JPH0625799A

JPH0625799A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH0625799A
Application number: JP4181062A
Authority: JP
Inventors: Kyosaburo Furumura; 恭三郎古村; Hiroshi Narai; 弘奈良井; Shuji Wada; 修二和田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-02-01
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: GB2268753B; JP3232664B2; GB2268753A; GB9313955D0; US5415705A

Abstract

(57)【要約】【目的】単純焼入または短時間の浸炭窒化処理で、異物
混入潤滑下でも長寿命の転がり軸受を、有利なコストで
供給する。【構成】軸受合金鋼を構成するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、
Ｍｏ等の各元素量及び残留オーステナイト量を特定の範
囲に調整するとともに、焼入焼戻または浸炭窒化処理後
の硬さが前記オーステナイト量に対し、 −2.2 ×（γ_RV0l ％）＋810 ≦Hv≦−2.2 ×（γ_RVo
l ％）＋930 の範囲にあるものとして、上記目的を達成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸受用鋼及び自動車、
農業機械、建設機械及び鉄鋼機械、特に、トランスミッ
ションやエンジン用として求められる長寿命な転がり軸
受に関する。

【０００２】

【従来の技術】軸受潤滑油中に混入している金属の切
粉、削り屑、バリ及び摩耗粉等の異物が転がり軸受の軌
道輪や転動体に損傷を与え、転がり軸受の寿命の大幅な
低下をもたらすことはよく知られている。そこで、本出
願人は先に、異物が混入している潤滑下で転がり軸受を
使用する場合でも、軸受の転がり表面層のＣの含有量、
残留オーステナイト量、及び炭窒化物の含有量を適性値
にすることで、圧痕のエッジ部における応力の集中を緩
和し、クラックの発生を抑え、転がり軸受の寿命を向上
することを提案し（特開昭６４−５５４２３号）、さら
に、最適な残留オーステナイト量と硬さの関係、および
最適な炭化物・炭窒化物の平均径の範囲の提案（特開平
４−２６７５２号）、また、それらを達成するのに最適
な成分範囲の提案（特願平０３−１７８１９１号）を行
ってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法では浸炭または浸炭窒化による炭素または窒素の
表面への付加を前提としているため、熱処理に長時間を
要してコスト高であり、かつ、その含有量にバラツキの
あることが問題であった。一方、通常の軸受鋼を単純に
高温焼入して所定の残留オーステナイトを得ようとする
と、熱処理後の硬さが十分に上がらず、異物混入潤滑下
での軸受寿命の延長は達成できないという問題点があっ
た。

【０００４】そこで本発明は、こうした従来の問題点を
解決することを課題とするものであり、単純焼入または
短時間の浸炭窒化処理で、異物混入潤滑下でも長寿命の
転がり軸受を、コスト的に優位性をもって供給すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の転がり軸受は、軌道輪及び転動体を備えた転がり
軸受において、前記軌道輪及び転動体の少なくとも一つ
は、Ｃ；1.1 〜1.6 重量％、Ｓｉ；0.05〜0.8 重量％、
Ｍｎ；0.5 〜1.5 重量％、Ｃｒ；1.3 〜3.0 重量％にＭ
ｏ；0.6 重量％以下を選択的に含む材料からなり、焼入
れ焼戻しもしくは浸炭窒化後焼入れ焼戻しにより、表面
層の残留オーステナイト量が前記焼入れ焼戻しを施す場
合は13〜20 Vol％とし、浸炭窒化後焼入れ焼戻しを施す
場合は13〜40 Vol％であり、前記焼入れ焼戻し後の表面
硬さ（Ｈｖ）が前記オーステナイト量に対し、 −2.2 ×（γ_RV0l ％）＋810 ≦Hv≦−2.2 ×（γ_RVo
l ％）＋930 の範囲にあることを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明者等は、異物混入下での転がり疲れ寿命
と、残留オーステナイト量、軌道面の硬さ、熱処理方法
および合金元素量との相互の関係について、鋭意研究を
続けた結果、合金組成を適当に調整することにより、残
留オーステナイト量と硬さの両方を適正な範囲に調整
し、異物混入下の転がり疲れにおいて長寿命を達成する
ことを見いだした。すなわち、通常の軸受鋼の焼入温度
を変えても、望ましい残留オーステナイト量と硬さの両
立は得られないが、通常の軸受鋼の成分範囲をやや高合
金側にシフトさせ、焼入れ後に高残留オーステナイトと
高残留炭化物とを両立させることにより残留オーステナ
イト量と硬さを適正な範囲に調整することができること
を見出し、本発明を完成するに到った。

【０００７】以下に、合金成分の組成範囲およびその他
の項目の数値範囲を限定する理由を説明する。Ｃ：残留オーステナイト量と残留炭化物量を両立させる
ためには、焼入後の残留炭化物量を相当量残存させる必
要があり、炭素量を増加させることが必要である。特
に、異物混入潤滑下での寿命伸長に効果のある炭化物量
としては、図１に示すように少なくとも８％以上が必要
であることが判った。その時に要する炭素量は最低で1.
1 重量％（以下同じ）であった。また、清浄度の観点か
らも実用上許される範囲で高濃度であることが望まし
い。しかし多すぎると巨大炭化物が生成し転動疲労寿命
特性を劣化させるので、1.6 ％を上限とした。

【０００８】Ｓｉ：鋼の製鋼時に脱酸剤として作用する
とともに、焼入性を向上させて軸受の寿命を延長するの
に有効な元素であるが、Ｓｉ含有量が多すぎると被削
性、鍛造性、耐銹性を著しく劣化させる上、炭素の活量
係数を増大させ脱炭を促進する傾向がある。そのため上
限を0.8 ％とした。なお、浸炭窒化等により元素を付加
する場合、浸透深さと合金量の関係に注目すると、含有
量が0.2 ％を越えると急激に浸透深さの減少することが
判った。そこで、熱処理コスト低減のために浸炭窒化を
施す場合には、Ｓｉ量の上限を0.2 ％とすることが望ま
しい。

【０００９】Ｍｎ：鋼の焼入性を向上させることにより
基地マルテンサイトを強化するだけでなく、残留オース
テナイトを増加させる効果があるため0.5 ％以上必要で
あるが、多すぎるとかえって被削性を低下させるので、
上限を1.5 ％とした。Ｃｒ：炭化物形成元素であり、鋼中の炭化物の微細化の
ため有効である。このため、Ｃｒは少なくとも1.3 ％を
必要とする。一方、3 ％を越えると、巨大炭化物が生じ
て均一微細な炭化物が得られなくなるので、上限を3 ％
とした。しかし、2 ％を越えると、焼入時に炭化物を溶
解することが難しくなるため、通常の操業炉で適用可能
な焼入温度では狙いの高残留オーステナイト量の達成が
困難であり、生産性に欠けるため望ましくは上限を2 ％
以下とする。

【００１０】Ｍｏ：焼入性の向上に有効であるだけでな
く、炭化物の微細化効果が期待できるため添加は有効で
あるが、0.6 ％を越えて含有させても効果の向上が小さ
いので上限を0.6 ％とした。残留オーステナイト量：本発明を構成する合金系におい
ては、図２に示すように、残留オーステナイト量が13％
を越えることにより、異物混入潤滑下において、転がり
疲れ寿命の向上が認められる。その効果は少なくとも40
％程度まで維持されるが、普通焼入れによる場合は製品
の寸法安定性を大きく損なうため、上限は20％に限定す
る必要がある。一方、浸炭窒化により転がり表面に関し
て長寿命を達成する場合は、高温テンパー等により心部
における残留オーステナイト量を比較的低く抑えること
が可能であり、寸法安定性上の限定が緩和できるため、
上限は寿命向上効果の観点から40％とした。

【００１１】残留オーステナイト量に対応する表面硬さ
の範囲：下式の範囲に限定した。 −2.2 ×（γ_RV0l ％）＋810 ≦Hv≦−2.2 ×（γ_RVo
l ％）＋930 上式の関係において、硬さが前記下限値より小さいと、
耐疲労性が低下し、異物混入潤滑下及びクリーンの潤滑
下でも寿命が低下する。一方、硬さを前記上限値より大
きくすることは困難である。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。表１、表
２に示すような組成の鋼を材料とする試験片について、
次のような熱処理を行った。すなわち、各試験片のうち
高温焼入については、図３に示すように焼入温度８８０
℃（１時間保持）、焼戻温度１６０℃（２時間保持）で
行った。一方、普通焼入については、焼入温度８４０℃
（１時間保持）、焼戻温度は同じ１６０℃（２時間保
持）で行った。

【００１３】また、浸炭窒化に関しては、図４に示すよ
うにＲ_Xガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス５％の
雰囲気で、１時間、８７０℃及び８４０℃で浸炭窒化処
理を行い、１８０℃で２時間の焼戻しを行った。また、
焼戻しについては、２４０℃の高温焼戻しも行い、寸法
安定化も兼ねた実験も行った。なお、寿命試験は、円板
状試験片について『電気製鋼所編特殊鋼便覧（第１
版）、理工学社、1965年5 月25日、第10頁−21頁』記載
の試験機を用いて行った。試験条件は次の通りである。

【００１４】Ｐ_max＝４９００ＭＰａＮ＝３０００c.p.m 潤滑油 VG68 タービン油試験片作製にあたり、熱処理後の研削取り代は全て片側
0.15mmとした。また、異物として、鋼粉（硬さＨｖ＝８
７０、径７４〜１４７μｍ）を潤滑油中に３００ppm 混
入した。

【００１５】寿命判定は、各試験片についてその１０％
に顕微鏡又は肉眼で視認できるクラック，フレーキング
が発生した時点を寿命（Ｌ₁₀寿命）とし、この時点迄の
累積回転数をもって寿命を定量的に表現した。これらの
試験結果を表１、表２に併せて示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】表１、表２において、試料１〜５及び１６
〜２０は本発明の実施例で、それぞれ化学成分が〔請求
項１〕の範囲にある鋼を用い、狙いとする高い残留オー
ステナイト量を得るために高温焼入れを施したものであ
る。これらは、異物混入潤滑下の転がり寿命試験におい
て、10×10⁶回の応力繰り返し数を越える長寿命を達成
した。

【００１９】比較のために試料２１〜２６の成分の鋼を
８４０℃と８８０℃の二通りの焼入温度で処理して、同
条件の寿命試験を行った。その結果は、試料２１、２６
のように普通焼入では、いずれも残留オーステナイト量
が増加させられないために、本発明鋼に比較して短寿命
である。ここで、試料２１は通常よく用いられる軸受鋼
２種であり、現用標準軸受の寿命特性を代表している。

【００２０】試料２２、２３、２５は高温処理した例で
ある。この場合、先の例に比べていずれも残留オーステ
ナイト量は増加するが、その増加に伴って硬さが低下し
てしまうために、異物混入潤滑下の転がり疲れ寿命は増
加しない。試料２５は現用の軸受鋼３種であり、比較的
高い残留オーステナイト量を得やすいが、残留オーステ
ナイトの増加が硬さの低下をもたらしてしまうので、寿
命の延長効果が得られないのである。

【００２１】試料２４は、炭素量とＣｒ量とを増加させ
て残存炭化物量の増加を意図したものであるが、実用的
な焼入温度の上限と考えられる８８０℃では残留オース
テナイト量の増加が得られず、その結果、軸受寿命も延
長できなかった。焼入温度をこれ以上高くすることは現
用焼入炉の耐久性に悪影響を及ぼすと同時に、焼入時の
変形が大きくなって研削コストの増加を招くこととな
り、コスト的に本発明の意図を満足することができない
と言える。

【００２２】また、比較例である試料２６は、炭素量と
Ｃｒ量を増加させて焼入温度を通常の８４０℃としたも
のであるが、炭化物が溶解せず炭素の基地への溶け込み
が少なく、残留オーステナイト量が少ないために寿命延
長ができなかった例である。試料１６〜２０は、本発明
鋼の基本化学成分に更にＭｏを添加した鋼である。Ｍｏ
の効果により炭化物がより微細化する。その結果、高い
残留オーステナイト量と同時に高い硬さが得られて、異
物混入潤滑下の転がり疲れ寿命試験において、Ｍｏ添加
のない鋼を用いた試料１〜５より更に長寿命を達成する
ことができた。

【００２３】比較のため、試料２８において、本発明の
請求項に相当する鋼を用いたが、高温焼入れは行わずに
普通焼入れを行った。この場合も、残留オーステナイト
量が少ないために、本発明鋼である試料１６〜２０に比
べて三分の一の短い寿命しか得られなかった。次に、コ
スト的には僅かに高くなるが、前述した本発明鋼のよう
な単純焼入れに近いコストで、より長寿命を達成した発
明について述べる。

【００２４】一般に、浸炭窒化処理を行う場合は、少な
くとも５時間以上の処理が必要である。いま、その浸炭
窒化時間を１時間以内に設定して有効な浸炭効果が得ら
れるならば、通常用いる連続焼入炉を用いて単純焼入れ
とほぼ同様の生産効率を得ることができる。試料３０〜
３４は、この点に着目したものである。すなわち、単純
焼入れに用いた本発明の請求項１および２の成分鋼を用
いて、図４に示す浸炭窒化焼入れを行った。浸炭窒化温
度は８７０℃、保持時間は１時間である。この熱処理
後、0.15mmの研削取代（小型軸受或いは転動体では、熱
処理後の取代は片肉で約0.15mm程度を見込んでおく）を
削りとって仕上げたものを試験に供した。

【００２５】短時間の処理のため、仕上げ表面の炭素及
び窒素の付加量は両者合計でＣ＋Ｎ＝0.2 ％と少量であ
ったが、表面の残留オーステナイト量の増加は６％程度
となり、表面では２０％を越す量が達成できた。この結
果、転がり疲れ寿命は単純焼入れのものに比較して、図
１、図２及び表１に示すように、更に７０％程度の長寿
命化が達成された。

【００２６】これに対して、比較例である試料２７で
は、現用の軸受鋼の組成のものに上記試料３０〜３４と
同じ条件で１時間の浸炭窒化処理をおこなった。その結
果は、残留オーステナイト量、硬さともに不足し効果が
認められなかった。試料６〜１０、試料１１〜１５は本
発明の実施例である。これらの鋼は、Ｓｉ量を0.2 ％以
下に低減してある。その結果、浸炭窒化処理を８４０℃
で１時間、Ｒ_Xガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス
５％の雰囲気で行って、著しい浸炭浸窒の効果が得られ
た。これは、Ｓｉが特に炭素および窒素の双方に対して
著しく拡散を抑制する作用が強く、極限までＳｉを下げ
ることによって、極めて短時間中に炭素及び窒素を拡散
侵入させることができたためである。上記試料６〜１５
にみられるように、表面層の残留オーステナイト量が３
０％を越えるほど多量となり、一方、硬さも比較的高く
保持されるので転がり疲れ寿命は最も長寿命となった。

【００２７】一方、比較例である試料２９は、Ｓｉ量が
0.2 ％以下で浸炭浸窒は迅速であるが、その化学成分組
成は本発明の範囲外にあって炭化物の残存が少なく硬さ
が低いため、寿命延長は十分ではなかった。極低Ｓｉ鋼
の浸炭窒化にあっては、表面の残留オーステナイト量は
高く、表面硬さも高くできる一方、心部の残留オーステ
ナイト量は通常の軸受鋼の浸炭窒化の場合より著しく低
く、１０％程度に抑えることができる。

【００２８】そこで試料３５の実施例では、焼戻しを高
温にして、図４の高温焼戻し条件で心部の残留オーステ
ナイト量を３％以下に低減することにより、２００℃ま
で使用可能な寸法安定性を得る一方で、表面層の残留オ
ーステナイト量は１４％を保持することができた。その
結果、転がり疲れ寿命は１０×１０⁶サイクルを越える
ことが確認され、高温で使用する高温焼戻仕様にも有効
であることが期待される。

【００２９】試料３６〜４０は、比較例として、合金鋼
の成分組成の一部が本発明の成分量の上限を越えて過剰
に含まれているものについての試験の結果を示したもの
である。試料３６はＣ量が過剰であり、又試料３９はＣ
ｒ量が過剰であるため、いずれも炭化物が粗大化して転
がり疲れ寿命が短寿命となった例である。

【００３０】試料３７はＳｉ量が過剰であり、試料３８
はＭｎ量が過剰であるため、共に寿命的には十分ではあ
るものの、試験片に切削加工時のバイトの摩耗が通常の
倍以上と激しく、実用には供し得ない。試料４０はＭｏ
量が過剰であるものの、品質的には満足すべきレベルに
ある。しかしながら、試料１８と比較すると明らかなよ
うに、Ｍｏを過剰に添加しても特に付加的な効果を期待
することはできない。結局、Ｍｏは高価な元素であり0.
5 重量％を越える量の添加は実用的でない。

【００３１】一方、試料４１は以上の比較例とは反対
に、Ｓｉ量が本発明の成分量の下限を下回り過少であ
る。その点、先に述べた比較例２９と同じであるが、但
しこの場合は、浸炭窒化後に更に高温焼入れ（二次焼
き）を施すことにより、残留オーステナイト量を本発明
の範囲より過剰にした例である。しかし結果は、表面硬
さが低下して短寿命であった。

【００３２】試料４２は、合金組成は本発明の範囲内に
あるが、焼入温度を９２０℃と超高温にすることによ
り、残留オーステナイト量をやや増やしたものである。
寿命的には満足できるレベルにあるものの、寸法安定性
が悪く（最大膨張量0.2 ％であった）て実用には供し得
なかった。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、転がり
軸受の合金鋼の成分量の組合せを調整して、ごく短時間
の単純な焼入れ焼戻し又は短時間の浸炭窒化焼入処理に
より残留オーステナイト量と硬さの両方を所定の適正範
囲にコントロールしたため、異物混入潤滑下の転がり疲
れ寿命を顕著に長寿命化した転がり軸受が低コストで提
供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】転がり軸受用合金鋼における炭化物（炭窒化
物）面積率と寿命との関係を示すグラフである。

【図２】転がり軸受用合金鋼における残留オーステナイ
ト量と寿命との関係を示すグラフである。

【図３】転がり軸受用合金鋼の普通焼入れ及び高温焼入
れ時のヒートパターンである。

【図４】図３の熱処理における焼戻し時のヒートパター
ンである。

【図５】転がり軸受用合金鋼の浸炭窒化焼入れ時のヒー
トパターンである。

【図６】図５の熱処理における通常の焼戻し時のヒート
パターンである。

【図７】図５の熱処理における高温焼戻し時のヒートパ
ターンである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ１６Ｃ 33/34 7403−3Ｊ 33/62 7403−3Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軌道輪及び転動体を備えた転がり軸受に
おいて、前記軌道輪及び転動体の少なくとも一つは、Ｃ；1.1 〜1.6 重量％、Ｓｉ；0.05〜0.8 重量％、Ｍ
ｎ；0.5 〜1.5 重量％、Ｃｒ；1.3 〜3.0 重量％にＭ
ｏ；0.6 重量％以下を選択的に含む材料からなり、焼入
れ焼戻しもしくは浸炭窒化後焼入れ焼戻しにより、表面
層の残留オーステナイト量が前記焼入れ焼戻しを施す場
合は13〜20 Vol％とし、浸炭窒化後焼入れ焼戻しを施す場合は13〜40 Vol％であ
り、前記焼入れ焼戻し後の表面硬さ（Ｈｖ）が前記オーステ
ナイト量に対し、 −2.2 ×（γ_RV0l ％）＋810 ≦Hv≦−2.2 ×（γ_RVo
l ％）＋930 の範囲にあることを特徴とする転がり軸受。