JP5045491B2 - 大型転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は大型転がり軸受に関するものであり、特に直径が１２０ｍｍ以上の大型転がり軸受に好適なものである。

軸受に用いられる鋼は、そのまま焼入れを行うことで十分な表面強度を得ることが可能な高炭素鋼と、浸炭或いは浸炭窒化処理を施して使用する肌焼鋼の二つに大別される。
そもそも軸受に使用される材料は、転動体と軌道輪の接触面における高い接触面圧に耐え、形状崩れを起こさず、長い転動寿命を確保するために、表面から一定の深さまでの硬度が必要とされる。炭素濃度１％前後である高炭素鋼は、焼入れ及び低温焼戻し処理を行うだけで、中心まで、必要な硬さを得ることができる。これに対し、素地中の炭素濃度が低い肌焼き鋼は、浸炭或いは浸炭窒化処理後に更に焼入れ焼戻し処理を行う必要がある。

しかしながら、浸炭条件の調整によって、必要な深さまで高い硬さを得ると共に、中心には柔らかい部分を残すことによって靭性を向上させることができる。また、非浸炭部に残留オーステナイトを残さないようにすることで、形状変化を小さく抑える効用もある。
一般の玉軸受等には高炭素鋼を用い、大きな靭性や衝撃強度が求められる用途には肌焼鋼を用いることがよいとされているが、その厳密な使い分けがなされているわけではなかった。この問題に対して、下記特許文献１のように、鋼材成分や高周波焼入れによって解決する研究がなされている。例えば大型の部材の焼入れ性を確保するため、或いは靭性を高める目的から、肌焼鋼に様々な合金を添加している。しかしながら、合金成分を添加することや、浸炭時間を長くすることは、非常に時間がかかり、コストアップの原因となる。また、高合金になればなるほど、加工性が悪化したり、難浸炭性が発現したりするなど、技術的な難点も生じるようになる。
特開２０００−４６３５３号公報

ところで、特にゴミの混入する条件で転動疲労強度を延長するという意味において、構成部材の表面に圧縮残留応力を付与することは大きな効果がある。この圧縮残留応力の付与には様々な方法がある。一例を挙げると、例えば特開平５−３３０４７号公報に記載されるように、構成部材の表面に比較的小さな物体を高速で衝突させることで加工硬化を図るショットピーニングのような方法が存在する。

高周波加熱による焼入れは、こうした圧縮応力の付与方法の一つである。この方法は、誘導加熱によって部材を直接加熱し、即座に急冷するというものであり、その急加熱急冷却により、熱処理変形が小さく、結晶粒の粗大化が抑えられ、また急冷組織であるために、通所の焼入れよりも硬さを高くすることができるなど、幾つもの利点がある。しかしながら、高周波加熱による圧縮残留応力は、部材全体で０となるように分布するため、圧縮残留応力の分布する焼入れ層をできるだけ薄くすると、それだけ大きな圧縮残留応力を付与することができるが、硬化層が薄くなるとケースクラッシュが生じるため、薄くするにも限界がある。また、表層のみが加熱されるため、圧縮残留応力に対応する引張残留応力は焼入れ層と非焼入れ部の境界に集中する傾向にあり、こうした引張応力の集中は内部起点破壊に繋がる懸念がある。

一方、ガス軟窒化法は、浸炭ガスとアンモニアガスの混合ガスの中で、部材を５５０℃〜６００℃に保持することで窒化する方法であり、極短時間の処理で窒化できる点や、どのような鋼にも可能な処理である点において、非常に優れている。また、Ｃｒを含む鋼にガス軟窒化処理を施した場合には、Ｈｖ１０００以上の硬い窒化層を得ることが可能である。しかしながら、大型転がり軸受に肌焼鋼を用い、これにガス軟窒化処理を施した場合、軸受のサイズが大きくなるにつれて、熱処理変形が大きくなるため、仕上げ研削加工時の取り代が大きくなり、窒化による寿命延長などの効果が得にくくなる。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、大きな圧縮残留応力の付与を可能として大きな転動寿命を得ることが可能な大型転がり軸受を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係る大型転がり軸受は、直径が１２０ｍｍ以上の大型転がり軸受において、鋼製軸受構成部材に予め軟窒化処理を施し、その軸受構成部材をＡ１変態点未満の温度で予加熱し、次いで高周波加熱によって表層のみ相変態を起こさせて焼入れる熱処理を施してなることを特徴とするものである。
前述のような大型転がり軸受の問題を解決する手法として、予加熱の後に高周波焼入れを行う方法を見出した。これは、表層のみが相変態することによる圧縮残留応力に加えて、熱収縮による応力を付与することを原理としている。一般に、鉄は加熱すると膨張することが知られており、このように膨張した状態で表面のみを高周波焼入れによって相変態させれば、焼入れ時の冷却で中心部が収縮するので、結果として表面に大きな圧縮残留応力を付与することができる。更に、中心部が全体的に加熱されているため、引張残留応力が中心部全体に分散することになり、局所的に高い引張残留応力が生じないという利点もある。このような熱処理によって、表層に大きな圧縮残留応力を付与することにより、特に表面起点型の剥離に対して長寿命であることを見出した。

また、予加熱の前段階として、ガス軟窒化を行うことで、更に転動寿命を向上することができた。ガス軟窒化によって表面に形成される窒化層は、焼入れによって内部に拡散する。このようにして鋼中に拡散した窒素は残留応力を更に大きくするなどの効果を持つため、転動寿命を向上させるのに役立つ。この方法は、高周波焼入れによる効果、窒化による効果、予熱による効果を効率よく得ることができ、高い圧縮残留応力を軸受に付与し、大きな転動寿命を得ることができる。

而して、本発明のうち請求項１に係る大型転がり軸受によれば、直径が１２０ｍｍ以上の大型転がり軸受において、鋼製軸受構成部材に予め軟窒化処理を施し、その軸受構成部材をＡ１変態点未満の温度で予加熱し、次いで高周波加熱によって表層のみ相変態を起こさせて焼入れる熱処理を施すことにより、鋼製軸受構成部材の表層に大きな圧縮残留応力を付与することが可能となり、これにより大きな軸受寿命を得ることができる。

次に、本発明の大型転がり軸受の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の大型転がり軸受の断面図である。この大型転がり軸受は、内輪１、外輪２、転動体（ころ）３、保持器４を備えた、呼び番号ＮＵ２２８形式の円筒ころ軸受である。軸受の諸元は、外径ΦＤ＝２５０ｍｍ、内径Φｄ＝１４０ｍｍ、内輪外径ΦＦｗ＝１６９ｍｍ、厚さＢ＝４２ｍｍである。素材にはＳＵＪ３相当の軸受鋼を用いた。

本発明の大型転がり軸受の実施例及び比較例を下記表１に示す。
ガス軟窒化条件は、
雰囲気 ：ＲＸガス：アンモニアガス＝５０：５０
窒化温度：５７０℃
保持時間：０時間（窒化しない）、１時間、３時間
焼戻し ：３００℃ ３時間
である。

このうち、本発明の大型転がり軸受の実施例に対してのみ、Ａ１変態点（７２３℃）未満の種々の温度で予加熱を行い、次いで高周波焼入れ（高周波加熱によって表層のみ相変態を起こさせる焼入れ）を行った。焼入れ深さは、断面の硬度がＨｖ５００となる深さとし、高周波の条件を変更することによって焼入れ深さが同等になるように調整した。また、圧縮残留応力はＸ線解析装置によって測定した。高周波焼入れの条件は以下の通りである。
周波数 ：１〜５０ｋＨｚ
加熱時間 ：１〜１０ｍｉｎ
軸受部材回転数：３０〜３００ｍｉｎ^−１

予熱温度（予加熱温度）がＡ１変態点未満で且つ温度が高いほど、同じ焼入れ深さに対して、相対的に大きな圧縮残留応力が付与されていることから、予熱温度は２００℃以上が好ましく、４００℃以上がより好ましい。
寿命試験は以下の条件で行った。
ラジアル荷重：Ｐ／Ｃ＝０．６
回転数 ：１０００ｍｉｎ^−１
潤滑油 ：ＶＧ６８
Ｌ１０寿命比は、比較例１を１としたときの比率で表した。

表１のＬ１０寿命比と予熱温度の関係を図２に示す。同図から明らかなように、予熱温度が高いほど寿命比が大きくなっている。また、表１のＬ１０寿命比と窒化時間の関係を図３に示す。同図から明らかなように、１時間以上の窒化を行うと、窒化を行わない場合に比較して寿命比が大きくなっている。また、表１のＬ１０寿命比と表面圧縮残留応力の関係を図４に示す。同図から明らかなように、本発明の大型転がり軸受の実施例は、比較例１に比べて２倍以上の寿命比が得られる。そして、これらから明らかなように、軟窒化と予加熱、高周波焼入れにより高い圧縮残留応力を付与することが可能となり、もって大きな軸受寿命を得ることができる。

本発明の大型転がり軸受の一実施形態を示す縦断面図である。 Ｌ１０寿命比と予熱温度の関係を示す説明図である。 Ｌ１０寿命比と窒化時間の関係を示す説明図である。 Ｌ１０寿命比と表面圧縮残留応力の関係を示す説明図である。

符号の説明

１は内輪
２は外輪
３は転動体
４は保持器

Claims (1)

1. 直径が１２０ｍｍ以上の大型転がり軸受において、鋼製軸受構成部材に予め軟窒化処理を施し、その軸受構成部材をＡ１変態点未満の温度で予加熱し、次いで高周波加熱によって表層のみ相変態を起こさせて焼入れる熱処理を施し、前記熱処理では中心部が全体的に加熱されて膨張し、焼入れ時の冷却で中心部が収縮することを特徴とする大型転がり軸受。

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