JPH11101247A

JPH11101247A - 転がり軸受部品

Info

Publication number: JPH11101247A
Application number: JP9263312A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Ito; 勝教伊藤; Kikuo Maeda; 喜久男前田; Hiroshi Murakami; 裕志村上
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】冷間加工性に優れ、高い疲労寿命および割れ
寿命を有する転がり軸受部品を提供する。【解決手段】炭素を０．４〜０．８重量％、ケイ素を
０．１５〜１．１重量％、マンガンを０．３〜１．５重
量％含む鋼を浸炭窒化して得られる転がり軸受部品であ
って、浸炭窒化された表層は、０．６〜１．３重量％の
炭素および０．２５〜０．５重量％の窒素を含み、かつ
その圧縮残留応力が１５０ＭＰａ以上、残留オーステナ
イトが２０〜３５体積％、炭窒化物の最大粒径が８μｍ
以下およびビッカーズ硬度が７００以上である。

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、転がり軸受部品
に関し、特に、自動車のトランスミッションなどの高荷
重かつ異物が混入した潤滑条件下で使用される転がり軸
受部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、転がり軸受部品の材質としては、
高炭素クロム軸受鋼、低炭素肌焼き鋼および中炭素鋼の
３種類が知られている。これらの鋼をその用途に応じて
それぞれに使い分けているのが現状である。

【０００３】自動車のトランスミッションなどに使用さ
れる軸受は、荷重条件が厳しくかつ密閉された環境で潤
滑油を交換しない状態で使用されるため、潤滑油の中に
混入したギアなどの破片の固い異物が軸受と転動体の間
に入り込む可能性が高い。このように異物を噛み込んだ
状態で軸受を使用するため、軸受の転がり接触面に圧痕
が生じて、そこから破損が発生しやすく軸受の寿命が短
くなるという傾向がある。具体的には、高炭素クロム軸
受鋼をずぶ焼入れして製造した転がり軸受では、圧痕周
囲の表面に引張り応力が発生しているため、接触面で生
じた圧痕から破損が生じやすいという問題がある。ま
た、この高炭素クロム軸受鋼を浸炭窒化処理して表面に
圧縮残留応力を付与した場合でも、研削性が悪く、かつ
管理された熱処理雰囲気で処理しないと巨大炭窒化物が
生成するため割れ寿命が短くなる懸念があった。

【０００４】一方、低炭素肌焼き鋼をトランスミッショ
ン用の軸受として用いれば、その表面には圧縮応力が生
成するため、破損は生じにくいが、素材の炭素含有率が
極めて低いため、表面から所定の深さまで硬化させる必
要があり、硬化処理、すなわち浸炭または浸炭窒化処理
に要する時間が長くなり、製造効率が低下するという問
題があった。

【０００５】また、高周波焼入れした中炭素鋼を転がり
軸受として用いることも考えられるが、この場合、疲労
寿命が長くならないという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明は、
上述のような問題点を解決するためになされたものであ
り、冷間加工性に優れ、高い疲労寿命および割れ疲労強
度を有する転がり軸受部品を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、転がり軸
受部品の冷間加工性、疲労寿命および割れ疲労強度につ
いて、検討した結果、以下のことを発見した。

【０００８】まず、冷間加工性を向上させるためには、
鋼中の炭素、シリコン、マンガン、クロムなどの添加元
素の量が大きく影響し、それらを減らす、または最適化
することで冷間加工性が向上する。

【０００９】異物が混入した潤滑条件下で疲労寿命を長
くするためには、浸炭窒化により部品の表層に最適量の
オーステナイトを分布させ、高い硬度、靱性および耐熱
性を付与するとともに、靱性を失わない範囲で部品内部
の硬度を浸炭焼入れ品よりも高くすることが有効であ
る。

【００１０】割れ疲労強度を向上させるためには、浸炭
窒化処理により適量の残留オーステナイトと残留圧縮応
力を付与し、さらに炭窒化物の粒径を最適化することが
有効である。また、残留応力は、主に、部品の表層と内
部との炭素量の差および表層と内部の硬度差に大きく影
響される。

【００１１】このような検討結果に基づきなされた本発
明の転がり軸受部品は、炭素を０．４〜０．８重量％、
ケイ素を０．１５〜１．１重量％、マンガンを０．３〜
１．５重量％含む鋼を浸炭窒化して得られるものであ
り、浸炭窒化された表層は、０．６〜１．３重量％の炭
素および０．２５〜０．５重量％の窒素を含み、かつそ
の圧縮残留応力が１５０ＭＰａ以上、残留オーステナイ
トが２０〜３５体積％、炭窒化物の最大粒径が８μｍ以
下およびビッカース硬度が７００以上のものである。な
お、転がり軸受部品とは、転がり軸受用の外輪、内輪お
よび転動体を意味する。

【００１２】原料としての鋼に炭素を添加するのは鋼の
硬度を高めるためである。炭素の含有率を０．８重量％
以下としたのは、０．８重量％を超えると浸炭窒化して
も表層と内部の硬度差が生じにくくなり、表層に圧縮残
留応力が付与されにくくなるためおよび炭窒化物の最大
粒径が８μｍを超える可能性が出てくるためである。

【００１３】炭素の含有率を０．４重量％以上としたの
は、０．４重量％未満では内部硬度が低下しすぎるため
である。

【００１４】また、鋼にシリコンおよびマンガンを添加
するのは焼入性を向上させるためである。シリコンおよ
びマンガンの含有率を１．１重量％以下および１．５重
量％以下としたのは、この範囲を超えると、冷間加工性
が大きく低下するためである。また、シリコンおよびマ
ンガンの含有率を０．１５重量％および０．３重量％以
上としたのは、この範囲未満であれば、焼入れ性が低下
し、内部まで十分に焼きが入らないためである。

【００１５】浸炭窒化された表層部分の炭素の含有率を
０．６〜１．３重量％としたのは、炭素の含有率が１．
３％を超えると大きな炭化物が多く生成するため割れ疲
労強度が低下する可能性があるからである。また、０．
６重量％以上としたのは、０．６重量％未満では十分な
硬度と残留オーステナイト量が確保できないためであ
る。

【００１６】窒素の含有率を０．２５重量％〜０．５重
量％としたのは、０．２５重量％未満では十分な耐熱性
を得ることができないため、０．５重量％超えると焼入
れ性に寄与しないε炭化物が多く生成し、必要な炭素が
ε炭化物に取られるため焼入れ性が悪くなり、寿命が短
くなるからである。

【００１７】残留オーステナイト量を２０〜３５体積％
としたのは、２０体積％未満では残留オーステナイトに
よる寿命向上の効果が十分に得られないため、３５体積
％を超えると、表層の硬度が低下することにより、寿命
が短くなるためである。

【００１８】炭窒化物の最大粒径が８μｍ以下としたの
は、８μｍを超えると、炭窒化物が割れの起点となりや
すいからである。

【００１９】ビッカース硬度を７００以上としたのは、
７００未満であれば、表面が摩耗しやすくなり、十分な
疲労寿命が得られないからである。

【００２０】このような転がり軸受部品においては、添
加元素の量、残留圧縮応力、残留オーステナイト、炭窒
化物の最大粒径および表面硬度を最適化しているため、
冷間加工性に優れ、高い疲労寿命および割れ疲労強度を
有する転がり軸受部品を得ることができる。さらに、原
料としての鋼の炭素の含有量が低炭素鋼に比べて多いた
め、浸炭窒化処理に要する時間が短くなり、製造効率が
向上する。

【００２１】また、鋼は１．０重量％以下のクロムを含
むことが好ましい。この場合、クロムが炭化物を形成す
るため、表層の硬度が向上しやすくなる。また、クロム
を添加すると焼入れ性も向上する。クロムの含有率を
１．０重量％未満としたのは、１．０重量％を超えると
冷間加工性が低下することや、１．０重量％を超えて添
加してもその効果が小さいためである。

【００２２】さらに、浸炭窒化されていない部分のビッ
カース硬度が６００以上であることが好ましい。この場
合、ビッカース硬度を６００以上としたのは、浸炭窒化
されていない部分のビッカース硬度が６００未満、すな
わち、内部硬度が低い場合には、寿命が低下するからで
ある。

【００２３】

【実施例】以下、この発明の実施例について詳細に説明
する。

【００２４】まず、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロ
ムの含有率を表１のようにさまざまに変えた鋼を準備し
た。

【００２５】

【表１】

【００２６】この鋼を表２〜６で示す条件で浸炭窒化し
て表層の炭素および窒素の含有率、圧縮残留応力、残留
オーステナイト量、炭窒化物の最大粒径、ビッカース硬
度をさまざまなに変えたサンプルＮｏ．１〜４６を用意
した。また、比較のため、従来品として軸受鋼（ＳＵＪ
２）の浸炭窒化処理したものを用意した。サンプルＮ
ｏ．１〜９の特性を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２中「残留オーステナイト量（体積
％）」は、部品の表面にＸ線を照射して測定した。ま
た、「炭窒化物の最大粒径」は、浸炭窒化処理した層を
エッチング処理し、光学顕微鏡により炭窒化物の結晶の
最大粒径を目視で測定した。サンプルＮｏ．１〜９およ
び従来品は円すいころ軸受（型番３０２０６）に成形
し、下記に示す条件で寿命試験を行なった。

【００２９】試験条件荷重：Ｆｒ＝１７．６４ｋＮ（ラジアル方向の荷重）回転速度：２０００ｒｐｍ（内輪回転）潤滑：タービン５６油浴給油計算寿命：１６９時間（異物の混入していない条件によ
る）異物量：１ｇ／１０００ｃｃこの試験の結果を図１に示す。

【００３０】図１より、残留オーステナイト量が２０体
積％未満では、寿命が大きく低下しており、残留オース
テナイトの寿命向上の効果が十分に得られていないこと
がわかる。また、残留オーステナイト量が３５体積％を
超えると、表面の硬度が低下することにより、寿命がや
や短くなっていることがわかる。したがって、従来品よ
りも長い寿命が得られるのは、残留オーステナイト量が
２０〜３５体積％であることがわかる。

【００３１】次に、表３で示すようにさまざまな条件で
浸炭窒化処理してサンプルＮｏ．１０〜１８を得た。ま
た、比較のため、従来品（ＳＵＪ２）を準備した。これ
らのサンプルの特性を表３に示す。

【００３２】

【表３】

【００３３】また、サンプルＮｏ．１０〜１８および従
来品についても、軸受（型番３０２０６）に成形し、サ
ンプルＮｏ．１〜９と同様の試験条件で寿命の測定を行
なった。この試験結果を図２に示す。

【００３４】図２より、内部硬度が低下すると、寿命は
一様に低下し、内部硬度（ＨＶ）が６００未満では、従
来品より寿命が短いことがわかる。

【００３５】次に、表４に示すようにさまざまな条件で
浸炭窒化処理して、サンプルＮｏ．１９〜２５を得た。
また、比較のため、従来品（ＳＵＪ２）を用意した。こ
れらの特性を表４に示す。

【００３６】

【表４】

【００３７】表４に示すサンプルＮｏ．１９〜２５およ
び従来品は、φ６０×φ４５×ｔ１５の円筒状の試験片
を作成し、以下の条件で割れ疲労強度を測定した。

【００３８】接触荷重：９．８ｋＮ最大応力：内径面で約＋６３３〜−４１２Ｍｐａ負荷速度：８０００ｃｐｍ潤滑：タービン６８滴下給油試験の結果を図３に示す。

【００３９】図３より、圧縮残留応力が大きいほど割れ
疲労強度は大きくなり、圧縮残留応力が０に近づくにつ
れて割れ疲労強度が低下する。従来のものより大きな強
度が得られるのは、圧縮残留応力が１５０ＭＰａ以上の
ときであることがわかる。

【００４０】次に、表５に示すさまざまな条件で浸炭窒
化処理し、サンプルＮｏ．２６〜３７を得た。また、比
較のため、従来品（ＳＵＪ２）を用意した。これらの特
性を表５に示す。

【００４１】

【表５】

【００４２】サンプルＮｏ．２６〜３７および従来品に
ついても、軸受（型番３０２０６）に成形し、サンプル
Ｎｏ．１〜９と同様の試験条件で寿命測定を行なった。

【００４３】試験の結果を図４に示す。図４より、表層
の炭素の含有率が０．６重量％〜１．３重量％のときに
寿命が長く、この範囲外であれば寿命が短いことがわか
る。これは、炭素の含有率が０．６重量％未満では十分
な硬度と残留オーステナイト量が確保できないため、
１．３重量％を超えると大きな炭化物が多く生成するた
めであると考えられる。

【００４４】次に、表６で示すさまざまな条件で浸炭窒
化処理し、サンプルＮｏ．３８〜４６を得た。また、比
較のため、従来品（ＳＵＪ２）を用意した。これらの特
性を表６に示す。

【００４５】

【表６】

【００４６】サンプルＮｏ．３８〜４６および従来品に
ついても、軸受（型番３０２０６）に成形し、サンプル
Ｎｏ．１〜９と同様の試験条件で寿命測定を行なった。

【００４７】試験の結果を図５に示す。図５より、表層
の窒素の含有率が０．２５〜０．５重量％のときに寿命
が長く、この範囲外では寿命が短いことがわかる。これ
は、窒素の含有率が０．２５重量％未満では十分な耐熱
性が得られないため、０．５重量％を超えると焼入れ性
に寄与しないε炭化物が多く生成し、必要な炭素が取ら
れるため焼入れ性が悪くなるからであると考えられる。

【００４８】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。

【００４９】

【発明の効果】この発明による転がり軸受部品は、加工
性に影響を与える合金元素の含有率を減らした低合金鋼
に、通常のずぶ焼入れと同等の短時間の浸炭窒化処理を
施したものであるため、異物が混入した潤滑条件下での
転動疲労強度と割れ強度を低下させず現在の軸受鋼より
冷間加工性をよくしさらに低コスト化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】残留オーステナイトの割合と寿命との関係を示
す図である。

【図２】内部硬度と寿命との関係を示す図である。

【図３】表層の残留応力と割れ寿命の関係を示す図であ
る。

【図４】表層の炭素含有率と寿命との関係を示す図であ
る。

【図５】表層の窒素含有率と寿命との関係を示す図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素を０．４〜０．８重量％、ケイ素を
０．１５〜１．１重量％、マンガンを０．３〜１．５重
量％含む鋼を浸炭窒化して得られる転がり軸受部品であ
って、浸炭窒化された表層は、０．６〜１．３重量％の炭素お
よび０．２５〜０．５重量％の窒素を含み、かつその圧
縮残留応力が１５０ＭＰａ以上、残留オーステナイトが
２０〜３５体積％、炭窒化物の最大粒径が８μｍ以下お
よびビッカース硬度が７００以上である、転がり軸受部
品。
【請求項２】前記鋼は、１．０重量％以下のクロムを
含む、請求項１に記載の転がり軸受部品。
【請求項３】浸炭窒化されていない部分のビッカース
硬度が６００以上である、請求項１または２に記載の転
がり軸受部品。