JP2021050405A - 転がり軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】転動疲労寿命が改善された転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受は、鋼で形成された内輪、外輪及び転動体を備えており、内輪の内輪軌道面、外輪の外輪軌道面及び転動体の転動面の少なくともいずれかに焼き入れ硬化層を有する円錐ころ軸受、円筒ころ軸受又は深溝玉軸受である。焼き入れ硬化層中におけるマルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、７０パーセント以上である。マルテンサイト結晶粒は、第１群と、第２群とに区分されている。第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は０．９７μｍ以下である。転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層の表面において、焼き入れ硬化層の硬さは、６７０Ｈｖ以上である。転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層の表面において、焼き入れ硬化層中のオーステナイト結晶粒の体積比率は、３０パーセント以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受に関する。より特定的には、本発明は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受又は深溝玉軸受に関する。
転がり軸受の転動疲労寿命は、特許文献１（特許第５５９２５４０号公報）に記載されているように、軸受部品の表面（内輪及び外輪の軌道面並びに転動体の転動面）に浸炭窒化を行うことにより改善される。また、転がり軸受の転動疲労寿命は、特許文献２（特許第３９０５４３０号公報）に記載されているように、軸受部品の表面において旧オーステナイト粒を微細化することにより改善される。
特許第５５９２５４０号公報 特許第３９０５４３０号公報
軸受部品に用いられる鋼に対しては、一般的に焼き入れが行われる。すなわち、軸受部品の表面には、マルテンサイト相を主要な構成組織とする焼き入れ硬化層が形成されている。しかしながら、マルテンサイト結晶粒の状態が軸受部品の転動疲労寿命にどのような影響を及ぼすのかについて、従来は知られていなかった。
自動車用トランスミッションやデファレンシャルにおいては、燃費向上のために低粘度の潤滑油が適用されたり、ユニット内の潤滑油量が低減される傾向にあり、今後もこの傾向は続くと想定される。そのため、このような厳しい潤滑状態で使用される転がり軸受においては、焼き入れ硬化層の表層の材料マトリックスをより強固な組織で構成する必要がある。また、ユニットの小型化が進む中で、転がり軸受のサイズ（外径、幅）の縮小が強いられる一方、モータアシストやターボ機構付与等により高出力化傾向にあり、転がり軸受への負荷荷重（軸受動定格荷重に対する負荷荷重の割合）は増加する傾向にあるため、より一層、転がり軸受の長寿命化が求められている。さらに、今後、都市型カーシェアリング化が進み、自動車の使用頻度及び走行距離が増加する傾向にあるため、転がり軸受の長寿命化は、これまで以上に望まれている。
転がり面軸方向中央位置にある転がり面（軌道面、転動面）には、最大接触面圧が加わる。そのため、転がり軸受を長寿命化させるためには、転がり面軸方向中央位置にある転がり面における焼き入れ硬化層の材料組織を改善することが、特に重要である。
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、転動疲労寿命が改善された転がり軸受を提供するものである。
本発明の第１態様に係る転がり軸受は、鋼で形成された内輪、外輪及び転動体を備えており、内輪の内輪軌道面、外輪の外輪軌道面及び転動体の転動面の少なくともいずれかに焼き入れ硬化層を有する円錐ころ軸受、円筒ころ軸受又は深溝玉軸受である。焼き入れ硬化層は、複数のマルテンサイト結晶粒と、複数のオーステナイト結晶粒とを含んでいる。焼き入れ硬化層中におけるマルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、７０パーセント以上である。マルテンサイト結晶粒は、第１群と、第２群とに区分されている。第１群に属するマルテンサイト結晶粒の結晶粒径の最小値は、第２群に属するマルテンサイト結晶粒の最大値よりも大きい。第１群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．５以上である。第１群に属する結晶粒径が最も小さいマルテンサイト結晶粒を除いた第１群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．５未満である。第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は０．９７μｍ以下である。転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層の表面において、焼き入れ硬化層の硬さは、６７０Ｈｖ以上である。転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層の表面において、焼き入れ硬化層中のオーステナイト結晶粒の体積比率は、３０パーセント以下である。
本発明の第１態様に係る転がり軸受において、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比は、２．５７以下であってもよい。
本発明の第２態様に係る転がり軸受は、鋼で形成された内輪、外輪及び転動体を備えており、内輪の内輪軌道面、外輪の外輪軌道面及び転動体の転動面の少なくともいずれかに焼き入れ硬化層を有する円錐ころ軸受、円筒ころ軸受又は深溝玉軸受である。焼き入れ硬化層は、複数のマルテンサイト結晶粒と、複数のオーステナイト結晶粒とを含んでいる。焼き入れ硬化層中におけるマルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、７０パーセント以上である。マルテンサイト結晶粒は、第３群と、第４群とに区分されている。第３群に属するマルテンサイト結晶粒の結晶粒径の最小値は、第４群に属するマルテンサイト結晶粒の最大値よりも大きい。第３群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．７以上である。第３群に属する結晶粒径が最も小さいマルテンサイト結晶粒を除いた第３群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．７未満である。第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は０．７５μｍ以下である。転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層の表面において、焼き入れ硬化層の硬さは、６７０Ｈｖ以上である。転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層の表面において、焼き入れ硬化層中のオーステナイト結晶粒の体積比率は、３０パーセント以下である。
本発明の第２態様に係る転がり軸受において、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比は、２．４５以下であってもよい。
本発明の第１態様及び第２態様に係る転がり軸受において、焼き入れ硬化層は、窒素を含有していてもよい。表面と表面からの距離が１０μｍとなる位置との間での焼き入れ硬化層の平均窒素濃度は、０．０５質量パーセント以上であってもよい。
本発明の第１態様及び第２態様に係る転がり軸受において、表面と表面からの距離が１０μｍとなる位置との間での焼き入れ硬化層の平均炭素濃度は、０．５質量パーセント以上であってもよい。
本発明の第１態様及び第２態様に係る転がり軸受において、鋼は、ＪＩＳ規格に定める高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２であってもよい。
本発明の第１態様及び第２態様に係る転がり軸受によると、転動疲労寿命が改善することができる。
転がり軸受１００の断面図である。 内輪軌道面１０ｃ近傍における内輪１０の拡大断面図である。 転がり軸受２００の断面図である。 転がり軸受３００の断面図である。 内輪１０の製造方法を示す工程図である。 サンプル１の断面におけるＥＢＳＤ画像である。 サンプル２の断面におけるＥＢＳＤ画像である。 サンプル３の断面におけるＥＢＳＤ画像である。 マルテンサイト結晶粒の平均粒径と転動疲労寿命との関係が示されるグラフである。 マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比と転動疲労寿命との関係が示されるグラフである。 最大接触面圧と圧痕深さとの関係が示されるグラフである。 マルテンサイト結晶粒の平均粒径と静的負荷容量との関係が示されるグラフである。 マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比と静的負荷容量との関係が示されるグラフである。
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ものとする。
（実施形態に係る転がり軸受の構成）
以下に、実施形態に係る転がり軸受（以下「転がり軸受１００」とする）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は円錐ころ軸受である。転がり軸受１００は、内輪１０と、外輪２０と、転動体３０と、保持器４０とを有している。
内輪１０は、リング状の形状を有している。内輪１０は、内周面１０ａと、外周面１０ｂとを有している。内周面１０ａ及び外周面１０ｂは、内輪１０の周方向に沿って延在している。内周面１０ａは、内輪１０の中心軸側を向いており、外周面１０ｂは、内輪１０の中心軸とは反対側を向いている。すなわち、外周面１０ｂは、内輪１０の径方向における内周面１０ａの反対面である。外周面１０ｂは、内輪軌道面１０ｃを含んでいる。内輪軌道面１０ｃは、転動体３０と接している。
外輪２０は、リング状の形状を有している。外輪２０は、内周面２０ａと、外周面２０ｂとを有している。内周面２０ａ及び外周面２０ｂは、外輪２０の周方向に沿って延在している。内周面２０ａは、外輪２０の中心軸側を向いており、外周面２０ｂは、外輪２０の中心軸とは反対側を向いている。すなわち、外周面２０ｂは、外輪２０の径方向における内周面２０ａの反対面である。内周面２０ａは、外輪軌道面２０ｃを含んでいる。外輪軌道面２０ｃは、転動体３０と接している。外輪２０は、内周面２０ａが外周面１０ｂと対向するように、内輪１０の外側に配置されている。
転動体３０は、円錐台形状を有している。すなわち、転動体３０は、円錐ころである。転動体３０は、外周面３０ａを有している。外周面３０ａは、転動体３０の転動面になっている。転動体３０は、外周面３０ａが内輪軌道面１０ｃ及び外輪軌道面２０ｃに接するように、内輪１０と外輪２０との間に配置されている。
内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、鋼により形成されている。この鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められる高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２である。但し、内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、その他の鋼（ＪＩＳ規格に定められる高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ３、ＡＳＴＭ規格に定められる５２１００、ＤＩＮ規格に定められる１００Ｃｒ６、ＧＢ規格に定められているＧＣｒ１５）により形成されていてもよい。内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、それぞれ異なる鋼により形成されていてもよい。
転がり軸受１００の転がり面軸方向中央位置は、転動体３０の中心軸に沿う方向における中央を通り、かつ当該中心軸に直交している仮想直線Ｌ（図１中において、点線により示されている）が、内輪軌道面１０ｃ、外輪軌道面２０ｃ又は外周面３０ａ（転動体３０の軌道面）と交差している位置である。このことを別の観点からいえば、転がり面軸方向中央位置は、最大接触面圧が加わる転がり面（内輪軌道面１０ｃ、外輪軌道面２０ｃ及び外周面３０ａ）上の位置である。
保持器４０は、保持器４０の周方向において隣り合う２つの転動体３０の間隔が一定範囲内となるように、転動体３０を保持している。保持器４０は、内輪１０と外輪２０との間に配置されている。
図２は、内輪軌道面１０ｃ近傍における内輪１０の拡大断面図である。図２に示されるように、内輪１０は、内輪軌道面１０ｃにおいて、焼き入れ硬化層５０を有している。焼き入れ硬化層５０は、焼き入れを行うことにより硬化した層である。焼き入れ硬化層５０は、複数のマルテンサイト結晶粒を含んでいる。
第１のマルテンサイト結晶粒の結晶方位と第１のマルテンサイト結晶粒に隣接する第２のマルテンサイト結晶粒の結晶方位とのずれが１５°以上である場合、第１のマルテンサイト結晶粒と第２のマルテンサイト結晶粒とは、異なるマルテンサイト結晶粒である。他方で、第１のマルテンサイト結晶粒の結晶方位と第１のマルテンサイト結晶粒に隣接する第２のマルテンサイト結晶粒の結晶方位とのずれが１５°未満である場合、第１のマルテンサイト結晶粒と第２のマルテンサイト結晶粒とは、１つのマルテンサイト結晶粒を構成している。
焼き入れ硬化層５０は、マルテンサイト相が主要な構成組織となっている。より具体的には、焼き入れ硬化層５０中におけるマルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、７０パーセント以上となっている。焼き入れ硬化層５０中におけるマルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、８０パーセント以上であってもよい。
焼き入れ硬化層５０は、マルテンサイト結晶粒の他に、オーステナイト結晶粒、フェライト結晶粒及びセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）結晶粒を含んでいる。焼き入れ硬化層５０中におけるオーステナイト結晶粒の体積比率は、３０パーセント以下であることが好ましい。焼き入れ硬化層５０中におけるオーステナイト結晶粒の体積比率は、２０パーセント以下であることがさらに好ましい。
なお、焼き入れ硬化層５０中におけるオーステナイト結晶粒の体積比率は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、焼き入れ硬化層５０中におけるオーステナイト結晶粒の体積比率は、オーステナイト相のＸ線回折強度と焼き入れ硬化層５０中に含まれるその他の相のＸ線回折強度との比に基づいて算出される。焼き入れ硬化層５０中におけるオーステナイト結晶粒の体積比率は、転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層５０の表面（内輪軌道面１０ｃ）と当該表面から５０μｍの距離にある位置との間において測定される。
マルテンサイト結晶粒は、第１群と、第２群とに区分される。第１群に属するマルテンサイト結晶粒の結晶粒径の最小値は、第２群に属するマルテンサイト結晶粒の最大値よりも大きい。
第１群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積（第１群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積と第２群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積との和）で除した値は、０．５以上である。
結晶粒径が最も小さい第１群に属するマルテンサイト結晶粒を除いた第１群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は、０．５未満である。
このことを別の観点からいえば、マルテンサイト結晶粒は、結晶粒径が大きいものから順に第１群に割り当てられる。第１群への割り当ては、それまでに第１群に割り当てられたマルテンサイト結晶粒の総面積がマルテンサイト結晶粒の総面積の０．５倍以上となった時点で終了する。そして、残余のマルテンサイト結晶粒は、第２群に割り当てられる。
第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は、０．９７μｍ以下である。好ましくは、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は、０．９０μｍ以下である。さらに好ましくは、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は、０．８５μｍ以下である。
第１群に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、２．５７以下である。好ましくは、第１群に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、２．５０以下である。さらに好ましくは、第１群に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、２．４５以下である。
マルテンサイト結晶粒は、第３群と、第４群とに区分されてもよい。第３群に属するマルテンサイト結晶粒の結晶粒径の最小値は、第４群に属するマルテンサイト結晶粒の最大値よりも大きい。
第３群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積（第３群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積と第４群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積との和）で除した値は、０．７以上である。
結晶粒径が最も小さい第３群に属するマルテンサイト結晶粒を除いた第３群に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は、０．７未満である。
このことを別の観点からいえば、マルテンサイト結晶粒は、結晶粒径が大きいものから順に第３群に割り当てられる。第３群への割り当ては、それまでに第３群に割り当てられたマルテンサイト結晶粒の総面積がマルテンサイト結晶粒の総面積の０．７倍以上となった時点で終了する。そして、残余のマルテンサイト結晶粒は、第４群に割り当てられる。
第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は、０．７５μｍ以下である。好ましくは、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は、０．７０μｍ以下である。さらに好ましくは、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径は、０．６５μｍ以下である。
第３群に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、２．４５以下である。好ましくは、第３群に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、２．４０以下である。さらに好ましくは、第３群に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、２．３５以下である。
第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径及び第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒のアスペクト比は、ＥＢＳＤ（Electron Backscattered Diffraction）法を用いて測定される。
より詳細には、以下のとおりである。第１に、ＥＢＳＤ法に基づいて、焼き入れ硬化層５０における断面画像が撮影される（以下においては、「ＥＢＳＤ画像」という）。ＥＢＳＤ画像は、十分な数（２０個以上）のマルテンサイト結晶粒が含まれるように撮影される。ＥＢＳＤ画像に基づいて、隣接するマルテンサイト結晶粒の境界が特定される。第２に、特定されたマルテンサイト結晶粒の境界に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイト結晶粒の面積及び形状が算出される。
より具体的には、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイト結晶粒の面積をπ／４で除した値の平方根を計算することにより、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイト結晶粒の円相当径が算出される。
上記のように算出された各々のマルテンサイト結晶粒の円相当径に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒のうち、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒が決定される。ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒のうち第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の総面積を、ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の総面積をマルテンサイト結晶粒の総面積により除した値とされる。
上記のように算出された各々のマルテンサイト結晶粒の円相当径に基づいて、ＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒は、第１群と第２群とに分類される（第３群と第４群とに分類される）。第１群（第３群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒の円相当径の合計を第１群（第３群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒の個数で除した値が、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径とされる。
ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイト結晶粒の形状から、ＥＢＳＤ画像に表示されている各々のマルテンサイト結晶粒の形状を最小二乗法により楕円近似する。この最小二乗法による楕円近似は、S. Biggin and D. J. Dingley, Journal of Applied Crystallography, （1977）10, 376-378に記載の方法にしたがって行われる。この楕円形状において、長軸の寸法を短軸の寸法で除することにより、ＥＢＳＤ法画像に表示されている各々のマルテンサイト結晶粒のアスペクト比が算出される。第１群（第３群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒のアスペクト比の合計を第１群（第３群）に分類されたＥＢＳＤ画像に表示されているマルテンサイト結晶粒の個数で除した値が、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比とされる。
焼き入れ硬化層５０は、窒素を含有している。焼き入れ硬化層５０の表面（内輪軌道面１０ｃ）と当該表面から１０μｍの距離にある位置との間における焼き入れ硬化層５０の平均窒素濃度は、例えば０．０５質量パーセント以上である。好ましくは、この平均窒素濃度は、０．１０質量パーセント以上である。さらに好ましくは、この平均窒素濃度は、０．２０質量パーセント以下である。なお、この平均窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて測定される。
焼き入れ硬化層５０の表面（内輪軌道面１０ｃ）と当該表面から１０μｍの距離にある位置との間における焼き入れ硬化層５０の平均炭素濃度は、例えば０．５質量パーセント以上である。なお、この平均炭素濃度は、ＥＰＭＡを用いて測定される。
表面（内輪軌道面１０ｃ）における焼き入れ硬化層５０の硬さは、６７０Ｈｖ以上である。この硬さは、７３０Ｈｖ以上であることが好ましい。なお、表面における焼き入れ硬化層５０の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＪＳ Ｚ ２２４４：２００９）にしたがって測定される。表面における焼き入れ硬化層５０の硬さは、マイクロビッカース硬度計により形成される圧痕が転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層５０の表面からはみ出さない範囲で、可能な限り当該表面の近くにおいて測定される。
上記の例においては、焼き入れ硬化層５０は、内輪軌道面１０ｃに形成されているものとしたが、焼き入れ硬化層５０は、外輪軌道面２０ｃ及び外周面３０ａ（転動体３０の転動面）にも形成されていてもよい。要するに、焼き入れ硬化層は、内輪軌道面１０ｃ、外輪軌道面２０ｃ及び転動体３０の軌道面の少なくともいずれかに形成されていればよい。
＜変形例＞
以下に、第１変形例に係る転がり軸受（「転がり軸受２００」とする）及び第２変形例に係る転がり軸受（「転がり軸受３００」とする）の構成を説明する。ここでは、転がり軸受１００の構成と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。
図３は、転がり軸受２００の断面図である。図３に示されるように、転がり軸受２００は、内輪１０と、外輪２０と、転動体３０と、保持器４０とを有している。転がり軸受２００は、円筒ころ軸受である。すなわち、転動体３０は、外周面３０ａを有する円柱形状を有している。図示されていないが、転がり軸受２００は、内輪軌道面１０ｃ、外輪軌道面２０ｃ及び転動体３０の軌道面（外周面３０ａ）の少なくともいずれかに形成された焼き入れ硬化層５０を有している。このように、転がり軸受２００は、軸受の種類が異なるものの、転がり軸受１００と同様の構成を有している。
図４は、転がり軸受３００の断面図である。図４に示されるように、転がり軸受３００は、内輪１０と、外輪２０と、転動体３０と、保持器４０とを有している。転がり軸受３００は、深溝玉軸受である。すなわち、転動体３０は、表面３０ｂを有する玉である。図示されていないが、転がり軸受３００は、内輪軌道面１０ｃ、外輪軌道面２０ｃ及び転動体３０の軌道面（外周面３０ａ）の少なくともいずれかに形成された焼き入れ硬化層５０を有している。このように、転がり軸受３００は、軸受の種類が異なるものの、転がり軸受１００と同様の構成を有している。
なお、焼き入れ硬化層５０が表面３０ｂに形成される場合、焼き入れ硬化層５０の表面におけるオーステナイト結晶粒の体積比率及び硬さは、転がり面軸方向中央位置において測定されなくてもよい。より具体的には、オーステナイト結晶粒の体積比率は、表面３０ｂと当該位置から５０μｍの距離にある位置との間において測定されていれば、その測定位置に特に限定はない。焼き入れ硬化層５０の硬さは、マイクロビッカース硬度計により形成される圧痕が表面３０ｂからはみ出ささない範囲で、可能な限り表面３０ｂの近くにおいて測定されていれば、その測定値に特に限定はない。これは、転がり軸受３００においては、転動体３０が球形であるからである。
以下に、内輪１０の製造方法を説明する。
図５は、内輪１０の製造方法を示す工程図である。図５に示すように、内輪１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸炭浸窒工程Ｓ２と、第１焼き戻し工程Ｓ３と、焼き入れ工程Ｓ４と、第２焼き戻し工程Ｓ５と、後処理工程Ｓ６を有している。
準備工程Ｓ１においては、浸炭浸窒工程Ｓ２、第１焼き戻し工程Ｓ３、焼き入れ工程Ｓ４、第２焼き戻し工程Ｓ５及び後処理工程Ｓ６を経ることにより、内輪１０となる円柱状の加工対象部材が準備される。準備工程Ｓ１においては、第１に、加工対象部材に対して熱間鍛造が行われる。準備工程Ｓ１においては、第２に、加工対象部材に対して、冷間鍛造が行われる。準備工程Ｓ１においては、第３に、切削加工が行われ、加工対象部材の形状が内輪１０の形状に近づけられる。
浸炭浸窒工程Ｓ２においては、第１に、加工対象部材を第１温度以上に加熱することにより、加工対象部材に対する浸炭浸窒処理が行われる。第１温度は、加工対象部材を構成する鋼のＡ１変態点以上の温度である。浸炭浸窒工程Ｓ２においては、第２に、加工対象部材に対する冷却が行われる。この冷却は、加工対象部材の温度がＭｓ変態点以下となるように行われる。
第１焼き戻し工程Ｓ３においては、加工対象部材に対する焼き戻しが行われる。第１焼き戻し工程Ｓ３は、加工対象部材を、第２温度において第１時間だけ保持することにより行われる。第２温度は、Ａ１変態点未満の温度である。第２温度は、例えば１６０℃以上２００℃以下である。第１時間は、例えば１時間以上４時間以下である。
焼き入れ工程Ｓ４においては、加工対象部材に対する焼き入れが行われる。焼き入れ工程Ｓ４においては、第１に、加工対象部材が第３温度に加熱される。第３温度は、加工対象部材を構成する鋼のＡ１変態点以上の温度である。第３温度は、第１温度よりも低いことが好ましい。焼き入れ工程Ｓ４においては、第２に、加工対象部材に対する冷却が行われる。この冷却は、加工対象部材の温度がＭｓ変態点以下となるように行われる。
第２焼き戻し工程Ｓ５においては、加工対象部材に対する焼き戻しが行われる。第２焼き戻し工程Ｓ５は、加工対象部材を、第４温度において第２時間だけ保持することにより行われる。第４温度は、Ａ１変態点未満の温度である。第４温度は、例えば１６０℃以上２００℃以下である。第２時間は、例えば１時間以上４時間以下である。なお、焼き入れ工程Ｓ４及び第２焼き戻し工程Ｓ５は、複数回繰り返されてもよい。
後処理工程Ｓ６においては、加工対象部材に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ６においては、例えば、加工対象部材の洗浄、加工対象部材の表面に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。以上により、内輪１０の製造が行われる。
外輪２０及び転動体３０の製造方法は、内輪１０の製造方法と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略している。
（実施形態に係る転がり軸受の効果）
以下に、転がり軸受１００の効果を説明する。
材料の破壊を最弱リンクモデルで考えた場合には、強度が相対的に低い箇所、すなわち相対的に結晶粒径の大きいマルテンサイト結晶粒が、材料の破壊に大きな影響を与える。焼き入れ硬化層５０中においては、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が０．９７μｍ以下（０．７５μｍ以下）となっている。そのため、転がり軸受１００においては、相対的に結晶粒が大きい第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒であっても、結晶粒が微細化されているため、転動疲労強度及び静的負荷容量が改善される。
マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が小さくなるほど、マルテンサイト結晶粒の形状は球形に近くなり、応力集中が生じにくくなる。そのため、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が２．５７以下（２．４５以下）である場合には、転動疲労強度及び静的負荷容量をさらに改善することができる。
転がり軸受１００においては、転がり面軸方向中央位置にある焼き入れ硬化層５０の表面においてオーステナイト結晶粒の体積比率が３０パーセント以下であることにより、焼き入れ硬化層５０の当該表面における硬さの低下を抑制することができる（より具体的には、６７０Ｈｖ以上の硬さを維持することができる）。
なお、転がり軸受２００及び転がり軸受３００は、軸受の種類を除いて転がり軸受１００と同様の構成を有しているため、転がり軸受１００と同様に、転動疲労寿命及び静的負荷容量が改善されることになる。
以下に、転がり軸受１００の効果を確認するために行った転動疲労試験及び静的負荷容量試験を説明する。
＜供試材＞
転動疲労試験及び静的負荷容量試験には、サンプル１、サンプル２及びサンプル３が用いられた。サンプル１及びサンプル２は、ＳＵＪ２で構成された。サンプル３は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６）に定めるクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４３５で構成された。
サンプル１は、内輪１０（外輪２０、転動体３０）と同様の熱処理が行われることによって準備された。より具体的には、サンプル１の準備においては、第１温度が８５０℃とされ、第２温度が１８０℃とされ、第３温度が８１０℃とされ、第４温度が１８０℃とされた。サンプル２及びサンプル３に対しては、焼き入れ工程Ｓ４及び第２焼き戻し工程Ｓ５が行われなかった。サンプル２の準備においては、第１温度が８５０℃とされ、第２温度が１８０℃とされた。サンプル３の準備においては、第１温度が９３０℃とされ、第２温度が１７０℃とされた。サンプル１〜サンプル３に対する熱処理条件は、表１に示されている。
Figure 2021050405
なお、サンプル１〜サンプル３は、表面から５０μｍの距離にある位置においてオーステナイト結晶粒の総面積の比率が２０パーセント以上３０パーセント以下となっており、表面における窒素濃度が０．１５質量パーセント以上０．２０質量パーセント以下となっており、表面における硬さが７３０Ｈｖとなっていた。
サンプル１においては、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が０．８０μｍとなっており、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が２．４１となっていた。また、サンプル１においては、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が０．６４μｍとなっており、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が２．３２となっていた。
サンプル２においては、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が１．１１μｍとなっており、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が３．００となっていた。また、サンプル２においては、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が０．８４μｍとなっており、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が２．７７となっていた。
サンプル３においては、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が１．８１μｍとなっており、第１群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が３．３８となっていた。また、サンプル２においては、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が１．２８μｍとなっており、第３群に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が３．０４となっていた。
サンプル１〜サンプル３に対するマルテンサイト結晶粒の平均粒径及び平均アスペクト比の測定結果は、表２に示されている。
Figure 2021050405
図６は、サンプル１の断面におけるＥＢＳＤ画像である。図７は、サンプル２の断面におけるＥＢＳＤ画像である。図８は、サンプル３の断面におけるＥＢＳＤ画像である。図６〜図８に示されるように、サンプル１においては、マルテンサイト結晶粒が、サンプル２及びサンプル３と比較して微細化していることが分かる。
＜転動疲労試験条件＞
転動疲労試験においては、サンプル１及びサンプル３を用いて内輪、外輪及び円錐ころを準備し、これらを用いて円錐ころ軸受を作製した。転動疲労試験は、内輪の回転数が３０００回／ｍｉｎ、最大接触面圧が２．６ＧＰａとの条件で行われた。転動疲労試験における潤滑は、タービン油であるＶＧ５６を用いた湯浴潤滑により行われた。このタービン油には、硬質ガスアトマイズ粉が０．２ｇ／ｌの比率で混入された。転動疲労試験の試験条件は、表３に示されている。なお、転動疲労試験は、６個のサンプル１を用いて作製された円錐ころ軸受及び６個のサンプル３を用いて作製された円錐ころ軸受に対して行われた。
Figure 2021050405
＜静的負荷容量試験条件＞
静的負荷容量試験においては、サンプル１〜サンプル３を用いて平板状部材が作製された。静的負荷容量試験においては、鏡面仕上げがなされた平板状部材の面に窒化珪素製のセラミック球を押し付けて最大接触面圧と圧痕深さとの関係を得ることにより行われた。なお、静的負荷容量は、圧痕深さをセラミック球の直径で除した値が１／１００００に達した際の（圧痕深さをセラミック球の直径で除し、さらに１００００を乗じた値が１に達した際の）最大接触面圧により評価した。
＜転動疲労試験結果＞
サンプル１を用いて準備した円錐ころ軸受においては、Ｌ５０寿命（５０パーセント破損寿命）が５０．４時間であった。他方で、サンプル３を用いて準備した円錐ころ軸受においては、Ｌ５０寿命が３１．２時間であった。このように、サンプル１を用いて円錐ころ軸受を作製した場合、サンプル３を用いて円錐ころ軸受を作製した場合と比較して、転動疲労寿命が２倍以上に改善された。この試験結果は、表４に示されている。
Figure 2021050405
図９は、マルテンサイト結晶粒の平均粒径と転動疲労寿命との関係が示されるグラフである。図１０は、マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比と転動疲労寿命との関係が示されるグラフである。図９においては、横軸がマルテンサイト結晶粒の平均粒径（単位：μｍ）となっており、縦軸が転動疲労寿命Ｌ５０（単位：時間）となっている。図１０においては、横軸がマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比となっており、縦軸が転動疲労寿命Ｌ５０（単位：時間）となっている。
図９及び図１０に示されるように、転動疲労寿命Ｌ５０は、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が小さくなるほど改善されており、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が小さくなるほど改善されていた。
＜静的負荷容量試験結果＞
図１１は、最大接触面圧と圧痕深さとの関係が示されるグラフである。図１１においては、横軸が最大接触面圧（単位：ＧＰａ）となっており、縦軸が圧痕深さ÷セラミック球の直径×１０４となっている。図１１に示されるように、サンプル１に対応する曲線は、サンプル２及びサンプル３に対応する曲線よりも、縦軸の値が１となる際の最大接触面圧の値が大きくなっていた。すなわち、サンプル１においては、静的負荷容量の値が、サンプル２及びサンプル３よりも大きくなっていた。
図１２は、マルテンサイト結晶粒の平均粒径と静的負荷容量との関係が示されるグラフである。図１３は、マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比と静的負荷容量との関係が示されるグラフである。図１２においては、横軸がマルテンサイト結晶粒の平均粒径（単位：μｍ）となっており、縦軸が静的負荷容量（単位：ＧＰａ）となっている。図１３においては、横軸がマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比となっており、縦軸が静的負荷容量（単位：ＧＰａ）となっている。
図１２及び図１３に示されるように、静的負荷容量は、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が小さくなるほど改善されており、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が小さくなるほど改善されていた。図９及び図１０に示される結果と併せ考えると、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均粒径が０．９７μｍ以下（０．７５μｍ以下）であり、かつ、第１群（第３群）に属するマルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比が２．５７以下（２．４５以下）である場合には、従来の転動疲労寿命Ｌ５０（すなわち、サンプル３の転動疲労寿命Ｌ５０）の１．５倍以上の転動疲労寿命Ｌ５０を達成することができるとともに、５．３ＧＰａ以上の静的負荷容量を達成することができる。
このような試験結果から、焼き入れ硬化層５０を有することにより、転がり軸受１００の転動疲労強度及び静的負荷容量が改善されることが、実験的にも示された。
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すべての変更を含むことが意図される。
上記の実施形態は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受及び深溝玉軸受に特に有利に適用される。
１０ 内輪、１０ａ 内周面、１０ｂ 外周面、１０ｃ 内輪軌道面、２０ 外輪、２０ａ 内周面、２０ｂ 外周面、２０ｃ 外輪軌道面、３０ 転動体、３０ａ 外周面、３０ｂ 表面、４０ 保持器、５０ 焼き入れ硬化層、１００，２００，３００ 転がり軸受、Ｌ 仮想直線、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 浸炭浸窒工程、Ｓ３ 第１焼き戻し工程、Ｓ４ 焼き入れ工程、Ｓ５ 第２焼き戻し工程、Ｓ６ 後処理工程。

Claims (7)

  1. 鋼で形成された内輪、外輪及び転動体を備え、前記内輪の内輪軌道面、前記外輪の外輪軌道面及び前記転動体の転動面の少なくともいずれかに焼き入れ硬化層を有する転がり軸受であって、
    前記転がり軸受は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受又は深溝玉軸受であり、
    前記焼き入れ硬化層は、複数のマルテンサイト結晶粒と、複数のオーステナイト結晶粒とを含み、
    前記焼き入れ硬化層中における前記マルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、７０パーセント以上であり、
    前記マルテンサイト結晶粒は、第１群と、第２群とに区分され、
    前記第１群に属する前記マルテンサイト結晶粒の結晶粒径の最小値は、前記第２群に属する前記マルテンサイト結晶粒の最大値よりも大きく、
    前記第１群に属する前記マルテンサイト結晶粒の総面積を前記マルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．５以上であり、
    前記第１群に属する結晶粒径が最も小さい前記マルテンサイト結晶粒を除いた前記第１群に属する前記マルテンサイト結晶粒の総面積を前記マルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．５未満であり、
    前記第１群に属する前記マルテンサイト結晶粒の平均粒径は０．９７μｍ以下であり、
    転がり面軸方向中央位置にある前記焼き入れ硬化層の表面において、前記焼き入れ硬化層の硬さは、６７０Ｈｖ以上であり、
    前記転がり面軸方向中央位置にある前記焼き入れ硬化層の前記表面において、前記焼き入れ硬化層中の前記オーステナイト結晶粒の体積比率は、３０パーセント以下である、転がり軸受。
  2. 前記第１群に属する前記マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比は、２．５７以下である、請求項１に記載の転がり軸受。
  3. 鋼で形成された内輪、外輪及び転動体を備え、前記内輪の内輪軌道面、前記外輪の外輪軌道面及び前記転動体の転動面の少なくともいずれかに焼き入れ硬化層を有する転がり軸受であって、
    前記転がり軸受は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受又は深溝玉軸受であり、
    前記焼き入れ硬化層は、複数のマルテンサイト結晶粒と、複数のオーステナイト結晶粒とを含み、
    前記焼き入れ硬化層中における前記マルテンサイト結晶粒の総面積の比率は、７０パーセント以上であり、
    前記マルテンサイト結晶粒は、第３群と、第４群とに区分され、
    前記第３群に属する前記マルテンサイト結晶粒の結晶粒径の最小値は、前記第４群に属する前記マルテンサイト結晶粒の最大値よりも大きく、
    前記第３群に属する前記マルテンサイト結晶粒の総面積を前記マルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．７以上であり、
    前記第３群に属する結晶粒径が最も小さい前記マルテンサイト結晶粒を除いた前記第３群に属する前記マルテンサイト結晶粒の総面積を前記マルテンサイト結晶粒の総面積で除した値は０．７未満であり、
    前記第３群に属する前記マルテンサイト結晶粒の平均粒径は０．７５μｍ以下であり、
    転がり面軸方向中央位置にある前記焼き入れ硬化層の表面において、前記焼き入れ硬化層の硬さは、６７０Ｈｖ以上であり、
    前記転がり面軸方向中央位置にある前記焼き入れ硬化層の前記表面において、前記焼き入れ硬化層中の前記オーステナイト結晶粒の体積比率は、３０パーセント以下である、転がり軸受。
  4. 前記第３群に属する前記マルテンサイト結晶粒の平均アスペクト比は、２．４５以下である、請求項３に記載の転がり軸受。
  5. 前記焼き入れ硬化層は、窒素を含有しており、
    前記表面と前記表面からの距離が１０μｍとなる位置との間での前記焼き入れ硬化層の平均窒素濃度は、０．０５質量パーセント以上である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の転がり軸受。
  6. 前記表面と前記表面からの距離が１０μｍとなる位置との間での前記焼き入れ硬化層の平均炭素濃度は、０．５質量パーセント以上である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の転がり軸受。
  7. 前記鋼は、ＪＩＳ規格に定める高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の転がり軸受。
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