(57)【要約】【課題】潤滑剤に水分が混入する環境下での寿命低下を抑制することができる転がり軸受およびその製造方法を提供する。【解決手段】この転がり軸受の製造方法は、非破壊検査工程を含み、この非破壊検査工程は、転がり軸受の少なくとも一方の軌道輪の軌道面表面における、表面孔および酸化物系非金属介在物の大きさが、√area≦８０μｍで、且つ、（√area×Ｄ）１／２≦５６．６（但し、Ｄは最大深さ（μｍ））を満たすものであることを、超音波深傷検査によって予め検証する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受を製造する方法であって、
非破壊検査工程を含み、当該非破壊検査工程は、前記転がり軸受の少なくとも一方の軌道輪の軌道面表面における、表面孔および酸化物系非金属介在物の大きさが、√area≦８０μｍで、且つ、（√area×Ｄ）１／２≦５６．６（但し、Ｄは最大深さ（μｍ））を満たすものであることを、超音波深傷検査によって予め検証することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
【請求項２】
潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受であって、
請求項１に記載の転がり軸受の製造方法で製造された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、潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受およびその製造方法に係り、特に、例えばロールネック軸受に代表される鉄鋼用軸受のように、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用される転がり軸受に適用した場合であっても、突発的な短寿命の発生がなく、安定で且つ長寿命を保証し得る転がり軸受およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受は、一般に、潤滑剤中に水分が混入するとその耐久性が大きく低下することが知られている。例えば、潤滑剤中に６％の水分が混入した場合は、水分混入がない場合に比べ、軸受の転がり疲れ寿命が数分の１〜２０分の１程度に低下する。
また、潤滑剤中に水が混入した場合、少なくとも固定側軌道輪の軌道面上に、平均直径１００μｍを超える酸化物系非金属介在物が存在してしまうと、素地との密着性が低下し、これにより、水が素地との空隙に浸入し、そこから素地の腐食熔解が起こり、クラックに進展する。そこで、例えば特許文献１には、潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受において、平均直径が１００μｍを超える酸化物系非金属介在物が存在しないことを非破壊検査によって検証する技術が開示されている。
【特許文献１】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】
【０００３】
しかしながら、本願発明者らは、特許文献１に記載の技術に基づき、更なる研究を行った結果、例えば、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用される転がり軸受に同技術を適用した場合、所望の転がり寿命を得る上で、未だ検討の余地がある点に想到した。
すなわち、本願発明者らは、更なる研究を行った結果、転がり軸受における軌道輪の、酸化物系非金属介在物を起点とする応力腐食割れは、転動体との転がり接触時に水が存在するときに見られる現象であり、酸化物系非金属介在物と水とのいずれか一方だけの存在では応力腐食割れが発生しないという知見を得た。
【０００４】
また、本願発明者らは、潤滑剤中に水が混入せず油膜が十分に形成された良好な潤滑条件下では、剥離の起点となるのは同じく酸化物系の非金属介在物ではあるものの、その存在位置は軌道表面下であり、応力腐食割れを発生させることはない。つまり、応力腐食割れの起点となるのは、軌道面表面に存在する酸化物系非金属介在物であり、軌道表面下に酸化物系非金属介在物が存在していても、水の供給が無いと応力腐食割れは発生しないという知見を得た。
【０００５】
また、平均直径が１００μｍよりも小さな寸法の介在物であっても、応力腐食割れの感受性が増大するという知見を得た。さらに、介在物の脱落痕や、研削、超仕上げで除去できなかった旋削痕や研削加工時の表面のむしれによって形成された欠陥（空洞状態であり、いわゆる孔）の存在によっても、応力腐食割れが著しく加速されるという知見を得たのである。
【０００６】
したがって、特許文献１に記載の技術にあるように、平均直径が１００μｍを超える酸化物系非金属介在物が存在しないことを非破壊検査によって検証するだけでは、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用される転がり軸受に適用した場合、所望の転がり寿命を得る上で、未だ解決すべき課題が残されていることがわかった。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、潤滑剤に水分が混入する環境下での寿命低下を抑制し、特に、例えばロールネック軸受に代表される鉄鋼用軸受のように、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用される転がり軸受に適用した場合であっても、突発的な短寿命の発生がなく、安定で且つ長寿命を保証し得る転がり軸受およびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のうち第一の発明は、潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受を製造する方法であって、非破壊検査工程を含み、当該非破壊検査工程は、前記転がり軸受の少なくとも一方の軌道輪の軌道面表面における、表面孔および酸化物系非金属介在物の大きさが、√area≦８０μｍで、且つ、（√area×Ｄ）１／２≦５６．６（但し、Ｄは最大深さ（μｍ））を満たすものであることを、超音波深傷検査によって予め検証することを特徴としている。
【０００８】
第一の発明に係る転がり軸受の製造方法によれば、転がり軸受の少なくとも一方の軌道輪の軌道面表面における、表面孔および酸化物系非金属介在物の大きさが、√area≦８０μｍで、且つ、（√area×Ｄ）１／２≦５６．６（但し、Ｄは最大深さ（μｍ））を満たすものであることを、超音波深傷検査によって予め検証するので、後に詳細に説明するように、潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受として、仮に、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用される転がり軸受を製造する方法として本発明を適用した場合であっても、所望の転がり寿命を得る転がり軸受を製造することができる。
【０００９】
また、本発明のうち第二の発明は、潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受であって、第一の発明に係る転がり軸受の製造方法で製造されたことを特徴としている。第二の発明に係る転がり軸受によれば、第一の発明に係る転がり軸受の製造方法で製造された転がり軸受なので、仮に、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用された場合であっても、所望の転がり寿命を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
上述のように、本発明に係る転がり軸受およびその製造方法によれば、潤滑剤に水分が混入する環境下での寿命低下を抑制することができる。特に、例えばロールネック軸受に代表される鉄鋼用軸受のように、高荷重、高面圧に加え、水混入潤滑のような過酷な環境下で使用される転がり軸受に適用した場合であっても、突発的な短寿命の発生がなく、安定で且つ長寿命を保証することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１は、本発明の転がり軸受を製造する際における、非破壊検査（非破壊検査工程）に用いた超音波探傷検査装置の概略図である。なお、本実施形態は、潤滑剤に水分が混入する環境下で使用される鋼製の転がり軸受として、円すいころ軸受に適用した例である。
同図に示すように、この超音波探傷検査装置１４は、超音波伝達媒体としての水が貯留された水槽１内に、円すいころ軸受の外輪完成品である軌道輪２及び探触子３が、それぞれ水に浸漬された状態で配置されている。探触子３としては、指向性が強く軌道輪２の曲率の影響を受けにくい焦点型探触子を用いている。
【００１２】
軌道輪２は、水槽１内に水平方向に互いに離間配置された二個のプーリ４に載置されており、各プーリ４及びモータ５のモータ軸に固定された駆動プーリ６には、ベルト７が正三角形状に巻き掛けられている。
モータ５は、制御アンプ８を介して制御装置９によって制御されるようになっており、このモータ５の駆動により各プーリ４に載置された軌道輪２が所定の速度で回転するようになっている。なお、制御装置９は、ＣＲＴ等の表示手段を備えたパーソナルコンピュータ等で構成されている。
【００１３】
探触子３は、軌道輪２の軸方向に沿って移動可能に配置されたリニアガイド１０により支持されたＸＹステージ１２に、探触子取付具１３を介して取り付けられており、取付状態においては軌道輪２の内周面に対向配置されている。この探触子３は、超音波深傷装置１４からの電圧信号に応じた超音波パルスを、軌道輪２の内周面に向けて送信するとともに、その反射エコーを受信し、これを電圧信号に変換して超音波探傷検査装置１４に送信するようになっている。
【００１４】
超音波探傷検査装置１４は、制御装置９からの指令に基づいて探触子３に電圧信号からなる指令信号を送信するとともに、送信した信号と受信した信号とを基にして得られた探傷情報を制御装置９に送信し、制御装置９がこれをＣＲＴ上に表示するようになっている。
リニアガイド１０は、コントローラ１６によって制御される不図示のサーボモータを介して、探触子３を軌道輪２の軸方向に移動させるようになっている。コントローラ１６は、軌道輪２の外周面に設置されたロータリエンコーダ１５により軌道輪２が一回転（３６０°）したことが探知されると、制御装置９からの指令に基づいてサーボモータを制御し、探触子３を軌道輪２の軸方向に所定寸法移動させる。これにより、軌道輪２の全軌道表面の探傷がなされるようになっている。
【００１５】
ここで、従来の超音波探傷検査装置では、平均直径が１００μｍよりも小さな寸法の介在物を検出することは困難であるが、この超音波探傷検査装置１４は、最適条件を設定することによって高精度化を可能とし、平均直径が１００μｍよりも小さな寸法の介在物をも検出できるようになっている。以下、この超音波探傷検査装置１４の高精度化について詳しく説明する。
【００１６】
理論上は、探傷周波数が高くなると欠陥の検出可能な最小の大きさが小さくなる。そのため、大型の介在物の検出には有利になるものの、現実上、探傷周波数を上げるとＳ／Ｎ比が悪くなる傾向にあり、また、ベースノイズも大きくなり、正確な欠陥の検出ができなかった。この点に対し、本願発明者らが子細に研究を行った結果、探傷周波数を５〜１０ＭＨｚとし且つ屈折角が８５°〜９５°となるように入射角を調整した場合に、平均直径が２０μｍ程度の小さな寸法の介在物をも検出可能となった。このように、探傷周波数が比較的に低い周波数で検出が可能になった理由としては、下記に示す図２のような高調波成分が影響しているものと考えられる。
【００１７】
すなわち、この超音波探傷検査装置１４は、従来の超音波探傷検査装置に比べてアンプを用いて波形を増幅させており、信号処理を高精度化することによって、Ｓ／Ｎ比を適正化するとともに、図２に示すような高調波成分を利用することで低い周波数であっても平均直径が２０μｍ程度の小さな介在物をも検出可能としたのである。
なお、本実施形態の例では、軌道輪２として内径３５０ｍｍの円すいころ軸受の外輪を用いた。その軌道輪２を探触子３である焦点型探触子（斜角探傷、入射角２０°、探傷周波数５〜１０ＭＨｚ、振動子径６ｍｍ）とともに水槽１内の水に浸漬した。そして、この状態で、軌道輪２を回転させつつ、探触子３を軌道輪２の軸方向に移動させながら、軌道輪２の内周面である外輪軌道面の全表面を深傷するものとした。
【００１８】
これにより、この超音波探傷検査装置１４を用いた非破壊検査工程は、平均直径が２０μｍ程度の小さな介在物をも検出可能であり、軌道面の欠陥を予め検証して、表面孔および酸化物系非金属介在物の大きさが、以下の（式１）を満たすものであることが保証された転がり軸受を製造することができる。そして、これにより製造された転がり軸受は、潤滑剤に水分が混入する環境下であっても、その寿命低下を一層抑制することができる。
√area≦８０μｍで、且つ、（√area×Ｄ）１／２≦５６．６（但し、Ｄは最大深さ（μｍ））          （式１）
【００１９】
ここで、この（式１）の臨界的意義について詳しく説明する。
いま、軌道面の表面に顔を出している介在物において、図３に示すように、その長径をａ、短径をｂとしたときに、この介在物の径は、欠陥の面積の平方根長さ、√area（＝√（ａ×ｂ））で近似でき、この値が大きいと転がり軸受の寿命を低下させることが従来から知られている。そこで、上記（式１）においても、√areaを規定している。
さらに、この（式１）においては、図４に示すように、表面の欠陥（介在物）の大きさに加え、断面で考えたときの欠陥投影面積（≒（√area×Ｄ）１／２）をも加味して規定している。
【００２０】
すなわち、本願発明者らが鋭意研究を行った結果、水混入循環下における軌道面表面における剥離は、√areaだけでなく、その介在物が存在する深さにも影響することが判ったからである。この知見に基づいて、介在物が存在する深さを考慮するために、最大深さＤを求め、欠陥としては、投影面積が効くので、図４に示すように、（√area×Ｄ）１／２によって整理できると考えた。
【００２１】
そこで、欠陥の影響を確認するために、軸受の軌道面の表面に、機械加工によって、種々の径と深さの人工欠陥を作製し、下記試験条件による水混入試験によって剥離までの寿命を評価し、これにより、欠陥投影面積と寿命との関係（つまり、（√area×Ｄ）１／２vs.寿命）を、表１および図５に示すように明らかにした。
[試験条件]
試験荷重：５８８０Ｎ（ラジアル荷重のみ）
回転数：９６００ｍｉｎ−１
潤滑：グリース潤滑（但し、水混入量０．２ｃｃ、一日一回注入）
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１および図５に示すように、軌道表面の欠陥（介在物）が起点となって早期剥離を生じるような場合では、表面に見えている最大欠陥（最大介在物）√area＝８０μｍを閾値として、√areaが８０μｍ以上では、計算寿命（Ｌｃａｌ）を満足できない水準まで寿命が低下してしまうことが判った。
また、表面に見えている最大欠陥（最大介在物））√area＝８０μｍのとき、最大深さＤの１／２乗を満たす欠陥投影面積の閾値として、欠陥投影面積＝（√area×Ｄ）１／２＝５６．６が得られた。つまり、上記特許文献１に記載の技術に規定される値よりも小さな欠陥（介在物）であっても、水混入潤滑下において短寿命になることがわかり、さらに、欠陥の径だけでなく、欠陥の深さも大きい場合に、短寿命になることがわかった。そして、上記（式１）に示すように、√area≦８０μｍで、且つ、（√area×Ｄ）１／２≦５６．６で規定した場合、寿命を延長することができるということが判ったのである。
【００２４】
[実施例]
以下に、本発明の効果を確認するために行った、比較試験について説明する。
まず、予め製作した軸受軌道面上に、深さ５０μｍ×径５０μｍの円柱状の人工欠陥マスターにて、超音波探傷検査装置１４の感度校正を行った。次いで、試験体として使用する転がり軸受において、上述した超音波探傷検査装置１４を用いた非破壊検査を実施し、その軌道面表面に出現している欠陥（介在物、表面欠陥）の検出を行った。
【００２５】
対象の転がり軸受について１０００個以上の検査を行い、エコーが検出された転がり軸受とエコーが検出されなかった転がり軸受を選別した（表２参照）。超音波探傷検査装置１４でエコーが検出されたものに関して、検出位置にマーキングを施した後に、光学顕微鏡で観察を行い、軌道面上に出ている欠陥径を測定し、√areaを算出した。
【００２６】
また、エコーが検出できなかったものに関しては、光学顕微鏡によって介在物を探し、√areaを算出した。欠陥の大きさは、予め多数の転がり軸受に超音波探傷検査装置１４による非破壊検査を実施し、検出された欠陥のエコー強度と最大深さＤとの関係を求めた。この発見された欠陥を軌道面表面から追い込み研磨を行い、最大深さＤを測定した。また、この最大深さＤと√areaから欠陥投影面積（（√area×Ｄ）１／２）を算出した。
【００２７】
なお、試験条件は、以下の通りである。
[試験条件]
転がり軸受：円すいころ軸受（型番：ＨＲ３２０１７ＸＪ）
回転数：２０００ｍｉｎ−１
潤滑：グリース潤滑（但し、水混入量０．２ｃｃ、一日一回注入）
ラジアル荷重：４３０００Ｎ
アキシャル荷重：８６００Ｎ
面圧：Ｐ／Ｃ＝０．３
計算寿命（Ｌｃａｌ）：４５７ｈｒ
なお、転動体は、軸受鋼第２種ＳＵＪ２で作製し、焼入れ焼戻しを施してＨＲＣ６２〜６４としたものを使用した。
【００２８】
また、超音波探傷検査装置１４による非破壊検査の条件は、以下の通りである。
探触子：焦点型探触子
周波数：１０ＭＨｚ
入射角：２０°
表２に、超音波探傷検査装置１４による非破壊検査の結果、および算出した√area、最大深さＤ、欠陥投影面積（（√area×Ｄ）１／２）、水混入寿命を示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
超音波探傷検査装置１４の条件を最適化することによって、従来検出できなかった１００μｍ以下の介在物が検出された。また、（式１）で規定する範囲での表面に見えている最大欠陥（最大介在物）√area＝８０μｍのとき、最大深さＤの１／２乗を満たす欠陥投影面積の閾値として、欠陥投影面積＝（√area×Ｄ）１／２＝５６．６において、寿命延長の効果が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る超音波探傷検査装置の概略図である。
【図２】図１に示す超音波探傷検査装置の最適条件を設定して高精度化する知見を説明する図である。
【図３】軌道面の表面に顔を出している介在物の平面視の模式図である。
【図４】軌道面の表面に顔を出している介在物の横断面視の模式図である。
【図５】欠陥投影面積と寿命との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    水槽
２    軌道輪
３    探触子
４    プーリ
５    モータ
６    駆動プーリ
７    ベルト
８    制御アンプ
９    制御装置
１０    リニアガイド
１２    ＸＹステージ
１３    探触子取付具
１４    超音波探傷検査装置
１５    ロータリエンコーダ
１６    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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