JPH09144765A - 溶融金属中で使用される転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】溶融金属中で使用される転がり軸受において、
耐摩耗性を著しく向上させる。 【構成】溶融金属中で使用される転がり軸受の保持器
を、黒鉛（Ｃ）、Ｃ／Ｃコンポジット、Ｔａ、またはＴ
ａ−１０％Ｗ合金で形成するとともに、内輪、外輪、お
よび転動体の少なくともいずれか一つの表面に、Ｔａま
たは黒鉛からなる固体潤滑膜を形成する。 【効果】図８のグラフは、軸受試験体による溶融亜鉛中
での摩耗試験の結果を示す。固体潤滑膜の厚さが０．１
μｍ以上となると、内外輪の摩耗量が著しく小さくなる
ことが分かる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】また、実開平７−１９６２２号には、溶融
金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させ
るために、保持器を黒鉛または黒鉛を含む複合材料で作
製することが提案されている。このような転がり軸受で
は、転動体が保持器のポケット部を摩耗させることによ
って、保持器をなす前記材料が転動体に移転・付着（以
下、「移着」と称する。）し、転動体に移着された前記
材料が外輪・内輪の転がり接触部に移着することで潤滑
がなされる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記提案の転がり軸受
によれば、溶融金属中での十分な耐食性および耐摩耗性
を得ることができるが、保持器のポケット部や案内面、
および軌道輪の軌道面や転動体の表面における耐摩耗性
について、さらに高い性能を求める要求が出てきてい
る。

【０００５】本発明は、このような要求に応えることの
できる転がり軸受、すなわち溶融金属中での耐摩耗性に
著しく優れた転がり軸受を提供することを課題とするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の転がり軸受は、セラミックスで形成された
内輪、外輪、および複数個の転動体と、溶融金属に対す
る耐食性を有し、且つ接触によって転動体に移着して潤
滑作用を発揮する材料で形成された保持器と、を備えた
溶融金属中で使用される転がり軸受において、前記内
輪、外輪、および個々の転動体のうち少なくともいずれ
か一つが、溶融金属に対する耐食性を有する固体潤滑膜
を表面に有するものであることを特徴とするものであ
る。

【０００７】前記固体潤滑膜の材質は、溶融金属に対す
る耐食性が高いものである必要があるため、対象となる
溶融金属の種類によっても異なるが、例えば、Ｓｉ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒ
ｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ等の金属や、Ｂ，Ｃ（黒
鉛）、前記金属を含む合金、前記元素のホウ化物、炭化
物、窒化物、酸化物、硫化物、あるいはこれら全ての複
合材料が挙げられる。この中で黒鉛またはＴａが特に好
ましい。膜厚は０．１〜１０μｍが好ましい。

【０００８】固体潤滑膜の形成方法としては、真空蒸
着、イオンプレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ、
イオン注入、焼付け、スプレー、凝着等が挙げられ、膜
形成材料の種類や被形成体の形状および大きさによって
適切な方法が選択される。前記保持器をなす材料として
は、純タンタル（Ｔａ）またはタンタルに１０重量％以
下の範囲でタングステン（Ｗ）を加えたＴａ−Ｗ合金
や、黒鉛または黒鉛を含む複合材料（例えばＣ／Ｃコン
ポジット等の炭素繊維強化黒鉛）であることが好まし
い。

【０００９】本発明の転がり軸受によれば、内輪、外
輪、および個々の転動体のうち少なくともいずれか一つ
に形成された前記固体潤滑膜によって、転がり接触部が
潤滑されるため、溶融金属中での耐摩耗性が向上する。
また、保持器が、溶融金属に対する耐食性を有し、且つ
接触によって転動体に移着して潤滑作用を発揮する材料
で形成されているため、転動体が保持器のポケット部を
摩耗させることによって、保持器をなす前記材料が転動
体に移着し、転動体に移着された前記材料が外輪・内輪
の転がり接触部に移着することで潤滑がなされる。

【００１０】このような移着による潤滑は転動体の回転
初期においては十分にはなされないが、本発明の転がり
軸受では、このような移着による潤滑が十分になされる
までの間、前記固体潤滑膜による潤滑がなされる。ま
た、移着による潤滑が開始された後は、移着による潤滑
と固体潤滑膜による潤滑の両方の作用によって、転がり
接触部の潤滑がさらに良好になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
具体的な実施例に基づいて説明する。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Ｔ₁ ＝６ｍｍ直径Ｄ ₁ ＝５２ｍｍの円板
の中心に直径Ｄ₂ ＝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（＝
Ｔ₂ ）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Ｎ₂ 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Ｄ₄ ＝２４ｍｍの穴２
１を開け、円板面に直径Ｄ₅ ＝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形状のものである。そして、
ポケット２２のピッチ円直径Ｄ₆ は、軌道輪試験片１の
溝１２の中心線の直径Ｄ₃ と同じ３８．５ｍｍとした。
このような形状の保持器試験片２を、以下に示す黒鉛１
００％、Ｃ／Ｃコンポジット、Ｔａ１００％、Ｔａ−１
０％Ｗ合金の四種類の材質で機械加工により形成した。

【００１４】Ｔａ：真空冶金（株）製 Ｔａ−１０％Ｗ合金：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 このような軌道輪試験片１、保持器試験片２、およびボ
ール３を多数用意し、一部の軌道輪試験片１およびボー
ル３に対しては、以下のようにして、凝着および焼付け
により表面に固体潤滑膜を形成した。 ＜凝着による方法＞軌道輪試験片１については、図６に
示す装置を用いて凝着を行った。この装置は、基台３１
の一端に支柱３３を立設し、この支柱３３で一端側が片
持ち状態に支持された負荷レバー３４が、軌道輪試験片
１（１Ａ，１Ｂ）の上部に届くように設置されている。
負荷レバー３４の軌道輪試験片１側の先端には、チャッ
ク治具３６で凝着膜形成材料Ｍが把持されており、反対
側の末端には水平を保持するためのバランサ３５が取り
付けられている。

【００１５】軌道輪試験片１は、回転軸３９により回転
する円板状のホルダー４２の上面に取り付けられてい
る。前記回転軸３９は、プーリ４０を介してモータ３２
により回転するようになっている。そして、モータ３２
の稼働により回転している軌道輪試験片１の上面（軌道
面）に対して、負荷レバー３４のチャック治具３６の上
部に加える重り３７の負荷で、凝着膜形成材料Ｍを押し
当てることにより、軌道輪試験片１の軌道面に凝着膜が
形成される。

【００１６】ボール３に対して凝着膜を形成する場合に
は、図７に示すように、図６の装置における軌道輪試験
片１に代えてこれと略同形状（円板状）の凝着膜形成材
料Ｎをホルダー４２に固定し、チャック治具３６に代え
て、先端面に円錐状の凹部３７ａを有するボール受け部
３７を負荷レバーの先端部に固定した装置を用いた。な
お、ボール受け部３７の円錐状の凹部３７ａは、ボール
受け部３７の軸心線Ｏ（この軸心線は、凝着膜形成材料
Ｎの円板面に対して垂直に延びている）に対して、円錐
の中心軸Ｏ₁ が傾斜するように形成されている。

【００１７】したがって、ボール３をボール受け部３７
と凝着膜形成材料Ｎとの間に挟持した状態でモータ３２
を駆動することにより、ボール３は、回転する凝着膜形
成材料Ｎによって凝着膜形成材料Ｎの面に押しつけられ
ながら凹部３７ａ内において回転するため、ボール３の
表面全体に凝着膜が形成される。凝着膜形成条件として
は、主軸回転速度を１８００ｒｐｍとし、膜厚の調整
は、押しつけ荷重を２０〜５０Ｎの範囲で変化させ、さ
らに処理時間を変えることによって行う。また、凝着膜
の膜厚は、平板に処理条件（押しつけ荷重、主軸回転
数、処理時間）を同一にして形成した凝着膜について、
触針式形状測定器で成膜部と未処理部との高さの差を測
定し、その結果から換算して算出する。 ＜焼付けによる方法＞黒鉛の場合を例にとって説明する
と、先ず、体積で同等の黒鉛粉末と水ガラス粉末とを所
定量だけ計り取り、これを有機溶剤に分散させることに
より焼付け用黒鉛溶液を準備する。

【００１８】次に、転動体試験片（ボール３）について
は、それが転がるような適切な目の大きさの籠の中に転
動体試験片を入れ、この籠を動かすことにより試験片を
転がしながら焼付け用黒鉛溶液を所定時間噴霧する。焼
付け用黒鉛溶液が試験片の表面全体に付着した後噴霧を
止め、焼付け用黒鉛溶液の有機溶媒が揮発するまでさら
に試験片を転がす。軌道輪試験片１については、凝着膜
作製用の図６の装置のホルダー４２に軌道輪試験片１を
取付け、これを５００ｒｐｍの回転速度で回転させなが
ら、焼付け用黒鉛溶液を所定時間噴霧した後、有機溶媒
が揮発するまでさらに回転を続ける。

【００１９】次に、有機溶媒を揮発させた後の転動体試
験片（ボール３）および軌道輪試験片１を、ガス置換炉
内に入れ、窒素ガス雰囲気下で４８０℃に３時間保持す
ることによって焼付け膜を形成する。なお、Ｔａ膜を焼
付けによって形成する場合には、黒鉛の場合にバインダ
として用いる水ガラスが不要である以外は前記と同様の
手順で行う。

【００２０】また、焼付け膜の膜厚の調整は、下記の
（１）式で定義される粉末濃度を３〜４０％の範囲で変
え、噴霧時間を軌道輪試験片１の場合には１〜２０ｓｅ
ｃ、ボール３の場合には１〜３０ｓｅｃの範囲で変える
ことによって行う。 また、焼付け膜の膜厚は、一部をマスキングした試験片
に対して、実際に試験に供される試験片と同一条件によ
る焼付けを行い、焼付け膜が形成されている部分と形成
されていない部分との厚さの差を触針式形状測定器で測
定する。 ＜摩耗試験＞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を組み立てる。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（内輪試験片）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う。

【００２１】〔試験条件〕 アキシャル荷重：４４０Ｎ 回転速度：３００ｒｐｍ るつぼ内温度：４８０℃ 総回転時間：１４４時間 試験後に試験体Ｓをるつぼ６から出して、軌道輪試験片
１（内輪試験片１Ａ，外輪試験片１Ｂ）の軌道面および
ボール３の摩耗量を測定する。 〔実施例１〕No. １〜６に示す各試験片の組み合わせで
転がり軸受試験体Ｓを作製し、各サンプルによる摩耗量
を比較する実験を行った。固体潤滑膜形成方法は、全て
凝着方法を選定し、保持器材料は全て黒鉛とした。No.
６は内外輪および転動体のいずれにも固体潤滑膜が形成
されていない比較例に相当する。

【００２２】その結果を下記の表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】この表から分かるように、本発明の実施例
に相当するNo. １〜５では、比較例のNo. ６と比較し
て、摩耗量を内外輪では１／２以下に、転動体では１／
４以下に抑えることができる。このような摩耗量低減効
果は、内外輪および転動体の何れか一つに固体潤滑膜が
形成されていれば得られるものであり、内外輪および転
動体の全てに形成されていればその効果はより一層高い
ものとなった。また、固体潤滑膜の材質が黒鉛であって
もＴａであってもほぼ同等の効果が得られた。なお、固
体潤滑膜が焼付けにより形成されてもこれと同様の結果
が得られた。 〔実施例２〕保持器試験片２の材質を黒鉛（Ｃ）、Ｃ／
Ｃコンポジット、Ｔａ、およびＴａ−１０％Ｗの四種類
とし、軌道輪試験片（内輪試験片）１Ａには固体潤滑膜
を形成せず、軌道輪試験片（外輪試験片）１Ｂおよびボ
ール３は、固体潤滑膜が形成されていないものと、軌道
面側に凝着による固体潤滑膜が様々な膜厚で形成されて
いるもの、軌道面側に焼付けによる固体潤滑膜が様々な
膜厚で形成されているものを用意し、各種組み合わせの
転がり軸受試験体Ｓを作製し、前述の方法で摩耗試験を
行った。これらの結果を図８〜１１にグラフで示す。

【００２５】図８は、外輪試験片１Ｂのみに固体潤滑膜
を有し、その形成方法が凝着である場合の転がり軸受試
験体Ｓについての、内外輪摩耗量（内輪試験片１Ａの軌
道面の摩耗量と外輪試験片１Ｂの軌道面の摩耗量との平
均値）と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフであ
る。図９は、三個のボール３のみに固体潤滑膜を有し、
その形成方法が凝着である場合の転がり軸受試験体Ｓに
ついての、転動体摩耗量（各ボール３の平均値）と固体
潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【００２６】図１０は、外輪試験片１Ｂのみに固体潤滑
膜を有し、その形成方法が焼付けである場合の転がり軸
受試験体Ｓについての、内外輪摩耗量（内輪試験片１Ａ
の軌道面の摩耗量と外輪試験片１Ｂの軌道面の摩耗量と
の平均値）と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフで
ある。図１１は、三個のボール３のみに固体潤滑膜を有
し、その形成方法が焼付けである場合の転がり軸受試験
体Ｓについての、転動体摩耗量（各ボール３の平均値）
と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフである。

【００２７】これらの結果から分かるように、いずれの
場合でも、固体潤滑膜の膜厚が０．１μｍ以上であると
摩耗量が著しく減少している、すなわち耐摩耗性が著し
く高くなっている。したがって、固体潤滑膜の膜厚は
０．１μｍ以上であることが好ましいが、１０μｍを超
えると、軸受の回転や内部すきまに好ましくない影響が
生じ、動トルクが大きくなるとともに振動も大きくなる
ため、１０μｍ以下にする必要がある。すなわち、固体
潤滑膜の膜厚の好ましい範囲は０．１μｍ〜１０μｍで
ある。

【００２８】ただし、固体潤滑膜を凝着により形成する
場合には、膜厚が大きくなると成膜が難しくなり、２．
０μｍを超えると耐摩耗性を向上させる効果も飽和する
ため、この場合の固体潤滑膜の膜厚のより好ましい範囲
は０．１μｍ〜２μｍである。また、固体潤滑膜を焼付
けにより形成する場合には、成膜のし易さを考慮すると
膜厚を１μｍ以上とすることがより好ましいため、この
場合の固体潤滑膜の膜厚のより好ましい範囲は１〜１０
μｍである。

【００２９】また、図８と図１０および図９と図１１と
を比べてみると、固体潤滑膜の形成方法が凝着の場合と
焼付けの場合とでは、凝着の場合の方が焼き付けの場合
より耐摩耗性がやや良好な結果となっているが、これ
は、セラミックスに対する膜の密着性がより強固なため
と考えられる。しかしながら、固体潤滑膜が焼付けによ
って形成されていても、その膜厚が０．１μｍ以上であ
れば十分な耐摩耗性が得られる。

【００３０】また、保持器の材質の違いよる耐摩耗性の
違いは、耐摩耗性の低い順から黒鉛（Ｃ）、Ｃ／Ｃコン
ポジット、Ｔａ、およびＴａ−１０％Ｗという結果であ
ったが、いずれの場合でも、固体潤滑膜の膜厚が０．１
μｍ以上であれば十分な耐摩耗性が得られることが分か
る。なお、前記実施例では、固体潤滑膜の形成方法とし
て凝着および焼付けを採用したが、真空蒸着、イオンプ
レーティング、スパッタリング、ＣＶＤ、イオン注入、
スプレーによっても同様な効果が得られる。

【００３１】また、前記実施例では、スラスト玉軸受用
の転がり軸受試験体Ｓを用いて摩耗試験を行ったが、本
発明の転がり軸受は、連続溶融金属メッキ浴中のロール
支持装置用をはじめとする各種ラジアル転がり軸受にも
（転動体が玉であっても各種形状のころであっても）適
用でき、同様の効果を得ることができる。なお、ラジア
ル転がり軸受の軌道輪の軌道面に凝着により固体潤滑膜
を形成する場合には、図６の装置に代えて、図１２に示
す装置を用いる。この装置は、図６の装置と異なり、負
荷レバー３４と回転軸３９とが水平に配置され、負荷レ
バー３４の先端に取り付けた膜形成材料Ｍの外周に軌道
輪Ｗが配置される。また、転動体がころの場合には、例
えば図７のボール受け部３７に代えて、図１３に示すこ
ろ３０の形状に合わせた凹部を有するころ受け部３８を
使用する。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の転が
り軸受は、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れたもの
となるため、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】実施例において、軌道輪試験片に固体潤滑膜を
凝着法で形成するための装置を示す概略図である。

【図７】実施例において、ボールに固体潤滑膜を凝着法
で形成するための装置のボール受け部を示す概略図であ
る。

【図８】外輪試験片のみに固体潤滑膜を有し、その形成
方法が凝着である場合の転がり軸受試験体についての、
内外輪摩耗量と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフ
である。

【図９】転動体のみに固体潤滑膜を有し、その形成方法
が凝着である場合の転がり軸受試験体についての、転動
体摩耗量と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフであ
る。

【図１０】外輪試験片のみに固体潤滑膜を有し、その形
成方法が焼付けである場合の転がり軸受試験体について
の、内外輪摩耗量と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグ
ラフである。

【図１１】転動体のみに固体潤滑膜を有し、その形成方
法が焼付けである場合の転がり軸受試験体についての、
転動体摩耗量と固体潤滑膜の厚さとの関係を示すグラフ
である。

【図１２】ラジアル軸受である場合の、軌道輪に固体潤
滑膜を凝着法で形成するための装置を示す概略図であ
る。

【図１３】ころに固体潤滑膜を凝着法で形成するための
装置のころ受け部を示す概略図である。

【符号の説明】

１ 軌道輪試験片 １Ａ 内輪試験片 １Ｂ 外輪試験片 ２ 保持器試験片 ３ ボール（転動体） ３０ ころ（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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 俊博 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 但田 賢哉 茨城県鹿嶋市大字光３番地 住友金属工業 株式会社鹿島製鉄所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックスで形成された内輪、外輪、
   および複数個の転動体と、溶融金属に対する耐食性を有
   し、且つ接触によって転動体に移着して潤滑作用を発揮
   する材料で形成された保持器と、を備えた溶融金属中で
   使用される転がり軸受において、 前記内輪、外輪、および個々の転動体のうち少なくとも
   いずれか一つが、溶融金属に対する耐食性を有する固体
   潤滑膜を表面に有するものであることを特徴とする転が
   り軸受。