JP2014088893A - 転がり軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素の浸入に伴う組織変化型剥離や、圧痕の存在に基づく表面起点型剥離を抑える。そして、苛酷な環境下で使用される転がり軸受の耐久性向上を、コストを抑えつつ図る。
【解決手段】外輪軌道５や内輪軌道６、６等の軌道面の表面を高周波焼き入れ処理により硬化させる。そして、これら各軌道５、６の表面層部分の残留オーステナイト量を１２〜４０容量％とすると共に、鋼中水素濃度を０．５ｐｐｍ以下とする。残留オーステナイト量を確保する事で表面起点型剥離を抑え、鋼中水素濃度を抑える事により組織変化型剥離を抑えて、前記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば風力発電機の増速機や主軸、或いは建設機械、産業用ロボット等の回転支持部に組み込まれる転がり軸受の様に、高荷重下で運転される転がり軸受及びその製造方法の改良に関する。
具体的には、組織変化（白色組織変化）や軌道面或いは転動面に存在する微小な圧痕に基づく剥離を抑えて、苛酷な環境下で使用される転がり軸受の耐久性向上を、コストを抑えつつ図るものである。
尚、本発明の対象となる転がり軸受には、玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受等の各種ラジアル転がり軸受の他、各種スラスト転がり軸受も含む。

例えば風力発電機の回転支持部の如く、大きなラジアル荷重を受けた状態で運転される機械装置の回転支持部には円筒ころ軸受が、大きなラジアル荷重に加えてスラスト荷重が加わる用途には円すいころ軸受が、従来から広く使用されている。更に、大きなラジアル荷重を受ける状態で運転され、しかも、外輪の中心軸と内輪の中心軸とを厳密に一致させたままにする事が難しい条件下では、図１に示す様な自動調心ころ軸受１が使用されている。

この自動調心ころ軸受１は、それぞれが円環状に形成されて互いに同心に配置された、それぞれが軌道輪である外輪２及び内輪３と、これら外輪２の内周面と内輪３の外周面との間に設けられた、それぞれが転動体である複数個の球面ころ４、４とを備える。これら各軸受構成部品２、３、４は、一般的には軸受鋼の如き鉄系合金等の、硬質金属により造るが、前記各球面ころ４、４等の転動体は、セラミックス製とする場合もある。前記外輪２の内周面は、この外輪２の中心軸上の点を曲率中心とする、部分球面状の外輪軌道５としている。又、前記内輪３の外周面には、複列の内輪軌道６、６を設けている。これら両内輪軌道６、６の母線形状は、前記各球面ころ４、４の中心軸に関して、前記外輪軌道５の母線形状と対称である。更に、前記各球面ころ４、４は、それぞれ保持器７、７により保持された状態で、前記外輪軌道５と前記両内輪軌道６、６との間に、転動自在に設けられている。

上述の様な自動調心ころ軸受１により、例えば風力発電機の主軸をハウジングに回転自在に支持するには、前記外輪２をこのハウジングに内嵌固定すると共に、前記内輪３を前記主軸に外嵌固定する。この状態でこの主軸は、前記外輪軌道５と前記両内輪軌道６、６との間での、前記各球面ころ４、４の転動に基づき、回転自在となる。前記主軸が撓む等により、前記外輪２の中心軸と内輪３の中心軸とがずれる（互いに傾斜する）と、前記各球面ころ４、４が前記外輪軌道５の幅方向に変位する事でこのずれを吸収する。この様な自動中心ころ軸受１の運転時には、前記各球面ころ４、４の転動面と、前記外輪軌道５や前記両内輪軌道６、６等の軌道面とは、狭い面積で大きな荷重を支承しつつ、滑りを伴いながら転がり接触する。尚、以下の説明では、これら各転がり接触する面を総称して表す場合、「転がり接触面」とする。

以上の説明から分かる様に、自動調心ころ軸受１等の転がり軸受の内部に存在する転がり接触面には、高面圧が繰り返し作用し、しかも、高面圧作用時に転がり接触面の直下部分に剪断応力が作用する。この様な状態は、前記各軸受構成部品２、３、４にとって非常に厳しい使用条件であり、十分な潤滑条件下で、且つ、スキュー等を発生する事なく運転される正常運転下でも、転がり接触面の直下部分に金属疲労が生じ易い。特に、転動面に比べて曲率が小さく、前記高面圧の影響を強く受け易い、前記各軌道面の直下部分の金属疲労が著しくなり易い。

具体的には、十分な潤滑が行われている場合には、前記高面圧に基づく剪断応力が、前記各軸受構成部品を構成する金属材料の内部で転がり接触面の直下部分に存在する非金属介在物周りに集中し、当該部分で局部的に金属疲労が蓄積される。この様にして転がり接触面の直下部分に金属疲労が蓄積されると、当該部分に亀裂が発生し、更にこの亀裂が進展して表面に達し、内部起点型剥離と呼ばれる破損に至る。この様な内部起点型剥離により、転がり接触面が部分的に欠損すると、当該軸受構成部品を含む転がり軸受の正常な運転の継続を行えなくなる（転がり軸受が寿命に達する）。この様な内部起点型剥離は、上述した理由により、前記外輪軌道５や前記内輪軌道６、６等の軌道面部分で生じ易いが、前記各球面ころ４、４等の転動体の転動面でも生じ得る。何れにしても、上述の様な機構により破損が生じるまでの時間は、内部起点型剥離による転がり軸受の寿命と呼ばれる。

一方、潤滑油（グリース中の基油を含む）の粘度や表面粗さの影響により、潤滑が不十分な場合は、前記各転がり接触面の表面部分が疲労を受ける場所となる。特に、硬質の異物をこれら各転がり接触面同士の間に噛み込む事により、これら各転がり接触面の表面部分に生じる圧痕の周りには、高い応力集中が生じ、当該部分で金属疲労が蓄積される。この様にして各転がり接触面の表面部分に応力集中が生じた場合も、上述した内部起点型剥離が生じる場合と同様に、金属疲労の蓄積から、亀裂の発生、進展が惹起されて、転がり接触面の剥離に至る。この様な機構により生じる破損は、表面起点型剥離と呼ばれる。

前述した内部起点型剥離にしても、上述した表面起点型剥離にしても、転がり接触面が剥離する態様であり、この様な剥離による破損を遅らせる（剥離寿命、即ち、転がり疲れ寿命を延ばす）為には、当該転がり接触面を備えた軸受構成部品を構成する金属材料の疲労強度自体を向上させる事が効果的である。そして、この金属材料の疲労強度を向上させる為に従来から、前記軸受構成部品を、炭素量の多い合金鋼、又は、浸炭処理或いは浸炭窒化処理により表面の炭素濃度を高くした合金鋼で造り、更に焼き入れ処理を施す事により、転がり接触面部分の硬度を高くする事が行なわれている。

この様にして、転がり接触面部分の硬度を高くする事により、転がり接触面の表面部分や直下部分の金属疲労を抑える事により、軌道面や転動面に剥離を生じ難くして、軌道輪及び転動体から成る転がり軸受の寿命の延長を図れる。そして、転がり軸受の用途が一般的なものである限り、十分な耐久性を確保できる。但し、一部の産業機械用の転がり軸受は、大きな荷重を支持する場所に用いられる事が多く、又、損傷した転がり軸受の交換に要する手間や費用が嵩む為、剥離寿命（転がり疲れ寿命）の向上が大きな課題となっている。又、この様な産業機械用の転がり軸受は、温度、回転数（回転速度）、塵芥の如き異物混入等の面から、厳しい潤滑条件で使用される事が多い。この為、前記産業機械用の転がり軸受の軸受構成部品は、表面（軌道面、転動面）に疲労が蓄積され易い環境で使用される場合が多い。

この様な事情に対応して従来は、産業機械用の転がり軸受の耐久性を向上させるべく、軸受構成部品の耐久性を、表面疲労に対して更に向上させる事を主眼に行われてきた。例えば、特許文献１には、剥離起点の状態に着目し、残留オーステナイトと表面硬さとを規制する事で、異物噛み込みにより生じた圧痕周りの応力集中を緩和し、転がり接触面部分の疲労を低減する技術が記載されている。この様な技術により、運転条件が多少厳しい程度であれば、産業機械用の転がり軸受の耐久性を確保できる。

これに対して、例えば近年普及し始めている風力発電機の回転支持部に組み込まれて、過酷な条件下で運転される大型の転がり軸受では、軸受構成部品の内部で発生する組織変化に基づいて、比較的短時間の間に転がり接触面に剥離（早期剥離）が生じる場合がある事が知られる様になっている。この様な早期剥離に結び付く、軸受構成部品内部の組織変化が生じる原因に就いては、転がり軸受内部の転がり接触部に介在する潤滑油が、この転がり接触部の高い接触面圧や滑りによって分解されて水素を発生し、この水素が鋼中に浸入する事が原因であると考えられている。即ち、水素が転がり軸受部品を構成する鋼中に進入すると、水素脆性により鋼中の組織変化を促進し、疲労破壊により前記早期剥離に至るものと考えられている。又、この様な水素脆性に基づく組織変化は、水素の発生し易い、特殊な潤滑油の使用や、静電気の介在、水の混入等の要因によって加速されると考えられている。

そこで、上述の様な機構により発生する組織変化型剥離の発生を遅延させて、転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上させる為に、潤滑剤の組成や、軸受構成部品を構成する合金鋼の組成を工夫する事が提案されている。例えば、特許文献２には、グリースに不動態化酸化剤を添加する事により転がり接触面に不動態酸化皮膜を形成して、このグリース中の基油の分解抑制と、鋼中への水素の浸入防止とを図り、転がり軸受の転がり疲れ寿命の延長を図る技術が記載されている。
又、特許文献３には、グリース中に導電性を有するカーボンブラックの粒子を混在させる事により１対の軌道輪間の電位差をなくして、前記グリース中の基油の分解、延いては水素の発生を抑制し、転がり軸受の転がり疲れ寿命の延長を図る技術が記載されている。
更に、特許文献４には、軸受構成部品を構成する合金鋼として、白色組織への組織変化を遅らせるＣｒを多く含ませたものを使用する事により、当該軸受構成部品を組み込んだ転がり軸受の転がり疲れ寿命の延長を図る技術が記載されている。
但し、特許文献２、３に記載されている様に、グリースの組成を工夫する技術は、転がり軸受の潤滑を、油浴や循環給油により行う場合には適用できない。又、合金鋼中にＣｒを多量に添加する技術は、高価な金属であるＣｒを多用する事に伴ってコストが嵩む事が避けられない。

尚、以上の説明は、転がり軸受の稼働中に潤滑油の分解により発生した水素による、転がり疲れ寿命の劣化に就いて行った。これに対して、軸受構成部品を構成する合金鋼中への水素の浸入は、転がり軸受の稼動以前にも生じ得る事、そして、稼動以前に鋼中に浸入した水素によっても、当該転がり軸受の転がり疲れ寿命が短くなる事が報告されている。具体的には、転がり軸受の耐久性を知る為に行う転がり寿命試験を行うのに先立って、チオシアン酸等の化学反応を利用して前記合金鋼中に水素を浸入させた場合にも、転がり軸受の稼働に伴って発生した水素が合金鋼中に浸入した場合と同様の、白色組織変化を起点とした剥離が生じる事が報告されている。

この様な報告から、水素が、軸受構成部材を構成する鋼材中に浸入すると、浸入時期に関係なく、当該軸受構成部品の耐久性が損なわれる事が分かる。ところで、水素は、鋼材製の軸受構成部品を硬化させる為に行う熱処理工程でも、この軸受構成部品を構成する鋼材中に浸入する可能性がある。即ち、軸受構成部品を構成する鋼材である、軸受鋼や浸炭鋼を硬化させる為の熱処理である焼き入れは、多くの場合、炭化水素と空気とを反応させる事により得られる、ＲＸガス雰囲気中で行われる。このＲＸガスは、１８〜２５容量％のＣＯと、２８〜４０容量％のＨ_２とを含み、残りをＮ_２、ＣＯ_２等としたもので、ＣＯによる強い浸炭特性を有する。この為、前記熱処理工程をＲＸガス雰囲気中で行う事により、高温保持中に前記軸受構成部材を構成する鋼材の表面炭素量の低下を抑制する事ができる。

但し、ＲＸガスには、上述の様にかなりの量の水素が含まれている。その一部が前記軸受構成部材を構成する鋼材中に浸入する可能性がある。そして、鋼材中に浸入した水素は、容易に移動する拡散性水素と、界面等にトラップされたまま移動しない非拡散性水素とに分かれ、このうちの拡散性水素が、鋼材中に白色組織を発生させる（悪影響を及ぼす）事が知られている。熱処理工程時に鋼材中に浸入する水素のうちの多くの部分は非拡散性水素であるが、拡散性水素が全く含まれない訳ではない。

以上の事を考慮すれば、水素の存在に基づく軸受構成部品の耐久性低下を防止する為には、この軸受構成部品を熱処理する段階で、この熱処理として、この軸受構成部品を構成する鋼材中に水素が浸入しない様な手法を選択する事が望ましい。具体的には、熱処理の雰囲気から水素を除外する、真空焼き入れや大気焼き入れを採用する事が考えられる。但し、このうちの真空焼き入れは、雰囲気の調整に時間と設備とが必要でコストが嵩む為、工業的には好ましくない。又、大気焼き入れは、軸受構成部品の表面の炭素量が低下する為、この軸受構成部品の表面硬度を確保する面から不利であり、品質確保の面から好ましくない。

特開平５−２５６０９号公報 特許第２８７８７４９号公報 特開２００２−３２７７５８号公報 特開２００５−１４７３５２号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、水素の浸入に伴う白色組織変化に基づく剥離、及び圧痕の存在に基づく表面起点型の剥離を抑えて、苛酷な環境下で使用される転がり軸受の耐久性向上を、コストを抑えつつ図れる、転がり軸受及びその製造方法を実現すべく発明したものである。

本発明の対象となる転がり軸受は、それぞれが円環状で互いに同心に配置され、互いに対向する面にそれぞれ軌道面を設けた１対の軌道輪と、これら両軌道面同士の間に転動自在に配置された複数個の転動体とを備える。
特に、本発明の転がり軸受に於いては、前記両軌道輪と前記各転動体との３種類の軸受構成部品のうちの少なくとも１種類の軸受構成部品（例えばラジアル転がり軸受の内輪の如く、転がり疲れ寿命確保の面から最も条件が厳しくなる部品、好ましくは１対の軌道輪、更に好ましくは総ての軸受構成部品）を、相手部材と転がり接触する、この転がり接触面から深さ１００μｍまでの範囲である表面層部分の残留オーステナイト量（残留γ）を１２〜４０容量％とすると共に、当該軸受部分の鋼中水素濃度を０．５ｐｐｍ以下としている。尚、前記残留オーステナイト量を、好ましくは１５〜４０容量％、より好ましくは２０〜４０容量％とする。又、前記鋼中水素濃度を、好ましくは０．３ｐｐｍ以下とする。

この様な本発明の転がり軸受を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、前記表面層部分の残留オーステナイト量を１２〜４０容量％とすると共に、鋼中水素濃度を０．５ｐｐｍ以下とする軸受構成部品を、前記両軌道輪のうちの少なくとも一方の軌道輪とする。そして、この軌道輪に設けた軌道面の表面を、高周波加熱による焼き入れ処理で硬化する。
又、請求項２に記載した転がり軸受を造るのに、請求項３に記載した製造方法の発明の様に、前記軌道面の表面を高周波加熱焼き入れ処理により硬化させる前に、軟窒化処理を施す事もできる。
或いは、請求項４に記載した製造方法の発明の様に、前記軌道面の表面を高周波加熱焼き入れ処理により硬化させる前に、８００〜１０００℃で浸炭窒化処理した後、７５０〜８５０℃の温度で窒素雰囲気中に所定時間（３０分〜３時間程度）保持し、その後に、前記高周波焼き入れ処理を行う事もできる。尚、この保持時間が３０分未満の場合には処理の効果が不十分となり、３時間を越えると脱炭等の不利益を生じ易くなる。

上述の様に構成する本発明の転がり軸受及びその製造方法によれば、水素の浸入に伴う白色組織変化に基づく剥離、及び、圧痕の存在に基づく表面起点型の剥離を抑えて、苛酷な環境下で使用される転がり軸受の耐久性向上を、コストを抑えつつ図れる。
即ち、本発明の転がり軸受の場合には、耐久性確保の面から条件が厳しくなる軸受構成部品の鋼中水素濃度を０．５ｐｐｍ以下と、極低く抑えている為、鋼中に水素が存在する事により生じる白色組織変化を抑えられる。この為、前述の様な機構により、白色組織変化を起点とする転がり接触面の剥離を抑えられる。前記軸受構成部品の鋼中水素濃度を、０．３ｐｐｍ以下に抑えれば、前記白色組織変化を起点とする転がり接触面の剥離を、より十分に抑えられる。

又、前記軸受構成部品の表面層部分の残留オーステナイト量を１２〜４０容量％としている為、前記転がり接触面に、異物の噛み込み等により生じた圧痕の周りに発生する応力集中を抑制できて、前述した様な機構により生じる、表面起点型剥離を抑えられる。即ち、オーステナイトは圧痕の形状に影響し、圧痕縁への応力集中を緩和する。この為、この圧痕の周り部分での金属疲労の蓄積を抑える事ができ、当該部分を起点とする亀裂の発生を抑えて、前記表面起点型剥離を抑えられる。この様な効果は、残留オーステナイト量が１２容量％未満の場合には十分に得られない。逆に、４０容量％を超えると、前記表面起点型剥離を抑える効果が飽和するだけでなく、前記転がり接触面の硬度が低くなり過ぎ、別の理由で、この転がり接触面の転がり疲れ寿命が低下してしまう。本発明は、前記表面層部分の残留オーステナイト量を１２〜４０容量％、好ましくは１５〜４０容量％、より好ましくは２０〜４０容量％とする事により、何れの面からも、前記転がり接触面の転がり疲れ寿命を確保できる。

特に、請求項２に記載した発明の様に、軌道輪の軌道面の表面を、高周波加熱により焼き入れ処理すれば、この軌道面に関する表面層部分の炭素低下量を抑え、この軌道面の硬さを確保しつつ、この表面層中への水素浸入を抑えられる。又、前記表面層部分の残留オーステナイト量も確保できる。この理由は、次の通りである。

高周波加熱による焼き入れ処理は、誘導電流により前記軌道輪の表面部分を、この軌道輪の自己発熱を利用して焼き入れ処理に必要な温度にまで短時間で上昇させる熱処理法であり、大気中で行う。この様な高周波加熱は、自己発熱により、表面だけでなく表面層の内部に関しても直接加熱する為、加熱時間が短時間で済み、保持時間も特に必要ではない。従って、大気中で行っても、鋼材表面の炭素量低下は極僅かで、しかも極表面部分に止まる。この極表面部分は、熱処理後に行う研磨により除去される為、前記高周波加熱による焼き入れ処理を大気中で行っても、軌道輪の品質確保に関して、特に問題を生じる事はない。即ち、品質確保を考慮しても、外部から加熱する熱処理の様に、ＲＸガス雰囲気中で行う必要はない。この為、軌道面を硬化させる為の熱処理に伴って、この軌道面の表面層部分に水素が浸入する事がなく、前述した様な、組織変化型剥離の発生を抑えられる。尚、高周波加熱の条件（高周波加熱コイルの出力、通電時間等）は、高周波加熱により焼き入れすべき軌道輪の仕様により適宜設定する。

又、高周波熱誘導加熱により軌道輪の軌道面に焼き入れ処理を施す場合、高周波誘導コイルを、硬化層を必要とするこの軌道面や嵌合面に対向する部分に配置する事で、この軌道面や嵌合面及びその表面層部分を、表面側から加熱する事ができる。又、前記高周波誘導コイルを軌道面に対向する部分にのみ配置する、或いはコア等の使用により電磁界分布を調節する等により、軌道面の表面層部分を選択的に高温にまで加熱する事もできる。従って、より高温に加熱する事で、単に硬化に必要なＡ１変態点よりも高い温度にまで加熱した場合に比べて、軌道面及び表面層部分に多量の残留オーステナイトを存在させられる。そして、この軌道面及びその表面層部分の残留オーステナイト量を高くする事で、前記表面起点型剥離を抑えられる。尚、転がり軸受の運転に伴って残留オーステナイトは、僅かずつ分解するが、分解に伴って体積が僅かに増加する。従って、軌道輪中の残留オーステナイトの総量を過剰に多くすると、長期間の使用を考慮した場合、当該軌道輪の寸法安定性を確保し難くなる。これに対して、高周波加熱により必要部分の残留オーステナイト量のみを高くする事で、軌道輪の寸法安定性を確保できる。

更に、請求項３、４に記載した発明の様に、高周波加熱焼き入れ処理前に軟窒化処理を施したり、高周波加熱焼き入れ処理前に、浸炭窒化後、窒素雰囲気中に保持したりする事により、前記軌道輪の軌道面の表面層部分の鋼中水素濃度を低く抑えたまま、残留オーステナイト量を、より確実に所望量に（十分に多く）できる。そして、組織変化型剥離の発生を抑えつつ、表面起点型剥離をより十分に抑えられる。
先ず、請求項３に記載した発明の場合には、軟窒化の処理温度は、５５０〜６００℃程度と低く、処理時間も短い為、水素の浸入量を少なく抑えられ、組織変化型剥離に関する寿命を長くできる。又、軟窒化後の再加熱焼き入れに伴って残留オーステナイト量を多くできるので、表面起点型剥離に関する寿命を十分に長くできる。
又、請求項４に記載した発明の場合には、浸炭窒化処理に伴って鋼中に浸入した水素が、続けて行われる窒素雰囲気での処理で雰囲気中に脱離する為、残存する水素量を少なく抑えられ、組織変化型剥離に関する寿命を長くできる。又、窒化の効果で残留オーステナイト量を多くできるので、表面起点型剥離に関する寿命に関しても長くできる。尚、前記浸炭窒化処理を１０００℃以下にする理由は、１０００℃を越えると、Ｎの供給源であるアンモニアの分解が進み、処理時間が徒に長くなる為である。又、８００℃以上とする理由は、８００℃未満の場合にはＣの拡散速度が遅くなり、十分な浸炭が行われない為である。

本発明の対象となる転がり軸受の１例を示す、部分切断斜視図。 本発明の効果を確認する為に行った実験の試料作成時の熱処理の６例を示す模式図。 軌道面の表面層中の鋼中水素濃度と組織剥離型寿命との関係を示すグラフ。 同じく、残留オーステナイト量と表面剥離型寿命との関係を示すグラフ。

本発明の特徴は、軸受構成部品の鋼中水素濃度及びこの軸受構成部品の表層部分の残留オーステナイト量を適切に規制する事により、厳しい使用条件下でも転がり軸受の組織剥離型寿命及び表面剥離型寿命を十分に確保する点にある。図面に現れる転がり軸受の構造に関しては、前述の図１に示した構造を含め、従来から知られている各種転がり軸受と同様であるから、構造に関する図示並びに説明は省略する。

本発明の効果を確認する為に行なった実験に就いて説明する。この実験は、前述の図１に示す様な自動調心ころ軸受１を試料として使用した。そして、この自動調心ころ軸受１を構成する外輪２と内輪３と各球面ころ４、４とのうち、外輪２及び内輪３の鋼中水素濃度、外輪軌道５及び内輪軌道６、６の表面層部分の残留オーステナイト量が異なる７種類の試料を作成した。前記各球面ころ４、４に関しては、何れの試料に就いてもＳＵＪ２製とし、全体を加熱後に焼き入れ油中に浸漬する、所謂ズブ焼き入れを施した。前記鋼中水素濃度及び残留オーステナイト量を異ならせる為に、前記外輪２及び内輪３を構成する合金鋼として高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２、ＪＩＳ Ｇ ４８０５）とクロム鋼（ＳＣｒ４２０、ＪＩＳ Ｇ ４１０４）との２種類を使用すると共に、前記外輪軌道５及び内輪軌道６、６部分の熱処理方法として、図２の（Ａ）〜（Ｆ）に示した６種類の方法を採用した。この図２は、横軸に経過時間を、縦軸に温度を、それぞれ表している。又、この図２中に記載した数値は処理温度を、その他の文字は処理雰囲気又は処理の種類を、それぞれ表している。

これら６種類の熱処理方法のうち、（Ａ）〜（Ｃ）の３種類は本発明の技術的範囲から外れるものである。このうちの（Ａ）は、ＲＸガス雰囲気中でＡ１変態点以上の温度に加熱してから急冷し、その後大気中で焼き戻し（１６０〜２００℃で１〜３時間）を行う、所謂ズブ焼き処理である。又、（Ｂ）は一般的な浸炭処理、（Ｃ）は一般的な浸炭窒化処理で、カーボンポテンシャル値Ｃｐを１．０〜１．４程度に規制した。

又、図２の（Ｄ）〜（Ｆ）の３種類は本発明の技術的範囲に属するもので、このうちの（Ｄ）は、高周波加熱により大気中で前記外輪軌道５及び内輪軌道６、６部分を急加熱した後、水により急冷してから大気中で焼き戻しを行った。焼き戻しの条件（１８０℃、２時間）は、６種類の熱処理で同じとした。
又、（Ｅ）は、請求項３に記載した発明に対応するもので、前記外輪軌道５及び内輪軌道６、６部分を高周波加熱焼き入れ処理により硬化させる前に、５７０℃、３０分の軟窒化処理を施した。
更に、（Ｆ）は、請求項４に記載した発明に対応するもので、前記外輪軌道５及び内輪軌道６、６部分を高周波加熱焼き入れ処理により硬化させる前に、８８０℃で１０時間の浸炭窒化処理した後、８００℃の温度で窒素雰囲気中に１時間保持してから、前記高周波焼き入れ処理を行った。

上述の様な条件で作成した７種類の試料に就いて、それぞれ組織変化型剥離に関する転がり疲れ寿命と、表面起点型剥離に関する転がり疲れ寿命とを求めた。このうちの表面起点型剥離に関する転がり疲れ寿命の試験では、軌道面に人工圧痕を形成した。この人工圧痕は、内輪軌道６、６の幅方向中央部の周方向等間隔４箇所位置ずつに、ロックウェルＢスケール用の鋼球圧子を９．８ｋＮで押し付ける事により形成した。
各試料で共通する実験条件は、次の通りである。
自動調心ころ軸受１の呼び番号 ： ２２２１１
外径 ： １００mm
内径 ： ５５ｍｍ
幅 ： ２５ｍｍ
基本動定格荷重Ｃｒ ： １１９０００Ｎ
負荷荷重 ： ３５７００Ｎ
潤滑条件 ： ＶＧ６８の潤滑油を強制循環

以上の条件で行った実験の結果を、各試料の軌道面の表面層部分の水素濃度及び残留オーステナイト量と共に次の表１に記載し、更に、図３、４にも記載した。これら表１及び図３、４に記載した寿命比とは、組織変化型剥離、表面起点型剥離の何れに関しても、比較例１の寿命を１とした場合に於ける、それに対する比率である。又、表１中の熱処理の欄に記載したＡ〜Ｆは、それぞれ図２の（Ａ）〜（Ｆ）に対応している。
尚、水素濃度を測定する為に、転がり疲れ寿命試験に供する自動調心ころ軸受１を構成する軌道輪（外輪２及び内輪３）を、同じ条件で余分に造り、当該軌道輪（主として内輪３）を切断して得た小片で測定した。即ち、熱処理によって水素は軌道表面から浸入する為、表面が含まれる部分を切り出して測定する必要がある。又、剥離寿命に影響するのは軌道面の応力負荷領域に存在する水素である為、軌道面を含む部分を測定する必要がある。そこで、前記余分に造った軌道輪の一部を、軌道面を含む状態で切断して得た小片に就いて、昇温脱離分析（ＴＤＳ）により水素濃度を測定した。

この表１及び図３、４にその結果を示した試験から分かる様に、本発明によれば、組織変化型剥離、表面起点型剥離の何れに関しても抑える事ができて、厳しい条件下で使用される転がり軸受に関しても、十分な転がり疲れ寿命を確保できる。以下、各試料に就いて考察する。
先ず、比較例１の場合、水素濃度が高く、残留オーステナイト量が少ないので、組織変化型剥離、表面起点型剥離の何れに関しても寿命が短かった。
次に、比較例２、３は、残留オーステナイト量が多い事により、表面起点型剥離に関する寿命は比較例１よりも長くなったが、水素濃度が高い為、組織変化型剥離に関する寿命が短かった。

これに対して、実施例１の場合には、高炭素の素材を直接高周波で加熱焼き入れ硬化する為、熱処理時にＲＸガスに曝らされる事が無く、水素濃度を低く抑えられる為、組織変化型剥離に関する寿命を長くできた。又、高周波で表面層部分を芯部よりも高温に加熱できる為、表面層部分の残留オーステナイト量を多くできて、表面起点型剥離に関する寿命も長くできた。
次に、実施例２の場合には、高炭素の素材に軟窒化を施した後に高周波で加熱焼き入れしている為、軟窒化の際に水素の浸入が発生するが、軟窒化の処理温度は低く、処理時間も比較例１〜３の焼き入れ処理の為の加熱時間に比較して短い。従って、水素の浸入量は、比較例１〜３の場合に比べて少なく抑えられ、組織変化型剥離に関する寿命を長くできる。又、軟窒化後の再加熱焼き入れ時に、窒素の表面マトリクスヘの固溶が起こる為、残留オーステナイト量を多くできて、表面起点型剥離に関する寿命を十分に長くできる。
更に、実施例３、４の場合には、素材に浸炭窒化処理を行う為、鋼中に水素が浸入するが、続けて行われる窒素雰囲気での処理で浸入した水素は雰囲気中に脱離する為、残存する水素量を少なく抑えられる。この為、前記比較例１〜３に比べて組織変化型剥離に関する寿命を長くできる。又、窒化の効果で残留オーステナイト量を多くできるので、表面起点型剥離に関する寿命に関しても長くできる。

本発明は、図示の様な自動調心ころ軸受により実施できるだけでなく、玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受等の各種ラジアル転がり軸受、更には、各種スラスト転がり軸受により実施する事もできる。
又、残留オーステナイト量と鋼中水素濃度とを規制する軸受構成部品は、軌道輪とする事が、転がり軸受の寿命延長の面から効果的であるが、転動体とする事もできる。勿論、軌道輪及び転動体の総てに関して、残留オーステナイト量と鋼中水素濃度とを規制すれば、転がり軸受の寿命延長効果が最も優れたものとなる。
又、潤滑方式に関しては、油浴や循環給油により行う場合に適用して効果を得られる事は勿論であるが、グリースと組み合わせて実施する事もできる。この場合に、前述の特許文献２、３に記載した様な、水素の発生を抑える為の特殊なグリースと組み合わせれば、組織変化型剥離に関する寿命を、より一層向上させられる。

１：自動調心ころ軸受
２：外輪
３：内輪
４：球面ころ
５：外輪軌道
６：内輪軌道
７：保持器

Claims (4)

1. それぞれが円環状で互いに同心に配置され、互いに対向する面にそれぞれ軌道面を設けた１対の軌道輪と、これら両軌道面同士の間に転動自在に配置された複数個の転動体とを備える転がり軸受に於いて、前記両軌道輪とこれら各転動体との３種類の軸受構成部品のうちの少なくとも１種類の軸受構成部品を、相手部材と転がり接触する表面層部分の残留オーステナイト量を１２〜４０容量％とすると共に、当該軸受構成部品の鋼中水素濃度を０．５ｐｐｍ以下とした事を特徴とする転がり軸受。
2. 前記表面層部分の残留オーステナイト量を１２〜４０容量％とすると共に、鋼中水素濃度を０．５ｐｐｍ以下とする軸受構成部品が、前記両軌道輪のうちの少なくとも一方の軌道輪であり、この軌道輪に設けた軌道面の表面が、高周波加熱による焼き入れ処理で硬化されている、請求項１に記載した転がり軸受。
3. 請求項２に記載した転がり軸受の製造方法であって、前記軌道面の表面を高周波加熱焼き入れ処理により硬化させる前に、軟窒化処理を施す事を特徴とする転がり軸受の製造方法。
4. 請求項２に記載した転がり軸受の製造方法であって、前記軌道面の表面を高周波加熱焼き入れ処理により硬化させる前に、８００〜１０００℃で浸炭窒化処理した後、７５０〜８５０℃の温度で窒素雰囲気中に所定時間保持してから、前記高周波焼き入れ処理を行う事を特徴とする転がり軸受の製造方法。

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