(57)【要約】【課題】破損が防止され、軌道輪と保持器、または転動体と保持器の接触部位における摩耗が低減された転がり軸受用保持器およびその製造方法を提供する。【解決手段】内輪４と、外輪５と、内輪４および外輪５との間を転動する複数の転動体６とを備えるアンギュラ玉軸受３に使用され、転動体６を保持する保持器１であって、保持器１がアルミニウム合金材からなり、該アルミニウム合金材は、炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在しているアルミニウム合金材であり、炭化ケイ素が、アルミニウム合金材全体の５〜５０体積％含まれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪および外輪との間を転動する複数の転動体とを備える転がり軸受に使用され、前記転動体を保持する転がり軸受用保持器であって、
前記転がり軸受用保持器がアルミニウム合金材からなり、該アルミニウム合金材は、炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在しているアルミニウム合金材であり、
前記炭化ケイ素が、前記アルミニウム合金材全体の５〜５０体積％含まれることを特徴とする転がり軸受用保持器。
【請求項２】
前記アルミニウム合金材が、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定される引張試験に準拠して測定される０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で、かつ、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に規定される回転曲げ疲れ試験に準拠して測定される疲れ限度が１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受用保持器。
【請求項３】
前記転がり軸受が、工作機用軸受または液体燃料ターボポンプ用軸受であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受用保持器。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の転がり軸受用保持器の製造方法であって、
アルミニウム元素を主成分とする金属粉末と炭化ケイ素粉末を含む混合粉末をメカニカルアロイング処理して合金粉末を得る工程を有することを特徴とする転がり軸受用保持器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速回転で使用される転がり軸受用の保持器およびその製造方法に関し、特に、工作機用軸受、液体燃料ターボポンプ用軸受などに用いられる保持器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受に用いられる保持器が、例えば工作機用軸受や液体燃料ターボポンプ用軸受などの高速回転で使用される場合、軌道輪（外輪、内輪）と保持器、または転動体と保持器との接触部位における耐摩耗性が必要となる。また、高速回転する際、保持器の強度が低いと遠心力による変形が生じるため、保持器と転動体との接触部位で面圧が高くなり、軸受の焼付きが起こるおそれがある。変形が繰返し発生する場合、疲労破壊が生じる場合もある。そのため、高速回転で使用される転がり軸受用保持器には、耐摩耗性、高強度、耐疲労性、軽量などの材料特性が要求される。
【０００３】
例えば、高速回転で使用される転がり軸受の保持器の材料として、熱可塑性樹脂などにガラス繊維などの繊維状補強材を配合した材料（特許文献１）や、有機繊維からなる織物と熱硬化性樹脂とを一体化した材料（特許文献２）などが提案されている。また、アルミニウム合金粉末と炭化ケイ素粉末とをボールミキサーにより混合し、炭化ケイ素を分散させたアルミニウム合金材料（特許文献３）などが提案されている。また、特許文献４には金属マトリックス複合材が記載されており、当該文献ではアルミニウム合金に平均粒径０.３〜５μｍのセラミックス微粒子を配合することで、複合材の高強度化、耐摩耗性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２２７１２０号公報
【特許文献２】特開２０１０−００１９７１号公報
【特許文献３】特開平９−１５１９４５号公報
【特許文献４】国際公開第２０１６−１４９５３１号
【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の保持器では、熱可塑性樹脂を用いているため高温における強度が低く、また弾性率が不足し、高速回転時の遠心力に十分に耐えることができない場合がある。特許文献２の保持器は、有機繊維織物と熱硬化性樹脂とを一体化するため有機繊維を配列したシート状のプリプレグを積層する工程を要することから、製造コストが高くなることが懸念される。また、特許文献３の保持器は、耐摩耗性についての評価は実施されているが、保持器の強度や耐疲労性については検討されていない。
【０００６】
特許文献４には、上記金属マトリックス複合材からなる部材として、ブレーキディスクやローター、チェーンリングなどが記載されているが、転がり軸受用保持器は開示されておらず、保持器に要求される耐疲労性等などは評価されていない。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、破損が防止され、軌道輪と保持器、または転動体と保持器の接触部位における摩耗が低減された転がり軸受用保持器およびその製造方法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】
【０００８】
本発明の転がり軸受用保持器は、内輪と、外輪と、上記内輪および外輪との間を転動する複数の転動体とを備える転がり軸受に使用され、上記転動体を保持する転がり軸受用保持器であって、上記転がり軸受用保持器がアルミニウム合金材からなり、該アルミニウム合金材は、炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在しているアルミニウム合金材であり、上記炭化ケイ素が、上記アルミニウム合金材全体の５〜５０体積％含まれることを特徴とする。本発明において、「炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在する」とは、アルミニウム合金材中に炭化ケイ素が一次粒子の状態または二次粒子（凝集体）の状態で分散されており、一次粒子および凝集体の平均粒径が０.１μｍ以上１０μｍ未満であることをいう。
【０００９】
上記アルミニウム合金材が、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定される引張試験に準拠して測定される０．２％耐力が３００ＭＰａ以上で、かつ、ＪＩＳ Ｚ ２２７４に規定される回転曲げ疲れ試験に準拠して測定される疲れ限度が１５０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
上記転がり軸受が、工作機用軸受または液体燃料ターボポンプ用軸受であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の転がり軸受用保持器の製造方法は、本発明の転がり軸受用保持器を製造する方法であって、アルミニウム元素を主成分とする金属粉末と炭化ケイ素粉末（ＳｉＣ粉末）を含む混合粉末をメカニカルアロイング処理（ＭＡ処理）して合金粉末を得る工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり軸受用保持器は、アルミニウム合金材からなり、該アルミニウム合金材は、炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在しているので、耐摩耗性、高強度、耐疲労性に優れる。これにより、保持器の破損が防止され、軌道輪と保持器、または転動体と保持器の接触部位における摩耗が低減される。
【００１３】
本発明の転がり軸受用保持器の製造方法は、アルミニウム元素を主成分とする金属粉末とＳｉＣ粉末を含む混合粉末をＭＡ処理して合金粉末を得る工程を有するので、アルミニウム合金材中に炭化ケイ素を平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散させることができ、各種特性に優れた保持器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の転がり軸受用保持器の一例の斜視図である。
【図２】図１の保持器を適用した転がり軸受の一例の軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の転がり軸受用保持器は、耐摩耗性、強度、疲労特性に優れたアルミニウム合金材からなる。本発明では、このアルミニウム合金材の内部に、炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在し、さらに、炭化ケイ素が、アルミニウム合金材全体の５〜５０体積％含まれることを特徴としている。具体的には、アルミニウム元素を主成分とする金属粉末とＳｉＣ粉末を含む混合粉末をＭＡ処理することで、微粒子化された炭化ケイ素をアルミニウム合金材中に均一に分散させることができる。本発明者らは、このアルミニウム合金材を用いることで、保持器の耐摩耗性、高強度、耐疲労性が大幅に向上することを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００１６】
本発明の転がり軸受用保持器の一例を図１に示す。図１は深溝玉軸受用のもみ抜き型保持器の斜視図である。図１に示すように、保持器１は、円環状の保持器本体１ａに転動体であるボールを保持するポケット２が周方向に一定間隔で複数設けられている。ポケット２の平面形状は、平円形状であるが、真円でもよい。
【００１７】
本発明の転がり軸受用保持器の製造方法は、少なくとも、アルミニウム元素を主成分とする金属粉末とＳｉＣ粉末を含む混合粉末をＭＡ処理して合金粉末を得る工程と、得られた合金粉末を圧縮成形してプリフォーム（予備成形体）とする工程と、プリフォームを焼結する工程とを有する。さらに、得られた成形焼結体に熱処理、機械加工などを施して上記保持器が得られる。
【００１８】
ＭＡ処理に用いる金属粉末はアルミニウム元素を主成分としており、アルミニウム元素を５０質量％以上含む。アルミニウム元素の含有量は、８０質量％以上が好ましく、９０質量％以上がより好ましい。上記金属粉末には、アルミニウム以外の元素として、銅、マグネシウム、ケイ素、亜鉛、リチウム、ジルコニウム、マンガン、ビスマス、チタン、ホウ素、ナトリウム、ストロンチウム、アンチモンなどを含んでもよい。高強度であることから、銅、マグネシウム、マンガンのうち少なくとも１種類以上の元素を含むことが好ましい。具体的には、Ａ２０１７、Ａ２０２４、Ａ５０５６、Ａ６０６１などが使用できる。
【００１９】
ＭＡ処理に用いるＳｉＣ粉末としては、市販品を用いることができる。市販のＳｉＣ粉末の平均粒径は特に限定されないが、ＭＡ処理によって所定サイズの微粒子にすることから、平均粒径０．１〜３０μｍのものを用いることが好ましく、平均粒径０．１〜１０μｍのものを用いることがより好ましい。ＭＡ処理に用いるＳｉＣ粉末の平均粒径は、例えば、レーザー回折・散乱法で測定される粒度分布における体積積算値５０％での粒径（ｄ５０）である。
【００２０】
なお、金属粉末とＳｉＣ粉末を含む混合粉末に、別途アルミニウム粉末を加えてもよい。アルミニウム粉末として、好ましくは純度が９８％以上、より好ましくは純度が９９％以上の粉末を用いる。また、上記混合粉末に、アルミニウム元素を主成分としない非アルミニウム金属粉末を別途加えてもよい。非アルミニウム金属粉末としては、例えば、鉄、銅、チタン、マグネシウムなどの粉末が挙げられる。
【００２１】
ＭＡ処理は、炭化ケイ素が微粒子化され、合金粉末中に炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在する条件であれば特に限定されない。ＭＡ処理に用いる装置としては、乾式アトライタ、遊星ボールミル、振動ボールミルなどの既知の高エネルギーミルが使用される。ボールミルとしては、鋼やセラミックスが用いられる。また、ＭＡ処理にはアルコールや脂肪酸などの公知の粉砕助剤を用いてもよい。ＭＡ処理は、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下で行われ、ＭＡ処理時間は例えば１０〜３０時間に設定される。
【００２２】
ＭＡ処理で得られた合金粉末を、プレス金型を用いた圧縮成形によりプリフォームに加工する。この成形工程では、室温で成形する冷間成形、金型を加熱して成形する温間成形のどちらを用いてもよい。また、合金粉末とプレス金型との凝着を防ぐ目的で潤滑剤を用いることが好ましい。潤滑剤を用いる方法としては、合金粉末に潤滑剤を混合する方法（内部潤滑）や、金型に潤滑剤を塗布する方法（金型潤滑）のどちらを用いてもよい。潤滑剤としては、脂肪酸アミド系潤滑剤などを用いることができる。
【００２３】
続く工程では、プリフォームを焼結し、ビレット化する。焼結の方法としては、真空焼結、常圧焼結、加圧焼結などの公知の焼結方法を用いることができ、例えば、熱間等方圧加圧加工（ＨＩＰ処理）によって焼結する。ＨＩＰ処理は、例えば、１０００〜１２００℃の温度、３０〜１５０ＭＰａの圧力で実施される。得られたビレットは熱処理した後、機械加工により保持器の形状に仕上げるのが好ましい。熱処理の質別（ＪＩＳ Ｈ ０００１）は限定されるものではないが、Ｔ６が好ましい。機械加工としては、例えば打ち抜き加工により、円柱状のビレットの壁面に貫通する複数のポケットを形成する。また、ビレットを用いて、押出成形または鍛造を行ってから、機械加工により保持器の形状に仕上げてもよい。この場合、押出成形または鍛造後に熱処理することが好ましい。
【００２４】
本発明の転がり軸受用保持器はＭＡ処理を用いて製造されるため、アルミニウム合金材の内部に、炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されている。この炭化ケイ素は各粒子が概ね独立して分散されている。言い換えると、炭化ケイ素粒子の大部分が、互いに凝集して凝集体を形成することなく個々に存在している。具体的には、個数基準で、炭化ケイ素粒子の６０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上が凝集することなく存在している。一方、Ｖ型混合機を用いた粉末混合では炭化ケイ素の粒子同士は凝集しやすく、処理後には炭化ケイ素粒子の多くが凝集体を形成して存在する。このようにＭＡ処理によって、炭化ケイ素粒子は個々の粒子間に空隙を有するように母材全体として疎密なく均一に分散される。
【００２５】
ＭＡ処理では、例えば、ボールミル時のボールの衝突エネルギーで粉末混合を行い、粉末同士の機械的な折りたたみと圧延を繰り返し起こさせることで、アルミニウム合金材の内部に炭化ケイ素が微粒子状態で均一に分散させられた状態とすることができる。これにより、例えば、低エネルギーの粉末混合機（Ｖ型混合機、ダブルコーン型混合機など）を用いる場合に比べ、耐摩耗性などが大幅に向上できる。
【００２６】
アルミニウム合金材中の炭化ケイ素の平均粒径は、０．１μｍ以上１０μｍ未満であり、好ましくは０．１μｍ以上５μｍ未満であり、より好ましくは０．１μｍ以上３μｍ以下である。アルミニウム合金材中の炭化ケイ素の平均粒径は、ＳＥＭ画像による画像解析によって測定できる。具体的には、ＳＥＭ画像を二値化処理した後、各粒子および凝集体の円相当径を算出し、平均粒径を得る方法がある。
【００２７】
炭化ケイ素の含有量は、アルミニウム合金材全体の５〜５０体積％であり、１０〜４０体積％が好ましく、２０〜３０体積％がより好ましい。炭化ケイ素の含有量が５体積％未満では耐摩耗性や強度について十分な効果が得られにくくなる。また、炭化ケイ素の含有量が５０体積％を超えると相対的にアルミニウム合金の含有量が少なくなり、クラックなどの不具合が生じるおそれがある。
【００２８】
図２には、本発明の保持器を適用した高速回転に用いられる転がり軸受の一例としてアンギュラ玉軸受の軸方向断面図を示す。図２に示すように、アンギュラ玉軸受３は、内輪４と、外輪５と、内輪４および外輪５の間に複数の転動体６が配置され、転動体６を保持するための保持器１を備える。保持器１の保持器本体１ａに形成されたポケット２に転動体６が保持される。転動体６と内輪４および外輪５との接触点を結ぶ直線が、径方向中心線に対してある角度θを持っているので、ラジアル荷重および一方向のアキシアル荷重を負荷できる。必要に応じて、転動体６の周囲にグリースなどの潤滑剤が封入されて潤滑がなされる。
【００２９】
図２のようなアンギュラ玉軸受３は、高速回転用途などで使用されるものである。アンギュラ玉軸受３において、本発明の保持器を用いることで、内輪４と保持器１、外輪５と保持器１、または転動体６と保持器１との間の摩耗を抑制できる。また、保持器１は高強度であるため、高速回転の際の変形量が小さくなる。そのため、保持器１と転動体６との接触部位での面圧が異常上昇することはなく、軸受の焼付きが起こり難い。さらに、保持器１は、耐疲労性に優れるため、高速回転の際、保持器の変形が繰返し発生しても疲労破壊を生じ難い。
【００３０】
本発明の保持器には、耐食性向上のため、陽極酸化処理などの表面処理を施してもよい。また、摺動性向上のため、コーティング用樹脂組成物を用いてコーティングを施してもよい。コーティング用樹脂組成物の樹脂材としては、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。該樹脂組成物にはポリテトラフルオロエチレン樹脂、黒鉛などの固体潤滑剤を配合してもよい。コーティングを実施する前に、アルミニウム合金材にショットブラスト処理、化学エッチングなどを施し、表面に凹凸をつけるとコーティングの密着性が向上するため、より好ましい。
【００３１】
図２では、本発明の転がり軸受としてアンギュラ玉軸受を例に説明したが、本発明を適用できる軸受形式はこれに限定されず、他の玉軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受などにも適用できる。
【実施例】
【００３２】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００３３】
実施例（実施例１〜６）および比較例（比較例１〜５）に用いた原料粉末の一覧を表１に示す。金属粉末および純アルミニウム粉末はガスアトマイズ法で製造した粉末であり、不可避不純物を含む。ＳｉＣ粉末として、平均粒径がそれぞれ異なった４種類のＳｉＣ粉末（Ａ）〜（Ｄ）を用いた。表１に記載の平均粒径は、ＭＡ処理またはＶ型混合処理の各処理前における、金属粉末、純アルミニウム粉末、各ＳｉＣ粉末をレーザー回折法により測定した値である。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１の原料粉末を用い、乾式アトライタ（日本コークス工業株式会社、ＭＡ１Ｄ）によるメカニカルアロイング処理、またはＶ型混合機（株式会社セイシン企業、ＳＶＭ−１０）による粉末混合を行った。乾式アトライタは、粉末に強力な衝突・せん断作用を加えることが可能な高エネルギーミルである。一方、Ｖ型混合機は、Ｖ字型容器を回転させることで容器内の粉末が集合・分散を繰返す原理であり、乾式アトライタのような強力な衝突・せん断作用はない。
【００３６】
粉末混合によって得られた合金粉末を、プレス金型を用いた温間成形により円柱状のプリフォームに成形した。温間成形の条件は、成形圧６００ＭＰａ、温度１００℃とし、プレス金型の表面には脂肪酸アミド系潤滑剤を塗布して行った。続いて、得られたプリフォームを圧力１００ＭＰａ、温度１０００℃の条件でＨＩＰ処理し、φ６０×２００ｍｍの円柱状ビレットを得た。円柱状ビレットの断面をＳＥＭ観察することにより、炭化ケイ素粒子の平均粒径を算出した。表２には、ＭＡ処理を行なった場合の平均粒径を示す。表１に比べて、炭化ケイ素粒子が微粒化されているのはＭＡ処理によるものである。なお、Ｖ型混合処理を行なった場合は、該処理によって炭化ケイ素の粒子同士が凝集するため、処理前の平均粒径よりも平均粒径は小さくならない。例えば、Ｖ型混合処理を行なったＳｉＣ粉末（Ｂ）の平均粒径は１０μｍ以上である。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
円柱状ビレットから、ＪＩＳ Ｚ ２２４１準拠の４号試験片、ＪＩＳ Ｚ ２２７４準拠の回転曲げ疲れ試験片、円筒状摩耗試験片（内径８ｍｍ、外径１６ｍｍ、軸方向寸法５ｍｍ）をそれぞれ作製した。なお、各試験片は、仕上げ寸法から取り代を１〜２ｍｍ残した形状まで荒加工を行い、この形状で熱処理（溶体化処理５０５℃×８ｈ、時効硬化処理１５０℃×６ｈ）した後、仕上げ寸法に加工した。
【００３９】
（１）引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の試験法により、速度２４ＭＰａ／ｓ、温度２３℃±２℃の条件で実施した。得られた応力−ひずみ線図から０.２％耐力をオフセット法により算出した。
（２）回転曲げ疲れ試験は、小野式回転曲げ疲れ試験機を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２７４の試験法により、繰返し速度３６００ｍｉｎ-1、温度２３±２℃の条件で実施した。試験結果から応力−繰返し数線図を作製し、疲れ限度（繰返し数１０７回）を求めた。
（３）摩耗試験はラジアル型摩擦摩耗試験機を用い、円筒状摩耗試験片の内径とＳＵＪ２（ＪＩＳ Ｇ ４８０５）製相手軸とを、軸回転により摺動させた。面圧１.４ＭＰａ、速度１.３ｍ／ｓ、試験時間２ｈ、試験室温度２３±２℃、無潤滑の条件で摩耗試験を行い、試験前後の真円度を測定することにより摩耗深さを測定した。
引張試験、回転曲げ疲れ試験、摩耗試験の試験結果の一覧を表３に示す。
【００４０】
【表３】
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【００４１】
結果、ＭＡ処理によって炭化ケイ素が平均粒径０．１μｍ以上１０μｍ未満の状態で母材中に分散された実施例１〜６では、０.２％耐力が３００ＭＰａ以上、疲れ限度が１５０ＭＰａ以上の優れた値が得られた。特に、実施例１（平均粒径０．１μｍ）および実施例２（平均粒径３μｍ）は、疲れ限度が３００ＭＰａ以上であり、微粒子化による効果が顕著であった。また、実施例１〜６のいずれも摩耗深さは小さく、炭化ケイ素の含有量が少量の実施例３以外は１μｍ以下であった。なお、金属粉末の一部を純アルミニウム粉末に置き換えた実施例６でも、良好な結果が得られた。
【００４２】
一方、比較例１および比較例２のＶ型混合を行なった場合、原料のＳｉＣ粉末の平均粒径が１０μｍ以上であり、０.２％耐力および疲れ限度のいずれも実施例１〜６より低い値であり、耐摩耗性も大幅に劣る結果となった。また、比較例３（炭化ケイ素：３体積％）は、ＭＡ処理を行なっているものの、０.２％耐力および疲れ限度いずれも実施例１〜６より低い値であり、耐摩耗性も劣る結果となった。また、比較例４（炭化ケイ素：５５体積％）はプリフォームを成形した際にクラックが入ったため、試験不可であった。また、ＭＡ処理を行なっているものの平均粒径が１０μｍを超える比較例５は、実施例１〜６に比べて耐摩耗性が大幅に劣る結果となった。
【００４３】
以上のように、本発明の保持器は、アルミニウム合金材からなり、その母材内部に炭化ケイ素が平均粒径０.１μｍ以上１０μｍ未満の状態で分散されて存在しており、炭化ケイ素が、アルミニウム合金材全体の５〜５０体積％含まれるので、耐摩耗性、強度、疲労特性に優れる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の転がり軸受用保持器は、高速回転で使用する際、保持器の破損を防止し、軌道輪と保持器、または転動体と保持器との接触部位における摩耗を大幅に低減できるので、自動車、モータ、工作機械などで用いられる種々の転がり軸受の保持器として利用できる。特に、工作機用軸受、液体燃料ターボポンプ用軸受などの保持器として好適である。
【符号の説明】
【００４５】
１  保持器
２  ポケット
３  アンギュラ玉軸受
４  内輪
５  外輪
６  転動体
【図１】
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【図２】
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