JP2015064036A - 自動車電装・補機用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】水素脆性による転走面での剥離を効果的に防止でき、長時間使用可能な自動車電装・補機用転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪２と、外輪３と、該内・外輪間に介在する複数の転動体４とを有し、エンジン出力で回転駆動される回転軸を静止部材に回転自在に支持する自動車電装・補機用転がり軸受１であって、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の前記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえる。【選択図】図１

Description

本発明は、オルタネータ、カーエアコン用電磁クラッチ、ファンカップリング装置、中間プーリ、電動ファンモータ等の自動車の電装部品、補機に用いる転がり軸受に関する。

近年、自動車の小型化、軽量化および静粛性向上の要求に伴ない、その電装部品や補機部品の小型化、軽量化およびエンジンルーム内の密閉化が図られている。その一方、装置の性能自体には高出力、高効率化の要求が増大し、エンジンルーム内の電装・補機においては、小型化に伴なって生じる出力の低下を高速回転させることで補う手法が採られている。以下に、自動車電装・補機用転がり軸受の例として、ファンカップリング装置用転がり軸受、自動車用オルタネータ用転がり軸受およびアイドラプーリ用転がり軸受について概要を説明する。

自動車用ファンカップリング装置は、内部に粘性流体を封入し、外周面に送風用のファンが取り付けられたハウジングを、軸受を介してエンジンに直結するロータに連結され、雰囲気温度に感応して増減する粘性流体の剪断抵抗を利用して、エンジンからの駆動トルク伝達量およびファンの回転数を制御することにより、エンジン温度に対応した最適な送風を行なう装置である。このため、ファンカップリング装置用転がり軸受は、エンジン温度の変動に伴い回転数が１０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍまで変動する回転ムラの他に、夏場の高速運転時には１８０℃以上の高温下で、回転数１００００ｒｐｍ以上の高速回転という極めて過酷な環境に耐えられる耐久性が要求される。

自動車用オルタネータは、エンジンの回転をベルトで受けて発電し、車両の電気負荷に電力を供給するとともに、バッテリーを充電する機能を有する。また、自動車用アイドラプーリは、エンジンの回転を自動車の補機に伝える駆動ベルトのベルトテンショナーとして使用されるものであり、軸間距離が固定されているような場合のベルトにテンショナーとして張力を与えるためのプーリとしての機能と、ベルトの走行方向を変えるため、または障害物を避けるために用いてエンジン室内容積の減少を図るアイドラとしての機能とを合わせもつものである。自動車用オルタネータおよび自動車用アイドラプーリについても、１８０℃以上の高温下で、回転数１００００ｒｐｍ以上の高速回転という極めて過酷な環境に耐えられる耐久性が要求される。

これらの自動車電装・補機用転がり軸受の潤滑には主としてグリースが用いられている。ところが、急加減速や、高温、高速回転等の使用条件が過酷になることで、転がり軸受の転走面に白色組織変化を伴った特異的な剥離が早期に生じ、問題になっている。この特異的な剥離は、通常の金属疲労により生じる転走面内部からの剥離と異なり、転走面表面の比較的浅いところから生じる破壊現象で、グリースの分解等によって発生する水素が原因の水素脆性と考えられている。例えばグリースが分解して水素が発生し、それが転がり軸受の鋼中に侵入することで、水素脆性を起因とする早期剥離が起きると考えられる。

水素は鋼の疲労強度を著しく低下させるため、接触要素間が油膜で分断される弾性流体潤滑と考えられる条件でも、交番せん断応力が最大になる転がり表層内部辺りに亀裂が発生、伝播して早期剥離に至る。また、水が潤滑剤等に混入する条件下、すべりを伴う条件下、通電が起きる条件下などで使用されると、水あるいは潤滑剤が分解して水素が発生しやすくなり、それが鋼中に侵入することで、水素脆性を起因とする早期剥離が起きやすくなると考えられる。

このような早期に発生する白色組織変化を伴った特異な剥離現象を潤滑剤の改良により抑制する方法として、例えば、グリースに不動態化剤を添加する方法（特許文献１参照）や、ビスマスジチオカーバメートを添加する方法（特許文献２参照）が提案されている。

また、鋼材にＣｒを多く添加することで鋼表面に不動態膜を形成し、鋼中への水素の侵入を抑制するものが提案されている（特許文献３参照）。

特開平３−２１０３９４号公報 特開２００５−４２１０２号公報 特開２０００−２８２１７８号公報

しかしながら、近年の自動車電装・補機に用いられる転がり軸受の使用条件の過酷化に伴い、特許文献１の不動態化剤や特許文献２のビスマスジチオカーバメートを添加する方法では、剥離現象を防ぐ対策として不十分になってきている。

また、特許文献３の鋼材では、Ｃｒを多く添加することで炭化物が粗大化し、それが応力集中源となって早期剥離が起きることがある。また、不動態膜は水素の拡散を遅くする効果はあるが、発生した水素が鋼表面に吸着するのを促進する効果も併せ持つ。転がり軸受が間欠的に使われる場合は、停止時に水素が散逸しうるため、鋼中への水素の侵入を遅らせることは、早期剥離の防止に有効であることがある。しかしながら、連続して使われる場合は、不動態膜が多くの水素を吸着する分、鋼中に侵入する水素量が増すため、早期剥離が生じることになる。また、特殊鋼材はコスト高になり、また海外調達が困難である。これらの理由により、特許文献３の鋼材では、自動車電装・補機用転がり軸受における早期剥離を十分に抑制できず、その適用は困難である。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、自動車電装・補機に用いられる転がり軸受の使用条件下において、水素脆性による転走面での剥離を効果的に防止でき、長時間使用可能な自動車電装・補機用転がり軸受の提供を目的とする。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受は、内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、エンジン出力で回転駆動される回転軸を静止部材に回転自在に支持する自動車電装・補機用転がり軸受であって、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の上記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえることを特徴とする。なお、「最大径」とは、酸化物系介在物は略球形であるところ、主にその直径を意味し、任意の方向（例えば、圧延方向）に延伸している場合には、その最大径を意味する。

上記鋼材の成分組成は、Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下、Ｓｉ：０．３５質量％未満、Ｍｎ：０．５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満、残部が鉄および不純物であることを特徴とする。

上記軸受部材は、その表層に窒化処理が施されてなり、表面窒素濃度が０．０５〜０．６重量％であることを特徴とする。また、上記軸受部材の表面から０．０５ｍｍ深さの箇所と上記窒素が含まれていない深さの箇所とのビッカース硬度差ΔＨＶが６０以上であることを特徴とする。

上記転がり軸受は、自動車のオルタネータ、ファンカップリング装置、またはアイドラプーリに用いられることを特徴とする。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受は、内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、エンジン出力で回転駆動される回転軸を静止部材に回転自在に支持する自動車電装・補機用転がり軸受であり、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材が、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の上記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえる。このように、軸受部材の鋼材中に不可避に含まれる酸化物系介在物の多くが軟らかいＭｎＳで覆われていることにより、酸化物系介在物の周りに形成される引張応力場が緩和される。このため、近年の自動車電装・補機に用いられる転がり軸受の使用条件下においても、鋼材内部に水素が集積しにくくなり、水素脆性を起因とする早期剥離を防止することができる。この結果、オルタネータ、カーエアコン用電磁クラッチ、ファンカップリング装置、中間プーリ、電動ファンモータ等の自動車電装部品、補機において、優れた軸受寿命を持つ転がり軸受として、好適に使用できる。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の自動車電装・補機用転がり軸受を用いたファンカップリング装置を示す断面図である。 本発明の自動車電装・補機用転がり軸受を用いたオルタネータを示す断面図である。 本発明の自動車電装・補機用転がり軸受を用いたアイドラプーリを示す断面図である。 介在物検査結果の代表例（比較例１および実施例１）を示す写真である。 介在物検査結果の代表例（実施例２および実施例３）を示す写真である。 超音波軸荷重疲労試験片の形状を示す図である。 超音波軸荷重疲労試験結果を示す図である。 急加減速運転パターンを示す図である。 転走面からの深さ方向の断面硬度分布を示す図である。 転走面からの深さ方向の断面窒素濃度分布を示す図である。

自動車電装・補機用転がり軸受における耐水素脆性を向上させるため、内輪、外輪、転動体などの軸受部材を構成する鋼材に不可避に含まれる酸化物系介在物に着目した。該軸受部材にすべりなどで摩耗が生じれば、新生面が形成され、混入した水や潤滑剤が分解し、水素が発生する。発生した水素の一部は、鋼中に侵入する。酸化物系介在物の周りには、引張応力場が形成される。水素は、引張応力場に集積する性質がある。これに対して、酸化物系介在物の多くを（４０％をこえる）軟らかいＭｎＳ（約１５０ＨＶ）で覆うことで、上記引張応力場を緩和し、水素を集積しにくくした。その結果、耐水素脆性が向上することを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。

特に、鋼材中に侵入する水素の中でも、拡散性水素が水素脆性の原因と考えられている。拡散性水素は、結晶粒界などにトラップされていない比較的自由に動き得る水素のことをいう。この拡散性水素は、室温で時間と共に鋼材中から外に放出されるものである。例えば、拡散性水素は、２００℃までの加熱で放出される水素と定義でき、非拡散性水素は、２００℃をこえる加熱温度ではじめて鋼材中から放出される水素と定義でき、拡散性水素と非拡散性水素との合計量が、鋼材中に侵入した水素の総量である。

軸受部材を構成する鋼材中において、酸化物系介在物は不可避的に含まれる。本発明の自動車電装・補機用転がり軸受では、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の鋼材中の最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合（被覆率）が４０％をこえることを必須としている。被覆率を式で表すと以下のとおりとなる。

被覆率（％）＝（最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物の中でＭｎＳで覆われた酸化物系介在物の個数）／（最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物の全個数）×１００

また、被覆率は高い方が好ましく、５０％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。ここで、ＭｎＳで覆われているとは、ＭｎＳが酸化物系介在物を核として析出し、この酸化物系介在物の周りに巻き付いたような状態をいい、酸化物系介在物の周囲が完全に覆われている場合のみならず一部が覆われている場合を含む。また、ＭｎＳは圧延方向に引き伸ばされた線形状である。

被覆率の算出において、対象とする酸化物系介在物を、その最大径が３μｍ以上のものとしている。最大径が３μｍ未満の微細な酸化物系介在物の存在状態（ＭｎＳの被覆状態）は水素脆性を起因とする早期剥離にほぼ寄与しない。また、最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物は、光学顕微鏡によりその存在状態を容易に測定可能である。

また、対象とする酸化物系介在物の最大径の下限値をより大きくしてもよく、例えば、５μｍ以上、１０μｍ以上としてもよい。最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物であれば、その最大径の下限値を大きくしても、上記被覆率は略同一となる。

酸化物系介在物のＭｎＳによる被覆率を上記範囲とする製造方法等は特に限定されない。一般的に、鋼材を連続鋳造する際のように冷却速度が速い場合には、酸化物系介在物と軟質介在物であるＭｎＳとが別々に析出し、被覆率は低くなりやすい。一方、鋼材をインゴット鋳造する際のように冷却速度が遅い場合には、酸化物系介在物が軟質介在物であるＭｎＳの析出の核となり、被覆率が高くなりやすい。

本発明において、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材に用いる鋼材の成分組成は、Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下、Ｓｉ：０．３５質量％未満、Ｍｎ：０．５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満、残部が鉄および不純物であることが好ましい。上記成分組成の詳細を以下に説明する。

Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下
Ｃ（炭素）は、鋼材の強度確保に必要な元素である。また、焼入性への影響も大きく、焼入硬化層の硬さおよび深さを高めて疲労強度の向上にも寄与する。上記範囲では、これらの効果を十分に得られる。

Ｓｉ：０．３５質量％未満
Ｓｉ（珪素）は、焼入加熱時にオーステナイト粒成長を抑制するため、本来は積極的に添加したいが、Ｓｉの添加により鍛造性、被削性が著しく劣化する。これらの観点より、０．３５質量％未満とする。

Ｍｎ：０．５質量％未満
Ｍｎ（マンガン）は、強度および焼き入れ性の向上に有効に寄与する元素である。また、Ｍｎが過剰であると、粒界に偏析して粒界割れを引き起こすと考えられるため、０．５質量％未満が適当である。

Ｓ：０．０２５質量％未満
Ｓ（硫黄）は、鋼材中でＭｎＳを形成する元素である。一方でオーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させ、疲労強度を低下させるおそれもある。これらの観点より、０．０２５質量％未満とする。

Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満
Ｃｒ（クロム）は、安定した炭化物を形成し、また焼入性を向上させて、強度、耐摩耗性、疲労強度の向上に寄与する元素である。一方、Ｃｒが過剰に含有されれば、鍛造性および被削性が低下する。これらの効果を十分に得るためには、上記範囲が適当である。

上記成分組成を有する鋼材としては、例えば、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２（ＪＩＳ規格）、ＳＵＪ２相当材である５２１００（ＡＩＳＩまたはＳＡＥ規格）、１００Ｃｒ６（ＤＩＮ規格）、ＧＣｒ１５（ＧＳＢ規格）等に準じたもの挙げられる。上記成分組成を満たす各鋼材であっても、上述の所定の被覆率（％）を満たさないものは本発明の自動車電装・補機用転がり軸受には使用できない。本発明の自動車電装・補機用転がり軸受では、上述の所定の被覆率（％）を満たし、かつ、上記成分組成を満たす鋼材を用いることが好ましい。

本発明において、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材に用いる鋼材は、表層に窒化処理を施すことが好ましい。内・外輪（軌道輪）については、該軌道輪の転走面に窒化処理を施す。窒化処理は、例えば、８５０℃の温度でＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気中で行われる。転走面に窒化処理を施して焼入することで、軌道輪が塑性変形しにくくなり、耐水素脆性が向上する。転走面の表面窒素濃度は、０．０５〜０．６重量％であることが好ましい。０．０５重量％未満では窒化による寿命向上の効果は得られない場合がある。一方、表面窒素濃度が０．６重量％をこえると、Ｃｒ炭窒化物が多く生成されるため、焼入性に寄与するＣｒ量が欠乏し、十分な焼入性が確保できないおそれがある。

窒化処理を施して焼入し、その後焼戻する。熱処理（焼入・焼戻条件）は、特に限定されず公知の条件を採用できる。例えば、まず、鋼材をＡ１点以上の所定の温度に加熱し、所定時間保持する。このとき、鋼材は、ＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気中等において加熱し、これにより鋼材表層に窒化処理を施す。その後、鋼材を油中等に浸漬することで、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却し、焼入硬化工程が完了する。さらに、焼入硬化された鋼材をＡ１点以下の温度である所定温度に加熱し、所定時間保持した後、例えば室温まで空冷することにより焼戻工程が完了する。以上の工程により、熱処理が完了する。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受は、その潤滑に用いる潤滑油中や、使用雰囲気中に水分が混入・侵入する環境下で用いられる場合が多い。また、転がり軸受は、その運動形態から、接触要素間で金属接触が起こり、すべりを伴う条件などで使用されるため、鋼材部材表面における金属新生面の露出により水素が鋼材中に侵入しやすい等、水素の影響を受けやすい部品である。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受の一例を図１に基づいて説明する。図１は転がり軸受（深溝玉軸受）の断面図である。転がり軸受１は、外周面に内輪転走面２ａを有する内輪２と内周面に外輪転走面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪転走面２ａと外輪転走面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。この転動体４は、保持器５により保持される。また、必要に応じて、内・外輪の軸方向両端開口部８ａ、８ｂがシール部材６によりシールされ、転動体４の周囲にグリース７が封入される。内輪２、外輪３、および転動体４の少なくとも１つが、上述の所定鋼材から構成される。

グリース７などの潤滑剤が、内輪２および外輪３と、転動体４との転走面に介在して潤滑される。潤滑剤としては、任意の潤滑油やグリースが使用できる。この潤滑剤中に水分が混入した場合、混入している水や潤滑剤自体の分解により水素が発生し、鋼材中への侵入が促進される。本発明の自動車電装・補機用転がり軸受では、内輪や外輪等に耐水素脆性に優れた上述の鋼材を用いるため、潤滑剤中に水分が混入する条件下でも、水素脆性を起因とする早期剥離を効果的に防止できる。

上記転がり軸受において、転動体４は、コスト高になるが、水素脆性を示さない窒化珪素製とすることもできる。また、保持器５は、通電が起きる条件下では、鋼製や銅合金製の金属製保持器の方が、樹脂製保持器よりも水素脆性起因の早期剥離が起きにくい。

シール部材６は、金属製またはゴム成形体単独でよく、あるいはゴム成形体と金属板、プラスチック板、セラミック板等との複合体であってもよい。耐久性、固着の容易さからゴム成形体と金属板との複合体が好ましい。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受として玉軸受を例示したが、上記以外の円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受などの転がり軸受とすることもできる。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受の他の実施例を図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。図２（ａ）および図２（ｂ）はファンカップリング装置の構造の断面図である。ファンカップリング装置は、冷却用ファン９を支持するケース１０内にシリコーンオイル等の粘性流体が充填されたオイル室１１とドライブディスク１８が組込まれた撹拌室１２とを設け、両室１１、１２間に設けられた仕切板１３にポート１４を形成し、そのポート１４を開閉するスプリング１５の端部を上記仕切板１３に固定している。また、ケース１０の前面にバイメタル１６を取付け、そのバイメタル１６にスプリング１５のピストン１７を設けている。バイメタル１６はラジエータを通過した空気の温度が設定温度、例えば 60℃以下の場合、扁平の状態となり、ピストン１７はスプリング１５を押圧し、スプリング１５はポート１４を閉じる。また、上記空気の温度が設定温度をこえると、バイメタル１６は図２（ｂ）に示すように、外方向にわん曲し、ピストン１７はスプリング１５の押圧を解除し、スプリング１５は弾性変形してポート１４を開放する。

上記の構成からなるファンカップリング装置の運転状態において、ラジエータを通過した空気の温度がバイメタル１６の設定温度より低い場合、図２（ａ）に示すように、ポート１４はスプリング１５によって閉じられているため、オイル室１１内の粘性流体は撹拌室１２内に流れず、その撹拌室１２内の粘性流体は、ドライブディスク１８の回転により仕切板１３に設けた流通穴１９からオイル室１１内に送られる。このため、撹拌室１２内の粘性流体の量はわずかになり、ドライブディスク１８の回転による剪断抵抗は小さくなるので、ケース１０への伝達トルクは減少し、転がり軸受１に支持されている冷却用ファン９は低速回転する。ラジエータを通過した空気の温度がバイメタル１６の設定温度をこえると、図２（ｂ）に示すように、バイメタル１６は外方向にわん曲し、ピストン１７はスプリング１５の押圧を解除する。このとき、スプリング１５は仕切板１３から離れる方向に弾性変形するため、ポート１４は開放し、オイル室１１内の粘性流体はポート１４から撹拌室１２内に流れる。このため、ドライブディスク１８の回転による粘性流体の剪断抵抗が大きくなり、ケース１０への回転トルクが増大し、転がり軸受１に支持されている冷却用ファン９は高速回転する。

以上のように、ファンカップリング装置は温度の変化に応じて冷却用ファン９の回転速度が変化するため、ウォーミングアップを早めると共に、冷却水の過冷却を防止し、エンジンを効果的に冷却することができる。冷却用ファン９はエンジン温度が低いとドライブ軸２０から切り離されているに等しく、高温の場合はドライブ軸２０に連結されているに等しい。このように、転がり軸受１は低温から高温まで広い温度範囲、および、温度の変動に伴い回転数が大きく変動する急加減速条件で使用される。ここで、転がり軸受１の内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材が、上述の所定鋼材から構成されている。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受の他の実施例としてオルタネータに用いられる自動車電装・補機用転がり軸受を図３により説明する。図３はオルタネータの構造の断面図である。オルタネータは、静止部材であるハウジングを形成する一対のフレーム２１ａ、２１ｂに、ロータ２２を装着されたロータ回転軸２３が、一対の転がり軸受１、１で回転自在に支持されている。ロータ２２にはロータコイル２４が取り付けられ、ロータ２２の外周に配置されたステータ２５には、１２０ °の位相で３巻のステータコイル２６が取り付けられている。ロータ回転軸２３は、その先端に取り付けられたプーリ２７にベルト（図示省略）で伝達される回転トルクで回転駆動されている。プーリ２７は片持ち状態でロータ回転軸２３に取り付けられており、ロータ回転軸２３の高速回転に伴って振動も発生するため、特にプーリ２７側を支持する転がり軸受１は、苛酷な負荷を受ける。ここで、転がり軸受１の内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材が、上述の所定鋼材から構成されている。

自動車の補機駆動ベルトのベルトテンショナーとして使用されるアイドラプーリの一例を図４に示す。図４はアイドラプーリの構造の断面図である。このプーリは、鋼板プレス製のプーリ本体２８と、プーリ本体２８の内径に嵌合された単列の深溝玉軸受１とで構成される。プーリ本体２８は、内径円筒部２８ａと、内径円筒部２８ａの一端から外径側に延びたフランジ部２８ｂと、フランジ部２８ｂから軸方向に延びた外径円筒部２８ｃと、内径円筒部２８ａの他端から内径側に延びた鍔部２８ｄとからなる環体である。内径円筒部２８ａの内径には、図１に示す深溝玉軸受１の外輪３が嵌合され、外径円筒部２８ｃの外径にはエンジンによって駆動されるベルトと接触するプーリ周面２８ｅが設けられている。このプーリ周面２８ｅをベルトに接触させることにより、プーリがアイドラとしての役割を果たす。ここで、転がり軸受１の内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材が、上述の所定鋼材から構成されている。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受を実施例により具体的に説明するが、これらの例によって何ら限定されるものではない。

＜化学成分分析＞
表１に、実施例および比較例の鋼材について、それぞれの化学成分を示す。比較例１の鋼材は連続鋳造により、実施例１〜３の鋼材はインゴット鋳造により、それぞれ製造したものである。表中の被覆率は、後述の介在物検査結果における、酸化系介在物がＭｎＳによって覆われていた割合（％）である。比較例１（従来鋼）と実施例１〜３（開発鋼）とで化学成分自体に大きな違いはないが、被覆率は異なる。

＜介在物検査＞
介在物検査は、鋼材断面の３０ｍｍ×３０ｍｍの面積（被検面積９００ｍｍ²）を観察して検出された酸化物系介在物（最大径が３μｍ以上のもの）のうち、それぞれがＭｎＳで覆われているかを判断した。ここで、鋼材断面（表面）を観察して検出された酸化物系介在物とは、該断面（表面）に露出している酸化物系介在物である。比較例１（上図）および実施例１（下図）の代表例の写真を図５に、実施例２（上図）および実施例３（下図）の代表例の写真を図６に、それぞれ示す。各図において、各サンプル略中央の黒点またはこれが引き伸ばされたものが酸化物系介在物であり、その周囲を覆う薄い線状物がＭｎＳである。

比較例１は４０７１個中９８８個（被覆率２４％）、実施例１は３９８５個中１６２０個（被覆率４１％）、実施例２は４１０３個中２１３７個（被覆率５２％）、実施例３は４２６７個中４００５個（被覆率９４％）が、ＭｎＳで覆われていた。

＜超音波軸荷重疲労試験＞
超音波軸荷重疲労試験は、超音波振動により試験片を共振状態にして、繰返し応力を発生させ、試験片の疲労強度を短時間で求めることができる疲労試験である。このため、鋼材中に侵入した水素が散逸する前に疲労させることが可能であり、水素の影響を合理的に評価できる。比較例１および実施例１〜３の鋼材を用いて、図７に示す形状の超音波軸荷重疲労試験片を製作した。なお、図７中の数値単位はｍｍである。熱処理は、いずれについても、８５０℃のＲＸガス雰囲気中で５０分加熱して、８０℃の油中でずぶ焼入を施した後、１８０℃で１２０分の焼戻を施した。

超音波軸荷重疲労試験を開始する前に、鋼中水素量が５ｍａｓｓ−ｐｐｍとなる電流密度で２０時間の陰極電解水素チャージを施し、その後、１０分後に試験した（チャージあり）。また、水素チャージなしでの試験も行った（チャージなし）。図８に超音波軸荷重疲労試験結果を示す。図８において、横軸は負荷回数であり、縦軸は応力振幅（ＭＰａ）である。比較例１（従来鋼）はチャージすることで、疲労強度が明らかに低下したのに対し、実施例１〜３（開発鋼）は、水素チャージなしよりも若干低下する程度であった。この結果より、実施例１〜３（開発鋼）は比較例１（従来鋼）と比較して、破壊の起点になる酸化物系介在物のまわりに水素が集積しにくい特性を有するといえる。

＜スラスト型寿命試験（転がり疲労試験）＞
転がり軸受が自動車電装・補機に用いられる際には、水が混入する転がり接触条件下では水が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入して早期剥離が起きる。そこで、水混入油中での転がり疲労試験を行った。比較例１および実施例１の鋼材を用いて、スラスト軸受５１１０６の内外輪を製作した。それぞれ試験片１（比較例１）と試験片２（実施例１）とする。熱処理は、いずれも８５０℃のＲＸガス雰囲気中で５０分加熱し、８０℃の油でずぶ焼入を施した後、１８０℃で１２０分の焼戻を施した。また、実施例１の鋼材については、８５０℃のＲＸガス雰囲気中にアンモニアガスを添加したものも製作した。これを試験片３（実施例１＋窒化処理）とする。

ＶＧ１５０のポリグリコール系合成油（密度１．０７３ｇ／ｃｍ³、４０℃における動粘度１５０ｍｍ²／ｓ、１００℃における動粘度２３．６ｍｍ²／ｓ）に４０±０．０１重量％の純水を混入した。水混入油作製後、水が蒸発しないように食品包装用の薄いフィルムで封をし、３０分以上スターラーで攪拌した後、２００ｍＬの水混入油浴中で、上記試験片の内外輪を用いたスラスト軸受５１１０６を回転させる試験を行なった。ここで、ボールは、ＳＵＳ４４０Ｃ製のものを１２個用いた。保持器は１２個のボールを等間隔で保持する樹脂製のものを用いた。アキシャル荷重Ｆａ＝５．１０ｋＮのみを作用させ、０〜２５００ｍｉｎ^-1で内輪を急加減速させた。図９に運転パターンを示す。この荷重条件での弾性ヘルツ接触計算でのレース面と鋼球間の最大接触面圧は２．３ＧＰａである。なお、弾性ヘルツ接触計算では、５１１０６、およびＳＵＳ４４０Ｃ製鋼球のヤング率とポアソン比はそれぞれＥ＝２０４ＧＰａ、ν＝０．２９とした。剥離の検出は振動計で行なった。

試験は、試験片２（実施例１）、試験片３（実施例１＋窒化処理）、試験片１（比較例１）のいずれも５個ずつ用意して行なった。剥離は、すべて５１１０６内輪あるいは外輪のレース面に生じ、すべて水素起因の特徴を有する剥離であった。

表２に、各試験片の剥離寿命を２母数ワイブル分布に当てはめて求めたＬ_１０、Ｌ_５０、およびワイブルスロープ（形状母数）ｅを示す。試験片１（比較例１）は、Ｌ_１０＝３８．５時間であった。それに対し、試験片２（実施例１）はＬ_１０＝１１８．８時間であり、試験片１（比較例１）に対して約３倍の長寿命を示した。このことから、本発明の転がり軸受は、水素脆性起因の早期剥離を起きにくくする効果を有するといえる。また、試験片３（実施例１＋窒化処理）は、Ｌ_１０＝１８３．４時間であり、試験片１（比較例１）に対して約５倍の長寿命を示した。このことから、試験片２（実施例１）に窒化処理を加えることで、より水素脆性起因の早期剥離を起きにくくする効果を有するといえる。

試験片３（実施例１＋窒化処理）を５００℃で１時間焼戻した。図１０に試験片３の転走面からの深さ方向の断面硬度分布（ビッカース硬度ＨＶ）を示す。測定は、ビッカース硬度計を用い５０μｍ間隔で行なった。図１０に示すように、転走表面から０．０５ｍｍ深さと窒化されていない深さ（０．２ｍｍ以上）の箇所との硬度差ΔＨＶは６０であった。

また、図１１に同試験片における転走面からの深さ方向の断面窒素濃度分布を示す。測定にはＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＥＰＭＡ）を用いて、加速電圧１５ｋＶ、スポット径２μｍ、測定間隔２μｍ、測定時間１ｓｅｃ（秒）で測定した。試験片の転走面側から内部に向かう方向にＥＰＭＡによって鋼材中の窒素濃度分布を測定した。図１１に示すように、表面窒素濃度は０．０５重量％であった。なお、表面窒素濃度における「表面」とは、表面からの深さが０〜０．０１ｍｍまでの範囲である。表層の窒素濃度が高くなるほどΔＨＶは大きくなる。

本発明の自動車電装・補機用転がり軸受は、軸受部材に所定の鋼材を用いるので、水素脆性による転走面での剥離を効果的に防止でき、長寿命である。このため、オルタネータ、カーエアコン用電磁クラッチ、ファンカップリング装置、中間プーリ、電動ファンモータ等の自動車電装部品、補機等の転がり軸受として好適に使用できる。

１ 転がり軸受
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 保持器
６ シール部材
７ グリース
８ａ、８ｂ 開口部
９ 冷却用ファン
１０ ケース
１１ オイル室
１２ 撹拌室
１３ 仕切板
１４ ポート
１５ スプリング
１６ バイメタル
１７ ピストン
１８ ドライブディスク
１９ 流通穴
２０ ドライブ軸
２１ａ、２１ｂ フレーム
２２ ロータ
２３ ロータ回転軸
２４ ロータコイル
２５ ステータ
２６ ステータコイル
２７ プーリ
２８ プーリ本体

Claims (5)

1. 内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、エンジン出力で回転駆動される回転軸を静止部材に回転自在に支持する自動車電装・補機用転がり軸受であって、
   前記内輪、前記外輪、および前記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の前記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえることを特徴とする自動車電装・補機用転がり軸受。
2. 前記鋼材の成分組成は、Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下、Ｓｉ：０．３５質量％未満、Ｍｎ：０．５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満、残部が鉄および不純物であることを特徴とする請求項１記載の自動車電装・補機用転がり軸受。
3. 前記軸受部材は、その表層に窒化処理が施されてなり、表面窒素濃度が０．０５〜０．６重量％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の自動車電装・補機用転がり軸受。
4. 前記軸受部材の表面から０．０５ｍｍ深さの箇所と前記窒素が含まれていない深さの箇所とのビッカース硬度差ΔＨＶが６０以上であることを特徴とする請求項３記載の自動車電装・補機用転がり軸受。
5. 前記転がり軸受は、自動車のオルタネータ、ファンカップリング装置、またはアイドラプーリに用いられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載の自動車電装・補機用転がり軸受。