(57)【要約】【課題】鋼材に特殊材料を用いることなく水素脆化に起因する早期剥離を効果的に抑制できる転がり軸受を提供する。【解決手段】鋼材からなる内輪２および外輪３の少なくとも一つの軌道輪に表面処理を施した転がり軸受１であって、該軌道輪の転走面表面から 4 nm 以内の所定深さの層において、（Ｃｒの原子数）／（Ｆｅの原子数＋Ｃｒの原子数）で求められるＣｒ存在比が 0.50 以上であり、上記表面処理は軌道輪を陽極にし、硫酸等を含有する水溶液を電解液とし、電解エッチングした後、軌道輪を、クロム酸と、硫酸等とを含有した処理液に浸漬し被膜を形成した後、軌道輪を陰極とし、クロム酸と、りん酸等と、カルシウム炭酸塩等の過飽和量と、界面活性剤とを含む水溶液を電解液として電解する処理である。【選択図】図１
2008163994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材からなる内輪および外輪と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体とを備え、前記内輪および外輪の少なくとも一つの軌道輪の転走面に表面処理を施した転がり軸受であって、
前記表面処理を施された転走面表面から 4 nm 以内の所定深さの層において、（クロムの原子数）／（鉄の原子数＋クロムの原子数）で求められるクロム存在比が 0.50 以上であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記軌道輪の表面処理は、前記軌道輪を陽極にし、硫酸、りん酸、硝酸および／またはそれらの塩から選ばれた少なくとも一つの物質を含有する水溶液を電解液とし、周波数が 20〜100 KHz の超音波を付与して電解エッチングした後、
電解エッチングした軌道輪を、クロム酸 15〜300 g/l と、硫酸 30〜850 g/l または硝酸 40〜500 g/l とを含有した室温〜120℃の処理液に浸漬し前記軌道輪に被膜を形成した後、
被膜を形成した軌道輪を陰極とし、クロム酸を 50〜150 g/l と、りん酸および／または硫酸を 0.1〜100 ml/l と、マグネシウム、カルシウム、バリウムの炭酸塩または硫酸塩から選ばれた少なくとも一つの物質の過飽和量と、界面活性剤とを含む水溶液を電解液として電解する処理であ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】
前記電解エッチングで使用する硫酸およびりん酸は 50〜150 g/l 、硝酸は 50〜500 g/l 、これらの塩は 60〜800 g/l であることを特徴とする請求項２記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関し、特に軸受内外輪の転走面に生じる特異性のある剥離現象を防止した転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の電装補機用に使用される軸受には、転動体と軌道輪のすべりに起因する脆性剥離問題がある。脆性剥離とは、転動体の滑りによる金属接触から転走面に新生面が発生し、この新生面から鋼中へ水素が侵入し、水素脆化が生じる事によって発生するとされている。また、水素は潤滑剤から引き離されて生じる場合や軸受内部への水分の浸入によって発生する。
脆性剥離を防止する方法として、鋼材にクロム（以下、「Ｃｒ」と一部記す）を含有させた特殊材料を用いる方法がある。鋼材中のＣｒは転走面表面の酸素と結合し、転走面表面にＣｒの酸化被膜を形成する。この酸化被膜が鋼中への水素の侵入を防ぎ、延いては脆性剥離を防止するものである。
しかし、鋼材に特殊材料を用いることは製造コスト上、またはグローバル規模での輸送が必要となる等、調達上も好ましくない。そこで、通常の軸受鋼を用い、表面処理によって脆性剥離を防止する手法が必要である。
【０００３】
表面処理によって脆性剥離を防止する手法については、例えば転がり軸受の軌道輪の軌道面もしくは転動体の転動面のうち少なくとも一つに、酸化鉄クロム系からなる厚さ 1〜1000 nm の酸化皮膜を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１の方法では酸化鉄クロム系からなる厚さ 1〜1000 nm の酸化皮膜を形成するには軸受材質や熱処理履歴等により再加熱酸化処理や浸炭、浸炭窒化処理、研磨処理等の数次にわたる加工が必要であり、コストがかかるという問題がある。
【特許文献１】特再２０００−１１２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はかかる問題に対処するためになされたものであり、鋼材に特殊材料を用いることなく水素脆化に起因する早期剥離を効果的に抑制できる転がり軸受の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の転がり軸受は、鋼材からなる内輪および外輪と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体とを備え、上記内輪および外輪の少なくとも一つの軌道輪の転走面に表面処理を施した転がり軸受であって、上記表面処理を施された転走面表面から 4 nm 以内の所定深さの層において、（クロムの原子数）／（鉄の原子数＋クロムの原子数）で求められるＣｒ存在比が 0.50 以上であることを特徴とする。
【０００６】
上記軌道輪の表面処理は、該軌道輪を陽極にし、硫酸、りん酸、硝酸および／またはそれらの塩から選ばれた少なくとも一つの物質を含有する水溶液を電解液とし、周波数が 20 KHz〜100 KHz の超音波を付与して電解エッチングした後、電解エッチングした軌道輪を、クロム酸 15 g/l〜300 g/l と、硫酸 30 g/l〜850 g/l または硝酸 40 g/l〜500 g/l とを含有した室温〜120℃の処理液に浸漬し上記軌道輪に被膜を形成した後、被膜を形成した軌道輪を陰極とし、クロム酸を 50 g/l〜150 g/l と、りん酸および／または硫酸を 0.1 ml/l〜100 ml/l と、マグネシウム、カルシウム、バリウムの炭酸塩または硫酸塩から選ばれた少なくとも一つの物質の過飽和量と、界面活性剤とを含む水溶液を電解液として電解する処理であることを特徴とする。
【０００７】
上記電解エッチングで使用する硫酸およびりん酸は 50〜150 g/l 、硝酸は 50〜500 g/l 、これらの塩は 60〜800 g/l であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の転がり軸受は、例えば軌道輪表面にエッチング処理、不動態被膜形成処理および電解処理の３段階の表面処理を施すことで、軌道輪の転走面表面から 4 nm 以内の所定深さの層において、（クロムの原子数）／（鉄の原子数＋クロムの原子数）で求められるＣｒ存在比を 0.50 以上とするので、形成される被膜等により鋼中への水素の侵入を防止でき、脆性剥離を防止することができる。
すなわち、一般鋼材である軌道輪の表面には活性転移の多い塑性変形組織を有する欠陥層が形成されているが、この欠陥層を、まず電解エッチングにより除去することができ、極めて防錆性に優れた被膜を形成するための下地処理ができる。次に、不動態被膜形成処理においてクロム酸を所定量含有する処理液に軌道輪を浸漬することにより、軌道輪表面に十分な厚さの不動態被膜を形成することができる。最後に電解処理において、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｂａ2+ イオンを含有する電解液を用いて、電解処理することにより上記不動態被膜に優れた防錆性を付与させることができる。
この結果、一般鋼材（ＳＵＪ２等）である軌道輪の表面に十分な厚さの不動態被膜が強固に形成され、鋼中への水素の侵入を防止でき、脆性剥離を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の転がり軸受は、軌道輪に所定の表面処理が施され、軌道輪の転走面表面から 4 nm 以内の所定深さの層において、（Ｃｒの原子数）／（Ｆｅの原子数＋Ｃｒの原子数）で求められるＣｒ存在比が 0.50 以上である。より好ましくは、Ｃｒ存在比が 0.60 以上である。
上記のＣｒ存在比が 0.50 以上であると、該Ｃｒが転走面表面の酸素と結合し、転走面に不動態被膜（酸化クロム被膜）が形成されやすく、鋼中への水素の侵入を防止でき、耐脆性剥離性に優れる。Ｃｒ存在比が 0.50 未満であると、上記被膜が形成されにくく、耐脆性剥離性に劣る。
【００１０】
軌道輪の表面処理としては、該軌道輪を陽極にし、硫酸、りん酸、硝酸および／またはそれらの塩から選ばれた少なくとも一つの物質を含有する水溶液を電解液とし、周波数が 20〜100 KHz の超音波を付与して電解エッチングした後、電解エッチングした軌道輪を、クロム酸 15〜300 g/l と、硫酸 30〜850 g/l または硝酸 40〜500 g/l とを含有した室温〜120℃の処理液に浸漬し軌道輪に被膜を形成した後、被膜を形成した軌道輪を陰極とし、クロム酸を 50〜150 g/l と、りん酸および／または硫酸を 0.1〜100 ml/l と、マグネシウム、カルシウム、バリウムの炭酸塩または硫酸塩から選ばれた少なくとも一つの物質の過飽和量と、界面活性剤とを含む水溶液を電解液として電解する処理を採用することが好ましい。
【００１１】
本発明の転がり軸受の軌道輪（内輪および外輪）は、軸受に一般に使用される鋼材からなり、特にＣｒ含有量が 1.6 重量％未満の軸受鋼からなる。Ｃｒ含有量が上記範囲の鋼材であっても、本発明の表面処理により優れた耐脆性剥離性を付与できる。
【００１２】
本発明において上記エッチング処理では、軌道輪を陽極にし、硫酸、りん酸、硝酸および／またはそれらの塩から選ばれる１または２以上を含有する水溶液を電解液とし、周波数が 20 KHz〜100 KHz の超音波を付与しながら該軌道輪を電解エッチングする。
【００１３】
硫酸、りん酸、硝酸および／またはそれらの塩としては、硫酸、りん酸、硝酸、およびこれらの酸のナトリウム塩またはカリウム塩を用いることができる。硫酸とりん酸は 50〜150 g/l 、硝酸は 50〜500 g/l が好ましく、これらの酸のナトリウム塩またはカリウム塩は 60〜800 g/l が好ましい。また電解は、電解電圧が 2〜50 V で、電解電流が 0.1 A/dm2 から 50 A/dm2 で、電解時間は 10 秒〜120 秒とすることができる。
【００１４】
軌道輪の表面には活性転移の多い塑性変形組織を有する欠陥層が形成されているが、この欠陥層は後の表面処理にて付与する防錆性の効果を低減する。上記エッチング処理においてこの欠陥層を電解エッチングにより除去する。その結果、後述する不動態被膜形成処理および電解処理において、極めて防錆性に優れた被膜を形成することができる。本発明では 20 KHz〜100 KHz の超音波振動を付与しながら電解エッチングを行なうが、この超音波振動によって短時間で欠陥層を除去することができる。
【００１５】
本発明において不動態被膜形成処理では、エッチング処理した軌道輪を、クロム酸 15〜300 g/l と硫酸 30〜850 g/l または硝酸 40〜500 g/l とを含有した室温〜120℃の処理液に浸漬し軌道輪に被膜を形成する。この処理液に 10〜120分間浸漬すると軌道輪の表面には十分な厚さの不動態被膜が形成される。
【００１６】
本発明において電解処理では、不動態被膜が形成された軌道輪を陰極にし、クロム酸を 50〜150 g/l とりん酸 0.1〜100 ml/l および／または硝酸を 0.1〜100 ml/l とマグネシウム、カリウム、バリウムの炭酸塩または硫酸塩から選ばれる 1 または 2 以上の過飽和量と界面活性剤とを含む水溶液を電解液として電解する。この電解は、例えば電解電圧を 0.1〜20 V 、電解電流を 0.5〜2 A/dm2 とし、電解時間を 10分〜300分とする。
【００１７】
本発明において軌道輪に形成された被膜は、十分に厚い不動態被膜であるため、優れた耐脆性剥離性を有する。電解処理はこの不動態被膜に優れた防錆性能を付与するために行なう。すなわち電解処理にはＣａ2+、Ｍｇ2+、Ｂａ2+ イオン含有する電解液を用いる。この結果、陰極では水素雰囲気が形成され、優れた防錆性が付与され、延いては耐脆性剥離性が向上する。
【００１８】
本発明の転がり軸受の実施例について図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。図２〜図３は本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
図１に示す転がり軸受１は、同心に配置された内輪２および外輪３と、内輪転走面と外輪転走面との間に介在する転動体４と、この転動体４を保持する保持器５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材６と、軸受空間に封入された潤滑グリース７とからなり、外輪外周面３ａ、外輪内周面３ｂ、外輪端面３ｃに上記表面処理による被膜が形成されている。
【００１９】
図２に示す転がり軸受１１は、同心に配置された内輪１２および外輪１３と、内輪転走面と外輪転走面との間に介在する転動体１４と、この転動体１４を保持する保持器１５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材１６と、軸受空間に封入された潤滑グリース１７とからなり、内輪内周面１２ａ、内輪外周面１２ｂ、内輪端面１２ｃに上記表面処理による被膜が形成されている。
【００２０】
図３に示す転がり軸受２１は、同心に配置された内輪２２および外輪２３と、内輪転走面と外輪転走面との間に介在する転動体２４と、この転動体２４を保持する保持器２５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材２６と、軸受空間に封入された潤滑グリース２７とからなり、外輪外周面２３ａ、外輪内周面２３ｂおよび外輪端面２３ｃと、内輪内周面２２ａ、内輪外周面２２ｂおよび内輪端面２２ｃとに上記表面処理による被膜が形成されている。
【実施例】
【００２１】
実施例１
ＳＵＪ２材（Ｃｒ 1.0 重量％含有）からなる軌道輪を陽極にし、硫酸 100 g/l を含有する水溶液を電解液とし、周波数が 50 KHz の超音波を付与しながら該軌道輪を電解エッチングした。また電解は、電解電圧 10 V で、電解電流 10 A/dm2 で、電解時間 20秒の条件にて実施した。エッチング処理した軌道輪を、クロム酸 100 g/l と硫酸 150 g/l とを含有した 60℃の処理液に 20 分間浸漬し軌道輪に被膜を形成した。被膜を形成した軌道輪を陰極にし、クロム酸を 100 g/l と、硫酸 50 ml/l と、炭酸カルシウムの過飽和量と界面活性剤とを含む水溶液を電解液として、電解電圧 10 V 、電解電流 1 A/dm2 、電解時間 20 分の条件にて電解を行なった。
得られた軌道輪の転走面表面層の深さ 0 nm、1.3 nm、2.6 nm、3.9 nm におけるＣｒ存在比を下記式に基づいて測定した。測定にはＸ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ）を使用し、上記の各深さまでエッチングを繰り返して測定を行なった。結果を表１に示す。
・Ｃｒ存在比＝（Ｃｒの原子数）／（Ｆｅの原子数＋Ｃｒの原子数）
【００２２】
比較例１
表面処理を施さなかった軌道輪（ＳＵＪ２材（Ｃｒ 1.0 重量％含有））の転走面表面層の深さ 0 nm、1.3 nm、2.6 nm、3.9 nm におけるＣｒの存在比を実施例１と同様に測定し、それぞれの結果を表１に併記した。
【００２３】
【表１】
2008163994.tif 000003
【００２４】
今回、本表面処理を施したＳＵＪ２（Ｃｒ 1.0 重量％含有）は、処理前後での表層部のＣｒ存在比が飛躍的に向上しており、脆性剥離に対する防止効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の転がり軸受は、内外輪の少なくとも一つの軌道輪に不動態被膜を有するので、水素脆化による軸受軌道輪の表面剥離を防止する効果を有する。このため高速回転と高荷重をともに受ける各種産業機械に用いられる軸受、特にオルタネータ等の自動車電装・補機に用いられる軸受として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、１１、２１  転がり軸受
２、１２、２２  内輪
３ａ、２３ａ  外輪外周面
３ｂ、２３ｂ  外輪内周面
３ｃ、２３ｃ  外輪端面
３、１３、２３  外輪
４、１４、２４  転動体
５、１５、２５  保持器
６、１６、２６  シール部材
７、１７、２７  潤滑グリース
１２ａ、２２ａ  内輪内周面
１２ｂ、２２ｂ  内輪外周面
１２ｃ、２２ｃ  内輪端面
【図１】
2008163994.tif 000004
【図２】
2008163994.tif 000005
【図３】
2008163994.tif 000006