JP2000234145A - ころ軸受 - Google Patents

ころ軸受

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JP2000234145A
JP2000234145A JP15902899A JP15902899A JP2000234145A JP 2000234145 A JP2000234145 A JP 2000234145A JP 15902899 A JP15902899 A JP 15902899A JP 15902899 A JP15902899 A JP 15902899A JP 2000234145 A JP2000234145 A JP 2000234145A
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JP
Japan
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roller bearing
roller
surface layer
amount
retained austenite
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JP15902899A
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Kikuo Maeda
喜久男 前田
Hirokazu Nakajima
碩一 中島
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NTN Corp
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NTN Corp
NTN Toyo Bearing Co Ltd
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 異物が侵入し、温度上昇が大きい使用条件下
でも、ころの耐久寿命を十分に確保できるころ軸受を提
供することである。 【解決手段】 外輪1、内輪2および円錐ころ3の各部
品の素材としてSiとMnの含有量を高めた鋼を用い、
これを浸炭窒化処理したのち焼入れ、各部品の表層部に
形成した浸炭窒化層1a、2a、3aの残留オーステナ
イト量を20〜50体積%とすることにより、亀裂の発
生と進展による表面剥離の発生を抑制し、異物が侵入し
たり、軸受部での発熱が大きい使用条件下でのころ軸受
の耐久寿命を著しく改善したのである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、異物が侵入しや
すく、温度上昇が大きい条件下での使用に好適なころ軸
受に関するものである。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】自動
車のトランスミッション等に適用される転がり軸受は、
歯車と同一容器内で使用されるため、潤滑油中に混入す
る歯車の欠け片や摩耗粉等の微小な硬い異物の侵入が避
けらない。これらの異物は転動体の転走面に噛み込ま
れ、転動体や軌道輪に表面剥離を生じさせて軸受寿命を
短くする可能性がある。この表面剥離は、異物の噛み込
みで生じた圧痕からの亀裂の発生と進展に因るものと考
えられている。
【0003】前記亀裂の発生と進展を抑制するために、
特公昭62−29487号公報には、軸受材料としてS
UJ3相当鋼を用い、これを高温焼入れして残留オース
テナイトを増加させ、同時に亀裂敏感性を抑制するた
め、焼入れ過程の冷却速度を遅く制御する技術が開示さ
れ、特開平7−190072号公報には、軌道輪の材料
にSUJ3相当鋼を用い、上述の熱処理に浸炭窒化処理
を加えて表層部の残留オーステナイトをさらに増加させ
る技術が開示されている。
【0004】一方、最近のころ軸受の用途では、高速回
転時の回転効率を高めるため、粘度の低い潤滑油を使用
する機運があり、金属間接触の増大による軸受部での発
熱が大きくなる傾向がある。このような用途では、円筒
ころや円錐ころは熱容量が小さく、かつ他の部材との接
触による熱の拡散も少ないので、最も温度上昇が大きく
なる。このため、これらのころに前記表面剥離が発生し
易くなり、前述した特公昭62−29487号公報に開
示の素材を用いても十分な耐久寿命を確保できない問題
がある。
【0005】そこで、この発明の課題は、異物が侵入
し、温度上昇が大きい使用条件下でも、ころの耐久寿命
を十分に確保できるころ軸受を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明は、ころ軸受において、少なくともころ
を、重量比にして、C:0.8〜1.5%、Si:0.
4〜1.2%、Mn:0.8〜1.5%およびCr:
0.8〜1.8%を含有する鋼を素材とし、この素材を
浸炭窒化処理した後、焼入れ、焼戻し処理し、表層部の
残留オーステナイト量を20〜50体積%とした構成を
採用したものである。
【0007】前記ころの素材とする鋼の組成について、
C量を0.8〜1.5%としたのは、基本的な焼入れ硬
度を確保するとともに、残留オーステナイト量を増加さ
せるためである。
【0008】Si量を0.4%以上としたのは、表層部
の残留オーステナイトを安定化するためであり、上限を
1.2%としたのは、これを越えると浸炭窒化処理の過
程で、炭素と窒素の侵入を阻害するからである。
【0009】Mn量を0.8〜1.5%としたのは、焼
入れ性を確保して芯部まで焼入れするとともに、表層部
の残留オーステナイト量を高めるためである。過度のM
n量の添加は、冷間加工性の低下や焼き割れの原因とな
るとともに、表層部の残留オーステナイト量が過多とな
って軟化の原因となるため、上限を1.5%とした。
【0010】Cr量を0.8〜1.8%としたのは、
0.8%未満では浸炭窒化によっても炭化物が十分に形
成されないので、温度上昇時に硬さが低下しやすく、
1.8%を越えると炭化物が粗大化して表面剥離の起点
となり易くなるからである。
【0011】このような組成の鋼をころの素材とし、浸
炭窒化処理で表層部の窒素含有量を高めると、表層部の
Ms点(マルテンサイト変態開始温度)が内部よりも低
くなるので、これを焼入れすると、ころの表層部で未変
態のオーステナイトが多くなり、表層部の残留オーステ
ナイト量を20体積%以上にすることができる。
【0012】残留オーステナイトは、高い靱性と加工硬
化特性を有し、亀裂の発生や進展を抑える働きをする
が、熱に対して不安定な難点がある。前記浸炭窒化処理
で表層部に侵入した窒素原子は残留オーステナイト中に
固溶し、残留オーステナイトを熱に対して安定化する役
割をする。また、Ms点が低下した表層部は、マルテン
サイト変態が内部より遅れて始まり、かつその変態量も
内部より少ないので、表層部には圧縮の残留応力が形成
され、表層部の疲労強度を高めることもできる。
【0013】前記表層部の残留オーステナイト量を20
〜50体積%としたのは、表層部に適度の靱性を付与
し、異物の噛み込みによる過大な応力増加を緩和するた
めである。すなわち、残留オーステナイト量が20体積
%未満では靱性が不足し、残留オーステナイト量が50
体積%を越えると、硬度が低下し過ぎて塑性変形による
表面粗さの劣化を招き、ころ端面が鍔部に押圧されて摺
動する使用条件下では、この摺動部で焼き付きが生じる
可能性があるからである。
【0014】異物を噛み込んだ場合や、表面温度上昇が
大きい場合には、亀裂の起点が表面やごく表層(表面か
ら0.1mm以内)となる可能性が高いので、上述した
表層部の材質改良によりころの長寿命化を図ることがで
きる。
【0015】上述した浸炭窒化処理を含む熱処理は、浸
炭性雰囲気にアンモニアガスを添加した高温ガス中で浸
炭窒化処理したのち、焼入れ、焼戻し処理する方法を採
用することができる。なお、残留オーステナイト量を調
整するために、サブゼロ処理を熱処理工程の中に組み入
れてもよい。
【0016】前記ころの素材とする鋼に、重量比にして
0.3%以下のMoを添加することにより、焼入れ性を
改善することができる。
【0017】また、前記焼入れを830〜880℃から
開始し、300℃から150℃までの温度範囲における
焼入れ冷却時の冷却能Hを0.2cm-1以下とすること
により、Ms点近傍での冷却速度を遅くして、亀裂敏感
値を3以下にすることができる。亀裂敏感値を3以下に
すると、使用中に亀裂が発生するのを防止したり、亀裂
が生じたとしてもその進展速度を抑制するのに有効であ
る。300℃から150℃までの温度範囲における焼入
れ冷却時の冷却能Hを0.2cm-1以下とする手段とし
ては、所定の温度に昇温した油や塩浴に焼入れする方法
を採用することができる。
【0018】なお、軌道輪にも、前記ころと同様の素材
を用い、同様の熱処理を施すことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】図1(a)は、円錐ころ軸受の実
施形態を示す。この円錐ころ軸受は、円錐状の軌道面を
有する外輪1と、円錐状の軌道面を有し、この軌道面の
両側に大鍔面と小鍔面が設けられた内輪2と、外輪1お
よび内輪2の各軌道面の間に転動自在に配列された複数
の円錐ころ3と、円錐ころ3を所定の円周方向間隔に保
持する保持器4を備えている。
【0020】前記外輪1、内輪2および円錐ころ3の各
部品は、表1に実施例Aとして示す化学成分を有する鋼
を素材として、アンモニアガスが添加された860℃の
浸炭性雰囲気中で浸炭窒化処理したのち、例えば220
℃に昇温した塩浴中へ焼入れして、300℃から150
℃までの温度範囲における焼入れ冷却時の冷却能Hが
0.2cm-1以下となるように製造したものであり、図
1(b)に示すように、各部品1、2、3の表面には、
残留オーステナイト量が20〜50体積%の浸炭窒化層
1a、2a、3aが形成されている。
【0021】
【表1】
【0022】以下に実施例および比較例を挙げる。
【0023】
【実施例】上述した実施例Aの円錐ころ軸受の他に、3
種類の化学成分を有する鋼を素材とし、実施例Aと同様
の熱処理で製造した各部品を用いた円錐ころ軸受(表1
中の実施例B〜D)を用意した。軸受の寸法は、いずれ
も内径30mm、外径62mmである。
【0024】
【比較例】表1に示した実施例A〜Dとそれぞれ同じ化
学成分の鋼を素材として、浸炭窒化処理なしで、860
℃から220℃の塩浴中へ焼入れして製造した各部品を
用いた円錐ころ軸受(表1中の比較例E〜H)と、本願
の化学成分範囲を外れる組成の鋼を、上述した実施例と
同じ条件で熱処理して製造した各部品を用いた円錐ころ
軸受(表1中の比較例I〜K)を用意した。また、従来
多用されている軸受鋼SUJ2を標準焼入れして製造し
た各部品を用いた円錐ころ軸受(表1中の比較例S)も
用意した。各軸受の寸法は実施例と同じである。
【0025】上記実施例および比較例の円錐ころ軸受を
テスト装置の回転軸に取り付け、潤滑油に低粘度油を用
いた低粘度油試験と、異物が混入された潤滑油を用いた
異物下寿命試験を実施した。
【0026】各試験条件は以下の通りである。なお、各
試験のサンプル数は、いずれもN=10とした。 (低粘度油試験) 負荷荷重:17.64 kN 回転数 :2000 rpm 潤滑油 :ハイスピードフルードVG1.5 (異物下寿命試験) 負荷荷重:17.64 kN 回転数 :2000 rpm 潤滑油 :タービンVG56(油浴) 異物 :ガスアトマイズ金属粉(粒径100〜180
μm、硬度HV700〜800、混入量1g/リット
ル)
【0027】
【表2】
【0028】各試験結果を表2に示す。表中のL10寿
命は、サンプルの90%が破損しないで使える時間であ
る。実施例の円錐ころ軸受は、低粘度油試験および異物
下寿命試験のいずれにおいても、従来品の比較例Sに対
するL10寿命の寿命比が5倍以上の優れた値を示して
いる。
【0029】これに対して、浸炭窒化処理なしの比較例
E〜Hは、低粘度油試験および異物下寿命試験のいずれ
においても、前記寿命比が3倍に満たない。一方、素材
の化学成分範囲が外れる比較例I〜Kは、低粘度油試験
の寿命比は比較的高い値を示すが、異物下寿命試験の寿
命比が劣っている。これは、Si量が過多の比較例Iで
は浸炭窒化が阻害されること、Cr量が過多の比較例J
では炭化物が粗大化すること、Mn量が過多の比較例K
では表層部の残留オーステナイト量が50体積%を越え
ることに、それぞれ起因しているものと思われる。
【0030】
【発明の効果】以上のように、この発明のころ軸受は、
少なくともころの素材としてSiとMnの含有量を高め
た鋼を用い、これを浸炭窒化処理したのち焼入れ、ころ
表層部の残留オーステナイト量を20〜50体積%とし
たので、亀裂の発生と進展による表面剥離の発生を抑制
し、異物が侵入したり、軸受部での発熱が大きい使用条
件下でのころの耐久寿命を著しく改善することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】aは実施形態の円錐ころ軸受を示す縦断面図、
bはaの要部拡大断面図
【符号の説明】
1 外輪 2 内輪 3 円錐ころ 4 保持器 1a、2a、3a 浸炭窒化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3J101 AA12 BA70 DA02 DA03 EA02 FA31 GA01 GA11 4K042 AA22 DA01 DA02 DA06 DE05 DE06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ころ軸受において、少なくともころを、
    重量比にして、C:0.8〜1.5%、Si:0.4〜
    1.2%、Mn:0.8〜1.5%およびCr:0.8
    〜1.8%を含有する鋼を素材とし、この素材を浸炭窒
    化処理した後、焼入れ、焼戻し処理し、表層部の残留オ
    ーステナイト量を20〜50体積%としたことを特徴と
    するころ軸受。
  2. 【請求項2】 前記ころの素材とされる鋼に、重量比に
    して0.3%以下のMoを添加した請求項1に記載のこ
    ろ軸受。
  3. 【請求項3】 前記焼入れを830〜880℃から開始
    し、300℃から150℃までの温度範囲における焼入
    れ冷却時の冷却能Hを0.2cm-1以下とした請求項1
    または2に記載のころ軸受。
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