JP2002249851A

JP2002249851A - 転動部品およびその製造方法

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Publication number: JP2002249851A
Application number: JP2001048182A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田; Yukio Fujii; 幸生藤井
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-06

Abstract

(57)【要約】【課題】厳しい使用条件下で長い転動寿命を有する、
安価で加工性に優れた転動部品を提供する。【解決手段】少なくとも、質量％で、Ｃを０．５〜
０．８％、Ｓｉを０．５〜１．２％、Ｍｎを０．３〜
１．３％含有する鋼からなり、表層硬度ＨＲＣ５９以上
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波焼入れが施
されて用いられる中炭素鋼製の転動部品に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】転動部品の代表品目である転がり軸受に
は、従来、ＪＩＳのＳＵＪ２のような高炭素クロム鋼
や、浸炭処理が施されたＳＣＭ４２０のような肌焼き鋼
が多く用いられてきた。これらの鋼は、十分な信頼性を
有する軸受用の鋼であるが、ＣｒやＭｏなどの元素を含
むので、素材が高価となる。さらに、肌焼き鋼では浸炭
処理という長時間の加熱処理が必要であり、熱エネルギ
の消費も大きかった。

【０００３】一方、従来から、Ｓ５３Ｃなどの中炭素鋼
を、高周波焼入れしたり、ずぶ焼入れして用いる転動部
品の分野がある。この分野は、主に自動車の足回り軸受
やＣＶＪなどの転がりを伴う動力伝達部品や転動部品の
分野である。ここで用いられている中炭素鋼は、上記の
軸受鋼や肌焼き鋼に比べると合金成分が少なく、安価で
ある反面、軸受にとって重要な特性である転動寿命が劣
る欠点がある。これまでは、部材サイズを大きくするこ
とにより負荷の面圧を軽減し、問題を生じることなく使
用されてきた。しかし、省エネルギ化、コンパクト化等
の進展に伴い、上記の部材にも高面圧が負荷されたり、
サイズダウンされた条件下で長寿命が要求されるように
なってきている。その上、部品サイズがコンパクト化さ
れた結果、発熱が大きくなったり、その熱がこもり、部
品全体が従来よりも高温にさらされるようになってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、自動車
の足回り軸受等の転動部品に対しても、高面圧や高温の
厳しい使用条件が課せられるようになっており、新たな
長寿命材料の要求が高くなっている。これら高周波焼入
れが施される転動部材は、構成部品の一部を転がり軸受
または転動面とするので、全体を高価な材料で構成する
と、製造コストが許容範囲を超えて上昇してしまう。さ
らに、これら転動部品は、ねじが切られる等の複雑な形
状をしているので、旋削性、鍛造性、穴あけ性などの加
工特性も重要になる。このため、軸受鋼のような高炭素
鋼、高合金鋼は適さない。さらに、浸炭処理して用いる
肌焼き鋼も、ねじ部を防炭する必要があり、また、複雑
な形状のため過浸炭が発生し易く、黒皮部に粒界酸化が
あると強度低下を招くことがあるので、上記の転動部品
には適さない。

【０００５】本発明は、高価な合金元素を用いず、Ｃ、
Ｍｎ、Ｓｉという安価な元素の最適化によって、従来の
炭素鋼なみの価格と加工性とを維持しながら、厳しい使
用条件下で長い転動寿命を有する転動部品を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の転動部品は、少
なくとも、質量％で、Ｃを０．５〜０．８％、Ｓｉを
０．５〜１．２％、Ｍｎを０．３〜１．３％含有した鋼
からなり、表層硬度をＨＲＣ５９以上有する（請求項
１）。

【０００７】炭素を０．５〜０．８％含有させたのは、
たとえば、高周波焼入れで所定値以上の表層硬度を確保
するためである。Ｃの下限を０．５％にしたのは、所定
のＳｉやＭｎを含む条件下で、大きな荷重条件における
転動寿命を確保するのに、０．５％以上必要だからであ
る。炭素は炭化物を形成するので、安定した硬度を得る
ためには含有率は高いほうが好ましい。しかし、あまり
含有率が高くなると冷間加工性を阻害し、成分偏析防止
のための高温拡散熱処理（ソーキング）や、炭化物の球
状化などの特別な熱処理が必要となり、コストアップに
なる。このような冷間加工性の確保とソーキングを不要
とするために、Ｃの上限を０．８％とする。

【０００８】Ｓｉを０．５〜１．２％含有させたのは、
Ｓｉは転動寿命を増大させる元素であり、高温にさらさ
れた場合の軟化を抑制し、大きな荷重の繰り返しによる
組織変化やき裂発生を遅らせる作用があるからである。
本発明のように、Ｃを０．５〜１．２％含む中炭素鋼で
は、Ｓｉが０．５％未満ではその効果が得られず、Ｓｉ
０．５％以上で増加するにつれて転動寿命は向上する。
しかし、Ｓｉは１．２％を超えると冷間加工性、熱間加
工性が大きく低下させ製作コストを上昇させるので、そ
の上限を１．２％とする。

【０００９】Ｍｎは、０．３％以上含まれることによ
り、鋼の焼入性を向上し、鋼中に固溶して鋼を強靭化す
るとともに、転動寿命に有益な残留オーステナイトを増
大させる。しかし、ＭｎもＳｉと同様に、素地を強化す
る結果、含有率が高すぎると加工性や被削性が低下させ
るので、上限を１．３％とする。

【００１０】Ａｌは優れた転動寿命を確保するために低
いことが望ましいが、通常レベル程度であれば、必ずし
も特別低いことは必要ない。Ｐも優れた転動寿命を確保
するために低いことが望ましいが、通常レベル程度であ
れば、必ずしも特別低いことは必要ない。

【００１１】上記の合金成分の総合作用により、従来の
炭素鋼と同じ加工ラインでの製造を行なうことができ、
転動寿命にも優れた材質を得ることができる。上述の合
金元素のうちのＣ、Ｓｉ、Ｍｎの働きにより、軸受鋼に
近いレベルの転動寿命を有し、加工性は炭素鋼に近い性
能を有する安価な中炭素鋼を得ることができる。上記本
発明の転動部品を構成する鋼は、高周波焼入れ焼戻し後
に、硬度ＨＲＣ５９以上を得ることができる。上記本発
明の転動部品の鋼の、たとえば高周波焼入れにおける硬
度の確保は、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉの合金元素の増量のため焼
入性が高くされているので、Ｓ５３Ｃ等の通常の炭素鋼
の高周波焼入れに比べて安定している。

【００１２】上記本発明の転動部品では、たとえば、鋼
に含まれる、質量％で表示したＣ、Ｓｉ、Ｍｎの含有率
が下記の（１）式および（２）式を満たすことが望まし
い（請求項２）。

【００１３】Ｌ＝11271（Ｃ）+5796（Ｓｉ）+2665（Ｍｎ）-6955・・・・・・・・（１）Ｌ ≧ 5000 ・・・・・・・・（２）Ｌは、重回帰分析によって求めた転動寿命の予測指数で
ある。本発明のＣ、Ｓｉ、Ｍｎに対してさらに上記のＬ
による制限を設けて、Ｌ≧５０００とすることにより、
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎは、さらに含有率の高い側に限定され
る。このため、焼入性等の向上、硬度確保などから、さ
らに転動寿命を向上させることができる。

【００１４】上記本発明の転動部品では、たとえば、鋼
は、Ａｌを０．０２％以下、Ｐを０．０２％以下に抑え
た鋼であることが望ましい（請求項３）。

【００１５】Ａｌは酸化物系の非金属介在物を形成する
ので、転動寿命に対しては有害である。特に、本発明の
転動部品のように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎをベースにした鋼で
は、非金属介在物の悪影響が出やすいので、０．０２％
以下とすることが望ましい。

【００１６】Ｐは粒界に偏析して靭性を低下させる。ま
た、高周波焼入れのように短時間で加熱焼入れする場
合、靭性を高める相であるオーステナイト相を、Ｐを意
図的に高くすることによって増やすことができない。こ
のため、オーステナイト相の低い状態において転動寿命
や疲労強度を向上させる観点から、Ｐは０．０２％以下
とすることが望ましい。

【００１７】上記本発明の転動部品の製造方法は、少な
くとも、質量％で、Ｃを０．５〜０．８％、Ｓｉを０．
５〜１．２％、Ｍｎを０．３〜１．３％含有する鋼を所
定の形状に加工する工程と、加工工程において加工され
た部材を高周波焼入れする工程とを備える。Ｃ、Ｓｉ、
Ｍｎを適切な範囲内でＳ５３Ｃ等の通常の中炭素鋼より
増量されることにより、優れた加工性を維持したうえ
で、高い焼入性を確保することができる。このため、従
来の炭素鋼と同じ加工ラインを用いて容易に加工するこ
とができ、また高周波焼入れにより高い硬度を確保しや
い。さらに、主としてＳｉの増量により高い高温強度を
得ることができる。このため、高い歩留りで生産性よく
転動部品を製造することが可能になる。

【００１８】上記本発明の転動部品の製造方法では、た
とえば、高周波焼入れ工程の後、部材の表層硬度をＨＲ
Ｃ５９以上となるように焼戻し処理する工程をさらに備
えることが望ましい。本発明の転動部品の鋼の組成の場
合、Ｓｉを増量しているので、焼戻し軟化抵抗が高いの
で、（ａ）比較的高い温度、または（ｂ）同じ温度で長
時間、の焼き戻しを行なっても硬度を確保しやすい。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００２０】（実施例１）本発明の実施例１の転動部品
における鋼の組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎのみでその範囲が
定められる。すなわち、本発明の実施例１における鋼
は、表１に示すように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの元素がそれぞ
れ、０．５〜０．８％、０．５〜１．２％、０．３〜
１．３％の範囲内に入っている鋼である。

【００２１】

【表１】

【００２２】比較例として、同じく表１に示す鋼を用意
した。ただし、比較例の欄中のＮｏ３とＮｏ５の鋼は、
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎが上記範囲内の鋼であり、本発明例の欄
に入れるべきであるが、実施例２の説明の便宜上、比較
例の欄に入れている。比較例の欄の他の鋼には、高周波
焼入れ用の標準的な鋼であるＳ５３Ｃ（Ｎｏ１）、軸受
鋼ＳＵＪ２（Ｎｏ１０）が含まれている。これらの鋼に
おいて、Ａｌは０．０２％以下、Ｐ０．０２％以下であ
った。これらのすべての鋼に対して機械加工により転動
寿命試験片の形状を作製した。次いで、比較例のＮｏ１
０を除き、表１に示す本発明例および比較例のすべての
鋼の試験片に対して、硬化深さ約２ｍｍの高周波焼入れ
を施すことにより、転動寿命試験片を作製した。比較例
Ｎｏ１０の軸受鋼に対しては、ずぶ焼入れを行なった。
表層硬度測定用の試験片を別に用意して、本発明例の欄
のＮｏ１〜１０、比較例の欄のＮｏ３、５の表層硬度
が、ＨＲＣ５９以上あることを確認した。

【００２３】上記の鋼について、試験片サンプルを作製
して、φ１２円筒転動寿命試験（以下、転動疲労試験と
記す）を行なった。転動疲労試験は、高面圧、高負荷速
度の条件下で、加速的にサンプルを疲労させて評価する
試験である。試験Ｎｏのそれぞれについてサンプル数を
１５個として、疲労強度をＬ10寿命（サンプルの９０％
が破損しないで使用できる負荷回数）により評価した。
試験条件の詳細は次のとおりである。・試験片寸法：外径１２ｍｍ、長さ２２ｍｍ・相手鋼球寸法：直径１９.０５ｍｍ・接触応力Ｐmax ：５．８８ＧＰａ・負荷速度：４６２４０回／分試験結果を表２に示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】本発明例のＮｏ１〜１０および比較例の欄
中の本発明例のＮｏ３、Ｎｏ５は、いずれも高いＬ10寿
命を示している。なかでもＣ、Ｓｉ、Ｍｎの含有率が高
めの適量であるＮｏ４、８、１０は、軸受鋼ＳＵＪ２
（比較例Ｎｏ１０）と差がない寿命を示した。

【００２６】これに対して、比較例Ｎｏ１のＳ５３Ｃで
はＬ10寿命は約２６００×１０⁴（以下、×１０⁴を省略
する）、Ｃだけを高めたＮｏ２は約２０００、Ｍｎだけ
を高めたＮｏ４が３３００となっており、単独元素の増
量では効果が小さかった。これは、本発明例の比較例の
欄中のＮｏ３、５についても当てはまることで、本発明
のＣ、Ｓｉ、Ｍｎの範囲内であるにもかかわらず、Ｓｉ
だけ単独に増量しただけなので、Ｌ10寿命はそれぞれ３
７２０、４４５０と低めの改善となった。Ｃ含有率の確
保も重要であり、比較例のＮｏ９では、Ｓｉ、Ｍｎは多
めであるが、Ｃが低いために、４６００と低めであっ
た。

【００２７】図１は、実施例１において調査した鋼につ
いて、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ含有率とＬ10寿命との関係を重回
帰分析によって求めた結果を示すものである。図１によ
れば、（１）式の回帰式ＬとＬ10寿命とは非常に良い相
関があることが分る。なお、図１では、繰り返し数は１
０⁴を１として記載している。

【００２８】表２には、上記（１）によるＬ10の値を
「推定」の欄に、また、実際の試験結果を「実結果」の
欄に載せている。実結果によれば、本発明の実施例１の
鋼は、いずれも標準材である比較例Ｎｏ1よりも高いＬ1
0を示していることが分った。

【００２９】（実施例２）本発明の実施例２の転動部品
では、鋼の組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの範囲と、さらに
（１）式と（２）式の要件を満たす。すなわち、Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｍｎの範囲だけでなく、Ｌ≧５０００を満足する必
要がある。本発明の実施例２の転動部品における鋼およ
びその比較例の鋼も、表１に示した鋼を用いた。実施例
２の鋼は、本発明例の欄のＮｏ１〜１０の鋼であり、そ
の比較例の鋼は、比較例の欄のＮｏ１〜１０の鋼であ
る。それぞれの鋼のＬの値は、表２の転動疲労試験の推
定の欄の値と一致する。それによれば、本発明例のＮｏ
１〜１０の鋼のＬは、すべて５０００以上である。これ
に対し、比較例のＮｏ１〜９の鋼のＬは５０００未満で
あり、Ｎｏ１０のみＬは５０００以上であるが、Ｎｏ１
０はＣ含有率が本発明の範囲内にない。

【００３０】上記の鋼を用いてピーリング試験を行なっ
た。ピーリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有する
リング状の試験片を、駆動軸と、この駆動軸に平行な従
動軸に取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて
転動させ損傷をみる試験である。試験片の寸法は、直径
４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の副曲率半径６０ｍｍ
である。駆動軸側試験片の円筒面は、Ｒmax３μｍの粗
さに研削仕上げし、従動軸側の試験片の円筒面は鏡面仕
上げされる。ピーリング強度は、試験終了時の従動軸側
の試験片円筒面のピーリング発生面積率によって評価さ
れる。駆動軸側および従動軸側のそれぞれの試験片は、
同じ鋼のサンプルをペアとして用いた。試験条件は次の
とおりである。・試験片の最大表面粗さ：駆動軸側３．０μｍ、従
動軸側０．２μｍ・接触面圧Ｐmax ：２．３ＧＰａ・潤滑油：タービン油ＶＧ４６・駆動軸回転速度：２０００ｒｐｍ・総回転数：４．８×１０⁵回試験結果を表２に併せて示す。この結果によれば、実施
例Ｎｏ１〜１０の試験片は、比較例に比べてピーリング
発生面積率が低く、比較例Ｎｏ１０のＳＵＪ２と同等以
上の良好な耐ピーリング発生特性を示している。

【００３１】上記の実施例１および２の結果より、本発
明の実施例２の転動部品は、転動寿命と耐ピーリング性
とに優れるので、より過酷な接触応力条件やピーリング
が発生しやすい条件に、十分対応できることが分る。

【００３２】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の
形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら
発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特
許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の
範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更
を含むものである。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、少なくとも合金元素として質
量％で、Ｃを０．５〜０．８％、Ｓｉを０．２〜１．２
％、Ｍｎを０．３〜１．３％含有し、高周波焼入れして
表層硬度をＨＲＣ５９以上とするので従来の炭素鋼では
得られない転動疲労寿命と耐ピーリング性とを確保する
ことができる。上記の鋼は素材として安価であり、加工
性も優れ、浸炭処理等を必要としない。さらに、Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｍｎの範囲を転動疲労寿命を長くする範囲に調整す
ることにより、さらに優れた耐久性を得ることが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例と比較例とに用いた鋼の化学
組成と転動寿命との相関を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、質量％で、Ｃを０．５〜
０．８％、Ｓｉを０．５〜１．２％、Ｍｎを０．３〜
１．３％含有した鋼からなり、表層硬度をＨＲＣ５９以
上を有する、転動部品。
【請求項２】前記鋼に含まれる、質量％で表示した
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの前記含有率が下記の（１）式および
（２）式を満たす、請求項１に記載の転動部品。Ｌ＝11271（Ｃ）+5796（Ｓｉ）+2665（Ｍｎ）-6955・・・・・・・・（１）Ｌ ≧ 5000 ・・・・・・・・（２）
【請求項３】前記鋼は、Ａｌを０．０２％以下、Ｐを
０．０２％以下に抑えた鋼である、請求項１または２に
記載の転動部品。