(57)【要約】【課題】実際の転がり軸受に即した最適な高周波焼入れ硬化層深さを導き、十分な耐圧痕性を有する玉軸受を提供する。【解決手段】高周波焼入れ硬化層を有する軌道輪を備える玉軸受であって、  玉の直径をＤｗとするとき、硬さＨＶ５００以上である有効硬化層が、表面から０．１６Ｄｗ〜０．２８Ｄｗの深さの領域に形成されている玉軸受。【選択図】図１
2016008634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波焼入れ硬化層を有する軌道輪を備える玉軸受であって、
玉の直径をＤｗとするとき、硬さＨＶ５００以上である有効硬化層が、表面から０．１６Ｄｗ〜０．２８Ｄｗの深さの領域に形成されていることを特徴とする玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波焼入れ硬化層を有する軌道輪を備える玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受には、静止中に大きな荷重を受けると、軌道輪と転動体との間にＨｅｒｔｚ接触が生じ、その接触部に永久変形（ブリネル圧痕）が生じる。この永久変形量が大きくなると、転がり軸受の破損を引き起こすことが懸念される。このため、転がり軸受には、静止時に受けることができる許容荷重（静定格荷重）が定められており、ＪＩＳ  １５１９では４．２ＧＰａの接触面圧になる荷重を「静定格荷重」と定義している。
【０００３】
一方、環境問題や省エネの観点から、産業機械や自動車の燃費向上が重要視されており、転がり軸受の小型化のニーズは益々大きくなってきている。転がり軸受の小型化を実現するには、転がり疲れ寿命の観点に加え、４．２ＧＰａを超える荷重が負荷されることを想定して、材料の変形抵抗性を向上されることが必須である。
【０００４】
このような背景から、例えば特許文献１では、ＳＵＪ２に浸炭窒化した後、２４０〜３００℃にて焼戻しを施した軸受部材を用いることによって、塑性変形抵抗性を向上させることを提案している。しかしながら、特許文献１では心部まで焼入れ硬化する熱処理を前提としており、例えばボールねじやウォータポンプ用軸受、自動車の車輪支持用玉軸受ユニット等、高周波焼入れが施された軸受軌道面に対して適応できない。
【０００５】
また、特許文献２では、繰り返し高周波焼入れを行うことにより、結晶粒を微細化し、降伏強さを向上させることにより、耐圧痕性を向上した鋼部品を提案している。しかしながら、特許文献２は、硬化部の変形抵抗性のみに着目したものであり、硬化層の深さや非
硬化部の硬さ等の影響は考慮されていない。
【０００６】
一般的に高周波焼入れ硬化層を有する玉軸受及び玉軸受ユニット、あるいはボールねじでは、転動体とのＨｅｒｔｓ接触によって内部に生じるせん断応力分布を弾性計算によって求め、せん断応力分布よりも材料強度が上回るように硬化層深さを決定している。硬化層深さとしては、例えば硬さＨＶ５００となる深さを用いる。しかしながら、実際には塑性変形が生じることを考慮すると、弾性計算のみでは不十分であり、転動体との接触によって生じる塑性変形量を考慮して、その硬化層の品質を決定することが理想である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１０７６７５号公報
【特許文献２】特開２００８−２９１３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、実際の転がり軸受に即した最適な高周波焼入れ硬化層深さを導き、十分な耐圧痕性を有する玉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、上記課題を解決するために、軌道輪と転動体とをＨｅｒｔｚ接触させる実験データに基づき、実際の塑性変形量を考慮して高周波焼入れ硬化層の最適な品質を導き出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち本発明は、高周波焼入れ硬化層を有する軌道輪を備える玉軸受であって、玉の直径をＤｗとするとき、硬さＨＶ５００以上である有効硬化層が、表面から０．１６Ｄｗ〜０．２８Ｄｗの深さの領域に形成されていることを特徴とする玉軸受を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の玉軸受は、実際の塑性変形量を考慮して高周波焼入硬化層を最適な深さで形成したため、十分な耐圧痕性を有し、長寿命となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】深溝玉軸受の内輪周辺を示す断面であり、かつ、塑性変形量を測定するための試験方法を説明するための図である。
【図２】玉径と変形量比との関係を示すグラフである。
【図３】最大面圧と変形量比との関係を示すグラフである。
【図４】硬化層深さ／細大せん断応力深さと、変形量比との関係を示すグラフである。
【図５】（硬化層深さ／細大せん断応力深さ）＜８の場合と、（硬化層深さ／細大せん断応力深さ）≧８の場合の各圧痕状態を示す模式図（タテヨコ比１：５００）である。
【図６】表面硬さと変形量比との関係を示すグラフである。
【図７】心部硬さと変形量比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
本発明の玉軸受は、高周波焼入れ硬化層を形成した軌道輪を有する。玉軸受の種類に制限はなく、更には軸の両端に玉軸受を配したような玉軸受ユニットであってもよい。
【００１５】
そして、本発明では、高周波焼入れにより形成された硬さＨＶ５００以上の有効硬化層が、玉直径をＤｗとするとき、表面から０．１６Ｄｗ〜０．２８Ｄｗの深さの領域に形成されている。即ち、玉直径に応じて、最適な深さで有効硬化層を形成することにより、耐圧痕性を大幅に向上させる。玉直径と、有効硬化層の深さとを関係を求めるために、下記の実験を行った。
【００１６】
名番６２０２、６２０４、６２０６、６２０８及び６２１０の各深溝玉軸受を想定し、炭素鋼Ｓ５３ＣＧからなる素材を旋削加工して所定形状とした後、内輪軌道面に高周波焼入れを行った後、焼戻し、研削加工を施して、各軸受の内輪を作製した。その際、高周波焼入れにより、表面硬さ（０．１ｍｍ深さの硬さ）がＨＶ７０５〜７１５、有効硬化層深さが１．２５〜１．３５ｍｍまたは２．０５〜２．１５ｍｍ（即ち、ＨＶ５００以上の領域を表面から１．２５〜１．３５ｍｍ、もしくは２．０５〜２．１５ｍｍの深さまで形成）、心部硬さがＨＶ２００〜２２０となるように調整した。各内輪の硬化層の品質ははらつきの範囲で同等であると見做せるため、品質の代表値は、表面硬さがＨＶ７１０、有効硬化層深さが１．３ｍｍまたは２．１ｍｍ、心部硬さがＨＶ２２０である。尚、硬化層の深さは溝底（即ち、転動体との接触中心）から深さ方向の硬さ分布測定により求めた値である。また、比較のために、ズブ焼き入れして各軸受を作製した。尚、玉は、何れの軸受も、ＳＵＪ２をズブ焼入れして作製したものを用いた。
【００１７】
そして、図１に示すように、内輪軌道面の一箇所に玉を介して５ＧＰａの荷重を負荷した後、フォームタリサーフを用いて、内輪軌道面の溝底を円周方向に走査することによって形成された圧痕形状を測定し、その圧痕深さを塑性変形量とした。結果を表１及び図２に示すが、何れも、ズブ焼入れした内輪の塑性変形量に対する相対値である。
【００１８】
【表１】
2016008634.tif 000003
【００１９】
表１及び図２に示すように、表面硬さ及び心部硬さが同じ場合、軸受サイズ、即ち玉直径（Ｄｗ）が大きいほど、ズブ焼入れ品に対する塑性変形量が大きくなる傾向がある。更に、有効硬化層が深いほど塑性変形量は小さくなっており、玉直径で一意的に塑性変形量が支配されるわけではなく、玉直径と有効硬化層深さの双方が塑性変形量に影響している。接触面圧が同じ場合、玉直径が大きくなるほど、最大せん断応力深さ（Ｈｅｒｔｚ接触によって材料内部に作用するせん断力が最大となる深さ）が大きくなることから、最大せん断深さと、有効硬化層深さの相対関係が塑性変形量に影響していると推測される。
【００２０】
このことを検証するために、最大接触面圧が５ＧＰａである場合に加えて、４ＧＰａまたは６ＧＰａとなる条件で同様の試験を行った。最大接触面圧を変化させることにより、同じサイズの軸受（玉直径）の最大せん断応力深さを変化させることができる。尚、この試験で用いた軸受は６２０６のみであり、有効硬化層深さの影響をより詳細に検証するために、有効硬化層深さが１．３ｍｍ及び２．１ｍｍに加え、２．６ｍｍとした内輪も作製した。結果を表２及び図３に示す。
【００２１】
【表２】
2016008634.tif 000004
【００２２】
表２及び図３に示すように、有効硬化層深さが１．３ｍｍの場合、接触面圧が大きいほどズブ焼入れ品に対する塑性変形量が大きくなる。しかし、有効硬化層深さが２．６ｍｍの場合、何れの接触面圧でも、塑性変形量はズブ焼入れ品と同様の値であった。また、有効硬化層深さが２．１ｍｍの場合、接触面圧を６ＧＰａとしたときのみ、塑性変形慮がズブ焼入れ品より大きくなった。以上の実験結果から、高周波焼入れした内輪軌道面の塑性変形量は、有効硬化層深さと最大せん断応力との相対関係で単純に決定されるのではなく、その相対関係がある条件を満たすときにズブ焼入れ品に対して塑性変形量が大きくなると推定される。
【００２３】
そこで、図４に示すように、「有効硬化層深さ」を「最大せん断応力深さ」で除した値（有効硬化層深さ／最大せん断応力深さ）に対して、塑性変形量をプロットした。尚、最大せん断応力は、各軸受及び接触面圧条件において、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論より、２物体（内輪と玉）の接触楕円の短半径を求め、最大接触面圧と接触楕円短半径とから、Ｓｍｉｔｈの弾性理論解（Smith, J. O., Liu, C. K., and Ill U., “Stress Due to Tangential and Normal Loads on an Elastic Solid With Application to Some Contact Stress Problems”, Transaction of the ASME,Jjournal of Applied Mechanism, Vol.20(1953), pp.157-166）を用いてせん断応力分布を計算して求めた。Ｓｍｉｔｈの弾性理論解は線接触に対する解であるが、玉軸受における玉と軌道輪との接触のように、接触部分において楕円の短径に対して長径が十分に長い場合には、その接触中心におけるせん断応力分布は線接触と同等と見做して差し支えない。
【００２４】
図４に示すように、（有効硬化層深さ／最大せん断応力深さ）が８以上の領域では、高周波焼入れ硬化層を有する内輪の塑性変形量は、ズブ焼入れ品と同等である。一方、（有効硬化層深さ／最大せん断応力深さ）が８未満の領域では、塑性変形量がズブ焼入れ品よりも急激に大きくなる。
【００２５】
図５に、（有効硬化層深さ／最大せん断応力深さ）が８以上の場合と、８未満の場合の圧痕形状の代表例を示すが、両圧痕形状は大きく異なっている。この圧痕形状の変化は、軟質な非硬化部の変形に起因すると推定され、この場合、有効硬化層深さが最大せん断応力深さに対して相対的に小さいときに非硬化部にも変形が生じ、ズブ焼入れ品に比べて塑性変形量が著しく大きくなる。
【００２６】
以上の検討結果から、高周波焼入れ硬化層を形成した内輪の変形抵抗性を向上させるためには、有効硬化層深さを最大せん断応力深さの８倍以上にすることが重要である。ここで、玉軸受が静止時に受けることができる荷重（静定格荷重）は、接触面圧が４．２ＧＰａとなる荷重であることから、軸受の最大接触面圧が４．２ＧＰａとなるような荷重を作用させた場合の最大せん断応力深さを上述の方法で計算すると、玉直径（Ｄｗ）と比例関係となり、０．０２Ｄｗで表すことができる。即ち、有効硬化層深さ≧０．１６Ｄｗ（＝８×０．０２Ｄｗ）とし、好ましくは有効硬化層深さ≧０．２２Ｄｗとすることにより非硬化部に起因した変形を防止して変形抵抗性を確保することが可能になる。
【００２７】
しかしながら、静定格荷重を基にしても、実際には機械類の衝突や自動車の縁石乗り上げ等によって、想定以上の過大荷重が作用することがある。このような場合では、玉と軌道輪とのＨｅｒｔｚ接触による接触面圧は、４．２ＧＰａよりもはるかに大きくなる。表３に最大接触面圧と塑性変形量の関係を示す。尚、用いた軸受は６２０６であり、有効硬化層深さを２．６ｍｍとしている。また、何れの面圧条件においても（有効硬化層深さ／裁断せん断応力深さ）は８以上であり、ズブ焼入れ品と同等の変形抵抗性を有する条件である。表３に示した変形量比は、ズブ焼入れ品を４ＧＰａで試験したときの組成変形量を１としたときの比である。即ち、それぞれの試験条件におけるズブ焼入れ品に対する変形量の比ではなく、変形量そのものの変化を示している。
【００２８】
【表３】
2016008634.tif 000005
【００２９】
尚、実際には、機械類の衝突等に伴って発生する接触面圧を正確に推定することは困難である。しかし、表３に示すように、仮に６ＧＰａ程度の最大接触面圧が生じた場合、変形量が非常に大きくなることがわかる。このような場合では、ブリネル圧痕形成による音響・振動特性劣化を抑制することは困難である。更に、ブリネル圧痕形成に伴い、その圧痕縁に形成される盛り上がりが大きくなる。圧痕縁の盛り上がりは、応力集中源として作用し、はく離や割れ等の重大な２次損傷を引き起こす原因となる。一方、図５に示したように、有効硬化層深さ／最大せん断応力深さが８未満の場合、非硬化部に起因した変形により塑性変形性は低下するが、この変形により圧痕内の盛り上がりが緩和される。従って、想定以上の大きな荷重が作用した場合には、有効硬化層深さを最大せん断応力深さの８倍未満にして非硬化部の変形を積極的に利用することにより、圧痕縁の盛り上がりを緩和し、はく離や割れ等の重大な２次損傷を抑制することが可能になる。
【００３０】
ここで、最大接触面圧が６ＧＰａとなるような荷重を作用させた場合の最大せん断応力深さは、０．０３５Ｄｗで表すことができる。即ち、有効硬化層深さ≦０．２８Ｄｗ（＝８×０．０３５Ｄｗ）とすることにより、大きな荷重が作用した場合に形成されるブリネル圧痕に起因したはく離や割れを抑制することができる。好ましくは、有効硬化層深さ≦０．２６Ｄｗとする。
【００３１】
また、塑性変形量に及ぼす表面硬さの影響について調べた。用いた軸受は６２０６であり、内輪軌道面の表面硬さをＨＶ６２０、ＨＶ７１５、ＨＶ８００とした。有効硬化層深さは２．６ｍｍ、非硬化部硬さはＨＶ２１０、最大接触面は５ＧＰａで、共通である。試験結果を図６に示す。尚、塑性変形量は、ズブ焼入れ品に対する相対値である。
【００３２】
図６に示すように、表面硬さが大きくなるほど塑性変形量が低下し、十分な変形抵抗性を確保するには表面硬さをＨＶ７１５以上にすることが好ましい。但し、ＨＶ７００より大きくなるとその効果は飽和傾向にあり、また硬さの増加は同時に破壊靭性の低下を招くことから、ＨＶ８００以下にすることが好ましい。
【００３３】
更に、塑性変形量に及ぼす非硬化部の硬さの影響について調べた。用いた軸受は６２０６であり、その非硬化部の硬さをＨＶ２１０、ＨＶ２３５、ＨＶ２５５とした。内輪軌道面の表面硬さはＨＶ７１５、有効硬化層深さは１．３ｍｍ、最大接触面圧は５ＧＰａで共通であり、非硬化部の影響が現れる条件とした。試験結果を図７に示す。尚、塑性変形量は、ズブ焼入れ品に対する相対値である。
【００３４】
図７に示すように、非硬化部の硬さが大きくなると塑性変形量が低下し、十分な変形抵抗性を確保するには非硬化部の硬さをＨＶ２３５以上にすることが好ましい。原則として非硬化部の変形は生じないことが重要であるが、上述のように想定以上の大きな荷重が作用した場合には、非硬化部の硬さを大きくすることで、圧痕縁の盛り上がりを緩和しつつ、塑性変形量を低減できるが、非硬化部の硬さの上昇は加工性の低下を招くためＨＶ３００以下にすることが好ましい。
【００３５】
以上のように、有効硬化層の深さを０．１６Ｄｗ〜０．２８Ｄｗにすることにより、十分な塑性変形抵抗性を確保できるとともに、想定以上の大きな荷重が作用した場合でもはく離や割れ等の２次損傷を抑制することが可能である。更に、表面硬さをＨＶ７１５以上（ＨＶ８００以下）、非硬化部の硬さをＨＶ２３５以上（ＨＶ３００以下）にすることにより、塑性変形抵抗性を更に向上させることができる。
【図１】
2016008634.tif 000006
【図２】
2016008634.tif 000007
【図３】
2016008634.tif 000008
【図４】
2016008634.tif 000009
【図５】
2016008634.tif 000010
【図６】
2016008634.tif 000011
【図７】
2016008634.tif 000012