JP2001099163A

JP2001099163A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2001099163A
Application number: JP27985499A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shinoda; 治篠田; Kenji Yamamura; 賢二山村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】表面硬化のような特殊な処理を採用することな
く鋼の耐圧痕性を向上させることにより、軌道面に有害
な永久変形が生じにくく、したがって音響特性に優れた
転がり軸受を安価にを提供する。【解決手段】転がり軸受において、焼入れ後サブゼロ処
理及び高温焼戻処理を経た内輪１，外輪２の、少なくと
も軌道面５，６の表面硬度がＨＲＣ６２以上で、かつ残
留オーステナイト量が実質的に０容量％である。これを
得るために、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を使用した場
合、その成形品を焼入温度１１５３〜１１９３Ｋで焼入
れ処理した後、８３〜２０３Ｋのサブゼロ処理及び４８
３〜５７３Ｋの焼戻し処理を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に係
り、特に、ハードディスクドライブ( ＨＤＤ) 装置やビ
デオテープレコーダー（ＶＴＲ），ディジタルオーディ
オテープレコーダー（ＤＡＴ）等に組込まれて、高速で
回転するスピンドルを支承する転がり軸受のように、音
響特性が問題となる転がり軸受全般に好適に利用し得る
転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばＨＤＤのスピンドル支承用軸受の
ように、低トルクを要求される転がり軸受の場合、要求
される音響ならびに騒音性能が厳しい。従来、この種の
軸受の軌道輪（外輪，内輪の他に、内輪に代えて軸の外
周面を軌道面とする場合もあり、その場合には軸も軌道
輪に含まれる）を構成する部材は、材料として高炭素ク
ロム軸受鋼２種であるＳＵＪ２（ＪＩＳＧ４８０
５）を用い、１０９３〜１１３３Ｋ( ８２０〜８６０
℃) から油焼入れした後、４３３〜４７３Ｋ( １６０〜
２００℃) で焼戻しする、いわゆる標準熱処理を施して
製造されている。これらの熱処理の結果得られる軌道輪
の硬度( ロックウェル硬度) は、ＨＲＣ６２〜６４、残
留オーステナイト量( γ_R）は８〜１４容量％である。

【０００３】また、この様な軸受を構成する軌道輪の軌
道面の永久変形( 塑性変形) については、基本静定格荷
重Ｃ₀で定義されており、これによれば軌道面と転動体
との最大接触面圧が約４０００ＭＰａを越えると、軌道
面に有害な永久変形が生じるとされている。一方、これ
らの軸受の寸法精度域については、回転精度がＪＩＳの
５級以上とされており、この様な高精度の軸受では上記
基本静定格荷重Ｃ₀により規定された荷重よりも遥かに
小さな荷重によって、軌道面に極めて小さな永久変形を
生じ、この永久変形によって音響劣化( 騒音上昇) が生
じるという現象がある。

【０００４】これらの問題に対し、従来から種々の対応
策が提案されている。例えば、特開平７−１０３２４１
号公報（従来技術１）では、焼戻し温度を上げて転がり
軸受構成部材中の残留オーステナイト量を低減させるこ
とによって耐圧痕性を向上させる試みがなされている。
また、特開平６−１９５０６９号公報（従来技術２）で
は、転がり軸受構成部材の硬さを上昇させることは、一
般的には靭性を低下させることにつながるため、軸受と
して必要な靭性を確保する手段として、残留オーステナ
イトをある程度残すことが考えられ、ショットピーニン
グを用いて、軸受鋼表面のみを硬化させ、内部に残した
残留オーステナイトによって軸受に必要な靭性を確保す
る試みがなされている。

【０００５】また、特開平８−３１２６５１号公報（従
来技術３）では、浸炭窒化処理の手法を用いて軸受鋼表
面のみを硬化させ、内部の残留オーステナイトによって
必要な靭性を確保する試みがなされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術１の
場合は、残留オーステナイト量を低減させるために焼戻
しの温度を上げると、硬さが低下してしまうという未解
決の課題がある。一方、従来技術２や従来技術３の場合
のような表面硬化法を採用することは、１０９３〜１１
３３Ｋで油焼入れし、その後４３３〜４７３Ｋで焼戻し
するという標準熱処理に比べて製造コストの上昇を招く
という問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、このような従来技術の
未解決の課題に着目してなされたものであり、表面硬化
のような特殊な処理を採用することなく鋼の耐圧痕性を
向上させることにより、軌道面に有害な永久変形が生じ
にくく、したがって音響特性に優れた転がり軸受を安価
に提供することを目的とする。

【０００８】

【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、本発明に係る転がり軸受は、鋼よりなり、外周に
内輪軌道面を有する部材と、これに対向して内周に外輪
軌道面を有する部材と、これら両軌道面の間に転動自在
に設けられた転動体とを備えた転がり軸受において、焼
入れ後サブゼロ処理及び高温焼戻処理を経た前記両部材
の少なくとも軌道面の表面硬度がＨＲＣ６２以上で、か
つ残留オーステナイト量が実質的に０容量％であること
を特徴とする。

【０００９】ここに、本発明の転がり軸受に係る軸受部
材の製造方法は、特に高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を使
用して成形した場合、その成形品を焼入温度１１５３〜
１１９３Ｋ（８８０〜９２０℃）で焼入れ処理した後、
８３〜２０３Ｋ（−１９０〜−７０℃) のサブゼロ処理
及び４８３〜５７３Ｋ（２１０〜３００℃）の焼戻し処
理を行なうことを特徴とする。

【００１０】焼入れ温度が１１５３Ｋ（８８０℃）未満
では、後述のように基地中の固溶炭素濃度が０．７５質
量％を下回り、製品に十分な硬さが得られない。一方、
１１９３Ｋ（９２０℃）を超えると、高温保持中に炭化
物が分解し、全ての炭素が固溶してしまう結果、鋼の極
端な脆化を招く。サブゼロ温度が８３Ｋ（−１９０℃）
未満では、その温度に保持するために高価な冷却剤を用
いなければならず、コストの上昇を招く。サブゼロ温度
が２０３Ｋ（−７０℃）より高いと、焼入れ時に生成し
た残留オーステナイトが大量にマルテンサイト変態する
にまでに至らないから所要の表面硬さが得られず、結局
軌道面に有害な永久変形が生じて、音響特性が劣化す
る。

【００１１】サブゼロ処理後に行う焼戻し処理の温度
が、４８３Ｋ（２１０℃）未満では、温度不足のため残
留オーステナイト量が０容量％にならず、軌道面に有害
な永久変形が生じやすくなる。一方、５７３Ｋ（３００
℃）を超えた場合は、残留オーステナイトは分解するが
マルテンサイトの回復が進行し、基地の極端な軟化を招
く。

【００１２】なお、他鋼種においても、上記の条件を満
たす熱処理を選定することによって良好な耐衝撃性を得
ることができる。本発明では、サブゼロ処理と比較的高
温の焼戻し処理とを併用して残留オーステナイト量が実
質的に０容量％を実現する。焼戻し処理のみで残留オー
ステナイト量０容量％とすることもできるが、その場合
は得られる鋼組織が異なり製品の硬度上昇は期待できな
い。

【００１３】本発明の転がり軸受にあっては、軌道面と
転動体との最大接触面圧が約４０００ＭＰａを越える荷
重や衝撃荷重によっても、軌道面に有害な永久変形が生
じにくい。すなわち、マルテンサイトに比べて降伏応力
が低いオーステナイトの残留量が比較的多い従来の転が
り軸受の場合には、小さな荷重によって有害な永久変形
を生じるのに対して、残留オーステナイトを０容量％に
抑え、かつ硬度をＨＲＣ６２以上に上昇させた本発明の
場合は、軌道面の耐圧痕性が向上し（降伏応力が高くな
り）、小さな荷重では有害な永久変形が生じにくいので
ある。

【００１４】また、本発明の転がり軸受にあっては、サ
ブゼロ処理及び高温焼戻しによって残留オーステナイト
量を低減させることで、マルテンサイト化を促進して硬
さを上げ、軌道面の耐圧痕性を向上させる効果の他に、
軌道面の表面精度が経時的に劣化することを防止するこ
ともできる。即ち、軌道面部分に残留オーステナイトが
存在すると、軸受の使用に伴ってこの軌道面に繰り返し
加わる転がり応力によりこの残留オーステナイトが分解
し、その分解に伴って軌道面の表面精度が劣化する。し
かるに、本発明の転がり軸受は、軌道輪の部分に残留オ
ーステナイトが存在しないためそのような軌道面の精度
劣化は生じない。したがって音響特性の劣化を防止する
ことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態とし
て、深溝玉軸受の一部を切欠いて示した斜視図である。
周知のとおり、内輪１，外輪２からなる軌道輪の間に、
複数個の転動体（玉またはころ）３が保持器４で互いに
接触しないように配置されて、円滑な転がり運動を行う
構造である。内輪１は外周に軌道溝（軌道面）５を有す
る部材、外輪２は内周に軌道溝（軌道面）６を有する部
材で、いずれも高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２製で
ある。両軌道面５，６は互いに対向しており、その間に
同じくＳＵＪ２製の玉３が転動自在に配設されている。

【００１６】本願発明者らは、高炭素クロム軸受鋼を使
用することを前提に、軌道輪１，２の少なくとも軌道面
５及び／又は軌道面６の硬さをＨＲＣ≧６２とし、且つ
残留オーステナイトγ_R量＝０容量％として、しかも圧
砕荷重を低下させることなく、耐衝撃性に優れた転がり
軸受を提供する手段として熱処理、まず第一に焼入れ時
の温度に着目した。

【００１７】本発明の転がり軸受の軌道輪を形成する鋼
に施す焼入の温度は、サブゼロ、焼戻し終了時の硬さが
最大となる付近の温度とする。具体的には、基地中に
０．７５ｍａｓｓ％以上の炭素が固溶する８８０℃以上
とする。但し、焼入温度を高くしすぎた場合、高温保持
中に炭化物が分解し、炭素が全て固溶してしまい、炭化
物によるピン止め効果（高温保持中の結晶粒界の移動を
析出物が妨げることによって結晶粒の成長が抑制される
効果) が作用しないため、オーステナイト粒径が粗大化
し、それに伴ってマルテンサイト組織も粗大となり、鋼
の極端な脆化を招く。従って、焼入温度保持中に炭化物
が完全に分解はしない温度をもって、鋼の焼入温度の上
限とする。具体的には、９２０℃が焼入温度の上限であ
る。

【００１８】熱処理によって残留オーステナイトを消失
させる方法には二通りの方法( サブゼロ処理と焼戻し処
理) がある。焼戻し処理のみで残留オーステナイトを０
容量％とした場合と、「サブゼロ処理＋焼戻し処理」の
組合せで残留オーステナイトを０容量％とした場合とで
は、得られる組織は異なる。当然、熱処理後の硬度は大
きく変わることになる。そこで、本発明は、硬さ上昇に
及ぼす焼入後の熱処理の影響を把握し利用することで、
耐衝撃性をさらに向上させたものである。

【００１９】以下に、上記硬さ上昇に及ぼす焼入後の熱
処理の影響を把握するべく行った実験例について説明す
る。まず、内径５ｍｍ，外径１３ｍｍ，幅４ｍｍで、玉
の直径が２ｍｍの玉軸受を、以下のようにして作製し
た。内輪及び外輪については、鋼種ＳＵＪ２を用いて所
定形状の成形体を形成した後、各成形体に下記の表１に
示す温度で焼入れを施した。転動体については、全て従
来から用いられているＳＵＪ２製ボールを用いた。

【００２０】実験は、ＳＵＪ２製の軌道輪の焼入温度を
種々変化させ、その後サブゼロ処理を行ない、焼戻しを
施して硬度を調整した１０種類の供試体と、従来の熱処
理方法である焼入後４３３〜４５３Ｋ（１６０〜１８０
℃) で焼戻しを施した供試体との計１１種類を用意して
行い、特性を比較した。試料の玉軸受Ｎｏ．１〜Ｎｏ．
１１のうち、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の各試料それぞれの
両軌道輪１，２については、所定形状に成形した後に種
々の温度で焼入れを行ない、次いで８３〜２０３Ｋ( −
１９０〜−７０℃) でサブゼロ処理を行ない、４８３〜
５７３Ｋ( ２１０〜３００℃) で焼戻し処理を施して、
微視組織の異なる１０種類の供試体を調整した。そのう
ちの４種類Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８は実施例、他は比較例で
ある。残りの１種（Ｎｏ．１１）については、従来の熱
処理を施して従来例とした。

【００２１】表１に、各供試体に施した焼入の温度、そ
の焼入温度で得られたビッカース硬さ、Ｘ線回折法にて
測定した表面層の残留オーステナイト量、耐衝撃性試験
の結果( 後述) をそれぞれ記載している。

【００２２】

【表１】

【００２３】図２は、従来例（Ｎｏ．１１）を除く全て
の供試体について、熱処理後の硬度と焼入温度との関係
を示したものである。図中、●はロックウエル硬さＨＲ
Ｃ６２以上（ビッカース硬さＨｖ７４６以上）の供試体
を表し、■はそれ以下の硬さのものを表している。この
図から、鋼種ＳＵＪ２を用いた場合における硬さの最大
点は１１６３Ｋ( ８９０℃) 付近であることがわかる。
また、１２２３Ｋ( ９５０℃) 以上の温度で焼入れた供
試体( Ｎｏ．９，Ｎｏ．１０) は高温保持中に炭化物が
全て分解してしまうため、熱処理後の組織が粗大になり
極端に脆化することが確認された。

【００２４】次に、硬さに及ぼすサブゼロ処理の影響を
調査するため、供試体Ｎｏ．１〜９と、焼入後に４８３
〜５７３Ｋ( ２１０〜３００℃) で高温焼戻しを行なっ
た試料( サブゼロ処理を行なわずに残留オーステナイト
を０容量％としたもの) との比較を行なった。図３に
は、サブゼロ処理の有無別に、ビッカース硬さと焼入温
度の関係を示す。サブゼロ処理の有無による硬さの変化
に着目すると、特に１１５３Ｋ( ８８０℃) 以上の焼入
温度で両者の硬さの差は大きくなっている。この焼入温
度は、焼入時に生成する残留オーステナイト量γ_Rが大
きくなり始める温度と対応しており、焼入時に生成する
残留オーステナイトを消失させる過程において両者に大
きな差異が存在するため、このような現象が発現するも
のと考えられる。

【００２５】本発明におけるサブゼロ処理は、残留オー
ステナイト量が１５容量％以下となるようにサブゼロ温
度を調整している。即ち、焼入時に生成した大量の残留
オーステナイト〔特に１１５３Ｋ( ８８０℃) 以上で焼
入れしたもの〕の大部分は、サブゼロ時にマルテンサイ
ト変態するため、これが高硬度化に大きく寄与する。一
方、焼入・高温焼戻し処理を行なった場合、すべての残
留オーステナイトは焼戻時にフェライトと炭化物に分解
するため、硬化にほとんど寄与しない。つまり、生成し
た残留オーステナイトの消失過程( 残留オーステナイト
を高硬度化に利用するか否か) によって、同じ残留オー
ステナイトが０容量％の鋼においても、硬度に非常に大
きな違いが生じることがわかった。

【００２６】以上の結果から、残留オーステナイトを低
減し、かつ効果的に硬さを上昇させるためには、高温か
らの焼入の後、サブゼロ処理を行ない残留オーステナイ
トをマルテンサイト変態させた後、高温にて焼き戻すと
いう、本発明における処理が非常に有効であることがわ
かる。このときの変態挙動を知るために、焼入時に基地
に固溶した炭素濃度を調査した。炭化物の密度と炭化物
中の炭素濃度が既知の値である場合、基地中の炭素濃度
は、次に示す式を用いて推定できる。

【００２７】〔基地中の炭素濃度（質量％）〕＝｛（基地中の炭素の質量）／（基地の質量）｝×１００＝（7 ．６７−０．５１９×θ）／（７．６７−０．０７７４×θ） …（１）ここに、θ：炭化物の体積率（体積％）なお、ＳＵＪ２の場合、一次炭化物が全てセメンタイト
（Ｆｅ₃Ｃ）であると考えられるので、炭化物の密度を
７．７４×１０³ｋｇ／ｍ³、炭化物中の炭素量を６．
７質量％として計算に用いた。

【００２８】図４に、供試体Ｎｏ．１〜９について、焼
入直後の基地に固溶した炭素の濃度を、焼入温度で整理
した結果を示す。図中、固溶炭素濃度が焼入温度１１５
３Ｋ( ８８０℃) 以上の供試体を●、それ以下のものを
■で示している。図４より、サブゼロの有無によって硬
さの差が大きくなる焼入温度である１１５３Ｋ( ８８0
℃) 以上の供試体（Ｎｏ．５〜９）では、基地に０．７
５質量％以上の炭素が固溶していることがわかる。一般
に、基地中に固溶する炭素濃度が高いほど焼入マルテン
サイトは硬度が上昇し、残留オーステナイト量も増加す
る。前述の通り、残留オーステナイトはサブゼロ処理を
施すことによって高硬度化に活用できる。即ち、焼戻し
後の硬さは、焼入マルテンサイトによる硬化量と、残留
オーステナイトの量を決定する基地の固溶炭素濃度とに
依存すると考えられる。ＳＵＪ２においても、高温焼戻
し後にＨＲＣ６２以上を得るためには、炭素が０．７５
質量％以上基地に固溶している必要があり、そのために
は、１１５３Ｋ( ８８０℃) 以上の温度で焼人れを行な
う必要があることがわかった。

【００２９】続いて、供試体の耐衝撃性の評価試験につ
いて説明する。この試験は、前述の玉軸受を用い、これ
を図５に示すＨＤＤスピンドルモータユニットに与圧を
加えた状態で組み込んで行なった。図５のＨＤＤスピン
ドルモータユニットは、磁気ディスクを搭載して回転す
るハブ１１と、このハブ１１に上端が固定された軸１２
と、軸方向に配置された二つの玉軸受１３，１３と、こ
れらの玉軸受１３を介して軸１２を回転可能に支持する
ハウジング１４とを備えている。この２つの玉軸受１３
として、前述のようにして作製された各玉軸受を用い、
同じ物を二つ組合せてハウジング１４と軸１２との間に
組み込んだ。

【００３０】このモータユニットを所定の落下距離で落
下させることにより、玉軸受１３に２９４Ｎ( ３０ｋｇ
ｆ）の衝撃荷重を加えて、落下直後における音響特性の
劣化度合いを測定した。具体的には、落下前後にこのモ
ータユニットのアキシアル振動( 加速度Ｇ値) を測定
し、落下後のＧ値が落下前のＧ値より５以上高くなった
場合には音響特性に劣化が認められた( 耐衝撃性が悪
い; ×) と判断し、それ以外の場合には音響特性に劣化
が認められなかった( 耐衝撃性が良い；○）と判断し
た。

【００３１】落下に伴う音響特性の劣化は、落下により
玉軸受の軌道面が変形するために生じるものであり、耐
衝撃性が良いということは、軌道面の変形抵抗が十分に
高く、回転精度の低下が生じ難いことを示す。これらの
結果は前掲表１に示している。さらに続けて、供試体の
靭性を評価するために、本発明における実施例（供試体
Ｎｏ．５〜８）及び従来例（供試体Ｎｏ．１１）の内輪
について、圧砕試験を行なった。この試験は、供試体の
軌道輪に対して直径方向に荷重をかけて、圧砕したとき
の荷重を圧砕荷重として評価したものである。表２に、
圧砕荷重とビッカース硬さを示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】従来例と実施例を比較すると、圧砕荷重に
大きな差はなく、同等の靭性を有しているといえる。ま
た、１１６３Ｋ（８９０℃）焼入品（供試体Ｎｏ．６）
に着目すると、硬さがＨＲＣに換算して６２以上である
にもかかわらず、従来例に遜色のない靭性を有している
ことが分かる。なお、１１６３Ｋ（８９０℃）焼入品の
供試体Ｎｏ．６よりも、従来例（供試体１１）の方が高
硬度であるにもかかわらず圧砕荷重が若干高くなるの
は、残留オーステナイトの影響によるものと考えられ
る。

【００３４】以上の各種試験の結果から、本発明の転が
り軸受を構成する部材を製造するには、当該部材を高炭
素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を使用して成形した場合、その
成形品を焼入温度１１５３〜１１９３Ｋ（８８０〜９２
０℃）で焼入れ処理した後、８３〜２０３Ｋ（−１９０
〜−７０℃) のサブゼロ処理及び４８３〜５７３Ｋ（２
１０〜３００℃）の焼戻し処理を行なうことが必要であ
る。

【００３５】なお、上述の各実施例においては、軌道輪
としてＳＵＪ２を用いる転がり軸受について説明した
が、特にＳＵＪ２に限るものではなく、他の合金鋼を用
いて作成した転がり軸受についても、微細なマルテンサ
イト組織を保ちつつＨＲＣ６２以上とし、残留オーステ
ナイトを０容量％とすれば優れた耐衝撃性が得られる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る転が
り軸受によれば、耐圧痕性に優れるのみでなく、硬度と
靭性とのバランスにも優れた軸受を安価に供給すること
ができ、ひいては当該転がり軸受を組み込んだＨＤＤ、
ＶＴＲ等の音響性能を向上させて、これらの性能向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転がり軸受の一実施の形態の斜視図で
ある。

【図２】溶体化温度の上昇に伴う熱処理後の供試体の硬
さ変化を示す図である。

【図３】サブゼロ処理の有無による硬度変化挙動の差を
示す図である。

【図４】基地に固溶した炭素の濃度と溶体化温度との関
係を示す図である。

【図５】本発明の一実施形態の転がり軸受を組み込んで
耐衝撃試験を行なった、ＨＤＤスピンドルモータユニッ
トの断面図である。

【符号の説明】

１内輪２外輪３玉５内輪の軌道面６外輪の軌道面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼よりなり、外周に内輪軌道面を有する
部材と、これに対向して内周に外輪軌道面を有する部材
と、これら両軌道面の間に転動自在に設けられた転動体
とを備えた転がり軸受において、焼入れ後サブゼロ処理及び高温焼戻処理を経た前記両部
材の少なくとも軌道面の表面硬度がＨＲＣ６２以上で、
かつ残留オーステナイト量が実質的に０容量％であるこ
とを特徴とする転がり軸受。