JP2006063917A - ロッカーアームに使用する転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 中空円筒形状の内輪を有することで軽量・コンパクト化の要求に対応し、かつ割れ疲労強度および転動疲労寿命を改善した転がり軸受を提供する。
【解決手段】 ロッカーアームに使用する転がり軸受５０は、エンジンのカム軸と転がり接触するローラ４と、ローラ４の内側に位置するローラ軸２と、ローラ４とローラ軸２との間に介在する複数のころ３とを備えている。ローラ軸２は、０．５０質量％以上の炭素を含む鋼で構成され、中空の円筒形状を有し、端面においてＨＶ２００以上ＨＶ３００以下の硬さを有し、かつ転動面表面から内径面までの径方向全体に硬化層２ａを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用のエンジンのインテイクバルブやエグゾーストバルブの開閉に用いられるロッカーアームに使用する転がり軸受に関し、より具体的には、割れ疲労強度が高く、かつ転動疲労寿命が長い転がり軸受に関するものである。

近年、環境問題がクローズアップされ、自動車に対しても低燃費化が法的に義務付けられ、強く要求され始めている。これに伴い、エンジンを構成する各部品に対し、軽量・コンパクト化が要求されている。従って、エンジンのインテイクバルブやエグゾーストバルブの開閉に用いられるロッカーアームに対しても軽量・コンパクト化が要求され、自ずとロッカーアームに使用する軸受に対しても軽量・コンパクト化の要求がされている。

軸受の軽量化の方法として、内輪を中空の円筒形状（パイプ）にする方法がたとえば米国特許第４，７２７，８３２号に記載されており、また軸受のコンパクト化の方法として軸受のサイズダウンがある。しかし、軸受のサイズダウンは、カムの形状やバルブ開閉のリフト量に制約があるため、単純に小径化できず、幅（軸）方向のサイズダウンが主流となる。よって、軸受の軽量・コンパクト化の方法としては、内輪の中空円筒化と幅方向のサイズダウンが主流となる。

ここで、軸受の軽量・コンパクト化を実施するうえで、問題となる項目としては、外輪または内輪の割れ疲労強度、ころまたは内輪の転動疲労寿命の低下がある。

本出願人は、これまでに熱処理技術の改良により、外輪、ころ、および圧入やピン止め等（かしめ加工以外）を行うことでロッカーアームに固定する内輪（全体が硬化した内輪）に対しては、割れ疲労強度、転動疲労寿命を改善することに成功している。よって、かしめ加工を行うことでロッカーアームに固定する内輪について、割れ疲労強度、転動疲労寿命を改善する必要がある。

本出願人は、かしめ加工を行うことでロッカーアームに固定する内輪について転動疲労寿命を改善することにも成功しており、残る課題は中空円筒形状の内輪の割れ疲労強度の改善である。

従来、かしめ加工を行うことでロッカーアームに固定する内輪については、加工工程が増えるため、中空の円筒形状は使用されず、中実の円筒形状が使用され、端面のかしめ加工を可能にするために高周波熱処理により転動体であるころの転走面のみが表面硬化されている。このことは、たとえば特開昭６２−７９０８号公報、特開平５−３２１６１６号公報などに開示されている。

同様に、中空の円筒形状の内輪を使用した場合でも、従来、端面のかしめ加工を可能にするために、高周波熱処理を用いて転動体であるころの転走面のみが表面硬化されている。このことは、たとえば特開平３−３１５０３号公報、特開２０００−３８９０６号公報などに開示されている。

特に、中空の円筒形状の内輪では、中実の円筒形状の内輪に比べ、形状による曲げ応力が大きくなるため、この曲げ応力を１５ｋｇｆ／ｍｍ²以下にし、破損を防止する方法（特開２０００−３８９０６号公報参照）がある。しかし、この方法は形状の制約を付けてしまうことになり、軸受の軽量・コンパクト化の妨げとなる。

また、単純な中空の円筒形状の内輪では、前記の理由のため強度不足になるため、補強材を内径部につける方法（実開平３−６３７０３号公報参照）がある。しかし、この方法では、加工工程が増えたり、複雑なため、軸受の価格が上がるというデメリットがある。
米国特許第４，７２７，８３２号明細書 特開昭６２−７９０８号公報 特開平５−３２１６１６号公報 特開平３−３１５０３号公報 特開２０００−３８９０６号公報 実開平３−６３７０３号公報

上述したように、エンジンのインテイクバルブやエグゾーストバルブの開閉に用いられるロッカーアームに使用する軸受に対しても軽量・コンパクト化の要求がされているが、上記説明より、中空円筒形状の内輪の割れ疲労強度の改善が確立されていない。

それゆえ本発明の目的は、エンジンのインテイクバルブやエグゾーストバルブの開閉に用いられるロッカーアームに使用する転がり軸受において、中空円筒形状の内輪を有することで軽量・コンパクト化の要求に対応し、かつ割れ疲労強度および転動疲労寿命を改善した転がり軸受を提供することである。

本発明のロッカーアームに使用する転がり軸受は、エンジンのカム軸と転がり接触する外輪と、外輪の内側に位置する内輪と、外輪と内輪との間に介在する複数の転動体とを備えた、ロッカーアームに使用する転がり軸受において、内輪は、０．５０質量％以上の炭素を含む鋼で構成され、中空の円筒形状を有し、端面においてＨＶ２００以上ＨＶ３００以下の硬さを有し、かつ転動体が転動する内輪の転動面表面から内径面までの径方向全体に硬化層を有することを特徴とするものである。

本発明のロッカーアームに使用する転がり軸受によれば、転動体が転動する内輪の転動面表面からその内径までの径方向全体に硬化層を形成したことにより、静的割れ強度および割れ疲労強度を改善することができる。また内輪が中空円筒形状であるため、転がり軸受を軽量・コンパクト化することができる。

内輪を構成する鋼の炭素量は、高周波熱処理を行うことにより、転動体であるころの転動面である内輪の外径表面を適度な硬さ（ＨＶ６５３以上）に硬化するため、０．５質量％以上必要である。

内輪端面にかしめ加工を行うことにより、ロッカーアームなどに固定するため、内輪の端面の硬さはかしめ加工を行えることができるＨＶ２００以上ＨＶ３００以下の範囲である。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、内輪の転動面表層部のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、そのオーステナイト結晶粒の粒度番号が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値である。

オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超え、オーステナイト結晶粒の粒径が微細であることにより、転動疲労寿命が大幅に改良することができる。オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番以下では、割れ疲労強度、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を超える範囲とする。通常、１１番以上とする。オーステナイト結晶粒は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。

ここで、オーステナイト結晶粒は、焼入れ処理を行った後も焼入れ直前のオーステナイト結晶粒界の痕跡が残っており、その痕跡に基づいた結晶粒をいう。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、内輪は、表層部に窒素富化層を有する。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、内輪転動面表層部の残留オーステナイト量が１１体積％以上４０体積％以下の範囲であり、その残留オーステナイト量が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値である。

残留オーステナイト量が１１体積％程度になると表面損傷寿命が低下し、１１体積％未満になると更に低下する傾向がある。一方、残留オーステナイト量が４０体積％より多いと、表面硬さの低下が起こり転動疲労寿命が悪くなる。残留オーステナイト量は、研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であって、例えば、Ｘ線回折によるマルテンサイトα（２１１）と残留オーステナイトγ（２２０）の回折強度の比較で測定することができる。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、窒素富化層における窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下の範囲であり、その窒素含有量が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値である。

窒素富化層は、内輪の表層に形成された窒素含有量を増加した層であって、例えば浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成することができる。窒素含有量が０．１質量％より少ないと効果が無く、特に表面損傷寿命が低下する。窒素含有量が０．７質量％より多いと、ボイドと呼ばれる空孔ができたり、残留オーステナイト量が多くなりすぎて硬度が出なくなったりして短寿命になる。窒素富化層の窒素含有量は、研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であって、例えば、ＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）で測定することができる。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、内輪の転動面の表面硬さがＨＶ６５３以上である。

表面硬さがＨＶ６５３以上と高いことにより、転動疲労寿命を大幅に改良することができる。表面硬さがＨＶ６５３未満では、転動疲労寿命は大きく改善せず、かえって悪くなる。通常、表面硬さの範囲はＨＶ７２０以上ＨＶ８００以下とする。表面硬さは高いほど望ましいが、通常、ＨＶ９００を超える表面硬さを得ることは難しい。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、内輪の転動面表層部の窒素富化層における球状化炭化物の面積率が１０％以上であり、その球状化炭化物の面積率が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値である。

球状化炭化物の面積率が１０％以上であることにより、転動疲労寿命が大幅に改良することができる。球状化炭化物の面積率が１０％未満では、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０％以上とする。球状化炭化物の面積率は多いほど望ましいが、通常、２５％を超える面積率を得ると炭化物の粗大化・凝集により材料の靭性が劣化するため、望ましくは１０％以上２５％以下の範囲とする。球状化炭化物の面積率は、研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であって、ピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用い腐食した後に、光学顕微鏡（４００倍）で観察することができる。

ここで、簡易的に球状化炭化物と表現しているが、実際は、炭化物／窒化物を合わせたものである。

上記の残留オーステナイト量、窒素富化層における窒素含有量、硬化層の硬さおよび球状化炭化物の面積率の各特性は、内輪の割れ強度改善より、転動疲労寿命の改善への寄与率が大きい。

（ｃ１）上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、ロッカーアームは一方の端部と他方の端部との間に位置するロッカーアーム軸に取り付けられ、ロッカーアームの一方の端部には二股状の内輪支持部が設けられ、他方の端部にはエンジンの開閉用バルブの端部が当接し、二股状の内輪支持部には内輪が固定されている。

（ｃ２）上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、ロッカーアームの一方の端部にはピボットが当接しており、ロッカーアームの一方の端部と他方の端部との間に転がり軸受が設けられ、他方の端部にはエンジンの開閉用バルブの端部が当接している。

（ｃ３）上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、ロッカーアームは一方の端部と他方の端部との間に位置するロッカーアーム軸に取り付けられ、ロッカーアームの一方の端部にはカム軸からの力を伝達する連動棒の一方端部が当接しており、他方の端部にはエンジンの開閉用バルブの端部が当接しており、連動棒の他方端部には転がり軸受が設けられている。

上記の（ｃ１）、（ｃ２）、（ｃ３）の各態様は、カムからの駆動力をエンジンのバルブに伝える点で共通するが、その構造が異なっており、異なるエンジンの型式にそれぞれ対応できるようになっている。

上記のロッカーアームに使用する転がり軸受において好ましくは、転がり軸受が総ころ形式のニードル軸受である。

以上説明したように本発明のロッカーアームに使用する軸受によれば、内輪の転動体が転動する転動面表面からその内径までの径方向全体に硬化層を形成したことにより、静的割れ強度および割れ疲労強度を改善することができる。また内輪が中空円筒形状であるため、転がり軸受を軽量・コンパクト化することができる。

また表層部に窒素富化層を有し、オーステナイト結晶が粒度番号で１０番を超えて微細化され、残留オーステナイト量が適度に有り、適正な表面硬さを有し、球状化炭化物の面積率が多いため、通常の荷重依存型の転動疲労寿命と、滑りや油膜切れが原因で生じる金属接触による表面損傷寿命の両方を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアの構成を示す概略正面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面に対応する図である。図１および図２を参照して、ロッカーアーム１は、一方の端部１ａと他方の端部１ｂとの間に位置する中央部において軸受メタルなどを介してロッカーアーム軸５に支持されている。ロッカーアーム１はロッカーアーム軸５を中心に揺動運動する。

このロッカーアーム１の他方の端部１ｂには、アジャストねじ７が螺挿されている。このアジャストねじ７はロックナット８により固定され、その下端において内燃機関の給気弁もしくは排気弁のバルブ（エンジンの開閉用バルブ）９の上端と当接している。このバルブ９はばね１０の弾発力で付勢されている。

ロッカーアーム１は、一方の端部１ａに、二股状に形成されたローラ支持部１４を一体に有している。この二股状のローラ支持部１４には、内輪に相当するローラ軸２と、転動体であるころ３と、外輪に相当するローラ４とを有する総ころタイプの転がり軸受（ニードル軸受）５０が配置されている。

ローラ軸２は中空の円筒形状を有している。このローラ軸２の両端は、かしめ加工を行うことで二股状のローラ支持部１４に固定されている。このローラ軸２の外径面中央部には、ころ３を介して回転自在にローラ４が支持されている。ころ３の軸線方向は、ローラ軸２の軸線に平行に配置されている。このローラ４の外径面は、ばね１０の付勢力によりカム軸に設けられたカム６のカム面に当接されている。

本明細書において、一方と他方との間にはとくに区別はなく、説明の順序で早く説明する端部を一方の端部とする意味しかない。

上述したように、ローラ軸（内輪）２と、ころ（転動体）３と、ローラ（外輪）４とにより構成されるころがり軸受５０がロッカーアーム用の総ころ軸受として用いられている。一般に、保持器が用いられない場合、その軸受は総ころ軸受と呼称される。上記のロッカーアーム用総ころ軸受５０は、外輪であるローラ４がカム６と接触しながら回転するよう支持するものであるため、外輪４にはカム６の押付け力と衝撃力とが作用する。

図３は、本発明の他の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。このカムフォロアでは、ロッカーアーム１の一方の端部１ａと他方の端部１ｂとの間に、ロッカーアーム用総ころ軸受５０が配置されている。この転がり軸受５０は、内輪に相当するローラ軸２と、転動体であるころ３と、外輪に相当するローラ４とを有している。

ローラ軸２は、中空の円筒形状を有しており、ロッカーアーム１の両側の側壁の各々に開けられたローラ軸孔（図示せず）に両端を差し込まれてかしめ加工されることにより固定されている。このローラ軸２の外径面中央部には、ころ３を介して回転自在にローラ４が支持されている。ころ３の軸線方向は、ローラ軸２の軸線に平行に配置されている。このローラ４の外径面は、ばね１０の付勢力によりカム軸に設けられたカム６のカム面に当接されている。

ロッカーアーム１の他方の端部１ｂにはエンジンの開閉用バルブ９の端部が当接し、一方の端部１ａには図示しないピボットが当接するためピボット孔１５が設けられている。ロッカーアーム１は、ピボットの周りに所定の向きにばね１０によって付勢され、カム６から伝達される駆動力をローラ４で受けて、ばね１０の付勢力に抗してバルブ９を動かす。

図４は、本発明のさらに他の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。図５は、図４の転がり軸受を含む部分を拡大した図である。図４を参照して、ロッカーアーム１の一方の端部１ａと他方の端部１ｂとの間に位置する中央部にロッカーアーム軸５が配置され、このロッカーアーム軸５を中心としてロッカーアーム１が支持されている。ロッカーアーム１の他方の端部１ｂはエンジンの開閉用バルブ９の端部と当接し、一方の端部１ａは連動棒１６の一方端部と当接している。ロッカーアーム１の一方の端部１ａにはアジャストねじ８が取付けられている。このアジャストねじ８は、ロッカーアーム１の一方の端部１ａと連動棒１６との当接位置を調節する機能を有している。

連動棒１６の他方端部（図中下端）に中空の軸受取付部１６ａが位置している。この軸受取付部１６ａには、取付部材１７によりロッカーアーム用総ころ軸受５０が取り付けられている。

図５を参照して、この転がり軸受５０は、内輪に相当するローラ軸２と、転動体であるころ３と、外輪に相当するローラ４とを有している。ローラ軸２は、中空の円筒形状を有している。このローラ軸２の両端は、かしめ加工されることにより取付部材１７に固定されている。このローラ軸２の外周径中央部には、ころ３を介して回転自在にローラ４が支持されている。ころ３の軸線方向は、ローラ軸２の軸線に平行に配置されている。

図４を参照して、ローラ４の外径面は、ばね１０の付勢力によりカム６のカム面に当接しており、図５に示すようにカム６はこの転がり軸受５０のローラ４に当接して駆動力を連動棒１６に伝達する。この連動棒１６によりカム６を有するカム軸の駆動力がロッカーアーム１に伝達される。

図１〜図５に示される各転がり軸受５０の内輪２は、０．５０質量％以上の炭素を含む鋼で構成され、中空の円筒形状を有し、端面においてＨＶ２００以上ＨＶ３００以下の硬さを有している。また各転がり軸受５０の内輪２は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ころ（転動体）３が転動する内輪２の転動面表面から内径面２ｃまでの径方向全体に硬化層を有している。このような硬化層が内輪２の円周方向全周にわたって形成されていることが好ましい。

この硬化層のパターンとして特開２０００−３８９０６号公報に開示されたものは、図６に示すように内輪２の外径面２ｂの転動面表層部のみが硬化層２ａであり、内径面２ｃの表層部および端面２ｄの表層部は未硬化層である。この硬化層２ａのパターンの場合、軸受に荷重が負荷されると、硬化層２ａと未硬化層とが混在する内輪２は、全体が硬化層２ａとされた内輪２と比べ、強度が小さく、変形しやすいため、内径面２ｃの中央部に大きな引張応力が発生する。そして、荷重が繰り返し負荷されると、内径面２ｃの表層部は未硬化層であり硬化層２ａと比べて疲労強度が小さいため、小さい引張応力の作用でクラックが発生し、内輪破損へつながる場合が多い。

一方、図７（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施の形態の硬化層２ａのパターンの場合、内輪２の外径面２ｂの転動面表層部から内径面２ｃまで径方向全体が硬化層２ａであり、未硬化層の部分は端面２ｄの表層部付近だけである。この硬化層２ａのパターンの場合、図６に示す内輪２と比べ、硬化層２ａの領域が多いため、強度が大きく、変形し難い。また、荷重が繰り返し負荷されても、内径面２ｃの中央部は硬化層２ａであり、疲労強度が大きいため、クラックの発生を防止でき、内輪２の破損へつながる可能性が低くなる。

望ましくは図７（ａ）よりも図７（ｂ）の硬化層パターンの方が、内径面２ｃにおける硬化層２ａの領域が広く、強度的に有利である。また、荷重が繰り返し負荷されることにより発生する引張応力に対して内径面２ｃの広い領域に渡ってクラックの発生を防止するものの方が、内径面２ｃの中央部のみで防止するものよりも、ロッカーアーム１の不安定挙動による偏荷重を受けた場合にも有利である。

また硬化層２ａの硬度はＨＶ６５３以上であり、内輪２の端面２ｄを含む未硬化層の硬度はＨＶ２００以上ＨＶ３００以下である。また硬化層２ａと未硬化層との間には、中間層（硬度ＨＶ３００以上ＨＶ６５３以下）が存在する。

また、内輪２は、表層部に窒素富化層を有し、その表層部に高周波焼入れが施されてオーステナイト結晶粒度が１０番を超える範囲にあり（ＪＩＳ規格による）超微細であることが好ましい。

また、内輪２の転動面の表面硬さはＨＶ６５３以上である。また内輪２の表層部では高周波焼入れが施されたために、残留オーステナイト量が１１体積％以上４０体積％以下を占めることが好ましい。また窒素富化層における窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下の範囲であることが好ましい。これらの残留オーステナイト量と窒素含有量とは、研削後の転動面の表層５０μｍにおける値である。この結果、表層部では表面損傷および内部起点型剥離ともに生成しにくく、一方、他の部位では硬度が低いためにかしめ加工しやすい。このため、図示していないが、ローラ軸の両端はかしめ加工され、ローラ軸支持部の面取り部にかしめ加工固定部を形成している。

次に、これら転がり軸受５０の内輪２に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。

図８は、本発明の実施の形態における熱処理方法を説明する図である。また、図９は、本発明の実施の形態における別の熱処理方法を説明する図である。図８はＡ１点以上で浸炭窒化処理を行なった後、そのまま徐冷する熱処理パターンであり、図９はＡ１点以上で浸炭窒化処理を行なった後、急冷し、次いでＡ１点未満で調質処理すなわち焼戻し処理を行なう熱処理パターンである。図８の熱処理パターンにおける徐冷処理または図９における調質処理は、互いに対応しており、表層部以外の部分の硬度を低くすることに寄与している。図８および図９の熱処理パターンのどちらもその後で、転動面のある表層部に高周波焼入れを施し、その後、低温焼戻しを施す。

次に、図８および図９の各処理ごとにミクロ組織がどのように生成されてゆくか説明する。まず図８および図９のヒートパターンのいずれにおいても、０．５０質量％以上の炭素を含む鋼で構成された中空円筒形状の鋼材に、たとえばＡ１点以上で浸炭窒化処理を行なう。この浸炭窒化処理おいて、転がり軸受の対象部材（内輪）に窒素富化層を形成する。この窒素富化層では、鉄原子Ｆｅに対する侵入型元素であるＣ、Ｎが過共析に侵入し、たとえばオーステナイト中に炭化物が析出している（２相共存）。すなわち、窒素富化層では過共析鋼となっている。また、浸炭窒化処理されない内部では、素材である元々の鋼材の組成により、オーステナイト相となっている。また、素材である鋼材がフェライトとオーステナイトとの２相、またはオーステナイトとセメンタイトとの２相、が共存する温度で浸炭窒化処理を行なってもよい。

次いで、冷却する際に、図８のヒートパターン（ヒートパターンＨ１とする）では、浸炭窒化処理温度から徐冷する。この徐冷の目的は、組織を軟化し加工性を向上するためである。この徐冷中に、内部では上記のオーステナイトから、フェライトとセメンタイトとで構成されるパーライトが生成するが、パーライト中のセメンタイトを層状化させずに凝集粗大化させることにより、軟化を推進する。したがって、徐冷する温度域は浸炭窒化処理温度〜（Ａ１点−１００℃）程度まででよい。これより低い温度まで徐冷してもセメンタイトの凝集粗大化は期待できず、時間ばかりかかり能率を低下させる。目安としては６２０℃程度まででよい。その後は、時間短縮のために空冷してもよいし、水冷や油冷を行なってもよい。

窒素富化層では、炭化物＋オーステナイトのオーステナイトからパーライトが生成し、その中の炭化物が凝集粗大化する。

また、図９のヒートパターン（ヒートパターンＨ２とする）では、浸炭窒化処理温度から、たとえば油冷などして焼き入れる。この場合、内部では、もともとの鋼材の組成によりオーステナイトからマルテンサイトなどが生成する。このマルテンサイト組織は硬い。このままでは、かしめ加工は困難なので、上記焼戻処理（調質処理）を行なう。焼戻しはＡ１点直下でＡ１点にできるだけ近い温度で急速に進行する。すなわち、高温焼戻しを行なう。したがって、焼戻しはＡ１点〜６５０℃の範囲、またより好ましくはＡ１点〜６８０℃の範囲で行なうことが望ましい。この焼戻しにより、マルテンサイト組織における高い転位密度は消失し、転位密度の低いフェライトと凝集粗大化したセメンタイトとの組織が得られる。

また、浸炭窒化層では、油冷などの焼入れによって（炭化物＋オーステナイト）のオーステナイトからマルテンサイトが生成する。マルテンサイトは、上記の焼戻しにより、内部に生成したマルテンサイトと同様に軟化される。元々あった炭化物は凝集する。

なお、上記のミクロ組織の説明は、分りやすさを優先させているので、上述したように、窒素やより複雑な実際のミクロ組織における副次的な要因は無視している。

次に、ヒートパターンＨ１およびＨ２の双方に、高周波焼入れを行なう。この高周波焼入れの前段階では、窒素富化層は、凝集した炭化物（比率大）と、フェライトとが混在した組織である。高周波焼入れでは急速加熱され、このとき、炭化物が固溶しながらオーステナイトを核発生させる。分散している炭化物の密度は非常に高いために、オーステナイト核発生密度は非常に高く、発生したオーステナイトが互いに会合して形成されるオーステナイト組織の結晶粒は超微細である。また、窒素富化層は過共析鋼なので、炭化物が共存し、この炭化物ができたばかりで超微細なオーステナイト粒の成長を阻止する。このため、窒素富化層において、超微細なオーステナイト粒を得ることができる。急速加熱の温度が高くなるにつれ炭化物は固溶し、超微細オーステナイトに多くの炭素が固溶される。

次に、急速加熱した後に焼入れを行なうと、超微細オーステナイトはマルテンサイトに変態する。このとき炭素を多く固溶しているためにオーステナイトが安定化され、マルテンサイトの間の微細な領域に未変態のオーステナイトが取り残される。これが残留オーステナイトである。この残留オーステナイトはマルテンサイトの間に形成されるため非常に微細である。体積率にして残留オーステナイトは１１〜４０体積％となる。

この後、１８０℃程度で硬度をあまり落とさない程度の焼戻しを行なう。この１８０℃程度の焼戻しでは、高密度の転位はほとんど消失しないで維持される。この焼戻しは組織を安定化するために行なう。この焼戻しでは、セメンタイトの凝集は生じないし、軟化もほとんど生じない。鋼材によっては、この焼戻しは省略してもよい。

上記の残留オーステナイトを含んだ高周波焼入れ組織は、強靭であり、苛酷な使用条件下で長寿命を実現することができる。

上記の熱処理を行なうことにより、表層部のオーステナイト粒度を１１番以上（１０番を超える範囲）の超細粒にし、また内部のミクロ組織をフェライトと炭化物との混合組織にすることができる。また、表層部の硬度をＨＶ６３５以上とし、残留オーステナイトを１１〜４０体積％とすることができる。また図７（ａ）または（ｂ）に示すように硬化層（硬度ＨＶ６３５以上）を内輪の転動面表面から内径面までの径方向全体に形成することができる。

一方、硬化層以外の未硬化層の部分（内輪の端面を含む）の硬度をＨｖ２００以上ＨＶ３００以下とすることができる。したがって、上記の熱処理を受けた内輪は、転動疲労特性が長寿命であり、かしめ加工が容易である。

また窒素富化層における窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下にでき、窒素富化層における球状化炭化物の面積率を１０％以上にすることができる。

次に、図８および図９に示したヒートパターンＨ１、Ｈ２の各々の具体的な条件について説明する。

図１０は図８のヒートパターンＨ１に具体的な条件を付記した図であり、図１１は図９のヒートパターンＨ２に具体的な条件を付記した図である。図１０を参照して、浸炭窒化処理はたとえば８５０℃×９０分の条件で行なわれる。浸炭窒化処理後の徐冷はたとえば浸炭窒化処理温度から６５０℃まで炉冷した後に、６５０℃から５００℃まで炉冷し、その後に空冷することにより行なわれる。高周波焼入れは、たとえば８００〜１０００℃の温度まで急速加熱した後に水冷することにより行なわれる。焼戻しはたとえば１８０℃×１２０分の条件で行なわれ、その後に空冷される。

図１１を参照して、浸炭窒化処理はたとえば８５０℃×９０分の条件で行なわれる。浸炭窒化処理後にたとえば油冷により１００℃間で冷却される。焼戻処理（調質処理）はたとえば７００℃×１２０分の条件で行なわれ、その後に空冷される。高周波焼入れは、たとえば８００〜１０００℃の温度まで急速加熱した後に水冷することにより行なわれる。焼戻しはたとえば１８０℃×１２０分の条件で行なわれ、その後に空冷される。

次に、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２を用いて、転動疲労試験用の軸受を製作した。軸受はロッカーアームに使用する総ころタイプのニードル軸受である。内輪は、内径φ１０ｍｍ×外径φ１４．６４ｍｍ×幅Ｌ１５ｍｍであり、外輪は内径φ１８．６４ｍｍ×外径φ２４ｍｍ×幅Ｌ７ｍｍである。ころは外径φ２ｍｍ×長さＬ６．８ｍｍを２６本用い、保持器を用いない総ころタイプの構成とした。この軸受の基本動定格荷重は８．６ｋＮ、基本静定格荷重は１２．９ｋＮである。

各試験軸受の内輪の製造履歴は次の通りである。

試験軸受Ｎｏ．１（本発明例１）：硬化層パターンが図７（ｂ）に示すようなパターンになるよう高周波熱処理を行った。

試験軸受Ｎｏ．２、３（本発明例２、３）：図１０に示すヒートパターンＨ１の工程の熱処理を行った。また、硬化層パターンが図７（ｂ）に示すようなパターンになるよう高周波熱処理を行った。

試験軸受Ｎｏ．４（比較例１）：硬化層パターンが図６に示すようなパターンになるよう高周波熱処理を行った。

試験軸受Ｎｏ．５（比較例２）：図１０に示すヒートパターンＨ１の工程の熱処理を行った。また、硬化層パターンが図６に示すようなパターンになるよう高周波熱処理を行った。

各試験軸受の外輪は、標準熱処理品（焼入・焼戻）を使用した。各試験軸受のころの製造履歴は次の通りである。

試験軸受Ｎｏ．１、４：標準熱処理品（焼入・焼戻）
試験軸受Ｎｏ．２、３、５：浸炭窒化処理品
上記の製造方法で製作した試験軸受の内輪の材質調査結果および機能評価試験結果を表１に示す。

次に材質調査方法および機能評価試験方法について説明する。

（１）オーステナイト結晶粒度
オーステナイト結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行った。オーステナイト結晶粒度は研削後の転動面中央部の表層５０μｍにおける値を採用した。

（２）残留オーステナイト量
残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線回折によるマルテンサイトα（２１１）と残留オーステナイトγ（２２０）の回折強度の比較で行った。残留オーステナイト量は研削後の転動面中央部の表層５０μｍにおける値を採用した。

（３）窒素含有量
窒素含有量の測定は、ＥＰＭＡを用いて行った。窒素含有量は研削後の転動面中央部の表層５０μｍにおける値を採用した。

（４）表面硬さ
研削後の転動面中央部の表面硬さを測定した。その測定は、ビッカース硬度計（１ｋｇｆ）を用いて行った。

（５）球状化炭化物の面積率
球状化炭化物の面積率は、ピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用い腐食した後、光学顕微鏡（４００倍）で観察し測定を行った。球状化炭化物の面積率は研削後の転動面中央部の表層５０μｍにおける値を採用した。

（６）静的割れ強度試験
試験軸受の内輪を用いて、単体にてアムスラー試験機で荷重をかけ静的割れ強度試験を行った。

（７）割れ疲労強度試験
試験軸受の内輪を用いて、表２に示す試験条件で割れ疲労強度試験を行った。

（８）転動疲労寿命
転動疲労寿命は、図１２に示す試験試験装置を用いて、表３に示す試験条件で行なった。図１２に示す試験装置は外輪回転の試験装置である。図１２を参照して、試験機に組み込まれた内輪５２（２）と外輪５４（４）との間に複数個の針状ころ５３（３）を転動可能に配置した構成のものを用い、この外輪５４を部材５５、５６によりラジアル荷重をかけながら所定の速度で回転させることにより転動疲労試験を行った。

なお、表１には、転動疲労寿命試験、静的割れ強度試験、および割れ疲労強度試験結果は、標準熱処理品Ｎｏ．４の値を１として各試験軸受の結果を比率で表した。

表１に示した試験結果を説明する。

（１）オーステナイト結晶粒度
本発明品Ｎｏ．１〜３は結晶粒度番号が１１〜１２と顕著に微細化されている。標準熱処理品および浸炭窒化処理品Ｎｏ．４、５は、結晶粒度番号が９と本発明品より粗大なオーステナイト結晶粒となっている。

（２）残留オーステナイト量
本発明品Ｎｏ．２、３の残留オーステナイト量は２０〜３５体積％であり、これらの試料では適度なオーステナイトが存在する。

（３）窒素含有量
本発明品Ｎｏ．２、３の窒素含有量は０．１２〜０．２８質量％で窒素が含有されている。

（４）表面硬さ
本発明品Ｎｏ．２、３の表面硬さはＨＶ７７０〜７８０である。

（５）球状化炭化物の面積率
本発明品Ｎｏ．２、３における球状化炭化物の面積率は、１３．０〜１３．６％である。

（６）静的割れ強度試験
本発明品Ｎｏ．１〜３の静的割れ強度は、比較品Ｎｏ．４、５と比べて高く、改善している。これは、軸受に荷重が負荷されると、図６に示すように硬化層と未硬化層とが混在する内輪（比較品）は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように外形面から内径面までの全体が硬化層とされた内輪（本発明品）と比べ、強度が小さく、変形しやすいため、内径面の中央部に大きな引張応力が発生するからであると考える。

（７）割れ疲労強度試験
本発明品Ｎｏ．１の割れ疲労強度は、比較品Ｎｏ．４と比べ、２倍以上に改善している。また、本発明品Ｎｏ．２、３の割れ疲労強度も比較品Ｎｏ．５と比べ３倍程度に改善している。これは、軸受に荷重が負荷されると、図６に示すように硬化層と未硬化層とが混在する内輪（比較品）は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように外形面から内径面までの全体が硬化層とされた内輪（本発明品）と比べ、強度が小さく、変形しやすいため、内径中央部に大きな引張応力が発生するからであると考える。

（８）転動疲労寿命試験
本発明品Ｎｏ．１の転動疲労寿命は、比較品Ｎｏ．４と比べ若干改善している。また、本発明品Ｎｏ．２、３の転動疲労寿命も、比較品Ｎｏ．５と比べ若干改善している。試料Ｎｏ．１、４と比べて試料Ｎｏ．２、３、５の転動疲労寿命が良いのは窒素富化層によるものと考える。窒素富化層が転動疲労寿命に効く要因としては、残留オーステナイト量、窒素含有量、球状化炭化物の面積率などが考えられる。

上記をまとめると、本発明品Ｎｏ．１〜３のように、硬化層パターンが図７（ａ）、（ｂ）に示すように内輪外径の転動面表層部から内径面まで硬化層であることにより、静的割れ強度、割れ疲労強度を改善することができる。また、本発明品Ｎｏ．２、３のように、表層部に窒素富化層を有し、オーステナイト結晶が粒度番号で１０番を超えて微細化され、残留オーステナイト量が適度に有り、適正な表面硬さを有し、球状化炭化物の面積率が多いため、通常の荷重依存型の転動疲労寿命、割れ疲労強度が改善する。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、自動車用のエンジンのインテイクバルブやエグゾーストバルブの開閉に用いられるロッカーアームに使用する転がり軸受に特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の他の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。 本発明のさらに他の実施の形態におけるエンジンのローラ付きカムフォロアを示す図である。 図４のエンジンのローラ付きカムフォロアのカムと接触する総ころ軸受の部分の拡大図である。 従来の硬化層のパターンを説明するための断面斜視図である。 本発明の実施の形態における硬化層のパターンを説明するための断面斜視図である。 本発明の実施の形態における熱処理方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における別の熱処理方法を説明する図である。 図８のヒートパターンＨ１に具体的な条件を付記した図である。 図９のヒートパターンＨ２に具体的な条件を付記した図である。外輪回転の転動疲労試験機を示す図である。 外輪回転の転動疲労試験機を示す図である。

符号の説明

１ ロッカーアーム、１ａ 一方の端部、１ｂ 他方の端部、２ ローラ軸（内輪）、３ ころ（転動体）、４ ローラ（外輪）、５ ロッカーアーム軸、６ カム、７ アジャストねじ、８ ロックナット、９ エンジンバルブ、１０ ばね、１４ ローラ支持部、１５ ピボット孔、１６ 連動棒、１６ａ 軸受取付部、１７ 取付部材、５０ 転がり軸受、５２ 内輪、５３ 針状ころ、５４ 外輪、５５，５６ 部材。

Claims (11)

1. エンジンのカム軸と転がり接触する外輪と、前記外輪の内側に位置する内輪と、前記外輪と前記内輪との間に介在する複数の転動体とを備えた、ロッカーアームに使用する転がり軸受において、
   前記内輪は、０．５０質量％以上の炭素を含む鋼で構成され、中空の円筒形状を有し、端面においてＨＶ２００以上ＨＶ３００以下の硬さを有し、かつ前記転動体が転動する前記内輪の転動面表面から内径面までの径方向全体に硬化層を有していることを特徴とする、ロッカーアームに使用する転がり軸受。
2. 前記内輪の転動面表層部のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、前記オーステナイト結晶粒の粒度番号が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であることを特徴とする、請求項１に記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
3. 前記内輪は、表層部に窒素富化層を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
4. 前記内輪転動面表層部の残留オーステナイト量が１１体積％以上４０体積％以下の範囲であり、前記残留オーステナイト量が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であることを特徴とする、請求項３に記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
5. 前記窒素富化層における窒素含有量が０．１質量％以上０．７質量％以下の範囲であり、前記窒素含有量が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であることを特徴とする、請求項３または４に記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
6. 前記内輪の転動面の表面硬さがＨＶ６５３以上であることを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
7. 前記内輪の転動面表層部の窒素富化層における球状化炭化物の面積率が１０％以上であり、前記球状化炭化物の面積率が研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であることを特徴とする、請求項３〜６のいずれかに記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
8. 前記ロッカーアームは一方の端部と他方の端部との間に位置するロッカーアーム軸に取り付けられ、前記ロッカーアームの前記一方の端部には二股状の内輪支持部が設けられ、前記他方の端部には前記エンジンの開閉用バルブの端部が当接し、前記二股状の内輪支持部には前記前記内輪が固定されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
9. 前記ロッカーアームの一方の端部にはピボットが当接しており、前記ロッカーアームの前記一方の端部と他方の端部との間に前記転がり軸受が設けられ、前記他方の端部には前記エンジンの開閉用バルブの端部が当接していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
10. 前記ロッカーアームは一方の端部と他方の端部との間に位置するロッカーアーム軸に取り付けられ、前記ロッカーアームの前記一方の端部には前記カム軸からの力を伝達する連動棒の一方端部が当接しており、前記他方の端部には前記エンジンの開閉用バルブの端部が当接しており、前記連動棒の他方端部には前記転がり軸受が設けられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。
11. 前記転がり軸受が総ころ形式のニードル軸受であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のロッカーアームに使用する転がり軸受。

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