(57)【要約】【課題】加工コストの増大なく軌道面の面圧を低下させることができ、これにより、玉軸受の長寿命化を安価に実現できる、玉軸受を提供すること。【解決手段】玉軸受１は、内輪軌道面５を有する内輪２と、外輪軌道面６を有する内輪３と、一対の軌道面５，６間との間に配置される複数の玉４とを含む。玉４が一対の軌道面間５，６を転動する。軌道輪５，６は、鋼材料を用いて形成されており、玉４の外表面９の表面硬さが、軌道面５，６の表面硬さ以上の硬さより硬く設けられている。軌道面５，６における、Ｃｒ系炭化物を含む高硬度析出物の面積率が、２．０（％）以上６．０（％）未満である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道面を有する一対の軌道輪と、これら一対の軌道面間との間に配置される複数の玉とを含み、前記玉が前記一対の軌道面間を転動する玉軸受であって、
少なくとも一方の前記軌道輪は、鋼材料を用いて形成されており、
前記玉の外表面の表面硬さが、少なくとも前記一方の軌道輪の前記軌道面の表面硬さより硬く設けられており、
当該軌道面における、炭化物および／または炭窒化物を含む高硬度析出物の面積率が、２．０（％）以上６．０（％）未満である、玉軸受。
【請求項２】
前記高硬度析出物は、Ｃｒ系、Ｖ系、Ｗ系、Ｍｏ系、Ｍｎ系、Ｎｂ系、Ｔａ系、Ｔｉ系の炭化物および／または炭窒化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の玉軸受。
【請求項３】
少なくとも前記一方の軌道輪は、当該軌道輪の前記軌道面下における最大せん断応力が発生する深さ位置での硬さが、６０（ＨＲＣ）を超えている、請求項１または２に記載の玉軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
玉軸受の剥離寿命の形態は、内部起点型剥離と、表面起点型剥離とに大別できる。内部起点型剥離は、軌道面下に存在する応力集中部分（最大せん断応力が発生する深さ位置）から亀裂が生じ、軌道面に達するものである。潤滑剤中に異物の混入がない場合や、軸受荷重が大きい場合（高負荷）には、内部起点型剥離が支配的である。
内部起点型剥離の発生を抑制するべく、従来から、玉軸受の材料になる鋼材料に、転がり疲労強度を向上させる合金元素を添加するなどの方策が提案されている（たとえば下記特許文献１参照）が、複雑な合金元素構成が必要になる結果、コストが増大するという問題がある。
【０００３】
また、内部起点剥離を抑制する他の方策として、たとえば下記特許文献２，３に示すように、清浄度の向上（鋼中非金属介在物量、サイズの低減）を図るものが挙げられるが、特許文献２，３に示す方策ではコストが増大するおそれがある。また、技術的な頭打ちのため、清浄度の向上には限界がある。
また、内部起点型剥離の発生を抑制するための他の方策として、軌道面の面圧の低下を図り、これにより、軌道輪の転がり疲労を低減させる方策が提案されている。具体的には、下記特許文献４に示すように、転動体（玉）と軌道面との接触面積が増大するように、軌道面の断面形状を、転動体と同径を有する円弧部と、当該円弧部に対し接線となる直線部とで構成することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２８７６８８号公報
【特許文献２】特開２００６−６３４０２号公報
【特許文献３】特開平６−１９２７９０号公報
【特許文献４】特開２００３−１３００５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献４に記載の方策では、軌道面の形状が複雑であり、加工コストが大幅に増大するおそれがある。したがって、特許文献４の方策は現実的ではない。
そこで、本発明の目的は、加工コストの増大なく軌道面の面圧を低下させることができ、これにより、玉軸受の長寿命化を安価に実現できる、玉軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、軌道面（５，６）を有する一対の軌道輪（２，３）と、これら一対の軌道面間との間に配置される複数の玉（４）とを含み、前記玉が前記一対の軌道面間を転動する玉軸受（１）であって、少なくとも一方の前記軌道輪は、鋼材料を用いて形成されており、前記玉の外表面（９）の表面硬さが、少なくとも前記一方の軌道輪の前記軌道面の表面硬さより硬く設けられており、当該軌道面における、炭化物および／または炭窒化物を含む高硬度析出物の面積率が、２．０（％）以上６．０（％）未満である、玉軸受を提供する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記高硬度析出物は、Ｃｒ系、Ｖ系、Ｗ系、Ｍｏ系、Ｍｎ系、Ｎｂ系、Ｔａ系、Ｔｉ系の炭化物および／または炭窒化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の玉軸受である。
請求項３に記載の発明は、少なくとも前記一方の軌道輪は、当該軌道輪の前記軌道面下における最大せん断応力が発生する深さ位置（７，８）での硬さが、６０（ＨＲＣ）を超えている、請求項１または２に記載の玉軸受である。
【０００８】
なお、前記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の構成によれば、軌道面における、炭化物および／または炭窒化物を含む高硬度析出物の面積率が６．０（％）未満である。
玉軸受に荷重が加わることにより、軌道面が玉の外表面に面接触する。玉の外表面が、軌道輪の表面よりも硬いので、玉との転がり接触により軌道面が削られる。
軌道面における高硬度析出物の面積率が６．０％未満であるので、軌道面の耐摩耗性が低い。そのため、玉との転がり接触により軌道面が摩耗し、玉の外表面と軌道面との接触面積が拡大する。その結果、軌道面の面圧が低下する。軌道面の摩耗量増大に伴う接触面積の増大により、加工コストの増大なく軌道面の面圧を低下させることができ、これにより、玉軸受の長寿命化を安価に実現できる。
【００１０】
また、軌道面における高硬度析出物の面積率が２.０％以上であるので、軌道面の耐摩耗性は、最低限確保される。これにより、玉との転がり接触により軌道面が過大摩耗（異常摩耗）するのを防止できる。
軌道面における高硬度析出物の面積率が６．０％以上であると、軌道面の耐摩耗性が十分に下がらない。そのため、玉との転がり接触によっては軌道面が十分に摩耗せず、接触面積があまり拡大しない。その結果、軌道面の面圧を十分に下げることはできない。
【００１１】
また、軌道面における高硬度析出物の面積率が２.０％未満であると、軌道面の耐摩耗性が著しく低下する。その結果、玉との転がり接触により軌道面が過大摩耗（異常摩耗）し、異音や振動が発生するおそれがある。
本願発明は、転がり接触による摩耗が避けられない環境（たとえば、潤滑剤粘度約８ｍｍ２／ｓ（約４０℃）。使用温度約６０℃）で使用される軸受に好適である。
【００１２】
請求項２に記載のように、前記高硬度析出物は、Ｃｒ系、Ｖ系、Ｗ系、Ｍｏ系、Ｍｎ系、Ｎｂ系、Ｔａ系、Ｔｉ系の炭化物および／または炭窒化物のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
請求項３に記載の構成によれば、軌道輪の軌道面下における最大せん断応力が発生する深さ位置での硬さが、６０（ＨＲＣ）を超えた値に設定されている。熱処理済みの鋼材料は、硬さが６０（ＨＲＣ）以下になると、その疲労寿命が大幅に低下し始める。したがって、軌道輪の軌道面下における応力集中部分（最大せん断応力が発生する深さ位置）での硬さを、６０（ＨＲＣ）を超えた値に設定することにより、軌道輪の転がり寿命を長く保つことができ、これにより、玉軸受の長寿命化をより一層実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る玉軸受の断面図である。
【図２】軌道面と玉の外表面との接触状況を説明するための図である（その１）。
【図３】軌道面と玉の外表面との接触状況を説明するための図である（その２）。
【図４】軸受用鋼材料の焼戻し硬さと、疲労寿命係数との関係を示すグラフである。
【図５】比較例３および比較例４の焼入れ条件を説明するための図である。
【図６】ラジアル転動寿命試験の試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る玉軸受１の断面図である。
玉軸受１は、たとえば深溝型のラジアル玉軸受である。玉軸受１は、内輪（軌道輪）２と、外輪（軌道輪）３と、内輪２と外輪３との間に配置された複数の転動体としての玉４とを含む。内輪２の軸方向途中部の外周には、内輪軌道面５が形成されている。外輪３の軸方向途中部の内周には、外輪軌道面６が形成されている。複数の玉４は、内輪軌道面５と外輪軌道面６との間に転動可能に配置され、各玉４の外表面９が、内輪軌道面５および外輪軌道面６に点接触している（ラジアル荷重が加わっていない場合）。内輪２と外輪３と間の環状空間には、潤滑剤（たとえば潤滑油）が封入されている。なお、玉軸受１は、複数の玉４を周方向に一定間隔おきに保持する保持器（図示しない）や、内輪２と外輪３と間の環状空間の軸方向両端部に設けられ、潤滑剤を封止するシール（図示しない）を含んでいてもよい。
【００１５】
たとえば、玉軸受１は、転がり接触による摩耗が避けられない環境（たとえば、潤滑剤粘度約８ｍｍ２／ｓ（約４０℃）。使用温度約６０℃）で使用される。また、玉軸受１は、内輪２が回転軸（図示しない）側に嵌め合わされ、かつ外輪３がハウジング（図示しない）側に嵌め合わされた状態で使用される。内外輪２，３の相対回転に伴い、複数の玉４が、一対の軌道面５，６間を転動する。なお、外輪３が回転軸（図示しない）側に嵌め合わされ、かつ内輪２がハウジング（図示しない）側に嵌め合わされた状態で使用されてもよい。
【００１６】
内輪２は、たとえばＳＵＪ２を用いて形成されている。ＳＵＪ２は、Ｃ：０．９５〜１．１０（ｗｔ％）、Ｓｉ：０．１５〜０．３５（ｗｔ％）、Ｍｎ：０．５０（ｗｔ％）以下、Ｐ：０．０２５（ｗｔ％）以下、およびＣｒ：１．３０〜１．６０（ｗｔ％）を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物から構成されている。内輪２の材質のＳＵＪ２には、熱処理炉としてのバッチ炉においてたとえば８２０℃を超える高温（たとえば８３５℃）で焼入れが行われ、その冷却後に焼戻しが行われている。
【００１７】
内輪軌道面５は、断面円弧状に形成されている。前記のような熱処理が行われたＳＵＪ２が用いられる結果、内輪軌道面５における、Ｃｒを含む炭化物（Ｃｒ系炭化物）を含む高硬度析出物の面積率が、２．０（％）以上６．０（％）未満に設定されている。一般に、母材表面の耐摩耗性は、当該母材表面における高硬度析出物の面積率の高さと相関関係がある。母材表面における高硬度析出物の面積率が高いと、当該母材表面の耐摩耗性が高くなり、母材表面における高硬度析出物の面積率が低いと、当該母材表面の耐摩耗性が低い。内輪軌道面５では、Ｃｒ系炭化物を含む高硬度析出物の面積率が６．０（％）未満と低いので、内輪軌道面５の耐摩耗性は低い。一方、内輪軌道面５の表面硬さ、および内輪２の内輪軌道面５下における、最大せん断応力が発生する第１の深さ位置７（図１参照）での硬さの双方が、それぞれ６０（ＨＲＣ）を超えた値に設定されている。
【００１８】
外輪３は、たとえばＳＵＪ２を用いて形成されている。外輪３の材質のＳＵＪ２には、次のような熱処理が施されている。すなわち、熱処理炉としてのバッチ炉においてたとえば８２０℃を超える高温（たとえば８３５℃）で焼入れが行われ、その冷却後に焼戻しが行われている。
外輪軌道面６は、断面円弧状に形成されている。前記のような熱処理が行われたＳＵＪ２が用いられる結果、外輪軌道面６における、Ｃｒ系炭化物を含む高硬度析出物の面積率が、２．０（％）以上６．０（％）未満に設定されている。外輪軌道面６では、Ｃｒ系炭化物を含む高硬度析出物の面積率が６．０（％）未満と低いので、外輪軌道面６の耐摩耗性は低い。一方、外輪軌道面６の表面硬さ、および外輪３の外輪軌道面６下における、最大せん断応力が発生する第２の深さ位置８（図１参照）での硬さの双方が、それぞれ６０（ＨＲＣ）を超えた値に設定されている。
【００１９】
玉４は、真球状をなす。玉４は、たとえばＳＵＪ２を用いて形成されている。玉４の外表面９の表面硬さは、内輪軌道面５の表面硬さおよび外輪軌道面６の表面硬さよりも硬く設けられており、たとえば６５（ＨＲＣ）である。
図２および図３は、軌道面５，６と玉４の外表面９との接触状況を説明するための図である。図２には、玉軸受１の使用開始時の接触状況を示し、図３には、玉軸受１の使用開始から所定期間経過後における接触状況を示す。また、図２（ａ）および図３（ａ）には玉軸受１の要部の断面を、図２（ｂ）および図３（ｂ）には、玉４の外表面９に対する、軌道面５，６の楕円接触面１０を示す。
【００２０】
玉軸受１には、高いラジアル荷重が加えられる。玉軸受１に対しラジアル荷重が加わることにより、軌道面５，６が、玉４との接触点で弾性変形し、それぞれ、楕円接触面１０で玉４の外表面９と面接触するようになる。すなわち、軌道面５，６は、そのラジアル荷重を、玉４との楕円接触面１０で支えている。
玉軸受１の使用開始（荷重作用開始）時には、図２（ａ），（ｂ）に示すように、楕円接触面１０の長軸径はａ１であり、短軸径がｂ１である。
【００２１】
内輪２と外輪３との相対回転により、玉４が、内輪軌道面５および外輪軌道面６の各々と、転がり接触する。前述のように、玉４の外表面９が内輪軌道面５および外輪軌道面６よりも硬いので、内輪軌道面５および外輪軌道面６と玉４との転がり接触により、内輪軌道面５および外輪軌道面６が削られる。
前述のように、軌道面５，６における高硬度析出物の面積率が６．０％未満であるので、軌道面５，６の耐摩耗性が低い。そのため、玉軸受１の使用に伴って、玉４との転がり接触により軌道面５，６の底部５ａ，６ａが摩耗し、この摩耗により、軌道面５，６の底部５ａ，６ａが玉４と曲率の等しい断面円弧状をなすようになる。そして、玉軸受１の使用開始から所定期間経過後には、図３（ａ），（ｂ）に示すように、楕円接触面１０の長軸径はａ２（＞ａ１）になり、短軸径がｂ２（＞ｂ１）になる。すなわち、軌道面５，６の摩耗に伴って、楕円接触面１０の面積が拡大する。その結果、各軌道面５，６の面圧が低下する。
【００２２】
一方、軌道面５，６における底部５ａ，６ａ以外の部分は、玉４との接触頻度が低いためにほとんど摩耗しない。そのため、当該部分は、玉軸受１の使用開始から所定期間経過後しても、使用開始前から曲率が変化しない。
ところで、前述のように、内外輪２，３の軌道面５，６下における、最大せん断応力が発生する深さ位置７，８（図１参照）での硬さが、６０（ＨＲＣ）を超えた値に設定されている。この深さ位置７，８に、せん断応力が集中する。
【００２３】
図４は、軸受用鋼材料（たとえば、ＳＵＪ材（高炭素クロム軸受鋼鋼材））の焼戻し硬さと、疲労寿命係数（疲労寿命）との関係を示すグラフである。軸受用鋼材料は、その硬さが６０（ＨＲＣ）以下になると、その疲労寿命が大幅に低下し始める。したがって、内外輪２，３の軌道面５，６下における応力集中部分での硬さを、６０（ＨＲＣ）を超えた値に設定することにより、内外輪２，３の転がり寿命を長く保つことができる。
【００２４】
次に、実施例および比較例について説明する。実施例１，２および比較例１〜４の材質および熱処理の内容を下記の表１に示し、また、実施例１，２および比較例１〜４の熱処理後の品質を下記の表２に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
2016056915.tif 000004
【００２７】
比較例１および比較例２は、ＳＵＪ２で通常行われる熱処理（焼入れ・焼戻し）が行われたものである。すなわち、比較例１および比較例２の焼入れ条件は、ＳＵＪ２普通焼入れ条件である。
図５は、比較例３および比較例４の焼入れ条件を説明するための図である。
比較例３および比較例４では、焼入れの途中で、焼入れ温度を段階的（図５では４段階）に変更（上昇）させている。互いに炉内温度が異なる複数（たとえば４つ）の熱処理炉の内部に、試料を順に通過させること（すなわち、連続炉）により焼入れを行っている。図５に示すように、各熱処理炉で、互いに同じ時間焼入れを行い、焼入れの合計時間は４８（ｍｉｎ）である。
【００２８】
表２において、炭化物面積率とは、主に高硬度析出物であるＣｒ系炭化物の面積率のことである。高硬度析出物の面積率は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像した画像に基づいて計測されている。
また、表２において、実施例１，２および比較例１〜４の鋼中酸素濃度や硬さにバラツキがあるが、試料の個体差に起因するものであると考えられる。
【００２９】
表１に示すように、実施例１，２が比較例１，２と主として異なる点は、焼入れ温度が８２０℃ではなく、焼入れ温度が８３５℃である点である。焼入れ温度を比較例１，２より高く設定することにより、実施例１，２では、比較例１，２と比較して、多量のＣがＦｅに溶け込んでおり、その結果、表２に示すように、実施例１，２では比較例１，２と比べて、Ｃｒ系炭化物の面積率が減少しているものと考えられる。
【００３０】
以上の実施例１，２および比較例１〜４を試料として、ラジアル転動寿命試験を実施し、定格寿命であるＬ１０寿命を調べた。このラジアル転動寿命試験は、最大接触応力が５．８（ＧＰａ）、応力繰り返し速度が２８５（Ｈｚ）の条件で行った。また、潤滑油としてＶＧ８を用い、その油温を６０℃とした。
各試料についての、高硬度析出物の面積率（炭化物面積率）と、Ｌ１０寿命との関係を、図６に示す。
【００３１】
図６に示すように、実施例１，実施例２，比較例３および比較例４において、Ｌ１０寿命が長かった。しかし、比較例３および比較例４では、過大摩耗が生じた結果、異音および振動が発生した。
図６から、高硬度析出物の面積率が６．０％未満で長寿命を実現できることがわかる。また、図６から、高硬度析出物の面積率が２．０％以上であれば、過大摩耗が生じないこともわかる。
【００３２】
以上により、この実施形態によれば、軌道面５，６における高硬度析出物の面積率を６．０％未満に低減させることにより、軌道面５，６の摩耗を促している。玉４との転がり接触により軌道面５，６が摩耗し、軌道面５，６の摩耗に伴う楕円接触面１０の面積拡大により、加工コストの増大なく軌道面５，６の面圧を低下させることができ、これにより、玉軸受１の長寿命化を安価に実現できる。
【００３３】
また、軌道面５，６における高硬度析出物の面積率に下限を設け、最低限の耐摩耗性を確保した。これにより、玉４との転がり接触により軌道面５，６が過大摩耗（異常摩耗）するのを防止できる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。
【００３４】
たとえば、内外輪２，３の材質として、ＳＵＪ２を用いたが、ＳＵＪ２以外のＳＵＪ材を、内外輪２，３の材質に用いてもよい。内輪２や外輪３の材質にＳＵＪ４やＳＵＪ５を用いる場合、ＳＵＪ４およびＳＵＪ５はＭｏ（モリブデン）を含むので、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｃｒ系炭化物だけでなく、Ｍｏを含む炭化物（Ｍｏ系炭化物）が含まれる。
【００３５】
内外輪２，３の材質として、その他の鋼材料（好ましくは、軸受用鋼材料）を用いることができる。この場合、鋼材料に含まれる合金元素として、Ｃｒ、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）およびＴｉ（チタン）のうち、少なくとも１つを含むことが望ましい。内外輪２，３の材質の鋼材料にＶが含まれている場合には、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｖを含む炭化物（Ｖ系炭化物）が含まれ、内外輪２，３の材質の鋼材料にＷが含まれている場合には、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｗを含む炭化物（Ｗ系炭化物）が含まれる。また、内外輪２，３の材質の鋼材料にＭｎが含まれている場合には、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｍｎを含む炭化物（Ｍｎ系炭化物）が含まれ、内外輪２，３の材質の鋼材料にＮｂが含まれている場合には、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｎｂを含む炭化物（Ｎｂ系炭化物）が含まれる。また、内外輪２，３の材質の鋼材料にＴａが含まれている場合には、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｔａを含む炭化物（Ｔａ系炭化物）が含まれ、内外輪２，３の材質の鋼材料にＴｉが含まれている場合には、軌道面５，６に析出する高硬度析出物に、Ｔｉを含む炭化物（Ｔｉ系炭化物）が含まれる。
【００３６】
また、軌道面５，６に析出する高硬度析出物は、炭化物だけでなく、炭窒化物を含んでいてもよい。浸炭窒化焼入れを行った鋼材料を、内外輪２，３の材質として用いる場合には、軌道面５，６に、炭窒化物（たとえば、Ｃｒを含む炭窒化物（Ｃｒ系炭窒化物）、Ｖを含む炭窒化物（Ｖ系炭窒化物）、Ｗを含む炭窒化物（Ｗ系炭窒化物）、Ｍｏを含む炭窒化物（Ｍｏ系炭窒化物）、Ｍｎを含む炭窒化物（Ｍｎ系炭窒化物）、Ｎｂを含む炭窒化物（Ｎｂ系炭窒化物）、Ｔａを含む炭窒化物（Ｔａ系炭窒化物）およびＴｉを含む炭窒化物（Ｔｉ系炭窒化物）の少なくとも１つ）が、高硬度析出物として析出する。
【００３７】
また、前述の実施形態では、内輪軌道面５および外輪軌道面６の双方における高硬度析出物の面積率を低減させたが、内輪軌道面５および外輪軌道面６の一方のみ、高硬度析出物の面積率を低減させるようにしてもよい。
なお、前述の実施形態では、玉軸受１を深溝型のラジアル玉軸受として説明したが、アンギュラ型、自動調心型のラジアル玉軸受であってもよい。また、スラスト玉軸受にも、本発明を適用できる。
【００３８】
その他、特許請求の範囲内で種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１…玉軸受、２…内輪（軌道輪）、３…外輪（軌道輪）、４…玉、５…内輪軌道面、６…外輪軌道面、７…第１の深さ位置（軌道輪の軌道面下における最大せん断応力が発生する深さ位置）、８…第２の深さ位置（軌道輪の軌道面下における最大せん断応力が発生する深さ位置）、９…外表面
【図１】
2016056915.tif 000005
【図２】
2016056915.tif 000006
【図３】
2016056915.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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