(57)【要約】【課題】耐ブリネル圧痕性の向上に影響する新たな指標に基づき、玉軸受における耐ブリネル圧痕性を更に向上させる。【解決手段】外方部材及び内方部材の少なくとも一方の、下記で定義される変形抵抗指数Ｈが６９６以上である玉軸受。    Ｈ＝Ａ＋Ｂ（ここで、Ａは母相マルテンサイト組織の硬さ指数であり、Ｂは残留オーステナイト（γＲ）の硬さ指数であり、それぞれ下記で求められる。）      Ａ＝最大せん断応力深さのＨＶ硬さ×（１００−γＲ指数）／１００      Ｂ＝３００×γＲ指数／１００      γＲ指数＝１．８×（表面γＲ）／（玉径）１／２【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、外方部材の軌道面と内方部材の軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた玉軸受において、
前記外方部材及び前記内方部材の少なくとも一方の、下記で定義される変形抵抗指数Ｈが６９６以上であることを特徴とする玉軸受。
Ｈ＝Ａ＋Ｂ
（ここで、Ａは母相マルテンサイト組織の硬さ指数であり、Ｂは残留オーステナイト（γＲ）の硬さ指数であり、それぞれ下記で求められる。）
Ａ＝最大せん断応力深さのＨＶ硬さ×（１００−γＲ指数）／１００
Ｂ＝３００×γＲ指数／１００
γＲ指数＝１．８×（表面γＲ）／（玉径）１／２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は玉軸受に関し、詳細には耐圧痕性を向上させた長寿命の玉軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機械の燃費向上が重要視されており、軸受にも小型化が要求されている。通常、軸受サイズの選定基準として、塑性変形抵抗性を示す静定格荷重と、寿命の長さに関係する動定格荷重があり、軸受を小型化するためには静定格荷重と動定格荷重の向上が必要になる。静定格荷重とは静止時に負荷できる最大荷重のことであり、例えば機械が停止している時や低速回転時に静定格荷重を超える荷重が負荷されると、軸受の軌道面輪や転動体に局部的な永久変形が生じ、騒音や振動の原因だけでなく、円滑な回転を妨げてしまう。静定格荷重は旧ＪＩＳ１５１９では「転動体と軌道輪の永久変形量の和が転動体直径の１／１００００になる荷重」と定義されていたが、現在のＪＩＳ１５１９では４２００ＭＰａの面圧になる荷重と定義されている。
【０００３】
しかし、実際には、塑性変形抵抗性は一定ではなく、軸受の材料や熱処理条件によって変わるため、静定格荷重の基準となる許容面圧も異なる可能性がある。従って、材料開発や熱処理条件改善等によって塑性変形抵抗性を向上させ、許容面圧を高くすることができれば、軸受選定サイズを小さくできると考えられる。
【０００４】
また、軸受の塑性変形抵抗性は、鋼球を一定荷重で押し込んで形成された圧痕深さの大小によって評価されることが多く、耐ブリネル圧痕性として示される。一般的に、耐ブリネル圧痕性は大きく分けて、残留オーステナイト量と硬さによって変化する。即ち、柔らかい組織である残留オーステナイト量が少ないほど、また、硬さが高いほど耐ブリネル圧痕性は向上する。
【０００５】
耐ブリネル圧痕性だけでなく、寿命、特に自動車のトランスミッション等で問題となる異物混入潤滑下で生じる表面起点型はく離寿命にも残留オーステナイト量と硬さが影響することが知られている。一般的に、異物混入潤滑環下で生じる早期はく離は、転動体と軌道輪間に異物を噛み込むことによって形成された圧痕を起点として生じており、圧痕が形成されることによって生じる圧痕縁の応力集中が原因であるといわれている。特許文献１では、熱処理によって柔らかい組織である残留オーステナイトを増加させ、圧痕縁の形成を滑らかにすることにより応力集中を緩和し、寿命延長を達成している。また、硬さが高いほど、圧痕が形成されにくくなるため、寿命は延長することが知られている。
【０００６】
特許文献２では、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２の平板を窒化処理した後、２４０〜３００℃という高温にて焼戻しを行うことで残留オーステナイト量を低減し、耐ブリネル圧痕性を向上させている。しかし、上述したように、残留オーステナイト量と寿命には相関があり、特許文献２のように耐ブリネル圧痕性を向上させるために残留オーステナイトを減少させただけでは寿命が短くなってしまうことが懸念されるため、最低でも５体積％以上の残留オーステナイト量が必要である。従って、寿命を維持したまま耐ブリネル圧痕性を向上させるためには、残留オーステナイト量と硬さのバランスが非常に重要であると考えられる。
【０００７】
また、耐ブリネル圧痕性には表面近傍だけでなく、変形に関係する内部深さの品質も重要になると考えられる。一般的に、玉軸受の転動体と軌道輪との接触のように、接触部が楕円状になる場合、内部に働くせん断力が最大になる深さ（最大せん断応力深さ）と接触楕円短半径には相関があり、接触楕円短半径が大きくなるほど最大せん断応力深さは深くなることが知られている（非特許文献１）。例えば、同一面圧を作用させた場合、転動体径が大きくなるほど接触楕円短半径も大きくなり、最大せん断応力が作用する深さも深くなる。従って、転動体径が大きくなるほど、耐ブリネル圧痕性には、より深い位置における硬さと残留オーステナイト量とのバランスが関係してくると考えられる。しかし、特許文献２では、平板と鋼球との接触という接触面積が小さく、作用するせん断応力深さも非常に浅くなるような条件にて評価しているため、耐ブリネル圧痕性には表面近傍のみの品質の影響を受ける。このような条件では、高温焼戻しにて表面の残留オーステナイト量を低減させることで耐ブリネル圧痕性を向上させることが可能であるが、平板よりも接触面積が大きくなる実際の軸受では最大せん断応力が深くなり、耐ブリネル圧痕性にはより内部の品質まで影響が大きくなることが考えられるため、特許文献２の焼戻し温度範囲で軸受を製造しても、必ずしも耐ブリネル圧痕性の向上を達成できるとは限らない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６４−５５４２３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０７６７５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】正文社（１９９０）「ころがり軸受・ころ軸受の動的負荷容量（Lundberg-Palmgren理論の詳解）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、耐ブリネル圧痕性の向上に影響する新たな指標に基づき、玉軸受における耐ブリネル圧痕性を更に向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明者は鋭意研究を進め、最大せん断応力深さにおける硬さと、残留オーステナイト量とのバランスを最適化することにより耐ブリネル圧痕性を向上させることができることを見出した。また、転動体径によって、耐ブリネル圧痕性を向上させるための最適な硬さと残留オーステナイト量とのバランスが存在することを見出した。
【００１２】
本発明はこのような知見に基づくものであり、内周面に軌道面を有する外方部材と、外周面に軌道面を有する内方部材と、外方部材の軌道面と内方部材の軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた玉軸受において、前記外方部材及び前記内方部材の少なくとも一方の、下記で定義される変形抵抗指数Ｈが６９６以上であることを特徴とする玉軸受を提供する。
Ｈ＝Ａ＋Ｂ
（ここで、Ａは母相マルテンサイト組織の硬さ指数であり、Ｂは残留オーステナイト（γＲ）の硬さ指数であり、それぞれ下記で求められる。）
Ａ＝最大せん断応力深さのＨＶ硬さ×（１００−γＲ指数）／１００
Ｂ＝３００×γＲ指数／１００
γＲ指数＝１．８×（表面γＲ）／（玉径）１／２
【００１３】
また、一段と耐ブリネル圧痕性を向上させる場合は、変形抵抗指数Ｈを７００以上とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐ブリネル圧痕性が向上した長寿命の玉軸受が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】焼戻し温度ごとの、玉径と圧痕深さ比との関係を示すグラフである。
【図２】変形抵抗指数Ｈと圧痕深さ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】
【００１６】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１７】
本発明において玉軸受の種類には制限はなく、外方部材及び内方部材の少なくとも一方、好ましくは両方が、下記で表される変形抵抗指数Ｈ６９６以上を満足する。この変形抵抗指数Ｈが６９６未満では、目的とする耐ブリネル圧痕性の向上が得られない。好ましくは、変形抵抗指数Ｈ７００以上である。
Ｈ＝Ａ＋Ｂ
【００１８】
式中、Ａは母相マルテンサイト組織の硬さ指数であり、Ｂは残留オーステナイト（γＲ）の硬さ指数であり、それぞれ下記で求められる。
Ａ＝最大せん断応力深さのＨＶ硬さ×（１００−γＲ指数）／１００
Ｂ＝３００×γＲ指数／１００
γＲ指数＝１．８×（表面γＲ）／（玉径）１／２
【００１９】
尚、玉軸受の外方部材及び内方部材ともに、軸受用鋼製であり、熱硬化処理されて変形抵抗指数Ｈの値が６９６以上となるように、鋼材組成及び熱硬化処理条件を調整すればよい。例えば、高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２等）を、浸炭窒化処理した後、焼戻して得られるが、その際、浸炭窒化処理では、８３０〜８５０℃、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気にて、所定時間油焼入れを行う。また、焼き戻しは、１５０〜２７０℃で所定時間行う。
【００２０】
非特許文献１に示されているように、玉軸受の転動体と軌道輪間では接触部が楕円状になり、最大せん断応力深さと接触楕円短半径との間には相関があり、接触楕円短半径が大きくなるほど最大せん断応力深さが深くなる。即ち、転動体径が大きくなるほど接触楕円短半径が大きくなり、最大せん断応力が作用する深さが深くなる。従って、転動体径が大きくなるほど、耐ブリネル圧痕性にはより深い位置の硬さが関係すると考えられる。
【００２１】
そこで、表１に示すような種々のサイズの軸受・転動体を用い、焼戻し温度を変化させて表面及び心部の熱処理品質を変化させ、静的荷重負荷試験を行った。試験方法は以下の通りである。
【００２２】
転動体の材料には、何れも、高炭素クロム鋼であるＳＵＪ２を用い、ずぶ焼入れ（８３０〜８５０℃×１ｈｒ、ＲＸガス雰囲気、油焼入れ）の後、焼戻し（１６０〜２００℃×１．５ｈｒ）を行い、後工程を行った。
【００２３】
また、軌道輪の材料には高炭素クロム鋼であるＳＵＪ２を用い、Ｎｏ．１〜６では、浸炭窒化処理（８３０〜８５０℃×３〜５ｈｒ、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気、油焼入れ）の後、１５０〜２７０℃で２時間焼戻しを行った。また、Ｎｏ．７では、ずぶ焼入れ（８３０〜８５０℃×１ｈｒ、ＲＸガス雰囲気、油焼入れ）の後、１８０℃で２時間焼き戻しを行った、
【００２４】
上記の転動体及び軌道輪を用いて表記各サイズの玉軸受を組み立て、現実的に考えて市場にて作用しうるであろう最大の接触応力を想定して、玉軸受の基本静定格荷重に作用する面圧（４．２ＧＰａ）の１．２倍程度の応力（５．０ＧＰａ）となる荷重を負荷した。そして、各玉軸受に形成された圧痕深さをフォームタリサーフにて測定し、Ｎｏ．７の玉軸受に形成された圧痕深さを基準とした相対値（圧痕深さ比）を求めた。即ち、この圧痕深さ比が１．０以下では、Ｎｏ．７よりも耐ブリネル圧痕性に優れることを示し、圧痕深さ比が小さくなるほど耐ブリネル圧痕性が向上することを表している。結果を表１に示す。
【００２５】
また、表１には０．０３Ｄｗ深さ及び表面の残留オーステナイト量を示すが、最大せん断応力深さと転動体径Ｄｗとの比は、与えられる面圧によって異なるが、玉軸受が使用される条件を考えると、およそ０．０３Ｄｗ内に納まることから、０．０３Ｄｗ深さのＨＶ硬さを示した。尚、Ｎｏ．７については、通常のずぶ焼入れ、焼戻しを施しており、表面から心部まで品質が変わらず、また軸受サイズが変わっても品質はほぼ一定であるため、代表して名番６２０６における０．０３Ｄｗ深さの硬さを示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
また、表１を基にして、図１に、焼戻し温度ごとの転動体径と圧痕深さ比との関係を示す。図１から、転動体径が小さい（最大せん断応力深さが浅い）場合は、焼戻し温度が高いほど圧痕深さ比は小さいが、転動体径が大きくなる（最大せん断応力深さが深い）のに伴って、焼戻し温度が低いほど圧痕深さ比が小さくなることがわかる。これは、転動体径が小さい場合は耐ブリネル圧痕性には、最大せん断応力深さにおける硬さよりも表面近傍の残留オーステナイト量の影響が大きいが、転動体径が大きくなるのにつれて、その傾向は逆転し、最大せん断応力深さにおける硬さの影響が大きくなったためであると考えられる。
【００２８】
この結果から、転動体径によって、良好な耐ブリネル圧痕性を得るための最適な硬さと残留オーステナイト量とのバランスも変化することが明らかになった。
【００２９】
そこで、各転動体径における最適な硬さと残留オーステナイト量とのバランスを定量的に求めるために、下記に示すγＲ指数（式１）及び変形抵抗指数Ｈ（式２）を導入した。
式１：γＲ指数＝１．８×（表面γＲ）／（玉径）１／２ 
式２：変形抵抗指数Ｈ＝Ａ＋Ｂ  ・・・（２）
【００３０】
式２において、Ａは母相マルテンサイト組織の硬さ指数であり、下記で示される値である。
Ａ＝最大せん断応力深さのＨＶ硬さ×（１００−γＲ指数）／１００
【００３１】
また、Ｂは残留オーステナイト（γＲ）の硬さ指数であり、下記で示される値である。
Ｂ＝３００×γＲ指数／１００
【００３２】
表１に示した表面の残留オーステナイト量及び玉径から、式１のγＲ指数を算出した。また、最大せん断応力深さにおけるＨＶ硬さとして０．０３Ｄｗ深さのＨＶ硬さとし、算出したγＲ指数からＡ値を算出でき、算出したγＲ指数からＢ値を算出できる。γＲ指数及び変形抵抗指数Ｈを表２に示す。
【００３３】
【表２】
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【００３４】
また、表２を基にして、図２に、変形抵抗指数Ｈと圧痕深さ比との関係を示す。図２から、変形抵抗指数Ｈが６９６以上であれば、耐ブリネル圧痕性がＮｏ．７の１．２倍以上となり、変形抵抗指数Ｈが７００以上であれば、耐ブリネル圧痕性がＮｏ．７の１．４倍以上となる。即ち、変形抵抗指数Ｈが６９６以上であれば、現行品に比べて耐ブリネル圧痕性を向上でき、好ましくは変形抵抗指数Ｈを７００以上にすればよい。
【図１】
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【図２】
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