0. 1 3〜0. 4 8 %C、 0. 9 0〜 1. 2 0 %C r ：例えば、 第 4表の J I Sの S C r 4 1 5鋼 等） の浸炭品、 中炭素構造用綱 （ 0. 4 7〜0. 6 1 %C :例えば 、 第 4表の同 S 5 3 C鋼） の髙周波焼入れ品、 及び、 前述の高炭素 クロム軸受綱 （例えば、 第 4表の同 SU J 2鐦等） の一体焼入れ品 から適宜選択する。
以上述べた如く、 本発明の転がり軸受及び等速維手を含む機械部 品は、 外側部材が中炭素焼入れ用綱で形成されて成形性に富むので 、 複雑な形状の外側部材とすることができる。 外側部材は、 転走面 •摺動面を含む内面を当該中炭素鋼の高周波焼入れ硬化層とするの で、 転動体の転走 ·摺動に対しての酎摩耗性において転動体よりや や劣るが耐剝饑強度においてすぐれている。 他方、 転動体は、 高炭 素クロム鋼で形成され、 その外周面には浸炭窒化焼入れによる硬化 表層部を有しているから、 一体焼入れ硬化体よりも耐摩耗性と転動 疲労にすぐれており、 従って上記継手又は軸受の全体としての疲労 寿命が長くなる。
外側部材は、 複雑形状であっても加工成形及び高周波加熱による 熱処理を容易にすることができ、 また単純形状の転動体は、 浸炭窒 化処理に適しており、 内側部材に適当な材質を選択すれば、 軸受又 は継手の軽量化が容易であり、 成形 ·熱処理のコスト高を招く こと なく、 量産化に適している。 一 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の対象である自動車に使用されるハブベアリン グ （A) と固定型ボールジョイント （B) の縦断面図である。 第 2図は、 浸炭窒化焼入れした後焼戻しを行った鋼球の断面にお ける表層部のヴイツカース硬度分布を示す。
第 3図は、 浸炭窒化焼入れした後焼戻しを行つた鍋球の表面近傍 断面における金属組鑼の顴微鏡写真 （A , B ) (倍率： 4 0 0、 腐 食液： ピクリン酸アルコール液） である。
第 4図は、 浸炭窒化焼入れ低温焼戻して、 更に 5 0 (TC】 hの高 温焼戾しをした鋼球の断面における表層部のヴィッカース硬度分布 を示す。 発明を実施するための最良の形憨
まず、 本発明の詳細を図面に基づいて、 説明する。
第 1図 （A ) は、 一例として、 構造自体は従来公知である自動車 の車翰を軸支するのに使用されるハブベアリングの縱断面図を示し ているが、 外側部材である軸受外輪 7には、 外側に一体にフランジ 5が形成されており、 フランジ 5には、 自動車の車翰を固定する固 定用ボルト （不図示） が揷通されるボルト孔 5 1が設けられている 。 外轅 7の内面には、 転動体である前後 2組のボール 8が転走する 転走面 6を有する転走溝 6 0が前後 2列周設されている。
内側部材である内輪 2は、 それぞれ一端の拡径部 2 1に近接して 上記ボール 8が転走する転走面〗を有する前後一対の内翰 2 a , 2 bから成り、 その他端側の端面が互いに突接された状態で、 外輪 7 の中空部内にあって、 転走面 1がボール 8に摺接して外鞴 Ί内に回 転自在に保持されている。
この構造において、 本発明によれば、 外輪 7は、 A 1及びノ又は S iを添加した 0 . 5 0〜0 . 7 0 % Cの中炭素鋼により、 そのフ ランジ 5も含めて熱間鍛造により一体に成形され、 溝 6 0の転走面 6とその周辺部にのみ、 高周波焼入れとその後の焼戻しによる硬化 層 6 1が形成されている。 他方、 内翰 2は、 比較的円筒状に近い形状であるから、 高炭素ク ロム軸受鋼である J I Sの S U J 2鋼から形成され、 一体焼入れ （ ずぶ焼入れ） 後の焼戻しがされている。
また、 ボール 8は、 S U J 2鋼で形成され、 ガス浸炭窒化処理し て後一体焼入れ （ずぶ焼入れ） と焼戻しが施されており、 図示しな いが、 ボール 8の表層には高硬度の浸炭窒化層が形成されている。 第 1図 （B ) は、 本発明の別の対象である等速自在維手の一種と して固定型ボールジョィントの実施例で、 外側部材である外轎 7は マウス部 7 aの内周面に転走面 6を有する教条の転走溝 6 0が軸方 向に沿って刻設され、 マウス部 7 aの端部に一体に突設された軸の ステム部 7 bには外周にセレーシヨン 7 1が転造されている。 外轅 7は、 上記の A 1及び/又は S iを添加した 0 . 5 0〜 7 0 % C綱により、 熱間鍛造により一体に成形され、 マウス部 7 aの内周 面は、 転走面 6を含めて、 高周波焼入れとその後の焼戻しによる硬 化層 6 1が形成されている。
外輪 7のマウス部 7 a内には、 内側部材である内輪 2がその外周 に転走溝 1 0に嵌まる転動体のボール 8を介して保持されているが 、 この内輪 2は、 浸炭焼入れ後の焼戻しがされた S C r 4 1 5鋼か ら形成されて、 少なく とも転走溝内の転走面〗が硬化されている。 ボール 8は、 ガス浸炭窒化処理して後焼入れ焼戻しが施された S U J 2鋼で形成されている。
さらに、 本発明の別の対象であるボールねじは、 図示しないが、 内側部材であるねじ軸と外側部材であるナツ トとがボール転動体を 介して作動する機械部品で、 本発明においては、 ナツ トは上記の A 1及び/又は S iを添加した 0 . 5 0〜0 . 7 0 % C鋼により、 熱 間鍛造により成形されてボール転走面が高周波焼入れされ、 ボール には、 ガス浸炭窒化処理して後焼入れ焼戻しが施された S U J 2鋼 が利用される。 ねじ軸には、 SU J 2鋼の一体焼き入れ品又は構造 用低クロム鋼の浸炭焼入れ品が利用できる。
次に、 このような外側部材を形成する高周波焼入れ用鋼について 行つた素材のころがり寿命試験を示す。
外側部材を形成するための高周波焼入れ用鐧としては、 S i添加 中炭素鐦 （組成 0. 65%C、 0. 80%S i、 1. 1 0 % n. 0. 0 1 5%P、 0. 0 1 0%S、 0. 030 %A K 0. 20% C r ；以下、 NK J 65綱という。 ） を使用し、 精密研磨代を残し て、 円筒状に施削加工し、 常用の外周面の高周波焼入れと 1 70°C X 2 hの焼戻しを行い、 直径 1 2mni、 長さ 22 mmの円筒試片に 仕上げた。
比較例として、 構造用中炭素鋼である J I Sの S 53 C鋼と髙炭 素クロム軸受鋼 SU J 2鋼とを選んで円筒状に施削加工し、 S 53 C鋼には高周波焼入れと 1 70°CX 2 hの焼戻しを行い、 また、 S U J 2鐧に 850 °CX 0. 5 hのオーステナイ ト化後油中急冷する 一体焼入れをした後 1 80 eC X 2 hの焼戻しをして、 同様の円筒試 片に仕上げた。
次に、 この円筒試片を用いて、 円筒型転動疲労寿命試験機 （ェヌ ティェヌ （株） 製） を用いて、 ヘルツ最大接触応力 600 k g f / mm2 の荷重下で回転速度 23, 1 20 r p mにより寿命試験を行 つた。 その結果を第 1表に示す。 第 1表 円筒型転動疲労寿命試験
Figure imgf000012_0001
第 1表の結果より、 NK J 6 5の高周波焼入れ品が SU J 2の一 体焼入れ品よりすぐれた寿命を表しているのが判る。 一方、 S 5 3 C鋼は、 NK J 6 5綱及び SU J 2鋼に比べてその寿命は遙かに劣 つている。 次に、 既述のハブベアリングを想定して、 外翰に中炭素鋼 （S 5 3じと上記組成の1^1( 65) の高周波焼入れ品を、 内輪に高炭素 クロム軸受鋼 SU J 2鋼の焼入れ焼戻し品を、 また転動体として高 炭素クロム軸受鋼 S U J 2鋼のボールの浸炭窒化焼入れ品を使用し て、 J I Sの軸受番号 620 6 (外鞴外径 62 mm, 内輪内径 3 0 mm) のボールベアリングを形成し、 転がり寿命試験を行った。
ボールの浸炭窒化は、 光輝焼入れ炉により、 容積比で光輝焼入れ 用の RXガス 1 0 0部に、 プロパンガス 1部とアンモニアガス 1 0 部を加えた雰囲気中で 8 5 0 °C X 1. 5 h加熱した後、 油中焼入れ をした。 焼戻しは 1 7 (TCX 2 hで行った。
比較例として、 外輪に高炭素クロム鋼 SU J 2の一体焼入れ及び ボールに同じく SU J 2鋼の一体焼入れをしたものの寿命試練を行 つた。 熱処理条件は、 8 5 (TCX 0. 5 hのオーステナイ ト化後油 中焼入れ後、 1 6 0eCx 2 hの焼戻しである。 その結果を第 2表に 示す。
寿命試験条件は、 試験軸受 620 6、 軸受荷重 70 0 k g ί、 回 転数 20 0 0 r pm、 潤滑はタービン 5 6油の循環給油であった。 第 2表から、 寿命試験により破損した軸受において、 ボール自体 に表面剝雕を有する頻度は、 中炭素鋼の外轤と、 高炭素クロム鋼の 一体焼入れのボールとの従来の組み合わせよりも、 本発明の実施例 の如く、 高炭素クロム鋼の浸炭窒化焼入れのボールとの組み合わせ の方が小さくなつており、 外籀 ' ボールとも一体焼入れをした場合 と同程度であって、 しかも寿命は延びていることが判る。
第 2表 軸受の転がり寿命試験の結果
Figure imgf000013_0001
い内翰は S U J 2の一体焼入れ
軸受品番 ； J I Sの 6 2 0 6番 （外径 6 2 mm; 内径 3 0 mm) 負荷条件 7 0 0 0 k g ί 回転数； 2 0 0 0 r p m
2)本発明の実施例
更に、 外翰を中炭素鋼の高周波焼入れ品とし、 耘動体のボールを 高炭素クロム鋼 S U J 2の浸炭窒化焼入れ品とした既述の固定型ボ ールジョイントの実施例を次に示す。
転動体は、 直径 1 6 . 6 6 9 mmの球で、 光輝焼入れ炉を利用し て、 搬送ガスとして R Xガスと N Xガスを選び、 常温 1気圧下容積 比で、 この搬送ガス 1 0 0部に対して浸炭剤としてのブタンガス 1 部と窒化剤としてアンモニアガス 1 0部を混合した雰囲気中で 8 5 0 °C 2 hの浸炭窒化処理を行い、 油冷後、 1 7 (TC X 2 hで焼戻 しを行つた。 第 2図は、 浸炭窒化焼入れ後焼戻しの処理をした鋼球断面におけ る表面から内質部に直ってマイクロヴィカース硬度試験機により測 定した硬度分布曲線を示している。 浸炭窒化処理を行えば、 表層が 内質部より若干硬化するが、 N Xガスを基礎とした雰囲気の処理の 方 （図中 a曲線） が、 R Xガスのものより （図中 b曲線） 、 表層部 の硬度が高く、 ロックウェル C硬度に換算して H R C 1〜2程度上 昇する。
第 3図は、 当該熱処理の鋼球の断面の表面近傍の顕微鏡写真であ るが、 N Xガスを基礎とした雰囲気で浸炭窒化した鐧球の表層に微 細な炭化物が認められる （同図 （A) ) 。 この微細な炭化物が耐摩 耗性の向上に寄与していると考えられる。 第 4図は、 第 2図に示 したような低温焼戻しの後、 さらに 5 0 0 eC 1 hの高温焼戻しを行 つた鋼球の硬度分布を示している。 この高温焼戻しによって、 内質 部は H v 5 0 0以下に軟化するが、 表層部は、 なお Η ν 6 0 0以上 の硬度を有しており、 このことは使用中の摩擦による転走面の発熱 があっても軟化し難いことを示ししているが、 この表層の硬さは、 浸炭窒化過程で表面より浸透した窒素が炭窒化物として析出分散し ていることによるものである。 さらに、 第 4図において、 N Xガス を基礎にして浸炭窒化処理した綱球の表面の硬化層の硬さ （図中 a 曲線） が R Xガスを基礎にして浸炭窒化処理した鋼球の硬さ （図中 b曲線） より大きく、 この硬度差は表層部の窒素量の差に起因する ものと考えられる。 次に、 固定型ボールジョイントの寿命試験を行った。 固定型ボール ジョイントは第 1図 （B ) に示したような固定型ボールジョイント であって、 外轤は、 S 5 3 C鋼及び上記 N K J 6 5鋼の鍛造品をマ ウス部内周面に高周波加熱焼入れしたものである。 内輪は従来と同 じく、 S C r 4 1 5鋼の浸炭焼入れ品である。 転動体としてのボールは、 SU J 2鋼の浸炭窒化焼入れ処理を行 つたもので、 浸炭窒化の際の炉内雰囲気ガスは上述の実施例に示し たように、 搬送ガスに RXガスを利用したものと、 NXガスを使用 したものとがあり、 いずれもプロパンガスとアンモニアガスを混合 して形成したもので、 熱処理条件は上記実施例と同じである。 また 比較例は、 従来の SU J 2鋼の一体焼入れ品のボールを利用したボ ールジョイントである。
固定型ボールジョイントの寿命試験は、 作動角 6 ° 、 負荷トルク 2 1 k g f — m、 回転数 1 7 0 0 r pmの条件下で行った。
試験結果を第 3表に示したが、 同じく外翰に高周波焼入れ品を使 用した場合に、 浸炭窒化焼入れされたボールが、 従来の一体焼入れ のボールに対して、 継手の寿命改善に有効である。 また浸炭窒化焼 入れ雰囲気が RXガスを基礎とするものより、 NXガスを基礎とす る浸炭窒化処理品が、 転がり寿命に優れていることが判る。
第 3表 等速ボールジョイントの寿命試験の結果 1 )
Figure imgf000015_0001
内輪は、 S C r 4 1 5鍋の浸炭焼入れ
荷重条件は、 負荷トルク 2 1 k g ί · m、 回転数 1 7 0 0 r pm. 作動角 6°
2) 本発明の実施例 本実施例では、 浸炭窒化性ガスとして、 N Xガスを基礎とする混 合ガスを示したが、 これに代えて、 窒素ガスに炭化水素ガスとアン モニァガスとを混合したガスであってもよい。 産業上の利用可能性
本発明の転動体を有する機械部品は、 外側部材に複雑な形状を有 する機械部品、 特に、 回転動力伝達系の等速自在継手として、 また 、 車賴を車軸に回転自在に軸承するハブベアリングとして、 さらに 、 制御機械用のボールねじとして、 自動車工業その他の機械工業の 分野で利用するのに適している。
第 4表 J I Sに定める鐦の種類と化学組成
種 C S i Mn P S C r
SCr415 0.13〜0.】8 0.15〜0.35 0.60〜0.85 ≤0· 030 ≤0.030 0.90〜： 1.20
S53C 0, 50〜0.56 0.15〜0.35 0， 60〜0.90 ≤0.030 ≤0.035
SUJ2 0.95〜： 1.10 0.15〜0.35 ≤0.50 ≤0.025 ≤0.025 1.30〜： 1.60

Claims

請求の範囲
】 . 内面に転走面若しくは摺動面を具備した外側部材と、 外面に 転走面若しくは摺動面を具備した内側部材と、 当該外側部材と内側 部材との転走面若しくは摺動面の間に介装された転動体と、 から成 る機械部品において
当該外側部材は、 少なく とも、 C 0 . 5 0〜0 . 7 0童量％と、 S i若しくは A 1の単独又は S i及び A 1の総量 0 . 5〜】 . 0童 量％とを含有して成る鋼により形成され、 且つ当該転走面若しくは 摺動面に高周波焼入れによる硬化層を有し、
当該転動体は、 焼入れ焼戻しされた高炭素ク口ム軸受鋼によって 形成され、 且つその外周表面に浸炭窒化された表層部を有して成る ことを特徵とする転動体を有する機械部品。
2 . 上記機械部品が固定型ボールジョイントである請求項 1記 載の機械部 ETP O
3 . 上記機械部品が、 ハブベアリングである請求項 1記載の機
P
械部
4 . 当該転動体の表層部が、 窒素ガス若しくは窒素系発熱型ガ スと炭化水素ガスとアンモニアガスとの混合ガス中の浸炭窒化によ る硬化表層部である請求項 1記載の機械部品。
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