JPH10184701A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 黒皮肌のまま使用した場合、非金属介在物の
量が多い場合あるいは鍛錬が不十分な場合でも、転がり
寿命が低下しない転がり軸受を提供する。 【解決手段】 本発明の転がり軸受は、軌道輪および転
動体からなっており、少なくとも軌道輪を軸受用鋼を用
いて成形し、浸炭窒化処理後焼入・焼戻を行なって表層
に形成される黒皮の表面硬度をＨｖ７００以上にし、そ
のまま転がり軸受として組立てたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受であっ
て、精度をあまり要求されず、かつ転がり剥離寿命が要
求される、たとえば低速大荷重で使用される大型軸受に
用いられる転がり軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受の中にはターンテーブル用軸
受、シェル型ニードル軸受の軌道輪のように、回転精度
の要求はあまり高くないが寿命を要求されるものがあ
る。

【０００３】このような部品であっても、熱処理後の黒
皮は、表面を起点とする剥離を生じさせやすく、要求精
度に関係なく研削加工による表面仕上げ加工が行なわれ
ていた。また、廉価な材料であっても非金属介在物が多
かったり、鍛練比の低い素材を使用することも寿命に及
ぼす影響から行なわれていなかった。さらに、振動の加
わる環境で使用される転がり軸受にあっては、フレッテ
ィングが生じやすいため、その防止策として表面にパー
カー処理のような耐酸化皮膜を形成することもあるが、
この場合においても処理に伴って表面の平坦度が低下す
ることから、寿命の低下が避けられなかった。これらに
対しては、素材の高清浄度化や鍛錬比の増大、処理条件
の見直しなどが行なわれてきたが、これらは大幅なコス
トアップを招いていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、転がり軸受部品
は焼入・焼戻により必要な硬度に硬化させて用いられる
が、焼入によりその表面には酸化皮膜が形成される。こ
の皮膜および皮膜直下では脱炭や異常組織（トルースタ
イトなど）などが現れやすく、圧縮残留応力が小さくな
ったり、ひどい場合には引張り応力となり、また低硬度
となる。このため、従来の軸受用鋼部品において、表面
の酸化皮膜を残すことは転動寿命の大幅な低下を招いて
いた。

【０００５】以上より、本発明の１の目的は、黒皮肌の
ままで使用しても、軸受寿命が低下しない転がり軸受を
提供することである。

【０００６】また本発明の他の目的は、非金属介在物の
量が多い、または鍛錬比が小さい（鍛錬が不充分な）軸
受において、表面起点型損傷寿命を向上させることので
きる転がり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】本願発明者らは、鋭意検
討した結果、軸受用鋼に浸炭窒化処理を施すことによっ
て黒皮の表面硬度を向上できることを見出した。またこ
れによって、本願発明者らは、軸受用鋼の表層に黒皮が
形成された状態で転がり軸受を組立てた場合でも、転が
り軸受として十分な寿命が得られることを見出した。

【０００８】したがって、本発明の転がり軸受は、軌道
輪および転動体からなる転がり軸受であって、少なくと
も軌道輪を軸受用鋼を用いて成形し、浸炭窒化処理後焼
入・焼戻を行なって表層に形成される黒皮の表面硬度を
Ｈｖ７００以上にするとともに、圧縮応力やオーステナ
イトを多く残留させて、そのまま転がり軸受として組立
てたものである。

【０００９】浸炭窒化処理により黒皮の表面硬度をＨｖ
７００以上にすることができる。ここで、黒皮の表面硬
度が小さいときや、圧縮応力が小さくなったり引張応力
になっているとき、あるいは残留オーステナイト量が少
ないときには、表面に起点を持つ剥離が生じる可能性が
ある。

【００１０】なお、ここで軸受用鋼としては、浸炭鋼も
含め一般的に転がり軸受で使用される鋼が使用可能であ
る。また本願でいう黒皮とは、熱処理時に雰囲気ガス中
の成分、特に酸素との反応で形成される酸化物被膜を意
味し、通常は脱炭されていて転がり軸受の軌道面として
の使用には不適切な層である。

【００１１】また、本願発明者らは、鋭意検討した結
果、清浄度が０．０４％以上と非金属介在物量の多い鋼
の方が、清浄度が０．０４％未満と非金属介在物量の少
ない鋼よりも浸炭窒化の効果が大きいことを見出した。
つまり、清浄度が０．０４％以上の鋼の方が、清浄度が
０．０４％未満の鋼と比較して、浸炭窒化処理による寿
命向上率が大きいことを見出した。

【００１２】したがって、本発明の好ましい局面に従う
転がり軸受では、ＪＩＳに規定される清浄度が０．０４
％以上となるような非金属介在物の多い軸受用鋼に対し
浸炭窒化処理が施される。

【００１３】これにより、価格の高い高清浄度鋼を使用
しなくとも浸炭窒化処理を施すことで転がり軸受として
十分利用することができる。

【００１４】ここで清浄度とは、ＪＩＳ Ｇ０５５５に
規定されるものであり、顕微鏡観察の視野に格子を設
け、観察した視野に存在する格子の全数に対する非金属
介在物の含まれる格子の数の割合で定義される。

【００１５】また本願発明者らは、鋭意検討した結果、
鍛錬比が５以下と小さい軸受用鋼では、浸炭窒化処理に
より寿命向上率が非常に大きいことを見出した。

【００１６】したがって、本発明の好ましい局面に従う
転がり軸受では、軸受用鋼の鍛錬比が５以下である。

【００１７】これにより、鍛錬が不充分な鋼であっても
浸炭窒化処理を施すことで転がり軸受として十分利用す
ることができる。

【００１８】ここで鍛錬比とは、試験材料をインゴット
サイズからどの程度まで鍛造により細くしたかを表わ
し、鍛錬比が小さいと表面起点型剥離が発生しやすいと
いわれている。

【００１９】また、本発明の好ましい局面に従う転がり
軸受では、浸炭窒化処理後、表層に形成される炭化物の
粒径は８μｍ以下であり、その表面直下の残留オーステ
ナイト量が２５％以上４０％以下であり、かつ１００Ｍ
Ｐａ以上の圧縮応力が表層に生成している。

【００２０】炭化物は、浸炭によって表層の炭素濃度が
高くなることで形成されるが、炭化物の粒径を８μｍ以
下とすることで過浸炭による粗大な炭化物の発生を抑
え、表面起点型剥離を抑制することができる。

【００２１】浸炭窒化処理により表層に炭素が侵入する
と内部に比べ表層の炭素濃度が高くなり、表層と内部と
のマルテンサイト変態温度が違ってくる。これにより、
表層は内部よりも時間的に遅れて変態すると考えられ
る。つまり、内部の変態が終わってから表層が変態する
ことになり、表層に圧縮応力が残留する。

【００２２】この残留圧縮応力が１００ＭＰａよりも小
さい場合には、表面起点型剥離が生じやすくなる。一
方、２００ＭＰａよりも大きい残留圧縮応力を得ようと
すると、熱処理時の炭素濃度が多くなりすぎ、割れ強度
の低下が懸念される。このため、表層に生じる残留圧縮
応力は１００ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下である。

【００２３】またこれらの特徴を備えることで、転動に
よる発熱・加工の影響で材質が変化することを防ぐため
の耐熱性（焼戻抵抗性）を有することになるため、表面
起点型剥離を抑制でき、寿命を向上することができる。

【００２４】また本発明の好ましい局面に従う転がり軸
受では、少なくとも軌道輪の表面に耐酸化皮膜処理が施
されている。

【００２５】このような耐酸化皮膜処理に対しても、上
述と同様、浸炭窒化は寿命低下を抑える効果がある。

【００２６】等速自在継手、例えばＤＯＪのような等速
自在継手の内輪においても、本願発明を利用すれば浸炭
窒化処理後黒皮のまま使用することが可能で、生産工程
が簡略化されるばかりでなく、寿命の点においても効果
がある。

【００２７】

【実施例】本願発明者らは、浸炭窒化処理の効果を確か
めるため、以下の実験を行なった。

【００２８】各種材料の円筒試片に標準熱処理または浸
炭窒化処理を施したものについて、研削仕上品と黒皮品
との転動寿命試験を行なった。ここで用いた鋼種はＳＵ
Ｊ２、ＳＵＪ３、ＳＣｒ４３５、ＳＣＭ４２０およびＳ
ＮＣＭ８１５であった。

【００２９】また転動寿命試験の条件は、（１）接触面
圧Ｐｍａｘ：５．８８ＧＰａ、負荷速度：４６２４０回
／分、タービンＶＧ６８潤滑の点接触条件および、
（２）接触面圧Ｐｍａｘ：４．１６ＧＰａ、負荷速度：
２０４００回／分、タービンＶＧ６８潤滑の線接触条件
とした。この点接触条件（１）の結果を表１に、線接触
条件（２）の結果を表２に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】上記表１および表２におけるｎは試験数で
あり、Ｐは表面起点型剥離数であり、１０％寿命は表面
起点型剥離も含んだ値である。

【００３３】また表１、表２中におけるＳＵＪ２の試料
Ａ（以下、ＳＵＪ２ Ａと表記する）は、通常レベルの
清浄度の鋼（通常のＳＵＪ２）であり、具体的には、Ｊ
ＩＳ規格においてＡ系非金属介在物の清浄度が０．０１
３で、Ｂ系とＣ系との非金属介在物（Ｂ系＋Ｃ系）の清
浄度が０．００８のものである。またＳＵＪ２の試料Ｂ
（以下、ＳＵＪ２ Ｂと表記する）は、非金属介在物量
が比較的多いものであり、具体的には、ＪＩＳ規格にお
いてＡ系非金属介在物の清浄度が０．０２１、Ｂ系とＣ
系との非金属介在物（Ｂ系＋Ｃ系）の清浄度が０．０２
１のものである。

【００３４】また熱処理において標準とは、浸炭窒化処
理を施さない従来の熱処理を意味している。また浸炭窒
化１とは、８５０℃×６０分、ＮＨ₃ ＝５％（浸炭窒化
雰囲気ガス中でのＮＨ₃ の比率が５体積％）、Ｃｐ＝
１．０（カーボンポテンシャル、すなわち浸炭窒化雰囲
気ガス中の炭素分圧が１．０）の条件を意味している。
また浸炭窒化２とは、８５０℃×６０分、ＮＨ₃ ＝５
％、Ｃｐ＝１．３の条件を意味している。また浸炭とは
９５０℃×４２０分、Ｃｐ＝０．８の条件を意味し、特
にＳＮＣＭ８１５ではさらに８００℃で２次焼入を行な
う条件を意味している。また浸炭＋浸炭窒化とは、上記
の浸炭を行なった後、浸炭窒化１の条件で浸炭窒化を行
なうことを意味している。

【００３５】この表１および表２の結果より、標準の熱
処理が施された試片と標準浸炭のみの熱処理が施された
試片とでは、黒皮のままでは表面起点型剥離が多発し、
特に非金属介在物量が多いＳＵＪ２ Ｂでは研削後も短
寿命であることがわかる。これに対して適切な条件で浸
炭窒化を行なった試片では、黒皮のままでも寿命は向上
しており、研削を行なった試片と同等あるいはそれ以上
のレベルを示していることがわかる。

【００３６】これにより、黒皮膜を有する軸受用鋼部品
であっても、浸炭窒化処理を施すことにより、転がり寿
命が向上し、転がり軸受用として十分利用できることが
判明した。

【００３７】また表１において黒皮のままの場合、浸炭
窒化処理により標準熱処理を施したものと比較してＳＵ
Ｊ２ Ａが６．９倍の寿命増加に対し、ＳＵＪ２ Ｂで
は７１．５倍と著しく寿命が増加している。また、研削
・超仕上を行なった場合も、浸炭窒化処理によりＳＵＪ
２ Ｂの方がＳＵＪ２ Ａよりも寿命の増加が著しい。
これより、現在主流になっている清浄度の高い鋼（ＳＵ
Ｊ２ Ａ：清浄度＜０．０４％）よりも、清浄度の低い
鋼（ＳＵＪ２ Ｂ：清浄度≧０．０４％）の方が浸炭窒
化の効果が大きいことが判明した。したがって、価格の
高い高清浄度鋼を使用しなくても、浸炭窒化処理を施す
ことで転がり軸受として十分利用できることが判明し
た。

【００３８】また浸炭窒化処理でも、炭化物が多く析出
する条件（浸炭窒化２）で処理した試料には、表面起点
型剥離が発生しており、短寿命となっている。このこと
より、浸炭窒化雰囲気ガス中の炭素分圧を変えて炭化物
の析出の制御を行なうことにより、寿命をより一層向上
できることがわかる。

【００３９】なお、浸炭窒化処理を施した場合の黒皮の
表面硬度はＨｖ７００以上であった。また浸炭窒化処理
を施した場合、表層（黒皮がある場合は、黒皮の直下付
近）に形成される炭化物の粒径は８μｍ以下であり、か
つ表層には１００ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の圧縮応
力が残留していた。また、Ｘ線測定の結果、その表層直
下の残留オーステナイト量は２５％以上４０％以下であ
った。

【００４０】次に、非金属介在物以外に短寿命の発生原
因となる成分偏析が大きい場合や鍛錬比が小さい場合に
ついて、上述の点接触条件（１）および線接触条件
（２）で転動寿命を測定した。その結果を表３に示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】表３の結果より、浸炭窒化処理を施さない
標準熱処理の場合よりも、適切な条件で浸炭窒化を行な
うことにより、寿命が大幅に向上することがわかる。特
に鍛錬比が５以下の材料に対しての寿命向上率が大きい
ことがわかる。

【００４３】また、パーカー（リン酸塩皮膜）処理は、
表面に凹凸を形成するため、転動時の応力集中源とな
り、表面起点型損傷が起こりやすい。しかし、表中に示
すように、浸炭窒化処理は、パーカー処理を施した試片
に対しても寿命低下を抑えていることがわかる。

【００４４】今回開示された実施例はすべての点で例示
であって制限的なものではないと考えられるべきであ
る。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の
範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味およ
び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００４５】

【発明の効果】以上より、本発明の転がり軸受では、黒
皮のままで使用される部材の転動寿命（表面起点型損傷
寿命）を向上させることができる。また非金属介在物の
量が多い場合、成分偏析が大きい場合あるいは鍛錬比が
５以下と小さい（サイズが大きい）場合でも軸受の表面
起点型損傷寿命を向上させることができる。

【００４６】なお、パーカー処理などの表面に応力集中
部を形成する処理を施す場合でも寿命の低下を抑えるこ
とができる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軌道輪および転動体からなる転がり軸受
   であって、 少なくとも前記軌道輪を軸受用鋼を用いて成形し、浸炭
   窒化処理後焼入・焼戻を行なって表層に形成される黒皮
   の表面硬度をＨｖ７００以上にし、そのまま転がり軸受
   として組立てた、転がり軸受。
2. 【請求項２】 前記軸受用鋼が、ＪＩＳ（Ｇ０５５５）
   で規定される試験方法によって非金属介在物を測定した
   とき、清浄度が０．０４％以上である、請求項１に記載
   の転がり軸受。
3. 【請求項３】 前記軸受用鋼の鍛練比が５以下である、
   請求項１または請求項２に記載の転がり軸受。
4. 【請求項４】 浸炭窒化処理後表層に形成される炭化物
   の粒径が８μｍ以下であり、表面直下の残留オーステナ
   イト量が２５％以上４０％以下であり、かつ１００ＭＰ
   ａ以上の圧縮応力が表層に生成している、請求項１に記
   載の転がり軸受。
5. 【請求項５】 少なくとも前記軌道輪の表面に耐酸化皮
   膜処理が施されている、請求項１ないし４のいずれかに
   記載の転がり軸受。