(57)【要約】【課題】  異物混入潤滑下で使用しても寿命の長いころ軸受を、低コストで提供する。【解決手段】  ころ軸受の円筒ころ３を、Ｃ含有率が０．３０〜１．２０質量％、Ｓｉ含有率が０．５０〜２．００質量％、Ｍｎ含有率が０．２０〜２．００質量％、Ｃｒ含有率が０．５０〜２．００質量％、Ｏ含有率が１２ｐｐｍ以下、残部がＦｅおよび不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、２００℃以上３００℃以下での焼戻し処理とをこの順に施すことにより作製する。そして、転がり面をなす表層部のＮ含有率を０．２〜２．０質量％とし、前記表層部のＣ含有率を０．６〜２．５質量％とし、前記表層部の硬さをＨｖ６５０以上とし、前記表層部の残留オーステナイト量を０体積％超え２０体積％未満とし、転がり面の表面粗さを内輪１および外輪２の軌道面１Ａ，２Ａの表面粗さよりも小さくする。【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、前記内輪および外輪の間に転動自在に配設された複数のころと、を備えたころ軸受において、
前記ころは、Ｃ含有率が０．３０質量％以上１．２０質量％以下、Ｓｉ含有率が０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ含有率が０．２０質量％以上２．００質量％以下、Ｃｒ含有率が０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｏ含有率が１２ｐｐｍ以下、残部がＦｅおよび不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、２００℃以上３００℃以下での焼戻し処理とがこの順に施されて得られ、
その転がり面をなす表層部のＮ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下で、前記表層部のＣ含有率が０．６質量％以上２．５質量％以下で、前記表層部の硬さがＨｖ６５０以上で、前記表層部の残留オーステナイト量が０体積％超え２０体積％未満となっており、  前記ころの転がり面の表面粗さは、前記内輪および外輪の軌道面の表面粗さよりも小さくなっていることを特徴とするころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ころ軸受等の転がり軸受は、高面圧下で繰り返し剪断応力を受けて使用されるため、この剪断応力に耐えて転がり疲れ寿命を確保する必要がある。このため、転がり軸受の軌道輪（内輪，外輪）および転動体としては、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）に焼入れおよび焼戻し処理を施したり、肌焼鋼（ＳＣＲ４２０，ＳＣＭ４２０，ＳＡＥ４３２０Ｈ等）に浸炭または浸炭窒化処理、焼入れおよび焼戻し処理を施すことにより、表面硬さをＨｖ６５０〜８００としたものが用いられている。
【０００３】
近年、自動車，工作機械，一般産業機械，鉄鋼設備等の動力伝達機構や支持機構の高能率化および小型化を実現するために、これらの機構で使用される転がり軸受は、高速条件，高荷重条件，高温条件等の苛酷な環境下で使用されることが多くなってきている。
特に、ころ軸受は、玉軸受と比較して、高荷重条件下で使用されることが多いため、軌道面に油膜が形成され難く、ころの転がり面と軌道輪の軌道面との間に金属接触に起因する表面損傷が起こり易い。また、ころ軸受は、軌道輪ところの間のスキューによるすべりが生じ易く、軌道輪ところとの間に繰り返し剪断応力が加わるとともに、軌道面に接線力が発生するため、表面損傷が起こり易い。このため、ころ軸受は、特に表面損傷が起こり易い異物混入潤滑下で好適に用いることができない。
【０００４】
表面損傷による寿命低下は、異物の噛み込みによって軌道面に圧痕が生じ、圧痕の縁に応力集中が発生した場合や、潤滑不足やすべりによって軌道面に大きな接線力が発生した場合に起こる。
このような表面損傷による寿命低下を防止するために、特許文献１では、少なくともころについて、質量比で、Ｃ含有率が０．８％以上１．５％以下、Ｓｉ含有率が０．４％以上１．２％以下、Ｍｎ含有率が０．８％以上１．５％以下、Ｃｒ含有率が０．８％以上１．８％以下の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理、焼入れ処理および焼戻し処理を施すことにより、表層部の残留オーステナイト量を２０％体積以上４０体積％以下とし、表面硬さをＨｖ７５０以上とすることが提案されている。この特許文献１では、少なくともころの表層部において、応力集中を緩和する効果が高い残留オーステナイト量と硬さを高くすることにより、異物混入潤滑下における表面損傷を抑制し、転がり疲れ寿命の向上を図っている。
【特許文献１】特開２０００−２３４１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載のころ軸受では、表層部の残留オーステナイト量と硬さを高くすることで転がり疲れ寿命の向上を図っているため、製造コストの点でさらなる改善の余地がある。
また、特許文献１に記載のころ軸受では、特に、表面損傷による寿命低下が問題となるころの寿命については考慮されているが、ころに接触する軌道輪の寿命については考慮されていない。このため、例えば、ころの寿命のみを高くしても、軌道輪の寿命が不足して、ころ軸受全体の寿命を長くできない場合がある。
そこで、本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、異物混入潤滑下で使用しても寿命の長いころ軸受を、低コストで提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために、本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪および外輪の間に転動自在に配設された複数のころと、を備えたころ軸受において、前記ころは、Ｃ含有率が０．３０質量％以上１．２０質量％以下、Ｓｉ含有率が０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｍｎ含有率が０．２０質量％以上２．００質量％以下、Ｃｒ含有率が０．５０質量％以上２．００質量％以下、Ｏ含有率が１２ｐｐｍ以下、残部がＦｅおよび不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理と、焼入れ処理と、２００℃以上３００℃以下での焼戻し処理とがこの順に施されて得られ、その転がり面をなす表層部のＮ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下で、前記表層部のＣ含有率が０．６質量％以上２．５質量％以下で、前記表層部の硬さがＨｖ６５０以上で、前記表層部の残留オーステナイト量が０体積％超え２０体積％未満となっており、前記ころの転がり面の表面粗さは、前記内輪および外輪の軌道面の表面粗さよりも小さくなっていることを特徴とするころ軸受を提供する。
なお、本発明において、前記表層部とは、表面から所定深さ（例えば、１μｍ）までの範囲を指す。
【０００７】
以下、本発明の数値限定の臨界的意義について詳細に説明する。
〔Ｃ含有率（質量比）：０．３０〜１．２０％〕
Ｃ（炭素）は、基地をマルテンサイト化することにより、強度を増加させるために必要な元素である。本発明においては、鋼からなる素材を所定形状に加工した後に浸炭窒化処理が施され、ころの表層部にＣおよびＮ（窒素）が添加される。よって、素材のＣ含有率は、ころの芯部に必要な強度を確保するために０．３０％以上とする。なお、ころの芯部硬さはＨｖ６５０以上であることが好ましく、そのためにＣ含有率は０．８０％以上とすることが好ましい。
一方、Ｃ含有率が多過ぎると、製鋼時に粗大な炭化物が生成して、転がり疲れ寿命を低下させる場合がある。このため、Ｃ含有率は１．２０％以下とする。
【０００８】
〔Ｓｉ含有率（質量比）：０．５０〜２．００％〕
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時の脱酸剤として作用するとともに、焼戻し軟化抵抗性を向上させるために必要な元素である。また、浸炭窒化処理を施す場合に、ころの表層部のＮ含有率を高くする作用もある。
本発明者らが実験を行った結果、ころを構成する素材としてＳｉ含有率が０．５０％以上の鋼を用いて、浸炭窒化処理、焼入れ処理、および２００℃以上３００℃以下の高温での焼戻し処理を施すことにより、軌道輪の表面損傷を抑制する効果が得られることを見出した。これにより、Ｓｉ含有率は０．５０％以上、好ましくは０．８０％以上とする。
一方、Ｓｉ含有率が多過ぎると、素材の被削性を低下させて、コストの上昇を招く場合があるため、Ｓｉ含有率は２．００％以下、好ましくは１．５０％以下とする。
【０００９】
〔Ｍｎ含有率（質量比）：０．２０〜２．００％〕
Ｍｎ（マンガン）は、製鋼時の脱酸剤および脱硫剤として作用するとともに、焼入れ性の向上に必要な元素である。この効果を得るために、Ｍｎ含有率は０．２０％以上、好ましくは０．２５％以上とする。一方、Ｍｎの含有率が多過ぎると、非金属介在物が多くなり過ぎて転がり疲れ寿命が低下するとともに、素材の鍛造性や被削性等の機械加工性が低下するため、Ｍｎ含有率は２．００％以下とする。
【００１０】
〔Ｃｒ含有率（質量比）：０．５０〜２．００％〕
Ｃｒ（クロム）は、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、基地を強化して転がり疲れ寿命を向上させるために必要な元素である。また、微細で高硬度の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もある。さらに、浸炭窒化層のＣ含有率を高める作用があり、浸炭窒化特性の向上にも有効である。これらの効果を得るために、Ｃｒ含有率を０．５０％以上とする。
一方、Ｃｒ含有率が多過ぎると、その効果が飽和するだけでなく、表層部に不動態膜が形成されて浸炭窒化特性を阻害する場合があるため、Ｃｒ含有率は２．００％以下とする。
【００１１】
〔Ｏ含有率（質量比）：１２ｐｐｍ以下〕
Ｏ（酸素）は、転がり疲れ寿命に悪影響を与える酸化物系非金属介在物を形成するため、その含有率を出来る限り少なくする必要があるが、Ｏ含有率が１２ｐｐｍ以下、好ましくは９ｐｐｍ以下であれば許容できる。
〔不可避不純物について〕
上記元素以外に、不可避不純物（例えば、Ｐ，Ｓ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ等）が含まれてもよい。
このうち、ＭｏやＶ等の炭化物形成元素は、浸炭窒化処理により微細で高硬度な炭窒化物を形成するため、耐摩耗性の向上に有効である。よって、これらの元素は、コストの許す限り添加してもよいが、その添加量は合計で２．００質量％以下とすることが好ましい。
【００１２】
〔熱処理について〕
まず、上述した鋼からなる素材を、鍛造又は切削によりころの形状に加工した後、雰囲気温度８００〜８６０℃で、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスを導入した炉内で、数時間加熱保持することで浸炭窒化処理を行う。
この浸炭窒化処理は、ころの表層部のＮ含有率が０．２質量％以上２．０質量％以下となるような条件で行う。
このとき、ころの表層部のＮ含有率が０．２質量％未満となると、ころと接触する軌道輪の表面損傷を抑制する効果が十分に得られない。一方、表層部のＮ含有率は高くなる程、軌道輪の表面損傷を抑制する効果が高くなるが、表層部のＮ含有率が２．０質量％を超えると、浸炭窒化層が脆弱となり、ころ軸受として十分な転がり疲れ寿命が得られない。上述した観点から、ころの表層部のＮ含有率の好ましい範囲は、０．５質量％以上２．０質量％以下である。
【００１３】
また、浸炭窒化処理により、Ｎと同様に添加されるＣ含有率は、ころの表層部に軸受部材として必要とされる表面硬さＨｖ６５０が得られるように、Ｎ含有率とＣ含有率の合計が０．８質量％以上となるようにＣ含有率を調節することが好ましく、Ｃ含有率は０．６質量％以上とする。一方、ころの表層部のＣ含有率が多過ぎると、粗大な炭化物が析出して、ころ自体の転がり疲れ寿命が十分に得られなくなるため、Ｃ含有率を２．５質量％以下、好ましくは２．０質量％以下とする。
【００１４】
次に、８００〜８６０℃で焼入れ処理を行った後、２００℃以上３００℃以下で焼戻し処理を行う。このとき、焼戻し温度が２００℃未満であると、ころの表層部の残留オーステナイト量が２０体積％を超えてしまうため、ころと接触する軌道輪の表面損傷を抑制する効果が十分に得られない。一方、焼戻し温度が３００℃を超えると、ころの表層部の残留オーステナイト量が０体積％となってしまうため、ころ自体の転がり疲れ寿命が十分に得られない。
【００１５】
ここで、ころの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量は、ころ自体の転がり疲れ寿命を向上させて、且つ、ころと接触する軌道輪の表面損傷を抑制するために、０体積％超えとする。一方、ころの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量が多過ぎると、ころおよび軌道輪の寿命延長効果が飽和するとともに、製造コストが上昇するため、２０体積％未満とする。ころの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量の好ましい範囲は、７体積％以上１７体積％以下である。
本発明のころ軸受において、前記ころの転がり面の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０８μｍ以下となっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のころ軸受によれば、ころの転がり面をなす表層部のＮ含有率，Ｃ含有率，硬さ，残留オーステナイト量を特定するとともに、ころの転がり面の表面粗さを内輪および外輪の軌道面の表面粗さよりも小さくすることにより、ころ自体の表面損傷を抑制できるとともに、ころと接触する軌道輪の表面損傷も抑制できる。よって、ころ軸受の転がり疲れ寿命を長くできるため、異物混入潤滑下でも好適に用いることができる。
また、本発明のころ軸受によれば、ころの転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量および硬さを必要最小限に抑えているため、転がり疲れ寿命の長いころ軸受を低コストで提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、図１に示す構成のころ軸受（内径５５ｍｍ，外径１００ｍｍ，幅２５ｍｍ）を、以下に示す方法で作製した。このころ軸受は、図１に示すように、内輪１と、外輪２と、複数個の円筒ころ３と、保持器４と、からなる。
円筒ころ３は、以下の手順で作製した。まず、表１に示す各組成の鋼からなる素材を鍛造して所定形状に加工した後、表１に示す各方法の熱処理を施した。次に、研削等の仕上げ加工を施して、転がり面（周面）の表面粗さ（Ｒａ）が０．０４〜０．０６μｍとなるように調整した。
【００１８】
ここで、表１に「浸炭窒化→焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、以下に示す条件で行った。まず、Ｒｘガス＋プロパンガス＋アンモニアガスの雰囲気中において、８００〜８６０℃で２〜６時間保持することにより浸炭窒化を行った後、油焼入れを行った。次に、１８０〜３５０℃の範囲の所定温度で２時間保持することにより焼戻しを行った。
また、表１に「焼入れ→焼戻し」で示す熱処理は、以下に示す条件で行った。まず、Ｒｘガス雰囲気中において、８００〜８６０℃で０．５〜１時間保持した後、油焼入れを行った。次に、１８０℃で２時間保持することにより焼戻しを行った。
【００１９】
このようにして得られた円筒ころ３において、転がり面をなす表層部（表面から１μｍの深さまでの部分）のＮ含有率およびＣ含有率 (質量比）を、電子線マイクロアナライザ (ＥＰＭＡ）により測定した。この結果を、表１に併せて示す。
また、前記表層部の残留オーステナイト量γR ( 体積比）を、Ｘ線回折装置により測定した。この結果を、表１に併せて示す。
さらに、前記表層部の硬さ（ビッカース硬さ）を、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に規定されたビッカース硬さ試験法により測定した。この結果を、表１に併せて示す。
【００２０】
また、内輪１および外輪２は、以下に示す手順で作製した。まず、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、焼入れおよび焼戻し処理を行うことにより、内輪１および外輪２の軌道面をなす表層部（表面から１μｍの深さまでの部分）の硬さをＨｖ６８０以上とし、前記表層部の残留オーステナイト量を７体積％以下とした。次に、これらに研削等の仕上げ加工を施して、内輪軌道面１Ａおよび外輪軌道面２Ａの表面粗さ（Ｒａ）を、円筒ころ３の転がり面の表面粗さ（Ｒａ）よりも大きな０．１〜０．３μｍとなるように調整した。
【００２１】
このようにして得られた内輪１、外輪２、複数個の円筒ころ３、およびナイロン製保持器４を用いて、ころ軸受を組み立てた。そして、ころ軸受を異物混入潤滑下で使用することを想定して、以下の条件で寿命試験を行った。この寿命試験は、円筒ころ３の転がり面に剥離が生じるまで内輪１を回転させることで行い、寿命試験開始から剥離が生じるまでの回転時間を寿命とした。この結果を、Ｎｏ．１６のＬ10寿命を１とした時の比として、表１に併せて示す。
〔寿命試験条件〕
荷重比（Ｐ／Ｃｒ）：０．４５（Ｆｒ：Ｆａ＝４：１）
回転速度：２５００ｍｉｎ-1 
潤滑油：♯６８タービン油
異物：（組成）Ｆｅ3 Ｃ
（硬さ）ＨＲＣ５２
（粒径）７４〜１４７μｍ
（混入量）潤滑油中に３００ｐｐｍとなるように混入
【００２２】
次いで、以下のようにして摩擦係数測定試験を行った。
まず、上述した内輪１および外輪２と同様の構成（素材，熱処理方法，表層部）となるように、円筒状の試験体（内径３０ｍｍ，外径４５ｍｍ，軸方向の長さ６ｍｍ）Ｓを作製した。
具体的には、まず、ＳＵＪ２からなる素材を円筒状に加工した後、焼入れおよび焼戻し処理を行うことにより、円筒状の試験体Ｓの外周面をなす表層部（表面から１μｍの深さまでの部分）の硬さをＨｖ６８０以上とし、前記表層部の残留オーステナイト量を７体積％以下とした。次に、これらに研削等の仕上げ加工を施して、外周面の表面粗さ（Ｒａ）を、０．１〜０．３μｍとなるように調整した。
【００２３】
そして、図２に示すように、試験体Ｓの上に、表１に示すＮｏ．１〜１７の各構成の円筒ころ３を両者の軸を合わせて固定し、円筒ころ３の上からラジアル荷重（Ｆｒ）を負荷した状態で、以下の条件で試験体Ｓを回転させた。そして、この時の試験体Ｓのトルクを測定し、測定したトルクから摩擦係数を算出した。この結果を、Ｎｏ．１６の摩擦係数を１とした時の比として、表１に併せて示す。
〔摩擦係数測定試験条件〕
試験体の回転速度：２００ｍｉｎ-1 
面圧：１７６４Ｎ／ｍｍ2 
潤滑油：♯６８タービン油                                        
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１に示すように、円筒ころ３の構成を、本発明の構成（鋼の組成、熱処理方法、焼戻し温度、転がり面をなす表層部）としたＮｏ．１〜１３は、本発明の構成外としたＮｏ．１４，１５と比較して長寿命であり、Ｎｏ．１６の２．０〜３．６倍の寿命が得られた。  このうち、「鋼を構成するＳｉ含有率：０．９５質量％以上２．００質量％以下」と、「表層部のＮ含有率：０．６質量％以上０．８質量％以下」を満たすＮｏ．１，５，６，８，９，１１，１３は、特に長寿命であり、Ｎｏ．１６の３．１倍以上の寿命が得られた。また、鋼を構成するＳｉ含有率および表層部のＮ含有率の合計量が増えると、円筒ころ３と内輪１および外輪２との間の摩擦係数比が低減する傾向が見られた。これらの結果より、鋼を構成するＳｉ含有率および表層部のＮ含有率の合計量が、転がり疲れ寿命に影響を与えていることが分かる。
【００２６】
一方、Ｎｏ．１４では、焼戻し温度が高過ぎたため、円筒ころ３の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量が０体積％であった。よって、円筒ころ３に形成される圧痕縁での応力集中軽減効果が十分に得られず、円筒ころ３にフレーキングが多発したため、短寿命であった。
また、Ｎｏ．１５では、焼戻し温度が低過ぎたため、円筒ころ３の転がり面をなす表層部の残留オーステナイト量を本発明の範囲内（０体積％超え２０体積％未満）に出来なかった。よって、円筒ころ３と内輪１および外輪２との摩擦係数の低減による寿命延長効果が十分に得られなかったため、短寿命であった。
以上の結果から、円筒ころ３を構成する鋼の組成と、円筒ころ３の転がり面をなす表層部のＮ含有率，Ｃ含有率，残留オーステナイト量，硬さと、転がり面の表面粗さを本発明の構成とすることにより、異物混入潤滑下で使用しても、ころ軸受の寿命を長くできることが分かった。
【００２７】
続いて、円筒ころ３の転がり面の表面粗さと転がり疲れ寿命との関係を検証した。
まず、上述した表１に示すＮｏ．１の構成（鋼の組成、熱処理方法、焼戻し温度、転がり面をなす表層部）で、転がり面の表面粗さ（Ｒａ）が、０．０３〜０．２０μｍの範囲内でそれぞれ異なる円筒ころ３を複数個づつ用意した。
【００２８】
次に、同じ表面粗さ（Ｒａ）の複数個の円筒ころ３と、上述した内輪１、外輪２、および保持器４とを用いてころ軸受を組み立てて、上述と同様の条件で寿命試験を行った。
そして、この寿命試験の結果を用いて、円筒ころ３の転がり面の表面粗さ（Ｒａ）と、ころ軸受の転がり疲れ寿命との関係を示す図３のグラフを作成した。なお、図３において、ころ軸受の転がり疲れ寿命は、上述した表１に示すＮｏ．１６のＬ10寿命を１とした時の比で示した。
図３に示すように、円筒ころ３の転がり面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０８μｍ以下のころ軸受は、前記表面粗さ（Ｒａ）が０．０８μｍを超えるころ軸受と比べて長寿命であり、前記表面粗さ（Ｒａ）が０．２０μｍのころ軸受の約１．７倍以上の寿命が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のころ軸受の一例を示す断面図である。
【図２】摩擦係数測定試験方法を示す模式図である。
【図３】円筒ころの表面粗さと、ころ軸受の転がり疲れ寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１          内輪
１Ａ        内輪軌道面
２          外輪
２Ａ        外輪軌道面
３          円筒ころ（ころ）
４          保持器
【図１】
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【図２】
2005337361.tif 000005
【図３】
2005337361.tif 000006