JP2022082094A

JP2022082094A - 電食防止転がり軸受

Info

Publication number: JP2022082094A
Application number: JP2020193456A
Authority: JP
Inventors: 彩加山原; Ayaka Yamahara; 孝洋奥野; Takahiro Okuno; 晃也大平; Akinari Ohira
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-06-01

Abstract

【課題】電食防止転がり軸受の電気絶縁被膜が、所要の電気絶縁性および熱伝導性を維持しながら、機械的強度の低下が抑制されたものであり、特に引張強度に優れたウエルド部を有する電気絶縁被膜を備えた電食防止転がり軸受とすることである。【解決手段】軌道輪の表面に電気絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受であって、前記電気絶縁被膜が、熱可塑性樹脂を主成分とし、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)及びアスペクト比１～３の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)を３０～５０質量％含有し、前記（Ａ）に対する(Ｂ)の配合量の割合（質量比）が１．５～２．５の樹脂組成物の成形体からなる電気絶縁被膜を備えた電食防止転がり軸受とする。【選択図】なし

Description

この発明は、電食防止のために電気絶縁性を有して鉄道車両用主電動機などに適用できる電食防止転がり軸受に関する。

転がり軸受が、電気的に外部に通じる軌道輪から転動体に電流が流れる使用状態である場合には、軌道輪などの金属製部品に電食現象が起こる可能性があり、このような電食を防止するために軌道輪の表面に絶縁被膜を形成して、外部から流入する電流を遮断できる電食防止転がり軸受が知られている。

電食の発生を抑止するためには、軸受外輪外径部から幅部にかけてセラミックや樹脂などの絶縁体で覆うことや、転動体をセラミックにすることで対応しているが、コスト性の観点から外輪を電気絶縁体で覆う手段が広く採用されている。

このような電気絶縁体を構成する樹脂組成物として、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、PPS樹脂とする）に、強度向上のためにガラス繊維を添加し、さらに熱伝導性向上のために熱伝導性の良い無機材料を添加したものが知られている（特許文献１）。

ところで樹脂で転がり軸受の外輪を覆う手段として、インサート成形が知られており、外輪要部の周りを被膜で包むように熱可塑性樹脂を射出成形する。

このようなインサート成形では、溶融樹脂が固化する前に金型への充てんを完了させなければならないため、金型に複数のゲートが設けられるが、複数のゲート間のキャビティーには異なる方向から溶融した樹脂が流れ込み、対抗する溶融樹脂流が合流する箇所にはウエルドが生じる。

このようなウエルドは、溶融樹脂中に存在する添加物が樹脂流に沿って配向した状態で留まる箇所となって、その配向の度合いに応じてウエルドのある部分の機械的強度が低下する。
そのような要因により、成形樹脂被膜のウエルド部の引張強さは、ウエルド部のない部分の成形樹脂被膜の引張強さと比較して大幅に低下することになる。

このようなウエルド部は、外観上も不良であるので、ウエルドを見かけ上見えなくするために、繊維状フィラーや針状フィラーに加えて、パール調顔料やメタリック調顔料などの板状顔料を添加することが知られている（特許文献２）。

また、絶縁樹脂被膜全体の強度を高めてクリープ変形を防止することにより、軸受の締め代を経時的に安定させる目的で、ポリフェニレンスルフィド樹脂等を主成分とする絶縁被膜に、ガラス繊維やガラス球、酸化カルシウム、ホウ酸アルミニウムウイスカ等の絶縁性無機物を添加することが知られている（特許文献３）。

特開２００６－２５０３４７号公報特開２００１－２０７０６２号公報特許第４０７２３１４号公報

しかし、特許文献１に記載されるように、所定の熱可塑性樹脂に良熱伝導性の無機材料を添加するだけでは、熱伝導率の向上が図られるだけであり、ウエルドの強さの向上を図ることはできなかった。

また特許文献２に記載されるように、繊維状フィラーや針状フィラーに加えて、パール調顔料やメタリック調顔料などの板状顔料を添加しても、同様にウエルドの強さの向上は図れない。

さらに、熱可塑性樹脂製の絶縁被膜に、多種類から選択される複数種類の絶縁性無機物を添加することによっては、実用上必要な再現性を持った信頼性のある強度でウエルドの機械的強さが向上した熱可塑性樹脂製の絶縁被膜は得られなかった。

そこで、この発明の課題は、熱可塑性樹脂を主成分とする電気絶縁被膜が軌道輪の表面に形成された電食防止転がり軸受の前記電気絶縁被膜に形成されるウエルド部が、所要の電気絶縁性および熱伝導性を保ちながら、機械的強度の充分に高められたものであり、特に引張強度に優れたウエルド部を有する電気絶縁被膜を備えた電食防止転がり軸受とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明では、軌道輪の表面に電気絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受であって、前記電気絶縁被膜が、熱可塑性樹脂を主成分とし、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)及びアスペクト比１～３の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)を含有する樹脂組成物の成形体からなる電食防止転がり軸受とした。

上記したように構成されるこの発明の電食防止転がり軸受は、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物の成形体からなる電気絶縁被膜について、ウエルドにおける針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)の配向性が、所定のアスペクト比の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)によって効率よく緩和されるので、所要の電気絶縁性および熱伝導性を維持しながら、ウエルド部の無い部分に比べてウエルドのある部分の機械的強度の低下が顕著に抑制される。

上記した所要の電気絶縁性を充分に確保するためには、上記樹脂組成物が、電気抵抗率１０¹³Ω・cm以上の絶縁性を有することが好ましく、粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)としては、セラミックを採用することが好ましい。

また、ウエルドのある部分の機械的強度の低下が顕著に抑制されるように適切な上記樹脂組成物は、粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合割合が３０～５０質量％の樹脂組成物である。

粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合割合が３０質量％未満では、ウエルド強さや熱伝導率が所期した程度にまで充分に向上しない場合がある。また同配合割合が５０質量％を超えると、溶融した樹脂組成物の流動性が低下する場合があり、成形性が低下することは好ましくない。

粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合割合は、上記樹脂組成物が、ＪＩＳＫ７１６４の引張特性の試験方法による「ウエルドを有しない試験片の引張強さ（ＭＰａ）」に対する「ウエルドを有する試験片の引張強さ（ＭＰａ）」の割合が８５％以上の樹脂組成物であるように調整されていることが好ましい。

特に、上記樹脂組成物は、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)の配合量に対する粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合量の割合（質量比）が１．５～２．５の樹脂組成物である場合には、電気伝導率がよく、熱伝導率もよく、しかもウエルド強さも向上した電気絶縁被膜を備えた電食防止転がり軸受になる。

また、上記樹脂組成物は、鉄道車両用などの電食防止転がり軸受において、軸受内部の熱を放出し、軸受温度の上昇を抑制するために熱伝導率０．６～１．０Ｗ/ｍ・Ｋの樹脂組成物であることが好ましい。

そして、上記したような電気絶縁被膜を備えた電食防止転がり軸受であれば、鉄道車両用の電食防止転がり軸受として適用できるものになる。

この発明は、電気絶縁被膜が、熱可塑性樹脂を主成分とし、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)及びアスペクト比１～３の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)を含有する樹脂組成物の成形体からなる電食防止転がり軸受としたので、前記電気絶縁被膜に形成されるウエルド部が、所要の電気絶縁性および熱伝導性を維持しながら、機械的強度の低下が抑制されたものであり、特に引張強度に優れたウエルド部を有する電気絶縁被膜を備えた電食防止転がり軸受となる利点がある。

実施形態の電食防止転がり軸受の断面図

この発明の実施形態について、添付図面を参照して以下に説明する。
図１に示すように、実施形態の電食防止転がり軸受は、内輪１と外輪２とからなる軌道輪のうち、外輪２の外周面に一体に所定の樹脂組成物からなる電気絶縁被膜３を射出成形（インサート成形）により形成したものである。

なお、図中の符号、４は転動体の玉であり、５は保持器であり、内輪１の外径面から外輪２の内径面の間にはグリース（図示せず）が充てんされている。

また、電気絶縁被膜３は、内輪１内径部とはめ合わされる軸Ａ、外輪外径部にはめ合わされるハウジングＢ間で、導通を防ぐために有するものであればよく、実用上は外輪の外径面部ａから幅部ｂにかけて、もしくは内輪１の内径面部ｃのいずれか、またはそれらの両方に被覆されていればよい。

前記電気絶縁被膜は、熱可塑性樹脂を主成分とし、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)及びアスペクト比１～３の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)を含有する樹脂組成物の成形体からなるものである。

実施形態の熱可塑性樹脂は、転がり軸受の用途に応じて周知の熱可塑性樹脂のうち、適切な特性を有するものを選択的に採用することが可能であり、例えば耐熱性に優れており、しかも射出成形が可能な樹脂として、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、芳香族ポリアミド樹脂などが挙げられる。また、これらの樹脂と共に脂肪族ポリアミド樹脂、その他の熱可塑性樹脂とを併用したポリマーアロイなどであってもよい。

因みに、ＰＰＳ樹脂の常用耐熱温度は２２０～２４０℃程度であり、鉄道車両用主電動機の発熱に充分に耐えられる。また、耐薬品性にも優れているため劣化しづらい特徴がある。なお、靭性向上のために、エラストマー成分を添加することも可能である。

針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)は、いずれも主成分の熱可塑性樹脂中に分散状態で保持されることが可能な針状または短繊維状の形態のセラミックなどの絶縁性無機物からなるものが好ましい。

例えば針状または短繊維状の径は、０．１～２０μｍであり、長さは２０～３０００μｍのものを用いることが、分散性がよいので好ましい。
短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)の具体例としては、ガラス繊維、アラミド繊維などが挙げられ、針状の絶縁性添加剤(Ａ)としては、酸化亜鉛ウィスカ、酸化チタンウィスカ、炭酸カルシウムウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、ホウ酸アルミニウムウイスカなどが挙げられる。

粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)は無機化合物であり、例えば窒化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム及びこれらからなる化合物などのセラミック（セラミックス材料）を適用できる。これらのセラミックは、樹脂と比較して熱伝導率が高く、また絶縁性を有することから、電食防止用途に適用できるものである。

粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)は、アスペクト比１～３の粒状の形態であり、このアスペクト比の範囲より大きい形態のもの、または前記範囲未満のものでは、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)の配向を乱すことができず、配向状態を充分に緩和できないので、ウエルド強さの向上が図れない。

樹脂組成物（１００質量％）中の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合割合は、３０～５０質量％であることが好ましい。粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)が、前記所定範囲の配合割合より少ないと熱伝導率が低下してしまい目的の放熱性を達成困難になり、過量の添加量では、熱可塑性樹脂の流動性が低下して成形性が悪化する。

針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)及びアスペクト比１～３の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)からなるフィラーを添加した樹脂組成物の電気抵抗率は、１０¹³Ω・cm以上であることが好ましい。前記電気抵抗率未満では、樹脂被覆による所要の電食防止性を発揮する絶縁性が担保できず、電食の発生する可能性が高まる。

上記樹脂組成物は、ＪＩＳＫ７１６４の引張特性の試験方法による「ウエルドを有しない試験片の引張強さ（ＭＰａ）」に対する「ウエルドを有する試験片の引張強さ（ＭＰａ）」の割合が８５％以上の樹脂組成物であることが好ましい。ここでいう「試験片の引張強さ（ＭＰａ）」は、「破断」または「破壊伸び」の引張強さ（ＭＰａ）である。

鋼製の軸受に被覆された熱可塑性樹脂の線膨張係数は、鋼の約１０倍であり、上記引張強さの所定割合が８５％未満では、温度変化に伴う熱膨張差によるフープ力の発生により、ウエルド部にクラックが発生する恐れがある。

また、上記フィラーの添加された樹脂組成物の熱伝導率は、０．６～１．０Ｗ/ｍ・Ｋであることが好ましい。熱伝導率が低いと軸受内部の熱を放出できず、軸受温度が上昇してグリースの早期劣化を招く恐れがある。このように熱伝導率を高くするには、粒状フィラーの添加量を増やさなければならず、それによる強度低下や成形性の低下を招く恐れがある。

[実施例１～３、比較例１～３]
表１に示す配合割合でポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）を主成分とし、短繊維状の絶縁性添加剤（Ａ）としてガラス繊維（ＧＦ）を用い、粒状の絶縁性添加剤（Ｂ）として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を配合した樹脂組成物を調製した。

この樹脂組成物を用いて図１に示される構造の深溝玉軸受（呼び番号６３３１）の外輪の外周面の外径面部ａから幅部ｂにかけて電気絶縁被膜３を射出成形（インサート成形）法により形成した。なお、樹脂組成物の調製については、ＰＰＳにＧＦおよびＭｇＯと混合したのち、混練、ペレタイズにより、ペレットを作製し、所定の条件で射出成形を行なった。ＧＦの添加量は２０質量％とし、ＭｇＯのアスペクト比は１．５と５の二種類を用いた。

さらに、得られた電食防止転がり軸受の効果を確認するため、外輪と一体に形成された電気絶縁被膜３の特性について、以下の評価試験(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)を実施した。

評価試験(ａ)電気抵抗率：
ＪＩＳＫ７１９４「導電性プラスチックの４探針法による低効率試験方法」に従って、標準試料の電気抵抗率(Ω・cm)を測定し、表中に１０¹³(Ω・cm)未満を×、１０¹³(Ω・cm)以上を〇の２段階に評価した。

評価試験(ｂ)ウエルド強さ（引張強さの割合％）：
多目的試験片（ダンベル形:ＪＩＳＫ－７１３９）を用いて、ＪＩＳＫ７１６４「プラスチック-引張特性の試験方法」に準拠し、「ウエルドを有しない試験片の引張強さ（ＭＰａ）」に対する「ウエルドを有する試験片の引張強さ（ＭＰａ）」の割合（％）を調べ、表中に８５％未満を×、８５％以上を〇の２段階に評価した。

評価試験(ｃ)熱伝導率：
多目的試験片（ＪＩＳＫ－７１３９）から試験片を切り出し、ホットディスク法で熱伝導率(W/m・K)を測定し、表中に熱伝導率０．６(W/m・K)未満を×、０．６(W/m・K)以上を〇の２段階に評価した。

評価試験(ｄ)樹脂流動性：
射出成形（インサート成形）時における樹脂流動性についての良否を、スパイラル状の溝を有する金型を用いたスパイラルフロー試験で調べ、その評価は、射出速度１００ｍｍ/秒における樹脂の流動長さが５０ｍｍ未満の悪い場合に表中に×と記し、５０ｍｍ以上の良好な場合には〇と記する２段階評価とした。

表１に示された評価からも明らかなように、実施例１～３は、電気抵抗率、ウエルド強さ、熱伝導率、樹脂流動性のいずれも良好であった。

また、比較例１は、ＭｇＯの添加量を２５質量％としたため、ウエルド強さおよび熱伝導率が低下した。ＭｇＯの添加量を減らしたことで、配向の乱れが少なくなりウエルド強さが低下したものと考えられた。
また、比較例２は、ＭｇＯの添加量を５５質量％としたので、ウエルド強さおよび熱伝導率は良好だったが、樹脂流動性が悪化した。またＭｇＯの添加量を増やしたことで、樹脂分が減少して流動性が悪化したと考えられた。
比較例３は、ＭｇＯのアスペクト比を５としたので、ウエルド強さが低下した。ＭｇＯのアスペクト比を大きくしたことで、配向の乱れが少なくなり、ウエルド強さが低下したものと考えられた。

１内輪
２外輪
３電気絶縁被膜
４玉
５保持器
Ａ軸
Ｂハウジング
ａ外径面部
ｂ幅部
ｃ内径面部

Claims

軌道輪の表面に電気絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受であって、
前記電気絶縁被膜が、熱可塑性樹脂を主成分とし、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)及びアスペクト比１～３の粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)を含有する樹脂組成物の成形体からなる電食防止転がり軸受。
上記粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)が、セラミックである請求項１に記載の電食防止転がり軸受。
上記樹脂組成物は、粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合割合が３０～５０質量％の樹脂組成物である請求項１または２に記載の電食防止転がり軸受。
上記樹脂組成物が、電気抵抗率１０¹³Ω・cm以上の絶縁性を有する樹脂組成物である請求項１～３のいずれかに記載の電食防止転がり軸受。
上記樹脂組成物が、熱伝導率０．６～１．０Ｗ/ｍ・Ｋの樹脂組成物である請求項１～４のいずれかに記載の電食防止転がり軸受。
上記樹脂組成物は、ＪＩＳＫ７１６４の引張特性の試験方法による「ウエルドを有しない試験片の引張強さ（ＭＰａ）」に対する「ウエルドを有する試験片の引張強さ（ＭＰａ）」の割合が８５％以上の樹脂組成物である請求項１～５のいずれかに記載の電食防止転がり軸受。
上記樹脂組成物は、針状または短繊維状の絶縁性添加剤(Ａ)の配合量に対する粒状の絶縁性添加剤(Ｂ)の配合量の割合（質量比）が１．５～２．５の樹脂組成物である請求項１～６のいずれかに記載の電食防止転がり軸受。
請求項１～７のいずれかに記載の電食防止転がり軸受からなる鉄道車両用の電食防止転がり軸受。