JP3548918B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ハードディスク装置など情報処理機器に使用される回転スピンドル支承用の軸受で、特に、振動・音響の発生を防止するようにした転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来技術と解決課題】
情報処理機器、例えば、磁気記録媒体であるハードディスク装置に使用されるハードディスク駆動モータ用の軸受や、レーザビームプリンタのポリゴンミラーモータ用の軸受は、小型で比較的軽荷重で使用されるが、軸受自体から発生する振動や音響が可能な限り低いことが要求されるものであり、従来は、軸受鋼を焼入れ焼戻しをして所要の表面硬さと表面寸法精度を確保して使用されていた。
【０００３】
近年、情報処理機器が小型化し、可搬型・携帯型が普及するにつれて、その使用環境も多様化しており、使用温度についても、軸受が５０℃以上の高温になるような環境で長時間放置された後に使用される頻度が高くなっているが、このように軸受の環境温度が高くなると、転がり軸受が発する機械的振動や音響的な振動が目立って大きくなる傾向があった。これらの軸受では、上記の精密機械に使用される場合には、転がり疲労寿命よりも、発生する音響の限界により寿命が決まってしまうので、音響性能が劣化しないように改善する必要があった。
【０００４】
転がり軸受の音響発生の原因は、軸受が例えば６０〜９０℃の高温で１００ｈもの長時間停止状態で放置されると、内外の軌道輪の間に挟装された鋼球の接触面の集中応力により、転走面に極めて浅いが凹陥状の圧痕を鋼球の数だけ生じ、軸受作動時には、回転する複数の鋼球が複数の圧痕を同時に通過するので、転走面との衝撃により繰り返し衝撃音、即ち音響的な振動を生じるからである。
【０００５】
上述のように、軸受転走面の圧痕は転動体の接触による集中応力によるが、この応力は、通常は軸受を構成する鋼の比例限の１／２以下の応力であり、圧痕の形成は不可能の筈である。しかし、従来の軸受鋼は、焼入れ後２００℃以下の低温で焼き戻しして焼入れ後の未分解オーステナイトをある程度残留させ、所要の硬さと耐衝撃性を確保していたのであるが、この軸受が６０〜９０℃の温度に長時間保持されると、集中応力により不安定な残留オーステナイトが徐々に分解されて永久変形を生じ、転動体の接触部位に圧痕として残るのである。
【０００６】
従来技術には、玉軸受の玉につき、焼入れ後の鋼球の表面に機械的な衝撃を加える表面硬化処理をして後、２００℃以下の低温で焼戻しを行って、音響性能の劣化を防止する方法がある（特開平６−４６４９２９号、特開平６−２６４１４８号）。このような低温焼戻しでは、残留応力の除去と表面硬さは確保できるが、圧痕生成の防止に有効かどうかは、具体的に採用される表面硬化処理法に大きく依存することになる。
【０００７】
また、玉にだけ音響性能劣化の防止策を採るのでは不十分で、一定温度保持中に玉の接触により軌道輪の転走面に形成された圧痕が音響源となり得ることを考慮すれば、内外の軌道輪に対しても対策を採る必要があった。しかし、小型軸受の軌道輪に上記従来の表面硬化処理法を採用するのは困難であり、しかも、製造コストの上昇を招かないような方法が要求される。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑み、熱処理方法の改善により長時間の高温保持による圧痕の生成を防止して、耐音響劣化抵抗性と疲労寿命の双方に優れた情報機器用の転がり軸受を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段とその作用】
第１発明の転がり軸受は、内外の軌道輪と該軌道輪の間に介装される転動体とから成る転がり軸受であるが、少なくとも軌道輪を鋼により形成し、浸炭窒化焼入れ後に３５０℃以上で焼戻しをして、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を０％とし、表面硬さをＨＲＣ５７以上としたことを特徴とする耐振動音響劣化抵抗性に優れた転がり軸受である。
【００１０】
この発明が適用される鋼種には、軸受用肌焼鋼や高炭素含有鋼、特に、高炭素クロム軸受鋼（例えば、ＪＩＳのＳＵＪ１〜３）が利用できる。
【００１１】
本発明の転がり軸受は、上記の鋼で少なくとも内輪と外輪の軌道輪を形成し、この軌道輪に浸炭窒化焼入れ処理してのち、上記の高温焼戻した軸受であるが、浸炭窒化処理により、表層部にはＣと共にＮが富化されて浸炭窒化層が形成され、焼入れ後は増加したＮによって表層部マトリックス中の残留オーステナイトが芯部よりも増加するが、同時に表層部には、Ｃｒを含有する微細な炭窒化物が多数形成分散されている。
【００１２】
本発明においては、浸炭窒化焼入れ後に３５０℃以上の高温で焼戻しを行うことにより表層部浸炭窒化層の残留オーステナイトは完全分解される。焼戻し温度の下限を３５０℃とするのは、この下限より低温では残留オーステナイトの完全分解が困難であるからである。このようにして、浸炭窒化処理後の焼入れ組織中に残留したオーステナイトの分解を促進して、研削後の軌道輪の転走面には残留オーステナイト量を完全に０％とする。そこで、軸受に組み立てて使用中に高温に放置された場合に、軌道輪の転走面には、玉の接触による応力集中があっても、残留オーステナイトの分解に起因した圧痕は形成されない。従って、圧痕に起因する音響的振動も極めて低いレベルにまで抑制できる。
【００１３】
この３５０℃以上の高温焼戻しによって、焼入れ組織中のマルテンサイトが焼戻されて組織が一層安定化されて軟化するが、同時に表層部の炭窒化物の存在によりＨＲＣ５７以上の表面硬さが確保される。本発明が表面硬さをＨＲＣ５７以上とするのは、転走面の耐摩耗性を維持して、軸受の転がり疲労寿命を確保するためである。従って、焼戻し温度の上限は、表面硬さがＨＲＣ５７より低くなる温度として自動的に決まってくる。
このようにして、本発明の転がり軸受は、音響劣化抵抗性と転がり疲労寿命の両方の特性に優れた軸受とすることができる。
【００１４】
第２発明の転がり軸受は、少なくともその軌道輪を、Ｃ０．９５〜１．１０％と、Ｓｉ若しくはＡｌ単独で又はＳｉとＡｌの総量で１．０〜２．０％と、Ｍｎ１．１５％以下と、Ｃｒ０．９０〜１．６０％とを含有した鋼より成形し、焼入れ硬化処理後に３５０℃以上で焼戻しして、表面残留オーステナイト量を０％とし、表面硬さをＨＲＣ５７以上としたことを特徴とする耐音響劣化抵抗性に優れた転がり軸受である。
【００１５】
この第２発明においては、焼入れ硬化処理は、通常の焼入れ（ずぶ焼き）の他に、浸炭焼入れ及び浸炭窒化焼入れを含み、いずれも表面直下に高炭素焼入れ組織を形成する処理を含む。
【００１６】
上記組成の鋼は、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｎの含有量はＳＵＪ２鋼と略同じ範囲であるが、Ｓｉ及び／又はＡｌにより焼戻し軟化抵抗性を付与したもので、これにより、焼入れ後に焼戻し温度を３５０℃以上に高くしても焼戻しによる軟化の程度を少なくして、ＨＲＣ５７以上の表面硬さを確保するのである。
【００１７】
この組成鋼がＳｉ若しくはＡｌを単独で又は両者の総量で１．０〜２．０％含有するのは、ＳｉとＡｌの含有量の和が、１．０％未満では、上記温度での高温焼戻しの際の軟化阻止に不充分で、また、２．０％を越えると、鍛造や旋削・研削の加工性に問題となるからである。
専らＳｉにより焼戻し軟化抵抗性を付与しようとする場合は、Ａｌは添加されないか、または、製鋼工程でＡｌ脱酸に要する０．０２〜０．０７％程度は添加される。焼戻し軟化抵抗性を付与するためにＡｌを多量に添加する場合には、通常Ｓｉは、予備脱酸剤として０．２〜０．６％程度添加される。
【００１８】
この鋼により少なくとも内輪・外輪の軌道輪を形成し、焼入れ後に３５０℃以上の高温で焼戻しして、表面残留オーステナイト量を完全に０％とする。この発明の転がり軸受においても、残留オーステナイトの分解に起因した圧痕は形成されないので、圧痕に起因する音響的振動も極めて低いレベルにまで抑制できる。そしてこの組成鋼によれば、通常の焼入れと３５０℃以上の焼戻しによっても、残留オーステナイト量の完全分解と同時に表面硬さＨＲＣ５７以上の確保との双方を実現できるので、転走面の耐摩耗性を維持して、軸受の転がり疲労寿命を確保するのである。
このようにして、この発明の転がり軸受も、第１発明と同様に音響劣化抵抗性と転がり疲労寿命に優れた軸受とすることができるのである。
【００１９】
上記第１の発明と第２の発明においては、転動体としての玉も、軌道輪と同様の鋼種により形成して同様の熱処理により、表面残留オーステナイト量を完全に０％とし且つ表面硬さをＨＲＣ５７以上としたものが利用可能である。これにより、玉の表面自体に形成される圧痕の形成が阻止でき、耐音響劣化抵抗性を高めることができる。
【００２０】
しかしながら、転動体としての玉は、鋼製でなくて、特に、セラミック製の玉を利用したものが好ましい。玉形成用のセラミック材料には、転がり軸受に通常使用されているものがそのまま採用されるが、例示すれば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニアなどがある。セラミック製の玉は、前述の如く転がり軸受を高温下に放置した場合でも、玉自体には軌道輪との接触による圧痕は全く形成されず、また、耐摩耗性にも優れている。
【００２１】
【実施例】
圧痕形成試験として、リング状平板にボールを押し付けて静止状態で加熱保持し、除荷後の平板に生成した圧痕の深さを測定する試験を行った。
【００２２】
試料のリング状平板は、常用のＳＵＪ２鋼（鋼Ａ）と、ＳＵＪ２鋼の含有Ｓｉを１．０％に増量した鋼（鋼Ｂ）とで、形成した。鋼Ａと鋼Ｂの化学組成は表１にまとめてある。
試料は、８５０℃×３０mim の加熱後油中焼入れした後に、１８０〜４００℃の温度範囲で１２０mim の焼戻しを行い、次いで精密研削し仕上げをした。試料の表面近傍の残留オーステナイト量をＸ線回折法により測定するとともに、リング状平板に対してボール（ＳＵＪ２鋼製鋼球、直径３／１６inch）を最大接触面圧１．６ＧＰａで加圧接触させて、この状態で９０℃の温度で１２０ｈ保持した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
圧痕形成試験の結果を図１〜２に示すが、図１の平板上の平均圧痕深さに及ぼす焼戻し温度の影響を見ると、焼戻し温度が高くなる程平均圧痕深さが小さくなり、焼戻し温度３００℃以上では、圧痕深さはほぼ０μｍとなり、圧痕が形成されない。図２の平均圧痕深さは、表面部の焼戻し後の残留オーステナイト量と直線関係があり、予め残留オーステナイト量を完全に０％としておくことにより、圧痕深さをほぼ０μｍとすることができる。
【００２５】
このように、圧痕は、焼戻し後に残留したオーステナイトが不安定で、この残留オーステナイトがボールの接触による圧力によって徐々に分解されて凹みに永久変形されて成るものであり、焼戻し温度を高くしてオーステナイトを完全に分解しておけば、圧痕は生じないことが判る。
【００２６】
次に、音響試験を行って、試験軸受の加熱保持前後の音響劣化特性を調べた。上記の鋼Ａ及び鋼Ｂを使用して内輪、外輪及び玉を形成した。焼入れ硬化処理には、下記の焼入れ処理と浸炭窒化処理を採用し、冷却後１５０〜４００℃の範囲で１２０min の焼戻しを行って研磨仕上げをし、軸受番号６９６の小型の玉軸受に組立てて試験軸受とした。
焼入れ処理は、８５０℃×０．５ｈの加熱後、油中急冷した。
浸炭窒化処理は、アンモニア１０％添加浸炭性ガス中で８５０℃４０min の浸炭窒化を行い、油中急冷した。
【００２７】
音響試験は、試験軸受２個を一定の面圧が負荷されるように組み込み、軸受単体のアキシャル方向振動速度を軸受の発する音響として測定した。振動測定に使用した測定器は、回転軸にアキシャル方向振動速度を測定する検出器が内蔵されており、軸受の内輪側面に測定器の回転軸を軽く押し当てて測定した。
測定条件は、玉と内輪・外輪との間の最大接触面圧を１．３ＧＰａとし、回転数は２２００ｒ．ｐ．ｍであり、測定周波数範囲は、３００〜６３００Ｈｚの可聴音域にある。
上記の玉軸受を、上記の測定方法・条件で、加熱前に音響測定を行い、次いで、９０℃に加熱して１２０ｈ静置保持した後に、再度音響試験を行って、それぞれ振動速度Ｖ (mm/sec) を測定した。
加熱後の測定振動速度Ｖh と加熱前との測定振動速度Ｖc との比Ｖh ／Ｖc を音響劣化量とし、デシベルで表示した( 20log[Ｖh/Ｖc]) 。
【００２８】
図３に音響試験の結果を示すが、焼戻し温度が高いほど音響劣化量が小さくなり、この傾向は、鋼Ａと鋼Ｂの鋼種や焼入れか浸炭窒化かの処理の違いによっても大差がないことが判る。
図３から、音響劣化量を０ｄＢ-aとするには、焼戻し温度を４００℃以上とするのが好ましいが、実用的には音響劣化量は６ｄＢ-a（加熱前後の測定振動速度の比が約２倍）程度でも充分効果があるので、焼戻し温度３５０℃以上とするのがよい。
【００２９】
上述の圧痕形成試験の結果（図１〜２）に示したように、焼戻し温度が高いほど残留オーステナイト量が少なくなり、これにより平均圧痕深さも小さくなるので、焼戻し温度が高いほど音響劣化量が小さくなるのは、残留オーステナイト量の分解によるものであることも判る。また、４００℃以上の焼戻しにより音響劣化量が０ｄＢ-aとなることから、高温焼戻しによるマルテンサイト組織の安定化も圧痕防止に寄与しているものと考えられる。
【００３０】
図４は、浸炭窒化処理をして後焼戻しを行った鋼Ａ及び鋼Ｃ（ＳＵＪ３鋼相当、表１に組成を示す）の焼戻し温度と表層部の浸炭窒化層の残留オーステナイト量との関係を示しているが、浸炭窒化処理品でも焼戻し温度３５０℃以上とすることで、表層部の残留オーステナイト量を完全に０％にすることができる。浸炭窒化処理を行うと、焼入れ後の浸炭窒化層は富化したＮによって芯部よりも残留オーステナイト量が増加し、また、鋼Ｃのように鋼中Ｍｎ含有量が高いと芯部も含め残留オーステナイト量も相対的に多くなるが、３５０℃以上の高温焼戻しによって浸炭窒化層の残留オーステナイトを完全に分解できて、音響劣化量を低いレベルに低減維持することが容易となるのである。
【００３１】
図５には、この軸受の転走面における硬さと焼戻し温度との関係を示したが、鋼Ａ（ＳＵＪ２鋼相当）の軸受の焼入れ品は焼戻し温度３００℃以上で急速に軟化して、ＨＲＣ５６以下となり軸受の長期使用では耐摩耗性が問題となる。これに対して、鋼Ｂの高Ｓｉとして焼入れした軸受は、Ｓｉにより焼戻し軟化に対する抵抗性を示すので、焼戻し温度３５０℃以上でも軟化の割合は小さく、ＨＲＣ５７程度を確保でき、しかも前述の如く、音響劣化量を小さくできるので、音響特性の維持と耐摩耗性ないし転がり疲労寿命の確保の点から優れている。
【００３２】
図５には、さらに、鋼Ａと鋼Ｂの浸炭窒化処理をした軸受の転走面における硬さと焼戻し温度との関係も示してあるが、両鋼種とも、焼戻し温度４００℃でも表面硬さはＨＲＣ５８以上を安定して確保できることが判る。そこで、浸炭窒化処理を採用すれば、鋼Ａと鋼Ｂいずれも焼戻し温度３５０℃以上にして上述の如く音響劣化量が少なく、しかも耐摩耗性を確保するに必要且つ充分な表面硬さを確保することができる。特に、焼戻し温度４００℃程度とすれば、転がり疲労寿命と共に高温保持による音響劣化が殆ど生じない優れた軸受とすることができる。
【００３３】
ＳＵＪ３相当の鋼Ｃについても、浸炭窒化処理後３５０℃以上の焼戻しにより、残留オーステナイトを０％にでき、音響劣化量が少なく、上記実施例ではデータを示していないが、ＳＵＪ２鋼と同様に耐摩耗性を確保するに充分な表面硬さに高くできることを確認している。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の転がり軸受は、少なくとも軌道輪を、焼入れ硬化処理後に３５０℃以上で焼戻しをして、表面残留オーステナイト量を０％とし、表面硬さをＨＲＣ５７以上としたので、耐音響劣化抵抗性に優れており、音響的な振動を嫌う情報処理機器に使用される軸受とすることができ、しかも、熱処理工程は従来通りで特段の処理工程を要しないから、製造コストも殆ど変わらず製造も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料であるリング状平板に鋼球を押しつけて９０℃×１２０ｈ静置保持した後の平板上の平均圧痕深さに及ぼす焼戻し温度の影響を示す図。
【図２】試料の平板の焼入れ・焼戻し後の残留オーステナイト量と平板上の平均圧痕深さとの関係を示す図。
【図３】転がり軸受の９０℃×１２０ｈ静置保持した後の音響測定試験の音響劣化量と焼戻し温度との関係を示す図。
【図４】浸炭窒化処理をした軸受鋼の浸炭窒化層の残留オーステナイト量と焼戻し温度との関係を示す図。
【図５】転がり軸受の転走面の表面硬さと焼戻し温度との関係を示す図。

Claims (2)

1. 内外の軌道輪と該軌道輪の間に介装される転動体の玉とからなる転がり軸受であって、且つ、情報処理機器に使用される回転スピンドル支承用軸受において、
   少なくとも軌道輪をＣ０．９５〜１．１０％と、Ｓｉ若しくはＡｌ単独で又はＳｉとＡｌとの総量で１．０〜２．０％と、Ｍｎ１．１５％以下と、Ｃｒ０．９０〜１．６０％とを含有する鋼から形成し、浸炭窒化焼入処理と３５０℃以上の焼き戻しにより、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を０％とし、表面硬さをＨＲＣ５７以上としたことを特徴とする耐音響劣化抵抗性に優れた転がり軸受。
2. 上記転動体が、セラミック製ボールである請求項１に記載の転がり軸受。

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