JP2001221238A

JP2001221238A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2001221238A
Application number: JP2000033923A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Takemura; 浩道武村; Akihiro Kiuchi; 昭広木内; Yasuo Murakami; 保夫村上
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-08-17
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: US6602360B2; EP1123986B1; JP4273609B2; US20010017174A1; EP1123986A1; DE60138663D1

Abstract

(57)【要約】【課題】オルタネータ用軸受などの高振動・高荷重で使
用される転がり軸受の寿命を大幅に延長する。【解決手段】固定輪である外輪２を以下の組成の鉄鋼材
料で形成する。合金成分として、炭素（Ｃ）を０．４０
〜１．２０重量％、珪素（Ｓｉ）および／またはアルミ
ニウム（Ａｌ）を０．７〜２．０重量％、マンガン（Ｍ
ｎ）を０．２〜２．０重量％、ニッケル（Ｎｉ）を０．
１〜３．０重量％、クロム（Ｃｒ）を３．０〜９．０重
量％で含有する。下記の（１）式で示すクロム当量が
９．０〜１７．０重量％である。軌道面は、硬さがＨＲ
Ｃ５７以上であり、微細炭化物（直径５０〜５００ｎ
ｍ）が分散析出し、炭化物の最大直径は１０μｍ未満で
ある。Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋２［Ｓｉ］＋１．５［Ｍｏ］＋５
［Ｖ］＋５．５［Ａｌ］＋１．７５［Ｎｂ］＋１．５
［Ｔｉ］‥‥（１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に関
し、特に、高温、高振動、水の侵入によって潤滑油膜形
成が困難となり易い環境下で使用される、エンジン補機
用（オルタネータ、電磁クラッチ、コンプレッサ、中間
プーリ、水ポンプ用等）として好適な軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の小型・軽量化に伴い、エ
ンジンの補機類にも小型・軽量化と共に高性能・高出力
化が求められている。例えばオルタネータ用の軸受に
は、エンジンの作動と同時に、高速回転に伴う高振動、
高荷重（重力加速度で４Ｇ〜２０Ｇ位）がベルトを介し
て作用する。そのため、従来のオルタネータ用軸受に
は、特に、固定輪である外輪の軌道面に早期剥離が生じ
易いという問題があった。

【０００３】この早期剥離は、高振動による応力の増大
に伴って油膜形成が困難になることと、グリース中に
０．１％程度含まれている水分や洗車等で侵入した水分
によりグリースが分解されることによって、外輪の軌道
面と転動体の転動面とが接触し易くなるために生じると
考えられる。転がり軸受内に水が侵入した場合の寿命低
下については、Ｊ．Ａ．Ｃｉｒｕｒａ等の「Ｗｅａｒ，
２４（１９７３）１０７−１１８，ＴｈｅＥｆｆｅｃ
ｔｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎｏｎｔｈｅＲｏｌｌｉ
ｎｇＣｏｎｔａｃｔＦａｔｉｇｕｅＬｉｆｅｏ
ｆＡＩＳＩ５２１００ａｎｄ４４０ＣＳｔｅ
ｅｌＢａｌｌ」に記載がある。

【０００４】この文献には、４球転がり試験の結果とし
て、潤滑油に水を混入して試験を行った場合の寿命が、
潤滑油に水を混入しないで試験を行った場合の約１／１
０に低下したことが記載されている。また、水素チャー
ジを行った鋼球を転動体として用いた転がり疲労試験の
結果として、ステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）製の鋼球を
用いた場合の寿命が、従来より使用されている高炭素ク
ロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）製の鋼球を用いた場合より
も長いことが記載されている。

【０００５】また、前述の早期剥離を防止して、高振
動、高荷重下で使用される軸受の寿命向上を図る技術
は、従来より多数提案されている。例えば、特開平３−
１７３７４７号公報には、グリース封入軸受において、
少なくとも固定輪側の軌道輪を、マルテンサイト系ステ
ンレス鋼からなるものとすることが提案されている。マ
ルテンサイト系ステンレス鋼としては、焼き戻しマルテ
ンサイトの組織を有する１３％Ｃｒ−０．３％Ｃ鋼（例
えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２）、１３％Ｃｒ系または１８％
Ｃｒ系の高炭素ステンレス鋼（例えば、１３％Ｃｒ−
０．７％Ｃ鋼であるＳＵＳ４４０Ａ、１８％Ｃｒ−１％
Ｃ鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ）を使用することが記載され
ている。

【０００６】特開平４−２８８４５号公報には、従来よ
り使用されているＳＵＪ２と比較して、炭素（Ｃ）の含
有率が低く、クロム（Ｃｒ）の含有率が高い鋼（Ｃ：
０．６５〜０．９０重量％、Ｃｒ：２．０〜５．０重量
％、Ｓｉ：０．１５〜０．５０重量％、Ｍｎ：０．１５
〜１．０重量％）を使用することが提案されている。ま
た、必要に応じて、前記鋼にＮｉ（０．２〜０．５重量
％），Ｍｏ（０．１〜２．０重量％），Ｖ（０．０５〜
１．０重量％）の少なくとも一種以上の元素を添加した
ものを使用することが記載されている。

【０００７】この記載によれば、早期剥離の原因は鋼に
白色組織が発生することにあり、白色組織の発生原因は
炭素の凝集にあるため、炭素の含有率が低い鋼を使用す
ることにより、この凝集の元となる炭素の拡散を抑えて
長寿命化を図っている。特開平５−２６２４４号公報に
は、前記早期剥離の原因は、グリースの分解に伴って発
生する水素が鋼中に侵入し、水素脆性を引き起こすこと
であると記載されている。そのため、グリース封入軸受
において、少なくとも固定輪側の軌道輪を、１．５〜６
％Ｃｒ含有鋼からなるものとすることが提案されてい
る。これにより、軌道輪の表面にＣｒの酸化皮膜が生じ
て転走面（軌道面）が不活性となるため、グリースの分
解が防止されるか、グリースが分解されたとしてもこれ
に伴って発生する水素の鋼（軌道輪）内への侵入が防止
されると記載されている。

【０００８】また、固定輪の早期剥離を防止する対策と
して、「ＳＡＥテクニカルペーパー：ＳＡＥ９５０９４
４（開催日１９９５年２月２７日〜３月２日）」の第１
項〜第１４項には、オルタネータ用軸受の疲労メカニズ
ムを解明し、封入グリースをＥグリースからＭグリース
に変更することが開示されている。このＭグリースはダ
ンパー効果が高いため、高振動、高荷重下で使用される
軸受に使用すると、振動および負荷を十分に吸収して固
定輪の早期剥離を防止することができるとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来技術においては、開示されている効果が実際には
得られないものもあり、得られる場合であっても、使用
する鋼の加工性、軸受部材としての硬さ、耐食性、およ
びコスト面の少なくともいずれかの点で改善の余地があ
る。

【００１０】例えば、「日本トライポロジー会議予稿集
（東京，１９９５−５）ｐ５５１〜５５４」に記載され
ているように、高振動、高荷重下で使用されるエンジン
補機用軸受は、固定輪の入口側で自転滑りが生じる。
１．５〜６％Ｃｒ含有鋼によって形成されるＣｒ酸化皮
膜は、この自転滑りによって切断され易いため、特開平
５−２６２４４号公報に開示されている方法では、固定
輪の早期剥離を防止することが難しいと考えられる。

【００１１】また、玉田等による「ＷＥＡＲ１９９
（１９９６）ｐ２４５−２５２Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ
ｏｆｂｒｉｔｔｌｅｆｌａｋｉｎｇｏｎｂｅ
ａｒｉｎｇｕｓｅｄｆｏｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａ
ｎｄａｕｘｉｌｉａｒｙｄｅｖｉｃｅ」には、水素
チャージした試験片による線接触転がり疲労試験におい
て、１３％Ｃｒステンレス製の試験片は、ＳＵＪ２やＳ
ＵＪ３製の試験片と同様に、白色組織変化が生じて破損
していることが記載されている。

【００１２】また、Ｍグリースを使用した場合でも、使
用温度が１５０℃を超える高温雰囲気では、油膜形成が
不十分となる場合がある。さらに、雰囲気温度差が大き
くなることにより軸受内が結露し易くなって、結露によ
って生じた水が潤滑油に混入する場合もある。本発明
は、このような従来技術の問題点に着目してなされたも
のであり、高振動で高荷重、且つ潤滑油に水が混入した
状態となる条件下で使用される転がり軸受において、早
期剥離が防止されて、軸受寿命の大幅な延長が可能な転
がり軸受を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明は、少なくとも固定輪（内輪および外輪のう
ち使用時に固定側とする軌道輪）が以下の〜を満た
すものである転がり軸受を提供する。合金成分として、炭素（Ｃ）を０．４０重量％以上
１．２０重量％以下の範囲で、珪素（Ｓｉ）および／ま
たはアルミニウム（Ａｌ）を０．７重量％以上２．０重
量％以下の範囲で、マンガン（Ｍｎ）を０．２重量％以
上２．０重量％以下の範囲で、ニッケル（Ｎｉ）を０．
１重量％以上３．０重量％以下の範囲で、クロム（Ｃ
ｒ）を３．０重量％以上９．０重量％以下の範囲で含有
し、下記の（１）式で示すクロム当量が９．０重量％以
上１７．０重量％以下である鉄鋼材料で形成された後、
焼入れ、焼き戻しを施すことにより得られたものであ
る。

【００１４】Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋２［Ｓｉ］＋１．５［Ｍｏ］＋５［Ｖ］＋５．５［Ａｌ］＋１．７５［Ｎｂ］＋１．５［Ｔｉ］‥‥（１）（式中、［Ｃｒ］，［Ｓｉ］，［Ｍｏ］，［Ｖ］，［Ａ
ｌ］，［Ｎｂ］，［Ｔｉ］は、それぞれ、鉄鋼材料中の
Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉの含有率（重
量％）を示す。）軌道面の表面硬さがＨＲＣ（スケールＣの場合のロッ
クウェル硬さ）５７以上である。軌道面に、直径が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である
微細炭化物が分散析出している。軌道面に存在する炭化物の最大直径が１０μｍ未満で
ある。

【００１５】本発明者等は、直径１０μｍ以上の巨大炭
化物は水素を吸着し易く、軌道面に巨大炭化物が存在し
ていると、軌道面からその深さ方向に水素が取り込まれ
易くなることを見出した。また、直径が５０ｎｍ以上５
００ｎｍ以下である微細炭化物（ＭＣ、Ｍ₂Ｃ、Ｍ
₃Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₂₃Ｃ₆）により、グリースの分解に
伴って発生する水素がトラップされることを見出した。

【００１６】そのため、本発明の転がり軸受では、少な
くとも固定輪の軌道面に存在する炭化物の最大直径を１
０μｍ未満とし、軌道面に、直径が５０ｎｍ以上５００
ｎｍ以下である微細炭化物を分散析出させた。これによ
り、軸受内に水素が存在しても、微細炭化物により水素
がトラップされて、少なくとも最大剪断応力発生位置ま
での水素の侵入を防止する。その結果、少なくとも剥離
が生じ易い固定輪について、軌道面をなす鋼が水素で脆
性化されることが防止される。

【００１７】なお、軌道面に存在する炭化物には、素
材（鋼塊）の溶体化処理後に行う焼きならし工程で分散
析出した、Ｍｏ，Ｖ，Ｔｉ等の微細炭化物と、軌道輪
に形成した後の焼き入れ後の焼き戻し工程で２次析出し
た、よりもさらに粒子の小さな超微細炭化物と、
およびよりも粒子の大きな共晶炭化物の３種類があ
る。

【００１８】また、白色組織変化のメカニズムについて
研究したところ、以下のことが判明した。材料の欠陥部
（特に、鋼中の介在物や結晶粒界）にトラップされた水
素原子により微小亀裂が発生し、この微小亀裂が、転が
り接触に伴う剪断応力の作用で材料内の脆弱な部分を進
展するため、亀裂先端に局所的に歪みが生じる。この歪
みにより、マトリックス内の炭化物が拡散・凝集してマ
トリックス疲労が加速されることにより、白色組織が発
生する。

【００１９】そのため、本発明の転がり軸受では、少な
くとも固定輪について、マトリックスが強化される組成
の鉄鋼材料を用い、軌道面の所定深さまでの鋼中に微細
炭化物を分散析出させることにより、剪断型疲労亀裂伝
播抵抗を高くして、前記微小亀裂の進展を抑制する。こ
れにより、亀裂先端に生じる局所的塑性歪みが小さくな
るため、この歪みに起因して生じる白色組織変化の発生
が防止される。

【００２０】以上のことから、本発明の転がり軸受によ
れば、高振動、高荷重下であって、水が侵入し易い環境
下で使用されることにより、グリースが分解されて水素
が生じた場合でも、固定輪の軌道面の早期剥離が防止さ
れて寿命が長くなる。本発明においては、前記の鉄鋼
材料を使用することにより、熱処理（焼入れ、焼き戻
し）後の鋼に、直径が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であ
る微細炭化物（ＭＣ、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₃Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃、Ｍ₂₃
Ｃ₆）が分散析出される。また、直径が１０μｍ以上の
巨大炭化物（共晶炭化物）が生成され難くなる。また、
焼入れ、焼き戻し後の表面硬さを、ＨＲＣ５７以上にす
ることができる。

【００２１】また、前記（１）式で示すクロム当量を
９．０重量％以上１７．０重量％以下とすることによ
り、炭化物の生成状態が良好な状態（平均直径が５０ｎ
ｍ以上５００ｎｍ以下で、最大直径が１０μｍ未満）に
なるとともに、炭化物以外の介在物の生成状態も許容範
囲（巨大な介在物が生じない範囲）内となる。本発明の
転がり軸受において、使用する鉄鋼材料は、前記の合
金成分に加えて、モリブデン（Ｍｏ）：３．０重量％以
下、バナジウム（Ｖ）：２．０重量％以下、ニオブ（Ｎ
ｂ）：１．０重量％以下、チタン（Ｔｉ）：１．０重量
％以下から選択される少なくとも１種を含有するもので
あり、前記（１）式で示すクロム当量が１０．０重量％
以上１５．０重量％以下であり、軌道面に存在する炭化
物の最大直径が５μｍ未満であることが好ましい。な
お、モリブデン、バナジウム、ニオブ、チタンの含有率
の上限値は、後述のように、加工性やコストの面から支
障のない範囲で設定されている。また、これらの含有率
の下限値は、後述の効果が実質的に得られる最低の含有
率とする。

【００２２】本発明の転がり軸受において、各元素の含
有率に関する数値限定の臨界的意義は以下の通りであ
る。〔Ｃ：０．４０〜１．２０重量％〕Ｃは素地に固溶して
鋼に硬さを付与するとともに、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＶ等
の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成する元素であ
る。Ｃの含有量が０．４０未満であると、素地に固溶す
る炭素量が不足して、焼入れ、焼き戻し後にＨＲＣ５７
以上（転がり軸受に要求される硬さ）を確保できない場
合がある。

【００２３】Ｃの含有量が１．２０重量％を超えると、
製鋼時に巨大炭化物（クロム炭化物）が生成しやすくな
って、疲労寿命や耐衝撃性が低下する恐れがある。ま
た、Ｃの含有量が多過ぎてクロム炭化物が多量に生成さ
れると、マトリックス中のクロム濃度が低下して、クロ
ムによる十分な耐食性が得られなくなる場合がある。〔Ｓｉ：０．７〜２．０重量％〕Ｓｉは製鋼時に脱酸剤
として作用するため、応力集中源となる酸化物系介在物
の生成を少なくして、白色組織変化を生じ難くする元素
である。また、焼入れ性および焼き戻し性を向上させる
元素である。さらに、素地のマルテンサイト組織を強化
する元素であり、亀裂進展抵抗性を高くする作用を有す
る。Ｓｉの含有率が０．７重量％未満ではこれらの効果
が十分には得られない。また、Ｓｉの含有率が２．０重
量％を超えると、被切削性や冷間加工性が著しく低下す
る。〔Ａｌ：０．７〜２．０重量％〕ＡｌはＳｉと同様に、
焼入れ性および焼き戻し性を向上させる元素である。ま
た、微細な窒化物（ＡｌＮ）として鋼中に分散析出し、
焼入れ加熱時に結晶粒が粗大化することを防止する元素
である。Ａｌの含有率が０．７重量％未満ではこれらの
効果が十分には得られない。また、Ａｌの含有率が２．
０重量％を超えると、非金属介在物（Ａｌ₂Ｏ₃）が多
く生成されて、転がり寿命の低下の原因となる。〔Ｍｎ：０．２〜２．０重量％〕ＭｎはＳｉと同様に、
製鋼時に脱酸剤として作用するとともに、焼入れ性を向
上させる元素である。Ｍｎの含有率が０．２重量％未満
であると、その効果が不十分となる。また、Ｍｎの含有
率が２．０重量％を超えると、鍛造性や被切削性が低下
するとともに、不純物として存在する硫黄（Ｓ）やリン
（Ｐ）等と結合して、耐食性低下の原因となる介在物が
生じ易くなる。〔Ｎｉ：０．１〜３．０重量％〕Ｎｉは強力なオーステ
ナイト安定化元素であり、δフェライトの生成を抑え、
靱性を向上させる。また、耐食性・耐酸性を向上させる
作用も有する。さらに、Ｓｉと同様に、亀裂進展抵抗性
を高くする作用を有する。Ｎｉの含有率が０．１重量％
未満ではこれらの効果が十分には得られない。

【００２４】また、Ｎｉの含有率が多過ぎると、コスト
が高くなるばかりでなく、多量の残留オーステナイトが
生成されて十分な焼入れ硬さが得られなくなる。そのた
め、Ｎｉの含有率の上限を３．０重量％とした。Ｎｉ含
有率の好ましい範囲は、０．５重量％以上３．０重量％
以下である。〔Ｃｒ：３．０〜９．０重量％〕Ｃｒは、鋼に耐食性を
付与する最も有効な元素であり、Ｃｒの含有率が３．０
重量％以上であれば、前記微細炭化物が分散析出してい
る軌道輪の表層部分に、十分な厚さのクロム酸化膜（不
動態皮膜）が形成される。

【００２５】Ｃｒの含有率が９．０重量％を超えると、
δフェライトが生成して脆化し易くなり、靱性の低下
や、加工性の著しい低下が生じる。また、巨大炭化物
（直径１０μｍ以上の共晶炭化物）が形成され易くな
る。Ｃｒの含有率は、５．０重量％以上８．０重量％以
下の範囲であることが好ましい。〔Ｍｏ：３．０重量％以下〕Ｍｏは焼入れ性および焼き
戻し軟化抵抗性を著しく高くする作用を有し、Ｃと結合
して直径５００ｎｍ以下の微細炭化物を形成する元素で
ある。この微細炭化物により水素がトラップされて、前
述の白色組織変化が生じ難くなる。また、耐孔食性を改
善する元素でもある。

【００２６】一方、Ｍｏを過剰に添加すると靱性や加工
性が低下するため、Ｍｏの含有率の上限を３．０重量％
とした。なお、Ｍｏの含有率が１．０重量％以上である
と、Ｍｏ₂Ｃの析出も見られるため好ましい。〔Ｖ：２．０重量％以下〕Ｖは微細な炭化物および窒化
物を形成して、Ｃｒ炭化物およびＣｒ窒化物の形成を抑
制する元素である。また、４００〜６００℃で焼き戻し
することにより、二次析出を生じさせて硬さを向上させ
る元素であるため、強度を著しく高くする効果を有す
る。また、Ｖの含有率が２．０重量％を超えると、加工
性の低下や材料コストが高くなる等の問題が生じる。〔Ｎｂ：１．０重量％以下〕Ｎｂは、微細な炭化物およ
び窒化物となって鋼中に分散析出し、焼入れ加熱時に結
晶粒が粗大化することを防止する元素である。また、Ｎ
ｂの含有率が１．０重量％を超えると、これらの効果が
飽和するため材料コストの無駄な上昇が生じるばかりで
なく、加工性の低下も生じる。〔Ｔｉ：１．０重量％以下〕Ｔｉは、微細な炭化物およ
び炭窒化物となって鋼中に分散析出し、焼入れ加熱時に
オーステナイト結晶粒が粗大化することを防止する元素
である。また、Ｔｉを１．０重量％を超えて含有する
と、加工性が低下するとともに、転がり寿命を低下させ
る介在物（ＴｉＮ，ＴｉＳ）が増加する。〔その他の元素について〕窒素（Ｎ）は、Ｃと同様に、
マルテンサイトを強化して耐孔食性を向上させる作用を
有する。また、Ｃｒの含有率が５．０重量％を超えてい
る場合にＮを０．０５重量％以上添加すると、粗大な１
次共晶炭化物の形成が抑制される。

【００２７】また、一般に、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｖ等は
Ｎの溶解度を高める元素であるが、通常の大気圧下での
製鋼法では、溶鋼中のＮ溶解度が小さいため、本発明の
鉄鋼材料の組成でＮを０．２重量％を超えて含有させる
ことは困難である。本発明の鉄鋼材料の組成であって
も、高圧窒素雰囲気下での製鋼法であれば、Ｎを０．２
重量％を超えて含有させることが可能である。しかし、
高圧窒素雰囲気下での生産設備が必要となることでコス
トが高くなるため、Ｎの含有率は０．２重量％以下とす
ることが好ましい。

【００２８】酸素（Ｏ）に関しては、転がり寿命を低下
する要因となる酸化物系介在物の生成を抑えるために、
その含有率を１０ｐｐｍ以下にすることが好ましい。硫
黄（Ｓ）とリン（Ｐ）に関しては、前述のように、Ｍｎ
と結合して耐食性低下の原因となる介在物を生成させる
元素であるため、これらの介在物の生成を抑えるために
０．０２重量％以下にすることが好ましい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を具体的
な実施例および比較例により説明する。図１は、本発明
の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図であ
る。この転がり軸受１はＪＩＳ呼び番６３０３の深みぞ
玉軸受であり、外輪２がハウジング８に固定されて固定
輪となり、内輪３はシャフト７に外嵌されて回転輪とな
っている。また、外輪２と内輪３との間には、保持器５
により保持された多数の転動体４が配設され、保持器５
の両側位置の外輪２と内輪３との間には、シール部材
６，６が装着されている。

【００３０】また、シール部材６，６によって囲まれる
空間にはグリース１０として、Ｅグリース（「ＳＡＥテ
クニカルペーパー：ＳＡＥ９５０９４４（開催日１９９
５年２月２７日〜３月２日）」の第１項〜第１４項に記
載されているオルタネータ用軸受に封入されたＥグリー
スと同じもの）が封入されている。そして、この転がり
軸受１は、シャフト７の回転に伴って内輪３が回転し、
この回転による振動・荷重は、シャフト７から内輪３及
び転動体４を介して外輪２の負荷圏に作用する。

【００３１】ここで、外輪２と内輪３は、下記の表１に
示す組成の鉄鋼材料で所定の形状に形成した後、合金元
素量から決まるオーステナイト化温度領域を焼入れ温度
とした通常の熱処理（比較例１は、８６０で加熱焼入れ
後１５０℃で焼き戻し、比較例１以外は、焼入れ硬化
後、１５０〜５００℃で焼き戻し）を行うことによって
作製した。これにより、残留オーステナイト量は０〜１
５体積％となった。内輪３および外輪２の表面粗さはＲ
ａで０．０１〜０．０４μｍとした。

【００３２】各サンプルについて、ＴＥＭ（透過型電子
顕微鏡）により外輪２の軌道面を１μｍ²ずつ１０回観
察し、合計１０μｍ²の軌道面に存在する炭化物につい
て、その最大と最小の直径を測定して平均値を算出し
た。また、１μｍ以上の炭化物がＴＥＭで観察できない
場合は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により、合計１０
μｍ²の軌道面での炭化物の最大値を最大直径として調
べた。また、各サンプルについて、外輪２の軌道面の表
面硬さ（ＨＲＣ）を測定した。これらの値を表２に示
す。

【００３３】なお、使用した各鋼には表１に示した元素
以外に、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）が不純物
として含まれていたが、ＰおよびＳの含有率は０．０２
重量％以下であり、Ｏの含有率は１０ｐｐｍ以下であっ
た。また、実施例および比較例とも、転動体４は、同じ
高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）で形成した後、８
６０℃で焼入れ加熱した後に油焼入れし、その後で１５
０℃で焼き戻しすることにより作製した。これにより、
残留オーステナイト量は３〜１０体積％となり、表面硬
さはＨＲＣ６３となった。また、転動体４の表面粗さは
Ｒａで０．００３〜０．０１０μｍとした。

【００３４】このようにして作製された、内輪３と外輪
２のみが異なる転がり軸受（実施例１〜１０、比較例１
〜６）に対して、先ず、以下のようにして転がり疲労寿
命試験を行った。試験機としては、特開平９−８９７２
４号公報に開示されている軸受用寿命試験装置を用い、
回転数を所定時間毎（例えば９秒毎）に９０００ｒｐｍ
と１８０００ｒｐｍとに切り換える急加減速試験を行っ
た。荷重条件は、Ｐ（負荷荷重）／Ｃ（動定格荷重）＝
０．１０とし、試験温度は８０℃で一定にした。また、
グリース１０として、Ｅグリース中に２重量％の割合で
水を混入したものを使用した。

【００３５】この条件での計算寿命は１３５０時間であ
るため、この実施形態では試験打ち切り時間を１５００
時間とした。また、この試験は、実施例１〜１０および
比較例１〜６の試験体をそれぞれ１０個ずつ用意して、
剥離が生じるまでの時間を測定した。そして、１０個の
試験体の結果からＬ₁₀寿命を求めた。これらの結果も下
記の表２に併せて示す。また、剥離の状態（剥離が生じ
た試験体の個数）も下記の表２に併せて示す。

【００３６】なお、表１および表２で下線を施した数値
は、本発明の数値限定範囲から外れるものを示す。ま
た、１０個の試験体すべてに試験打ち切り時間までに剥
離が生じなかった場合には、Ｌ₁₀寿命を１５００時間と
した。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】次に、実施例１〜１０、比較例１〜６の内
外輪の疲労亀裂伝播性を調べる試験を、図２に示す形状
の試験片を用いて、以下のようにして行った。この試験
は、「ミクロおよびマクロトライポロジー問題の破壊力
学による解明、課題番号０７３０５０５０、平成７〜８
年度化学研究費補助金（基板研究（Ａ）（１））研究成
果報告書、平成９年３月、ｐ５３〜６１」に記載されて
いる試験方法に基づいて行った。先ず、表１に示す組成
の各鉄鋼材料で、図２に示す形状の試験片を形成した
後、各試験片に対して前記と同じ各熱処理を行った。図
２に示すように、この試験片には、試験機への取付け穴
Ｈと亀裂伝播測定部位Ｃが形成されている。

【００４０】この熱処理後の試験片を用い、モードＩＩ
（剪断型）の疲労亀裂伝播抵抗性を示す値として、疲労
亀裂進展下限界値（下限界応力拡大係数範囲）ΔＫ_IIth
を測定した。この値が大きいほど、初期段階で亀裂伝播
し難いことを示す。試験機としては、電気油圧サーボ型
引張疲労試験機を使用した。試験条件は、試験温度＝室
温、荷重変動幅ΔＰ＝１５００ｋｇｆ、周波数ｆ＝６Ｈ
ｚとし、両振り正弦波（応力比Ｒ＝−１）で試験を行っ
た。また、亀裂の長さ測定は交流電位差法で行った。

【００４１】各サンプルのΔＫ_IIthも表２に併せて示し
た。これらの試験結果から分かるように、実施例１〜１
０の転がり軸受は、外輪および内輪を形成する鉄鋼材料
の組成が本発明の範囲（Ｃ，Ｓｉ／Ａｌ，Ｍｎ，Ｃｒ，
Ｎｉ）を満たし、外輪および内輪を形成する鉄鋼材料の
クロム当量も本発明の範囲（９．０〜１７．０重量％）
を満たし、炭化物の状態も本発明の範囲（平均直径５０
〜５００ｎｍ、最大直径１０μｍ未満）を満たし、表面
硬さも本発明の範囲（ＨＲＣ５７以上）を満たすため、
これらの条件をいずれか一つでも満たさない比較例１〜
６の軸受と比較して、高振動、高荷重下での寿命が著し
く長くなっている。

【００４２】特に、実施例１〜３，５，６，１０では、
外輪および内輪を形成する鉄鋼材料の組成が本発明の好
ましい範囲（Ｃ，Ｓｉ／Ａｌ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ
／Ｖ／Ｎｂ／Ｔｉ）を満たし、外輪および内輪を形成す
る鉄鋼材料のクロム当量が１０．０〜１７．０重量％で
あり、炭化物の平均直径が１００〜５００ｎｍとなって
おり、いずれかがこれらの範囲から外れる実施例４，７
〜９よりも、高振動、高荷重下での寿命が長くなってい
る。

【００４３】疲労亀裂伝播抵抗に関しては、実施例１〜
１０の値は、鉄鋼材料の組成とクロム当量、炭化物の状
態、表面硬さの全てが本発明の範囲を満たしているた
め、比較例１〜６の値より大きくなっており、本発明の
範囲を満たすことにより、初期段階での亀裂伝播がし難
くくなることが分かる。なお、比較例６では最大直径が
１５μｍ以上である共晶炭化物が生じていたため、炭化
物の平均直径が２３５０ｎｍと非常に大きくなった。

【００４４】特に、実施例２，３，５，１０では、炭化
物の平均直径が１００〜３００ｎｍに、クロム当量が１
０〜１５重量％になっており、この範囲から外れる実施
例１，４，６〜９よりも疲労亀裂伝播抵抗が大きくなっ
ている。したがって、疲労亀裂伝播抵抗をより大きくす
るためには、軌道面に分散析出させる炭化物の平均直径
を１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし、使用する鉄鋼材
料のクロム当量を１０重量％以上１５重量％以下とする
ことが好ましい。

【００４５】なお、この実施形態では、固定輪である外
輪だけでなく回転輪である内輪についても、前記〜
を満たすものとしているが、剥離が多発し易い固定輪に
ついてのみ前記〜を満たすものとし、回転輪および
転動体については通常のＳＵＪ２鋼を使用することによ
り、従来のものより寿命を長くしながらコストを抑える
ことができる。

【００４６】また、この実施形態では玉軸受を用いて試
験を行っているが、本発明の転がり軸受は玉軸受に限定
されず、例えば、軌道面粗さの精度を高くすることが困
難であって、潤滑面でも油膜形成が困難であると考えら
れるころ軸受（円錐ころ軸受や針状ころ軸受等）でも同
様な効果が得られる。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明したように、本発明によれ
ば、高振動で高荷重、且つ潤滑油に水が混入した状態と
なる条件下で使用される転がり軸受において、早期剥離
を防止して、軸受寿命を大幅に延長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示
す断面図である。

【図２】疲労亀裂伝播性を調べる試験に使用した試験片
を示す図であって、（ａ）は試験片の板面が水平面と直
交するように置いた時の平面図であり、（ｂ）はその時
の正面図である。

【符号の説明】

１転がり軸受２外輪（固定輪）３内輪４転動体５保持器６シール部材７シャフト８ハウジング１０グリースＨ取付け穴Ｃ亀裂伝播測定部位

───────────────────────────────────────────────────── 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 BA70 DA03 EA02 FA31 GA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも固定輪（内輪および外輪のう
ち使用時に固定側とする軌道輪）は、合金成分として、炭素（Ｃ）を０．４０重量％以上１．
２０重量％以下の範囲で、珪素（Ｓｉ）および／または
アルミニウム（Ａｌ）を０．７重量％以上２．０重量％
以下の範囲で、マンガン（Ｍｎ）を０．２重量％以上
２．０重量％以下の範囲で、ニッケル（Ｎｉ）を０．１
重量％以上３．０重量％以下の範囲で、クロム（Ｃｒ）
を３．０重量％以上９．０重量％以下の範囲で含有し、
下記の（１）式で示すクロム当量が９．０重量％以上１
７．０重量％以下である鉄鋼材料で形成された後、焼入れ、焼き戻しを施すことにより得られ、軌道面の表
面硬さがＨＲＣ５７以上であり、軌道面に直径が５０ｎ
ｍ以上５００ｎｍ以下である微細炭化物が分散析出して
おり、軌道面に存在する炭化物の最大直径が１０μｍ未
満であることを特徴とする転がり軸受。Ｃｒ当量＝［Ｃｒ］＋２［Ｓｉ］＋１．５［Ｍｏ］＋５［Ｖ］＋５．５［Ａｌ］＋１．７５［Ｎｂ］＋１．５［Ｔｉ］‥‥（１）（式中、［Ｃｒ］，［Ｓｉ］，［Ｍｏ］，［Ｖ］，［Ａ
ｌ］，［Ｎｂ］，［Ｔｉ］は、それぞれ、鉄鋼材料中の
Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｔｉの含有率（重
量％）を示す。）