(57)【要約】【課題】軸受部材の転がり接触部表面に燐酸塩被膜を形成し、防錆機能を有しつつ、軸受寿命の低下を抑制した転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受１は、内輪軌道面２ａを含む内輪表面全体、外輪軌道面３ａを含む外輪表面全体、転動体４の転動面４ａを含む転動体表面全体に、燐酸塩被膜６を有し、燐酸塩被膜６の膜厚が６μｍ以上であり、該被膜の表面を真上方向から見た場合に、該被膜の全投影面積の３０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり接触部表面の少なくとも一部に燐酸塩被膜を有する転がり軸受であって、
前記燐酸塩被膜の膜厚が６μｍ以上であり、該被膜の表面を真上方向から見た場合に、該被膜の全投影面積の３０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記被膜の表面を真上方向から見た場合に、該被膜の全投影面積の４０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されてい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】
前記転がり軸受は、外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを有し、
前記転がり接触部表面は、前記内輪軌道面、前記外輪軌道面、前記転動体の転動面から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記転がり軸受が、円筒ころ軸受または円すいころ軸受であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記転がり軸受が総ころ軸受であることを特徴とする請求項４記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は転がり軸受に関し、特に一般産業用機械に使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
設備の摺動機構として用いられる機械要素として転がり軸受が知られている。転がり軸受は、内輪と外輪との間に配置される複数の転動体が継続的に転動するため、転がり軸受の構成部材である内輪、外輪、転動体、および保持器には継続的に接触応力が加わる。また、屋外などで用いられる産業用機械において風雨にさらされる場合や、該設備によって製品加工を実施する際に冷却水などが使用される場合において、軸受に水分が侵入するおそれがある。したがって、長時間運転による転動疲労と水分に起因する発錆とを抑制することは、設備の機能劣化を防ぐ上で重要である。
【０００３】
このような点に鑑み、これまでにも耐転動疲労性と防錆性とを改善させた転がり軸受が提案されている。例えば、特許文献１では、鉄鋼の厚板圧延設備に使用される転がり軸受において、腐食摩耗に起因する表面剥離などの損傷を生じにくくしたことが報告されている。特許文献１の転がり軸受は、内輪と外輪と転動体とを浸炭窒化処理によって製作し、内外輪の軌道面間に複数の転動体を保持器に保持し、内外輪の軌道面と転動体の転動面とに燐酸マンガン塩被膜を形成したことによって、腐食環境下における転動疲労に対する寿命を改善することに成功している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９９８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大気に露出して使用される軸受では防錆を目的として燐酸塩被膜処理を施すことがこれまでも行われている。例えば、シーブで使用される総ころ型軸受は風雨にさらされるため防錆が必要である一方、低速回転で長時間使用するため長寿命が求められる。一般に、燐酸塩被膜処理を施すと未処理品に比べて軸受寿命（転動疲労寿命）の低下が見られる。これは、燐酸塩被膜処理を施すと軸受の表面粗さが悪くなるために転動に対して弱くなり、高荷重下で運転すると燐酸塩が剥離することが原因であると考えられる。一方、燐酸塩被膜は、被膜表面に油を保持することで、軸受の潤滑性を高める効果があるため、膜厚や表面の状態により軸受寿命が変化し得る。
【０００６】
特許文献１では上記に示した通り、腐食環境下における転動疲労に対する寿命を改善することに成功している。しかし、被膜を構成する結晶サイズおよび膜厚と軸受寿命との関係は明確にされていない。また、特許文献１は、基材として浸炭鋼を対象としたものであり、軸受鋼などでも上記効果が得られるかは明確ではない。
【０００７】
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あり、軸受部材の転がり接触部表面に燐酸塩被膜を形成し、防錆機能を有しつつ、軸受寿命の低下を抑制した転がり軸受の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の転がり軸受は、転がり接触部表面の少なくとも一部に燐酸塩被膜を有する転がり軸受であって、上記燐酸塩被膜の膜厚が６μｍ以上であり、該被膜の表面を真上方向から見た場合に、該被膜の全投影面積の３０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されていることを特徴とする。特に、上記被膜の表面を真上方向から見た場合に、該被膜の全投影面積の４０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されていることを特徴とする。
【０００９】
上記転がり軸受は、外周に内輪軌道面を有する内輪と、内周に外輪軌道面を有する外輪と、上記内輪軌道面と上記外輪軌道面との間を転動する複数の転動体とを備え、上記転がり接触部表面は、上記内輪軌道面、上記外輪軌道面、上記転動体の転動面から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする。
【００１０】
上記転がり軸受が、円筒ころ軸受または円すいころ軸受であることを特徴とする。また、この転がり軸受が総ころ軸受であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の転がり軸受は、転がり接触部表面の少なくとも一部に、６μｍ以上の膜厚で、結晶サイズを最適化した燐酸塩被膜を有するので、防錆機能を有しつつ、耐転動疲労性に優れ、軸受寿命の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の転がり軸受の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。
【図３】本発明の転がり軸受の他の例を示す断面図である。
【図４】転動疲労試験結果（膜厚の影響）を示す図である。
【図５】転動疲労試験結果（結晶サイズの影響）を示す図である。
【図６】転動疲労試験結果（膜厚と結晶サイズの影響）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
通常、防錆能力を上げるためには結晶粒が小さい緻密な構造がよく、そのためには、膜厚を１〜４μｍ程度とするのがよいとされている。本発明では膜厚が異なる複数の試験片を作製して転動疲労試験を実施し、膜厚および燐酸塩被膜の結晶サイズと寿命との関係を調査した。通常通り膜厚１〜４μｍの燐酸塩被膜を有する試験片と、通常よりも厚膜である膜厚６〜９μｍの燐酸塩被膜を有する試験片とを用いて比較調査した（後述の実施例）。この結果「燐酸塩被膜の膜厚」と「燐酸塩被膜を構成する結晶サイズ」とが軸受寿命に影響を与えることを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。
【００１４】
本発明の転がり軸受は、内輪、外輪、転動体などの軸受部材における転がり接触部表面の少なくとも一部に燐酸塩被膜を有する。燐酸塩被膜の膜厚は６μｍ以上であり、６〜９μｍが好ましく、６〜７．５μｍがより好ましい。
【００１５】
燐酸塩被膜は、燐酸塩処理液中に対象となる軸受部材を浸漬するか、あるいは該軸受部材に燐酸塩処理液をスプレー塗布することによっても形成できる。燐酸塩処理の中でも、燐酸マンガン塩処理が好ましい。燐酸マンガン塩処理に用いる処理液としては、例えば、２価のマンガンイオン、鉄イオン、ニッケルイオンと、３価の燐酸イオンとからなる燐酸マンガン塩化合物の水溶液が挙げられる。この処理液を用い、母材として鋼を用いた場合の被膜形成の反応過程は以下のとおりである。燐酸マンガン塩水溶液の第１次解離により遊離燐酸が生じ、該遊離燐酸によって金属表面の鉄が溶解する。その金属表面で水素イオン濃度が減少し、燐酸マンガン塩水溶液の解離平衡が燐酸マンガン塩生成の方向に移行し、不溶性の燐酸マンガン塩の微結晶が金属表面に析出して被膜を形成する。
【００１６】
被膜を構成する結晶粒子径、被膜厚さ、被膜粗さは、使用する処理液組成などによって適宜調整できる。燐酸塩処理では、各軸受部材の表面状態が、形成される被膜の結晶粒子径などに大きく影響するため、処理前に部材表面の脱脂や、イオン交換水による洗浄を行なうことが好ましい。
【００１７】
本発明の転がり軸受では、転がり接触部表面に形成される燐酸塩被膜について、上記膜厚に加えて、結晶サイズを特定範囲とすることに特徴を有する。具体的には、形成された燐酸塩被膜の表面を真上方向から見た場合に、該被膜の全投影面積の３０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されている範囲とする。すなわち、以下の式を満たすような燐酸塩被膜である。
１００×（燐酸塩被膜のうち、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成される面積）／（燐酸塩被膜の全投影面積）＝３０％
【００１８】
投影面積２５μｍ２以上の結晶粒は、比較的大きな結晶サイズであり、この割合が増加する場合、一般的には転動疲労寿命の悪化が予測されるが、本発明では後述の実施例に示すように優れた結果が得られている。これは、燐酸塩被膜表面が、ある程度粗くなることで、該被膜の油保持力が大きくなって油による潤滑作用が最適になったためであると考えられる。後述の実施例結果などを考慮すれば、上記範囲内のうち、さらに好ましくは、上記被膜の全投影面積の４０％以上が、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒から構成されている場合である。
【００１９】
燐酸塩被膜における上記式に表した関係は、例えば、略均一な燐酸塩被膜を対象部位に形成して、燐酸塩被膜の一部を光学顕微鏡やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で撮影して画像解析することで確認できる。結晶形状（板状、粒状、針状、柱状など）は特に限定されず、いずれの形状であっても上記画像解析により投影面積を確認できる。結晶粒の投影面積の上限については、通常形成される大きさであれば特に限定されないが、具体例としては２５〜５０μｍ２程度である。また、上記範囲（３０％以上）の上限も特に限定されないが、具体例としては３０〜６０％程度である。
【００２０】
また、結晶粒の大きさと膜厚とは、ある程度の相関がある。具体的には、膜厚が厚いほど、被膜表面の結晶粒の大きさが大きくなる。これは膜厚を厚くするために被膜処理時間を延長することで、結晶成長が進行したためと考えられる。例えば、膜厚３μｍ以下であると、投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒はほとんど確認できない（上記範囲で５％以下）。
【００２１】
本発明の実施形態を図１〜図３に基づき説明する。図１〜図３は、いずれも転がり軸受（円筒ころ軸受）の断面図である。図１に示すように、転がり軸受１は、軸受部材として、外周に内輪軌道面２ａを有する内輪２と、内周に外輪軌道面３ａを有する外輪３と、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間を転動する複数の転動体４と、複数の転動体４を保持する保持器５とを備えてなる。この形態では、内輪軌道面２ａを含む内輪表面全体、外輪軌道面３ａを含む外輪表面全体、転動体４の転動面４ａを含む転動体表面全体に、燐酸塩被膜６（黒太線）を形成している。この燐酸塩被膜６は、上述のとおり、膜厚と結晶サイズを最適化した被膜である。
【００２２】
図２に示す形態では、内輪軌道面２ａを含む内輪表面全体、外輪軌道面３ａを含む外輪表面全体に、燐酸塩被膜６（黒太線）を形成している。この形態では転動面４ａには該被膜を形成していない。図３に示す形態では、転動体４の転動面４ａを含む転動体表面全体に、燐酸塩被膜６（黒太線）を形成している。この形態では、内輪軌道面２ａ、外輪軌道面３ａには該被膜を形成していない。なお、図２および図３における燐酸塩被膜６は、図１の燐酸塩被膜と同様である。
【００２３】
本発明の転がり軸受では、図１〜図３の例に限定されず、転がり接触部表面の少なくとも一部に所定の燐酸塩被膜を形成してあればよい。転がり接触部表面とは、具体的には、内輪軌道面、外輪軌道面、転動面である。
【００２４】
本発明の転がり軸受を構成し、燐酸塩被膜の母材となる内輪、外輪、転動体などの材質としては、例えば、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼ＪＩＳ Ｇ ４８０５）、肌焼鋼（ＪＩＳ Ｇ ４１０４等）、高速度鋼（ＡＭＳ ６４９０）、ステンレス鋼（ＪＩＳ Ｇ ４３０３）、高周波焼入鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１等）が挙げられる。また、本発明の転がり軸受では、潤滑油やグリースなどの潤滑剤が、内輪２および外輪３と、転動体４との転がり接触部（転走面）に介在して潤滑される。潤滑剤としては、特に限定されず、任意の潤滑油やグリースが使用できる。これらの潤滑剤が、燐酸塩被膜の表面に保持されて、潤滑に寄与し、軸受寿命を延長できる。
【００２５】
本発明の転がり軸受は、図１〜図３に示す円筒こと軸受に限定されず、任意の形式の軸受に適用できる。特に、高荷重下で運転される円筒ころ軸受、円すいころ軸受の場合に好適である。また、これらにおいて、保持器をなくした総ころ軸受（ＳＬ軸受）に好適である。
【実施例】
【００２６】
円筒ころ（軸受鋼）に被膜処理を施して試験片とした。形成した燐酸塩被膜は、燐酸マンガン塩被膜であり、燐酸マンガン塩処理液中に上記対象となる円筒ころを浸漬して形成した。種々条件を変更して膜厚と結晶サイズの異なる複数の試験片を作成した。
【００２７】
この試験片に対して、円筒ころ同士を接触させる線接触下で接触面圧４．１６ＧＰａ、負荷速度２０４００ｃｐｍで、タービン油ＶＧ６８を強制循環給油して、剥離発生までの負荷時間を測定することにより耐転動疲労性（剥離時間（ｍｉｎ））を評価した。膜厚と剥離時間との関係を図４に、結晶サイズ（投影面積２５μｍ２以上の結晶割合）と剥離時間との関係を図５に、膜厚および結晶サイズ（投影面積２５μｍ２以上の結晶割合）と剥離時間との関係を図６にそれぞれ示す。
【００２８】
ここで、燐酸塩被膜の膜厚は、処理前後の試験片の直径値の差より求めた。また、結晶サイズについては、燐酸塩被膜の任意の範囲を光学顕微鏡により２００倍の倍率で観察した画像について、観察画像の長方形枠内に認識される被膜のうち、光学顕微鏡の観察ステージの真上方向から見た場合の結晶粒の投影面積が２５μｍ２以上の結晶粒で構成される面積の、上記長方形枠の全面積（全投影面積）に対する割合として上述の式より算出した。
【００２９】
まず、膜厚と結晶サイズのそれぞれが剥離時間に与える影響について考察する。図４に示すように、膜厚が厚くなる（６μｍ以上）ことで、剥離時間が延長できている。また、図５に示すように、投影面積２５μｍ２以上の結晶割合が増加する（３０％以上）ことで、剥離時間が延長できている。
【００３０】
次に、膜厚と結晶サイズの両方（組み合わせ）が剥離時間に与える影響について考察する。図６に示すように、膜厚が６．５〜７．５μｍの範囲内では膜厚の増加に従って、投影面積２５μｍ２以上の結晶割合と剥離時間が増加する傾向にある。膜厚が７．５〜９．０μｍの範囲内では膜厚の増加に従って投影面積２５μｍ２以上の結晶割合と剥離時間とが逆に減少する傾向が見られる。これは、膜厚が７．５μｍまでの範囲内では粒度分布に単分散性を有しながら結晶成長が均一に進行したものと推測され、膜厚が７．５μｍをこえる範囲内では粒度分布の単分散性が崩れて結晶成長が不均一に進行したものと推測される。このことから、より長い軸受寿命を実現するには、燐酸塩被膜の膜厚は６〜７．５μｍがより好ましいと考えられる。
【００３１】
その他、図５と図６より、投影面積２５μｍ２以上の結晶割合については、４０％以上であることが好ましい。この範囲であると、より剥離時間を延長でき、長い軸受寿命を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の転がり軸受は、滑車（シーブ）、クレーン、など、高い荷重が負荷され、風雨にもさらされやすい等、過酷な環境下で長期間使用される一般産業用機械用の転がり軸受として好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１  転がり軸受
２  内輪
２ａ  内輪軌道面
３  外輪
３ａ  外輪軌道面
４  転動体
４ａ  転動面
５  保持器
６  燐酸塩被膜
【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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【図６】
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