JP6386214B2

JP6386214B2 - 転がり軸受用の保持器、および転がり軸受

Info

Publication number: JP6386214B2
Application number: JP2013108229A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　洋司; 洋司佐藤
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: JP2014228063A

Description

本発明は、摺動面にスズと亜鉛との合金の被膜が形成された摺動部材、特に転がり軸受用の保持器に関する。また、これを備えた転がり軸受に関する。

近年、各種機械において摺動部材が使用される条件は、各種機械の小型化による負荷面圧の増大や高速化による滑り速度の増大など、ますます過酷になっている。そのため、各種機械の摺動部材に対して耐摩耗性を付与することができる種々の表面処理が研究されており、例えば、摺動部材の摺動部に、微粒子吹き当て処理が施されたＮｉ−Ｐめっき被膜を形成することにより耐摩耗性を高める方法が報告されている（特許文献１参照）。

また、転動装置において、摺動表面に、亜鉛とスズとの合金粉末をショットブラストすることで金属被膜を薄膜で形成したものが報告されている（特許文献２参照）。このショットブラストを用いた方法により金属被膜を形成することで、電気めっきによる方法と比較して信頼性の面で優れるとされている。

特開平８−３９４３２再公表特許ＷＯ２００７／１３９１９７号公報

しかしながら、特許文献１に示めされている方法は、低面圧の状況下では効果を示す可能性があるが、さらに高面圧な状況にさらされる場合には摩耗が大きくなることが危惧される。そのような場合として、例えば、転がり軸受の保持器において見られる、軸受回転中に発生する遅れ進みという現象が挙げられる。この現象により保持器のポケット面と転動体との接触が予想以上に大きくなることがある。軸受の回転が高速になるほどその接触力はさらに大きくなる。また、グリース潤滑である場合は、保持器のポケット面と転動体との間にグリースが侵入しづらいため十分な潤滑を得られず、混合潤滑状態になる場合があり、さらに高い耐摩耗性が要求される厳しい状況となる。

また、特許文献２に示されたショットブラストによる亜鉛とスズとの合金被膜を用いる場合であっても、その被膜中の亜鉛とスズの組成配分や膜厚によっては、十分な耐摩耗性を確保できない場合がある。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、混合潤滑状態においても摩耗量が小さい被膜が摺動面に形成された、耐摩耗性に優れた摺動部材、および、この摺動部材を保持器として備えた長寿命を有する転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の摺動部材は、摺動面にスズと亜鉛とからなるスズ−亜鉛合金被膜が形成された摺動部材であって、上記被膜の膜厚は１０〜２５μｍであり、上記被膜において、上記スズと上記亜鉛全体に対する上記亜鉛の重量割合が２０％以上かつ８０％以下であることを特徴とする。特に、上記重量割合が３５％をこえ、かつ８０％以下であることを特徴とする。

上記被膜が電気めっきにより形成されためっき被膜であることを特徴とする。

本発明の保持器は、複数の転動体を保持する転がり軸受用の保持器であって、該保持器は上記本発明の摺動部材であり、少なくとも該保持器の上記転動体と摺接する面に上記スズ−亜鉛合金被膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、この保持器が、上記本発明の保持器であることを特徴とする。

本発明の摺動部材は、摺動面にスズと亜鉛とからなるスズ−亜鉛合金被膜が形成され、この被膜の膜厚は１０〜２５μｍであり、この被膜においてスズと亜鉛全体に対する亜鉛の重量割合が２０％以上かつ８０％以下であるので、摺動部における摺動が混合潤滑状態などの過酷な状態であっても、摩耗量を少なく抑えることが可能であり、摩耗による基材の露出が発生しにくい。したがって、該摺動部材は、該摺動部材を備えてなる種々の機械の長寿命化に寄与できる。

本発明の転がり軸受は、この摺動部材を保持器として備えるので、保持器摺動面、特に転動体と摺動する保持器ポケット面での摩耗を長期間にわたり防止でき、焼き付きも防止できる。

深溝玉軸受の断面図である。摺動試験機を示す図である。スズ−亜鉛合金被膜における組成の比摩耗量に対する影響を示す、摺動試験の結果を表した図である。

本発明の摺動部材としては、航空機、鉄道車両、建設機械、自動車電装補機、自動車ハブなどの種々の機械で用いられる摺動部材が挙げられ、特に複数の転動体を保持する、転がり軸受用の保持器が挙げられる。

本発明の摺動部材は、それが構成する機械における他部材と摺接する面などを含む摺動面を有する。本発明の摺動部材の摺動面の一部または全部には、スズ−亜鉛合金被膜が形成されている。該スズ−亜鉛合金被膜は、別の被膜の下地層として形成されるのではなく、摺動部材の最外表面に形成される。

転動体を保持する転がり軸受用の保持器の場合は、該被膜が形成される摺動面として、保持器が転動体と摺接する面、および保持器が他の軸受構成部材と摺接する面が挙げられる。他の軸受構成部材とは、内輪、外輪などである。該被膜を、保持器が転動体と摺接する面および保持器が他の軸受構成部材と摺接する面に形成することが好ましい。更に、製造が容易であることから、該被膜を保持器の全最外表面に形成することが好ましい。

本発明におけるスズ−亜鉛合金被膜において、スズと亜鉛との重量割合は、（スズ：亜鉛）＝（２０：８０）〜（８０：２０）である。即ち、本発明におけるスズ−亜鉛合金被膜において、スズと亜鉛全体に対する亜鉛の重量割合は、２０％以上かつ８０％以下である。なお、スズと亜鉛全体に対するスズの重量割合も、２０％以上かつ８０％以下である。混合潤滑状態などの過酷な使用条件に置かれる摺動部材においては、亜鉛の重量割合が、２０％未満であると、相対的にスズの量が多くなり、スズ単体被膜に近くなり、長時間運転において層内剥離を起こすなどのおそれがある。一方、亜鉛の重量割合が、８０％をこえると、合金被膜全体としての表面自由エネルギーが大きくなりやすく、特に摺動初期において摩耗量が増加するおそれがある。また、この亜鉛の重量割合が、３５％をこえ、かつ８０％以下であればより好ましく、４０％以上かつ８０％以下であれば更に好ましい。

金属被膜において、一般的に表面自由エネルギーが小さいほど吸着が少なく、摩耗抑制効果が期待できる。スズの表面自由エネルギーは約５００ｍＪ／ｍ^２であり、亜鉛の表面自由エネルギーは約８００ｍＪ／ｍ^２であるところ、スズ−亜鉛合金被膜を用いる場合、上記観点のみから見れば、耐摩耗性の向上には、単純にスズの量を増やせばよいとも思われる。しかしながら、上記の過酷な条件で使用される摺動部材上に形成するスズ−亜鉛合金被膜では、層内剥離の懸念や、被膜の基材に対する密着力不足等の要因により、この想定通りとはならず、その組成決定は容易ではない。後述する実施例（図３）に示すように、本発明者は、種々の検討により、摺動部材に形成するスズ−亜鉛合金被膜として、特にスズと亜鉛の重量割合を上述の特定の範囲内とすることで、過酷条件下での比摩耗量を顕著に減少させ得ることを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。

摺動部材表面に対するスズ−亜鉛合金被膜の形成方法としては、電気めっき、無電解めっき、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、コールドスプレー法、溶射法等の物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）などの公知の被膜形成方法を採用することができる。被膜の表面粗さ、形状を小さくでき、膜厚の調整が容易であり、安価で容易に合金被膜を形成できることから、電気めっきにより形成した電気めっき被膜とすることが好ましい。特に生産性に優れることから、バレル電気めっきにより形成することが好ましい。

一般に、スズ−亜鉛合金めっき被膜は、亜鉛の犠牲防食性と、鉄に対してイオン化傾向の低いスズの優れた耐食性とを組み合わせた耐食性めっきとして、下地処理等に用いられる。本発明では、スズ−亜鉛合金めっき被膜を、保持器の最外表面であり、実際に転動体や他部材と摺接する表面に形成していることに特徴を有する。本発明におけるスズ−亜鉛合金めっき被膜は、めっき等による他の下地被膜を形成せず、基材表面に直接に形成することが好ましい。

電気めっきにより、所定の重量比率のスズ−亜鉛合金めっき被膜を形成する方法としては、ケイフッ化物浴、硼フッ化物浴、スルホン酸塩浴、フェノールスルホン酸浴、アルカノールスルホン酸浴、アルカンスルホン酸浴などの中に摺動部材基材を浸漬して処理を行なう等の公知の方法を採用できる。

摺動部材表面に形成するスズ−亜鉛合金被膜の膜厚は、１０〜２５μｍである。１０μｍ未満であると、初期の摩耗により、基材が露出する危険がある。２５μｍをこえても機能は発揮するが、それ以上の機能の向上は認められない。膜厚は、１０〜２０μｍが好ましく、１５〜２０μｍがより好ましく、１８〜２０μｍが更に好ましい。

本発明の摺動部材において、摺動部材本体の材料としては、鉄系金属材料が挙げられる。鉄系金属材料としては、軸受鋼、浸炭鋼、機械構造用炭素鋼、冷間圧延鋼、または熱間圧延鋼を用いることができる。例えば、本発明の転がり軸受用の保持器において、保持器本体の材料として、冷間圧延鋼ＳＰＣＣを用いることが挙げられる。

本発明の転がり軸受は、複数の転動体と、これを保持する上記の保持器とを備えてなる転がり軸受である。本発明の転がり軸受として、主に、転動体が玉である玉軸受が挙げられる。この玉軸受としては、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等のラジアル玉軸受と、スラスト玉軸受が挙げられる。

本発明の転がり軸受の一例を図１に示す。図１はグリース組成物が封入されている深溝玉軸受の断面図である。深溝玉軸受１は、外周面に内輪転走面２ａを有する内輪２と内周面に外輪転走面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪転走面２ａと外輪転走面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。この複数個の転動体４を保持する保持器５および外輪３等に固定されるシール部材６が内輪２および外輪３の軸方向両端開口部８ａ、８ｂにそれぞれ設けられている。少なくとも転動体４の周囲にグリース７が封入される。保持器５の表面のうち、保持器５が転動体４と摺接する面および保持器５が他の軸受構成部材と摺接する面にスズ−亜鉛合金被膜が形成され、該被膜の膜厚は１０〜２５μｍであり、該被膜において、スズと亜鉛全体に対する亜鉛の重量割合は２０％以上かつ８０％以下である。

グリースとしては、転がり軸受に用いられる任意のグリースが使用できる。保持器が転動体と摺接する面（ポケット面）と、転動体との間にグリースが侵入しにくく、混合潤滑状態となる場合であっても、上記スズ−亜鉛合金被膜により摺動面が保護され、摩耗および焼き付きを防止できる。また、このスズ−亜鉛合金被膜は、グリース中にジアルキルジチオリン酸亜鉛などの硫黄系添加剤を含む場合でも、該グリースへの合金被膜成分の溶出が生じにくい。

実施例１〜実施例３、比較例１〜比較例６
被膜の耐摩耗性の比較をするため、ＳＰＣＣ製３０ｍｍ×３０ｍｍ平板に表１に示す被膜を形成して板状試験片を作成し、これに下記の摺動試験を実施して被膜の比摩耗量を測定した。結果を表１に示す。また、図３にスズ−亜鉛合金被膜におけるスズ含有量と比摩耗量との関係を示す。

＜摺動試験＞
図２に示す摺動試験機（サバン型摩擦摩耗試験機）を用いた。図２（ａ）は正面図を、図２（ｂ）は側面図をそれぞれ表す。回転軸１０にリング状相手材９を取り付け、アーム部１１のエアスライダー１３に板状試験片１２を固定する。リング状相手材９は所定の荷重１４を図面上方から印加されながら板状試験片１２に回転接触すると共に潤滑油が含浸されたフェルトパッド１６より潤滑油がリング状相手材９の外周面に供給される。リング状相手材９を回転させたときに発生する摩擦力はロードセル１５により検出される。リング状相手材９は焼入焼き戻し処理した外径４０ｍｍ×幅１０ｍｍ（副曲率Ｒ６０ｍｍ）のＳＵＪ２製リングであり、潤滑油はモービルヴェロシティＮｏ.３（エクソンモービル社製：ＶＧ２の鉱油）である。荷重は４．９Ｎ（板状試験片１２とリング状相手材９との接触における面圧は２２４ＭＰａ）、滑り速度は１ｍ／ｓ、摺動時間は５分である。板状試験片１２とリング状相手材９との間の潤滑は、混合潤滑状態である。

比摩耗量は、摩耗体積を摺動距離と荷重で除した値であり、単位はｍｍ^３／Ｎ・ｍである。なお、摩耗体積は、形成された摩耗痕の短径、リング状相手材の形状寸法（外径４０ｍｍおよび副曲率Ｒ６０ｍｍ）から算出した。

表１に示す結果から明らかなように、比較例１のスズ被膜、比較例４の亜鉛被膜、比較例５のニッケル被膜は比摩耗量が多い結果となった。実施例１〜実施例３のスズ−亜鉛合金被膜は、スズと亜鉛の重量比率が所定の範囲内であり、所定範囲の膜厚を有しているため、比摩耗量が少ない結果となり、耐摩耗性に優れることが分かった。比較例２、比較例３のスズ−亜鉛合金被膜は、スズまたは亜鉛の一方の重量比率がかなり大きいため、比摩耗量が多い結果となった。比較例６のスズ−亜鉛合金被膜は、スズと亜鉛の重量比率は実施例２と同じであるが、膜厚が薄いため、基材が露出する結果となった。

図３に示すように、スズ−亜鉛合金被膜において、スズの含有量が８０％をこえる場合（亜鉛が２０％未満）と、スズの含有量が２０％未満の場合（亜鉛が８０％をこえる）とでは、それ以外の範囲の場合と比較して、著しく比摩耗量が多くなることが分かった。特に、スズの含有量が８０％をこえる場合（亜鉛が２０％未満）、急激に比摩耗量が多くなった。

本発明の摺動部材は、混合潤滑状態などの過酷な使用条件であっても摩耗量を少なく抑えることができ、摩耗による基材の露出を防止できる被膜を摺動面に有しているので、該摺動部材を備えてなる機械は、長寿命を有する機械として好適に利用される。

１深溝玉軸受
２内輪
３外輪
４転動体
５保持器
６シール部材
７グリース組成物
８ａ、８ｂ開口部
９リング状相手材
１０回転軸
１１アーム部
１２板状試験片
１３エアスライダー
１４荷重
１５ロードセル
１６フェルトパッド

Claims

複数の転動体を保持する転がり軸受用の保持器であって、
前記保持器は、少なくとも該保持器の前記転動体と摺接する面であって最外表面にスズと亜鉛とからなるスズ−亜鉛合金被膜が形成されており、
前記被膜の膜厚は１０〜２５μｍであり、前記被膜において、前記スズと前記亜鉛全体に対する前記亜鉛の重量割合が２０％以上かつ８０％以下であり、
前記被膜が、電気めっきにより該保持器の基材表面に直接形成されためっき被膜であることを特徴とする保持器。
前記被膜において、前記スズと前記亜鉛全体に対する前記亜鉛の重量割合が３５％をこえ、かつ８０％以下であることを特徴とする請求項１記載の保持器。
複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなる転がり軸受であって、前記保持器が請求項１または請求項２記載の保持器であることを特徴とする転がり軸受。