JP2014173687A

JP2014173687A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2014173687A
Application number: JP2013048551A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakai; 毅中井
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】転がり軸受転動体の耐靭性と加工性の両立を解決することを課題としている。
【解決手段】上記の課題を解決する為に、本発明は、少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受において、前記転動体は、硬さの比とヤング率の比＝１．５〜２：１で、破壊靭性値の比＝１：１．５〜２で、体積の比＝１〜５：５〜９の第１の成分と第２の成分とを含有する酸化物系セラミック複合材料により作製されていることを特徴とする転がり軸受を提供している。
【選択図】図１

Description

転がり軸受の内外輪及び転動体に使用されるセラミック材料の組成に関するものである。

転がり軸受の転動体として現在使用されている主なセラミック材料は窒化ケイ素であり、破壊靭性値あるいは硬さの高い機械的特性の優れた材料であることは既に知られている。しかし、窒化ケイ素の素球を研削・研磨し、転動体として加工仕上げした場合、それに要する加工時間は非常に長く、加工効率が悪い。また、窒化ケイ素を加工する際に、その硬度が高いので、研磨盤の損耗が速い為、転動体の生産コストの抑制に問題があった。例えば、特許文献１には、転動体を加工する為の研磨装置が開示されている。

近年、電気製品の省エネ化によりモータのインバータ制御が主流とっており、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。窒化ケイ素製の転動体を用いた転がり軸受を用いることでも電食を防止することができるが、音響特性及びトルク性能に改善の余地があった。

そこで、特許文献１のように、アルミナとジルコニア成分を含有するセラミック系複合材料を転がり軸受の転動体材料として採用するものが提案されており、低粘度の潤滑剤を用いて軸受の低トルク化、及び音響特性や耐久性の改善に一定な効果があった。

特開２０１０―８９１７０号公報ＷＯ２０１０／１３４６０２号公報

しかしながら、特許文献１のセラミック成分とする転動体を加工する際に、アルミナは脆い性質から加工後の精度が悪く、ジルコニアは粘りのある性質から研削研磨の加工性が悪い。従って、転がり軸受の耐靭性と加工性の両立を解決するための対策が必要となる。

そこで、上記の課題を解決する為に、本発明の第１の発明は、少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受において、前記転動体は、硬さの比とヤング率の比＝１．５〜２：１で、破壊靭性値の比＝１：１．５〜２で、体積の比＝１〜５：５〜９の第１の成分と第２の成分とを含有する酸化物系セラミック複合材料により作製されていることを特徴とする転がり軸受を提供している。
また、本発明の第２の発明は、第１の成分はアルミナであり、第２の成分はジルコニアであることを特徴とする。

本発明の軸受は、靭性の高い材料（例えばジルコニア）に脆い材料（例えばアルミナ）を均一に分散させることで、転動体の材質が硬度高く耐靭性の良い、且つ加工容易であり、研磨の時間を大幅に削減できるとともに、転動体の加工精度を向上することができる。

本発明に係る転がり軸受の実施形態である玉軸受を示す断面図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
本発明の転がり軸受は、例えば、エアコンファンモータやコンプレッサ等のインバータ制御されるモータ用、ＨＤＤのスイングアーム支持用ピボットアーム、サーボモータやステッピングモータ等の揺動運動するモータに使用されるものであれば、転がり軸受の構造には制限はなく、図１の断面図で示す玉軸受を例示することができる。

図１に示す玉軸受は、内輪１の外周面に形成された内輪軌道面１ａと、外輪２の内周面に形成された外輪軌道面２ａの間に、複数個の転動体である玉３を保持器４で保持し、シール５により、内輪１と外輪２と玉３とで形成される軸受空間６に充填した潤滑剤Ｇを封止して概略構成されている。尚、符号２ｂは、外輪２に設けたシール嵌合溝である。本発明では、内輪１と外輪２とをＳＵＪ２鋼、ＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼等の金属製とし、玉３を硬さの比とヤング率の比＝１．５〜２：１で、破壊靭性値の比＝１：１．５〜２で、体積の比＝１〜５：５〜９の第１の成分と第２の成分とを含有する酸化物系セラミック複合材料で形成する。このように内輪１や外輪２と玉３とを異種材料の組み合わせにすることにより、低トルク化のために潤滑剤Ｇの量を減らしたり、低粘度の潤滑剤Ｇを用いた場合でも内輪１と玉３、外輪２と玉３との凝着を防止することができる。また、玉３が、電気絶縁性の酸化物系セラミック複合材料であるため、電食を防止することもできる。

転動体はＡ材（第１）とＢ材（第２）を含む酸化物系セラミック複合材料から作製される。Ａ材とＢ材の比例は次のように示す。
硬さの比Ａ材:Ｂ材＝１．５〜２．０：１
靭性の比Ａ材：Ｂ材＝１：１．５〜２．０
ヤング率の比Ａ材：Ｂ材＝１．５〜２．０：１
体積比Ａ材:Ｂ材＝１〜５：９〜５

Ａ材の硬さの比が２．０より大であれば、加工精度が劣化し、１．５未満であれば、加工効率が低下するおそれがある。Ａ材のヤング率比が２．０より大であれば,加工精度が劣化し、１．５未満であれば、加工効率が低下するおそれがある。Ｂ材の靭性の比が２．０より大であれば、加工効率が低下し、１．５未満であれば、加工精度が劣化するおそれがある。Ｂ材が９より大であれば加工効率が低下し、Ｂ材が５未満であれば加工精度が劣化する。

Ｂ材を単独で使用すると、加工後の表面精度良好、研磨砥石を目詰まりさせ研削研磨の加工性が悪い。Ｂ材を単独で使用すると、研削研磨の加工性は良好であるが、粒子の脱落が多く加工後の表面精度が良くない。従って、本実施形態では、靭性が高く粘りのある酸化物系Ｂ材に脆い酸化物系Ａ材（硬い材料=ヤング率高い)を均一に分散させることで、加工後の表面精度が良好で、且つ研削研磨の加工性が良いものを提供している。

例えばＡ材としてのアルミナにＢ材としてのジルコニアを添加し加工性を向上させつつ、加工後の精度を悪化させない程度にアルミナを適正量添加することで加工効率，加工精度の良い材料に改良出来る。Ａ材はアルミナ、Ｂ材をジルコニアとすると、アルミナの硬さが１６ＧＰａで、ジルコニアの硬さが１０ＧＰａであるので、硬さの比が１．６：１である。アルミナの破壊靭性値が４で、ジルコニアの破壊靭性値が７であるので、破壊靭性値の比が１：１．７５である。アルミナのヤング率が３７０ＧＰａで、ジルコニアのヤング率が２００ＧＰａであるので、ヤング率の比が１．８５：１である。

＜実施例＞
次に、表１に示す実施例１〜３の転動体の製造と加工方法について、説明する。比較例１〜６の試料は市販品である。ジルコニア粉末とアルミナ粉末を表１に示す体積比で調合し、ビ−ズミルにてイオン交換水中２４時間の湿式混合を行なった。混合後、成形バインダ−を添加しスプレドライヤ−にて乾燥造粒を行い、成形プレス用の粉末を完成させる。

成形粉末は１．５ｔｏｎ／ｃｍ^２の成形圧にて、一軸油圧プレスによる成形を行い、φ６ｍｍの成形球を成形した。得られたそれぞれの成形体は焼結を行なう。条件としては大気圧(酸素気流中)１５００℃の焼結温度にて２時間保持した後、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を施した。ＨＩＰ処理条件はアルゴン気流中、処理温度×保持時間＝１４５０℃×１時間とし、ＨＩＰ処理圧は１０００気圧にする。

上記の製造と加工方法で作製された実施例１〜３と同様な方法で比較例１〜６の素球も作製した。そして、ダンヤモンドの研削研磨盤にて５／３２ｉｎ．サイズの完成球に研磨加工する。最終仕上工程におけるφ０．２０μｍからφ０．００５μｍに仕上げるまでの要した加工時間は表１に示している。実施例１〜３の完成球はφ０．００５μｍに到達するまでの時間は極めて短いことに対して、比較例１〜６の完成球は実施例１〜３より多くの時間を要し、且つφ０．００５μｍ未満である。

（表１）

従って、本実施形態の組成を採用する転動体は、比較例のものより所定のサイズを形成やすく、加工容易であり、研磨の時間を大幅に削減できるとともに、転動体の加工精度（面粗さ）を向上することができる。

１内輪
２外輪
３玉
４保持器
５シール
６軸受空間
Ｇ潤滑剤

Claims

少なくとも内輪、外輪、転動体及び保持器を備える転がり軸受において、前記転動体は、硬さの比とヤング率の比＝１．５〜２：１で、破壊靭性値の比＝１：１．５〜２で、体積の比＝１〜５：５〜９の第１の成分と第２の成分とを含有する酸化物系セラミック複合材料により作製されていることを特徴とする転がり軸受。
前記第１の成分はアルミナであり、前記第２の成分はジルコニアであることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受。