(57)【要約】【課題】優れた音響性能を有し安価であることに加えて、軌道輪の寿命低下を抑える転がり軸受を提供する。【解決手段】深溝玉軸受の転動体３は、炭素を０．７質量％以上１．３質量％以下、クロムを０．３質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、酸素を１２ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成されている。そして、この合金鋼を所定の形状に成形した後に、焼入れ，焼戻し，及びピーニング処理を施すことにより製造されたものである。このようにして製造された転動体３は、表面から直径の１％の深さまでの表層部分に、１０００ＭＰａ以上の残留圧縮応力が付与されている。また、転動体３の表面のビッカース硬さは８５０以上であり、転動体３の表面の残留オーステナイト量は０体積％超過１０体積％未満である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の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、前記転動体が下記の４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：炭素を０．７質量％以上１．３質量％以下、クロムを０．３質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、酸素を１２ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成されている。
条件Ｂ：焼入れ，焼戻し後のピーニング処理により、表面から直径の１％の深さまでの表層部分に１０００ＭＰａ以上の残留圧縮応力が付与されている。
条件Ｃ：表面のビッカース硬さが８５０以上である。
条件Ｄ：表面の残留オーステナイト量が０体積％超過１０体積％未満である。
【請求項２】
前記条件Ｂにおいて、焼入れの後にサブゼロ処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受においては、軌道輪と転動体との間で転がり運動が行われるため、軌道輪の軌道面及び転動体の転動面は繰り返し剪断応力を受ける。転がり軸受は剪断応力に耐えて十分な転がり疲労寿命を有する必要があるため、軌道輪や転動体を構成する材料には高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）が用いられ、これに焼入れ，焼戻しが施されて、ビッカース硬さがＨｖ６５０以上８００以下とされている。
また、軸受鋼の表面にショットピーニング処理を施して、表面硬さをＨｖ８５０以上９００以下とする技術が開示されている（特許文献１を参照）。この技術によれば、潤滑剤中に異物が混入していたとしても、軌道面に圧痕や摩耗が生じにくく長寿命となる。
【０００３】
一方、自動車の周辺機器、家電機器に使用される各種モータ、及びハードディスクドライブ等の情報機器には、優れた静粛性が要求されている。転がり軸受の音響性能が低下する原因の一つは、転がり軸受に作用した過負荷により転動体が肩に乗り上げた結果、転動体の転動面に生じる圧痕や永久変形であるので、前記機器における回転支持機構に使用される転がり軸受においては、浸炭窒化処理やショットピーニング処理により軸受鋼の表面のみを硬化させることや、高温焼戻しにより軸受鋼の表面の残留オーステナイト量をほぼ０体積％とすることにより、圧痕や永久変形の発生を抑制する手法が試みられている。
【０００４】
また、軌道輪又は転動体に、焼入れ後にサブゼロ処理及び高温焼戻しを施して、表面硬さをＨＲＣ６２以上とし、さらに残留オーステナイト量を０体積％とする技術が開示されている（特許文献２を参照）。この技術によれば、圧痕や永久変形の発生が抑制され、転がり軸受の音響性能の低下が抑制される。
【特許文献１】特開平５−１９５０６９号公報
【特許文献２】特開２００１−９９１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、残留オーステナイト量を０体積％とすると表面硬さが低下し、且つ、異物が混入すると転動体の転動面に剥離が生じやすくなるので、転がり軸受の寿命が不十分となるおそれがある。
また、ショットピーニング処理は硬い微粒子（メディア）を衝突させる処理であるため、転動体の形状や表面粗さの精度が損なわれるおそれがある。さらに、酸化アルミニウム製，ガラス製等のメディアを使用するため、転がり軸受の製造コストの上昇を招く。
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、優れた音響性能を有することに加えて長寿命且つ安価な転がり軸受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】
【０００６】
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、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の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、前記転動体が下記の４つの条件を満足することを特徴とする。
条件Ａ：炭素を０．７質量％以上１．３質量％以下、クロムを０．３質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、酸素を１２ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成されている。
【０００７】
条件Ｂ：焼入れ，焼戻し後のピーニング処理により、表面から直径の１％の深さまでの表層部分に１０００ＭＰａ以上の残留圧縮応力が付与されている。
条件Ｃ：表面のビッカース硬さが８５０以上である。
条件Ｄ：表面の残留オーステナイト量が０体積％超過１０体積％未満である。
【０００８】
このような構成の転がり軸受は、優れた音響性能を有し、軌道輪の寿命の低下を抑える働きを有する。また、安価に製造することが可能である。
また、本発明に係る請求項２の転がり軸受は、請求項１に記載の転がり軸受において、前記条件Ｂにおいて、焼入れの後にサブゼロ処理が施されていることを特徴とする。このような構成の転がり軸受は、より優れた音響性能を有する。
【０００９】
以下に、本発明の転がり軸受における条件Ａ〜Ｄ中の前述の各数値（合金鋼中の合金元素の含有量、残留オーステナイト量等）の臨界的意義について説明する。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、基地をマルテンサイト化して強度を向上させる元素である。転がり軸受に十分な寿命を付与するために必要な硬さと十分な量の炭化物とを得るには、炭素の含有量は０．７質量％以上とする必要がある。ただし、炭素の含有量が１．３質量％を超えると、製鋼時に粗大な炭化物が生成しやすくなって、転がり疲労寿命が低下するおそれがある。
【００１０】
〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、合金鋼の焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、基地を強化して転がり疲労寿命を高める作用を有する元素である。このような作用を十分に得るためには、クロムの含有量は０．３質量％以上とする必要がある。ただし、２質量％を超えて添加しても前述の作用は向上しないので、クロムの含有量の上限は２質量％とする必要がある。
【００１１】
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、製鋼時に脱酸剤として作用するとともに、合金鋼の焼戻し軟化抵抗性を高める作用も有している。このような作用を十分に得るためには、ケイ素の含有量は０．１質量％以上とする必要がある。ただし、過剰に添加すると合金鋼の被削性が低下してコストの増大を招くおそれがあるので、ケイ素の含有量の上限は１．５質量％とする必要がある。
【００１２】
〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤及び脱硫剤として作用することから、０．１質量％以上添加する必要がある。また、合金鋼の焼入性を向上させる作用を有していることから、０．２５質量％以上添加することがより好ましい。ただし、多量に添加すると、非金属介在物が多くなりすぎて、寿命が不十分となったり、合金鋼の鍛造性，被削性等の機械加工性が低下したりするおそれがあるため、マンガンの含有量の上限は１．５質量％とする必要がある。
【００１３】
〔酸素の含有量について〕
酸素（Ｏ）は、転がり寿命に有害な酸化物系の非金属介在物を形成するため、含有量は極力少なくする必要がある。酸素の含有量は１２ｐｐｍ以下とする必要があり、９ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。
〔不可避の不純物について〕
合金鋼には、前述の合金元素以外に、製鋼上不可避な量の不純物元素が含まれる。例えば、リン，イオウ，ニッケル，銅，モリブデン，バナジウム，アルミニウム，チタン，ニオブである。
〔転動体の表面硬さについて〕
軌道輪の寿命の低下を抑え、且つ音響性能を優れたものとするためには、転動体の表面のビッカース硬さを８５０以上とする必要がある。
【００１４】
〔転動体の表面の残留オーステナイト量について〕
転動体の表面の残留オーステナイト量を少なくすると、繰り返し剪断応力により分解する残留オーステナイトが少なくなり、経時変形が抑制される。よって、転がり軸受の音響性能に対しては、転動体の表面の残留オーステナイト量を極力少量とすることが好ましく、１０体積％未満とする必要がある。０体積％とすることが最も好ましいが、そのためには焼戻し温度を高くする必要が生じ、その結果表面硬さが低下してしまう。よって、転動体の表面の残留オーステナイト量は、０体積％超過１０体積％未満とした。
【００１５】
〔転動体の表層部分に付与されている残留圧縮応力について〕
転動体については、表面硬さ及び表面の残留オーステナイト量を好適な範囲に調整するとともに、表層部分に付与されている残留圧縮応力を１０００ＭＰａ以上とすると、転がり軸受の音響性能を優れたものとすることができる。ただし、残留圧縮応力が大きすぎると、転動体が脆化し早期剥離に至るおそれがあるため、残留圧縮応力は２０００ＭＰａ以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の転がり軸受は、優れた音響性能を有し安価であることに加えて、軌道輪の寿命の低下を抑える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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の深溝玉軸受（呼び番号６０８）は、内輪１と、外輪２と、内輪１及び外輪２の間に転動自在に配された複数の転動体３（直径３．９６９ｍｍの玉である）と、転動体３を保持する保持器４と、を備えている。
内輪１及び外輪２は軸受鋼ＳＵＪ２で構成されており、軸受鋼ＳＵＪ２を所定の形状に成形した後に、８４０℃以上９２０℃以下での焼入れ、−１９０℃以上−６０℃以下でのサブゼロ処理、１８０℃以上２１０以下での焼戻しを順次施すことにより製造されたものである。
【００１８】
また、転動体３は、炭素を０．７質量％以上１．３質量％以下、クロムを０．３質量％以上２質量％以下、ケイ素を０．１質量％以上１．５質量％以下、マンガンを０．１質量％以上１．５質量％以下、酸素を１２ｐｐｍ以下含有し、残部が鉄及び不可避の不純物である合金鋼で構成されている。そして、この合金鋼を所定の形状に成形した後に、８４０℃以上９２０℃以下での焼入れ、１５０℃以上２００以下での焼戻し、ピーニング処理、及びラップ処理を順次施すことにより製造されたものである。
【００１９】
このようにして製造された転動体３は、表面から直径の１％の深さまでの表層部分に、１０００ＭＰａ以上の残留圧縮応力が付与されている。また、転動体３の表面のビッカース硬さは８５０以上であり、転動体３の表面の残留オーステナイト量は０体積％超過１０体積％未満である。よって、本実施形態の転がり軸受は、優れた音響性能を有し、軌道輪の寿命の低下を抑える。また、上記のような製造方法により製造されるので、安価に製造することが可能である。
【００２０】
ピーニング処理により表面を硬化すると、転動体３の表面に圧痕，剥離，摩擦，摩耗等が生じにくくなる。また、ピーニング処理により、転動体３の表面から直径の１％の深さまでの表層部分に１０００ＭＰａ以上の残留圧縮応力が付与されることとなるので、転がり軸受の音響性能が優れたものとなる。ピーニング処理の種類は特に限定されるものではなく、ショットピーニング処理（例えば特開平１−１２８３１号公報を参照），ショットブラスト処理，バレルピーニング処理等を用いることができる。
【００２１】
なお、焼入れ温度が８４０℃未満であると、基地中の固溶炭素濃度が不十分となり、表面硬さが不十分となるおそれがある。一方、焼入れ温度が９２０℃超過であると、炭化物が分解して基地中の固溶炭素濃度が高くなりすぎるため、合金鋼の脆化を招くおそれがある。
また、転がり軸受の音響性能をより優れたものとするためには、焼入れと焼戻しとの間に−１９０℃以上−６０℃以下でのサブゼロ処理を施すことが好ましい。サブゼロ処理の温度が−６０℃超過であると、焼入れ時に生成した残留オーステナイトがマルテンサイト変態しないため、サブゼロ処理の効果が十分に得られにくい。一方、−１９０℃未満であると、冷却のためのコストが高くなるおそれがある。
【００２２】
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述した実施形態とほぼ同様の構成の転がり軸受を種々用意して、回転試験を行い、音響性能を評価した。ただし、転動体の焼入れ温度，焼戻し温度，及びサブゼロ処理の有無については、それぞれ表１に示すようにした。また、転動体に施すピーニング処理の条件を種々変更することにより、表層部分の残留圧縮応力を調整した。なお、ビッカース硬度計で測定した転動体の表面硬さ、及び、Ｘ線分析装置で測定した転動体の表面の残留オーステナイト量も、併せて表１に示してある。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
ここで、回転試験の条件及び音響性能の評価方法について説明する。スラスト方向の予圧（２９．４Ｎ）が付与された転がり軸受の外輪を固定して、種々のスラスト荷重を負荷した状態で内輪を回転させた（回転速度は１８００ｍｉｎ-1）。そして、回転時の音響性能（アンデロン値）をアンデロンメータ（株式会社菅原研究所製のＡＤ−０２００）を用いて測定した。アンデロン値の測定範囲は１８００〜１００００Ｈｚであり、得られた結果をＦＦＴアナライザ（株式会社小野測器製のＣＦ−３６０／Ｚ）を用いて解析した。負荷したスラスト荷重が０，９８０，１４７０，１９６０，２４５０，及び２９４０Ｎである場合の音響性能の評価結果を、図２のグラフに示す。また、実施例１〜５及び比較例１〜５の転がり軸受について、転動体に付与されている残留圧縮応力の分布を、図３のグラフに示す。なお、図３のグラフの横軸に示した「表面からの深さ」の数値は、転動体の直径に対する割合である。
【００２５】
図２のグラフから分かるように、実施例１〜５の転がり軸受は、比較例１〜５の転がり軸受よりも音響性能が優れていた。詳述すると、実施例１〜５の転がり軸受は、図３のグラフから分かるように転動体の表層部分の残留圧縮応力の変化が小さく、しかも表層部分の残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上であるので、大きなスラスト荷重が負荷された状態で回転させた場合とスラスト荷重０Ｎで回転させた場合とのアンデロン値の差が小さく、音響性能が優れていた。
【００２６】
特に、サブゼロ処理が施された実施例１，２については、大きなスラスト荷重が負荷された状態で回転させてもスラスト荷重０Ｎで回転させた場合とアンデロン値が大差なく、音響性能が非常に優れていた。これは、サブゼロ処理により残留オーステナイト量が低減され、しかも表面硬さが高くなるため、音響性能が向上したものと考えられる。
【００２７】
比較例１については、焼戻し温度が低く残留オーステナイト量が高いため、転動体が塑性変形を生じやすく音響性能が不十分であった。また、比較例２については、表面の残留オーステナイト量は０体積％であるが表面硬さが不十分であるため、早期に圧痕が生じやすく音響性能が不十分であった。さらに、比較例３〜５については、表面硬さ及び残留オーステナイト量は問題なく、さらに表面の残留圧縮応力も問題ないが、残留圧縮応力が１０００ＭＰａ未満である部分が表層部分に存在するため、圧痕が生じやすく音響性能が不十分であった。
【００２８】
このように、転動体の表面の硬さ及び残留オーステナイト量とともに、表層部の残留圧縮応力を適正なものとすることにより、転がり軸受の音響性能を優れたものとすることができる。なお、このような効果は、前述のような合金鋼に限らず、該合金鋼にモリブデンやバナジウムを添加したものにおいても、同様に奏された。
【００２９】
次に、音響性能の評価を行った後の転がり軸受について、転動体の表面を３次元走査型電子顕微鏡で観察し、転動体の表面形状を解析した。その結果、転動体が肩に乗り上げたことにより転動体の転動面に損傷が生じており、その損傷の周辺部分が盛り上がっていることが分かった（図４を参照）。ただし、表２に示すように、実施例１〜５については、比較例３〜５と比べて盛り上がり部の高さが小さかった。特に、サブゼロ処理が施された実施例１，２については、盛り上がり部の高さが極めて小さかった。盛り上がり部が高いほど音響性能が低いことから、両者には相関関係があると思われる。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
比較例３〜５と実施例１〜５とを比べると、表面硬さ及び残留オーステナイト量は大差ないが、残留圧縮応力が１０００ＭＰａ未満である部分が表層部分に存在するか否かの差異があるので、盛り上がり部の高さは、残留圧縮応力が１０００ＭＰａ未満である部分が表層部分に存在するか否かによって大きな影響を受けると考えられる。ただし、残留圧縮応力が１０００ＭＰａ未満である部分が表層部分に存在しない比較例１，２の場合も、比較例３〜５と同レベルの高さの盛り上がり部が確認されているため、盛り上がり部の高さは、表面硬さ及び残留オーステナイト量によっても変化すると考えられる。
【００３２】
さらに、このような損傷の周辺の盛り上がり部は、音響性能だけでなく経時変形を生じさせる原因にもなるので、軌道輪の寿命にも影響を及ぼすと考えられる。これらのことから、表層部分の残留圧縮応力，表面硬さ，及び残留オーステナイト量を調整することにより、転がり軸受の音響性能と軌道輪の寿命とを向上可能であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の転がり軸受は、自動車，工作機械，一般産業機械，精密機械等において好適に使用可能である。特に、自動車の周辺機器、家電機器に使用される各種モータ、及びハードディスクドライブ等の情報機器のように静粛性が要求される機器における回転支持機構として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】転がり軸受の音響性能の評価結果を示すグラフである。
【図３】転動体に付与されている残留圧縮応力の分布を示すグラフである。
【図４】損傷の周辺の盛り上がり部を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      内輪
２      外輪
３      転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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