(57)【要約】【課題】転動体及び軌道輪の両方の剥離を抑え、軸受寿命の延長を図った転がり軸受を提供する。【解決手段】内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、前記軌道面からの深さまたは前記転動体の転動面からの深さをＺとし、前記転動体の直径をｄとしたとき、前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体の少なくとも１つの表面における硬さがＨＶ７５０以上であり、Ｚ＝０．０４５ｄにおける硬さがＨＶ６５０〜８５０であり、Ｚ＝０．１８ｄにおける硬さがＨＶ４００〜８００である転がり軸受。【選択図】図４
2008267525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、
前記軌道面からの深さまたは前記転動体の転動面からの深さをＺとし、前記転動体の直径をｄとしたとき、前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体の少なくとも１つの表面における硬さがＨＶ７５０以上であり、Ｚ＝０．０４５ｄにおける硬さがＨＶ６５０〜８５０であり、Ｚ＝０．１８ｄにおける硬さがＨＶ４００〜８００であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記転動体がＣ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．３〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、残部Ｆｅと不可避不純物からなる鋼を浸炭窒化処理もしくは窒化処理してなり、かつ、表面における窒素濃度が０．２〜２．０質量％であり、Ｓｉ及びＭｎを含有する窒化物の面積率が１％以上２０％以下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】
前記軌道面の残留オーステナイト量をγｒＡＢ、前記転動体転動面の残留オーステナイト量をγｒＣとしたとき、γｒＡＢ−１５≦γｒＣ≦γｒＡＢ＋１５（但し、０≦γｒＡＢ、γｒＣ≦５０。また、単位は体積％。）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係り、特に、自動車，農業機械，建設機械及び鉄鋼機械等のトランスミッション，エンジン用等に使用する転がり軸受の寿命向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受潤滑油中に混入している金属の切粉，削り屑，バリ及び摩耗粉等の異物が転がり軸受の軌道輪や転動体に損傷を与え、転がり軸受の寿命の大幅な低下をもたらすことはよく知られている。そこで、本出願人は、異物が混入している潤滑下で転がり軸受を使用する場合でも、軸受の転がり表面層のＣの含有量、残留オーステナイト量、及び炭窒化物の含有量を適性値にすることで、異物により生じる圧痕のエッジ部における応力の集中を緩和し、クラックの発生を抑え、転がり軸受の寿命を向上することを提案した（特許文献１参照）。これによれば、適当量の残留オーステナイトにより異物混入潤滑下での寿命向上を図ることができるのであるが、一方で、残留オーステナイトにより表面硬さが低下して耐疲労性が下がるという問題があった。また、軸受寿命を向上する上での炭化物，炭窒化物の粒径の影響について、特に、大型炭化物が繰り返し応力を受けると、その大型炭化物が疲労起点となりクラック，フレーキングが発生するという点が考慮されていなかった。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６４−５５４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１にも記載されているように、異物混入潤滑環境下で生じる早期はく離は、転動体と軌道輪間に異物を噛み込む事によって形成された圧痕を起点として生じており、圧痕が形成されることに生じる応力集中が原因であるとこれまでは言われてきている。しかし、圧痕起点型はく離は圧痕縁の応力集中だけが原因でなく、転動体と軌道輪間に作用する接線力が影響している。接線力に影響を及ぼす因子としては、すべり速度や面圧の他に表面粗さや表面形状が挙げられる。表面粗さが小さく、表面形状が良好なほど転動体と軌道輪に作用する接線力は小さくなり、異物混入潤滑環境下における軸受寿命は長くなる。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のように転動面の残留オーステナイトを増加させると、表面硬さが低下し、耐摩耗性が低下するだけでなく、耐圧痕性が低下する。そのため、転動面の残留オーステナイトが多い場合には、異物の影響や静的な過大荷重によって、転動面に圧痕が形成されやすくなる。圧痕が形成された転動面は、形状崩れや表面粗さの増大を起こす。圧痕が大きく、数が多いほど形状崩れや表面粗さの増大は顕著である。即ち、異物混入潤滑環境下では、転動面の残留オーステナイトが多いほど、圧痕が形成されやすいため、転動体と軌道輪間に作用する接線力は大きくなる。
【０００６】
異物混入潤滑環境下で転動面の残留オーステナイトが多い場合には、接線力が大きくなったとしても、上記特許文献１にも記載されているように残留オーステナイトの影響による応力集中緩和効果があるため、残留オーステナイトが多い部材自身の寿命は低下しない。しかし、接触する２物体には同じ大きさの接線力が作用するため、相手部材の寿命は低下してしまう。例えば、軌道輪表面の残留オーステナイトを多くした場合には、応力集中緩和効果のため軌道輪の寿命は延長するが、相手部材である転動体の寿命は、接線力増加のため低下してしまう。
【０００７】
転動体がはく離した場合でも、軌道輪がはく離した場合でも、軸受の寿命となるので、軸受全体の寿命を延ばすには転動体と軌道輪両方の寿命を延ばす必要がある。即ち、単に転動面の残留オーステナイトを増加させる手法だけでは十分な寿命延長効果は得られない。また、軸受の使用条件によっては残留オーステナイトを増加させて長寿命化を計る手法が採用できない場合もある。例えば、高温で使用される場合には残留オーステナイトは寸法安定性を悪化させるため、残留オーステナイト量は少ない方が好ましい。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、転動体及び軌道輪の両方の剥離を抑え、軸受寿命の延長を図った転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは鋭意研究を行い、自身（例えば転動体）の圧痕起点型はく離寿命を十分に確保し、かつ自身の耐圧痕性・耐摩耗性を向上させ、表面粗さ・表面形状の悪化を抑制し、２物体間（転動体と軌道輪間）に作用する接線力を抑制して、相手部材（例えば軌道輪）の寿命も延長させる材料因子を見出すために検討を行った。その結果、耐圧痕性・耐摩耗性を向上させる材料因子としては表面硬さ、残留オーステナイト、表面窒素濃度、表面に析出したＳｉ及びＭｎを含有する窒化物の面積率が関係していることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、上記の目的を達成するために下記の転がり軸受を提供する。
（１）内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、前記軌道面からの深さまたは前記転動体の転動面からの深さをＺとし、前記転動体の直径をｄとしたとき、前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体の少なくとも１つの表面における硬さがＨＶ７５０以上であり、Ｚ＝０．０４５ｄにおける硬さがＨＶ６５０〜８５０であり、Ｚ＝０．１８ｄにおける硬さがＨＶ４００〜８００であることを特徴とする転がり軸受。
（２）前記転動体がＣ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．３〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、残部Ｆｅと不可避不純物からなる鋼を浸炭窒化処理もしくは窒化処理してなり、かつ、表面における窒素濃度が０．２〜２．０質量％であり、Ｓｉ及びＭｎを含有する窒化物の面積率が１％以上２０％以下であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）前記軌道面の残留オーステナイト量をγｒＡＢ、前記転動体転動面の残留オーステナイト量をγｒＣとしたとき、γｒＡＢ−１５≦γｒＣ≦γｒＡＢ＋１５（但し、０≦γｒＡＢ、γｒＣ≦５０。また、単位は体積％。）であることを特徴とする上記（２）記載の転がり軸受。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の転がり軸受は、内外輪、転動体の表面及び特定深さにおける硬さを規定することにより、耐圧痕性及び耐摩耗性が向上し、軸受使用中に生じる転動体と軌道面との間の接線力の増大を抑制するだけでなく、耐はく離強度も向上し、異物混入潤滑環境下で生じる圧痕起点型はく離に対して長寿命となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１３】
本発明の転がり軸受は、内方部材、外方部材及び転動体を形成する材料の硬さを特定したことに特徴がある。耐圧痕性を向上させるために最も有効な材料因子は硬さである。圧痕の種類としては異物を噛み込む事によって生じる異物圧痕と、過大荷重が作用した場合に転動体が軌道輪に食い込み、軌道輪が転動体を押しつぶすことによって生じるブリネル圧痕がある。異物圧痕の場合には表面近傍の硬さのみ大きくすれば圧痕の形成を抑制することができるが、ブリネル圧痕の場合には表面だけでなく芯部まで硬さが高いことが重要である。圧痕は軌道輪と転動体が接触し、荷重が負荷させることで材料内部に生じる静的せん断応力（転がり方向に対して４５°の方向のせん断応力）によって形成される。圧痕が形成される現象は、材料に塑性変形が生じることによって起こるので、材料のもつ降伏せん断応力が作用する静的せん断応力以上であれば、圧痕は形成されない。通常、転がり軸受に作用する荷重は静定格荷重以下となるように設計されているため、静定格荷重が作用した場合にも圧痕が形成されない材料強度を保持することが重要である。静定格荷重は玉軸受の場合４２００ＭＰａ、ころ軸受の場合４０００ＭＰａの接触面圧を生じさせるような荷重と定義されており、この面圧が作用した場合に発生する静的せん断応力が軸受材料の降伏せん断応力以下であれば圧痕は生じない。一方で、材料の降伏せん断応力は材料の硬さと比例関係にあり、降伏せん断応力とビッカース硬さにはτｙ＝１／６×ＨＶの関係がある。
【００１４】
従って、ブリネル圧痕を形成しないためには、図３に示すように静定格荷重作用時の静的せん断応力分布を上回るせん断降伏応力分布（硬さ分布）となるように硬さを規定することが重要である。一方で芯部の硬さが大きすぎると靭性が低下し、割れが問題となる。
【００１５】
最大静的せん断応力作用深さ（静的せん断応力分布）は転動体直径と相関があるため、次のように硬さを規定した。即ち、軌道面からの深さまたは転動体の転動面からの深さをＺとし、転動体の直径をｄとしたとき、内輪、外輪及び転動体の少なくとも１つの表面における硬さをＨＶ７５０以上、好ましくはＨＶ８００以上、より好ましくはＨＶ８２０以上とし、かつ、Ｚ＝０．０４５ｄにおける硬さをＨＶ６５０〜８５０、好ましくはＨＶ７７０〜８１６とし、Ｚ＝０．１８ｄにおける硬さをＨＶ４００〜８００、好ましくはＨＶ７００〜７７１、より好ましくはＨＶ７１８〜７７１とすることにより、軌道輪と転動体との接触によるブリネル圧痕の形成を抑制することができ、軌道輪と転動体間に作用する接線力を抑制して長寿命化が達成可能である。これらの硬さの規定は、転動体に適用することがより好ましい。
【００１６】
また、本発明においては、軌道輪または転動体の表面層に所定の窒素を富化させるために浸炭窒化処理を行う。窒素は炭素と同じようにマルテンサイトの固溶強化および残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物または炭窒化物を形成して耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる作用がある。図４に図１に示す耐圧痕性試験と図２に示す２円筒摩耗試験により求めた耐圧痕性と耐摩耗性に及ぼす窒素の影響を示す。耐圧痕性試験は直径２ｍｍの鋼球を試料に５ＧＰａで押付けた後、圧痕の深さを測定する方法で行った。一方、２円筒摩耗試験は面圧０．８ＧＰａの条件下で、駆動側（高速側）を１０ｍｉｎ−１で回転させ、ギアで減速して従動側（低速側）を７ｍｉｎ−１で回転させて強制的にすべりを与える方法であり、試験開始から２０時間後の駆動側、従動側試験片の摩耗量の平均値を測定した。表面窒素量の測定には電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いた。窒素濃度の効果のみを調査するため、表面窒素濃度以外の硬さや残留オーステナイト量については一定にしてある。図４より、表面窒素濃度が高いほど耐摩耗性、耐圧痕性に優れており、表面窒素濃度が０．２質量％を超えると顕著に効果が現れるが、より好ましくは０．４５質量％以上とする。
【００１７】
一方で、窒素濃度が高すぎると靭性や静的強度が低下してしまう欠点がある。転がり軸受の転動体にとって靭性や静的強度は必要な性能であるため、窒素濃度が高すぎるのは好ましくない。図５にシャルピー衝撃試験の結果を示すが、窒素濃度が２．０質量％を超えると急激に靭性が低下することがわかる。従って、本発明における窒素濃度の上限は２．０質量％とする。
【００１８】
上述したように、表面の窒素濃度が高いほど、材料の耐圧痕性、耐摩耗性が向上することが明らかになった。しかし本発明者らはさらに、窒素濃度が同じ場合でも材料内部の窒素の存在状態によって、耐圧痕性、耐摩耗性が変わるという知見を得た。窒素は材料内部に固溶して存在する場合と窒化物として析出して存在する場合がある。詳細な数値については後述するが、Ｓｉ及びＭｎを多く含む材料を浸炭窒化処理した場合には、同じ窒素濃度でも材料中に固溶して存在する窒素量よりも、表面にＳｉ及びＭｎを含有する窒化物（以下、「Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物」という）として析出して存在する窒素量が多くなる。図６に、図１に示す耐圧痕性試験と、図２に示す２円筒摩耗試験とから求めた耐圧痕性と耐摩耗性に及ぼすＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の影響を示す。尚、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の効果のみを調査するため、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率以外の硬さや残留オーステナイト量、窒素濃度については一定にしてある。また、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧１０ｋＶで転動面の観察を行い、倍率５０００倍で最低３視野以上写真（図７参照）を撮影した後、写真を２値化してから画像解析装置を用いて、面積率を計算した。図６に示すように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が高いほど耐摩耗性、耐圧痕性に優れており、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％を超えると顕著に効果が現れるが、より好ましくは２％以上である。
【００１９】
また、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が圧痕起点型はく離寿命に及ぼす影響を調査するためスラスト型寿命試験により、異物混入潤滑下での試験を行った。試験に用いた材料の成分を表１に示すが、鋼種１はＪＩＳ  ＳＵＪ３、鋼種２はＪＩＳ  ＳＵＪ２に相当する材料である。表１の材料を、直径６５ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板に旋削加工した。円板を８２０〜９００℃で２〜１０時間、ＲＸガス、プロパンガス及びアンモニアの混合ガス中で浸炭窒化処理後、油焼入れを施し、その後、１６０〜２７０℃で２時間の焼戻し処理を施した。処理温度、処理時間、アンモニアガス流量を変化させて、種々の窒素濃度の試験片を作製した。熱処理後、表面を研摩・ラッピングにて鏡面仕上げをした。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
試験条件は以下の通りである。
・試験荷重：５８８０Ｎ（６００ｋｇｆ）
・回転数：１０００ｍｉｎ−１
・潤滑油：ＶＧ６８
・異物の硬さ：ＨＶ８７０
・異物サイズ：７４〜１４７μｍ
・異物混入量：２００ｐｐｍ
【００２２】
表２に窒素濃度、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と、異物混入寿命との関係を示す。尚、寿命試験結果は、比較例１のＬ１０寿命を１とした場合の比率で示した。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
また、図８に鋼種１、２の窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の関係を示し、図９にＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と圧痕起点型はく離寿命の関係を示す。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量は、窒素濃度に比例して増大することがわかる。また、Ｓｉ及びＭｎの添加量の多い鋼の方が、同一窒素量で比較した場合に、Ｓｉ・Ｍｎ析出量が多く、寿命が長いことがわかる。耐圧痕性・耐摩耗性と同様に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上、窒素量は０．２質量％になると寿命が著しく向上する。
【００２５】
一方で、窒素濃度と同様にＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなりすぎると、靭性や静的強度が低下してしまう欠点がある。転がり軸受の転動体にとって靭性や静的強度は必要な性能であるため、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなりすぎるのは好ましくない。図１０にシャルピー衝撃試験の結果を示すが、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が２０％を超えると、急激に靭性が低下することがわかる。従って、本発明のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の上限は２０％であり、より好ましくは１０％である。
【００２６】
また、１μｍを越える窒化物は、材料の強化にあまり寄与しない。細かい窒化物が分散している方が強化される。この理由としては、析出強化の理論において析出物粒子間距離の小さい方が強化能に優れるので、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が同じであっても、析出粒子数が多ければ、相対的に粒子間距離が短くなり、強化される。即ち、Ｓｉ及びＭｎの含有量の多い鋼を用い、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜２０％の範囲で、平均粒径が０．０５μｍ以上１μｍ以下の微細な窒化物の個数を増やすのがよい。また、０．０５μｍ以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物のうち、０．０５〜０．５０μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数の比率を２０％以上とすることにより、更に強化することが可能になる。
【００２７】
具体的には、面積３７５μｍ２の範囲で、０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物が１００個以上であることが好ましく、このような状態にする手法としては、浸炭窒化処理温度を８００℃以上８７０℃以下とすることが好ましい。この温度を越えると、窒化物が粗大化して、微細なＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が減少する。また、この処理温度より温度が高くなると、窒素の固溶限が大きくなるため、窒化物の量が少なくなり、所望の面積率が得られなくなる場合がある。浸炭窒化工程の初期から、ＲＸガスとエンリッチガスとアンモニウムガスの混合ガス雰囲気とし、ＣＰ値は１．２以上、アンモニアガスの流量はＲＸガス流量の少なくとも１／５以上とすることが好ましい。また、浸炭窒化後の焼入れは、油温６０〜１２０℃の範囲で行うことが好ましい。この温度より高いと、十分な硬さが得られない場合がある。焼戻しは、１６０〜２７０℃の温度で行い、表面硬さの範囲としてはＨｖ７４０以上、望ましくはＨｖ７８０以上とする。また、必要に応じて、焼入れ処理後に、サブゼロ処理を行ってもよい。
【００２８】
また、表３に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率及び０．０５μｍ〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数と、寿命比率との関係を示し、図１１に、０．０５μｍ〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数と寿命比率との関係を示す。これらから明らかなように、測定面積３７５μｍ２の範囲内にＳｉ・Ｍｎ系窒化物を１００個以上分散させることにより、基地組織が強化され、異物混入潤滑下での寿命が延長する。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
尚、転動体は以下に示す元素を含有することが好ましい。
【００３１】
［Ｃ：０．３〜１．２質量％］
炭素は鋼に必要な強度と寿命を得るために重要な元素である。炭素が少なすぎると十分な強度が得られないだけでなく、後述する浸炭窒化の際に必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、熱処理コストの増大につながる。そのため、炭素含有量は０．３質量％以上、好ましくは０．５質量％以上とする。Ｚ＝０．１８ｄ、好ましくはＺ＜０．０６ｄの硬さを得るためには０．９５質量％以上が好ましい。また、炭素含有量が多すぎると製鋼時に巨大炭化物が生成され、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えるほか、ヘッダー性が低下してコストの上昇を招くおそれがあるため上限を１．２質量％、好ましくは１．１０質量％とする。
【００３２】
［Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％］
上述したように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を十分に析出させるためには、Ｓｉ及びＭｎを多く含有した鋼材を用いる必要がある。一般的な軸受材料であるＳＵＪ２は、Ｓｉ含有量が０．２５％、Ｍｎ含有量が０．４％であり、浸炭窒化等で窒素を過剰に付加してもＳｉ・Ｍｎ系窒化物量が少ない。このため、Ｓｉ及びＭｎの含有量は、以下の値を臨界値とする。
【００３３】
＜Ｓｉ含有量：０．３〜２．２質量％＞
Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出に必要な元素であり、Ｍｎの存在によって、０．３質量％以上の添加で、窒素と効果的に反応して顕著に析出する。好ましくは０．４〜０．７質量％とする。
【００３４】
＜Ｍｎ含有量：０．３〜２．０質量％＞
Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出に必要な元素であり、Ｓｉとの共存によって、０．３質量％以上の添加で、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出を促進させる作用がある。また、Ｍｎはオーステナイトを安定化する働きがあるので、硬化熱処理後に残留オーステナイトが必要以上に増加するといった問題を引き起こすのを防止するため、２．０質量％以下とする。好ましくは０．９〜１．１５質量％とする。また、より好ましくは、下記理由によりＳｉ／Ｍｎ比率を５以下とする。
【００３５】
Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物は、焼戻しによる窒化物とは異なり、浸炭窒化処理時に侵入してきた窒素がオーステナイト域で、Ｍｎを取り込みながらＳｉと反応して形成される。従って、Ｓｉ添加量に対してＭｎ添加量が少ないと、十分に窒素を拡散させても、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出が促進されない。前述したＳｉ及びＭｎ添加量の範囲で、且つ窒素量を０．２質量％以上侵入させた場合、Ｓｉ／Ｍｎ比率を５以下とすることによって、寿命延長や耐摩耗性・耐焼き付き性向上に効果のある面積率１．０％以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量を確保することができる。
【００３６】
［Ｃｒ：０．５〜２．０質量％］
Ｃｒは焼入れ性を向上させると同時に、炭化物形成元素であり、材料を強化する炭化物の析出を促進し、更に微細化させる。０．５質量％未満であると焼入れ性が低下して十分な硬さが得られなかったり、浸炭窒化時に炭化物が粗大化したりする。２．０質量％を越えると、浸炭窒化時に表面にＣｒ酸化膜が形成されて、炭素及び窒素の拡散を阻害する。そのため、Ｃｒ含有量は０．５質量％以上２．０質量％以下とすることが好ましく、０．９〜１．２質量％とすることがより好ましい。
【００３７】
また、必要に応じて、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖの少なくとも１種類以上を添加してもよい。
【００３８】
［Ｍｏ：０．２〜１．２質量％］
Ｍｏは、焼入れ性を向上させると同時に、炭窒化物形成元素であり、材料を強化する炭化物及び炭窒化物、窒化物の析出を促進し、更に微細化させる作用がある。その効果は、０．２質量％以上の添加で顕著になる。１．２質量％を越えると効果が飽和し、コストが高くなる。従って、Ｍｏ含有量は０．２質量％以上１．２質量％以下とすることが好ましい。
【００３９】
［Ｎｉ：０．５〜３．０質量％］
Ｎｉは、焼入れ性を向上させると同時に、靭性を向上させる作用があり、その効果は０．５質量％以上の添加で顕著となる。オーステナイト安定化元素であり、３．０質量％以上添加すると残留オーステナイトが過剰となり、心部硬度が低下する。従って、Ｎｉ含有量は０．５質量％以上３．０質量％以下とすることが好ましい。
【００４０】
［Ｖ：０．５〜１．５質量％］
Ｖは、浸炭窒化によって硬質な炭化物や炭窒化物を形成して、耐摩耗性を向上させる作用がある。この効果は、０．５質量％以上の添加で顕著となる。１．５質量％を越えて過剰に添加すると、素材の固溶炭素と結びついて炭化物を形成し、硬さが低下する。従って、Ｖ含有量は０．５質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましい。
【００４１】
また、本発明においては、内外輪軌道面の残留オーステナイト量をγｒＡＢ、転動体転動面の残留オーステナイト量をγｒＣとしたとき、γｒＡＢ−１５≦γｒＣ≦γｒＡＢ＋１５（但し、０≦γｒＡＢ、γｒＣ≦５０）とすることが好ましい。尚、残留オーステナイト量の単位は「体積％」である。
【００４２】
前述したように、残留オーステナイト量が少なくなると耐圧痕性、耐摩耗性が向上する一方で、表面の残留オーステナイト量が多いほどはく離寿命が延長することが明らかになっている。即ち、転動体を中心に考えると、転動体表面のオーステナイト量が少ないほど転動体の耐圧痕性、耐摩耗性が向上し、軌道輪の寿命は延長するが、転動体自身の寿命は低下する。従って、最長軸受寿命とするのに最適な転動体の残留オーステナイト量が存在するが、その最適な範囲は軌道輪の残留オーステナイト量によって異なる。軌道輪の残留オーステナイト量が多い場合には、軌道輪の寿命が長くなり、軌道輪の耐圧痕性が低下して軌道輪と転動体の間に作用する接線力も大きくなるため、転動体の耐圧痕性・耐摩耗性を上げるより、転動体の寿命を延ばす必要がある。そのため、軌道輪の残留オーステナイト量が多い場合には、転動体の残留オーステナイト量も多くしなければならない。即ち、最長軸受寿命を達成する転動体の残留オーステナイト量（γｒＣ）の範囲は、軌道輪の残留オーステナイト量（γｒＡＢ）によって変化するため、γｒＡＢ−１５≦γｒＣ≦γｒＡＢ＋１５（但し、０≦γｒＡＢ、γｒＣ≦５０）とすることが好ましい。また、残留オーステナイトが多すぎると硬さが下がり、耐圧痕性・耐摩耗性が低下するだけでなく、高温で使用される場合の寸法安定性も悪化するため上限値を５０体積％とする。
【００４３】
更には、内輪及び外輪の少なくとも一方が高炭素クロム軸受鋼、例えば日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４８０５に規定されたＳＵＪ２、ＳＵＪ３で構成されることが好ましい。高炭素クロム軸受鋼は、清浄度を含めてその品質が極めて安定しているので、高炭素クロム軸受鋼で構成された軌道輪は、介在物等を起点とした内部起点型のフレーキングが生じにくく、十分な転がり軸受寿命を確保できる。また、高炭素鋼であるため、適切な焼入れ、焼戻しを行なうことにより、表面から芯部まで高硬度とすることができる。尚、本発明においては、高炭素クロム軸受鋼の品質は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４８０５に規定された清浄度規制を満足するレベル（ベアリング  クオリティー）以上のものであることが好ましい。但し、素材時の加工性と熱処理後の加工性が良いことや、素材のコストが低いこと等より、軸受全体の寿命とコスト等とのバランスを考慮すると、ＳＵＪ２を用いることが好ましい。
【００４４】
図１２に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の成分分析結果例を示す、
【実施例】
【００４５】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４６】
寿命試験は、試験軸受として円すいころ軸受Ｌ４４６４９／６１０（転動体径ｄ＝５．４４ｍｍ）を用い、４０００ＭＰａの過大面圧を１回作用させた後、異物混入潤滑下で寿命試験を行った。試験条件は以下の通りである。
・試験荷重：Ｆｒ＝１２ｋＮ、Ｆａ＝３．５ｋＮ
・回転数：３０００ｍｉｎ−１
・潤滑油：ＶＧ６８
・異物の硬さ：ＨＶ８７０
・異物サイズ：７４〜１３４μｍ
・異物混入量：０．１ｇ
【００４７】
試験軸受の内外輪には高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、８３０〜８５０℃のＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気中で１〜３時間の浸炭窒化処理をした後、１８０〜２４０℃の焼戻しを施して、内外輪軌道面の残留オーステナイトが約１０、２０、３０体積％の３種類を用意した。
【００４８】
また、転動体には、表４に示す成分（残部は鉄及び不可避不純物）で、表面性状のものを用いた。即ち、先ず、表記の成分を含有する線材をヘッダー加工、粗研削加工により製作し、浸炭窒化焼入れ（８３０℃×５〜２０ｈｒ、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気）、１８０〜２７０℃焼戻しの熱処理及び後工程を行った。転動体の表面窒素量の測定には電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用い、定量分析を行った。また、表面層の残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線回折法により測定した。いずれも、転動体表面を直接分析測定した。さらに、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧１０Ｋｖで転動面の観察を行い、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影した後、写真を２値化してから画像解析装置を用いて、面積率を計算した。転動体の硬さは、表面、０．０４５ｄ、０．１８ｄの値を測定した。
【００４９】
表４に実施例、比較例の各試験軸受による寿命試験結果を示す。寿命試験は各試験軸受とも１２回行い、はく離が発生するまでの寿命時間を調査して、ワイブルプロットを作成し、ワイブル分布の結果からＬ１０寿命を求め、寿命値とした。寿命は最も短寿命であった比較例１の値を１として比の値で示してある。
【００５０】
また、図１３に、軌道輪軌道面の残留オーステナイトが１０、２０、３０体積％の場合の転動体転動面の残留オーステナイトと寿命比との関係を示す。軌道輪軌道面の残留オーステナイトが多いほど長寿命の傾向を示すが、その寿命は転動体転動面の残留オーステナイト量に依存しており、転動体の残留オーステナイト量を本発明範囲に規定してやることにより、軸受全体として長寿命を達成している。また転動体の残留オーステナイト量が本発明範囲未満の場合には全て転動体が破損し、本発明範囲より多い場合には全て軌道輪が破損しており、本発明範囲内にすることにより、転動体と軌道輪の寿命をバランスよく延ばし、軸受全体として長寿命が達成できていることが分かる。
【００５１】
上記特許文献１に記載されているように、残留オーステナイトが増えると異物混入潤滑環境下で寿命が延びる結果は本試験結果でも得られている。しかし、単にそれだけでは不十分であり、相手材の残留オーステナイト量も規定することで実施例に示したような長寿命化が可能である。また、本発明はコスト的な理由や使用条件の問題から残留オーステナイトを増やして長寿命化が行えない場合にも、効果的に寿命を延ばす範囲を規定し、寿命を延ばすことができる。
【００５２】
【表４】
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【００５３】
【表５】
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【００５４】
【表６】
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【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】耐圧痕性試験の構成を示す模式図である。
【図２】円筒摩耗試験の構成を示す模式図である。
【図３】静的せん断力分布と降伏圧力との関係を示すグラフである。
【図４】耐圧痕性、耐磨耗性に及ぼす表面窒化物濃度の影響を示すグラフである。
【図５】シャルビー衝撃試験で得られた表面窒素濃度と吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図６】耐圧痕性、耐磨耗性に及ぼすＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の影響を示すグラフである。
【図７】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定に際して転動面表面を撮影した電子顕微鏡写真の一例である。
【図８】窒素量とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示すグラフである。
【図９】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と圧痕起点型はく離寿命との関係を示すグラフである。
【図１０】シャルビー衝撃試験で得られたＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１１】０．０５〜１μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数と寿命との関係を示すグラフである、
【図１２】Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の成分分析結果例である。
【図１３】転動体の残留オーステナイト量と寿命との関係を示すグラフである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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