(57)【要約】【課題】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物及び残留オーステナイトの適正化を図ることで、より長寿命で、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れるニードルローラを提供する。【解決手段】Ｃ：０．５〜１．２重量％、Ｓｉ：０．３〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼に浸炭窒化処理を施し、その表面層にＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、且つＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上１０％以下とし、表面層における窒素濃度を０．２重量％以上、且つ表面の残留オーステナイト量を１５％未満とすることにより、転動体であるニードルローラの摩耗量を低減、焼き付き時間を増大することができ、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れ、長寿命化を達成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．５〜１．２重量％、Ｓｉ：０．３〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼に浸炭窒化処理を施し、その表面層にＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、且つＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上１０％以下であり、表面層における窒素濃度が０．２重量％以上で、且つ表面の残留オーステナイト量が１５％未満であることを特徴とするニードルローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はニードルローラに関するものであり、特に自動車のオートマチック・トランスミッション、エアコンのコンプレッサ、鉄鋼機械等の潤滑条件が厳しい部位に用いられるニードルローラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エアコン用のコンプレッサなどにおいては、地球温暖化防止などの環境保護の観点から、冷媒としてＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）−１３４ａなどの代替フロンが使用されている。この代替フロンは、従来のＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）−１２等に比べて自己潤滑作用が乏しく、軸受の潤滑不良が生じやすい傾向が強まっている。また、潤滑油としてＰＡＧ（ポリアリキレングリコール）が用いられる軸受は、非常に希薄な潤滑環境で用いられることになるため、摩耗や焼き付きの問題が生じる。このような問題を防止するためには、潤滑剤を変えて潤滑性能を向上させることも考えられるが、冷媒との相溶性という問題から、潤滑剤の選択範囲が制限される。また、エアコンとしての冷却性能の観点から、潤滑油の量を多くすることもできない。そこで、下記特許文献１に記載される転がり軸受では、Ｓｉ添加量の多い材料を用い、Ｓｉ、Ｍｎを含有する炭化物又は炭窒化物を面積率で１〜３０％析出させ、滑り接触を伴う環境下や潤滑油が枯渇する環境下での耐摩耗性及び耐焼き付き性を改善している。
【特許文献１】特開２００３−１９３２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記特許文献１に記載される転がり軸受をニードルローラに適用仕様とした際、当該特許文献１には、Ｓｉ及びＭｎを含有した窒化物（以下、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物と記す）を形成するための適正な材料組成や残留オーステナイト量が規定されておらず、十分な性能を発揮できない場合がある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物及び残留オーステナイトの適正化を図ることで、より長寿命で、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れるニードルローラを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
而して、本発明のうち請求項１に係るニードルローラは、Ｃ：０．５〜１．２重量％、Ｓｉ：０．３〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼に浸炭窒化処理を施し、その表面層にＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、且つＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上１０％以下であり、表面層における窒素濃度が０．２重量％以上で、且つ表面の残留オーステナイト量が１５％未満であることを特徴とするものである。
【０００５】
数値の臨界的意義は以下の通りである。
［転動体表面の窒素濃度が０．２重量％以上で、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜１０％］
硬質なＳｉ及びＭｎを含有した析出物は、熱的に安定な窒化物であり、窒化物中におけるＳｉとＭｎとの組成の比率が約５：１であり、基地組織に平均粒径０．０１μｍ〜１μｍの大きさで均一微細に分散すると転動体表面の硬さが向上する。このＳｉ・Ｍｎ系窒化物は、炭素と同じようにマルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、転動体表面の硬さが向上することにより、摩耗が低減し、自身の形状崩れを抑制し、相手部材への影響を低減することができるので、寿命延長、耐摩耗性、耐焼き付き性の向上を図ることができる。転動体であるニードルローラの表面の窒素濃度が０．２重量％以上で、且つＳｉ・Ｍｎ系窒化物の摺動面における面積率が１〜１０％で析出物が分散していると、耐焼き付き性、耐摩耗性が良好であることを見出した。
【０００６】
［Ｃ：０．５重量％以上１．２重量％以下］
Ｃは、鋼に必要な強度と寿命を得るために重要な元素である。Ｃが少なすぎると十分な強度が得られないだけでなく、後述する浸炭窒化の際に必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、熱処理コストの増大につながる。そのため、Ｃ含有量は、０．５重量％以上とする。また、Ｃ含有量が１．２重量％を超えると製鋼時に粗大な共晶炭化物が形成され、その後の焼入れ性や転動疲労寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。従って、Ｃ含有量は０．５〜１．２重量％とした。
【０００７】
［Ｓｉ：０．３〜２．０重量％］
Ｓｉは、製鋼時に脱酸剤として必要であるだけでなく、本発明では、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を析出するために必要である。また、基地マルテンサイトを強化すると共に、焼戻し軟化抵抗性を高め、疲労寿命を延長するのに極めて有効な元素である。その硬化を十分に発揮するには、少なくとも０．３重量％以上、好ましくは０．８重量％以上必要である。しかしながら、Ｓｉ含有量が多すぎるとヘッダー性、被削性を低下させるだけでなく、浸炭窒化処理特性が低下して十分な硬化層深さを確保できなくなる場合がある。従って、Ｓｉ含有量の上限を２．０重量％以下、好ましくは１．６重量％以下とした。
【０００８】
［Ｍｎ：０．２〜２．０重量％］
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤としての働きがあるほか、焼入れ性を向上させる作用や、転がり軸受に有効な残留オーステナイトの作成を促進させる作用があるだけでなく、Ｓｉ及び窒素と結合してＳｉ・Ｍｎ系窒化物を形成することで、寿命や耐圧痕性及び耐摩耗性に有効である。そのためには、Ｍｎは０．２重量％以上必要である。しかしながら、Ｍｎ含有量が多すぎるとヘッダー性、被削性を低下させるだけでなく、熱処理後に多量の残留オーステナイトが生成して、耐疲労性が低下して良好な寿命が得られなくなる場合があるため、上限を２．０重量％以下、好ましくは０．７重量％以下とした。
【０００９】
［Ｃｒ：０．５〜２．０重量％］
Ｃｒは、基地に固溶して、焼入れ性、焼戻し軟化性などを高めると共に、高硬度の微細な炭窒化物又は炭化物を形成して、軸受材料の硬さや熱処理時の結晶粒粗大化を防止して軸受寿命を延ばす作用がある。そのためには、Ｃｒは少なくとも０．５重量％以上、好ましくは１．３重量％以上必要であるが、２．０重量％を超えると製鋼過程で巨大炭化物が生成して、その後の焼入れ特性や転動寿命に悪影響を与えるほか、ヘッダー性、被削性が低下してしまうため、上限を２．０重量％以下、好ましくは１．６重量％以下とした。
【００１０】
［転動体表面層の面積３７５μｍ2中における０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が１００個以上］
析出強化の理論において析出物粒子間距離の小さい方が強化能に優れるので、窒化物の面積率が同じであっても、面積３７５μｍ2の範囲の、平均粒径０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を１００個以上とすることで、析出数を増やし、析出物粒子間距離を小さくして強化することが好ましい。また、平均粒径０．０５μｍ以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物のうち、０．０５〜０．５０μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数比率を２０％以上にすることにより、更に強化することが可能になる。
【００１１】
［転動体表面層の残留オーステナイト量が１５％未満］
残留オーステナイトは、軟質で、量が多いと凝着し易く、転動体表面の形状が悪化してしまう。後述する２円筒摩耗試験及び４球試験の結果、残留オーステナイト量が１５％未満で耐焼き付き性と耐摩耗性の向上が見られた。
【発明の効果】
【００１２】
而して、本発明のうち請求項１に係るニードルローラによれば、Ｃ：０．５〜１．２重量％、Ｓｉ：０．３〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼に浸炭窒化処理を施し、その表面層にＳｉ・Ｍｎ系窒化物を有し、且つＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上１０％以下とし、表面層における窒素濃度を０．２重量％以上、且つ表面の残留オーステナイト量を１５％未満としたことにより、より長寿命で、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明のニードルローラの一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態のニードルローラを用いたニードルローラベアリングの断面図である。このニードルローラベアリングは、外方部材である外輪２、転動体３、保持器４を備えた、シェル型のものである。
まず、転動体表面層の残留オーステナイト量が耐摩耗性に及ぼす影響を調査するため、図２に示す２円筒摩耗試験機で耐摩耗性試験を行った。２円筒のうち、周速１０ｍｉｎ-1の高速側（駆動側）円筒試験片１１はモータ１２で直接駆動され、周速７ｍｉｎ-1の低速側（従動側）円筒試験片１３とモータ１２との間には減速ギヤ１４を介装し、両試験片のトルクをトルク計１５で検出する。耐摩耗性試験の結果を図３に示す。図３から明らかなように、残留オーステナイト量γRが１５％未満の領域で、摩耗量が大幅に減少し、耐摩耗性が向上している。
【００１４】
また、転動体表面層の残留オーステナイト量が耐焼き付き性に及ぼす影響を調査するため、図４に示す４球試験機で耐焼き付き性試験を行った。４球試験は、互いに接触するように配設された４つの球体試験片のうち、３つの球体試験片を固定し、残りの１つの球体試験片を回転して行う。この回転される球体試験片のトルクを検出し、初期に微量潤滑油を与え、その後、無給油で回転させて、トルクが管理トルクまで増大したときを焼き付きと見なし、その焼き付きまでの時間を測定する。試験条件は以下の通りである。
球体試験片の大きさ：３／８ｉｎｃｈ
荷重：５８．８Ｎ
面圧：２．５ＧＰａ
ＰＶ値：２６２６ＭＰａ・ｍ／ｓ
回転数：３０００ｍｉｎ-1
初期潤滑量：０．０２５ｃｃ
【００１５】
耐焼き付き性試験の結果を図５に示す。図５から明らかなように、残留オーステナイト量γRが１５％未満の領域で、焼き付き時間が大幅に増大し、耐焼き付き性が向上している。
前述したＳｉ・Ｍｎ系窒化物の転動体表面の面積率と４球試験で求めた耐焼き付き性との関係、及びＳｉ・Ｍｎ系窒化物の転動体表面の面積率と２円筒摩耗試験で求めた耐摩耗生徒の関係から、転動体の表面にＳｉ・Ｍｎ系窒化物が面積率で１〜１０％析出していると、耐摩耗性、耐焼き付き性が良好であることが分かる。
【００１６】
次に、本発明の効果を確認するため、熱処理条件を種々に変更して、下記表１に示す材料成分でニードルローラを作製した。熱処理条件は、まず８２０〜９００℃で２〜１０時間、Ｒｘガス、プロパンガス及びアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で浸炭窒化処理を行った後、油焼入れを施し、その後、１６０〜２７０℃で２時間焼戻しを行った。また、軌道輪は、ＳＵＪ２を８４０〜８６０℃で加熱し、油焼入れ、焼戻しを行って作製し、それを前記ニードルローラと組合せてニードルローラベアリングを作製した。このニードルローラベアリングに対し、耐摩耗性試験及び耐焼き付き性試験を行った。耐摩耗試験は、ＰＡＧを潤滑剤として添加したＨＦＣ−１３４ａ雰囲気中で、接触面圧２ＧＰａ、回転速度５０００ｍｉｎ-1の条件下で、２００ｓｅｃ．かトルクが初期の３倍になる時間の早いほうの時間までの摩耗量を測定し、耐焼き付き試験はトルクが初期の３倍になる時間を測定した。試験結果を表１に合わせて示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１に示すＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用い、加速電圧５ｋＶで転動体表面の観察を行った。窒化物面積率については、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影し、その写真を、画像解析装置を用いて２値化してから、面積率を計算した。また、表１に示す窒素濃度の測定は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ｋＶで行った。
【００１９】
表１のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と摩耗量との関係を図６に示す。同図から明らかなように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜１０％の領域で摩耗量が大幅に低減し、耐摩耗性が向上する。また、表１のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と焼き付き時間との関係を図７に示す。同図から明らかなように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜１０％の領域で焼き付き時間が大幅に増大し、耐焼き付き性が向上する。
【００２０】
次に、表１のニードルローラの靭性を調査するため、シャルピー衝撃試験を行った。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物と衝撃エネルギーとの関係を示す。同図から明らかなように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１０％以下の領域で衝撃エネルギーが増大している。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなりすぎると、靭性や静的強度が低下してしまう欠点がある。転がり軸受の転動体にとって靭性や静的強度は必要な性能であるため、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなりすぎるのは好ましくない。従って、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の上限値を１０％とした。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のニードルローラの一実施形態を示すニードルローラベアリングの断面図である。
【図２】２円筒摩耗試験の説明図である。
【図３】残留オーステナイト量と摩耗量との関係を示す説明図である。
【図４】４球試験の説明図である。
【図５】残留オーステナイト量と焼き付き時間との関係を示す説明図である。
【図６】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と摩耗量との関係を示す説明図である。
【図７】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と焼き付き時間との関係を示す説明図である。
【図８】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と衝撃エネルギーとの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
２は外輪
３は転動体
４は保持器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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