JPH03272320A - 転がり軸受用保持器部材及びこれを組み込んだ転がり軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来の技術〕 最近の科学技術の進歩はめざましく、これに伴い転がり
軸受に於いても益々高性能のものが要求されるようにな
り、惹いてはその保持器部材としてより高温でも使用で
きるものが強く要望されるようになってきた。

〔発明が解決しようとする課題］ 従って本発明が解決しようとする課題は上記要望に応え
ることであり、これを換言すれば室温から高温に至る広
い温度範囲でも充分に使用できる転がり軸受を新しく開
発することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は炭化ホウ素とメソフェーズ炭素球晶とからな
る複合原料を加圧成形し、焼結して得られた素材を転が
り軸受用の素材として使用することにより解決される。

〔発明の作用並びに構成〕

本発明に於いては、（１）炭素材にホウ素炭化物を混和
、加圧成形、焼結した素材を用いることにより、若しく
は（２）上記素材に更にリン酸又はリン酸化合物を含有
せしめた素材を用いることによってこれらを用いた転が
り軸受用保持器部材は従来の公知の部材に比較して極め
て優れた性質を有するものとなる。

ここに言うホウ素炭化物としては、主としてＢ４Ｃ粉が
使用され、炭素材と共に混合し成形された後高温焼成に
よって複合体となる。この場合原料となる８４Ｃが炭素
材に含まれる酸素や水分と焼成中に反応して損耗するこ
とを防止するためと、ホウ素の拡散分散を容易にするた
めに例えば１０００℃以下の非酸化性雰囲気下で焼成し
、次いで１０Ｔｏｒｒ以下、実質５　Ｔｏｒｒ以下の減
圧下で１５００℃以上、実質２０００℃での高温処理を
施す。

本発明に於いて使用する光学的異方性炭素質小球体はメ
ソフェーズ炭素球晶とも呼ばれ、顕微鏡下で観察すると
球状をなし、ピンチ類の熱処理によって製造せられ、そ
れ自体バインダー等を用いなくても自己焼結性を有し、
炭化ホウ素との固溶親和性も良好な特有の性質を有する
ものである。

これは本発明の特徴の一つである。−船釣には小球晶の
集合体として１０〜５０μｍ程度の房状としての大きさ
を持つが、これを更に粉砕後／粉砕前−０，４〜０．６
程度の粒径比に粉砕、好ましくは２〜１５μｍに粉砕し
て使用する。粉砕前の該小球体自体は従来公知のものが
使用され、粉砕方法も特に限定されず、例えば衝撃粉砕
、摩擦粉砕、ジェット粉砕等適宜な手段で行えば良い。

このように得られた微粉砕炭素球晶はそれ自体バインダ
ーを用いずして自己焼結性を有し、焼結体は極めて緻密
、硬く且つ耐酸化性も一般等方性炭素材に較べ良好であ
る特徴を有する。

第１表は本発明に用いた炭素球晶を焼結して得られた炭
素材（Ａ）（’１５０−８８Ｊ、東洋炭素社製）と一般
コークス、ピッチバインダーを原料とした高密度炭素材
として称せられる等方性炭素材（Ｂ）（ｒ　ｒＧ−１１
０Ｊ　、東洋炭素社製）との各種物性を比較した表であ
る。

第　　ｌ　　表 第１表に示す通り（Ｂ）といえども一般炭素材に比べ比
較的高い密度を有するものであるが、その（Ｂ）よりも
（Ａ）は遥かに高い硬度、密度、強度、機械的強さを有
していることが判る。

本発明ではこのような性質を示す炭素材の原料となる炭
素球晶と炭化ホウ素とを混合焼結せしめることを大きな
特徴としている。

ここで光学的異方性小球体を粉砕せず、そのまま用いた
場合は炭化ホウ素の混合割合が増大するに従い、焼結体
の嵩比重、強度が急激に低下し更に焼結中炭化ホウ素の
ホウ素が焼結体中へ均一に固溶拡散することが難しくな
り、メソフェーズ炭素球晶を用いた良さが損なわれるの
で好ましくなく、両者を微細に粉砕、均一に混合する必
要がある。

また一方決化ホウ素としてはい（つかの分子形態が知ら
れており、一般にはＢ４Ｃの形として市販されている。

大略数■程度の粒状として市販されているので、これも
２０μｍ以下に粉砕する。

炭素球晶と８．Ｃを予め微細に粉砕するのは両者の混合
を均一に且つ完全に分散させるためである。

Ｂ４Ｃと炭素球晶の混合比は１〜２０／９９〜８０、好
ましくは３〜１５／９７〜８５（重量比）の範囲が好ま
しい。これより８４Ｃの量が少ないとその効果が顕著で
はなく、多すぎると球晶炭素原料を用いた良さが薄れ得
られた複合材の加工性、機械的強度が悪く、使用中割れ
ることがあるので、Ｂ４Ｃの添加量は１〜２０％（重量
比）が好ましいことを試行の後見出した。

次いで該混合粉末を常法に従って、例えば油圧プレス等
のプレスにて０．５〜２．０　ｔｏｃｔ１程度の圧力で
成形する。成形物はコークス粉末中で非酸化性ガス雰囲
気下にて、例えば昇温速度７〜１０’Ｃ／Ｈｒで１００
０℃程度まで昇温し、揮発分を除去した後、非酸化性ガ
ス雰囲気下にて例えば２００℃前後まで冷却して予備焼
成品とする。

予備焼成品は不活性ガス雰囲気下もしくは減圧下、好ま
しくは１０Ｔｏｒｒ以下の高減圧下特に好ましくは５　
Ｔｏｒｒ以下、１５００℃以上好ましくは２０００℃以
上まで熱処理して焼成体とする。この際この焼成を上記
以外の方法で行うと焼成雰囲気中或いは炭素材中に吸着
されている空気や水分によって炭化ホウ素の一部が酸化
されＢ２０．を生じる。Ｂ２Ｏ３が存在すると、それ自
体蒸気圧が高いうえ、潮解性を有するため空気中の水分
を吸着して粘着性を生じ、例えば保存時の変質、耐熱性
の低下、使用状態に於ける固結によるトラブル、装置の
腐食など望ましくない問題が生じる。本発明に於いては
酸素をできるだけ遮断した不活性ガス雰囲気下若しくは
真空下で行われるため殆どＢｔｕ、を生じることはなく
、例え生じたとしてもこの微量の８２０．はその沸点が
炭素やＢ４Ｃに比べて相対的に低いため２０００℃以上
の焼成工程で除去できるものである。

かくして得られる炭素−炭化ホウ素焼結体は高強度であ
り、しかも耐熱衝撃性、耐酸化性、加工性に優れたもの
となる。加えて炭化ホウ素を多量含有しているにもかか
わらず、高強度、高密度であると共に８２０．も殆どな
く吸湿性の極めて少ない複合焼結体となる。

得られた焼結体は炭素と炭化ホウ素とが夫々この形態の
ままで焼結されているものばかりでなく、ホウ素が炭素
と固溶体を形成している相も存在するものと見做される
。

かくして得られる炭素−炭化ホウ素焼結体は実施例３〜
６にも示すように転がり軸受用保持器部材として極めて
優れている。

上記の原料及び方法によって得られた（Ｂ４ＣＣ）？！
［合材はそれ自体保持器材料として良好な性質を有する
が、それに更にリン酸又はリン酸塩を含浸せしめること
により一層その性能が向上することが見出された。

これまで一般炭素材に対して少量のリン酸又はリン酸塩
を金蔵させておくと、耐酸化性が向上することは知られ
ている。例えば特公昭４３−３０４１３号、同３５−１
１１７号、特開昭６２−２９７２８１号、特公昭５２−
４４８８３号、同４９−１５５５９号及びこれらに引用
される特許出願等が挙げられる。

これらは一般に炭素材を作る時に炭素粉とともに練り込
み又は成形、焼成された炭素材に溶液含浸の形で炭素材
に添加される。リン酸は比較的低い温度で焼成すること
により、水分を放ち縮合して種々の複雑な形態のリン酸
誘導化合物に変わることが知られ、粘稠な水飴状のもの
になり炭素材の表面を覆い酸素を遮断するので、耐酸化
性が向上するものとも説明されている。

リン酸塩添加の場合もほぼ同様の機構であろうと推察さ
れる。

本発明に於ける（Ｂ４Ｃ−Ｃ）系複合材に於いても、高
温下、例えば３００〜５００℃に於いて、保持器として
用いた場合回転運動中に空気中の酸素又は水分と緩徐に
酸化を受け、 Ｂ４Ｃ−＊　　ＢｚＯｉ　　＋　　Ｃ （又はＣＯ，４Ｃ０２） と変化し、水飴状になったＢｚＯ：＋　（又は縮合体）
が炭素表面を覆い耐酸化性を向上させると共にこの水飴
状の８２０３が保持器及び回転するボールに対して潤滑
材的な作用をするので、高温摺動性を示すものと解釈さ
れる。

従って、Ｂ２Ｏ３とＨ，ＰＯ４とは高温下にて共に似た
態様で効果を示すものであるが、この両者を同時に併用
する時は、相乗効果により即ち両者の相溶効果により例
えばホウ・リン酸（ＢＰＯ４・８．０　）等の形成によ
り流動性を示す範囲が広く、〔８４ＣＣ〕単独使用時よ
りも、更に低温運転時にも円滑な回転性能を示すように
なることを見出した。

ここに炭素材に含浸させるリン酸は単に正燐酸のみなら
ず、ピロ型、オキシ酸型、オルト型、ジ、トリポリ型等
高温下にて運転中に形成されるであろう縮合した形態の
ものも総称したものを意味している。

またリン酸塩としては一般に溶媒例えば水などに溶解し
た状態で含浸させることが可能である。

これらは高温下にてリン酸を遊離して前記と同様の効果
を示すものもあり、またそれ自体高温下で水飴状になる
ものもありその作用時に於ける形態は様々である。塩の
形としてはアンモニウム塩、亜鉛、アルミニウム等の金
属塩等が例示できる。

しかし金属塩の場合、これを通量に用いる場合には酸化
又は熱的分解等により金属質が固形賞分（例えば金属酸
化物等）に変化しこれがポール、保持器等との間に介在
して振動発生、摩耗の促進等の遠因ともなる。このよう
な点からリン酸塩の場合には炭素に対して１〜５％程度
に止め添加することが経験的に望ましいことが判った。

〔実　施　例〕

以下に本発明で使用する炭素−炭化ホウ素焼結体及びリ
ン酸（塩）添加焼結体の製造例たる参考例及び実施例を
示して本発明を更に具体的に説明する。

参考例１ 川崎製鉄株製の光学的異方性小球体ｒ　ＫＭＦＣＪ（平
均粒径２０μｍ）をジェット粉砕して平均粒子径５μｍ
に調整したものが最終焼結体中に９５重量％及び炭化ホ
ウ素（平均粒子径４μｍ）５重量％の割合となるように
配合し、充分に混合した後、プレスにて成形圧２ｔｏｎ
／ｃｆｌ！で成形した。成形体はコークス粉末中に詰め
、非酸化雰囲気下で１０００℃まで昇温し予備焼成品と
した。この予備焼成品を真空加熱炉にて５　Ｔｏｒｒ以
下、２０００℃で熱処理して炭素−炭化ホウ素焼結体と
した。

参考例２ 参考例１で得られた予備焼成品を抵抗式加熱炉内でコー
クス粉末中に埋めアルゴンガス雰囲気にて２０００℃ま
で熱処理して炭素−炭化ホウ素焼結体を得た。

比較参考例１ 参考例１で得られた予備焼成品を抵抗式加熱炉内でコー
クス粉末中に埋め窒素ガス雰囲気にて２０００″Ｃまで
熱処理して炭素−炭化ホウ素焼結体を得た。

比較参考例２ 比較参考例１と同様だが２０００’Ｃ熱処理時にガスを
流さなかった。

上記で得られた４種の焼結体の物性を下記第２表に示す
。

第２表 参考例１及び２より、アルゴン雰囲気下でも真空炉５　
Ｔｏｒｒ下２０００℃処理とほぼ同様の特性が得られる
ことがわかる。比較参考例１の焼結体は酸化されてはい
ないが強度が半減した。これは焼結体が一部窒化された
ものと推定される。比較参考例２の焼結体は潮解性を示
すＢ２Ｏ３を多量に含有し、実用には向かない。

実施例１ 第３表に示したような配合にて、参考例１と同様に炭素
−炭化ホウ素焼結体を得た。その焼結体を第１図（１）
及び（２）に示す形状に切削加工し保持器を製作し、そ
の一つを供試した。

実施例２ 実施例１に用いた素材を同様に第１図（１）に示す形状
に切削加工した後、ビロリン酸水溶液中に浸漬し、これ
を含浸せしめた後１２０　’Ｃの空気浴中にて乾燥せし
めた。重量増加よりの計算にてリン酸の形態として４．
５重量％相当のものを得た。

実施例３〜６ 第１図（１）に示す保持器（１）を用い、これにセラミ
ツクボール（１１）　（チッ化珪素５ｉ）Ｎ４球体　日
本ピロブロック社製、グレードＦＹＦＩ−５Ｎ　Ｇ−１
０）を組込み、第２図に示すベアリング（１２）を製作
した。尚（１３）は外リングを（１４）は内リングを示
す。尚今回の試験では、内・外リング共ステンレス鋼製
のものを用いたが、この他耐熱鋼製、或いはセラミンク
製のリングを用いた場合も同等以上効果が得られた。こ
のベアリング（１２）を第３図に示すように試験温度を
自由に変えられる試験装置に入れ、昇温下で回転せしめ
、変位量（摩耗度測定）及び振動針を装着し、所定温度
に於ける耐用時間を測定した。併せて比較のため従来公
知の他材料を保持器として用いた結果をも測定し、第３
表に併記した。但し第３図中（２１）は振動計、（２２
）は非接触変位計、（２３）は負荷用バネ、（２４）は
断熱材、（２５）はテスト品、（２６）は熱電対を示す
。

試験後所見は次の通りであった。

（１）　第３表に記すように各種素材を用いて試験した
結果他の方法によって作られた素材（比較例）に比べ本
発明に係る素材を用いた場合（実施例）は、耐用時間、
摩耗減量、軸受スキ間増大量の点で格段に優れているこ
とが明らかとなった。

（ｉｉ）　　本発明実施例３に示す（Ｂ４Ｃ−Ｃ）系素
材を用いた２成分系素材の場合も他の公知の［８４Ｃ−
Ｃ−第３成分］系の材料に比べても遜色はなく、寧ろ良
好な結果を示しているのは本発明が単なる一般炭素材を
用いたものでなく極めて硬質、緻密、高強度が得られる
炭素球晶を材料としているからである。

（ｉｉｉ）　　また実施例３に示す２成分系は３５０〜
５００℃の高温域では円滑であったが、３００℃以下の
低温運転域特に低温からの再ス タート時にては若干キシミによる振動現象が観察された
が、これはＢ２Ｏ３の低温における粘土増大、若しくは
半固化等による潤滑性の不足とも解され、これはリン酸
及びリン酸塩添加による３成分系にすることにより、低
温潤滑性が向上し、２５０“Ｃにても円滑回転が得られ
低温から高温への巾広い条件下にての適用が可能となっ
たことを示している。

試験条件：　ＩＩｃＰ　２０４、 軸回転数　２０Ｏｒ、ｐ、ｍ。

５　ｋｇｆ 第　　３　　表 （注）＊１：分析によりＳｉとＢの存在がそれぞれ検出
されたが組成の詳細は不明であった。

＊２：分析によりＣｒとＢの存在がそれぞれ検出された
が組成の詳細は不明であった。

第４表 ＊　Ｉ　：　１０００時間経通後、−ＰＦ試験を中断し
計測、観察した。保持器、ボール、内・外リングにガラ
ス状の表面膜が観察されたが、そのまま装着し続行した
。

〔発明の効果〕

本発明の炭素−炭化ホウ素焼結体は高温度下に於ける耐
摩耗性、摺動特性に優れ且つ耐酸化性にも優れるという
性質を持つものであり、このような材料は従来公知の材
料にはなく、本発明による特殊な炭素原料の採用、それ
と炭化ホウ素との特殊な配合比による相乗効果、不純物
として副生されやすい酸化ホウ素が非常に少ない特殊な
反応条件による製法、焼結体の機械加工性の良さ等によ
り本発明焼結体は転がり軸受用保持器部材として要求さ
れる各特性を全て充足している。

またリン酸又はリン酸塩の添加により回転体の低温特性
が向上する結果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明素材の加工品の形状を、第２図はベアリ
ングに組み立てた場合の見取り図をまた第３図は物性測
定に用いた測定装置の概念図を示す。 ・・・保持器 １・・・セラミック ボール ２・・・ヘアリング ３・・・外リング ４・・・内リング ２１・・・振動計 ２２・・・非接触変位計 ２３・・・ハネ ２４・・・断熱材 ２５・・・試験片 ２６・・・熱電対 第 図（１） （以　上）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化ホウ素とメソフェーズ炭素球晶とからなる複
   合原料を加圧成形し、焼結して得られた素材を用いた転
   がり軸受用保持器部材。
2. （２）請求項（１）に言う素材に於いて、炭化ホウ素の
   粒度が２０ミクロン以下、メソフェーズ炭素球晶の粒径
   が１５ミクロン以下のものを混合、焼結して得られる素
   材である部材。
3. （３）素材が１０００℃以下の予備焼成、温度１５００
   ℃以上、圧力１０Ｔｏｒｒ以下の条件下で本焼成を行っ
   た素材である請求項（１）または（２）の部材。
4. （４）Ｂ＿４Ｃとメソフェーズ炭素球晶との混合比が３
   〜１５／９７〜８５（重量比）の範囲である素材である
   請求項（１）〜（３）のいずれかに記載の部材。
5. （５）請求項（１）〜（４）のいずれかに言う素材に、
   リン酸またはリン酸塩を含浸せしめて得られた素材を用
   いた転がり軸受用保持器部材。
6. （６）請求項（１）〜（５）のいずれかに記載の保持器
   部材を組み込んだ転がり軸受。