(57)【要約】【課題】転動体の表面に緻密なセラミックス被膜を形成し、優れた耐焼付き性を有するともに、低コストな焼付防止転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪１および外輪２と、この内輪１および外輪２間に介在する複数の金属製転動体３とを備えてなり、金属製転動体３の表面にセラミックス被膜５を有する焼付防止転がり軸受であって、セラミックス被膜５は、複数の金属製転動体が入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該金属製転動体同士を衝突または摺接させ、あるいは、該金属製転動体を容器壁と衝突または摺接させることで形成される被膜である。【選択図】図１
2007292104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の金属製転動体とを備えてなり、前記金属製転動体の表面にセラミックス被膜を有する焼付防止転がり軸受であって、
前記セラミックス被膜は、前記複数の金属製転動体が入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該金属製転動体同士を衝突または摺接させ、あるいは、該金属製転動体を容器壁と衝突または摺接させることで形成される被膜であることを特徴とする焼付防止転がり軸受。
【請求項２】
前記セラミックス微粒子は、窒化ケイ素の微粒子であることを特徴とする請求項１記載の焼付防止転がり軸受。
【請求項３】
前記金属製転動体は、軸受鋼製であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の焼付防止転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は焼付けを防止できる転がり軸受、特に、高速で回転する工作機械の主軸に組込まれる工作機械用の焼付防止転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
マシニングセンタ、ＣＮＣ旋盤、フライス盤等の工作機械において、主軸はハウジングに対して軸受で回転自在に支持される。軸受形式としては、組合せアンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受が使用される場合が多い。軸受の潤滑方式は、使用条件等に応じてグリース潤滑やエアオイル潤滑等の油潤滑が採用される。
近年、工作機械に対する高速化の要求が強くなってきている。工作機械の加工精度や生産性を高めるためには主軸の回転速度の高速化が有利であるが、転がり軸受を高速回転下で使用すると遠心力により転動体と内外輪との間の接触面圧が増大したり、軸受の発熱が著しく進行して、焼付きや摩耗等の問題が起こったり、高速回転に伴う発熱で軸の熱変形が生じ加工精度が悪化する懸念がある。
従来この問題に対応するため、高速主軸を支持する転がり軸受には、発熱対策、焼付き対策などからセラミックス製の転動体が採用されてきている。ただし、セラミックス転動体の採用は、コストが非常に高くなるため、マルテンサイト系ステンレス鋼を母材とする転動体の表面を窒化層とし、その窒化層の硬さをHv1200〜1500として低発熱、耐焼付き性かつ低コスト化を図った工作機械用転がり軸受（特許文献１参照）等が提案されている。
【０００３】
しかしながら、セラミックスほどではないが軸受鋼の粗球に比べマルテンサイト系ステンレス鋼の粗球自体がコストは高く、加えて窒化処理コストが高いため、その用途は限られていた。
また、軸受鋼等の転動体表面にセラミック被膜を形成する方法として、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の薄膜形成法が知られている（非特許文献１参照）が、これらのセラミック被膜形成法は、いずれも成膜に必要となる時間が長く、かつ、生産性が非常に悪いものであった。
【特許文献１】特開２００２−３６４６４８号公報
【非特許文献１】トライボロジーハンドブック 養賢堂刊  P497〜501
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、優れた耐焼付き性を有するとともに、低コストな焼付防止転がり軸受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】
【０００５】
本発明の焼付防止転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の金属製転動体とを備えてなり、上記金属製転動体の表面にセラミックス被膜を有する焼付防止転がり軸受であって、上記セラミックス被膜は、上記複数の金属製転動体が入れられた密閉容器内にセラミックス微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを導入し、該密閉容器を振動させて、エアロゾルの存在下で該金属製転動体同士を衝突または摺接させ、あるいは、該金属製転動体を容器壁と衝突または摺接させることで形成される被膜であることを特徴とする。
【０００６】
上記セラミックス微粒子は、窒化ケイ素の微粒子であることを特徴とする。
また、上記金属製転動体は、軸受鋼製であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の焼付防止転がり軸受は、金属製転動体の表面に、エアロゾルの存在下において、金属製転動体に衝突または摺接等の機械的衝撃力を連続的に付加することによりセラミックス微粒子が積層されて緻密なセラミックス被膜が形成されているので、優れた耐焼付き性を有する。また、セラミックス被膜を形成する原料として窒化ケイ素を用いることにより、摩擦摩耗特性に優れる。
転動体母材として軸受鋼を使用できることから、母材としてセラミックスやマルテンサイト系ステンレス鋼を使用する場合よりも低コストとなる。また、被膜形成工程は、常温で機械的衝撃を連続的に加えるのみであり、金属製転動体の前処理等も不要であるため、溶射法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等と比較して低コストであり、かつ、生産性にも優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の一実施例に係る焼付防止転がり軸受を図１により説明する。図１は深溝玉軸受の断面図である。
内輪１と、外輪２と、内輪１および外輪２間に介在する複数の金属製転動体（ボール）３と、金属製転動体３を円周等間隔に保持する保持器４とで転がり軸受が構成される。内輪１が回転軸に嵌着され、外輪２がハウジングに嵌合され、転がり軸受として使用される。金属製転動体３の外表面に後述する方法によりセラミックス被膜５が形成されている。金属製転動体３は、例えば、軸受鋼等の金属材からなる。本発明の焼付防止転がり軸受として使用可能な金属製転動体３は、図１に示すボールの他、コロ、円錐コロ、ニードルローラおよびスフェリカルローラ等が挙げられる。
なお、保持器４がない総玉方式の軸受であってもよい。また、工作機械用軸受としては深溝玉軸受のほか、アンギュラ玉軸受が多く用いられる。
【０００９】
本発明において、金属製転動体の外表面にセラミックス被膜を形成する方法を図２に基づいて説明する。図２は金属製転動体（ボール）を対象とするセラミックス被膜形成装置の構成を示す図である。
図２に示すように、セラミックス被膜形成装置６は、被膜形成部７とエアロゾル発生部８とを備えてなる。被膜形成部７は、金属製転動体（ボール）３を入れる密閉容器９と、この密閉容器９を振動させるクランク、振動モータ等の振動手段１０とからなる。エアロゾル発生部８は、容器内に収容されたセラミックス微粒子を、ガス供給設備１２より供給される不活性ガス等のガス中に分散させてエアロゾルを発生させる。密閉容器９は、真空ポンプ１１等により減圧下に保たれ、エアロゾル発生部８からエアロゾルが導入される。
エアロゾル発生部８から被膜形成部７の密閉容器９に導入された粗大な凝集状態にあるエアロゾルセラミックス微粒子は、金属製転動体３および密閉容器９の壁面との衝突により解砕および粉砕される。その原理は、粉砕媒体となりうる金属製転動体３同士、あるいは、密閉容器９の壁面と金属製転動体３との摺接による摩擦力と、衝突による衝撃力である。
振動手段１０による密閉容器９の振動に伴い、金属製転動体３がランダムに摺動・衝突し合う密閉容器９の内部にエアロゾル状態で導入された粗大な凝集状態にあるセラミック微粒子塊は、上述したように解砕されて１次粒子になり、さらに粉砕されながら以下に示す成膜原理により金属製転動体３の表面上で成膜・膜成長してゆき、セラミックス被膜５が形成される。
なお、さらに成膜効率を上げるために、図３に示すように被膜形成部７において、同径または異径のセラミック製転動体３ａを媒体として密閉容器９の内部に共存させて成膜してもよい。
【００１０】
本発明における成膜原理を以下に説明する。自由電子をほとんど持たない共有結合性あるいはイオン結合性が強い原子結合状態にあることで硬度は高いが衝撃に弱い脆性材料である、セラミックス超微粒子は、通常いくつかの結晶子が集まった多結晶体からできている。
このセラミックス超微粒子が、金属表面等に非常に高速で衝突した場合、その運動エネルギーによって発生する衝撃でさらに細かく破砕され、例えば、結晶子同士の界面などの壁界面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕されたりする現象が起こり、もともと内部に存在していたズレ面や破面は原子が剥き出しの状態となり、すなわち新生面が形成される。
その新成面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な状態にさらされ表面エネルギーが高い状態となる。つまりセラミックス超微粒子への機械的衝撃力の付加により表面エネルギーが極度に大きな微細断片粒子が多数生成する。
この高活性の新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合して安定状態に移行することで、微細断片粒子表面同士が生成後瞬時に基材と接着あるいは互いに再結合し、焼成を行った場合と類似した緻密質のセラミック構造物を形成する。あるいは、衝突の衝撃により粒子がへき開面に沿って変形して、粒子の一部に新生面を形成し、次いで衝突してきた粒子と再結合したり、粒子間の空孔を埋めて緻密化する。
さらに、外部からの連続した機械的衝撃力の付加により、上記現象を継続的に発生させ、微粒子の変形・破砕等の繰返しにより接合の進展、それによって形成された構造物の緻密化・成長が行われ脆性材料の構造物が金属表面上に形成される。
【００１１】
エアロゾル発生部８は、原料となるセラミックス微粒子を不活性ガス等のガス中に分散させたエアロゾルを発生させる構成部位であり、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）に使用される周知のエアロゾル発生装置等を利用できる。例えば、セラミックス微粒子を容器内に収容し、これに振動装置８ａ等により機械的振動作用を与えて微粒子を攪拌するとともに、ガス供給設備１２より不活性ガスを微粒子に吹き付けて微粒子を気流中に舞い上がらせてエアロゾルとする。エアロゾル発生部８で使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
【００１２】
本発明においてセラミックス被膜５を形成するためのエアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、耐焼付き性、耐摩耗性等に優れ、被膜形成可能なものであれば、任意のセラミックス微粒子を使用できる。例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、摩擦摩耗特性に優れる窒化ケイ素の微粒子を用いることが好ましい。
なお、原料粉は被膜形成部７において機械的衝撃力により微細な微粒子に解砕されるので、原料調整時における粒子径等は特に限定されない。
【００１３】
密閉容器９の容積および材質は、複数の金属製転動体の合計体積と密閉容器容積との比が、1/5 〜 1/3 程度とすることが好ましい。金属製転動体と容器壁との衝突時において、コンタミを防ぐため、密閉容器９の材質は、金属製転動体よりも硬い、または、同種材とすることが好ましい。
密閉容器９は、エアロゾル発生部８からのエアロゾルを導入するため、真空ポンプ１１等により減圧下に保たれる。エアロゾルは不活性ガスを媒体としているので、減圧下の密閉容器内は完全な不活性ガス雰囲気となり、成膜時の新生面における酸素接触による酸化や水分の吸着、粒子間の凝集等が回避される。
【実施例】
【００１４】
実施例
ＳＵＪ２製の内外輪と、セラミックス被膜が形成されたＳＵＪ２製ボールとからなる試験用アンギュラ玉軸受を用意した。該アンギュラ玉軸受は、内径 35mm、外径 62mm、幅 14mm、ボール直径 7.9475mm (ボール：7.9375mm セラミックス被膜：5μm）、玉数 16個、接触角15°で、グリース潤滑（ＮＯＫクリューバ社製、イソフレックス  スーパーＬＤＳ１８）である。
セラミックス被膜は以下のように形成した。図２に示すセラミックス被膜形成装置を用い、数Ｔｏｒｒに減圧され、ＳＵＪ２製ボール（直径 8mm）が仕込まれたクランクによる縦型振動式のアルミナ製密閉容器（内容積1000cc）に、窒化ケイ素微粒子（宇部興産社製ＳＮ−Ｅ１０：平均粒径0.55μm）を原料とするエアロゾルをエアロゾル発生部から導入しながら密閉容器を、振動数 10 Hz、ストローク 50 mm の振動条件で加振しながらボール表面に成膜処理した。なお、このとき同サイズの窒化ケイ素製ボールも容積比で 1：1 の割合で密閉容器中に仕込んだ。トータルのボール容積は、密閉容器の内容積の 1/3 以下となるようにした。エアロゾル搬送ガスとしては、ヘリウムガス（太陽日酸社製 純ヘリウムＧ１）使用した。処理時間は１時間とした。ボールの外表面に窒化ケイ素のセラミック被膜が 5 μmの厚さで形成できた。
【００１５】
この試験用アンギュラ玉軸受を、縦型試験機に２列背面組合せで、該試験機の回転軸を２個で支持するよう、組込み時アキシアルばね定数を 100 N/μmにして組み込んだ。アンギュラ玉軸受間には内輪間座を配置した。この試験機の回転軸をベルト駆動により回転させ、外輪昇温と高速限界を観測した。
試験結果を図４に示す。図４において、横軸は回転数（rpm）を、縦軸は外輪昇温（℃）を示す。図４に示すように、本発明のセラミックス被膜が形成されたボールを有する転がり軸受は、19000rpmまで焼付きが起こらず耐えた。また、このときの外輪昇温は70℃であった。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明の焼付防止転がり軸受は、転動体の表面に緻密なセラミックス被膜が形成されているので、優れた耐焼付き性を有するともに低コストであり、例えば、高速で回転する工作機械の主軸に組込まれる工作機械用の焼付防止転がり軸受として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例に係る焼付防止転がり軸受の断面図である。
【図２】セラミックス被膜形成装置を示す図である。
【図３】被膜形成部における他の態様を示す図である。
【図４】実施例における試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  内輪
２  外輪
３  金属製転動体（ボール）
４  保持器
５  セラミックス被膜
６  セラミックス被膜形成装置
７  被膜形成部
８  エアロゾル発生部
９  密閉容器
１０  振動手段
１１  真空ポンプ
１２  ガス供給設備
【図１】
2007292104.tif 000003
【図２】
2007292104.tif 000004
【図３】
2007292104.tif 000005
【図４】
2007292104.tif 000006