(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手部材に対して転がり接触するころと、前記相手部材との間の潤滑油の最小油膜（μｍ）と相手部材の表面粗さ（Ｒｑ）とで求められる油膜係数Λ（μｍ／Ｒｑ）が０．４８〜０．６の範囲の潤滑状態で使用されるとともに、
このころの表層部分に、浸炭窒化焼入れ処理または窒化焼入れ処理を施して炭・窒化物を形成すると同時に、表層部分の基質を高炭素、高窒素とする工程と、１７０〜２７０℃の範囲で焼き戻し処理することにより深さ方向で０．５ｍｍまでの残留オーステナイト量を２〜１２％に管理する工程とを含む特殊熱処理が施され、
前記ころの表面にリン酸塩皮膜処理が施されることにより表面の粗さが改変された皮膜が被覆形成されている、ことを特徴とする保持器付針状ころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、保持器付針状ころ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車の変速装置などに用いられるギヤインナー用軸受としては、内輪や外輪を用いない保持器付針状ころ軸受と呼ばれるものが用いられるが、このような保持器付針状ころ軸受では、その軌道輪が軸受使用対象に設置されるギヤや軸などとされる。
【０００３】
これらの相手部材は、その表面状態が軸受軌道輪のように高精度に管理されていないので、潤滑油が希薄で潤滑条件が厳しいような環境では針状ころの表面にピーリングと呼ばれる摩耗が発生しやすくなるなど、針状ころの耐久性が低下しやすいと言える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して従来から、針状ころ表面に特殊な熱処理を施すことにより表面硬さを高くすることが行われており、それによって耐摩耗性など一定の効果を得ている。耐摩耗性を高めるには、表面硬さを硬くすればよいのであるが、あまり硬くしすぎると、今度は相手部材を攻撃することになるなどの弊害が発生する。ここに改良の余地がある。
【０００５】
このような事情に鑑み、本発明は、保持器付針状ころ軸受において、転がり接触領域の損傷を長期にわたって抑制しつつ、相手部材への攻撃性を低減できるようにすることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり部品は、相手部材に対して転がり接触するころと、前記相手部材との間の潤滑油の最小油膜（μｍ）と相手部材の表面粗さ（Ｒｑ）とで求められる油膜係数Λ（μｍ／Ｒｑ）が０．４８〜０．６の範囲の潤滑状態で使用されるとともに、このころの表層部分に、浸炭窒化焼入れ処理または窒化焼入れ処理を施して炭・窒化物を形成すると同時に、表層部分の基質を高炭素、高窒素とする工程と、１７０〜２７０℃の範囲で焼き戻し処理することにより深さ方向で０．５ｍｍまでの残留オーステナイト量を２〜１２％に管理する工程とを含む特殊熱処理が施され、前記ころの表面にリン酸塩皮膜処理が施されることにより表面の粗さが改変された皮膜が被覆形成されている、ことを特徴としている。
【０００９】
要するに、本発明では、針状ころの表層部分に対して特殊熱処理を、また表面にリン酸塩皮膜処理を施したものとしている。
【００１０】
前述の特殊熱処理では、針状ころの金属母材である高炭素鋼材の表層部分の基質を改変することにより、表層部分の残留圧縮応力が高められて適度に硬くされる。
【００１１】
また、リン酸塩皮膜処理では、特殊熱処理後における高炭素鋼材の表面の面粗さや粗さの形態を改変することにより、潤滑油の保持性に優れた皮膜の付着強度が可及的高められて残存されやすくなる。
【００１２】
これにより、針状ころそのものの耐熱性、耐摩耗性、転がり疲労寿命、寸法安定性を可及的に高めて、相手部材に対する攻撃性をも緩和することが可能になり、しかも、潤滑油の希薄な環境であっても、針状ころと相手部材とが油膜を介する接触となって金属母材どうしの接触にならずに済む。このため、針状ころの表面が損傷しにくくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１４】
図１ないし図７は本発明の一実施の形態を示している。図１は、保持器付針状ころ軸受（以下、保持器付針状ころと略記する）を示す縦断面図、図２は、針状ころの表面を模式的に示す断面図、図３は、特殊熱処理後の針状ころの硬さ分布を示す図、図４は、特殊熱処理での焼入れ後の針状ころの表層部分における残留オーステナイト量を示す図、図５は、特殊熱処理での焼き戻し後の針状ころの表層部分における残留オーステナイト量を示す図、図６は、試験装置の縦断面図、図７は、試験結果を示す図表である。
【００１５】
図中、１０は保持器付針状ころ、１１は複数の針状ころ、１２は保持器である。この実施形態では、針状ころ１１における表層部分の基質ならびに表面部分の性状を下記するような形態に特定していることに特徴がある。
【００１６】
針状ころ１１は、高炭素鋼材を母材としたものであり、それの表層部分に対して特殊熱処理を、また表面にリン酸塩皮膜処理を施したものとしている。なお、前述の高炭素鋼材としては、例えばＪＩＳ規格でのＳＵＪ−２、ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣＭ２２０Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣＭ８１５や、ＳＡＥ規格での４３２０、５１２０などが挙げられる。
【００１７】
そして、特殊熱処理とは、金属母材の表層部分に深さ方向での残留オーステナイト量を管理することにより残留圧縮応力を高めるものである。
【００１８】
リン酸塩皮膜処理とは、リン酸マンガン皮膜処理、リン酸亜鉛皮膜処理、リン酸鉄皮膜処理、リン酸すず皮膜処理などを含む広義の表現であり、これらいずれを採用してもよいが、この実施形態では、リン酸マンガン皮膜処理を施す例を挙げる。
【００１９】
次に、上記特殊熱処理とリン酸マンガン皮膜処理とについて詳細に説明する。
【００２０】
まず、特殊熱処理では、高炭素鋼材からなる針状ころ１１の表層部分に、浸炭窒化焼入れ処理または窒化焼入れ処理を施して炭・窒化物を形成すると同時に、表層部分の基質を高炭素、高窒素とする工程と、焼き戻し処理を施して残留オーステナイト量を管理する工程とを含む。
【００２１】
前述した浸炭窒化焼入れ処理または窒化焼入れ処理では、炭素や窒素を含む密封空間において雰囲気温度を７８０〜９００℃の範囲、好ましくは８３０℃とした状態で、３時間行う。焼き戻し処理では、雰囲気温度を１７０〜２７０℃の範囲、好ましくは２２０℃とした状態で、２時間行う。
【００２２】
これにより、表面硬度は、ＨＲＣ６０〜６５とすることができ、表層部分のごく浅い領域における残留オーステナイト量は約１２〜２％に、その他の領域を０％にすることができる。
【００２３】
ちなみに、表面硬度と、残留オーステナイト量について、処理形態別に調べたので、説明する。ここでは、実施形態品１，２と、比較品について調べている。
【００２４】
実施形態品１は、ＪＩＳ規格ＳＵＪ−２とし、浸炭窒化焼入れ処理を施してから２３０℃で焼き戻し処理を施している。
【００２５】
実施形態品２は、ＪＩＳ規格ＳＵＪ−２とし、浸炭焼入れ処理を施してから２３０℃で焼き戻し処理を施している。
【００２６】
比較品は、ＪＩＳ規格ＳＵＪ−２とし、普通焼入れ処理を施してから２３０℃で焼き戻し処理を施している。
【００２７】
まず、硬さについては、図３に示すとおりであり、実施形態品１のものについて最も硬くできる。但し、比較品のみは、表面から深さ方向の全域にわたってほぼ均一な硬さになっている。
【００２８】
また、残留オーステナイト量について、焼入れ後の段階では、図４に示すように表面から深さ０．５ｍｍまでの領域で、約４０〜３０％となるが、焼き戻し後には、図５に示すように、約１２〜２％に変化する。そして、比較品のみは、表面から深さ方向の全域にわたってほぼ均一な量になっている。
【００２９】
また、リン酸マンガン皮膜処理では、例えば特開平６−１５９３７１号公報に示されるように、リン酸マンガン皮膜処理液（リン酸マンガン化合物の水溶液）を用いる。このリン酸マンガン皮膜処理を施すと、針状ころ１１の表面には、例えば図２に誇張して示すように、互いに独立したくぼみ２０が腐食により形成されるとともに、この表面全体にリン酸マンガンからなる皮膜２１が被覆形成される。このリン酸マンガン皮膜２１は、化学式で（Ｍｎ1-XＦｅｘ）3Ｈ2（ＰＯ4）4・４Ｈ2Ｏと表され、結晶構造が単斜晶系である。
【００３０】
そして、この実施形態では、リン酸マンガン皮膜処理を施すにあたって、処理対象となる金属母材の表面状態や皮膜２１の膜厚や表面状態を、下記▲１▼〜▲４▼に記載の条件を満たすように管理している。
【００３１】
▲１▼  針状ころ１１の表面に、粗さ中心線を基準（＝０）とする深さ０．５μｍ以上のくぼみ２０を１ｍｍ幅当たり１５個以上互いに独立して設ける。
【００３２】
▲２▼  針状ころ１１の表面における面粗さのパラメータＳＫ値を０未満かつパラメータＲｑ値を０．１以上とする。ＳＫとは、周知のように表面粗さ分布の偏りを見るのに用いるもので、このＳＫ値が０未満とは、マイナス値であり、凹凸分布が凹側に偏った非対称な分布になるような表面状態を示す。Ｒｑとは、周知のように自乗平均平方根粗さのことである。
【００３３】
▲３▼  皮膜２１の膜厚を、５μｍ以下とする。
【００３４】
▲４▼  皮膜２１の表面の面粗さのパラメータＲｑを１．５以下、好ましくは０．３〜０．７とする。
【００３５】
次に、上述した処理を施した針状ころ１１についての性能を、図６に示す試験装置５０を用いて調べているので、説明する。
【００３６】
図６において、５１は図示しないモータなどにより回転駆動される駆動軸、５２は駆動軸５１により回転される従動軸、５３は駆動軸５１の支持台、５４は従動軸５２の支持枠、５５，５６は駆動軸５１のサポート軸受、５７，５８は従動軸５２のサポート軸受、６０は駆動軸５１に固定される駆動試料、６１は従動軸５２に固定される従動試料である。
【００３７】
試験では、駆動軸５１の回転数を１０００ｒｐｍとし、駆動試料６０と従動試料６１とに対して付加するラジアル荷重を最大接触面圧で換算して２．２５ＧＰａとし、運転時間を２０時間（ｈｒ）とする。使用する潤滑油は、タービン油ＶＧ３２とし、駆動試料６０と従動試料６１との間の潤滑油の最小膜厚を、０．２８４μｍとなるように管理する。この潤滑油の最小膜厚（μｍ）と、下記する駆動試料６０の表面粗さ（Ｒｑ）とで求められる油膜係数Λ（μｍ／Ｒｑ）については、０．４８〜０．６の範囲に管理される。この油膜係数は、潤滑状態を示す指標であり、上述した具体数値は、例えばギヤインナー用軸受として用いる保持器付針状ころの一般的な潤滑状態に近似させ、かつ加速試験状態となるように考慮している。
【００３８】
駆動試料６０は、針状ころ１１が転がり接触する相手部材に相当するものであり、例えば表面硬度がＨＲＣ６１〜６２に設定された一般的なＪＩＳ規格ＳＵＪ−２で形成し、その表面粗さを自乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）で０．５２８〜０．５９４に設定している。
【００３９】
従動試料６１は、針状ころ１１に相当するものである。この従動試料６１について、実施形態品と、比較品１，２とを用意している。実施形態品では、例えば表面硬度がＨＲＣ６１〜６２に設定された一般的なＪＩＳ規格ＳＵＪ−２で形成し、その表面に種々な条件のリン酸マンガン皮膜処理による皮膜２１を形成している。このリン酸マンガン皮膜処理の条件は、上述した形態とする。また、比較品１は、金属母材に対して特殊熱処理のみを施したものとし、さらに、比較品２は、金属母材に対して特殊熱処理もリン酸マンガン皮膜処理も施していないものとしている。
【００４０】
そして、従動試料６１の表面においてピーリング発生の有無を確認し、ピーリングが発生した時点で寿命に至ったと判定している。このピーリングとは、一般的に、微視的には表面亀裂を伴った深さ数ミクロン、大きさ数十ミクロンの微小はくりが発生する現象のことであり、巨視的には、表面の薄皮がはがれたようになる現象のことである。
【００４１】
結果としては、図７に示すように、比較品１が約２０時間、比較品２が約１０時間であったのに対して、実施形態品は２５０時間と飛躍的に延びた。
【００４２】
このような結果により、針状ころ１１などの転がり部品について、その表層部分に特殊熱処理を施して、その表面粗さを上述したような条件に特定したうえで、この表面にリン酸マンガンからなる皮膜２１を形成すれば、耐久性が飛躍的に向上して長寿命化を達成できるようになると言える。
【００４３】
以上説明した実施形態では、針状ころ１１そのものの耐摩耗性が向上して相手部材に対する攻撃性を緩和できるうえ、潤滑油の希薄な環境であっても、針状ころ１１の表面に潤滑油の油膜が途切れることなく形成されることになって、針状ころ１１と相手部材との直接的な金属接触を防止できるようになるので、針状ころ１１の表面におけるピーリング損傷や疲労剥離の発生を長期にわたって抑制できるようになる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００４６】
上記実施の形態では、針状ころの表面にリン酸マンガン皮膜処理を施す例を挙げたがその他にも、広義の表現であるリン酸塩皮膜処理に含まれるリン酸亜鉛被膜処理、リン酸鉄皮膜処理、リン酸すず皮膜処理などとすることもできる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明では、針状ころそのものの耐熱性、耐摩耗性、転がり疲労寿命、寸法安定性を可及的に高めて、相手部材に対する攻撃性をも緩和することが可能になり、しかも潤滑油の希薄な環境であっても、針状ころと相手部材とが油膜を介する接触となって金属母材どうしの接触とならずに済むから、針状ころ表面におけるピーリングや疲労剥離などの損傷を長期にわたって抑制できるようになるなど、長寿命化を達成できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる保持器付針状ころの縦断面図
【図２】針状ころの表面を模式的に示す断面図
【図３】特殊熱処理後の針状ころの硬さ分布を示す図
【図４】特殊熱処理での焼入れ後の針状ころの表層部分における残留オーステナイト量を示す図
【図５】特殊熱処理での焼き戻し後の針状ころの表層部分における残留オーステナイト量を示す図
【図６】試験装置の縦断面図
【図７】試験結果を示す図表
【符号の説明】
１０      保持器付針状ころ
１１      針状ころ
２０      針状ころ表面のくぼみ
２１      針状ころ表面の皮膜
【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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【図６】
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【図７】
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