JP5725071B2 - 転がり軸受 - Google Patents
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Description
本発明は転がり軸受に関する。
下記の特許文献１には、耐食性と耐久性に優れた転がり軸受として、内輪と外輪と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で構成され、且つその表面にＨｖ６５０以上の浸炭硬化層が形成されたものが記載されている。また、この浸炭硬化層をオーステナイト系ステンレス鋼表面のＣｒ酸化膜（不働態）を除去した後に形成することで、優れた耐食性と耐久性が同時に得られると記載されている。
下記の特許文献２には、より厳しい荷重条件でも高い耐食性を得るために、内輪と外輪を、Ｃｒ（クロム）含有率が３０．０質量％以上４５．０質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）含有率が１．５質量％以上５．０質量％以下、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成して、その硬さをＨＲＣ５５以上とし、転動体の転動面にポリテトラフルオロエチレンからなる樹脂被膜を形成することが記載されている。しかし、特許文献２に記載された転がり軸受には、転がり寿命の点で改善の余地がある。
下記の特許文献３には、より厳しい荷重条件でも高い耐食性を得るために、内輪と外輪を、０．０５％以下の炭素と、３．０〜５．０％の珪素と、２％以下のマンガンと、５〜１０％のニッケルと、６〜１２％（ただし１２％を除く）のクロムと、０．２〜１％のモリブデンと、０．５〜３％の銅と、残部鉄とからなる析出硬化型高珪素二相ステンレス鋼を用いて形成し、転動体をこの析出硬化型高珪素二相ステンレス鋼もしくはセラミックスで形成し、保持器を金属製または耐熱合成樹脂製とすることが記載されている。
この析出硬化型高珪素二相ステンレス鋼は、珪素系の微細な金属酸化物を熱処理（時効硬化）により析出させることで硬さを向上させている。よって、析出物の大きさや形状または析出物間距離などが不揃いな不均一組織となる場合が多く、特許文献３に記載された転がり軸受には、転がり寿命の点で改善の余地がある。
この析出硬化型高珪素二相ステンレス鋼は、珪素系の微細な金属酸化物を熱処理（時効硬化）により析出させることで硬さを向上させている。よって、析出物の大きさや形状または析出物間距離などが不揃いな不均一組織となる場合が多く、特許文献３に記載された転がり軸受には、転がり寿命の点で改善の余地がある。
下記の特許文献４には、球面状外周面を有する外輪と、この外輪の外周面に外嵌する球面状内周面を有する調心輪と、を備えた調心輪付き転がり軸受に関して、前記外輪の球面状外周面の曲率半径を、前記調心輪の球面状内周面の曲率半径の９５〜９９％に設定することが記載されている。このように設定することにより、荷重負荷時であっても容易且つ確実に調心することができると記載されている。
しかし、この場合には、外輪と調心輪が点接触になるため、接触点の面圧が高くなって局部的な摩耗が生じ易い。また、外輪の球面状外周面の曲率半径と調心輪の球面状内周面の曲率半径が異なることが、製造コストを上昇させる要因となっている。
しかし、この場合には、外輪と調心輪が点接触になるため、接触点の面圧が高くなって局部的な摩耗が生じ易い。また、外輪の球面状外周面の曲率半径と調心輪の球面状内周面の曲率半径が異なることが、製造コストを上昇させる要因となっている。
本発明の課題は、耐食性が高く、高荷重下での転がり寿命の長い転がり軸受を提供することである。
上記課題を解決するために、この発明の一態様の転がり軸受は、Ｓｉ（珪素）含有率が３．０質量％以上５．０質量％以下、Ｃ（炭素）含有率が０．０５質量％以下、Ｍｎ（マンガン）含有率が２．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）含有率が５．０質量％以上１０．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）含有率が６．０質量％以上１２．０質量％未満、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％であり、残部が、析出硬化に寄与する元素からなる添加物、不可避的不純物、およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、熱処理されて硬さがＨＲＣ５４以上とされ、軌道面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下とされた内輪および外輪と、転動体としてセラミックス製の玉と、保持器として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、あるいはポリエーテルエーテルケトンとポリベンゾイミダゾールとのコポリマー（ＰＥＥＫ−ＰＢＩ）で形成された保持器またはＳＵＳ３０４製の波形保持器と、を備え、腐食液中環境下で使用される。
この発明の別の態様では、また、球面状外周面を有する外輪と、この外輪の外周面に外嵌する球面状内周面を有する調心輪と、を備えた調心輪付き転がり軸受であって、前記調心輪の内周面には、幅方向の中心より一方の側に、周方向で等間隔に外輪挿入用の切欠きを有し、前記調心輪の球面状内周面の曲率半径と前記外輪の球面状外周面の曲率半径は同じ（製造許容差があるため、実際には、調心輪の球面状内周面の曲率半径Ｒ1 より外輪の球面状外周面の曲率半径Ｒ2 が小さい場合も含む。例えば、０．９９Ｒ1 ≦Ｒ2 ≦Ｒ1 ）であり、前記調心輪の球面状内周面の平均表面粗さ（Ｒａ）と前記外輪の球面状外周面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下である調心輪付き転がり軸受を提供する。
前記調心輪付き転がり軸受は、Ｃｒ（クロム）含有率が３０．０質量％以上４５．０質量％以下、Ａｌ（アルミニウム）含有率が１．５質量％以上５．０質量％以下、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、熱処理されて硬さがＨＲＣ５５以上とされ、軌道面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下とされた内輪および外輪と、セラミックス製の転動体とで構成することができる。
前記調心輪付き転がり軸受によれば、調心輪の球面状内周面の曲率半径と前記外輪の球面状外周面の曲率半径を同じにして、調心輪の球面状内周面の平均表面粗さ（Ｒａ）と前記外輪の球面状外周面の平均表面粗さ（Ｒａ）を０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下とすることで、スムーズな調心性を確保しながら安価に製造することができる。
前記調心輪付き転がり軸受によれば、調心輪の球面状内周面の曲率半径と前記外輪の球面状外周面の曲率半径を同じにして、調心輪の球面状内周面の平均表面粗さ（Ｒａ）と前記外輪の球面状外周面の平均表面粗さ（Ｒａ）を０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下とすることで、スムーズな調心性を確保しながら安価に製造することができる。
前記調心輪付き転がり軸受は、また、Ｓｉ（珪素）含有率が３．０質量％以上５．０質量％以下、Ｃ（炭素）含有率が０．０５質量％以下、Ｍｎ（マンガン）含有率が２．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）含有率が５．０質量％以上１０．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）含有率が６．０質量％以上１２．０質量％未満であり、残部が、析出硬化に寄与する元素からなる添加物、不可避的不純物、およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、熱処理されて硬さがＨＲＣ５４以上とされ、軌道面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下であり内輪および外輪と、セラミックス製の転動体とで構成することができる。
析出硬化型ステンレス鋼は、アルミニウム、銅などの元素（析出硬化に寄与する元素）を少量添加し、熱処理によってこれらの元素の化合物などを析出させて硬化する性質をもたせたステンレス鋼であり、析出硬化に寄与する元素としては、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）などが挙げられる。すなわち、析出硬化に寄与する元素は、所定の硬さを得るために適宜組み合わせて母材（主な構成成分であるＳｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅの混合物）に添加される添加材である。また、前記主な構成成分と不可避的不純物だけでも熱処理されて硬さがＨＲＣ５４以上となる場合には、析出硬化に寄与する元素を添加する必要がない。
この発明の一態様および別の態様の転がり軸受および調心輪付き転がり軸受を構成するセラミックス製の転動体としては、窒化珪素製、炭化珪素製、ジルコニア製の転動体が挙げられる。
この発明の一態様および別の態様の転がり軸受および調心輪付き転がり軸受を構成するセラミックス製の転動体としては、窒化珪素製、炭化珪素製、ジルコニア製の転動体が挙げられる。
保持器を備えている場合には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンとポリベンゾイミダゾールとのコポリマー（ＰＥＥＫ−ＰＢＩ）、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、熱可塑性芳香族ポリアミドイミド（ＴＰＡＩ）等の高分子材料からなるものが好ましい。
これらのうち、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンとポリベンゾイミダゾールとのコポリマー（ＰＥＥＫ−ＰＢＩ）は、自己潤滑性に優れているために、腐食環境下で使用する場合に特に好ましい。
これらの高分子材料に固体潤滑剤（ＰＴＦＥ粉末、黒鉛、六方晶窒化ホウ素、フッ素雲母、メラミンアヌレート、Ｎ−ラウロ・Ｌ−リジン、フッ化黒鉛、フッ化ピッチ、二硫化モリブデン等）や繊維状充填材が添加された樹脂組成物で形成された保持器を使用すると、自己潤滑性や耐久性に優れたものとなるため、より好ましい。
これらの高分子材料に固体潤滑剤（ＰＴＦＥ粉末、黒鉛、六方晶窒化ホウ素、フッ素雲母、メラミンアヌレート、Ｎ−ラウロ・Ｌ−リジン、フッ化黒鉛、フッ化ピッチ、二硫化モリブデン等）や繊維状充填材が添加された樹脂組成物で形成された保持器を使用すると、自己潤滑性や耐久性に優れたものとなるため、より好ましい。
本発明の転がり軸受によれば、析出硬化型ステンレス鋼製の内輪および外輪の軌道面の平均表面粗さを０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下とすることで、耐食性を高く、高荷重下での転がり寿命を長くすることができる。
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１はこの実施形態の転がり軸受を示す断面図である。この転がり軸受は、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１はこの実施形態の転がり軸受を示す断面図である。この転がり軸受は、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる。
内輪１と外輪２は、Ｃｒ（クロム）含有率が３８．０質量％、Ａｌ（アルミニウム）含有率が３．８質量％、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ、０．５０μｍ、または１．５０μｍとされたものである。玉３は窒化珪素製であり、冠形の保持器４はＥＴＦＥ製である。
また、比較例として、内輪１および外輪２の軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）を１．７０μｍとした以外は同じ構成として、転がり軸受を組み立てた。
このようにして組み立てた、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）のみが異なる転がり軸受（呼び番号６００１）について、水道水中で回転試験（試験条件：荷重Ｆａ＝１４．７Ｎ（１．５ｋｇｆ）、Ｆｒ＝２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）、回転速度＝１８００ｍｉｎ-1）を行い、振動値が初期値の３倍となるまでの回転時間を測定して、これを寿命とした。各値について、平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍの時の値を「１」とした寿命比を算出し、その結果を図２にグラフで示す。
このようにして組み立てた、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）のみが異なる転がり軸受（呼び番号６００１）について、水道水中で回転試験（試験条件：荷重Ｆａ＝１４．７Ｎ（１．５ｋｇｆ）、Ｆｒ＝２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）、回転速度＝１８００ｍｉｎ-1）を行い、振動値が初期値の３倍となるまでの回転時間を測定して、これを寿命とした。各値について、平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍの時の値を「１」とした寿命比を算出し、その結果を図２にグラフで示す。
この結果から分かるように、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍ以下の転がり軸受では、寿命比が０．７５以上であったのに対して、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．７０μｍの転がり軸受では、寿命比が０．１０と低く、寿命が短かった。
したがって、窒化珪素製玉３と、ＥＴＦＥ製の冠形の保持器４を用い、Ｃｒ（クロム）含有率が３８．０質量％、Ａｌ（アルミニウム）含有率が３．８質量％、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされた内輪１および外輪２を用いた転がり軸受では、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とすることで、水道水中での転がり軸受の寿命を著しく長くできることが分かる。
したがって、窒化珪素製玉３と、ＥＴＦＥ製の冠形の保持器４を用い、Ｃｒ（クロム）含有率が３８．０質量％、Ａｌ（アルミニウム）含有率が３．８質量％、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされた内輪１および外輪２を用いた転がり軸受では、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とすることで、水道水中での転がり軸受の寿命を著しく長くできることが分かる。
また、サンプルNo. １−１として、図３に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、波形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。内輪１と外輪２は、上記と同じＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は窒化珪素製のものを使用し、波形の保持器４はＳＵＳ３０４製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. １−２として、図１に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。内輪１と外輪２は、上記と同じＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は炭化珪素製のものを使用し、冠形の保持器４はＥＴＦＥ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. １−３として、図１に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。内輪１と外輪２は、上記と同じＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍとされたものを使用し、玉３はジルコニア製のものを使用し、冠形の保持器４はＰＥＥＫ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. １−４として、図３に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、波形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。内輪１と外輪２は、上記と同じＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．５０μｍとされたものを使用し、玉３はＳＵＳ４４０Ｃ製のものを使用し、波形の保持器４はＳＵＳ３０４製で表面にＰＴＦＥがコーティングされたものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. １−５として、図１に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。内輪１と外輪２は、ＳＵＳ６３０製で、通常の熱処理が施されて硬さがＨＲＣ４０とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．５０μｍとされたものを使用し、玉３は窒化珪素製のものを使用し、冠形の保持器４はＥＴＦＥ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
このようにして測定した水道水中での各寿命値について、No. １−２の値を「１」とした寿命比を算出した結果、各寿命比は、No. １−１で０．５０であり、No. １−３で０．７５であり、No. １−４で０．１５であり、No. １−５で０．２５であった。
このようにして測定した水道水中での各寿命値について、No. １−２の値を「１」とした寿命比を算出した結果、各寿命比は、No. １−１で０．５０であり、No. １−３で０．７５であり、No. １−４で０．１５であり、No. １−５で０．２５であった。
したがって、窒化珪素、炭化珪素、またはジルコニア製の玉３と、ＥＴＦＥまたはＰＥＥＫ製の冠形の保持器４あるいはＳＵＳ３０４製の波形の保持器４を用い、Ｃｒ（クロム）含有率が３８．０質量％、Ａｌ（アルミニウム）含有率が３．８質量％、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされて、平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とした内輪１および外輪２を用いた転がり軸受（No. １−１〜１−３）は、上記と同じＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成され硬さがＨＲＣ５９とされて平均表面粗さ（Ｒａ）を０．５０μｍとした内輪１および外輪２とＳＵＳ４４０Ｃの玉３とＳＵＳ３０４製でＰＴＦＥコーティングされた波形の保持器４を用いた転がり軸受（No. １−４）およびＳＵＳ６３０製で平均表面粗さ（Ｒａ）を０．５０μｍとした内輪１および外輪２と窒化珪素製の玉３とＥＴＦＥ製の冠形の保持器４を用いた転がり軸受（No. １−５）よりも、水道水中での転がり軸受の寿命を著しく長くできることが分かる。
さらに、上記と同じＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされ、表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ、１．５０μｍ、２．００μｍとされた試験片（No. １−６〜８）と、通常の熱処理が施されて硬さがＨＲＣ４０とされ、ＳＵＳ６３０製で表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされた試験片（No. １−９）を用意した。
これらの試験片No. １−６〜１−９を濃度１質量％の塩酸に２４時間浸漬した前後の質量変化を測定して、質量減少量を算出し、No. １−９を「１」とした質量減少量比を算出した。その結果、質量減少量比はNo. １−６で０．１、No. １−７で０．５で、No. １−８で１．０であった。
これらの試験片No. １−６〜１−９を濃度１質量％の塩酸に２４時間浸漬した前後の質量変化を測定して、質量減少量を算出し、No. １−９を「１」とした質量減少量比を算出した。その結果、質量減少量比はNo. １−６で０．１、No. １−７で０．５で、No. １−８で１．０であった。
したがって、Ｃｒ（クロム）含有率が３８．０質量％、Ａｌ（アルミニウム）含有率が３．８質量％、残部が不可避的不純物およびＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５９とされた試験片では、平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とすることで、酸溶液中での質量減少量をＳＵＳ６３０製の試験片よりも著しく少なくできることが分かる。
［第２実施形態］
図３に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、波形の保持器４とからなる転がり軸受を以下の方法で作製した。
内輪１と外輪２は、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が１．０質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４．０とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ、０．５０μｍ、または１．５０μｍとされたものである。玉３は窒化珪素製であり、波形の保持器４はＳＵＳ３０４製である。
図３に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、波形の保持器４とからなる転がり軸受を以下の方法で作製した。
内輪１と外輪２は、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が１．０質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４．０とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ、０．５０μｍ、または１．５０μｍとされたものである。玉３は窒化珪素製であり、波形の保持器４はＳＵＳ３０４製である。
また、比較例として、内輪１および外輪２の軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）を１．７０μｍとした以外は同じ構成として、転がり軸受を組み立てた。
このようにして組み立てた、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）のみが異なる転がり軸受（呼び番号６００１）について、水道水中で回転試験（試験条件：荷重Ｆａ＝１４．７Ｎ（１．５ｋｇｆ）、Ｆｒ＝２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）、回転速度＝１８００ｍｉｎ-1）を行い、振動値が初期値の３倍となるまでの回転時間を測定して、これを寿命とした。各値について、平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍの時の値を「１」とした寿命比を算出し、その結果を図４にグラフで示す。
この結果から分かるように、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍ以下では０．７５以上の寿命比が得られたのに対して、１．７０μｍでは寿命比が０．１０程度と低かった。
このようにして組み立てた、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）のみが異なる転がり軸受（呼び番号６００１）について、水道水中で回転試験（試験条件：荷重Ｆａ＝１４．７Ｎ（１．５ｋｇｆ）、Ｆｒ＝２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）、回転速度＝１８００ｍｉｎ-1）を行い、振動値が初期値の３倍となるまでの回転時間を測定して、これを寿命とした。各値について、平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍの時の値を「１」とした寿命比を算出し、その結果を図４にグラフで示す。
この結果から分かるように、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍ以下では０．７５以上の寿命比が得られたのに対して、１．７０μｍでは寿命比が０．１０程度と低かった。
また、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が１．０質量％、Ｃｕ（銅）含有率が４．０質量％、Ｎｂ（ニオブ）含有率が１．０質量％、Ｔａ（タンタル）含有率が１．０質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。この素材で内輪１および外輪２を形成した後、処理温度および処理時間を変化させて時効処理を施して、硬さをＨＲＣ５０．０、５１．５、５２．０、５３．０、５４．０、５５．０、５６．０の各値とし、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）を０．０４μｍとした。これらの各内輪１および外輪２と窒化珪素製の玉３とＳＵＳ３０４製の波形の保持器４を用いて、図３に示す転がり軸受を組み立てた。
このようにして組み立てた、内輪１および外輪２の硬さ（ＨＲＣ）のみが異なる転がり軸受（呼び番号６００１）について、水道水中で回転試験（試験条件：荷重Ｆａ＝１４．７Ｎ（１．５ｋｇｆ）、Ｆｒ＝２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）、回転速度＝１８００ｍｉｎ-1）を行い、振動値が初期値の３倍となるまでの回転時間を測定して、これを寿命とした。各値について、硬さ（ＨＲＣ）が５４．０の時の値を「１」とした寿命比を算出し、その結果を図５にグラフで示す。
この結果から分かるように、内輪１および外輪２の硬さ（ＨＲＣ）が５４．０以上になると、水道水中での寿命の上昇度合いが飽和する。
この結果から分かるように、内輪１および外輪２の硬さ（ＨＲＣ）が５４．０以上になると、水道水中での寿命の上昇度合いが飽和する。
したがって、窒化珪素製の玉３と、ＳＵＳ３０４製の波形の保持器４を用い、前述の各析出硬化型ステンレス鋼（主な構成成分の組成は同じで、添加した析出硬化に寄与する元素の組成が異なる）で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４．０以上とされた内輪１および外輪２を用いた転がり軸受では、内輪１および外輪２の平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とすることで、水道水中での転がり軸受の寿命を著しく長くできることが分かる。
また、サンプルNo. ２−１として、図３に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、波形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。
内輪１と外輪２用として、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が０．２質量％、Ｃｕ（銅）含有率が１．０質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。内輪１と外輪２は、この素材で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は窒化珪素製のものを使用し、波形の保持器４はＳＵＳ３０４製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
内輪１と外輪２用として、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が０．２質量％、Ｃｕ（銅）含有率が１．０質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。内輪１と外輪２は、この素材で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は窒化珪素製のものを使用し、波形の保持器４はＳＵＳ３０４製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. ２−２として、図１に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。
内輪１と外輪２用として、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が０．５質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔａ（タンタル）含有率が２．０質量％、Ｎｂ（ニオブ）含有率が０．５質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。内輪１と外輪２は、この素材で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は炭化珪素製のものを使用し、冠形の保持器４はＥＴＦＥ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
内輪１と外輪２用として、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が０．５質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔａ（タンタル）含有率が２．０質量％、Ｎｂ（ニオブ）含有率が０．５質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。内輪１と外輪２は、この素材で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は炭化珪素製のものを使用し、冠形の保持器４はＥＴＦＥ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. ２−３として、図１に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。
内輪１と外輪２用として、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が０．５質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔａ（タンタル）含有率が１．０質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。内輪１と外輪２は、この素材で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍとされたものを使用し、玉３はジルコニア製のものを使用し、冠形の保持器４はＰＥＥＫ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
内輪１と外輪２用として、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が０．５質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔａ（タンタル）含有率が１．０質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼からなる素材を用意した。内輪１と外輪２は、この素材で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍとされたものを使用し、玉３はジルコニア製のものを使用し、冠形の保持器４はＰＥＥＫ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
また、サンプルNo. ２−４として、図１に示す、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、冠形の保持器４とからなる転がり軸受を作製した。内輪１と外輪２は、ＳＵＳ６３０製で、通常の熱処理が施されて硬さがＨＲＣ４０とされ、軌道面を含む全表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされたものを使用し、玉３は窒化珪素製のものを使用し、冠形の保持器４はＥＴＦＥ製のものを使用した。このサンプルについて上記と同じ方法で水道水中での寿命を測定した。
このようにして測定した水道水中での各寿命値について、No. ２−１の値を「１」とした寿命比を算出した結果、各寿命比は、No. ２−２で２．０であり、No. ２−３で１．５０であり、No. ２−４で０．５０であった。
このようにして測定した水道水中での各寿命値について、No. ２−１の値を「１」とした寿命比を算出した結果、各寿命比は、No. ２−２で２．０であり、No. ２−３で１．５０であり、No. ２−４で０．５０であった。
したがって、窒化珪素、炭化珪素、またはジルコニア製の玉３と、ＥＴＦＥまたはＰＥＥＫ製の冠形の保持器４あるいはＳＵＳ３０４製の波形の保持器４を用い、前述の各析出硬化型ステンレス鋼（主な構成成分の組成は同じで、添加した析出硬化に寄与する元素の組成が異なる）で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされて、平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とした内輪１および外輪２を用いた転がり軸受（No. ２−１〜２−３）は、ＳＵＳ６３０製で平均表面粗さ（Ｒａ）を０．０４μｍとした内輪１および外輪２と窒化珪素製の玉３とＥＴＦＥ製の保持器４を用いた転がり軸受（No. ２−４）よりも、水道水中での転がり軸受の寿命を著しく長くできることが分かる。
さらに、Ｓｉ（珪素）含有率が３．６質量％、Ｃ（炭素）含有率が０．０２質量％、Ｍｎ（マンガン）含有率が１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）含有率が６．５質量％、Ｃｒ（クロム）含有率が１０．５質量％、Ｍｏ（モリブデン）含有率が５．０質量％、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％、Ｔｉ（チタン）含有率が０．３質量％、Ｎｂ（ニオブ）含有率が０．５質量％、残部が不可避的不純物およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされ、表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ、１．５０μｍ、２．００μｍとされた試験片（No. ２−６〜８）と、通常の熱処理が施されて硬さがＨＲＣ４０とされ、ＳＵＳ６３０製で表面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍとされた試験片（No. ２−９）を用意した。
これらの試験片No. ２−６〜２−９を濃度１質量％の塩酸に２４時間浸漬した前後の質量変化を測定して、質量減少量を算出し、No. ２−９を「１」とした質量減少量比を算出した。その結果、質量減少量比はNo. ２−６で０．１、No. ２−７で０．５、No. ２−８で１．０であった。
したがって、上記の析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされた試験片では、平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とすることで、酸溶液中での質量減少量をＳＵＳ６３０製の試験片よりも著しく少なくできることが分かる。
したがって、上記の析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、時効処理が施されて硬さがＨＲＣ５４とされた試験片では、平均表面粗さ（Ｒａ）を１．５０μｍ以下とすることで、酸溶液中での質量減少量をＳＵＳ６３０製の試験片よりも著しく少なくできることが分かる。
［第３実施形態］
図６は、本発明の実施形態に相当する調心輪付き転がり軸受を示す断面図である。図７は調心輪を示す正面図であり、図６の断面は図７のＡ−Ａ断面に対応する。
この調心輪付き転がり軸受は、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、保持器４と、調心輪５とからなり、外輪２の外周面２１は球面状に形成されている。調心輪５は、外輪２の外周面２１に外嵌する球面状内周面５１を有する。調心輪５の内周面５１には、幅方向の中心より一方の側に、直径方向で対向する位置に（周方向で等間隔に）外輪２挿入用の切欠き５２が形成されている。調心輪５の球面状内周面５１の曲率半径と外輪２の球面状外周面２１の曲率半径は同じであり、調心輪５の球面状内周面５１の平均表面粗さ（Ｒａ）と外輪２の球面状外周面２１の平均表面粗さ（Ｒａ）は０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下の範囲にある。
図６は、本発明の実施形態に相当する調心輪付き転がり軸受を示す断面図である。図７は調心輪を示す正面図であり、図６の断面は図７のＡ−Ａ断面に対応する。
この調心輪付き転がり軸受は、内輪１と、外輪２と、玉（転動体）３と、保持器４と、調心輪５とからなり、外輪２の外周面２１は球面状に形成されている。調心輪５は、外輪２の外周面２１に外嵌する球面状内周面５１を有する。調心輪５の内周面５１には、幅方向の中心より一方の側に、直径方向で対向する位置に（周方向で等間隔に）外輪２挿入用の切欠き５２が形成されている。調心輪５の球面状内周面５１の曲率半径と外輪２の球面状外周面２１の曲率半径は同じであり、調心輪５の球面状内周面５１の平均表面粗さ（Ｒａ）と外輪２の球面状外周面２１の平均表面粗さ（Ｒａ）は０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下の範囲にある。
図８に示すように、調心輪５の球面状内周面５１の曲率半径Ｒ1 と外輪２の球面状外周面２１の曲率半径Ｒ2 を同じにして、調心性の荷重Ｆを加え、調心輪５および外輪２の球面状内周面５１，２１の平均表面粗さ（Ｒａ）を変えて調心性の変化を調べたところ、平均表面粗さ（Ｒａ）が１．５０μｍを超えると調心性が極端に悪くなることが分かった。平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ未満でも調心性は良好であるが、平均表面粗さを極端に小さくすると製造コストがかさむため、最低値を０．０４μｍとした。
また、調心輪５の内径寸法から外輪１の外径寸法を引いた隙間の寸法（Δ）を、調心輪５の内径寸法の０．０００１倍以上０．００３倍以下とすることで、よりスムーズな調心性が得られる。
さらに、図９に調心輪５の断面図を示すが、調心輪５の径方向の最大厚さをＴ1 、切欠き５２位置を除いた部分での最小厚さをＴ2 とし、外径をＤとしたとき、調心輪５の有効厚さ（ＴY ）はＴ1 −（Ｔ1 −Ｔ2 ）／３で表される。この有効厚さＴY の外径Ｄに対する比（調心輪有効肉厚比：ＴY ／Ｄ）を０．０５以上にすることで、調心輪５がオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）製やマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）製の場合でも、変形を抑えて寸法精度が確保できる。
さらに、図９に調心輪５の断面図を示すが、調心輪５の径方向の最大厚さをＴ1 、切欠き５２位置を除いた部分での最小厚さをＴ2 とし、外径をＤとしたとき、調心輪５の有効厚さ（ＴY ）はＴ1 −（Ｔ1 −Ｔ2 ）／３で表される。この有効厚さＴY の外径Ｄに対する比（調心輪有効肉厚比：ＴY ／Ｄ）を０．０５以上にすることで、調心輪５がオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）製やマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）製の場合でも、変形を抑えて寸法精度が確保できる。
１ 内輪
２ 外輪
２１ 外輪の外周面
３ 玉（転動体）
４ 保持器
５ 調心輪
５１ 調心輪の球面状内周面
５２ 調心輪の切欠き
２ 外輪
２１ 外輪の外周面
３ 玉（転動体）
４ 保持器
５ 調心輪
５１ 調心輪の球面状内周面
５２ 調心輪の切欠き
Claims (1)
- Ｓｉ（珪素）含有率が３．０質量％以上５．０質量％以下、Ｃ（炭素）含有率が０．０５質量％以下、Ｍｎ（マンガン）含有率が２．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）含有率が５．０質量％以上１０．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）含有率が６．０質量％以上１２．０質量％未満、Ｃｏ（コバルト）含有率が５．０質量％であり、残部が、析出硬化に寄与する元素からなる添加物、不可避的不純物、およびＦｅ（鉄）である析出硬化型ステンレス鋼で形成された後、熱処理されて硬さがＨＲＣ５４以上とされ、軌道面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．０４μｍ以上１．５０μｍ以下とされた内輪および外輪と、
転動体としてセラミックス製の玉と、
保持器として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、あるいはポリエーテルエーテルケトンとポリベンゾイミダゾールとのコポリマー（ＰＥＥＫ−ＰＢＩ）で形成された合成樹脂製保持器またはＳＵＳ３０４製の波形保持器と、
を備え、腐食液中環境下で使用される転がり軸受。
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