JP2009192070A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 水や水蒸気に曝される環境下において優れた耐久性を持ち、低コストで環境に優しい転がり軸受を提供する。
【解決手段】 内輪１、外輪２、転動体３および保持器４の母材の表面には、Ｆｅより卑な金属としてＺｎ層１ａ〜４ａをショットピーニングにてそれぞれ形成するとともに、Ｚｎ層１ａ〜４ａ上には、Ｆｅより貴な金属としてＳｎ層１ｂ〜４ｂをショットピーニングにてそれぞれ形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は転がり軸受に関し、特に、食品製造機械、製紙機械、洗浄設備などに使用される転がり軸受のように、水や水蒸気に曝される転がり軸受に適用して好適なものである。

水や水蒸気に曝される環境下で使用される軸受では、耐食性付与のため、ＳＵＳ４４０Ｃで代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼やＥＳ１にて内外輪および転動体を形成するとともに（特許文献１）、軌道面への水および蒸気等の侵入を防ぐために、軸受内部にグリースを封入後、完全密封型の軸受シールを装着する場合が多い。
あるいは、耐食性付与のため、内外輪および転動体の表面に無電解ニッケルメッキを施したり、亜鉛メッキ、亜鉛−鉄、亜鉛−錫合金メッキを施したり、さらに、これらのコーティング層の耐食性向上のため、後処理として、クロム酸浸漬処理（クロメート処理）を施した事例やＮｉ−Ｗメッキ被膜による高耐食化の事例も報告されている（特許文献２）。
特開平９−２８７０５８号公報 特開平１１−１２５２４８号公報

しかしながら、従来の耐食性付与のための手段には以下に示すような問題点があった。
（１）軸受シールを装着した場合でも、水分等の侵入を完全に防止することは不可能であり、軸受内に侵入した水分等によって軌道面等に腐食が生じる場合がある。また、軸受内部からのグリースの流出によって、潤滑機能に低下をきたす場合がある。
（２）ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼に比べて耐食性がやや劣り、上述した環境下では、発錆による耐久性低下が見られる場合がある。また、マルテンサイト系ステンレス鋼材は、軸受鋼ＳＵＪ２材に比べて高価である。

（３）無電解ニッケルメッキで充分な耐食性を得ようとすると、厚さ２０μｍ以上のメッキ層が必要であり、その場合、軸受の寸法精度を確保するために、メッキ処理後に後加工を行う必要がある。逆に、寸法精度確保のために、メッキ層の厚さを２〜３μｍ程度に抑えると、メッキ層のピンホール等、母材表面を完全に被覆しない部分が生じる。この場合、軸受内に水分等が侵入すると、母材金属（鉄系）と被覆金属（ニッケル）との間にガルバニック腐食（水分の付着により局部電池が形成され、電流が流れて腐食が起こる現象）が発生し、母材の腐食を却って促進させる結果となる。

また、Ｎｉ−Ｗメッキ被膜は高耐食性を有するが、処理コストが高くなる。一般に、メッキによる耐食性付与は従来から多用されているが、メッキ層の密着性を確保するためにアルカリや酸による洗浄が不可欠であり、廃液処理などの問題がある。
（４）クロム酸処理を施すことによって亜鉛系メッキ層の耐食性をかなり向上させることができるが、クロム酸処理層（クロメート被膜）は六価クロムなどの環境問題を引き起こし、世の中の風潮として敬遠される傾向にある。
そこで、本発明の目的は、腐食性環境下、特に水や水蒸気に曝される環境下において優れた耐久性を持ち、低コストで環境に優しい転がり軸受を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の転がり軸受によれば、転がり軸受を構成する鋼製の母材からなる部品のうち少なくとも一つの部品の表面に鉄より卑な金属被膜がショットピーニングして形成されていることを特徴とする。
これにより、ショットピーニングという簡易な方法にて耐食性被膜を軸受鋼の表面に形成することが可能となるとともに、母材内部に被膜を拡散させることができ、被膜を軸受鋼の表面に強固に付着させることができる。このため、高価なステンレス鋼を母材として使用したり、無電界ニッケルメッキを軸受鋼の表面に施したりする必要がなくなり、コストアップを抑制しつつ、防錆性および耐食性を転がり軸受に持たせることが可能となるとともに、アルカリや酸の廃液処理などが不要となることから、環境汚染を低減することができる。

また、請求項２記載の転がり軸受によれば、転がり軸受を構成する鋼製の母材からなる部品のうち少なくとも一つの部品の表面に鉄より卑な金属と貴な金属との合金または混合粉末をショットピーニングして形成された被膜を備えることを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、水や水蒸気に曝される環境下においても、錆から母材を有効に保護することが可能となる。

また、請求項３記載の転がり軸受によれば、転がり軸受を構成する鋼製の母材からなる部品のうち少なくとも一つの部品の表面にショットピーニングして形成された鉄より卑な金属からなる第一層目被膜と、前記第一層目被膜上にショットピーニングして形成された鉄より貴な金属からなる第二層目被膜とを備えることを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、第二層目被膜が損傷した場合においても、第一層目被膜を母材よりも優先的に酸化させて、母材に錆が発生するのを防止することが可能となり、錆から母材を有効に保護することが可能となる。

また、鉄より卑な金属を第一層目とし、鉄より貴な金属を第二層目とすることにより、鉄より卑な金属が腐食性環境下に曝される部分を第二層目被膜の損傷部分に限定することができ、第二層目被膜が損傷した場合においても、犠牲防食による第一層目被膜の酸化の進行を遅らせることが可能となることから、第一層目被膜が消失するのを遅らせることができ、転がり軸受の耐久性を向上させることができる。

また、請求項４記載の転がり軸受によれば、前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、転がり軸受の耐久性を向上させることができる。

また、請求項５記載の転がり軸受によれば、前記被膜全体の厚さが０．１以上８μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、防錆効果が飽和しない範囲内で十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となり、コスト増を抑制しつつ、転がり軸受の耐久性を向上させることができる。
また、請求項６記載の転がり軸受によれば、前記被膜全体の厚さが０．５以上６μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、被膜の剥離を抑制しつつ、十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となる。

また、請求項７記載の転がり軸受によれば、前記被膜全体の厚さが０．５以上５μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となるとともに、被膜処理後に隙間を調整するために後加工する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
また、請求項８記載の転がり軸受によれば、前記母材のディンプルの深さが０．１以上５μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、母材に形成された被膜の密着性を向上させることができ、転がり軸受の耐久性を向上させることができる。

また、請求項９記載の転がり軸受によれば、前記母材に形成された被膜の最表面の粗さが０．０１以上０．５μｍＲ以下であることを特徴とする。
これにより、母材に形成された被膜の密着性を向上させることができ、転がり軸受の耐久性を向上させることができる。
また、請求項１０記載の転がり軸受によれば、前記転がり軸受の内部にはグリースが注入されていることを特徴とする。
これにより、水や水蒸気に曝される環境下においても、転がり軸受の耐久性を確保しつつ、レース面の潤滑性の低下を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、転がり軸受が水や水蒸気に曝される環境下において使用される場合においても、優れた耐久性を確保することが可能となるとともに、低コストで環境に優しい転がり軸受を製造することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る転がり軸受について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の概略構成について深溝玉軸受を例にとって示す断面図である。
図１において、深溝玉軸受には、内輪１と外輪２とが対向して設けられ、内輪１と外輪２との間には、複数の転動体（ボール）３が転動自在に配置されるとともに、転動体３を保持する保持器４が設置されている。また、外輪２の両端部には、ゴムシールなどのシール材５が装着されるとともに、軸受内部には潤滑グリース６が封入されている。なお、内輪１、外輪２および転動体３の母材の材質としては、例えば、ＳＵＪ２材、保持器４の母材の材質としては、例えば、冷間圧延鋼板を用いることができる。

そして、内輪１、外輪２、転動体３および保持器４の母材の表面には、Ｆｅより卑な金属としてＺｎ層１ａ〜４ａがショットピーニングにてそれぞれ形成されるとともに、Ｚｎ層１ａ〜４ａ上には、Ｆｅより貴な金属としてＳｎ層１ｂ〜４ｂがショットピーニングにてそれぞれ形成されている。
これにより、ショットピーニングという簡易な方法を用いることで、Ｆｅよりも錆びにくいＳｎ層１ｂ〜４ｂで母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、Ｓｎ層１ｂ〜４ｂが損傷した場合においても、Ｚｎ層１ａ〜４ａを母材よりも優先的に酸化させて、母材に錆が発生するのを防止することが可能となり、錆から母材を有効に保護することが可能となる。

このため、高価なステンレス鋼を母材として使用したり、無電界ニッケルメッキを軸受鋼の表面に施したりする必要がなくなり、コストアップを抑制しつつ、防錆性および耐食性を転がり軸受に持たせることが可能となるとともに、アルカリや酸の廃液処理などが不要となることから、環境汚染を低減することができる。
また、Ｚｎ層１ａ〜４ａ上にＳｎ層１ｂ〜４ｂを形成することにより、Ｚｎ層１ａ〜４ａが腐食性環境下に曝される部分をＳｎ層１ｂ〜４ｂの損傷部分に限定することができ、Ｓｎ層１ｂ〜４ｂが損傷した場合においても、犠牲防食によるＺｎ層１ａ〜４ａの酸化の進行を遅らせることが可能となることから、Ｚｎ層１ａ〜４ａが消失するのを遅らせることができ、転がり軸受の耐久性を向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、内輪１、外輪２、転動体３および保持器４の母材の表面全体にＺｎ層１ａ〜４ａおよびＳｎ層１ｂ〜４ｂを形成する方法について説明したが、内輪１、外輪２、転動体３および保持器４のいずれか少なくとも１つの部品にＺｎ層１ａ〜４ａおよびＳｎ層１ｂ〜４ｂを形成するようにしてもよい。
また、内輪１、外輪２、転動体３および保持器４の母材の表面に形成する被膜としては、Ｆｅより卑な金属としてＺｎ層１ａ〜４ａの代わりにＡｌ、Ｂｉを用いるようにしてもよく、Ｆｅより貴な金属としてＳｎ層１ｂ〜４ｂの代わりにＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉを用いるようにしてもよい。

また、各Ｚｎ層１ａ〜４ａの膜厚と各Ｓｎ層１ｂ〜４ｂの膜厚とを合計した被膜全体の膜厚Ｓは、好ましくは０．１以上８μｍ以下であるのがよく、さらに好ましくは０．５以上６μｍ以下であるのがよく、最も好ましくは０．５以上５μｍ以下であるのがよい。また、被膜の最表面の粗さは０．０１以上０．５μｍＲ以下であるのが好ましい。
また、内輪１、外輪２、転動体３および保持器４の母材の表面には、被膜を形成する前の前処理としてディンプルを形成するようにしてもよい。ここで、母材のディンプルの深さは０．１以上５μｍ以下であることが好ましい。

被膜形成の具体的な方法として、ショットブラスト装置を用い、投射材としてＪＩＳＲ６００１による平均粒径４５μｍのＺｎ粉末もしくはＳｎ粉末を噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ^２、噴射時間１０〜２０ｍｉｎの条件で母材の表面に投射した。
なお、実施例としては、Ｚｎ粉末やＳｎ粉末をそれぞれ単独でショットピーニングして被膜を形成したもの、Ｓｎ粉末をショットピーニングしてからＺｎ粉末をショットピーニングして被膜を形成したもの、Ｚｎ粉末をショットピーニングしてからＳｎ粉末をショットピーニングして被膜を形成したもの、Ｚｎ粉末とＳｎ粉末とを同量混合した混合粉をショットピーニングして被膜を形成したものを用意した。

そして、Ｚｎ粉末とＳｎ粉末とを複合的にショットピーニングして得られた被膜の性状については、電子顕微鏡にて被膜の断面を観察することにより、ＺｎとＳｎとの合金層が主として部分的にＺｎリッチな層やＳｎリッチな層からなることを確認した。
なお、被膜を形成する方法としては、ショットピーニングに限ることなく、金属粉末とワークとメディアを所定量だけ入れた密閉容器をボールミルにて回転させることで被膜を形成する方法でもよい。

また、被膜の厚さを測定する方法としては、例えば、マイクロメータにて処理前後の径を測定する方法、あるいは断面を電子顕微鏡で測定する方法を用いることができる。
また、被膜の厚さを測定する方法として、以下の方法を用いるようにしてもよい。まず、被膜の保護を目的として、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する。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する。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する。そして、電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、切断面を５０００倍の倍率で３０視野観察する。

また、電子顕微鏡による観察では、反射電子線像で膜厚が明瞭に観察できるようにするために、各視野において、横方向に被覆面が横断されるように観察し、縦方向に６分割し、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する。そして、３０視野の被膜の厚さの平均値を求めることができる。
続いて、慣らし運転を行った転がり軸受を用いて、温度７０℃、湿度９０％の湿潤環境下において耐食性を評価した。

ここで、実施例として、ＺｎとＣｒを軸受鋼の表面に複合的にショットピーニングしたもの（実施例１）、ＺｎとＳｎを軸受鋼の表面に複合的にショットピーニングしたもの（実施例２）、ＺｎとＴｉを軸受鋼の表面に複合的にショットピーニングしたもの（実施例３）を用意した。また、比較例として、Ｓｎ単体のショットピーニング処理を軸受鋼の表面に施したもの（比較例１）、Ｚｎ単体のショットピーニング処理を軸受鋼の表面に施したもの（比較例２）、膜厚５μｍの無電界ニッケルメッキを軸受鋼の表面に施したもの（比較例３）、膜厚２０μｍの無電界ニッケルメッキを軸受鋼の表面に施したもの（比較例４）を用意した。
そして、各サンプルについての表面に点錆が生じるまでの時間を、膜厚５μｍの無電界ニッケルメッキを軸受鋼の表面に施したものに錆が発生するまでの時間を１とした場合の時間比で評価した。

図２は、本発明の一実施例に係る転がり軸受の錆試験結果を比較例とともに示すグラフである。
図２において、膜厚５μｍの無電界ニッケルメッキでは、短時間で部分的に素地からの赤錆が見られたのに対し、Ｚｎ単体のショットピーニング処理でも防錆性の改善効果が見られた。さらに、ＺｎとＳｎを複合的にショットピーニング処理することにより、より一層の防錆性の改善効果が見られた。また、Ｆｅより貴な金属としてＳｎの代わりにＣｒ、Ｔｉを用いた場合には、さらなる防錆性の改善効果が見られた。

なお、上述した実施形態では、転動装置の例として深溝玉軸受を例にとって説明したが、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、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などに適用してもよい。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、例えば、ボールベアリング、ローラベアリング、ボールねじ装置、リニアガイド装置、ボールスプライン、リニアボールベアリングなどに適用してもよい。

本発明の一実施形態に係る転がり軸受の概略構成について深溝玉軸受を例にとって示す断面図である。 本発明の一実施例に係る転がり軸受の錆試験結果を比較例とともに示すグラフである。

符号の説明

１ 内輪
１ａ〜４ａ Ｚｎ層
１ｂ〜４ｂ Ｓｎ層
２ 外輪
３ 転動体
４ 保持器
５ シール材
６ 潤滑グリース

Claims (10)

1. 転がり軸受を構成する鋼製の母材からなる部品のうち少なくとも一つの部品の表面に鉄より卑な金属被膜がショットピーニングして形成されていることを特徴とする転がり軸受。
2. 転がり軸受を構成する鋼製の母材からなる部品のうち少なくとも一つの部品の表面に鉄より卑な金属と貴な金属との合金または混合粉末をショットピーニングして形成された被膜を備えることを特徴とする転がり軸受。
3. 転がり軸受を構成する鋼製の母材からなる部品のうち少なくとも一つの部品の表面にショットピーニングして形成された鉄より卑な金属からなる第一層目被膜と、
   前記第一層目被膜上にショットピーニングして形成された鉄より貴な金属からなる第二層目被膜とを備えることを特徴とする転がり軸受。
4. 前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２または３記載の転がり軸受。
5. 前記被膜全体の厚さが０．１以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の転がり軸受。
6. 前記被膜全体の厚さが０．５以上６μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の転がり軸受。
7. 前記被膜全体の厚さが０．５以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の転がり軸受。
8. 前記母材のディンプルの深さが０．１以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の転がり軸受。
9. 前記母材に形成された被膜の最表面の粗さが０．０１以上０．５μｍＲ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の転がり軸受。
10. 前記転がり軸受の内部にはグリースが注入されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の転がり軸受。

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