(57)【要約】【課題】コストの上昇等を招くことなく長寿命化を図ることのできる転がり軸受を提供する。【解決手段】軌道輪２，３が０．４５質量％以上０．６０質量％以下のＣを含有する軌道輪素材である鋼からなり、軌道輪２，３が転動体軌道溝４，５の表層部に硬化層７を有する転がり軸受であって、硬化層の厚さｄと転動体軌道溝の深さ方向における軌道輪の肉厚Ｄとの比が０．３５以下で且つ動定格荷重を負荷したときの動的最大せん断応力が最大となる深さでの硬化層の深さ方向の圧縮残留応力を１００ＭＰａ以上となるように、硬化層７が高周波焼入によって形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する二つの軌道輪と、これら軌道輪の間に配置された複数個の転動体とを具備し、前記二つの軌道輪のうち一方または両方の軌道輪が０．４５質量％以上０．６０質量％以下のＣを含有する鋼からなり、前記鋼からなる軌道輪が転動体軌道溝の表層部に硬化層を有する転がり軸受であって、前記硬化層の厚さと前記転動体軌道溝の深さ方向における前記軌道輪の肉厚との比が０．３５以下で且つ動定格荷重を負荷したときの動的最大せん断応力が最大となる深さでの前記硬化層の深さ方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上になるように、前記硬化層が高周波焼入れによって形成されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
請求項１記載の転がり軸受において、前記硬化層の表面硬度がＨｖ６００以上Ｈｖ７２０以下である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、転がり軸受に関し、特に、潤滑剤から水素が発生しやすい環境下や潤滑剤中に水が混入しやすい環境下で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受は潤滑剤中に混入した異物（例えば金属粉など）の噛み込みによって軌道輪表面に圧痕が発生すると、軌道輪表面に発生した圧痕が疲労き裂発生の起点となる。また、潤滑剤不足による金属接触が軌道輪と転動体との間で発生し、金属接触による軌道輪表面の疲労損傷が進行すると、転がり軸受を短寿命化する疲労き裂が軌道輪表面に発生することがある。
【０００３】
転がり軸受の軌道輪に疲労き裂が発生することを抑制する技術としては、軌道輪素材に浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れを施すことによって軌道輪の表層部に硬化層を形成する技術（例えば、非特許文献１参照）や、転がり軸受の軌道輪表面にショットピーニングを施して所要の圧縮残留応力を軌道輪に付与する技術（例えば、特許文献１参照）などが知られている。
【特許文献１】特許第２９４９７９４号公報
【非特許文献１】「軸受用鋼」  瀬戸浩蔵著  日本鉄鋼協会発行（1999）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れによる硬化層を軌道輪の表層部に形成するためには、軌道輪素材として肌焼鋼を用いる必要がある。このため、前者の方法では、浸炭あるいは浸炭窒化に要する熱処理時間が長くなり、転がり軸受のコストアップを招くという問題がある。これに対して、後者の方法は軌道輪素材として通常の軸受鋼を用いることができるが、軸受鋼からなる軌道輪にショットピーニングを施すと、ショットピーニングによる塑性変形が生じ難いため、ショットピーニング工程の時間が長くなるという問題がある。
【０００５】
また、軌道輪表面で発生した疲労き裂が軌道輪の深さ方向に進展すると、深さ方向に進展した疲労き裂は動的最大せん断応力が最大となる深さ付近で方向を変え、転がり方向とほぼ平行な方向に進展した後、剥離に至る。したがって、疲労き裂が軌道輪の表面から発生し、深さ方向に進展する段階では、転がり方向の圧縮残留応力は疲労き裂の進展方向に対して垂直な方向に働くため、疲労き裂の進展を抑えることができるが、その後の転がり方向と平行な方向に進展する段階では、疲労き裂の進展を抑制する効果はない。
【０００６】
さらに、転がり軸受の破損形態は軌道輪表面からのき裂進展によるものだけでなく、内部の介在物も疲労破壊の起点となる。この場合、疲労き裂は介在物から発生し、転がり方向とほぼ平行に進展した後、剥離に至るため、転がり方向の圧縮残留応力だけでは、転がり方向と平行に発生したり進展したりする疲労き裂を抑制することができない。
また、潤滑剤から水素が発生したり、あるいは潤滑剤中に水が混入したりする環境下では、水素が軌道輪内部に侵入し、転がり軸受の寿命を短くする場合があった。この現象は高強度鋼で知られている水素脆性と似た現象であり、水素脆性に対する対策としては、硬さを低下させることが有効であることが報告されている。しかしながら、転がり軸受の場合、転動体と軌道輪との接触点には高い面圧が発生するため、硬さを低下させると、転がり軸受の寿命が短くなってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、浸炭やショットピーニングなどの長時間を要する工程を用いずに、高周波焼入れ法を用いて、軌道輪の肉厚に対する硬化層の厚さを制限することによって、転がり軸受の寿命に有効な残留応力を発生させ、転がり軸受の長寿命化が図れることを見出した。
そこで、請求項１記載の発明に係る転がり軸受は、互いに対向する二つの軌道輪と、これら軌道輪の間に配置された複数個の転動体とを具備し、前記二つの軌道輪のうち一方または両方の軌道輪が０．４５質量％以上０．６０質量％以下のＣを含有する鋼からなり、前記鋼からなる軌道輪が転動体軌道溝の表層部に硬化層を有する転がり軸受であって、前記硬化層の厚さと前記転動体軌道溝の深さ方向における前記軌道輪の肉厚との比が０．３５以下で且つ動定格荷重を負荷したときの動的最大せん断応力が最大となる深さでの前記硬化層の深さ方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上になるように、前記硬化層が高周波焼入れによって形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明に係る転がり軸受は、請求項１記載の転がり軸受において、前記硬化層の表面硬度がＨｖ６００以上Ｈｖ７２０以下であることを特徴とする。
本発明において、軌道輪素材のＣ含有量の下限値を０．４５質量％以上とした理由は、Ｃが０．４５質量％未満であると、軌道輪と転動体との接触点に発生する高面圧に耐え得る硬さを得ることができないためである。
【０００９】
また、軌道輪素材のＣ含有量の上限値を０．６０質量％とした理由は、Ｃが０．６０質量％を超えると、フェライト・パーライト組織の加工性が低下するためである。
なお、Ｃ以外の合金元素や不純物元素に関しては、下記の範囲とすることが好ましい。
Ｃｒは、焼入れ時の焼入れ性を向上させるために、０．２質量％以上添加することが好ましい。ただし、２．０質量％を超えると加工性が低下するため、２．０質量％以下とすることが好ましい。
【００１０】
Ｓｉは、製鋼時の脱酸のために必要な元素であり、さらに焼戻し軟化抵抗を高め、転がり疲労寿命を向上させるため、０．１５質量％以上添加することが好ましい。ただし、２．００質量％を超えて添加すると、加工性が低下するため、２．００質量％以下とすることが好ましい。
Ｍｎは、焼入れ性を高めるため、軌道輪の硬さを安定的に得るために必要な元素であり、０．２質量％以上添加することが好ましい。ただし、１．０質量％を超えて添加しても、その効果は飽和する。
【００１１】
Ｏは、鋼中で非金属介在物を形成し、転動疲労寿命に非常に有害な元素であるため、０．００１５質量％以下にすることが好ましい。より好ましくは、転動疲労寿命の安定性のために、０．００１０質量％以下にすることが望ましい。
Ｐは、結晶粒界などに偏析し、鋼の靭性などを低下させる元素であるため、０．０２質量％以下にすることが好ましい。
【００１２】
Ｓは、結晶粒界などに偏析し、鋼の靭性などを低下させる元素であるため、０．０２質量％以下にすることが好ましい。ただし、０．０１質量％未満になると切削性が低下する。
また、本発明の鋼は、上記の合金成分や不純物の他に、残部Ｆｅと不可避不純物とを含有してなる。
【００１３】
本発明において、硬化層の厚さｄと転動体軌道溝の深さ方向における軌道輪の肉厚Ｄとの比をｄ／Ｄ≦０．３５とした理由は、下記の通りである。
高周波焼入れによって軌道輪表面に硬化層を形成すると、転がり方向の残留応力を軌道輪に付与することができ、軌道輪表面からのき裂発生とき裂進展を抑制し、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。しかし、転がり方向とほぼ平行にき裂が進展するのを抑制し、転がり軸受のさらなる長寿命化を図るためには、深さ方向の残留応力を軌道輪に付与することが必要である。本発明者らは、軌道輪に形成された転動体軌道溝の溝底における硬化層の厚さｄと、軌道輪の肉厚Ｄとの比（ｄ／Ｄ）を本発明が規定する範囲内にすることによって、深さ方向の残留応力を付与できることを見出した。ここで、硬化層とは、硬さがＨｖ５００以上の部位を指すものとする。
【００１４】
硬化層の厚さｄと軌道輪の肉厚Ｄとの比がｄ／Ｄ＞０．３５になると、深さ方向の残留応力が小さくなったり、引張方向の残留応力が発生しやすくなったりする。ただし、硬化層の厚さが小さすぎると、転動体の転がり運動によって軌道輪内部に生じるせん断応力に耐えられなくなる。したがって、本発明では、ｄ／Ｄ≦０．３５（好ましくは、０．３５≧ｄ／Ｄ≧０．２０）とした。
【００１５】
本発明において、動定格荷重ＣＲを負荷したときの動的最大せん断応力が最大となる深さｄ０での硬化層の深さ方向の圧縮残留応力を１００ＭＰａ以上とした理由は、下記の通りである。
深さ方向の圧縮残留応力は、転がり方向と平行にき裂が進展するのを抑制し、転がり疲労寿命を向上させる。また、内部の介在物からのき裂の発生を抑制する。動定格荷重ＣＲを負荷した場合の動的最大せん断応力が最大になる深さをｄ０とするとき、深さｄ０の位置における深さ方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ未満であると、前記効果が小さい。好ましくは、深さ方向の圧縮残留応力を２００ＭＰａ以上にすることによって、転がり寿命を安定して向上させることができる。
【００１６】
本発明において、硬化層の表面硬度をＨｖ６００以上Ｈｖ７２０以下とした理由は、下記の通りである。
転がり軸受の転がり疲労寿命は、通常、硬さが高いほうが有利である。しかしながら、転がり軸受の使用条件によっては、潤滑剤が分解して水素が発生する場合や、潤滑剤中に混入した水が分解して水素が発生する場合があり、発生した水素が軌道輪内部に侵入すると、転がり軸受の寿命が低下する。軌道輪表面の硬さを高くすると、水素に対して軌道輪素材が敏感になり、寿命の低下度が大きくなる。したがって、水素が発生する場合には、硬さを低くしたほうが好ましい。通常は、硬さを低くすると、転がり運動によって軌道輪内部に生じるせん断応力に耐えられず寿命が短くなるが、本発明の転がり軸受は、軌道輪の硬さをある程度低くしても深さ方向の圧縮残留応力があるため、軸受の短寿命化が抑制される。さらに、硬さをある程度低くしているため、水素に対して軌道輪素材が鈍感になり、軸受の短寿命化が抑制される。
【００１７】
軌道輪表面の硬さをＨｖ７２０以下にすることによって、上記の効果が大きくなり、水素が発生する使用条件下でも転がり軸受の寿命が短くなることを抑制できる。ただし、軌道輪表面の硬さがＨｖ６００未満になると、転がり軸受の寿命が著しく短くなる。
上述した硬化層の厚さｄと軌道輪の肉厚Ｄとの比（ｄ／Ｄ）および深さ方向の圧縮残留応力を本発明で規定する範囲にするためには、高周波焼入れによる熱処理を用いることが好ましい。軌道輪に使用する鋼の合金成分および金属組織に応じて、高周波焼入れ時の周波数、出力および加熱時間を最適に調整することによって、本発明で規定するｄ／Ｄと深さ方向の圧縮残留応力を得ることができる。
【００１８】
高周波焼入れによって軌道輪表面に硬化層を形成すると、軌道輪の硬さが深さ方向に向かって次第に低下していく。深さ方向の圧縮残留応力を大きくするためには、硬さ勾配を急にするほうが好ましい。急な硬さ勾配を得るためには、高周波焼入れをする際の周波数は高いほうが好適であり、具体的には５０ｋＨｚ以上が好ましく、１００ｋＨｚ以上がより好ましい。
【００１９】
また、潤滑剤に水が混入する環境下や潤滑剤が分解しやすい使用条件で使用する場合には、前述したように軌道輪の硬さを通常より低くする制限することが好ましい。硬さは、高周波焼入れ後の焼戻し温度を変えることによって、所定の硬さにすることが可能である。焼戻しは、加熱炉で行ってもよいし、電磁誘導加熱による方法で行ってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、軌道輪に疲労き裂が発生したり、軌道輪に発生した疲労き裂が転がり方向に進展したりすることが抑制されるので、転がり疲労寿命の長い転がり軸受を得ることができる。また、疲労き裂の発生を抑えるために、浸炭処理または浸炭窒化処理を軌道輪素材に施したり、あるいはショットピーニングによる硬化層を軌道輪の表面に形成したりする必要がないので、コストの上昇等を招くことなく軌道輪に疲労き裂が発生することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る転がり軸受の一部を示す断面図であり、同図に示される転がり軸受１は内側軌道輪２および外側軌道輪３を備えている。これらの軌道輪２，３は０．４５質量％以上０．６０質量％以下のＣと、０．２質量％以上２．０質量％以下のＣｒと、０．１５質量％以上２．００質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｎと、０．００１５質量％以下（好ましくは、０．００１０質量％以下）のＯと、０．０２質量％以下のＰと、０．０１質量％以上０．０２質量％以下のＳとを含有し、残りは残部Ｆｅと不可避不純物とからなる鋼からなることが好ましく、内側軌道輪２の外周面に形成された転動体軌道溝４と外側軌道輪３の内周面に形成された転動体軌道溝５との間には、複数個の球状転動体６が設けられている。
【００２２】
転動体軌道溝４，５は軌道輪２，３の全周に亘って内側軌道輪２の外周面と外側軌道輪３の内周面に形成されており、これら転動体軌道溝４，５の表層部には、動定格荷重ＣＲを負荷したときの動的最大せん断応力が最大となる深さｄ０での圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上（好ましくは、２００ＭＰａ以上）になると共に転動体軌道溝４，５の表面硬さがＨｖ６００〜Ｈｖ７２０になるように、硬化層７が高周波焼入れによって形成されている。この硬化層７は転動体軌道溝４，５の深さ方向における軌道輪２，３の肉厚をＤとすると、０．３５Ｄ以下の深さｄで転動体軌道溝４，５の表層部に形成されている。
【００２３】
（実施例）
【表１】
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【００２４】
本発明らは、表１に示す三種類の鋼種Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからスラスト玉軸受（呼び番号５１３０５）の軌道輪をそれぞれ作製した。具体的には、軌道輪素材である鋼種Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを旋削によって粗加工した後、各軌道輪の表層部に硬化層を高周波焼入れによって同じ焼入れ条件で形成した。その後、加熱炉あるいは電磁誘導加熱炉を用いて焼戻しを行い、最後に研削加工を行なってスラスト玉軸受の完成寸法（（内径：２５ｍｍ、外径：５２ｍｍ、幅：１８ｍｍ）に仕上げた。そして、上記の工程で作製された各軌道輪の硬化層表面硬さ、硬化層深さｄと軌道輪肉厚Ｄとの割合（ｄ／Ｄ）、硬化層の深さｄ０における深さ方向の圧縮残留応力を測定した。その測定結果を高周波焼入れ時の焼入れ周波数および焼入れ時間と共に表２に示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
また、本発明者らは上記の工程で作製された各軌道輪とＳＵＪに浸炭窒化処理を施した3/8inch鋼球３個とを組み合せたものを試験軸受とし、下記の水混入潤滑下寿命試験を行った。
（１）水混入潤滑下軸受寿命試験
潤滑油中に水を３０ｍｌ／ｄａｙの割合で滴下し、水混入潤滑下での寿命を下記の試験条件で調べた。
荷重：８．８２ｋＮ
回転数：１０００ｍｉｎ−１
潤滑油：ＩＳＯ−ＶＧ３２
具体的には、上記の水混入潤滑下寿命試験に各試験軸受をそれぞれ５個ずつ供し、累積破損確率１０％の寿命（以下「Ｌ１０寿命」という）を求めた。
【００２７】
水混入潤滑下寿命試験における各試験軸受のＬ１０寿命を表２に併記する。なお、表２に示す寿命値は、比較例６の寿命値を１．０とした場合の寿命比で表している。
実施例１〜５と比較例９とを比較すると、実施例１〜５のほうが転がり軸受の転がり疲労寿命が長いことがわかる。これは、比較例９は硬化層の表面硬さがＨｖ６００未満であるのに対し、実施例１〜５は硬化層の表面硬さがＨｖ６００以上であるためであり、実施例１〜５の硬化層の表面硬さが比較例９より高い値となる理由は、転がり軸受の軌道輪素材として０．４５質量％以上０．６０質量％以下のＣを含有する鋼種を用いているためと考察される。
【００２８】
次に、実施例１〜５と比較例８とを比較すると、実施例１〜５のほうが転がり軸受の転がり疲労寿命が長いことがわかる。これは、比較例８は深さｄ０での圧縮残留応力が１００ＭＰａ未満となるように硬化層が高周波焼入れによって形成されているのに対し、実施例１〜５は深さｄ０での圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上となる硬化層が高周波焼入れによって形成されているためと考察される。
【００２９】
次に、実施例１〜５と比較例７とを比較すると、実施例１〜５のほうが転がり軸受の転がり疲労寿命が長いことがわかる。これは、比較例７はｄ／Ｄが０．３５より大きく且つ深さｄ０での圧縮残留応力が１００ＭＰａ未満となるように硬化層が高周波焼入れによって形成されているのに対し、実施例１〜５はｄ／Ｄが０．３５以下で且つ深さｄ０での圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上となるように硬化層が高周波焼入れによって形成されているためと考察される。
【００３０】
次に、実施例１〜５と比較例６とを比較すると、実施例１〜５のほうが転がり軸受の転がり疲労寿命が長いことがわかる。これは、比較例６は高周波焼入れ時の周波数が５０ｋＨｚ未満であるのに対し、実施例１〜５は高周波焼入れ時の周波数が５０ｋＨｚ以上であるためと考察される。
次に、実施例１〜３と実施例４，５とを比較すると、実施例４，５のほうが転がり軸受の転がり疲労寿命が長いことがわかる。これは、実施例１〜３は高周波焼入れ時の周波数が５０〜１００ｋＨｚであるのに対し、実施例４，５は高周波焼入れ時の周波数が２００ｋＨｚであるためと考察される。
【００３１】
表２に示した深さ方向の圧縮残留応力と寿命比との関係を図２に示す。図２から明らかなように、深さ方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上になると、軸受の寿命値が高い値となることがわかる。
以上のことから、転がり軸受の軌道輪素材として０．４５質量％以上０．６０質量％以下のＣを含有する鋼種を用い、軌道輪表面の硬化層厚さｄと軌道輪肉厚Ｄとの比が０．３５以下で且つ動定格荷重ＣＲを負荷したときの動的最大せん断応力が最大となる深さｄ０での硬化層の深さ方向の圧縮残留応力が１００ＭＰａ以上（好ましくは、２００ＭＰａ以上）になるように、軌道輪表層部に硬化層を高周波焼入れによって形成することにより、軌道輪の表面硬さがＨｖ６００〜Ｈｖ７２０の範囲内となるので、水混入潤滑下でも転がり疲労寿命の長い転がり軸受を得ることができる。
【００３２】
上述した第１の実施形態では本発明を深溝玉軸受に適用した場合を例示したが、これに限定されるものではない。たとえば、図３に示すように、アンギュラ玉軸受に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。また、玉軸受以外の転がり軸受（例えば、スラスト軸受、フランジを有する車輪支持用軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、ニードル軸受など）についても本発明を適用することができる。さらに、転がり軸受以外の転動装置（例えばボールねじ、リニアガイド等）についても本発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る転がり軸受の一部を示す断面図である。
【図２】転動体軌道溝表層部に形成された硬化層の深さ方向の圧縮残留応力と転がり軸受の寿命比との関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る転がり軸受の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  転がり軸受
２，３  軌道輪
４，５  転動体軌道溝
６  球状転動体
７  硬化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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