(57)【要約】【課題】  フロン等の環境下にあっても、耐摩耗性を向上して長寿命化を図り、冷凍機器、冷蔵機器の効率化・長寿命化・コンパクト化を一層改善すること。【解決手段】  フロンを溶媒とする冷凍機に使用される転がり軸受において、当該軸受は、軌道輪及び転動体からなり、当該軌道輪の少なくとも一つが、Ｃ；０．３〜０．６重量％、Ｃｒ；０．５重量％以上且つ１．８重量％未満、Ｓｉ；０．３〜１．５重量％、Ｍｎ；０．３〜１．７重量％、Ｍｏ；３．０重量％以下、Ｏ；９ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避の不純物の合金鋼からなり、浸炭窒化熱処理、次いで焼入れ，２４０〜５５０℃の高温焼戻しがなされて微細炭化物が形成された完成品表層部を有し、且つ平均残留オーステナイト量を３体積％以下とし、転動体が、セラミックからなり、少なくとも軌道輪のレース面に、樹脂コーティングが施してある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロンを溶媒とする冷凍機に使用される転がり軸受において、
当該軸受は、軌道輪及び転動体からなり、
当該軌道輪の少なくとも一つが、
Ｃ；０．３〜０．６重量％、Ｃｒ；０．５重量％以上且つ１．８重量％未満、Ｓｉ；０．３〜１．５重量％、Ｍｎ；０．３〜１．７重量％、Ｍｏ；３．０重量％以下、Ｏ；９ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避の不純物の合金鋼からなり、
浸炭窒化熱処理、次いで焼入れ，２４０〜５５０℃の高温焼戻しがなされて微細炭化物が形成された完成品表層部を有し、且つ平均残留オーステナイト量を３体積％以下とし、
前記転動体が、セラミックからなり、
少なくとも前記軌道輪のレース面に、樹脂コーティングが施してあることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記転動体は、窒化珪素からなり、加圧焼結により作成され、その表面あらさは、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記樹脂コーティングは、ＰＴＦＥであることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
保持器を有し、当該保持器は、樹脂製であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フロン等、特殊極超環境下で使用され、長寿命化・高速化の改良を図った転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロン等は、転がり軸受の潤滑に使用した場合、圧力をかけない限り、ガス状の気体となり、潤滑性能は非常に悪い。
【０００３】
また、液化した状態での潤滑環境下でも、転がり軸受は、高面圧下で繰り返しせん断応力を受けるため、軌道面と転動面間で摩耗を起こし、十分な使用には耐えられないことが分かっている。
【特許文献１】特許第２９６１７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、現在までフロン等だけの潤滑環境下では、転がり軸受は、あまり使われず、冷凍機抽等の油に、フロンを混入させて粘度を保った伏態でしか使用されなかった。
【０００５】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、フロン等の環境下にあっても、耐摩耗性を向上して長寿命化を図ると共に、耐熱性を向上して高速性能も改善し、ひいては、冷凍機器、冷蔵機器の効率化・長寿命化・コンパクト化を一層改善することができる、転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る転がり軸受は、フロンを溶媒とする冷凍機に使用される転がり軸受において、
当該軸受は、軌道輪及び転動体からなり、
当該軌道輪の少なくとも一つが、
Ｃ；０．３〜０．６重量％、Ｃｒ；０．５重量％以上且つ１．８重量％未満、Ｓｉ；０．３〜１．５重量％、Ｍｎ；０．３〜１．７重量％、Ｍｏ；３．０重量％以下、Ｏ；９ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避の不純物の合金鋼からなり、
浸炭窒化熱処理、次いで焼入れ，２４０〜５５０℃の高温焼戻しがなされて微細炭化物が形成された完成品表層部を有し、且つ平均残留オーステナイト量を３体積％以下とし、
前記転動体が、セラミックからなり、
少なくとも前記軌道輪のレース面に、樹脂コーティングが施してあることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２に係る転がり軸受は、前記転動体は、窒化珪素からなり、加圧焼結により作成され、その表面あらさは、０．１μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項３に係る転がり軸受は、前記樹脂コーティングは、ＰＴＦＥであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項４に係る転がり軸受は、保持器を有し、当該保持器は、樹脂製であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、軌道面の材料に、特許文献１に記載してある残留オーステナイト量、表層部の炭化物径、炭素含有量を制御した鋼材を採用し、この鋼材に、ＰＴＦＥ等のプラスチックポリマーの被膜を施し、転動体には、セラミック、保持器の材質には、ＰＴＦＥ若しくはＰＰＳ等のエンジニアリングプラスチックを使用している。
【００１１】
したがって、フロン等の環境下にあっても、耐摩耗性を向上して長寿命化を図ると共に、耐熱性を向上して高速性能も改善し、ひいては、冷凍機器、冷蔵機器の効率化・長寿命化・コンパクト化を一層改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係る転がり軸受を図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（冷凍機）
図１は、冷凍機に搭載される密閉型の縦型回転式圧縮機の構造を示す概略断面図である。
【００１４】
この圧縮機１は、ＨＦＣ等の冷媒を圧縮する圧縮部２と、該圧縮部２を回転駆動する電動モータ３と、を備えており、圧縮部２と電動モータ３とは密閉された圧力容器４内に収納されている。
【００１５】
なお、圧縮部２の圧縮方式は特に限定されるものではないが、例えばスクロール式等が好適である。
【００１６】
ロータ１０とステータ１１とからなる電動モータ３を回転させると、電動モータ３に取り付けられた回転軸１２を介して圧縮部２が回転駆動される。冷媒ガスは導入管１３から圧縮部２内に導入されて圧縮され、その圧縮ガスは圧縮部２内から圧力容器４内に排出され、吐出管１４から図示しない凝縮器に送られる。
【００１７】
また、圧力容器４の底部には、カルボジイミド化合物を含有するトリメリト酸エステルからなる冷凍機油組成物５が収納されており、この冷凍機油組成物５は回転軸１２に備えられた給油管１５により圧縮部２に供給され、圧縮部２の潤滑に供される。
【００１８】
この圧縮部２には、本実施の形態に係る転がり軸受２０が装着してあり、冷凍機油組成物５により潤滑されるようになっている。
【００１９】
なお、本実施の形態に係る転がり軸受は、産業上の利用分野として、フロン等を使用している冷凍機器、冷蔵機器等一般に使用される。
【００２０】
（軌道輪）
本実施の形態では、軌道輪の少なくとも一つが、
Ｃ；０．３〜０．６重量％、Ｃｒ；０．５重量％以上且つ１．８重量％未満、Ｓｉ；０．３〜１．５重量％、Ｍｎ；０．３〜１．７重量％、Ｍｏ；３．０重量％以下、Ｏ；９ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避の不純物の合金鋼からなり、
浸炭窒化熱処理、次いで焼入れ，２４０〜５５０℃の高温焼戻しがなされて微細炭化物が形成された完成品表層部を有し、且つ平均残留オーステナイト量を３体積％以下とし、
少なくとも軌道輪のレース面に、樹脂コーティングが施してある。
【００２１】
なお、好ましくは、上記の完成品表層部に存在する炭化物が０．５〜１．０μｍである。また、好ましくは、上記の完成品表層部の炭素含有量が０．７〜０．９重量％である。さらに、好ましくは、上記の残留オーステナイト量が０体積％である。
【００２２】
具体的には、特許文献１に記載してある残留オーステナイト量、表層部の炭化物径、炭素含有量を制御した鋼材を採用し、この鋼材に、ＰＴＦＥ等のプラスチックポリマーの被膜を施している。
【００２３】
以下、上記の軌道輪の鋼材に関して、特許文献１の〔作用〕の欄の記載を引用する。
【００２４】
この出願に係わる発明は、表面熱処理として従来の浸炭に変えて浸炭窒化をすることにより、高温焼戻しを行った際でも硬さの低下のおそれがなく、そして鋼中の酸素量を極力低減して、酸化物系介在物の発生を避けることにより長寿命の転がり軸受を提供することができる。
【００２５】
また、高温焼戻しの後の平均残留オーステナイト量を３体積％以下としたことにより高温寸法安定性に優れる。
【００２６】
さらに、前記高温焼戻しを２４０〜５５０℃で行うことにより、残留オーステナイトがマルテンサイト化し、この点でも寸法安定性に優れ且つ長寿命な転がり軸受とすることができる。
【００２７】
本発明において、浸炭窒化熱処理を採用した理由は、Ｎが焼戻し軟化抵抗性を向上するという特性を利用したものである。従来の軸受鋼，肌焼鋼等の場合、高温テンパー，例えば２５０℃で焼戻しを行うと表面硬さはＨＲＣ６０を下回りが転がり軸受として必要な表面硬さを保持することができなくなる。これに対し、表面硬化熱処理として浸炭ではなく浸炭窒化を施すと、Ｎの焼戻し軟化抵抗性の向上作用により高温焼戻しの際でも十分な硬さを保持できる。従って、寸法安定性を向上するための高温焼戻しを施しても十分な寿命を確保することが可能となる。
【００２８】
次に本発明における各含有元素の作用及び含有量の臨界的意義について説明する。
【００２９】
〈Ｃ；０．３〜０．６重量％  〉
Ｃは焼入れ、焼戻し後の硬さを向上するために、必要な元素である。尚、浸炭窒化することにより軸受表面の炭素濃度は上がるため、この数値は芯部におけるＣの含有量となる。
【００３０】
Ｃの含有量が０．６重量％を越えると表層部〜芯部まで残留オーステナイト量が多くなり準高温〜高温環境下寸法安定性が阻害される。また、素材の段階で巨大な炭化物が発生するため、機械加工性及び靭性が低下し破壊強度も低下する。
【００３１】
一方、含有量が０．３重量％未満であると浸炭窒化処理時間が長くなり、熱処理生産性が低下する。又、浸炭窒化温度を上げ処理時間の短縮しようとするとＮＨ３ガスの分解速度が大きくなるため、窒素（Ｎ）が入り難くなりあまり温度を上げることができない（８２０〜８８０℃）。そのため軸受の負荷時、せん断応力が働く深さのところまで必要な硬さを得るためのＣ％を得るためにも長時間必要となりコスト的に不利となる。
【００３２】
その他、軸受の寿命を向上する際に有害な酸化物系介在物を生成する酸素量は、炭素含有量が少なくなるに従って多くなり、この点から寿命を向上するに際して不利となる。従って、本発明では、中炭素鋼（Ｃ重量％：０．３〜０．６）にすることにより低酸素の高清浄度鋼を得ることができた。炭素含有量は０．３５〜０．４５重量％であることが好ましい。
〈Ｃｒ；０．５〜２．５重量％〉  
Ｃｒは焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素である。また、微細な炭化物を均一に形成する析出硬化により、たとえ高温焼戻しを行っても十分な表面硬さを得られ、また基地の強靭性を向上することができる。そして、硬くて微細のＣｒ炭化物により耐摩耗性を向上する働きもある。またさらにＣｒは炭化物形成元素でもあるため、浸炭窒化層のＣ濃度を高める結果、浸炭阻害性のあるＳｉを多く含有しても材料の浸炭窒化性を高めることができる。
【００３３】
これらの作用，効果を発揮させ、必要な表面粗さＨＲＣ６０以上（特に、６１〜７０）を確保するためにＣｒ含有量の下限を０．５重量％とした。
【００３４】
一方、含有量が２．５重量％を越えると均一な微細な炭化物が形成できにくくなり、素材の段階で巨大な炭化物が生じてしまい、この炭化物の回りで応力集中が生じることを原因として軸受寿命を低下するおそれがある。また、必要以上のＣｒ含有量の増加はコスト的にも不利であるし、巨大炭化物を微細化しようとすると高温での焼入れが必要となり熱処理生産性が低下する。よって、Ｃｒが含有量の上限を２．５重量％とすると好適であるが、本発明では、その上限を１．８重量％未満とした。
【００３５】
〈Ｓｉ；０．３〜１．５重量％〉
Ｓｉは鋼の溶鋼時において脱酸剤として作用すると共に、固溶強化及び焼戻し軟化抵抗性を向上して軸受の寿命を延長するのに有効な元素である。しかし、その含有量が多くなると機械的強度の低下、被削性の低下、浸炭窒化性の低下につながるためＳｉの含有量を０．３〜１．５重量％の範囲とした。
【００３６】
〈Ｍｎ；０．３〜１．７重量％〉
鋼の溶鋼時に脱酸，脱硫剤として作用すると共に、焼入れ性の向上に大きな役割を有し、しかも廉価であることから含有される。
【００３７】
しかしその含有量が多くなると軸受の寿命の向上が見られず、逆に非金属介在物が多く生じるために寿命が低下し、その他鍛造性，被削性等の機械加工性が低下する。よって、Ｍｎの含有量を前記範囲内に限定したものである。
【００３８】
〈Ｏ；９ｐｐｍ以下〉
Ｏは酸化物系非金属介在物（特に、Ａｌ２Ｏ３）の発生元素として寿命を低下させるために、その含有量を極力低下する必要があり、そこで、その含有量の上限を９ｐｐｍとした。
【００３９】
尚、Ａｌは、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物系非金属介在物を生成し、その点において寿命に対し有害である。しかし、Ａｌ自体は結晶粒の粗大化を防止する作用を有するため、２００〜３００ｐｐｍ以下含有するのが有効である。
【００４０】
〈Ｍｏ；３．０重量％以下〉
Ｍｏは前記Ｃｒと同様に焼戻し軟化抵抗性の向上に有効な元素であると共に、表層部に炭化物を形成する上で必要な元素である。また、焼入れ性の向上，焼入れ後の硬さの向上にも有効である。なお、このＭｏは含有量が「０」であってもよい。
【００４１】
しかしながら、Ｍｏ含有量が３．０重量％を越えると前記Ｍｏの作用，効果の向上はそれほど上がらず、逆に素材の段階で巨大な炭化物が形成されて寿命を低下させるおそれがあり、コスト的にも不利であるからＭｏ含有量の上限を３．０重量％とした。特に、０．１〜３．０重量％であることが好ましい。
【００４２】
本発明では、前記各種元素の他に不可避の不純物が含有されることがある。このような不純物元素としては、例えば、Ｔｉ，Ｓ，Ｐ，がある。
ＴｉはＴｉＮの形で非金属介在物として出現する。このＴｉＮは硬度が硬く、塑性変形能が小さいため、応力集中源となり寿命を低下させる。よって、Ｔｉの含有量をできるだけ少なくすることが必要であり、好ましくは、その含有量を４０ｐｐｍ以下にすることが望まれる。
【００４３】
Ｐは耐衝撃性を低下させる元素である。よってその含有量を低下することが良く、２０ｐｐｍ以下とすることが望まれる。
【００４４】
ＳはＭｎＳ等の硫化物系非金属介在物生成の原因となる。ＭｎＳは硬度が低く、塑性変形能が大きいことから、圧延、鍛造等の前加工時割れ発生の起点として作用する。よって、鍛造等の前加工時に割れ発生を防止し、より強加工を可能にするためにＳ含有量を極力低下することが良い。８０ｐｐｍ以下にすることが望まれる。
【００４５】
本発明において、軌道輪（内輪，外輪等）及び転動体の少なくとも一つの表層部には浸炭窒化、焼入れ、薬戻しの処理によって微細な炭化物が生ずる。
この炭化物は硬く耐摩耗性に優れ、その結果、使用温度が準高温〜高温時の軸受の必要な硬さを確保することができるため、軸受の寿命を向上する。しかも、その大きさは微細であるため（０．５〜１．０μｍ）負荷荷重に基づく応力集中を来たすこともなく転がり軸受の寿命を向上することができる。
【００４６】
微細な炭化物の軸受表層部における存在及び焼戻し軟化抵抗性の向上により表面高さがＨＲＣ６０以上の高硬度の転がり軸受を得ることができる。
【００４７】
本発明の合金鋼に浸炭窒化を行い、これに焼入れ，高温焼戻しを施すことにより表層部に前記微細な炭化物を析出できると共に、残留オーステナイトを極力低減することが可能となる。残留オーステナイトは準高温〜高温化でマルテンサイトに変態し、この時寸法変化が生ずるため、高温焼戻しにより芯部から表層部にかけての平均残留オーステナイト量を３体積％以下にすることが良い。
【００４８】
この時の焼戻し温度は、焼戻し温度が低いと残留オーステナイトを全てマルテンサイト化することが困難であるとの観点から、２４０〜５５０℃程度であることが良い。
【００４９】
このような本発明により、準高温〜高温（約１２０〜５５０℃）下の使用であっても長寿命な転がり軸受を提供することができる。
【００５０】
（レース面の樹脂コーティング）
本実施の形態では、上記のように、軌道輪のレース面に、樹脂コーティング、即ち、ＰＴＦＥ等のプラスチックポリマーの被膜が施してある。
【００５１】
不十分な潤滑条件（フロン＋冷凍機油）で固体接触を防止する。耐熱性があり、フロンとなじみのよい樹脂被膜が好適であるので、ＰＴＦＥが最適である。
【００５２】
なお、ＰＰＳ、４６ナイロン等も使用することもできる。
【００５３】
また、好ましい膜厚は、１〜０．１ｍｍであり、より好ましくは、１〜０．０５ｍｍである。
【００５４】
（転動体）
本実施の形態では、転動体は、セラミックからなり、好適には、窒化珪素からなり、加圧焼結により作成され、その表面あらさは、０．１μｍ以下であることを特徴とする。
【００５５】
転動体を窒化けい素を主体として加圧焼結で形成しているから、結晶結合が強力で強度的に優れている他、気泡やクラックの発生率が極めて少なくなって水分などが吸収されにくくなる。
【００５６】
また、表面粗さを小さく特定することにより、金属摩耗粉や水分を付着させにくくしているから、金属摩耗粉や水分を媒体とする軌道面損傷も起きなくて済む。
【００５７】
また、金属摩耗粉そのものの絶対量加減るので、それによる潤滑不良の可能性も少なくなる。
【００５８】
また、転動体は、金属製のものに比べて、その比重が小さくなるので、転動体の慣性力低減に効果があり、保持器及び樹脂被膜に対する負担を軽減できるようになる。
【００５９】
（保持器）
本実施の形態では、保持器は、樹脂製である。耐熱性があり、フロンとなじみのよい樹脂被膜が好適であるので、ＰＴＦＥが最適である。また、軌道面と同様に、金属表面に、被膜を施したものでもよい。
【００６０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。
【実施例】
【００６１】
以下に本発明を立証するための実験及び結果を説明する。
【００６２】
試験は、図２の構造をしたものを使用し、スラスト軸受にフロン（Ｒ１３４ａを使用）環境下で、一定時間アキシヤル荷重を負荷させて、軌道面及び玉の摩耗量の測定、保持器の異常有無を確認した。
【００６３】
試験結果として、軌道面、転動面の摩耗量の比較を示す。下記に、摩耗量の総和を示す。
【００６４】
従来材（内外輪・玉ＳＵＪ）使用軸受…約３０μｍ
本発明材使用軸受              …    ０μｍ
上記のように、本発明材を使用するごとで、耐摩耗性能が大幅に向上できる。
【００６５】
また、特許文献１に記載の軌道輪の鋼材、セラミック玉は、耐熱性に優れていることから、高速性能も発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】冷凍機に搭載される密閉型の縦型回転式圧縮機の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施例に使用した試験機であり、スラスト軸受に、所定荷重を負荷した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  圧縮機
２  圧縮部
３  電動モータ
４  圧力容器
５  冷凍機油組成物
１０  ロータ
１１  ステータ
１２  回転軸
１３  導入管
１４  吐出管
１５  給油管
２０  転がり軸受
【図１】
2006161929.tif 000003
【図２】
2006161929.tif 000004