JP2005133876A - 電食防止型転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要な絶縁性能を有し加工コストを低減できるセラミックス溶射の電食防止型転がり軸受を提供する。
【解決手段】 この電食防止型転がり軸受は、外輪２または内輪１におけるハウジングまたは軸に取り付けられる面にセラミックスの絶縁層４を有するものである。上記絶縁層４の材料を、ＡＬ₂ Ｏ₃ にＴＩＯ₂ が含まれたグレイアルミナとし、このグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率を１ｗｔ％以下とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、汎用モータを始め、発電機用ジェネレータや鉄道車両の主電動機等、軸受内部を電流が流れるような構造の装置に用いられる電食防止転がり軸受に関する。

鉄道車両の主電動機に用いられる転がり軸受は、主電動機の電流を車輪からレールへ接地する接地用集電装置が不完全な場合に、主電動機の電流が転がり軸受の内外輪および転動体を通って、車輪とレール間に流れる。このため、転動体と外輪の転走面の間、または転動体と内輪の転走面の間でスパークし、いわゆる電食を生じて軸受寿命を縮めることがある。そのため、外輪のハウジングへの取付面に樹脂製の絶縁層を被覆したものが提案されている。しかし、樹脂層は、線膨張係数が大きく、軸受の運転に伴う発熱で、外輪とハウジングとの嵌め合いに誤差が生じる。絶縁層としては、線膨張係数が低く、高い電気絶縁性が得られることで、セラミックスが好ましく、絶縁層としてセラミックス層を溶射したものが提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２）。これらの溶射構造を構成する絶縁体皮膜の厚さは、市販性の高い絶縁材料を用いて必要となる絶縁性能を得るための膜厚に設定していた。
実開平２−４６１１９号公報 特開２００２−４８１４５号公報

電食防止転がり軸受の絶縁層とされるセラミックス溶射層の材料として、ホワイトアルミナ（ＡＬ₂ Ｏ₃ ）やグレイアルミナ（ＡＬ₂ Ｏ₃ ＋ＴＩＯ₂ ）が良く知られている。この代表的な材料を比較すると下記の通りとなる。
体積固有抵抗値 ホワイトアルミナ＞グレイアルミナ
絶縁破壊電圧 ホワイトアルミナ＞グレイアルミナ
溶射時の歩留り ホワイトアルミナ＜グレイアルミナ
グレイアルミナにはＴＩＯ₂ が含まれており、ＴＩＯ₂ は導電体であることから体積固有抵抗率がホワイトアルミナより小さくなる。ＴＩＯ₂ の含有率を大きくすればする程、体積固有抵抗率はさらに低下することになる。このことから高い絶縁性能を得るためにはホワイトアルミナが適していると言える。
同一膜厚であれば絶縁破壊電圧はホワイトアルミナの方がグレイアルミナより高いことが過去の経験から判っており、高い破壊電圧を得るにはホワイトアルミナが適していると言える。

ホワイトアルミナの融点が２０００℃を超えるのに対し、ＴＩＯ₂ の融点は２０００℃未満であることもあって、ＴＩＯ₂ が含まれているグレイアルミナの方が溶射時の付着効率がよく、結果としてホワイトアルミナの方が歩留まりが悪いということになる。この場合の付着効率とは、使用した溶射材料に対し、どれだけの量が被溶射体に実際に形成されたかの指標である。一定の厚さを得る為には、溶射時の歩留まりの良いグレイアルミナの方が適していると言える。
ホワイトアルミナがグレイアルミナに対して絶縁性能的により優れていることは、体積固有抵抗率や過去の破壊電圧試験結果から明確であるが、一方、溶射時の付着率はグレイアルミナより劣る。

このように、電食防止転がり軸受の絶縁層の材料として、ホワイトアルミナとグレイアルミナには性能や成形性の観点から一長一短があり、適正性能が得られなかったり、加工に手間取ってコスト増を招くという問題点があった。

この発明の目的は、低コストで適正性能を有した電食防止転がり軸受を提供することである。

この発明の電食防止型転がり軸受は、軌道輪のハウジングまたは軸に取り付けられる面にセラミックスの絶縁層を有する電食防止型転がり軸受において、上記絶縁層の材料を、ＡＬ₂ Ｏ₃ にＴＩＯ₂ が含まれたグレイアルミナとし、このグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率を１ｗｔ％以下としたことを特徴とする。
絶縁層の材質としてグレイアルミナを用いた場合、ホワイトアルミナに比べて絶縁性能が低く、余分に膜厚が必要となる。しかし、溶射加工における膜厚誤差の範囲が０．１mm程度であることを考慮すると、ホワイトアルミナに対して０．１mm程度厚くする必要のあるＴＩＯ₂ 含有のグレイアルミナであれば、ホワイトアルミナに対して同等の絶縁破壊電圧を得ることができる。ホワイトアルミナに対して膜厚を０．１mm余計に必要とするＴＩＯ₂ の含有率は、試験の結果、１ｗｔ％であれば十分と推定できた。グレイアルミナはホワイトアルミナに比べて付着効率が良く、歩留りに優れ、低コストで皮膜成形できる。このため、絶縁層の材料を、ＴＩＯ₂ の含有率を１ｗｔ％以下のグレイアルミナとすることで、ホワイトアルミナと同等の絶縁性を得ながら、低コストとすることができる。

上記絶縁層のグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率は、０．２５〜０．７５ｗｔ％とすることがより好ましい。ＴＩＯ₂ の含有率が多くなるに従って絶縁破壊電圧が低下するが、試験の結果、０．７５ｗｔ％以下であると、ホワイトアルミナに対して膜厚を０．０５mm増加することでホワイトアルミナと同等の絶縁破壊電圧とできた。ＴＩＯ₂ の含有率が０．２５ｗｔ％未満であると、絶縁破壊電圧の観点からは優れるが、付着効率、歩留りの観点で満足できない。

この発明において、上記絶縁層が溶射層で封孔処理が施されており、上記絶縁層の電気的特性が、溶射絶縁面積で３３０ｃｍ² で絶縁層膜厚が０．１ｍｍに換算した時５００Ｖ印加時に１０００ＭΩ以上の絶縁抵抗値となり、かつ絶縁層膜厚０．２ｍｍに換算した時３．５ｋｖ以上の絶縁破壊電圧が得られることとしてもよい。
なお、軸受寸法は種々異なり、絶縁層の溶射面積、膜厚も種々異なるが、

（Ｒ：絶縁抵抗値、ρ：体積固有抵抗率、ｔ：絶縁層厚さ、Ｓ：絶縁面積）の平面体絶縁抵抗式や、

（Ｒ、ρ、ｔは(1) 式と同じ、Ｂ：環状体幅、Ｄ：環状体直径）の環状体絶縁抵抗式、
Ｖ＝Ｅｔ …(3)
（Ｖ：絶縁破壊電圧、Ｅ：絶縁破壊強度、ｔ：絶縁層厚さ）の平面絶縁破壊式(3) や

（Ｖ、Ｅ、ｔは(3) 式と同一、Ｄ：環状体直径）の環状体絶縁破壊電圧式など、公に知られている算出式により換算した時の絶縁性能が上記を満足する絶縁層であれば良い。
この構成の場合、市場で略汎用的に使うことのできる絶縁性能とでき、従来例に比べて大幅にコスト低減できる。

また、この発明において、上記絶縁層を溶射層とし、この絶縁層の溶射膜厚を０．１mm〜０．８mmとしても良い。
絶縁層を溶射膜厚が０．１mm〜０．８mmの溶射層とした場合、従来品での最大寸法のものまで適用が可能となり、十分な絶縁性能を得てコスト低減できる。

この発明の電食防止型転がり軸受は、軌道輪のハウジングまたは軸に取り付けられる面にセラミックスの絶縁層を有する電食防止型転がり軸受において、上記絶縁層の材料をグレイアルミナとし、このグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率を１ｗｔ％以下としたため、必要な絶縁性能を確保したうえ、低コストで製造することができる。

この発明の第１の実施形態を図面と共に説明する。この電食防止型転がり軸受は、それぞれ軌道輪である内輪１と外輪２との間に転動体３を介在させた軸受において、外輪２にセラミックスの絶縁層４を設けたものである。この軸受は、例えば鉄道車両の主電動機におけるロータ支持軸受に用いられる。この軸受は深溝玉軸受であり、転動体３は保持器５で保持させてある。内外輪１，２および転動体３は、軸受鋼等の金属材からなる。

絶縁層４を設ける範囲は、外輪２のハウジングに取り付けられる面であり、図示の例では、外輪２の外径面ａから幅面ｂにわたる範囲に絶縁層４が設けられている。この絶縁層４は、外径面ａから幅面ｂにわたり、面取部ｃを含めて連続して設けられている。絶縁層４となるセラミックス材料としては、ＡＬ₂ Ｏ₃ にＴＩＯ₂ が含まれたグレイアルミナが用いられる。このグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率は１ｗｔ％以下とされる。絶縁層４は溶射層であって、この絶縁層４には微細な気孔が存在するため、気孔部に導電性液体が入り込まないように溶射完了後に封孔処理が施される。封孔処理は浸透性の良い接着剤等を含浸させることで行う。なお、封孔処理は、セラミックス溶射層に存在する気孔中に大気中の水蒸気や外部からの導電性液体が入らないように、気孔部を封止する処理であり、セラミックス溶射絶縁軸受では一般的に施されている。絶縁層４の溶射膜厚は、以下に述べる評価試験から０．１mm〜０．８mmとされる。

上記絶縁層４は、封孔処理後の絶縁層４の材質として、溶射絶縁面積が３３０ｃｍ² で膜厚が０．１ｍｍのときの絶縁抵抗値が、５００Ｖ印加時に１０００ＭΩ以上となり、かつ膜厚が０．２ｍｍのときに絶縁破壊電圧が３．５ｋｖ以上を有する絶縁性能を備えたものとすることが好ましい。

絶縁層４の材質，厚さが、上記実施形態のものであることが好ましい理由を説明する。 過去に評価した絶縁性能試験からは、以下の絶縁抵抗値レベルと絶縁破壊レベルとが得られている。
外径φ１２０mm，φ１２５mm、φ１５０mmの外輪に膜厚０．４mmのグレイアルミナ溶射絶縁層を形成した軸受のとき、絶縁抵抗値は１０００ＭΩ以上（５００Ｖ印加時）で、絶縁破壊電圧は３．６〜３．９ｋｖであった。このときのグレイアルミナのＴＩＯ₂ の含有率はおおよそ２．５ｗｔ％である。
絶縁層がホワイトアルミナ溶射絶縁層である場合、その膜厚が０．２５mmあれば、絶縁破壊電圧は６ｋｖ以上のレベルに達し、上記成分のグレイアルミナ溶射絶縁層の場合とは大きく絶縁性能に差が認められる。なお、絶縁抵抗値は、０．１mm以上の膜厚があれば、１０００ＭΩ以上（５００Ｖ印加時）に達した。

上記の経験値から、グレイアルミナに含まれるＴＩＯ₂ の含有率を０．２５ｗｔ％、０．７５ｗｔ％としたグレイアルミナ溶射絶縁層のサンプルを、外径φ１７０mmの外輪を用いて製作し、絶縁性能をホワイトアルミナ溶射絶縁層のサンプルを含めて比較した。その結果、いずれのサンプルの場合も、絶縁抵抗値は０．１ｍｍの膜厚があれば１０００ＭΩ以上（５００Ｖ印加時）となり、薄い膜厚でも高い抵抗値が得られことを確認した。
また、図２に溶射材料と絶縁破壊電圧との関係についての試験結果を示すように、グレイアルミナに含まれるＴＩＯ₂ の含有率が高くなるにつれ、絶縁破壊電圧値は低下することが明確となった。

軸受用外輪にセラミックスの溶射加工を行う場合、外輪を回転させながら溶射と冷却（エアーによる空冷）を行うのが一般的である。この時、外輪の同一部に１パスで溶射される膜厚は概ね３０μｍ程度といわれており、膜厚が厚くなるにつれて比例的に溶射加工時間を費やすことになり、コストに大きく影響することが判っている。つまり、コストを低減させるためには、膜厚をできるだけ薄くすることが好ましい。また、膜厚が厚くなればなるほど溶射表面の凹凸が大きくなるため、溶射後の削り加工の取代が多くなり、工数大の要因にも繋がる。

例えば、図２に示す絶縁破壊電圧の結果から、ホワイトアルミナとグレイアルミナ（ＴＩＯ₂ の含有率０．７５ｗｔ％）を比較すると、同等の絶縁破壊電圧を得るには０．０５ｍｍ弱程度、グレイアルミナの膜厚を厚くすることになる。その膜厚増大分は溶射加工の１パス分程度に相当する。この程度の膜厚増大であれば、溶射加工におけるコスト差はそれ程大きくは無いが、ＴＩＯ₂ の含有率２．５ｗｔ％のグレイアルミナ溶射絶縁層の軸受ともなると、破壊電圧３．８ｋｖ時で比較すると、ホワイトアルミナより約０．２５mm厚くしなければならず、その膜厚増大分は溶射加工の８〜９パス分程度に相当する。溶射後の削り加工取代分も考慮に入れると、溶射加工時の膜厚は２倍程度の差があるということになる。

実際には、ホワイトアルミナとグレイアルミナでは付着効率がグレイアルミナの方が良いことから、上記の膜厚差はそのまま加工コストの差として出てくることはないが、付着効率の差が２倍以下なら、やはり加工コストに影響することは避けられない。
溶射加工における膜厚寸法許容差レンジが０．１mm程度であることを考えると、この程度の膜厚差はコスト的には許容誤差の範疇であり、ホワイトアルミナ溶射絶縁層の軸受に対して絶縁層の膜厚を０．１mm程度厚くする必要のあるＴＩＯ₂ 含有率のグレイアルミナ品であれば、ホワイトアルミナ品に対して同等の絶縁破壊電圧を得ることができ、かつ大幅なコスト増にはならないものとなる。

図２のグレイアルミナ（ＴＩＯ₂ 含有率０．７５ｗｔ％）の結果から、ホワイトアルミナ溶射絶縁層に対し、０．１mm膜厚を余計に必要とするグレイアルミナ溶射絶縁膜におけるグレイアルミナのＴＩＯ₂ 含有率は１ｗｔ％であれば十分と推定できる。ただし、採用するには実際に確認結果のあるＴＩＯ₂ 含有率０．７５ｗｔ％以下のグレイアルミナが好ましい。

今回、試験的に製作したサンプルによって、ホワイトアルミナは溶射後の色相が純白であることから、溶射後に実施する封孔処理で出来る表面変色が顕著になることが判った。表面の変色は、封孔処理に使用した樹脂系の材料を乾燥して固化させる際、気孔部以外にも表面に材料が付着してしまうために、この部分が変色するものであり、絶縁性能上は問題は無い。しかし、外輪の外径面と幅面は削り加工によって変色面は除去されるが、面取部については完成状態まで残ることになる。樹脂材料の付着状態が不均一のまま乾燥されるとムラとなって現れ、外観品質的に好ましくない。しかし、グレイアルミナであれば溶射加工後の色相は着色された状態となり、封孔処理後の外観も良好になることが判った。絶縁性能上は色相ムラがあっても問題は無いが、外観品質も重要視されることもあり、グレイアルミナの方が外観上好ましい。

この実施形態で述べた絶縁性能は、上記部分でも触れた封孔処理の種類によっても影響されるものである。ホワイトアルミナ溶射絶縁層，グレイアルミナ（ＴＩＯ₂ 含有率１ｗｔ％）溶射絶縁層に処理をした場合において、溶射絶縁面積が３３０cm² である場合に、０．１mm厚さにおいても絶縁抵抗値は１０００ＭΩ以上（５００Ｖ印加）を有し、かつ０．２mm厚で２ｋｖ以上の絶縁破壊電圧を得られる封孔処理でなければならない。上記の溶射絶縁面積３３０cm² の値は、外径φ１７０mm，幅３９mmの外輪において、外径面および幅面の径方向幅１２mmの範囲に溶射したときの面積に略相当する。

そこで、上記絶縁層の膜厚への封孔処理の影響を検討するため、外径φ１７０mm，幅３９mmの外輪を用いて、その外径面と幅面の削り加工後に、ホワイトアルミナ溶射絶縁層，グレイアルミナ溶射絶縁層を０．０５mm〜０．４５mmの膜厚となる範囲（この範囲でおおよそ０．１mm間隔）で複数のサンプルを製作し、封孔処理（前述の絶縁性能を有するもの）を施したうえで、外径面，幅面を削り加工したサンプルの評価を行った。その結果、膜厚が０．０５mmのサンプルでは削り加工誤差により局部的に必要以上に薄くなる（特に幅面の加工が手間取る）などの問題が発生し、膜厚の狙いは下限で０．１mm程度必要であることが判った。

この評価に用いたサンプルの寸法の場合、市場で略汎用的に使うことのできる絶縁性能が得られていることが判った。また、従来品より大きくコスト低減を図るためには、ＴＩＯ₂ 含有率０．２５〜０．７５ｗｔ％のグレイアルミナを用いて０．２mmの膜厚に絶縁層を加工することが適正であることが判った。この時の絶縁性能は絶縁抵抗値で１０００ＭΩ以上（５００Ｖ印加時）であり、絶縁破壊電圧は３．５ｋｖ以上である。

ただし、この評価試験でのサンプルの寸法の場合、軸受温度が１２０℃になると絶縁抵抗値が１０ＭΩ程度に低下することを確認している。これは絶縁体の持つ絶縁抵抗値の温度依存性（温度が上昇すると抵抗値は低下する現象）によるものであり、避けられない事象である。１２０℃で１０ＭΩを有していれば実用上十分使用できる性能ではあるが、寸法が大きくなり絶縁面積が大きくなると絶縁抵抗値が低下することから、この低下分は膜厚を厚くすることで補うことが必要である。この評価試験でのサンプルと従来品で実績のある最大寸法品の溶射面積を比較すると、概ね４倍であることから、将来的には０．８mm程度の膜厚品も必要となることが考えられる。

なお、上記実施形態では、外輪２に絶縁層４を設けた場合につき説明したが、この発明は、内輪１に絶縁層４を設けた場合にも適用できる。内輪１に絶縁層４を設ける場合、内輪１の軸に取り付けられる面となる内径面、または内径面から幅面にわたる範囲に絶縁層４を設ける。
また、上記実施形態では１層構造の溶射絶縁層として、上記の評価試験で各種の確認・検討を行ったが、この発明は、軌道輪の被覆層が２層構造や３層構造とした場合にも適用することができる。さらに、この実施形態では深溝玉軸受用の外輪２に溶射絶縁層４を設けた場合つき説明したが、円筒ころ軸受や円すいころ軸受など、各種の転がり軸受に適用することもできる。

図３は、外輪２の被覆層６を２層構造とした例であり、被覆層６は、絶縁層４とその外側を覆う金属層７との２層構造とされている。金属層７は、絶縁層４の外輪２への密着性の向上、およびハウジングに締まり嵌めする場合の絶縁層４の剥離防止等の機能を果たす層である。この場合の絶縁層４の材質，膜厚を、第１の実施形態にかかる絶縁層４と同じとする。なお、この実施形態は円筒ころ軸受に適用した例である。

図４は、外輪２の被覆層６Ａを３層構造とした例である。被覆層６Ａは、内層側から内側金属層８、絶縁層４、および外側金属層９の３層構造とされる。内側金属層８はセラミンクス層からなる絶縁層４の溶射性を向上させ、外側金属層９は絶縁層４の剥離防止の機能を果たす。この場合の絶縁層４の材質，膜厚を、第１の実施形態にかかる絶縁層４と同じとする。この実施形態も、円筒ころ軸受に適用した例である。

この発明の一実施形態にかかる電食防止型転がり軸受の断面図である。 溶射材料と絶縁破壊電圧の関係を示すグラフである。 この発明の他の実施形態にかかる電食防止型転がり軸受の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる電食防止型転がり軸受の断面図である。

符号の説明

１…内輪
２…外輪
３…転動体
４…絶縁層

Claims (4)

1. 軌道輪のハウジングまたは軸に取り付けられる面にセラミックスの絶縁層を有する電食防止型転がり軸受において、上記絶縁層の材料を、ＡＬ₂ Ｏ₃ にＴＩＯ₂ が含まれたグレイアルミナとし、このグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率を１ｗｔ％以下としたことを特徴とする電食防止型転がり軸受。
2. 請求項１おいて、上記絶縁層のグレイアルミナにおけるＴＩＯ₂ の含有率を、０．２５〜０．７５ｗｔ％とした電食防止型転がり軸受。
3. 請求項１または請求項２において、上記絶縁層が溶射層で封孔処理が施されており、上記絶縁層の電気的特性が、溶射絶縁面積で３３０ｃｍ² で絶縁層膜厚が０．１ｍｍに換算した時５００Ｖ印加時に１０００ＭΩ以上の絶縁抵抗値となり、かつ絶縁層膜厚０．２ｍｍに換算した時３．５ｋｖ以上の絶縁破壊電圧が得られることとした電食防止型転がり軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記絶縁層が溶射層であって、この絶縁層の溶射膜厚が０．１mm〜０．８mmである電食防止型転がり軸受。
   

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