CN101668958B - 滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滚动轴承，其即使在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下使用，也难以发生保持器表面上形成的被膜的剥离、金属成分的析出。滚动轴承(1)设有多个滚动体(3)，和保持所述滚动体(3)的保持器(2)，在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下使用，在所述保持器(2)的表面部位形成有难以在上述环境下产生剥离或析出的金属被膜，该金属被膜为铜合金被膜，尤其为铜-锡合金镀膜。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及滚动轴承，尤其涉及在保持器的表面形成有不会被含有硫类添加剂的润滑油侵害的被膜的滚动轴承。
背景技术
两冲程发动机具有通过混合气的燃烧而进行直线往复运动的活塞、输出旋转运动的曲轴，以及将活塞和曲轴连接用来将直线往复运动变换成旋转运动的连杆。
连杆通过在直线状杆体的下方设置大端部、在上方设置小端部而构成。曲轴通过安装在配合孔中的滚动轴承旋转自如地支撑在连杆的大端部、将活塞与连杆连接的活塞销通过安装在配合孔中的滚动轴承旋转自如地支撑在连杆的小端部。支撑旋转轴的滚动轴承由多个滚子和保持多个滚子的保持器构成。
安装于设置在上述连杆的小端部和大端部的配合孔中、对活塞销和曲轴进行支撑的滚动轴承，尽管轴承投影面积小但是可以承受高载荷的负载，而且使用刚性高的滚针轴承。在此，滚针轴承包含多个滚针和保持多个滚针的保持器。在保持器上设有用来保持滚针的凹部，由位于各凹部间的柱部保持各滚针的间隔。连杆的小端部和大端部上的滚针轴承，为了通过滚针轴承的自转运动和公转运动来减轻施加在滚针轴承上的载荷，被用于使保持器的外径面主动与设于小端部和大端部的配合孔的内径面相接触的外径导向。
另一方面，一般的滚动轴承由内圈、外圈和密封件等将轴承内部密闭，在所述轴承内部设有滚动体和保持器，填充黄油，通过所述黄油一直将滚动体和保持器润滑。对此，上述滚针轴承因为不具有内圈、外圈、密封件等，因此轴承内部不被密闭，不能在所述轴承内部填充黄油。因此，上述滚针轴承进行旋转时，必须通过泵等将润滑油一直供给到滑动部。
上述泵等与上述滚针轴承的旋转同时开始工作，因此，在旋转刚刚开始后，润滑油尚不能遍布滚针轴承的整体，不能进行充分润滑。因此，有可能出现保持器与滚针之间产生较大摩擦、保持器或滚针的表面磨耗、保持器外径面与实际的机器壳体内径面磨耗、在最坏情况下二者发生烧蚀的情况。
因此，提出了用来防止上述滚针轴承在旋转刚刚开始后的磨耗、烧蚀，而预先在保持器的表面形成具有润滑性的被膜的技术。
例如，已知由通过渗碳处理在表面形成硬化层的钢材构成的保持器，在保持器的旋转体的导向面上通过喷溅法等形成硬质的类金刚石石墨(ダイヤモンドライクカ一ボン，以下称为DLC)的被膜，进而形成银等软质的金属被膜的方法(参照专利文献1)。所述软质金属被膜将保持器与滚针间的摩擦以及保持器外径面与壳体内径面的摩擦降低，因而即使在润滑不充分的旋转刚刚开始后也可以防止保持器、滚针的烧蚀，而且，随着使用所述软质金属被膜，即便磨耗也会新露出其下面的DLC被膜，由该DLC被膜来阻止磨耗。
另外还提出了在保持器的表面上用电镀法直接形成上述软质金属被膜的技术。例如，已知在低碳钢的表面形成约25～50μm的银镀膜的方法(参照专利文献2)。由于所述银镀膜分别降低了保持器与滚针之间、保持器外径面与壳体间的摩擦，因此，与上述同样地，在润滑不充分的旋转刚刚开始后也可以防止烧蚀。进而，铜镀膜由于也和银镀膜一样具有降低保持器与滚针间摩擦的作用，因此也可以防止烧蚀。
但是，在专利文献1所示的方法中，软质金属磨耗消失之后，硬脂被膜露出，壳体内径部就会与硬脂被膜滑动。在此情况下，保持器不磨耗，但是保持器表面的硬质被膜可能会将壳体内径部磨耗。而且，从制造的观点出发，在保持器上实施渗碳处理、通过喷溅装置形成DLC被膜、形成软质金属被膜，作业工序复杂而需要较多的工时数。而且，喷溅装置价格高而且生产效率不佳，因此使用该装置进行的处理存在成本高的问题。
另外，在专利文献2的方法中，形成在保持器表面的银镀膜，在含有硫类添加剂的润滑剂中会与润滑油所含硫的成分结合生成硫化银，该硫化银将银镀膜的表面覆盖。该硫化银比银脆，所以被膜会剥离、耐油性劣化而造成润滑油会将被膜溶解。结果，银镀膜消失了的保持器外径面与壳体内径面间的摩擦增大，存在容易发生烧蚀的问题。而且，铜镀膜也一样，会生成硫化铜，被膜剥离、溶解而存在保持器的润滑性劣化的问题。
专利文献1：日本特开2005-147306号公报
专利文献2：日本特开2002-195266号公报
发明内容
本发明鉴于这样的问题而提出，目的是提供一种滚动轴承，其即使在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下使用，也难以发生保持器表面上形成的被膜的剥离、金属成分的析出。
本发明的滚动轴承设有多个滚动体，和保持所述滚动体的保持器，在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下使用，其特征在于：在所述保持器的表面部位形成有难以在上述环境下产生剥离或析出的金属被膜。
其特征是，所述保持器为钢铁类金属材料的成形体。另外，其特征是，所述钢铁类金属材料为轴承钢、渗碳钢、机械构造用碳素钢、冷轧钢或热轧钢。
另外，其特征在于，所述滚动体具有滚子形状，尤其为滚针形状。
其特征在于，所述金属被膜为铜合金被膜。尤其特征在于，所述铜合金被膜为铜-锡合金镀膜。
另外，其特征在于，所述铜-锡合金镀膜中，铜和锡的重量比例为(铜∶锡)＝(90∶10)～(45∶55)。
另外，其特征在于，作为所述铜合金被膜的基底，形成铜触击电镀(ストライクめつき)被膜。
其特征在于，所述金属被膜的膜厚为5～60μm。
其特征在于，所述金属被膜为：把三个在尺寸为3mm×3mm×20mm(表面积为258mm2)的SCM415制基材片上形成有所述金属被膜的试验片，在2.2g含有1重量％的磷酸锌的聚-α-链烯烃油中在150℃进行200小时浸渍处理后，通过荧光X线测定装置对从试验片析出的金属被膜成分量进行测定，所述油中为500ppm以下。
其特征在于，所述滚动轴承对输出旋转运动的曲轴进行支撑，安装在配合孔中，所述配合孔设置在把直线往复运动变换成旋转运动的连杆的大端部。
发明效果
本发明的滚动轴承设有多个滚动体，和保持所述滚动体的保持器，在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下使用，在所述保持器的表面部位形成有难以在上述环境下产生剥离或析出的金属被膜，因此，几乎不会发生金属被膜的剥离、金属被膜成分向润滑油的析出，与现有的金属电镀相比可以长时间维持保持器的润滑性。
由于上述金属被膜为铜合金的被膜，因此，与单独为铜的场合相比在与上述润滑油接触的环境下难以出现被膜的剥离或铜的析出。而且，通过在上述铜合金中使用铜-锡合金可以进一步提高该效果。
由于上述滚动体为滚子形状，因此可以承受高载荷的负载。而且，通过使用刚性高的滚针轴承可以承受载荷更高的负载。
本发明的滚动轴承对输出旋转运动的曲轴进行支撑，安装在配合孔中，所述配合孔设置在把直线往复运动变换成旋转运动的连杆的大端部，因此上述金属被膜与现有的金属电镀相比可以长时间维持保持器的润滑性，可以防止保持器外径面、配合孔内径面的磨耗，使装置整体寿命加长。
附图说明
图1是使用本发明的滚动轴承的两冲程发动机的纵截面图。
图2是表示作为本发明的滚动轴承的一个实施例的滚针轴承的轴测图。
图3是表示摩擦试验机的图。
附图标记说明
1   滚针轴承(滚动轴承)
1a  滚针轴承
1b  滚针轴承
2   保持器
2a  凹部
2b  柱部
3   滚针(滚动体)
4   气缸
5   曲轴室
6   曲轴
7   连杆
8   活塞
9   进气孔
10  排气孔
11  燃烧室
12  旋转中心轴
13  平衡配重
14  活塞销
15  大端部
16  小端部
17  环形试验片
18  旋转轴
19  臂部
20  钢板
21  气动滑板(エアスライダ一)
22  载荷
23  测力传感器
24  毡垫
具体实施方式
对具有在与含有硫成分的润滑油接触的环境下难以析出的金属被膜的滚动轴承进行锐意研究，结果得知，即便是在单独的情况下耐硫化性低的金属，把用其与具有耐硫化性的金属的合金所形成的被膜浸渍在含有硫成分的润滑油中，耐硫化性低的金属向润滑油中析出的情况也难以产生。本发明就是基于这样的知识得出的。
根据附图说明本发明的滚动轴承的使用形态。图1是使用作为本发明的滚动轴承的滚针轴承的两冲程发动机的纵截面图。如图1所示，两冲程发动机具有：通过燃烧汽油与作为发动机机油的润滑油混合成的混合气而进行直线往复运动的活塞8、输出旋转运动的曲轴6、将活塞8与曲轴6连接并把直线往复运动变换成旋转运动的连杆7。曲轴6以旋转中心轴12为中心进行旋转，借助平衡配重13取得旋转的平衡。
连杆7由在直线状杆体的下方设置大端部15、在直线状杆体的上方设置小端部16而构成。曲轴6被安装在连杆7的大端部15的配合孔中的滚针轴承1a旋转自如地支撑着。而且，连接活塞8与连杆7的活塞销14，被安装在连杆7的小端部16的配合孔中的滚针轴承1b旋转自如地支撑着。
汽油与润滑油混合成的混合气从进气孔9被送往曲轴室5，然后对应活塞8的上下动作被导往气缸4上方的燃烧室11进行燃烧。燃烧后的排放气体从排气孔10被排出。
图2是表示作为本发明的滚动轴承的一个实施例的滚针轴承的轴测图。如图2所示，滚针轴承1由多个滚针3，和以固定间隔或不相等间隔保持所述滚针3的保持器2构成。未设置内圈和外圈，在保持器2的内径侧直接插入曲轴6、活塞销14等的轴，保持器2的外径侧被嵌入作为壳体的连杆7的配合孔中(参照图1)。由于没有内外圈，把直径小于长度的滚针3用作滚动体，所以，该滚针轴承1与具有内外圈的一般的滚动轴承相比更为紧凑。
在保持器2上设有用来保持滚针3的凹部2a，通过位于各凹部之间的柱部2b保持各滚针3的间隔。在保持器2的表面部位形成有后述的金属被膜。形成金属被膜的保持器的表面部位为与润滑油进行接触的部位，优选为包含与滚针3接触的凹部2a表面的保持器2的整个表面。
而且，除了保持器2的表面部位，还可以在作为滚动体的滚针3的表面或在连杆7的配合孔内径面上也形成同样的金属被膜。
本发明的滚动轴承可以适用于与配合有硫类添加剂的润滑油进行接触的环境下。作为与润滑油进行接触的环境，例如如上述那样，可列举出，滚动轴承被安装在两冲程发动机或四冲程发动机的连杆上，与汽油和作为发动机机油的润滑油混合成的混合气、或与发动机机油接触的情况，或与向滚动轴承的保持器凹部等注入的油等进行接触的情况。
硫类添加剂是含有硫化物的添加剂，作为该添加剂种类，可列举抗氧化剂、防锈剂、高压润滑油添加剂、清洗分散剂、金属惰性剂、抗磨剂等。
作为添加了含有硫化物的添加剂的润滑油，可列举出矿物油、合成油、酯油、醚油等。
作为硫化物，例如可列举：二烷基二硫代磷酸锌(ジアルキルジチオリン酸亜鉛，以下称为ZnDTP)、两个烯丙基二硫代磷酸锌(ジアリルジチオリン酸亜鉛)等的硫代磷酸盐(チオリン酸塩)、硫化萜烯(硫化テルペン)、吩噻噙(フエノチアジン)、巯基苯并噻唑(メルカプトベンゾチアゾ一ル)、石油磺酸盐(石油スルホン酸塩)、烷基苯磺酸盐(アルキルベンゼンスルホン酸塩)、聚丁烯(ポリブテン)-P2S5反应生成物盐、有机磺酸的铵盐、碱土族(アルカリ土類)金属的有机磺酸盐、1-巯基硬脂酸(1-メルカプトステアリン酸)等的巯基脂肪酸类或其金属盐、2，5-二巯基-1，3，4-噻二唑(チアジアゾ一ル)、2-巯基噻二唑(メルカプトチアジアゾ一ル)等的噻唑类(チアゾ一ル類)、2-(癸基二硫代)-苯并咪唑(ベンズイミダゾ一ル)、2，5-重(十二烷基二硫代(ドデシルジチオ))-苯并咪唑等的二硫化物(ジスルフイド)类化合物、二月桂基硫代丙酸酯盐(ジラウリルチオプロピオネ一ト)等的硫代藏茴香酮(チオカルボン)酸酯类化合物、二硫化二苄(ジベンジル)、二硫化二苯(ジフエニル)、硫化鲸油(スパ一ム油)等的硫化油脂、硫化链烯烃、硫化脂肪酯等的硫化酯、二苄基二硫化物(ジベンジルジサルフアイド)、烷基聚硫化物(アルキルポリサルフアイド)、链烯烃聚硫化物(オレフインポリサルフアイド)、黄嘌呤硫化物(ザンチツクサルフアイド)等的硫化物、磺酸钙(カルシウムスルホネ一ト)、磺酸镁(マグネシウムスルホネ一ト)、烷基二硫代磷酸胺(アルキルジチオリン酸アミン)等。
上述硫化物中容易对连杆用的滚动轴承造成影响的化合物是ZnDTP。
本发明中的“在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下难以发生剥离或析出”是指，例如把三个在尺寸为3mm×3mm×20mm(表面积为258mm2)的SCM415制基材片上形成有所述金属被膜的试验片，在2.2g含有1重量％的ZnDTP的聚-α-链烯烃油中在150℃进行200小时浸渍处理后，通过荧光X线测定装置对从试验片析出到上述润滑油中的被膜成分量进行测定，从试验片析出到上述润滑油中的被膜成分量在所述油中为500ppm(0.05重量％)以下。
本发明的滚动轴承中形成在保持器上的金属被膜，只要是在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下，保持器和壳体的摩擦等难以使金属被膜剥离和金属被膜成分难以析出的就可以使用，没有特别的限制。
作为难以与硫成分进行反应的具有耐硫化性的金属，例如可列举Sn、Ni、Cr等以及它们的合金。另外，即便是在单独的情况下耐硫化性低的金属，也可以把其与具有耐硫化性的金属制成合金，从而形成难以析出的被膜加以使用。
其中，由于价格低、容易形成合金而且也容易形成被膜，因此优选使用铜合金。另外，在铜合金中，由于容易与价格低的铜形成合金，而且也容易形成被膜，所以作为不形成硫化物的金属优选使用采用了Sn的铜-锡合金。通过电镀方法实施铜-锡合金电镀，从而在保持器表面形成铜-锡合金镀膜。
在上述铜-锡合金镀膜中，铜与锡的重量比(重量％)优选为(铜∶锡)＝(90∶10)～(45∶55)。进而优选为(铜∶锡)＝(85∶15)～(50∶50)，最好是(铜∶锡)＝(80∶20)～(55∶45)。铜的重量比不足45重量％时会变脆而容易剥离，超过90重量％时难以抑制铜向发动机机油的析出。
本发明的滚动轴承中形成在保持器上的铜合金被膜，可以将铜合金被膜直接形成在保持器基材表面上，为了提高与保持器基材的紧贴性、形成稳定的铜合金被膜，也可以预先形成作为基底被膜的铜触击电镀被膜，然后形成铜合金被膜。
作为向保持器表面形成金属被膜的方法，除了上述电镀之外，还可以对应所形成被膜的种类采用无电解镀、真空蒸镀、离子镀、阴极溅镀等的物理蒸镀(PVD)、化学蒸镀(CVD)等公知的被膜形成方法。
作为形成在保持器表面上的金属被膜的厚度，优选为3～100μm，进而优选为5～60μm。不足3μm时存在被膜被初期磨耗消磨掉的危险性，超过100μm时会使保持器的圆度劣化，所以不好。
本发明的滚动轴承，由于采用通过后加工而在表面上形成软质类的金属被膜的保持器，所以，作为保持器本体，可以采用轴承钢、渗碳钢、机械构造用碳素钢、冷轧钢或热轧钢。其中优选使用耐热性高且具有耐高载荷的刚性的渗碳钢。作为渗碳钢例如可列举SCM415等。
本发明中的滚动轴承中使用的滚动体，具有滚子形状，因此本发明的滚动轴承可以安装在设于上述连杆的小端部和大端部的配合孔中，对活塞销和曲轴进行支撑，尽管轴承投影面积小也可以承受高载荷。尤其是，把高刚性的滚针用作滚动体的滚动轴承，与把滚子用作滚动体的滚动轴承相比，可以承受更高载荷的负载。
本发明的滚动轴承，是安装在设于对输出旋转运动的曲轴进行支撑的、把直线往复运动变换成旋转运动的连杆的大端部的配合孔中，被具有上述被膜的保持器的外径面引导的滚动轴承，因而，几乎不会出现被膜的剥离或金属向润滑油的析出，可以比现有的金属电镀更长时间地维持保持器的润滑性、防止保持器外径面或配合孔内径面的磨耗，可谋求装置整体的长寿命化。
另外，本发明的滚动轴承，如图1所示，也可以安装在设于对输出直线往复运动的活塞进行支撑的、把直线往复运动变换成旋转运动的连杆的小端部的配合孔中。
另外，本发明的滚动轴承的构造不限于连杆用滚针轴承，也可以适用于深槽球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等。
实施例
实施例1～实施例5以及比较例3
通过电镀法，在摩擦试验用SUJ2圈(外径40mm×内径20mm×厚10mm(副曲率R为60)、通过喷丸处理使表面粗糙度Ra为0.7μm：图3的17)的外径面上实施铜-锡合金电镀，形成表1所示成分的膜厚25μm的铜-锡合金镀膜。而且，在用于润滑油浸渍试验的SCM415方棒(3mm×3mm×20mm，表面积258mm2)的表面也实施相同的电镀，形成25μm的铜-锡合金镀膜，获得试验片。镀膜的成分是用能量分散型X线分析装置定量分析得出的值。把上述试验片提供到以下所示的摩擦试验和润滑油浸渍试验，测定被膜成分的摩擦系数以及析出到润滑油中的量。结果如表1所示。
(摩擦试验)
图3示出摩擦试验机。图3(a)示出正面图，图3(b)示出侧面图。
把环形试验片17安装在旋转轴18上，把钢板20固定在臂部19的气动滑板21上。环形试验片17一边受到从图面上方施加的规定的载荷22，一边与钢板20进行旋转接触，并由含浸了润滑油的毡垫24向环形试验片17的外径面供给润滑油。由测力传感器23检测使环形试验片17旋转时所产生的摩擦力。而且，经过规定时间之后，形成在环形试验片17的外径面上的被膜的状态，目视观察时，没有显著磨耗以及剥离时被评价为“可”并记录“○”、没有显著磨耗但存在剥离时被评价为“不可”并记录“△”。
钢板20使用SCM415渗碳淬火回火处理件(Hv 700，表面粗糙度Ra 0.01μm)，润滑油使用美孚快速机油No.3(埃克森美孚公司生产：VG2)。载荷为50N、滑动速度为5.0m/秒、试验时间为30分。摩擦系数示出试验终了前10分钟间的平均值。
(润滑油浸渍试验)
把三个试验片在2.2g含有1重量％的ZnDTP(LUBRIZOL公司制造：LUBRIZOL677A)的聚-α-链烯烃油(三井化学公司制：ル一カントHC-10)中按150℃的温度进行200小时的浸渍处理后，用荧光X线测定装置(リガク公司制：Rigaku ZSX100e)测定从试验片析出到上述润滑油中的被膜成分量。
实施例6、实施例7以及比较例4
通过电镀法，在摩擦试验用SUJ2圈(外径40mm×内径20mm×厚10mm(副曲率R为60)、通过喷丸处理使表面粗糙度Ra为0.7μm：图3的17)的外径面上实施作为基底处理的铜触击电镀(镀膜厚：5μm)，除此以外实施与实施例1相同的处理和评价。结果如表1所示。
比较例1
在除了所形成被膜以外与实施例1相同的试验片上，通过电镀法实施作为基底处理的铜触击电镀(镀膜厚：5μm)，进而通过电镀法在表层实施镀银(镀膜厚：20μm)。对所得到的试验片进行与实施例1相同的评价。结果如表1所示。
比较例2
在除了所形成被膜以外与实施例1相同的试验片上，通过电镀法实施镀铜(镀膜厚：25μm)。对所得到的试验片进行与实施例1相同的评价。结果如表1所示。
Figure G2008800135139D00121
从表1所示结果可知，作为现有技术中使用的金属电镀的比较例1和比较例2，在润滑油浸渍试验中，金属成分析出到润滑油中。尤其是，得出了镀铜的析出量多这一结果。比较例3，由于锡的含量少，所以铜的析出量大，摩擦系数也高。比较例4，由于锡的含量多，所以铜的析出量极少，但是试验中发生剥离、摩擦系数变高。
另一方面，表1所示实施例1～实施例7，锡的含量处于规定量的范围，因而摩擦系数低，未见摩擦试验中的剥离、显著磨耗。另外，在润滑油浸渍试验中，被膜成分向润滑油的析出也是微量的。
工业上的可利用性
本发明的滚动轴承在保持器表面设置规定的金属被膜，因此在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下可以长时间维持保持器的润滑性，可以良好地用作在该环境下使用的滚动轴承。

Claims (8)

1.一种滚动轴承，所述滚动轴承设有多个滚动体，和保持所述滚动体的保持器，在与含有硫类添加剂的润滑油接触的环境下使用，其特征在于：
在所述保持器的表面部位形成有难以在上述环境下产生剥离或析出的金属被膜，
所述金属被膜为铜合金被膜，
所述铜合金被膜为铜-锡合金镀膜，
所述铜-锡合金镀膜中，铜和锡的重量比例为，铜∶锡＝85∶15～50∶50，
所述金属被膜的膜厚为5～60μm。
2.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述保持器为钢铁类金属材料的成形体。
3.如权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于，所述钢铁类金属材料为轴承钢、渗碳钢、机械构造用碳素钢、冷轧钢或热轧钢。
4.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动体具有滚子形状。
5.如权利要求4所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚子形状为滚针形状。
6.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，作为所述铜合金被膜的基底，形成铜触击电镀被膜。
7.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述金属被膜为：把三个在尺寸为3mm×3mm×20mm，即表面积为258mm2的SCM415制基材片上形成有所述金属被膜的试验片，在2.2g含有1重量％的磷酸锌的聚-α-链烯烃油中在150℃进行200小时浸渍处理后，通过荧光X线测定装置对从试验片析出的金属被膜成分量进行测定，所述油中为500ppm以下。
8.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动轴承对输出旋转运动的曲轴进行支撑，安装在配合孔中，所述配合孔设置在把直线往复运动变换成旋转运动的连杆的大端部。
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