(57)【要約】【課題】クリーンな環境における介在物起点はく離や汚染環境下における圧痕起点型のはく離を抑制し、長寿命化を達成し得る転がり軸受を提供する。【解決手段】外輪と内輪との間に複数の転動体を配置して用いられる転がり軸受において、炭素量０．８質量％以上含有する高炭素軸受鋼からなる前記外輪、内輪、転動体のうち、少なくとも１つの完成品における旧オーステナイト平均結晶粒径をｄμｍとするとき、極値統計法により推定した推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法とのうち大きい方の推定最大介在物寸法を√areamaxとした場合に、下記（１）式を満たす転がり軸受とする。  ｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０  ・・・（１）【選択図】図１
2006063356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と内輪との間に複数の転動体を配置して用いられる転がり軸受において、
炭素量０．８質量％以上含有する高炭素軸受鋼からなる前記外輪、内輪、転動体のうち、少なくとも１つの完成品における旧オーステナイト平均結晶粒径をｄμｍとするとき、極値統計法により推定した推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法とのうち大きい方の推定最大介在物寸法を√areamaxとした場合に、下記（１）式を満たすことを特徴とする転がり軸受。
ｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０  ・・・（１）
【請求項２】
外輪と内輪との間に複数の転動体を配置して用いられる転がり軸受の製造方法であって、
前記外輪、内輪、転動体のうち、少なくとも１つの特定部品は、炭素量０．８質量％以上含有する高炭素軸受鋼を素材候補とし、その素材候補の旧オーステナイト平均結晶粒径ｄμｍを測定する一方、
前記素材候補について極値統計法で推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法とのうち大きい方の推定最大介在物寸法√areamaxを推定し、
前記旧オーステナイト平均結晶粒径ｄμｍおよび前記推定最大介在物寸法√areamaxが下記（１）式を満足する前記素材候補を、前記特定部品の素材として用いて前記転がり軸受を製造することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
ｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０  ・・・（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受およびその製造方法に係り、特に、自動車、農業機械、建設機械および鉄鋼機械等のトランスミッション、エンジン補機用、ハブホイール等に使用される転がり軸受の寿命向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、転がり軸受用の材料としてはＪＩＳに規定された高炭素クロム軸受鋼、特に、ＳＵＪ２が一般的に用いられ、焼入れ・焼戻し処理を行い、表面硬さを約ＨＲＣ６０〜６３として使用されている。
ところで、潤滑油中に異物が存在する汚染された環境においては、異物によって転動面に圧痕が形成されて応力集中が生じ、き裂が圧痕縁から発生・進展する表面起点型の破損で転がり軸受は破損する。その場合には、材料の強度が高いと耐圧痕性が向上し、圧痕が形成され難くなるだけでなく、き裂の発生・進展を抑制する効果もある。したがって、材料の強度を向上させることは悪潤滑環境下の軸受寿命延長に有効である。
【０００３】
材料強度を向上させる手法としては、金属学的には、（Ａ）炭素、窒素の固溶量を増加させ固溶強化をはかる、（Ｂ）炭化物による析出強化、（Ｃ）結晶粒を細かくする、が主に挙げられている。
しかし、（Ａ）の手法は、コスト上の問題がある。また、（Ｂ）の手法は通常の軸受鋼では、セメンタイトが析出物に相当し、強化に必要とされる析出量が確保されている。このため、析出硬化で強度を向上させるには、ＭｏやＶなどの特殊な元素の添加が必要となり、やはり素材のコストアップにつながる。
ここで、（Ｃ）の結晶粒微細化強化は、結晶粒径ｄの−ｌ／２乗に比例して、材料強度が向上するというホールペッチ則で知られており、素材を変えずに、結晶粒径を細かくするだけで強度が改善されるので、近年、注目を集めている強化方法である。
【０００４】
軸受鋼の結晶粒の微細化をはかった事例は多数開示されており、例えば、特許文献１では、軸受鋼ＳＵＪ２をオーステナイト温度域に加熱後、熱間、温間域にまたがるように、塑性加工を施したのち、被加熱物を室温まで下げずに、再度、オーステナイト化温度まで加熱して焼入れすることによって、通常の焼入れ・焼戻し処理で得られる１０〜１５μｍ程度の結晶粒を、最も細かくした場合、４μｍ程度まで細粒化し、寿命延長を図っている。
【特許文献１】特許第２５２４１５６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、近年、潤滑やフィルタリング技術の向上などにより、転がり軸受は油膜が十分に形成されたクリーンな環境で使用される場合が多く、その場合には転がり軸受は材料中に含まれる非金属介在物を起点として、疲労き裂が発生・進展する内部起点型破壊で破損するため、結晶粒を細かくして材料強度を向上させただけでは寿命の延長に顕著な効果を示さない。さらに、転がり疲労寿命に顕著に影響を及ぼすパラメータが非金属介在物の種類なのか大きさなのか数なのかは明らかにされていない。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、クリーンな環境における介在物起点はく離や汚染環境下における圧痕起点型のはく離を抑制し、長寿命化を達成し得る転がり軸受およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行い、結晶粒の大きさが一定で軸受材料の強度が一定の場合、転がり軸受の寿命と最も相関のある軸受材料中の非金属介在物のパラメータは介在物の大きさであるという知見を得た。
すなわち、請求項１に記載の発明は、炭素量０．８質量％以上含有する高炭素軸受鋼からなる前記外輪、内輪、転動体のうち、少なくとも１つの完成品における旧オーステナイト平均結晶粒径をｄμｍとするとき、極値統計法により推定した推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法とのうち大きい方の推定最大介在物寸法を√areamaxとした場合に、下記（１）式を満たすことを特徴としている。
ｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０  ・・・（１）
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、外輪と内輪との間に複数の転動体を配置して用いられる転がり軸受の製造方法であって、前記外輪、内輪、転動体のうち、少なくとも１つの特定部品は、炭素量０．８質量％以上含有する高炭素軸受鋼を素材候補とし、その素材候補の旧オーステナイト平均結晶粒径ｄμｍを測定する一方、前記素材候補について極値統計法で推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法とのうち大きい方の推定最大介在物寸法√areamaxを推定し、前記旧オーステナイト平均結晶粒径ｄμｍおよび前記推定最大介在物寸法√areamaxが下記（１）式を満足する前記素材候補を、前記特定部品の素材として用いて前記転がり軸受を製造することを特徴としている。
ｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０  ・・・（１）
ここで、本発明において、結晶粒径は、熱処理完了後の旧オーステナイト粒径と定義する。なお、本発明におけるＴｉ系介在物とは、Ｔｉを含む化合物からなる介在物を指し、例えばチタン窒化物、チタン炭化物、チタン炭窒化物が挙げられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、旧オーステナイト平均結晶粒径ｄμｍ、極値統計法により推定した推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法の大きい方の推定最大介在物寸法を√areamaxとした場合に、ｄ≦−（ｌ／３）×√areamax＋２０となる高炭素鋼を転がり軸受に用いることにより、軸受材料の基地組織の強度が上がり、材料中に含まれる非金属介在物の大きさが規制されて、クリーンな環境における介在物起点はく離や汚染環境下における圧痕起点型のはく離を抑制し、転がり軸受の長寿命化を達成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の効果を実施例および比較例に基づき検証する。
本発明の効果を確認するために、炭素量０．８質量％以上含有する高炭素軸受鋼として高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を素材候補に用いて、下記表１に示す実施例１〜７、および比較例１〜４の試験片を用意して以下の実験を行った。
各試験片はフラットワッシャー型とし、表１に示すように、下記に示す処理１または処理２による処理方法により各試験片を作製した。なお、外輪と内輪との間に複数の転動体を配置して用いられる転がり軸受については周知であるため詳しい説明は省略するが、各試験片は前記外輪、内輪、転動体のうち、少なくとも１つの特定部品に対応するものとして用意した。
処理１：９５０℃で３０分加熱後放冷、８００℃で２０分加熱後、圧下率で２０〜９Ｏ％の圧延加工を施した後油冷、１６０〜１８０℃で２時間焼戻し
処理２：８００〜８４０℃で２０分加熱後急冷、１６０〜１８０℃で２時間焼戻し
【００１０】
【表１】
2006063356.tif 000003
【００１１】
同表において、各試験片の旧オーステナイト平均結晶粒径の観察並びに測定を実施した。結晶粒の観察は、塩化第二鉄と塩酸の混合溶液でエッチングし、旧オーステナイト粒界のみを現出させ、走査型電子顕微鏡を用いて、２０００〜３０００倍で撮影した写真を用いて行った。また、結晶粒径の測定は切片法で測定し、平均化した。
【００１２】
ここで、最大介在物寸法の測定方法について説明する。
材料中に含まれる非金属介在物の大きさを評価する方法としては極値統計法を用いた。極値統計法によると、ある一定体積中に含まれる最大の介在物寸法√areamaxを精度良く推定することができる。本発明で用いる極値統計法は、以下に示す（ａ）〜（ｇ）の手順により行なった。
【００１３】
（ａ）  軸受に用いる材料を切り出し、検査基準面積Ｓ０＝１００ｍｍ２（１０ｍｍ×１０ｍｍ）の鏡面を作る。ただし、検査面は圧延方向に平行な面とする。
（ｂ）  検査基準面積Ｓ０の中で酸化物系、Ｔｉ系のそれぞれの介在物について最大の面積をしめる介在物を選び介在物面積の平方根√areamax（μｍ）を測定する。本発明では√areamax＝√（長径×短径）とする。
（ｃ）  （ａ）、（ｂ）をｎ＝３０個繰返し、３０個の√areamaxを小さいものから順に並べ、√areamaxｊ（ｊ＝１〜３０）とする。
（ｄ）  基準化変数ｙｉ＝−ｌｎ[−ｌｎ｛ｊ／（ｎ＋１）｝]を計算する。
（ｅ）  √areamax＝ａ・ｙ＋ｂのａ，ｂの値を最小二乗法により求める。
（ｆ）  本発明では推定面積Ｓは３０００ｍｍ２を用いるので
再帰期間Ｔ＝（Ｓ＋Ｓ０）／Ｓ０＝（３００００＋１００）／１００＝３０１
基準化変数ｙ＝−ｌｎ[−ｌｎ｛（Ｔ−１）／Ｔ｝]＝５.７０５
（ｇ）  ｙ＝５.７０５の時の√areamaxを求める。
【００１４】
上記のように求めた介在物寸法が推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中に含まれると予想される最大の介在物寸法となる。なお、極値統計法により推定する際に設定する面積は、あまりに小さい値に設定すると、測定の信頼性が低下する。一方、この面積をあまりに大きな値に設定すると、作業の負担が大きくなる。よって、本発明では、極値統計法により推定する際に設定する面積を３００００ｍｍ２とした。
【００１５】
また、寿命試験には森式スラスト転がり寿命試験機を用いた。表１に実験に使用した材料の処理方法、結晶粒径、極値統計により推定（Ｓ＝３００００ｍｍ２）した最大介在物とあわせて寿命試験の結果を示す。寿命は１条件につきｎ＝１２の寿命試験をしたデータのＬ１０寿命で整理し、最も短寿命であった比較例１のＬ１０寿命値を１として比の値で示してある。なお、寿命試験条件は以下のとおりである。
回転数：１０００ｍｉｎ−ｌ
試験荷重：６５００Ｎ
潤滑条件：ＲＯ６８
【００１６】
ここで、図１に表１のデータをプロットするとともに本発明範囲を斜線で示す。なお、結晶粒径の影響のみを調査するために実施例１と７、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３、実施例４、６と比較例４は同じ素材を用いており、極値統計による最大介在物寸法の推定値は同じ値になっている。また、実施例１〜３、５〜７と、比較例２の結晶粒径はオーステナイト温度での塑性加工率を変えることで調整している。
【００１７】
同図からわかるように、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３、実施例４と比較例４をそれぞれ比較することにより、同じ最大介在物寸法の場合でもｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０の範囲内と範囲外では寿命の値が大きく異なっているのが分かる。
特に、比較例２を参照してわかるように、結晶粒径を５μｍ以下に小さくしても、最大介在物寸法が５０μｍ以上と大きい場合には、寿命比は２.２程度であり、単に結晶粒径を小さくしただけでは寿命延長効果はそれほど得られないことがわかる。一方、実施例２では寿命比は５.４であり長寿命となっていることがわかる。
【００１８】
前述したようにホールぺッチ則によると材料の強度は結晶粒径ｄの−１／２乗に比例するため、通常は結晶粒径が細かいほど強度が向上し、軸受の転動疲労寿命は向上する。しかし、結晶粒径をいくら細かくして、強度を向上させても、材料中に含まれる介在物寸法が大きい場合には顕著な寿命延長の効果は得られない。
すなわち、材料中に含まれる介在物寸法が大きくなると応力集中が生じて介在物縁の応力が大きくなる。その場合、介在物が存在しなければ破損が生じないような小さな繰返し応力が生じても、介在物周辺には応力集中によって大きな応力が作用することになり、介在物縁からき裂が発生する。一旦き裂が発生すると、き裂先端は極めて高い応力が作用するので、き裂は応力の繰返しと共に進展し、最終的には、はく離に至る。介在物縁に作用する応力の大きさは介在物寸法に依存するため、介在物寸法を小さくすると介在物近傍に作用する応力を小さくすることが出来る。したがって、軸受材料の介在物寸法を小さくすると転がり軸受のはく離寿命を延長させることが可能であると考えられる。
【００１９】
以上の結果から、軸受の寿命を延長するためには結晶粒径を小さくして材料強度を向上させるだけでなく、材料中に含まれる介在物の寸法を小さくすることが重要であることがわかる。また、介在物寸法を評価する方法として極値統計法を用いることにより材料中に含まれる最大の介在物寸法を精度良く推定することができ、軸受の寿命と良い相関が得られることがわかる。
【００２０】
このことから、本発明においては、旧オーステナイト平均結晶粒径ｄμｍ、上述のように推定した推定面積Ｓ＝３００００ｍｍ２中の極値統計法により推定した酸化物系の最大介在物寸法とＴｉ系の最大介在物寸法のうち大きい方の介在物寸法を√areamaxとした場合に、同図からわかるように、ｄ≦−（１／３）×√areamax＋２０を満足する前記素材候補を、前記特定部品の素材として用いて転がり軸受を製造した。
【００２１】
なお、ｄ≦−（１／３）×√areamax＋８の範囲内では、実施例５〜７を参照してわかるように、さらに顕著な寿命延長効果が得られる。すなわち、本発明においては、より好ましくはｄ≦−（１／３）×√areamax＋８とするのがよい。
これにより、軸受鋼の結晶粒の大きさと介在物の寸法を抑制することによって、すなわち、ｄ≦−（ｌ／３）×√areamax＋２０（好ましくはｄ≦−（１／３）×√areamax＋８）となる高炭素鋼を転がり軸受に用いることによって、軸受鋼の強度を向上させて、転動疲労寿命を向上させることができる。したがって、クリーンな環境における介在物起点はく離や汚染環境下における圧痕起点型のはく離を抑制し、転がり軸受の長寿命化を達成することが可能である。
【００２２】
なお、本発明に係る転がり軸受およびその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
例えば、本発明は、適用する軸受の形式は限定されず、例えば、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受などであっても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】極値統計法による推定値と結晶粒径との関係を示すグラフである。
【図１】
2006063356.tif 000004