JPH11100647A - 転がり軸受およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間の高温保持による圧痕や、落下や衝撃
による圧痕の発生を防止し、音響性能劣化に対する抵抗
性に優れ、しかも硬度および耐錆性に優れ、かつ転送面
における表面粗さの小さい転がり軸受およびその製造方
法を提供する。 【解決手段】 転がり軸受を構成する軌道輪および転動
体の少なくともいずれかは、粉末ステンレス鋼を成形し
た鋼からなり、かつミクロ組織がフェライトとセメンタ
イトとからなる鋼材よりなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばハードデ
ィスク装置などの情報処理機器に使用される回転スピン
ドル支承用として適する転がり軸受およびその製造方法
に関するものであり、特に、振動や音響の発生を効果的
に防止できる転がり軸受およびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】たとえば磁気記録媒体であるハードディ
スク装置などの情報処理機器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、高速で回転するスピンドルを支承して駆動
する際に軸受自身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。こうした要求に対応するため、
従来では軸受鋼を焼入焼戻して所定の表面硬さと表面寸
法精度とを確保してきた。

【０００３】近年、情報処理機器は、小型化される傾向
があり、可搬型や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、５０℃以上の高温環境で長時間
停止状態で放置された後に軸受が使用される頻度が多く
なっている。このように軸受の環境温度が高くなると、
転がり軸受からの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る。また可搬型や携帯型の機器で
は、持ち運びの途中で落下させたり、何物かにぶつけた
りする場合があり、その後使用する際に軸受から発生す
る音響が大きくなることがある。そして情報処理機器な
どの精密機器に使用される軸受の場合には、軸受の転が
り疲労寿命よりも軸受から発生する音響が使用者の認容
限界を超えることによって寿命が決まってしまうので、
上記のような音響性能劣化が生じないように改善する必
要がある。

【０００４】転がり軸受において音響性能劣化が生じる
のは、次のような現象に起因していると考えられる。た
とえば６０〜９０℃の高温で１００時間もの長時間にわ
たって軸受が停止状態で放置されると、内外の軌道輪の
間に介挿された転動体（たとえば、鋼球）と、前記両軌
道輪との接触面における集中応力によって、軌道輪と転
動体との転送面に極めて浅いが凹陥状である圧痕が転動
体の数だけ形成され、軸受作動時に鋼球が回転しつつ複
数の圧痕を同時に通過することによって、音響的な振動
が発生するものと思われる。また落下や衝撃が加わった
場合においても、上記と同様な凹陥状の圧痕が転動体と
の接触位置に発生することがあり、これも軸受作動時に
おける音響性能劣化の原因となる。

【０００５】上述のように、音響性能劣化の原因になる
圧痕は、軌道輪と転動体との接触による集中応力による
ものであるが、この集中応力は軸受を構成する鋼材の弾
性限の１／２以下の応力であるのが通常であり、理論的
には圧痕は形成されないはずである。また機器が物体に
ぶつかったときの衝撃力も、軸受の静負荷容量に比較す
れば１／３以下程度であり、大きな衝撃力とはいえな
い。しかしながら、このように通常は問題にならないと
思われるような微小な圧力による微小な圧痕の形成が、
高度の精密さが要求される情報処理機器では音響性能劣
化として問題になるのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
高炭素クロム鋼について、ミクロ組織をフェライトとセ
メンタイトとからなる（以下、「フェライト＋セメンタ
イト」組織と表記する）ようにして、圧痕形成に対する
抵抗性を高めた軸受およびその製造方法が提案されてい
る。一方、情報機器においては、しばしば耐錆性も要求
される。従来、耐食軸受には４４０Ｃ鋼や１３％Ｃｒ含
有のステンレス鋼が使用されているが、これらのステン
レス鋼に上記の「フェライト＋セメンタイト」組織とす
るための熱処理を施すと、硬度はＨ_R Ｃ５６より小さく
なってしまう。

【０００７】また、４４０Ｃ鋼や１３％Ｃｒ含有ステン
レス鋼には、大きな炭化物が存在し、転送面の表面粗さ
が小さくならないという欠点もあった。表面粗さが小さ
いことは、このような精密な情報機器用軸受にとっては
音響・振動性能向上に極めて重要なものである。

【０００８】それゆえ、本発明の目的は、長時間の高温
保持による圧痕や、落下や衝撃による圧痕の発生を防止
し、音響性能劣化に対する抵抗性に優れしかも硬度およ
び耐錆性に優れ、かつ転送面における表面粗さの小さ
い、情報処理機器用として最適な転がり軸受およびその
製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明者は、音響性能
劣化に対する抵抗性を高めるとともに高硬度を得るべく
鋭意検討した結果、転がり軸受において、ミクロ組織が
「フェライト＋セメンタイト」である鋼材によって軌道
輪（内輪と外輪）と転動体との少なくともいずれかを構
成すれば音響性能劣化に対する抵抗性を高められること
を利用し、その組織をステンレス鋼よりなる粉末を用い
て製造することで硬さをＨ_R Ｃ５６以上にすることがで
きることを見出し、本発明を完成した。

【００１０】それゆえ、本発明の転がり軸受では、軌道
輪および転動体の少なくともいずれかはステンレス鋼よ
りなる粉末を成形した鋼からなり、かつミクロ組織がフ
ェライトとセメンタイトとからなる鋼材よりなってい
る。

【００１１】本発明の転がり軸受では、転動体と軌道輪
との少なくともいずれかが「フェライト＋セメンタイ
ト」組織からなる鋼材より構成されているため、長時間
の高温保持による圧痕や、落下や衝撃による圧痕の発生
を防止することができ、音響性能劣化に対して優れた抵
抗性が得られる。

【００１２】また、このような「フェライト＋セメンタ
イト」組織をステンレス鋼よりなる粉末を成形すること
で得ているため、「フェライト＋セメンタイト」組織を
得るための熱処理が施されても、組織中の炭化物が微細
均一に分布しており、高い硬度を得ることができる。

【００１３】また組織中の炭化物が微細均一となり、通
常の溶製鋼からなる場合と異なり、炭化物の粗大化がな
いため、転送面の表面粗さも小さくなる。

【００１４】さらに転動体と軌道輪との少なくともいず
れかは、ステンレス鋼よりなる粉末を用いて製造される
ため優れた耐錆性を有することになる。

【００１５】上記局面において好ましくは、表層部の硬
さがロックウェル硬度（Ｈ_R Ｃ）で５６以上である。

【００１６】本発明の転がり軸受の製造方法は、軌道輪
と転動体とを有する転がり軸受の製造方法において、以
下の工程を備えている。

【００１７】まず材質がステンレス鋼よりなる粉末が準
備される。そして粉末を成形し成形体が形成される。そ
して成形体を焼入した後、鋼の焼戻の第３段階の温度以
上で焼戻を行なうことによって、ミクロ組織がフェライ
トとセメンタイトとからなる鋼材よりなる軌道輪および
転動体の少なくともいずれかが形成される。

【００１８】本発明の転がり軸受の製造方法では、ステ
ンレス鋼よりなる粉末を用いているため、「フェライト
＋セメンタイト」組織を得るための熱処理が施されて
も、組織中の炭化物が微細均一に分布しており、高い硬
度を得ることができる。

【００１９】また組織中の炭化物が微細均一であるた
め、転送面の表面粗さも小さくなる。さらに、転動体と
軌道輪との少なくともいずれかはステンレス鋼よりなる
粉末を用いて製造されるため、優れた耐錆性を有するこ
とになる。

【００２０】また上記の「フェライト＋セメンタイト」
組織は、粉末ステンレス鋼を焼入した後、焼戻の第３段
階の温度以上で焼戻を行なうことによって得られる。焼
戻の第３段階の温度以上で焼戻を行なえば、ミクロ組織
は焼入直後に存在する残留セメンタイト（「球状セメン
タイト」とも呼ばれる）と、焼入マルテンサイトが焼戻
により分解して生成したフェライトおよび微小なセメン
タイト（この混合組織は「焼戻トルースタイト」と呼ば
れる）と、焼入時の残留オーステナイトが焼戻で分解し
て生成したフェライトおよび微小なセメンタイトとから
なっている。すなわち鋼材のミクロ組織は、球状セメン
タイト、フェライトおよび微小なセメンタイト（実質的
にはフェライトとセメンタイトとの２層組織）からなっ
ており、その大部分はフェライトである。

【００２１】上述のように焼戻の第３段階の温度以上の
高温焼戻によって焼入組織中のマルテンサイトは分解し
てフェライトとセメンタイトとの混合組織（すなわち
「フェライト＋セメンタイト」組織）となる。これによ
り、組織が一層安定化され、硬度測定においては軟化し
ているのであるが、本発明のように極めて小さい量の塑
性変形を問題とする場合には、組織の安定化がむしろ微
小応力の下での塑性変形に対する抵抗性を高くするもの
と考えられる。これにより、長時間の高温保持による圧
痕や、落下や衝撃による圧痕の発生を防止することがで
き、音響性能劣化に対して優れた抵抗性を得ることがで
きる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の転がり軸受を構成する転
動体および軌道輪の少なくともいずれかは、ステンレス
鋼よりなる粉末を成形した鋼からなり、かつミクロ組織
がフェライトとセメンタイトとからなる鋼材よりなって
いる。この粉末ステンレスを成形した鋼と溶製ステンレ
ス鋼との金属組織の差は明瞭である。すなわち、溶製ス
テンレス鋼では状態図からわかるように共晶反応で生じ
る巨大炭化物Ｍ₇ Ｃ₃ が存在し、このＭ₇ Ｃ₃ は後の熱
処理で消滅させることができない。

【００２３】一方、粉末ステンレスを成形した鋼では粉
末を作製するとき、極めて急速に液体から固体になるた
め、炭化物Ｍ₇ Ｃ₃ が成長する時間がなく、非常に細か
くなる。したがって、Ｍ₇ Ｃ₃ は微細均一に分布し、こ
の鋼材のミクロ組織は炭化物の分布状態においてほぼＳ
ＵＪ２と同じとなる。

【００２４】なお、コスト面を考えると、この鋼材の成
分は４４０Ｃの組成が望ましい。また、高温焼戻による
硬度低下を小さくするためには、Ｍｏ（モリブデン）、
Ｖ（バナジウム）を添加することが望ましい。

【００２５】本発明の転がり軸受においては、軌道輪と
転動体との少なくともいずれかが上記要件を満足する鋼
材よりなることを規定したが、少なくとも軌道輪に上記
の要件を満足する鋼材を使用すれば、本発明の目的を達
成することができる。しかし、転動体においても上記の
要件を満足する鋼材を使用することは有効である。これ
によって、転動体の表面における圧痕形成を阻止するこ
とができ、音響性能劣化に対する抵抗性をさらに高める
ことができる。

【００２６】ただし、転動体は鋼製ばかりでなく、セラ
ミックス製のものを使用することも有効である。セラミ
ックス製転動体を使用すれば、転がり軸受を高温下に放
置した場合であっても、転動体自身には軌道輪との接触
による圧痕がほとんど形成されず、また耐摩耗性も優れ
たものとなる。こうした転動体に使用できるセラミック
スとしては、転がり軸受に通常使用されているものがそ
のまま使用できるが、たとえば窒化珪素、炭化珪素、ア
ルミナ、ジルコニアなどが挙げられる。

【００２７】図１は、本発明の転がり軸受の製造方法を
示す工程図である。図１を参照して、本発明の転がり軸
受の製造方法では、まず材質がステンレス鋼よりなる粉
末が準備される（ステップ１：Ｓ１）。そしてその粉末
を成形することにより成形体が形成される（ステップ
２：Ｓ２）。そして成形体に焼入が施される（ステップ
３：Ｓ３）。この焼入の後、鋼の焼戻の第３段階の温度
以上で焼戻を行なうことによって（ステップ４：Ｓ
４）、ミクロ組織がフェライトとセメンタイトとからな
る鋼材よりなる軌道輪および転動体の少なくともいずれ
かが形成される。

【００２８】上記において粉末ステンレスを成形した鋼
の具体的な製造方法は以下のとおりである。

【００２９】まず溶融鋼を滴下し、これにガスを吹付け
て粉として飛ばし、その粉を収拾することで、ステンレ
ス鋼よりなる粉末が作製される。そしてその粉末が炭素
鋼管に入れられて密封される。この後、熱間押出または
ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）により、密度が高め
られる。そして炭素鋼管が切削により除去された後、圧
延で所定の寸法に仕上げられる。

【００３０】上記の処理を経た後、上述したように焼入
および焼戻（ステップ３、４：Ｓ３、Ｓ４）が施され
る。

【００３１】本発明の製造方法において実施される焼入
処理（焼入硬化処理）としては、通常の焼入（ずぶ焼
入）を採用してもよいが、これらの代わりに浸炭窒化焼
入を行ない、表面直下に高窒素組織を形成してもよい。
このように表面直下を高窒素濃度とすることによって、
焼戻の第３段階終了後も表面層硬さをＨ_R Ｃ５８以上に
することができ、音響性能劣化に対する抵抗性とともに
転がり疲労寿命をさらに優れたものとすることができ
る。

【００３２】

【実施例】実施例１ 通常の方法で溶製した４４０Ｃ鋼とステンレス鋼よりな
る粉末を成形して鋼材とした４４０Ｃ鋼とについて焼入
を行なった後焼戻しを行なった。そして、この焼戻の温
度を変化させた場合の硬度変化について調べた。その結
果を図１に示す。

【００３３】図１を参照して、この結果より、溶製した
４４０Ｃ鋼よりも、粉末を成形して鋼材にした４４０Ｃ
鋼の方が、各焼戻温度について硬度が高くなることが判
明した。焼戻硬さは、焼戻温度が５００℃以上の場合に
急激に低下した。これは焼戻の第３段階によりミクロ組
織がフェライトとセメンタイトとに変化するからであ
る。溶製した４４０Ｃ鋼に比べて、粉末ステンレスを成
形した鋼は、同一成分であるが硬さは５００℃以下の焼
戻においてＨ_R Ｃ６０以上を保った。これは、炭化物が
微細均一に分布しているからである。焼戻の第３段階を
経過することにより硬度は急激に低下するが、粉末ステ
ンレスを成形した鋼は、なお溶製鋼よりも高硬度を保っ
た。

【００３４】実施例２ 転がり軸受を使用して音響試験を行なった。試料とし
て、通常の方法で溶製した４４０Ｃ鋼（鋼Ｂ）、および
同一組成の粉末鋼をＨＩＰ処理により鋼材にした鋼（鋼
Ａ）を用いてミニチュア玉軸受６９６を作製した。この
とき用いた鋼Ａ、Ｂの化学成分組成を表１に示す。

【００３５】

【表１】 次に本発明者は、音響試験を行なって試験軸受の加熱前
後の音響劣化について調査した。まず鋼ＡおよびＢの各
々を使用して内輪、外輪および転動体からなる転がり軸
受を作製した。このとき、１１００℃で０．５時間加熱
した後、油中で急冷して焼入処理を施し、冷却後に下記
表２に示すように１８０〜６００℃の温度範囲にて１２
０分の焼戻を行ない、研磨仕上げをして軸受番号６９６
の小型の軸受に組立てて試験軸受とした。

【００３６】音響試験は、所定の面圧が負荷されるよう
に試験軸受２個を組込み、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、軸受の内輪の側面に
測定器の回転軸を軽く押し当てて測定した。このときの
測定条件は、転動体と内輪・外輪との間の最大接触面圧
を１．３ＧＰａとし、回転数は２２００ｒｐｍとし、測
定周波数範囲は、３００〜６３００Ｈｚの可聴音域とし
た。

【００３７】上記の玉軸受を用いて上記の測定方法およ
び条件にて、高温放置前に音響試験を行ない、次いで９
０℃に加熱して１２０時間放置した後に再度音響試験を
行なって、各々振動速度を測定した。加熱後の測定振動
速度Ｖｈと加熱前の測定振動速度Ｖｃとの比Ｖｈ／Ｖｃ
を音響劣化量とし、デシベルで表示した（２０ ｌｏｇ
［Ｖｈ／Ｖｃ］）。

【００３８】表２に残留オーステナイト量、および表層
部の硬さと共に音響試験の結果を示す。

【００３９】

【表２】 この結果より、鋼Ａ、鋼Ｂともに焼戻温度が高いほど音
響劣化は小さくなる。しかし、通常の製鋼方法である溶
製して作った鋼Ｂでは５００℃以上で焼戻した硬さがＨ
_R Ｃ５６．０より小さくなり、軸受製造工程で傷がつき
やすく、音響劣化量が少ないとしても初期の音響が大き
く、好ましくない。

【００４０】前記表２に示した結果から明らかである
が、単に焼戻の第２段階で焼戻を行ない、残留オーステ
ナイト量を実質的に０％にするよりも、さらに焼戻温度
を高めた方が音響劣化量が小さくなるので、焼戻温度が
高くなるほど音響劣化量が小さくなるのは、残留オース
テナイト量以外の影響があることは確実であり、高温焼
戻による生地組織の安定化が圧痕発生の防止に大きく寄
与していると考えられる。

【００４１】実施例３ 粉末ステンレスを成形した鋼材を焼入れした後、鋼の焼
戻の第３段階の温度以上で焼戻を行なった４４０Ｃ鋼と
通常の方法で溶製した４４０Ｃ鋼との金属顕微鏡組織を
調べた。その結果として粉末ステンレス鋼を成形した４
４０Ｃ鋼を図３に、溶製した４４０Ｃ鋼を図４に示す。

【００４２】なお、図３と図４とは４００倍の金属顕微
鏡組織である。図３より明らかなように、本発明の方法
で製造された鋼は、ミクロ組織がフェライトとセメンタ
イトとの混合組織よりなる鋼材によって構成されてお
り、かつ炭化物Ｍ₇ Ｃ₃ が微細均一に分布していた。

【００４３】一方、溶製した４４０Ｃでは、図４に示す
ように巨大炭化物Ｍ₇ Ｃ₃ が存在していた。

【００４４】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。

【００４５】

【発明の効果】本発明の転がり軸受では、転動体と軌道
輪との少なくともいずれかがフェライトとセメンタイト
とからなる鋼材により構成されているため、長時間の高
温保持による圧痕や、落下や衝撃による圧痕の発生を防
止することができ、音響性能劣化に対して優れた抵抗性
が得られる。

【００４６】またこのような組織をステンレス鋼よりな
る粉末を成形することで得ているため、この組織を得る
ための熱処理が施されても組織中の炭化物が微細均一に
分布することになるため高い硬度を得ることができる。

【００４７】また組織中の炭化物が微細均一であり、転
送面の表面粗さも小さくなる。さらに転動体と軌道輪と
の少なくともいずれかは、粉末ステンレス鋼を用いて製
造されるため優れた耐錆性を有することになる。

【００４８】本発明の転がり軸受の製造方法では、フェ
ライトとセメンタイトとからなる組織をステンレス鋼よ
りなる粉末を成形することで得ているため、フェライト
とセメンタイトとからなる組織を得るための熱処理が施
されても、組織中の炭化物が微細均一に分布することに
なるため高い硬度を得ることができる。

【００４９】また焼戻の第３段階の温度以上の高温焼戻
によって「フェライト＋セメンタイト」組織を得ている
ため、長時間の高温保持による圧痕や、落下や衝撃によ
る圧痕の発生を防止することができ、音響性能劣化に対
して優れた抵抗性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転がり軸受の製造方法を示す工程図で
ある。

【図２】溶製した４４０Ｃ鋼とステンレス鋼よりなる粉
末を成形して鋼材とした４４０Ｃ鋼とで焼戻温度を変化
させた場合の硬度の変化を示すグラフである。

【図３】本発明の転がり軸受の金属顕微鏡組織を示す写
真である。

【図４】溶製鋼の金属顕微鏡組織を示す写真である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軌道輪と転動体とを有する転がり軸受に
   おいて、 前記軌道輪および前記転動体の少なくともいずれかは、
   ステンレス鋼よりなる粉末を成形した鋼からなり、かつ
   ミクロ組織がフェライトとセメンタイトとからなる鋼材
   よりなっていることを特徴とする、転がり軸受。
2. 【請求項２】 表層部の硬さがロックウェル硬度（Ｈ_R
   Ｃ）で５６以上である、請求項１に記載の転がり軸受。
3. 【請求項３】 軌道輪と転動体とを有する転がり軸受の
   製造方法において、 材質がステンレス鋼よりなる粉末を準備する工程と、 前記粉末を成形し成形体を形成する工程と、 前記成形体を焼入した後、鋼の焼戻の第３段階の温度以
   上で焼戻を行なって、ミクロ組織がフェライトとセメン
   タイトとからなる鋼材よりなる前記軌道輪および前記転
   動体の少なくともいずれかを形成する工程とを備えた、
   転がり軸受の製造方法。