(57)【要約】【課題】風車用軸受や建設機械用軸受のように、油膜が切れ易い厳しい条件で使用された場合でも、組織変化型剥離が抑制されて、より一層の長寿命化が実現できる転がり軸受を提供する【解決手段】内輪１は、転がり面の表面から転動体の直径（Ｄ）の０．０１倍に相当する深さの位置（１％Ｄ位置）で、炭素の含有率〔Ｃ1%D 〕が０．５０質量％以上０．８５質量％以下、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が６５３以上８００以下であり、圧縮残留応力が５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。内輪１の素材をなす合金鋼のクロム含有率（〔Ｃｒ〕＝２．６〜４．５質量％、単位：質量％）と、１％Ｄ位置での残留オーステナイト量（〔γR 〕、単位：体積％）と、１％Ｄ位置での炭素の含有率（〔Ｃ1%D 〕、単位：質量％）と、が下記の(1) 式を満たす。〔Ｃｒ〕−５（〔Ｃ1%D 〕−０．０２＊〔γR 〕）≧０…(1) 【選択図】図１
2015203153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪、および転動体の少なくとも何れかは、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．３０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．９０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が２．６質量％以上４．５質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．９０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が０．９０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．２０質量％以下、硫黄含有率〔Ｓ〕が０．０２０質量％以下、リン含有率〔Ｐ〕が０．０２０質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である合金鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化と焼入れ焼戻しからなる熱処理を行って得られ、
転がり面の表面から転動体の直径（Ｄ）の０．０１倍に相当する深さの位置（１％Ｄ位置）で、炭素の含有率〔Ｃ1%D 〕が０．５０質量％以上０．８５質量％以下、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が６５３以上８００以下であり、圧縮残留応力が５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下であり、
前記素材をなす合金鋼のクロム含有率（〔Ｃｒ〕、単位：質量％）と、前記位置での残留オーステナイト量（〔γR 〕、単位：体積％）と、前記位置での炭素の含有率（〔Ｃ1%D 〕、単位：質量％）と、が下記の(1) 式を満たすことを特徴とする転がり軸受。
〔Ｃｒ〕−５（〔Ｃ1%D 〕−０．０２＊〔γR 〕）≧０…(1) 
【請求項２】
転動体の直径が３０ｍｍ以上である請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
風力発電用風車の回転軸を支持する用途または建設機械の回転軸を支持する用途で使用される請求項１または２記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、風力発電装置を構成する主軸や各種回転機械装置を構成する回転軸の回転支持部には、これらの回転部材を回転自在に支持するために転がり軸受が設けられている。
転がり軸受は、基本的に、外周面に内輪軌道を有する内輪と、内周面に外輪軌道を有する外輪と、内輪軌道と外輪軌道の間に設けられた複数の転動体と、転動体を転動自在に保持するための保持器により構成されている。ラジアル荷重が加わる用途では、一般的に、転動体としてボール（玉）を備えた深溝ラジアル玉軸受が使用される。大きなラジアル荷重が加わる用途では、転動体として円すいころあるいは円筒ころを備えたラジアル円すいころ軸受やラジアル円筒ころ軸受が使用される場合もある。
【０００３】
転がり軸受は、荷重が負荷された状態での長時間の使用により、金属疲労が生じて、軌道面や転動面の表面が剥離する場合がある。剥離のタイプとしては、合金鋼を構成する酸化物や窒化物などの非金属介在物を起点として疲労き裂が生じて剥離に至る内部起点型剥離、潤滑油中に異物が混入することにより軌道面に生じた圧痕を起点として疲労き裂が生じて剥離に至る圧痕起点型剥離が知られている。
さらに、使用条件の厳しい一部の用途で生じる剥離のタイプとして、転がり軸受を構成する合金鋼の基地自体の金属組織が、マルテンサイト組織から白色組織と呼ばれる微細なフェライト粒に変化し、その組織変化部を起点として疲労き裂が生じて剥離に至る組織変化型剥離も知られている。組織変化型剥離は、軌道面に形成された潤滑膜が部分的に破断されるような使用条件下で、軌道面と転動体とが接触して現れた活性な新生面が触媒となって、新生面と潤滑剤がトライボケミカル反応を起こすことで発生した水素が、鋼中の応力集中部に集積することが原因で生じると考えられている。
【０００４】
特に、転動体としてころを用いた転がり軸受や、転動体の直径が３０ｍｍ以上の転がり軸受は、軌道輪と転動体の接触面積が大きいことから油膜が安定して形成されにくい。そのため、軌道輪と転動体との間に局所的に金属接触が生じ易いことから、上述したように、トライボケミカル反応により潤滑油が分解して水素が発生し易くなる。
また、歯車で動力を伝達する変速機の軸を支持し、軸に作用するトルクの方向が一時的に変化する用途では、転動体と軌道輪との間に大きな滑りが発生することから、潤滑膜が切れ易い。そのため、局所的に金属接触が生じ易いことから、上述したように、トライボケミカル反応により潤滑油が分解して水素が発生し易くなる。
さらに、転がり軸受の回転方向が頻繁に変化する用途では、転動体と軌道輪との間の油膜が切れ易い。そのため、転動体と軌道輪との間に局所的に金属接触が生じやすいことから、上述したように、トライボケミカル反応により潤滑油が分解して水素が発生し易くなる。
【０００５】
従来より、転がり軸受の組織変化型剥離を抑制するための提案がなされている（特許文献１〜４等を参照）。
特許文献１および２は、エンジン補機用の転がり軸受に関するものであって、高温、高速、高荷重で、更に外部からの水の浸入を受けやすい環境下で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離を起こすことがなく、長寿命の転がり軸受を提供することを目的としている。
【０００６】
特許文献１には、通常使用されているグリース（合成潤滑油を基油とし、ウレア化合物を増ちょう剤として配合したウレア−合成油系グリース）に代えて、４０℃における動粘度が３０〜２５０ｍｍ2 ／ｓｅｃの合成潤滑油を基油とし、増ちょう剤としてカーボンブラックを配合したグリースを使用することが記載されている。
特許文献２には、軸受空間にグリースを封入すると共に、内輪、外輪、および転動体の少なくとも１つに、鉱油または合成油からな基油に、カルボン酸系防錆添加剤、カルボン酸塩系防錆添加剤、およびエステル系防錆剤の少なくとも一種を０．１〜２０質量％の割合で含有する防錆油を塗布することが記載されている。
【０００７】
特許文献３は、エンジン補機用の転がり軸受に関するものであり、内輪、外輪、および転動体の少なくとも一つは、下記の構成（ア）（イ）を満たすことを特徴としており、下記の構成（ウ）を有することが好ましいと記載されている。
（ア）質量比で、Ｃの含有率が０．２〜０．６％、Ｃｒの含有率が２．５〜７．０％、Ｍｎの含有率が０．５〜２．０％、Ｓｉの含有率が０．１〜１．５％、Ｍｏの含有率が０．５〜３．０％、Ｖの含有率が２．０％以下、Ｎｉの含有率が２．０％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭又は浸炭窒化処理、焼入れ処理および焼戻し処理が施されて得られる。
（イ）転がり面をなす表層部は、ＣおよびＮの合計含有率が質量比で１．０〜２．５％、残留オーステナイト量が体積比で１５〜４５％、硬さがロックウェル硬さでＨＲＣ６０以上、炭化物および炭窒化物の少なくとも一種からなる析出物の存在率が転がり面内の面積比で１５〜３５％となっている。転がり面をなす表層部の定義に関しては、「表面から所定深さ（例えば、転動体直径Ｄａの５％である０．０５Ｄａ）までの範囲を指す」と記載されている。
（ウ）前記転がり面をなす表層部の圧縮残留応力の最大値は、１５０〜２０００ＭＰａとなっている。
【０００８】
特許文献４には、風車用軸受や建設機械用軸受のように、組織変化型剥離が生じ易い条件で使用する転がり軸受の転動疲労寿命をより一層長くするために、内輪、外輪、および転動体の少なくとも何れかを、下記の構成(a) 〜(c) を有するものとすることが記載されている。
(a) 炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．３０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．５０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が２．６質量％以上４．５質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．４０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が０．２０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．２０質量％以下、硫黄含有率〔Ｓ〕が０．０２質量％以下、リン含有率〔Ｐ〕が０．０２質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が１２質量ｐｐｍ以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である合金鋼からなり、任意の切断面で面積３２０ｍｍ2 当たりに存在する直径１０μｍ以上の酸化物系介在物が１０個以下である素材を、所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化と焼入れ焼戻しを行って得られる。
(b) 転がり面の表面（内外輪の軌道面、転動体の転動面）から転動体の直径の０．０１倍に相当する深さの位置で、炭素と窒素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕が０．８質量％以上１．２質量％以下、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が７２０以上８３０以下であり、残留オーステナイト量が２０体積％以上４５体積％以下であり、圧縮残留応力が５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。
(c) 芯部の硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で４００以上５５０以下である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３２７７５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１０６３３８号公報
【特許文献３】特開２００５−３１４７９４号公報
【特許文献４】特開２０１３−１１０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１および２に記載された提案は、グリース潤滑されるエンジン補機用の転がり軸受には好適であるが、風車用軸受や建設機械用軸受のように比較的大型の転がり軸受では、潤滑剤としてグリースより潤滑油を用いる場合が多い。そのため、特許文献１および２に記載された転がり軸受の組織変化型剥離を抑制するための提案を、潤滑油で潤滑される風車用軸受や建設機械用軸受に適用することはできない。
また、特許文献３および４に記載された転がり軸受には、油膜が切れ易い厳しい条件（組織変化型剥離が生じ易い条件）で使用した場合の転動疲労寿命を長くするという点でさらなる改善の余地がある。
この発明の課題は、風車用軸受や建設機械用軸受のように、油膜が切れ易い厳しい条件で使用された場合でも、組織変化型剥離が抑制されて、より一層の長寿命化が実現できる転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明の一態様の転がり軸受は、内輪、外輪、および転動体の少なくとも何れかが下記の構成(1) 〜(3) を有することを特徴とする。
(1) 炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．３０質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．２０質量％以上０．９０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．２０質量％以上１．２０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が２．６質量％以上４．５質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以上０．９０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が０．９０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．２０質量％以下、硫黄含有率〔Ｓ〕が０．０２０質量％以下、リン含有率〔Ｐ〕が０．０２０質量％以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である合金鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、浸炭または浸炭窒化と焼入れ焼戻しからなる熱処理を行って得られる。
(2) 転がり面の表面から転動体の直径（Ｄ）の０．０１倍に相当する深さの位置（１％Ｄ位置）で、炭素の含有率〔Ｃ1%D 〕が０．５０質量％以上０．８５質量％以下、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が６５３以上８００以下であり、圧縮残留応力が５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である。
(3) 前記素材をなす合金鋼のクロム含有率（〔Ｃｒ〕、単位：質量％）と、前記位置での残留オーステナイト量（〔γR 〕、単位：体積％）と、前記位置での炭素の含有率（〔Ｃ1%D 〕、単位：質量％）と、が下記の(1) 式を満たす。
〔Ｃｒ〕−５（〔Ｃ1%D 〕−０．０２＊〔γR 〕）≧０…(1) 
【００１２】
この態様の転がり軸受においては、軸受部品（内輪、外輪、および転動体の少なくとも何れか）について、素材をなす合金鋼の合金成分と、最大剪断応力位置である１％Ｄ位置（転がり面の表面から転動体の直径（Ｄ）の０．０１倍に相当する深さの位置）での熱処理品質が規定されていることにより、組織変化型剥離の発生が抑制されている。具体的には、軸受部品を、前記構成(1) の方法で作製し、転がり面の１％Ｄ位置での炭素含有率（Ｃ1%D ）を０．５０質量％以上０．８５質量％以下にするとともに、〔Ｃｒ〕と〔Ｃ1%D 〕と〔γR 〕の関係が前記(1) 式を満たすものとしている。
【００１３】
前記構成(1) で使用する合金鋼は、水素による組織変化の抑制作用を有するクロムの含有率〔Ｃｒ〕が一般的な軸受鋼であるＳＵＪ２と比較して高い（２．６質量％以上４．５質量％以下）。しかし、浸炭または浸炭窒化と焼入れ焼戻しからなる熱処理時に表層部に炭化物が形成される際に、熱処理前の合金鋼の基地に固溶していたクロムが炭化物を形成するため、熱処理後のクロム固溶量は熱処理前より少なくなる。
また、合金成分は炭化物周辺に濃化し易い性質もあるため、クロム炭化物の周辺とその他の位置でクロム分布が不均一になり、クロム存在率が粗な位置では組織変化の抑制効果が十分には得られない。前記構成(1) で使用する合金鋼はクロム含有率が高いため、クロム分布の不均一現象が生じ易い。
【００１４】
しかし、〔Ｃ1%D 〕が０．５０質量％以上０．８５質量％以下であり、〔Ｃｒ〕と〔Ｃ1%D 〕と〔γR 〕の関係が前記(1) 式を満たす軸受部品であれば、熱処理時にクロム炭化物の生成が抑制されて、転がり面の合金鋼にクロムが均一に固溶した状態となっているため、組織変化型剥離の発生が効果的に抑制される。
さらに、軸受部品の１％Ｄ位置でのビッカース硬さ（Ｈｖ）が６５３以上８００以下、１％Ｄ位置での圧縮残留応力が５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下であることで、これを満たさない軸受部品を備えた転がり軸受と比較して、組織変化型剥離が生じ易い条件下での寿命が長くなる。
【００１５】
［１％Ｄ位置と構成(2) (3) について］
転がり軸受では、軌道輪（外輪および内輪）と転動体との接触応力によって、接触面直下の軌道輪および転動体の内部に剪断応力が発生し、この剪断応力で金属疲労が生じて、接触面が剥離に至ることとなる。この剪断応力の分布は、軌道輪と転動体の接触応力と接触面積により決定されるので、転動体直径が剪断応力の分布に大きく影響を与える。
通常の使用条件では、転がり面の表面から転動体の直径Ｄ（ころの場合は、最大直径）の約０．０１倍に相当する深さ（１％Ｄ位置）で、剪断応力が最大となり、その領域を起点として剥離が生じる。水素は応力が高い領域に集積しやすいため、剪断応力が最大となる１％Ｄ位置に集積しやすい傾向にある。よって、水素による組織変化も０．０１Ｄ（１％Ｄ）位置で発生しやすい。
このような理由から、軸受部品の１％Ｄ位置での硬さ、炭素含有率〔Ｃ1%D 〕、および圧縮残留応力を規定し、この位置での残留オーステナイト〔γR 〕および炭素含有率〔Ｃ1%D 〕と、素材をなす合金鋼のクロム含有率〔Ｃｒ〕との関係を規定している。
【００１６】
＜１％Ｄ位置での硬さ＞
軸受部品の１％Ｄ位置でのビッカース硬さ（Ｈｖ）を６３５以上８００以下（ロックウェル硬さＨＲＣでは５８〜６４）とする理由は以下の通りである。
軸受部品の１％Ｄ位置でのビッカース硬さ（Ｈｖ）を６３５以上とすることで、軸受部品をなす合金鋼に水素が侵入した場合でも局所的な塑性変形が生じ難くなるため、水素による組織変化を抑制できる。これは、水素による組織変化が鋼に局所的な塑性変形が生じることで引き起こされるという知見に基づく。１％Ｄ位置でのビッカース硬さが８００を超えると、転がり面に必要な破壊靱性値が得られない。
使用する合金鋼の組成と熱処理条件を制御することにより、軸受部品の１％Ｄ位置での硬さを前記範囲とすることができる。
【００１７】
＜１％Ｄ位置での炭素含有率〔Ｃ1%D 〕＞
軸受部品の１％Ｄ位置での炭素含有率を０．５０質量％以上０．８５質量％以下とする理由は以下の通りである。
軸受部品の１％Ｄ位置での炭素含有率を０．５０質量％以上とすることで、転がり面に必要な硬さが得られるとともに、表層部の残留オーステナイト量が多くなることで組織変化の抑制作用が得られる。１％Ｄ位置での炭素含有率が０．８５質量％を超えていると、炭素がクロム炭化物として析出しているおそれがあり、クロムによる組織変化の抑制作用が実質的に得られない。
軸受部品の１％Ｄ位置での炭素含有率の好ましい範囲は０．５０質量％以上０．７５質量％以下である。
【００１８】
＜１％Ｄ位置での圧縮残留応力＞
軸受部品の１％Ｄ位置での圧縮残留応力を５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下とする理由は以下の通りである。
軸受部品の接触面の剥離は、１％Ｄ位置での水素による組織変化を起点として亀裂が生じることに起因して発生する。軸受部品の１％Ｄ位置に存在する圧縮残留応力は、水素による組織変化を起点として生じた亀裂の進展を抑制する作用を有する。圧縮残留応力が５０ＭＰａ未満ではこの作用が実質的に得られず、３００ＭＰａを超えると、圧縮残留応力と釣り合う大きさで内部に発生する引張残留応力の作用によって、亀裂の進展が促進される場合がある。
使用する合金鋼の組成と熱処理条件（炭素含有率または炭素と窒素の合計含有率の表面から芯部へ向かう傾斜）を制御することにより、軸受部品の１％Ｄ位置での圧縮残留応力を前記範囲とすることができる。
【００１９】
＜(1) 式に関して＞
クロムは組織変化の抑制作用を有する。その含有率〔Ｃｒ〕が高いほど(1) 式の左辺の値（Ａ値）は大きくなる。１％Ｄ位置での炭素含有率〔Ｃ1%D 〕が低いほど(1) 式の左辺の値（Ａ値）は大きくなる。
一般的に、合金鋼の炭素含有率を高くしたり、焼入れ温度を高くしたりすることで、基地への炭素固溶量を多くすると、表層部の残留オーステナイト量も多くなることが知られている。つまり、１％Ｄ位置での残留オーステナイト量〔γR 〕が多いことは、基地への炭素固溶量が多く、クロム炭化物の生成が抑えられて、基地に固溶しているクロムの量が多くなっていることを意味している。
【００２０】
また、Ａ値は１以上であることが好ましい。すなわち、〔Ｃｒ〕と〔Ｃ1%D 〕と〔γR 〕の関係は下記の(2) 式を満たすことが好ましい。
Ａ＝〔Ｃｒ〕−５（〔Ｃ1%D 〕−０．０２＊〔γR 〕）≧０…(1) 
Ａ＝〔Ｃｒ〕−５（〔Ｃ1%D 〕−０．０２＊〔γR 〕）≧１…(2) 
なお、ＳＵＪ２のＡ値は−２．５であり、ＳＣＲ４２０のＡ値は−１．８であり、ＳＴＦのＡ値は−０．５である。
【００２１】
［構成(1) で使用する合金鋼の組成について］
〔Ｃ〕を０．１０質量％以上０．３０質量％以下とする理由は以下の通りである。
炭素（Ｃ）は、焼入れによって基地（マトリックス）に固溶し、組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。炭素含有率が０．１０質量％未満であると、芯部の硬さが不足して剛性が不十分となる。ただし、炭素含有率が０．３０質量％を超えると芯部の靱性が不足する。
なお、浸炭または浸炭窒化を含む熱処理により、転がり面の表層部が硬化され、表面からの位置が深くなるほど硬さが低下し、ある位置で硬さが最低値となり、それより深い部分は硬さが一定となっている。この硬さが最低値で一定となっている部分を、芯部と定義している。
【００２２】
〔Ｓｉ〕を０．２０質量％以上０．９０質量％以下とする理由は以下の通りである。
珪素（Ｓｉ）は、精鋼時に脱酸剤として作用する。また、基地に固溶して焼入れ性を向上させる作用を有する。さらに、マルテンサイトを安定化する元素であるため、水素によるマルテンサイトからフェライトへの組織変化を抑制する作用を有する。珪素含有率が０．２０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。
ただし、珪素含有率が０．９０質量％を超えると、浸炭性および浸炭窒化性が不十分となる。珪素含有率の好ましい範囲は０．２０質量％以上０．５０質量％以下である。
【００２３】
〔Ｍｎ〕を０．２０質量％以上１．２０質量％以下とする理由は以下の通りである。
マンガン（Ｍｎ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させる作用を有する。また、マルテンサイトを安定化する元素であるため、水素によるマルテンサイトからフェライトへの組織変化を抑制する作用を有する。さらに、オーステナイトを安定化する元素でもあるため、鋼の組織変化の原因となる水素の局所集積を抑制する残留オーステナイト量を多くする作用も有する。マンガン含有率が０．２０質量％未満であると、その作用が実質的に得られない。
ただし、マンガン含有率が１．２０質量％を超えると、旧オーステナイト粒径が粗大化したり、残留オーステナイト量が多くなり過ぎたりして、寸法安定性が低下する。マンガン含有率の好ましい範囲は０．６０質量％以上１．２０質量以下である。
【００２４】
〔Ｃｒ〕を２．６質量％以上４．５質量％以下とする理由は以下の通りである。
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させる作用を有する。また、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用を有する。また、マルテンサイトを安定化する元素であるため、水素によるマルテンサイトからフェライトへの組織変化を抑制する作用を有する。クロム含有率が２．６質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
ただし、クロムは高価な元素であるため、その含有率は少ない方が好ましい。また、クロム含有率が４．５質量％を超えると、靱性、浸炭性および浸炭窒化性が不十分となるとともに、化学的に安定した炭化物を形成するために焼入れ温度を高くする必要があるため、生産性が低下する。
【００２５】
〔Ｍｏ〕を０．１０質量％以上０．９０質量％以下とする理由は以下の通りである。
モリブデン（Ｍｏ）は、基地に固溶して焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。また、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用を有する。また、マルテンサイトを安定化する元素であるため、水素によるマルテンサイトからフェライトへの組織変化を抑制する作用を有する。
さらに、オーステナイトを安定化する元素でもあるため、鋼の組織変化の原因となる水素の局所集積を抑制する残留オーステナイト量を多くする作用も有する。モリブデンの含有率が０．１０質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
ただし、モリブデン含有率が０．９０質量％を超えると、靱性が不十分となり、冷間加工性および被削性も不十分となって、生産性が低下する。また、高価な元素であるためモリブデン含有率は少ない方が好ましい。
【００２６】
〔Ｎｉ〕を０．９０質量％以下とする理由は以下の通りである。
ニッケル（Ｎｉ）は、基地に固溶して焼入れ性および靱性を向上させる作用を有する。また、オーステナイトを安定化する元素であるため、鋼の組織変化の原因となる水素の局所集積を抑制する残留オーステナイト量を多くする作用を有する。
ニッケルは高価な元素であるため、含有率を０．９０質量％以下とする。また、ニッケルは必須成分ではないが、その含有率が０．０１質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られないため、ニッケルを含有させる場合にはその含有率を０．０１質量％以上とする。
【００２７】
〔Ｃｕ〕を０．２０質量％以下とする理由は以下の通りである。
銅（Ｃｕ）は、基地に固溶して焼入れ性および粒界強度を向上させる作用を有する。銅は必須成分ではないが、その含有率が０．０２質量％未満であるとこれらの作用が実質的に得られないため、銅を含有させる場合にはその含有率を０．０２質量％以上とする。
ただし、銅の含有率が０．２０質量％を超えると、熱間鍛造性が不十分となって、生産性が低下する。
【００２８】
〔Ｓ〕を０．０２０質量％以下とする理由は以下の通りである。
硫黄（Ｓ）は、マンガン（Ｍｎ）と結合して硫化マンガン（ＭｎＳ）を形成し、介在物となるため、硫黄含有率は少ない方が好ましい。そのため、硫黄の含有率は０．０２０質量％以下とし、好ましくは０．０１２質量％以下とする。
〔Ｐ〕を０．０２０質量％以下とする理由は以下の通りである。
リン（Ｐ）は、結晶粒界に偏析して、粒界強度や破壊靱性を低下させるため、その含有率は少ない方が好ましい。そのため、リンの含有率を０．０２０質量％以下にする。
【００２９】
［構成(1) の熱処理条件について］
前記構成の素材に対して、浸炭または浸炭窒化と焼入れ焼戻しからなる熱処理を行うことで、軸受部品（内輪、外輪、転動体のいずれか）の表層部に炭素または炭素と窒素が導入される。
＜浸炭または浸炭窒化＞
浸炭または浸炭窒化の処理温度（浸炭または浸炭窒化雰囲気下での保持温度）は８８０℃以上１０００℃以下とすることが好ましい。処理温度が８８０℃未満であると、炭素や窒素の拡散速度が遅いために処理時間が長くなり、生産性が低下する。処理温度が１０００℃を超えると、旧オーステナイト粒の粗大化が生じる。
【００３０】
好ましくは浸炭窒化を行う。浸炭窒化を行うことで、炭素（Ｃ）だけでなく窒素（Ｎ）も表層部の鋼の基地内に固溶されることにより、表層部の鋼の炭素含有率を低くしながら（前記構成(2) の「炭素の含有率（Ｃ1%D ）が０．５０質量％以上０．８５質量％以下」）、表層部の硬さと残留オーステナイトを確保することができる。浸炭窒化処理を行う場合は、１％Ｄ位置での窒素含有率〔Ｎ1%D 〕を０．０５質量％以上０．５０質量％以下の範囲にすることが好ましい。
浸炭処理または浸炭窒化を行う際には、表層部の炭素含有率〔Ｃ1%D 〕および窒素含有率〔Ｎ1%D 〕を前記範囲とするために炉内のガス濃度を調整する。具体的には、プロパンやブタンなどの炭化水素系ガスの流量を制御することで〔Ｃ1%D 〕を、アンモニアのガス流量を制御することで〔Ｎ1%D 〕をそれぞれ調整する。浸炭または浸炭窒化処理の保持時間は、軸受部品のサイズに応じて、浸炭層または浸炭窒化層が最適な深さとなる時間とする。
【００３１】
浸炭または浸炭窒化工程では、浸炭または浸炭窒化雰囲気下での保持後に冷却（放冷または急冷）を行うが、この冷却として急冷を行うことが好ましい。浸炭または浸炭窒化後に急冷することにより、冷却時に基地から炭素が炭化物として析出することが抑制され、析出した場合でも均一で微細な炭化物となる。
また、浸炭または浸炭窒化工程では、浸炭または浸炭窒化雰囲気下で８８０℃以上１０００℃以下の温度に所定時間保持した後に、雰囲気はそのままで温度を下げて８００〜８８０℃の温度に所定時間保持し、その後に急冷することが好ましい。
この冷却前保持工程を行うことで、旧オーステナイト粒径の粗大化を抑制する効果が得られる。なお、この冷却前保持工程を行う場合、その保持温度が８００℃未満であると、冷却時に基地から炭素が炭化物として析出し易くなるため、急冷を行うことによる上記効果が得られない。この冷却前保持工程の保持時間は、軸受部品のサイズに応じて決定される。
【００３２】
＜焼入れ処理＞
焼入れ処理は、軸受部品を８００〜８８０℃の温度に所定時間保持した後、油冷することにより行うことが好ましい。
焼入れ温度が８００℃未満であると、焼入れ後の硬さが不足する。焼入れ温度が８８０℃を超えると、残留オーステナイト量が過剰になったり、旧オーステナイト粒が粗大化したりして、靱性が低下する。焼入れ処理の保持時間は、軸受部品のサイズに応じて決定される。
なお、浸炭処理あるいは浸炭窒化処理後に冷却前保持工程と急冷（油冷）を行った場合は、焼入れ処理を行わなくても良い。
【００３３】
＜焼戻し処理＞
焼戻し処理は、軸受部品を１６０〜２４０℃の温度に所定時間保持した後、空冷あるいは炉冷することにより行うことが好ましい。
焼戻し温度が１６０℃未満であると、靱性が低下したり、合金鋼の組織が水素に対して敏感となって、水素による組織変化が生じやすくなったりする。焼戻し温度が２４０℃を超えると、残留オーステナイトが分解されて基地に固溶していた炭素がクロム炭化物として析出し易くなるため、クロムの固溶量が低下して、水素による組織変化を抑制する効果が十分に得られなくなる。焼戻し処理の保持時間は、軸受部品のサイズに応じて決定される。
【００３４】
［好適な用途］
この発明の転がり軸受は、油膜が切れ易い厳しい条件で使用された場合でも組織変化型剥離が生じ難いものであるため、転動体の直径（ころの場合は、最大直径）が３０ｍｍ以上の大形の転がり軸受として好適であり、風力発電用風車の回転軸を支持する用途、建設機械の回転軸を支持する用途で好適に使用される。より具体的には、風力発電用風車の主軸や増速機（変速機）の回転軸を支持する用途、建設機械の車軸や変速機の回転軸を支持する用途で好適に使用される。
また、風力発電用風車の変速機の入出力軸（増速機の回転軸）を支持する用途は、歯車で動力を伝達する変速機の軸を支持し、軸に作用するトルクの方向が一時的に変化する用途に含まれ、建設機械の車軸を支持する用途は、転がり軸受の回転方向が頻繁に変化する用途に含まれる。
この発明の転がり軸受は、風力発電装置の主軸、あるいは、変速機、建設機械、産業用ロボットを構成する回転軸などを支持するために使用される比較的大型の転がり軸受として好適である。
【発明の効果】
【００３５】
この発明の転がり軸受によれば、風車用軸受や建設機械用軸受のように、油膜が切れ易い厳しい条件で使用された場合でも、組織変化型剥離が抑制されて、より一層の長寿命化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施形態に相当する玉軸受を示す断面図である。
【図２】Ａ値と寿命（相対値）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】
【００３７】
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
図１は、この実施形態の玉軸受を示す断面図である。この玉軸受は、内輪１、外輪２、ボール（転動体）３、および保持器４で構成されている。
図１の形状の玉軸受として、呼び番号「６３１７」の玉軸受（内径：８５ｍｍ、外径：１８０ｍｍ、幅：４１ｍｍ、ボール直径：３０．２ｍｍ）を作製する。
外輪２とボール３は、ＳＵＪ２製の素材を用い、通常の方法で作製した。内輪１は以下の方法で作製した。内輪１用の素材として、表１の鋼種Ａ〜Ｐからなる円柱状の素材をそれぞれ用意した。なお、鋼種ＫはＳＵＪ２である。また、内輪１のみが異なる軸受とした理由は、内輪１が剥離し易い寿命試験を行うためである。
【００３８】
【表１】
2015203153.tif 000003
【００３９】
先ず、円柱状の各素材を所定長さに切断した後、熱間ローリング加工、球状化焼鈍、および旋削加工を行って、内輪１の形状とした。次に、各サンプルについて、以下にア〜エで示す種類の熱処理を、下記の表２に示す条件で行った。その際に、１％Ｄ位置での炭素含有率が表２に示す各値となるようにＣＰ（カーボンポテンシャル）値を調節した。熱処理後に、研削加工と仕上げ加工をそれぞれ施した。
【００４０】
＜熱処理ア：浸炭窒化→温度保持後急冷→焼入れ焼戻し＞
９２０〜９８０℃の各温度に調整されたＲｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気に１４時間保持する浸炭窒化処理を行った後、８００〜８８０℃の各温度に１．５時間保持する冷却前保持を行い、次に油冷を行う。次に、８２０〜８８０℃の各温度で１．５時間保持した後に油冷する焼入れを行い、次いで１６０〜２００℃の各温度で２時間保持する焼戻しを行った後、空冷する。
【００４１】
＜熱処理イ：浸炭窒化→焼入れ焼戻し＞
８９０℃に調整されたＲｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気に１４時間保持した後に油冷する浸炭窒化処理を行った後、８８０℃で１．５時間保持した後に油冷する焼入れを行い、次いで１８０℃で２時間保持する焼戻しを行った後、空冷する。
＜熱処理ウ：浸炭→焼入れ焼戻し＞
８８０〜１０００℃に調整されたＲｘガス＋エンリッチガス雰囲気に１４時間保持した後に油冷する浸炭処理を行った後、８００〜８８０℃で１．５時間保持した後に油冷する焼入れを行い、次いで１６０〜２４０℃の各温度で２時間保持する焼戻しを行った後、空冷する。
【００４２】
＜熱処理エ：焼入れ焼戻し＞
８４０℃のＲｘガス雰囲気に１．５時間保持した後に油冷する焼入れを行い、次いで１８０℃で２時間保持する焼戻しを行った後、空冷する。
得られた内輪１、外輪２、ボール３と、鋼板製の波形保持器４を用いて、玉軸受を各３体組み立てて、以下の条件で回転試験を行い、内輪１、外輪２、ボール３のいずれかに剥離等の破壊が生じるまでの時間（寿命）を調べた。
【００４３】
＜試験条件＞
ラジアル荷重：５３．２ｋＮ
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
潤滑剤：トランスミッション用合成油（高トラクション油：分解して水素が生じ易い潤滑油）
各サンプルの３体の軸受寿命の平均値（平均寿命）を算出し、各サンプルの平均寿命から、サンプルNo.11 の平均寿命を「１」とした相対値を算出した。その結果も表２に併せて示す。
【００４４】
また、得られた内輪１について、軌道面の１％Ｄ位置での炭素含有率〔Ｃ〕と窒素含有率〔Ｎ〕を、電子線マイクロアナライザ (ＥＰＭＡ）で測定した。
また、得られた内輪１の軌道面を含む一部を切り出し、切断面を鏡面に研磨してビッカース硬さ測定用の試験片を作製した。この試験片を用い、マイクロビッカース硬さ測定機により、軌道面の１％Ｄ位置のビッカース硬さを１０カ所で測定し、１０カ所の測定値の平均値を算出した。
また、得られた内輪１の軌道面を含む一部を切り出し、軌道面を電解研磨して１％Ｄ位置の残留オーステナイト量（体積％）と圧縮残留応力をＸ線回折装置により測定した。この測定を１％Ｄ位置の３カ所以上で行い、平均値を算出した。
また、試験後の内輪１の軌道面を顕微鏡で観察し、組織変化が生じているかどうかを調べた。
これらの結果も下記の表２に併せて示す。
【００４５】
なお、表２の「寿命（相対値）：５．０以上」は、サンプルNo.11 （ＳＵＪ２製内輪を使用した従来例の転がり軸受）の寿命の５．０倍以上の時間が経過しても剥離が生じなかったため、試験を打ち切ったことを示す。また、剥離は全て内輪に生じ、剥離が生じていた軌道面には組織変化が生じ、白色組織が観察された。表２の下線部は、この発明の構成から外れていることを意味する。
【００４６】
【表２】
2015203153.tif 000004
【００４７】
また、表２の結果のうち、No.1〜11，18〜20について、Ａ値と寿命（相対値）との関係を図２にグラフで示す。
No.1〜10の転がり軸受は、内輪１がこの発明の構成を全て満たす実施例に相当し、その寿命はNo.11 の転がり軸受の５．０倍以上であった。特に、No.1〜７の転がり軸受は、内輪の〔Ｃｒ〕と〔Ｃ1%D 〕と〔γR 〕の関係を示すＡ値が１以上である（すなわち、(1) 式より好ましい(2) 式を満たす）とともに、〔Ｃ1%D 〕が０．５０〜０．７５質量％の範囲内にあることから、No.11 の転がり軸受の５．０倍以上の寿命が得られただけでなく、水素による組織変化も生じていなかった。
No.11 〜20の転がり軸受は、内輪１がこの発明の構成のいずれかを満たさない比較例に相当し、その寿命はNo.11 の転がり軸受の０．８〜２．８倍であり、水素による組織変化も生じていた。
【００４８】
No.11 の転がり軸受は、内輪１を構成する合金鋼の組成と、熱処理条件と、〔Ｃ1%D 〕値と、表層部の硬さおよび圧縮残留応力値と、〔Ｃ1%D 〕値と、Ａ値がこの発明の範囲外である。No.12 の転がり軸受は、内輪１を構成する合金鋼の組成と〔Ｃ1%D 〕値と表層部の硬さがこの発明の範囲外である。
No.13 の転がり軸受は、内輪１を構成する合金鋼の組成と〔Ｃ1%D 〕値がこの発明の範囲外である。No.14 〜16の転がり軸受は、内輪１を構成する合金鋼がこの発明の範囲外である。No.17 の転がり軸受は、内輪１の表層部の硬さおよび圧縮残留応力値と〔Ｃ1%D 〕値がこの発明の範囲外である。No.18 〜20の転がり軸受は、内輪１のＡ値がこの発明の範囲外である。
【００４９】
以上の結果から、ボール３の直径が３０．２ｍｍである図１の玉軸受であって、この発明の構成(1) 〜(3) の全てを満たす内輪を有する軸受は、前記構成(1) 〜(3) のいずれかを満たさない内輪を有する軸受よりも、水素が侵入し易い条件（潤滑剤の種類と転動体の直径が３０ｍｍ以上であること）で使用した時の寿命が長いことが分かる。また、特に、前記構成(1) 〜(3) の全てを満たすとともに、〔Ｃ1%D 〕が０．５０質量％以上０．７５質量％以下である内輪を有する軸受は、水素が侵入し易い条件で使用した時の寿命をさらに長くできることが分かる。
なお、この実施形態では玉軸受について説明しているが、この発明の転がり軸受はころ軸受（例えば、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受）も含むことは言うまでもない。また、この実施形態の玉軸受やこれと同程度の寸法の玉軸受やころ軸受は、風車の増速機（変速機）の回転軸を支持する用途や、建設機械の車軸および変速機の回転軸を支持する用途で使用される。
【符号の説明】
【００５０】
１  内輪
２  外輪
３  ボール（転動体）
４  保持器
【図１】
2015203153.tif 000005
【図２】
2015203153.tif 000006