JPS6246018A - ころがり軸受 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、繊維染色機械あるいはメッキ槽等に用いら
れ、腐蝕雰囲気や潤滑剤が使用できない環境下で使用さ
れるころがり軸受に関するものである。

（従来の技術） ころがり軸受は一般に第３図に示すように、軌道輪（内
輪ａおよび外輪ｌ））、転動体Ｃおよび保持器ｄからな
り、これらの各構成部祠の形状、寸法、材料等は使用目
的に応じて種々設計される。

繊維染色機械あるいはメッキ槽等に用いられるころがり
軸受としては、転動体Ｃとして第３図に示すように鋼球
を用いた玉軸受が主に使用されている。そして、このよ
うな場合、加工液として過酸化水素水、水酸化すトリウ
ムその他の酸、アルカリや界面活性剤等を含む溶液を用
いるため、その溶液あるいは蒸気により腐蝕雰囲気にあ
ること、および加工製品にグリースや油分が付着すると
製品不良を生じてしまうことから、その対策とじて軌道
輪ａ、ｂおよび鋼球Ｃの材料にマルテンザイト系ステン
レス鋼であるＪＩＳ：５ＵＳ４４０Ｃを用いて、潤滑剤
なしで使用されている。

また、無潤滑状態で使用されるころがり軸受として、例
えば特公昭３７−７２５５号公報記載のように内輪ａ、
外輪すおよび転動体Ｃをテフロン、ナイロン、テトロン
などの高分子化合物で作るとともに、それぞれの内部に
金属補強片を完全に埋込むことにより、高分子化合物の
欠点、つまり膨油性があり、機械的強度が小さいために
寸法精度の保持が難しい点を改善したものもある。

さらに、特開昭５８−４２８２９号公報記載のように、
軟金属や二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を軌道輪ａ、
ｂの転走面に被覆したころがり軸受とか、特開昭５８−
１）３６２８号公報記載のように硬質セラミックの耐摩
耗性、耐腐蝕性を利用したころがり軸受あるいは窒化チ
タンを被覆したころがり軸受、また、特開昭５＋１）７
４７１８号公報記載のように、軌道輪ａ、ｂおよび転動
体Ｃのそれぞれの接触面に窒化チタンまたはこれを主体
とする材料の被覆をイオンブレーティングによって被着
形成したころがり軸受が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の技術にはそれぞれ次の
ような問題点があった。

（１）Ｓ　ｔＪ　Ｓ　４４０　Ｃを用いた軸受の場合５
ＩＪＳ４４０Ｃはステンレス鋼ではあるが、高炭素であ
って耐蝕性が十分でなく、かつ潤滑剤による油分がない
ため、早期に腐蝕、摩耗を生じて使用に耐えなくなる。

ところで、腐蝕は転走部以外で激しく、転走面において
は腐蝕は比較的小さいが摩耗が大きく、腐蝕雰囲気で表
面が荒れるために摩耗が促進されるほか、転走部以外で
発生した腐蝕生成物が転走面に浸入して転走面の摩耗を
加速している。

このため、染色機械やメッキ槽で用いた場合は、早期に
転走面の摩耗、かじりによってガタを生じ、また、摩耗
粉および腐蝕生成物を転走面に噛み込むために使用不能
となる。

（２）高分子化合物を用いた軸受の場合高分子化合物は
その強度が５ＵＳ４４０Ｃ等の鋼に比較して１／１０程
度と弱く、先に述べた金属補強片を用いる場合も、全体
の変形はある程度低減できるが、転走面自体は高分子化
合物のため強度が低くて、使用可能な荷重条件の制約が
大きく、特開昭５８−１）３６２８号公報においても、
その点で合成樹脂を素材とする例は否定されている。

（３１［体温滑剤を被覆した軸受の場合固体潤滑剤は油
あるいはグリースを用いない場合にも摩擦係数が低く、
摩擦が小さくなる効果があるが、この効果は固体潤滑剤
が極く低荷重で剪断されることによるもので、硬さが低
く、結果として摩耗により粉状となり、被覆効果が無く
なると同時に、その粉末が加工製品に付着して製品不良
をひき起こす。

特開昭５８−１７４７１８号公報においてもこの点で金
または銀で被覆する例は否定されている。

（４）硬質セラミックを用いた軸受あるいは窒化チタン
を被覆した軸受の場合 セラミックスは一般に高硬度で耐蝕性を有していて、腐
蝕雰囲気での摩耗防止には非常に有効である。

しかし、セラミックスは高硬度の粉末を焼結して製作す
るもので、一般に熱的あるいは機械的衝撃に弱く、靭性
に乏しい。この強度を向」−させることは、いわゆるフ
ァインセラミックスの技術により可能であるが、この場
合、高硬度で加工性が悪いこともあって現状では価格が
５ｔＪＳ４４０Ｃを用いた場合に比較して非常に高く、
この点が重要な研究課題の一つとなっている。

一方、窒化チタンをイオンブレーティング等によって被
覆した場合は、窒化チタン自体は高硬度、低摩擦係数で
あるために耐摩耗性は良好である。

しかし、被覆層はイオン化した窒化チタンが母材表面に
単に析出しているもので、熱効果が少ないために、被覆
層が十分に溶融拡散するには至らず、ミクロ的には被覆
層と母材との結合が弱く一部に空隙を有していて、腐蝕
雰囲気では内部の腐蝕が進行して被覆層が脱落する。

したがって、窒化チタンそのものは耐蝕性を有していて
も窒化チタンを被覆した面の耐蝕性は十分でない。また
、窒化チタンのイオンブレーティングでは蒸発源と対象
製品（陰極）との位置関係、製品内の位置等の形状効果
のほか、チタンの蒸発速度、窒素ガス分圧、元素の励起
程度、製品温度などにより、被覆層の組成、成分、密度
、硬さ、ピンホール等の欠陥および母材との密着性が大
きく影響され、これらのばらつきが製品品質の安定化に
問題である。

（問題を解決するための手段） 本発明はこれらの矛盾を解決して、耐蝕性、耐摩耗性に
すぐれ、かつ十分な機械的強度ところがり疲労寿命を有
するころがり軸受を比較的安価に提供せんとするもので
あって、本発明に係るころがり軸受は軌道輪、転動体お
よび保持器からなるものにおいて、軌道輪の表面部にク
ロム炭化物層が形成されていることを特徴としている。

（作　　用） ころがり軸受の構成部材のうち、特に腐蝕および摩耗が
生じやすい軌道輪に鉄鋼材料を用いて、その表面部に拡
散浸透法によってクロム炭化物層を形成することにより
、耐蝕性および耐摩耗性の向」二が図られる。

（実　施　例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

実施例１ 本発明に係るころがり軸受を第１図に示し、該ころがり
軸受は具体的には玉軸受であって、内輪１、外輪２、転
動体（鋼球）３および保持器４か□　ら構成されている
。

内輪１、外輪２および転動体３はマルテンサイト系ステ
ンレス鋼である５ＵＳ４．４０Ｃからなり、その表面部
にはクロム炭化物層５が形成され、さらにこの表面部に
高分子化合物の含浸被膜層６が形成されている。

これらの製造方法は、まず、拡散浸透法によりクロム炭
化物層５を形成する。すなわち、５ＵＳ４４０Ｃを材料
として製作した内輪１、外輪２、転動体３を、クロム炭
化物形成元素を含む硼砂浴中に浸漬して１０００℃で４
時間加熱処理する。これにより、その表面部に約８μｍ
の厚さのクロム炭化物Ｎ５を得る。しかる後、焼入、焼
もどしを行なって５ＵＳ４４０Ｃ部分の硬さがＨｇＣ３
Ｂ〜６２になるように熱処理を行ない、ひき続きポリテ
トラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂の微粒子の溶融浴
で真空含浸の後焼成を行ない、約２μｍの含浸被膜Ｎ６
を上記クロム炭化物層５の表面部に形成する。

また、保持器４は自己潤滑性の高分子＋ｉ料であるＰＴ
ＦＥ樹脂からなり、潤滑材が使用できない条件下でも、
軸受の円滑な回転と摩耗の低減が図られている。

なお、図示例の場合は内輪１、外輪２、転動体３のすべ
てにクロム炭化物層５および含浸被膜層６が形成されて
いるが、これに限定されるものではなく、使用目的、使
用条件等に応じて適宜設計変更される。すなわち、耐蝕
、耐摩耗の要求にも種々の水準があり、一般に転動体３
は転がることによって腐蝕が少なく、実際に軌道輪（内
輪１、外！６２）はど腐蝕、摩耗がないことから、軌道
輪１．２のみにクロム炭化物生成の表面処理をすること
で対応可能の場合もある。

実施例２ 本例は実施例１における含浸被膜層６として３フツ化塩
化エチレン（ＰＣＴＦＥ）を用いたものであり、その製
造方法は、含浸剤としてＰＣＴＦＥを用いるほかは実施
例１と同様である。したがって、その他の構成は実施例
１と同様である。

実施例３ 本例は、実施例１と同様の５ＵＳ４４０Ｃから製作した
内輪１、外輪２、転動体３を、金属クロムの粉末、アル
ミナ粉末および塩化アンモニウムを混合した被覆処理剤
中に埋込み、１０００℃で４時間加熱処理してクロム炭
化物層５を形成する。その後、焼入、焼もどしを行ない
５ＵＳ４４０Ｃ部分の硬さをＨえＣ５８〜６２にした。

その後、真空容器中で溶融させたポリプロピレン樹脂中
に浸漬し、上記クロム炭化物層５の表面部への含浸と被
覆を行なった。

次に、本発明の軸受の効果を調べるために行なったころ
がり疲労寿命、耐摩耗性および耐蝕性についての試験結
果を以下に説明する。

ｆｌ）　　ころがり疲労寿命 森式スラスト型耐久寿命試験機を用いて、外径６５曹ｌ
×内径１８ｍｍＸ厚さ１０ｎの試ｆ−１を、一方は現用
の耐蝕材料５ＵＳ４４０Ｃの焼入、焼もどしにより硬さ
をＨＲＣ約６０とした試料とし、他方は本発明による５
Ｏ３４４０Ｃの表面にクロム炭化物層を生成させた後、
焼入、焼もどしを行ないＳ　ｔＪ　Ｓ　４４．　ＯＣ部
分の硬さをＲＰＣ約５８とした試料、およびさらにその
表面にＰ　Ｔ　Ｆ　ｌ’、樹脂を含浸した場合について
ころがり疲労寿命を比較した。

また、参考として５ｔＪＳ４４０Ｃ表面にイオンブレー
ティングによる窒化チタン被覆とＣＶＤ法による炭化チ
タン被覆を施した場合についても比較した。

（２）耐摩耗性 ころがり疲労寿命試験と同様の試験において、上記２種
類の試料を同一・時間回転後、その転走部の摩耗形状を
形状測定機により測定して、両者の耐摩耗性を比較した
。

（３）耐蝕性 直径３／８インヂの５ｔＪＳ４４０Ｃ製鋼球と、５ＵＳ
４４０Ｃ製鋼球の表面にクロム炭化物を生成した後、焼
入、焼もどしを行なった試料と、さらにその表面にＰ　
Ｔ　Ｉ？Ｅ樹脂を含浸させた試料を用いて、塩酸および
硫酸水溶液に浸漬して、その重量の減少量を測定し、耐
蝕性を比較した。なお、比較材として前述のころがり疲
労寿命比較試料と同じくイオンブレーティングによる窒
化チタン被覆、ＣＶＤ法による炭化チタン被覆を施した
試料と無処理の各種オーステナイト系耐蝕性ステンレス
鋼も用いて比較を行なった。

以上の試験結果を、Ｓ　［Ｊ　Ｓ　４４０　Ｃの場合を
１００として、これとの対比で第１表に示す。

第１表より、本発明のころがり軸受は、ころがり疲労寿
命が現用５ＵＳ４４０Ｃと同等であり、耐摩耗性が約４
倍であり、耐蝕性も約２５倍以−トで５ＵＳ３０４．５
ＵＳ３１６と同等以」二のすぐれた耐蝕、耐摩耗軸受が
得られることが判明した。

また、第１表より、炭化物または窒化物被覆材の中で、
クロム炭化物被覆材が耐ころがり疲労性、耐摩耗性およ
び耐腐蝕性が特に優れていることがわかる。以下、この
理由について説明する。

ｆｉ＋　　耐ころがり疲労性、耐摩耗性、耐密着性クロ
ム炭化物層は第２図の断面顕微鏡組織写真に示されるよ
うに、２または３層の積層構造であり、最表面は（Ｃｒ
、Ｆｅ）２３ｃｂであり、その内側に（Ｃｒ、Ｆ　ｅ）
７Ｃ３があり、母材と処理条件によってはその内側にさ
らにＦｅ−Ｃｒの固溶体相が存在する。

また、上記クロム炭化物は（Ｃｒ、　　Ｆ　ｅ）２３　
Ｃ６および（Ｃｒ、Ｆｅ）ヮＣ３で示すようにクロムの
一部が鉄と置換した複合炭化物層であり、母材内部に近
づくにつれて鉄の量が多くなっている。このため、層と
母材との間には金属結合が存在し、強固に結合している
。また、層の物性（硬さ、膨張係数等）が比較的連続し
て変化しているため、外部からの各種応力や温度変化に
対して層の剥離が発生しにくい。

硬さばＨｖ１５００程度で耐摩耗性は炭化チタンに比べ
て劣るが、層が剥離しにくいために、耐こ７〕かり疲労
性が優れている。

これに対して、イオンブレーティングによる窒化チタン
被覆では、母材温度が数１００℃以下であるため、処理
によるひずみは発生しないが、層と母材間には拡散がな
いため、金属結合は存在しないし、主として分子間結合
であり、密着性は悪い。

さらに、この窒化チタン中には母材の鉄は含有されず、
はぼチタンと窒素のみの層であるため、界面における物
性の差が大きく、外部からの応力に対して剥離しやすい
。

この試料では層の摩耗が発生ずる前に、剥離が原因でこ
ろがり疲労限度に達している。

第１表 一方、ＣＶＤ法による炭化チタン被覆は前述のクロム炭
化物被覆と同一温度での処理のため、層と母材間にはチ
タンと炭素の拡散があり金属結合が存在している。しか
し、層は１００％炭化チタンで構成されているため、硬
度が）Ｉｖ３０００程度であり、耐摩耗性や耐焼付性は
優れているが、層と母材の界面では物性値が大きく異な
るので、外部応力に対する強度はクロム炭化物に比べて
小さく、炭化チタンの場合と同様に眉の剥離によってこ
ろがり疲労限度になっている。

（２）耐蝕性 前述のように、クロム炭化物では試料表面に外部からク
ロムが拡散浸透し、これと同時に母材中の鉄、炭素が層
中に拡散し、２〜３相の層を形成する。このため、層と
母材の間にはボイド、空隙等は存在せず、外部からの腐
蝕性溶液またはガスの浸入はおこりにくい。

第１表に示した塩酸、硫酸には窒化チタン、炭化チタン
、クロム炭化物そのものは腐食されないが、被着試料が
腐食されるのは、層の微細空孔、界面剥離部に溶液が浸
入し、母材を腐食させるためである。

イオンブレーティングによる窒化チタンは界面に欠陥が
多い上に、結晶中にも不均一部分や空隙が多いために耐
蝕性は良くない。

ＣＶＤ法による炭化チタンは上記窒化チタンよりは結晶
の均一性、界面欠陥は少ないので、比較的良好な耐蝕性
を示すが、クロム炭化物に比べると劣る。

ここで、表面にクロム炭化物を生成した後、さらにＰＴ
ＦＥ樹脂を含浸したのは、クロム炭化物を表面に生成し
ただけでも耐蝕性向上が大きいが、クロム炭化物を生成
した試料を浸漬後に観察すると、腐蝕は孔食状に発生し
、ピント状の点を起点として浸食されていることがうか
がわれたことから、そのピント状を封止するために行な
ったものである。

ピット状を封止するためには、その他に処理温度を高く
するか時間を長くすることによりクロム炭化物層を厚く
し、被覆処理を複数回繰返してり０ム炭化物層を複層に
することによっても可能であるが、そのためには長時間
の処理が必要であって、生産性、経済性が低下する問題
もあり、高分子材料の含浸が適切である。なお、この高
分子材料の厚さは試験の結果から２μｍで十分であり、
しかも、この程度の厚さではころがり軸受の機能は何ら
損なうことがなく、むしろ潤滑性向上の点で有効でもあ
る。

なお、含浸用樹脂の特性としては、■各種腐食性溶液に
対して優れていること、■微細空隙まで浸入できる程度
の粘性であること（加熱、減圧条件を利用してもよい）
、■コーティング層との密着性が良好である等が必要で
ある。

これらの特性を有する高分子材料としては、ＰＴＦＥ　
（実施例１）　、ＰＣＴＦＥ　（実施例２）のようなフ
ッ素系樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン（実施例
３）のようなオレフィン系樹脂が適している。ちなみに
、ＰＣＴＦＥを用いた場合にも、ＰＴＦＥの場合と全く
同様の耐ころがり疲労性、耐摩耗性および耐蝕性を示し
、またポリ１ロビレン用いた場合は、腐蝕減量比が塩酸
の場合１．５、硫酸では、０．０１以下であることが、
前述と同様の試験を行なった結果判明している。

なお、本発明は上述の実施例のような玉軸受のほか、こ
ろ軸受にも通用可能であり、さらに、単列形、複列形あ
るいはラジアル負荷用、スラスト負荷用などあらゆるこ
ろがり軸受に適用可能である。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によればころがり軸受の構
成部材のうち、特に腐蝕および摩耗が生じやすい軌道輪
の表面部にクロム炭化物層が形成され、また、必要に応
じて上記クロム炭化物層の表面部に高分子材料からなる
含浸被膜層が形成され、さらには転動体にも必要に応じ
て同様の表面処理が施されるから、耐蝕性、耐摩耗性に
すぐれるとともに、機械的強度およびころがり疲労寿命
が十分なころがり軸受を提供することができる。

しかも、比較的安価である。

また、保持器が自己潤滑性の高分子材料からなるから、
濶漬材が使用できない環境下でも使用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るころがり軸受の一実施例を示す縦
断面図、第２図は５Ｏ３４４０Ｃ材料表面にクロム炭化
物層を生成したものの断面の４００倍に拡大した顕微鏡
組織写真、第３図は従来のころがり軸受を示す縦断面図
である。 ■・・・内輪、２・・・外輪、３・・・転動体（ε４球
）、４・・・保持器、５・・・クロム炭化物層、６・・
・高分子化合物からなる含浸被膜層 出１人　光洋精工株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）軌道輪、転動体および保持器からなるものにおい
   て、軌道輪の表面部にクロム炭化物層が形成されている
   ことを特徴とするころがり軸受。
2. （２）前記軌道輪のクロム炭化物層の表面部に高分子化
   合物からなる含浸被膜層が形成されている特許請求の範
   囲第１項記載のころがり軸受。
3. （３）転動体の表面部にクロム炭化物層が形成されてい
   る特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載のころがり
   軸受。
4. （４）前記転動体のクロム炭化物層の表面部に高分子化
   合物からなる含浸被膜層が形成されている特許請求の範
   囲第１項もしくは第２項記載のころがり軸受。
5. （５）保持器が自己潤滑性の高分子化合物からなる特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１つの項記載
   のころがり軸受。