(57)【要約】【課題】水素雰囲気、水蒸気雰囲気、高温、高速、高荷重環境下で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離や錆の発生を起こすことがなく、長寿命の転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１０と外輪１１との間に複数の転動体１３が周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、前記内輪１０の軌道面、前記外輪１１の軌道面及び前記転動体１３の転動面の内の少なくとも１つの面にニッケル被膜を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に複数の転動体が周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
前記内輪の軌道面、前記外輪の軌道面及び前記転動体の転動面の内の少なくとも１つの面にニッケル被膜を形成したことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記ニッケル被膜は０．５〜２０μｍの厚さであることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記ニッケル被膜は厚さ方向に段階的に濃度が変化する傾斜組成膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記ニッケル被膜は母材表面に０．０１〜１０μｍのＮｉ拡散層を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車用のエアーコンプレッサおよび水素循環ポンプや汎用自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等に組み込まれる転がり軸受のように、高温、高速、高荷重で、更に外部からの水の浸入を受けやすい環境で使用するのに好適な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池車用のエアーコンプレッサおよび水素循環ポンプ等に組み込まれる転がり軸受は水素雰囲気、水蒸気雰囲気、高温、高速などの苛酷な使用環境下に置かれ、鋼中に水素が侵入することによって起こる水素脆性的な剥離や水蒸気などによる錆の発生が問題になっている。
【０００３】
また、汎用自動車電装部品やエンジン補機では、小型化及び高性能高出力化が求められているが、小型化による出力低下は避けられず、例えばオルタネータやカーエアコン用電磁クラッチでは、高速化することにより出力の低下分を補っている。この高速化に伴って中間プーリも同様に高速化されて発熱するため、これらの部品に使用される転がり軸受には高温耐久性も要求されている。
【０００４】
このような事情から、燃料電池車用のエアーコンプレッサおよび水素循環ポンプや汎用自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等では、合成潤滑油を基油とし、これにウレア化合物を増ちょう剤として配合したウレア−合成油系グリースを封入した転がり軸受が多く用いられている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８７８７４９号公報
【特許文献２】
特開平１１−７２１２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近では、静粛化向上の要求によりエンジンルームの密封化、更には車室空間拡大のためにエンジンルームの小型化が進められており、中間プーリの高速化による温度上昇がより促進される傾向にある。ウレア−合成油系グリースは、周囲温度１７０〜１８０°Ｃ程度までは軸受潤滑寿命が長く、充分に使用可能であるが、このような環境変化により周囲温度が２００°Ｃ以上になる使用条件においては、ウレア−合成油系グリースでも基油の蒸発やそれに伴うグリースの硬化、増ちょう剤の熱分解によるグリースの軟化等が複合的に発生し、早期に焼付きを起こして軸受寿命に陥る虞れがある。
【０００７】
また、上記した燃料電池車用のエアーコンプレッサおよび水素循環ポンプや汎用自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等に用いられる転がり軸受は、高温、高速、高荷重下で使用されることが多いため、上記特許文献１に記載されているように、グリースの分解により水素を発生することがあり、この水素が内輪や外輪、転動体を形成する軸受鋼中に侵入して水素脆性による白色組織変化を伴った剥離を引き起こす可能性がある。
【０００８】
更には、これらの転がり軸受は、エンジン外部にあるベルト駆動の補助機械用軸受であることから、路面より跳ね上げられる泥水や雨水が浸入しやすく、通常、接触ゴムシールにより外部からの軸受内部への水の浸入を防止する構造となっているが、完全な防止はできないのが現状である。
しかも、自動車のエンジンは、稼働と休止を繰り返す機械であるため、エンジンが休止しているときに軸受のハウジング内の温度が下がり、露点に達して軸受周りの空気中の水分が凝縮して水滴となり、軸受に付着したりグリース中に混入したりすることがあり、この結果、上記特許文献２に記載されているように、浸入水分により発生した水素が同様の白色組織変化を伴った剥離を引き起こす可能性がある。
【０００９】
更には、前記転がり軸受は、ベルトによるプーリ駆動で回転しているため、ベルトとプーリ間に静電気が発生する。通常、軸受回転中は潤滑剤の油膜により内外輪間は絶縁状態になっているが、強振動等により金属接触を引き起こすと内外輪間が瞬時に導通して内外輪間に大きな電位差が生じ、生じた直流電圧により水が電気分解を起こして水素イオンの発生が促進され、上記したような白色組織変化を伴った剥離がより起こりやすくなる。
【００１０】
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、水素雰囲気、水蒸気雰囲気、高温、高速、高荷重環境下で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離や錆の発生を起こすことがなく、長寿命の転がり軸受を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内輪と外輪との間に複数の転動体が周方向に転動可能に配設された転がり軸受において、
前記内輪の軌道面、前記外輪の軌道面及び前記転動体の転動面の内の少なくとも１つの面にニッケル被膜を形成したことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、前記ニッケル被膜により軸受の鋼中に水素が侵入することを防ぐことができるので、水素脆性的な短寿命剥離を抑止して転がり軸受の長寿命化を図ることができると共に、防錆効果も得ることができ、水素雰囲気、水蒸気雰囲気においても好適に使用することができる。
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記ニッケル被膜は０．５〜２０μｍの厚さであることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、前記ニッケル被膜の膜厚が０．５μｍ未満だと、ピンホールなどが多く発生し、被膜の効果が良好に得られないばかりか、密着性が不十分な場合があり、一方、膜厚が２０μｍを超えると、被膜の圧縮応力が大きくなり早期に被膜の剥離が生じやすくなる場合がある。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記ニッケル被膜は厚さ方向に段階的に濃度が変化する傾斜組成膜であることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、軸受の母材からニッケル被膜の表面に向かって徐々にＮｉ濃度を高くすることにより、母材表面とニッケル被膜との間ではっきりした界面がなくなるので、非常に高い密着性を得ることができる。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記ニッケル被膜は母材表面に０．０１〜１０μｍのＮｉ拡散層を有していることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、軸受を使用中にニッケル被膜が摩耗してなくなっても、軸受の鋼中に水素拡散遅延元素であるＮｉ元素が浸透拡散しているので、長期にわたり水素遮断効果が発揮され、水素脆性的な剥離を抑止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である転がり軸受を説明するための断面図、図２はニッケル被膜の表面からの分析深さとＮｉ濃度及びＦｅ濃度との関係を示すグラフ図、図３は急加減速耐久試験機の断面図、図４は実施例及び比較例における軸受平均寿命の比較を示すグラフ図、図５はニッケル被膜の膜厚と剥離発生率との関係を示すグラフ図である。
【００１７】
本発明の実施の形態の一例である転がり軸受１は、図１に示すように、内輪１０と外輪１１との間に保持器１２を介し複数の転動体１３が周方向に略等間隔で転動自在に配設されており、軸受空間Ｓにはウレア−合成油系グリースが所定量充填され、軸方向両端部はシール１４で封止されている。
ここで、この実施の形態では、内輪の軌道面、外輪の軌道面及び転動体の転動面の内の少なくとも１つの面に、０．５〜２０μｍの厚さのニッケル被膜を形成すると共に、母材から前記ニッケル被膜の表面に向かって徐々にＮｉ濃度を高くし、且つ母材表面に０．０１〜１０μｍのＮｉ拡散層を形成している。
【００１８】
これにより、水素雰囲気、水蒸気雰囲気、高温、高速、高荷重環境下で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離や錆の発生を起こすことがなく、長寿命の転がり軸受を提供することができる。
【００１９】
【実施例】
図１と同一構造で、内輪、外輪及び転動体がＳＵＳ４４０Ｃで形成された接触ゴムシール付深溝玉軸受（内径φ１７ｍｍ、外径φ４７ｍｍ、幅１４ｍｍ）を用い、内輪軌道面及び外輪軌道面に次のようにしてニッケル被膜を形成した。
まず、内輪、外輪を有機溶剤で良く洗浄して油分や付着しているゴミを取り除いた後、アンバランスドマグネトロンスパッタ装置内に設置し、該装置内を真空度１．０×１０−５Ｐａまで排気して約３時間真空乾燥した。
【００２０】
次に、内輪軌道面及び外輪軌道面にアルゴンイオンによってイオンボンバード処理を１５分施し、そして、鉄（Ｆｅ）をターゲットに各軌道面に対してスパッタを開始した。Ｆｅのスパッタを継続したまま、ニッケル（Ｎｉ）をターゲットにしたスパッタを開始し、更に、Ｆｅのスパッタ効率を徐々に低くすると同時にＮｉのスパッタ効率を高めていった。
【００２１】
上記のようにニッケル膜の成膜を行った結果、膜厚４μｍ、鋼中Ｎｉ拡散層１．５μｍの傾斜組成を有したニッケル被膜を得た。オージェ分光法によって分析したニッケル被膜の組成を図２に示す。
その後、軸受空間Ｓにウレア−合成油系グリースを３０％の容積になるように封入し、軸受を組立てた。
【００２２】
次に、表１に示すように、上記のようにして外輪軌道面及び内輪軌道面のニッケル被膜の膜厚を４μｍとした試験軸受を実施例１とし、外輪軌道面及び内輪軌道面のニッケル被膜の膜厚を０．３μｍとした試験軸受を比較例１とし、外輪軌道面及び内輪軌道面のニッケル被膜の膜厚を２４μｍとした試験軸受を比較例２とし、外輪軌道面及び内輪軌道面のニッケル被膜を設けない試験軸受を比較例３として、図３に示す急加減速耐久試験機で各試験軸受ごとに５回ずつ、耐久試験を行った。なお、図３では試験軸受を符号２１で表示している。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
急加減速耐久試験機が設置される恒温槽は、密閉状態で内部が１２０°Ｃに保たれ、更に外部から加湿器によって常に水蒸気を送り込まれている。支持軸受２２に支持されたシャフト２０に試験軸受２１を取付け、ラジアル荷重９８０Ｎ、回転速度２０００〜２００００ｍｉｎ−１の繰り返しで耐久試験を行った。軸受寿命はトルクが試験前の倍になった時の総回転数とし、５回の平均寿命を求めた。その結果を図４に示す。
【００２５】
図４から明らかなように、０．５〜２０μｍの厚さのニッケル被膜処理を行った実施例１はニッケル被膜処理を行わなかった比較例３に比べて約４０倍の長寿命が得られ、また、比較例１及び２に対しても大幅な寿命延長効果が得られた。これはニッケル被膜が鋼中への水素拡散を抑制するために、水素脆性による剥離現象が起こらないからである。また、試験後の軸受を観察すると、比較例３では錆が発生していたのに対し、ニッケル被膜処理を施した実施例１、比較例１及び２の軸受には錆の発生が起こらなかった。
【００２６】
次に、ニッケル被膜の膜厚が水素脆性剥離にどのくらい影響するか、５００時間耐久試験を行い、剥離発生率を調べた。その結果を図５に示す。なお、剥離発生率は次式で定義される。
（剥離発生率）＝（剥離発生数／試験数）×１００
図５から明らかなように、ニッケル被膜の膜厚が０．５μｍよりも薄いと剥離発生率が極端に上昇する。これは膜厚が０．５μｍ未満だとピンホールなどが多く発生し、被膜の効果が良好に得られないばかりか、密着性が不十分であるためである。
【００２７】
また、膜厚が２０μｍを超えても、剥離発生率が上昇する。これは２０μｍを超えると被膜の圧縮応力が大きくなり早期に被膜の剥離が生じやすくなるためである。
なお、本発明は上記実施の形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２８】
例えば、上記実施の形態では、転がり軸受として玉軸受を例に採ったが、これに限定されず、玉軸受以外の転がり軸受に本発明を適用できるのは勿論である。また、上記実施例では、アンバランスドマグネトロンスパッタ法でニッケル被膜処理を施したが、これに代えて、他のＰＶＤ法、ＣＶＤ法および電気めっきでもニッケル被膜処理が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、耐水素脆性、耐食性に優れているので、例えば燃料電池車用のエアーコンプレッサおよび水素循環ポンプや汎用自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ等のように、高温、高速、高荷重で、更に外部からの水の浸入を受けやすい環境で使用されても、水素脆性による白色組織変化を伴う剥離や錆の発生を起こすことがなく好適に使用できる転がり軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である転がり軸受を説明するための断面図である。
【図２】ニッケル被膜の表面からの分析深さとＮｉ濃度及びＦｅ濃度との関係を示すグラフ図である。
【図３】急加減速耐久試験機の断面図である。
【図４】実施例及び比較例における軸受平均寿命の比較を示すグラフ図である。
【図５】ニッケル被膜の膜厚と剥離発生率との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１…玉軸受（転がり軸受）
１０…内輪
１１…外輪
１３…転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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