JP2008056969A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼の成分、表面窒素濃度、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の適正化を図ることで、より長寿命で、耐圧痕性、耐摩耗性に優れる転がり軸受を提供する。
【解決手段】軌道輪及び転動体の何れかの構成部材が、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％を含有し且つＭｏ：２質量％以下、Ｎｉ：４質量％以下の何れか１種類以上の合金元素を含有する鋼に浸炭窒化処理又は窒化処理を施してなり、当該構成部材の表面層の窒化濃度を０．２〜２．０質量％、当該構成部材の表面層のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上２０％以下とすることで、耐圧痕性、耐摩耗性を向上して長寿命化を図る。また、軌道輪軌道面の残留オーステナイト量をγ_ｒＡＢ、転動体表面の残留オーステナイト量をγ_ｒＣとした場合に、γ_ｒＡＢ−１５≦γ_ｒＣ≦γ_ｒＡＢ＋１５とすることで、大型軸受の焼入れ性を確保する。
【選択図】図１２

Description

本発明は転がり軸受に関するものであり、特に自動車、農業機械、建設機械、鉄鋼機械等のトランスミッション、エンジンなどに使用される転がり軸受に関するものである。

軸受潤滑油中に混入している金属の切粉、削り屑、バリ、摩耗粉などの異物が転がり軸受の軌道輪や転動体に損傷を与え、転がり軸受の寿命の大幅な低下をもたらすことはよく知られている。そこで、下記特許文献１では、異物が混入している潤滑環境下で転がり軸受を使用する場合でも、軸受の転がり表面層のＣの含有量、残留オーステナイト量、及び炭窒化物の含有量を適正値にすることで、異物により生じる圧痕縁の応力集中を緩和し、クラックの発生を抑えて、転がり軸受の寿命を向上することが開示されている。これによれば、適当量の残留オーステナイトにより異物混入潤滑環境下での寿命向上を図ることができる。
特開昭６４−５５４２３号公報

前記特許文献１にも記載されているように、異物混入潤滑環境下で生じる早期剥離は、転動体と軌道輪間に異物を噛み込むことによって形成された圧痕を起点として生じており、圧痕が形成されることによって生じる応力集中が原因であるとこれまではいわれてきている。しかしながら、本発明者らは、圧痕起点型剥離は、圧痕縁の応力集中だけが原因ではなく、転動体と軌道輪間に作用する接線力が影響していることを明らかにした。接線力に影響を及ぼす因子としては、滑り速度や面圧の他に、表面粗さや表面形状が挙げられる。表面粗さが小さく、表面形状が良好なほど、転動体と軌道輪に作用する接線力は小さくなり、異物混入潤滑環境下における軸受寿命は長くなる。

一方、前記特許文献１に記載されるように転動面の残留オーステナイト量を増加させると、表面硬さが低下し、耐摩耗性が低下するだけでなく、耐圧痕性が低下する。そのため、転動面の残留オーステナイト量が多い場合には、異物の影響によって転動面に圧痕が形成されやすくなる。圧痕が形成された転動面は、形状崩れや表面粗さの増大を起こす。圧痕の大きさが大きく、数が多いほど、形状崩れや表面粗さの増大は顕著である。即ち、異物混入潤滑環境下では、転動面表面の残留オーステナイト量が多いほど、圧痕が形成され安いため、転動体と軌道輪間に作用する接線力は大きくなる。

異物混入潤滑環境下で転動面の残留オーステナイトが多い場合には、接線力が大きくなったとしても、前記特許文献１に記載されるように残留オーステナイトの影響による応力集中緩和効果により残留オーステナイトが多い部材自身の寿命は低下しない。しかし、接触する２物体には同じ大きさの接線力が作用するため、表面の残留オーステナイトが多い部材の相手部材の寿命は低下してしまう。例えば、軌道輪表面の残留オーステナイトを多くした場合には、応力集中緩和効果によって軌道輪の寿命は延長するが、相手部材である転動体の寿命は、接線力増加のために低下してしまう。

転動体が剥離した場合でも、軌道輪が剥離した場合でも、軸受の寿命となるので、軸受全体の寿命を延ばすには、転動体と軌道輪双方の寿命を延ばす必要がある。即ち、単に転動面の残留オーステナイトを増加させる手法だけでは十分な寿命延長効果は得られない。また、軸受の使用条件によっては残留オーステナイトを増加させて長寿命化を図る手法が採用できない場合もある。例えば、高温で使用される場合には残留オーステナイトは寸法安定性を悪化させるため、残留オーステナイト量は少ない方が好ましい。

これに対して、本発明者らは鋭意研究を行い、自身（例えば転動体）の圧痕起点型剥離寿命を十分に確保し、且つ自身の耐圧痕性、耐摩耗性を向上させ、表面粗さ、表面形状の悪化を抑制し、２物体間（転動体と軌道輪間）に作用する接線力を抑制して、相手部材（例えば軌道輪）の寿命を延長させる材料因子がないか、検討を行った。その結果、耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる材料因子としては、表面硬さの他に、前述した残留オーステナイト、表面窒素濃度、表面に析出したＳｉ及びＭｎを含有する窒化物（以下、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物）の面積率が関係していることが明らかになった。

また、本発明者らは、転動体と軌道輪の表面粗さを夫々小さくすると、軌道輪の表面粗さを小さくした場合と比較して、転動体の表面粗さを小さくした場合（表面粗さ、表面形状の悪化を抑制した場合）に、効果的に表面起点型剥離を抑制できることを明らかにした。即ち、軌道輪よりむしろ転動体の表面粗さや表面系序の悪化を抑制することで、効果的に軸受全体の寿命を延長させることができる。

従って、具体的な数値限定については後述するが、内外輪、転動体の少なくとも１つ、好ましくは転動体の表面硬さ、表面残留オーステナイト量と表面窒素濃度、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を規定することによって、耐圧痕性、耐摩耗性が向上し、軸受使用中に生じる転動体と軌道面間の接線力の増大を抑制するだけでなく、耐剥離性も向上し、異物混入潤滑環境下で生じる圧痕起点型剥離に対して長寿命は転がり軸受を提供することが可能である。

一方、このような高窒素浸炭処理を大型の転がり軸受に適用することを考えた場合、焼入れ性向上のために添加されているＳｉやＭｎが窒化物として基地より抽出されてしまうため、長寿命作用をもたらすＳｉ・Ｍｎ系窒化物が析出している表面近傍において局所的に焼入れ性が低下し、パーライトやベイナイトといった不完全焼入れ層が形成され、寿命低下の要因となり得るという課題も残されている。

そこで、本発明者らは、大型の転がり軸受にも適用できるように、窒化物を形成するＳｉとＭｎを除いた他の元素により焼入れ性を確保した鋼種を求めて開発を行った。本発明では、後述するように、ＳｉとＭｎは窒化物形成のため、その他のＭｏやＮｉなどの合金元素は焼入れ性を確保するため、といったように軸受中の合金元素の存在状態に対応して添加することによって大型の軸受についても長寿命効果を発現させることを可能とした。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、鋼の成分、表面窒素濃度、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の適正化を図ることで、より長寿命で、耐圧痕性、耐摩耗性に優れる転がり軸受を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に係る転がり軸受は、内周面に転動面を有する外方部材と、外周面に転動面を有する内方部材と、外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、前記外方部材及び内方部材及び転動体の少なくとも１つの構成部材が、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％を含有し且つＭｏ：２質量％以下、Ｎｉ：４質量％以下の何れか１種類以上の合金元素を含有する鋼に浸炭窒化処理又は窒化処理を施してなり、当該構成部材の表面層の窒化濃度を０．２〜２．０質量％、当該構成部材の表面層のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上２０％以下としたことを特徴とするものである。

また、本発明のうち請求項２に係る転がり軸受は、前記請求項１の発明において、前記外方部材の軌道面及び内方部材の軌道面の残留オーステナイト量をγ_ｒＡＢ、前記転動体表面の残留オーステナイト量をγ_ｒＣとした場合に、γ_ｒＡＢ−１５≦γ_ｒＣ≦γ_ｒＡＢ＋１５、γ_ｒＡＢ≦５０、γ_ｒＣ≦５０であることを特徴とするものである。
数値の臨界的意義は以下の通りである。

［転動体表面の窒素濃度が０．２〜２．０質量％、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上２０％以下］
本発明では、軌道輪（外方部材及び内方部材）又は転動体の表面層に所定の窒素を富化させるために浸炭窒化処理を行う。窒素は、炭素と同じように、マルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物又は炭窒化物を形成して耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる作用がある。図１には耐圧痕性試験の様子を、図２には２円筒摩耗試験の様子を示す。耐圧痕性試験は、直径２ｍｍの鋼球を試料に５ＧＰａで押付けた後、圧痕の深さを測定する方法で行った。２円筒摩耗試験は、モータ１２で直接駆動する高速側（駆動側）円筒試験片１１を周速１０ｍｉｎ^−１で回転し、低速側（従動側）円筒試験片１３とモータ１２との間には減速ギヤ１４を介装して周速７ｍｉｎ^−１で回転することで強制的に滑りを与え、両試験片のトルクをトルク計１５で検出しながら、試験開始から２０時間後の駆動側、従動側円筒試験片の摩耗量の平均値を測定した。

図３ａには表面窒素濃度と耐圧痕性試験結果の圧痕深さとの関係を、図３ｂには表面窒素濃度と２円筒摩耗試験結果の摩耗量との関係を示す。表面窒素量の測定は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いた。また、窒素濃度の効果のみを調査するため、表面窒素濃度以外の硬さや残留オーステナイト量については一定とした。図３から明らかなように、表面窒素濃度が高いほど、耐圧痕性、耐摩耗性に優れており、表面窒素濃度が０．２質量％を超えると顕著に効果が現れるが、より好ましくは０．４５質量％以上とする。

一方、窒素濃度が高すぎると靭性や静的強度が低下してしまう欠点がある。転がり軸受の転動体にとって靭性や静的強度は必要な性能であるため、窒素濃度が高すぎるのは好ましくない。図４にシャルピー衝撃試験の結果を示す。窒素濃度が２．０質量％を超えると空隙に靭性が低下することが分かる。従って、本発明の表面窒素濃度の上限を２．０質量％とした。

前述したように、表面の窒素濃度が高いほど、材料の耐圧痕性、耐摩耗性が向上することが明らかになった。しかし本発明者らは更に、窒素濃度が同じ場合でも、材料内部の窒素の存在状態によって、耐圧痕性、耐摩耗性が変わるという知見を得た。窒素は、材料内部に固溶して存在する場合と、窒化物として析出して存在する場合がある。詳細な数値については後述するが、Ｓｉ、Ｍｎを多く含む材料を浸炭窒化処理した場合には、同じ窒素濃度でも材料中に固溶して存在する窒素量より、表面にＳｉ・Ｍｎ系の窒化物を析出して存在する窒素量が多くなる。図５ａにはＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と耐圧痕性試験結果の圧痕深さとの関係を、図５ｂにはＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と２円筒摩耗試験結果の摩耗量との関係を示す。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧１０ｋＶで転動面の観察を行い、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影した後、写真を２値化してから画像解析装置を用いて、面積率を計算した。Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の効果のみを調査するため、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率以外の硬さや残留オーステナイト量、窒素濃度については一定にしてある。図５から明らかなように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が高いほど、耐圧痕性、耐摩耗性に優れており、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％を超えると顕著に効果が現れるが、好ましくは２％以上とする。なお、図６にはＳｉ・Ｍｎ系窒化物の観察写真を示す。図６の下は、エネルギー分散型Ｘ線分散型分析装置で分析した窒化物の元素分析結果を示している。分析結果から、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎのピークが出現しており、表面の窒化物は、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物であることが分かる。

また、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が圧痕起点型剥離寿命に及ぼす影響を調査するため、スラスト型寿命試験により、異物混入潤滑環境下での試験を行った。試験に用いた材料の成分を下記表１に示す。表中、鋼種１はＪＩＳ ＳＵＪ３、鋼種２はＪＩＳ ＳＵＪ２に相当する材料である。表１の材料を直径６５ｍｍ厚さ６ｍｍの円板に旋削加工し、８２０〜９００℃で２〜１０時間、ＲＸガス、プロパンガス、アンモニアガスの混合ガス雰囲気中で浸炭窒化処理した後、油焼入れを施し、その後、１６０〜２７０℃で２時間の焼戻し処理を施した。処理温度、処理時間、アンモニアガス流量を変化させて、種々の窒素濃度の試験片を作製した。熱処理後、表面を研磨、ラッピングにより鏡面仕上げした。
試験条件は以下の通りである。
試験荷重：５８８０Ｎ
回転数：１０００ｍｉｎ^−１
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬さ：Ｈｖ８７０
異物の大きさ：７４〜１４７μｍ
異物混入量：２００ｐｐｍ

下記表２には、窒素濃度、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と異物混入寿命との関係を示す。また、図７には鋼種１，２の窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を、図８にはＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と圧痕起点型剥離寿命との関係を示す。なお、寿命試験結果は、比較例１のＬ１０寿命を１とした場合の比率で示した。

これらから、窒化物の析出量は、窒素濃度に比例して増大することが分かる。詳細は後述するが、Ｓｉ、Ｍｎ添加量の多い鋼の方が、同一窒素量で比較した場合に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多く、寿命が長いことが分かる。耐圧痕性、耐摩耗性と同様に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上、窒素濃度が０．２質量％以上になると寿命が著しく向上する。

一方で、窒素濃度と同様に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなりすぎると靭性や静的強度が低下してしまう欠点がある。転がり軸受の転動体にとって靭性や静的強度は必要な性能であるため、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなりすぎるのは好ましくない。図９には、シャルピー衝撃試験の結果を示す。同図から明らかなように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が２０％を超えると急激に靭性が低下することが分かる。従って、本発明のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の上限を２０％としたが、より好ましくは１０％とする。

［転動体表面の面積３７５μｍ^２中における０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数が１００個以上］
析出強化の理論において析出物粒子間距離の小さい方が強化能に優れるので、窒化物の面積率が同じであっても、面積３７５μｍ^２の範囲の、０．０５μｍ以上１μｍ以下のＳｉ・Ｍｎ系窒化物を１００個以上とすることで、析出数を増やし、析出物粒子間距離を小さくして強化することが好ましい。また、０．０５μｍ以上のＳｉ・Ｍｎ系窒化物のうち、０．０５μｍ〜０．５０μｍのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の個数比率を２０％以上にすることにより、更に強化することが可能になる。

［Ｃ：０．３〜１．２質量％以下］
Ｃは、鋼に必要な強度と寿命を得るために重要な元素である。Ｃが少なすぎると十分な強度が得られないだけでなく、後述する浸炭窒化の際に必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、熱処理コストの増大につながる。そのため、Ｃ含有量は、０．３質量％以上、好ましくは０．５質量％以上とする。また、Ｃ含有量が多すぎると製鋼時に巨大炭化物が生成され、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えるほか、ヘッダー性が低下してコストの上昇を招く恐れがあるため、上限を１．２質量％とした。より好ましくは０．９５〜１．１０質量％とする。

［Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％］
前述したように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を十分に析出させるためには、Ｓｉ及びＭｎを多く含有した鋼を用いる必要がある（ＳＵＪ２（Ｓｉ含有量０．２５質量％、Ｍｎ含有量０．４質量％）では、浸炭窒化などで窒素を過剰に付与しても、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物量が少ない）。このため、Ｓｉ及びＭｎの含有量は以下の値を臨界値とする。
［Ｓｉ：０．３〜２．２質量％］
本発明に係る窒化物の析出に必要な元素であり、Ｍｎの存在によって、０．３質量％以上の添加で、窒素と効果的に反応して顕著に析出する。また、靭性の低下や深部への窒素の拡散を抑制するためには２．２質量％以下が好ましく、より好ましくは０．７０質量％以下とする。

［Ｍｎ：０．２〜２．０質量％］
本発明に係る窒化物の析出に必要な元素であり、Ｓｉとの共存によって、０．２質量％以上の添加でＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出を促進させる作用がある。また、Ｍｎはオーステナイトを安定化する働きがあるので、硬化熱処理後に残留オーステナイトが必要以上に増加するといった問題を防止するため、２．０質量％以下、より好ましくは１．１５質量％以下とする。
［Ｍｏ：２．０質量％以下］
Ｍｏは、焼入れ性を増加させる元素であり、なおかつ前述したＳｉ・Ｍｎ系窒化物やセメンタイトに顕著に濃化しないので、浸炭窒化処理後にも焼入れ性を確保させるために有効である。この効果を更に得るためにＭｏを０．０５質量％以上とすることが好ましい。
一方、Ｍｏの過剰な添加は、残留オーステナイトが必要以上に増加することや鋼材コストが上昇するといった問題を生じるため、２．０質量％以下とする。

［Ｎｉ：２．０質量％以下］
Ｎｉは、焼入れ性を増加させる元素であり、なおかつ前述したＳｉ・Ｍｎ系窒化物やセメンタイトに顕著に濃化しないので、浸炭窒化処理後にも焼入れ性を確保させるために有効である。この効果を更に得るためにＮｉを０．２質量％以上とすることが好ましい。一方、Ｎｉの過剰な添加は、残留オーステナイトが必要以上に増加することや鋼材コストが上昇するといった問題を生じるため、２．０質量％以下とする。
また、Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、結晶の粗大化を防ぎ、化合物の球状化を向上させるものであり、この効果を得るためには０．９質量％以上が好ましく、加工性とコストのために１．８質量％以下が好ましく、１．６質量％以下がより好ましい。

［内外輪軌道面の残留オーステナイト量をγ_ｒＡＢ、転動体表面の残留オーステナイト量をγ_ｒＣとした場合に、γ_ｒＡＢ−１５≦γ_ｒＣ≦γ_ｒＡＢ＋１５、γ_ｒＡＢ≦５０、γ_ｒＣ≦５０］
前述したように、残留オーステナイト量が少なくなると、耐圧痕性、耐摩耗性が向上する一方で、表面の残留オーステナイト量が多いほど剥離寿命が延長する。即ち、転動体を中心に考えると、転動体表面のオーステナイト量が少ないほど転動体の耐圧痕性、耐摩耗性が向上し、軌道輪の寿命は延長するが、転動体自身の寿命は低下する。従って、最長軸受寿命に最適な転動体の残留オーステナイト量が存在するが、その最適な範囲は軌道輪の残留オーステナイト量によって異なる。軌道輪の残留オーステナイト量が多い場合には、軌道輪の寿命が長くなり、軌道輪の耐圧痕性が低下して軌道輪と転動体との接線力も大きくなるため、転動体の耐圧痕性、耐摩耗性をあげるより、転動体の寿命を延ばす必要がある。そのため、軌道輪の残留オーステナイト量が多い場合には、転動体の残留オーステナイト量も多くしなければならない。即ち、最長軸受寿命を達成する転動体の残留オーステナイト量（γ_ｒＣ）の範囲は、軌道輪の残留オーステナイト量（γ_ｒＡＢ）によって変化するため、γ_ｒＡＢ−１５≦γ_ｒＣ≦γ_ｒＡＢ＋１５、γ_ｒＡＢ≦５０（但し、γ_ｒＡＢ≦５０、γ_ｒＣ≦５０）の形をとる（数値限定理由は後述する）。また、残留オーステナイト量が多すぎると硬さが下がり、耐圧痕性、耐摩耗性が低下するだけでなく、高温で使用される場合の寸法安定性も悪化するため上限値を５０％とした。

また、本発明では、好ましくは転動体表面の硬さをＨｖ７５０以上とする。耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる材料因子として最初に思いつくのが表面硬さである。耐圧痕性、耐摩耗性に及ぼす表面硬さの影響を調査するため、前述と同様に耐圧痕性試験及び２円筒摩耗試験を行った。図１０ａには表面硬さと耐圧痕性試験結果の圧痕深さとの関係を図１０ｂには表面硬さと２円筒摩耗試験結果の摩耗量との関係を示す。同図から明らかなように、表面硬さが大きいほど、耐圧痕性、耐摩耗性に優れていることが分かる。特に耐圧痕性、耐摩耗性共に表面の硬さがＨｖ７５０以上になると顕著に表面硬さの効果が得られる。また、硬さが硬いほど、疲労強度が上昇することが知られており、転動面の表面硬さをあげることで、耐圧痕性、耐摩耗性だけでなく、圧痕起点型剥離強度も向上することが可能である。

而して、本発明のうち請求項１に係る転がり軸受によれば、内周面に転動面を有する外方部材と、外周面に転動面を有する内方部材と、外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、外方部材及び内方部材及び転動体の少なくとも１つの構成部材が、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％を含有し且つＭｏ：２質量％以下、Ｎｉ：４質量％以下の何れか１種類以上の合金元素を含有する鋼に浸炭窒化処理又は窒化処理を施してなり、当該構成部材の表面層の窒化濃度を０．２〜２．０質量％、当該構成部材の表面層のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上２０％以下としたため、より長寿命で、耐圧痕性、耐摩耗性に優れる。

また、本発明のうち請求項２に係る転がり軸受によれば、前記請求項１の発明において、外方部材の軌道面及び内方部材の軌道面の残留オーステナイト量をγ_ｒＡＢ、転動体表面の残留オーステナイト量をγ_ｒＣとした場合に、γ_ｒＡＢ−１５≦γ_ｒＣ≦γ_ｒＡＢ＋１５、γ_ｒＡＢ≦５０、γ_ｒＣ≦５０であることとしたため、軸受全体としての長寿命を可能とする。

次に、本発明の転がり軸受の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の転がり軸受の断面図である。この転がり軸受は、内方部材である内輪１、外方部材である外輪２、転動体３、保持器４を備えた、呼び番号Ｌ４４６４９／６１０の円錐ころ軸受である。
この円錐ころ軸受を用い、異物混入潤滑環境下での寿命試験を行った。試験条件は以下の通りである。
試験荷重：ラジアル荷重Ｆｒ＝１２ｋＮ、アキシアル荷重Ｆａ＝３．５ｋＮ
回転数：３０００ｍｉｎ^−１
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬さ：Ｈｖ８７０
異物の大きさ：７４〜１３４μｍ
異物混入量：０．１ｇ

寿命試験の実施例は、転動体に本発明を用いている。内外輪は鋼炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、８３０〜８５０℃のＲＸガス＋プロパンガス＋アンモニアガス雰囲気中で１〜３時間の浸炭窒化処理を施した後、１８０〜２４０℃の焼戻しを施して、内外輪軌道面の残留オーステナイト量が約１０，２０、３０％の３種類の軌道輪を作製した。

下記表３には、実験に使用した転動体素材の成分及び完成転動体の品質を示す。転動体は、まず表３に示す成分の線材をヘッダー加工、粗研削加工によって作製し、浸炭窒化焼入れ（８３０℃×５〜２０ｈｒ、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気）、１８０〜２７０℃焼戻しの熱処理及び後工程を行った。転動体の表面窒素量の測定には電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用い、定量分析を行った。また、表面層の残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線解析法により測定した。何れも、転動体表面を直接分析測定した。更に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧１０ｋＶで転動面の観察を行い、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影した後、写真を２値化してから画像解析装置を用いて、面積率を計算した。また、寿命試験は各サンプルｎ＝１２行い、剥離が発生するまでの寿命時間を測定して、ワイブルプロットを作成し、ワイブル分布の結果からＬ１０寿命を求め、寿命値とした。寿命は最も短寿命であって比較例１１を１として比率で表した。

図１２には、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と寿命比との関係を示す。図１２から明らかなように、本発明範囲の成分の鋼を用い、表面窒素濃度０．２質量％以上２．０質量％以下、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物面積率１％以上２０％以下の本発明の実施例は、比較例に比べて寿命延長効果が大きい。
図１３には、軌道輪軌道面の残留オーステナイト量が１０、２０、３０％の夫々の場合の転動体転動面の残留オーステナイトと寿命比との関係を示す。軌道輪軌道面の残留オーステナイト量が多いほど長寿命の傾向を示すが、その寿命は転動体転動面の残留オーステナイト量に依存しており、転動体の残留オーステナイト量を本発明範囲に規定することにより、軸受全体としての長寿命を達成している。また、転動体の残留オーステナイト量が本発明範囲未満の場合は全て転動体が破損し、本発明範囲より多い場合には全て軌道輪が破損しており、本発明範囲内にすることにより、転動体と軌道輪の寿命をバランスよく延ばし、軸受全体として長寿命が達成されていることが分かる。

例えば特開平５−２５６０９号公報にも記載されているように、残留オーステナイト量が増えると、異物混入潤滑環境下で寿命が延びる結果は本試験結果でも得られている。しかし、単にそれだけでは不十分であり、相手材の残留オーステナイト量も規定することで、実施例に示すような長寿命化が可能である。また、本発明は、コスト的な理由や使用条件の問題から残留オーステナイト量を増やして長寿命化が行えない場合にも、効果的に寿命を延ばす範囲を規定し、寿命を延ばす手法を提案しているものであり、独創的な発明である。

なお、前記実施例は、転動体に本発明を適用した事例であるが、内外輪の何れか、又は内外輪及び転動体の全てに適用しても同様の効果が得られる。
一方、前記表３に示す鋼種１〜９について種々のサイズの転動体を作製し、これまでの実施例で良好な寿命特性が得られた浸炭窒化条件を適用して軸受を作製した。下記表４に、夫々の熱処理品質及び寿命試験結果の寿命比を示す。なお、寿命比は、比較例２３の寿命を１として表している。この比較例２３は、前記表２の比較例１と同じである。

まず、熱処理品質について説明する。前述した図７に示すように、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率はＳｉ及びＭｎの含有量及び窒素濃度に依存する。鋼種１及び３〜９では、Ｓｉ及びＭｎの含有量はほぼ同一であるので、窒化物の析出量は窒素濃度に依存し、浸炭窒化の条件が同一であることから、窒化物の析出量も２〜３％とほぼ一定となる。研削後の転動面に関して不完全焼入れ組織を調査した結果、直径１０ｍｍの転動体では観察されなかったが、直径２０ｍｍ以上になると不完全焼入れ組織が生成する場合があることが確認された。不完全焼入れ組織の生成に伴って、鋼種１では炭窒化物による長寿命効果が低減することが分かるが、鋼種３〜９（実施例２１〜４１）では、何れの転動体サイズにおいても不完全焼入れ組織は生成せず、良好な寿命特性が確保できることが明らかになった。

このように炭窒化物の生成能と焼入れ性の確保といった合金元素の役割について、合金元素毎の特徴を把握し、夫々の合金元素に適した役割を付与することによって、炭窒化物による長寿命化と、不完全焼入れ組織による寿命劣化を低減した点が、本発明の独創的な点の一つであるといえる。
なお、この実施例では、主に転動体に関して記述しているが、大型の軌道輪に関しても同様に適用できる。

耐圧痕性試験の説明図である。 ２円筒摩耗試験の説明図である。 （ａ）は表面窒素濃度と圧痕深さとの関係を示す説明図、（ｂ）は表面窒素濃度と摩耗量との関係を示す説明図である。 表面窒素濃度と吸収エネルギーとの関係を示す説明図である。 （ａ）はＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と圧痕深さとの関係を示す説明図、（ｂ）はＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と摩耗量との関係を示す説明図である。 Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の観察写真である。 窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示す説明図である。 Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と寿命比との関係を示す説明図である。 Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と吸収エネルギーとの関係を示す説明図である。 （ａ）は表面硬さと圧痕深さとの関係を示す説明図、（ｂ）は表面硬さと摩耗量との関係を示す説明図である。 本発明の転がり軸受の一実施形態を示す縦断面図である。 Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と寿命比との関係を示す説明図である。 軌道輪の残留オーステナイト量が変化したときの転動体の残留オーステナイト量と寿命比との関係を示す説明図である。

符号の説明

１は内輪（内方部材）
２は外輪（外方部材）
３は転動体
４は保持器

Claims (2)

1. 内周面に転動面を有する外方部材と、外周面に転動面を有する内方部材と、外方部材の転動面と内方部材の転動面との間に転動自在に配設された複数の転動体とを備えた転がり軸受において、前記外方部材及び内方部材及び転動体の少なくとも１つの構成部材が、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％を含有し且つＭｏ：２質量％以下、Ｎｉ：４質量％以下の何れか１種類以上の合金元素を含有する鋼に浸炭窒化処理又は窒化処理を施してなり、当該構成部材の表面層の窒化濃度を０．２〜２．０質量％、当該構成部材の表面層のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上２０％以下としたことを特徴とする転がり軸受。
2. 前記外方部材の軌道面及び内方部材の軌道面の残留オーステナイト量をγ_ｒＡＢ、前記転動体表面の残留オーステナイト量をγ_ｒＣとした場合に、γ_ｒＡＢ−１５≦γ_ｒＣ≦γ_ｒＡＢ＋１５、γ_ｒＡＢ≦５０、γ_ｒＣ≦５０であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。

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