軸受軌道輪
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、軸受軌道輪に関するものである。
〔従来の技術およびその問題点〕
精密機械部品の一つである転がり軸受は、きわめて高い寸法精度が要求されるため、長時間の使用においても寸法精度が変化しない所謂径年寸法安定性が要求される。
また、軸受の使用条件は年々多様化し、それぞれ厳しさを増してそれらのすべてに適合したいわゆる万能な軸受として、室温から高温まで広い範囲で長寿命をもつ軸受が要求されるようになっている。すなわち、特殊用途軸受に限らず、一般軸受に対しても高い寸法安定性と大きい転動寿命を付与することが必要である。
ところで、軸受の寸法変化の原因は、主として焼入れ時に残留オーステナイトが経年においてマルテンサイト変態するとき生じるものであり、このため、高温で使用される軸受は、寸法安定性を増すため、通常、サブゼロ処理を施したり、あるいは焼もどし温度を高めて残留オーステナイトを減少させるようにしている。
一般に、残留オーステナイトは、転動寿命の増大に効果があると知られている。したがって、上記のように、焼もどし温度を高めて残留オーステナイトを減少させると、同時にマルテンサイトの硬度も低下し、転動寿命が急激に低下する。
通常、軸受の寿命計算には、第１図に示すような硬さ係数が導入される。このグラフは、各種の文献に示された曲線を一まとめにしたものであり、ロックウェル硬さと硬さ係数との関係はいずれの曲線もほぼ同様の傾向を示し、硬さが減少すると寿命が低下し、硬さと寿命の正相関の関係にある。
そこで、高温で使用される軸受の製造において、従来は、寸法安定性を高めるため高温で焼戻し、転動寿命を犠牲にしており、高い寸法安定性と大きい転動寿命を両立する一般軸受は未だ存在しない。
〔発明の目的〕
そこで、この発明は上記の不都合を解消し、高い寸法安定性と大きい転動寿命を有する軸受軌道輪を提供することを技術的課題としている。
〔発明の構成〕
上記の課題を解決するために、この発明は、重量比にして炭素0.95〜1.10％、けい素あるいはアルミニウム１〜２％、マンガン1.15％以下、クロム0.90〜1.60％、残部鉄および不純物から成り、酸素含有量13ppm以下とした鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどしを行って残留オーステナイトを８％以下とし、かつ硬度をＨＲＣ60以上としたのである。
なお、製品の厚みが厚肉の場合、上記素材にモリブデン（Ｍｏ）を添加して焼入れ性を向上させるのがよい。このモリブデンの添加量は0.25重量％以下とし、好ましくは、0.10〜0.25重量％とする。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
日本工業規格（ＪＩＳ）に企画された軸受鋼には、第１表に示す５種類が存在する。
このような軸受鋼を用いて転がり軸受を製造する場合、焼入れ後、高い寸法安定性を付与するために高温で焼もどしを行なって硬度を例えば200℃使用軸受に対してはＨＲＣ57〜61とするが、前述のごとき、転動寿命が低いという不都合がある。そこで、200℃程度の高温でも硬度低下が少ないように、例えばＳＵＪ２の化学成分をもつ軸受鋼のＳｉ量を１％とし、あるいは上記軸受鋼に１％のアルミニウム（Ａｌ）を添加した添加鋼を形成し、これを軸受材料とする考えは以前からあった。
このような、ＳｉおよびＡｌの添加は、鋼の耐焼もどし抵抗性を高め、高温焼もどしによっても硬度低下が小さく、従って第１表に示された規格の軸受鋼よりも長寿命になると考えられた。
以下は１９６０年代後半に行なった実験であるがＳＵＪ２の化学成分をもつ軸受鋼（試料１）、その試料１のＳｉ量を１％とした鋼（試料２）および上記試料１に１％のＡｌを添加した添加鋼（試料３）の焼入後、180℃、230℃および260℃で焼もどしを行なって寿命試験をしたところ、第２表に示す結果を得た。
なお、ＳＵＪ１、ＳＵＪ３、の化学成分をもつそれぞれの軸受鋼の寿命試験をしたところ、試料１とほぼ同様の結果を得たため、掲載を省略した。また、上記それぞれの軸受鋼のＳｉ量を１％とした鋼、上記各軸受鋼に１％のＡｌを添加した鋼の寿命試験結果は、試料２および試料３の試験結果とほぼ同様であるため、掲載を省略した。
第２表から明らかなように、焼もどし温度が高くなることによる試料２および試料３の寿命低下は、試料１よりも小さいが、標準焼もどし品の寿命が小さく、試料２、試料３においては、230℃、260℃焼もどし品の寿命は試料１のそれぞれ230℃、260℃焼もどし品の寿命と殆んど変わらない。
試料２および試料３が標準焼もどしにおいて寿命が低い理由として、特に転動疲労に対して害の大きい酸化物系介在物（ＪＩＳ法、Ｂ＋Ｃ系）の構成元素であるＳｉやＡｌを添加することによる非金属介在物清浄度の劣化が考えられる。
また、高温焼もどしによる寿命低下の理由として、これらの鋼では高温焼もどしによる硬度低下が少ないことから推察して、残留オーステナイトの減少によると考えられる。すなわち、経年寸法安定性に対して悪害をもつ残留オーステナイトは転動寿命に対して有して有効であり、軸受鋼のごとき組成のずぶ焼入れ鋼で寸法安定性と長寿命を両立させる軸受は不可能であると考えられてきた。
ところで、製鋼技術は年々進歩しており、前記第１表に示す軸受鋼にＳｉあるいはＡｌを添加した鋼でも鋼の清浄度と密接な関係にある酸素含有量を10ppm以下に下げることが可能になっている。
そこで、第２表の試料１に相当する化学成分をもち、酸素含有量を10ppm以下とした鋼（試料１′）と、その試料１′のＳｉ量を１％とした鋼（試料２′）を焼入れしたのち、180℃、230℃および260℃でそれぞれ焼もどし寿命試験したところ、第３表に示す結果を得た。
前記の第２表と比較すれば、酸素含有量が少ない場合には、ある程度の硬度までは、逆に焼もどし温度が高い方が長寿命になることが分る。残留オーステナイト量は、焼もどし温度が高いほど少なくなっており、この結果、残留オーステナイトの減少は、寿命低下を引き起していないことが分る。鋼の清浄度が高い場合には、転動疲労の起点となる非金属介在物が少なく、非金属介在物周辺における応力集中を緩和する軟らかい残留オーステナイトの効果は不要になったと考えられ、そして高温焼もどしすることによるマルテンサイトの亀裂敏感値の減少が長寿命の原因と考えられる。
第２図は、上記試料２′を焼入れ後、260℃で焼もどしした鋼の150℃および200℃における経年寸法変化を示すグラフであるが、260℃で焼もどしした鋼は、200℃までの保持温度に対して使用に十分耐える小さい経年寸法変化量を示すことが分る。
本願発明は、鋼の品質向上に伴なって生じている鋼の性質の変化を発見し、利用したもので、重量非にして炭素0.95〜1.10％、けい素あるいはアルミニウム１〜２％、マンガン1.15％以下、クロム0.90〜1.60％、残部鉄および不純物から成り、酸素含有量13ppm以下とした鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどしを行って残留オーステナイトを８％以下とし、かつ硬度をＨＲＣ６０以上としたのである。この場合、軸受鋼組織に焼入れと同時に浸室処理を施すようにしてもよい。
ここで、酸素含有量を13ppm以下としたのは、次の理由による。
一般に、鋼に含まれる非金属介在物の測定法には、ＪＩＳ法あるいはＡＳＴＭ法が使用されるが、これら既存の測定方法は、清浄度の高い最近の鋼に対して意味ある測定法ということはできない。なぜなら、これらの測定法は、鋼中の一断面を測定するものであり、鋼中の最大介在物を測定する確率がきわめて少ないという不都合がある。
そこで、第３図に示す測定機を用いて非金属介在物の試験を行なうことにした。この測定機は、60φ×40φ×15から成るリンク状試片１を一対の回転体２、３で挟んで試片１の中心方向に圧力を加え、一対の回転体２、３のうち、一方の回転体２を回転して試片１の回転割れ疲労試験を行なうのであり、この測定機においては、試片１が疲労破断し、測定機が停止するまでの短時間に破面がこすれ合うことがないため、試片１の全断面のうちで最大の介在物を測定することができる。
上記測定機を用い上記ＪＩＳで規格されたＳＵＪ２の軸受鋼でリング試片を形成し、その試片の外径を高周波加熱により高温焼もどして外径部に引張り残留応力を生成し、酸素含有量を変えた場合の疲労試験を行なった。その結果を第４図に示す。
この第４図から明らかなように、酸素含有量とと破面上に現われる介在物の大きさは相関の関係にあり、酸素含有量が13ppm以下になれば、破面上には大きな非金属介在物が殆んど観察されなくなる。すなわち、酸素含有量が13ppm以下になれば、残留オーステナイトの転動寿命に及ぼす効果も削滅することが考えられる。
また、本願発明において、ＳｉおよびＡｌを１〜２重量％としたのは、１重量％以下のＳｉの添加では高温焼もどし時の硬度が小さくなり、２重量％以上では、靭性の点で好ましくなく、鍛造や施削、研削の加工性に問題が生じる。Ａｌの添加量も上記Ｓｉの場合と同様のことが言える。
さらに、高温焼もどし温度は、230℃〜300℃とし、好ましくは250℃〜280℃であるが、230℃焼もどし品における残留オーステナイト量は、第２表および第３表からわかるように約８％であり、したがって、残留オーステナイト量は８％以下、好ましくは６％以下とする。
〔効果〕
以上のように、この発明は、SiあるいはAlを含む酸素含有量を13ppm以下とした鋼を素材とする製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどすようにしたので、標準の焼もどしの場合よりも長寿命とし、同時に経年寸法安定性の高い軸受軌道輪を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、軸受寿命計算に導入される硬さ係数を示すグラフ、第２図は酸素含有量を10ppmとした１％Ｓｉ添加鋼の経年寸法変化量を示すグラフ、第３図は非金属介在測定法に用いる測定器の概略図、第４図はＪＩＳで示された軸受鋼の酸素含有量を代えて介在物の大きさを測定した結果を示すグラフである。
〔産業上の利用分野〕
この発明は、軸受軌道輪に関するものである。
〔従来の技術およびその問題点〕
精密機械部品の一つである転がり軸受は、きわめて高い寸法精度が要求されるため、長時間の使用においても寸法精度が変化しない所謂径年寸法安定性が要求される。
また、軸受の使用条件は年々多様化し、それぞれ厳しさを増してそれらのすべてに適合したいわゆる万能な軸受として、室温から高温まで広い範囲で長寿命をもつ軸受が要求されるようになっている。すなわち、特殊用途軸受に限らず、一般軸受に対しても高い寸法安定性と大きい転動寿命を付与することが必要である。
ところで、軸受の寸法変化の原因は、主として焼入れ時に残留オーステナイトが経年においてマルテンサイト変態するとき生じるものであり、このため、高温で使用される軸受は、寸法安定性を増すため、通常、サブゼロ処理を施したり、あるいは焼もどし温度を高めて残留オーステナイトを減少させるようにしている。
一般に、残留オーステナイトは、転動寿命の増大に効果があると知られている。したがって、上記のように、焼もどし温度を高めて残留オーステナイトを減少させると、同時にマルテンサイトの硬度も低下し、転動寿命が急激に低下する。
通常、軸受の寿命計算には、第１図に示すような硬さ係数が導入される。このグラフは、各種の文献に示された曲線を一まとめにしたものであり、ロックウェル硬さと硬さ係数との関係はいずれの曲線もほぼ同様の傾向を示し、硬さが減少すると寿命が低下し、硬さと寿命の正相関の関係にある。
そこで、高温で使用される軸受の製造において、従来は、寸法安定性を高めるため高温で焼戻し、転動寿命を犠牲にしており、高い寸法安定性と大きい転動寿命を両立する一般軸受は未だ存在しない。
〔発明の目的〕
そこで、この発明は上記の不都合を解消し、高い寸法安定性と大きい転動寿命を有する軸受軌道輪を提供することを技術的課題としている。
〔発明の構成〕
上記の課題を解決するために、この発明は、重量比にして炭素0.95〜1.10％、けい素あるいはアルミニウム１〜２％、マンガン1.15％以下、クロム0.90〜1.60％、残部鉄および不純物から成り、酸素含有量13ppm以下とした鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどしを行って残留オーステナイトを８％以下とし、かつ硬度をＨＲＣ60以上としたのである。
なお、製品の厚みが厚肉の場合、上記素材にモリブデン（Ｍｏ）を添加して焼入れ性を向上させるのがよい。このモリブデンの添加量は0.25重量％以下とし、好ましくは、0.10〜0.25重量％とする。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
日本工業規格（ＪＩＳ）に企画された軸受鋼には、第１表に示す５種類が存在する。
このような軸受鋼を用いて転がり軸受を製造する場合、焼入れ後、高い寸法安定性を付与するために高温で焼もどしを行なって硬度を例えば200℃使用軸受に対してはＨＲＣ57〜61とするが、前述のごとき、転動寿命が低いという不都合がある。そこで、200℃程度の高温でも硬度低下が少ないように、例えばＳＵＪ２の化学成分をもつ軸受鋼のＳｉ量を１％とし、あるいは上記軸受鋼に１％のアルミニウム（Ａｌ）を添加した添加鋼を形成し、これを軸受材料とする考えは以前からあった。
このような、ＳｉおよびＡｌの添加は、鋼の耐焼もどし抵抗性を高め、高温焼もどしによっても硬度低下が小さく、従って第１表に示された規格の軸受鋼よりも長寿命になると考えられた。
以下は１９６０年代後半に行なった実験であるがＳＵＪ２の化学成分をもつ軸受鋼（試料１）、その試料１のＳｉ量を１％とした鋼（試料２）および上記試料１に１％のＡｌを添加した添加鋼（試料３）の焼入後、180℃、230℃および260℃で焼もどしを行なって寿命試験をしたところ、第２表に示す結果を得た。
なお、ＳＵＪ１、ＳＵＪ３、の化学成分をもつそれぞれの軸受鋼の寿命試験をしたところ、試料１とほぼ同様の結果を得たため、掲載を省略した。また、上記それぞれの軸受鋼のＳｉ量を１％とした鋼、上記各軸受鋼に１％のＡｌを添加した鋼の寿命試験結果は、試料２および試料３の試験結果とほぼ同様であるため、掲載を省略した。
第２表から明らかなように、焼もどし温度が高くなることによる試料２および試料３の寿命低下は、試料１よりも小さいが、標準焼もどし品の寿命が小さく、試料２、試料３においては、230℃、260℃焼もどし品の寿命は試料１のそれぞれ230℃、260℃焼もどし品の寿命と殆んど変わらない。
試料２および試料３が標準焼もどしにおいて寿命が低い理由として、特に転動疲労に対して害の大きい酸化物系介在物（ＪＩＳ法、Ｂ＋Ｃ系）の構成元素であるＳｉやＡｌを添加することによる非金属介在物清浄度の劣化が考えられる。
また、高温焼もどしによる寿命低下の理由として、これらの鋼では高温焼もどしによる硬度低下が少ないことから推察して、残留オーステナイトの減少によると考えられる。すなわち、経年寸法安定性に対して悪害をもつ残留オーステナイトは転動寿命に対して有して有効であり、軸受鋼のごとき組成のずぶ焼入れ鋼で寸法安定性と長寿命を両立させる軸受は不可能であると考えられてきた。
ところで、製鋼技術は年々進歩しており、前記第１表に示す軸受鋼にＳｉあるいはＡｌを添加した鋼でも鋼の清浄度と密接な関係にある酸素含有量を10ppm以下に下げることが可能になっている。
そこで、第２表の試料１に相当する化学成分をもち、酸素含有量を10ppm以下とした鋼（試料１′）と、その試料１′のＳｉ量を１％とした鋼（試料２′）を焼入れしたのち、180℃、230℃および260℃でそれぞれ焼もどし寿命試験したところ、第３表に示す結果を得た。
前記の第２表と比較すれば、酸素含有量が少ない場合には、ある程度の硬度までは、逆に焼もどし温度が高い方が長寿命になることが分る。残留オーステナイト量は、焼もどし温度が高いほど少なくなっており、この結果、残留オーステナイトの減少は、寿命低下を引き起していないことが分る。鋼の清浄度が高い場合には、転動疲労の起点となる非金属介在物が少なく、非金属介在物周辺における応力集中を緩和する軟らかい残留オーステナイトの効果は不要になったと考えられ、そして高温焼もどしすることによるマルテンサイトの亀裂敏感値の減少が長寿命の原因と考えられる。
第２図は、上記試料２′を焼入れ後、260℃で焼もどしした鋼の150℃および200℃における経年寸法変化を示すグラフであるが、260℃で焼もどしした鋼は、200℃までの保持温度に対して使用に十分耐える小さい経年寸法変化量を示すことが分る。
本願発明は、鋼の品質向上に伴なって生じている鋼の性質の変化を発見し、利用したもので、重量非にして炭素0.95〜1.10％、けい素あるいはアルミニウム１〜２％、マンガン1.15％以下、クロム0.90〜1.60％、残部鉄および不純物から成り、酸素含有量13ppm以下とした鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどしを行って残留オーステナイトを８％以下とし、かつ硬度をＨＲＣ６０以上としたのである。この場合、軸受鋼組織に焼入れと同時に浸室処理を施すようにしてもよい。
ここで、酸素含有量を13ppm以下としたのは、次の理由による。
一般に、鋼に含まれる非金属介在物の測定法には、ＪＩＳ法あるいはＡＳＴＭ法が使用されるが、これら既存の測定方法は、清浄度の高い最近の鋼に対して意味ある測定法ということはできない。なぜなら、これらの測定法は、鋼中の一断面を測定するものであり、鋼中の最大介在物を測定する確率がきわめて少ないという不都合がある。
そこで、第３図に示す測定機を用いて非金属介在物の試験を行なうことにした。この測定機は、60φ×40φ×15から成るリンク状試片１を一対の回転体２、３で挟んで試片１の中心方向に圧力を加え、一対の回転体２、３のうち、一方の回転体２を回転して試片１の回転割れ疲労試験を行なうのであり、この測定機においては、試片１が疲労破断し、測定機が停止するまでの短時間に破面がこすれ合うことがないため、試片１の全断面のうちで最大の介在物を測定することができる。
上記測定機を用い上記ＪＩＳで規格されたＳＵＪ２の軸受鋼でリング試片を形成し、その試片の外径を高周波加熱により高温焼もどして外径部に引張り残留応力を生成し、酸素含有量を変えた場合の疲労試験を行なった。その結果を第４図に示す。
この第４図から明らかなように、酸素含有量とと破面上に現われる介在物の大きさは相関の関係にあり、酸素含有量が13ppm以下になれば、破面上には大きな非金属介在物が殆んど観察されなくなる。すなわち、酸素含有量が13ppm以下になれば、残留オーステナイトの転動寿命に及ぼす効果も削滅することが考えられる。
また、本願発明において、ＳｉおよびＡｌを１〜２重量％としたのは、１重量％以下のＳｉの添加では高温焼もどし時の硬度が小さくなり、２重量％以上では、靭性の点で好ましくなく、鍛造や施削、研削の加工性に問題が生じる。Ａｌの添加量も上記Ｓｉの場合と同様のことが言える。
さらに、高温焼もどし温度は、230℃〜300℃とし、好ましくは250℃〜280℃であるが、230℃焼もどし品における残留オーステナイト量は、第２表および第３表からわかるように約８％であり、したがって、残留オーステナイト量は８％以下、好ましくは６％以下とする。
〔効果〕
以上のように、この発明は、SiあるいはAlを含む酸素含有量を13ppm以下とした鋼を素材とする製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどすようにしたので、標準の焼もどしの場合よりも長寿命とし、同時に経年寸法安定性の高い軸受軌道輪を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、軸受寿命計算に導入される硬さ係数を示すグラフ、第２図は酸素含有量を10ppmとした１％Ｓｉ添加鋼の経年寸法変化量を示すグラフ、第３図は非金属介在測定法に用いる測定器の概略図、第４図はＪＩＳで示された軸受鋼の酸素含有量を代えて介在物の大きさを測定した結果を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】重量比にして炭素0.95〜1.10％、けい素あるいはアルミニウム１〜２％、マンガン1.15％以下、クロム0.90〜1.60％、残部鉄および不純物から成り、酸素含有量13ppm以下とした鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどしを行って残留オーステナイトを８％以下とし、かつ硬度をＨＲＣ６０以上としたことを特徴とする軸受軌道輪。
【請求項１】重量比にして炭素0.95〜1.10％、けい素あるいはアルミニウム１〜２％、マンガン1.15％以下、クロム0.90〜1.60％、残部鉄および不純物から成り、酸素含有量13ppm以下とした鋼を素材とし、その素材によって形成された製品の焼入れ後、２３０℃〜３００℃の高温で焼きもどしを行って残留オーステナイトを８％以下とし、かつ硬度をＨＲＣ６０以上としたことを特徴とする軸受軌道輪。
【第１図】
【第２図】
【第３図】
【第４図】
【第２図】
【第３図】
【第４図】
【公告番号】特公平６−３３４４１
【公告日】平成６年（１９９４）５月２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願昭６１−６３５１８
【出願日】昭和６１年（１９８６）３月１９日
【公開番号】特開昭６２−２１８５４２
【公開日】昭和６２年（１９８７）９月２５日
【出願人】（９９９９９９９９９）エヌティエヌ株式会社
【参考文献】
【文献】特開昭６０−２０８４５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０−１９４０４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７−３９１６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５６−１６６２２（ＪＰ，Ａ）
【公告日】平成６年（１９９４）５月２日
【国際特許分類】
【出願日】昭和６１年（１９８６）３月１９日
【公開番号】特開昭６２−２１８５４２
【公開日】昭和６２年（１９８７）９月２５日
【出願人】（９９９９９９９９９）エヌティエヌ株式会社
【参考文献】
【文献】特開昭６０−２０８４５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０−１９４０４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５７−３９１６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５６−１６６２２（ＪＰ，Ａ）
[ Back to top ]