(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道面を有する内輪と、該内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、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、を備えた転がり軸受の前記内輪及び前記外輪のうち少なくとも一方からなる軌道輪を製造する方法であって、
下記の(a) 〜(c) を満足する鋼材から得られた熱処理前の前記軌道輪に対して、
前処理として、高周波加熱により、軌道面のみを［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで加熱後冷却する焼きならし処理を施し、
次いで、軌道面が下記の(d) 〜(f) に規定する熱処理品質を満足するように、軸受断面の外周部全てについて［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで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。
(a) 炭素含有量が０．５質量％以上かつＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏの合金元素を任意に含み、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過共析鋼である。
(b) 以下の(1) 式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。
ＤＩ＝Ｄ０×ｆ（Ｓｉ）×ｆ（Ｍｎ）×ｆ（Ｎｉ）×ｆ（Ｃｒ）×ｆ（Ｍｏ）…(1) 
ここで、Ｄ０＝０．２×（％Ｃ）＋０．１４
ｆ（Ｓｉ）＝１＋０．６４×（％Ｓｉ）
ｆ（Ｍｎ）＝１＋４．１×（％Ｍｎ）
ｆ（Ｎｉ）＝１＋０．５２×（％Ｎｉ）
ｆ（Ｃｒ）＝１＋２．３３×（％Ｃｒ）
ｆ（Ｍｏ）＝１＋３．１４×（％Ｍｏ）
但し、％Ｃは炭素の質量％、％Ｍｎはマンガンの質量％、％Ｎｉはニッケルの質量％、％Ｃｒはクロムの質量％、％Ｍｏはモリブデンの質量％である。
(c) 球状化焼鈍された鋼材である。
(d) 軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）であるＹｏ（ｍｍ）が下記(2) 式を満足する範囲にある。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５…(2) 
ここで、Ｄｗ：転動体の直径（ｍｍ）
(e) 軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であるとともに、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％である。
(f) 軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である。
【請求項２】
転がり軸受の回転中に他部品と接触しうる前記軌道輪の軌道面以外の表面全体を、高周波焼入れを含む熱処理により硬化することで、表面硬さをＨｖ５００以上にするとともに、表面から０．１ｍｍ以上の部分をＨｖ５００以上にする請求項１記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項３】
前記軌道面の硬化層のうち、硬さがＨｖ６５０の部分とＨｖ４００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を１０００Ｈｖ／ｍｍ以下とする請求項１又は２記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に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、
前記軌道輪の円周上に２個以上のコイルを部分的に配置し、前記コイルの一つ以上が軸受断面の外周部全てを加熱する環状コイルであり、前記コイルの他方が軌道面のみを加熱する平面コイルであ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】
本発明は、産業用の転がり軸受、特に外輪の外径が１８０ｍｍ以上の大型の転がり軸受、例えば製鉄業の圧延機や風車等に好適な転がり軸受、転がり軸受の製造方法、及びその製造方法に用いら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、寿命と靭性が要求される。産業用の転がり軸受、特に、外輪の外径が１８０ｍｍ以上の大型の転がり軸受、例えば製鉄業の圧延機や風車等に好適な転がり軸受に関しては、高荷重や衝撃的荷重が負荷されることが多く、寿命と靭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。内部起点型の剥離は、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が図られてきた。これまで様々な製鋼プロセスの改善により酸素含有量の低減が図られてきたが、化学成分においては、炭素含有量が多いことが酸素含有量の低下に関して望ましい。実際に中炭素鋼であるＳ５３Ｃに比べてＳＵＪ２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。一方、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が図られれてきた。
【０００３】
一般に、表面起点型の剥離は、内部起点型に比べて、明らかに短寿命であることから、長寿命の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、鋼の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での焼入れが必要となる。更に、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、表面硬さを硬質の炭窒化物で補う必要があり、そのために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。従って、生産コストの増大を招いている。
【０００４】
一方、靭性に関しては、材料の硬さと二律背反の関係にある。従って、靭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、鉄鋼用の軸受など比較的大きな軸受に使用されることが多く、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、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熱処理が注目されている。この手法は、一つの部品の中に、高い面圧に耐える硬化層（焼入れされた表面部分）と、靭性に優れた非硬化層（焼入れされない心部）を作り出すことで、寿命と靭性とを両立させる方法である。また、非硬化層を有することで、表面の硬化層には圧縮残留応力を付与し、寿命の向上やクラック発生の抑制に有効となる。
【０００６】
また、この高周波熱処理による手法は、熱処理で硬さを制御できるので、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に代表される高炭素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が、高周波熱処理による手法によれば、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０．７質量％程度であれば、極表層のみに浸炭鋼並の残留オーステナイトを確保することができる。
【０００７】
多量の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、最大せん断応力深さよりも表面側の部分に多量に残留オーステナイトを存在させつつ全体量を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、内部疲労及び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。
なお、短時間で均一に昇温させることができ、装置も比較的簡易に済むリング状部品の高周波熱処理方法及び装置として、例えば、特許文献２に示すものが知られている。
【０００８】
また、高周波熱処理方法として、例えば、特許文献３に示すものが知られている。特許文献３には、炭素含有率０．５質量％以上の鋼からなる軸受部品に対して高周波焼入れ処理を施す方法において、高周波加熱して焼入れる焼入工程と、この焼入工程の前に、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とを備えた高周波焼入れ方法が開示されている。
【０００９】
更に、高周波熱処理方法として、例えば、特許文献４に示すものも知られている。特許文献４には、Ｃ：０．１〜０．４５重量％と、Ｃｒ：０．３〜１．５重量％と、Ｍｎ：０．２〜１．５重量％と、Ｓｉ：０．５〜２重量％と、もしくはＡｌ：０．２５〜１．５重量％のいずれか一方または（Ｓｉ＋Ａｌ）：０．５〜３．０重量％と、Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｏの不可避的不純物元素を含有し、残部がＦｅからなる鋼材を用いる転動部材の製造方法であって、その鋼材中のセグメントの平均Ｃｒ濃度が２．５〜１０重量％になるように加熱温度がＡ１温度〜９００℃である［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域での加熱処理であるＣｒ濃化処理工程と、加熱時間１０秒以下でＡ１温度以下の温度から９００〜１１００℃の焼入れ温度まで誘導加熱し急冷する高周波焼入れ処理工程と、１００〜３００℃の温度で加熱する焼戻し処理工程とを有し、高周波焼入れ処理工程の前に、３００℃〜Ａ１温度以下の加熱温度で予備加熱する前加熱処理工程を有し、高周波焼入れ処理工程のＡ１温度以下の温度から９００〜１１００℃の焼入れ温度までの加熱速度が１５０℃／ｓｅｃ以上である転動部材の製造方法が開示されている。
【００１０】
また、高周波熱処理方法として、例えば、特許文献５に示すものも知られている。特許文献５には、Ｃを０．９５質量％以上含有する鋼製の素材から、何れかの面に軌道面を設けた中間素材を造った後、この中間素材に、この軌道面の表層部の残留オーステナイト量を増やす為の熱処理工程を施す、転がり軸受用軌道輪の製造方法において、熱処理工程として、軌道面に存在する球状化炭化物組織の面積率が３％以下になるまで、この軌道面を高周波加熱し、続いて、５０℃／ｓ以上の冷却速度でＡ１変態点以下まで冷却する第一工程と、炉内雰囲気中で焼入れを行い、その後、焼戻し処理を行う第二工程とを備える転がり軸受用軌道輪の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−３７１６３号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５４０９号公報
【特許文献３】特許第４２０８４２６号公報
【特許文献４】特許第４３９０５２６号公報
【特許文献５】特開２００９−２７０１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、高周波焼入れは、浸炭処理に比べると、焼入れされた表面部分と焼入れされない心部との境界領域の硬さ勾配が急激になるので、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がある。
つまり、産業用の転がり軸受は自動車用の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、せん断応力は鋼の内部にまで作用するので、高周波焼入れを行った場合において、せん断応力が内部にまで作用することを考慮した硬さ勾配にする必要がある。ただし、せん断応力が内部にまで作用することを考慮した硬さ勾配にするため、必要以上に硬化層の深さを大きくすると、十分な靭性を得ることができない。
【００１３】
ここで、特許文献１に記載された転がり軸受の内輪およびその熱処理方法においては、高周波焼入れによって軌道面に勾配を持った硬化層が付与され、さらに軌道面や内径面および心部の硬さについては規定されているが、内部起点破壊や割れを抑制するための硬さ勾配（産業用の転がり軸受などの高い荷重が負荷される転がり軸受においてせん断応力が内部にまで作用することを考慮した硬さ勾配）に関する記載はない。
また、特許文献２に記載されたリング状部品の高周波熱処理方法及び装置においても、内部起点破壊や割れを抑制するための硬さ勾配に関する記載はない。
【００１４】
一方、特許文献３に記載された高周波熱処理方法にあっては、高周波加熱して焼入れる焼入工程の前に、少なくとも１回、Ａ３変態点を超えて、すなわち［セメンタイト＋オーステナイト］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、軸受鋼には炭化物が分散しており、この炭化物がピン止め効果によって微細な組織を維持していることから、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り、また、炭素が基地に過剰に固溶してしまい残留オーステナイトが過剰に残留し硬さが低下してしまう不都合がある。従って、汎用の軸受鋼に代表にされるような過共析鋼に高周波加熱を行う場合には、その保持温度は［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域での加熱にとどめるべきである。
【００１５】
一方、軸受鋼に高周波焼入れを行う場合には、前処理として調質処理（焼入れ焼戻し）や焼きならし処理を行うことが一般的である。これは、軸受鋼が、Ｃｒを多く含むこと、切削特性の向上を目的に球状化焼鈍されること、球状化炭化物にＣｒが濃化されることで高温加熱中の炭素の溶けだしを阻害すること、に起因している。炭化物中のＣｒ濃度は５００℃〜Ａ１変態点以下の温度域の保持時間に大きく左右されるため、空冷以上の速度で冷却すれば問題となるようなＣｒの再濃化は起こらない。
従って、軸受鋼に高周波焼入れをする場合には、前処理として［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで加熱し、急冷及び焼戻し、あるいは空冷して、炭化物中のＣｒ濃度を低下させ、続いて［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで高周波加熱して焼入れをすることが望ましい。
【００１６】
また、特許文献４では、鋼材中のＣｒ濃度を低下させる、高周波焼入れの前処理として、加熱温度がＡ１温度〜９００℃である［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域での加熱処理を行っている。しかしながら、加熱処理は炉内加熱で行われており、生産性の向上には限界がある。
更に、特許文献５では、焼入れ処理の前に、前処理として、軌道面に存在する球状化炭化物組織の面積率が３％以下になるまで、この軌道面を高周波加熱しているが、焼入れ処理を炉内加熱で行っており、特許文献４と同様に、生産性の向上には限界がある。
【００１７】
ここで、前処理及び焼入れ処理にて炉内加熱が行われると、生産性の向上に限界がある他、熱処理変形が発生するという問題がある。熱処理変形は、後工程である研削時間に直接影響し、この熱処理変形はＡ１変態点を超えた回数とオーステナイト化した領域が大きくなるほど顕著になる。また、通常の軸受鋼を素材とした場合、２回の相変態が起こる場合があるため、オーステナイト化した領域は最低限に留めるべきであり、前処理及び焼入れ処理の双方の処理に高周波加熱が望ましい。更に、軸受では表面部を全て硬化させる必要があり、炉内加熱により前処理を施した場合、軌道面だけでなく嵌め合い面や端面でも残留オーステナトの量が多くなるという問題がある。軸受において、軌道面では残留オーステナイトは長寿命化に寄与するが、その他の部分では寸法変化の原因となり少ないほど望ましい。
【００１８】
従って、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部起点破壊や割れを抑制するための硬さ勾配を適切に規定するとともに、十分な靭性を得ることにより、内部起点破壊が生じにくく長寿命な転がり軸受、転がり軸受の製造方法、及びその製造方法に用いられる高周波熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は、軌道面を有する内輪と、該内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、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、を備えた転がり軸受の前記内輪及び前記外輪のうち少なくとも一方からなる軌道輪を製造する方法であって、下記の(a) 〜(c) を満足する鋼材から得られた熱処理前の前記軌道輪に対して、前処理として、高周波加熱により、軌道面のみを［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで加熱後冷却する焼きならし処理を施し、次いで、軌道面が下記の(d) 〜(f) に規定する熱処理品質を満足するように、軸受断面の外周部全てについて［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで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を提供する。
(a) 炭素含有量が０．５質量％以上かつＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏの合金元素を任意に含み、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過共析鋼である。
(b) 以下の(1) 式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。
ＤＩ＝Ｄ０×ｆ（Ｓｉ）×ｆ（Ｍｎ）×ｆ（Ｎｉ）×ｆ（Ｃｒ）×ｆ（Ｍｏ）…(1) 
ここで、Ｄ０＝０．２×（％Ｃ）＋０．１４
ｆ（Ｓｉ）＝１＋０．６４×（％Ｓｉ）
ｆ（Ｍｎ）＝１＋４．１×（％Ｍｎ）
ｆ（Ｎｉ）＝１＋０．５２×（％Ｎｉ）
ｆ（Ｃｒ）＝１＋２．３３×（％Ｃｒ）
ｆ（Ｍｏ）＝１＋３．１４×（％Ｍｏ）
但し、％Ｃは炭素の質量％、％Ｍｎはマンガンの質量％、％Ｎｉはニッケルの質量％、％Ｃｒはクロムの質量％、％Ｍｏはモリブデンの質量％である。
(c) 球状化焼鈍された鋼材である。
(d) 軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）であるＹｏ（ｍｍ）が下記(2) 式を満足する範囲にある。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５…(2) 
ここで、Ｄｗ：転動体の直径（ｍｍ）
(e) 軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であるとともに、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％である。
(f) 軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である。
また、上記課題を解決する第一の転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、該内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、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、前記内輪及び前記外輪のうち少なくとも一方が鋼材を用いて製造された転がり軸受において、下記１〜６の条件を満足する。
【００２０】
１．前記鋼材は、炭素含有量が０．５質量％以上かつＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏの合金元素を任意に含み、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過共析鋼である。
２．前記鋼材は、以下の（１）式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。
ＤＩ＝Ｄ０×ｆ（Ｓｉ）×ｆ（Ｍｎ）×ｆ（Ｎｉ）×ｆ（Ｃｒ）×ｆ（Ｍｏ）  …（１）
ここで、Ｄ０＝０．２×（％Ｃ）＋０．１４
ｆ（Ｓｉ）＝１＋０．６４×（％Ｓｉ）
ｆ（Ｍｎ）＝１＋４．１×（％Ｍｎ）
ｆ（Ｎｉ）＝１＋０．５２×（％Ｎｉ）
ｆ（Ｃｒ）＝１＋２．３３×（％Ｃｒ）
ｆ（Ｍｏ）＝１＋３．１４×（％Ｍｏ）
但し、％Ｃは炭素の質量％、％Ｍｎはマンガンの質量％、％Ｎｉはニッケルの質量％、％Ｃｒはクロムの質量％、％Ｍｏはモリブデンの質量％である。
【００２１】
３．前記鋼材は、熱処理が高周波焼入れにより行われ、得られた前記内輪及び前記外輪のうちの少なくとも一方の軌道面が下記４〜６に規定する熱処理品質を有する。
４．得られた前記内輪及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（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が下記（２）式を満足する範囲にある。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５  …（２）
ここで、Ｄｗ：転動体の直径（ｍｍ）
５．前記軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であるとともに、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％である。
６．前記軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である。
【００２２】
また、第二の転がり軸受は、第一の転がり軸受において、前記転がり軸受が回転中に他部品と接触しうる前記内輪及び前記外輪のうち少なくとも一方の軌道面以外の表面全体が、高周波焼入れを含む熱処理により硬化され、その表面硬さがＨｖ５００以上であるとともに、Ｈｖ５００以上に硬化されている部位が表面から０．１ｍｍ以上であることを特徴としている。
ここで、内輪及び外輪のうち少なくとも一方が製造される鋼材は、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過共析鋼である。これにより、焼入れの際の加熱中の結晶粒の成長を防ぐことができる。過共析鋼であれば、基地を完全にオーステナイト化した際に炭化物が残存し、粒成長を防ぐことができる。  
【００２３】
また、鋼材の炭素含有量は０．５質量％以上である。鋼材の合金成分が炭素のみの場合、共析組成は０．７７質量％であるが、合金元素の添加（Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏの合金元素を任意に添加する）することにより、共析組成の炭素含有量は変化する。また、複数の合金元素が組み合わさった場合、Ｔｈｅｒｍｏｃａｌｃを用いて計算で共析組成の炭素含有量を計算することができる。実験的には９５０℃に加熱保持後、炉内で冷却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ことが確認された。炭素含有量の下限については焼入れ後の硬さは合金元素の種類や量にかかわらず炭素量に支配されるので、転がり軸受に必要な硬さＨＲＣ５８以上を確保するために、０．５質量％以上とした。
【００２４】
更に、鋼材は、上記（１）式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。ＤＩ値は、焼入れ硬化特性を表す指標である。ＤＩ値が低い鋼を焼入れした場合、不完全焼入れ組織が発生し、硬度や転がり寿命に悪影響を与える。鋼材のＤＩ値を変化させてそれぞれ焼入れしたときの不完全焼入れ組織について調査した。予備実験によると、不完全焼入れ組織の体積率が５％を超えると硬さに悪影響が現れ始めるので、安全を見て不完全焼入れ組織の体積率が２％以下の場合を良好なものとした。この結果、鋼材のＤＩ値が１．０以上の場合には、不完全焼入れ組織の体積率が２％以下であった。
【００２５】
また、内輪及び外輪のうち少なくと一方の軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏを０．０７Ｄｗ以上とすることにより、内部起点破壊や割れを抑制するための硬さ勾配（産業用の転がり軸受などの高い荷重が負荷される転がり軸受においてせん断応力が内部にまで作用することを考慮した硬さ勾配）を適切に規定し、長寿命となる。Ｙｏを０．０７Ｄｗ未満とすると、軌道面の有効硬化層深さが浅くなり、心部側に負荷される応力が材料の強度を上回り、内部起点破壊が生じる。また、軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏを０．０７Ｄｗ＋５以下とすることにより、高靭性に必要な心部が得られる。Ｙｏを０．０７Ｄｗ＋５より大きくすると、靭性が低くなる。従って、軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）を上記（２）式を満足するとすることにより、内部起点破壊が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供できる。
【００２６】
また、軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であるとともに、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％であるので、表面起点による破壊が生じにくくなり、長寿命とすることができる。軌道面の表面硬さがＨｖ６５０未満であると、表面起点による破壊が生じ易い。また、表面残留オーステナイトが１２％未満であっても、表面起点による破壊が生じ易い。また、表面残留オーステナイトが４０体積％よりも大きいと、焼き割れを発生する場合があるため、表面残留オーステナイトが４０体積％以下とする。
【００２７】
更に、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下であるので、良好な寿命及び耐衝撃性を得ることができる。当該結晶粒径が３０μｍよりも大きいと、結晶粒が粗大化したことにより材料強度が低下し、寿命の低下及び耐衝撃性の低下の起因となる。
また、転がり軸受が回転中に他部品と接触しうる内輪及び外輪のうち少なくとも一方の軌道面以外の表面全体が、高周波焼入れを含む熱処理により硬化され、その表面硬さがＨｖ５００以上であるとともに、Ｈｖ５００以上に硬化されている部位が表面から０．１ｍｍ以上であるので、他部品との接触による摩耗や、嵌合部のフレッチングなどが発生する環境下で使用されても長寿命な転がり軸受とすることができる。
【００２８】
また、第三の転がり軸受は、第一又は第二の転がり軸受において、前記軌道面の硬化層のうち、硬さがＨｖ６５０の部分とＨｖ４００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配が、１０００以下であることを特徴としている。  これにより、軌道面における硬化層の硬さ勾配が、内輪や外輪に作用するせん断応力の分布（せん断応力の勾配）よりも緩やか、または同程度となるので、寿命と高靭性の両立を図ることができる。
【００３０】
これにより、軌道面の組織状態が良好（不完全焼入れ組織がなく、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％となり、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である）な内輪及び外輪を有する転がり軸受が得られる。なお、前処理及び焼入れ処理共に高周波加熱としているので、生産性に優れると共に、軸受の熱処理による寸法変形が小さく、軸受の嵌め合い面及び端面の残留オーステナイトが多くなるのを回避することができる。
【００３１】
また、本発明の高周波熱処理装置は、本発明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、前記内輪及び外輪の円周上に２個以上のコイルを部分的に配置し、前記コイルの一つ以上が軸受断面の外周部全てを加熱する環状コイルであり、前記コイルの他方が軌道面のみを加熱する平面コイルであることを特徴としている。
【００３２】
この高周波熱処理装置を用いることにより、本発明の転がり軸受の製造方法を適切に実現することができる。つまり、軌道面のみを加熱する平面コイルを主体に軌道面のみに前処理を行い、軸受断面の外周部全てを加熱する環状コイルにより軸受断面の外周部全てについて焼入れ処理を行い、軌道面のみの硬化層を厚くし、軌道面の組織状態が良好（不完全焼入れ組織がなく、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％となり、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である）な内輪及び外輪を有する転がり軸受を得ることができる。
種々のコイル形状の中で、ワーク断面を全て囲むようにコイルを配置する環状コイルは均一加熱に適したコイルとして実用化されているが、硬化層深さに対するコイルギャップの依存性が少なく、コアなどを使用しても軌道面のみの硬化層を厚くするような微調整が難しい。これに対して、軌道面のみを加熱する平面コイルにより軌道面のみに前処理を行い、軸受断面の外周部全てを加熱する環状コイルにより軸受断面の外周部全てについて焼入れ処理を行うことで、軌道面のみの硬化層を容易に厚くすることができる。
【００３３】
更に、第五の転がり軸受は、本発明の転がり軸受の製造方法により製造された転がり軸受であって、前記軌道面の残留オーステナイトが１２〜４０体積％であり、軸受内部に残留オーステナイトが０体積％の部分を含み、かつ、嵌め合い面の残留オーステナイトが前記軌道面の残留オーステナイトよりも１０体積％以上低いことを特徴としている。
これにより、寸法変化が小さく浸炭軸受と同レベルの寸法安定性を確保した転がり軸受とすることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る転がり軸受、転がり軸受の製造方法、及びその製造方法に用いられる高周波熱処理装置によれば、内部起点破壊や割れを抑制するための硬さ勾配を適切に規定するとともに、十分な靭性を得ることにより、内部起点破壊が生じにくく長寿命な転がり軸受、転がり軸受の製造方法、及びその製造方法に用いられる高周波熱処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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部分断面図である。
【図２】本発明に係る転がり軸受の他の実施形態である円錐ころ軸受の内輪の断面図である。
【図３】本発明に係る高周波熱処理装置の一例の概略説明図である。
【図４】実施例１及び比較例１における硬さと表面からの距離との関係を示すグラフである。
【図５】各実施例及び比較例１、３、４における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６】各実施例及び比較例２、３、４におけるＬ１０寿命比と旧オーステナイトの結晶粒径との関係を示すグラフである。
【図７】各実施例及び比較例５、６、７における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】各実施例及び比較例８、９、１０における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９】各実施例及び比較例１１、１２における有効硬化層深さところ径との関係を示すグラフである。
【図１０】呼び番号：ＮＵ２３２６の軸受の内輪について種々の熱処理法を施した場合に、その熱処理法と真円度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】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。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部分断面図である。
図１に示す円筒ころ軸受１は、産業用の転がり軸受、特に外輪の外径が１８０ｍｍ以上の大型の転がり軸受、例えば製鉄業の圧延機や風車等に用いられる。
この円筒ころ軸受１は、軌道面１１ａを外周側に有する内輪１１と、内輪１１の軌道面１１ａに対向する軌道面１２ａを内周側に有する外輪１２と、内輪１１の軌道面１１ａと外輪１２の軌道面１２ａとの間に転動自在に配置された複数の転動体（円筒ころ）１３とを備えている。そして、内輪１１と外輪１２との間には、転動体１３を保持する保持器１４が備えられている。両軌道面１１ａ，１２ａと転動体１３の転動面１３ａとの間の潤滑は、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１４は備えていなくてもよい。また、円筒ころ軸受１は、シール、シールド等の密封装置（図示せず）を備えていてもよい。
【００３７】
ここで、内輪１１及び外輪１２の双方は、鋼材を用いて製造されている。この鋼材は、炭素含有量が０．５質量％以上かつＣｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏの合金元素を任意に含む、過共析鋼である。過共析鋼とは、平衡状態図で定義される共析組成以上の炭素鋼であり、実験的には、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。
【００３８】
この鋼材において、炭素含有量が０．５質量％以上である。鋼材の合金成分が炭素のみの場合、共析組成は０．７７質量％であるが、合金元素の添加（Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｏの合金元素を任意に添加する）することにより、共析組成の炭素含有量は変化する。炭素含有量の下限を０．５質量％としたのは、転がり軸受に必要な硬さＨＲＣ５８以上を確保するためである。一方、炭素含有量が２質量％を超えると、素材の製造過程においてオーステナイト単相とすることができず、初晶セメンタイトが残存し、寿命に悪影響を及ぼすことが懸念されるから、炭素含有量の上限は２質量％とすることが好ましい。
【００３９】
また、この鋼材において、Ｃｒの含有量は、４質量％以下とすることが好ましい。Ｃｒは、焼入れ性を確保する重要な元素であり、軸受鋼には通常１〜１．５質量％含まれる。一方で、含有量が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ため、Ｃｒ含有量の上限値を４質量％とすることが好ましい。
【００４０】
また、この鋼材において、Ｍｎの含有量は、２質量％以下とすることが好ましい。Ｍｎは、焼入れ性を確保する元素であり、軸受鋼にも通常１質量％含まれる。一方で、添加が過剰になると、残留オーステナトの生成が過剰となり、硬さを得にくくなるため、Ｍｎ含有量の上限値を２質量％とすることが好ましい。
更に、この鋼材において、Ｓｉの含有量は、２質量％以下とすることが好ましい。Ｓｉは焼戻し軟化抵抗性を付与できる元素であり、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。従って、生産性を考慮してＳｉ含有量の上限値を２質量％とすることが好ましい。
【００４１】
また、この鋼材において、Ｎｉの含有量は、３．５質量％以下とすることが好ましい。Ｎｉは焼入れ性を確保する元素であり、軸受鋼に不足する靭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、経済性を考慮して、Ｎｉ含有量の上限値を３．５質量％とすることが好ましい。
更に、この鋼材において、Ｍｏの含有量は、１．５質量％以下とすることが好ましい。Ｍｏは焼入れ性を確保する元素であり、共析組成を低炭素側に移動させる重要な元素である。一方で、Ｎｉと同様に高価な元素であるため、経済性を考慮して、Ｍｏ含有量の上限値を１．５質量５とすることが好ましい。
【００４２】
また、鋼材は、以下の（１）式で定義されるＤＩ値が１．０以上である。
ＤＩ＝Ｄ０×ｆ（Ｓｉ）×ｆ（Ｍｎ）×ｆ（Ｎｉ）×ｆ（Ｃｒ）×ｆ（Ｍｏ）  …（１）
ここで、Ｄ０＝０．２×（％Ｃ）＋０．１４
ｆ（Ｓｉ）＝１＋０．６４×（％Ｓｉ）
ｆ（Ｍｎ）＝１＋４．１×（％Ｍｎ）
ｆ（Ｎｉ）＝１＋０．５２×（％Ｎｉ）
ｆ（Ｃｒ）＝１＋２．３３×（％Ｃｒ）
ｆ（Ｍｏ）＝１＋３．１４×（％Ｍｏ）
但し、％Ｃは炭素の質量％、％Ｍｎはマンガンの質量％、％Ｎｉはニッケルの質量％、％Ｃｒはクロムの質量％、％Ｍｏはモリブデンの質量％である。
【００４３】
このように、ＤＩ値が１．０以上としたのは、次の理由による。即ち、ＤＩ値は、焼入れ硬化特性を表す指標である。ＤＩ値が低い鋼を焼入れした場合、不完全焼入れ組織が発生し、硬度や転がり寿命に悪影響を与える。このため、ＤＩ値を１．０以上とした。後述するように、鋼材のＤＩ値が１．０以上の場合には、不完全焼入れ組織の体積率が２％以下であり、良好な結果が得られている。
【００４４】
また、転動体１３は、ＳＵＪ３等の軸受鋼で構成されている。
また、内輪１１及び外輪１２の鋼材は、熱処理が高周波焼入れにより行われ、得られた内輪及び外輪の軌道面１１ａ，１２ａが下記１〜３に規定する熱処理品質を有している。
１．内輪１１及び外輪１２の軌道面１１ａ，１２ａの有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が下記（２）式を満足する範囲に調整される。
０．０７Ｄｗ≦Ｙｏ≦０．０７Ｄｗ＋５  …（２）
ここで、Ｄｗ：転動体の直径（ｍｍ）
【００４５】
このように、軌道面１１ａ，１２ａの有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）を０．０７Ｄｗ以上とすることにより、内部起点破壊や割れを抑制するための硬さ勾配（産業用の転がり軸受などの高い荷重が負荷される転がり軸受においてせん断応力が内部にまで作用することを考慮した硬さ勾配）を適切に規定し、長寿命の円筒ころ軸受１とすることができる。ここで、軌道面１１ａ，１２ａの有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）を０．０７Ｄｗ未満とすると、軌道面１１ａ，１２ａの有効硬化層深さが浅くなり、心部側に負荷される応力が材料の強度を上回り、内部起点破壊が生じる。また、軌道面１１ａ，１２ａの有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）を０．０７Ｄｗ＋５以下とすることにより、高靭性に必要な心部が得られる。軌道面１１ａ，１２ａの有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏを０．０７Ｄｗ＋５より大きくすると、心部の靭性が低くなる。これにより、内部起点破壊が生じにくく長寿命な円筒ころ軸受１を提供できる。
【００４６】
２．軌道面１１ａ，１２ａの表面硬さがＨｖ６５０以上であるとともに、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％である。
これにより、表面起点による破壊が生じにくくなり、長寿命とすることができる。軌道面１１ａ，１２ａの表面硬さがＨｖ６５０未満であると、表面起点による破壊が生じ易い。また、表面残留オーステナイトが１２体積％未満であっても、表面起点による破壊が生じ易い。また、表面残留オーステナイトが４０体積％よりも大きいと、焼き割れを発生する場合があるため、表面残留オーステナイトが４０体積％以下とする。
【００４７】
３．軌道面１１ａ，１２ａの旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である。
これにより、良好な寿命及び耐衝撃性を得ることができる。当該結晶粒径が３０μｍよりも大きいと、結晶粒が粗大化したことにより材料強度が低下し、寿命の低下及び耐衝撃性の低下の起因となる。
また、円筒ころ軸受１が回転中に他部品と接触しうる内輪１１及び外輪１２のうち少なくとも一方の軌道面１１ａ，１２ａ以外の表面全体（内輪１１の内径面１５、内輪１１の端面１７、外輪１２の端面１７、外輪１２の外径面１６）が、高周波焼入れを含む熱処理により硬化され、その表面硬さがＨｖ５００以上であるとともに、Ｈｖ５００以上に硬化されている部位が表面から０．１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、他部品との接触による摩耗や、嵌合部のフレッチングなどが発生する環境下で使用されても長寿命な円筒ころ軸受１とすることができる。
【００４８】
なお、図１に示すように、外輪１２のつば内周１８側や、図２に示すように、円錐ころ軸受の内輪２１のつば端部２２など、転がり軸受の回転中にシール等の他部品と接触が起こり得ない部分においては、摩耗やフレッチングが発生しないため、表面硬化せずとも構わない。
また、内輪１１及び外輪１２のうち少なくとも一方の心部の硬さはＨｖ５００以下が好ましく、特にＨｖ３００以下であると、より良好な靭性を得ることができる。
また、内輪１１の軌道面１１ａ及び外輪１２の軌道面１２ａのうち少なくとも一方を除いた円筒ころ軸受１における全表面の旧オーステナイトの結晶粒度を３０μｍ以下にすることが好ましい。これにより、良好な耐衝撃性を得ることができる。
【００４９】
更に、軌道面１１ａ，１２ａにおける硬化層のうち、硬さがＨｖ６５０の部分とＨｖ４００の部分との間の深さ方向の硬さ勾配を、１０００以下とすることが好ましい。これにより、軌道面１１ａ，１２ａにおける硬化層の硬さ勾配が、内輪１１や外輪１２に作用するせん断応力の分布（せん断応力の勾配）よりも緩やか、または同程度となるので、寿命と高靭性の両立を図ることができる。
【００５０】
次に、図１に示す転がり軸受１の製造方法、即ち熱処理方法について説明する。
先ず、当該熱処理方法に用いられる高周波熱処理装置について説明すると、図３に示すように、内輪１１及び外輪１２（図３では内輪のみ図示）の円周上に、軸受断面の外周部全てを加熱する１つの環状コイル３０と、軌道面のみを加熱する１つの平面コイル３１とを配置している。つまり、１つのワークである内輪１１等に対して、役割の異なる環状コイル３０と平面コイル３１とを配置している。ここで、環状コイル３０の巻き数は、ワークである内輪１１及び外輪１２に依存する。これら環状コイル３０及び平面コイル３１は、１対でなくてもよく、ワークサイズに応じて数を増加することができる。
【００５１】
次に、熱処理方法について述べると、先ず、ワークである球状化焼鈍された鋼材から得られた熱処理前の内輪１１（外輪１２）を図３に示す高周波処理装置の複数のロール３２上に置き、ローラ３２を回転させて当該内輪１１（外輪１２）をローラ３２上を回転させつつ、軌道面１１ａ，１２ａのみを高周波加熱し、［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで加熱し、その後、冷却する焼きならし処理（前処理）を行う。軌道面１１ａ，１２ａのみの高周波加熱に際しては、平面コイル３１を主体に加熱する。軌道面１１ａ，１２ａ以外の部分がＡ１点を越えない範囲では環状コイル３０を補助として用いてもよい。ここで、冷却に際しては、空冷以下の冷却速度にてマルテンサイトの体積率５０％以下となるように冷却することが好ましい。また、この前処理において、［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域に加熱する際、セメンタイトは体積率で３％以上残存させることが好ましい。
【００５２】
次いで、内輪１１（外輪１２）をローラ３２上を回転させつつ、軌道面１１ａ，１２ａが上記１〜３に規定する熱処理品質を満足するように軸受断面の外周部全てについて［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで高周波加熱し焼入れ処理を施す。この焼入れ処理に際しては、環状コイル３０および平面コイル３１を同時に用いてワークである内輪１１（外輪１２）の軸受断面の外周部全てについて高周波焼入れを行う。
【００５３】
これにより、軌道面１１ａ，１２ａのうち少なくとも一方の組織状態が良好（不完全焼入れ組織がなく、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％となり、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である）な内輪１１及び外輪１２を有する転がり軸受１が得られる。なお、前処理及び焼入れ処理共に高周波加熱としているので、生産性に優れると共に、内輪１１及び外輪１２のうち少なくとも一方の熱処理による寸法変形が小さく、内輪１１及び外輪１２のうち少なくとも一方の嵌め合い面及び端面の残留オーステナイトが多くなるのを回避することができる。なお、軌道面１１ａ，１２ａの組織状態が良好であれば、焼きならし処理を省略することもできる。
【００５４】
なお、ＤＩ値と不完全焼入れ組織の発生は関連があるが、不完全焼入れ組織の発生には冷却材依存性もあることが知られている。高周波焼入れでは、水（湯）を主たる冷却剤としているため、油焼入れよりも一般に冷却速度が早いが、急速な冷却は特に高炭素鋼で焼割れを誘発することがあるため、冷却速度調整剤としてポリマーを混ぜて使用する。
そして、当該熱処理方法に用いられる高周波熱処理装置は、内輪１１及び外輪１２のうち少なくとも一方の円周上に２個以上のコイルを部分的に配置し、コイルの一つ以上が軸受断面の外周部全てを加熱する環状コイル３０であり、コイルの他方が軌道面のみを加熱する平面コイル３１である。
【００５５】
この高周波熱処理装置を用いることにより、軌道面１１ａ，１２ａのみを加熱する平面コイル３１を主体に軌道面のみに前処理を行い、軸受断面の外周部全てを加熱する環状コイル３０と平面コイルの同時使用により軸受断面の外周部全てについて焼入れ処理を行い、軌道面１１ａ，１２ａのみの硬化層を厚くし、軌道面１１ａ，１２ａの組織状態が良好（不完全焼入れ組織がなく、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％となり、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である）な内輪及び外輪のうちの少なくとも一方を有する転がり軸受を得ることができる。種々のコイル形状の中で、ワーク断面を全て囲むようにコイルを配置する環状コイルは均一加熱に適したコイルとして実用化されているが、硬化層深さに対するコイルギャップの依存性が少なく、コアなどを使用しても軌道面のみの硬化層を厚くするような微調整が難しい。これに対して、軌道面１１ａ，１２ａのみを加熱する平面コイル３１を使用することにより、軌道面１１ａ，１２ａのみの硬化層を容易に厚くすることができる。また、平面コイル３１を用いて軌道面１１ａ，１２ａに前処理を行うと、より容易に良好な品質が確保できる。
【００５６】
また、前述した転がり軸受の製造方法により製造された転がり軸受は、軌道面１１ａ，１２ａの残留オーステナイトが１２〜４０体積％であるのみならず、軸受（内輪１１、外輪１２）の内部に残留オーステナイトが０体積％の部分を含み、かつ、嵌め合い面の残留オーステナイトが軌道面１１ａ，１２ａの残留オーステナイトよりも１０体積％低いことが好ましい。これにより、寸法変化が小さく浸炭軸受と同レベルの寸法安定性を確保した転がり軸受１とすることができる。
【００５７】
更に、内輪１１及び外輪１２の軌道面１１ａ，１２ａのうち少なくとも一方の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）の１／４深さまでの領域の不完全焼入れ組織の体積率が２％以下であることが、組織変化部からのはく離防止のためには望ましい。
なお、ＤＩ値と不完全焼入れ組織の発生は関連があるが、不完全焼入れ組織の発生には冷却材依存性もあることが知られている。高周波焼入れでは、水（湯）を主たる冷却剤としているため、油焼入れよりも一般に冷却速度が早いが、急速な冷却は特に高炭素鋼で焼割れを誘発することがあるため、冷却速度調整剤としてポリマーを混ぜて使用する。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、転がり軸受の例として円筒ころ軸受を挙げて説明したが、これに限定されず、本発明は他の種類の転がり軸受に対しても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、円錐ころ軸受、針状ころ軸受などのラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受、スラストころ軸受などのスラスト形の転がり軸受に本発明を適用することができる。
【実施例】
【００５９】
本実施形態の円筒ころ軸受１とほぼ同様の構成の円筒ころ軸受（呼び番号：ＮＵ２２１０ＥＴ、ころ径Ｄｗ：１１ｍｍ）を用意して、その寿命を評価した。但し、本発明は外輪の外径が１８０ｍｍ以上である産業用の大型軸受に好適であるので、大型軸受の平均的な肉厚を再現するために、内輪の内径は３０ｍｍ、外径は６０ｍｍ、肉厚（径方向の厚み）は１５ｍｍとした。
【００６０】
先ず、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。
内輪は、ＳＵＪ３製の球状化焼鈍材を粗加工することによって所定の形状に成形した後、高周波焼入れ及び焼戻しを施し、さらに研磨などの後加工を施すことによって内輪を完成した。高周波焼入れの条件は、周波数５〜１００ｋＨｚ、加熱時間５〜２００秒、ワーク回転速度２０〜１００ｍｉｎ−１である。また、焼戻し条件は、１８０℃に２時間保持した後、放冷するというものである。このようにして得られた内輪と、ＳＵＪ２製の一般的な外輪とを組み立てて円筒ころ軸受を製造した。
【００６１】
このように製造された円筒ころ軸受の回転試験を、潤滑剤に異物混入のない清浄な潤滑環境下（以後、清浄潤滑環境下と称す）及び潤滑剤に異物が混入している潤滑環境下（以後、異物混入潤滑環境下と称す）のそれぞれで行い、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。結果（実施例１〜１２及び比較例１〜７の寿命）を表１及び表２に示す。寿命は、それぞれの潤滑環境下での比較例３（ずぶ焼入れ）の寿命を１．０とした場合の相対値（Ｌ１０寿命比）で示してある。
【００６２】
回転試験の条件は下記の通りである。
Ａ．清浄潤滑環境下での回転試験の条件
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
Ｂ．異物混入潤滑環境下での回転試験の条件
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        ：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
【００６３】
実施例１〜１２及び比較例１〜２、５は、内輪に上記のような高周波焼入れをしたもの、比較例３、６は、内輪を、ＳＵＪ３製の球状化焼鈍材を粗加工によって所定の形状に成形した後にずぶ焼入れをして形成したもの、比較例４、７は、内輪を、ＳＵＪ３製の球状化焼鈍材を粗加工によって所定の形状に成形した後に浸炭処理したものである。実施例１〜１２及び比較例１〜７の熱処理品質（軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ、軌道面の表面硬さ、軌道面における残留オーステナイト（γＲ％）、及び軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径）について表１及び表２に示す。
【００６４】
【表１】
0005895493.tif 000002
【００６５】
【表２】
0005895493.tif 000003
【００６６】
また、比較例１及び実施例１の硬さプロファイル、及び５０ｋＮ（Ｐ／Ｃ＝０．６）のラジアル荷重を付与した際に生じるせん断応力を耐久硬さに変換した耐久硬さプロファイルを図４に示す。
表１、表２及び図４に示す、有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ、硬さプロファイル、及び表面硬さはビッカース硬度計にて測定した。また、残留オーステナイト（γＲ％）の測定はＸ線解析法により解析した。その際、内輪の表面（軌道面）を電界研磨して加工影響層を取り除いて測定を行った。更に、内輪を切断してその切断面を鏡面加工仕上げ及び腐食処理を行った後、切断面の顕微鏡観察により軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径の測定を行った。
【００６７】
先ず、潤滑環境下での回転試験の結果について表１及び図４乃至図６を参照して説明する。
実施例１については軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が、表１及び図５に示すように、０．９ｍｍであり、本発明のＹｏ（ｍｍ）の下限値０．０７Ｄｗ（ころ径Ｄｗ＝１１ｍｍ）を上回っている。これに対して、比較例１については軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が０．７ｍｍであり、Ｙｏの下限値０．０７Ｄｗ（ころ径Ｄｗ＝１１ｍｍ）を下回っている。このため、比較例１については、表１及び図５に示すように、Ｌ１０寿命比が０．６と短寿命となった。この理由は、比較例１につき軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏが浅かったため、図４に示すように、心部側に負荷される応力が素材の硬さを上回り、内部からの破壊が生じたためと考えられる。なお、実施例２〜１０については、軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が１．５ｍｍ以上であり、内部からの破壊が認められず、Ｌ１０寿命比が２．５以上と長寿命となった。これにより、内部からの破壊を十分に抑制するためには、負荷される応力よりも素材の硬さの方が大きいという関係を満たす必要があり、本発明の軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）の下限値（０．０７Ｄｗ）が必要であることがわかった。
【００６８】
次に、図６に示すように、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以上になると、急激に短寿命化することがわかる。比較例２の場合、表１及び図６に示すように、当該結晶粒径が３３μｍであり、Ｌ１０寿命比が０．２と急激に短寿命化している。この結晶粒径が３０μｍ以上になると、結晶粒が粗大化し、これにより材料強度が低下するためと考えられる。
なお、比較例３の場合、熱処理がずぶ焼入れである。
また、比較例４の場合、熱処理が浸炭処理であり、実施例１〜１０と同様に、長寿命である。
【００６９】
次に、異物混入潤滑環境下での回転試験の結果を表２及び図７を参照して説明する。
残留オーステナイトは異物混入潤滑環境下での長寿命化に有効であり、表２及び図７に示すように、実施例１１、１２は残留オーステナイト量が１２体積％を超えており、Ｌ１０寿命比が２．５以上で長寿命となった。比較例５の場合、表２及び図７に示すように、残留オーステナイト量が１０体積％であり、Ｌ１０寿命比が０．８で短寿命であった。
【００７０】
次に、靭性を評価するための圧砕試験を行った。ワイヤーカットにより内輪の軌道面に深さ１ｍまで予亀裂を形成し、予亀裂の伸びる方向を水平にして内輪を圧砕試験装置に装着し、上方から荷重を負荷し内輪を圧縮した。そして、予亀裂からクラックが伝播した荷重を圧砕強度とした。実施例１３、１４及び比較例８は、内輪に上記のような高周波焼入れをしたもの、比較例９は、内輪を、ＳＵＪ３製の球状化焼鈍材を粗加工によって所定の形状に成形した後にずぶ焼入れをして形成したもの、比較例１１は、内輪を、ＳＵＪ３製の球状化焼鈍材を粗加工によって所定の形状に成形した後に浸炭処理したものである。実施例１３、１４及び比較例８、９の熱処理品質（軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ、軌道面の表面硬さ、軌道面における残留オーステナイト（γＲ％）、及び軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径）及び試験結果について表３及び図７に示す。圧砕強度は、比較例９（ずぶ焼入れ）の圧砕強度を１．０とした場合の相対値（圧砕強度比）で示してある。
【００７１】
【表３】
0005895493.tif 000004
【００７２】
圧砕試験の結果、実施例１３、１４については軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が、表３及び図８に示すように、それぞれ２．１ｍｍ、５．３ｍｍであり、本発明のＹｏ（ｍｍ）の上限値０．０７Ｄｗ＋５（ころ径Ｄｗ＝１１ｍｍ）を下回っている。これに対して、比較例８については軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏが６．８ｍｍであり、Ｙｏ（ｍｍ）の上限値０．０７Ｄｗ＋５（ころ径Ｄｗ＝１１ｍｍ）を上回っている。このため、比較例８については、表３及び図８に示すように、圧砕強度比が１．２と短寿命となった。この理由は、圧砕強度に影響を及ぼす因子としては高靭性の心部の存在が考えられ、この高靭性の心部の割合の影響により圧砕強度が決定するものと考えられており、比較例８のように、軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が上限値０．０７Ｄｗ＋５を上回ると、高靭性の心部の割合が少なくなると考えられるからである。
【００７３】
次に、ころ径Ｄｗ：１１ｍｍの円筒ころ軸受からころ径Ｄｗを変えた円筒ころ軸受（呼び番号：ＮＵ２３２６ＥＭ、ころ径Ｄｗ：４０ｍｍ）を用意し、上記（ＮＵ２２１０ＥＴ）と同様に高周波焼入れ及び焼戻しを施して内輪を製作し、清浄潤滑環境下にて回転試験を行った。製造した内輪（実施例１５〜１７及び比較例１１、１２）の熱処理品質（軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）、軌道面の表面硬さ、軌道面における残留オーステナイト（γＲ％）、及び軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径）と試験結果について表４及び図９に示す。なお、試験結果である寿命は、清浄潤滑環境下でずぶ焼入れした比較例３の寿命を１．０とした場合の相対値（Ｌ１０寿命比）で示してある。
【００７４】
【表４】
0005895493.tif 000005
【００７５】
表４及び図９を参照すると、ころ径Ｄｗを１１ｍｍから４０ｍｍに変化させた場合であっても、軌道面の有効硬化層深さ（Ｈｖ５５０）Ｙｏ（ｍｍ）が下限値０．０７Ｄｗ以上であれば、Ｌ１０寿命比が２．０以上となることがわかった。
【００７６】
次に、鋼材のＤＩ値を変化させた鋼種に対して焼入れをしたときの不完全焼入れ組織の発生状況を確認した。本調査では、表５に示すＤＩ値及び合金成分を有するＳＵＪ２〜ＳＵＪ５、鋼種Ａ〜Ｃ、ＳＫ５の鋼種につき、厚さ１５ｍｍ、φ６０ｍｍの円板試料を用意し、８４０℃にて１時間保持した後、６０℃での油中に焼入れを行い、不完全焼入れ組織の発生状況を確認した。その結果を表５に示す。ＤＩ値は、焼入れ硬化特性を表す指標である。ＤＩ値が低い鋼を焼入れした場合、不完全焼入れ組織が発生し、硬度や転がり寿命に悪影響を与える。予備実験によると、不完全焼入れ組織の体積率が５％を超えると硬さに悪影響が現れ始めるので、安全を見て不完全焼入れ組織の体積率が２％以下の場合を良好なものとした。
【００７７】
【表５】
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【００７８】
いずれの試料も計算上は過共析鋼であり、９５０℃からの徐冷組織に初析フェライトは認められなかった。
また、ＤＩ値が２．２〜４．９までの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）及び鋼種Ｂ（ＤＩ値２．２）については、いずれも不完全焼入れ組織がなかった。
更に、ＳＫ５（ＤＩ値０．７）、鋼種Ｃ（ＤＩ値１．１）では不完全焼入れ組織の発生が認められるが、鋼種Ｃでは不完全焼入れ組織の体積率が１％であり、機械的な特性に影響はない。
従って、ＤＩ値が１．０以上の鋼材であれば、不完全焼入れ組織の少ない良好な鋼材であることがわかる。
【００７９】
次に、下記寸法を有する呼び番号：ＮＵ２３２６の内輪について、下記Ａ〜Ｃの熱処理をそれぞれ行った場合の内輪の真円度について調査した。
内輪の寸法
内径：１３０ｍｍ
外径：１６７ｍｍ
幅：９０ｍｍ
熱処理方法
Ａ：前処理として炉加熱による焼ならし→焼入れ処理として高周波焼入れ
Ｂ：前処理として高周波加熱による内外径表面焼ならし→焼入れ処理として高周波焼入れ
Ｃ：前処理として高周波加熱による軌道面のみの焼ならし→焼入れ処理として高周波焼入れ
【００８０】
高周波焼入れは、上記Ａ〜Ｃのそれぞれについて、硬化層深さが軌道面４．２ｍｍ、嵌め合い面１．５ｍｍとなるように熱処理を行った。焼入れ後は速やかに２００℃にて焼戻し処理を行った。
その結果を図１０に示す。図１０を参照すると、熱処理方法がＡの場合の真円度≒熱処理方法がＢの場合の真円度＞熱処理方法がＣの場合の真円度となっており、熱処理方法がＣの場合、即ち、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熱処理変形量削減効果が大きいことがわかる。
【００８１】
また、上記寸法を有する呼び番号：ＮＵ２３２６の内輪について、上記Ａ〜Ｃの熱処理をそれぞれ行った場合の、内輪の軌道面の残留オースステナイト量、内輪内部の残留オーステナイト量の最低値、内輪の嵌め合い面の残留オーステナイト量、内輪の平均残留オーステナイト量、及び２００℃で３００時間保持した際の寸法変化率について調査した。この結果を表６に示す。
【００８２】
【表６】
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【００８３】
表６を参照すると、熱処理方法がＡの場合の寸法変化率≒熱処理方法がＢの場合の寸法変化率＞熱処理方法がＣの場合の寸法変化率となっており、残留オーステナイトによる耐表面疲労特性を維持したまま寸法変化しにくい軸受とするためには、熱処理方法がＣの場合、即ち、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が最適であることがわかる。
次に、表６の結果をもとに、熱処理方法Ｃを用いて、軌道面の残留オーステナイト量を１２体積％以上確保し、なおかつ非焼入れ部の心部が残存するように高周波熱処理条件を微調整した呼び番号：ＮＵ２３２６の内輪の寸法安定性を評価した。その評価結果を表７に示す。
【００８４】
【表７】
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【００８５】
表７において、比較例１３は熱処理を浸炭焼き入れしたもの、比較例１４は熱処理が高周波焼入れ、軌道面の残留オーステナイトが２０体積％であり、軸受心部の残留オーステナイトが０体積％であるが、嵌め合い面の残留オーステナイトが１４体積％であり、嵌め合い面の残留オーステナイトが軌道面の残留オーステナイトよりも６体積％低いものである。
【００８６】
表７を参照すると、実施例１８〜２１においては、熱処理が高周波焼入れ、軌道面の残留オーステナイトが１５〜２８体積％であり、軸受心部の残留オーステナイトが０体積％であり、嵌め合い面の残留オーステナイトが５〜１１体積％であり、嵌め合い面の残留オーステナイトが軌道面の残留オーステナイトよりも１０〜２１体積％低い。この場合、内輪の寸法変化率が０．０４〜０．０５％と比較例１３における内輪の寸法変化率と同程度に低いことがわかる。
【００８７】
一方、比較例１４においては、嵌め合い面の残留オーステナイトが軌道面の残留オーステナイトよりも６体積％低いもので、この場合、内輪の寸法変化率が０．０７％と大きい。
従って、軌道面の残留オーステナイトが１２〜４０体積％であり、軸受内部に残留オーステナイトが０体積％の部分を含み、かつ、嵌め合い面の残留オーステナイトが軌道面の残留オーステナイトよりも１０体積％以上低いことにより、内輪の寸法安定性を浸炭焼入れした内輪の寸法安定性と同程度に確保できることがわかる。
次に、前処理の有無と熱品質処理に及ぼす鋼種の影響について平板試料を用いて検証を行った。その結果を表８に示す。
【００８８】
【表８】
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【００８９】
本発明では、異物混入潤滑環境下での長寿命を目指しており、残留オーステナイト量を比較例１７に示すずぶ焼鋼よりも大きく、即ち、表８に示すように、軌道面の残留オーステナイトを１１体積％以上とする必要がある。
表８からわかるように、同一鋼種（ＳＵＪ２〜５、鋼種Ａ、Ｂ、Ｃ：各鋼種の合金成分は表５に示すとおりである）において、前処理として焼きならしを行うと、軌道面の残留オーステナイト量が増加するとともに、軌道面の旧オーステナイト粒径が微細化する傾向にあることがわかる。特にＣｒを多く含むＳＵＪ２〜ＳＵＪ５では、前処理として焼きならしを行わないと、軌道面の残留オーステナイトが確保しにくいことがわかる。ＳＵＪ２で前処理としての焼きならしを行わない場合、軌道面の残留オーステナイトが７体積％と低い（比較例１５）、また、ＳＵＪ４で前処理としての焼きならしを行わない場合、軌道面の残留オーステナイトが６体積％と低い（比較例１６）。従って、本発明においては、前処理として焼きならしを行う（実施例２２、２４、２５、２７、２９、３１、３３）。但し、ＳＵＪ３やＳＵＪ５などは表５に示すとおりＣｒ含有量が１質量％近傍に抑えられており、オーステナイト安定化元素であるＭｎを多く含む軸受鋼では前処理として焼きならしを行わなくても軌道面の残留オーステナイトが確保できる場合には必ずしも焼きならしを行わなくてもよい（実施例２３、２６）。また、鋼種Ａ〜ＣのようにＣｒ量が少ない鋼種では、前処理として焼きならしを行う必要は必ずしもない（実施例２８、３０、３２）。
【００９０】
従って、表８からもわかるように、球状化焼鈍された鋼材から得られた熱処理前の内輪及び外輪のうち少なくとも一方に対して、高周波加熱により軌道面のみを［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで加熱後冷却する焼きならし処理をする前処理を施し、次いで、軌道面が請求項１記載の熱処理品質を満足するように軸受断面の外周部全てについて［セメンタイト＋オーステナイト］二相領域まで高周波加熱し焼入れ処理を施すことにより、軌道面の組織状態が良好（不完全焼入れ組織がなく、表面残留オーステナイトが１２〜４０体積％となり、軌道面の旧オーステナイトの結晶粒径が３０μｍ以下である）な内輪及び外輪を有する転がり軸受が得られる。
【００９１】
なお、前処理における軌道面の焼きならしでの冷却速度は空冷以上の緩やかな冷却が望ましい。具体的には、マルテンサイト体積率が５０％以下となるように冷却することが望ましい。また、最高加熱温度は球状化炭化物の量によって決定され、球状化炭化物の体積率が３％以上残存する温度とする。これは、これ以上炭化物が減ると結晶粒が部分的に粗大化する場合があるためである。
【符号の説明】
【００９２】
１  転がり軸受
１１  内輪
１１ａ  軌道面
１２  外輪
１２ａ  軌道面
１３  転動体（円筒ころ）
１３ａ  転動面
１４  保持器
１５  内輪の内径面
１６  外輪の内径面
１７  内輪、外輪の端面
１８  外輪のつば内周
２１  円錐ころ軸受の内輪
２２  内輪のつば端部
【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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【図９】
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【図１０】
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