(57)【要約】【課題】スミアリングの発生をより抑え、潤滑寿命の更なる延長を図った転動装置を提供する。【解決手段】転動装置において、転動体の表面を、球状の弾性体に砥粒を分散させた研磨粒子を投射して平均表面粗さＲａ０．０８μm以下に調整し、内方部材及び外方部材の少なくとも一方の軌道面に、亜鉛とスズとを含有する金属被膜を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
前記転動体の表面が、球状の弾性体に砥粒を分散させた研磨粒子を投射して平均表面粗さＲａ０．０８μm以下に調整されており、
前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の軌道面に、亜鉛とスズとを含有する金属被膜を備えることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記金属被膜が、機械的エネルギーを利用して形成された膜であることを特徴とする請求項１記載の転動装置。
【請求項３】
前記金属被膜が、亜鉛粉末とスズ粉末とをショットピーニングして形成された膜であることを特徴とする請求項１記載の転動装置。
【請求項４】
前記金属被膜において、亜鉛とスズとの重量比（Ｓｎ／Ｚｎ）が、０．５以上２．０未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の転動装置。
【請求項５】
前記金属被膜の膜厚が０．４μｍ以上９μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の転動装置。
【請求項６】
前記金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の転動装置。
【請求項７】
前記転動体の表面の粗さパラメータスキューネスＲｓＫが−３．０以上−０．４以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の転動装置。
【請求項８】
前記転動体の表面の粗さパラメータＲｚが０．５μm以下であることを特徴とする請求
項１〜７の何れか１項に記載の転動装置。
【請求項９】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置の製造方法において、
前記転動体の表面に、球状の弾性体に砥粒を分散させた研磨粒子を投射して平均表面粗さＲａを０．０８μm以下にする工程と、
前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の軌道面に、亜鉛粉末とスズ粉末とをショットピーニングして亜鉛とスズとを含有する金属被膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする転動装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、リニアガイド装置、ボールねじ、直動ベアリング等のような転動装置に関し、より詳細には転動体及び軌道面の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造設備の圧延機の圧延ロールを支持する圧延機ロールネック用軸受では、転がり滑り接触による金属接触を防止するために、グリースを使ってレース面に油膜を形成することが行われている。しかし、圧延機ロールネック用軸受は、高温下で使用され、高荷重でもあり、更には圧延水が浸入することから、油膜形成には不利な運転条件であり、転動面とレース面で油膜が破断してスミアリング（微小焼付き）が発生し、表面剥離へと進展することがある。
【０００３】
このような潤滑不良を防ぐために、転動面や軌道面にメッキやスパッタリング、イオンプレーティング等により表面改質を行うことが行われている。しかし、これらの方法は工程が複雑で、長時間を要しており、コスト増や生産効率の低下を招いている。そこで、本出願人は先に、特許文献１において、亜鉛粉末とスズ粉末とをショットピーニングして亜鉛とスズとを含有する金属被膜を形成することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５１３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ショットピーニング法は、金属粉末を投射するだけでよいため、工程が簡便であり、コスト増を抑えることができる。しかしながら、更なる潤滑性能の向上は必至であり、本発明はスミアリングの発生をより抑え、潤滑寿命の更なる延長を図った転動装置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】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、スミアリングの発生を抑えるには、軌道面に金属被膜を形成する一方で、転動体には金属被膜を形成せず、表面の微小の凸部のみを除去して粗さを規定値よりも小さくした平滑面とすることが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明は下記を提供する。
（１）外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置において、
前記転動体の表面が、球状の弾性体に砥粒を分散させた研磨粒子を投射して平均表面粗さＲａ０．０８μm以下に調整されており、
前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の軌道面に、亜鉛とスズとを含有する金属被膜を備えることを特徴とする転動装置。
（２）前記金属被膜が、機械的エネルギーを利用して形成された膜であることを特徴とする上記（１）記載の転動装置。
（３）前記金属被膜が、亜鉛粉末とスズ粉末とをショットピーニングして形成された膜であることを特徴とする上記（１）記載の転動装置。
（４）前記金属被膜において、亜鉛とスズとの重量比（Ｓｎ／Ｚｎ）が、０．５以上２．０未満であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転動装置。
（５）前記金属被膜の膜厚が０．４μｍ以上９μｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の転動装置。
（６）前記金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の転動装置。
（７）前記転動体の表面の粗さパラメータスキューネスＲｓＫが−３．０以上−０．４以下であることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の転動装置。
（８）前記転動体の表面の粗さパラメータＲｚが０．５μm以下であることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか１項に記載の転動装置。
（９）外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える転動装置の製造方法において、
前記転動体の表面に、球状の弾性体に砥粒を分散させた研磨粒子を投射して平均表面粗さＲａを０．０８μm以下にする工程と、
前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の軌道面に、亜鉛粉末とスズ粉末とをショットピーニングして亜鉛とスズとを含有する金属被膜を形成する工程と、
を備えることを特徴とする転動装置の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の転動装置では、工程が簡便なショットピーニング法により軌道面に金属被膜を形成できるとともに、転動体の表面から微小凸部を除去して平均表面粗さＲａ０．０８μｍ以下の平滑面にしたため、金属被膜と転動体の表面との凝着が抑えられてスミアリングの発生も無くなる。また、金属被膜は亜鉛とスズとを含むため、防錆性能にも優れる。そして、これらの効果により、本発明の転動装置は長寿命となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る転動装置の一例である圧延機ロールネック用転動装置（円すいころ軸受）の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】実施例で用いた寿命試験機の断面図である。
【図３】実施例における内輪回転サイクルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
本発明において転動装置の種類には制限はないが、例えば図１に部分断面図で示す圧延機ロールネック用転動装置を例示することができる。図示される圧延機ロールネック用転動装置は円すいころ軸受であり、図示しない軸に固定される内輪１（内方部材）と、図示しないハウジングに固定される外輪２（外方部材）と、内輪１の軌道面１ａと外輪２の軌道面２ａとの間に転動自在に配された複数の転動体３と、複数の転動体３を両輪１，２の間に保持する保持器４と、を備えている。尚、内輪１、外輪２及び転動体３は、ＳＵＪ２材やＳＣＭ４２０材、ＳＣｒ４２０材等とすることができ、更には浸炭窒化処理やズブ焼入れ、高周波焼入れ処理等を施してもよい。そして、本発明では、内輪１，外輪２の少なくとも一方は、その表面の少なくとも一部に、亜鉛及びスズを含有する金属被膜（図示せず）を備えている。
【００１２】
金属被膜には、鉄よりも卑な金属である亜鉛が金属被膜に含まれているので、錆が発生しやすいような環境下でも亜鉛が優先的に溶け出し、母材中の鉄が溶出して錆となることが抑制される。また、鉄や亜鉛よりも貴な金属であり、錆びにくいスズが金属被膜に含まれているので、スズにより母材が保護されて発錆が抑制される。これに加えて、亜鉛が早期に溶出することがスズによって抑制されるので、防錆効果が長期間にわたって維持される。よって、この円すいころ軸受は、錆が発生しやすいような環境下でも内輪１及び外輪２の発錆が抑制される。
【００１３】
また、金属被膜は、ショットピーニングやバレル加工のような機械的エネルギーを利用する方法により形成することが好ましい。ショットピーニングは、亜鉛粉末及びスズ粉末を被処理面に投射する方法であり、被処理面に亜鉛とスズとを含有する被膜を形成することができる。また、バレル加工ではメディアとワークを同じ容器に入れて回転、振動させて被処理面に亜鉛とスズとを含有する被膜を形成することができる。これらの方法は、メッキやスパッタリング、イオンプレーティングによるケ方法に比べて工程が簡便で、生産性も高くなる。
【００１４】
金属被膜において、亜鉛とスズとは、重量比（Ｓｎ／Ｚｎ）で０．５以上２未満であることが好ましい。このような重量比とすることにより、錆の発生を効果的に抑えることができる。より好ましい重量比は、０．８以上１．２未満である。尚、亜鉛とスズとは合金であってもよいし、合金ではなく単なる混合物であってもよい。また、合金と混合物の両方が混在していてもよい。このような亜鉛とスズとの混合比率は、亜鉛粉末とスズ粉末との混合粉末の混合比率により調整することができ、別々に投射する場合には、亜鉛粉末及びスズ粉末の各投射量を調整すればよい。
【００１５】
金属被膜の厚さは、０．４μｍ以上９μｍ以下であることが好ましい。金属被膜の厚さが０．４μｍ未満であると、十分且つ持続的な防錆効果が得られないおそれがある。一方、金属被膜の厚さが９μｍ超であると、金属被膜の脱落が生じやすくなり、圧延機ロールネック用転動装置にとって異物となるおそれがある。より好ましい金属被膜の膜厚は、１．０μｍ以上５．０μｍ以下である。このような厚さは、亜鉛粉末及びスズ粉末の投射時間により調整することができる。
【００１６】
また、金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａは、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。中心線平均粗さＲａが１μｍ超であると、カジリが生じたり音響特性が不十分となるおそれがある。一方、中心線平均粗さＲａを０．１μｍ未満にするには精緻な表面加工が必要であり、実用的ではない。より好ましい中心線平均粗さＲａは０．２μｍ以上０．８μｍ以下である。このような粗さにするには、亜鉛粉末及びスズ粉末の投射圧力により調整することができる。
【００１７】
尚、金属被膜を形成する前に、前処理を施してディンプルを形成してもよい。ディンプルを形成するには、鋼球やＳｉＣ、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ガラスビーズ等の投射材を用いたショットピーニング処理や、バレル処理等を行うことができる。また、ディンプルの深さは０．１〜５μｍが好ましい。
【００１８】
転動体３は、被膜を形成することなく、そのまま使用するが、表面には微小の凹凸が残っており、微小な凸部が潤滑性を低下させる。そこで、本発明では、球状の弾性体に砥粒が分散した研磨粒子（以下「特定の研磨粒子」）を転動体３の表面に投射し、微細な凸部のみを除去して平均表面粗さＲａを０．０８μm以下、好ましくは０．０５μｍ以下に平滑化する。転動体３の表面が、平均表面粗さＲａ０．０８μmを超えるような粗い面になると、スミアリングが発生しやすくなる。但し、平均表面粗さＲａが０．０８μm以下であっても、特定の研磨粒子による処理を施さない場合は、微小な凸部が残存してスミアリングが発生しやすくなる。
【００１９】
更には、粗さパラメータスキューネスＲｓＫが−３．０以上−０．４以下であることが好ましく、−２．０以上−０．５以下であることがより好ましい。また、粗さパラメータＲｚが０．５μm以下であることが好ましく、０．４μｍ以下であることがより好ましい。転動体３の表面が更にこのような粗さパラメータスキューネスＲｓＫ及び粗さパラメータＲｚであると、スミアリングの防止効果がより高まる。
【００２０】
尚、特定の研磨粒子の平均粒径は０．０２〜３ｍｍが好ましく、０．５〜１ｍｍがより好ましい。弾性体としてはゴム、熱可塑性エラストマー等が挙げられる。砥粒は、粒度が＃２０００以上、または平均粒径が６μｍ以下であることが好ましく、粒度が＃３０００以上、または平均粒径が４μｍ以下であることがより好ましく、粒度が＃８０００以上、または平均粒径が１μｍ以下であることが特に好ましい。砥粒の材質としては、アルミナやダイヤモンド、炭化けい素が挙げられる。また、特定の研磨粒子に含まれる砥粒の割合としては、１０〜９０質量％が好ましく、６０〜８０質量％がより好ましい。
【００２１】
また、特定の研磨粒子の投射角度は、転動体３の表面に対して０°以上９０°以下が好ましく、４５°以下がより好ましく、２０°以下が更に好ましい。投射角度が小さいほど、投射される特定の研磨粒子が転動体３の表面を滑走する距離が長くなり、研磨効率が向上する。
【００２２】
尚、本実施形態においては円すいころ軸受を挙げて説明したが、その他にも深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、針状ころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受等が挙げられる。また、ボールねじやリニアガイド装置，直動ベアリング等にも適用可能である。
【実施例】
【００２３】
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。
【００２４】
（実施例１〜１６、比較例１〜６）
圧延機ロールネック用円すいころ軸受を用意して、その寿命を評価した。この円すいころ軸受の諸元は次の通りである。
呼び番号：ＨＲ３２０１７ＸＪ
軸受内径：８５ｍｍ
軸受外径：１３０ｍｍ
組立幅：２９ｍｍ
基本動定格荷重：１４３０００Ｎ
【００２５】
また、内輪、外輪及び円すいころはＳＵＪ２鋼で、浸炭窒化処理が施されており、その性状は次の通りである。
表面硬さ：ＨＲＣ５８〜６４
表面の残留オーステナイト量：２０〜４５体積％
表面の炭素濃度：０．８〜１．１質量％
表面の窒素濃度：０．０５〜０．３質量％
【００２６】
更に、円すいころの表面に、比較例１、５以外は、球状のゴムに＃２０００以上のダイヤモンド砥粒を分散させた砥粒粒子を投射した。その際、投射時間や投射圧力を変えることにより、表１に示す表面平均粗さＲａに調整した。
【００２７】
また、比較例１、２以外は、外輪の軌道面のみに金属被膜を形成した。金属被膜の形成にはショットピーニング装置を用い、投射材としては平均粒径４５μｍ（ＪＩＳ  Ｒ６００１の規定による）の亜鉛粉末及び平均粒径４５μｍ（ＪＩＳ  Ｒ６００１の規定による）のスズ粉末を用いた。噴射圧力は０．１９６〜０．８８２ＭＰａで、噴射時間は１０〜２０ｍｉｎとし、噴射圧力や噴射時間を変えることにより、表１に示す被膜厚さ及び被膜粗さ（中心線平均粗さ）に調整した。また、亜鉛及び粉末との混合比率により、表１に示す（Ｓｎ／Ｚｎ）比に調整した。但し、比較例３ではスズ粉末のみ、比較例４では亜鉛粉末のみを投射した。また、比較例２では、化成処理膜（リン酸マンガン被膜）を形成した。
【００２８】
そして、各円すいころ軸受を図２に示す寿命試験機に装着して回転させ、寿命を測定した。その際、スミアリングを再現するために、７時間毎に軸受内部に水を１０ｍｌ滴下し、温度が１０℃上昇したとき、あるいは振動値が当初の３倍に上昇したときにスミアリングが発生したと見做し、それまでの時間を計測した。結果を表1に、比較例1に対する相対値で示す。
【００２９】
尚、試験装置において、符号Ｗは被試験体の円すいころ軸受（ワーク）であり、符号１１は内輪、符号１２は外輪、符号１３は円すいころ、符号１４は保持器である。寿命試験機の回転軸１６の一端の軸受座１６ａに内輪１１を嵌合することによりワークＷを装着し、外輪１２は試験機のハウジング１７の外輪嵌合部材１８に嵌合して固定する。回転軸１６には、図示しないラジアル荷重負荷手段によってラジアル荷重Ｆｒを加え、これによりワークＷにラジアル荷重を負荷する。また、外輪嵌合部材１８には図示しない油圧シリンダによりアキシャル荷重Ｆｓを加え、これによりワークＷにアキシャル荷重を負荷する。寿命試験の条件は、下記の通りである。尚、内輪回転速度は、図３に示すように、５秒間３０ｍｉｎ−１で回転後、５秒間かけて１５００ｍｉｎ−１にまで回転数を上げ、１５００ｍｉｎ−１で５秒間保持した後、５秒間かけて３０ｍｉｎ−１にまで回転数を下げるサイクルを繰り返した。
ラジアル荷重：３５７５０Ｎ
アキシャル荷重：１５６８０Ｎ
内輪回転速度：３０〜１５００ｍｉｎ−１（ｕｐ／ｄｏｗｎ）
潤滑剤：純グリース潤滑（グリース量６０ｇ）
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１に示すように、本発明に従い、特定の研磨粒子を円すいころの表面に投射して、その平均表面粗さＲａを０．０８μm以下とし、外輪に亜鉛とスズとを含有する金属被膜を形成した実施例では、何れもスミアリングの発生が抑えられて寿命が延びている。特に、（Ｓｎ／Ｚｎ）比、金属被膜の厚さ及び表面粗さが、好ましい範囲内にある実施例１〜３は、スミアリング発生寿命が格段に優れている。
【００３２】
これに対し、比較例２のように外輪にリン酸マンガン被膜を形成した場合は、転動体が本発明の範囲内であってもスミアリング発生寿命を延ばす効果が十分ではない。また、比較例３、４のようにスズ単独被膜や亜鉛単独被膜を形成しても、亜鉛とスズの両方を含有する被膜を形成した場合に比べて、スミアリング発生寿命を延ばす効果が十分ではない。また、比較例５のように外輪に亜鉛−スズ被膜を形成し、円すいころの表面粗さを０．０８μm以下にした場合でも、円すいころに特定の研磨粒子を投射して微小凸部を除去しない場合もスミアリング発生寿命を延ばす効果が十分とはならない。また、比較例６のように、円すいころの表面粗さが本発明の範囲外の場合もスミアリング発生寿命を延ばす効果が十分とはならない。
【符号の説明】
【００３３】
１  内輪
１ａ  軌道面
２  外輪
２ａ  軌道面
３  転動体
３ａ  転動面
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013231501.tif 000006