JPH0788851B2 - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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JPH0788851B2
JPH0788851B2 JP62209167A JP20916787A JPH0788851B2 JP H0788851 B2 JPH0788851 B2 JP H0788851B2 JP 62209167 A JP62209167 A JP 62209167A JP 20916787 A JP20916787 A JP 20916787A JP H0788851 B2 JPH0788851 B2 JP H0788851B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、自動車、農業機械、建設機械及び鉄鋼機械等
に使用される転がり軸受、特にトランスミッションやエ
ンジン用の転がり軸受に関する。
(従来の技術) 一般に転がり軸受においては、その寿命の低下をもたら
す要因として、例えば軸受潤滑油中の異物混入が挙げら
れる。周知の如く、潤滑油中には金属の切粉、削り屑、
バリ、摩耗粉などの異物が混入しており、このような軸
受使用条件下では、これらの異物による軸受の転動体及
び内外輪に損傷が生じることになり、軸受の寿命が低下
する。軸受の寿命は、場合によっては異物混入の殆ど無
い場合に比べて約数10分の1までに低下する場合があ
る。
この問題を解決するために従来は、例えば次のような改
善を施している。
(a)内外輪及び転動体の硬度を増大させる。例えば、
軸受鋼のSUJ2を用いて、それに塩水焼入れを施し、ロッ
クウェル硬さHRC64以上になるようにして軸受の硬度を
上げて、異物の混入している潤滑油下の使用に対して軸
受の寿命の低下を防止しようとしている。
(b)内外輪及び転動体の浸炭硬化層を深くする。例え
ば、SCR420、430及びSAE4320及び4340等の炭素含有率が
約0.5wt%以下の炭素鋼に長時間の浸炭熱処理を施す。
このように浸炭硬化層を深くすることにより、内外輪の
レース面及び転動体の接触表面に圧痕を付きにくくし、
軸受全体の寿命を向上させようとしている。
(c)材料の亀裂靭性を高める。例えば、軸受鋼(SUJ3
またはSUJ5)を用いてマルテンパー等の恒温熱処理を施
す。これにより亀裂靭性を高め、圧痕部に亀裂が生じた
後の亀裂の進展を遅らせ、軸受の寿命を向上させようと
している。
(発明が解決しようとする問題点) 従来用いられている上述の解決策には、次のような問題
点が残されている。
先ず、(a)については、圧痕のつき方が少し軽くなる
が、内外輪及び転動体の硬度が高過ぎるため、レース面
及び転動体の表面の靭性が乏しくなり、異物の混入によ
って引き起される損傷箇所から早期にクラックが生じ、
このクラックの伝播によりフレーキング(ハクリ)が生
じ易く、このため軸受の寿命を向上させることができな
かった。
次に、(b)及び(c)について考察すると、(b)
は、浸炭焼入れを深くすることにより浸炭焼入れ時間が
長くなり、更に(c)は特殊な恒温熱処理をする必要が
あるので、熱処理生産性が低下するという問題点を有し
ている。更に、このように熱処理したとしても、まだ充
分な寿命が得られなかったという問題点が残されてい
る。
従って、本発明の目的は、上述の従来の転がり軸受の欠
点を解消すると共に、クリーンな潤滑下で軸受を使用す
る場合においても従来の軸受と同等以上の寿命を有し、
且つ異物混入潤滑下で軸受を使用する場合においては従
来の軸受に比べ長寿命であり、また両潤滑下においても
高信頼性を有する転がり軸受を提供することである。
(問題点を解決するための手段) 上述の目的を達成するために、本発明の転がり軸受は、 内輪、外輪及びその間で転動する転動体とから成り、該
内輪及び外輪のうち少なくとも一つが、浸炭熱処理され
ている転がり軸受において、 該内外輪のうち少なくとも1つは、0.1から0.7wt%の炭
素を含む炭素鋼からなり、軌道表面層の残留オーステナ
イト量が20〜45vol%であり、該転動体は、0.7〜1.1wt
%の炭素を含む炭素鋼からなり、表面層に浸炭炭窒化熱
処理が施され、該表面層における残留オーステナイト量
が20−45vol%かつ該表面層の炭窒化物が3−15vol%で
あることを特徴としている。
また、本発明の転がり軸受は、 内輪、外輪及びその間で転動する転動体とから成り、該
内輪及び外輪のうち少なくとも一つが、浸炭熱処理され
ている転がり軸受において、 該内外輪のうち少なくとも1つは、0.1から0.7wt%の炭
素を含む炭素鋼からなり、軌道表面層の残留オーステナ
イト量が20〜45vol%であり、該転動体は、0.1から0.7w
t%の炭素を含む炭素鋼からなり、表面層に浸炭熱処理
が施され、該表面層における残留オーステナイト量が20
−45vol%であることを特徴としている。
(作用) 本発明の発明者らは、種々の実験及び観察により、特許
請求の範囲に記載の如き本願発明に特有の構成を導いた
のであり、その構成により、クリーンな潤滑下では従来
の転がり軸受と同等以上の寿命を有すると共に異物混入
潤滑下では従来に比べて長寿命の転がり軸受を得ること
ができたのである。
ここで、第2図から第5図を参照して、本発明で問題と
する残留オーステナイト量に対して説明する。
例えば、異物混入潤滑下で軸受を使用する場合、異物と
の繰り返し接触により内外輪及び転動体の各転動表面に
第3図に示すような圧痕が発生する。第3図に示す圧痕
の断面図から分るように、圧痕にはエッジ部分が生じ、
このエッジ部分の曲率rと圧痕の半径cとは以下説明す
るように残留オーステナイトと密接な関係がある。通常
残留オーステナイトは、軟らかく、例えばHv300ぐらい
(但し素材の炭素の含有率によっても異なる)である。
従って、この残留オーステナイトを所望の割合で表面層
に存在せしめておくと、圧痕のエッジ部分における応力
の集中を緩和することができ、そのため圧痕生成後に圧
痕部に発生するマイクロクラックの伝播を遅らせること
ができる。表面層における残留オーステナイトは、転動
時に圧痕を通過する相手部材(例えば転動体に対して軌
道輪)の相対通過回数(以後「圧痕通過回数」という)
の所定数を過ぎると、表面に加わる変形エネルギーによ
りマルテンサイト変態し、硬化する。この時、2つのタ
イプで求めた第2図のグラフに示すように圧痕エッジ部
分の曲率rは、軸受全寿命の約5%の位置、例えば圧痕
通過回数a(約2.2X105)で変曲点をもち、その時の曲
率は、それぞれr1及びr2となる。点P1及び点P2は、圧痕
にそれぞれクラックが発生した時点を示し、また点F1
び点F2は、それぞれフレーキング発生時点(寿命)を示
している。このこの軸受全寿命の5%付近以上の圧痕通
過回数においては曲率rは殆ど飽和状態に達してしまう
ので、前記軸受全寿命の5%時の圧痕エッジ部分の曲率
rと圧痕の半径cを元に、本発明では転がり疲れを以下
考察することにする。従って、第2図において曲率rに
対する径cの比r/cも飽和することになる。
第4図は、エッジ部分にかかる最大応力Pmaxに対する圧
痕以外の転動表面にかかる応力Pの比と、r/cとの関係
を曲率rを10〜100μm迄変化させ計算し求めた関係を
プロットしたものである。Pmax/P0を小さくする、つま
り応力緩和効果を高めるためには、cを一定とするとr
を大きくし、r/cを大きくしなければならない。従っ
て、第4図から考察すると、r/cを大きくすればエッジ
部分での応力集中を緩和することができ、軸受の寿命が
向上することが分る。
ここで更に、第5図を参照すると、r/cの値に対する残
留オーステナイトγとの関係が示されている。第4図
から明らかなように、r/cの値は応力集中の緩和程度を
示すファクターであるので、この値が大きくなれば寿命
も延びることになる。しかしながら、第5図から分るよ
うに、残留オーステナイトγの割合を大きくしても、
r/cの値は所定の水準で飽和してしまい、一定以上大き
くならない。特に残留オーステナイトγが45vol%以
上になると、これが顕著であり、r/cは殆ど飽和してし
まう。従って、γをそれ以上大きくしてもかえって表
面硬さを下げてしまうだけであり、転がり疲れ寿命が低
下する。このことから、残留オーステナイトγの臨界
的上限値45vol%が導かれたのである。
以上延べたように、r/c値が飽和する前記臨界上限値以
下の残留オーステナイト領域では、r/cが大きいほど長
寿命となり、異物混入潤滑下での長寿命及び高信頼性が
達成できる。
次に、本発明ほ特許請求の範囲に示された、各数値限定
の臨界的意義について説明する。
先ず、内外輪及び転動体のクリーンな潤滑下の寿命は、
第1図のグラフに示す転動による応力繰り返し数(cycl
e)で示される軸受寿命と残留オーステナイトγ(vol
%)との関係から明らかなように、転がり疲れ寿命L10
及びL50共に残留オーステナイトγの変化に応じて変
化している。第1図において、曲線及びは、クリー
ンな潤滑下の転がり疲れ寿命L10及びL50をそれぞれ示
す。また、曲線及びは、異物混入潤滑下の転がり疲
れ寿命L10及びL50をそれぞれ示す。第1図及び第7図か
ら直ちに分かることは、クリーンな潤滑下と異物混入潤
滑下で転がり疲れ寿命が異なることであり、更に寿命に
対するγの適正範囲があることである。従来の軸受材
料鋼の熱処理品の転がり疲れ寿命L10及びL50に対し、ク
リーンな潤滑下では同程度以上の寿命が確保されてお
り、異物混入潤滑下においては、従来に比べて寿命が長
くなっていることが分っている。
残留オーステナイトγが20vol%以上になると転がり
疲れ寿命L10、L50共に向上するが、γが40vol%、特
に45vol%を越えると寿命は急激に低下する。従って、
内外輪及び転動体の表面層における残留オーステナイト
は、少なくとも20vol%から45vol%までの範囲になくて
はならない。
異物混入潤滑下の寿命について更に詳細にプロットした
グラフが第7図であり、第7図からはっきると分かるよ
うに、転がり疲れ寿命L10及びL50は共に、残留オーステ
ナイトが20vol%と45vol%との間の範囲aで良好な寿命
を示し、就中25vol%から40vol%との間の範囲bで更に
良好な寿命が得られることが分かる。尚、第7図の実験
条件は以下の通りである。寿命試験機は、『特殊鋼便
覧』(第1版、電気製鋼研究所編、理工学社、1969年5
月25日)の第10から21頁記載のスラスト形軸受鋼の試験
機を用いて、N=1000rpm、Pmax=500kg・f/mm2、潤滑
油:#68タービン油、ゴミ:硬さHv870、Fe3C系粉:径7
4〜147μm、300ppmで行なった。
次に第6図を参照する。第6図は、ダイレクト及びダブ
ル焼入れの2つの焼入れ法によって熱処理した内外輪及
び転動体それぞれの表面硬さHvと残留オーステナイトγ
との関係を表わすグラフである。クリーンな潤滑下で
従来の浸炭鋼軸受と同等以上の寿命を得るためには、転
動体についてはHRCが63以上有ることが望ましく、また
内外輪についてはHRCが58以上必要である。このことを
第6図のグラフで検証してみると、残留オーステナイト
γは、内外輪及び転動体に関して45vol%以下でなけ
ればならないことが分かる。また特に、転動体のHRCを6
3以上に保持するためには、γが30vol%付近以下が好
適である。また、転動体のみについて特に言えること
は、γが45vol%以上となると、表面硬さが特に低減
して、第1図に見られるようにクリーンな潤滑下での転
がり疲れ寿命L10及びL50が共に低下し、更に第1図及び
第7図に見られるように異物混入潤滑下での転がり疲れ
寿命L10及びL50も低下するので、γが40vol%以下が
望ましい。
次に、内外輪及び転動体を形成する炭素鋼のベースカー
ボン量と、浸炭法について簡単に触れておく。浸炭法で
は、マトリックスへのカーボンの固溶はマトリックスに
最初から存在するベースカーボンと浸炭によりマトリッ
クスへ侵入拡散するカーボンの両者により行なわれので
均一固溶が可能である。軸受鋼の焼入れでは、ベースカ
ーボンがマトリックスに固溶するカーボン量は0.5%前
後が限度であるが、浸炭法では、固溶限度が1%を越え
る範囲まで可能である。それによって、転がり疲労によ
る転位の移動をカーボン原子が阻止し、転位の集積によ
る塑性変形を防ぎ、従ってマイクロクラックの発生を遅
延させ、転がり軸受の長寿命及び高信頼度が達成でき
る。
本発明で用いる炭素鋼のベースカーボンの数値の臨界的
意義は、以下のとおりである。
先ず、内外輪について考察する。ベースカーボンの割合
が0.1wt%より低くなると浸炭時間が長くなってしま
う。また、コア(芯部)の硬さが不足し、芯部が塑性変
形して転がり疲れ寿命L10及びL50が短くなる。逆に0.7
%より大きくなると、浸炭により侵入するカーボン量が
少なくなりマトリックスに侵入固溶する炭素の割合が低
下し、不均一固溶状態となり、結果としてその部分が応
力集中源となってしまう。従って、寿命L10及びL50が低
下してしまう。以上のことから、内外輪のベースカーボ
ンは0.1〜0.7wt%が適正な範囲となり、就中、0.2〜0.7
wt%がより好適である。
次に転動体のベースカーボン量について浸炭窒化する場
合について考察する。0.7wt%以下の炭素鋼を浸炭窒化
すると、浸炭窒化時炭窒化物が少なくなるので所望の転
がり疲れ寿命が得られない。また逆に、1.1wt%越えて
しまうと、炭窒化物が過剰になる、これが応力集中源と
なりクリーンな潤滑下及び異物混入潤滑下で軸受を使用
する場合の転がり疲れ寿命が低下してしまう。従って、
以上のことから転動体のベースカーボン量は、0.7〜1.1
wt%の範囲が適当である。このような範囲にある炭素鋼
に浸炭窒化を行なえば、Fe原子中にカーボン及び窒素原
子が均一に拡散し、固溶強化するのでマイクロクラック
の発生を遅延できる効果を奏する。と共に、応力集中を
緩和する効果も奏する。特に重要なことは、上述の範囲
のベースカーボン量は、後述の炭窒化化物を3〜15vol
%析出するための条件ともなっているのである。
転動体を浸炭する場合のベースカーボン量は、前記内外
輪のベースカーボンの適正量について述べたと同様の臨
界的意義を有するものである。
最後に、転動体における炭窒化物の割合について第8図
に基いて説明する。ここで言う炭窒化物は、例えばFe3C
やFe4Nなどである。第8図の実験条件は以下のとおりで
ある。円錐ころL44600Rを軸受L44649/L44610に組み込ん
でころの寿命にのみ注目して試験した。その他の諸元は
c/p=2.13、N=4000r.p.m.、ゴミ:Hv870、74〜147μ
m、150ppmである。第8図のグラフに示す実線は、残留
オーステナイトのみよる寿命であり、破線は残留オース
テナイトの含有率に加えて炭窒化物を含ませた場合の炭
窒化物の含有率による寿命を示すグラフである。このグ
ラフから分るように、残留オーステナイトのみではな
く、炭窒化物との共存により更に長寿命となっているこ
とが分る。
炭窒化物の含有率が3vol%より低いと、炭窒化物が少な
すぎて炭窒化物の転がり疲れ寿命効果が少なくなる。ま
た逆に、15vol%より大きくなると炭窒化物が成長して
粗粒化して応力集中源となって転がり疲れ寿命L10及びL
50が低減する。マトリックスに固溶するC原子が少なく
なり残留オーステナイトが少なくなる。その結果異物混
入潤滑下で所望の転がり疲れ寿命L10及びL50が得られな
い。以上のことから、転動体の表面層に含まれる炭窒化
物は、3vol%〜15vol%、就中5vol%〜15vol%が好まし
いことが分った。
(実施例) 本発明の各実施例及び比較例の試験条件を表1に示し
た。実施例においては、日本精工製のボックス型試験機
を用いて、円錐ころ軸受L44649/10をゴミ入り試験し
た。尚、諸元は次の通りである。c/p=2.13、N=4000
r.p.m.、異物としてのゴミ:Hv550、74〜147μm、30ppm
である。その結果は表2に示し、そのときの転がり疲れ
寿命及び音圧をグラフにしたのが第9図である。残留オ
ーステナイトは、低炭素マルテンサイトのように単に硬
さが低いのと異なり、圧痕形成時の塑性変形により、加
工誘起変態しながらマルテンサイト化、すなわち硬化す
るので、応力集中を伴いながら表面硬さが高くなるとい
う効果により異物混入潤滑下での転がり疲れ寿命を長く
することができる。
実施例のうち特に実施例3、4及び5においては、炭窒
化物の割合がそれぞれ6vol%、11vol%及び15vol%と、
上述の最適範囲に設定されているので、表2及び第9図
のD、E及びFに示すように、比較例1〜6及び他の実
施例1〜2に比べ音圧レベルは低下し(つまり低騒
音)、寿命も長くなっている。
表1の試験条件に基く各実施例及び各比較例の転がり疲
れ寿命及び音圧の関係を表2及び第9図に示す。以下こ
れについて説明する。比較例1は、内外輪、転動体共従
来の焼入れ鋼である軸受(SUJ−2)を使用して焼入れ
熱処理をしており、比較例2は、内外輪のみ本発明組成
の浸炭鋼を用い浸炭熱処理をし、のものを使用し、転動
体については従来の軸受鋼を使用し熱処理している。比
較例3では、内外輪、転動体共に本発明組成の浸炭鋼を
用いているが、従来の浸炭熱処理を施し、比較例4で
は、内外輪は従来の軸受鋼を使用し焼入れ熱処理し、転
動体にのみ本発明の浸炭窒化熱処理を施した。比較例5
は、内外輪は本発明の浸炭鋼を用いたが従来の浸炭熱処
理をし、転動体のみに本発明の浸炭窒化熱処理を施し
た。比較例6は、内外輪は本発明の浸炭熱処理をして、
転動体は本発明の浸炭鋼を用いているが従来の浸炭熱処
理を施した。
本発明の各実施例における熱処理条件を次に説明する。
浸炭熱処理のうちダイレクト焼入れは、第10図に示すグ
ラフのように、Rxガス+エンリッチガスの雰囲気で約8
時間、930±5℃で熱処理を行ない、その後油焼入れし
た。また、ダブル焼入れは、第11図のグラフに示すよう
にRxガス+エンリッチガスの雰囲気で、先ず、熱処理温
度930±5℃で浸炭熱処理を行ない、続いて830〜870℃
で加熱処理を行ない、その後油焼入れした。更に、浸炭
窒化熱処理については、第12図のグラフに示すように、
Rxガス+エンリッチガス+アンモニアガス5%の雰囲気
で、約3〜4時間、830〜870℃で浸炭窒化熱処理を行な
い、その後油焼入れした。
以上詳細に説明したように、実施例1から5においては
内外輪共に、0.2wt%のCを含む炭素鋼の表面層に浸炭
熱処理を施して、表面層の残留オーステナイトγを31
vol%にしており、これは最適な態様を示しているが、
次のような軸受使用条件下では内輪及び外輪のうちいず
れか一方を上述のように設定することもできる。
a)内輪のみ上記設定条件にして、外輪は従来のものを
使用する場合。
外輪回転又は内輪回転いずれの場合においても、負荷圏
における内輪転動面の接触圧力が高く、内輪が外輪に比
べ早期にハクリする。
b)外輪のみ上記設定条件にして、内輪は従来のものを
使用する場合。
ハウジング剛性が低く、外輪の転動軌道が負荷荷重によ
り変形させられた状態で、負荷圏において局部的な大き
な接触圧力がかかり、外輪が内輪に比べ早期にハクリす
る。
また、比較例4及び5に対応する第9図のI及びJは、
音圧のみに着目すれば従来技術を用いた比較例2のAに
比べて音圧レベルが低下している。従って、このことと
上述のこととを考慮すれば、浸炭窒化して表面層におけ
る炭窒化物を5〜15vol%、γを20〜45vol%に熱処理
した転動体と共に用いる場合には、表1に示す要件を備
えたI及びJに記載の内外輪も使用できる。
(発明の効果) 以上詳細に説明した本発明の転がり軸受によれば、次の
ような効果が得られる。
クリーンな潤滑下で軸受を使用する場合においては従来
の軸受と比べ同等以上の寿命を有し、且つ異物混入潤滑
下で軸受を使用する場合においては従来の軸受に比べて
長寿命であり、また前記両潤滑下で軸受を使用する場合
のいずれにおいても高信頼性を有する転がり軸受を提供
することができる。
また、従来の転がり軸受に比べて音圧も低減できるとい
う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、クリーンな潤滑下及び異物混入潤滑下におけ
る軸受の転がり疲れ寿命と残留オーステナイト量との関
係を表わすグラフであり、 第2図は、圧痕のエッジ部分の曲率rと圧痕通過回数と
の関係を表わすグラフであり、 第3図は、応力と共に示す圧痕の断面図であり、 第4図は、圧痕の半径cに対する圧痕のエッジ部分の曲
率rの比と、圧痕以外の転動表面かかる応力Pに対する
エッジ部分にかかる最大応力Pmaxの比との関係を示すグ
ラフであり、r/cが飽和することを示しており、 第5図は、r/cの値とγ量との関係を示すグラフであ
り、 第6図は、浸炭熱処理した炭素鋼の表面硬さHvとγ
との関係を示すグラフであり、 第7図は、異物混入潤滑下の軸受の転がり疲れ寿命と残
留オーステナイト量との関係を示すグラフであり、 第8図は、転動体の異物混入潤滑下のころのみに注目し
た転がり疲れ寿命を示すグラフであり、 第9図は、表1及び表2に示す本発明の各実施例及び各
比較例の寿命及び音圧を示すグラフであり、 第10図、第11図及び第12図は、それぞれダイレクト浸炭
熱処理、ダブル浸炭熱処理及び浸炭窒化熱処理の温度と
時間との関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武井 健治 神奈川県平塚市八千代町4−10 (72)発明者 白谷 隆明 神奈川県平塚市代官町35−13−306 (72)発明者 西田 宗次 神奈川県藤沢市鵠沼桜が丘3丁目1番地1 号棟407号室 (56)参考文献 「SAE Technical Pap er Series 860725(Impro vement of Rolling C ontact Fatigue Life of Carburized Tape red Roller Bearing s)」第3頁 「HTM 27(1972)Heft 3」第 164頁

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内輪、外輪及びその間で転動する転動体と
    から成り、前記内輪及び外輪のうち少なくとも1つが、
    浸炭され熱処理により硬化された転がり軸受において、 前記内輪及び外輪のうち少なくとも1つが、0.1〜0.7wt
    %の炭素を含む炭素鋼から成り、軌道表面層の残留オー
    ステナイトが20〜45vol%であり、前記転動体は0.7〜1.
    1wt%の炭素を含む炭素鋼から成り、浸炭窒化されかつ
    熱処理により硬化された前記転動体の表面層における残
    留オーステナイトが20〜45vol%かつ該表面層の炭窒化
    物が3〜15vol%であることを特徴とする転がり軸受。
  2. 【請求項2】前記軌道表面層の残留オーステナイトが25
    〜40vol%であり、前記転動体の前記表面層の残留オー
    ステナイトが25〜40vol%かつ炭窒化物が5〜15vol%で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の転
    がり軸受。
  3. 【請求項3】前記内輪及び外輪の1つが、0.2〜0.7wt%
    の浸炭鋼から成ることを特徴とする特許請求の範囲第2
    項に記載の転がり軸受。
  4. 【請求項4】内輪、外輪及びその間で転動する転動体と
    から成り、少なくとも前記内輪及び外輪の1つが、浸炭
    され熱処理により硬化された転がり軸受において、 前記内輪及び外輪のうち少なくとも1つが、0.1〜0.7wt
    %の炭素を含む炭素鋼から成り、軌道表面層の残留オー
    ステナイトが20〜45vol%であり、前記転動体は0.1〜0.
    7wt%の炭素を含む炭素鋼から成り、浸炭され熱処理に
    より硬化され、該転動体の表面層における残留オーステ
    ナイトが20〜45vol%であることを特徴とする転がり軸
    受。
  5. 【請求項5】前記軌道表面層の残留オーステナイトが25
    〜40vol%であり、前記転動体の前記表面層の残留オー
    ステナイトが25〜40vol%であることを特徴とする特許
    請求の範囲第4項に記載の転がり軸受。
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