JP2000234147A - 針状ころ軸受 - Google Patents

針状ころ軸受

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JP2000234147A
JP2000234147A JP15915499A JP15915499A JP2000234147A JP 2000234147 A JP2000234147 A JP 2000234147A JP 15915499 A JP15915499 A JP 15915499A JP 15915499 A JP15915499 A JP 15915499A JP 2000234147 A JP2000234147 A JP 2000234147A
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JP
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needle roller
needle
bearing
roller bearing
surface layer
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JP15915499A
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Kikuo Maeda
喜久男 前田
Hirokazu Nakajima
碩一 中島
Tomoo Okayama
智雄 岡山
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NTN Corp
Original Assignee
NTN Corp
NTN Toyo Bearing Co Ltd
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    • 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、針状ころの耐久寿命を十分に確保できる針状ころ
軸受を提供することである。 【解決手段】 針状ころ1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、針状ころ1の表層部に形成した浸炭窒化層1aの
残留オーステナイト量を20〜40体積%、表面硬度を
V 750以上とすることにより、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針状ころ軸受の耐久
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針状こ
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
けられない。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、最近の針状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。また、針状ころ軸受は
軌道輪なしで軸に取り付けられる場合も多く、この場合
は、針状ころが研磨仕上げの粗い軸と直接接触して、こ
の傾向がより助長される可能性が高い。
【0005】上述した軸受部での発熱が大きい用途で
は、針状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ため、最も温度上昇が大きくな
る。このような使用条件下では、前記表面剥離により針
状ころの寿命が著しく低下し、前述した特公昭62−2
9487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。
【0006】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、針状ころの耐久
寿命を十分に確保できる針状ころ軸受を提供することで
ある。
【0007】
【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、針状ころ軸受において、少なくとも
針状ころを、重量比にして、C:0.8〜1.5%、S
i: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20〜40体積%、表面
硬度をHV 750以上とした構成を採用したものであ
る。
【0008】前記針状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。
【0009】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と、焼戻し軟化
抵抗性のあるSiの添加で高温軟化を防止するためであ
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。
【0010】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。
【0011】Cr量を0.8〜1.8%としたのは、
0.8%未満では、高温においても必要な表面硬度を維
持できる程度の炭化物が形成されず、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。
【0012】このような組成の鋼を針状ころの素材と
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、針状ころの表
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。
【0013】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。
【0014】前記表層部の残留オーステナイト量を20
〜40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40
体積%を越えると、硬度が低下し過ぎて下記のHV 75
0以上という条件を満たすことができず、また塑性変形
による表面粗さの劣化を招く。
【0015】また、表面硬度をHV 750以上としたの
は、針状ころが耐熱性を要求される環境で使用されるこ
とが多く、高温にさらされたときに軟化した場合であっ
ても十分な耐久性を得るには、表面硬度がHV 750以
上、好ましくは775以上必要なためである。
【0016】異物を噛み込んだ場合や表面温度上昇が大
きい場合、および相手面が粗面である場合には、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
針状ころの長寿命化を図ることができる。
【0017】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。
【0018】前記針状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。
【0019】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。
【0020】なお、針状ころ軸受が内外輪の軌道輪の両
方またはいずれか一方を有する場合は、これらの軌道輪
にも、前記針状ころと同様の素材を用いて、同様の熱処
理を施すことができる。
【0021】
【発明の実施の形態】図1(a)は、針状ころ軸受の実
施形態を示す。この針状ころ軸受は、複数の針状ころ1
が保持器2に保持されたものであり、各針状ころ1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
して成形し、これらをアンモニアガスが添加された86
0℃の浸炭性雰囲気中で浸炭窒化処理したのち、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る。各
針状ころ1の表面には、図1(b)に示すように、残留
オーステナイト量が20〜40体積%、表面硬度がHV
750以上の浸炭窒化層1aが形成されている。
【0022】
【表1】
【0023】以下に実施例および比較例を挙げる。
【0024】
【実施例】上述した実施例Aの針状ころ軸受の他に、3
種類の化学成分を有する鋼を素材として、実施例Aと同
様の熱処理で製造した針状ころを用いた針状ころ軸受
(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24mm、外径32mmである。
【0025】
【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た針状ころを用いた
針状ころ軸受(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
件で熱処理した針状ころを用いた針状ころ軸受(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を標準焼入れした針状ころを用いた針
状ころ軸受(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。
【0026】上記実施例および比較例について、針状こ
ろ単体の粗面鋼球を相手とした転動試験と、針状ころ軸
受を異物が混入された潤滑油を封入したケース内の回転
軸に取り付けた異物下寿命試験を実施した。
【0027】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。
【0028】(転動試験) 相手鋼球 :5/8インチ(表面粗度Ra=0.08
μm) 最大接触圧力:5.9 GPa 負荷速度 :14600 cpm(cycle per minute) 潤滑油 :タービンVG10 (異物下寿命試験) 負荷荷重:5.88 kN 回転数 :7000 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32〜53μ
m、硬度HV 700〜800、混入量0.4g/リット
ル)
【0029】
【表2】
【0030】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。実施例の針状ころと針状ころ軸受は、転動試験およ
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。
【0031】これに対して、浸炭窒化処理なしの比較例
E〜Hは、転動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、転動試験の寿命比
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40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。
【0032】
【発明の効果】以上のように、この発明の針状ころ軸受
は、針状ころの素材として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、針状こ
ろ表層部の残留オーステナイト量を20〜40体積%、
表面高度をHV 750以上としたので、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針状ころの耐久
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は実施形態の針状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 針状ころ 1a 浸炭窒化層 2 保持器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡山 智雄 三重県桑名市大字東方字尾弓田3066 エヌ ティエヌ株式会社内 Fターム(参考) 3J101 AA14 AA24 AA32 AA42 AA52 AA62 BA10 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】 針状ころ軸受において、少なくとも針状
    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C
    r: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20〜40体積%、表面硬
    度をHV 750以上としたことを特徴とする針状ころ軸
    受。
  2. 【請求項2】 前記針状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
    の針状ころ軸受。
  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に記載の針状ころ軸受。
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