JP2000234623A

JP2000234623A - 転がり軸受用保持器

Info

Publication number: JP2000234623A
Application number: JP3780999A
Authority: JP
Inventors: Koji Ueda; 光司植田; Manabu Ohori; 學大堀
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2000-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】耐食性が要求される環境下で用いられるチタン
又はチタン合金製の転がり軸受用保持器の耐摩耗性及び
耐焼付性を向上する。【解決手段】チタン又はチタン合金の粉末に合成樹脂製
のバインダーを混合し、それを金属粉末射出成形法で射
出成形し、バインダーを蒸発させた後に焼結することに
より、微細な空孔を残存させ、この空孔からなる完成品
表面の微細な窪みに潤滑剤を保持させて潤滑性を高め、
もって耐摩耗性及び耐焼付性を向上する。窪みの径は２
μｍ以上３０μｍとし、窪みの存在状態は面積率で２％
以上１０％以下として潤滑剤の保持性を確保する。ま
た、金属粉末射出成形法によってニヤネットシェイプ化
を図り、難削材料であるチタンの切削加工を大幅に省略
し、コストの低廉化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、食品機械、半導体
製造装置などのように耐食性が要求される特殊環境用途
用の転がり軸受保持器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】食品機械や半導体製造装置のように水分
や腐食性の薬品が用いられる箇所では、使用する転がり
軸受に非常に高い耐食性が要求される。このような転が
り軸受では、軌道輪及び転動体に、例えばＳＵＳ４０４
Ｃに代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼やセラミ
ックスなどが用いられ、樹脂製の保持器と組み合わせて
構成されることが多い。樹脂製の保持器は耐食性に優れ
るが、強度が要求される場合には金属製である必要があ
り、そのような場合には、耐食性に優れるオーステナイ
ト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４等が使用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
製造装置のように極めて腐食性が強い環境下では、ステ
ンレス鋼でも耐食性が不足する問題がある。このような
問題に対して、例えば特開平６−２００９４８号公報で
は、セラミックス転動体と、ステンレス鋼より耐食性に
優れるＴａ、Ｎｂ又はＴｉのプレス保持器とを組み合わ
せた転がり軸受が提案されている。

【０００４】チタンは、鋼に比較して耐摩耗性が劣り、
転動体との接触部で滑り接触をするような部位では、著
しく摩耗が進行するため、一般にはメッキなどの表面処
理を施し、耐摩耗性を向上させる必要があるとされてい
る。一方、前記従来のチタン合金製保持器を用いた転が
り軸受では、表面処理を施していないので、摩耗による
早期精度劣化などが問題になる。

【０００５】また、摩耗に関しては、表面処理により著
しく改善することができるが、チタンの場合、特殊な表
面処理が必要となるため、その表面処理の処理コストが
著しく増大するという問題もある。本発明は前記諸問題
を解決すべく開発されたものであり、チタン又はチタン
合金製の保持器に特殊な表面処理を施すことなく、安価
で、耐摩耗性に優れた転がり軸受用保持器を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは上記諸問
題を解決すべく、表面処理を用いずに保持器の摩耗を抑
制するため、潤滑性を改善することに主眼をおいて鋭意
研究を行った。その結果、粉末冶金法によって非常に微
細な独立した窪みが表面に存在する材料を得、これを使
用して保持器を作製することにより、この窪みに潤滑剤
を保持させることで、潤滑性が飛躍的に向上し、耐摩耗
性、耐焼付性に優れたチタン合金製保持器を提供するこ
とができる。

【０００７】而して、本発明に係る転がり軸受用保持器
は、チタン又はチタン合金を基材とする転がり軸受用保
持器において、径が２μｍ以上３０μｍ以下の微少な独
立した窪みが、完成品表面の面積比で２％以上１０％以
下の割合で、摺動面の表面に存在することを特徴とする
ものである。なお、摺動面とは、保持器のポケットにお
ける転動体との接触面及び保持器の摺動案内面の双方を
示す。

【０００８】また、チタン合金は難削性を示す材料であ
り、ニヤネットシェイプ成形が可能な金属粉末射出成形
法を適用することにより、切削行程を削減して、コスト
の低廉化を図ることも可能となる。次に、前記金属粉末
射出成形法について説明する。金属粉末射出成形法は、
金属粉末と、バインダーと呼ばれる合成樹脂とを混合し
たものを射出成形し、そのうちの合成樹脂を蒸発させた
後に焼結を行うものである。このような金属粉末射出成
形法によれば、溶製材により製造された素材と比較して
も、機械的性質を殆ど低下させることなく、微細且つ互
いに独立した空孔を有する材料を得ることができる。こ
の微細且つ互いに独立した空孔が、表面では微細且つ互
いに独立した窪みとなり、この窪みが潤滑剤を保持し
て、保持器と転動体との接触部及び保持器の摺動案内面
と軌道輪との接触部から潤滑剤が枯渇するのを防止でき
るのである。

【０００９】チタンは、非常に活性な金属であり、金属
接触すると凝着が生じ易く、鋼と比較して、著しく耐摩
耗性、耐焼付性に劣る。特に、チタンを保持器に適用す
る場合、保持器と転動体との接触部は滑り摩擦が生じる
ため、ポケットの摩耗による精度の低下や、転動体と保
持器との焼付きが生じる恐れがある。従って、金属粉末
射出成形法によって作製した材料を使用することによ
り、保持器の表面に独立した窪みが得られ、この窪みが
潤滑剤を保持することによって油膜切れがなくなり、チ
タンの耐摩耗性、耐焼付性が著しく向上するのである。

【００１０】また、金属粉末射出成形法は、成形性に優
れるため、転がり軸受の保持器の製造工程を削減するこ
とができる。即ち、従来、保持器の作製は、例えば素材
の切断、内外径研削、ポケット孔空け加工等の前行程を
経てから仕上加工等の後行程に続く複雑な工程が必要で
ある。これに対して、金属粉末射出成形法を用いれば、
例えば素材の切断、ポケット孔空け加工、内径研削、外
径研削などの各工程が不要となり、素材にポケット孔加
工を施すだけで、前行程を終えることも可能となる。特
に、チタンやチタン合金は難削材料であり、切削行程を
減らすことにより加工コストを大幅に低減することが可
能となる。粉末は溶製材に対して材料費は高くなるが、
金属粉末射出成形法を適用することにより、ニヤネット
シェイプ成形が可能となって材料歩留まりが向上するの
で、結果として低コストで、チタン合金製の保持器を製
造することができる。

【００１１】また、チタンは、高温で自己拡散係数の小
さいＢＣＣ構造のβ相となるため、非常に焼結性に優
れ、１１００℃以上の焼結で緻密化し、相対密度は９５
％以上に達する。また、鋼よりも焼結性が高く、短時間
の焼結で緻密化するので、特に金属粉末射出成形に適し
ている。このとき、使用するＴｉ粉末の種類としてガス
アトマイズ粉末又は水素化−脱水素粉（ＨＤＨ粉末）が
使用できる。

【００１２】金属粉末射出成形法では、原料チタン粉末
の酸素量が、粉末の製造方法に起因して溶製材より高く
なる点、射出成形後の脱脂−焼結行程において高温で長
時間保持されるために酸化が進行するという二つの理由
により、得られた焼結体中の酸素濃度が溶製材より高く
なる傾向にある。また、バインダー中の炭素も残存し易
い。一般にチタンは、水素、酸素、炭素、窒素の侵入型
固溶元素が不純物として作用し、機械的性質、中でも延
性を著しく低下させるため、溶製材においては、これら
の元素を除去する努力がなされる。しかしながら、前述
した侵入型固溶元素は固溶強化能が大きく、固溶量の増
加に伴い、材料強度が著しく増大する。従って、これら
侵入型元素を強化元素として積極的に利用することで、
金属粉末射出成形法によって得られたチタンの焼結材
は、酸素、炭素の固溶強化によって強度が向上し、保持
器の強度に関して、溶製材で製造した場合よりも大幅に
剛性を高めることができる。

【００１３】更に、強度を向上させる場合には、チタン
合金を使用する。金属粉末射出成形法によってチタン合
金を得る方法としては、合金粉を使用する場合と、目標
とする目標合金組成となるように予め各合金元素の粉末
を所定量混合する素粉末混合法とがあるが、合金粉末を
使用する手法では、合金粉末のコストが大きいため、素
粉末混合法が望ましい。また、素粉末混合法は任意の組
成の合金を得ることができるという利点がある。

【００１４】次に、本発明の臨界的意義について説明す
る。［完成品表面の窪みの径が２μｍ以上３０μｍ以下］前
述のように、完成品表面の窪みは残留空孔であるが、こ
の残留空孔の大きさは、接触応力の集中による変形を考
慮すると、平均直径で３０μｍ以下望ましくは１０μｍ
以下であることが望ましい。通常の粉末焼結材料は、加
圧成形する際の成形性を確保するため、直径が数十〜数
百μｍの金属粉末を用いるため、焼結後に大きな空孔が
存在し易い傾向にある。これに対して、金属粉末射出成
形法を用いた場合には、十数μｍ程度の微細な金属粉末
を用いても十分な成形性が確保できるため、焼結材の高
密度化及び空孔の微細化を促進することができ、焼結後
の空孔の平均直径を３０μｍ以下にすることが可能であ
る。一方、窪みの大きさが２μｍを下回ると、窪み一個
に保持できる潤滑剤の量が少なくなるため、耐摩耗性、
耐焼付性が低下する。従って、空孔、即ち窪みの大きさ
は２μｍ以上３０μｍ以下望ましくは２μｍ以上１０μ
ｍ以下とする。

【００１５】［窪みの存在割合が完成品表面で面積率２
％以上１０％以下］焼結後に残存する残留空孔が大きい
ほど、完成品表面に油溜まりとなる微少な窪みの数が多
いので、潤滑性を向上させるのには好適である。しかし
ながら、残留空孔が１０％を超えると、焼結が十分に進
行していない状態であり、個々の窪みが独立しないで、
連通下状態にあってしまい、表面の窪みは油溜まりとし
て機能しない。一方、残留空孔率が２％より少ないと、
残留空孔の数が不足してしまい、十分な潤滑性が確保で
きない。従って、完成品表面の空孔、つまり窪みの面積
率は２％以上１０％以下とした。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本実施形態の玉軸受の断面図であ
る。この玉軸受は、複数の転動体（ボール）３と、それ
よりも内方に位置する内輪１と、それよりも外方に位置
する外輪２とからなり、転動体３は内輪１と外輪２との
間に保持されながら、転がり案内される。このとき、内
輪１及び外輪２には、転動体３を案内するための転動溝
が設けられており、転動体３は、前記転動溝において保
持器４によって等配に保持されている。本実施形態で
は、この保持器４が、チタン又はチタン合金の金属粉末
射出成型品である。

【００１７】次に、前記チタン又はチタン合金製の保持
器の効果を確認するために行った実験について説明す
る。まず、前述した金属粉末射出成形法によって、下記
表１に示す組成の試験片を作製した。

【００１８】

【表１】

【００１９】この表１の粉末を混合した後、バインダー
を添加して混練した。そして、試験片形状に射出成形し
た後、ｎ−ヘキサン中で抽出脱脂し、更に真空中で４０
０℃まで加熱脱脂を行い、焼結は１２００℃で１時間保
持して、φ２５ｍｍ×３ｍｍの焼結体を得た。また、こ
のうち、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、純Ｔｉ粉と、Ａｌ
−Ｖ合金粉末とを９：１の割合で混合して作製した。ま
た、このＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は焼結後、Ａｒ雰囲気
中で１０００℃で１時間加熱保持し、水冷した。

【００２０】また、比較例として、溶製した純Ｔｉ及び
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金素材から、φ２５ｍｍ×３ｍｍ
の試験片を切削加工により作製した。これら試験片は、
表面を仕上研削した後、試験に供した。これら試験片に
ついては、サバン式摩耗試験によって性能を比較した。
試験の模式図を図２に示す。相手材となるＳＵＪ２製の
回転試験片の試験面に潤滑油０．５ｃｃを塗布した後、
試験片と回転試験片とを面圧２０ｋｇ／ｍｍ²で荷重
し、回転試験片を摩擦速度３．０ｍ／ｓとなる回転数で
回転させる。そして、回転開始から回転トルクを測定
し、トルク値が急激に上昇した時を焼付きとして、焼付
きが生じるまでの時間を比較し、溶製材の結果との比を
求めた。また、各試験片表面の窪みの面積率、及び径は
画像解析によって求めた。それらの結果を表２に示す。
また、試験片表面の窪みの面積率及び径をマトリックス
状にして図３に示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】本実施形態の実施例１〜１０は何れも金属
粉末射出成形法によって作製したものであり、本発明の
構成要件を満足している。そして、何れも、比較例９、
１０に示す溶製材よりも潤滑性が改善され、焼付きまで
の時間が遅延し、耐焼付性が著しく向上していることが
分かる。また、このうち実施例１〜９までは純Ｔｉであ
るが、実施例１０は同様に金属粉末射出成形法によって
得た前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であり、同様に耐焼付
性の向上が見られ、チタン合金でも好適に適用できるこ
とが分かる。

【００２３】一方、比較例１〜９は、同様に金属粉末射
出成形法によって作製したものであるが、窪みの面積率
や窪みの径の何れか又は双方が本発明の構成要件から外
れている。この場合は、窪みの作用によって潤滑性は多
少改善されるため、溶製材と比較すると耐焼付性は改善
される傾向にあるが、その効果は、前記実施例に対して
はかなり小さく、保持器としての耐摩耗性や耐焼付性を
改善するには不十分である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の転がり軸
受用保持器によれば、耐食性が要求される環境下で使用
されるチタン又はチタン合金製の保持器に対して、粉末
冶金法によって製造した材料を使用することにより、非
常に微細な独立した窪みが表面に存在し、この窪みに潤
滑剤が保持されて潤滑製が著しく向上し、耐摩耗性、耐
焼付性を著しく向上することができる。また、金属粉末
射出成形法により、ニヤネットシェイプ化が可能とな
り、切削加工工程を大幅に削減して低コスト化が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転がり軸受用保持器が適用された玉軸
受の一実施形態を示す縦断面図である。

【図２】サバン式摩耗試験の模式図である。

【図３】完成品表面の窪みの面積率と径との関係を示す
説明図である。

【符号の説明】１は内輪２は外輪３は転動体４は保持器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタン又はチタン合金を基材とする転が
り軸受用保持器において、径が２μｍ以上３０μｍ以下
の微少な独立した窪みが、完成品表面の面積比で２％以
上１０％以下の割合で、摺動面の表面に存在することを
特徴とする転がり軸受用保持器。