(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた耐焼付き性を付与することが可能な被膜処理を提供する。また、焼付きが生じにくい転動装置を提供する。【解決手段】円すいころ軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面間１ａ，２ａに転動自在に配された２列の円すいころ３と、内輪１と外輪２との間に円すいころ３を保持する保持器４と、を備えている。そして、円すいころ３の表面全体に耐焼付き性被膜５が被覆されている。この耐焼付き性被膜５は、マンガン濃度が３０００ｐｐｍ以上である化成処理液を用いて円すいころ３に化成処理を施して、円すいころ３の表面にリン酸マンガン被膜を被覆した後に、このリン酸マンガン被膜の上に、融点が５００℃以下の金属からなる低融点金属被膜を被覆することにより形成されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物の表面に被膜を被覆して耐焼付き性を付与する耐焼付き性被膜処理であって、マンガン濃度が３０００ｐｐｍ以上である化成処理液を用いて化成処理を施して、被処理物の表面にリン酸マンガン被膜を被覆量２ｇ／ｍ2 以上３０ｇ／ｍ2 以下で被覆した後に、そのリン酸マンガン被膜の上に、融点が５００℃以下の金属からなる低融点金属被膜を被覆量２ｇ／ｍ2 以上で形成することを特徴とする耐焼付き性被膜処理。
【請求項２】
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、
前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、請求項１に記載の耐焼付き性被膜処理により形成された耐焼付き性被膜を備えることを特徴とする転動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐焼付き性を付与する耐焼付き性被膜処理に関する。また、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係り、特に、焼付きが生じにくい転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直径が１００ｍｍを超える軸を回転可能に支持する軸受では、転動体が荷重を受ける負荷圏と非負荷圏との境界領域において、転動体と軌道面とが高面圧で接触し且つ両者の間で転がり滑り運動が生じやすい（図５を参照）。また、油膜が形成され難いため微小焼付き（スミアー）が発生し、時間の経過とともにフレーキングに至る。特に、鉄鋼製造ライン用，車両用等の大型軸受では転動体の自重が大きいため、スミアーが発生しやすい。
【０００３】
スミアーを抑制するために、潤滑油の保持作用を有するリン酸マンガン被膜を内外輪の軌道面と転動体の転動面とに被覆した軸受が、特許文献１に開示されている。このリン酸マンガン被膜の厚さは２〜１０μｍとされ、被膜の被覆処理後の表面粗さＲａは０．４μｍ以下とされている。そして、被膜の被覆処理前後の表面粗さＲａの比は、２倍以下とされている。
【特許文献１】特許第３２８２２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のようなリン酸マンガン被膜は、初期なじみ終了後は脱膜が生じやすいので、母材の金属表面が露出して、内外輪の軌道面と転動体の転動面との転がり接触部は油膜により潤滑される。この時、露出した金属表面は、リン酸マンガンの結晶生成時に腐食された粗さの悪い表面であるため、微小先端半径を持つ突起を有している。そして、この突起を有している部分が接触面となるので、油膜が形成されにくく、突起に応力が集中して、相対滑り運動によってスミアーに至ることとなる。
【０００５】
特許文献１に開示の軸受においては、突起を有している部分の表面粗さを小さくすることにより、粗さに起因する微小焼付きを抑制していたが、さらに優れた耐焼付き性が求められていた。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、優れた耐焼付き性を付与することが可能な被膜処理を提供することを課題とする。また、焼付きが生じにくい転動装置を提供することを併せて課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の耐焼付き性被膜処理は、被処理物の表面に被膜を被覆して耐焼付き性を付与する耐焼付き性被膜処理であって、マンガン濃度が３０００ｐｐｍ以上である化成処理液を用いて化成処理を施して、被処理物の表面にリン酸マンガン被膜を被覆量２ｇ／ｍ2 以上３０ｇ／ｍ2 以下で被覆した後に、そのリン酸マンガン被膜の上に、融点が５００℃以下の金属からなる低融点金属被膜を被覆量２ｇ／ｍ2 以上で形成することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る請求項２の転動装置は、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、前記内方部材の軌道面，前記外方部材の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、請求項１に記載の耐焼付き性被膜処理により形成された耐焼付き性被膜を備えることを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の耐焼付き性被膜処理によれば、優れた耐焼付き性を付与することが可能である。また、本発明の転動装置は、焼付きが生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る転動装置の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の円すいころ軸受は、外周面に軌道面１ａ，１ａを有する内輪１（内方部材）と、軌道面１ａ，１ａに対向する軌道面２ａ，２ａを内周面に有する外輪２（外方部材）と、両軌道面間１ａ，２ａに転動自在に配された２列の円すいころ３と、内輪１と外輪２との間に円すいころ３を保持する保持器４と、を備えている。なお、保持器４は備えていなくてもよい。また、内輪１と外輪２との間に形成される空間に、潤滑剤を配してもよい。さらに、シール又はシールドを備えていてもよい。
【００１１】
そして、この円すいころ軸受は、円すいころ３の表面全体に耐焼付き性被膜５が被覆されている。この耐焼付き性被膜５は、以下のようにして形成されたものである（図２を参照）。マンガン濃度が３０００ｐｐｍ以上である化成処理液を用いて、円すいころ３に化成処理を施して、円すいころ３の表面にリン酸マンガン被膜６を被覆した。次に、このリン酸マンガン被膜６の上に、融点が５００℃以下の金属からなる低融点金属被膜７を被覆した。
【００１２】
このような構成であれば、スミアーの原因となる発熱が起こった際に低融点金属被膜７が局所的に溶融し、この溶融した金属により流体潤滑がなされる。また、スミアーの原因となる発熱が、低融点金属被膜７の融解熱又は蒸発熱として吸収されるので、温度上昇が抑えられる。これらの作用により、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａと円すいころ３の転動面３ａとの焼付き（特に微小焼付き）が抑制される。
【００１３】
焼付きを十分に抑制するためには、リン酸マンガン被膜６の被覆量は２ｇ／ｍ2 以上３０ｇ／ｍ2 以下である必要があり、低融点金属被膜７の被覆量は２ｇ／ｍ2 以上である必要がある。リン酸マンガン被膜６の被覆量が２ｇ／ｍ2 未満であると、耐焼付き性が不十分となるおそれがあり、３０ｇ／ｍ2 超過であると、リン酸マンガンの結晶粒が大きくなりすぎて、低融点金属被膜７の表面粗さ（すなわち、耐焼付き性被膜５の表面粗さ）が悪化する。
【００１４】
また、発熱により低融点金属被膜７の十分な溶融が生じるためには、低融点金属被膜７を構成する金属の融点は５００℃以下である必要がある。さらに、低融点金属被膜７の被覆量が２ｇ／ｍ2 未満であると、母材の金属表面が露出しやすくなるため、微小焼付きが生じやすくなる。軸受の寸法公差に悪影響を及ばさない範囲であれば、低融点金属被膜７の被覆量の上限値は特に限定されない。さらに、十分な被覆量のリン酸マンガン被膜６を形成するには、マンガン濃度が３０００ｐｐｍ以上である化成処理液を用いる必要がある。なお、耐焼付き性被膜５の形成によって寸法公差に悪影響を与えることはない。
【００１５】
低融点金属被膜７の形成方法は特に限定されるものではないが、金属粉末を高速度で衝突させる方法が好ましい。その運動エネルギーにより金属粉末が溶融し、リン酸マンガン被膜６の表面に形成された微小な凹部６ａに金属が充填されるため、低融点金属被膜７がリン酸マンガン被膜６に強固に密着する。金属粉末を高速度で衝突させる方法によれば、均一な厚さの被膜を容易に且つ短時間で形成することができる。
【００１６】
このような耐焼付き性被膜５を備えた円すいころ軸受は焼付きが生じにくいので、産業機械全般に使用される転がり軸受として好適である。特に、鉄鋼製造ライン用，車両用，製紙機械用等の大型軸受として好適である。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
例えば、本実施形態においては、円すいころ３の表面全面に耐焼付き性被膜５を被覆した例を示して説明したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び円すいころ３の転動面３ａのうち少なくとも一つに耐焼付き性被膜５を備えていればよい。
また、本発明の転動装置は、保持器，密封装置，又はその他の付属の部材を備えていてもよいが、これら保持器，密封装置，又はその他の付属の部材が金属製である場合には、耐焼付き性被膜５を被覆してもよい。そうすれば、前述と同様の耐焼付き性が期待できる。例えば保持器であれば、少なくとも転動体との摺動部分があるので、耐焼付き性が期待できる。間座やセパレータも同様である。
【００１８】
さらに、本実施形態においては、転動装置の例として円すいころ軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は円すいころ軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，自動調心ころ軸受，針状ころ軸受，円筒ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。
【００１９】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。円筒状部材に耐焼付き性被膜を被覆して二円筒試験に供し、耐焼付き性を評価した。
円筒状部材（内径３８ｍｍ，外径７８ｍｍ，軸方向長さ１８ｍｍ）はＳＣＲ４２０で構成されており、浸炭処理が施された後に、８４０℃での焼入れ及び１８０℃での焼戻しが施されたものである。
【００２０】
この円筒状部材をアセトン中で１０分間超音波洗浄した後に、７０℃で２分間アルカリ脱脂処理を行った。さらに、イオン交換水で洗浄した後に、４０℃の表面調整剤中で４０秒間前処理を行った。この表面調整剤は、日本パーカーライジング社製のプレパレンＰＭ５５ＡとＰＭ５５Ｂとを懸濁させた懸濁液であり、プレパレンＰＭ５５ＡとＰＭ５５Ｂとの濃度は、それぞれ３０ｇ／Ｌである。
【００２１】
このように前処理を施した円筒状部材を、マンガンイオンが溶解しているリン酸水溶液（化成処理液）に浸漬し、９５℃で１０分間化成処理を施して、表面にリン酸マンガン被膜を被覆した。形成されるリン酸マンガン被膜の性状は、化成処理液の組成により決定する。この組成としては、例えば、全酸度ＴＡ、遊離酸度ＦＡ、これら両酸度の比（ＴＡ／ＦＡ）である酸比ＡＲ、及びマンガンイオン濃度があげられる。
【００２２】
遊離酸度ＦＡとは、リン酸の遊離酸成分（下記の化学式ＩにおけるＨ+ 及びＨ2 ＰＯ4 - ）の中和に必要な濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）である。すなわち、ブロモフェノールブルーを指示薬として使用して濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液でリン酸マンガン溶液（化成処理液）１０ｍＬを滴定し、液色が黄色から青黄色に変色するまでに要した濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）が遊離酸度ＦＡである。
Ｈ+ ＋Ｈ2 ＰＯ4 - ＋ＮａＯＨ  →  ＮａＨ2 ＰＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ  ・・・（Ｉ）
【００２３】
また、全酸度ＴＡとは、リン酸の遊離酸成分（下記の化学式IIにおける２Ｈ+ 及びＨＰＯ4 2-）及び全酸成分（下記の化学式III における３Ｍｎ（Ｈ2 ＰＯ4 ）2 ）の中和に必要な濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）である。すなわち、フェノールフタレインを指示薬として使用して濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液でリン酸マンガン溶液（化成処理液）１０ｍＬを滴定し、液色が無色からピンク色に変色するまでに要した濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）が全酸度ＴＡである。
２Ｈ+ ＋ＨＰＯ4 2-＋２ＮａＯＨ  →  Ｎａ2 ＨＰＯ4 ＋２Ｈ2 Ｏ  ・・・（II）
３Ｍｎ（Ｈ2 ＰＯ4 ）2 ＋８ＮａＯＨ  →
４Ｎａ2 ＨＰＯ4 ＋Ｍｎ3 （ＰＯ4 ）2 ＋８Ｈ2 Ｏ  ・・・（III ）
本実施例においては、ＴＡは４０、ＦＡは４．０、ＡＲは１０、マンガンイオン濃度は表１に示す通りであった。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
次に、このリン酸マンガン被膜の上に、融点が５００℃以下の金属からなる低融点金属被膜を、ショットピーニングにより被覆した。ショットピーニングは、図３に示すようなショットピーニング装置２０を用いて、平均粒径２０〜４０μｍ（ＪＩＳ  Ｒ６００１の規定による）のスズ粉末（例えばアトマイズ粉）を吹き付けることにより行った。すなわち、タンク３２内の投射材（スズ粉末）３５を、圧縮空気３４によって金属管３３の先端のノズル３３ａから噴射し、２〜５ｒｐｍで回転する円筒状部材２２の外周面に吹き付けて、低融点金属被膜を被覆した。投射材の噴射速度は、１００ｍ／ｓ以上であることが好ましい。また、０．２ＭＰａ以上の噴射圧力（圧縮空気の圧力）で１５分間ショットピーニングを行えば、被覆量５ｇ／ｍ2 の低融点金属被膜を形成することが可能である。
【００２６】
なお、転がり軸受の内輪，外輪にショットピーニングを行う場合には、上記円筒状部材２２と同様にして行えばよい。転動体にショットピーニングを行う場合には、多数の貫通孔を有する籠状容器（すなわち網目状）に複数の転動体を収容して行えばよい。
このようにして耐焼付き性被膜が被覆された円筒状部材を、図４に示すような二円筒試験機に装着し、油潤滑下で転がり滑りトルクの経時変化を測定しつつ回転させた。二円筒試験の方法について、図４を参照しながら説明する。上下に並んだ２つの円筒形の軸４１Ａ，４１Ｂにそれぞれ円筒状部材２２Ａ，２２Ｂを装着し、上方から荷重を負荷しながら２つの円筒状部材２２Ａ，２２Ｂを互いに接触状態で逆方向に低速で回転させた。
【００２７】
下側の円筒状部材２２Ａはモーター４２により回転駆動され、上側の円筒状部材２２Ｂはギア４３，４４で構成された変速ギア機構を介してモーター４２により回転駆動される。前記変速ギア機構によって、上側の円筒状部材２２Ｂは下側の円筒状部材２２Ａよりも１０％高速で回転するため、両円筒状部材２２Ａ，２２Ｂの外周面の間に０．３５ｍ／ｓの転がり滑りが与えられる。また、下側の円筒状部材２２Ａの外周面は円筒面であるのに対し、上側の円筒状部材２２Ｂの外周面は略球面状であり、両円筒状部材２２Ａ，２２Ｂは略楕円接触している。
【００２８】
なお、前述した上方から負荷される荷重は、レバー比１：１０の荷重負荷装置によって負荷されるものであり、荷重の大きさは７８９Ｎである。また、前述の油潤滑は、両円筒状部材２２Ａ，２２Ｂの外周面に、１０ｍｌのギアオイルをそれぞれ塗布することにより行った。
このように、外周面を接触させた状態で両円筒状部材２２Ａ，２２Ｂを回転し、５ｋＷのモーター過電流が５Ａに至ったら焼付きが生じたとみなし、それまでの回転時間を焼付き時間とした。結果を表１に示す。
【００２９】
実施例１〜３は焼付きが生じにくく耐焼付き性が優れていたのに対して、比較例１〜９は耐焼付き性が不十分であった。比較例１は、マンガンイオン濃度が３０００ｐｐｍ未満であることからリン酸マンガン被膜の被覆量が２ｇ／ｍ2 未満となったため、耐焼付き性が不十分であった。また、比較例２は、低融点金属被膜ではなく、融点が５００℃超過であるニッケルの被膜を被覆したため、スズや亜鉛と比べて耐焼付き性が不十分であった。比較例３，４は低融点金属被膜が被覆されておらず、比較例５〜７はリン酸マンガン被膜が被覆されていないため、両被膜ともに被覆されていない比較例９と比べると耐焼付き性は優れているものの、実施例１〜３と比べると耐焼付き性は不十分であった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る転動装置の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】耐焼付き性被膜の断面図である。
【図３】ショットピーニング装置の説明図である。
【図４】二円筒試験機の説明図である。
【図５】軸受の負荷圏と非負荷圏とを説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１      内輪
１ａ    軌道面
２      外輪
２ａ    軌道面
３      転動体
３ａ    転動面
５      耐焼付き性被膜
６      リン酸マンガン被膜
７      低融点金属被膜
【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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