JPH08303470A

JPH08303470A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH08303470A
Application number: JP7138472A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Maeda; 喜久男前田; Katsunori Ito; 勝教伊藤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 1996-11-19
Also published as: US5853249A

Abstract

(57)【要約】【目的】転がり軸受の中で、外輪の外周面に止め輪溝
を成形し、浸炭窒化処理により表面硬化したものがあ
る。本発明は、止め輪溝内面に黒皮を残したままで使用
される軸受において、止め輪溝内面を起点として生じる
外輪の割れに対する疲労寿命を改善することを目的とす
る。【構成】外輪の止め輪溝の内面の黒皮直下の浸炭窒化
層の析出炭窒化物を面積率で１０〜３０％の範囲に制御
するか、または、炭窒化物の最大粒径を８μｍ以下に規
制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軌道輪外周に止め輪溝
を備えて浸炭窒化処理をした転がり軸受であって、該止
め輪溝の割れ疲労寿命を改善した転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決課題】転がり軸受には、軸受の軸心
方向を規制することを目的として、軸受の外輪の外周面
に止め輪を挿入するための周溝が形成されているものが
ある。このような転がり軸受の一例として、図５に、止
め輪付き玉軸受の断面図を示すが、軸受は、外輪１と、
内輪２と、外輪１及び内輪２のそれぞれの軌道面１１、
２１の間に介装される数個の玉３と、から成り、外輪１
にはその外周の側部寄りに止め輪溝１４が周設され、止
め輪溝１４に止め輪４を嵌め入れて利用される。この軸
受の装置への組み込みは、図示しないが、軸受ケースに
外輪１の外周面１３を嵌め入れて、ケース端面が止め輪
４の側面に当接した状態で、外輪１の側面を別の押当部
材により押圧して、軸受の軸心が固定される。そして、
軸受の作動中は、外輪１の止め輪溝１４の内面が、止め
輪４に拘束された状態で、常に、玉の転動に伴う繰り返
し応力を受けている。

【０００３】転がり軸受は、通常、旋削加工後に硬化の
ための熱処理を行って必要な表面硬度に調節し、その後
研磨加工を行って仕上げ、熱処理後の表面黒皮は、研磨
加工により削除されているが、止め輪溝の内面は、砥石
が届かないこともあって、黒皮を残したまま使用されて
いる。

【０００４】近年、転がり軸受の軌道面の耐摩耗性を向
上させ、軸受の転がり疲労寿命を改善するために、浸炭
窒化処理が採用されるようになった。浸炭窒化処理で
は、表面から炭素や窒素を拡散させて表面下部に濃度勾
配を生じさせるが、この処理条件は、浸炭窒化後に研磨
加工された表層が適量の炭素・窒素濃度となるように決
められるので、未研磨の黒皮部にはＣ濃度、Ｎ濃度が過
剰になっており、黒皮部に析出した炭化物ないし炭窒化
物の粒子は粗大化している。

【０００５】止め輪溝の内面を黒皮の状態で使用する
と、軸受に作用する荷重条件が厳しいときや、衝撃が作
用するときは、溝内面に亀裂が発生して、次いでこの溝
を含む軌道輪外周の一部が割れて欠落する恐れがあり、
このため止め輪溝の疲労が、軸受全体の寿命を決める要
素となる場合があった。止め輪溝内面の亀裂は、黒皮部
に炭素・窒素濃度が過剰のために析出した炭化物ないし
炭窒化物が応力集中源となっていることに原因があるこ
とは予測されていたが、しかし、その対策は充分ではな
かった。

【０００６】本発明は、上記問題に鑑み、浸炭窒化処理
後未研磨のまま使用される止め輪溝の割れ疲労強度を高
めた転がり軸受を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段とその作用】本発明の転が
り軸受は、内輪及び外輪の軌道輪と転動体とから成り、
軌道輪外周部に止め輪溝が形成された転がり軸受であっ
て、上記軌道輪の止め輪溝の内面黒皮部直下の浸炭窒化
層に析出した炭窒化物が面積率で１０〜３０％を含有し
たことを特徴とする。

【０００８】また、本発明は、上記の軸受において、上
記軌道輪の止め輪溝の内面黒皮部直下の浸炭窒化層に析
出した炭窒化物最大粒径が８μｍ以下であるとした転が
り軸受をも包含する。

【０００９】本発明に使用される鋼種は、０．４％Ｃ以
上の中・高炭素鋼で、例示すれば、クロム軸受用鋼（Ｓ
ＵＪ２鋼など）、マンガンを高めたクロム軸受用綱（Ｓ
ＵＪ３鋼など）やクロムに代えてマンガンを増量した鋼
種等が広く利用でき、これらの鋼種から外輪と内輪が形
成され、外輪には止め輪溝が加工成形され、浸炭窒化処
理をして、表面層に浸炭窒化層を具備し、軌道面を含む
周面は研磨して、仕上げられる。

【００１０】軌道輪の止め輪溝の内面の浸炭窒化層につ
いては、研磨されずに表面黒皮のまま残るため、黒皮部
直下２０〜５０μｍまでの浸炭窒化層中では、炭窒化物
が析出しており、この黒皮近傍の炭窒化物が亀裂発生の
起点ないしは亀裂の伝播と密接な関係がある。炭窒化物
は面積率で１０〜３０％を含有させるのが、転がり疲労
寿命、割れ疲労寿命、静的割れ強度の点からもっともよ
い。面積率１０％未満では、軌道面表層の転がり疲労寿
命を向上させるための浸炭窒化の効果がなくなり、面積
率３０％を越えると、多量の炭窒化物により黒皮部の表
層が脆化して、止め輪溝の割れ疲労寿命と静的割れ強度
を低下させるので妥当でない。

【００１１】炭窒化物は、浸炭窒化層の中で黒皮から深
さ２０〜５０μｍの範囲に存在するので、この明細書に
おいて、炭窒化物の面積率とは、黒皮からその直下５０
μｍ程度までの深さ範囲の浸炭窒化層内で顕微鏡視野で
炭窒化物の面積率を観察測定した値のうちの最大値を言
うこととする。

【００１２】黒皮部直下の浸炭窒化層中での炭窒化物の
寸法につき、炭窒化物の最大粒径が８μｍ以下とする
が、８μｍより過大であると、黒皮部の受ける繰り返し
応力の下で、この巨大炭窒化物が応力集中源となって、
亀裂の起点となるので、止め輪溝の割れ疲労寿命を低下
させるからである。

【００１３】ここに、炭窒化物の最大粒径とは、試料の
エッチングした研磨面上で顕微鏡観察して、炭窒化物が
断面円状であるときはその直径を、楕円状であるとき
は、その長径を、不定型であるときはその差渡し長さを
以てそれぞれ粒径とし、測定した粒径の最大値を以て表
すことにする。

【００１４】浸炭窒化処理は、転がり寿命の改善のため
に、研磨された軌道面に浸炭窒化層を形成して、軌道面
における転動体に対する耐摩耗性と耐熱性と共に靱性を
付与し、その転がり疲労寿命、特に、異物混入潤滑油条
件下での転がり疲労寿命を向上させるのであるが、本発
明は、さらに、黒皮部の一部を未研磨のまま残すので、
浸炭窒化後の黒皮部では上記の範囲に炭窒化物の面積率
ないしは、最大粒径を制御する必要がある。

【００１５】黒皮直下の炭窒化物の制御のために、従来
のガス浸炭窒化法で例示すると、高炭素クロム軸受鋼を
対象とした場合、ＮＸガス又はＲＸガスベースの浸炭ガ
スにアンモニアを容積比で３〜１０％添加し、カーボン
ポテンシャル０．７〜１．０％に調節した８５０〜８８
０℃の雰囲気中で、１５０分程度の処理を行い、油中急
冷して焼入れする方法が採用できる。この方法では、ア
ンモニア添加量とカーボンポテンシャルを制御して巨大
炭窒化物を抑制するのである。浸炭窒化後は、通常２０
０℃以下の低温焼戻しを行う。

【００１６】このようにして、本発明の転がり軸受は、
内輪、外輪ともに浸炭窒化処理により、止め輪溝１４の
内面を含めて、全表面に浸炭窒化層を備えており、内輪
と外輪は、止め輪溝１４を除いた表面の黒皮を研磨して
当然除去してあるが、止め輪溝１４の内面だけは、研磨
せずに浸炭窒化した黒皮のままとして使用される。そし
て、黒皮部直下の浸炭窒化層の炭窒化物の面積率又は最
大粒径を規制するので、止め輪溝１４からの疲労による
割れと過大応力による割れを遅延させて、割れ寿命が改
善されるのである。

【００１７】軌道輪に適用できる鋼種としては、上述の
もののほか、特に、０．８〜１．２％Ｃ、０．４〜１．
０％Ｓｉ、０．８〜１．５％Ｍｎ及び０．２〜１．２％
Ｃｒを含有する鋼が好ましい。この鋼種は、既に本出願
人が、特願平５−３５３２３６号明細書で開示している
が、高炭素軸受鋼の中で、特に、０．８〜１．５％Ｍｎ
の高Ｍｎとして焼入れ硬化能とともに焼入れ焼戻し後の
残留オーステナイトを高め、しかも、０．４〜１．０％
Ｓｉの高Ｓｉとして、焼戻し過程での軟化抵抗を高めて
おり、この鋼を浸炭窒化することにより、表層部は、高
ＭｎとＮ富化とにより残留オーステナイト量が上昇し、
析出した炭窒化物により表面硬度も焼戻し軟化抵抗も上
昇するので、軌道面の耐摩耗性と耐熱性を高めることが
でき、転がり疲労寿命に優れている。この組成の鋼によ
り形成した軌道輪は、その黒皮部直下の浸炭硬化層の残
留オーステナイトを高めることができるので、従来のＳ
ＵＪ２鋼と比較して、黒皮部の靱性が高く、且つ、高い
残留圧縮応力を形成できるので、同じ面積率の炭窒化物
が存在する場合でも、割れ疲労寿命を高めることができ
る利点がある。

【００１８】

【実施例】浸炭窒化後の試料により割れ疲労寿命を調べ
た試験を以下に述べる。試料は、３種の鋼（Ａ鋼、Ｂ
鋼、Ｃ鋼）を選び、外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１
５ｍｍのリングを形成し、熱処理は、浸炭窒化と常用の
ずぶ焼入れとの２種類とし、焼戻し後に、内面、外面と
も研磨した。これらの試料のリングをロール間で荷重
９．８ｋＮ、繰り返し数８０００ｃｐｍで、回転させ
て、圧縮−引張の繰り返しによる割れ疲労寿命を測定
し、１０％寿命時間を求めた。

【００１９】また、同じ試料のリングを使用して圧壊試
験をおこない、静的割れ強度を求めた。静的割れ強度
は、軸受使用中の外輪に過大な荷重が作用した場合に、
止め輪溝の黒皮部を起点とする亀裂が生じ、急速に破壊
に至る危険性を考慮して測定したものである。

【００２０】熱処理条件は、浸炭窒化は、８５０℃のＲ
Ｘガスをベースにした浸炭ガスにアンモニアを容積比で
１０％添加し、カーボンポテンシャル１．０％の雰囲気
中で１５０ｍｉｎ行い、油中急冷した。焼戻し条件は、
１８０℃×２ｈである。ずぶ焼入れは、オーステナイト
化温度８５０℃×３０ｍｉｎ加熱後油中急冷して行い、
焼戻し条件は、同様に１８０℃×２ｈである。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に、上記の３種の鋼の組成と試験結果
をまとめたが、Ａ鋼はＳＵＪ２相当であり、Ｂ鋼は、高
ＭｎのＳＵＪ３に相当し、また、Ｃ鋼は、中炭素高Ｍｎ
鋼で低Ｃｒ高Ｓｉに調整してある。表中の浸炭窒化無し
の表示は、ずぶ焼入れ−焼戻しをいう。この表には同じ
鋼で形成した軸受の転がり疲労寿命試験を行い、転がり
疲労寿命（１０％寿命）も併記してある。転がり疲労寿
命試験の軸受は、円錐ころ軸受（型番３０２０６）であ
り、硬さＨｖ７５０の硬質異物（粒径１０４〜１７７μ
ｍ）を潤滑油中に４０ｍｇ／４０ｍｌの割合で混入した
潤滑条件で、荷重１７．６４ｋＮ、回転数２０００ｒ．
ｐ．ｍで試験した。

【００２３】表１をみると、ずぶ焼入れよりも浸炭窒化
をした試料が、割れ疲労寿命と転がり疲労寿命とのいず
れも優れているが、浸炭窒化により割れ疲労寿命が向上
するのは、表層に富化された残留オーステナイトが靱性
を高めるからである。他方、静的割れ強度は、浸炭窒化
をすることにより若干低下する傾向がみられる。この理
由は、浸炭窒化は、ずぶ焼入れよりも焼入時の加熱保持
時間が長くなり、浸炭窒化品のミクロ組織が粗くなるか
らである。鋼種による割れ疲労寿命と転がり疲労寿命の
影響も認められ、Ｂ鋼が最も良い結果となっている。

【００２４】次に、浸炭窒化後の黒皮を内周面残した試
料リングにより割れ疲労寿命を調べた試験を以下にのべ
る。鋼種は表１に示した３種のＡ鋼、Ｂ鋼、Ｃ鋼を使用
し、前記割れ疲労寿命の使用したのと同様の形状寸法の
リング（外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍ）を
使用した。浸炭窒化処理条件を、カーボンポテンシャル
０．６〜１．５％、アンモニア添加量を容積比で３．０
〜２０．０％と変えて、８５０℃×１５０ｍｉｎの処理
時間で行い、黒皮直下の浸炭窒化層の炭窒化物の分布を
変えた。焼戻し条件は、１８０℃×２ｈである。また、
試料のリングの内周面だけは研磨せずに黒皮を残して、
割れ疲労寿命試験に供した。

【００２５】図１は、割れ疲労寿命に及ぼす黒皮部の析
出炭窒化物の面積率の影響を示しているが、炭窒化物の
面積率のある範囲で割れ疲労寿命が大きくなる傾向があ
り、炭窒化物の面積率が４０％を越えると割れ疲労寿命
が著しく低下し、小さすぎても低下する傾向が認められ
る。

【００２６】鋼種別に区分してみると、割れ疲労寿命を
高める範囲としては、高炭素鋼であるＡ鋼及びＢ鋼は、
炭窒化物の面積率は、１０〜４０％の範囲とするのがよ
いが、後述の静的割れ強度を考慮すると、炭窒化物の面
積率は１０〜３０％とするのが最も適当である。他方、
中炭素鋼であるＣ鋼については、炭窒化物の面積率が４
０％以下で１％程度までの範囲で割れ疲労寿命が高くな
っている。

【００２７】図１において、割れ疲労寿命のピーク値で
評価すると、Ａ鋼乃至Ｃ鋼の割れ疲労寿命は、表１に掲
げたように、それぞれ浸炭窒化熱処理し内周面も研磨し
た試料の割れ疲労寿命に近い値を示している。この場合
の炭窒化物の最適の面積率は、Ａ鋼とＢ鋼とについて２
０〜３０％で、Ｃ鋼については５〜２５％程度となって
おり、この範囲に炭窒化物の面積率を調節することによ
り軌道輪に黒皮を残しても、全面研磨した軌道輪の割れ
疲労寿命と遜色無く割れ疲労寿命を確保できることが判
る。また、この図から、割れ疲労寿命に最も優れている
のは、Ｂ鋼であることも判る。

【００２８】図２は、静的割れ強度に及ぼす黒皮部の析
出炭窒化物の面積率の影響を示しているが、この場合
は、鋼種による差は少なくて、析出炭窒化物の面積率は
小さいほど良い結果となっている。この図から、析出炭
窒化物の面積率が３０％を越えると静的割れ強度が低下
することが判る。

【００２９】図３と図４とは、それぞれ、割れ疲労寿命
と静的割れ強度とに及ぼす黒皮部の析出炭窒化物の最大
粒径の影響を示しているが、粗大な炭窒化物があると割
れ疲労寿命と静的割れ強度とは共に低下することが判
る。最大粒径を８μｍ以下とすることにより、割れ疲労
寿命と静的割れ強度の低下を防止できる。図３で鋼種別
に見て最高の割れ疲労寿命を発現する炭窒化物の最大粒
径が存在し、その粒径範囲はおおよそ２〜４μｍにあ
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明の転がり軸受は、軌道輪の止め輪
溝の内面黒皮部直下の浸炭窒化層に析出した炭窒化物が
面積率で１０〜３０％を含有させ、或いは、その炭窒化
物の最大粒径を８μｍ以下に規制したので、黒皮部にお
ける割れ疲労寿命を向上することができ、浸炭窒化処理
による転がり疲労寿命の改善とともに、軸受の長寿命化
に優れている。

【００３１】本発明は、浸炭窒化処理も特別なものでな
く、これにより、止め輪溝の内面研磨を省略することが
でき、製造コストの上昇を招くことなく、簡便に実施す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】割れ疲労寿命に及ぼす黒皮部の析出炭窒化物の
面積率の影響を示す図。

【図２】静的割れ強度に及ぼす黒皮部の析出炭窒化物の
面積率の影響を示す図。

【図３】割れ疲労寿命に及ぼす黒皮部の析出炭窒化物の
最大粒径の影響を示す図。

【図４】静的割れ強度に及ぼす黒皮部の析出炭窒化物の
最大粒径の影響を示す図。

【図５】止め輪付き玉軸受の断面図。

【符号の説明】

１外輪１１外輪の軌道面１４止め輪溝２内輪２１内輪の軌道面３玉４止め輪

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内輪及び外輪の軌道輪と転動体とから成
り、軌道輪外周部に止め輪溝が形成された転がり軸受に
おいて、上記軌道輪の止め輪溝の内面黒皮部直下の浸炭窒化層に
析出した炭窒化物が面積率で１０〜３０％を含有したこ
とを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】内輪外輪の軌道輪と転動体とから成り、
軌道輪外周部に止め輪溝が形成された転がり軸受におい
て、上記軌道輪の止め輪溝の内面黒皮部の浸炭窒化層に析出
した炭窒化物の最大粒径が８μｍ以下であることを特徴
とする転がり軸受。
【請求項３】上記軌道輪が、０．８〜１．２％Ｃ、
０．４〜１．０％Ｓｉ、０．８〜１．５％Ｍｎ及び０．
２〜１．２％Ｃｒを含有する鋼により形成されている請
求項１又は２記載の転がり軸受。