(57)【要約】【課題】  水混入潤滑下で使用した場合でも、転がり疲れ寿命を長くできる転がり軸受を低コストで提供する。【解決手段】  少なくとも外輪（固定輪）２を、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、及び焼戻し処理を施して作製する。そして、転がり面２ａをなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅を６．０°以下とし、硬さをＨｖ６５３以上とし、残留オーステナイト量を２．０体積％未満とする。【選択図】  図２
2007009997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間で転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪のうち一方が固定輪として、他方が回転輪として使用される転がり軸受において、
少なくとも前記固定輪は、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、及び焼戻し処理が施されて得られ、
その転がり面をなす表層部は、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が６．０°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２．０体積％未満となっていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間で転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪のうち一方が固定輪として、他方が回転輪として使用される転がり軸受において、
少なくとも前記固定輪は、Ｃ含有率が０．６質量％以上１．２質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以上１．５質量％以下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、焼入れ処理、及び焼戻し処理が施されて得られ、
その転がり面をなす表層部は、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が５．５°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２．０体積％未満となっていることを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のトランスミッション用軸受やハブユニット用軸受、鉄鋼機械のガイドロール用軸受やバックアップロール用軸受、鉄道車両用軸受、建設機械用軸受、農業機械用軸受、及び製紙機械のドライヤーロール用軸受等の転がり軸受は、潤滑油に水が混入され易い環境下（以下、「水混入潤滑下」と記す。）で使用される。
例えば、鉄鋼機械のガイドロール用軸受やバックアップロール用軸受は、冷却水等の水が潤滑油に混入され易い。また、製紙機械のドライヤーロール用軸受は、水を含んだ紙を乾燥させる工程で生じる水蒸気が潤滑油に混入され易い。さらに、自動車用のハブユニット用軸受は、路面の雨水や泥水の影響で潤滑油に水が混入され易い。
【０００３】
このように転がり軸受内部の潤滑油に水が混入されると、その軌道面で水が分解されて水素が生じ、この水素が、軌道面から軸受部材内部に侵入して、軸受部材を構成する鋼中に存在する酸化物系非金属介在物の周囲に集積する。そして、酸化物系非金属介在物の周囲で水素脆化が生じて、酸化物系非金属介在物への応力集中を加速させるため、早期剥離が発生し、転がり疲れ寿命が短くなると考えられている。
【０００４】
この水素脆化は、一般に遅れ破壊等の現象で見られるが、高強度鋼になるほど、その発生率が高くなることが知られている。また、ベイナイト鋼及びマルエージング鋼と、マルテンサイト鋼とが同一強度である場合、マルテンサイト鋼のほうが水素脆化の発生率が高くなることが知られている。
非特許文献１には、潤滑油中に潤滑油全体に対して６％の水が混入されると、水が混入されていない時と比べて、転がり疲れ寿命が数分の１から２０分の１程度に短くなることが記載されている。
【０００５】
また、非特許文献２には、水の混入量が１００ｐｐｍ程度と微量であっても、転がり疲れ強さが３２〜４８％程度に低下することが記載されている。
このため、水混入潤滑下で使用される転がり軸受では、転がり疲れ寿命を長くするために、転がり軸受内部への水の侵入を防止する対策（接触ゴムシールのような密封部材の設置等）や、鋼中に存在する酸化物系非金属介在物を減少させて、亀裂の発生を抑制する対策が施されている。
【０００６】
特許文献１には、少なくとも固定側軌道輪を構成する鋼からなる素材の酸素濃度を、１２ｐｐｍ以下とすることが提案されている。
特許文献２には、少なくとも固定側軌道輪の軌道面上に、平均直径が１００μｍ超過の酸化物系非金属介在物が存在しないようにすることが提案されている。
【非特許文献１】古村，城田，平川著「表面起点及び内部起点の転がり疲れについて」，ＮＳＫ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｎｏ．６３６，１９７７年，ｐ１〜１０
【非特許文献２】Ｐ．Ｓｃｈａｔｚｂｅｒｇ，Ｉ．Ｍ．Ｆｅｌｓｅｎ著，「Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｒｏｌｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ」，Ｗｅａｒ  Ｎｏ．１２，１９６８年，ｐ３３〜ｐ３４２
【特許文献１】特開２０００−８７９７４号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した転がり軸受内部への水の侵入を防止する対策では、完全に水の侵入を防止するという点でさらなる改善の余地がある。
また、上述した特許文献１及び２に記載のように、亀裂の発生を抑制する手段では、清浄度の優れた素材を使用する必要があるため、素材コストの点でさらなる改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水混入潤滑下で使用した場合でも、転がり疲れ寿命を長くできる転がり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】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、転動部材を構成する鋼の内部歪みが大きくなる程、水混入潤滑下での水素脆化の発生率が高くなっていることを見出した。
通常、転がり軸受の転動部材（内輪、外輪、転動体）を構成する鋼の金属組織は、焼入れ及び焼戻し処理が施されることにより、マルテンサイト結晶と、残留したオーステナイト結晶（残留オーステナイト）とから構成されている。上述した鋼の内部歪みは、マルテンサイト変態によって導入されるため、マルテンサイト結晶中に多くの内部歪みが存在する。
【０００９】
図１は、マルテンサイト結晶中に多くの内部歪みが存在する場合に、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線を示す図である。
マルテンサイト結晶中に多くの内部歪みが存在すると、回折角度にバラツキが生じるため、回折Ｘ線は図１に示すような正規分布形状となる。また、オーステナイト結晶中に内部歪みが多くなる程、回折角度のバラツキが大きくなるため、回折Ｘ線の半価幅（最大回折強度の１／２の強度を有する回折Ｘ線の回折角度の範囲）が大きくなり、一方、オーステナイト結晶中に内部歪みが少なくなる程、回折角度のバラツキが小さくなるため、回折Ｘ線の半価幅が小さくなる。
【００１０】
このため、耐水素脆性を向上させて、水混入潤滑下での転がり疲れ寿命を長くするためには、転動部材を構成する鋼のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅を出来る限り小さくすればよい。しかし、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅を小さくする程、硬さが低下するため、半価幅を極端に小さくすると、水が混入されていない潤滑下（以下、「クリーン潤滑下」と記す。）での転がり疲れ寿命に必要な硬さが得られなくなる場合がある。
そこで、本発明者は、転動部材を構成する鋼中に存在する内部歪みを、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅を用いて特定するとともに、硬さを特定することにより、クリーン潤滑下での転がり疲れ寿命を確保しつつ、水混入潤滑下での転がり疲れ寿命を長くできる転がり軸受を完成させた。
【００１１】
すなわち、本発明に係る請求項１に記載の発明は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間で転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪のうち一方が固定輪として、他方が回転輪として使用される転がり軸受において、少なくとも前記固定輪は、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、及び焼戻し処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部は、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が６．０°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２．０体積％未満となっていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【００１２】
これによれば、清浄度の高い素材を用いなくても、表層部の内部歪みが低減されることにより耐水素脆性が向上するため、水混入潤滑下での転がり疲れ寿命を長くできる。
また、少なくとも固定輪の転がり面をなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅及び残留オーステナイト量の特定に加えて、硬さを特定することにより、クリーン潤滑下での転がり疲れ寿命も長くできる。
ここで、前記表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が６．０°よりも大きくなると、転がり面をなす表層部において内部歪みを低減させる効果が十分に得られなくなる。
【００１３】
また、前記表層部の残留オーステナイト量が２．０体積％以上となると、軸受使用時に転動体に加わる剪断応力によって歪み誘導変態が生じ、残留オーステナイトが内部歪みの多いマルテンサイト結晶に変態するため、転がり面をなす表層部において内部歪みを低減する効果が十分に得られなくなる。
さらに、前記表層部の硬さがＨｖ６５３未満となると、クリーン潤滑下での転がり疲れ寿命に必要な硬さを確保できなくなる。
【００１４】
また、本発明に係る請求項２に記載の発明は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間で転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記内輪及び前記外輪のうち一方が固定輪として、他方が回転輪として使用される転がり軸受において、少なくとも前記固定輪は、Ｃ含有率が０．６質量％以上１．２質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以上１．５質量％以下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、焼入れ処理、及び焼戻し処理が施されて得られ、その転がり面をなす表層部は、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が５．５°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２．０体積％以下となっていることを特徴とする転がり軸受を提供する。
【００１５】
これによれば、表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅を５．５以下にしても、表層部に必要な硬さを付与できるため、上述した請求項１に記載の転がり軸受よりも耐水素脆性が向上して、水混入潤滑下での寿命をさらに長くできる。
ここで、素材をなす鋼中のＣ（炭素）は、鋼に必要な強度と転がり疲れ寿命を得るために必要な元素であるが、少な過ぎると、芯部に必要な強度を付与できなくなるとともに、浸炭窒化処理時に必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなって熱処理コストの上昇を招く。よって、素材をなす鋼のＣ含有率は０．６質量％以上とする。一方、素材をなす鋼の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、その後の焼入れ特性や転がり疲れ寿命に悪影響を与えたり、ヘッダー性等の機械加工性を低下させて加工コストの上昇を招く。よって、素材をなす鋼のＣ含有率は１．２質量％以下とする。
【００１６】
また、素材をなす鋼中のＳｉ（ケイ素）は、製鋼時に脱酸剤として必要な元素であるとともに、基地マルテンサイトを強化し、表層部の焼戻し軟化抵抗性を向上させて、転がり面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅を５．５°以下としても、Ｈｖ６５３以上の硬さを得るために必要な元素である。よって、素材をなすＳｉ含有率は、０．５質量％以上、好ましくは０．８質量％以上とする。一方、素材をなす鋼のＳｉ含有率が多過ぎると、ヘッダー性や被削性等の機械加工性を低下させるだけでなく、浸炭窒化処理特性が低下して、十分な硬化層深さや窒素拡散深さを確保できなくなる場合がある。よって、素材をなす鋼のＳｉ含有率は１．５質量％以下とする。
【００１７】
なお、本発明において「転がり面」とは、内輪及び外輪の各軌道面や転動体の転動面を指す。また、本発明において「表層部」とは、表面から所定深さ（例えば、１００μｍ）までの部分を指す。
また、転がり軸受において、回転輪では軌道面全周で荷重を支持するが、固定輪では軌道面の一定位置で荷重を支持するため、回転輪の軌道面よりも固定輪の軌道面に応力集中が生じ易い。このため、本発明では、少なくとも固定輪において、その転がり面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅、硬さ、及び残留オーステナイト量を特定した。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の転がり軸受によれば、少なくとも固定輪の転がり面をなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅、硬さ、及び残留オーステナイト量を特定したことによって、清浄度の高い素材を用いなくても、優れた耐水素脆性が得られる。これにより、水混入潤滑下で使用した場合でも、転がり疲れ寿命の長い転がり疲れ寿命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】
【００１９】
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。
図２は、本発明に係る転がり軸受の一例として玉軸受を示す断面図である。
この玉軸受（転がり軸受）は、図２に示すように、内輪１（回転輪）と、外輪（固定輪）２と、これらの軌道面（転がり面）１ａ，２ａ間に転動自在に配設された複数の玉（転動体）３と、から構成されている。
【００２０】
本実施形態において、外輪２は、以下に示す手順で作製されたものを用いた。
まず、少なくともＣ含有率が０．６質量％以上１．２質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．５質量％以上１．５質量％以下である鋼からなる素材を所定形状に加工した後、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）雰囲気下、８４０〜９５０℃で、軌道面２ａに３００μｍ以上の浸炭窒化層が得られるまで加熱保持することにより、浸炭窒化を行った。次に、８２０〜８６０℃で油焼入れを行った後、３４０〜３９０℃で２時間保持することによる焼戻しを行った。
【００２１】
得られた外輪１の軌道面２ａをなす表層部（表面から１００μｍの深さまで部分）は、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が５．５°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２．０体積％未満となっていた。
本実施形態の玉軸受では、外輪２の軌道面２ａをなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅及び残留オーステナイト量を特定することで、水素脆化の発生率が少なくなるため、水混入潤滑下での転がり疲れ寿命を長くできる。
また、本実施形態の玉軸受では、外輪２の軌道面２ａをなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線及び残留オーステナイト量に加えて、硬さが特定されているため、クリーン潤滑下での転がり疲れ寿命も長くできる。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明の効果を以下に示す実施例（発明例及び比較例）に基づいて検証した。
まず、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受（内径：２５ｍｍ，外径：５２ｍｍ，幅：１８ｍｍ）を、以下に示すようにして作製した。
固定輪となる外輪は、以下に示す手順で作製した。
まず、Ｃ及びＳｉが表１に示す各含有率の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、表１に示す各条件の焼入れ処理を施し、さらに、表１に示す各温度で２時間保持する焼戻し処理を行った。
【００２３】
なお、表１に示す焼入れ処理「浸炭窒化焼入れ」とは、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）雰囲気下、８４０〜９５０℃で２〜４時間加熱保持することによる浸炭窒化を行った後、８２０〜８６０℃での油焼入れを行った処理を指す。
また、表１に示す焼入れ処理「ずぶ焼入れ」とは、ＲＸガス雰囲気下、８２０〜８６０℃で０．５〜１．０時間保持した後、８２０〜８６０℃での油焼入れを行った熱処理を指す。
【００２４】
次に、得られた外輪の軌道面をなす表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅、硬さ、及び残留オーステナイト量を、以下に示す方法で測定した。これらの結果は、表１に併せて示した。
前記表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅は、Ｘ線源としてＣｒＫα線を利用した回折Ｘ線を用いて、図１に示す半価幅を測定した。このとき、回折強度は、実際に測定された回折強度からバックグラウンドを引いたものを用いた。なお、バックグラウンドは、２点測定法、或いは、多点測定法と関数フィッティング法とを組み合わせた方法を用いて推定した。
【００２５】
また、前記表層部の硬さ（Ｈｖ）は、公知のマイクロビッカース硬さ試験法を用いて測定した。  さらに、前記表層部の残留オーステナイト量（体積比）は、公知のＸ線回折法により測定した。
このようにして得られた外輪と、ＳＵＪ２製の内輪と、ＳＵＪ２製の玉とを用いて、スラスト玉軸受を組み立てた。そして、このスラスト玉軸受の寿命試験を、以下に示す条件で行った。
【００２６】
この寿命試験のうち、水混入潤滑下での試験は、内輪、外輪、玉のいずれかに破損が生じるまで、内輪を回転させることで行い、破損が生じるまでの累積応力繰り返し回数を寿命として算出した。また、この寿命試験は、各スラスト玉軸受において１０回ずつ試験を行った。この結果は、ワイブル分布関数に基づくＬ10寿命を計算し、比較例であるＮｏ．１０のＬ10寿命を１．０とした時の比として、表１に併せて示した。
【００２７】
また、この寿命試験のうち、クリーン潤滑下での試験は、各スラスト玉軸受を１０個ずつ用意し、各スラスト玉軸受の内輪を５００時間回転させることで行った。この結果は、１０個のスラスト軸受のうち、５００時間内に内輪、外輪、玉のいずれかに破損が生じた軸受の個数を算出して、表１に併せて示した。
〔寿命試験条件〕  
スラスト荷重：６４２０Ｎ（６５５ｋｇｆ）
回転速度：１０００ｍｉｎ-1 
潤滑油：（水混入潤滑）ＶＧ６８＋潤滑油全体に対して水５％
（クリーン潤滑）ＶＧ６８
【００２８】
【表１】
2007009997.tif 000003
【００２９】
表１に示すように、軌道面をなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が６．０°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２０体積％未満の外輪Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９を用いたスラスト玉軸受では、上記範囲外の外輪Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１４を用いた場合と比べて、水混入潤滑下及びクリーン潤滑下での寿命がいずれも長かった。
【００３０】
このうち、外輪を、Ｃ含有率及びＳｉ含有率が特定された鋼で作製し、その軌道面をなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が５．５°以下で、硬さがＨｖ６５３以上で、残留オーステナイト量が２０体積％未満の外輪Ｎｏ．４〜Ｎｏ．９を用いたスラスト玉軸受では、上記範囲外の外輪Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３を用いた場合と比べて、水混入潤滑下での寿命が長かった。
【００３１】
一方、外輪Ｎｏ．１０，Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１３を用いたスラスト玉軸受では、軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が本発明範囲外であったため、クリーン潤滑下での寿命は長かったが、水混入潤滑下での寿命は外輪Ｎｏ．１０を用いた場合と比べて短かった。
また、外輪Ｎｏ．１２，Ｎｏ．１４を用いたスラスト玉軸受では、軌道面をなす表層部の硬さが本発明範囲外であったため、水混入潤滑下での寿命は外輪Ｎｏ．１０を用いた場合と比べて長かったが、クリーン潤滑下での寿命は短かった。
【００３２】
続いて、表１に示す結果に基づいて、外輪の軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅と、水混入潤滑下での寿命と、の関係を示す図３のグラフを作成した。
図３に示す結果から、軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が６．０°以下の外輪を用いることで、スラスト玉軸受の水混入潤滑下での寿命が、外輪Ｎｏ．１０を用いた場合の３．５倍以上に長くなっていることが分かる。
【００３３】
また、軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が５．５°以下の外輪を用いることで、スラスト玉軸受の水混入潤滑下での寿命を、Ｎｏ．１０の外輪を用いた場合の４．０倍以上に長くできていることが分かる。
続いて、表１に示す結果に基づいて、外輪の軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅と、外輪の軌道面をなす表層部の硬さと、の関係を示す図４のグラフを作成した。
【００３４】
図４の結果から、外輪の軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が小さくなる（つまり、軌道面をなす表層部の内部歪みが小さくなる）につれて、外輪の軌道面をなす表層部の硬さが小さくなっていることが分かる。
また、外輪の軌道面をなす表層部のマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅が同程度であっても、鋼の熱処理方法として浸炭窒化焼入れを施した外輪では、ずぶ焼入れを施した外輪と比べて、表層部の硬さが高くなっていることが分かる。
【００３５】
さらに、外輪をなす鋼のＣ含有率及びＳｉ含有率を本発明範囲内にするとともに、鋼の熱処理方法として浸炭窒化焼入れを施した外輪では、本発明の範囲外の鋼を用いて浸炭窒化処理を施した外輪と比べて、表層部の硬さが高くなっていることが分かる。
本実施例の結果から、外輪の軌道面をなす表層部において、マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅、残留オーステナイト量、及び硬さを特定することにより、水混入潤滑下での寿命とクリーン潤滑下での寿命とをともに長くできることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明におけるマルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅の定義を示す説明図である。
【図２】本発明の転がり軸受の一例として玉軸受を示す断面図である。
【図３】マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅と、水混入潤滑下での寿命との関係を示すグラフである。
【図４】マルテンサイト結晶での回折Ｘ線の半価幅と、硬さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１      内輪（回転輪）
１ａ    軌道面（転がり面）
２      外輪（固定輪）
２ａ    軌道面（転がり面）
３      玉（転動体）
【図１】
2007009997.tif 000004
【図２】
2007009997.tif 000005
【図３】
2007009997.tif 000006
【図４】
2007009997.tif 000007