JPH11100643A

JPH11100643A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH11100643A
Application number: JP9260089A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-13
Also published as: US6197128B1; DE19844156C2; DE19844156A1

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的安価な化学成分の組合せで低価格かつ
長寿命の浸炭鋼製の転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受を構成する起動輪と転動体と
の少なくともいずれかは、重量基準で０．３％以上０．
６％以下のＣと、０．１％以上０．３５％以下のＳｉ
と、１．１％以上１．５％以下のＭｎと、０．５％以上
２．０％以下のＣｒと、０．２以上０．６％以下のＮｉ
と、０．１５％以上０．５％以下のＭｏとを含む浸炭鋼
よりなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に関
し、特に浸炭鋼よりなる転がり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】軸受
の材料として使用されている浸炭鋼の転動疲労寿命は軸
受鋼に比べて大きく、浸炭鋼製の軸受は、長寿命軸受と
して実用化されている。

【０００３】浸炭鋼製軸受の長寿命の理由としては、浸
炭処理によって生成される残留オーステナイト量の多い
ことおよび表層に圧縮残留応力が存在することが考えら
れる。すなわち、従来の鋼材は応力集中源となる非金属
介在物が多く混在しており、表面に施した浸炭処理によ
って生じた圧縮残留応力および残留オーステナイトが上
記応力集中を緩和する働きをしていると考えられる。

【０００４】しかしながら、最近の製鋼技術の進歩によ
り、鋼の品質が向上した結果、最近の軸受鋼の長寿命化
に伴い、浸炭鋼と軸受鋼とではほとんど寿命面での有利
性はなくなっている。

【０００５】一方、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデ
ン）、Ｖ（バナジウム）などを多量に含む浸炭鋼（Ｍ５
０ＮｉＬ鋼など）は長寿命を示すことを確認している
が、このＣｒ、Ｍｏ、Ｖは高価な化学成分であり、コス
ト面での問題がある。

【０００６】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、比較的安価な化学成分の組合せで低価格か
つ長寿命の浸炭鋼製の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】本願発明者は鋭意検討し
た結果、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）、Ｍｎ（マンガ
ン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリ
ブデン）の化学成分を所定量添加することにより、迅速
浸炭性および転動寿命特性に優れ、かつ低価格な浸炭鋼
の得られることを見出した。

【０００８】それゆえ、本発明の転がり軸受は、転走面
を構成する軌道輪と転動体とを有する転がり軸受であっ
て、軌道輪および転動体の少なくともいずれかは、重量
基準で０．３％以上０．６％以下のＣと、０．１％以上
０．３５％以下のＳｉと、１．１％以上１．５％以下の
Ｍｎと、０．５％以上２．０％以下のＣｒと、０．２％
以上０．６％以下のＮｉと、０．１５％以上０．５％以
下のＭｏとを含む浸炭鋼よりなっている。

【０００９】以下、各元素の添加範囲の規定理由につい
て説明する。Ｃは、重要な元素であり、本発明の浸炭鋼
の基本的な靭性および硬さを決定する元素である。Ｃは
マルテンサイト変態により焼入れ硬化を起こし、硬さを
高める。またＣはオーステナイト安定化元素であり、オ
ーステナイト化温度まで加熱したときに靭性が劣化する
のを抑制する効果がある。一方、Ｃ量を高めすぎると、
硬さが高くなり過ぎ靭性が低下する。本発明において
は、Ｃ量の多い方が炭化物を作ったり、内部の焼入れ硬
度が上がり迅速浸炭性が向上するため、Ｃ量の下限は
０．３重量％である。また転がり軸受として必要な靭性
を得るため、Ｃ量の上限は０．６％である。

【００１０】なお、転動寿命に対しては、浸炭後の表層
Ｃ量が影響するため、元の添加量の影響は明瞭でない。

【００１１】Ｓｉは、脱酸元素として、あるいは硬さや
耐熱性を向上させる元素として知られている。Ｓｉ量が
多いと浸炭性が阻害されるため、Ｓｉ量の上限は０．３
５％である。またＳｉ量は転動寿命面では多い方が良い
ため、Ｓｉ量の下限は０．１％である。

【００１２】Ｍｎ量が少ないと、転動寿命特性および迅
速浸炭性の双方が低くなるため、Ｍｎ量の下限は１．１
％である。またＭｎ量が多いと加工性に劣るため、Ｍｎ
量の上限は１．５％である。

【００１３】Ｃｒは炭化物を作ること、耐熱性をもたら
すことの両方から多い方が良いが、Ｃｒは高価な化学成
分であるため、Ｃｒ量が多すぎると価格が高価になって
しまう。Ｃｒ量が少ないと、炭化物を作る効果、耐熱性
をもたらす効果が小さくなるとともに、点接触条件およ
び異物混入条件の双方における転動寿命が低下するた
め、Ｃｒ量の下限は０．５％である。またＣｒ量が多す
ぎると、価格が高くなるとともに、異物混入条件におけ
る転動寿命が低下するため、Ｃｒ量の上限は２．０％で
ある。

【００１４】Ｎｉは靭性を向上する面からはある程度必
要であるが、多すぎると残留オーステナイトが増え硬度
が低下してしまう。このためＮｉ量が少なすぎると靭性
向上効果が少なく、点接触条件および異物混入条件の双
方における転動寿命が低下するため、Ｎｉ量の下限は
０．２％である。またＮｉ量が多すぎると硬度が低下す
るため、Ｎｉ量の上限は０．６％である。

【００１５】ＭｏはＣｒと共存させることで副炭化物を
作り、焼戻し抵抗性を向上させて寿命を向上させる元素
である。Ｍｏ量が少なすぎると、点接触条件における転
動寿命が低下するため、Ｍｏ量の下限は０．１５％であ
る。またＭｏ量が多すぎると、価格が高くなり過ぎると
ともに、異物混入条件における転動寿命が低下するた
め、Ｍｏ量の上限は０．５％である。

【００１６】浸炭鋼においては、Ｓｉ量を少なくし、Ｃ
量を上げることにより迅速浸炭性を向上させることがで
きる。またＭｎ、Ｃｒ量を多くし、Ｎｉ、Ｍｏ量を少な
くすることで、転動寿命向上に必要な一定量の残留オー
ステナイト量とオーステナイトの安定性、炭化物析出に
よる高硬度を比較的安価な材料で達成することができ
る。

【００１７】今後、高温環境での使用が予想される分野
において、この材料を浸炭窒化後、高温焼戻しすること
で、表面層は転がり寿命に優れ、内部が寸法安定性に優
れた軸受を供給することができる。

【００１８】上記局面において好ましくは、浸炭鋼に
は、転走面の表面下では３．５μｍ以下で、黒皮表面下
では８μｍ以下の最大粒径となるように炭化物が分布し
ている。これにより、割強度を低下させることなく、応
力集中を緩和することができる。このような炭化物分布
は、上記浸炭鋼に浸炭窒化処理を施すことにより実現す
ることができる。

【００１９】上記局面において好ましくは、浸炭鋼の表
層の圧縮応力は１５０ＭＰａ以下である。これにより、
軸受の長寿命化を図ることができる。なお、この構成
は、高温焼戻しを行なうことにより実現することができ
る。

【００２０】上記局面において好ましくは、浸炭鋼は表
層に２０％以上３０％以下、内部に５％以下の残留オー
ステナイトを有している。これにより、高温使用でも寸
法安定性と転動寿命とに優れた転がり軸受を得ることが
できる。

【００２１】

【実施例】実施例１まず以下の表１に示すように化学成分を変えた各種鋼
（Ａ〜Ｖ）を準備した。

【００２２】これらの鋼に９５０℃×４２０分の浸炭
（Ｃｐ＝１．２％）を行なった後、８５０℃×６０分の
浸炭窒化を行ない、現用鋼（ＳＣｒ４２０）との転動寿
命を比較した。この転動寿命は、通常の浸炭鋼について
はφ１２点接触試片で、また浸炭窒化鋼については異物
を混入させた玉軸受６２０６で評価した。これらの試験
条件を表２および表３に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】上記の試験結果を表４に示すとともに、そ
れぞれの化学成分（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍ
ｏ）ごとに分類し、寿命に及ぼす化学成分の影響を調べ
たものを図１〜図６に示す。

【００２７】

【表４】

【００２８】なお図１〜図６における記号・はφ１２点
接触試片による１０％寿命、記号×は玉軸受６２０６に
よる異物混入寿命を各々示している。

【００２９】図１〜図６の結果より、φ１２点接触寿命
および玉軸受６２０６の異物混入条件での寿命（以下、
６２０６異物混入寿命と称する）をともに向上させる元
素はＳｉとＭｎであった。またＣｒ、Ｍｏは、添加量を
多くするとφ１２点接触寿命を向上させるが、６２０６
異物混入寿命に対しては悪影響を及ぼすことが判明し
た。これは浸炭窒化による多くの炭窒化物がＣｒ、Ｍｏ
と複合し大きくなる結果、応力集中源や剥がれやすい異
物として作用するためである。

【００３０】Ｎｉはある量（０．２％）以上で寿命への
影響は明瞭でなくなり、Ｃは浸炭・浸炭窒化によって添
加されるため元の添加量の影響は明瞭でない。

【００３１】一方、Ｓｉは添加により浸炭性を阻害す
る。今回の浸炭および浸炭窒化の条件では、浸炭、浸炭
窒化深さは、Ｓｉが増えると低下し、Ｓｉ量が０．５５
％ではＳｉ量が０．３５％の場合に比べて約４０％低下
した。したがって迅速浸炭性のためにはＳｉ量を少なめ
に、Ｃを多めにする必要があるが、Ｃを０．３％以上、
Ｓｉを０．３５％以下にすることにより通常のＳＣｒ４
２０の約２倍の迅速浸炭性をもたせられることが確認さ
れた。

【００３２】なお、φ１２点接触寿命および６２０６異
物混入寿命の判断基準値については、ＳＣｒ４２０に浸
炭窒化処理したものの寿命が、それぞれ７２００×１０
⁴、７０時間であるため寿命のばらつきを考慮して、こ
れの１．５倍を目安とした。

【００３３】以上から、特にＭｎを多くし、Ｃｒ、Ｎ
ｉ、Ｍｏを適当量含むことにより、安価で高面圧異物混
入の両条件で長寿命を発揮する軸受材料を得ることがで
きることが判明した。Ｃ、Ｓｉを適当に選ぶことにより
迅速浸炭性、転動寿命に優れた性質も与えることができ
ることも判明した。

【００３４】また表１の鋼Ａ〜Ｖについて、転走面表層
の炭化物の最大長さ（最大粒径）と６２０６異物混入寿
命との関係を図７にまとめた。図７を参照して、浸炭窒
化品の炭化物の大きさと異物混入寿命との相関より、異
物混入寿命が低下しない炭化物径は３．５μｍ以下であ
ることが判明した。

【００３５】また浸炭窒化品の黒皮部表層の炭化物粒径
が８μｍ以下であれば、割強度も大きく低下しないこと
が確認された。

【００３６】実施例２次に、実施例１において最適組合せの鋼（Ｕ）をベース
にして、その鋼の焼戻し温度を変化させたときの表層硬
さ、内部硬さ、表層における残留応力および表層と内部
との残留オーステナイト量とを測定した。その結果を表
５に示す。

【００３７】

【表５】

【００３８】上記の結果より、焼戻し温度を上げると、
ＳＵＪ２よりなる鋼種の場合には表層における圧縮残留
応力が低下したのに対し、本発明範囲の組成を有する鋼
種Ｕでは表層の圧縮残留応力値が大きくなった。また本
発明範囲の組成を有する鋼種Ｕでは、焼戻し温度が２３
０℃以上になると、内部の残留オーステナイト量は急激
に少なくなり、焼戻し温度２５０℃ではゼロとなった
が、表層の残留オーステナイト量は２０％以上あった。
これは、浸炭窒化の効果が特にＣｒ、Ｓｉ、Ｍｎを多く
含む鋼に有効に働き、焼戻し抵抗性（硬度変化少ない）
と組織安定性とを与えるためである。

【００３９】内部の残留オーステナイトは転動寿命には
影響しないが、経年寸法変化の原因になるため少ない方
が良い。また表層には転動寿命向上のため２０％以上の
残留オーステナイトが必要である。

【００４０】本発明範囲の組成を有する鋼種Ｕに２３０
℃以上の焼戻しを施すことで表層の圧縮応力を大きくで
き、かつ表層の残留オーステナイト量も２０％を確保で
きるため、転動寿命に優れた表層材質を得ることができ
る。このとき内部はオーステナイト量が減少するため、
寸法安定性にも優れた材質にすることができる。

【００４１】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。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ量を適度な範囲に制限することによ
り、安価で、特別な熱処理を行なわなくても長寿命の軸
受材料を得ることができる。特にＭｎを多くすることに
より、Ｎｉと同様の残留オーステナイト量増加・安定性
を付与し、ＣｒとＭｏとを調整することにより浸炭や浸
炭窒化において炭化物の粗大化を抑えることで表層硬度
と焼戻し抵抗性とを付与しつつ応力集中源を作らないた
め、靭性と硬さを兼ね備えた材料を得ることができる。
これらの材料は通常の熱処理（浸炭）で標準的な軸受鋼
の３倍の高面圧寿命を、また浸炭窒化処理で標準軸受鋼
を浸炭窒化処理したものの２．５倍の異物混入寿命を示
す。

【００４３】浸炭窒化品の場合、応力集中源とならない
炭化物の大きさは転走面表面下で３．５μｍ以下であ
る。また炭化物が大きくなると割強度も著しく低下する
が、既に割強度に関しては、黒皮部表層の炭化物粒径が
８μｍ以下に抑えられることにより割強度が大きく低下
しないことが確かめられている。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｃ量と転動寿命との関係を示すグラフである。

【図２】Ｓｉ量と転動寿命との関係を示すグラフであ
る。

【図３】Ｍｎ量と転動寿命との関係を示すグラフであ
る。

【図４】Ｃｒ量と転動寿命との関係を示すグラフであ
る。

【図５】Ｎｉ量と転動寿命との関係を示すグラフであ
る。

【図６】Ｍｏ量と転動寿命との関係を示すグラフであ
る。

【図７】転走面表層の炭化物の最大長さ（最大粒径）と
異物混入条件における転動寿命との関係を示すグラフで
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに転走面を構成する軌道輪と転動体
とを有する転がり軸受であって、前記軌道輪および前記転動体の少なくともいずれかは、
重量基準で０．３％以上０．６％以下のＣと、０．１％
以上０．３５％以下のＳｉと、１．１％以上１．５％以
下のＭｎと、０．５％以上２．０％以下のＣｒと、０．
２％以上０．６％以下のＮｉと、０．１５％以上０．５
％以下のＭｏとを含む浸炭鋼よりなっている、転がり軸
受。
【請求項２】前記浸炭鋼には、前記転走面の表面下で
は３．５μｍ以下で、黒皮表面下では８μｍ以下の最大
粒径となるように炭化物が分布している、請求項１に記
載の転がり軸受。
【請求項３】前記浸炭鋼の表層の圧縮応力は１５０Ｍ
Ｐａ以下である、請求項２に記載の転がり軸受。
【請求項４】前記浸炭鋼は、表層に２０％以上３０％
以下、内部に５％以下の残留オーステナイトを有してい
る、請求項２に記載の転がり軸受。