(57)【要約】【課題】鋼製の転がり軸受の表面に鋼素材強化のための熱処理により酸化皮膜が形成された際、このような酸化皮膜によって要所の機械的強度が弱められることのないようにすることである。【解決手段】鋼素材からなる深溝玉軸受の外輪１および内輪の両部品の表面に、鋼素材強化のための熱処理により形成された熱酸化皮膜３が所要寸法化のための表面研削後にも部分的に残存する高強度転がり軸受であり、この残存する熱酸化皮膜３の内側の鋼素材上に、強塩基水溶液との反応により四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜４を設ける。化成酸化皮膜４を主とする酸化皮膜は、負荷を受けても亀裂の生じにくいものであるため、外輪もしくは内輪または両部品は、鋼素材強化のための熱処理を経ても酸化皮膜を有する部分に強度低下のないものになる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼素材からなる転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品の表面に、鋼素材強化のための熱処理により形成された酸化皮膜を有する高強度転がり軸受において、
前記酸化皮膜の内側の鋼素材上に、強塩基水溶液との反応により四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜を設けたことを特徴とする高強度転がり軸受。
【請求項２】
化成酸化皮膜の膜厚が、１．５〜２．５μｍである請求項１に記載の高強度転がり軸受。
【請求項３】
転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品が、表面に凹部を有する転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品である請求項１または２に記載の高強度転がり軸受。
【請求項４】
凹部が、外輪の外径面に形成された係止用の周溝である請求項３に記載の高強度転がり軸受。
【請求項５】
転がり軸受が、深溝玉軸受、円筒ころ軸受または円錐ころ軸受である請求項１〜４のいずれかに記載の高強度転がり軸受。
【請求項６】
鋼素材強化のための熱処理が、鋼素材の浸炭を伴う熱処理である請求項１〜５のいずれかに記載の高強度転がり軸受。
【請求項７】
鋼素材強化のための熱処理が、鋼素材の窒化を伴う熱処理である請求項１〜５のいずれかに記載の高強度転がり軸受。
【請求項８】
鋼素材強化のための熱処理が、鋼素材の浸炭窒化を伴う熱処理である請求項１〜５のいずれかに記載の高強度転がり軸受。
【請求項９】
鋼素材強化のための熱処理が、鋼素材の結晶粒の微細化を伴う熱処理である請求項６〜８のいずれかに記載の高強度転がり軸受。
【請求項１０】
転がり軸受が、自動車のトランスミッション用転がり軸受である請求項１〜９のいずれかに記載の高強度転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車のトランスミッションなどに用いられる転がり軸受に関し、詳しくはその強度を向上させるため表面処理が施された高強度転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鋼素材からなる転がり軸受の外輪や内輪に、鋼素材強化のために浸炭処理、窒化処理または浸炭窒化処理することが周知であり、さらに浸炭窒化処理後に８３０〜８７０℃に焼き入れし、１６０〜１９０℃に焼き戻して表層部の残留オーステナイトを２５％以上とすることにより、自動車のトランスミッションなどのように異物混入下で潤滑油により潤滑される転がり軸受の寿命を改善することが知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、グリースを封入した転がり軸受において、グリースから水素が分離して鋼製の内外軌道輪に剥離による亀裂が生じる現象を抑制するために、黒染め処理法により、カセイソーダ水溶液に軌道輪を浸漬して四酸化三鉄皮膜を転走面に形成することが知られている（特許文献２）。
【０００４】
また、転がり軸受の表面に絶縁性を持たせるための酸化被膜を形成する処理として、亜硝酸ナトリウムと水酸化ナトリウムを含む塩基性処理液を用いることが知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９００７２号公報（請求項１、段落００２８）
【特許文献２】特公平６−８９７８３号公報（第３頁第５欄第４〜６行目）
【特許文献３】特開２００８−５７６０２号公報（請求項３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記した焼き入れなどの熱処理を受けた鋼の表面には、いわゆる黒染めと称される塩基性処理液による化成された酸化皮膜とは異なり、加熱によって形成された酸化皮膜が形成されており、この酸化皮膜は、亀裂敏感性を高めるので、絶縁性や潤滑油接触面などの所要面以外に形成すると、却って転がり軸受の内外の軌道輪の機械的強度を低下させる弊害があるという問題点がある。
【０００７】
図１の一部を参照して説明すると、転がり軸受の内外の軌道輪の外側の表面に係止用の周溝５などの凹部が形成されている場合には、そのような凹部によって部分的に径方向の肉厚が薄くなるので、できれば肉厚を増やすなどの設計により機械的強度を高める必要がある。
【０００８】
しかしながら、転がり軸受は、予め決められた取り付け寸法に合わせるなど、部品として大きさの制約があり、さらには小型化の要望もあるため、肉厚を増やす設計で転がり軸受を作製することは容易なことではない。
【０００９】
また、通常、転がり軸受の表面は研削されることにより目的の寸法に調整されるが、凹部内の酸化皮膜は、研削による除去が容易にできない部分であり、特に溝状の凹部内は加熱によって形成された酸化皮膜により亀裂の起こりやすい状態、いわゆる亀裂敏感性の高い状態になっている。
【００１０】
また、転がり軸受に酸化皮膜を形成する面は、潤滑油に接して脆化しやすい面や絶縁性の要求される面に限られ、これらの面に対して、加熱によって形成された酸化皮膜と、塩基性水溶液を用いた黒染めによる酸化皮膜とを区別して用いることはなかった。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決し、鋼製の転がり軸受の表面に鋼素材強化のための熱処理により酸化皮膜が形成された際、このような酸化皮膜によって要所の機械的強度が弱められることのないようにすることである。
【００１２】
特に、転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品が、表面に周溝などの凹部を有する場合に、凹部内に形成される酸化皮膜によって機械的強度が弱められることのないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、この発明では、鋼素材からなる転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品の表面に、鋼素材強化のための熱処理により形成された酸化皮膜を有する高強度転がり軸受において、前記酸化皮膜の内側の鋼素材上に、強塩基水溶液との反応により四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜を設けた高強度転がり軸受としたのである。
【００１４】
上記したように構成される高強度転がり軸受は、熱処理によって形成される酸化皮膜（以下、熱酸化皮膜と称します。）の内側の鋼素材上に、前記熱処理以前に強塩基水溶液との反応によって形成される四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜が設けられているため、熱処理による酸化皮膜形成の反応速度が遅くなり、また酸化皮膜全体は、通常３μｍ程度の以上に厚く形成することが困難であるため、化成酸化皮膜上の熱酸化皮膜の層厚は相対的に薄くなる。
【００１５】
このように、外輪もしくは内輪または両部品は、鋼素材強化のための熱処理を経た後でも熱酸化皮膜が無制限に厚く表面へ付着することはなく、熱酸化皮膜は薄く形成され、化成酸化皮膜を主とする酸化皮膜が形成された外輪もしくは内輪または両部品となる。
【００１６】
このような化成酸化皮膜を主とする酸化皮膜は、負荷を受けても亀裂の生じにくいものであるため、外輪もしくは内輪または両部品は、鋼素材強化のための熱処理を経ても酸化皮膜を有する部分に強度低下のないものになる。
【００１７】
上記の作用効果を充分に奏するように、上記した化成酸化皮膜の膜厚は、１．５〜２．５μｍの厚さに形成することが好ましい。なぜなら、鋼素材上の四酸化三鉄からなる酸化皮膜の膜厚の形成は、熱処理および化成処理の場合にいずれも、通常１〜３μｍ程度が限度であると考えられ、３μｍ以上に厚く形成することは困難であり、また実用的でもないと考えられる。
そのため、化成酸化皮膜を所定膜厚程度に厚く形成することによって、相対的に熱酸化皮膜は薄く形成され、好ましくは１．５μｍ以下に形成される。このような比較的薄い熱酸化皮膜では、鋼素材の機械的強度が弱められることはない。
【００１８】
また、転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品の表面は、通常の研削加工によって表面の酸化皮膜は除去可能であるが、表面に凹部を有する転がり軸受では、凹部内の酸化皮膜の除去は困難である。
【００１９】
しかしながら、この発明では、凹部内に残される酸化皮膜を主として四酸化三鉄からなる亀裂感受性の低い化成酸化皮膜で形成し、比較的薄い熱酸化皮膜では、鋼素材の機械的強度が弱められることはないので、凹部の強度は高められている。このような凹部は、例えば外輪の外径面に形成された係止用の周溝であるものを含む。
【００２０】
この発明における転がり軸受は、例えば深溝玉軸受、円筒ころ軸受または円錐ころ軸受を採用することができ、これらを高強度転がり軸受とすることができる。
【００２１】
また、鋼素材強化のための熱処理としては、例えば鋼素材の浸炭を伴う熱処理、鋼素材の窒化を伴う熱処理、または鋼素材の浸炭窒化を伴う熱処理であることが、靭性の高い高強度転がり軸受であるために好ましく、より好ましくは鋼素材強化のための熱処理が、鋼素材の結晶粒の微細化を伴う熱処理を採用した高強度転がり軸受とすることである。
以上のような転がり軸受は、自動車のトランスミッション用転がり軸受として適用できる高強度転がり軸受となる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明は、熱処理による酸化皮膜の内側の鋼素材上に、強塩基水溶液との反応により四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜を設けた転がり軸受としたので、その後に鋼素材強化のための熱処理を経ても前記酸化皮膜上に重ねて形成される熱酸化皮膜は薄く、このような酸化皮膜によって要所の機械的強度が弱められることのない高強度転がり軸受となる利点がある。
【００２３】
特に、転がり軸受の外輪もしくは内輪または両部品が、表面に周溝などの凹部を有する場合には、凹部内に形成される酸化皮膜によって機械的強度が弱められることがない高強度転がり軸受となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】高強度転がり軸受に係る発明の実施形態の断面図
【図２】高強度転がり軸受に係る発明の実施形態の外輪の断面図
【図３】図２の要部拡大断面図
【図４】スラスト破断荷重の試験方法の説明図
【図５】実施例１と比較例１のスラスト破断荷重の測定結果を示す図表
【図６】実施例１と比較例１のラジアル破断荷重の測定結果を示す図表
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明の実施形態を以下に添付図面を参照して説明する。
図１〜３に示すように、実施形態は、鋼素材からなる深溝玉軸受の外輪１および内輪２の両部品の表面に、鋼素材強化のための熱処理により形成された熱酸化皮膜３（図３参照）が所要寸法化のための表面研削後にも部分的に残存する高強度転がり軸受であり、この残存する熱酸化皮膜３の内側の鋼素材上に、強塩基水溶液との反応により四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜４を設けている。
【００２６】
そして、図1に示した転がり軸受の外輪１の外径面には、係止用の周溝５からなる凹部が予め素材表面に研削加工によって形成されており、図中の符号６は転動体（ボール）、７は保持器を示している。
【００２７】
この発明に用いる転がり軸受の形態（型）は、特に限定されるものではなく、前記したように例えば深溝玉軸受のほか、円筒ころ軸受または円錐ころ軸受などを採用することもできる。また、鋼素材は、上記した軸受に使用可能なものを目的に応じて選択的に採用することができ、鋼を構成する金属元素の組成を特に限定するものではなく、軸受鋼その他の周知な鋼素材を用いることができる。
【００２８】
また、このような鋼素材上に形成する四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜４は、鋼素材と強塩基水溶液との反応により形成されるものであり、その反応は、日刊工業新聞社発行、金属表面技術協会編  金属表面技術便覧（新版）、第８１８頁にも記載されているように、以下の化１の(a)、(b)、(c)によるものである。
【００２９】
【化１】
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【００３０】
この反応を進行させるために使用する強塩基水溶液は、例えば水酸化ナトリウム水溶液に還元剤として亜硝酸ナトリウムなどを配合した強塩基水溶液であり、いわゆる「黒染め液」として周知なものである。黒染め液は、水酸化ナトリウムばかりでなく、シアン化合物を使用してもよく、１２０〜１５０℃に加熱すると効率よく鱗片状の四酸化三鉄を生成する。
【００３１】
亜硝酸ナトリウム、亜ヒ酸ナトリウムなどの還元剤は、上記の（a）および（b）式の反応速度の調整および（b）式にて生成するＮａ２ＦｅＯ４を（c）式にて速やかに還元し、四酸化三鉄Ｆｅ３Ｏ４を生成させることで、三酸化二鉄Ｆｅ２Ｏ３の生成を抑制できる。
【００３２】
外輪の外径面に形成された係止用の周溝５は、単一の環状のものを示したが、複数本を配列したものであってもよく、不連続状に形成された凹部（図示せず）であってもよい。その他にも必要に応じて係止用その他の目的で形成される肉厚を減少する凹部についてもこの発明による酸化皮膜形成を施すことができ、このような凹部は内輪２についても内径面などに設けることが可能である。
【００３３】
この発明でいう鋼素材強化のための熱処理は、前述のように酸化皮膜が副次的に形成される熱処理であり、例えば窒化処理、浸炭処理または浸炭窒化処理が挙げられる。また、これらの処理と共に、または単独で鋼素材の結晶粒の微細化を伴う熱処理であってもよい。
【００３４】
例えば、浸炭窒化処理は、プロパンやブタンを燃焼して変成した浸炭性ガスにアンモニアガスを５〜１５％添加した雰囲気中でＣとＮを同時に浸入拡散させる処理である。表層に拡散した窒素は、残留オーステナイトを安定化させるので焼き入れ後に残留オーステナイト量が多くなり、また窒素の固溶により焼き戻し軟化抵抗が上昇するため、転動疲労寿命が向上する。
【００３５】
また、鋼素材の結晶粒の微細化を伴う熱処理は、例えば、焼き入れ工程を２回に分けることにより、炭素の固溶量を確保しつつ、加熱温度を低温化し、結晶粒の微細化を図るものである。すなわち、一次焼き入れにおいてマルテンサイト中に充分な炭素を固溶させつつ、鋼のＡｃ１変態点を下げる目的で窒化処理を施し、その後、２次焼き入れ工程の加熱保持温度を例えば１８０℃で２時間のように低温化させて、例えば平均粒径で５μｍ以下の微細な結晶を得る方法である。
【００３６】
図２に示すように、高強度転がり軸受の製造工程としては、先ず水酸化ナトリウムを主成分とする黒染め液からなる１２０〜１５０℃程度に加熱された強塩基水溶液に、鋼素材からなる転がり軸受の外輪１および内輪２を浸漬し、１．５〜２．５μｍ程度の四酸化三鉄からなる化成酸化皮膜を設ける。そして、前記の熱処理を行ない、鋼素材強化を行なうが、このとき表面に酸化皮膜３が副次的に形成される。
【００３７】
図３に示すように、そのときに酸化皮膜４上に重ねて形成される熱酸化皮膜３は、０．５〜１．５μｍ程度に薄く、このような酸化皮膜によって要所の機械的強度が弱められることはない。
【００３８】
そして、図２に示すように外輪の転走面１ａ、幅面１ｂ、外径面１ｃが研削加工されると、化成酸化皮膜４および熱酸化皮膜３の２層からなる酸化皮膜８は、周溝５の内面および外径縁部９および転走面を除く内径面１０に残存する。
【実施例１】
【００３９】
図２に示す外輪１について、アルカリ洗浄と水洗浄をした後、約１４０℃の黒染め液（水酸化ナトリウム（和光純薬社製）６０重量部、亜硝酸ナトリウム（和光純薬社製）２５重量部、硝酸ナトリウム（和光純薬社製）１５重量部の各試薬を混合して処理剤とし、これを１．０kg／Lの濃度になるように水で希釈し塩基性処理液とした。）に浸漬し、約２μｍの膜厚の化成酸化皮膜を設けた。
【００４０】
その後、熱処理として、８００〜８５０℃で焼入れを行なった後、１７０〜２００℃で焼戻しを行ない、熱酸化皮膜を形成した。
【００４１】
次いで外輪の転走面１ａ、幅面１ｂ、外径面１ｃが研削加工したものを試験品とし、内輪、転動体、保持器を組みつけて自動車のトランスミッションに適用できる深溝玉軸受を作製した。
【００４２】
［比較例１］
熱処理前に黒染め液に浸漬処理をしなかったこと以外は、実施例１と全く同様にして深溝玉軸受を作製した。
【００４３】
実施例１および比較例１について、スナップリング１１を取り付けて外輪１を固定して、図４に示す方法でスラスト破断荷重Ｆを測定し、この結果を図５に示した。また、ラジアルリング破断荷重についても測定し、この結果を図６に示した。
【００４４】
図５，６の結果からも明らかなように、実施例１の転がり軸受は、比較例１に比べて２０％以上の破断強度が改善されており、化成酸化皮膜が亀裂感受性を低下させていることが判明した。
【００４５】
また、前記熱処理の温度条件において、前記常法による浸炭、窒化、浸炭窒化または鋼素材の結晶粒の微細化（５μｍ以下）を伴う熱処理を行なった試験品を作製し、上記実施例と同様に自動車のトランスミッションに適用できる深溝玉軸受を作製した。
これらの軸受についてもラジアルリング破断荷重についても測定したが、上記同様に破断強度が改善されており、化成酸化皮膜が亀裂感受性を低下させていた。
【符号の説明】
【００４６】
１  外輪
１ａ  転走面
１ｂ  幅面
１ｃ  外径面
２  内輪
３  熱酸化皮膜
４  化成酸化皮膜
５  周溝
６  転動体
７  保持器
８  酸化皮膜
９  外径縁部
１０  内径面
１１  スナップリング
【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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