JP4757458B2

JP4757458B2 - 転がり軸受

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Publication number: JP4757458B2
Application number: JP2004198614A
Authority: JP
Inventors: 崇辻本; 理之冨加見
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2024-07-05
Also published as: JP2006017289A

Description

この発明は転がり軸受に関するもので、たとえば自動車のトランスミッションの軸支持部に使用されるころ軸受に適用することができる。

特開平２−１６８０２１号公報、特開平６−４２５３６号公報に、転動体の表面に微小な凹凸を形成して油膜形成能力を向上させた転がり軸受が記載されている。

上記従来の技術では、ころ軸受のピーリング損傷等潤滑不良に起因する損傷の対策として、ころの転動面および／または内外輪の軌道面に微小凹形状のくぼみを設け、面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が≦１．０となり、かつ、表面粗さのパラメータＳｋ値が≦−１．６となるようにし、これにより、相手面が粗面でも仕上げのよい面でも長寿命となるようにしている。
特開平２−１６８０２１号公報（第２頁左上欄第１４行〜右上欄第２行）特開平６−０４２５３６号公報（段落番号０００９）

近年、自動車トランスミッションをはじめ転がり軸受が使用される部位は小型化、高出力化がますます進んでおり、潤滑油の低粘度化等使用環境が高荷重・高温化する傾向にある。このため軸受にとっては今まで以上に厳しい潤滑環境へと変化しており、潤滑不良による表面起点剥離や高面圧化による疲労寿命の低下、異物環境下での剥離が発生しやすくなてきている。そこで、低粘度過酷潤滑、異物環境下、清浄油潤滑下等、いかなる潤滑条件下でも寿命向上が図れるようにする必要がある。
従来の微小凹部形状のくぼみは面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）の値が１．０以下となり（Ｒｑni≧０．１０）、あわせて面粗さのパラメータＳｋ値が−１．６以下となるようにしており、これにより相手面が粗面でも仕上げ面のよい面でも長寿命になるようにしているが、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い場合にはその効果が十分に発揮できない場合がある。

この発明は、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下で、Ｓｋ値が−１．６以下である転がり軸受において、
前記くぼみを設けた面におけるくぼみの平均面積が３０〜１００μｍ ² 、面積率が５〜２０％の範囲内で、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍ、Ｒｑniが０．０５〜０．０９の範囲内であり、
前記転がり軸受の外方部材、内方部材および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、窒素富化層を有し、かつ、前記窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあることを特徴とするものである。くぼみの面積率は、ころの転動面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた場合、転動面全体の面積に占めるくぼみの面積の割合を意味する。

周知のとおり、転がり軸受は転動体（玉またはころ）の転がり運動によって回転または揺動運動する軸を支持する機械要素である。通常、転動体は内輪の軌道と外輪の軌道との間に転動自在に介在するが、軸の外周面を直接軌道面とした内輪を有しないタイプや、例えば歯車の内周面を直接軌道面とした外輪を有しないタイプも存在する。内方部材、外方部材としたのは、内輪、外輪に限らず軌道面を有する軸や歯車等を排除しない趣旨である。また、少なくとも転動体の表面にとしたのは、軌道面にも同様に微小凹形状のくぼみを形成したものを排除しない趣旨であり、また、転動体がころの場合、転動面のみならず端面にも微小凹形状のくぼみを形成したものを排除しない趣旨である。

窒素富化層は、軌道輪（外輪もしくは内輪）または転動体の表層に形成された窒素含有量を増加した層であって、例えば浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成させることができる。窒素富化層における窒素含有量は、好ましくは０．１％〜０．７％の範囲である。窒素含有量が０．１％より少ないと効果がなく、特に異物混入条件での転動寿命が低下する。窒素含有量が０．７％より多いと、ボイドと呼ばれる空孔ができたり、残留オーステナイトが多くなりすぎて硬度が出なくなったりして短寿命になる。軌道輪に形成された窒素富化層については、窒素含有量は、研削後の軌道面の表層５０μｍにおける値であって、例えばＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）で測定することができる。

また、オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超えるほどオーステナイト粒径が微細であることにより、転動疲労寿命を大幅に改良することができる。オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を超える範囲とする。通常、１１番以上とする。オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。なお、上記の軸受部品のオーステナイト粒は、窒素富化層を有する表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。オーステナイト結晶粒は、たとえば焼入れ処理を行なった後も焼入れ直前のオーステナイト結晶粒界の痕跡が残っており、その痕跡に基づいた結晶粒をいう。

パラメータＲｑniとは、粗さ中心線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、別名自乗平均平方根粗さともいう（JIS 4287:1997）。Ｒｑniは拡大記録した断面曲線、粗さ曲線から数値計算で求められ、粗さ計の触針を幅方向および円周方向に移動させて測定する。

請求項２の発明は、請求項１の転がり軸受において、前記窒素富化層における窒素含有量が０．１％〜０．７％の範囲であることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項２の転がり軸受において、前記少なくとも一つの部材が軌道輪であって、前記窒素含有量が、研削後の軌道面の表層５０μｍにおける値であることを特徴とするものである。

この発明によれば、少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、油膜形成能力が向上し、低粘度・希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命となる。とくに、前記くぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、かつ、前記くぼみを設けた面の基準長毎最大高さの最大値Ｒｙmaxを０．４〜１．０μｍの範囲内とし、従来よりも小さく抑えたことにより、希薄潤滑下でも油膜切れを防ぐことが可能で、従来品に比べ、極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

また、窒素富化層を形成した上で、オーステナイト粒径を粒度番号で１１番以上に微細化することにより、転動疲労寿命が大きく改善され、優れた耐割れ強度や耐経年寸法変化を得ることができる。

転がり軸受は内輪と外輪と転動体とを主要な構成要素としている。そして、転動体の転動面および端面ならびに内外輪の軌道面（さらに円すいころ軸受の内輪については大つば面）の少なくとも一つに、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成して微小粗面化してある。この微小粗面は、くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０の範囲内である。このように、くぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、かつ、くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４〜１．０の範囲内とすることにより、極端に油膜厚さが薄い条件下でも、高い油膜形成効果を発揮することを可能とし、油膜パラメータΛ＝０．１３という非常に過酷な潤滑条件下でも十分な長寿命化効果を得ることができる。また、面粗さを各表面の軸方向と円周方向のそれぞれで求めてパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）とＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下になっている。このような微小粗面を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研摩によって、所望の仕上面を得ることができるが、ショット等を用いてもよい。

パラメータＲｙmax、Ｒｑniの測定方法、条件を例示するならば次のとおりである。なお、これらのパラメータで表される表面性状を、転がり軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格：JIS B 0601:1994（サーフコム JIS 1994）
カットオフ種別：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：×１００００
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）
ころの転動面に設ける微小凹形状のくぼみの場合、転動面全体に占めるくぼみの面積率を５〜２０％の範囲内とし、くぼみの平均面積は等価円直径３μｍφ以下を除いて整理したとき３０〜１００μｍ²になっている。Ｒｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲外で、くぼみの面積率が２０％を越え、平均面積が１００μｍ²を越えると、接触有効長さが減少し、長寿命の効果は減少する傾向にある。くぼみの定量的測定を行うには、ころ表面を拡大し、その画像から市販されている画像解析システムにより定量化できる。画像の白い部分は表面平坦部、微小なくぼみは黒い部分として解析する。たとえば、（株）ピアスのＬＡ−５２５画像解析システムを用いて解析すると、まず原画の濃淡を強調フィルタで明確化し、その後非常に微細な黒い部分である等価円直径３μｍφ以下はノイズイレーザで除去する。ノイズイレーザで除去した後に残された微小なくぼみの大きさ、分布、微小なくぼみの面積率を求め、ころ表面を評価するのである。その場合の測定条件はたとえば次のとおりである。
観察視野：８２６μｍ×６２０μｍ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
図１は転がり軸受の第一の例を示しており、この転がり軸受１は転動体として針状ころ２を外輪３に組み込んだ針状ころ軸受であり、針状ころ２で相手軸４を支持するようになっている。針状ころ表面２ａに、仕上面の異なる表面処理を施した複数種類の針状ころ軸受を製作し、寿命試験を行った結果について説明する。寿命試験に用いた針状ころ軸受は、図２に示すように、外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ２の直径Ｄ＝４ｍｍ、長さＬ＝２５．８ｍｍで、１５本の針状ころを用いた保持器５付きの軸受である。試験軸受として針状ころの表面粗さ仕上の異なる３種類を製作した。すなわち、研削後スーパーフィニッシュを施した軸受Ａ（比較例）と、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｂ（比較例）および軸受Ｃ（実施例）とである。各試験軸受の針状ころにおける仕上面状況を図３ないし図５に示す。具体的には、図３は軸受Ａの表面粗さ、図４は軸受Ｂの表面粗さ、図５は軸受Ｃの表面粗さをそれぞれ示す。また、各試験軸受の表面仕上面の特性値パラメータ一覧を表１に示す。なお、表１中、パラメータＳｋとは、粗さ曲線の歪み度（スキューネス）を指し（ISO 4287:1997）、凹凸分布の非対称性を知る目安となる統計量であり、ガウス分布のような対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。Ｓｋ値のコントロールは、バレル研摩機の回転速度、加工時間、ワーク投入量、チップの種類と大きさ等を選ぶことにより行える。たとえば、Ｓｋ値を幅方向、円周方向とも−１．６以下とすることにより、微小凹形状のくぼみが油溜りとなり、圧縮されても滑り方向、直角方向への油のリークは少なく、油膜形成に優れ、油膜形成状況は良好で、表面損傷を極力抑える効果がある。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、軸受Ｂ、Ｃは１．０以下であり、軸受Ａは１．０前後の値である。

使用した試験装置は図６に概略図で示したようなラジアル荷重試験機１１で、回転軸１２の両側に試験軸受１を取り付け、回転と荷重を与えて試験を行なうものである。試験に用いたインナレース（相手軸）の仕上は研摩仕上のＲａ０．１０〜０．１６μｍである。アウタレース（外輪）も共通である。試験条件は以下のとおりである。
軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑剤：クリセクオイルＨ８（試験条件で２ｃｓｔ）
図７に油膜パラメータΛ＝０．１３の下での寿命試験結果を示す。同図の縦軸がＬ10寿命（ｈ）を表している。同図から明らかなとおり、軸受Ａが７８ｈ、軸受Ｂが８２ｈであったのに対して軸受Ｃは１２１ｈであった。このデータが示すように、実施例である軸受Ｃは、油膜パラメータΛ＝０．１３という低粘度、希薄の非常に過酷な潤滑条件下でも長寿命効果を得ることができる。

次に、図８に、転がり軸受の第二の例として円すいころ軸受を示す。円すいころ軸受は転動体として円すいころ１６を使用したラジアル軸受で、外輪１３の軌道と内輪１４の軌道との間に複数の円すいころ１６が転動自在に介在させてある。運転中、円すいころ１６の転動面１７が外輪１３および内輪１４の軌道と転がり接触するほか、円すいころ１６の大端面１８が内輪１４の大つば１５の内側面と滑り接触する。したがって、円すいころ１６の場合、転動面１７のほか大端面１８にも微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成させてもよい。同様に、内輪１４の場合、軌道面のほか大つば５の内側面にも微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成させてもよい。
円すいころの転動面を滑らかな面に仕上げた従来の円すいころ軸受Ａ，Ｂ（比較例）と、円すいころの転動面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｃ〜Ｅ（比較例）ならびに軸受Ｆ，Ｇ（実施例）について行った寿命試験について説明する（表２参照）。使用した軸受Ａ〜Ｇはいずれも、外輪の外径が８１ｍｍ、内輪の内径が４５ｍｍの円すいころ軸受である。なお、比較例の軸受Ａ，Ｂにおけるころの転動面は、研削後にスーパーフィニッシュ（超仕上げ）を施して加工され、くぼみ加工を施してない。比較例の軸受Ｃ〜Ｅならびに実施例の軸受Ｆ，Ｇのころの転動面は、バレル研磨特殊加工によって微小凹形状のくぼみがランダムに無数に形成してある。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、ころ軸受Ｃ〜Ｇは１．０以下であり、ころ軸受Ａ，Ｂは１．０前後である。

図１０に示す２円筒試験機を使用してピーリング試験を行い、金属接触率を評価した。図１０において、駆動側円筒２２（Ｄ円筒：Driver）と従動側円筒２４（Ｆ円筒：Follower）は各々の回転軸の片端に取り付けられ、２本の回転軸２６，２８はそれぞれプーリ３０，３２を介して別々のモータで駆動できるようになっている。Ｄ円筒２２側の軸２６をモータで駆動し、Ｆ円筒２４はＤ円筒２２に従動させる自由転がりにした。Ｆ円筒２４は、表面処理に関して比較例と実施例の２種類を用意した。試験条件等詳細は表３のとおりである。

金属接触率の比較データを図９に示す。同図は横軸が経過時間、縦軸が金属接触率を表し、図９（Ｂ）は実施例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、図９（Ａ）は比較例の軸受におけるころの転動面の金属接触率を、それぞれ示す。これらの図を対比すれば、比較例に比べて実施例では金属接触率が改善されていることを明瞭に確認できる。言い換えれば、油膜形成率（＝１００％−金属接触率）が、実施例の軸受の方が比較例の軸受に比べて、運転開始時で１０％程度、試験終了時（２時間後）で２％程度、向上している。

次に、図１１に転がり軸受の別の例として深溝玉軸受の断面を示す。この転がり軸受は、外輪３４と、内輪３６と、外輪３４の軌道と内輪３６の軌道との間に転動自在に介在させた複数の転動体３８と、保持器４０を主要な構成要素として成り立っている。転動体３８はここでは玉であって、保持器４０により円周方向に所定間隔に保持されている。これら転がり軸受を構成する外輪３４、内輪３６および転動体３８の少なくとも一つの軸受部品は窒素富化層を有する。窒素富化層を形成させるための処理の具体例として浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。

図１２は、本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法を説明する図であり、図１３はその変形例を説明する図である。図１２は一次焼入れおよび二次焼入れを行う方法を示す熱処理パターンであり、図１３は焼入れ途中で材料をＡ₁変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れする方法を示す熱処理パターンである。これらの図において、処理Ｔ₁では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させたまま炭素の溶け込みを十分に行った後、Ａ₁変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ₂において、Ａ₁変態点温度以上かつ処理Ｔ₁よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。

上記の熱処理により、従来の浸炭窒化焼入れすなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少させることができる。上記図１２または図１３の熱処理パターンによって製造された本発明の転がり軸受は、オーステナイト結晶粒の粒径が従来の２分の１以下となるミクロ組織を有している。上記の熱処理を受けた軸受部品は、転動疲労に対して長寿命であり、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率も減少させることができる。結晶粒の微細化のために二次焼入れ温度を下げる熱処理工程をとるため、残留オーステナイト量が表層および内部で減少する結果、すぐれた耐割れ強度や耐経年寸法変化を得ることができるのである。

図１４は、軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。図１４（ａ）は本発明例の軸受部品であり、図１４（ｂ）は従来の軸受部品である。すなわち、図１２に示す熱処理パターンを適用した本発明の実施の形態である転がり軸受の軌道輪のオーステナイト結晶粒度を図１４（ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図１４（ｂ）に示す。また、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に、上記図１４（ａ）および図１４（ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒度を示す。これらオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオーステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であり、図１２または図１３による熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。また、図１４（ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。

次に、実施例について説明する。
（実施例I）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用いて、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験の各試験を行なった。表１にその結果を示す。

各試料の製造履歴は次のとおりである。

試料Ａ〜Ｄ（本発明例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図１２に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から一次焼入れをおこない、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して二次焼入れを行なった。ただし、二次焼入れ温度７８０℃の試料Ａは焼入れ不足のため試験の対象から外した。

試料Ｅ，Ｆ（比較例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行ない、二次焼入れ温度を浸炭窒化処理温度８５０℃以上の８５０℃〜８７０℃で行なった。

従来浸炭窒化処理品（比較例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。浸炭窒化処理温度からそのまま焼入れを行ない、二次焼入れは行なわなかった。

普通焼入れ品（比較例）：浸炭窒化処理を行なわずに、８５０℃に加熱して焼入れした
。二次焼入れは行なわなかった。

次に、試験方法について説明する。

（１）水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様を下記に示す。
分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なるほう）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイズ：１０ｍｇ〜３５ｍｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロンＭｇ（ＣｌＯ₄）₂、アスカライトＮａＯＨ
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス：水素ガス、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ｐｓｉ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ²）である。

測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごと上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取り出し、抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。

（２）結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳＧ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳＺ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片は、ＪＩＳＺ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いた。

（４）破壊応力値の測定
図１６は、静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。図中のＰ方向に荷重を負荷して破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図１６に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。

図１６の試験片の凸表面における繊維応力をσ₁、凹表面における繊維応力をσ₂とすると、σ₁およびσ₂は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ₁は内半径、ｅ₂は外半径を表す。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ₁＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ₀）｝［１＋ｅ₁／｛κ（ρ₀＋ｅ₁）｝］
σ₂＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ₀）｝［１−ｅ₂／｛κ（ρ₀−ｅ₂）｝］
κ＝−（１／Ａ）∫Ａ｛η／（ρ₀＋η）｝ｄＡ
（５）転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験条件を表２に示す。また、図１７は、転動疲労寿命試験機の概略図である。図１７（Ａ）は正面図であり、図１７（Ｂ）は側面図である。図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）において、転動疲労寿命試験片４８は、駆動ロール４２によって駆動され、ボール４６と接触して回転している。ボール４６は、３／４インチのボールであり、案内ロール４４にガイドされて、転動疲労寿命試験片４８との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。

表４に示した実施例Ｉの試験結果を説明すると次のとおりである。

（１）水素量
浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ₃）が分解して水素
が鋼中に浸入したためと考えられる。これに対し、試料Ｂ〜Ｄは、水素量は０．３７〜０．４０ｐｐｍと半分近くまで減少している。この水素量は普通焼入れ品と同レベルである。

上記の水素量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は大きく改善されている。

（２）結晶粒度
結晶粒度は二次焼入れ温度が、浸炭窒化処理時の焼入れ（一次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入れ品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、本発明例の試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。

（３）シャルピー衝撃試験
表４によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ²であるの
に比して、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は６．３０〜６．６５Ｊ／ｃｍ²と
高い値が得られている。この中でも、二次焼入れ温度が低い方がシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。普通焼入れ品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ²と高い。

（４）破壊応力値の測定
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表４によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｄの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善された値が得られている。普通焼入れ品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｄの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。

（５）転動疲労試験
表４によれば、普通焼入れ品は浸炭窒化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ₁₀は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等である。

上記をまとめると、本発明例の試料Ｂ〜Ｄは、水素含有率が低下し、オーステナイト結晶粒度が１１番以上に微細化され、シャルピー衝撃値、耐割れ強度および転動疲労寿命も改善される。

（実施例II）
次に実施例IIについて説明する。下記のＸ材、Ｙ材およびＺ材について、一連の試験を
行なった。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ｘ材〜Ｚ材に共通とした。Ｘ材〜Ｚ材の製造履歴は次のとおりである。
Ｘ材（比較例）：普通焼入れのみ（浸炭窒化処理せず）。
Ｙ材（比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼入れ（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
Ｚ材（本発明例）：図１２の熱処理パターンを施した軸受鋼。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。

（１）転動疲労寿命
転動疲労寿命の試験条件および試験装置は、上述したように、表５および図１７に示すとおりである。この転動疲労寿命試験結果を表３に示す。

表６によれば、比較例のＹ材は、同じく比較例で普通焼入れのみを施したＸ材のＬ₁₀寿命（試験片１０個中１個が破損する寿命）の３．１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＺ材は、Ｂ材の１．７４倍、またＸ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。

（２）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳＺ２２４２に準じた方法により行なった。試験結果を表７に示す。

浸炭窒化処理を行なったＹ材（比較例）のシャルピー衝撃値は、普通焼入れのＸ材（比較例）より高くないが、Ｚ材はＸ材と同等の値が得られた。

（３）静的破壊靭性値の試験
図１８は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。この試験片のノッチ部に、予き裂を約１ｍｍ導入した後、３点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Ｐを求めた。破壊靭性値（Ｋ₁ｃ値）の算出には次に示す（I）式を用いた。また、試験結果を表５に示す。
Ｋ１ｃ＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ²）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）²
−７５．３（ａ／Ｗ）³＋７７．５（ａ／Ｗ）⁴｝・・・（I）

予き裂深さが浸炭窒化層深さよりも大きくなったため、比較例のＸ材とＹ材とには違いはない。しかし、本発明例のＺ材は比較例に対して約１．２倍の値を得ることができた。

（４）静圧壊強度試験
静圧壊強度試験片は、上述のように図１６に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を付加して、静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表９に示す。

浸炭窒化処理を行なっているＹ材は普通焼入れのＸ材よりもやや低い値である。しかしながら、本発明例のＺ材は、Ｙ材よりも静圧壊強度が向上し、Ｘ材と遜色ないレベルが得られている。

（５）経年寸法変化率
保持温度１３０℃、保持時間５００時間における経年寸法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（５０μｍ深さ）と併せて表１０に示す。

残留オーステナイト量の多いＹ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＺ材は２分の１以下に抑制されていることがわかる。

（実施例III）
表１１に、窒素含有量と異物混入条件下の転動寿命との関係について行なった試験の結果を示す。この試験では図８に示す円すいころ軸受を使用し、実施例１〜５は図１２に示す熱処理パターンによって外輪１３、内輪１４、円すいころ１６のすべてを製造している。また、円すいころの表面には表１、表２に示す微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成してある。なお、比較例１は標準焼入れ品、比較例２は標準の浸炭窒化品である。比較例３は本発明実施例と同様の処理を施したものの窒素量のみ過多の場合である。試験条件は次のとおりである。
供試軸受：円すいころ軸受３０２０６（内・外輪、ころ共にＪＩＳによる高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）製）
ラジアル荷重：１７．６４ｋＮ
アキシアル荷重：１．４７ｋＮ
回転速度：２０００ｒｐｍ
硬質の異物混入１ｇ／Ｌ

表１１より、実施例１〜５に関しては、窒素含有量と異物寿命はほぼ比例関係にあることがわかる。ただし、窒素含有量が０．７２の比較例３では異物混入下の転動寿命が極端に低下していることに照らし、窒素含有量は０．７を上限とするのがよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

針状ころ軸受の断面図。寿命試験に用いた針状ころ軸受の断面図。試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図。試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図。試験軸受における転動体の仕上げ面状況を示す粗さ曲線図。試験装置の概略図。寿命試験結果を示すグラフ。円すいころ軸受の断面図。Ａは比較例の金属接触率を示すグラフ、Ｂは実施例の金属接触率を示すグラフ。２円筒試験機の全体概略図。本発明の実施の形態における転がり軸受を示す概略断面図。本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法を説明する図。本発明の実施の形態における転がり軸受の熱処理方法の変形例を説明する図。軸受部品のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図であって、（ａ）は本発明例の軸受部品であり、（ｂ）は従来の軸受部品である。（ａ）は図１４（ａ）を図解したオーステナイト粒界を示し、（ｂ）は図１４（ｂ）を図解したオーステナイト粒界を示す。静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図。転動疲労寿命試験機の概略図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。

符号の説明

１転がり軸受
２転動体
２ａ転動体の表面
３外輪
４相手軸
５保持器

Claims

少なくとも転動体の表面に、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．０以下で、Ｓｋ値が−１．６以下である転がり軸受において、
前記くぼみを設けた面におけるくぼみの平均面積が３０〜１００μｍ ² 、面積率が５〜２０％の範囲内で、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍ、Ｒｑniが０．０５〜０．０９の範囲内であり、
前記転がり軸受の外方部材、内方部材および転動体のうち少なくともいずれか一つの部材が、窒素富化層を有し、かつ、前記窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあることを特徴とする転がり軸受。
前記窒素富化層における窒素含有量が０．１％〜０．７％の範囲であることを特徴とする請求項１の転がり軸受。
前記少なくとも一つの部材が軌道輪であって、前記窒素含有量が、研削後の軌道面の表層５０μｍにおける値であることを特徴とする請求項２の転がり軸受。