JP4665905B2 - 転動装置の製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、これらの部材を構成する材料には、軸受鋼としては日本工業規格のSUJ2、ステンレス鋼としては日本工業規格のSUS440Cや13Cr系のマルテンサイト系ステンレス鋼、そして肌焼鋼としては日本工業規格のSCR420相当の鋼がよく使用されている。これらの材料は、転がり疲れ寿命等の必要とされる性質を得るために、軸受鋼やステンレス鋼であれば焼入れ,焼戻しが施され、肌焼鋼であれば浸炭処理又は浸炭窒化処理後に焼入れ,焼戻しが施されて、硬さがHRC58以上64以下とされている。
転がり接触面の潤滑状態の良否は、形成される油膜厚さと表面粗さとの比である油膜パラメータΛ(下記式を参照)によって表され、Λが大きいほど潤滑状態は良い。すなわち、Λが大きい場合には、表面の微小突起間の接触による表面起点剥離が起こりにくくなり、寿命は、主として材料の清浄度,硬さ,材質,熱処理等によって決定する。逆に、Λが小さいほど表面の微小突起間の接触による表面起点剥離,ピーリング損傷,焼付きが生じやすくなり、寿命が大幅に低下することが知られている。
h:EHL油膜厚さ
σ:合成表面粗さ(σ1 2 +σ2 2 )1/2
σ1,σ2は接触する2面の粗さ(二乗平均粗さ)
ここで、ラジアルニードル軸受を例にあげて、さらに詳細に説明する。トランスミッション等に幅広く使用されているプラネタリーギアを軸支するプラネタリーギア用軸受では、外方部材にあたるプラネタリーギアからの力の伝達が滑らかに行われるように、一般に、はすば歯車が使用されるため、力関係から、内方部材にあたるプラネタリーシャフトの走行跡がねじれた形となる。このため、プラネタリーギアとプラネタリーシャフトとの間にあるニードルローラーに対し、不均一な力が作用してエッジロードやスキュー等が発生し、軸受の寿命が低下したり、スミアリングや焼付きが発生しやすい。
一方、CO2 排出規制に伴なうエンジンの燃費向上の観点から、高速回転時の回転効率を高めるための潤滑油の低粘度化にあいまって、転動装置の高速回転時の耐焼付き性や希薄潤滑下における耐久性の向上が益々求められるようになってきている。このような用途における針状ころ軸受の潤滑性を確保するために、例えば、ニードルローラーを複列化するとともに、内方部材にあたるプラネタリーシャフトのニードル間位置まで軸端から油穴を設け、当該油穴を通じて給油を行う油穴給油方式が採用されている。しかし、油量が不十分な場合は、転走面にピーリング損傷及び焼付きが発生するおそれがある。
また、焼付きを防止する技術として、スラスト荷重を受けながらすべり接触するすべり面を備えた機械部品において、前記すべり面に独立した無数の微小くぼみをランダムに設け、この微小くぼみを設けた面の面粗さをRmax0.6〜2.5μm、表面粗さのパラメータSK値を−1.6以下とし、且つ、微小くぼみの平均面積を35〜150μm2 、表面に占める微小くぼみの面積の割合を10〜40%とした機械部品が開示されている(特許文献2を参照)。
このような用途に使用可能なボールねじとして、ねじ溝,ナット,及び転動体のうちの少なくとも一つの摺接部分に、二硫化モリブデンの微粒子を噴射して衝突により固着させ、厚み寸法0.5μm以下の潤滑剤被膜を形成したものが開示されている(特許文献3を参照)。また、特許文献4には、平均粒子径が約1μm〜約20μmの二硫化モリブデンを約95質量%以上含有する二硫化モリブデン投射用材料が開示されている。この二硫化モリブデン投射用材料は、ショットピーニング装置を用いて投射速度100m/s以上で投射される。
スミヤリング,焼付き,摩耗,ピーリング等を防止する技術としては、前述の特許文献1に開示のものがあるが、ただ単にくぼみを形成し、油膜溜まりを形成しただけでは、潤滑油のさらなる低粘度化や油量不足に十分に対応できない。また、特許文献2に開示のものも、上記と同様に、潤滑油のさらなる低粘度化や油量不足に十分に対応できない。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高速,高荷重条件下で使用されてもスミアリング,焼付き,摩耗,ピーリング等の不具合が生じにくく長寿命な転動装置の製造方法を提供することを課題とする。
潤滑被膜が被覆されている部分の面積率が75%未満であると、転動装置の寿命が不十分となるおそれがある。なお、潤滑被膜が被覆されている部分の面積率が95%超過であると、油溜まり効果が若干低下するおそれがある。また、潤滑被膜が脱落する可能性があるが、脱落した潤滑被膜は、特にグリース潤滑等の場合にはグリース中に混合されて固体潤滑剤として作用する場合もある。また、潤滑被膜は、転動体等の一部の表面のみに形成されていてもよい。
このような構成であれば、ディンプル内に固体潤滑剤が充填され、潤滑被膜が被覆された部分と潤滑被膜との密着性が向上するため、ディンプルがない場合と比較して転動装置がより長寿命となる。また、転動装置の駆動時にはディンプル内に固体潤滑剤がトラップされるので、潤滑被膜の効果が長く維持される。このような効果を得るためには、ディンプルの深さを0.1μm以上とする必要がある。ただし、ディンプルの深さを5μm超過としても、それ以上の効果は期待できないので、ディンプルの深さは5μm以下とすることが好ましい。なお、このような効果をさらに確実なものにするためには、ディンプルの深さを0.2μm以上3μm以下とすることがより好ましく、0.5μm以上3μm以下とすることがさらに好ましい。なお、潤滑被膜の表面にも、上記と同様のディンプルを形成してもよい。
さらに、本発明は、転動装置に使用されるシールに適用することができる。すなわち、相手部材と接触するシールの摺接面に前述のような潤滑被膜を被覆してもよい。なお、シールの摺接面と接触する相手部材に潤滑被膜を被覆してもよいし、シールの摺接面及び相手部材の両方に潤滑被膜を被覆してもよい。
さらに、本発明は、ボールねじ,リニアガイド装置等において転動体同士の間に介装される保持ピースに適用することができる。すなわち、保持ピースの転動体との接触面に前述のような潤滑被膜を被覆してもよい。
さらに、本発明は、電動パワーステアリング装置に使用されるウォームホイール減速機のウォームに適用することができる。すなわち、ウォームやホイールのギア歯面に前述のような潤滑被膜を被覆してもよい。
さらに、本発明は、伸縮タイプのステアリング軸に適用することができる。すなわち、互いにスプライン嵌合する雄軸と雌軸の軸方向に延びるトルク伝達溝を前記雄軸の外周面及び前記雌軸の内周面に形成するとともに前記トルク伝達溝に係合するトルク伝達ピンを前記雄軸と前記雌軸との間に配置した車両のステアリング用伸縮軸において、前記トルク伝達ピンの外周面及び前記トルク伝達溝の溝面の少なくとも一方に、前述のような潤滑被膜を被覆してもよい。
図1は、本発明に係る転動装置の第一の実施形態であるスラスト針状ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図1のスラスト針状ころ軸受は、図示しない軸に固定される内輪1(内方部材)と、図示しないハウジングに固定される外輪2(外方部材)と、内輪1の軌道面1aと外輪2の軌道面2aとの間に転動自在に配された複数の転動体3と、複数の転動体3を両輪1,2の間に保持する保持器4と、を備えている。
このようなスラスト針状ころ軸受は、潤滑被膜により金属間接触が抑制されるので、油膜パラメータΛが3以下である境界潤滑環境下で使用された場合でも、スミアリング,焼付き,摩耗,ピーリング等の不具合の発生が低減され長寿命である。
以下に実施例を示して、第一の実施形態をさらに具体的に説明する。種々のスラスト針状ころ軸受(内径40mm,外径70mm,幅5.5mm)を試験軸受として用意して回転試験を行い、その寿命を評価した。試験軸受であるスラスト針状ころ軸受の構成は、内輪の軌道面,外輪の軌道面,及び転動体の転動面のうち転動体の転動面のみに、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜を被覆した点以外は、前述した図1のスラスト針状ころ軸受と同様である。
こうして得られた転動体の転動面に前処理を施して、ディンプルを形成した。ディンプルの形成方法は特に限定されるものではないが、ショットピーニング処理及びバレル処理を採用した。ショットピーニング処理は、ショットピーニング装置を用いて行った。ショット材には日本工業規格JIS R6001に規定された平均粒径45μmの鋼球の他、SiC,SiO2 ,Al2O3 ,ガラスビーズ等のような被処理表面よりも硬いものを用い、噴射圧力196〜1470kPa、噴射時間10〜20minの条件で、ショット材を転動体の転動面に噴射した。なお、一度に処理する転動体の量は1〜6kgとした。
投射材は、被処理表面の硬さよりも硬いものを使用することが好ましい。例えば、セラミック系のものが使用できる。また、形状は球形よりも多少の角があるものが好ましい。硬くて角を有する投射材を使用することにより、後の潤滑被膜に対するアンカー効果が大きくなる。
次に、ディンプルを形成した転動体の転動面に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜を被覆した。潤滑被膜を被覆する方法は特に限定されるものではないが、ショットピーニング処理を採用した。ショット材である固体潤滑剤には純度98%以上の錫(平均粒径45μm)を用い、噴射圧力196〜1470kPa、噴射時間10〜20minの条件で、錫を転動体の転動面に噴射した。一度に処理する転動体の質量は、1〜6kgとした
なお、ショット材の粒径と噴射圧力により、ショット材の衝突エネルギーをコントロールして、良好な潤滑被膜を形成することができる。ショット材の粒径は、二硫化モリブデンの場合は1μm以上20μm以下が好ましく、1μm以上5μm以下がより好ましい。。また、錫の場合は100μm以下が好ましく、20μm以上100μm以下がより好ましく、20μm以上60μm以下がさらに好ましい。
図2に、転動体の転動面に被覆した潤滑被膜の断面のSEM像を示す。符号Lが潤滑被膜であり、符号Kが転動体である。この潤滑被膜Lの厚さは、最大2.5μm、最小0.5μm程度である。
また、潤滑被膜を被覆した後に微小硬度計を用いて表面硬さを測定したところ、潤滑被膜が被覆された転動面は、最表面から2〜15μmの深さ位置までの部分の硬さが勾配を有していた。そして、最も硬い部分の硬さは710〜1130Hvであり、未処理のものの硬さに比べて、5〜20%向上していた。
回転速度:2000min-1
荷重 :動定格荷重の25%(P/C=0.25)
潤滑剤 :ISO粘度グレードがISO VG10である鉱油
油膜パラメータΛ:0.1〜1.0
雰囲気温度:室温(約28℃)
軸受温度:下レースの外径において100〜110℃
試験個数:1種の軸受につき10個
回転試験の結果(寿命)を表1,2に示す。また、潤滑被膜の被覆率と軸受の寿命との相関を、図4のグラフに示す。なお、表1,2及び図4のグラフにおける寿命の数値は、比較例1の軸受の寿命を1とした場合の相対値で示してある。
なお、比較例1は前処理として二段バレル処理が施されており、比較例2は前処理として二段ショットピーニング処理が施されており、比較例3は前処理として通常のバレル処理(一段バレル処理)が施されている。
〔第二の実施形態〕
本発明における潤滑被膜は、不活性ガス又は活性ガスを用いてショット材を加速するショットピーニング法により形成することが好ましい。不活性ガスとしては、N 2 ガス、Heガス、Neガス、Arガス、Xeガス、Krガスから選択される一種又は二種以上を組み合わせて用いることができる。また、CF4 ガス、S2 F6 ガス、NH3 ガス、CH4 ガス、C2 H6 ガス、C3 H8 ガス、C4 H10ガス、C5 H12ガス、RXガス、O2 ガス、H2 ガス等から選択される一種又は二種以上を組み合わせて用いることもできる。
さらに、潤滑被膜が形成された表面には、深さが0.10μm以上5.0μm以下のディンプル(以降は「微小くぼみ」と記すこともある)が形成されていることが好ましい。これによれば、表面に形成された微小くぼみに潤滑被膜が充填されて、転動部品の表面と潤滑被膜との密着性をさらに向上できる。ここで、微小くぼみが0.10μm未満であると、良好な密着性が得られなくなり、一方、5.0μm超過であると、得られる効果が飽和する。
さらに、潤滑被膜が形成された前記表面は、中心線平均粗さ(Ra)で0.10μm以上1μm以下となっていることが好ましく、0.1μm以上0.5μm以下となっていることがより好ましい。これによれば、転動部品の表面と潤滑被膜との密着性をさらに向上できる。ここで、表面の中心線粗さ(Ra)が0.10μm未満であると、表面と潤滑被膜との密着性が不十分になり、一方、1μm超過であると、潤滑条件が厳しくなり、表面起点型剥離が生じ易くなる。
また、潤滑被膜が形成される転動部品の表面とは、潤滑不良により損傷が生じ易い表面が含まれるのであれば特に限定されない。例えば、内方部材及び外方部材の各軌道面、内方部材及び外方部材の各内外周面、及び転動体の転動面があげられる。
このような転動装置によれば、内方部材、外方部材、及び転動体の少なくとも一つの表面に特定面積率の潤滑被膜を形成することにより、表面損傷が生じ難くなる。よって、転動装置を、例えば、油膜パラメータΛが3以下の潤滑状態が不良の環境下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命を長くできる。また、潤滑被膜の形成方法や膜厚、及び潤滑被膜が形成される表面の形状をさらに特定することにより、内方部材、外方部材、及び転動体の少なくとも一つの表面と潤滑被膜との密着性が向上できるため、転がり疲れ寿命をさらに長くできるとともに、潤滑被膜の剥離により生じる音響不良や振動不良を効果的に抑制できる。
具体的には、まず高炭素クロム軸受鋼二種(SUJ2)からなる素材を所定形状に加工し、840℃の混合ガス雰囲気(RXガス+エンリッチガス+アンモニアガス)で3時間浸炭窒化した後、油焼入れ及び焼戻しを行った。そして、内輪、外輪、及び針状ころの各表層部(表面から250μmの深さまでの部分)の残留オーステナイト量を15〜40体積%とし、前記表層部の硬さをHRC62〜67(Hv746〜900)に調整した。
なお、表3中で示す前処理「ショットA」とは、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力196〜1470kPa、噴射時間10〜20分の条件下で、ショット材としてJIS R6001に規定された平均粒径45μmのSiCをN2ガスで加速して噴射することにより、針状ころの各表面にディンプルを形成した処理を指す。
さらに、表3中で示す前処理「バレル」とは、種々のメディアや添加剤を配合して表面に大きなディンプルを形成する粗加工を大気中で行った後、プラトー部(平坦部)の粗さを整える仕上げ加工を大気中で行い、針状ころの各表面にディンプルを形成した処理を指す。
そして、前処理を行った後の針状ころ及び前処理を行わなかった針状ころの表面における中心線平均粗さ(Ra)を、いずれも0.10μm以上5.0μm以下となるように調節した。次に、針状ころの表面に潤滑被膜を形成した。具体的には、公知のショットピーニング装置を用いて、噴射圧力196〜1470kPa、噴射時間10〜20分の条件下で、ショット材としてスズ(純度98%以上、平均粒径45μm)をN2ガスで加速して噴射することにより、針状ころの各表面に潤滑被膜を形成した。
なお、表3中で比較例として示すNo.25,No.26の針状ころは、前処理(ショットピーニングやバレル)を行ってディンプルを形成したが、潤滑被膜を形成していないものである。また、表3中で比較例として示すNo.27の針状ころは、前処理も潤滑被膜の形成も行っていないものである。さらに、表3中で比較例として示すNo.28〜No.31の針状ころは、面積率が本発明の範囲外の潤滑被膜を形成したものである。
この寿命試験は、第一の実施形態に試験に使用した図3のスラスト型寿命試験機を用いて行った。また、この寿命試験は、初期振動値の5倍に達するか、外輪の外径温度が150℃に達するまでスラスト針状ころ軸受を回転させることにより行い、試験開始から試験終了までの時間を寿命とした。
なお、No.25の針状ころは、その表面に上述した特許文献1に記載のディンプルを形成した比較例であり、ディンプルを設けた面の最大表面粗さ(Ra)を1.0μm、表面粗さのパラメータ(SK値)を−2.0、ディンプルの平均面積を80μm2、ディンプルの面積率を25%としたものである。
また、外輪の外径温度が150℃に達して試験を終了したスラスト針状ころ軸受においては、焼付きによる損傷が生じたものとして判断して試験を終了し、外輪の外径温度が150℃に達するまでの時間を寿命とした。
荷重:動定格荷重の12%(P/C=0.12)
回転速度:8000min-1
潤滑油:鉱油VG10
周囲温度:室温(約28℃)
軸受温度:外輪外径において100〜110℃
油膜パラメータΛ:0.2〜1.0
特に、No.1〜No.6とNo.7,No.8の結果、及びNo.9〜No.15とNo.16の結果から、潤滑被膜の面積率を75%以上とすることにより、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。
また、No.3とNo.17,No.18の結果、No.11とNo.19の結果、及びNo.10とNo.20の結果から、潤滑被膜の厚さを0.10μm以上8.0μm以下とすることにより、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。
さらに、No.1〜No.8とNo.9〜No.16の結果、No.11とNo.23の結果、及びNo.12とNo.24の結果から、ショットピーニング法によりディンプルの深さを0.10μm以上5.0μm以下とすることによって、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。この理由としては、ディンプル深さを上記範囲内にすることにより針状ころの表面に潤滑被膜がさらに密着して形成されるとともに、ショットピーニング法により針状ころの表面の硬さが向上したためであると考えられる。
以上の結果から、表面に潤滑被膜が特定面積率で形成された針状ころを用いることにより、油膜パラメータΛが3以下の潤滑状態が不良の環境下で使用した場合であっても、スラスト針状ころ軸受の転がり疲れ寿命を長くできることが分かった。また、針状ころの表面に形成する潤滑被膜の厚さやディンプルの深さについても特定することにより、スラスト針状ころ軸受の転がり疲れ寿命をさらに長くできることが分かった。さらに、潤滑被膜を不活性ガス又は活性ガスでショット材を加速して衝突させるショットピーニング法により形成することにより、スラスト針状ころ軸受の転がり疲れ寿命をさらに長くできることがわかった。
本実施形態は転がり軸受に係り、具体的には、自動車の自動変速機やエアコンディショナーの空調機に用いられるコンプレッサ等のような潤滑条件が悪く系内酸素濃度が低い状況においても軸受寿命を長期にわたって維持することが可能な転がり軸受に関する。
コンプレッサの一タイプとして、容量可変式のコンプレッサの例を以下に述べる。容量可変式のコンプレッサは、ハウジングに対して駆動軸を回転自在に嵌挿し、この駆動軸に対して斜板を傾斜角度可変に連結し、この斜板に対しウォブル板を摺動自在に取付けてある。斜板とウォブル板との間には、スラスト軸受が配設されている。ウォブル板には、複数のピストンロッドの一端が円周方向等間隔に取付けてあり、このピストンロッドの他端はピストンに連結している。このピストンは、ハウジング内に設けられたシリンダの内部で摺動するように設けられ、このシリンダのボア内に流入される冷媒ガスを圧縮し吐出するようにしている。つまり、斜板が回転すると、ウォブル板が、いわゆるみそすり的動作をし、ピストンロッドを介してピストンを軸線方向に往復運動させ、冷媒ガスを圧縮し吐出するようになっている。
このように潤滑条件が悪いだけでなくコンプレッサ特有の問題として、冷媒を封入する際に系内の大気を排気するため系内酸素濃度が低いことが挙げられる。一般に大気中で油膜形成が不十分な時、使用される転がり軸受の転動体の表面及び/又は軌道輪の軌道面などの接触部は油膜破断によって金属接触を引き起こすが、速やかに雰囲気の酸素によって表面酸化膜が形成され、それ以上の金属接触を防止して凝着摩耗を抑制する自己修復作用が存在する。しかし、油膜形成が十分でなくかつ酸素濃度が低い場合はかかる表面酸化が起きないため、転動体の表面及び/又は軌道輪の軌道面等が一度接触を起こすと、それ以降の接触は常に金属−金属接触を繰り返し、凝着摩耗が止まることなく進行する。
しかしながら、日本国特許公報 第2724219号に記載された転がり軸受は、転動体表面又は内外輪の転動面の形状を工夫して長寿命化を図ったものであり、表面損傷を低減するのに有効な手段であるが、転動表面にスキューネスRskの値を−1.6以下とした油溜りを付ける表面加工を施すだけでは寿命延長に限界があることもわかってきた。
上記課題を解決するために、本発明は、転動表面を潤滑被膜(以降は固体潤滑剤被膜と記すこともある)で被覆する事とした。即ち、本発明者らは、鋭意研究の結果、固体潤滑剤被膜を転動表面に形成することにより、転動体及び/又は軌道輪における軌道面の早期摩耗を回避できることを見出した。
前記固体潤滑剤被膜は、その被膜厚さが0.05〜8.0μmであることが好ましい。これにより、更に耐摩耗性能を向上させることができる。
前記固体潤滑剤被膜の表面の中心線平均粗さRaは、1μm以下であることが好ましい。より好ましくは0.1μm以上0.5μm以下、さらに好ましくは0.15μm以上0.45μm以下である。これにより、更に効果的に摩耗を抑制することが可能となる。
本発明に係る転がり軸受によれば、微量油又は枯渇潤滑下のような潤滑条件が悪い使用条件下においても寿命の延長を図ることができる。
〔第三の実施形態のA〕
図6は、第三の実施形態のAに係るスラスト針状ころ軸受201の構成を示す部分断面図である。このスラスト針状ころ軸受201は、図示しない軸に固定される内輪210と図示しないハウジングに固定される外輪212とを備えており、該両輪210、212の対向する軌道面210a、212aの間に転動自在に配設された転動体としての複数の針状ころ214が保持器216によって保持されている。
固体潤滑剤被膜の形成は、ショットピーニング加工により行うことができる。ショットピーニング加工の条件は、噴射圧力196〜1470kPa(より好ましくは392〜1470kPa)、噴射時間10〜20分、被投射材重量1〜6kgとすることが好ましい。
前処理には、バレル加工、ショットピーニング加工等、第一の実施形態と同様の方法を採用することができる。
前記固体潤滑剤被膜の被膜厚さは、0.05〜8μmであることが好ましく、0.5〜5μmであることがより好ましく、0.5〜3μmであることが更に好ましい。
これらの固体潤滑剤被膜の厚さや面積率及び母材最表面からの硬さ勾配は、本発明に係るスラスト針状ころ軸受を特徴付ける値であり、実施例に係るスラスト針状ころ軸受によって得られる効果に関係すると考えられる。
〔第三の実施形態のB〕
図7は、第三の実施形態のBに係るスラスト針状ころ軸受210を適用したカーエアコンディショナー用コンプレッサ202の断面図である。図7において、カーエアコンディショナー用のコンプレッサ202である容量可変式のコンプレッサは、ハウジング220に対して駆動軸222を回転自在に嵌挿し、この駆動軸222に対して斜板224を傾斜角度可変に連結し、この斜板224に対しウォブル板226を摺動自在に取付けてある。
クラッチ機構CMがオンされると、カーエアコンディショナー用コンプレッサ202の動作が開始する。かかる場合、図示しないベルトによりプーリ234が駆動すると、駆動軸222が回転駆動し、それにより斜板224が回転すると、ウォブル板226が、いわゆるみそすり的動作をし、ピストンロッド232を介してピストン230を軸線方向に往復運動させ、冷媒ガスを圧縮し吐出するようになっている。
なお、ピストン232の動作に伴って発生する冷媒ブローバイガスが、図7で矢印方向に流れ、その冷媒ブローバイガスに含まれたミスト状の潤滑油を用いて、各部の潤滑を行う。このとき、スラスト針状ころ軸受201は、ピストン232から離れた位置に配設されているので十分な潤滑油がスラスト針状ころ軸受201に行き渡らず、潤滑条件的には厳しくなっている。
これに対し、第三の実施形態のBに係るスラスト針状ころ軸受201は、転動体の表面及び/又は軌道輪の軌道面にMoS2、Sn、BN、及びWS2からなる群から選択された少なくとも一種からなる固体潤滑剤被膜が形成されているため、特に面圧が高いとされる領域R(図6中、ダブルハッチングで示す)において、摩耗を抑制することができる。
〔第三の実施形態のC〕
図8は、第三の実施形態のCに係る深溝玉軸受203の断面図である。この深溝玉軸受203は、例えば、図7における駆動軸222の図面左側に配設されているスラスト軸受238に代えて使用することができる。
保持器246は、2枚の鋼板を折り曲げて組み合わせて形成されているが、その他樹脂で形成しても作用は同じである。
〔実施例〕
表4に示すように、前処理の有無、被膜部位、被膜厚さ、被膜面積率、残留オーステナイト(γR)量、及び中心線平均粗さを適宜変更して、平均粒径45μmの錫を用いて各種スラスト針状ころ軸受を製造した。製造方法は、第一の実施形態と同様である。
上記実施例及び比較例のスラスト針状ころ軸受を用い、以下の要領で摩耗試験(組み立て高さ減少量の測定)を行った。なお、転動体及び軌道輪は、軸受鋼(SUJ2)で構成され、焼入れ(820〜830℃で0.5〜1時間)及び焼戻し(160〜200℃で1〜2時間)を施した。また、必要に応じて浸炭又は浸炭窒化を施した。更に、内外輪には上記熱処理(焼き入れ及び焼き戻し)後に、バリ取りとつや出しを目的としたバレル加工を行い、ころには研削後につや出しを目的としたバレル加工を行った。
試験条件
供試軸受サイズ(内径×外径×高さ):40×60×5(mm)
アキシャル荷重(スラスト力):1500N
回転速度:4000min-1
保持器形式:図6に示す1枚保持器
供試時間:500h
雰囲気:HCFC134a(ポリアルキレングルコール含有)
組み立て高さの減少量の測定は、試験前後のスラスト針状ころ軸受の組み立て高さh(図6参照)を測定し、試験前の高さから試験後の高さを差し引くことにより求めた。結果を表5に示す。
上記実施例及び比較例のスラスト針状ころ軸受を用い、以下の要領で寿命の評価を行った。試験に使用した軸受用の寿命試験機は、第一の実施形態で使用したものと同様である。以下の条件で試験を行った。
試験条件
Pmax:11000MPa
回転速度:3000min-1
潤滑油 :VG10相当
なお、試験は試験片(軸受)の振動値が初期値の2倍に達した時点で中断し、試験片(軸受)を観察してピーリングの発生を確認した時点を寿命とした。また、それぞれの実施例や比較例につき3〜5回試験を行い、その結果からワイブルプロットを作成して、L10寿命(定格寿命)を求めた。そして、比較例9の寿命値を1として、他の実施例と比較例の寿命比を求めた。結果を表5に示す。
また、実施例9〜35に係るスラスト針状ころ軸受は、組み立て高さ減少量に関して、固体潤滑剤をショットピーニング加工する前にショットピーニング加工やバレル加工により前処理を行ったものは粗さRaが0.15〜0.45μmと前処理を行わないものよりも大きく、従来品の10倍以上の耐摩耗性を示すことが判明した。寿命に関しては、比較例の2.5倍以上と更に長寿命化が達成されることが判明した。これは、被膜を施す表面の粗さRaを0.15〜4.0μmの範囲で粗くしたことにより、固体潤滑剤のトラップ効果が高まり、固体潤滑剤の効果を持続することができるためと推測された。
一方、比較例1は被膜厚さが0.05μm未満と十分な被膜厚さが得られなかったため、耐摩耗性能が得られず、寿命比も低かった。
比較例2も摩耗が大きかったが、これは被膜厚さが8μmより大きく、局所的に凝集した部分があったため、転動中に被膜が剥れて摩耗が大きくなり、短寿命となったものである。
比較例5、6は従来品の例で、前処理でショットピーニング加工を行ったのみで、固体潤滑剤を用いたショットピーニング加工を行わなかったため十分な耐摩耗性を得ることができず、短寿命となった例である。
比較例7はバレル加工仕上げを行わすに研削で仕上げたもの、比較例8はバレル加工仕上げのものであり、いずれも固体潤滑剤を用いたショットピーニング加工を行っていないため摩耗が大きく、寿命比は低かった。
〔第四の実施形態〕
本発明の転動装置に用いられる転動部材(内方部材,外方部材,及び転動体)は、以下のようにして製造することができる。
本発明によれば、転動部材に対するショットピーニング処理を特定の条件で行うことにより、転動部材の母相が塑性変形を起こして、固体潤滑被膜をなすショット材が母相に拡散結合し易くなるため、転動部材の表面に拡散層を含む強固な固体潤滑被膜を密着して形成できる。また、転動部材の表面に形成する固体潤滑被膜の面積率を特定することにより、転動部材の表面に固体潤滑被膜を密着して形成できるとともに、転動部材に必要な潤滑性を付与できる。
なお、ショットピーニング処理の条件は、転動部材の表面に100℃以上300℃以下の条件で固体潤滑被膜を形成するのであれば特に限定されない。具体的には、転動部材自身を100℃以上300℃以下の温度に加熱した状態で固体潤滑被膜を形成してもよいし、固体潤滑被膜をなすショット材自身を100℃以上300℃以下の温度に加熱した状態で転動部材の表面に衝突させ固着させてもよいし、ショットピーニング処理を行う雰囲気全体を100℃以上300℃以下の温度に加熱してもよい。
また、本発明に係る転動装置の転動部材の製造方法においては、処理温度以外は第一の実施形態と同様に行うことが好ましい。
本発明に係る転動装置の転動部材の製造方法によれば、転動部材に特定の温度条件でショットピーニング処理を施して、転がり面をなす少なくとも一部の表面に特定面積率の固体潤滑被膜を形成することにより、転動部材の表面に固体潤滑被膜を密着して形成できる。そのため、表面損傷が生じ難い転動部材を製造できる。
よって、本発明の製造方法で製造された転動部材を用いることにより、例えば、油膜パラメータΛが3以下の潤滑状態が不良の環境下で使用した場合でも、転がり疲れ寿命が長い転動装置を提供できる。
本実施形態では、スラスト針状ころ軸受の内輪(内方部材)、外輪(外方部材)、及び針状ころ(転動体)を、以下に示すようにして作製した。まず、高炭素クロム軸受鋼二種(SUJ2)からなる素材を内輪、外輪、及び針状ころの各形状に加工し、840℃の混合ガス雰囲気(RXガス+エンリッチガス+アンモニアガス)で3時間浸炭窒化した後、油焼入れ及び焼戻しを行った。そして、内輪、外輪、及び針状ころの各表層部(表面から250μmの深さまでの部分)の残留オーステナイト量を15〜40体積%とし、前記表層部の硬さをHRC58〜67(Hv653〜900)に調整した。
さらに、固体潤滑被膜が形成された後の針状ころにおいて、第一の実施形態と同様に硬さを測定したところ、5〜20%の硬さの向上が認められた。
なお、表6中で比較例として示すNo.27の針状ころは、その表面に前処理(バレルA)を行って、上述した特許文献1に記載のディンプル(最大表面粗さRaが1.0μm,表面粗さのパラメータSK値が−2.0,ディンプルの平均面積が80μm2,ディンプルの面積率を25%)を形成したが、固体潤滑被膜を形成していないものである。
さらに、この寿命試験は、各実施例においてそれぞれ10回ずつ行い、その平均寿命を算出した。そして、比較例であるNo.27の針状ころを用いたスラスト針状ころ軸受の寿命を1とした時の比として、表6に併せて示した。
荷重:動定格荷重の12%(P/C=0.12)
回転速度:6500min-1
潤滑油:VG32
周囲温度:室温(約28℃)
軸受温度:外輪外径において100〜110℃
油膜パラメータΛ:0.2〜0.3
特に、No.1〜No.6とNo.7,No.8の結果、及びNo.9〜No.15とNo.16の結果から、固体潤滑被膜の面積率を75%以上とすることにより、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。
また、No.3とNo.17,No.18の結果、及びNo.11とNo.19,No.20の結果から、固体潤滑被膜の厚さを0.10μm以上8.0μm以下とすることにより、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。
この理由としては、ディンプルの深さをショットピーニング処理により上記範囲内にすることにより、針状ころの表面に固体潤滑被膜がさらに密着して形成されるとともに、針状ころの表面の硬さが向上したためであると考えられる。
続いて、表6で示す結果のうち、No.1〜No.16と、No.34〜No.37の結果を用いて、固体潤滑被膜の面積率と寿命との関係を示す図9のグラフを作成した。図9に示すように、面積率で75%以上の固体潤滑被膜を形成した針状ころを用いたスラスト針状ころ軸受では、面積率で75%未満の固体潤滑被膜を形成した針状ころを用いた場合と比べて、長寿命であったことが分かる。
以上の結果から、特定の温度条件でショットピーニング処理が施され、表面に特定面積率の固体潤滑被膜が形成された針状ころを用いることにより、油膜パラメータΛが3以下の潤滑状態が不良の環境下で使用した場合であっても、スラスト針状ころ軸受の転がり疲れ寿命を長くできることが分かった。
なお、本実施形態では、本発明を、転動装置の一例であるスラスト針状ころ軸受に適用した場合について説明したが、これに限らず、本発明は、潤滑状態が不良な環境下で使用される転動装置で好適に用いることができる。このような転動装置としては、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、スラスト玉軸受等の玉軸受や、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラストころ軸受等のころ軸受があげられる。また、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリング等の直動装置や、トロイダル型無段変速機等の転がり軸受ユニットが挙げられる。
〔第五の実施形態〕
本発明は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受等のころ軸受に適用することができる。
このような転動部材としては、通常、SUJ2等の軸受鋼や、SCR420等の肌焼鋼に対して、焼入れ及び焼戻し処理が施されたり、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ及び焼戻し処理が施されたりすることにより、転がり面をなす表層部の硬さをHRC58〜64としたものが用いられている。
このようなころ軸受は、玉軸受と比較して、剛性が高く、より高荷重条件下で使用できるが、トルクが大きいため、使用時の回転速度が制限されるという問題がある。このため、ころ軸受の設計を工夫したり、潤滑油の供給方法を工夫したりすることにより、ころ軸受の低トルク化を実現するための技術が提案されている。
しかしながら、上述した両公報に記載の技術は、いずれも潤滑状態が良好な環境下で使用されるころ軸受を考慮してなされたものである。よって、上述した両公報に記載の技術を潤滑状態が良好ではない環境下で使用されるころ軸受に適用した場合には、軌道輪ところとの転がり面や、軌道輪やころと保持器との接触面で金属接触による摩耗が生じ、ころ軸受の低トルク化を実現するのは難しいという問題がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、潤滑状態が良好ではない環境下で使用された場合であっても、低トルク化を実現できるころ軸受を提供することを課題としている。
これによれば、内輪、外輪、及びころのうち少なくとも一つの構成部材において、その転がり面を含む特定面積率の表面に固体潤滑被膜を形成したことにより、構成部材の表面に固体潤滑被膜を密着して形成できるため、この固体潤滑被膜が形成された構成部材に金属接触による摩耗が生じ難くなる。よって、潤滑状態が良好ではない環境下で使用された場合であっても、ころ軸受の低トルク化を実現できる。
ここで、固体潤滑被膜の厚さが0.05μm未満であると、構成部材において金属接触による摩耗の発生を効果的に抑制できなくなる。一方、8.0μm超過であると、構成部材に対して被膜の付着強度が得られなくなる。
また、各実施形態に共通であるが、構成部材の表面に固体潤滑被膜をさらに密着して形成するため、ディンプルの形成前又は固体潤滑被膜の形成前の構成部材の表面の中心線平均粗さ(Ra)は、1μm以下であることが好ましく、0.1μm以上0.5μm以下であることがより好ましい。
これによれば、表面に形成された微小くぼみ(さらには、表面粗さを形成する微小な凹部に)に固体潤滑被膜が充填されて、構成部材の表面に固体潤滑被膜をさらに密着して形成できる。よって、潤滑状態が良好ではない環境下で使用された場合であっても、ころ軸受のさらなる低トルク化を実現できるとともに、優れた音響特性を実現できる。
なお、本発明においてころ軸受の種類は特に限定されるものではなく、例えば、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、及び自動調心ころ軸受が挙げられる。
また、本発明で用いられる構成部材は、特に限定されるものではなく、例えば、SUJ2等の軸受鋼や、SCR420等の肌焼鋼や、SUS440等のステンレス鋼に、焼入れ及び焼戻し処理を施したり、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ及び焼戻しとを施したりしたものが挙げられる。
さらに、本発明において固体潤滑被膜は、少なくとも内輪及び外輪の軌道面や、ころの転動面を含む表面に形成されるのであれば特に限定されないが、少なくともころの転動面を含む表面に形成されることが好ましい。
さらに、本発明で用いられる固体潤滑被膜の素材としては、ころ軸受の構成部材の表面被膜として用いられた場合に必要な強度を有し、且つ、固体潤滑被膜が形成される構成部材と密着性がよいものであれば特に限定されない。例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、金属石けん、フッ素樹脂、ナイロン、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリエチレン、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、黒鉛、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化カーバイド、スズ、スズ合金、ニッケル、銅合金、純鉄、純銅、純クロムが挙げられる。
また、本発明のころ軸受によれば、固体潤滑被膜の膜厚や、固体潤滑被膜を形成する表面の形状をさらに特定することにより、潤滑状態が良好ではない環境下で使用された場合であってもさらなる低トルク化を実現できる。
以下、第五の実施形態について図面を参照しながら説明する。図10に示す本実施形態の円錐ころ軸受310は、日本精工株式会社製の呼び番号HR30307C(内径:35mm,外径:80mm,最大幅:22.75mm)の円錐ころ軸受である。
また、この円錐ころ軸受310では、内輪301の軸方向両端部に鍔部301A,301Bが形成されており、この鍔部301A,301Bに対してころ303の軸方向端面が転がり接触した状態で案内されるように構成されている。
固体潤滑剤としてJIS R6001に規定された平均粒径3μmの二硫化モリブデンを大気中で加速して噴射することにより、ころ303の転動面303aを含む表面に固体潤滑被膜を形成した。
また、表7中に示す被膜形成方法「焼成」とは、上述した日本国特許公報 第3567942号に記載のものと同様の方法である。すなわち、結合剤としてポリアミドイミドを混入させたアルコール系溶剤中に、固体潤滑剤として二硫化モリブデンを添加して調整したサスペンジョン液を噴射した後、熱処理により焼成させることにより、ころ303の転動面303aを含む表面に固体潤滑被膜を形成した処理である。
続いて、このようにして得られた内輪301、外輪302及びころ303と、SPCC製の保持器304とを用いて、円錐ころ軸受310を組み立てて、以下に示す条件で回転試験を行った。
この回転試験は、図11に示す縦型内輪回転式試験機を用いて行った。この試験機は、図11に示すように、主軸321と、この主軸321の軸方向一端部321aに設けられた支持軸受322と、本体部323と、この本体部323の軸方向上端面に設けられた静圧軸受324と、からなり、試験軸受である円錐ころ軸受310の内輪301を主軸321に内嵌させ、外輪302を本体部323に内嵌させた状態で使用されるように構成されている。
〔回転試験条件〕
荷重:9.8kN
回転速度:1500min-1
潤滑油:タービン油(ISO VG32)
軸受油量:200ml/min
潤滑油温度:30±3℃
特に、No.1〜No.5とNo.6との結果、及びNo.7〜No.12とNo.13との結果から、固体潤滑被膜の面積率を75%以上とすることにより、軸受トルクがさらに小さくなっていることが分かる。
No.1〜No.5とNo.14,No.15との結果、及びNo.7〜No.12とNo.16,No.17との結果から、固体潤滑被膜の厚さを0.1μm以上8.0μm以下とすることにより、軸受トルクがさらに小さくなっていることが分かる。
さらに、No.1〜No.5とNo.20との結果、及びNo.7〜No.12とNo.21との結果から、表面の中心線平均粗さ(Ra)を0.10μm以上0.50μm以下とすることにより、軸受トルクがさらに小さくなっていることが分かる。
図12に示すように、転動面303aを含む部分に面積率で75%以上の固体潤滑被膜を形成したころ303を用いた円錐ころ軸受310では、面積率で75%未満の固体潤滑被膜を形成したころ303を用いた場合と比べて、軸受トルクが小さくなっていることが分かる。
以上の結果から、転動面303aを含む部分に面積率で75%以上の固体潤滑被膜が形成されたころ303を用いることにより、潤滑状態が良好ではない環境下で使用した場合であっても、円錐ころ軸受310の軸受トルクを小さくできることが分かった。
なお、本実施形態では、本発明を、円錐ころ軸受310のころ303のみに適用した場合について説明したが、これに限らず、本発明を、内輪301のみや、外輪302のみに適用しても構わないし、内輪301、外輪302、及びころ303のうち二つ以上に適用しても構わない。
本発明は、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受等のころ軸受、特に、内輪及び外輪のうち少なくとも一つの軌道輪にころを支持する鍔部が形成されたころ軸受に適用することができる。第五の実施形態との差異は、鍔部ところの端面のみ、鍔部のみ、又はころの端面のみに、固体潤滑被膜を設けた点である。
鍔部を有する軸受においては、軌道面ところとの間の潤滑油膜が十分に形成されていても、鍔部ところとの摺接面に潤滑油膜が十分に形成されないと、ころにスキューが生じて、鍔部ところとの摺接面が外周側にずれやすい。そして、このずれが大きくなると、鍔部ところとの摺接面が小さくなり、摺接面全体の接触圧が増大して潤滑油膜の膜厚が薄くなるとともに、エッジ応力が作用して潤滑油膜が破断し易くなる。この結果、鍔部ところとの摺接面に金属接触が生じ易くなり、かじりや焼付き等の表面損傷が生じ易くなることがある。
〔焼付き試験条件〕
荷重:9.8kN
回転速度:300min-1
潤滑油:タービン油(ISO VG32)
軸受油量:200ml/min
潤滑油温度:30±3℃
特に、No.1〜No.5とNo.6との結果、及びNo.7〜No.12とNo.13との結果から、ころの大径側端面に形成する固体潤滑被膜の面積率を75%以上95%以下とすることにより、焼付き時間がさらに長くなっていることが分かる。
また、No.1〜No.5とNo.14,No.15との結果、及びNo.7〜No.12とNo.16,No.17との結果から、固体潤滑被膜の厚さを0.1μm以上8.0μm以下とすることにより、焼付き時間がさらに長くなっていることが分かる。
さらに、No.1〜No.5とNo.20との結果、及びNo.7〜No.12とNo.21との結果から、ころの大径側端面をなす表面の中心線平均粗さ(Ra)を0.10μm以上0.50μm以下とすることにより、焼付き時間がさらに長くなっていることが分かる。
図13に示すように、大径側端面に面積率75%以上の固体潤滑被膜を形成したころを用いた円錐ころ軸受では、面積率75%未満の固体潤滑被膜を形成したころを用いた場合と比べて、焼付き時間がさらに長くなっていることが分かる。
以上の結果から、大径側端面に面積率で75%以上の固体潤滑被膜が形成されたころを用いることにより、鍔部ところとの摺接面に潤滑油膜が十分に形成され難い環境下で使用された場合であっても、その摺接面に焼付きが生じ難く、円錐ころ軸受の転がり疲れ寿命を長くできることが分かった。
なお、本実施形態では、固体潤滑被膜を、円錐ころ軸受のころの大径側端面をなす表面のみに形成した場合について説明したが、これに限らず、固体潤滑被膜を、ころの大径側端面をなす表面に加えて、ころの小径側端面をなす表面に形成してもよいし、ころと摺接する鍔部が形成された内輪の内側面に形成しても構わない。
さらに、本実施形態では、本発明のころ軸受の一例として単列円錐ころ軸受をあげて説明したが、これに限らず、本発明は、鍔部ところとの摺接面に潤滑油膜が十分に形成され難い環境下で使用されるその他のころ軸受に適用しても構わない。例えば、図示しないが、公知の円筒ころ軸受や自動調心ころ軸受等に適用しても構わない。
本発明は、タペットローラ軸受、特に、内燃機関の燃料噴射装置や給排気弁駆動装置等の被駆動部品に好適に使用されるタペットローラ軸受に適用することができる。
エンジン内部での摩擦低減を図り、燃料消費率を低減することを目的として、クランクシャフトと同期したカムシャフトの回転を給気弁及び排気弁の往復運動に変換する部分に、タペットローラ軸受を利用することが一般的に行われている。
このようなタペットローラ軸受を構成するタペットローラの外周面と相手部材であるカムの外周面との転がり接触部、及び、タペットローラの内周面と相手部材である支持軸の外周面との転がり接触部には、回転時に希薄な潤滑環境下で大きな力が加わるため、これら転がり接触部に摩耗やピーリング等の表面損傷が生じるという問題がある。そこで、両転がり接触部の潤滑性を向上させる様々な工夫が、従来からなされている。
また、文献8−3に開示の技術のように、固体潤滑剤被膜を熱硬化性樹脂とともに焼成することにより表面処理層を形成すると、焼成のための熱処理が必要となりコストが嵩む。また、熱硬化性樹脂をバインダーとして用いているため、固体潤滑剤の占める割合が限られてしまい固体潤滑剤本来の性能を十分に利用できず、改良の余地が残されていた。
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係るタペットローラ軸受は、カムの回転に対応して運動するタペットに備えられ、前記カムに当接するローラと、前記ローラを回転自在に支持する支持軸と、を備えるタペットローラ軸受において、前記ローラの前記カムとの当接面,前記ローラの前記支持軸との接触面,及び前記支持軸の前記ローラとの接触面のうち少なくとも一つは、面積率で75%以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されていることを特徴とする。
本発明のタペットローラ軸受においては、前記潤滑被膜の厚さが0.05μm以上8μm以下であることが好ましい。
また、本発明のタペットローラ軸受においては、前記ローラの前記カムとの当接面,前記ローラの前記支持軸との接触面,及び前記支持軸の前記ローラとの接触面のうち少なくとも前記潤滑被膜が被覆された部分に、深さ0.1μm以上5μm以下のディンプルを設けることが好ましい。
このような構成であれば、長寿命であるとともに、タペットローラ軸受の音響特性が良好である。中心線平均粗さRaが1μm超過であると、潤滑条件が厳しくなり、表面起点型の剥離が発生する場合がある。なお、中心線平均粗さRaを上記のような値としても、潤滑被膜の形成能力が著しく低下することはない。
第七の実施形態に係るタペットローラ軸受について、図面を参照しながら詳細に説明する。図14は、タペットローラ軸受を軸方向に沿う面で破断した場合の断面図であり、図15は、図14のタペットローラ軸受のA−A断面図である。なお、以降に示す各図においては、同一又は相当する部分には同一の符号を付してある。
図14,15のタペットローラ軸受は、エンジン内部での摩擦低減を図り燃料消費率を低減することを目的として、クランクシャフトと同期したカムシャフトの回転を給気弁及び排気弁の往復運動に変換する部分に利用されるものである。
そして、タペットローラ506のカム502との当接面506a(タペットローラ506の外周面),タペットローラ506の支持軸505との接触面506b(タペットローラ506の内周面),及び支持軸505のタペットローラ506との接触面505a(支持軸505の外周面)のうち少なくとも一つは、面積率で75%以上の部分に、固体潤滑剤で構成された潤滑被膜(図示せず)が被覆されている。
なお、タペットローラ506の設置部分には、エンジンの運転時にエンジンオイルが供給される。そして、このエンジンオイルによって、カム502の外周面とタペットローラ506の外周面との間、及び、支持軸505の外周面とタペットローラ506の内周面との間が潤滑される。
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。前述した図14のタペットローラ軸受とほぼ同様の構成を有する種々のタペットローラ軸受を用意して回転試験を行い、寿命等の性能を評価した。
ここで、タペットローラ及び支持軸の製造方法について詳細に説明する。まず、タペットローラ及び支持軸は高炭素クロム軸受鋼SUJ2を素材とし、RXガスとエンリッチガスとアンモニアガスとを含む雰囲気中で820〜890℃にて2〜4時間浸炭窒化処理を施した後、さらに60〜100℃での油焼入れ、150〜190℃で2時間の焼戻し、及び研削仕上げを施したものである。
なお、本実施例においては固体潤滑剤として錫や二硫化モリブデンを用いたが、固体潤滑剤の種類は特に限定されるものではない。例えば、ポリエチレン,フッ素樹脂,ナイロン,ポリアセタール,ポリオレフィン,ポリエステル,ポリテトラフルオロエチレン,金属石鹸,二硫化タングステン,窒化ホウ素,黒鉛,フッ化カルシウム,フッ化バリウム,錫合金が使用可能である。ただし、不純物による潤滑被膜の潤滑性の低下や潤滑被膜の剥離を抑制するためには、高純度の固体潤滑剤を用いることが好ましいので、純度95%以上のものが好ましく、純度98%以上のものがより好ましい。
次に、タペットローラ軸受の性能の評価方法について説明する。タペットローラのカムとの当接面(タペットローラの外周面)には潤滑被膜が被覆してあり、タペットローラの支持軸との接触面(タペットローラの内周面)及び支持軸のタペットローラとの接触面(支持軸の外周面)には潤滑被膜が被覆していないタペットローラ軸受を、図21に示すような表面損傷試験機に装着して回転させ、タペットローラの外周面に形成される表面損傷の状態とタペットローラ軸受の寿命とを評価した。
タペットローラの回転速度:2000min-1
ラジアル荷重 :1960N
潤滑油 :エンジンオイル
潤滑油の温度 :110℃
潤滑油の滴下量 :0.1ml/min
このような回転試験を20時間行った後、タペットローラ506の外周面の表面損傷を金属顕微鏡により観察した。10個のタペットローラについて試験を行って、表面損傷が認められたタペットローラの割合を表面損傷発生率として算出した。例えば、全てのタペットローラについて表面損傷が認められなかった場合は、表面損傷発生率は0%である。その結果を表9,10に示す。なお、回転試験前後のタペットローラの外周面の光学顕微鏡写真を図22に示す。回転試験前には見られなかった表面の微小剥離(ピーリング)が、回転試験後には見られる。
比較例4〜7は、潤滑被膜の厚さが好ましい範囲内であり、潤滑被膜の被覆の面積率が好ましい範囲から外れたものであるが、実施例1〜20と比べて表面損傷発生率が高かった。このことから、潤滑被膜の厚さの規定だけでは不十分であり、潤滑被膜の被覆の面積率を規定することが重要であることが分かる。
潤滑被膜が被覆された部材(タペットローラ又は支持軸),タペットローラの支持軸との接触面(タペットローラの内周面)又は支持軸のタペットローラとの接触面(支持軸の外周面)に被覆された潤滑被膜の被覆の面積率,潤滑被膜の平均厚さ,ディンプルの深さ,及び前記接触面の中心線平均粗さRaは、表11,12に示す通りである。
タペットローラの回転速度:2000min-1
ラジアル荷重 :1470N
潤滑油 :エンジンオイル
潤滑油の温度 :110℃
潤滑油の滴下量 :0.4ml/min
評価結果を表11,12に併せて示す。また、潤滑被膜の被覆率とタペットローラ軸受の寿命との相関を、図24のグラフに示す。なお、表11,12及び図24のグラフに示した寿命の数値は、比較例31のタペットローラ軸受の寿命を1とした場合の相対値で示してある。この比較例31のタペットローラ軸受は、表面に固体潤滑剤を熱硬化性樹脂とともに焼成することにより潤滑被膜を形成する従来技術(前述の文献8−3に記載の技術)によって得られたものである。また、比較例32,33は潤滑被膜を有しておらず、比較例32は前処理としてSF処理が施されており、比較例33は前処理として二段ショットピーニング処理が施されている。
実施例31〜36は、前処理が施されておらず微細なディンプルが形成されていないものであり、実施例37〜42は前処理が施されており微細なディンプルが形成されているものである。図24のグラフから分かるように、前処理を施して微細なディンプルを形成することが好ましい。
〔第八の実施形態〕
本発明は、リニアガイド装置,ボールねじ等の直動装置に適用することができる。すなわち、本発明は、外面に軌道面を有する軸と、前記軸の軌道面に対向する軌道面を有するとともに軸方向に相対移動可能に前記軸に取り付けられた直動体と、前記軸の軌道面と前記直動体の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える直動装置において、前記軸の軌道面、前記直動体の軌道面、及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つは、面積率が75%以上の固体潤滑剤で構成された潤滑被膜が被覆されている直動装置である。
以下に、本発明の直動装置について、ボールねじを例に詳細に説明する。
従来のボールねじの一例を図26(斜視図)および図27(断面図)に示す。このボールねじは、ボールの戻し路としてチューブを用いるチューブ式ボールねじであり、ねじ軸601とナット602とボール603とチューブ604とで構成されている。
電動射出成形機やプレス機械用のボールねじは、比較的大型で高荷重を受ける。具体的には、瞬間的に高負荷が加わり、短いストロークで使用され、最大負荷が作用した状態で一旦停止した後に逆回転する往復運動を繰り返す。このような厳しい条件下で使用されるため、前記用途のボールねじとしては、従来より、シングルナットで、組み立てすきまを極僅か(ボール直径に対する比で1/400程度)にしたものが使用されている。ボールねじの負荷容量を上げて寿命を長くする方法としては、ボール603の直径(D)に対する(ねじ軸601およびナット602の)溝611,621の断面円弧の半径(R)の比(R/D)を、従来の52.0〜54.0%よりも小さくする方法が挙げられる。
日本国特許公開公報 平成6年第109022号(以降は文献9−2と記す)には、転動体を使用した機械部品の転がり摩擦面および滑り摩擦面の少なくとも一部の摩擦面に、金、銀、鉛、亜鉛、錫、インジウム等の軟質金属やポリ四フッ化エチレン(PTFE)やペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PTA)等からなる微粒子を、ノズルから空気とともに吹き付けて固体潤滑被膜を形成することが開示されている。
上記課題を解決するために、本発明は、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、ねじ軸およびナットの少なくともいずれかは、前記溝の断面がゴシックアーク状(半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状)であり、ボールの直径(D)に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径(R)の比(R/D)が51.0%以上52.0%以下であり、前記ねじ軸の溝、ナットの溝、およびボールの少なくとも一つは、表面に固体潤滑剤被膜が形成されていることを特徴とするボールねじを提供する。
以下、第八の実施形態について説明する。図25は、この実施形態のボールねじのねじ軸およびナットの溝断面を示す図である。ねじ軸601の溝611の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径が同じ(R1)で中心O11,O12が異なる二つの円弧が連結された形状である。ナット602の溝621の断面も、ゴシックアーク状、すなわち、半径が同じ(R2=R1)で中心O21,O22が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、ボール603の直径(D)に対する溝611,621の断面円弧の半径(R)の比(R/D)が、51.0%以上52.0%以下である。
なお、この実施形態では、ボール603に固体潤滑剤被膜を形成しているが、固体潤滑剤被膜をボール603に形成せずに、ねじ軸601の溝611およびナット602の溝621のいずれかまたは双方に形成してもよいし、ボール603とねじ軸601の溝611およびナット602の溝621のいずれかまたは双方とに形成してもよい。また、固体潤滑剤被膜の材質は二硫化モリブデン(MoS2)以外のもの(例えば、前述の文献9−2に記載されているもの)であってもよい。
保持ピース607は、合成樹脂を所定形状に成形して得ることができる。使用できる合成樹脂としては、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド64、芳香族ポリアミド等のポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート系エラストマー、ポリブチレンナフタレート系エラストマー等が挙げられる。また、これらの合成樹脂には、補強材として、ガラス繊維、カーボン繊維、チタン繊維、カリウムウイスカ、硼酸アルミニウムウイスカ等を配合してもよい。
〔実施例〕
日本精工株式会社製のシングルナットチューブ式ボールねじ「BS6316−10.5」を用い、ねじ軸およびナットのゴシックアーク状溝断面の円弧の半径(R=R1=R2)のボール直径(D)に対する比(R/D)と、固体潤滑剤被膜の材質および膜厚を、下記の表13に示すように変化させて、寿命試験を行った。
「BS6316−10.5」の諸元は、有効巻き数:3.5巻き×3列、ねじ軸外径:65mm、リード:16mm、ボール直径:12.7mm、BCD:65mm、単体すきま:20〜30μmである。
No. 12と13では、固体潤滑剤被膜を厚さ2.2〜2.8μmで形成しているが、R/Dが本発明の範囲から外れるため、No. 10と同等程度の寿命となった。No. 11では、R/Dを51.6%としているが固体潤滑剤被膜を形成していないため、No. 10より寿命が短かった。
〔第九の実施形態〕
本発明は、転動装置に組み込まれる金属製保持器にも適用することができる。転動装置の一例である転がり軸受は、内輪(内方部材)と、外輪(外方部材)と、内輪及び外輪間で転動自在に配設される転動体と、この転動体を内輪及び外輪間で転動可能に支持する保持器と、から構成されている。このような転がり軸受の転がり疲れ寿命(転がり軸受の回転運動に伴って、転がり面に受ける繰り返し剪断応力により転動部品が疲労し、その表面の一部に剥離が生じるまでの総回転数)を長くするために、転がり軸受が使用される環境に応じた保持器を用いることが一般的に行われている。
また、転がり軸受の転がり疲れ寿命は、その転がり面の潤滑状態と密接に関係していることが知られている。つまり、転がり面の潤滑状態の良否は、転がり面の表面粗さと転がり面に形成される油膜厚さとの比である油膜パラメータΛで表わされる。この油膜パラーメータΛは、Λ=h/σなる式で算出される。なお、この式中の符号hはEHL油膜厚さを指し、σは接触する二面の粗さ(二乗平均粗さ)σ1,σ2の合成表面粗さ√(σ1 2+σ2 2)を指す。
プラネタリーギア用軸受では、プラネタリーギア (内方部材)からプラネタリーシャフト (外方部材)への力の伝達が円滑に行われるように、はすば歯車が使用されているため、プラネタリーシャフトの走行跡がねじれた形状となる。また、このプラネタリーギア用軸受は、10000min-1を超える高速回転下で使用される。このため、プラネタリーギアとプラネタリーシャフトとの間に配設される針状ころを保持する保持器は、ねじれや遠心力の作用によりプラネタリーギアと摺接して潤滑状態が不良となるため、摩耗が著しく生じ、最終的には軸受自体が破損する場合がある。
ここで、高速回転下で使用される転がり軸受においては、上述したように樹脂製保持器を用いるのが一般的であるが、プラネタリーギア用軸受では使用温度が150℃以上と高温であることから、樹脂製保持器を用いると強度的に不十分となる。よって、プラネタリーギア用軸受では、高速回転下で使用されるにも関わらず、金属製保持器を用いることが多い。
一方、コンプレッサ用軸受では、アイドリング時の低速回転から加速時の高速回転まで幅広い回転速度で動作する駆動軸を支持するために、高速回転から低速回転や、無負荷状態から重負荷状態まで幅広い条件下で使用される。このコンプレッサ用軸受でも、上述したプラネタリーギア用軸受と同様に、樹脂製保持器では強度が不十分であることから、金属製保持器が用いられることが多い。
このような摩耗を防止するための技術として、下記のような3つの文献に記載の技術が提案されている。
日本国特許公報 第2548811号(以降は文献10−1と記す)では、スラスト荷重を受けながらすべり接触するすべり面を備えた機械部品において、すべり面に独立した微小くぼみを無数にランダムに設け、この微小くぼみの平均面積を35〜150μm2 、微小くぼみの面積率を10〜40%とすることが提案されている。
日本国特許公開公報 2004年第60742号(以降は文献10−3と記す)では、ねじ軸、ナット、及びボールの少なくともいずれか一つの摺接面に、二硫化モリブデンの微粒子を固着させて、厚さ0.5μm以下の固体潤滑被膜を形成することが提案されている。
しかしながら、上述した文献10−1に記載の技術では、低粘度の潤滑油が使用されたり、潤滑油量が不十分である場合には、微小くぼみ内に潤滑油を十分に保持できず、摩耗を防止することが難しい。
さらに、上述した文献10−3に記載の技術では、固体潤滑被膜の密着性が不十分であり、固体潤滑被膜が容易に脱落することが考えられる。また、軸受のさらなる高速回転下及び高温化が進むにつれて、厚さが0.5μm以下の固体潤滑被膜では対処仕切れない場合がある。
このような課題を解決するために、本発明は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置で用いられ、前記内方部材と前記外方部材との間に前記転動体を保持する金属製保持器において、面積率が75%以上の固体潤滑被膜が形成されている保持器を提供するものである。
なお、本発明において、転動装置とは、例えば、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイドを指す。ここで、転動装置が転がり軸受の場合には、内方部材及び外方部材は内輪及び外輪を指す。また、転動装置がボールねじの場合には、内方部材及び外方部材はねじ軸及びナットを指す。さらに、転動装置がリニアガイドの場合には、内方部材及び外方部材は案内レール及びスライダを指す。
さらに、本発明において、固体潤滑被膜が形成される保持器の表面とは、摩耗が生じ易い表面が含まれるのであれば特に限定されず、例えば、保持器の外周面、内周面、及びポケット部の表面が挙げられる。
また、本発明に係る転動装置用保持器において、前記固体潤滑被膜の厚さは、0.10μm以上8.0μm以下であることが好ましい。これにより、良好な潤滑状態を保ちながら保持器として必要な強度が得られるため、転がり疲れ寿命をさらに長くできる。ここで、固体潤滑被膜の厚さが0.10μm未満であると、良好な潤滑性が得られなくなる。一方、8.0μm超過であると、保持器として必要な強度が得られなくなる。
さらに、本発明に係る転動装置用保持器においては、前記微小くぼみがショットピーニング法により形成されていることが好ましい。これにより、微小くぼみ形成後における保持器の表面の硬さが向上するため、転がり疲れ寿命をさらに長くできる。
このような保持器を備えた転動装置は、高速回転下及び高温下で使用されても長寿命である。この転動装置においては、保持器と内方部材,外方部材,転動体とが接触する部分に、前述の固体潤滑被膜を形成してもよい。
第一に、スラスト針状ころ軸受に用いられる冷間圧延鋼板一種(SPCC)製の打ち抜き保持器4を、以下に示すようにして作製した。
なお、表14中で「前処理有り(ショット)」と示す保持器4には、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力98〜392kPa、噴射時間10〜20分の条件下でショット材としてJIS R6001に規定された平均粒径45μmの鋼球を噴射することにより、保持器4の各表面にディンプルを形成した。
次に、保持器4の表面に固体潤滑被膜を形成した。具体的には、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力98〜392kPa、噴射時間10〜20分の条件下でスズを噴射することにより、保持器4の各表面に固体潤滑被膜を形成した。ディンプルの深さ及び面積率は、第一の実施形態と同様に測定した。
そして、この寿命試験は、初期振動値の5倍に達するか、外輪2の外径温度が150℃に達するまでスラスト針状ころ軸受を回転させることにより行い、試験開始から試験終了までの時間を寿命とした。また、この寿命試験は、各実施例においてそれぞれ10回ずつ行い、その平均寿命を算出した。そして、比較例であるNo.23の寿命を1とした時の比として、表14に併せて示した。
このとき、初期振動値の5倍に達して試験を終了したスラスト針状ころ軸受においては、実体顕微鏡で損傷の有無を確認し、損傷が見られた場合には試験を終了して、初期振動値の5倍に達した時間を寿命とし、損傷が見られなかった場合には試験を再開した。
〔寿命試験条件〕
荷重:動定格荷重の5%(P/C=0.05)
回転速度:12000min-1
潤滑油:鉱油VG10
周囲温度:室温(約28℃)
軸受温度:外輪外径において100〜110℃
油膜パラメータΛ:0.1〜0.5
特に、No.1〜No.6とNo.7,No.8の結果と、No.9〜No.15とNo.16の結果から、固体潤滑被膜の面積率を75%以上95%以下とすることにより、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。
また、No.3とNo.17,No.18の結果と、No.10,No.11とNo.19,No.20の結果から、固体潤滑被膜の厚さを0.10μm以上8.0μm以下とすることにより、転がり疲れ寿命がさらに長くなっていることが分かる。
以上の結果から、表面に固体潤滑被膜を特定面積率で形成した保持器4を用いることにより、高速回転下及び潤滑不良の環境下で使用した場合であっても、スラスト針状ころ軸受の転がり疲れ寿命を長くできることが分かった。
なお、本実施形態では、本発明の転動装置用保持器を、転動装置の一例であるスラスト針状ころ軸受に適用した場合について説明したが、これに限らず、本発明の転動装置用保持器は、潤滑不良により保持器の摩耗が問題となる環境下で使用される転動装置で好適に用いることができる。このような転動装置としては、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、スラスト玉軸受等の玉軸受や、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラストころ軸受等のころ軸受や、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリング等の直動装置や、トロイダル型無段変速機等の転がり軸受ユニットが挙げられる。
Claims (5)
- 外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置を製造するに際して、
前記内方部材の軌道面,前記外方部材の軌道面,及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、固体潤滑剤のショットピーニング処理を施して、面積率で75%以上95%以下の部分に、前記固体潤滑剤で構成された潤滑被膜を被覆することを特徴とする転動装置の製造方法。 - 前記潤滑被膜の厚さが0.05μm以上8μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の転動装置の製造方法。
- 前記潤滑被膜を被覆する以前に、前記内方部材の軌道面,前記外方部材の軌道面,及び前記転動体の転動面のうち少なくとも前記潤滑被膜を被覆する部分に、深さ0.1μm以上5μm以下のディンプルを形成することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の転動装置の製造方法。
- 前記潤滑被膜の表面の中心線平均粗さRaは1μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の転動装置の製造方法。
- 前記固体潤滑剤が二硫化モリブデン,スズ,銅のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の転動装置の製造方法。
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