JP6338035B1

JP6338035B1 - 転がり軸受及びその製造方法

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Publication number: JP6338035B1
Application number: JP2018508776A
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Inventors: 智弘元田; 宇山　英幸; 英幸宇山
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Filing date: 2017-08-25
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Abstract

ハウジングとの嵌合面である外輪の外径面、又は軸との嵌合面である内輪の内径面が、有機バインダーと、二硫化モリブデン粉末等の固体潤滑剤粉末と、酸化アンチモン粉末等の摩擦摩耗調整剤とを含む焼成膜を有する転がり軸受。この転がり軸受は、コスト増やサイズアップ、軸受の変形や軟化を生じることなく、耐クリープ性能により優れたものとなる。

Description

本発明は、軌道輪をハウジング等の相手材に対してクリープするかもしれない状態で使用される転がり軸受に関する。

各種回転機械装置の小型軽量化の要求から、一部の転がり軸受でも薄肉化が進んでいる。しかしながら、ハウジングに外輪を嵌合させる転がり軸受の場合、外輪が薄肉化すると転動体荷重を受けて外輪外径面が大きく変形し、外輪クリープが生じる。このとき、外輪外径面とハウジングの内面とが擦れてハウジングに摩耗が生じ、ハウジングの摩耗が大きくなると回転支持部にガタツキが生じて異常振動や回転機械装置の故障の故障原因となる。

外輪外径面のクリープ発生を防止するために、例えば特許文献１では、外輪外径面の軸方向の形状を、ストレートではなく円弧状の凹みをつけて加工している。外輪外径面にこのような凹みを形成した軸受をハウジングに圧入し、その両端にできる大きな締め代によってクリープの発生を防いでいる。しかし、ハウジングに大きな力で圧入する必要があり、取り付けが容易ではない。

その他にも、回り止めとして、ピンやフランジを設ける場合もあるが、部品点数の増加、軸受やハウジング形状が複雑になり、加工コスト上昇やサイズアップに加えて、軸受のハウジングへの取り付け作業が煩雑になり製造コストも上昇する。

特許文献２では、二硫化モリブデンやアンチモン等を含有する熱硬化性合成樹脂組成物からなる潤滑被膜で外輪外径面を被覆することが記載されている。この潤滑被膜は、潤滑性を有し、本質的に樹脂製であるため一般的なハウジング材料であるアルミニウムやアルミニウム合金よりも軟質であり、クリープが発生した場合でもハウジングの内周面の摩耗を防ぐことができる。また、潤滑被膜を成膜するだけでよいため、種々の転がり軸受に対応可能であり、汎用性も高い。しかしながら、潤滑被膜は、二硫化モリブデン等を含有する熱硬化性合成樹脂組成物を溶剤に溶解した溶液を塗布し、加熱して溶剤を蒸発させて得たものであり、膜強度や耐久性が十分でない可能性がある。

特許文献３では、Ｏリングを外輪外径面に設けることにより、ハウジングと軸受間との隙間を埋め、Ｏリングを形成するゴムの反発力によりグリープを防止している。しかしながら、想定しないハウジングの膨張が生じた場合、ゴムによる反発力が小さくなり、クリープが発生するおそれがある。

特許文献４では、外輪の肉厚を厚くして剛性を高めることにより、外輪の弾性変改を抑制してクリープの発生を防止している。しかしながら、クリープの発生を完全に防止するには、外輪の肉厚を非常に厚くしなければならず、軸受のサイズアップを招くため好ましくない。

特許文献５では，二硫化モリブデンやアンチモン等を含有する耐熱樹脂で、ピストンリングを被覆している。耐熱樹脂としてはポリアミドイミドを、硬化剤としてはフェノールを用いている。しかしながら、硬化剤としてフェノールを用いているため、実施例では１８０〜２２０℃で焼成している。軸受に広く用いられているＳＵＪ２では、焼戻し温度が１２０℃程度であるため、このような高い焼成温度では、軸受に変形や軟化が生じてしまうため使用することが出来ない。

日本国特開平１０−３７９６７号公報日本国特開２００２−２６６８７０号公報日本国特開２００４−１７６７８５号公報日本国特開２０１２−２４１８７５号公報日本国特開平１１−２４６８２３号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、外輪外径面をハウジングに嵌合したり、内輪内径面に軸を嵌合させる構成の転がり軸受において、優れた耐クリープ性能を長期間安定して維持でき、しかも、コスト増やサイズアップを招くことなく実施することを目的とする。また、耐クリープ性能を高めるための焼成膜を成膜する際に、軸受が変形したり、軟化することを防ぐことを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の転がり軸受及びその製造方法を提供する。
（１）外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪との間に転動自在に配設される転動体とを備える転がり軸受において、
前記外輪の外径面と前記内輪の内径面の少なくとも一方が、ベース材と硬化剤からなる有機バインダーと、固体潤滑剤粉末と、摩擦摩耗調整剤とを含む焼成膜を有することを特徴とする転がり軸受。
（２）前記硬化剤は、エポキシもしくはエポキシ硬化剤、またはエポキシとエポキシ硬化剤の両方から成ることを特徴とする上記（１）記載の転がり軸受。
（３）前記焼成膜の断面において、断面積１μｍ^２以上の摩擦摩耗調整剤が、面積率で２．５％以上を占めることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
（４）前記ベース材がポリアミドイミドであり、
前記固体潤滑剤が二硫化モリブデン粉末と黒鉛を含み、
前記摩擦摩耗調整剤が酸化アンチモン粉末を含む
ことを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転がり軸受。
（５）前記固体潤滑剤の質量を前記摩擦摩耗調整剤の質量で除した値が、０．７より大きく、１．８より小さいことを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の転がり軸受。
（６）外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪との間に転動自在に配設される転動体とを備える転がり軸受の製造方法において、
前記外輪の外径面と前記内輪の内径面の少なくとも一方に、ベース材と硬化剤からなる有機バインダーと、固体潤滑剤粉末と、摩擦摩耗調整剤とを含む塗工液を塗布する工程と、
前記塗工液を焼成する工程と、
を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
（７）前記硬化剤がエポキシもしくはエポキシ硬化剤、またはエポキシとエポキシ硬化剤の両方からなり、かつ、
前記焼成工程において、１２０℃以下で焼成することを特徴とする上記（６）記載の転がり軸受の製造方法。

本発明の転がり軸受は、ハウジングとの嵌合面である外輪の外径面、又は軸との嵌合面である内輪の内径面を、有機バインダーと、二硫化モリブデン粉末等の固体潤滑剤粉末と、酸化アンチモン粉末等の摩擦摩耗調整剤を含む焼成膜で被覆している。有機バインダーのベース材にポリアミドイミドを用い、硬化剤にエポキシを用いた場合、焼成膜の成膜に際して軸受の焼戻し温度以下で成膜が可能であり、軸受の寸法変化や軟化を防ぐことができる。また、焼成膜は、ハウジング材料として一般的なアルミニウムまたはアルミニウム合金（例えばアルミダイカスト材）よりも柔らかく、たとえ外輪クリープが生じ、外輪外径面とアルミハウジングとが擦れ合ったとしても、アルミハウジングを摩耗させることがない。更に、焼成膜は高い耐摩耗性を有するため、本発明の転がり軸受は、優れた耐クリープ性能が長期に渡り維持できる。しかも、外輪の外径面や内輪の内径面に焼成膜を形成するだけであるため、汎用性が高く、種々の転がり軸受に適応可能である。

本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。外輪外径面の膜構造を説明するための模式図である。自動車用トランスミッションの一例を示す断面図である。外輪外径面の断面を、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した写真の一例である。実施例で得られた、（固体潤滑剤／摩擦摩耗調整剤）比とハウジング摩耗量との関係を示すグラフである。実施例で得られた、焼成膜の断面における断面積１μｍ^２以上である酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）の面積率と、ハウジング摩耗量との関係を示すグラフである。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明において、転がり軸受の種類には制限はなく、ここでは図１に示すような玉軸受を例示して説明する。玉軸受は、外輪軌道面１ａを有する外輪１と、内輪軌道面２ａを有する内輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配設された複数の玉３とを備える。また、玉軸受は、外輪１の外径面１ｂがハウジング（図示せず）に嵌合し、内輪２の内周面が軸部材（図示せず）に嵌合している。

外輪１及び内輪２は金属製であり、例えばＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０、ＳＣＲ４２０、ＳＵＳ４４０等に、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処理とを施したりしたものが使用される。

そして、本実施形態では、外輪１の外径面１ｂを、有機バインダーと、固体潤滑剤粉末と、摩擦摩耗調整剤とを含む焼成膜５で被覆する。ハウジングは、軽量化のためにアルミニウム製またはアルミニウム合金製（例えばアルミダイカスト製）である場合が多いが、本発明の焼成膜５はアルミニウムやアルミニウム合金（例えばアルミダイカスト製）よりも柔らかいため、外輪外径面１ｂとハウジングとが摺接してもハウジングを損傷させることがない。

有機バインダーは、密着性や耐摩耗性が高く、ハウジングの摩耗が少なく、耐クリープ摩耗特性を高める。本願の有機バインダーはベース材に硬化剤を配合したものであり、ベース材としてはポリアミドイミド、硬化剤としてはエポキシ、エポキシ硬化剤のいずれか、もしくは両者から成ることが好ましい。ポリアミドイミドと、エポキシ及びエポキシ硬化剤の少なくとも一方とを用いることにより、軸受焼き戻し温度（１２０℃）以下での処理が可能となり、軸受の変形による寸法変化や軟化による硬さの低下が生じることは無い。

エポキシには制限はないが、ビスフェノールＡ型、クレゾールノボラック型、ビフェニル型、臭素化エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等を挙げることができる。また、エポキシ硬化剤にも制限はないが、脂肪族ポリアミン、ポリアミノアミド、ポリメルカプタン類、芳香族ポリアミン、酸無水物、ジシアンジアミド等を挙げることができる。尚、エポキシ硬化剤の反応性を高めるために硬化促進剤を併用することもでき、三級アミン、三級アミン塩、イミダゾール、ホスフィン、ホスホニウム塩、スルホニウム塩等を用いることができる。

固体潤滑剤粉末は、潤滑性能に加えて、ハウジング材料として代表的なアルミニウムまたはアルミニウム合金よりも軟質である必要がある。固体潤滑剤としては二硫化モリブデンが好ましく、二硫化モリブデンを単独で使用してもよく、必要に応じて黒鉛や二硫化タングステン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のハウジング材料よりも軟質な固体潤滑剤を併用してもよい。即ち、固体潤滑剤粉末は、二硫化モリブデン粉末、もしくは二硫化モリブデン粉末と黒鉛等との混合粉末である。

摩耗摩擦調整剤は、クリープの抑制、焼成膜の耐摩耗性を向上させるための添加剤であり、ハウジングよりも硬さが同等以下の固体が好ましく、具体的にはＨｖ５０〜１５０であることが好ましい。具体的には、酸化アンチモン、すず、銅、亜鉛、ニッケル、タルク、マイカ、チタン酸カリウム等が挙げられ、特に酸化アンチモンが好ましい。

焼成膜５を形成するには、適当な溶剤（例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）やキシレン等）中に溶解した上記の有機バインダーに、固体潤滑剤（二硫化モリブデンや黒鉛、ＰＴＦＥ等）の粉末及び摩耗摩擦調整剤（酸化アンチモン）の粉末を所定量加えて塗工液を調製する。この塗工液において粉末を均一に混合・分散させるために、ボールミル等でミリングを行う。そして、この塗工液をディッピングやスプレー等によりワーク（例えば、外輪１の外径面１ｂ）に塗布し、その後、恒温槽等のオーブンで焼き付けて焼成する。焼成に際して溶剤は蒸発するため、焼成後は有機バインダーと粉末（固体潤滑剤及び摩擦摩耗調整剤）のみからなる被膜となる。焼成温度は、有機バインダーのベース材にポリアミドイミドを用い、硬化剤にエポキシを用いた場合、１２０℃以下であり、軸受の変形や軟化を防ぐことができる。

尚、このコーティングにおいて、焼き付け時、溶媒が突沸することによるむらや、液だれ等を防ぐためにプレヒートを行ってもよい。また、吹き付けた膜を平滑にするために、溶剤中にレベリング剤を少量（０．１％程度）加えてもよい。固体潤滑剤粉末及び摩耗摩擦調整剤の原料粉末としての平均粒径は、１〜３０μｍが適当である。

焼成膜５において、固体潤滑剤と摩擦摩耗調整剤からなる粉末Ｐと、ベース材と硬化剤からなる有機バインダーＢとの割合（Ｐ／Ｂ）は、質量比で、０．４３＜（Ｐ／Ｂ）＜２．３の範囲であることが好ましい。（Ｐ／Ｂ）が０．４３より小さい場合、焼成膜５に存在する粉末成分（固体潤滑剤や摩擦摩耗調整剤）が少なすぎで、固体潤滑作用や摩擦摩耗調整作用が十分に機能せず、焼成膜５の耐摩耗性が低下してしまう。一方、（Ｐ／Ｂ）が２．３より大きい場合、焼成膜５に存在する粉末成分が多く、相対的に有機バインダーが少なくなることから、粉末をつなぎとめることができず、焼成膜５の耐摩耗性を長期間良好に維持できない。より好ましくは、０．６７＜（Ｐ／Ｂ）＜１．５である。

また、固体潤滑剤と摩擦摩耗調整剤の配合比率には最適な範囲があり、質量比で、（固体潤滑剤量／摩擦摩耗調整剤量）が０．７より大きく、１．８より小さい値であり、より好ましくは１．０以上１．５以下である。固体潤滑剤の前記配合比率が１．８より多い場合、焼成膜５の耐摩耗性に主に寄与していると考えられる摩擦摩耗調整剤の割合が少なくなり，焼成膜５の耐摩耗性が低下する。反対に固体潤滑剤の前記配合比率が０．７より少ない場合，焼成膜５の表面に作用するせん断力が大きくなり、焼成膜５が摩耗しやすくなる。

更に、摩擦摩耗調整剤は、その粒径がクリープ摩耗特性に大きく影響を及ぼす。摩擦摩耗調整剤が焼成膜５に作用する荷重を支持するため、摩擦摩耗調整剤が大きいほど焼成膜５の耐摩耗性を向上させる。また、焼成膜５の表面が摩耗した場合でも、摩擦摩耗調整剤が大きいと、簡単には焼成膜５から脱落せずに膜中に留まる。従って、ある程度大きな摩擦摩耗調整剤が焼成膜５に多く存在していることが好ましく、焼成膜５の断面において１μｍ^２以上の断面積を持つ摩擦摩耗調整剤の面積率が２．５％以上であることが好ましく、より好ましくは３％以上である。但し、後述するように焼成膜５の膜厚は５〜１００μｍが好ましいが、前記の面積率が１５％を超えると、焼成膜５が薄い場合、具体的には１０μｍ程度の焼成膜５では膜厚以上の大きな粉末粒子が存在することになり、焼成膜５の表面の平滑性が損なわれ、寸法精度が出なくなる。そのため、前記の面積率は１５％以下が好ましい。

尚、上記の面積率とするには、平均粒径が３〜８μｍの摩耗摩擦調整剤を、焼成膜５の総重量に対して１０〜３０質量％含有するとよい。

焼成膜５の膜厚は、５〜１００μｍが好ましい。膜厚が５μｍ未満では、焼成膜５が早期に摩滅して耐クリープ摩耗性を長期間維持できなくなるとともに、５μｍ未満の薄い膜厚で均一に形成するのは困難である。一方、膜厚が１００μｍを越えると膜強度が低くなり、焼成膜５が剥落するおそれがある。より好ましい膜厚は、５〜５０μｍである。

上記において、焼成膜５を形成する前処理として、リン酸化成処理を施すことが好ましい。リン酸化成処理により、焼成膜５と外輪外径面１ｂとの密着性が高まる。リン酸化成処理に使用されるリン酸塩としては、リン酸マンガンやリン酸亜鉛、リン酸亜鉛カルシウム、リン酸鉄等を挙げることができる。リン酸化成処理によりリン酸化成被膜が形成されるが、このリン酸化成被膜は外輪外径面１ｂとの密着性に優れ、更にその表面に凹凸が形成されており、この凹凸に焼成膜５が入り込むことにより焼成膜５との密着性も高まる。そのため、外輪外径面１ｂが露出しにくくなり、耐クリープ摩耗性が向上する。また、軸受鋼がＳＵＳ４４０のような化成処理を施せない材料である場合、ショットブラスト加工等で表面を荒すことにより同様に密着性を向上させることができる。

図２に、軸受外径面に化成被膜を介して焼成膜５を形成した場合の断面を模式的に示すが、膜中に、共に粉末状の固体潤滑剤（黒色部分）と摩耗摩擦調整剤（ハッチング部分）が分散し、有機バインダーで結着されたものである。そして、固体潤滑剤と摩耗摩擦調整剤の各作用がバランスよく発揮され、良好な耐クリーブ性が長期間維持される。

上記より、本発明の焼成膜と下地（前処理）は下記構成であることがより好ましい。
（１）有機バインダーと、固体潤滑剤粉末と、摩擦摩耗調整剤とを含む。
（２）記有機バインダーはエポキシとポリアミドイミドを含み、有機バインダーの含有量は、焼成膜総質量の４０〜６０質量％である。
（３）前記固体潤滑粉末は二硫化モリブデンと黒鉛を含み前記二硫化モリブデンの焼成膜総質量に対する含有量は１２〜３４質量％であり、黒鉛の焼成膜総質量に対する含有量は２〜８質量％である。
（４）前記摩擦摩耗調整剤は酸化アンチモンを含み、含有量は焼成膜総質量に対し１５〜３０質量％である。
（５）前記摩擦摩耗調整剤は前記焼成膜の断面において、断面積１μｍ^２以上の摩擦摩耗調整剤が、面積率で３％以上である。
（６）前記固体潤滑剤の質量を前記摩擦摩耗調整剤の質量で除した値が、１以上、１．５以下である。
（７）焼成膜の膜厚は５〜５０μmである。
（８）下地としてリン酸を含む化成膜を備える。

以上、本実施形態では玉軸受を例示して説明したが、これに限らず、例えば、円筒ころ軸受や円錐ころ軸受等、その他の転がり軸受に適用してもよい。その際、外輪の外径面に焼成膜を形成するだけであるから、種々の軸受に容易に対応できる。

また、転がり軸受の外輪１をハウジングに嵌合する用途としては、例えば自動車用トランスミッションを挙げることができる。図３はその一例を示す断面図であるが、ハウジング４０の内側に軸部材５０を配置し、この軸部材５０を複数の転がり軸受により回転自在に支持している。尚、軸部材５０は、２部材５０Ａ、５０Ｂとで構成されている。転がり軸受は、外輪１０と、内輪２０と、各軌道面１０ａ，２０ａ間に転動自在に配設された複数の玉３０とから構成されており、外輪１０の外径面１０ｂはハウジング４０の内周面４０ｂに締り嵌め等により嵌合され、内輪２０の内径面２０ｂが軸部材５０の外周面５０ｂに締り嵌め等により嵌合されている。本発明では、このような転がり軸受の外輪１０の外径面１０ｂに、上記した焼成膜５を形成して摩耗を防止する。

その他にも、外輪外径面をハウジングに嵌合させる構造の転がり軸受一般に適用することができる。

また、内輪と軸とがクリープする場合には、内輪２の内径面に本発明の焼成膜を形成してもよい。

以下に試験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、比較例１）
本試験で、本発明の焼成膜の効果について検証した。

表１に示すように、エポキシとポリアミドイミドからなる有機バインダーと、二硫化モリブデン粉末（表中「ＭｏＳ_２」）と、酸化アンチモン粉末（表中「Ｓｂ_２Ｏ_３」）と、黒鉛粉末（表中「Ｃ」）とを表記の量となるように、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させて塗工液を調製した。また、二硫化モリブデンの原料粉末の平均粒径は３μｍ、酸化アンチモンの原料粉末の平均粒径は８μｍとした。そして、下地処理としてリン酸マンガンの化成被膜を形成した後、その上に塗工液を試験軸受の外輪外径面に塗布し、１２０℃で３０分焼成して焼成膜を形成した。焼成膜の膜厚は１５μｍとした。

図４に、実施例１の焼成膜を撮影したＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真の一例を示す。尚、同写真では、ＳＥＭで観察するために白金コーティングを施している。また、同写真では、二硫化モリブデン粉末を「Ｍｏ」、酸化アンチモン粉末を「Ｓｂ」と示してある。同写真から、焼成膜には、二硫化モリブデン粉末と酸化アンチモン粉末とが分散して存在していることがわかる。

上記の焼成膜を形成した試験軸受（実施例１）と、焼成膜を形成していない試験軸受（比較例１）について、外輪をアルミニウム合金製のハウジングに嵌合した状態で、下記条件１にて軸受試験を行い、ハウジングのクリープ摩耗量を評価した。尚、クリーブ摩耗量は、試験前後のハウジングの重量差から求めた。
＜軸受試験条件１＞
・試験軸受：深溝型軸受（外径３９ｍｍ、内径１７ｍｍ）
・軸受材料：軸受鋼（ＳＵＪ２）
・ハウジング：アルミニウム合金
・試験ラジアル荷重：３５７７Ｎ
・内輪回転数：３９００ｍｉｎ^−１
・雰囲気：ＣＴＶフルード、強制供給潤滑
・試験温度：１００℃
・時間：４８時間
・評価項目：ハウジングの摩耗量

結果を表１に示す。なお，結果は比較例１のクリープ摩耗量を１としたときの値を記載してある．

本発明の焼成膜は、クリープ摩耗が小さいことが分かる。

（実施例２〜３、比較例２〜４）
本試験では、焼成膜に含まれる摩擦摩耗調整剤（酸化アンチモン）の影響を検討するために、表２に示す組成の焼成膜を形成した試験軸受を用い、上記の条件１にて評価した。また、二硫化モリブデンの原料粉末の平均粒径は３μｍ、酸化アンチモンの原料粉末の平均粒径は１μｍとした。尚、下地処理としてリン酸マンガンを用いた化成処理を施し、有機バインダーとしてポリアミドイミド、硬化剤としてエポキシを使用した。また，焼成膜の膜厚は１５μｍとした。結果を表２に、（固体潤滑剤／摩擦摩耗調整剤）比と、ハウジング摩耗量との関係で示した。ハウジングの摩耗量は比較例２を1としたときの重量比で表すが、この値が小さいということはクリープ現象によるハウジングの摩耗が少ないことを示す。

また、下記条件２にて同様の試験を行った。結果を図５にグラフ化して示すが、（固体潤滑剤／摩擦摩耗調整剤）比の影響を受けて、ハウジングの摩耗量が変化することがわかる。表２及び図５より、（固体潤滑剤／摩擦摩耗調整剤）比には最適な範囲があり、０．７より大きく１．８より小さい範囲では、固体潤滑剤のみで、摩擦摩耗調整剤を含まない比較例２に比べてハウジング摩耗量が大幅に少なくなっており、クリープによる摩耗が低減することが分かる。（固体潤滑剤／摩擦摩耗調整剤）比のより好ましい範囲は、１．０以上１．５以下であり、摩耗量が比較例２に比べて約１割にまで減少している。

＜軸受試験条件２＞
・試験軸受：深溝型軸受（外径５３ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ１３ｍｍ）
・軸受材料：軸受鋼（ＳＵＪ２）
・ハウジング：アルミニウム合金
・試験ラジアル荷重：７３００Ｎ
・内輪回転数：３９００ｍｉｎ^−１
・雰囲気：ＪＸ日鉱日石ＦＢＫオイルＲＯ６８，強制供給循環
・試験温度：１００℃程度
・時間：４８時間
・評価項目：ハウジングの摩耗量

焼成膜において、固体潤滑剤が多い場合、焼成膜の耐摩耗性に主に寄与していると考えられる摩擦摩耗調整剤の割合が少なくなり、焼成膜の耐摩耗性が低下する。反対に固体潤滑剤が少ない場合、焼成膜の表面に作用するせん断力が大きくなり、焼成膜が摩耗しやすくなる。それらの理由から、固体潤滑剤と摩擦摩耗調整剤との配合比率には、上記のような最適な値があると考えられる。

（実施例４〜５、比較例５〜６）
本試験では、焼成膜に含まれる摩擦摩耗調整剤の粒経の影響を検討した。

粒径の影響を検討する前に、焼成膜中に分散する摩擦摩耗調整剤の粒径をどのように定義するべきか検討した。基本的には、焼成膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）によって観察し、元素の同定を走査型電子顕微鏡に付随したエネルギー分散形Ｘ線分光器（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＸ）により行う。試料は、焼成膜を施した外輪外径面を切断し、樹脂に埋め込み、表面を研磨して作製する。その際、ＳＥＭで観察するため、白金コーティングを行なう。

焼成膜の断面観察を行った一例として、上記した図４（実施例１）を挙げることができる。図４には、ＥＤＸを用いて同定した元素を記入しており、図中のＭｏはＭｏＳ_２、ＳｂはＳｂ_２Ｏ_３を示す。図示されるように、ＭｏＳ_２は長細い形状をしており、Ｓｂ_２Ｏ_３は多角形もしくは円状の形状を呈しており、これらが焼成膜中に分散している。この例では原料粉末として、平均粒径８μｍの酸化アンチモンを用いたものであるが、図から分かるように、焼成膜中の酸化アンチモンの粒径は原料粉末の平均粒径よりも小さい。これは、焼成膜の原料である塗工液を作る際に、ミリングを行なう工程を経たためである。そのため、原料粉末の平均粒径で焼成膜中の酸化アンチモンの粒径を定義することは出来ない。また、焼成膜中の酸化アンチモンの平均粒径を求めようとすると、非常に小さい粒子での同定が必要になるため、現実的に不可能である。

そこで、焼成膜の断面を観察し、断面積が１μｍ^２以上の酸化アンチモンが焼成膜断面に占める割合（Ｓｂ_２Ｏ_３面積率）を用いる。この値が大きいということは、間接的に焼成膜中の酸化アンチモンの粒径が大きいことを意味する。１μｍ^２以上の断面積を持つ粒子の総面積の算出は、画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ）の粒子解析を用いる。その際、焼成膜中の二硫化モリブデン粉末や酸化アンチモン粉末の抽出は、画像の２値化や真円度の設定で行なう。その結果がＥＤＸの結果と異なる場合は、以下の方法をとる。先ず、焼成膜の断面の画像写真を撮り、その写真の中の抽出したい粒子をインクで塗りつぶす。その後、写真をスキャナで読み込み、そのデータに対し画像解析を行なう。以上の方法で、図４に対して粒子解析を行なった結果、焼成膜断面に含まれる１μｍ^２以上の断面積を持つ酸化アンチモン粉末の面積率は３．１％であった。尚、同様の方法で、焼成膜断面に含まれる１μｍ^２以上の断面積を持つ二硫化モリブデン粉末の面積率も算出可能である。

試験に際して、実施例２において、添加する酸化アンチモンの原料粉末の平均粒径を変え、焼成膜中の酸化アンチモン粉末の面積率を変化させた。即ち、下地処理としてリン酸マンガンを用いた化成処理を施し、有機バインダーとしてポリアミドイミド、硬化剤としてエポキシを使用し、二硫化モリブデンの原料粉末の平均粒径は一定とし、酸化アンチモンの原料粉末の平均粒径を変えて焼成膜を形成して試験軸受とした。焼成膜の膜厚は１５μｍとした。表３に、酸化モリブデンの原料粉末の平均粒径と、焼成膜における断面積１μｍ^２以上の酸化アンチモン粉末の面積率を示す。

そして、試験軸受を用いて、下記条件３にてハウジング摩耗量を測定した。結果を表３及び図６に示す。尚、ハウジングの摩耗量は、比較例６の摩耗量を１としたときの相対値で表してある。この値が小さいということは、クリープ現象によるハウジングの摩耗が少ないことを意味する。また、図中のエラーバーはばらつきを示す。
＜軸受試験条件３＞
・試験軸受：深溝型軸受（外径５３ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ１３ｍｍ）
・軸受材料：軸受鋼（ＳＵＪ２）
・ハウジング：アルミニウム合金
・試験ラジアル荷重：７３００Ｎ
・内輪回転数：３９００ｍｉｎ^−１
・雰囲気：日産ＣＶＴフルードＮＳ−３、強制供給循環
・試験温度：１００℃程度
・時間：２４〜４８時間
・評価項目：外輪がクリープによって２５０回転したときのアルミハウジングの摩耗量

この結果より、酸化アンチモン粉末の面積率が増えるのに従ってハウジングの摩耗量が減少することが分かる。この理由としては、酸化アンチモン粉末が焼成膜に作用する荷重を支持するため、ある程度大きな酸化アンチモン粉末が膜中に存在することにより焼成膜の耐摩耗性を向上させたためと考えられる。また、焼成膜の表面が摩耗したとしても、酸化アンチモン粉末がある程度大きいと、簡単には焼成膜から脱落せずに膜中に留まることも、その理由として考えられる。よって、焼成膜の断面において、１μｍ^２以上の断面積を持つ酸化アンチモンの面積率は２．５％以上が好ましく、より好ましくは３％以上である。この酸化アンチモンの面積率は、大きければよいことが分かったが、１５％を超えるような場合、膜厚が１０μｍ程度の薄い焼成膜では、焼成膜の膜厚以上の大きな粉末粒子が存在することになり、焼成膜の表面の平滑性が損なわれて寸法精度が出なくなる。そのため、酸化アンチモンの面積率は１５％以下とした方が良い。

また、ある一定回転数（例えば２５０回転）に達するまでの時間を比較すると、酸化アンチモンが大きい方（面積率が大きい方）が、長い時間を要する傾向にあることを確認している。すなわち、酸化アンチモンの大きさがクリープそのものを抑制していると考えられる。

尚、二硫化モリブデン粉末についても、その原料粉末の平均粒経を変え（３μｍ、１６μｍ）、その影響について検討したが、ほとんど影響を及ぼさないことを確認している。固体潤滑剤は焼成膜の表面に作用するせん断力を低減させるため、焼成膜の耐摩耗性向上に寄与していると考えられるが、この作用は粒経の影響を受けないためと推察される。

以上の結果より、本発明の焼成膜により、クリープ摩耗を小さくできることが分かる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１６年８月２６日出願の日本特許出願（特願２０１６−１６５９９４）、２０１７年８月８日出願の日本特許出願（特願２０１７−１５３１６５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の転がり軸受は耐クリープ性能に優れており、軌道輪をハウジング等の相手材に対してクリープするかもしれない状態で使用される用途、例えば自動車用トランスミッションに使用される転がり軸受として有用である。

１外輪
１ａ外輪軌道面
１ｂ外径面
２内輪
２ａ内輪軌道面
３玉
５焼成膜

Claims

外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪との間に転動自在に配設される転動体とを備える転がり軸受において、
前記外輪の外径面及び前記内輪の内径面の一方がハウジングに嵌合し、他方が軸部材に嵌合するとともに、
前記外輪の外径面及び前記内輪の内径面の少なくとも一方が、ベース材と硬化剤からなる有機バインダーと、固体潤滑剤粉末と、摩擦摩耗調整剤とを含む焼成膜を有することを特徴とする転がり軸受。
前記硬化剤は、エポキシもしくはエポキシ硬化剤、またはエポキシとエポキシ硬化剤の両方から成ることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
前記焼成膜の断面において、断面積１μｍ^２以上の摩擦摩耗調整剤が、面積率で２．５％以上を占めることを特徴とする請求項１または２記載の転がり軸受。
前記ベース材がポリアミドイミドであり、
前記固体潤滑剤が二硫化モリブデン粉末と黒鉛を含み、
前記摩擦摩耗調整剤が酸化アンチモン粉末を含む
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の転がり軸受。
前記固体潤滑剤の質量を前記摩擦摩耗調整剤の質量で除した値が、０．７より大きく、１．８より小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の転がり軸受。
外輪と、内輪と、前記外輪及び前記内輪との間に転動自在に配設される転動体とを備え、前記外輪の外径面及び前記内輪の内径面の一方がハウジングに嵌合し、他方が軸部材に嵌合する転がり軸受の製造方法において、
前記外輪の外径面と前記内輪の内径面の少なくとも一方に、ベース材と硬化剤からなる有機バインダーと、固体潤滑剤粉末と、摩擦摩耗調整剤とを含む塗工液を塗布する工程と、
前記塗工液を焼成する工程と、
を有することを特徴とする転がり軸受の製造方法。
前記硬化剤がエポキシもしくはエポキシ硬化剤、またはエポキシとエポキシ硬化剤の両方からなり、かつ、
前記焼成工程において、１２０℃以下で焼成することを特徴とする請求項６記載の転がり軸受の製造方法。