JP2005282734A

JP2005282734A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005282734A
Application number: JP2004098176A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 啓之内田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】量産を容易とする手段で、内輪および外輪と転動体との互いに接触する表面に固体潤滑被膜を均一に且つ確実に密着させ、潤滑性および耐久性に優れた転がり軸受を提供する。
【解決手段】本発明の転がり軸受１０は、内輪１１および外輪１２と転動体１３との互いに接触する少なくとも一方の表面に、固体潤滑被膜を有しており、固体潤滑被膜が、当該被膜を形成する表面に塗布された固体潤滑剤に機械加工を施すことにより形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用コンプレッサ軸受のように、潤滑条件の厳しい環境下で使用される転がり軸受に関する。

従来、自動車用コンプレッサ軸受のように、油やグリースによる潤滑が適さない潤滑条件の厳しい環境下で用いられる転がり軸受においては、内輪、外輪、転動体などの構成部品の接触面に固体潤滑剤をコーティングして、固体潤滑剤による潤滑が行われていた。固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの潤滑剤が一般的に使用される。

そして、内輪、外輪、転動体の接触面に固体潤滑剤をコーティングする手段としては、スパッタリング法、蒸着法、またはイオンプレーティグ法、などの手法によって母材（即ち、内輪、外輪、転動体など）表面に被膜を形成する方法がとられていたが、被膜厚さを均一に形成することが難しく、更に、処理設備のコストが高く生産性に劣る問題点があった。また、別の手段として、固体潤滑剤を有機または無機のバインダと混ぜてスプレーコーティングした後に乾燥または焼付硬化させて被膜を形成する方法がとられていたが、固体潤滑剤と母材との密着性を高めるために高温での焼付処理が必要であり、結果として母材の硬度低下を招いて耐久性に悪影響を及ぼす虞があった。

上述した問題に対処するため、ＭｏＳ_２等の固体潤滑剤でコーティングされた鋼球を母材に高速で投射するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、投射用材料としてＭｏＳ_２の粉末を使用するようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。また、母材（被加工物）および固体潤滑剤微粉末をボールミル加工装置に一緒に投入し、母材とボール、または母材同士の衝突時のエネルギを用いたものも知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特許第２８１８２２６号公報（第２−３頁、第２図）特開２００２−３３９０８３号公報（第２−３頁）特開平０６−１５９３７３号公報（第２−３頁）

特許文献１に開示されている固体潤滑被膜を形成する方法は、予め固体潤滑剤でコーティングされた鋼球を高速度で母材に投射して、衝突エネルギによって母材表面に固体潤滑被膜を形成するものである。これにより、熱処理をせずに母材との密着性に優れる被膜を得ることができるが、予め、個々の綱球の表面に固体潤滑剤をコーティングしておく必要があり、安易な方法ではなかった。

また、特許文献２に開示されているＭｏＳ_２投射用材料は、平均粒径１〜２０μｍのＭｏＳ_２を９５重量％以上含有するものであり、この投射用材料を母材に投射して母材表面の改質を行うようにしたものである。これにより、特許文献１に開示されている固体潤滑剤をコーティングした鋼球を準備する必要がなく、より安易に被膜を得ることができるが、投射用材料のＭｏＳ_２粉末の比重が小さいため、母材に密着させるための衝突エネルギが不十分となり、密着性のよい被膜を得ることが困難であった。

また、特許文献３に開示されている固体潤滑被膜を形成する方法は、母材および固体潤滑剤微粉末をボールミル加工装置に一緒に投入し、母材とボール、または母材同士の衝突時に介在した固体潤滑微粉末を、両者の衝突時のエネルギにより母材表面に結合させ、固体潤滑被膜を形成するものである。これにより、特許文献１に開示されている固体潤滑剤をコーティングした鋼球を準備する必要がなく、より安易に被膜を得ることができるが、固体潤滑剤微粉末を母材表面に均一に行き渡せるために、余計にミリング時間を必要とするので、量産を容易とするためには加工時間の短縮が必要であった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、量産を容易とする手段で、内輪および外輪と転動体との互いに接触する表面に固体潤滑被膜を均一に且つ確実に密着させ、潤滑性および耐久性に優れた転がり軸受を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る転がり軸受は、下記（１）及び（２）を特徴としている。

（１）内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受であって、
前記内輪および外輪と、前記転動体と、の互いに接触する少なくとも一方の表面に、固体潤滑被膜を有しており、
前記被膜が、当該被膜を形成する表面に塗布された固体潤滑剤に機械加工を施すことにより形成されていること。

（２）（１）に記載の転がり軸受において、
前記固体潤滑剤が、前記被膜を形成する表面に噴霧されて塗布されており、
塗布された前記固体潤滑剤に加工材を高速度で衝突させることにより、前記被膜が形成されていること。

前記構成の転がり軸受によれば、内輪および外輪と転動体との互いに接触する少なくとも一方の表面に固体潤滑剤を塗布し、塗布された固体潤滑剤に機械加工を施して固体潤滑被膜を形成するようにしたので、潤滑性に優れた膜厚の均一な固体潤滑被膜を短時間で且つ容易に形成することができる。

また、被膜を形成する表面に、固体潤滑剤を噴霧して塗布するようにしたので、被膜を形成する表面に均一に且つ短時間で固体潤滑剤を塗布することができ、また、塗布された前記固体潤滑剤に加工材を高速度で衝突させることにより固体潤滑剤被膜を形成するようにしたので、内輪および外輪と転動体との互いに接触する表面に固体潤滑剤被膜を確実に且つ強固に密着させて形成することができる。

尚、固体潤滑剤としては、ＭｏＳ_２やＰＴＦＥの他に、例えば、黒鉛、鉛、金、銀、二硫化タングステン、窒化ホウ素、などを用いることができ、また、これらの混合物、或いはバインダとの混合物を用いることができる。

また、機械加工において固体潤滑剤に高速度で衝突させる加工材、およびその機械加工としては、セラミックボールや鋼球などを用いたショットピーニング加工、タンブラ加工、バレル加工、またはボールミル加工、等を例示することができる。

本発明の転がり軸受によれば、高い密着性を有し、膜厚が均一な固体潤滑被膜を形成することができ、耐久性に優れ、油やグリースによる潤滑が適さない環境下でも使用することができる転がり軸受を、安価に量産することができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態である転がり軸受の縦断面図、図２は固体潤滑被膜を形成する工程の一例であるショットピーニングの概略構成図、図３は図１に示す転がり軸受の変形例の縦断面図である。

図１に示されるように、本発明の転がり軸受１０は、内輪１１と、外輪１２と、転動体である複数の玉１３と、を備えている。内輪１１の外周面には内輪軌道面１１ａが形成され、また外輪１２の内周面には外輪軌道面１２ａが形成されている。内輪軌道面１１ａと外輪軌道面１２ａとの間には、保持器１４により周方向に等間隔に保持された複数の玉１３が転動自在に配設されている。

内輪１１、外輪１２、および複数の玉１３は、例えば、ＪＩＳ記号ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼から形成されており、内輪１１および外輪１２と複数の玉１３との互いに接触する少なくとも一方の表面は、即ち、内輪軌道面１１ａおよび外輪軌道面１２ａ、または転動体１３の転動面の少なくとも一方は、ＭｏＳ_２、ＰＴＦＥ等の固体潤滑剤（バインダと共に塗布された固体潤滑剤を含む。以下、明細書中で使用される固体潤滑剤は、バインダと共に塗布された固体潤滑剤を含むものとする。）をコーティングした固体潤滑被膜を有している。

ここで、固体潤滑剤のコーティングについて説明する。
先ず、転がり軸受を組立の前工程まで完成させ、内輪１１、外輪１２、および玉１３に固体潤滑剤を噴霧して塗布する。その後、ショットピーニングを施して、固体潤滑剤を母材（即ち、内輪１１、外輪１２、転動体１３）表面に密着させ、固体潤滑被膜を形成する。

図２に示されるように、ショットピーニング装置２０は、上方にショットピーニング材３５が収容されたタンク３２が配置されており、パイプ３３を介して圧縮空気３４によりショットピーニング材（加工材）３５をノズル３３ａから高速で投射させるようになっている。ショットピーニング材３５としては、例えば、硬度ＨＲＣ５０以上、粒径２００μｍ程度のステンレス粒子や炭素鋼などの一般的なショットピーニング材を用いることができ、投射速度は１００ｍ／ｓｅｃ程度である。

ショットピーニング装置２０による固体潤滑被膜の形成において、内輪１１または外輪１２の軌道面１１ａ、１２ａを加工する場合は、内輪軌道面１１ａ、外輪軌道面１２ａをノズル３３ａの側方に位置させて支持し、玉１３を加工する場合は、複数個の玉１３を網目状の容器に収容して、例えば２〜５ｒｐｍの回転速度で軸回転させながら、ノズル３３ａからショットピーニング材３５を固体潤滑剤の上から高速で投射する。ショットピーニング材３５の衝突エネルギにより、固体潤滑剤は母材表面と結合して強固な被膜を形成する。なお、ショットピーニング時間は、コーティング膜厚を見ながら適宜設定するが、３０秒〜６０秒程度である。

ショットピーニングによると、固体潤滑剤が母材に強固に密着すると共に、母材表面に微細なディンプル状の凹凸面が形成され、該ディンプル状の凹凸面に固体潤滑剤が保持されるので、厳しい潤滑条件において母材から固体潤滑剤の剥がれが促進されるような場合でも、母材と固体潤滑剤との密着を維持することができる。また、ディンプル状の凹部に固体潤滑剤が保持されて潤滑性能を良好に維持することができる。

尚、ショットピーニング材としてＭｏＳ_２粉末を用いる方法も考えられるが、ＭｏＳ_２粉末は微粒子（粒径で数μｍ）であり飛散するため、作業環境を悪化させる虞があると共に、母材に到達しない粉末が発生するので加工時間を余計に必要とするのに対し、母材に固体潤滑剤を噴霧して塗布した後、ショットピーニングを行う本発明の転がり軸受によると、ＭｏＳ_２粉末の飛散による作業環境汚染が少なく、且つ短時間で膜厚の均一な固体潤滑被膜を形成できる。

尚、転動体は玉に限定されることはなく、ころやニードルにも同様にして適用することができ、また、固体潤滑被膜をコーティングする面は軌道面または転動面に限定されるものではない。例えばころ軸受において、ころ頭部と摺接するつば面にも同様にコーティングが可能である。この場合、つば面の焼付きを防止することができる。

また、固体潤滑剤を塗布する前に、ショットピーニング装置２０によって母材自身にショットピーニング加工を施して母材表面にディンプル状の凹凸を形成しておき、固体潤滑剤を噴霧した後、再度ショットピーニング装置２０によりショットピーニング加工して固体潤滑被膜を母材に密着させるようにしてもよい。これにより、固体潤滑被膜を更に強固に母材に密着させることが可能となる。

また、軸受の外部に固体潤滑剤が排出されて軸受周囲が汚染されることを嫌う場合は、図３に示されるように、転がり軸受にシール３１を取り付けたシール付き転がり軸受３０とすることが望ましい。この場合も、固体潤滑被膜の形成は、上記した方法と同様の方法により行うことができる。また、転動面などに過剰に付着し剥離した固体潤滑剤は、軸受回転の遠心力により半径方向外方に飛ばされて、シール３１で閉じられた空間から外部に出ようとするので、外輪１２とシール３１とが接触していれば固体潤滑剤の飛散を防止することができ、必ずしも内輪１１とシール３１とを接触させた密封構造とする必要はない。また、保持器１４を、例えばＰＴＦＥを含有する合成樹脂製とすれば、更にシール付き転がり軸受３０の耐久性が向上する。

本発明の効果を確認するため、本発明の転がり軸受に係る実施例および該実施例と比較するための比較例について説明する。試料とした転がり軸受は、実施例及び比較例ともに、呼び番号６２０６の単列深溝玉軸受であり、内輪、外輪、玉をＪＩＳ記号、ＳＵＪ２の高炭素クロム軸受鋼により形成した。

各試験内容は次の通りである。

（試験条件）
ａ）固体潤滑被膜の有無
実施例：固体潤滑剤塗布前に転動面にショットピーニング処理したものと、処理しないもの、の２種類の試料を作成した。その後、固体潤滑剤を噴霧して塗布した後、ショットピーニング加工を同様に行い、固体潤滑被膜を形成した。詳細な処理内容を表１に示す。
比較例：固体潤滑剤塗布およびショットピーニング処理はいずれも施さなかった。
ｂ）図４に示される試験装置を用い、下記条件で耐久試験を行った。
回転数：７５０ｒｐｍ
ラジアル荷重：９０ｋｇｆ
潤滑油：白灯油を１５ｃｃ塗布
試験装置５０は、図４および図５に示されるように、試料である転がり軸受１０を一対の支持軸受５１で回転自在に支持された回転軸５２に装着し、上方のてこ式加圧装置５３を介して転がり軸受１０にラジアル荷重Ｆｒを下向きに負荷しながら回転させた。このとき、振動検出器５５で振動を検出すると共に、熱電対５６で転がり軸受１０の温度上昇を検出した。

（評価方法）
試料である転がり軸受１０の振動が初期値の２倍に達したとき、或いは、試料温度が初期温度より１５℃上昇したとき、寿命と判断した。それまでの時間を寿命時間とし、同様にして求めた比較例の転がり軸受の寿命時間との比を採って評価した。

試験結果を詳細な処理内容と共に表１に示す。

表１に示されるように、固体潤滑剤を塗布した実施例の転がり軸受は、比較例の転がり軸受（従来の転がり軸受）と比較して、６０〜１４５倍の寿命時間を示し、大幅に耐久性が向上していることが分かる。
従って、本発明の有効性が実証された。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、前述した実施形態及び実施例における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明の一実施形態である転がり軸受の縦断面図である。固体潤滑被膜を形成する工程の一例であるショットピーニングの概略構成図である。図１に示す転がり軸受の変形例の縦断面図である。転がり軸受の試験装置の概略構成を示す正面図である。図４における転がり軸受の試験装置の縦断面図である。

符号の説明

１０、３０転がり軸受
１１内輪
１１ａ，１２ａ軌道面
１２外輪
１３玉（転動体）
２０ショットピーニング装置

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪と外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備える転がり軸受であって、
前記内輪および外輪と、前記転動体と、の互いに接触する少なくとも一方の表面に、固体潤滑被膜を有しており、
前記被膜が、当該被膜を形成する表面に塗布された固体潤滑剤に機械加工を施すことにより形成されていることを特徴とする転がり軸受。
前記固体潤滑剤が、前記被膜を形成する表面に噴霧されて塗布されており、
塗布された前記固体潤滑剤に加工材を高速度で衝突させることにより、前記被膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。