JP2005133923A - 鋼製機械部品および転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、転動疲労寿命に優れた鋼製機械部品を提供する。
【解決手段】外輪1、内輪2および複数の転動体3を有する転がり軸受10の場合、外輪1、内輪2および転動体3のうち少なくともいずれか一つの部材が、オーステナイト粒の粒度番号が10番を超え、かつ、圧縮残留応力が100〜300MPaの範囲である。
【選択図】図１

Description

本発明は、減速機、ドライブピニオン、トランスミッションなどに用いられる転がり軸受や、カムシャフト、クランクシャフト、トランスミッションシャフト等の自動車や各種産業機械用の鋼製機械部品に関するものである。以下では主として転がり軸受を例にとって説明する。

軸受部品の転動疲労に対して長寿命を与える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ＲＸガス中に、さらにアンモニアガスを添加するなどして、その軸受部品の表層部に浸炭窒化処理を施す方法がある（たとえば特開平８−４７７４号公報、特開平１１−１０１２４７号公報）。この浸炭窒化処理を用いることにより、表層部を硬化させ、さらに、ミクロ組織中に残留オーステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させることができる。
特開平８−４７７４号公報 特開平１１−１０１２４７号公報

しかしながら、上記の浸炭窒化処理方法は炭素および窒素を拡散させる拡散処理のため、長時間高温に保持する必要がある。このため、組織が粗大化する等して割れ強度の向上を図ることは困難であり、改善の余地がある。また、残留オーステナイトの増加による経年寸法変化率の増大についても改善の余地がある。

一方、転動疲労に対して長寿命を確保し、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率の増大を防ぐには、鋼の合金設計によって行なうことが可能である。しかし、合金設計によると、原材料コストが高くなるなどの問題点が発生する。

今後の軸受部品には、使用環境の高荷重化、高温化に伴い、従来よりも、大きな荷重条件で、かつ、より高温で使用できる特性を備えることが要求される。このため、転動疲労特性が長寿命で、高度の割れ強度と寸法安定性とを有する軸受部品が必要になる。

本発明は、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、転動疲労寿命に優れた、軸受部品および転がり軸受をはじめとする鋼製機械部品を提供することを目的とする。

本発明は、オーステナイト粒の粒度番号が１０番を超え、かつ、圧縮残留応力が１００〜３００ＭＰａの範囲であることを特徴とする鋼製機械部品である。たとえば内輪、外輪および複数の転動体を有する転がり軸受において、前記内輪、外輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、オーステナイト粒の粒度番号が１０番を超え、かつ、圧縮残留応力が１００〜３００ＭＰａの範囲であることを特徴とするものである。

オーステナイト粒の粒度番号が１０番を超え、オーステナイト粒径が微細であることにより、転動疲労寿命を大幅に改良することができる。オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、転動疲労寿命は大きく改良されないので、１０番を超える粒度番号とする。オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。なお、上記の軸受部品のオーステナイト粒は、表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。ここで、オーステナイト結晶粒は、焼入れ処理を行なった後も焼入れ直前のオーステナイト結晶粒界の痕跡が残っており、その痕跡に基づいた結晶粒をいう。

圧縮残留応力が存在する場合、物理的に、転動疲労時のミゼスの相当応力最大値を軽減するので、圧縮応力が大きいほど、転動疲労には有利になると考えられる。ただし、浸炭窒化処理により圧縮応力を形成する場合、必要以上に大きくすると、そのための熱処理により過浸炭組織やボイドの発生、焼き割れ発生などの弊害を生み出す可能性がある。したがって好ましい圧縮残留応力の範囲を１００〜３００ＭＰａとする。圧縮残留応力の測定方法については、Ｘ線の入射角１５°、４０°の２箇所から表面に平行な歪に換算し、表面に平行な残留応力を得る。例えば軌道輪の場合、軌道面の円周方向の任意の１箇所において、表層５０μｍ深さの値をとる。測定装置の例としては、株式会社リガクのＰＳＰＣ−ＭＳＦ等のＸ線回折装置を挙げることができる。

本発明によれば、オーステナイト粒の粒度番号が１０番を超え、かつ、圧縮残留応力が１００〜３００ＭＰａの範囲であることにより、転がり軸受をはじめとする構成機械部品の転動疲労寿命が改善される。

次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態における転がり軸受を示す概略断面図である。図１において、この転がり軸受１０は、外輪１と、内輪２と、転動体３とを主に有している。転動体３は、外輪１と内輪２との間に配置された保持器により転動可能に支持されている。図面はラジアル玉軸受を表しているが、玉軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受も同様に本発明の実施の形態の対象となる。

これら転がり軸受の外輪１、内輪２および転動体３の少なくとも１つの軸受部品に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。図２は本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法を示す図である。また、図３は本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法の変形例を示す図である。図２は一次焼入れおよび二次焼入れを行なう方法を示す熱処理パターンであり、図３は焼入れ途中で材料をＡ₁変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れする方法を示す熱処理パターンである。どちらも本発明の実施の形態の転がり軸受を製造するための熱処理の例である。これらの図において、処理Ｔ₁では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させたまま炭素の溶け込みを十分に行なった後、Ａ₁変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ₂において、Ａ₁変態点温度以上かつ処理Ｔ₁よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。

また、上記の熱処理では、従来の浸炭窒化焼入れすなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少させることができる。図２または図３の熱処理パターンによって製造された転がり軸受は、オーステナイト結晶粒の粒径が従来の２分の１以下となるミクロ組織を有している。また、高温で長時間行なう浸炭窒化処理により侵入した水素を低温・短時間処理の二次焼入れ時に減少させることもできる。上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労に対して長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。

図４は、軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。図４（ａ）は本発明例の軸受部品であり、図４（ｂ）は従来の軸受部品である。すなわち、上記図２に示す熱処理パターンを適用した本発明の実施の形態である転がり軸受の軌道輪のオーステナイト結晶粒度を図４（ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図４（ｂ）に示す。また、図５（ａ）および図５（ｂ）に、上記図４（ａ）および図４（ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒度を示す。これらオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオーステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であり、また図２または図３の熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。また、図４（ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。

次に、本発明の実施例について説明する。

（実施例Ｉ）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用いて、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験、の各試験を行なった。表１にその結果を示す。

各試料の製造履歴は次のとおりである。

試料Ａ〜Ｄ（本発明例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図２に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から一次焼入れをおこない、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して二次焼入れを行なった。ただし、二次焼入れ温度７８０℃の試料Ａは焼入れ硬度不足のため試験の対象から外した。

試料Ｅ，Ｆ（比較例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行ない、二次焼入れ温度を浸炭窒化処理温度８５０℃以上の８５０℃〜８７０℃で行なった。

従来浸炭窒化処理品（比較例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。浸炭窒化処理温度からそのまま焼入れを行ない、二次焼入れは行なわなかった。

普通焼入れ品（比較例）：浸炭窒化処理を行なわずに、８５０℃に加熱して焼入れした。二次焼入れは行なわなかった。

次に、試験方法について説明する。

（１）水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様を下記に示す。

分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なる方）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイズ：１０ｍｇ〜３５ｍｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロン Ｍｇ（ＣｌＯ₄）₂、アスカライト ＮａＯＨ
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス：水素ガス、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ｐｓｉ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ²）である。

測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごと上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取り出し、抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。

（２）結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片は、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に示されたＵノッチ試験片を用いた。

（４）破壊応力値の測定
図６は、静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。図中のＰ方向に荷重を負荷して破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図６に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。

図６の試験片の凸表面における繊維応力をσ₁、凹表面における繊維応力をσ₂とすると、σ₁およびσ₂は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ₁は外半径、ｅ₂は内半径を表す。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ₁＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ₀）｝［１＋ｅ₁／｛κ（ρ₀＋ｅ₁）｝］
σ₂＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ₀）｝［１−ｅ₂／｛κ（ρ₀−ｅ₂）｝］
κ＝−（１／Ａ）∫Ａ｛η／（ρ₀＋η）｝ｄＡ
（５）転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験条件を表２に示す。また、図７は、転動疲労寿命試験機の概略図である。図７（ａ）は正面図であり、図７（ｂ）は側面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）において、転動疲労寿命試験片２１は、駆動ロール１１によって駆動され、ボール１３と接触して回転している。ボール１３は、３／４インチのボールであり、案内ロール１２にガイドされて、転動疲労寿命試験片２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。

表１に示した試験結果を説明するならば次のとおりである。

（１）水素量
浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ₃）が分解して水素が鋼中に浸入したためと考えられる。これに対し、試料Ｂ〜Ｄは、水素量は０．３７〜０．４０ｐｐｍと半分近くまで減少している。この水素量は普通焼入れ品と同レベルである。

上記の水素量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は大きく改善されている。

（２）結晶粒度
結晶粒度は二次焼入れ温度が、浸炭窒化処理時の焼入れ（一次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入れ品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、本発明例の試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。

（３）シャルピー衝撃試験
表１によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ²であるのに比して、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は６．３０〜６．６５Ｊ／ｃｍ²と高い値が得られている。この中でも、二次焼入れ温度が低い方がシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。普通焼入れ品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ²と高い。

（４）破壊応力値の測定
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表１によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｄの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善された値が得られている。普通焼入れ品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｄの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。

（５）転動疲労試験
表１によれば、普通焼入れ品は浸炭窒化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ₁₀は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｆのうち、二次焼入れを浸炭窒化処理温度より低い温度で行なった試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品と同等か、それより低い値が得られる。

上記をまとめると、本発明例Ｂ〜Ｄは残留応力が１００〜３００ＭＰａであり、オーステナイト結晶粒度が１１番以上に微細化され、シャルピー衝撃値、耐割れ強度および転動疲労寿命も改善される。

（実施例II）
次に実施例IIについて説明する。下記のＸ材、Ｙ材およびＺ材について、一連の試験を行なった。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ｘ材〜Ｚ材に共通とした。Ｘ材〜Ｚ材の製造履歴は次のとおりである。
Ｘ材（比較例）：普通焼入れのみ（浸炭窒化処理せず）。
Ｙ材（比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼入れ（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
Ｚ材（本発明例）：図２の熱処理パターンを施した軸受鋼。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。

（１）転動疲労寿命
転動疲労寿命の試験条件および試験装置は、上述したように、表２および図７に示すとおりである。この転動疲労寿命試験結果を表３に示す。

表３によれば、比較例のＹ材は、同じく比較例で普通焼入れのみを施したＸ材のＬ₁₀寿命（試験片１０個中１個が破損する寿命）の３．１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＺ材は、Ｙ材の１．７４倍、またＸ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。

（２）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳ Ｚ ２２４２に準じた方法により行なった。試験結果を表４に示す。

浸炭窒化処理を行なったＹ材（比較例）のシャルピー衝撃値は、普通焼入れのＸ材（比較例）より高くないが、Ｚ材はＸ材と同等の値が得られた。

（３）静的破壊靭性値の試験
図８は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。この試験片のノッチ部に、予き裂を約１ｍｍ導入した後、３点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Ｐを求めた。破壊靭性値（Ｋ₁ｃ値）の算出には次に示す（Ｉ）式を用いた。また、試験結果を表５に示す。
Ｋ１ｃ＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ²）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）²
−７５．３（ａ／Ｗ）³＋７７．５（ａ／Ｗ）⁴｝・・・（Ｉ）

予き裂深さが浸炭窒化層深さよりも大きくなったため、比較例のＸ材とＹ材とには違いはない。しかし、本発明例のＺ材は比較例に対して約１．２倍の値を得ることができた。

（４）静圧壊強度試験
静圧壊強度試験片は、上述のように図６に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を付加して、静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表６に示す。

浸炭窒化処理を行なっているＹ材は普通焼入れのＸ材よりもやや低い値である。しかしながら、本発明のＺ材は、Ｙ材よりも静圧壊強度が向上し、Ｘ材と遜色ないレベルが得られている。

（５）経年寸法変化率
保持温度１３０℃、保持時間５００時間における経年寸法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（５０μｍ深さ）と併せて表７に示す。

残留オーステナイト量の多いＹ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＺ材は２分の１以下に抑制されていることがわかる。

（６）異物混入下における転動寿命試験
玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表８に、試験結果を表９に示す。

Ｘ材に比べ、従来の浸炭窒化処理を施したＹ材は約２．５倍になり、また、本発明例のＺ材は約２．３倍の長寿命が得られた。本発明例のＺ材は、比較例のＹ材に比べて残留オーステナイトが少ないものの、窒素の浸入と微細化されたミクロ組織の影響でほぼ同等の長寿命が得られている。

上記の結果より、Ｚ材、すなわち本発明例は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかった。

今回開示された実施の形態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。

本発明の実施の形態における転がり軸受を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法の変形例を説明する図である。 軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。（ａ）は本発明例の軸受部品であり、（ｂ）は従来の軸受部品である。 （ａ）は図４（ａ）を図解したオーステナイト粒界を示し、（ｂ）は図４（ｂ）を図解したオーステナイト粒界を示す。 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。 転動疲労寿命試験機の概略図である。（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。 静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。

符号の説明

１ 外輪
２ 内輪
３ 転動体
１０ 転がり軸受
１１ 駆動ロール
１２ 案内ロール
１３ ボール
２１ 転動疲労寿命試験片
Ｔ₁ 浸炭窒化処理温度
Ｔ₂ 焼入れ加熱温度

Claims (2)

1. オーステナイト粒の粒度番号が１０番を超え、かつ、圧縮残留応力が１００〜３００ＭＰａの範囲であることを特徴とする、鋼製機械部品。
2. 内輪、外輪および複数の転動体を有する転がり軸受において、前記内輪、外輪および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、オーステナイト粒の粒度番号が１０番を超え、かつ、圧縮残留応力が１００〜３００ＭＰａの範囲である、転がり軸受。