JP2007285316A - 溶融金属中で使用される転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れた転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪１Ａ、外輪１Ｂ、および転動体３を窒化珪素またはサイアロンで形成するとともに、保持器２を、二次元に織られた炭素繊維間に熱分解炭素またはガラス状炭素が充填され、この充填された炭素が黒鉛化されるとともに高純度化処理されて灰分量が１０ｐｐｍ以下になっている高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットで形成する。
【選択図】図５

Description

この発明は、例えば連続溶融金属メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれる転がり軸受のように、溶融状態の亜鉛やアルミニウム等の溶融金属中で使用される転がり軸受に関する。

従来より、連続溶融亜鉛メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれるような溶融金属中で使用される転がり軸受としては、高い耐熱性と耐食性とが要求されるために、形状が複雑である保持器以外はセラミックスで作製されたものが使用され、保持器については、その耐食性を向上させるために、例えば純タンタルまたはタンタルに１０重量％以下の範囲でタングステンを加えた合金により作製することが提案されている（下記の特許文献１参照）。

下記の特許文献２には、溶融金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させるために、保持器を黒鉛または黒鉛を含む複合材料で作製することが提案されている。このような転がり軸受では、転動体が保持器のポケット部を摩耗させることによって、保持器をなす前記材料が転動体に移転・付着（以下、「移着」と称する。）し、転動体に移着された前記材料が外輪・内輪の転がり接触部に移着することで潤滑がなされる。

下記の特許文献３には、溶融金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させるために、保持器を純タンタル製、タンタル−タングステン合金（タングステン含有率１０重量％以下）製、黒鉛製、またはＣ／Ｃコンポジット製とし、セラミックス製の内輪、外輪、転動体に、黒鉛やＴａからなる固体潤滑膜を形成することが提案されている。
しかしながら、タンタル製の保持器は比重が１６〜１８と大きいため、軸受の回転トルクが大きくなる、低硬度（Ｈｖ８０〜３００）のためポケット部や案内面の摩耗が大きくなる等の問題点がある。また、黒鉛製の保持器は、溶融金属内から大気中に出した時に酸化されるため、再使用ときの耐摩耗性が著しく劣化する、高温での耐衝撃性が低いため割れが発生しやすい等の問題点がある。

下記の特許文献４には、緻密でありながら弾性率が高く、しかもチッピングの無い加工性の良いガラス状炭素複合部材及びその製造方法が記載されている。
下記の特許文献５には、高純度化処理により不純物が極めて低減された高純度Ｃ／Ｃコンポジットおよびその製造方法が記載されている。
下記の特許文献６には、２Ｄの炭素繊維強化炭素複合材料からなるネジであって、前記炭素繊維がスパンヤーンまたはフェラメントの平織クロスであり、ネジ部に熱分解炭素が含浸または被覆された炭素繊維強化炭素複合材料製ネジが記載されている。

特開平５−１８７４４５号公報 実開平７−１９６２２号公報 特開平９−１４４７６５号公報 特開平１０−１０１４４７号公報 特開平１１−２０９１１５号公報 特開２００１−２８９２２６号公報

本発明の課題は、セラミックス製の内輪、外輪、および転動体と、特殊な材料で形成された保持器を用いることで、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れた転がり軸受を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、内輪、外輪、および転動体が窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）またはサイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）からなり、保持器が、二次元に織られた炭素繊維間に熱分解炭素またはガラス状炭素が充填され、この充填された炭素が黒鉛化されるとともに高純度化処理されて灰分量が１０ｐｐｍ以下になっている高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットからなることを特徴とする溶融金属中で使用される転がり軸受を提供する。

二次元に織られた炭素繊維間に熱分解炭素またはガラス状炭素が充填され、この充填された炭素が黒鉛化されるとともに高純度化処理されて灰分量が１０ｐｐｍ以下になっている高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットは、東洋炭素（株）より入手することができる。
この高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットは、一般的な二次元Ｃ／Ｃコンポジットと比較して、耐酸化性、耐摩耗性、耐久性、加工性に優れている。

本発明の転がり軸受によれば、前述の高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットで形成された保持器を用いることで、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れたものとなる。

以下、本発明の実施形態について具体的な実施例に基づいて説明する。
図１および２に示す形状の軌道輪試験片１を二枚（内輪試験片１Ａ，外輪試験片１Ｂ）と、図３および４に示す形状の保持器試験片２を一枚と、直径３／８インチのボール３を三個で一組として、図５に示すような転がり軸受の摩耗試験用試験体Ｓを作製した。図１は軌道輪試験片の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は保持器試験片の正面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。

軌道輪試験片１は、図１および２から分かるように、厚さＴ₁ ＝６ｍｍ、直径Ｄ₁ ＝５２ｍｍの円板の中心に、直径Ｄ₂ ＝１０ｍｍの穴１１を開け、片面の周辺部に円板と同心の環状の溝１２を付けたものである。この溝１２は断面が円弧状に形成され、その曲率半径は５．１５ｍｍであり、円板の面から最大０．８ｍｍ（＝Ｔ₂ ）だけ凹んでいる。また、溝１２の中心線の直径Ｄ₃ を３８．５ｍｍとした。

この軌道輪試験片１とボール３は窒化珪素製であり、窒化珪素の粉末をＡｒおよびＮ₂ の雰囲気下、２０００℃で加圧焼結して得られた焼結体を機械加工することにより各形状に形成してある。保持器試験片２は、図３および４から分かるように、軌道輪試験片１と同じ大きさの円板の中心に直径Ｄ₄ ＝２４ｍｍの穴２１を開け、円板面に直径Ｄ₅ ＝９．８ｍｍの円形のポケット２２を三個、各ポケット２２の中心が同一円周上となるように等間隔で開けた形状のものである。そして、ポケット２２のピッチ円Ｅの直径Ｄ₆ は、軌道輪試験片１の溝１２の中心線の直径Ｄ₃ と同じ３８．５ｍｍとした。

このような形状の保持器試験片２を、黒鉛１００％、Ｔａ１００％、東洋炭素（株）製の二次元Ｃ／Ｃコンポジット「ＣＸ−２１」、東洋炭素（株）製の高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジット「ＣＸ−５１０Ｖ」の四種類の材質で機械加工により形成した。
この高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットは、６Ｋ〜１２Ｋのフィラメントの平織クロスにガラス状炭素を含浸させ、黒鉛化後に高純度化処理（１８００〜２２００℃で５〜３０時間ハロゲンガス雰囲気で保持する処理）がなされたものである。

図５に示すように、溝１２面を内側にした二枚の軌道輪試験片１Ａ，１Ｂで、各ポケット２２にボール３を入れた状態の保持器試験片２を挟み、各ボール３を各軌道輪試験片１Ａ，１Ｂの溝１２に収めることにより、転がり軸受の試験体Ｓを組み立てた。この状態で試験体Ｓを、るつぼ６の底部中心に配置し、回転軸７を上側の軌道輪試験片（内輪試験片）１Ａ上の中心に配置した。この回転軸７は、るつぼ６より上側に出る部分が小径部７１となっている。

そして、るつぼ６内に溶融亜鉛８を入れて蓋６１をした後、るつぼ６より上側に出た小径部７１に重り９を取り付け、この小径部７１に、アキシャル方向にフリーの継手９１を介して回転軸９２を接続し、この回転軸９２にトルクセンサ９３を取り付けた。この状態で回転軸９２を回転して回転軸７を回転させることにより、軌道輪試験片１Ａを回転させた。試験条件は下記の通りである。
〔試験条件〕
アキシャル荷重：４４６Ｎ
回転速度：３００ｒｐｍ
るつぼ内温度：４８０℃

そして、トルクが上昇し、試験体Ｓの回転が停止するまでの耐久時間を測定した。その結果を以下に示す。
保持器試験片２が黒鉛１００％製である試験体Ｓでは耐久時間が１００時間であり、Ｔａ１００％製である試験体Ｓでは耐久時間が７０時間であり、二次元Ｃ／Ｃコンポジット製である試験体Ｓでは耐久時間が１５０時間であり、高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジット製である試験体Ｓでは耐久時間が５００時間であった。
また、いずれの試験体Ｓでも溶融亜鉛に対する耐浸食性は良好であった。試験後の保持器試験片２の状態は、黒鉛製のものは、酸化されていて、ポケットの摩耗が大きくなって破損していた。Ｔａ製のものは、ポケットの摩耗が大きくなって破損していた。二次元Ｃ／Ｃコンポジット製のものは、炭素繊維のほつれが生じて破損していた。高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジット製のものは、ポケットの摩耗は有るが破損はしていなった。

実施例において使用した試験体を構成する軌道輪試験片の正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 実施例において使用した試験体を構成する保持器試験片の正面図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 実施例における回転試験の概要を示す概要図である。

符号の説明

１ 軌道輪試験片
１Ａ 内輪試験片
１Ｂ 外輪試験片
２ 保持器試験片
３ ボール（転動体）
８ 溶融亜鉛（溶融金属）
Ｓ 転がり軸受の試験体

Claims (1)

1. 内輪、外輪、および転動体が、窒化珪素またはサイアロンからなり、
   保持器が、
   二次元に織られた炭素繊維間に熱分解炭素またはガラス状炭素が充填され、この充填された炭素が黒鉛化されるとともに高純度化処理されて灰分量が１０ｐｐｍ以下になっている高純度二次元Ｃ／Ｃコンポジットからなることを特徴とする溶融金属中で使用される転がり軸受。

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