JP6534632B2

JP6534632B2 - 深溝玉軸受

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Publication number: JP6534632B2
Application number: JP2016081905A
Authority: JP
Inventors: 崇川井; 大木　力; 力大木; 佐藤　大介; 大介佐藤
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: JP2016173182A

Description

本発明は深溝玉軸受およびその検査方法に関し、より特定的には、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な深溝玉軸受およびその検査方法に関するものである。

近年、機械の長寿命化やメンテナンスフリー化が進められている。その結果、当該機械に使用される転がり軸受に対しても、転動疲労寿命の長寿命化が求められている。転動疲労寿命の長寿命化を達成するためには、転がり軸受を構成する部品である軸受部品（軌道部材および転動体）の材料を変更する対策が考えられる。具体的には、軸受部品の代表的な材料である鋼に対して長寿命化に有効な合金成分を添加することにより、転動疲労寿命の長寿命化を図ることができる。

しかし、軸受部品の素材に特殊な材料を採用した場合、世界各国に製造拠点が広がりつつある現状を考慮すると、製造地によっては材料の調達が困難になるおそれがある。そのため、このような状況を考慮すると、特殊な材料を用いた転動疲労寿命の長寿命化は、必ずしも好ましいとはいえない。

一方、転動疲労寿命の長寿命化の他の方策として、熱処理による軸受部品および転がり軸受の長寿命化が提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。

特開平７−１９００７２号公報特開２００３−２２６９１８号公報特開２０００−１６１３６３号公報

一方、たとえば自動車用のデファレンシャルやトランスミッションに用いられる円すいころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、タンデム型アンギュラ玉軸受など、大きな荷重を支持する必要がある転がり軸受においては、転動疲労寿命の長寿命化とともに、耐圧痕性（転動体が軌道部材に押し付けられた場合の圧痕の形成されにくさ）が求められる。しかしながら、上記特許文献１〜３を含めて従来の熱処理による転動疲労寿命の長寿命化が図られた場合でも、耐圧痕性については不十分になるという問題があった。

本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、材料の入手の容易性を確保しつつ、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な深溝玉軸受およびその検査方法を提供することである。

本発明に従った深溝玉軸受は、軌道輪と玉とを備え、スラスト荷重を受ける、デファレンシャル用またはトランスミッション用の深溝玉軸受である。少なくとも軌道輪は、０．９０質量％以上１．０５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６５質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる焼入硬化された鋼からなる。少なくとも軌道輪に、窒素濃度が０．２５質量％以上であって残留オーステナイト量が６体積％以上１２体積％以下である窒素富化層が形成されており、かつ、当該軌道輪の少なくとも軌道面は、窒素富化層を有している。

上記深溝玉軸受においては、軌道面の硬度は６０．０ＨＲＣ以上であってもよい。上記深溝玉軸受においては、軌道面の硬度は６４．０ＨＲＣ以下であってもよい。

本発明に従った深溝玉軸受の検査方法は、軌道輪と玉とを備え、スラスト荷重を受ける深溝玉軸受の軌道輪の圧痕深さの検査方法である。軌道輪に対応する、０．９０質量％以上１．０５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６５質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる焼入硬化された鋼からなり、少なくとも一部の表面において、窒素濃度が０．２５質量％以上であって残留オーステナイト量が６体積％以上１２体積％以下である窒素富化層を有している平板を準備する工程と、上記平板の上記表面に直径１９．０５ｍｍのＳＵＪ２製標準転がり軸受用鋼球を荷重３．１８ｋＮ、最大接触面圧４．４ＧＰａで押し付け、１０秒間保持した後、除荷する工程を備える。

本発明に従った軸受部品は、０．９０質量％以上１．０５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６５質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる焼入硬化された鋼からなり、他の部品と接触する面である接触面における窒素濃度が０．２５質量％以上であり、接触面における残留オーステナイト量が６体積％以上１２体積％以下である。

本発明者は、世界各国で入手容易なＪＩＳ規格ＳＵＪ２相当材料（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＡＳＴＭ規格５２１００、ＤＩＮ規格１００Ｃｒ６、ＧＢ規格ＧＣｒ５もしくはＧＣｒ１５、およびΓＯＣＴ規格ЩＸ１５）を材料として採用することを前提に、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立するための方策について検討を行なった。その結果、以下のような知見を得て、本発明に想到した。

上記成分組成を採用することにより、世界各国で入手容易な上記各国規格鋼を材料として使用することができる。そして、当該成分組成の鋼の使用を前提として、接触面における窒素濃度が０．２５質量％以上にまで高められ、かつ焼入硬化されることにより、転動疲労寿命を長寿命化することができる。ここで、残留オーステナイト量について特に調整を行なわない場合、接触面における残留オーステナイト量は窒素量との関係から２０〜４０体積％程度となる。しかし、このように残留オーステナイト量が多い状態では、耐圧痕性が低下するという問題が生じる。そして、残留オーステナイト量を１２体積％以下にまで低減することにより、耐圧痕性を向上させることができる。一方、残留オーステナイト量が６体積％未満にまで低下すると、転動疲労寿命、特に軸受内に硬質の異物が侵入する環境（異物混入環境）での転動疲労寿命が低下する。そのため、接触面における残留オーステナイト量は６体積％以上とすることが好ましい。

これに対し、本発明の軸受部品においては、世界各国で入手容易なＪＩＳ規格ＳＵＪ２相当材料を材料として採用しつつ、接触面における窒素濃度が０．２５質量％以上、残留オーステナイト量が６体積％以上１２体積％以下とされている。その結果、本発明の軸受部品によれば、材料の入手の容易性を確保しつつ、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な軸受部品を提供することができる。なお、耐圧痕性を一層向上させる観点から、接触面における残留オーステナイト量を１０％以下としてもよい。また、接触面における窒素濃度が０．５質量％を超えると、鋼中に窒素を侵入させるためのコストが高くなるとともに、残留オーステナイト量を所望の範囲に調整することが難しくなる。そのため、接触面における窒素濃度は０．５質量％以下とすることが好ましく、０．４質量％以下としてもよい。

上記軸受部品においては、接触面の硬度は６０．０ＨＲＣ以上であってもよい。これにより、転動疲労寿命および耐圧痕性を一層向上させることができる。

上記軸受部品においては、接触面の硬度は６４．０ＨＲＣ以下であってもよい。窒素濃度が０．２５質量％以上にまで高められた接触面の硬度を、６４．０ＨＲＣを超える状態を維持した場合、残留オーステナイトを１２体積％以下に調整することが困難となる。接触面の硬度を６４．０ＨＲＣ以下とすることにより、１２体積％以下の範囲に残留オーステナイト量を調整することが容易となる。

本発明に従った転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触して配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上記本発明の軸受部品である。

本発明の転がり軸受は、上記本発明の軸受部品を軌道部材および転動体の少なくともいずれかとして備えている。その結果、本発明の転がり軸受によれば、材料の入手の容易性を確保しつつ、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な転がり軸受を提供することができる。

上記転がり軸受は、デファレンシャルまたはトランスミッション内において回転する回転部材を、当該回転部材に隣接して配置される他の部材に対して回転自在に支持するものであってもよい。

デファレンシャルやトランスミッションにおいて使用される軸受には、転動体と軌道部材との間に高い面圧が負荷される。そのため、このような用途の軸受には、転動疲労寿命の長寿命化のみならず、耐圧痕性の向上が要求される。そのため、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な本発明の転がり軸受は、デファレンシャルやトランスミッションにおいて使用される軸受として好適である。

本発明に従った軸受部品の製造方法は、０．９０質量％以上１．０５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６５質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼を成形することにより成形部材を作製する工程と、成形部材を浸炭窒化処理する工程と、浸炭窒化処理された成形部材を焼入硬化処理する工程と、焼入硬化処理された成形部材を焼戻処理する工程と、焼戻処理された成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面を形成する工程とを備えている。成形部材を浸炭窒化処理する工程では、接触面を形成する工程において接触面の窒素濃度が０．２５質量％以上となるように成形部材が浸炭窒化処理される。そして、成形部材を焼戻処理する工程では、接触面を形成する工程において接触面の残留オーステナイト量が６体積％以上１２体積％以下となるように成形部材が焼戻処理される。

本発明の軸受部品の製造方法によれば、上記本発明の軸受部品を製造することができる。

上記軸受部品の製造方法においては、成形部材を焼戻処理する工程では、成形部材が２４０℃以上３００℃以下の温度域にて焼戻処理されてもよい。これにより、接触面の残留オーステナイト量を６体積％以上１２体積％以下の範囲に調整することが容易となる。また、焼入処理された鋼には炭素が固溶している。この固溶した炭素は接触面付近の材料（鋼）の固溶強化に寄与している。一方、焼入処理された鋼を焼戻処理すると、固溶している炭素の一部が炭化物として析出する。この析出した炭化物は接触面付近の材料（鋼）の析出強化に寄与する。焼戻処理の処理温度が２４０℃未満では、接触面付近の材料の固溶強化は十分であるものの、析出強化が不十分となる。一方、焼戻処理の処理温度が３００℃を超えると、接触面付近の材料の析出強化は十分であるものの、固溶強化が不十分となる。そして、焼戻処理の処理温度を２４０℃以上３００℃以下とすることにより、固溶強化と析出強化のバランスが良好となり、耐圧痕性が向上する。

上記軸受部品の製造方法においては、成形部材を焼入処理する工程では、成形部材が８６０℃以下の温度域から急冷されることにより焼入処理されてもよい。これにより、焼入硬化後における炭素の固溶量と析出量とのバランス、および残留オーステナイト量の焼戻処理での調整が困難になることを抑制することができる。

上記軸受部品の製造方法においては、成形部材を焼入処理する工程では、成形部材が８２０℃以上の温度域から急冷されることにより焼入処理されてもよい。これにより、焼入硬化後における炭素の固溶量と析出量とのバランス、および残留オーステナイト量の焼戻処理での調整が困難になることを抑制することができる。

本発明に従った転がり軸受の製造方法は、軌道部材を準備する工程と、複数の転動体を準備する工程と、複数の転動体を軌道部材に接触するように組み合わせることにより、転がり軸受を組み立てる工程とを備えている。そして、軌道部材を準備する工程および複数の転動体を準備する工程との少なくともいずれか一方は、上記本発明の軸受部品の製造方法を用いて実施される。これにより、上記本発明の転がり軸受を製造することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の深溝玉軸受およびその検査方法によれば、材料の入手の容易性を確保しつつ、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な深溝玉軸受およびその検査方法を提供することができる。

深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図１の要部を拡大して示した概略部分断面図である。スラストころ軸受の構成を示す概略断面図である。図３の軌道輪の概略部分断面図である。図３のころの概略断面図である。転がり軸受の製造方法の概略を示すフローチャートである。マニュアルトランスミッションの構成を示す概略断面図である。デファレンシャルの構成を示す概略断面図である。図８のピニオンギアの配置を示す概略図である。焼戻温度と圧痕深さの関係を示す図である。焼戻温度と硬度との関係を示す図である。真ひずみと真応力との関係を示す図である。図１２の領域αを拡大して示す図である。

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、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１および図２を参照して、実施の形態１における転がり軸受である深溝玉軸受１は、軸受部品である第１軌道部材としての外輪１１と、軸受部品である第２軌道部材としての内輪１２と、軸受部品である複数の転動体としての玉１３と、保持器１４とを備えている。外輪１１には、円環状の第１転走面しての外輪転走面１１Ａが形成されている。内輪１２には、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。また、複数の玉１３には、転動体転走面としての玉転動面１３Ａ（玉１３の表面）が形成されている。外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａは、これらの軸受部品の接触面である。そして、当該玉１３は、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に玉転動面１３Ａにおいて接触し、円環状の保持器１４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１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。

図２を参照して、軸受部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．９０質量％以上１．０５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６５質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる焼入硬化された鋼からなっている。そして、接触面としての外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａを含む領域には、内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃに比べて窒素濃度が高い窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂが、それぞれ形成されている。窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂの表面である接触面としての外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａにおける窒素濃度は０．２５質量％以上となっている。さらに、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａにおける残留オーステナイト量は、６体積％以上１２体積％以下となっている。

本実施の形態における軸受部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、上記ＪＩＳ規格ＳＵＪ２相当鋼の成分組成を有する鋼からなることにより、その素材が世界各国にて入手容易となる。そして、当該成分組成の鋼の使用を前提として、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａにおける窒素濃度が０．２５質量％以上にまで高められ、かつ焼入硬化されていることにより、転動疲労寿命が長寿命化されている。そして、残留オーステナイト量が１２体積％以下にまで低減されることにより、耐圧痕性が向上するとともに、残留オーステナイト量が６体積％以上とされることにより、転動疲労寿命、特に異物混入環境での転動疲労寿命が適切なレベルに維持されている。その結果、外輪１１、内輪１２および玉１３は、材料の入手の容易性を確保しつつ、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な軸受部品となっている。

なお、上記外輪１１、内輪１２および玉１３においては、接触面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａの硬度は６０．０ＨＲＣ以上であることが好ましい。これにより、転動疲労寿命および耐圧痕性を一層向上させることができる。

また、上記外輪１１、内輪１２および玉１３においては、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａの硬度は６４．０ＨＲＣ以下であることが好ましい。これにより、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａにおける残留オーステナイト量を１２体積％以下の範囲に調整することが容易となる。

図３〜図５を参照して、実施の形態１の変形例における転がり軸受であるスラストニードルころ軸受２は、上記深溝玉軸受１と基本的には同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、スラストニードルころ軸受２は、軌道部材および転動体の構成において、深溝玉軸受１とは異なっている。すなわち、スラストニードルころ軸受２は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された軌道部材としての一対の軌道輪２１と、転動体としての複数のニードルころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。複数のニードルころ２３は、ニードルころ２３の外周面であるころ転動接触面２３Ａにおいて、一対の軌道輪２１の互いに対向する一方の主面に形成された軌道輪転走面２１Ａに接触し、かつ保持器２４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、スラストニードルころ軸受２の一対の軌道輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。

そして、スラストニードルころ軸受２の軌道輪２１は、深溝玉軸受の外輪１１および内輪１２に、スラストニードルころ軸受２のニードルころ２３は深溝玉軸受の玉１３にそれぞれ相当し、同様の素材からなるとともに、同様の窒素濃度および残留オーステナイト量の窒素富化層２１Ｂ，２３Ｂ、内部２１Ｃ，２３Ｃ、軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａを有している。これにより、軌道輪２１およびニードルころ２３は、材料の入手の容易性を確保しつつ、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な軸受部品となっている。

次に、本実施の形態における軸受部品および転がり軸受の製造方法について説明する。図６を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として鋼材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＡＳＴＭ規格５２１００、ＤＩＮ規格１００Ｃｒ６、ＧＢ規格ＧＣｒ５もしくはＧＣｒ１５、およびΓＯＣＴ規格ЩＸ１５などのＪＩＳ規格ＳＵＪ２相当鋼からなる鋼材が準備される。具体的には、たとえば上記成分組成を有する棒鋼や鋼線などが準備される。

次に、工程（Ｓ２０）として成形工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、たとえば工程（Ｓ１０）において準備された棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１〜図５に示される外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などの形状に成形された成形部材が作製される。

次に、工程（Ｓ３０）として浸炭窒化工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において作製された成形部材が浸炭窒化処理される。この浸炭窒化処理は、たとえば以下のように実施することができる。まず、上記成形部材が７８０℃以上８２０℃以下程度の温度域で、３０分間以上９０分間以下の時間予熱される。次に、予熱された成形部材が、エンリッチガスとしてのプロパンガスやブタンガスが添加されることによりカーボンポテンシャルが調整されたＲＸガスなどの吸熱型ガスに、さらにアンモニアガスが導入された雰囲気中において加熱されて浸炭窒化処理される。浸炭窒化処理の温度は、たとえば８２０℃以上８８０℃以下とすることができる。また、浸炭窒化処理の時間は、成形部材に形成すべき窒素富化層の窒素濃度に合わせて設定することができ、たとえば３時間以上９時間以下とすることができる。これにより、成形部材の脱炭を抑制しつつ窒素富化層を形成することができる。

次に、工程（Ｓ４０）として焼入工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において浸炭窒化処理されることにより窒素富化層が形成された成形部材が、所定の焼入温度から急冷されることにより焼入処理される。この焼入温度は、８６０℃以下とされることにより、後続の焼戻工程における炭素の固溶量と析出量とのバランス、および残留オーステナイト量の調整が容易となる。また、焼入温度が８２０℃以上とされることにより、後続の焼戻工程における炭素の固溶量と析出量とのバランス、および残留オーステナイト量の調整が容易となる。焼入処理は、たとえば所定の温度に保持された冷却材としての焼入油中に成形部材を浸漬することにより実施することができる。

次に、工程（Ｓ５０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼入処理された成形部材が焼戻処理される。具体的には、たとえば２１０℃以上３００℃以下の温度域に加熱された雰囲気中において成形部材が０．５時間以上３時間以下の時間保持されることにより、焼戻処理が実施される。

次に、工程（Ｓ６０）として仕上げ加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において焼戻処理された成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面が、すなわち深溝玉軸受１の外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ、ならびにスラストニードルころ軸受２の軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａが形成される。仕上げ加工としては、たとえば研削加工を実施することができる。以上の工程により、本実施の形態における軸受部品である外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などが完成する。

さらに、工程（Ｓ７０）として組立工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）において作製された外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３と、別途準備された保持器１４，２４などとが組合わされて、上記実施の形態における深溝玉軸受１やスラストニードルころ軸受２が組立てられる。これにより、本実施の形態における転がり軸受の製造方法が完了する。

ここで、上記工程（Ｓ３０）では、後続の工程（Ｓ６０）における仕上げ加工によって接触面である深溝玉軸受１の外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ、ならびにスラストニードルころ軸受２の軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａの窒素濃度が０．２５質量％以上となるように成形部材が浸炭窒化処理される。つまり、工程（Ｓ６０）での取り代などを考慮して、接触面完成後における表面の窒素濃度を０．２５質量％以上とすることが可能なように窒素量を調整した窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，２１Ｂ，２３Ｂが形成される。

さらに、上記工程（Ｓ５０）では、後続の工程（Ｓ６０）における仕上げ加工によって接触面である深溝玉軸受１の外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ、ならびにスラストニードルころ軸受２の軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａの残留オーステナイト量が６体積％以上１２体積％以下となるように成形部材が焼戻処理される。つまり、工程（Ｓ６０）での取り代などを考慮して、接触面完成後における表面の残留オーステナイト量を６体積％以上１２体積％以下とすることが可能なように、焼戻処理によって残留オーステナイト量が調整される。これにより、上記本実施の形態における軸受部品を製造することができる。

また、工程（Ｓ５０）では、成形部材が２４０℃以上３００℃以下の温度域にて焼戻処理されることが好ましい。これにより、焼入処理によって素地に固溶した炭素が適切な割合で炭化物として析出する。その結果、固溶強化と析出強化との適切なバランスが達成され、軸受部品である外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３の耐圧痕性が向上する。

（実施の形態２）
次に、上記実施の形態１における転がり軸受の用途の一例について説明する。図７を参照して、マニュアルトランスミッション１００は、常時噛合い式のマニュアルトランスミッションであって、入力シャフト１１１と、出力シャフト１１２と、カウンターシャフト１１３と、ギア（歯車）１１４ａ〜１１４ｋと、ハウジング１１５とを備えている。

入力シャフト１１１は、深溝玉軸受１によりハウジング１１５に対して回転可能に支持されている。この入力シャフト１１１の外周にはギア１１４ａが形成され、内周にはギア１１４ｂが形成されている。

一方、出力シャフト１１２は、一方側（図中右側）において深溝玉軸受１によりハウジング１１５に回転可能に支持されているとともに、他方側（図中左側）において転がり軸受１２０Ａにより入力シャフト１１１に回転可能に支持されている。この出力シャフト１１２には、ギア１１４ｃ〜１１４ｇが取り付けられている。

ギア１１４ｃおよびギア１１４ｄはそれぞれ同一部材の外周と内周に形成されている。ギア１１４ｃおよびギア１１４ｄが形成される部材は、転がり軸受１２０Ｂにより出力シャフト１１２に対して回転可能に支持されている。ギア１１４ｅは、出力シャフト１１２と一体に回転するように、かつ出力シャフト１１２の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト１１２に取り付けられている。

また、ギア１１４ｆおよびギア１１４ｇの各々は同一部材の外周に形成されている。ギア１１４ｆおよびギア１１４ｇが形成されている部材は、出力シャフト１１２と一体に回転するように、かつ出力シャフト１１２の軸方向にスライド可能なように、出力シャフト１１２に取り付けられている。ギア１１４ｆおよびギア１１４ｇが形成されている部材が図中左側にスライドした場合には、ギア１１４ｆはギア１１４ｂと噛合い可能であり、図中右側にスライドした場合にはギア１１４ｇとギア１１４ｄとが噛合い可能である。

カウンターシャフト１１３には、ギア１１４ｈ〜１１４ｋが形成されている。カウンターシャフト１１３とハウジング１１５との間には、２つのスラストニードルころ軸受２が配置され、これによってカウンターシャフト１１３の軸方向の荷重（スラスト荷重）が支持されている。ギア１１４ｈは、ギア１１４ａと常時噛合っており、かつギア１１４ｉはギア１１４ｃと常時噛合っている。また、ギア１１４ｊは、ギア１１４ｅが図中左側にスライドした場合に、ギア１１４ｅと噛合い可能である。さらに、ギア１１４ｋは、ギア１１４ｅが図中右側にスライドした場合に、ギア１１４ｅと噛合い可能である。

次に、マニュアルトランスミッション１００の変速動作について説明する。マニュアルトランスミッション１００においては、入力シャフト１１１に形成されたギア１１４ａと、カウンターシャフト１１３に形成されたギア１１４ｈとの噛み合わせによって、入力シャフト１１１の回転がカウンターシャフト１１３へ伝達される。そして、カウンターシャフト１１３に形成されたギア１１４ｉ〜１１４ｋと出力シャフト１１２に取り付けられたギア１１４ｃ、１１４ｅとの噛み合わせ等によって、カウンターシャフト１１３の回転が出力シャフト１１２へ伝達される。これにより、入力シャフト１１１の回転が出力シャフト１１２へ伝達される。

入力シャフト１１１の回転が出力シャフト１１２へ伝達される際には、入力シャフト１１１およびカウンターシャフト１１３の間で噛合うギアと、カウンターシャフト１１３および出力シャフト１１２の間で噛合うギアとを変えることによって、入力シャフト１１１の回転速度に対して出力シャフト１１２の回転速度を段階的に変化させることができる。また、カウンターシャフト１１３を介さずに入力シャフト１１１のギア１１４ｂと出力シャフト１１２のギア１１４ｆとを直接噛合わせることによって、入力シャフト１１１の回転を出力シャフト１１２へ直接伝達することもできる。

以下に、マニュアルトランスミッション１００の変速動作をより具体的に説明する。ギア１１４ｆがギア１１４ｂと噛合わず、ギア１１４ｇがギア１１４ｄと噛合わず、かつギア１１４ｅがギア１１４ｊと噛合う場合には、入力シャフト１１１の駆動力は、ギア１１４ａ、ギア１１４ｈ、ギア１１４ｊおよびギア１１４ｅを介して出力シャフト１１２に伝達される。これが、たとえば第１速とされる。

ギア１１４ｇがギア１１４ｄと噛合い、ギア１１４ｅがギア１１４ｊと噛合わない場合には、入力シャフト１１１の駆動力は、ギア１１４ａ、ギア１１４ｈ、ギア１１４ｉ、ギア１１４ｃ、ギア１１４ｄおよびギア１１４ｇを介して出力シャフト１１２に伝達される。これが、たとえば第２速とされる。

ギア１１４ｆがギア１１４ｂと噛合い、ギア１１４ｅがギア１１４ｊと噛合わない場合には、入力シャフト１１１はギア１１４ｂおよびギア１１４ｆとの噛合いにより出力シャフト１１２に直結され、入力シャフト１１１の駆動力は直接出力シャフト１１２に伝達される。これが、たとえば第３速とされる。

上述のように、マニュアルトランスミッション１００は、回転部材としての入力シャフト１１１および出力シャフト１１２をこれに隣接して配置されるハウジング１１５に対して回転可能に支持するために、深溝玉軸受１を備えている。また、マニュアルトランスミッション１００は、回転部材であるカウンターシャフト１１３をこれに隣接して配置されるハウジング１１５に対して回転可能に支持するために、スラストニードルころ軸受２を備えている。このように、上記実施の形態１における深溝玉軸受１およびスラストニードルころ軸受２は、マニュアルトランスミッション１００内において使用することができる。そして、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な深溝玉軸受１およびスラストニードルころ軸受２は、転動体と軌道部材との間に高い面圧が付与されるマニュアルトランスミッション１００内での使用に好適である。

（実施の形態３）
次に、上記実施の形態１における転がり軸受の用途の他の一例について説明する。図８および図９を参照して、デファレンシャル２００は、デフケース２０１と、ピニオンギア２０２ａおよび２０２ｂと、サンギア２０３と、ピニオンキャリア２０４と、アーマチュア２０５と、パイロットクラッチ２０６と、電磁石２０７と、ロータークラッチ（デフケース）２０８と、カム２０９を備えている。

デフケース２０１の内周に設けられた内歯２０１ａと４つのピニオンギア２０２ａの各々とが互いに噛みあっており、４つのピニオンギア２０２ａの各々と４つのピニオンギア２０２ｂの各々とが互いに噛み合っており、４つのピニオンギア２０２ｂの各々とサンギア２０３とが互いに噛み合っている。サンギア２０３は第１の駆動軸としての左駆動軸２２０の端部に接続されており、これによりサンギア２０３と左駆動軸２２０とは一体となって自転することができる。また、ピニオンギア２０２ａの回転軸２０２ｃの各々と、ピニオンギア２０２ｂの回転軸２０２ｄとの各々が、ともにピニオンキャリア２０４によって自転可能に保持されている。ピニオンキャリア２０４は第２の駆動軸としての右駆動軸２２１の端部に接続されており、これによりピニオンキャリア２０４と右駆動軸２２１とは一体となって自転することができる。

また、電磁石２０７、パイロットクラッチ２０６、ロータークラッチ（デフケース）２０８、アーマチュア２０５、およびカム２０９によって電磁クラッチが構成されている。

デフケース２０１の外歯２０１ｂは図示しないリングギアの歯車と噛み合っており、デフケース２０１はリングギアからの動力を受けて自転する。左駆動軸２２０および右駆動軸２２１の間に差動がない場合には、ピニオンギア２０２ａおよび２０２ｂは自転せず、デフケース２０１、ピニオンキャリア２０４、およびサンギア２０３の３つの部材が一体となって回転する。つまり、リングギアから左駆動軸２２０へは、矢印Ｂで示されるように動力が伝達され、リングギアから右駆動軸２２１へは、矢印Ａで示されるように動力が伝達される。

一方、左駆動軸２２０および右駆動軸２２１のうちいずれか一方、たとえば左駆動軸２２０に抵抗が加わる場合には、左駆動軸２２０と接続したサンギア２０３に抵抗が加わり、ピニオンギア２０２ａおよび２０２ｂの各々が自転する。そして、ピニオンギア２０２ａおよび２０２ｂの回転によってピニオンキャリア２０４の自転が速められ、左駆動軸２２０と右駆動軸２２１との間に差動が発生する。

また、電磁クラッチは、左駆動軸２２０と右駆動軸２２１との間に一定以上の差動が生じると通電し、電磁石２０７によって磁界が発生される。パイロットクラッチ２０６およびアーマチュア２０５は、磁気誘導作用により電磁石２０７に引き付けられて摩擦トルクを発生する。摩擦トルクはカム２０９によりスラスト方向に変換される。そして、スラスト方向に変換された摩擦トルクにより、ピニオンキャリア２０４を介してメーンクラッチがデフケース２０８に押し付けられ、これにより差動制限トルクが発生する。スラストニードルころ軸受２はカム２０９で生じたスラスト方向の反力を受け、この反力をデフケース２０８に伝達する。その結果、摩擦トルクに比例したカム２０９による倍のスラスト力が発生される。このように、電磁石２０７は、パイロットクラッチ２０６のみを制御し、そのトルクを倍力機構により増幅することができ、また任意に摩擦トルクをコントロールすることができる。

ここで、カム２０９とデフケース２０８との間には、実施の形態１におけるスラストニードルころ軸受２が配置されている。また、デフケース２０８とデフケース２０８の外周側に配置される部材との間には、実施の形態１における深溝玉軸受１が配置されている。このように、上記実施の形態１における深溝玉軸受１およびスラストニードルころ軸受２は、デファレンシャル２００内において使用することができる。そして、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが可能な深溝玉軸受１およびスラストニードルころ軸受２は、転動体と軌道部材との間に高い面圧が付与されるデファレンシャル２００内での使用に好適である。

軸受部品の特性に及ぼす熱処理条件等の影響を調査する実験を行なった。まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる平板を準備し、８００℃で１時間予熱した後、ＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気中において８５０℃に加熱し、４時間保持することにより浸炭窒化処理した。その後、浸炭窒化処理における加熱温度である８５０℃から、そのまま上記平板を焼入油中に浸漬することにより焼入硬化させた。さらに、当該平板に対して種々の温度で焼戻処理を施した。得られた平板に対して直径１９．０５ｍｍのＳＵＪ２製標準転がり軸受用鋼球を荷重３．１８ｋＮ（最大接触面圧４．４ＧＰａ）で押し付け、１０秒間保持した後、除荷した。そして、この鋼球の押し付けによって平板に形成された圧痕の深さを測定することにより、耐圧痕性を調査した。また、同じ試験片について、ロックウェル硬度計にて表面硬度を測定した。耐圧痕性の調査結果を図１０に、硬度の測定結果を図１１に示す。

図１０および図１１を参照して、焼戻温度が高くなるにつれて表面硬度が低下する一方で、圧痕深さは極小値を有している。具体的には、焼戻温度を２４０℃以上３００℃以下とすることにより、圧痕深さが０．２μｍ以下となっている。このことから、耐圧痕性を向上させる観点からは、焼戻温度は２４０℃以上３００℃以下とすることが好ましいといえる。

ここで、上記焼戻温度の最適値は、以下のようにして決定されているものと考えられる。焼入処理を行なうと、鋼の素地には炭素が固溶した状態となる。一方、焼戻処理を行なうと、素地中に固溶した炭素の一部が炭化物（たとえばＦｅ_３Ｃ）として析出する。このとき、焼戻処理の温度が高くなるほど鋼の降伏強度に対する固溶強化の寄与が低下するとともに、析出強化の寄与が大きくなる。そして、２４０℃以上３００℃以下の温度域で焼戻処理を実施することにより、これらの強化機構のバランスが最適となり、降伏強度が極大値をとるため、耐圧痕性が特に高くなる。

また、上記圧痕深さの測定の場合と同様に圧痕を押し付けることによる鋼の変形に基づいて測定される表面硬度が単調減少するにもかかわらず、耐圧痕性が極大値をとる理由は以下の通りであると考えられる。

図１２は、上記平板に対する熱処理において浸炭窒化処理のみを省略した処理を施した引張試験片（ＪＩＳＺ２２０１４号試験片）の各焼戻温度における真応力と真ひずみとの関係を示す図である。図１２は、ｎ乗硬化弾塑性体でモデル化した真応力−真ひずみ線図である。σ_Ｙ降伏応力を境目に次式の通り特性が異なる。

ここで、σは真応力、Ｅはヤング率、εは真ひずみ、Ｋは塑性係数、ｎは加工硬化指数、σ_Ｙは降伏応力である。ただし、ヤング率Ｅは共振法で実測し、加工効果指数ｎおよび組成係数Ｋは、引張試験により実測した。そして、これらを上記２式に代入し、交点をσ_Ｙとした。

ここで、圧痕深さの測定における真ひずみの水準は、図１２における領域αに相当するのに対し、硬度測定における真ひずみの水準は、図１２における領域β以上に相当する。そして、図１３を参照して、圧痕深さの測定領域に対応する領域αにおける降伏点を確認すると、焼戻温度が２４０℃〜３００℃の範囲において降伏点が高くなっており、これよりも低温の場合、降伏点が低下している。一方、図１２を参照して、表面硬度の測定領域に対応する領域βでは、同じひずみ量を与えようとすると、焼戻温度が低くなるにつれて、より大きな応力が必要となることが分かる。このような現象に起因して、焼戻温度が１８０℃〜２２０℃の場合に比べて硬度が低下するにもかかわらず、焼戻温度を２４０℃〜３００℃とすることにより、耐圧痕性が向上するものと考えられる。

また、焼戻温度のほか、表面窒素濃度および焼入温度を変化させた条件で熱処理した試験片について、表面の残留オーステナイト量、圧痕深さ、寿命、リング圧砕強度、経年変化率を調査した。

ここで、圧痕深さは、上記の場合と同様に測定した。圧痕深さが０．２μｍ未満の場合をＢ、０．２〜０．４μｍの場合をＣ、０．４μｍ以上の場合をＤと評価した。寿命は、圧痕深さの測定の場合と同様の条件にて軌道面に圧痕を形成した後、清浄油潤滑のもとで油膜パラメータが０．５となる条件で、軸受がトランスミッションに使用される場合の荷重条件を模擬して実施した。そして、焼入温度８５０℃、焼戻温度２４０℃、表面窒素量０．４質量％の試験片の寿命を基準（Ｂ）として、基準寿命よりも長い場合をＡ、短い場合をＣ、著しく短い場合をＤと評価した。リング圧砕強度は、外径６０ｍｍ、内径５４ｍｍ、幅１５のリングを作製し、これを径方向に平板にて圧縮し亀裂が発生した荷重を調査することにより評価した。亀裂発生時の荷重が５０００ｋｇｆ以上の場合をＡ、３５００〜５０００ｋｇｆの場合をＢ、３５００ｋｇｆ未満の場合をＤと評価した。また、経年変化率は、試験片を２３０℃で２時間保持し、当該熱処理前からの外径寸法変化量を測定することにより評価した。変化量が１０．０×１０^５以下の場合をＡ、１０．０×１０^５〜３０．０×１０^５の場合をＢ、３０．０×１０^５〜９０．０×１０^５の場合をＣ、９０．０×１０^５以上の場合をＤと評価した。試験結果を表１に示す。

表１を参照して、表面窒素濃度が０．２５〜０．５質量％、焼入温度が８２０〜８６０℃、焼戻温度が２４０〜３００℃の条件をすべて満たす試験片において、上記全ての項目において優れた評価が得られている。

なお、上記実施の形態においては、本発明の軸受部品を含む転がり軸受の一例として深溝玉軸受およびスラストニードルころ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、円すいころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、タンデム型アンギュラ玉軸受など、種々の形式の転がり軸受に本発明の軸受部品を適用可能である。また、本発明の転がり軸受の用途として、トランスミッションおよびデファレンシャルを例示したが、本発明の転がり軸受の用途はこれに限られず、種々の機械に適用可能であり、高い荷重が負荷されることにより耐圧痕性が求められる用途に特に好適である。

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。

本発明の軸受部品、転がり軸受およびこれらの製造方法は、耐圧痕性と転動疲労寿命とを高いレベルで両立することが求められる軸受部品、転がり軸受およびこれらの製造方法に、特に有利に適用され得る。

１深溝玉軸受、２スラストニードルころ軸受、１１外輪、１１Ａ外輪転走面、１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，２１Ｂ，２３Ｂ窒素富化層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ，２１Ｃ，２３Ｃ内部、１２内輪、１２Ａ内輪転走面、１３玉、１３Ａ玉転動面、１４，２４保持器、２１軌道輪、２１Ａ軌道輪転走面、２３ニードルころ、２３Ａころ転動接触面、１００マニュアルトランスミッション、１１１入力シャフト、１１２出力シャフト、１１３カウンターシャフト、１１４ａ〜ｋギア、１１５ハウジング、１２０Ａ，１２０Ｂ転がり軸受、２００デファレンシャル、２０１デフケース、２０１ａ内歯、２０１ｂ外歯、２０２ａ〜ｂピニオンギア、２０２ｃ〜ｄ回転軸、２０３サンギア、２０４ピニオンキャリア、２０５アーマチュア、２０６パイロットクラッチ、２０７電磁石、２０８デフケース、２０９カム、２２０左駆動軸、２２１右駆動軸。

Claims

軌道輪と玉とを備え、スラスト荷重を受ける深溝玉軸受であって、
少なくとも前記軌道輪が、０．９０質量％以上１．０５質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．０１質量％以上０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６５質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる焼入硬化された鋼からなり、
少なくとも前記軌道輪に、窒素濃度が０．２５質量％以上０．５０質量％以下であって残留オーステナイト量が６体積％以上１０体積％以下である窒素富化層が形成されており、かつ、前記軌道輪の少なくとも軌道面は、前記窒素富化層を有している、デファレンシャル用またはトランスミッション用の深溝玉軸受。
前記軌道面の硬度は６０．０ＨＲＣ以上である、請求項１に記載の深溝玉軸受。
前記軌道面の硬度は６４．０ＨＲＣ以下である、請求項１または２に記載の深溝玉軸受。