特開 2024-16668 玉軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024016668

(43)【公開日】2024-02-07

(54)【発明の名称】玉軸受

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240131BHJP

   F16C 19/06 20060101ALI20240131BHJP

   F16C 33/62 20060101ALI20240131BHJP

   C22C 38/44 20060101ALI20240131BHJP

   C21D 9/40 20060101ALN20240131BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Z

F16C19/06

F16C33/62

C22C38/44

C21D9/40 A

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022118961

(22)【出願日】2022-07-26

(71)【出願人】

【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】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川井 崇

(72)【発明者】

【氏名】大木 力

【テーマコード（参考）】

3J701

4K042

【Ｆターム（参考）】

3J701AA02

3J701AA32

3J701AA42

3J701AA62

3J701BA09

3J701BA10

3J701BA69

3J701BA70

3J701DA02

3J701DA03

3J701EA03

3J701EA10

3J701FA44

3J701XB33

3J701XE13

3J701XE16

3J701XE19

3J701XE30

4K042AA22

4K042BA13

4K042BA14

4K042CA06

4K042CA08

4K042CA10

4K042DA01

4K042DA02

4K042DC02

4K042DE03

4K042DE06

(57)【要約】

【課題】軸受部品の熱処理に要するコストを低減しつつ、使用に伴う軸受部品の寸法変化を抑制可能な玉軸受を提供する。
【解決手段】玉軸受は、内輪と、外輪と、玉とを備える。内輪、外輪及び玉のうちの少なくとも１つの軸受部品は接触面を有する。軸受部品は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。鋼は、０．９０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下の炭素と、０．３５質量パーセント以上０．８０質量パーセント以下のシリコンと、０．８０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下のマンガンと、０．３０質量パーセント未満のニッケルと、０．８０質量パーセント以上１．３０質量パーセント以下のクロムと、０．１０質量パーセント未満のモリブデンと、残部をなす鉄及び不可避不純物とを含有している。鋼中のシリコン濃度を鋼中のマンガン濃度で除した値は、０．５１未満になっている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内輪と、
外輪と、
玉とを備え、
前記内輪、前記外輪及び前記玉のうちの少なくとも１つの軸受部品は、接触面を有し、
前記軸受部品は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製であり、
前記鋼は、０．９０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下の炭素と、０．３５質量パーセント以上０．８０質量パーセント以下のシリコンと、０．８０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下のマンガンと、０．３０質量パーセント未満のニッケルと、０．８０質量パーセント以上１．３０質量パーセント以下のクロムと、０．１０質量パーセント未満のモリブデンと、残部をなす鉄及び不可避不純物とを含有しており、
前記鋼中のシリコン濃度を前記鋼中のマンガン濃度で除した値は、０．５１未満になっており、
前記鋼中の残留オーステナイト量は、１３体積パーセント以上３５体積パーセント未満である、玉軸受。

【請求項2】

前記接触面と前記接触面からの深さ方向における距離が１０μｍとなる位置との間における前記鋼中の平均窒素濃度は、０．０１質量パーセント未満である、請求項１に記載の玉軸受。

【請求項3】

前記軸受部品の肉厚は、３０ｍｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の玉軸受。

【請求項4】

前記軸受部品は、前記内輪又は前記外輪であり、
前記鋼の硬さは、５９ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以上である、請求項３に記載の玉軸受。

【請求項5】

前記軸受部品は、前記玉であり、
前記鋼の硬さは、６０ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下である、請求項３に記載の玉軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、玉軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特開２００１－３１３９号（特許文献１）には、転がり軸受（円錐ころ軸受）が記載されている。特許文献１に記載の転がり軸受は、内輪と、外輪と、複数の転動体（円錐ころ）とを有している。内輪は、接触面として、転動体に接触する内輪軌道面を有している。外輪は、接触面として、転動体に接触する外輪軌道面を有している。転動体は、接触面として、内輪軌道面及び外輪軌道面に接触する外周面を有している。特許文献１に記載の転がり軸受では、内輪、外輪及び転動体の接触面に浸窒が行われている。特許文献１に記載の転がり軸受では、内輪、外輪及び転動体の接触面近傍の表層部における鋼中の残留オーステナイト量が２０体積パーセント以上４０体積パーセント以下となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－３１３９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の転がり軸受では、内輪、外輪及び転動体が浸窒、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製であり、熱処理に要するコストが高くなる。また、特許文献１に記載の転がり軸受では、内輪、外輪及び転動体の接触面近傍の表層部における鋼中の残留オーステナイト量が２０体積パーセント以上４０体積パーセント以下となっているため、高温環境下で使用された場合に、残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化が大きくなることが懸念される。

【0005】

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、軸受部品の熱処理に要するコストを低減しつつ、使用に伴う軸受部品の寸法変化を抑制可能な玉軸受を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の玉軸受は、内輪と、外輪と、玉とを備える。内輪、外輪及び玉のうちの少なくとも１つの軸受部品は、接触面を有する。軸受部品は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。鋼は、０．９０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下の炭素と、０．３５質量パーセント以上０．８０質量パーセント以下のシリコンと、０．８０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下のマンガンと、０．３０質量パーセント未満のニッケルと、０．８０質量パーセント以上１．３０質量パーセント以下のクロムと、０．１０質量パーセント未満のモリブデンと、残部をなす鉄及び不可避不純物とを含有している。鋼中のシリコン濃度を鋼中のマンガン濃度で除した値は、０．５１未満になっている。鋼中の残留オーステナイト量は、１３体積パーセント以上３５体積パーセント未満である。

【0007】

上記の玉軸受では、接触面と接触面からの深さ方向における距離が１０μｍとなる位置との間における鋼中の平均窒素濃度が、０．０１質量パーセント未満であってもよい。

【0008】

上記の玉軸受では、軸受部品の肉厚が、３０ｍｍ以下であってもよい。上記の玉軸受では、軸受部品は、内輪又は外輪であってもよい。鋼の硬さは、５９ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以上であってもよい。上記の玉軸受では、軸受部品が、玉であってもよい。鋼の硬さは、６０ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下であってもよい。

【発明の効果】

【0009】

上記の玉軸受によると、軸受部品の熱処理に要するコストを低減しつつ、使用に伴う軸受部品の寸法変化を抑制可能である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】玉軸受１００の断面図である。

【図2】玉軸受１００の製造方法を示す工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、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。実施形態に係る玉軸受を、玉軸受１００とする。

【0012】

（玉軸受１００の構成）
以下に、玉軸受１００の構成を説明する。

【0013】

図１は、玉軸受１００の断面図である。図１に示されるように、玉軸受１００は、深溝玉軸受である。但し、玉軸受１００は、深溝玉軸受に限られるものではなく、他の玉軸受であってもよい。玉軸受１００は、例えば、自動車駆動ユニット（デファレンシャル、トランスミッション、ＥＶ（Electric Vehicle）用減速機、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）用減速機等）、産業機械用装置（ロボット用減速機、建設機械、トラクター等）に使用される玉軸受である。

【0014】

玉軸受１００は、内輪１０と、外輪２０と、複数の玉３０と、保持器４０とを有している。内輪１０の中心軸を、中心軸Ａとする。中心軸Ａの方向を、軸方向とする。中心軸Ａを通り、かつ中心軸Ａに直交する方向を、径方向とする。軸方向に沿って見た際に中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向を、周方向とする。

【0015】

内輪１０は、リング状の部材である。内輪１０は、第１幅面１０ａと、第２幅面１０ｂと、内径面１０ｃと、外径面１０ｄとを有している。第１幅面１０ａ及び第２幅面１０ｂは、軸方向における内輪１０の端面である。第１幅面１０ａは軸方向における一方側（図１中では、左側）を向いており、第２幅面１０ｂは軸方向における他方側（図１中では、右側）を向いている。すなわち、第２幅面１０ｂは、第１幅面１０ａの軸方向における反対面である。

【0016】

内径面１０ｃは、周方向に延在している。内径面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。すなわち、内径面１０ｃは、径方向における内側を向いている。内径面１０ｃの軸方向における一方端及び軸方向における他方端は、それぞれ、第１幅面１０ａ及び第２幅面１０ｂに連なっている。図示されていないが、内輪１０は、内径面１０ｃにおいて軸に嵌め合わされる。

【0017】

外径面１０ｄは、周方向に延在している。外径面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。すなわち、外径面１０ｄは、径方向における外側を向いており、径方向における内径面１０ｃの反対面である。外径面１０ｄの軸方向における一方端及び軸方向における他方端は、それぞれ、第１幅面１０ａ及び第２幅面１０ｂに連なっている。

【0018】

外径面１０ｄは、軌道面１０ｄａを有している。軌道面１０ｄａは、玉３０に接触する外径面１０ｄの部分である。すなわち、軌道面１０ｄａは、内輪１０の接触面である。外径面１０ｄは、軌道面１０ｄａにおいて、内径面１０ｃ側に窪んでいる。軌道面１０ｄａは、周方向に直交する断面視において、例えば部分円弧状である。軌道面１０ｄａは、外径面１０ｄの軸方向における中央部にある。

【0019】

外輪２０は、リング状の部材である。外輪２０は、第１幅面２０ａと、第２幅面２０ｂと、内径面２０ｃと、外径面２０ｄとを有している。第１幅面２０ａ及び第２幅面２０ｂは、軸方向における外輪２０の端面である。第１幅面２０ａは、軸方向における一方側を向いている。第２幅面２０ｂは、軸方向における他方側を向いている。すなわち、第２幅面２０ｂは、第１幅面２０ａの軸方向における反対面である。

【0020】

内径面２０ｃは、周方向に延在している。内径面２０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。すなわち、内径面２０ｃは、径方向における内側を向いている。内径面２０ｃの軸方向における一方端及び軸方向における他方端は、それぞれ、第１幅面２０ａ及び第２幅面２０ｂに連なっている。外輪２０は、内径面２０ｃが外径面１０ｄと径方向において間隔を空けて対向するように配置されている。

【0021】

外径面２０ｄは、周方向に延在している。外径面２０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。すなわち、外径面２０ｄは、径方向における外側を向いており、径方向における内径面２０ｃの反対面である。外径面２０ｄの軸方向における一方端及び軸方向における他方端は、それぞれ、第１幅面２０ａ及び第２幅面２０ｂに連なっている。図示されていないが、外輪２０は、外径面２０ｄにおいてハウジングに嵌め合わされる。

【0022】

内径面２０ｃは、軌道面２０ｃａを有している。軌道面２０ｃａは、玉３０に接触する内径面２０ｃの部分である。すなわち、軌道面２０ｃａは、外輪２０の接触面である。内径面２０ｃは、軌道面２０ｃａにおいて、外径面２０ｄ側に窪んでいる。軌道面２０ｃａは、周方向に直交する断面視において、例えば部分円弧状である。軌道面２０ｃａは、内径面２０ｃの軸方向における中央部にある。軌道面２０ｃａは、径方向において、軌道面１０ｄａと間隔を空けて対向している。

【0023】

玉３０は、球状である。玉３０は、外径面１０ｄと内径面２０ｃとの間に配置されている。より具体的には、玉３０は、軌道面１０ｄａと軌道面２０ｃａとの間に配置されている。複数の玉３０は、周方向に並べられている。玉３０は、表面３０ａを有している。表面３０ａは、軌道面１０ｄａ及び軌道面２０ｃａに接触している。すなわち、表面３０ａは、玉３０の接触面である。

【0024】

保持器４０は、外径面１０ｄと内径面２０ｃとの間に配置されている。保持器４０は、隣り合う２つの玉３０の間の周方向における間隔が一定範囲内となるように、複数の玉３０を保持している。

【0025】

内輪１０の肉厚、外輪２０の肉厚及び玉３０の肉厚は、１５ｍｍ以上であってもよい。内輪１０の肉厚、外輪２０の肉厚及び玉３０の肉厚は、２０ｍｍ以上であってもよい。内輪１０の肉厚、外輪２０の肉厚及び玉３０の肉厚は、例えば、３０ｍｍ以下である。内輪１０の肉厚は、内輪１０の外径と内径との差を２で除した値である。外輪２０の肉厚は、外輪２０の外径と内径との差を２で除した値である。玉３０の肉厚は、玉３０の直径である。玉軸受１００では、ピッチ円径が、例えば１５ｍｍ以上である。ピッチ円径は、径方向における中心軸Ａと玉３０の中心との間の距離の２倍である。

【0026】

内輪１０、外輪２０及び玉３０は、焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製である。鋼は、表１に示されている組成を有している。より具体的には、鋼は、０．９０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下の炭素と、０．３５質量パーセント以上０．８０質量パーセント以下のシリコンと、０．８０質量パーセント以上１．２０質量パーセント以下のマンガンと、０．３０質量パーセント未満のニッケルと、０．８０質量パーセント以上１．３０質量パーセント以下のクロムと、０．１０質量パーセント未満のモリブデンとを含有している。鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。なお、鋼は、ニッケル及びモリブデンを含有していなくてもよい。

【0027】

【表1】

【0028】

鋼中では、シリコン濃度をマンガン濃度で除した値が０．５１未満になっている。鋼中のシリコン濃度が低くなると、鉄の酸化物の形成が抑制され、耐水素脆性が改善される。鋼中のマンガン濃度が高くなると、焼入れ性が改善される。また、鋼中のマンガン濃度が高くなると、マンガンが硫黄と結合して硫化マンガンとなることにより硫黄が固定されるため、硫黄の粒界偏析が抑制され、鋼の強度低下が抑制される。さらに、鋼中のマンガン濃度が高くなると、鋼の延性－脆性繊維温度が低下して鋼の靭性が改善される。このような観点から、シリコン濃度をマンガン濃度で除した値が０．５１未満とされている。

【0029】

内輪１０、外輪２０及び玉３０には浸窒が行われていないため、内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼には、接触面から窒素が導入されていない。より具体的には、内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼中では、接触面と接触面からの深さ方向における距離が１０μｍとなる位置との間における平均窒素濃度が０．０１質量パーセント未満になっている。

【0030】

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量は、１３体積パーセント以上３５体積パーセント未満である。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量は、好ましくは１３体積パーセント以上２０体積パーセント未満である。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。すなわち、鋼中の残留オーステナイト量は、Ｘ線プロファイルにおけるオーステナイトのピーク強度を鋼中のオーステナイト以外のピーク強度の和で除することにより求められる。

【0031】

軸受空間（外径面１０ｄと内径面２０ｃとの間の空間）には、潤滑油が供給されていてもよい。潤滑油中の異物量は、０．３５ｇ／Ｌ以下であることが好ましい。

【0032】

内輪１０及び外輪２０を構成している鋼の硬さは、接触面において、５９ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下である。内輪１０及び外輪２０を構成している鋼の硬さは、接触面以外の箇所においても、５９ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下の範囲内にある。すなわち、内輪１０及び外輪２０を構成している鋼には、不完全焼入れが生じていない。玉３０を構成している鋼の硬さは、接触面において、６０ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下である。玉３０を構成している鋼の硬さは、接触面以外の箇所においても、６０ＨＲＣ以上６８ＨＲＣ以下である。すなわち、玉３０を構成している鋼には、不完全焼入れが生じていない。

【0033】

内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４５：２０１６）に規定されているロックウェル硬さ試験法にしたがって測定されるものとする。但し、玉３０を構成している鋼の硬さは、平面硬さに換算される。

【0034】

（玉軸受１００の製造方法）
以下に、玉軸受１００の製造方法を説明する。

【0035】

図２は、玉軸受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、玉軸受１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、焼入れ工程Ｓ２と、焼戻し工程Ｓ３と、後処理工程Ｓ４と、組み立て工程Ｓ５とを有している。

【0036】

準備工程Ｓ１では、加工対象部材が準備される。内輪１０及び外輪２０のための加工対象部材は、リング状の部材である。玉３０のための加工対象部材は、球状の部材である。加工対象部材は、表１に示され、かつシリコン濃度をマンガン濃度で除した値が０．５１未満である組成の鋼で形成されている。

【0037】

焼入れ工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。焼入れ工程Ｓ２は、加熱保持工程と冷却工程とを有している。加熱保持工程は、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度に保持することにより行われる。冷却工程は加熱保持工程の後に行われる。冷却工程は、加工対象部材をＭ_Ｓ変態点以下の温度に冷却することにより行われる。加工対象部材を構成している鋼中の残留オーステナイト量は、冷却工程における冷却速度により調整される。

【0038】

加工対象部材は、表１に示され、かつシリコン濃度をマンガン濃度で除した値が０．５１未満である組成の鋼で構成されているため、加工対象部材の肉厚が大きくても、焼入れ工程Ｓ２において不完全焼入れを起こすことなく加工対象部材の焼入れができる。焼戻し工程Ｓ３は、焼入れ工程Ｓ２の後に行われる。焼戻し工程Ｓ３は、加工対象部材をＡ_１変態点未満の温度で保持した後に放冷することにより行われる。

【0039】

後処理工程Ｓ４は、焼戻し工程Ｓ３の後に行われる。後処理工程Ｓ４では、加工対象部材に対する研削及び研磨が行われる。これにより、加工対象部材が内輪１０、外輪２０及び玉３０となる。組み立て工程Ｓ５は、後処理工程Ｓ４の後に行われる。組み立て工程Ｓ５では、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に示される構造の玉軸受１００が形成される。

【0040】

（玉軸受１００の効果）
以下に、玉軸受１００の効果を説明する。

【0041】

玉軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼に対して、浸窒が行われていない。そのため、玉軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び玉３０を製造するために特殊な熱処理が行われないことになり、内輪１０、外輪２０及び玉３０を製造するための熱処理のコストを低減することができる。

【0042】

玉軸受１００では、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量が１３体積パーセント以上３５体積パーセント未満であるため、玉軸受１００の使用に伴う残留オーステナイトの分解に起因する寸法変化が抑制されている。

【0043】

なお、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量を接触面において大きくすることは、圧痕起点型の剥離に対する耐久性を高める上で有効である。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量は１３体積パーセント以上３５体積パーセント未満であるが、例えば潤滑油中の異物量が０．３５ｇ／Ｌ以下となる潤滑環境下では、接触面における耐久性（例えば、異物噛み込みによる圧痕起点型の剥離に対する耐久性）を確保することができる。

【0044】

例えばＥＶ用の減速機では、平行３軸の構造になっていることが多いため、軸方向における玉軸受１００の寸法に制限がある一方で径方向における玉軸受１００の寸法（内輪１０、外輪２０及び玉３０の肉厚）を大きくして玉軸受１００の負荷容量を高めることが求められる。玉軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び玉３０が表１に示されており、かつシリコン濃度をマンガン濃度で除した値が０．５１未満となる組成の鋼で形成されているため、鋼の焼入れ性が高く、内輪１０、外輪２０及び玉３０の肉厚が大きくても不完全焼入れを起こさないようにすることができる。

【0045】

玉３０は、表１に示される組成以外の鋼、例えばＪＩＳ規格に定められている高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２製であってもよい。玉３０に対しては、上記のような焼入れ・焼戻しではなく、窒素源を含まない雰囲気中での普通焼入れ・焼戻しが行われてもよい。玉３０の肉厚は通常サイズであってもよく、内輪１０及び外輪２０の肉厚のみを大きくしてもよい。玉３０は、セラミックス材料製であってもよい。

【0046】

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、上記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、上記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。

【符号の説明】

【0047】

Ａ 中心軸、１０ 内輪、１０ａ 第１幅面、１０ｂ 第２幅面、１０ｃ 内径面、１０ｄ 外径面、１０ｄａ 軌道面、２０ 外輪、２０ａ 第１幅面、２０ｂ 第２幅面、２０ｃ 内径面、２０ｃａ 軌道面、２０ｄ 外径面、３０ 玉、３０ａ 表面、４０ 保持器、１００ 玉軸受、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 焼入れ工程、Ｓ３ 焼戻し工程、Ｓ４ 後処理工程、Ｓ５ 組み立て工程。

【図1】

【図2】