JP2014145456A

JP2014145456A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2014145456A
Application number: JP2013015568A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakai; 毅中井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-08-14

Abstract

【課題】アルミナリッチのアルミナ−ジルコニア系セラミックス製転動体を備える転がり軸受において、転動体の機械的強度を高めて耐久性を向上させる。
【解決手段】アルミナ成分が７０〜９５質量％、残部がジルコニア成分であり、かつ、前記アルミナ成分がアルミナ成分全量に対しマグネシアを０．１〜１．０質量％、カルシアを０．１〜１．０質量％含有する酸化物系複合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

本発明はセラミックス製の転動体を備える転がり軸受に関し、より詳細には転動体のセラミックス材料の改良に関する。

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では、アルミナ成分量が多くなるほど安価になるものの、一方で機械的強度が低下するようになり、アルミナリッチの転動体を備える軸受では、耐久性に問題がある。

そこで本発明は、アルミナリッチのアルミナ−ジルコニア系セラミックス製転動体を備える転がり軸受において、転動体の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、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、アルミナ成分が７０〜９５質量％、残部がジルコニア成分であり、かつ、前記アルミナ成分がアルミナ成分全量に対しマグネシアを０．１〜１．０質量％、カルシアを０．１〜１．０質量％含有する酸化物系複合セラミックスからなることを特徴とする転がり軸受を提供する。

本発明では、アルミナ成分がマグネシア及びカルシアをそれぞれ特定量含有するため、ジルコニア成分との焼結性が高まり、転動体が高強度となり、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。実施例及び比較例の材料コストを示すグラフである。実施例及び比較例の単斜晶の発生量を示すグラフである。実施例及び比較例の比重を示すグラフである。実施例及び比較例のビッカース硬さを示すグラフである。実施例及び比較例の破壊靭性値を示すグラフである。実施例及び比較例の曲げ強度を示すグラフである。実施例及び比較例の各軸受の寿命を測定するために用いたスラスト試験装置を示す断面図である。実施例及び比較例の寿命比を示すグラフである。

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、アルミナ成分が７０〜９５質量％で、残部がジルコニア成分であるアルミナリッチのアルミナ−ジルコニア系セラミックス製とする。アルミナリッチにすることにより、玉３を安価にすることができる。また、ジルコニアの配合比が高まるほど低温劣化が顕著になるが、アルミナ成分を加えることにより低温劣化を低減することができ、アルミナ成分の配合比が７０質量％以上になると特に効果的になる。但し、アルミナ成分の配合比が９５質量％を超えると、玉全体としての強度が不十分になる。このような理由から、アルミナ成分の配合比を７０〜９５質量％とし、好ましくは７５〜８５質量％とする。

更に、ジルコニア成分との焼結性を高めるために、アルミナ成分にはアルミナ成分全量に対しマグネシアを０．１〜１．０質量％、カルシアを０．１〜１．０質量％添加する。マグネシア及びカルシアを添加することにより、純アルミナよりも２００℃近い低い温度で焼結させることができ、緻密化（理論密度に対し９９％以上の密度比）が可能になり、得られる焼結粒子が微細になり高強度となる。また、カルシアを添加することにより組織中に柱状晶が生成し、クラックの伝搬を防止する効果が発現して破壊靭性値が向上する。

但し、マグネシア及びカルシアの含有量が多くなると、アルミナ成分自体の純度が低くなり、焼結性が悪くなる。そのため、マグネシア及びカルシアの含有量の上限をそれぞれ１．０質量％とする。これらを考慮すると、マグネシア量は０．４〜０．８質量％、カルシア量は０．４〜０．８質量％が好ましい。

玉３は、後述するように、マグネシア及びカルシアを含有するアルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末とを焼結して製造されるが、マグネシア及びカルシアを含有するアルミナ原料粉末は、アルミナ粉末と、マグネシア粉末と、カルシア粉末とを上記の配合比となるように混合したものを用いる。その際、アルミナ粉末には、アルミナ純度が９９．９％以上の高純度アルミナ粉末が好ましいが、普通純度アルミナ粉末（アルミナ純度９９．５％以上、Ｎａ_２Ｏ０．４％以下）を用いることもでき、普通純度アルミナ粉末を用いることにより最も安価にすることができる。

一方、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、本発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、マグネシア及びカルシアを含有するアルミナ成分と、ジルコニア成分との酸化物系複合セラミック製の玉３を用いることにより、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。

玉３は、マグネシア及びカルシアを含有するアルミナ成分の粉末（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が、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。

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。

（試験体の作製）
マグネシア０．５質量％及びカルシア０．５質量を含有する普通純度のアルミナ原料粉末と、ジルコニア原料粉末とを、表１の実施例１〜４及び比較例３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、９８ＭＰａの成形圧にて一軸油圧プレスを行い、６０８深溝玉軸受用の玉（５／３２インチ）を作製した。尚、焼結条件は、大気圧（酸素気流中）１５００℃にて２時間保持して焼結し、ＨＩＰ処理（アルゴン気流中、１４５０℃で１時間、処理圧１０００気圧）した。

また、比較例１として高純度アルミナ原料粉末のみからなる玉、比較例２として普通純度アルミナ原料粉末のみからなる玉、比較例４としてジルコニア原料粉末のみからなる玉、比較例５として窒化ケイ素粉末のみからなる玉を用意した。

（原料コスト）
実施例及び比較例の各玉の原料コストを図２に示すが、ジルコニア粉末のみ（比較例４）、窒化ケイ素のみ（比較例５）及び高純度アルミナのみ（比較例２）に比べて、実施例１〜４の原料コストが低くなっており、アルミナ成分量が多くなるほどより安価になる。

（単斜晶の発生量）
実施例及び比較例の各玉を、高温高湿度環境を想定してオートクレーブ（２００℃、２ａｔｍ、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７０〜９５質量％である実施例では何れも単斜晶の発生が５％以下であるのに対し、比較例３のようにアルミナ成分量が６０質量％に低下すると単斜晶の発生量が１５％にまで増えている。また、比較例４のようにジルコニアのみからなる場合は単斜晶の発生量が３０％と最も高い。

（比重）
実施例及び比較例の各玉の比重を、アルキメデス法により測定した。結果を図４に示すが、ジルコニアのみからなる比較例４が最大であり、ジルコニア成分量が多くなると比重も大きくなっている。尚、窒化ケイ素のみからなる比較例５が最小である。玉の比重が大きくなるほど、高トルクとなり好ましくない。

（ビッカース硬さ）
実施例及び比較例の各玉のビッカース硬さを測定した。結果を図５に示すが、実施例はジルコニアのみからなる比較例４や窒化ケイ素のみからなる比較例５に比べて高いビッカース硬度を有しており、アルミナ成分量が多くなるほど高硬度となる。

（破壊靭性値）
実施例及び比較例と同組成にて試験片を作製し、破壊靭性値を測定した。結果を図６に示すが、実施例は窒化ケイ素のみからなる比較例５に比べて高い破壊靭性値を有しており、ジルコニア成分量が多くなるほど高硬度となる。

（曲げ強度）
実施例及び比較例と同組成にて試験片を作製し、３点曲げ強度を測定した。結果を図７に示すが、実施例は窒化ケイ素のみからなる比較例５と同等以上の高い曲げ強度を有しており、ジルコニア成分量が多くなるほど高強度となる。

（耐久性）
図８に示すスラスト試験装置を用いて、転がり疲労寿命を比較した。尚、図示されるスラスト試験装置は、実施例または比較例の玉（但し、玉径：３／８インチ）を組み込んだスラスト軸受を油浴中に浸漬した状態で回転させ、回転中の振動値を求めるとともに、一定時間毎に分解して玉表面の剥離が確認された時点を寿命とした。
・軸受：５１３０５（内輪及び外輪はＳＵＪ２）
・玉径：３／８インチ
・面圧：３ＧＰａ
・回転数：１０００ｒｐｍ
・潤滑油：ＶＧ６８

結果を図９に示すが、実施例は窒化ケイ素からなる比較例５と遜色無い耐久性を有する。

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、アルミナ成分が７０〜９５質量％、残部がジルコニア成分であり、かつ、前記アルミナ成分がアルミナ成分全量に対しマグネシアを０．１〜１．０質量％、カルシアを０．１〜１．０質量％含有する酸化物系複合セラミックスからなることを特徴とする転がり軸受。