(57)【要約】【課題】耐摩耗性、耐焼き付き性に優れた軸受を提供する。【解決手段】玉等の転動体４、軌道輪２，３等の金属製の構成部材のうち、少なくともいずれかの構成部材（玉４）の表面には、予め、構成部材の素材金属と極圧剤との極圧反応による化合物層４ａが形成されている。この化合物層４ａは、表面から深さ方向に漸次的に成分比率が変化する層である。この化合物層４ａを形成する場合、メカニカルアロイングのミルの容器８を利用し、これには構成部材と、極圧剤を含む溶媒９とを投入する。【選択図】  図１
2004353800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受として組み立てられる金属製の構成部材のうち、少なくともいずれか１種の構成部材の表面に、前記構成部材の素材金属と極圧剤との化合物からなり表面から深さ方向に漸次的に成分比率が変化する化合物層が設けられている軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の軸受を製造する方法であって、
軸受として組み立てられる金属製の構成部材のうち、少なくともいずれか１種の構成部材を、極圧剤を分散混入させた溶媒とともに容器に投入するステップと、前記容器内で前記構成部材と極圧剤との極圧反応が生じるよう、前記容器に機械的力を加えて前記構成部材を互いに、あるいは他の硬質部材と高圧で接触させて、前記構成部材の表面に、前記構成部材の素材金属と極圧剤との極圧反応による化合物層を形成するステップとを含む軸受の製造方法。
【請求項３】
前記容器は、メカニカルアロイングに使用されるミルの容器である、請求項２に記載の軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受には、転動体や軌道輪の摩耗や焼き付きを防止するために、それらの表面にメッキ膜や、固体潤滑剤からなる潤滑膜を形成したものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１２８４４９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、転動体等の表面にメッキ膜や潤滑膜を形成した転がり軸受では、転動体等の素材と、メッキ膜や潤滑膜との間に明確な境界があり、その素材と膜との密着性に問題がある。また、過大な負荷が作用した場合、メッキ膜や潤滑膜が剥離してくるおそれがある。
【０００５】
さらに、それらの膜は、浸漬や化学処理により形成されているから、比較的に膜厚が厚く、高い精度を必要とする軸受では、寸法管理が難しくなり、製造上好ましくない。
【０００６】
本発明は、転動体等の軸受構成部材の表面に、薄くて剥離しにくい層を形成することで、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れた軸受を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ところで、高温の環境下で高速回転で使用される玉軸受には、極圧剤を添加剤として加えたグリースが封入されている。この玉軸受では、高負荷時、玉と軌道輪とが高圧で接触することで、両者の接触部がミクロ的に高温になる。その結果、玉や軌道輪の金属表面と、極圧剤とが化合して、玉等の金属表面に軟質の化合物の層を発生させる。この化合物層が、金属どうしの直接的な接触を回避して、かじり、摩耗を防止する。
【０００８】
本件発明者が観察したところでは、前記の化合物層は、メッキ膜等に比べ、厚さが薄く、しかも表面から深さ方向に成分比率が漸増的、もしくは漸減的に変化していて、素材との間に明確な境界がなく、それだけ剥離しにくい、と考えられる。
【０００９】
本発明は上記の事実、知見を利用してなされたものであって、その第１の発明は、軸受として組み立てられる金属製の構成部材のうち、少なくともいずれか１種の構成部材の表面に、前記構成部材の素材金属と極圧剤との化合物からなり表面から深さ方向に漸次的に成分比率が変化する化合物層が設けられている軸受を構成している。
【００１０】
上記構成における極圧剤には、一般に潤滑油やグリースに添加剤として加えられているもののほか、極圧性を示す薬剤が含まれる。
【００１１】
上記構成によれば、玉等の軸受の構成部材の表面に、構成部材の素材金属と極圧剤との化合物の層があり、この化合物層は、構成部材が軸受に組み立てられた後は、構成部材の素材金属どうしが直接的に接触することを回避して、潤滑層として作用し、構成部材の摩耗、かじり、焼き付きを防止する。
【００１２】
なお、化合物層は、軸受として組み立てられる構成部材に予め形成されているものであるから、この構成部材を有する軸受には、必ずしも極圧剤を含むグリースや潤滑油を必要とせず、無潤滑の軸受として支障なく使用できる。
【００１３】
化合物層は、極圧反応により形成されるもので、メッキや浸漬により形成される膜に比べ、厚さが薄く、数十ｎｍの単位であるので、構成部材の径や厚みをほとんど変化させることがなく、構成部材の寸法管理が容易である。
【００１４】
また、化合物層では、表面から深さ方向に素材金属の比率が漸増する一方、極圧剤の比率は漸減していて、素材との間に明確な境界がなく、それだけ素材金属と一体化しており、剥離しにくい。
【００１５】
次に、本発明の第２は、本発明の第１に記載の軸受を製造する方法に関するもので、軸受として組み立てられる金属製の構成部材のうち、少なくともいずれか１種の構成部材を、極圧剤を分散混入させた溶媒とともに容器に投入するステップと、前記容器内で前記構成部材と極圧剤との極圧反応が生じるよう、前記容器に機械的力を加えて前記構成部材を互いに、あるいは他の硬質部材と高圧で接触させて、前記構成部材の表面に、前記構成部材の素材金属と極圧剤との極圧反応による化合物層を形成するステップとを含む軸受の製造方法を構成している。
【００１６】
上記の製造方法において、「他の硬質部材」とは、容器の内壁や、容器中に、軸受の構成部材とは別に投入される硬球等の衝突媒体を意味する。
【００１７】
また、上記の製造方法において、容器に加える機械的な力は、容器を回転させる回転力であってもよいし、容器の内部で構成部材等を攪拌する攪拌力であってもよく、要するに、容器内部で構成部材どうし、もしくは構成部材と他の硬質部材とを高圧で接触させるような機械的な力であればよい。
【００１８】
この製造方法によれば、多数の構成部材の表面全体に、それぞれ化合物層を形成することができる。
【００１９】
容器に機械的力を加えるのであるから、投入物を含め容器全体が高温に加熱されることがなく、熱の影響で極圧剤や化合物層が変化せず、所要の化合物層を形成することができる。
【００２０】
特に、容器が、メカニカルアロイングに使用されるミルの容器である場合、メカニカルアロイングの際のミルの動きを、そのまま極圧反応を起こすための動きに利用することができ、新たに容器を動かす機構を設ける必要はない。
【００２１】
本発明の第１の軸受に関する発明と、第２の製造方法に関する発明とは、玉軸受のような転がり軸受に限らず、すべり軸受にも適用しうる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内容を図面に基づいて説明すると、図１ないし図３は、本発明の一実施形態に係り、図１は、本発明の一実施形態に係る玉軸受の断面図、図２は、図１の玉軸受の表面部を示すもので、（Ａ）は、表面部の拡大断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の表面部の成分比率を示す比率線図である。図３は、製造方法の説明図である。
【００２３】
図１に示す玉軸受１は、内輪２と、外輪３と、これら内外輪２，３間に介装された転動体としての玉４と、保持器５と、内外輪２，３間に形成される環状空間６を密閉するシールリング７とを備えている。これら構成部材のうち、少なくとも内外輪２，３と、玉４とが金属製の構成部材である。保持器５は、金属で作られるほか、合成樹脂のような他の素材で作られる場合もある。シールリング７は、芯金７ａと、この芯金７ａの全体もしくは一部に接合されたゴムのような弾性材７ｂとからなる。このシールリング７により密閉される環状空間６内には、グリースが封入される。
【００２４】
本発明では、玉軸受１の金属製の構成部材である内輪２、外輪３および玉４のうち、少なくとも１種の構成部材の表面が、極圧剤との極圧反応により、改質されている点に特徴がある。
【００２５】
極圧反応とは、極圧剤を添加剤として加えたグリースや潤滑油が存在する中で、玉軸受の玉や軌道輪のような金属部材が互いに高圧で接触し、この接触部がミクロ的に高温になることにより、発生する反応であって、金属部材の表面には、その部材の素材金属と極圧剤との化合物の層が形成される。
【００２６】
本発明は、この極圧反応を利用して金属製の構成部材の表面を改質したもので、軸受として組み立てられる前の金属製の構成部材のうち、少なくとも１種の構成部材、この実施形態では玉軸受１の玉４の表面全面に、図２（Ａ）に示すように、予め、玉４の素材金属と極圧剤との化合物からなる化合物層４ａが形成されている。図２（Ａ）において、符号４ｂは、化合物層４ａの内側の玉４の素材部を示す。
【００２７】
このように表面が改質された玉４は、こののち、同じように表面が改質された内外輪２，３、もしくは改質されていない内外輪２，３、保持器５、シールリング７と組み合わされて、図１に示したような玉軸受１に組み立てられる。
【００２８】
玉４等の金属製構成部材と反応させる極圧剤には、一般に潤滑油やグリースに添加剤として加えられている、ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン（通称モリブデンジチオカーバメイト、ＭｏＤＴＣ）、ジアルキルジチオリン酸モリブデン（通称モリブデンジチオフォスフェート、ＭｏＤＴＰ）、ジアルキルジチオリン酸亜鉛（ＺｎＤＴＰ）、ジアルキルジチオカルバミン酸アンチモン（ＳｂＤＴＣ）等の有機金属系のものが挙げられる。
【００２９】
このほか、極圧剤としては、炭素数２２以下のカルボン酸塩化物や、有機硫黄化合物（サルファイド、硫化オレフィン、メルカプタン、スルフォン、金属ジチオフォスフェート、金属ジチオカーバメイト）、タンニン酸化合物等を挙げることができ、要するに、極圧性を示す薬剤であればよい。
【００３０】
化合物層４ａは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、メッキや浸漬により形成される膜に比べ、格段に薄く、具体的には約１０ｎｍの薄さに収まる。また、この化合物層４ａでは、表面から深さ方向に素材金属（ここでは鉄、Ｆｅ）の比率が漸増する。一方、極圧剤がモリブデンジチオカーバメイト（ＭｏＤＴＣ）のような有機モリブデン系の極圧剤である場合、化合物層４ａ中での極圧剤の反応元素（モリブデン）の比率は、表面から深さ方向に漸減していて、素材部４ｂと化合物層４ａとの間に明確な境界がなく、それだけ素材部４ｂと化合物層４ａとは一体化している。
【００３１】
上記構成の玉軸受１では、玉４の表面全面にある化合物層４ａが、潤滑層として作用し、玉４や内外輪２，３の摩耗、かじり、焼き付きを防止する。化合物層４ａは、メッキや浸漬により形成される膜に比べ、極めて薄く、玉４の径をほとんど変化させることがなく、寸法管理が容易である。また、化合物層４ａでは、表面から深さ方向に成分比率が漸次的に変化していて、素材部４ｂとの間に明確な境界がなく、それだけ素材部４ｂと一体化しており、剥離しにくい。
【００３２】
次に、上記構成の玉軸受１の製造方法、詳しくは、玉軸受１の金属製構成部材である玉４の表面を改質する方法を説明する。この方法では、メカニカルアロイング法の実施装置が利用される。
【００３３】
メカニカルアロイング法とは、合金とすべき金属原料を溶解することなく、ボールミル等の機械を用いて機械的に合金粉末を作製する方法である。合金粉末は、ボールミル等の容器から取り出されて、筒状体に充填され、熱間押出し法や、熱間静水圧加圧法により、所望の形状に成形される。このメカニカルアロイング法では、溶解法と異なり、常温で行うため、融点の差が大きい金属どうしでも、合金粉末を作製することができる、等の利点がある。
【００３４】
ところで、メカニカルアロイング法の実施装置には、ボールミル等のミルの容器があって、この容器には、合金の原料が鋼球のような粉砕媒体とともに投入される。そして、この容器が高速で回転されることで、原料が微細化される。
【００３５】
ミルの容器の内部での粉砕媒体の動きに着目すると、粉砕媒体は、合金原料を間に挟み込むようにして、他の粉砕媒体や容器の内壁に高圧で接触すると考えられる。これは、転がり軸受の内部で極圧反応が起こる時の転動体と軌道輪との挙動に似ている。
【００３６】
そこで、本件発明者は、メカニカルアロイング法のミルの容器を利用すれば、その内部で極圧反応を起こさせることができると予想し、図３に示すように、ミルの容器８の内部に、玉軸受１の金属製構成部材である玉４と、極圧剤を分散混入させた溶媒９とを投入するステップと、その容器８を、メカニカルアロイングの際と同様に、高速で回転させることで、容器８内部で、各玉４を他の玉４もしくは他の硬質部材と高圧で接触させ、玉４の表面に、玉４の素材金属と極圧剤との極圧反応による化合物層４ａを形成するステップとを含む軸受の製造方法を創案した。
【００３７】
上記製造方法での極圧剤は、図１の玉軸受１に関して既に説明したように、金属製の構成部材の素材金属と極圧反応して、構成部材の表面に化合物層４ａを形成するもので、極圧性を示す薬剤であればよく、その具体例は、玉４の化合物層４ａの説明個所で例示した通りである。
【００３８】
溶媒９は、前記した極圧剤を分散混入させるものであればよいが、本実施形態では、極圧剤として有機金属系のものを用いるのに対応して、鉱物油、合成油、もしくはこれらの混合油からなるオイルを使用している。このオイルは、４０℃での動粘度が１０〜７０ｍｍ２／ｓ、１００℃での動粘度が１〜１０ｍｍ２／ｓであることが望ましい。各動粘度が前記した範囲より大きいと、構成部材どうしの衝突速度が抑えられ、極圧反応が起こる度合いが低下する。各動粘度が前記範囲より小さいと、化合物層４ａが形成される前に、構成部材どうしが高圧で接触して、かじりや摩耗が生じる割合が増える。
【００３９】
容器８は、球形、円筒形、もしくは多角形の筒形等の、密閉が可能が容器であればよい。この容器８は、図３に図示の例では、矢印イの方向に自転しながら、その自転軸とは離れた位置に設定された中心軸Ｐの周りを矢印ロの方向に公転する。
【００４０】
上記の製造方法によれば、容器８の内部では、極圧反応が発生する時の転がり軸受の内部と同じ状態が再現され、極圧剤が存在する中、各玉４が他の玉４、もしくは容器８の内壁に強い力で衝突し、その衝突時、玉４の表面はミクロ的に高温となって、極圧剤と極圧反応を起こしている。このような極圧反応は、玉４の表面全面で生じるから、玉４の表面全面には、図２に示したような化合物層４ａが形成される。
【００４１】
容器８に玉４等の金属製構成部材を多数投入することで、一度に多数の構成部材についてその表面の改質を行うことができる。
【００４２】
また、上記の製造方法では、容器８に機械的力を加えるだけで、投入物を含め容器８全体を高温に加熱することがないから、熱の影響で極圧剤や化合物層４ａが変化せず、所要の化合物層４ａを形成することができる。
【００４３】
容器８が、メカニカルアロイングに使用されるミルの容器である場合、メカニカルアロイングの際のミルの動きを利用することができ、新たに容器８を動かす機構を設ける必要はない。
【００４４】
本実施形態では、説明を簡単にするために、ミルの容器８に、金属製の構成部材として玉軸受１の玉４を投入した場合について述べたが、容器８には、他の金属製構成部材、たとえば内輪２もしくは外輪３を投入して、内輪２もしくは外輪３の表面全面に化合物層が形成されるようにしてもよい。また、内外輪２，３と玉４とを投入して、これら内外輪２，３および玉４の表面全面に化合物層が形成されるようにしてもよい。このほか、容器８には、金属製の構成部材のほかに、衝突媒体として作用する硬球を投入して、化合物層の形成が促進されるようにしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、玉軸受１の玉４等を投入する容器は、メカニカルアロイング法の実施装置に含まれるミルの容器８であるが、密閉することができて、内部で金属製の構成部材どうしが高圧で接触するような動きがとれる容器であればよい。
【００４６】
この容器８は、自転と公転とを組み合わせた動きに限定されず、波打つように動かしてもよく、また、３軸周りにそれぞれ回転させるようにしてもよい。さらに、容器８は、外部から加える力で動かすほか、容器８内部に攪拌羽根を設けて、この攪拌羽根を回転させることで、投入した金属製構成部材を攪拌して、これら構成部材の表面全面に化合物層が形成されるようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、軸受の金属製構成部材の表面には、予め、極圧剤との極圧反応による化合物層が形成されていて、この化合物層は、軸受において潤滑層として作用し、転動体や軌道輪等の摩耗、かじり、焼き付きを防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る玉軸受の断面図
【図２】図１の玉軸受の表面部を示すもので、（Ａ）は表面部の拡大断面図、（Ｂ）は表面部の成分比率を示す比率線図である。
【図３】図１の玉軸受の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１    玉軸受
２    内輪          ３    外輪
４    玉            ４ａ  化合物層      ４ｂ  素材部
８    容器          ９    溶媒
【図１】
2004353800.tif 000003
【図２】
2004353800.tif 000004
【図３】
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