(57)【要約】      （修正有）【課題】電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境であっても、要求寿命を低コストで達成できる転がり軸受を提供する【解決手段】転がり軸受１において、前記転がり軸受は外輪２と内輪３と転動体４を有し、前記外輪と内輪の少なくとも１つは、軌道面側の軌道面層２ａ、３ａと周面側の周面層２ｂ、３ｂを有し、前記軌道面層と前記周面層は、窒化珪素の異なる原料粉末からなり、前記軌道面層に含まれるＦｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であり、軌道面層の厚み（表面からの深さ）が転動体半径の３０％以上５０％以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受において、前記転がり軸受は外輪と内輪と転動体を有し、前記外輪の内輪の少なくとも１つは、軌道面側の軌道面層と周面側の周面層を有し、前記軌道面層と前記周面層は、窒化珪素の異なる原料粉末からなり、前記軌道面層に含まれるＦｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であり、軌道面層の厚み（表面からの深さ）が転動体半径の３０％以上５０％以下であることを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関し、特に、電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械、電車）や、耐食性が要求されるような特殊環境（水中・酸性・アルカリ性環境）に用いる転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンファンモータ等のモータは、省エネ化のためにインバータ制御されていることが多い。しかし、インバータ回路から高周波の電流が発生してモータ内の軸受の内外輪や転動体にも流れ込むことがあり、それにより転動面（レース面）に電食が発生することがある。
電食を防止するために様々な提案がなされており、例えば、軌道輪の軌道面に合成樹脂や熱可塑性エラストマー、合成ゴムからなる絶縁層を設けることが提案されている。
【０００３】
しかし、前記のような素材を用いた絶縁層は、摩耗しやすい為、特許文献１の様に、外輪と内輪の周面側に鋼の層を有し、軌道面側にジルコニウム材の層を有する転がり軸受が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４７３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、欠陥の少ない凝集層の範囲が、転がり疲労時に作用するせん断応力を考慮しておらず、その危険体積内で必要強度を満たさずに高荷重が負荷される過酷な環境下においては短寿命はく離を引き起こす可能性がある。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境であっても、要求寿命を低コストで達成できる転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の請求項１に係る転がり軸受は、外輪と内輪と転動体を有し、前記外輪の内輪の少なくとも１つは、軌道面側の軌道面層と周面側の周面層を有し、前記軌道面層と前記周面層は、窒化珪素の異なる原料粉末からなり、前記軌道面層に含まれるＦｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であり、軌道面層の厚み（表面からの深さ）が転動体半径の３０％以上５０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上述のように、本発明に係る転がり軸受によれば、電食が発生しやすい場所、例えばインバータモータ（エアコン、風車、工作機械）や、耐食性が要求されるような特殊環境であっても、要求寿命を低コストで達成できる転がり軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る転がり軸受の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る軌道面層深さの玉半径に対する比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る軌道面層中のＦｅ含有量と寿命比の関係を示す図である。
【図４】本発明に係る軌道面層中のＡｌ含有量と寿命比の関係を示す図である。
【図５】本発明に係る軌道面層中のＣａ含有量と寿命比の関係を示す図である。
【図６】本発明品の作成方法を示す図である。
【図７】本発明に係る軌道面層深さの玉半径に対する比率と寿命比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る転がり軸受の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る転がり軸受１の構成を示す断面図である。
【００１０】
＜転がり軸受＞
本実施形態の転がり軸受１は、外輪２と内輪３と転動体４を有し、前記外輪２の内輪３の少なくとも１つは、軌道面側の軌道面層２ａ、３ａと周面側の周面層２ｂ、３ｂを有し、前記軌道面層２ａ、３ａと前記周面層２ｂ、３ｂは、窒化珪素の異なる原料粉末からなり、前記軌道面層２ａ、３ａに含まれるＦｅの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ａｌの含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａの含有量が１０ｐｐｍ以下であり、軌道面層の厚み（表面からの深さ）が転動体半径の３０％以上５０％以下である。なお、前記周面層は、外輪の場合は外周面側に、内輪の場合は内周面側にある。
【００１１】
＜数値限定理由＞
＜軌道面層が高純度粉末による窒化珪素で構成され、それ以外の内外径部が軌道面層とは異なる材質の窒化珪素によって構成された内外輪において、軌道面の窒化珪素層の深さが、球半径の３０％以上５０％以下に対応する深さ＞
内外輪軌道面には転がり疲労時にせん断応力が負荷され、この際に損傷を生じない耐久性をもつ材料である必要がある。そのため、軌道面の層を占めるのは高純度粉末による窒化珪素である必要がある。ここでは、軌道面層の高純度粉末窒化珪素が、内外輪の軌道面を占める最適な範囲について検討を行うため、以下の実験を行った。
【００１２】
軌道面層を高純度のイミド熱分解法粉末による窒化珪素、内外径部を直接窒化法粉末による窒化珪素からなる内外輪を作製し、下記に示す転がり寿命試験を行った。
荷重：５７８２Ｎ、球サイズ：３／８ｉｎ、球数：９球、回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受形式：６２０６、内輪・外輪・球：窒化珪素、潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑
図２、表１に軌道面の窒化珪素層深さ（球半径の比率に対応した深さ）と、寿命比（実寿命/計算寿命）との関係を示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
図２に示すように、軌道面窒化珪素層の深さが３０％以上に対応した深さを有していれば、計算寿命の３倍時点でも、はく離を生じずに十分に満足して安定した寿命が得られることがわかる。 (試験片８〜１４)一方、比率が３０％未満では、はく離を生じ、寿命がばらついており、安定した寿命が得られない。（試験片１〜７）また、軌道面層を構成する窒化珪素は、例えばイミド熱分解法による高純度粉末によるものでなければ計算寿命を満足できないことがわかる。（試験片１）直接窒化法粉末による窒化珪素では、不純物を多く含み、もともとの耐久寿命が劣る。
【００１５】
ここで軌道面窒化珪素層の深さが３０％以上に対応した深さを有していれば安定した寿命が得られる理由としては、今回実施した試験条件で内外輪に作用するせん断応力の危険体積を十分にカバーできる厚さの設定になっているからである。今回実施した試験条件は、本発明品の対象用途（耐食用途、エアコンファンモータ）での軸受稼動条件より十分過酷な高荷重負荷条件であり、この条件に耐える表面窒化珪素層の厚さ設定であれば、前述の実際の対象用途でも問題が発生しない仕様であるといえる。ただし、３０%以上では耐久寿命を満足することができるが、内外輪を占める高純度粉末窒化珪素の割合が多くなれば、粉末コストが従来と同等になってしまうため、低コスト化の効果が得られなくなる。そのため、適度な比率が必要となるが、ここでは過大荷重に対する安全率と、コストの両面を考慮して比率の上限を５０%と設定した。
以上のことから、上記数値限定を行った。
【００１６】
＜軌道面窒化珪素層に含まれる不純物Ｆｅ、Ａｌ含有量が５０ｐｐｍ以下、Ｃａ含有量が１０ｐｐｍ以下＞
窒化珪素粉末中には主にＦｅ、Ａｌ、Ｃａなどの不純物が含有されている。一般に、低コスト品ほど、金属不純物の含有量が多い。これらの不純物は焼結体の粒界に存在し、破壊の起点となる異物、欠陥として短寿命はく離を引き起こし、不純物を多く含む粉末ほど、寿命が劣る結果となる。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
【表３】
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【００１９】
【表４】
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【００２０】
表２〜４に示すように、種々の製法によって作成されたそれぞれ不純物の異なる粉末を用いて軌道面窒化珪素層を作製、内外輪を作製した。この際、軌道面窒化珪素層の最適な不純物量を検討できるようにするため、内外径部窒化珪素層の影響は排除できるよう、せん断応力が内外径部窒化珪素層へ作用しないように軌道面窒化珪素層の深さは、球半径４０％に対応した深さとした。
【００２１】
上記の窒化珪素内外輪を用いて以下の転がり寿命試験を行った。
また、試験前に軌道面窒化珪素層の不純物量をＩＣＰ発光分析法により内外輪軌道面で測定した。
荷重：５７８２Ｎ、球サイズ：３／８ｉｎ、球数：９球、回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受形式：６２０６、内輪・外輪・球：窒化珪素、潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑
図３、４に示すように、Ｆｅ、Ａｌ含有量が５０ｐｐｍ以下であれば安定して計算寿命の３倍以上の寿命を確保できる。このときはく離は生じていない。５０ｐｐｍを超える場合であれば
３倍以下ではく離を生じ、寿命が安定していないことがわかる。（試験片６〜１０）
図５に示すように、Ｃａ含有量が１０ｐｐｍ以下であれば安定して計算寿命の３倍以上の寿命を確保できる。このときはく離は生じていない。（試験片１〜３）１０ｐｐｍを超える場合であれば
３倍以下ではく離を生じ、寿命が安定していないことがわかる。（試験片４〜１１）
【００２２】
なお、この数値を満たすことのできる窒化珪素粉末の製造方法としては、高温での結晶成長によって粉末粒子を形成させるイミド熱分解法がある。直接窒化法においても、粉末粉砕後の酸処理を徹底・微細フィルターを使用することで、高純度品を得られるが、焼成した塊状物を粉砕して微粉にする製法であるため、粉砕媒体からの不純物の混入は根本的に避けられない。
以上のことから、上記数値限定を行った。
【００２３】
＜本発明の実施例＞
本発明の効果を確認するために表５に示すように実施例１〜１０、比較例１〜１７までの材質の異なる２種類の窒化珪素からなる内外輪を作製した。
＜作製方法＞
この内外輪の作製方法は、はじめに成形体の周面である内外径部を構成する窒化珪素を例えば、直接窒化法による低コスト粉末を用いてプレス成形によって作製し、その後、例えばイミド熱分解法による高純度粉末を用いて前もって作製した成形体の内外輪軌道面に対応する部分を覆う形で成形した。成形方法としては下記＜１＞＜２＞を選択できる。
成形＜１＞：内外径部をプレス成形後、覆うような形で軌道面層を重ね再度プレス成形し、溝加工を行う。
成形＜２＞：内外径部をプレス成形後、覆うような形で軌道面層を重ね再度プレス成形し、ＣＩＰを行った後に溝加工を行う。ＣＩＰによる等方的圧力をかけることで成形体内部・二層の界面での密度のむらをなくすことができる。
【００２４】
その後一次焼結、およびＨＩＰによって焼結体を作製する。材質は違うが、窒化珪素材を用いているため、焼結条件の選定が容易である。焼結助剤の種類も同一にすることができる。焼結時には、二層界面において相互に拡散し合い、また同一窒化系素材であるため熱膨張係数の違いによる表面および二層界面でのクラックなどの欠陥が発生しない。焼結して得られた素球を、Ｇ工程、Ｌ工程からなる研磨工程を経て内外輪とした。工程の流れを図６に示す。
各種の製造方法で得られた窒化珪素粉末を原料粉末とし、上記の方法により作製した窒化珪素内外輪を用いて、下記に示す転がり寿命試験を行った。また、試験前に軌道面窒化珪素層の不純物量をＩＣＰ発光分析法により測定した。
荷重：５７８２Ｎ、球サイズ：３／８ｉｎ、球数：９球、回転数：１０００ｍｉｎ−１
軸受形式：６２０６、内輪・外輪・球：窒化珪素、潤滑：ＲＯ６８油浴潤滑
【００２５】
【表５】
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【００２６】
上記の試験結果を表５、図７に示す。実施例１〜１０が示すように、軌道面窒化珪素層深さの球半径３０％以上に対応した深さであり、かつ軌道面窒化珪素層の不純物Ｆｅ、Ａｌ含有量が５０ｐｐｍ以下、かつＣａ含有量が１０ｐｐｍ以下であれば玉はく離を生じず安定して計算寿命の３倍を満足できることがわかる。比較例１〜５が示すように、軌道面窒化珪素層深さが球半径３０％以上に対応した深さに満たなければ球はく離を生じ計算寿命にもばらつきが見られる。比較例６〜１７が示すように、不純物Ｆｅ、Ａｌ含有量が５０ｐｐｍ以上、また不純物Ｃａ含有量が１０ｐｐｍ以上であれば球はく離を生じ計算寿命にもばらつきが見られる。このとき軌道面層の深さは球半径３０％以上に対応した深さであるが、不純物量が多いと材料そのものの耐久寿命が劣ってしまうため、短寿命ではく離してしまう。比較例１８〜２０が示すように、軌道面窒化珪素層深さが球半径３０％以上に対応した深さであれば計算寿命の３倍をクリアできるが、前述のように今回の発明範囲から除いた。
【００２７】
実施例１〜１０の品質を安定して達成する粉末の作製方法としては、イミド熱分解法があげれられる。イミド熱分解法はハロゲン化ケイ素とアンモニアとの反応により生成したシリコンジイミド［Ｓｉ（ＮＨ）２］を熱分解、結晶化させて窒化珪素粉末を合成する方法で、高純度、微粒子、易焼結性という特徴がある。この粉末による窒化珪素は不純物の少ない、高品質で信頼性の高いものが作製できるが、高温での結晶成長によって粉末粒子を形成させる方法であり、反応時における温度・雰囲気・時間などの厳密な制御が必要となり、必然的にコストが高くなるという問題点がある。そのため内外輪全てをこの粉末による材料で構成するのでなく、せん断応力が作用し、危険となる体積範囲内をこの粉末による窒化珪素で構成し、ある程度不純物を含む低コスト粉末において内外径部を構成することで、従来の高品質材と同等の安定した耐久寿命を達成することができ、同時に低コスト化が可能になる。
【００２８】
また、実施例１〜１０が示すように、軌道面層が前述の不純物含有量以下の窒化珪素であれば、内外径部窒化珪素は任意の製法で作られた粉末を使用してもよいことになり、低純度粉末使用による低コスト化が可能になる。ただし、軌道面層の窒化珪素との組み合わせにおいて、成形性・焼結性が低下しないような粉末を適宜選択することが必要になる。
【符号の説明】
【００２９】
１          転がり軸受
２          外輪
２ａ、３ａ  軌道面層
２ｂ、３ｂ  周面層
３          内輪
４          転動体
５          保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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