(57)【要約】【課題】セラミックス製の絶縁層を形成した電食防止用絶縁転がり軸受において、絶縁特性及び被膜強度が従来よりも優れ、かつ、バラツキの少ない絶縁膜を形成する。【解決手段】ジルコニアを５質量％以上４０質量％以下の割合で含むアルミナを主成分とし、前記アルミナはα−アルミナとγ−アルミナを含有し、前記ジルコニアは単斜晶ジルコニアと立方晶ジルコニアの少なくとも一方を含有する絶縁被膜が形成された電食防止用絶縁転がり軸受。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に外輪軌道を形成した金属製の外輪と、この外輪の内側に配置され、外周面に内輪軌道を形成した金属製の内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた、それぞれが金属製である複数個の転動体とを備え、絶縁被膜が形成された電食防止用絶縁転がり軸受において、
前記絶縁被膜が、ジルコニアを５質量％以上４０質量％以下の割合で含むアルミナを主成分とし、前記アルミナはα−アルミナとγ−アルミナを含有し、前記ジルコニアは単斜晶ジルコニアと立方晶ジルコニアの少なくとも一方を含有することを特徴とする電食防止用絶縁転がり軸受。
【請求項２】
γ−アルミナとα−アルミナとの比率が、Ｘ線回折ピーク比で、γ−アルミナ：α−アルミナ＝１：９以上７：３以下であることを特徴とする請求項１記載の電食防止用絶縁転がり軸受。
【請求項３】
前記絶縁被膜の空孔率が２%以上１０%以下であることを特徴とする請求項１または２記載の電食防止用絶縁転がり軸受。
【請求項４】
前記絶縁層が、合成樹脂を含有する封孔剤により封孔処理されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電食防止用絶縁転がり軸受。
【請求項５】
内周面に外輪軌道を形成した金属製の外輪と、この外輪の内側に配置され、外周面に内輪軌道を形成した金属製の内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた、それぞれが金属製である複数個の転動体とを備え、絶縁被膜が形成された電食防止用絶縁転がり軸受を製造する方法において、
前記外輪の前記外輪軌道を除く表面のうち、少なくとも外周面に、
１０〜７０μｍの粒径分布に製粒され、アルミナにジルコニアを５質量％以上４０質量％以下の割合で含む電融材を溶射して溶射被膜を形成した後、
前記溶射被膜の気孔を封孔剤で充填して封孔処理することを特徴とする電食防止用絶縁転がり軸受の製造方法。
【請求項６】
前記アルミナが、Ｎａ２Ｏ３：０．５質量％以下、Ｆｅ２Ｏ３：０．１質量％以下の高純度アルミナであり、
該高純度アルミナとジルコニアとを、１５００℃以上のア−ク炉にて酸素気流中で溶解し、冷却して得たインゴットを粉砕し、整粒して得た電融材を、プラズマ溶射することを特徴とする請求項５記載の電食防止用絶縁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、セラミックス製の絶縁層が形成された電食防止用絶縁転がり軸受及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータや発電機等、各種電気機器等の回転軸を支承する転がり軸受では、軸受自体に帰路電流やモータ軸電流等の電流が流れてしまう。転がり軸受に電流が流れた場合、電流の通路となる部分に電食が発生して、転がり軸受の寿命を著しく短縮してしまう。このような電食の発生を防止するため、例えば、転がり軸受を構成する外輪の外輪軌道を除いた外周面に絶縁層を形成して軸受に電流が流れないようにした電食防止用絶縁転がり軸受が使用されている。
【０００３】
絶縁層として、樹脂層も形成されているが、絶縁性能や耐久性等からセラミックスを溶射して形成することが行われており、溶射ノズルからセラミックス材料の溶滴を軌道面以外の面、即ち、外輪の外周面及び両端面、内輪の内周面及び両端面に噴射して所定厚さの絶縁層を形成している（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
しかしながら、セラミックス材料を溶射して形成した絶縁層には多数の空孔が発生しており、空孔の分布にもバラツキがある。このような空孔があると、絶縁性能が悪化し、大気中の水分が空孔に侵入すると、更に劣化が進行する。絶縁性能が悪化してそのままでは使用できないため、溶射後に空孔内に合成樹脂等の封孔剤を含浸、硬化させて封孔処理を行うことにより絶縁構造を維持することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４７９５８８８号公報
【特許文献２】特許第４９２００６６号公報
【特許文献３】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】
【０００６】
しかしながら、封孔処理を行っても、溶射して得た絶縁層の空孔の発生量が多いと、空孔の全てに封止剤を浸透させることはできず、絶縁抵抗値及び破壊電圧が大きく低下する。また、封孔剤は絶縁層の靭性や密着力を維持する働きもあるため、封孔剤が十分に浸透しないと絶縁層の強度及び母材との密着力が低下する。また、空孔率が大きい箇所を起点にして亀裂が進展することもある。そして、これら原因により、場合によっては剥離に至ることがある。
【０００７】
そこで本発明は、セラミックス製の絶縁層を形成した電食防止用絶縁転がり軸受において、絶縁特性及び被膜強度が従来よりも優れ、かつ、バラツキの少ない絶縁膜を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、下記の電食防止用絶縁転がり軸受及びその製造方法を提供する。
（１）内周面に外輪軌道を形成した金属製の外輪と、この外輪の内側に配置され、外周面に内輪軌道を形成した金属製の内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた、それぞれが金属製である複数個の転動体とを備え、絶縁被膜が形成された電食防止用絶縁転がり軸受において、
前記絶縁被膜が、ジルコニアを５質量％以上４０質量％以下の割合で含むアルミナを主成分とし、前記アルミナはα−アルミナとγ−アルミナを含有し、前記ジルコニアは単斜晶ジルコニアと立方晶ジルコニアの少なくとも一方を含有することを特徴とする電食防止用絶縁転がり軸受。
（２）γ−アルミナとα−アルミナとの比率が、Ｘ線回折ピーク比で、γ−アルミナ：α−アルミナ＝１：９以上７：３以下であることを特徴とする上記（１）記載の電食防止用絶縁転がり軸受。
（３）前記絶縁被膜の空孔率が２%以上１０%以下であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の電食防止用絶縁転がり軸受。
（４）前記絶縁層が、合成樹脂を含有する封孔剤により封孔処理されていることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の電食防止用絶縁転がり軸受。
（５）内周面に外輪軌道を形成した金属製の外輪と、この外輪の内側に配置され、外周面に内輪軌道を形成した金属製の内輪と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた、それぞれが金属製である複数個の転動体とを備え、絶縁被膜が形成された電食防止用絶縁転がり軸受を製造する方法において、
前記外輪の前記外輪軌道を除く表面のうち、少なくとも外周面に、
１０〜７０μｍの粒径分布に製粒され、アルミナにジルコニアを５質量％以上４０質量％以下の割合で含む電融材を溶射して溶射被膜を形成した後、
前記溶射被膜の気孔を封孔剤で充填して封孔処理することを特徴とする電食防止用絶縁転がり軸受の製造方法。
（６）前記アルミナが、Ｎａ２Ｏ３：０．５質量％以下、Ｆｅ２Ｏ３：０．１質量％以下の高純度アルミナであり、
該高純度アルミナとジルコニアとを、１５００℃以上のア−ク炉にて酸素気流中で溶解し、冷却して得たインゴットを粉砕し、整粒して得た電融材を、プラズマ溶射することを特徴とする上記（５）記載の電食防止用絶縁転がり軸受の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明で形成する絶縁被膜は、γ−アルミナ及びα−アルミナの少なくとも一方に、立方晶ジルコニア及び単斜晶ジルコニアの少なくとも一方が混在した溶射膜であり、優れた絶縁性能を有するとともに、空孔のバラツキもなく、緻密で膜強度にも優れる。そのため、優れた絶縁性能を長期間維持でき、耐久性に優れた電食防止用絶縁転がり軸受が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電食防止用絶縁転がり軸受の一例を示す断面図である。
【図２】絶縁被膜の気孔率の測定方法を説明するための模式図である。
【図３】試験１の結果を示すグラフである。
【図４】絶縁被膜の密着力の測定方法を説明するための模式図である。
【図５】試験２の結果を示すグラフである。
【図６】絶縁抵抗の測定方法を説明するための模式図である。
【図７】試験３の結果を示すグラフである。
【図８】試験４の結果を示すグラフである。
【図９】試験５の結果を示すグラフである。
【図１０】試験６の結果を示すグラフである。
【図１１】試験７の結果を示すグラフである。
【図１２】溶射材料及び絶縁被膜のＸ線回折データである。
【図１３】市販溶射材及び実施例１で用いた溶射材料の外観を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１４】空孔率と破壊靭性値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】
【００１１】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
本発明において、電食防止用絶縁転がり軸受の構造には制限はなく、例えば図１に示す電食防止用絶縁転がり軸受を例示することができる。図示される電食防止用絶縁転がり軸受では、内輪１の外周面に形成した内輪軌道２と、外輪３の内周面に形成した外輪軌道４との間に複数の転動体５を設けるとともに、外輪軌道面を除く表面のうち、少なくとも外輪３の外周面に絶縁被膜６が形成されている。好ましくは、外輪３の外輪軌道４を形成した面以外の面、即ちその外輪３の外周面７、軸方向の両端面８，８、並びに外周面７と両端面８，８とを連続する湾曲部９，９にかけて絶縁被膜６が形成されている。このような電食防止用絶縁転がり軸受では、外輪３を金属製のハウジングに内嵌支持した状態では、絶縁被膜６が外輪３とハウジングとを絶縁する。その結果、外輪３とハウジングとの間に電流が流れなくなり、他の軸受構成部材に電食が発生しなくなる。
【００１３】
絶縁被膜６は、ジルコニアを５質量％以上４０質量％以下の割合で含むアルミナからなる。ジルコニア含有量をこの範囲にすることにより、低コストで、かつ、緻密な絶縁被膜６が得られる。
【００１４】
また、絶縁被膜６は上記組成からなるが、構造的には、γ−アルミナ及びα−アルミナに、立方晶ジルコニア及び単斜晶ジルコニアの少なくとも一方が混在しており、γ−アルミナとα−アルミナに、立方晶ジルコニアと単斜晶ジルコニアの両方が混在したものが好ましい。
【００１５】
本発明では、絶縁被膜６を形成するために、ジルコニアを含有するアルミナの電融材を溶射する。照射して得られる溶射被膜が、絶縁被膜６となる。その際、α−アルミナ中にγ−アルミナが生成し、そこへ単斜晶ジルコニアや立方晶ジルコニアが混在する。そして、未溶融のα−アルミナ粒子が少なくなり、微細なγ−アルミナが生成することにより、未溶融のα−アルミナ粒子の境界部に沿った粗大な空孔が減少し、膜強度が向上する。また、絶縁被膜６のγ−アルミナとα−アルミナの比率をＸＤＲ分析にてピーク比から算出すると、分析角度:２θ=４０°−５０°にて、（γ−アルミナ／（γ−アルミナ＋α−アルミナ））×１００）の式から両者の比を求めれば、γ−アルミナとα‐アルミナの比率は、γ−アルミナ：α−アルミナ＝１：９以上７：３以下であることがわかる。γ−アルミナとα−アルミナの比率が、γ−アルミナ：α−アルミナ＝１：９未満もしくは７：３を越えると、被膜強度が低くなる。更に、結晶系が異なる単斜晶ジルコニアや立方晶ジルコニアが混在することにより、内部応力が作用して膜強度がより向上する。そのため、上記のように、絶縁被膜６は、γ−アルミナとα−アルミナの両方に、立方晶ジルコニアと単斜晶ジルコニアの両方が混在することが好ましい。
【００１６】
また、絶縁被膜６の緻密性を向上させるために、電融材のアルミナは高純度であることが好ましく、不純物として含有するＮａ２Ｏ３が０．５質量％以下、Ｆｅ２Ｏ３が０．１質量％以下の高純度アルミナを用いることが好ましい。純度の高いアルミナを使用することにより、粒子同士の濡れ性が向上して溶射の際に緻密化がより促進され、その結果、絶縁被膜６と母材金属との密着性が高まり、絶縁性能にも優れるようになる。尚、最も好ましくはアルミナ純度が１００％、即ち純アルミナである。アルミナの純度が低くなるほど、空孔が増加する傾向となる．
【００１７】
更に、電融材は、バイヤー法等で製造したアルミナ（好ましくは高純度アルミナ）とジルコニアとを、１５００℃以上のア−ク炉にて酸素気流中で溶解し、冷却して得たインゴットを粉砕し、整粒したものを用いることが好ましい。このような製法により緻密な電融材が得られる。また、粉砕に際し、１０〜７０μｍ、好ましくは２０〜４０μｍの平均分布となるように整粒することにより、絶縁被膜６の緻密性がより向上する。
【００１８】
このような電融材アルミナ−ジルコニアを溶射すれば、粉末の流動性が改善され、粒子が壊れることがなく、大気中の酸素を溶射被膜に巻き込むことがなく溶射が可能になるので、得られる被膜中に発生する空孔が大幅に減少してより緻密になる。その結果、絶縁被膜６の絶縁性能が向上して品質的に安定する。
【００１９】
尚、溶射方法には制限はなく、例えばプラズマ溶射法を採用することができる。また、絶縁被膜６の厚さにも制限はなく、従来と同様に１００〜５００μｍ程度である。
【００２０】
但し、本発明では、得られる溶射被膜の空孔率が２％以上１０％以下になるように溶射する。後述する実施例にも示すように、空孔率が２％以上１０％以下の範囲では、強度が高く、しかも強度に大きな差が無く、バラツキも小さくなる。また、空孔率５％付近がより高強度であり、好ましいといえる。
【００２１】
これに対し空孔率が２％未満または１０％を超えると、強度が低下し、更に強度のバラツキも大きくなる。一般的には空孔率が少ないほど溶射被膜が緻密で高強度になると考えられるが、空孔率が２％より小さくても膜強度が低く、しかも０％に近づくにつれて膜強度が低下していくことは、従来の知識からは考えられないことである。
【００２２】
空孔率は溶射条件で制御することができ、空孔率が２％以上１０％以下、好ましくは５％付近になるような溶射条件を予め予備実験により求めておき、実際の製品製造（溶射）に反映させればよい。例えば、ジルコニア−アルミナ系セラミックスからなり、１０〜５０μｍに整粒した溶射材料を溶射材料に用いる場合、大気中にてプラズマ溶射することにより、空孔率２％以上１０％以下に制御することができる。
【００２３】
また、溶射後に、従来と同様にして封孔処理を施してもよい。上記のように溶射による絶縁被膜６は緻密で、従来に比べて空孔が極めて少なくなっているため、この封孔処理により確実に空孔を埋めることができ、優れた絶縁性能を確保することができる。封孔剤としては、取扱性等から、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、あるいはこれらを複合した樹脂を含有する有機系封孔剤（エステル系、アクリル系、エポキシ系、メタクリレート系、シリコーン系、ポリエステル系）が好ましい。
【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】
（試験１）
呼び番号「６３１６」の単列深溝型の玉軸受（外径：１７０ｍｍ、内径：８０ｍｍ、幅：３９ｍｍ）を構成する外輪の外周面に、表１に示すようにアルミナ純度が異なり、ジルコニアを２０％含有するアルミナ電融材（平均粒度：２５μｍ）をプラズマ溶射して溶形成し、その後、溶射被膜に封孔処理を施して試験体を作製した。また、比較のために、溶射材としてアルミナ−１％チタニア市販溶射材を用いて試験体を作製した。また、図２に示すように、封孔処理前の試験体を切断して２０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ（２０×１０の面に被膜）のテストピースを採取し、断面研摩後に溶射被膜の断面について下記手順にて気孔率を求めた。
（１）デジタルマイクロスコープでテストピースの断面の画像をパソコンに取り込む。
（２）取り込んだ画像を適切な閾値で２値化（黒と白の２色に変換）する。
（３）黒色部分の面積を気孔としてカウントし、「黒色部面積／測定範囲面積」から気孔率を算出する。
（４）１テストピースにつき、１２箇所でこの作業を実施し、その平均値を算出する。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
結果を図３に示すが、気孔率が小さいほど被膜が緻密であることを示す。実施例のようにＮａ２Ｏ３が０．５質量％以下，Ｆｅ２Ｏ３が０．１質量％以下の高純度アルミナを用いることにより気孔率が２％以下と低く、アルミナの純度が低くなるほど気孔率が増大することが分かる。また、市販溶射材に比べても、実施例の溶射被膜が緻密であることが分かる。
【００２８】
（試験２）
試験１で用いた溶射材を用いて外輪材料であるＳＵＪ２ブロックに溶射し、溶射被膜の密着力を測定した。密着力の測定方法を図４に示すが、溶射被膜を形成した一対のＳＵＪ２ブロック（母材）を用い、溶射被膜同士をエポキシ系接着剤で接着した後、互いに反対方向に引張り、溶射被膜が母材から剥離する引張力を測定した。
【００２９】
結果を図５に示すが、実施例のように高純度アルミナを用いることによりＳＵＪ２との密着力が高く、アルミナの純度が低くなるほど密着力が低下することが分かる。また、市販溶射材に比べても、実施例の溶射被膜は密着力が高いことが分かる。
【００３０】
（試験３）
試験１で作製した試験軸受の外輪について、絶縁抵抗値を測定した。絶縁抵抗値の測定方法を図６に示すが、試験軸受の外輪の外周に、円環状の治具を締付けボルトにて取り付け、絶縁抵抗測定機のライン線を外輪ツバ内径と、治具に接続して絶縁抵抗値を測定した。また、治具にはアース線を接続した。
【００３１】
結果を図７に示すが、実施例のように高純度アルミナを用いることにより絶縁抵抗値が高く、アルミナの純度が低くなるほど絶縁抵抗値が低下することが分かる。また、市販溶射材に比べても、実施例の溶射被膜は絶縁抵抗値が高いことが分かる。
【００３２】
（試験４）
試験１で作製した試験体について、ＪＩＳ  Ｒ  １６０７−１９９０記載のＩＦ法に準じて破壊靭性値を測定した。結果を図８に示すが、実施例のように高純度アルミナを用いることにより破壊靭性値が高く、アルミナの純度が低くなるほど破壊靭性値が低下することが分かる。また、市販溶射材に比べても、実施例の溶射被膜は破壊靭性値が高いことが分かる。
【００３３】
（試験５）
呼び番号「６３１６」の単列深溝型の玉軸受（外径：１７０ｍｍ、内径：８０ｍｍ、幅：３９ｍｍ）を構成する外輪の外周面に、表２に示すようにジルコニア含有量が異なるアルミナ電融材（アルミナ中のＮａ２Ｏ３：０．５質量％、Ｆｅ２Ｏ３：０．１質量％、平均粒度：２５μｍ）をプラズマ溶射し、その後、封孔処理を行い、試験体を作製した。また、比較のために、溶射材としてアルミナ−１％チタニア市販溶射材を用いて試験体を作製した。そして、試験１と同様にて溶射被膜の気孔率を測定した。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
結果を図９に示すが、実施例のようにジルコニア含有量が５〜４０質量％の範囲であれば気孔率が低くなることが分かる。また、市販溶射材に比べても、実施例の溶射被膜が緻密であることが分かる。
【００３６】
（試験６）
試験５で作製した試験体について、試験２と同様にして溶射被膜の密着力を測定した。結果を図１０に示すが、試験５の気孔率と良い相関を示しており、溶射被膜の気孔率が高まれば密着力も低下する。
【００３７】
（試験７）
試験５で作製した試験体について、試験３と同様にして絶縁抵抗値を測定した。結果を図１１に示すが、実施例のようにジルコニア含有量が５〜４０質量％の範囲であれば絶縁抵抗値が高く、市販溶射材に比べても、実施例の溶射被膜は絶縁抵抗値が高いことが分かる。
【００３８】
また、実施例１で用いた溶射原料、並びに得られた溶射被膜について、Ｘ線回折により分析した。Ｘ線回折パタ−ンを図１２に示すが、横軸が回折角度（２θ）、縦軸が回折強度を示している。これより横軸の回折角度から溶射原料はα−アルミナと単斜晶ジルコニアから成っており、プラズマ溶射することにより、溶射被膜にはγ−アルミナと立方晶ジルコニアが生成し、α−アルミナと単斜晶−ジルコニアと混在する。また、縦軸の回折強度からγ−アルミナ（楕円で囲んだ部分）の生成に伴い、α−アルミナが減少することが分かる。
【００３９】
尚、γ−アルミナとα−アルミナの比率をＸＤＲ分析にてピーク比から算出すると、分析角度:２θ=４０°−５０°にて、（γ−アルミナ／（γ−アルミナ＋α−アルミナ））×１００）の式から両者の比を求めれば、γ−アルミナとα−アルミナの比率は、γ−アルミナ：α−アルミナ＝１：９以上７：３以下であることがわかる。γ−アルミナとα−アルミナの比率が、γ−アルミナ：α‐アルミナ＝１：９未満もしくは７：３を越えると、被膜強度が低くなる。
【００４０】
また、実施例１で用いた溶射材、並びに市販溶射材の外観を撮影した電子顕微鏡写真を図１３に示すが、実施例１の溶射材の方が緻密であることがわかる。
【００４１】
（試験８）
ジルコニア２０％含有アルミナ電融材を、呼び番号６３１６の単列深溝玉軸受（外径：１７０ｍｍ、内径：８０ｍｍ、幅：３９ｍｍ）を構成する外輪の外周面及び両端面に、溶射条件を変えてプラズマ溶射し（図１参照）、空孔率の異なる被膜を形成した。被膜の膜厚は、加工研磨により、何れも２００μｍ一定とした。溶射後、上記試験１と同様にして空孔率を求めた。
【００４２】
次いで、被膜に、アクリル系樹脂を含有する封孔剤を塗布、乾燥して封孔処理を施して試験体とし、被膜の破壊靭性値を測定して空孔率との関係を調べた。破壊靭性値は、各試験体とも被膜の５か所について測定した。
【００４３】
結果を図１４に示すが、一点鎖線は各空孔率における５つの測定値の中で最低値をプロットしたものであり、実線は各空孔率における５つの測定値の中で最高値をプロットしたものである。図示されるように、空孔率が２％以上１０％以下の範囲であれば、高強度であり、かつ、最低値と最高値との差が小さく、強度のバラツキの無い被膜が得られることがわかる。また、空孔率５％付近が最も破壊靭性値が大きく、好ましいことがわかる。
【００４４】
これに対し、空孔率が２％未満または１０％を超えると、空孔率２％以上１０％以下に比べて強度が低下しており、空孔率が０％に近づくほど、あるいは空孔率が大きくなるほど、強度の低下が大きくなっている。また、最低値と最高値との差も大きく、バラツキが大きくなっている。
【符号の説明】
【００４５】
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
【図１】
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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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【図８】
2015212576.tif 000011
【図９】
2015212576.tif 000012
【図１０】
2015212576.tif 000013
【図１１】
2015212576.tif 000014
【図１２】
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【図１４】
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【図２】
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【図１３】
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