JP2000257636A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧延機用軸受のように、潤滑剤中に水や固体異
物が混入する環境で、安価で長寿命の軸受を提供する。 【解決手段】内輪及び外輪及び転動体のうちの少なくと
も一つの転がり面の炭素濃度を０．３０％以上０．８０
％以下とすることにより、必要最小限の硬さを保持し且
つ転がり面の旧オーステナイト粒界にフィルム状炭化物
が析出するのを減少する。また、そのフィルム状炭化物
の析出を促進するＰ、Ｓｂ、Ａｓの量を規定する。ま
た、炭化物を微細に分散させる効果があるＡｌ、Ｎ、Ｍ
ｏ、Ｂ、Ｎｂ、Ｖの量を規定する。また、腐食疲労寿命
に有害な１３μｍ以上の酸化物系介在物の存在頻度を規
定し、その元素であるＯやＳの量を規定する。また、固
体異物の侵入抑制のために密封シールを装着し、転動体
には２０ｍｍ以上のころを使用する。また、転がり面の
表面硬さを維持するために、残留オーステナイト量を規
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧延機ワー
クロール用転がり軸受のように、潤滑剤に水が混入する
環境下で使用される鋼製の転がり軸受に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】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
れており、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て、軸受の転がり疲れ寿
命が数分の１から２０分の１程度まで低下することが報
告されている（古村恭三郎、城田伸一、平川清：「表面
起点及び内部起点の転がり疲れについて」、NSK Bearin
g Journal, No.636, pp.1-10, 1977 ;以下「文献１」と
いう）。

【０００３】水分の潤滑剤への混入は転がり軸受の寿命
特性（耐久性）に多大な影響を及ぼすことが前記文献１
からも明らかであり、従来より水分の潤滑剤への混入を
防止する技術が、前記転がり軸受の用途に応じて種々検
討され、開発されている。潤滑剤に水分が浸入すること
を想定して使用される転がり軸受としては、例えば鉄鋼
材料の圧延機のワークロール用軸受がある。このワーク
ロール用軸受は、従前においては軸受を内有したチョッ
ク（軸受箱）に接触ゴムシールを装着し、多量の圧延水
がチョック内に浸入するのを防止することにより、軸受
内部に封入されている潤滑剤に水分が混入するのを防い
でいた。しかし、この手法では、前記接触ゴムシールの
劣化や損傷が生じた場合は、チョック内に水が浸入し、
その結果、軸受内部の潤滑剤にも水分が混入し得る。こ
のため、最近では軸受内部にも接触ゴムシール（以下、
このゴムシールを密封シールとも記す）を装着すること
により、潤滑剤に水分が混入するのを回避しようとする
技術が提案されている（K.YAMAMOTO, M.YAMAZAKI, M.AK
IYAMA, K.FURUMURA : 「Introduction of Sealed Beari
ng for Work Roll Necks in Rolling Mills 」, Procee
ding of the JSLE international Tribology Conferenc
e, pp.609-614, July8-10, 1985, Tokyo, Japan ; 以下
「第１の従来技術」とも記す）。

【０００４】この第１の従来技術によれば、軸受外部の
チョックに装着された接触シールと軸受内部に装着され
た密封シールとを併用することにより、前記チョックに
装着された接触ゴムシールのみで水分浸入を防いでいた
場合に比べて、潤滑剤中の水分濃度を４０％から１０％
未満に低減することができ、更には毎年数回あった軸受
の破損事故も皆無になったことが報告されている。ま
た、軌道面の圧痕も極めて少なく、その大きさも小さく
なったことが報告されている。

【０００５】また、前述したワークロール用軸受におい
て、潤滑剤への水分混入を防止する他の従来技術として
圧搾空気をキャリアガスとして潤滑剤をチョックに供給
する技術も提案されている（NSK Technical Journal N
o.654, pp.54-56, 1992 ;以下「第２の従来技術」とも
記す）。この第２の従来技術においては、圧搾空気を利
用してチョック内の空気圧力を高く設定することによ
り、潤滑剤への水分混入を抑制することが可能となる。

【０００６】また、材料面からは、軸受に使用される軸
受材料としてマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４
４０Ｃ）を使用することにより、軸受への水分付着によ
る錆の発生を防止し、耐久性が低下するのを回避せんと
している（転がり軸受工学編集委員会編：転がり軸受工
学, pp.71-72, 養賢堂（1986年）；以下「第３の従来技
術」とも記す）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記第１の
従来技術は、前述のように潤滑剤中の水分濃度を４０％
から１０％未満に減少させることが可能であり、また潤
滑剤の消費量を低減することができ、その後のワークロ
ール用軸受の使用実績を調査した結果、焼付き事故は激
減していることが判明したが、剥離発生までの使用時
間、即ち軸受寿命Ｌは余り向上していないことが分かっ
た。これは、前記焼付き事故の減少が軸受に内蔵された
密封シールにより潤滑剤の外部への流出が減少したため
であり、前記軸受寿命Ｌが向上していないのは、潤滑剤
への水分の混入により、軸受の転がり疲れ強さが大幅に
低下するためと考えられる。

【０００８】即ち、１００ｐｐｍ程度の微量の水分が潤
滑剤に混入した場合であっても、軸受材料の転がり疲れ
強さは３２〜４８％も低下することが報告されており
（P.Schatzberg, I.M.Felsen :「Effects of water and
oxygen during rolling contact lubrication, wear,
12, pp.331-342, 1968 ;以下「文献２」とも記す）、軸
受外のチョックに装着された接触ゴムシールと軸受に内
蔵された密封シールとを併用した場合、潤滑在中の水分
濃度を１０％未満まで抑制することはできるものの、潤
滑剤への水分混入を完全には防止することができず、文
献２も指摘しているように軸受材料の転がり疲れ強さが
低下するのを避けることができない。つまり、前記第１
の従来技術では、潤滑剤への水分の混入を完全には防止
できないため、軸受材料の転がり疲れ強さが低下し、所
望の耐久性を有する軸受寿命Ｌを得ることができないと
いう問題点がある。

【０００９】また、前記第２の従来技術は、チョック内
の空気圧を高くすることにより、水分の浸入を防止して
いるため、第１の従来技術のようにゴムシールの防水能
力には依存しないものの、やはり潤滑剤中の水分濃度を
１００ｐｐｍ以下にするような略完璧に近い水分浸入防
止を図るのは困難であるという問題点がある。また、前
記第３の従来技術については、ステンレス鋼の熱伝導度
が低合金鋼の熱伝導度に比べて低いために焼付き破損が
生じ易く、潤滑剤中に水分が混入する前述のような潤滑
条件の悪い転がり軸受への適用は困難であるという問題
点がある。また、前記ステンレス鋼の耐食性は表面に生
成される不働態被膜により維持されるものであるが、転
がり軸受においては、軌道輪の軌道面と転動体の転動面
とが接触すると、この不働態被膜が破られ、その結果、
選択的に腐食が進行して孔（ピット）が生成されるた
め、この孔を起点とした剥離破損が生じ易いという問題
点もある。また、軸受を製造するに際しても、ステンレ
ス鋼の場合は焼入温度が１０１０〜１０７０℃と高く、
加熱炉としては塩浴炉を使用する必要があるため、生産
設備の高騰化を招く恐れがある。また、前述のようにス
テンレス鋼は熱伝導度が低いため、研削速度が低下して
研削コストが高価なものとなり、更には高合金鋼である
ことから素材コストの高騰化を招来するという問題もあ
る。

【００１０】本発明は前記諸問題を解決すべく開発され
たものであり、外部から潤滑剤に水分が混入したり、或
いは潤滑剤中の水分濃度の影響を受けたりする使用環境
下であっても、十分な軸受寿命を安価にして得ることが
できる転がり軸受を提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】而して、本発明に係る転
がり軸受は、内輪及び外輪及び転動体から構成される鋼
製の転がり軸受において、前記内輪及び外輪及び転動体
のうちの少なくとも一つの転がり面の炭素濃度が０．３
０％以上０．８０％以下であることを特徴とするもので
ある。

【００１２】また、前記内輪及び外輪及び転動体のうち
の少なくとも一つのＰ、Ｓｂ、Ａｓの加重加算濃度［％
Ｐ］＋１０［％Ｓｂ］＋１０［％Ａｓ］が０．１００％
以下であることが望ましく、更に望ましくは０．０７５
％以下、更々に望ましくは０．０６０％以下とすること
により、水混入潤滑下で軸受寿命を安定して向上するこ
とができる。

【００１３】また、前記内輪及び外輪及び転動体のうち
の少なくとも一つのＡｌ、Ｎの濃度の積［％Ａｌ］×
［％Ｎ］が０．０００１％以上０．０１％以下であるこ
とが望ましい。ここで、前記積の単位は％の２乗である
が、表記上の簡便さのために％と記す。また、前記内輪
及び外輪及び転動体のうちの少なくとも一つのＭｏ濃度
［％Ｍｏ］が０．１０％以上１．５％以下であることが
望ましい。

【００１４】また、前記内輪及び外輪及び転動体のうち
の少なくとも一つのＯ濃度［％Ｏ］、Ｓ濃度［％Ｓ］の
加重加算濃度１０［％Ｏ］＋［％Ｓ］が０．０２５％以
下であることが望ましい。また、前記内輪及び外輪及び
転動体のうちの少なくとも一つの平均径１３μｍを越え
る酸化物系介在物の存在頻度が３０００ｍｍ² 当たり１
０個以下であることが望ましい。

【００１５】また、前記内輪及び外輪及び転動体のうち
の少なくとも一つのＢ濃度［％Ｂ］が０．００１％以上
０．００５％以下で、Ｎ濃度［％Ｎ］が０．００５％以
下で、Ｔｉ濃度［％Ｔｉ］、Ｎｂ濃度［％Ｎｂ］が夫々
０．０１％以上０．１％以下であることが望ましい。ま
た、前記内輪及び外輪及び転動体のうちの少なくとも一
つのＮｂ濃度［％Ｎｂ］が０．０３％以上０．３％以下
であることが望ましい。

【００１６】また、前記内輪及び外輪及び転動体のうち
の少なくとも一つのＶ濃度［％Ｖ］が０．０５％以上
０．５％以下であることが望ましい。また、密封シール
を装着していることが望ましい。また、転動体にころを
使用し、その直径がφ２０ｍｍ以上であることが望まし
い。

【００１７】また、転がり面の残留オーステナイト濃度
が１０％以上４０％以下であることが望ましい。また、
転動体の転がり面の表面硬さが、少なくとも何れかの軌
道輪の転がり面の表面硬さより低いことが望ましい。本
発明の臨界的意義は以下の通りである。

【００１８】潤滑剤の中に水分が混入すると、転がり軸
受の寿命は大きく低下する。破損メカニズムは、表面起
点型の腐食疲労である。即ち、（１）水が転動体と軌道
輪との間に存在すると油膜が形成されにくくなり、転動
体と軌道輪とが金属接触し、（２）転動体と軌道輪との
間に発生する滑りが転がり面に接線力、即ち引張応力を
負荷し、（３）両者の結果、水素脆化した転がり面が旧
オーステナイト粒界の炭化物或いは転がり面の非金属介
在物（これは必ずしも旧オーステナイト粒界に存在する
とは限らない）を起点として薄く表面が剥がれるという
メカニズムである。

【００１９】回転する軸受の中で単位時間当たりの平均
接触面圧の高い転がり面ほど腐食疲労し易く、そこから
剥離する頻度も高い。ここで、単位時間当たりの平均接
触面圧とは、勿論転がり面の任意の点（点接触の場合）
又は線（線接触の場合）について算出したものである。
一般的なラジアル軸受においては、非回転側軌道輪の最
大応力負荷位置の軌道面が、単位時間当たりの平均接触
面圧が最も高い面で、剥離は、そこから起こり易い。従
って、非回転側軌道輪の寿命の延長を図ることが軸受寿
命の延長に最も効果的である。但し、寿命延長の必要性
が更に高ければ、更に回転側軌道輪や転動体の寿命延長
も軸受寿命の延長に効果的である。

【００２０】ここで、回転側軌道輪と転動体の何れの腐
食疲労が大きいかは、その軸受で、どちらの単位時間当
たりの平均接触面圧が高いかによって異なる。例えば、
アキシャル荷重がなく、ラジアル荷重のみが負荷される
内輪回転の円筒ころ軸受においては、内輪（回転側軌道
輪）の方がころ（転動体）よりも単位時間当たりの平均
接触面圧が高い。一般的な内輪回転のラジアル軸受にお
いては、外輪の最大応力負荷位置の軌道面が単位時間当
たりの平均接触面圧の最も高い面で、転動体の転がり面
が単位時間当たりの平均接触面圧の最も低い面である。

【００２１】一方、軌道輪内に最大応力負荷位置のない
アキシャル軸受においては、非回転側軌道輪が必ずしも
単位時間当たりの平均接触面圧の最も高い面を含むとは
限らない。例えば、アキシャル荷重のみを受ける内輪回
転の円錐ころ軸受においては、内輪、即ち回転側軌道輪
の転がり面の単位時間当たりの平均接触面圧が最も高
い。このように、本願発明の「内輪及び外輪及び転動体
のうちの少なくとも一つ」の意図するところは、「内輪
及び外輪及び転動体のうち少なくとも最も剥離し易い部
位」ということである。これは、原則として単位時間当
たりの平均接触面圧の最も高い面を含む部位ということ
である。一般的なラジアル軸受では、非回転側軌道輪が
その部位に当たる。

【００２２】但し、幾つかの例外がある。例えば一般的
な内輪回転のラジアル軸受においても、軸と内輪との嵌
め合いが締まり嵌めで、その程度が大きいと、内輪の軌
道面に引張応力が作用し、前述した破損メカニズムの
（２）における引張応力を増大し、内輪が最も短寿命の
部位となる場合がある。この場合は、内輪（回転側軌道
輪）の長寿命化が最も効果的であるから、本願発明の
「内輪及び外輪及び転動体のうちの少なくとも一つ」は
内輪になる。また、前述のように一般的な内輪回転のラ
ジアル軸受においては、転動体の転がり面が単位時間当
たりの平均接触面圧の最も低い面で、最も剥離しにくい
が、転動体が剥離し、割損すると、その転動体が回転し
なくなるために、その前を走る転動体との間の保持器が
過大な引張応力により切れてしまい、軸受は全く回転し
なくなり、軸受を使用する機器が完全に停止してしまう
ことがある。従って、このような重大事故を防止したい
場合は、本願発明の「内輪及び外輪及び転動体のうちの
少なくとも一つ」の意図するところは、剥離頻度は最も
小さいが、剥離すると重大事故につながる可能性のある
転動体である。

【００２３】前記腐食疲労寿命（腐食疲労による剥離が
発生するまでの時間や累積回転数）を延長するために
は、剥離起点となる転がり面の旧オーステナイト粒界の
フィルム状炭化物の低減、及び転がり面の非金属介在物
の低減が有効である。転がり面の旧オーステナイト粒界
にフィルム状炭化物が析出するのを減少するには、まず
炭化物総量の低減、即ち転がり面の炭素濃度の低減が有
効である。これを行うと、その鋼の純粋な転がり疲れ強
さ、即ち水や鉄粉などの固体異物の混入しない純粋な潤
滑在中で潤滑され、油膜形成が十分になされたときの転
がり疲れ強さ、及び固体異物混入下の転がり疲れ強さが
共に低下してしまうが、水混入潤滑下での転がり疲れ強
さは向上する。従って、前記転がり面の炭素濃度の低減
は、水混入潤滑下で使用される転がり軸受に有効であ
る。

【００２４】転がり面の適正な炭素濃度は、０．３％以
上０．８％以下である。０．３％未満となると硬さがＨ
ＲＣ５０未満となるので、純粋な転がり疲れ強さが著し
く低下し、腐食疲労による表面起点型の剥離が発生する
前に、純粋な転がり疲れによる内部起点型剥離が発生し
てしまう。従って、転がり面の適正な炭素濃度の下限値
は０．３％である。一方、炭素濃度が０．８％を超える
と、旧オーステナイト粒界に炭化物を著しく析出し、前
記腐食疲労寿命を著しく低下させるので、転がり面の適
正な炭素濃度の上限値は０．８％である。但し、転がり
面の炭素濃度を０．８％から下げていくと、０．７％ま
では更に前記腐食疲労寿命を改善でき、０．５％以下で
飽和するので、更に望ましい転がり面の炭素濃度の範囲
は、順次０．３％以上０．７％以下、０．３％以上０．
６％以下、０．３％以上０．５％以下である。転がり面
の炭素濃度の低減は、硬さを低下させるが、軸受に負荷
される荷重（厳密な表現としては動等価荷重）Ｐが、静
定格荷重Ｃ₀ の８割以内であれば何ら問題を生じない。
荷重Ｐが静定格荷重Ｃ₀ の８割を越えると、転がり面の
炭素濃度を低減しても、水混入潤滑寿命は余り改善され
なくなる。

【００２５】前記腐食疲労寿命を延長するためには、熱
処理方法として、浸炭焼入処理（浸炭窒化焼入処理も含
む）が、ずぶ焼入処理よりも望ましい。その処理により
発生する転がり面の圧縮残留応力が前記破損メカニズム
の（２）における引張応力を減少させるからである。な
お、ベイナイト焼入処理は、Ｍｓ点（マルテンサイト変
態開始温度）以下に焼入れするずぶ焼入処理に比べて、
旧オーステナイト粒界にフィルム状の炭化物を析出させ
にくく、更に転がり面の残留応力もずぶ焼入処理よりも
圧縮側となるので、浸炭焼入処理と同等の効果が得られ
る。前述のように、ベイナイト焼入処理は、ずぶ焼入処
理に比べて、旧オーステナイト粒界にフィルム状の炭化
物を析出させにくいので、適正な炭素濃度の上限値は
１．１％である。但し、ベイナイト焼入処理は、ずぶ焼
入処理よりも硬さが低く、硬さＨＲＣ５０を得るための
炭素濃度値は０．４％を必要とするので、この場合の適
正な炭素濃度の下限値は０．４％である。一方、高周波
焼入処理は、処理後の組織が不均一で、その結果、局部
的な引張応力を内在するので前記腐食疲労寿命を延長で
きない。

【００２６】Ｐ、Ｓｂ、Ａｓは、旧オーステナイト粒界
に存在する不純物元素であるが、これらは、炭化物をフ
ィルム状に析出するのを助長するので、それらの低減が
望ましい。ＳｂとＡｓはＰの約１０倍有害であるので、
これら不純物の濃度の和は、加重加算して［％Ｐ］＋１
０×［％Ｓｂ］＋１０×［％Ａｓ］で与える。この加重
加算値が０．０６０％を超えると、前記腐食疲労寿命は
僅かに低下し始め、０．１００％を超えると、前記腐食
疲労寿命は低下し、０．０５０％を超えると著しく低下
するので、その上限値は０．１００％、望ましくは０．
０７５％、更に望ましくは０．０６０％である。なお、
転がり面の炭素濃度が、０．８％を超える範囲で、前記
加重加算値［％Ｐ］＋１０×［％Ｓｂ］＋１０×［％Ａ
ｓ］を０．１００％以下或いは０．０７５％以下或いは
０．０６０％以下にしても、炭化物量が多すぎてフィル
ム状炭化物に成長してしまい、単にこの加重加算値［％
Ｐ］＋１０×［％Ｓｂ］＋１０×［％Ａｓ］を０．１０
０％以下或いは０．０７５％以下或いは０．０６０％以
下にしても、前記腐食疲労寿命は向上しない。

【００２７】窒化アルミニウムは、旧オーステナイト粒
界に微細な粒子として存在し、炭化物析出の核となり、
炭化物を微細に分散させる効果があるので、旧オーステ
ナイト粒界のフィルム状炭化物の析出の抑制に有効であ
る。窒化アルミニウムの析出のためには、鋼のＮ濃度
［％Ｎ］とＡｌ濃度［％Ａｌ］の積［％Ｎ］×［％Ａ
ｌ］を０．０００１％以上０．０１％以下、望ましくは
０．０００３％以上０．０１％以下にする必要がある。
前記積［％Ｎ］×［％Ａｌ］が０．０００１％未満で
は、窒化アルミニウムが少なすぎて旧オーステナイト粒
界で析出する炭化物がフィルム状になり、０．０００１
％以上で炭化物の微細、分散効果が現れ、０．０００３
％以上で炭化物の微細、分散効果が十分に現れる。一
方、０．０１％を超えると窒化アルミニウムが多過ぎて
窒化アルミニウム自身が凝集するようになり、有害な非
金属介在物として作用するため、逆に腐食疲労寿命を低
下させる。なお、Ａｌは脱酸剤として鋼に添加する必要
があり、脱酸効果を上げるためには、その濃度を０．０
１％以上とすることが望ましい。また、Ａｌを過剰に添
加すると溶鋼表面での再酸化により大型非金属介在物を
形成し易くなるので、Ａｌ濃度の上限値は０．１％とす
ることが望ましい。また、Ｎ濃度は、窒化アルミニウム
の形成を容易にするために０．００５％以上であること
が望ましく、旧オーステナイト粒界において、鉄との粗
大な化合物として析出するのを抑制するために、０．３
％以下であることが望ましい。なお、転がり面の炭素濃
度が０．８％を超える範囲で、Ｎ濃度［％Ｎ］とＡｌ濃
度［％Ａｌ］の積［％Ｎ］×［％Ａｌ］を０．０００１
％以上０．０１％以下にしても、炭化物量が多過ぎてフ
ィルム状炭化物が析出してしまうので、単にＮ濃度［％
Ｎ］とＡｌ濃度［％Ａｌ］の積［％Ｎ］×［％Ａｌ］を
０．０００１％以上０．０１％以下にしても、前記腐食
疲労寿命は向上しない。

【００２８】Ｂは、旧オーステナイト粒界にあっては、
炭化物を微細に分散させる効果があり、前記腐食疲労寿
命を向上させる。但し、ボロンナイトライドの生成を抑
制するために、Ｎ濃度［％Ｎ］を０．００５％以下、Ｔ
ｉ濃度［％Ｔｉ］、Ｎｂ濃度［％Ｎｂ］を夫々、０．０
１％以上０．１０％以下添加することが望ましい。Ｂを
０．００１％以上０．００５％以下添加すると、旧オー
ステナイト粒界における炭化物の微細化効果を促進する
ことができ、前記腐食疲労寿命を更に向上することがで
きる。Ｂが０．００１％未満では効果がなく、０．００
５％を越えて添加すると、前記腐食疲労寿命は低下す
る。この場合も、転がり面の炭素濃度が０．３％以上
０．８％以下というのが前提条件である。

【００２９】Ｎｂは、旧オーステナイト粒界にあって
は、炭化物を微細に分散させる効果があり、前記腐食疲
労寿命を向上させる。Ｎｂの適正範囲は０．０３％以上
０．３％以下である。０．０３％未満では、炭化物微細
分散効果が不足し、０．３％を超えると逆に炭化物の粗
粒化が起こるので、上限値は０．３％である。この場合
も、転がり面の炭素濃度が０．３％以上０．８％以下と
いうのが前提条件である。

【００３０】Ｖは、旧オーステナイト粒界にあっては、
炭化物を微細に分散させる効果があり、前記腐食疲労寿
命を向上させる。Ｖの適正範囲は０．０５％以上０．５
％以下である。０．０５％未満では、炭化物微細分散効
果が不足し、０．５％を超えると逆に炭化物の粗粒化が
起こるので、上限値は０．５％である。この場合も、転
がり面の炭素濃度が０．３％以上０．８％以下というの
が前提条件である。

【００３１】Ｍｏは、旧オーステナイト粒界にあって
は、炭化物を微細に分散させる効果があり、前記腐食疲
労寿命を向上させる。Ｍｏの適正範囲は０．１０％以上
１．５％以下、望ましくは０．５％以上１．５％以下で
ある。０．１０％未満では、炭化物微細分散効果が不足
し、１．５％を超えると逆に炭化物の粗粒化が起こるの
で、上限値は１．５％である。この場合も、転がり面の
炭素濃度が０．３％以上０．８％以下というのが前提条
件である。

【００３２】Ｃｒは、炭化物を形成し易い元素で、その
添加は炭化物の微細、分散には寄与しないが、２％を超
えて添加すると炭化物の粗粒化を起こすので、上限値は
２％である。前述したように、転がり面の非金属介在物
を低減するには、素材（鋼）の非金属介在物を低減する
ことが必要である。軸受用鋼の非金属介在物の中で有害
なのは、酸化物系介在物と硫化物系介在物であるが、特
に酸化物系介在物が前記腐食疲労寿命に有害である。夫
々の介在物量はＯ濃度、Ｓ濃度に比例する。Ｏ濃度の影
響度はＳ濃度の約１０倍であるので、有害な非金属介在
物量のインデックスとして、Ｏ濃度［％Ｏ］及びＳ濃度
［％Ｓ］の加重加算濃度１０×［％Ｏ］＋［％Ｓ］を用
いる。その加重加算濃度が０．０２５％を超えると著し
く腐食疲労寿命を低下させるので、その上限値を０．０
２５％とした。この場合も、転がり面の炭素濃度が０．
３％以上０．８％以下というのが前提条件である。

【００３３】転がり面に存在する酸化物系介在物の大き
さが大きければ大きいほど、前記腐食疲労寿命は低下す
る。転がり面に存在する酸化物系介在物の最大値は、素
材（鋼）中の平均径１３μｍを越える酸化物系介在物の
３０００ｍｍ² 当たりの存在頻度に相関する。前述した
加重加算濃度１０×［％Ｏ］＋［％Ｓ］が０．０２５％
以下であるという前提のもとで平均径１３μｍを越える
酸化物系介在物の存在頻度が、３０００ｍｍ² 当たり１
０個以下とすると、転がり面に存在する酸化物系介在物
の最大値はほぼ飽和し、前記腐食疲労寿命が向上する。

【００３４】前記酸化物系介在物の組成は、純アルミナ
Ａｌ₂ Ｏ₃ に近いことが望ましい。軸受用鋼の酸化物系
介在物の主成分はアルミナＡｌ₂ Ｏ₃ であるが、カルシ
アＣａＯやマグネシアＭｇＯを含む場合がある。酸化物
系介在物中にカルシアやマグネシアを多く含むと、その
酸化物系介在物の融点が下がり、精錬時において凝集し
易くなり、大型介在物が形成され易くなる。従って、酸
化物系介在物のアルミナ比率が低いということは、例え
３０００ｍｍ² の被検面積中に検出される酸化物系介在
物の最大値が小さくとも、鋼内にはより大型の酸化物系
介在物が存在することを示している。一方、鋼内の酸化
物系介在物の最大径は、平均径１３μｍを越える酸化物
系介在物の３０００ｍｍ² 当たりの存在頻度にも比例す
るので、酸化物系介在物のアルミナ比率を算出する酸化
物系介在物の大きさは１３μｍを越えるものでなければ
ならない。酸化物系介在物中のアルミナの濃度は直接に
測定することが困難なので、アルミナの濃度は、酸化物
系介在物中のＡｌ濃度値で代替する。但し，Ａｌ濃度値
の測定も簡単ではないので、介在物中のＡｌ濃度値と
（Ａｌ濃度値＋Ｃａ濃度値＋Ｍｇ濃度値）の比、即ちＡ
ｌ濃度値／（Ａｌ濃度値＋Ｃａ濃度値＋Ｍｇ濃度値）を
Ａｌ濃度値に代替する。その値を酸化物系介在物中のア
ルミナ比率と呼ぶが、アルミナ比率は、酸化物系介在物
をエネルギー分散型Ｘ線マイクロプローブ或いは波長分
散型Ｘ線マイクロプローブで測定したときに検出される
Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇの特性Ｘ線（Ｋα線）強度、Ｉ_Al、Ｉ
_Ca、Ｉ_Mgから算出される式Ｉ_Al／（Ｉ_Al＋Ｉ_Ca＋Ｉ_Mg）
で求める。酸化物系介在物のアルミナ比率は０．４以上
であることが望ましく、０．５５以上であることが更に
望ましい。酸化物系介在物のアルミナ比率が高い方が鋼
内の酸化物系介在物の最大径は小さくなるが、前記アル
ミナ比率が０．４以上になると、最大径はほぼ飽和し、
０．５５以上になると飽和する。

【００３５】転がり面の炭素濃度の低減は、一般的には
表面残留オーステナイト濃度の低減を招くので、鉄粉な
どの固体異物が潤滑剤内に混入すると、寿命の低下が著
しい。なぜならば、残留オーステナイトは、圧痕が転が
り面に生成しても、その縁を丸くし、圧痕縁での応力集
中を関する働きがあるからである。従って、固体異物も
混入する水混入潤滑下での転がり疲れ強さ、即ち異物混
入潤滑寿命を改善するには、固体異物の混入を抑制する
密封シールを軸受に装着することが効果的である。前述
のように、密封シールは水の混入抑制においては効果は
薄いが、固体異物、特に大型の個体異物の混入抑制にお
いては大きな効果があるので、転がり面の炭素濃度の低
減と同時に密封シールの装着は、異物混入潤滑寿命の改
善に大きな効果がある。軸受に密封シールを装着する
と、平均径０．２ｍｍ以上の固体異物の侵入は抑制され
る。

【００３６】更に、異物混入潤滑寿命の改善を行うため
には、転がり面の炭素濃度の低減、軸受シールの装着及
び転動体にころを使用し、その平均直径をφ２０ｍｍ以
上とすることを組み合わせて実施することが極めて効果
的である。これは、軸受シールを装着すると、平均径
０．２ｍｍ以上の大きな固体異物の侵入が抑制され、且
つ平均径０．２ｍｍ未満の小さな固体異物に対しては、
転動体にころを使用し、その平均直径をφ２０ｍｍ以上
とすることが有効なためである。即ち、０．２ｍｍ以下
の固体異物が形成する圧痕は、軌道輪とφ２０ｍｍ以上
のころが作る応力分布に殆ど影響を与えないからであ
る。

【００３７】更に異物混入潤滑寿命を改善するために
は、転がり面の炭素濃度の低減、軸受シールの装着、平
均直径がφ２０ｍｍ以上のころを転動体に使用するこ
と、及び転がり面の残留オーステナイト濃度を１０％以
上とすることを組み合わせて実施すると極めて効果的で
ある。前述のように、転がり面の炭素濃度の低減は、一
般的には、表面残留オーステナイト濃度の低減を招くの
で、鉄粉などの固体異物が潤滑剤内に混入すると、寿命
の低下が著しくなる。従って、固体異物も混入する水混
入潤滑下での鋼の転がり疲れ強さ、即ち異物混入潤滑寿
命を改善するためには、転がり面の炭素濃度を低く保ち
つつ、残留オーステナイト濃度を増やすことが有効であ
る。残留オーステナイトは、小さな圧痕が転がり面に生
成しても、その縁を丸くし、圧痕縁での応力集中を緩和
する働きがあるからである。転がり面の残留オーステナ
イト濃度（体積％）を１０％以上とすると、異物混入潤
滑寿命の改善効果がある。この残留オーステナイト濃度
１０％以上の範囲については、１０％から２０％までは
更に僅かながらも異物混入寿命を改善でき、２０％以上
で飽和する。但し、残留オーステナイト濃度が４０％以
上になると硬さをＨＲＣ５０以上に保持し得ないので、
避けなければならない。

【００３８】炭素濃度を低く保ちつつ、残留オーステナ
イト濃度（体積％）を１０％以上とするためには、Ｓ
ｉ、Ｍｎ、Ｎｉの添加により、Ｍｓ点（マルテンサイト
変態開始温度）を下げることが有効である。但し、夫々
の元素の添加については、Ｓｉについては２％、Ｍｎに
ついては２％、Ｎｉについては５％を上限値とすること
が望ましい。Ｓｉは２％を越えて添加すると旧オーステ
ナイト粒界の炭化物の粗大化を促進し、Ｍｎは２％を越
えて添加するとＰ、Ｓｂ、Ａｓの旧オーステナイト粒界
への偏析を助長し、Ｎｉは５％を越えて添加すると旧オ
ーステナイト粒界の炭化物の粗大化を促進し、腐食疲労
寿命を低下させるからである。なお、Ｎｉは、他の２元
素に比べて高価であるので、Ｓｉ、ＭｎによるＭｓ点の
低下が望ましい。この転がり面の残留オーステナイト濃
度の増加についても、転がり面の炭素濃度が０．３％以
上０．８％以下というのが前提条件である。

【００３９】転動体の任意の点又は線における単位時間
当たりの平均接触面圧が、軌道輪の何れかよりも低いと
き、或いは軌道輪の両方より低いときには、転動体の転
がり面の表面硬さを、軌道輪に何れかよりも低くする
か、或いは軌道輪の両方より低くすることが、水混入潤
滑寿命を延ばすために望ましい。これは、以下の理由に
よる。即ち、前述の破損メカニズムのように、水が転動
体と軌道輪との間に存在すると油膜が形成されにくくな
り、転動体と軌道輪とが金属接触する。この金属接触に
おいて、より表面硬さの低い側の転がり面が摩耗する
が、結果として、より表面硬さの低い側の表面が活性に
なり、水素脆化し易くなるので、より表面硬さの低い側
の転がり面の腐食疲労が進行する。従って、転動体の平
均接触面圧が軌道輪の何れかよりも低いとき、或いは軌
道輪の両方より低いときには、転動体の転がり面の表面
硬さを軌道輪の何れかよりも低くするか、或いは軌道輪
の両方より低くすると、転動体より腐食し易い側の軌道
輪の腐食疲労寿命を改善することができる。また、表面
接触面圧の最も高い側の軌道輪の転がり面の表面硬さを
Ｈ_R1とし、転動体の転がり面の表面硬さをＨ_E とすると
き、Ｈ_R1からＨ_E を引いた差Ｈ_R1−Ｈ_E が０．５以上で
水混入潤滑寿命の改善ができるが、その差Ｈ_R1−Ｈ_E を
１以上とすることでより顕著な水混入潤滑寿命の改善が
できる。但し、両者の差Ｈ_R1−Ｈ_E が８を越えると転動
体の腐食疲労強度が著しく低下するので、結果として転
動体が最弱部位となり、軸受の水混入潤滑寿命を低下さ
せてしまうので好ましくない。また、転動体の転がり面
の表面硬さの下限はＨＲＣ５０であることが望ましい。
それを下回ると純粋な転がり疲れによる内部起点型剥離
が発生してしまうからである。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。まず、表１に示す成分、清浄度の鋼を用い
て、内径φ８５ｍｍ、外径φ１３０ｍｍ、組立幅２９ｍ
ｍ、基本動定格荷重Ｃ＝１４３ｋＮ、基本静定格荷重Ｃ
₀ ＝２３１ｋＮ、ころの直径（平均径）φ１０．６ｍｍ
の円錐ころ軸受を作製し、その内外輪の表面炭素濃度を
種々に変えて、図１の寿命試験機で寿命試験を行った。
試験軸受数は、夫々１０個とした。

【００４１】

【表１】

【００４２】ここでは、外輪２をハウジング４に組込む
と共に、内輪３を回転軸５に嵌め合わせ、アキシャル荷
重Ｆａ及びラジアル荷重Ｆｒを軸受に負荷し、回転軸５
を回転させながら断続的に注水し、耐久寿命試験を行っ
た。従って、本試験では、外輪が非回転側軌道輪で、内
輪が回転側軌道輪になる。なお、転動体は、軸受鋼第２
種ＳＵＪ２（表面硬さＨＲＣ６２）で作製した。また、
表１において、平均径１３μｍを越える酸化物系介在物
の存在頻度とは、３０００ｍｍ² を検鏡して検出した平
均径１３μｍを越える酸化物系介在物の個数であり、酸
化物系介在物のアルミナ比率とは、平均径１３μｍを越
える酸化物系介在物のアルミナ比率の最大値である。但
し、平均径１３μｍを越える酸化物系介在物が検鏡面積
３０００ｍｍ² 中に存在しないときのアルミナ比率は１
とした。

【００４３】試験条件は、ラジアル荷重Ｆｒ＝７１．５
ｋＮ、アキシャル荷重Ｆａ＝１５．６ｋＮ、内輪回転数
２５００ｒｐｍ、潤滑剤にはＬｉ石鹸を増ちょう剤とし
た粘度ＶＧ６４基油使用のグリース６０ｇで、３時間に
１回２０ｃｃの水を注入した。水分濃度の減少を防止す
るために、試験機の主軸とハウジングとの間にはゴムシ
ールを装着してある。試験温度は約６０℃である。定格
疲れ寿命（１０％破損寿命の計算値）は６７時間であ
る。この試験条件を条件１とする。

【００４４】試験軸受の外内輪は、浸炭後焼入焼戻処理
により有効硬化深さ（ビッカース硬さＨｖ５５０以上の
表面層厚さ）を１．５ｍｍとしてある。表面炭素濃度
は、浸炭時の露点調節により行い、０．２０〜１．２０
％の範囲で種々のレベルを設定した。表面硬さは、炭素
濃度０．２％のときＨＲＣ４５、炭素濃度０．３％のと
きＨＲＣ５０、炭素濃度０．８％のときＨＲＣ６２、炭
素濃度１．２％のときＨＲＣ６４である。

【００４５】この寿命試験で得た水混入潤滑時と純グリ
ース潤滑時のＬ₁₀寿命と軌道面の表面炭素濃度との関係
を図２に示す。なお、剥離部位は全て外輪であった。前
述した水混入潤滑状態で、転がり面の炭素濃度を１．２
０％から小さくしてゆくと、０．８０％で大きく寿命が
改善し、０．７０％（表面硬さＨＲＣ６１．５）までは
更に寿命を改善でき、また、０．６０％（表面硬さＨＲ
Ｃ６１）までは更に若干の改善ができ、また、０．５０
％（表面硬さＨＲＣ６０）までは更に僅かながらも改善
でき、０．５０％以下で飽和する。但し、０．３０％未
満になると転がり疲れ強度が著しく低下し、腐食疲労に
よる表面起点型の剥離が発生する前に、純粋な転がり疲
れによる内部起点型剥離が発生し、短寿命化してしま
う。従って、転がり面の適正炭素濃度の下限値は０．３
０％である。以上より、転がり面の適正な炭素濃度は
０．３％以上０．８％以下、好ましくは０．３％以上
０．７％以下、更に好ましくは０．３％以上０．６％以
下、より一層好ましくは０．３％以上０．５％以下とな
る。

【００４６】一方、前記試験条件から水の注入条件を外
した、純グリース潤滑中における寿命試験（これを条件
２とする）を各表面炭素濃度の軸受に対して行った結果
が、前記図２の純グリース潤滑におけるＬ₁₀寿命であ
る。この条件２における寿命試験では、表面炭素濃度が
増加するにつれて寿命値は長くなり、表面炭素濃度が
１．００％で最長となった。この最長寿命の５０％以上
の寿命値となる表面炭素濃度は０．８５％以上１．１０
％以下の範囲であった。剥離部位は、外輪又は内輪で、
後者の比率が高かった。

【００４７】以上より、水混入潤滑中で使用される軸受
については、外内輪の表面炭素濃度を０．３％以上０．
８％以下、好ましくは０．３％以上０．７％以下、更に
好ましくは０．３％以上０．６％以下、より一層好まし
くは０．３％以上０．５％以下とすることで長寿命化を
図ることができる。一方、水が混入しない潤滑中で使用
される軸受については、外内輪の表面炭素濃度を０．８
５％以上１．１０％以下、好ましくは０．９０％以上
１．１０％以上とすることにより長寿命化を図ることが
できる。このように、潤滑剤に水が混入するか否かによ
って適切な表面炭素濃度が異なり、水混入潤滑中で使用
される軸受では低炭素化が特段の効果を示す。

【００４８】次に、前記円錐ころ軸受のうち、表面炭素
濃度が０．５０％の軸受（即ち外内輪の表面炭素濃度が
０．５０％）の内輪をＳＵＪ２鋼製のもの（表面硬さＨ
ＲＣ６２）に変え、外輪のみの表面炭素濃度が０．５０
％（表面硬さＨＲＣ６０）で、内輪及びころはＳＵＪ２
鋼製の軸受を前記条件１で寿命試験に供した。その結
果、内輪剥離により、寿命値は約５割低下した。つま
り、非回転側軌道輪の低炭素化は寿命を大きく延長する
が、更なる長寿命を得るためには回転側軌道輪の低炭素
化も必要である。なお、本実施形態では、転動体が最も
剥離しにくいが、試験数を増やすと転動体にも剥離する
ものがでてくるので、最長寿命を得るためには転動体の
低炭素化も必要である。

【００４９】前記図２に示す軸受の外内輪は浸炭又は浸
炭窒化処理したものに焼入焼戻しを施したものである
が、ずぶ焼入焼戻（完全硬化処理）した外内輪を用いた
前記寸法の円錐ころ軸受を、前記条件１で寿命試験を行
い、図３に示す寿命値を得た。なお、焼入油の温度は６
０℃に設定した。また、ずぶ焼入処理した鋼の炭素及び
窒素濃度以外の成分及び清浄度は表１に等しい。また、
窒素濃度は０．００５％である。寿命値は、浸炭焼入処
理の場合よりも若干劣るが、ずぶ焼入処理しても表面炭
素濃度が０．３〜０．８％のときに長寿命であることが
分かる。また、このときの表面硬さはＨＲＣ５０（炭素
濃度０．３％のとき）〜ＨＲＣ６２（炭素濃度０．８％
のとき）であった。ずぶ焼入処理したものに対しても、
転がり面の炭素濃度を１．２０％（表面硬さＨＲＣ６
２）から小さくしてゆくと、０．８０％（表面硬さＨＲ
Ｃ６２）で大きく寿命が改善し、０．７０％（表面硬さ
ＨＲＣ６１．５）までは更に寿命を改善でき、また、
０．６０％（表面硬さＨＲＣ６１）までは更に若干の改
善ができ、また、０．５０％（表面硬さＨＲＣ６０）ま
では更に僅かながらも改善でき、０．５０％以下で飽和
する。但し、０．３０％未満になると転がり疲れ強度が
著しく低下する。

【００５０】次に、ベイナイト焼入れした外内輪を用い
た前記寸法の円錐ころ軸受を、前記条件１で寿命試験し
て図４に示す寿命値を得た。なお、ベイナイト焼入れの
ソルトバスは２５０℃に設定した。また、ベイナイト焼
入処理した鋼の成分及び清浄度は、前記ずぶ焼入処理の
ものに等しい。ベイナイト焼入処理の鋼においては、表
面炭素濃度が０．４〜１．１％のときに長寿命となるこ
とが分かる。ベイナイト焼入処理したものに対して、転
がり面の炭素濃度を１．２０％（表面硬さＨＲＣ６０）
から小さくしてゆくと、１．１０％（表面硬さＨＲＣ６
０）で大きく寿命が改善し、１．００％（表面硬さＨＲ
Ｃ６０）までは更に寿命を改善でき、また、０．９０％
（表面硬さＨＲＣ６０）までは更に若干の改善ができ、
また、０．８０％（表面硬さＨＲＣ６０）までは更に僅
かながらも改善でき、０．８０％以下で飽和する。但
し、０．４０％（表面硬さＨＲＣ５０）未満になると転
がり疲れ強度が著しく低下する。

【００５１】なお、高周波焼入れした表面は、表面残留
応力が不均一で、腐食疲労強度が安定しないので、それ
を転がり面に適用することは好ましくない。次に、前記
浸炭処理円錐ころ軸受のうち、表面炭素濃度が０．５０
％（即ち外内輪の表面炭素濃度が０．５０％）の軸受
を、前記水混入潤滑下で、ラジアル荷重Ｆｒを種々に変
えて寿命試験に供した。試験条件のうち、試験機、アキ
シャル荷重Ｆａ、内輪回転数、潤滑剤、注水量は、前記
条件１と同じである。また、試験温度は１２０℃以下で
ある。この試験結果を図５に示す。横軸は前記静定格荷
重Ｃ₀ に対するラジアル荷重Ｆｒの比Ｆｒ／Ｃ₀ で表
す。また縦軸は定格疲れ寿命Ｌ_10Cal に対する水混入潤
滑寿命Ｌ₁₀の比Ｌ₁₀／Ｌ_10Cal で表す。ラジアル荷重の
比Ｆｒ／Ｃ₀ が０．８を越えると、水混入潤滑寿命Ｌ₁₀
と定格疲れ寿命Ｌ_{10 Cal} との比が低下するので、ラジア
ル荷重Ｆｒ、厳密には動等価荷重Ｐを静定格荷重の８割
以下となるようにすることが望ましい。

【００５２】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ａｌ、Ｎ濃度のみを変化させた鋼を作製し、この鋼
を用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲＣ
６０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ６３）の前記寸法
の円錐ころ軸受を作製し、前記条件１で寿命試験に供し
て、寿命値と、Ｎ濃度［％Ｎ］とＡｌ濃度［％Ａｌ］と
の積［％Ｎ］×［％Ａｌ］との関係を調査した。試験結
果を図６に示す。同図から明らかなように、表面炭素濃
度が０．５０％の場合は、Ｎ濃度とＡｌ濃度との積［％
Ｎ］×［％Ａｌ］が０．０００１％以上０．０１％以下
で水混入潤滑寿命Ｌ₁₀が長寿命化し、０．０００３％以
上０．０１％以下で更に長寿命化することができる。一
方、表面炭素濃度が１．０％の場合には、Ｎ濃度とＡｌ
濃度との積［％Ｎ］×［％Ａｌ］を変化させても水混入
潤滑寿命は改善されない。

【００５３】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ濃度のみを変化させた鋼を作製し、
この鋼を用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さ
ＨＲＣ６０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ６３）の前
記寸法の円錐ころ軸受を作製し、前記条件１で寿命試験
に供して、寿命値と、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ濃度の加重加算値
［％Ｐ］＋１０［％Ｓｂ］＋１０［％Ａｓ］との関係を
調査した。試験結果を図７に示す。同図から明らかなよ
うに、表面炭素濃度が０．５０％の場合は、Ｐ、Ｓｂ、
Ａｓ濃度の加重加算値［％Ｐ］＋１０［％Ｓｂ］＋１０
［％Ａｓ］を０．１００％以下に低減すると水混入潤滑
寿命Ｌ₁₀は大きく改善される。但し、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ濃
度の加重加算値［％Ｐ］＋１０［％Ｓｂ］＋１０［％Ａ
ｓ］が０．０７６％〜０．１０％の範囲でも当該積算値
を低減すると水混入潤滑寿命は改善され、０．０６１％
〜０．０７５％の範囲でも当該積算値を低減すると水混
入潤滑寿命は若干改善され、０．０６０％以下で飽和す
る。一方、表面炭素濃度が１．０％の場合には、Ｐ、Ｓ
ｂ、Ａｓ濃度の加重加算値［％Ｐ］＋１０［％Ｓｂ］＋
１０［％Ａｓ］を低減しても水混入潤滑寿命は改善され
ない。

【００５４】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｏ、Ｓ濃度のみを変化させた鋼を作製し、この鋼を
用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲＣ６
０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ６３）の前記寸法の
円錐ころ軸受を作製し、前記条件１で寿命試験に供し
て、寿命値と、Ｏ、Ｓ濃度の加重加算値１０［％Ｏ］＋
［％Ｓ］との関係を調査した。試験結果を図８に示す。
同図から明らかなように、表面炭素濃度が０．５０％の
場合は、Ｏ、Ｓ濃度の加重加算値１０［％Ｏ］＋［％
Ｓ］を低減すると水混入潤滑寿命Ｌ₁₀は改善されるが、
０．０２５％以下で飽和する。一方、表面炭素濃度が
１．０％の場合には、Ｏ、Ｓ濃度の加重加算値１０［％
Ｏ］＋［％Ｓ］を低減しても水混入潤滑寿命は改善され
ない。

【００５５】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、酸化物系介在物の存在頻度のみを種々変化させた鋼
を作製し、この鋼を用いて、表面炭素濃度が０．５０％
（表面硬さＨＲＣ６０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ
６３）の前記寸法の円錐ころ軸受を作製し、前記条件１
で寿命試験に供して、寿命値と、３０００ｍｍ² 当たり
の１３μｍを越える酸化物系介在物の存在頻度との関係
を調査した。試験結果を図９に示す。同図から明らかな
ように、表面炭素濃度が０．５０％の場合は、３０００
ｍｍ² 当たりの１３μｍを越える酸化物系介在物の存在
頻度を１０個以下にすると長寿命化できる。一方、表面
炭素濃度が１．０％の場合には、３０００ｍｍ² 当たり
の１３μｍを越える酸化物系介在物の存在頻度を低減し
ても水混入潤滑寿命は改善されない。

【００５６】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、酸化物系介在物のアルミナ比率のみを種々変化させ
た鋼を作製し、この鋼を用いて、表面炭素濃度が０．５
０％（表面硬さＨＲＣ６０）及び１．０％（表面硬さＨ
ＲＣ６３）の前記寸法の円錐ころ軸受を作製し、前記条
件１で寿命試験に供して、寿命値と、平均径１３μｍを
越える酸化物系介在物のアルミナ比率との関係を調査し
た。試験結果を１０に示す。同図から明らかなように、
表面炭素濃度が０．５０％の場合は、平均径１３μｍを
越える酸化物系介在物のアルミナ比率が高いほど、長寿
命化できるが、０．４以上でほぼ飽和し、０．５５以上
で飽和する。一方、表面炭素濃度が１．０％の場合に
は、平均径１３μｍを越える酸化物系介在物のアルミナ
比率を変化しても水混入潤滑寿命は改善されない。

【００５７】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｍｏ濃度のみを種々変化させた鋼を作製し、この鋼
を用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲＣ
６０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ６３）の前記寸法
の円錐ころ軸受を作製し、前記条件１で寿命試験に供し
て、寿命値と、Ｍｏ濃度との関係を調査した。試験結果
を１１に示す。同図から明らかなように、表面炭素濃度
が０．５０％の場合は、Ｍｏ濃度が０．１０％以上で長
寿命化に効果があり、０．５％以上１．５％以下のとき
に最長寿命である。但し、Ｍｏ濃度が１．５％を越えて
添加すると、寿命は低下する。一方、表面炭素濃度が
１．０％の場合には、Ｍｏ濃度を変化しても水混入潤滑
寿命は改善されない。

【００５８】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｃｒ濃度のみを種々変化させた鋼を作製し、この鋼
を用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲＣ
６０）の前記寸法の円錐ころ軸受を作製し、前記条件１
で寿命試験に供して、寿命値と、Ｃｒ濃度との関係を調
査した。試験結果を１２に示す。同図から明らかなよう
に、Ｃｒ濃度が２％を越えると寿命が低下する。

【００５９】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｎｂ濃度のみを種々変化させた鋼を作製し、この鋼
を用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲＣ
６０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ６３）の前記寸法
の円錐ころ軸受を作製し、前記条件１で寿命試験に供し
て、寿命値と、Ｎｂ濃度との関係を調査した。試験結果
を１３に示す。同図から明らかなように、表面炭素濃度
が０．５０％の場合は、Ｎｂ濃度が０．０３％以上で長
寿命化に効果があり、０．３％を越えて添加すると寿命
が低下する。一方、表面炭素濃度が１．０％の場合に
は、Ｎｂ濃度を変化しても水混入潤滑寿命は改善されな
い。

【００６０】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｖ濃度のみを種々変化させた鋼を作製し、この鋼を
用いて、表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲＣ６
０）及び１．０％（表面硬さＨＲＣ６３）の前記寸法の
円錐ころ軸受を作製し、前記条件１で寿命試験に供し
て、寿命値と、Ｖ濃度との関係を調査した。試験結果を
１４に示す。同図から明らかなように、表面炭素濃度が
０．５０％の場合は、Ｖ濃度が０．０５％以上で長寿命
化に効果があり、０．５％を越えて添加すると寿命が低
下する。一方、表面炭素濃度が１．０％の場合には、Ｖ
濃度を変化しても水混入潤滑寿命は改善されない。

【００６１】次に、前記表１の化学成分・清浄度のう
ち、Ｎ濃度を０．００３％に、Ｔｉ濃度を０．０１３％
に、Ｎｂ濃度を０．０６％とし、Ｂ濃度のみを種々変化
させた鋼を作製し、この鋼を用いて、表面炭素濃度が
０．５０％（表面硬さＨＲＣ６０）及び１．０％（表面
硬さＨＲＣ６３）の前記寸法の円錐ころ軸受を作製し、
前記条件１で寿命試験に供して、寿命値と、Ｂ濃度との
関係を調査した。試験結果を１５に示す。同図から明ら
かなように、表面炭素濃度が０．５０％の場合は、Ｂ濃
度が０．００１％以上で長寿命化に効果があり、０．０
０５％を越えて添加すると寿命が低下する。一方、表面
炭素濃度が１．０％の場合には、Ｂ濃度を変化しても水
混入潤滑寿命は改善されない。

【００６２】次に、前記条件１のグリース中に、硬さＨ
ｖ８４０の鋼粉３００ｐｐｍを均一に混合し、同様の寿
命試験を行った（この条件を条件３とする）。試験に
は、前記表１の化学成分・清浄度の鋼を用いて外内輪を
作製し、浸炭により表面炭素濃度を０．５０％（表面硬
さＨＲＣ６０）とした。一方、ころは軸受鋼第２種ＳＵ
Ｊ２（表面硬さＨＲＣ６２）で作製した。また、転動体
には玉も用意し、深溝玉軸受を作製して試験に供した。
試験では、グリースに混入する鋼粉の大きさを種々変更
し、鋼粉の大きさと寿命値との関係を調査した。なお、
この試験における寿命値は、潤滑剤の中に水及び固体異
物が混入するので、異物混入潤滑寿命とする。試験結果
を図１６に示す。横軸は、潤滑剤中に混入した鋼粉の大
きさを転動体（ころ又は玉）の平均直径で割った値で表
す。また、縦軸は、試験で得られた異物混入潤滑寿命を
前記水混入潤滑寿命で割った値で表す。

【００６３】同図から明らかなように、ころ軸受では、
鋼粉の対ころ径比が小さくなると、異物混入潤滑寿命は
長くなり、鋼粉の対ころ径比が０．０１以下になると、
鋼粉がないときの寿命、即ち水混入潤滑寿命に漸近す
る。一方、玉軸受では、対玉径比が０．００１以下にな
ると、鋼粉がないときの寿命、即ち水混入潤滑寿命に漸
近する。つまり、異物混入潤滑下では、ころ軸受のころ
の直径に対して固体異物の大きさが百分の一以下になる
と当該固体異物の影響が殆どなくなり、玉軸受の玉の直
径に対して固体異物の大きさが千分の一以下になると当
該固体異物の影響が殆どなくなることになる。逆に言え
ば、ころ軸受のころの直径を固体異物の大きさの百倍以
上にすると当該固体異物の影響を殆どなくすことがで
き、玉軸受の玉の直径を固体異物の大きさの千倍以上に
すると当該固体異物の影響を殆どなくすことができるこ
とになる。

【００６４】一方の軸受の密封シールは、０．２ｍｍ以
上の大きさの固体異物の侵入を抑制できるので、密封シ
ールを装着したころ軸受では、直径がφ２０ｍｍ以上の
ころを使用すれば、固体異物の影響を殆どなくすことが
でき、密封シールを装着した玉軸受では、直径がφ２０
０ｍｍ以上の玉を使用すれば、固体異物の影響を殆どな
くすことができることになる。実際の玉軸受でφ２００
ｍｍ以上の直径の玉を使用することは実用上困難である
が、ころ軸受にφ２０ｍｍ以上の直径のころを使用する
ことは、圧延機用軸受などの大型軸受では可能である。
従って、外輪、内輪、ころのうちの少なくとも一つの転
がり面の炭素濃度を０．３０％以上０．８０％以下とし
た密封シール装着のころ軸受で、直径φ２０ｍｍ以上の
ころを使用することは、水や固体異物が軸受周りに飛散
する環境での長寿命化達成に極めて効果的である。

【００６５】次に、前記表１の成分・清浄度の鋼を用
い、外内輪の表面炭素濃度が０．５０％（表面硬さＨＲ
Ｃ６０）及び０．９０％（表面硬さＨＲＣ６２．５）と
なるように浸炭処理を施し、図１７ａに示すように密封
シールを装着しないオープン形式の４列円錐ころ軸受
（以下、単にオープン軸受とも記す）と、図１７ｂに示
すように密封シールを装着した密封形式の４列円錐ころ
軸受（以下、単に密封軸受とも記す）を作製し、寿命試
験に供した。軸受の諸元は、内径φ３５０ｍｍ、外径φ
４５０ｍｍ、組立幅２５０ｍｍ、基本動定格荷重Ｃ＝２
５００ｋＮ、ころ平均径φ１５ｍｍであり、基本静定格
荷重Ｃ₀ は基本動定格荷重緒利大きい。また、前記軌道
面の炭素濃度が０．５０％、０．９０％のときの、夫々
の軌道面（厳密には電解研磨により表層５０μｍを除去
した面）の残留オーステナイト濃度は、７％と２７％で
ある。また、転動体は、ＳＡＥ３４０鋼を浸炭焼入れし
て作製し、その転動面の炭素濃度は０．７０％とした。
この転動体の表面硬さはＨＲＣ６１．５であり、ころの
転がり面の残留オーステナイト濃度は２０％である。試
験条件は、ラジアル荷重Ｆｒ＝７５０ｋＮ、アキシャル
荷重Ｆａ＝１００ｋＮ、内輪回転数２５００ｒｐｍ、潤
滑剤にはＬｉ石鹸を増ちょう剤とした粘度ＶＧ６４基油
使用のグリースで、チョックには鋼粉（硬さＨｖ８４
０、大きさ０．０５〜０．５ｍｍ）を０．０３％含んだ
水を常時１００リットル毎分で噴射した。試験温度は約
１２０℃である。この試験条件を条件４とする。

【００６６】このときの試験軸受は、軸受１：軌道面の
炭素濃度が０．９０％のオープン軸受、軸受２：軌道面
の炭素濃度が０．５０％のオープン軸受、軸受３：軌道
面の炭素濃度が０．９０％の密封軸受、軸受４：軌道面
の炭素濃度が０．５０％の密封軸受の４種類で、試験数
は各４個である。また、前記軸受４のころをφ２０ｍｍ
に設計変更して軸受５を作製し、再度寿命試験に供し
た。この軸受５の内径、外径、組立幅、基本動定格荷重
は設計変更前と同じである。また、この軸受５の基本静
定格荷重は若干変わったが、基本動定格荷重より大き
い。また、前記軸受５に対して、鋼のＳｉ、Ｍｎ濃度及
び焼入温度を調整することで、軌道面の残留オーステナ
イト濃度が１０％の軸受６及び２０％の軸受７を作製
し、寿命試験に供した。これら全ての軸受の諸元並びに
異物混入潤滑寿命Ｌ₁₀を図１８に示す。同図から明らか
なように、軌道面の炭素濃度が０．９０％である前記軸
受１及び軸受３では、密封シールの有無に関わらず、水
の影響を受けて短寿命になる。これに対して、オープン
軸受でも軌道面の炭素濃度が０．５０％の軸受２は、前
記軸受１，軸受３に比べて５倍の長寿命となる。また、
軌道面の炭素濃度が０．５０％で密封シールを装着した
密封軸受４では、更に前記軸受２の２倍の長寿命とな
る。また、ころの直径をφ２０ｍｍとした軸受５では、
前記軸受４よりも１９％長寿命化している。また、軸受
５の残留オーステナイト濃度７％を１０％に増加した軸
受６では更に２５％長寿命化し、それを２０％に増加し
た軸受７ではそれから更に２０％長寿命化する。なお、
前記軸受２及び軸受４に対して軌道面の残留オーステナ
イト濃度の増量を施せば、前記軸受５に対するのと同様
の倍率で長寿命化できる。

【００６７】ここで、異物混入潤滑下で軸受の長寿命化
に効果がある特性項目を下記表２に示す。但し、全ての
項目に共通するのは、当該特性項目Ｎｏ．１、つまり外
輪、内輪、転動体のうち少なくとも一つの転がり面の炭
素濃度が０．３０％以上０．８０％以下であることであ
る。また、ここまでで、異物混入潤滑下で軸受を長寿命
化するためには、特性項目Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の全てを
満足するのが望ましい。また、更なる長寿命を必要とす
るときは、前記特性項目Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６に加えて、
特性項目Ｎｏ．１０、項目Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１、
項目Ｎｏ．１２、項目Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９の何れかの項
目、の少なくとも一つを組み合わせて満足することが望
ましい。

【００６８】

【表２】

【００６９】次に、前記軸受１〜７を含む各種の軸受
が、これらの特性項目の何れを満足しているか（或いは
満足していないか）と、それらの軸受の軸受寿命Ｌ₁₀と
の関係を表３に示す。なお、表中の○が当該特性項目を
満足していることを意味し、各特性項目は前記表２のそ
れに一致している。なお、前述のように軸受１及び軸受
３は、比較のための軸受である。

【００７０】

【表３】

【００７１】表中の軸受８〜１２は、前記軸受特性Ｎ
ｏ．２〜６のうちの何れか一つの項目が満足されていな
い軸受であり、何れも比較軸受１及び３よりも長寿命で
あるが効果は小さい。これに対して、軸受２は、前記特
性項目Ｎｏ．１〜６を全て満足し、比較軸受１及び３の
５倍の長寿命である。また、軸受４は、前記軸受２に加
えて、前記特性項目Ｎｏ．１０が満足されたものであ
り、比較軸受１及び３の１０倍の長寿命である。また、
軸受５は、前記軸受４に加えて、前記特性項目Ｎｏ．１
１が満足されたものであり、比較軸受１及び３の１１倍
の長寿命である。また、軸受６、７は、前記軸受５に加
えて、前記特性項目Ｎｏ．１２が満足されたものであ
り、残留オーステナイト濃度値に若干の差はあるが、比
較軸受１及び３の１４〜１７倍の長寿命である。また、
軸受１３〜１５は、前記軸受７に加えて、前記特性項目
Ｎｏ．７〜９の何れかが満足されたものであり、比較軸
受１及び３の２４〜２７倍の長寿命である。また、軸受
１６は、前記軸受２に加えて、前記特性項目Ｎｏ．１２
が満足されたものであり、比較軸受１及び３の８倍の長
寿命である。また、軸受１７は、前記軸受１６に加え
て、前記特性項目Ｎｏ．１０が満足されたものであり、
比較軸受１及び３の１４倍の長寿命である。また、軸受
１８は、前記軸受２に加えて、前記特性項目Ｎｏ．８が
満足されたものであり、比較軸受１及び３の８倍の長寿
命である。また、軸受１９は、前記軸受１８に加えて、
前記特性項目Ｎｏ．１０が満足されたものであり、比較
軸受１及び３の１５倍の長寿命である。また、軸受２０
は、前記軸受１９に加えて、前記特性項目Ｎｏ．１２が
満足されたものであり、比較軸受１及び３の２２倍の長
寿命である。このように、異物混入潤滑下では、少なく
とも前記軸受特性項目Ｎｏ．１〜６を同時に満足するこ
とが望ましく、更なる長寿命が必要なときは、前記特性
項目Ｎｏ．１０、項目Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１、項目
Ｎｏ．１２、項目Ｎｏ．７〜９の何れかの項目、のうち
の少なくとも一つを組み合わせて満足させることが望ま
しい。

【００７２】次に、前記密封軸受５のころの転がり面の
表面硬さＨＲＣ６１．５を、焼戻温度を上げることによ
り、表面硬さＨＲＣ４５〜６１まで低下し、前記条件４
で再度寿命試験に供した。なお、ころ以外は、軸受５と
同じである。この試験軸受で、単位時間当たりの平均接
触面圧が最も高いのは、外輪の最大応力負荷位置の転が
り面であり、次いで内輪の転がり面、ころの転がり面の
順に低くなる。ここで、外内輪の転がり面の表面硬さを
Ｈ_R とし、転動体の転がり面の表面硬さをＨ_Eとし、前
者から後者を引いた表面硬さの差Ｈ_R −Ｈ_E と軸受寿命
Ｌ₁₀との関係を図１９に示す。同図から明らかなよう
に、前記表面硬さの差Ｈ_R −Ｈ_E が０．５以上で長寿命
化が可能となるが、好ましくは１以上８以下とすること
で顕著な寿命の改善が可能となる。但し、表面硬さの差
Ｈ_R −Ｈ_E が９を越えると、転動体（ころ）の腐食疲労
強度が著しく低下するので、結果として転動体が最弱部
位となり、軸受の水混入潤滑寿命を低下させてしまう。

【００７３】この試験では、軸受５及びころの転がり面
の表面硬さを変えた試験軸受の外内輪の転がり面の表面
炭素濃度が０．５％であるので、前記表面硬さの差Ｈ_R
−Ｈ _E を０．５以上とすることで寿命が改善され、それ
を１以上とすることで顕著な寿命の改善が可能となる
が、外内輪の転がり面の表面炭素濃度が０．３〜０．８
％を外れる範囲で、表面硬さの差Ｈ_R −Ｈ_E を変えても
寿命延長効果がない。例えばこれは、前記図６〜１１、
或いは図１３、図１４において表面炭素濃度が１．０％
である軸受の外内輪の転がり面の表面硬さはＨＲＣ６３
であり、転動体（ころ）の転がり面の表面硬さはＨＲＣ
６２であるので、両者の表面硬さの差Ｈ_R−Ｈ_E は１で
あるが、それらの寿命は著しく短いことからも明らかで
ある。

【００７４】なお、前期試験軸受では外輪と内輪の転が
り面の表面硬さが同じであったが、両者が異なるときに
は、単位時間当たりの平均接触面圧が最も高い外輪の転
がり面の表面硬さを前記Ｈ_R とする。また、転動体の単
位時間当たりの平均接触面圧が最も低い場合は、転動体
の転がり面の表面硬さを、外輪及び内輪の両方の表面硬
さより低くすることが望ましい。即ち、単位時間当たり
の平均接触面圧が低い部位ほど、より柔らかくすること
が望ましいのである。また、転がり面の表面硬さの測定
は、ロックウエル硬さ計（Ｃスケール）或いはビッカー
ス硬さ計（ＨＲＣに換算）で転がり面を計ってもよい
し、転がり面の垂直断面の０．１ｍｍ以内の深さの部分
をビッカース硬さ計（ＨＲＣに換算）で計ってもよい
が、硬さ測定方法自体は、外内輪及び転動体で同一の方
法を採らなければならない。

【００７５】また、前述のように外内輪及び転動体の転
がり面の表面硬さの差Ｈ_R −Ｈ_E を０．５以上とするこ
とで寿命が改善され、それを１以上とすることで顕著に
寿命が改善されるが、更に長寿命が必要なときは、前記
表２の軸受の特性項目Ｎｏ．１２、或いは項目Ｎｏ．７
〜９の何れか、或いは項目Ｎｏ．１２及び項目Ｎｏ．７
〜９の何れかを更に組み合わせて実施することが効果的
であり、その場合には、前記表３の軸受５に対する寿命
倍率で長寿命化することができる。

【００７６】また、前記実施例では、硬さの調節を焼戻
温度の調節で行ったが、化学成分の調節やベイナイト焼
入れの採用などの熱処理の変更で行ってもよい。また、
前記寿命試験では軸受５を基準として寿命比較を行った
が、軸受２，４，６〜２０に採用しても同じ倍率で長寿
命化できる。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の転がり軸
受によれば、内輪及び外輪及び転動体のうちの少なくと
も一つの転がり面の炭素濃度を０．３０％以上０．８０
％以下とすることにより、水混入潤滑寿命や異物混入潤
滑寿命を大幅に長寿命化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水混入潤滑試験の説明図である。

【図２】潤滑状態の違いによる軌道面の表面炭素濃度と
寿命との関係を示す説明図である。

【図３】焼入状態の違いによる軌道面の表面炭素濃度と
寿命との関係を示す説明図である。

【図４】焼入状態の違いによる軌道面の表面炭素濃度と
寿命との関係を示す説明図である。

【図５】ラジアル荷重と水混入潤滑寿命との関係を示す
説明図である。

【図６】表面炭素濃度の違いによる濃度積値と水混入潤
滑寿命との関係を示す説明図である。

【図７】表面炭素濃度の違いによる濃度加重加算値と水
混入潤滑寿命との関係を示す説明図である。

【図８】表面炭素濃度の違いによる濃度加重加算値と水
混入潤滑寿命との関係を示す説明図である。

【図９】表面炭素濃度の違いによる酸化物系介在物の存
在頻度と水混入潤滑寿命との関係を示す説明図である。

【図１０】表面炭素濃度の違いによる酸化物系介在物の
アルミナ比率と水混入潤滑寿命との関係を示す説明図で
ある。

【図１１】表面炭素濃度の違いによるＭｏ濃度と水混入
潤滑寿命との関係を示す説明図である。

【図１２】Ｃｒ濃度と水混入潤滑寿命との関係を示す説
明図である。

【図１３】表面炭素濃度の違いによるＮｂ濃度と水混入
潤滑寿命との関係を示す説明図である。

【図１４】表面炭素濃度の違いによるＶ濃度と水混入潤
滑寿命との関係を示す説明図である。

【図１５】表面炭素濃度の違いによるＢ濃度と水混入潤
滑寿命との関係を示す説明図である。

【図１６】軸受形態の違いによる潤滑在中の鋼粉の大き
さと異物混入潤滑寿命との関係を示す説明図である。

【図１７】異なる軸受形態の説明図であり、（ａ）は密
封シールのない円錐ころ軸受の縦断面図、（ｂ）は密封
シールを装着した円錐ころ軸受の縦断面図である。

【図１８】各種の試験軸受の諸元と異物混入潤滑寿命と
の関係を示す説明図である。

【図１９】外内輪及び転動体の転がり面の表面硬さの差
と軸受寿命との関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１は転動体 ２は外輪 ３は内輪

フロントページの続き (72)発明者 村上 保夫 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号 日本精工株式会社内 Ｆターム(参考） 3J101 AA16 AA42 AA54 AA62 BA70 DA03 EA03 FA08 FA31 GA36

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内輪及び外輪及び転動体から構成される
   鋼製の転がり軸受において、前記内輪及び外輪及び転動
   体のうちの少なくとも一つの転がり面の炭素濃度が０．
   ３０％以上０．８０％以下であることを特徴とする転が
   り軸受。