JP2020122550A - 自動車電装補機用転がり軸受及び増減速機用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる自動車電装補機用転がり軸受を提供する。【解決手段】自動車電装補機用転がり軸受は、回転駆動される軸を静止部材に対して回転可能に支持する。自動車電装補機用転がり軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に配置される転動体とを備える。内輪、外輪及び転動体は、鋼製である。内輪及び外輪の軌道面並びに転動体の転動面の少なくともいずれかには、焼入硬化層が設けられる。焼入硬化層における水素拡散係数は、２．６×１０−１１ｍ２／ｓより小さい。焼入硬化層は、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有する。少なくとも一部が硫化マンガンに覆われる酸化物系介在物の個数は、酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車電装補機用転がり軸受及び増減速機用転がり軸受に関する。

近年、自動車の小型化、軽量化及び静粛性向上の要求に伴い、自動車の電装部品や補機部品（以下においては、「自動車電装補機」という）の小型化、軽量化及びエンジンルームの密閉化が図られている。他方で、自動車電装補機の高出力化及び高効率化の要求が増大している。エンジンルーム内の自動車電装補機部品においては、小型に伴う出力の低下が、軸を高速回転させることで補う手法が採用されている。

自動車電装補機部品用転がり軸受の潤滑剤には、主としてグリースが用いられている。自動車電装補機部品用転がり軸受が過酷な使用条件（例えば、軸が高速回転する使用条件等）の下で使用された場合、軌道面及び転動面に白色組織変化を伴った特異的な早期剥離が生じることがある。金属疲労により生じる剥離は、内輪、外輪及び転動体の内部から剥離が生じる。他方で、この特異的な早期剥離は、軌道面及び転動面の近傍から生じる破壊現象であり、潤滑剤の分解等で発生した水素が軌道面及び転動面から内部に侵入することによる水素脆性が原因となっていると考えられている。この早期剥離は、水が潤滑剤に混入しやすい条件下、すべりを伴う条件下及び通電が生じる条件下等において特に発生しやすい。これは、そのような条件下においては、水又は潤滑剤の分解によって水素が発生しやすいためである。

上記の特異的な早期剥離を抑制する手法として、例えば、特許文献１（特開平３−２１０３９４号公報）に記載の方法、特許文献２（特開２００５−４２１０２号公報）に記載の方法及び特許文献３（特開２０００−２８２１７８号公報）に記載の方法が知られている。

特許文献１に記載の方法においては、潤滑剤に不動態化剤が添加される。特許文献２に記載の方法においては、潤滑剤にビスマスジオカーバメートが添加される。特許文献３に記載の方法においては、転がり軸受を構成する鋼にクロム（Ｃｒ）が多く添加される。

過酷な使用条件で用いられる増速機及び減速機（以下「増減速機」という）用転がり軸受に関しても、自動車電装補機用転がり軸受と同様の問題がある。

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、特許文献１に記載の方法及び特許文献２に記載の方法は、自動車電装補機用転がり軸受及び増減速機用転がり軸受が過酷な使用条件下において使用される場合には、特異的な早期剥離を防ぐ対策としては不十分になってきている。

特許文献３に記載の方法においては、Ｃｒが多く添加されることにより炭化物が粗大化しやすい。粗大化した炭化物は、応力集中源となるおそれがある。また、不動態膜は、水素の拡散を遅らせる効果はあるが、水素の吸着量が増加するため、転がり軸受の使用状況によっては、かえって鋼中への水素の侵入量が増加するおそれがある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる自動車電装補機用転がり軸受及び増減速機用転がり軸受を提供するものである。

本発明の一態様に係る自動車電装補機用転がり軸受は、回転駆動される軸を静止部材に対して回転可能に支持する。この自動車電装補機用転がり軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に配置される転動体とを備える。内輪、外輪及び転動体は、鋼製である。内輪及び外輪の軌道面並びに転動体の転動面の少なくともいずれかには、焼入硬化層が設けられる。焼入硬化層における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さい。焼入硬化層は、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有する。少なくとも一部が硫化マンガンに覆われる酸化物系介在物の個数は、酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える。

上記の自動車電装補機用転がり軸受において、焼入硬化層は、窒素を含有していてもよい。上記の自動車電装補機用転がり軸受において、焼入硬化層中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下であってもよい。

上記の自動車電装補機用転がり軸受において、焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率は１０パーセント以上４０パーセント以下であってもよい。

上記の自動車電装補機用転がり軸受において、焼入硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であってもよい。

本発明の一態様に係る増減速機用転がり軸受は、入力軸の回転を遊星歯車を用いて増減速させて出力軸に伝える増減速機において油潤滑されながら遊星歯車を回転可能に支持する。この増減速機用転がり軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に配置される転動体とを備える。内輪、外輪及び転動体は、鋼製である。内輪及び外輪の軌道面並びに転動体の転動面の少なくともいずれかには、焼入硬化層が設けられる。焼入硬化層における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さい。焼入硬化層は、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有する。少なくとも一部が硫化マンガンに覆われる酸化物系介在物の個数は、酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える。

上記の増減速機用転がり軸受において、焼入硬化層は、窒素を含有していてもよい。上記の増減速機用転がり軸受において、焼入硬化層中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下であってもよい。

上記の増減速機用転がり軸受において、焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率は１０パーセント以上４０パーセント以下であってもよい。

上記の増減速機用転がり軸受において、焼入硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であってもよい。

本発明の一態様に係る自動車電装補機用転がり軸受及び本発明の一態様に係る増減速機用転がり軸受によると、水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる。

転がり軸受１００の断面図である。 転がり軸受１００を用いた自動車電装補機の断面図である。 水素拡散係数の測定装置７０の模式図である。 転がり軸受１００の構成部品の製造工程を示す工程図である。 転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。 転がり軸受３００の断面図である。 転がり軸受３００が用いられた増速機４００の断面図である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

以下に、第１実施形態に係る自動車電装補機部品用転がり軸受（以下においては、「転がり軸受１００」という）の構成を説明する。

図１は、転がり軸受１００の断面図である。図１に示されるように、転がり軸受１００は、内輪１と、外輪２と、転動体３と、保持器４とを有している。内輪１は、その外周面に、軌道面１１を有している。内輪１は、環状形状を有している。外輪２は、その内周面に、軌道面２１を有している。外輪２は、環状形状を有している。外輪２は、軌道面２１が軌道面１１と対向するように、内輪１の外周側に配置されている。

転動体３は、球状の形状を有している。転動体３は、転動面３１を有している。転動体３は、軌道面１１と軌道面２１との間に配置されており、転動面３１において、軌道面１１及び軌道面２１とに接触している。転動体３の数は、複数である。複数の転動体３は、保持器４により、周方向に沿って所定のピッチで等間隔に配置されている。

内輪１、外輪２及び転動体３は、鋼製である。内輪１、外輪２及び転動体３を構成している鋼は、例えばＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定める高炭素クロム軸受鋼である。内輪１、外輪２及び転動体３を構成している鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定めるＳＵＪ２又はＳＵＪ３であってもよい。

図２は、転がり軸受１００を用いた自動車電装補機の断面図である。図２に示されるように、自動車電装補機は、例えばオルタネータ２００である。なお、自動車電装補機は、アイドラプーリ、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であってもよい。

オルタネータ２００は、ロータ２０１と、ハウジング２０２と、シャフト２０３と、ステータ２０４と、プーリ２０５と、転がり軸受１００とを有している。ハウジング２０２は、ロータ２０１を取り囲むように配置されている。シャフト２０３は、ロータ２０１の中央部を貫通し、かつハウジング２０２の壁面を貫通するように、シャフト２０３が配置されている。シャフト２０３は、エンジン（図示せず）等の動力源で発生した動力で回転駆動される。ハウジング２０２の内部においてロータ２０１の外周面と対向するように、ステータ２０４が配置されている。

シャフト２０３とハウジング２０２との間には、転がり軸受１００が配置されている。シャフト２０３は、転がり軸受１００により、ハウジング２０２に回転可能に支持されている。

シャフト２０３の一方端部には、ハウジング２０２の外部において、プーリ２０５が取り付けられている。プーリ２０５は、円環形状を有している。プーリ２０５の外周面には係合溝２０５ａが形成されている。係合溝２０５ａには、伝動ベルト（図示せず）が掛けられる。

伝動ベルトがエンジン（図示せず）等からの動力によって回転することにより、シャフト２０３が中心軸周りに回転駆動される。ロータ２０１は、シャフト２０３とともに、シャフト２０３の中心軸周りに回転する。その結果、ロータ２０１がステータ２０４に対して相対的に回転することになり、ロータ２０１とステータ２０４との間の電磁誘導によりステータ２０４のコイルに起電力が生じる。

図１に示されるように、軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１には、焼入硬化層５が形成されている。なお、焼入硬化層５は、軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１の少なくともいずれかに形成されていればよい。

焼入硬化層５は、酸化物系介在物と、硫化マンガン（ＭｎＳ）とを含有している。酸化物系介在物には、例えばアルミニウムの酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）やカルシウムの酸化物等が含まれる。酸化物系介在物には、大きさが基準値以上のものがある。酸化物系介在物の大きさは、顕微鏡やＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectrometry）により測定される。

ＭｎＳは、大きさが基準値以上の酸化物系介在物の少なくも一部を覆っている。ここで、ＭｎＳが酸化物系介在物の少なくとも一部を覆っているとは、ＭｎＳが酸化物系介在物の表面の少なくとも一部に接していることをいう。ＭｎＳが酸化物系介在物の少なくとも一部を覆っているか否かの判断は、焼入硬化層５の断面を光学顕微鏡で観察することにより行われる。

大きさが基準値以上で、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数は、大きさが基準値以上の酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超えている。このことを別の観点からいえば、大きさが基準値以上の酸化物系介在物の全個数をＸ、大きさが基準値以上であり、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数をＹとした場合に、Ｙ／Ｘ＞０．４との関係が満たされている。

Ｙ／Ｘの値は、好ましくは０．５以上である。さらに好ましくは、Ｙ／Ｘの値は０．９以上である。上記の基準値は、３μｍ以上である。上記の基準値は、５μｍ以上であってもよい。上記の基準値は、１０μｍ以上であってもよい。

Ｙ／Ｘの値は、以下の手順にしたがって測定される。第１に、焼入硬化層５の断面から３０ｍｍ×３０ｍｍの領域（以下において、この領域を測定領域という）を特定する。この測定領域の位置は、任意である。第２に、この測定領域を光学顕微鏡で観察することにより、大きさが基準値以上の酸化物系介在物を、大きいものから順に１７個特定する（以下において、これらの酸化物系介在物を測定対象介在物という）。

すなわち、Ｘの値を１７とする。第３に、この測定対象介在物を光学顕微鏡で観察することにより、少なくとも一部がＭｎＳで覆われている測定対象介在物を特定し、Ｙの値を得る。そして、このＸの値及びＹの値を用いて、Ｙ／Ｘを決定する。

焼入硬化層５における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、２．１×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、１．９×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、１．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、１．４×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。

水素拡散係数は、例えば、電気化学的水素透過法により測定される。図３は、水素拡散係数の測定装置７０の模式図である。図３に示されるように、測定装置７０は、アノード槽７１と、カソード槽７２と、アノード電極７３と、カソード電極７４と、ガルバノスタット７５と、ポテンショスタット７６とを有している。アノード槽７１とカソード槽７２は、試験片７７により分断されている。試験片７７は、厚さＬを有している。厚さＬは、例えば、１ｍｍである。アノード電極７３及びカソード電極７４は、白金（Ｐｔ）により形成されている。

アノード槽７１には、アノード液７８が入れられている。アノード液７８は、１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液である。カソード槽７２には、カソード液７９が入れられている。カソード液７９は、０．０５ｍｏｌ／Ｌの硫酸にチオ尿酸を混ぜたものである。アノード電極７３は、アノード液７８に浸漬されている。カソード電極７４は、カソード液７９に浸漬されている。

ガルバノスタット７５の端子の一方は、カソード電極７４に接続されている。ガルバノスタット７５の端子の他方は、試験片７７に接続されている。ポテンショスタット７６の端子の一方は、アノード電極７３に接続されている。ポテンショスタット７６の端子の他方は、試験片７７に接続されている。

水素拡散係数の測定においては、ガルバノスタット７５により、試験片７７に電流が供給される。これにより、試験片７７のカソード液７９側に、水素が発生する。この発生した水素は、カソード液７９側の表面から、試験片７７の内部に侵入する。

試験片７７の内部に侵入した水素は、試験片７７中を拡散しながら移動する。試験片７７のアノード液７８側の面に到達した水素は、イオン化する。これにより、イオン化電流が流れる。イオン化電流が流れ始めるまでの時間をｔｂ、試験片７７の厚さをＬとした場合に、水素拡散係数は、Ｌ^２／（１５．３×ｔｂ）により求められる。なお、水素拡散係数の測定は、２０℃以上２５℃以下の範囲内において行われる。

焼入硬化層５は、マルテンサイト相と、オーステナイト相とを含んでいる。焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は、１０パーセント以上４０パーセント以下であることが好ましい。

焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率の測定は、Ｘ線回折により行われる。すなわち、焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は、焼入硬化層５におけるオーステナイト相の回折ピークとマルテンサイト相の回折ピークとの強度比を測定することにより、決定される。

焼入硬化層５は窒素を含有していてもよい。焼入硬化層５中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下であることが好ましい。焼入硬化層５中における窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）により測定される。

焼入硬化層５の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であることが好ましい。焼入硬化層５の硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２４５：２０１６に定める方法にしたがって測定される。

以下に、転がり軸受１００の製造方法を説明する。図４は、転がり軸受１００の構成部品の製造工程を示す工程図である。図４に示されるように、転がり軸受１００の構成部品（内輪１、外輪２及び転動体３）は、準備工程Ｓ１、焼き入れ工程Ｓ２、焼き戻し工程Ｓ３及び後処理工程Ｓ４により製造される。焼き入れ工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。焼き戻し工程Ｓ３は、焼き入れ工程Ｓ２の後に行われる。後処理工程Ｓ４は、焼き戻し工程Ｓ３の後に行われる。

準備工程Ｓ１においては、加工対象物が準備される。この加工対象物は、内輪１又は外輪２である場合、鋼製のリング状部材である。この加工対象物は、転動体３である場合、鋼製の球状部材である。

加工対象物を構成する鋼は、例えば軸受鋼である。好ましくは、加工対象物を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められる高炭素クロム軸受鋼である。加工対象物を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められるＳＵＪ２又はＳＵＪ３であってもよい。

転炉で精錬された溶鋼をスラブにする際の冷却速度が速い場合、ＭｎＳは、酸化物系介在物とは別々に析出する傾向がある。他方、転炉で精錬された溶鋼をスラブにする際の冷却速度が遅い場合、ＭｎＳは、酸化物系介在物を析出核として析出する傾向がある。そのため、転炉で精錬された溶鋼をスラブにする際の冷却速度を調整することにより、ＭｎＳにより被覆されている酸化物系介在物の比率を調整することができる。

焼き入れ工程Ｓ２においては、加工対象物を構成する鋼に対する焼き入れが行われる。焼き入れ工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と冷却工程Ｓ２２とを有している。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象物の加熱が行われる。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象物は、加工対象物を構成する鋼のＡ_１点以上の温度（以下においては、この温度を加熱温度という）まで加熱される。加熱温度は、例えば８００℃以上９００℃以下である。

加熱工程Ｓ２１における加工対象物の加熱は、例えば加熱炉内で行われる。加熱炉内の雰囲気は、例えばＲＸガスである。加熱炉内の雰囲気には、窒素を含有するガスが添加されてもよい。窒素を含有するガスの具体例は、アンモニアガスである。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象物が加熱温度まで昇温された後、当該加熱温度で所定時間（以下においては、この時間を保持時間という）保持される。

保持時間が長くなるほど、又は加熱温度が高くなるほど、加熱工程Ｓ２１において、加工対象物を構成する鋼材中の炭素がオーステナイト相に溶け出す。オーステナイト相中の炭素量が多いほど、残留オーステナイト相が多くなる傾向がある。そのため、保持時間及び加熱温度を制御することにより、焼入硬化層５中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

鋼材中のオーステナイト安定化元素の量が増加すると、残留オーステナイト相が多くなる傾向にある。そのため、加工対象物を構成する鋼材にオーステナイト安定化元素である合金元素を多く含む鋼種を用いる又は加熱工程Ｓ２１において加熱雰囲気に窒素を含有するガスを添加することにより、焼入硬化層５中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

加工対象物を構成する鋼材中の窒素は、加工対象物を構成する鋼材中のＣｒ等との間で窒化物を形成する。この窒化物は、加工対象物を構成する鋼材中に微細に分散することにより、加工対象物を構成する鋼材を硬化させる。また、窒化物は水素のトラップサイトになるため、水素拡散係数が小さくなる。そのため、加熱工程Ｓ２１において、窒素を含有するガスの濃度、加熱温度及び保持時間を制御することにより、焼入硬化層５の硬度及び水素拡散係数を制御することができる。

冷却工程Ｓ２２においては加工対象物の冷却が行われる。冷却工程Ｓ２２においては、加工対象物は、加熱温度から加工対象物を構成する鋼のＭ_Ｓ点以下の温度（以下においては、冷却温度という）まで冷却される。冷却工程Ｓ２２における加工対象物の冷却は、従来周知の任意の冷媒を用いて行われる。加工対象物の冷却に用いられる冷媒は、例えば油又は水である。

なお、冷却工程Ｓ２２における冷却温度及び冷却速度は、冷却工程Ｓ２２において生じるマルテンサイト相の量（別の観点からいえば、冷却工程Ｓ２２後においてもオーステナイト相のまま残留する量）に影響する。そのため、冷却温度及び冷却速度を制御することによっても、焼入硬化層５中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

焼き戻し工程Ｓ３においては、加工対象物を構成する鋼が焼き戻される。加工対象物の焼き戻しは、加工対象物をＡ_１点未満の温度（以下においては、焼き戻し温度という）で所定時間（以下においては、焼き戻し時間という）保持することにより行われる。焼き戻し温度は、例えば１８０℃である。焼き戻し時間は、例えば２時間である。

焼き戻し工程Ｓ３においては、冷却工程Ｓ２２によってもマルテンサイト相とならなかったオーステナイト相が、フェライト相と炭化物相とに分解される。フェライト相及び炭化物相へと分解されるオーステナイト相の量は、焼き戻し温度及び焼き戻し時間を制御することにより、変化する。そのため、焼き戻し温度及び焼き戻し時間を制御することによっても、焼入硬化層５中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

後処理工程Ｓ４においては、加工対象物に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ４においては、例えば、加工対象物の洗浄、加工対象物に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。以上により、以上により、転がり軸受１００の構成部品の製造が行われる。上記の方法で製造された転がり軸受１００の構成部品を保持器４とともに組み立てることにより、転がり軸受１００が製造される。

以下に、転がり軸受１００の効果を説明する。鋼中に侵入した水素は、引張応力場に集積する性質がある。大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲には、応力集中が生じやすい。そのため、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲には、水素が集積されることによる水素脆性が生じやすい。

ＭｎＳは、柔らかい（ＭｎＳの硬度は、１５０Ｈｖ程度である）。そのため、ＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の周囲では、応力集中が緩和される。転がり軸受１００においては、大きさが３μｍ以上であり、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数は、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超えている。そのため、転がり軸受１００においては、水素の集積が抑制されることにより、水素脆性の発生を抑制することができる。

転がり軸受１００においては、焼入硬化層５における水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さいため、表面から侵入した水素が焼入硬化層５の内部に拡散するために長時間を要する。そのため、転がり軸受１００によると、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる。

窒素は、内輪１、外輪２及び転動体３を構成する鋼中の合金元素との間で窒化物を形成する。そのため、焼入硬化層５が窒素を含有している場合には、焼入硬化層５中の窒化物の含有量が増加する結果、焼入硬化層５の水素拡散係数が低下するとともに、焼入硬化層５の硬度が上昇する。

焼入硬化層５中の窒素濃度が０．６重量パーセントを超えると、窒素と反応して窒化物となるＣｒが多くなる。窒素と反応して窒化物となったＣｒは、焼入硬化層５の焼入性の向上に寄与しない。他方で、焼入硬化層５中の窒素濃度が０．０５重量パーセント未満では、窒化物の形成量が少なく、焼入硬化層５の硬度上昇及び水素拡散係数低減に与える影響が少ない。そのため、焼入硬化層５中の窒素濃度が、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下の場合、窒素導入に伴う硬度上昇及び水素拡散係数低減を行いつつ焼入硬化層５の焼入性を確保することができる。

オーステナイト相は、マルテンサイト相よりも水素拡散係数が小さい。そのため、焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率が大きいほど、焼入硬化層５の水素拡散係数が低下する。一方で、焼入硬化層５中のオーステナイト相は、転がり軸受１００を使用している間にマルテンサイト相に変態する場合がある。焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率が大きすぎると、寸法安定性が低下する。したがって、焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下である場合には、寸法安定性を維持しつつ、水素拡散係数を低下させることができる。

軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１は、接触応力を受けても変形しないことが求められる。そのため、軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１にある焼入硬化層５には、硬度が要求される。一方で、焼入硬化層５の硬度が過度に高い場合、靱性が低下する。したがって、焼入硬化層５の硬度が５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である場合、軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１における靱性を確保しつつ、接触応力が印加されることによる軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１の変形を抑制することができる。

以下に、供試材１〜供試材５に対する第１転動疲労試験を説明する。
＜供試材＞
表１に、第１転動疲労試験に供した供試材の作製条件、焼入硬化層５中における窒素濃度、焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率及び焼入硬化層５における水素拡散係数を示す。表１に示すように、供試材１〜供試材３に用いられた鋼種は、ＳＵＪ２である。供試材４及び供試材５に用いられた鋼種は、ＳＵＪ３である。

供試材１及び供試材４に対する加熱工程Ｓ２１は、約８５０℃の加熱温度、ＲＸガス雰囲気中において行われた。供試材２、供試材３及び供試材５に対する加熱工程Ｓ２１は、約８５０℃の加熱温度、アンモニアガスを添加したＲＸガス雰囲気中において行われた。供試材２及び供試材５においては焼入硬化層５中の窒素濃度が０．２重量パーセントとなるようにアンモニアガスの濃度が調整され、供試材３においては焼入硬化層５中の窒素濃度が０．４重量パーセントとなるようにアンモニアガスの濃度が調整された。供試材１〜供試材５に対しては、焼き戻し工程Ｓ３は１８０℃の焼き戻し温度、２時間（１２０分）の焼き戻し時間で行われた。

供試材１の焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は、８．９パーセントであった。供試材２の焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は、２１．７パーセントであった。

供試材３の焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は２９．６パーセントであり、供試材４中の焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は２０．３パーセントであった。供試材５の焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は３１．８パーセントであった。

供試材１の焼入硬化層５の水素拡散係数は、２．６３×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材２の焼入硬化層５の水素拡散係数は、２．０９×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材３の焼入硬化層５の水素拡散係数は、１．６０×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材４の焼入硬化層５の水素拡散係数は、１．８８×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材５の焼入硬化層５の水素拡散係数は、１．４０×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。

＜転動疲労試験方法＞
各供試材を用いてスラスト玉軸受を構成した。なお、このスラスト玉軸受の転動体は、ＳＵＳ４４０Ｃ製の鋼球とした。このスラスト玉軸受には、潤滑剤として、グリコール系潤滑油に純水を混合したもの用いた。これにより、このスラスト玉軸受は、水素が軌道面から侵入しうる状況とされた。

転動疲労試験は、このスラスト玉軸受に４．９ｋＮのアキシャル荷重を加えた状態（この状態において、軌道面と転動体との間における最大接触面圧は、弾性ヘルツ接触計算で２．３ＧＰａとなる）で、内輪を外輪に対して相対的に回転させることにより行われた。図５は、転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。図５に示すように、内輪の外輪に対する相対的な回転は、０．５秒間を１サイクルとして行われた。

この０．５秒間のうち、最初の０．１秒間においては、回転速度が０回転／分から２５００回転／分まで直線的に増加した。次の０．３秒間においては、回転速度が２５００回転／分で保持された。次の０．１秒間においては、回転速度が２５００回転／分から０回転／分まで直線的に減少した。

＜転動疲労試験結果＞
表２に、転動疲労試験結果を示す。表２中において、Ｌ_１０及びＬ_５０は、各供試材を用いて構成したスラスト玉軸受の剥離寿命（軌道面にフレーキングが生じるまでの時間）を２母数ワイブル分布にあてはめて求めた１０パーセント寿命及び５０パーセント寿命であり、ｅは当該２母数ワイブル分布のワイブルスロープ（形状母数）である。

表２に示すように、供試材２〜供試材５を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材１を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示している。上記のとおり、供試材１においては、焼入硬化層５の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以上である一方で、供試材２〜供試材５においては、焼入硬化層５の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満であった。この比較から、焼入硬化層５が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満の水素拡散係数を有することにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制できることが実験的に明らかとされた。

上記のとおり、供試材１の焼入硬化層５は、オーステナイト相の体積比率が１０パーセント未満である一方、供試材２〜供試材５の焼入硬化層５は、オーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下の範囲内にあった。この比較から、焼入硬化層５中のオーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下の範囲内にあることにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制できることが実験的に明らかとされた。

供試材５を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材４を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示していた。上記のとおり、供試材４の焼入硬化層５は、窒素を含んでいない一方、供試材５の焼入硬化層５は、窒素を含んでいる。この比較から、焼入硬化層５が窒素を含むことにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生をさらに抑制できることが実験的に明らかとされた。

以下に、介在物検査の結果を説明する。介在物検査においては、供試材６〜供試材９の断面における３０ｍｍ×３０ｍｍの領域で検出された酸化物系介在物のうち、大きいものから順に１７個（但し、最大径が３μｍ以上のもの）を選択し、それぞれの酸化物系介在物がＭｎＳで覆われているかを確認した。供試材６〜供試材９に用いられた鋼種は、ＳＵＪ２である。

表３に、介在物検査結果を示す。表３に示されるように、供試材６においては、１７個中４個の酸化物系介在物がＭｎＳで覆われていた（被覆率２４パーセント）。供試材７においては、１７個中７個の酸化物系介在物がＭｎＳで覆われていた（被覆率４１パーセント）。供試材８においては、１７個中９個の酸化物介在物がＭｎＳで覆われていた（被覆率５２パーセント）。供試材９においては、１７個中１６個の酸化物系介在物がＭｎＳで覆われていた（被覆率９４パーセント）。

以下に、供試材６、供試材７及び供試材１０に対する第２転動疲労試験を説明する。なお、供試材７及び供試材１０は、同一の材料であるが、後述する熱処理の条件が異なっている。
＜供試材＞
表４に、第２転動疲労試験に供した供試材の作製条件、焼入硬化層５中における窒素濃度、焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率及び焼入硬化層５における水素拡散係数を示す。供試材６、供試材７及び供試材１０に用いられた鋼種は、上記のとおりＳＵＪ２である。

供試材６及び供試材７に対する加熱工程Ｓ２１は、約８５０℃の加熱温度、ＲＸガス雰囲気中において行われた。また、供試材１０に対する加熱工程Ｓ２１は、約８５０℃の加熱温度、アンモニアガスを添加したＲＸガス雰囲気中において行われた。供試材１０においては、焼入硬化層５中の窒素濃度が０．４重量パーセントとなるようにアンモニアガスの濃度が調整された。供試材６、供試材７及び供試材１０に対しては、焼き戻し工程Ｓ３は１８０℃の焼き戻し温度、２時間（１２０分）の焼き戻し時間で行われた。

＜転動疲労試験方法＞
転動疲労試験方法は、第１転動疲労試験と同一である。

＜転動疲労試験結果＞
表５に、転動疲労試験結果を示す。表５に示すように、供試材７及び供試材１０を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材６を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示している。上記のとおり、供試材６においては、Ｙ／Ｘ＞０．４との関係が満たされていない。他方で、供試材７及び供試材１０においては、Ｙ／Ｘ＞０．４との関係が満たされている。この比較から、Ｙ／Ｘ＞０．４との関係が満たされることにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制できることが実験的に明らかとされた。

供試材１０を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材７を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示している。この比較から、窒化処理を行うことにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生をさらに抑制できることが実験的に明らかとされた。

（第２実施形態）
以下に、第２実施形態に係る増減速機用転がり軸受（以下においては、「転がり軸受３００」という）を説明する。

図６は、転がり軸受３００の断面図である。図６に示されるように、転がり軸受３００は、内輪１と、外輪２と、転動体３と、保持器４とを有している。

内輪１、外輪２及び転動体３は、鋼製である。内輪１、外輪２及び転動体３を構成している鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定める高炭素クロム軸受鋼である。内輪１、外輪２及び転動体３を構成している鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定めるＳＵＪ２又はＳＵＪ３であってもよい。

軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１には、焼入硬化層５が形成されている。焼入硬化層５は、酸化物系介在物と、硫化マンガン（ＭｎＳ）とを含有している。大きさが基準値以上の酸化物系介在物の全個数をＸ、大きさが基準値以上であり、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数をＹとした場合に、Ｙ／Ｘ＞０．４との関係が満たされている。Ｙ／Ｘの値は、好ましくは０．５以上である。さらに好ましくは、Ｙ／Ｘの値は０．９以上である。上記の基準値は、３μｍ以上である。上記の基準値は、５μｍ以上であってもよい。上記の基準値は、１０μｍ以上であってもよい。

焼入硬化層５における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、２．１×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、１．９×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、１．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層５における水素拡散係数は、１．４×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。

焼入硬化層５中におけるオーステナイト相の体積比率は、１０パーセント以上４０パーセント以下であることが好ましい。焼入硬化層５中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下であることが好ましい。焼入硬化層５の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であることが好ましい。以上の点に関して、転がり軸受３００の構成は、転がり軸受１００の構成と共通している。

図７は、転がり軸受３００が用いられた増速機４００の断面図である。図７に示されるように、増速機４００は、入力軸４０１、中間出力軸４０２及び出力軸４０３と、一次増速機４０４と、二次増速機４０５と、ハウジング４０６と、転がり軸受３００とを有している。

一次増速機４０４は、遊星歯車機構で構成されている。具体的には、一次増速機４０４は、キャリア４０４ａと、遊星歯車４０４ｂと、リングギア４０４ｃと、太陽歯車４０４ｄとを有している。キャリア４０４ａは、入力軸４０１と一体となっている。遊星歯車４０４ｂは、キャリア４０４ａに設置されている。太陽歯車４０４ｄは、中間出力軸４０２と一体となっている。リングギア４０４ｃは、遊星歯車４０４ｂ及び太陽歯車４０４ｄと噛み合わされている。このようにして、入力軸４０１の回転は、キャリア４０４ａ、遊星歯車４０４ｂ及びリングギア４０４ｃを介して中間出力軸４０２に伝達される。

転がり軸受３００は、遊星歯車４０４ｂの軸を回転可能に支持している。なお、転がり軸受３００は、遊星歯車４０４ｂの軸以外の軸についても、同様に回転可能に支持していてもよい。転がり軸受３００は、ハウジング４０６内の潤滑油貯留槽４０６ａに貯留された潤滑油４０６ｂに浸漬される。潤滑油貯留槽４０６ａに貯留されている潤滑油４０６ｂは、配管及びポンプ（図示せず）で循環させられる。

二次増速機４０５は、歯車４０５ａ〜歯車４０５ｄを有している。歯車４０５ａ〜歯車４０５ｄで構成される歯車列は、中間出力軸４０２の回転を出力軸４０３へと伝達する。以上により、増速機４００は、入力軸４０１の回転を増速して出力軸４０３に伝達する。

この例では、転がり軸受３００は、増速機用転がり軸受として説明したが、減速機用転がり軸受としても用いることができる。このように、転がり軸受３００は、増減速機用転がり軸受である点に関して、転がり軸受１００と異なっている。

転がり軸受３００の製造方法は、転がり軸受１００の製造方法と同様であるため、ここではその説明を省略する。

転がり軸受３００は、軌道面１１、軌道面２１及び転動面３１に焼入硬化層５を有しているため、転がり軸受１００と同様に、水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、自動車電装補機用転がり軸受及び増減速機用転がり軸受に特に有利に適用される。

１ 内輪 １１ 軌道面、２ 外輪、２１ 軌道面、３ 転動体、３１ 転動面、４ 保持器、５ 焼入硬化層、７０ 測定装置、７１ アノード槽、７２ カソード槽、７３ アノード電極、７４ カソード電極、７５ ガルバノスタット、７６ ポテンショスタット、７７ 試験片、７８ アノード液、７９ カソード液、１００ 転がり軸受、２００ オルタネータ、２０１ ロータ、２０２ ハウジング、２０３ シャフト、２０４ ステータ、２０５ プーリ、２０５ａ 係合溝、３００ 転がり軸受、４００ 増速機、４０１ 入力軸、４０２ 中間出力軸、４０３ 出力軸、４０４ 一次増速機、４０４ａ キャリア、４０４ｂ 遊星歯車、４０４ｃ リングギア、４０４ｄ 太陽歯車、４０５ 二次増速機、４０５ａ 歯車、４０５ｄ 歯車、４０６ａ 潤滑油貯留槽、４０６ｂ 潤滑油、Ｌ 厚さ、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 焼き入れ工程、Ｓ２１ 加熱工程、Ｓ２２ 冷却工程、Ｓ３ 焼き戻し工程、Ｓ４ 後処理工程。

Claims (10)

1. 回転駆動される軸を静止部材に対して回転可能に支持する自動車電装補機用転がり軸受であって、
   内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪の間に配置される転動体とを備え、
   前記内輪、前記外輪及び前記転動体は、鋼製であり、
   前記内輪及び前記外輪の軌道面並びに前記転動体の転動面の少なくともいずれかには、焼入硬化層が設けられ、
   前記焼入硬化層における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さく、
   前記焼入硬化層は、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有し、
   少なくとも一部が前記硫化マンガンに覆われる前記酸化物系介在物の個数は、前記酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える、自動車電装補機用転がり軸受。
2. 前記焼入硬化層は、窒素を含有する、請求項１に記載の自動車電装補機用転がり軸受。
3. 前記焼入硬化層中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下である、請求項２に記載の自動車電装補機用転がり軸受。
4. 前記焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率は１０パーセント以上４０パーセント以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の自動車電装補機用転がり軸受。
5. 前記焼入硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の自動車電装補機用転がり軸受。
6. 入力軸の回転を遊星歯車を用いて増減速させて出力軸に伝える増減速機において油潤滑されながら前記遊星歯車を回転可能に支持する増減速機用転がり軸受であって、
   内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪の間に配置される転動体とを備え、
   前記内輪、前記外輪及び前記転動体は、鋼製であり、
   前記内輪及び前記外輪の軌道面並びに前記転動体の転動面の少なくともいずれかには、焼入硬化層が設けられ、
   前記焼入硬化層における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さく、
   前記焼入硬化層は、大きさが３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有し、
   少なくとも一部が前記硫化マンガンに覆われる前記酸化物系介在物の個数は、前記酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える、増減速機用転がり軸受。
7. 前記焼入硬化層は、窒素を含有する、請求項６に記載の増減速機用転がり軸受。
8. 前記焼入硬化層中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下である、請求項７に記載の増減速機用転がり軸受。
9. 前記焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率は１０パーセント以上４０パーセント以下である、請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の増減速機用転がり軸受。
10. 前記焼入硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である、請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の増減速機用転がり軸受。