JP2006250316A

JP2006250316A - 転動装置

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Publication number: JP2006250316A
Application number: JP2005070933A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 啓之内田; Shinji Fujita; 慎治藤田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】油膜パラメータΛが３以下の境界潤滑環境下において、スミアリング、焼付き、摩耗、ピーリングなどを防止し、長寿命化を達成すること。
【解決手段】スラストニードル１０を構成する上レース１１、下レース１２、転動体１３のうち少なくとも１つの母材の表面層に面積率で７５％以上、９５％以下の固体潤滑材を被覆し、且つ表面層の残留オーステナイトの変化率が１０〜７０％の処理を施してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、油及びグリース潤滑される転がり軸受、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリングなどの転動装置に関し、油膜パラメータΛが３以下の境界潤滑環境下にて使用される転動装置のピーリング、摩耗、焼付き、スミアリングの防止技術に関する。

一般に、転がり軸受などの転動装置においては、転動装置を構成する外方部材及び内方部材と転動体との間で転がり運動が行われ、外方部材、内方部材及び転動体が繰り返し接触応力を受けるため、これらの部材の材料には、硬く、負荷に耐えられる、転がり疲労寿命が長い、滑りに対する耐摩耗性が良好である、などの性質が要求される。

これらの部材の材料には、軸受鋼としては、日本工業規格のＳＵＪ２、ステンレス鋼としては、日本工業規格のＳＵＳ４４０Ｃまたは１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼、そして肌焼鋼としては、日本工業規格のＳＣＲ４２０相当の鋼を焼入れ、あるいは浸炭または浸炭窒化処理したものなどが多く使用されている。そして、これらの材料は、必要とされる物性（転がり疲労寿命など）を得るために、焼き入れ・焼戻しが施され、硬さをＨＲＣ５８〜６４としたものが使用されている。

ところで、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリングなどの転動装置においては、その疲れ寿命は、前述した硬さ以外にも、潤滑状態とは密接に関係していることが知られている。ここで、疲れ寿命とは、軸受の軌道面あるいは転動面が回転に伴って繰り返し応力を受けることによって、材料が疲労し、その表面の一部に剥離が生じるまでの総回転数である。

転がり接触面の潤滑材料の良否は、形成される油膜厚さと表面粗さとの比である油膜パラメータΛによって表され、この油膜パラメータΛは次式で示すように、大きい程潤滑状態は良い。すなわち、油膜パラメータΛが大きい場合には、表面の微小突起間の接触による表面起点剥離が起こりにくくなり、寿命は主として、材料の清浄度、硬さ、材質、熱処理などによって決まる。逆に、油膜パラメータΛが減少するにつれて、表面の微小突起間の接触による表面基点剥離、ピーリング損傷、焼付きが生じ易くなり、寿命が大幅に低下することが知られている。

Λ＝ｈ／σ
ｈ：ＥＨＬ油膜厚さ
σ：合成表面粗さ√（σ１²＋σ２²）
σ１、σ２は接触する２面の粗さ（二乗平均粗さ）
転動装置のうち転がり軸受、特にラジアルニードル軸受を例に挙げて詳細に説明すると、トランスミッションなどに幅広く使用されているプラネタリーギアを軸支するプラネタリーギア用軸受では、外方部材に当たるプラネタリーギアからの力の伝達が滑らかに行われるように、一般に、はすば歯車が使用されている。このため、力関係から、内方部材に当たるプラネタリーシャフトの走行跡がねじれた形となる。このため、プラネタリーギアとプラネタリーシャフトとの間にあるニードルローラに対し、不均一な力が作用してエッジロードやスキューなどが発生し、軸受の寿命が低下したり、スミアリングや焼付けが発生したりしやすい。

これらに対処するに際して、従来にあっては、ニードルローラにクラウニングを施してエッジロードを軽減したり、また、スキュー防止のために、円周方向隙間及びラジアル隙間を精密に管理して未然にスキューの発生を抑える工夫を施したりしている。

また、他の問題点として、ＣＯ₂排出規制に伴う燃費向上の観点から、高速回転時の回転効率を高めるための潤滑油の低粘土化にあいまって、益々、高速回転時の対焼付け性、あるいは稀薄潤滑下における耐久性の向上が求められるようになってきている。

ここで、従来、このような用途における針状ころ軸受の潤滑性を確保するために、例えば、ニードルローラを復列化するとともに、内方部材に当たるプラネタリーシャフトのニードル間の位置まで軸端から油穴を設け、この軸穴を通じて給油を行う軸穴給油方式を採用しているが、油量が不十分な場合は、転送表面にピーリング損傷並びに焼付きが発生する。

一方、ピーリング損傷を防止する技術としては、例えば、軸方向面粗さＲＭＳ（Ｌ）と円周方向面粗さＲＭＳ（Ｃ）との比ＲＭＳ（Ｌ）／ＲＭＳ（Ｃ）が１．０以下、且つ、表面粗さの分布曲線の歪み度を指すパラメータＳＫ値がマイナスとなるようにし、さらに、窪みの占める表面積比率が１０〜４０％となるようにしたオートマチックトランスミッション用軸受が開示されている（特許文献１参照）。

また、焼付きを防止する技術としては、例えば、スラスト荷重を受けながら滑り接触する滑り面を備えた機械部品において、滑り面に独立した微小窪みを無数にランダムに設け、この微小窪みを設けた面の面粗さがＲｍａｘ０．６〜２．５μｍ、表面粗さのパラメータＳＫ値が−１．６以下となり、且つ微小窪みの平均面積が３５〜１５０μｍ²、微小窪みの表面に占める割合が１０〜４０％とした機械部品が開示されている（特許文献２参照）。

一方、転動装置の一例として、ボールねじに関しては、電動射出成形機や電動プレス機などで使用されるボールねじは、瞬間的に高負荷が加わる短いストロークで使用され、最大負荷が作用した状態で一旦停止したあと、逆回転する往復動の条件下で使用されるものである。このため、ボール転動面での油膜が掻き取られ、ねじ溝とボールとの接触面に潤滑材が入り難く、油膜形成が不十分となる傾向があり、ねじ軸、ナット及びボールの転動面に、表面損傷による摩耗、剥離が生じやすい問題点があった。

特に、転動速度の２倍の速度の相対すべりが生じるボール同士の接触面においては、損傷が著しいものがあった。さらに、高負荷が作用することによる機台の変形あるいは取付け時のミスアライメントなどが上述したボールの競い合いをさらに顕著にし、一層寿命を低下させていた。

また、ボールねじに関しては、例えば、ねじ溝、ナット部、転動体のうち少なくともいずれか１つの摺接部分に、二硫化モリブデンの微粒子を噴射して衝突固着させて、厚み寸法が０．５μｍ以下の潤滑材被膜を形成したものが開示されている（特許文献３参照）。

また、平均粒子径約１μｍ〜２０μｍの二硫化モリブデンを約９５重量％以上含有した二硫化モリブデン投射用材料をショットピーニング装置を用いて、投射速度１００ｍ／ｓ以上で投射するようにしたものが開示されている（特許文献４参照）。
特許第２６３４４９５号公報特許第２５４８８１１号公報特開２００４−６０７４２号公報特開２００２−３３９０８３号公報

上記プラネタリー軸受などにおいては、潤滑油が供給されにくい構造であることに加え、近年、トランスミッションの小型化あるいはＣＶＴ化などにより、プラネタリーギア（外方部材）の最高回転数についてさらなる高速化の要求があり、それに伴い使用温度の上昇が考えられる。また、小型化に伴い、プラネタリーギア用ニードル軸受においては、今まで以上にスミアリング、焼付き、摩耗、ピーリングなどの不具合が顕著になってきた。

また、上記ボールねじに関しては、さらなる高負荷が要求され、往復運動のストロークもさらに短周期で行われるため、逆回転する際に、油膜の形成がなくなり、ねじ軸、ナット及びボールの転動面に、表面損傷による摩耗、剥離、焼付きなどの不具合が顕著になってきた。

上記スミアリング、焼付き、摩耗、ピーリングなどを防止するに際して、特許文献１、２に記載されている方法を採用しても、ただ単に窪みを形成したり、油膜溜りを形成したりするだけでは、潤滑油のさらなる低粘土化、油糧不足の場合には十分とは言えない。

また、ボールねじに関しては、特許文献３に記載されている方法では、潤滑材の被膜の膜厚だけを規定しているため、均一に被膜が形成できないときには、固体潤滑材の効果が得られず、十分とは言えない。さらに、特許文献４に記載されている方法では、投射材料のみを規定しているだけなので、十分な性能が得られない。すなわち膜厚、被膜の面積率を正確に規定しないと十分な性能は得られない。

そこで、本発明は、前記従来の課題に鑑みて為されたものであり、転動装置の特性を損なうことなく、油膜パラメータΛが３以下の境界潤滑環境下において、スミアリング、焼付き、摩耗、ピーリングなどを防止し、長寿命化を達成できる転動装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えてなる転動装置において、前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材の表面層に、面積率で７５％以上の固体潤滑材を被覆し、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施してなることを特徴とする転動装置を構成したものである。

前記した手段によれば、外方部材、内方部材または転動体のうち少なくとも１つの母材の表面層に、面積率で７５％以上が固体潤滑材で被覆され、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施すようにしたため、油膜パラメータΛが３以下の境界潤滑環境下で使用されても、スミアリング、焼付け、摩耗、ピーリングなどの発生を遅延させるとともに、表面残留オーステナイトの分解量（軟質な残留オーステナイトから硬質なマルテンサイトへの変化量）を適量化することで、靭性を損なうことなく強化にでき、長寿命化を図ることができる。

また、本発明は、外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えてなる転動装置において、前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材を、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理をしたもの、もしくはＳＵＪ２にズブ焼きまたは高周波焼入れ処理をしたもの、または、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０に浸炭窒化または浸炭処理をしたもので構成し、当該母材の表面層に、面積率で７５％以上の固体潤滑材を被覆し、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施してなることを特徴とする転動装置を構成したものである。

前記した手段によれば、外方部材、内方部材または転動体のうち少なくとも１つの母材の表面層に、面積率で７５％以上が固体潤滑材で被覆されているので、スミアリング、焼付き、摩耗、ピーリングなどの発生を遅延させることができるとともに、一つの母材を、ＳＵＪ２に浸炭窒化を処理をしたもの、もしくはＳＵＪ２にズブ焼きまたは高周波焼入れ処理をしたもの、または、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０に浸炭窒化または浸炭処理をしたもので構成したので、残留オーステナイトを十分に確保し、さらにその後の処理よって表面残留オーステナイトの分解量（軟質な残留オーステナイトから硬質なマルテンサイトへの変化量）を適量化することで、靭性を損なうことなく強化にでき、長寿命化を図ることができる。

また、本発明は、外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えてなる転動装置において、前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材の表面層に、面積率で７５％以上、９５％以下の固体潤滑材を被覆し、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施してなることを特徴とする転動装置を構成したものである。

前記した手段によれば、外方部材、内方部材または転動体のうち少なくとも１つの母材の表面層に、面積率で７５％以上、９５％以下が固体潤滑材で被覆され、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施すようにしたため、油膜パラメータΛが３以下の境界潤滑環境下で使用されても、スミアリング、焼付け、摩耗、ピーリングなどの発生を遅延させるとともに、表面残留オーステナイトの分解量（軟質な残留オーステナイトから硬質なマルテンサイトへの変化量）を適量化することで、靭性を損なうことなく強化にでき、長寿命化を図ることができる。

前記各転動装置を構成するに際しては、固体潤滑材の被膜厚さは、０．１μｍ以上、８．０μｍ以下であることが望ましい。固体潤滑材の被膜厚さを０．１μｍ以上とすることにより、良好な潤滑性を保つことができ、固体潤滑材の被膜厚さを８．０μｍ以下とすることにより、十分な強度の固体潤滑材被膜が得られ、長寿命化が図れる。

また、外方部材、内方部材または転動体のうち少なくとも１つの母材に、前処理としてディンプル（凹部）を形成し、ディンプルの深さを０．１〜５μｍとすることが望ましい。このような前処理を施すと、固体潤滑材被膜と母材との結合を良好にすることができ、さらに長寿命化が図れる。

また、固体潤滑材を含有する母材表面層の中心線平均粗さを、Ｒ＝０．１０〜０．５０μｍＲａとすることが望ましい。このようにすると、長寿命化が図れるだけでなく、転動装置として要求される表面粗さとすることができ、音響特性などが良好になり、さらに固体潤滑材による潤滑膜形成能力も著しく低下することがないため、長寿命化が図れる。

前述した構成を採用するに際して、本発明は、固体潤滑材被膜の面積率並びにその膜厚と前処理の深さ、さらには、残留オーステナイトの分解量の効果に着眼してなされたものである。すなわち、本発明者らは、固体潤滑材被膜の最適な面積率並びに固体潤滑材被膜の最適な膜厚、さらに、前処理としての形状および表面残留オーステナイトの分解量の最適化に関して鋭意研究を重ねた。

その結果、母材の表面に所定量の固体潤滑材被膜を形成することにより、母材表面での金属間接触が抑えることが有効であり、固体潤滑材被膜の最適な面積率を見出し、さらには、潤滑材被膜の最適な膜厚をも見出した。また、長寿命化のために、母材に前処理を施すことが有効であり、前処理としての形状を見出した。

具体的には、母材に固体潤滑材を被覆する前処理として、ショットピーニングやバレル加工により母材表面にディンプル（窪み）または凹凸を付け、表面形状を所定の粗さとすれば、母材表面の凹部で固体潤滑材被膜をトラップして転動中も固体潤滑被膜の効果を持続させ、さらなる表面損傷の防止を図ることができる。軸受として、音響特性が良好となる範囲に表面粗さをすることで、固体潤滑材による潤滑膜形成能力も著しく低下することなく、さらには表面粗さの低下によって寿命を損なうことがないことを見出した。

そして、さらに、長寿命化を図るために、ショットピーニングやバレル加工もしくは固体潤滑材を母材に被覆する処理により、表面残留オーステナイトを適量分解させれば、靭性を保持したまま母材表面を強化でき、磨耗およびピーリングなどの表面損傷が著しく低減されるため、分解する表面残留オーステナイトの最適量を見出した。

次に、本発明に係る転動装置の臨界的意義などについて以下に説明する。

[固体潤滑材の被覆面積率が７５％以上]
油膜パラメータΛが３以下の環境下において、外方部材、内方部材、転動体のうち少なくとも１つの母材の表面層に、固体潤滑材を被覆したときには、被覆しない場合と比較して、格段に長寿命傾向が得られる。この効果は、固体潤滑材の被覆面積率として、最低でも７５％以上でないと得られない。

[固体潤滑材の被覆面積率が７５％以上、９５％以下]
油膜パラメータΛが３以下の環境下において、外方部材、内方部材、転動体のうち少なくとも１つの母材の表面層に、固体潤滑材を被覆したときには、被覆しない場合と比較して、格段に長寿命傾向が得られる。この効果は、固体潤滑材の被膜面積率として、最低でも７５％以上でないと得られない。一方、固体潤滑材の被膜面積率が９５％以上あると、この効果が飽和するだけでなく、被覆が脱落しやすくなり、固体潤滑材が脱落した場合には、異物となって、音響不良並びに振動の上昇を引き起こすため、９５％とした。

[残留オーステナイト量の変化量が１０％以上、７０％以下]
前処理もしくは被覆を形成する処理の際の加工エネルギーにより表面の残留オーステナイトがマルテンサイトに変化する。軟質な残留オーステナイトが硬質なマルテンサイトに変化するため、表面は強化され、表面損傷に対して長寿命となる。変化率が１０％未満であれば、その効果が期待できず、７０％を超えると、表面が脆くなり、逆に、表面損傷を誘発してしまうため、適正な変化率を１０％以上、７０％以下の範囲とした。

[一つの母材を、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理をしたもの、もしくはＳＵＪ２にズブ焼きまたは高周波焼入れ処理をしたもの、または、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０に浸炭窒化または浸炭処理をしたもので構成]
前処理もしくは被覆を形成する処理の際の加工エネルギーにより表面の残留オーステナイトがマルテンサイトに変化する。軟質な残留オーステナイトが硬質なマルテンサイトに変化するため、表面は強化され、表面損傷に対して長寿命となる。初期の残留オーステナイト量を十分確保するため、ＳＵＪ２に浸炭窒化を行ったり、ＳＵＪ２にズブ焼きや高周波焼入れを行ったり、あるいは、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０などに浸炭窒化、浸炭を行ったりすることが有効である。

[ディンプル（凹部）の深さが０．１〜５μｍ]
固体潤滑材を母材の表面層に被覆する際に、凹部（ディンプル）があれば、固体潤滑材を充填することができ、表面に被覆されるのみの場合と比較して格段に長寿命傾向を示す。この効果は、最低でも凹部の深さが０．１μｍ以上でないと得られない。一方、凹部の深さが５μｍを超えると、この効果が飽和するため、５μｍ以下とした。

[表面層の中心線平均粗さがＲ＝０．１０〜０．５０μｍＲａ]
固体潤滑材被膜を含有する母材表面層の中心線平均粗さが大きくなると、潤滑条件が厳しくなり、表面基点型の剥離が発生することがある。そこで、表面層の平均線平均粗さをＲ＝０．１０〜０．５０μｍＲａとなるようにした。

本発明によれば、油膜パラメータΛが３以下の境界潤滑環境下で使用されても、スミアリング、焼付き、摩耗、ピーリングなどの発生を遅延させることができ、長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す転がり軸受の要部断面図である。図１において、転がり軸受としてのスラストニードル軸受１０は、転動装置の一要素として、上レース１１、下レース１２、転動体１３、保持器１４を備えて構成されている。上レース１１は内方部材として、下レース１２は外方部材として構成されており、上レース１１、下１２、転動体１３のうち、例えば、転動体１３の母材の表面層に固体潤滑材を被覆した。この場合、転動体１３の母材の表面層には、面積率で７５％以上、９５％以下が固体潤滑材で被覆され、表面層の残留オーステナイト量の変化量は１０％以上、７０％以下である。固体潤滑材の被膜厚さは０．１μｍ以上、８．０μｍ以下であり、さらに母材には、前処理として、ディンプル（凹部）が形成され、ディンプルの深さは０．１〜５μｍである。固体潤滑材を母材に被覆するに際しては、転動体１３にのみによらず、レース１１のみあるいはレース１２のみに実施することも可能であり、また、レース１１、レース１２、転動体１３、保持器１４それぞれに固体潤滑材を被覆することも可能である。

転動体１３への固体潤滑材被膜の形成方法としては、ショットピーニング装置を用い、固体潤滑材被膜を形成した。具体的な方法としては、ショットピーニング装置を用い、固体潤滑材として、ＪＩＳＲ６００１による平均粒径４５μｍのすず粉末、もしくは平均粒径３μｍの二硫化モリブテンを噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ²、噴射時間１０〜２０ｍｉｎで転動体１３表面に噴射した。なお、１回の処理に供する転動体１３の重量は１〜６ｋｇｆとした。

転動体１３に形成された固体潤滑材被膜の面積率を算出する方法としては、処理後の転動体１３の転動表面をＥＰＭＡにより観察（倍率×２０００、３０視野）し、被膜を施した表面の２００μｍ四方を１０００倍に拡大した際に、被膜前の元素特性が、Ｘ線強度の１０倍以上強度を有する領域に被膜が形成されているとし、その結果を画像解析して被膜後の被膜面積率を算出し、その平均値として求めた。この結果はいずれも請求項に記載した面積率の範囲であることを確認している。

また膜厚の算出方法としては、まず、被膜の保護を目的として、熱硬化性の樹脂であるポリアミドミイドをピロリンドンに溶解した化合物を転動体１３に被覆し、１７５度で２時間保持し、表面層を硬化させた。次に、被膜を保護した転動体１３を切断し、さらに切断片をエポキシ樹脂に埋め込み、その切断面をバフ研磨で鏡面仕上げした後、凹凸を付ける目的で必要に応じて３％ピクラールで５秒腐食した後、スパッタにより表面にナノオーダのクロム層を被覆して通電性を持たせ、電子顕微鏡で観察（倍率×５０００、３０視野）した。

電子顕微鏡観察では、固体潤滑材の種類により、２次電子線像と反射電子線像と使い分け、膜厚を明瞭に確認することに努めた。さらに詳細に説明すると、それぞれの１視野について、横方向に被覆面が横断されるように観察し、縦方向に６分割を行い、この５点の平均値を求めた。それを１視野ありと最大膜厚上位３点、最小膜厚３点を選択し、これら６点の平均値を求め、それを１視野当たりの膜厚とし、さらに３０視野において平均膜厚とした。図２に、一例として、ショットにより被膜した固体潤滑材被膜の断面ＳＥＭ像を示す。これは、転動体１３に錫（Ｓｎ）をショットしたものであり、最大２．５μｍ、最小０．５μｍ程度のＳｎ被膜１が形成されている。

本実施例においては、一例として、固体潤滑材として、錫を用いたが、同様な効果が得られれば、特に何ら限定されるものではなく、他の固体潤滑材としては、二硫化モリブデン、ポリエチレン、フッ素樹脂、ナイロン、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリエステル、ＰＴＦＥ、金属石鹸、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、ＢＮ、黒煙、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、錫合金が挙げられる。

本実施例では、固体潤滑材のショット後に微小硬度計を用いた硬さ試験に供することにより、固体潤滑材被膜により覆われた母材の最表面から２〜１５μｍの深さの硬さが勾配を持ち、勾配の最高位の硬さが処理前の母材硬さと比べて５〜２０％増大することを確認している。

これらの固体潤滑材被膜の厚さや面積率及び母材最表面からの硬さ勾配は本発明を特徴づける値であり、本発明品によって得られる効果に関係すると考えられる。

前処理としてのディンプルの形成方法は、具体的には、ショットピーニング装置を用いた。ショットピーニングに関しては、ＪＩＳＲ６００１による平均粒径４５μｍの鋼球、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃，ガラスビーズなどのショット材を用いてショットピーニングの条件と同等の条件で行った。

本実施例においては、前処理として、ショットピーニング装置を用いたが、バレルを行う方法あるいは、バレルとショットピーニングの２種類で行う方法でも構わない。バレルに関しては、種々のメディアや添加材を配合して表面に大きな凹凸を付ける粗加工と、プラトー部の粗さを整える仕上げ加工を行い、得られたディンプルの深さを測定する方法としては、三次元非接触表面形状計測システムにより、観察（倍率１００×３０視野）し、得られた画像を断面プロファイルに変換し、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれ５断面測定し、その結果を平均値として求めた。この結果は請求項に記載したディンプル深さの範囲であることを確認している。

また、残留オーステナイトを分解させる方法は、前処理、固体潤滑材被覆処理によって行った。

残留オーステナイト量の変化率を測定する方法は、以下のように行った。まず、電解研磨にて最表面より１０μｍずつ研磨し、その都度作製される表面にＸ線分析装置を用いて、残留オーステナイト量を測定することにより、１０μｍ間隔の残留オーステナイト量のプロファイルを作成した。そして、このプロファイルの１００μｍ深さまで作成し、プリファイル中の残留オーステナイト量の最大値をその転動体１３が被覆処理前に有していた初期残留オーステナイト量とした。

次に、電解研磨を施していない、最表面にあたる位置の残留オーステナイト量を測定した値を被膜処理後の残留オーステナイト量の割合（百分率）を算出した。最後に、算出された値を百から引いて導出される値を表面残留オーステナイト量の体積率とした。

ここで、Ｘ線分析装置により測定した残留オーステナイト量とは、測定表面より約２０μｍ深さに分布する残留オーステナイト量の体積率をさす。

結果は表１に示すように、いずれも請求項に記載した変化率の範囲であることを確認している。

本実施例に関し、スラストニードル軸受１０の各部位（レース１１、１２、転動体１３、保持器１４）はＳＵＪ２から作製し、８４０℃でＲＡＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスの雰囲気で３時間浸炭窒化後、油焼き入れして焼戻しを行い、表面層の残留オーステナイト量を１５〜４５容量％とし、表面硬度をＨＲＣ６２〜６７（Ｈｖ７４６〜９００）に調整したものを用いた。

本実施例に関しては、母材として、上記条件でＳＵＪ２に浸炭窒化を行ったものを用いたが、ＳＵＪ２に浸炭窒化を行わないもの、すなわち、ＳＵＪ２にズブ焼きまたは高周波焼入れ処理をしたもの、または、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０に浸炭窒化または浸炭処理をしたものを用いて表面硬化させたものでもよい。

以下に、図３に示す寿命試験機４０を用いて寿命試験を行ったときの寿命試験条件を示す。

軸受寸法：Φ４０×Φ７０×５．５ｍｍ（スラストニードル軸受）
回転速度：３０００ｍｉｎ^-1
荷重：動定格荷重の４５％（Ｐ／Ｃ＝０．４５）
潤滑油：鉱油ＶＧ１０
周囲温度：室温（約２８℃）
軸受温度：下レース外径で１００〜１３０℃
試験個数：５個

なお、試験終了条件は、初期振動数の５倍並びに、下レースが１６０℃となった段階で試験を停止した。初期振動数５倍になったときは、実体顕微鏡において損傷の有無を確認し、損傷が無い場合は再開した。下レースが１６０℃となった場合は、焼付きと判断し、破損とした。

次の表１と図４及び図５に実施例並びに比較例の試験結果を示す。表１と図４及び図５に示す寿命比は、比較例１の寿命時間を基準（１．０）とし、これに対する比で表した。

なお、比較例１は、特許文献１に記載されている技術であり、滑り面に独立した微小窪みを無数にランダムに設け、この微小窪みを設けた面の面粗さがＲｍａｘ１．０μｍ、表面粗さのパラメータＳＫ値が−２．０、且つ微小窪みの平均面積が８０μｍ²、微小窪みの表面に占める割合が２５％とした場合である。

表１中の実施例１〜２６は、本発明によりショットピーニングで母材の表面層に、固体潤滑材が面積率で７５％以上、あるいは７５％以上、９５％以下で被覆され、且つ表面層の残留オーステナイトの変化量を１０〜７０％とすることにより、従来技術である比較例１と比較して格段に長寿命傾向を示し、寿命比は６．９倍以上であった。図４と図５に示すように、母材表面の面積率や残留オーステナイトの変化率を本発明で規定する範囲とすることで長寿命化が達成されることが分かる。

さらに、実施例１〜９は母材の表面層に前処理として微細なディンプルを形成してないものであって、実施例１０〜１８は前処理として母材表面に微細なディンプルを形成したものである。図４に示すように、好ましくは、母材の表面に前処理として、微細なディンプルを形成させることが有効であり、実施例２３〜２６のように、微細なディンプルの深さを０．１〜５μｍとすることが好ましいことが分かる。

同様に、実施例１９〜２２により、被膜厚さを０．１〜８．０μｍとすることが好ましいことが分かる。

比較例１〜３は従来技術であり、比較例１、２は仕上げとして、バレルを施したもの、比較例２は２段ショットピーニング、比較例３はＳＦを施したものである。これら従来技術ではいずれにおいても短寿命であった。

比較例４〜９は、被膜面積率が推奨範囲から外れたものである。比較例１０〜１５は残留オーステナイトの変化率が推奨範囲から外れたものである。

なお、上記実施例では、スラストニードル軸受１０を用いた実験について述べたが、転動装置はスラストニードル軸受に限定されるものではなく、本発明に関しては、転動装置として、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、スラスト玉軸受などの玉軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラストころ軸受、針状ころ軸受などのころ軸受、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリングなどの直動装置、トライダル無段変速機などにおいても有効な作用効果が得られる。

本発明の一実施例を示すスラストニードル軸受の要部断面図。スラストニードル軸受に固体潤滑材被膜を形成したときの断面ＳＥＭ像を示す図。寿命試験機の要部断面図。実施例と比較例における固体潤滑材の面積率と寿命比との関係を説明するための図。実施例と比較例における残留オーステナイトの変化率と寿命比との関係を説明するための図。

符号の説明

１０スラストニードル軸受
１１上レース
１２下レース
１３転動体
１４保持器

Claims

外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えてなる転動装置において、前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材の表面層に、面積率で７５％以上の固体潤滑材を被覆し、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施してなることを特徴とする転動装置。
外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えてなる転動装置において、前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材を、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理をしたもの、もしくはＳＵＪ２にズブ焼きまたは高周波焼入れ処理をしたもの、または、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０に浸炭窒化または浸炭処理をしたもので構成し、当該母材の表面層に、面積率で７５％以上の固体潤滑材を被覆し、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施してなることを特徴とする転動装置。
外方部材と、内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えてなる転動装置において、前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材の表面層に、面積率で７５％以上、９５％以下の固体潤滑材を被覆し、且つ前記母材の表面層の残留オーステナイト量の変化率が１０％以上、７０％以下となる処理を施してなることを特徴とする転動装置。
前記固体潤滑材の被膜厚さは、０．１μｍ以上、８．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１、２または３のうちいずれか１項に記載の転動装置。
前記外方部材、前記内方部材または前記転動体のうち少なくとも一つの母材に、前処理として、ディンプルを形成し、前記ディンプルの深さを０．１〜５μｍとしてなることを特徴とする請求項１、２、３または４のうちいずれか1項に記載の転動装置。
前記固体潤滑材を含有する母材表面層の中心線平均粗さは、Ｒ＝０．１０〜０．５０μｍＲａであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５のうちいずれか１項に記載の転動装置。