JP7212100B2 - 転がり軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、転がり軸受に関する。
従来から、転がり軸受の軌道部材、転動体等の転動部材は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に規定されている高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２、ＳＵＪ３等）により形成されてきた。また、転動部材の表面における耐久性を改善するために、転動部材の表面に対する浸窒処理が従来から行われてきた。
近年、転がり軸受の使用環境は、さらに過酷になってきている。そのため、転動部材をＳＵＪ２、ＳＵＪ３等の一般的な鋼材で形成し、その表層部に浸窒処理を施すだけでは、十分な耐久性が得られないことがある。
特許文献１（特許第３８７３４１６号公報）及び特許文献２（特許第５３７２３１６号公報）に記載の転がり軸受においては、転動部材をシリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）の添加量が多い鋼材で形成することにより、滑り接触を伴う環境下及び潤滑油が枯渇する環境下での耐摩耗性及び耐焼き付き性の改善が図られている。
特許文献３（特開２０００－２８２１７８号公報）に記載の転がり軸受においては、転動部材に用いられる鋼材にクロム（Ｃｒ）を多く添加して表面に不動態膜を形成することにより、鋼中に水素が侵入することを抑制している。
特許第３８７３４１６号公報 特許第５３７２３１６号公報 特開２０００－２８２１７８号公報
しかしながら、近年の転動部材の耐久性向上への要求を考慮すると、特許文献１～特許文献３に記載の転がり軸受では、用途によっては転動部材の耐久性が不十分となることがある。
例えば、特許文献３に記載の転がり軸受においては、クロムが鋼材に添加されることにより、鋼中の炭化物が粗大化することがある。粗大化した炭化物は、応力集中源となり、早期剥離の起点となることがある。
また、不動態膜は水素の鋼中への拡散を抑制する効果があるが、水素の吸着を促進する効果も併せ持つ。特許文献３に記載の転がり軸受が間欠的に使用されるものである場合、停止時に水素が散逸するため、鋼中への水素の侵入を不動態膜により遅らせることは、早期剥離の防止に有効である。しかしながら、特許文献３に記載の転がり軸受が連続的に使用されるものである場合、不動態膜に多くの水素が吸着され、鋼中に侵入する水素の量が増加する結果、早期剥離が生じやすくなる。特に、軌道部材と転動体との接触部において油膜切れが発生すると、当該接触部において摩耗が促進される結果、鋼中に侵入する水素量が増加するため、水素脆性に起因した早期剥離が生じやすくなる。
今後、無人で連続稼働される転がり軸受が増加すると予想されているが、そのような用途に対しては、特許文献３に記載の転がり軸受を含む従来の転がり軸受では、耐久性が不十分となる。
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、より長寿命化が可能な転がり軸受を提供するものである。
本発明の一態様に係る転がり軸受は、複数の玉と、２つの軌道部材とを備える。玉及び軌道部材は、接触面を有している。玉及び軌道部材のうちの少なくともいずれかは、接触面からの深さが２０μｍまでの領域に表層部が形成されている。玉及び軌道部材のうちの接触面に表層部が形成されている部材は、焼き入れが行われた鋼製である。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなる。表層部中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下である。軌道部材の接触面である軌道面は、転がり軸受の中心軸を通り、かつ中心軸に平行な断面視において部分円弧になっている。部分円弧の直径は、玉の直径の１．０１倍以上１．０８倍以下である。
上記転がり軸受では、鋼は、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなっていてもよい。表層部中における窒素の含有量は、０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下であってもよい。
上記転がり軸受では、表層部が形成されている接触面に直交している断面視において、表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ２あたり合計して６０個以上存在し、かつ、表層部での析出物の面積率の合計が１パーセント以上１０パーセント以下であってもよい。表層部が形成されている接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率は、２０パーセント以上４０パーセント以下であってもよい。表層部が形成されている接触面からの深さが５０μｍの位置での硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下であってもよい。
上記転がり軸受では、表層部が形成されている接触面に直交している断面視において、表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ２あたり合計して８０個以上存在し、かつ、表層部での析出物の面積率の合計が２パーセント以上７パーセント以下であってもよい。表層部が形成されている接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率は、２５パーセント以上３５パーセント以下であってもよい。表層部が形成されている接触面からの深さが５０μｍの位置での硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下であってもよい。
本発明の他の態様に係る転がり軸受は、複数の玉と、２つの軌道部材とを備える。玉及び軌道部材は接触面を有している。玉及び軌道部材のうちの少なくともいずれかは、接触面からの深さが２０μｍまでの領域に表層部が形成されている。玉及び軌道部材のうちの接触面に表層部が形成されている部材は、焼き入れが行われた鋼製である。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなる。表層部中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下である。軌道部材は、内輪及び外輪である。内輪の外径及び外輪の内径は、それぞれ、玉のピッチ円直径から玉の直径を減じた値以上及び玉のピッチ円直径に玉の直径を加えた値以下である。外輪の肉厚は、外輪に加わる引張応力が７００ＭＰａ以下となるように設定されている。内輪の接触面である第１軌道面と玉の接触面である転動面との合成粗さ及び外輪の接触面である第２軌道面と転動面との合成粗さの少なくともいずれかは、０．０５μｍ以上である。玉の第１軌道面及び第２軌道面との接触角は、３０°未満である。
上記転がり軸受は、車両のトランスミッション用、車両の補機用又は車両のモータ用であってもよい。
本発明の一態様に係る転がり軸受及び本発明の他の態様に係る転がり軸受によると、長寿命化が可能となる。
転がり軸受１００の断面図である。 転がり軸受１００の製造方法を示す工程図である。 サンプル１の内輪及び外輪の表層部における炭素及び窒素の含有量の分布を示すグラフである。 サンプル２の内輪及び外輪の表層部における炭素及び窒素の含有量の分布を示すグラフである。 サンプル１の内輪及び外輪の表層部における代表的な断面ＦＥ－ＳＥＭ画像である。 サンプル２の内輪及び外輪の表層部における代表的な断面ＦＥ－ＳＥＭ画像である。 転動疲労寿命試験結果を示すグラフである。 転がり軸受１００Ａの断面図である。
本発明の実施形態の詳細を、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。
（第１実施形態に係る転がり軸受の構成）
以下に、第１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。転がり軸受１００は、例えば、単式平面座スラスト玉軸受である。但し、転がり軸受１００は、これに限られるものではない。転がり軸受１００は、例えば、車両のトランスミッション用、車両の補機用又は車両のモータ用である。
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、中心軸Ａを有している。図１には、中心軸Ａを通り、かつ中心軸Ａに平行な断面における転がり軸受１００の断面が示されている。転がり軸受１００は、軌道部材（軌道輪又は軌道盤）と、転動体とを有している。転がり軸受１００において、軌道部材は内輪（軸軌道盤）１０及び外輪（ハウジング軌道盤）２０であり、転動体は玉３０である。転がり軸受１００は、保持器４０をさらに有している。
内輪１０は、環状（リング状）の形状を有している。内輪１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。
第１面１０ａ及び第２面１０ｂは、中心軸Ａに沿う方向（以下「軸方向」とする）における端面を構成している。第２面１０ｂは、第１面１０ａの軸方向における反対面になっている。第１面１０ａは、軌道面１０ａａを有している。第１面１０ａは、軌道面１０ａａにおいて第２面１０ｂ側に窪んでいる。断面視において、軌道面１０ａａは部分円弧になっている。この部分円弧の直径は、玉３０の直径の１．０１倍以上１．０８倍以下である。軌道面１０ａａは、玉３０に接触する面であり、内輪１０の接触面を構成している。
内周面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている面である。内周面１０ｃは、軸方向における一方端で第１面１０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面１０ｂに連なっている。
外周面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている面である。このことを別の観点から言えば、外周面１０ｄは、中心軸Ａに直交している方向（以下「径方向」という）における内周面１０ｃの反対面になっている。外周面１０ｄは、軸方向における一方端で第１面１０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面１０ｂに連なっている。
外輪２０は、リング状の形状を有している。外輪２０は、第１面２０ａと、第２面２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有している。
第１面２０ａ及び第２面２０ｂは、軸方向における端面を構成している。外輪２０は、第１面２０ａが第１面１０ａに対向するように配置されている。第２面２０ｂは、第１面２０ａの軸方向における反対面になっている。第１面２０ａは、軌道面２０ａａを有している。第１面２０ａは、軌道面２０ａａにおいて第２面２０ｂ側に窪んでいる。断面視において、軌道面２０ａａは、部分円弧になっている。この部分円弧の直径は、玉３０の直径の１．０１倍以上１．０８倍以下である。軌道面２０ａａは、玉３０に接触する面であり、外輪２０の接触面を構成している。
内周面２０ｃは、中心軸Ａ側を向いている面である。内周面２０ｃは、軸方向における一方端で第１面２０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面２０ｂに連なっている。
外周面２０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている面である。すなわち、外周面２０ｄは、径方向における内周面２０ｃの反対面になっている。外周面２０ｄは、軸方向における一方端で第１面２０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面２０ｂに連なっている。
玉３０は、球状の形状を有している。玉３０の数は、複数である。玉３０は、第１面１０ａと第１面２０ａとの間に配置されている。より具体的には、玉３０は、軌道面１０ａａと軌道面２０ａａとの間に配置されている。玉３０は、その表面において、軌道面１０ａａ及び軌道面２０ａａと接触する。すなわち、玉３０の表面は、接触面（転動面）である。
保持器４０は、玉３０を保持している。保持器４０は、中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向（以下「周方向」とする）において隣り合う２つの玉３０の間隔が一定範囲となるように、玉３０を保持している。
＜軌道部材及び転動体に用いられる鋼＞
内輪１０、外輪２０及び玉３０は、表１に示される組成（以下「第１組成」とする）の鋼により形成されている。内輪１０、外輪２０及び玉３０は、表２に示される組成（以下「第２組成」とする）の鋼により形成されていてもよい。内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼には、焼き入れが行われている。なお、内輪１０、外輪２０及び玉３０の少なくともいずれかが、第１組成（第２組成）の鋼により形成されていればよい。
Figure 0007212100000001
Figure 0007212100000002
炭素（Ｃ）は、焼き入れ後における接触面（軌道面１０ａａ、軌道面２０ａａ及び玉３０の表面）の硬さに影響を与える。鋼中の炭素の含有量が０．７０質量パーセント未満である場合、接触面において十分な硬さを確保することが困難である。また、鋼中の炭素の含有量が０．７０質量パーセント未満である場合、浸炭処理等により表面における炭素含有量を補う必要があり、生産効率の低下及び製造コスト増加の要因となる。鋼中の炭素の含有量が１．１０質量パーセントを超える場合、焼き入れ時の割れ（焼き割れ）が発生するおそれがある。そのため、第１組成の鋼では、炭素の含有量が０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下とされている。
シリコンは、鋼の精錬時の脱酸及び浸窒処理前の加工性確保のために加えられている。鋼中のシリコンの含有量が０．１５質量パーセント未満である場合、焼き戻し軟化抵抗が不十分となる。その結果、焼き入れ後の焼き戻し又は転がり軸受１００の使用時の温度上昇により、接触面の硬さが低下するおそれがある。鋼中のシリコンの含有量が０．３５質量パーセントを超える場合、鋼が硬くなり過ぎ、内輪１０（外輪２０、玉３０）を加工する際に用いられる切削工具の工具寿命が短くなるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストが上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、シリコンの含有量が０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下とされている。
マンガンは、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保するために加えられている。鋼中のマンガンの含有量が０．３０質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のマンガンの含有量が０．６０質量パーセントを超える場合、鋼が硬くなり過ぎ、内輪１０（外輪２０、玉３０）を加工する際に用いられる切削工具の工具寿命が短くなるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストが上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、マンガンの含有量が０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下とされている。
クロムは、鋼の焼き入れ性の確保及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させることによる硬さの確保のために加えられている。鋼中のクロムの含有量が１．３０質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のクロムの含有量が１．６０質量パーセントを超える場合、析出物が粗大化され、疲労破壊の起点となるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストが上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、クロムの含有量が１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下とされている。
モリブデンは、鋼の焼き入れ性の確保及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させることによる硬さの確保のために加えられている。なお、モリブデンは、炭素に対して強い親和性があるため、浸窒処理の際に鋼中に未固溶炭化物として析出している。このモリブデンの未固溶炭化物が焼き入れ時に析出核となるため、モリブデンは、焼き入れ後の析出物の量を増加させる。
鋼中のモリブデンの含有量が０．０１質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のモリブデンの含有量が０．５０質量パーセントを超える場合、析出物が粗大化され、疲労破壊の起点となるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストも上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、モリブデンの含有量が０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下とされている。
バナジウムは、鋼の焼き入れ性の確保及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させることによる硬さの確保のために加えられている。鋼中のバナジウムの含有量が０．０１質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のバナジウムの含有量が０．５０質量パーセントを超える場合、析出物が粗大化され、疲労破壊の起点となるおそれがある。この場合、鋼の材料コストも上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、バナジウムの含有量が０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下とされている。
＜表層部５０＞
図１に示されるように、内輪１０、外輪２０及び玉３０は、それらの表面において、表層部５０を有している。表層部５０は、内輪１０、外輪２０及び玉３０の表面から深さが２０μｍまでの領域である。なお、表層部５０は、少なくとも内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面に形成されていればよい。また、表層部５０は、内輪１０、外輪２０及び玉３０の少なくともいずれかに形成されていればよい。
表層部５０は、浸窒処理により形成される部分である。表層部５０中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下である。表層部５０中における窒素の含有量が０．２質量パーセント未満である場合、接触面の耐久性を確保することが困難である。表層部５０中における窒素の含有量が０．８質量パーセントを超える場合、浸窒処理に要する時間が長くなり、製造コストが増加する。そのため、表層部５０中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下とされている。表層部５０中における窒素の含有量は、０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下であることが好ましい。
表層部５０における窒素の含有量は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）により測定される。
接触面に直交している断面視において、表層部５０中には、粒径が０．５μｍ以下の析出物が１００μｍ２あたり合計して６０個以上存在していることが好ましい。接触面に直交している断面視において、表層部５０中には、粒径が０．５μｍ以下の析出物が１００μｍ２あたり合計して８０個以上存在していることがさらに好ましい。
また、接触面に直交している断面視において、表層部５０中における析出物の面積率の合計は、１パーセント以上１０パーセント以下であることが好ましい。接触面に直交している断面視において、表層部５０中における析出物の面積率の合計は、２パーセント以上７パーセント以下であることがさらに好ましい。
表層部５０中の析出物は、例えば、炭窒化物及び窒化物である。炭窒化物には、鉄の炭化物、鉄の炭化物中の炭素が窒素に置換されたもの及び鉄の炭化物中の鉄が鉄以外の合金元素に置換されたものが含まれる。また、窒化物は、鉄の窒化物である。表層部５０中の析出物は、鋼中に含まれる合金元素の炭化物、炭窒化物又は窒化物であってもよい。
析出物の面積率は、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：Field Emission Scanning Electron Microscope）を用いて倍率５０００倍で表層部５０の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。なお、表層部５０の断面画像は、３視野以上で取得され、面積率は、それら複数の断面画像の平均値とされる。
各々の析出物の粒径は、上記と同様の方法を用いて各々の析出物の面積を取得するとともに、当該面積をπで除した値の平方根に２を乗じることにより得られる。
＜鋼中の残留オーステナイト量＞
内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼中の残留オーステナイトの体積率は、接触面からの深さが５０μｍの位置において、２０パーセント以上４０パーセント以下であることが好ましい。これにより、接触面の耐久性（特に、異物混入環境下における接触面の耐久性）を改善することができる。なお、残留オーステナイトの体積率が２５パーセント未満である場合、接触面の耐久性が不足するおそれがある。また、残留オーステナイトの体積率が３５パーセントを超える場合、残留オーステナイトの分解に伴う経年変化が懸念される。
内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼中の残留オーステナイトの体積比は、接触面からの深さが５０μｍの位置において、２５パーセント以上３５パーセント以下であることがさらに好ましい。
接触面からの深さが５０μｍの位置における鋼中の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、接触面からの深さが５０μｍの位置における鋼中の残留オーステナイト量は、株式会社リガク製のＭＳＦ－３Ｍを用いて測定される。
＜接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さ＞
内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下であることが好ましい。接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さが６５３Ｈｖ未満である場合、接触面の耐久性が不足するおそれがある。他方で、接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さが８００Ｈｖを超える場合、延性及び靱性が低下し、早期損傷が生じるおそれがある。
内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９）に規定されているビッカース硬さ試験法により測定される。また、測定時の荷重は、３００ｇｆとされる。
＜表層部５０中のマルテンサイトブロック＞
表層部５０の鋼は、マルテンサイトブロック粒を有している。隣り合う２つのマルテンサイトブロック粒は、粒界において、結晶方位の差が１５°以上になっている。このことを別の観点から言えば、結晶方位にずれがある箇所が存在していても、結晶方位の差が１５°未満である場合、当該箇所は、マルテンサイトブロック粒の結晶粒界とは見做されない。マルテンサイトブロック粒の粒界は、ＥＢＳＤ（Electron Back Scattered Diffraction）法により決定される。
表層部５０の鋼中において、比較面積率が３０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、２．０μｍ以下である。表層部５０の鋼中において、比較面積率が５０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、１．５μｍ以下であることが好ましい。
比較面積率が３０パーセント（５０パーセント）でのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、以下の方法により測定される。第１に、表層部５０を含む内輪１０の断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒が特定される。この観察視野は、５０μｍ×３５μｍの領域とされる。第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積が解析される。
第３に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の合計面積の３０パーセント（５０パーセント）に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロック粒の各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、マルテンサイトブロック粒の面積をπ／４で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロック粒の円相当径の平均値が、比較面積率が３０パーセント（５０パーセント）でのマルテンサイトブロック粒の平均粒径と見做される。
（第１実施形態に係る転がり軸受の製造方法）
以下に、転がり軸受１００の製造方法を説明する。
図２は、転がり軸受１００の製造方法を示す工程図である。図２に示されるように、転がり軸受１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、熱処理工程Ｓ２と、仕上げ工程Ｓ３と、組み立て工程Ｓ４とを有している。熱処理工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。仕上げ工程Ｓ３は、熱処理工程Ｓ２の後に行われる。組み立て工程Ｓ４は、仕上げ工程Ｓ３の後に行われる。
準備工程Ｓ１においては、熱処理工程Ｓ２及び仕上げ工程Ｓ３に供される加工対象部材が準備される。この加工対象部材としては、内輪１０及び外輪２０を形成しようとする場合はリング状の部材が準備され、玉３０を形成しようとする場合は球状の部材が準備される。この加工対象部材は、第１組成又は第２組成の鋼により形成されている。
熱処理工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と、冷却工程Ｓ２２と、焼き戻し工程Ｓ２３とを有している。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材が、Ａ１変態点以上の温度に所定時間保持される。また、加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材に対する浸窒処理も行われる。この浸窒処理は、窒素源となるガス（例えばアンモニアガス）を含む雰囲気ガス中において、上記の加熱保持を行うことにより実施される。
冷却工程Ｓ２２は、加熱工程Ｓ２１の後に行われる。冷却工程Ｓ２２においては、加工対象部材が、Ｍｓ変態点以下の温度まで冷却される。この冷却は、例えば、油冷により行われる。焼き戻し工程Ｓ２３は、冷却工程Ｓ２２の後に行われる。焼き戻し工程Ｓ２３においては、加工対象部材が、Ａ１変態点未満の温度に所定時間保持される。
仕上げ工程Ｓ３においては、加工対象部材に対する仕上げ加工（研削・研磨）及び洗浄が行われる。これにより、内輪１０、外輪２０及び玉３０が準備される。組み立て工程Ｓ４においては、内輪１０、外輪２０及び玉３０が、保持器４０とともに組み立てられる。以上により、図１に示される構造の転がり軸受１００が製造される。
（第１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。
転がり軸受１００においては、内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面に浸窒処理が行われた表層部５０が形成されているため、接触面（及びその直下）において、亀裂等の損傷が発生しがたい。また、転がり軸受１００においては、内輪１０、外輪２０及び玉３０が第１組成又は第２組成の鋼で形成されているため、表層部５０中に微細な析出物が析出すること等により、接触面（及びその直下）における硬さを確保することができるとともに、それらの析出物が応力集中源となる（亀裂発生の起点となる）ことを抑制することができる。このように、転がり軸受１００によると、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。
転がり軸受１００においては、表層部５０に微細な析出物が析出し、接触面の硬さが確保されているため、接触面に金属新生面が形成されることが抑制される。そのため、転がり軸受１００においては、接触面に水素が発生しにくい。また、転がり軸受１００においては、表層部５０に微細な析出物が析出し、当該析出物の近傍が水素のトラップサイトになるため、表層部５０における水素侵入量が低下する。そのため、転がり軸受１００においては、水素脆性に起因した早期剥離損傷が生じにくい。このように、転がり軸受１００によると、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。
転がり軸受１００では、軌道面１０ａａ（軌道面２０ａａ）の部分円弧の直径が玉３０の直径の１．０８倍以下であるため、軌道面１０ａａ（軌道面２０ａａ）と玉３０との間の接触面圧を低下させることができ、軌道面１０ａａ（軌道面２０ａａ）と玉３０との間に油膜切れが生じにくくなる。そのため、転がり軸受１００では、接触面における摩耗、ひいては接触面に金属新生面が形成されることが抑制され、水素脆性に起因した早期剥離損傷が生じにくい。
また、転がり軸受１００では、軌道面１０ａａ（軌道面２０ａａ）の部分円弧の直径が玉３０の直径の１．０１倍以上であるため、軌道面１０ａａ（軌道面２０ａａ）と玉３０との間の接触面積が小さくなり過ぎず、転がり軸受１００のトルク損失を抑えることができる。このように、転がり軸受１００では、適切な油膜を形成させながら軸受特性（トルク損失）を維持することができる。
表層部５０の鋼中において、比較面積率３０パーセントでの平均粒径が２．０μｍ以下となるようにマルテンサイトブロック粒が微細化されている場合には、表層部５０の高靭性化により、接触面（具体的には、軌道面１０ｄａ、軌道面２０ｃａ及び玉３０の表面）の剪断抵抗が改善されている。そのため、この場合には、転がり軸受１００の耐久性をさらに改善することができる。
（第１実施形態に係る転がり軸受の実施例）
以下に、転がり軸受１００の実施例を説明する。
＜サンプル＞
転がり軸受のサンプルとして、サンプル１、サンプル２及びサンプル３が準備された。サンプル１、サンプル２及びサンプル３は、内径３０ｍｍ、外径４７ｍｍ及び幅１１ｍｍのＪＩＳ規格５１１０６型番の単式スラスト玉軸受である。
サンプル１の内輪及び外輪は、表３に示される組成の鋼により形成された。なお、表３に示される組成は、第１組成及び第２組成の範囲内にある。サンプル２の内輪及び外輪並びにサンプル３の内輪及び外輪は、表４に示される組成の鋼により形成された。なお、表４に示される組成は、ＪＩＳ規格に定めるＳＵＪ２の組成範囲内にあり、第１組成及び第２組成の範囲外にある。なお、サンプル１、サンプル２及びサンプル３の玉は、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）により形成された。
Figure 0007212100000003
Figure 0007212100000004
サンプル１の内輪及び外輪並びにサンプル２の内輪及び外輪には、熱処理工程Ｓ２が行われた。サンプル３の内輪及び外輪には、熱処理工程Ｓ２が行われていない。より具体的には、サンプル３の内輪及び外輪に対しては、焼き入れ及び焼き戻しが行われているが、浸窒処理が行われていない。
図３は、サンプル１の内輪及び外輪の表層部における炭素及び窒素の含有量の分布を示すグラフである。図４は、サンプル２の内輪及び外輪の表層部における炭素及び窒素の含有量の分布を示すグラフである。図３及び図４において、横軸は表面からの距離（単位はｍｍ）であり、縦軸は炭素及び窒素の含有量（単位は質量パーセント）である。図３、図４及び表５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪並びにサンプル２の内輪及び外輪における表層部中の窒素の含有量は、０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下であった。他方で、表５に示されるように、サンプル３の内輪及び外輪における表層部中の窒素の含有量は、０質量パーセントであった（窒素が含有されていなかった）。
表５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の面積率の合計が２．２パーセント以上７．０パーセント以下であった。サンプル２の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の面積率の合計が１．２パーセント以上４．０パーセント以下であった。サンプル３の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の面積率の合計が０．０７パーセント以上０．２４パーセント以下であった。
表５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の数が、１００μｍ２あたり合計して６６個以上４２５個以下であった。サンプル２の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の数が、１００μｍ２あたり合計して２９個以上８１個以下であった。サンプル３の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の数が、１００μｍ２あたり合計して８個以上５０個以下であった。
Figure 0007212100000005
図５は、サンプル１の内輪及び外輪の表層部における代表的な断面ＦＥ－ＳＥＭ画像である。図６は、サンプル２の内輪及び外輪の表層部における代表的な断面ＦＥ－ＳＥＭ画像である。図５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪の表層部においては、析出物が微細化されていた（殆どの析出物の粒径が、０．５μｍ以下であった）。他方で、図６に示されるように、サンプル２の内輪及び外輪の表層部においては、析出物が微細化されていなかった（殆どの析出物の粒径が、０．５μｍを超えていた）。
表６に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における残留オーステナイトの体積比は、２９．８パーセント以上３０．８パーセント以下であった。サンプル２の内輪及び外輪の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における残留オーステナイトの体積比は、３０．２パーセント以上３１．４パーセント以下であった。サンプル３の内輪及び外輪の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における残留オーステナイトの体積比は、９，７パーセント以上１１．５パーセント以下であった。
表６に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、７５５Ｈｖ以上７５９Ｈｖ以下であった。サンプル２の内輪及び外輪の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、７４９Ｈｖ以上７５８Ｈｖ以下であった。サンプル３の内輪及び外輪の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、７３５Ｈｖ以上７６５Ｈｖ以下であった。
Figure 0007212100000006
＜転動疲労寿命試験＞
サンプル１、サンプル２及びサンプル３に対して、転動疲労寿命試験を行った。表７に示されるように、転動疲労寿命試験は、最大接触面圧が２．３ＧＰａ、０回転／分と２５００回転／分との間で急加減速を行う、ポリグリコール及び純水を混合したものを用いて潤滑する、との条件で行われた。
図７は、転動疲労寿命試験結果を示すグラフである。図７中において、横軸は寿命（単位は時間）であり、縦軸は累積破損確率（単位はパーセント）である。図７及び表７に示されるように、Ｌ１０寿命（累積破損確率が１０パーセントとなる時間）で比較すると、サンプル２の転動疲労寿命は、サンプル３の転動疲労寿命よりも長かった。この比較結果から、表層部５０中の窒素の含有量を０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下となるように浸窒処理を行うことにより転動疲労寿命が改善されることが、実験的にも示された。
図７及び表７に示されるように、Ｌ１０寿命で比較すると、サンプル１の転動疲労寿命は、サンプル２の転動疲労寿命よりも長かった。この比較結果から、内輪１０、外輪２０及び玉３０の少なくともいずれかを第１組成の鋼で形成することで表層部５０に析出物が微細に分散されることにより、転動疲労寿命が改善されることが、実験的にも示された。
Figure 0007212100000007
＜水素侵入特性＞
サンプル１及びサンプル３の軌道部材（内輪及び外輪）の表層部への水素侵入特性を、以下の方法により評価した。この評価では、第１に、上記の転動疲労寿命試験に供される前のサンプル１及びサンプル３の軌道部材を室温から４００℃まで加熱することにより、転動疲労寿命試験に供される前のサンプル１及びサンプル３の軌道部材からの水素放出量が測定された。第２に、転動疲労寿命試験に５０時間供された後のサンプル１及びサンプル３の軌道部材を室温から４００℃まで加熱することにより、転動疲労寿命試験に５０時間供された後のサンプル１及びサンプル３の軌道部材からの水素放出量が測定された。
サンプル３では、転動疲労寿命試験の前後での水素放出量の比（すなわち、転動疲労寿命試験に供された後の水素放出量を転動疲労寿命試験に供される前の水素放出量で除した値）が、３．２になっていた。他方で、サンプル１では、転動疲労寿命試験の前後での水素放出量の比が、０．９になっていた。この比較から、接触面に表層部５０が形成されることにより表層部５０への水素侵入が抑制され、水素脆性に起因した早期剥離が抑制されることが、実験的に明らかにされた。
（第２実施形態に係る転がり軸受の構成）
以下に、第２実施形態に係る転がり軸受（以下「転がり軸受１００Ａ」とする）の構成を説明する。
図８は、転がり軸受１００Ａの断面図である。図８には、中心軸Ａを通り、かつ中心軸Ａに平行な断面における転がり軸受１００Ａの断面が示されている。図８に示されるように、転がり軸受１００Ａは、軌道部材と、転動体とを有している。転がり軸受１００Ａでは、軌道部材及び転動体が、それらの表面において、表層部５０を有している。転がり軸受１００Ａでは、軌道部材及び転動体が、第１組成の鋼又は第２組成の鋼により形成されている。これらの点に関して、転がり軸受１００Ａの構成は、転がり軸受１００の構成と共通している。
転がり軸受１００Ａは、例えば、深溝玉軸受である。但し、転がり軸受１００Ａは、アンギュラ玉軸受であってもよい。転がり軸受１００Ａの軌道部材は、内輪６０及び外輪７０である。転がり軸受１００Ａの転動体は、玉８０である。転がり軸受１００Ａは、保持器９０をさらに有している。
内輪６０は、リング状の形状を有している。内輪６０は、第１面６０ａと、第２面６０ｂと、内周面６０ｃと、外周面６０ｄとを有している。
第１面６０ａ及び第２面６０ｂは、軸方向における内輪６０の端面を構成している。第２面６０ｂは、第１面６０ａの反対面である。
内周面６０ｃは、中心軸Ａ側を向いている面である。内周面６０ｃは、軸方向における一方端で第１面６０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面６０ｂに連なっている。外周面６０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている面である。すなわち、外周面６０ｄは、径方向における内周面６０ｃの反対面である。外周面６０ｄは、軸方向における一方端で第１面６０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面６０ｂに連なっている。
外周面６０ｄは、軌道面６０ｄａを有している。外周面６０ｄは、軌道面６０ｄａにおいて内周面６０ｃ側に窪んでいる。断面視において、軌道面６０ｄａは、部分円弧になっている。軌道面６０ｄａは、玉８０に接触する面であり、内輪６０の接触面を構成している。
外輪７０は、リング状の形状を有している。外輪７０は、第１面７０ａと、第２面７０ｂと、内周面７０ｃと、外周面７０ｄとを有している。外輪７０は、内周面７０ｃが外周面６０ｄに対向するように配置されている。
第１面７０ａ及び第２面７０ｂは、軸方向における外輪７０の端面を構成している。第２面７０ｂは、第１面７０ａの反対面である。
内周面７０ｃは、中心軸Ａ側を向いている面である。内周面７０ｃは、軸方向における一方端で第１面７０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面７０ｂに連なっている。外周面７０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている面である。すなわち、外周面７０ｄは、径方向における内周面７０ｃの反対面である。外周面７０ｄは、軸方向における一方端で第１面７０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面７０ｂに連なっている。
内周面７０ｃは、軌道面７０ｃａを有している。内周面７０ｃは、軌道面７０ｃａにおいて外周面７０ｄ側に窪んでいる。断面視において、軌道面７０ｃａは、部分円弧になっている。軌道面７０ｃａは、玉８０に接触する面であり、外輪７０の接触面を構成している。
玉８０は、球状の形状を有している。玉８０の数は、複数である。玉８０は、外周面６０ｄと内周面７０ｃとの間に配置されている。より具体的には、玉８０は、軌道面６０ｄａと軌道面７０ｃａとの間に配置されている。玉８０は、その表面において、軌道面６０ｄａ及び軌道面７０ｃａと接触する。すなわち、玉８０の表面は、接触面（転動面）である。保持器９０は、玉８０を保持している。保持器９０は、周方向において隣り合う２つの玉８０の間隔が一定範囲となるように、玉８０を保持している。
内輪６０の外径を、外径Ｄ１とする。外輪７０の内径を、内径Ｄ２とする。玉８０の直径を、直径Ｄ３とする。玉８０のピッチ円直径を、ピッチ円直径Ｄ４とする。ピッチ円直径は、周方向に沿って並んでいる玉８０の中心を通る円の直径である。外径Ｄ１は、ピッチ円直径Ｄ４から直径Ｄ３の０．７倍を減じた値以上である。内径Ｄ２は、ピッチ円直径Ｄ４に直径Ｄ３の０．７倍を加えた値以下である。
外輪７０の肉厚を、肉厚Ｔとする。肉厚Ｔは、外輪７０に加わる引張応力が７００ＭＰａ以下となるように設定されている。軌道面６０ｄａと玉８０の転動面との合成粗さ及び軌道面７０ｃａと玉８０の転動面との合成粗さは、０．０５μｍ以下である。軌道面６０ｄａ（軌道面７０ｃａ）と玉８０の転動面との合成粗さは、Ｒ１を軌道面６０ｄａ（軌道面７０ｃａ）の算術平均粗さ、Ｒ２を玉８０の転動面の算術平均粗さとすると、｛（Ｒ１×１．２５）２＋（Ｒ２×１．２５）２｝１／２により算出される。
玉８０の軌道面６０ｄａ及び軌道面７０ｃａとの間の接触角は、０°である。但し、転がり軸受１００Ａがアンギュラ玉軸受である場合には、玉８０の軌道面６０ｄａ及び軌道面７０ｃａとの間の接触角は、３０°未満とされる。
（第２実施形態に係る転がり軸受の効果）
以下に、転がり軸受１００Ａの効果を説明する。
転がり軸受１００Ａにおいては、内輪６０、外輪７０及び玉８０の接触面に表層部５０が形成されている。また、転がり軸受１００Ａにおいては、内輪１０、外輪２０及び玉３０が第１組成又は第２組成の鋼で形成されている。そのため、転がり軸受１００Ａによると、転がり軸受１００と同様に、転がり軸受の長寿命化を図ることができる。
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全ての変更を含むことが意図される。
上記の実施形態は、内輪及び外輪等の軌道部材、玉等の転動体及びそれらを用いた転がり軸受に特に有利に適用される。
１００ 転がり軸受、Ａ 中心軸、１０ 内輪、１０ａ 第１面、１０ａａ 軌道面、１０ｂ 第２面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、２０ 外輪、２０ａ 第１面、２０ａａ 軌道面、２０ｂ 第２面、２０ｃ 内周面、２０ｄ 外周面、３０ 玉、４０ 保持器、５０ 表層部、１００Ａ 転がり軸受、６０ 内輪、６０ａ 第１面、６０ｂ 第２面、６０ｃ 内周面、６０ｄ 外周面、６０ｄａ 軌道面、７０ 外輪、７０ａ 第１面、７０ｂ 第２面、７０ｃ 内周面、７０ｃａ 軌道面、７０ｄ 外周面、８０ 玉、９０ 保持器、Ｄ１ 外径、Ｄ２ 内径、Ｄ３ 直径、Ｄ４ ピッチ円直径、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 熱処理工程、Ｓ３ 仕上げ工程、Ｓ４ 組み立て工程、Ｓ２１ 加熱工程、Ｓ２２ 冷却工程、Ｓ２３ 焼き戻し工程、Ｔ 肉厚。

Claims (6)

  1. 転がり軸受であって、
    複数の玉と、
    ２つの軌道部材とを備え、
    前記玉及び前記軌道部材は、接触面を有し、
    前記玉及び前記軌道部材のうちの少なくともいずれかは、前記接触面からの深さが２０μｍまでの領域に表層部が形成されており、
    前記玉及び前記軌道部材のうちの前記接触面に前記表層部が形成されている部材は、焼き入れが行われた鋼製であり、
    前記鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなり、
    前記表層部中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下であり、
    前記軌道部材の前記接触面である軌道面は、前記転がり軸受の中心軸を通り、かつ前記中心軸に平行な断面視において、部分円弧になっており、
    前記部分円弧の直径は、前記玉の直径の１．０１倍以上１．０８倍以下である、転がり軸受。
  2. 前記鋼は、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなり、
    前記表層部中における窒素の含有量は、０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下である、請求項１に記載の転がり軸受。
  3. 前記表層部が形成されている前記接触面に直交している断面視において、前記表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ２あたり合計して６０個以上存在し、かつ、前記表層部での前記析出物の面積率の合計が１パーセント以上１０パーセント以下であり、
    前記表層部が形成されている前記接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率は、２０パーセント以上４０パーセント以下であり、
    前記表層部が形成されている前記接触面からの深さが５０μｍの位置での硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下である、請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受。
  4. 前記表層部が形成されている前記接触面に直交している断面視において、前記表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ２あたり合計して８０個以上存在し、かつ、前記表層部での前記析出物の面積率の合計が２パーセント以上７パーセント以下であり、
    前記表層部が形成されている前記接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率は、２５パーセント以上３５パーセント以下であり、
    前記表層部が形成されている前記接触面からの深さが５０μｍの位置での硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下である、請求項１又は請求項２に記載の転がり軸受。
  5. 転がり軸受であって、
    複数の玉と、
    ２つの軌道部材とを備え、
    前記玉及び前記軌道部材は、接触面を有し、
    前記玉及び前記軌道部材のうちの少なくともいずれかは、前記接触面からの深さが２０μｍまでの領域に表層部が形成されており、
    前記玉及び前記軌道部材のうちの前記接触面に前記表層部が形成されている部材は、焼き入れが行われた鋼製であり、
    前記鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなり、
    前記表層部中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下であり、
    前記軌道部材は、内輪及び外輪であり、
    前記内輪の外径及び前記外輪の内径は、それぞれ、前記玉のピッチ円直径から前記玉の直径を減じた値以上及び前記玉のピッチ円直径に前記玉の直径を加えた値以下であり、
    前記外輪の肉厚は、前記外輪に加わる引張応力が７００ＭＰａ以下となるように設定されており、
    前記内輪の前記接触面である第１軌道面と前記玉の前記接触面である転動面との合成粗さ及び前記外輪の前記接触面である第２軌道面と前記転動面との合成粗さの少なくともいずれかは、０．０５μｍ以上であり、
    前記玉の前記第１軌道面及び前記第２軌道面との接触角は、３０°未満である、転がり軸受。
  6. 前記転がり軸受は、車両のトランスミッション用、車両の補機用又は車両のモータ用である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の転がり軸受。
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