JP2013164132A - 自動調心ころ軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道輪のはく離寿命を長くすると共に、転動体のはく離寿命も長くすることができる自動調心ころ軸受及びその製造方法を提供する。
【解決手段】複列軌道の内輪と複列一体の球面軌道をもつ外輪との間に複列の球面ころと保持器とを有し、上記内輪の軌道径が両端部より中央部が大きく、上記保持器の幅方向両端面が上記内輪の軌道面の両端部とのすき間を介して対向する自動調心ころ軸受において、上記球面ころが、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％を含有する鋼からなり、上記球面ころの転動面の表面の窒素含有量が０．２〜２．０質量％であり、上記球面ころの転動面の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜２０％であり、上記球面ころの転動面の表面の残留オーステナイト量が１５体積％以下である。
【選択図】図８

Description

本発明は、自動調心ころ軸受とその製造方法に関する。

一般に、自動調心ころ軸受は、取付け誤差や衝撃荷重により、外輪や内輪が傾斜しても転動体の接触状態は変化しないため、異常荷重の発生を防止できるとともに、ラジアル負荷能力を大きくとることができる利点がある。
そのため、自動調心ころ軸受は、製紙機械用の各種ロールネック軸受、車両用軸受や各種産業用軸受として広く利用されている。

ここで、通常、玉軸受や円簡ころ軸受の場合、油膜が十分に形成されたクリーンな環境下では、材料中に含まれる非金属介在物を起点として、疲労き裂が発生・進展する内部起点型破壊で破損する。従って、玉軸受や円筒ころ軸受においては、材料の清浄度を上げることによって長寿命化を計ることができる。
しかし、自動調心ころ軸受は使用条件によっては、上記の軸受と異なり、クリーンな環境下で内輪の軌道面の表面に微小な塑性流動が形成され、そこからピーリングクラックが発生・進展してはく離に至る表面起点型の破損を生じる場合がある。そのため、材料の清浄度を上げることは自動調心ころ軸受の長寿命化に顕著な効果を示さない。

また、従来より、自動調心ころ軸受においては、外輪軌道面の粗さを内輪軌道面の粗さより粗くすると、寿命が延びることが知られている。
特許文献１には、外輪の軌道面の表面粗さを粗くし、スキューを制御して長寿命化をはかる技術が開示されている。寿命が延びる理由は、外輪より内輪の粗さを粗くすると、転動体が軸受の外側に傾く正のスキューが生じてアキシャル荷重を緩和するためであると示されている。

一方、転動体が軸受の内側に傾く負のスキューはアキシャル荷重を増幅させるため、寿命には悪影響を及ぼすとされている。

特公昭５７−６１９３３号公報 特開２００５−３０８２０７号公報 特開２００６−２８７１号公報 特開２００４−２４３４６４号公報 特開２０００−０６１８４６号公報 特開２００９−１１３１８９号公報

しかし、特許文献１のように、単に外輪の粗さを内輪の粗さより粗くしただけでは、負のスキューが生じやすくなる場合や、負のスキューが大きくなっても寿命が延びる場合があるため、スキューコントロールが寿命延長に決定的な効果を与えているとは言い難い。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、軌道輪のはく離寿命を長くすると共に、転動体のはく離寿命も長くすることができる自動調心ころ軸受及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは鋭意研究を行い、上述の自動調心ころ軸受特有の破損は、転動体のスキューが直接の原因ではなく、内輪及び外輪と転動体との間に作用する接線力（二つの物体間に作用する円周方向の力）が関与していると考え、大きな接線力が作用した場合に内輪の軌道面の表面に発生する微小な塑性流動を起点としたはく離によって生じているという知見を得た。接線力が作用すると、表面近傍に微小塑性流動が生じ、ピーリングクラックの進展を助けるだけでなく、最大せん断応力位置が表面に露出し、せん断応力の値が大きくなる。すなわち、接線力は軸受の寿命に多大な悪影響を及ばす。したがって、自動調心ころ軸受の長寿命化を達成するには、主な破損部位である内輪の転がり方向に作用する接線力を抑制することが重要である。

一般に、接線力に影響を及ばす因子としては、すべり速度や面圧の他に、転動体の表面性状（粗さ、形状など）が挙げられ、各因子の値が小さくなるほど接線力は小さくなる。
しかし、すべり速度や面圧は、軸受形式や客先使用条件によって決定されるものであり、変更することは困難である。
そこで、転動体と軌道輪間に作用する接線力を小さくするためには、転動体の表面粗さ（初期表面粗さ、表面性状安定性）を向上させることが有効である。

例えば、特許文献２及び特許文献３に開示されているように、転動体の初期表面粗さが良いと、内輪と転動体間に作用する接線力が小さくなり、はく離寿命も延長することが知られている。
そして、球面ころの初期表面粗さを向上させる仕上げ研磨方法として、ラップ加工もしくは超仕上げ加工が従来より行われている。

しかし、ラップ加工もしくは超仕上げ加工では、研磨時に砥石から脱落した砥粒が転動体の表面に突き刺さって残存することが避けられない。突き刺さった砥粒は、その後の洗浄工程などでは容易に除去できず、製品になるまで残存してしまう。この状態のまま、高荷重や高速の条件で使用された場合、突き刺さった砥粒を起因としたはく離や摩耗が発生してしまう可能性がある。

一方、光沢面を得るための研磨方法として、従来からバレル研磨が適用されてきた（特許文献４及び特許文献５参照）。
しかし、この研磨方法は、被研磨物同士が衝突しても打痕などが発生しない小型の被研削物には適用できても、被研削物が大きい場合は打痕が発生するため適用できないか、あるいは１個ごとの処理となるため加工コストが高くなってしまうという問題点がある。

したがって、仕上げ研磨工程において、砥粒のささりや打痕無しに球面ころの初期表面粗さを良好にすることができれば、転動体と内輪との間に作用する接線力を小さくし、内輪のはく離寿命を延長させることができると考えられる。
さらに、仕上げ研磨工程において、転動体の表面に大きな圧縮残留応力を付与できれば、表面硬さも高くなり、転動体自身を強化できる。

従来のラップ加工では、転動体表面に高い圧縮応力を作用させることができないが、鏡面ショットピーニングなどの手法（特許文献６参照）で、粗さを向上させつつ圧縮残留応力を作用させることができれば、転動体を強化でき、軌道輪だけでなく、ころ（転動体）自身のはく離寿命も延長させることができる。
また、一方で、転動体と内輪との間に作用する接線力を小さくするためには、表面性状安定性（耐傷性、耐圧痕性、耐摩耗性）を向上させ、軸受稼働中に転動体に生じる線傷、摩耗、圧痕などによる表面性状の悪化を抑制することも有効である。

そこで、上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、転動体の表面性状安定性の向上には、表面窒素含有量と、表面に析出したＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率と、表面残留オーステナイト量とが関係していることを知見した。
すなわち、本発明者らは、転動体と内輪との間に作用する接線力を抑制する手段として、転動体に浸炭窒化処理もしくは窒化処理を施し、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物を析出させて、表面硬さを高くし、さらに表面残留オーステナイト量を最適に規定することで、表面性状安定性を向上させ、軸受稼働中の表面性状の悪化を抑制した。

しかし、浸炭窒化処理によって、転動体の表面にＳｉ−Ｍｎ系窒化物を析出させて表面硬さを向上させても、耐圧痕性、耐摩耗性は向上するが、その反面、難研削となってしまい、通常の研磨工程では初期表面粗さを良くすることが困難になる。たとえ、浸炭窒化にて軸受稼働中の表面性状の悪化を抑制しても、初期粗さが悪い場合、転動体と内輪との間に作用する接線力が大きくなり、寿命延長効果が表れないおそれがある。

そこで、硬い砥粒を打ちつける上記鏡面ショットにて仕上げ研磨を施すことで、硬さを向上させたころでも初期表面粗さを良好にできると考えられる。
したがって、上記の知見より、自動調心ころ軸受のころに鏡面ショットピーニングを施すことよって、砥粒の突き刺さりや打痕なしに初期表面粗さを向上させつつ高い圧縮残留応力を付与させることに加え、転動体に浸炭窒化処理もしくは窒化処理を施し、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物を析出させ、さらに残留オーステナイト量を最適に規定し表面性状安定性を向上させて、軸受稼働中も表面性状を良好なまま保ち、転動体と内輪との間に作用する接線力を小さくすることで、軸受全体としてのはく離寿命を延長させることができると考えられる。

＜内輪の寿命向上の理由＞
ここで、転動体の表面性状の向上によって、自身（ころ）の寿命だけではなく、内輪の寿命が延長できる理由について述べる。
一般に、はく離現象は、周速の早い駆動側に比べて、周速が遅い従動側で生じやすいことが知られている。すなわち、自動調心ころ軸受において、はく離が生じる荷重負荷圏のＨｅｒｔｚ面圧が高い接触域中央部において、内輪が従動側であるため、内輪にはく離が生じやすいことになる。
したがって、転動体の初期表面粗さを良好にし、さらに表面性状安定性を向上させて、表面粗さを良好なまま保つことで、転動体と内輪との間に作用する接線力を小さくし、内輪のはく離寿命を延長させることができると考えられる。

そこで、本発明者らは、転動体（球面ころ）の初期表面粗さの向上、及び表面性状安定性の向上を組み合わせることで、転動体と内輪との間に作用する接線力を低減させ、内輪のはく離寿命が飛躍的に延長することも知見した。
まず、上記知見に基づいた内輪のはく離寿命延長方法として、砥粒のささりや打痕をつけずに、転動体の初期表面粗さを向上させ、転動体と内輪との間に作用する接線力を低減させることを検討した。
その結果、下記を満足する仕上げ研磨（以降、鏡面ショットと記載）を行い、初期表面粗さＲａを０．０５μｍ以下、表面の圧縮残留応力を５００〜１０００ＭＰａとすることが重要であることが明らかになった。

次に、転動体の表面を強化し、表面性状安定性を向上させて、軸受稼働中も転動体の表面性状を良好なまま保ち、転動体と内輪との間に作用する接線力を低滅させることを検討した。
その結果、転動体の素材の組成をＣ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％と規定し、浸炭窒化処理もしくは窒化処理を施して表面窒素含有量を０．２〜２．０質量％、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率を１〜２０体積％、表面残留オーステナイト量を１５体積％以下とすることで内輪のはく離寿命を延長させた自動調心ころ軸受を提供することが可能であることを明らかにした。

本発明は、本発明者らによる上記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明に係る自動調心ころ軸受は、複列軌道の内輪と複列一体の球面軌道をもつ外輪との間に複列の球面ころと保持器とを有し、上記内輪の軌道径が両端部より中央部が大きく、上記保持器の幅方向両端面が上記内輪の軌道面の両端部とのすき間を介して対向する自動調心ころ軸受において、
上記球面ころが、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％を含有する鋼からなり、
上記球面ころの転動面の表面の窒素含有量が０．２〜２．０質量％であり、
上記球面ころの転動面の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜２０％であり、
上記球面ころの転動面の表面の残留オーステナイト量が１５体積％以下であることを特徴としている。

ここで、上記球面ころの転動面の表面の初期表面粗さＲａは、０．０５μｍ以下であることが好ましい。
また、上記球面ころの転動面の表面の圧縮残留応力は、５００〜１０００ＭＰａであることが好ましい。

上記課題を解決するための本発明に係る自動調心ころ軸受の製造方法は、弾性体からなり、且つ砥粒を含有する研磨粒子を球面ころに衝突させて仕上げ研磨を行うことによって上記球面ころを研磨するステップと、
複列軌道の内輪と、複列一体の球面軌道をもつ外輪と、上記内輪及び上記外輪の間に複列の上記球面ころと保持器と組み込むステップとを含み、
上記球面ころを研磨するステップが、下記Ａ〜Ｅの条件を満足することを特徴としている。
Ａ：上記弾性体が、ゴム又は熱可塑性エラストマである。
Ｂ：上記砥粒がアルミナ（Ａｌ_２０_３）、ダイヤモンド、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる。
Ｃ：上記研磨粒子を上記球面ころに衝突させる方式がエアーブラスト方式である。
Ｄ：仕上げ研磨後の上記球面ころの転動面の表面の初期表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下である。
Ｅ：仕上げ研磨後の上記球面ころの転動面の表面の圧縮残留応力が、５００〜１０００ＭＰａである。

上述のように、本発明に係る自動調心ころ軸受及びその製造方法によれば、軌道輪のはく離寿命を長くすると共に、転動体のはく離寿命も長くすることができる自動調心ころ軸受及びその製造方法を提供することができる。

本発明に係る自動調心ころ軸受の製造方法の一実施形態における研磨方法を示す図である。 本発明に係る自動調心ころ軸受の製造方法の一実施形態において転動体に仕上げ研磨を施すときに転動体に投射される研磨粒子を示す図である。 本発明に係る自動調心ころ軸受の製造方法の一実施形態において転動体に投射される研磨粒子の投射角度を説明するための図である。 本発明に係る自動調心ころ軸受の製造方法の一実施形態において転動体に投射された研磨粒子の作用を説明するための図である。 本発明に係る自動調心ころ軸受の実施例における２円筒試験の概略図である。 本発明に係る自動調心ころ軸受の実施例における球面ころの初期表面粗さと接線力との関係を示すグラフである。 本発明に係る自動調心ころ軸受の実施例における球面ころの圧縮残留応力と表面性状安定性との関係を示すグラフである。 本発明に係る自動調心ころ軸受の実施例における球面ころの表面の窒素含有量と寿命比との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る自動調心ころ軸受及びその製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
（自動調心ころ軸受）
本実施形態の自動調心ころ軸受は、転動体（球面ころ）がＣ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％を含有する鋼からなり、熱処理によって表面窒素含有量０．２〜２．０質量％とし、面積率１〜２０体積％のＳｉ−Ｍｎ系窒化物を析出させ、表面残留オーステナイト量を１５体積％以下とすることで、軸受稼働中に生じる転動体表面性状の悪化を抑制し、転動体と軌道輪間に作用する接線力を小さくして軌道輪のはく離寿命を延長させる効果をもたらすものである。

（自動調心ころ軸受の製造方法）
また、自動調心ころ軸受の製造方法にあっては、弾性体からなり、且つ砥粒を含有する研磨粒子を球面ころに衝突させて仕上げ研磨を行うことによって上記球面ころを研磨するステップと、複列軌道の内輪と、複列一体の球面軌道をもつ外輪と、上記内輪及び上記外輪の間に複列の上記球面ころと保持器と組み込むステップとを含む。
そして、上記球面ころを研磨するステップは、転動体の表面に対して、鏡面ショットによる仕上げ研磨をし、その表面の初期粗さＲａを０．０５μｍ以下として転動体と軌道輪との間に作用する接線力を小さくすることで軌道輪のはく離寿命を延長させる。さらに、上記鏡面ショットにて転動体の表面の圧縮残留応力を５００〜１０００ＭＰａとすることで、転動体自身のはく離寿命を延長させることができる。

＜熱処理について＞
上記熱処理について以下に説明する。まず、素材を、鍛造又は切削により、球面ころの形状に加工した後、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）を導入した炉内で、数時間加熱保持することで浸炭窒化処理を行う。ここで、アンモニアガスは処理温度が高くなる程分解し易くなる。アンモニアガスが分解し易くなると、混合ガス中の残留アンモニアガスの濃度が小さくなり、ころの転がり面をなす表層部に十分な窒素含有率が得られなくなる。よって、浸炭窒化処理は、雰囲気温度８２０〜８５０℃程度で行うことが好ましい。
この浸炭窒化処理は、焼入れ後の表層部に十分な残留オーステナイト量を付与できるように、窒素と炭素を基地組織に固溶させるとともに、焼入れ後の表層部に摩耗・摩擦低滅効果の高い窒化物や炭窒化物を析出分散させることを目的として行われる。
次に、焼入れ処理を行った後、焼戻し処理を行う。焼戻し処理は、マルテンサイト組織の安定化のために、２００〜２６０℃程度で行うことが好ましい。
以下に素材の材料組成及びそれによる作用について説明する。

［Ｃ（炭素）について］
Ｃ（炭素）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。炭素含有量が少なすぎると、十分な強度が得られないだけでなく、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、生産コストの増大につながる。
そのため、炭素含有量は０．３質量％以上、好ましくは０．６質量％以上とする。
一方、炭素含有量が多すぎると、製鋼時に巨大な炭化物が生成され、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えるだけでなく、ヘッダー加工性が低下してコストの上昇を招くおそれがあるため上限を１２質量％とした。

［Ｓｉ（ケイ素）について］
Ｓｉ（ケイ素）は製鋼時に脱酸剤としての作用を有するだけでなく、基地マルテンサイトを強化するとともに、焼戻し軟化抵抗性を高め、転動疲労寿命を延長するのに極めて有効な元素である。また、浸炭窒化を行う際に、転がり面をなす表層部にＳｉ−Ｍｎ系窒化物と残留オーステナイト量をバランス良く確保するためにはなくてはならない元素である。その効果を十分に発揮させるためには、少なくともＳｉ含有量は０．５質量％以上、好ましくは０．８質量％以上が必要である。
しかしながら、Ｓｉは含有量が多すぎると、ヘッダー加工性、被削性等を低下させるだけでなく、浸炭窒化処理特性が低下して、必要な硬化層深さを確保できなくなる場合があり、転がり面をなす表層部の窒素含有量、Ｃ含有量及び残留オーステナイト量を本発明の範囲内にできなくなる。
よって、Ｓｉ含有量の上限を２．０質量％以下、好ましくは１．５質量％以下とした。

［Ｍｎ（マンガン）について］
Ｍｎ（マンガン）は、Ｓｉと同様に、脱酸剤としての作用を有する他、焼入性を向上させる作用や、転動疲労に有効な残留オーステナイトの生成を促進させる作用を有する。また、浸炭窒化を行う際に、転がり面をなす表層部にＳｉ−Ｍｎ系窒化物と残留オーステナイト量をバランス良く確保するためにはなくてはならない元素である。これらの作用を得るために、Ｍｎ含有量は０．２質量％以上必要である。一方、Ｍｎ含有量が多すぎると被削性、ヘッダー加工性を低下させるだけでなく、熱処理後に多量の残留オーステナイトが残存して、良好な寿命が得られなくなる場合もある。
よって、Ｍｎ含有量の上限を２．０質量％以下、好ましくは０．７質量％以下とした。

［Ｃｒ（クロム）について］
Ｃｒ（クロム）は、基地に固溶して焼入性、焼戻軟化抵抗性などを高めるとともに、高硬度の微細な炭化物、又は炭窒化物を形成して、軸受材料の硬さや熱処理時の結晶粒粗大化を抑制し、軸受寿命を向上させる作用を有する。その作用を得るために、少なくとも０．５質量％以上、好ましくは１．３質量％以上必要である。
一方、Ｃｒ含有量が多すぎると、製鋼過程で巨大炭化物が生成して、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えるだけでなく、ヘッダー加工性や被削性が低下し生産コストの上昇を招く。よって、Ｃｒ含有量は、２．０質量％以下、好ましくは１．６質量％以下とした。

上述した元素に加えて、Ｃｒと同様の作用を有するＭｏやＶ等の炭化物形成促進元素を、素材費の上昇や加工性低下によるコストアップが生じない範囲で添加しても良い。Ｍｏ、Ｖの含有量は合計で４．０質量％以下とすることが好ましい。
また上述した必須成分（Ｃ、Ｓｉ−Ｍｎ、Ｃｒ）及び選択的に含有させるＭｏやＶ以外は、実質的にＦｅ（鉄）となるが、不可避不純物として、Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｏ（酸素）などを含有しても良い。これらの元素は、表面起点型はく離には特に際立った影響はないとされているが、鋼の品質が著しく悪い場合には、これらが起点となって内部起点型はく離が生じる。このため、コストアップを招くような厳しい不純物規制は行わないが、不可避不純物元素の含有量は通常軸受材料として使用できる清浄度規制（ＪＩＳ Ｇ４８０５）を満足する品質レベルとする。

次に、本実施形態の自動調心ころ軸受及びその製造方法の各要件として、「球面ころの表面の窒素含有率」、「球面ころの表面の残留オーステナイト量」について、以下に述べる。
［球面ころの表面の窒素含有率］
Ｎ（窒素）は、基地に固溶して、転がり面をなす表層部に必要な強度を付与するとともに、表層部に必要な量の残留オーステナイトを残存させる作用を有する。また、Ｎは、摩耗・摩擦特性を向上させる窒化物や炭窒化物を形成して、接線力を小さくする作用を有する。これらの作用を得るために、ころの転がり面をなす表層部のＮ含有率は０．２０質量％以上、好ましくは０．５０質量％以上とする。

一方、上記表層部のＮ含有率が多過ぎると、窒化物や炭窒化物の析出量が増大して、上記表層部に必要な量の残留オーステナイトを残存できなくなるとともに、焼入れ性が低下して十分な耐疲労性が得られなくなる。よって、球面ころの転がり面をなす表層部のＮ含有率は２．００質量％以下とする。
［球面ころの表面の残留オーステナイト量］
球面ころの表層部（表面から５０μｍの深さまでの部分）の残留オーステナイト量が多過ぎると、硬さが低下して耐疲労性が得られなくなるとともに、摩耗特性が低下して、上述したころの低摩擦化による寿命延長効果が得られなくなる。よって、球面ころの表層部をなす表層部の残留オーステナイト量は１５体積％以下とする。

＜研磨方法＞
次に、本実施形態における球面ころの研磨方法について、図１〜図４を参照して説明する。図１において、符号１は自動調心ころ軸受の転動体（球面ころ）を示しており、この転動体１の周面部（転動面）１ａには、図示しない砥石で周面部１ａを研削加工した後、図１に示す方法、すなわち研磨粒子２をショットブラスト用ノズル３から転動体１の周面部１ａに投射して研磨する方法で仕上げ研磨が施されている。

ここで、転動体１に研磨粒子２を投射する際には、図３に示すように、前工程での研削方向（転動体１の軸方向）に対して研磨粒子を０°以上９０°以下の角度（ころの中心軸線１ｂに対して垂直な平面５に向けて研磨粒子が投射される角度）θ１で投射し、かつ仕上げ研磨の前工程での研削面（ころの周面部）のなす平面に対する垂直方向に対しての研磨粒子の入射角度θ２、つまりころの中心軸線１ｂに対して水平な平面６に向けて研磨粒子が投射される角度θ２を０°を超え９０°未満とすることが好ましい。なお、図３において、符号７は前工程の研削工程で転動体１の周面部に発生した研削目を示している。

このように、自動調心ころ軸受の転動体１に研磨粒子２を投射して仕上げ研磨を施すと、図４に示すように、転動体１に投射された研磨粒子２によって、転動体１の表面が研磨されると共に前工程の研削工程で転動体１の表面に突き刺さって残留している砥石の砥粒８が除去されるため、転動体１の表面を光沢度２０以上に仕上げ研磨することができる。
次に、本実施形態の球面ころの研磨方法における「弾性体」、「研磨粒子に含まれる砥粒の材料」、及び「研磨粒子を被研磨物に衝突させる方法」、並びに当該研磨方法によって規定される「球面ころの初期表面粗さ」、及び［球面ころの表面の圧縮残留応力］について説明する。

［弾性体について］
砥粒を含有する研磨粒子を被研磨物（球面ころ）に衝突させることにより、仕上げ研磨を行う場合において、研磨粒子が被研磨面に衝突した際には、衝突エネルギーにより発熱するため、研磨粒子の素材が熱硬化性樹脂である場合は好ましくない。被研磨面に対して、入射角をもって被研磨面に衝突した研磨粒子は、弾性変形すると同時に発熱し、被研磨面形状にならいながら、被研磨面を滑走し、この滑走中に被研磨物表面を研磨するものと考えられる。この滑走時に研磨粒子と被研磨物表面で発生している現象としては、研磨粒子に含まれる砥粒が研磨粒子表面に露出した部分では、研磨及び元々被研磨物表面に突き刺さって残留している砥粒の引き剥がしが行われ、研磨粒子に含まれる砥粒が研磨粒子表面に露出していない部分、すなわち、弾性体表面では、研磨カスや引き剥がされた砥粒を被研磨物表面から押し出して、もしくは弾性体内に取り込んで除去しているものと思われる。

したがって、弾性体が、ゴムもしくは熱可塑性エラストマであれば、衝突エネルギーによる発熱により軟化する傾向にあり、滑走時に被研磨面の形状にならい易くなるため好ましい。ゴムもしくは熱可塑性エラストマとしては、天然ゴム、合成ゴム、天然樹脂、合成樹脂が使用できる。また、これらに、種々の添加剤等が配合されていてもよい。

［研磨粒子に含まれる砥粒の材料］
本発明に用いられる球面ころは、浸炭窒化処理によってＳｉ−Ｍｎ系窒化物を析出させて、表面硬さを向上させているので、初期表面粗さを向上させるためには、硬い研磨粒子を使用することが求められる。
したがって、研磨粒子に含まれる砥粒の材料は、高硬度で知られているアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）であることが好ましい。
また、研磨粒子の大きさ（平均粒径）は０．０２〜３ｍｍであることが好ましい。研磨粒子の大きさが０．０２ｍｍを下回ると、研磨粒子１個あたりの質量が軽くなり、衝突エネルギーが小さく、効率的な研磨が困難となる。一方、研磨粒子の大きさが３ｍｍを超えると衝突エネルギーが謀題となり、被研磨面に好ましくない損傷を与える場合があるので好ましくない。研磨粒子の大きさは、より好ましくは０．２〜０．８ｍｍである。

［研磨粒子を被研磨物に衝突させる方法］
研磨粒子を被研磨物に衝突させる方法としては、所定の衝突エネルギーを持って被研磨物に衝突させるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、遠心力を利用した回転羽方式、水や研削液と共に研磨粒子を吐出する液体方式、気体と共に研磨粒子を吐出するエアー式ブラスト方式等が好ましい。これらの中でも、エアー式ブラスト方式は、加工時の研磨力ス等もエアーの流れに乗せてフイルター等で簡便に回収でき、被研磨物に付着して残る研削液等も無いため、加工全体が効率の良いものとなり、特に好適である。回転羽方式では、研磨力ス等が被研磨面に残りやすく、液体方式では被研磨面に付着した液体の除去作業、使用後の研削液の処理作業等の負担が発生する。エアーは、いわゆる空気に限らず、窒素、アルゴン等の不活性ガス等も使用できる。

［球面ころの初期表面粗さ］
前述したように、表面粗さが大きくなると、接線力が増大し、内輪のはく離寿命は短くなる。したがって、軸受使用時の表面性状の悪化を抑制することも重要であるが、使用前に表面粗さを良好に仕上げておくことも寿命の延長には効果的である。
ここで、本発明者らは、球面ころ及び内輪の表面粗さをそれぞれ小さくすると、内輪の表面粗さを小さくした場合と比較して、球面ころの表面粗さを小さくした場合（初期表面粗さ・表面形状の悪化を抑制した場合）に、効果的に内輪の表面起点型はく離を抑制できることを明らかにした。
すなわち、内輪よりむしろ、球面ころの初期表面粗さや表面形状の悪化を抑制することで、効果的に自動調心ころ軸受全体の寿命を延長させることができると考えられる。

そこで、自動調心ころ軸受におけるころの表面粗さが、接線力に及ぼす影響を調査するため、図５に示した２円筒試験を用いて接線力を測定した。具体的には、図５に示すように、モータ１０により、試験体Ｓ１と試験体Ｓ２とを以下の条件で回転させた。ここで、試験体Ｓ２の回転速度と試験体Ｓ１の回転速度とは、ギヤ２０により調節した。そして、このときの試験体Ｓ１及び試験体Ｓ２の摩擦トルクを、試験体Ｓ１，Ｓ２の各支持軸に取り付けたトルク計３０で測定して、試験体Ｓ１と試験体Ｓ２との間の摩擦係数を算出した。なお、摩擦係数は接線力に比例する値であるため、本実施形態では摩擦係数を接線力とみなした。

〔試験条件〕
試験体Ｓ１（駆動側）の回転速度：５００ｍｉｎ^−１
試験体Ｓ２（従動側）の回転速度：４５０ｍｉｎ^−１
ギヤ比：（試験体Ｓ１）／（試験体Ｓ２）＝１０／９
試験体Ｓ１と試験体Ｓ２とのすべり率：１０％
最大面圧：３．２ＧＰａ
潤滑油：Ｒｏ６８
表１、図６は、２円筒試験によって内輪を模擬した従動側試験片の表面粗さＲａ_ＦをＲａ_Ｆ＝０．１μｍで一定にし、球面ころを模擬した駆動側試験片の初期表面粗さを変えた場合に２円筒間に働く接線力の大きさの違いを調査した結果を示している。

なお、図７の接線力は、駆動側試験片の平均初期表面粗さＲａ_ＤがＲａ_Ｄ＝０．０５μｍの場合の接線力を１として示してある。

その結果、初期表面粗さが大きいほど接線力は大きくなるが、駆動側試験片表面の表面粗さＲａがＲａ≧０．０５μｍになると、急激に接線力が大きくなる傾向にあることがわかった。
したがって、内輪ところに作用する接線力を抑えるには、転動体の平均粗さＲａをＲａ≦０．０５μｍとすることが効果的であるが、球面ころの平均粗さＲａをＲａ≦０．０１μｍとすることが好ましい。
［球面ころの表面の圧縮残留応力］
一般に、極表層部の圧縮残留応力が低いと、変形抵抗が小さくなるため、降伏応力は小さくなり、軸受稼働中に表面性状が悪化しやすくなることが知られている。そこで、自動調心ころ軸受における転動体の圧縮残留応力が表面性状安定性に及ぼす影響を考察した。

表２及び図７に圧縮残留応力と表面性状安定性の関係を示す。試験は、圧縮残留応力を変化させた自動調心ころ軸受（日本精工株式会社製、呼び番号：２２２１１）を試験軸受として用い、ラジアル荷重：４５．２２ｋＮ、回転数：１５００ｍｍ^−１、潤滑油：ＶＧ６８で１００時間稼働させた前後の転動体の表面粗さの差（ΔＲａ）を測定することで、圧縮残留応力表面性状安定性との関係を考察した。

表２及び図７に示すように、表層部の圧縮残留応力が５００ＭＰａ以下になると、塑性変形抵抗が小さくなり、表面性状が悪化していることがわかる。また一方で、加工によって付与する圧縮残留応力が高すぎると、すでに繰返し疲労を受けている状態になり、転がり疲労が進行しやすくなることが知られている。これら２点より、転動体極表層部の圧縮残留応力を５００〜１０００ＭＰａ以上とした。

本発明の効果を確認するため、自動調心ころ軸受（日本精工株式会社製、呼び番号：２２２１１）を用い、以下の実験で性能を評価した。
内輪及び外輪には、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、焼入れ温度：８３０〜８５０℃で０．５時間、焼戻し温度：１８０℃〜２４０℃で２時間の処理を施して作製した。

本実施例に使用した球面ころの素材の成分を表３に示す。

まず、球面ころの素材を所定の形状に加工し、浸炭窒化焼入れ（８１０〜８６０℃で５〜２０時間、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気）、１８０〜２７０℃焼戻しの熱処理後、仕上げ研削を行った。
試験は、仕上げ研削後に鏡面ショットを施したころ（Ｉ）、仕上げ研削後にバレル仕上げしたころ（ＩＩ）を使用して行った。
なお、鏡面ショットは表４に示す条件で行い、（Ｉ）鏡面ショットころの初期表面粗さＲａは０．０３μｍ、圧縮残留応力は８００ＭＰａ、（ＩＩ）バレル研磨ころ（鏡面ショット無）の初期表面粗さＲａは０．１３μｍ、圧縮残留応力は４００ＭＰａであった。

なお、球面ころの表面の窒素含有量の測定には、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて定量分析し、残留オーステナイト量はＸ線回折法により測定した。
また、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物面積率の測定は、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視野以上を撮影した後、写真を二値化してから画像解析装置を用いて面積率を計算した。
試験は、試験軸受：日本精工株式会社製、呼び番号：２２２１１、ラジアル荷重：４５．２２ｋＮ、回転数：１５００ｍｍ^−１、潤滑油：ＶＧ６８のクリーンな環境で行った。表５に、球面ころの品質と合わせて寿命試験結果を示す。寿命試験は、各試験体につき１０回ずつ試験を行い、そのＬ_１０寿命を読み取り、最も短寿命となったものとの寿命比をそれぞれ算出した。

表５及び図８より、球面ころの表面の窒素含有率が０．２〜２．０質量％の範囲外となる比較例１〜１２では、鏡面ショット有、無の両方であまり寿命は変化しないが、上記範囲内となる実施例１〜１４は、著しく寿命が延長していることがわかった。
また、窒素含有量が０．２質量％より少ない場合は、十分な表面硬さが得られず、また一方で２．０質量％より多い場合は、残留オーステナイト量の増加により、表面性状安定性が悪くなり、軸受稼働中に球面ころの転動面に線傷や圧痕などが形成されてしまい、球面ころと内輪との間に大きな接線力を作用させてしまったため、短寿命となったと考えられる。

また、表４の比較例５，６，１１，１２のように、同じ窒素含有量でも、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の多いほうが長寿命となっていることより、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物が表面性状安定性と寿命に影響を及ぼしていることが示唆された。
また、表５の比較例４，１０のように、窒素含有量、残留オーステナイト量が、本発明で規定した範囲内でも、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜２０体積％より少ない場合、非常に短寿命となっていることより、窒素は基地に固溶するよりも、Ｓｉ，Ｍｎと窒化物を形成するほうが寿命には効果的であることが考えられる。

また、表５の比較例３，９のように、球面ころの表面の窒素含有量、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物面積率が上記範囲内でも、残留オーステナイト量が１５体積％より多い場合は、同等の表面窒素含有量、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物面積率で残留オーステナイト量が上記範囲内の実施例７，１４より著しく短寿命となっている。これは、残留オーステナイト量が多すぎて硬さが低下し、耐疲労性が得られなくなるとともに、摩耗特性が低下して、球面ころの表面性状安定化による寿命延長効果が得られなかったためである。

一方で、上記範囲内では、球面ころの表面の窒素含有量、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率、残留オーステナイト量が最適であるため、表面性状安定性が向上し、球面ころと内輪との間に働く接線力の増加を抑制できたことが起因して長寿命になったと考えられる。
さらに、球面ころの表面の窒素含有量、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率は同じでも、球面ころに鏡面ショットを施さない場合（ＩＩ）に比べ、鏡面ショットを施した場合（Ｉ）は飛躍的に長寿命となることが確認できた。これは、鏡面ショットによって、球面ころの初期表面粗さの飛躍的な向上と圧縮残留応力の増加、さらに、球面ころの表面への砥粒ささりの軽減がもたらされ、内輪の寿命、及びころの寿命ともに延長したため、軸受全体の寿命が延長したと考えられる。

以上の結果から、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％を含有する鋼を浸炭窒化処理もしくは窒化処理によって、球面ころの転動面の表面の窒素含有量０．２〜２．０質量％、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率１〜２０％、表面残留オーステナイト量１５体積％以下とすることによって、球面ころの表面性状安定性を向上させ、球面ころと内輪との間に作用する接線力を低滅することで、内輪の表面起点型はく離寿命を延長することができた。さらに、上記ころに鏡面ショットを施すことで一段と軸受寿命（内輪の寿命、球面ころの寿命）を向上させることができた。

したがって、本発明に係る自動調心ころ軸受及びその製造方法によれば、軌道輪のはく離寿命を長くすると共に、転動体のはく離寿命も長くすることができる自動調心ころ軸受及びその製造方法ことができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。

Claims (4)

1. 複列軌道の内輪と複列一体の球面軌道をもつ外輪との間に複列の球面ころと保持器とを有し、前記内輪の軌道径が両端部より中央部が大きく、前記保持器の幅方向両端面が前記内輪の軌道面の両端部とのすき間を介して対向する自動調心ころ軸受において、
   前記球面ころが、Ｃ：０．３〜１．２質量％、Ｓｉ：０．３〜２．２質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％を含有する鋼からなり、
   前記球面ころの転動面の表面の窒素含有量が０．２〜２．０質量％であり、
   前記球面ころの転動面の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率が１〜２０％であり、
   前記球面ころの転動面の表面の残留オーステナイト量が１５体積％以下であることを特徴とする自動調心ころ軸受。
2. 前記球面ころの転動面の表面の初期表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の自動調心ころ軸受。
3. 前記球面ころの転動面の表面の圧縮残留応力が、５００〜１０００ＭＰａであることを特徴とする請求項１に記載の自動調心ころ軸受。
4. 弾性体からなり、且つ砥粒を含有する研磨粒子を球面ころに衝突させて仕上げ研磨を行うことによって前記球面ころを研磨するステップと、
   複列軌道の内輪と、複列一体の球面軌道をもつ外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に複列の前記球面ころと保持器と組み込むステップとを含み、
   前記球面ころを研磨するステップが、下記Ａ〜Ｅの条件を満足することを特徴とする自動調心ころ軸受の製造方法。
   Ａ：前記弾性体が、ゴム又は熱可塑性エラストマである。
   Ｂ：前記砥粒がアルミナ（Ａｌ_２０_３）、ダイヤモンド、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる。
   Ｃ：前記研磨粒子を前記球面ころに衝突させる方式がエアーブラスト方式である。
   Ｄ：仕上げ研磨後の前記球面ころの転動面の表面の初期表面粗さＲａが、０．０５μｍ以下である。
   Ｅ：仕上げ研磨後の前記球面ころの転動面の表面の圧縮残留応力が、５００〜１０００ＭＰａである。

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