(57)【要約】【課題】低炭素鋼製保持器の耐摩耗性を高くする。【解決手段】自動調心ころ軸受の保持器４を以下の方法で得る。ＳＰＣＣを用いプレス加工で保持器の形状に加工した後、窒化処理を行うことにより表面に硬さＨｖ６５０以上の窒化物層を形成し、次いで、リン酸塩被膜処理または浸硫処理を行うことにより、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さで潤滑性被膜を形成する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受用の保持器であって、
炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を行うことにより表面に硬さＨｖ６５０以上の窒化物層を形成し、次いで、リン酸塩被膜処理または浸硫処理を行うことにより、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さで潤滑性被膜を形成して得られたことを特徴とする保持器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受用の保持器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高負荷がかかる転がり軸受用の保持器としては、強度に優れた高力黄銅製のもみ抜き保持器が使用されている。この保持器は、自己潤滑性を有するため摺動性および耐摩耗性に優れるが、材料コストが高いとともに、加工費も高く、歩留まりも低いため、特殊な用途にのみ使用されている。
【０００３】
これに対して、ＳＰＣＣに代表される冷間圧延鋼板やＳＰＨＤに代表される熱間圧延鋼板を、プレスにより所定形状に加工して形成されるプレス保持器は、高力黄銅製のもみ抜き保持器と比較して、コストの点で有利であるが、摺動性および耐摩耗性の点では劣っている。そのため、窒化処理を施して保持器の表面に硬質な窒化物層を形成することにより、プレス保持器の摺動性および耐摩耗性を向上させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一般に、ＳＰＣＣやＳＰＨＤ等の低炭素鋼（炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料）からなる鉄鋼部材（素材）に窒化処理を施すと、鉄鋼部材の表面で窒素と鉄が反応し、窒素原子が鉄鋼部材の中に拡散し、表面に窒素化合物からなる層（窒化物層）が形成される。この窒化物層は、部材の表面側に向かうにつれて窒素濃度が高い相になっている。すなわち、窒化物層の相は、最も内側の母材との境界付近から最表面に向かって、γ’相（Ｆｅ４  Ｎ）、ε相（Ｆｅ２〜３  Ｎ）、ζ相（Ｆｅ２  Ｎ）の順に変化する。
【０００５】
特許文献１にも記載されているように、従来のプレス保持器で行われている窒化処理（タフトライド法およびガス軟窒化法）では、５５０〜６００℃の高温で窒化処理が行われるため、表面のε相およびζ相は多孔質構造になり易い。ガス軟窒化法で得られた窒化物層の表層部の硬さの分布をナノインデンテーション法によって数μｍの間隔で精密に測定すると、１０μｍ程度の深さではＨｖ６００以上となっているが、最表部ではＨｖ５００未満となる場合もある。
【０００６】
また、前記従来の方法では、保持器の使用時に摩耗によって窒化物層の厚さが減少する分を考慮して、窒化処理の際に処理時間を長くしたり、処理雰囲気の窒素ポテンシャルを高くしたりすることで、窒化物層の厚さを厚く形成している。これに伴って、窒化物層の窒素濃度が高くなり、窒化物層の大部分がζ相となっていることもある。このζ相は靱性に乏しく、転動体との滑り摩擦によって容易に剪断破壊され易く、保持器面から脱落し易い。その結果、摺動性および耐摩耗性の向上効果が得られ難い。
【０００７】
一方、特許文献２には、窒化処理の前に保持器の表面の酸化物を金属フッ化膜に置き換えるフッ化処理を行うことにより、平均粒子径が１μｍ以下の窒化物からなる均一で緻密な窒化物層を、保持器の表面に形成することが記載されている。しかしながら、保持器の耐摩耗性は窒化層の種類や硬さに大きく依存するため、前記公報に記載の保持器のように、最表面の窒化物粒子径を細かくするだけでは、摺動性および耐摩耗性が不十分な場合がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−４９６２３号公報
【特許文献２】
特開平１０−２３３６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料を用いて所定形状に加工した後に窒化処理を行うことで、表面に窒化物層が形成されている保持器には、摺動性および耐摩耗性の点で改善の余地がある。特に、転動体と保持器との接触部の滑り速度が１５ｍ／秒を超えるような高速回転下で使用した場合に長時間安定した性能が得られる保持器が求められているが、上記従来技術ではこの要求を達成できない。
【００１０】
本発明は、従来技術の未解決な課題に着目してなされたものであり、炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料を用いて形成された保持器であって、転動体と保持器との接触部の滑り速度が１５ｍ／秒を超えるような高速回転下で使用した場合でも長時間安定した性能が得られる保持器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、転がり軸受用の保持器であって、炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料（低炭素鋼）からなる素材を所定形状に加工した後、窒化処理を行うことにより表面に硬さＨｖ６５０以上の窒化物層を形成し、次いで、リン酸塩被膜処理または浸硫処理を行うことにより、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下の厚さで潤滑性被膜を形成して得られたことを特徴とする保持器を提供する。
【００１２】
低炭素鋼からなる素材を窒化処理した後の表面は、窒化処理を施さない場合の表面よりも多孔質な状態となっている。この多孔質表面に潤滑性被膜を形成することで、多孔質表面が潤滑剤を保持するため、安定した摺動性が長期間確保される。
潤滑性被膜の厚さが１．０μｍ未満であると十分な性能が得られない。潤滑性被膜の厚さが１０．０μｍを超えると、得られる性能は飽和し、潤滑性被膜の形成にかかるコストが過大となる。
【００１３】
硬さＨｖ６５０以上の窒化物層を低炭素鋼に形成する方法としては、▲１▼窒素ガスとアンモニアガスとの混合ガス中に、４５０〜５４０℃で１〜４時間保持する方法（低温でのガス軟窒化法）、▲２▼ＮＦ３  （三フッ化窒素）等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度でフッ化処理を行った後、ＮＨ３  ガス中に、４００〜５４０℃で１〜４８時間保持する方法（エアウオーター（株）の商品名「Ｎｖ超窒化」）、▲３▼特殊な塩浴中に浸漬して、タフトライド処理より低温の４５０〜５５０℃で１〜４時間保持する方法（日本パーカライジング（株）の登録商標「パルソナイト処理」）、▲４▼窒素と水素の混合ガス雰囲気で、保持器を陰極、処理炉の内壁を陽極として、５５０℃程度の温度で１０時間程度グロー放電する方法（イオン窒化）等が挙げられる。
【００１４】
ここで、本発明の保持器の耐摩耗性を示すデータとして、試験片を用いたサバン式摩耗試験の結果を示す。
試験片として、窒化物層と潤滑性被膜をそれぞれ単独でＳＰＣＣ鋼板に形成した各試験片と、ＳＰＣＣ鋼板に対して窒化物層を形成した後に潤滑性被膜を形成した試験片を用意した。窒化物層の形成は「Ｎｖ超窒化」により行い、表面の硬さをＨｖ７００以上とした。潤滑性被膜の形成は、リン酸マンガン被膜処理により行い、潤滑性被膜（リン酸マンガン被膜）の厚さを３μｍとした。
【００１５】
また、試験に用いる回転体として、ＳＵＪ２製の円筒に焼入れ焼戻しを行ったものを用意した。この焼入れとしては、８４０℃に加熱した後に６０℃の油に入れる油焼入れを行い、焼戻しは１７０℃で２時間の条件で行った。
図１に示すように、この試験片５を回転体６の上に載せて荷重をかけ、回転体６の下部を潤滑油（「ＶＧ６８」）７に入れた状態で、回転体６を滑り速度２０ｍ／秒で１分間回転させる試験を行った。上記３種類の試験片を多数用意し、試験片にかける面圧を変えて多数の試験を行った。各試験片について試験後に摩耗体積を測定した。この試験の結果を図２に、縦軸を摩耗体積、横軸を面圧としたグラフで示す。
【００１６】
このグラフから分かるように、窒化物層のみの形成では、面圧が２００ＭＰａで摩耗体積が急激に増加する（焼き付きが生じる）が、潤滑性被膜（リン酸マンガン被膜）のみの形成では、摩耗体積が急激に増加する面圧（焼き付き面圧）は２７０ＭＰａ以上であり、「窒化物層＋潤滑性被膜」の形成では焼き付き面圧は３００ＭＰａ以上であった。また、同じ面圧での摩耗体積は「窒化物層＋潤滑性被膜」の形成で最も少なかった。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
先ず、ＳＰＰＣ製の冷間圧延鋼板を用いて、自動調心ころ軸受（ＪＩＳ呼び番号２２２１１）用の保持器をプレス成形法により作製した。図３はこの自動調心ころ軸受の断面図であり、図４はこの保持器の断面図である。
【００１８】
図３に示すように、この自動調心ころ軸受は、内輪１、外輪２、ころ３、保持器４で構成されている。内輪１には２列の内輪軌道１１が形成され、両軌道１１の間に案内輪１２が設けてある。外輪２の軌道２１は球面に形成されている。図４に示すように、この保持器４はかご形であって、周面にポケット４１が形成されている。
【００１９】
次に、上記▲１▼〜▲３▼または下記の▲５▼▲６▼の処理を各条件で行うことにより、各保持器の表面に窒化物層を各種硬さで形成した。
▲５▼シアン化ナトリウムとシアン酸ナトリウムとの混合塩浴中に保持器を浸漬して、５５０〜６００℃で１〜４時間加熱処理する方法（タフトライド法）。▲６▼ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガス中に、５５０〜５７０℃で１〜４時間保持する方法（従来のガス軟窒化法）。
【００２０】
Ｎｏ．  １〜６では、▲１▼の方法（キャリアガスとして窒素を用いた、低温でのガス軟窒化法）を温度および処理時間を変化させることにより行った後、油冷した。これらのうちＮｏ．  １〜５については、窒化物層の形成後にリン酸マンガン被膜処理（リン酸塩被膜処理）を行うことにより、窒化物層の表面にリン酸マンガン被膜を形成した。
【００２１】
リン酸マンガン被膜の形成方法は以下の通りである。先ず、６０〜８０℃のアルカリ洗浄液（ｐＨ１２以上）を用いた前洗浄を行って油分を取り除いた。次に、９５℃に保持されたＭｎ濃度３．０〜１０ｇ／ｌ（ＩＣＰによる測定値）のリン酸マンガン水溶液（ｐＨ３．２）に浸漬した。次に、６０℃の水で洗浄後、エアーを吹きつけて乾燥した。なお、Ｍｎ濃度と浸漬時間を変える（浸漬時間は最大で１０分間）ことにより、異なる厚さのリン酸マンガン被膜が形成されるようにした。
【００２２】
Ｎｏ．  ７〜１３では、▲２▼の方法（Ｎｖ超窒化）のフッ化処理を行った後、ＮＨ３  ガス雰囲気に保持する処理を、温度および処理時間を変化させることにより行った。次いで、空冷した後、３５０〜４５０℃に再加熱し、さらに急冷処理を行った。これらのうちＮｏ．  ７〜１１については、窒化物層の形成後に、窒化物層の表面にリン酸マンガン被膜を形成した。リン酸マンガン被膜の形成はＮｏ．  １〜５の場合と同様に行った。
【００２３】
Ｎｏ．  １２については、窒化物層の形成後にリン酸亜鉛被膜処理（リン酸塩被膜処理）を行うことにより、窒化物層の表面にリン酸亜鉛被膜を形成した。
リン酸亜鉛被膜の形成方法は以下の通りである。先ず、６０〜８０℃のアルカリ洗浄液（ｐＨ１２以上）を用いた前洗浄を行って油分を取り除いた。次に、９５℃に保持されたＺｎ濃度２．０〜１０ｇ／ｌ（ＩＣＰによる測定値）のリン酸亜鉛水溶液（ｐＨ３．８）に１０分間浸漬した。次に、６０℃の水で洗浄後、エアーを吹きつけて乾燥した。
【００２４】
Ｎｏ．  １３については、窒化物層の形成後に浸硫処理をすることにより、窒化物層の表面に硫化鉄（Ｆｅ２  Ｓ）被膜を形成した。浸硫処理は、ＮａＳＣＮとＫＳＣＮとの混合塩（硫黄を含むアルカリ塩）を１９０℃に加熱して溶融し、この溶融塩中に１０分間浸漬することにより行った。
Ｎｏ．  １４〜１７では、▲３▼の方法（パルソナイト処理）を、温度および処理時間を変化させることにより行った後、水冷した。これらのうちＮｏ．  １４〜１５については、窒化物層の形成後に、窒化物層の表面にリン酸マンガン被膜を形成した。リン酸マンガン被膜の形成はＮｏ．  １〜５の場合と同様に行った。
【００２５】
Ｎｏ．  １６については、窒化物層の形成後にリン酸亜鉛被膜処理を行うことにより、窒化物層の表面にリン酸亜鉛被膜を形成した。リン酸亜鉛被膜の形成はＮｏ．  １２と同じ方法で行った。
Ｎｏ．  １７については、窒化物層の形成後に浸硫処理をすることにより、窒化物層の表面に硫化鉄（Ｆｅ２  Ｓ）被膜を形成した。浸硫処理はＮｏ．  １３と同じ方法で行った。
【００２６】
Ｎｏ．  １８〜１９では、▲５▼の方法（タフトライド法）を、温度および処理時間を変化させることにより行った後、油冷した。次に、窒化物層の表面にリン酸マンガン被膜を形成した。リン酸マンガン被膜の形成はＮｏ．  １〜５の場合と同様に行った。
Ｎｏ．  ２０〜２１では、▲６▼の方法（従来のガス軟窒化法）を、温度および処理時間を変化させることにより行った後、油冷した。次に、窒化物層の表面にリン酸マンガン被膜を形成した。リン酸マンガン被膜の形成はＮｏ．  １〜５の場合と同様に行った。
【００２７】
Ｎｏ．  ２２では、窒化物層の形成を行わずに、ＳＰＰＣからなる保持器４の表面に、Ｎｏ．  １〜５と同じ方法でリン酸マンガン被膜を形成した。
次に、得られた各保持器を用いて自動調心ころ軸受を組み立て、油浴から潤滑剤「ＶＧ６８」を供給し、試験荷重：１５４１５Ｎ、回転速度９５２０ｍｉｎ−１で２４時間、軸受を回転させる試験を行った。この回転条件は、ころと保持器ポケットとの滑り速度が１５ｍ／秒を超える場合に相当する。
【００２８】
そして、試験前後に保持器の重量を測定し、重量減少量を摩耗量として算出した。また、各摩耗量をＮｏ．  ２２を「１」とした相対値に換算した。
また、得られた各保持器について、保持器の柱を切断し、切断面を研磨して、研磨面の押し込み硬さを、最表面から深さ２〜４μｍとなる位置で、（株）エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機「ＥＮＴ−１１００ａ」を用いて、押し込み荷重５ｇｆ（４９×１０−３Ｎ）で測定した。また、予め、マイクロビッカース硬さ標準試験片（Ｈｖ４００，Ｈｖ６００）の押し込み硬さを前記試験機で測定し、検量線を作成しておいた。この検量線を用いて、前記試験機で測定した押し込み硬さをビッカース硬さに変換した。
これらの測定結果を下記の表１に示す。
【００２９】
【表１】
2004360707.tif 000003
【００３０】
また、得られた結果から、保持器表面の窒化物層の硬さと保持器の摩耗量との関係を示すグラフを作成した。このグラフを図５に示す。
この結果から分かるように、本発明の要件（窒化物層の硬さＨｖ６５０以上＋厚さ１．０μｍ以上１０μｍ以下の潤滑性被膜）を満たすＮｏ．  １〜３とＮｏ．  ７〜１７（実施例、図５のプロット「◆」）は、本発明の要件を満たさないＮｏ．  ４〜６とＮｏ．  １８〜２２（比較例、図５のプロット「■」）と比較して、保持器の摩耗量が著しく少なくなっている。すなわち、Ｎｏ．  １〜３とＮｏ．  ７〜１７の保持器によれば、ころと保持器ポケットとの滑り速度が１５ｍ／秒を超える高速回転下で使用される場合であっても、長時間安定した性能が得られる。
【００３１】
なお、Ｎｏ．  ７〜１１では、同じ窒化処理とリン酸マンガン被膜の形成を行っており、リン酸マンガン被膜の厚さを変化させている。これらの結果の比較から、リン酸マンガン被膜の厚さを５．０μｍを超えて形成しても、耐摩耗性は５．０μｍの場合と同等程度である。そのため、リン酸マンガン被膜の形成にかかる処理コストを抑えるという点から、リン酸マンガン被膜の厚さは１．０μｍ以上５．０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００３２】
また、窒化物層の硬さが硬いほど摩耗量を少なくする効果が大きいが、転動体や軌道輪より保持器表面の硬さが硬いと、これに起因して転動体や軌道輪に摩耗を生じさせる可能性もあるため、この点から保持器の窒化物層の硬さの上限値はＨｖ９００とすることが好ましい。
なお、上記実施形態では、自動調心ころ軸受用の保持器を用いて試験を行っているが、本発明は、軸受の種類に関わらず、玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受等全ての転がり軸受用の保持器に適用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の保持器によれば、炭素含有率０．２５重量％以下の鉄鋼材料を用いて形成されていながら、転動体と保持器との接触部の滑り速度が１５ｍ／秒を超えるような高速回転下で使用される場合でも、長時間安定した性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保持器の耐摩耗性を示すデータを得るために行ったサバン式摩耗試験を説明する図である。
【図２】サバン式摩耗試験の結果を示す、縦軸を摩耗体積、横軸を面圧としたグラフである。
【図３】実施形態で作製した自動調心ころ軸受を示す断面図である。
【図４】実施形態で作製した保持器を示す断面図である。
【図５】実施形態の試験で得られた結果による、保持器表面の窒化物層の硬さと保持器の摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  内輪
１１  内輪軌道
１２  案内輪
２  外輪
２１  外輪軌道
３  ころ（転動体）
４  保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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