KR20140067055A - 구름 베어링 - Google Patents

Abstract

대형화가 도모되고, 내식성이 우수하며, 또한, 베어링 고정부에서의 부착 정밀도 악화, 고정력 저하 및 진동 발생 등을 방지할 수 있고, 부식성이 높은 환경에서도 장기간 사용이 가능한 구름 베어링을 제공한다. 구름 베어링(1)은, 베어링 부재로서 내륜(2), 외륜(3) 및 전동체(4)를 구비하여 이루어지며, 베어링 부재에 있어서의 부식 환경에 노출되는 부위 중, 적어도 베어링 고정면(c, d)을 포함하는 부위에, 상기 베어링 부재의 기재에 대하여 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 이루어지고, 베어링 고정면(c, d)에 형성된 피막이, 다공질 피막이며, 특히, 베어링 부재의 기재가, 철계 재료로 이루어지고, 상기 피막이 아연, 알루미늄, 마그네슘 중 어느 하나의 원소를 포함하는 재료를 용사재로서 이용하여 형성된 용사 피막이다.

Description

구름 베어링{ROLLER BEARING}

본 발명은, 옥외, 연안부, 해상 등의 부식성이 높은 환경에서 사용되는 설비에 있어서, 장기간 부식하지 않고 이용 가능한 내식성의 구름 베어링에 관한 것이다. 특히, 풍력 발전기 등으로 이용 가능한 내식성이 우수한 대형 구름 베어링에 관한 것이다.

부식성이 높은 환경에서 사용되는 구름 베어링으로서는, 내륜, 외륜, 전동체(rolling element)에 매우 고가의 세라믹스나 스테인리스강을 이용한 구름 베어링이나, 베어링 외부에 별도 특수한 시일 구조를 형성하는 방수(防銹) 기술을 채용한 구름 베어링이 제안되어 있다. 예를 들면, 내륜, 외륜, 전동체를 세라믹스제로 한 내식성 구름 베어링이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조). 또한, 내륜, 외륜 등이 스테인리스강으로 이루어지고, 상기 부재 표면에, Ni도금, Cr도금, 인산염계 피막 처리 등의 표면 처리를 실시한 구름 베어링이 제안되어 있다(특허 문헌 2, 특허 문헌 3 참조). 또한, 베어링 외부에, 부식 가스 등의 침입을 방지하는 자성 유체에 의한 시일을 설치한 것이 제안되어 있다(특허 문헌 4 참조).

특허 문헌 1 : 일본 공개실용실안 평4－82431호 공보 특허 문헌 2 : 일본 공개특허 평7－301241호 공보 특허 문헌 3 : 일본 공개특허 평6－313435호 공보 특허 문헌 4 : 일본 실용신안등록 제2526195호

그렇지만, 내륜, 외륜, 전동체의 베어링 부재 자체를 고(高) 내식성 재료로 제작하는 경우에는, 예를 들면, 세라믹스제의 것은 매우 내식성이 우수하지만, 분체(粉體)를 굳힌 압분체를 소결함에 의해 제조되기 때문에, 제조법상, 대형 베어링에는 적용이 곤란하다. 또한, Ni도금, Cr도금, 인산염계 피막 처리에서는, 처리 욕(浴)을 이용하기 때문에, 대형 베어링에의 적용은 치수·중량면에서 곤란하다.

이와 같은 엄격한 내식성이 필요한 대형(예를 들면, 내륜 내경 800㎜ 이상) 구름 베어링으로서는, 풍력이나 지열 등의 자연 에너지로부터 발전하는 발전기나, 그 주변 설비에서 이용되는 베어링을 들 수 있다. 이러한 자연 에너지가 유효하게 얻어지는 장소는 부식성이 높은 장소가 많다. 구체적으로는, 연안부나 해상 등에 설치되는 풍력 발전기에 사용되는 요 베어링(yaw bearing)이나 브레이드(blade) 베어링 등의 풍력 발전기용 베어링을 들 수 있다. 이러한 대형 베어링에는, 그 사이즈, 중량면에서 종래부터 소형의 구름 베어링에 대한 방수 처리법을 적용하는 것은 곤란하고, 솔이나 스프레이에 의한 아연 도장(＋봉공(封孔) 처리) 등에 의해 방수 처리를 실시하고 있다.

또한, 이러한 대형 베어링에서는, 축 상자와의 고정으로 볼트 고정되는 경우가 많다. 그러나, 그 크기로 인해, 부착시에 고정면에서의 접촉을 충분히 확보하는 것이 어렵고, 사용중에 있어서 고정부에서의 진동에 의한 스틱 슬립 발생이나, 볼트의 느스해짐 발생(고정력의 저하)이 염려된다. 또한, 상기 고정면에서 이음이 발생하여, 소음원으로 되는 것이 염려된다. 또한, 상기 고정면이, 이종(異種) 재료와의 접촉계면으로 되기 때문에, 그 외의 부위에 비해 부식이 발생하기 쉬워지며, 부식에 의한 부착 정밀도의 악화도 염려된다.

본 발명은 이러한 문제에 대처하기 위해서 이루어진 것으로, 대형화를 도모할 수 있고, 내식성이 우수하며 또한, 베어링 고정부에서의 부착 정밀도 악화, 고정력 저하, 및 진동 발생 등을 방지할 수 있어 부식성이 높은 환경에서도 장기간 사용이 가능한 구름 베어링의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 구름 베어링은, 베어링 부재로서 내륜, 외륜 및 전동체를 구비하여 이루어지는 구름 베어링으로서, 상기 베어링 부재에 있어서의 부식 환경에 노출되는 부위 중, 적어도 베어링 고정면을 포함하는 부위에, 상기 베어링 부재의 기재(基材)에 대하여 희생(犧牲) 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 이루어지고, 상기 베어링 고정면에 형성된 상기 피막이, 다공질의 피막인 것을 특징으로 한다.

상기 베어링 부재의 기재가, 철계 재료로 이루어지고, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막이, 아연, 알루미늄, 마그네슘 중 어느 하나의 원소를 포함하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막이, 상기 재료를 용사재(溶射材)로서 이용하여 형성된 용사 피막인 것을 특징으로 한다.

상기 구름 베어링은, 상기 외륜 및 상기 내륜으로부터 선택되는 적어도 한쪽의 베어링 단면에서 축 상자에 체결되어 고정되는 베어링이고, 상기 베어링 단면이 상기 베어링 고정면인 것을 특징으로 한다.

상기 구름 베어링은, 상기 내륜 및 상기 외륜의 축방향 양단 개구부를 시일하는 시일부재를 구비하여 이루어지고, 상기 시일부재의 시일면측으로 되는 상기 내륜 및 상기 외륜의 베어링 단면에, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 상기 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위에 있어서, 상기 피막 구멍의 일부 또는 전부가 밀봉되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 상기 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위의 일부 또는 전부가, 희생 양극 작용을 갖지 않는 재료로 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 내륜의 내경이, 800㎜ 이상인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 구름 베어링이, 자연 에너지로부터 발전하는 발전기 또는 발전 설비로 사용되는 베어링인 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 구름 베어링이, 풍력 발전기의 브레이드 또는 요(yaw)를 지지하는 베어링인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구름 베어링은, 베어링 부재로서 내륜, 외륜 및 전동체를 구비하여 이루어지고, 베어링 부재에 있어서의 부식 환경에 노출되는 부위 중, 적어도 베어링 고정면을 포함하는 부위에, 상기 베어링 부재의 기재에 대하여 희생 양극 작용을 갖는 다공질의 피막이 형성되어 이루어지며, 상기 베어링 고정면에 형성된 상기 피막의 희생 양극 작용에 의해, 상기 피막 형성 부분 및 그 근방의 기재(基材)의 부식을 방지할 수 있다. 특히, 부식에 의한 베어링 고정면에서의 부착 정밀도 악화, 고정력 저하, 진동 발생을 방지할 수 있다. 또한, 볼트 체결 등에 의한 축 상자와의 베어링 고정면에 형성된 피막이, 용사 등에 의한 다공질 피막(봉공 처리 등을 실시하지 않음)이므로, 고정시에, 형상 정밀도에 의하지 않고 각 볼트로 균질한 체결력을 쉽게 얻을 수 있으며, 사용중 진동에 의한 볼트의 느슨해짐이나 체결부의 스틱 슬립의 발생을 방지할 수 있다. 이 결과, 본 발명의 구름 베어링은, 내륜 내경 800㎜ 이상 정도의 대형 구름 베어링으로서 이용하는 경우에 있어서도, 볼트 체결에 의해 덜거덕거림 등의 발생도 없어 신뢰성이 높고 축 상자에 고정할 수 있으며, 또한, 부식성이 높은 환경에서도 장기간 사용이 가능해진다.

또한, 베어링 부재의 기재가 철계 재료로 이루어지고, 희생 양극 작용을 갖는 피막이 적어도 아연, 알루미늄, 마그네슘 중 어느 하나의 원소를 주성분으로 하여 포함하는 재료로 이루어지는 용사 피막 등이므로, 피막재가 베어링 부재의 기재보다 연질재이며, 각 볼트로 더 균질한 체결력을 쉽게 얻을 수 있고, 사용중 진동에 의한 볼트의 느슨해짐이나 체결부의 스틱 슬립의 발생을 더욱 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 구름 베어링은, 시일부재를 구비하는 구성에 있어서, 상기 시일부재의 시일면측으로 되는 내륜 및 외륜의 베어링 단면(端面)에, 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 이루어지므로, 시일부의 부식을 방지할 수 있다. 이에 의해, 시일부의 부식에 의한 시일성의 저하, 그에 따른 그리스(grease) 등의 윤활제의 누설 및 수명 저하를 방지할 수 있다.

또한, 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위에 대하여, 상기 피막 구멍의 일부 또는 전부를 밀봉한다, 또는, 희생 양극 작용을 갖지 않는 재료로 피복하므로, 베어링 고정면에서는 내식성 향상 또는 덜거덕거림 방지 등의 상기 효과를 얻으면서, 부식 환경에 특히 노출되기 쉬운 부분에서는, 내구성, 내식성 등을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 구름 베어링은, 고습 환경이나, 결로가 발생하기 쉬운 환경, 해상, 연안 등의 부식성이 높은 환경에서 사용하는 대형 베어링으로서 이용할 수 있는데, 예를 들면, 풍력 발전기의 브레이드 또는 요를 지지하는 베어링으로서 적합하게 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 풍력 발전기에 이용되는 대형 구름 베어링(내치차)의 정면도 및 일부 단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 일부 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예인 풍력 발전기에 이용되는 대형 구름 베어링(치차 없음)의 일부 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 시일부착의 깊은 홈 볼 베어링(deep groove radial bearing)의 단면도이다.

본 발명의 구름 베어링이, 주로 대상으로 하는 것은, 대형의 구름 베어링으로서, 내식성이 요구되는 베어링이다. 상기 베어링으로서는, 풍력이나 지열 등의 자연 에너지로부터 발전하는 발전기나, 그 주변 설비로 이용되는 베어링을 들 수 있다. 이러한 자연 에너지가 유효하게 얻어지는 장소는 부식성이 높은 장소가 많다. 예를 들면, 풍력 발전기는, 근래에 있어서, 육지에서는 풍력 발전용 풍차의 설치 조건을 만족하는 장소가 적고, 대형 풍차가 해안 연안 또는 해상에 설치되는 예가 많아지고 있다. 또한, 풍력 발전기 등의 자연 에너지로부터 발전하는 발전 설비는, 효율면 및 채산(採算)면에서 무인으로 운전되거나 대형화되어, 상기와 같이 해상이나 높은 곳에 설치되거나 하는 것이 많다. 이 때문에, 이들 발전 설비에 이용되는 구름 베어링은, 부식성이 높은 환경이면서, 장기간(예를 들면, 10년 정도, 바람직하게는 20년 정도)에 걸쳐 메인터넌스 프리화를 도모하는 것이 기대된다.

본 발명의 구름 베어링의 사이즈는 특히 한정되지 않지만, 처리 욕을 이용한 내부식성 처리가 곤란한 크기, 구체적으로는, 내륜 내경이 500㎜ 이상, 또한 800㎜ 이상(또한, 6000㎜ 이하 정도)의 대형의 구름 베어링으로 할 수 있다. 이러한 베어링으로서는, 예를 들면, 대형의 풍력 발전기에 있어서의 주축 지지 베어링, 브레이드 피치 선회좌(旋回座)에 이용되는 브레이드 베어링, 요 선회좌에 이용되는 요 베어링 등을 들 수 있다. 브레이드 베어링은, 효율적으로 바람을 받기 위해서, 바람의 세기에 의해 브레이드의 각도를 조절할 수 있도록, 브레이드의 베이스부분에 부착되어 브레이드를 회전 가능하게 지지하는 베어링이다. 또한, 요 베어링은, 풍향에 맞추어 주축의 방향을 조절하기 때문에, 나셀(nacelle)의 요를 선회 가능하게 지지하는 베어링이다.

본 발명의 구름 베어링의 일 실시예에 대하여 도 1 및 도 2에 기초하여 설명한다. 도 1은, 풍력 발전기의 대형 베어링(요 베어링, 브레이드 베어링)의 정면도 및 일부 단면도를, 도 2는, 도 1에 있어서의 일부 확대 단면도를 각각 나타낸다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 구름 베어링(1)은, 베어링 부재로서, 내륜(2), 외륜(3), 복수의 전동체(4)를 구비하여 이루어진다. 전동체(4)는, 내륜(2)과 외륜(3) 사이에 복렬 또는 단렬로 개재되고, 유지기(5) 또는 디스턴스 피스(distance pieces)에 의해 유지되어 있다. 전동체 주위의 베어링 내 공간(6)에는, 윤활제로서 그리스가 봉입되어 있다. 구름 베어링(1)은, 외륜(2) 및 내륜(3)으로부터 선택되는 적어도 한쪽 베어링 단면에서 축 상자에 체결되어 고정된다. 도 1 및 도 2에 나타내는 형태에서는, 내륜(2) 및 외륜(3)에 형성된 볼트구멍(8)을 통하여 축 상자(도시 생략)와 볼트 체결된다. 또한, 이 형태에서는, 내륜(2)의 내경에 치차(7)를 갖지만, 적용 개소에 따라, 상기 치차(7)는 외륜(3)의 외경에 있어도 좋다.

이들 베어링 부재에 있어서의 부식 환경에 노출되는 부위로서는, 주로, 외륜(3)의 내경면, 내륜(2)의 외경면 및 전동체의 표면을 제외한, 내륜(2) 및 외륜(3)의 임의의 표면이다. 도 2에서는, 외륜(3)의 베어링 단면(c) 및 내륜(2)의 베어링 단면(d)이, 축 상자(도시 생략)와 고정되는 베어링 고정면이다. 구름 베어링(1)에서는, 베어링 부재에 있어서의 부식 환경에 노출되는 부위(a~f 등) 중, 적어도 베어링 고정면(c, d)을 포함하는 부위에, 후술하는 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 있다. 여기서, a 및 c는 외륜(3)의 베어링 단면, b는 외륜(3)의 외경면, d 및 e는 내륜(2)의 베어링 단면, f는 내륜(2)의 내경면(치차부를 제외함)이다. 도 2에 나타내는 형태에서는, 치차부, 홈부, 구멍, 나사, 시일 슬라이딩면, 외륜(3)의 내경면, 내륜(2)의 외경면, 전동체(4)의 표면을 제외한 표면 전체(a~f)에 상기 피막을 형성하고 있다. 아울러, 형성되는 피막의 막 두께는, 베어링 치수에 대하여 매우 얇기 때문에, 피막 자체의 도시는 생략한다(파선으로 나타내는 범위가 피막 형성 부분, 도 3, 도 4에 있어서도 동일함).

부식 환경에 노출되는 부위에 형성된 상기 피막의 희생 양극 작용에 의해, 상기 피막을 형성한 부분의 기재 표면과, 그 근방의 기재 표면에서의 부식을 방지할 수 있다. 적어도 베어링 고정면(c, d)에 상기 피막을 형성함으로써, 부식에 의한 베어링 고정면에서의 부착 정밀도 악화, 고정력 저하, 진동 발생을 방지할 수 있다.

베어링 고정면은, 구름 베어링을 축 상자 등의 다른 부재와 고정할 때, 이 다른 부재와 직접 또는 간접으로 접촉하는 면이다. 상기 피막은, 베어링 고정면의 전부 또는 일부에 형성된다.

부식 환경에 특히 노출되기 쉬운 외륜(2)의 외경면(b) 등은, 상기 피막을 형성한 후, 후술의 봉공 처리나 도장 처리를 더 행하는 것이 바람직하다. 한편, 베어링 고정면(c, d)에 형성되는 피막에 대해서는, 용사 피막 등의 형성 후에 봉공 처리 등을 굳이 행하지 않고, 다공질 형상인 채로 한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 축 상자에의 고정은, 많은 볼트로 체결함에 의해 행하지만, 베어링 고정면의 피막을 다공질 피막으로 함으로써, 고정시에 각 볼트로 균질한 체결력을 쉽게 얻을 수 있고, 사용중 진동에 의한 볼트의 느슨해짐, 체결부의 스틱 슬립의 발생, 이음(異音) 발생 등을 방지할 수 있다.

본 발명의 구름 베어링의 다른 실시예에 대하여 도 3에 기초하여 설명한다. 도 3은, 풍력 발전기의 대형 베어링(요 베어링, 브레이드 베어링)의 일부 단면 확대도를 나타낸다. 도 3에 나타내는 형태의 구름 베어링(1)은, 치차(7)가 설치되어 있지 않은 것 이외는, 도 1 및 도 2에 나타내는 형태와 동일하다. 이 형태에서는 치차(7)를 갖지 않기 때문에, 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 도 1 및 도 2에 나타내는 형태의 개소에 부가하여, 내륜(2)의 내경면 전체면에 형성되어 있다.

본 발명의 구름 베어링의 다른 실시예에 대하여 도 4에 기초하여 설명한다. 도 4는, 시일부착의 깊은 홈 볼 베어링의 단면도를 나타낸다. 도 4에 나타내는 형태의 구름 베어링(1)은, 내륜(2) 및 외륜(3)의 축방향 양단 개구부를 시일하는 시일부재(9)를 구비하여 이루어진다. 시일부재(9)의 시일면측으로 되는 내륜(2) 및 외륜(3)의 베어링 단면(베어링 양 폭면(幅面))에, 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 있다. 상기 구름 베어링(1)은, 내륜 내경, 외륜 외경이 다른 부재에 끼워맞춰져 사용되는 것이다. 베어링 단면의 일부도 베어링 고정면으로 된다. 끼워맞춤면으로 되는 내륜 내경면, 외륜 외경면에는, 상기 피막은 형성되어 있지 않지만, 필요에 따라서, 이들 면에 상기 피막을 형성해도 좋다.

내륜(2) 및 외륜(3)의 베어링 단면에 형성된 상기 피막의 희생 양극 작용에 의해, 시일부재(9)를 포함하는 시일부의 부식을 방지할 수 있다. 이에 의해, 시일부의 부식에 의한 시일성의 저하, 그에 따른 그리스 등의 윤활제의 누설 및 수명 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 구름 베어링은, 상기 예시한 것 외에, 자동 중심조절 구름 베어링(self-aligning roller bearing), 앵귤라 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing), 원통 구름 베어링, 테이퍼 롤러 베어링(tapered roller bearing), 니들 롤러 베어링(needle roller bearing), 스러스트 원통 구름 베어링, 스러스트 테이퍼 롤러 베어링, 스러스트 니들 롤러 베어링, 스러스트 자동 중심조절 구름 베어링으로도 사용할 수 있다.

베어링 부재의 기재로서는, 고탄소 크롬 베어링강, 침탄강(carburizing steel, 표면 담금질 강), 스테인리스강, 고속도강, 냉간압연강, 열간 압연강 등의 철계 재료(강재)를 들 수 있다. 또한, 이들의 강재에, 고주파 열처리, 질화 처리 등을 실시한 것도 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 침탄강(표면 담금질 강)은, 침탄 담금질에 의해, 표면으로부터 적당한 깊이까지 경화시켜, 비교적 경도가 낮은 심부(心部)를 형성함으로써, 경도와 인성(靭性)을 겸비하고, 내충격성이 우수하기 때문에, 본 발명의 베어링 부재(특히 대형 구름 베어링의 것)의 기재로서 바람직하다. 구체적으로는, SCM445, SCM440 등으로 대표되는 크롬 몰리브덴강 등의 철계 기계 구조용 합금강(JIS G4053), 또는, S48C, S50C 등으로 대표되는 기계 구조용 탄소강(JISG4051)을 들 수 있다.

본 발명에 있어서의 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 베어링 부재의 기재와의 관계에서, 희생 양극 작용을 발휘할 수 있는 피막이다. 상기 피막은, 피막 형성 대상으로 되는 베어링 부재의 기재보다, 이온화 경향이 큰 금속을 포함한 피막이면 좋고, 특히 재질, 형성 방법은 제한되지 않는다. 아울러, 이온화 경향은, 수용액 중에서의 수화(水和) 금속 이온과 단체(單體) 금속과의 사이의 표준 산화 환원 전위의 순서이며, 상기 전위가 음인 경우, 그 절대치가 클수록, 「이온화 경향이 크다」고 한다.

이 피막의 재질로서는, 베어링 부재의 기재로서 상기의 철계 재료를 이용하는 경우, 철보다 이온화 경향이 큰 금속인, 아연, 알루미늄, 마그네슘 등의 원소를 포함하는 재료로 한다. 이 피막의 형성 방법으로서는, 예를 들면, 아연을 포함한 징크리치 페인트(zinc rich paint)(징크리치 도장)에 의한 도장 처리나, 아연이나 알루미늄, 알루미늄과 아연으로 이루어지는 합금이나 의합금(擬合金), 알루미늄과 마그네슘이나 알루미늄과 티탄으로 이루어지는 합금 등을 용사재로서 이용하는 용사 피막 처리를 들 수 있다.

용사 방법으로서는, 프레임용사, 아크용사, 플라즈마용사, 레이저용사 등의 공지의 용사 방법을 채용할 수 있다. 이들 중에서도, 아크용사를 이용하는 것이 바람직하다. 아크용사는, 2개의 금속 와이어의 사이에 아크를 발생시켜 와이어를 용융하고, 상기 와이어를 송급하면서 가스 분사에 의하여 용적을 미세화시켜 기재에 내뿜어 피막 형성하는 방법이며, 상기 아연, 알루미늄, 마그네슘 등을 포함하는 재료를 용사재로서 이용할 수 있어, 기재와의 밀착력도 확보하기 쉽다.

용사 피막은, 어느 용사 방법을 채용한 경우라도, 입자 지름 분포가 있는 다수의 입자가 입자간 표층에만 융착되어서 형성되어, 필연적으로 입자 경계에 공극이나 간극이 생성되어, 다공질로 된다. 용사시에 용사재의 융점이 낮을수록 작은 입자로 되기 쉽기 때문에, 얻어지는 피막(다공질체)의 빈 구멍도 작아지기 쉬워, 베어링 고정면에 있어서, 체결부의 느슨해짐 방지나 스틱 슬립의 방지 효과는 얻어지기 어려워진다. 이로 인해, 상기 용사재 중에서도, 아연보다 융점이 높은 알루미늄이나, 알루미늄과 마그네슘으로 이루어지는 합금을 이용하는 것이 바람직하다.

용사 피막의 기공율(氣孔率)은, 3~40%, 바람직하게는 5~20%로 하는 것이 바람직하다. 기공율은, 용사 조건 등에 의해 조정 가능하다. 기공율이 3% 미만이면, 체결부의 느슨해짐 방지나 스틱 슬립의 방지 효과는 얻어지기 어려워진다. 한편, 기공율이 40%를 넘는 경우, 내식성의 향상이 충분히 도모될 수 없을 우려가 있다. 아울러, 상기 범위는, 베어링 고정면에 있어서의 피막에서의 적합 범위이고, 용사 피막의 기공율을 이 범위로 조정한 경우라도, 더 내식성이 요구되는 다른 부위에 대해서는, 봉공 처리 등에 의해 대처하는 것이 가능하다.

또한, 징크리치 페인트에 의한 도장 피막도 다공질체로 되는 경우가 있다. 따라서, 용사 피막과 마찬가지로 상기 도장 피막의 경우도, 베어링 고정면의 피막이 다공질 형상으로 됨으로써, 사용중 진동에 의한 볼트의 느슨해짐, 체결부의 스틱 슬립의 발생, 이음(異音) 발생 등을 방지할 수 있다.

베어링 고정면 이외 부분의 피막에 대해서는, 상기 피막의 내구성, 내식성, 환경 차단성 등을 더욱 향상시킬 수 있도록, 이들 구멍을 밀봉하는 봉공 처리나, 피막 표면에 대한 도장 처리를 단독 또는 복합하여 병용하는 것이 바람직하다. 봉공(밀봉)처리는, 상기 피막의 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위에 있어서, 상기 피막 구멍의 일부 또는 전부를 밀봉하는 처리이다. 도장 처리는, 상기 피막의 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위의 일부 또는 전부에 대하여, 희생 양극 작용을 갖지 않는 재료로 피복하는 처리이다.

봉공 처리방법으로서는, 용사 처리 등에 의한 다공질 피막 구멍의 일부 또는 전부를 봉공할 수 있는 방법이면, 특히 처리제의 재질 등은 한정되지 않는다. 봉공 처리방법으로서는, 예를 들면, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 페놀 수지, 불소 수지 등의 유기계 봉공 처리제나, 규산염, 인산염, 알콕시실란 화합물을 주성분으로 하는 무기계 봉공 처리제를 용사 피막 표면에 도포하는 방법을 들 수 있다. 아울러, 용사 피막에의 봉공 처리는, 처리되는 용사 피막을 형성하고 있는 입자 경계 융착 구조에 의해 봉공 처리제의 침투·충전성이 좌우된다. 이 때문에, 용사 피막의 입자 경계 융착 구조 및 봉공 후의 용사 피막의 요구 특성에 적절하고 최적인 봉공 처리제를 선택하는 것이 바람직하다.

도장 처리의 재료로서는, 적어도 상기에 예시한 희생 양극성을 나타내는 원소를 주성분으로 하지 않는 재료라면, 특히 재질의 제한은 없다. 예를 들면, 일반적인 도료로서 알려진 우레탄 도료나 불소 도료 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서의 희생 양극 작용을 갖는 피막의 표면은, 평활할수록 오염물이 부착하기 어렵고, 더 높은 내구성이 얻어지기 때문에, 표면 거칠기를 130㎛Rz 이하로 하는 것이 바람직하며, 100㎛Rz 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 또한, 베어링 고정면에 상기 피막을 형성하므로, 막 두께의 균일성도 함께 요구된다. 이로 인해, 구체적으로는 막 두께의 상호차이 100㎛ 이하로 함으로써, 사용시에 덜거덕거림의 발생이나 고정의 느슨해짐, 스틱 슬립에 의한 축 상자와의 미끄러짐 등의 발생을 방지할 수 있다. 상호차이는, 바람직하게는 70㎛ 이하, 더 바람직하게는 50㎛ 이하이다.

본 발명에 있어서의 희생 양극 작용을 갖는 피막의 두께에 대해서는, 요구되는 내구성을 확보할 수 있으면, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 도장 피막 등을 제외한, 희생 양극 작용을 갖는 피막 자체의 막 두께는, 10~500㎛가 바람직하고, 50~500㎛가 더 바람직하며, 100~200㎛가 가장 바람직하다. 또한, 도장 피막을 형성하는 경우, 그 막 두께는, 10~500㎛가 바람직하고, 50~500㎛가 더 바람직하며, 100~200㎛가 가장 바람직하다. 일례로서 해상 등의 극히 혹독한 환경하에서 20년 이상 장기간에 걸쳐 사용하는 경우에는, 후술의 실시예에서 나타내는 바와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄에 5vol% 마그네슘 첨가한 Al－Mg합금을 용사로 막 두께 100㎛ 이상 형성하고, 봉공 처리한 후, 도장 피막의 막 두께가 100㎛ 이상으로 되도록 도장 처리를 실시하는 방법을 들 수 있다.

본 발명의 구름 베어링에 있어서, 윤활제로서 봉입하는 그리스는, 통상, 구름에 이용되는 그리스이면 특별히 제한 없이 이용할 수 있다. 그리스를 구성하는 기유(基油)로서는, 예를 들면, 파라핀계 광유, 나프텐계 광유 등의 광유, 폴리부텐유, 폴리-α-올레핀유, 알킬 벤젠유, 알킬나프탈렌유 등의 탄화수소계 합성유, 또는, 천연 유지나 폴리올에스테르유, 인산 에스테르유, 디에스테르유, 폴리글리콜유, 실리콘유, 폴리페닐에테르유, 알킬디페닐에테르유, 불소화유 등의 비탄화수소계 합성유 등을 들 수 있다. 이들 기유는, 단독 또는 2 종류 이상 조합하여 이용해도 좋다.

사용하는 기유의 동점도(動粘度)(40℃)로서는, 30~600㎟/s가 바람직하다. 특히, 풍력 발전기의 대형 베어링 용도 등에 있어서는, 300~600㎟/s가 바람직하다. 풍력 발전기의 대형 베어링(주축용)은, 풍력이 약할 때에는, 극히 낮은 회전수로 회전하는 경우가 있고, 상기 베어링 구름 접촉면(rolling contact surface)에 있어서의 오일 막은 비교적 얇고 불안정하게 된다. 이 때문에, 40℃에 있어서의 동점도가 300㎟/s 미만인 경우는, 오일막 단절이 발생할 우려가 있다. 한편, 40℃에 있어서의 동점도가 600㎟/s보다 높으면, 구름 접촉면으로의 윤활유의 공급성이 뒤떨어져, 프레팅(freting, 미동 마모) 발생이 쉬워진다. 또한, 풍력 발전기의 브레이드 또는 요를 지지하는 구름 베어링은, 통상, 연속적인 회전은 없고, 풍향에 맞추어 브레이드, 나셀의 각도를 조정할 때에 움직이는 것이며, 이들 베어링의 기유로서는, 동점도(40℃)가 50㎟/s 정도인 것을 사용할 수 있다.

또한, 그리스를 구성하는 증조제로서는, 예를 들면, 알루미늄 비누, 리튬 비누, 나트륨 비누, 복합 리튬 비누, 복합 칼슘 비누, 복합 알루미늄 비누 등의 금속 비누계 증조제, 디우레아 화합물, 폴리우레아 화합물 등의 우레아계 화합물, PTFE 수지 등의 불소 수지 분말을 들 수 있다. 이들 증조제는, 단독 또는 2 종류 이상 조합하여 이용해도 좋다.

또한, 그리스에는, 필요에 따라서 공지의 첨가제를 첨가할 수 있다. 첨가제로서는, 예를 들면, 유기 아연 화합물, 유기 몰리브덴 화합물 등의 극압제(極壓劑), 아민계, 페놀계, 유황계 화합물 등의 산화 방지제, 유황계, 인계 화합물 등의 마모 억제제, 다가 알코올 에스테르 등의 방수제, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌 등의 점도 지수 향상제, 2황화 몰리브덴, 그라파이트(graphite) 등의 고체 윤활제, 에스테르, 알코올 등의 유성제 등을 들 수 있다.

그리스 조성물의 혼화조도(JIS K 2220)는, 200~350의 범위에 있는 것이 바람직하다. 조도가 200 미만인 경우는, 저온에서의 오일 분리가 적어 윤활 불량으로 되고, 풍력 발전기의 대형 베어링 용도 등에 있어서, 프레팅(미동 마모) 발생이 쉬워진다. 한편, 조도가 350을 넘는 경우는, 그리스가 연질로서 베어링 밖으로 유출되기 쉬워진다.

본 발명의 구름 베어링에서는, 그리스를 봉입한 시일 부착 베어링에 있어서, 부식성이 높은 환경하에서의 사용에 있어서도, 시일부의 부식에 의한 시일성의 저하를 방지할 수 있으므로, 누설 등의 우려가 적고, 상기 중에서 요구 특성에 따른 임의의 그리스를 채용할 수 있다.

실시예

도 1 및 도 2를 참조하여, 실제로 베어링 표면(a~f)에 피막을 형성한 예를 표 1~표 3에 나타낸다. 표 1은, 대기 해양 환경인 해상에서 사용되고, 20년 이상 장기간 사용할 수 있는 구름 베어링의 피막 처리예(BS5493, Code of practice for protective coating of iron and steel structures against corrosions, British Standards Institution, 1977)이고, 표 2는, 마찬가지로 해상에서 사용되며, 10년 이상 장기간 사용할 수 있는 구름 베어링의 피막 처리예(BS5493, 상동)이다. 또한, 표 3은, 풍력 발전기의 브레이드 또는 요를 지지하는 베어링에 있어서, 특히 바람직한 피막 처리예이다. 아울러, 표 3의 예는, 상기 해상에서 사용했을 때, 20년 이상 장기간 사용할 수 있는 구름 베어링의 피막 처리예(BS5493, 상동)이다.

실시예에 이용한 구름 베어링은, 도 1 및 도 2의 형상을 갖는 2종류(1：K2N－TD33402PX1S30　φ1716×2080×168(내치차), 2：K2N－TD39101PX1S30 φ2000×2400×205(내치차))이고, 이들에 각 표의 피막 처리를 각각 실시했다. 이들 구름 베어링은, 모두 내륜의 내경이 800㎜ 이상이고, 피막 처리를 실시한 내륜 및 외륜의 기재는 SCM445H 이다.

각 표 중의 「AlMg5%」는 알루미늄에 5vol% 마그네슘 첨가한 Al－Mg합금을, 「ZnAl 15%」는 아연에 15vol% 알루미늄 첨가한 Zn－Al합금을, 각각 용사재로서 이용하는 것이다. 각 용사재를 이용하여 아크용사에 의해, 구름 베어링의 각 부위에, 표 중에 나타내는 막 두께로 되도록 용사 피막을 형성했다. 또한, 각 표 중의 a~f는, 도 2의 a~f의 부위에 대응한다. 또한, 복층 구성의 것은, (1)~(3)의 순으로, 베어링 부재의 기재 표면에 처리되어 형성된 것이다. 아울러, c, d의 부위에 형성된 피막은, 봉공 처리 및 도장 처리를 실시하지 않았고, 다공질 형상이었다.

「봉공 처리」는, 에폭시 수지계 봉공 처리재를 용사 피막 등의 표면에 도포했다. 「도장」은, 우레탄 도료를 이용하여 도장을 행했다. 또한, 「도장」에 있어서, 봉공 처리가 실시되어 있는 경우에는, 밀착성 향상 때문에, 에폭시계 중간층을 도장으로 형성하고, 그 위에 우레탄 도료를 이용하여 도장을 행하였다.

아울러, 각 실시예의 a, b, e, f에 있어서의 「용사 100㎛ 이상」은 115~199㎛이고, c, d에 있어서의 「용사 100㎛ 이상」은 118~168㎛이다. 또한, a, b, e, f에 있어서 「용사＋봉공 처리＋도장」으로 한 경우의 종합 막 두께는, 343~504㎛이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

또한, 실시예 1 내지 실시예 4의 구름 베어링을 축 상자에 볼트 체결하고(베어링 고정면은 c, d), 일정시간 경과 후의 볼트 고정 토크의 감소율을 측정한바, 동일 조건에서, 실시예 1(Al용사), 실시예 2(AlMg5% 용사), 실시예 3(ZnAl15% 용사), 실시예 4(Zn 용사)의 순으로, 감소율이 커지는 결과로 되었다. 이 결과로부터, 용사재로서는, 알루미늄이나 알루미늄을 포함하는 합금을 이용하는 것이, 특히 바람직하다고 할 수 있다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 구름 베어링은, 대형화가 도모되고, 내식성이 우수하며, 또한, 베어링 고정부에서의 부착 정밀도 악화, 고정력 저하 및 진동 발생 등을 방지할 수 있으므로, 고습 환경이나, 결로가 발생하기 쉬운 환경, 해상, 연안 등의 부식성이 높은 환경에서 사용하는 대형 베어링으로서 이용할 수 있는데, 예를 들면, 풍력 발전기의 브레이드 또는 요를 지지하는 베어링으로서 적합하게 이용할 수 있다.

1. 구름 베어링
2. 내륜
3. 외륜
4. 전동체
5. 유지기
6. 베어링 내 공간
7. 치차
8. 볼트구멍
9. 시일부재

Claims (10)

1. 베어링 부재로서 내륜, 외륜 및 전동체(rolling element)를 구비하여 이루어지는 구름 베어링으로서,
   상기 베어링 부재에서의 부식 환경에 노출되는 부위 중, 적어도 베어링 고정면을 포함하는 부위에, 상기 베어링 부재의 기재(基材)에 대하여 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 이루어지고,
   상기 베어링 고정면에 형성된 상기 피막이, 다공질의 피막인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구름 베어링은, 상기 외륜 및 상기 내륜으로부터 선택되는 적어도 한쪽의 베어링 단면에서 축 상자에 체결되어 고정되는 베어링이고, 상기 베어링 단면(端面)이 상기 베어링 고정면인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 베어링 부재의 기재가, 철계 재료로 이루어지고, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막이, 아연, 알루미늄, 마그네슘 중 어느 하나의 원소를 포함하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막이, 상기 재료를 용사재(溶射材)로서 이용하여 형성된 용사 피막인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 구름 베어링은, 상기 내륜 및 상기 외륜의 축방향 양단 개구부를 시일하는 시일부재를 구비하여 이루어지고, 상기 시일부재의 시일면측으로 되는 상기 내륜 및 상기 외륜의 베어링 단면(端面)에, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 상기 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위에서, 상기 피막의 구멍의 일부 또는 전부가 밀봉되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 희생 양극 작용을 갖는 피막은, 상기 베어링 고정면에 형성되는 부위 이외의 부위의 일부 또는 전부가, 희생 양극 작용을 갖지 않는 재료로 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 내륜의 내경이, 800㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 구름 베어링이, 자연 에너지로부터 발전하는 발전기 또는 발전 설비로 사용되는 베어링인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 구름 베어링이, 풍력 발전기의 브레이드 또는 요(yaw)를 지지하는 베어링인 것을 특징으로 하는 구름 베어링.

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