JPH10103356A

JPH10103356A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH10103356A
Application number: JP25956896A
Authority: JP
Inventors: Kokoro Niizeki; 心新関; Shigeki Matsunaga; 茂樹松永
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】転動体にセラミックスを使用した従来のセラミ
ック軸受や、外輪，内輪，転動体をステンレス鋼製とし
たステンレス軸受を、油やグリースなどの潤滑剤による
十分な潤滑が期待できない水環境下で使用すると、保持
器の材質や転動体の表面性状いかんでは転がり寿命の点
で満足できない場合がある。【解決手段】ステンレス鋼製の内輪１，外輪２とセラミ
ックス製の転動体３と樹脂製の保持器４からなる転がり
軸受において、そのセラミックス製の転動体３の表面粗
さを０．０２μｍＲａ以下０．００５μｍＲａ以上と
し、且つ表面気孔率を８％以下０．５％以上とする。こ
れにより転動体３と内輪１，外輪２との接触面に水によ
る流体膜を形成しやすくして軸受の転がり寿命を向上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は転がり軸受の改良に
係り、例えば化学繊維，フィルム等の製造工程のように
水を主とする液体に触れる環境下で使用され、油，グリ
ースなどの潤滑剤による潤滑が十分には期待できない転
がり軸受の寿命の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、油，グリースなどの潤滑剤による
潤滑が十分には期待できない状況で使用される転がり軸
受としては、例えば、特開昭６２−２２９０４３号公報
に示されているように、転動体として窒化ケイ素あるい
はサイアロンを主体とする玉を用いた玉軸受や、特開平
６−３８９８２号公報に示されているように、酸化ジル
コニウム製転動体をマルテンサイト系ステンレス鋼製軌
道輪に組み込んだ転がり軸受がある。これらはいずれ
も、セラミック製転動体の軽量性に由来する高速回転性
能を生かした歯科用ハンドピース装置の無給油高速回転
軸受として提案されている。

【０００３】また、水を主体とする液体中あるいはその
液体が振りかかるような状況（以下、水環境という）下
で使用される転がり軸受としては、外輪，内輪，転動体
がステンレス鋼からなるものが一般的に知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、転動体
にセラミックスを使用した従来のセラミック軸受や、外
輪，内輪，転動体をステンレス鋼製としたステンレス軸
受を、油やグリースなどの潤滑剤による十分な潤滑が期
待できない水環境下で使用すると、保持器の材質や転動
体の表面性状いかんでは転がり寿命の点で満足できない
場合があった。

【０００５】そこで本発明は、このような従来の転がり
軸受の問題点に着目してなされたものであり、水環境下
で使用される転がり軸受の転がり寿命を改善することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、ステンレス鋼製の外輪，内
輪とセラミックス製の転動体と樹脂製の保持器からなる
転がり軸受において、そのセラミックス製の転動体の表
面粗さを０．０２μｍＲａ以下０．００５μｍＲａ以上
とし、且つ表面気孔率を８％以下０．５％以上とする。

【０００７】ここで、表面気孔率は、倍率１００倍で撮
影された転動体表面の光学顕微鏡写真をもとにして次式
（１）で定義する。

【数１】本発明に係る転がり軸受は、その材質について、外輪及
び内輪をステンレス鋼製、転動体をセラミックス製とし
て、水環境下で使用しても軌道輪に錆による損傷が発生
しにくいものとした。ちなみに、転がり軸受の寿命は軌
道輪の損傷に由来する場合が殆どであり、これを積極的
に防止することにより転がり寿命の向上効果が得られ
る。なお、本願発明者らの研究によれば、ステンレス鋼
製の軌道輪に窒化ケイ素セラミックス製の転動体を組み
合わせた転がり軸受水中回転試験において、転動体表面
に水酸化物の生成が確認されており、そのような反応生
成物と水の流体膜の形成による相乗効果で良好な潤滑状
態が得られて軌道輪の損傷が防止され、結果として軸受
の転がり寿命の向上が果たせるものと予想される。

【０００８】本発明に係る転がり軸受は、またセラミッ
クス製転動体の表面粗さを０．０２μｍＲａ以下とし
て、転動体と外輪，内輪との接触面に存在する水による
流体膜を形成しやすくし、これにより軸受の転がり寿命
を向上させる。当該表面粗さが０．０２μｍＲａを越え
ると、水の流体潤滑膜形成が困難となり、軸受の転がり
寿命が急激に低下する。一方、転動体の表面粗さが０．
００５μｍＲａを下回っても寿命向上効果は殆ど飽和状
態となってあまり変化しないのに対し、コストは上昇す
る。そこで本発明の転動体の表面粗さの範囲は、０．０
２μｍＲａ以下０．００５μｍＲａ以上とする。

【０００９】本発明に係る転がり軸受は、またさらに、
転動体の表面気孔率を８％以下に限定する。表面気孔率
が８％を越えると気孔により水の流れに乱れが生じて、
その結果表面粗さが小さくても流体膜を形成しにくくな
るためである。一方、転動体の表面気孔率が限りなく減
少することは流体膜の形成には良いが、転がり寿命の向
上効果はあまり変化せず０．５％未満ではコスト高とな
る。したがって、コストと転がり寿命向上との両方を満
たすべく、本発明の転動体の表面気孔率の範囲は８％以
下０．５％以上とする。

【００１０】本発明に係る転がり軸受は、また、保持器
を合成樹脂製（以下、単に樹脂という）とする。これ
は、保持器の案内面の摩擦係数をできるだけ小さくし
て、保持器が軸受の転がり寿命を阻害することがないよ
うにするためである。すなわち、一般には、水環境下で
使用される転がり軸受の保持器としてはステンレス鋼製
のものが使用されているが、ステンレス鋼製では潤滑性
が乏しく、転動体や軌道輪と接触する案内面の摩擦係数
が大きくて振動の原因になり転がり寿命に支障を来すの
で好ましくない。一方、保持器材質として、ＥＴＦＥ
（エチレンテトラフルオロエチレン共重合体），ＰＴＦ
Ｅ（ポリテトラフルオロエチレン），ＰＦＡ（パーフル
オロアルコキシ樹脂）等のフッ素樹脂や、ナイロン樹
脂，ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等を使
用すれば、案内面との摩擦係数が小さいので滑らかな回
転が得られ、転がり寿命に支障を来さない。中でも、Ｅ
ＴＦＥ，ＰＴＦＥ，ＰＦＡ等のフッ素樹脂は良好な潤滑
性が期待できるので好ましい。

【００１１】また、保持器の案内形式としては、外輪あ
るいは内輪での案内形式とした場合には、その案内面
（滑り面）の形状や精度に注意する必要がある。これに
対して、転動体案内形式の場合はその必要がなく、転動
体の表面粗さ０．０２μｍＲａ以下で十分な精度であ
り、したがって転動体案内形式の保持器が望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る転がり軸受の実施形
態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の転がり
軸受を深みぞ玉軸受（名番６２０６；外径６２ｍｍ×内
径３０ｍｍ×幅１６ｍｍ）に適用した一実施例の断面図
で、１はステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）製の内輪、２
は同材質の外輪、３は転動体としての窒化ケイ素セラミ
ックス（Ｓｉ₃Ｎ₄）製の玉、４は合成樹脂製の冠型保
持器である。

【００１３】玉３の材質に窒化ケイ素を用いた転がり軸
受として、工作機械主軸用の精密アンギュラ玉軸受があ
るが、その場合は加圧焼結窒化ケイ素であるのに対し、
本発明の場合はコストを考慮して常圧焼結セラミックス
製である。そして、水環境下での転がり寿命を延長させ
るために、玉の表面気孔率の上限を８％、表面粗さの上
限を０．０２μｍＲａに設定してある。

【００１４】以下、図１の深みぞ玉軸受について、その
玉３の表面気孔率と表面粗さが異なる数種類の供試体を
用いて実施した転がり寿命試験（水中回転試験）によ
り、本発明の実施の形態を説明する。

【００１５】供試体の転がり軸受の水中回転試験に用い
た試験機の概略を図２に示す。ハウジング１０の内部
に、二個の支持軸受１１を介して回転軸１２が水平に支
持されている。その回転軸１２の一端側はハウジング１
０の外に突出し、Ｖベルトプーリ１３が取付けられて図
示しないモータで回転駆動されるようになっている。回
転軸１２の他端側はハウジング１０に取り付けたカバー
１４の内部に突出し、その端部にワークとしての供試体
の転がり軸受Ｗが装着されて一体回転する。ワークＷの
外輪側面には荷重負荷機構１５により、カバー１４の外
部からラジアル荷重が負荷される。また、カバー１４内
には、外部のタンク１６の水がポンプ１７により循環給
水される。荷重負荷機構１５には振動加速度センサー１
８が設置されている。

【００１６】供試体転がり軸受Ｗを完全に水中に浸漬
し、純ラジアル荷重のもとで内輪回転させ、転がり軸受
Ｗの損傷等による異常を振動加速度センサー１８で検知
する。検知した振動加速度値が初期値の３倍に達した時
点を転がり寿命と判定して、それまでの回転数を記録し
た。

【００１７】試験条件は次の通りである。ラジアル荷重：４９０Ｎ内輪回転速度：１０００ｍｉｎ^-1 雰囲気：室温水中潤滑剤：なし供試体：転がり軸受６２０６、軌道輪はＳＵＳ４
４０Ｃ製、玉は表面気孔率２％の窒化ケイ素セラミック
スで、その表面粗さが異なるものを数種類準備した。保
持器はＥＴＦＥ製。（Ａ）転動体の表面粗さと軸受の転がり寿命：図３に、
転動体の表面気孔率を２％一定とした供試体について測
定した転動体の表面粗さと転がり寿命との関係を示し
た。図中、転動体の表面粗さ０．０２μｍＲａ以下０．
００５μｍ以上が実施例であり、表面粗さ０．０２μｍ
Ｒａを越えるものが比較例である。

【００１８】水中での供試転がり軸受Ｗの転がり寿命
は、転動体の表面粗さが良いほど長く、表面粗さが０．
０２μｍＲａで略１０×１０⁶回転になり、表面粗さ
０．００５μｍでは１０×１０⁶回転を若干越える程度
に達している。しかし、表面粗さ０．００５μｍを下回
っても転がり寿命向上効果はあまり変化せず、むしろコ
スト高になる。一方、表面粗さが０．０２μｍＲａを越
えると、転がり寿命は急激に低下して比較例では極端に
短寿命であった。したがって、本発明の転動体の表面粗
さは０．０２μｍＲａ以下０．００５μｍ以上とした。

【００１９】実施例の回転寿命が長いのは転動体と軌道
輪の接触面で十分な流体膜（水膜）が形成されたためと
考えられる。なお、軌道輪の転動面における表面粗さに
ついて特には限定しないが、その理由は、軌道輪の転動
面の表面粗さが大きい場合でも回転初期に軌道輪材質が
摩耗し、なじんで滑らかな面になる結果、転がり寿命に
は影響しないからである。（Ｂ）転動体の表面気孔率と軸受の転がり寿命：図４
に、転動体の表面粗さを０．０１２μｍＲａ一定とした
供試体について測定した転動体の表面気孔率と転がり寿
命との関係を示した。図中、転動体の表面気孔率８％以
下０．５％以上が実施例であり、表面気孔率８％を越え
るものが比較例である。

【００２０】表面気孔率が８％以下では、略１０×１０
⁶回転と非常に長寿命である。しかし、表面気孔率が
０．５％を下回っても転がり寿命向上効果はあまり変化
せず、むしろコスト高になる。一方、表面気孔率が８％
を越えると、転がり寿命は急激に低下して比較例では極
端に短寿命であった。したがって、本発明の転動体の表
面気孔率は８％以下０．５％以上とした。

【００２１】図５は、転がり寿命試験（水中回転試験）
におけるセラミックス製転動体（玉）の表面気孔率と表
面粗さとの関係を表したものである。図５に示す相関曲
線Ｓの上方の領域Ｂが、転動体と軌道輪の接触面で流体
膜（水膜）が存在しうる領域である。そして表面気孔率
８％以下、表面粗さ０．０２μｍＲａ以下の領域（編み
目模様の領域）Ａが良好な流体膜が形成される領域であ
り、換言すれば水環境下で転がり軸受の寿命性能を満た
す領域といえる。しかし、表面気孔率と表面粗さとを限
りなく減少させると、寿命向上効果の方はあまり変化し
なくなるのに対してコストは急激に高くなってくる。そ
こで、本発明の範囲は、寿命性能を満たすと同時にコス
トを満たす範囲に限定した。

【００２２】なお、上記実施形態では、転がり軸受とし
て深みぞ玉軸受について説明したが、その他の形式の玉
軸受ないしころ軸受にも本発明を好適に提供することが
できる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の転がり軸
受によれば、ステンレス鋼製の外輪，内輪とセラミック
ス製の転動体と樹脂製の保持器で構成して、その転動体
の表面粗さと表面気孔率とを調整することにより、転動
体と外輪，内輪との接触面に存在する水による流体膜が
形成しやすくなって水環境下で良好な流体膜を形成で
き、その結果転がり寿命が大幅に改善されるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の転がり軸受の一例を示す断面図であ
る。

【図２】転がり軸受の水中回転試験機の概要を示す断面
図である。

【図３】転動体の表面粗さに対する転がり寿命の関係を
示す図である。

【図４】転動体の表面気孔率に対する転がり寿命の関係
を示す図である。

【図５】転動体の表面粗さと表面気孔率との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１内輪２外輪３転動体４保持器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステンレス鋼製の外輪，内輪とセラミッ
クス製の転動体と樹脂製の保持器からなる転がり軸受に
おいて、そのセラミックス製の転動体の表面粗さが０．
０２μｍＲａ以下０．００５μｍＲａ以上で且つ表面気
孔率が８％以下０．５％以上であることを特徴とする転
がり軸受。