(57)【要約】【課題】  固体潤滑被膜の耐久性を高め、長寿命で剥離防止による信頼性の高い固体潤滑方式の転がり軸受を提供する。【解決手段】  内輪２と外輪３とからなる軌道輪と、前記内輪２及び外輪３の軌道面４，５の間に組み込まれる複数の転動体６と、前記転動体６を周方向に間隔をおいて保持する保持器７を備え、前記軌道面４，５及び転動体６の表面の少なくとも一方の母材表面に固体潤滑層１１，１２が施された転がり軸受において、前記固体潤滑層１１，１２は、表面に向かうに連れて連続的に硬度が高くなり表面で最も高硬度となるように構成された前記硬質層１３に、前記母材より低硬度の固体潤滑被膜１４が積層して構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪とからなる軌道輪と、前記内輪及び外輪の軌道面の間に組み込まれる複数の転動体と、前記転動体を周方向に間隔をおいて保持する保持器を備え、前記軌道面及び転動体の少なくとも一方の母材表面に固体潤滑層が施された転がり軸受において、
前記固体潤滑層は、表面に向かうに連れて連続的に硬度が高くなり表面で最も高硬度となるように構成された硬質層に、前記硬質層より低硬度の固体潤滑被膜が積層して構成されていることを特徴とする、転がり軸受。
【請求項２】
前記軌道輪は、ロックウェル硬さが５４以上のマルテンサイト系ステンレス母材で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記硬質層は、窒化処理層であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記固体潤滑被膜は、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、グラファイト、金、銀、鉛のいずれかの固体潤滑剤を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記保持器には、固体潤滑被膜と同じ固体潤滑剤が含有されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の転がり軸受。
【請求項６】
前記硬質層は、固体潤滑層よりも厚くなるように構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体潤滑方式の転がり軸受に関し、特に、宇宙空間などの低温低真空環境下で好適に使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
内輪の外周面と外輪の内周面とにそれぞれ形成された軌道面の間に、玉やころなどの転動体を組み込み、各転動体相互の間の間隔を保つ保持器を備えた転がり軸受の潤滑方式は、軸受の用途や目的に応じて適宜好適なものが採用されている。例えば、宇宙空間など極低温真空環境での使用を目的とする場合には、固体潤滑方式が採用されることが多い。
【０００３】
固体潤滑方式の転がり軸受は、軸受構成部品の摩擦を生じる表面、例えば、内外輪の軌道面や転動体の表面等に、二硫化モリブデンなどからなる固体潤滑被膜を形成し、これに加え、潤滑剤が付与された保持器から転動体を介して潤滑剤を軌道輪に供給する構成が採用されている。
【０００４】
この固体潤滑方式の転がり軸受の寿命には、固体潤滑膜の強度が寄与しており、被膜が破断すれば軸受トルクが急激に増加し、異常摩耗、焼き付きが発生し、軸受は寿命を迎える。この固体潤滑膜の耐久性を向上させ、摩擦係数低減、耐摩耗性を向上させるため硬質被膜を用い、固体潤滑被膜の摩耗や変形による発生応力抑制のために母材に硬質被膜を設け、その上に固体潤滑被膜を施して長寿命化および高信頼性化を図った転がり軸受が特許文献１（実開平５−６７８１８号公報）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平５−６７８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、硬質被膜は母材との密着強度の課題に加え、母材との境界面に発生する界面応力により剥離しやすくなり、剥離による母材の露出および高硬度コンタミの発生の原因となるリスクがある。
【０００７】
そこで、この発明は、固体潤滑被膜の耐久性を高め、長寿命で剥離防止による信頼性の高い固体潤滑方式の転がり軸受を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、この発明においては、内輪と外輪とからなる軌道輪と、前記内輪及び外輪の軌道面の間に組み込まれる複数の転動体と、前記転動体を周方向に間隔をおいて保持する保持器を備え、前記軌道面及び転動体の少なくとも一方の母材表面に固体潤滑層が施された転がり軸受において、
前記固体潤滑層は、表面に向かうに連れて連続的に硬度が高くなり表面で最も高硬度となるように構成された前記母材表層の硬質層に、前記母材より低硬度の固体潤滑被膜が積層して構成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記軌道輪は、ロックウェル硬さが５６以上のマルテンサイト系ステンレス母材で構成することが好ましい。
【００１０】
上記構成において、前記母材表層は、窒化処理被による硬質層であることが好ましく、また、前記固体潤滑被膜は、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、グラファイト、金、銀、鉛のいずれかの固体潤滑剤を含む。
【００１１】
また、前記保持器には、固体潤滑被膜と同じ固体潤滑剤が含有されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記硬質層は、固体潤滑層よりも厚くなるように構成されていることが好ましく、例えば、硬質層は固体潤滑層に対して１０〜１００倍を越える厚みとすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、母材の表面を高硬度化することで固体潤滑被膜の変形を抑制する。また、本発明における硬質層は、母材の表面から内部に向けて連続した高度分布をもつため、硬質層と母材との境界面で発生する界面応力を抑制し、長寿命で信頼性の高い固体潤滑被膜とすることができる。
【００１４】
これにより、固体潤滑被膜の耐久性を高め、長寿命で剥離防止による信頼性の高い固体潤滑方式の転がり軸受とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の転がり軸受の断面図である。
【図２】図１の転がり軸受に用いられる保持器の構成を示す斜視図である。
【図３】図１の転がり軸受の部分拡大側面図である。
【図４】玉６の表面に設けられている固体潤滑被膜の模式的構成とその硬度分布を示す部分拡大断面図である。
【図５】母材表層を形成するためのプラズマ窒化処理装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
以下、この発明の第１実施形態に係る転がり軸受を添付図面に基づいて説明する。本実施形態にかかる転がり軸受は、固体潤滑方式の転がり軸受である。固体潤滑方式の転がり軸受は、宇宙空間などの極低温環境下での使用に好適であり、例えば、人工衛星などに用いられる。
【００１８】
この転がり軸受１は、図１に示すように、外周面２ａに軌道４を有する内輪２と、内周面３ａに軌道５を有する外輪３と、内輪２の軌道４と外輪３の軌道５の間に介在された複数の転動体である玉６と、この複数の玉６を周方向に間隔をおいて保持する保持器７とを備えるラジアル深溝玉軸受である。
【００１９】
内輪２、外輪３、及び玉６は、通常の軸受材料を使用することができ、本実施形態では、マルテンサイト系ステンレス鋼を用いる。マルテンサイト系ステンレス鋼の硬度はロックウェル硬さ（ＨＲＣ）が５４以上（ビッカース硬さ５８０以上）ものが使用されている。
【００２０】
玉６としては、セラミックスボールであってもよい。セラミックスを使用する場合、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化珪素（ＳＩＣ）、アルミナ（ＡＩ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、サイアロン等が挙げられる。
【００２１】
保持器７は、固体潤滑剤が含有された合成樹脂又は金属で構成される。金属材料としてはオーステナイト系ステンレス鋼が好適に使用される。保持器７には、図２及び図３に示すように、玉６が１つずつ収容される複数のポケット８を有し、図示例では２０個のポケット８が円周方向に間隔を置いて配設される。隣り合うポケット８間の間隔は、いずれも均等に構成されている。
【００２２】
玉６は、各ポケット８のポケット面９で接触支持されて、ポケット８内に収納される。本実施形態の転がり軸受１は、内輪２及び外輪３が相対的に回転することにより、玉６が自転し、これにより玉６が保持器７のポケット面９と接触して進行方向に押すことにより保持器７の自転が推進される。本実施形態にかかる転がり軸受１に使用される保持器７は、径方向の位置が内輪２の外周面２ａによって案内される内輪案内方式の保持器となっている。
【００２３】
図示を省略しているが、この転がり軸受１の潤滑は、固体潤滑方式であり、保持器７の主成分である合成樹脂に固体潤滑剤又はこれを含んだ複合体を含有する。固体潤滑剤としては、グラファイト、二硫化タングステン又は二硫化モリブデン、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂、金、銀、鉛が使用される。
【００２４】
また、図１，図３に示すように、例えば金属材料で保持器を作成した場合などは、保持器の表面に固体潤滑剤を含んだ固体潤滑膜１０を形成してもよい。固体潤滑膜１０は、上記の固体潤滑剤を含んだ合成樹脂など材料を少なくとも保持器７のポケット面９に形成する。
【００２５】
本実施形態の転がり軸受の潤滑剤の供給は、保持器７に設けられた固体潤滑剤は、運転時において、ポケット面８ａに接触する玉６を介して内輪２及び外輪３の軌道面４，５に供給される。この固体潤滑剤の供給のために、図１に示すように、内輪２及び外輪３の軌道面４，５及び玉６の表面に、固体潤滑層１１，１２がそれぞれ設けられている。
【００２６】
固体潤滑層１１，１２は、本実施形態では、軌道面４，５及び玉６の表面の双方に設けられているが、いずれか一方に設けられていれば、軸受の潤滑機構として作用可能である。
【００２７】
図４は、玉６の表面に設けられている固体潤滑層の構成を模式的に示す部分拡大断面図である。以下、玉の表面に設けられている固体潤滑層１１の構成について説明するが、軌道面４，５の表面に設けられている固体潤滑層１２も同様の構成である。
【００２８】
固体潤滑層１１は、玉６の母材１５の表面全体にわたって設けられており、図４に示すように、母材の表面層である硬質層１３に固体潤滑被膜１４が積層した構造となっている。
【００２９】
硬質層１３は、母材を窒化処理することにより形成される層である。硬質層１３は、後述するように、母材１５にプラズマ窒化又はガス窒化などの窒化処理を施すことにより、母材１５の表層に形成される。なお、図４では、硬質層１３と母材１５との境界に便宜のため境界線を図示しているが、窒化処理層という性格上、硬質層１３と母材１５間の明確な界面は存在しない。硬質層１３は、後述する母材表面からの窒化処理に伴う硬質層であるため、硬質層１３の剥離などの問題が生じることがない。
【００３０】
硬質層１３は、厚み方向に硬度変化を有しており、母材１５から表面側へ連続的に硬度が大きくなる。硬質層１３の表面は最も高硬度であり、窒化処理前の母材よりも硬質で例えば、ビッカース硬さ５８０以上となっている。また、窒化処理後の表面は、表面粗さＲａが０．３以下となるように仕上げ研磨がされている。
【００３１】
固体潤滑被膜１４は、固体潤滑剤の被膜であり、好ましくは、保持器に使用されている固体潤滑剤と同じものが使用される。固体潤滑被膜１４は、硬質層１３より低硬度であり、より好ましくは母材１５よりも低硬度となっている。また、固体潤滑被膜１４の厚みは、硬質層１３に較べて薄く、概ね硬質層１３の１０〜１００分の１程度の厚みとなっている。固体潤滑被膜１４は、コーティング、スパッタリング、イオンプレーディングなどの方法により硬質層１３の表面に施される。
【００３２】
母材表面に固体潤滑層１１，１２を形成するには、母材を所定の条件で窒化処理して硬度分布を有する窒化処理層である硬質層１３を形成し、その表面を研磨した後、固体潤滑被膜１４を設ける。
【００３３】
硬質層１３の硬度は窒素含有量と相関関係にあり、これを変動させることで硬質層１３の硬度分布を持たせることができる。一般に、窒素濃度が大きくなると硬度が大きくなる傾向にある。窒化処理は、母材の表面からおこなわれるため、表層に向かうにつれて窒素含有量が増加し、表層で最も硬度が大きくなっている。
【００３４】
図５は、硬質層１３を形成するためのプラズマ窒化処理装置の構成を示す模式図である。プラズマ窒化処理装置３０は、ガス混合器３１、放電処理炉３２、電気ユニット３３、温度ゲージコントローラ３４とを備えている。窒化処理は、まず、窒素ガス及び水素ガスを含む混合ガスをガス混合器３１で所定の比率に混合し、真空度を高めた放電処理炉３２内に処理条件に合わせたガス圧になるように導入する。その後、炉内を加熱し、電気ユニット３３で炉体を＋、処理物を−として、グロー放電を発生させて放電処理炉３２内に設けられた被処理物４０の表面に窒化処理層を設ける。プラズマ窒化処理は、窒素ポテンシャルが高いため、窒化処理層を短時間で生成できるという利点がある。
【００３５】
窒化処理後、窒化処理された表面の表面粗さＲａが０．３以下になるように研磨を行い、硬質層１３の仕上げを行う。仕上げ研磨により、窒化処理により表面に発生する脆い白層を除去することができる。仕上げ研磨の後、上記の通り、コーティング、スパッタリング、イオンプレーディングなどの方法により硬質層１３の表面に固体潤滑被膜１４を被覆する。
【００３６】
以上の構成を有する固体潤滑層１１，１２は、固体潤滑被膜１４よりも高硬度で厚み方向に硬度分布を有する硬質層１３の表面に固体潤滑被膜１４を設けるため、母材に対して硬質な母材表層によって固体潤滑被膜１４の変形が抑えられ、固体潤滑被膜１４に発生する応力が緩和される。また、母材と母材表層の物性(硬度、線膨張係数)が連続的に変動するため、両者の境界面に応力集中、膨張量／収縮量の差が発生せず、硬質層１３の剥離が発生しない。
【００３７】
なお、以上の実施形態は、玉軸受について述べたが、本発明は、玉軸受に限定されるものではなく、例えば、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受、自動調心玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、自動調心ころ軸受など、種々の転がり軸受に適用可能である。
【００３８】
また、母材表層の硬化処理方法は、上記実施例では、プラズマ窒化を例にとって説明したが、ガス窒化の方法によってもよい。ガス窒化は、深い硬化層が得られ、処理温度が低いため歪みを小さく抑えることができ、耐摩耗性が良好な窒化処理層を形成することができる。
【００３９】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１        ：転がり軸受
２        ：内輪
２ａ      ：内輪外周面
３        ：外輪
３ａ      ：外輪内周面
４        ：内輪軌道
５        ：外輪軌道
６        ：玉
７        ：保持器
８        ：ポケット
９        ：ポケット面
１０      ：固体潤滑膜
１１，１２：固体潤滑層
１３      ：硬質層
１４      ：固体潤滑被膜
１５      ：母材
【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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