(57)【要約】【課題】雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や潤滑油のトラクション係数が高い環境下で使用する場合に好適な転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受の軌道輪素材として用いられる合金鋼の炭素含有量を0.8質量％以上とし、かつ軌道輪（内輪１及び外輪４）の軌道面硬さをＨv 550以上Ｈv 650以下にする。また、使用時に想定される最大荷重をＰmaxとしたとき、軸受動定格荷重ＣrをＰmax／Ｃr≦0.2とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に複数の転動体を有する転がり軸受において、使用時に想定される最大荷重をＰmaxとしたとき、軸受動定格荷重ＣrをＰmax／Ｃr≦0.2とし、かつ前記内輪、前記外輪、前記転動体のうち少なくとも一つを0.8質量％以上の炭素を含有する合金鋼から形成するとともに、前記内輪に形成された軌道面と前記外輪に形成された軌道面のうち少なくとも一方の軌道面の硬さがＨv550以上Ｈv650以下としたことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記内輪または前記外輪が車輪取付け用フランジを有することを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記内輪及び前記外輪の軌道面に潤滑油膜を形成する潤滑油のトラクション係数が0.05以上であることを特徴とする請求項１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、自動車の車輪支持用転がり軸受のように雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や、ベルト式無段変速機やトロイダル式無段変速機で使用される転がり軸受のように潤滑油のトラクション係数が高い環境下で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
玉軸受等の転がり軸受は軸受に負荷される荷重が軽荷重であるほど転がり疲労寿命が長くなるが、たとえば、自動車の車輪支持用転がり軸受のように雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や、ベルト式無段変速機あるいはトロイダル式無段変速機で使用される転がり軸受のように潤滑油のトラクション係数の高い環境下では、潤滑剤に混入した水分や潤滑油中の添加剤によって水素が軌道輪の軌道面に発生し、発生した水素が軌道輪や転動体に吸蔵されることにより軌道輪素材や転動体素材の疲労強度が低下するため、転がり軸受に負荷される荷重が軽荷重の場合でも転がり疲労寿命が著しく短くなる場合がある。
【０００３】
水素の吸蔵による転がり疲労寿命の低下を抑制する技術としては、外輪の表面に金属合金種を形成して水素の吸蔵を抑制する技術（例えば、特許文献１参照）や、軌道輪素材のクロム含有量と軌道輪の溝曲率を制限して水素の吸蔵を抑制する技術（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【特許文献１】特開２００６−４６６１９号公報
【特許文献２】特開２００４−１１７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたものは、外輪の表面に金属合金種を形成するときに電気めっきなどの工程を新たに必要とするため、コストアップを招くという問題がある。また、特許文献２に記載されたものは、軌道輪素材の材料成分を変更しなければならないため、コストアップを招くという問題がある。
本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や潤滑油のトラクション係数が高い環境下で使用する場合に好適な転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明に係る転がり軸受は、内輪と外輪との間に複数の転動体を有する転がり軸受において、使用時に想定される最大荷重をＰmaxとしたとき、軸受動定格荷重ＣrをＰmax／Ｃr≦0.2とし、かつ前記内輪、前記外輪、前記転動体のうち少なくとも一つを0.8質量％以上の炭素を含有する合金鋼から形成するとともに、前記内輪に形成された軌道面と前記外輪に形成された軌道面のうち少なくとも一方の軌道面の硬さがＨv550以上Ｈv650以下としたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明に係る転がり軸受は、請求項１記載の転がり軸受において、前記内輪または前記外輪が車輪取付け用フランジを有することを特徴とする。
請求項３記載の発明に係る転がり軸受は、請求項１記載の転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の軌道面に潤滑油膜を形成する潤滑油のトラクション係数が0.05以上であることを特徴とする。
【０００７】
本発明において、軸受動定格荷重ＣrをＰmax／Ｃr≦0.2とし、かつ軌道輪素材や転動体素材のＣ含有量を0.8質量％以上にするとともに、軌道面の硬さをＨv550以上Ｈv650以下とした理由は、以下の理由からである。
［軌道面硬さがＨv550以上Ｈv650以下］
一般に、転がり軸受の転がり疲労寿命は軌道輪の軌道面硬さが硬いほど長くなるが、軌道輪の内部に水素が吸蔵されると、吸蔵された水素が軌道輪素材の基地組織に存在する転位や点欠陥などの格子欠陥にトラップされ、格子欠陥と水素の相互作用によって転がり疲労寿命が低下する。このため、基地組織の硬さが高いものほど格子欠陥の量が多くなり、転がり疲労寿命の低下の度合いが大きくなる。
【０００８】
軌道面の硬さがＨv650以下では水素の吸蔵による転がり疲労寿命の低下の度合いが小さくなるが、Ｈv550未満では軌道輪と転動体との接触面圧によって通常の転がり疲労（水素が影響しない転がり疲労）が進行するため、疲労寿命が低下する。したがって、水素の吸蔵による転がり疲労寿命の低下を抑制するためには、軌道面の硬さをＨv550以上Ｈv650以下、好ましくは転がり疲労寿命の安定性を考慮してＨv570以上Ｈv630以下にすることが望ましい。なお、軌道面の硬さは焼入れ焼戻し時の保持温度、保持時間等によって調整可能である。
［炭素含有量が0.8重量％以上］
軌道輪素材や転動体素材に含まれるＣは、焼入れ焼戻しが施された素材の基地組織に溶け込んだ状態で存在すると共にセメンタイトとして析出した状態で存在するため、素材の硬さに大きな影響を与える。軌道面の硬さは基地組織の硬さとセメンタイトの硬さによって決定され、炭素量が多いとセメンタイト量が多くなるため、基地組織の硬さが低い場合でも軌道面の硬さを高くすることができる。
【０００９】
炭素含有量が0.8質量％未満であると、セメンタイト量が少なくなり、基地組織の硬さを高くしなければならないため、水素の吸蔵による転がり疲労寿命の低下の度合いが大きくなる。したがって、水素の吸蔵による転がり疲労寿命の低下を抑制するためには、炭素含有量を0.8質量％以上、好ましくは転がり疲労寿命の安定性を考慮して0.9質量％以上とすることが望ましい。また、炭素含有量が過剰になると加工性が低下するため、炭素含有量を1.1質量％以下とすることが好ましい。
［軸受動定格荷重ＣrをＰmax／Ｃr≦0.2］
通常の転がり疲労（水素が影響しない転がり疲労）は、負荷荷重が高くなるほど軌道輪と転動体の接触面圧が高くなるため、疲労寿命が低下する。転がり軸受では、荷重に対する軸受の転がり疲労強度を表す指標として、動定格荷重Ｃrを用いることが多い。動定格荷重Ｃrの求め方はJISで規定されており、軌道輪の形状や転動体の直径を変えることによって動定格荷重Ｃrの値を調整できる。
【００１０】
使用時に想定される最大荷重がＰmaxであるとき、Ｐmax／Ｃrが0.2を超えると、通常の転がり疲労（水素が影響しない転がり疲労）によって転がり疲労寿命が低下する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水素の吸蔵による転がり疲労寿命の低下が抑制されるため、雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や潤滑油のトラクション係数が高い環境下でも好適に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る転がり軸受を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る転がり軸受の一実施形態を示す断面図であり、同図に示される転がり軸受は内輪１を備えている。この内輪１は円筒状に形成されたハブ輪２と、ハブ輪２と一体に回転する円筒状の内輪構成部材３とからなり、ハブ輪２の図中右側端部には、内輪構成部材３の内周面と密嵌する内輪構成部材圧入面２ａがハブ輪２の全周にわたって形成されている。
【００１３】
また、図１に示される転がり軸受は円筒状の外輪４を備えており、この外輪４の内周面には、転動体軌道溝５，６が外輪４の全周にわたって形成されている。これらの転動体軌道溝５，６はハブ輪２及び内輪構成部材３の外周面に形成された転動体軌道溝７，８と対向しており、転動体軌道溝５，６と転動体軌道溝７，８との間には、複数個の球状転動体９が組み込まれているとともに、転動体９を内輪１及び外輪４の円周方向にほぼ等間隔で保持する保持器１０が組み込まれている。なお、ハブ輪２の図中左側端部には車輪取付け用フランジ１１がハブ輪２と一体に形成され、外輪４の外周面には懸架装置取付け用フランジ１２が外輪４と一体に形成されている。
【００１４】
図１に示される転がり軸受は使用時に想定される最大荷重をＰmaxとしたとき、動定格荷重ＣrがＰmax／Ｃr≦0.2となっている。これは、Ｐmax／Ｃrが0.2を超えると、通常の転がり疲労（水素が影響しない転がり疲労）によって軸受の転がり疲労寿命が低下するためである。
ハブ輪２、内輪構成部材３及び外輪４は、炭素含有量が0.8質量％以上1.1質量％以下、好ましくは0.9質量％以上1.1質量％以下の合金鋼から形成されている。そして、転動体軌道溝５，６，７，８の溝面は軌道面を形成しており、その硬さはＨv550以上Ｈv 650以下、好ましくはＨv 570以上Ｈv 630以下となっている。
【００１５】
ここで、転がり軸受の軌道輪素材を炭素含有量が0.8質量％以上の合金鋼とし、かつ軌道面の硬さをＨv550以上Ｈv 650以下、好ましくはＨv 570以上Ｈv 630以下とした理由について説明する。
本発明者は、表１に示す組成の合金鋼Ａ，Ｂ，Ｃを軌道輪素材として用い、これらの合金鋼に同じ熱処理条件（焼入れ温度：850℃、焼入れ時間：１ｈ、焼戻し温度：270℃、焼戻し時間：２ｈ）で焼入れ焼戻しを施してスラスト玉軸受（呼び番号：51305、動定格荷重Ｃr：15190Ｎ）の軌道輪をそれぞれ作製した。そして、アキシアル荷重：3038Ｎ、回転数：1000min-1、潤滑剤：ＶＧ32、潤滑剤に混入される水分量：１日当り30mlの試験条件で転がり疲労試験を実施したところ、表２に示すように、軌道輪素材が合金鋼Ａのものは累積破損確率50％に対応する寿命比（以下「Ｌ50寿命比」という）が1.4という値を示した。また、軌道輪素材が合金鋼ＢのものはＬ50寿命比が3.0という値を示し、軌道輪素材が合金鋼ＣのものはＬ50寿命比が2.5という値を示した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
また、本発明者は、表１に示す組成の合金鋼Ｂを軌道輪素材として用い、表２に示す熱処理条件で合金鋼Ｂに焼入れ焼戻しを施して４個の軌道輪を作製した。そして、作製した各軌道輪の軌道面硬さを測定した後、アキシアル荷重：3038Ｎ、回転数：1000min-1、潤滑剤：ＶＧ32、潤滑剤に混入される水分量：１日当り30mlの試験条件で軸受の転がり疲労試験を実施したところ、表２及び図２に示すように、軌道面硬さがＨv520のものはＬ50寿命比が1.1という値を示し、軌道面硬さがＨv550のものはＬ50寿命比が2.3という値を示した。また、軌道面硬さがＨv580のものはＬ50寿命比が3.4という値を示し、軌道面硬さがＨv630のものはＬ50寿命比が3.0という値を示した。
【００１９】
さらに、本発明者は、表１に示す組成の合金鋼Ｃを軌道輪素材として用い、表２に示す熱処理条件で合金鋼Ｃに焼入れ焼戻しを施して５個の軌道輪を作製した。そして、作製した各軌道輪の軌道面硬さを測定した後、アキシアル荷重：3038Ｎ、回転数：1000min-1、潤滑剤：ＶＧ32、潤滑剤に混入される水分量：１日当り30mlの試験条件で軸受の転がり疲労試験を実施したところ、表２及び図２に示すように、軌道面硬さがＨv570のものはＬ50寿命比が3.2という値を示し、軌道面硬さがＨv600のものはＬ50寿命比が3.3という値を示した。また、軌道面硬さがＨv650のものはＬ50寿命比が3.3という値を示し、軌道面硬さがＨv730のものはＬ50寿命比が1.0という値を示した。さらに、軌道面硬さがＨv690のものはＬ50寿命比が1.3という値を示した。
【００２０】
また、本発明者は、表１に示す組成の合金鋼Ａ，Ｂ，Ｃを軌道輪素材として用い、これらの合金鋼に同じ熱処理条件（焼入れ温度：850℃、焼入れ時間：１ｈ、焼戻し温度：270℃、焼戻し時間：２ｈ）で焼入れ焼戻しを施してスラスト玉軸受（呼び番号：51305、動定格荷重Ｃr：15190Ｎ）の軌道輪をそれぞれ作製した。そして、アキシアル荷重：3038Ｎ、回転数：1000min-1、潤滑油：トロイダルＣＶＴ用潤滑油（トラクション係数：0.05）の試験条件で転がり疲労試験を実施したところ、表３に示すように、軌道輪素材が合金鋼Ａのものは累積破損確率50％に対応する寿命比（以下「Ｌ50寿命比」という）が1.8という値を示した。これに対し、軌道輪素材が合金鋼ＢのものはＬ50寿命比が4.7という値を示し、軌道輪素材が合金鋼ＣのものはＬ50寿命比が3.6という値を示した。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
さらに、本発明者は、表１に示す組成の合金鋼Ｂを軌道輪素材として用い、表３に示す熱処理条件で合金鋼Ｂに焼入れ焼戻しを施して４個の軌道輪を作製した。そして、作製した各軌道輪の軌道面硬さを測定した後、アキシアル荷重：3038Ｎ、回転数：1000min-1、潤滑油：トロイダルＣＶＴ用潤滑油（トラクション係数：0.05）の試験条件で高トラクション潤滑試験を実施したところ、表３及び図３に示すように、軌道面硬さがＨv520のものはＬ50寿命比が1.4という値を示し、軌道面硬さがＨv550のものはＬ50寿命比が3.1という値を示した。また、軌道面硬さがＨv580のものはＬ50寿命比が4.5という値を示し、軌道面硬さがＨv630のものはＬ50寿命比が4.7という値を示した。
【００２３】
また、本発明者は、表１に示す組成の合金鋼Ｃを軌道輪素材として用い、表３に示す熱処理条件で合金鋼Ｃに焼入れ焼戻しを施して５個の軌道輪を作製した。そして、作製した各軌道輪の軌道面硬さを測定した後、アキシアル荷重：3038Ｎ、回転数：1000min-1、潤滑油：トロイダルＣＶＴ用潤滑油（トラクション係数：0.05）の試験条件で高トラクション潤滑試験を実施したところ、表３及び図３に示すように、軌道面硬さがＨv570のものはＬ50寿命比が5.1という値を示し、軌道面硬さがＨv600のものはＬ50寿命比が5.3という値を示した。また、軌道面硬さがＨv650のものはＬ50寿命比が3.6という値を示し、軌道面硬さがＨv730のものはＬ50寿命比が1.0という値を示した。さらに、軌道面硬さがＨv690のものはＬ50寿命比が1.5という値を示した。
【００２４】
以上のことから、雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や潤滑油のトラクション係数が高い環境下で使用される転がり軸受の軌道輪素材としては、炭素含有量が0.8質量％以上のものが好ましいという知見を得た。
また、雨水などの水分が潤滑剤に混入しやすい環境下や潤滑油のトラクション係数が高い環境下で使用される転がり軸受の軌道輪としては、軌道面硬さがＨv 550以上Ｈv 650以下、好ましくはＨv 570以上Ｈv 630以下のものが望ましいという知見を得た。
【００２５】
図１に示した本発明の一実施形態では車輪支持用転がり軸受に本発明を適用したものを例示したが、車輪支持用転がり軸受に限定されるものでなく、たとえばベルト式無段変速機やトロイダル無段変速機に使用される転がり軸受についても本発明を適用することができる。
なお、軌道輪素材として用いられる合金鋼Ｂ及び合金鋼Ｃの炭素以外の他の合金元素を表１に示した含有量に規定した理由は、以下の通りである。
【００２６】
クロム（Ｃr）は、素材あるいは鍛造後に球状化焼鈍をする際に、セメンタイトの球状化を促進すると共に焼入れ時の焼入れ性を向上させるため、1.0質量％以上添加することが好ましい。しかし、6.0質量％を超えて添加すると、加工性が低下する場合があるため、合金鋼ＢではＣr含有量を1.5質量％とし、合金鋼ＣではＣr含有量を2.0質量％とした。
Ｓiは、製綱時の脱落のために必要な元素であり、さらに焼戻し軟化抵抗を高め、転がり疲労寿命を向上させるため、0.15質量％以上添加することが好ましい。しかし、2.0質量％を超えて添加すると、加工性が低下する場合があるため、合金鋼ＢではＳi含有量を0.25質量％とし、合金鋼ＣではＳi含有量を0.18質量％とした。
【００２７】
Ｍｎは、焼入れ性を高め、転動部材の硬さを安定的に得るために必要が元素であり、0.2質量％以上添加することが好ましい。しかし、1.0質量％を超えて添加しても、その効果は飽和するため、合金鋼ＢではＭｎ含有量を0.36質量％とし、合金鋼ＣではＭn含有量を0.31質量％とした。
Ｏは、鋼中で非金属介在物を形成し、転がり疲労寿命に非常に有害な元素であるため、15質量ppm以下にすることが好ましい。より好ましくは、転がり疲労寿命の安定性のために、10質量ppm以下にすることが望ましく、合金鋼Ｂでは０含有量を0.0006質量％とし、合金鋼ＣではＯ含有量を0.0008質量％とした。
【００２８】
Ｐは、結晶粒界などに偏析し、鋼の靭性を低下させる元素である。このため、合金鋼ＢではＰ含有量を0.015質量％とし、合金鋼ＣではＰ含有量を0.011質量％とした。
Ｓは、結晶粒界などに偏析し、鋼の靭性を低下させる元素であるため、0.02質量％以下にすることが好ましい。しかし、0.01質量％未満になると切削性が低下する場合があるため、合金鋼ＢではＳ含有量を0.015質量％とし、合金鋼ＣではＳ含有量を0.013質量％とした。
【００２９】
ＣuおよびＮiは、鋼の原材料となるスクラップに混入する元素であり、それぞれ0.3質量％を超えると、焼入れ後の残留オーステナイト量が多くなり、寸法安定性が低下する場合がある。このため、合金鋼ＢではＣu含有量及びＮi含有量を0.08質量％、0.05質量％とし、合金鋼ＣではＣu含有量及びＮi含有量を0.011質量％、0.08質量％とした。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態を示す断面図である。
【図２】潤滑剤に水分を混入させた条件下におけるスラスト玉軸受の軌道面硬さと寿命比との関係を示す線図である。
【図３】潤滑油のトラクション係数が高い条件下におけるスラスト玉軸受の軌道面硬さと寿命比との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  内輪
２  ハブ輪
３  内輪構成部材
４  外輪
５，６，７，８  転動体軌道溝
９  転動体
１０  保持器
１１  車輪取付け用フランジ
１２  懸架装置取付け用フランジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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