JPH08232962A

JPH08232962A - 転動部材

Info

Publication number: JPH08232962A
Application number: JP3853395A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Maeda; 明年前田; Kiyoshi Hirakawa; 清平川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1996-09-10
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP3624449B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐磨耗性および異物混入潤滑下での転動疲労寿
命が高い転動部材を提供する。【構成】内輪、外輪、および転動体を、転動面の表層に
二次炭化物の析出があり、その残留オーステナイト量が
１２〜３５体積％であり、表面硬さがロックウエル硬さ
Ｈ_RＣ５８以上であるものとした。そのため、前記各部
材を、０．５重量％以上の炭素（Ｃ）と、クロム（Ｃ
ｒ）と、モリブデン（Ｍｏ）およびバナジウム（Ｖ）お
よびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも一種類とを
含む二次硬化型の合金鋼により形成し、これに対して例
えば下記の図４に示すヒートパターンによって焼入れ・
焼戻しを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車部品やその他の
産業機械に使用される転がり軸受やロール等の転動部材
に関し、特に、異物混入潤滑下（異物の混入している潤
滑剤が転動部材の転動面に存在している状態）や、液体
内等の潤滑不良の生じやすい環境下でも好適に使用され
る耐磨耗性および転動疲労寿命の高い転動部材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、軸受を代表とする転動部材の使用
環境が益々厳しくなってきており、例えば、厚板材の圧
延工程におけるテンションレベラー用のワークロールや
バックアップロールに使用される軸受には、高い耐磨耗
性が必要とされ、酸洗工程におけるスケール除去用のワ
ークロールやバックアップロールに使用される軸受に
は、高い耐磨耗性と耐食性が必要とされる。

【０００３】このような要求に対し、耐磨耗性を向上さ
せた軸受の例としては、例えば炭化物形成元素が添加さ
れた析出硬化型の工具鋼（ＳＫＨ，ＳＫＤ等）により軸
受構成部材を形成し、これに焼入れ・焼戻しを施して転
動面に多数の二次炭化物を析出させたものがある（金属
便覧、日本金属学会編、改定３版、第８０〜９０頁参
照）。

【０００４】また、異物混入潤滑下における転動疲労寿
命を長くするためには、一般に、ずぶ焼鋼より転動寿命
が長いとされている肌焼鋼により軸受構成部材を形成
し、これに対する焼入れ・焼戻しによって残留オーステ
ナイト量を２５〜４０体積％に制御することが行われて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ＳＫＨ，ＳＫＤ等の工具鋼は二次硬化型の鋼であり、前
記二次炭化物を多数析出させるために一般に５２０℃以
上の高温で焼戻しを行っているため、焼戻し後の残留オ
ーステナイト量ははぼ“０”となっている。ここで、残
留オーステナイト量が多いほど異物混入潤滑下での転動
疲労寿命が長いため、従来のＳＫＨ，ＳＫＤ等の工具鋼
で耐磨耗性向上のための高温焼戻しがなされたものは、
異物混入潤滑下での転動疲労寿命が短いという問題点が
ある。

【０００６】また、前述の肌焼鋼により形成され、残留
オーステナイト量を２５〜４０体積％としたものは、通
常の異物混入潤滑下での転動寿命は長いが、水等の液体
中で使用される場合には、境界潤滑となって金属同士の
接触を起こしやすくなるため、転動体表面に磨耗が生じ
て転動寿命が短くなることが考えられる。本発明は、こ
のような従来技術の問題点に着目してなされたものであ
り、異物混入潤滑下や液体内等の潤滑不良の生じやすい
環境下であっても好適に使用される、耐磨耗性および転
動疲労寿命に優れた転動部材を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、０．５重量％以上の炭素（Ｃ）と、クロ
ム（Ｃｒ）と、モリブデン（Ｍｏ）およびバナジウム
（Ｖ）およびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも一
種類とを含む二次硬化型の合金鋼により形成された後に
焼入れ・焼戻しされてなり、少なくとも転動面の表層に
二次炭化物の析出を有し、残留オーステナイト量が１２
〜３５体積％であり、転動面の表面硬さがロックウエル
硬さＨ_RＣ５８以上であることを特徴とする転動部材を
提供するものである。

【０００８】前記二次炭化物とは、二次硬化型の合金鋼
が二次硬化による硬さ上昇開始温度以上の温度で焼戻し
される場合に、焼戻しによって生成する微細な炭化物で
ある。これに対して、合金鋼の溶解時に生成される炭化
物を一次炭化物という。前記転動面とは、例えば転動部
材が転がり軸受であれば内外輪の軌道面および転動体の
周面を、転動部材がロールであればロール周面を意味す
る。

【０００９】前記表層とは、転動面の表面から例えば１
００μｍまでの深さを意味し、転動部材が玉軸受であれ
ば、その転動体については転動体直径の２％までの深さ
を意味する。また、前記残留オーステナイト量は、前記
表層における平均残留オーステナイト量を意味する。

【００１０】クロム（Ｃｒ）の含有量は例えば４〜１８
重量％とする。さらに、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウ
ム（Ｖ）、およびタングステン（Ｗ）は炭化物形成元素
であり、これら３元素のうち少なくとも一種類が含有さ
れるが、その場合に、モリブデン（Ｍｏ）は１．０重量
％以上、バナジウム（Ｖ）は０．３重量％以上、タング
ステン（Ｗ）は０．８重量以上含有されていれば、適切
な焼戻し温度の選定によって二次炭化物の形成がなされ
る。また、タングステン（Ｗ）は６重量％、バナジウム
（Ｖ）は３重量％、モリブデン（Ｍｏ）は６重量％を超
えて含有されてもこれによる効果は飽和するため、経済
的見地からはこれらを上限値とすることが好ましいが、
これらの上限値を超えて含有されていていても構わな
い。

【００１１】二次硬化型の合金鋼により形成され焼入れ
・焼戻しが施された部材の硬さおよび残留オーステナイ
ト量は、焼戻し温度に応じて変化する。図１は、本発明
の転動部材を形成する各種組成の合金鋼について調べ
た、焼戻し温度とロックウエル硬さ（Ｈ_RＣ）および残
留オーステナイト量との関係を示すグラフである。この
グラフから分かるように、本発明の転動部材を得るため
には、使用する合金鋼の組成に応じて適切な焼戻し温度
を選定する必要がある。すなわち、ロックウエル硬さ
（Ｈ_RＣ）を５８以上とし、且つ残留オーステナイト量
を１２体積％以上とするためには、合金鋼の組成に応じ
て焼戻し温度を４８０℃以下〜５５０℃以下とするが、
表層に二次炭化物を析出させるためには、焼戻し温度を
二次硬化による硬さ上昇開始温度（合金鋼の組成に応じ
て異なるがほぼ４４０℃付近）以上とする必要がある。
したがって、本発明の転動部材を得るための焼戻し温度
は、例えば４５０℃以上であって且つ合金鋼の組成に応
じた残留オーステナイト量を１２体積％以上とする温度
範囲から選定される。

【００１２】

【作用】本発明の転動部材は、残留オーステナイト量が
１２体積％以上であるため、異物混入潤滑下でのＬ₁₀寿
命が所定値（例えば２．７４×１０⁶サイクル）以上で
ある長い転動寿命を達成できる。また、図２に、残留オ
ーステナイト量と異物混入潤滑下でのＬ₁₀寿命比（残留
オーステナイト量が“０”のときのＬ₁₀寿命を“１”と
した比）との関係を調べた一例のグラフを示す。このグ
ラフから分かるように、残留オーステナイト量が多いほ
ど異物混入潤滑下での転動寿命は長くなるが、３０重量
％を超えるとその硬化は飽和する。また、残留オーステ
ナイト量を多くするためには焼入れ温度を高く設定する
必要があるが、焼入れ温度が高すぎると結晶粒の粗大化
が生じて機械的性質が低下する。これらを考慮して、本
発明では残留オーステナイト量の上限値を３５体積％と
した。

【００１３】図３に、転動部材の表面硬さと比磨耗量と
の関係を調べた一例のグラフを示す。図３のグラフで、
曲線ａは転動部材の表層に二次炭化物の析出があるもの
の結果を示し、曲線ｂはその析出がないものの結果を示
している。このグラフから分かるように、ロックウエル
硬さ（Ｈ_RＣ）が５８未満であると比磨耗量が著しく大
きくなり、表層に二次炭化物の析出がないと同じ硬さで
も比磨耗量が著しく大きくなる。したがって、本発明の
転動部材は、少なくとも転動面の表層に二次炭化物の析
出があり、且つ転動面の表面硬さがロックウエル硬さで
Ｈ_RＣ５８以上であるため耐磨耗性が高い。

【００１４】また、使用する合金鋼の炭素（Ｃ）の含有
率を０．５重量％以上としたのは、炭素（Ｃ）の含有率
が０．５重量％未満であると、転動面の表面硬さがロッ
クウエル硬さでＨ_RＣ５８未満となるためである。な
お、炭素（Ｃ）の含有率が１．７重量％を超えると、粒
径が１０μｍを超える巨大な一次炭化物が生じやすくな
って機械的性質が低下するため、炭素（Ｃ）の含有率は
１．７重量％以下であることが好ましい。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。Ｆｅ以外の主要成分が下記の表１に示す組成である
No. １〜１０の各種合金鋼によりそれぞれ転動体、内外
輪、各試験用の試験片を作製して、これらに対して下記
の表２に示す各温度条件で熱処理（焼入れ・焼戻し）を
行った。これらを焼戻し温度によってＡ，Ｂ，Ｃに分類
し、サンプルNo. Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ６，Ｃ２，Ｃ
４〜Ｃ６とした。

【００１６】そして、各サンプルについて、ロックウエ
ル硬さ（Ｈ_RＣ）をＪＩＳに従って測定するとともに、
Ｘ線回折により、内輪の軌道面側表層部（表面から１０
０μｍまで）の残留オーステナイト量を定量した。さら
に、熱処理後の内輪の軌道面を電子顕微鏡により観察し
て、軌道面に平均粒径（最大粒径と最小粒径との平均
値）が１０μｍを超える巨大な一次炭化物が生成してい
るかどうかを調べた。また、下記の各試験を行った。

【００１７】なお、前記熱処理は、３０分程度の予熱の
後に焼入れ温度まで昇温して焼入れ温度±１０℃程度に
３０分程度保持し、その後に油焼入れを行って６０℃程
度まで急冷し、焼戻しは、二回に分けてそれぞれ９０分
程度焼戻し温度に保持することにより行った。一例とし
て、図４に、サンプルNo. Ａ２に対して施した熱処理の
ヒートパターンを示す。＜異物混入潤滑下での寿命試験＞同じサンプルNo. の転
動体および内外輪を用いてスラスト軸受を組み立て、こ
れを「特殊鋼便覧」第一版（電気製鋼研究所編、理工学
社、１９６９年５月２５日）１０〜１２頁に記載のスラ
スト形寿命試験機に取り付け、下記の条件により異物混
入潤滑下におけるＬ₁₀寿命を測定した。

【００１８】混入異物：平均粒径１００μｍの鉄粉硬さ；Ｈ_RＣ５２混入量；３００ｐｐｍ潤滑油：Ｒ０６８タービン油荷重条件：Ｐ_MAX＝４９００ＭＰａ軸受回転数：１０００ｒｐｍ試験温度：６０℃ すなわち、各種類の軸受１０個ずつに対して寿命試験を
行い、ワイブル分布関数により、短寿命側から１０％の
軸受にフレーキングが発生するまでの総回転数（サイク
ル）を求め、これを寿命とした。なお、この異物混入潤
滑下での寿命は２．７４×１０⁶サイクル以上である
と、転がり軸受として十分に実用的なものとなる。＜耐磨耗試験＞各サンプル毎に作製された磨耗試験用の
試験片を用い、図５に示すようなサバン式磨耗試験機に
より磨耗試験を行った。すなわち、各サンプル毎にサバ
ン式磨耗試験機用の固定試験片１と回転試験片２とを作
製してこれらを試験機に取り付け、荷重用の重り３とバ
ランス用の重り４とにより固定試験片１を回転試験片２
の外周面に押し付けながら、回転試験片２を固定試験片
１に対して回転させ、この回転に伴う両試験片の磨耗量
の合計値を比磨耗量として測定した。なお、押しつけの
初期面圧を１００ＭＰａとし、回転試験片２を固定試験
片１に対する回転速度を周速度で１ｍ／ｓとした。

【００１９】このようにして測定した比磨耗量が０．５
０（ｍｍ³／ｋｇｆ・ｍｍ）未満のものを耐磨耗性に特
に優れている（◎）、０．５０以上で１．５未満のもの
を耐磨耗性が良好である（○）、１．５０以上で２．０
未満のものを耐磨耗性が普通である（△）、２．０以上
のものを耐磨耗性が悪い（×）と評価した。＜耐食性試験＞サンプルNo. Ａ１〜Ａ１０について１０
個ずつ試験片を用意し、熱処理後の試験片（直径１３ｍ
ｍ、厚さ５ｍｍの円板状）に研磨仕上げを行った後に表
面を十分に脱脂し、下記の二種類の試験を行った。（１）ＪＩＳＣ００２８により規定されている電気
・電子部品用の環境試験であって、温湿度を組み合わせ
たサイクル試験を１０サイクル行った後、各試験片の表
面を目視により観察し、表面に錆が発生している割合を
測定した。（２）ＪＩＳＫ２２４６により規定されている湿潤
箱試験を１０００時間行った後、各試験片の表面を目視
により観察し、表面に錆が発生している割合を測定し
た。

【００２０】このようにして測定した湿潤箱試験による
錆発生率が“０”であるものを耐食性に特に優れている
（◎）、２０％未満であるものを耐食性が良好である
（○）、２０％以上で４０％未満のものを耐食性が普通
である（△）、４０％以上のものを耐食性が悪い（×）
と評価した。以上の各条件および測定結果および試験結
果について、下記の表２に併せて示す。また、耐食性試
験の結果を、Ｃｒ含有率と錆発生率との関係で図６にグ
ラフで示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】表２の結果から分かるように、本発明の実
施例に相当するサンプルNo. Ａ１〜Ａ１０については、
異物混入潤滑下のＬ₁₀寿命が２．７４×１０⁶サイクル
以上と高く、且つ耐磨耗性も高くなった。炭化物形成元
素（Ｍｏ、Ｖ、Ｗ）の合計含有量が多いＡ４，Ａ５は耐
磨耗性に特に優れたものとなった。これに対して、本発
明の比較例に相当するサンプルNo. Ｂ１〜Ｂ６，Ｃ２，
Ｃ４〜Ｃ６については、異物混入潤滑下のＬ₁₀寿命また
は耐磨耗性のいずれかが劣るものとなった。

【００２４】また、サンプルNo. Ａ３，Ａ９，Ａ１０，
Ｂ３については、巨大一次炭化物の生成が有る。このた
め、転動中に高負荷がかかるとこの炭化物の脱落や欠損
が生じて早期剥離が生じやすくなる傾向を示すことか
ら、Ａ３，Ａ９，Ａ１０のＬ₁₀寿命は２．７４×１０⁶
サイクル以上の条件を満たしてはいるが、他のＡ類と比
較すると比較的低いものとなった。そして、Ｂ３のＬ₁₀
寿命は２．７４×１０⁶サイクルを下回るものとなっ
た。また、Ａ９，Ａ１０については、必要最低限の性能
は満たすものの、他のＡ類と比較すると耐磨耗性も低い
ものとなった。

【００２５】この巨大一次炭化物の生成は、使用する合
金鋼のクロム含有率に対する炭素含有率の関係に依存す
るものであり、炭素含有率Ｇ_Cがクロム含有率Ｇ_CRに対
して下記の（Ａ）式を満たす場合には、巨大一次炭化物
が生成し難くなる。Ｇ_C≦１．２３−（０．０３５Ｇ_CR）‥‥‥（Ａ）各合金鋼No. １〜１０について、クロム含有率と炭素含
有率との関係を図７のグラフに示す。このグラフから分
かるようにNo. ３，９，１０は前記（Ａ）式の範囲を外
れているため、これらの合金鋼で作製されたサンプルN
o. Ａ３，Ａ９，Ａ１０，Ｂ３に巨大一次炭化物が生成
したと考えられる。

【００２６】したがって、Ｌ₁₀寿命と耐磨耗性とをさら
に向上させるためには、表層に生成している一次炭化物
の平均粒径が１０μｍ以下であることが好ましく、その
ために、本発明の転動部材に使用する合金鋼の炭素含有
率は、０．５以上且つ（１．２３−（０．０３５
Ｇ_CR））以下であることが好ましい。また、サンプルN
o. Ａ４〜Ａ６については、表２から分かるように、使
用した合金鋼のクロム含有量が４重量％台と少ないた
め、耐食性に劣るものとなった。また、図７のグラフか
ら、温湿度組み合わせ試験ではクロム含有率が５重量％
以上となると錆発生率が“０”になり、より厳しい湿潤
箱試験ではクロム含有率が７重量％以上となると錆発生
率が“０”になることが分かる。

【００２７】したがって、耐食性を高くするために、本
発明の転動部材に使用する合金鋼のクロム含有率を５重
量％以上とすることが好ましく、７重量％以上とするこ
とがより好ましい。そして、本発明の転動部材がこのよ
うなクロム含有率の高い合金鋼で形成されると、当該転
動部材は、水がかかる部分に使用されるロールや軸受と
して好適なものとなる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の転動部材
は、耐磨耗性および転動疲労寿命に優れているため、異
物混入潤滑下や液体内等の潤滑不良の生じやすい環境下
であっても好適に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転動部材を形成する各種組成の合金鋼
について調べた、焼戻し温度とロックウエル硬さ（Ｈ_R
Ｃ）および残留オーステナイト量との関係を示すグラフ
である。

【図２】残留オーステナイト量と異物混入潤滑下でのＬ
₁₀寿命比との関係を調べた一例を示すグラフである。

【図３】転動部材の表面硬さと比磨耗量との関係を調べ
た一例を示すグラフである。

【図４】実施例において行った熱処理の一例を示すヒー
トパターンである。

【図５】実施例で耐磨耗性を調べるために使用したサバ
ン式耐磨耗性試験機を示す概要図である。

【図６】実施例における耐食性試験の結果を、Ｃｒ含有
率と錆発生率との関係で示したグラフである。

【図７】実施例で使用した合金鋼の組成について、クロ
ム含有率と炭素含有率との関係を示したグラフである。

【符号の説明】

１固定試験片２回転試験片３荷重用重り４バランス用重り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ１６Ｃ 33/64 Ｆ１６Ｃ 33/64

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】０．５重量％以上の炭素（Ｃ）と、クロ
ム（Ｃｒ）と、モリブデン（Ｍｏ）およびバナジウム
（Ｖ）およびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも一
種類とを含む二次硬化型の合金鋼により形成された後に
焼入れ・焼戻しされてなり、少なくとも転動面の表層に
二次炭化物の析出を有し、残留オーステナイト量が１２
〜３５体積％であり、表面硬さがロックウエル硬さＨ_R
Ｃ５８以上であることを特徴とする転動部材。