JP4442030B2

JP4442030B2 - 転がり支持装置の製造方法

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Publication number: JP4442030B2
Application number: JP2000382732A
Authority: JP
Inventors: 進田中; 裕之伊藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: EP1160471A3; US20020037120A1; EP1160471A2; JP2002081451A; US6398420B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、およびリニアガイド等の転がり支持装置に関し、特に、精密機器、食品機械、半導体素子や液晶パネルの製造設備、医療検査装置、歯科用ハンドピース等の回転部を有する医療機器、および釣り具等用の転がり支持装置として好適なものに関する。
【０００２】
本発明はまた、航空機のジェットエンジン、ガスタービン、トランスミッション等のように、高温且つ高速回転で使用される転がり支持装置として好適なものに関する。
【０００３】
【従来の技術】
精密機器、食品機械、半導体素子や液晶パネルの製造設備、医療検査装置、および釣り具等に使用される転がり支持装置は、錆が生じ易い雰囲気で使用されるか、僅かな錆の発生も許容されない装置である。そのため、従来より、これらの転がり支持装置の構成部品は、マルテンサイト系のＳＵＳ４４０Ｃ、０．７Ｃ−１３Ｃｒステンレス鋼等で形成されている。これらのステンレス鋼は、一般的な転がり支持装置の構成部品に使用されているＳＵＪ２やＳＣＲ４２０よりも耐食性に優れるとともに、その表面硬さを、焼入れ硬化によって、転がり支持装置の構成部品として必要な硬度であるＨＲＣ（ロックウエルＣ硬度）５８以上とすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、転がり支持装置の使用環境が益々多様化していることに伴って、耐食性、転がり疲労寿命、信頼性に対する要求が高くなり、前述のＳＵＳ４４０Ｃや０．７Ｃ−１３Ｃｒステンレス鋼を使用した転がり支持装置では、このような要求に十分応えることができない場合がある。
【０００５】
例えば情報機器は、近年、小型化されたことによって携帯して使用されることが多くなったため、落下して衝撃が加わったり振動に晒されたりする危険性が従来より高くなっている。機器に加わる微小振動や揺動によって、機器内の転がり軸受は、転動体と軌道輪との接触面にフレッチング（接触する二面間が相対的な繰り返し微小滑りを生じて摩耗する現象）が発生して、音響特性が劣化するという問題点がある。
【０００６】
本発明の第１の課題は、この問題点に着目し、耐食性および耐フレッチング性等に優れた転がり支持装置を提供することにある。
一方、航空機のジェットエンジンやガスタービン等用の転がり軸受は、高温で高速回転されることから、転がり疲労寿命や耐摩耗性に加えて、芯部がフープ応力に対して十分な抵抗力を有することや、高温での表面硬さが十分であることが必要とされる。そのため、このような用途の転がり軸受材料としては、従来より耐熱性に優れたＡＩＳＩ−Ｍ５０やＭ５０ＮｉＬ等のハイス（High-speed steel：高速度鋼）系材料が使用されている。Ｍ５０ＮｉＬを使用する場合には浸炭処理等の表面硬化処理が行われている。
【０００７】
しかしながら、これらのハイス系材料は耐食性の点でステンレス鋼に劣る。特に、航空機のジェットエンジン用の転がり軸受は、空港が海に隣接した場所に多いことや、使用環境の温湿度変化が大きいため結露が生じ易いことから錆が発生し易い。そして、航空機では安全性が重視されるため、僅かな錆の発生で軸受寿命と判断される場合がある。
【０００８】
したがって、航空機のジェットエンジン用の転がり軸受には、耐食性の向上が求められているが、前述のＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼では、十分なフープ応力抵抗性や高温での十分な硬さが得られないばかりでなく、耐食性の点でも改善の余地がある。
これに対して、特開平７−２７８７６２号公報には、炭素含有率が０．０３重量％以下（好ましくは０．０２重量％以下）と低い所定組成のステンレス鋼を用い、浸炭処理ではなく窒化処理による表面硬化を行うことによって、十分な芯部靱性と表面硬さを保持しながら表層部の耐食性を向上させることが記載されている。しかしながら、窒化処理によって多量の窒素を表層部に浸透させることは非常に困難であり、Ｍ５０を用いて浸炭処理を行った場合と同等以上の表面硬さが得られない。したがって、この公報に記載の方法には、高温且つ高速回転で使用した場合の寿命特性の点で改善の余地がある。
【０００９】
本発明の第２の課題は、この問題点に着目し、高温且つ高速回転で使用された場合の寿命が長く、耐食性にも優れた転がり支持装置を提供することにある。
さらに、近年、歯科用ハンドピース用軸受では、回転速度４０万〜５０万ｒｐｍという超高速回転化が進んでおり、転動面の早期損傷や焼き付きによって寿命が短くなることが懸念されている。また、歯科用ハンドピースは、ＨＩＶウイルスの感染予防のために１３５℃程度の蒸気で数分間保持する滅菌処理が、使用の度に毎回行われるようになったため、より高い耐食性が求められている。そのため、歯科用ハンドピース用軸受用材料としてマルテンサイト系ステンレスを用いると耐食性が不十分になる場合もある。
【００１０】
本発明は、このような歯科用ハンドピース用軸受として好適な、耐食性および耐焼き付き性に優れた転がり支持装置を提供することも課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
［第１の転がり支持装置］
上記第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、構成部品の少なくとも一つは、クロム（Ｃｒ）の含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工し、この被加工物に対して、表面硬さをＨＲＣ５８以上とする熱処理を行った後に仕上げ加工を行い、この表面に、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化皮膜を形成して得られたものであることを特徴とする転がり支持装置を提供する。この転がり支持装置を本発明の第１の転がり支持装置と定義する。
本発明の転がり支持装置の製造方法は、第１の転がり支持装置の、前記構成部品の少なくとも一つを製造する方法であって、クロム（Ｃｒ）の含有率が５重量％以上で、炭素と窒素の合計含有率（Ｃ＋Ｎ）が０．４５重量％以上である鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工し、この被加工物に対して、焼入れおよび焼戻し処理を行って表面硬さをＨＲＣ５８以上とした後に仕上げ加工を行い、次いで、この被加工物の表面に存在する加工変質層を除去してから、この被加工物をクロム酸を含有する処理液に浸漬することで、この被加工物の表面に、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化皮膜を形成することを特徴とする。
【００１２】
第１の転がり支持装置においては、使用する鉄鋼材料のクロム（Ｃｒ）の含有率が５重量％未満であると、良好な耐食性が得られない。クロムの含有率が高いほど耐食性に優れるが、クロムの含有率が高いと、脆化の原因となるδフェライトが生成され易くなる。そのため、Ｃｒ含有量は２２．０重量％以下であることが好ましい。
【００１３】
また、使用する鉄鋼材料の炭素（Ｃ）含有率：〔Ｃ〕とクロム含有率：〔Ｃｒ〕との関係が、下記の（１）式を満たすことが好ましい。下記の（１）式を満たす鉄鋼材料は、転がり寿命を低下させる原因となる粗大共晶炭化物が、凝固過程で生成し難くなる。下記の（１）式を満たさない鉄鋼材料を用いて、表面硬さをＨＲＣ５８以上とするためには、この鉄鋼材料の炭素と窒素の合計含有量（Ｃ＋Ｎ）を０．４５重量％以上とする。
【００１４】
〔Ｃ〕≦−０．０５〔Ｃｒ〕＋１．４１……（１）
図５は、本発明第１の転がり支持装置で使用する鉄鋼材料について、炭素含有率とクロム含有率との関係の好ましい領域を示すグラフである。本発明においては、炭素含有率とクロム含有率との関係が、図５のグラフで、〔Ｃｒ〕＝５．０（重量％）の線と、〔Ｃｒ〕＝２２．０（重量％）の線と、〔Ｃ〕＝−０．０５〔Ｃｒ〕＋１．４１の線と、〔Ｃ〕＝０．３１（重量％）の線とで囲まれた領域（斜線部）内にある鉄鋼材料を使用することが好ましい。炭素含有率とクロム含有率との関係がこの領域内であって、しかも〔Ｃ〕≧０．４５（重量％）且つ〔Ｃｒ〕≦１９．２（重量％）とすれば、表面硬さをＨＲＣ６０以上とすることができる。
【００１５】
なお、マルテンサイト系スレンレス鋼以外のステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼等）を用いた場合には、窒化処理または浸炭処理等を行うことによって、表面硬さをＨＲＣ５８以上とすることができる。
鉄鋼材料からなる素材（鋳造品）を加工すると、加工された面に加工変質層（ベイルビー層や破砕結晶からなる層）が生じる。この加工変質層を除去しないで、直接、不動態化処理等の方法によって加工面に酸化皮膜を形成すると、耐食性の回復効果が不十分となって、腐食環境下で酸化皮膜が局部的に侵食される場合がある。また、この加工変質層の上に酸化皮膜を形成しようとしても、得られる酸化皮膜のクロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）は０．５未満となり、酸化皮膜の膜厚も５０〜３００Å程度にしかならない。
【００１６】
これに対して、本発明によれば、この加工変質層を除去してから酸化皮膜を形成することによって、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化皮膜を形成することができる。この酸化皮膜が形成されている構成部品を備えた転がり支持装置は、耐食性および耐フレッチング性、耐焼き付き性等に優れたものとなる。
【００１７】
（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化被膜の厚さは１０Å（１ｎｍ）以上であることが好ましく、１５Å（１．５ｎｍ）以上であることがより好ましく、４０Å（４ｎｍ）以上であることがさらに好ましい。また、この酸化被膜の表面側での前記比は０．７以上であることが好ましい。
加工変質層の除去と酸化皮膜の形成は、例えば、以下の方法で行われる。
【００１８】
被加工物の加工表面には、切削油、研削油、プレス油、または防錆油等が付着しているため、先ず、この加工表面を有機溶剤またはアルカリ洗浄剤等によって洗浄する。次に、被加工物を陽極とし、電解液として、硫酸、リン酸、硝酸、またはこれらの酸のナトリウム塩あるいはカリウム塩の１種以上を含有する水溶液を用い、周波数２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波をかけながら電解エッチングを行う。これにより、加工変質層が除去される。次に、クロム酸と硫酸または硝酸とを含有する処理液に所定時間浸漬することにより、酸化皮膜を形成する。
【００１９】
電解エッチングに使用する電解液の好ましい濃度は、硫酸およびリン酸の場合５０〜１５０ｇ／リットルであり、硝酸の場合５０〜５００ｇ／リットルであり、ナトリウム塩およびカリウム塩の場合６０〜８００ｇ／リットルである。電解エッチングの電解条件は、電圧２〜５０Ｖ、電流０．１〜５０Ａ／ｄｍ²、電解時間１０〜１２０秒とすることが好ましい。
【００２０】
酸化皮膜形成に使用する処理液の濃度は、クロム酸で１５〜３００ｇ／リットル、硫酸で３０〜８５０ｇ／リットル、硝酸で４０〜５００ｇ／リットルとする。処理液の温度は室温〜１２０℃とし、浸漬時間は１０分〜１２０分間とする。処理液の温度と浸漬時間を変えることで酸化皮膜の厚さを変えることができる。
（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さが厚いほど、耐食性および耐フレッチング性の向上効果は高くなるが、酸化皮膜の形成コストの点から、この酸化皮膜の厚さを１０００Å（１００ｎｍ）以下とすることが好ましい。より好ましくは７２０Å（７２ｎｍ）以下とする。
【００２１】
酸化皮膜形成後に、被加工物を陰極とし、電解液として、クロム酸を５０〜１５０ｇ／リットルの濃度で、リン酸を０．１〜１０ｇ／リットルの濃度でおよび／または硫酸を０．１〜１００ｇ／リットルの濃度で、マグネシウム、カルシウム、またはバリウムの炭酸塩または硫酸塩から選択された１種以上を過飽和量で含有し、界面活性剤を含有する水溶液を用いて、電解処理を行うことが好ましい。この電解処理の条件は、電圧０．１〜２０Ｖ、電流０．５〜２Ａ／ｄｍ²、電解時間１０〜３００分とすることが好ましい。
【００２２】
この電解処理時に、陰極である被加工物の周囲に極めて強い水素雰囲気が形成される。これにより、この電解処理が行われた被加工物の表面は、この電解処理が行われていない被加工物の表面よりも耐食性に優れたものとなる。
［第２の転がり支持装置］
上記第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、軌道部材の少なくとも一つは、合金成分として、重量％（質量％）で、Ｃを０．２％以下、Ｓｉを０．１％以上２．０％以下、Ｃｒを１０．０％以上２０．０％以下、Ｍｏを０．４％以上３．０％以下、Ｎｉを１．０％以上３．５％以下、Ｃｏを１．０％以上１０．０％以下、Ｖを０．４％以上２．０％以下の範囲で含有する鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工し、この被加工物に対して浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行うことで、軌道面の表層部の炭素含有率を重量％（質量％）で１．０％以上３．０％以下、軌道面の表面硬さをＨＲＣ６２以上とした後に仕上げ加工を行い、この表面に、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化皮膜を１０Å（１ｎｍ）以上形成して得られたものであることを特徴とする転がり支持装置を提供する。この転がり支持装置を本発明の第２の転がり支持装置と定義する。
【００２３】
すなわち、この第２の転がり支持装置では、軌道部材の少なくとも一つの軌道面の断面構造が、図６に示すように、表面側から、比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である１０Å（１ｎｍ）以上の酸化皮膜１、浸炭層または浸炭窒化層２、芯部３となっている。
この第２の転がり支持装置では、少なくとも一つの軌道部材について、上記組成の鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工し、この被加工物に対して浸炭または浸炭窒化処理を含む熱処理を行う。各合金成分の含有率の臨界的意義を以下に述べる。
〔Ｃ：０．２％以下〕
鋼にＣ（炭素）が含まれていると、焼入れによりマルテンサイト化が生じて、鋼に硬さが付与される。また、靱性を低下させるδフェライトの生成を抑制する作用も有する。しかし、高温で焼き戻しされた場合には、炭素が炭化物となって析出して靱性を低下させるため、炭素含有率は低い方が好ましく、０．２重量％とする。好ましくは０．１０重量％以下とする。
【００２４】
なお、この第２の転がり支持装置では、炭素含有率を低く抑える代わりに、ＮｉやＣｏ等のオーステナイト安定化元素を添加することによって、δフェライトの生成が抑制されて、靱性に優れたものとなる。
〔Ｓｉ：０．１％以上２．０％以下〕
Ｓｉ（珪素）は、製鋼時に脱酸剤として作用するとともに、鋼に焼き戻し軟化抵抗性を付与する元素である。Ｓｉの含有率が０．１重量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
【００２５】
また、Ｓｉの含有率が高過ぎると靱性が低下する。そのため、Ｓｉの含有率の上限を２．０重量％とする。
〔Ｍｎ：０．１％以上１．５％以下〕
Ｍｎ（マンガン）は、製鋼時に脱酸剤として作用する。Ｍｎの含有率が０．１重量％未満であると、その作用が実質的に得られない。
【００２６】
一方、Ｍｎの含有率が高過ぎると、鍛造性および被切削性の低下、Ｓ（硫黄）やＰ（リン）等の不純物と共存することにより耐食性を低下させる。そのため、Ｍｎの含有率を１．５重量％以下とする。
〔Ｃｒ：１０．０％以上２０．０％以下〕
Ｃｒ（クロム）は鋼に耐食性を付与する元素であり、第２の転がり支持装置では１０．０％以上とすることで高い耐食性を得る。
【００２７】
一方、Ｃｒの含有率が高過ぎると、靱性を低下させるδフェライトが生成し易くなる。そのため、Ｃｒの含有率の上限を２０．０重量％とする。
〔Ｍｏ：０．４％以上３．０％以下〕
Ｍｏ（モリブデン）は、鋼の焼入れ性と焼き戻し軟化抵抗性を増大させる元素であり、耐孔食性を著しく改善する作用も有する。Ｍｏの含有率が０．４重量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
【００２８】
一方、Ｍｏの含有率が高過ぎると、靱性や加工性が低下する。そのため、Ｍｏの含有率の上限を３．０重量％とする。
〔Ｎｉ：１．０％以上３．５％以下〕
Ｎｉ（ニッケル）は強力なオーステナイト安定化元素であるため、δフェライトの生成を抑え、靱性を向上させる作用がある。これらの作用を十分に得るために、Ｎｉの含有率を１．０重量％以上とする。
【００２９】
一方、Ｎｉの含有率が高過ぎると、オーステナイト組織が安定になり過ぎて十分な焼入れ硬さが得られなくなる。そのため、Ｎｉの含有率の上限を３．５重量％とする。
〔Ｃｏ：１．０％以上１０．０％以下〕
Ｃｏ（コバルト）も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、靱性を向上させる作用がある。これらの作用を十分に得るために、Ｃｏの含有率を１．０重量％以上とする。また、Ｎｉと比較してオーステナイト組織を安定化させる作用が弱いため、２．０％以上含有させることが好ましい。
【００３０】
一方、Ｃｏの含有率が高過ぎると加工性が低下する。また、Ｃｏは材料コストが高い。そのため、Ｃｏの含有率の上限は１０．０重量％とする。
〔Ｖ：０．４％以上２．０％以下〕
Ｖ（バナジウム）は、強力な炭化物、窒化物形成元素であり、Ｖを含む鋼には焼き戻し過程で２次硬化が生じるため、鋼の硬度を高くする元素である。Ｖの含有率が０．４重量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
【００３１】
一方、Ｖの含有率が高過ぎると、靱性および加工性が低下する。そのため、Ｖの含有率を２．０重量％以下とする。
この第２の転がり支持装置では、また、軌道面の表層部の炭素含有率を１．０重量％以上３．０重量％以下とし、軌道面の表面硬さをＨＲＣ６２以上とする。その後に仕上げ加工を行い、この表面に酸化皮膜を形成する。
【００３２】
軌道面の表層部の炭素含有率が１．０重量％未満であると十分な硬さと高温特性が得られない。この炭素含有率が３．０重量％を超えると、軌道面に酸化皮膜が形成され難くなる。また、軌道面の表面硬さがＨＲＣ６２未満であると、高温且つ高速回転で使用された場合に十分に長い寿命が得られない。
なお、浸炭処理と浸炭窒化処理を比較した場合、浸炭窒化処理の方が浸炭処理よりも、窒素の効果で表層部により微細な炭化物が形成される。そのため、浸炭窒化処理を行った方が、同じ炭素含有率でも転がり寿命および耐食性の点で優れている。また、硬化層の深さは、軸受サイズや荷重条件等を考慮して、Ｙｏ深さ（Ｈｖ５５０以上となる深さ）が０．８ｍｍ〜２．５ｍｍ程度となるように適宜設定する。
【００３３】
この第２の転がり支持装置では、また、表面に形成する酸化皮膜を、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上、厚さ１０Å（１．０ｎｍ）以上となるように形成する。これにより良好な耐食性が得られる。クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）の好ましい値は０．７以上であり、より好ましい値は１．０以上である。また、（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上の酸化皮膜の厚さの好ましい値は１５Å（１．５ｎｍ）以上であり、より好ましい値は４０Å（４．０ｎｍ）以上である。（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上の酸化皮膜を１０００Å（１００ｎｍ）を超えるほど厚く形成しても、コストが上昇するだけで耐食性向上効果は飽和するため、（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上の酸化皮膜の厚さの上限値は１０００Å（１００ｎｍ）とする。
【００３４】
また、この酸化皮膜の形成を、仕上げ加工後に表面に生じた加工変質層を除去した後に行うことにより、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である、耐食性の良好な酸化皮膜を形成することができる。加工変質層の除去と酸化皮膜の形成は、第１の転がり支持装置で説明した方法で行うことができる。
【００３５】
なお、仕上げ加工を行わない部分には熱処理時に生成したスケールが残存しているため、熱処理後に、面取り加工を行うか、ショットブラストやドライホーニング等の機械的方法によって、スケールを除去することが好ましい。これにより、仕上げ加工を行わない部分の耐食性を改善することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
下記の表１に示す合金成分を含有する合金鋼Ａ〜Ｄを用意した。
【００３７】
【表１】

【００３８】
これらの合金鋼からなる素材を用い、呼び番号６０８に相当する単列深溝玉軸受の内輪（軌道部材）、外輪（軌道部材）、および玉（転動体）を作製した。
先ず、粗い精度で切削加工を行った後、被加工物に対して、各合金鋼に適した条件で焼入れおよび焼き戻しを行うことにより、被加工物の表面硬さをＨＲＣ５８以上とした。また、この時点で被加工物の表面硬さを測定した。次に、研削による仕上げ加工を行った後、下記の▲１▼または▲２▼の方法で皮膜処理を行った。ただし、Ｃｒ含有量が少ない合金鋼Ｄを使用したNo. １−１１では、研削による仕上げ加工後に皮膜処理を行わなかった。
＜皮膜処理方法▲１▼＞
先ず、被加工物の加工表面を有機溶剤を用いて洗浄した。次に、被加工物を陽極とし、先に述べた方法で電解エッチングを行うことにより、これらの被加工物の表面に存在する加工変質層を除去した。引き続き、被加工物を、クロム酸を含有する室温〜６０℃の処理液に浸漬することにより、被加工物の表面に酸化皮膜を形成した。酸化皮膜の厚さは、処理液への浸漬時間を変えることにより変化させた。なお、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）は、使用する鋼のクロム含有率によっても変化し、クロム含有率の高いものほど大きくなる傾向がある。
＜皮膜処理方法▲２▼＞
先ず、被加工物の加工表面を有機溶剤を用いて洗浄した。次に、被加工物を５０℃に保持した５０重量％硝酸に１時間浸漬することにより、被加工物の表面を不動態化処理した。これにより、加工変質層の上に酸化皮膜が形成された。
【００３９】
皮膜処理を行った後、被加工物をＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光分析装置）にかけて、エッチング速度１ｎｍ／分で被加工物表面を深さ方向にエッチングすることにより、被加工物表面に形成された酸化皮膜を深さ方向に元素分析した。
元素分析の結果から、酸化皮膜の表面から深さ５Å（０．５ｎｍ）〜１０Å（１ｎｍ）の層に存在するクロム原子と鉄原子の比（Ｃｒ／Ｆｅ）を算出した。表面から深さ５Å〜１０Åの層での値を使用した理由は、最表面側の酸化皮膜にはコンタミネーションの影響が大きいためである。また、この元素分析の結果から、（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さを測定した。これらの結果を下記の表２に示す。
【００４０】
上述の方法で作製された内輪、外輪、および玉と、プラスチック製の保持器を用いて、呼び番号６０８に相当する単列深溝玉軸受を組み立てた。なお、各サンプル毎に、同一の材料を用い同じ方法で作製した内輪、外輪、玉を使用して軸受を組み立てた。また、潤滑剤として、防錆油と鉱油系グリースを使用した。
組み立てた各転がり軸受について、耐食性と耐フレッチング性を調べる試験を行った。耐食性としては塩水噴霧試験を行った。この試験は「ＪＩＳＺ２３７１」に準拠して、３５℃の５重量％ＮａＣｌ水溶液を２週間、霧状で吹き付ける試験である。試験後に、転がり軸受の各構成部品に腐食が生じているかどうかを目視により調べた。この試験による耐食性の評価は、腐食が全く生じていなかった場合は「◎」、著しい腐食が生じていた場合は「×」、明らかな腐食は認められてはいたがその程度が著しくない場合は「△」、軽微な腐食が僅かに生じていた場合は「○」で示した。
【００４１】
耐フレッチング性は、先ず、各転がり軸受を、予圧：１．２ｋｇｆ、回転数：１８００ｒｐｍで回転させることによって、アキシャル振動加速度（Ｇ値）を測定した。この測定を１０回行ってＧ値の平均値を算出した。次に、この測定を行った各転がり軸受を、予圧：１．２ｋｇｆ、揺動角度：２°、揺動周波数：２７Ｈｚの条件で、１００万回揺動させた。
【００４２】
次に、再度、予圧：１．２ｋｇｆ、回転数：１８００ｒｐｍで回転させることによって、アキシャル振動加速度（Ｇ値）を測定した。この測定を１０回行ってＧ値の平均値を算出した。そして、揺動試験を行った後のＧ値の平均値から、揺動試験を行う前のＧ値の平均値を差し引いて、揺動試験によるＧ値の増加量（ΔＧ）を算出した。この値（ΔＧ）が小さいほど耐フレッチング性が良好であることを示す。
【００４３】
各サンプルの構成とこれらの試験結果を下記の表２に併せて示す。表２において、本発明の範囲から外れる値には下線が施してある。また、これらの結果から得られた、ΔＧ（耐フレッチング性）と酸化皮膜の表面側（表面から深さ５Å〜１０Åの層）での「Ｃｒ／Ｆｅ」との関係を図１に、ΔＧ（耐フレッチング性）と（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さとの関係を図２にそれぞれグラフで示す。
【００４４】
【表２】

【００４５】
また、No. １−４，１−５，１−９，１−１１について、形成された酸化被膜の表面からの距離と（Ｃｒ／Ｆｅ）比との関係を図３に、形成された酸化被膜の表面からの距離と酸素含有率との関係を図４に、それぞれグラフで示す。
図３のグラフから分かるように、No. １−４，１−５では、表面に（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化被膜が形成されている。また、No. １−９，１−１１では、（Ｃｒ／Ｆｅ）の値が深さ方向であまり変化せず、表面に（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化被膜が形成されていないことが分かる。また、図４のグラフから分かるように、No. １−４，１−５の方がNo. １−９，１−１１よりも、酸化被膜全体の厚さが厚い。
【００４６】
また、図１のグラフから分かるように、酸化皮膜の表面側での「Ｃｒ／Ｆｅ」が０．５以上（好ましくは０．７以上）であると、耐フレッチング性が良好になる。図２のグラフから分かるように、（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さが１０Å以上（好ましくは１５Å以上）であると、耐フレッチング性が良好になる。
【００４７】
また、表２から分かるように、本発明の実施例に相当するサンプルNo. １−１〜１−７の転がり軸受は、耐食性および耐フレッチング性の両方に優れている。これに対して、本発明の比較例に相当するサンプルNo. １−８〜１−１１の転がり軸受は、耐食性および耐フレッチング性の少なくともいずれかの性能が不良である。
【００４８】
No. １−１〜１−３では、クロムの含有率が６．８１重量％と比較的少ない鋼Ａを使用しているが、加工変質層の除去と（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の形成によって、クロムの含有率の高い鋼Ｂ，Ｃを使用して加工変質層の除去を行わなかったNo. １−９，１−１０よりも高い耐食性および耐フレッチング性が得られている。No. １−１〜１−６内での比較では、クロムの含有率の高い鋼Ｂを用いたNo. １−４〜１−６の方が、クロムの含有率の低い鋼Ａを用いたNo. １−１〜１−３よりも酸化皮膜の「Ｃｒ／Ｆｅ」が高くなったことにより、特に優れた耐食性および耐フレッチング性が得られた。
【００４９】
No. １−７は、酸化皮膜の表面側での「Ｃｒ／Ｆｅ」が０．６と比較的低いため、No. １−１〜１−７内の比較では耐フレッチング性の点で少し性能が劣っていた。
No. １−８〜１−１１は、加工変質層の除去を行わず、（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜が形成されていなかったため、耐食性および耐フレッチング性の両方が不良であった。
【００５０】
また、鋼Ｄは、クロムの含有率が１．５１重量％と低いため、これを用いた場合に、皮膜処理の適用は困難であり、且つ「Ｃｒ／Ｆｅ」が０．５以上の酸化皮膜を形成することは難しい。また、鋼Ｃからなる素材を用いた場合は、被加工物から加工変質層を除去した後に「Ｃｒ／Ｆｅ」が０．５以上の酸化皮膜を形成することは可能である。しかし、鋼Ｃからなる素材中には長径２０μｍを超える粗大な共晶炭化物が多く存在しているため、鋼Ｃからなる構成部品を有する転がり支持装置は、転がり寿命および静粛性が良好でない。
【００５１】
以上のことから、表面に形成された（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さが１０Å〜７２０Åであると耐食性が良好となり、この酸化皮膜の厚さが１５Å〜７２０Åであると耐食性がさらに良好になることが分かる。
なお、上記実施形態では、転がり軸受の内外輪（軌道部材）と玉（転動体）を本発明の構成とし、保持器をプラスチック製にしてあるが、鉄鋼材料製の保持器を使用する場合には、保持器についても本発明の構成とすることが好ましい。また、シールド板を備えた転がり軸受の場合には、鉄鋼材料製のシールド板を本発明の構成とすることが好ましい。これにより、すきま腐食やガルバニック腐食がさらに抑制される。
［第２実施形態］
下記の表３に示す合金成分を含有する合金鋼Ｅ〜Ｈを用意した。
【００５２】
【表３】

【００５３】
これらの合金鋼からなる素材を用い、呼び番号６２０６に相当する単列深溝玉軸受の内輪（軌道部材）と外輪（軌道部材）を作製した。
先ず、粗い精度で切削加工を行った後、被加工物に対して、以下に示す▲１▼〜▲５▼のいずれかの熱処理を行った。
熱処理▲１▼
前処理として予備酸化処理を、９５０℃、１〜２時間の条件で行った後、浸炭処理を９００℃〜９２０℃、４８〜７２時間の条件で行う。次に、１０８０℃〜１１２０℃、１〜２時間の条件で２回、焼きならしを行う。次に、１０２０℃〜１０７０℃に３０分間保持した後に油冷却する焼入れを行った後、−９０℃〜−７０℃、１時間の条件でサブゼロ処理を行う。次に、４６０℃〜５２０℃、２時間の条件で２回、焼き戻しを行う。
熱処理▲２▼
前処理として予備酸化処理を、９５０℃、１〜２時間の条件で行った後、浸炭窒化処理を、９００℃〜９２０℃、４８〜７２時間、４％アンモニアの条件で行う。次に、１０８０℃〜１１２０℃、１〜２時間の条件で２回、焼きならしを行う。次に、１０８０℃〜１１２０℃に１．５時間保持した後にガス冷却する焼入れを行った後、−９０℃〜−７０℃、１時間の条件でサブゼロ処理を行う。次に、４６０℃〜５２０℃、２時間の条件で２回、焼き戻しを行う。
熱処理▲３▼
前処理および浸炭窒化処理等を行わず、１０２０℃〜１０７０℃に３０分間保持した後に油冷却する焼入れを行った後、−９０℃〜−７０℃、１時間の条件でサブゼロ処理を行う。次に、４６０℃〜５２０℃、２時間の条件で、焼き戻しを行う。
熱処理▲４▼
前処理および浸炭窒化処理等を行わず、１１００℃〜１１５０℃に３０分間保持した後に油冷却する焼入れを行った後、５００℃〜５５０℃で２時間空冷する一次焼き戻しを行う。次に、−９０℃〜−７０℃、１時間の条件でサブゼロ処理を行う。次に、５００℃〜５５０℃、２時間の条件で２回、二次焼き戻しを行う。
熱処理▲５▼
前処理を行わず、浸炭処理を９２５℃、４〜６時間の条件で行う。次に、１１２０℃に３０分間保持した後に油冷却する焼入れを行った後、５００℃〜５５０℃で２時間空冷する一次焼き戻しを行う。次に、−９０℃〜−７０℃、１時間の条件でサブゼロ処理を行う。次に、５００℃〜５５０℃、２時間の条件で２回、二次焼き戻しを行う。
【００５４】
次に、研削による仕上げ加工を行った後、第１実施形態で説明した皮膜処理方法▲１▼で皮膜処理を行った。ただし、No. ２−５〜２−８では、研削による仕上げ加工後に皮膜処理を行わなかった。また、No. ２−１０では、皮膜処理の際に母材の溶出が認められたために、皮膜処理は不可能であると判断し、皮膜処理を行わないものを使用した。
【００５５】
仕上げ加工後に、各サンプルについて、ＥＰＭＡ（電子プローブ微量分析）により、軌道面直下の深さ５０μｍでの炭素含有率（表面炭素濃度）を測定した。また、No. ２−１〜２−４，No. ２−９については皮膜処理を行った後に、No. ２−５〜２−８，２−１０については仕上げ加工後に、被加工物の表面硬さを測定した。
【００５６】
また、No. ２−１〜２−４，No. ２−９については皮膜処理を行った後、No. ２−５〜２−８，２−１０については仕上げ加工後、被加工物をＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光分析装置）にかけて、エッチング速度１ｎｍ／分で被加工物表面を深さ方向にエッチングすることにより、被加工物表面に形成された酸化皮膜を深さ方向に元素分析した。
【００５７】
元素分析の結果から、酸化皮膜の表面から深さ５Å（０．５ｎｍ）〜１０Å（１ｎｍ）の層に存在するクロム原子と鉄原子の比（Ｃｒ／Ｆｅ）を算出した。表面から深さ５Å〜１０Åの層での値を使用した理由は、最表面側の酸化皮膜にはコンタミネーションの影響が大きいためである。また、この元素分析の結果から、（Ｃｒ／Ｆｅ）≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さを測定した。これらの結果を下記の表４に示す。
【００５８】
上述の方法で作製された内輪および外輪と、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）製の玉と、プラスチック製の保持器を用いて、呼び番号６２０６に相当する単列深溝玉軸受を組み立てた。なお、各サンプル毎に、同一の材料を用い同じ方法で作製した内輪と外輪を使用して軸受を組み立てた。また、潤滑剤として、モービル石油（株）製の「ジェットオイルＩＩ」を使用した。
【００５９】
組み立てた各転がり軸受について、耐食性と高温高速回転での軸受寿命を調べる試験を行った。耐食性としては塩水噴霧試験を行った。この試験は「ＪＩＳＺ２３７１」に準拠して、３５℃の５重量％ＮａＣｌ水溶液を４８時間、霧状で吹き付ける試験である。試験後に、転がり軸受の各構成部品に腐食が生じているかどうかを目視により調べた。この試験による耐食性の評価は、腐食が全く生じていなかった場合は「◎」、著しい腐食が生じていた場合は「×」、明らかな腐食は認められてはいたがその程度が著しくない場合は「△」で示した。
【００６０】
高温高速回転での軸受寿命試験は、温度１７０℃、Ｐ／Ｃ＝０．７１、回転速度３９００ｒｐｍの条件で回転させることにより行い、フレーキングが発生して振動値が初期値の５倍となるまでの時間を寿命として測定した。Ｍ５０を用いたNo. ２−５の寿命を「１」とした時の相対値（寿命比）を算出した。
各サンプルの構成とこれらの試験結果を下記の表４に併せて示す。表４において、本発明の範囲から外れる値には下線が施してある。また、これらの結果を、軌道面の表面での（Ｃｒ／Ｆｅ）比を縦軸とし、軌道面の表面での炭素濃度を横軸としたグラフにまとめた。このグラフを図７に示す。このグラフで「◎」は「耐食性：◎」と「寿命比１．００より大」の両方を満たすことを示し、「×」はこれらの少なくともいずれかを満たさないことを示す。
【００６１】
なお、No. ２−１，２−２，２−９は同じ鋼を用いて同じ熱処理を行っているが、処理時間を前記範囲内で変化させることによって、表面硬さ、表面炭素濃度、および酸化皮膜の状態を異なるものとした。No. ２−３と２−４についても同様である。また、No. ２−３と２−４は浸炭窒化処理を行っており、表面窒素濃度がNo. ２−３では０．０６重量％であり、No. ２−４では０．１８重量％であった。
【００６２】
【表４】

【００６３】
この結果から分かるように、本発明の実施例に相当するサンプルNo. ２−１〜２−４の転がり軸受は、耐食性および高温高速回転での軸受寿命の両方に優れている。これに対して、本発明の比較例に相当するサンプルNo. ２−５〜２−１０の転がり軸受は、耐食性および高温高速回転での軸受寿命の少なくともいずれかの性能が不良である。また、No. ２−１〜２−４の転がり軸受の耐食性は、ＳＵＳＵ４４０Ｃを用いたNo. ２−７よりも良好であった。
【００６４】
また、直径１８ｍｍ、厚さ１０ｍｍの試験片を用意し、表面炭素濃度と表面での（Ｃｒ／Ｆｅ）比が種々の値となるように処理した各サンプルａ〜ｅに対して、耐食性評価試験として上述の塩水噴霧試験を行った。この試験による耐食性の評価結果を図７のグラフに併せて示した。サンプルａ，ｃ，ｄでは腐食が全く生じていなかったため、図７のグラフに「○」でプロットした。サンプルｂ，ｅでは、明らかな腐食は認められてはいたがその程度が著しくなかったため、図７のグラフに「△」でプロットした。
【００６５】
また、表４の各サンプルの軸受について、１３５℃の蒸気（生成水）中に６分間保持した後自然冷却を行うことを５００サイクル行った結果、本発明の実施例に相当するサンプルでは錆の発生が認められなかったが、本発明の比較例に相当するサンプルでは錆の発生が認められた。このように、本発明の実施例に相当する軸受は、滅菌処理されても十分な耐食性が得られるため、歯科用ハンドピース用軸受として好適に使用できることが分かる。また、表面に摺動性に優れた酸化皮膜を有しているため、トルクや耐焼き付き性の面でも有利である。
【００６６】
なお、上記各実施形態では、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。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１の転がり支持装置は、耐食性および耐フレッチング性等に優れている。また、本発明の第２の転がり支持装置は、耐食性および高温高速回転での軸受寿命に優れている。
したがって、本発明によれば、精密機器、食品機械、半導体素子や液晶パネルの製造設備、医療検査装置、歯科用ハンドピース等の回転部を有する医療機器、および釣り具等用の転がり支持装置として好適な、信頼性の高い転がり支持装置が提供される。また、航空機のジェットエンジン、ガスタービン、トランスミッション等用として好適な、信頼性の高い転がり支持装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態で得られた、ΔＧ（耐フレッチング性）と酸化皮膜の表面側での「Ｃｒ／Ｆｅ」との関係を示すグラフである。
【図２】第１実施形態で得られた、ΔＧ（耐フレッチング性）とＣｒ／Ｆｅ≧０．５を満たす酸化皮膜の厚さとの関係を示すグラフである。
【図３】第１実施形態で得られたNo. ４，５，９，１１についての、酸化被膜の表面からの距離と（Ｃｒ／Ｆｅ）比との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態で得られたNo. ４，５，９，１１についての、酸化被膜の表面からの距離と酸素含有率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の転がり支持装置で使用する鉄鋼材料について、炭素含有率とクロム含有率との関係の好ましい領域を示すグラフである。
【図６】第２の転がり支持装置の軌道部材の軌道面の断面構造を示す図である。
【図７】第２実施形態で得られた結果をまとめたグラフである。
【符号の説明】
１（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化皮膜
２浸炭層または浸炭窒化層
３芯部

Claims

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の、前記構成部品の少なくとも一つを製造する方法において、
クロム（Ｃｒ）の含有率が５重量％以上で、炭素と窒素の合計含有率（Ｃ＋Ｎ）が０．４５重量％以上である鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工し、
この被加工物に対して、焼入れおよび焼戻し処理を行って表面硬さをＨＲＣ５８以上とした後に仕上げ加工を行い、
次いで、この被加工物の表面に存在する加工変質層を除去してから、この被加工物をクロム酸を含有する処理液に浸漬することで、この被加工物の表面に、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化皮膜を形成することを特徴とする転がり支持装置の製造方法。