(57)【要約】【課題】ころ軸受の軸受構成部材に不完全焼入れ組織が生じないようにして、転がり疲労寿命を長くする。【解決手段】内輪、外輪、およびころの何れかを、炭素含有率〔Ｃ〕が０．９０質量％以上１．２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．７０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．９０質量％以上１．６質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．３０質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物であり、下記の（１）式で表されるＤＩ値が５．０以上９．０以下を満たす合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ焼戻しを行って得る。  ＤＩ＝（０．１８〔Ｃ〕＋０．１６）（０．７〔Ｓｉ〕＋１．０）（３．４〔Ｍｎ〕＋１．０）（２．２〔Ｃｒ〕＋１．０）（３．０〔Ｍｏ〕＋１．０）‥‥（１）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪、およびころの何れかは、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．９０質量％以上１．２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．７０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．９０質量％以上１．６質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．３０質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物であり、下記の（１）式で表されるＤＩ値が５．０以上９．０以下を満たす合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ焼戻しを行って得られたものであることを特徴とするころ軸受。
ＤＩ＝（０．１８〔Ｃ〕＋０．１６）（０．７〔Ｓｉ〕＋１．０）（３．４〔Ｍｎ〕＋１．０）（２．２〔Ｃｒ〕＋１．０）（３．０〔Ｍｏ〕＋１．０）‥‥（１）
【請求項２】
内輪、外輪、およびころの何れかは、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．９０質量％以上１．２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．７０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．９０質量％以上１．６質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．３０質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物であり、下記の（１）式で表されるＤＩ値が５．０以上９．０以下を満たし、転走部の最大厚さをｔ（ｍｍ）とした時に下記の（２）式を満たす合金鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、焼入れ焼戻しを行って得られたものであることを特徴とするころ軸受。
ＤＩ＝（０．１８〔Ｃ〕＋０．１６）（０．７〔Ｓｉ〕＋１．０）（３．４〔Ｍｎ〕＋１．０）（２．２〔Ｃｒ〕＋１．０）（３．０〔Ｍｏ〕＋１．０）‥‥（１）
ＤＩ／ｔ≧０．２０‥‥（２）
【請求項３】
風力発電用風車の回転軸を支持する用途で使用される請求項１又は２記載のころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電用風車（以下、単に「風車」と称する。）の回転軸（翼および発電機との間に配置された変速機の入力軸および出力軸）を支持する転がり軸受としては、例えば、外径が２００ｍｍ以上（特に２８０ｍｍ以上）である大型のころ軸受が使用されている。
転がり軸受の軌道輪と転動体は、両者の接触部に高い面圧が発生し、内部に高い剪断応力が発生するため、これに耐え得る硬さとなっている必要がある。特に、大型の軸受では、剪断応力が内部の深くまで作用するため、深い位置まで硬くなっていることが要求される。また、ころ軸受は、軌道輪と転動体の接触面積が大きいため、剪断応力が作用する領域が大きい。
【０００３】
転がり軸受の軌道輪と転動体の製造方法としては、合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後に、焼入れ焼戻しを行う方法か、浸炭または浸炭窒化処理と焼入れ焼戻しを行う方法がある。そして、浸炭または浸炭窒化処理を行う方法はコストがかかるため、コストの点からは、焼入れ焼戻しを行う方法を採用することが好ましい。しかし、大型のころ軸受の軌道輪と転動体を焼入れ焼戻しによって製造すると、表面の硬さは十分であっても内部に不完全焼入れ組織が生じて十分な硬さが得られない場合がある。
【０００４】
風車用軸受は、軌道輪と転動体の間に滑りが発生しやすい条件下で使用される。軌道輪と転動体の間に滑りが発生すると、潤滑油から水素が発生しやすくなる。また、風車用軸受は、回転速度が変わりやすい。そして、回転速度が変わりやすい用途では、軌道輪と転動体の間に油膜を安定して形成するために、鉱油ではなく、ポリアルキレングリコール系などの合成油が用いられることがある。合成油のなかには、鉱油より水素を発生しやすいものがある。軌道輪および転動体の内部に不完全焼入れ組織があると、この水素をトラップして金属組織の変化が生じやすく、これを起点とした剥離が生じて、転がり疲労寿命の低下の原因となる。
【０００５】
以上のことから、合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後に焼入れ焼戻しを行って製造された軌道輪ところを用いた大型のころ軸受を、風車用軸受として用いた場合、軌道輪ところの内部に不完全焼入れ組織が生じやすいため、転がり疲労寿命が短くなる恐れがある。
下記の特許文献１には、風車の回転支持部に用いられる転がり軸受の内輪および外輪と転動体との摩擦を低減して金属接触による滑りを抑制することで、表面損傷を軽減して寿命を長くするために、転動体を、珪素含有率が０．５重量％以上である合金鋼で形成するとともに、浸炭窒化処理、焼入れ、焼戻し処理を行って転動体の表面の残留オーステナイト量を２０体積％未満にすることが記載されている。
【０００６】
下記の特許文献２には、大型の軸受部品用の合金鋼として、浸炭鋼であるＳＮＣＭ８１５やＳＮＣＭ４２０と同等以上の焼入れ性を有し、これらよりＮｉおよびＭｏの含有量を低減した安価な合金鋼を用い、浸炭、焼入れ焼戻しを行って、中心部までマルテンサイト変態を生じさせて十分な硬さを得ることにより、大型の軸受の寿命を長くすることが記載されている。
【０００７】
下記の特許文献３には、浸炭処理品と同様の硬さ分布を有する軸受部品を焼入れ焼戻し処理で得るために、特定の組成の鋼を用いることが記載されている。また、この鋼からなる素材を用いて外径１５０ｍｍ以上の大型軸受部品を製造し、焼入れ焼戻しを行った後の表面硬さをＨＲＣ５８〜６５とし、中心部の硬さをＨＲＣ２５〜４５にすることが記載されている。この場合、得られた軸受部品の表面と中心部との中間領域に不完全焼入れ組織が発生している。
【特許文献１】特開２００６−１１８５７５号公報
【特許文献２】特開平７−２７８７４０号公報
【特許文献３】特開２００１−１２３２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ焼戻しを行うことで製造される、ころ軸受の軸受構成部材（内輪、外輪、およびころ）において、軸受構成部材に不完全焼入れ組織が生じないようにして、風車の回転軸を支持する用途のように厳しい条件で使用された場合でも、転がり疲労寿命を長くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のころ軸受は、内輪、外輪、およびころの何れかを、下記の構成(a) を満たす合金鋼、または構成(a) と構成(b) の両方を満たす合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ焼戻しを行って得られたものであることを特徴とする。
［構成 (a)］
炭素含有率〔Ｃ〕が０．９０質量％以上１．２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．７０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．３０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．９０質量％以上１．６質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．３０質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物であり、下記の（１）式で表されるＤＩ値が５．０以上９．０以下を満たす。
ＤＩ＝（０．１８〔Ｃ〕＋０．１６）（０．７〔Ｓｉ〕＋１．０）（３．４〔Ｍｎ〕＋１．０）（２．２〔Ｃｒ〕＋１．０）（３．０〔Ｍｏ〕＋１．０）‥‥（１）
【００１０】
［構成 (b)］
転走部（内輪および外輪の軌道面部、ころの転動面部）の最大厚さをｔ（ｍｍ）とした時に下記の（２）式を満たす。
ＤＩ／ｔ≧０．２０‥‥（２）
［構成 (a)について］
〔Ｃ〕を０．９０質量％以上１．２質量％以下とする理由は以下の通りである。
炭素（Ｃ）は、焼入れによって基地（マトリックス）に固溶し、組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。また、他の合金元素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成させ、耐摩耗性を向上させる作用も有する。焼入れ後に不完全焼入れ組織を発生させず、軸受として必要な強度を得るために、炭素含有率を０．９０質量％以上とする。好ましくは０．９５質量％以上とする。
ただし、炭素含有率が１．２質量％を超えると、鋼中に粗大な炭化物が生成しやすくなり、靱性および加工性が不十分となる。好ましくは１．１質量％以下とする。
【００１１】
〔Ｓｉ〕を０．２０質量％以上０．７０質量％以下とする理由は以下の通りである。
珪素（Ｓｉ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させ、不完全焼入れ組織の発生を抑制する作用を有する。また、焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用も有する。珪素含有率が０．２０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。好ましくは０．５０質量％以上とする。
ただし、珪素含有率が０．７０質量％を超えると、冷間加工性および被削性が不十分となる。
【００１２】
〔Ｍｎ〕を０．３０質量％以上１．２０質量％以下とする理由は以下の通りである。
マンガン（Ｍｎ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させ、不完全焼入れ組織の発生を抑制する作用を有する。また、残留オーステナイト量を多くして、表面損傷に対する疲労寿命を向上させる作用も有する。マンガン含有率が０．３０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。好ましくは０．８０質量％以上、より好ましくは０．９０質量％以上とする。
ただし、マンガン含有率が１．２０質量％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎて寸法安定性が低下する。好ましくは１．１５質量％以下とする。
【００１３】
〔Ｃｒ〕を０．９０質量％以上１．６質量％以下とする理由は以下の通りである。
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させ、不完全焼入れ組織の発生を抑制する作用を有する。また、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。クロム含有率が０．９０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。好ましくは１．３質量％以上とする。
ただし、クロム含有率が１．６質量％を超えると、冷間加工性および被削性が不十分となる。
【００１４】
〔Ｍｏ〕を０．３０質量％以下とする理由は以下の通りである。
モリブデン（Ｍｏ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させ、不完全焼入れ組織の発生を抑制する作用を有する。また、焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用も有する。また、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。
モリブデンは必須成分ではないが、その含有率が０．１０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られないため、モリブデンを含有させる場合には、その含有率を０．１０質量％以上とする。
ただし、モリブデン含有率が０．３０質量％を超えると、冷間加工性および被削性が不十分となる。好ましくは０．２５質量％以下とする。
【００１５】
上記（１）式で表されるＤＩ値が５．０以上９．０以下を満たすようにする理由は、以下の通りである。
各成分の含有率が上記各範囲を満たす合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れ焼戻しを行って得られた軸受構成部材（内輪、外輪、ころ）の硬さ（ビッカース硬さ測定器などで測定した硬さ）が、転がり軸受の硬さとして十分な値となっていても、ＤＩ値が５．０未満であると、焼入れ後に不完全焼入れ組織が生成しやすくなる。不完全焼入れ組織は周囲の組織と比較して強度が弱いとともに、水素をトラップしやすいため、不完全焼入れ組織を起点とした剥離や水素による金属組織の変化が生じやすくなる。これに伴って転がり疲労寿命が低下する。好ましくはＤＩ値を７．０以上とする。
ただし、ＤＩ値が９．０を超えると、加工性が不充分となる。
【００１６】
［構成 (b)について］
焼入れによる冷却速度は軸受構成部材（内輪、外輪、ころ）の表面から内部に向かうに従って遅くなるため、軸受構成部材の厚さが厚いものほど、不完全焼入れ組織が生じやすくなる。そのため、厚さが厚いほどＤＩ値を大きくして不完全焼入れ組織を抑制する必要がある。よって、「ＤＩ／ｔ」が不完全焼入れ組織の生成を示す指標となる。
そして、転走部（内輪および外輪の軌道面部、ころの転動面部）の最大厚さをｔ（ｍｍ）とした時に「ＤＩ／ｔ」が０．２０以上であると、不完全焼入れ組織の生成が抑制される。「ＤＩ／ｔ」は０．２５以上であることが好ましく、０．３０以上であることがより好ましい。
【００１７】
転走部（内輪および外輪の軌道面部、ころの転動面部）の最大厚さｔは、円筒ころ軸受の場合、図２（ａ）（ｂ）に示すように、内輪１および外輪２の軌道面の厚さ、円筒ころ３の直径である。円錐ころ軸受の場合は、図３に示すように、円錐ころ３の大径部の直径、外輪２の円錐ころが接触する位置の最も厚い部分の厚さ、内輪１の軌道溝の最も厚い部分の厚さである。自動調心ころ軸受の場合は、図４に示すように、たる形ころ３の最大直径、外輪２の軌道面の最大厚さ、内輪１の軌道面の最大厚さである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のころ軸受によれば、軸受構成部材（内輪、外輪、ころ）を構成する合金鋼の組成をＤＩ値を指標として特定することで、軸受構成部材に不完全焼入れ組織が生じにくくなり、風車の回転軸を支持する用途のように厳しい条件で使用された場合でも、転がり疲労寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に相当する円錐ころ軸受を示す断面図である。この円錐ころ軸受は、内輪１、外輪２、円錐ころ３、および保持器４で構成されている。
図１の形状の円錐ころ軸受として、呼び番号「ＨＲ３０３２６」の円錐ころ軸受（内径：１３０ｍｍ、外径：２８０ｍｍ、幅：６３．７５ｍｍ）と「ＨＲ３１３２６」の円錐ころ軸受（内径：１３０ｍｍ、外径：２８０ｍｍ、幅：７２ｍｍ）を作製する。
先ず、内輪１用の素材および外輪２用の素材として、表１の鋼種Ａ〜Ｅ、Ｇ〜Ｊからなる素材をそれぞれ用意した。また、円錐ころ３用の素材として、表１に示す鋼種ＦとＫからなる素材を用意した。
【００２０】
【表１】
2010031307.tif 000003
【００２１】
各素材を、内輪１、外輪２、円錐ころ３の各形状に通常の方法で加工した後、以下の手順で熱処理を行った。
先ず、焼入れ処理として、温度１０９３〜１１３３Ｋで１〜３時間保持した後に、油で冷却（油焼入れ）した。次に、焼戻し処理として、４４３〜４８３Ｋで１．５〜２．５時間保持した後に放冷した。
【００２２】
得られた内輪１、外輪２、円錐ころ３と、一般的な鋼製で椀形の保持器４を用いて、表２に示す組み合わせで円錐ころ軸受を各３体組み立てて、荷重：Ｐ／Ｃ＝０．４５、回転速度：７００ｍｉｎ-1、潤滑剤：ポリアルキレングリコールの条件で、回転試験を行い、内輪１、外輪２、円筒ころ３のいずれかに剥離等の破壊が生じるまでの時間を軸受寿命とした。
【００２３】
各サンプルの３体の軸受寿命の平均値（平均寿命）を算出し、各サンプルの平均寿命から、サンプルNo. ９の平均寿命を「１」とした相対値（寿命比）を算出した。その結果も表２に併せて示す。なお、表２の「寿命比５．０以上」は、サンプルNo. ９の寿命の５．０倍以上の時間が経過しても剥離が生じなかったため試験を打ち切ったことを示す。また、今回の試験の結果、剥離が全て内輪に生じたため、表２には内輪のＤＩ値と最大厚さｔとＤＩ／ｔを記載した。
また、寿命比と内輪のＤＩ値との関係にまとめたグラフを図５に、寿命比と内輪のＤＩ／ｔとの関係にまとめたグラフを図６に示す。
【００２４】
【表２】
2010031307.tif 000004
【００２５】
この結果から分かるように、呼び番号「ＨＲ３０３２６」の円錐ころ軸受において、内輪１のＤＩ値が５．０以上であり、「ＤＩ／ｔ」が０．２０以上であるNo. １〜８は、ＤＩ値が４．２であり「ＤＩ／ｔ」が０．１８であるNo. ９の３．１倍以上の寿命が得られた。特に、内輪１のＤＩ値が７．０以上であり、「ＤＩ／ｔ」が０．３０以上であるNo. ５〜８は、ＤＩ値が４．２であり「ＤＩ／ｔ」が０．１８であるNo. ９の５．０倍以上の寿命が得られた。
【００２６】
呼び番号「ＨＲ３１３２６」の円錐ころ軸受のサンプル（No. １２〜１４）は全てＤＩ値が５．０以上であり「ＤＩ／ｔ」が０．２０以上であるため、呼び番号「ＨＲ３０３２６」の円錐ころ軸受のサンプルであってＤＩ値が４．２であり「ＤＩ／ｔ」が０．１８であるNo. ９の３．３倍以上の寿命が得られた。特に、内輪１のＤＩ値が７．０以上であり、「ＤＩ／ｔ」が０．３０以上であるNo. １４は、No. ９の５．０倍以上の寿命が得られた。
【００２７】
なお、この例のように、内輪に剥離が生じる試験条件の場合は内輪のＤＩ値を５．０以上、ＤＩ／ｔを０．２０以上とすることで、寿命が長くできたが、外輪に剥離が生じる使用条件の場合は外輪の、ころに剥離が生じる使用条件の場合はころの、ＤＩ値を５．０以上、ＤＩ／ｔを０．２０以上とすることで、寿命が長くできる。
また、この例では円錐ころを用いて試験をしているが、それ以外の円筒ころ軸受や自動調心ころ軸受の場合にも、本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に相当する円錐ころ軸受を示す断面図である。
【図２】円筒ころ軸受の場合の転走部（内輪および外輪の軌道面部、ころの転動面部）の最大厚さｔを示す図である。
【図３】円錐ころ軸受の場合の転走部（内輪および外輪の軌道面部、ころの転動面部）の最大厚さｔを示す図である。
【図４】自動調心ころ軸受の場合の転走部（内輪および外輪の軌道面部、ころの転動面部）の最大厚さｔを示す図である。
【図５】実施形態で行った試験の結果を、内輪のＤＩ値と寿命比との関係にまとめたグラフである。
【図６】実施形態で行った試験の結果を、内輪の「ＤＩ／ｔ」と寿命比との関係にまとめたグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１  内輪
２  外輪
３  円筒ころ
４  保持器
【図１】
2010031307.tif 000005
【図２】
2010031307.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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