JP2001032048A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐食性, 転がり疲労寿命, 耐摩耗性等に優れ且
つ高い心部靭性を有するのみならず、さらに優れた耐焼
付き性をも備えて、高温，高速で使用される航空機分野
をはじめ、食品機械や情報機器の分野等で優れた機能を
発揮し得る転がり軸受を提供する。 【解決手段】内輪，外輪及び転動体の少なくとも一つを
Ｃｒ；１０．０〜２０．０重量％を含有する鋼製とし、
これに窒化処理または浸炭窒化処理を行って表面層にお
ける窒素および炭素の総含有量を０．５≦Ｎ＋Ｃ≦１．
５％の範囲内とするとともに、表面層における窒素およ
び炭素の含有量の関係が４Ｃ％≦Ｎ％を満たし、且つ表
面層の析出物の量を面積率で５％以上１５％以下とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温環境下におい
て耐食性のみならず、特に耐焼付き性が要求される航空
機や食品機械等にも好適に使用できる転がり軸受に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、転がり軸受用の材料として、軸
受鋼ではＳＵＪ２、肌焼鋼ではＳＣＲ４２０相当の鋼材
が使用されているが、水混入，湿潤その他腐食環境下に
おいて使用された場合には早期に発錆して使用不能とな
る。そこで、そのような場合には従来より、耐食性に優
れると共に軸受に必要な硬度ＨＲＣ５８以上を有する高
Ｃｒ系ステンレス軸受鋼であるマルテンサイト系のＳＵ
Ｓ４４０Ｃ等が使用されている。

【０００３】一般の転がり軸受に比べて苛酷な環境で使
用されることが多いステンレス鋼製の転がり軸受は、水
混入，湿潤環境等の条件下での耐食性もさることなが
ら、潤滑不良等を考慮した耐摩耗性も極めて重要であ
る。鋼中に含有される炭素は、マルテンサイトを強化し
て高硬度を得るために不可欠な元素であるが、さらに炭
化物の形成によって高い耐摩耗性を与える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｓ
ＵＳ４４０Ｃに代表される従来のマルテンサイト系の高
Ｃｒステンレス鋼は、炭素濃度が高くなると、鋼中の
Ｃ，Ｃｒ含有量が多いことに起因して１０μｍを超える
粗大な共晶炭化物が多数形成される。その粗大炭化物
が、軸受の耐食性をはじめ転動寿命，靭性を低下させる
ばかりでなく、さらに鍛造性，切削性等の加工性をも劣
化させるという問題点がある。

【０００５】また、従来のマルテンサイト系ステンレス
鋼の場合、焼入したままでは多量の残留オーステナイト
が残るため、通常、焼入に引き続いてサブゼロ処理が行
われる。特に、航空機用軸受のように、比較的高温で使
用されたり寸法安定性が格別重要視されるようなもので
は、さらに４００℃〜６００℃の高温で焼戻されること
がある。しかし、従来のステンレス鋼に４００℃〜６０
０℃で焼戻しを行うと硬度がＨＲＣ５５〜ＨＲＣ５７あ
るいはそれ以下まで軟化して高温硬さが不足し、そのた
め疲労寿命及び耐摩耗性等が低下してしまうという問題
がある。

【０００６】また、従来の高炭素マルテンサイト系ステ
ンレス鋼は、高温で焼戻した場合にその焼戻過程におい
てＣｒが炭化物として２次析出したりして、著しく耐食
性が低下してしまうという問題点もある。こうした問題
点を解決するため、本願出願人は、炭素濃度を低下させ
てその代わりに炭素と同様の固溶強化作用がある窒素を
添加し、耐食性や耐摩耗性等に及ぼす窒素・炭素濃度及
びその他合金成分等の影響について研究を行った。その
結果、炭素濃度を低下させて代わりに窒素を添加すれ
ば、従来のステンレス鋼に比べて著しく耐食性が向上
し、４００℃以上の高温で焼戻してもその耐食性が維持
でき、さらに微細な窒化物の形成により高い耐摩耗性が
得られること等を見出して特開平９−２８７０５８号に
開示するに至った。

【０００７】ここで、航空機用の転がり軸受について述
べると、特に高温高速で使用される航空ジェットエンジ
ン, ガスタービン等に用いる軸受は、フープ応力に対す
る高い心部強度及び高温硬さが必要とされており、従来
はこれらの軸受にはセミハイス系のＡＩＳＩＭ５０Ｎｉ
Ｌ等の材料が用いられている。しかし、これらの材料は
耐食性が不足しているため、海に隣接した空港等では塩
害により早期に錆が発錆し易い。ところが、航空機用の
軸受では特に安全性が要求されるということもあって、
多少の錆でも発錆すると軸受寿命と判断される場合があ
る。したがって、航空機用軸受の場合には耐食性を考慮
してステンレス系の素材の適用が好ましいといえる。

【０００８】しかし先にも述べたように、従来のステン
レス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ等の材料では高温硬さが不
足しており、航空機エンジン関係の軸受には不適切であ
る。さらに、この種の高炭素マルテンサイト系ステンレ
スを高温で焼戻した場合には、基地中のＣｒが炭化物と
なって析出するため著しくその耐食性が損なわれてしま
う。

【０００９】そこで、前記特開平９−２８７０５８号で
は、こうした問題点をも解決するために、炭素と同様の
固溶作用がある窒素を添加して、耐食性, 転がり疲労寿
命,耐摩耗性に優れ, さらに高い心部靭性を有する浸窒
および浸炭型ステンレス鋼が提案された。すなわち、同
公報に開示された技術は、転がり軸受の内輪，外輪及び
転動体の少なくとも一つが、重量％でＣ；０．５％未
満、Ｃｒ；８．０％以上２０．０％以下、Ｍｎ；０．１
％以上１．５％以下、Ｓｉ；０．１％以上２．０％以
下、その他Ｆｅおよび不可避不純物元素を少なくとも含
有し、さらにＣ含有量とＣｒ含有量との関係が０．０４
Ｃｒ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１
を満足する合金鋼からなり、Ａc₁未満の温度で窒化また
は浸炭窒化処理を行った後、９００℃以上１２００℃以
下の温度に一旦加熱して焼入し、サブゼロ処理を経てそ
の後に焼戻されてなる表面層を備えたものであり、これ
によって従来のマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて
著しく耐食性を高め且つ粗大な共晶炭化物の形成を抑制
できて、耐食性に優れ、また高温焼戻しても軟化せずに
良好な転がり疲労寿命，耐磨耗性が維持でき、かつフー
プ応力に対する高い心部強度を有する高機能な転がり軸
受を得るものである。

【００１０】そして、特に航空機用軸受の如く高温環境
で使用されるものに対しては、十分な表面硬さを確保す
べく表面層における窒素と炭素との含有量の関係を
０．５％≦Ｃ＋Ｎ≦１．５％ に規制している。しかし
ながら、前記特開平９−２８７０５８号に開示の技術で
は、硬さ, 耐食性, 耐摩耗性, 疲労寿命そして衝撃性に
有効に働くことが明らかにされたが, 耐焼付き性に関し
ては何も考慮されていない。

【００１１】そこで、本発明は特開平９−２８７０５８
号に開示の技術をベースとし、耐食性, 転がり疲労寿
命, 耐摩耗性等に優れ且つ高い心部靭性を有するのみな
らず、さらに優れた耐焼付き性をも備えて、高温，高速
で使用される航空機分野をはじめ、食品機械や情報機器
の分野等で優れた機能を発揮し得る転がり軸受を提供す
ることを第１の目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る本発明は、内輪，外輪及び転動体
の少なくとも一つが、Ｃｒ；１０．０〜２０．０重量％
を含有する鋼材よりなり、窒化処理または浸炭窒化処理
を行うことにより表面層における窒素および炭素の含有
量の関係が０．５≦Ｎ＋Ｃ≦１．５％を満たす転がり軸
受であって、前記表面層における窒素および炭素の含有
量の関係が４Ｃ％≦Ｎ％を満たし、且つ前記表面層の析
出物の量を面積率で５％以上１５％以下としたことを特
徴とする。

【００１３】一般に, 窒化物, 炭化物などの析出物の含
有量が大きくなればなるほど耐焼付き性が良好になると
考えられるが、それに伴って基地中のＣｒ量が減少する
ため耐食性の面からは析出物含有量は少ない方が好まし
い。そこで本発明では、Ｃｒ量と表面層の析出物の量と
の両者のバランスを考慮して部材の成分を上記のように
規制することで、耐食性と耐焼付き性との両立を図って
いる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の転がり軸受の実
施の形態を説明する。本願発明者らは、特開平９−２８
７０５８号に開示された組成を有する鋼の耐焼付き性に
ついての研究を重ねた結果、当該鋼のＣｒ含有量及び炭
化物と窒化物の量を適正範囲に規定すれば、耐食性と耐
焼付き性との両方を満足させ得ることを見出した。

【００１５】本発明の転がり軸受用の合金鋼の成分量と
その臨界的意義は、次の通りである。 ［Ｃｒ；１０．０〜２０．０％］Ｃｒは鋼に耐食性を与
える最も必要な元素であり、８．０重量％に満たないと
良好な耐食性が得られない。また、Ｃｒ含有量が増加す
ると耐食性は向上するが、δフェライトが生成して脆化
しやすくなり、心部靭性を劣化させるので上限を２０．
０重量％とした。場合によっては、Ｍｓ点を下げて十分
な焼入れ硬さが得られなくなることがあるので、望まし
くは上限を１６重量％とし、耐食性の観点から下限を１
０．０重量％とする。

【００１６】 ［０．５重量％≦表面層のＣ＋Ｎ≦１．５重量％］本発
明では軸受の心部と表面層とで窒素濃度が異なってい
る。ここで、本発明において表面層とは、例えば直径Ｄ
ａの転動体の場合、研削加工後の完成品の最大せん断応
力位置である完成品表面から０．０２２Ｄａの深さ、即
ち直径の２．２％の深さまでをいうものとする（以後、
「２．２％Ｄａ深さ」という）。

【００１７】Ｃは、基地をマルテンサイト化することに
より強度を増加させる元素であり、靭性に有害なδフェ
ライトの生成を抑制する作用がある。しかし、耐食性の
面からは有害でありその含有量は少ないほど良い。含有
量が多すぎると、心部に多量の残留オーステナイトが生
成して寸法安定性が低下する場合がある。また、多量に
加えると製鋼時にＣｒが粗大な共晶炭化物を形成し、そ
の結果、基地中のＣｒ濃度が不足して十分な耐食性が得
られなくなるだけでなく、転動寿命，靭性を低下させ
る。そこで本発明の転がり軸受に用いる合金鋼は、Ｃの
一部を同様に固溶強化作用があるＮで置換することによ
って高機能化を図っている。

【００１８】Ｎは、耐食性向上に寄与するとともに、Ｃ
含有量が多い場合には粗大な一次共晶炭化物の形成を抑
制したり、逆にＣ含有量が少ない場合には、フェライト
の形成を抑制する作用があり、遷移温度を下げて心部靭
性の向上に寄与する。特に、窒素添加によって炭素含有
量を低減できるので耐食性が著しく改善できる。しかし
て、表面層における炭素＋窒素の総含有量（Ｃ＋Ｎ）％
が０．４５重量％に満たないと、本発明の対象とする軸
受として必要な表面硬度ＨＲＣ５８以上となる領域を
２．２％Ｄａ深さにわたって確保できない。一方、表面
層の（Ｃ＋Ｎ）％が１．５重量％を超えると、（Ｆｅ，
Ｃｒ）₇Ｃ₃や、（Ｆｅ，Ｃｒ）₂₃Ｃ ₆あるいはＣｒＮと
して存在するＣｒの量が増えて、基地のＣｒ含有量の低
下及び炭化物あるいは窒化物量が増大を招き、その結果
安定な不働態被膜が形成されなくなり耐食性が低下す
る。また浸窒温度が高い場合には、多量の残留オ−ステ
ナイトが形成されて、十分な焼入硬さが得られなくなる
ことがある。したがって、表面層の炭素＋窒素の量は
０．５重量％≦Ｃ＋Ｎ≦１．５重量％の範囲とする。

【００１９】 ［表面層のＣとＮとの量的関係：４Ｃ≦Ｎ重量％］本発
明の転がり軸受の部材は、成分を調整した合金鋼に対し
窒化処理または浸炭窒化処理を施し、焼入れした後に、
焼戻し処理が行われる。焼戻し温度については、特に航
空機用軸受のように、比較的高温で使用されたり寸法安
定性が格別重要視されるものでは、４００℃〜６００℃
の高温で焼戻されることがある。しかし、従来のステン
レス鋼に４００℃〜６００℃で高温焼戻しを行うと、硬
度がＨＲＣ５５〜ＨＲＣ５７あるいはそれ以下まで軟化
して高温硬さが不足し、そのため疲労寿命及び耐摩耗性
等が低下してしまう。

【００２０】４００〜６００℃で高温焼戻しを行った場
合、金属炭化物としてはＣｒ₂₃Ｃ₆が、また金属窒化物
としてはＣｒＮ，Ｃｒ₂ Ｎなどが２次析出する。しか
し、ＣとＮがＣｒと反応する原子数は異なっている。一
例を挙げると、Ｃｒ炭化物（Ｃｒ₂₃Ｃ₆ ）が基地中のＣ
ｒを奪う原子数は、炭素１原子に対してクロム４原子で
あるが、Ｃｒ窒化物（ＣｒＮ）は窒素１原子に対し、ク
ロム１原子である。そのため、窒化物のみのマルテンサ
イト系ステンレス鋼からなる軸受の基地から奪われるＣ
ｒの量は、炭化物のみのマルテンサイト系ステンレス鋼
よりなるものより減少する。換言すれば窒化物のみのマ
ルテンサイト系ステンレス鋼の方がマトリックス中に残
るＣｒ量が多くなって、その結果耐食性が向上するので
ある。

【００２１】これに鑑み、本発明の転がり軸受は、部材
表面における炭素成分と窒素成分との量的関係が４Ｃ≦
Ｎ重量％を満たすように規定する。なお、ここではＣｒ
₂₃Ｃ ₆ とＣｒＮとを比較したが、他に析出してくる炭化
物と窒化物との量的関係も、この関係式を満たすもので
ある。以上は、本発明における部材用合金鋼の主要含有
成分であるＣｒ，Ｃ，Ｎの関係を規定したものである
が、続いてその他の成分について述べる。もっとも、そ
の内容については特開平９−２８７０５８号に開示され
た内容と略同じでよい。

【００２２】すなわち、本発明における部材用合金鋼
は、更に心部靭性に悪影響を及ぼすδフェライトの生成
を抑制するため、次の組成（重量％）を有することが好
ましい。Ｍｎ；０．１〜１．５％、Ｓｉ；０．１〜２．
０％、Ｍｏ；０．４〜３．０％、Ｖ；０．４〜２．０
％、Ｎｉ；１．０〜３．５％、Ｃｏ；１．０〜１０．０
％、その他Ｆｅ及び不可避不純物元素を含有する。ここ
に、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃ，Ｎ及びＭｎの各元素は、オーステ
ナイト安定化元素であり、一方Ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｖの
各元素は、フェライト安定化元素である。

【００２３】軸受の素材のオーステナイト化を促進する
元素の一つであるＣは、素材のフェライト化を促進する
元素の一つであるＣｒの含有量によってδフェライトを
生成したり、共晶炭化物を形成したりする場合があるか
ら、素材のフェライト化を促進する元素の含有量（Ｃｒ
％）を示す次の関係式 〔ｅｑ１〕＝Ｃｒ％＋Ｓｉ％＋１．５Ｍｏ％＋３．５Ｖ
％ 及び素材のオーステナイト化を促進する元素の含有量
（Ｃ％）を示す関係式 〔ｅｑ２〕＝Ｃ％＋０．８３Ｎ％＋０．０５（Ｃｏ＋Ｎ
ｉ）％＋０．１２Ｍｎ％ の相互関係が、基本式 〔ｅｑ２〕≧０．０４×〔ｅｑ１〕−０．３９ ……（１） を満足するするものとする。

【００２４】これらの条件を満たす素材鋼を浸窒および
浸炭処理してなるステンレス鋼を拡散処理し、引き続き
焼き入れすることによって、靭性心部と硬くて耐摩耗性
の表層部とを有する本発明の転がり軸受用の部材が得ら
れる。その部材表層部は残留圧縮応力を受けている。上
述のＭｎその他の成分の臨界的意義は次の通りである。

【００２５】［Ｍｎ；０．１〜１．５％］Ｍｎは脱酸剤
として０．１重量％以上必要であるが、多量に添加する
と鍛造性，被削性を低下させるだけでなく、Ｓ，Ｐなど
の不純物と共存して耐食性を低下させるので上限を１．
５重量％とした。また、残留オーステナイト量が増加し
て十分な焼入れ硬さが得られなくなることがあるので、
望ましくは上限を０．８重量％とする。

【００２６】［Ｓｉ；０．１〜２．０％］Ｓｉも脱酸剤
として０．１重量％以上必要であり、さらに焼戻軟化抵
抗性を高めるが、多量に添加すると靭性を低下させるの
で上限を２．０重量％とした。 ［Ｍｏ；０．４０〜３．０％］Ｍｏは焼入性及び焼戻軟
化抵抗を著しく増大させる元素であり、さらに耐孔食性
を著しく改善する作用がある。また、窒化物を形成して
強度を高める作用がある。特に、高温，高速で使用され
る例えば航空機用軸受の場合、０．４０重量％以上好ま
しくは０．４５％以上添加される。しかし、過剰に添加
すると靭性，加工性等を低下させるので、上限を３．０
重量％とした。

【００２７】［Ｖ；０．４０〜２．０％］Ｖは強力な窒
化物生成元素であり、これらの窒化物は溶け難く、さら
に焼戻過程で２次硬化を起こし、Ｃｒ窒化物の析出を抑
制すると共に強度を高める作用がある。そのため、特に
高温，高速で使用される例えば航空機用軸受の場合、
０．４０重量％以上好ましくは０．４５重量％以上添加
される。しかし、多量に添加すると靭性，加工性を低下
させるので２．０重量％以下とした。

【００２８】［Ｎｉ；１．０〜３．５％］Ｎｉは強力な
オーステナイト安定化元素であり、δフェライトの生成
を抑え、さらに基地に固溶して靭性を向上させ高温特性
を高める作用がある。そのため、例えば航空機用軸受の
ように特に高温，高速で使用される軸受の場合、０．１
重量％以上添加する。しかし、必要以上に添加すると多
量の残留オーステナイトが生成して十分な焼入硬さが得
られなくなることがあるので、上限を３．５重量％以下
とする。

【００２９】［Ｃｏ；１．０〜１０．０％］ＣｏもＮｉ
と同様にオーステナイト安定化元素であり、δフェライ
トの生成を抑え、さらに基地中に固溶して炭化物の凝集
を抑制し、高温硬さを向上させる作用がある。そのた
め、例えば航空機用軸受のように特に高温，高速で使用
される軸受の場合、１．０重量％以上添加する。しか
し、多量に添加すると加工性が低下するし、さらにコス
トが高くなることをも考慮して上限を１０．０重量％以
下とする。

【００３０】［Ｍｏ＋Ｖ；０．８〜４．０％、Ｃｏ＋Ｎ
ｉ；２．０〜１２．０％未満、］Ｍｏ，Ｖは、固溶強化
作用に加えてＣ，Ｎ等の元素と化合物を形成して析出強
化作用に寄与するため、両者の総含有量で０．８重量％
以上、好ましくは１．０重量％以上添加する。しかし、
その総含有量が多すぎるとδフェライトが生成し易くな
り、さらに加工性も低下するので上限を４．０重量％以
下とする。

【００３１】Ｃｏ，Ｎｉは靭性に有害なδフェライトの
生成を抑制し、さらに基地を固溶強化して、特に高温下
での疲労寿命特性に好適な影響を及ぼすため、両者の総
含有量で２．０重量％以上、好ましくは２．５重量％以
上添加する。しかし、総含有量で１２．０重量％以上添
加しても効果は小さく、加工性も低下することから、コ
ストを考慮して上限を１２．０重量％未満とする。

【００３２】特に高温下における軸受の疲労寿命を向上
させるためには、窒化物，炭化物による析出強化に加え
て、基地の固溶強化が不可欠である。Ｍｏ＋Ｖ；０．８
重量％以上、Ｃｏ＋Ｎｉ；２．０％以上を含有した場合
に限り、極めて良好な高温疲労寿命特性が得られる。Ｍ
ｏ＋ＶまたはＣｏ＋Ｎｉのどちらか一方がそれに満たな
い場合には、析出強化作用または固溶強化作用が不足し
て、例えば航空機向け軸受に求められるような特に高
温，高速の使用に耐える良好な高温疲労寿命特性を得る
ことができない。

【００３３】（実施例）次に、本発明の耐焼付き性を付
与した転がり軸受の第１の実施例について説明する。先
ず、本発明の転がり軸受の実施例に用いた鋼Ａ〜Ｆ及び
比較例の鋼Ｇ〜Ｌの合金成分を表１に示す（単位：重量
％）。

【００３４】

【表１】

【００３５】また、実施例の熱処理条件を以下に示す。 実施例の熱処理条件： 前処理（フッ化処理）；（処理温度；３００〜４００
℃） 窒化または軟窒化処理；（処理温度；４００〜６００
℃，〔ＮＨ₃ ，Ｎ₂ 〕ガス雰囲気中） 高温保持（拡散）；（１１００〜１２００℃×８〜１６
時間，Ｎ₂ 雰囲気中） 焼入れ；（１０００〜１０７０℃保持後油冷） サブゼロ処理；（液体窒素） 焼戻し；（４００〜５００℃×２ｈｒ） ここでは、熱処理の前処理としてふっ化処理を行った。
処理雰囲気はＮＦ₃ ，Ｎ₂ 等の混合ガスである。この処
理が行われると、処理材表面の異物等はフッ素原子によ
って破壊され除去されて表面が浄化される。と同時に、
鋼表面の酸化皮膜のような不働態皮膜が金属フッ化膜に
置き換えられる。この際、表面に形成される金属フッ化
膜は、不働態膜であるので表面への酸素吸着や酸化作用
を防止し、次の窒化処理まで酸化物の生成を阻止する。
その結果、確実に酸化物を除去することができる。

【００３６】また、比較例の熱処理条件を示す。 比較例の熱処理条件： Ｇ 前処理（フッ化処理）；（処理温度３５０℃） 浸炭処理；（処理温度６５０℃） 高温保持（拡散）；（温度１１５０℃，時間８ｈ） 焼入れ；（温度８４０℃） サブゼロ処理；（液体窒素） 焼戻し；（温度４８０℃） Ｈ，Ｉ，Ｌ，Ｊ 高温窒化および軟窒化（高純度窒素ガス雰囲気中） 高温保持；（処理温度１１００〜１２００℃，時間８〜
１６ｈ） 焼入れ；（温度１０００〜１１００℃） サブゼロ処理；（液体窒素）； 焼戻し；（温度４００〜５００℃） Ｋ 前処理（フッ化処理）；（処理温度３５０℃） 軟窒化処理；（処理温度４１０℃） 高温保持（拡散）；（温度１１５０℃, 時間１６ｈ） 焼入れ；（温度１０２０℃） サブゼロ処理；（液体窒素） 焼戻し；（温度４８０℃） なお、上記Ｇ〜Ｌの記号の熱処理は、表１の材料を用い
て下記表２の同一の記号の比較例を得るための熱処理法
を示す。

【００３７】試験概要 上記のように処理した供試片の表面層炭素量及び表面層
窒素量、Ｃ，Ｎの量的相互関係４Ｃ≦Ｎ重量％（ここで
は、Ｎ−４Ｃ重量％で示す）、表面層のＣ，Ｎ総含有量
（以上は全て重量％）、硬さ、析出窒化物の面積率を測
定した。その値を、表２に示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】各供試片について、焼付き限界速度を測定
し耐焼付き性を評価した。また、孔食電位測定により耐
食性評価を行った。それぞれの試験結果を表２に併記し
て示す。なお、孔食電位測定は、ＪＩＳ規格に準じて行
った。すなわち、先ず８００番まで研磨した供試片を６
０℃の３０％ＨＮＯ₃溶液中に１時間浸漬して不働態化
処理した後、３０℃，３．５％ＮａＣｌ溶液中で２０ｍ
Ｖ／分で掃引し、１００μＡ／ｃｍ² に達したときのｍ
Ｖ vs ＳＣＥで評価した。

【００４０】一方、焼付き性試験は、サバン式摩耗試験
機を用いて次の試験条件で行った。 ( 試験条件) 初期面圧Ｐｍａｘ；１０ｋｇｆ 摩擦速度 ；０．４〜３．５ｍ／ｓ 摩擦距離 ；１０００ｍ 摩耗試験では、摩擦速度を０．４〜３．５ｍ／ｓの範囲
内で変えて試験を行った。時間の経過とともに試料は徐
々に摩耗されるが、ある時間で摩耗面の表面の凹凸が激
しくなり摩耗形態が変化する。この限界を付着限界とし
て焼付き限界と定義する。つまり、付着が起こる限界の
速度が焼き付き限界ということになる。

【００４１】表２に示す測定結果から、析出物面積率に
対する孔食電位および焼付き限界の関係を図１に示し
た。実施例（Ａ〜Ｆ）の合金鋼は、いずれも良好な耐食
性を示している。但し、実施例ＦとＤには大きな耐食性
低下が認められた。これはＣｒ炭化物あるいはＣｒ窒化
物の析出による基地中のＣｒ量の減少であると考えられ
る。このことから表面に形成された析出物量が増大する
と耐食性が低下するおそれがあり、その表面析出物量の
面積率は１５％以下が好ましいことがわかる。

【００４２】これに対し、比較例Ｇ，ＨはいずれもＣ，
Ｎの量的相互関係４Ｃ≦Ｎ重量％が満たされておらず、
孔食電位は負の値となり耐食性が極めて低い。比較例
Ｉ，Ｊ，Ｌは、窒化物の面積率が下限値５％を下回り、
焼付き限界速度が１ｍ／ｓに達しておらず耐焼付き性が
低い。比較例Ｋは前記比較例Ｇ，Ｈと共に窒化物の面積
率が上限値１５％を超え、孔食電位が低くなり耐食性が
著しく低下している。

【００４３】以上説明したように、本発明は、転がり軸
受の部材の表面層のＣとＮとの量的関係を規定すると共
に表面析出物の量を一定の範囲内とすることで、耐食性
と耐焼付き性とを同時に向上させるものであり、特に高
温，高速で使用される航空機用軸受として好適である。
次に、本発明の技術をＨＤＤのスイングアーム用軸受に
利用した第２の実施例について以下に説明する。

【００４４】高速で用いられる転がり軸受は、航空機用
軸受に限られず、例えば磁気ディスク装置（ＨＤＤ）の
スイングアーム用軸受が高速で微小揺動する部位に使用
されている。特に最近は、磁気ディスク装置の高密度化
に伴い、ディスクに信号を記録するトラックの幅はます
ます狭くなってきており、スイングアームには目標トラ
ックへのアクセスの高速化と位置決め性能の高精度化の
要求が高まっている。このため、スイングアームを支持
する玉軸受には、制御の高速化と高精度化とを満たすべ
く、低トルク化と共に、トルクスパイク( 急激なトルク
変動) のようなトルク変動がないことが求められてい
る。

【００４５】また、信号を記録再生するヘッドはディス
ク面にますます接近してきており、磁気ディスク装置の
信頼性にとってはコンタミネーションの管理がますます
重要になっている。このため, ヘッドを搭載したスイン
グアームを支持する玉軸受には、従来にも増して潤滑剤
の飛散や蒸発の少ないことが求められている。従来のス
イングアーム用軸受装置では、グリースが密封された玉
軸受２個に予圧をかけて使用されている。グリース封入
量は、通常、軸受内部の空間容積の１０〜１５％であ
る。なお、玉の材質には、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ
２）または高耐食性ステンレス鋼（ＥＳ１）が用いられ
ている。

【００４６】しかしながら、このようにグリース量が多
いと、グリースの蒸発や飛散によるアウトガスも多くな
って磁気ディスク面のコンタミネーション管理が困難に
なるという問題や、トルク変動やトルク増大という問題
が生じている。そこで、高速用途に好適な本発明の技術
をＨＤＤのスイングアーム用軸受に利用して、このよう
な従来のスイングアーム用軸受の問題点を解決できた第
２の実施例を以下に説明する。

【００４７】すなわち、第２の実施例は、内輪，外輪及
び転動体の少なくとも一つをＣｒを含有する鋼材により
形成し、その表面に窒化処理を施して耐焼付き性を高め
たことにより、軸受内部空間容積への潤滑剤の封入量を
従来より大幅に低減せしめたことを内容とするスイング
アーム用転がり軸受である。この第２の実施例の転がり
軸受の転動体は、Ｃｒ；１０．０〜２０．０重量％を含
有する鋼材製で、これを窒化処理または浸炭窒化処理し
て表面層における窒素および炭素の含有量の関係が０．
５≦Ｎ＋Ｃ≦１．５％を満たすと共に４Ｃ％≦Ｎ％を満
たし、且つ表面層の析出物の量を面積率で５％以上１５
％以下としたものである。

【００４８】かくて、転動体表面（及び／又は軌道輪の
軌道面でもよい）に窒化処理を施しておくことにより、
潤滑剤の封入量が極めて微量で殆ど無潤滑（ドライ）状
態に近い場合であっても、早期に生じやすいフレッチン
グ摩耗が抑制される。そのため、潤滑剤の封入量を軸受
内部空間容積の１〜５％と、従来に比べて極端に低減す
ることが可能になった。

【００４９】潤滑剤としては、にじみ出しの少ないウレ
ア系グリース, フッ素系グリース,エステル系オイルあ
るいはフッ素系油オイルなどを使用する。アウトガスを
低く押さえるためには、親和性の高いフッ素系グリース
あるいはフッ素系オイルなどを用いるのがより好まし
い。また、グリースあるいはオイルなどの潤滑剤はあら
かじめ玉と内輪の軌道面，玉と外輪の軌道面および玉と
保持器ポケットの摺動面の少なくとも１か所に注入によ
って封入すれば良く、初期の回転あるいは揺動によって
潤滑剤が全面に転写される。オイルの場合の封入方法と
しては、ディッピング（どぶ漬け) によってうすく塗布
するいわゆるオイルプレーテイング法でも良いし、コー
ティングあるいは薄膜といったような潤滑塗布方法であ
っても良い。

【００５０】この第２の実施例の転がり軸受を、スイン
グアーム装置の軸およびハウジングへ固定して装着する
のに接着剤を用いることができるが、より有利には内輪
を加振しながら圧入すると共に外輪側で共振周波数を測
定しながら予圧制御を行ういわゆる共振圧入方法を用い
得る。この圧入方法は、接着剤を用いないからそのアウ
トガスによる磁気ディスク面汚染のおそれが無く、また
共振（剛性) を一定にすることができる利点がある。

【００５１】また、潤滑剤のアウトガス及びにじみ出し
を少なくするため、玉軸受の両側はシールドされてい
る。本第２の実施例にあっては、潤滑剤の封入量が極め
て微量でありアウトガスに対する影響がないことから、
内側シールをなくした片シールであっても良い。なお、
本第２の実施例は、スイングアーム用だけでなく、ＨＤ
Ｄのスピンドル用玉軸受あるいはころ軸受に応用しても
よい。

【００５２】窒化ボールを使った玉軸受の揺動耐久試験
について説明する。図２に、軸受外輪揺動耐久試験装置
を示す。ＡＣサーボモータ４４によってハウジング４５
を介して試験用の２個の玉軸受の外輪４６を揺動駆動
し、数百万回から数億回の揺動試験前後のアキシアル方
向の加速度振動値（Ｇ値）を測定して耐フレッチング性
能を評価する。ハウジング４５は、予圧バネ４６及びサ
ポート軸受４７により装置に支持されている。

【００５３】試験後のフレッチング摩耗が大きい程、試
験後のＧ値は大きくなる。揺動形態としては、一定エリ
アシークとランダムシークの２種類がある。揺動角度が
小さい一定エリアシークの揺動形態の場合は、供試玉軸
受の玉の位置が動かないことから、フレッチング耐久試
験としては過酷な条件となる。また、揺動試験は油膜が
形成されにくい運転試験であるため、フレッチング耐久
評価方法としては好ましい方法である。 （揺動耐久試験条件） （１) 試験軸受: スイングアーム用玉軸受( ＳＲ１６８
Ｂ) （２) 揺動回数: ６０万回 （３) 揺動角度: ±３° （４）揺動周波数：５回／ｓｅｃ （５）雰囲気温度：室温 （供試軸受） 実施例 玉 ；第１の実施例における実施例Ａを使用した窒化
ボール。

【００５４】外内輪；素材にＳＵＪ２を用いて形成した
焼入れ焼戻し品。 潤滑剤；フッ素系グリース、４０℃の動粘度４０ｍ² ／
ｓｅｃ 封入量は軸受内部空間容積の１〜５％の範囲。 比較例（従来例） 玉 ；素材にＳＵＪ２を用いて形成した焼入れ焼戻し
品。

【００５５】外内輪；素材にＳＵＪ２を用いて形成した
焼入れ焼戻し品。 潤滑剤；実施例と同じグリース。封入量は軸受内部空間
容積の１０〜１５％の範囲。 揺動耐久試験の結果を図３に示す。横軸はグリース封入
量（空間体積比率）、縦軸は耐久試験前後のＧ値の比率
（試験後の値／初期値）である。

【００５６】この結果から、窒化表面層ボールとした実
施例の場合は、グリース量が微量（１〜５％）であり、
また油膜が形成されにくい条件下においても、Ｇ値の増
加が少ない。すなわちフレッチング摩耗の損傷が少な
く、ＨＤＤのスイングアーム用軸受に要求されるフレッ
チング耐久性が従来品に比較して優れていることが明ら
かである。

【００５７】すなわち、軌道輪または転動体の少なくと
も一方に窒化処理を施し、潤滑剤の封入量を軸受内部空
間容積の１〜５％とした第２の実施例によれば、グリー
ス封入量が多い従来のスイングアーム用軸受に比べて潤
滑剤の蒸発や飛散を少なくできるとともに、低トルクで
且つトルク変動も小さくでき、しかも耐フレッチング性
に優れたスイングアーム用軸受が提供できる。

【００５８】次に、本発明の技術をＨＤＤのスピンドル
モータ用軸受に利用した第３の実施例について説明す
る。図４は、３．５インチＨＤＤ用に使われる一般的な
スピンドルモータの断面図で、モータベース１にシャフ
ト２が固定して立設されている。そのシャフト２に、上
下２個の玉軸受３，３を介してハブ４が回転自在に支持
されている。上下の各玉軸受３，３は、内輪３ｎの内径
面がシャフト２の外径部に、外輪３ｇの外径面がハブ４
の内径部にそれぞれスキマバメで挿入され、接着剤（通
常はＵＶ硬化型）により固着する。一方、シャフト２の
上端外径面にはカバープレート５が圧入接着される。カ
バープレート５の外径部とハブ４の内径部との間にはラ
ビリンスすき間が介在しており、カバープレート５を圧
入することにより、上下の両玉軸受３，３に所定の大き
さの初期予圧が付与される。

【００５９】外径部にディスク取付け面６を有するハブ
４の外周内面にはロータ磁石７が取付けられ、モータベ
ース１上に周面対向に固定したステータ８と共にモータ
Ｍを構成している。このステータ８に通電することで、
ロータ磁石７ひいてはハブ４が回転駆動される。本第３
の実施例は、上記玉軸受３，３に対して本発明を適用す
ることにより、耐食性に優れまた良好な転がり疲労寿
命，耐磨耗性を有するのみならず、転動体としてセラミ
ックスボールを使用したスピンドルモータ用転がり軸受
に比べて予圧抜けが小さく、シャフトの振動振動，回転
精度がより良好なＨＤＤのスピンドルモータ用転がり軸
受を提供せんとするものである。

【００６０】すなわち、本第３の実施例の転がり軸受に
あっては、その構成部材の一つである転動体３ｔを、Ｃ
ｒ；１０．０〜２０．０重量％を含有する鋼材を用いて
形成すると共に、窒化処理または浸炭窒化処理を行うこ
とにより、表面層における窒素および炭素の含有量の関
係が、０．５≦Ｎ＋Ｃ≦１．５％及び４Ｃ％≦Ｎ％を満
たし、且つ表面層の析出物の量を面積率で５％以上１５
％以下に規制している。

【００６１】本発明を転動体に適用した窒化ボール３ｔ
を使った実施例の玉軸受と、セラミックスボールを使用
した従来例の玉軸受との比較試験により、具体的に説明
する。 （供試軸受） サイズ ；内径３ｍｍ×外径１３ｍｍ×厚さ３ｍｍ，玉
径２ｍｍ 材 質 実施例 玉 ；第１の実施例における実施例Ａを使用した窒化
ボール。

【００６２】（線膨張係数α； 9.8×10^-6） 外内輪；素材にＳＵＪ２を用いて形成した焼入れ焼戻し
品。（線膨張係数α； 7.83 ×10^-6） 比較例（従来例） 玉 ａ；素材に窒化ケイ素Ｓｉ₃ Ｎ₄ を使用したセラミ
ックボール。

【００６３】（線膨張係数α； 2.8×10^-6） 玉 ｂ；素材にＳＵＪ２を使用した鋼球。（線膨張係数
α； 7.83 ×10^-6） 外内輪；実施例と同じ （装置材質） シャフト；ＳＵＳ４４０Ｃ（線膨張係数α；10.1×1
0^-6） ハブ ；Ａｌ （線膨張係数α；23.7×1
0^-6） なお、軸受間スパンは５〜７ｍｍ程度 初期予圧を温度２０℃で１．４ｋｇｆに設定して試験を
行い、温度予圧特性を求めた。

【００６４】その結果を求めたものを、図５に示す。図
５中のＳＵＪ２の実線は、素材にＳＵＪ２を使用した鋼
球（玉ｂ）の場合の温度予圧特性を表したものである。
実施例である窒化ボールの場合、その線膨張係数αの値
はＳＵＪ２製の鋼球を用いた場合と酷似しており、ほぼ
同じ温度依存性があり好ましい。また、ハブが線膨張係
数αの大きいＡｌ製のため、いずれも２０℃以降は温度
上昇に伴い予圧荷重が右下がりに減少しているが、窒化
ボール及びＳＵＪ２製の鋼球では変化量が少なく緩やか
であり、予圧抜けが小さくて好ましい材質の組合せとい
える。この予圧抜けについては、全ＳＵＪ２製転がり軸
受は良好であるが、耐焼付き性は窒化ボールに比べて劣
る。

【００６５】一方、セラミックボールを使用した方は、
温度変化による予圧荷重の変化は急激で予圧抜けが大き
く、６０℃以上では予圧ゼロになっている。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
耐食性, 転がり疲労寿命, 耐摩耗性等に優れ且つ高い心
部靭性を有するのみならず、さらに優れた耐焼付き性を
も備えて優れた機能を発揮し得る転がり軸受が得られる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】軸受部材表面の析出物の量（面積率）と耐焼付
き性との関係を表した図である。

【図２】軸受外輪揺動耐久試験装置の概要図である。

【図３】軸受外輪揺動耐久試験の結果を表した図であ
る。

【図４】ＨＤＤ用スピンドルモータの断面図である。

【図５】転動体の材質が異なる転がり軸受の温度予圧特
性を表した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村木 宏光 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号 日本精工株式会社内 (72)発明者 大澤 碩之 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号 日本精工株式会社内 Ｆターム(参考） 3J101 BA10 BA70 DA02 EA02 EA06 FA08 FA31 FA33 GA53 GA60 4K028 AA02 AA03 AB01 AB06

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内輪，外輪及び転動体の少なくとも一つ
   が、Ｃｒ；１０．０〜２０．０重量％を含有する鋼材よ
   りなり、窒化処理または浸炭窒化処理を行うことにより
   表面層における窒素および炭素の含有量の関係が０．５
   ≦Ｎ＋Ｃ≦１．５％を満たす転がり軸受であって、 前記表面層における窒素および炭素の含有量の関係が４
   Ｃ％≦Ｎ％を満たし、且つ前記表面層の析出物の量を面
   積率で５％以上１５％以下としたことを特徴とする転が
   り軸受。