(57)【要約】【課題】製造コストを大幅に低減でき、多様な環境下でも損傷し難く、それと共に高い密着性を有し、かつ十分な絶縁性能を得ることができる電蝕防止用転がり軸受を提供する。【解決手段】金属製の外輪２と、複数の転動体５を介して配置された金属製の内輪３とを備え、外輪２又は内輪３の外表面２１、３１に電蝕防止用のセラミックス溶射皮膜１０がプラズマ溶射法によって形成された電蝕防止用転がり軸受１である。セラミックス溶射皮膜１０の組成を、アルミニウム酸化物の含有率：９８．０重量％〜９９．５重量％、チタン酸化物の含有率：０．５重量％〜２重量％とし、被覆している外輪２又は内輪３の外表面２１、３１の表面粗さを、Ｒａ：０．５μｍ〜２．０μｍとし、セラミックス溶射皮膜１０の膜厚を５０μｍ〜１００μｍとし、セラミックス溶射皮膜１０の体積抵抗率を１０１３Ωｃｍ〜１０１６Ωｃｍ、絶縁破壊電圧を３５ｋＶ／ｍｍ以上とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の外輪と、この外輪と複数の転動体を介して同心状に配置されて相対回転自在とされた金属製の内輪とを備え、前記外輪又は前記内輪の外表面に電蝕防止用のセラミックス溶射皮膜がプラズマ溶射法によって形成された電蝕防止用転がり軸受であって、
前記セラミックス溶射皮膜は、アルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料からなり、アルミニウム酸化物の含有率は９８．０重量％〜９９．５重量％とされると共にチタン酸化物の含有率は０．５重量％〜２重量％とされ、
前記セラミックス溶射皮膜で被覆されている前記外輪又は前記内輪の外表面の表面粗さがＲａ：０．５μｍ〜２．０μｍとされ、当該セラミックス溶射皮膜の膜厚は５０μｍ〜１００μｍとされ、当該セラミックス溶射皮膜には有機系樹脂による封孔処理が施され、当該セラミックス溶射皮膜の体積抵抗率が１０１３Ωｃｍ〜１０１６Ωｃｍであることを特徴とする電蝕防止用転がり軸受。
【請求項２】
前記セラミックス溶射皮膜の前記封孔処理後に施される仕上げ処理後の表面粗さがＲａ：１μｍ未満であり、かつスキューネスＲｓｋが０未満であることを特徴とする請求項１に記載の電蝕防止用転がり軸受。
【請求項３】
前記セラミックス溶射皮膜は、平均粒径が３μｍ〜１５μｍのセラミックス粉末を溶射することによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電蝕防止用転がり軸受。
【請求項４】
前記セラミックス溶射皮膜の単位膜厚あたりの絶縁破壊電圧が３５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電蝕防止用転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関するものであり、特に鉄道車両の電動モータ等で生じる電流による電蝕をセラミックス溶射皮膜を被覆することで防止した電蝕防止用転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の電動モータの回転軸等の軸受として、金属製の外輪と、この外輪の径方向内側で転動体を介して当該外輪と同心状に配置された金属製の内輪とを備えた転がり軸受が一般に用いられている。鉄道車両の電動モータ、発電機、電気機器の回転軸を支承する転がり軸受には、電動モータ等で生じた電流が外輪、転動体、内輪を伝って流れる。転がり軸受を流れる電流は、転動体と内外輪の接触面でスパークを起こし、電流の通路となる外輪、転動体、内輪に電蝕が生じる。電蝕は転がり軸受の性能を低下させるばかりでなく、寿命減少の要因となる。
【０００３】
転がり軸受の例えば外輪とこれを支持するハウジングとの間を絶縁し、転がり軸受に電流が流れないようにすることで電蝕による寿命の低下を防ぐことができる。それには、ハウジングに接触する転がり軸受の外輪の外表面を絶縁材で被覆すればよい。絶縁材としてはセラミックス材料が好適であり、セラミックス材料で被覆するために、転がり軸受の外輪の外表面に溶射法によってセラミックス皮膜を形成することが行われている。
【０００４】
特許文献１及び特許文献２には、転がり軸受の外輪の外表面を粗面化し、その表面に０．１５〜０．４５ｍｍのセラミックス溶射皮膜を形成している電蝕防止転がり軸受が記載されている。外輪の外表面に、アルミニウム酸化物及びチタン酸化物が含まれたグレイアルミナからなるセラミックス溶射皮膜を所定の薄さで形成した転がり軸受も知られている（特許文献３）。外輪の外表面に、アルミナを主成分とし、酸化チタンの含有量を０．０１〜０．２重量％としたセラミックス溶射皮膜を形成した転がり軸受が知られている（特許文献４）。この従来技術では、セラミックス溶射皮膜を形成するためのセラミックス粉末の粒径を１０〜５０μｍとしている。
【０００５】
特許文献５の転がり軸受では、外輪の外表面に、気孔率：２〜６％のセラミックス溶射皮膜を形成して、さらに有機系の封孔剤を充填している。特許文献６に記載された転がり軸受では、ハウジングに取り付けられる外輪の表面を、セラミックス製の被覆層とその上の２層の金属層で被覆している。特許文献７には、転がり軸受の外輪の外表面をＲａで１．０〜３．０μｍに粗面化して、粗面化された表面にセラミックス皮膜を形成した転がり軸受が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１１７６０７号公報
【特許文献２】特開２００７−１７０６７３号公報
【特許文献３】特開２００９−２９９９０４号公報
【特許文献４】特開２００７−１４７０７２号公報
【特許文献５】特開２００８−５０６６９号公報
【特許文献６】特開２００２−１８１０５４号公報
【特許文献７】特開２００８−３２１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１及び特許文献２の転がり軸受では、外輪の外表面を粗面化し０．１５ｍｍ〜０．４５ｍｍの膜厚を有するセラミックス溶射皮膜を形成しているが、当該範囲の膜厚までセラミックス溶射皮膜を形成するのでは十分な製造コスト低減の効果を得ることができない。また、このような膜厚の影響により、温度差の大きい使用環境下において転がり軸受の外輪との間で生じる剪断応力や、皮膜内部の残留応力の影響による機械的強度の低下により、皮膜の剥離や割れ等の損傷に繋がるおそれがある。仮に、セラミックス溶射皮膜の膜厚を小さくするだけであれば、絶縁性が低下するばかりでなく皮膜が損傷し易くなる。アルミニウム酸化物及びチタン酸化物が含まれたグレイアルミナからなるセラミック溶射皮膜を形成した特許文献３の転がり軸受の場合、皮膜の膜厚が０．１ｍｍ〜０．８ｍｍとされており、グレイアルミナを採用しているにも関わらず製造コストの低減効果が十分とはいえず、セラミック溶射皮膜の剥離という問題もある。
【０００８】
セラミック粉末の粒径を１０〜５０μｍとした特許文献４、及びセラミック溶射皮膜に有機系の封孔剤を充填することで、絶縁抵抗のばらつきを抑えるとしている特許文献５の転がり軸受では、セラミックス溶射皮膜の膜厚は０．４ｍｍ程度であるため高コストであり、それに加えて外輪とセラミックス溶射皮膜の密着性が低い。セラミックス溶射皮膜と金属層からなる３層構造とした特許文献６の転がり軸受では、金属層を設けるための工程を要するため高コストである。転がり軸受の外輪の外表面をＲａ：１．０〜３．０μｍに粗面化した特許文献７の転がり軸受では、密着性を得ることはできても、膜厚が大きく特許文献１等と同様、高コスト等の問題がある。また、特に高電流が流れる環境下では絶縁性能が不十分となり電蝕が生じて、低寿命を招くといった欠点もある。
【０００９】
そこで本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、製造コストを大幅に低減でき、多様な環境下でも損傷し難く、それと共に高い密着性を有しかつ十分な絶縁性能を得ることができる電蝕防止用転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、次の技術的手段を講じた。即ち本発明の電蝕防止用転がり軸受は、金属製の外輪と、この外輪と複数の転動体を介して同心状に配置されて相対回転自在とされた金属製の内輪とを備え、前記外輪又は前記内輪の外表面に電蝕防止用のセラミックス溶射皮膜がプラズマ溶射法によって形成された電蝕防止用転がり軸受であって、前記セラミックス溶射皮膜は、アルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料からなり、アルミニウム酸化物の含有率は９８．０重量％〜９９．５重量％とされると共にチタン酸化物の含有率は０．５重量％〜２重量％とされ、前記セラミックス溶射皮膜で被覆されている前記外輪又は前記内輪の外表面の溶射前の表面粗さがＲａ：０．５μｍ〜２．０μｍとされ、当該セラミックス溶射皮膜の膜厚は５０μｍ〜１００μｍとされ、当該セラミックス溶射皮膜には有機系樹脂による封孔処理が施され、当該セラミックス溶射皮膜の体積抵抗率が１０１３Ωｃｍ〜１０１６Ωｃｍであることを特徴とする電蝕防止用転がり軸受である。
【００１１】
上記の本発明によれば、セラミックス溶射皮膜は、アルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料からなるため、溶射の際の成膜効率が高く、低コストで成膜可能である。セラミックス溶射皮膜中のアルミニウム酸化物の含有率は９８．０重量％〜９９．５重量％とされると共に、チタン酸化物の含有率は０．５重量％〜２重量％とされているため、通常のアルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料よりも高い絶縁性能を維持でき、１０１３Ωｃｍ〜１０１６Ωｃｍの体積抵抗率を達成できる。セラミックス溶射皮膜で被覆されている外輪又は内輪の外表面の表面粗さがＲａ：０．５μｍ〜２．０μｍとされているため、セラミックス溶射皮膜との高い密着性を得ることができる。セラミックス溶射皮膜の膜厚が５０μｍ〜１００μｍとされており、製造コストの低減効果が大きく、また、温度差の大きい使用環境下において転がり軸受の外輪との間で生じる剪断応力や、皮膜内部の残留応力の影響による機械的強度の低下が起こり難く、皮膜の剥離や割れ等の損傷を招かないようにすることができる。
【００１２】
前記セラミックス溶射皮膜の前記封孔処理後に施される仕上げ処理後の表面粗さをＲａ：１μｍ未満とし、かつスキューネスＲｓｋを０未満に調整することが好ましい。仕上げ処理後の表面粗さをＲａ：１μｍ未満とし、表面の凹凸の目安となるスキューネスＲｓｋを０未満としているため、表面に突起が少ない。そのため、電流が流れたときに表面上で生じる電界集中の点在を少なくでき、絶縁破壊性を格段に高めることができる。
【００１３】
前記セラミックス溶射皮膜は平均粒径が３μｍ〜１５μｍのセラミックス粉末を溶射することによって形成されていることが好ましい。平均粒径が小さすぎると、成膜時におけるセラミックス粉末の流動性が低下して安定した供給ができず、厚みが不均一となりやすい。平均粒径が大きすぎると、完全に溶融しないまま成膜される部分が生じてしまい、過度に多孔質化されて封孔剤の充填が難しくなり、絶縁性能が低下する。
【００１４】
上記のセラミックス溶射皮膜の単位膜厚あたりの絶縁破壊電圧を３５ｋＶ／ｍｍ以上に調整すれば、転がり軸受に高電流が流れた場合であっても、セラミックス溶射皮膜の絶縁破壊は起こらず、耐久性を格段に高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記の通り本発明によれば、溶射の際の成膜効率が高く、皮膜の膜厚が薄いので製造コストを大幅に低減できる。チタン酸化物を低含有率としているため高い絶縁性能を維持できる。外輪又は内輪の外表面の表面粗さを小さくしているので、皮膜との高い密着性を得ることができる。セラミックス溶射皮膜の膜厚が薄いため、外輪又は内輪との間で生じる剪断応力や皮膜内部の残留応力の影響による機械的強度の低下が起こり難く、皮膜の割れや剥離等による損傷を招かないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】外輪にセラミックス溶射皮膜を形成した本発明の一実施形態に係る電蝕防止用転がり軸受の断面図である。
【図２】内輪にセラミックス溶射皮膜を形成した他の実施形態に係る電蝕防止用転がり軸受の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る電蝕防止用転がり軸受１の断面図である。電蝕防止用転がり軸受１は、転動体として玉を使った玉軸受であり、リング状の金属製の外輪２と、外輪２と同心状に配置されて相対回転自在とされたリング状の金属製の内輪３と、外輪２と内輪３間に配置されているリング状の保持器４と、保持器４に保持されている複数の転動体５とで主に構成されている。なお、本発明はこの実施形態に限定されず、他の形状、形式又は他の部材が設けられたあらゆる電蝕防止用転がり軸受に適用される。他の電蝕防止用転がり軸受としては、例えば円錐ころ軸受、円筒ころ軸受等が挙げられる。
【００１８】
外輪２の内周には、断面円弧状の外輪側軌道面２ａが形成され、外輪側軌道面２ａの両側に、外輪側小径部２ｂ等が形成されている。内輪３の外周には、断面円弧状の内輪側軌道面３ａが形成され、内輪側軌道面３ａの両側に、内輪側小径部３ｂ等が形成されている。保持器４は円周方向に複数のポケット部４ａを有しており、各ポケット部４ａに、金属製で球形状の転動体５が回転可能に保持されている。外輪２に対し内輪３が回転すると、外輪側軌道面２ａおよび内輪側軌道面３ａ上を複数の転動体５が転動し、転動体５は内輪３の回転方向と同方向へ移動する。複数の転動体５を保持する保持器４も転動体５と同方向へ移動する。
【００１９】
電蝕防止用転がり軸受１は、主に車両の電動モータ、発電機、電気機器の回転軸を支承する転がり軸受に適用され、電動モータ等で生じた電流が外輪２、転動体５、内輪３を伝って流れる場合に、電蝕防止用転がり軸受１に電蝕を生じないようにする転がり軸受である。電蝕防止用転がり軸受１を取り付けるための図示しないハウジングに、外輪２が接触した状態で固定される。ハウジングへの接触部分である外輪２の外表面２１の全体に絶縁機能が付与されている。外輪２の外表面２１を絶縁状態とすることで、電蝕防止用転がり軸受１に電流が流れなくなり電蝕を防ぐことができる。
【００２０】
このような電蝕防止のため、外輪２の外表面２１には絶縁層であるセラミックス溶射皮膜１０が形成されている。なお、本実施形態ではセラミックス溶射皮膜１０を外輪２に形成しているが、図２に示すように内輪３の外表面３１に同様のセラミックス溶射皮膜を形成してもよい。この場合には、内輪３の外表面３１が図示しない回転軸に接触する。溶射皮膜を形成するためのセラミックス材料として、一般に、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３・ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３・ＭｇＯなどが知られている。その中でも、本実施形態のセラミックス溶射皮膜１０を構成するセラミックスとして、アルミニウム酸化物やチタン酸化物等を主成分とする材料を用いることができる。より具体的には、グレイアルミナ（Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２）、アルミナ・イットリア（３Ａｌ２Ｏ３・５Ｙ２Ｏ３）、アルミナ・マグネシア（Ｍｇ・Ａｌ２Ｏ４）、アルミナ・シリカ（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）等を挙げることができる。特に、アルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とするグレイアルミナが好適である。
【００２１】
電蝕防止用のセラミックス溶射皮膜の材料として、絶縁破壊電圧及び体積抵抗率の高いホワイトアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が知られている。上記のグレイアルミナ（Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２）には、導電物質であるチタン酸化物が含有されており、グレイアルミナの体積抵抗率はホワイトアルミナよりも低く、絶縁破壊電圧もホワイトアルミナより小さい。一方で、グレイアルミナを選択する利点として、成膜効率が挙げられる。チタン酸化物（ＴｉＯ２）の融点はホワイトアルミナよりも低い。そのため、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）が１００％である場合よりも、チタン酸化物（ＴｉＯ２）を含有させた方が、金属基材に対して付着し易く、均一な皮膜を形成しやすい。そのため、グレイアルミナを選択した場合の方が歩留まりがよく、製造コストを低減することができる。
【００２２】
従って、絶縁破壊電圧及び体積抵抗率の性能面と、コスト面のバランスを考慮してセラミックス溶射皮膜の材料を選択する必要があり、本実施形態ではアルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料であるグレイアルミナが最も好適に用いられる。絶縁破壊電圧及び体積抵抗率の性能面を損なわず、低コストを実現できる配合割合として、セラミックス溶射皮膜中のアルミニウム酸化物の含有率を９８．０重量％〜９９．５重量％とし、チタン酸化物の含有率を０．５重量％〜２重量％とする。さらに好ましくは、セラミックス溶射皮膜中のチタン酸化物の含有率を０．５〜１重量％未満とする。
【００２３】
セラミックス溶射皮膜中に少なくともチタン酸化物を含有させるのは、上述のとおり製造コスト面を考慮し、アルミニウム酸化物を多量に含ませるのは、高い絶縁破壊電圧及び高い体積抵抗率を維持するためである。つまり、チタン酸化物の含有率を最大でも２重量％とすることによって、導電物質であるチタン酸化物による絶縁性能の低下を抑えている。それに加えて、チタン酸化物の含有率をかかる配合割合にとどめることによって、高い体積抵抗率が得られるようになっている。具体的には、１０１３Ωｃｍ〜１０１６Ωｃｍの体積抵抗率を達成している。これにより、高い絶縁性能と、良好な体積抵抗率を維持でき、同時に製造コストを低減することができる。
【００２４】
セラミックス溶射皮膜の膜厚を調整することは本発明において特に重要である。本実施形態の膜厚は５０μｍ〜１００μｍとしており、従来よりも極めて薄いセラミックス溶射皮膜を形成している。膜厚のより好ましい範囲は７０μｍ〜８５μｍである。外輪２又は内輪３の外表面２１、３１に形成するセラミックス溶射皮膜１０を極めて薄くすることで次のような利点がある。セラミックス溶射皮膜１０の成膜工程では、対象とする金属基材の被成膜面の全面にセラミックス粉末をくまなく吹き付ける工程に最も長い時間を要し、当然のことながら膜厚が厚くなるだけ、溶射時間も長くなる。膜厚を本実施系形態の程度まで薄くできれば、従来よりも成膜時間を大幅に短縮でき、製造コストの低減効果が極めて大きい。
【００２５】
さらに鉄道車両の電動モータ等の温度差が大きい使用環境下では、電蝕防止用転がり軸受１の外輪２又は内輪３と、セラミックス溶射皮膜１０との界面に強い剪断応力が生じる場合がある。剪断応力は、外輪２又は内輪３からセラミックス溶射皮膜１０を引きはがそうという力となり皮膜の剥離を招く。また、セラミックス溶射皮膜１０の内部には、成膜時に発生する熱収縮による残留応力が存在し、その残留応力の影響により機械的強度が下がり耐衝撃性の低下を招く場合もある。
【００２６】
これらの点に関し、本実施形態のセラミックス溶射皮膜１０の膜厚は５０μｍ〜１００μｍとして極めて薄い皮膜となっており剪断応力が小さく、皮膜の剥離が生じ難い。また、成膜時の残留応力も小さいことから機械的強度の低下を招き難い。従って、皮膜の剥離や割れ等の損傷を起こさないようにすることができる。セラミックス溶射皮膜１０の膜厚の上限を１００μｍとした意義は以上のとおりであり、膜厚の下限を５０μｍとしたのは、これよりも薄い膜厚とすると絶縁性能を維持できないからである。なお、セラミックス溶射皮膜１０の膜厚を制御するには例えば成膜時間を調整すればよい。
【００２７】
セラミックス溶射皮膜１０には気孔を塞ぐための封孔処理が施されている。溶射皮膜は一般にその原理上、気孔を有しており、溶射皮膜が有する気孔の構造によっては、気体や液体が、被覆されている基材まで浸透する場合がある。封孔処理を施さなければ、気孔に例えば水が入り込んで絶縁性能を低下させる。封孔剤は、溶射層の気孔を封孔するばかりでなく、封孔処理後の皮膜の密着力を維持する働きも有する。本実施形態では、セラミックス溶射皮膜１０の気孔率を６％以下としている。セラミックス溶射皮膜１０の気孔率を６％よりも大きくすると、封孔剤が十分に充填しない場合があり、封孔剤の働きが発揮されなくなる。気孔率の制御はセラミックス粉末の粒度の調整の他、溶射ガンと被処理体である外輪２又は内輪３の外表面２１、３１との間の距離、溶射雰囲気の圧力の調整等によって行うことができる。
【００２８】
封孔処理用の有機系樹脂としては、セラミックス溶射皮膜１０の気孔に侵入できるような流動性のある樹脂であればよい。選択の際には、合成樹脂の平均分子量及び粘度が考慮される。合成樹脂には、例えばビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ポリグリシジル（メタ）アクリレート等のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素系樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、メラミン樹脂など公知の合成樹脂を用いることができる。これらは、単独で又は２種以上を混合して用いることができる。
【００２９】
セラミックス溶射皮膜１０は平均粒径が３μｍ〜１５μｍのセラミックス粉末を溶射することによって形成されている。平均粒径が３μｍ〜１５μｍのセラミックス粉末を溶射することで、溶射層の気孔率を６％以下に制御でき、気孔の大きさのばらつきを抑えることができる。本実施形態のように粒径が小さいセラミックス粉末を用いることにより、気孔が小さく、かつ気孔の大きさが均一なセラミックス溶射皮膜１０が得られる。気孔の大きさを均一にできれば、封孔剤の充填度合を良好にでき、絶縁性能のばらつきを抑える面から有利となる。
【００３０】
セラミックス粉末の平均粒径は小さいことが望ましいが、小さすぎると、溶射皮膜を形成する溶射工程でセラミックス粉末の流動性が低下して安定供給できないおそれがある。セラミックス粉末の搬送にむらができれば、皮膜の強度にばらつきが生じやすく、厚みが不均一となり易い。このような観点から、平均粒径が３μｍ〜１５μｍの範囲、より好ましくは３μｍ〜１２μｍにあるセラミックス粉末を用いることが好ましい。セラミックス粉末の平均粒径が１５μｍを超えると、完全に溶融しないまま成膜される部分が生じてしまい、過度に多孔質化されて封孔剤の充填が難しくなり、絶縁性能が低下する。
【００３１】
セラミックス溶射皮膜１０に有機系樹脂による封孔処理を施した後、研磨加工等の仕上げ処理を施し、表面粗さがＲａ：１μｍ未満、かつスキューネスＲｓｋが０未満となるように表面性状を制御している。
【００３２】
セラミックス溶射皮膜１０の表面性状に関して、ＪＩＳＢ０６００に規定する算術平均粗さ（Ｒａ）と、ＪＩＳＢ０６０１に規定されているスキューネスＲｓｋを指標としている。スキューネスＲｓｋは、基準長さにおける高さ偏差の三乗平均を二乗平均平方根の３乗で割った物理量である。スキューネスＲｓｋは表面の凹凸の差異を表現する数学的指標であり、対象となる面の凹凸の対称性を示す目安になる。スキューネスＲｓｋの値は、研磨後に表面に残留した少数の突起及び谷の存在に大きく影響される。スキューネスＲｓｋは、表面に鋭い突起が存在し、表面粗さの凸面積が大きい場合にはプラスの値になり、突起と谷が対称な場合には０に近づき、下に鋭く陥没する凹が多く、表面粗さの凹面積が大きい場合にはマイナスの値を示す。従って、表面粗さをＲａ：１μｍ未満、かつスキューネスＲｓｋを０未満とする電蝕防止用転がり軸受１の外輪２又は内輪３は、鋭い突起が極めて少ない表面性状を有している。
【００３３】
表面性状を、溶射時のセラミックス粉末の粒径を調整することによって制御してもよい。セラミックス溶射皮膜１０は、熱源中にセラミック粉末を供給し、これを加熱して溶融させつつ外輪２又は内輪３の外表面２１、３１に吹き付け、溶融粒子を堆積させて得られる。セラミック粉末は数万個単位で、連続して熱源中へ供給され、結果的には扁平度の異なる粒子が無秩序に堆積する。研磨加工の他、本実施形態のように平均粒径が３μｍ〜１５μｍの範囲のセラミック粉末を用いることによって、表面粗さ（Ｒａ）とスキューネスＲｓｋが上記の値を示すように制御することができる。さらに有機系樹脂による封孔処理を行うことによって表面粗さＲａとスキューネスＲｓｋが容易に上記の値を示すようになる。
【００３４】
溶射皮膜の表面に突起が多ければ、電蝕防止用転がり軸受１に電流が流れようとしたときに、その突起に優先的に電圧がかかり、電界集中の箇所が点在することになる。本実施形態のように表面粗さがＲａ：１μｍ未満、かつスキューネスＲｓｋが０未満となる表面性状を有する外輪２又は内輪３とすることで、皮膜表面の鋭く尖った突起が少なくなり、表面上で生じる電界集中の点在を少なくでき、絶縁破壊性を格段に高めることができる。これにより、セラミックス溶射皮膜１０の単位膜厚あたりの絶縁破壊電圧を３５ｋＶ／ｍｍ以上とすることができる。
【００３５】
セラミックス溶射皮膜１０は、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法、ガスフレーム溶射法、アーク溶射法、水プラズマ溶射法、電気アーク溶射法、爆発溶射法の何れかによって形成する。これら各種の溶射法を用いることによって、耐久性に優れ、かつ高品質のセラミックス溶射皮膜１０を得ることができる。各溶射法による成膜条件は、基材、原料粉末、膜厚、製造環境などに応じて適宜設定すればよい。
【００３６】
このうちプラズマ溶射法は、電気エネルギーを熱源とする溶射法であり、プラズマの発生源としてアルゴンや水素などを利用して成膜するものである。熱源温度が高く、フレーム速度が速いことから高融点のセラミックス材料を緻密に成膜することが可能であり、セラミックス溶射皮膜１０の製造方法として適している。
【００３７】
セラミックス溶射皮膜１０を得るための工程の一例を挙げると、基材である外輪２又は内輪３の外表面２１、３１の清浄化処理、外表面２１、３１のブラスト加工による粗面化処理、アンダーコート処理、トップコートであるセラミックス溶射皮膜１０の溶射、セラミックス溶射皮膜１０の表層の封孔処理、表面研磨処理をこの順に従って行う。溶射材料の違いによってアンダーコート処理が省かれることや、予熱工程などの他の工程が含まれる場合もある。
【００３８】
ブラスト加工の前に、外輪２又は内輪３の外表面２１、３１に付着している油脂、鉄さび等を、脱脂、酸洗、サンドブラスト処理などによって除去する。次いで、清浄化された外輪２又は内輪３の外表面２１、３１にＳｉＣ粒子やＡｌ２Ｏ３粒子等の硬質研削粒子を圧縮空気を駆動源としてブラスト加工を行い、表面粗さＲａが０．５μｍ〜２．０μｍとなるように粗面化状態とする。後の溶射時において、溶融状態の微粒子が吹き付けられた際に粗面化された形状に沿って物理的に良好に噛み合うため、以上のように粗面化された外輪２又は内輪３の外表面２１、３１は溶射皮膜の密着力を上げるのに有効に作用する。アンダーコートは、外輪２又は内輪３の外表面２１、３１とセラミックス溶射皮膜１０との密着性を向上させ、皮膜の剥離や割れを防止する。
【００３９】
アンダーコートは必ずしも設ける必要はなく、セラミックス粉末を外輪２又は内輪３に直に溶射して成膜する場合には、セラミックス粉末が完全に溶融できるような溶射条件を採用すればよい。そのためには、セラミックス粉末の平均粒径を本実施形態のように３μｍ〜１５μｍの範囲として、かつプラズマ熱源、及びプラズマ粒子の飛行速度等を適正化すればよい。
【００４０】
以上説明したように電蝕防止用転がり軸受１の外輪２の外表面２１又は内輪３の外表面３１にセラミックス溶射皮膜１０が形成されているため、例えば鉄道車両用の電動モータの回転軸、発電機の回転軸で高い電圧が生じても、この回転軸を支持する当該転がり軸受１は電蝕防止効果を十分に発揮できる。なお本実施形態では、電蝕防止用転がり軸受１の外輪２又は内輪３にセラミックス溶射皮膜１０を単層構造で設けるものとしたが、異なるセラミックス溶射皮膜を複層とすること、又はセラミックス溶射皮膜の上層に他の金属層を設けてもよい。
【００４１】
上記本実施形態の電蝕防止用転がり軸受１によれば、セラミックス溶射皮膜１０がアルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料からなるため、溶射の際の成膜効率が高く、低コストで成膜可能である。セラミックス溶射皮膜１０中のアルミニウム酸化物の含有率は９８．０重量％〜９９．５重量％とされると共に、チタン酸化物の含有率は０．５重量％〜２重量％とされているため、通常のアルミニウム酸化物及びチタン酸化物を主成分とする材料よりも高い絶縁性能を維持でき、１０１３Ωｃｍ〜１０１６Ωｃｍの体積抵抗率を達成できる。セラミックス溶射皮膜１０で被覆されている外輪２又は内輪３の外表面２１、３１の表面粗さがＲａ：０．５μｍ〜２．０μｍとされているため、セラミックス溶射皮膜１０との高い密着性を得ることができる。セラミックス溶射皮膜１０の膜厚が５０μｍ〜１００μｍとされており、製造コストの低減効果が大きく、また、温度差の大きい使用環境下において転がり軸受の外輪２又は内輪３との間で生じる剪断応力や、皮膜内部の残留応力の影響による機械的強度の低下が起こり難く、皮膜の剥離や割れ等の損傷を招かないようにすることができる。これにより、製造コストを大幅に低減でき、多様な環境下でも損傷し難く、それと共に高い密着性を有し、かつ十分な絶縁性能を発現させることができる。
【００４２】
また、仕上げ処理後の表面粗さをＲａ：１μｍ未満とし、表面の凹凸の目安となるスキューネスＲｓｋを０未満としているため、表面に突起が少ない。そのため、電流が流れたときに表面上で生じる電界集中の点在を少なくでき、絶縁破壊性を格段に高めることができる。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。本発明はこれら実施例に限定されるものではない。上記の実施形態に準じて金属基材の表面に、組成、原料であるセラミックス粉末の粒子径、膜厚、封孔処理、基材表面粗さ、成膜後表面粗さ、及び体積抵抗率を変えた試験片を製作して絶縁破壊性を評価した。絶縁破壊性の評価は絶縁破壊試験を実施し、絶縁破壊電圧を計測して行った。
【００４４】
絶縁破壊試験法は次のとおりである。８０×８０ｍｍのアルミホイルを試験片の成膜している表面上の中央に置き、アルミホイルと試験片裏面の間に電圧を印加する。０ｋＶから皮膜が破壊するまで序々に電圧を上げていき、破壊する直前の電圧の値を読み取った。これを膜厚で割った値を単位厚み当たりの絶縁破壊電圧とした。耐電圧試験器として菊水電子工業（株）製のＴＯＳ−５１０１を用いた。
【００４５】
膜厚は（株）ミツトヨ製の標準外側マイクロメータＭ１００を用いて測定し、表面粗さは（株）東京精密サーフコム製の２８００Ｇを用いて測定した。体積抵抗率の測定方法は次のとおりである。８０×８０ｍｍのアルミホイルを試験片の成膜している表面上の中央に置き、アルミホイルと試験片裏面の間に電圧を印加する。その電圧をその際に流れた電流で割ることにより抵抗値Ｒを算出する。体積抵抗率ρは、面積Ｓ（８×８ｃｍ）、膜厚ｄ（ｃｍ）を用いて下記のように表される。体積抵抗率の測定に使用した装置は（株）ムサシインテック社製の直流耐電圧試験器ＩＰ−７０１Ｇである。
ρ＝Ｒ×（Ｓ／ｄ）  単位：Ωｃｍ
【００４６】
１００×１００×１０ｍｍのＳＳ４００製の平板の片面をまずブラスト加工によって粗面化処理し、その後セラミックス溶射を行い、成膜した表層に封孔処理を施し、最後に研磨仕上げを行って試験片を作製した。封孔処理無しの比較例では、セラミックス溶射の後、研磨仕上げを行った。粗面化処理はアルミナグリッドブラスト加工によって行い、封孔処理はエポキシ系封孔剤塗布後、焼成して行い、最後の研磨仕上げは平面研磨機を用いて行った。皮膜の体積抵抗率及び絶縁破壊電圧は基材の形状には殆ど影響されず、均一な条件を得やすい平板状の試験片で比較した方がより厳密な評価結果となるからである。
【００４７】
溶射条件は次のとおりである。溶射法：プラズマ溶射法、電流値：６００Ａ、アルゴンガス流量：４０ＮＬＰＭ、水素ガス流量：８．５ＮＬＰＭ、溶射距離：１００ｍｍ、ラダースキャン（ガン送り速度：６００ｍｍ／ｓｅｃ、３ｍｍピッチ）。
【００４８】
各実施例及び比較例の組成（チタニア含有率）、セラミックス粉末の粒子径、膜厚、封孔処理の有無、基材表面粗さ、成膜後表面粗さ、体積抵抗率、絶縁破壊試験の結果を表１に示す。絶縁破壊試験の結果は、絶縁破壊電圧（ｋＶ）と、単位厚み当たりの絶縁破壊電圧（ｋＶ／ｍｍ）で表す。表１において基材表面粗さとは、平板の片面をブラスト加工によって粗面化処理した後の粗さであり、成膜後の表面粗さとは、成膜した表層に封孔処理を施し、研磨仕上げを行った後の表面粗さである。封孔処理無しの場合では、成膜した表面を研磨仕上げした後の表面粗さである。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
実施例１〜実施例７ではいずれも単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が高かった。比較例１では単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が低い。比較例２では膜厚が薄く、単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が低い。封孔処理を施していない比較例３では、大気中の水分を含みやすく、絶縁破壊し易い傾向が見られた。基材表面粗さが小さい比較例４では、密着性が低く成膜中に剥離した。比較例５では基材の表面粗さが大きく、単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が低い。電界集中の発生が原因と考えられる。成膜後の表面粗さが大きい比較例６では単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が高いものの、皮膜表面に電界集中の痕跡が見られた。比較例７ではセラミックス粉末の粒子径が小さすぎて、皮膜が緻密となり取り扱い中にクラックが生じた。比較例８では成膜後の表面粗さが大きく、単位厚み当たりの絶縁破壊電圧が低い。電界集中の発生が原因と考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１  電蝕防止用転がり軸受
２  外輪
３  内輪
５  転動体
２１  外輪の外表面
３１  内輪の外表面
【図１】
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【図２】
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