(57)【要約】【課題】組織変化の発生を抑制すると共に、亀裂が深さ方向に進展する事を抑制して、厳しい使用条件下でも長寿命化を図れる転がり軸受を実現する。【解決手段】外輪３と内輪５と各玉６、６との何れかの部材を、水素の侵入を遅延できるＣｒを２．５〜５．０質量％含有し、芯部での硬さを抑え、破壊靱性値を高く確保するべく、Ｃを０．１５〜０．３０質量％含有し、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓ、Ｐ、Ａｌ、Ｎ、Ｔｉ、Ｏを適正量含有する合金鋼製とする。そして、浸炭窒化処理或いは浸炭処理及び焼入れ焼戻し処理により、各玉６の直径の１％及び１５％に相当する長さをＸ及びＹとした場合に、転がり接触面から深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度を０．９〜１．５質量％とし、同じく硬さをＨｖ６７４〜８００とし、同じく残留γ量を２０〜５０容量％とする。又、深さＹ位置での硬さをＨｖ５１３以下とする。これにより、上記課題を解決できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
何れかの面に第一の軌道面を有する第一の軌道輪と、この第一の軌道面と対向する面に第二の軌道面を有する第二の軌道輪と、これら第一、第二の両軌道面同士の間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを備えた転がり軸受に於いて、
上記第一の軌道輪と上記第二の軌道輪と上記複数個の転動体との少なくとも１種の部材が、Ｃを０．１５〜０．３０質量％、Ｓｉを０．１〜１．０質量％、Ｍｎを０．３〜１．２質量％、Ｃｒを２．５〜５．０質量％、Ｍｏを１．０質量％以下、Ｎｉを０．３０質量％以下、Ｃｕを０．３０質量％以下、Ｓを０．０２質量％以下、Ｐを０．０２質量％以下、Ａｌを０．０２〜０．０５質量％、Ｎを０．０１〜０．０３質量％、Ｔｉを５０質量ppm 以下、Ｏを１２質量ppm 以下含有し、残りをＦｅと不可避不純物とした合金鋼製で、
浸炭窒化処理或いは浸炭処理、及び、焼入れ・焼戻し処理を行う事により、
上記各転動体の直径の１％に相当する長さをＸとした場合に、運転時に相手面と転がり接触する面の表面からの深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度が０．９〜１．５質量％であり、同じく硬さがＨｖ６７４〜８００であり、同じく残留オーステナイト量が２０〜５０容量％であり、
上記各転動体の直径の１５％に相当する長さをＹとした場合に、上記転がり接触する面の表面からの深さＹ位置での硬さがＨｖ５１３以下である事を特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
転動体の直径が３０mm以上である、請求項１に記載した転がり軸受。
【請求項３】
風力発電装置或いは変速機の回転支持部に組み込まれる、請求項１〜２のうちの何れか１項に記載した転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば風力発電装置（風車）の主軸、或いは、変速機、建設機械、産業用ロボット等を構成する回転軸等、各種回転機械装置の回転部材を回転自在に支持する為の転がり軸受の改良に関する。具体的には、組織変化（白色組織変化）に基づく剥離の発生を抑えて、使用条件が厳しい場合でも十分な耐久性を確保できる転がり軸受の実現を図るものである。特に、本発明は、転動体の直径が３０mm以上となる様な比較的大型の転がり軸受に好適である。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置を構成する主軸の回転支持部等、各種回転機械装置の回転支持部に、例えば図１に示す様なラジアル玉軸受１が組み込まれている。このラジアル玉軸受１は、内周面に外輪軌道２を有する外輪３と、外周面に内輪軌道４を有する内輪５と、これら外輪軌道２と内輪軌道４との間に設けた、それぞれが転動体である玉６、６とを備える。これら各玉６、６は、円周方向に等間隔に配置された状態で、保持器７により、転動自在に保持されている。又、大きなラジアル荷重が加わる回転支持部には、例えば図２に示す様な、転動体として円すいころを使用したラジアル円すいころ軸受８が組み込まれている。このラジアル円すいころ軸受８は、内周面に円すい凹面状の外輪軌道２ａを有する外輪３ａと、外周面に円すい凸面状の内輪軌道４ａを有する内輪５ａと、これら外輪軌道２ａと内輪軌道４ａとの間に、保持器７ａに保持された状態で転動自在に設けられた、複数の円すいころ９、９とを備える。又、上記内輪５ａの外周面両端部のうち、大径側端部には大径側鍔部１０を、小径側端部には小径側鍔部１１を、それぞれ形成している。尚、この小径側鍔部１１は省略する場合もある。この様なラジアル玉軸受１及びラジアル円すいころ軸受８は、例えば上記外輪３、３ａをハウジングに内嵌固定すると共に、上記内輪５、５ａを回転軸に外嵌固定する事により、この回転軸を上記ハウジングに対し、回転自在に支持する。
【０００３】
この様なラジアル玉軸受１及びラジアル円すいころ軸受８を含め、１対の軌道輪と複数個の転動体とを組み合わせて成る転がり軸受の場合、使用に伴って互いに転がり接触する何れかの面が、転がり疲れによって剥離し、寿命に達する事が広く知られている。この様な剥離の態様として、転がり軸受の構成各部材を構成する金属材料の内部に含まれる非金属介在物（酸化物系やＴｉＮ系の非金属介在物）を起点として亀裂が生じ、剥離に至る場合（内部起点型剥離）や、異物混入に基づく圧痕を起点として亀裂が生じ、剥離に至る場合（圧痕起点型剥離）がある。
【０００４】
更に、使用条件の厳しい一部の用途では、軌道面或いは転動面の表面下（最大剪断応力位置近傍）の金属組織が白色に変化し、当該部分を起点として亀裂が生じ、剥離に至る場合もある。この様な金属組織の変化に基づく剥離（以下「組織変化型剥離」と呼ぶ）の発生原因は、完全には解明するに至っていないが、現在では、潤滑剤が分解された際に発生する水素（水素原子）が鋼中に侵入し水素脆性を引き起こす事により、組織変化の発生を促進し、剥離に至ると考えられている。
【０００５】
この様な組織変化型剥離の発生を抑えて、転がり疲れ寿命を向上させる技術として、例えば特許文献１〜４に記載された従来技術がある。このうちの特許文献１、２に記載された従来技術の場合には、転がり軸受に封入するグリースの成分を改良する事により、或いは、グリースを使用する事を前提として、軌道輪或いは各転動体の表面に防錆油を塗布する事により、水素の発生及び水素の侵入を抑制する事を意図している。しかしながら、転がり軸受の用途によっては、グリースを使用できず、潤滑油を使用しなければならない場合がある。この為、上記特許文献１、２に記載された従来技術を適用できない場合がある。特に、風力発電装置を構成する主軸の回転支持部に組み込む様な、比較的大型の転がり軸受の場合には、潤滑剤として、グリースよりも潤滑油を使用する頻度が高く、上記特許文献１、２に記載された技術を適用できない場合が多くある。更に、比較的大型の転がり軸受では、油膜形成を行い易くする為、或いは摩耗防止等の目的から、ポリアルキレングリコール系等の合成油や、鉱油中に摩耗防止剤等の添加剤を加えた、特殊な潤滑油を使用する場合が多い。そして、この様な特殊な潤滑油は、その種類によって、一般的に用いられる潤滑油に比べて、鋼中への水素の侵入量が多くなり、組織変化の発生を促進するものもある。
【０００６】
一方、特許文献３には、外輪と内輪と複数個の転動体との少なくとも１種の部材を、組織変化を遅延させる効果を有するＣｒを添加した合金鋼製とし、焼入れ・焼戻し処理を行う事により、旧オーステナイトの結晶粒径を規定する技術が記載されている。更に、特許文献４には、外輪と内輪と複数個の転動体との少なくとも１種の部材を、やはりＣｒを添加した合金鋼製とし、浸炭窒化処理を行う事により表面硬化層を形成して、表面（表層部）の硬さと残留オーステナイト量とを規定する技術が記載されている。この様な特許文献３、４に記載された従来技術の場合、水素の侵入に基づく組織変化の発生を抑制する（遅延させる）面からは優れた効果を発揮できると考えられるが、比較的大型の転がり軸受に適用した場合に、次の様な問題を生じる可能性がある。
【０００７】
即ち、前述した様な内部起点型剥離や圧痕起点型剥離の場合には、非金属介在物や圧痕を起点として、負荷される応力の方向に沿って亀裂が発生する。そして、この亀裂は、運転時に相手面と転がり接触する面（以下、単に「転がり接触面」と呼ぶ。外輪の場合には外輪軌道を、内輪の場合には内輪軌道を、転動体の場合には転動面をそれぞれ指す。）の表面から僅かに内部に入った部分に存在する、最大剪断応力位置付近を進展（伝播）した後、早期に上記表面へと達する。この結果、この表面が薄く剥がれて剥離に至る。これに対して、組織変化型剥離の場合には、組織変化を起点として不規則な方向に亀裂が発生する。この為、この亀裂が転がり接触面から離れる方向（内部）に深く進展し、例えば内輪の場合にはこの内輪を外嵌固定した回転軸側に、外輪の場合にはこの外輪を内嵌固定したハウジング側にまで達して、割損（割れ）を生じる可能性がある。特に、比較的大型の転がり軸受の場合には、転がり接触部に作用する接触面圧が高く、材料内部に生じる剪断応力は、転がり接触面から深い位置まで作用する。この為、亀裂が深さ方向に進展し易く、割損を生じる恐れが高くなる。
【０００８】
以上の説明の通り、組織変化を起点とする亀裂は深さ方向に進展する場合があり、特に大型の転がり軸受では、この深さ方向への進展が生じ易くなる。従って、比較的大型の転がり軸受を対象として、組織変化型剥離を有効に防止する為には、亀裂の深さ方向への進展を抑制する事が重要になる。しかしながら、上述した様な特許文献３、４に記載された従来技術の場合、合金成分の配合や熱処理条件によって破壊靱性値が低下する為、比較的大型の転がり軸受に適用した場合に、割損等の損傷を招く恐れがある。
尚、特許文献５には、大型の転がり軸受の構成各部材の靱性を確保する事を目的とした発明が記載されているが、上記特許文献５に記載された発明の場合には、組織変化型剥離の発生を抑える事に就いては全く意図していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３２７７５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１０６３３８号公報
【特許文献３】特開２００５−１４７３５２号公報
【特許文献４】特開２００５−２６４２１６号公報
【特許文献５】特開２００１−１２３２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、組織変化の発生を抑制すると共に、組織変化を起点とする亀裂が深さ方向に進展する事を抑制して、厳しい使用条件下に於いても長寿命化を図れる転がり軸受を実現すべく発明したものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の転がり軸受は、従来から広く知られている各種型式の転がり軸受と同様に、第一、第二の軌道輪と、複数個の転動体とを備える。
このうちの第一の軌道輪は、何れかの面に第一の軌道面を有する。
又、上記第二の軌道輪は、この第一の軌道面と対向する面に第二の軌道面を有する。
又、上記各転動体は、これら第一、第二の両軌道面同士の間に転動自在に設けられている。
【００１２】
特に、本発明の転がり軸受に於いては、上記第一の軌道輪と、上記第二の軌道輪と、上記複数個の転動体との少なくとも１種の部材を、Ｃを０．１５〜０．３０質量％（mass％）、Ｓｉを０．１〜１．０質量％、Ｍｎを０．３〜１．２質量％、Ｃｒを２．５〜５．０質量％、Ｍｏを１．０質量％以下、Ｎｉを０．３０質量％以下、Ｃｕを０．３０質量％以下、Ｓを０．０２質量％以下、Ｐを０．０２質量％以下、Ａｌを０．０２〜０．０５質量％、Ｎを０．０１〜０．０３質量％、Ｔｉを５０質量ppm （mass−ppm ）以下、Ｏを１２質量ppm 以下含有し、残りをＦｅと不可避不純物とした合金鋼製としている。
そして、この様な合金鋼製の部材に、浸炭窒化処理或いは浸炭処理、及び、焼入れ・焼戻し処理を施している。
これにより、上記各転動体の直径の１％に相当する長さをＸとした場合に、転がり接触面（第一の軌道面、第二の軌道面、各転動体の転動面）の表面からの深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度を０．９〜１．５質量％とし、同じく硬さをＨｖ６７４〜８００（ＨＲＣ５９〜６４）とし、同じく残留オーステナイト量を２０〜５０容量％（ｖｏｌ％）としている。
更に、上記各転動体の直径の１５％に相当する長さをＹとした場合に、上記転がり接触面の表面からの深さＹ位置での硬さをＨｖ５１３（ＨＲＣ５０）以下としている。
尚、転動体の直径とは、転がり軸受が玉軸受の場合には玉の直径を、円筒ころ軸受の場合にはころの直径を、円すいころ軸受及び自動調心ころ軸受の場合には、ころの直径のうちの最大径を言う（本明細書及び特許請求の範囲全体で同じ）。
【００１３】
又、上述した様な請求項１に係る発明を実施する場合に好ましくは、例えば請求項２に記載した発明の様に、上記各転動体の直径を３０mm以上とする。
或いは、請求項３に記載した発明の様に、本発明の転がり軸受を、風力発電装置或いは変速機の回転支持部に組み込む。
【発明の効果】
【００１４】
上述の様な本発明の転がり軸受によれば、組織変化の発生を抑制できると共に、組織変化を起点とした亀裂が深さ方向に進展する事を抑制できる。この結果、厳しい使用条件下に於いても、長寿命化を図れる。
この様な効果を得られる理由、並びに、各数値等を上述の様に規制した理由に就いて、以下に説明する。
先ず、組織変化の抑制は、鋼中にＣｒ及びＭｏを適正量含有すると共に、深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度を０．９〜１．５質量％とし、同じく残留オーステナイト量を２０〜５０容量％とする事により図れる。
即ち、Ｃｒ及びＭｏは、水素が鋼中に侵入する速度を低下させて、耐水素脆性を向上させると共に、鋼中に水素が侵入した場合にも基地組織を安定化させて、水素による組織変化を遅延させる。又、熱処理により表層部に形成される硬化層中のＣ及びＮは、細かく分散した炭化物及び炭窒化物を形成し、鋼中に侵入した水素をトラップする。又、残留オーステナイトも同様に、鋼中に侵入した水素をトラップする。従って、上記表層部（硬化層）での水素濃度が局所的に高くなる事を防止できる。この結果、本発明の場合には、組織変化の発生を効果的に抑制できる。
【００１５】
又、亀裂の深さ方向への進展の抑制は、深さＸ位置及びＹ位置での硬さ、並びに、結晶粒径の制御、結晶粒界の不純物偏析を制御する事により図れる。
即ち、本発明の場合には、鋼中のＣ含有量を低く抑えると共に熱処理条件を適正にする事により、熱処理後の深さＸ位置での硬さの上限値をＨｖ８００（ＨＲＣ６４）とし、深さＹ位置での硬さの上限値をＨｖ５１３（ＨＲＣ５０）として、表層部に比べて芯部（内部）の硬さを抑えている。これにより、この芯部の破壊靱性値を高く確保している。又、鋼中のＡｌ、Ｎ、Ｔｉ、Ｏの含有量を最適化する事で結晶粒径の成長を制御すると共に、Ｓ、Ｐの含有量を最適化する（上限値を規定する）事により結晶粒界の不純物偏析を制御して、破壊靱性値を高く確保している。この結果、本発明の場合には、芯部の破壊靭性値を高く確保できて、亀裂が深さ方向に進展する事を効果的に抑制できる。この為、比較的大型の転がり軸受の場合にも、割損等の損傷が発生する事を有効に防止できる。
次に、本発明で転がり軸受の構成各部材を構成する合金鋼中の合金元素の含有量（添加量）を規制した理由、及び、転動体の直径を基準として、直径の１％に相当するＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量を規制した理由、同じく直径の１５％に相当するＹ位置での硬さを規制した理由に就いて、それぞれ説明する。
【００１６】
「Ｃ：０．１５〜０．３０質量％」
Ｃ（炭素）は、焼入れ処理によって基地に固溶し、硬さを向上させる元素であり、芯部の破壊靱性値に大きな影響を及ぼす元素である。鋼中のＣ含有量が０．１５質量％未満になると、焼入れ後の芯部の硬さが不足して変形を生じ易くなる。又、浸炭窒化処理或いは浸炭処理を施す事によって表層部のＣ濃度を好適にする為には、浸炭時間が長くなり、生産性の低下を招く。これに対して、Ｃ含有量が０．３０質量％を超えると、焼入れ後の芯部の硬さが高くなり過ぎて、この芯部の破壊靭性値が低下する。この為、本発明の場合には、Ｃ含有量を０．１５〜０．３０質量％の範囲に規制している。
【００１７】
「Ｓｉ：０．１〜１．０質量％」
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時に脱酸剤として作用する。又、基地に固溶して焼入れ性を向上させると共に、マルテンサイトの強度を向上させる効果がある。更に、焼戻し軟化抵抗性を向上させる事もできる為、高温になっても転がり疲労寿命が低下する事を抑制できる。Ｓｉ含有量が０．１質量％未満になると、これらの効果を十分に得る事はできない。但し、１．０質量％を超えると、冷間加工性及び被削性が低下する。この為、本発明の場合には、Ｓｉ含有量を０．１〜１．０質量％の範囲に規制している。尚、好ましくは品質の安定性を考慮して、Ｓｉ含有量を０．３〜１．０質量％とする。
【００１８】
「Ｍｎ：０．３〜１．２質量％」
Ｍｎ（マンガン）は、基地に固溶して、焼入れ性を向上させる効果がある。又、オーステナイトを安定化する働きがある為、熱処理後の残留オーステナイト量を十分に確保し易くする効果がある。Ｍｎ含有量が０．５質量％未満になると、これらの効果を十分に得る事ができない。但し、１．２質量％を超えると、残留オーステナイト量が必要以上に増加し、寸法安定性及び形状安定性を確保する面から不利になる。この為、本発明の場合には、Ｍｎ含有量を０．３〜１．２質量％の範囲に規制している。尚、好ましくは、品質の安定性を考慮して、Ｍｎ含有量を０．８〜１．２質量％とする。
【００１９】
「Ｃｒ：２．５〜５．０質量％」
Ｃｒ（クロム）は、基地に固溶して、焼入れ性を向上させると共に、Ｃと結合して炭化物を形成する炭化物形成元素であり、耐摩耗性を向上させる効果がある。特に、Ｃと結合して形成される炭化物｛（Ｆｅ，Ｃｒ）3 Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）7 Ｃ3 等｝は、鋼中の非金属介在物に代わって、水素をトラップする。しかも、鋼中に存在する炭化物は、非金属介在物の様に同時に多数の水素をトラップする事なく、一つの炭化物で少数の水素をトラップする。この為、鋼中に侵入した水素は、炭化物にトラップされる事により、鋼中に均等に分散される。又、Ｃｒは、ＣやＮ等の侵入型固溶元素を動きにくくして、基地組織を安定化する。この為、水素の侵入を抑制する事ができて、組織変化を遅延させる事ができる。Ｃｒ含有量が２．５質量％未満であると、これらの効果を十分に得る事ができない。但し、Ｃｒ含有量が５．０質量％を超えると、熱処理特性、冷間加工性、被削性が低下して、生産コストの上昇等を招く恐れがある。この為、本発明の場合には、Ｃｒ含有量を２．５〜５．０質量％の範囲に規制している。尚、好ましくは品質の安定性を考慮して、Ｃｒ含有量を３．１〜５．０質量％とする。
【００２０】
「Ｍｏ：１．０質量％以下」
Ｍｏ（モリブデン）は、焼入れによる表面硬さの向上を図ると共に、耐摩耗性及び転がり疲れ寿命を向上させ、更に、耐水素脆性を確保する為に添加する。即ち、Ｍｏは、基地に固溶して、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させ、必要な硬さを得る事ができる。又、鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性及び転がり疲れ寿命を向上させる。更に、上述したＣｒと同様に、水素が鋼中に侵入する速度を低下させるだけでなく、鋼中に水素が侵入した場合にも、基地組織を安定化させて、水素による転がり疲れ寿命の低下を抑制する。即ち、水素による組織変化を遅延させる。但し、含有量が１．０質量％を超えると、冷間加工性、被削性が低下する。この為、本発明の場合には、Ｍｏ含有量を１．０質量％以下に規制している。尚、好ましくは品質の安定性を考慮して、Ｍｏ含有量を０．３〜１．０質量％とする。
【００２１】
「Ｎｉ：０．３質量％以下」
Ｎｉ（ニッケル）は、焼入れ性を向上させる効果がある。又、多量に添加すると靱性の向上も図れる。但し、ニッケルは、非常に高価な元素であり、多量に添加すると材料コストが嵩む。この為、本発明の場合には、Ｎｉ含有量を０．３質量％以下としている。
【００２２】
「Ｃｕ：０．３質量％以下」
Ｃｕ（銅）は、焼入れ性を向上させる効果と、粒界強度を向上させる効果がある。但し、含有量が多くなると熱間鍛造性を低下させる。この為、本発明の場合には、Ｃｕ含有量を０．３質量％以下としている。
【００２３】
「Ｓ：０．０２質量％以下」
Ｓ（イオウ）は、Ｍｎと結合して、内部起点型剥離の起点となる非金属介在物であるＭｎＳを形成する。この為、鋼中のＳ含有量は少ない（可及的に０に近づける）方が好ましい。又、結晶粒界に偏析して、芯部の破壊靱性値に大きな影響を及ぼす。即ち、含有量が０．０２質量％を超えると、破壊靭性値が低下する。この為、本発明の場合には、Ｓ含有量を０．０２質量％以下としている。
【００２４】
「Ｐ：０．０２質量％以下」
Ｐ（リン）は、結晶粒界に偏析して、芯部の破壊靱性値に大きな影響を及ぼす。即ち、Ｐ含有量が０．０２質量％を超えると、破壊靭性値が低下する。この為、本発明の場合には、Ｐ含有量を０．０２質量％以下としている（可及的に０に近づける）。
【００２５】
「Ａｌ：０．０２〜０．０５質量％」
Ａｌ（アルミニウム）は、製鋼時に脱酸剤として作用する。又、Ｎと結合してＡｌＮを形成し、熱処理時の加熱による芯部の結晶粒成長を抑制する。芯部の結晶粒経は、芯部の破壊靭性値に大きな影響を及ぼし、この芯部の結晶粒径は、平均２０μｍ以下とする事が好ましい。特に、比較的大型の転がり軸受では、浸炭窒化処理或いは浸炭処理を施す際の保持時間が長くなり、結晶粒が成長し易い為、Ａｌによる結晶粒成長抑制効果は重要になる。Ａｌが０．０２質量％未満であると、これらの効果を十分に得る事ができない。但し、０．０５質量％を超えると、非金属介在物であるＡｌ2 Ｏ3 が形成され易くなり、転がり疲労寿命の低下を招く恐れがある。この為、本発明の場合には、Ａｌ含有量を０．０２〜０．０５質量％としている。
【００２６】
「Ｎ：０．０１〜０．０３質量％」
Ｎ（窒素）は、Ａｌと結合してＡｌＮを形成して、熱処理時の加熱による芯部の結晶粒成長を抑制する。芯部の結晶粒径は、芯部の破壊靱性値に大きな影響を及ぼす（結晶粒径は小さい程良い）。上述したＡｌと同様に、比較的大型の転がり軸受に於いては、Ｎによる結晶粒成長抑制効果は重要になる。Ｎが０．０１質量％未満であると、これらの効果を十分に得る事ができなくなる。但し、０．０３質量％を超えると、非金属介在物であるＴｉＮが形成され易くなり、転がり疲労寿命の低下を招く恐れがある。この為、本発明の場合には、Ｎ含有量を０．０１〜０．０３質量％としている。
【００２７】
「Ｔｉ：５０質量ppm 以下」
Ｔｉ（チタン）は、非金属介在物であるＴｉＮを形成して、転がり疲労寿命に悪影響を及ぼす。この為、鋼中へのＴｉ含有量は少ない方が好ましい。又、ＴｉＮが形成されると、結晶粒径の粒成長を抑制する効果のあるＡｌＮの形成が阻害される。特に、Ｔｉ含有量が５０質量ppm を超えると、転がり疲労寿命に低下が生じ、ＡｌＮによる結晶粒成長抑制の効果が阻害される。この為、本発明の場合には、Ｔｉ含有量を５０質量ppm 以下としている。
【００２８】
「Ｏ：１２質量ppm 以下」
Ｏ（酸素）は、非金属介在物であるＡｌ2 Ｏ3 等の酸化物を形成して、転がり疲労寿命に悪影響を及ぼす。この為、鋼中へのＯ含有量は少ない方が好ましい。又、Ａｌ2 Ｏ3 が形成されると、上述したＴｉの場合と同様に、結晶粒径の粒成長を抑制する効果のあるＡｌＮの形成が阻害される。特に、Ｏ含有量が１２質量ppm を超えると、転がり疲労寿命に低下が生じ、ＡｌＮによる結晶粒成長抑制の効果が阻害される。この為、本発明の場合には、Ｏの含有量を１２質量ppm 以下としている。
【００２９】
「転動体の直径の１％に相当する長さをＸとして、転がり接触面の表面から深さＸ位置を基準とする技術的意義」
軌道輪と転動体との転がり接触部には接触面圧が作用し、この接触面圧によって、これら軌道輪及び転動体を構成する材料内部には剪断応力が作用する。ここで、この剪断応力の深さ方向への分布と、転動体の直径の大きさとの間には密接な関係があり、転がり軸受の使用条件によって絶対値は変化するものの、転動体の直径の１％に相当する長さをＸとした場合に、転がり接触面の表面から深さＸ位置には、相対的に高い剪断応力が作用する。従って、水素による組織変化が発生する場合には、この深さＸ位置付近に発生する可能性が高くなる。この様な事情に鑑みて、本発明の場合には、組織変化が発生する可能性の高い、深さＸ位置のＣ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量を規定して、組織変化の発生を抑制する事を意図している。
【００３０】
「深さＸ位置での硬さ：Ｈｖ６７４〜８００（ＨＲＣ５９〜６４）」
浸炭窒化処理を施す事によって、表層部のＣ濃度及びＮ濃度が高くなる為、この表層部には、焼入れ・焼戻し処理後に硬化層が形成される。ここで、転がり疲労に対する強度は硬さが高い程向上する為、深さＸ位置の様に、高い剪断応力が作用する部分では、硬さは高い方が好ましい。深さＸ位置での硬さがＨｖ６７４未満であると、硬さが不足する事により転がり疲労寿命が低下する。但し、Ｈｖ８００を超えると、破壊靭性値の低下を招く。この為、本発明の場合には、深さＸ位置での硬さを、Ｈｖ６７４〜Ｈｖ８００（ＨＲＣ５９〜６４）の範囲に規制している。
【００３１】
「深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度：０．９〜１．５質量％」
Ｃ及びＮは、細かく分散した炭化物及び炭窒化物を形成する。これら炭化物及び炭窒化物は、転がり接触面の表面から水素が侵入した場合に、この水素をトラップする効果がある。この為、水素が局所的に濃化する（水素濃度が局所的に上昇する）事を抑制して、組織変化の発生を遅延させる事ができる。深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度が０．９質量％未満であると、組織変化を遅延させる効果が不足する。但し、１．５質量％を超えると、表層部（硬化層）の破壊靱性値の低下が無視できなくなる。この為、本発明の場合には、深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度を、０．９〜１．５質量％の範囲に規制している。
【００３２】
「深さＸ位置での残留オーステナイト量：２０〜５０容量％」
残留オーステナイトは、マルテンサイト中に細かく分散して、転がり接触面の表面から水素が侵入した場合に、水素をトラップする効果がある。この為、水素が局所的に濃化する事を抑制して、組織変化の発生を遅延させる事ができる。深さＸ位置での残留オーステナイト量が２０容量％未満であると、組織変化を遅延させる効果が不足する。但し、５０容量％を超えると、硬さの低下を招き、転がり疲労寿命の低下が無視できなくなる。この為、本発明の場合には、深さＸ位置での残留オーステナイト量を、２０〜５０容量％としている。
【００３３】
「転動体の直径の１５％に相当する長さをＹとして、転がり接触面の表面からの深さＹ位置を基準とする技術的意義」
軌道輪と転動体との転がり接触部での接触面圧によって、これら軌道輪及び転動体を構成する材料内部には剪断応力が作用するが、この剪断応力の大きさは、転がり接触面の表面では小さく、転動体の直径の１〜２％に相当する深さで最大となり、それ以上深くなるに従って小さくなる。剪断応力が高い領域では、転がり疲労に耐えるべく、高強度である必要があるが、剪断応力の低い領域では、亀裂が深さ方向に進展して割損が発生しない様に、或る程度大きな破壊靱性値を確保する事が重要となる。転動体の直径の１５％に相当する長さをＹとした場合に、転がり接触面の表面から深さＹ位置は、剪断応力が十分に低くなる領域であり、転がり疲労に耐える事を考慮するよりも、亀裂がそれ以上深さ方向に進展しない様にする事の方が重要となる。この様に、本発明の場合には、亀裂の進展の抑制を優先し、破壊靱性値を十分に高く確保する必要がある領域として、深さＹ位置を規定している。
【００３４】
「深さＹ位置での硬さ：Ｈｖ５１３以下（ＨＲＣ５０以下）」
一般的に知られている様に、硬さが低い方が破壊靱性値は高くなる。この為、深さＹ位置での硬さは、低い方が好ましい事になる。硬さがＨｖ５１３を超えると、破壊靱性値が不足し、亀裂の深さ方向への進展を抑制する効果が小さくなる。この為、本発明の場合には、深さＹ位置での硬さを、Ｈｖ５１３以下（ＨＲＣ５０以下）としている。
尚、深さＹ位置での硬さをＨｖ５１３以下に規制する為には、鋼中の合金成分、及び、焼入れ・焼戻し条件（温度、保持時間等）を適正に規制すると共に、浸炭窒化処理或いは浸炭処理の条件（温度、保持時間等）を制御して、浸炭窒化或いは浸炭による硬化層が深さＹ位置まで達しない様に規制する事が必要である。
【００３５】
「転動体の直径が３０mm以上」
上述の説明からも明らかな様に、転動体の直径が大きくなる程、剪断応力が作用する深さは深くなる。従って、転動体の直径が大きくなる程、組織変化に基づき発生する亀裂も、転がり接触面の表面から深い位置に発生する事になる。亀裂が進展して割損（破壊）に至るか否かを検討する場合、物理的なパラメータとして応力拡大係数Ｋを用いる事が考えられる。この応力拡大係数Ｋは、一般的に下記のパラメータで表される。
Ｋ＝Ｆσ√（πａ）  （Ｆ：定数、σ：応力、ａ：亀裂長さ）
軌道輪が割損に至るか否かを検討する場合、亀裂長さａは、転がり接触面の表面から亀裂が存在する最大深さまでの長さに相当する。ここで、上述した様に、転動体の直径が大きくなる程、転がり接触面の表面から深い位置で亀裂が発生し易くなる為、上記亀裂長さａは大きくなる。この結果、上記応力拡大係数Ｋが大きくなり、割損が生じ易くなる事が分かる。特に、請求項２に記載した様に、転動体の直径が３０mm以上になると、組織変化に伴い亀裂が発生した場合に割損が生じ易くなる。この為、転動体の直径を３０mm以上とした場合に、芯部での破壊靱性値を高く確保できる、本発明の効果が特に顕著になる。
【００３６】
尚、転がり軸受の用途のうちで、転動体の直径が比較的大きく、即ち、転がり軸受のサイズ（外径、内径）が比較的大きく、水素が侵入して組織変化を生じ易いものに、風力発電装置を構成する主軸の回転支持部、変速機を構成する回転軸の回転支持部の他、建設機械、産業用ロボットの回転支持部に組み込む用途が挙げられる。これらの用途では、潤滑油に合成油を使用したり、添加剤を加えたりする他、湿度が高い条件で使用される場合がある為、潤滑油の種類や潤滑油に含有される水分量によっては、鋼中に水素が侵入し易くなる。又、これらの用途では、転がり軸受の回転速度変動や負荷荷重変動が大きくなる為、転動体の回転が不安定になり易く、軌道面と転動面との間にすべりが発生し易い。この様なすべりが発生した場合には、軌道面或いは転動面が活性化して、潤滑油の分解によって発生した水素が、鋼中に侵入し易くなる。従って、請求項３に記載した様に、本発明を上述の様な用途に使用する転がり軸受に適用した場合に、長寿命化の効果が特に顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の対象となるラジアル玉軸受の部分切断斜視図。
【図２】同じくラジアル円すいころ軸受の部分切断斜視図。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００３８】
本発明の特徴は、転がり軸受を構成する１対の軌道輪と複数個の転動体とのうちの少なくとも１種の部材の、鋼中の合金元素の含有量を工夫すると共に、転動体の直径を基準として、硬さ、Ｃ＋Ｎ濃度、残留オーステナイト量を、それぞれ規制した点にある。
図面に表れる構造に就いては、前述の図１及び図２に示した構造を含め、従来から知られている各種転がり軸受と同様である為、具体的構造に就いての図示並びに説明は省略する。
【００３９】
本発明の効果を確認する為に行った実験に就いて説明する。実験には、次の表１にＡ〜Ｋに示した１１種類の合金鋼に、高炭素クロム軸受鋼２種（ＪＩＳ  ＳＵＪ２）を加えた１２種類の金属材料を使用した。
【表１】
2010196107.tif 000003
【００４０】
本実験では、先ず、上記表１中の１１種類の鋼種のうち、合金成分が本発明の技術的範囲に属する鋼種Ａ〜Ｆにより、前述の図１に示した様な、ラジアル玉軸受を構成する内輪５と、前述の図２に示した様な、ラジアル円すいころ軸受を構成する内輪５ａとを造った。上記ラジアル玉軸受の大きさは、呼び番号で６３１７（外径：１８０mm、内径：８５mm、幅：４１mm、玉の直径：３０．２mm）とし、上記ラジアル円すいころ軸受の大きさは、呼び番号でＨＲ３０３２６Ｊ｛外径：２８０mm、内径：１３０mm、幅：６３．７５mm、ころの直径（大径側端部の直径）：３９．３mm｝とした。又、本実験では、上記内輪５、５ａを除く、外輪及び複数個の転動体（玉、円すいころ）に就いては、高炭素クロム軸受鋼３種（ＪＩＳ  ＳＵＪ３）を用いて作製した。尚、本実験で、内輪のみを本発明に係る合金鋼製とした理由は、上記２種類の転がり軸受と後述する試験条件との組み合わせが、内輪で最も剥離が生じ易くなる組み合わせである事による。従って、軸受の種類及び使用条件等によって、外輪に剥離が生じ易い場合には、この外輪を本発明に係る合金鋼製とし、同じく転動体で剥離が生じ易い場合には、この転動体を本発明に係る合金鋼製とする事ができる事は勿論である。
【００４１】
上述の様なラジアル玉軸受とラジアル円すいころ軸受との場合の何れも、上記内輪５、５ａは、鋼種Ａ〜Ｆの鋼材を所定のサイズに切断した後、熱間鍛造加工及び旋削加工を行う事で、内輪の形状に加工する。次に、熱処理として、先ず浸炭窒化処理を施し、次いで焼入れ処理を施した後、最後に焼戻し処理を施す。このうちの浸炭窒化処理は、ＲＸガス、エンリッチガス、及び、アンモニアガスの混合ガスを雰囲気に用いて、１１５０〜１２２０Ｋ（絶対温度）で、１０〜１８０時間保持した後、空冷或いは油冷する事によって行う。その後の焼入れ処理は、１１００〜１１７０Ｋで、１〜６時間保持する事により行い、焼戻し処理は、４３０〜５１０Ｋで、２〜１０時間保持する事により行う。これらの熱処理条件（温度、保持時間等）を調整する事により、Ｃ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量がそれぞれ、本発明の技術的範囲に含まれる様に規制する。又、この様な熱処理の後、研削加工を施し、完成形状に仕上げる。そして、この様にして作製した内輪５、５ａに、高炭素クロム軸受鋼３種から作製した外輪及び複数個の転動体と、保持器とを組み合わせて、ラジアル玉軸受及びラジアル円すいころ軸受を得た。
【００４２】
上述の様な工程を経て、ラジアル玉軸受（呼び番号：６３１７）とラジアル円すいころ軸受（呼び番号：ＨＲ３０３２６Ｊ）との２種類の転がり軸受を製作した。このうちのラジアル玉軸受に関して行った寿命評価試験に就いて、以下に説明する。この実験では、鋼種Ａ〜Ｆを用いて上述の様な工程を経て作製したラジアル玉軸受（実施例１〜６）を、鋼種毎にそれぞれ３個ずつ用意した。又、比較例として、前記表１中の鋼種のうち、合金成分が本発明の技術的範囲から外れる鋼種Ｇ〜Ｋを用いて製作した内輪を有するラジアル玉軸受（比較例１〜５）と、合金成分が本発明の技術的範囲に含まれる鋼種Ａ〜Ｃを用いるが、その後の熱処理条件が適当でない事により、最終的に本発明の技術的範囲から外れる内輪を有するラジアル玉軸受（比較例６〜８）と、高炭素クロム軸受鋼２種により製作した内輪を有するラジアル玉軸受（比較例９）とを、それぞれ３個ずつ用意した。そして、下記の条件で寿命評価試験を行い、それぞれの平均寿命を求めた。更に、本実験では、剥離発生部分を切断する事により断面を観察し、亀裂が深さ方向へ進展しているか否かに就いても調べた。尚、本実験は、各試料の何れかの転がり接触面に剥離が発生した時点で試験を中止した。
【００４３】
［試験条件］
ラジアル荷重    ：    ６６．２ｋＮ
回転速度        ：    ２０００min -1 
潤滑油          ：    鉱油系潤滑油（酸化防止剤、摩耗防止剤入り）
この様な条件により行った実験の結果を、各試料の性状と共に、次の表２に示す。尚、この試験条件は、潤滑油の分解によって発生する水素量が多く、この水素が内輪軌道４に侵入し易い厳しい条件である。
【００４４】
【表２】
2010196107.tif 000004
【００４５】
この表２には、内輪５の鋼種、及び、内輪軌道４の表面から深さＸ位置（０．３０２mm）でのＣ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量（残留γ量）、並びに、深さＹ位置（４．５３mm）での硬さを、耐久試験の結果と共に記載している。尚、Ｃ＋Ｎ濃度は、ＥＰＭＡを用いて測定し、残留オーステナイト量に就いては、Ｘ線回折装置を使用して測定した。又、試験結果を表す、上記表２の平均寿命とは、高炭素クロム軸受鋼２種により作製した内輪を有する比較例９の平均寿命を１．０として、これとの比率で表している。尚、今回の実験では、剥離は全て内輪５（内輪軌道４）に生じ、剥離部分には組織変化を生じていた。これは、潤滑油が分解する事によって発生した水素が、上記内輪軌道４に侵入した為であると推定される。
【００４６】
この様な条件で行った寿命評価試験の結果を示す前記表２から分かる様に、本発明の技術的範囲に属する、即ち、内輪５を構成する合金鋼の組成（合金成分）、内輪軌道４の表面からの深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量、内輪軌道４の表面からの深さＹ位置での硬さの何れもが、本発明で規定する範囲内である実施例１〜６の試料は、水素が侵入し易い厳しい条件下でも、組織変化の発生が効果的に抑制される為、比較例に比べて平均寿命が大きく向上している。更に、芯部の破壊靭性値が高く確保されている為、亀裂が深さ方向に進展する事も防止できている。特に、上記実施例１〜６のうち、合金鋼の組成（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量）をより好適な範囲に規制した、実施例４〜６に就いては、３個の試料の全てが、比較例９に剥離が発生してから５倍の時間（平均寿命の５倍の時間）が経過した後に於いても、剥離が発生しなかった為、試験を打ち切った。この様に、上記実施例４〜６に関しては、平均寿命が著しく向上した。
【００４７】
これに対して、比較例１は、合金鋼中のＣ含有量（濃度）が低い事に起因して、深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度が低い為、炭化物及び炭窒化物が鋼中に侵入した水素をトラップする効果を十分に得られず、本実施例の場合に比べて、組織変化型剥離が早期に発生し、転がり軸受の疲労寿命が短くなっている。
反対に、比較例２は、合金鋼中のＣ含有量が高すぎる事に起因して、深さＹ位置での硬さが高く、更に、Ｐ含有量が高い為、内部の破壊靱性値が低くなる。この為、剥離発生部分に深さ方向に進展した亀裂が発生している。
又、比較例３は、合金鋼中のＳｉ及びＭｏ含有量が高すぎる事に起因して、深さＸ位置及び深さＹ位置での硬さが高くなっている。この為、破壊靱性値が低くなり、剥離発生部分に深さ方向に進展した亀裂が発生している。
又、比較例４は、合金鋼中のＣｒ含有量が低い事に起因して、水素による組織変化を遅延する効果が小さい。この為、組織変化型剥離が早期に発生し、転がり疲労寿命が短くなっている。又、合金鋼中のＡｌ及びＮ含有量が低い為、破壊靱性値が低くなり、剥離発生部分に深さ方向に進展した亀裂が発生している。
又、比較例５は、合金鋼中のＣｒ含有量が高すぎると共に、浸炭窒化処理（処理条件）が不適正であった事に起因して、深さＸ位置での残留オーステナイト量が多すぎる。更に、合金鋼中のＡｌ及びＯ含有量が高すぎる為、非金属介在物であるＡｌ2 Ｏ3 が生成され易くなっている。従って、転がり疲労寿命が短くなっている。
又、比較例６は、浸炭窒化処理と、焼入れ・焼戻し処理との少なくとも一つの処理が不適正であった為、深さＸ位置での残留オーステナイト量が低くなっている。この為、残留オーステナイトが、鋼中に侵入した水素をトラップする効果が小さく、本実施例の場合に比べて、転がり疲労寿命が短くなっている。
又、比較例７は、浸炭窒化処理と、焼入れ・焼戻し処理との少なくとも一つの処理が不適正であった為、深さＸ位置での硬さが低くなっている。この為、転がり疲労に対する材料強度が低く、本実施例の場合に比べて、転がり疲労寿命が短くなっている。
又、比較例８は、浸炭窒化処理条件が不適正であった為、深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度が低くなっている。この為、炭化物及び炭窒化物が、鋼中に侵入した水素をトラップする効果が小さく、本実施例の場合に比べて、転がり疲労寿命が短くなっている。
更に、比較例９は、水素の侵入を抑制する為の対策、及び、亀裂の深さ方向への進展を抑制する対策の何れもなされていない為、早期に組織変化型剥離が発生すると共に、亀裂も深さ方向に進展している。
【００４８】
尚、次の表３には、上述した寿命評価試験には直接用いなかったが、前述した様な工程を経て作製したラジアル円すいころ軸受（呼び番号：ＨＲ３０３２６Ｊ）を構成する内輪５ａの鋼種、及び、内輪軌道４ａの表面から深さＸ位置（０．３９３mm）でのＣ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量（残留γ量）、並びに、深さＹ位置（５．８９５mm）での硬さを、それぞれ示している。表３に示した実施例７〜１２の何れの場合にも、合金成分、深さＸ位置でのＣ＋Ｎ濃度、硬さ、残留オーステナイト量、並びに、深さＹ位置での硬さが、本発明の技術的範囲に含まれている。従って、上述したラジアル玉軸受（呼び番号：６３１７）の場合と同様に、水素による組織変化を抑制できると共に、亀裂の深さ方向への進展も効果的に抑制できるものである。
【表３】
2010196107.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、前述の図１に示した様なラジアル玉軸受や、前述の図２に示した様なラジアル円すいころ軸受に限らず、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受も対象になる。更には、ラジアル転がり軸受に限らず、スラスト転がり軸受も対象になるし、単列転がり軸受に限らず、複列転がり軸受も対象になる。
【符号の説明】
【００５０】
１    ラジアル玉軸受
２、２ａ  外輪軌道
３、３ａ  外輪
４、４ａ  内輪軌道
５、５ａ  内輪
６    玉
７、７ａ  保持器
８    ラジアル円すいころ軸受
９    円すいころ
１０    大径側鍔部
１１    小径側鍔部
【図１】
2010196107.tif 000006
【図２】
2010196107.tif 000007