転がり軸受
【課題】生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを目的とする。
【解決手段】転動体３に用いられる鋼の成分組成に加え、転動体３の表面のケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量及び窒素量を規定した。さらに、転動体３の表面からの所定の深さ位置の窒素量、残留オーステナイト量、及び、圧縮残留応力を規定した。これらのことによって、本発明の転がり軸受は、生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命である。
【解決手段】転動体３に用いられる鋼の成分組成に加え、転動体３の表面のケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量及び窒素量を規定した。さらに、転動体３の表面からの所定の深さ位置の窒素量、残留オーステナイト量、及び、圧縮残留応力を規定した。これらのことによって、本発明の転がり軸受は、生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受では、荷重が負荷されて長時間使用されることによって金属疲労が生じ、軌道面表面や転動体表面に剥離が生じる場合がある。剥離が生じるメカニズムとしては、従来から内部起点型剥離と表面起点型剥離がよく知られている。内部起点型剥離は、材料内部の非金属介在物周辺に応力集中が生じ、それを起点として疲労亀裂が生じて剥離に至る現象である。一方、表面起点型剥離は、潤滑油中に異物が混入することにより軌道面に生じた圧痕の圧痕ふちで応力集中が生じ、それを起点として疲労亀裂が生じて剥離に至る現象である。
【０００３】
また、一部の用途においては、潤滑油の分解によって水素が発生し、その水素が鋼中に侵入し、金属組織の変化を引き起こす場合がある。金属組織に変化が生じると組織変化部と正常部の界面から疲労亀裂が生じて剥離を生じさせるため、転動疲労寿命が著しく低下する。この金属組織の変化は、軸受鋼の基地組織であるマルテンサイトが、水素によって微細なフェライト粒に変化する現象である。エッチングを行って金属組織を観察すると、組織変化部は白く見えることから、白色組織などと呼ばれている。以下、このタイプの剥離形態を白色組織剥離と呼ぶ。この剥離形態は、前述の内部起点型剥離及び表面起点型剥離とは異なるメカニズムで生じるため、転動疲労寿命を向上させる対策も内部起点型剥離及び表面起点型剥離とは全く異なる。
特許文献１及び２には、白色組織剥離の対策として、Ｃｒを多量に添加した鋼を用いて転がり軸受を製作することにより、金属組織の変化の発生を遅延させる方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４７３５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１４７９４号公報
【特許文献３】特許第４２７３６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
使用条件によっては、軌道輪ではなく転動体に白色組織剥離が生じる場合がある。転動体を製作する場合には、鋼材を細径まで圧延し、それを切断及び冷間加工して、転動体の大まかな形状にする必要がある。そのため、軸受鋼にＣｒ等の合金元素を多量に添加すると、鋼材の製造工程において加工硬化が生じやすくなるため、前述した圧延、切断及び冷間加工において、変形抵抗が高くなり生産性が低下する恐れがある。また、鋼材の製造工程において割れやすくなるなどの問題が生じ、生産性が低下する恐れがある。したがって、上記の従来技術は、「白色組織剥離」に対する寿命向上効果は優れているものの、転動体に用いられる鋼材への適用においては、生産性の低さから工業上広く利用することが難しいという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、本発明の一態様に係る転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記転動体が、下記の６つの条件を満たすことを特徴とする。
条件１：濃度０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、濃度０．４質量％以上０．９質量％以下のケイ素、濃度０．６質量％以上１．２質量％以下のマンガン、濃度０．９質量％以上１．８質量％以下のクロム、濃度０．２７質量％以下のモリブデン、濃度０．２質量％以下のニッケル、濃度０．２質量％以下の銅、濃度０．０１質量％以下のイオウ、濃度０．０２質量％以下のリン、濃度１０質量ｐｐｍ以下の酸素を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼で構成されている。
【０００７】
条件２：前記転動体の表面の窒素量を０．２質量％以上とする。
条件３：前記転動体の表面におけるケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量を、面積率で１％以上５％以下とする。
条件４：前記転動体の直径の１％の長さをＸとした時、前記転動体の表面から深さＸの位置の窒素量を０．０５質量％以上とする。
条件５：前記転動体の表面から深さＸの位置の残留オーステナイト量を２０体積％以上４０体積％以下とする。
条件６：前記転動体の表面から深さＸの位置の圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下とする。
【０００８】
また、上記転がり軸受は、ベルトと、前記ベルトが巻回されたプーリーとを介して回転が伝達されるシャフトの支持に用いられることが好ましい。
さらに、上記転がり軸受は、自動車の電装補機に用いられることが好ましい。
また、上記転がり軸受は、電気モータに用いられることが好ましい。
さらに、上記転がり軸受は、変速機に用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、転動体に用いられる鋼の成分組成に加え、転動体の表面のケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量及び窒素量を規定した。さらに、転動体の表面からの所定の深さ位置の窒素量、残留オーステナイト量、及び、圧縮残留応力を規定した。これらのことによって、本発明の転がり軸受は、生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】転動体に生じた剥離部の断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動体３を保持する保持器４と、ゴムシール等の密封装置５，５と、を備えている。なお、保持器４及び密封装置５は、備えていなくてもよい。
本実施形態における転動体３は、下記の成分組成を有する鋼で構成されている。なお、転動体３以外の軸受部品についても、下記の鋼で構成することとしてもよい。例えば、転動体３の他、内輪１及び外輪２の両方又は一方を下記の鋼で構成することとしてもよい。
【００１２】
［炭素の含有量について］
炭素（Ｃ）は、焼入れによって基地に固溶し、転がり軸受として要求される硬さを得るための元素である。また、他の合金元素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる効果も有する。こうした効果を得るためには、炭素の含有量は０．９質量％以上１．１質量％以下であることが必要である。炭素の含有量が０．９質量％未満であると、焼入れ後の硬さが低下して、転動疲労寿命と耐摩耗性が不十分となる恐れがある。一方、炭素の含有量が１．１質量％を超えると、鋼中に共晶炭化物が生成されやすくなって、転動疲労寿命が低下する恐れがある。また、冷間加工性、研削性、及び破壊靭性値も低下する恐れがある。
【００１３】
［ケイ素の含有量について］
ケイ素（Ｓｉ）は、後述する、ケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物（以後、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物と称する。）の析出に必要な元素であり、マンガンとの共存によって、窒素と効果的に反応して、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物を顕著に析出する。また、基地に固溶して、焼入れ性を向上させるとともに焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素である。さらに、基地組織のマルテンサイトを安定化させるため、本発明において重要な、水素による組織変化を遅延させて転動疲労寿命を延長する効果がある。また、基地組織を強化し、転動疲労寿命と耐摩耗性を向上させる効果も有する。
【００１４】
こうした効果を得るためには、ケイ素の含有量は０．４質量％以上０．９質量％以下であることが必要である。ケイ素の含有量が０．４質量％未満であると、これらの効果が十分に得られない恐れがある。特に、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の析出が不十分となる恐れがある。一方、ケイ素の含有量が０．９質量％を超えると、冷間加工性、破壊靭性、及び旋削性が不十分となる恐れがある。
【００１５】
［マンガンの含有量について］
マンガン（Ｍｎ）は、後述するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の析出に必要な元素であり、ケイ素との共存によって、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の析出を促進させる作用がある。また、基地に固溶して、焼入れ性を向上させる元素である。また、基地組織のマルテンサイトを安定化させ、本発明において重要な水素による組織変化を遅延させて転動疲労寿命を延長する効果がある。さらに、本発明において重要な、熱処理後の鋼の表面の残留オーステナイトの形成を助け、安定化させる効果も有する。さらに、析出したＳｉ−Ｍｎ系窒化物、及び、生成された残留オーステナイトは、鋼中の水素の拡散・集積を遅延させるので、組織変化が局所的に生じるのを遅延させ、転動疲労寿命を延長する効果がある。
【００１６】
こうした効果を得るためには、マンガンの含有量は０．６質量％以上１．２質量％以下であることが必要である。マンガンの含有量が０．６質量％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、マンガンの含有量が１．２質量％を超えると、焼入後の残留オーステナイト量が多くなり過ぎて、寸法安定性が不十分となる恐れがある。
【００１７】
［クロムの含有量について］
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して、焼入れ性、耐食性等を向上させるとともに、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、炭化物と基地組織のマルテンサイトを安定化させるため、本発明において重要な水素による組織変化に対する抵抗力を向上させる効果も有する。具体的には、クロムは、水素が鋼中に侵入する速度を低下させる効果を有する。さらに、水素が侵入しても基地組織を安定化させることによって、水素による転動疲労寿命の低下を抑制する効果を有する。
【００１８】
こうした効果を得るためには、クロムの含有量は０．９質量％以上１．８質量％以下であることが必要である。クロムの含有量が０．９質量％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、クロムの含有量が１．８質量％を超えると、冷間加工性及び被削性が不十分となるため、転がり軸受の生産性が低下する恐れがある。
【００１９】
［モリブデンの含有量について］
モリブデン（Ｍｏ）は、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させ、基地に固溶して、焼入れ性、耐食性等を向上させるとともに、炭素や窒素と結合して鋼中に硬い炭窒化物を形成し、耐摩耗性及び転動疲労寿命を向上させる元素である。また、基地組織のマルテンサイトを安定化させるため、本発明において重要な水素による組織変化を遅延させて寿命を延長する効果がある。しかし、非常に高価な元素であるため鋼材のコストアップが生じる。そのため、本実施形態では、添加されるモリブデンの含有量は０．２７質量％以下とする。
【００２０】
［ニッケルの含有量について］
ニッケル（Ｎｉ）は、焼入れ性を向上させるとともに、オーステナイトを安定化させるのに有効な元素であり、鋼材の靭性を向上させる。しかし、非常に高価な元素であるため鋼材のコストアップが生じる。そのため、本実施形態では、添加されるニッケルの含有量は０．２質量％以下とする。
［銅の含有量について］
銅（Ｃｕ）は、焼入れ性を向上させるとともに、粒界強度を向上させる効果がある。しかし、含有量が多くなると熱間鍛造性を低下させる。そのため、本実施形態では、添加される銅の含有量を０．２質量％以下とする。
【００２１】
［イオウの含有量について］
イオウ（Ｓ）は、凝固時、熱処理時にマンガンと結合してＭｎＳを形成し介在物として作用するため、鋼中のイオウの含有量は少ない方が好ましい。そのため、本実施形態では、添加されるイオウの量を０．０２質量％以下とする。
［リンの含有量について］
リン（Ｐ）は、結晶粒界に偏析して、粒界強度や破壊靭性値、ならびに転動疲労寿命を低下させることから、鋼中のリンの含有量は少ない方が好ましい。そのため、本実施形態では、添加されるリンの量を０．０２質量％以下とする。
【００２２】
［酸素の含有量について］
酸素（Ｏ）は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の硬質の酸化物系非金属介在物を生成して剥離の起点となり、転動疲労寿命を低下させることから、鋼中の酸素の含有量は少ない方が好ましい。そのため、本実施形態では、添加される酸素の量を１０質量ｐｐｍ以下とする。
【００２３】
本発明者らは、転がり軸受の白色組織剥離に対する寿命（以下、白色組織剥離寿命と称する。）を、より一層向上させるために、水素の侵入によって組織変化が加速され、白色組織剥離へ至るメカニズムを見出した。具体的には、転がり軸受の潤滑のために使用される潤滑剤の分解によって水素が発生し、鋼中に侵入すると、水素は軌道面表面から内部へ向かって拡散していく。内部に侵入した水素は応力が高い位置に集積しやすいため、せん断応力が最大となる位置、すなわち転動体の表面から転動体の直径の１％の深さ位置で特に集積し、組織変化の発生を加速する。組織変化が発生すると、組織変化部と正常部の界面から疲労亀裂が生じて剥離を生じさせる。したがって、水素が発生、侵入する環境下での白色組織剥離寿命を向上させるためには、侵入した水素の拡散及び集積を遅延する必要がある。
【００２４】
本実施形態の転動体３は、ケイ素及びマンガンを多く添加した鋼に、窒化処理又は浸炭窒化処理を施し、表面の窒素量を高濃度化することにより得られる。これにより、水素のトラップサイトとなるＳｉ−Ｍｎ系窒化物が表面に析出し、表面から侵入してくる水素の拡散を遅延させている。また、せん断応力が最大となる深さ位置、すなわち転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置において、水素のトラップサイトとなる残留オーステナイトを多く形成させることによって、応力が高い位置に局所的に水素が集積するのを遅延させて、白色組織剥離の発生を遅延させている。さらに、転動体３に圧縮残留応力を付与することで、組織変化部からの疲労亀裂の進展を抑制し、白色組織剥離に至るまでの時間を延長させている。また、鋼にクロムを多量に添加する必要がないことから、本実施形態の転動体３は、製造工程において加工硬化や割れが生じにくいので、転がり軸受の生産性が良好である。
【００２５】
以下、これらについて詳細に説明する。
［Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物について］
合金成分であるケイ素及びマンガンを多く添加した鋼に窒化処理又は浸炭窒化処理を行うことによって、ケイ素及びマンガンを含んだ析出物が発生する。この析出物は、熱的に安定なＳｉ−Ｍｎ系窒化物であり、基地組織に、直径０．０１μｍ以上１μｍ以下の大きさで均一微細に分散する。
【００２６】
この窒化物は、基地組織のマルテンサイトに対して結晶構造が異なり、水素を強くトラップするため、鋼の表面から侵入してきた水素の拡散を遅延する。また、鋼の表面を硬化する作用もあるため、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上する。こうした効果を得るためには、転動体３の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が、面積率で１％以上５％以下であることが必要である。表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が面積率で１％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が面積率で５％を超えると、表面の硬さが過剰となり、加工時の研削性が低下する恐れがある。
【００２７】
［転動体の表面の窒素量について］
上記したＳｉ−Ｍｎ系窒化物が鋼中で析出するためには、窒化処理又は浸炭窒化処理によって侵入する窒素の量が必要量以上とならなければならない。転動体３の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が面積率で１％となるためには、少なくとも転動体３の表面の窒素量が０．２質量％以上必要である。
【００２８】
［転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の残留オーステナイト量について］
基地組織中の残留オーステナイトは、基地組織であるマルテンサイトと結晶構造が異なり、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物と同様に水素のトラップサイトとして機能し、水素の拡散速度を低下させる効果がある。一方、転動体３の内部では、転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置でせん断応力が最大となるため、水素が集積しやすい。したがって、この深さ位置の残留オーステナイト量を多くすることで、水素の局所的な集積が遅延されるため、水素による白色組織剥離の発生を遅延することができる。こうした効果を得るためには、該深さ位置の残留オーステナイト量は２０体積％以上４０体積％以下であることが必要である。該深さ位置の残留オーステナイト量が２０体積％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、該深さ位置の残留オーステナイト量が４０体積％を超えると、寸法安定性が低下する恐れがある。
【００２９】
［転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の窒素量について］
窒化処理又は浸炭窒化処理により、表面から侵入して拡散した窒素は、転動体３の表面で濃度が高くなり、内部に向かって濃度が低くなっていく。前述のように転動体３の表面付近の高濃度の窒素は、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物を形成する。一方、内部に拡散した低濃度の窒素は、残留オーステナイトを安定化させる効果がある。したがって、転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％深さ位置まで微量の窒素を拡散させることによって、該深さ位置の残留オーステナイトを安定化させることができるため、前述の残留オーステナイトによる組織変化の遅延の効果を高めることができる。こうした効果を得るためには、該深さ位置の窒素量が０．０５質量％以上であることが必要である。該深さ位置の窒素量が、０．０５質量％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。なお、該深さ位置の窒素量は、窒化処理又は浸炭窒化処理時の雰囲気ガス中の窒素ポテンシャル及び保持時間を変えることによって調整することができる。
【００３０】
［転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の圧縮残留応力について］
前述のように本発明においては、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物と、転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の残留オーステナイトの効果によって、白色組織剥離の発生を遅延することができる。しかし、転がり軸受の使用時間の経過に伴い、いずれは白色組織剥離が発生することは避けられない。白色組織剥離が発生すると、正常組織との界面から微小な亀裂が発生する。圧縮残留応力は、この微小な亀裂が進展するのを抑制し、白色組織剥離に至るまでの時間を著しく延長する効果がある。
【００３１】
圧縮残留応力は、浸炭窒化処理によって、基地組織への炭素の固溶濃度に表面と内部で勾配をもたせることや、転動体３の研磨後に行なうポールピーニング加工による塑性加工によって付与することができる。したがって、圧縮残留応力の大きさは、浸炭窒化処理時の保持温度と時間を変えて、固溶炭素の濃度勾配を変えることによって調整する。また、ボールピーニング加工時のドラムの回転速度と加工時間を変えることによっても調整することができる。
【００３２】
こうした効果を得るためには、該深さ位置の圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下であることが必要である。該深さ位置の圧縮残留応力が８００ＭＰａ未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、該深さ位置の圧縮残留応力が１１００ＭＰａを超えると、圧縮残留応力と釣り合う大きさで内部に発生する引張応力の作用によって、亀裂の進展が促進される場合がある。
【００３３】
［転がり軸受の好適な用途について］
本実施形態の転がり軸受は、水素による白色組織の発生が遅延されて、水素による寿命低下が抑制されるので、潤滑剤の分解によって水素が発生しやすい環境においても好適に使用できる。
水素の発生のしやすさは潤滑剤の種類により異なり、トラクション係数を向上させる目的や摩耗を防止する目的等のために添加剤を多く含む潤滑剤には、水素を発生しやすいものがある。例えば、自動車や産業機械の変速機に使用される潤滑油は添加物を多く含み、水素が発生しやすいので、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。
【００３４】
また、軸受内部に微量の電流が流れると、潤滑油の分解が促進され、水素が発生しやすくなる。ゴムベルトとプーリーを介して回転を伝達する構造の場合、ゴムベルトとプーリーとの間の摩擦により静電気が発生する。静電気による電位差は、プーリーに嵌合するシャフトを伝わり、このシャフトを回転自在に支持する軸受の外輪及び内輪と転動体との間の電位差となる。軸受の外輪及び内輪と転動体との間には油膜が形成され絶縁されているが、回転速度の変動や振動によって軸受の外輪及び内輪と転動体との間で金属接触が生じると電流が流れる。電流が流れると金属表面が局所的に溶解され、化学的に活性な新生面が露出することによって潤滑油の分解が加速され、水素が発生しやすくなる。したがって、ゴムベルトとプーリーを介して回転を伝達する構造で使用される転がり軸受は水素が発生しやすく、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。特に、自動車のオルタネータなどの電装補機用の転がり軸受は、エンジンからの回転をゴムベルトとプーリーを介して伝達しているので、静電気が発生し、水素が発生しやすいため、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。
【００３５】
また、軸受内部に微量の電流が流れる用途としては電気モータ用軸受がある。電気モータからの微量の電流がシャフトを通って軸受内部に流れると、上記の静電気の場合と同様に、潤滑油の分解が加速され、水素が発生しやすくなる。したがって、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受の一実施形態としてとして深溝玉軸受を用いて説明したが、アンギュラ玉軸受などのその他の玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受等のころ軸受に対しても本発明を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。さらに、ボールねじ、リニアガイド等、その他の転動部材に対しても本発明を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３６】
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
表１に示す成分組成の鋼材から円板試験片及び転動体試験片を製作し、各条件で熱処理を施して熱処理品質を調査した。次に、熱処理品質調査において、転動体として加工可能であると判断した実施例及び比較例を用いて、白色組織剥離寿命評価試験を行なった。
表１には、各鋼種の成分組成を記載している。また、表２に、表１の鋼種を用いた実施例及び比較例の各種熱処理品質調査及び白色組織剥離寿命評価試験の結果を示す。なお、表中数値に下線があるものは、実施形態に記載した好適な範囲から外れる数値を示したものである。また、表中の「転動体の直径の１％の深さ位置」とは、転動体の表面からの深さが転動体の直径の１％である位置を意味し、これ以降の説明においては、「深さ１％の位置」と記すこともある。
【００３７】
なお、ケイ素の量が本発明に規定した範囲外である鋼種Ｆ、及び、クロムの量が本発明に規定した範囲外である鋼種Ｈについては、鋼材を球状化焼鈍処理した後の硬さが高く、転動体への加工が困難と判断し、以降の調査から除外した。また、鋼種Ｉの成分は、ＪＩＳ規格のＳＵＪ２に相当する。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
［１.熱処理品質調査］
転動体として加工可能であるかを調査するため、熱処理を施した円板試験片の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量、及び窒素量の調査を行った。また、熱処理を施した転動体試験片の深さ１％の位置における窒素量、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力の調査を行った。
【００４１】
［１−１.円板試験片による熱処理品質調査］
熱処理後の鋼の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量及び窒素量を調べるため、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを用いて円板試験片を製作し、熱処理を施した後に、それらの熱処理品質調査を行った。
円板試験片の製作は、以下のようにして行った。まず、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを、直径６５ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板に切削加工し、Ｒｘガス、プロパンガス、及び、アンモニアガスの混合ガスを用いて、温度８２０℃で２〜８時間浸炭窒化処理を行った後に、油焼入れを施した。その後、温度１７５℃で２時間焼戻し処理を施した。このように、浸炭窒化処理時間を変化させて、実施例１〜１０及び比較例１〜９の円板試験片を製作した。
【００４２】
これら円板試験片の表面の窒素濃度の測定は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ｋＶで行った。一方、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用い、加速電圧１０ｋＶで表面を観察することにより行った。Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物は微細なため、倍率５０００倍で最低でも３視野の写真を撮影し、写真を二値化してから画像解析装置を用いて面積率を計算した。これらの結果を表２に示す。これらの結果から比較例５は、熱処理条件が不適のため表面の窒素量が過剰になり、表面硬さが過剰となった。そのため、研削性が低下して転動体の製作が困難と判断し、これ以降の試験から除外した。
【００４３】
［１−２.転動体試験片による熱処理品質調査］
熱処理後の転動体の深さ１％の位置における窒素量、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力を調べるため、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを用いて転動体試験片を製作し、熱処理を施した後に、それらの熱処理品質調査を行った。なお、本調査で使用する実施例１〜１０及び比較例１〜９は、上記１−１で行った円板試験片による熱処理品質調査で用いた実施例１〜１０及び比較例１〜９と対応しており、試験片の形状以外は違いがなく、同様の処理を行ったものである。
【００４４】
転動体試験片の製作は、以下のようにして行った。まず、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを球形に粗加工した後、Ｒｘガス、プロパンガス、及び、アンモニアガスの混合ガスを用いて、温度８２０℃で２〜８時間浸炭窒化処理を行った後に、油焼入れを施した。その後、温度１７５℃で２時間焼戻し処理を施した。さらに、ボールピーニング加工及び研磨加工を施して、それぞれ直径８．７３１ｍｍのボールに加工した。この時、ボールピーニング加工時の加工時間を変化させて残留応力を調整した。
【００４５】
これら転動体試験片の深さ１％の位置における窒素量の測定は、各転動体試験片を表面から８５〜９０μｍ電解研磨した後、ＥＰＭＡを用い、加速電圧１５ｋＶで行った。一方、転動体試験片の深さ１％の位置における残留オーステナイト量及び残留応力の測定は、同様に各転動体試験片を表面から８５〜９０μｍ電解研磨した後、Ｘ線回折装置を用いて行った。これらの結果を表２に示す。これらの結果から比較例１は、鋼中のマンガン量が不適であり、残留オーステナイト量が過剰で寸法安定性が悪化する恐れがあるため、転動体として不適当と判断し、以降の寿命試験から除外した。
【００４６】
［２．白色組織剥離寿命評価試験］
［２−１．転動疲労試験］
上記の熱処理品質調査において、転動体の製作に不適格と判断された比較例１及び５を除き、残りの実施例１〜１０及び比較例２〜４，６〜９の転動体試験片を用いて、転動疲労試験を行なった。
【００４７】
転動疲労試験を開始する前に、試験片を５０℃の２０質量％チオシアン酸アンモニウム水溶液に２４時間浸漬することによって、水素を鋼中に侵入させた。該水素を侵入させた試験片をスラスト型転動疲労試験機にセットし、１鋼種につき各４〜７回の転動疲労試験を下記の条件で行い、累積破損確率が５０％となる寿命（Ｌ５０寿命）を求め、比較例１３（ＪＩＳ規格のＳＵＪ２）の寿命を１．０とした場合の相対値である転動疲労寿命比を算出した。この転動疲労寿命比は、白色組織剥離に対する寿命である。なお、上レースは、一般的な軸受鋼であるＪＩＳ規格のＳＵＪ２製の呼び番号５１３０５のスラスト軸受用の軌道輪を用い、下レースはＪＩＳ規格のＳＵＪ２製の円板を用いた。
【００４８】
「試験条件」
最大面圧 ： ４．１ＧＰａ
回転速度 ： １０００ｍｉｎ−１
潤滑油 ： ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８である一般鉱油
この様な条件で求めた転動疲労寿命比を表２に示す。
【００４９】
図２は、本試験において転動体試験片に生じた剥離部の断面拡大図を示したものである。剥離部周辺には水素による白色組織が形成されているのがわかる。実施例１〜１０は、成分組成、転動体表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率及び窒素量、並びに、深さ１％の位置の窒素量，残留オーステナイト，圧縮残留応力が好適であるため、白色組織剥離が生じにくく、転動疲労寿命が長かった。特に、実施例５〜１０は長寿命であり、鋼種Ｃ〜Ｅは本発明において特に好適な成分組成と考えられる。
【００５０】
一方、比較例２は、鋼中のケイ素及びマンガンの量が少なく、深さ１％の位置における残留オーステナイトが不足しているため、水素によって基地組織の組織変化が生じやすく、寿命が短かった。また、比較例４の場合も同様に、鋼中のクロムの量が少なく、結果として基地組織に組織変化が生じやすく、寿命が短かった。
【００５１】
さらに、比較例６は、浸炭窒化処理時間が短く、深さ１％の位置における窒素量が本発明で規定する範囲外となり、白色組織剥離に対する寿命延長効果が不十分となり、寿命が短かった。また、比較例７は、深さ１％の位置における窒素量に加えて、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率及び窒素量、並びに、深さ１％の位置における残留オーステナイト量が本発明で規定する範囲外となり、白色組織剥離に対する寿命延長効果が不十分となり、寿命が短かった。比較例８及び９は、ポールピーニング加工の加工時間を変化させた結果、深さ１％の位置における圧縮残留応力が本発明で規定する範囲外となった。そのため、比較例８の場合は内部に発生する引張応力が過大となったため、転動疲労寿命が短かった。一方、比較例９の場合は亀裂の進展を抑制する効果が不十分となり寿命が短かった。
【００５２】
［２−２.軸受寿命試験］
前述の転動疲労試験で、特に寿命が長かった表２の実施例５〜１０及び、ＪＩＳ規格のＳＵＪ２の成分に相当する比較例２及び３の転動体試験片を転動体として使用して、呼び番号が６３０３である深溝玉軸受（外径＝４７ｍｍ，内径＝１７ｍｍ，幅＝１４ｍｍ）を製作した。なお、これらの深溝玉軸受にはナイロン製保持器を組み込むとともに、グリースを充墳した。また、転動体の剥離までの寿命を評価できるように、内輪及び外輪は白色組織剥離に対して寿命の長い、マルテンサイト系ステンレス鋼で製作した。
【００５３】
試験機としては、ＮＳＫ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．６７９，ｐ．２８に開示されているオルタネータシミュレート試験機を用いた。本試験機は、プーリーとゴムベルトを介してシャフトに回転を伝達しているため、軸受寿命試験中にプーリーとゴムベルトとの間に静電気が生じ、グリースの分解による水素の発生が生じやすい条件となっている。実施例５〜１０は各３個、比較例２及び３は各７個の軸受を用いて軸受寿命試験を行ない、累積破損確率が５０％となる寿命を求めた。結果を表２に示す。
【００５４】
実施例５〜１０の転動体試験片を用いて製作した試験軸受は、１０００時間経過しても剥離が生じなかったため試験を打ち切った。軸受寿命試験後の転動体の断面を観察したところ、少量の白色組織が発生していたものの、剥離には至っていなかった。一方、比較例２及び３の転動体試験片を用いて製作した試験軸受は、７個の試験軸受全てに白色組織が発生しており、剥離が生じていた。実施例１〜５と比較例２及び３の転動体試験片を用いて製作した試験軸受の軸受寿命の差は４倍以上と見なせるものであった。
以上より、本発明の転がり軸受は白色組織の発生が遅延されるため、水素が発生しやすい環境下においても好適に使用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 内輪
２ 外輪
３ 玉
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転がり軸受では、荷重が負荷されて長時間使用されることによって金属疲労が生じ、軌道面表面や転動体表面に剥離が生じる場合がある。剥離が生じるメカニズムとしては、従来から内部起点型剥離と表面起点型剥離がよく知られている。内部起点型剥離は、材料内部の非金属介在物周辺に応力集中が生じ、それを起点として疲労亀裂が生じて剥離に至る現象である。一方、表面起点型剥離は、潤滑油中に異物が混入することにより軌道面に生じた圧痕の圧痕ふちで応力集中が生じ、それを起点として疲労亀裂が生じて剥離に至る現象である。
【０００３】
また、一部の用途においては、潤滑油の分解によって水素が発生し、その水素が鋼中に侵入し、金属組織の変化を引き起こす場合がある。金属組織に変化が生じると組織変化部と正常部の界面から疲労亀裂が生じて剥離を生じさせるため、転動疲労寿命が著しく低下する。この金属組織の変化は、軸受鋼の基地組織であるマルテンサイトが、水素によって微細なフェライト粒に変化する現象である。エッチングを行って金属組織を観察すると、組織変化部は白く見えることから、白色組織などと呼ばれている。以下、このタイプの剥離形態を白色組織剥離と呼ぶ。この剥離形態は、前述の内部起点型剥離及び表面起点型剥離とは異なるメカニズムで生じるため、転動疲労寿命を向上させる対策も内部起点型剥離及び表面起点型剥離とは全く異なる。
特許文献１及び２には、白色組織剥離の対策として、Ｃｒを多量に添加した鋼を用いて転がり軸受を製作することにより、金属組織の変化の発生を遅延させる方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４７３５２号公報
【特許文献２】特開２００５−３１４７９４号公報
【特許文献３】特許第４２７３６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
使用条件によっては、軌道輪ではなく転動体に白色組織剥離が生じる場合がある。転動体を製作する場合には、鋼材を細径まで圧延し、それを切断及び冷間加工して、転動体の大まかな形状にする必要がある。そのため、軸受鋼にＣｒ等の合金元素を多量に添加すると、鋼材の製造工程において加工硬化が生じやすくなるため、前述した圧延、切断及び冷間加工において、変形抵抗が高くなり生産性が低下する恐れがある。また、鋼材の製造工程において割れやすくなるなどの問題が生じ、生産性が低下する恐れがある。したがって、上記の従来技術は、「白色組織剥離」に対する寿命向上効果は優れているものの、転動体に用いられる鋼材への適用においては、生産性の低さから工業上広く利用することが難しいという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、本発明の一態様に係る転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記転動体が、下記の６つの条件を満たすことを特徴とする。
条件１：濃度０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、濃度０．４質量％以上０．９質量％以下のケイ素、濃度０．６質量％以上１．２質量％以下のマンガン、濃度０．９質量％以上１．８質量％以下のクロム、濃度０．２７質量％以下のモリブデン、濃度０．２質量％以下のニッケル、濃度０．２質量％以下の銅、濃度０．０１質量％以下のイオウ、濃度０．０２質量％以下のリン、濃度１０質量ｐｐｍ以下の酸素を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼で構成されている。
【０００７】
条件２：前記転動体の表面の窒素量を０．２質量％以上とする。
条件３：前記転動体の表面におけるケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量を、面積率で１％以上５％以下とする。
条件４：前記転動体の直径の１％の長さをＸとした時、前記転動体の表面から深さＸの位置の窒素量を０．０５質量％以上とする。
条件５：前記転動体の表面から深さＸの位置の残留オーステナイト量を２０体積％以上４０体積％以下とする。
条件６：前記転動体の表面から深さＸの位置の圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下とする。
【０００８】
また、上記転がり軸受は、ベルトと、前記ベルトが巻回されたプーリーとを介して回転が伝達されるシャフトの支持に用いられることが好ましい。
さらに、上記転がり軸受は、自動車の電装補機に用いられることが好ましい。
また、上記転がり軸受は、電気モータに用いられることが好ましい。
さらに、上記転がり軸受は、変速機に用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、転動体に用いられる鋼の成分組成に加え、転動体の表面のケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量及び窒素量を規定した。さらに、転動体の表面からの所定の深さ位置の窒素量、残留オーステナイト量、及び、圧縮残留応力を規定した。これらのことによって、本発明の転がり軸受は、生産性が良好であることに加えて、白色組織剥離が生じにくく長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】転動体に生じた剥離部の断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の深溝玉軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動体３を保持する保持器４と、ゴムシール等の密封装置５，５と、を備えている。なお、保持器４及び密封装置５は、備えていなくてもよい。
本実施形態における転動体３は、下記の成分組成を有する鋼で構成されている。なお、転動体３以外の軸受部品についても、下記の鋼で構成することとしてもよい。例えば、転動体３の他、内輪１及び外輪２の両方又は一方を下記の鋼で構成することとしてもよい。
【００１２】
［炭素の含有量について］
炭素（Ｃ）は、焼入れによって基地に固溶し、転がり軸受として要求される硬さを得るための元素である。また、他の合金元素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる効果も有する。こうした効果を得るためには、炭素の含有量は０．９質量％以上１．１質量％以下であることが必要である。炭素の含有量が０．９質量％未満であると、焼入れ後の硬さが低下して、転動疲労寿命と耐摩耗性が不十分となる恐れがある。一方、炭素の含有量が１．１質量％を超えると、鋼中に共晶炭化物が生成されやすくなって、転動疲労寿命が低下する恐れがある。また、冷間加工性、研削性、及び破壊靭性値も低下する恐れがある。
【００１３】
［ケイ素の含有量について］
ケイ素（Ｓｉ）は、後述する、ケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物（以後、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物と称する。）の析出に必要な元素であり、マンガンとの共存によって、窒素と効果的に反応して、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物を顕著に析出する。また、基地に固溶して、焼入れ性を向上させるとともに焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素である。さらに、基地組織のマルテンサイトを安定化させるため、本発明において重要な、水素による組織変化を遅延させて転動疲労寿命を延長する効果がある。また、基地組織を強化し、転動疲労寿命と耐摩耗性を向上させる効果も有する。
【００１４】
こうした効果を得るためには、ケイ素の含有量は０．４質量％以上０．９質量％以下であることが必要である。ケイ素の含有量が０．４質量％未満であると、これらの効果が十分に得られない恐れがある。特に、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の析出が不十分となる恐れがある。一方、ケイ素の含有量が０．９質量％を超えると、冷間加工性、破壊靭性、及び旋削性が不十分となる恐れがある。
【００１５】
［マンガンの含有量について］
マンガン（Ｍｎ）は、後述するＳｉ−Ｍｎ系窒化物の析出に必要な元素であり、ケイ素との共存によって、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物の析出を促進させる作用がある。また、基地に固溶して、焼入れ性を向上させる元素である。また、基地組織のマルテンサイトを安定化させ、本発明において重要な水素による組織変化を遅延させて転動疲労寿命を延長する効果がある。さらに、本発明において重要な、熱処理後の鋼の表面の残留オーステナイトの形成を助け、安定化させる効果も有する。さらに、析出したＳｉ−Ｍｎ系窒化物、及び、生成された残留オーステナイトは、鋼中の水素の拡散・集積を遅延させるので、組織変化が局所的に生じるのを遅延させ、転動疲労寿命を延長する効果がある。
【００１６】
こうした効果を得るためには、マンガンの含有量は０．６質量％以上１．２質量％以下であることが必要である。マンガンの含有量が０．６質量％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、マンガンの含有量が１．２質量％を超えると、焼入後の残留オーステナイト量が多くなり過ぎて、寸法安定性が不十分となる恐れがある。
【００１７】
［クロムの含有量について］
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して、焼入れ性、耐食性等を向上させるとともに、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、炭化物と基地組織のマルテンサイトを安定化させるため、本発明において重要な水素による組織変化に対する抵抗力を向上させる効果も有する。具体的には、クロムは、水素が鋼中に侵入する速度を低下させる効果を有する。さらに、水素が侵入しても基地組織を安定化させることによって、水素による転動疲労寿命の低下を抑制する効果を有する。
【００１８】
こうした効果を得るためには、クロムの含有量は０．９質量％以上１．８質量％以下であることが必要である。クロムの含有量が０．９質量％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、クロムの含有量が１．８質量％を超えると、冷間加工性及び被削性が不十分となるため、転がり軸受の生産性が低下する恐れがある。
【００１９】
［モリブデンの含有量について］
モリブデン（Ｍｏ）は、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させ、基地に固溶して、焼入れ性、耐食性等を向上させるとともに、炭素や窒素と結合して鋼中に硬い炭窒化物を形成し、耐摩耗性及び転動疲労寿命を向上させる元素である。また、基地組織のマルテンサイトを安定化させるため、本発明において重要な水素による組織変化を遅延させて寿命を延長する効果がある。しかし、非常に高価な元素であるため鋼材のコストアップが生じる。そのため、本実施形態では、添加されるモリブデンの含有量は０．２７質量％以下とする。
【００２０】
［ニッケルの含有量について］
ニッケル（Ｎｉ）は、焼入れ性を向上させるとともに、オーステナイトを安定化させるのに有効な元素であり、鋼材の靭性を向上させる。しかし、非常に高価な元素であるため鋼材のコストアップが生じる。そのため、本実施形態では、添加されるニッケルの含有量は０．２質量％以下とする。
［銅の含有量について］
銅（Ｃｕ）は、焼入れ性を向上させるとともに、粒界強度を向上させる効果がある。しかし、含有量が多くなると熱間鍛造性を低下させる。そのため、本実施形態では、添加される銅の含有量を０．２質量％以下とする。
【００２１】
［イオウの含有量について］
イオウ（Ｓ）は、凝固時、熱処理時にマンガンと結合してＭｎＳを形成し介在物として作用するため、鋼中のイオウの含有量は少ない方が好ましい。そのため、本実施形態では、添加されるイオウの量を０．０２質量％以下とする。
［リンの含有量について］
リン（Ｐ）は、結晶粒界に偏析して、粒界強度や破壊靭性値、ならびに転動疲労寿命を低下させることから、鋼中のリンの含有量は少ない方が好ましい。そのため、本実施形態では、添加されるリンの量を０．０２質量％以下とする。
【００２２】
［酸素の含有量について］
酸素（Ｏ）は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の硬質の酸化物系非金属介在物を生成して剥離の起点となり、転動疲労寿命を低下させることから、鋼中の酸素の含有量は少ない方が好ましい。そのため、本実施形態では、添加される酸素の量を１０質量ｐｐｍ以下とする。
【００２３】
本発明者らは、転がり軸受の白色組織剥離に対する寿命（以下、白色組織剥離寿命と称する。）を、より一層向上させるために、水素の侵入によって組織変化が加速され、白色組織剥離へ至るメカニズムを見出した。具体的には、転がり軸受の潤滑のために使用される潤滑剤の分解によって水素が発生し、鋼中に侵入すると、水素は軌道面表面から内部へ向かって拡散していく。内部に侵入した水素は応力が高い位置に集積しやすいため、せん断応力が最大となる位置、すなわち転動体の表面から転動体の直径の１％の深さ位置で特に集積し、組織変化の発生を加速する。組織変化が発生すると、組織変化部と正常部の界面から疲労亀裂が生じて剥離を生じさせる。したがって、水素が発生、侵入する環境下での白色組織剥離寿命を向上させるためには、侵入した水素の拡散及び集積を遅延する必要がある。
【００２４】
本実施形態の転動体３は、ケイ素及びマンガンを多く添加した鋼に、窒化処理又は浸炭窒化処理を施し、表面の窒素量を高濃度化することにより得られる。これにより、水素のトラップサイトとなるＳｉ−Ｍｎ系窒化物が表面に析出し、表面から侵入してくる水素の拡散を遅延させている。また、せん断応力が最大となる深さ位置、すなわち転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置において、水素のトラップサイトとなる残留オーステナイトを多く形成させることによって、応力が高い位置に局所的に水素が集積するのを遅延させて、白色組織剥離の発生を遅延させている。さらに、転動体３に圧縮残留応力を付与することで、組織変化部からの疲労亀裂の進展を抑制し、白色組織剥離に至るまでの時間を延長させている。また、鋼にクロムを多量に添加する必要がないことから、本実施形態の転動体３は、製造工程において加工硬化や割れが生じにくいので、転がり軸受の生産性が良好である。
【００２５】
以下、これらについて詳細に説明する。
［Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物について］
合金成分であるケイ素及びマンガンを多く添加した鋼に窒化処理又は浸炭窒化処理を行うことによって、ケイ素及びマンガンを含んだ析出物が発生する。この析出物は、熱的に安定なＳｉ−Ｍｎ系窒化物であり、基地組織に、直径０．０１μｍ以上１μｍ以下の大きさで均一微細に分散する。
【００２６】
この窒化物は、基地組織のマルテンサイトに対して結晶構造が異なり、水素を強くトラップするため、鋼の表面から侵入してきた水素の拡散を遅延する。また、鋼の表面を硬化する作用もあるため、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上する。こうした効果を得るためには、転動体３の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が、面積率で１％以上５％以下であることが必要である。表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が面積率で１％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が面積率で５％を超えると、表面の硬さが過剰となり、加工時の研削性が低下する恐れがある。
【００２７】
［転動体の表面の窒素量について］
上記したＳｉ−Ｍｎ系窒化物が鋼中で析出するためには、窒化処理又は浸炭窒化処理によって侵入する窒素の量が必要量以上とならなければならない。転動体３の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量が面積率で１％となるためには、少なくとも転動体３の表面の窒素量が０．２質量％以上必要である。
【００２８】
［転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の残留オーステナイト量について］
基地組織中の残留オーステナイトは、基地組織であるマルテンサイトと結晶構造が異なり、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物と同様に水素のトラップサイトとして機能し、水素の拡散速度を低下させる効果がある。一方、転動体３の内部では、転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置でせん断応力が最大となるため、水素が集積しやすい。したがって、この深さ位置の残留オーステナイト量を多くすることで、水素の局所的な集積が遅延されるため、水素による白色組織剥離の発生を遅延することができる。こうした効果を得るためには、該深さ位置の残留オーステナイト量は２０体積％以上４０体積％以下であることが必要である。該深さ位置の残留オーステナイト量が２０体積％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、該深さ位置の残留オーステナイト量が４０体積％を超えると、寸法安定性が低下する恐れがある。
【００２９】
［転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の窒素量について］
窒化処理又は浸炭窒化処理により、表面から侵入して拡散した窒素は、転動体３の表面で濃度が高くなり、内部に向かって濃度が低くなっていく。前述のように転動体３の表面付近の高濃度の窒素は、Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物を形成する。一方、内部に拡散した低濃度の窒素は、残留オーステナイトを安定化させる効果がある。したがって、転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％深さ位置まで微量の窒素を拡散させることによって、該深さ位置の残留オーステナイトを安定化させることができるため、前述の残留オーステナイトによる組織変化の遅延の効果を高めることができる。こうした効果を得るためには、該深さ位置の窒素量が０．０５質量％以上であることが必要である。該深さ位置の窒素量が、０．０５質量％未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。なお、該深さ位置の窒素量は、窒化処理又は浸炭窒化処理時の雰囲気ガス中の窒素ポテンシャル及び保持時間を変えることによって調整することができる。
【００３０】
［転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の圧縮残留応力について］
前述のように本発明においては、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物と、転動体３の表面からの、転動体３の直径の１％の深さ位置の残留オーステナイトの効果によって、白色組織剥離の発生を遅延することができる。しかし、転がり軸受の使用時間の経過に伴い、いずれは白色組織剥離が発生することは避けられない。白色組織剥離が発生すると、正常組織との界面から微小な亀裂が発生する。圧縮残留応力は、この微小な亀裂が進展するのを抑制し、白色組織剥離に至るまでの時間を著しく延長する効果がある。
【００３１】
圧縮残留応力は、浸炭窒化処理によって、基地組織への炭素の固溶濃度に表面と内部で勾配をもたせることや、転動体３の研磨後に行なうポールピーニング加工による塑性加工によって付与することができる。したがって、圧縮残留応力の大きさは、浸炭窒化処理時の保持温度と時間を変えて、固溶炭素の濃度勾配を変えることによって調整する。また、ボールピーニング加工時のドラムの回転速度と加工時間を変えることによっても調整することができる。
【００３２】
こうした効果を得るためには、該深さ位置の圧縮残留応力が８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下であることが必要である。該深さ位置の圧縮残留応力が８００ＭＰａ未満であると、上記の効果が不十分となる恐れがある。一方、該深さ位置の圧縮残留応力が１１００ＭＰａを超えると、圧縮残留応力と釣り合う大きさで内部に発生する引張応力の作用によって、亀裂の進展が促進される場合がある。
【００３３】
［転がり軸受の好適な用途について］
本実施形態の転がり軸受は、水素による白色組織の発生が遅延されて、水素による寿命低下が抑制されるので、潤滑剤の分解によって水素が発生しやすい環境においても好適に使用できる。
水素の発生のしやすさは潤滑剤の種類により異なり、トラクション係数を向上させる目的や摩耗を防止する目的等のために添加剤を多く含む潤滑剤には、水素を発生しやすいものがある。例えば、自動車や産業機械の変速機に使用される潤滑油は添加物を多く含み、水素が発生しやすいので、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。
【００３４】
また、軸受内部に微量の電流が流れると、潤滑油の分解が促進され、水素が発生しやすくなる。ゴムベルトとプーリーを介して回転を伝達する構造の場合、ゴムベルトとプーリーとの間の摩擦により静電気が発生する。静電気による電位差は、プーリーに嵌合するシャフトを伝わり、このシャフトを回転自在に支持する軸受の外輪及び内輪と転動体との間の電位差となる。軸受の外輪及び内輪と転動体との間には油膜が形成され絶縁されているが、回転速度の変動や振動によって軸受の外輪及び内輪と転動体との間で金属接触が生じると電流が流れる。電流が流れると金属表面が局所的に溶解され、化学的に活性な新生面が露出することによって潤滑油の分解が加速され、水素が発生しやすくなる。したがって、ゴムベルトとプーリーを介して回転を伝達する構造で使用される転がり軸受は水素が発生しやすく、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。特に、自動車のオルタネータなどの電装補機用の転がり軸受は、エンジンからの回転をゴムベルトとプーリーを介して伝達しているので、静電気が発生し、水素が発生しやすいため、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。
【００３５】
また、軸受内部に微量の電流が流れる用途としては電気モータ用軸受がある。電気モータからの微量の電流がシャフトを通って軸受内部に流れると、上記の静電気の場合と同様に、潤滑油の分解が加速され、水素が発生しやすくなる。したがって、本実施形態の転がり軸受を好適に使用できる。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、転がり軸受の一実施形態としてとして深溝玉軸受を用いて説明したが、アンギュラ玉軸受などのその他の玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受等のころ軸受に対しても本発明を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。さらに、ボールねじ、リニアガイド等、その他の転動部材に対しても本発明を適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３６】
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
表１に示す成分組成の鋼材から円板試験片及び転動体試験片を製作し、各条件で熱処理を施して熱処理品質を調査した。次に、熱処理品質調査において、転動体として加工可能であると判断した実施例及び比較例を用いて、白色組織剥離寿命評価試験を行なった。
表１には、各鋼種の成分組成を記載している。また、表２に、表１の鋼種を用いた実施例及び比較例の各種熱処理品質調査及び白色組織剥離寿命評価試験の結果を示す。なお、表中数値に下線があるものは、実施形態に記載した好適な範囲から外れる数値を示したものである。また、表中の「転動体の直径の１％の深さ位置」とは、転動体の表面からの深さが転動体の直径の１％である位置を意味し、これ以降の説明においては、「深さ１％の位置」と記すこともある。
【００３７】
なお、ケイ素の量が本発明に規定した範囲外である鋼種Ｆ、及び、クロムの量が本発明に規定した範囲外である鋼種Ｈについては、鋼材を球状化焼鈍処理した後の硬さが高く、転動体への加工が困難と判断し、以降の調査から除外した。また、鋼種Ｉの成分は、ＪＩＳ規格のＳＵＪ２に相当する。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
［１.熱処理品質調査］
転動体として加工可能であるかを調査するため、熱処理を施した円板試験片の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量、及び窒素量の調査を行った。また、熱処理を施した転動体試験片の深さ１％の位置における窒素量、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力の調査を行った。
【００４１】
［１−１.円板試験片による熱処理品質調査］
熱処理後の鋼の表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の量及び窒素量を調べるため、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを用いて円板試験片を製作し、熱処理を施した後に、それらの熱処理品質調査を行った。
円板試験片の製作は、以下のようにして行った。まず、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを、直径６５ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板に切削加工し、Ｒｘガス、プロパンガス、及び、アンモニアガスの混合ガスを用いて、温度８２０℃で２〜８時間浸炭窒化処理を行った後に、油焼入れを施した。その後、温度１７５℃で２時間焼戻し処理を施した。このように、浸炭窒化処理時間を変化させて、実施例１〜１０及び比較例１〜９の円板試験片を製作した。
【００４２】
これら円板試験片の表面の窒素濃度の測定は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ｋＶで行った。一方、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用い、加速電圧１０ｋＶで表面を観察することにより行った。Ｓｉ−Ｍｎ系窒化物は微細なため、倍率５０００倍で最低でも３視野の写真を撮影し、写真を二値化してから画像解析装置を用いて面積率を計算した。これらの結果を表２に示す。これらの結果から比較例５は、熱処理条件が不適のため表面の窒素量が過剰になり、表面硬さが過剰となった。そのため、研削性が低下して転動体の製作が困難と判断し、これ以降の試験から除外した。
【００４３】
［１−２.転動体試験片による熱処理品質調査］
熱処理後の転動体の深さ１％の位置における窒素量、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力を調べるため、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを用いて転動体試験片を製作し、熱処理を施した後に、それらの熱処理品質調査を行った。なお、本調査で使用する実施例１〜１０及び比較例１〜９は、上記１−１で行った円板試験片による熱処理品質調査で用いた実施例１〜１０及び比較例１〜９と対応しており、試験片の形状以外は違いがなく、同様の処理を行ったものである。
【００４４】
転動体試験片の製作は、以下のようにして行った。まず、鋼種Ａ〜Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｊを球形に粗加工した後、Ｒｘガス、プロパンガス、及び、アンモニアガスの混合ガスを用いて、温度８２０℃で２〜８時間浸炭窒化処理を行った後に、油焼入れを施した。その後、温度１７５℃で２時間焼戻し処理を施した。さらに、ボールピーニング加工及び研磨加工を施して、それぞれ直径８．７３１ｍｍのボールに加工した。この時、ボールピーニング加工時の加工時間を変化させて残留応力を調整した。
【００４５】
これら転動体試験片の深さ１％の位置における窒素量の測定は、各転動体試験片を表面から８５〜９０μｍ電解研磨した後、ＥＰＭＡを用い、加速電圧１５ｋＶで行った。一方、転動体試験片の深さ１％の位置における残留オーステナイト量及び残留応力の測定は、同様に各転動体試験片を表面から８５〜９０μｍ電解研磨した後、Ｘ線回折装置を用いて行った。これらの結果を表２に示す。これらの結果から比較例１は、鋼中のマンガン量が不適であり、残留オーステナイト量が過剰で寸法安定性が悪化する恐れがあるため、転動体として不適当と判断し、以降の寿命試験から除外した。
【００４６】
［２．白色組織剥離寿命評価試験］
［２−１．転動疲労試験］
上記の熱処理品質調査において、転動体の製作に不適格と判断された比較例１及び５を除き、残りの実施例１〜１０及び比較例２〜４，６〜９の転動体試験片を用いて、転動疲労試験を行なった。
【００４７】
転動疲労試験を開始する前に、試験片を５０℃の２０質量％チオシアン酸アンモニウム水溶液に２４時間浸漬することによって、水素を鋼中に侵入させた。該水素を侵入させた試験片をスラスト型転動疲労試験機にセットし、１鋼種につき各４〜７回の転動疲労試験を下記の条件で行い、累積破損確率が５０％となる寿命（Ｌ５０寿命）を求め、比較例１３（ＪＩＳ規格のＳＵＪ２）の寿命を１．０とした場合の相対値である転動疲労寿命比を算出した。この転動疲労寿命比は、白色組織剥離に対する寿命である。なお、上レースは、一般的な軸受鋼であるＪＩＳ規格のＳＵＪ２製の呼び番号５１３０５のスラスト軸受用の軌道輪を用い、下レースはＪＩＳ規格のＳＵＪ２製の円板を用いた。
【００４８】
「試験条件」
最大面圧 ： ４．１ＧＰａ
回転速度 ： １０００ｍｉｎ−１
潤滑油 ： ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８である一般鉱油
この様な条件で求めた転動疲労寿命比を表２に示す。
【００４９】
図２は、本試験において転動体試験片に生じた剥離部の断面拡大図を示したものである。剥離部周辺には水素による白色組織が形成されているのがわかる。実施例１〜１０は、成分組成、転動体表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率及び窒素量、並びに、深さ１％の位置の窒素量，残留オーステナイト，圧縮残留応力が好適であるため、白色組織剥離が生じにくく、転動疲労寿命が長かった。特に、実施例５〜１０は長寿命であり、鋼種Ｃ〜Ｅは本発明において特に好適な成分組成と考えられる。
【００５０】
一方、比較例２は、鋼中のケイ素及びマンガンの量が少なく、深さ１％の位置における残留オーステナイトが不足しているため、水素によって基地組織の組織変化が生じやすく、寿命が短かった。また、比較例４の場合も同様に、鋼中のクロムの量が少なく、結果として基地組織に組織変化が生じやすく、寿命が短かった。
【００５１】
さらに、比較例６は、浸炭窒化処理時間が短く、深さ１％の位置における窒素量が本発明で規定する範囲外となり、白色組織剥離に対する寿命延長効果が不十分となり、寿命が短かった。また、比較例７は、深さ１％の位置における窒素量に加えて、表面のＳｉ−Ｍｎ系窒化物の面積率及び窒素量、並びに、深さ１％の位置における残留オーステナイト量が本発明で規定する範囲外となり、白色組織剥離に対する寿命延長効果が不十分となり、寿命が短かった。比較例８及び９は、ポールピーニング加工の加工時間を変化させた結果、深さ１％の位置における圧縮残留応力が本発明で規定する範囲外となった。そのため、比較例８の場合は内部に発生する引張応力が過大となったため、転動疲労寿命が短かった。一方、比較例９の場合は亀裂の進展を抑制する効果が不十分となり寿命が短かった。
【００５２】
［２−２.軸受寿命試験］
前述の転動疲労試験で、特に寿命が長かった表２の実施例５〜１０及び、ＪＩＳ規格のＳＵＪ２の成分に相当する比較例２及び３の転動体試験片を転動体として使用して、呼び番号が６３０３である深溝玉軸受（外径＝４７ｍｍ，内径＝１７ｍｍ，幅＝１４ｍｍ）を製作した。なお、これらの深溝玉軸受にはナイロン製保持器を組み込むとともに、グリースを充墳した。また、転動体の剥離までの寿命を評価できるように、内輪及び外輪は白色組織剥離に対して寿命の長い、マルテンサイト系ステンレス鋼で製作した。
【００５３】
試験機としては、ＮＳＫ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．６７９，ｐ．２８に開示されているオルタネータシミュレート試験機を用いた。本試験機は、プーリーとゴムベルトを介してシャフトに回転を伝達しているため、軸受寿命試験中にプーリーとゴムベルトとの間に静電気が生じ、グリースの分解による水素の発生が生じやすい条件となっている。実施例５〜１０は各３個、比較例２及び３は各７個の軸受を用いて軸受寿命試験を行ない、累積破損確率が５０％となる寿命を求めた。結果を表２に示す。
【００５４】
実施例５〜１０の転動体試験片を用いて製作した試験軸受は、１０００時間経過しても剥離が生じなかったため試験を打ち切った。軸受寿命試験後の転動体の断面を観察したところ、少量の白色組織が発生していたものの、剥離には至っていなかった。一方、比較例２及び３の転動体試験片を用いて製作した試験軸受は、７個の試験軸受全てに白色組織が発生しており、剥離が生じていた。実施例１〜５と比較例２及び３の転動体試験片を用いて製作した試験軸受の軸受寿命の差は４倍以上と見なせるものであった。
以上より、本発明の転がり軸受は白色組織の発生が遅延されるため、水素が発生しやすい環境下においても好適に使用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 内輪
２ 外輪
３ 玉
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記転動体が、下記の６つの条件を満たすことを特徴とする転がり軸受。
条件１：濃度０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、濃度０．４質量％以上０．９質量％以下のケイ素、濃度０．６質量％以上１．２質量％以下のマンガン、濃度０．９質量％以上１．８質量％以下のクロム、濃度０．２７質量％以下のモリブデン、濃度０．２質量％以下のニッケル、濃度０．２質量％以下の銅、濃度０．０１質量％以下のイオウ、濃度０．０２質量％以下のリン、濃度１０質量ｐｐｍ以下の酸素を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼で構成されている。
条件２：前記転動体の表面の窒素量を０．２質量％以上とする。
条件３：前記転動体の表面におけるケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量を、面積率で１％以上５％以下とする。
条件４：前記転動体の直径の１％の長さをＸとした時、前記転動体の表面から深さＸの位置の窒素量を０．０５質量％以上とする。
条件５：前記転動体の表面から深さＸの位置の残留オーステナイト量を２０体積％以上４０体積％以下とする。
条件６：前記転動体の表面から深さＸの位置の圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下とする。
【請求項２】
ベルトと、前記ベルトが巻回されたプーリーとを介して回転が伝達されるシャフトの支持に用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
自動車の電装補機に用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項４】
電気モータに用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項５】
変速機に用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記転動体が、下記の６つの条件を満たすことを特徴とする転がり軸受。
条件１：濃度０．９質量％以上１．１質量％以下の炭素、濃度０．４質量％以上０．９質量％以下のケイ素、濃度０．６質量％以上１．２質量％以下のマンガン、濃度０．９質量％以上１．８質量％以下のクロム、濃度０．２７質量％以下のモリブデン、濃度０．２質量％以下のニッケル、濃度０．２質量％以下の銅、濃度０．０１質量％以下のイオウ、濃度０．０２質量％以下のリン、濃度１０質量ｐｐｍ以下の酸素を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼で構成されている。
条件２：前記転動体の表面の窒素量を０．２質量％以上とする。
条件３：前記転動体の表面におけるケイ素とマンガンとの両方を含有する窒化物の量を、面積率で１％以上５％以下とする。
条件４：前記転動体の直径の１％の長さをＸとした時、前記転動体の表面から深さＸの位置の窒素量を０．０５質量％以上とする。
条件５：前記転動体の表面から深さＸの位置の残留オーステナイト量を２０体積％以上４０体積％以下とする。
条件６：前記転動体の表面から深さＸの位置の圧縮残留応力を８００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下とする。
【請求項２】
ベルトと、前記ベルトが巻回されたプーリーとを介して回転が伝達されるシャフトの支持に用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
自動車の電装補機に用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項４】
電気モータに用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項５】
変速機に用いられることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２２９４８２（Ｐ２０１２−２２９４８２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９９７６７（Ｐ２０１１−９９７６７）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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