JP2001330038A

JP2001330038A - 転がり支持装置

Info

Publication number: JP2001330038A
Application number: JP2000187068A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tanaka; 進田中; Hiroyuki Ito; 裕之伊藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2001-11-30
Also published as: US20030094215A1; WO2001069100A1; EP1193413A1; US7122086B2; EP1193413A4

Abstract

(57)【要約】【課題】耐食性及び耐久性の両特性が共に優れた転がり
軸受を提供する。【解決手段】内輪１と外輪２と転動体３との少なくとも
一つを、オーステナイト系ステンレス鋼で構成し、且つ
その表面にＨｖ６５０以上の浸炭硬化層を形成した。オ
ーステナイト系ステンレス鋼表面のＣｒ酸化膜（不働
態）を除去してから浸炭硬化層を形成することで、優れ
た耐食性と耐久性とが同時に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり支持装置
（転がり軸受、ボールねじ、およびリニアガイド等）に
関し、特に高い耐食性が要求される用途、および高い耐
食性と非磁性が要求される用途に好適な転がり支持装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、転がり支持装置の軌道部材の
材料としては、軸受鋼であればＳＵＪ２が、肌焼鋼であ
ればＳＣＲ４２０やＳＣＭ４２０相当の鋼材等が使用さ
れている。一般に、転がり支持装置は、高面圧下で繰り
返しせん断応力を受けて用いられるため、せん断応力に
耐えて転がり疲労寿命を確保するべく、軸受鋼は焼入・
焼戻し、肌焼鋼は浸炭または浸炭窒化処理後に焼入・焼
戻しが施されてＨＲＣ５８〜６４の硬度とされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、転がり支持装
置の使用環境は多種多様である。例えば、液晶・半導体
製造設備や食品機械等のように、腐食環境下で使用され
る機械装置類用の転がり支持装置の場合、材料に軸受鋼
を用いたのでは早期に発錆して軸受寿命に至ることがあ
る。そこで、このように耐食性が要求される場合の材料
にはステンレス鋼が使用される場合が多い。

【０００４】ステンレス鋼は大きく分けて、オーステナ
イト系，フェライト系，オーステナイト・フェライト２
相系，マルテンサイト系，析出硬化系の５つに大別でき
る。転がり軸受では、転動体と外輪または内輪との接触
部位において、摩耗と大きなせん断応力を受けるため、
硬さが大きくて耐摩耗性に優れるマルテンサイト系ステ
ンレス鋼が主として用いられている。中でも、最も高硬
度なＳＵＳ４４０Ｃの使用実績が高い。しかし、ＳＵＳ
４４０Ｃに代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼
は、他のステンレスに比較して耐食性に劣り、必ずしも
満足できるものではない。

【０００５】一方、オーステナイト系，フェライト系な
どマルテンサイト系以外のステンレス鋼は耐食性には優
れているが、転がり支持装置に要求される程度の十分な
硬さがないため、十分な耐摩耗性や転がり寿命が得られ
ていない。特に耐食性が求められる場合には、浸炭ある
いは浸炭窒化処理した肌焼鋼に硬質Ｃｒめつきやフッ素
を含む材料からなる被膜、あるいはこれら以外の各種耐
食被膜を施したものが使用されている。しかし、このよ
うな母相と不連続であるデポジット被膜では膜強度が不
足して剥離しやすく、転がり支持装置として十分な耐久
性が得られないという問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来技術の相反する
諸問題を解決すべく開発されたものであり、耐食性及び
耐久性の両特性が共に優れた転がり支持装置を提供する
ことを第１の課題とする。一方、液晶や半導体素子の製
造設備、医療検査装置、リニアモーターカー等の磁場が
問題となる装置では、駆動部が磁性材料で形成されてい
ると、駆動時に周囲の磁場が乱されて装置の性能が低下
する場合がある。そのため、このような装置に使用され
る転がり支持装置の構成部品としては、非磁性材料製の
ものを使用する必要がある。従来は、ベリリウム銅合金
製やセラミックッス製の構成部品が使用されていた。

【０００７】しかし、ベリリウム銅合金は酸化が起こり
易く、この酸化物が有毒物質であるため、転がり支持装
置の構成部品の材料としてベリリウム銅合金を使用する
ことは、環境問題の点から好ましくない。また、ベリリ
ウム銅合金製のものは、硬さがロックウエルＣ硬度（Ｈ
ＲＣ）で４０程度と低いため、耐久性の点でも問題があ
る。また、転がり支持装置の構成部品の材料としてセラ
ミックッスを使用すると、コストが高いとともに、大型
化や薄型化が困難であるという問題がある。

【０００８】そのため、近年では、Ｍｎ−Ｃｒ−Ｖ系ま
たはＭｎ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｖ系の析出硬化型オーステナイ
ト系非磁性鋼が使用されるようになってきている。しか
し、これらの鋼はマルテンサイト形ステンレス鋼よりも
幾分耐食性には優れるが十分ではなく、また、硬さがＨ
ＲＣで４５程度であるため、これらの鋼をそのまま用い
ても耐久性の問題は解決されない。

【０００９】これらの鋼の表面硬さを向上させる方法と
しては、第１に、ＰＶＤ法やＣＶＤ法により表面に硬質
なセラミックス被膜を形成する方法が挙げられる。この
方法では、セラミックス被膜が母材と不連続に形成され
るため、高い接触応力を受けた際にこの被膜が母材から
剥がれる恐れがある。したがって、この方法では、転が
り支持装置の構成部品として十分な耐久性が得られな
い。

【００１０】第２の方法としては、冷間加工を行って表
面を加工硬化させる方法が挙げられる。この方法では、
加工誘起による変態が生じてオーステナイトがマルテン
サイト化するため、磁性を帯びるという問題がある。第
３の方法としては、浸炭または浸炭窒化等の熱処理法が
挙げられるが、オーステナイト系非磁性鋼は一般的な軸
受鋼と異なって浸炭され難い。また、この鋼は、マルテ
ンサイト変態を利用した硬度の増大が期待できないた
め、例えば、表面層に炭化物または炭窒化物を大量に析
出させて硬化させる必要がある。この場合には、炭素と
の親和性が高いＣｒが優先的に炭化物となって析出する
ことによって、非磁性や耐食性が低下する恐れがある。

【００１１】以上のように、従来の方法では、転がり支
持装置の構成部品として、非磁性材料からなり、且つ十
分な耐久性および耐食性を有するものは得られていな
い。本発明はこのような従来技術の問題点に着目してな
されたものであり、非磁性であって、しかも耐久性およ
び耐食性に優れた構成部品からなる転がり支持装置を提
供することを第２の課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、耐食性に
優れるオーステナイト系ステンレス鋼を母材とし、その
表面層に熱処理による表面改質を行ない、耐食性及び耐
久性を飛躍的に高めることができないかについて検討し
た。オーステナイト系ステンレス鋼は表面にＣｒ酸化被
膜（不働態被膜）を有しているため、浸炭が困難である
ことは良く知られており、ガス浸炭によってその表面層
を改質することは容易ではない。

【００１３】例えば、ステンレス鋼の表面改質法として
は、イオン窒化あるいはプラズマ浸炭処理などが代表的
であるが、これらは放電現象を利用するものであるた
め、量産性に欠けるだけでなく、複雑な形状をもつ製品
に対して均一な処理層を形成させることが難しい。その
ため、ガス反応を利用した表面改質処理法を採用するこ
とが好ましいが、オーステナイト系ステンレス鋼におい
てはガス反応を阻害する酸化被膜（上述のＣｒ酸化被
膜）が存在するために、従来の窒化や浸炭方法では均一
な処理層を形成することができない。

【００１４】そこで、本発明者らは、Ｃｒ酸化被膜を除
去するために、窒化あるいは浸炭処理の前処理としてフ
ッ化処理を行なうことにより、ガス反応による表面改質
処理が可能であるかどうかについて検討した。まず、窒
化系のフッ化処理を行なう「Ｎｖ窒化プロセス（大同ほ
くさん株式会社の商品名）」の採用可否を検討した。こ
の処理は、窒化処理の前処理として、ＮＦ₃（三フッ化
窒素）等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度で
フッ化処理を行なうプロセスと、ＮＨ₃ガスによる窒化
処理を行なうプロセスとからなる。フッ化処理によっ
て、窒化反応を阻害するＣｒ酸化層が除去されて、表面
層に非常に薄いフッ化層が形成されて表面が極めて活性
化し、その後の窒化処理によって、安定的に均一な窒化
層を形成させることが可能となる。

【００１５】しかし、オーステナイト系ステンレス鋼の
場合には、窒化層がオーステナイトから窒素化合物へと
変化することによってＨｖｌ０００以上の硬度が得られ
る。これに伴って摺動性が飛躍的に改善されるのである
が、その反面、オーステナイト系ステンレス鋼自体は非
常に硬度が低い。そのためこの方法では、転がり支持装
置が受ける大きな接触応力を、表面に形成された窒化層
（非常に薄く、しかも脆い化合物からなる窒化層）だけ
では支えきれず、十分な耐久性が得られない。また、母
材の持つ耐食性や非磁性も損なわれるという問題があ
る。

【００１６】次に、窒化系とは異なる浸炭系のプロセ
ス、例えば、「パイオナイトプロセス（大同ほくさん株
式会社の商品名）」が好適に利用できるか否かを検討し
た。この処理は、浸炭処理の前処理として、ＮＦ₃（三
フッ化窒素）等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃
程度でフッ化処理を行なう点で、前述のＮｖ窒化プロセ
スと同様である。しかし、その後はＮＨ₃ガスによる窒
化処理を行なうプロセスではなく、浸炭性ガスによる浸
炭処理を行なう点が上記Ｎｖ窒化プロセスとは異なって
いる。すなわち、フッ素ガスを用いてフッ化処理を行な
うプロセスと、浸炭性ガスを用いて浸炭処理を行なうプ
ロセスとからなっている。

【００１７】この方法によれば、フッ化処理によって、
浸炭反応を阻害するＣｒ酸化層が除去されて、表面層に
非常に薄いフッ化層が形成される。これにより表面が極
めて活性化され、その後の浸炭処理によって、安定的に
均一な浸炭硬化層を形成させることが可能となる。な
お、浸炭処理は８００℃以上の高温で行われるのが一般
的であるのに対し、このパイオナイトプロセスにあって
は、５００℃程度の低温で浸炭処理する。

【００１８】かくして、本発明者らは、オーステナイト
系ステンレス鋼を用いて所望の形状に加工を施し、最終
的にフッ化処理しＣｒ酸化被膜からなる不働態膜を除去
して表面を活性化し、しかる後当該表面層に実質的には
炭化物を含有しない浸炭硬化層を形成させる（浸透した
炭素により炭化物が生成した場合、この炭化物が耐食性
を悪化させるので、オーステナイト結晶構造の隙間にこ
の炭素を固溶させる）ことで、より耐食性、耐久性に優
れる転がり支持装置（転がり軸受その他の転動装置）を
提供できることを見いだして本発明をなすに至った。

【００１９】本発明は、外方部材と内方部材とが、その
間に挿入された複数個の転動体の転動を介して相対移動
するようにした転がり軸受その他の転動装置に係り、外
方部材、内方部材及び転動体の少なくとも一つが、オー
ステナイト系ステンレス鋼からなり、且つその表面にＨ
ｖ６５０以上の浸炭硬化層を形成させたものであること
を特徴とする。

【００２０】すなわち、第１の課題を解決するために、
本発明は、固定体と移動体との間に介装され、構成部品
として、転動体と、転動体の軌道を有し固定体側および
移動体側に固定される各軌道部材とを少なくとも備え、
転動体が軌道を転がり移動することにより固定体に対す
る移動体の移動を許容する転がり支持装置において、固
定体側に固定される軌道部材、移動体側に固定される軌
道部材、および転動体の少なくとも一つは、オーステナ
イト系ステンレス鋼からなり、且つその表面にビッカー
ス硬さ（Ｈｖ）６５０以上の浸炭硬化層を有することを
特徴とする転がり支持装置を提供する。

【００２１】本発明にいう転動装置とは、外方部材と内
方部材とが、その間に挿入された複数個の転動体の転動
を介して相対移動するようにした装置の総称であって、
具体的には転がり軸受の他、例えばボールねじや直動案
内装置等を包含する。ここで、外方部材とは、転がり軸
受の外輪，ボールねじのナット，直動案内装置のベアリ
ング（スライダ）等を指し、内方部材とは、転がり軸受
の内輪，ボールねじのねじ軸，直動案内装置のガイドレ
ール等を指すものとする。

【００２２】前記浸炭硬化層の形成は、５４０℃以下の
処理温度で行うことが好ましい。すなわち、浸炭処理温
度が６００℃以上になると、炭素が鋼中のＣｒと結合し
てＣｒ炭化物が形成されて耐食性が低下し、また熱処理
後の寸法変化が大きくなる。これに対し５４０℃より低
い処理温度では、浸炭により浸透する炭素がＣｒと結合
しにくくて、オーステナイトの面心立方格子のすきまに
単に固溶浸透して硬化するにすぎず、実質炭化物の存在
しない靭性の高い表面硬化層が得られるのである。寸法
変化も小さい。この実質炭化物の存在しない表面硬化層
とは、浸炭した炭素に起因して形成されたことが明らか
な炭化物の存在が、光学顕微鏡（倍率４００〜６００
倍）で確認できないものであることとする。したがっ
て、溶体化処理後に非常に僅かに残留するような程度の
炭化物は含まれない。

【００２３】また、前記オーステナイト系ステンレス鋼
におけるＳ含有量を０．０３０重量％（以下、同じ）以
下にすることが好ましい。Ｓが０．０３０重量％を超え
ると浸炭性が阻害される。且つ、耐食性の点でも有害で
ある。また、前記オーステナイト系ステンレス鋼の組成
をＣｒ％＋３．３Ｍｏ％≧２０．０（％）とすることが
できる。Ｃｒ，Ｍｏは共に鋼の耐食性を向上させるに有
効な元素であり、複合添加される場合に特に効果があ
る。特に、Ｍｏは耐孔食性を著しく向上させる作用があ
る（ＭｏはＣｒの３．３倍の耐孔食性を有する）。その
ため、耐食性及び耐孔食性の観点から、Ｃｒ＋３．３Ｍ
ｏが２０％以上であることが好ましい。

【００２４】また、一般に、Ｃｒ，Ｍｏは、共に浸炭性
を阻害する元素として知られているが、本発明による浸
炭方法の場合は逆に浸炭性を高める元素となって、Ｃｒ
＋３．３Ｍｏが２０％以上であるオーステナイト系ステ
ンレス鋼の場合に、特に浸炭性が良好となり、硬化層深
さ、表面硬さともに向上する傾向にある。よって、オー
ステナイト系ステンレス鋼の組成の下限をＣｒ＋３．３
Ｍｏ≧２０．０（％）とすることが好ましい。

【００２５】一方、Ｃｒ＋３．３Ｍｏの値の上限値につ
いては、３３．２％とすることが好ましい。その理由
は、本発明に使用するオーステナイト系ステンレス鋼と
してはＭｏを含むＳＵＳ３１６が望ましく、そのＣｒ＋
３．３Ｍｏ（％）の上限値はＣｒ（１９．０）＋３．３
×Ｍｏ（２．７５）＝２８．１（％）であるが、同じく
Ｍｏを含むＳＵＳ３１７の場合には、上限値はＣｒ（２
０．０）＋３．３×Ｍｏ（４．０）＝３３．２（％）と
なるためである。

【００２６】なお、本発明においては、Ｍｏを含まない
オーステナイト系ステンレス鋼であっても、Ｃｒのみで
上記条件を満たすものであれば本発明の範囲とする。ま
た、本発明においては、上記浸炭硬化層の厚さを、転動
体径Ｄａの少なくとも０．５％以上とすることができ
る。その理由は、浸炭硬化層の深さがこれより小さい
と、転動体と外方部材或いは転動体と内方部材との接触
面で高い接触応力を受けた際に、母材の強度が不足する
ことから容易に塑性変形が起こり、十分な寿命が確保で
きないからである。浸炭硬化層の深さを転動体径Ｄａの
０．５％以上確保すると、耐摩耗性に加えて、表面強度
の増加及び芯部の加工硬化などの影響から、耐久性が飛
躍的に向上するのである。

【００２７】浸炭硬化層の厚さの範囲については、軸受
よりも軽荷重下で使用される場合があるので、上限は
２．１％Ｄａとし、下限を０．５％Ｄａとする（表２及
び図３参照）。浸炭硬化層の厚さが２．１％Ｄａを超え
ると浸炭処理時間を長くするかあるいは浸炭処理温度を
上げるかのいずれかが必要であるが、処理時間を長くす
るとコストアップにつながり、処理温度を上げると耐食
性の低下を招く。

【００２８】さらに、本発明の転動装置（転がり支持装
置）は、転動体がセラミックス材料からなるものとする
ことができる。一方、第２の課題を解決するために、本
発明は、固定体と移動体との間に介装され、構成部品と
して、転動体と、転動体の軌道を有し固定体側および移
動体側に固定される各軌道部材とを少なくとも備え、転
動体が軌道を転がり移動することにより固定体に対する
移動体の移動を許容する転がり支持装置において、少な
くとも移動体側に固定される軌道部材は、下記の（１）
式で示されるＮｉ当量が１２．０以上であるオーステナ
イト系ステンレス鋼からなり、且つその表面に、実質的
に炭化物を含まない浸炭硬化層を、ビッカース硬さ（Ｈ
ｖ）６５０以上の表面硬さで、且つ転動体の直径の０．
５％以上の厚さで有することを特徴とする転がり支持装
置を提供する。

【００２９】Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋Ｃｏ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…（１）移動体側に固定される軌道部材が、Ｎｉ当量１２．０未
満であるオーステナイト系ステンレス鋼で形成されてい
ると、転がり疲労によって表面下の最大剪断応力位置の
付近で加工誘起によるマルテンサイト変態が生じて、こ
の軌道部材の表面が磁性を帯びる恐れがある。

【００３０】Ｎｉ当量の上限については、転がり支持装
置としての性能の点からは特に限定されないが、その他
の点から適宜設定される。Ｎｉ当量の上限としては、例
えば流通性のよいオーステナイト系ステンレス鋼を使用
するという点から、２０．０とすることが実用的であ
る。また、Ｎｉは高価な元素であるためＮｉの含有量は
１７重量％以下とし、その他の元素を含有させることに
よってＮｉ当量を本発明の範囲とすることが好ましい。

【００３１】なお、オーステナイト系ステンレス鋼は圧
延後の状態でフェライト成分を僅かに含む場合がある。
この状態は好ましくなく、フェライト成分の含有によっ
て透磁率が劣化したり、浸炭の際にフェライト成分が浸
炭ガスと反応し、生じた炭化物が耐食性を低下させるこ
とがある。そのため、溶体化処理されたオーステナイト
系ステンレス鋼を使用することが好ましい。

【００３２】前記浸炭硬化層の表面硬さをビッカース硬
さ（Ｈｖ）６５０以上とし、且つその厚さを転動体の直
径の０．５％以上とすることにより、耐摩耗性および耐
荷重性が良好となって十分な耐久性が得られる。実質的
に炭化物を含まない浸炭硬化層は、例えば以下の方法で
形成される。先ず、浸炭または浸炭窒化を行う前に、オ
ーステナイト系ステンレス鋼の表面に形成されているＣ
ｒ酸化被膜（不働態被膜）をフッ化処理によって除去す
る。このフッ化処理は、オーステナイト系ステンレス鋼
で所定形状に形成された軌道部材を、例えば３フッ化窒
素（ＮＦ₃）の雰囲気下で２００〜４００℃に加熱する
ことで行う。これにより、オーステナイト系ステンレス
鋼の表面は、この表面に存在するＣｒ酸化被膜がフッ化
されて、浸炭または浸炭窒化され易い状態に活性化され
る。

【００３３】次に、このフッ化処理された軌道部材に対
して浸炭または浸炭窒化を行う。この浸炭または浸炭窒
化は５４０℃以下の温度で行うことが好ましい。その理
由は前述の通りである。浸炭処理としては、例えば、Ｒ
ＸガスとＣＯ₂ガスの混合ガス雰囲気で、４６０〜５２
０℃に加熱保持することにより行う。または、アセチレ
ンあるいはエチレン等の不飽和炭化水素ガスを用いて、
１３３Ｐａ以下の真空あるいは減圧下で４６０〜５２０
℃に加熱保持することにより行う。

【００３４】前者の浸炭方法では、鉄が酸化されて黒色
のＦｅ₃Ｏ₄からなる酸化層が形成されることにより、
外観性能および耐食性が低下することがある。そのた
め、浸炭処理後に酸洗処理を行ってこの酸化層を除去す
ることが好ましい。後者の浸炭方法ではこのような酸化
層がほとんど発生しないため、後処理としてはソフトブ
ラストを行うだけで特に問題は生じない。したがって、
後者の浸炭方法を採用することが好ましい。

【００３５】なお、これらの限定は、少なくとも移動体
側に固定される軌道部材についてのものであり、その他
の構成部品（固定体側に固定される軌道部材、転動体
等）についてはこれらの限定は適用されず、材料とし
て、ＳＵＪ２等の軸受鋼やマルテンサイト系ステンレス
鋼等を用いてもよい。また、転動体としては、窒化珪
素、ジルコニア、アルミナ、炭化珪素等のセラミックス
製とすることが好ましい。これにより、転動体と軌道部
材との摩擦および摩耗が低減されるため、耐久性がより
高くなる。

【００３６】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］以下、本発明の
転動装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図１
は、本発明の一実施形態である転がり軸受の断面図であ
る。この転がり軸受は、複数の転動体（ボール）３と、
それよりも内方に位置する内輪１と、それよりも外方に
位置する外輪２とからなり、転動体３は内輪１と外輪２
との間に保持されながら、転がり案内される。このと
き、内輪１及び外輪２には、転動体３を案内するための
転動溝が設けられており、転動体３は、前記転動溝にお
いて保持器４によって等配に保持されている。

【００３７】この実施形態の全ての実施例および比較例
では、図１の構造を有する転がり軸受として玉軸受６９
５（ＪＩＳ呼び番号）を組み立てて、軸受の静粛性及び
各種耐久性の評価試験を行った。なお、実施例および比
較例の軸受に組み込まれる転動体としては、ＳＵＳ４４
０Ｃ製またはＳｉ₃Ｎ₄製の転動体を使用し、保持器と
してはフッ素樹脂製の保持器を使用した。

【００３８】内方部材である内輪（軌道部材）１、外方
部材である外輪（軌道部材）２、及び転動体３を構成す
る母材としては、オーステナイト系ステンレス鋼が使用
される。具体的には、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，Ｓ
ＵＳ３１７等が挙げられる。好ましくはこれらの鋼を固
溶化熱処理したものを使用する。また、一般に、オース
テナイト系ステンレス鋼は切削性が良くないため、Ｓや
Ｓｅ，Ｔｅ，Ｐｂ等の快削元素を含むものが多く、フェ
ライト系ステンレス鋼であればＳＵＳ４３０Ｆ、オース
テナイト系ステンレス鋼であればＳＵＳ３０３やＳＵＳ
３０３Ｓｅ等が例示できる。これらのうち特にＳは、浸
炭性を阻害する作用を有し、耐食性の点でも有害である
から、その含有量を０．０３％以下に限定する。また、
含有するＣｒ量とＭｏ量との関係を、Ｃｒ％＋３．３Ｍ
ｏ％≧２０．０（％）を満足するようにすると、特に高
い耐食性と表面硬度が得られるため好ましい。

【００３９】これらの素材を所定の形状に加工した後、
最終的に表面層に表面硬化処理が施される。本発明にお
けるオーステナイト系ステンレス鋼の表面改質法とし
て、例えば先に述べた、パイオナイトプロセスが好適に
利用できる。浸炭処理の前処理として行うこの処理は、
ＮＦ₃等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度
でフッ化処理を行なうプロセスと、浸炭性ガスによる
浸炭処理を行なうプロセスとからなる。のフッ化処理
により、浸炭反応を阻害するＣｒ酸化層が除去されて表
面層に非常に薄いフッ化層が形成され、表面が極めて活
性化する。そのための浸炭処理で安定した均一な浸炭
硬化層を形成させることができる。

【００４０】この場合の浸炭処理温度は、５００℃程度
の低温である。浸炭処理温度が６００℃以上になると、
炭素が鋼中のＣｒと結合してＣｒ炭化物となって耐食性
が低下すると共に、熱処理後の寸法変化が大きくなるか
ら、５４０℃以下とするのが好ましい。５４０℃より低
いと、浸炭により浸透する炭素がＣｒと結合しにくく、
オーステナイトの面心立方格子のすきまに単に固溶浸透
して硬化するため、実質炭化物の存在しない靭性の高い
表面硬化層が得られ、寸法変化も極めて小さい。好まし
くはその表面硬さをＨＲＣ６０（Ｈｖ６９７）以上、さ
らに好ましくはＨＲＣ６２（Ｈｖ７４６）以上とする。

【００４１】なお、浸炭性ガスには、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ
₂等の混合ガスが使用される。本処理を行なった後は、
最表面層はＣＯ₂ガスによるＦｅの酸化が起こり、Ｆｅ
₃Ｏ ₄からなる黒色の酸化層を形成し、耐食性が低下す
る。したがって、浸炭処理後には酸洗処理を行ない、当
該黒色酸化層を除去することが好ましい。酸洗処理に用
いる処理液は特に限定されるものではなく、フッ酸，硝
酸，塩酸，硫酸あるいはこれらの混合液などを用いるこ
とができる。

【００４２】また、浸炭性ガスとしてアセチレンあるい
はエチレン等の不飽和炭化水素ガスを用いて、１３３Ｐ
ａ以下の真空あるいは減圧下で浸炭処理を行なうと、耐
食性に有害な黒色酸化層の形成が抑制でき、且つ、浸炭
時に特に問題となるスーティングによる浸炭むら等も防
止できるためより好ましい。また、母材となるオーステ
ナイト系ステンレス鋼は固溶化熱処理を施されているこ
とが好ましい。これは、鋼中に残存するフェライトが、
浸炭時に浸炭性ガスと反応して炭化物となり耐食性を劣
化させるのを防止するためである。

【００４３】また、完成品表面における浸炭硬化層の厚
さが小さいと、十分な耐久性が得られないため、転動体
径Ｄａの少なくとも０．５％以上の厚さに浸炭層を形成
させる。なお、転動体は、内輪１と外輪２とに保持さ
れ、さらにグリースや潤滑材等により保護されているた
め、耐食的に問題となるような場合は少ない。よってマ
ルテンサイト系ステンレス鋼であってもよいのである
が、転動体をセラミックスにすると凝着しにくくて摩耗
を抑制できるためより好ましい。

【００４４】続いて、本実施の形態の転がり軸受につい
て実施した耐久試験の説明をする。耐久性評価は、実施
例と比較例とも玉軸受６０８（ＪＩＳ呼び番号）で行な
った。なお、軸受に組み込まれる転動体はＳＵＳ４４０
Ｃ及びＳｉ₃Ｎ₄製のものを使用し、保持器にはフッ素
樹脂保持器を使用した。まず、表１に記載した５種類の
材料（Ａ−１〜Ａ−５）を用いて、旋削加工及び研削加
工により内輪及び外輪を所望の形状に加工した。

【００４５】

【表１】

【００４６】その後、以下の条件で種々の熱処理を施し
た。熱処理条件Ａ：２６０〜３５０℃で２０〜３０分、窒素
に１０％の三フッ化窒素を混合させたガス中に加熱保持
した後、４６０〜５２０℃×３０ｈｒ浸炭ガス中（ＲＸ
＋ＣＯ ₂混合ガス雰囲気）に加熱保持した。

【００４７】熱処理条件Ｂ：２６０〜３５０℃で２０〜
３０分、窒素に１０％の三フッ化窒素を混合させたガス
中に加熱保持した後、４６０〜５２０℃×３０ｈｒ、ア
セチレンガスを混入しつつ、３９．９Ｐａの真空減圧下
に加熱保持した。熱処理条件Ｃ：３００〜３８０℃で２０〜３０分、窒素
に１０％の三フッ化窒素を混合させたガス中に加熱保持
した後、４００〜４５０℃×４８ｈｒアンモニアと窒素
との混合ガス中に加熱保持した。

【００４８】また、熱処理条件Ａ及びＢに関しては、フ
ッ酸と硝酸の混合溶液に１５〜２０分浸潰した後、ソフ
トブラスト処理を施した。熱処理条件Ｃに関しては、上
記酸洗処理を施すと著しい母材の溶出が認められたた
め、特にその後の処理は施さなかった。なお、その他比
較例として、内外輪が表面硬化処理を施していない通常
のオーステナイト系ステンレス鋼の場合、およびマルテ
ンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃの場合に
ついても評価を行なった。

【００４９】評価は、真空下におけるトルク寿命試験及
び塩水噴霧、孔食電位測定により行なった。トルク寿命
試験は、１．３×１０^-5Ｐａの真空中で、回転数１００
０ｒｐｍ、アキシャル荷重１９．６Ｎで回転試験を行な
い、トルクが初期トルクの２倍に達した時点を寿命とし
て評価した。また、塩水噴霧試験は、軸受の内輪をＪＩ
ＳＺ２３７１に準拠して塩水噴霧試験を１週間実施
し、全く発錆しなかったものを◎、軽微な発錆が認めら
れたものを○、明らかな発錆が認められたものを△、ほ
ぼ全面に著しい発錆が認められたものを×で記載した。

【００５０】また、軸受に用いた鋼材から、径１８ｍｍ
×長さ５ｍｍの試験片を切り出し、同様の熱処理を施し
たものに対して、ＪＩＳＧ０５７７に準拠して孔食
電位測定を行なった。評価結果を表２に示した。

【００５１】

【表２】

【００５２】なお、表２中の孔食電位値は、比較例Ｃ−
２のＳＵＳ３０４の孔食電位を１とした場合の比で示し
た。すなわち、この値が大きいものほど耐食性に優れて
いることを示す。また、表２中の表面硬さは、軸受軌道
輪の端面を軽く鏡面仕上げした後、ビッカース硬度計に
より荷重１００ｇで測定した値を記載した。また、処理
層深さは、軸受軌道輪を切断した後、熱可塑性樹脂に包
埋し、鏡面仕上げした断面にマ一ブル試薬によりエッチ
ングを行ない、明瞭に観察される処理層厚さを顕微鏡で
測定した値を記載した。

【００５３】表２に示される結果から、本発明の実施例
は、トルク寿命，耐食性において比較例より優れている
ことが確認できる。これに対して、比較例であるＣ−１
〜Ｃ−４は従来のオーステナイト系ステンレス鋼の場合
の例であるが、表面硬さ、耐摩耗性が不十分であるため
十分な耐久性が得られない。また、比較例Ｃ−５は、内
外輪の材料が本発明よりもＳを多く含むＳＵＳ３０３の
場合の例であるが、Ｓが浸炭性を阻害するため表面硬
さ、処理層深さにおいて本発明よりも劣り、耐久性にお
いて本発明よりも劣っている。また、比較例Ｃ−６は、
ＳＵＳ３０４未固溶化熱処理品を浸炭処理した場合の例
であるが、鋼中に残存するフェライトが浸炭性ガスと反
応して炭化物となって析出するため、本発明に比較して
耐食性が劣っている。

【００５４】図２には、比較例Ｃ−６と実施例Ｂ−６の
内輪をＸ線回折を行なった結果を示す。比較例Ｃ−６に
はフェライトと炭化物とのピークがそれぞれ観察される
のに対して、実施例では炭化物のピークはほとんど観察
されない。また、比較例Ｃ−７、Ｃ−８は、処理層深さ
が転動体径Ｄａの０．５％に満たない場合の例である
が、応力体積における処理層厚さが小さく、本発明に比
較して耐久性に劣っている。

【００５５】また、比較例Ｃ−９は窒化処理した場合の
例であるが、窒化処理した場合には表面層に硬くて脆い
化合物層が形成されるため、芯部に十分な硬度を有して
いないと高い接触応力を受けた際に窒化層が損傷しやす
く、本発明例よりも耐久性が劣る結果となった。手た、
耐食性においても、本実施例に比較して劣っている。ま
た、比較例Ｃ−１０は、従来のＳＵＳ４４０Ｃの軸受の
場合の例であるが、耐食性が本実施例に比較すると著し
く劣っている。

【００５６】また、実施例において、浸炭性ガスにＲＸ
ガスを用いるより、アセチレン等の不飽和系炭化水素ガ
スを用いて真空あるいは減圧下で浸炭処理を行なった方
が、軌道輪のより安定した表面品質が得られ、スーティ
ングによる浸炭むらもないため、信頼性の点でもより好
ましい。さらに、表面層に黒色の酸化層が形成されるの
も抑制できるため、その後の酸洗処理あるいはブラスト
処理後の表面がより清浄である。

【００５７】図３には、内外輪の表面処理層厚さとトル
ク寿命との関係を示した。この図３より、処理層厚さが
転動体径Ｄａの０．５％以上とする場合に、良好な耐久
性が得られる傾向にあることがわかる。また、図４に
は、鋼中のＣｒ、Ｍｏ含有量と孔食電位との関係を示し
た。この図４より、Ｃｒ＋３．３Ｍｏ％の値が２０％以
上の場合に、特に良好な耐食性が得られていることがわ
かる。

【００５８】なお、上記の実施の形態は、転動装置が転
がり軸受である場合について述べたが、ボールねじや直
動案内装置等を包含するその他の転動装置にも、本発明
を同様に適用できる。［第２実施形態］ＪＩＳ呼び番号６０８の玉軸受を次の
ようにして作製した。この玉軸受は、図１に示すよう
に、内輪１、外輪２、玉（転動体）３、および保持器４
で構成される。

【００５９】内輪および外輪については、先ず、下記の
表３に示す各鉄鋼材料からなる素材を旋盤で切削するこ
とにより、所定形状に加工した。鉄鋼材料としては、オ
ーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３
１６Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｊ１、ＳＵＳ３１７、ＳＵＳ３１
７Ｊ１、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４）と、Ｍｎ−Ｃｒ
−Ｎｉ−Ｖ系の析出硬化型オーステナイト系非磁性鋼
（日立金属（株）製「ＹＨＤ５０」）であって、溶体化
処理されたものを用意した。

【００６０】次に、オーステナイト系ステンレス鋼から
なる内輪および外輪については、研削仕上げ加工をした
後、以下の条件でフッ化処理を施した。フッ化処理条件
は、温度：２６０〜３５０℃、雰囲気ガス：窒素
（Ｎ₂）と３フッ化窒素（ＮＦ₃）との混合ガス（ＮＦ
₃１０％含有）、処理時間：２０〜３０分である。次
に、以下の条件で浸炭処理を行った。浸炭処理条件は、
温度：４６０〜５２０℃、浸炭ガス：アセチレンガス、
処理時間：１２〜６０時間、雰囲気圧力：３９．９Ｐａ
の真空減圧下である。次に、ソフトブラスト処理による
表面仕上げを行った。

【００６１】「ＹＨＤ５０」からなる内輪および外輪に
ついては、６８０〜７２０℃で４〜５時間時効処理を行
った後、研削仕上げ加工を行った。以上の方法で得られ
た内輪および外輪について、表面硬さと浸炭硬化層の厚
さを測定した。表面硬さは、内輪の端面（軸方向の一端
面）を研磨して鏡面とし、この鏡面に対して荷重５０ｇ
でビッカース硬さ試験を行った。浸炭硬化層の厚さは以
下の方法で測定した。

【００６２】先ず、内輪から切り出したサンプルを樹脂
に埋め込んだ状態で鏡面研磨することにより、サンプル
の断面を露出させた。次に、この断面をマーブル試薬で
エッチングした後、このエッチングされた断面を顕微鏡
で観察し、白く見える部分の厚さを測定した。この測定
値を転動体の直径で割り算をすることにより、転動体の
直径に対する浸炭硬化層の厚さの比率（％）を算出し
た。これらの結果も下記の表３に併せて示す。

【００６３】これらの内輪および外輪と、Ｓｉ₃Ｎ₄製
の転動体と、フッ素樹脂製の保持器を用いて、実施例１
〜６と比較例１〜４の各転がり軸受を組み立てた。な
お、内輪と外輪は、同じ材料で同じ処理を施したものを
組み合わせて用いた。このようにして作製された各転が
り軸受について、真空下でのトルク寿命試験と、透磁率
測定と、耐食性試験を行った。

【００６４】トルク寿命試験の試験条件は、アキシャル
荷重：１９．６Ｎ、回転速度：１０００ｒｐｍ、温度：
２５℃、真空度：１．３×１０^-5Ｐａとした。トルク検
出値が初期値の２倍となったときの回転数を「トルク寿
命」として測定した。ただし、回転数が１０×１０⁶回
以上となってもトルク検出が初期値の２倍に達しない場
合は、回転試験を中止して、回転寿命を１０×１０⁶回
以上と判定した。

【００６５】透磁率の測定は、振動試型磁力計を用いて
トルク寿命試験の前後に行い、トルク寿命試験による透
磁率の劣化量を算出した。耐食性試験としては、「ＪＩ
ＳＺ２３７１」に準拠して塩水噴霧試験を１週間実施
した。塩水噴霧試験の結果は、この試験後に錆の発生が
全くなかった場合を「○」、僅かな錆が認められた場合
を「△」、錆の発生が著しく認められた場合を「×」と
して評価した。

【００６６】これらの試験結果も下記の表３に併せて示
す。また、これらの結果から得られた「硬化層厚さの転
動体直径（Ｄａ）に対する比とトルク寿命との関係」を
図５に、「使用した鋼のＮｉ当量とトルク寿命試験によ
る透磁率の劣化量との関係」を図６に、それぞれグラフ
で示す。

【００６７】

【表３】

【００６８】この表から分かるように、内輪および外輪
が本願発明の請求項２の全ての構成要件を満たす実施例
１〜６の転がり軸受は、トルク寿命、非透磁率、耐食性
の全てが良好であった。すなわち、トルク寿命が長く、
試験前の透磁率が小さく、透磁率の劣化量が小さく、塩
水噴霧試験結果が「○」であった。これに対して、前記
構成要件のいずれか１つ以上を満たさない比較例１〜４
の転がり軸受は、トルク寿命、非磁性、耐食性の少なく
ともいずれかの点が良好ではなかった。

【００６９】比較例１は、Ｎｉ当量が１２．０未満であ
るため、試験前の透磁率および透磁率の劣化量が比較的
大きくなり、非磁性の点で劣っていた。また、表面硬さ
がＨｖ６０２と小さく、硬化層厚さの転動体直径（Ｄ
ａ）に対する比も０．５未満であったため、トルク寿命
および耐食性の点でも劣っていた。比較例２は、Ｎｉ当
量が１２．０未満であるため、試験前の透磁率および透
磁率の劣化量が比較的大きくなり、非磁性の点で劣って
いた。比較例３は、硬化層厚さの転動体直径（Ｄａ）に
対する比が０．５未満であったため、トルク寿命の点で
劣っていた。比較例４は、表面硬さがＨｖ４４６と小さ
いことから、トルク寿命および耐食性の点で劣ってい
た。

【００７０】また、図５のグラフから、硬化層厚さの転
動体直径（Ｄａ）に対する比が０．５以上であると、ト
ルク寿命が良好となることが分かる。図６のグラフか
ら、使用する鋼のＮｉ当量が１２．０以上であると、ト
ルク寿命試験による透磁率の劣化量が小さくなることが
分かる。すなわち、内輪および外輪に使用する鋼のＮｉ
当量を１２．０以上とすることによって、転がり疲労を
受けても非磁性が良好に保持されることが分かる。

【００７１】以上の結果から、本願発明の請求項２に係
る転がり軸受は、非磁性であって、しかも耐久性および
耐食性に優れたものであることが分かる。なお、この実
施形態では、転動体が玉である玉軸受について説明して
いるが、本発明は、転動体が円筒形である円筒ころ軸受
や、転動体が円錐形である円錐ころ軸受にも適用され
る。転動体が円筒形である場合には、円筒の断面円の直
径を転動体の直径とする。転動体が円錐形である場合に
は、円錐の断面円の最大直径と最小直径との平均値を転
動体の直径とする。

【００７２】また、この実施形態では、転がり支持装置
として転がり軸受を例にとって説明しているが、本発明
は、転がり軸受以外の転がり支持装置（例えば、ボール
ねじやリニアガイド）にも適用できる。ボールねじで
は、ねじ軸が固定体側の軌道部材であり、ナットが移動
体側の軌道部材である。リニアガイドでは、案内レール
およびスライダの一方が固定体側の軌道部材であって、
他方が移動体側の軌道部材である。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本願の請求項１に
係る発明によれば、転がり支持装置（転がり軸受及びそ
の他の転動装置）をオーステナイト系ステンレス鋼によ
り構成し、且つその表面層に硬質且つ耐食性に優れる浸
炭硬化層を、十分な耐久性が得られる最適な厚さとなる
ように形成することにより、耐久性及び耐食性を両立で
きて、信頼性に優れる転がり支持装置（転がり軸受及び
その他の転動装置）を提供できる。

【００７４】本願の請求項２に係る発明によれば、請求
項１の構成に加えて、使用するオーステナイト系ステン
レス鋼のＮｉ当量を１２．０以上に限定することによっ
て、非磁性であって、しかも耐久性および耐食性に優れ
た転がり支持装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転がり軸受の一実施形態を示す縦断面
図である。

【図２】第１実施形態の試験結果から得られた、比較例
と実施例との内輪のＸ線回析図である。

【図３】第１実施形態の試験結果から得られた、軌道輪
の表面処理層厚さと軸受トルク寿命との関係を表す図で
ある。

【図４】第１実施形態の試験結果から得られた、鋼中の
Ｃｒ，Ｍｏ含有量と孔食電位との関係を示す図である。

【図５】第２実施形態の試験結果から得られた、内輪お
よび外輪の硬化層厚さの転動体直径（Ｄａ）に対する比
と、トルク寿命との関係を示すグラフである。

【図６】第２実施形態の試験結果から得られた、内輪お
よび外輪で使用した鋼のＮｉ当量と、トルク寿命試験に
よる透磁率の劣化量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１内輪２外輪３転動体４保持器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｃ 33/32 Ｆ１６Ｃ 33/32 33/64 33/64 // Ｃ２１Ｄ 9/40 Ｃ２１Ｄ 9/40 ＺＦターム(参考） 3J101 AA02 AA42 AA52 AA62 BA10 BA53 BA54 BA70 DA02 EA06 FA08 FA31 GA55 GA60 4K028 AA01 AB01 AC08 4K042 AA22 BA03 CA07 CA08 DA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定体と移動体との間に介装され、構成
部品として、転動体と、転動体の軌道を有し固定体側お
よび移動体側に固定される各軌道部材とを少なくとも備
え、転動体が軌道を転がり移動することにより固定体に
対する移動体の移動を許容する転がり支持装置におい
て、固定体側に固定される軌道部材、移動体側に固定される
軌道部材、および転動体の少なくとも一つは、オーステ
ナイト系ステンレス鋼からなり、且つその表面にビッカ
ース硬さ（Ｈｖ）６５０以上の浸炭硬化層を有すること
を特徴とする転がり支持装置。
【請求項２】固定体と移動体との間に介装され、構成
部品として、転動体と、転動体の軌道を有し固定体側お
よび移動体側に固定される各軌道部材とを少なくとも備
え、転動体が軌道を転がり移動することにより固定体に
対する移動体の移動を許容する転がり支持装置におい
て、少なくとも移動体側に固定される軌道部材は、下記の
（１）式で示されるＮｉ当量が１２．０以上であるオー
ステナイト系ステンレス鋼からなり、且つその表面に、
実質的に炭化物を含まない浸炭硬化層を、ビッカース硬
さ（Ｈｖ）６５０以上の表面硬さで、且つ転動体の直径
の０．５％以上の厚さで有することを特徴とする転がり
支持装置。Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋Ｃｏ＋０．５Ｍｎ＋０．３Ｃｕ＋２５Ｎ＋３０Ｃ…（１）