JP2008304018A

JP2008304018A - 水中用転がり軸受

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Publication number: JP2008304018A
Application number: JP2007153297A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Tsutsui; 英之筒井
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: JP5060838B2

Abstract

【課題】水あるいは水が主成分の液体が軌道面に存在する状態で使用される転がり軸受において、通常の金属やセラミックス製の転がり軸受と同レベルの回転精度を持ち、衝撃荷重や振動に強く、長寿命な転がり軸受を提供する。
【解決手段】水中に没した状態で用いられ、内輪２および外輪３と、この内輪２および外輪３間に介在する複数の転動体４と、該複数の転動体４と摺接し保持する保持器５とを備えた水中用転がり軸受１であって、上記保持器５は樹脂に少なくとも炭素物質を配合した樹脂組成物を含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中で使用される転がり軸受に関する。

食品機械や洗浄工程などの水あるいは水が主成分の液体の中、または同液体が軌道面に存在する状態で使用され、かつその液体に油が混入することが許容されない環境で使用される転がり軸受としては、固体潤滑材により潤滑する軸受が使用されている。これらの軸受では、液中における他の部材との摩耗低減のために耐摩耗性に優れることに加えて、耐荷重性や機械的強度に優れることが要求される。また、上記液体に対する耐腐食性に優れることも要求される。
従来、例えば溶融可能で樹脂自体に固体潤滑性を有するフッ素樹脂を主成分とする樹脂を軌道輪に用いることで、固体潤滑効果を付与した軸受が知られている（特許文献１参照）。また、軌道輪、転動体がセラミックスで、保持器が黒鉛でそれぞれ作製され、黒鉛による固体潤滑効果を付与した軸受が知られている（特許文献２参照）。

しかしながら、固体潤滑材は、潤滑性を付与する対象物に転移し、転移先で排出または消費され、それを補う形でさらに転移するような循環するメカニズムを持つので、特許文献１の軸受では必然的に軌道輪が摩耗し、通常の金属やセラミックスで構成された軌道輪に比べると回転精度が劣る欠点を持つ。また、耐荷重性も低いという問題がある。

また、黒鉛は強度や柔軟性が非常に乏しくまた耐衝撃性に劣り、特許文献２の実施形態でも保持器を金属で補強した形態を採っているが、軸受に掛かる衝撃荷重や振動に弱い軸受となっている。
特開２０００−２４０６６６号公報特開２００１−２７１８４２号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、水あるいは水を主成分とする液体が軌道面に存在する状態で使用される転がり軸受において、通常の金属やセラミックス製の転がり軸受と同レベルの回転精度を持ち、衝撃荷重や振動に強く、長寿命な転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の水中用転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、該複数の転動体を摺接しつつ保持する保持器とを備えてなり、水または水が主成分の液体が軌道面に存在する状態で使用される水中用転がり軸受であって、上記保持器は、少なくとも上記転動体と摺接する表面層が樹脂に炭素物質を配合した樹脂組成物から構成されることを特徴とする。

上記炭素物質は、炭素繊維、カーボン粉末、活性炭および黒鉛から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする。

上記保持器は、該保持器全体が上記樹脂組成物の成形体であり、上記炭素物質の配合割合は、上記樹脂組成物全体に対して 10 体積％〜50 体積％であることを特徴とする。

上記保持器の表面層が前記樹脂組成物の被膜であり、上記炭素物質の配合割合は上記樹脂組成物全体に対して 10 体積％〜90 体積％であることを特徴とする。

上記保持器を組み込んだ転がり軸受の内輪、外輪、転動体から選ばれた少なくとも一つがセラミックスからなることを特徴とする。

上記保持器を組み込んだ転がり軸受の内輪の軌道面、外輪の軌道面、転動体の転動面から選ばれた少なくとも一つにセラミックコーティングが施されていることを特徴とする。

本発明の水中用転がり軸受は、少なくとも転動体と摺接する表面層が樹脂に炭素物質を配合した樹脂組成物から構成される保持器を用いるので、この保持器から固体潤滑効果を持つ炭素物質が軌道面と転動体表面に供給され、軌道面と転動体表面に転移膜が形成され、良好な潤滑状態となる。このため、水あるいは水を主成分とする液体が軌道面に存在する条件下の使用においても長寿命となる。

また、保持器以外の軌道輪や転動体には耐摩耗性に優れ、高強度の金属やセラミックスを任意に採用できるので、衝撃荷重や振動に強く、寸法安定性が維持され、高い回転精度を確保できる。

本発明に係る水中用転がり軸受の一例を図１に示す。図１は深溝玉軸受の断面図である。
図１に示すように、転がり軸受１は、外周面に内輪軌道面２ａを有する内輪２と内周面に外輪軌道面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。この複数個の転動体４は、保持器５に摺接しつつ保持される。また、シール部材６により軸方向両端開口部が密封されている。

水または水が主成分の液体の存在下で使用される転がり軸受１の耐食性を高めるためには、軌道輪（内輪２、外輪３）と転動体４はセラミックスで作製することが望ましい。また、セラミックス製部材は高価であるため、ステンレスや、軸受鋼にセラミックコーティングを施したものを採用すれば比較的安価に作製できる。セラミックコーティングとしては、ダイアモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと記す）、金属含有ＤＬＣ、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化クロム珪素（ＣｒＳｉＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタン珪素（ＴｉＳｉＮ）などの硬質膜あるいはこれらの積層膜が例として挙げられる。
転動面のような高面圧が負荷される面以外の表面の耐食性を高めるためには、ニッケルメッキや亜鉛メッキなどのメッキ、樹脂コーティングなどを採用してもよい。

保持器５は、少なくとも転動体４と摺接する表面層が樹脂に炭素物質を配合した樹脂組成物から構成される。具体的態様としては、保持器全体が炭素物質を配合した樹脂組成物の成形体である場合、または、保持器表面層が該樹脂組成物でコーティングされた被膜である場合が挙げられる。
保持器表面層が該樹脂組成物の被膜である場合は、保持器本体の材質としては、樹脂を含まない例えば銅合金、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム合金、チタン合金等の金属材料を用いることができる。また、耐熱性樹脂材料なども採用できる。

保持器全体を炭素物質を配合した樹脂組成物の成形体とする場合において、樹脂と炭素物質とを混練する手段は、特に限定するものではない。例えば、ヘンシェルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダーなどにて乾式混合し、さらに二軸押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレットを得ることができる。また、炭素物質の投入は、二軸押出し機などで溶融混練する際にサイドフィードを採用してもよい。成形方法としては、押出し成形、射出成形、加熱圧縮成形などを採用することができるが、製造効率に優れ、安価であることから射出成形が好ましい。

本発明の水中用転がり軸受の保持器に用いられる樹脂は特に限定されるものではない。射出成形可能な熱可塑性樹脂であれば、射出成形により保持器全体を炭素物質を配合した樹脂組成物の成形体とでき、安価に製作できるので好ましい。
熱可塑性樹脂としては、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリアミド６６（ＰＡ６６）樹脂、ポリアミド４６（ＰＡ４６）樹脂、ポリアミド６（ＰＡ６）樹脂、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）樹脂、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）樹脂、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）樹脂、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂などが挙げられる。

保持器に用いられる樹脂は、水または水が主成分の液体の存在下での摺動時においても耐水性に優れる、すなわち加水分解しにくい樹脂であることが好ましい。この耐水性に加えて、耐薬品性、成形性などのバランスにも優れることから、射出成形する場合には上記樹脂の中で、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＦＡ樹脂、ＦＥＰ樹脂、ＥＴＦＥ樹脂、ＰＶＤＦ樹脂、ＰＥ樹脂などが好ましい。

射出成形が困難な大型保持器の場合には、転動体と摺接する保持器ポケット面などに炭素物質を配合した樹脂組成物をコーティングすることで被膜を形成し固体潤滑効果を発揮できる。被膜形成用に使用される樹脂としては、ポリイミド（ＰＩ）系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
保持器は摺動発熱が大きい条件で使用されるため、熱硬化性樹脂が好ましく、特に耐摩耗性と長期耐熱性の利点からＰＩ系樹脂がより好ましい。

本発明に使用できるＰＩ系樹脂とは、分子内に少なくともイミド結合を有する樹脂であって、保持器基材との結着性に優れた樹脂であれば使用することができる。また、イミド結合またはアミド結合が芳香族基を介して結合している芳香族系ＰＩ樹脂または芳香族系ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂が特に好ましい。芳香族系樹脂であると、保持器基材との結着性に優れ、かつ得られる被膜層の耐熱性および耐水性に優れる。

本発明においてコーティング用の樹脂組成物を得る方法としては、（１）樹脂を樹脂溶媒に溶解してなる樹脂ワニスに、炭素物質を配合して、均一に撹拌する方法、（２）樹脂粉末、炭素物質を有機溶媒に配合して、均一に撹拌する方法などが挙げられる。
また、上記樹脂組成物を保持器表面に塗布する方法は、ディッピング法、ローラ塗布法、刷毛塗り法、スプレー塗布法、印刷塗布法など種々の方法を採用することができる。

本発明に用いられる炭素物質としては特に限定されるものではないが、炭素繊維、カーボン粉末、黒鉛、活性炭などが採用できる。炭素繊維であれば樹脂複合材の強度が向上するので、潤滑性と高強度の両立が必要な場合には特に好ましい。

本発明に使用できる炭素繊維は、原材料から分類されるピッチ系またはＰＡＮ系のいずれであってもよい。また、上記樹脂との混練性、分散性等を改良するために、エポキシ基等を含む処理剤で表面処理した炭素繊維を採用してもよい。炭素繊維が均一に分散していると、摺動面に効率よく炭素繊維が供給される。
炭素繊維の長さは、50〜500μm、より好ましくは 50〜200μmである。炭素繊維の長さが 500μm をこえると、炭素繊維が凝集しやすく分散性が悪くなり、摺動面での効率的な炭素繊維供給がされにくくなる。

ピッチ系炭素繊維の市販品としては、呉羽化学社製：クレカＭ−１０１Ｓ、同Ｍ−１０７Ｓ、同Ｍ−１０１Ｆ、同Ｍ−２０１Ｓ、同Ｍ−２０７Ｓ、同Ｍ−２００７Ｓ、同Ｃ−１０３Ｓ、同Ｃ−１０６Ｓ、同Ｃ−２０３Ｓなどを例示できる。
また、ＰＡＮ系炭素繊維の市販品としては、東邦テナックス社製：ベスファイトＨＴＡ−ＣＭＦ０１６０−ＯＨ、同ＨＴＡ−ＣＭＦ００４０−ＯＨ、同ＨＴＡ−Ｃ６、同ＨＴＡ−Ｃ６−Ｓなどを例示できる。

本発明に使用できるカーボン粉末としては、フェノール樹脂やフラン樹脂を炭化させたガラス状カーボン粉末などが挙げられる。市販品としては、カネボウ社製：ベルパールＣ−２０００、日本カーボン社製：ニカビーズなどを例示できる。これらは球状フェノール樹脂粒子を熱処理により炭化させたものである。

本発明に使用できる黒鉛は、天然品、人造品のいずれであってもよく、一般的に市販されている黒鉛を使用できる。市販品としては、ＬＯＮＺＡ社製：ＫＳ−６またはＫＳ−１０、日本黒鉛社製：ＡＣＰなどを例示できる。

本発明に使用できる活性炭としては、例えば、石炭、ヤシ殻、大鋸屑等の原料を 700〜800 ℃で炭化させ、さらに 900〜1100 ℃で水蒸気や二酸化炭素によるガス賦活や、薬品を加えて 400〜600 ℃で焼成する薬品賦活により製造される活性炭が挙げられる。また、減圧再生、加熱脱離再生、化学再生、溶媒再生、置換再生、酸化分解再生による再生活性炭を使用することもできる。

本発明に用いる炭素物質は平均粒径 1〜100μm であることが分散性を良好に保つ上で好ましい。炭素物質の形状、吸着度は特に限定されるものではない。

炭素物質の配合量としては、射出成形を行なう場合には樹脂組成物全体に対して 10〜50 体積％が好ましい。10 体積％を下回ると大きな効果が得られず、50 体積％をこえると溶融粘度が高くなり過ぎるため射出成形が困難となるからである。
樹脂コーティングを行なう場合には樹脂組成物全体に対して 10〜90 体積％が好ましい。コーティングは射出成形と違い成形時の溶融粘度の制限がないので、限界まで配合量を多くすることができるが、90 体積％をこえるとコーティング膜が剥がれ易くなるため好ましくない。
なお、炭素物質の固体潤滑効果を妨げないのであれば、炭素物質以外の強化材、固体潤滑材、顔料などの充填材を配合してもよい。

本発明を実施例および比較例により具体的に説明するが、これらの例によって何ら限定されるものではない。
実施例１〜実施例５および比較例２〜比較例５
ＳＵＳ４４０Ｃ製の軌道輪および転動体を有する軸受（６０８相当、シールなし）に表１に示す樹脂組成で射出成形した冠型樹脂製保持器を組込み軸受試験片を得た。得られた軸受試験片を以下に示す水中軸受試験に供し、軸受平均寿命を測定した。結果を表１に併記する。

＜水中軸受試験＞
水中軸受試験は図２に示す水中軸受試験機７の軸８に軸受試験片１２を取り付けた後、軸受試験片１２が水面１０よりも下になるようにイオン交換水１４中に水没させ、圧縮ばね１３により軸受試験片１２に最大接触面圧 1.7 GPa を負荷し、軸受試験片１２を 500 rpm で回転させたときの軸受試験片１２にかかるトルクを板ばね１１を介してトルク測定用ひずみゲージ９により検出する試験法であり、この試験法においてトルクが異常に上昇するまでの時間を軸受寿命とした。軸受試験片は試験条件ごとに 5 点用意し、それぞれ測定した寿命時間の平均値を軸受平均寿命とした。

実施例６
ＰＥＥＫ樹脂製保持器の全面にＰＡＩ樹脂／黒鉛＝８０／２０の体積比の樹脂組成を有する厚さ 30μm の被膜を形成したものを用いたこと以外は実施例１と同様の処理および測定を実施した。結果を表１に併記する。

実施例７
実施例１においてＳＵＳ４４０Ｃ製の転動体の代わりに窒化珪素製転動体を用いたこと以外は実施例１と同様の処理および測定を実施した。結果を表１に併記する。

実施例８
実施例１においてＳＵＳ４４０Ｃ製の転動体の代わりに窒化珪素製転動体を用い、かつ軌道面にＤＬＣのコーティング被膜を形成した内・外輪を用いたこと以外は実施例１と同様の処理および測定を実施した。結果を表１に併記する。

比較例１
ＳＵＳ製波型保持器を用いたこと以外は実施例１と同様の処理および測定を実施した。結果を表１に併記する。

表１に示すように、実施例１〜実施例８の保持器は比較例１〜比較例５に比べて優れた軸受寿命を示した。

本発明の水中用転がり軸受は、樹脂に少なくとも炭素物質を配合した樹脂組成物を含んでなる保持器を用いるので、この保持器から固体潤滑効果を持つ炭素物質が軌道面と転動体に供給され、軌道面と転動体に転移膜が形成され良好な潤滑状態となり長寿命となる。このため、食品機械用など、水あるいは水が主成分の液体が軌道面に存在する状態で使用される転がり軸受に好適に利用できる。

深溝玉軸受の断面図である。水中軸受試験機を示す略図である。

符号の説明

１転がり軸受
２内輪
２ａ内輪軌道面
３外輪
４転動体
３ａ外輪軌道面
５保持器
６シール部材
７水中軸受試験機
８軸
９ひずみゲージ
１０水面
１１板ばね
１２軸受試験片
１３圧縮ばね
１４イオン交換水

Claims

内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、該複数の転動体を摺接しつつ保持する保持器とを備えてなり、水または水が主成分の液体が軌道面に存在する状態で使用される水中用転がり軸受であって、
前記保持器は、少なくとも前記転動体と摺接する表面層が樹脂に炭素物質を配合した樹脂組成物から構成されることを特徴とする水中用転がり軸受。
前記炭素物質は、炭素繊維、カーボン粉末、活性炭および黒鉛から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の水中用転がり軸受。
前記保持器は、該保持器全体が前記樹脂組成物の成形体であり、前記炭素物質の配合割合は、前記樹脂組成物全体に対して 10〜50 体積％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の水中用転がり軸受。
前記保持器の表面層が前記樹脂組成物の被膜であり、前記炭素物質の配合割合は前記樹脂組成物全体に対して 10〜90 体積％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の水中用転がり軸受。
前記保持器を組み込んだ転がり軸受の内輪、外輪、転動体から選ばれた少なくとも一つがセラミックスからなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の水中用転がり軸受。
前記保持器を組み込んだ転がり軸受の内輪の軌道面、外輪の軌道面、転動体の転動面から選ばれた少なくとも一つにセラミックコーティングが施されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の水中用転がり軸受。