JP2012241862A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた靱性を有し且つ潤滑剤に水や固体異物が混入するような環境下で使用されても長寿命であるとともに安価な転がり軸受を提供する。
【解決手段】円筒ころ軸受１０の外輪２は、炭素の含有量が０．６質量％以上である高炭素鋼で構成されており、高周波焼入れ処理を含む熱処理により焼入れが施されてなる硬化層が、軌道面２ａを含む外輪２の表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されている。また、軌道面２ａの表面硬さがＨｖ６５１以上であり、前記芯部の硬さがＨｖ５００以下である。さらに、軌道面２ａの残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。さらに、軌道面２ａの有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗ＜Ｙ０＜０．０７×Ｄｗ＋５なる式を満足する。さらに、極値統計法により推定した非金属介在物の最大径が３５μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関する。

鉄鋼用圧延機等で使用される大形の転がり軸受を製造する場合は、通常、クロム，ニッケル，モリブデン等の添加によって焼入れ性を確保した低中炭素鋼（炭素の含有量は０．１〜０．４質量％）が軌道輪の素材として用いられ、低中炭素鋼を浸炭処理（又は浸炭窒化処理）することによって転がり軸受として必要な硬さを得ている。軌道輪の素材として低中炭素鋼が用いられる理由としては、靭性の確保があげられる。焼入れが施された鋼では硬さが炭素の含有量に依存し、硬さと靭性がトレードオフの関係にあることから、低炭素の母材を用いるほど高靭性の軸受とすることができる。

鉄鋼用圧延機は主に鋼板を圧延する設備であり、圧延ロールのロールネック部にはロールを回転支持するための転がり軸受が使用されている。このロールネック用転がり軸受には、圧延時に高荷重、衝撃、振動等が作用するので、靱性は重要な要求性能の一つである。よって、鋼の低炭素化によって浸炭処理時間が長時間になるというデメリットを考慮しても、軌道輪の素材として中炭素鋼又は低炭素鋼が用いられる。

また、ロールネック用転がり軸受は、圧延水の混入や鉄粉塵等の固体異物の混入が生じやすいので、これらに起因する比較的短寿命な表面疲労が問題となる。
潤滑剤に水が混入した場合の転がり疲労寿命の低下は、以下に示す理由で生じることが知られている。転動体が軌道面に接触して荷重が加わるとき、軌道面は深さ方向に弾性変形し、接触面近傍には引張応力が生じる。引張応力が作用する表面に酸化物系介在物と水が存在すると、酸化物系介在物と金属母相との間に隙間が生じ、その隙間に水が浸入して腐食反応が生じる。これにより非金属介在物周辺での応力集中が大きくなり、クラックの発生を招き、転がり疲労寿命を低下させる。よって、潤滑剤に水が混入する環境下で使用される転がり軸受においては、亀裂の起点となる非金属介在物を減少させて応力集中を小さくする対策が取られている。

一方、潤滑剤に固体異物が混入した場合の転がり疲労寿命の低下は、潤滑剤中の固体異物（硬質の粒子）が転がり接触部に噛み込んで生じる圧痕縁への応力集中によって起こる。この対策としては、表面硬さを高くする方法や、表面の残留オーステナイト量を制御することで圧痕縁への応力集中を緩和する方法が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

特開平６−１１７４３８号公報 特開平６−１２９４３６号公報

しかしながら、表面の残留オーステナイト量を確保するためには、それに応じた炭素量が必要であるため、靭性の面も考慮すると、中炭素鋼又は低炭素鋼に長時間の浸炭処理を施して転がり軸受を製造しているのが現状である。一方、低炭素鋼は高炭素鋼よりも高清浄度化が難しいことが一般に知られている。そのため、潤滑剤に水が混入した場合の表面疲労寿命を、中炭素鋼又は低炭素鋼を用いた場合においても向上させるためには、通常の軸受鋼の製造において行われている真空脱ガス以外に、特殊な溶解法を行って材料の清浄度の向上を図る必要がある。

このため、従来では、靱性、潤滑剤に水が混入した場合の転がり疲労寿命、潤滑剤に固体異物が混入した場合の転がり疲労寿命をいずれも優れたものとするためには、軸受鋼のような高炭素鋼を軌道輪の素材として用いることはできず、特殊溶解した中炭素鋼又は低炭素鋼を軌道輪の素材として用い、長時間の浸炭処理を施す必要があるため、製造コストが高い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、優れた靱性を有し且つ潤滑剤に水や固体異物が混入するような環境下で使用されても長寿命であるとともに安価な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、本発明の態様は次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係る転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記外輪が以下の５つの条件を満足することを特徴とする。
条件Ａ：高周波焼入れ処理を含む熱処理により焼入れが施されてなる硬化層が、前記軌道面を含む表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されている。
条件Ｂ：前記軌道面の表面硬さがＨｖ６５１以上であり、前記芯部の硬さがＨｖ５００以下である。
条件Ｃ：前記軌道面の残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。
条件Ｄ：前記軌道面の有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗ＜Ｙ０＜０．０７×Ｄｗ＋５なる式を満足する。ただし、Ｄｗは前記転動体の直径であり、Ｙ０及びＤｗの単位はいずれもｍｍである。
条件Ｅ：極値統計法により推定した非金属介在物の最大径が３５μｍ以下である。
このような転がり軸受においては、前記軌道面の残留応力が−２００ＭＰａ以下であることが好ましい。

本発明の転がり軸受は、優れた靱性を有し且つ潤滑剤に水や固体異物が混入するような環境下で使用されても長寿命であるとともに安価である。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。 非金属介在物の予測最大径と転がり軸受の寿命との相関を示すグラフである。 軌道面の残留オーステナイト量と転がり軸受の寿命との相関を示すグラフである。 軌道面の有効硬化層深さＹ０と圧砕強度との相関を示すグラフである。

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、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の円筒ころ軸受１０は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動体３を保持する保持器４と、両軌道面１ａ，２ａと転動体３との潤滑を行う潤滑油，グリース等の潤滑剤（図示せず）と、を備えている。なお、保持器４は備えていなくてもよい。また、ゴムシール等の密封装置を備えていても差し支えない。

このような円筒ころ軸受１０において外輪２は、炭素の含有量が０．６質量％以上である高炭素鋼で構成されているとともに、以下の５つの条件を満たしている（なお、内輪１及び転動体３の一方又は両方も、外輪２と同様の構成であってもよい）。
条件Ａ：高周波焼入れ処理を含む熱処理により焼入れが施されてなる硬化層が、軌道面２ａを含む外輪２の表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されている。
条件Ｂ：軌道面２ａの表面硬さがＨｖ６５１以上であり、前記芯部の硬さがＨｖ５００以下である。
条件Ｃ：軌道面２ａの残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。
条件Ｄ：軌道面２ａの有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗ＜Ｙ０＜０．０７×Ｄｗ＋５なる式を満足する。ただし、Ｄｗは転動体３の直径であり、Ｙ０及びＤｗの単位はいずれもｍｍである。
条件Ｅ：極値統計法により推定した非金属介在物（炭化物，窒化物，酸化物等）の最大径が３５μｍ以下である。

芯部に形成されている非焼入れ部の作用によって、外輪２は靱性が優れており、浸炭処理を施した場合と同等の靱性が得られる。すなわち、芯部の硬さがＨｖ５００以下であり、芯部の靱性が優れているため、外輪２に割れが生じにくい。長時間の浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことなく、高周波焼入れ処理により熱処理を行うことができるので、円筒ころ軸受１０の製造コストが安価である。なお、芯部の硬さはＨｖ５００以下である必要があるが、Ｈｖ４９７Ｈｖ以下であることがより好ましい。また、２０５以上であることが好ましい。

また、軌道面２ａの表面硬さ、残留オーステナイト量、及び有効硬化層深さＹ０（表面から硬さＨｖ５５０の深さ位置までの距離）を制御することにより、潤滑剤に固体異物（例えば、鉄粉塵等の硬質の粒子）が混入するような環境下で使用されても表面疲労や表面剥離が生じにくく、本実施形態の円筒ころ軸受１０は長寿命である。軌道面２ａの表面硬さがＨｖ６５１以上であり、且つ、残留オーステナイト量が１２体積％以上（好ましくは１４体積％以上）であるため、表面を起点とする破壊が生じにくくなり、円筒ころ軸受１０が長寿命となる。なお、過剰な残留オーステナイトによる熱処理中の焼き割れを防ぐために、残留オーステナイト量は４０体積％以下とすることが好ましく、２５体積％以下とすることがより好ましい。

さらに、有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗに満たないと、芯部の剪断応力に耐えられずに早期破壊するおそれがある。一方、有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗ＋５よりも小さいため、高靱性の芯部が十分に残存することとなり、外輪２に割れが生じにくくなる。
さらに、非金属介在物の最大径が小さく且つ浸炭鋼よりも高清浄度の高炭素鋼で構成されているので、潤滑剤に水が混入するような環境下で使用されても表面疲労や表面剥離が生じにくく、本実施形態の円筒ころ軸受１０は長寿命である。極値統計法により推定した非金属介在物の最大径は、クリーン潤滑環境下における寿命と相関がある。

そしてさらに、高周波焼入れ処理により軌道面２ａに−２００ＭＰａ以下（好ましくは−２０５ＭＰａ以下）の残留応力（すなわち圧縮の残留応力）を付与すれば、亀裂の発生が抑制されるので、潤滑剤に水が混入するような環境下で使用された場合に、本実施形態の円筒ころ軸受１０はより長寿命となる。
このような本実施形態の円筒ころ軸受１０は靱性が優れているので、靱性を要求される大形軸受に好適である。また、鉄鋼用圧延機の圧延ロールのロールネック部に組み込まれ、ロールを回転支持するロールネック用転がり軸受は、潤滑剤に水や固体異物が混入するような環境下で使用されるので、本実施形態の円筒ころ軸受１０はロールネック用転がり軸受に好適である。

ここで、外輪２が上記のような条件を満たしていることによって円筒ころ軸受１０が長寿命となる理由を説明する。主に大形のラジアルころ軸受においては、特に外輪の疲労の進行が早く、破損が生じやすいという傾向がある。これは、以下のようなことが原因であると考えられる。すなわち、内輪の軌道面は凸面となっているために、転動体との接触域には高い面圧が発生しているのに対して、外輪の軌道面は凹面となっているため、内輪と比較して転動体との接触面圧が低い。そのため、一般的なラジアルころ軸受においては、外輪よりも内輪の方が転動疲労の進行が早い場合が多い。

しかしながら、前述のロールネック用転がり軸受のように大形のラジアルころ軸受の場合は、内輪，外輪いずれの軌道面も、曲率がかなり平らに近いため、転動体との接触面圧の差は小さい。一方、ロールネック用転がり軸受は内輪回転で使用されるため、固定輪である外輪には、全周の１／５程度の負荷圏が存在する。この負荷圏における応力繰り返し数は、内輪の応力繰り返し数と比べて大きい。

このため、転がり軸受のサイズが大きいほど、面圧よりも応力繰り返し数の方が大きく影響することとなり、内輪よりも外輪の方が転動疲労の進行が早くなる。よって、転がり軸受のサイズが大きいほど、外輪が上記のような条件を満たしていることによって長寿命化効果が得られることとなる。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受の例として円筒ころ軸受をあげて説明したが、本発明は円筒ころ軸受以外の様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。そして、本発明は、大形の円筒ころ軸受に限らず、大形の円すいころ軸受，大形の自動調心ころ軸受等にも適用することができる。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。本発明の効果を要素的に確認するため、合金成分の異なる種々の鋼で構成された軌道輪を用意して、これを固定輪とするスラスト玉軸受（呼び番号５１３０５）を作製した。使用した鋼種は、Ｍ１〜Ｍ９、ＳＵＪ２〜ＳＵＪ５、及びＳＣｒ４２０であり、表１，２に示すような合金成分をそれぞれ有している。なお、表１，２に示した炭素（Ｃ），ケイ素（Ｓｉ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ），モリブデン（Ｍｏ）以外の成分（残部）は、鉄及び不可避的不純物である。

各鋼種が含んでいる非金属介在物の最大径を極値統計法により推定し、各鋼種の清浄度を評価した。具体的には、検査基準面積Ｓ０＝１００ｍｍ² 内のミクロ組織を観察し、予測する面積Ｓ＝３００００ｍｍ² 中で酸化物系介在物及び窒化チタン（ＴｉＮ）系介在物の寸法（長径と短径の積の平方根）を算出し、これらの中で最大の寸法を予測最大径とした。各鋼種の非金属介在物の予測最大径を、表１，２に示す。

スラスト玉軸受の具体的な作製方法を、以下に説明する。鋼材を旋削加工によって粗加工して軌道輪の形状に成形した後に、熱処理として高周波焼入れ処理を施して、軌道面に硬化層を形成した。この硬化層はマルテンサイトからなるが、この硬化層の内側の芯部には、高周波焼入れ処理によりパーライト組織や球状化炭化物が分散した非焼入れ部（フェライト組織）が形成されている。そして、焼戻し処理を施した後に、最後に研削加工を行った。

このようにして得られた固定輪と、ＳＵＪ２からなる回転輪と、転動体（玉）と、保持器とを組み立てて、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受（内径２５ｍｍ、外形５２ｍｍ、幅１８ｍｍ）を得た。なお、比較例１に関しては、熱処理として浸炭処理、焼入れ、焼戻しを行い、比較例２に関しては、熱処理として貫通焼入れ、焼戻しを行った。また、転動体の素材はＳＵＪ２であり、その直径Ｄｗは９．３ｍｍである。

上記のような熱処理により軌道面が硬化されているが、各スラスト玉軸受の固定輪の軌道面の表面硬さは、表３，４に示すような値となっている。また、芯部の硬さは、表３，４に示す通りである。さらに、軌道面の残留オーステナイト量及び有効硬化層深さ（表面から硬さＨｖ５５０の深さ位置までの距離）Ｙ０も、表３，４に示す通りである。なお、表面硬さ，芯部の硬さ，及び有効硬化層深さＹ０は、ビッカース硬度計により測定した。また、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定した。

これらのスラスト玉軸受について、潤滑剤に水又は固体異物が混入するような環境下で回転試験を行って、それぞれの環境下での寿命を評価した。水混入環境下での試験条件（面圧及び潤滑条件）は下記の通りとし、試験軸受の累積破損確率が１０％となる寿命（Ｌ₁₀寿命）を求めた。
面圧 ：３．２ＧＰａ
潤滑剤 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ１０である潤滑油（油浴）
水の混入量：３０ｍｌ／ｄａｙ
試験面 ：研磨面

また、固体異物混入環境下での試験条件（面圧及び潤滑条件）は下記の通りとし、試験軸受の累積破損確率が１０％となる寿命（Ｌ₁₀寿命）を求めた。なお、固体異物の硬さはＨｖ８７０であり、粒径は７４〜１４７μｍである。
面圧 ：４．２ＧＰａ
潤滑剤 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービン油（油浴）
固体異物の混入量：２００ｐｐｍ
試験面 ：研磨面

水混入環境下での回転試験の結果を表３，４に示す。また、非金属介在物の予測最大径と試験軸受のＬ₁₀寿命との相関を、図２のグラフに示す。なお、表３，４及び図２の寿命の数値は、比較例１のＬ₁₀寿命を１．０とした場合の相対値で示してある。
図２のグラフから、非金属介在物の予測最大径が小さく清浄度の優れた素材を用いることにより、浸炭鋼を用いた比較例１と比べて寿命が優れていることが分かる。また、非金属介在物の予測最大径が３５μｍ以下（好ましくは３４μｍ以下）であると寿命が優れており、２０μｍ以下であると寿命がさらに優れていることが分かる。

次に、固体異物混入環境下での回転試験の結果を表３，４に示す。また、軌道面の残留オーステナイト量と試験軸受のＬ₁₀寿命との相関を、図３のグラフに示す。なお、表３，４及び図３の寿命の数値は、比較例２のＬ₁₀寿命を１．０とした場合の相対値で示してある。
図３のグラフから、熱処理として高周波焼入れ処理を用いた各実施例は、熱処理として貫通焼入れを用いた比較例２と比べて寿命が優れており、軌道面の残留オーステナイト量が多いほど寿命が優れていることが分かる。

次に、靱性を評価するために、以下のような圧砕試験を行った。ＳＵＪ２製の鋼材を旋削して得たリング状部材に熱処理（焼入れ及び焼戻し）を施した後に研削して、大形円筒ころ軸受（呼び番号ＮＵ２３２６）用の内輪を作製した。実施例１８〜２６及び比較例９，１１，１２は、高周波焼入れ処理により焼入れを施し、軌道面に硬化層を形成した。比較例１０は、リング状部材を炉加熱して油冷することにより、焼入れ（貫通焼入れ）を施した。実施例１８〜２６及び比較例９〜１２の焼入れの種類、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、軌道面の残留オーステナイト量、及び有効硬化層深さＹ０を表５に示す。なお、転動体の素材はＳＵＪ３であり、その直径Ｄｗは３８ｍｍである。

これらの内輪の軌道面（外周面）に、ワイヤーカットによって深さ１ｍｍまで予亀裂を形成し、予亀裂の延びる方向を水平にして内輪を圧砕試験装置に装着して、上方から荷重を負荷し内輪を圧縮した。そして、予亀裂からクラックが伝播した荷重を圧砕強度とした。結果を表５及び図４のグラフに示す。なお、表５及び図４の圧砕強度の数値は、比較例１０の圧砕強度を１．０とした場合の相対値で示してある。

図４のグラフから、有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗ＋５よりも小さいと、圧砕強度が高く靱性が優れていることが分かる。
さらに、軌道面の有効硬化層深さＹ０と転がり軸受の寿命との相関性について、試験を行った。ＳＵＪ２製の鋼材を旋削加工して得たリング状部材に熱処理（焼入れ及び焼戻し）を施した後に研削して、大形円すいころ軸受（呼び番号ＨＲ３０３２６Ｊ）用の外輪を作製した。

実施例２７及び比較例１３は、高周波焼入れ処理により焼入れを施し、軌道面に硬化層を形成した。比較例１４は、リング状部材を炉加熱して油冷することにより、焼入れ（貫通焼入れ）を施した。実施例２７及び比較例１３，１４の焼入れの種類、非金属介在物の予測最大径、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、軌道面の残留オーステナイト量、及び有効硬化層深さＹ０を表６に示す。なお、転動体の素材はＳＵＪ２であり、その直径（有効外径）Ｄｗは３８ｍｍである。

このようにして得られた外輪と内輪及び転動体とを組み立てて、呼び番号ＨＲ３０３２６Ｊの円すいころ軸受を作製した。そして、下記のような条件で回転試験を行って、寿命（Ｌ₁₀寿命）を評価した。
面圧 ：１．７ＧＰａ
潤滑剤 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービン油（強制循環） 回転速度：１５００ｍｉｎ^-1
計算寿命：６００時間
回転試験の結果を表６に示す。なお、表６の寿命の数値は、比較例１４のＬ₁₀寿命を１．０とした場合の相対値で示してある。表６から、有効硬化層深さＹ０が小さい比較例１３は、焼入れの種類が貫通焼入れである比較例１４よりも短寿命であったのに対し、十分な有効硬化層深さＹ０を有する実施例２７の寿命は、比較例１４の３倍であった。

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体
１０ 円筒ころ軸受

Claims (2)

1. 軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記外輪が以下の５つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
   条件Ａ：高周波焼入れ処理を含む熱処理により焼入れが施されてなる硬化層が、前記軌道面を含む表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が芯部に形成されている。
   条件Ｂ：前記軌道面の表面硬さがＨｖ６５１以上であり、前記芯部の硬さがＨｖ５００以下である。
   条件Ｃ：前記軌道面の残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。
   条件Ｄ：前記軌道面の有効硬化層深さＹ０が０．０７×Ｄｗ＜Ｙ０＜０．０７×Ｄｗ＋５なる式を満足する。ただし、Ｄｗは前記転動体の直径であり、Ｙ０及びＤｗの単位はいずれもｍｍである。
   条件Ｅ：極値統計法により推定した非金属介在物の最大径が３５μｍ以下である。
2. 前記軌道面の残留応力が−２００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

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