JP2014141985A

JP2014141985A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2014141985A
Application number: JP2013009122A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakai; 毅中井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-08-07
Also published as: WO2014115785A1; CN104067013A

Abstract

【課題】アルミナ−ジルコニア系セラミックス製の転動体を備える転がり軸受において、機械的強度を高めて耐久性を向上させる。
【解決手段】アルミナ純度が９９．９％以上で、Ｎａ_２Ｏ量が０．１質量％以下であるアルミナ成分と、ジルコニア成分とを主成分とするアルミナ−ジルコニア系セラミックスからなる転動体を備える転がり軸受。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミナ−ジルコニア系セラミックス製の転動体を備える転がり軸受に関する。

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は加工精度や機械強度が高いという利点があるものの、高価である。

また、セラミックスとしてジルコニアや、イットリアを添加して安定化させたイットリア安定化ジルコニア（以下、総称して「ジルコニア」ともいう。）も使用されている。しかし、ジルコニアも高価であることから、安価なアルミナを添加し、ジルコニアの高強度、高靭性を活かしつつ転動体全体を安価にすることも行われている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、ジルコニアは低温劣化の問題もあることから、アルミナを添加することにより、低温劣化の度合を低減することもできる。

特開２００２−１０６５７０号公報特開２００２−７０８７１号公報特開２００２−５１８０号公報

アルミナ−ジルコニア系セラミックスは、アルミナ原料粉末とジルコニア原料粉末とを混合し、焼結して得られる。しかし、アルミナ原料粉末の純度が低くなるとジルコニア原料粉末との焼結性が悪くなり、更にはアルミナ原料粉末やジルコニア原料粉末の粒径が大きくなると、得られる焼結粒子の粒径が大きくなり、何れも強度低下を招くようになる。その結果、転動体の表面が損傷したり、転動体に亀裂が発生するなどして耐久性が低下する。

そこで本発明は、アルミナ−ジルコニア系セラミックス製の転動体を備える転がり軸受において、機械的強度を高めて耐久性を向上させ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、下記の転がり軸受を提供する。
（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軸受において、
前記転動体が、アルミナ純度が９９．９％以上で、Ｎａ_２Ｏ量が０．１質量％以下であるアルミナ成分と、ジルコニア成分とを主成分とするアルミナ−ジルコニア系セラミックスからなることを特徴とする転がり軸受。
（２）前記アルミナ成分が７０〜９５質量％で、前記ジルコニア成分が５〜３０質量％であることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）前記アルミナ成分及び前記ジルコニア成分が、共に平均粒径０．５μｍ以下の原料粉末からなることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。

本発明では、アルミナ成分が高純度であることからジルコニア成分との焼結性に優れ、転動体は高強度となり、耐久性にも優れるようになる。そのため、アルミナ成分を多くでき、より安価にすることができる。また、相対的にジルコニア成分が少なくなり、低温劣化も抑えられる。

本発明に係る転がり軸受の一実施形態である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。得られたアルミナ成分の添加量と、単斜晶の生成量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。アルミナ成分を２０質量％含有する玉について、アンデロン値測定後に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、転がり軸受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玉軸受を例示することができる。図示される玉軸受は、外輪１と内輪２との間に、玉３が転動自在に介装してあり、玉３は、保持器４により所定間隔に維持するようになっている。外輪１及び内輪２の両側部には、それぞれシール溝１１，１２が形成しており、外輪１のシール溝１１には、芯金部材２１と一体化したシール部材２０が装着されており、シールリップ２２の接触面２２ａが内輪２のシール溝１２に接触するように構成されている。また、内輪２とシールリップ２２との間の空間ｓに潤滑剤が封入される。

本発明では、玉３を、アルミナ純度が９９．９％以上で、Ｎａ_２Ｏ量が０．１質量％以下であるアルミナ成分（以下「高純度アルミナ成分」ともいう。）と、ジルコニア成分とを主成分とするアルミナ−ジルコニア系セラミックスで形成する。通常、アルミナに含まれる不純物としてはＮａ_２Ｏが圧倒的に多く、更にはＮａ_２Ｏ量を減らすことにより機械的強度や電気特性が高まることが知られている。そこで、本発明でもＮａ_２Ｏに着目し、その含有量を低減してアルミナ純度を高めた高純度アルミナ成分について検討を行った。尚、ジルコニア成分は、イットリア等で安定化されていてもよく、以降の説明ではイットリア安定化ジルコニア等を含めて「ジルコニア」と総称する。

このように、玉３をアルミナ−ジルコニア系セラミックス製にすることにより、外・内輪１，２と玉３とが電気的に絶縁される。また、外輪１及び内輪２は、ＳＵＪ２鋼、ＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼等の金属製とすることができるが、外輪１及び内輪２と玉３とが金属接触にならず、金属凝着による損傷を防止することもできる。

高純度アルミナ成分とジルコニア成分とは、質量比で、高純度アルミナ成分が７０〜９５質量％で、ジルコニア成分が５〜３０質量％であることが好ましい。玉３は、高純度アルミナ成分と同組成の粉末（高純度アルミナ原料粉末）と、ジルコニア原料粉末とを均一に混合し、所定形状に成形した後に焼結、研磨して製造される。最終製品である玉３における高純度アルミナ成分は、高純度アルミナ原料粉末と同一組成のまま存在する。その際、高純度アルミナ原料粉末を用いることにより、ジルコニア原料粉末との焼結性が高まり、高強度となる。また、高純度アルミナ原料粉末及びジルコニア原料粉末として、ともに平均粒径が０．５μｍ以下の微粉を用いることにより焼結性が更に高まる。後述する実施例に示すように、平均粒径が０．５μｍ以下の高純度アルミナ原料粉末を用いることにより、９５質量％以下の配合比であれば窒化珪素と同等以上の強度が得られる。

但し、ジルコニアには低温劣化の問題があり、配合比が３０質量％を超えると応力腐食割れにより脱粒が起こり易くなり、音響特性に劣るようになる。また、高純度アルミナ成分の配合比を高めることにより、玉３を安価に製造することもできる。そのため、高純度アルミナ成分の配合比は高い方が好ましく、７０質量％以上でより効果的となる。

このような理由から、高純度アルミナ成分の配合比は７０〜９５質量％が好ましいといえる。

尚、玉３の製造に際し、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。

また、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。

尚、上記した実施形態は本発明の一例を示したものであって、例えばアンギュラ玉軸受、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、それぞれの転動体を上記した高純度アルミナ−ジルコニア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）
アルミナ純度が９９．９％、Ｎａ_２Ｏ量が０．１質量％で、平均粒径が０．５μｍの高純度アルミナ原料粉末（アルミナ原料粉末Ａ）、アルミナ純度が９９．９％、Ｎａ_２Ｏ量が０．１質量％で、平均粒径が１．０μｍの高純度アルミナ原料粉末（アルミナ原料粉末Ｂ）、アルミナ純度が９５％、Ｎａ_２Ｏ量が０．３質量％で、平均粒径が１．０μｍのアルミナ原料粉末（アルミナ原料粉末Ｃ）、平均粒径０．５μｍのイットリア安定化ジルコニア原料粉末を用い、アルミナ原料粉末（Ａ）〜（Ｃ）と、ジルコニア原料粉末との混合比を変え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について、３点曲げ強度を測定した。結果を図２に示す。窒化珪素の３点曲げ強度は８００〜９５０ＭＰａであるが、高純度アルミナ原料粉末（アルミナ純度９９．９％）を７０〜９５質量％の範囲で用いると、前記の窒化珪素の３点曲げ強度と同等以上となる。また、高純度アルミナ原料粉末が微細になるほど高強度になり、平均粒径が０．５μｍであるアルミナ原料粉末（Ａ）では、アルミナ成分量を９５質量％にまで高めても窒化珪素の３点曲げ強度の上限（９５０ＭＰａ）と同等の強度が得られている。

（試験−２）
高純度で、平均粒径が０．５μｍであるアルミナ原料粉末（Ａ）を用いて作製された試料について、高温高湿度環境を想定してオートクレーブ（２００℃、２ＭＰａ、飽和水蒸気）に２００時間放置し、放置後に単斜晶量をＸ線回折法により測定した。結果を図３に示すが、アルミナ成分量が多くなるほど、強度低下をもたらす単斜晶量が減少している。特に、アルミナ成分量が７０質量％以上の範囲で単斜晶量が最小で、強度低下を抑える効果が顕著となる。

（試験−３）
試験−１に従い、高純度で、平均粒径が０．５μｍであるアルミナ原料粉末（Ａ）と、ジルコニア原料粉末とを用い、アルミナ成分量が２０％、６０％、７０％または９０％（残部はジルコニア成分）である６０８深溝玉軸受用の玉（５／３２インチ）を作製した。次いで、作製した玉をＳＵＪ２製の内輪及び外輪とともに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、アルミナ成分量が多くなるほどアンデロン値が小さくなっており、アルミナ成分量が７０質量％以上では回転初期からアンデロン値が低く、しかもその変化量も少なく、優れた音響耐久性を有する。これに対し、アルミナ成分量が２０質量％では短時間で急激にアンデロン値が上昇しており、アルミナ成分量が６０質量％でも徐々にアンデロン値が上昇している。

また、試験後に試験軸受を分解し、玉表面を観察した。図５は、アルミナ成分２０質量％含有する玉の表面を撮影した電子顕微鏡写真であるが、激しい脱粒が発生している。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。アルミナ成分量が多くなると、特に７０質量％以上になるとこのような脱粒がなくなり、アンデロン値が低くなると考えられる。

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

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軸受において、
前記転動体が、アルミナ純度が９９．９％以上で、Ｎａ_２Ｏ量が０．１質量％以下であるアルミナ成分と、ジルコニア成分とを主成分とするアルミナ−ジルコニア系セラミックスからなることを特徴とする転がり軸受。
前記アルミナ成分が７０〜９５質量％で、前記ジルコニア成分が５〜３０質量％であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
前記アルミナ成分及び前記ジルコニア成分が、共に平均粒径０．５μｍ以下の原料粉末からなることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。