JP6481798B2 - 転がり軸受 - Google Patents

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Description

本発明は転がり軸受に関し、より詳細には、鋼鉄製の内外輪及び転動体の各表面に、潤滑用の被膜を形成した転がり軸受に関する。
例えばＸ線管球用の転がり軸受は、高真空、高温、無潤滑下で使用され、更には導電性が必要であるため、従来は内外輪の軌道面の表面や転動体の表面にＰｂを主成分とする固体潤滑被膜を形成している。しかし、Ｐｂは環境への負荷が大きいことから、環境負荷の小さい代替材料の使用が求められている。
代替固体潤滑材料としては、潤滑性や導電性を考慮すると、Ａｇを用いることが考えられる。しかしながら、Ａｇを用いた場合、Ａｇは少なからず相手材に凝着（移着）することが知られている（非特許文献１）。また、ＡｇはＰｂに比べて硬質な材料であるため、小さな金属塊の移着であっても騒音や振動の原因になりやすい。
このようなＡｇの移着の対策として、特許文献１では、Ａｇの相手材にＡｇとの溶解度が低い被膜を形成することが記載されており、被膜としてＷやＴａが挙げられている。
また、非特許文献２には、各種金属材料の相互溶解度が記載されており、Ａｇとの溶解度が低い材料としてＷやＮｉが挙げられている。
日本国実公平５−３２６５１号公報
潤滑、第２３巻、第２号、１４４〜１５１（１９７７）、イオンプレーティング金、銀膜の摩擦、摩耗特性に関する研究（第５報） ＡＳＬＥ Ｔｒａｎｓ．１４，１９８（１９７１），Ｔｈｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｓ
しかしながら、本発明者による検討の結果、Ａｇ被膜の場合、相手材にＮｉを被膜しても移着を防止できなかった。また、引用文献１に記載のＷも移着防止が十分でないことがあり、改善の余地がある。すなわち、真空下で使用される転がり軸受においては、Ａｇに対する溶解度が低い物質が必ずしも移着し難いとは言えないことが分かった。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、転動体の表面または内外輪の軌道面に潤滑用のＡｇ被膜を形成した転がり軸受において、Ａｇの相手材への移着を防ぐことにより、音響特性の低下を抑えて、長寿命化を図ることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は下記の転がり軸受を提供する。
（１）内輪、外輪及び転動体が何れも鋼鉄材料からなり、かつ、
前記転動体の表面に、最外層としてＡｇ被膜が形成されているとともに、
前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方の軌道面に、Ｃｒ単独の被膜、Ｃｒ合金の被膜、Ｃｒ単独の層を含む複層被膜、Ｃｒ合金の層を含む複層被膜から選ばれる何れか一つの被膜が最外層に形成されていることを特徴とする転がり軸受。
（２）内輪、外輪及び転動体が何れも鋼鉄材料からなり、かつ、
前記転動体の表面に、Ｃｒ単独の被膜、Ｃｒ合金の被膜、Ｃｒ単独の層を含む複層被膜、Ｃｒ合金の層を含む複層被膜から選ばれる何れか一つの被膜が最外層に形成されているとともに、
前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方の軌道面に、最外層としてＡｇ被膜が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
（３）前記Ａｇ被膜と基材との間に、基材側から順に、Ｎｉ層とＣｕ層からなる下地層が介在してい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Ａｇ被膜の膜厚が、１．０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の転がり軸受。
（５）前記Ａｇ被膜と前記下地層との合計膜厚が、１．０μｍ以下であることを特徴とする上記（３）記載の転がり軸受。
本発明によれば、潤滑用にＡｇ被膜を転動体の表面または内外輪の軌道面に形成した転がり軸受において、Ａｇ被膜が相手材に移着するのを防止して、音響特性に優れ、長寿命化を図ることができる。
Ｘ線管球用軸受の一例を示す断面図である。 試験１〜３で用いた真空中高温回転試験機を示す断面図である。 試験３の結果を示すグラフである。
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
本発明の転がり軸受は、転動体及び内外輪を、強度や疲労寿命に優れる軸受鋼、ステンレス鋼、高速鋼等の鋼鉄製とする。具体的には、ＳＵＳ４４０ＣやＳＵＪ２、ＳＫＨ等が挙げられる。そして、転動体の表面、あるいは内輪の軌道面及び外輪の軌道面の少なくとも一方、好ましくは両軌道面に、潤滑用のＡｇ被膜を形成する。
尚、Ｃｒ被膜は、Ｃｒ単独の被膜であっても構わないし、Ｃｒ合金からなる被膜でも構わないし、ＣｒＮ（窒化クロム）等でもよい。例えば、ＣｒＮ（窒化クロム）は反応性スパッタリングやイオンプレーティング法で形成することができる。
また、Ｃｒ被膜は複層被膜としてもよい。例えば、基材（転動体または内外輪）から順にＮｉとＣｒをそれぞれ成膜することで得られる。複層被膜は本願の効果が達成できる限り、適宜調整してもよい。
Ｃｒ単独の被膜の場合、Ｃｒの含有量は、Ｃｒ単独被膜に対して９９．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、より好ましくは９９．９ｍａｓｓ％以上である。また、残部は不可避不純物となる。
ＣｒＮ（窒化クロム）の含有量は、ＣｒＮ（窒化クロム）被膜に対して９９．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、より好ましくは９９．８ｍａｓｓ％以上である。また、残部は不可避不純物となる。
Ｃｒ合金とした場合は、Ｃｒとの合金成分として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ等を挙げることができ、合金成分は２種以上でもよい。この際のＣｒの含有量はＣｒ合金被膜に対して１５ｍａｓｓ％以上が好ましく、より好ましくは３０ｍａｓｓ％以上である。また、残部は合金成分と不可避不純物となる。
また、転動体にＡｇ被膜を形成した場合は、軌道面にＣｒ被膜を形成する。あるいは、内外輪の軌道輪にＡｇ被膜を形成した場合は、転動体の表面にＣｒ被膜を形成する。このような被膜の組み合わせにより、Ａｇの相手材への移着を防止することができ、初期の平滑な表面が保たれて、長期にわたり音響特性に優れるようになる。
更には、Ａｇ被膜と基材（転動体または内外輪）との密着性を高めるために、下地層を介在させることが好ましい。下地層としては、基材側から順に、Ｎｉ層とＣｕ層とを積層したものである。後述する試験２に示すように、Ｎｉ層のみではＡｇ被膜の密着性が不十分である。
Ａｇ被膜及びＣｒ被膜の形成方法としては、被膜を均一に形成できることに加えて、膜厚の制御も容易であることが好ましく、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法、めっき法により形成することができる。尚、Ｃｒ被膜では、スパッタリング法で形成した場合、大気に曝した時点で酸素と結合して表面エネルギーが小さい安定した状態になり、移着防止効果に優れるようになる。
また、Ａｇ被膜及びＣｒ被膜、下地層は何れも、厚すぎると被膜が剥離しやすくなり、軸受の回転に支障を来すおそれがある。一方、薄すぎると、被膜が均一に形成されず、未被膜の部分が発生することも懸念される。特に、Ａｇ被膜は軸受の潤滑を担うため、適度の膜厚を必要とする。そのため、Ａｇ被膜の膜厚、あるいはＡｇ被膜と下地層との合計膜厚の上限は１．０μｍ以下が好ましく、０．７μｍ以下がより好ましい。Ａｇ被膜の膜厚、あるいはＡｇ被膜と下地層との合計膜厚の下限は０．２μｍ以上が好ましく、０．４μｍ以上がより好ましい。
下地層としてＮｉとＣｕを積層する場合、それぞれの膜厚は以下のようにするのが好ましい。
・Ｎｉの膜厚は０．０５〜０．２μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。
・Ｃｕの膜厚は０．０５〜０．２μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。
・Ａｇの膜厚は０．１〜０．６μｍが好ましく、より好ましくは０．２〜０．５μｍである。
また、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇの各含有量は、以下の通りである。
・Ｎｉの含有量は、Ｎｉ被膜に対して９９．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、より好ましくは９９．９ｍａｓｓ％以上である。また、残部は不可避不純物となる。
・Ｃｕの含有量は、Ｃｕ被膜に対して９９．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、より好ましくは９９．９ｍａｓｓ％以上である。また、残部は不可避不純物となる。
・Ａｇの含有量は、Ａｇ被膜に対して９９．０ｍａｓｓ％以上が好ましく、より好ましくは９９．９ｍａｓｓ％以上である。また、残部は不可避不純物となる。
また、Ａｇ被膜には適宜添加剤などを添加しても良い。添加剤と併用する際は、Ａｇの含有量は９０ｍａｓｓ％以上とすればよい。また、残部は併用した添加剤と不可避不純物となる。
一方、Ｃｒ被膜の膜厚は、０．０５〜１．０μｍが好ましく、０．０５〜０．１５μｍがより好ましい。
尚、Ａｇは大気中で表面に極薄い酸化膜を形成する場合があり、酸化膜により潤滑性が低下することが懸念される。この酸化問題を解決するために、Ａｇ膜の表面に、軟質金属からなる酸化防止被膜を追加してもよい。軟質金属としては、Ａｇとの密着性がよく、かつ、Ａｇよりもイオン化傾向が大きいＴｉやＩｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ等が好ましく、良好な酸化防止効果が得られる。特に、ＩｎやＳｎは、潤滑性も期待できるため好ましい。
酸化防止被膜の成膜方法としてスパッタリングやメッキ等が挙げられるが、酸化防止被膜が厚すぎると振動の原因になるため、膜厚を１００ｎｍ以下にすることが好ましく、膜厚の調整を行う必要がある。また、１００ｎｍ以下であれば、使用中に速やかに酸化防止被膜が剥れるため、潤滑性に優れたＡｇによる潤滑が得られる。尚、Ａｇは酸化しやすいため、酸化防止被膜の形成前に還元処理を施すことが好ましい。
本発明では、Ａｇ被膜が固体潤滑被膜として作用するため、潤滑油やグリースを使用できない用途でも潤滑性を付与することができる。また、Ａｇ被膜及びＣｒ被膜は共に導電性に優れる。そのため、本発明の転がり軸受は、高真空、高温で使用され、導電性も要求されるＸ線管球用軸受として好適である。
Ｘ線管用軸受には制限は無く、図１にその一例を示す。図示されるように、一対の総玉軸受１１，１１が回転軸２０に回転可能に軸支されている。外輪３０，３０は、ハウジング７に対しすきま嵌めにて嵌合され、ハウジング７に対し軸方向の移動が可能なように配置されている。両総玉軸受１１，１１は、外輪軌道面３１，３１と回転軸２０に直接形成された内輪軌道面２１，２１との間に、多数の玉４０，４０を介在させた所謂「インテグラル式深溝玉軸受」となっている。玉４０、４０にはＡｇ被膜が形成され、外輪軌道面３１，３１及び内輪軌道面２１，２１にはＣｒ被膜が形成されている。あるいは、玉４０、４０にＣｒ被膜が形成され、外輪軌道面３１，３１及び内輪軌道面２１，２１にＡｇ被膜が形成されていてもよい。更には、Ａｇ被膜は、Ｎｉ層とＣｕ層とからなる下地層を介して形成されていてもよい。また、符号８はターゲット板である。
尚、回転軸２０の内輪軌道面２１，２１を含む外周面、及び外輪軌道面３１，３１を含む内周面に熱伝導促進膜を形成してもよい。更にはカラー３２，３３の内周面にも、同じく熱伝導促進膜を形成すれば、より熱伝導効率が向上する。
軸受の種類にも制限はなく、図１ではインテグラル式深溝玉軸受であるが、回転軸と内輪を別体にしても良いし、他にもアンギュラ玉軸受やころ軸受等にも適用できる。
上記より、本発明は下記構成であることがより好ましい。
・軸受形式について
本発明はインテグラル式の玉軸受もしくは深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受などの玉軸受に適用することが好ましい。
・母材について
玉の材質は、ＳＵＳ４４０ＣまたはＳＵＪ２またはＳＫＨ４が好ましい。外輪および内輪の材質は、ＳＵＳ４４０ＣまたはＳＵＪ２またはＳＫＨ４が好ましい。尚、これら鋼材の成分は、ＳＵＳ４４０ＣはＪＩＳ Ｇ ４３０３（２０１２），ＳＵＪ２はＪＩＳ Ｇ ４８０５（２００８），ＳＫＨ４はＪＩＳ Ｇ ４４０３（２０１５）に従う。
・玉の被膜
電気めっき法により，基材側から順に、Ｎｉめっき０．０５〜０．１５μｍ、Ｃｕめっき０．０５〜０．１５μｍ、Ａｇめっき０．２ 〜０．５μｍを形成することが好ましい。また，ＮｉめっきとＣｕめっきとＡｇめっきとの合計は、０．４ 〜０．７μｍとするのが好ましい。更に、ＮｉめっきのＮｉの含有量は９９．９ｍａｓｓ％以上、ＣｕめっきのＣｕの含有量は９９．９ｍａｓｓ％以上、ＡｇめっきのＡｇの含有量は９９．９ｍａｓｓ％以上がそれぞれ好ましく、残部は何れも不可避不純物となる。
・外輪の被膜
スパッタリング法により，Ｃｒからなる被膜０．０５〜０．１５μｍを形成することが好ましい。Ｃｒ被膜のＣｒの含有量は９９．９ｍａｓｓ％以上が好ましく、残部は不可避不純物となる。
・内輪の被膜
スパッタリング法により，Ｃｒからなる被膜０．０５〜０．１５μｍを形成することが好ましい。Ｃｒ被膜のＣｒの含有量は９９．９ｍａｓｓ％以上が好ましく、残部は不可避不純物となる。
以下に実施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ない。
（試験１）
内輪、外輪及び玉（転動体）からなる、呼び番号７２００Ａの総玉アンギュラ軸受（内径１０ｍｍ、外径３０ｍｍ、幅９ｍｍ、接触角α＝３０°、玉数１２個、玉径３／１６インチ）を用意した。尚、内輪及び外輪はＳＵＪ２製であり、玉はＳＵＳ４４０Ｃ製またはＳＵＪ２製である、そして、１２個の中で等間隔で４個の玉の表面にＡｇ被膜を形成し、残り８個は被膜無しとした。Ａｇ被膜は、何れも電気めっき法により、基材側からＮｉ層，Ｃｕ層の順で下地層を形成し、その上にＡｇ被膜を形成した。尚、Ｎｉ被膜の膜厚は０．１μｍ、Ｃｕ被膜の膜厚は０．１μｍ、Ａｇ被膜の膜厚は０．３μｍとした。また、内輪及び外輪の各軌道面には、スパッタリング法または電気めっき法により、表１に示す金属被膜を形成した。そして、これら玉及び内外輪を用いてアンギュラ玉軸受を組み立て、試験軸受とした。
上記の試験軸受を、図２に示す真空中高温回転試験機に取り付け、回転試験を行った。
この試験機は、試験軸受Ｊで支持される回転軸Ｓと、回転軸Ｓを回転するモータＭと、回転軸Ｓを加熱するヒータＨと、真空室を形成するフランジＳ１および壁Ｓ２，Ｓ３と、試験軸受Ｊの温度を検出する熱電対（図示せず）とを備えている。回転軸Ｓは、試験軸受Ｊ以外に符号１８で示す軸受によっても支持されている。
回転軸ＳのモータＭ側端部は、カップリング１０により、磁気的シールユニット１６の回転軸の一端に接続しており、磁気的シールユニット１６の回転軸の他端は、カップリング１７によりモータＭに接続している。また、磁気的シールユニット１６、カップリング１７及びモータＭはハウジング（図示せず）に収容され、大気中に設置される。
そして、アキシャル荷重：３０Ｎ、回転速度：４５００ｍｉｎ−１、温度：２５℃、真空度：３×１０−３Ｐａにて、試験軸受Ｊを回転させ、真空室のフランジＳ１の面に設置した加速度ピックアップにより振動値を測定した。初期振動値の５倍（２５ｍ／ｓ２）を超えるまでの時間を計測し、表１に「振動上昇までの時間」として示した。
Figure 0006481798
実施例１のように、一方にＡｇ被膜を形成し、相手材にＣｒ被膜を形成することにより、Ａｇの移着が生じないことから振動が上昇せず、他の金属を用いた比較例に比べて大幅な長寿命化が図られている。特に、比較例５は、特許文献１で挙げられているＡｇとＷとの組み合わせであるが、実施例１のＡｇとＣｒとの組み合わせに比べて１０分の１程度の寿命しか得られていない。
（試験２）
試験１と同一の総玉アンギュラ軸受を用い、１２個全ての玉にＡｇ被膜を形成した。その際、表２に示すように被膜１では下地層としてＮｉ層のみ、被膜２では基材側から順にＮｉ層、Ｃｕ層の２層を形成し、その上にＡｇ被膜を形成した。Ａｇ被膜及び下地層ともに、電気めっき法で形成し、Ａｇ被膜の膜厚は０．６μｍとした。一方、内外輪の各軌道面には、スパッタリング法によりＣｒ被膜を０．１２μｍの厚さで形成した。
そして、試験軸受を作製し、図２に示した真空中高温回転試験機を用いて同条件にて振動値を測定し、寿命を求めた。試験は、被膜１については４つの試験軸受を作製して行い、被膜２については５個の試験軸受を作製して行った。尚、回転開始から１３３３．０ｍｉｎの時点で振動上昇が見られなかった場合は、試験を打ち切った。結果を表２に示す。
Figure 0006481798
下地層としてＮｉ層のみとした被膜１では、一つの試験軸受では試験打ち切りまで振動上昇が見らなかったものの、残りの３個の試験軸受では短時間で振動上昇が見られており、寿命に大きなばらつきがあった。これに対し、下地層をＮｉ層とＣｕ層との２層で構成した被膜２では、全ての試験軸受で試験打ち切りまで振動上昇が見られず、長寿命化が安定して図られている。これは、Ａｇ被膜とＮｉ層との間にＣｕ層を介在させたことにより、Ａｇ被膜の密着性がより向上したためと思われる。
（試験３）
試験１と同一の総玉アンギュラ軸受を用い、１２個全ての玉にＡｇ被膜を形成した。その際、表３に示すようにＡｇ被膜及び下地層の各膜厚を変え、何れの被膜も電気めっき法で形成した。尚、下地層は、基材側から順にＮｉ層、Ｃｕ層の２層とした。一方、内外輪の各軌道面には、スパッタリング法によりＣｒ被膜を０．１２μｍの厚さで形成した。
そして、試験軸受を作製し、図２に示した真空中高温回転試験機を用いて同条件にて振動値を測定し、寿命を求めた。各被膜とも試験軸受の数が異なるが、平均寿命を表３に示す。また、図３に、Ａｇ被膜と下地層との合計膜厚と、平均寿命との関係をグラフにして示す。
Figure 0006481798
表３及び図３に示すように、合計膜厚が１．０μｍを超えると寿命が極端に短くなっている。これは、被膜が厚すぎると、玉同士の接触の際に凹凸が形成されて振動上昇が生じたことが原因であると考えられる。
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、２０１７年２月２日出願の日本特許出願（特願２０１７−１７７７３）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。
本発明は、高真空、高温、無潤滑下で使用され、更には導電性が要求される用途に使用される転がり軸受において、音響特性の向上や、長寿命化を図ることができる。
７ ハウジング
８ ターゲット板
１１ 総玉軸受
２０ 回転軸
２１ 内輪軌道面
３０ 外輪
３１ 外輪軌道面
４０ 玉

Claims (5)

  1. 内輪、外輪及び転動体が何れも鋼鉄材料からなり、かつ、
    前記転動体の表面に、最外層としてＡｇ被膜が形成されているとともに、
    前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方の軌道面に、Ｃｒ単独の被膜、Ｃｒ合金の被膜、Ｃｒ単独の層を含む複層被膜、Ｃｒ合金の層を含む複層被膜から選ばれる何れか一つの被膜が最外層に形成されていることを特徴とする転がり軸受。
  2. 内輪、外輪及び転動体が何れも鋼鉄材料からなり、かつ、
    前記転動体の表面に、Ｃｒ単独の被膜、Ｃｒ合金の被膜、Ｃｒ単独の層を含む複層被膜、Ｃｒ合金の層を含む複層被膜から選ばれる何れか一つの被膜が最外層に形成されているとともに、
    前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方の軌道面に、最外層としてＡｇ被膜が形成されていることを特徴とする転がり軸受。
  3. 前記Ａｇ被膜と基材との間に、基材側から順に、Ｎｉ層とＣｕ層からなる下地層が介在してい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。
  4. 前記Ａｇ被膜の膜厚が、１．０μｍ以下であ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。
  5. 前記Ａｇ被膜と前記下地層との合計膜厚が、１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の転がり軸受。
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