(57)【要約】【課題】低粘度の極低温の流体に浸漬されて使用されるような過酷な運転条件に耐え、より信頼性・耐久性のある転がり軸受を提供とする。【解決手段】転がり軸受は、内輪と、外輪と、これら内輪と外輪の間に組み込まれる複数個の転動体を有して構成され、内輪又は外輪が軸又はハウジングに嵌合されて、その嵌合部のフープ応力が１００〜５００ＭＰａである軸受であって、ピッチングインデックス（Ｐ．Ｉ．）が、Ｐ．Ｉ．＝1［％Ｃr］＋3.3［％Ｍo］＋30［Ｎ％］−45［Ｃ％］と定義される場合において、Ｐ．Ｉ．＝−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼を用いてなる。【選択図】  図１
2005106228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも内輪と、外輪と、これら内輪と外輪との間に組み込まれる複数個の転動体を有して構成され、内輪又は外輪が軸又はハウジングに嵌合されて、その嵌合部のフープ応力が１００〜５００ＭＰａである転がり軸受であって、
ピッチングインデックス（Ｐ．Ｉ．）が、
Ｐ．Ｉ．＝1［％Ｃr］＋3.3［％Ｍo］＋30［Ｎ％］−45［Ｃ％］と定義される場合において、
Ｐ．Ｉ．＝−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼を用いてなることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
転動体がセラミックスから構成されてい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】
極低温流体冷媒に浸漬されて使用されてなることを特徴とする請求項１又は２のいずれか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、低粘度の燃料油や代替フロンのような冷媒などの流体や極低温（例えば−２５０℃近傍）の流体を搬送するポンプ主軸を支持する転がり軸受であって、その搬送する流体に浸漬されて使用されるような転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料油や代替フロンのような冷媒などの流体や極低温（−２５０℃近傍）の流体を搬送するポンプ主軸を支持する転がり軸受では、運転・停止の温度サイクルによって転がり軸受表面に水蒸気が凝集したり、環境に存在する塩分により、錆の発生が懸念されていたりした。
そこで従来、極低温の流体にさらされるような軸受の内外輪と転動体（ボール）には、例えば、錆に強いとされるAISI４４０Cといったマルテンサイト系耐食鋼が使われている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２５６３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような耐食鋼AISI４４０Cを用いた従来の転がり軸受では、軸受鋼の耐食性が低い事から応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）を起こす虞があった。
すなわち、例えば回転する軌道輪と軸またはハウジングが広い使用温度範囲で嵌合が隙間にならないように付加した大きな締代や、高速回転する軌道輪に生ずる遠心力の為に、軌道輪には大きな引っ張り応力が生じている。そして、このような大きなフープ応力が働いている軌道輪に、孔蝕のような錆が生じると応力腐食割れを起こす虞がある。
円周応力：４００ＭＰａが負荷されたAISI４４０Cリングは、湿度９８％、温度４９℃に暴露すると、応力腐食割れにより約２５００時間で割損してしまう、という問題があった。
【０００４】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、低粘度の極低温の流体に浸漬されて使用されるような過酷な運転条件に耐え、より信頼性・耐久性のある転がり軸受を供給することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を達成する本発明の第１の発明は、少なくとも内輪と、外輪と、これら内輪と外輪との間に組み込まれる複数個の転動体を有して構成され、内輪又は外輪が軸又はハウジングに嵌合されて、その嵌合部のフープ応力が１００〜５００ＭＰａである転がり軸受であって、ピッチングインデックス（Ｐ．Ｉ．）が、次の式で定義される場合において、Ｐ．Ｉ．＝−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼を用いてなることを特徴とする転がり軸受にある。
Ｐ．Ｉ．＝1［％Ｃr］＋3.3［％Ｍo］＋30［Ｎ％］−45［Ｃ％］
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、転動体がセラミックスから構成されていることを特徴とする転がり軸受にある。
【０００７】
第３の発明は、第1及び第２のいずれか一つの発明において、極低温流体冷媒に浸漬されて使用されてなることを特徴とする転がり軸受にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、内輪又は外輪が軸又はハウジングに嵌合されて、その嵌合部のフープ応力が１００〜５００ＭＰａである転がり軸受において、ピッチングインデックス（Ｐ．Ｉ．）が、Ｐ．Ｉ．＝1［％Ｃr］＋3.3［％Ｍo］＋30［Ｎ％］−45［Ｃ％］と定義される場合において、Ｐ．Ｉ．＝−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼を用いてなるので、低粘度の極低温の流体に浸漬されて使用される場合において、それらの過酷な運転条件に耐え、より信頼性・耐久性のある軸受を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の一実施形態にすぎず、本発明は何等これに限定解釈されるものではなく、本発明の範囲内で適宜設計変更可能である。
【実施例１】
【００１０】
本発明にかかる転がり軸受は、軌道輪（内輪と外輪）と、これら内輪と外輪の間に組み込まれる複数個の転動体を有する転がり軸受で、内輪又は外輪が、軸又はハウジングに嵌合されて使用される。
本発明は、このような転がり軸受における内輪又は外輪と軸又はハウジングの嵌合部におけるフープ応力が１００〜５００ＭＰａで、該内輪と外輪及び転動体をピッチングインデックス（Ｐ．Ｉ．）が−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼を用いて形成されていることに特徴的な構成を有し、内輪、外輪及び転動体の形状などには特に限定されないため、これらの図示及び説明は省略する。また、上述の複数個の転動体を保持する保持器や、密封板（接触若しくは非接触シール、又はシールド）などの軸受構成にあっては、本発明の範囲内で必要に応じて採用可能である。
さらに、保持器を上述のＰ．Ｉ．＝−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼を用いて構成するものとしても好ましく本発明の範囲内である。
【００１１】
従来用いられているオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を示す指標の一つとして次の式（Ａ）が知られている。
Ｐ．Ｉ．（Pitting Index）＝ａ［％Ｃr］＋ｂ［％Ｍo］＋ｃ［Ｎ％］…（Ａ）
本発明者らは、マルテンサイト系ステンレス鋼においても、例えば、次の式（Ｂ）の様に定義されるＰ．Ｉ．と耐食性指標の一つである孔蝕電位との間に非常に相関があることを見出し、さらに、フープ応力との相関についても検討した。
Ｐ．Ｉ．＝1［％Ｃr］＋3.3［％Ｍo］＋30［Ｎ％］−45［Ｃ％］…（Ｂ）
【００１２】
ここで、金属材料が、十分濃度のハロゲンイオン（例えば、塩化物イオン）を含んだ溶液中に浸漬されている時、金属の電位がある値より大きいと、孔蝕が成長を続けるようになる（錆の発生）。この時の臨界電位を孔蝕電位と呼び、定電位分極法により測定される。
つまり、孔蝕電位が高い材料ほど発錆しにくく、耐食性が高いと言える。
また、材料の持つＰ．Ｉ．の値も大きくなるほど、耐食性が高いことを示しており、Ｐ．Ｉ．が大きい材料ほど孔蝕電位も高くなるため、正の相関があると言える。
【００１３】
ここで、内輪又は外輪と、軸又はハウジングの嵌合部におけるフープ応力が１００ＭＰa未満と低い場合は、応力腐食割れが問題となる事は無い。
一方、材料の引張り強さの制限から、フープ応力が５００ＭＰａを超える嵌合条件が採用されることも無いので、おのずからフープ応力の範囲は、上述の通り１００ＭＰa〜５００ＭＰａに制限される。
【００１４】
また、本発明は、上述したフープ応力に加えて、Ｐ．Ｉ．値を−５〜４０の範囲、より好ましくは１５〜４０の範囲となるように規定している。
これは、耐食鋼のＰ．Ｉ．値が４０より大きくなる事は、上記のＰ．Ｉ．値の定義から、材料の加工性が悪くなる事と、熱処理のＭｓ点が低下することにより硬さ不足を招き、ひいては、軸受の寿命低下につながるため好ましくない。
一方、Ｐ．Ｉ．値が−５より小さくなると、応力腐食割れ（ＳＣＣ）試験で破壊しないフープ応力が１００ＭＰａを下回ってしまう。
【００１５】
従って、フープ応力が１００〜５００ＭＰａであるような使用範囲においては、Ｐ．Ｉ．値が−５〜４０、さらに好ましくはＰ．Ｉ．値が１５〜４０の材料が、耐応力腐食割れ性能に優れた軸受用材料であると考えられる。
【００１６】
ここで、請求項１は、後述する実施例の結果を示す図１において、ＳＣＣ試験で7000時間以上破壊しないフープ応力（ＭＰa）を示す横軸：１００〜５００ＭＰaと、Ｐ．Ｉ．値を示す縦軸：−５〜４０で囲まれた四角形領域において使用される転がり軸受に対応するものである。
【００１７】
また、本発明にかかる転がり軸受は、−２５０℃近傍の極低温流体冷媒に浸漬されて使用されてなるものである。ここで、極低温流体冷媒とは低粘度の燃料油や代替フロンなどの冷媒をいう。
【００１８】
次の様な耐食鋼材料を用い、以下の「応力腐食割れ（ＳＣＣ）試験」を実施した。
その結果をまとめたのが図１である。
【００１９】
本試験において用いた各材料の化学組成を以下に示す。
鋼材料１：1.0Ｃ-17Ｃr
鋼材料２：0.5Ｃ-15Ｃr
鋼材料３：0.45Ｃ-13Ｃr-0.14Ｎ
鋼材料４：0.41Ｃ-15.8Ｃr-1.7Ｍo-0.2Ｎ
鋼材料５：0.3Ｃ-15Ｃr-1Ｍo-0.3Ｎ
鋼材料６：0.02Ｃ-18Ｃr-1Ｍo-0.5Ｎ
鋼材料７：0.02Ｃ-18Ｃr-1Ｍo-0.8Ｎ
また、上記化学組成による各鋼材料を、上述した式（Ｂ）に当てはめて得たＰ．Ｉ．値を以下の括弧内に示す。
鋼材料１（−２８）
鋼材料２（−８）
鋼材料３（−３）、
鋼材料４（９）、
鋼材料５（１５）、
鋼材料６（３５）、
鋼材料７（４５）
【００２０】
ここで、応力腐食割れ試験の方法について説明する。
リング（内径３０ｍｍ×外径４７ｍｍ×幅９ｍｍ）を、上述の各鋼材料で作り、一方、軸（外径のノミナル寸法：φ３０ｍｍ）を、Ni基超合金であるINCONEL718で作り、その嵌合すきまを調整する事によりリング試料の嵌合面に生ずるフープ応力を１００〜５００ＭＰａの範囲で変化させた。
そして、このようにリングと軸を嵌合させた状態で、噴霧液（ＮaＣｌ濃度５％、ｐＨ6.5）を試験槽内環境（温度：４０±２℃、湿度９５−９８％ＲＨ）において、噴霧量：１〜２ｍｌ／ｈｒ．で連続的に噴霧した。その状態で試料のリングが割損するまでの時間を計測し、それらのデータを整理して図１の試験結果を求めた。
その結果、図１に示すように、７０００時間以上破壊しなかった試料のフープ応力値は、試料のＰ.Ｉ．値の増加とともに高くなる傾向が判明した。従って、上述の鋼材料１〜７において、本実施例に好ましい材料は、鋼材料３〜６である。
さらに、最も好ましくは、前記の鋼材料５を使用した軸受である。
【実施例２】
【００２１】
低粘度流体に浸漬されて使用するポンプ用軸受において、本実施例２では、実施例１と同様に、Ｐ．Ｉ．値が−５〜４０であるマルテンサイト系ステンレス鋼材料を用いて内輪と外輪を作成すると共に、窒化珪素のようなセラミックス材の転動体を使用して転がり軸受を構成した。この場合において、内輪と外輪には、上述のＰ．Ｉ．値が１５であるマルテンサイト系ステンレス鋼材料５を使用すると最も好ましい。転動体にセラミックスを使用した以外は実施例１と同じであるため、本実施例２においては、実施例１の説明を援用し、その部分の説明は省略する。
【００２２】
本発明の転がり軸受を構成している転動体は、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの金属とは異種の硬質材料であるセラミックスから構成されてなるものであり、なお、セラミックスとしては、上記窒化珪素以外に、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を挙げることが出来る。
実施例１では、低粘度流体に浸漬されて使用するポンプ用軸受は、内外輪、転動体を含めて所定の耐食鋼で製作されるが、本実施例２では、転動体であるボールは耐食性を有しながら金属とは異種の硬質材料である、例えば、窒化珪素のようなセラミックス材のボールを使用する。これにより、ボールと軌道輪間の潤滑が不十分で軌道輪とボールが直接接触する部分が増加するような境界潤滑下の摩耗・損傷するような運転条件においても、その摩耗・損傷を防止する事が出来る。
【００２３】
この結果、ボールと軌道輪間の潤滑が不十分で軌道輪とボールが直接接触する部分が増加するような境界潤滑下の摩耗・損傷するような運転条件においても、その摩耗・損傷を防止する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】フープ応力とＰ．Ｉ．との関係を示す図である。
【図１】
2005106228.tif 000003