JP2014092259A - 転がり支持装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電食防止効果に優れるとともに、低温劣化の現象が起こらない転がり軸受を提供する。
【解決手段】ジルコニア（ＺｒＯ_２）をセリア（ＣｅＯ）で安定化したセリア系ジルコニア成分と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）成分との複合酸化物系セラミックスからなる転動体を備える転がり支持装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばエアコンや電車、風車等で使用され、インバータ制御されるモータ用、高速性や耐焼付き性が要求される工作機械用の軸受として好適な転がり支持装置に関する。

例えば、エアコンのファンモータでは、省エネ化のためにインバータ制御されていることが多い。しかし、インバータ回路から高周波の電流が発生してモータ内の軸受の内外輪や転動体にも流れ込むことがあり、それにより転動面（レース面）に電食が発生することがある。

電食を防止するために様々な提案がなされており、セラミックス製の転動体を用いた転がり軸受を用いることも行われている。しかし、セラミックスとして一般的な窒化珪素製転動体を用いた転がり軸受では、音響特性及びトルク性能に改善の余地がある。即ち、窒化珪素製転動体の表面は元々油の濡れ性が悪いために、転がり軸受のトルクを低くするために低粘度の潤滑剤を用いると、転動体の表面に形成される油膜が薄すぎて油膜切れを生じやすくなる。

また、セラミックスとしてジルコニアも使用されている。ジルコニアは線膨張係数が軸受を構成する鋼に近く、転がり軸受に予圧抜けが生じにくい利点がある。また、ジルコニアに、安定化剤としてイットリアを添加して安定化させたイットリア系ジルコニアを用いることも行われている。更には、ジルコニアやイットリア系ジルコニアの高強度、高靭性を活かし、安価にするためアルミナを添加し、イットリア系ジルコニア−アルミナ複合酸化物を使用することも行われている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００２−１０６５７０号公報 特開２００２−７０８７１号公報 特開平１１−２２３２２０号公報

しかしながら、イットリア系ジルコニアは、２００〜３００℃程度の比較的低温度域で約４．６％の体積膨張を伴って、準安定正方晶ジルコニアから単斜晶ジルコニアへの相転位が進行し、この体積膨張によって導入されたマイクロクラックにより、機械的特性が低下するおそれがある。そのため、イットリア系ジルコニア−アルミナ複合酸化物からなる転動体を備える転がり軸受では、運転時に高い応力が転動体に負荷され、転位温度が２００〜３００℃から始まることがあり、転動体表面に発生したマイクロクラックにより硬質粒子が脱粒し、それが研磨材となって軸受鋼からなる内外輪に大きな損傷を与えるようになる。

そこで本発明は、電食防止効果に優れるとともに、低温劣化が起こらず、更には高温環境あるいは熱水中でも使用可能な転がり支持装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の転がり支持装置及びその製造方法を提供する。
（１）互いに対向配置された軌道面を備えた第１部材及び第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配置された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材及び第２部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
前記転動体が、ジルコニア（ＺｒＯ_２）をセリア（ＣｅＯ_２）で安定化したセリア系ジルコニア成分と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）成分との複合酸化物系セラミックスからなることを特徴とする転がり支持装置。
（２）複合酸化物系セラミックスが、セリアを６〜１９モル％含むセリア系ジルコニア５０〜９０質量％と、アルミナ５０〜１０質量％とからなることを特徴とする上記（１）記載の転がり支持装置。
（３）セリア系ジルコニア成分及びアルミナ成分が、何れも平均粒径２μｍ以下の粒子であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり支持装置。
（４）上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転がり支持装置の製造方法であって、
平均粒径が１μｍ以下のセリア原料粉末、平均粒径が１μｍ以下のジルコニア原料粉末及び平均粒径が１μｍ以下のアルミナ原料粉末を混合し、転動体の形状に成形した後、成形物を焼結して転動体を作製する工程を有することを特徴とする転がり支持装置の製造方法。

本発明の転がり支持装置は、電食防止効果を有するとともに、低温劣化が無く、高温環境あるいは熱水中での使用が可能であり、更には窒化珪素製転動体と同等の強度を有する。

本発明に係る転がり支持軸受の一実施形態であるシール付き玉軸受を示す断面図である。 実施例で得られたアルミナ成分の添加量と、３点曲げ強度との関係を示すグラフである。 実施例で得られたアルミナ成分の添加量と、破壊靭性値との関係を示すグラフである。 実施例で得られた回転時間と、アンデロン値との関係を示すグラフである。 イットリア系ジルコニア成分８０質量％と、アルミナ成分２０質量％含有する転動体について、アンデロン値測定後に転動体表面を撮影した電子顕微鏡写真である。 セリア系ジルコニア成分８０質量％と、アルミナ成分２０質量％含有する転動体について、アンデロン値測定跡に転動体表面を撮影した電子顕微鏡写真である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明において、転がり支持装置の構造には制限はなく、例えば図１に断面図で示すようなシール付玉軸受を例示することができる。

図示されるシール付玉軸受は、外輪１と内輪２との間に、複数の玉３を保持器４で転動自在に保持したものであり、封入した潤滑剤（図示せず）をシール部材２０で封止したものである。シール部材は、芯金の周囲に弾性材料からなるシールリップ２２を一体に接合したものであり、接触面２２ａがシール溝１２と接触して、潤滑剤を空間ｓに封入する。

本発明では、ジルコニア（ＺｒＯ_２）に安定化剤としてセリア（ＣｅＯ_２）を添加したセリア系ジルコニア成分と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）成分との複合酸化物系セラミックスで玉３を形成する。尚、外輪１及び内輪２は、ＳＵＪ２鋼、ＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼等の金属製としてもよく、窒化珪素やアルミナ、ジルコニア等のセリア系ジルコニア以外のセラミックス製であってもよい。また、玉３と同一材料で形成してもよい。

何れの場合も外輪１及び内輪２と玉３とが金属接触にならず、外輪１及び内輪２を金属製にすることにより異種材料の組み合わせとなり、低トルク化のためにグリース組成物の量を減らしたり、低粘度の基油を用いた場合でも、外輪１と玉３、内輪２と玉３との凝着を防止することができる。

セリア系ジルコニア成分と、アルミナ成分との比率は、質量比で、セリア系ジルコニア成分が９０〜５０質量％、アルミナ成分が１０〜５０質量％であることが好ましく、セリア系ジルコニア成分が８０〜７０質量％、アルミナ成分が２０〜３０質量％であることがより好ましい。セリア系ジルコニアは、イットリア系ジルコニアのような低温劣化現象がないものの、曲げ強度等に劣るため、本発明ではアルミナと複合化することにより増強する。そのため、アルミナ成分は１０質量％未満になると増強効果が十分に得られない。

また、セリア系ジルコニア成分において、セリア量を６〜１９モル％とすることが好ましく、１０〜１２モル％とすることがより好ましい。セリア量が６モル％未満では単斜晶の量が相対的に多くなり、マイクロクラックが発生して著しい強度低下を招く。また、セリア量が１９モル％を超えると、高温安定相である立方晶が出現し始め、正方晶ジルコニアが減少して十分な強度及び靭性が得られなくなる。セリア量を６〜１９モル％とすることにより、単斜晶を１０容量％未満に抑えることができ、強度低下を抑えることができる。

玉３を作製するには、セリア原料粉末と、ジルコニア原料粉末と、アルミナ原料粉末とを、それぞれ上記の成分比となるように混合し、混合物を球形に成形した後、成形物を脱脂して焼結し、ＨＩＰ処理すればよい。その際、より緻密にするために、原料粉末として、平均粒径が１μｍ以下のものを用いる。更には、各原料粉末に含まれる不純物は少ない方が好ましく、特にＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏを極力減少させることにより、焼結性を向上させて緻密化に有効となる。更に、不純物に起因する早期剥離も抑えることができる。具体的には、ＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏの含有量はそれぞれ０．３質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１質量％以下、さらに好ましくは０．０２質量％以下である。含有量が０．３質量％を超えると運転時に玉３の表面から粒子の微小な脱落が起こり易くなり、表面の粗さの低下、脱落した粒子による軌道面の微細な損傷が発生し、振動が大きくなり音響寿命を短くするおそれがある。また、玉３の疲労寿命も不純物が起点となり早期剥離を引き起こす原因にもなる。

尚、成形方法は圧縮成形が一般的であり、焼結後ＨＩＰ処理した素材（素球）を研削、研磨して所定の球形状に調整する。

また、各原料粉末が均一に混合せず、それぞれの焼結粒子が偏析すると、転がり疲労寿命が低下するようになる。偏析を防止する方法として均一に混合するだけでなく、強く粉砕する機能を持った混合を実施する必要があり、ボールミル混合機も可能であるが、粉砕メディアがφ１ｍｍ以下のジルコニア系のビ−ズを使用したビ−ズミル混合機が最も有効である。

玉３におけるセリア系ジルコニア成分及びアルミナ成分は、共に平均粒径２μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下がより好ましい。通常、粒子の焼結を行うと粒成長し、１０μｍ以上の粒子が存在すると寿命に悪影響が及ぶようになるが、複合化させることで粒子成長・凝集が抑制される効果が発現して粒径は単体のものより小さくなる。

また、玉３の表面、そして表面近傍において、ジルコニア塊が少ないことが好ましい。ジルコニア塊が起点となって剥離し、転がり寿命を低下させる。特に、１００μｍレベルの塊が存在すると転がり寿命の低下が顕著になる。具体的には、１０〜３０μｍの塊が５個／３００ｍｍ^２以下であることがより好ましく、３個／３００ｍｍ^２以下であることが更に好ましい。尚、塊は断面が円形ではないため、塊の大きさは長径部の長さとする。

尚、外輪１及び内輪２が金属製の場合、玉３を形成する複合酸化物系セラミックスのヤング率は２１５〜２８０ＧＰａであることが好ましい。一般的には軸受鋼のヤング率は２０８ＧＰａ程度、ＳＵＪ２のヤング率は２０７ＧＰａ程度であるが、玉３のヤング率の方を大きくすることにより、耐圧痕性も向上する。

また、複合酸化物系セラミックスの密度を、軸受鋼やＳＵＪ２の密度より小さくすることにより、軸受回転時の玉３の慣性力が小さくなり、保持器４との衝突音が小さくなる。更に、保持器４として鉄製保持器を用いた場合には、保持器４の摩耗が少なく、鉄粉による音響劣化も少なくなる。

潤滑剤は、潤滑油でもよいし、潤滑油を基油とするグリースでもよい。また、潤滑油または基油、増ちょう剤、更には添加剤には制限はなく、目的に応じて適宜選択される。

また、低トルクが要求される場合は、潤滑油または基油には、４０℃における動粘度が８０ｍｍ^２／ｓ以下のものを用いる。

尚、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、シール付玉軸受を挙げて説明したが、それ以外にもアンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、針状ころ軸受、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にも適用でき、少なくともそれぞれの転動体を上記の複合酸化物系セラミックスで形成する。

以下に試験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はない。

（試験−１）
セリアを安定化剤として添加（１１モル％）した平均粒径０．６μｍのセリア系ジルコニア粉末、イットリアを安定化剤として添加（３モル）した平均粒径０．６ｍｍのイットリア系ジルコニア粉末及び平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末とを、表１に示す配合にてビーズミル装置に投入し、イオン交換水中で２４時間湿式混合した。混合後、成形バインダーを添加してスプレイドライヤーにて乾燥造粒を行い、成形ブレス用の粉末を作製した。この成形粉末を、１．５トン／ｃｍ^２の成形圧にて一軸油圧プレスを行い、曲げ強度測定用試料及び破壊靭性測定用試料に成形した。得られた成形体を、大気圧（酸素気流中）１５００℃にて２時間保持して焼結し、ＨＩＰ処理した。ＨＩＰ処理条件は、アルゴン気流中、１４５０℃で１時間、処理圧を１０００気圧とした。

上記で作製した曲げ強度測定用試料及び破壊靭性測定用試料を用い、高温高湿度環境を想定して各試料をオートクレーブ（２００℃、２ａｔｍ，飽和水蒸気）に２００時間放置し、放置前後における３点曲げ強度及び破壊靭性値を測定した。尚、３点曲げ強度はＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて、破壊靭性値はＪＩＳ Ｒ １６０７に準じて測定した。結果を図２及び図３に示す。

また、オートクレーブ放置前後における単斜晶量についても測定した。結果を表１に併記する。

表１に示すように、イットリア系ジルコニア成分を含む比較例１〜８の試料では、オートクレーブ放置後に単斜晶が多く存在している。これに対し、セリア系ジルコニア成分を含む実施例１〜５及び比較例９〜１１の試験片では、オートクレーブ放置前後で単斜晶量の変化は殆ど無い。

また、図２に示すように、オートクレーブ放置前には、アルミナ成分の添加量に関わらず、イットリア系ジルコニア成分を含む試料の方が、セリア系ジルコニア成分を含む試料よりも強度が高くなっている。しかし、オートクレーブ放置後は、イットリア系ジルコニア成分を含む試料は、強度が大きく低下しているが、セリア系ジルコニア成分を含む試料ではオートクレーブ放置前後で強度の変化は殆ど無い。また、セリア系ジルコニア成分を含む試料では、オートクレーブ放置前後に関わらず、アルミナ成分量が１０〜５０質量％の範囲において窒化珪素と同等レベルの強度が得られており、特にアルミナ成分量が２０〜３０質量％の範囲において窒化珪素の強度を上回っている。

また、図３に示すように、アルミナ成分の添加量が増すのに伴って破壊靭性値が低下する傾向にあるが、セリア系ジルコニア成分を含む試料では、アルミナ成分を７０質量％添加しても窒化珪素と同等レベルであり、オートクレーブ放置後でも破壊靭性値の低下が殆ど認められない。これに対し、イットリア系ジルコニア成分を含む試料では、セリア系ジルコニア成分を含む試料よりも破壊靭性値が低く、オートクレーブ放置後には破壊靭性値が大きく低下している。

（試験−２）
試験−１と同様にして、セリア系ジルコニア成分と、アルミナ成分を２０質量％または３０質量％含有する６０８深溝玉軸受用転動体（５／３２インチ）を作製した。同様に、イットリア系ジルコニア成分と、アルミナ成分を２０質量％または３０質量％含有する６０８深溝玉軸受用転動体（５／３２インチ）を作製した。次いで、ＳＵＪ２製の内輪及び外輪とともに、各転動体を６０８軸受に組み込んで試験軸受とした。また、試験軸受には、潤滑用にＮＳ７グリース（エステル系基油と、リチウム石けんを増ちょう剤とするもの）を封入した。そして、試験軸受をモータに装着して１２０℃の高温槽に入れ、軸受を回転させながら所定時間に軸受を止めてアンデロン値を測定した。回転条件は、与圧荷重３０Ｎ、回転数３００ｍｉｎ^−１にて最終１０００時間まで回転させた。

結果を図４に示すが、イットリア系ジルコニア成分を含む転動体を組み込んだ試験軸受では、何れも短時間でアンデロン値は上昇している。これに対し、セリア系ジルコニア成分を含む転動体を組み込んだ試験軸受では、何れもアンデロン値の上昇が全く認められない。

また、試験後に試験軸受を分解し、転動体表面を観察した。図４は、イットリア系ジルコニア成分８０質量％と、アルミナ成分２０質量％含有する転動体の表面を撮影した電子顕微鏡写真であるが、脱粒が深く、かつ、多く発生している。そして、脱粒した硬質粒子が研磨材となってＳＵＪ２製の内外輪の軌道面を損傷し、その結果アンデロン値が上昇したものと考えられる。これに対し、図５は、セリア系ジルコニア成分８０質量％と、アルミナ成分２０質量％含有する転動体の表面を撮影した電子顕微鏡写真であるが、脱粒が認められない。

１ 外輪
２ 内輪
３ 玉
４ 保持器
２０ シール部材
２１ 芯金
２２ シールリップ
２２ａ 接触面

Claims (4)

1. 互いに対向配置された軌道面を備えた第１部材及び第２部材と、両部材の軌道面間に転動自在に配置された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材及び第２部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
   前記転動体が、ジルコニア（ＺｒＯ_２）をセリア（ＣｅＯ_２）で安定化したセリア系ジルコニア成分と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）成分との複合酸化物系セラミックスからなることを特徴とする転がり支持装置。
2. 複合酸化物系セラミックスが、セリアを６〜１９モル％含むセリア系ジルコニア５０〜９０質量％と、アルミナ５０〜１０質量％とからなることを特徴とする請求項１記載の転がり支持装置。
3. セリア系ジルコニア成分及びアルミナ成分が、何れも平均粒径２μｍ以下の粒子であることを特徴とする請求項１または２記載の転がり支持装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の転がり支持装置の製造方法であって、
   平均粒径が１μｍ以下のセリア原料粉末、平均粒径が１μｍ以下のジルコニア原料粉末及び平均粒径が１μｍ以下のアルミナ原料粉末を混合し、転動体の形状に成形した後、成形物を焼結して転動体を作製する工程を有することを特徴とする転がり支持装置の製造方法。