JP4513787B2

JP4513787B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4513787B2
Application number: JP2006180773A
Authority: JP
Inventors: 賀津雄井手; 慎之助中野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: JP2008008434A

Description

本発明は、嵌め合い面でのクリープ現象や局部脈動変位による部材の損傷を低減した転がり軸受に関するものである。

一般的に転がり軸受は、軌道輪としての内輪および外輪と、該内輪と外輪間の保持器を介して転動自在に保持されたボールまたはコロよりなる転動体とより構成されており、前記転がり軸受を支持する支持部材としてのハウジングまたは軸との嵌め合いは、軌道輪の回転側ではＪＩＳによるしまりばめ、また静止側ではＪＩＳによるすきまばめとなっている。
従って、荷重条件等によりすきまばめ側の軌道輪（例えば、外輪）と支持部材との間で相対的摺動や微少の叩かれ振動が生じ易く、クリープ現象やフレッティング現象による部材の損傷等が生じることがある。これを防止するために、従来より色々の手段が研究されている。
昨今、熱硬化性樹脂被膜や含フッ素重合体被膜などを軌道輪のすきまばめ側の周面に被覆し、ハウジングと軌道輪間のクリープに対処したものなどが見受けられる。（例えば、特許文献１参照）
さらにまた、前記被膜の軌道輪周面との密着性を図るために、前記被膜の下地層としてリン酸塩被膜を施すことなどが行われている。
特開２００２−２６６８７０号公報

上述のごとく転がり軸受のクリープ現象等による部材の損傷に対する対策としては、基本的に軌道輪の周面に固体潤滑材層を設けているが、近年転がり軸受の使用条件も多様化し、またその要求寿命やメインテナンス性などから、特に自動車用等に使用される転がり軸受にあっては、クリープ発生条件に対しても厳しくなってきており、従来のごとき被覆方式では必ずしも十分とは言えないものとなってきている。
また、前記被膜の下地層としてのリン酸塩被膜は、被膜の密着性という意味では勝れているが、使用条件がより苛酷となることにより、従来のクリープ現象等に対し、更にボール、ローラなどの転動体により軌道輪に生じる局部弾性変形（山状変形）の周方向移動（脈動）による応力変位挙動（以下、局部脈動変位という）は、被膜の下地層に層内剥離等の不具合を発生させ、軸受としてのトラブルに発展する恐れが生じる。

本発明は、上記に鑑み、従来の前記転がり軸受のクリープ現象等に対処するばかりでなく、局部脈動変位に対する耐密着性、耐被膜層損傷を含む耐久性に勝れた転がり軸受を提供するところに、その目的がある。

本発明の転がり軸受は、
１）鋼からなる内輪および外輪と、該内輪と外輪間の保持器を介して転動自在に保持された転動体とよりなる転がり軸受において、前記転がり軸受を支持するハウジングまたは軸との嵌め合いがすきまばめである前記内輪または外輪の少なくとも前記嵌め合い周面に、所定金属の酸化物または水酸化物の第１被膜を所定厚さ被覆し、さらに該被膜の表面上に所定の固体潤滑剤の第２被膜を所定厚み被覆させ、前記所定金属の酸化物または水酸化物の第１被膜を、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｉの少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物と、フッ素元素とを含む被膜とし、また、所定の固体潤滑剤の第２被膜を、少なくとも含フッ素重合体系被膜または二硫化モリブデン含有系被膜よりなる被覆としたものである。

２）上述の１）において、前記第１被膜は、軸受負荷により転動体が内輪または外輪の軌道輪に当接し、かつ周方向に公転移動することによって内輪内周面または外輪外周面に生じる周方向に移動する前記軌道輪の弾性変位により、前記第１被膜に発生する引張り応力より大きな膜強度を有するものとしたものであり、
３）上述の１）または２）において、前記所定金属の酸化物または水酸化物の第１被膜の被覆量を、前記それぞれの金属元素として２０〜２００ｍｇ／ｍ² とし、且つ、所定金属の酸化物または水酸化物の被膜中のフッ素元素と金属元素とのモル重量比を０．１〜０．５の範囲としたものであり、
４）上述の１）〜３）において、前記第１被膜の所定厚さを、０．０５〜０．１μｍとし、また、第２被膜の所定厚さを１０〜５０μｍとしたものである。

即ち、本発明は、基本的にすきまばめである軌道輪の周面に、従来よりクリープ現象やフレッティング現象に実績のある、少なくとも含フッ素重合体系被膜または二硫化モリブデン含有系被膜よりなる固体潤滑剤層を最外表面層（第２被膜）として施し、その下地層（第１被膜）として、従来の表面密着性には勝れるが比較的に層内の許容剪断応力が若干低い、結晶質であるリン酸塩被膜に替えて、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｉ（好ましくは、ＺｒまたはＴｉ）の少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物の被膜を組み合わせたことを特徴とする。

すなわち、本発明は、転がり軸受において前記第１被膜、第２被膜の苛酷条件下における被覆仕様に対し、基本的には、前記第１被膜としてＺｒ、ＴｉまたはＳｉの少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物の被膜を施すものであり、また多くの実験の結果より、前記第１被膜、第２被膜の最適の被覆条件を見出し設定したものである。
特に、転がり軸受の転動体（ボール、ローラ）による前記局部脈動変位に注目し、これによる前記第１、第２被膜への影響を捉え、仕様設定をしたものである。

本発明は、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｉ（好ましくは、ＺｒまたはＴｉ）の少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物と、フッ素元素とを含む被膜を第１被膜とし、その上に少なくとも含フッ素重合体系被膜または二硫化モリブデン含有系被膜よりなる固体潤滑剤層（第２被膜）を組み合わせることにより、前記局部脈動変位による不具合にも勝れた効果を期待し得る転がり軸受を提供することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１における、転がり軸受の１例を断面にて示す説明図である。
図２は、図１における、すべりはめあいを有する転動輪の一部分の拡大断面説明図である。
図３は、転がり軸受の負荷状態における局部脈動変位の概要を示す説明図である。
図において、１は転がり軸受、２は外輪、３は内輪、４は転動体（ボール）、５は保持器、６は被膜、６１は第１被膜、６２は第２被膜、Ｐは負荷分布、Ｐｍａｘは最大負荷、εは最大弾性変位である。

図において、転がり軸受１は、基本的に外輪１、内輪２および保持器５を介して回転自在に保持される転動体４より構成されている。外輪、内輪は例えば軸受用鋼等の鋼材よりなる。転動体は例えば軸受用鋼等の鋼材やセラミックス等各種材料が適用できる。
外輪２および内輪３はそれぞれハウジングまたは軸と適当な嵌め合いをもって係合されている。通常の転がり軸受１では、例えば、内輪３は駆動軸とＪＩＳによるしまりばめの嵌め合いにより係合され、外輪２は、組み立てやメンテナンス上からハウジングに、ＪＩＳによるすきまばめにより係合されている。

従って、回転負荷が掛かると、嵌め合いの緩いすきまばめ側が相対的移動する可能性が大きく、これにより所謂軸受のクリープ現象やフレティング現象が生じ、その部材の損傷をきたすことになる。
また、従来のクリープ現象（「回転輪側のクリープ」や「連れ回りによるクリープ」）に対し、例えば、図３に示すように、内輪回転駆動の場合に、外輪１とそれを支持するハウジング間に、負荷を受けた転動体４による前述の局部脈動変位が発生する。
この局部脈動変位は、転動体４による局部的な最大負荷Ｐｍａｘによって発生し、しかもこれによる外輪２の最大の弾性変位εは、外輪１の連れ回り方向に匍匐移動する。そして、この局部脈動変位は、前記第１被膜６１の層内における破損の発生原因となる。

従来の第１被膜６１として使用されていた結晶質であるリン酸塩被膜では、この局部脈動変位に対しては耐久性が必ずしも十分でなく、本出願人は多くの実験結果より、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｉ（好ましくは、ＺｒまたはＴｉ）の少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物の被膜）が局部脈動変位に対し、極めて有効であるとの知見を得たものである。

本実施の形態における転がり軸受の第１被膜６１の被覆条件につき、以下の試験を実施した。

試験１；
軸受に発生する、いわゆる、局部脈動変位の影響と対策を考察するために、局部脈動変位に代行した折り曲げ試験により塗膜剥離状況を観察した。
１）試験片
試験片は鋼材としてＳＰＣＣを使用し、サイズは１５０×７０×０．８ｍｍのものを用いた。
２）表面処理
（１）Ｚｒ付着量１０ｍｇ／ｍ²＋パルリューベＦ１４５７(焼付条件１７０℃１８０分)
（２）Ｚｒ付着量２０ｍｇ／ｍ²＋パルリューベＦ１４５７(焼付条件同上 )
（３）Ｚｒ付着量２００ｍｇ／ｍ²＋パルリューベＦ１４５７(焼付条件同上 )
（４）Ｚｒ付着量３００ｍｇ／ｍ²＋パルリューベＦ１４５７(焼付条件同上 )
（５）微細リン酸マンガン皮膜＋パルリューベＦ１４５７(焼付条件同上 )
付着量は、下記化成処理液による化成処理時間を変えることにより制御した。
また、パルリューベＦ１４５７の膜厚は、５０μｍ（一定）とした。
３）化成処理液
成分名添加方法
Ｚｒヘキサフルオロジルコン酸（IV）水溶液
Ｔｉヘキサフルオロチタン酸（IV）水溶液
Ｆフッ化水素酸
ｐＨ水酸化ンナトリウムにて調製（ｐＨ＝４．０）

ヘキサフルオロジルコン酸（IV）水溶液と、フッ化水素酸試薬とを用いて、ジルコニウム濃度が２００ｐｐｍであり、全フッ素濃度が３００ｐｐｍである水溶液を調整した。前記水溶液を４０℃に加温し、更に水酸化ナトリウム試薬でｐＨを４．０に調整したものを化成処理液とした。
４）試験方法
ＪＩＳＫ５４００に準拠して試験を行った。
心棒は弊社の治具の関係により０．８ｍｍを使用して、折り曲げ試験を行った。

５）試験結果

図４ａ、図４ｂは、本試験１の結果を外観写真により比較した図である。
図４ａ、図４ｂの結果から表１に示されるように、Ｚｒ付着量１０ｍｇ／ｍ²、３００ｍｇ／ｍ²では部分的に剥離が認められ、Ｚｒの付着量としては２０ｍｇ／ｍ²〜２００ｍｇ／ｍ²の範囲が好ましいことがわかった。
なお、リン酸マンガン被膜に対しては、剥離に対する大幅な改善が認められた。

試験２；
前記金属元素ＺｒおよびＴｉとフッ素元素との、被膜としてのモル重量比を変化させた場合の密着性評価試験を行った。
１）試験片
ＳＰＣＣ（冷延鋼板：ＪＩＳ−Ｇ−３１４１）
２）表面処理および測定方法
試験１における化成処理液と同じの成分名、添加方法により表面処理して、金属元素の付着量、（フッ素元素／金属元素）のモル重量比を変化させ密着性を比較した。
なお、被膜金属元素の付着量の測定方法は、蛍光Ｘ線分析装置（（株）リガク製Ｓｙｓｔｅｍ３２７０）を用いて行った。
また、（フッ素元素／金属元素）のモル重量比の測定方法は、Ｘ線光電子分光分析装置（クレートス社製ＥＳＣＡ８５０）を用いて表面処理被膜層表面のフッ素元素と金属元素のモル重量比を測定し求めたた。
各試料番号の金属元素の付着量（ｍｇ／ｍ² ）および（フッ素元素／金属元素）モル重量比の値は、下記のとおりである。

試料番号金属元素の付着量（ｍｇ／ｍ² ）（フッ素元素／金属元素）
ＺｒＴｉモル重量比
１２１００．１１
２８５００．１５
３０６８０．１５
４１８３００．４８
５３５０００．２６
６８８００．０７
７９２００．５６

３）密着性評価方法
固体潤滑剤塗装後の試験片表面に鋭利なカッターで１ｍｍ間隔の碁盤目を１００個切り、該碁盤目を粘着テープで剥離し、碁盤目の未剥離の残存個数を数える。

４）試験結果

表２は、本試験２の結果を示す図表である。
表２より明らかなように、モル重量比ｋが約０．１〜０．５の範囲では勝れた密着性を示している。ただ、Ｚｒが多過ぎると密着性は低下している（試料番号５）。
モル重量比ｋが０．１未満、および０．５を越えたモル重量比の場合は密着性が低下する。従って、密着性に対してはモル重量比ｋが約０．１〜０．５の範囲が好ましい。
なお、別途試験として行った従来のリン酸塩被膜による上記に準じた試験結果では、上記試験番号５における結果とほぼ同一の結果（試料番号１〜４に対し密着性約７０％）が得られている。
従って、本発明の第１被膜では、従来のリン酸塩被膜に比し、良好な密着度を期待し得るものである。

また、金属元素がＳｉ化合物の場合についても、上記試験１、２に準じる試験を実施した。金属元素Ｚｒ、Ｔｉの場合に比較して、前記局部脈動変位に代行した折り曲げ試験結果では、ほぼ同一の結果が確認された。しかし、密着性評価試験においては、金属元素Ｚｒ、Ｔｉの場合に比較して、試験データのバラツキが若干大きい結果となった。
従って、本発明の転がり軸受の第１被膜６１としては、Ｚｒ、ＴｉまたはＳｉの少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物の被膜として限定しているが、ｐｐｍの故障率を謳う自動車用等の用途に対しては、前記金属元素としてはＺｒまたはＴｉがより好ましい。

転がり軸受；６２１２型
第１被膜；前記試験１における化成処理液を使用。
成分名添加方法
Ｚｒヘキサフルオロジルコン酸（IV）水溶液
Ｔｉヘキサフルオロチタン酸（IV）水溶液
Ｆフッ化水素酸
ｐＨ水酸化ナトリウムにて調製（ｐＨ＝４．０）
表面処理；
ヘキサフルオロジルコン酸（IV）水溶液と、フッ化水素酸試薬とを用いて、ジルコニウム濃度が２００ｐｐｍ、全フッ素濃度が３００ｐｐｍである水溶液を調整した。前記水溶液を４０℃に加温し、更に水酸化ナトリウム試薬でｐＨを４．０に調整したものを化成処理液とした。
脱脂後に水洗を施した６２１２型転がり軸受の外輪を、前記表面処理用処理液に１８０秒間浸漬して表面処理皮膜層を析出させた後に、水洗、イオン交換水洗、更に乾燥を行い、処理液および水分を除去した。前記表面処理皮膜層を析出させた外輪に、第２被膜６２としてフッ素系固体潤滑塗料（デフリックコートＦＨ−７０（株）川邑研究所製）を膜厚が５０μmとなるように塗装した。さらに、塗装後に１８０℃で６０分間焼き付けを行い供試材とした。

耐久試験；局部脈動変位ε約５μｍを与える負荷条件下で長期耐久試験を行った。
なお、比較のため、従来のリン酸マンガン被膜を第１被膜６１とし、上記と同様のフッ素系固体潤滑塗料を第２被膜６２として同一条件にて施した供試品を併行試験した。
ハウジングとのはめあい寸法は同一とした。

比較供試品は、計算寿命時間の約２倍の耐久時間において、外輪の周中央部にブリスターが発生し、第２被膜および第１被膜の一部が剥離した。
図５（ａ）は、比較供試品の耐久試験終了後の状況を示す図であり、図５（ｂ）は、同ブリスター部の固体潤滑被膜剥離状況を示す図である。
これに比し本実施例の供試品は、試験打ち切り時間として設定した、計算寿命時間の３倍に至る耐久試験終了後においても、ブリスター、スカッフィング等の不具合もなく、安定した被膜状態を維持していることが確認された。

上述においては、主として自動車用等の厳しい条件下における転がり軸受に対して、述べられているが、高負荷や高速条件における一般向け転がり軸受に対しても十分適用することができる。

本発明の実施の形態１における、転がり軸受の１例を断面にて示す説明図である。図１における、すべりはめあいを有する転動輪の一部分の拡大断面説明図である。転がり軸受の負荷状態における局部脈動変位の概要を示す説明図である。試験１の結果を外観写真により比較した図である。試験１の他の結果を外観写真により比較した図である。耐久試験における比較供試品のブリスタ、剥離の状態を示す図である。

符号の説明

１転がり軸受
２外輪
３内輪
４転動体（ボール）
５保持器
６被膜
６１第１被膜
６２第２被膜
Ｐ負荷分布
Ｐｍａｘ最大負荷
ε 最大弾性変位

Claims

鋼からなる内輪および外輪と、該内輪と外輪間の保持器を介して転動自在に保持された転動体とよりなる転がり軸受において、
前記転がり軸受を支持するハウジングまたは軸との嵌め合いがすきまばめである前記内輪または外輪の少なくとも前記嵌め合い周面に、所定金属の酸化物または水酸化物の第１被膜を所定厚さ被覆し、さらに該被膜の表面上に所定の固体潤滑剤の第２被膜を所定厚み被覆させ、
前記所定金属の酸化物または水酸化物の第１被膜が、Ｚｒ、Ｔｉ、またはＳｉの少なくとも１種の金属元素を含む酸化物または水酸化物と、フッ素元素とを含む被膜であり、また、所定の固体潤滑剤の第２被膜が、少なくとも含フッ素重合体被膜または二硫化モリブデン含有被膜よりなる被覆である
ことを特徴とする転がり軸受。
前記第１被膜は、軸受負荷により転動体が内輪または外輪の軌道輪に当接し、かつ周方向に公転移動することによって内輪内周面または外輪外周面に生じる周方向に移動する前記軌道輪の弾性変位により、前記第１被膜に発生する引張り応力より大きな膜強度を有することを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。
前記所定金属の酸化物または水酸化物の第１被膜の被覆量が、前記それぞれの金属元素として２０〜２００ｍｇ／ｍ²であり、且つ、所定金属の酸化物または水酸化物の被膜中のフッ素元素と金属元素とのモル重量比は、０．１〜０．５の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の転がり軸受。
前記第１被膜の所定厚さは、０．０５〜０．１μｍであり、また、第２被膜の所定厚さは１０〜５０μｍ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。