(57)【要約】【課題】スミアリングの発生をより抑え、潤滑寿命の更なる延長を図った転動装置を提供する。【解決手段】転動装置において、内方部材及び外方部材のうち、少なくとも固定輪となる部材の軌道面の少なくとも一部にＭｏＳ２、ＳｎまたはＣｕを含み、厚さが０．１〜２．０μｍで、平均表面粗さＲａが１μｍ以下である固体潤滑被膜が形成されているとともに、転動体の表面において、平均表面粗さＲａ０．０８μｍ以下であり、かつ、転がり方向と平行な方向の平均表面粗さＲａ（ｘ）と、転がり方向と直交する方向の平均表面粗さＲａ（ｙ）とが「０．５≦Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）≦２．０」である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
内方部材及び外方部材のうち、少なくとも固定輪となる部材の軌道面の少なくとも一部に、二硫化モリブデン、スズまたは銅を含み、厚さが０．１〜２．０μｍで、平均表面粗さＲａが１μｍ以下である固体潤滑被膜が形成されているとともに、
転動体の表面において、平均表面粗さＲａ０．０８μｍ以下であり、かつ、転がり方向と平行な方向ｘの平均表面粗さＲａ（ｘ）と、転がり方向と直交する方向ｙの平均表面粗さＲａ（ｙ）とが、下記（１）式を満足することを特徴とする転動装置。
０．５≦Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）≦２．０  ・・・（１）
【請求項２】
固体潤滑被膜が、ショットピーニングにより形成された膜であることを特徴とする請求項１記載の転動装置。
【請求項３】
転動体の表面がショット研磨、または化学研磨とバレル研磨とを組み合わせて処理されていることを特徴とする請求項１または２記載の転動装置。
【請求項４】
内方部材及び外方部材のうち、回転輪となる部材の軌道面の少なくとも一部に、リン酸マンガンまたはリン酸亜鉛からなる被膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、リニアガイド装置、ボールねじ、直動ベアリング等のような転動装置に関し、より詳細には転動体及び軌道面の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造設備の圧延機の圧延ロールを支持する圧延機ロールネック用軸受では、転がり滑り接触による金属接触を防止するために、グリースを使ってレース面に油膜を形成することが行われている。しかし、圧延機ロールネック用軸受は、高温下で使用され、高荷重でもあり、更には圧延水が浸入することから、油膜形成には不利な運転条件であり、転動面とレース面との間で油膜が破断してスミアリング（微小焼付き）が発生し、表面剥離へと進展することがある。
【０００３】
このような潤滑不良を防ぐために、転動面や軌道面にメッキやスパッタリング、イオンプレーティング等により表面改質を行うことが行われている。しかし、これらの方法は工程が複雑で、長時間を要しており、コスト増や生産効率の低下を招いている。そこで、本出願人は先に、特許文献１において、亜鉛粉末とスズ粉末とをショットピーニングして亜鉛とスズとを含有する金属被膜を形成することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５１３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ショットピーニング法は、金属粉末を投射するだけでよいため、工程が簡便であり、コスト増を抑えることができる。しかしながら、更なる潤滑性能の向上は必至であり、本発明はスミアリングの発生をより抑え、潤滑寿命の更なる延長を図った転動装置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】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、スミアリングの発生を抑えるには、軌道面に特定の固体潤滑被膜を形成する一方で、転動体表面の粗さを規定値よりも小さくした平滑面とすることが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明は下記を提供する。
（１）外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
内方部材及び外方部材のうち、少なくとも固定輪となる部材の軌道面の少なくとも一部に、二硫化モリブデン、スズまたは銅を含み、厚さが０．１〜２．０μｍで、平均表面粗さＲａが１μｍ以下である固体潤滑被膜が形成されているとともに、
転動体の表面において、平均表面粗さＲａ０．０８μｍ以下であり、かつ、転がり方向と平行な方向の平均表面粗さＲａ（ｘ）と、転がり方向と直交する方向の平均表面粗さＲａ（ｙ）とが、下記（１）式を満足することを特徴とする転動装置。
０．５≦Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）≦２．０  ・・・（１）
（２）固体潤滑被膜が、ショットピーニングにより形成された膜であることを特徴とする上記（１）記載の転動装置。
（３）転動体の表面がショット研磨、または化学研磨とバレル研磨とを組み合わせて処理されていることを特徴とする請求項１または２記載の転動装置。
（４）内方部材及び外方部材のうち、回転輪となる部材の軌道面の少なくとも一部に、リン酸マンガンまたはリン酸亜鉛からなる被膜が形成されていることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転動装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の転動装置では、軌道面に特定の固体潤滑被膜が形成されているとともに、転動体表面を平均表面粗さＲａ０．０８μｍ以下で、かつ、粗さの方向性が無い平滑面にすることにより、軌道面と転動体表面との間で油膜が破断することが抑えられ、スミアリングの発生も無くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る転動装置の一例である圧延機ロールネック用転動装置（円すいころ軸受）の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】実施例で用いた寿命試験機の断面図である。
【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】
本発明において転動装置の種類には制限はないが、例えば図１に部分断面図で示す圧延機ロールネック用転動装置を例示することができる。図示される圧延機ロールネック用転動装置は円すいころ軸受であり、図示しない軸に固定される内輪１（内方部材）と、図示しないハウジングに固定される外輪２（外方部材）と、内輪１の軌道面１ａと外輪２の軌道面２ａとの間に転動自在に配された複数のころ３（転動体）と、複数のころ３を両輪１，２の間に保持する保持器４と、を備えている。尚、内輪１、外輪２及びころ３は、ＳＵＪ２材やＳＣＭ４２０材、ＳＣｒ４２０材等とすることができ、更には浸炭窒化処理やズブ焼入れ、高周波焼入れ処理等を施してもよい。
【００１２】
そして、本発明では、ころ３の表面を、平均表面粗さＲａが０．０８μｍ以下で、かつ、転がり方向と平行な方向における平均表面粗さＲａ（ｘ）と、転がり方向と直交する方向における平均表面粗さＲａ（ｙ）とが、下記（１）式を満足するように平滑化する。
０．５≦Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）≦２．０  ・・・（１）
【００１３】
ころ３の平均表面粗さＲａが小さいほど転動面が平滑であることを示すが、表面のうねりがあるため、平均表面粗さＲａは０．０２μｍ以下とはならない。また、「Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）」比は、１に近いほど粗さの方向性が無く、全面にわたり粗さが一様であることを示す。即ち、上記の規定は、ころ３の表面において、微小の凹凸が全面にわたり一様に分布していることを示している。その結果、ころ表面と軌道面との間に油膜が一様に形成され、金属接触の割合が減ってスミアリングが発生しにくくなる。
【００１４】
上記の効果をより確実にするために、ころ３の平均表面粗さＲａは０．０６μｍ以下であることが好ましく、「Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）」比は０．７〜１．５であることが好ましい。
【００１５】
ころ３を上記のような平滑にするための研磨方法としては、ショット研磨、化学研磨またはバレル研磨が好ましい。また、これらの研磨処理を組み合わせてもよい。中でも、ショット研磨、あるいは化学研磨とバレル研磨との組み合わせが好ましい。
【００１６】
更に本発明では、内輪１、外輪２のうち、少なくとも固定輪となる一方（ここでは内輪１）の軌道面（１ａ）に、二硫化モリブデン、スズまたは銅からなる固体潤滑被膜（図示せず）を形成する。上記のようにころ表面が平滑であると、油膜が形成されやすくなることに加え、内輪１の軌道面１ａに形成された固体潤滑被膜がころ３を介して外輪２の軌道面２ａに移着するようになり、スミアリングの発生がより抑えられる。
【００１７】
尚、回転輪である外輪２に固体潤滑被膜を形成した場合には、遠心力の作用により固体潤滑被膜が内輪側に移着し難くなる。そのため、回転輪と固定輪の一方に固体潤滑被膜を形成する場合は、固定輪側に固体潤滑被膜を形成することが効果的である。
【００１８】
また、内輪１の軌道面１ａに固体潤滑被膜を形成した場合、外輪２の軌道面２ａに、リン酸マンガン被膜やリン酸亜鉛被膜を形成することが好ましい。
【００１９】
固体潤滑被膜の厚さは０．１〜２．０μｍであり、平均表面粗さＲａを１μｍ以下とする。被膜の厚さが０．１μｍ未満であると、十分且つ持続的な効果が得られないおそれがあり、被膜の厚さが２．０μｍ超になると被膜が脱落しやすくなる。好ましい厚さは０．４〜１．５μｍである。
【００２０】
また、固体潤滑被膜の平均表面粗さＲａが１μｍを超えると、カジリが生じたり、音響特性が不十分となるおそれがある。但し、平均表面粗さＲａを小さくするには、より精緻な表面加工が必要になるため、０．２μｍ以上とすることが実用的である。
【００２１】
固体潤滑被膜は、ショットピーニング法で形成することが好ましい。ショットピーニング法は、被膜を形成する材料の粉末を被処理面に噴射して粉末を膜状に堆積させる方法であり、本発明では、二硫化モリブデン粉末やスズ粉末、銅粉末、あるいはこれらの混合粉末を内輪１の軌道面１ａに噴射する。固体潤滑被膜の厚さや表面粗さは、粉末の噴射圧力や時間により調整することができる。このショットピーニング法は、メッキやスパッタリング、イオンプレーティングによるケ方法に比べて工程が簡便で、生産性も高くなる。但し、ショットピーニング法により０．１μｍ未満の薄い被膜を形成することは困難であり、２．０μｍを超える厚い被膜を形成しようとすると表面が粗くなり、平均表面粗さＲａを１μｍ以下にすることが困難になる。
【００２２】
尚、水と接触する環境では軸受が発錆しやすく、錆によりスミアリング発生が促進されるため、固体潤滑被膜に自己防錆性能を有するＺｎを添加することが好ましい。但し、Ｚｎの添加におり潤滑効果が低下するため、水による発錆のおそれが無い場合にはＺｎを添加しない方が高性能になる。
【００２３】
以上、本実施形態においては円すいころ軸受を挙げて説明したが、その他にも深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、針状ころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受等が挙げられる。また、ボールねじやリニアガイド装置、直動ベアリング等にも適用可能である。
【実施例】
【００２４】
以下に実施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。
【００２５】
（実施例１〜３０、比較例１〜１２）
圧延機ロールネック用円すいころ軸受を用意して、そのスミアリング発生寿命を評価した。この円すいころ軸受の諸元は次の通りである。
呼び番号：ＨＲ３２０１７ＸＪ
軸受内径：８５ｍｍ
軸受外径：１３０ｍｍ
組立幅：２９ｍｍ
基本動定格荷重：１４３０００Ｎ
【００２６】
また、内輪、外輪及び円すいころはＳＵＪ２鋼で、浸炭窒化処理が施されており、その性状は次の通りである。
表面硬さ：ＨＲＣ５８〜６４
表面の残留オーステナイト量：２０〜４５体積％
表面の炭素濃度：０．８〜１．１質量％
表面の窒素濃度：０．０５〜０．３質量％
【００２７】
更に、外輪に表記の固体潤滑被膜をショットピーニングまたは化成処理（比較例５）により形成するとともに、被膜の厚さ、平均表面粗さＲａ及び「Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）」比を測定した。また、円すいころの表面に表記の研磨加工を施し、平均表面粗さＲａを測定した。尚、実施例４及び比較例７では、内輪にリン酸マンガン化成処理膜を形成した。
【００２８】
試験は、各円すいころ軸受を図２に示す寿命試験機に装着して回転させ、寿命を測定した。潤滑には基油粘度１５０ｃＳｔのウレアグリースを用い、スミアリングを発生させるためにグリースの補給量を５ｇ／ｈとした。また、初期グリース量は、軸受１個当たり３０ｇとした。そして、温度が１０℃上昇したとき、あるいは振動値が当初の３倍に上昇したときにスミアリングが発生したと見做し、それまでの時間を計測した。試験は各１０回行い、その平均寿命を求めた。結果を表1に示すが、内輪、外輪及びころに何も処理を施していない比較例1に対する相対値で示す。
【００２９】
尚、試験装置において、符号Ｗは被試験体の円すいころ軸受（ワーク）であり、符号１１は内輪、符号１２は外輪、符号１３は円すいころ、符号１４は保持器である。寿命試験機の回転軸１６の一端の軸受座１６ａに内輪１１を嵌合することによりワークＷを装着し、外輪１２は試験機のハウジング１７の外輪嵌合部材１８に嵌合して固定する。回転軸１６には、図示しないラジアル荷重負荷手段によってラジアル荷重Ｆｒ（６００００Ｎ）を加え、これによりワークＷにラジアル荷重を負荷する。また、外輪嵌合部材１８には図示しない油圧シリンダによりアキシャル荷重Ｆｓ（１５０００Ｎ）を加え、これによりワークＷにアキシャル荷重を負荷する。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示すように、本発明に従い、固定輪である外輪に、二硫化モリブデン、スズまたは銅からなり、厚さが０．１〜２．０μｍで、Ｒａが１μｍ以下である固体潤滑被膜が形成され、かつ、ころのＲａが０．０８μｍ以下で、「Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）」比が０．５〜２．０を満足する実施例では、スミアリング発生寿命に優れている。
【００３２】
特に、実施例３、４の比較から、回転輪（内輪）にリン酸マンガン被膜を形成することにより、スミアリング発生寿命が大きく伸びていることがわかる。実施例９、１０、１１の比較から、固体潤滑被膜としては二硫化モリブデンの被膜が好ましいことがわかる。実施例１２〜１５の比較から、ころの研磨方法としてはショット研磨が好ましく、化学研磨とバレル研磨とを組み合わせても良好な平滑性が得られることがわかる。実施例１〜３、実施例５〜８、比較例２、３の比較から、「Ｒａ（ｘ）／Ｒａ（ｙ）」比が０．５〜２．０であり、好ましくは０．７〜１．５であることがわかる。実施例１６〜２０の比較から、転動体の平均表面粗さＲａは０．０８μｍ以下であることがわかる。実施例２１〜３０、比較例９、１０の比較例から、固体潤滑被膜の厚さが０．１〜２．０μｍであり、好ましくは０．４〜１．５μｍであることがわかる。
【符号の説明】
【００３３】
１  内輪
１ａ  軌道面
２  外輪
２ａ  軌道面
３  ころ
３ａ  転動面
【図１】
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【図２】
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