(57)【要約】【課題】寿命の更なる延長を図ることができ、また、従来と同じ寿命（定格荷重）とした場合は軸受サイズの縮小化が可能となる転がり軸受を得る。【解決手段】内外輪１１，１２の間に多数のボール１３のみが配設された減速機用の総ボールアンギュラ玉軸受１０であって、少なくともボール１３がマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、且つ、その表面にＨｖ１２００〜１５００の窒化層を有する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外輪の間に多数の転動体のみが配設された転がり軸受であって、少なくとも前記転動体がマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、且つ、その表面にＨｖ１２００〜１５００の窒化層を有することを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
内外輪の間に多数の転動体のみが配設された転がり軸受であって、少なくとも前記転動体が高炭素クロム鋼で構成され、且つ、その表面にＨｖ７４０〜９４０の浸炭窒化層を有することを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばロボット用減速機や建設機械走行用減速機等に用いて好適な減速機用転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の減速機用の転がり軸受としては、例えば特開平９−１９６０６７号公報、特開平１１−２７０５６３号公報、特開平９−２６４３２１号公報、実公平６−３２５０１号公報等に示すように、内外輪間に介装される多数のボールを保持器で保持するようにしたアンギュラ玉軸受や、内外輪間に介装される多数のボールの各ボール間にセパレータを介在させたアンギュラ玉軸受が用いられることが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の減速機用転がり軸受においては、寿命の更なる延長、又は同じ寿命（定格荷重）で軸受サイズの縮小化が望まれているが、これらの要求に応えるためには、軸受の定格荷重の向上が必要とされ、そのためには、ボールのサイズ拡大やボール数の増加が必要となる。
しかしながら、軸受の取り付け断面を変更しない条件でボールのサイズ拡大を図ろうとすると、軌道輪が薄くなって剛性が低下し、種々の軸受機能が低下するという問題がある。
【０００４】
一方、ボール数を増加させるために保持器やセパレータを用いずに内外輪間にボールのみを配設する、所謂総ボール化を図った場合、図４に示すように、接触する隣同士のボールの間で相対すべり速度が逆向きになるため、ボール同士の接触域での流体油膜が理論上形成されず、かつすべり速度は、回転速度の約２倍で擦れ合う「逆すべり」状態が発生する。
特に減速機用途では、その特殊な使用条件により、この逆滑りで高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ）のボールは摩耗が進展して総ボール化が困難だった。
詳述すると、大きなモーメント荷重下では内外輪が傾き、荷重負荷位置により、各ボールの接触角が異なる。その結果、公転速度がそれぞれのボールで異なり、保持器が無いために各ボールの速度が平均化されず、ボールに疎の部分と密の部分（団子状態）ができる。
【０００５】
この密の部分では、逆滑り時のボール押し力（ＰＶ値のＰ）が大きくなるためボール摩耗が促進される。
図５にその説明のためのグラフを示すが、モーメント荷重が大きくなるとボールの公転速度差は２次的に増加することが確認されている。この公転速度差が前述のボール疎密の度合いを大きくし、逆滑りでボールの摩耗を発生させる条件を予測できる。総ボール化の用途例としては、例えばターボ分子ポンプのタッチダウン軸受が挙げられるが、この場合モーメント荷重は小さいため、上記のような密（団子）状態にはなり難い状況にある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、保持器やセパレータを用いずに内外輪間に転動体のみを配設する場合であっても、寿命の更なる延長を図ることができると共に、従来と同じ寿命（定格荷重）で軸受サイズの縮小化を図ることができる転がり軸受を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の請求項１に係る転がり軸受は、内外輪の間に多数の転動体のみが配設された転がり軸受であって、少なくとも前記転動体がマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、且つ、その表面にＨｖ１２００〜１５００の窒化層を有することを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、モーメント荷重が作用する、例えば減速機用途で保持器やセパレータを用いずに内外輪間に転動体のみが配設された転がり軸受としているため、定格荷重が向上して寿命の更なる延長を図ることができ、また、従来と同じ寿命（定格荷重）とした場合は軸受サイズの縮小化が可能となる。
【０００９】
また、保持器やセパレータを用いた場合に比べて転動体数が増えるため、軸受剛性が向上して面圧の低下による摩耗の減少といった軸受機能の向上を図ることができ、更に、少なくとも転動体をマルテンサイト系ステンレス鋼で構成して、その表面にＨｖ１２００〜１５００の窒化層を形成しているので、上述した密の部分で接触する隣同士の転動体間での逆滑り時における転動体の摩耗を著しく抑制することができる。
なお、窒化層の硬さがＨｖ１５００を超えると脆くなり、一方、Ｈｖ１２００未満では十分な摩耗抑制効果が得られない。
【００１０】
窒化層（適切な窒素濃度及び硬さを有する層）の形成方法としては、塩浴等による液体窒化処理や、ガス窒化処理や、イオン窒化処理が挙げられる。
このうち、イオン窒化処理は処理温度が比較的高く、母材の耐熱性を考慮しても十分な下地の硬度が得られにくかったり、球体形状物の表面に均一な窒化層を形成させることが困難な場合があるため、塩浴窒化処理あるいはガス窒化処理によることが好ましい。なお、好ましい窒化処理温度は４８０℃以下とする。
また、窒化層は、特に処理温度が高い場合に、その最表面に数ミクロン程度の脆弱な化合物層（ξ相あるいはε相単相からなる擬似セラミックス層）が膜状に形成される場合があるため、窒化処理温度はさらに好ましくは４６０℃以下とする。
また、このように処理温度がより低いものであると、窒化層がより緻密なものとなって粗悪なポーラス層も生成しない。
【００１１】
本発明における窒化層はξ相（Ｆｅ２　Ｎ）、ε相（ＦｅＸ　Ｎ（Ｘ＝２〜３））、γ‘相（Ｆｅ４　Ｎ）、ＣｒＮ、及びＣｒ２　Ｎ等のうち１種又は２種以上の窒化物がマルテンサイト地に多量に析出したものであり、著しく硬さが高いことに加え、高い靭性も有するため、転動体の損傷を極めて抑制できる。
また、母材にはマルテンサイト系ステンレス鋼を使用しているので、上記窒化処理条件下でもＨＲＣ５７〜５９程度の十分な下地の硬度を確保することが可能となる。
また、窒化層を形成させた転動体は、引き続いて仕上げ加工を行い、その表面粗さを０．１μｍＲａ以下とすることが好ましい。こうすることで、その窒化層表面が接触する相手部材の表面への攻撃性を弱めることができる。
【００１２】
以下に転動体の製造方法について説明する。
先ず、冷間で引抜加工された線材を用い、ヘッダーによる冷間加工或いは切削加工とフラッシング等により素球を製作し、その素球を焼入れ、焼戻し、場合によってはサブゼロ処理を併用することで硬化させる。
その後、目標寸法、即ち完成品寸法に設定取り代を加算した寸法まで研削加工を行い、半加工球を製作する。設定取り代は、具体的には目標とする精度まで仕上げ加工を行う際の必要取り代を意味するが、窒化処理による膨縮量も含めたものを意味している。
【００１３】
窒化処理前の素球が焼入れされたままの状態のものは、その真球度或いは直径相互差等は非常に大きく、一般には数十μｍ〜百μｍ程度の設定取り代が必要である。
したがって、焼入れされたままの素球に窒化層を形成すると、窒化層が不均一に削られることになり、窒化層厚さが不均一になると同時に、窒化処理によつて生じた内部応力のバランスが崩れて、要求精度を出すために仕上げ加工に長時間を要したり、目標精度が達成できなくなる場合もある。また、転動体の耐久性にも影響を与える場合もある。
これらの問題は、焼入れされたままの素球で特に顕著であるが、半加工球であってもその精度が不十分である場合には、要求精度を満足できなかったり、仕上げ加工に長時間を要したりする場合があるため、半加工球の真球度は３．０μｍ以下、好ましくは１．０μｍ以下が必要である。
【００１４】
また、半加工球は、焼入れ後に焼戻しを施しておかないと、焼入れ時に蓄積された内部残留応力が完成品品質に悪影響を与える場合もあるため、前述した下地の硬度が満足できる範囲で焼戻しを行うと良い。さらに、取り扱い上の表面キズ発生の防止対策あるいは強度面等から、半加工球を作製する上で熱処理後、バレル或いはボールピーニング等の機械的硬化加工によって、更に硬度を高めても良い。
【００１５】
その結果、得られた転動体は、その表面にＨｖ１２００〜１５００の非常に硬質かつ靭性に優れる窒化層を非常に均一な膜厚となるように形成せしめ、さらに、その窒化層を支える下地が、ＨＲＣ５７以上を満足するような構成としたため、軸受が高負荷条件で作動した場合等においても、耐久性を保持することができる。
【００１６】
なお、窒化層の厚さは、大きすぎると処理コストが嵩むだけでなく、窒化後の膨縮や変形等が顕著になって、仕上げ加工費も増大し、また、鋼の物性も損なわれるため、３μｍ以上２％Ｄａ（直径の２％の意）以下であることが好ましい。また、上述した理由により、窒化層厚さの均一性は５μｍ以内であることが好ましい。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明の請求項２に係る転がり軸受は、内外輪の間に多数の転動体のみが配設された転がり軸受であって、少なくとも前記転動体が高炭素クロム鋼で構成され、且つ、その表面にＨｖ７４０〜９４０の浸炭窒化層を有することを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、前述した請求項１と同様に、モーメント荷重が作用する、例えば減速機用途で保持器やセパレータを用いずに内外輪間に転動体のみが配設された転がり軸受としているため、定格荷重が向上して寿命の更なる延長を図ることができ、また、従来と同じ寿命（定格荷重）とした場合は軸受サイズの縮小化が可能となる。
【００１９】
また、保持器やセパレータを用いた場合に比べて転動体数が増えるため、軸受剛性が向上して面圧の低下による摩耗の減少といった軸受機能の向上を図ることができ、更に、少なくとも転動体を高炭素クロム鋼で構成して、その表面にＨｖ７４０〜９４０の浸炭窒化層を形成しているので、上述した密の部分で接触する隣同士の転動体間での逆滑り時における転動体の摩耗を著しく抑制することができる。
なお、浸炭窒化層の硬さがＨｖ９４０を超えると脆くなり、一方、Ｈｖ７４０未満では十分な摩耗抑制効果が得られない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る転がり軸受の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態では、転がり軸受が各種駆動機器の減速機に用いられる減速機用転がり軸受であるとして述べる。
先ず、本発明の第１実施形態を説明すると、図１において符号１０は、内輪１１と外輪１２との間に多数のボール（転動体）１３のみが配設された、所謂総ボールのアンギュラ玉軸受であり、モーメント荷重が作用する減速機用途に用いられる。
【００２１】
ボール１３間はすきまを持たせるよう設計してあり、このすきまについては、個々のボール間のすきま管理ではなく、全周合計のすきまで管理するようになっている。これは、回転中のボールが軸受の荷重負荷状態によってボールの公転速度差ができ、すきまが均一でなくなるためである。
【００２２】
図２は、このすきま不均一（疎・密）の状態を示しており、この不均一すきまでは、ボール１３同士の衝突が発生し、逆滑りが起こる。
ここで、この実施の形態では、少なくともボール１３がマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ：縦弾性係数２００ＧＰａ程度）で構成され、且つ、その表面にＨｖ１２００〜１５００の窒化層（縦弾性係数２４０ＧＰａ程度）を有しているため、ボール１３の表面硬度が向上して上述した密の部分で接触する隣同士のボール１３間での逆滑り時におけるボール１３の摩耗を著しく抑制することができる。
【００２３】
また、総ボール軸受としているため、軸受の定格荷重が向上して寿命の更なる延長を図ることができ、また、従来と同じ寿命（定格荷重）とした場合は保持器やセパレータの省略により、軸受サイズの縮小化が可能となる。
また、保持器やセパレータを用いた場合に比べて転動体数が増えるため、軸受剛性が向上して面圧の低下による摩耗の減少といった軸受機能の向上を図ることができる。
【００２４】
次に、図１を流用して本発明の第２実施形態に係る減速機用転がり軸受を説明すると、第２実施形態は、少なくともボール１３を高炭素クロム鋼で構成して、その表面にＨｖ７４０〜９４０の浸炭窒化層を形成したものであり、これにより、ボール１３の表面硬度が向上して上述した密の部分で接触する隣同士のボール１３間での逆滑り時におけるボール１３の摩耗を著しく抑制することができ、また、総ボール軸受としているため、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
なお、上記第１及び第２実施形態では、アンギュラボール軸受を例に説明しているが、４点接触ボール軸受等に本発明を適用しても同様の作用効果を得ることができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
図１に示した軸受構造において、ボール１３をマルテンサイト系ステンレス鋼で構成し．且つ、その表面にＨｖ１２００〜１５００の窒化層を形成した総ボールのアンギュラ玉軸受（内径直径２０ｍｍ、玉径６ｍｍ、玉数３２）を下記条件で回転させて耐久回転試験を行った。
・　回転数４０００ｍｉｎ‐１　。予圧３９．２Ｎ。
・　４０℃で９０ｃＳｔの潤滑油を使用。
・　内外輪の各軌道面に潤滑油を合計８ｍｇ塗布。
・　３５０時間連続回転。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、回転後のボール１３の表面にはバンド状マークが形成されておらず、光沢も失っていなかった。一方、比較のため、従来の熱処理をずぶ焼きとした高炭素クロム軸受鋼による総ボールアンギュラ玉軸受を上記条件で回転させたところ、図３（ｂ）に示すように、回転後のボール１３の表面にはバンド状の摩耗を呈していた。
【００２８】
（実施例２）
図１に示した軸受構造において、ボール１３を高炭素クロム鋼で構成して、その表面にＨｖ７４０〜９４０の浸炭窒化層を形成した総ボールのアンギュラ玉軸受（内径直径２０ｍｍ、玉径６ｍｍ、玉数３２）を実施例１と同様の条件で回転させて耐久回転試験を行った。
実施例１と同様に、回転後のボール１３の表面にはバンド状の摩耗が形成されておらず、光沢も失っていなかった。一方、既述したように従来の熱処理をずぶ焼きとした高炭素クロム軸受鋼による総ボールアンギュラ玉軸受を同一条件で回転させたところ、回転後のボール１３の表面にはバンド状の摩耗を呈した。
なお、本発明は前述した実施の形態、実施例に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上、上述した本発明の減速機用転がり軸受によれば、転動体の表面硬度が向上して上述した密の部分で接触する隣同士の転動体間での逆滑り時における転動体の摩耗を著しく抑制することができる。
また、モーメント荷重が作用する減速機用途で保持器やセパレータを用いずに内外輪間に転動体のみが配設された転がり軸受としているため、定格荷重が向上して寿命の更なる延長を図ることができ、また、従来と同じ寿命（定格荷重）とした場合は軸受サイズの縮小化が可能となる。
また、保持器やセパレータを用いた場合に比べて転動体数が増えるため、軸受剛性が向上して面圧の低下による摩耗の減少といった軸受機能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る減速機用転がり軸受を説明するための図である。
【図２】各ボール間のすきま不均一（疎・密）の状態を示す図である。
【図３】総ボールアンギュラ玉軸受の耐久回転試験結果を示す図であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は従来例である。
【図４】逆滑り状態を説明するための図である。
【図５】モーメント荷重とボールの公転速度差との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０　総ボールアンギュラ玉軸受（減速機用転がり軸受）
１１　内輪
１２　外輪
１３　ボール（転動体）
【図１】
2004092686.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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