特許 6336238 円錐ころ軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6336238

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】円錐ころ軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 19/36 20060101AFI20180528BHJP

   C21D 1/06 20060101ALI20180528BHJP

   C21D 1/18 20060101ALI20180528BHJP

   C21D 1/76 20060101ALI20180528BHJP

   C21D 9/40 20060101ALI20180528BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20180528BHJP

   C22C 38/18 20060101ALI20180528BHJP

   C22C 38/44 20060101ALI20180528BHJP

   F16C 33/36 20060101ALI20180528BHJP

   F16C 33/62 20060101ALI20180528BHJP

【ＦＩ】

   F16C19/36

   C21D1/06 A

   C21D1/18 E

   C21D1/18 P

   C21D1/76 M

   C21D9/40 A

   C22C38/00 301Z

   C22C38/18

   C22C38/44

   F16C33/36

   F16C33/62

【請求項の数】9

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2012-225137(P2012-225137)

(22)【出願日】2012年10月10日

(65)【公開番号】特開2014-77481(P2014-77481A)

(43)【公開日】2014年5月1日

【審査請求日】2015年9月16日

【審判番号】不服2017-8725(P2017-8725/J1)

【審判請求日】2017年6月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】上野 崇

(72)【発明者】

【氏名】楠見 泰孝

【合議体】

【審判長】 平田 信勝

【審判官】 中村 達之

【審判官】 内田 博之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１７０７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１８８６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１７０７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０７６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３６１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３５４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２９１３４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

F16C33/36

F16C33/58

F16C33/62

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円錐状の外輪軌道面を有する外輪と、
円錐状の内輪軌道面を有し、前記内輪軌道面の大径側に大鍔面、小径側に小鍔面が設けられた内輪と、
前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に配列された複数の円錐ころと、
前記円錐ころを円周方向において所定の間隔に保持する保持器とを備え、
軸受使用時には、前記円錐ころの大端面が前記内輪の前記大鍔面と接触して案内され、
前記円錐ころの前記大端面の曲率半径をＲ、前記円錐ころの外周面を含む円錐面の頂点から前記内輪の前記大鍔面までの距離をＲ_BASEとしたとき、Ｒ／Ｒ_BASEの値が０．７５〜０．８７の範囲となっており、
前記内輪および前記円錐ころは、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼からなり、他の部品と接触する接触面から深さ２０μｍまでの領域である表層部における窒素濃度が０．３質量％以上であり、前記接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であり、全体の平均残留オーステナイト量が６．５体積％以上２０体積％以下である高強度軸受部品である、円錐ころ軸受。

【請求項2】

円錐状の外輪軌道面を有する外輪と、
円錐状の内輪軌道面を有し、前記内輪軌道面の大径側に大鍔面、小径側に小鍔面が設けられた内輪と、
前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に配列された複数の円錐ころと、
前記円錐ころを円周方向において所定の間隔に保持する保持器とを備え、
軸受使用時には、前記円錐ころの大端面が前記内輪の前記大鍔面と接触して案内され、
前記円錐ころの前記大端面の曲率半径をＲ、前記円錐ころの外周面を含む円錐面の頂点から前記内輪の前記大鍔面までの距離をＲ_BASEとしたとき、Ｒ／Ｒ_BASEの値が０．７５〜０．８７の範囲となっており、
前記内輪および前記円錐ころは、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．００質量％超え０．５質量％以下のニッケルおよび０．００質量％超え０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼からなり、他の部品と接触する接触面から深さ２０μｍまでの領域である表層部における窒素濃度が０．３質量％以上であり、前記接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であり、全体の平均残留オーステナイト量が６．５体積％以上２０体積％以下である高強度軸受部品である、円錐ころ軸受。

【請求項3】

前記内輪の前記大鍔面の表面粗さＲａは０．０５〜０．２０μｍの範囲である、請求項１または２に記載の円錐ころ軸受。

【請求項4】

前記円錐ころの前記大端面が、前記内輪の前記大鍔面と接触したときに形成される、前記内輪の前記小鍔面と前記円錐ころの小端面との間の隙間δが０．４ｍｍ以下に規制された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。

【請求項5】

前記内輪の前記大鍔面は、
前記円錐ころの前記大端面に接触するベース面と、
前記ベース面の外側に連なり、前記円錐ころの前記大端面から離隔する方向に湾曲する逃げ面とを含んでいる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。

【請求項6】

前記逃げ面の断面形状が円弧状の領域を含んでいる、請求項５に記載の円錐ころ軸受。

【請求項7】

前記円錐ころの前記大端面の中央部に平面形状が円形状のぬすみが設けられ、
前記ぬすみの外周端が、前記内輪の前記ベース面と前記逃げ面との境界領域に位置する、請求項５または６に記載の円錐ころ軸受。

【請求項8】

前記ベース面と前記逃げ面との境界が、軸受の許容最大アキシャル荷重下で、前記円錐ころの前記大端面と前記大鍔面との接触で生じる最大接触楕円の外縁部に位置する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。

【請求項9】

前記接触面下の前記表層部には、前記接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ^２あたり５個以上存在している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の円錐ころ軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は円錐ころ軸受に関し、より特定的には、高い耐久性を確保しつつ、寸法安定性の向上を達成することが可能な円錐ころ軸受に関するものである。

【背景技術】

【0002】

転がり軸受などの鋼からなる機械部品の耐久性を向上させる対策として、焼入処理に先立って部品の表層部に炭素および窒素を導入する浸炭窒化処理が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この浸炭窒化処理により、たとえば転がり軸受の転動疲労寿命、特に転がり軸受内に硬質の異物が侵入する環境（異物侵入環境）における寿命が向上することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平５−１１８３３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、近年の軸受部品への耐久性向上の要求を考慮すると、従来の浸炭窒化処理では、用途によってはその耐久性は十分とはいえない場合がある。具体的には、たとえば自動車のトランスミッションやデファレンシャルにおいては、トランスミッションの多段化や、運転空間の拡大のため、軸受に与えられるスペースは縮小傾向にある。そのため、トランスミッションやデファレンシャル内において動力伝達軸を支持する軸受においては、軸受サイズの小型化が進められ、より小型の軸受により従来と同等の荷重を支持する必要が生じている。さらに、軸受が小型化された場合、たとえば円錐ころの大端面が内輪の大鍔面と接触して案内される円錐ころ軸受では、円錐ころと大鍔面との接触面圧が必然的に高くなる。その結果、円錐ころと大鍔面との間に焼付きが発生するという問題も生じる。

【0005】

また、浸炭窒化処理の採用によって、経年寸法変化率が大きくなり、軸受部品の寸法安定性が低下することが問題となる場合もある。

【0006】

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高い耐久性を確保しつつ、寸法安定性の向上を達成することが可能な円錐ころ軸受を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一の局面に従った円錐ころ軸受は、円錐状の外輪軌道面を有する外輪と、円錐状の内輪軌道面を有し、内輪軌道面の大径側に大鍔面、小径側に小鍔面が設けられた内輪と、外輪軌道面と内輪軌道面との間に転動自在に配列された複数の円錐ころと、円錐ころを円周方向において所定の間隔に保持する保持器とを備えている。軸受使用時には、円錐ころの大端面が内輪の大鍔面と接触して案内される。円錐ころの大端面の曲率半径をＲ、円錐ころの外周面を含む円錐面の頂点から内輪の大鍔面までの距離をＲ_BASEとしたとき、Ｒ／Ｒ_BASEの値が０．７５〜０．８７の範囲となっている。そして、内輪および円錐ころは、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼からなっており、他の部品と接触する接触面から深さ２０μｍまでの領域である表層部における窒素濃度が０．３質量％以上であり、接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であり、全体の平均残留オーステナイト量が６．５体積％以上２０体積％以下である高強度軸受部品である。

【0008】

また、本発明の他の局面に従った円錐ころ軸受は、円錐状の外輪軌道面を有する外輪と、円錐状の内輪軌道面を有し、内輪軌道面の大径側に大鍔面、小径側に小鍔面が設けられた内輪と、外輪軌道面と内輪軌道面との間に転動自在に配列された複数の円錐ころと、円錐ころを円周方向において所定の間隔に保持する保持器とを備えている。軸受使用時には、円錐ころの大端面が内輪の大鍔面と接触して案内される。円錐ころの大端面の曲率半径をＲ、円錐ころの外周面を含む円錐面の頂点から内輪の大鍔面までの距離をＲ_BASEとしたとき、Ｒ／Ｒ_BASEの値が０．７５〜０．８７の範囲となっている。そして、内輪および円錐ころは、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．００質量％超え０．５質量％以下のニッケルおよび０．００質量％超え０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼からなり、他の部品と接触する接触面から深さ２０μｍまでの領域である表層部における窒素濃度が０．３質量％以上であり、接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であり、全体の平均残留オーステナイト量が６．５体積％以上２０体積％以下である高強度軸受部品である。

【0009】

本発明者は、円錐ころ軸受において、高い耐久性を確保しつつ、寸法安定性の向上を達成する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。

【0010】

上記内輪、外輪および円錐ころを備えた円錐ころ軸受において、内輪大鍔面と円錐ころ大端面との間に形成される油膜厚さを、Ｋａｒｎａの式を用いて計算すると、Ｒ／Ｒ_BASEが０．７６のとき、油膜厚さは最大となる。そして、Ｒ／Ｒ_BASEが０．９を越えると、油膜厚さは急激に減少する。

【0011】

一方、内輪大鍔面と円錐ころ大端面との間の最大ヘルツ応力を計算すると、最大ヘルツ応力は、Ｒ／Ｒ_BASE の増大に伴って単調に減少する。

【0012】

ここで、内輪大鍔面と円錐ころ大端面との間のすべり摩擦による発熱を抑えて、内輪と円錐ころとの焼付きを抑制するためには、油膜厚さを厚く、最大ヘルツ応力を小さくすることが望ましい。そして、本発明者の検討によれば、Ｒ／Ｒ_BASEの値を０．７５〜０．８７に調整することにより、焼付きの発生を効果的に抑制することができる。なお、一般的な円錐ころ軸受のＲ／Ｒ_BASEの値は、０．９０〜０．９７程度である。

【0013】

また、外輪、内輪、転動体などの軸受部品において、他の部品と接触する表面（接触面）およびその直下では、亀裂や焼付きなどの損傷が発生し易い。これに対し、当該接触面に浸炭窒化処理を施すことにより、耐久性の向上を図ることができる。このとき、本発明者の検討によると、接触面である表面から深さ２０μｍまでの領域における平均窒素濃度（本願明細書、特許請求の範囲および要約書において「表層部」とは表面から深さ２０μｍまでの領域をいい、「表層部における窒素濃度」とは表層部における平均窒素濃度をいう）を０．３質量％以上にすることにより、接触面の耐久性が向上する。特に、表層部における窒素濃度を上昇させることにより、転走面付近の残留オーステナイト量が増加し、異物混入環境における転動疲労に対する耐久性が向上する。また、表層部における窒素濃度を上昇させることにより当該表層部における焼戻軟化抵抗が向上する。そのため、たとえば上記内輪と円錐ころとのすべり接触（たとえば大端面と大鍔面とのすべり接触）によって接触部の温度が上昇した場合でも、当該接触部の硬度低下が抑制され、焼付きの発生が抑えられる。

【0014】

一方、焼入硬化された鋼の窒素濃度が上昇すると、残留オーステナイト量が増加し、これが軸受部品の使用中に分解することにより経年変化率が大きくなる。

【0015】

ここで、接触面の耐久性については、表層部、すなわち表面から２０μｍ以内のごく薄い層における窒素濃度が支配的である。これに対し、経年変化率に対しては、軸受部品全体における残留オーステナイト量が影響する。そこで、表層部の窒素濃度を増加させつつ、軸受部品全体の残留オーステナイト量を低減することにより耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立させることを検討したところ、接触面下の表層部における窒素濃度を０．３質量％以上とし、かつ全体の平均残留オーステナイト量を２０体積％以下とすることにより、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立可能であることが明らかとなった。このような表層部の窒素濃度と全体の残留オーステナイト量との組み合わせは、たとえば通常の浸炭窒化処理に比べて高い濃度の窒素を部品表面に導入した上で、通常の温度よりも高い温度で焼戻処理を実施することにより達成することができる。

【0016】

本発明の円錐ころ軸受においては、Ｒ／Ｒ_BASEの値が０．７５〜０．８７の範囲に調整されることにより、円錐ころの大端面と内輪の大鍔面との焼付きが抑制される。さらに、外輪、内輪および円錐ころのうち少なくともいずれか１つが、接触面下の表層部における窒素濃度を０．３質量％以上とし、かつ全体の平均残留オーステナイト量を２０体積％以下とされた高強度軸受部品であることにより、異物混入環境を含む過酷な環境下における転動疲労に対する耐久性の向上と焼戻軟化抵抗の向上による更なる焼付きの抑制とを達成しつつ、寸法安定性を向上させることができる。その結果、本発明の円錐ころ軸受によれば、高い耐久性を確保しつつ、寸法安定性の向上を達成することが可能な円錐ころ軸受を提供することができる。

【0017】

ここで、上記高強度軸受部品を構成する鋼の成分組成を上記範囲に設定した理由について説明する。

【0018】

炭素：０．６０質量％以上１．５０質量％以下
炭素含有量は、焼入硬化後における軸受部品の接触面の硬度に大きな影響を与える。鋼の炭素含有量が０．６０質量％未満では、焼入硬化後における接触面に十分な硬度を付与することが困難となる。あるいは、浸炭処理などで表面の炭素量を補う必要が生じ、生産効率の低下、製造コストの上昇の原因となる。一方、炭素含有量が１．５０質量％を超えると、焼入硬化の際の割れの発生（焼割れ）が懸念される。そのため、炭素含有量は０．６０質量％以上１．５０質量％以下とした。

【0019】

珪素：０．１５質量％以上２．５０質量％以下
珪素は、鋼の焼戻軟化抵抗の向上に寄与する。鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満では、焼戻軟化抵抗が不十分となり、焼入硬化後の焼戻や、軸受部品の使用中における温度上昇により接触面の硬度が大幅に低下する可能性がある。一方、珪素含有量が２．５０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を軸受部品に成形する際の冷間加工における加工性が低下する。そのため、珪素含有量は０．１５質量％以上２．５０質量％以下とした。

【0020】

マンガン：０．３０質量％以上１．５０質量％以下
マンガンは、鋼の焼入性の向上に寄与する。マンガン含有量が０．３０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が１．５０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、冷間加工における加工性が低下する。そのため、マンガン含有量は０．３０質量％以上１．５０質量％以下とした。

【0021】

クロム：０．２０質量％以上２．００質量％以下
クロムは、鋼の焼入性の向上に寄与する。クロム含有量が０．２０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、クロム含有量が２．００質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、クロム含有量は０．２０質量％以上２．００質量％以下とした。

【0022】

ニッケル：０．５質量％以下
ニッケルも、鋼の焼入性の向上に寄与する。ニッケルは、本発明の軸受部品を構成する鋼において必須の成分ではないが、大型の軸受部品など、軸受部品を構成する鋼に高い焼入性が求められる場合に添加することができる。しかし、ニッケル含有量が０．５質量％を超えると、焼入後における残留オーステナイト量が多くなり、寸法安定性が低下する。そのため、軸受部品を構成する鋼に０．５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。

【0023】

モリブデン：０．２質量％以下
モリブデンも、鋼の焼入性の向上に寄与する。しかし、モリブデン含有量が０．２質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、軸受部品を構成する鋼に０．２質量％以下の範囲で添加することが好ましい。

【0024】

上記円錐ころ軸受においては、上記内輪の小鍔面が、円錐ころの小端面と平行な面で形成されていてもよい。

【0025】

これにより、小端面の面取りの寸法や形状にばらつきがあっても、初期組立状態において、互いに平行な小端面１９と小鍔面１４とは面接触する。そのため、このときの大端面と大鍔面との隙間は、小端面の面取りの寸法や形状のばらつきの影響を受けることがなく、運転開始後に各円錐ころが正規の位置に落ち着くまでの時間のばらつきが小さくなる。その結果、円錐ころ軸受の馴らし運転時間を短縮することができる。

【0026】

上記円錐ころ軸受においては、上記内輪の大鍔面の表面粗さＲａは０．０５〜０．２０μｍの範囲であってもよい。

【0027】

上記表面粗さＲａを０．０５μｍ以上とすることにより、低速で行われる馴らし運転時に、内輪の大鍔面と円錐ころの大端面との間の潤滑状態を、流体潤滑と境界潤滑との混合潤滑ではなく、境界潤滑とすることができる。そのため、摩擦係数が安定し、精度のよい予圧力の管理を行うことができる。なお、回転数が１００ｒｐｍを越える通常の軸受使用条件下では、大鍔面と大端面との間に十分な油膜が形成されるため、潤滑状態は流体潤滑となって摩擦係数は十分に小さくなる。一方、表面粗さＲａを０．２０μｍ以下とすることにより、高速回転時に軸受の温度が上昇し、潤滑油の粘度が低下した場合でも、油膜厚さを十分に確保し、焼付きの発生をより確実に抑制することができる。

【0028】

上記円錐ころ軸受においては、上記円錐ころの大端面が、内輪の大鍔面と接触したときに形成される、内輪の小鍔面と円錐ころの小端面との隙間が０．４ｍｍ以下に規制されていてもよい。これにより、馴らし運転において円錐ころが正規の位置に落ち着くまでに必要な回転回数を減らし、馴らし運転時間を短縮することができる。

【0029】

上記円錐ころ軸受においては、上記内輪の小鍔面は、研削加工面または旋削加工面であってもよい。これにより、内輪の小鍔面と円錐ころの小端面との隙間を精度よく管理することができる。

【0030】

上記円錐ころ軸受においては、上記内輪の大鍔面は、円錐ころの大端面に接触するベース面と、ベース面の外側に滑らかに連なり、円錐ころの大端面から離隔する方向に湾曲する逃げ面とを含んでいてもよい。

【0031】

これにより、内輪の大鍔面と円錐ころの大端面との接触領域の外縁近傍に隙間が形成される。その結果、当該接触領域への潤滑油の引き込み作用が高まり、十分な油膜が形成される。また、この滑らかな逃げ面の形成で、円錐ころのスキューが発生した際の、円錐ころと内輪大鍔面との接触による疵付きを抑制することができる。

【0032】

上記円錐ころ軸受においては、上記逃げ面の断面形状が円弧状の領域を含んでいてもよい。これにより、潤滑油引き込み作用の優れた逃げ面を容易に形成することができる。

【0033】

上記円錐ころ軸受においては、円錐ころの大端面の中央部に平面形状が円形状のぬすみが設けられ、当該ぬすみの外周端が、内輪のベース面と逃げ面との境界領域に位置するようにしてもよい。

【0034】

これにより、内輪の大鍔面と円錐ころの大端面との接触領域の外縁近傍に形成される上記隙間の近くまで潤滑油を導いて、当該隙間に十分な潤滑油を供給することができる。また、かつ円錐ころの許容スキュー角を、さらに大きくすることができる。

【0035】

上記円錐ころ軸受においては、ベース面と逃げ面との境界が、軸受の許容最大アキシャル荷重下で、円錐ころ大端面と大鍔面との接触で生じる最大接触楕円の外縁部に位置するようにしてもよい。

【0036】

これにより、円錐ころ軸受の全ての使用負荷レンジで、潤滑油を引き込む上記隙間を適切に形成することができる。

【0037】

上記円錐ころ軸受においては、上記接触面下の表層部には、接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ^２あたり５個以上存在していてもよい。

【0038】

直径０．５μｍ以下という微細な炭窒化物が１００μｍ^２あたり５個以上の割合で表層部に存在することで表層部が強化されることにより、表層部の耐久性が一層向上し、耐久性に優れた軸受部品が得られる。ここで、炭窒化物とは、鉄の炭化物または当該炭化物の炭素の一部が窒素に置き換わったものであり、Ｆｅ−Ｃ系の化合物およびＦｅ−Ｃ−Ｎ系の化合物を含む。また、この炭窒化物は、クロムなど、鋼に含まれる合金元素を含んでいてもよい。

【0039】

上記円錐ころ軸受においては、接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であってもよい。このようにすることにより、接触面の耐久性、特に異物混入環境における接触面の耐久性を向上させることができる。

【0040】

上記円錐ころ軸受においては、内輪は、上記高強度軸受部品であり、内輪の内径表面における窒素濃度が０．０５質量％以下であってもよい。

【0041】

残留オーステナイトの分解による寸法変化は、部品寸法の膨張として現れる場合が多い。一方、転がり軸受の内輪は、その内径面が軸などの外周面に嵌め込まれて使用される場合が多い。そのため、内径が膨張すると、内輪の軸に対する嵌め込み状態が不安定になるおそれがある。これに対し、内径面における窒素濃度を０．０５質量％以下にまで低減することで、上記問題の発生を抑制することができる。

【0042】

上記円錐ころ軸受は、自動車の動力伝達軸の支持に用いられるものであってもよい。また、上記自動車は、二輪車であってもよい。また、上記円錐ころ軸受は、ギヤオイルが封入されたハウジング内において、歯車軸が軸受により回転自在に支持される車両用歯車軸支持装置において、当該軸受として用いられてもよい。十分な耐久性を確保しつつコンパクト化が求められる上記用途に、本発明の円錐ころ軸受は好適である。

【発明の効果】

【0043】

以上の説明から明らかなように、本発明の円錐ころ軸受によれば、高い耐久性を確保しつつ、寸法安定性の向上を達成することが可能な円錐ころ軸受を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】デファレンシャルの構成を示す概略断面図である。

【図2】円錐ころ軸受の構造を示す概略断面図である。

【図3】図２の要部を拡大して示す概略断面図である。

【図4】図２の円錐ころ軸受の設計仕様を説明するための概略断面図である。

【図5】円錐ころ大端面の曲率半径と油膜厚さとの関係を説明するための図である。

【図6】円錐ころ大端面の曲率半径と最大ヘルツ応力との関係を説明するための図である。

【図7】円錐ころ軸受を構成する軸受部品の構造を説明するための概略断面図である。

【図8】円錐ころ軸受の構造の変形例を示す概略断面図である。

【図9】円錐ころ軸受の製造方法の概略を示すフローチャートである。

【図10】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。

【図11】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。

【図12】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。

【図13】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。

【図14】剥離発生後における剥離部付近の形状を示す図である。

【図15】圧痕の形状の一例を示す図である。

【図16】転動疲労寿命試験の結果を示す図である。

【図17】表層部の窒素濃度と転動疲労寿命との関係を示す図である。

【図18】表面付近の残留オーステナイト量の分布を示す図である。

【図19】残留オーステナイト量と経年寸法変化率との関係を示す図である。

【図20】表面付近の炭素および窒素の濃度分布を示す図である。

【図21】表面付近の炭素および窒素の濃度分布を示す図である。

【図22】試験片表面のＳＥＭ写真である。

【図23】試験片表面のＳＥＭ写真である。

【図24】試験片表面のＳＥＭ写真である。

【図25】試験片表面のＳＥＭ写真である。

【図26】雰囲気温度と硬度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

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。

【0046】

図１は、本発明の一実施の形態である円錐ころ軸受を備えた自動車のデファレンシャルの構造を示している。このデファレンシャルでは、動力伝達軸である歯車軸が円錐ころ軸受により支持されている。図１を参照して、このデファレンシャルは、ハウジング１に対して２つの円錐ころ軸受２，３により回転自在に支持されたドライブピニオン４と、ドライブピニオン４に噛み合うリングギヤ５と、リングギヤ５が取り付けられ、一対の円錐ころ軸受６によりハウジング１に対して回転自在に支持された差動歯車ケース７と、差動歯車ケース７の中に配設されたピニオン８と、ピニオン８と噛み合うサイドギヤ９とを備えている。円錐ころ軸受２，３，６、ドライブピニオン４、リングギヤ５、差動歯車ケース７、ピニオン８およびサイドギヤ９は、ギヤオイルが封入されたハウジング１内に収納されている。このギヤオイルは、上記円錐ころ軸受２、３、６の潤滑油としても機能する。ドライブピニオン４の軸と、リングギヤ５が取り付けられた差動歯車ケース７の軸の支持に、本実施の形態の円錐ころ軸受である円錐ころ軸受２，３，６を用いた歯車軸支持装置が採用されている。上記デファレンシャルは、たとえば二輪車に使用することができる。

【0047】

次に、本実施の形態における円錐ころ軸受の代表例として、円錐ころ軸受６について説明する。図２を参照して、円錐ころ軸受６は、円錐状の外輪軌道面１０を有する外輪１１と、円錐状の内輪軌道面１２を有し、この内輪軌道面１２の大径側に大鍔面１３、小径側に小鍔面１４が設けられた内輪１５と、外輪軌道面１０と内輪軌道面１２との間に転動自在に配列された複数の円錐ころ１６と、円錐ころ１６を円周方向において所定の間隔に保持する保持器１７とを備えている。

【0048】

図３を参照して、内輪１５の小鍔面１４は、内輪軌道面１２に接触して配列された円錐ころ１６の小端面１９と平行な研削加工面に仕上げられている。そして、図３中に一点鎖線で示す初期組立状態で、内輪１５の小鍔面１４は円錐ころ１６の小端面１９と面接触する。また、実線で示す円錐ころ１６が正規の位置に落ち着いた状態、すなわち円錐ころ１６の大端面が内輪１５の大鍔面と接触することにより円錐ころが案内される軸受の使用時の状態での内輪１５の小鍔面１４と円錐ころ１６の小端面１９との隙間δが、δ≦０．４ｍｍの寸法規制範囲内に調整されている。

【0049】

図４に示すように、円錐ころ１６の外周面を含む円錐面、外輪軌道面１０を含む円錐面、および内輪軌道面１２を含む円錐面の各頂点は、円錐ころ軸受６の中心線上の一点Ｏで一致する。そして、円錐ころ１６の大端面１８の曲率半径Ｒと、Ｏ点から内輪１５の大鍔面１３までの距離Ｒ_BASEとの比Ｒ／Ｒ_BASEは、０．７５〜０．８７の範囲となっている。また、大鍔面１３は、表面粗さＲaが、たとえば０．１２μｍとなるように研削加工されている。

【0050】

図５は、内輪の大鍔面と円錐ころの大端面との間に形成される油膜厚さｔを、Ｋａｒｎａの式を用いて計算した結果を示している。図５において、縦軸は、油膜厚さｔの、Ｒ／Ｒ_BASE＝０．７６のときの油膜厚さｔ₀に対する比ｔ／ｔ₀を示している。油膜厚さｔはＲ／Ｒ_BASE ＝０．７６のとき最大となり、Ｒ／Ｒ_BASEが０．９を超えると急激に減少する。

【0051】

一方、図６は、内輪の大鍔面と円錐ころの大端面との間の最大ヘルツ応力ｐを計算した結果を示している。図６において、縦軸は、最大ヘルツ応力ｐの、Ｒ／Ｒ_BASE＝０．７６のときの最大ヘルツ応力ｐ₀に対する比ｐ／ｐ₀を示している。最大ヘルツ応力ｐは、Ｒ／Ｒ_BASEの増大に伴って単調に減少している。

【0052】

内輪の大鍔面と円錐ころの大端面間とのすべり摩擦によるトルクロスと発熱とを低減する観点からは、油膜厚さｔを厚く、最大ヘルツ応力ｐを小さくすることが望ましい。上記図５および図６の計算結果を参考とし、後述する耐焼付き試験の結果に基づいて、Ｒ／Ｒ_BASEの適正範囲を０．７５〜０．８７と決定することができる。

【0053】

なお、図示はしないが、上記円錐ころ軸受２，３も、上述した円錐ころ軸受６と同様の構成を有している。また、本実施の形態では、内輪１５の小鍔面１４を研削加工面としたが、コスト低減のため、旋削加工面とすることもできる。

【0054】

さらに、軸受部品である外輪１１、内輪１５および円錐ころ１６は、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００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、たとえばＪＩＳ規格高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２からなっている。そして、接触面である外輪軌道面１０、内輪軌道面１２、大鍔面１３、小鍔面１４、および円錐ころの表面（大端面１８、小端面１９および転動接触面である円錐ころ転動面１６Ａ）を含む領域には、図７に示すように、内部１１Ｃ，１５Ｃ，１６Ｃに比べて窒素濃度が高い窒素富化層１１Ｄ，１５Ｄ，１６Ｄが、それぞれ形成されている。窒素富化層１１Ｄ，１５Ｄ，１６Ｄの表面である接触面からの距離が２０μｍ以内である表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂにおける平均窒素濃度は、０．３質量％以上となっている。さらに、外輪１１全体、内輪１５全体および円錐ころ１６全体のそれぞれにおける残留オーステナイト量は、２０体積％以下となっている。

【0055】

本実施の形態における円錐ころ軸受６においては、Ｒ／Ｒ_BASEの値が０．７５〜０．８７の範囲に調整されることにより、円錐ころ１６の大端面１８と内輪１５の大鍔面１３との焼付きが抑制される。さらに、外輪１１、内輪１５および円錐ころ１６は、接触面下の表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂにおける窒素濃度を０．３質量％以上とし、かつ全体の平均残留オーステナイト量を２０体積％以下とされた高強度軸受部品である。これにより、異物混入環境を含む過酷な環境下における転動疲労に対する耐久性の向上と焼戻軟化抵抗の向上による更なる焼付きの抑制とを達成しつつ、寸法安定性が向上した円錐ころ軸受となっている。その結果、円錐ころ軸受６は、耐久性が高く、かつ優れた寸法安定性を有している。

【0056】

なお、外輪１１、内輪１５および円錐ころ１６を構成する鋼は、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有していてもよい。これにより、鋼の焼入性が向上し、大型の転がり軸受の軸受部品を得ることができる。

【0057】

また、外輪１１、内輪１５および円錐ころ１６においては、接触面（外輪軌道面１０、内輪軌道面１２、大鍔面１３、小鍔面１４、および円錐ころの表面（大端面１８、小端面１９および転動接触面である円錐ころ転動面１６Ａ））下の表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂには、接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ^２あたり５個以上存在していることが好ましい。このように微細な炭窒化物が表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂに多数存在することにより、表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂの耐久性が一層向上し、耐久性に優れた外輪１１、内輪１５および円錐ころ１６が得られる。上記炭化物は上記領域に１０個以上存在していることがより好ましい。なお、上記炭化物の存在量（数）は、たとえば上記領域を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、観察結果を画像解析処理することにより確認することができる。

【0058】

さらに、外輪１１、内輪１５および円錐ころ１６においては、接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であることが好ましい。これにより、接触面である外輪軌道面１０、内輪軌道面１２、大鍔面１３、小鍔面１４、および円錐ころの表面（大端面１８、小端面１９および転動接触面である円錐ころ転動面１６Ａ）の耐久性、特に異物混入環境における転動接触面の耐久性を向上させることができる。

【0059】

また、図７を参照して、上記内輪１５の内径表面１５Ｅにおける窒素濃度は、０．０５質量％以下とすることができる。これにより、内輪１５の軸などの部材に対する嵌め込み状態が安定する。

【0060】

次に、上記実施の形態における円錐ころ軸受の変形例について説明する。本変形例における円錐ころ軸受は、基本的には上記実施の形態における円錐ころ軸受と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、以下の通り、円錐ころ１６の大端面１８および内輪１５の大鍔面１８の構成において、本変形例は上記実施の形態の場合とは異なっている。

【0061】

図８を参照して、本変形例における円錐ころ軸受では、内輪１５の大鍔面１３は、ベース面１３ａと、このベース面１３ａの外側に滑らかに接続された円弧断面の逃げ面１３ｂとを含んでいる。逃げ面１３ｂの外側には、面取り部１３ｃが設けられている。図４および図８を参照して、円錐ころ１６の大端面１８は、Ｏ点から内輪１５の大鍔面１３までの距離Ｒ_Oよりも適宜小さい曲率半径Ｒの球面１８ａで形成されている。そして、図８に示すように、この球面１８ａの中央部に平面形状が円形状であるぬすみ１８ｂが設けられている。このぬすみ１８ｂの外周端は、大鍔面１３のベース面１３ａと逃げ面１３ｂとの境界近傍（境界領域）に位置している。

【0062】

円錐ころ１６は、軸受使用時に大端面１８が大鍔面１３に押し付けられながら転動する。そのため、球面１８ａの一部がベース面１３ａと接触し、図８に示すように、接触楕円２０が生じる。逃げ面１３ｂとベース面１３ａとの境界は、この接触楕円２０の外縁近傍に設けられる。これにより、逃げ面１３ｂと球面１８ａとで接触楕円２０に近接する鋭角の楔形隙間が形成される。

【0063】

接触楕円２０は、軸受使用時のアキシャル荷重が高いほど大きくなる。本変形例における円錐ころ軸受６では、許容最大アキシャル荷重下での最大接触楕円を想定して、逃げ面１３ｂとベース面１３ａの境界が、この最大接触楕円の外縁近傍となるように設計されている。これにより、潤滑油を引き込む楔形隙間を、全ての使用負荷レンジで適切に形成できるようになっている。

【0064】

次に、上記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９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、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼、または０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５などの高炭素クロム軸受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。

【0065】

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、外輪１１、内輪１５、円錐ころ１６などの形状に成形された成形部材が作製される。

【0066】

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４時間以上７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。

【0067】

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、たとえば８２０℃以上８８０℃以下とすることができ、８５０℃以上８８０℃以下とすることが好ましい。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。また、この工程（Ｓ４０）では、成形部材において接触面下の表層部となるべき領域が、焼入温度から６００℃までの温度範囲において平均２０℃／ｓｅｃ以上、かつ焼入温度から４００℃までの温度範囲において平均３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却されることが好ましい。これにより、工程（Ｓ３０）の浸炭窒化処理によって焼入性が低下した表層部となるべき領域を確実に焼入硬化することができる。

【0068】

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１８０℃以上２４０℃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。焼戻温度は、１８０℃以上２１０℃以下とされてもよい。

【0069】

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のうち他の部品と転動接触する転動接触面が、すなわち円錐ころ軸受６を構成する外輪１１の外輪軌道面１０、内輪１５の内輪軌道面１２および円錐ころ１６の円錐ころ転動面１６Ａ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１５、円錐ころ１６などが完成する。

【0070】

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１５、円錐ころ１６と、別途準備された保持器１７などとが組合わされて、上記実施の形態における円錐ころ軸受６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。

【0071】

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下の表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂにおける窒素濃度が０．３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層部の窒素濃度を０．３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１１Ｄ，１５Ｄ，１６Ｄが形成される。

【0072】

さらに、上記工程（Ｓ５０）では、成形部材全体の平均残留オーステナイト量が２０体積％以下となるように成形部材が焼戻処理される。

【0073】

また、完成品において、接触面である外輪軌道面１０、内輪軌道面１２および円錐ころ転動面１６Ａから深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量を２０体積％以上とするためには、たとえば工程（Ｓ３０）において形成される窒素濃度分布、工程（Ｓ４０）における焼入温度、工程（Ｓ５０）における焼戻温度、工程（Ｓ６０）における取り代などを調整することができる。

【0074】

さらに、内輪１５の内径表面１５Ｅにおける窒素濃度を０．０５質量％以下とするためには、たとえば内径表面１５Ｅを治具やコーディング層にて覆ったうえで、工程（Ｓ３０）を実施すればよい。

【0075】

また、接触面に垂直な断面において、表層部１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂに直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ^２あたり５個以上存在する状態とするためには、たとえば工程（Ｓ４０）における焼入温度、工程（Ｓ５０）における焼戻温度などを調整することができる。

【0076】

なお、上記実施の形態において説明した円錐ころ軸受６は本発明の円錐ころ軸受の一例である。本発明の円錐ころ軸受は、種々の形態の円錐ころ軸受に適用することができる。

【実施例1】

【0077】

転がり軸受の軌道輪の耐久性に及ぼす表層部の窒素濃度の影響を調査する実験を行なった。具体的には、軌道輪（内輪）の転走面に圧痕を形成した状態で転動疲労寿命試験を実施した。実験の手順は以下の通りである。

【0078】

試験は、ＪＩＳ規格３０２０６型番の円錐ころ軸受（軸受部品はＪＩＳ規格ＳＵＪ２製）により実施した。まず、上記実施の形態と同様の手順により内輪を作製した。このとき、浸炭窒化処理時の雰囲気における未分解アンモニア分圧、水素分圧、炭素の活量、熱処理時間、焼入温度を調整することにより、内輪表面付近に侵入する窒素の濃度分布を制御した。また、比較のため、浸炭窒化を実施しない内輪も作製した。その結果、図１０〜図１３の４通りの窒素濃度分圧を有する内輪が得られた。ここで、図１０〜図１３において、横軸は表面（転走面）からの距離を示しており、縦軸は窒素濃度を示している。

【0079】

次に、得られた内輪に圧痕を形成した。ここで、実際の使用環境を模擬した転がり軸受寿命の評価方法として、異物混入潤滑下での寿命試験が実施される場合がある。この試験方法は、転がり軸受の潤滑油中にガスアトマイズにて作製された粒径１００〜１８０μｍの粒子（硬度８００ＨＶ程度）を混入させて運転し、その破損寿命を評価するものである。粒径を１００〜１８０μｍとしている理由は、実際の使用環境において最大で１００μｍ程度の粒径を持つ硬質異物が混入する場合があるためである。図１４に、この異物混入潤滑下での寿命試験により破損した軌道輪の表面形状（圧痕形状）を示す。図１４において、横軸は表面（転走面）に沿った基準点からの距離、縦軸は高さを示している。横軸の基準点から０．３ｍｍ付近までが当初の転走面、０．３ｍｍ〜１．１ｍｍ付近までが圧痕、１．１ｍｍ以上の領域が剥離部に対応する。図１４から、上記硬質の異物によって形成される圧痕は１５〜２０μｍ程度の深さであることが分かる。

【0080】

また、圧痕の盛上がり部の形状およびミクロ組織が、寿命を決める大きな要因となる。圧痕の盛り上がり部の形状は、圧痕深さまでの材料のミクロ組織で決まると考えられる。また、窒素濃度によって鋼のミクロ組織は変化する。これらのことから、硬質の異物が侵入する環境下での寿命は、表面の窒素濃度だけではなく、表面から圧痕深さまでの窒素濃度に左右されると考えられる。

【0081】

そして、上述のように圧痕深さは最大で約２０μｍになる。このことから、本願明細書等では、表面から深さ２０μｍまでの領域を表層部とし、表層部における平均窒素濃度を「表層部の窒素濃度」と定義している。この表層部の窒素濃度は、具体的には、表面に垂直な断面についてＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により深さ方向に線分析を行ない、表面から２０μｍ深さまでの平均値を算出することにより、調査することができる。

【0082】

以上の検討結果を踏まえて、内輪には、軌道面の中央に円すい形ダイヤモンドのロックウェル硬さ測定用圧子（頂角１２０°の円錐の頂点に曲率０．２ｍｍの球面を持つ圧子）を荷重１９６Ｎで押し付けて圧痕を形成した。形成した圧痕の形状を三次元表面形状装置で測定したところ、圧痕周縁部の盛り上がり形状が圧痕中心を対称軸として軸方向、円周方向に対しほぼ対称形状であることが確認された。図１５に代表的な圧痕形状を示す。圧痕は内輪１個当り３０個であり、周方向に等間隔に（すなわち中心角１２°ごとに）形成した。

【0083】

このようにして作製された内輪に、浸炭窒化処理を施さず、かつ圧痕を形成しない通常の外輪のほか、転動体、保持器等を組み合わせて軸受を組立てた。そして、得られた軸受を寿命試験に供した。試験結果を図１６に示す。

【0084】

図１６において、横軸は寿命（試験開始から剥離が発生するまでの時間）、縦軸は累積破損確率である。また、図１６の凡例において、「焼入温度−焼戻温度−表層窒素濃度」が表示されている。たとえば、８５０℃−１８０℃−Ｎ０．４％の表示は、焼入温度が８５０℃、焼戻温度が１８０℃、表層部の窒素濃度が０．４質量％であることを示している。図１６を参照して、表層部の窒素濃度が上昇するに従って、寿命が長くなっていることが分かる。ここで、表層部の窒素濃度と累積破損確率が１０％となる時間（Ｌ１０寿命）との関係を図１７に示す。図１７に示すように、表層部の窒素濃度の上昇に伴ってＬ１０寿命も長くなっているものの、窒素濃度の上昇に従ってＬ１０寿命の向上は飽和する傾向にあり、窒素濃度０．３質量％以上では、寿命の向上は緩やかとなっている。このことから、表層部の窒素濃度を０．３質量％以上とすることが、長寿命化に有効であることが分かる。

【実施例2】

【0085】

経年寸法変化に及ぼす残留オーステナイト量の影響を調査する実験を行なった。ＳＵＪ２を素材として、外径φ６０ｍｍ、内径φ５４ｍｍ、幅ｔ１５ｍｍのリング状試験片を、焼入温度、焼戻温度、および表層部の窒素濃度を変化させて作製した。この試験片に対して、２３０℃に加熱して２時間保持する熱処理を実施し、当該熱処理前後での外径の寸法差を熱処理前の外径で除して経年寸法変化率を算出した。試験結果を表１に示す。一方、上記試験片の残留オーステナイト量の分布を図１８に示す。この図１８の残留オーステナイト量の分布から試験片内の平均値を算出するとともに、先に算出した対応する試験片の経年寸法変化率との関係を調査した。試験片全体の平均残留オーステナイト量と経年寸法変化率との関係を図１９に示す。

【0086】

【表1】

【0087】

表１および図１９を参照して、焼戻温度を２１０℃にまで上昇させて試験片全体の平均残留オーステナイト量を低減することにより、経年寸法変化率を低減できることが確認される。そして、平均残留オーステナイト量を２０体積％以下、好ましくは１５体積％以下とすることが経年寸法変化率低減の観点からは有効で、特に１１体積％以下とすることにより、経年寸法変化率を１００×１０^−５未満にまで低減できることが分かる。

【実施例3】

【0088】

接触面下の表層部における炭窒化物の分布状態を調査する実験を行なった。上記実施の形態の場合と同様の手順において、浸炭窒化処理の際の炭素の活量を調整して、炭化物の固溶による消失を抑制した条件でＳＵＪ２からなる試験片を作製した。この製造条件は、上記実施例１において長寿命が確認された試験片の製造条件に対応する。具体的には、焼入温度は８５０℃、焼戻温度は１８０℃、表層部の窒素濃度は０．３質量％である（実施例Ａ）。一方、比較のため、表面付近に脱炭が生じる条件で同様に試験片を作製した（比較例）。比較例および実施例Ａの試験片における表面付近の炭素濃度および窒素濃度の分布を、それぞれ図２０および図２１に示す。

【0089】

図２０および図２１を参照して、比較例の試験片では表面付近の炭素濃度が低下し、脱炭が確認されるのに対し、実施例Ａの試験片では表面付近の炭素濃度は内部とほぼ同等のレベルが維持されている。比較例の表層部のＳＥＭ写真および実施例Ａの表層部のＳＥＭ写真を、それぞれ図２２および図２３に示す。また、焼入温度を８８０℃、焼戻温度を２１０℃、表層部の窒素濃度を０．３質量％とした試験片（実施例Ｂ）の表層部のＳＥＭ写真を図２４および図２５に示す。

【0090】

ここで、上記実施例１において長寿命が確認された製造条件に対応する実施例Ａおよび実施例Ｂについて、表層部のＳＥＭ写真（表面に垂直な断面のＳＥＭ写真）に基づいて、析出強化に寄与すると考えられる直径０．５μｍ以下の炭窒化物の個数を算出した。表２に算出結果を示す。

【0091】

【表2】

【0092】

１００μｍ^２内の領域に存在する炭窒化物の個数を各試験片について３回（３箇所）調査し、その平均値を算出した。表２に示すように、長寿命が確認された実施例ＡおよびＢにおいては、直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ^２内に５個以上存在していることが確認された。

【実施例4】

【0093】

上記Ｒ／Ｒ_BASEおよびδの値を適切な範囲に設定することによる効果を確認する実験を行った。

【0094】

円錐ころの大端面の曲率半径Ｒが、上記Ｒ／Ｒ_BASE＝０．７５〜０．８７の範囲に調整され、内輪の大鍔面の表面粗さＲaが０．１２μｍであり、小鍔面が円錐ころの小端面と平行な研削加工面で形成され、かつ隙間δがδ≦０．４ｍｍの範囲内に調整された円錐ころ軸受を準備した（実施例）。軸受の寸法は、いずれも内径４０ｍｍ、外径６８ｍｍである。一方、比較のため、Ｒ／Ｒ_BASEの値が上記範囲を外れ、内輪の小鍔面が円錐ころの小端面に対して外側に傾斜し、隙間δが０．４ｍｍを越える円錐ころ軸受も準備した（比較例）。軸受の寸法は、上記実施例と同じである。より具体的には、表３に示す４種類の実施例に対応する円錐ころ軸受と３種類の比較例に対応する円錐ころ軸受とを準備した。

【0095】

【表3】

【0096】

そして、上記実施例および比較例の円錐ころ軸受に対して、回転試験機を用いた耐焼付き試験を実施した。また、実施例Ｄおよび比較例Ｂの円錐ころ軸受に対しては、馴らし運転試験も行った。馴らし運転試験のサンプル数は、実施例Ｄに対しては６６個、比較例Ｂに対しては１０個とした。耐焼付き試験の試験条件は以下の通りである。

【0097】

負荷荷重：１９．６１ｋＮ
回転数 ：１０００〜３５００ｒｐｍ
潤滑油 ：タービンＶＧ５６（給油量４０ミリリットル／分、給油温度４０℃±３℃）
試験結果を表３に示す。耐焼付き試験における焼付きは、内輪の大鍔面と円錐ころの大端面との間で生じたものである。

【0098】

実施例の円錐ころ軸受は、いずれも耐焼付き試験における焼付き発生の限界回転数が２７００ｒｐｍ以上になっており、内輪大鍔面と円錐ころ大端面間の摩擦抵抗が少ないことがわかる。一方、比較例の円錐ころ軸受は、焼付き発生の限界回転数が２５００ｒｐｍ以下になっており、デファレンシャル等の通常の使用条件下で問題となることがある。大鍔面の表面粗さＲaが粗い比較例Ｃは、同じ曲率半径Ｒの比較例Ｂよりも低い焼付き発生限界回転数を示している。

【0099】

また、馴らし運転試験の結果は、比較例では円錐ころが正規の位置に落ち着くまでの回転回数の平均値が６回であるのに対して、実施例では約半分の２．９６回になっている。実施例は回転回数のばらつきの標準偏差も小さくなっており、馴らし運転時間を安定して短縮できることがわかる。

【実施例5】

【0100】

窒素富化層の形成による焼戻軟化抵抗の向上を確認する実験を行った。まず、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなる試験片を準備した。そして、これをＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気中で８５０℃に加熱し、１８０分間保持することにより表層部における窒素濃度を０．３質量％以上とした上で、焼入硬化したサンプルを作製した（実施例；高濃度窒化品）。一方、比較のため、同様の試験片を準備し、これをＲＸガス雰囲気中で８５０℃に加熱し、８０分間保持した上で焼入硬化したサンプルも作製した（比較例；通常焼入れ品）。このようにして得られた実施例および比較例のサンプルを所定の温度に保持した雰囲気中において加熱する熱処理を実施し、熱処理後の表面硬度を測定した。実験結果を図２６に示す。

【0101】

図２６を参照して、いずれの雰囲気温度にて加熱した場合でも、実施例のサンプルは、比較例のサンプルに比べて高い表面硬度を有していた。また、雰囲気温度が上昇するにつれて、両者の硬度差は大きくなる傾向にある。このことから、表層部における窒素濃度を０．３質量％以上とすることにより、焼戻軟化抵抗が向上することが確認された。この焼戻軟化抵抗の向上は、耐焼付き性の向上に寄与するものと考えられる。

【0102】

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。

【産業上の利用可能性】

【0103】

本発明の円錐ころ軸受は、高い耐久性を確保しつつ、寸法安定性の向上を達成することが求められる円錐ころ軸受に、特に有利に適用され得る。

【符号の説明】

【0104】

１ ハウジング、２，３，６ 円錐ころ軸受、４ ドライブピニオン、５ リングギヤ、７ 差動歯車ケース、８ ピニオン、９ サイドギヤ、１０ 外輪軌道面、１１ 外輪、１１Ｂ，１５Ｂ，１６Ｂ 表層部、１１Ｃ，１５Ｃ，１６Ｃ 内部、１１Ｄ，１５Ｄ，１６Ｄ 窒素富化層、１２ 内輪軌道面、１３ 大鍔面、１３ａ ベース面、１３ｂ 逃げ面、１４ 小鍔面、１５ 内輪、１５Ｅ 内径表面、１６ 円錐ころ、１６Ａ 円錐ころ転動面、１７ 保持器、１８ 大端面、１８ａ 球面、１８ｂ ぬすみ、１９ 小端面、２０ 接触楕円。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】