JP2010180971A

JP2010180971A - 転がり軸受及びその製造方法

Info

Publication number: JP2010180971A
Application number: JP2009025869A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Maruyama; 泰右丸山; Dada Sho; 娜娜蒋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】潤滑油による潤滑により低トルク化した転がり軸受において、シールのリップ部や、リップ部と対向する内輪の外周面または外輪の内周面に、より緻密で、形状や大きさも揃った微小凹凸を形成して撥油効果の更なる改善を図る。
【解決手段】潤滑油による潤滑により低トルク化した転がり軸受において、シールのリップ部と、前記リップ部と対向する内輪の外周面または外輪の内周面の少なくとも一方がスパッタエッチングによる粗面化が施され、粗面化された面に撥油膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、潤滑油を用いて潤滑を行なう転がり軸受に関する。

従来から、グリースの代わりに潤滑油を封入、もしくは転動体や軌道面に塗布（オイルコーティグ）して低トルク化を図った転がり軸受が使用されている。しかし、潤滑油はグリースに比べて外部に漏洩しやすいため、本出願人は先に、シールのリップ部や、内輪軌道面または外輪軌道面のリップ部と対向する箇所に撥油膜を形成することを提案している（特許文献１参照）。また、撥油膜が形成される面を粗面化して撥油効果をより長期にわたり維持することも提案している（特許文献２参照）。

特開２００６−２２６４５９号公報特開２００８−１１１４６１号公報

濡れ性を評価する代表的な指標として液滴の接触角が知られているが、この接触角は後述するように液滴と接触する面の表面積が大きいほど大きく、濡れ性が良好になる。特許文献２では粗面化して表面積を増やして撥油効果を高めているが、粗面化はショットピーニングで行なわれており、その表面粗さは算術平均粗さＲａで０．０５〜２μｍ程度で、表面積の増加による撥油効果が十分とはいえない状況になりつつある。

そこで本発明は、潤滑油による潤滑により低トルク化した転がり軸受において、シールのリップ部や、リップ部と対向する内輪の外周面または外輪の内周面に、より緻密で、形状や大きさも揃った微小凹凸を形成して表面積をより大きくし、撥油効果の更なる改善を図ることを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、下記の転がり軸受及びその製造方法を提供する。
（１）外周面に内輪軌道をもつ内輪と、内周面に外輪軌道をもつ外輪と、これら内輪軌道及び外輪軌道の間に転動自在に配置された転動体と、基端部が前記転動体に対して軸方向両側に装着され、リップ部が前記内輪の外周面または前記外輪の内周面の何れか一方と互いに非接触に近接対向するシールとを具備するとともに、潤滑油が封入された、または前記転動体、前記内輪軌道及び前記外輪軌道の少なくとも１つに塗布された転がり軸受であって、
前記シールのリップ部と、前記リップ部と対向する前記内輪の外周面または前記外輪の内周面の少なくとも一方がスパッタエッチングによる粗面化が施され、粗面化された面に撥油膜が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
（２）リップ部対応箇所にスパッタエッチングにより微小凹凸を形成したシール成形用金型を用いてシールを成形し、リップ部に前記微小凹凸を転写する工程と、前記リップ部と対向する内輪の外周面または外輪の内周面をスパッタエッチングにより粗面化する工程の少なくとも一方と、
粗面化した箇所に撥油膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする転がり軸受の製造方法。
（３）撥油膜を形成する工程において、フッ素系樹脂をフッ素系溶剤に溶解してなる塗液を塗布し、乾燥することを特徴とする上記（２）記載の転がり軸受の製造方法。

本発明では、撥油膜が形成される面がスパッタエッチングにより粗面化されており、従来のショットピーニングにより粗面化した場合よりも緻密で、形状や大きさの揃った微小凹凸が形成されている。そのため、潤滑油と接触する面の表面積がショットピーニングにより粗面化した場合に比べて大きく、潤滑油の接触角をより大きくすることができ、更には撥油剤がより多くの凹部に保持されるため、撥油効果がより大きくなり、より長期にわたる潤滑が可能になる。また、撥油膜は外部からの水分の浸入も防ぐため、軸受の錆び防止効果も長期にわたり維持できる。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態を示す断面図である。濡れ性を説明するための模式図である。実施例１で作製したシールの表面を撮影した電子顕微鏡写真である。比較例１で用いたシールの表面を撮影した電子顕微鏡写真である。比較例２で作製したシールの表面を撮影した電子顕微鏡写真である。

以下、本発明に関して、図１に示すような玉軸受を例示して説明する。図示される玉軸受１０は、外周面１２に内輪軌道１３をもつ内輪１１と、内周面１５に外輪軌道１６をもつ外輪１４と、これら内輪軌道１３及び外輪軌道１６の間に転動自在に配置された複数の玉１７と、玉１７に対して軸方向両側において、基端部が外輪１４の内周面に嵌着され、リップ部が内輪１１の外周面１２の近傍まで延出した一対の環状のシール１８，１８とから構成されている。また、玉軸受１０は保持器１９を有し、この保持器１９は、円周方向に等間隔に形成されたポケット２０内に玉１７を転動自在に保持している。尚、この保持器１９は波型プレス保持器である。

内輪１１は、外周面１２の軸方向中央部に深溝型の内輪軌道１３が形成されており、この内輪軌道１３の表面にオイルプレーティングを施してなるオイルプレーティング層２１が形成されている。

外輪１４は、内周面１５の軸方向中央部に深溝型の外輪軌道１６が形成されており、この外輪軌道１６の表面にオイルプレーティングを施してなるオイルプレーティング層２３が形成されている。また、外輪１４は、内周面１５の軸方向両端部寄りに、シール１８，１８を取り付けるための係止溝であるシール固定部２４，２４を有する。

玉１７は、表面にオイルプレーティングを施してなるオイルプレーティング層２５が形成されている。玉１７の素材には制限はないが、Ｓｉを０．５質量％以上２．０質量％以下含有する鋼を用い、表面窒素濃度が０．２〜２．０質量％となるように浸炭窒化処理が施された後に、さらに高温焼戻しが施されているものが好ましい。表面窒素濃度が０．２〜２．０質量％であることにより、内輪１１の内輪軌道１３と外輪１４の外輪軌道１６との摩擦を低減させて相手部材表面の損傷が軽減され、その結果、軸受寿命を延長することができる。尚、高温焼戻しは、２００〜３００℃で行われる。また、玉１７は、表面部の残留オーステナイト量が２０体積％以下であることが好ましい。更に、玉１７は、表面粗さが、内輪１１の内輪軌道１３と外輪１４の外輪軌道１６との表面粗さよりも小さいことが好ましい。

玉１７に浸炭窒化処理を施すことにより、玉１７と各軌道１３，１６との間での摩擦を低コストで低減することができる。玉１７に加えて各軌道１３，１６に高温浸炭窒化処理してもよいが、コスト高になるため好ましくない。内輪１１及び外輪１４には、それらの負荷圏で繰り返しせん断応力が負荷されるために、異物混入下やすべりが起こり易い環境で使用する場合には所定の残留オーステナイト量が必要になる。但し、高速で使用されることにより焼付きが起こり易い場合等では、残留オーステナイト量が少ない方が耐焼付き性は良好になる。以上のことから、玉１７に浸炭窒化処理を施し、残留オーステナイト寮を規定量とすることが効果的である。勿論、内輪１１及び外輪１４を玉１７と同様にしても良いことは言うまでもない。

シール１８は、内外輪１１，１４の間に玉１７が装着された後に、その外周縁部が外輪１４のシール固定部２４に装着固定されることにより、リップ部が内輪１１の外周面１２に近接される非接触タイプである。従って、内輪１１に接触する接触タイプと比べてシールトルクが排除されるので、軸受全体のトルクを低減することができる。

また、オイルプレーティング層２１，２３，２５は、例えば鉱油や炭化水素系潤滑剤、脂肪酸エステル系潤滑剤、フッ素系潤滑剤、シリコーン系潤滑剤等、更に各種添加剤を適当な溶剤（例えば、石油ベンジン、白灯油）に溶解させた液中に、内輪１１、外輪１４、玉１７を浸漬して溶剤を蒸発させたり、前記液を内輪軌道１３、外輪軌道１６及び玉１７に直接噴霧させたりするなどして実施されるものである。オイルプレーティングにおける潤滑油の付着量は特に制限されることはなく、軸受に潤滑性を付与できる程度であればよい。尚、オイルプレーティングは、上記のように内輪軌道１３、外輪軌道１６及び玉１７の全てに施すことが望ましいが、何れか１つに施してもよい。

本発明では更に、シール１８のリップ部、並びに内輪１１の内周面１２のリップ部と対向する部分にスパッタエッチングによる粗面化を行って微小凹凸を形成し、更にこの微小凹凸が形成された部分に撥油膜２２，２６を形成する。尚、図示のようにリップ部と内周面１２の両方を粗面化し、撥油膜を形成することが望ましいが、何れか一方でもよい。

シール１８のリップ部に微小凹凸を形成するには、リップ部対応箇所をスパッタエッチングしたシール成形用金型を用いて通常の成形を行うことにより、金型のスパッタエッチングによる微小凹凸がリップ部に転写される。

スパッタエッチングを行うには、先ず、シール成形用金型または内輪１１を固溶化熱処理する。固溶化熱処理を行うことにより、析出成分を素地中に細かく分散させる。シール成形用金型または内輪１１を一度高温に保持して全ての構成元素を均一に分散させ、急冷した後にある温度に加熱すると、一部の元素が集まって金属間化合物等の元の結晶構造と異なる結晶構造を生成する。

次いで、シール成形用金型または内輪１１の表面を研磨、脱脂洗浄する。表面には一般的に酸化物、錆または凹凸が存在するため、これを除去する目的で研磨を行う。表面に酸化物、錆または凹凸が存在すると、スパッタエッチングの量が不均一となりやすいが、表面を研磨することで金属材料表面へのスパッタエッチング量を均一にすることができる。また表面に油分が存在すると、スパッタエッチングより油分が飛散して汚染する場合がある。

尚、研磨は、金属表面の研磨に通常使用される研磨方法を用いて行えばよく、具体的には布等からなる柔らかいバフに、酸化クロム、アルミナ等の砥粒を付着させて研磨するバフ研磨、サンドペーパによる研磨等がある。脱脂洗浄は表面に付着した油分を除去するもので、洗浄剤には油分を溶解するアセトン、テトラヒドロフラン等の有機溶剤を用いる。

次いで、研磨後のシール成形用金型または内輪１１をスパッタ装置に設置する。尚、スパッタエッチングを行うにあたり、スパッタ装置に設置されたシール成形用金型または内輪１１の底面を強制冷却する。この冷却は、シール成形用金型または内輪１１を載置したホルダーを、水冷試験台に密接させることで行うことができる。そして、シール成形用金型または内輪１１の表面をスパッタエッチングする。このスパッタエッチングに際して、シール成形用金型または内輪１１の表面近傍の温度が、析出成分を含む化合物の析出温度域となるようにエッチングするとともに、スパッタエッチング速度が析出成分を含む化合物の深さ方法の成長速度を超えない範囲で行う必要がある。これにより、シール成形用金型または内輪１１の表面に析出成分を含む化合物の微小突起物を形成することができる。尚、スパッタに用いる気体としてはアルゴンガスが一般的である。

得られる微小突起物は、金属の種類によらず、突起の先端が細く素地に向かって太い円錐状の形状を有する。微小突起物の大きさに分布はあるものの、形状はどの突起物もほぼ円錐状である。また、微小突起物の大きさ及び分布密度は、シール成形用金型または内輪１９の材質、スパッタエッチングの操作条件により制御することが可能である。スパッタエッチングの操作条件にはスパッタエッチングのエッチング時間、エッチングの出力、スパッタエッチング時の金属材料の冷却速度等がある。本発明では、微小突起物の高さは０．１〜５μｍ、根元の直径は０．１〜１μｍであることが好ましく、操作条件を適宜設定する。

尚、スパッタエッチングについて、例えば特開２００６−６３３９０号公報を参照することができる。

上記のようにスパッタエッチングざれた部分には、撥油膜２２，２６が形成されるが、この撥油膜はフッ素系界面活性剤、フッ素系シランカップリング剤、フッ素系樹脂等をフッ素系溶剤で希釈して塗布し、乾燥させたものである。中でも、撥油効果や膜質等の点でフッ素系樹脂からなる被膜が好ましい。

図２は濡れ性を説明するための模式図であるが、固体表面上に液体が滴下されると、γ_Ｓを固体の表面張力、γ_Ｌを液体の表面張力、γ_ＳＬを固体／液体の界面張力、θを接触角（deg）とすると、水平方向の表面強力の釣り合いより、Ｙｏｕｎｇの式
γ_Ｓ＝γ_ＳＬ＋γ_Ｌｃｏｓθ
から、
ｃｏｓθ＝（γ_Ｓ−γ_ＳＬ）／γ_Ｌ
となる。ここで、固体の表面積がＮ倍に増えると、その時の接触角θ_ｆは、γ_ＳがＮ・γ_Ｓ、γ_ＳＬがＮ・γ_ＳＬとなることから、
ｃｏｓθ_ｆ＝Ｎ（γ_Ｓ−γ_ＳＬ）／γ_Ｌ＝Ｎｃｏｓθ （但し、Ｎ＞１）
となる。従って、固体の表面積が増すと、濡れる表面（ｃｏｓθ＞０、θ＜９０°）の場合には更に濡れ易くなり、撥く表面（ｃｏｓθ＜０、θ＞９０°）の場合には更に撥きやすくなる。本発明によれば、上記スパッタエッチングにより、ショットピーニングによる粗面化よりもリップ部や内輪１１の内周面１２の表面積を大きくすることができ、撥油膜による撥油作用をより向上させることができる。

以上、本発明に関して実施形態を挙げて説明したが、本発明は種々の変更が可能である。例えば、シール１８としては、非接触タイプのものであれば良く、ゴム製、金属製、プラスチック製等、材質に制約なく使用することができる。また、芯金の回りに樹脂を成形したシールでも良い。

また、シール１８を内輪１１に固定することもできる。その場合は、外輪１４の内周面１５にスパッタエッチングを施し、撥油膜を形成する。

更に、転がり軸受としては、図示したものに限らず、保持器の無いタイプや、ころ軸受等、様々な軸受に本発明を適用しても良い。また、転がり軸受の用途としては、低トルクが要求されるものであれば制限はないが、工作機械、自動車等のトランスミッション、ターボチャージャ、風力発電機等の回転部に好適である。

以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
日本精工（株）製ミニチュア玉軸受（呼び番号：ＳＲ１８１０）のシールとして、リップ部対応箇所にスパッタエッチング（スパッタ電力：０．６ｋＷ、処理時間：１時間）により粗面化したシール成形用金型を用いて通常の射出成形を行い、リップ部に微小凹凸が形成されたシールを作製した。また、内輪の外周面のシールと対向する部分を、同様のスパッタエッチングにより粗面化した。そして、シールのリップ部及び内輪の外周面の粗面化した部分に、撥油剤（ＮＯＫ製「ＮｏｘＧｕａｒｄ（フッ素系溶剤に下記パーフルオロアルキルエチルアクリレート共重合体を０．１質量％配合）」を塗布し、乾燥して撥油膜を形成した。また、作製したシールの表面を透過型電子顕微鏡にて観察し、写真を撮影した。図３に写真を示すが、円錐状で大きさがほぼ揃った突起が緻密に形成されている。

そして、上記で作製したシール及び内輪を用いて軸受を組み立て、更にシリンジを用いて玉の表面にポリα−オレフィン油（動粘度：４８ｍｍ^２／ｓ＠４０℃）を１２．７ｍｇ（軸受内部空間の１５容量％に相当）塗布した後に外輪を数回回転させて、図１に示すような撥油膜及びオイルプレーティング層を有する試験軸受を作製した。

（比較例１）
シールのリップ部及び内輪の内周面を粗面化することなく、撥油剤を塗布したこと以外は実施例１と同様にして、試験軸受を作製した。また、シールの表面を透過型電子顕微鏡にて観察し、写真を撮影した。図４に写真を示す。

（比較例２）
スパッタエッチングによる粗面化の代わりに、ショットピーニング（ショット圧：５ｋＰａ、処理時間：５分間、ショット材：平均粒径４．５μｍのＳＩＣ粒子）による粗面化を行なったこと以外は実施例１と同様にして、試験軸受を作製した。また、作製したシールの表面を透過型電子顕微鏡にて観察し、写真を撮影した。図５に写真を示す。

（潤滑油漏洩試験）
上記の各試験軸受を、その軸芯が鉛直になるように金属板上に配置して３０００ｍｉｎ^−１にて内輪を回転させ、１ヶ月放置後に重量を測定して回転前の重量からの減量を求めた。減量分が潤滑油の漏洩量である。結果を表１に示す。

（濡れ性評価）
ＡＦＭを用いてシールのリップ部の表面積率Ｓｒ（表面積／測定面積）を求めた。また、リップ部にオイルプレーティングに用いたポリα−オレフィン油を３μＬ滴下し、そのときの接触角θを測定した。結果を表１に示す。

表１から、本発明に従いスパッタエッチングによる粗面化を施すことにより、ショットピーニングによる粗面化を施した場合に比べて表面積率Ｓｒ及び接触角θともより大きくすることができ、結果として撥油効果が大きく、潤滑油の漏洩を長期にわたり防止することができることがわかる。

１０転がり軸受
１１内輪
１２外周面
１３内輪軌道
１４外輪
１５内周面
１６外輪軌道
１７玉
１８シール
２１，２３，２５オイルプレーティング層
２２，２６撥油膜

Claims

外周面に内輪軌道をもつ内輪と、内周面に外輪軌道をもつ外輪と、これら内輪軌道及び外輪軌道の間に転動自在に配置された転動体と、基端部が前記転動体に対して軸方向両側に装着され、リップ部が前記内輪の外周面または前記外輪の内周面の何れか一方と互いに非接触に近接対向するシールとを具備するとともに、潤滑油が封入された、または前記転動体、前記内輪軌道及び前記外輪軌道の少なくとも１つに塗布された転がり軸受であって、
前記シールのリップ部と、前記リップ部と対向する前記内輪の外周面または前記外輪の内周面の少なくとも一方がスパッタエッチングによる粗面化が施され、粗面化された面に撥油膜が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
リップ部対応箇所にスパッタエッチングにより微小凹凸を形成したシール成形用金型を用いてシールを成形し、リップ部に前記微小凹凸を転写する工程と、前記リップ部と対向する内輪の外周面または外輪の内周面をスパッタエッチングにより粗面化する工程の少なくとも一方と、
粗面化した箇所に撥油膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする転がり軸受の製造方法。
撥油膜を形成する工程において、フッ素系樹脂をフッ素系溶剤に溶解してなる塗液を塗布し、乾燥することを特徴とする請求項２記載の転がり軸受の製造方法。