(57)【要約】【課題】高周波焼入れによる表面硬化法を実施して得られる軌道輪を有する転がり軸受として、寿命および軌道輪の靱性が、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途に好適で、嵌め合い面の摩耗が抑制された転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１は、ＤＩ値が１．０以上である過共析鋼からなる素材を所定形状に加工した後、球状化焼鈍と、高周波焼入れと、焼戻しを行って得られたものであって、軌道面１１は、有効硬化層深さＹｏと転動体の直径Ｄｗが下記の(2) 式を満たし、表面硬さがＨｖ６５０以上であり、残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下であり、旧オーステナイト結晶粒径が３０μｍ以下である。嵌め合い面１２の３０％以上の表面硬さがＨｖ５５０以上である。    ０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５  …(2) 【選択図】図１
2014020538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に軌道面を有し、内周面が軸との嵌め合い面である内輪と、
内周面に軌道面を有し、外周面がハウジングとの嵌め合い面である外輪と、
前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配置された複数の転動体と、 を備え、
前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、球状化焼鈍と、高周波焼入れと、焼戻しを行って得られたものであって、下記構成(a) 〜(e) を有することを特徴とする転がり軸受。
(a) 素材をなす鋼は、合金成分として炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、 マンガン（Ｍｎ）、および珪素（Ｓｉ）を含有し、ニッケル（Ｎｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）を必要に応じて含有し、残部鉄および不可避的不純物である過共析鋼であって、炭素含有率〔Ｃ〕が０．５質量％以上２．０質量％以下であり、下記の(1) 式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１４）（１＋０．６４〔Ｓｉ〕）（１＋４．１〔Ｍｎ〕）（１＋０．５２〔Ｎｉ〕）（１＋２．３３〔Ｃｒ〕）（１＋３．１４〔Ｍｏ〕）…(1) 
(1) 式において〔Ｍ〕は合金成分Ｍの含有率（質量％）を意味する。
(b) 前記軌道面の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上になっている部分の厚さ）Ｙｏ（ｍｍ）と転動体の直径Ｄｗ（ｍｍ）が下記の(2) 式を満たす。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５  …(2) 
(c) 前記軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であり、軌道面の残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。
(d) 前記軌道面の旧オーステナイト結晶粒径が３０μｍ以下である。
(e) 前記嵌め合い面の３０％以上の表面硬さがＨｖ５５０以上である。
【請求項２】
前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方は、軸方向両端面の表面から０．１ｍｍの深さまでの硬さがＨｖ５００以上である請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方は、非硬化部に残留オーステナイト量が０体積％である部分を有し、軸方向両端面の残留オーステナイト量が軌道面の残留オーステナイト量よりも１０体積％以上少ないものである請求項１または２記載の転がり軸受。
【請求項４】
請求項１記載の転がり軸受を製造する方法であって、
前記構成(a) を満たす鋼からなり、球状化焼鈍後に内輪または外輪の形状に加工された素材の前記軌道面と軸方向両端面に対して、同時に、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように誘導加熱した後に冷却する高周波焼入れと焼戻しを行い、次いで、前記嵌め合い面に対する高周波焼入れと焼戻しを行うことを特徴とする転がり軸受の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の転がり軸受の製造方法に用いられる高周波熱処理装置であって、
前記軌道面と軸方向両端面を取り囲んで同時に加熱するコの字型部を有する主コイルと、前記軌道面を加熱する補助コイルを有することを特徴とする高周波熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受とその製造方法、転がり軸受の製造方法で使用される高周波熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受には寿命と靱性が要求される。産業用機械で使用される転がり軸受、特に、外径が１８０ｍｍ以上である大型の転がり軸受、例えば製鉄業の圧延機や風車用の転がり軸受は、加わる荷重が大きく、衝撃荷重が加わることも多いため、寿命と靱性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軌道面の剥離は、内部起点型の剥離と表面起点型の剥離とに大別できる。
【０００３】
内部起点型の剥離は、鋼に含まれる非金属介在物（酸化物系介在物）を起点として生じるため、鋼材の酸素含有量を低減することにより、内部起点型の剥離を抑制することができる。これまで様々な製鋼プロセスの改善により鋼材の酸素含有量の低減が図られてきたが、合金成分に関しては、炭素が多く含まれていることが鋼材の酸素含有量の低減にとって好ましい。実際、中炭素鋼であるＳ５３Ｃに比べて、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼第２種）に代表される軸受鋼は高い清浄度を示すことが知られている。
【０００４】
表面起点型の剥離は、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軌道面に圧痕が生じ、この圧痕の縁部に応力が集中することに起因して生じる。よって、軌道面の残留オーステナイト量を制御して応力集中を緩和することにより、表面起点型の剥離を抑制することができる。
一般に、転がり軸受の軌道面に表面起点型の剥離が生じた場合は、内部起点型の剥離が生じた場合と比較して短い時間で転がり軸受が寿命に至るため、転がり軸受の寿命を長くするためには、表面起点型の剥離を抑制することが重要である。
【０００５】
表面起点型の剥離を抑制するためには、軌道面に残留オーステナイトを多量に析出させる必要がある。そして、軌道面に残留オーステナイトを多量に析出させるためには、軌道面の表層部に炭素や窒素の富化領域を形成させる必要がある。前記富化領域を形成させるためには、軌道輪に対して浸炭処理または浸炭窒化処理（特殊なガス雰囲気での熱処理）を行う必要がある。
【０００６】
また、軌道面に残留オーステナイトが多量に析出していることで表面硬さは低下するため、表面硬さを硬質の炭窒化物で補う必要がある。そのためには、例えば、モリブデンなどの高価な合金元素が添加された鋼を使用する必要がある。よって、この方法（軌道面に残留オーステナイトを多量に析出させて表面起点型の剥離を抑制する方法）は、生産コストの点で好ましくない。
【０００７】
一方、靱性は、材料の硬さと二律背反の関係にある。従って、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必要がある。このような考え方から、低・中炭素鋼を用い、浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼入れ（以下「浸炭焼入れ」と称する）を行うことで、軌道面の表面のみを硬化させる方法が採用されている。
しかし、この方法では、鋼の焼入れ性を確保するために、ニッケル、モリブデン、クロムなどの比較的高価な合金元素が添加された浸炭鋼を使用する必要がある。この方法を大型の転がり軸受に適用すると、浸炭処理や浸炭窒化処理の煩雑さに加えて材料コストも高くなる。 よって、この方法（低・中炭素鋼を用い、浸炭焼入れを行うことで、軌道面の表面のみを硬化させる方法）を、大型の転がり軸受に適用することは生産コストの点で好ましくない。
【０００８】
これに対して、近年では、特許文献１に示されているように、硬さが必要な表面部分のみを焼入れして硬化させる高周波焼入れ法が注目されている。高周波焼入れ法によれば、焼入れされた表面部分は高い面圧に耐える硬化層となり、焼入れされない芯部は靱性に優れた非硬化部となる。よって、転がり軸受の軌道面に高周波焼入れを行うことにより、転がり軸受に必要な寿命と靱性の両方を付与することができる。また、非硬化部である芯部の存在により、硬化層である表層部が圧縮残留応力状態となるため、軌道面にクラックが発生することを抑制できる。
【０００９】
また、高周波焼入れ法では、誘導加熱時に硬さを制御できるので、高価な合金元素を含有する低炭素鋼ではなく、清浄度に優れた軸受鋼等の高炭素鋼を使用することができる。さらに、高周波焼入れ法では、誘導加熱時に表面の電流密度が高くなるため、炭素含有率が０．７質量％程度の鋼であれば、極表層のみに浸炭鋼並の残留オーステナイトを存在させることができる。
【００１０】
残留オーステナイトが多量に存在すると寸法安定性が低下する要因になるが、高周波焼入れを行った場合、残留オーステナイト量は表面から深さ方向に沿って急激に低下する。そのため、残留オーステナイトを軌道面の最大せん断応力深さよりも表面側の部分にのみ多量に存在させつつ、残留オーステナイトの全体量を低く抑えることもできる。
よって、軌道輪の素材として軸受鋼を用い、高周波焼入れを行う方法であれば、軌道面に内部起点型と表面起点型の両方の剥離が生じることを抑制できるため、用途によっては、寿命が長く、耐割れ強度にも優れた転がり軸受を得ることができる。
【００１１】
特許文献２には、軌道輪の素材として炭素含有率０．５質量％以上の鋼を用い、高周波焼入れを行う方法であって、高周波焼入れ工程の前に、少なくとも１回、Ａ３変態点を超えて高周波加熱して一定温度に保持することにより、炭素を素地に溶け込ませた後、Ａ１変態点以下に冷却する工程を行う方法が開示されている。
特許文献３には、低炭素鋼からなるボス部材の端面（潤滑される摺動面）を、焼入部分が非連続的になるように複数箇所に亘って高周波誘導加熱した後、加熱部分を自然放冷する方法を実施することで、溶接性と耐摩耗性の両方に優れたボス部材を得ることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−３７１６３号公報
【特許文献２】特許第４２０８４２６号公報
【特許文献３】特許第３８２４９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、転がり軸受の軌道輪の軌道面が高周波焼入れにより硬化された場合、浸炭焼入れにより硬化された場合と比較して、表層部分（硬化層）と芯部（非硬化部）との境界領域に生じる硬さ勾配が大きくなる。よって、軌道面に高い応力が作用する用途では、高周波焼入れにより硬化された場合の方が浸炭焼入れにより硬化された場合と比較して、軌道面に内部起点破壊（いわゆるケースクラッシュ）が発生し易くなる。
【００１４】
そして、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途の転がり軸受は、例えば自動車の車軸を支持する用途の転がり軸受と比べて、軌道面に作用する剪断応力が高いため、高周波焼入れで硬化を行う場合には前記硬さ勾配を小さくして内部起点破壊の発生を防止する必要がある。ただし、硬化層を必要以上に深く形成すると、十分な靱性を得ることができない。
【００１５】
特許文献２に開示された方法では、高周波焼入れ工程の前に、少なくとも１回、Ａ３変態点（セメンタイトとオーステナイトの二相領域）を超えてオーステナイト単相領域まで加熱することが行われている。しかし、軸受鋼では、分散化している炭化物のピン止め効果によって微細な組織が維持されているため、オーステナイト単相領域まで加熱すると著しい粒成長が起こる。また、炭素が基地に過剰に固溶して残留オーステナイトが過剰に残留し、硬さが低下する不都合がある。
【００１６】
一方、転がり軸受の使用中に転動体が軌道面を移動する影響で、内輪および外輪が転動体の進行方向と同じ方向または反対方向に僅かに回転すること（すなわち、嵌め合い面にクリープが生じること）が知られている。これに伴って、嵌め合い面に摩耗が生じるという問題点がある。
この発明の課題は、浸炭焼入れと比較してコストが低い高周波焼入れによる表面硬化法を実施して得られる軌道輪を有する転がり軸受として、寿命および軌道輪の靱性が、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途に好適で、嵌め合い面の摩耗が抑制された転がり軸受を提供するとともに、その製造方法およびその方法で好適に使用できる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、この発明の転がり軸受は、外周面に軌道面を有し、内周面が軸との嵌め合い面である内輪と、内周面に軌道面を有し、外周面がハウジングとの嵌め合い面である外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配置された複数の転動体と、 を備え、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方は、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、球状化焼鈍と、高周波焼入れと、焼戻しを行って得られたものであって、下記構成(a) 〜(e) を有することを特徴とする。
【００１８】
(a) 素材をなす鋼は、合金成分として炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、 マンガン（Ｍｎ）、および珪素（Ｓｉ）を含有し、ニッケル（Ｎｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）を必要に応じて含有し、残部鉄および不可避的不純物である過共析鋼（オーステナイト単相域に加熱し徐冷した際に、旧オーステナイト粒界に初析フェライトが析出しない鋼）であって、炭素含有率〔Ｃ〕が０．５質量％以上２．０質量％以下であり、下記の(1) 式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１４）（１＋０．６４〔Ｓｉ〕）（１＋４．１〔Ｍｎ〕）（１＋０．５２〔Ｎｉ〕）（１＋２．３３〔Ｃｒ〕）（１＋３．１４〔Ｍｏ〕）…(1) 
(1) 式において〔Ｍ〕は合金成分Ｍの含有率（質量％）を意味する。
【００１９】
(b) 前記軌道面の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上になっている部分の厚さ）Ｙｏ（ｍｍ）と転動体の直径Ｄｗ（ｍｍ）が下記の(2) 式を満たす。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５  …(2) 
(c) 前記軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であり、軌道面の残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。
(d) 前記軌道面の旧オーステナイト結晶粒径が３０μｍ以下である。
【００２０】
(e) 前記嵌め合い面の３０％以上の表面硬さがＨｖ５５０以上である。
この発明の転がり軸受において、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方は、前記構成(f) (h) を有することが好ましい。
(f) 前記軌道面および軸方向両端面の表面から０．１ｍｍの深さまでの硬さがＨｖ５００以上である。
(h) 非硬化部に残留オーステナイト量が０体積％である部分を有し、軸方向両端面の残留オーステナイト量が軌道面の残留オーステナイト量よりも１０体積％以上少ないものである。
【００２１】
この発明の転がり軸受によれば、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方を構成する素材をなす鋼が過共析鋼であることにより、高周波焼入れ時の加熱中に結晶粒が成長することを防止できる。過共析鋼は、オーステナイト単相域に加熱し徐冷した際に、旧オーステナイト粒界に初析フェライトが析出しない鋼である。つまり、過共析鋼では、基地を完全にオーステナイト化した際にも炭化物が残存することで、粒成長が防止される。なお、過共析鋼であるか否かは、試料を炉内でオーステナイト単相となる温度（成分によって異なるが９００〜１１００℃）に加熱保持した後、そのまま炉内で冷却することで、実験的に確認することができる。
【００２２】
炭素以外の合金成分を含まない鋼では、共析組成となる鋼の炭素含有率が０．７７質量％であるが、炭素以外の合金成分も含む鋼では、共析組成となる鋼の炭素含有率が各合金成分の含有率によって変化し、Ｔｈｅｒｍｏｃａｌｃを用いて共析組成となる鋼の炭素含有率を計算することができる。これに応じて過共析鋼の炭素含有率を算出する。
また、転がり軸受に必要な硬さＨＲＣ５８以上を確保するために、使用する鋼の炭素含有率〔Ｃ〕の下限値を０．５質量％とする。焼入れ後の硬さは合金元素の種類や含有率にかかわらず、炭素の含有率で決まる。一方、炭素含有率が２．０質量％よりも多い鋼は、素材の製造過程で組織がオーステナイト単相にならず、寿命に悪影響を及ぼすことが懸念される初析セメンタイトが残存するため、炭素含有率の上限値を２．０質量％とする。
【００２３】
また、使用する鋼のクロム含有率〔Ｃｒ〕は４質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕は２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕は２質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕は３．５質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕は１．５質量％以下であることが好ましい。
クロム（Ｃｒ）は、鋼の焼入れ性を確保するために重要な元素であり、軸受鋼には通常１．０〜１．５質量％含まれる。ただし、〔Ｃｒ〕が４質量％を超えると、溶製時に巨大な炭化物を生成しやすくなり、転がり疲労特性を劣化させる原因となりやすい。
【００２４】
マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入れ性の向上作用を有する元素であり、軸受鋼には通常１．０質量％含まれる。ただし、〔Ｍｎ〕が過剰になると、残留オーステナトが過剰に析出する。
珪素（Ｓｉ）は、鋼に焼戻し軟化抵抗性を付与する元素であるとともに、転がり疲労に対して有効な元素である。ただし、フェライトの硬化能が高く、球状化焼鈍時に硬度を低下させにくいという欠点も有する。生産性を考慮すると〔Ｓｉ〕を２質量％以下にすることが好ましい。
【００２５】
ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の焼入れ性の向上作用を有する元素であるとともに、軸受鋼に不足する靱性を向上させる有効な元素である。ただし、高価な元素であるため、経済性を考慮すると〔Ｎｉ〕を３．５質量％以下にすることが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の焼入れ性の向上作用を有する元素であるとともに、共析組成を低炭素側に移動させる元素である。ただし、高価な元素であるため、経済性を考慮すると〔Ｍｏ〕を１．５質量％以下にすることが好ましい。
【００２６】
この発明の転がり軸受によれば、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方を構成する素材をなす鋼のＤＩ値が１．０以上であることにより、不完全焼入れ組織の体積率が２％以下となるため、軌道面の硬さおよび転がり寿命を確保できる。前記(1) 式で定義されるＤＩ値は焼入れ硬化特性を表す指標であり、ＤＩ値が低い鋼を用いた場合、焼入れにより不完全焼入れ組織が発生する。不完全焼入れ組織の体積率が５％を超えると軌道面の硬さが不十分になるが、不完全焼入れ組織の体積率が２％以下であると軌道面の硬さが良好になる。
【００２７】
この発明の転がり軸受によれば、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方の軌道面の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上になっている部分の厚さ）Ｙｏ（ｍｍ）と転動体の直径Ｄｗ（ｍｍ）が前記(2) 式を満たすことにより、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途で寿命と高靱性の両立を図ることができる。
具体的には、Ｙｏが０．０７Ｄｗ以上であることにより、表層部（硬化層）と芯部（非硬化部）との境界領域に生じる硬さ勾配を、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途の転がり軸受にとって適切な値（内部起点破壊や割れが生じない値）にすることができる。
【００２８】
また、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途の転がり軸受を構成する軌道輪では、Ｙｏが０．０７Ｄｗ未満であると、芯部側に作用する応力が材料の強度を上回り、軌道面に内部起点破壊が生じる。Ｙｏが「０．０７Ｄｗ＋５」を超えると軌道輪の靱性が不十分となる。
この発明の転がり軸受によれば、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方の軌道の表面硬さがＨｖ６５０以上であり、軌道面の残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下であるため、軌道面に表面起点型の剥離が生じることと軌道輪の内部起点破壊が生じることが防止できる。軌道面の表面硬さがＨｖ６５０未満の場合と残留オーステナイト量が１２体積％未満の場合、表面起点型の剥離が生じ易い。表面残留オーステナイト量が４０体積％よりも大きいと、焼き割れを発生する場合がある。
【００２９】
この発明の転がり軸受によれば、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方の軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下であるため、良好な材料強度を有する。すなわち、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途で使用しても、良好な耐衝撃性が得られる。前記結晶粒径が３０μｍよりも大きいと、前記用途での耐衝撃性が不十分となる。
【００３０】
この発明の転がり軸受によれば、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方の嵌め合い面の３０％以上の表面硬さがＨｖ５５０以上である（すなわち、嵌め合い面の３０％以上が高周波焼入れによる硬化層となっている）ため、嵌め合い面の耐摩耗性が良好になる。嵌め合い面の３０％以上を硬化層（表面硬さがＨｖ５５０以上）にすることで、全体を硬化層にした場合とほぼ同等の耐摩耗性が得られる。
【００３１】
前記構成(b) 〜(e) を満たす内輪または外輪は、前記構成(a) を満たす鋼からなり、球状化焼鈍後に内輪または外輪の形状に加工された素材の前記軌道面と軸方向両端面に対して、同時に、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように誘導加熱した後に冷却する高周波焼入れと焼戻しを行い、次いで、前記嵌め合い面に対する高周波焼入れと焼戻しを行うことを特徴とする方法（この発明の方法）により製造することができる。
【００３２】
前記鋼のクロム含有率が高い場合は、軌道面と軸方向両端面に対する高周波焼入れの前処理として、軌道面を、表面から１ｍｍまでの範囲が、セメンタイトを３体積％以上残存する「セメンタイトとオーステナイトの二相組織」となるように加熱（前処理工程での加熱は、炉加熱および誘導加熱のいずれでもよい）した後、空冷以下の冷却速度で冷却を行って、マルテンサイトの体積率を５０％以下にすることが好ましい。
【００３３】
この前処理における加熱時の最高温度は、球状化炭化物の量に応じて、セメンタイトが３体積％以上残存する温度に設定する。セメンタイトの残存率が３体積％未満であると、結晶粒が部分的に粗大化する可能性がある。また、全炭化物におけるクロム炭化物の割合は、５００℃以上Ａ１変態点以下の温度域での保持時間で変化するが、高周波焼入れの前処理の冷却を空冷以下の速度で行うことにより、全炭化物におけるクロム炭化物の割合が高周波焼入れ時に炭化物の溶け込みを遅延させるほど高くはならない。
そして、このような前処理を行うことにより、前記鋼のクロム含有率が高い場合であっても、軌道面の残留オーステナイト量を１２体積％以上にできるとともに、軌道面の旧オーステナイト結晶粒径を３０μｍ以下にすることができる。
【００３４】
また、前記構成(f) を有することで、すなわち、前記軌道面および軸方向両端面の表面から０．１ｍｍの深さまでの硬さがＨｖ５００以上であると、他部品との接触による摩耗を生じ難くすることができる。
また、前記構成(h) を有することで、すなわち、軌道輪の非硬化部に残留オーステナイト量が０体積％である部分を有し、軸方向両端面の残留オーステナイト量が軌道面の残留オーステナイト量よりも１０体積％以上少ないものであると、軌道輪の寸法変化が小さく、高周波焼入れに代えて浸炭焼入れを行った場合と同程度の寸法安定性が得られる。
【００３５】
この発明の方法で、軌道面と軸方向両端面に対して同時に、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように誘導加熱する工程を実施するための装置として、前記軌道面と軸方向両端面を取り囲んで同時に加熱するコの字型部を有する主コイルと、前記軌道面を加熱する補助コイルを有する高周波熱処理装置（この発明の高周波熱処理装置）を使用することができる。また、この発明の方法で、前記嵌め合い面に対する高周波焼入れは、汎用の移動可能なコイルを用いて実施することができる。
【発明の効果】
【００３６】
この発明の転がり軸受は、前記内輪および前記外輪のうち少なくとも一方が前記構成(a) 〜(e) を満たすことにより、これらを満たさないものと比較して、寿命および軌道輪の靱性が、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途に好適であって、嵌め合い面の摩耗が抑制されたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。
【図２】実施形態の方法で使用する高周波熱処理装置の一部を示す斜視図である。
【図３】内輪の嵌め合い面に形成する硬化層パターンの一例を示す図である。
【図４】Ｌ１０寿命比と有効硬化層深さとの関係を示すグラフである。
【図５】Ｌ１０寿命比と旧オーステナイトの結晶粒径（ｄ）との関係を示すグラフである。
【図６】圧砕強度比と有効硬化層深さとの関係を示すグラフである。
【図７】Ｌ１０寿命比と残留オーステナイト量との関係を示すグラフである。
【図８】有効硬化層深さと円筒ころの直径（Ｄｗ）との関係を示すグラフである。
【図９】前処理方法の違いによる真円度の違いを示すグラフである。
【図１０】嵌め合い面に関し、摩耗深さと嵌め合い面に形成されている硬化層の割合との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、この発明の実施形態について説明する。
図１の円筒ころ軸受は、この発明の一実施形態に相当する転がり軸受であって、内輪１、 外輪２、複数の円筒ころ（転動体）３、および保持器４で構成されている。
内輪１は、外周面に軌道面１１を有し、内周面１２が軸との嵌め合い面である。外輪２は、内周面に軌道面２１を有し、外周面２２がハウジングとの嵌め合い面である。複数の円筒ころ３は、内輪１の軌道面１１と外輪２の軌道面２１との間に転動自在に配置されている。保持器４は、内輪１と外輪２の間に配置され、複数の円筒ころ３を１個ずつポケット４１内に保持している。
【００３９】
内輪１は、以下の方法で作製されたものである。外輪２、円筒ころ３、および保持器４は従来品である。
この方法で使用する高周波熱処理装置を図２に示す。
図２（ａ）の高周波熱処理装置は、主コイル５と補助コイル６とローラ７を有する。主コイル５は、コの字型部５０を有する。コの字型部５０は、軸方向に延びて内輪１の軌道面１１に対向配置される縦部５１と、軸方向と垂直な方向に延びて軸方向端面１３の軸方向外側に配置される一対の横部５２とからなる。補助コイル６の先端部６１は短い円弧状で、内輪１の軌道面１１に対向配置される。 ローラ７は内輪１を乗せて回転させるものであり、内輪１の軸方向端面１３の周方向で等間隔の３箇所に配置されている。
【００４０】
主コイル５は、図２（ａ）のコの字型部５０が複数個接続されたものが好ましい。図２（ｂ）（ｃ）に示す例では、内輪１の周方向に沿って配置された３個のコの字型部５０Ａ〜５０Ｃが、接続部５５により直列に接続され、さらに両端部５６，５７が接続されている。図２（ｃ）は図２（ｂ）のＡ矢視図である。
先ず、ＳＵＪ３（高炭素クロム軸受鋼第３種）製で球状化焼鈍された環状の素材を用意し、この素材を内輪１の形状に旋削加工する。ＳＵＪ３の組成は、〔Ｃ〕＝１．００質量％、〔Ｃｒ〕＝０．６０質量％、〔Ｍｎ〕＝１．００質量％、〔Ｓｉ〕＝０．６０質量％、〔Ｎｉ〕＝０．０５質量％、残部鉄および不可避的不純物である。ＳＵＪ３の前記(1) 式で定義されるＤＩ値は８．２である。
【００４１】
次に、内輪１の軌道面１１と軸方向両端面１３に対する高周波焼入れおよび焼戻しを行う。
すなわち、先ず、図２に示す高周波熱処理装置を使用して、内輪１の軌道面１１と軸方向両端面１３を、同時に、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように誘導加熱する。誘導加熱条件は、周波数５〜１００ｋＨｚ、加熱時間５〜２００秒、内輪の回転速度２０〜１００ｍｉｎ-1である。 具体的には、ローラ７により内輪１を回転させた状態で、主コイル５の縦部５１と横部５２により、内輪１の軌道面１１と軸方両端面１３を取り囲んで、これらを同時に加熱すると同時に、補助コイル６により内輪１の軌道面１１を加熱する。次いで、内輪１に２０〜５０℃の冷却水を噴霧して冷却する。次いで、内輪１を加熱炉に入れて１８０℃に２時間保持した後、放冷することで焼戻しを行う。
【００４２】
次に、内輪１の嵌め合い面１２に対する高周波焼入れおよび焼戻しを行う。
すなわち、加熱幅が約１０ｍｍになる汎用の移動焼きコイルを使用して、内輪１の嵌め合い面１２を螺旋状に、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように誘導加熱した後、内輪１に２０〜５０℃の冷却水を噴霧して冷却する。次いで、内輪１を加熱炉に入れて１８０℃に２時間保持した後、放冷することで焼戻しを行う。この高周波焼入れは、嵌め合い面１２の表面から１. ０ｍｍの深さまでＨｖ５５０以上となる条件で行う。誘導加熱条件は、例えば、周波数３０ｋＨｚ、出力５０ｋＷ、コイル移動速度１０ｍｍ／秒である。 
【００４３】
これにより、内輪１の嵌め合い面１２に、図３に示すような螺旋状パターンで、有効硬化層深さが１. ０ｍｍである硬化層１２ａを形成する。硬化層１２ａの幅（螺旋の軸方向の寸法）Ｌ１は約１０ｍｍ、硬化層同士の間隔Ｌ２は約５ｍｍ（１ｍｍ以上）とする。なお、図３は、内輪１の嵌め合い面１２の一部を展開した図である。
【００４４】
次に、研磨などの後加工を施すことによって内輪１を完成する。
なお、ＳＵＪ２とＳＵＪ４はクロム含有率が高く、オーステナイト安定化元素であるＭｎ含有率が低いため、高周波焼入れの前処理として、内輪１の軌道面１１に対する焼きならしを行う必要がある。ただし、クロム含有率が低い鋼やクロム含有率が高くてもＭｎを多く含む鋼（ＳＵＪ３、ＳＵＪ５）を用いる場合は、前処理をする必要がない。
前処理を行う場合は、先ず、図２に示す高周波熱処理装置の補助コイル６を使用し、ローラ７により内輪１を回転させた状態で、補助コイル６で内輪１の軌道面１１を誘導加熱する。誘導加熱条件は、周波数５〜１００ｋＨｚ、加熱時間５〜２００秒、内輪の回転速度２０〜１００ｍｉｎ-1である。 これにより、表面から１ｍｍまでの範囲が、セメンタイトが３体積％以上残存する「セメンタイトとオーステナイトの二相組織」となるようにする。
【００４５】
次いで、室温まで放冷（空冷以下の冷却速度で冷却）し、マルテンサイトの体積率を５０％以下にする。
この実施形態の内輪１の軌道面１１の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上になっている部分の厚さ）Ｙｏ（ｍｍ）と円筒ころ（転動体）３の直径Ｄｗ（ｍｍ）が下記の(2) 式を満たすものである。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５  …(2) 
【００４６】
また、内輪１の軌道面１１の表面硬さがＨｖ６５０以上であり、軌道面１１の残留オーステナイト量が１２体積％以上４０体積％以下である。また、内輪１の軌道面１１の旧オーステナイト結晶粒径が３０μｍ以下である。内輪１の嵌め合い面１２の３０％以上の表面硬さがＨｖ５５０以上である。
さらに、内輪１の軌道面１１および軸方向両端面１３の表面から０．１ｍｍの深さまでの硬さがＨｖ５００以上である。
【００４７】
また、内輪１の芯部の残留オーステナイト量が０体積％であり、軸方向両端面１３の残留オーステナイト量が軌道面１１の残留オーステナイト量よりも１０体積％以上少ないものである。
すなわち、この実施形態の円筒ころ軸受は、内輪１がこの発明の必須要件である前記構成(a) 〜(e) と好適要件である構成(f) (h) を満たすものであるため、前記構成(a) 〜(f)(h)を満たさない内輪１を備えたことのみが異なる円筒ころ軸受と比較して、寿命および軌道輪の靱性が、製鉄業の圧延機や風車等の回転軸を支持する用途に好適であって、嵌め合い面の摩耗が抑制されたものとなる。
【００４８】
なお、好適要件である構成(f) (h) を満たさず、前記構成(a) 〜(e) を満たす内輪１を備えた円筒ころ軸受もこの発明の範囲に含まれる。また、外輪２のみが、または内輪１と外輪２の両方が、前記構成(a) 〜(e) と好適要件である構成(f) (h) を満たす円筒ころ軸受も、この発明の範囲に含まれる。
外輪２の軌道面２１と軸方向両端面２３に対する高周波焼入れを行う場合には、主コイル５と補助コイル６を外輪２の内部に配置して行う。
さらに、前記構成(a) 〜(e) を満たす内輪および／または外輪を備えていれば、円筒  ころ軸受以外の転がり軸受（玉軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受等）もこの発明の範囲に含まれる。
【実施例】
【００４９】
[1] 構成(b)(c)(d) についての検証
[1-1] 実施例１〜１４と比較例１〜１０
図１の円筒ころ軸受を組み立てて、寿命試験を行った。内輪１としては、内径が３０ｍｍ、外径が６０ｍｍ、軸方向寸法が２３ｍｍ、肉厚（径方向の厚み：軌道面１１の直径と嵌め合い面１２の直径との差）が１５ｍｍであり、以下の方法で作製されたもの（２４種類のサンプル）を使用した。
【００５０】
外輪２、円筒ころ３、および保持器４としては、呼び番号ＮＵ２２１０ＥＴの円筒ころ軸受（内径が５０ｍｍ、外径が９０ｍｍ、軸方向寸法が２３ｍｍ、円筒ころの直径Ｄｗが１１ｍｍ）用のものを使用した。外輪２と円筒ころ３は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼第２種）製で通常の熱処理がされたものであり、保持器４は通常のもみ抜き型保持器である。
なお、外径が１８０ｍｍ以上である大型軸受では、内輪の平均的な肉厚が１５ｍｍであるため、この実施例では、中型軸受の内輪として肉厚が１５ｍｍの内輪を組み込むことで、大型軸受の場合の寿命を知る試験を行った。
【００５１】
内輪１は、ＳＵＪ３（高炭素クロム軸受鋼第３種）製で球状化焼鈍された環状の素材を用意し、この素材を内輪１の形状に旋削加工した後、表１〜３に示す各種熱処理を行い、研磨などの後加工を施すことで完成させたものである。
表１〜３の熱処理で「ＩＨ」とは、 実施形態に記載した方法により、内輪１の軌道面１１と軸方向両端面１３に対する高周波焼入れおよび焼戻しを行ったことを意味する。誘導加熱条件は、各サンプルで、周波数５〜１００ｋＨｚ、加熱時間５〜２００秒、内輪の回転速度２０〜１００ｍｉｎ-1の範囲で変化させた。 
【００５２】
表１〜３の熱処理で「ずぶ」とは、内輪１を加熱炉に入れて８００〜９００℃で１時間保持した後に油冷する、ずぶ焼入れを行った後、１８０℃で２時間保持する焼戻しを行ったことを意味する。
表１〜３の熱処理で「浸炭」とは、内輪１を加熱炉に入れて浸炭ガスを導入し、９００〜１０００℃で１０〜２０時間保持する浸炭処理を行った後、放冷し、その後、上記「ずぶ」と同様の条件で焼入れ焼戻しを行ったことを意味する。
【００５３】
＜寿命試験＞
先ず、実施例１〜１０および比較例１〜４として得られた各円筒ころ軸受を用いて、回転試験を下記の条件１（潤滑剤に異物が混入していない清浄な潤滑環境下：清浄潤滑環境下）で行い、剥離が生じるまでの時間を測定した。また、実施例１１、１２と比較例５〜７として得られた各円筒ころ軸受を用いて、回転試験を下記の条件２（潤滑剤に異物が混入している潤滑環境下：異物混入潤滑環境下）で行い、剥離が生じるまでの時間を測定した。
【００５４】
条件１
ラジアル荷重：５０ｋＮ（Ｐ／Ｃ＝０．６）
回転速度    ：１０００ｍｉｎ-1
潤滑油      ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ  ＶＧ６８である潤滑油
条件２
ラジアル荷重：２５ｋＮ（Ｐ／Ｃ＝０．３）
回転速度    ：１０００ｍｉｎ-1
潤滑油      ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ  ＶＧ６８である潤滑油
異物混入状態：潤滑剤中に異物を混入する代わりに、内輪の軌道面の幅方向中央にロックウェル硬度計にて８点の疑似圧痕を形成した。
【００５５】
なお、回転試験は、同じ種類の円筒ころ軸受を７個用意して行い、剥離が生じるまでの時間をプロットして得たワイブル分布の結果からＬ１０寿命を求めた。その結果を表１と表２に示す。表１の「Ｌ１０寿命比」は、比較例３のＬ１０寿命の値で各サンプルのＬ１０寿命を除算した値である。 表２の「Ｌ１０寿命比」は、比較例６のＬ１０寿命の値で各サンプルのＬ１０寿命を除算した値である。 
【００５６】
また、各サンプルで、内輪の軌道面と、軌道面から各深さ位置での硬さをビッカース硬度計で測定した。各深さ位置での硬さの測定は、各深さ位置で切断された断面試料を作製し、各断面試料の切断面を鏡面研磨した後、その研磨面に対して行った。その結果をプロットすることで、内輪の軌道面の硬さの深さ方向プロファイルを得た。 そして、各サンプルで得られたプロファイルから、軌道面の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上である表面からの深さ）Ｙｏを調べた。その結果を表１〜３に示す。
【００５７】
この円筒ころ軸受を構成する円筒ころ３の直径（Ｄｗ）は１１ｍｍであるため、Ｙｏが０．７７ｍｍ以上５．７７ｍｍ以下であれば前記(2) 式を満たすことになる。
また、残留オーステナイト量（γR ：体積％）はＸ線回折装置により測定した。測定の前に、内輪の軌道面を電解研磨することで加工影響層を取り除いた状態にした。その結果を表１〜３に示す。
また、内輪を軌道面の位置で径方向に沿って切断し、その切断面を鏡面加工仕上げし、さらに腐食処理した後、その切断面を顕微鏡で観察することにより、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径（ｄ）を測定した。その結果を表１〜３に示す。
【００５８】
また、実施例１〜１０および比較例１〜４について、この試験から得られた、軌道面の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上である表面からの深さ）ＹｏとＬ１０寿命との関係を図４に、軌道面の結晶粒径とＬ１０寿命との関係を図５に、それぞれ示す。なお、図５の横軸は結晶粒径ｄ（μｍ）そのものではなく、１／√ｄの値（単位：１／√ｍ）である。結晶粒径が３０μｍの場合、１／√ｄ＝１８３である。
また、実施例１１、１２と比較例５〜７について、この試験から得られた、軌道面の残留オーステナイト量とＬ１０寿命との関係を図６に示す。
【００５９】
【表１】
2014020538.tif 000003
【００６０】
【表２】
2014020538.tif 000004
【００６１】
表１に示すように、軌道面の有効硬化層深さＹｏ、表面硬さ（Ｈｖ）、旧オーステナイト結晶粒径ｄ（μｍ）、および残留オーステナイト量γR （体積％）が、全てこの発明の範囲内である実施例１〜１０では、清浄潤滑環境下において、比較例３の２．５倍以上のＬ１０寿命が得られた。これら（軌道面の四つの構成）のいずれかがこの発明の範囲から外れる比較例１〜３は、清浄潤滑環境下におけるＬ１０寿命が短かった。なお、軌道面の四つの構成が全てこの発明の範囲内であり、熱処理が浸炭である比較例４の清浄潤滑環境下におけるＬ１０寿命は、比較例３の２．４倍であった。
【００６２】
表２に示すように、軌道面の有効硬化層深さＹｏ、表面硬さ（Ｈｖ）、旧オーステナイト結晶粒径ｄ（μｍ）、残留オーステナイト量γR （体積％）の全てが、この発明の範囲内である実施例１１と１２では、異物混入潤滑環境下において、比較例６の２．５倍以上のＬ１０寿命が得られた。これら（軌道面の四つ構成）のいずれかがこの発明の範囲から外れる比較例６と７は、異物混入潤滑環境下におけるＬ１０寿命が短かった。なお、軌道面の四つの構成が全てこの発明の範囲内であり、熱処理が浸炭である比較例７の異物混入潤滑環境下におけるＬ１０寿命は、比較例６の２．０倍であった。
【００６３】
また、Ｙｏ＝０．７である比較例１では、内部からの破壊が生じた結果、寿命が短くなったと考えられる。Ｙｏ＝０．９である実施例１では、素材の硬さが十分に確保されたため、内部からの破壊が生じず、寿命が長かったと考えられる。これにより、内部からの破壊を十分に抑制するためには、軌道面に加わる応力よりも素材の硬さの方を大きくする必要があることが分かる。
【００６４】
図４に示すように、実施例２〜１０は、軌道面の有効硬化層深さＹｏ（ｍｍ）が１．５ｍｍ以上であり、実施例１と同様に、内部からの破壊が認められず、清浄潤滑環境下でのＬ１０寿命比が２．５以上と長寿命となった。
以上の結果から、軌道面の有効硬化層深さＹｏ（ｍｍ）が転動体の直径の０．０７倍以上になっていることで、寿命が長くできることが分かる。
【００６５】
また、図５に示すように、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径ｄが３０μｍ以上（「１／√ｄ」が１８３以下）になると、寿命が急激に低下している。
また、比較例５と実施例１１、１２は、表２に示すように、残留オーステナイト量以外の構成に大きな差がないが、図６に示すように、残留オーステナイト量の違いで異物混入潤滑環境下でのＬ１０寿命に差が生じた。残留オーステナイト量が多いことは異物混入潤滑環境下での長寿命化に有効である。
【００６６】
具体的には、残留オーステナイト量が１３体積％である実施例１１の異物混入潤滑環境下でのＬ１０寿命は、残留オーステナイト量が１０体積％である比較例５の３倍以上であり、残留オーステナイト量が３７体積％である実施例１２の異物混入潤滑環境下でのＬ１０寿命は、残留オーステナイト量が１０体積％である比較例５の７倍以上であった。
【００６７】
＜靱性試験＞
次に、実施例１３、１４および比較例８〜１０として得られた各円筒ころ軸受を用いて、靱性を評価するための圧砕試験を行った。
具体的には、先ず、ワイヤーカッターを用い、内輪の軌道面に、その幅方向（軸方向）に沿った深さ１ｍｍの予亀裂を幅方向全長に渡って形成した。次に、この予亀裂が水平に延びるように内輪を圧砕試験装置に装着して、内輪の軌道面に上方から荷重を加えて内輪を圧縮した。予亀裂からクラックが進展し、内輪が破断した時の荷重を調べて、その値を圧砕強度とした。その結果を表３に示す。表３の「圧砕強度比」は、比較例９の圧砕強度の値で各サンプルの圧砕強度を除算した値である。 
【００６８】
【表３】
2014020538.tif 000005
【００６９】
表３に示すように、軌道面の有効硬化層深さＹｏ、表面硬さ（Ｈｖ）、旧オーステナイト結晶粒径ｄ（μｍ）、残留オーステナイト量γR （体積％）の全てが、この発明の範囲内である実施例１３と１４では、比較例９の２．２倍以上の圧砕強度が得られた。これら（軌道面の四つ構成）のいずれかがこの発明の範囲から外れる比較例９と１０は、圧砕強度が小さかった。なお、軌道面の四つの構成が全てこの発明の範囲内であり、熱処理が浸炭である比較例７の圧砕強度は、比較例９の２．１倍であった。
【００７０】
また、図７に、この試験から得られた、軌道面の有効硬化層深さ（硬さがＨｖ５５０以上である表面からの深さ）Ｙｏと圧砕強度との関係を示す。試験に用いた円筒ころ軸受において、０．０７Ｄｗ＋５となるＹｏの値は５．７７ｍｍである。
比較例８と実施例１３、１４は、表３に示すように、軌道面の有効硬化層深さＹｏ以外の構成に大きな差がないが、図７に示すように、軌道面の有効硬化層深さＹｏの違いで圧砕強度に差が生じた。
【００７１】
具体的には、Ｙｏが２．１（≦５．７７ｍｍ）である実施例１３の圧砕強度は、Ｙｏが６．８ｍｍ（＞５．７７ｍｍ）である比較例８の１．８倍であり、Ｙｏが５．３ｍｍ（≦５．７７ｍｍ）である実施例１４の圧砕強度は、Ｙｏが６．８ｍｍ（＞５．７７ｍｍ）である比較例８の２．５倍であった。この結果から、Ｙｏが「０．０７Ｄｗ＋５」を超えると、硬化層が厚すぎて軌道輪の靱性が不十分となることが分かる。
以上のことから、Ｙｏ（ｍｍ）と転動体の直径Ｄｗ（ｍｍ）が前記(2) 式を満たすことにより、寿命と高靱性を両立できることが分かる。
【００７２】
[1-2] 実施例１５〜１７および比較例１１と１２
図１の円筒ころ軸受として、呼び番号ＮＵ２３２６の円筒ころ軸受（内径が１３０ｍｍ、外径が２８０ｍｍ、軸方向寸法が９３ｍｍ、円筒ころの直径Ｄｗが４０ｍｍ）を組み立てて、寿命試験を行った。この円筒ころ軸受において、０．０７ＤｗとなるＹｏの値は（０．０７×４０＝）２．８０ｍｍであり、０．０７Ｄｗ＋５となるＹｏの値は７．８０ｍｍである。
外輪２と円筒ころ３は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼第２種）製で通常の熱処理がされたものであり、保持器４は通常のもみ抜き型保持器である。
【００７３】
内輪１は、以下の方法で作製されたもの（５種類のサンプル）を使用した。
先ず、ＳＵＪ３（高炭素クロム軸受鋼第３種）製で球状化焼鈍された環状の素材を用意し、この素材を内輪１の形状に旋削加工する。次に、実施形態に記載した方法により、内輪１の軌道面１１と軸方向両端面１３に対して高周波焼入れおよび焼戻しからなる熱処理（ＩＨ）を行う。誘導加熱条件は、各サンプルで、周波数５〜１００ｋＨｚ、加熱時間５〜２００秒、内輪の回転速度２０〜１００ｍｉｎ-1の範囲で変化させた。 次に、研磨などの後加工を施すことで内輪１を完成させる。
【００７４】
これら５種類の円筒ころ軸受について、実施例１〜１０の円筒ころ軸受に対する回転試験と同じ方法で、清浄潤滑環境下での回転試験を行い、Ｌ１０寿命を求めた。また、実施例１〜１０の円筒ころ軸受を構成する内輪に対する方法と同じ方法で、軌道面の有効硬化層深さＹｏ、表面硬さ（Ｈｖ）、旧オーステナイト結晶粒径ｄ（μｍ）、および残留オーステナイト量γR （体積％）を測定した。
これらの結果を表４に示す。表４の「Ｌ１０寿命比」は、比較例３のＬ１０寿命の値で各サンプルのＬ１０寿命を除算した値である。 
【００７５】
【表４】
2014020538.tif 000006
【００７６】
表４に示すように、軌道面の有効硬化層深さＹｏ、表面硬さ（Ｈｖ）、旧オーステナイト結晶粒径ｄ（μｍ）、および残留オーステナイト量γR （体積％）が、全てこの発明の範囲内である実施例１５〜１７では、清浄潤滑環境下において、比較例３の２．５倍以上のＬ１０寿命が得られた。これら（軌道面の四つの構成）のいずれかがこの発明の範囲から外れる比較例１１と１２は、清浄潤滑環境下におけるＬ１０寿命が比較例３の０．７倍以下と短かった。
【００７７】
これにより、円筒ころ（転動体）の直径Ｄｗが４０ｍｍの場合でも、内輪の軌道面の有効硬化層深さＹｏ（ｍｍ）が円筒ころ（転動体）の直径の０．０７倍以上になっていることで、寿命が長くできることが分かる。
なお、図８は、円筒ころの直径Ｄｗが１１ｍｍである実施例１〜５と比較例１、円筒ころの直径Ｄｗが４０ｍｍである実施例１５、 １６と比較例１１、１２について、有効硬化層深さと円筒ころの直径Ｄｗとの関係を示すグラフである。
【００７８】
[2] 構成(a) についての検証
前記(1) 式で定義されるＤＩ値および合金組成が異なる複数の鋼に対して、焼入れを施したときの不完全焼入れ組織の発生状況を調べた。具体的には、表５に示すＳＵＪ２〜ＳＵＪ５、鋼種Ａ〜Ｃ、ＳＫ５の８種類の鋼からなり、厚さ１５ｍｍ、直径６０ｍｍの円板試料を用意し、加熱炉内で８４０℃に１時間保持した後、６０℃の油に入れる油焼入れを行った後、不完全焼入れ組織の発生状況を調べた。
また、各円板試料を加熱炉内で９５０℃に加熱した後に、そのまま炉内で冷却する（徐冷する）ことで、旧オーステナイト粒界に初析フェライトが析出するかどうかを調べた。これらの結果を表５に示す。
【００７９】
【表５】
2014020538.tif 000007
【００８０】
いずれの試料も計算上は過共析鋼である。表５に示すように、いずれの試料でも、初析フェライトの析出は認められなかった。
また、ＳＵＪ２（ＤＩ値４．９）、ＳＵＪ３（ＤＩ値８．２）、ＳＵＪ４（ＤＩ値７．３）、ＳＵＪ５（ＤＩ値１３．１）、鋼種Ａ（３．４）、および鋼種Ｂ（ＤＩ値２．２）では、不完全焼入れ組織が生じなかった。鋼種Ｃ（ＤＩ値１．１）では、不完全焼入れ組織が１％生じた。不完全焼入れ組織が生じていてもその体積が１％であれば、機械的な特性に影響を及ぼさない。ＳＫ５（ＤＩ値０．７）では、不完全焼入れ組織が８％（５％超）生じた。
【００８１】
以上のことから、ＤＩ値が１．０以上の鋼は、不完全焼入れ組織が実質的に生じない（２体積％以下である）良好な鋼材であることが分かる。よって、内輪および外輪のうち少なくとも一方を構成する素材として、ＤＩ値が１．０以上である鋼からなる素材を使用することにより、軌道面の硬さおよび転がり寿命を確保できる。
【００８２】
[3] 前処理方法についての検証
[3-1] 前処理方法の選定について
図１の構造を有する呼び番号ＮＵ２３２６の円筒ころ軸受の内輪（内径が１３０ｍｍ、外径が１６７ｍｍ、軸方向寸法が９３ｍｍ）を使用して、前処理（軌道面と軸方向両端面に対する高周波焼入れの前に行う処理）の効果を調べる試験を行った。素材はＳＵＪ３の球状化焼鈍された環状体である。
【００８３】
前処理Ａ：内輪を加熱炉に入れて、８００℃で０. ５時間保持した後に、室温まで放冷する焼きならしを行う。
前処理Ｂ：内輪の軌道面を含む外周面全体と端面を、９００℃まで高周波（誘導）加熱した後に、室温まで放冷する焼きならしを行う。
前処理Ｃ：内輪の軌道面に対してのみ、９００℃まで高周波（誘導）加熱した後に、室温まで放冷する焼きならしを行う。
【００８４】
前処理後の高周波焼入れは、硬化層深さが軌道面で４．２ｍｍ、端面で２. ０ｍｍとなるように行った。焼入れ後は速やかに２００℃にて焼戻し処理を行った。
このようにして得られた、前処理方法のみが異なる各内輪の外周円の真円度を測定した。また、各内輪について、軌道面の残留オースステナイト量、内部の残留オーステナイト量の最低値、端面の残留オーステナイト量、平均残留オーステナイト量を測定した。さらに、各内輪を２００℃で３００時間保持し、その前後での寸法変化率を測定した。
前処理方法の違いによる真円度の違いを図９に、残留オーステナイト量の違いを表６に示す。
【００８５】
【表６】
2014020538.tif 000008
【００８６】
図９の結果から、前処理Ａおよび前処理Ｂと比較して前処理Ｃの場合、すなわち、前処理として高周波加熱による軌道面のみの焼きならしを行った場合の真円度が小さく、熱処理変形量の低減効果が大きいことが分かる。
また、表６の結果から、前処理Ａおよび前処理Ｂと比較して前処理Ｃの場合に、寸法変化率が小さくできることが分かる。
【００８７】
[3-2] 前処理の有無について
表５に示す組成のＳＵＪ２〜ＳＵＪ５と鋼種Ａ〜Ｃからなる平板状の試験片を使用して、前処理（軌道面と軸方向両端面に対する高周波焼入れの前に行う処理）の必要性を調べる試験を行った。
前処理有りのサンプルでは、先ず、前処理として、各試験片の平板面を、周波数３０ｋＨｚの誘導コイルで加熱した後、室温まで放冷した。これにより、表面から１ｍｍまでの範囲を、誘導加熱により、内部組織をセメンタイトが３体積％以上残存する「セメンタイトとオーステナイトの二相組織」にした後、冷却によりマルテンサイトの体積率を５０％以下にした。
【００８８】
次に、各試験片の平板面を、周波数３０ｋＨｚの誘導コイルで、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように加熱した後、２５℃の冷却水中に入れて冷却することで、高周波焼入れを行った。次に、各試験片の平板面を、加熱炉に入れて１８０℃に２時間保持した後、放冷することで焼戻しを行った。
【００８９】
前処理無しのサンプルでは、上述の前処理を行わずに、各試験片の平板面を、周波数３０ｋＨｚの誘導コイルで、内部組織がセメンタイトとオーステナイトの二相組織となるように加熱した後、２５℃の冷却水中に入れて冷却することで、高周波焼入れを行った。次に、各試験片の平板面を、加熱炉に入れて１８０℃に２時間保持した後、放冷することで焼戻しを行った。
得られた各試験片の熱処理が施された平板面について、残留オーステナイト量（γR ：体積％）と旧オーステナイトの結晶粒径（ｄ）を測定した。その結果を表７に示す。
【００９０】
【表７】
2014020538.tif 000009
【００９１】
この結果から、同じ鋼からなる素材を用いた場合は、前処理を行うことで、表面の残留オーステナイト量が増加するとともに、表面の旧オーステナイト粒が微細化することが分かる。
そして、ＳＵＪ２およびＳＵＪ４（クロム含有率が高くオーステナイト安定化元素であるＭｎ含有率が低い鋼）からなる素材を用いた場合でも、前処理を行うことで、表面の残留オーステナイト量を１２体積％以上にできるとともに、表面の旧オーステナイト結晶粒径を３０μｍ以下にできることが分かる。
【００９２】
また、鋼種Ａ〜Ｃ（クロム含有率が低い鋼）、ＳＵＪ３およびＳＵＪ５（クロム含有率が高くてもＭｎを多く含む鋼）からなる素材を用いた場合は、前処理を行わなくても、表面の残留オーステナイト量を１２体積％以上にできるとともに、表面の旧オーステナイト結晶粒径を３０μｍ以下にできることが分かる。
【００９３】
[4] 構成(h) についての検証
図１の構造を有する呼び番号ＮＵ２３２６の円筒ころ軸受の内輪（内径が１３０ｍｍ、外径が１６７ｍｍ、軸方向寸法が９３ｍｍ）用の素材として、ＳＣＭ４２０、ＳＵＪ２、およびＳＵＪ３製の球状化焼鈍された環状の素材を用意し、この素材を内輪の形状に旋削加工した。
【００９４】
得られた内輪に対して、浸炭焼入れ（比較例１３）を行うか、前述の前処理Ｃを行った後に軌道面と軸方向両端面に高周波焼入れ（実施例１８〜２１と比較例１４）を行い、次いで２００℃にて焼戻し処理を行うことにより、各例で、内輪の各部の残留オーステナイト量を表８に示す各値とした。また、各内輪を２００℃で３００時間保持し、その前後での寸法変化率を測定した。その結果も表８に併せて示す。
【００９５】
【表８】
2014020538.tif 000010
【００９６】
表８に示すように、軌道面と端面との残留オーステナイト量の差（ΔγR ）が１０〜２１体積％である実施例１８〜２１の内輪の寸法変化率は、浸炭焼入れを行った比較例１３の内輪と同程度であった。軌道面と端面との残留オーステナイト量の差（ΔγR ）が６体積％である比較例１４の内輪の寸法変化率は、比較例１３の内輪よりも大きかった。
【００９７】
この結果から、ＳＵＪ２またはＳＵＪ３製で前処理後に高周波焼入れされ、軌道面の残留オーステナイト量が１５〜２８体積％であり、芯部（非硬化部）に残留オーステナイト量が０体積％の部分を含み、端面の残留オーステナイト量が軌道面の残留オーステナイト量よりも１０体積％以上少ない内輪は、ＳＣＭ４２０製で浸炭焼入れされた内輪と同程度の寸法安定性を有することが分かる。なお、ＳＵＪ３製の素材を用いる場合は、前処理を行わなくても、上記構成の内輪を得ることができる。
【００９８】
[5] 構成(e) についての検証
ＳＵＪ３からなり、厚さ６ｍｍで直径６０ｍｍの円板状試験片を６枚用意した。そのうちの５枚（No.9-1〜No.9-5）については、各試験片の円板面に、高周波焼入れと焼戻しにより、複数本の直線状の硬化層を、等間隔で放射状に延びるパターンで形成した。その際に、直線状の硬化層の形成本数を変えることで、各試験片の円板面の７％、１５％、２７％、３０％、５６％に硬化層が形成されている状態にした。
【００９９】
高周波焼入れは、表面から１. ５ｍｍの深さまでがＨｖ５５０以上となる条件で行った。焼戻しは、炉内で１８０℃に２時間保持した後、放冷する方法で行った。
残りの１枚（No.9-6）に対しては、加熱炉に入れて８４０℃に０. ５時間保持した後に油焼入れする「ずぶ焼き」を行った後、１８０℃に２時間保持した後、放冷する焼戻しを行うことで、試験片の円板面の全てに硬化層を形成した。
【０１００】
各試験片に対する摩耗試験を以下の方法で行った。先ず、各試験片を摩耗試験機の水平台の上にネジで固定し、その上に呼び番号５１３０５の単式スラスト玉軸受を、中心を合わせて配置する。次に、以下の条件で、この玉軸受の上レースに固定された軸を回転させて、下レースと試験片との間に微少滑りを生じさせる。
【０１０１】
＜摩耗試験条件＞
荷重：８８２０Ｎ
潤滑：油浴（ＶＧ６８）
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
試験時間：２０時間
試験終了後に、各試験片の下レースとの接触面について、中心から半径１５ｍｍ程度の位置を開始点として、径方向に沿って外側に向けて表面状態のライン分析を行い、最も凹んだ位置の深さを摩耗深さとして測定した。その結果を表９に示す。また、この結果から得られた、各試験片の円板面における硬化層の割合と摩耗深さとの関係を図１０にグラフで示す。
【０１０２】
【表９】
2014020538.tif 000011
【０１０３】
この結果から、表面硬さがＨｖ５５０以上である硬化層が３０％以上であると、全体を硬化層にした場合とほぼ同等の耐摩耗性が得られることが分かる。よって、内輪および外輪のうち少なくとも一方の嵌め合い面の３０％以上の表面硬さをＨｖ５５０以上とする（すなわち、嵌め合い面の３０％以上が高周波焼入れによる硬化層となっている）ことで、嵌め合い面の耐摩耗性を良好にすることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１  内輪
１１  内輪の軌道面
１２  内輪の内周面（嵌め合い面）
１２ａ  硬化層
１３  内輪の軸方向端面
２  外輪
２１  外輪の軌道面
２２  外輪の内周面（嵌め合い面）
２３  外輪の軸方向端面
３  円筒ころ（転動体）
４  保持器
４１  ポケット
５  主コイル
５１  縦部
５２  横部
６  補助コイル
６１  先端部
７  ローラ
【図１】
2014020538.tif 000012
【図２】
2014020538.tif 000013
【図３】
2014020538.tif 000014
【図４】
2014020538.tif 000015
【図５】
2014020538.tif 000016
【図６】
2014020538.tif 000017
【図７】
2014020538.tif 000018
【図８】
2014020538.tif 000019
【図９】
2014020538.tif 000020
【図１０】
2014020538.tif 000021