JP2017015147A

JP2017015147A - 転動装置

Info

Publication number: JP2017015147A
Application number: JP2015131037A
Authority: JP
Inventors: 祐太坂井; Yuta Sakai
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】ガラス製の軸受構成部材を備える転動装置の長寿命化を図る。
【解決手段】内方部材、外方部材及び転動体の少なくとも１つが、ケイ酸塩ガラス製で、表面にフッ化物溶剤を作用させた後、表面から２０μｍの位置の圧縮応力値が４００ＭＰａ以上で、かつ、表面から深さ１００μｍの位置の圧縮応力値が１５０ＭＰａ以上に化学強化された転動装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、内方部材、外方部材及び転動体の少なくと１つがガラス製である転動装置に関する。

従来から、内方部材や外方部材、転動体（以下、「軸受構成部材」ともいう）の熱膨張による微小寸法変化に起因する回転精度を悪化させない目的や、電食による軸受寿命の低下を防ぐ目的で、あるいは高速回転の実現や高速回転下での耐久性の向上等を目的として、軸受構成部材を結晶化ガラスや強化ガラスで形成した転動装置が使用されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００１−２７２５１号公報特開２０１３−７２４９１号公報特許第４２４３７８１号公報

しかしながら、従来のガラス製の軸受構成部材を備える転動装置では、軸受構成部材の表面には、研磨後も微小のキズが多数存在しており、繰り返し応力が加わるとキズの先端から亀裂が進展して、早期に転がり寿命に至るという問題がある。そこで本発明は、ガラス製の軸受構成部材を備える転動装置の長寿命化を目的にする。

上記課題を解決するために本発明は、内方部材、外方部材及び転動体を備える転動装置において、前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体の少なくとも１つが、ケイ酸塩ガラス製であり、表面にフッ化物溶剤を作用させた後、表面から２０μｍの位置の圧縮応力値が４００ＭＰａ以上で、かつ、表面から深さ１００μｍの位置の圧縮応力値が１５０ＭＰａ以上となるように化学強化されていることを特徴とする転動装置を提供する。

本発明の転動装置は、ガラス製の軸受構成部材の表面がフッ化物溶剤で処理されて亀裂の起点となるキズが除去されており、更には、表面から特定の深さにおける圧縮応力値が特定値以上に大きくなるように化学強化されているため、寿命が大幅に延びている。

本発明の転動装置の一例を示す断面図である。フッ酸エッチングの有無による効果を検証するために行った試験結果を示すグラフである。圧縮応力深さ２０μｍの位置の圧縮応力値と、寿命比との関係を示すグラフである。圧縮応力深さ１００μｍの位置の圧縮応力値と、寿命比との関係を示すグラフである。実施例１〜４及び比較例１〜４で得られた、フッ酸エッチングの有無と、寿命比との関係を示すグラフである。実施例１〜８及び比較例５、６で得られた、圧縮応力深さ２０μｍの位置の圧縮応力値と、寿命比との関係を示すグラフである。実施例７〜９及び比較例７〜８で得られた、圧縮応力深さ１００μｍの位置の圧縮応力値と、寿命比との関係を示すグラフである。式１の値と、寿命比との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

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、外輪１、内輪２及び玉３の少なくとも１つをケイ酸塩ガラス製とする。即ち、外輪１、内輪２及び玉３の全てをケイ酸塩ガラス製とすることもできるし、何れか１つをケイ酸塩ガラス製とすることもできる。何れか１つをケイ酸塩ガラス製とする場合、ガラス製では無い他の軸受構成部材は、ＳＵＪ２鋼やＳＵＳ鋼、１３Ｃｒ鋼、ＳＵＳ４４０Ｃ鋼等の金属製とする。

ケイ酸塩ガラス製の軸受構成部材の表面には無数のキズが存在しており、キズ先端から亀裂が進展して寿命を短くする原因になっている。そこで本発明では、先ず、フッ化物溶剤を作用させて、亀裂源となるキズを除去する。尚、フッ化物溶剤としては、ガラスに対するエッチング能力に優れるフッ酸系のエッチング液が好ましい。

次いで、化学強化して圧縮応力層を形成する。フッ化物溶剤によってキズ除去を行っているが、残存しているキズが起点となって亀裂が進展することがあるが、化学強化して圧縮応力層を形成することにより、亀裂の進展を抑制することができる。また、新たなキズが形成されることも考えらえるが、応力圧縮層により新たなキズが形成され難くなるという効果も得られる。

また、化学強化に際して、表面から２０μｍの位置での圧縮応力値が４００ＭＰａ以上で、かつ、表面から深さが１００μｍの位置での圧縮応力値が１５０ＭＰａ以上になるようにする。尚、以降の説明では、圧縮応力が付与されている領域の深さを「圧縮応力深さ」と呼ぶ。この圧縮応力深さが２０μｍでの圧縮応力値が４００ＭＰａ未満、あるいは圧縮応力深さ１００μｍでの圧縮応力値が１５０ＭＰａ未満であると、フッ化物溶剤によるキズ除去処理を施しても、寿命延長効果が十分に得られない。

化学強化では、ケイ酸塩ガラスの組成や強化時間により、圧縮応力値と圧縮応力深さとを変化させることができるが、大きな圧縮応力と大きな圧縮応力深さとを同時に付与することはできない。転動体の表面には内外輪との接触による引張応力が作用し、内部にはせん断応力が作用する。表面の圧縮応力が小さいと表面に存在するキズの先端からの亀裂の進展を抑制できず、転がり寿命が短くなる。一方で、圧縮応力深さが浅いと、材料内部に発生するせん断応力により、材料内部で亀裂が発生・進展して転がり寿命が短くなる。そのため、圧縮応力と圧縮応力深さとの最適な組み合わせが存在し、本発明では上記したように、圧縮応力深さが２０μｍ及び１００μｍの各位置での圧縮応力値を上記値に規定することにより、表面及び内部での亀裂の発生あるいは進展を効果的に抑制する。

尚、化学強化は、フッ化物溶剤を作用させた後の軸受部材を、溶融塩に浸漬することで行うことができ、溶融塩としては、処理性能から硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）を主成分とするものが好ましい。そして、溶融塩の温度や浸漬時間により、上記した圧縮応力深さでの圧縮応力値となるように調整する。

上記したように、フッ化物溶剤によるキズ除去と、特定の圧縮応力層の形成との組み合わせによる効果について、下記の試験を行った。

ケイ酸塩ガラス球を作製し、（１）フッ酸によるエッチングを施した後、３５０〜４５０℃の硝酸カリウム溶融塩に浸漬して化学強化した場合と、（２）フッ酸によるエッチングをせずに、同様の化学強化のみを行った場合とで、寿命を比較した。化学強化は、何れも、圧縮応力深さ２０μｍでの圧縮応力値が６００ＭＰａ以上で、圧縮応力深さ１００μｍでの圧縮応力値が１５０ＭＰａ以上となるように調整した。尚、圧縮応力深さ及び圧縮応力値は、表面応力計を用いて観察し、干渉縞の本数とその間隔から求めた。また、寿命試験は下記条件にて行い、Ｌ_１０寿命を測定し、計算寿命Ｌ_ｃａｌとの寿命比（Ｌ_１０／Ｌ_ｃａｌ）を求めた。尚、寿命試験はそれぞれ１０回（Ｎ＝１０）行った。
＜寿命試験条件＞
・荷重：９８００Ｎ
・玉サイズ：３／８インチ
・玉数：３球
・回転数：１０００ｍｉｎ^−１
・軸受：５１３０５
・内外輪材料：ＳＵＪ２
・潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑

結果を表１及び図２に示すが、フッ酸エッチング後に化学強化することにより、計算寿命よりも長寿命になっている。

また、圧縮応力深さ２０μｍ及び１００μｍにおける圧縮応力値を検証するために、下記の試験を行った。

ケイ酸塩ガラス球を作製し、フッ酸エッチングを行った後、表２及び表３に示すように圧縮応力深さが２０μｍまたは１００μｍにおいて、それぞれの圧縮応力値が異なるように化学強化した。化学強化では、３５０〜４５０℃の硝酸カリウムを主成分とする溶融塩を用い、浸漬時間を変えることにより圧縮応力深さ２０μｍまたは１００μｍにおける圧縮応力値を調整した。そして、下記条件にて寿命試験を行い、Ｌ_１０寿命と計算寿命Ｌ_ｃａｌとの寿命比（Ｌ_１０／Ｌ_ｃａｌ）を求めた。尚、試験回数はそれぞれ１０回（Ｎ＝１０）である。
＜寿命試験条件＞
・荷重：９８００Ｎ
・玉サイズ：３／８インチ
・玉数：３球
・回転数：１０００ｍｉｎ^−１
・軸受：５１３０５
・内外輪材料：ＳＵＪ２
・潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑

結果を表２、３及び図３、４に示すが、フッ酸エッチング後に、圧縮応力深さ２０μｍにおける圧縮応力値を４００ＭＰａ以上、圧縮応力深さ１００μｍにおける圧縮応力値を１５０ＭＰａ以上にすることにより、計算寿命よりも長寿命になっている。フッ酸エッチングを行っても、圧縮応力深さ２０μｍにおける圧縮応力値が４００ＭＰａ未満、圧縮応力深さ１００μｍにおける圧縮応力値が１５０ＭＰａ未満では、計算寿命よりも長寿命にはならない。

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１〜９、比較例１〜８）
ケイ酸塩ガラス球を作製し、表４に示すように、フッ酸エッチングの有無、圧縮応力深さ２０μｍまたは１００μｍにおける圧縮応力値が異なるように化学強化した、化学強化は、３５０〜４５０℃の硝酸カリウムを主成分とする溶融塩を用い、浸漬時間を変えることにより圧縮応力深さ２０μｍまたは１００μｍにおける圧縮応力値を調整した。そして、下記条件にて寿命試験を行い、Ｌ_１０寿命と計算寿命Ｌ_ｃａｌとの寿命比（Ｌ_１０／Ｌ_ｃａｌ）を求めた。
＜寿命試験条件＞
・荷重：９８００Ｎ
・玉サイズ：３／８インチ
・玉数：３球
・回転数：１０００ｍｉｎ^−１
・軸受：５１３０５
・内外輪材料：ＳＵＪ２
・潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑

結果を表４及び図５〜７に示す。図５は、実施例１〜４と、比較例１〜４の寿命比をグラフ化して示しているが、圧縮応力深さ２０μｍの圧縮応力値及び圧縮応力深さ１００μｍの圧縮応力値が同じであっても、化学強化の前にフッ酸エッチチングを行うことにより、３〜４倍もの寿命延長効果が得られることがわかる。また、図６及び図７に示すように、フッ酸エッチング後に化学強化した場合、圧縮応力深さが２０μｍ及び１００μｍともに、圧縮応力値が大きくなるほど長寿命になる傾向が見られるが、圧縮応力深さが２０μｍでは圧縮応力値が４００ＭＰａ以上、圧縮応力深さが１００μｍでは圧縮応力値が１５０ＭＰａ以上になると、寿命延長効果が格段に大きくなることがわかる。

また、実施例及び比較例から、フッ酸エッチング有無において、有りの場合を５５、無しの場合を１とするとき、圧縮応力深さが２０μｍ及び１００μｍの各圧縮応力値との間で表される式１の値と、寿命比との間に相関があることを見出した。そして、式１の値が１４以上であるときに寿命比を大きくすることができ、２８以上であるときに特に長寿命になることが判明した。式１の値を表４に併記するとともに、図８に寿命比との関係をグラフ化して示す。
式１＝｛（圧縮応力深さが２０μｍの圧縮応力値−３５０）／（圧縮応力深さ１００μｍの圧縮応力値−１００）／１００００｝×フッ酸エッチングの有無

１外輪（内方部材）
２内輪（外方部材）
３玉（転動体）
４保持器
２０シール部材
２１芯金部材
２２シールリップ
２２ａ接触面

Claims

内方部材、外方部材及び転動体を備える転動装置において、
前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体の少なくとも１つが、ケイ酸塩ガラス製であり、表面にフッ化物溶剤を作用させた後、表面から２０μｍの位置の圧縮応力値が４００ＭＰａ以上で、かつ、表面から深さ１００μｍの位置の圧縮応力値が１５０ＭＰａ以上となるように化学強化されていることを特徴とする転動装置。