JP3326874B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、転がり軸受に関わり、
特に、自動車、農業機械、建設機械及び鉄鋼機械等のト
ランスミッションやエンジン用として使用される高寿命
な転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、転がり軸受は、通常、浸炭用
鋼からなる素材を圧延した後、これを熱間、温間または
冷間で鍛造ならびに旋削される。そして、転がり軸受の
寿命を向上させるために、例えば、６５０〜９００℃の
範囲内の温度で浸炭窒化処理を施した後、油冷却した
り、または、９００〜９５０℃の範囲内の温度で浸炭処
理した後、８００〜８６０℃の範囲内の温度で浸炭窒化
処理を施し、さらに油冷却する等の、表面硬化処理が施
されている。この表面硬化処理により、転がり軸受の焼
戻し抵抗性が大幅に改善され、耐摩耗性、耐食性を向上
させ、長寿命な軸受を得ている。

【０００３】近年では、転がり軸受の使用環境が益々厳
しくなってきており、さらなる軸受寿命の向上が要求さ
れてきている。そこで、特公昭６２−２４４９９号公報
や特開平２−３４７６６号公報に開示されているよう
に、浸炭等の熱処理により、低中炭素低合金鋼表面に球
状カッティング炭化物を析出させることで、鋼表面（軌
道輪及び転動体の表面）の硬さを向上させ、軸受寿命を
向上させる従来例が紹介されている。

【０００４】また、特開昭６４−５５４２３号公報に開
示されているように、異物が混入している潤滑下で転が
り軸受を使用する場合でも、軸受の転がり表面層の炭素
の含有量、残留オーステナイト量（γ_R vol%）、及び炭
窒化物の含有量を適正値にすることで、異物により生じ
る圧痕のエッジ部における応力の集中を緩和し、クラッ
クの発生を抑え、転がり寿命を向上する従来例が紹介さ
れている。

【０００５】しかしながら、前記特公昭６２−２４４９
９号公報や特開平２−３４７６６号公報に開示されてい
る従来例のように、軌道輪及び転動体の表面硬さを向上
すると、異物による圧痕の付き方が軽減される反面、当
該軌道輪及び転動体の靱性が低下し、潤滑油中に存在す
る異物により引き起こされる損傷箇所からクラックが生
じ、それが起点となって早期にフレーキングが生じ、軸
受寿命を十分に向上することができないという問題があ
った。

【０００６】また、前記特開昭６４−５５４２３号公報
に開示されている従来例は、適当量の残留オーステナイ
トにより異物混入潤滑下での寿命向上を図ることができ
る反面、残留オーステナイトにより表面硬さが低下し
て、耐疲労性が下がるという問題があった。即ち、残留
オーステナイト量（γ_R vol%）と表面硬さ（Ｈｖ）との
適正な関係について、未だ改良の余地があった。

【０００７】そこで、本願出願人は、転がり軸受の転が
り表面層における残留オーステナイト量（γ_R vol%）と
表面硬さ（Ｈｖ）との最適な関係を見いだし、さらに、
転がり表面層に存在する炭化物、炭窒化物の平均粒径を
最適な値にすることで、残留オーステナイトの存在によ
り表面硬さの低下を改善した、長寿命な転がり軸受を紹
介している。

【０００８】さらに、特開平３−２４２５８号公報に開
示されているように、浸炭鋼部品に７５０〜８００℃の
温度範囲で浸窒処理を施した後、９００℃以上の温度で
浸炭処理を行う、または、８００℃以上の温度で浸炭窒
化処理を施すことで、前記浸窒処理により、表面層に窒
素を侵入させて表面窒素濃度を高め、その後の浸炭処理
によりこの窒素を拡散させて炭素と共に深く侵入させ、
長寿命な転がり軸受を提供する従来例が紹介されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の転がり軸受は、通常、一般的な処理温度と言われて
いる６５０〜９００℃程度の温度で浸炭窒化処理等が施
されている。前記のように、一般的な処理温度で浸炭窒
化処理が施された転がり軸受では、熱処理後の表面層
に、必要以上に多量の窒素が含まれるため、炭窒化物が
多量に析出し易く、さらに、表面層に必要以上に含有さ
れた窒素の影響により、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が向上
してしまう。また、必要以上に残留オーステナイトが生
成されることもあり、研削加工性が低下するという問題
があった。即ち、研削加工性については、あまり考慮さ
れていなかった。

【００１０】また、前記浸炭窒化処理や浸窒処理は、通
常の浸炭処理に比べて処理温度が低いため、浸炭処理で
得られる硬化層と同一の硬化層を得るまでに時間がかか
り、生産性が低下すると共に、設備費も増加するという
問題があった。さらにまた、前記温度における浸炭窒化
処理等は、処理時間が長くかかり、これに起因して素材
のフローに沿って炭窒化物が粗大化し易く、この粗大化
した炭窒化物がクラックの起点となって疲労寿命が低下
するという問題があった。

【００１１】本発明は、このような問題を解決すること
を課題とするものであり、研削効率を向上すると共に、
転がり疲れ寿命を大幅に向上した転がり軸受を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、炭素を０．１重量％以上且つ１．２重量
％以下の範囲で含有した合金鋼を素材とし、浸炭窒化処
理及び硬化熱処理後、研削加工部及び研削非加工部を有
する研削取代部の前記研削加工部に研削仕上げが施され
て完成された転がり軸受において、前記完成された転が
り軸受の外輪及び内輪の軌道表面、及び転動体の転動面
の少なくとも一つを、研削仕上げが施された完成表面と
し、該完成表面の炭素濃度が０．９重量％以上且つ１．
６重量％以下、前記完成表面の窒素濃度が０．０５重量
％以上且つ０．３重量％以下、前記完成表面の下にある
表面層の窒素勾配が０．５重量％／ｍｍ以下であること
を特徴とする転がり軸受を提供するものである。

【００１３】但し、本発明において、表面層とは、研削
後の完成表面からせん断応力が最大となる転動体直径Ｄ
ａの２％に相当する深さ（以後、『２％Ｄａ深さ』とい
う）までをいう。また、窒素勾配とは、表面層における
深さ方向の窒素濃度（重量％）の変化の割合（重量％／
ｍｍ）のことで、｛（完成表面の窒素濃度）−（２％Ｄ
ａ深さの窒素濃度）｝／２％Ｄａ深さ（重量％／ｍｍ）
で定義する。なお、前記完成された転がり軸受の外輪及
び内輪の少なくとも一つは、表面に前記非研削部を有
し、該非研削部の窒素濃度が０．３重量％以下であるこ
とが好ましい。また、前記完成された転がり軸受の外
輪、内輪及び転動体の少なくとも一つの前記表面層は、
前記完成表面から転動体直径Ｄａの２％に相当する深さ
内側における窒素濃度が０．０５重量％以上であること
が好ましい。

【００１４】前記浸炭窒化処理は、９００℃を越える温
度で行うか、または、９００℃以下の温度で浸炭窒化処
理を行い、途中から拡散処理を行うか、または、９００
℃以下の温度で浸炭窒化処理を行い、途中から９００℃
を越える温度で浸炭窒化処理を行うか、のいずれかの方
法とすることが好適である。

【００１５】

【作用】本発明に係る転がり軸受は、完成された転がり
軸受の外輪及び内輪の少なくとも一つが、表面に研削加
工部が研削された際に研削されずに残存する非研削部を
有し、該非研削部の窒素濃度が０．３重量％以下である
ので、前記浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部
に、窒素が０．３重量％以下で含有されることになり、
前記研削取代部に、必要以上に窒素が含有されることが
ない。従って、前記窒素の影響により、焼戻し抵抗性や
耐磨耗性が必要以上に向上してしまうことが防止され、
研削加工性が向上される。

【００１６】また、完成品の表面に、窒素を０．０５重
量％以上且つ０．３重量％以下の範囲で含有すること
で、浸炭窒化処理によって、巨大化した炭化物を析出す
ることなく微細炭化物を得ることができ、転がり疲れ寿
命を大幅に向上することができる。以下、本発明に係る
転がり軸受に含まれる各種元素の含有量の臨界的意義等
について説明する。

【００１７】『素材芯部の炭素含有量；０．１重量％以
上且つ１．２重量％以下』転がり軸受として必要な硬さ
（ＨＲＣ６０以上）を得るためには、当該転がり軸受の
表面層に、炭素が０．６重量％以上含有されていること
が必要である。素材（軸受材料）に浸炭窒化処理を施し
て表面硬化を行う際、当該素材芯部の炭素含有量が０．
１重量％未満であると、後述の本発明に係る浸炭窒化処
理によっても、浸炭窒化処理時間が長くなり、コストが
かかると共に生産性を低下する。また、芯部に硬さが不
足して塑性変形を起こし、転がり軸受の寿命を低下す
る。

【００１８】一方、前記素材の芯部の炭素含有量が１．
２重量％を越えると、前記浸炭窒化処理を行う前に特別
な前処理を行わないと、製鋼過程で、Ｆｅ₃ Ｃ₇ 、Ｃｒ
₃ Ｃ等の巨大炭化物が析出し、また、浸炭窒化処理後に
も前記のような巨大炭化物が析出し易く、析出した巨大
炭化物が起点となってクラックが生じ、転がり軸受の寿
命を著しく低下させてしまう。さらにまた、浸炭窒化処
理を行った際に、素材に進入する炭素量及び窒素量が低
下するため、マトリックスに固溶する炭素、窒素の割合
が低下して不均一な固溶状態となり、この部分が応力集
中源となり、転がり軸受の寿命を低下してしまう。

【００１９】従って、素材芯部の炭素含有量を０．１重
量％以上且つ１．２重量％以下に限定した。 『浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部における
窒素含有量；０．３重量％以下』一般的な処理温度と言
われている６５０〜９００℃程度の温度で浸炭窒化処理
を行うと、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代部
に、必要以上に多量の窒素が含まれることが知られてい
る。このため、前記研削取代部に炭窒化物が多量に析出
し易く、また、研削取代部に含有された窒素の影響によ
り、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が必要以上に向上し、研削
加工性が低下してしまう。

【００２０】これより、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後
の研削取代部に含有される窒素量を限定することで、前
記窒素の含有に起因した研削加工性の低下を抑制するこ
とができることが判る。そこで、前記研削取代部におけ
る窒素含有量に起因した研削加工性の低下状況を以下の
方法で調査した。

【００２１】（調査方法）浸炭窒化処理及び硬化熱処理
を施した後の研削取代部における窒素含有量が、０〜
１．０重量％の範囲内である転がり軸受の内輪軌道面に
相当するサンプルを砥石で研削し、各々の窒素含有量に
おける砥石の形状くずれ及び目詰まりの状態を観察し、
砥石のドレスを行うまでに研削したサンプル数（研削個
数）を調査した。なお、調査は、以下に示す条件で行っ
た。

【００２２】（条件） 砥石 ＷＡ１００ 研削液 ソリュブルタイプ 研削の周速度 ２８００〜３０００ｍ／ｍｉｎ この結果を図９に示す。

【００２３】図９から、研削取代部の窒素含有量が、
０．３重量％以下であると、ドレスまでの研削個数が大
幅に増加し、研削加工性が極めて向上することが確認さ
れた。これより、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削
取代部における窒素含有量を、０．３重量％以下に限定
した。また、図９から、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後
の研削取代部における窒素含有量を０．２５重量％以下
にすることで、研削加工性がさらに向上することが確認
された。従って、浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削
取代部における窒素含有量は、０．２５重量％以下にす
ることがより望ましい。

【００２４】『浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の完成品
表面における炭素含有量；０．９重量％以上且つ１．６
重量％以下』 転がり軸受完成品の寿命化を達成するためには、完成品
の表面硬さと残留オーステナイト量とが最適な関係とな
ることが必要である。ここで、浸炭窒化処理及び硬化熱
処理後の完成品表面における炭素含有量が０．９重量％
未満であると、完成品の表面硬さ（Ｈｖ）が十分に得ら
れず、完成品の寿命を向上することが困難となる。

【００２５】一方、前記浸炭窒化処理及び硬化熱処理後
の完成品表面における炭素含有量が１．６重量％を越え
ると、完成品に、Ｆｅ₃ Ｃ₇ 、Ｃｒ₃ Ｃ等の巨大炭化物
が析出し、これが起点となってクラックが生じ、転がり
軸受の寿命を著しく低下させてしまう。従って、浸炭窒
化処理及び硬化熱処理後の完成品表面における炭素含有
量を０．９重量％以上且つ１．６重量％以下に限定し
た。

【００２６】 『完成品表面の窒素含有量；０．０５重量％以上且つ
０．３重量％以下』 浸炭窒化処理及び硬化熱処理後、研削仕上げが施された
完成品の表面には、転がり軸受の寿命の向上に必要な量
の窒素を含有することが要求される。この完成品の表面
における窒素含有量と、転がり寿命との関係を以下の方
法で調査した。

【００２７】（調査方法） 完成品の表面における窒素含有量が０〜０．６重量％の
範囲内にあるサンプルを各窒素含有量毎に１０個用意
し、各サンプルについて、異物混入潤滑下における転が
り寿命試験を『特殊鋼便覧』第一版（電気製鋼研究所
編、理工学社、１９６９年５月２５日発行）第１０〜２
１頁記載のスラスト型軸受鋼寿命試験機を用いて行い、
各サンプルにフレーキングが発生した時点までの累積応
力繰り返し回数（寿命）を調査してワイブルプロットを
作成し、各ワイブル分布の結果から各々のＬ₁₀寿命を求
めた。なお、試験条件を以下に示す。

【００２８】（条件） 転動体直径Ｄａ ９．５ｍｍ（２％Ｄａ≒０．１
８ｍｍ） Ｐmax （面圧） ４９００ＭＰａ 回転数 ３０００ｃｐｍ 潤滑油 ＃６８タービン油 混入異物 組成；Ｆｅ₃ Ｃ系粉 硬さ；ＨＲＣ５２ 粒径；７４〜１４７μｍ 混入量；潤滑油中に３００ｐｐｍ この結果を図１０に示す。

【００２９】図１０から、完成品の表面における窒素含
有量が、０．０５重量％未満であると、窒素の固溶不足
により、微細炭窒化物が得られず、転がり寿命（Ｌ₁₀寿
命）が大幅に低下することが確認できる。大型の軸受に
おいては、せん断応力が最大となる２％Ｄａ深さが深く
なる（即ち、表面層が深くなる）。大型の軸受の場合も
転がり疲労寿命向上に、表面層に適正な量の窒素を含有
することが要求されることは、同様である。従って、小
型軸受の場合に比べ、より深く窒素が侵入することが必
要となる。

【００３０】ところで、異物混入潤滑下では、転動面の
表面の残留オーステナイト量や、硬さ（窒素含有量）等
が転がり疲労寿命に対して影響が大きいのに対し、クリ
ーン潤滑下や準高温クリーン潤滑下では、最大せん断応
力位置の硬さ、窒素含有量も転がり寿命に対し大きく影
響する。そこで、大型の軸受として円筒ころ軸受ＮＵ２
２０（外径１８０、内径１００、幅３４）を選び、完成
品の窒素含有率（２％Ｄａ深さにおける）と、クリーン
潤滑下及び準高温クリーン潤滑下における転がり寿命の
関係を以下の方法で調べた。 （調査方法）日本精工（株）製のラジアル軸受用の耐久
試験機を用い、以下の試験条件とした他は、前記調査方
法に準じ、Ｌ₁₀寿命（但し、単位は、ｈｒ）を求めた。 （条件） ・クリーン潤滑下 転動体直径Ｄａ ２０ｍｍ（２％Ｄａ＝０．４ｍ
ｍ） Ｐmax （面圧） ２５００ＭＰａ 回転数 １５００ｒｐｍ 潤滑油 ＃６８タービン油 油温 ７０〜８０℃ ・準高温クリーン潤滑下 転動体直径Ｄａ ２０ｍｍ（２％Ｄａ＝０．４ｍ
ｍ） Ｐmax （面圧） ２５００ＭＰａ 回転数 １５００ｒｐｍ 潤滑油 ＃１５０タービン油 油温 １３０〜１４０℃ これらの結果を図１１及び図１２に示す。

【００３１】図１１から、２％Ｄａ深さでの窒素含有率
が０．０５重量％未満だと、転がり疲れ寿命が低下して
しまうことが確認できる。これは、窒素の固溶不足によ
り、焼戻し抵抗性や微細炭窒化物を十分に得ることがで
きないためである。さらに、図１２から、通常、軸受が
使用される温度より若干高い準高温では、２％Ｄａ深さ
の窒素含有量が０．０５重量％未満の場合には、さらに
顕著に転がり疲労寿命が低下することが確認できる。

【００３２】また、完成品の表面における窒素含有量
が、０．３重量％を越えるサンプルは、前記浸炭窒化処
理及び硬化熱処理後の研削取代部の表面における窒素含
有量が０．３重量％を越えてしまい、研削加工性の向上
に支障を来してしまう。従って、完成品表面における窒
素含有量を０．０５重量％以上且つ０．３重量％以下に
限定した。

【００３３】『完成品表面層の窒素勾配が、０．５重量
％／ｍｍ以下』研削取代部の窒素含有量を０．３重量％
以下に抑えるための後述する特殊浸炭窒化熱処理を行う
ことで、研削取代部はもとより、完成品表面層において
も炭素、窒素（特に窒素）の深さ方向における濃度勾配
が小さくなる傾向にある。これは、前記処理により窒素
が表面から内部へ深く拡散させることができるためであ
る。

【００３４】図７に、完成品表面層の窒素勾配と、研削
取代部の窒素含有量（重量％、最大値）との関係を示
す。図７から、完成品表面層の窒素勾配が０．５重量％
／ｍｍを越えると、研削取代部の窒素含有量が０．３重
量％を越えてしまうことが確認できる。従って、完成品
表面層の窒素勾配を０．５重量％／ｍｍ以下と限定し
た。また、研削加工性をより考慮すると、望ましくは、
完成品表面層の窒素勾配を０．４重量％／ｍｍ以下とす
ることが好適である。

【００３５】一方、大型の軸受においては、研削取代部
の窒素含有量が、０．３重量％を越えており、寿命も短
いのに、完成品表面層の窒素勾配が、０．５重量％／ｍ
ｍ以下となるものがある（後述する表２参照）。しかし
ながら、これらは、前記完成品表面の窒素含有量につい
ての条件、即ち、含有量が０．０５〜０．３重量％の条
件を満たさない（２％Ｄａ深さで、０．０５重量％未満
となる）。

【００３６】同様に、小型の軸受において、研削取代部
で窒素含有量が、０．３重量％を越えるのに、完成品表
面の窒素含有量が、０．０５〜０．３重量％を満たすも
のがある（後述する表１参照）。しかしながら、これら
は、窒素勾配０．５重量％／ｍｍ以下の条件を満たさな
い。即ち、小型軸受から比較的大型の軸受まで、前記２
つの条件を同時に満たせば、研削加工性と転がり耐久性
を同時に得ることができる。

【００３７】次に、本発明に係る熱処理方法について以
下に述べる。 『浸炭窒化処理』 浸炭処理では、転がり軸受の寿命を向上する目的で、残
留オーステナイト量（γ_R vol%）を最適な値（例えば、
２５〜４５ｖｏｌ％）とし、さらに残留オーステナイト
の存在による表面硬さの低下を補償するため、素材に浸
炭処理を施した後、ダイレクトクエンチによる焼入れを
行い、引き続き、２次焼入れする方法をとっている。

【００３８】しかしながら、前記の方法によると、マト
リックスに炭素が溶け込む量が多くなり、炭化物へ向け
られる炭素が減少するため、生成される炭化物が減少
し、必要な表面硬さを得ることが困難となる。そこで、
前記炭素濃度を高くして浸炭を行うと、今度は巨大炭化
物が発生してしまい、これが起点となってクラックが発
生してしまう。

【００３９】一方、浸炭窒化処理では、マトリックスに
炭素と窒素が共に溶け込むため、当該窒素がマトリック
スに溶け込む分だけ炭素がマトリックスに溶け込む量を
減少しても、前記浸炭処理を行った際と同様の表面硬さ
を得ることができる。このため、浸炭処理に比べて炭素
濃度を減少させることができるため、巨大炭化物の発生
を抑制することができる。

【００４０】さらに、浸炭窒化処理により得られる炭窒
化物は、浸炭処理により得られる炭化物よりも微細であ
り、転がり軸受の寿命を向上する上で有効である。従っ
て、本発明では、浸炭窒化処理を採用した。さらに、前
記浸炭窒化処理を９００℃を越える温度で行うか、また
は、９００℃以下の温度で浸炭窒化処理を行い、途中か
ら拡散処理を行うこと、または、９００℃以下の温度で
浸炭窒化処理を行い、途中から９００℃を越える温度で
浸炭窒化処理を行うことで、前記研削取代部における窒
素含有量及び完成品の表面における窒素含有量を、容易
に最適な値（請求項１記載の値）にすることが可能とな
る。以下、この理由を述べる。

【００４１】『浸炭窒化処理温度；９００℃を越える温
度』浸炭窒化処理に使用するアンモニアの分解率は、通
常の浸炭窒化処理温度でもかなり高く、『熱処理』８巻
６号（日本熱処理技術協会、１９６８年１２月発行）第
４０４頁記載、または、『日本金属学会誌２６』（日本
金属学会編、１９６２年発行）第９１頁記載、に紹介さ
れているように、９００℃を越える温度では、窒素が殆
ど認められなくなるという場合もある。

【００４２】しかしながら、本発明に係る浸炭窒化処理
では、９００℃を越える温度で浸炭窒化処理を行うと、
前記研削取代部における窒素含有量が、０．１重量％以
上且つ０．３重量％以下の範囲になることを見いだし
た。さらに、通常の浸炭窒化処理では、研削取代部の窒
素含有量が著しく高くなってしまい、研削加工性を低下
していたが、本発明に係る９００℃を越える温度で行う
浸炭窒化処理では、研削取代部表面から完成品表面に相
当する深さまで、ほぼ均一の窒素濃度分布を得ることが
できる。

【００４３】さらにまた、一般の温度で行う浸炭窒化処
理に比べ、深い硬化層を得ることができ、さらに素材の
フローに沿って粗大化する炭窒化物を無くすことがで
き、転がり寿命の向上に大いに貢献することができる。
また、前記浸炭窒化処理は、さらに好ましくは、９００
℃を越え且つ９８０℃未満の範囲内の温度で行うことが
望ましい。

【００４４】前記浸炭処理温度が９００℃以下である
と、前記最適な窒素含有量を得るためには、当該浸炭窒
化処理後に拡散処理を行う必要が生じ、処理時間が長く
なってしまう。一方、前記浸炭処理温度が９８０℃以上
では、焼戻し抵抗性、耐摩耗性を得るために必要な窒素
含有量を得ることが困難となると共に、大がかりな炉設
備が必要となる。

【００４５】これより、９００℃を越える温度で浸炭窒
化処理を行うこと、さらに好ましくは、９００℃を越え
且つ９８０℃未満の範囲内の温度で浸炭窒化処理を行う
ことが好適である。この方法は、比較的大型の軸受にも
適用できることなどから、最も好適な方法である。

【００４６】『９００℃以下の温度で浸炭窒化処理を行
い、途中から拡散処理を行う』通常の浸炭窒化処理温度
（９００℃以下）で、浸炭窒化処理を行うと、前記研削
取代部の窒素含有量が高くなり、研削加工性が低下す
る。従って、浸炭窒化処理の途中で、アンモニアガスの
供給を停止（エンリッチガスの供給は停止しない）し、
前記研削取代部に含有された窒素を通常の浸炭窒化温度
で拡散させ、当該研削取代部における窒素量を低減し、
研削取代部表面から完成品表面に相当する深さまで、ほ
ぼ均一の窒素濃度分布を得てもよい。

【００４７】また、この場合、浸炭窒化処理は、８５０
℃以上且つ９００℃以下の範囲内の温度で行うことがよ
り好適である。前記浸炭窒化処理温度が８５０℃未満で
あると、マトリクスに炭素が侵入しにくくなり、窒素の
侵入量が増加して、拡散時間が長くなってしまう。従っ
て、９００℃以下さらに好ましくは、８５０℃以上且つ
９００℃以下の範囲内の温度で浸炭窒化処理を行い、途
中から拡散処理を行うことが好適である。

【００４８】この方法でも、比較的小型の軸受であれ
ば、転がり寿命と研削加工性の両立という本願の目的を
満たす転がり軸受を得ることができる。 『９００℃以下の温度で浸炭窒化処理を行、途中から９
００℃を越える温度で浸炭窒化処理を行う』通常の浸炭
窒化処理温度（９００℃以下）で、ある程度浸炭窒化処
理を行ない、途中から浸炭窒化処理温度を９００℃を越
える温度に上昇することで、窒素ポテンシャルが低下す
ることができるため、前記研削取代部に侵入した窒素の
拡散を行うことができる。従って、研削取代部表面から
完成品表面に相当する深さまで、ほぼ均一の窒素濃度分
布を得ることができる。この場合も、前記と同様の理由
から、最初の浸炭窒化処理は、８５０℃以上且つ９００
℃以下の範囲内の温度で行うことがより好適である。

【００４９】この方法でも、第１の方法とほぼ同様な効
果が得られる。 『焼入れ処理』前記のような各種浸炭窒化処理の後に行
う焼入れ処理（硬化熱処理）は、以下のように行うこと
が好適である。一般に、従来の浸炭窒化処理は、焼入れ
性を向上する、あるいは、炭素と窒素の固溶強化を行う
目的で行っていたため、焼入れ性の向上、炭素と窒素の
固溶強化を行うに十分な炭素量及び窒素量が得られれば
よく、浸炭窒化処理後、ダイレクトに焼入れ（ダイレク
トクエンチ）を行っていた。

【００５０】しかしながら、本発明の中で、高温で浸炭
窒化処理した場合は、ダイレクトクエンチを行うと、長
時間加熱により結晶粒度が粗大化し、機械的強度が低下
すること、また芯部で素材の炭素量が必要以上に固溶す
ることにより、残留オーステナイトが増加して寸法安定
性が悪化することが懸念される。そこで、本発明では、
浸炭窒化温度から、Ａ₁ 変態点（７２３℃）以下に温度
を下げた後、再びＡ₁ 変態点以上（焼入れ温度）に上昇
保持し、焼入れ・焼戻しを行う。即ち、２次焼入れを行
うことで、結晶粒度を微細化でき、かつ芯部の残留オー
ステナイトを低く抑えることができる。また、２次焼入
れ温度の選択により、適量の残留オーステナイトを容易
に得ることができる。

【００５１】但し、さらに素材の炭素量が０．５重量％
以下の場合は、ダイレクトクエンチを行っても、硬さの
低い芯部の存在により機械的強度の低下を抑え、芯部の
残留オーステナイト量も抑えることができる。そして、
前述した浸炭窒化処理により、表面層の窒素量が低く表
面層に適量の残留オーステナイトを得ることが可能にな
っているので、コスト上、炭素量が０．５重量％以下の
素材を用いてダイレクトクエンチ、あるいは浸炭窒化温
度から若干温度を下げて保持した後（Ａ₁ 変態点以上）
その温度からダイレクトに焼入れを行う（ステップクエ
ンチ）ことが望ましい。

【００５２】なお、本発明において、『表面層』とは、
研削後の完成品表面からある所望深さまでの範囲をい
い、せん断応力が最大となる転動体平均直径の２％に対
応する深さ（２％Ｄａ深さ）までをいう。

【００５３】

【実施例】次に、本発明に係る一実施例について説明す
る。素材（軸受材料）として、通常肌焼鋼（ＳＣＲ４４
０、ＳＣＲ４２０）、軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、これ
らの素材に、以下に示す熱処理を行った。なお、各素材
に対する熱処理の種類は、表１に示す。

【００５４】『熱処理Ａ』図１に示すように、温度９４
０〜９６０℃で、５時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッ
チガス＝０．３〜０．７％、アンモニアガス＝３〜１０
％の条件で浸炭窒化処理を行った後、室温まで放冷し、
次いで８４０〜８６０℃で３０分間保持した後、焼入れ
（硬化熱処理）を行い、次いで、１６０〜２００℃で２
時間焼戻しを行う。

【００５５】『熱処理Ｂ』温度９２０〜９４０℃で、５
時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッチガス＝０．３〜
０．７％、アンモニアガス＝３〜１０％の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで８４０〜８
６０℃で３０分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）を
行い、次いで、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行
う。

【００５６】『熱処理ＢＸ』図４に示すように、９２０
〜９４０℃で、５時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッチ
ガス＝０．３〜０．７％、アンモニアガス＝３〜１０％
の条件で浸炭窒化処理を行った後、８４０〜８６０℃で
３０分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）を行い、次
いで、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行う。

【００５７】『熱処理Ｃ』図２に示すように、温度８７
０〜８９０℃で、４時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッ
チガス＝０．３〜０．７％、アンモニアガス＝３〜１０
％の条件で浸炭窒化処理を行い、そのままアンモニアガ
スの供給のみを停止し、拡散処理を１時間行う。その
後、室温まで放冷し、次いで、８４０〜８６０℃で３０
分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）を行い、次い
で、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行う。

【００５８】『熱処理Ｄ』図３に示すように、温度８７
０〜８９０℃で、３時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッ
チガス＝０．３〜０．７％、アンモニアガス＝３〜１０
％の条件で浸炭窒化処理を行い、そのまま温度のみを９
４０〜９６０℃に昇温し、２時間浸炭窒化処理を行い、
その後、室温まで放冷し、次いで、８４０〜８６０℃で
３０分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）を行い、次
いで、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行う。

【００５９】『熱処理Ｅ』温度８４０〜８６０℃で、５
時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッチガス＝０．３〜
０．７％、アンモニアガス＝３〜１０％の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで、８４０〜
８６０℃で３０分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）
を行い、次いで、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行
う。

【００６０】『熱処理Ｆ』温度８６０〜８８０℃で、５
時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッチガス＝０．３〜
０．７％、アンモニアガス＝３〜１０％の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで、８４０〜
８６０℃で３０分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）
を行い、次いで、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行
う。

【００６１】『熱処理Ｇ』温度８７０〜８９０℃で、５
時間、Ｒｘガス雰囲気で、エンリッチガス＝０．３〜
０．７％、アンモニアガス＝３〜１０％の条件で浸炭窒
化処理を行った後、室温まで放冷し、次いで、８４０〜
８６０℃で３０分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）
を行い、次いで、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行
う。

【００６２】『熱処理Ｈ』温度９２０〜９４０℃で、５
時間、通常の浸炭処理を行った後、室温まで放冷し、次
いで、８４０〜８６０℃で３０分間保持した後、焼入れ
（硬化熱処理）を行い、次いで、１６０〜２００℃で２
時間焼戻しを行う。 『熱処理ＡＸ』温度９８０〜９９０℃で、５時間、Ｒｘ
ガス雰囲気で、エンリッチガス＝０．３〜０．７％、ア
ンモニアガス＝３〜１０％の条件で浸炭窒化処理を行っ
た後、室温まで放冷し、次いで８４０〜８６０℃で３０
分間保持した後、焼入れ（硬化熱処理）を行い、次い
で、１６０〜２００℃で２時間焼戻しを行う。

【００６３】

【表１】

【００６４】前記各々の熱処理を行ったサンプル（サン
プルＮｏ．１〜２２）について、研削取代部の窒素含有
量（重量％）及び完成品表面の炭素含有量及び、完成品
の表面層（表面及び２％Ｄａ深さ）における窒素含有量
（重量％）、表面層の窒素勾配（重量％／ｍｍ）及び転
がり寿命（Ｌ₁₀）、ドレスまでの研削個数（個）を調査
した。なお、転がり寿命（Ｌ₁₀）及びドレスまでの研削
個数（個）の調査は、前記作用に記載した方法に準じて
行った。

【００６５】この結果を表１に示す。また、図５に、前
記各サンプルの研削取代部における窒素含有量（重量
％）とドレスまでの研削個数（個）との関係を、図６
に、完成品の表面における窒素含有量（重量％）と転が
り寿命（Ｌ₁₀）との関係を、図７に完成品の表面層にお
ける窒素勾配（重量％／ｍｍ）と研削取代部における窒
素含有量（重量％）との関係を示す。

【００６６】さらに、作用で述べた円筒ころ軸受につい
てのデータを表２に示す。

【００６７】

【表２】

【００６８】前記表１及び図５から、前記研削取代部の
窒素含有量が０．３重量％以下のサンプルは、ドレスま
での研削個数が２６個以上と良好であるのに対し、研削
取代部の窒素含有量が０．３重量％を越えたサンプル
は、ドレスまでの研削個数が大幅に減少し、研削加工性
が大幅に低下したことが確認される。この結果から、研
削取代部における窒素含有量を０．３重量％以下にする
ことで、転がり軸受の研削加工性を向上することができ
ることが立証された。

【００６９】また、表１、表２及び図６、図１１、図１
２から、サンプルＮｏ．２１及び２２を除き、完成品の
表面における窒素含有量が０．０５重量％以上のサンプ
ルは、完成品の表面における窒素含有量が０．０５重量
％未満であるサンプルに比べ、転がり寿命（Ｌ₁₀）が大
幅に向上していることが確認された。ここで、完成品の
表面における窒素含有量が、０．３重量％を越えるサン
プルは、前記浸炭窒化処理及び硬化熱処理後の研削取代
部の表面における窒素含有量が０．３重量％を越えてし
まい、研削加工性の向上に支障を来すため適当でない。

【００７０】サンプルＮｏ．２１は、完成品表面におけ
る窒素含有量が、０．０５重量％以上にもかかわらず、
転がり寿命が低いが、これは、完成品表面の炭素の含有
量が、１．６重量％を上回っていることにより、転がり
寿命に対し、有害な巨大炭化物の析出が生じているため
である。サンプルＮｏ．２２も転がり寿命が低いが、こ
れは、完成品表面の炭素の含有量が０．９重量％を下回
っており十分な表面硬さが得られないためである。

【００７１】さらに、前記表１、表２及び図７から、研
削取代部における窒素含有量が０．３重量％以下のもの
は、完成品表面層における窒素勾配が、０．５重量％／
ｍｍ以下になることが確認された。そして、実施例１〜
１０、２３〜２５のサンプルはいずれも、本発明に係る
熱処理（熱処理Ａ、熱処理Ｂ、熱処理ＢＸ、熱処理Ｃ及
び熱処理Ｄのいずれか）が施されていることが確認され
た。

【００７２】サンプルＮｏ．１１は、窒素勾配の条件を
満たしており、ドレスインターバルが大きくなっている
が、窒素含有量が少なすぎるため、転がり寿命が短くな
っている。これは、熱処理ＡＸの浸炭窒化処理温度が、
９８０〜９９０℃と高すぎるためである。逆に、完成品
表面の窒素含有量が、０．０５〜０．３重量％でも、研
削取代部の窒素含有量０．３重量％を上回るもの（比較
例１４、１７〜１９、２１、２２）があるが、これら
は、完成品表面層の窒素勾配が、０．５重量％／ｍｍを
上回っている。また、完成品表面層の窒素勾配が、０．
５重量％／ｍｍ以下でも、研削取代部の窒素含有量が、
０．３重量％を上回り、転がり寿命も短いもの（比較例
２７、２８）があるが、これらは、２％Ｄａ深さの窒素
含有量が、０．０５重量％を割っている。即ち、完成品
表面層の窒素含有量と窒素勾配の条件を同時に満たすこ
とが必要である。

【００７３】以上の結果から、浸炭窒化処理及び硬化熱
処理後の研削取代部における窒素含有量が０．３重量％
以下、及び完成品表面の炭素が含有量が０．９重量％以
上且つ１．６重量％以下の範囲であって、完成品の表面
における窒素含有量が０．０５重量％以上且つ０．３重
量％以下の範囲で、さらに、完成品表面層の窒素勾配
が、０．５重量％／ｍｍ以下であるサンプル（Ｎｏ．１
〜Ｎｏ．１０及びＮｏ．２３〜２５；発明品）は、研削
加工性及び転がり寿命が大幅に向上したことが立証され
た。

【００７４】次に、本発明に係る転がり軸受（熱処理Ａ
を施したサンプル）の表面層近傍の金属組織と、従来の
転がり軸受のそれぞれの熱処理直後（研削加工前）の表
面層近傍の金属組織の代表例を示す。図８（Ａ）及び
（Ｂ）は、それぞれ表１のサンプルＮｏ．１３及びサン
プルＮｏ．１８の従来の転がり軸受の表面層近傍の金属
組織を示す顕微鏡写真であり、図８（Ｃ）は、本発明に
係るサンプルＮｏ．１の転がり軸受の表面層近傍の金属
組織を示す顕微鏡写真である。

【００７５】図８から、従来の転がり軸受は、浸炭窒化
処理の条件に応じて、表面近傍で炭窒化物の粗大化が顕
著であるが、本発明に係る転がり軸受は、炭窒化物の粗
大化がほとんど認められず、窒素が表面近傍に偏ってし
まうこともなく、転がり軸受の寿命向上に貢献する微細
炭窒化物が得られると同時に、良好な研削加工性も得ら
れやすいことが確認された。

【００７６】なお、本実施例では、素材として、ＳＣＲ
４４０、ＳＣＲ４２０及びＳＵＪ２を使用したが、これ
に限らず、芯部に炭素を０．１重量％以上且つ１．２重
量％以下の範囲で含有し、転がり軸受を製造することが
可能な鋼であれば、ＳＵＪ３やＳＵＪ４等、他の素材を
使用してよい。但し、クロム及び硅素は、窒素の固溶を
促進する傾向にあり、多量に含有すると、浸炭窒化後の
研削性を悪化させる。従って、クロムの含有量は、３重
量％以下、硅素の含有量は、１．０重量％以下とするこ
とが望ましい。

【００７７】なお、本実施例では、外輪、内輪、転動体
の少なくとも一つに本発明を適用した転がり軸受につい
て説明したが、本発明は、転動体と相対的に転動する相
手部材を、単に軸受の外輪、または内輪の一つに限定す
るものではなく、ハウジング、シャフト、ナット、ネジ
等、転動体を相対的に転動する相手部材に適用できるも
のである。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る転が
り軸受は、浸炭窒化処理及び焼入れ処理後の研削取代部
に、窒素を０．３重量％以下含有し、完成品の表面に、
炭素を０．９重量％以上且つ１．６重量％以下の範囲で
含有し、且つ、窒素を０．０５重量％以上且つ０．３重
量％以下の範囲で含有し、さらに窒素勾配０．５重量％
／ｍｍ以下としてなるため、前記研削取代部に、必要以
上に窒素が含有されることがなく、当該窒素の影響によ
り、焼戻し抵抗性や耐摩耗性が必要以上に向上してしま
うことや、必要以上に残留オーステナイトが生成される
ことを防止することができる。また、本発明に係る浸炭
窒化処理により、巨大炭窒化物を析出することなく、微
細炭化物と適量の残留オーステナイトを得ることができ
る。この結果、研削加工性及び転がり寿命を大幅に向上
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱処理の温度履歴を示す
図である。

【図２】本発明の実施例に係る熱処理の温度履歴を示す
図である。

【図３】本発明の実施例に係る熱処理の温度履歴を示す
図である。

【図４】本発明の実施例に係る熱処理の温度履歴を示す
図である。

【図５】本発明の実施例に係るサンプルの研削取代部に
おける窒素含有量（重量％）とドレスまでの研削個数
（個）との関係を示す図である。

【図６】本発明の実施例に係るサンプルの完成品表面に
おける窒素含有量（重量％）と転がり寿命（Ｌ₁₀）との
関係を示す図である。

【図７】本発明の実施例に係るサンプルの完成品表面層
における窒素勾配（重量％／ｍｍ）と研削取代部におけ
る窒素含有量（重量％）との関係を示す。

【図８】従来の転がり軸受の表面層近傍の金属組織及び
本発明に係る転がり軸受の表面層近傍の金属組織を示す
顕微鏡写真である。

【図９】転がり軸受の研削取代部における窒素含有量
（重量％）とドレスまでの研削個数（個）との関係を示
す図である。

【図１０】転がり軸受（完成品）の表面における窒素含
有量（重量％）と転がり寿命（Ｌ₁₀）との関係を示す図
である。

【図１１】転がり軸受（完成品）の転動体平均直径の２
％深さ位置における窒素含有量（重量％）と転がり寿命
との関係を示す図である。

【図１２】転がり軸受（完成品）の転動体平均直径の２
％深さ位置における窒素含有量（重量％）と転がり寿命
との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 19/00 - 19/56 F16C 33/30 - 33/66 C23C 8/32

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素を０．１重量％以上且つ１．２重量
   ％以下の範囲で含有した合金鋼を素材とし、浸炭窒化処
   理及び硬化熱処理後、研削加工部及び非研削部を有する
   研削取代部の前記研削加工部に研削仕上げが施されて完
   成された転がり軸受において、 前記完成された転がり軸受の外輪及び内輪の軌道表面、
   及び転動体の転動面の少なくとも一つを、研削仕上げが
   施された完成表面とし、該完成表面の炭素濃度が０．９
   重量％以上且つ１．６重量％以下、前記完成表面の窒素
   濃度が０．０５重量％以上且つ０．３重量％以下、前記
   完成表面の下にある表面層の窒素勾配が０．５重量％／
   ｍｍ以下であることを特徴とする転がり軸受。
2. 【請求項２】 前記完成された転がり軸受の外輪及び内
   輪の少なくとも一つは、表面に前記非研削部を有し、該
   非研削部の窒素濃度が０．３重量％以下であることを特
   徴とする請求項１記載の転がり軸受。
3. 【請求項３】 前記完成された転がり軸受の外輪、内輪
   及び転動体の少なくとも一つの前記表面層は、前記完成
   表面から転動体直径Ｄａの２％に相当する深さ内側にお
   ける窒素濃度が０．０５重量％以上であることを特徴と
   する請求項１又は２記載の転がり軸受。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の転がり
   軸受の製造方法において、前記浸炭窒化処理を、浸炭窒
   化ガス雰囲気中において、９００℃を超え且つ９８０℃
   未満の温度で行うことを特徴とする転がり軸受の製造方
   法。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の転がり
   軸受の製造方法において、前記浸炭窒化処理を浸炭窒化
   ガス雰囲気中において９００℃以下の温度で行うととも
   に、その後に、表面に固溶した窒素を芯部に向けて拡散
   する拡散処理を、前記浸炭窒化ガスのうちアンモニアガ
   スの供給を停止した状態で行うことを特徴とする転がり
   軸受の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜３のいずれかに記載の転がり
   軸受の製造方法において、前記浸炭窒化処理を、浸炭窒
   化ガス雰囲気中において９００℃以下の温度で行う処理
   と、その後の、表面に固溶した窒素を芯部に向けて拡散
   する、浸炭窒化ガス雰囲気中において９００℃を超える
   温度で行う処理と、から構成することを特徴とする転が
   り軸受の製造方法。