JP3588935B2 - 転がり軸受その他の転動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密機器，食品機械，半導体関連機器等に使用される転がり軸受やリニアガイド，ボールねじ等（以下、転動装置と総称する）の改良に関し、特に、その構成部品の材料組成を改善して転動装置の高機能化を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
精密機器，食品機械，半導体関連機器等においては、従来から、転がり軸受やリニアガイド（直動案内装置）やボールねじ等の各種の転動装置が使用されている。これらの転動装置は、その構成部品として外方部材と内方部材とその間を転動する転動体を備えており、転動体は外方部材の転動体への接触面である第１の接触面と内方部材の転動体への接触面である第２の接触面とに対して転動するように構成されている。より具体的に説明すると、ここでいう転動装置の外方部材とは、転がり軸受にあっては外輪、リニアガイドにあってはスライダ又は案内レール、ボールねじにあってはナットを指す。また、転動装置の内方部材とは、転がり軸受にあっては内輪、リニアガイドにあっては案内レール又はスライダ、ボールねじにあってはねじ軸を指す。
【０００３】
したがって、外方部材の転動体への接触面である第１の接触面及び内方部材の転動体への接触面である第２の接触面については、転がり軸受の場合は、外輪の軌道面が第１の接触面、内輪の軌道面が第２の接触面である。また、リニアガイドの場合は、スライダ（又は案内レール）の軌道溝が第１の接触面、案内レール（又はスライダ）の軌道溝が第２の接触面である。また、ボールねじの場合は、ナットのねじ溝が第１の接触面、ねじ軸のねじ溝が第２の接触面である。
【０００４】
一般に、転がり軸受その他の転動装置の転動体である玉ないしころ、及び外方部材や内方部材である内輪，外輪，スライダ，案内レール，ナット，ねじ軸等の材料として、軸受鋼であればＳＵＪ２が、肌焼鋼であればＳＣＲ４２０相当の鋼材等が使用されている。転がり軸受その他の転動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、その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、肌焼鋼は浸炭又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。
【０００５】
しかし、転がり軸受その他の転動装置は使用環境が多種多用であり、ＳＵＪ２やＳＣＲ４２０相当の鋼材を用いたものは、それらが水や海水の混入や湿潤その他の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。
【０００６】
そこで、特に発錆を避ける必要がある精密機器，食品機械等に使用される転がり軸受その他の転動装置にあっては、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としてマルテンサイト系のＳＵＳ４４０Ｃ等が従来より使用されている。
【０００７】
もっとも、このような水や海水の混入や湿潤等の腐食環境では、ＰＨが５〜９程度の比較的中性に近い水分が転動装置に付着するのが一般的であるが、なかには特別なケースとして弱酸溶液やハロゲン化物水溶液等の特殊な溶液あるいは蒸気中で転動装置が使用されることもある。特に、硫酸，塩酸等の還元性の酸の場合には、それらの酸が数％水中に含有されただけでもステンレス鋼の不働態皮膜（酸化皮膜）を侵して著しく腐食を進行させ、腐食寿命に至らしめることがあり、そのような場合には転動装置に硬質Ｃｒめっき処理やレイデント処理，フッ化レイデント処理等の表面処理を施して使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高Ｃｒステンレス鋼においては、Ｃ，Ｃｒの含有量が多いとき、例えばＣを０．６重量％を超えて含有すると多量のクロムとあいまって１０μｍを超える粗大な共晶炭化物が多数形成されるようになり、これらが疲労寿命，靱性，耐食性，加工性等を低下させるだけでなく、鍛造性，切削性等の加工性をも劣化させるという悪影響を及ぼすという問題点がある。
【０００９】
また、粗大な共晶炭化物の存在は、転がり軸受その他の転動装置の音響特性にも悪影響を及ぼすという問題点がある。音響特性とは転がり軸受その他の転動装置が作動中に発生する振動により生じる騒音の少なさを指すもので、工作機械や建設機械等ではそれほど問題にならないのであるが、例えばＨＤＤやＶＴＲ等のような振動を極度に嫌う精密機器に使用される比較的小型のステンレス製玉軸受等においては、音響特性が大きな問題となってくる。すなわち、転がり軸受その他の転動装置において発生する振動は、外方部材，内方部材，転動体の形状的な精度に大きく依存する。そのため、粗大な共晶炭化物が存在するような材料を使用した場合には、その粗大な共晶炭化物が転動装置の部品を仕上げ加工する際に目標となる精度達成に対する阻害要因となり、さらに転動装置使用中においても基地と共晶炭化物との間に摩耗差が生じて粗さ等の精度低下要因となり、その結果騒音が増大するとされている。なお、こうした音響特性の低下は、上述のように粗大な共晶炭化物に起因する場合の他に、残留オーステナイト量に起因する場合もある。
【００１０】
このように粗大共晶炭化物は、軸受その他の転動装置の音響特性を低下させるだけではなく、応力集中源となって疲労寿命をも低下させ、さらには靱性，耐食性等の劣化も招く。したがって、転動装置の構成部品の材料中のかような粗大共晶炭化物の存在は好ましくない。
【００１１】
又、転がり軸受その他の転動装置が潤滑不良下、例えば極端な場合、水中等で使用された場合には耐蝕性は当然必要であるが、寿命については耐磨耗性も特に重要となる。
【００１２】
一般のＳＵＳ４４０Ｃ等の材料から外方部材，内方部材及び転動体を構成した場合、これを水中のような苛酷な条件下で使用すると、外方部材の転動体への接触面である第１の接触面及び内方部材の転動体への接触面である第２の接触面と転動体との間に油膜が生じないため、転動体は外方部材，内方部材と直接接触する。そのため、転動装置の損傷形態は剥離寿命ではなく摩耗あるいは腐食による寿命（精度低下等）を示すようになる。
【００１３】
この著しい摩耗は、例えば転がり軸受に例をとると、転動体に窒化ケイ素等のセラミックスを用いることによって大きく低減できる。その場合、転動体のみにセラミックスを用いことにより、コストの上昇を最小限に抑えつつ機能を著しく向上させることが可能である。一般のＳＵＳ４４０Ｃ等の材料を軌道輪に用い、転動体にセラミックスを用いた場合、軌道輪及び転動体の全てをＳＵＳ４４０Ｃ材で構成したときよりも摩耗量は激減して長寿命化し、その寿命形態は摩耗，腐食を伴った剥離損傷を示す。しかし、セラミックスはほとんど弾性変形しないために、それと接触する軌道輪は転動体にステンレス鋼を用いた場合よりも高面圧を受け、内在する粗大な共晶炭化物が起点となって剥離損傷する。それゆえ、寿命に対する改善効果が不十分であった。また、ＳＵＳ４４０Ｃ材では耐食性が不十分であり、長期にわたって水中等の腐食環境下に曝された場合には共晶炭化物周辺のＣｒ欠乏層から腐食して発錆し、粗さ等の精度が低下して寿命が劣化し、その腐食が著しい場合には使用不能となるという問題点がある。
【００１４】
また一方で、ＨＤＤやＶＴＲ等の小型機器に組み込まれた玉軸受等の場合には、機器自体の可搬化により衝撃荷重が加えられる機会が増えている。この場合の玉軸受は小型のため比較的小さな衝撃荷重でも軌道輪が永久変形し、音響劣化や回転トルクむら等が生成して機器の性能劣化の原因となるという問題点がある。このような永久変形は、軌道輪を構成する鋼中に含まれる残留オーステナイトの降伏応力が低いために発生する。
【００１５】
その残留オーステナイト量は、ＳＵＪ２により軌道輪を構成した場合には２４０℃前後で焼戻しを行うことによりほぼ０％にすることができ、耐衝撃性を大きく向上させることが可能である。しかしながら、ＳＵＪ２は先にも述べたように十分な耐食性を備えていないという問題がある。
【００１６】
一方、耐食性を有するＳＵＳ４４０Ｃ等の一般のステンレス鋼により軌道輪を構成した場合については、焼入後、サブゼロ処理しても８〜１２重量％程度の残留オーステナイトが残り、さらにこれらの残留オーステナイトは軸受鋼の場合よりも安定化して、４００〜６００℃で焼戻しを行わなければほとんど分解しない。しかも、ＳＵＳ４４０Ｃを４００〜６００℃で焼戻しすることで残留オーステナイトは分解できても、硬度がＨＲＣ５５〜５７あるいはそれ以下まで軟化して転がり疲労寿命及び耐摩耗性等が低下し、結局、当該軌道輪を含んで構成される転がり軸受の寿命が短くなってしまうという問題点がある。
【００１７】
さらに、その焼戻し過程においては基地中のＣｒが炭化物として析出したりして、焼戻し温度が高くなるにつれて軟化するだけでなく、耐食性の著しい低下をきたすという問題点もある。
【００１８】
特開昭６１−１６３２４４号には、Ｃ，Ｃｒの含有量を低減することにより共晶炭化物の形成を抑制して、音響特性，疲労強度等を著しく改善したステンレス鋼製の転がり軸受が開示されている。しかし、寸法安定性や残留オーステナイト量に起因する耐衝撃性に関する事柄、高温焼戻し時の耐磨耗性，耐食性等については明示されていない。
【００１９】
以上指摘した転がり軸受における種々の問題点は、リニアガイドやボールねじなどのその他の転動装置の場合にも同様に生じうるものである。
そこで、本発明は、上記従来の転がり軸受その他の転動装置における各種の問題点に着目してなされたもので、優れた耐食性を有する材料組成における炭素と窒素との関係等を考慮することにより、疲労寿命及び耐磨耗性，耐食性，音響特性等に優れた転がり軸受その他の転動装置を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明の他の目的は、上記組成に特定元素を添加することにより、耐孔食性を改善し且つ焼戻し過程で２次硬化を生じて強度を一層高めた転がり軸受その他の転動装置を提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は、材料中の共晶炭化物，窒化物（炭窒化物）等の大きさを規制することにより、粗大共晶物に起因する転がり軸受その他の転動装置の音響特性や疲労寿命，靭性等の低下を排除し、もって優れた疲労寿命及び耐磨耗性，耐食性，音響特性，靭性等に優れた高機能の転がり軸受その他の転動装置を提供することにある。
【００２２】
また、本発明にあっては、水中等の潤滑不良環境下での摩耗や腐食による寿命低下という点に留意して、特に耐食性，疲労寿命に優れ、且つ耐摩耗性が良好な転がり軸受その他の転動装置を提供することをも本願の目的とする。
【００２３】
さらに、水中等の潤滑不良環境よりもっと厳しい還元性の酸やハロゲン化物等の特殊な腐食環境で使用される転動装置の場合に、従来採用されているレイデント処理等の表面処理はコストが非常に大きくなってしまうばかりでなく、転動体の運動で当該表面処理が脱落しやすくて耐久性も不十分であるという問題点がある。かといって、耐酸性の良好なＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６に代表されるオーステナイト系のステンレス鋼の採用については、硬さが不足して高面圧を受けるような転動装置には適用できない。本発明はこうした特殊な腐食環境においても従来のものより好適に使用できる転動装置を提供することも目的としている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、耐食性に悪影響を及ぼす鋼中の炭素濃度を低下させ、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て、窒素・炭素濃度が鋼の耐食性や高温焼戻し硬さ等に及ぼす影響について研究を行うとともに、その他の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、▲１▼粗大共晶炭化物の形成を抑制できて従来のステンレス鋼に比べて著しく耐食性が向上すること、▲２▼高温焼戻しした際に微細な窒化物（炭窒化物を含む）等が析出して２次硬化し、従来のステンレス鋼に見られるような軟化が抑制できて耐磨耗性，耐食性が向上すること、さらに▲３▼炭素含有量を０．５％未満とし、０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１となるように成分設計することにより、靭性，耐食性，寿命等に有害なδフェライト及び粗大な共晶炭化物の形成を抑制できることなどが判明し、本願発明をなすに至った。
【００２５】
上記の目的を達成する本発明に係る転がり軸受その他の転動装置は、外方部材と内方部材との間に転動体を配設し、転動体は外方部材の転動体への接触面である第１の接触面と内方部材の転動体への接触面である第２の接触面とに対して転動する転動装置において、前記外方部材、内方部材及び転動体の少なくとも一つが、
重量％でＣ；０．６％未満、Ｃｒ；１０．０％以上２２．０％以下、Ｍｎ；０．１％以上１．５％以下、Ｓｉ；０．１％以上２．０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．２％未満および残部Ｆｅおよび不可避成分を含有し、さらに
０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１且つ
Ｃ％＋Ｎ％≧０．４５％であるステンレス鋼からなる転がり軸受その他の転動装置（Ａ）である。
【００２６】
ここで、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ａ）の外方部材，内方部材及び転動体の少なくとも一つに用いられるステンレス鋼の合金組成は、上記合金組成に加えて、更に、選択的にＭｏ；３．０重量％以下、Ｖ；２．０重量％以下を含有するものとすることができる。
【００２７】
また、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ａ）の外方部材，内方部材及び転動体の少なくとも一つの構成材料が上述のステンレス鋼の合金組成を有すると共に、含有する共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下、焼入（サブゼロ処理）・焼戻し後の硬さがＨＲＣ５８以上であって、特に音響特性に優れ且つ疲労寿命及び耐食性等を兼ね備えているものとすることができる。
【００２８】
さらに、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ａ）は、外方部材，内方部材及び転動体の少なくとも一つの構成材料が上述のステンレス鋼に選択的にＭｏ；３．０重量％以下、Ｖ；２．０重量％以下を含有する合金組成を有すると共に、含有する共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下、焼入（サブゼロ処理）後に４００℃以上６００℃以下の温度で焼戻しされ、且つ焼戻し後の硬さがＨＲＣ５８以上であり、特に音響特性に優れ且つ疲労寿命及び耐摩耗性等を兼ね備えているものとすることができる。
【００２９】
またさらに本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ａ）は、外方部材，内方部材及び転動体の少なくとも一つの構成材料が以上のいずれかとされ、かつ残留オーステナイト（γ_Ｒ ）量を６体積％以下とし、特に音響特性，耐衝撃性等を兼ね備えたものとすることができる。
【００３０】
又、本願発明者らはこれらの鋼の熱処理特性を詳細に調査して、耐食性と熱処理特性あるいはミクロ組織等の相関について検討した。その結果、基地中の未固溶炭化物の大きさと量とを抑制することによって、優れた耐食性が得られることがわかった。
【００３１】
そこで、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置は、外方部材，内方部材及び転動体からなる転がり軸受において、当該外方部材，内方部材及び転動体の少なくとも一つが、重量％でＣ；０．５％未満、Ｃｒ；１０．０％以上１４．０％以下、更に好ましくはＭｎ；１．０％以下、Ｓｉ；２．０％以下、Ｍｏ；３．０％以下、Ｖ；２．０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．１４％以下を含有し、さらに（Ｃ＋Ｎ）％を０．４５％≦（Ｃ＋Ｎ）％≦０．６５となるように含有せしめたステンレス鋼からなる転がり軸受その他の転動装置（Ｂ）とすることができる。
【００３２】
また、この転がり軸受その他の転動装置（Ｂ）は、前記ステンレス鋼中に、焼入（サブゼロ）・焼戻後に内在する共晶炭化物及びその他未固溶炭化物がないか、もしくはその大きさが２μｍ以下、面積率で５％以下であり、特に音響特性，耐食性に優れることを特徴とするものとすることができる。
【００３３】
又、本願発明者らは、転動体にセラミックス、軌道輪等の外方部材，内方部材にステンレス鋼を用いたハイブリッド転動装置の苛酷潤滑・腐食環境下（水中）での寿命についても検討した。
【００３４】
その結果、転動体にセラミックス、軌道輪等の外方部材，内方部材にステンレス鋼を用いて転動装置を構成すると、オールステンレスで転動装置を構成したときよりも著しく摩耗量は減少して長寿命となり、更に、その寿命は共晶炭化物の大きさ，耐摩耗性等に強く依存することがわかった。
【００３５】
そこで、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置は、外方部材，内方部材の一方または両方が、重量％でＣ；０．５％未満、Ｃｒ；１０．０％以上２２．０％以下、Ｍｎ；０．１％以上１．５％以下、Ｓｉ；０．１％以上２．０％以下、Ｍｏ；３．０％以下、Ｖ；２．０％以下、Ｓ；０．０３０％以下、Ｐ；０．０３０％以下、Ｏ；１００ｐｐｍ以下、Ｎ；０．０５％以上０．２％未満を含有し、さらに０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１で、且つＣ％＋Ｎ％≧０．４５％となるように含有せしめたステンレス鋼からなり、転動体が窒化ケイ素，ジルコニア，炭化ケイ素等のセラミックス材料からなることを特徴とする転がり軸受その他の転動装置（Ｃ）とすることができる。
【００３６】
また、この転がり軸受その他の転動装置（Ｃ）は、外方部材，内方部材を構成するステンレス鋼が含有する共晶炭化物もしくは窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下、焼入（サブゼロ）・焼戻後の硬さがＨＲＣ５８以上であり、転動体が窒化ケイ素等のセラミックス材料からなるものとすることができる。
【００３７】
また、この転がり軸受その他の転動装置（Ｃ）の焼戻温度は、４００℃以上６００℃以下とすることができる。
又、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置は、更に、外方部材，内方部材及び転動体からなる転がり軸受その他の転動装置において、当該外方部材，内方部材の一方又は両方が、重量％でＣ；０．５％未満、Ｃｒ；１０．０％以上１４．０％以下、Ｍｎ；１．０％以下、Ｓｉ；２．０％以下、Ｍｏ；３．０％以下、Ｖ；２．０％以下、Ｓ；０．０３０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．１４％以下を含有し、さらに（Ｃ＋Ｎ）％を０．４５％≦（Ｃ＋Ｎ）％≦０．６５となるように含有せしめたステンレス鋼からなり、転動体が窒化ケイ素等のセラミックス材料からなることを特徴とする転がり軸受その他の転動装置（Ｄ）とすることができる。
【００３８】
この転がり軸受その他の転動装置（Ｄ）は、外方部材，内方部材を構成する前記ステンレス鋼が、焼入（サブゼロ）・焼戻後に内在する共晶炭化物及びその他未固溶炭化物がないか、もしくはその大きさが２μｍ以下、面積率で５％以下であるものとすることができる。
【００３９】
更に、本願発明者らは、転動寿命，音響特性，一般的な環境下での耐食性のみならず、硫酸，塩酸等の還元性酸及びハロゲン化物溶液中等の特殊な環境における耐食性をも向上させるべく検討を重ねた。その結果、合金成分中に適量のＮｉ及びＣｕを添加することによって、硫酸，塩酸等の還元性酸に対する耐食性が著しく向上し、且つ粗大な共晶炭化物もなく、良好な転動疲労特性および音響特性が得られ、従来よりも好適に使用できる特殊環境用の転がり軸受その他の転動装置を提供できることがわかった。
【００４０】
そこで、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置は、外方部材，内方部材及び転動体からなる転がり軸受その他の転動装置において、当該外方部材，内方部材及び転動体の少なくとも一つが、重量％でＣ；０．５％未満、Ｃｒ；１０．０％以上１６．０％以下、Ｍｎ；０．１％以上０．８％以下、Ｓｉ；０．１％以上２．０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．２％未満、Ｍｏ；３．０％以下、Ｖ；２．０％以下、Ｎｉ；０．５％以上３．５％以下、Ｃｕ；０．５％以上３．０％以下および残部Ｆｅ及び不可避成分を含有し、さらに０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１で、且つＣ％＋Ｎ％≧０．４５％、Ｎｉ％＋２．４Ｍｎ％＋０．３Ｃｕ％≦５．０であるステンレス鋼からなることを特徴とする転がり軸受その他の転動装置（Ｅ）とすることができる。
【００４１】
また、外方部材，内方部材の一方または両方を前記（Ｅ）のものとし、転動体を窒化ケイ素，ジルコニア，炭化ケイ素等のセラミックスでなるものとすることもできる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明の転がり軸受その他の転動装置の構造について、図面を参照して具体的に説明する。
【００４３】
図１は、本発明の転動装置の第１の実施形態である単列深溝玉軸受の部分断面図である。外方部材である外輪１と内方部材である内輪２との間に転動体である玉３が複数個配設され、玉３は保持器４で保持されている。この場合、外輪１の玉３への接触面である外輪の軌道面５が第１の接触面であり、内輪２の玉３への接触面である内輪の軌道面６が第２の接触面である。
【００４４】
なお、上記第１の実施形態では転がり軸受として開放形の単列深溝玉軸受を例示したが、本発明はシールド形，ゴムシール形等にも同様に適用でき、またその他のタイプの玉軸受にも適用可能であり、更には玉軸受とは限らずころ軸受に対しても適用可能である。
【００４５】
図２は、本発明の転動装置の第２の実施形態としての小型リニアガイドの一部を切り欠いて示す正面図である。横断面略角型の内方部材である案内レール１１の上に、外方部材である断面コ字形のスライダ１２が跨架されており、両部材の間に転動体である多数個の玉１３が配設されている。詳しくは、案内レール１１の両側面に軸方向に長い軌道溝１５が形成され、一方、スライダの構成部品のスライダの本体１２Ａには内側面に前記軌道溝１５に対向する軌道溝１６が形成され、この軌道溝１６に平行する貫通孔からなる転動体戻り路１７が袖部内に形成されている。そのスライダ本体１２Ａの両端にはスライダの構成部品のエンドキャップ１２Ｂがねじ１８でそれぞれ取り付けてあり、これらのエンドキャップ１２Ｂに前記軌道溝１６と転動体戻り路１７とを連通させる図示されない半ドーナツ状の湾曲路が形成され、軌道溝１６，転動体戻り路１７及び湾曲路からなる転動体１３の循環経路が構成される。その循環経路内に多数の転動体１３が装填されて脱落しないように保持されている。この場合は、外方部材１２の転動体１３への接触面である第１の接触面はスライダ１２の内側面の軌道溝１６であり、内方部材１１の転動体１３への接触面である第２の接触面は案内レール１１の外側面の軌道溝１５である。
【００４６】
なお、リニアガイドとしては、図２のタイプのものに限らず、リニアガイドの一方の側部に第１の接触面であるスライダ１２の内側面の軌道溝１６及び第２の接触面である案内レール１１の軌道溝１５がいずれも２本以上あるものや、転動体がころのものや、あるいは案内レールのほうが断面コ字型でその内面の凹部にスライダが転動体を介して移動自在に配設されたタイプのもの等にも同様に適用可能である。
【００４７】
図３は、本発明の転動装置の第３の実施形態としてのボールねじの要部の断面図で、螺旋状のねじ溝２１を外周面に有する内方部材としてのねじ軸２２に、外方部材であるナット２３が多数の玉からなる転動体２４を介して螺合されている。ナット２３はねじ軸２２のねじ溝２１に対応するねじ溝２５を内周面に有する。転動体２４は前記両ねじ溝２１，２５によって形成された螺旋状空間をねじ軸２２の回転方向に転動しつつナット２３の胴部に設けられた例えば循環駒などのようなボール循環路（図示せず）に導かれてナット２３の軸方向両端部間を循環移動する。そして、ねじ軸２２が回転すると、転動体２４の転動を介してナット２３がねじ軸２２に沿い直線方向に送られるように構成されている。
【００４８】
この場合は、外方部材２３が転動体２４に接触する第１の接触面はナット２３のねじ溝２５であり、内方部材２２が転動体２４とが接触する第２の接触面はねじ軸の外面のねじ溝２１である。
【００４９】
なお、ボールねじとしては、図３のタイプのものに限らず、転動体の循環チューブを用いたチューブ循環式あるいはエンドキャプに循環経路を設けたエンドキャップ循環式のもの等、その他のタイプにも同様に適用可能である。
【００５０】
次に、本発明の転がり軸受その他の転動装置に用いられる合金成分の作用及び成分範囲限定理由等について説明する。
［Ｃ］
Ｃは、基地をマルテンサイト化することにより焼入れ・焼戻し後の硬さを向上せしめて強度を増加させる元素であるが、耐食性の面からは少ないほど良い。多量に加えると製鋼時にＣｒが粗大な共晶炭化物を形成する。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。したがって、炭素含有量は０．６重量％未満とした。しかし、耐食性の観点からは０．５重量％未満、更に望ましくは０．４５重量％未満とする。
【００５１】
［Ｃｒ］
Ｃｒは鋼に耐食性を与える最も必要な元素であるが、１０．０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、必要以上に添加されるとδフェライトが生成して脆化し、靭性を劣化させるので上限を２２．０重量％とした。場合によっては、基地中のＣｒ濃度が高くなりすぎてＭｓ（マルテンサイト変態開始温度）を下げ、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１２．０重量％以上とすることが好ましい。
【００５２】
更に、炭素濃度によっては共晶炭化物が形成しやすくなる場合があるので、より好ましくは上限を１４重量％とする。特に、Ｎ添加量及び未固溶炭化物量に起因して、サブゼロを行っても残留オーステナイトγ_Ｒ が生じて焼入硬さが低下する場合には、望ましくは、耐食性を考慮して１１．５重量％以上、１３．５重量％以下とする。
【００５３】
また、Ｃｒは水中や湿潤等の一般腐食環境においてはその耐食性を著しく高めるのであるが、硫酸や塩酸等の還元性酸は不働態皮膜を侵す酸であり、場合によってはＣｒ含有量が多いものほど腐食されやすくなることがある。また、Ｃｒ含有量が多くなると素材の熱伝導率が小さくなり、研削性が低下する傾向にあり、素材のコストばかりか製造コストまでが上昇してしまう。これらの場合も上限を１３．５重量％とするのが望ましい。
【００５４】
以上の理由により、Ｃｒ含有量は１０．０重量％以上２２重量％以下好ましくは１１．５重量％以上、１３．５重量％以下とする。
［Ｍｎ］
Ｍｎは製鋼時の脱酸剤として必要な元素で０．１重量％以上添加されるが、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。なお、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、望ましい上限は０．８重量％である。また、窒素の添加量によっては残留オーステナイト量が著しく増加して十分な焼入れ硬さが得られなくなることがあり、好ましくは上限を０．５重量％とする。
【００５５】
［Ｓｉ］
ＳｉはＭｎと同じく製鋼時の脱酸剤として０．１重量％以上必要である。さらに焼戻し軟化抵抗性を高め、転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素であるが、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％好ましくは１．０重量％以下とする。
【００５６】
［Ｓ］
ＳはＭｎ等と介在物を形成して疲労強度を低下させ、さらには耐食性をも低下させるので、鋼中不純物としてなるべく少ないほうが良い。したがって、コストとの関係で０．０３０重量％以下に制限する。
【００５７】
［Ｐ］
Ｐは偏析しやすくＳと同様に疲労強度を低下させ、さらに耐食性を低下させるので、鋼中不純物としてなるべく少ないほうが良い。したがって、コストとの関係で０．０３０重量％以下に制限する。
【００５８】
［Ｏ］
Ｏは酸化物系介在物を形成して著しく疲労寿命を低下させ、さらに音響特性も低下させる傾向があるのでなるべく少ないほうが良い。したがって、コストとの関係で１００ｐｐｍ以下、更に、より長寿命とするには、好ましくは５０ｐｐｍ以下に制限する。
【００５９】
［Ｍｏ］
Ｍｏは焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を著しく増大させる作用がある。さらに耐孔食性を改善する作用もある。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％とする。
【００６０】
［Ｖ］
Ｖは強力な炭化物・窒化物生成元素であり、Ｃｒ炭化物，窒化物の形成を抑制すると共に、焼戻し過程で２次硬化を起こし、著しく強度を高める作用がある。しかし、多量に添加すると靭性，加工性を低下させるので、上限を２．０重量％とする。
【００６１】
［Ｎ］
ＮはＣと同様にマルテンサイトを強化して耐孔食性を向上させる作用があり、さらに粗大な１次共晶炭化物の形成を抑制するために０．０５重量％以上好ましくは０．０８重量％以上添加される。また、一般に、Ｖ，Ｍｏ，ＣｒあるいはＭｎ等の元素は窒素の溶解度を高めるが、通常の大気圧下での製鋼法では溶鋼中の窒素溶解度が小さいため、本発明鋼の成分範囲においては０．２重量％以上の窒素を添加することは難しい。０．２重量％以上の窒素を添加するためには高圧窒素雰囲気下での生産設備が必要になり、コスト高となるため好ましくない。また、大気圧下で多量の窒素を添加しようとすると、凝固過程で気泡が生じてインゴットに多量の気孔が導入されたり、窒素量によっては（０．２重量％以上）多量の残留オーステナイトが生成して焼入硬さが低下したりして軸受寿命のバラツキを生ずることもあるため、Ｎ含有量の範囲は０．０５重量％以上好ましくは０．０８重量％以上、且つ望ましくは０．１４もしくは０．１５重量％以下とする。
【００６２】
［Ｎｉ］
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、靭性を向上させ、さらに耐食性，耐酸性を向上させる作用があるため、０．０５重量％以上、より好ましくは０．５重量％以上添加される。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れ硬さが得られなくなることがあるので、上限を３．５重量％とした。特に、転動装置が酸を含む環境で使用される場合に添加すると有効である。
【００６３】
［Ｃｕ］
ＣｕもＮｉと同様に若干のオーステナイト安定化作用をもつ元素であり、δフェライトの生成を抑え、さらに耐食性，耐酸性を向上させる作用があるため０．０５重量％以上、より好ましくは０．５重量％以上添加される。しかし、多量に添加すると、転動装置の製造工程で必要とされる熱間鍛造工程において熱間割れが生じる場合があるので上限を３．０重量％とした。特に、転動装置が酸を含む環境で使用される場合に添加すると有効である。
【００６４】
［Ｎｉ％＋２．４Ｍｎ％＋０．３Ｃｕ％≦５．０］
Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕはいずれもオーステナイト安定化元素であり、オーステナイト領域を拡大したり、Ｍｓ点を下げてマルテンサイト変態を起こしにくくする作用があり、それらの含有量が多くなりすぎると残留オーステナイト量が増加して転動疲労に耐えるだけの十分な硬さが得られなくなる。そのため、総含有量を
Ｎｉ％＋２．４Ｍｎ％＋０．３Ｃｕ％≦５．０を満足する範囲とした。
【００６５】
ここで、炭素を窒素に置き換える本願発明の意味の一つは次の通りである。
高温焼戻し（４００〜６００℃）して２次析出硬化する際に、炭化物のみのマルテンサイト系ステンレス鋼（例えばＧ，Ｈ鋼）では、Ｍ_２３Ｃ_６ なる微細な金属炭化物を例にとると、炭素１原子に対し金属Ｍ（例えばＣｒ、Ｍｏ，Ｖなども同じ）の方は約４原子が基地から奪われる。これに対して本発明では炭素の一部を窒素に置き換え固溶させるので、（炭）窒化物がＣｒＮ，Ｃｒ_２ Ｎ（Ｖ，Ｍｏでも同じ）となり、窒素Ｎの１原子に対して金属のＣｒは１〜２原子となる。すなわち炭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Ｃｒの量が減少し、その分、軸受の耐食性が向上するのである。加えて、窒（炭）化物は耐食性が炭化物のみより大である。
【００６６】
［Ｃ＋Ｎ］
マルテンサイト強化及び２次硬化によってＨＲＣ５８以上の表面硬度を得るためには、Ｃ＋Ｎが０．４５重量％以上必要である。
【００６７】
また、炭素，窒素あるいはＣｒ濃度によっては多量の残留｀オ−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。したがって、炭素＋窒素の総含有量は好ましくは０．６５％以下に制限される。
【００６８】
また、この成分範囲内であれば、粗大な共晶炭化物が生成したり、フェライトが生成して靭性を低下させることもない。
［含有する共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下、焼入れ、サブゼロ処理、及び焼戻し後の硬さがＨＲＣ５８以上］
製鋼時の凝固過程で形成される共晶炭化物は長径２０μｍ以上であると、仕上げ加工する際に目標となる面粗さ等の精度達成が困難であること、及び回転作動中に炭化物と基地の間に摩耗差が生じることから、音響特性が低下する（図５）。またその効果を発揮させるためには、望ましくは３μｍ未満とする。また、この粗大共晶炭化物等が応力集中源となることから、疲労寿命，靱性等を低下させ、さらには基地中のＣｒ濃度が不足して耐食性が低下する。本発明の転がり軸受の内輪，外輪，転動体のうち少なくとも一つを構成する鋼は炭素含有量が低く、窒素を含有しているために、共晶炭化物が粗大化しないか、あるいは全く生じないで、微細な２次炭化物あるいは窒化物等が析出して強度を高める。
【００６９】
また、共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下であっても、焼入れ（サブゼロ処理），焼戻し後の硬さがＨＲＣ５８以上でないと十分な疲労強度が得られない。
【００７０】
しかして、上記の条件を満たして得られる音響特性，疲労寿命，耐食性，耐摩耗性等を兼備した転がり軸受を、比較的高温な環境で使用する場合があり得る。そのような場合の条件とその臨界的意義は、次の通りである。
【００７１】
［含有する共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下、焼入れ及びサブゼロ処理後、４００℃以上６００℃以下の温度で焼戻されて、かつ焼戻し後の硬さがＨＲＣ５８以上］
含有する共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下である理由は、前記内容と同様であるが、軸受が比較的高温で使用される場合は寸法安定性を考慮して使用温度よりも高い温度で焼戻される。従来のステンレス鋼であると焼戻し温度が高くなると次第に軟化して、疲労強度が低下し、耐磨耗性が劣化する。しかし、本発明の転がり軸受に用いる鋼は２次硬化に作用する元素としてＮあるいはＭｏ，Ｖ等を含有している。そのため、焼戻し温度が４００℃以上６００℃以下であれば、微細な窒化物（炭窒化物）が析出してＨＲＣ５８以上の硬度が維持され、高い耐摩耗性が得られるのである。より好ましい硬度ＨＲＣ６０以上とするには、焼戻し温度は４５０℃〜５２５℃が望ましい。
【００７２】
更に、［共晶炭化物及びその他未固溶炭化物がないか又はその大きさが２μｍ以下、面積率で５％以下］とする理由は次の通りである。
基地中に粗大な炭化物が存在するとその近傍ではＣｒが欠乏して局部腐食を受けやすくなる。特に、製鋼時の凝固過程で生成する共晶炭化物は粗大化しやすく、その後の熱処理では基地中に溶け難く、耐食性においては著しく有害である。また、その大きさが長径で５μｍを超えると疲労寿命にも悪影響を及ぼすようになるので、その存在は好ましくない。また、共晶炭化物が存在しないような場合であっても、その他に２次的に析出した未固溶炭化物が存在するが、それら共晶炭化物及びその他未固溶炭化物の大きさが２μｍを超えると著しく耐局部腐食性が低下するのでそれらの大きさを２μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以下に限定する。
【００７３】
また、炭化物が微細であってもその量が面積率で５％を超えると不働態化特性が著しく低下するため、その量を面積率で５％以下、好ましくは３％以下に限定する。
【００７４】
［残留オ−ステナイトγ_Ｒ ］
音響特性は一般に共晶炭化物の大きさ等に大きく影響されるが、一方で、γ_Ｒ が多いと衝撃荷重あるいはγ_Ｒ 分解等による精度低下に起因して音響特性が劣化する。特に音響特性が重視される用途で使用される軸受の場合では、γ_Ｒ を６体積％以下とすることによって、耐衝撃性が著しく向上し、音響劣化を防止できる。その効果を十分に発揮するためには望ましくは４体積％以下とする。
【００７５】
［転動体；セラミックス材料］
転動体、または軌道輪の一方にセラミックス材料を用いることにより、潤滑不良における磨耗を低減でき、さらに、高速化にも対応できる。また、セラミックスは金属材料に比べて耐食性が著しく良好な上に、絶縁体であるため異種金属との接触によるガルバニ腐食も抑制できる。しかし、セラミックスは強度、コストの面で軌道輪に用いるのは好ましくない。したがって、転動体のみにセラミックスを用いることができる。しかし、転動体にセラミックスを用いる場合には、セラミックスはほとんど弾性変形しないため、転動体に金属材料を用いた場合よりも軌道輪は高面圧を受ける。軌道輪にＳＵＳ４４０Ｃ等に見られるような粗大な共晶炭化物が存在すると、潤滑不良下、特に水中等で使用される場合には、粗大な共晶炭化物において応力集中して、表面疲労の剥離が生じる。
【００７６】
本願発明鋼は応力集中源となる粗大な炭化物が存在しないので、転動体にセラミックスを用いても良好な寿命が得られ、さらに耐磨耗性、耐食性も良好であるため、腐食環境・潤滑不良下、例えば、水中等で使用されるような転がり軸受の適用に好ましい。
【００７７】
［Ｃ量とＣｒ，Ｎ量との関係］
Ｃｒ含有量が高く、炭素含有量が低い場合には、δフェライトが生成して靭性を著しく低下させるのであるが、窒素添加によってδフェライトが生成する炭素濃度は低くなる。炭素濃度の下限をＣ％≧０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９とすることによってδフェライトの生成を抑制できる。
【００７８】
また、炭素濃度の上限をＣ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１に限定しないと、２０μｍ以上の粗大な１次共晶炭化物が生成して、音響特性，疲労寿命を低下させる（図５）。
【００７９】
なお、Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１であっても、製鋼時の凝固速度等の影響で１次共晶炭化物が５〜２０μｍ程度あるいはそれ以上に粗大化する場合もたびたび見られるが、本発明の転がり軸受に使用するステンレス鋼にあっては、共晶炭化物の粗大化を抑制する窒素を含有しているので、Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１を満足すれば２０μｍ以上には粗大化しないか、あるいは全く共晶炭化物が生じないで微細な２次炭化物もしくは窒化物が析出して強度を高める。
【００８０】
図４−ａ及び図４−ｂは、炭素ＣおよびクロムＣｒに関して本願発明に係る領域を示すもので、特に図４−ｂは炭素量の上限を０．５重量％とした、より好ましい態様の場合を示している。いずれの場合も、既に述べたＣ及びＣｒの上，下限値に加え、ここで述べているＣとＣｒ及びＮとの関係式によって規定される。即ち図４−ａ，図４−ｂ中の直線Ｉ はＣ％＝−０．０５Ｃｒ％＋１．４１を表し、直線Ｉ より上側では共晶炭化物が粗大化し、直線Ｉ およびその下側では共晶炭化物の粗大化が抑制される。また、図４−ａ，図４−ｂ中の直線ＩＩはＣ％＝０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９〔但し、図ではＮ＝０．２重量％の場合を示している。本発明のＮの範囲は０．０５〜０．２重量％未満であるから、Ｎ量により、この範囲内で直線ＩＩは変化する（Ｎ量の低下に伴い図より上側に平行にずれる）。〕を表し、直線ＩＩより下側ではδフェライトが生成され、直線ＩＩ上及びこれより上側ではδフェライトの生成が抑制される。
【００８１】
以上をまとめると、本発明の転がり軸受の内輪，外輪，転動体のうち少なくとも一つのＣ及びＣｒのとり得る範囲は、（Ｎが上限値の場合で）図４−ａの網目模様入りの領域で表されるということになる。更に、耐食性の観点から、より望ましくは図４−ｂの網目模様入りの領域で表される範囲となる。
【００８２】
Ｃについては、耐食性の点から図９のように０．４５重量％未満とすることで、より安定した好耐食性が得られる。
（実施例）
次に、本発明に係る発明の実施例を説明する。
【００８３】
先ず、本発明の転がり軸受その他の転動装置（Ａ）の実施例で用いた鋼Ａ〜Ｇ及び比較例の鋼Ｈ〜Ｍの合金成分を表１に示す。
【００８４】
【表１】

また、熱処理条件は加熱温度を１０２０℃〜１０８０℃とし、６０℃の焼入油中に焼入れ後、直ちに−８０℃×１時間のサブゼロ処理を行い、１８０〜２２０℃×２時間または４８０〜５２０℃×２時間×２回の焼戻しを行った。表１における比較例のＫ鋼は０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％を満足しておらず、δフェライトの生成が認められたので、その後の評価は行わなかった。
【００８５】
表１の各鋼種の供試材から採取した試験片について行った熱処理品質及び塩水噴霧，孔食電位測定による耐食性評価の結果、並びに音響試験，耐摩耗性，疲労寿命評価の結果を、表２に示す。
【００８６】
【表２】

さらに、図６に、実施例と比較例とのアノード分極曲線測定結果を示した。塩水噴霧試験は、ＪＩＳ規格Ｚ２３７１に準拠し、温度３５℃で５％ＮａＣｌ溶液を用いて行い、試験時間５０時間後の試験片の外観で判定した。表２中、◎は全く発錆しなかったもの、○は僅かに発錆が見られたもの、△はほぼ全面で発錆したもの、×は著しく発錆したものを表す。
【００８７】
また、孔食電位測定は、ＪＩＳ規格Ｇ０５７７に準拠して行った。まず研磨紙で８００番まで研磨した試験片を６０℃の３０％ＨＮＯ３ 溶液中に１時間浸漬して不働態化処理し、その後３０℃，３．５％ＮａＣｌ溶液中で電位掃引速度２０ｍＶ／ｍｉｎで掃引し、アノード電流密度が１００μＡ／ｃｍ２ に達したときのｍＶｖｓＳＣＥで評価した。
【００８８】
アノード分極曲線測定はＪＩＳ規格Ｇ０５７９に準拠して行い、研磨紙で１２００番まで研磨した試験片を３０℃の５％Ｈ２ ＳＯ４ 溶液中でカソード処理した後、スイープ速度２０ｍＶ／ｍｉｎで１２００ｍＶｖｓＳＣＥまで測定した。
【００８９】
摩耗試験は、図７に示す２円筒摩耗試験機を用いて以下の条件で行った。この摩耗試験機は、上下に対向させた一対の円筒１０にそれぞれ試験片Ｓを装着して、上から荷重Ｐを負荷しながら互いに接触状態で逆方向に低速で回転させて両試験片Ｓの磨耗率（ｇ／ｍ）の平均値を求めるものである。なお、相手材はすべて同一材で評価した。
【００９０】
荷重 ：５０ｋｇｆ
回転数 ：２００ｒｐｍ
すべり率：３０％
潤滑 ：Ｓ１０
寿命試験は、森式スラスト転がり寿命試験機を用い、以下の試験条件で行った。
【００９１】
面圧 ：４９００ＭＰａ
回転数 ：１０００ｒｐｍ
潤滑油 ：６８番タービン油
音響特性は、表１の鋼種を用いて製作した転がり軸受（６２５）を被検体とし、図８に示すようなＨＤＤスピンドルモータに予圧をかけた状態で組み込んで回転試験を行い、初期アンデロン値（ハイバンド）の測定を行って評価した。図８において、外輪１と内輪２と転動体としての玉３とを備えた被検体の転がり軸受Ｗは、外輪１をモータスリーブ７に、内輪２をモータ軸８にそれぞれ嵌合して装着される。モータ部９の回転駆動力で転がり軸受Ｗを介してモータ軸８を回転させる。この場合の、転がり軸受Ｗは内輪回転で駆動される。
【００９２】
また、衝撃荷重による音響劣化度合いを測定するために、上記スピンドルモータをそれごと落下させて１０ｋｇの衝撃荷重を加えて、同様の回転試験を行い、初期アンデロン値（ハイバンド）の測定を行った。
【００９３】
図９，図１０に、炭素，窒素濃度と耐食性との関係を示した。図９から、転動装置を構成する合金組成中の炭素濃度が多くなると次第に転動装置の耐食性は低下する。そして、０．６重量％以上となると共晶炭化物の形成が促進されて耐食性は急激に著しい低下を示すことが明らかである。一方、図１０から、転動装置の合金組成に窒素を０．０５重量％以上含有させてあると、炭素含有量の低下との相乗効果により耐食性が飛躍的に向上することが明らかである。また、窒素を添加しても、炭素含有量が０．５重量％以上であると耐食性が改善されない。本発明の転がり軸受その他の転動装置にあっては、表１に示されるように（実施例Ａ〜Ｇ）、その合金成分の炭素濃度が０．６重量％未満であり、さらに窒素濃度が０．０５〜０．２重量％未満の範囲内で添加されているから、特に鋼種Ａ〜Ｆのものでは孔食電位測定，塩水噴霧による耐食性評価の結果（表２の試験片Ｎｏ．１〜１０）に示される通り耐食性は著しく良好または良好である。但し、試験片Ｎｏ．１１及び１２は、Ｃが０．５重量％であり寿命は良いが、鋼種Ａ〜Ｆに比べると耐食性がやや劣っている。従って、特に耐食性が重視される場合では、炭素濃度は、より好ましくは０．５重量％未満（さらに好ましくは０．４５重量％未満）とする。窒素を含有しない比較例Ｈ，Ｉ，Ｌの鋼種のもの（表２の試験片Ｎｏ．１３〜１６及び１８）は、低い耐食性を示している。
【００９４】
また、実施例の場合は、高温焼戻し後においても良好な耐食性を示した（表２の実施例における試験片Ｎｏ．４，６，８，１０）。これに対して比較例のものは高温で焼戻しすることにより耐食性が一層低下し、塩水噴霧試験においても著しい発錆が認められた（表２の比較例における試験片Ｎｏ．１４，１６）。
【００９５】
図１１は、実施例の鋼種Ｃ及びＥと比較例の鋼種Ｈにおける、焼戻し温度と硬さとの関係をプロットしてグラフに表したものである。比較例の鋼種Ｈでは焼戻し温度が高くなると次第に軟化するのに対して、実施例の鋼種Ｃ及びＥの場合には２次硬化するため５００℃で焼戻ししても硬さＨＲＣ５８以上を保持している。
【００９６】
さらに、表２からも明らかなように、実施例のＮｏ．８では２次硬化により硬くて微細な窒化物（炭窒化物）等が析出するために、摩耗率が比較例のＮｏ．１４の１．１２に対して０．２２とおよそ１／５になり、耐磨耗性が格段に高くなっている。なお、図１２に示すように、実施例の鋼種におけるこれらの窒化物等は熱的に安定であるために、高温における硬さも比較例の鋼種より高いという結果が得られた。
【００９７】
音響特性についてみると、実施例の場合はＣ含有量の下限値がＣ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１を満足しているため、粗大な共晶炭化物等がなく、ほとんどの場合において長径３μｍ以下の微細な炭化物あるいは窒化物（炭窒化物）を形成しており、音響特性が著しく良好である。
【００９８】
寿命については、図１３に炭素含有量と窒素含有量との和Ｃ＋Ｎと寿命との関係を示す。すなわち、Ｃ＋Ｎが０．４５重量％以下であると、その固溶量が不足して寿命が低下し、また、Ｃ＋Ｎが０．７〜０．８重量％以上では共晶炭化物の粗大化あるいは残留オーステナイト量の増大等によって寿命が低下した。
【００９９】
比較例の個々の試験片についての評価は以下の通りである。
比較例Ｎｏ．１３はＣ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１を満足しているが、窒素が含有されていないために、共晶炭化物は実施例の鋼種よりもやや粗大化して十分な耐食性が得られない。
【０１００】
比較例Ｎｏ．１４は同Ｎｏ．１３と同じ鋼種のものを高温で焼戻しした場合の例であるが、硬さ，耐磨耗性，寿命が低下したうえに耐食性も劣化した。
比較例Ｎｏ．１５は、従来の鋼種であるＳＵＳ４４０Ｃの例であるが、Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１を満足していないため、粗大な共晶炭化物が形成されて疲労寿命が著しく低下している。
【０１０１】
比較例Ｎｏ．１６は、ＳＵＳ４４０Ｃを高温焼戻しした場合の例であるが、比比較Ｎｏ．１４と同じく、硬さ，耐磨耗性，寿命が低下したうえに耐食性も劣化している。
【０１０２】
比較例Ｎｏ．１７は、窒素を含有してはいるが炭素濃度が低く、炭素＋窒素の総含有量が０．４５重量％に満たない場合の例であり、良好な耐食性は有しているものの炭素＋窒素の固溶量が不足して十分な硬度が得られず、疲労寿命が低下している。
【０１０３】
以上の評価に対して、実施例の場合は、図６のアノード分極曲線に示されるように、比較例のものに比べて著しく良好な耐食性を有しており、高温で焼戻しされた場合（実施例の試験片Ｎｏ．４，６，８，１０）でさえ良好な耐食性を保持している。
【０１０４】
続いて、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ｂ）の実施例を説明する。
本発明の転がり軸受その他の転動装置（Ｂ）の実施例で用いた鋼Ｎ〜Ｒ及び比較例の鋼Ｓ〜Ｖの合金成分を表３に示す。
【０１０５】
【表３】

また、熱処理条件は加熱温度を１０００℃〜１１２０℃とし、６０℃の焼入油中に焼入れ後、直ちに−１９０℃×２０分間のサブゼロ処理を行い、１６０〜２２０℃×２時間または４８０〜５２０℃×２時間×２回の焼戻しを行った。
【０１０６】
表４に、それらの供試片の熱処理品質及び塩水噴霧試験，孔食電位測定による耐食性評価の結果、並びに音響試験，疲労寿命評価の結果を示した。
【０１０７】
【表４】

表４中の「未固溶炭化物、５％平均（μｍ）」は、次の方法で求めた。
走査型電子顕微鏡（例えば倍率３０００倍）の１視野内の写真を撮り、写真にある未固溶炭化物をランダムに１００個抽出し、それらを画像解析処理して未固溶炭化物の長径（ａ）と短径（ｂ）との平均粒径１／２（ａ＋ｂ）を求めてその平均粒径を大きい順に並べ、１００個の内の５％つまり５個の未固溶炭化物の平均粒径値を次式（１）で求めた。
【０１０８】
【数１】

なお、上記のように走査型電子顕微鏡を用いる他に、光学顕微鏡画像解析装置で自動的に算出して求めることもできる。
【０１０９】
塩水噴霧試験は、上記と同様にＪＩＳ規格Ｚ２３７１に準拠して行い、試験時間１００時間後の試験片の外観で判定した。表４中、◎は全く発錆しなかったもの、○は僅かに発錆が見られたもの、×は著しい発錆が見られたものを表す。
【０１１０】
また、孔食電位測定はＪＩＳ規格Ｇ０５７７に準拠し、アノード分極曲線測定はＪＩＳ規格Ｇ０５７９に準拠してそれぞれ上記と同様の方法に依った。
音響試験も上記と全く同様に、図８に示すＨＤＤスピンドルモータを用いて行った。
【０１１１】
寿命試験もまた上記同様、森式スラスト転がり寿命試験機を用いて同一試験条件で行った。
図１４に、未固溶炭化物の大きさ及び面積率と塩水噴霧試験の評価結果の関係を示した。本実施例の転がり軸受（Ｂ）に係る鋼は、未固溶炭化物の大きさが２μｍ以下であり、その量も面積率で５％以下であるから、塩水噴霧試験で良好な耐食性を示した。比較例は窒素が添加されていないか、もしくは未固溶炭化物の大きさが２μｍ以上あるいはその量が面積率で５％以上であるため、耐食性が本実施例のものに比べて劣っている。
【０１１２】
すなわち、局部腐食の起点となる粗大化した炭化物や偏析等をできるだけ低減させて、均一なマルテンサイト組織を得ることによって、その合金組成が本来備えている耐食性を発揮することが可能になると考えられる。本実施例は未固溶炭化物の平均粒子径が２μｍ以下、面積率が５％以下であり、すべてにおいて高い硬度と耐食性を有し、音響特性や寿命においても良好な結果を示した。さらに、残留オーステナイトを分解するために５００℃程度の高温で焼戻しても高い耐食性を維持し続け、焼戻過程で窒素の効果により２次硬化するため、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼に見られるような硬度低下も抑制できる。
【０１１３】
比較例Ｎｏ．Ｂ−１０〜１２は窒素添加してはいるが、未固溶炭化物の大きさあるいは量が大きいために本実施例の鋼に比較してやや耐食性が劣っている。
比較例Ｎｏ．Ｂ−１３〜１４はＮｏ．１０〜１２に比べて高温で焼入した場合の例であるが、Ｃｒ含有量とＮ含有量が多いために基地中のＭｓ点が下がり、多量の残留オーステナイトが生じて硬さ及び寿命が低下した。
【０１１４】
比較例Ｎｏ．Ｂ−１５は従来のマルテンサイト系ステンレス鋼の例であるが、窒素が含有されていないため著しく耐食性が劣っている。さらに炭化物も窒素を添加した場合に比べて粗大化して、最大長径で２３μｍもの共晶炭化物が生成して疲労寿命が劣化した。
【０１１５】
以上説明したように、本発明の転がり軸受その他の転動装置（Ｂ）に係る発明は、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも寿命，音響特性等に優れる転がり軸受その他の転動装置、特に耐食性が良好な転がり軸受その他の転動装置を提供するものである。
【０１１６】
更に続いて、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ｃ）ないし転がり軸受その他の転動装置（Ｄ）の実施例を説明する。
この実施例において転動装置である転がり軸受を構成する軌道輪に用いた鋼は、さきに述べた実施例で用いた表１〜表４の中から選定した。一方、転動体の材料はセラミックスの窒化ケイ素を用いた。
【０１１７】
表５に示すような組み合わせの実施例と比較例とについて、水中寿命試験を行って性能を比較した。表５で、軌道輪の試験片Ｎｏ．の欄の記号は、表２，表３の試験片Ｎｏ．と対応している。
【０１１８】
【表５】

水中寿命試験は、図１５に示すような水中スラスト寿命試験機を用い、スラスト転がり軸受Ｗｓを被試験体として水中に保持し、水道水をオーバーフローさせながら行った。図１５において、外輪１ｓ，内輪２ｓ，転動体としての玉３ｓ，保持器４ｓを備えた被検体の転がり軸受Ｗｓは、外輪１ｓを固定支持し、内輪２ｓを回転軸Ｊにより回転させた。
【０１１９】
寿命判定は、加速度ピックアップにより検出した振動レベルが初期値の５倍程度に達した時点を軸受寿命とした。
以下に、水中スラスト寿命試験条件を示す。
【０１２０】

試験結果を表５に示した。また、図１６に、摩耗速度と寿命との関係を示した。図１６中の摩耗速度（横軸）は、内輪，外輪の一つの軌道輪に対し、その６箇所（非剥離部）の寸法変化量を測定して平均値を求め、その値を摩耗量として寿命時間で除したものである。
【０１２１】
表５及び図１６より明らかなように、水中寿命試験においては、軌道輪及び転動体の両方共ステンレス鋼を用いたオールステンレスの軸受の場合は全て短寿命であった。これは、先にも述べたように、水中などのように著しく潤滑条件が厳しい場合には、軌道輪と転動体とが直接接触して著しい摩耗が生じるためであり、その破損形態はすべて摩耗損傷であって、剥離損傷ではなかった。すなわち、オールステンレス軸受の寿命は耐摩耗性に強く依存し、本願発明鋼の高温焼戻したものがやや長寿命であったが、その他は比較鋼との間に明瞭な差が認められない。
【０１２２】
これに対し、軌道輪に本発明のステンレス鋼を、転動体にはセラミックスを用いてハイブリッド化した実施例の軸受にあっては、著しく摩耗が抑制されて長寿命化することが認められる。特に、２円筒摩耗試験の結果が良好な耐摩耗性を示したＮｏ．４，Ｎｏ．Ｂ−８，Ｎｏ．Ｂ−９，Ｎｏ．１０で軌道輪を構成した各実施例において更に長寿命となる傾向にある。
【０１２３】
しかし、同じくハイブリッド軸受ではあっても、軌道輪を比較例Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１５，Ｎｏ．１８としたものでは、転動体にセラミックスを用いることで摩耗は低減できるが、破損形態が摩耗損傷から剥離損傷へと変化したため寿命が改善されなかった。これは、ハイブリッド化によって軌道輪が受ける面圧が大きくなったことと、軌道輪を比較例Ｎｏ．１３，Ｎｏ．１５，Ｎｏ．１８としたものでは、鋼中に長径５μｍ以上の粗大な共晶炭化物が内在し、それらの粗大炭化物が応力集中源として作用したためであると考えられる。
【０１２４】
したがって、潤滑不良下、特に水中等の潤滑不良・腐食環境下において使用される転がり軸受においては、金属／金属接触を避けるために、転動体にセラミックスを用い、さらに軌道輪として用いる材料は応力集中源となるような粗大な炭化物がなく、耐食性，耐摩耗性が良好なステンレス材料であることが要求されるといえる。
【０１２５】
なお、上記の転がり軸受その他の転動装置（Ｃ），（Ｄ）の説明では、実施例として転動体にセラミックスを用いた転がり軸受を取り上げたが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、リニアガイドやボールねじ等のその他の転動装置において転動体にセラミックスを使用した場合をも包含するものである。
【０１２６】
以上の説明から、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ｃ），（Ｄ）によれば、腐食環境下、特に水中等のような潤滑不良が予期されるような環境で使用される場合でさえ、耐食性，耐摩耗性，寿命等が良好で十分に機能を発揮することが可能になるといえる。
【０１２７】
続けて、本発明に係る転がり軸受その他の転動装置（Ｅ）の実施例を説明する。
この実施例に用いた供試材Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒ，Ｅ，Ｑ，Ｐ及び比較例の鋼Ｈ，Ｉ，Ｍ，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’の各合金成分を表６に示す。
【０１２８】
【表６】

なお、この表６中の実施例−２の欄に示した合金記号Ｒ，Ｅ，Ｑ，Ｐは前出の表１の実施例の欄に示した記号Ｅ及び表３の実施例の欄に示した記号Ｒ，Ｑ，Ｐの各記号にそれぞれ対応しており、これら４種は表１，表３では省略したが、微量のＮｉとＣｕを含んでおり、表６ではＮｉとＣｕとも併せて示している。
【０１２９】
また、この表中の比較例の欄に示した合金記号Ｈ，Ｉ，Ｍは表１に示した合金記号と同一（組成）のものである。
これらの各鋼種の供試材を用いた試験片に対して次の条件で熱処理を施した後、塩水噴霧試験，硫酸及び塩酸浸漬試験，臭化リチウム溶液浸漬試験を行った。熱処理条件は、加熱温度を１０００℃〜１０６０℃とし、６０℃の焼入油中に焼入れ後、直ちに−８０℃×１時間のサブゼロ処理を行い、１６０〜２２０℃×２時間の焼戻しを行った。
【０１３０】
表７に、各試験片の熱処理品質及び塩水噴霧試験結果、硫酸及び塩酸浸漬試験結果，臭化リチウム溶液浸漬試験結果を示す。
【０１３１】
【表７】

塩水噴霧試験は表２の場合と同じくＪＩＳ規格Ｚ２３７１に準拠し、温度３５℃で５％ＮａＣｌ溶液を用いて行い、試験時間１週間後の試験片の外観で判定した。
【０１３２】
硫酸及び塩酸浸漬試験は、直径１８ｍｍ×厚さ１０ｍｍの試験片を、室温で１Ｎ及び５Ｎ水溶液中に２０時間浸漬した際の重量減少量で評価した。図１７に硫酸浸漬試験の結果、図１８に塩酸浸漬試験の結果をそれぞれ示す。
【０１３３】
臭化リチウム溶液浸漬試験は、予め当該溶液をＡｒガスで２時間バブリングして脱気した後、その溶液を温度３５℃に保持し１週間浸漬して行い、試験片の外観で判定した。
【０１３４】
また、寿命試験として、クリーン油浴潤滑下での寿命試験及び水中寿命試験を、以下の試験条件で行った。
（クリーン油浴潤滑下寿命試験）
先に、転がり軸受その他の転動装置（Ａ）の実施例の項で説明したのと同様に行った。すなわち
試験装置：森式スラスト転がり寿命試験機
面圧 ：４９００ＭＰａ
回転数 ：１０００ｒｐｍ
潤滑油 ：６８番タービン油
（水中寿命試験）
先の転がり軸受その他の転動装置（Ｃ）ないし（Ｄ）の実施例の項で説明したのと同様に行った。すなわち
試験装置：図１５に示す水中スラスト寿命試験機
荷 重：１５０ｋｇｆ
回転数：１０００ｒｐｍ
上記試験に使用した試験片は、スラスト玉軸受５１３０５で、転動体は窒化ケイ素製（ハイブリッドの場合）又はＳＵＳ４４０Ｃ製のもの６個、保持器はフッ素樹脂製である。
【０１３５】
上記寿命試験結果を表８に示した。
【０１３６】
【表８】

この実施例−１，実施例−２に記載した試験片Ｃ−１〜Ｃ−８は、その合金組成中の炭素を窒素で置換したものであるため、音響や転動寿命に有害な粗大炭化物もなく、良好な転動疲労寿命が得られた。また、塩水噴霧試験や臭化リチウム溶液浸漬試験においても比較例より優れた耐食性を有していることが確認された。特に、合金成分にＮｉ，Ｃｕを適量添加した本願発明のものは一段と優れている。
【０１３７】
さらに、図１７，図１８で明らかなように、実施例−１（Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）のものは、特に耐硫酸性，耐塩酸性の点で、実施例−２や比較例と比べて優れている。実施例−２の鋼種（Ｒ，Ｅ，Ｑ，Ｐ）は、Ｎｉ，Ｃｕの含有量が０．５重量％を下回っており、そのため腐食環境としては最も厳しい塩酸に対する耐食性が実施例−１のものに比べると劣り、比較例のものに近くなっている。しかし、最低限必要な０．０５重量％は含有しているので硫酸に対しては比較例に比べると明らかに耐食性が優れている。
【０１３８】
これに対して、比較例Ａ’は、Ｎｉの含有量が本発明の上限である３．５重量％を越えており、耐食性はあるが硬さ不足で転動装置としての寿命が短命になっている。
【０１３９】
また、比較例Ｃ’は、個々の成分含有量は本発明の範囲を満たしているのであるが、Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕの総含有量を規制する条件式 Ｎｉ％＋２．４Ｍｎ％＋０．３Ｃｕ％≦５．０を満たしていない。そのため、残留オーステナイト量が増加し、転動疲労に耐えるだけの十分な硬さが得られないこととなり、結局硬さ不足で転動装置としての寿命が短命になっている。
【０１４０】
なお、比較例Ｂ’については、Ｃｕの含有量が本発明の上限である３．５重量％を越えており、試験片に対して転動装置の製造工程で必要とされる熱間鍛造を行っているうちに試験片の熱間割れが発生してしまい、そのため以後の試験を行うことができなかった。
【０１４１】
以上のように、合金成分にＮｉやＣｕを添加した本実施例の転がり軸受その他の転動装置（Ｅ）によれば、水中や塩水中、その他酸やハロゲン化物溶液等のような極めて特殊な環境においても、従来のものより耐食性に優れ、炭化物も微細であるため良好な転動疲労寿命が得られる。
【０１４２】
なお、この転動装置（Ｅ）は基本的に前記（Ａ）の条件を備えているものであり、かつ例えば窒化ケイ素等のセラミックスも酸を含む雰囲気中でも耐えることから、転動体をこれらセラミックスとしたものとしてもよい。
【０１４３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の転がり軸受は、その構成材料であるステンレス鋼材に関して、耐食性に悪影響を与えると共に含有量が多い場合には粗大共晶炭化物を形成して機能を低下させる成分である炭素を、同程度の固溶強化作用のある窒素で一部置換して炭素濃度を一定の範囲内に規制したことにより、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が高く且つ粗大な共晶炭化物の形成を抑制できて、その結果、耐食性，音響特性，転がり疲労寿命，耐磨耗性，高温硬さ等に優れ、なかでも耐食性と疲労寿命が特に良好な転がり軸受を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転動装置の第１の実施形態である単列深溝玉軸受の部分断面図である。
【図２】本発明の転動装置の第２の実施形態である小型リニアガイドの一部を切り欠いて示す正面図である。
【図３】本発明の転動装置の第３の実施形態であるボールねじの要部の断面図である。
【図４】本発明におけるＣ量とＣｒ量に関する範囲を規定する説明図である。図４−ａが本発明全体、図４−ｂはより好ましい態様を示す。
【図５】共晶炭化物の大きさと音響特性との関係を示す図である。
【図６】ステンレス鋼のアノード分極曲線測定結果を示す図である。
【図７】２円筒摩耗試験機の概要を示す模式図である。
【図８】転がり軸受の音響特性測定試験の態様を示す断面図である。
【図９】炭素濃度と耐食性との関係を示す図である。
【図１０】窒素濃度と耐食性との関係を示す図である。
【図１１】転がり軸受の構成材の焼戻し温度と硬さとの関係を示す図である。
【図１２】転がり軸受の構成材の高温下での温度と硬さとの関係を示す図である。
【図１３】転がり軸受の構成材における炭素と窒素の総量と軸受の寿命との関係を示す図である。
【図１４】本発明の他の実施例の、未固溶炭化物の大きさ及び面積率と塩水噴霧試験の評価結果の関係を示した図である。
【図１５】水中スラスト寿命試験機を用いた転がり軸受の試験方法を説明する断面図である。
【図１６】本発明の実施例と比較例との摩耗速度と寿命との関係を示した図である。
【図１７】各試験片の硫酸に対する腐食減量を表す図である。
【図１８】各試験片の塩酸に対する腐食減量を表す図である。
【符号の説明】
Ｗ 転がり軸受
Ｗｓ 転がり軸受
１ 外輪
１ｓ 外輪
２ 内輪
２ｓ 内輪
３ 転動体
３ｓ 転動体
４ｓ 保持器

Claims (9)

1. 外方部材と内方部材との間に転動体を配設し、転動体は外方部材の転動体への接触面である第１の接触面と内方部材の転動体への接触面である第２の接触面とに対して転動する転動装置において、
   前記外方部材、内方部材及び転動体の少なくとも一つが、重量％でＣ；０．６％未満、Ｃｒ；１０．０％以上２２．０％以下、Ｍｎ；０．１％以上１．５％以下、Ｓｉ；０．１％以上２．０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．２％未満、および残部Ｆｅおよび不可避成分を含有し、さらに０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１、且つＣ％＋Ｎ％≧０．４５％であるステンレス鋼からなり、前記ステンレス鋼が含有する共晶炭化物および窒化物（炭窒化物を含む）が長径で２０μｍ以下である転がり軸受その他の転動装置。
2. 外方部材と内方部材との間に転動体を配設し、転動体は外方部材の転動体への接触面である第１の接触面と内方部材の転動体への接触面である第２の接触面とに対して転動する転動装置において、
   前記外方部材、内方部材及び転動体の少なくとも一つが、重量％でＣ；０．５％未満、Ｃｒ；１０．０％以上２２．０％以下、Ｍｎ；０．１％以上１．５％以下、Ｓｉ；０．１％以上２．０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．２％未満、および残部Ｆｅおよび不可避成分を含有し、さらに０．０４Ｃｒ％−０．８３Ｎ％−０．３９≦Ｃ％≦−０．０５Ｃｒ％＋１．４１、且つＣ％＋Ｎ％≧０．４５％であるステンレス鋼からなる転がり軸受その他の転動装置。
3. 前記ステンレス鋼は、Ｍｏを３．０重量％以下の割合で含有する請求項１又は２記載の転動装置。
4. 前記ステンレス鋼は、Ｖを２．０重量％以下の割合で含有する請求項１または２記載の転動装置。
5. 前記ステンレス鋼は、重量％でＣｒ；１０．０％以上１４．０％以下、Ｎ；０．０５％以上０．１４％以下、および０．４５％≦（Ｃ＋Ｎ）％≦０．６５を更に満たす請求項１乃至４のいずれか１項に記載の転動装置。
6. 前記ステンレス鋼は、重量％でＮｉ；０．０５％以上３．５％以下、Ｍｎ；０．１％以上０．８％以下、Ｃｕ；０．０５％以上３．０％以下、およびＮｉ％＋２．４Ｍｎ％＋０．３Ｃｕ％≦５．０を更に満たす請求項１乃至５のいずれか１項に記載の転動装置。
7. 前記ステンレス鋼中に、焼入れ、サブゼロ処理、焼戻し後に内在する共晶炭化物及びその他未固溶炭化物がないか、もしくはその大きさが２μｍ以下、且つ面積率で５％以下である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の転動装置。
8. 前記ステンレス鋼の焼入れ、サブゼロ処理、焼戻し後の残留オーステナイト量が６体積％以下である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の転動装置。
9. 前記転動体はセラミックス材料からなる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の転動装置。

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