JP2005076679A

JP2005076679A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005076679A
Application number: JP2003304735A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 啓之内田; Kenji Yamamura; 賢二山村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】十分な耐圧痕性を有する転がり軸受を提供する。
【解決手段】アンギュラ玉軸受１０の内輪１０及び外輪１２は、炭素を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロムを０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３．０質量％以下、酸素を１０ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成されており、浸炭窒化処理，焼入れ，深冷処理，２４０℃以上４００℃以下の焼戻しの順の処理により、表面の窒素濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、表面の残留オーステナイト量が５体積％以下とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関する。

一般に、転がり軸受においては、軌道輪と転動体との間で転がり運動が行われ、軌道輪及び転動体は繰り返し応力を受ける。そのため、これらの部材を構成する材料には、硬い、負荷に耐える、転がり疲労寿命が長い、滑りに対する耐摩耗性が良好である等の性質が要求される。
そこで、一般的には、これらの部材を構成する材料には、軸受鋼としては日本工業規格のＳＵＪ２、そして肌焼鋼としては日本工業規格のＳＣＲ４２０相当の鋼やＳＣＭ４２０相当の鋼等がよく使用されている。

これらの材料は前述のように繰り返し応力を受けるので、転がり疲労寿命等の必要とされる性質を得るために、軸受鋼であれば焼入れ，焼戻しが施され、肌焼鋼であれば浸炭処理又は浸炭窒化処理後に焼入れ，焼戻しが施されて、硬さがＨｖ６８０以上８００以下とされている。
近年、各種の工作機械は、加工効率及び生産性向上を目的として、主軸の回転速度や周辺機器の送り速度等の高速化が進んでおり、ユーザーの工作機械に対する高速化の要求はますます強くなってきている。特に、工作機械の主軸は超高速回転とすることが要求されており、主軸を支持するグリース潤滑の転がり軸受のＤｍｎ値（Ｄｍは転動体のピッチ円直径（ｍｍ）であり、ｎは回転速度（ｍｉｎ^-1）である）で、１×１０⁶を超えるものも最近では珍しくなくなってきている。

このような工作機械の超高速回転スピンドルを支持する転がり軸受は、超高速回転下で使用されるので、転動体のスピンすべりやジャイロすべりが生じやすく、過度のすべりによる軸受温度の上昇に起因した不具合が問題となる。軌道輪と転動体とのヘルツ弾性接触面の中に生じるスピンすべり，ジャイロすべり等の微小すべりを小さく抑えるためには、軌道溝の曲率半径Ｒと転動体の半径ｒとの比率ρ（Ｒ／ｒ）を大きくすることが有効である。

転がり軸受の軌道輪の溝半径を変化させて軸受寿命の向上を図る技術としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。すなわち、外側軌道輪及び内側軌道輪のうちの少なくとも一方の軌道輪を、硬度がＨＲＣ６５以上の粉末高速度鋼で形成するとともに、該軌道輪の溝半径Ｒと転動体半径ｒとの比率ρ（Ｒ／ｒ）を、軸受鋼で形成した軌道輪の溝半径Ｒ₀と転動体半径ｒ₀との比率ρ₀（Ｒ₀／ｒ₀）で除した値（ρ／ρ₀）を、１．０〜１．１２とするというものである。このことにより、トルクや微小すべりが低減されて軸受の温度上昇が抑制され、その結果、軸受寿命の向上が図られる。
実開平５−８６０２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、外側軌道輪及び内側軌道輪のうちの少なくとも一方の軌道輪を、硬度がＨＲＣ６５以上の粉末高速度鋼で形成しているため、転がり軸受の製造コストが高いという問題があった。また、溝半径Ｒと転動体半径ｒとの比率ρ（Ｒ／ｒ）を大きくした場合の一般的な問題点として、軌道輪と転動体との接触面圧が増大するため、転がり軌道面に塑性変形が生じやすく、多少の衝撃荷重が加わった際の耐圧痕性が劣るという問題があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高速回転下においても好適に使用可能とするために軌道溝の曲率半径Ｒと転動体の半径ｒとの比率ρ（Ｒ／ｒ）を大きくした場合でも、軌道面に塑性変形が生じにくく十分な耐圧痕性を有する転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記内輪，前記外輪，及び前記転動体のうち少なくとも１つは、炭素を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロムを０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３．０質量％以下、酸素を１０ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成され、浸炭窒化処理，焼入れ，深冷処理，２４０℃以上４００℃以下の焼戻しの順の処理により、表面の窒素濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、表面の残留オーステナイト量が５体積％以下とされていることを特徴とする。

本発明者らは、転がり軸受の耐圧痕性向上のために鋭意研究を重ねた結果、以下に述べるような知見を得た。
まず、転がり軸受の耐圧痕性向上のためには、深冷処理によって軸受部品（内輪，外輪，及び転動体）の残留オーステナイト量を低下させることが重要である。残留オーステナイト量を低下させるための熱処理としては、深冷処理により残留オーステナイトを分解させる方法や、高温に保持することにより残留オーステナイトを分解させる方法がある。ただし、後者の方法では、高温に保持することで残留オーステナイトが分解する一方で、焼戻し軟化が進み硬さが低下するという問題がある。これに対して、前者の方法では、焼戻しによる軟化のリスクを負うことなく軟質な残留オーステナイトを分解して硬質なマルテンサイトにすることができるため、残留オーステナイト量を低減できるだけでなく、硬度を上昇させることも可能である。すなわち、深冷処理によって残留オーステナイト量を低減し且つ硬度を上昇させることが、転がり軸受の耐圧痕性の向上のために必要な条件であることが明らかになった。

深冷処理により転がり軸受の耐圧痕性を向上させるためには、軸受部品の表面の残留オーステナイト量を５体積％以下とする必要がある。この時の焼戻し温度は、２４０℃以上４００℃以下とすることが好適である。ただし、深冷処理により残留オーステナイト量を低減し且つ硬度を上昇させることによって耐圧痕性を十分に向上させるためには、深冷処理前に浸炭窒化処理により軸受部品の表面の窒素濃度を０．０５質量％以上とする必要がある。ただし、表面の窒素濃度を高くするためには、浸炭窒化処理時間を長くする必要が生じ、熱処理生産性の低下及びコスト高となるため、表面の窒素濃度の上限は０．５質量％とするとよい。

次に、本発明における合金鋼に添加される各元素の作用及び含有量の数値限定理由について説明する。
〔炭素について〕
炭素（Ｃ）は焼入れ，焼戻し後の硬さを向上するために必要な元素であり、合金鋼中のＣの含有量は０．２質量％以上０．７質量％以下とする必要がある。なお、浸炭窒化処理を施すことにより軸受部品の表面の炭素濃度は上昇するが、この数値は浸炭窒化処理が及ばない軸受部品の芯部におけるＣの含有量である。
Ｃの含有量が０．２質量％未満であると、必要な硬さを得ることのできる炭素濃度とするために浸炭窒化処理時間を長くする必要があり、熱処理生産性が低下するとともにコスト的に不利となる。一方、０．７質量％を超えると、表層部だけでなく芯部まで残留オーステナイト量が多くなり、高温環境下での寸法安定性が阻害される。また、素材の段階で巨大な炭化物が発生するため、機械加工性及び靱性が低下する。

〔クロムについて〕
クロム（Ｃｒ）は、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素である。また、炭化物の形成を促進させる作用も有するので、浸炭窒化層のＣ濃度を高めて、浸炭阻害性を有するケイ素を多く含有しても素材の浸炭性を維持することができる。
これらの効果を十分に発揮させ、必要な表面硬さを確保するためには、Ｃｒの含有量は０．５質量％以上とする必要がある。しかし、Ｃｒの含有量が多すぎると、素材の段階で巨大な炭化物が生じてしまい、この炭化物の周辺で応力集中が生じることが原因となって、軸受寿命が低下するおそれがある。また、必要以上のＣｒ含有量の増加はコスト的にも不利であるし、巨大炭化物を微細化しようとすると高温での焼入れが必要となり、熱処理生産性が低下する。よって、Ｃｒの含有量は３．０質量％以下とする必要がある。

〔ケイ素について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、焼戻し軟化抵抗性の向上に有効であるとともに、浸炭窒化処理の際の合金鋼中への窒素の吸収を助ける働きがある。このような効果を十分に得るためには、Ｓｉの含有量は０．４質量％以上とする必要がある。しかし、Ｓｉの含有量が多いと靱性，被削性，及び浸炭性の低下につながるため、Ｓｉの含有量の上限値は２．０質量％とする必要がある。

〔モリブデンについて〕
モリブデン（Ｍｏ）は優れた固溶強化能を有し、焼戻し後の硬さを十分なものとすることができる元素であるため、合金鋼中に添加することにより耐圧痕性の向上を図ることができる。このような効果を十分に得るためには、Ｍｏの含有量は０．５質量％以上とする必要がある。しかし、Ｍｏの含有量が多いと靱性，被削性，及び浸炭窒化性の低下につながるため、Ｍｏの含有量の上限値は３．０質量％とする必要がある。

〔酸素について〕
酸素（Ｏ）は酸化物系非金属介在物（特にＡｌ₂Ｏ₃）を生成させる元素であり、転がり軸受の寿命を低下させる作用を有するため、その含有量は極力少なくする必要があり、１０ｐｐｍ以下とする必要がある。
なお、アルミニウム（Ａｌ）は、Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物系非金属介在物を生成するため、この点においてはＯと同様に転がり軸受の寿命に対し有害である。しかし、Ａｌ自体は結晶粒の粗大化を防止する作用を有するため、１００ｐｐｍ以上４００ｐｐｍ以下含有することが有効である。

本発明における合金鋼には、これらの各元素の他に、以下のような元素を所望により添加することができる。
〔マンガンについて〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤，脱硫剤として作用するとともに、焼入れ性の向上に大きく寄与することから、０．２質量％以上添加するとよい。ただし、多量に添加すると、非金属介在物を多く生じさせるため寿命が低下するとともに、鍛造性，被削性等の機械加工性が低下するので、含有量は１．７質量％以下とすることが好ましい。

〔ニッケルについて〕
ニッケル（Ｎｉ）は強力なオーステナイト安定化元素であり、δフェライトの生成を抑え、さらに基地に固溶して靱性を向上させ高温特性を高める作用を有している。しかし、必要以上に添加すると、多量の残留オーステナイトが生成して十分な焼入れ硬さが得られなくなる。これらの点を考慮すると、Ｎｉの含有量は２．０質量％以下とすることが好ましい。

〔銅について〕
銅（Ｃｕ）は、Ｎｉと同様にδフェライトの生成を抑え、耐食性，耐酸性を向上させる作用を有しているため、０．０５質量％以上、好ましくは０．５質量％以上添加するとよい。ただし、多量に添加すると、転がり軸受製造工程中の熱間鍛造工程において、熱間割れを生じる場合があるため、Ｃｕの含有量の上限値は２．０質量％とすることが好ましい。

また、本発明における合金鋼には、以下のような不純物元素が併記する範囲内で含まれても差し支えない。
〔リンについて〕
リン（Ｐ）は転がり寿命及び靱性を低下させる元素であるので、Ｐの含有量は極力少ないことが好ましく、０．０２質量％以下に抑えることが好ましい。
〔イオウについて〕
イオウ（Ｓ）は被削性を向上させる元素であるが、Ｍｎと結合して転がり疲れ寿命を低下させる硫化物系介在物を形成する。また、Ｓの添加以外の方法でも、被削性の向上を図ることができる。したがって、転がり疲れ寿命を確保する点からは、Ｓの含有量は極力少ない方が好ましく、０．０２質量％以下に抑えることが好ましい。

〔その他の不可避の不純物について〕
本発明の合金鋼には、これまで説明した各元素及び鉄（Ｆｅ）以外の元素（チタン，ニオブ等）が不可避の不純物として含有される可能性があるが、不可避の不純物は１種につき１００ｐｐｍ以下ならば含有されていてもよい。
〔浸炭窒化処理後の表面炭素濃度について〕
転がり軸受の軸受部品として十分な硬さを得るためには、表面炭素濃度が０．８質量％以上であることが好ましい。ただし、表面炭素濃度が１．２質量％を超えると、巨大炭化物が形成されやすくなり、巨大炭化物が欠陥となって転がり疲労寿命が低下するおそれがあるため、上限値は１．２質量％であることが好ましい。

本発明の転がり軸受は、十分な耐圧痕性を有している。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
このアンギュラ玉軸受１０は、工作機械のスピンドル支持用として好適な転がり軸受であり、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１及び外輪１２の間に転動自在に配設された複数の玉１３と、内輪１１及び外輪１２の間に玉１３を保持する保持器１４と、で構成されている。そして、このアンギュラ玉軸受１０の内径は６５ｍｍ、外径は１００ｍｍ、幅は１８ｍｍ、玉１３の直径は７．１４４ｍｍ、玉数は２８個、接触角は１８°、内輪１１及び外輪１２に形成されている軌道溝の曲率半径は、それぞれ玉１３の直径の５２％及び５６％である。

ここで、内輪１１及び外輪１２は、以下のようにして製造されたものである。表１に示す組成の鋼材（Ａ〜Ｌ）を所定の形状に成形し、８４０〜９２０℃で３〜２０時間の浸炭窒化処理を施した後、油焼入れを施した。次いで、８３〜２１３Ｋ（−１９０〜−６０℃）の深冷処理を施した後、２４０〜４００℃で１．５〜２．０時間加熱する焼戻しを行ない、さらに研削仕上げ加工及び超仕上げ加工を施した。

このようにして得られた内輪及び外輪の表面炭素濃度，表面窒素濃度，深冷処理の有無，焼戻しの温度，表面の残留オーステナイト量，及び表面硬さを、表２，３にまとめて示す。なお、本発明においては、表面とは、超仕上げ加工後の表面から深さ２０μｍまでの層を意味する。また、表面炭素濃度及び表面窒素濃度は発光分析装置により測定し、表面硬さはビッカース硬度計により測定し、表面の残留オーステナイト量はＸ線分析装置により測定した。

玉１３は窒化ケイ素製であるが、玉の材質については窒化ケイ素限定されるものではなく、前述した本発明において使用される合金鋼，マルテンサイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４４０Ｃ）等でもよい。これらの鋼で玉を形成した場合には、表面に窒化層を設けることが好ましい。
このようなアンギュラ玉軸受１０の耐圧痕性を、以下のような方法で評価した。まず、図２に示すようにして、アンギュラ玉軸受１０に圧痕を付けた。すなわち、図示しないプレス機を用いてアンギュラ玉軸受１０に治具２０を介して３０００Ｎの荷重を負荷し、９０秒間保持した後に荷重を除荷した。次に、圧痕を付けたアンギュラ玉軸受１０を、アンデロンメータ等の振動選別機に取り付け、グリース潤滑下（使用したグリースはＮＯＫクリューバ株式会社製のイソフレックスＮＢＵ１５である）で４０００ｍｉｎ^-1の回転速度で回転させた。そして、得られた出力にエンベロープ処理を施した後、ＦＦＴ分析で周波数分析を行った。

内輪の固有振動数に相当する約１１００ｋＨｚの周波数の振幅値（電圧）が、あらかじめ測定した圧痕を付ける前のアンギュラ玉軸受１０の振幅値の２倍未満である場合には、軸受が十分な耐圧痕性を有していると判定し、２倍以上である場合には耐圧痕性が劣ると判定した。
耐圧痕性の評価結果を、表２，３に併せて示す。なお、表２，３においては、上記判定基準の下で十分な耐圧痕性を有すると判定されたものを○印で示してあり、耐圧痕性が劣ると判定されたものを×印で示してある。

表２，３から分かるように、本発明に含まれる軸受（軸受番号１〜４，６〜８，１０，１１，１３，１６〜１８，２１〜２３，２５）は、いずれも十分な耐圧痕性を有していた。これに対して、軸受番号５，１２，１４，１９の軸受は、深冷処理が施されていないため耐圧痕性が劣っていた。また、軸受番号２０，２６の軸受は、焼戻し温度が低く表面の残留オーステナイト量が多いため耐圧痕性が劣っていた。さらに、軸受番号２４の軸受は、焼戻し温度が高く硬さが著しく低いため耐圧痕性が劣っていた。さらに、軸受番号９の軸受は鋼材中のＳｉの含有量が低く、軸受番号１５の軸受は鋼材中のＭｏの含有量が低いため、それぞれ耐圧痕性が劣っていた。さらに、軸受番号２７の軸受は、鋼材が通常の軸受鋼（ＳＵＪ２）であるため耐圧痕性が劣っていた。

このように、本実施形態のアンギュラ玉軸受は十分な耐圧痕性を有しているので、高速回転下においても好適に使用可能とするために軌道溝の曲率半径Ｒと転動体の半径ｒとの比率ρ（Ｒ／ｒ）を大きくした場合でも、軌道面に塑性変形が生じにくく長寿命である。よって、工作機械のスピンドル支持用転がり軸受として好適である。また、本実施形態のアンギュラ玉軸受は、安価であるという特徴も有している。

本発明は、自動車，農業機械，建設機械，及び鉄鋼機械等に使用される転がり軸受、特に、工作機械のスピンドル支持用転がり軸受に適用可能である。

本発明の一実施形態であるアンギュラ玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。アンギュラ玉軸受に圧痕を付ける方法を説明する図である。

符号の説明

１０アンギュラ玉軸受
１１内輪
１２外輪
１３玉

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、
前記内輪，前記外輪，及び前記転動体のうち少なくとも１つは、
炭素を０．２質量％以上０．７質量％以下、クロムを０．５質量％以上３．０質量％以下、ケイ素を０．４質量％以上２．０質量％以下、モリブデンを０．５質量％以上３．０質量％以下、酸素を１０ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成され、
浸炭窒化処理，焼入れ，深冷処理，２４０℃以上４００℃以下の焼戻しの順の処理により、表面の窒素濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、表面の残留オーステナイト量が５体積％以下とされていることを特徴とする転がり軸受。