(57)【要約】【課題】白色組織が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供する。【解決手段】深溝玉軸受を構成する内輪１，外輪２，及び転動体３は鋼で構成されており、焼入れが施された後に焼戻しが施されている。そして、軌道面１ａ，２ａ及び転動面３ａには硬化層が形成されている。転動体３の硬化層の硬さはＨＲＣ６２以上である。また、転動体３のマルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅は、全転動体ともに７．６°以下である。さらに、全転動体の前記半価幅の平均値は、６．５°以上７．５°以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記転動体が下記の３つの条件を満足することを特徴とする転がり軸受。
条件Ａ：焼入れとその後の焼戻しとが施されていて、表面に形成された硬化層の硬さがＨＲＣ６２以上である。
条件Ｂ：マルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅が、全転動体について７．６°以下である。
条件Ｃ：全転動体の前記半価幅の平均値が６．５°以上７．５°以下である。
【請求項２】
前記焼戻しは液体中で行われることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、転がり軸受の転動体は、ＪＩＳに規定されたＳＵＪ２に代表される軸受鋼で構成され、通常は焼入れ，焼戻しによって表面硬さがＨＲＣ６２以上とされている。また、転動体の表面硬さを軌道輪の軌道面の表面硬さよりも高くすると、転がり軸受の寿命が向上することが分かっているので、転動体は軌道輪の軌道面よりも高硬度とされている。転動体の表面硬さを高くするために、焼入れ後の焼戻しの温度は、軌道輪の焼戻しの温度よりも低く設定される。
【０００３】
一方、近年においては、電装補機用の転がり軸受の使用条件が年々高速化，高温化してきており、使用条件によっては、転動体に白色組織による早期剥離が生じるようなケースも出てきている。白色組織が形成される原因としては、トライボケミカル反応によってグリースが分解して微量の水素が生成し、この水素が鋼中に侵入することがあげられる。侵入した水素は、鋼中に存在する種々の水素トラップサイトにトラップされて材料強度の低下を引き起こし、微量の水素でも早期に剥離が生じ、侵入した水素の量が多い場合には白色組織が形成されると考えられている。よって、早期剥離を抑制するためには、転動体に存在する水素トラップサイトを減少させることが重要である。
【０００４】
現在のところ、水素トラップサイトとしては転位，非金属介在物，微細炭化物が分かっており、この中でも転位には水素がトラップされやすい。また、マルテンサイト組織では非常に高い転位密度になるため、マルテンサイト組織を有する軸受鋼は特に水素の侵入の影響を受けやすい組織となっている。
ところが、前述したように、転動体を軌道輪の軌道面よりも高硬度とするために、転動体の焼戻しの温度は軌道輪の焼戻しの温度よりも低く設定されるが（例えば、軌道輪１７０〜１８０℃に対して転動体１６０℃前後）、焼戻しの温度が低いと焼戻しの際に解消される歪みの量が少なくなるので、転位密度が高くなる傾向がある。
【０００５】
また、転動体が玉である場合は、軌道輪に対して径（肉厚）が大きく、しかも同時に処理される量が多いので、径や処理量によっては均熱が保たれにくく、玉毎に転位密度の差が生じるおそれがあった。また、本来その条件の焼戻しで達成されるべき転位密度よりも、高い転位密度となってしまうおそれもあった。このような高い転位密度を有する転動体は、前述したようにトラップされる水素の量が多くなるので、軌道輪よりも白色組織が生じやすい傾向がある。
特許文献１には、焼戻しを繰り返し２回行うことにより、表面硬さをＨＲＣ５６程度、残留オーステナイト量を１２体積％以下とするとともに、マルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅を４〜６°とした、白色組織が生じにくい転動部材が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２６３７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の転動部材は、焼戻しが２回施されていることと、焼戻しの温度が１８０〜２５０℃という高温であることから、表面硬さが低くなって寿命が不十分となるおそれがあるという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、白色組織が生じにくく長寿命な転がり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】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転がり軸受において、前記転動体が下記の３つの条件を満足することを特徴とする。
条件Ａ：焼入れとその後の焼戻しとが施されていて、表面に形成された硬化層の硬さがＨＲＣ６２以上である。
条件Ｂ：マルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅が、全転動体について７．６°以下である。
条件Ｃ：全転動体の前記半価幅の平均値が６．５°以上７．５°以下である。
また、本発明に係る請求項２の転がり軸受は、請求項１に記載の転がり軸受において、前記焼戻しは液体中で行われることを特徴とする。
【０００８】
本発明者らが鋭意研究を行った結果、以下の点が明らかとなった。
・転位密度は、マルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅とほぼ相関関係が成立する。
・焼戻しの時間を十分に長くすることによって、表面硬さを低下させずに前記半価幅を低くすることができるため、白色組織が生じにくくなる。
【０００９】
・１個の転がり軸受に使用される複数の転動体の中で、前記半価幅が高いもの、すなわち転位密度が高いものに、早期剥離が生じやすい傾向がある。
・転動体の前記半価幅が高くなるのは、転動体の寸法，焼戻しに同時に供される転動体の量，焼戻しに使用される炉の特性によって、焼戻しが十分に行われないことが原因であり、大気中よりも液体中で焼戻しを行うと、前記半価幅のバラツキが小さくなり、前記半価幅が著しく高い転動体が製造されることを防ぐことができる。
【００１０】
これらの知見から、前述の３つの条件を満足する転動体を備えた転がり軸受は、高速，高温等の厳しい条件で使用されても、白色組織が生じにくく長寿命であることを見出した。転位密度、すなわち前記半価幅が高いと、水素の侵入に起因する早期剥離が生じやすくなるので、全転動体の前記半価幅を７．６°以下とするとともに、全転動体の前記半価幅の平均値を６．５°以上７．５°以下とする必要がある。
また、転動体の焼戻しを炉中（すなわち気体中）ではなく液体中で行うことにより、焼戻しに供した全ての転動体を均一に加熱することができるので、焼戻しを高温で行ったり複数回繰り返したりすることなく、高硬度で均一な品質（すなわち、前記半価幅のバラツキが小さい）の転動体が得られることを見出した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の転がり軸受は、白色組織が生じにくく長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体（玉）３と、内輪１と外輪２との間に転動体３を保持する保持器４と、シール５，５と、を備えている。そして、内輪１と外輪２との間の転動体３が配された空隙部内には、両軌道面１ａ，２ａと転動体３の転動面３ａとの間の潤滑を行う潤滑剤Ｇ（例えば潤滑油，グリース）が配されている。なお、保持器４とシール５は備えていなくてもよい。
【００１３】
内輪１，外輪２，及び転動体３は鋼で構成されており、焼入れが施された後に焼戻しが施されている。そして、軌道面１ａ，２ａ及び転動面３ａには図示しない硬化層が形成されている。転動体３の硬化層の硬さはＨＲＣ６２以上である。また、転動体３のマルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅は、全転動体ともに７．６°以下である。さらに、全転動体の前記半価幅の平均値は、６．５°以上７．５°以下である。
このような深溝玉軸受は、トライボケミカル反応で発生した水素が転動体３に侵入しにくいので、高速，高温等の厳しい条件で使用されても、白色組織が生じにくく長寿命である。よって、オルタネータ，アイドラプーリのような電装補機に組み込まれる軸受として好適である。
【００１４】
転動体３の焼戻しは、液体中で行うことが好ましい。焼戻しは通常は大気中で行われるが、炉内に被処理物を入れてから所定の温度に到達するまで長時間を要するという問題がある。また、炉内のヒーターの近傍に配された被処理物が比較的短時間で所定の温度に到達するのに対して、ヒーターから離れた位置に配された被処理物は、所定の温度に到達するのに比較的長時間を要する。このように、炉内における位置により昇温速度に差異があるため、処理の結果にバラツキが生じやすく、その結果、被処理物によって転位密度（すなわち前記半価幅）に差異が生じやすい。
そのため、処理の結果のバラツキをなくすために、所定の温度に長時間保持する必要があり、生産性の低下やコストアップに繋がっている。また、極端に長時間焼戻しを施すと、表面硬さが低下してしまうという問題が生じる。
【００１５】
そこで、気体よりも熱伝導率の大きい液体を媒体として加熱を行えば、焼戻し温度に短時間で昇温することが可能であるとともに、処理に供した全被処理物の温度を均一にすることができる。液体の種類は特に限定されるものではないが、油や溶融塩が好ましい。特に、取り扱いやすい油がより好ましい。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受として深溝玉軸受を例示して説明したが、本発明の転がり軸受は、他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
【００１６】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。接触形ゴムシールを備えた呼び番号６３０３の深溝玉軸受（日本精工株式会社製）を、以下のようにして製造した。まず、ＳＵＪ２製の素材を所定の形状に旋削し、８４０℃で３０分間保持した後に６０℃の油に投入することにより焼入れを施し、さらに１７０〜１８０℃で２時間焼戻しを行って軌道輪を得た。
【００１７】
次に、直径１１／３２インチ（８．７３１ｍｍ）の鋼球を、８４０〜８６０℃で３０〜６０分間保持した後に６０℃の油に投入することにより焼入れを施し、さらに１６０℃で焼戻しを行った。そして、表面硬化処理を施した後に研磨を施して転動体を得た。なお、焼戻し時間を種々変更することにより、転位密度が異なる複数種の転動体を製造した。
これらの軌道輪と転動体とを組み立てて深溝玉軸受とし、内部に潤滑剤を充填して寿命試験を行った。用いた潤滑剤は、４０℃における動粘度が１００ｍｍ2 ／ｓのエーテル油とウレア化合物とを含有するグリースである。
【００１８】
寿命試験の内容は、以下の通りである。試験軸受をプーリに組み込み、室温雰囲気下において、１２００Ｎの荷重を負荷した状態でプーリを回転させた（外輪回転）。回転条件は、回転速度１０００ｍｉｎ-1と７０００ｍｉｎ-1とを一定間隔で交互に繰り返すというものである。そして、試験軸受に振動が発生したら、内輪の軌道面に剥離が生じたとみなして試験を終了し、それまでの回転時間を寿命とした。なお、２０００時間回転させても振動が生じなかった場合は、そこで試験を打ち切った。寿命試験の結果を、転動体の表面硬さとともに表１に示す。なお、２０００時間回転させても振動が生じなかった場合の寿命は、２０００時間以上と記してある。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
また、寿命試験終了後に試験軸受を分解し、組み込まれていた全ての転動体について前記半価幅を測定した。すなわち、中心を通る平面で転動体を破断し、鏡面仕上げを施した後に、断面のＸ線回折分析を行い、マルテンサイトのピークの半価幅を求めた。なお、転動体の表面には、塑性加工及び研磨によって加工影響層が形成されているため、この加工影響層よりも内部（深さ２００μｍ以上）においてＸ線回折分析を行った。
【００２１】
Ｘ線回折分析には、株式会社リガク製の微小領域Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ  ＲＡＰＩＤ  IIを用い、線源はＣｒ（Ｋα線）で、回折面αは（２１１）、プローブ径は０．８ｍｍである。また、転動体の表面硬さも測定した。測定結果（全転動体の半価幅の平均値、全転動体のうち最大の半価幅、及び表面硬さ）を表１に併せて示す。また、全転動体の半価幅の平均値と軸受の寿命との関係を図２のグラフに示し、全転動体のうち最大の半価幅と軸受の寿命との関係を図３のグラフに示す。
【００２２】
表１及び図２，３のグラフから分かるように、全転動体の半価幅の平均値が６．５°以上７．５°以下で且つ全転動体のうち最大の半価幅が７．６°以下である実施例１〜５の軸受は、２０００時間回転させても剥離が生じなかった。一方、全転動体のうち最大の半価幅が７．６°超過である比較例１〜５の軸受は、全転動体の半価幅の平均値が６．５°以上７．５°以下であっても、早期剥離が生じて短寿命であった。剥離が生じた転動体を観察したところ、白色組織が観察されるものもあった。
【００２３】
これらの結果から、半価幅の高い転動体は転位密度が高いため、トライボケミカル反応で発生した水素が侵入しやすくなり、早期剥離や白色組織の形成が加速されたものと推測される。軸受に組み込まれた転動体の半価幅にはバラツキがあるため、半価幅の平均値を小さくするだけでは不十分であり、半価幅の高い転動体が存在しないことが必要であることが分かった。
また、比較例６の軸受のように、焼戻し時間が十分に長いために半価幅が６．５°未満となると、表面硬さが低下して短寿命となることが分かる。
【００２４】
次に、焼戻しにおいて用いた熱媒体の種類による軸受の寿命への影響を調査した。直径１１／３２インチの鋼球３０００個に、窒素雰囲気下８５０℃で１時間保持した後に６０℃に急冷することにより、焼入れを施した。そして、大気加熱又は油加熱により焼戻しを施した。大気加熱は加熱炉中で行った。そして、加熱炉の設定温度を１６０℃とし、加熱炉内の温度計の測定値が１６０℃に到達したら、それから２時間保持し、その後に大気中で空冷した。油加熱は１６０℃の油浴中で行った。油には、出光興産株式会社製のダフニーハイテンプオイルＴ（商品名）を使用した。焼戻しの条件は、大気加熱と同様に１６０℃で２時間である。
【００２５】
このような熱処理を施した鋼球を無作為に２０個ずつ抜き取って、前述と同様の方法で半値幅を測定した。その結果、大気加熱の場合は、全転動体の半価幅の平均値は７．１°で、全転動体のうち最大の半価幅は７．７°であった。つまり、半価幅の平均値は６．５°以上７．５°以下の範囲内であったが、半価幅が７．６°超過のものが存在していた。一方、油加熱の場合は、全転動体の半価幅の平均値は７．０°で、全転動体のうち最大の半価幅は７．３°であった。
前述したように、大気加熱の場合は、炉内温度と被処理物の温度との間に差が生じやすいため、焼戻しが不十分なものが少量製造されたと考えられる。これに対して、油加熱の場合は、均一な焼戻しが施され、半価幅のバラツキが生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構成を示す部分縦断面図である。
【図２】全転動体の半価幅の平均値と軸受の寿命との関係を示すグラフである。
【図３】全転動体のうち最大の半価幅と軸受の寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      転動体
３ａ    転道面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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