JP2007146890A - 転動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軌道面や転動面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用されても長寿命な転動装置を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受は、内輪１と、外輪２と、内輪１の軌道面１ａと外輪２の軌道面２ａとの間に転動自在に配された複数の玉３と、を備えている。そして、玉３の転動面３ａには、クロム粉末又はニッケル粉末のショットピーニングにより形成された被膜を備えている。この被膜の厚さは、０．１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。また、玉３の転動面３ａのうち少なくとも被膜が被覆された部分には、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルを設けることが好ましい。さらに、被膜の表面の中心線平均粗さＲａは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受，リニアガイド装置，ボールねじ，直動ベアリング等のような転動装置に係り、特に、軌道面や転動面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用されても長寿命な転動装置に関する。

例えば車両用交流発電機（オルタネータ），電磁クラッチ，中間プーリ，及びテンショナー等のエンジン補機用の転がり軸受や、自動車用変速機，工作機械用変速機に使用される転がり軸受は、一般の転がり軸受よりも高温，高振動，高荷重下で使用される。そのため、軌道面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易いので、軌道面と転動体とが接触し易くなる。

特に、潤滑膜が破断された部分の軌道面は活性な新生面（鋼の組織が露出している面）となるため、この新生面が触媒となって、トライボケミカル反応により潤滑剤の成分及び潤滑剤に含まれる水分が分解して、水素イオンが生じ易い。そして、この水素イオンが前記新生面に吸着して水素原子となり、高歪み場（最大剪断応力位置の近傍）に集積されることにより、組織が白色組織に変化する。

前記用途の転がり軸受は、このような組織変化に起因して、軌道面に早期剥離が生じ易いため、計算寿命に比べて実際の寿命が極端に短くなる場合がある。
このようなトライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離を防止するために、非特許文献１には、転動体の転動面に電気メッキ法によりニッケル被膜を形成することにより、トライボケミカル反応で生じた水素イオンを鋼の組織に吸着し難くする技術が記載されている。
社団法人自動車技術会、学術講演会前刷集、Ｎｏ. ３０−０２（２００２年）、５〜８頁

しかしながら、非特許文献１に記載の技術には、以下に示すような３点の改善の余地が残されていた。すなわち、被膜を形成する方法としてメッキ法を採用しているので、メッキ中に発生する水素が多少鋼中に侵入してしまう点と、ニッケル被膜が比較的軟らかいことから摩耗により脱落しやすく、鋼中への水素の侵入を効果的に抑制することが難しい点と、高価なニッケルを使用しているためコスト高となる点である。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、軌道面や転動面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用されても長寿命な転動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つは、クロム粉末又はニッケル粉末のショットピーニングにより形成された被膜を備えていることを特徴とする。

このような構成の転動装置は、軌道面や転動面に前記被膜が形成されているので、軌道面や転動面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用されても、鋼中への水素の侵入が生じにくく、トライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離が抑制され長寿命である。
また、前記被膜はショットピーニングにより形成されるので、メッキ法のように被膜形成過程において水素が発生することがなく、同過程中に鋼中に水素が侵入することはない。さらに、クロム粉末を用いた場合は、前記被膜の脱落が生じにくいことに加えて、前記被膜を安価に形成することができるため転動装置が安価となる。

また、本発明に係る請求項２の転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つは、面積率で７５％以上の部分に、クロム粉末又はニッケル粉末のショットピーニングにより形成された被膜を備えていることを特徴とする。
このような構成であれば、前記被膜の水素遮断効果が十分となるので、鋼中への水素の侵入を防止することができる。

さらに、本発明に係る請求項３の転動装置は、請求項１又は請求項２に記載の転動装置において、前記被膜の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする。
被膜の厚さが０．１μｍ未満であると、十分な水素遮断効果が得られないおそれがある。一方、被膜の厚さが８μｍ超過であると、被膜の脱落が生じやすくなる。

さらに、本発明に係る請求項４の転動装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の転動装置において、前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも前記被膜が備えられた部分には、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルが形成されていることを特徴とする。
ディンプルによって、前記被膜と母材との密着性が向上する。また、転動装置の駆動時に脱落した被膜がディンプル内にトラップされるので、被膜の摩耗が抑制されるとともに水素遮断効果が長く維持される。このような効果を得るためには、ディンプルの深さを０．１μｍ以上とすることが好ましい。ただし、ディンプルの深さを５μｍ超過としても、それ以上の効果は期待できないので、ディンプルの深さは５μｍ以下とすることが好ましい。

さらに、本発明に係る請求項５の転動装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の転動装置において、前記被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする。
このような構成であれば、水素遮断効果が得られるとともに、転動装置の音響特性及び振動特性が良好である。前記被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．５μｍ超過であると、音響特性及び振動特性が不十分となるおそれがある。一方、中心線平均粗さＲａを０．１μｍ未満とすると、転動装置が高価となってしまうおそれがある。

なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。

本発明の転動装置は、軌道面や転動面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用されても長寿命である。

本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である単列深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の深溝玉軸受は、軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の玉（転動体）３と、両軌道面１ａ，２ａ間に複数の玉３を軸受の円周方向にわたって等配に保持する保持器４と、シール５，５と、を備えている。なお、保持器４やシール５は備えていなくてもよい。

そして、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも一つには、クロム粉末又はニッケル粉末のショットピーニングにより形成された被膜（図示せず）が被覆されている。なお、前記両粉末を混合して用いてもよい。また、クロム合金粉末やニッケル合金粉末を使用することも可能である。
この被膜の厚さは、０．１μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。また、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも前記被膜が被覆された部分には、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルを形成することが好ましい。さらに、前記被膜の表面の中心線平均粗さＲａは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。

このような深溝玉軸受は、軌道面１ａ，２ａや転動面３ａに十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途で使用されても、前記被膜により母材である鋼への水素の侵入が防止されるので、トライボケミカル反応で生じる水素に起因する早期剥離が抑制され長寿命である。また、前記被膜はショットピーニングにより形成されるので、メッキ法のように被膜形成過程において水素が発生することがなく、同過程中に鋼中に水素が侵入することはない。さらに、クロム粉末を用いた場合は、前記被膜の脱落が生じにくいことに加えて、前記被膜を安価に形成することができるため深溝玉軸受が安価となる。

なお、該被膜を被覆する範囲は特に限定されるものではないが、被覆される面（軌道面１ａ，軌道面２ａ，転動面３ａ）の面積率で７５％以上の部分に被覆すれば、水素遮断効果が十分となるので、母材である鋼への水素の侵入を防止することができる。
また、本実施形態においては、転動装置の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は深溝玉軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，針状ころ軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。

〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述した図１の深溝玉軸受とほぼ同様の構成を有する呼び番号６２０６の深溝玉軸受を用意して、その耐久性（寿命）を評価した。なお、ショットピーニングによる被膜は転動体の転動面のみに被覆し、内輪の軌道面及び外輪の軌道面には被覆しなかった。また、内輪，外輪，転動体はＳＵＪ２製である。

被膜の形成にはショットピーニング装置を用い、ショット材としては平均粒径６０μｍ以下（ＪＩＳ Ｒ６００１の規定による）のクロム粉末又はニッケル粉末を用いた。噴射圧力は０．１９６〜０．８８２ＭＰａ、噴射時間１０〜２０ｍｉｎである。１回の処理に用いる転動体の質量は１〜６ｋｇとした。
転動体の転動面に被覆された被膜の金属種，面積率，厚さ，及び中心線平均粗さＲａ、並びに転動体の転動面に形成されたディンプルの深さは、表１，２に示す通りである。

被膜の面積率を測定する方法は、以下の通りである。電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により、被膜が被覆された転動体の転動面を２０００倍の倍率で３０視野観察し、被膜が形成されている部分のうち一辺２００μｍの正方形部分を１０００倍に拡大して、クロム又はニッケルの特性Ｘ線強度を測定した。そして、被膜を被覆する前の特性Ｘ線強度の１０倍以上の強度が観測された領域に被膜が被覆されているとして、その結果を画像解析することにより被膜が被覆されている部分の面積率を得て、３０視野の平均値を算出した。

また、被膜の厚さを測定する方法は、以下の通りである。まず、被膜を備えた転動体の転動面に、熱硬化性樹脂であるポリアミドイミドのピロリドン溶液を塗布し、１７５℃で２時間加熱して硬化させ、被膜の保護膜を形成した。この転動体を切断してエポキシ樹脂に埋め込み、転動体の切断面をバフ研磨で鏡面仕上げした。さらに、凹凸を付けるために、３％ピクラール溶液で５秒間腐食した後、スパッタによりナノオーダーのクロム層を表面に被覆して通電性を付与した。

電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、切断面を５０００倍の倍率で３０視野観察した。各視野において被膜の厚さを５点測定し、これら５点の平均値を求め、この平均値をその視野の被膜の厚さとした。そして、３０視野の被膜の厚さの平均値を求めた。
さらに、一部の軸受の転動体の転動面には、被膜を形成する前に前処理を施して、ディンプルが形成してある。この前処理（ディンプルの形成方法）は特に限定されるものではないが、本実施例においてはショットピーニング処理を採用した。ショットピーニング処理は、ショットピーニング装置を用いて行った。ショット材にはＪＩＳ Ｒ６００１に規定された平均粒径４５μｍの鋼球，ＳｉＣ，ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ガラスビーズ等を用い、前述のショットピーニング条件と同様の条件でショット材を転動体の転動面に噴射した。

なお、バレル処理によりディンプルを形成してもよいし、ショットピーニング処理とバレル処理の両方を用いてディンプルを形成してもよい。バレル処理は、種々のメディアや添加剤を配合したものを用いて転動体の転動面に大きな凹凸を形成する粗加工と、プラトー部の粗さを整える仕上げ加工とを行う。
ディンプルの深さを測定する方法は、以下の通りである。三次元非接触表面形状計測機により、転動体の転動面を１００倍の倍率で３０視野観察し、得られた画像を断面プロファイルに変換した。そして、Ｘ方向及びＹ方向それぞれの５つの断面において、ディンプルの深さを測定し、その結果を平均した。

次に、このような深溝玉軸受を図２に示す油浴潤滑式寿命試験機に取り付けて、寿命を測定した。この試験機は、油浴１４と荷重付与装置１５とからなり、転がり軸受１０の外輪が取り付けられたハウジング１２の全体と、内輪が取り付けられた軸１３の基端部３１以外の部分とが、油浴１４内に配置されている。油浴１４には、内輪と軸１３の間に設けた止め輪１７が略浸漬する高さまで、潤滑油１４ａが入れてある。潤滑油１４ａとしては、４０℃での動粘度が３０．４ｍｍ² ／ｓ、１００℃での動粘度が５．２ｍｍ² ／ｓであるトラクション油を用いた。また、荷重付与装置１５は、ハウジング１２を介して転がり軸受１０に荷重を与える負荷レバー１５ａを備えている。

試験荷重９１００Ｎ、回転速度３０００ｍｉｎ^-1、雰囲気温度１１０℃という条件で深溝玉軸受を回転させ、回転中に軸受に生じる振動を測定し、振動値が初期値の５倍となるまでの回転時間を調査した。振動値が初期値の５倍となった時点で回転試験を中止して、内輪若しくは外輪の軌道面又は玉の表面にフレーキングが生じているかどうかを観察した。計算寿命の３倍まで回転させても振動値が初期値の５倍とならなかった場合は、その時点で回転試験を中止した。
このような回転試験を１種の軸受につき１０個ずつ行って、その結果をワイブル分布関数により整理し、回転時間が短い方から１０％の軸受にフレーキングが生じるまでの総回転時間を求めて、これを寿命とした。なお、剥離が生じた軸受について組織観察したところ、全てのサンプルで白色組織が確認された。

試験の結果を表１，２に示す。また、実施例１〜８及び比較例３〜６の結果を図３のグラフに示す。なお、表１，２及び図３のグラフにおける寿命の数値は、従来技術（転動体の転動面に通常の研削仕上げが施されたもの）である比較例１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。比較例２は、前述の非特許文献１に記載された技術を適用したものであり、転動体の転動面にニッケル被膜がメッキ法により被覆されたものである。

表１，２から分かるように、実施例１〜１４は、従来技術である比較例１と比べて８．８倍以上長寿命であった。また、比較例２と比べても１．７倍以上長寿命であった。特に、図３のグラフから分かるように、前処理により転動体の転動面にディンプルを形成した実施例５〜８（グラフでは黒丸印でプロットしてある）は、前処理がなくディンプルを有していない実施例１〜４（グラフでは黒三角印でプロットしてある）と比べて、より長寿命であった。
また、実施例５〜８と実施例１３，１４との比較から、ディンプルの深さは０．１〜５μｍとすることが好ましいことが分かる。さらに、実施例９〜１２から、被膜の厚さは０．１〜８μｍとすることが好ましいことが分かる。比較例３〜６は、被膜の面積率が低いので、短寿命であった。

本発明の転動装置は、軌道面や転動面に十分な潤滑膜が形成され難く、形成された潤滑膜が部分的に破断され易い用途に好適である。例えば、ベルト式無段変速機のベルトを巻き付けるプーリの回転軸支持用軸受、エンジン補機用軸受、コンプレッサ用軸受、ガスヒートポンプ用軸受、自動変速機用軸受に好適である。

本発明に係る転動装置の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。 寿命試験機の図である。 寿命試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 内輪
１ａ 軌道面
２ 外輪
２ａ 軌道面
３ 転動体
３ａ 転動面

Claims (5)

1. 外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
   前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つは、クロム粉末又はニッケル粉末のショットピーニングにより形成された被膜を備えていることを特徴とする転動装置。
2. 外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
   前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つは、面積率で７５％以上の部分に、クロム粉末又はニッケル粉末のショットピーニングにより形成された被膜を備えていることを特徴とする転動装置。
3. 前記被膜の厚さが０．１μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の転動装置。
4. 前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも前記被膜が備えられた部分には、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転動装置。
5. 前記被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の転動装置。

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