JP4810157B2

JP4810157B2 - 転がり軸受

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Publication number: JP4810157B2
Application number: JP2005232315A
Authority: JP
Inventors: 充浩中山; 崇辻本
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-08-10
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-08-10
Also published as: JP2007046114A

Description

本発明は転がり軸受に関し、より特定的には、潤滑油中に異物が混入し得る環境で使用される転がり軸受に関するものである。

一般に、素材として高炭素軸受鋼（たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２など）が採用され、焼入硬化された軌道輪および転動体を備えた転がり軸受が、種々の用途および環境において使用されている。しかし、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境においてこのような転がり軸受が使用された場合、清浄な潤滑油中で使用された場合に比べて寿命が１／１０以下にまで低下するという問題があった。たとえば、自動車用トランスミッションの内部において使用される転がり軸受においては、潤滑油中にギアの摩耗紛などの硬質の異物が混入する。この場合、当該硬質の異物が転動体と軌道輪との間に噛みこむことにより軌道輪および転動体の表面に損傷が発生する。そして、この表面損傷に起因した剥離（表面起点型剥離）が生じることにより、転がり軸受の寿命が大幅に低下する。

これに対し、浸炭鋼（たとえばＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０など）や軸受鋼（たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２）などの鋼が素材として採用され、軌道輪や転動体に対して浸炭または浸炭窒化処理が実施されたものが提案されている（たとえば特許文献１参照）。さらに、前述の構成に加えて、さらに軌道輪や転動体の表層部に所定の粒子が分散した転がり軸受も提案されている（たとえば特許文献２〜４参照）。これにより、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境において使用される場合における、転がり軸受の寿命の低下を抑制することができる。
特開平８−３１１６０３号公報特開平５−７８８１４号公報特開平１１−８０８９７号公報特開平１１−１９３８２３号公報

しかし、近年、転がり軸受が使用される製品は高出力化、高効率化が進められている。これに伴い、転がり軸受に対しても、小型化、軽量化などが求められている。転がり軸受が小型化された場合、負荷される荷重が大きくなり、かつ回転は高速化する。その結果、転動体および軌道輪の転動疲労強度の一層の向上が必要となる。さらに、たとえば自動車用トランスミッションの内部で使用される軸受においては、自動車の燃費低減を目的として油膜形成能力の低い低粘度の潤滑油が採用される傾向にあり、表面損傷が一層生じやすくなっている。そのため、上述の対策は必ずしも十分とはいえない。

そこで、本発明の目的は、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境における寿命を向上させた、転がり軸受を提供することである。

本発明に従った転がり軸受は、軌道輪と、軌道輪に接触し、かつ円環状の軌道上に配置された複数の転動体とを備えている。軌道輪の表層部には窒素富化層が形成されており、当該窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号は１０番を超えている。そして、軌道輪の水素含有量は０．５ｐｐｍ以下である。さらに、転動体の表層部には軌道輪の窒素富化層よりも窒素含有量の多い窒素富化層が形成されている。

本発明者は、軌道輪と転動体とを備えた転がり軸受の寿命、特に潤滑油中に異物が混入する環境における寿命と、軌道輪および転動体の材質（鋼組織、水素含有量など）との関係を詳細に検討した。その結果、転がり軸受の寿命、特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命を向上させるために必要な構成は、軌道輪と転動体とでは異なっていることを見出した。すなわち、軌道輪および転動体の表層部に窒素富化層が形成されることにより、異物の噛み込みなどによる表面損傷の発生が抑制されるため、基本的には転がり軸受の寿命が向上する。しかし、軌道輪においては鋼組織が粗く、靭性（衝撃値、破壊靭性値など）が低い場合、軌道輪には損傷が生じやすくなり、転がり軸受全体としては十分に寿命が向上しない場合がある。一方、玉やころ等の転動体においては、靭性の向上よりも、異物の噛み込みなどによる表面損傷の発生を十分に抑制することが重要であり、軌道輪よりも窒素含有量の多い窒素富化層を形成することで、転がり軸受全体としての寿命が向上する。

以上の詳細な検討の結果から、本発明者は上記発明に想到した。すなわち、軌道輪においては、表層部に窒素富化層が形成されているため異物の噛み込みなどによる表面損傷が抑制され、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化されて靭性が向上することにより金属疲労に対する抵抗性が増し、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避されている。そのため、軌道輪の転動疲労強度が向上し、転がり軸受の寿命の向上に寄与している。一方、転動体においては、表層部に軌道輪の窒素富化層よりも窒素含有量の多い窒素富化層が形成されているため異物の噛み込みなどによる表面損傷が抑制され、転がり軸受の寿命の向上に寄与している。そして、上記軌道輪と転動体とが組み合わされることにより、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境における寿命を向上させた、転がり軸受を提供することができる。

ここで、オーステナイト結晶粒の粒度番号とは、ＪＩＳＧ０５５１に記載されたオーステナイト結晶粒の粒度番号をいう。また、窒素富化層とは、軌道輪の表層部に形成された軌道輪の芯部に比べて窒素含有量が高い層であって、たとえば浸炭窒化、窒化、浸窒などの処理によって形成することができる。さらに、表層部とは軌道輪または転動体の表面から深さ０．２ｍｍ以内の範囲をいう。また、窒素の含有量は、たとえばＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）を用いて測定することができる。

なお、転がり軸受の寿命を一層向上させるためには、窒素富化層は軌道輪または転動体の表面から深さ０．２ｍｍの厚みを有していることが好ましく、０．３ｍｍ以上の厚みを有していることがより好ましい。また、転がり軸受の寿命を一層向上させるためには、オーステナイト結晶粒の粒度番号が１１番を超えていることが好ましく、水素量は４．０質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。

上記転がり軸受において好ましくは、軌道輪の窒素富化層における残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下であり、転動体の窒素富化層における残留オーステナイト量は、２０体積％以上３５体積％以下である。

軌道輪および転動体の表層部に形成された窒素富化層における残留オーステナイトは、異物の噛み込みなどによる表面損傷の抑制に対して顕著な効果を有している。軌道輪において、この効果を奏するためには１１体積％以上であること必要であり、１５体積％以上とすることが好ましい。

一方、窒素富化層においては窒素含有量が高いため、焼入を実施した際のマルテンサイト変態の開始温度が低下し、残留オーステナイト量が多くなる傾向にある。残留オーステナイトは軸受の使用中において経年的にマルテンサイトに変態する。そして、その変態に際しては体積の変化を伴うため、軌道輪の窒素富化層における残留オーステナイトは軌道輪における寸法の経年的変化（経年寸法変化）の原因となる。残留オーステナイト量が２５体積％を超えると経年寸法変化が一般的な軌道輪の寸法変化の許容値を超え、転がり軸受の寿命が低下するおそれがあるため、軌道輪の窒素富化層における残留オーステナイト量は２５体積％以下とすることが好ましい。さらに、寸法変化に対する要求が厳格な用途に対しては、２０体積％以下とすることがより好ましい。

転動体においても、残留オーステナイトの効果は上記軌道輪の場合と基本的には同様である。しかし、本発明者は、経年寸法変化による不具合の発生を十分に抑制するための残留オーステナイト量の上限は、軌道輪の場合よりも高い反面、表面損傷を抑制するために必要な残留オーステナイト量も多いことを詳細な検討の結果、見出した。すなわち、転動体において、表面損傷を抑制する効果を奏するためには転動体の窒素富化層における残留オーステナイト量は２０体積％以上必要であり、２５体積％以上とすることが好ましい。一方、残留オーステナイト量が３５体積％を超えると経年寸法変化が一般的な転動体の寸法変化の許容値を超えるため、転動体の窒素富化層における残留オーステナイト量は３５体積％以下とすることが好ましい。さらに、寸法変化に対する要求が厳格な用途に対しては、３０体積％以下とすることがより好ましい。そして、上記軌道輪と転動体とが組み合わされることにより、潤滑油中に異物が混入する環境における寿命を一層向上させた、転がり軸受を提供することができる。

ここで、残留オーステナイト量の測定は、たとえばＸ線回折計（ＸＲＤ）を用いて、マルテンサイトα（２１１）面とオーステナイトγ（２２０）面との回折強度とを測定することにより、算出することができる。

なお、上記転がり軸受において、表面からの深さが５０μｍの領域における軌道輪の窒素富化層の残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下であり、表面からの深さが５０μｍの領域における転動体の窒素富化層の残留オーステナイト量は、２０体積％以上３５体積％以下とされてもよい。

上述のように、残留オーステナイトは転がり軸受の軌道輪および転動体における表面損傷の抑制に顕著な効果を有している。この効果を奏するためには、特に表面損傷に対する影響の大きい、表面からの深さが５０μｍ付近の領域における残留オーステナイト量が重要となる。したがって、軌道輪および転動体の表面からの深さが５０μｍの領域における窒素富化層の残留オーステナイト量を上記範囲とすることで、特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命を一層向上させることができる。

上記転がり軸受において好ましくは、軌道輪の窒素富化層および転動体の窒素富化層における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である。窒素含有量が０．１質量％以下では、転がり軸受の寿命向上の効果、特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命を向上させる効果が小さい。さらに、顕著な寿命向上のためには、窒素富化層における窒素含有量は０．１２質量％以上であることが好ましい。一方、窒素含有量が０．７質量％を超えると、不完全焼入組織を発生させることなく焼入を実施するために必要な最低冷却速度（臨界冷却速度）が速くなるため、不完全焼入組織が発生するおそれが増大する。また、窒素含有量が０．７質量％を超えると、残留オーステナイト量が必要以上に増加して表面の硬度が低下する。そのため、窒素含有量が０．７質量％を超えると、転がり軸受の転動疲労寿命が低下するおそれがある。さらに、寿命に対する要求特性の高い用途に使用される場合、窒素富化層における窒素含有量は０．６質量％以下とすることが好ましい。以上より、上記転がり軸受において、軌道輪の窒素富化層および転動体の窒素富化層における窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下とすることにより、転がり軸受の寿命、特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命を向上させることができる。

なお、上記転がり軸受において、軌道輪の窒素富化層および転動体の窒素富化層の表面からの深さが５０μｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下とされてもよい。上述のように、窒素富化層は特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命の向上に顕著な効果を有している。この効果を奏するためには、特に表面損傷に対する影響の大きい、表面からの深さが５０μｍ付近の領域における窒素含有量が重要となる。したがって、軌道輪の窒素富化層および転動体の窒素富化層の表面からの深さが５０μｍの領域における窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下とすることにより、特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命を向上させることができる。

上記転がり軸受において好ましくは、軌道輪は、環状の外輪と、外輪の内側に配置された環状の内輪から構成され、転動体は、外輪の内周面と、内輪の外周面とに接触して配置された玉である。

本発明の転がり軸受の構成を深溝玉軸受などのラジアル玉軸受に適用した場合、寿命向上の効果、特に潤滑油中に異物が混入する環境における転がり軸受の寿命向上の効果は顕著である。したがって、本発明の転がり軸受の構成を上記構成のラジアル玉軸受に適用することは好適である。

以上の説明から明らかなように、本発明の転がり軸受によれば、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境における寿命を向上させた、転がり軸受を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施の形態における転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図１を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受としての深溝玉軸受の構成について説明する。

図１を参照して、本実施の形態の深溝玉軸受１は、軌道輪としての環状の外輪２と、外輪２の内側に配置された軌道輪としての環状の内輪３と、複数の転動体としての玉４と、円環状の保持器５とを備えている。複数の玉４は、外輪２の内周面に形成された外輪転走面２Ａと、内輪３の外周面に形成された内輪転走面３Ａとに接触し、かつ保持器５により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。

さらに、外輪２および内輪３の表層部には第１の窒素富化層が形成されており、第１の窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号は１０番を超えている。そして、外輪２および内輪３の水素含有量は０．５ｐｐｍ以下である。さらに、玉４の表層部には第１の窒素富化層よりも窒素含有量の多い第２の窒素富化層が形成されている。

本実施の形態の深溝玉軸受１によれば、外輪２および内輪３においては、表層部に第１の窒素富化層が形成されているため異物の噛み込みなどによる表面損傷が抑制され、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化されて靭性が向上することにより金属疲労に対する抵抗性が増し、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避されている。そのため、外輪２および内輪３の転動疲労強度が向上し、深溝玉軸受１の寿命の向上に寄与している。一方、玉４においては、表層部に第１の窒素富化層よりも窒素含有量の多い第２の窒素富化層が形成されているため異物の噛み込みなどによる表面損傷が抑制され、転がり軸受の寿命の向上に寄与している。そして、上記外輪２および内輪３と玉４とが組み合わされることにより、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境における寿命を向上させた深溝玉軸受１が構成されている。

図２は、本実施の形態の転がり軸受の変形例であるスラストころ軸受の構成を示す概略断面図である。図２を参照して、本実施の形態の転がり軸受の変形例であるスラストころ軸受の構成について説明する。

図２を参照して、本実施の形態の変形例のスラストころ軸受１１と、上述の深溝玉軸受とは、基本的に同様の構成を有しており、同様の効果を有しているが、軌道輪、および転動体の構成が異なっている。すなわち、スラストころ軸受１１は、軌道輪としての一対の軌道盤１２、１２と、複数の転動体としてのころ１４と、円環状の保持器１５とを備えている。複数のころ１４は、一対の軌道盤１２、１２の互いに対向する一方の主面のそれぞれに形成された転走面１２Ａ、１２Ａに接触し、かつ保持器１５により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストころ軸受１１の一対の軌道盤１２、１２は、互いに相対的に回転可能となっている。

さらに、一対の軌道盤１２、１２の表層部には第１の窒素富化層が形成されており、第１の窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号は１０番を超えている。そして、一対の軌道盤１２、１２の水素含有量は０．５ｐｐｍ以下である。さらに、ころ１４の表層部には第１の窒素富化層よりも窒素含有量の多い第２の窒素富化層が形成されている。ここで、第２の窒素富化層における窒素含有量は、表面損傷に対する影響の大きい表面からの深さが５０μｍの領域における含有量において、第１の窒素富化層における窒素含有量よりも多いことが好ましい。

本実施の形態の変形例のスラストころ軸受１１によれば、一対の軌道盤１２、１２においては、表層部に第１の窒素富化層が形成されているため異物の噛み込みなどによる表面損傷が抑制され、オーステナイト結晶粒が小さくなっているため金属組織が微細化されて靭性が向上することにより金属疲労に対する抵抗性が増し、水素量が低減されているため金属組織の脆化が回避されている。そのため、一対の軌道盤１２、１２の転動疲労強度が向上し、スラストころ軸受１１の寿命の向上に寄与している。一方、ころ１４においては、表層部に第１の窒素富化層よりも窒素含有量の多い第２の窒素富化層が形成されているため異物の噛み込みなどによる表面損傷が抑制され、スラストころ軸受１１の寿命の向上に寄与している。そして、上記一対の軌道盤１２、１２ところ１４とが組み合わされることにより、潤滑油中に異物、特に硬質の異物が混入する環境における寿命を向上させたスラストころ軸受１１が構成されている。

さらに、本実施の形態の深溝玉軸受１および本実施の形態の変形例のスラストころ軸受１１においては、第１の窒素富化層における残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下であり、第２の窒素富化層における残留オーステナイト量は、２０体積％以上３５体積％以下であることが好ましい。

これにより、表面損傷および経年寸法変化の抑制の観点から適切な範囲の量の残留オーステナイトを表層部の窒素富化層に含む軌道輪（外輪２および内輪３、または軌道盤１２）と転動体（玉４またはころ１４）とが組み合わされることにより、潤滑油中に異物が混入する環境における寿命を一層向上させた深溝玉軸受１またはスラストころ軸受１１を提供することができる。

なお、深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１において、表面からの深さが５０μｍの領域における第１の窒素富化層の残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下であり、表面からの深さが５０μｍの領域における第２の窒素富化層の残留オーステナイト量は、２０体積％以上３５体積％以下とされてもよい。

これにより、深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１の寿命、特に潤滑油中に異物が混入する環境における深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１の寿命を一層向上させることができる。

さらに、深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１においては、第１の窒素富化層および第２の窒素富化層における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下であることが好ましい。

これにより深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１の寿命、特に潤滑油中に異物が混入する環境における深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１の寿命を一層向上させることができる。

なお、深溝玉軸受１およびスラストころ軸受１１においては、第１の窒素富化層および第２の窒素富化層の表面からの深さが５０μｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下とされてもよい。

次に、本実施の形態における転がり軸受の製造方法について説明する。図３は本実施の形態における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。図３を参照して、本実施の形態における転がり軸受の製造方法について説明する。

図３を参照して、まず、軌道輪および転動体の形状に成形された成形部材を準備する成形部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば棒鋼などの素材に対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１に示した外輪２、内輪３および玉４の形状に成形された成形部材、または図２に示した軌道盤１２およびころ１４などが準備される。

次に、図３を参照して、軌道輪および転動体が硬化される焼入硬化工程が実施される。具体的には、図１および図２を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材としての外輪２、内輪３、玉４、軌道盤１２およびころ１４などが焼入硬化される。この焼入硬化工程には、軌道輪および転動体の表層部に窒素富化層を形成するための浸炭窒化処理が含まれている。そして、この浸炭窒化処理を含む焼入硬化工程において、軌道輪に対しては、軌道輪の結晶粒を微細化する熱処理パターンが採用された結晶粒微細化浸炭窒化焼入が実施される。さらに、図３を参照して、焼入硬化された軌道輪および転動体を焼戻す焼戻工程が実施される。この焼入硬化工程および焼戻工程を有する熱処理工程の詳細については後述する。

さらに、図３を参照して、仕上げ工程が実施される。具体的には、焼入硬化および焼戻が実施された軌道輪および転動体に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、軌道輪および転動体が仕上げられる。

そして、図３を参照して、組立工程が実施される。具体的には、たとえば図１を参照して、軌道輪としての外輪２、内輪３および転動体としての玉４と、保持器５などとを組み合わせることにより、転がり軸受としての深溝玉軸受１が組み立てられる。

次に、熱処理工程について詳細に説明する。図４は本実施の形態における転がり軸受の製造方法に含まれる軌道輪の熱処理工程の詳細を説明するための図である。図４において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図４において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図４を参照して、本実施の形態の軌道輪に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。

図４を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材としての軌道輪はＡ_１点以上の温度である７５０℃以上９００℃以下の温度Ｔ_１、たとえば８４５℃に加熱され、３０分間以上６００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ_３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、軌道輪の表層部の炭素濃度および窒素濃度は所望の濃度に調整される。その後、軌道輪は、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に冷却される。これにより、１次焼入が完了する。

さらに、１次焼入が実施された軌道輪はＡ_１点以上の温度である７５０℃以上８３０℃以下の温度Ｔ_２、たとえば８００℃に再び加熱され、１０分間以上１５０分間以下の時間、たとえば４０分間保持される。このとき、浸炭窒化処理において調整された炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度となるように、たとえば脱炭を防止するため、たとえばＲＸガスを含む雰囲気において加熱される。その後、軌道輪は、たとえば油冷されることにより、Ａ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に急冷されて焼入硬化される。これにより、２次焼入が完了する。

さらに、２次焼入が完了した軌道輪はＡ_１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、１０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後冷却される。これにより、焼戻が完了する。以上の手順により、本実施の形態における転がり軸受の製造方法に含まれる軌道輪の熱処理工程は完了する。

ここで、温度Ｔ_１およびＴ_２は、鋼中に侵入する水素濃度を低減する観点から前述のようにそれぞれ７５０℃以上９００℃以下および７５０℃以上８３０℃以下とすることが望ましい。また、温度Ｔ_２はオーステナイト結晶粒を小さくする観点から、Ｔ_１よりも低い温度とすることが好ましい。

なお、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

図５は、本実施の形態の軌道輪に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。図５において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図５において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図５を参照して、本実施の形態の軌道輪に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を説明する。

図５を参照して、本変形例における図５に示す熱処理工程と上述の図４に示す熱処理工程とは基本的には温度条件を含めて同様の工程となっている。しかし、図５の熱処理工程においては浸炭窒化処理に引き続いて油冷を実施して１次焼入を完了するのではなく、まずＡ_１変態点以下の温度に冷却した後、室温（常温）まで冷却することなく再びＡ_１変態点以上の温度Ｔ_２に加熱する点において、図４の熱処理工程とは異なっている。

これにより、１度焼入を実施した後に再度温度Ｔ_２まで加熱する場合に比べて再加熱に要する時間およびエネルギーを小さくすることが可能となるため、製造コストを低減し得る点において有利である。なお、浸炭窒化後に引き続く冷却温度はＡ_１変態点よりも低い温度、すなわち鉄のオーステナイトからフェライトへの変態点以下の温度であればよく、たとえば５００℃以上６００℃以下とすることができる。

上記熱処理工程により、軌道輪には、表層部に窒素富化層が形成される。そして、浸炭窒化処理の後に１度Ａ_１変態点以下の温度に冷却された後、再度Ａ_１変態点以上の温度、特に浸炭窒化温度Ｔ_１よりも低い温度Ｔ_２に加熱され、その後急冷されている。これにより、結晶粒が微細化され、残留オーステナイト量が適量に調整され、水素含有量が抑制され得る、結晶粒微細化浸炭窒化焼入を実施することができる。その結果、窒素富化層におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号は１０番を超えており、かつ軌道輪における水素含有量は０．５ｐｐｍ以下とすることができる。さらに、窒素富化層、特に表面からの深さが５０μｍの領域における残留オーステナイト量を、１１体積％以上２５体積％以下とすることができる。また、窒素富化層、特に表面からの深さが５０μｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とすることができる。

図６は本実施の形態における転がり軸受の製造方法に含まれる転動体の熱処理工程の詳細を説明するための図である。図６において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図６において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図６を参照して、本実施の形態の転動体に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。

図６を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材としての転動体はＡ_１点以上の温度である７５０℃以上９００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、３０分間以上６００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ_３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、転動体の表層部の炭素濃度および窒素濃度は所望の濃度に調整される。その後、転動体は、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に冷却される。これにより、焼入が完了する。

さらに、焼入が完了した転動体はＡ_１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、１０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後冷却される。これにより、焼戻が完了する。以上の手順により、本実施の形態における転がり軸受の製造方法に含まれる転動体の熱処理工程は完了する。

上記熱処理工程により、転動体には、表層部に窒素富化層が形成される。そして、軌道輪の熱処理とは異なり、浸炭窒化処理の後、Ａ_１変態点以上の温度から直接急冷されている。これにより、軌道輪の熱処理と比較して窒素富化層、特に表面からの深さが５０μｍの領域におけるの窒素含有量を増加させ、残留オーステナイト量を多くすることができる。その結果、窒素富化層、特に表面からの深さが５０μｍの領域における残留オーステナイト量を、２０体積％以上３５体積％以下とすることができる。また、窒素富化層、特に表面からの深さが５０μｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とすることができる。

上述の熱処理が実施された軌道輪および転動体を組み合わせて転がり軸受を製造することにより、寿命、特に潤滑油中に異物が混入する環境における寿命に優れた本発明の転がり軸受を製造することができる。

なお、本実施の形態においては、転動体が単列に配置された転がり軸受について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られず、たとえば転動体が複列に配置されたものであってもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。本発明の転がり軸受である深溝玉軸受と従来の深溝玉軸受とについて潤滑油に異物が混入する環境における寿命を比較する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０質量％Ｃ−０．２５質量％Ｓｉ−０．４質量％Ｍｎ−１．５質量％Ｃｒ）を素材として用いて、本発明の実施例および従来品である比較例の深溝玉軸受６２０６（ＪＩＳＢ１５１３に記載）を作製した。実施例および比較例の製造工程は基本的に同様であり、熱処理のみが異なっている。すなわち、実施例の深溝玉軸受の外輪および内輪は、ＲＸガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとの混合ガス雰囲気中において８４５℃の温度で１５０分間保持することにより浸炭窒化された。熱処理パターンは図４に示す熱処理工程が採用され、浸炭窒化処理温度である８４５℃から１次焼入された後、浸炭窒化処理温度より低い温度域である８００℃に再度加熱され、その後急冷されることにより２次焼入が実施された。さらに、１８０℃の温度で１２０分間保持されることにより、焼戻が実施された。

また、実施例の深溝玉軸受の転動体である玉は、ＲＸガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとの混合ガス雰囲気中において８５０℃の温度で１５０分間保持することにより浸炭窒化された。熱処理パターンは図６に示す熱処理工程が採用され、浸炭窒化処理温度である８５０℃から焼入された後、１８０℃の温度で１２０分間保持されることにより、焼戻が実施された。

一方、比較例の深溝玉軸受については、外輪、内輪および玉については、浸炭窒化処理は実施されず、８５０℃に加熱された後、急冷されることにより焼入が実施され、１８０℃の温度で１２０分間保持されることにより、焼戻が実施された。

上記実施例および比較例の深溝玉軸受について、接触面圧Ｐ_ｍａｘ＝２７００ＭＰａ、回転速度４０００ｒｐｍ、潤滑油ＶＧ１０の油浴給油、異物粒径５０μｍ以下９０質量％と１００μｍ以上１８０μｍ以下１０質量％との混合、異物の硬さ８００ＨＶ、異物量０．３ｇ／１０００ｃｃの条件で転がり寿命試験を実施した。

図７は、本実施例の転がり寿命試験の試験結果を示す図である。図７において、横軸は破損までの時間であり、縦軸は累積破損確率である。また、両軸とも対数表示されている。なお、矢印の付されたデータは、表示されたデータ点に該当する時間を経過しても軸受の破損が起こらず、試験を中止したデータ（サスペンドデータ）である。図７を参照して、本実施例の転がり寿命試験の試験結果について説明する。

図７を参照して、実施例の軸受は試験に供した６個の軸受のうち、４個の軸受が所定時間経過後も破損せず、サスペンドデータとなっている。一方、比較例の軸受は試験に供した６個の軸受のすべてが破損した。そして、統計的に１０％の軸受が破損するまでの寿命（Ｌ_１０寿命；図７において、実施例および比較例の各データ点から最小二乗法に基づく直線を求め、当該直線において累積破損確率が１０％に相当する点における寿命）を実施例と比較例とで比較すると、実施例の軸受のＬ_１０寿命は比較例の軸受のＬ_１０寿命に対して７倍以上となっていた。このことから、潤滑油中に異物が混入する環境において、本発明の転がり軸受は従来の転がり軸受の７倍以上の寿命を有していることが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の転がり軸受は、潤滑油中に異物が混入し得る環境で使用される転がり軸受に特に有利に適用され得る。

本発明の一実施の形態における転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。本実施の形態の転がり軸受の変形例であるスラストころ軸受の構成を示す概略断面図である。本実施の形態における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。本実施の形態における転がり軸受の製造方法に含まれる軌道輪の熱処理工程の詳細を説明するための図である。本実施の形態の軌道輪に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。本実施の形態における転がり軸受の製造方法に含まれる転動体の熱処理工程の詳細を説明するための図である。本実施例の転がり寿命試験の試験結果を示す図である。

符号の説明

１深溝玉軸受、２外輪、２Ａ外輪転走面、３内輪、３Ａ内輪転走面、４玉、５保持器、１１スラストころ軸受、１２軌道盤、１２Ａ転走面、１４ころ、１５保持器。

Claims

軌道輪と、
前記軌道輪に接触し、かつ円環状の軌道上に配置された複数の転動体とを備え、
前記軌道輪の表層部には窒素富化層が形成されており、
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は１０番を超えており、
前記軌道輪の水素含有量は０．５ｐｐｍ以下であり、
前記転動体の表層部には前記軌道輪の窒素富化層よりも窒素含有量の多い窒素富化層が形成されている、転がり軸受。
前記軌道輪の窒素富化層における残留オーステナイト量は、１１体積％以上２５体積％以下であり、
前記転動体の窒素富化層における残留オーステナイト量は、２０体積％以上３５体積％以下である、請求項１に記載の転がり軸受。
前記軌道輪の窒素富化層および前記転動体の窒素富化層における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項１または２に記載の転がり軸受。
前記軌道輪は、環状の外輪と、前記外輪の内側に配置された環状の内輪から構成され、
前記転動体は、前記外輪の内周面と、前記内輪の外周面とに接触して配置された玉である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり軸受。