(57)【要約】【課題】内部起点破壊が生じにくく長寿命な転がり軸受及びその製造方法を提供する。【解決手段】円筒ころ軸受の内輪１，外輪２，及び転動体３は、ＳＵＪ２等の軸受鋼で構成されている。内輪１及び外輪２には高周波焼入れを含む熱処理が施されていて、該熱処理により硬化されてなる硬化層が軌道面１ａ，２ａに形成されている。この硬化層の硬さはＨｖ６００超過とされているとともに、この硬化層の内側の硬化されていない芯部の硬さはＨｖ６００以下とされている。また、硬化層と芯部との境界領域の硬さ勾配が緩やかとなるように、前述の高周波焼入れを含む熱処理が施されている。すなわち、硬化層のうち硬さがＨｖ６５０の部分と、芯部のうち硬さがＨｖ３００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法で求めた値が８９以下とされていて、作用する応力の勾配よりも緩やかとなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、下記の３つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
条件Ａ：前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方は鋼で構成されており、その軌道面には、高周波焼入れを含む熱処理により硬化されてなる硬化層が形成されている。
条件Ｂ：前記硬化層の硬さはＨｖ６００超過であるとともに、前記硬化層の内側の硬化されていない芯部の硬さはＨｖ６００以下である。
条件Ｃ：前記硬化層のうち硬さがＨｖ６５０の部分と前記芯部のうち硬さがＨｖ３００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法で求めた値が８９以下である。
【請求項２】
請求項１に記載の転がり軸受を製造するに際して、調質処理を施した後に前記高周波焼入れを施すことを特徴とする転がり軸受の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の転がり軸受を製造するに際して、球状化焼鈍を施した後に、Ａ１変態点以下の温度に予熱した状態で前記高周波焼入れを施すことを特徴とする転がり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受には、寿命と靱性が要求される。特に、高荷重や衝撃的荷重が負荷されることが多い産業用の転がり軸受に関しては、両者のバランスが重要視される。
転がり軸受の転動寿命の原因となる剥離は、内部起点型の剥離と表面起点型の剥離とに大別される。前者は、鋼中に含まれる非金属介在物を起点とするため、鋼材の酸素含有量を低減する方法により長寿命化を図ることができる。一方、後者は、潤滑剤中に含まれる金属粉などの異物の噛み込みによって生じる圧痕の縁部への応力集中により生じるため、残留オーステナイト量を制御して応力集中を緩和する方法により長寿命化を図ることができる。
【０００３】
一般に、表面起点型の剥離は内部起点型の剥離に比べて明らかに短寿命であることから、長寿命な転がり軸受の開発は、表面起点型の剥離を抑制することにより行われることが多い。ところが、残留オーステナイトを多量に析出させるためには、表面に炭素や窒素の富化領域を形成させる必要があり、そのためには浸炭処理や浸炭窒化処理などの特殊なガス雰囲気下での焼入れが必要となる。さらに、多量の残留オーステナイトの析出は、転がり軸受に最も必要な表面硬さの低下をもたらすので、これを硬質の炭窒化物で補う必要があり、そのためにはモリブデンなどの高価な合金元素が添加される場合もある。よって、生産コストの増大という問題が生じるおそれがあった。
【０００４】
一方、靱性に関しては、材料の硬さと二律背反の関係にある。したがって、靱性を向上させるためには、基本的には、硬さの低い領域をできるだけ多く確保することが必要となる。このような考え方から、低・中炭素鋼に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施して、表面のみを硬化させた浸炭軸受が開発されている。ただし、浸炭鋼は、鉄鋼機械用の転がり軸受などの比較的大型の転がり軸受に使用されることが多い。また、焼入れ性を確保するためにニッケル，モリブデン，クロム等の比較的高価な合金元素の添加が主流であり、浸炭処理などの熱処理の煩雑さと併せて、生産コストの増大を招いている。
【０００５】
これに対して、近年では、硬さが必要な表面部分のみを焼入れし硬化する高周波熱処理が注目されている（特許文献１，２を参照）。この手法は、１つの部品の中に焼入れされる部分と焼入れされない部分とを作ることにより、焼入れされた部分に圧縮の残留応力を付与する手法である。圧縮の残留応力はクラックの発生を抑制することから、転動疲労による疲労クラックの発生を抑制する手段として非常に有効である。また、焼入れされない部分は通常低硬度で靱性に優れるため、表面から疲労により発生したクラックを抑制することができる。
【０００６】
さらに、熱処理の有無で硬度を制御できるので、高合金の低炭素鋼ではなく、清浄度の優れた汎用の軸受鋼を使用することができる。さらに、表面損傷に対して残留オーステナイトが有効であることは前述したが、高周波焼入れの特性上、電流密度は表面が高いので、母材の炭素濃度が１質量％程度であれば極表層のみに浸炭鋼並みの残留オーステナイトを確保することもできる。
【０００７】
残留オーステナイトは寸法変化の要因ともなるが、深さ方向で見ると急激に残留オーステナイト量が低下するので、表面部に多量に存在しつつ全体の量は低く抑えられるという利点もある。すなわち、軸受鋼に高周波焼入れを施すことによって、内部疲労，表面疲労のいずれの破損形態に対しても優れた寿命を有し、耐割れ強度の優れた転がり軸受を得ることができる。
【特許文献１】特開平１１−３７１６３号公報
【特許文献２】特開平１４−２５６３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、高周波焼入れは、浸炭処理に比べると、焼入れされた部分と焼入れされない部分との境界領域の硬さ勾配が急激となるので、高い応力が作用する用途では強度の弱い内部に応力が作用して内部起点破壊（いわゆるケースクラッシュ）が発生するという問題点を有している。
つまり、浸炭鋼の硬さの管理は通常は表面硬さとＨｖ５５０で行われるが、産業用の転がり軸受は自動車用転がり軸受等と比べて高い荷重が負荷される場合が多く、剪断応力は内部にまで作用するので、高周波焼入れを施した場合に浸炭鋼と同様の硬さ管理を行うと、強度の低い内部から割れる、いわゆるケースクラッシュが発生するおそれがある。
【０００９】
さらに、焼入れされない部分には、表面の圧縮応力に対応する引張応力が作用するので、内部破壊に対して不利に働く。高周波焼入れを深い部位まで施して硬化層深さを深くする方法も考えられるが、硬化層深さをむやみに深くすると、高周波焼入れの利点である表面の残留圧縮応力が低くなり、内部の高靱性部分の量が少なくなるので、靱性の向上が期待できなくなってしまう。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、内部起点破壊が生じにくく長寿命な転がり軸受及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、下記の３つの条件を満足することを特徴とする。
条件Ａ：前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方は鋼で構成されており、その軌道面には、高周波焼入れを含む熱処理により硬化されてなる硬化層が形成されている。
条件Ｂ：前記硬化層の硬さはＨｖ６００超過であるとともに、前記硬化層の内側の硬化されていない芯部の硬さはＨｖ６００以下である。
条件Ｃ：前記硬化層のうち硬さがＨｖ６５０の部分と前記芯部のうち硬さがＨｖ３００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法で求めた値が８９以下である。
【００１１】
また、本発明に係る請求項２の転がり軸受の製造方法は、請求項１に記載の転がり軸受を製造するに際して、調質処理を施した後に前記高周波焼入れを施すことを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の転がり軸受の製造方法は、請求項１に記載の転がり軸受を製造するに際して、球状化焼鈍を施した後に、Ａ１変態点以下の温度に予熱した状態で前記高周波焼入れを施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり軸受は、内部起点破壊が生じにくく長寿命である。また、本発明の転がり軸受の製造方法は、内部起点破壊が生じにくく長寿命な転がり軸受を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
この円筒ころ軸受は、軌道面１ａを外周面に有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体（円筒ころ）３と、内輪１及び外輪２の間に転動体３を保持する保持器４と、を備えていて、両軌道面１ａ，２ａと転動体３の転動面３ａとの間の潤滑が、グリース，潤滑油等の潤滑剤（図示せず）により行われている。なお、保持器４は備えていなくてもよい。また、シール，シールド等の密封装置を備えていてもよい。
【００１４】
この円筒ころ軸受においては、内輪１，外輪２，及び転動体３は、ＳＵＪ２等の軸受鋼で構成されている。内輪１及び外輪２には高周波焼入れを含む熱処理が施されていて、該熱処理により硬化されてなる硬化層（図示せず）が軌道面１ａ，２ａに形成されている。この硬化層の硬さはＨｖ６００超過とされているとともに、この硬化層の内側の硬化されていない芯部（図示せず）の硬さはＨｖ６００以下とされている。
【００１５】
また、硬化層と芯部との境界領域の硬さ勾配が緩やかとなるように、前述の高周波焼入れを含む熱処理が施されている。すなわち、硬化層のうち硬さがＨｖ６５０の部分と、芯部のうち硬さがＨｖ３００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法で求めた値が８９以下とされていて、作用する応力の分布（応力の勾配）よりも緩やかとなっている。
【００１６】
このように、軌道面１ａ，２ａの表面硬さと芯部の高靱性とが確保されているとともに、硬化層と芯部との境界領域の硬さ勾配が緩やかとされているため、高い応力が作用する用途で使用されても、円筒ころ軸受は内部起点破壊が生じにくく長寿命である。よって、この円筒ころ軸受は、産業用の転がり軸受に好適であり、特に外輪の外径が２００ｍｍ以上の大型の転がり軸受に好適である。
【００１７】
なお、軌道面１ａ，２ａの残留オーステナイト量は、２０体積％以上であることが好ましい。また、亀裂の発生及び進展を抑制するためには、この硬化層の残留応力は−２００ＭＰａ以下（残留圧縮応力が２００ＭＰａ以上）とすることが好ましい。さらに、軌道面１ａ，２ａの表面硬さはＨｖ６５０以上であることが好ましい。
このような円筒ころ軸受を製造するための前記熱処理としては、例えば、高周波焼入れを施す前に調質処理を施すという熱処理があげられる。調質処理により炭化物が微細に分散されるため、比較的低温でも容易にオーステナイトに逆変態可能となる。また、球状化焼鈍を施した後に、Ａ１変態点以下の温度に予熱した状態で高周波焼入れを施すという熱処理も好適である。この予熱によって、熱が芯部にまで十分に拡散される。
【００１８】
転動体３については特に限定されるものではなく、一般的なものを問題なく使用できる。例えば、浸炭窒化処理又は窒化処理を含む熱処理が施されていて、該熱処理により硬化されてなる窒化層が転動面３ａに形成されているものがあげられる。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては転がり軸受の例として円筒ころ軸受をあげて説明したが、本発明は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，自動調心ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
【００１９】
〔実施例〕
本実施形態の円筒ころ軸受とほぼ同様の構成の円筒ころ軸受（呼び番号ＮＵ２２１０ＥＴ）を用意して、その寿命を評価した。なお、本発明は産業用の大型軸受に好適であるが、大型軸受で試験を行うことは困難であるため、上記呼び番号の円筒ころ軸受を用いてシミュレート試験を行った。ただし、シミュレートを目的として、内輪の内径は３０ｍｍ、肉厚（径方向の幅）は１５ｍｍに改造して用いた（したがって、内輪の外径は６０ｍｍである）。まず、試験に用いた円筒ころ軸受の製造方法について説明する。
【００２０】
内輪は、ＳＵＪ２製の球状化焼鈍し材を粗加工によって所定の形状に成形した後、調質処理に続いて高周波焼入れ及び焼戻しを施し、さらに後加工を施すことにより製造した。調質処理の条件は、８５０℃で０．５〜１時間保持した後に急冷し、続いて５００℃で１〜３時間保持した後に放冷する焼戻しを行うというものである。
さらに、高周波焼入れの条件は、周波数１００〜２００ｋＨｚ、加熱時間５〜２００秒、ワーク回転速度２０〜６０ｍｉｎ-1である。この条件を種々変えることにより、前述の硬さ勾配を変化させているが、最大剪断応力深さにおいて硬さがＨｖ７００を超えるようにした。さらに、高周波焼入れの後の焼戻しの条件は、１７０〜２４０℃に保持した後に放冷するというものである。このような熱処理により、芯部の硬さＨｖはいずれも６００以下となる。
【００２１】
このようにして得られた内輪とＳＵＪ２製の一般的な外輪及び転動体とを組み立てて製造した円筒ころ軸受について回転試験を行い、剥離が生じるまでの時間を測定した。そして、１種の軸受につき７個の回転試験を行ってワイブルプロットを作成し、ワイブル分布の結果からＬ10寿命を求め、これを寿命とした。なお、以降において示す寿命は、計算寿命（３３時間）を１とした場合の相対値で示してある。
回転試験の条件は下記の通りである。
ラジアル荷重：５０ｋＮ
回転速度    ：１０００ｍｉｎ-1
潤滑剤      ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ  ＶＧ６８である潤滑油
【００２２】
上記のように調質処理に続いて高周波焼入れを施して製造した内輪（実施例１）について、表面からの種々の深さでの硬さＨｖ（硬さプロファイル）を測定した。結果を表１及び図２のグラフに示す。比較例として、球状化焼鈍し材を粗加工によって所定の形状に成形した後、調質処理を施すことなく高周波焼入れを施して製造した内輪についても、硬さプロファイルを表１及び図２のグラフに示す。また、図２のグラフには、５０ｋＮ（Ｐ／Ｃ＝０．６）のラジアル荷重を付与した際に生じる剪断応力の分布を、耐久硬さＨｖに変換して示した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
実施例１及び比較例について、硬さＨｖ６５０の部分と硬さＨｖ３００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法により算出した。その結果、実施例１は８４．３で、比較例は１７８．７であった。なお、芯部の硬さがＨｖ３００を超える場合は、硬さＨｖ６５０の部分と高周波焼入れによる全硬化層深さとの間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法により算出する。
【００２５】
次に、回転試験の結果について説明する。比較例は、高周波焼入れを施す前の前組織が球状化組織であるため、芯部に内部起点破壊が生じ、寿命は０．１８と短寿命であった。これは、図２に示す硬さプロファイルで、約５ｍｍの深さで負荷応力が材料の硬さを上回っていることと一致する。
これに対して実施例１は、調質処理が施された前組織となっているので、芯部に内部起点破壊が生じることはなく、通常の最大剪断応力深さ付近で生じる転動疲労による剥離で寿命に至り、寿命は３．２であった。
【００２６】
次に、前組織を球状化組織とし、Ａ１変態点以下の温度に予熱した状態で高周波焼入れを施して製造した内輪（実施例２，３）について、硬さプロファイルを測定した。実施例２，３は、表２に示すように、予熱温度がそれぞれ異なる。結果を表２及び図３のグラフに示す。図３のグラフから分かるように、予熱温度が高くなるにしたがって、硬さプロファイルは勾配が緩やかになっている。
【００２７】
比較例として、球状化焼鈍し材を粗加工によって所定の形状に成形した後、予熱することなく高周波焼入れを施して製造した内輪（前述の比較例と同じものである）についても、硬さプロファイルを表２及び図３のグラフに示す。図３のグラフには、５０ｋＮ（Ｐ／Ｃ＝０．６）のラジアル荷重を付与した際に生じる剪断応力の分布を、耐久硬さＨｖに変換して示した。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
実施例２，３及び比較例について、硬さＨｖ６５０の部分と硬さＨｖ３００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法により算出した。その結果、実施例２は８９、実施例３は５４で、比較例は１７８．７であった。なお、芯部の硬さがＨｖ３００を超える場合は、硬さＨｖ６５０の部分と高周波焼入れによる全硬化層深さとの間の深さ方向の硬さ勾配を、最小二乗法により算出する。
【００３０】
次に、回転試験の結果について説明する。寿命は、実施例２が３．１，実施例３が３．３と、いずれも計算寿命の３倍以上となっており、芯部に内部起点破壊が生じることはなかった。図４のグラフに、軸受の寿命と硬さ勾配との関係を示す。このグラフから、内部起点破壊が生じなかったものは、いずれも硬さ勾配が８９以下のものであることが分かる。
負荷される剪断応力を耐久硬さＨｖに変換して示したものの勾配が８９程度であり、この剪断応力の勾配よりも硬さ勾配を緩やかにすれば、いずれの深さ領域においても負荷応力が材料強度を上回ることがないので、計算寿命以上の寿命が十分に確保できる。また、このようにすることで、高靱性の芯部を十分に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】硬さプロファイルの測定結果を示すグラフである。
【図３】硬さプロファイルの測定結果を示すグラフである。
【図４】円筒ころ軸受の寿命と硬さ勾配との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      転動体
３ａ    転動面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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