JPH1192869A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造コストの増大を招くことなく、優れた耐
フレッチング性を得ることができる転がり軸受を提供す
る。 【解決手段】 ラジアル転がり軸受は内輪および外輪を
有し、内輪と外輪との間には鋼球が保持されている。内
輪および外輪の少なくとも一方は、Ｃが０．４５〜１．
０、Ｓｉが０．５〜１．５、Ｍｎが０．１〜１．５、Ｃ
ｒが１．５以下、Ｍｏが１．０以下である重量％の含有
率を有し、かつ組織が平均粒径８μｍ以上の黒鉛とフェ
ライトおよびセメンタイトとを主とする素材（表１およ
び表２の材料記号Ａ〜Ｌ）から製造されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受に関
し、特に磁気ディスク装置のスイングアームのように高
速で微小変位する部材を支持するための軸受として好適
な転がり軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、転がり軸受は、高面圧下で繰り
返し剪断力を受けるという使用環境で使用されるため、
高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２）を用いてそ
れに焼入れ、焼戻しを施して硬さをＨＲＣ５８〜６４に
することが、剪断力に耐えかつ必要な転がり疲労寿命を
確保する目的で行われている。

【０００３】近年、コンピュータなどの情報処理装置に
よる情報処理量の増大化に伴いそれの記憶装置として使
用される磁気ディスク装置（以下、ＨＤＤという）の高
密度化が進められ、それにより、ＨＤＤに組み込まれて
いる、高速で微小変位するスイングアームを支持する転
がり軸受に対して、回転に要するトルクが小さく、トル
ク変動が生じないものが求められている。そこで、転が
り軸受に付着させるグリースなどの潤滑剤を極力少なく
して、低トルク化およびトルク変動の低減を図ることが
考えられている。

【０００４】しかし、上述の方法では、単に転がり軸受
に付着させるグリースなどの潤滑剤の量を極端に少なく
すると、この転がり軸受およびこの転がり軸受を組み込
んだＨＤＤの耐久性が低下する。すなわち、内輪および
外輪と転動体との接触部に十分な潤滑剤を介在させない
ままＨＤＤを長期間に亘って使用すると、上記接触部に
存在する潤滑剤が枯渇して該接触部において磨耗が生じ
るフレッチング現象が発生し、該接触部に損傷が発生し
易くなる。そして、この接触部に損傷が発生すると、転
がり軸受に発生する揺動変位によりスイングアークに振
動が発生し、ＨＤＤの書込み、読出し機能が損なわれる
ことになる。

【０００５】そこで、内輪および外輪と転動体との接触
部すなわち転動面および軌道面部分に十分な潤滑剤を確
保する方法として、微小ピットを転動面または軌道面に
規則的に配列して設ける方法（特開平５−２４０２５４
号公報参照）が提案されている。しかし、この方法にお
いて、微小ピットを転動面または軌道面に規則的に配列
するためには、数値制御した電解加工などの方法により
１つ１つ微小ピットを加工する以外に加工方法がなく、
この加工方法では、加工に時間を要し、大幅なコストア
ップを避けることができない。

【０００６】また一方で、ＨＤＤに対するコストダウン
の要求から、ＨＤＤに使用する極小の転がり軸受に対す
るコストダウンの要求が非常に高まっている。

【０００７】この極小の転がり軸受を製造する場合、製
造コストの中で材料費が占める割合は小さく、コストダ
ウンを図るためには、加工費を抑えることが最も有効で
ある。特に、内輪および外輪を製造する場合、素材から
熱処理前の素形状に加工する工程において、極小である
がゆえに形状を鍛造で得ることは難しく、旋削加工を用
いる必要がある。よって、材料の被削性を向上させるこ
とによるコストダウン効果は大きい。

【０００８】転がり軸受の材料の被削性を飛躍的に向上
させる方法としては、素材に含まれるＣの一部を黒鉛化
する方法があり、この方法は特開平２−２７４８３７号
公報および特開平８−２０８４１号公報に記載されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平２−２
７４８３７号公報に記載の方法では、高周波焼入により
表面硬化層を得る必要があるため、この方法を極小の転
がり軸受に適用することは困難である。また、特開平８
−２０８４１号公報に記載の方法では、被削性の向上お
よび長寿命化を目的としているため、軸受の製造におけ
るトータルの製造コストの削減に対する考慮がなされて
いない。

【００１０】このように、上述の各方法により、素材に
含まれるＣの一部を黒鉛化することによって被削性を著
しく改善することは可能であるが、軸受け製造時におけ
るトータルコストの削減という点においては、後工程、
特に熱処理コストの増大があってはならず、従来から用
いられている高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ
２）と同様の熱処理で必要とされる硬さなどの特性を得
る必要がある。また、上述したように、ＨＤＤのスイン
グアームなどの微小揺動する転がり軸受における内輪お
よび外輪と転動体との接触部すなわち転動面および軌道
面部分に十分な潤滑剤を確保するには、大幅なコストア
ップを避けることができない。すなわち、大幅なコスト
アップを招くことなく、優れた耐フレッチング性を得る
ことができない。

【００１１】本発明の目的は、製造コストの増大を招く
ことなく、優れた耐フレッチング性を得ることができる
転がり軸受を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
内輪、外輪および転動体を有する転がり軸受において、
Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉが０．５〜１．５、Ｍｎが
０．１〜１．５、Ｃｒが１．５以下、Ｍｏが１．０以下
である重量％の含有率を有し、かつ組織が平均粒径８μ
ｍ以上の黒鉛とフェライトおよびセメンタイトとを主と
する素材から前記内輪および外輪の内の少なくとも一方
を製造したことを特徴とする。

【００１３】素材に含まれるＣの一部を黒鉛化すること
によって被削性が著しく改善され、製造コストの削減が
可能になる。また、素材の黒鉛の粒径を適正に制御する
ことにより、熱処理後の黒鉛の粒径を適正に制御するこ
とが可能になる。さらに、上記素材から製造された内輪
または外輪の軌道面に残存した黒鉛は、それ自体が潤滑
効果を有するばかりか、使用中に脱落して微小ピットと
なり、この微小ピットに潤滑剤が保持されてフレッチン
グ現象の発生が防止され、ひいてはフレッチング現象に
よる損傷の発生が未然に防止される。

【００１４】しかし、熱処理後に黒鉛が残存した場合、
材料に不均質性が生じるので、該材料を転動体に用いる
と、回転精度に悪影響を及ぼす。このことは、転がり軸
受には複数の転動体が使用されているので、転動体の不
均質性による回転精度低下が、各転動体の寸法精度のば
らつきによる回転精度の低下を増幅するためと考えられ
ている。これに対し、内輪または外輪においては、その
素材の不均質性により、転動体の場合のような増幅効果
が生じないので、熱処理後に僅かな量の黒鉛が残存した
場合でも該黒鉛が回転精度に影響を与えることはない。
よって、転動体に対しては、熱処理後の黒鉛残存量を適
正に制御することが必要不可欠であり、転動体には、従
来から用いられている均質な高炭素クロム軸受鋼を用い
ることが好ましい。また、回転精度を維持するために
は、使用中に寸法精度に変化が生じてはならず、熱処理
後の残留オーステナイト量は、従来から用いられている
高炭素クロム軸受鋼と同等の１０％以下に抑える必要が
ある。

【００１５】そこで、従来から用いられている高炭素ク
ロム軸受鋼と同様の焼入れ、焼戻し処理で必要とされる
ＨＲＣ５８以上の硬さや上記特性を得るための合金元素
の適正化および黒鉛量の適正化により、製造コストの増
大を招くことなく、優れた耐フレッチング性を得ること
ができる本発明の上記構成を導き出した。

【００１６】ここで、本発明における素材の成分につい
て説明する。

【００１７】［Ｃ：０．４５〜１．０ｗｔ％］Ｃは、黒
鉛相を形成する上で必要不可欠なだけでなく、焼入れ、
焼戻し処理により素地をマルテンサイト化し転がり軸受
として必要なＨＲＣ５８以上の硬さを得るために必要な
元素であり、０．４５重量％（ｗｔ％）以上添加され
る。しかし、１．０ｗｔ％を超えて添加してもその効果
が飽和するばかりか、回転精度の維持に有害な残留オー
ステナイトが生成し易くなるため、上限を１．０ｗｔ％
としている。なお、残留オーステーナイトを極力抑える
ためには、その上限を０．８ｗｔ％にすることが好まし
い。

【００１８】［Ｓｉ：０．５〜１．５ｗｔ％］Ｓｉは、
製鋼時の脱酸のために必要な元素であり、また、鋼中の
セメンタイトを不安定にして黒鉛化を促進させる元素と
しても有用であり、さらに焼戻し軟化抵抗を高め、強度
および転動疲労寿命を向上させる。その添加量が０．５
ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、１．５ｗｔ％を
超えて添加しても黒鉛化促進の効果は飽和に達し、添加
効果が上がらないため、その添加量を０．５〜１．５ｗ
ｔ％の範囲としている。

【００１９】［Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％］Ｍｎは、
Ｓｉと同様に、製鋼時の脱酸のために必要な元素であ
り、０．１ｗｔ％以上添加される。また、Ｍｎは、焼入
れ性を高め、熱処理後の強度および転動疲労寿命の向上
にも寄与する。よって、０．２５ｗｔ％以上添加するこ
とが好ましい。しかし、１．５ｗｔ％を超えて添加して
もその効果は飽和に達し、添加効果が上がらないだけで
なく、回転精度の維持に有害な残留オーステナイトが生
成し易くなるため、その上限を１．５ｗｔ％としてい
る。

【００２０】［Ｃｒ：１．５ｗｔ％以下］Ｃｒは、焼入
れ性を高めるとともに熱処理後の強度および転動疲労寿
命の向上に寄与するため、選択的に添加される。また、
Ｃｒは、強力な炭化物形成元素であるともにセンメンタ
イトを球状化する作用を有するため、０．２ｗｔ％以上
添加することが好ましい。しかし、１．５ｗｔ％を超え
て添加してもその効果は飽和に達し、添加効果が上がら
ないだけでなく、多量に添加すると、黒鉛化を阻害する
ため、その上限を１．５ｗｔ％としている。

【００２１】［Ｍｏ：１．０ｗｔ％以下］Ｍｏは、焼入
れ性を高め、熱処理後の強度および転動疲労寿命の向上
にも寄与するため、選択的に添加される。しかし、１．
０ｗｔ％を超えて添加してもその効果は飽和に達し、添
加効果が上がらないだけでなく、多量に添加すると、黒
鉛化を阻害することおよび高価であるため、その上限を
１．０ｗｔ％としている。

【００２２】［黒鉛の平均粒径：８μｍ以上］本発明に
おいては、被削性および潤滑性能を向上させるために、
材料に含有されているＣの一部を黒鉛化させて用いる。
被削性を向上させるために添加Ｃ量の全てを黒鉛化する
必要はなく、本発明の成分範囲においては、潤滑性能を
向上させるために必要な黒鉛化を行えば、優れた被削性
が得られる。ただし、潤滑性能を向上させるためには、
焼入れ焼戻し後に平均粒径が少なくとも３μｍ以上、好
ましくは４〜６μｍの黒鉛が必要であり、素材の段階で
は黒鉛の平均粒径を８μｍ以上とする必要があり、好ま
しくは、１０μｍ以上とする。しかし、余りに粗大な黒
鉛が存在すると、黒鉛が脱落して生じたピットの縁に応
力集中による剥離が生じる恐れがあるので、焼入れ焼戻
し後の黒鉛の平均粒径は１０μｍ以下とすることが好ま
しい。

【００２３】なお、本発明においては、黒鉛化を促進す
る目的で、０．００５ｗｔ％以下のＢおよび０．０３ｗ
ｔ％以下のＡｌのいずれか一方または両方の微量元素を
添加してもよい。

【００２４】このように請求項１記載の転がり軸受で
は、Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉが０．５〜１．５、Ｍ
ｎが０．１〜１．５、Ｃｒが１．５以下、Ｍｏが１．０
以下である重量％の含有率を有し、かつ組織が平均粒径
８μｍ以上の黒鉛とフェライトおよびセメンタイトとを
主とする素材から内輪および外輪の内の少なくとも一方
を製造したので、被削性および潤滑性能を向上可能なよ
うに熱処理後の黒鉛の平均粒径が適正に制御され、製造
コストの増大を招くことなく、優れた耐フレッチング性
を得ることができる。

【００２５】また、薄肉の転がり軸受においては、その
工程が、通常、棒状素材、チューブ状素材または鍛造素
材から旋削加工によって、内、外輪を作製し、熱処理に
より軸受として必要な硬さを出し、内、外輪の端面、外
輪外径、内輪内径および内、外輪の軌道面を研削加工で
精密に仕上げる工程からなり、その熱処理後の変形が通
常の肉厚比の軸受に対して極端に大きくなり、内、外輪
に対する研削加工にさらにコストが掛かることになる。
この研削に掛かるコストを下げるために、研削加工前に
内、外輪の変形を矯正する方法も考えられるが、この方
法では、内、外輪それぞれを1つづ矯正する必要がある
ので、結局、薄肉の転がり軸受の全体の製造コストを低
減させることは難しい。

【００２６】内、外輪のような比較的単純な環状体の場
合、加工による変形量が熱応力、変態応力等による変形
に影響を与え、加工により変形が小さいほど熱応力、変
態応力等による変形が相乗効果で小さくなり、薄肉の転
がり軸受では、さらにこの現象が顕著に現れる傾向があ
ることを本出願人は見出した。また、旋削加工における
チャック爪による変形（内輪または外輪をチャックし、
その内径を削るときにはチャック爪により内、外輪が変
形した状態で真円に削るため、変形や偏肉が生じる現
象）等を含めて、軸受の熱処理後の変形は、旋削加工速
度（力）が高いほど、また肉厚比が低いほど多くなる傾
向にあることを確認した。ここで、加工による残留応力
を極力低減したものに対してソルト焼入れを施した場合
には、より良い結果すなわち熱処理後の変形量を小さく
することができることが確認された。ここで、焼入れに
よる変形量は加工による変形量に大きく影響を受けるた
め、加工による変形量の低減を図ることが望ましく、こ
の加工による変形量を小さく抑制するための方法として
は、加工速度、切込み量を小さくして旋削抵抗を減らす
ことが考えられるが、この方法では、確かに変形量を小
さくすることができるが、生産性が低下する。特に肉厚
比が６％以下の薄肉の転がり軸受においては、加工や熱
処理による変形率が高くなり、この変形率が高い分研削
加工時間が長くなる。これは、薄肉になればなるほど、
加工による変形が大きくなり、また熱処理によりその変
形が拡大され易いからである。なお、肉厚比をＲ（％）
とすると、Ｒは次の（１）式で表される。

【００２７】 Ｒ＝（ａ／Ｄ）×１００（％） …（１） 上記式中のａは外輪の肉厚（ｍｍ）であり、Ｄは外輪の
外径（ｍｍ）である。

【００２８】そこで、旋削性が良好で工具の負担が少な
い素材である黒鉛鋼を使用すれば、特に肉厚比が６％以
下である薄肉の転がり軸受においては、生産性を低下さ
せることなく、熱処理後の変形を小さくすることが可能
になると本出願人は考え、この黒鉛鋼を薄肉の転がり軸
受に適用し、この黒鉛鋼から内輪および外輪の内の少な
くとも一方を製造することを検討した。

【００２９】この黒鉛鋼においては、工具寿命が長く、
変形が小さい傾向を示すとともに、黒鉛化条件や熱処理
方法によって、軸受として必要な硬さを十分に得ること
が可能であり、この黒鉛鋼と同様に工具寿命が長く変形
が小さいＳ−Ｃａ系の快削鋼に多く含まれる、転がり寿
命に有害な非金属介在物を旋削性とは無関係に削減する
ことができる。また、黒鉛鋼においては、焼入れ性を高
めるＭｎやＣｒの元素を多量に添加すると、黒鉛化に長
い時間が掛かり、また高い焼入れ性が得られないが、旋
削性の影響が大きい薄肉の転がり軸受では、高い焼入れ
性を必要としないので、この黒鉛鋼の適用は最適である
といえる。このように、黒鉛鋼を肉厚比Ｒが６％以下の
薄肉の転がり軸受に適用することにより、旋削加工性が
向上して工具寿命が良好となると同時に加工により残留
応力や歪が減少し、熱処理後の変形が大幅に改善され、
本来軸受として必要な機能を維持しながら、研削加工に
掛かる負荷を削減することができる。

【００３０】また、薄肉の転がり軸受においては、シー
ル溝の研削を行わないので、熱処理後の変形がそのまま
残り、その変形に逆らってシールが取り付けられてシー
ル性が低下する、真円に研削した軌道面がシール装着に
より真円がずれて軸受機能が低下するなどの現象いわゆ
る板後楕円が生じることがある。上記黒鉛鋼を素材とし
て製造した薄肉の転がり軸受では、熱処理後の変形を小
さく抑制することができ、この板後楕円の発生に対する
抑制効果を期待することができる。

【００３１】そして、本出願人は、肉厚比が６％以下で
ある薄肉の転がり軸受に適用する素材として、上述の請
求項１記載に示した素材とほぼ同じ成分を有するものを
導き出した。具体的には、この素材は、Ｃが０．４５〜
１．０、Ｓｉが０．５〜１．５、Ｍｎが０．２〜１．
５、Ｃｒが０．７以下である重量％の含有率を有すると
ともに、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素を含有し、か
つ黒鉛面積率が１０％以下の微細黒鉛とフェライトおよ
びセメンタイトとを主とする。

【００３２】次に、上記薄肉の転がり軸受に適用される
素材の成分について説明する。

【００３３】［Ｃ：０．４５〜１．０ｗｔ％］Ｃは、黒
鉛相を形成する上で必要不可欠なだけでなく、焼入れ、
焼戻し処理により素地をマルテンサイト化し転がり軸受
として必要な硬さ（例えばＨＲＣ５８以上の硬さ）を得
るために必要な元素である。浸炭や浸炭窒化を行うこと
により、完成品表面層に適量のＣやＮを得ることができ
るが、浸炭や浸炭窒化時間が増加すると、製造コストが
高くなるので短時間の浸炭や浸炭窒化で寿命に対して十
分な硬さと硬化層深さが得られるように素材のＣの下限
値を０．４５％としている。しかし、Ｃを１．０ｗｔ％
を超えて添加すると、加工性が低下したり、他の合金成
分の添加量にもよるが、場合によっては製鋼時に巨大炭
化物や偏析をなくすソーキングが必要となり、Ｃの上限
を１．０ｗｔ％としている。

【００３４】なお、Ｃを０．７％以上とすることが好ま
しく、このように含有量を選択することにより、浸炭ま
たは浸炭窒化等の熱処理により、炭素や窒素を付加せず
とも、焼入れ焼戻しにより軸受として十分な硬さが得ら
れる。

【００３５】［Ｓｉ：０．５〜１．５ｗｔ％］Ｓｉは、
製鋼時の脱酸に必要な元素であるとともに、焼入れ性の
向上、基地マルテンサイトの強化、焼戻し軟化抵抗の向
上、軸受寿命の延長に有効な元素であり、また、鋼中の
セメンタイトを不安定にして黒鉛化を促進させる元素と
しても有用である。その添加量が０．５ｗｔ％未満では
その添加効果に乏しく、Ｓｉの下限値を０．５ｗｔ％と
している。しかし、Ｓｉを１．５ｗｔ％を超えて添加し
てもその効果は飽和に達し、添加効果が上がらないの
で、その添加量を０．５〜１．５ｗｔ％の範囲としてい
る。

【００３６】ただし、通常Ｓｉが１ｗｔ％を超えると、
素材のフェライトを強化して冷間加工性を低下させる
が、黒鉛化によって冷間加工性を向上させる効果があ
り、旋削加工性と同時に冷間加工性を要求される場合、
Ｓｉの添加量が高いと加工性を補うために黒鉛処理が十
分に行われる。この場合には、熱処理後に粗大黒鉛粒が
残留し、部分的に硬さが低下することがあり、冷間加工
性も要求される場合には、Ｓｉ量を低めにする必要があ
る。よって、Ｓｉの含有量を１ｗｔ％以下にすることが
好ましい。

【００３７】［Ｍｎ：０．２〜１．５ｗｔ％］一般に焼
入れ性を向上させるためには、ＭｎまたはＣｒを添加す
るが、Ｃｒは炭化物生成元素であるので、添加したＣｒ
の全てが基地の焼入れ性向上に機能せず、コストもＭｎ
の方が安い。Ｍｎに関しては、熱処理後に黒鉛が残留す
るため、焼入れ性が低下する場合があり、また、異物混
入潤滑下での転がり寿命に有効な残留オーステナイト生
成元素でもあることから、Ｍｎを添加し、その下限値を
０．２ｗｔ％としている。しかし、Ｍｎを１．５ｗｔ％
を超えて添加してもその効果は飽和に達し、添加効果が
上がらない。また、Ｍｎはセメンタイトを安定させるた
めの元素であることから、黒鉛化処理時間が極端に長く
なり、微量の黒鉛の析出にも長時間の黒鉛化処理が必要
になる。よって、Ｍｎの上限値を１．５％としている。

【００３８】ただし、素材の黒鉛化をより短時間に行う
ためには、Ｍｎを１．０ｗｔ％以下とすることが好まし
い。

【００３９】［Ｃｒ：０．７ｗｔ％以下］Ｃｒは、焼入
れ性の向上など基地の強化に寄与する不可欠な元素であ
り、また、特にセメンタイトを安定させる元素であり、
その添加量によっては極端に黒鉛が析出しにくくなる。
また、その罪の炭素量が高い場合に、Ｃｒの添加量が
０．７ｗｔ％を超えると、製鋼過程で巨大炭化物や偏析
の生成を改良するためにソーキングが必要となり、Ｃｒ
の添加コストとともに、素材のコストが上昇する。従っ
て、素材のＣｒ添加量を０．７ｗｔ％以下とする。ただ
し、素材の製鋼過程で使用するスクラップやフェロアロ
イに含まれる微量、微細な黒鉛を析出させるためには、
Ｃｒ添加量を０．４ｗｔ％以下にすることが好ましい。

【００４０】［残部Ｆｅおよび不可避不純物元素］黒鉛
の析出においては、黒鉛発生核の数によって、処理時間
や微細化が決定される。この黒鉛発生核の数が多いほ
ど、黒鉛が微細化し、処理時間も短くなる。黒鉛発生核
としては、ＢＮやＡｌＮなどがあり、ＢやＡｌの微量添
加が有効である。また、ＬａやＣｅの添加も有効であ
る。通常の軸受用鋼に対しては、熱処理後の結晶粒微細
化のために、Ａｌの微量添加が必然的に行われているの
で、黒鉛鋼を軸受として使用する場合には、結晶粒調整
のために０．０５ｗｔ％以下のＡｌを当然添加する。こ
こで、さらなる黒鉛粒の微細化や黒鉛処理時間の短縮を
考えると、不純物元素として０．００２％以下、０．０
５％以下のＬａ、０．０５％以下のＣｅの内の少なくと
も１つを添加することが望ましい。

【００４１】［黒鉛面積率：１０％以下］肉厚比６％以
下の転がり軸受の素材には、被削性を向上させて加工に
よる残留応力を低減させるために、素材に含有されてい
るＣの一部を黒鉛化させている。しかし、被削性を向上
させるために添加Ｃ量の全てを黒鉛化する必要はなく、
面積率にして０．５％以上の黒鉛化を行えば、優れた被
削性が得られる。すなわち、Ｓを添加して素材に非金属
介在物としてＭｎＳを生成し、旋削性を改良する場合で
も、僅かなＭｎＳ量で旋削性が向上するように、黒鉛を
僅かに析出させれば、旋削性が著しく改善されることに
なる。しかし、黒鉛面積率を１０％以上にしても、その
効果が飽和して大きな黒鉛粒が析出し、場合によっては
焼入れ焼戻し後の硬さや軸受機能を低下させる恐れがあ
るため、安定した工具寿命が得られることを考慮して、
黒鉛化面積は２％〜８％の範囲内とすることが好まし
い。

【００４２】このようにＣが０．４５〜１．０、Ｓｉが
０．５〜１．５、Ｍｎが０．２〜１．５、Ｃｒが０．７
以下である重量％の含有率を有するとともに、残部Ｆｅ
および不可避不純物元素を含有し、かつ黒鉛面積率が１
０％以下の微細黒鉛とフェライトおよびセメンタイトと
を主とする素材から内輪または外輪の内の少なくとも一
方を製造したので、生産性を低下させることなく、高品
質の薄肉転がり軸受が得られる。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら説明する。

【００４４】（実施の第１形態）図１は本発明に係る転
がり軸受のフレッチング試験に用いた試験機の構成を示
す図である。本実施の形態では、ＨＤＤのスイングアー
ムを支持するためのラジアル転がり軸受について説明す
る。

【００４５】ラジアル転がり軸受は、内輪および外輪を
有し、内輪と外輪との間には鋼球が保持されている。内
輪および外輪の内の少なくとも一方は、Ｃが０．４５〜
１．０、Ｓｉが０．５〜１．５、Ｍｎが０．１〜１．
５、Ｃｒが１．５以下、Ｍｏが１．０以下である重量％
の含有率を有し、かつ組織が平均粒径８μｍ以上の黒鉛
とフェライトおよびセメンタイトとを主とする素材から
製造されている。

【００４６】次に、この内輪または外輪の製造に用いる
素材について説明する。

【００４７】本実施の形態では、表１の材料記号Ａ〜Ｏ
に示す化学成分の鋼材を溶製し、熱間鍛造により直径３
５ｍｍの棒鋼とし、該棒鋼を８５０℃で焼きならした
後、７００℃で１５〜３０時間黒鉛化処理を施して素材
の供試片としている。なお、表１中の材料記号Ａ〜Ｌに
示す鋼材は本発明における素材を得るためのものであ
り、材料記号Ｍ〜Ｏに示す鋼材は比較例としての素材を
得るためのものであり、材料記号Ｐに示す鋼材は従来か
ら用いられている高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ鋼種ＳＵ
Ｊ２）である。

【００４８】これらの素材の供試片を用いてその素材中
の黒鉛の平均粒径を測定し、また被削性の試験を行い、
その測定結果および試験結果を表１に示す。この黒鉛の
平均粒径の測定では、各素材の供試片毎にその断面につ
いて４０視野を１０００倍の金属顕微鏡で観察し、各視
野における最大の黒鉛の平均粒径を求め、各視野の平均
粒径の平均値をその素材の黒鉛の平均粒径としている。
また、被削性の試験は、下記に示す条件で行い、切削不
能となるまでの時間を工具寿命とし、該工具寿命により
被削性を評価している。

【００４９】［切削条件］ 切削工具：ＳＫＨ４ 切込み ：２ｍｍ 送り速度：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ 切削速度：７０ｍ／ｍｉｎ

【００５０】

【表１】 次いで、複数のフレッチング試験用ラジアル転がり軸受
（ＳＲ１８１０）を作製し、作製した各ラジアル転がり
軸受のフレッチング試験を実施した。ここで、ラジアル
転がり軸受の作製では、表１の材料記号Ａ〜Ｐで示す素
材から内輪および外輪を作製し、この内輪および外輪の
作製の際の熱処理条件としては、８４０〜８６０℃で焼
入れを行った後に、１６０〜１８０℃で焼戻しを行っ
た。この熱処理後に、硬さ、黒鉛の平均粒径および残留
オーステナイト量の測定を行い、その結果を表２に示
す。なお、黒鉛の平均粒径の測定は、上述した素材の黒
鉛の平均粒径の測定と同じ方法で行っている。また、各
ラジアル転がり軸受に組み込まれる鋼球（転動体）は、
高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２）から作製し
た。

【００５１】フレッチング試験には、図１に示す試験機
２０が用いられる。この試験機２０は、フレーム２１に
取り付けられ、ＡＣサーボモータなどの駆動源を含む駆
動機構２２と、フレーム２１に固定された固定軸２３
と、下端部２４ａが駆動機構２２の駆動軸２２ａに連結
され、該駆動機構２２の駆動力により軸線の周りに回転
駆動される外筒２４とを備える。固定軸２３は外筒２４
に挿入され、その下端部はサポート軸受２５を介して外
筒２４に支持されている。固定軸２３の上端部は予圧ば
ね機構２６により支持され、その上端部と下端部との間
の途中部位には、被試験軸受固定部２３ａが設けられて
いる。この被試験軸受固定部２３ａには、複数の被試験
ラジアル転がり軸受１０の内輪が固定され、各被試験ラ
ジアル転がり軸受１０の外輪は外筒２４に固定される。
予圧ばね機構２６は、固定軸２３をその上端部から所定
の圧力で押し付けることによって、被試験ラジアル転が
り軸受１０に予圧を掛けるように構成されている。

【００５２】フレッチング試験時には、予圧ばね機構２
６により被試験ラジアル転がり軸受１０に予圧を掛け、
駆動機構２２により外筒２４をその軸線の周りに所定の
周期でかつ所定の角度で所定回数揺動させる。外筒２４
の揺動により被試験ラジアル転がり軸受１０には揺動運
動が与えらえる。このように、所定の予圧を掛けながら
所定の周期でかつ所定の角度で所定回数揺動させる使用
条件下において被試験ラジアル転がり軸受１０のフレッ
チング試験を行い、被試験ラジアル転がり軸受１０の耐
フレッチング性を評価する。ここで、被試験ラジアル転
がり軸受１０の耐フレッチング性を評価する指標とし
て、フレッチング試験前後の平均トルクおよびトルク変
動幅を測定し、その測定値の比較を行った。その結果は
表２に示す。

【００５３】［フレッチング試験条件］ 被試験ラジアル転がり軸受：ＳＲ１８１０ 潤滑 ：鉱油系グリース 周波数 ：３０Ｈｚ 予圧 ：９．８Ｎ 揺動角 ：８度 サイクル数 ：２億回

【００５４】

【表２】 上記表１より、本発明の成分範囲を満足する材料記号Ａ
〜Ｌで示す素材は、材料記号Ｐで示す従来例の素材に比
して、素材段階での被削性に優れていることが分かる。
また、上記表２により、材料記号Ａ〜Ｌで示す素材を用
いて内輪および外輪が作製されたラジアル転がり軸受に
おいては、フレッチング試験前後での平均トルクおよび
トルク変動幅の変化が非常に小さい。すなわち、素材の
段階での黒鉛の平均粒径を８μｍ以上としていることに
より、被削性および潤滑性能を向上可能なように、熱処
理後の黒鉛の平均粒径を適正に制御していることが分か
る。また、回転精度の維持に有害な熱処理後の残留オー
ステナイト量が、従来から用いられている高炭素クロム
軸受鋼と同等の１０％以下に抑えられている。

【００５５】また、材料記号Ｍの素材は、Ｃの含有量が
本発明の下限よりも低い場合の比較例であり、素材段階
での被削性は優れているものの、熱処理後の硬さが低く
なってしまうので、トルク変化およびトルクスパイク
（突然のトルク増加）に対する低減効果が不十分であ
り、フレッチング試験前後の平均トルクおよびトルク変
動幅の変動が本発明の構成例に比して大きくなってい
る。すなわち材料記号Ｍの素材では、優れた耐フレッチ
ング性を得ることができない。材料記号Ｎの素材は、Ｓ
ｉの含有量が本発明の下限よりも低い場合の比較例であ
り、素材段階での被削性は優れているものの、熱処理後
の残存する黒鉛の平均粒径が３μｍに満たないので、フ
レッチング試験前後のトルク変化およびトルクスパイク
に対する低減効果が低いすなわち耐フレッチング性が低
い。材料記号Ｏの素材は、Ｃの含有量が本発明の上限よ
りも高い場合の比較例であり、素材段階での被削性は優
れているものの、熱処理後の残留オーステナイト量が１
０％を超えてしまうので、フレッチング試験前後のトル
ク変化およびトルクスパイクに対する低減効果が低いす
なわち耐フレッチング性が低い。

【００５６】以上より、内輪および外輪の内の少なくと
も一方を、Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉが０．５〜１．
５、Ｍｎが０．１〜１．５、Ｃｒが１．５以下、Ｍｏが
１．０以下である重量％の含有率を有し、かつ組織が平
均粒径１０μｍ以下の黒鉛とフェライトおよびセメンタ
イトとを主とする素材から製造することによって、製造
コストの増大を招くことなく、優れた耐フレッチング性
を得ることができる。

【００５７】（実施の第２形態）次に、本発明の実施の
第２形態について図２ないし図４を参照しながら説明す
る。図２は本発明に係る転がり軸受の実施の第２形態に
適用される素材における工具寿命と変形率との関係を示
す図、図３は本発明に係る転がり軸受の実施の第２形態
に適用される素材における工具寿命と黒鉛面積率との関
係を示す図、図４は本発明に係る転がり軸受の実施の第
２形態における肉厚比と変形率との関係を示す図であ
る。なお、本実施の形態では、肉厚比が６％以下である
薄肉の転がり軸受について説明する。

【００５８】肉厚比が６％以下である薄肉の転がり軸受
においては、内輪および外輪の内の少なくとも一方が、
Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉが０．５〜１．５、Ｍｎが
０．２〜１．５、Ｃｒが０．７以下である重量％の含有
率を有するとともに、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素
を含有し、かつ黒鉛面積率が１０％以下の微細黒鉛とフ
ェライトおよびセメンタイトとを主とする素材から、内
輪または外輪の内の少なくとも一方が製造されている。

【００５９】次に、この内輪または外輪の製造に用いる
素材について説明する。

【００６０】本実施の形態では、表３に示す材料記号Ｋ
１〜Ｋ２８およびＳＵＪ２の鋼材を素材としている。

【００６１】

【表３】 ここで、表３中の材料記号Ｋ１〜Ｋ２１の鋼材は本発明
における素材を得るためのものであり、材料記号Ｋ２２
〜Ｋ２８の鋼材は比較例としての素材を得るためのもの
であり、材料記号ＳＵＪ２に示す鋼材は高炭素クロム軸
受鋼（ＪＩＳ鋼種ＳＵＪ２）である。

【００６２】本例の各素材は素材段階で黒鉛化処理が行
われており、その黒鉛化処理は、素材をＡ１変態点以下
の温度で長時間保持するという条件下で行われている。
Ｋ１〜Ｋ２２の各素材（本発明）は、６８０〜７１０℃
の温度範囲で、処理時間を変えることにより黒鉛面積率
や黒鉛粒の調整を行っている。Ｋ１〜Ｋ２２の各素材の
内、Ｋ１４の素材に関しては、Ｍｎが１．０ｗｔ％を超
えているため、他の素材に対して黒鉛化に若干長い時間
が掛かり、このことから、Ｍｎを１．０ｗｔ％以下にす
ることが好ましいことが分かる。

【００６３】また、Ｋ２２〜Ｋ２８およびＳＵＪ２の素
材（比較例）には、Ｋ１〜Ｋ２２の各素材（本発明）と
同様の黒鉛化処理が施されている。Ｋ２７に関しては、
炭化物生成元素であるＭｎの添加量が１．５ｗｔ％を超
えているため、Ｋ２４の素材（比較例）に関しては黒鉛
化促進元素であるＳｉが０．５ｗｔ％未満であるため、
黒鉛化に必要以上に時間を要し、コスト的に不利である
ことは明らかである。よって、Ｋ２４，Ｋ２７の各素材
については黒鉛化処理以降の試験を実施しない。

【００６４】本例においては、これらの素材の供試片を
用いてその素材中の黒鉛面積率を測定し、またソーキン
グ処理の要不要を確認するための調査、冷間加工性を調
べるための試験を行い、さらに焼入れ焼戻し後の硬さ
（Ｈｖ）を測定した。

【００６５】黒鉛面積率の測定では、黒鉛粒の面積率を
直接測定するために、各素材の断面および軸気完成品表
面の組織を電子顕微鏡で撮影し、画像解析装置によりそ
の電子顕微鏡画像の素地から黒鉛粒だけを取り出してそ
の形状、面積、個数などを測定し、各黒鉛粒の面積から
その粒を円形に換算した平均粒径や、面積率を算出す
る。ここでは、被検面積は各素材毎に１視野を０．１ｍ
ｍ²（電子顕微鏡２００倍）とし、５０視野の黒鉛面積
率の平均値をその素材の黒鉛面積率としている。

【００６６】なお、この測定に用いた電子顕微鏡は、Ｊ
ＳＭ−Ｔ２２０Ａ（日本電子社製）であり、画像解析装
置は、ＩＢＡＳ２０００（カールツァィス社製）であ
る。

【００６７】ソーキング処理の要不要に関する調査で
は、各素材のビレット断面におけるマクロおよびミクロ
組織を調査して寿命に有害な巨大炭化物や濃厚な縞状偏
析の有無を確認し、その確認結果に応じてソーキング処
理の要不要を判断し、この結果を表３に示す。

【００６８】本例において、Ｋ１〜Ｋ２１の素材（本発
明の素材）については、ソーキング処理が不要である。
また、Ｋ２２，Ｋ２４〜Ｋ２７の素材（比較例）につい
てもソーキング処理は不要である。Ｋ２３，Ｋ２８およ
びＳＵＪ２はＣ量（ｗｔ％）Ｃｒ量（ｗｔ％）が高く、
ソーキング処理が必要と判断して冷間加工性、焼入れ焼
戻し後の硬さの測定を実施していない。

【００６９】冷間加工性の試験では、プレス機により下
記に示す条件で各素材の供試片に対して圧縮試験を行
い、圧縮率５０％における変形抵抗を測定する。

【００７０】［圧縮試験条件］ 試験片寸法：φ２０ｍｍ×ｔ２５ｍｍ 歪み速度 ：４０ｓｅｃ／ｍｉｎ 潤滑 ：無潤滑 各素材に対する測定結果を表３に示す。表３から分かる
ように、Ｋ１〜ｋ２２（本発明）の素材は良好な加工性
を示している。ただし、Ｓｉが１ｗｔ％を超えているＫ
９に関しては、若干加工性が低下していることが分か
る。このことは、冷間加工性を重視する場合には、Ｓｉ
を１ｗｔ％以下にすることが好ましいことを示してい
る。

【００７１】一方、Ｓｉが１．５ｗｔ％を超えているＫ
２５の素材（比較例）や黒鉛のないＳＵＪ２の素材に関
しては変形抵抗が著しく高くなっていることが分かる。
このＫ２５の素材については、以降の試験を実施しな
い。

【００７２】旋削性の試験は、ＪＩＳ Ｂ ４０１１の
バイト切削試験方法に従って下記に示す条件で行い、バ
イトの逃げ面摩耗量が０．２ｍｍに達するまでの時間を
工具寿命とし、該工具寿命により旋削性を評価してい
る。

【００７３】［旋削試験条件］ 切削機械 ：高速旋盤 工具 ：Ｐ１０（ＪＩＳ Ｂ ４０５３） 切込み速度：２５０〜３００ｍ／ｍｉｎ 送り量 ：０．２〜０．４ｍｍ／ｒｅｖ 切込み深さ：１．２〜１．８ｍｍ この旋削性の試験結果を表４および図３に示す。なお、
表４に示す試験結果は、Ｋ３の素材（本発明）、ＳＵＪ
２の素材および他のＡ１，Ｂ１の素材（比較例）につい
て試験結果である。ここで、Ｋ３の素材に関しては、そ
の黒鉛化処理条件を変えることにより、黒鉛面積率を変
化させた複数のものについて試験を実施している。Ａ１
の素材は、ＳＵＪ２のＣ量（ｗｔ％）やＣｒ量（ｗｔ
％）を低下させて加工性を改善したものあり、Ｂ１の素
材は、Ｓ−Ｃａ系の快削鋼である。また、図中の〇印は
比較例を示し、●印は本発明を示す。

【００７４】

【表４】 表４から、黒鉛の面積率が０を超えていればすなわち黒
鉛が僅かな量でも析出していれば、旋削性が改善されて
いることが分かる。すなわち、Ｋ３の素材（本発明）に
関しては、工具寿命が長く、十分な旋削性が得られてい
る。しかし、Ｋ３の素材において黒鉛が析出しないよう
に調整されたもの（黒鉛面積率０％のもの）、ＳＵＪ２
およびＡ１の素材では、工具寿命が低く、十分な旋削性
が得られていない。また、Ｂ１の素材は、黒鉛が析出し
ているＫ３の素材と同等の旋削性を示すが、清浄度が低
い。

【００７５】また、図３に示すように、黒鉛面積率を１
０％以上にしても、その効果が飽和してことが分かる。
また、本図から黒鉛面積率を２％以上にすれば、安定し
た工具寿命が得られていることが分かる。よって、黒鉛
化面積は２％〜８％の範囲内とすることが好ましい。

【００７６】次に、焼入れ焼戻し後の表面硬さについて
説明する。

【００７７】本実施の形態における熱処理条件として
は、通常の軸受に使用されているＳＵＪ２に対する焼入
れ焼戻しの条件と同等の条件が用いられている。この熱
処理条件は、具体的には、８３０〜８６０℃の温度範囲
で０．５〜１時間保持した後に焼入れを行い、続いて１
６０〜２００℃の温度範囲で２時間の焼戻しを行うとい
う条件である。

【００７８】表３に焼入れ焼戻し後の表面硬さを示す。
Ｋ１〜Ｋ２２の素材（本発明）に関しては、軸受完成品
として必要な表面硬さ（Ｈｖ）が得られているが、Ｃ量
が０．７ｗｔ％以下であるＫ１，Ｋ２，Ｋ５，Ｋ１５，
Ｋ１９の素材においてはその硬さが他の素材に比して若
干低くなる傾向を示していることから、通常の焼入れ焼
戻し（ＳＵＪ２に対する焼入れ焼戻しと同等）を行う場
合には、Ｃを０．７％以上にすることが好ましいことが
分かる。

【００７９】これに対し、Ｃが０．４５％未満であるＫ
２２の素材（比較例）、焼入れ性を高めるＭｎが０．２
ｗｔ％未満であるＫ２６の素材（比較例）に関しては、
軸受として必要な硬さが得られていない。ただし、浸炭
や浸炭窒化により表面層を強化することは可能である
が、その場合でも、Ｋ２２の素材に関しては、処理時間
が長くなる傾向があり、Ｋ２６の素材に関しては心部に
十分な硬さが得られず、強度が低下する恐れがある。

【００８０】次に、変形量の測定について説明する。

【００８１】この変形量の測定では、予め所定の寸法仕
様で作製した試験リングに上述の熱処理条件で焼入れ焼
戻しを施し、この焼入れ焼戻し後の試験リング最大径と
最小径とを測定し、その差を真円度とする。そして、こ
の真円度を試験リングの外径で割った値から径の大きさ
に対する変形量の割合を算出する。ここでは、黒鉛面積
率が調整されたＫ３の各素材、ＳＵＪ２，Ａ１，Ｂ１の
各素材毎に、６０個の薄肉の玉軸受６８１８の外輪（肉
厚比Ｒ＝３．３％，外径＝１１５ｍｍ）を作製し、６０
個の試験リングそれぞれについて変形量の測定を実施し
た。この測定結果を表４および図２に示す。なお、図中
の〇印は比較例を示し、●印は本発明を示す。

【００８２】表４および図２から、黒鉛面積率が０．６
％から９．８％の範囲に調整されたＫ３の各素材に関し
ては、工具寿命が長くなるに従い焼入れ焼戻し後の変形
率が小さくなる傾向を示している。すなわち、黒鉛面積
率が０．５％以上あれば、工具寿命が長くなって旋削性
が良好になり、旋削性が良ければ、熱処理後の変形が小
さく抑えられることになる。

【００８３】次に、肉厚比Ｒと熱処理後の変形率との関
係について説明する。

【００８４】黒鉛面積率が調整された素材（例えばＫ
３）から、肉厚比Ｒが３％から６％の範囲にある複数の
外輪を試験リングとして作製し、各試験リングについて
変形量の測定を実施した。この測定結果を図４に示す。
なお、図中の●印は本発明を示し、図中の〇印は、黒鉛
化処理を実施せずに作製された通常の試験リングを比較
例として示す。

【００８５】図４から、通常の試験リングにおいては、
肉厚比Ｒが６％から漸次小さくなるに従い変形率が大き
くなることが分かる。これに対し、本発明の試験リング
では、図４に示すように、肉厚比Ｒが６％以下になって
も変形率がほぼ一定で小さい値（０．１％）に抑えられ
ている。

【００８６】このように、Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉ
が０．５〜１．５、Ｍｎが０．２〜１．５、Ｃｒが０．
７以下である重量％の含有率を有するとともに、残部Ｆ
ｅおよび不可避不純物元素を含有し、かつ黒鉛面積率が
１０％以下の微細黒鉛とフェライトおよびセメンタイト
とを主とする素材を用いて肉厚比Ｒが６％以下の薄肉の
転がり軸受を作製することにより、旋削加工性が向上し
て工具寿命が良好となると同時に加工により残留応力や
歪が減少し、熱処理後の変形が大幅に改善され、本来軸
受として必要な機能を維持しながら、研削加工に掛かる
負荷を削減することができる。また、熱処理後の変形を
小さく抑制することにより、板後楕円の発生に対する抑
制効果を得ることができる。その結果、生産性を低下さ
せることなく、高品質の肉厚比６％以下の薄肉転がり軸
受が得られる。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の転
がり軸受によれば、Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉが０．
５〜１．５、Ｍｎが０．１〜１．５、Ｃｒが１．５以
下、Ｍｏが１．０以下である重量％の含有率を有し、か
つ組織が平均粒径８μｍ以上の黒鉛とフェライトおよび
セメンタイトとを主とする素材から内輪および外輪の内
の少なくとも一方を製造したので、被削性および潤滑性
能を向上可能なように熱処理後の黒鉛の平均粒径が適正
に制御され、製造コストの増大を招くことなく、優れた
耐フレッチング性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る転がり軸受のフレッチング試験に
用いた試験機の構成を示す図である。

【図２】本発明に係る転がり軸受の実施の第２形態に適
用される素材における工具寿命と変形率との関係を示す
図である。

【図３】本発明に係る転がり軸受の実施の第２形態に適
用される素材における工具寿命と黒鉛面積率との関係を
示す図である。

【図４】本発明に係る転がり軸受の実施の第２形態にお
ける肉厚比と変形率との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沖田 滋 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号 日本精工株式会社内 (72)発明者 木内 昭広 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目５番50号 日本精工株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内輪、外輪および転動体を有する転がり
   軸受において、Ｃが０．４５〜１．０、Ｓｉが０．５〜
   １．５、Ｍｎが０．１〜１．５、Ｃｒが１．５以下、Ｍ
   ｏが１．０以下である重量％の含有率を有し、かつ組織
   が平均粒径８μｍ以上の黒鉛とフェライトおよびセメン
   タイトとを主とする素材から前記内輪および外輪の内の
   少なくとも一方を製造したことを特徴とする転がり軸
   受。