JPS62258224A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軸受に係り、特に通常の油膜による潤滑が困難
であったり、不可能な軸受に関する。

〔従来の技術〕

一役に軸受の潤滑は％構成体１例えばころがシ軸受の場
ば、１由受外檜、内輪、転動体、転動体保持部材等のＩ
：Ｊｉ滓部に、及びすペシ儲受の場合、軸と軸受メタル
面の摩擦部に液体潤滑剤である油。

グリース（以下、油と称す）を供給することによって行
っている。ところが油は温度、圧力等゛雰囲気によって
１吏用できなかったシ、あるいはまた。

使用回転条件が低速高荷重の場合には油膜の形成が困難
となる。例えば高温、高Ａ空、低温又は放射性雰囲気等
の榮件下では油が蒸発、固化あるいは劣化して潤滑不能
な状態になシ易い。医療用回転陽極Ｘ線管、半導体製造
装置、液化ガス搬送ポンプ等がこのような雰囲気条件下
で運転されている。また、動翼可変型の軸流送風機の動
翼支持ころがυ軸受はａｌ　Ｏ）ンという大荷重下で微
小揺動を繰υ返し、油、嘆の形成が困難なためフレッテ
ィング拳耗が進行し易い。

上記の問題に対して、＃ｊ開昭５１−４２８４７゜特開
昭５５−５７７１７．あるいは実公昭５９−６９１の如
く銀、鉛等の固体で潤滑する方法、あるいは特開昭５４
−１０８１５０．実開昭５９−３９８５７、実開昭５９
−５１４４１の如くセラミック（ＳｉＣ，Ａ羞！０３等
）のように高い耐摩耗性を有する部材を用いて軸受を構
成する方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術の固体潤滑では軸受構成体は高速度鋼、マ
ルテンサイト系ステンレス鋼等硬くて耐摩耗性の高い材
料を用いている。しかし、固体潤滑では接触条件が苛酷
なためこれらの材料でも摩耗の進行によシ寿命が十分で
ない。特に高速で回転し、雰囲気が真空という極限条件
下では寿命が短かい問題がある。また、耐摩耗性が現在
最も高いとされるセラミックを軸受構成体に用いる場合
１、きわめて硬いため加工しにくく生産性が悪く、コス
トが高くなったシ、材料そのものの信頼性、すなわち耐
疲労性が十分でない問題がある。

本発明は、雰囲気、使用条件の制約上十分な油膜の一形
成が固点てあったり、油が全く使用できないため固体で
潤滑する軸受の、寿命性１ｆｆｌを向上することを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は軸受構成体の互いに相対的に運動しあう表面
の少なくとも一方に物理的蒸着方法で一種類以上のガス
との反応性金属化合物被膜を形成し、その上に固体潤滑
剤あるいは数分子層の油膜を形成することにより達成さ
れる。

〔作用〕

反応性金属化合物は硬くて相手材と凝着しにくく、耐摩
耗性に優れるため、固体でｆＡ滑したシ油膜破断が生じ
易い軸受において、構成体表面が互いに直接接触しあう
条件下でも反応性金属化合物層で摩耗が最少限に抑止さ
れ、寿命性能が向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例ｔ−第１図によシ説明する。

第１図は内輪、３．外輪４．複数個の転動体（ボール）
５で構成される玉軸受で、材質は耐摩耗性。

耐熱性を高めるため高速度鋼とし、熱処理によりＨｍｃ
）６２としである。内輪３．外輪４の伝動溝には物理的
な蒸着により形成されたＴｉＮ層１、及びその上に銀（
Ａｇ）２の固体潤滑膜を形成しである。Ｔｉ層の厚さは
１〜２μｍ、釧膜は０．３〜０，５μｍである。これら
の膜は以下のような手順で形成されたものである、 前記軸受溝成体を十分に脱脂、洗浄を行った後。

内輪３と外輪４を真空槽内に入れ所定の真空度１０−”
ｌ’ｏｒｒ以下）まで排気後、蒸発源であるＴｉｔ−電
子ビーム加熱方式によって蒸発させる。

蒸発部近傍にはイオン化電極が設けられておシ、蒸発し
たＴｉは正にイオン化される。被処理材である内輪３．
外輪４は負の高電圧を印ノｉ口おくので蒸発Ｔｉは内輪
３．外輪４へ高いエネルギーで衝突する。このときＮ！
ガスを導入しておくと内輪３、外輪４の表面にＴｉＮ膜
」が形成される。被処理材のうち膜の不要な部分にはマ
スキングをしておく。ＴｉＮ膜の形成法としては上述の
方法以外に化学的蒸着法（ＣＶＤ法）があり、玉軸受の
表面処理に適用した報告もあるが、ＣＶＤ法では、処理
ＹＪ１度が８００Ｃ以上と高く、基材の耐熱性が高い材
料に限定される。すなわち、玉用受の許容温度は高速度
鋼で５５０　Ｃ，オーステナイ系ステンレス鋼（ＳＵ８
４４０Ｃ）で３５０　Ｇ、高炭素クロム軸受ｇ（８ＵＪ
２）で１５０Ｃであるため、ＣＶＤ法でＴｉＮ膜を形成
したあと再熱処理を行い、硬度、Ｘ日車等精度を確認す
る必要があった。

ＴｉＮ膜１を形成後、内輪３．外輪４．ボール５に銀を
被膜するがこれは前記ＴｉＮ膜１と同様真空中で処理す
る方法と、電気メッキいずれかの方法による。

第２図は本発明の他の実施例を示すもので、ボール５は
内輪３．外輪４と同様ＴｉＮ膜」、銀２が被覆されてい
る。

第１図、第２図の実施例は高真空中で回転する機器に好
適で、応用例とその動作を第３図を用いながら説明する
。第３図は回転陽極Ｘ線管の縦断面図を示し、ターゲッ
ト１１は詳細な断面状態を第１図あるいは第２図に示す
玉軸受１３１１′Ｉ：よシ回転自在に支持されている。

ターゲット１１に対向して陰極１２が配置されターゲッ
ト１１と陰極１２の間には高電圧が印加されている。陰
極１２はフィラメント（図示せず）を内蔵し、熱電子を
発生する。熱電子は前記の高電圧により高速でターゲッ
ト１１に衝突して矢印の方向にＸ線を発生する。この際
、熱電子の大部分のエネルギーが熱に変わるため、モー
タロータ１５、及びモータステータ１６によってターゲ
ット１１を回転してターゲットの溶融を防止する。パル
プ１７の内部は高真空（１０°・Ｔｏｒｒ以下）に維持
されている。

上記の如く玉軸受１３は真空中で４００〜５５０Ｃｉで
加熱され、しかも３０００ｒＩｍ、１００００ｒ−とい
う高速で回転する。ターゲラ）１１の重量は近年次第に
重量化し、１＆高２に９重に達するとともに長寿命化の
要求が増加している。真空、高温雰囲気のため油、グリ
ース類は一切使用できず、銀。

鉛（Ｐｂ）、二硫化モリブデン（ＭＯＳり等の固体潤滑
剤を高速度鋼製の玉軸受に被覆して使用してきたが、銀
を被覆した場合でも基材の摩耗によシ十分な寿命が保証
できなかった。第３図の回転陽極Ｘ線管ではパルプ１７
内に異物が生じると印加されている高電圧のために放電
し易く、放電はＸ線像の乱れ、最悪の場合パルプ１７等
の破損を誘発するため、玉軸受１３は極力摩耗粉を発生
してはならず、この要求からも構成体の耐摩耗性は高め
る必要がある。

銀、鉛等の固体潤滑剤はボールと内輪、外輪の転動溝と
の間で塑性変形、せん断、付着をく）返すことによりａ
滑するが、その際わずかずつ徐々に基材の表面を摩耗さ
せていく。ボールは全面が相手面と接触、転動するため
平均的に摩耗し、その速度は遅いが、内輪、外輪の転勤
溝はボールの接触する位置が限定されるため、比較的摩
耗速度は速い。実施例１では転動溝にＴｉＮ膜が形成さ
れておシ、従来の玉軸受に比べ耐摩耗性が高い。

これは（１）ＴｉＮ膜がきわめて硬く、（２）表面の物
性が優れている。ためで、その結果第３図に示す如く苛
酷な応用例でも従来の２．．５倍の寿命が得られるよう
になった。実施例２はボールの耐摩耗性をも向上せしめ
、最も厳しい使用条件に対応している。

なお、これまでにも硬質で耐摩耗性の高い被膜の玉軸受
に形成する方法は在った。例えばセラミックスの溶射で
あるが、従来の技術では玉軸受に適応できなかった。そ
れは（１）被膜が厚く付き過ぎる。（２）母材との密着
性が悪い、（３）膜が多孔性であつ九シネ純物を含む、
等の理由による。玉軸受はボール、転勤溝とも表面が仕
上げられており、表面あらさ真円度等、形状に狂いが生
じてはならない。従来の技術では必要以上に厚く付き過
ぎ、膜厚の均一性が満たされなかった。本発明の反応性
金属物の膜も形成させる装置が不備であったり、過度に
厚くすると表面状態が玉軸受の許容精度からはずれるの
で注意を要する。

第４図は本発明による軸受の他の応用例を示す。

第４図は動翼可変ピッチ式軸流送風機の部分断面図で、
動翼２１は動翼主軸受２５．下部軸受２７によってハブ
２２に回転可能な状態で取シ付けられている。アクチュ
エータ２４は油圧サーボによシ図上で左右に動き、その
駆動力はリンク２６で回転運動に変換され、動翼２１の
ピッチが変えられる。以上は全て主軸２３に装着され、
主軸２３の回転によ）送風しその容量は動翼ピッチによ
シ可変となっている。この種の送風機はボイラの押込送
風機として使用されることが多い。ところで動翼主軸受
２５は＠翼２１の回転遠心力を支持し、その荷重は数十
トンに及ぶ。また、アクチュエータ２４の微小な脈動が
リンク２６を介して伝播するため主軸受２５は常に微小
揺動を繰シ返している。以上の使用状況下において、主
軸受２５はフレツチング摩耗を起こし易く、その寿命は
フレツチング中耗の進行度に決定される。フレツチング
はわずかな相対変位の繰り返し運動を行う表面で。

凝着、せん断、酸化ｔ−繰シ返すことによって虫喰い状
態の様な摩耗を呈する。酸素が多いと摩耗粒−・′子が
酸化粉となって摩耗を著しく進行させる。第４図におい
て主軸受２５の各構成体は油の中に浸されているため、
酸化の速度はきわめて遅い。しかし、軸受に必要とされ
る油の潤滑膜は微小揺動のため形成されず、フレッチン
グが発生する。

第５図、！６図は第４図の送風機に好適々実施例を示す
。第５図はスラスト玉軸受を主軸受とした例で、内輪３
．外輪４．ボール５、及び調心性金もたらす調心塵３ａ
が主軸受を構成し、これらの構成体はパックケース２５
Ｈの中に収納され油２５ｄＫ浸されている。なお、油２
５ｄはシールバッキング２５ｂとシール座２５Ｃで密封
されている。ボール５は材質ｆｔ８Ｕ８４４０ｃとし、
反応性金属化合物（ＴｉＮ）１．その外周に銀２の膜を
被覆しである。なお、内輪３．外＠４の材質は５ＵＪ−
２である。ここで微小揺動が生じると。

油膜は形成されないが銀２の膜（厚さ０．３〜０．５μ
ｍ）が固体潤滑剤として作用するとともに。

ＴｉＮ膜が銀膜を支持するためボール５と内＠３゜外輪
４の転走溝間では凝着が発生しに＜＜、フレンチング摩
耗が抑止される。銀２の膜は潤滑剤として作用するため
相手面に移着することもあるが、耐摩耗性に富むＴｉＮ
ｇが基材を保護し、その表面が凝着しにくいためフレッ
チングを抑止できる。

第６図はスラスト自動調心ころ軸受の実施例で内輪３．
外輪４．転動体であるこる５′から構成され、パンクケ
ース２５ａ、シールパツキン２５ｂ。

シール座２５Ｃで油２５ｄに浸せきされている。第６図
の型式の４１＋受は軸受自体が調心性を有するため。

第５図に示される調心塵３ａが不要で、またころ５′と
転走溝とは線で接触し、その面積が広いため負荷容敏が
大きく、スラスト玉軸受よシ小型化できる利点がある。

しかし１図中Ｘ印でこる５′の端部と内＠３のつばとが
すべ）摩擦するため。

摩擦トルクが太きい、潤滑油が入りにくく摩耗が生じ易
い等の欠点もある。この型式の軸受も同様に微小揺動に
よるフレツチング摩耗によシ寿命が決まる。この場合Ｘ
印の摩耗によるトルクの増大が最も大きな割合を占める
が、ＴｉＮＩＷが相手と凝着しにくいためフレツチング
が抑止できる。なお、図では示していないが内輪３のつ
ばの部分に銀等の固体潤滑剤を被覆しておくと潤滑効果
が発揮される。

第７図、第８図はすペシ軸受への実施例を示す。

８７図のラジアル軸受では軸６にＴｉＮ膜１ｔ−３〜５
μｍ形成し、所定の間隔をもって軸受メタル７にそう人
されている。第８図はスラストタイプで軸６にＴｉＮ膜
１ｔ−被覆したスラストランナ９を取り付け、軸受メタ
ル８に押し付けられる。これらの軸受は第９図に示すよ
うな回転機器でその効果を発揮する。

第９図は全密閉型圧縮機の断面を示し、気体の圧縮作用
はロータＡ３１とロータＢ３２の回転にニジなされ、ロ
ータＡ３１の端部のモータロータ３３とステータコイル
３４によシ回転する。二つのロータはラジアル軸受７ａ
、　　７ｂ、　　７ｃ、　　７ｄ、スラスト軸受ａａ、
８ｂによシフレーム３５に回転自在に支持され、これら
はすべてケース３６に収納されている。９ａ、９ｂはス
ラストランナである。以上の如き構成の全密閉型圧縮機
においては、潤滑油（図示せず）は多量の冷媒を含み、
きわめて潤滑性は貧弱であるにもかかわらず軸受に作用
する荷重は高いうえ、起動、停止ヲ繰り返し油膜破断に
よる焼付きが生じ易い。荷重を軽減する機構、軸受メタ
ル面の潤滑溝等の形状の工夫を施して改良されてはいる
が、根本的に表面同士が接触して摺動することは解消さ
れず、従来の軸受では摩耗、焼付きに至っていた。第９
図においてロータＡ、ロータＢのジャーナル部スラスト
ランナ９の表面にはＴｉＮ膜を被覆し、ラジアル軸受７
８〜７ｄ、スラスト軸受８ａ〜８ｂは鉛青銅。

あるいはホワイトメタルで構成している。なお。

軸受メタル面の詳細な形状、潤滑溝の形成状態は本発明
では限定せず、ここでは言及しない。ロータＡ、ロータ
Ｂは一搬にダクタイル鋳鉄ＦＣＤで製造する。第１０図
は大型の場合に有効な実施例で、ＴｉＮ膜（反応性金属
化合物）１を表面に被覆した円筒リング６ａを軸６に焼
きパメ等シマリパメして用いる。本実施例は表面処理を
容易にし。

原価低減等多大の効果を有する。

本発明を実施した圧縮機の構造、構成は何ら変わらない
。圧縮作用によυロータＡ３１．ロータＢ３２は軸方向
、半径方向に軸受に高荷重を発生し、びんばんに起動、
停止を繰シ返す。時には油が軸受メタル面にほとんど存
在しない状態で一定時間運転される場合もある。従来は
上記の様な油膜のほとんど無い苛酷な状態では凝着から
摩耗を起こし、最終的には早期に焼付きに至っていた。

本発明によれば、凝着しにくいＴｉＮ膜で軸受メタル面
と相対しているため数分子層の油膜の存在でも焼付きを
起こさない。定常状態では従来と同様、数μｍ以上の油
膜が形成され良好な潤滑状態が維持される。

第１１図は本発明の他の実施例を示す断面図で、玉軸受
のボールの表面に反応性金属化合物１だけの層、反応性
金属化合物ｌと固体潤滑剤２の混在する層、固体潤滑剤
２だけの層から形成されておシ、処理層は全部合計して
も０．５〜１μｍである。

第１１図の実施例において強度の弱い固体潤滑剤２は強
度の高い反応性金属化合物１に補強され潤滑作用を維持
しつつ耐摩耗性が付与される。固体潤滑剤は塑性変形、
せん断、付Ｍをくシ返すことによって潤滑作用を発揮す
るが、せん断、付着する量はできるだけ少量の方が良い
が、これまではかなシの大きさの塊状となってせん断、
付着を行っていた。そのため潤滑剤の消耗速度が早く寿
命が十分でなかった。本実施例では銀、鉛等それ自体の
強度は低い潤滑剤の中に細かい高強度の粒子が分散して
いるため、潤滑剤の消耗速度は遅くできる。また、ぜん
断、付着する潤滑剤の量はきわめて少量で、ボール表面
、転勤面とも平滑さが維持され、固体潤滑軸受の欠点と
される騒音、シ勅の低減がはかれる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、雰囲気等の環境条件、あるいは使用回
転条件によシ十分な油膜の形成が困難な軸受の耐摩耗性
を向上できるので寿命性能を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、＄２図は本発明の実施例の断面図、第３図、第
４図は応用例を示す機器の断面図、第５図、第６図は第
４図の応用例における実施例を示す断面図、第７図、第
８図は他の実施型態を示す断面図、第９図は他の応用例
を示す機器の断面図。 第１０図、ＷＪ１１図はさらに他の実′ＩＩＡ型態を示
す断面図。 １・・・反応性金属化合物、２・・・銀、３・・・内輪
、４・・・外輪、５・・・ボール、６・・・軸、７・・
・ラジアル軸受メタル、８・・・スラスト軸受メタル、
９・・・スラストランナ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、軸受構成体の互いに相対的に運動しあう表面の少な
   くとも一方に物理的蒸着で一種類以上のガスとの反応性
   金属化合物被膜を設け、その上に固体潤滑剤、あるいは
   数分子層の油膜を形成して成ることを特徴とする軸受。 ２、反応性金属化合物被膜の厚さが０．１μｍ〜１０μ
   ｍであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   軸受。 ３、反応性金属化合物はＴｉＮ、ＴｉＣ、Ａｌ＿２Ｏ＿
   ３、ＯｒＮ、あるいはこれらの二種類以上の組合せから
   成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項記
   載の軸受。 ４、反応性金属化合物が形成される下地の材料は硬さが
   Ｈｖ７００以上であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第３項記載の軸受。 ５、軸受は内輪、外輪、複数個の転動体から成るころが
   り軸受であって、各軸受構成体の材質は高速度鋼を用い
   、熱処理にてＨ＿Ｒ＿Ｃ≧６０の硬さとし、前記反応性
   金属化合物を内輪、外輪と転動体、あるいは内輪、外輪
   のみに０．１〜２μｍの厚さで被覆し、転動体あるいは
   内輪、外輪の少なくともどちらか一方以上に銀（Ａｇ）
   、あるいは鉛（Ｐｂ）を０．３〜０．８μｍ被覆したも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   軸受。 ６、軸受は軸と円筒状のすべりメタル、あるいは円盤状
   の軸端と円盤状のすべりメタルとから成るすべり軸受で
   あって、軸あるいは軸端は硬さＨｖ７００以上の鉄鋼系
   材料を用い、その表面に前記反応性金属化合物被膜を１
   〜１０μｍの厚さで被覆し、その上に数分子層の油膜を
   形成して成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の軸受。