JP2013160314A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】表面起点型剥離に対して耐久性を有するとともに、組織変化型剥離に対しても耐久性を有して長寿命であり且つ安価な転がり軸受を提供する。
【解決手段】円筒ころ軸受１０の転動体３の平均残留オーステナイト量は１０体積％以下である。円筒ころ軸受１０の内輪１及び外輪２は、炭素の含有量が０．７質量％以上である鋼で構成されており、高周波焼入れにより焼入れが施されてなる硬化層が軌道面１ａ，２ａに形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が硬化層の内側の心部に形成されている。また、軌道面１ａ，２ａの残留応力が−２００ＭＰａ以下である。さらに、硬化層の残留オーステナイト量と非焼入れ部の残留オーステナイト量との差が１５体積％以上であり、平均残留オーステナイト量が１２体積％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は転がり軸受に関する。

通常、ラジアル転がり軸受は、ハウジングなどに固定される外輪と、主に軸に取り付けられる内輪と、内輪と外輪の間に配置される複数の転動体と、複数の転動体を周方向等間隔に維持しつつ転動自在に保持する保持器と、を備えている。これら軌道輪と転動体とは、非常に狭い領域で接触しつつ相対的にすべりを伴いながら転がり運動を行う。よって、転がり軸受の軌道面には高い接触面圧が繰り返し作用するので、正常に使用されていたとしても、軌道面表面又は剪断応力の作用する表面直下には金属疲労が起こる。

転がり軸受に対して十分な潤滑が行われている場合には、軌道輪を構成する材料の内部の非金属介在物の周囲に剪断応力が集中するため、局部的に疲労が蓄積する。そして、最終的には亀裂が発生し、その亀裂が進展して表面に至り、軌道面が部分的に欠損する剥離と呼ばれる破損に至る。このような破損は内部起点型剥離と呼ばれ、この破損が生じた時間は、内部起点型剥離による転がり軸受の寿命と呼ばれる。

一方、潤滑油の粘度や軌道面の表面粗さの影響により転がり軸受の潤滑が不十分である場合は、軌道面の表面が疲労を受ける場所となるため、特に硬質の異物を軌道面に噛み込んだ場合に生じる圧痕の周囲に高い応力集中が生じる。この場合も同様に、疲労の蓄積から亀裂の発生・進展が起こって剥離に至る。このような破損は、表面起点型剥離と呼ばれる。

これらの破損の発生を遅延させ転がり軸受の寿命を延長するためには、材料の疲労強度自体を向上させる必要がある。そのため、炭素の含有量の多い鋼を材料として使用して焼入れを施すか、又は、浸炭若しくは浸炭窒化により表面の炭素濃度を向上させ、さらに焼入れを施している。これにより、十分に金属疲労に強い軌道輪や転動体を得ることができる。

産業機械用の転がり軸受は、高い荷重を支持する部位に用いられることが多いため、剥離寿命の向上が大きな課題となっている。こうした用途においては、高温、高速回転、異物の混入など、厳しい潤滑条件で使用されることが多いため、表面に疲労が蓄積される場合が多い。そのため、これまでの技術開発は、表面疲労に対する耐久性（表面起点型剥離に対する耐久性）をさらに向上させることを主眼に行われてきた。

例えば、特許文献１に開示の技術では、剥離起点の状態に着目し、残留オーステナイト量と硬さが適切な範囲となるように熱処理を施すことで、異物の噛み込みにより生じた圧痕の周囲の応力集中を緩和して、疲労を低減している。
しかしながら、近年では、風力発電機の増速機に用いられる大形軸受のような、苛酷な環境で使用される一部の転がり軸受において、短時間の使用で軸受部品の内部に組織変化（白色組織変化）を伴う剥離現象が生じることがある。

この種類の形態の剥離が発生する機構は未だ完全には解明されていないが、現在のところ、潤滑油が高い接触面圧やすべりによって分解された際に発生する水素が鋼中に侵入して、水素脆性により組織変化の発生が促進されて疲労破壊に至っていると考えられている。また、このような組織変化は、水素の発生しやすい特殊な潤滑油の使用や、静電気の介在、水の混入などの要因によって加速される場合があると考えられている。

このような組織変化型剥離の発生を遅延させて転がり疲れ寿命を向上させるために、潤滑剤を工夫する技術が提案されている。例えば、特許文献２には、グリースに酸化剤を添加し、軌道面表面に酸化物層を形成して潤滑油の分解と水素の侵入とを防止することにより、転がり軸受の寿命を延長する技術が開示されている。また、特許文献３には、グリースに導体粒子を混在させて電位を安定させ水素の発生を抑制することにより、転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上する技術が開示されている。
一方、特許文献４，５においては、組織変化を遅延させる作用を有するクロム（Ｃｒ）に着目し、内輪、外輪、及び転動体の少なくとも一つの軸受部品を、Ｃｒを含有する合金鋼で構成することにより、白色組織の発生を抑制して寿命を延長している。

特開平５−２５６０９号公報 特許第２８７８７４９号公報 特開２００２−３２７７５８号公報 特開２００５−１４７３５２号公報 特開２０１０−１９６１０７号公報

しかしながら、特許文献２，３のようなグリースに着目した技術は、転がり軸受が油浴中で使用される場合や循環給油により使用される場合には適用できないという問題があった。また、特許文献４，５のような合金成分に着目した技術は、コスト高となるおそれがあるという問題があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、従来の剥離形態である表面起点型剥離に対して耐久性を有するとともに、組織変化型剥離に対しても耐久性を有して長寿命であり且つ安価な転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の態様は次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係る転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記転動体の平均残留オーステナイト量が１０体積％以下であり、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が以下の５つの条件Ａ〜Ｅを満足することを特徴とする。
条件Ａ：炭素の含有量が０．７質量％以上である鋼で構成されている。
条件Ｂ：高周波焼入れにより焼入れが施されてなる硬化層が前記軌道面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が前記硬化層の内側の心部に形成されている。
条件Ｃ：前記軌道面の残留応力が−２００ＭＰａ以下である。
条件Ｄ：前記硬化層の残留オーステナイト量と前記非焼入れ部の残留オーステナイト量との差が１５体積％以上である。
条件Ｅ：平均残留オーステナイト量が１２体積％以下である。
このような転がり軸受においては、前記内輪及び前記外輪が前記条件Ａ〜Ｅを満足し、前記転動体は高周波焼入れにより焼入れが施されていることが好ましい。また、転がり軸受の種類は、ラジアル円筒ころ軸受又はラジアル球面ころ軸受とすることができる。

本発明者らは、グリースによらない転がり軸受の長寿命化を、コストも考慮しつつ達成するために、合金成分以外の要素に着目した。
組織変化型剥離（白色組織を起点とした剥離）を抑制する方法は、白色組織自体の発生を抑制する方法と、白色組織から発生する亀裂の伝播を抑制する方法との二つに分けられる。
前者の方法としては、水素の発生を抑制する手段が有効であり、本発明者らは水素発生の駆動力となるすべりに着目した。例えば玉軸受及び自動調心ころ軸受では、転動体の回転半径の違いから差動すべりが発生することが知られている。円筒ころ軸受や円錐ころ軸受では幾何学的なすべりは発生しないが、実際には転動体の姿勢はある一定範囲内で制御されているため、微小なすべりが発生する。このようなすべりは、転動体の拘束が緩やかなほど大きくなることが知られている。

一方、転がり軸受には内部すきまが存在する。内部すきまが小さいほど負荷圏が大きくなり、多くの転動体で荷重を受けることができるので、寿命が長くなる。しかしながら、転がり軸受は使用中に膨張することが知られており、膨張による寸法変化で内部すきまがなくなる場合がある。その結果、転動体に負荷する荷重が過剰になると、凝着により焼付きが発生する。

したがって、転がり軸受の使用温度を考慮のうえ、寸法変化が起こっても負すきまとならないように、ある程度の余裕を持って内部すきまを調整する必要がある。余裕を持った内部すきまは、転動体の拘束を緩やかにするために、姿勢の変化によるすべりの発生をもたらす。内部すきまの変化のみに着目した場合は、寸法変化の原因となる残留オーステナイトを消滅させる温度での焼戻しを採用できるが、その場合は、転がり軸受の耐表面疲労特性は低下し、長寿命効果は得られにくい。

次に、後者の方法（白色組織から発生した亀裂の伝播を抑制する方法）について検討する。当然のことながら、ある起点から亀裂が発生したとしても、その亀裂の伝播が停止すれば破壊に至ることはない。一般に、材料が硬質であれば亀裂の伝播速度は早いので、軸受鋼のような硬度が必要な素材では亀裂の伝播を停止させることは難しい。しかしながら、寿命に関してクラックの発生と伝播の割合を評価した研究では、クラックの伝播の期間が非常に大きいことも知られており、亀裂の伝播を抑制することは長寿命化に有効であると考えられる。転がり疲労の場合は、亀裂の伝播は剪断によるモードＩＩ（面内剪断形）であることが知られており、その場合は、亀裂が閉じていると伝播が遅くなる。したがって、亀裂を押し付けて亀裂界面での摩擦を増加させるような圧縮の残留応力の付与が望ましい。

以上のことから、例えば風力発電機の増速機に用いられる大形軸受のように、組織変化型剥離（白色組織を起点とした剥離）と異物による表面起点型剥離との両方が発生するような用途において、転動体の姿勢変化により生じるすべりの抑制と、異物混入潤滑環境下での耐表面疲労特性とを両立させるためには、残留オーステナイトを軌道面近傍のみに多量に発生させ、その他の部分はできるだけ少量として全体の寸法変化を抑え、軌道面にはさらに圧縮の残留応力を付与させるような熱処理を行う必要がある。
肌焼き鋼に浸炭処理を施して製造する浸炭軸受は、上記の目的を達成する手段の一つであるが、９００℃程度の高温で数十時間程度の長時間の浸炭処理が必要であり、その浸炭時間は軸受サイズの増加以上に長くなることが拡散の理論からも明らかであるので、昨今の地球環境保全の観点からも望ましい手段ではない。

これに対して、高周波熱処理は、コイルと周波数を適正に制御することができれば、焼入れが施されてなる硬化層をワークの所望の部位に形成することができる。また、ワークの心部まで加熱する必要がないため、ワーク全体の残留オーステナイト量を少なくすることができる。さらに、焼入れが施されていない心部（非焼入れ部）の残存は、軌道面に圧縮の残留応力をもたらす。さらに、ワークのみを加熱するため、炉加熱に比べて必要な熱量が大幅に少なく、環境負荷の観点から考えても望ましい熱処理方法である。

一方、残留応力に関しては、高周波熱処理にも注意すべき点がある。前述の通り高周波焼入れは軌道面に圧縮の残留応力をもたらす有効な手段であり、一般にその値は浸炭処理よりも大きいことが知られている。反面、それとバランスするように内部には大きな引張りの残留応力が作用する。引張りの残留応力は材料の疲労強度を低下させるため、内部（心部）が非焼入れ部となる高周波熱処理では注意が必要である。さらに、引張りの残留応力は硬化層と非焼入れ部との勾配が急であるほど、その境目の値が大きくなることが分っている。よって、引張りの残留応力は、転がり疲労によって付与される応力勾配に応じて緩やかに制御することが望ましい。

以上のような手法で、組織変化型剥離及び表面起点型剥離に対する耐久性を向上させて長寿命化するためには、内輪及び外輪の少なくとも一方が前述の５つの条件Ａ〜Ｅを満足する必要がある。すなわち、炭素の含有量が０．７質量％以上である鋼（例えばＳＵＪ２、ＳＵＪ３等の軸受鋼が好ましく、高炭素クロム軸受鋼がより好ましい）で構成された軌道輪の軌道面に高周波焼入れを施す。これにより、軌道面の残留応力を２００ＭＰａ以上の強い圧縮応力とするとともに、軌道面に形成された硬化層の残留オーステナイト量と非焼入れ部の残留オーステナイト量との差を１５体積％以上、軌道輪の平均残留オーステナイト量を１２体積％以下とする。さらに、転動体の平均残留オーステナイト量を１０％以下とする。
このとき、内輪及び外輪の両方が前記条件Ａ〜Ｅを満足し、且つ、転動体は高周波焼入れにより焼入れが施されていることが好ましい。ただし、内輪及び外輪の一方又は両方が前記条件Ａ〜Ｅを満足し、且つ、転動体は浸炭窒化後に寸法安定化処理が施されているものとすることもできる。

本発明の転がり軸受は、転動体の平均残留オーステナイト量が１０体積％以下であり、内輪及び外輪の少なくとも一方が前述の５つの条件Ａ〜Ｅを満足するので、表面起点型剥離及び組織変化型剥離に対する耐久性を有して長寿命であるとともに安価である。

本発明に係る転がり軸受の第一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。 本発明に係る転がり軸受の第二実施形態である自動調心ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。

本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である円筒ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１に示す円筒ころ軸受１０は、軌道面１ａを外周面に有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａの間に転動自在に配された複数の転動体（円筒ころ）３と、内輪１及び外輪２の間に転動体３を保持する保持器４と、を備えていて、両軌道面１ａ，２ａと転動体３の転動面３ａとの潤滑が、グリース，潤滑油等の潤滑剤（図示せず）により行われている。なお、保持器４は備えていなくてもよい。また、シール，シールド等の密封装置を備えていてもよい。

このような円筒ころ軸受１０において、内輪１、外輪２、及び転動体３は、以下の条件を満足する。まず第一に、転動体３は、その平均残留オーステナイト量が１０体積％以下とされている。なお、平均残留オーステナイト量とは、その部材全体における残留オーステナイト量の平均値を意味する。例えば、表面から中心部までの残留オーステナイト量の分布を測定し、その平均値を算出することにより得ることができる。

第二に、内輪１及び外輪２は、以下の５つの条件Ａ〜Ｅを満足する。
条件Ａ：炭素の含有量が０．７質量％以上である鋼で構成されている。
条件Ｂ：高周波焼入れにより焼入れが施されてなる硬化層が軌道面１ａ，２ａに形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が硬化層の内側の心部に形成されている。
条件Ｃ：軌道面１ａ，２ａの残留応力が−２００ＭＰａ以下である。
条件Ｄ：硬化層の残留オーステナイト量と非焼入れ部の残留オーステナイト量との差が１５体積％以上である。
条件Ｅ：平均残留オーステナイト量が１２体積％以下である。

なお、内輪１及び外輪２の両方が条件Ａ〜Ｅを満足することが好ましいが、一方のみが条件Ａ〜Ｅを満足する構成としてもよい。また、転動体３についても、高周波焼入れが施され、焼入れが施されてなる硬化層が転動面３ａに形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が硬化層の内側の心部に形成されていることが好ましい。
内輪１及び外輪２の素材については、高周波焼入れによって転がり疲労に耐えるだけの硬さとなることが必要であるので、鋼の炭素の含有量は０．７質量％以上である必要がある。

また、高周波焼入れにより軌道面１ａ，２ａの表面部分のみに焼入れを施して硬化させ硬化層とし、その内側の心部に硬化されていない非焼入れ部を残存させるが、非焼入れ部は残留オーステナイトをほとんど含んでいないので、硬化層に残留オーステナイトを多量に残存させたとしても、全体としての残留オーステナイト量を低く抑えることができる。よって、内輪１及び外輪２の温度による寸法変化が生じにくいので、円筒ころ軸受１０の内部すきまの変化も生じにくく、且つ、転動体３の姿勢変化に起因するすべりも生じにくい。

さらに、心部に形成されている非焼入れ部の作用によって、内輪１及び外輪２は靱性が優れており、浸炭や浸炭窒化を施した場合と同等の靱性が得られる。よって、本実施形態の円筒ころ軸受１０は靱性が優れているので、靱性を要求される大形軸受に好適である。さらにまた、長時間の浸炭又は浸炭窒化を施すことなく、高周波焼入れにより熱処理を行うので、円筒ころ軸受１０の製造コストが安価である。
さらに、高周波焼入れによって内輪１及び外輪２の軌道面１ａ，２ａに−２００ＭＰａ以下の残留応力（すなわち２００ＭＰａ以上の圧縮の残留応力）が付与されているので、剥離に至る亀裂の発生及び進展が抑制される。

このような本実施形態の円筒ころ軸受１０は、水素が鋼中に侵入するような環境で、且つ、固体異物（例えば、鉄粉塵等の硬質の粒子）が混入するような厳しい潤滑条件（異物混入潤滑環境）で使用されても長寿命である。よって、本実施形態の円筒ころ軸受１０は、例えば風力発電機の増速機や主軸、あるいは、建設機械、産業用ロボット等で使用される大形軸受のように、組織変化型剥離（白色組織を起点とした剥離）と表面起点型剥離との両方が短時間で発生するような苛酷な環境下で使用される軸受に好適である。
また、本実施形態の円筒ころ軸受１０は、軸受材料として特殊な組成の鋼を使用する必要がなく、軸受鋼等の一般的な鋼を使用することができ、且つ、浸炭等の特殊な熱処理を施す必要がないので、生産性が高く安価である。

〔第二実施形態〕
図２は、本発明に係る転がり軸受の別の実施形態である自動調心ころ軸受（球面ころ軸受）の構造を示す部分縦断面図である。
図２に示す自動調心ころ軸受２０は、２列の軌道面１１ａ，１１ａを外周面に有する内輪１１と、内輪１１の軌道面１１ａ，１１ａに対向する軌道面１２ａを内周面に有する外輪１２と、両軌道面１１ａ，１２ａ間に転動自在に配された２列の転動体（球面ころ）１３，１３と、内輪１１及び外輪１２の間に転動体１３を保持する保持器１４と、を備えている。
内輪１１の外径は、幅方向両端部よりも中央部の方が大きく形成されている。また、外輪１２の内周面は、２列一体の球面軌道面１２ａとされている。

そして、両軌道面１１ａ，１２ａと転動体１３の転動面１３ａとの潤滑が、グリース，潤滑油等の潤滑剤（図示せず）により行われている。なお、保持器１４は備えていなくてもよい。また、シール，シールド等の密封装置を備えていてもよい。
このような自動調心ころ軸受２０において、内輪１１、外輪１２、及び転動体１３は、以下の条件を満足する。まず第一に、転動体１３は、その平均残留オーステナイト量が１０体積％以下とされている。第二に、内輪１１及び外輪１２は、前述した５つの条件Ａ〜Ｅを満足する。

なお、内輪１１及び外輪１２の両方が条件Ａ〜Ｅを満足することが好ましいが、一方のみが条件Ａ〜Ｅを満足する構成としてもよい。また、転動体１３についても、高周波焼入れが施され、焼入れが施されてなる硬化層が転動面１３ａに形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が硬化層の内側の心部に形成されていることが好ましい。
このような構成による作用効果については、第一実施形態と同様であるので、その説明は省略する。

なお、第一及び第二実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は第一及び第二実施形態に限定されるものではない。例えば、第一及び第二実施形態においては、転がり軸受の例として円筒ころ軸受と自動調心ころ軸受をあげて説明したが、本発明は円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受以外にも、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受等の転がり軸受に対して適用することができる。

〔実施例〕
以下に、実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。実施例１〜１０及び比較例１〜４の転がり軸受を用意して、その寿命を評価した。まず、試験に用いた実施例１〜１０及び比較例１〜４の転がり軸受について説明する。
使用した転がり軸受は呼び番号ＮＵ２３２６の円筒ころ軸受であり、その内径は１３０ｍｍ、外径は２８０ｍｍ、幅は９３ｍｍ、基本動ラジアル定格荷重（Ｃｒ）は８４００００Ｎである。
実施例１〜１０及び比較例１〜４の転がり軸受の内輪、外輪、及び転動体は、表１に示す鋼で構成され、表１に示す熱処理（高周波焼入れ、ずぶ焼入れ、浸炭、又は浸炭窒化）が施されたものである。

詳述すると、比較例１の転がり軸受の内輪、外輪、及び転動体は、肉厚の軸受を製造するためにＳＵＪ２よりも焼入れ性を向上させたＳＵＪ３で構成され、炉加熱によりずぶ焼入れされたものである。また、比較例２の転がり軸受の内輪、外輪、及び転動体は、一般的な軸受鋼ＳＵＪ２で構成され、通常の炉加熱によりずぶ焼入れされたものである。さらに、比較例３の転がり軸受の内輪、外輪、及び転動体は、通常非常に肉厚の軸受を製造する際に用いる低炭素の合金鋼（ＳＮＣＭ８１５相当鋼）で構成され、浸炭と２次焼入れにより熱処理されたものである。なお、ＳＮＣＭ８１５相当鋼とは、ＳＮＣＭ８１５をベースとして炭素の含有量は変更せずに合金成分の含有量を増減することにより、焼入れ性と靱性とコストのバランスを、特にコストに重点を置いて調整した合金鋼である。

さらに、比較例４の転がり軸受の内輪は、低炭素の合金鋼（ＳＮＣＭ８１５相当鋼）で構成され、浸炭と２次焼入れにより熱処理されたものであり、外輪は、中炭素の合金鋼（ＳＣＭ４３２相当鋼）で構成され、浸炭窒化により熱処理されたものであり、転動体は、ＳＵＪ２で構成され、浸炭窒化により熱処理されたものである。なお、ＳＣＭ４３２相当鋼とは、ＳＣＭ４３２をベースとして炭素の含有量は変更せずに合金成分の含有量を増減することにより、焼入れ性と靱性とコストのバランスを、特に焼入れ性に重点を置いて調整した合金鋼である。このような外輪は長寿命であるが、大形軸受において内輪を回転輪、外輪を固定輪とすると、外輪の負荷圏の疲労進行が早い場合が多いので、長寿命な軌道輪を外輪に用いることにより軸受の寿命を延長する効果を得ている。

これに対して、実施例１の転がり軸受の内輪及び外輪は、最も一般的な軸受鋼であるＳＵＪ２で構成され、高周波熱処理により焼入れされたものであり、転動体はＳＵＪ２で構成され、浸炭窒化の後に高温焼戻を行うことで寸法安定性を向上させたものである。実施例１の転がり軸受は、最も一般的な軸受鋼であるＳＵＪ２のみを素材としているためコスト面で有利である反面、ある程度以上の肉厚部材においては焼入れ性が不足するために、ある程度以上の大きさの軸受を製造することは難しい。また、ＳＵＪ２はＳＵＪ３に比べて表面の残留オーステナイト量が高くなりにくいために、表面起点型の剥離寿命を向上させにくい傾向がある。

そこで、表面起点型の剥離寿命を向上させるために、実施例２では、外輪を中炭素の合金鋼（ＳＣＭ４３２相当鋼）で構成し、浸炭窒化により熱処理している（内輪及び転動体は実施例１と同様である）。また、実施例３では、内輪及び外輪を焼入れ性の良好なＳＵＪ３で構成し、高周波熱処理により焼入れしている（転動体は実施例１と同様である）。高周波熱処理は、大型の部材でも処理可能な熱処理方法である。また、ＳＵＪ３は、表面の残留オーステナイト量が高くなりやすいため、表面起点型の剥離寿命も向上させることができる。

さらに、実施例４では、外輪を中炭素の合金鋼（ＳＣＭ４３２相当鋼）で構成し、浸炭窒化により熱処理するとともに、内輪をＳＵＪ３で構成し、高周波熱処理により焼入れしている（転動体は実施例１と同様である）。そのため、組織変化型の剥離寿命が優れているだけでなく、表面起点型の剥離寿命も優れている。
さらに、実施例５では、内輪、外輪、及び転動体をＳＵＪ２で構成し、高周波熱処理により焼入れしている。実施例１と同様に最も一般的な軸受鋼であるＳＵＪ２のみを素材としているため、コスト面で有利である反面、焼入れ性、表面起点型の剥離寿命において不利であることも実施例１と同様である。

さらに、実施例６では、内輪、外輪、及び転動体をＳＵＪ３で構成し、高周波熱処理により焼入れしている。焼入れ性がＳＵＪ２よりも優れるＳＵＪ３のみを素材としているため、特に肉厚な部材でも熱処理が可能である。また、表面起点型の剥離寿命も向上させることができる。
さらに、実施例７では、内輪及び外輪を、炭素の含有量が０．７質量％である合金鋼（ＳＵＪ２相当鋼）で構成し、高周波熱処理により焼入れするとともに、転動体をＳＵＪ２で構成し、高周波熱処理により焼入れしている。なお、ＳＵＪ２相当鋼とは、ＳＵＪ２をベースとして合金成分の含有量は変更せずに炭素の含有量を０．７質量％に低減した合金鋼である。

さらに、実施例８では、実施例５と同様に、内輪、外輪、及び転動体をＳＵＪ２で構成し、高周波熱処理により焼入れしている。ただし、内輪及び外輪の高周波熱処理時の加熱条件を実施例５よりも弱くすることにより、硬化層の残留オーステナイト量が低く抑えられている。
さらに、実施例９では、実施例６と同様に、内輪、外輪、及び転動体をＳＵＪ３で構成し、高周波熱処理により焼入れしている。ただし、内輪及び外輪の高周波熱処理時の加熱条件を実施例６よりも強くすることにより、硬化層の残留オーステナイト量が高められている。

さらに、実施例１０では、実施例６と同様に、内輪、外輪、及び転動体をＳＵＪ３で構成し、高周波熱処理により焼入れしている。ただし、内輪及び外輪の高周波熱処理時の加熱条件を実施例６よりも強くし、転動体の高周波熱処理時の加熱条件を実施例６よりも弱くすることにより、硬化層の残留オーステナイト量が調整されている。
これら実施例１〜１０及び比較例１〜４の転がり軸受の内輪、外輪、及び転動体においては、上記のような熱処理により焼入れが施されてなる硬化層が、軌道面又は転動面を含む表面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が前記硬化層の内側の心部に形成されている。内輪、外輪、及び転動体の硬化層と非焼入れ部に存在する残留オーステナイトの量は、Ｘ線回折装置を用いて測定した。また、内輪及び転動体それぞれの平均残留オーステナイト量についても測定した。これらの結果を表２，３に示す。また、軌道面又は転動面に付与されている残留応力を、表２に併せて示す。

これら実施例１〜１０及び比較例１〜４の転がり軸受を回転させ寿命試験を行う際には、内輪しまりばめ、外輪すきまばめという最も一般的な使用条件で行った。この場合は、内輪の厚さの膨張量と転動体の直径の膨張量とを合算することにより、内部すきまに影響を及ぼす寸法変化量を算出した。内輪しまりばめ、外輪すきまばめではない、例えば、内輪に回転荷重が付与される場合のように、内輪すきまばめ、外輪しまりばめで使用する場合や、不定荷重条件下で内輪、外輪ともにしまりばめで使用する場合においては、内輪の厚さ及び外輪の厚さの膨張量と転動体の直径の膨張量とを合算する必要がある。
内輪、外輪、転動体の平均残留オーステナイト量から導かれる、運転温度１００℃で２０年間の使用を想定して算出した軸受内部すきまの変化量を、表３に示す。

ラジアル軸受の内部すきまは、初期の外輪内径、内輪外径、及び転動体直径によって組立前の値が決まる。この値に、外輪と内輪の温度差に起因する減少量と、軸とのはめあいで内輪が膨張した分の減少量を加えて、有効すきまが計算される。
この有効すきまが減少して負すきまになると、軸受の寿命は急激に短くなる。そのため、算出されたラジアル内部すきまの変化量だけ内部すきまが減少しても、負すきまにならないように、初期の内部すきまを設定する必要がある。
ここで、実施例においては、使用中の寸法変化量が小さいために、初期の有効すきまを小さくすることができる。実施例及び比較例のそれぞれにおいては、寸法変化後に１０μｍの有効すきまが残るように初期の有効すきまを決定した。その値を表３に示す。

このように初期有効すきまが設定された実施例１〜１０及び比較例１〜４の転がり軸受を回転させ、寿命試験を行った。寿命試験は、表面起点型の剥離寿命を測定する試験１と、組織変化型の剥離寿命を測定する試験２とを行った。
試験１の条件は下記の通りである。
面圧 ：１．７ＧＰａ
潤滑剤 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８であるタービンオイル
回転速度：１０００ｍｉｎ^-1
また、試験２の条件は下記の通りである。
面圧 ：１．７ＧＰａ
潤滑剤 ：高トラクション油（分解して水素が生じ易い潤滑油）
回転速度：１０００ｍｉｎ^-1

試験結果を表３に示す。なお、各剥離寿命の数値は、比較例２の転がり軸受の剥離寿命を１とした場合の相対値で示してある。表３から分かるように、実施例１〜１０の転がり軸受は、硬化層の残留オーステナイト量が多いため、表面起点型の剥離寿命が長寿命であった。特に、浸炭窒化品を外輪に用いた実施例２及び実施例４は、さらに長寿命であった。また、すきま制御によってすべりが抑制された結果、水素起因の組織変化が抑制されて、組織変化型の剥離寿命も長寿命であった。
一方、比較例３及び比較例４は、硬化層の残留オーステナイト量が多いため、表面起点型の剥離寿命は長寿命であったが、すきまが大きいため組織変化型の剥離寿命は短寿命であった。なお、比較例１及び比較例２についても、すきまが大きいため組織変化型の剥離寿命は短寿命であった。

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体
１０ 円筒ころ軸受
１１ 内輪
１１ａ 軌道面
１２ 外輪
１２ａ 軌道面
１３ 転動体
２０ 自動調心ころ軸受

Claims (3)

1. 軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記内輪の軌道面と前記外輪の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記転動体の平均残留オーステナイト量が１０体積％以下であり、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が以下の５つの条件Ａ〜Ｅを満足することを特徴とする転がり軸受。
   条件Ａ：炭素の含有量が０．７質量％以上である鋼で構成されている。
   条件Ｂ：高周波焼入れにより焼入れが施されてなる硬化層が前記軌道面に形成されているとともに、焼入れが施されていない非焼入れ部が前記硬化層の内側の心部に形成されている。
   条件Ｃ：前記軌道面の残留応力が−２００ＭＰａ以下である。
   条件Ｄ：前記硬化層の残留オーステナイト量と前記非焼入れ部の残留オーステナイト量との差が１５体積％以上である。
   条件Ｅ：平均残留オーステナイト量が１２体積％以下である。
2. 前記内輪及び前記外輪が前記条件Ａ〜Ｅを満足し、前記転動体は高周波焼入れにより焼入れが施されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
3. ラジアル円筒ころ軸受又はラジアル球面ころ軸受であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受。

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