JP4866179B2 - 転がり軸受およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は転がり軸受に関し、特に絶縁性に優れる転がり軸受に関するものである。

近年、自動車の小型化・軽量化・高効率化に伴い、電装部品や補機にも例外なく高性能・高出力化が求められている。例えばオルタネータに関しては小型化による出力低下を補うために高速回転条件下での使用が求められている。このため、用いるプーリを小径化し、それによる伝達効率低下を防ぐためベルトのテンション（張力）を高くして使用されている。すなわち、プーリに用いられる軸受には高速回転・高荷重という厳しい条件でも耐えられる性能が求められている。
このような厳しい条件下で使用することで転走面に生じる剥離によって軸受が早期に寿命に至る事例が報告されている。これは電磁誘導によって生じる電位やプーリとベルト間の摩擦によって生じる静電気によって電流が軸受に流れ、グリース（潤滑剤）を電気分解し、この分解によって生じる水素が鋼に侵入することで金属組織が脆化され、早期剥離に至るという機構が考えられている。
この特異な早期剥離に対して化学的に安定な絶縁性酸化被膜を転動体表面や内外輪転走面に形成することで、軸受寿命の向上に成功した事例が報告されている（特許文献１参照）。

しかしながら、絶縁性酸化被膜は上記の特異な早期剥離に対しては効果的に機能するものの、絶縁性の保持という点でみると、絶縁性酸化被膜を形成する部位としては、転動体表面や内外輪転走面だけではかならずしも充分ではない。例えば、荷重が大きい使用条件では摩耗により酸化被膜が薄くなり、絶縁性が低下することが考えられ、長期間にわたる絶縁性能を保証できない可能性がある。なお、絶縁性を保持するため、転走面以外の内輪内径面等にのみ酸化被膜を形成する場合では、転走面における上記の特異な早期剥離を防止できないという問題がある。
特開平４−１６０２２５号公報

本発明はかかる問題に対処するためになされたものであり、高荷重条件等で使用しても通電等に起因する早期剥離を防止できる絶縁性に優れた転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、これら内外輪間に介在する複数の転動体とを備え、所定の部位に塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成された転がり軸受であって、上記内輪および上記外輪の材質がＳＵＪ２であり、上記絶縁性酸化被膜は、上記内輪および上記外輪から選ばれた少なくとも一つの部材の全表面に、少なくとも亜硝酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとを含む処理剤を水で希釈した塩基性処理液を用いて形成され、上記亜硝酸ナトリウムが上記処理剤 100 重量部に対して 10〜30 重量部配合されることを特徴とする。特に、上記亜硝酸ナトリウムが上記処理剤 100 重量部中に 25 重量部、上記水酸化ナトリウムが上記処理剤 100 重量部中に 60 重量部含まれることを特徴とする。
なお、内輪転走面は、内輪外径面における転動体との摺動面であり、外輪転走面は、外輪内径面における転動体との摺動面である。
本発明の転がり軸受の製造方法は、内輪および外輪と、これら内外輪間に介在する複数の転動体とを備え、所定の部位に塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成される転がり軸受の製造方法であって、上記内輪および上記外輪の材質がＳＵＪ２であり、少なくとも亜硝酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとを含む処理剤であって、上記亜硝酸ナトリウムが上記処理剤 100 重量部に対して 10〜30 重量部配合されたものを水で希釈して上記塩基性処理液を得る工程と、該塩基性処理液を用いて、上記内輪および上記外輪から選ばれた少なくとも一つの部材の全表面に上記絶縁性酸化被膜を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、転動体表面、内輪転走面および外輪転走面から選ばれた少なくとも一つの面と、内輪内径面および外輪外径面から選ばれた少なくとも一つの面とに塩基性処理液を用いて化学的に安定な絶縁性酸化被膜を形成するので、荷重が大きい使用条件で摩耗により転走面での絶縁性酸化被膜が薄くなっても、絶縁性を保持できる。このため、オルタネータ等の発電機からの通電防止の効果を有し、水素の発生の要因となる潤滑剤・グリースの分解を防ぐことができる。この結果、通電に起因する早期剥離を防止できる。また、被膜自身が発生した水素の侵入を防ぐことにより、無処理の軸受と比較して軸受寿命を向上させることができる。

荷重が大きい使用条件で摩耗により転走面での絶縁性酸化被膜が薄くなっても、十分な絶縁性、すなわち通電に起因する早期剥離を防ぐことが可能な絶縁性を保持できる軸受を提供すべく鋭意検討を行なった。この結果、転動体表面や軸受転走面だけでなく内輪内径面または外輪外径面にも絶縁性酸化被膜を形成した軸受は、絶縁性能および軸受寿命が向上することがわかった。さらに内径または外径の端面にも絶縁性酸化被膜を形成することで同様に絶縁性能および軸受寿命が向上することがわかった。
これは転動体表面や軸受転走面に加えて、内輪内径面または外輪外径面にも絶縁性酸化被膜を形成することで、軸−軸受内輪間または外輪−ハウジング間の通電を防止できるものと考えられ、さらに内径または外径の端面にも表面処理を行なうことで、軸やハウジングとの接触面の通電が完全に遮断されるため、通電に起因する早期剥離を防ぐことができるものと考えられる。本発明はこのような知見に基づくものである。

本発明の転がり軸受は、内輪および外輪と、これら内外輪間に介在する複数の転動体とを備え、所定の部位に塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成された転がり軸受であって、上記絶縁性酸化被膜は、内輪転走面および外輪転走面から選ばれた少なくとも一つの面と、内輪内径面および外輪外径面から選ばれた少なくとも一つの面とに形成される。
上述の塩基性処理液により形成された絶縁性酸化被膜は、化学的に安定な四酸化三鉄の被膜であり、新生面の発生に伴うグリース触媒的分解作用を防ぎ、水素による鋼の脆化を防ぐためのものである。この四酸化三鉄は絶縁性が高く、オルタネータなど発電機からの通電防止の効果を有し、水素の発生の要因となる潤滑剤・グリースの分解を防ぐことができる。また、四酸化三鉄の被膜自身が発生した水素の侵入を防ぐことにより、無処理の軸受と比較して軸受寿命を向上させることができる。

本発明の転がり軸受の実施例について図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。図２〜図４は本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
図１に示す転がり軸受１は、同心に配置された内輪２および外輪３と、内輪２、外輪３間に介在する転動体４と、この転動体４を保持する保持器５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材６と、軸受空間に封入された潤滑グリース７とからなる。外輪内径面（転走面含む）３ｂと、外輪外径面３ａと、外輪端面３ｃとに塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成されている。

図２に示す転がり軸受１１は、同心に配置された内輪１２および外輪１３と、内輪１２、外輪１３間に介在する転動体１４と、この転動体１４を保持する保持器１５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材１６と、軸受空間に封入された潤滑グリース１７とからなる。内輪外径面（転走面含む）１２ｂと、内輪内径面１２ａと、内輪端面１２ｃとに塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成されている。

図３に示す転がり軸受２１は、同心に配置された内輪２２および外輪２３と、内輪２２、外輪２３間に介在する転動体２４と、この転動体２４を保持する保持器２５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材２６と、軸受空間に封入された潤滑グリース２７とからなる。外輪内径面（転走面含む）２３ｂと、外輪外径面２３ａとに塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成されている。

図４に示す転がり軸受３１は、同心に配置された内輪３２および外輪３３と、内輪３２、外輪３３間に介在する転動体３４と、この転動体３４を保持する保持器３５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材３６と、軸受空間に封入された潤滑グリース３７とからなる。外輪外径面３３ａと、転動体表面３４ａとに塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成されている。

図５に示す転がり軸受４１は、同心に配置された内輪４２および外輪４３と、内輪４２、外輪４３間に介在する転動体４４と、この転動体４４を保持する保持器４５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材４６と、軸受空間に封入された潤滑グリース４７とからなる。内輪外径面（転走面含む）４２ｂと、外輪内径面（転走面含む）４３ｂと、内輪内径面４２ａと、外輪外径面４３ａと、内輪端面４２ｃと、外輪端面４３ｃと、転動体表面４４ａとに塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成されている。

塩基性処理液により絶縁性酸化被膜を形成する方法について以下に説明する。高濃度の水酸化ナトリウム水溶液（塩基性処理液）を加熱し、あらかじめ脱脂・洗浄処理・調温しておいた、酸化被膜形成対象である内輪や外輪、転動体等の基材を投入する。所定の部位にのみ被膜形成を行なう場合では、基材の被膜不要な部位に予めマスキングテープを貼り付けてから投入する。所定の処理時間経過後、基材を取り出し、中和処理および湯洗浄を行なう。
この処理により基材表面に黒色の四酸化三鉄 Fe₃O₄ である絶縁性酸化被膜が形成される。

このときの代表的な反応機構は以下の３段階で進むと考えられている（金属表面技術便覧（新版） 金属表面技術協会編 日刊工業新聞社発行 p 818 参照）。

4 Fe + 3 O₂ →2 Fe₂O₃---（１）
2 Fe₂O₃ + 8 NaOH + O₂ → 4 Na₂FeO₄ + 4 H₂---（２）
3 Na₂FeO₄ ＋ 5 H₂ → Fe₃O₄ ＋ 6 NaOH ＋ 2 H₂O---（３）

ここで、処理条件として処理液の温度は 125℃以上 150℃未満が望ましく、さらに望ましくは 130℃以上 145℃未満である。処理温度が 125℃未満のときには反応の進行が遅く、処理により形成される酸化被膜が薄いため、十分な絶縁性を保持できない。また、処理温度が 150℃以上のときには反応の進行が著しく、表面粗さを粗大化させる主原因となり、軸受寿命の低下を引き起こす。
また、処理時間は 5分をこえるとが望ましい。処理時間が 5分以下のときには処理により形成される酸化被膜が非常に薄く、十分な絶縁性を保持できず、水素脆化を防止できない。

本発明においては、高濃度の水酸化ナトリウム水溶液に、還元剤として亜硝酸ナトリウムを配合した塩基性処理液を使用することが好ましい。亜硝酸ナトリウムは還元剤として作用し、上記の（１）および（２）式の反応速度の調整および（２）式にて生成する Na₂FeO₄ を（３）式にて速やかに還元し、四酸化三鉄 Fe₃O₄ を生成させることで、三酸化二鉄 Fe₂O₃ の生成を抑制できる。この結果、表面粗さが粗大化しない酸化被膜として形成される。このため、従来酸化被膜の表面粗さ仕上げのために行なっていた研削処理が不要となり、形成された酸化被膜の厚みのままで使用することができるので、十分な絶縁性を保持でき、水素脆化による軸受摺動面の表面剥離を効果的に防止できる。

実施例１
水酸化ナトリウム（和光純薬社製） 60 重量部、亜硝酸ナトリウム（和光純薬社製） 25 重量部、硝酸ナトリウム（和光純薬社製） 15 重量部の各試薬を市販のジューサミキサーで混合して処理剤とし、これを 1.0 kg／1.0 L の濃度になるように水で希釈し塩基性処理液とした。軸受外輪（ＮＴＮ社製 呼び番号６２０３ 鋼種 ＳＵＪ２）を試験片として用いて 140℃で加熱処理を行ない、洗浄した後に対応する内輪、鋼球、保持器を組み付け玉軸受とした。そして外輪／内輪間の電気抵抗値を市販のテスターを用いて測定した。また、上記軸受に潤滑グリース（協同油脂社製、芳香族系ウレアグリース、商品名：マルテンプＥＴ１３０）を 1.9 g 封入し、非接触シール部材を組み付け急加減速試験の試験用軸受（図１参照）とした。この試験用軸受を以下に示す急加減速試験に供し、軸受寿命時間を測定した。結果を表１に併記する。

＜急加減速試験＞
試験用軸受を用いて電装補機の一例であるオルタネータの回転べルトを巻きかけたプーリを支持する回転軸を内輪で支持する転がり軸受の急加減速試験を行なった。急加減速試験条件は、回転軸先端に取り付けた試験用軸受に対する負荷荷重を 1960 N 、回転速度は 0 rpm〜18000 rpm で運転条件を設定し、さらに、試験用軸受に 0.1 A の電流が流れる状態で試験を実施した。そして、試験用軸受内に異常剥離が発生し、振動検出器の振動が試験初期値の３倍以上となって発電機が停止する時間を軸受寿命時間（ h ）とした。なお、試験は 500 時間で打ち切った。

実施例２
実施例１において表面処理箇所を軸受外輪から軸受内輪（ＮＴＮ社製 呼び番号６２０３ 鋼種 ＳＵＪ２）に変えたこと以外は、実施例１と同様に処理して、電気抵抗試験に呈し、得られた試験用軸受（図２参照）を急加減速試験に供した。結果を表１に併記する。

参考例１
実施例１において軸受の外輪端面にマスキングテープを貼り付けたものについて、実施例１同様に処理して、洗浄および乾燥後、テープを外し他の部区を組み付けたものを外輪端面未処理の軸受として電気抵抗試験に呈し、得られた試験用軸受（図３参照）を急加減速試験に供した。結果を表１に併記する。

参考例２
実施例１において軸受の外輪内径面および外輪端面にマスキングテープを貼り付け、表面処理箇所を外輪外径面と転動体表面としたものについて、実施例１同様に処理して、洗浄および乾燥後、テープを外し他の部区を組み付けたものを外輪内径面および外輪端面未処理の軸受として電気抵抗試験に呈し、得られた試験用軸受（図４参照）を急加減速試験に供した。結果を表１に併記する。

比較例１
表面処理を施さずに軸受（ＮＴＮ社製 呼び番号６２０３ 鋼種 ＳＵＪ２）を直接、上記電気抵抗試験に呈し、得られた試験用軸受（図６参照）を急加減速試験に供した。結果を表１に併記する。

比較例２
実施例１において外輪外径面および外輪端面にマスキングテープを貼り付けたものについて、実施例１同様に処理して、洗浄および乾燥後、テープを外し他の部区を組み付けたものを外輪外径面および外輪端面未処理の軸受として電気抵抗試験に呈し、得られた試験用軸受（図７参照）を急加減速試験に供した。結果を表１に併記する。

各実施例および各比較例では概ね処理時間の経過によって電気抵抗値が増加するが、外輪全表面に絶縁性酸化被膜を形成した実施例１および内輪全表面に絶縁性酸化被膜を形成した実施例２は、絶縁性酸化被膜を内外輪に形成しなかった比較例１および外輪内径面のみ絶縁性酸化被膜を形成した比較例２に比べて電気抵抗値が大きく、絶縁性の被膜が形成されていることがわかった。なお、絶縁性酸化被膜が形成された外輪表面の部位の影響を見ると、外輪外径面および外輪内径面に絶縁性酸化被膜を有する参考例１は、外輪全表面に絶縁性酸化被膜を有する実施例１と比較して軸受寿命が劣るが、比較例２で示した外輪内径面（転走面を含む）を処理したものより明らかに長寿命であった。
実施例１および実施例２は急加減速試験（通電量 0.1 A ）において比較例１および比較例２と比べて長い軸受寿命を示すことがわかった。電気抵抗試験と合わせて、軌道面以外にも外輪端面へ絶縁性酸化被膜を形成することで通電を防止し、これによる早期剥離を防ぐことが可能となった。
参考例２では外輪外径面と転動体に表面処理を施したものであるが、実施例１〜実施例３同様に、通電を防止し、これに伴う早期剥離を防ぐ効果があることがわかった。

本発明の転がり軸受は絶縁性に優れるので、高速回転と高荷重をともに受ける各種産業機械に用いられる軸受、特にオルタネータ等、電気絶縁性を要求される自動車電装・補機に用いられる軸受として好適に利用できる。

本発明の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の他の実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の比較例を示す深溝玉軸受の断面図である。 本発明の他の比較例を示す深溝玉軸受の断面図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１ 転がり軸受
２、１２、２２、３２、４２ 内輪
３、１３、２３、３３、４３ 外輪
３ａ、２３ａ、３３ａ、４３ａ 外輪外径面
３ｂ、２３ｂ、４３ｂ 外輪内径面
３ｃ、４３ｃ 外輪端面
４、１４、２４、３４、４４ 転動体
５、１５、２５、３５、４５ 保持器
６、１６、２６、３６、４６ シール部材
７、１７、２７、３７、４７ 潤滑グリース
１２ａ、４２ａ 内輪内径面
１２ｂ、４２ｂ 内輪外径面
１２ｃ、４２ｃ 内輪端面
３４ａ、４４ａ 転動体表面

Claims (5)

1. 内輪および外輪と、これら内外輪間に介在する複数の転動体とを備え、所定の部位に塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成された転がり軸受であって、前記内輪および前記外輪の材質がＳＵＪ２であり、
   前記絶縁性酸化被膜は、前記内輪および前記外輪から選ばれた少なくとも一つの部材の全表面に、少なくとも亜硝酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとを含む処理剤を 1.0 kg（処理剤）／1.0 L（水）の濃度になるように水で希釈した塩基性処理液を用いて形成され、
   前記亜硝酸ナトリウムが前記処理剤 100 重量部に対して 10〜30 重量部配合されることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記処理剤において、前記亜硝酸ナトリウムが前記処理剤 100 重量部中に 25 重量部、前記水酸化ナトリウムが前記処理剤 100 重量部中に 60 重量部含まれることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
3. 前記絶縁性酸化被膜は、形成後、表面粗さ仕上げのための処理を行なっていない被膜であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受。
4. 前記転がり軸受は、自動車電装・補機に用いられるものであることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。
5. 内輪および外輪と、これら内外輪間に介在する複数の転動体とを備え、所定の部位に塩基性処理液により絶縁性酸化被膜が形成される転がり軸受の製造方法であって、前記内輪および前記外輪の材質がＳＵＪ２であり、
   少なくとも亜硝酸ナトリウムと水酸化ナトリウムとを含む処理剤であって、前記亜硝酸ナトリウムが前記処理剤 100 重量部に対して 10〜30 重量部配合されたものを 1.0 kg（処理剤）／1.0 L（水）の濃度になるように水で希釈して前記塩基性処理液を得る工程と、
   該塩基性処理液を用いて、前記内輪および前記外輪から選ばれた少なくとも一つの部材の全表面に前記絶縁性酸化被膜を形成する工程とを有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。

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