(57)【要約】【課題】  水素環境下で発生する水素脆性剥離を抑制することができるころがり軸受およびその製造方法を提供する。【解決手段】  オルタネータ用軸受１であって、ころがり軸受の、転動体２、内輪４および外輪３のうちの少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、且つ、表層部の球状化炭化物の面積率が１０％以上を占める。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ころがり軸受の、転動体、内輪および外輪のうちの少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、前記窒素富化層を有する部材の表層部における球状化炭化物の面積率が１０％以上である、ころがり軸受。
【請求項２】
前記窒素富化層を有する部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番をこえる、請求項１に記載のころがり軸受。
【請求項３】
前記窒素富化層を有する部材は、１．３〜１．６のＣＰ(Carbon Potential)値で浸炭窒化処理された後、その温度から油冷されている、請求項１または２に記載のころがり軸受。
【請求項４】
前記窒素富化層を有する部材は、その鋼材本体のＡ１点以上で浸炭窒化処理された後、Ａ１点より低い温度に冷却され、次いでその鋼材本体のＡ１点以上であって、前記浸炭窒化処理温度より低い焼入れ温度域に再加熱され、焼入れされている、請求項１または２に記載のころがり軸受。
【請求項５】
転動体、内輪および外輪を含むころがり軸受の製造方法であって、
前記転動体、内輪および外輪のうちの少なくとも１つの部材を形成する鋼材を、Ａ１点以上の温度に加熱して１．３〜１．６のＣＰ(Carbon Potential)値で浸炭窒化処理した後、Ａ１点より低い温度に油冷する、ころがり軸受の製造方法。
【請求項６】
転動体、内輪および外輪を含むころがり軸受の製造方法であって、
前記転動体、内輪および外輪のうちの少なくとも１つの部材を形成する鋼材を、Ａ１点以上の温度に加熱して浸炭窒化処理した後、Ａ１点より低い温度に冷却し、次いでＡ１点以上の温度であって、前記浸炭窒化処理の温度より低い焼入れ温度域に再加熱し、焼入れする、ころがり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はころがり軸受およびその製造方法に関し、より具体的には水素の発生する環境下で白層を伴なう水素脆性剥離を生じにくいころがり軸受およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
オルタネータ軸受、建設機械用減速機、油圧ポンプ、油圧モータ等に用いられるころがり軸受では、損傷起点に白層を伴なった特異な剥離部が認められる場合が多い。この白層の形態は、転動疲労によって生じるＷＥＣ（White Etching Constituent）や非金属介在物周りに発生するバタフライとは異なり、転動方向に対して方向性を持たないことが特徴である。起点に白層を含む損傷が発生した軸受では、明らかに鋼中水素量が増加しており、白層内に存在する亀裂が結晶粒界に沿って非常に長く内部にまで進展している。このため、上記損傷の発生に水素が関与しているとされている。以後、この白層を伴なう特異な剥離を水素脆性剥離と称する。
【０００３】
水素脆性剥離は転動時に発生した化学的に活性な金属新生面の触媒作用で潤滑剤が分解し、発生した水素が鋼中に侵入することにより生じると考えられる。そのため、水素脆性剥離の対策として、（ａ1）化学的に分解しにくい潤滑剤への変更や、（ａ2）金属新生面を出にくくする黒染処理などが有効とされてきた。
【０００４】
上記の（ａ1）に関して、次のような軸受の提案がなされている。アルキルジフェニルエーテル油とポリαオレフィン油を、２０：８０〜８０：２０の重量比で配合した基油に、増稠剤として芳香族ジウレア化合物、または芳香族ウレア・ウレタン化合物を５〜４０重量％配合し、さらに不動態化酸化剤および有機スルホン酸塩を添加したグリース組成物をころがり軸受内に封入してなるオルタネータ用グリース封入軸受（特許文献１）。
【０００５】
また、上記（ａ2）に関して、次のような軸受の提案がなされている。軸受内にグリースを封入したグリース封入軸受において、軌道輪の転走面に厚さ０．１〜２．５μｍの酸化皮膜を形成したグリース封入軸受（特許文献２）。
【０００６】
上記の提案に基づく軸受は、この業界において実際に延命効果が確認されている。
【特許文献１】特開平５−２６３０９１号公報
【特許文献２】特開平２−１９０６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、近年、ころがり軸受の使用環境が益々苛酷化しており、上記対策だけでは不十分な場合が生じてきた。このため、水素脆性剥離寿命のさらなる延命対策が求められている。
【０００８】
本発明は、水素環境下で発生する上記水素脆性剥離を抑制することができるころがり軸受およびその製造方法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】
本発明のころがり軸受は、転動体、内輪および外輪のうちの少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その窒素富化層を有する部材の表層部における球状化炭化物の面積率が１０％以上である。
【００１０】
窒素富化層は、転動疲労現象を遅延させることができ、さらに表層部の球状化炭化物の面積率を１０％以上とすることにより、水素脆性剥離を抑制することができる。なお、上記窒素富化層は、あとで説明するように、浸炭窒化処理により形成されるが、上記窒素富化層に炭素が富化されていてもよいし、富化されていなくてもよい。
【００１１】
上記の水素脆性剥離を生じやすい使用態様の一例として、前記部材が密閉され、その密閉された中で水素が発生され、水素分圧が、一般のころがり軸受を形成する鋼材に水素が侵入するしきい値以上に高くなる環境での使用を挙げることができる。
【００１２】
上記の水素環境下では、通常の鋼材では水素が侵入する。その侵入した水素は、転動荷重によって発生した転位が高密度に集積する部位や、非金属介在物などの部位に集合する。集合した水素は、気体分子になろうとして微小部に異常な高圧部を形成し、白層を形成し、水素脆性剥離の起点となると考えられる。上記の本発明に係るころがり軸受の部材では、水素侵入を抑制し、また、水素の集合を妨げることができる。このため、白層の形成を容易に生じさせず、水素脆性剥離を抑制することができる。
【００１３】
なお、球状化炭化物の面積率は、通常の試験方法、たとえば市販の光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡などの顕微鏡組織から、市販の面積率測定装置を用いて容易に求めることができる。この面積率は、数視野において求めて平均化することが望ましい。
【００１４】
また、上記窒素富化層を有し、且つ、その球状化炭化物が面積率の１０％以上を有する部材のオーステナイト結晶粒界の粒度番号が１０番を超えるとしてもよい。オーステナイト粒径をこのように微細にすることにより、窒素富化層との組み合わせにより、飛躍的に水素脆性剥離を抑制する効果が向上する。なお、上記のオーステナイト結晶粒界の平均粒径の閾値は、窒素富化層において満たされればよい。しかし、通常の場合、窒素富化層より内側の鋼材本体においても、上記のオーステナイト結晶粒微細化の基準は満たされる。また、オーステナイト粒という場合、焼入れられた後のマルテンサイトやベイナイトなどのフェライト相にその痕跡を残している。焼入れ前のオーステナイト粒界を強調するために「旧」を付する場合もある。すなわち、オーステナイト粒と旧オーステナイト粒とは同じものを表現している。なお、上記オーステナイト結晶粒は、対象とする部材の金相試料に対してエッチングなど、粒界を顕出する処理を施して観察することができる粒界である。低温焼入れ直前の加熱された時点での粒界という意味で、上記のように旧オーステナイト粒と呼ぶ場合がある。測定は、ＪＩＳ規格の粒度番号の平均値から平均粒径に換算して求めてもよいし、切片法などにより金相組織に重ねたランダム方向の直線が粒界と会合する間の間隔長さの平均値をとってもよい。
【００１５】
本発明のころがり軸受の製造方法は、転動体、内輪および外輪を含むころがり軸受の製造方法であって、転動体、内輪および外輪のうちの少なくとも１つの部材を形成する鋼材を、Ａ１点以上の温度に加熱して１．３〜１．６のＣＰ(Carbon Potential)値で浸炭窒化処理した後、Ａ１点より低い温度に油冷する。
【００１６】
本発明の別のころがり軸受の製造方法は、転動体、内輪および外輪を含むころがり軸受の製造方法であって、転動体、内輪および外輪のうちの少なくとも１つの部材を形成する鋼材を、Ａ１点以上の温度に加熱して浸炭窒化処理した後、Ａ１点より低い温度に冷却し、次いでＡ１点以上の温度であって、浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度域に再加熱し、焼入れする。
【００１７】
このように製造されることにより、上記のように、所定の球状化炭化物の面積率基準を満たす窒素富化層を表層部に有し、オーステナイト結晶粒の上記微細化の基準を満たした部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態におけるオルタネータ用軸受を示す図である。オルタネータ１０において、オルタネータ用軸受１にシャフト１１が挿入され、突き出た端部にプーリ５が取り付けられている。プーリ５には、伝動ベルトが掛けられる係合溝６が設けられる。オルタネータ用軸受１は、転走面において転動体である鋼球２と接触する内輪４および外輪３を備え、鋼球は内輪と外輪との間で保持器７によって保持されている。
【００１９】
近年の高速化、小型化の傾向を反映して、シャフト１１は伝動ベルトにより高速回転され、転動体２と軌道輪３，４とは高面圧で、高速の接触をする。オルタネータ軸受にはグリースが封入されているが、このグリースは上記高圧、高速の接触部において分解され、水素を発生する。水素は、小さい元素であり、水素分圧と表層部との条件が適合すれば鋼材中に容易に侵入する。このため、荷重が負荷されている鋼材中の所定の箇所に損傷を生じ、その破面上に白層として表れる特異な割れを形成するにいたる。
【００２０】
本発明の実施の形態におけるオルタネータ用軸受では、転動体２、外輪３および内輪４のうちの少なくとも１つの部材が、次の２つの要件のいずれかを備える。
(Ａ１)：窒素富化層を有し、かつ、表層部の球状化炭化物の面積率が１０％以上であること。
(Ａ２)：(Ａ１)に加えて、オーステナイト結晶粒がＪＩＳに規定される粒度番号で１０番以上であること。
【００２１】
上記の２つの要件のいずれかを備えた部材は、水素脆性剥離を生じ難くなり、長寿命を得ることができる。
【００２２】
次に、実際に上記のことを検証した実施例について説明する。
【００２３】
（実施例）
上述の水素脆性剥離を発生しにくくさせる本発明例の鋼材として、図２（ａ）〜（ｂ）に示す２種類の処理を施したＳＵＪ２を準備した。
【００２４】
図２（ａ）に示す本発明例１の処理では、１．３〜１．６という高いＣＰ(Carbon Potential)値で浸炭窒化処理を行なった後に、その温度から油冷により焼き入れる。このような高いＣＰ値の雰囲気で浸炭窒化処理することにより、表層部における球状化炭化物の面積率を確実に１０％以上にすることができる。
その後、１８０℃で焼き戻す。
【００２５】
図２（ｂ）に示す本発明例２の処理では、比較例１(図２(ｃ)参照)における浸炭窒化処理および焼入処理の後に、Ａ℃（８４５℃）−α℃という最初の焼入れ温度よりα℃低い温度に加熱して油焼入れする。この（Ａ−α）℃という温度は、Ａ1点以上であって、その前の浸炭窒化処理および焼入温度より低い温度である。図示しているように、浸炭窒化処理の温度から焼入れを行なうので、焼入れ温度と浸炭窒化処理温度とは同じである。本説明において、この（Ａ−α）℃に加熱して焼き入れる処理を低温焼入れと呼ぶこととする。この低温焼入れの後、１８０℃で焼き戻す。
【００２６】
上記の熱処理のどちらによっても、その中の浸炭窒化処理により「浸炭窒化処理層」である窒素富化層が形成される。浸炭窒化処理において素材となる鋼の炭素濃度が高いため、通常の浸炭窒化処理の雰囲気から炭素が鋼の表面に侵入しにくい場合がある。たとえば炭素濃度が高い鋼の場合（１ｗｔ％程度の鋼）、それ以上高い炭素濃度の浸炭層が生成する場合もあるし、それ以上高い炭素濃度の浸炭層は生成しにくい場合がある。しかし、窒素濃度は、Ｃｒ濃度などにも依存するが、通常の鋼では最大限０.０２５ｗｔ％程度以下と低いので、素材の鋼の炭素濃度によらず窒素富化層が明瞭に生成される。上記窒素富化層には炭素が富化されていてもよいことはいうまでもない。
【００２７】
また、比較例の鋼材として、図２（ｃ）に示す処理を施したＳＵＪ２、ＳＵＪ２の普通焼入材、ＳＵＪ２黒染処理材、１３％Ｃｒ鋼の４つの鋼材を用いて、比較のための評価を行なった。表１に評価を行なった鋼材の一覧を示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
図３に、水素脆性剥離の寿命を評価するのに用いた試験機を示す。この評価試験に用いた試験体の軸受は、外径３２ｍｍ×内径２４ｍｍ×長さ１９．８ｍｍのラジアルニードル軸受である。上記試験における試験条件を表２に示す。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２に示す試験条件は、急加減速を行なうことにより、再現性よく水素脆性剥離を発生させることができる。この試験条件下で試験した試験結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
図４（ａ），（ｂ）に比較例１において発生した水素脆性剥離を含む断面を示す。図４（ａ）は破面写真であり、図４（ｂ）はその模式図である。上記の試験条件において水素脆性剥離を誘起させていることが分る。
【００３４】
表３の試験結果によれば、従来品の比較例に比べ、本発明例のものは、いずれも長寿命を示すことが分る。とくに、本発明例２では、耐水素脆性剥離性が向上する比較例２の黒染処理材、および比較例３の１３％Ｃｒ鋼の黒染処理材の両方よりも、さらに長寿命になることが分る。
【００３５】
本発明例３が特に長寿命となった原因を調査するために、本発明例１〜２、および、従来品の比較例１〜２の鋼材における表層部の球状化炭化物の面積率、およびオーステナイト結晶粒界のＪＩＳ規格での粒度番号を測定した。その結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
本発明例１の球状化炭化物の面積率が比較例１より大きく、ＪＩＳ結晶粒度は比較例と比べて大きな相違はない。また、本発明例２では、球状化炭化物の面積率が比較例より大きく、またＪＩＳ結晶粒度は比較例より微細化されている。
【００３８】
比較例１に比べて比較例２は長寿命であり、また、本発明例１は比較例２より、また、本発明例２は本発明例１より更に長寿命化されていることから、次の３つの要因が耐水素脆性剥離の抑制に効果があることが分る。
(１)窒素富化層を有すること。
(２)球状化炭化物の面積率が１０％以上であること。
(３)オーステナイト結晶粒界がＪＩＳ規格の粒度番号で１０番を超えること。
【００３９】
本発明例２は、上記３つの要因をすべて兼ね備えたために非常に長寿命を示したものである。上記の項目（１）のみでも耐水素脆性剥離の効果は認められるが、その延命効果は小さいため、少なくとも、本発明例１のように、(１)および（２）の２つの要件をともに備えることにより水素環境下で、水素脆性剥離割れを生じにくいころがり軸受を形成することができる。
【００４０】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のころがり軸受およびその製造方法を用いることにより、水素が発生し、水素脆性剥離を生じやすい使用態様で使用されても、水素脆性剥離を抑制できるころがり軸受を提供できるので、この分野の部品に広範に利用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態におけるオルタネータ用軸受を示す図である。
【図２】本発明の実施例における各本発明例の処理を示す図であり、（ａ）は本発明例１の処理、（ｂ）は本発明例２の処理、（ｃ）は比較例１の処理、を示す図である。
【図３】水素脆性剥離を再現する試験装置を示す図である。
【図４】水素脆性剥離を示す図であり、（ａ）は断面の写真であり、（ｂ）はその模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  オルタネータ用軸受、２  転動体（鋼球）、３  外輪（軌道輪）、４  内輪（軌道輪）、５  プーリ、６  伝動ベルト用溝、７  保持器、１０  オルタネータ、１１  シャフト、１５  破面、１６  転走面、１７  白層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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