(57)【要約】【課題】絶縁被膜にアルミナよりも熱伝導率の高いセラミック材料を用いることで、電気絶縁性とともに放熱性にも優れる電食防止転がり軸受を提供する。【解決手段】内外輪の少なくとも一方に絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受において、前記絶縁被膜が窒化アルミニウムからなることを特徴とする電食防止転がり軸受。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外輪の少なくとも一方に絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受において、
前記絶縁被膜が窒化アルミニウムからなることを特徴とする電食防止転がり軸受。
【請求項２】
内外輪の少なくとも一方に絶縁被膜を形成した電食防止転がり軸受の製造方法において、
前記絶縁被膜を形成する表面を脱脂洗浄し、粗面化処理を施す粗面化工程と、
フレーム溶射装置のガンノズルに、窒化アルミニウムの微粉末を可燃性有機溶媒に分散させたスラリーと燃焼ガスとを一緒に供給し、２１００〜２３００℃のフレーム温度に調整したフレームを前記表面に噴射し、該表面に窒化アルミニウムからなる溶射膜を形成する成膜工程と、
前記溶射膜を研磨して所定膜厚の絶縁被膜とする研磨工程と
を備えることを特徴とする電食防止転がり軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汎用または鉄道車両用の電動モータの回転軸、あるいは発電機の回転軸のように、電流が流れる可能性がある回転支持部に組み込む電食防止用絶縁転がり軸受の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用の電動モータ等に使用される転がり軸受では、ハウジングや回転軸からの漏れ電流が転動体と軌道輪との間に流れて電食が生じることがある。そこで、外輪や内輪が嵌合するハウジングや回転軸の少なくとも一方の面に、電気絶縁性の被膜（絶縁被膜）を形成し、外部からの電流を遮断することが行われている。
【０００３】
絶縁被膜としては、特許文献１に記載されているような樹脂系被膜や、特許文献２に記載されているようなセラミック溶射被膜が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７７８１５４号公報
【特許文献２】特許第４８２６４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載されているようなセラミック溶射被膜は、信頼性が高いものの、アルミナを主成分とするため、内輪や外輪の形成材料である金属に比べて熱伝導率が低い。そのため、転がり軸受が高速回転した際に軸受内に発生した熱をハウジング等に速やかに伝えることが難しく、潤滑のために軸受内に封入された潤滑油やグリース、シール部材のゴム材料が熱劣化しやすい。特に、接触シールではリップの摺動による熱も加わり、熱劣化が促進される。
【０００６】
そこで本発明は、絶縁被膜にアルミナよりも熱伝導率の高いセラミック材料を用いることで、電気絶縁性とともに放熱性にも優れる電食防止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】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は、下記の電食防止軸受及びその製造方法を提供する。
（１）内外輪の少なくとも一方に絶縁被膜を有する電食防止転がり軸受において、
前記絶縁被膜が窒化アルミニウムからなることを特徴とする電食防止転がり軸受。
（２）内外輪の少なくとも一方に絶縁被膜を形成した電食防止転がり軸受の製造方法において、
前記絶縁被膜を形成する表面を脱脂洗浄し、粗面化処理を施す粗面化工程と、
フレーム溶射装置のガンノズルに、窒化アルミニウムの微粉末を可燃性有機溶媒に分散させたスラリーと燃焼ガスとを一緒に供給し、２１００〜２３００℃のフレーム温度に調整したフレームを前記表面に噴射し、該表面に窒化アルミニウムからなる溶射膜を形成する成膜工程と、
前記溶射膜を研磨して所定膜厚の絶縁被膜とする研磨工程と
を備えることを特徴とする電食防止転がり軸受の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電食防止転がり軸受は、電気絶縁性能がアルミナと同等でありながら、アルミナよりも熱伝導率が高い窒化アルミニウムで絶縁被膜を形成したため、良好な電食防止性能を確保しつつ、放熱性にも優れて軸受の温度上昇をより抑えることができる。その結果、潤滑油やグリース、シール部材のゴム材料の熱劣化を抑え、耐久性に優れるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態を示す断面図であり、（Ａ）は外輪に絶縁被膜を形成した場合、（Ｂ）は内輪に絶縁被膜を形成した場合を示す。
【図２】本発明で用いるフレーム溶射装置の一例を示す概略図である。
【図３】外輪に溶射膜を成膜した状態、並びに研磨方法を説明するための部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
本発明の電食防止転がり軸受は、例えば図１に示すように、互いに同心に配置された、それぞれが金属製である１対の軌道輪（例えば内輪１及び外輪３）と、これら両軌道輪１、３の互いに対向する面に形成された１対の軌道面（例えば内輪軌道２及び外輪軌道４）同士の間に転動自在に設けられた複数個の転動体（例えば玉）５とを備える。そして、上記両軌道輪１、３のうちの少なくとも一方の軌道輪に、窒化アルミニウムからなる絶縁被膜６が形成される。絶縁被膜６は、軌道面を設けた面以外の面、即ち、ラジアル転がり軸受の場合には、図１の（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、何れかの周面及び軸方向両端面を、スラスト転がり軸受の場合には何れかの軸方向片面及び内外両周面（図示せず）を、絶縁被膜６で被覆している。また、図示は省略するが、内輪１、外輪３及び転動体５で形成される軸受空間に潤滑油やグリースが充填され、シール部材で封止される。
【００１２】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、表１に示すように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と同等の体積固有抵抗を有するとともに、アルミナに比べて５倍を超える高い熱伝導率を有する。そのため、アルミナ製の絶縁被膜を形成した場合と同等の電食防止性能を持つとともに、放熱性が大きく向上して軸受の温度上昇を抑えることができ、潤滑油やグリース、シール部材のゴム材料の熱劣化を抑えることができる。
【００１３】
【表１】
2014185741.tif 000003
【００１４】
絶縁被膜６を形成するには、下記に示す粗面化工程、成膜工程及び研磨工程を行う。
【００１５】
（粗面化工程）
絶縁被膜６が形成される面を脱脂洗浄した後、粗面化処理を施す。粗面化処理は、比較的広い面積を一様に粗面化でき、化学エッチングのような排液処理が不要であることなどから、アルミナ粉末等のメディアを一定圧力の空気で噴射するエアーブラストが好ましい。粗面化の程度は、表面平均粗さＲａ１．０〜２．０の範囲が好適である。Ｒａ１．０未満では凹凸が小さすぎて絶縁被膜６の密着強度の向上に寄与せず、Ｒａ２．０超では絶縁被膜６の密着強度の更なる向上が得られず、処理時間が長くなるだけである。
【００１６】
また、粗面化処理後に、エアーを吹き付けて残存メディアを除去し、再度脱脂洗浄することが好ましい。
【００１７】
（成膜工程）
粗面化された面に絶縁被膜６を形成するが、そのためには図２に示すフレーム溶射装置を用いる。図示されるフレーム溶射装置では、燃焼室１１に、酸素通路１２から酸素ガスが導入され、燃料通路１３から灯油やアセチレン、プロピレン、プロパン、エチレン、天然ガス等などの燃焼ガスや燃料液が導入される。バーナ１４で燃料と酸素は混合され、燃焼室１１に導かれ、点火されると燃焼する。フレームはガンノズル１５を通り、ガンノズル１５の先端に取り付けられた先端筒１６に至る。ガンノズル１５にはその内部に圧縮空気通路１７を有し、圧縮空気が圧縮空気噴射リング１８により先端筒１６の内面を層流に流れる。また、圧縮空気噴射リング１８から出る空気は、粉末供給ノズル２０から出る燃焼ガスとの燃焼反応に供される。
【００１８】
また、窒化アルミニウム微粉末を可燃性有機溶媒に分散させたスラリー（サスペンジョン）を別途調製しておき、貯蔵容器（図示せず）に貯蔵する。この貯蔵容器では、窒化アルミニウム微粉末を均一分散させるために、スラリーに絶えず超音波を当てるようにする。また、超音波振動によるスラリーの温度上昇を抑えるために、貯蔵容器の外側に冷却水を循環させて冷却することが好ましい。そして、このスラリーは、燃焼ガスと一緒に混合物通路１９を通じて先端筒１６に導入され、先端筒１６を通るフレームに供給され、フレームとともに噴射される。
【００１９】
このとき、先端筒１６を通るフレームの温度を、窒化アルミニウムの融点２２００℃前後で、かつ、昇華分解温度の２４５０℃以下の温度範囲、好ましくは２１００〜２３００℃に調整する。フレームの温度は、燃料に対する酸素量、可燃性有機溶媒の種類（気化熱量）及びスラリーにおける可燃性有機溶媒の割合により調整することができる。燃料に対して理論酸素量を少なくすると先端筒１６の内部で燃料ガスが燃え残るようになり、可燃性有機溶媒は気化に際して吸熱するため、何れもフレームの温度を下げることができる。また、可燃性有機溶媒の吸熱量は可燃性有機溶媒の種類及びスラリーにおける可燃性有機溶媒の割合によっても変化する。
【００２０】
例えば、灯油を燃料とし、窒化アルミニウム微粉末とメチルアルコールとのスラリーをアセチレンガスとともに先端筒１６に供給する場合、灯油に対する酸素量を理論酸素量の８５〜９５％とし、スラリーにおける窒化アルミニウム微粉末濃度を３０〜５０容量％とすることにより、フレームの温度を２１００〜２３００℃の範囲に調整することができる。
【００２１】
先端筒１６を通るフレームの温度を上記範囲にすることにより、先端筒１６を通るフレーム中に窒化アルミニウム微粉末の未溶融粒子を存在させ、窒化アルミニウムが酸化してアルミナに変態することを防止する。その結果、先端筒１６からは、フレームとともに窒化アルミニウムの溶融物や未溶融粒子が噴射され、粗面化した部分に窒化アルミニウムからなる溶射膜６ａが成膜される。
【００２２】
尚、溶射時に内輪１や外輪３を５０〜１００℃で予備加熱しておくと、成膜性能が向上して好ましい。
【００２３】
窒化アルミニウムは高純度であるほど熱伝導率が高くなり、純度９９％以上であることが好ましい。また、窒化アルミニウム微粉末が微細なほど、得られる絶縁被膜６が緻密になり好ましいが、平均粒径で０．５μｍ未満ではアルミナに変態しやすくなる。また、平均粒径が５μｍを越えると、スラリーの分散性が悪くなりやすい。
【００２４】
可燃性有機溶媒としては、エチルアルコールやメチルアルコール等のアルコールや、灯油等が好ましく、これらの混合物を使用することもできる。特に、アルコールは気化熱が大きいため、フレーム温度を下げる効果が大きい。
【００２５】
燃料ガスとしては、アセチレン、メタン、エタン、ブタン、プロパン、プロピレン等が好ましく、これらの混合ガスを使用することもできる。
【００２６】
また、溶射膜６ａの表面に微細な孔が存在する場合は、通電する可能性があるためエポキシ樹脂等の封止剤により孔を埋める必要がある。
【００２７】
（研磨工程）
溶射膜６ａを所定の膜厚まで研磨し、絶縁被膜６とする。図３は、外輪３に溶射膜６ａを成膜した状態を示す部分断面図であるが、溶射膜６ａは、外輪３の外周面７及び端面８、並びに外周面７から端面８に連続する、断面四分の一円弧状の折れ曲がり連続部９を覆っている。研磨に際し、これら各面を覆っている溶射膜６ａの全てを同一の膜厚に研磨してもよいが、外周面７及び端面８を覆う部分を研磨し、折れ曲がり連続部９を研磨せずに残しておくこともできる。外輪３をハウジング（図示せず）に固定する際、外輪３の外周面７や端面８と、ハウジングの内面とが当接するため、外周面７や端面８を研磨により平滑化することにより、ハウジングとの密着性が高まる。
【００２８】
絶縁被膜６の膜厚は、使用される用途の要求絶縁性能によって適宜選択されるが、コストと性能とのバランスから０．０５〜０．４ｍｍが好ましい。膜厚が０．０５ｍｍ未満では絶縁破壊電圧が低くなり、実用性が低くなる。一方、０．４ｍｍを超える厚い膜厚にするには成膜時間が長くなるとともに、使用材料量も多くなり、全体のコストが高くなる。外輪３の外周面７及び端面８のみを研磨する場合は、外周面７を覆う部分の膜厚Ｔ７及び端面８を覆う部分の膜厚Ｔ８が０．０５〜０．４ｍｍになるように研磨取代δを適宜調整する。溶射膜６ａは各部で略同じ膜厚で成膜されるため、折れ曲がり連続部９の膜厚Ｔ９はＴ７やＴ８よりも厚くなり、折れ曲がり連続部９で電機絶縁性能が低下することはない。
【００２９】
尚、本発明の転がり軸受は、上記した玉軸受の他、円筒ころ軸受等の他の軸受にも適用することができ、それぞれの内輪や外輪に窒化アルミニウムからなる絶縁被膜を形成する。
【実施例】
【００３０】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
深溝玉軸受６３１１（内径５５ｍｍ、外径１２０ｍｍ、幅２９ｍｍ）の外輪を脱脂洗浄後、その外周面及び端面（図１及び図３参照）を、アルミナ粉末をメディアとしてエアーブラスト加工によりＲａ１．５まで粗面化した。その後、エアーを吹き付けて残存メディアを除去してから、再度脱脂洗浄を行った。次いで、外周面及び端面を除く面をマスキングした後、１００℃に予熱してから以下に示すように窒化アルミニウム膜を成膜した。
【００３２】
（株）トクヤマ製高純度窒化アルミニウム粉末「シェイパル」Ｈグレード（平均粒径１．１μｍ、純度９９．１％）を、エチルアルコールに加えて４０容量％のスラリーを調製した。窒化アルミニウム微粉末の均一分散を維持するために、超音波振動子を用いて絶えず超音波を当てた状態とした。尚、超音波振動によるスラリーの温度上昇を抑えるために、容器外側に冷却水を循環させて冷却した。
【００３３】
次いで、図２に示すフレーム溶射装置を用い、燃焼室に灯油と酸素とを供給し、生成したフレームをガンノズル及び先端筒へと送りつつ、先端筒にアセチレンガスと一緒にスラリーを供給しながら、外周面及び端面に窒化アルミニウムからなる溶射膜を成膜した。その際、灯油、アセチレンガス及びエチルアルコールが完全に燃焼しないように理論酸素量よりも小さくし、フレーム温度が２１００〜２３００℃になるように制御した。
【００３４】
成膜された溶射膜の膜厚は約０．１３ｍｍであり、研磨仕上げにより最終膜厚を０．１ｍｍとした。
【００３５】
（比較例１）
実施例１と同じ外輪を用い、従来のプラズマ溶射により、チタニアを約３質量％含有するグレーアルミナからなる被膜を成膜した。そして、研磨仕上げして最終膜厚を０．１ｍｍとした。
【００３６】
（軸受回転試験）
実施例１及び比較例１で作製した外輪を用いて深溝玉軸受６３１１を組み立て、グリースを封入して試験軸受とした。そして、ラジアル荷重１ｋＮ、回転数１０００ｍｉｎ−１にて連続回転させて軸受温度を測定した。平衡に達したときの軸受温度を、回転前の軸受温度と比較して温度上昇値を求めた。結果を表２に、比較例１に対する相対値で示す。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
表２から明らかなように、アルミナよりも熱伝導率が高く、放熱性に優れる窒化アルミニウムからなる絶縁被膜を形成した実施例１の試験軸受では、アルミナからなる絶縁被膜を形成した比較例１に比べて軸受温度の上昇が大幅に抑えられている。
【００３９】
また、通電状態で試験軸受を所定時間回転させた後、軸受を分解して軌道面を観察して電食の有無を確信したが、実施例１及び比較例１の試験軸受とも電食は認められなかった。
【符号の説明】
【００４０】
１  内輪
２  内輪軌道
３  外輪
４  外輪軌道
５  転動体
６  絶縁被膜
７  外周面
８  端面
９  折れ曲がり連続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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