WO2016104606A1 - 絶縁軸受、並びに軸受のコーティング方法 - Google Patents

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bearing
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less
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竹内　純一
裕司 岡田
正也 永井
山田　学
直純 仲田
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トーカロ株式会社
日本精工株式会社
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    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the present invention relates to an insulating bearing that is mounted on a portion where current may flow, such as a bearing that is mounted on a rotating shaft of a motor or a generator.
  • the present invention also relates to a coating method for covering at least one of an outer ring and an inner ring of an insulating bearing with an insulating film, and more particularly to a coating method capable of forming an insulating film having excellent electric corrosion resistance and thermal conductivity.
  • a metal bearing is mounted on the rotating shaft in order to reduce frictional resistance caused by the rotation.
  • a bearing is mounted on the rotating shaft of the rotating body.
  • Patent Document 1 discloses that either an outer ring or an inner ring made of metal arranged concentrically with a bearing is covered with a ceramic sprayed layer to electrically insulate, thereby blocking the flow of electricity, A technique for preventing the above is disclosed.
  • thermal spraying is performed using a mixed powder in which powder of titania (TiO 2 ), silica (SiO 2 ), and chromium oxide (CrO 2 ) is mixed with powder of alumina (Al 2 O 3 ), and further sealed. Processing is performed to form an insulating film.
  • the thickness of the insulating film is required to be 250 ⁇ m or more in order to ensure the necessary insulating performance and film strength.
  • the thermal conductivity of the bearing is lowered.
  • the heat generated by the frictional resistance caused by the rotation is accumulated in the bearing, which causes the life of the bearing to be shortened.
  • forming the insulating film thickly by thermal spraying has a problem that the construction time becomes long and the manufacturing cost of the bearing rises.
  • the present invention eliminates the problems of the prior art, and a bearing coating method capable of forming a high-strength insulating film having both good electric corrosion resistance and thermal conductivity at low cost, as well as good electric corrosion resistance and
  • An object of the present invention is to provide an insulated bearing capable of maintaining thermal conductivity for a long period of time.
  • the present inventor examined a technique for reducing the porosity of the insulating film in order to increase the electric corrosion resistance of the bearing. Then, by mixing and spraying aluminum carbide powder with silicon carbide powder and / or aluminum nitride powder, the porosity is small and microcracks in the sprayed coating are reduced, and a sprayed layer with high withstand voltage is formed. It was found that it can be obtained.
  • the technology for using the thermal sprayed layer suitably as an insulating film for bearings was studied in detail.
  • the insulating film contains a material having a higher thermal conductivity than that of conventional aluminum oxide, and since the film thickness is thin, the thermal conductivity is also good. Further, since the film thickness is thin, it is possible to shorten the time for thermal spraying and to reduce the consumption of the thermal spray material, which contributes to the reduction of the manufacturing cost.
  • the present invention has been made based on such findings, and provides the following.
  • An outer ring and an inner ring, at least one of which is made of metal, a plurality of rolling elements that can roll between the outer ring and the inner ring, and at least one of the outer ring and the inner ring is covered with an insulating film.
  • Insulated bearings The insulating film is a mixture in which silicon carbide and / or aluminum nitride as an additive is dispersed in a base material made of aluminum oxide, and the content of the additive is 1 to 40% by mass of the total amount of the mixture Insulated bearing characterized by that.
  • the insulating film is a sprayed film formed by spraying a mixed sprayed material containing a total of 2 to 40% by mass of silicon carbide powder and / or aluminum nitride powder and the balance being aluminum oxide powder.
  • the mixed sprayed material is a total of 2 aluminum oxide powders having an average particle diameter of 15 ⁇ m or more and less than 25 ⁇ m, silicon carbide powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, and / or aluminum nitride powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m.
  • the mixed sprayed material is a total of 2 aluminum oxide powders having an average particle size of 1 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, silicon carbide powder having an average particle size of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, and / or aluminum nitride powder having an average particle size of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m.
  • the total amount of aluminum oxide powder having an average particle diameter of 1 ⁇ m or more and less than 30 ⁇ m is 2 to 40% by mass of silicon carbide powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 10 ⁇ m and / or aluminum nitride powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 10 ⁇ m.
  • a coating method for bearings wherein spraying is performed using the mixed spray material added in this manner, and the insulating film is formed on the outer ring and / or the inner ring.
  • the mixed sprayed material is a total of 2 aluminum oxide powders having an average particle diameter of 15 ⁇ m or more and less than 25 ⁇ m, silicon carbide powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, and / or aluminum nitride powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m.
  • the mixed sprayed material is a total of two aluminum oxide powders having an average particle diameter of 1 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, silicon carbide powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m, and / or aluminum nitride powder having an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m.
  • the bearing coating method as described in (6) or (7) above, which is added so as to be ⁇ 20% by mass and granulated with a spray dryer.
  • the bearing coating method as described in any one of (6) to (9) above, wherein the thickness of the insulating film is not less than 50 ⁇ m and not more than 250 ⁇ m.
  • the “average particle diameter” of each thermal spray material powder of the present invention means the value of D 50 measured by a laser diffraction / scattering method.
  • a high-strength insulating film having good electric corrosion resistance and thermal conductivity can be formed at low cost.
  • the insulated bearing of the present invention is coated with a high-strength insulating film having both good electric corrosion resistance and thermal conductivity, and can maintain excellent insulating performance for a long period of time.
  • the present invention has a remarkable industrial effect.
  • the outer ring and the inner ring are made of metal, and an insulating film is formed by thermal spraying on at least one of the outer ring and the inner ring. That is, as shown in FIG. 1, the outer ring 1 and the inner ring 2 are arranged concentrically, and a plurality of rolling elements 3 are held between the outer ring 1 and the inner ring 2 via a cage 4 so as to be freely rollable.
  • Insulating film 5 is formed on the outer peripheral surface of outer ring 1.
  • the insulating film 5 may be formed on the inner peripheral surface of the inner ring 2 as shown in FIG.
  • the outer ring 1 and the inner ring 2 are preferably formed of bearing steel, carburized steel, or the like.
  • bearing steel carburized steel, or the like.
  • a kind of bearing not only a ball bearing as illustrated but a various rolling bearing can be made into object.
  • the powder used as the material for thermal spraying is mainly composed of aluminum oxide powder. If the aluminum oxide powder particles are too large, pores are likely to be generated inside the insulating film formed by thermal spraying, resulting in a decrease in the resistance to electrolytic corrosion. Therefore, the average particle diameter of the aluminum oxide powder is 1 ⁇ m or more and less than 30 ⁇ m. On the other hand, if the particles of the aluminum oxide powder are too small, the particles are scattered to the periphery during thermal spraying to cause deterioration of the working environment, and it takes a long time to obtain an insulating film having a predetermined film thickness. Therefore, the average particle diameter of the aluminum oxide powder when using the mixed powder as the spraying material is preferably in the range of 15 ⁇ m or more and less than 25 ⁇ m.
  • the aluminum oxide powder is a powder containing 99.9% by mass or more of Al 2 O 3 , and the balance is impurities that are inevitably mixed in the manufacturing process. The fewer the impurities, the better.
  • the silicon carbide powder added to the aluminum oxide powder is a powder containing SiC in an amount of 98% by mass or more, and the balance is an impurity inevitably mixed in the manufacturing process.
  • the aluminum nitride powder is a powder containing 98% by mass or more of AlN, and the balance is an impurity inevitably mixed in the manufacturing process. The fewer the impurities, the better.
  • the silicon carbide powder and the aluminum nitride powder may be added alone to the aluminum oxide powder, or both the silicon carbide powder and the aluminum nitride powder may be added to the aluminum oxide powder.
  • an excessive amount of silicon carbide powder and / or aluminum nitride powder in the mixed powder means that the aluminum oxide powder in the mixed powder is reduced, and the electric corrosion resistance required for the insulating film is sufficient. It becomes difficult to ensure.
  • the amount of silicon carbide powder and / or aluminum nitride powder added is too small, the effect of improving the wear resistance of the insulating film and the effect of increasing the thermal conductivity cannot be obtained.
  • the hardness of the silicon carbide powder and the aluminum nitride powder is higher than the hardness of the insulating film using only the aluminum oxide powder as the thermal spray material.
  • the wear resistance of the insulating film can be improved, and as a result, the film thickness of the insulating film can be reduced. If the insulating film is made thinner, effects such as a reduction in the amount of mixed powder used as a material for thermal spraying and a reduction in the time required for thermal spraying can be obtained, contributing to a reduction in bearing manufacturing costs.
  • FIG. 4 is a graph comparing the insulation performance of the insulating film A sprayed with a mixed powder of aluminum oxide and silicon carbide and the insulating film B sprayed with a mixed powder of aluminum oxide and titanium oxide with respect to respective film thicknesses.
  • the insulating film A is superior in insulating performance to the insulating film B, and in order to obtain the insulating performance (indicated by 1.0) required for the insulating bearing,
  • the film B requires a film thickness of 250 ⁇ m, whereas the film thickness of the insulating film A can be reduced to about 130 ⁇ m.
  • the insulating film B imitates the insulating film used in Patent Document 1.
  • silicon carbide powder and aluminum nitride powder have higher thermal conductivity than aluminum oxide powder, they contribute to the improvement of the thermal conductivity of the insulating film.
  • the volume resistivity is large and the insulation performance is also excellent. Specifically, as shown in Table 2, both have a thermal conductivity of 150 W / m ⁇ K or more, a volume resistivity of 1 ⁇ 10 14 ⁇ ⁇ cm or more, higher thermal conductivity than aluminum oxide, and oxidation. It has a volume resistivity equivalent to that of aluminum.
  • the proportion of the mixed powder is 2 to 40% by mass.
  • the content is preferably 2 to 20% by mass. More preferably, it is 10 to 20% by mass.
  • the proportion of the mixed powder is within the range of 2 to 40% by mass.
  • the total is preferably 2 to 20% by mass. More preferably, the total amount is 10 to 20% by mass.
  • the average particle diameter of the silicon carbide powder or the aluminum nitride powder is less than 10 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the silicon carbide powder or the aluminum nitride powder is preferably in the range of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m.
  • the aluminum oxide powder is selectively used in relation to the temperature of the plasma flame and the melting point of the aluminum oxide powder, silicon carbide powder, and aluminum nitride powder.
  • the insulating film can be formed without melting the silicon carbide powder or the aluminum nitride powder. Therefore, the effect of improving the wear resistance and thermal conductivity of the insulating film is exhibited.
  • microcracks (cracks with a width of 0.5 ⁇ m or less when observed in cross section) are generated in the solidified aluminum oxide crystal grains. It has been.
  • plasma spraying is performed using a mixed powder to which silicon carbide powder or aluminum nitride powder having high thermal conductivity is added, the time required for solidification can be further shortened. As a result, solidification can be completed before microcracks are generated, and an insulating film without microcracks can be formed. Therefore, in the present invention, even if plasma spraying is performed, microcracks are hardly generated in the insulating film.
  • “almost no occurrence” means that the ratio of the total area corresponding to microcracks to the entire area of the insulating film at the time of cross-sectional observation (that is, the area ratio) is 5.0% or less. Means that. *
  • silicon carbide and aluminum nitride in the sprayed material do not melt, but only aluminum oxide is in a molten state, so that silicon carbide and / or aluminum nitride is dispersed as particles in the aluminum oxide melt. It will be a thing.
  • silicon carbide and aluminum nitride, and aluminum oxide are not in a chemical reaction and are simply in a physical mixed state. Therefore, the insulating film formed in this way is a mixture in which silicon carbide and / or aluminum nitride as an additive is substantially uniformly dispersed in a base material made of aluminum oxide.
  • the amount of silicon carbide and / or aluminum nitride maintains the initial mixed state described above, but it is also conceivable that a part of the silicon carbide and / or aluminum nitride is scattered and not included in the insulating film. Therefore, in the present invention, the amount of silicon carbide and / or aluminum nitride in the insulating film is set to a range of 1 to 40% by mass, slightly less than the initial mixed state.
  • the insulating film formed in this way has a relatively thin film thickness and sufficient electric corrosion resistance and film strength.
  • the film thickness is 200 ⁇ m or more, the thermal conductivity is impaired, and it becomes difficult to dissipate the frictional heat generated by using the bearing. As a result, frictional heat is accumulated in the bearing, and the bearing is likely to be deformed or seized.
  • the film thickness is preferably in the range of 50 ⁇ m or more and less than 200 ⁇ m from the viewpoint of achieving both the electric corrosion resistance and the thermal conductivity of the insulating film.
  • the thermal sprayed part Prior to thermal spraying, it is preferable that the thermal sprayed part is protected with a jig and roughened by blasting or the like.
  • the insulating film is formed using a mixed powder obtained by adding silicon carbide powder and / or aluminum nitride powder to aluminum oxide powder, sufficient electric corrosion resistance and film strength are exhibited within the above-mentioned film thickness range. can do. Thus, an insulating film having a small porosity and a small variation can be obtained. In this embodiment, an insulating film having a porosity of 1.0% to 5.0% can be obtained. In addition, since the thermal conductivity of the silicon carbide powder or the aluminum nitride powder is large, the thermal conductivity of the insulating film can be sufficiently ensured.
  • the film strength is 3 times or more.
  • the aluminum oxide powder in that case has an average particle diameter of 1 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m
  • the silicon carbide powder or aluminum nitride powder to be mixed has an average particle diameter of 2 ⁇ m or more and less than 5 ⁇ m.
  • the insulating film thickness is relatively thin as described above, it is possible to achieve both high strength and good electric corrosion resistance and thermal conductivity.
  • the amount of mixed powder used as a material can be reduced, and as a result, the manufacturing cost of the bearing can be reduced.
  • the fact that the sealing process can be omitted also contributes to a reduction in manufacturing costs.
  • the sealing treatment may be performed by immersing the bearing on which the insulating film is formed in a solution containing a sealing material (sealing material solution) or by spraying the sealing material solution.
  • the sealing material can be selected from epoxy resin-based, silicone resin-based, and silica-based sealing materials.
  • silica type sealing material sodium silicate, ethyl silicate, etc. can be used.
  • Example 1 Before forming the insulating film by plasma spraying, the bearing material is cleaned and degreased with an organic solvent, and then the non-sprayed portion is protected with a jig and roughened by blasting.
  • plasma spraying is performed using a mixed powder obtained by adding silicon carbide powder having an average particle diameter of 3 ⁇ m to aluminum oxide powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m, and an insulating film (film thickness of 150 ⁇ m) is formed on the outer peripheral surface of the outer ring of the bearing. did.
  • the proportion of silicon carbide powder in the mixed powder was 20% by mass.
  • the average particle size using a Microtrac MT3300 manufactured by Nikkiso Co., the value of D 50 measured by a laser diffraction scattering method (the same applies to following embodiments).
  • the sealing process was performed. This is an invention example.
  • plasma spraying was performed using aluminum oxide powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m to form an insulating film (film thickness 150 ⁇ m) on the outer surface of the outer ring of the bearing.
  • the sealing treatment was performed.
  • Table 3 shows the results of measuring the volume resistivity and dielectric breakdown voltage of these bearings.
  • the volume resistivity was measured according to JIS standard K6911, and the dielectric breakdown voltage was measured according to JIS standard C2110-2.
  • Example 2 The ratio of silicon carbide and / or aluminum nitride blended in aluminum oxide was changed, and the breakdown voltage was compared with the thermal conductivity and cost. Before forming the insulating film by plasma spraying, the specimen material is cleaned and degreased with an organic solvent, and then roughened by blasting.
  • plasma spraying was performed using an aluminum oxide powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m, and an insulating film (film thickness 250 ⁇ m) was formed on one end surface.
  • Table 4 shows the results of measuring the dielectric breakdown voltage and thermal conductivity of these specimens.
  • the dielectric breakdown voltage was measured in accordance with JIS standard C2110-2, and the thermal conductivity was measured using a laser flash method after mechanically removing the sprayed coating.
  • the cost was calculated as a ratio based on the material cost and processing time, with Comparative Example 2 as 1, and the comparison was made in Table 4.
  • Example 3 The insulation performance, film strength, and cost were compared by changing the thickness of the insulation film.
  • the specimen material is cleaned and degreased with an organic solvent, and then roughened by blasting.
  • plasma spraying was performed using a mixed powder obtained by adding silicon carbide powder and / or aluminum nitride powder having an average particle diameter of 3 ⁇ m to an aluminum oxide powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m at a mixing ratio shown in Table 5, and a test piece was obtained.
  • An insulating film having a film thickness shown in Table 5 was formed on one end face. This is an invention example.
  • plasma spraying was performed using aluminum oxide powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m to form an insulating film having a film thickness of 200 ⁇ m or 250 ⁇ m on one end face.
  • Table 5 shows the results of comparison with test pieces made of aluminum oxide and having an insulating film thickness of 250 ⁇ m for each item.
  • the invention example has the same insulation performance as the comparative example in which the film thickness is 250 ⁇ m even if the film thickness of the insulating film is reduced to 200 ⁇ m or less. Further, in the inventive example, when the thickness of the insulating film is increased to 250 ⁇ m, the insulation performance twice as high as that of the comparative example in which the film thickness is 250 ⁇ m can be obtained. Further, in the inventive example, even when the insulating film is thinned to 200 ⁇ m or less, the film strength is 1.3 times or more higher than that of the comparative example in which the film thickness is 250 ⁇ m. As described above, the thickness of the insulating film can be reduced, thereby reducing the cost.
  • the "average particle diameter" of the thermal spraying material powder is, it means that the D 50 values measured by a laser diffraction scattering method, also, the measurement of the average particle size, Nikkiso Co., Ltd. Microtrac MT3300 manufactured by the company was used.
  • the insulated bearing of the present invention has excellent electric corrosion resistance and thermal conductivity by coating the inner ring and outer ring with a specific sprayed film, and is particularly suitable for use in motors, generators and the like.

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Abstract

　少なくとも一方が金属製である外輪及び内輪、前記外輪と前記内輪との間に転動自在となる複数の転動体を備え、かつ、前記外輪及び内輪の少なくとも片方を絶縁膜で被覆した絶縁軸受において、前記絶縁膜が、添加物としての炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムが酸化アルミニウムからなる母材中に分散した混合物であり、かつ、前記添加物の含有量が混合物全量の１～４０質量％である。

Description

絶縁軸受、並びに軸受のコーティング方法
　本発明は、たとえばモーターや発電機等の回転軸に装着する軸受のように、電流が流れる可能性のある部位に装着する絶縁軸受に関する。また、本発明は、絶縁軸受の外輪及び内輪の少なくとも片方を絶縁膜で被覆するコーティング方法に関し、詳しくは、耐電食性および熱伝導性に優れた絶縁膜を形成することが可能なコーティング方法に関する。
　従来から回転体を備えた機器では、その回転によって生じる摩擦抵抗を軽減するために、回転軸に金属製の軸受が装着されている。たとえば、電磁力で回転体（いわゆる回転子）を回転させるモーターや、水力等で回転体（いわゆるタービン）を回転させて発電を行なう発電機においても、回転体の回転軸に軸受が装着される。
　それらのモーターや発電機等では、軸受に電流が漏出し、電流が流れることによって生じる腐食（以下、電食という）が進行し易いという問題がある。そこで、軸受の電食を防止するための技術が検討されている。
　たとえば特許文献１には、軸受の同心に配置された金属製の外輪と内輪のいずれかをセラミックスの溶射層で被覆して電気的に絶縁することによって、電気の流れを遮断して、電食を防止する技術が開示されている。この技術では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の粉末に、チタニア（ＴｉＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化クロム（ＣｒＯ２）の粉末を混合した混合粉を用いて溶射を行ない、さらに封孔処理を施して絶縁膜を形成する。つまり、低融点の混合物を混ぜることによって主原料であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）絶縁膜の隙間を埋めることにより気孔率を小さくし、かつ、そのばらつきを抑えることによって、軸受の安定した絶縁性（すなわち耐電食性）を得る技術である。
　しかし特許文献１に開示された技術では、必要な絶縁性能や膜強度を確保するには絶縁膜の厚さは２５０μｍ以上必要とされている。その結果、軸受の熱伝導性が低下するという問題が生じる。熱伝導性が低下すると、回転によって生じる摩擦抵抗の発熱が軸受に蓄積されて、軸受の寿命が短縮される原因になる。また、溶射により絶縁膜を厚く形成することは施工時間が長くなり、軸受の製造コストが上昇するという問題もある。
　つまり、膜強度が高く、良好な耐電食性と熱伝導性を兼ね備えた絶縁膜を有する軸受を安価に製造する技術は、まだ確立されていない。
日本国特許第５０２５１９０号公報
　本発明は、従来の技術の問題点を解消し、良好な耐電食性と熱伝導性を兼ね備えた高強度の絶縁膜を安価に形成することが可能な軸受のコーティング方法、並びに良好な耐電食性及び熱伝導性を長期間維持できる絶縁軸受を提供することを目的とする。
　本発明者は、軸受の耐電食性を高めるために、絶縁膜の気孔率を低減する技術について検討した。そして、酸化アルミニウム粉末に、炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を混合して溶射を行なうことによって、気孔率が小さく、かつ、溶射皮膜中のマイクロクラックを低減し、耐電圧の高い溶射層が得られることを見出した。
　そこで、その溶射層を軸受の絶縁膜として好適に使用するための技術について詳細に研究した。その結果、酸化アルミニウム粉末、炭化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末の平均粒径と混合比率を適正に規定することによって、軸受の絶縁膜として十分な耐電食性を、比較的薄い膜厚で安定して確保できることが判明した。その絶縁膜は、従来の酸化アルミニウムよりも熱伝導率の高い材料を内包しており、しかも膜厚が薄いので、熱伝導性も良好である。また、膜厚が薄いことから、溶射の作業時間の短縮と溶射材料の消費量の削減を図ることができ、製造コストの削減に寄与する。
　本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、下記を提供する。
（１）少なくとも一方が金属製である外輪及び内輪、前記外輪と前記内輪との間に転動自在となる複数の転動体を備え、かつ、前記外輪及び内輪の少なくとも片方を絶縁膜で被覆した絶縁軸受において、
　前記絶縁膜が、添加物としての炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムが酸化アルミニウムからなる母材中に分散した混合物であり、かつ、前記添加物の含有量が混合物全量の１～４０質量％であることを特徴とする絶縁軸受。
（２）前記絶縁膜が、炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を合計２～４０質量％含み、残部が酸化アルミニウム粉末である混合溶射材を溶射してなる溶射膜であることを特徴とする上記（１）記載の絶縁軸受。
（３）前記混合溶射材が、平均粒径１５μｍ以上２５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加したものであることを特徴とする上記（２）に記載の絶縁軸受。
（４）前記混合溶射材が、平均粒径１μｍ以上５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加し、スプレイドライヤーで造粒したものであることを特徴とする上記（２）に記載の絶縁軸受。
（５）前記絶縁膜の膜厚が５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の絶縁軸受。
（６）軸受の互いに同心に配置された外輪と内輪の少なくとも片方が金属製であり、かつ、絶縁膜で被覆されるコーティング方法において、
　平均粒径が１μｍ以上３０μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径が２μｍ以上１０μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径が２μｍ以上１０μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～４０質量％となるように添加した混合溶射材を用いて溶射を行ない、前記外輪および／または前記内輪に前記絶縁膜を形成することを特徴とする軸受のコーティング方法。
（７）前記溶射を、プラズマ溶射で行なうことを特徴とする上記（６）に記載の軸受のコーティング方法。
（８）前記混合溶射材が、平均粒径１５μｍ以上２５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加したものであることを特徴とする上記（６）または（７）記載の軸受のコーティング方法。
（９）前記混合溶射材が、平均粒径１μｍ以上５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加し、スプレイドライヤーで造粒したものであることを特徴とする上記（６）又は（７）記載の軸受のコーティング方法。
（１０）前記絶縁膜の膜厚を５０μｍ以上２５０μｍ以下とすることを特徴とする上記（６）～（９）のいずれか一項に記載の軸受のコーティング方法。
　本発明の各溶射材原料粉末の「平均粒径」は、レーザ回折・散乱法にて測定したＤ５０の値を意味している。
　本発明のコーティング方法によれば、良好な耐電食性と熱伝導性を兼ね備えた高強度の絶縁膜を、安価に形成することができる。また、本発明の絶縁軸受は、良好な耐電食性と熱伝導性を兼ね備えた高強度の絶縁膜で被覆したものであり、優れた絶縁性能を長期間維持できる。このように、本発明は産業上格段の効果を奏する。
本発明の絶縁軸受の一例（外輪に絶縁膜形成）を示す断面図である。 本発明の絶縁軸受の他の例（内輪に絶縁膜形成）を示す断面図である。 本発明の絶縁軸受の更に他の例（外輪と内輪の両方に絶縁膜形成）を示す断面図である。 酸化アルミニウムと炭化珪素との混合粉を溶射した絶縁膜と、酸化アルミニウムと酸化チタンとの混合粉を溶射した絶縁膜との、それぞれの膜厚に対する絶縁性能を比較したグラフである。
　本発明の絶縁軸受（以下、単に「軸受」ともいう）は、外輪及び内輪が金属製で、外輪及び内輪の少なくとも片方に、溶射により絶縁膜を形成したものである。即ち、図１に示すように、外輪１と、内輪２とを同心状に配置し、外輪１と内輪２との間に複数の転動体３を保持器４を介して転動自在に保持したものであり、外輪１の外周面に絶縁膜５を形成する。あるいは、図２に示すように内輪２の内周面に絶縁膜５を形成してもよく、図３に示すように外輪１の外周面及び内輪２の内周面の両方に絶縁膜５を形成してもよい。尚、外輪１及び内輪２は、軸受鋼や浸炭鋼等で形成することが好ましい。尚、軸受の種類としては、図示されるような玉軸受に限らず、種々の転がり軸受を対象とすることができる。
　以下に、絶縁膜５のコーティング方法について説明する。
　溶射の材料として使用する粉末は、酸化アルミニウム粉末を主成分とする。酸化アルミニウム粉末の粒子が大きすぎると、溶射によって形成される絶縁膜の内部に気孔が発生し易くなり、耐電食性の低下を招く。したがって、酸化アルミニウム粉末の平均粒径は１μｍ以上３０μｍ未満とする。一方で、酸化アルミニウム粉末の粒子が小さすぎると、溶射の際に周辺に飛散して、作業環境の悪化を引き起こすばかりでなく、所定の膜厚の絶縁膜を得るのに長時間を要する。したがって、溶射材として混合粉を用いるときの酸化アルミニウム粉末の平均粒径は１５μｍ以上２５μｍ未満の範囲内が好ましい。
　なお、酸化アルミニウム粉末は、Ａｌ２Ｏ３を９９．９質量％以上含有する粉末であり、残部はその製造過程で不可避的に混入する不純物である。不純物は少ないほど好ましい。
　その酸化アルミニウム粉末に、炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を添加する。酸化アルミニウム粉末は白色であるから、酸化アルミニウム粉末のみで溶射を行なう場合には、軸受の外輪や内輪に白色の絶縁膜が形成され、その軸受を使用することによって生じる汚れが鮮明に現われるという問題がある。これに対して本発明では、酸化アルミニウム粉末に炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を添加した混合粉を使用するので、灰色の絶縁膜が形成され、汚れが目立たないという利点がある。
　酸化アルミニウム粉末に添加する炭化ケイ素粉末は、ＳｉＣを９８質量％以上含有する粉末であり、残部はその製造過程で不可避的に混入する不純物である。窒化アルミニウム粉末は、ＡｌＮを９８質量％以上含有する粉末であり、残部はその製造過程で不可避的に混入する不純物である。不純物は少ないほど好ましい。
　炭化ケイ素粉末と窒化アルミニウム粉末は、それぞれ単体で酸化アルミニウム粉末に添加しても良いし、あるいは炭化ケイ素粉末と窒化アルミニウム粉末の両方を酸化アルミニウム粉末に添加しても良い。ただし、混合粉に占める炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末の添加量が多すぎることは、混合粉中の酸化アルミニウム粉末が減少することを意味しており、絶縁膜に求められる耐電食性を十分に確保することが困難になる。一方で、炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末の添加量が少なすぎると、絶縁膜の耐摩耗性を向上する効果、および熱伝導性を高める効果が得られない。
　つまり、下記の表１にも示すように、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の硬度は、酸化アルミニウム粉末だけを溶射材とする絶縁膜の硬度よりも高いことから、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末を添加することによって、絶縁膜の耐摩耗性を向上させ、ひいては、絶縁膜の膜厚を薄くすることができる。そして、絶縁膜を薄くすれば、溶射の材料として使用する混合粉の使用量の削減、溶射の所要時間の短縮、等の効果が得られ、軸受の製造コストの削減に寄与する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図４に、酸化アルミニウムと炭化ケイ素との混合粉を溶射した絶縁膜Ａと、酸化アルミニウムと酸化チタンとの混合粉を溶射した絶縁膜Ｂとの、それぞれの膜厚に対する絶縁性能を比較したグラフを示すが、同じ膜厚で比較した場合、絶縁膜Ａは絶縁膜Ｂよりも絶縁性能に優れており、絶縁軸受として必要とされる絶縁性能（１．０で示す）を得る上で、絶縁膜Ｂが２５０μｍの膜厚を要するのに対し、絶縁膜Ａでは膜厚を約１３０μｍに薄くすることができる。尚、絶縁膜Ｂは特許文献１で用いている絶縁膜を模したものである。
　しかも炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末は、酸化アルミニウム粉末よりも熱伝導率が高いので、絶縁膜の熱伝導性の向上に寄与する。また、体積抵抗率が大きく、絶縁性能にも優れる。具体的には、表２に示すように、共に熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、体積抵抗率が１×１０１４Ω・ｃｍ以上であり、酸化アルミニウムよりも高熱伝導性で、酸化アルミニウムと同等の体積抵抗率を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　したがって、炭化ケイ素粉末または窒化アルミニウム粉末を単体で添加する場合は、混合粉に占める割合を２～４０質量％の範囲内とする。好ましくは２～２０質量％である。より好ましくは１０～２０質量％である。炭化ケイ素粉末および窒化アルミニウム粉末の両方を添加する場合は、混合粉に占める割合を合計２～４０質量％の範囲内とする。好ましくは合計２～２０質量％である。より好ましくは、合計１０～２０質量％である。
　炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の粒子が大きすぎると、溶射によって形成される絶縁膜の内部に気孔が発生し易くなり、耐電食性の低下を招く。したがって、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の平均粒径は、いずれも１０μｍ未満とする。一方で、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の粒子が小さすぎると、絶縁膜の耐摩耗性を向上する効果が得られない。したがって、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の平均粒径は、いずれも２μｍ以上５μｍ未満の範囲内が好ましい。
　このような混合粉を用いて溶射を行なうにあたって、プラズマ炎を用いることが好ましい。プラズマ炎を用いた溶射（以下、プラズマ溶射という）を行なうことによって、プラズマ炎の温度と、酸化アルミニウム粉末、炭化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末の融点と、の関係で、選択的に酸化アルミニウム粉末を溶融させ、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末を溶融させずに絶縁膜を形成することができる。したがって、絶縁膜の耐摩耗性と熱伝導性を向上する効果が発揮される。
　プラズマ溶射においては、酸化アルミニウム粉末が溶融した後、急速に冷却されて、凝固した酸化アルミニウムの結晶粒内にマイクロクラック（断面観察時に幅が０．５μｍ以下の割れ）が多数発生することが知られている。しかし本発明では、熱伝導率の高い炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末を添加した混合粉を用いてプラズマ溶射を行なうので、凝固に要する所要時間をさらに短縮することができる。その結果、マイクロクラックが発生する前に凝固を完了させることが可能となり、マイクロクラックのない絶縁膜を形成することもできる。したがって本発明では、プラズマ溶射を行なっても、絶縁膜にマイクロクラックはほとんど発生しない。なお、ここで言う「ほとんど発生しない」とは、断面観察時の、絶縁膜の面積全体に対して、マイクロクラックに相当する部分の総面積の割合（即ち、面積率）が５．０％以下のことを意味する。　
　また、溶融時に、溶射材中の炭化ケイ素及び窒化アルミニウムは溶融せず、酸化アルミニウムのみが溶融状態となるため、酸化アルミニウムの溶融物の中に炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムが粒子のまま分散したものとなる。しかも、炭化ケイ素及び窒化アルミニウムと、酸化アルミニウムとは、化学反応することもなく、単に物理的な混合状態となる。従って、このようにして形成される絶縁膜は、添加物としての炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムが酸化アルミニウムからなる母材中にほぼ均一に分散した混合物になる。炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムの量は、上記した当初の混合状態を維持するが、溶射の際に一部が飛散して絶縁膜に含まれないことも考えられる。そのため本発明では、絶縁膜中の炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムの量を、当初の混合状態よりも若干少なめに見込んで１～４０質量％の範囲とする。
　このようにして形成される絶縁膜は、比較的薄い膜厚で十分な耐電食性及び膜強度が得られる。ただし膜厚が２００μｍ以上では、熱伝導性が損なわれ、軸受を使用することによって発生する摩擦熱を放散することが困難になる。その結果、摩擦熱が軸受に蓄積され、軸受の変形や焼付き等が発生し易くなる。一方で、絶縁膜が薄すぎると、軸受に電食が発生し易くなる。したがって、絶縁膜の耐電食性と熱伝導性とを両立させる観点から、膜厚は５０μｍ以上２００μｍ未満の範囲内が好ましい。
　尚、溶射に先立ち、溶射部を治具で保護しブラスト処理等により、粗面化することが好ましい。粗面化の程度は、例えばブラスト処理後の表面粗さＲａ＝２～１０μｍが好ましく、より好ましくはＲａ＝４～８μｍである。
　本発明では、酸化アルミニウム粉末に、炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を添加した混合粉を用いて絶縁膜を形成するので、上記した膜厚の範囲で、十分な耐電食性及び膜強度を発揮することができる。そして、気孔率が小さく、かつ、そのばらつきも小さい絶縁膜が得られる。本実施形態では、絶縁膜の気孔率が１．０％～５．０％のものを得ることができる。しかも、炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の熱伝導率が大きいので、絶縁膜の熱伝導性を十分に確保することができる。
　具体的には、後述する実施例にも示すように、絶縁膜の膜厚を２００μｍ以下にしても、酸化アルミニウムのみからなる膜厚２５０μｍの絶縁膜と同等の耐電食性を有することに加え、１．３倍以上の膜強度を有する。
　一方、さらにばらつきの小さい高度な絶縁膜を得る場合は、単に混合粉末ではなく溶射粉末を造粒法で製作し溶射するのが好ましい。その場合の酸化アルミニウム粉末は平均粒径１μｍ以上５μｍ未満とし、混合する炭化ケイ素粉末や窒化アルミニウム粉末の平均粒径は２μｍ以上５μｍ未満である。これらの粉末を有機高分子結合材と純水を混合しスラリーを生成しスプレイドライヤー等で造粒し焼成する。
　さらに、絶縁膜の膜厚を上記のように比較的薄くして、高強度で、良好な耐電食性と熱伝導性を両立させることができるので、溶射の所要時間の短縮のみならず、溶射の材料となる混合粉の使用量の削減を図ることができ、その結果、軸受の製造コストを削減できる。また、封孔処理を省略できることも、製造コストの削減に寄与する。
　尚、絶縁膜を形成した後、封孔材による封孔処理を行ってもよい。封孔処理は、絶縁膜を形成した軸受を、封孔材を含有する溶液（封孔材溶液）に浸漬したり、封孔材溶液をスプレー塗布する等し、乾燥させればよい。封孔材としては、エポキシ樹脂系、シリコーン樹脂系、シリカ系封孔材の中から選定できる。また、シリカ系封孔材としては、ナトリウムけい酸塩、エチルけい酸塩などを使用することができる。
（実施例１）
　プラズマ溶射によって絶縁膜を形成する前に、軸受素材を有機溶剤で洗浄脱脂後、非溶射部を治具で保護しブラスト処理で粗面化する。
　そして、平均粒径２０μｍの酸化アルミニウム粉末に、平均粒径３μｍの炭化ケイ素粉末を添加した混合粉を用いて、プラズマ溶射を行ない、軸受の外輪の外周面に絶縁膜（膜厚１５０μｍ）を形成した。混合粉に占める炭化ケイ素粉末の割合は２０質量％とした。平均粒径は、日機装株式会社製マイクロトラックＭＴ３３００を用い、レーザ回折・散乱法にて測定したＤ５０の値である（以下の実施例も同様）。また、封孔処理を行った。これを発明例とする。
　これに対して、比較例として、平均粒径２０μｍの酸化アルミニウム粉末を用いて、プラズマ溶射を行ない、軸受の外輪の外面に絶縁膜（膜厚１５０μｍ）を形成した。また、同様に封孔処理を行った。
　これらの軸受の体積抵抗率と絶縁破壊電圧を測定した結果を表３に示す。なお、体積抵抗率はＪＩＳ規格Ｋ６９１１に準拠して測定し、絶縁破壊電圧はＪＩＳ規格Ｃ２１１０－２に準拠して測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３から明らかなように、体積抵抗率および絶縁破壊電圧は、いずれも発明例の方が良好であった。
　さらに絶縁膜の断面を走査型電子顕微鏡（倍率：３５０倍）で観察したところ、発明例では、マイクロクラックは認められなかった。一方で、比較例では、マイクロクラックが多数発生していた。
（実施例２）
　酸化アルミニウムに配合する炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムの比率を変え、絶縁破壊電圧と熱伝導率およびコストの比較を実施した。プラズマ溶射によって絶縁膜を形成する前に、供試片素材を有機溶剤で洗浄脱脂後、ブラスト処理で粗面化する。　
　そして、平均粒径２０μｍの酸化アルミニウム粉末に、平均粒径３μｍの炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を表４に示す配合比で添加した混合粉、ならびに平均粒径３μｍの酸化アルミニウム粉末と平均粒径３μｍの炭化ケイ素粉末を表４に示す配合比で添加し、スプレイドライヤーで造粒した粉末を用いて、プラズマ溶射を行ない、供試片の片端面に絶縁膜（膜厚１５０μｍ）を形成した。これを発明例とする。
　これに対して、比較例として、平均粒径２０μｍの酸化アルミニウム粉末を用いて、プラズマ溶射を行ない、片端面に絶縁膜（膜厚２５０μｍ）を形成した。
　これらの供試片の絶縁破壊電圧と熱伝導率を測定した結果を表４に示す。なお、絶縁破壊電圧はＪＩＳ規格Ｃ２１１０－２に準拠して、熱伝導率は溶射皮膜を機械的に取り出し、レーザフラッシュ法を用いて測定した。コストは比較例２を１として、材料コストと加工時間を元に比で算出し表４で比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４から明らかなように、いずれの組み合わせでも発明例は絶縁特性、熱伝導共に良い結果が得られた。ただし、絶縁特性と熱伝導を両立させることは難しく、要求品質に応じて配合比率を決定することが望ましい。
（実施例３）
　絶縁膜の膜厚を変え、絶縁性能、皮膜強度およびコストの比較を実施した。プラズマ溶射によって絶縁膜を形成する前に、供試片素材を有機溶剤で洗浄脱脂後、ブラスト処理で粗面化する。
　そして、平均粒径２０μｍの酸化アルミニウム粉末に、平均粒径３μｍの炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を表５に示す配合比で添加した混合粉を用いて、プラズマ溶射を行ない、供試片の片端面に、表５に示す膜厚にて絶縁膜を形成した。これを発明例とする。
　これに対して、比較例として、平均粒径２０μｍの酸化アルミニウム粉末を用いて、プラズマ溶射を行ない、片端面に膜厚２００μｍまたは２５０μｍの絶縁膜を形成した。
　これらの供試片の絶縁破壊電圧を測定し、材料コストと加工時間を元にコストを算出した。また、落下試験を行って絶縁膜の膜強度を測定した。そして、それぞれの項目について酸化アルミニウムからなり、かつ、絶縁膜の膜厚が２５０μｍの供試片と比較した結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５から明らかなように、発明例では、絶縁膜の膜厚を２００μｍ以下に薄くしても、膜厚を２５０μｍとした比較例と同等の絶縁性能を有する。また、発明例では、絶縁膜の膜厚を２５０μｍに厚くすると、膜厚を２５０μｍとした比較例の２倍の絶縁性能が得られる。更に、発明例では、絶縁膜が２００μｍ以下に薄くなっても、膜厚を２５０μｍとした比較例よりも１．３倍以上に膜強度が高くなっている。このように、絶縁膜を薄くできることにより低コストにもなる。
　本実施形態では、各溶射材原料粉末の「平均粒径」は、レーザ回折・散乱法にて測定したＤ５０値のことを意味しており、また、平均粒径の測定は、日機装株式会社製マイクロトラックＭＴ３３００を用いたのである。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１４年１２月２４日出願の日本特許出願（特願２０１４－２５５９９１８）、２０１５年９月１０日出願の日本特許出願（特願２０１５－１７８５３２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明の絶縁軸受は、内輪や外輪を特定の溶射膜で被覆したことにより、優れた耐電食性及び熱伝導性を有し、特にモーターや発電機等への使用に好適である。
１　外輪
２　内輪
３　転動体
４　保持器
５　絶縁膜

Claims (10)

  1. 　少なくとも一方が金属製である外輪及び内輪、前記外輪と前記内輪との間に転動自在となる複数の転動体を備え、かつ、前記外輪及び内輪の少なくとも片方を絶縁膜で被覆した絶縁軸受において、
    　前記絶縁膜が、添加物としての炭化ケイ素および／または窒化アルミニウムが酸化アルミニウムからなる母材中に分散した混合物であり、かつ、前記添加物の含有量が混合物全量の１～４０質量％であることを特徴とする絶縁軸受。
  2. 　前記絶縁膜が、炭化ケイ素粉末および／または窒化アルミニウム粉末を合計２～４０質量％含み、残部が酸化アルミニウム粉末である混合溶射材を溶射してなる溶射膜であることを特徴とする請求項１記載の絶縁軸受。
  3. 　前記混合溶射材が、平均粒径１５μｍ以上２５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加したものであることを特徴とする請求項２に記載の絶縁軸受。
  4. 　前記混合溶射材が、平均粒径１μｍ以上５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加し、スプレイドライヤーで造粒したものであることを特徴とする請求項２に記載の絶縁軸受。
  5. 　前記絶縁膜の膜厚が５０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の絶縁軸受。
  6. 　軸受の互いに同心に配置された外輪と内輪の少なくとも片方が金属製であり、かつ、絶縁膜で被覆されるコーティング方法において、
    　平均粒径が１μｍ以上３０μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径が２μｍ以上１０μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径が２μｍ以上１０μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～４０質量％となるように添加した混合溶射材を用いて溶射を行ない、前記外輪および／または前記内輪に前記絶縁膜を形成することを特徴とする軸受のコーティング方法。
  7. 　前記溶射を、プラズマ溶射で行なうことを特徴とする請求項６に記載の軸受のコーティング方法。
  8. 　前記混合溶射材が、平均粒径１５μｍ以上２５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加したものであることを特徴とする請求項６または７に記載の軸受のコーティング方法。
  9. 　前記混合溶射材が、平均粒径１μｍ以上５μｍ未満の酸化アルミニウム粉末に、平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の炭化ケイ素粉末および／または平均粒径２μｍ以上５μｍ未満の窒化アルミニウム粉末を合計２～２０質量％となるように添加し、スプレイドライヤーで造粒したものであることを特徴とする請求項６または７に記載の軸受のコーティング方法。
  10. 　前記絶縁膜の膜厚を５０μｍ以上２５０μｍ以下とすることを特徴とする請求項６～９のいずれか一項に記載の軸受のコーティング方法。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7134639B2 (ja) * 2017-03-24 2022-09-12 アクティエボラゲット・エスコーエッフ 電気絶縁層を含む転がり軸受
CN108343670A (zh) * 2018-03-05 2018-07-31 如皋市非标轴承有限公司 一种绝缘轴承
US11525479B2 (en) 2018-09-27 2022-12-13 Ntn Corporation Anti-electrolytic corrosion rolling bearing
JP7304710B2 (ja) * 2018-09-27 2023-07-07 Ntn株式会社 電食防止転がり軸受用溶射材
JP7421331B2 (ja) * 2019-12-26 2024-01-24 川崎重工業株式会社 ヘリコプターのトランスミッション構造
US11708859B2 (en) * 2021-12-15 2023-07-25 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bearing element having polymeric coating and method of application of polymeric coating to bearing element for electrical insulation
US20240076794A1 (en) * 2022-09-06 2024-03-07 Jingzeng Zhang Metallic component with a ceramic coating
CN117778938A (zh) * 2024-02-23 2024-03-29 中机凯博表面技术江苏有限公司 一种绝缘套圈及其制备方法与应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63169371A (ja) * 1986-12-29 1988-07-13 Toyota Motor Corp セラミツク溶射層の形成方法
JP2005133876A (ja) * 2003-10-31 2005-05-26 Ntn Corp 電食防止型転がり軸受
JP2007147072A (ja) * 2005-10-27 2007-06-14 Nsk Ltd 電食防止用絶縁転がり軸受及びその製造方法
JP2008050669A (ja) * 2006-08-25 2008-03-06 Nsk Ltd 電食防止用絶縁転がり軸受
JP2014185741A (ja) * 2013-03-25 2014-10-02 Nsk Ltd 電食防止転がり軸受及びその製造方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5761664A (en) * 1980-09-29 1982-04-14 Nat Res Inst Metals Ceramic-base composite powder and manufacture
US6787706B2 (en) * 2001-02-21 2004-09-07 Kyocera Corporation Ceramic circuit board
CN100427784C (zh) * 2002-10-08 2008-10-22 Ntn株式会社 电蚀防止滚动轴承
CN1706980A (zh) 2004-06-11 2005-12-14 洛阳轴承集团有限公司 滚动轴承表面绝缘层加工工艺
DE102004044597B3 (de) * 2004-09-13 2006-02-02 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur Herstellung dünner, dichter Keramikschichten
CA2504831C (en) * 2005-04-21 2010-10-19 Standard Aero Limited Wear resistant ceramic composite coatings and process for production thereof
CN101228362B (zh) 2005-10-27 2012-01-18 日本精工株式会社 防电解侵蚀的绝缘滚动轴承、其制造方法以及轴承装置
JP2008039032A (ja) * 2006-08-04 2008-02-21 Nsk Ltd 電食防止用絶縁転がり軸受
JP2007292094A (ja) * 2006-04-21 2007-11-08 Nsk Ltd 電食防止用絶縁転がり軸受
DE102009014794B3 (de) * 2009-03-28 2010-11-11 Danfoss Silicon Power Gmbh Verfahren zum Herstellen eines für Hochvoltanwendungen geeigneten festen Leistungsmoduls und damit hergestelltes Leistungsmodul
JP5720089B2 (ja) * 2009-09-18 2015-05-20 Ｊｆｅスチール株式会社 鋼矢板および鋼矢板連続壁
CN102954114A (zh) * 2011-08-23 2013-03-06 蒋炜 陶瓷轴承
DE102013104186A1 (de) * 2013-04-25 2014-10-30 Coatec Gmbh Lagerring, elektrisch isolierende Beschichtung und Verfahren zum Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63169371A (ja) * 1986-12-29 1988-07-13 Toyota Motor Corp セラミツク溶射層の形成方法
JP2005133876A (ja) * 2003-10-31 2005-05-26 Ntn Corp 電食防止型転がり軸受
JP2007147072A (ja) * 2005-10-27 2007-06-14 Nsk Ltd 電食防止用絶縁転がり軸受及びその製造方法
JP2008050669A (ja) * 2006-08-25 2008-03-06 Nsk Ltd 電食防止用絶縁転がり軸受
JP2014185741A (ja) * 2013-03-25 2014-10-02 Nsk Ltd 電食防止転がり軸受及びその製造方法

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