JP3567497B2

JP3567497B2 - 溶融金属中で使用される転がり軸受

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Publication number: JP3567497B2
Application number: JP21582294A
Authority: JP
Inventors: 克広野島; 俊博森; 孝夫橋本; 心新関; 章雄青木
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JPH07151151A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば連続溶融金属メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれる転がり軸受のように、溶融状態の亜鉛やアルミニウム等の溶融金属中で使用される転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、連続溶融亜鉛メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれるような溶融金属中で使用される転がり軸受としては、高い耐熱性と耐食性とが要求されるために、形状が複雑である保持器以外はセラミックスで作製されたものが使用され、保持器については、その耐食性を向上させるために、例えば純タンタルまたはタンタルに１０重量％以下の範囲でタングステンを加えた合金により作製することが提案されている（特開平５−１８７４４５号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記提案に示された材料で保持器を作製すれば、溶融金属中での十分な耐食性が得られるが、耐摩耗性については改善の余地があった。
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためのものであり、溶融金属中で使用される転がり軸受を構成する保持器の耐摩耗性を向上させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、溶融金属中で使用される転がり軸受において、当該転がり軸受の保持器を、前記溶融金属に対する比重が０．８〜１．２である材料で構成したことを特徴とする転がり軸受を提供する。
保持器を構成する材料の前記溶融金属に対する比重を０．８〜１．２とするためには、当該溶融金属に応じ、前記比重が単独で０．８〜１．２である物質により保持器を作製するか、密度の大きな物質、例えばＴａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等の金属、これらの金属を含む合金、前記金属の炭化物、ホウ化物、窒化物と、密度の小さな物質、例えば黒鉛、Ｃ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化カーボン）等の炭素材料、窒化ホウ素、アルミナ、シリカ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスとを組み合わせて、対応する溶融金属に対する比重を０．８〜１．２とした複合材料で保持器を作製すればよい。
【０００５】
保持器を複合材料で作製する場合には、複合材料を構成する密度の小さな物質が、黒鉛、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ＣａＦ_２／ＢａＦ_２、酸化クロム等の固体潤滑剤であると好ましい。
なお、メッキ浴等に使用される溶融金属には、例えば下記の表１に示すようなものが挙げられ、その密度は２〜１２ｇ／ｃｍ^３である。
【０００６】
【表１】

【０００７】
また、Ｆｅ系の鋼、ＮｉやＣｏ系の耐熱合金はこれらの溶融金属に対する耐食性が不十分であるため、当該溶融金属に対する比重が０．８〜１．２であっても、溶融金属中で使用される転がり軸受に組み込まれる保持器の材料としては好ましくない。
【０００８】
【作用】
本発明においては、溶融金属中で使用される転がり軸受の保持器を、前記溶融金属に対する比重が０．８〜１．２である材料で構成することにより、保持器の転動体および軌道輪との摺動面にかかる圧力が著しく軽減されて保持器のポケット面や案内面の耐摩耗性が向上する。
【０００９】
すなわち、保持器と溶融金属との密度の差を小さくすることにより、溶融金属中で保持器が浮き沈みする度合いが小さくなるため、転動体および軌道輪との摺動面にかかる圧力が低減される。
これに対して、前述のように、保持器を純タンタルまたはタンタルに１０重量％以下の範囲でタングステンを加えた合金で作製し、この保持器が組み込まれた転がり軸受を連続溶融亜鉛メッキ浴（４８０℃）中で使用する場合には、純タンタルまたは前記タンタル合金の密度が約１６ｇ／ｃｍ^３、溶融亜鉛の密度が約７ｇ／ｃｍ^３であるため、保持器を構成する材料の溶融亜鉛に対する比重は２．３となり、溶融亜鉛中で保持器が浮き沈みする度合いが大きいため、転動体および軌道輪との摺動面にかかる圧力が大きくなる。
【００１０】
また、図９は、ＴａとＣ（黒鉛）との複合材料により溶融亜鉛に対する比重がそれぞれ０．３〜２．３である保持器の試験片を作製し、各試験片により溶融亜鉛（４８０℃）中におけるアキシャル荷重に対する摩耗試験（詳細は実施例参照）を行った結果を示すグラフである。このグラフから、保持器試験片の溶融亜鉛に対する比重が本発明の範囲である０．８〜１．２のものは、ポケット摩耗量および案内面摩耗量のいずれの点でも他のものより著しく優れていることが分かる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
図１および２に示す形状の軌道輪試験片１を二枚（内輪試験片１Ａ，外輪試験片１Ｂ）と、図３および４に示す形状の保持器試験片２を一枚と、直径３／８インチのボール３を三個で一組として、図５に示すような転がり軸受の摩耗試験用試験体Ｓを作製した。図１は軌道輪試験片の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は保持器試験片の正面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１２】
軌道輪試験片１は、図１および２から分かるように、厚さＴ_１＝６ｍｍ直径Ｄ_１＝５２ｍｍの円板の中心に直径Ｄ_２＝１０ｍｍの穴１１を開け、片面の周辺部に円板と同心の環状の溝１２を付けたものである。この溝１２は断面が円弧状に形成され、その曲率半径は５．１５ｍｍであり、円板の面から最大０．８ｍｍ（＝Ｔ_２）だけ凹んでいる。また、溝１２の中心線の直径Ｄ_３を３８．５ｍｍとした。
【００１３】
この軌道輪試験片１とボール３は窒化珪素製であり、窒化珪素の粉末をＡｒおよびＮ_２の雰囲気下、２０００℃で加圧焼結して得られた焼結体を機械加工することにより各形状に形成してある。
保持器試験片２は、図３および４から分かるように、軌道輪試験片１と同じ大きさの円板の中心に直径Ｄ_４＝２４ｍｍの穴２１を開け、円板面に直径Ｄ_５＝９．８ｍｍの円形のポケット２２を三個、各ポケット２２の中心が同一円周上となるように等間隔で開けたものである。そして、ポケット２２のピッチ円直径Ｄ_６は、軌道輪試験片１の溝１２の中心線の直径Ｄ_３と同じ３８．５ｍｍとした。
【００１４】
この保持器試験片２は、各試験体毎に、下記の表２および表３に示す各組成の材料で、溶融亜鉛に対する比重が各値になるように形成してある。なお、実施例１〜１０および比較例１〜４では、密度の大きな物質としてＴａ，Ｗ，Ｍｏ，ＷＣ，ＴａＮ，ＴａＢ_２を単独または組み合わせて用い、密度の小さな物質としてＣ（黒鉛），ＭｏＳ_２，ｈ−ＢＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４＋Ａｌ_２Ｏ_３を用い、両者の組成を変えることにより溶融亜鉛に対する比重を調節している。
【００１５】
なお、実施例１の保持器試験片２ａは、図６（図３のＢ−Ｂ線断面図に相当）に示すように、図３および４に示す保持器試験片２と外形は同じであるが、Ｃ（黒鉛）で厚さＴ_３＝４ｍｍに形成した母体４の両面に、Ｔａで厚さＴ_４＝１ｍｍに形成した補強用の側板５を接合した構造であり、表中で「補強型」と表示した。そして、Ｔａ（二枚の側板５）とＣ（母体４）との体積比から保持器試験片全体としての平均密度を算出した。
【００１６】
実施例２〜１０および比較例１〜４の保持器試験片２は、前記軌道輪試験片１およびボール３と同様に、各成分の粉末をＡｒおよびＮ_２の雰囲気下、２０００℃で加圧焼結して得られた焼結体を機械加工することにより作製されたものであり、表中で「粉末均一混合型」と表示した。そして、保持器試験片の材料を構成する各成分の密度と存在比（体積比）から平均密度を算出した。
【００１７】
比較例５〜１０の保持器試験片２は単独材料で構成され、それぞれ下記のバルク材（比較例１０はＳＵＳ３０４）を機械加工により前記形状に形成したものであり、表中で「バルク型」と表示した。
Ｔａ：真空冶金（株）製
Ｃ／Ｃコンポジット：東洋炭素（株）製ＣＸ−２１
黒鉛：東洋炭素（株）製ＩＧ−４３
ｈ−ＢＮマシナブルセラミックス：徳山曹達（株）製シェイパル（登録商標）Ｍ
雲母系マシナブルセラミックス：三井鉱山（株）製
そして、図５に示すように、溝１２面を内側にした二枚の軌道輪試験片１Ａ，１Ｂで、各ポケット２２にボール３を入れた状態の保持器試験片２を挟み、各ボール３を各軌道輪試験片１Ａ，１Ｂの溝１２に収めることにより、摩耗試験用の試験体Ｓを組み立てた。この状態で試験体Ｓをるつぼ６の底部中心に配置し、回転軸７を上側の軌道輪試験片１Ａ上の中心に配置してアキシャル荷重をかけ、るつぼ６内に溶融亜鉛８を入れ、回転軸７を回転させることにより上側軌道輪試験片１Ａを回転させ、下記の条件により摩耗試験を行った。
【００１８】
〔試験条件〕
アキシャル荷重：２９４Ｎ
回転速度：３００ｒｐｍ
るつぼ内温度：４８０℃
総回転時間：７２時間
試験後に試験体Ｓをるつぼ６から出して、各保持試験片２（２ａ）のポケット摩耗量と案内面摩耗量を測定した。その結果を下記の表１，２に併せて示す。また、保持器試験片のポケット摩耗量について図７に、保持器試験片の案内面摩耗量について図８に示す。なお、図７は図３のＥ−Ｅ線断面図に、図８はＦ−Ｆ線断面図に相当し、各図の（ａ）は摩耗試験前の状態（ｂ）は摩耗試験後の状態を示す。
【００１９】
ここで、溶融亜鉛に対する比重が１より小さい保持器試験片２は、摩耗試験中、上側の軌道輪試験片１Ａに接触しながら回る。ボール３は上側軌道輪試験片１Ａの回転速度の１／２で公転するため、保持器試験片２はボール３と同じ速度で回る。その際、上側軌道輪試験片１Ａと保持器試験片２との間にすべりが生じて、図８に示すように、保持器試験片２の上側案内面（試験中に上側軌道輪試験片１側にあった案内面）２３ａが摩耗することになる。これに伴う厚さの減少量Ｍ_ａを測定して案内面摩耗量とした。
【００２０】
また、保持器試験片２のポケット２２は常にボール３を押す形でボール３と接するため、ボール３とポケット２２との間にすべりが生じて、図７に示すように、ポケット２２の回転方向後側２２ａが摩耗する。これに伴うポケット２２直径の増加量Ｍ_Ｐ＝Ｄ_１５−Ｄ_５を測定してポケット摩耗量とした。
なお、溶融亜鉛に対する比重が１より大きい保持器試験片２は、摩耗試験中、下側の軌道輪試験片１Ｂに接触しながら回るため、上記とは反対に、保持器試験片２の下側案内面２３ｂとポケット２２の回転方向前側が摩耗する。
【００２１】
各摩耗量の許容値は、転動体であるボールの直径Ｄ_ａを基準にし、摩耗量が時間に対して直線的に増加すると仮定して、連続二週間運転した時に、ポケット摩耗量に関しては直径Ｄ_ａの３０％以下、案内面摩耗量に関しては直径Ｄ_ａの１０％以下となるものとした。
そして、使用したボールの直径はＤ_ａ＝３／８インチ＝９．５２５ｍｍであり、今回の摩耗試験は７２時間（＝３日間）であるためこれを換算して、
ポケット摩耗量については、
９．５２５×０．３０×（３／１４）＝０．６１ｍｍ以下
案内面摩耗量については、
９．５２５×０．１０×（３／１４）＝０．２０ｍｍ以下
であれば合格とした。
【００２２】
【表２】

【００２３】
【表３】

【００２４】
また、ＴａとＣ（黒鉛）との複合材料により粉末均一混合型に作製した保持器試験片を組み込んだ試験体（実施例５〜９、比較例１〜５，７）について、各摩耗試験の結果を整理したグラフを図９に示す。
これらの結果より、保持器試験片の溶融亜鉛に対する比重が０．８〜１．２である実施例１〜１０の各試験体は、ポケット摩耗量および案内面摩耗量のいずれの結果においても許容値内に入っていることが分かる。また、保持器試験片の溶融亜鉛に対する比重が０．８未満か１．２を越えて大きい比較例１〜９の各試験体は、案内面摩耗量については許容値内に入っているが、ポケット摩耗量については許容値より大きな値となっている。なお、比較例１０に関しては、保持器試験片の溶融亜鉛に対する比重は１．１で本発明の範囲内であるが、ＳＵＳ３０４の溶融亜鉛に対する耐食性が不十分であることから摩耗量が大きくなったと考えられる。
【００２５】
一方、実施例２〜４，７，１０について、前述の摩耗試験後にボール３の摩耗量を測定した結果を表４に示す。これらの実施例では、保持器試験片２を複合材料で作製し、複合材料を構成する密度の小さい物質として、実施例２はＭｏＳ_２、実施例３と実施例７はＣ（黒鉛）、実施例４はｈ−ＢＮ、実施例１０はＳｉ_３Ｎ_４とＡｌ_２Ｏ_３をそれぞれ使用している。
【００２６】
【表４】

【００２７】
表４の結果から分かるように、固体潤滑剤であるＭｏＳ_２，Ｃ（黒鉛），ｈ−ＢＮを保持器試験片の材料に含む実施例２〜４および７は、固体潤滑剤を含まない実施例１０と比べてボールの摩耗量が著しく小さく、特に黒鉛を含む実施例３および７では摩耗が見られなかった。
したがって、保持器材料を複合材料で構成する場合には、密度の小さい物質として固体潤滑剤、特に黒鉛を用いることが、ボールの摩耗量を小さく抑える上で好ましい。
【００２８】
なお、実施例１の補強型に相当する転がり軸受の構造の例を図１０および１１に示した。図１０は深みぞ玉軸受、図１１は円筒ころ軸受の例であり、二分割された保持器９をＴａ製のリベットＲで締結している。この保持器９は本体４１とその両側面を補強する側板５１とで構成され、本体４１（ポケット面を含む）は黒鉛またはＣ／Ｃコンポジットからなり、側板５１はＴａからなる。
【００２９】
以上の実施例１〜１０および比較例１〜１０では、溶融金属が溶融亜鉛である場合について述べているが、本発明は、溶融亜鉛以外の溶融金属中で使用される転がり軸受についても適用されるものである。そこで、当該転がり軸受の使用環境が溶融亜鉛以外の溶融金属中である場合の実施例（実施例１１〜１３）について以下に述べる。
【００３０】
実施例１１の溶融金属は、亜鉛アルミニウム合金メッキの代表的なメッキ浴に相当する、Ａｌを５５重量％、Ｚｎを４３．４重量％、Ｓｉを１．６重量％含有するものである。また、実施例１２，１３の溶融金属は、溶融アルミニウムである。
前記実施例１〜１０および比較例１〜１０と同様の軌道輪試験片１Ａ，１Ｂと、保持器試験片２と、ボール３とにより、同様の図５に示すような転がり軸受の磨耗試験用試験体Ｓを作製し、前記と同様にして、ポケット磨耗量と案内面磨耗量とボール磨耗量とを測定した。各試験体の保持器試験片の組成、使用環境である溶融金属の種類、および当該溶融金属に対する保持器試験片の比重と、前記各磨耗量の測定結果とについて、下記の表５にまとめて示す。
【００３１】
【表５】

【００３２】
表５に示すように、これらの実施例では、溶融金属に対する保持器試験片の比重が０．８〜１．２の範囲内であるため、保持器試験片のポケット磨耗量および案内面磨耗量のいずれの値も前述の許容値内に入っている。また、いずれの実施例も保持器試験片に黒鉛を含むものであるため、ボール磨耗量が“０”となる高い耐磨耗性が得られた。
【００３３】
なお、溶融メッキ浴として使用される溶融金属としては、前記表１に示したものや前述の実施例１１で使用したＺｎ−５５％Ａｌ−１．６％Ｓｉ以外にも、例えば、Ｚｎ−０．１５％Ａｌ、Ｚｎ−４．１％Ａｌ−０．０９％Ｍｇ、Ａｌ−９％Ｓｉ、Ｚｎ−５５％Ａｌ−１．５％Ｓｉ等がある。これらについても、使用する転がり軸受の保持器を、対応する各溶融金属に対する比重が０．８〜１．２となるように作製することにより、当該溶融金属中での使用において保持器の耐磨耗性を向上することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、溶融金属中で使用される転がり軸受の保持器を、前記溶融金属に対する比重が０．８〜１．２である材料で構成することにより、保持器の耐摩耗性が向上する。その結果、溶融金属中で使用される転がり軸受の寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において使用した摩耗試験用試験体を構成する軌道輪試験片の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】実施例において使用した摩耗試験用試験体を構成する保持器試験片の正面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】実施例における摩耗試験の概要を示す概要図である。
【図６】実施例１の保持器試験片の断面図である。
【図７】保持器試験片のポケット摩耗量の説明に関する図であり、図３のＥ−Ｅ線断面図に相当する。
【図８】保持器試験片の案内面摩耗量の説明に関する図であり、図３のＦ−Ｆ線断面図に相当する。
【図９】ＴａとＣ（黒鉛）との複合材料により粉末均一混合型に作製した保持器試験片を組み込んだ試験体（実施例５〜９、比較例１〜５，７）について、各摩耗試験の結果を整理したグラフである。
【図１０】実施例１の補強型に相当する転がり軸受の構造の一例を示す概要図である。
【図１１】実施例１の補強型に相当する転がり軸受の構造の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ軌道輪試験片
２保持器試験片
３ボール（転動体）
８溶融亜鉛（溶融金属）
９保持器
Ｓ転がり軸受の摩擦試験用試験体

Claims

溶融金属中で使用される転がり軸受において、当該転がり軸受の保持器を、Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，またはＡｕである金属、これらの金属を含む合金、前記金属の炭化物、ホウ化物、窒化物から選択された材料からなる密度の大きな物質と、黒鉛、Ｃ／Ｃコンポジット、セラミックス、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ＣａＦ ₂ ／ＢａＦ ₂ 、または酸化クロムからなる密度の小さな物質とを組み合わせて、前記溶融金属に対する比重を０．８〜１．２とした複合材料で構成したことを特徴とする転がり軸受。
前記保持器は、前記密度の大きな物質および前記密度の小さな物質からなる混合粉末を加圧焼結して得られた焼結体からなるものである請求項１記載の転がり軸受。
前記密度の小さな物質は固体潤滑剤である請求項１または２記載の転がり軸受。