(57)【要約】【課題】接線力の軽減により表面損傷を抑制して寿命の長いころ軸受を提供する。【解決手段】内輪および外輪の軌道面の表面粗さを「σ１」とし、「ころ」の表面粗さを「σ２」とし、内輪および外輪の軌道面の表層部の残留オーステナイト量を「γR １」とし、「ころ」の表層部の残留オーステナイト量を「γR ２」としたとき、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）または第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）を満たし、１０体積％≦γR １，γR ２≦４０体積％と０．０１０μｍＲａ≦σ１，σ２≦０．１５０μｍＲａを満たし、前記第１の関係の場合は１５≧（σ１／σ２）＞１と３０体積％≧（γR ２−γR １）≧２体積％を満たし、前記第２の関係の場合は１５≧（σ２／σ１）＞１と３０体積％≧（γR １−γR ２）≧２体積％を満たすものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料からなる素材を加工して所定の熱処理を行って得られた内輪、外輪、および「ころ」からなり、
内輪および外輪の軌道面の表面粗さ（σ１）が「ころ」の転動面の表面粗さ（σ２）より大きく、且つ、内輪および外輪の軌道面の表層部の残留オーステナイト量（γR １）が「ころ」の転動面の表層部の残留オーステナイト量（γR ２）より小さいという第１の関係、または、内輪および外輪の軌道面の表面粗さ（σ１）が「ころ」の転動面の表面粗さ（σ２）より小さく、且つ、内輪および外輪の軌道面の表層部の残留オーステナイト量（γR １）が「ころ」の転動面の表層部の残留オーステナイト量（γR ２）より大きいという第２の関係のいずれかの関係を満たし、
内輪および外輪の軌道面と「ころ」の転動面の表層部の残留オーステナイト量は１０体積％以上４０体積％以下であり、且つ内輪および外輪の軌道面と「ころ」の転動面の表面粗さは０．０１０μｍＲａ以上０．１５０μｍＲａ以下であり、前記第１の関係の場合は下記の（１）および（２）を満たし、前記第２の関係の場合は下記の（３）および（４）を満たすことを特徴とするころ軸受。
１５≧（σ１／σ２）＞１‥‥（１）
３０体積％≧（γR ２−γR １）≧２体積％‥‥（２）
１５≧（σ２／σ１）＞１‥‥（３）
３０体積％≧（γR １−γR ２）≧２体積％‥‥（４）
【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】
ころ軸受は、鉄鋼設備用機械、製紙機械、建設機械、産業用建設機械、および搬送機械などの高い負荷容量が必要とされる機械、装置に用いられている。ころ軸受の例としては、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、円錐ころ軸受、および自動調心ころ軸受などがある。
鉄鋼設備用機械である連続鋳造圧延機の圧延保持部に用いられる転がり軸受は、負荷容量が高く、回転速度が極低速であるため、油膜形成が困難な環境下にある。また、高温での連続稼動が、外部から冷却水が噴霧されながら行われるため、過酷な環境下での長寿命化が要求されている。
【０００３】
従来は、軌道輪の耐摩耗性を向上させるために、例えばＳＵＪ２鋼（高炭素クロム軸受鋼２種）を用い、軌道輪に窒化処理や浸炭窒化処理を行い、焼入れ焼戻しをすることで耐摩耗性を向上させて、長寿命化が行われてきた。異物混入潤滑環境下などの劣悪な環境下では、疲労寿命の延長効果がある残留オーステナイト量の最適化により、長寿命化が行われてきた。
【０００４】
風力発電機に用いられる転がり軸受は、増速機が高所に設置されるため、メンテナンスが容易であることと、重量が軽いものであること、寿命が長く、信頼性が高いことが要求される。従来は、ころ軸受を採用し、構成する「ころ」の数を増やすこと等により、負荷容量を高くしている。
円筒ころ軸受は、組み付け性を向上させる目的で、内輪または外輪に鍔部を有する構造としている。円錐ころ軸受は、アキシアルとラジアルの両方向に負荷をかけることができる構造である。これらのころ軸受は、軌道輪と「ころ」が線接触した状態で回転運動をするため、スキュー滑りなどにより鍔部に焼きつきが生じることがある。
【０００５】
自動調心ころ軸受は、ころの公転軸と自転軸が平行でないため、軌道輪と「ころ」との間で生じるスピン滑りが玉軸受と比べて大きい。また、自動調心ころ軸受は、軌道輪と「ころ」の間で生じる接触楕円が玉軸受と比較して大きく、差動滑りが生じやすい。このような理由で、自動調心ころ軸受は、軌道輪と「ころ」との間で生じる接線力に起因する表面損傷が生じやすい。その対策としては、外輪と「ころ」の表面粗さを内輪の表面粗さより大きくすることで、軌道輪と「ころ」と間で生じる滑りを制御し、主に内輪に生じる滑り摩耗を抑制してきた。
【０００６】
下記の特許文献１には、ころ軸受において、少なくともころは、Ｃｒを３．０〜２０．０重量％の高Ｃｒ鋼からなり、その表面層にＨｖ９００以上の窒化層を備えるとともに、芯部硬さがＨｖ５００以上を満足することが、転動疲労寿命、焼きつき、かじり、異常摩耗などに効果的であると記載されている。
下記の特許文献２には、自動調心ころ軸受の「ころ」を、ＳＵＪ２よりも低摩擦材料を用いて形成し、浸炭窒化処理を施すことで、表層部の窒素濃度を０．３０質量％以上２．００質量％以下とし、且つ、表層部の炭素濃度を１．００質量％以上２．００質量％以下とし、且つ表層部の残留オーステナイト量を５体積％以上２０体積％以下とすることが記載されている。また、仕上げ粗さは、「ころ」の表面粗さと内輪の表面粗さを外輪の表面粗さよりも小さくすることで、転動体と内輪に生じる接線力を小さくして、軸受寿命を長くすることが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−１８７９１６号公報
【特許文献２】特開２００６−２８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者等の研究により、軌道輪と転動体の間で生じる滑り摩耗や焼き付きなどの表面損傷は、接触する２物体間で接線力が繰り返し生じることで、相対的に表面粗さの小さい側の極表層部で微小な塑性流動が生じるために引き起こされることが判明した。
本発明はこのような知見に基づくものであり、接線力を軽減することで表面損傷を抑制して寿命の長いころ軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、鉄鋼材料からなる素材を加工して所定の熱処理を行って得られた内輪、外輪、および「ころ」からなり、内輪および外輪の軌道面の表面粗さ（σ１）が「ころ」の転動面の表面粗さ（σ２）より大きく、且つ、内輪および外輪の軌道面の表層部の残留オーステナイト量（γR １）が「ころ」の転動面の表層部の残留オーステナイト量（γR ２）より小さいという第１の関係、または、内輪および外輪の軌道面の表面粗さ（σ１）が「ころ」の表面粗さ（σ２）より小さく、且つ、内輪および外輪の軌道面の表層部の残留オーステナイト量（γR １）が「ころ」の表層部の残留オーステナイト量（γR ２）より大きいという第２の関係のいずれかの関係を満たし、内輪および外輪の軌道面と「ころ」の転動面の表層部の残留オーステナイト量は１０体積％以上４０体積％以下であり、且つ内輪および外輪の軌道面と「ころ」の転動面の表面粗さは０．０１０μｍＲａ以上０．１５０μｍＲａ以下であり、前記第１の関係の場合は下記の（１）および（２）を満たし、前記第２の関係の場合は下記の（３）および（４）を満たすことを特徴とするころ軸受を提供する。
【０００９】
１５≧（σ１／σ２）＞１‥‥（１）
３０体積％≧（γR ２−γR １）≧２体積％‥‥（２）
１５≧（σ２／σ１）＞１‥‥（３）
３０体積％≧（γR １−γR ２）≧２体積％‥‥（４）
軌道輪と「ころ」のうち相対的に表面粗さが大きい方は、表層部における残留オーステナイト量を少なくすることで耐摩耗性が向上し、表面粗さの経時的な劣化を防止できる。その結果、相対的に表面粗さが小さい方への攻撃が抑制される。
【００１０】
相対的に表面粗さが小さい方は、相対的に表面粗さが大きい方から攻撃を受けるため、極表層部で生じる接線力が表面疲労を進行させる。そのため、靱性を高めたり、クラックの発生や伝搬を抑制する効果のある残留オーステナイト量を多くして、相対的に表面粗さが大きい方から受ける接線力による表面疲労を吸収する。その結果、接線力による表面損傷を遅延させ、寿命を長くすることができる。すなわち、前記第１の関係または第２の関係を満たすころ軸受は、接線力による表面損傷が抑制されることで長寿命化される。
【００１１】
残留オーステナイト組織は塑性変形しやすいが、加工誘起変態によりマルテンサイト化して疲労寿命を延長させる作用を有する。残留オーステナイト量が１０体積％未満では、この作用が実質的に発揮されない。４０体積％を超えると転がり軸受として必要な強度を確保できない。
ころ軸受の稼動中に生じる接線力は、内輪および外輪の軌道面と「ころ」の転動面の表面粗さを小さくすることで軽減できるが、小さくするほど製造コストがかかるため、下限値を０．０１０μｍＲａとする。また、ころ軸受の寿命は潤滑状態による影響が大きく、形成される油膜厚さと表面粗さとの比で表される油膜パラメータの値が小さいほど、表面に生じる接線力が大きくなり、表面損傷が生じやすくなる。この点から、表面粗さの上限値を０．１５０μｍＲａとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のころ軸受によれば、「ころ」と軌道輪との間に生じる接線力を軽減することで表面損傷を抑制して寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について説明する。
先ず、２円筒摩耗試験で使用する円筒の試験体（外径３０ｍｍ×厚さ７ｍｍ×長さ１０ｍｍ）を、No. １−１〜１−６用として二つずつ作製した。最初にＳＵＪ２（炭素含有率：１．０２質量％、ケイ素含有率：０．２５質量％、マンガン含有率：０．４０質量％、クロム含有率：１．５０質量％）製の素材を試験体の円筒形に加工した。次に、ずぶ焼き（ＲＸガス雰囲気中、８２０〜８８０℃で０．５〜１．０時間保持後、油冷却）を行った後に、焼戻し（１５０〜３００℃）を行った。
【００１４】
得られた各試験体の表面粗さを、フォームタリサーフＳ５（Ｔａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製）を用いて測定した。また、表層部の残留オーステナイト量をＸ線回折法により測定した。表面粗さおよび残留オーステナイト量はともに、両試験体の転走面の中央部を２カ所測定し、その平均値を算出した。
各試験体を２円筒摩耗試験機に取り付けて、上下に配置させた上側の試験体の上から荷重（面圧：１１７６ＭＰａ）をかけ、潤滑油（スピンドル油＃１０）を滴下して、回転速度１０ｍｉｎ-1で２４時間、上下の試験体を互いに逆向きに回転させ、相対的に表面粗さが小さい方を金属顕微鏡を用いて観察し、表面損傷の有無を調べた。その結果を表１に示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
本発明の範囲内であるNo. １−１〜１−３では表面損傷が無かったが、本発明の範囲外であるNo. １−４〜１−６では表面損傷が有った。
次に、呼び番号２２２１１の自動調心ころ軸受の軌道輪（内輪および外輪）と転動体（ころ）を作製した。
軌道輪は、先ず、前述のＳＵＪ２からなる棒材を、熱間または温間で鍛造加工し、続いて旋盤加工にて素形品を作製した。次に、得られた素形品に対して前記と同じ熱処理を施し、軌道輪として必要な強度を付与した後に研削加工を行って、所望の寸法、精度、および形状とした。
【００１７】
転動体は、先ず、前述のＳＵＪ２からなる線材を、冷間で鍛造加工して素形品を作製した。次に、得られた素形品に対して前記と同じ熱処理を施し、転動体として必要な強度を付与した後に研削加工を行って、所望の寸法、精度、および形状とした。
これらの軌道輪および転動体について、前記と同様に表面粗さと表層部における残留オーステナイト量を測定した。また、表２および３に示す組み合わせで自動調心ころ軸受を各１０個組み立てた。得られた各軸受に対して、回転速度：１５００ｍｉｎ-1、荷重：４５００Ｎ、潤滑油：工業用多目的潤滑油ＲＯ６８＃の条件で回転試験を行い、ピーリングなどの表面損傷が発生した時点を寿命とし、ワイブルプロットによる統計処理を行ってＬ１０寿命を測定した。寿命の評価は、従来品であるNo. ２−７を「１」とした相対値を算出して行った。これらの結果を下記の表２および表３に示す。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
【表３】
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【００２０】
No. ２−１〜２−９のうち、No. ２−１〜２−６は第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）を満たし、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）を満たし、（１）式も（２）式も満たすため、本発明の実施例に相当する。No. ２−７〜２−９は表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）を満たし、（１）式は満たすが、（２）式は満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−１〜２−６で２．８〜８．５であり、No. ２−８〜２−９は０．５、０．６であった。
【００２１】
No. ２−１０〜２−１８のうち、No. ２−１０〜２−１５は第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）を満たし、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）を満たし、（１）式も（２）式も満たすため、本発明の実施例に相当する。No. ２−１６〜２−１８は表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）を満たし、（１）式は満たすが、（２）式は満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−１０〜２−１５で１．７〜５．４であり、No. ２−１６〜２−１８は０．３〜１．０であった。
【００２２】
No. ２−１９〜２−２７のうち、No. ２−１９〜２−２４は第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）を満たし、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）を満たし、（１）式も（２）式も満たすため、本発明の実施例に相当する。No. ２−２５〜２−２７は表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）を満たし、（１）式は満たすが、（２）式は満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−１９〜２−２４で１．５〜４．２であり、No. ２−２５〜２−２７は０．２〜０．９であった。
【００２３】
No. ２−２８〜２−３３のうち、No. ２−２８〜２−３０は第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）を満たし、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）を満たし、（１）式も（２）式も満たし、転動体の表面粗さが０．００５μｍと本発明の範囲より小さくしたため、No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−２８〜２−３０で３．１〜８．２と長寿命であった。しかし、転動体の表面粗さが０．００５μｍＲａとすることは、生産性が低く、コストが高いため、実際の製品の製造方法として現実的ではない。No. ２−２８〜２−３０で３．１〜８．２という寿命の値も、０．０１０μｍＲａとした本発明の実施例に相当するNo. ２−１〜２−６の２．８〜８．５と同等の結果であるため、No. ２−２８〜２−３０はコストの面から本発明の比較例とする。
【００２４】
No. ２−３１〜２−３３は表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）を満たし、（１）式も満たし、転動体の表面粗さを０．００５μｍと本発明の範囲より小さくしたが、（２）式は満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−３１〜２−３３で０．５〜１．０であった。
【００２５】
No. ２−３４〜２−３９のうち、No. ２−３４〜３６は、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）と（２）式は満たすが、（１）式は満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−３４〜２−３６で０．７〜０．８であった。
【００２６】
No. ２−３７〜３９は、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）は満たすが、（１）式も（２）式も満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−３７〜２−３９で０．５〜１．０であった。
【００２７】
No. ２−４０〜２−４５のうち、No. ２−４０〜４２は、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）と、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）と（２）式は満たすが、表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）と（１）式は満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−４０〜２−４２で０．５〜０．７であった。
【００２８】
No. ２−４３〜２−４５は、表層部の残留オーステナイト量（１０体積％以上４０体積％以下）は満たすが、表面粗さ（０．０１０μｍＲａ以上０．１５０Ｒａ以下）も（１）式も（２）式も満たさず、第１の関係（σ１＞σ２、且つγR １＜γR ２）も第２の関係（σ１＜σ２、且つγR １＞γR ２）も満たさないため、本発明の比較例に相当する。No. ２−７を「１」としたＬ１０寿命の相対値は、No. ２−４３〜２−４５で０．１〜０．４であった。
これらの結果を、横軸を残留オーステナイト量の差とし、縦軸を寿命の相対値としたグラフにまとめた。図１はそのグラフである。このグラフから、（１）式を満たす「○」「□」「△」「●」の寿命は、（２）式を満たす範囲で、（１）式を満たさない「■」「▲」と比較して、長寿命であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態の試験結果を、横軸を残留オーステナイト量の差とし、縦軸を寿命の相対値としてまとめたグラフである。
【図１】
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