(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道輪と転動体とを有する転がり軸受において、前記転動体の直径が２０ｍｍ以上であり、前記軌道輪と前記転動体との少なくとも一方は、Ｃを０．２重量％以上０．３５重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上３．６重量％以下含有し、かつ浸炭または浸炭窒化された鋼よりなり、内部硬度がＨＶ４５０以上ＨＶ５５０以下である、転がり軸受。
【請求項２】
Ｃｒを０．７重量％以上０．９重量％以下、Ｍｏを０．２重量％以上０．２５重量％以下含有し、Ｐを０．０１５重量％以下とする、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記鋼はＣを０．２５重量％以上０．３５重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下含有する、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項４】
Ｃを０．２５重量％以上０．３０重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下、Ｃｒを０．７重量％以上０．９重量％以下、Ｍｏを０．２重量％以上０．２５重量％以下、Ｓｉを０．１５重量％以上０．４重量％以下、Ｍｎを０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｔｉを０．００１重量％以上０．０１重量％以下、Ｎを０．００１重量％以上０．００５重量％以下含有し、Ｐを０．０１５重量％以下、Ｃｕを０．０５重量％以下、Ｎｂを０．０１重量％以下、Ｖを０．０１重量％以下とする、請求項１に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受に関し、より具体的には、鉄鋼産業における圧延機用軸受のような転動体平均直径が２０ｍｍ以上の大型転がり軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、鉄鋼産業などに使用される上記大型肉厚の軸受には、必要な表層硬化深さと靭性とを確保する目的から、ＳＮＣＭ８１５などの合金元素の多い素材に浸炭を施したものが用いられていた。しかしながら、このＳＮＣＭ８１５では、Ｎｉ量が多いため、素材価格が高く、浸炭時に表層硬度が出にくく、また浸炭に長時間を要するなどの問題があり、転がり軸受のコストが高くなるとともに転動寿命がばらつく要因となっていた。
【０００３】
一方、合金元素量が少ないと、素材コストは下がるが、焼入れ性が低下し、必要な硬度分布（硬化深さ）や内部硬度が得られないという問題があった。
【０００４】
それゆえ本発明の目的は、素材コストを低減するとともに、表層硬度の確保と浸炭深さの適切化とによる長寿命化または浸炭時間の短縮を図ることのできる転がり軸受を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、鋭意検討した結果、ＳＮＣＭ８１５の組成に対してＮｉ（ニッケル）量を少なくし、Ｃ（炭素）量を多くすることで、素材コストを低減できるとともに、適切な浸炭処理を行なうことで表層硬度や内部硬度を適切な値に管理して長寿命で割れ強度も従来品と遜色のない転がり軸受用の材質の得られることを見出した。さらに、高い内部靱性が必要となる場合には、Ｃ量の増加による靱性の低下を主に特定の不可避的不純物の低位規制により、抑制できることがわかった。
【０００６】
１）  それゆえ本発明の転がり軸受は、軌道輪と転動体とを有する転がり軸受において、転動体の直径が２０ｍｍ以上であり、軌道輪と転動体との少なくとも一方が、Ｃを０．２重量％以上０．３５重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上３．６重量％以下含有し、かつ浸炭または浸炭窒化された鋼よりなる。
【０００７】
本発明の転がり軸受では、ＳＮＣＭ８１５よりもＮｉ量を少なくし、その分Ｃ量を多くしたため、ＳＮＣＭ８１５よりも素材コストを低減できるとともに、ＳＮＣＭ８１５と同じ浸炭処理を施してもＳＮＣＭ８１５よりも浸炭深さを深くでき、またＳＮＣＭ８１５と同じ浸炭深さとする場合には浸炭時間をＳＮＣＭ８１５よりも短縮することができる。
【０００８】
Ｃ量を０．２重量％以上０．３５重量％以下としたのは、Ｃが０．２重量％未満では内部の強度を確保するのに必要な内部硬度が確保できず、０．３５重量％を超えると鍛造性や機械加工性が劣ることと浸炭鋼特有の内部の靭性が確保できなくなるからである。またＮｉが２．２重量％未満では内部の靭性が低下し、また焼入れ性も低下してしまう。Ｎｉは高価な材料であるため、Ｎｉが３．６重量％を超えると価格的なメリットがなくなってしまい、かつ中間焼き鈍しなどの熱処理工程が必要になるため、Ｎｉ量の上限は３．６重量％である。
【０００９】
２）  上記の転がり軸受において好ましくは、Ｃｒ（クロム）が０．７重量％以上０．９重量％以下、Ｍｏ（モリブデン）が０．２重量％以上０．２５重量％以下、Ｐ（リン）が０．０１５重量％以下含有されている。
【００１０】
Ｃｒは炭化物を作ること、耐熱性をもたらすことの両方から多い方が良いが、高価な化学成分である。このため、Ｃｒ量が少ないと、炭化物を作る効果、耐熱性をもたらす効果が小さくなるため、Ｃｒ量の下限は０．７重量％である。またＣｒ量が多すぎると価格が高価になってしまうため、Ｃｒ量の上限は０．９重量％である。
【００１１】
ＭｏはＣｒと共存させることで副炭化物を作り、焼戻し抵抗性を向上させて寿命を向上させる元素である。Ｍｏ量が少な過ぎると寿命が低下するため、Ｍｏ量の下限は０．２重量％である。またＭｏ量が多すぎると、価格が高くなり過ぎるためＭｏ量の上限は０．２５重量％である。
【００１２】
またＣの増加とＮｉの減少とによる内部硬化の上昇や内部靭性の低下を抑えるため、靭性に悪影響を及ぼすＰの量が０．０１５重量％以下に制御される。
【００１３】
３）  上記の転がり軸受において好ましくは、鋼は、Ｃを０．２５重量％以上０．３５重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下含有する。
【００１４】
このようにＮｉ量を減らすことで素材コストを低減できるとともに、Ｃ量を増やすことで内部の強度を確保するのに必要な内部硬度の確保が容易となる。
【００１５】
４）  上記の転がり軸受において、好ましくは、鋼は、Ｃを０．２５重量％以上０．３０重量％以下、Ｎｉを２．２重量％以上２．９重量％以下、Ｃｒを０．７重量％以上０．９重量％以下、Ｍｏを０．２重量％以上０．２５重量％以下、Ｓｉ（シリコン）を０．１５重量％以上０．４重量％以下、Ｍｎ（マンガン）を０．３重量％以上２．０重量％以下、Ｔｉ（チタン）を０．００１重量％以上０．０１重量％以下、Ｎ（窒素）を０．００１重量％以上０．００５重量％以下含有し、Ｐを０．０１５重量％以下、Ｃｕ（銅）を０．０５重量％以下、Ｎｂ（ニオブ）を０．０１重量％以下、Ｖ（バナジウム）を０．０１重量％以下とする。
【００１６】
高い内部靱性と高い転動疲労寿命が必要となる場合には、特に特定の不純物元素の低位規制を主にした化学組成の限定が必要である。すなわち、不可避的不純物元素の低減がＣ量の増加による靭性の低下を補う。さらに、疲労破壊を惹起させるこれら元素が減るために、転動疲労寿命が向上する。化学組成の限定理由を以下に示す。
【００１７】
Ｓｉ：０．１５〜０．４％
Ｓｉは鋼溶製時の脱酸元素として必要である。このためには、Ｓｉは０．１５重量％以上添加する必要があるが、多く添加すると靭性低下、あるいはガス浸炭時に粒界酸化を助長して破壊の起点となりやすいので、Ｓｉの上限は０．４重量％とした。
【００１８】
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは鋼溶製時の脱酸および脱硫元素として必要である。さらに、焼入れ性を高めて芯部の強度を増す元素として、浸炭焼入れした部品に所定の芯部硬さを与え、かつ有効硬化深さを深くするために必要である。このためには、Ｍｎは０．３重量％以上添加する必要があるが、多く添加すると焼入れ性が過大となるため靱性の低下、被削性および冷間加工性が劣ってくるためＭｎの上限は２．０重量％とした。
【００１９】
Ｐ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０１％以下、Ｖ：０．０１％以下
Ｐ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖは、靱性を低下させるとともに、転動体として用いた場合には疲労破壊を引き起こす有害元素である。本発明では、特にこれらの元素を低位に規制することが有効であることを知見した。すなわち、Ｐ、Ｃｕ、ＮｂおよびＶ、それぞれの元素の上限を０．０１５重量％、０．０５重量％、０．０１重量％、および０．０１重量％とすることにより、優れた靱性と転動疲労寿命を得ることができた。
【００２０】
Ｔｉ：０．００１〜０．０１％
Ｔｉは浸炭加熱時のオーステナイト結晶粒成長を抑制する元素である。この効果を発揮させるためには、Ｔｉは０．００１重量％以上添加する必要があるが、多く添加すると靱性および転動疲労寿命が低下してくるため、Ｔｉの上限は０．０１重量％とした。
【００２１】
Ｎ：０．００１〜０．００５％
Ｎは上述のＴｉと化合し、ＴｉＮとして結晶粒を微細化させる。このような効果を上げるには、本発明では０．００１重量％以上のＮを含有する必要がある。一方、０．００５重量％を越えて含有させると、Ｔｉ系の介在物により靱性および転動疲労寿命が低下してくるため、Ｎの上限は０．００５％とした。
【００２２】
５）  上記の転がり軸受においては、内部硬度がＨＶ４５０以上ＨＶ５５０以下である。
【００２３】
内部硬度は高過ぎると転動寿命に有効な表層の圧縮応力が小さくなったり、また靭性が低下して割れに敏感になったりし、低すぎると大きな荷重が作用したときに内部が塑性変形する危険がある。このため、内部硬度には適当な値が存在するが、これについては本願出願人のこれまでの転動寿命試験結果（特開昭６２−１３２０３１号公報の知見に基づく）から、転動寿命に関してはＨＲＣ４８〜５８（ＨＶ４８０〜６５０）が良いことがわかっている。この内部硬度に対して圧延機では衝撃や大きな荷重が作用することを考慮し、内部が塑性変形を起こさない程度まで硬度を下げて、靭性を確保することとすると、内部硬度はＨＶ４５０以上５５０以下である必要がある。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２５】
表１に、今回試験した開発鋼１１鋼種（Ａ〜Ｋ）と比較鋼２鋼種（ＪＩＳのＳＮＣＭ８１５およびＳＮＣＭ４２０）の化学成分を示す。開発鋼の化学成分は、比較鋼２鋼種の化学成分の間で、主にＮｉとＣとを変えた成分系であり、Ｎｉの低減による焼入れ性の低下をＣで補っている。また、Ｃの増量による内部靱性の低下を主に不純物元素の低位規制で補っている。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１中には化学成分から推定される臨界焼入れ直径ＤＩを示したが、開発鋼はＳＮＣＭ８１５と同等以上の焼入れ特性を示し、内部特性（組織、硬度）的にはＳＮＣＭ８１５に近い材質にできることがわかる。
【００２８】
表１に示す開発鋼および比較鋼について迅速浸炭性評価と転動寿命、割れ強度に関する試験を行なった。迅速浸炭性は直径２５ｍｍのころ状試験片に浸炭時間を変えて浸炭し、評価した。転動寿命は、大型軸受を想定したφ６０×Ｌ９０の大型円筒試験片と標準的なφ１２円筒試験片とにより、これらの標準的な寿命試験条件（表２、表３）で評価した。割れ強度は外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍのリングで評価した。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
【表３】
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【００３１】
これらの試験片は表１の各鋼に９６０℃で保持時間を変えて浸炭し、表層硬度と内部硬度とを所定の値にコントロールするように、７７０〜８２０℃からの２次焼入れを行なって製作した。浸炭・拡散時の炭素ポテンシャルは１．５〜１．２とした。
【００３２】
図１と図２とは１６時間浸炭した後の各試験片の断面硬度分布を示している。図１と図２とを参照して、一般的に表層硬度とＨＲＣ５８（ＨＶ６５０）までの硬化深さとが軸受の転がり寿命に影響し、これらが大きい方が長寿命になるが、開発鋼はいずれも表層（浸炭部）硬度がＳＮＣＭ８１５より高く、ＨＲＣ５８（ＨＶ６５０）までの深さが両比較鋼よりも深くなることが判明した。また内部硬度はＳＮＣＭ８１５並およびそれよりもやや高く、ＳＮＣＭ４２０よりも高硬度であることが判明した。
【００３３】
図３と図４とは各鋼の浸炭時間と浸炭深さ（ＨＶ５５０深さ）との相関を示す図である。図３と図４とを参照して、ＳＮＣＭ８１５やＳＮＣＭ４２０に比べて、開発鋼は同じ浸炭時間でも深くまで浸炭深さが得られやすいが、開発鋼のうち、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋの９鋼種が特に迅速浸炭性が大きいことが判明した。
【００３４】
表４はＳＮＣＭ８１５を基準にした浸炭深さの比を示すが、これら９つの開発鋼（Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ）はいずれもＳＮＣＭ８１５の１．３〜１．９倍の値であり、浸炭時間に換算して、約６０〜３０％の時間で同じ浸炭硬化深さが得られることになる。
【００３５】
【表４】
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【００３６】
すなわち、これらの結果より、開発鋼では比較鋼よりも短い浸炭時間で比較鋼と同等の硬度分布を得ることができ、比較鋼と浸炭時間を同じとすると比較鋼よりも浸炭深さを深くすることができる。
【００３７】
表５はこれらの各鋼製の試験片による転動寿命を、表６は割れ（疲労および静的）強度を示す。ここで、各試験片の表層での硬度分布がほぼ同じになるように、浸炭時間を変えて評価した。すなわち、肉厚に対するＨＶ６５０以上の高硬度深さの比を各試験片とも０．１〜０．１５とし、内部硬度をＨＶ４６０〜５４０にした。表５より開発鋼の中でも特にＣ〜Ｋの各鋼は比較鋼に比べ、同等以上の寿命を示し、転動寿命面でも安定していることが判明した。またこれらの鋼Ｃ〜Ｋは内部硬度がＨＶ４９０以上であり、内部硬度が高い方が、転動寿命や割れ強度に有利な傾向があることが判明した。
【００３８】
すなわち、開発鋼は比較鋼よりも迅速浸炭性が大きいため、開発鋼と比較鋼との表層の硬度分布が同じとなるように浸炭すると開発鋼は比較鋼よりも内部硬度が高くなり、それによって開発鋼の寿命が向上する。
【００３９】
なお、表５中には各鋼製の試験片に浸炭窒化を加えたデータも併せて示す。浸炭窒化によりさらに寿命が向上するが、開発鋼の寿命向上率は比較鋼よりも大きく、浸炭窒化にも適した鋼であることが判明した。また表６の割れ強度でも、リング回転割れ疲労強度ではＣ〜Ｋの各鋼が強いことが判明した。リング静圧壊強度では開発鋼とＳＮＣＭ８１５とでは強度差はほとんど見られなかった。
【００４０】
【表５】
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【００４１】
【表６】
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【００４２】
表７に浸炭（９６０℃×３４ｈ）後の内部の靱性値を示す。特に、特定の不純物元素を低位に規定したＧ〜Ｋ鋼は、比較鋼と同等以上の靱性を有することがわかる。
【００４３】
【表７】
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【００４４】
今回開示された実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の転がり軸受はＮｉ量を少なくした分だけＣ量を多くすることによって、素材コストを低減するとともに、表層硬度の確保と浸炭深さの適切化による長寿命化または浸炭時間の短縮を図ることができる。また浸炭時間の短縮により生産性を向上でき、表層硬度の安定化、高硬度化による長寿命化を図ることができ、内部硬度の適切化による割れ強度の向上を図ることができ、かつ浸炭窒化との組合せによる長寿命・高強度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１６時間浸炭した後の各鋼Ａ〜Ｆの断面硬度分布を示す図である。
【図２】１６時間浸炭した後の各鋼Ｇ〜Ｋの断面硬度分布を示す図である。
【図３】浸炭時間を変化させた場合の各鋼Ａ〜ＦのＨＶ５５０硬化深さの変化を示す図である。
【図４】浸炭時間を変化させた場合の各鋼Ｇ〜ＫのＨＶ５５０硬化深さの変化を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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