(57)【要約】【課題】例えば、ＨＵＢや電動機用軸受などの、他の部品と潤滑油を共有しない軸受において、表層起点型のはく離を抑制することができる、転がり軸受及び転がり軸受の製造方法を提供すること。【解決手段】内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受であって、内輪及び外輪の軌道面の表層に、圧縮残留応力が付与されている。【選択図】図２
2019206986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受であって、
前記内輪及び前記外輪の軌道面の表層に、圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記軌道面の表面からの深さ方向への前記圧縮残留応力の分布は、前記軌道面の表面から４０μｍ以上６０μｍ以下の深さに、前記圧縮残留応力が最大となるピークが位置することを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受の製造方法であって、
前記内輪及び前記外輪に焼入れ焼戻し処理を施した後、前記内輪及び前記外輪の軌道面に、圧縮残留応力を付与することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
【請求項４】
前記軌道面に前記圧縮残留応力を付与する際に、前記軌道面の表面から、介在物の最大径の４０％以上６０％以下の深さに、前記圧縮残留応力が最大となるピークが位置するように、前記圧縮残留応力を付与することを特徴とする請求項３に記載の転がり軸受の製造方法。
【請求項５】
前記介在物の最大径を１００μｍ以下の範囲の値とすることを特徴とする請求項４に記載の転がり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受及び転がり軸受の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の寿命は、ＩＳＯ等の標準規格で定められており、規定された期間まで寿命を確保することが求められている。軸受の寿命は、はく離に左右されることが多く、例えば使用時に異物等が混入する場合、異物の噛み込みによって生成した圧痕を起点としてはく離が生じる。また、同じメカニズムにより、枯渇潤滑環境下では、ピーリングと呼ばれる微小連続はく離が生じる。このようなはく離は、良好な潤滑環境下で生じるはく離に比べて短寿命である。このため、例えば、浸炭窒化などの熱処理を利用して、表面の残留オーステナイトを増加させることで、寿命延長を図ってきた。また、異物の混入を原因とする場合には、シールの構造を工夫し、そもそも異物が軸受内に侵入しがたい構造にすることが極めて有効である。このため、異物が混入する原因を排除することによっても対策がとられている。このような対策は、特に、自動車トランスミッション用軸受のように、ギアなどの他の部品と潤滑油を共有することで、異物の混入が避けられない場合や、潤滑油が軸受の都合だけで決定できない場合に有効である。
【０００３】
一方、軸受は、基本的には軸受に適した良好な潤滑環境下で使用されることが推奨されており、一般的な用途ではこれが通常である。このような用途の軸受としては、例えばＨＵＢや電動機の軸受が挙げられる。良好な潤滑環境下では、寿命は良好となり、これは、製鋼段階で生じる非金属介在物（以下、単に「介在物」とも称する。）を極限まで低減させた結果得られたものである。ただし、このような介在物は完全に除去することは大量生産を行う上ではほぼ不可能であり、上記に示したように外部要因による短寿命の対策がとられてきたことで介在物を起点としたはく離への更なる対策が求められている。
【０００４】
前述のように介在物は、製鋼時に発生する不可避の不純物であり、これを全く無くすることは現状の量産工程ではほぼ不可能である。そこで、材料中の介在物の個数を極力少なくすることで、はく離を抑える技術が提案されている。例えば、特許文献１には、被検面積３２０ｍｍ２に存在する厚さ１μｍ以上の硫化物系介在物の個数と、酸化物系介在物の最大径を１０μｍ以下に制御することにより、長寿命化した軸受用鋼が開示されている。また、特許文献２には、被検面積３２０ｍｍ２に存在する酸化物系介在物を１００個〜２００個に規定し、更に不純物元素であるＳｂ量を規定して長寿命化した軸受用鋼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３３８７６１号公報
【特許文献２】特許第３７７９０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１，２のように、微小な被検面積での介在物の個数や大きさを規定しても、実際の軸受においては、高い応力が加わる部分に存在する最大の介在物を起点として剥離が生じるため、剥離寿命が予想外に早まることがある。特に、軸受の軌道面表層に存在する最大の介在物を起点として、亀裂が発生及び進展して生じるはく離である、表層起点型のはく離に対しては、有効な効果が期待できない。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、例えば、ＨＵＢや電動機用軸受などの、他の部品と潤滑油を共有しない軸受において、表層起点型のはく離を抑制することができる、転がり軸受及び転がり軸受の製造方法を提供することを目的としている。なお、ここで述べている表層起点型のはく離とは、表面にその一部が露出している介在物からのはく離はもちろんのこと、これと同等とみなせる、位置に存在する介在物からのはく離を示す。すなわち、表層起点型のはく離とは、最大せん断応力深さよりも浅い位置に存在する介在物を起点としたはく離である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受であって、上記内輪及び上記外輪の軌道面の表層に、圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする転がり軸受が提供される。
本発明の一態様によれば、内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受の製造方法であって、上記内輪及び上記外輪に焼入れ焼戻し処理を施した後、上記内輪及び上記外輪の軌道面に、圧縮残留応力を付与することを特徴とする転がり軸受の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、例えば、ＨＵＢや電動機用軸受などの、他の部品と潤滑油を共有しない軸受において、表層起点型のはく離を抑制することができる、転がり軸受及び転がり軸受の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る転がり軸受の一例である、ラジアル玉軸受を示す一部切欠斜視図である。
【図２】転がり軸受の軌道面表層の圧縮残留応力の分布の好ましい例について説明するグラフである。
【図３】ローラバニシングによる処理を示す模式図である。
【図４】実施例における、Ｘ線回折による圧縮残留応力の測定結果を示すグラフである。
【図５】実施例における、転がり疲れ寿命試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するように、本発明の実施形態を例示して多くの特定の細部について説明する。しかしながら、かかる特定の細部の説明がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。また、図面は、簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
【００１１】
＜転がり軸受＞
本発明の一実施形態に係る転がり軸受について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態に係る転がり軸受は、内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなる転がり軸受であり、種類や構成に制限はない。例えば、転がり軸受としては、ラジアル玉軸受やラジアル円すいころ軸受を対象とすることができる。図１には、転がり軸受の一例として、ラジアル玉軸受１を示す。ラジアル玉軸受１は、内周面に外輪軌道２１を有する外輪２と、外周面に内輪軌道３１を有する内輪３と、これら外輪軌道２１と内輪軌道３１との間に、円環状の冠型の保持器４に保持された状態で転動自在に設けられ、それぞれが転動体である複数の玉５とを備える。
【００１２】
また、本実施形態に係る転がり軸受は、軸受以外の他の部品と潤滑油を共有しない軸受である。他の部品と潤滑油を共有しない軸受とは、例えば、ＨＵＢや電動機用軸受、シール又はシールド板付きの密封転がり軸受、良好な潤滑環境下に使用される密封装置を備えない転がり軸受が含まれる。このような軸受は、良好な潤滑環境下で用いられ、他の部品と潤滑油を共有していないため、異物の混入がほぼ生じない。
【００１３】
さらに、未使用（新品）の状態において、転がり軸受の軌道面表層には、圧縮残留応力が付与されている。転がり軸受の軌道面から圧縮残留応力が付与されている深さは、表層起点型のはく離抑制のために対象とされる介在物（以下、単に「対象とする介在物」とも称する。）の最大径に応じて設定され、対象とする介在物の最大径の少なくとも５０％以上とすることが好ましい。例えば、対象とする介在物の最大径が１００μｍである場合、軌道面の表面から深さが５０μｍの領域に圧縮残留応力が付与される。なお、表層起点型のはく離を抑制する観点からは、圧縮残留応力を付与する深さが上記の範囲よりも深くなっても問題はないが、圧縮残留応力を付与するための加工に掛かるコストが増大する。このため、表層起点型のはく離を抑制する効果と、加工に掛かるコストとの両方の観点から、圧縮残留応力が付与される深さが決定されることが好ましい。
【００１４】
なお、対象とする介在物の最大径は、１００μｍ以下の範囲の値とすることが好ましい。最大径が１００μｍ以下となる介在物は、一般的な軸受の検査において、ある確率で不可避的に混入する可能性があるものであり、この介在物を軌道面の表層から完全に除いた軸受鋼の製造は、検査の精度やコストの観点から大変難しいものとなる。一方、１００μｍ超の径の介在物は、一般的な軸受の検査において精度よく検出することが可能なものである。
【００１５】
さらに、未使用の状態において、転がり軸受の軌道面表層には、対象とする介在物の最大径に応じて、表面からの所定の深さに、圧縮残留応力が最大（絶対値で最大）となるピークを持つ分布で圧縮残留応力が付与されることが好ましい。所定の深さは、介在物の最大径の４０％以上６０％以下の深さであることが好ましく、５０％程度の深さであることがより好ましい。図２には、転がり軸受の軌道面表層の圧縮残留応力の好ましい分布の一例を示す。図２において、横軸は転がり軸受の軌道面表層における軌道面表面からの深さ方向への位置を示し、縦軸は圧縮残留応力を示す。対象とする介在物の最大径の５０％となる５０μｍの深さにおいて、最大となるピークをとるように、圧縮残留応力が付与される。介在物の最大径の５０％の深さに圧縮残留応力のピークを持つような圧縮の残留応力分布とすることで、介在物の周りから発生する亀裂の発生および伝播を抑制することが可能となる。このため、表層、すなわち最大せん断応力深さより浅い位置に存在する介在物による、はく離の発生を抑制することが可能となる。すなわち、図２に例示するような、圧縮残留応力のピークとすることが好ましい。
【００１６】
＜転がり軸受の製造方法＞
次に、本実施形態に係る転がり軸受の製造方法について説明する。本実施形態では、まず、素材である鋼材を、製品形状に応じた所定の形状に加工し、焼入れ焼戻し処理を施すことで、内輪、外輪及び転動体とする。鋼材としては、例えばＳＵＪ２やＳＵＪ３などの汎用の軸受鋼を用いることができる。なお、後述する本実施形態の処理によって導入される残留応力の大きさは、一般的な熱処理によって導入される値より大きく、浸炭や浸炭窒化などの表面硬化型の熱処理を用いた場合にでも有用であり、一般的に軸受に用いられる鋼材や熱処理であれば適用が可能である。とくに浸炭鋼では母材の炭素量が低いことから、軸受鋼に比べて鋼材の介在物が大きくなる傾向があり、本手法の効果が期待できる。
【００１７】
次いで、内輪及び外輪（総称して「軌道輪」とも称する。）の軌道面表層に、圧縮残留応力を付与する。圧縮残留応力の付与は、最終的に製造される軌道輪の軌道面表層に、付与する深さや分布などの上述の条件の圧縮残留応力が付与可能であれば、どのような方法が用いられてもよい。圧縮残留応力の付与方法としては、例えば、ショットピーニングやローラバニシングを用いることができる。ショットピーニングを用いる場合、目的とする圧縮残留応力の条件となるように、衝突させる投射材の大きさや材質、速度などの処理条件が適宜設定される。また、ローラバニシングを用いる場合、軌道輪の軌道面の形状に合わせたローラを、軌道輪の軌道面に圧縮回転接触させ、軌道面に微小な塑性変形与える。この場合、目的とする圧縮残留応力の条件となるように、用いるローラの素材や転圧などのローラバニシングの処理条件が適宜設定される。図３には、ローラバニシングの一例として、高硬度の球状のボール６１が先端に設けられたローラバニシング装置６を用いて、ラジアル玉軸受１の外輪２の外輪軌道２１に残留応力を付与する模式図を示す。図３に示す例では、外輪２を自身の軸心を中心に回転させながら、外輪２の内周面である外輪軌道２１にボール６１を押し当て、外輪軌道２１にボール６１を圧縮接触させた状態で、ローラバニシング装置６を外輪２の内周面の形状に応じて、この内周面の母線方向に沿って移動させることで、ローラバニシング装置６による圧縮残留応力の付与が行われる。
【００１８】
圧縮残留応力の付与が行われた後、必要に応じて軌道輪の仕上げ加工が行われる。仕上げ加工では、圧縮残留応力を付与した軌道面を滑らかにするため、切削加工や研磨加工が行われる。特に、ショットピーニングを用いて圧縮残留応力を付与した場合には、軌道面に凹凸があるため、例えば、軌道面を３０μｍ〜４０μｍ程度切削する仕上げ加工が行われる。また、ローラバニシングを用いて圧縮残留応力を付与して、軌道面が十分に滑らかな場合には、仕上げ加工が行われなくてもよい。さらに、必要に応じて、仕上げ加工の前に、軌道輪に対して焼戻しなどの熱処理が施されてもよい。
そして、上述の方法で製造された軌道輪及び転動体、並びに別に作成された汎用的な保持器を組み合わせることで、製品となる転がり軸受が製造される。
【００１９】
＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。
【００２０】
例えば、上記実施形態では、圧縮残留応力を付与する方法の一例として、ショットピーニングまたはローラバニシングを用いたが、本発明はかかる例に限定されない。目的とする条件の圧縮残留応力を付与可能な方法であれば、他の方法を用いて圧縮残留応力を付与してもよい。なお、圧縮残留応力は、軌道面表層のみに付与することが好ましいため、ショットピーニングやローラバニシングのように、軌道面表層に機械的に圧縮残留応力を付与する方法が好ましい。
【００２１】
＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係る転がり軸受は、内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受であって、内輪及び外輪の軌道面の表層に、圧縮残留応力が付与されている。
上記（１）の構成によれば、軌道面表層に圧縮残留応力を付与することにより、軌道面表層の介在物を起点とする亀裂の進展を抑えることができ、表層起点型のはく離の発生を抑制することができる。これにより、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。特に、最大径が大きな介在物がある確率で不可避的に含まれる、グレードの低い転がり軸受では、突発的に発生する表層起点型のはく離が問題となる。しかし、軌道面表層に圧縮残留応力を付与することで、このようなグレードの低い転がり軸受を、安定した寿命で使用することができるようになる。
【００２２】
（２）上記（１）の構成において、軌道面の表面からの深さ方向への圧縮残留応力の分布は、軌道面の表面から４０μｍ以上６０μｍ以下の深さに、圧縮残留応力が最大となるピークが位置する。
上記（２）の構成によれば、最大径が１００μｍ程度以下の介在物を起点とした、表層起点型のはく離の発生を抑制することができる。
【００２３】
（３）本発明の一態様に係る転がり軸受の製造方法は、内輪と外輪との間に転動体を転動自在に保持してなり、他の部品と潤滑油を共有しない転がり軸受の製造方法であって、内輪及び外輪に焼入れ焼戻し処理を施した後、内輪及び外輪の軌道面に、圧縮残留応力を付与する。
上記（３）の構成によれば、上記（１）の構成と同様な効果を得ることができる。
【００２４】
（４）上記（３）の構成において、軌道面に圧縮残留応力を付与する際に、軌道面の表面から、介在物の最大径の４０％以上６０％以下の深さに、圧縮残留応力が最大となるピークが位置するように、圧縮残留応力を付与する
上記（４）の構成によれば、対象とする介在物の最大径に応じて、適切な深さに圧縮残留応力を付与することができる。圧縮残留応力を付与する深さが、深いほどより大きな径の介在物を起点とする表層起点型のはく離の発生を抑制することができる。しかしながら、圧縮残留応力を付与する深さが深くなるほど、加工に掛かる時間やコストが増大する傾向となる。このため、素材の違いや軸受鋼のグレード（品質）の違いに応じて、対象とする介在物の最大径を変え、それに応じて適切な深さに圧縮残留応力を付与することで、表層起点型のはく離の発生を抑制と、転がり軸受の製造に掛かるコストの低減とを両立することができる。
【００２５】
（５）上記（４）の構成において、介在物の最大径を１００μｍ以下の範囲の値とする。
上記（５）の構成によれば、一般的な軸受の検査において、ある確率で不可避的に混入する可能性がある大きさの介在物を起点とする、表層起点型のはく離の発生を抑制することができる。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、圧縮残留応力による、軸受の軌道面表層に存在する介在物を起点とする亀裂の進展を抑制する効果の検証を行った。
実施例では、圧縮残留応力を付与する方法としてショットピーニングを用いて、製造条件の異なる実施例１及び実施例２の２条件で転がり軸受を製造した。
【００２７】
実施例１では、軸受鋼であるＳＵＪ２を素材として軌道輪及び転動体を作成し、焼入れ焼戻しを行った。その後、軌道輪に対して、ショットピーニングを施し、仕上げ加工することで転がり軸受を製造した。
実施例２では、実施例１と同様に、軸受鋼であるＳＵＪ２を素材として軌道輪及び転動体を作成し、焼入れ焼戻しを行った。その後、軌道輪に対して、ショットピーニングを施し、焼戻し（２４０℃×２ｈ）を行った後、仕上げ加工することで転がり軸受を製造した。
【００２８】
また、実施例では比較として、軌道輪に圧縮残留応力を付与しない条件でも転がり軸受を製造した（比較例）。比較例では、実施例１と同様に、軸受鋼であるＳＵＪ２を素材として軌道輪及び転動体を作成し、焼入れ焼戻しを行った。その後、ショットピーニングを施さずに、実施例１と同様に仕上げ加工を行うことで転がり軸受を製造した。
図４及び表１に、実施例１，２及び比較例の転がり軸受の軌道面における、軌道面表面から２００μｍの深さの位置まで圧縮残留応力の、Ｘ線回折による測定結果を示す。図４及び表１に示すように、実施例１，２の条件では、仕上げ加工後においても、１００μｍ以上の深さまで圧縮残留応力が付与されることが確認できた。また、実施例１と実施例２とでは、ショットピーニング後の焼戻しの有無の違いにより、圧縮残留応力の分布が異なることが確認できた。また、表１に示す結果によると、軌道面の表面からの深さ方向への圧縮残留応力の分布に関しては、軌道面の表面から４０μｍ以上６０μｍ以下の深さに、圧縮残留応力が最大となるピークが位置することがわかった。即ち、実施例１，２では、５０μｍの深さにおいて、圧縮残留応力が最大となっている。
【００２９】
【表１】
2019206986.tif 000003
【００３０】
さらに、実施例では、実施例１，２及び比較例の条件で製造した転がり軸受について、人工欠陥を軌道面表面に付与し、転がり疲れ寿命試験を実施した。寿命試験では、転がり軸受の剥離強度を定量化するため、軸受軌道面に微小ドリル穴を付与し、ドリル穴エッジ部から亀裂を発生進展させ評価した報告（橋本ら,「転がり軸受のはく離強度に及ぼす微小欠陥寸法の影響(第2報：応力拡大係数に基づくドリル穴を有する転がり軸受のはく離強度評価)」,日本機械学会論文集，Vol.83，No.852(2017)，P1-P12）と同様な方法を用いて試験を行った。具体的には、人工欠陥として、軸受の軌道面表層の、半球形状の表面介在物（直径Φ１００μｍ，深さ５０μｍ）を模擬するためφ１００×５０μｍのサイズのドリル穴を、軌道面に付与した。つまり、実施例では、介在物の最大径が、穴の直径に相当する。また、寿命試験は下記の条件で実施した。なお、寿命試験においては、異物の混入は極力排除したうえで、はく離が生じた試験片において、圧痕を起点としたはく離が生じた場合、これを結果から排除した。
（転がり疲れ寿命試験条件）
試験荷重：６５０ｋｇｆ
回転数：１０００ｍｉｎ−１
打ち切り：１０００ｈ
【００３１】
寿命試験の結果を、図５に示す。図５に示すように、比較例１比べて、実施例１及び実施例２が長寿命となることが確認でき、人工欠陥から生じる亀裂の進展抑制に、圧縮残留応力が有効であることが分かる。つまり、転がり軸受の軌道面表層に圧縮残留応力を付与することで、表層に存在する介在物を起点とした亀裂の進展が抑制され、剥離寿命が延長することが確認できた。
【符号の説明】
【００３２】
１  ラジアル玉軸受
２  外輪
２１  外輪軌道
３  内輪
３１  内輪軌道
４  保持器
５  玉
６  ローラバニシング装置
６１  ボール
【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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