JP3593668B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用トランスミッション等の異物混入潤滑条件下で使用される転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のトランスミッションに使用される転がり軸受は、トランスミッションのギヤの摩耗粉が潤滑油中に懸濁し、転がり軸受の軌道輪転走面と鋼球などの転動体表面との間に摩耗粉が噛み込んで圧痕を形成し、圧痕ないしその周辺を起点として転走面の剥離を生じて軸受の転がり疲労寿命を低下させるので、一般の清浄油潤滑下で使用される軸受に比して、寿命が短い。
【０００３】
清浄な潤滑条件下で使用される転がり軸受については、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２鋼など）の焼入れ焼戻し材よりも、低炭素構造鋼（ＳＣｒ４２０鋼など）の浸炭処理材の方が一般に転がり寿命は優れているが、この低炭素鋼の浸炭処理をもってしても異物混入油潤滑条件下の寿命改善には不十分であり、この点を解決すべく、既に、０．１５〜０．４％Ｃ含有の低炭素浸炭鋼により形成して、軌道輪及び転動体に浸炭により表面硬化層を一定厚み以上に確保しかつ、芯部硬さを高硬度に調製した異物混入潤滑条件下で使用される転がり軸受を提案した（特開昭６２−１３２０３１号公報）。
【０００４】
また、従来技術として、上記軸受鋼の浸炭窒化処理後高温焼戻しを行って耐摩耗性と耐熱性を改善した転がり軸受（特公平３−５６３０５号公報）や、０．４〜０．８％Ｃ含有の中炭素高クロム（モリブデン）鋼を浸炭ないし浸炭窒化処理して異物混入潤滑油環境下での使用に適した転がり軸受（特公平６−１１８９９号公報）が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年の自動車用軸受には、特に、異物混入油潤滑条件下における寿命の一層の向上とともに、低コスト化が要求され、これに対応して、製造コストの削減が必要であり、軌道輪の加工工程で成形精度の高い冷間加工（冷間の旋削や転動溝成形を含む冷間鍛造ないし冷間ローリング加工）による切削工程の削減および熱処理工程の簡素化を前提とした軸受用鋼材の開発が要求されている。
【０００６】
異物混入潤滑条件下における寿命には、表面硬化層の硬さとともに、硬化層中に残留オーステナイトが一定量が含まれることが有効であるが、この点から、鋼の母材中の炭素含有量を高くするか、低中炭素鋼として、表層に充分な浸炭層ないし浸炭窒化層を形成する必要がある。しかし、上記軸受鋼は１％Ｃ程度の高炭素であるため冷間加工性が悪く、他方、低炭素鋼とすると、加工性が良好であるが、表面硬化に必要な浸炭ないし浸炭窒化の処理に長時間を要し、加工コスト高ないし熱処理コスト高を招くことになる。さらに、従来の鋼材中の合金成分は１％以上のＣｒを含有するので、素材の低コスト化を図る上で合金成分配合の低減の余地が残されていた。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑み、鋼材中の合金成分の低減と冷間加工による製造コストの削減を図った低コストで、且つ、特に異物混入油潤滑条件下における転がり疲労寿命に優れた転がり軸受を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり軸受は、内輪及び外輪の軌道輪と該内輪及び外輪との間に介装される転動体とから成る転がり軸受において、少なくとも上記軌道輪は、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％と、Ｓｉ０．４〜０．９％と、Ｍｎ０．７〜１．３％（但し１．２％以上を除く）と、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅ及び不可避的不純物とを含有して成る鋼により成形され、該軌道輪に浸炭窒化焼入れと焼戻しによる表面硬化層が形成され、該表面硬化層の残留オーステナイト量が２０〜４０％で、且つ芯部硬さがＨＲＣ５８以下であり、更に、該浸炭窒化焼入れは、浸炭窒化の温度と時間が８５０〜８８０℃で且つ４０〜１５０ｍｉｎの範囲内で行なわれたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の軸受の軌道輪は、上記組成の鋼により冷間形成し、次いで、浸炭窒化処理により表面浸炭窒化層を形成しながら、その最後に焼入れして表面浸炭窒化層を、基地がマルテンサイト組織で且つ適度の残留オーステナイトを含む表面硬化層とし、その後低温で焼戻しをして、表面硬化層の残留オーステナイトを２０〜４０％の範囲に調整する。軌道輪の芯部は、上記組成の中炭素鋼の焼入れ焼戻し材と同じで、焼戻し後の芯部硬さをＨＲＣ５８以下にする。
また、転がり軸受は、軌道輪と共に転動体も、上記組成の鋼で形成し、浸炭窒化焼入れ後焼戻しをして、表面硬化層の残留オーステナイトと芯部硬さを同様に調整したものが好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明は、まず、０．４〜０．８％Ｃの範囲の中炭素鋼を冷間加工後に浸炭窒化処理するものであるが、０．４〜０．８％Ｃの範囲としたのは、０．８％Ｃを超えると、焼きならし材が硬くて、軌道輪成形時の冷間加工性を阻害し、冷間鍛造等の場合には充分な加工量と成形精度が得られないためである。特に、Ｃ含有量を０．６％Ｃ以下とするのが、冷間加工性の点から好ましい。他方、Ｃ含有量が０．４％Ｃ未満であると、所要の表面硬さと残留オーステナイト量を確保するのに浸炭窒化処理に長時間を必要とするからである。
【００１１】
鋼中のＣｒは、製鋼原料及び製鋼法により決まる程度の不純物として含まれるが、添加されるにしても０．５％Ｃｒ以下の含有量とする。本発明においてＣｒ含有量を低減するのは、従来の浸炭窒化用綱が１％Ｃｒ以上を含有させて、表面の浸炭窒化層に多量のＣｒ炭窒化物を微細に分散させて表面硬さと耐摩耗性、耐熱性を確保していたのに対して、本発明は、Ｃｒ炭窒化物の形成に消費されるＮ含有量を低減して、短時間の浸炭窒化処理で表面硬化層の残留オーステナイトの形成に要する浸炭窒化温度でのオーステナイト基地中の固溶Ｎ量を高めるためであり、さらに、Ｃｒ添加量の低減によるコスト低減を図るためである。
本発明が０．５％Ｃｒ以下とするのは、０．５％Ｃｒを超えると、表層の浸炭窒化層にＮが侵入濃化し難くなり、表面硬化層に所要の残留オーステナイトを形成するのに長時間の浸炭窒化処理を要し妥当でない。Ｃｒ含有量は、好ましくは０．３％以下がよく、特に製鋼原料から混入するＣｒを考慮して、０．０２〜０．３％Ｃｒの程度の含有量とする。
【００１２】
鋼中Ｍｎ含有量は、０．７〜１．３％（但し、１．２％以上を除く）の範囲とする。Ｍｎの添加は、浸炭窒化層と芯部の焼入れ硬化能を確保するためであり、０．７％未満では、Ｃｒ含有量を低減したことによる焼入れ性の低下を補償することができないからであり、１．３％Ｍｎ超過では、冷間加工性を阻害し、Ｍｎがオーステナイトを安定化させて、芯部の残留オーステナイト量が増加するので、寸法安定性に悪影響を及ぼす。
【００１３】
鋼中Ｓｉ含有量を０．４〜０．９％Ｓｉの範囲とするのは、Ｓｉが耐焼戻し軟化抵抗性を上げて耐熱性を確保し、異物混入油潤滑条件下での転がり疲労寿命を改善するからで、本発明は、Ｃｒ含有量の低減に伴う軌道溝・転走面の耐熱性の不足をＳｉの増加が補って余りある効果を示す。０．４％Ｓｉ未満では、寿命改善効果がなく、０．９％Ｓｉ超過では、焼きならし材を硬くして冷間加工性を阻害するからである。
【００１４】
その他の不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｏの含有量は極力低くするが、特に、酸化物系介在物を低減して、表面硬化層の介在物回りの応力集中に伴う寿命の影響をなくするために、Ｏ含有量は、１５ｐｐｍ以下に低減する必要がある。
【００１５】
上記組成の鋼を軌道輪に成形して浸炭窒化すると、表面にＣ及びＮの含有量の高い浸炭窒化層が形成される。本発明の鋼材は、Ｃｒ含有量を低減したので、浸炭窒化過程で、Ｃと特にＮの表面への拡散濃縮は速やかに進行し、浸炭窒化処理時間の短縮に有効である。この濃化したＮは、焼入れ過程のＭｓ点を低下させて、オーステナイトを安定させるので、焼入れ後には浸炭窒化層の焼入れ組織中に多量のオーステナイトが残留する。これを２００℃以下の低温で焼戻して表面硬さＨＲＣ６０以上の表面硬化層とし、最終的にその残留オーステナイトを２０〜４０％にする。
【００１６】
表面硬化層の残留オーステナイトは、潤滑油中の硬質の異物粉の転走面への噛み込みによって転走面に圧痕が形成されても、表面硬化層中に分散するオーステナイト粒が圧痕周縁で容易に塑性変形して、表面硬化層での応力集中を緩和し、亀裂伝播を遅延させ、転がり寿命を改善する。残留オーステナイト量を２０〜４０％に調整するのは、２０％未満では、転がり寿命の改善に不十分であり、４０％を超えると、表面硬化層の硬さがＨＲＣ５８以下となり、耐摩耗性が低下して適当でないからである。
【００１７】
他方、芯部の硬さはＨＲＣ５８以下に調整するが、好ましくは、ＨＲＣ４８〜５８の範囲とする。芯部の硬さは、異物混入油潤滑条件下における転動疲労寿命に対して、ある程度高い方がよいが、表面硬化層の硬さ（ＨＲＣ６０以上）よりは低くする（ＨＲＣ５８以下）のが望ましい。表面硬化層に対して芯部硬さを低下させると、熱処理により表面硬化層に残留圧縮応力が発生し、これは、上記異物圧痕周縁に形成される残留応力を相殺し、亀裂発生を抑制して、寿命延長に良好な影響を及ぼす。
【００１８】
芯部は、中炭素鋼の焼入れ焼戻し組織に相当するから、残留オーステナイト量は、表面硬化層より遙かに少なく、また、高炭素軸受鋼の焼入れ焼戻し材よりも少ないから、高炭素軸受鋼に比して、寸法安定性がすぐれている。
【００１９】
従来から高炭素Ｃｒ軸受鋼の浸炭窒化処理材の寸法安定性を改善するのに、２００℃以上の高温焼戻しをして、芯部残留オーステナイトを分解させ寸法安定性を確保する方法があるが、この為には、高温焼戻しによる表面硬化層の軟化を防止するために高Ｃｒ含有量とし、同時に、表面硬化層に高温焼戻しによる残留オーステナイトの分解を補償するために多量の残留オーステナイトを生成させる必要があり、このため長時間の浸炭窒化処理を行う必要があった。本発明は、中炭素鋼であるので、低温焼戻しでも芯部残留オーステナイトが少なく、必要な寸法安定性を容易に確保でき、従って、高温焼戻しを要しないから、浸炭窒化層を高濃度に浸炭窒化する必要がなく、表面硬化層（浸炭処理後の浸炭窒化層）に所要の残留オーステナイトを確保できるので、浸炭窒化処理時間を短縮できるのである。
【００２０】
他方、従来の低炭素Ｃｒ鋼は、芯部の残留オーステナイトが少なく、寸法安定性は良好であるが、表面硬化層に所要の硬さと残留応力を形成するのに長時間の浸炭窒化処理を必要とする。本発明は、中炭素鋼を利用しているので浸炭窒化処理時間の短縮が可能となるのである。本発明では、表面硬化層を形成するための浸炭窒化処理は、浸炭窒化の温度と時間が８５０〜８８０℃で４０〜１５０ｍｉｎの範囲で行なうことができる。
【００２１】
さらに、本発明における浸炭窒化は、鋼材を中炭素鋼として且つ鋼中Ｃｒを低減しないしは実質的に含まないので、上述の如く浸炭窒化速度が大きく、上記表面硬化層の残留オーステナイト量を確保するのに短時間の処理でよく、従って、高炭素軸受鋼や低炭素Ｃｒ鋼の浸炭窒化に比して、浸炭窒化処理の簡素化に有効である。
【００２２】
【実施例】
本発明の実施例及び比較例に使用した鋼種Ａ〜Ｇの化学組成を表１に示したが、比較例の鋼種Ｆ、Ｇについては、低Ｓｉとして、Ｓｉの影響を見ることとし、比較例には、従来のＳＣｒ４２０鋼とＳＵＪ２鋼も含めた。また、鋼種Ｃは参考例として示した。これらの鋼材によりＪＩＳ型番６２０６の玉軸受用の内輪、外輪及び転動体の玉を冷間加工により形成し、下記の熱処理を行って、玉軸受とした。
【００２３】
浸炭窒化処理は、次の３条件で行った。
浸炭窒化Ｉ：８５０℃×１５０ｍｉｎの浸炭窒化後１００℃油中焼入れ。
浸炭窒化II：８８０℃×４０ｍｉｎの浸炭窒化後１００℃油中焼入れ。
浸炭窒化IIは、処理時間短縮の可能性を調べるためのものである。
上記浸炭窒化処理後いずれも、１８０℃２ｈの焼戻しを行った。
また、従来のＳＣｒ４２０鋼については、低炭素であることを考慮して、
浸炭窒化III として、９５０℃×４５０ｍｉｎの浸炭窒化と８５０℃×３０ｍｉｎの拡散加熱した後、１００℃油中焼入れを行い、同様に１８０℃２ｈの焼戻しを行った。
【００２４】
製作した比較例、参考例、及び実施例の軸受につき、下記の条件で、転がり寿命試験を行った。
異物混入油潤滑下での試験： ラジアル荷重Ｆｒ：６．９ｋＮ、回転速度：２０００ｒｐｍで、潤滑は、油中に異物として鋼微粉０．４ｇ／ｌを混合したＶＧ５６タービン油の油浴潤滑であった。
清浄油潤滑下での試験： ラジアル荷重Ｆｒ：１２．２５ｋＮ、回転速度：２０００ｒｐｍで、潤滑は、清浄なＶＧ５６タービン油の循環給油によった。
【００２５】
従来例としては、ＳＵＪ２鋼の従来の焼入れ焼戻し処理をした軸受についても同じ試験を行い、この焼入れ焼戻しした軸受を基準として、上記実施例と比較例の転がり疲労寿命を評価した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
試験条件及び結果を表１にまとめてあるが、まず、Ｃ含有量と浸炭窒化焼入れして焼戻し後の表面硬さを見ると、表面硬さＨＲＣ６０以上を確保するためには、この熱処理条件下に示す如く短時間の浸炭窒化処理では、この表に示すように、０．４％Ｃ以上のＣ含有量が必要であり、他方、Ｃ含有量の増加は冷間加工性を阻害するので、本実施例の如く、好ましいＣ含有量は０．４〜０．６％Ｃの範囲である。
【００２８】
Ｓｉ含有量と転がり疲労寿命の関係を表１に見ると、実施例の鋼種Ａ、Ｂ、Ｄ、及びＥと比較例Ｆ〜Ｇの寿命データから、Ｓｉ０．５〜０．８％を含有する軸受は、従来例（ＳＵＪ２鋼の焼入れ焼戻し軸受）に比して、異物混入油潤滑下での１０％寿命を２倍以上向上させることが判る。Ｓｉ含有量の低い軸受では充分な寿命改善効果は得られない（比較例Ｆ〜Ｇ）。また、Ｓｉ０．５〜０．８％含有軸受は、清浄油潤滑下での１０％寿命も従来例軸受より優れている。
【００２９】
【参考例】
表２は、鋼種Ｃと従来のＳＵＪ２鋼とにつき、熱処理条件である浸炭窒化Ｉと、浸炭窒化処理時間を短縮した浸炭窒化IIとの１０％寿命比に及ぼす効果を調べた結果をまとめたものである。表中の窒化深さは、５００℃×１ｈの焼戻し後の硬さ分布を測定して、表層部の表面からの高硬度域の深さを以て表している。
【００３０】
表２において、鋼種Ｃの浸炭窒化材は、浸炭窒化処理時間を短縮した場合でも、窒化深さを減ずることなく確保でき、転がり疲労寿命も大差なく、ＳＵＪ２鋼の焼入れ焼戻し材及び同じ浸炭窒化条件でのＳＵＪ２鋼の浸炭窒化材に比して優れた長寿命を発揮している。このように、参考例の転がり軸受は、８８０℃×４０ｍｉｎの短時間の浸炭窒化処理（浸炭窒化II）で転がり疲労寿命の確保に十分に対処することができることがわかる。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表３は、鋼種Ｃの浸炭窒化材と従来のＳＵＪ２鋼の焼入れ焼戻し材との経時的寸法安定性を調べたもので、１２０℃での長時間の寸法測定結果では、浸炭窒化材の寸法変化がＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材の１／２以下となって寸法安定性が改善されている。寸法変化は軸受使用中の残留オーステナイトの分解によって生じるのであるが、表面硬化層はＮ富化によりオーステナイトが安定化されて残留オーステナイト量が多いが、容積の大部を占める芯部は中炭素鋼の焼入れ材組織とほぼ同じであるから、ＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材より残留オーステナイト量が少なく、結果として、寸法安定性が改善される。
【００３３】
【表３】

【００３４】
次に、鋼種Ｃの浸炭窒化材と従来のＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材との耐食性を調べた結果を調べたが、試験方法は、いずれも試料１８個について、鋼材の表面を＃３２０エメリー紙で研磨したあと、研磨面に防錆油を塗布し、次いで、防錆油を払き取って、その表面に蒸留水を滴下した状態で表面錆の発生を観察した。
【００３５】
錆発生率は、試験個数に対する錆発生個数の割合で示すと、従来のＳＵＪ２の焼入れ焼戻し材が６７％であるのに対して、鋼種Ｃが９％であつて、参考例の浸炭窒化材が防錆の点でも優れていることが判った。浸炭窒化材の防錆性の改善は、表層のＮの濃化によるものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の転がり軸受は、０．４〜０．８％Ｃの中炭素鋼として、Ｃｒ含有量を低減して浸炭窒化の際の固溶Ｎ量を相対的に多くするので、短時間の浸炭処理により所要の表面硬さと表面硬化層の残留オーステナイト量を確保し、Ｓｉの添加により耐熱性を付与し、清浄油潤滑下だけでなく、特に、異物混入油潤滑条件下での転がり疲労寿命に優れている。
【００３７】
また、冷間加工が容易で、合金元素添加に要する素材費を相対的に低減でき、浸炭窒化処理時間を短縮できるので、軸受製造コストの削減に効果的である。

Claims (1)

1. 内輪及び外輪の軌道輪と、該内輪及び外輪との間に介装される転動体とから成る転がり軸受において、
   少なくとも上記軌道輪が、重量％で、Ｃ０．４〜０．８％と、Ｓｉ０．４〜０．９％と、Ｍｎ０．７〜１．３％（但し１．２％以上を除く）と、Ｃｒ０．５％以下と、残部にＦｅと不可避的不純物とを含有してなる鋼により形成され、該軌道輪に浸炭窒化焼入れと焼戻しによる表面硬化層を有し、該表面硬化層の残留オーステナイト量が２０〜４０％で、且つ、芯部硬さがＨＲＣ５８以下であり、
   更に、該浸炭窒化焼入れは、浸炭窒化の温度と時間が８５０〜８８０℃で且つ４０〜１５０ｍｉｎの範囲内で行なわれたことを特徴とする転がり軸受。