JP2000213544A - 転がり軸受用保持器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軽量なマグネシウム合金材を使用し、半溶融成
形加工法を用いてその成形性を改善すると共に表面被膜
処理を施すことにより、成形性に優れ、欠陥が少なく、
強度が高い、高速回転に好適な保持器を提供する。 【解決手段】Ｍｇ合金を基材とした転がり軸受用保持器
であって、半溶融成形加工により成形され、その組織中
の初晶αからなる固相率が面積比で５〜７０％であり、
且つ保持器の周面における少なくとも転動体との摺接面
および軌道輪との摺動面に、耐摩耗性皮膜処理を施した
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転がり軸受用保持
器に係り、特に、工作機械用スピンドル，航空機のガス
タービンエンジンなど高速回転の装置に用いられる転が
り軸受に好適な保持器に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば工作機械スピンドル装置の転がり
軸受に用いられる保持器として、従来は黄銅系合金製や
鉄系合金製のものが用いられていた。しかしこれらの合
金は比重が大きいため、複雑な形状の保持器の径方向お
よび軸方向の左右で重量バランスが保ちきれなくなり、
その結果高速回転時に転がり軸受の回転精度が悪化した
り、最悪の場合は保持器が変形して転がり軸受の破損に
至ることもあった。

【０００３】その対策として、比重の小さいフェノール
樹脂等の軽量合成樹脂製保持器が提供され、実用に供さ
れていたが、工作機械スピンドルのように高回転，高荷
重で使用される転がり軸受では保持器の強度が不足し、
耐久性が劣るという問題が生じている。このような事情
に鑑みて、実用新案登録公報第２５４６９４６号には、
実用金属の中では最も軽いマグネシウム合金を使用し、
更にこれに強化繊維を複合して補強した保持器が開示さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような複合化によ
ってマグネシウム合金材の強度は増加する。しかしなが
ら、複合化する際に、まず強化繊維の成形体（プリフオ
ーム）を作製し、その後、溶融金属を浸透させるという
複雑な工程が必要であり、そのために生産性が悪くて製
造コストが著しく増加してしまうという問題点があっ
た。

【０００５】また、複合化によって必要以上に硬化しや
すいため、本来延性，靭性が必要とされる保持器が脆化
してしまう。更に、複合化した際に母相の金属と強化繊
維との界面で反応層が形成され、繊維自体が脆弱化した
り或いは母相と強化繊維との界面強度が低下して疲労強
度が著しく低下する危険性もある。こうした事実から、
保持器へのマグネシウム合金材の使用には、耐久性の点
で問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点に
着目してなされたものであり、軽量なマグネシウム合金
材を使用し、半溶融成形加工法を用いてその成形性を改
善すると共に表面被膜処理を施すことにより、成形性に
優れ、欠陥が少なく、強度が高い、高速回転に好適な保
持器を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る本発明は、Ｍｇ合金を基材とした
転がり軸受用保持器であって、半溶融成形加工により成
形され、その組織中の初晶αからなる固相率が面積比で
５〜７０％であり、且つ保持器の周面における少なくと
も転動体との摺接面および軌道輪との摺動面に、耐摩耗
性皮膜処理を施したことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。本願発明者は、マグネシウム合金
材を複合材料化することなしに保持器へ適用するべく鋭
意研究を重ねた。しかし、一般にマグネシウム合金は脆
くて室温での成形加工性が悪く、板材のプレス加工では
保持器のような複雑形状の加工が難しい。そこでダイキ
ャストに着目した。しかしながら、通常のダイキャスト
方法では、引け巣等の鋳造欠陥が多いために保持器とし
て必要な強度が得にくい。

【０００９】本願発明者は、ダイキャストに代わるマグ
ネシウム合金の最適な鋳造方法を追求した結果、半溶融
成形加工法を用いて射出成形時の固相率を適性範囲にす
ることにより、保持器としての必要強度が達成できるこ
とを見いだして本発明をなすに至ったものである。先
ず、本発明に係る保持器に用いるマグネシウム（Ｍｇ）
合金の特性について詳説する。

【００１０】マグネシウム合金は、実用構造用金属材料
の中で最も軽量であり、その比重は１．７４ｇ／ｃｍ³
と銅の約１／５にすぎない。このため、マグネシウム合
金製の保持器では高速回転時に作用する遠心力が小さく
なる。マグネシウム合金の比重は合成樹脂のそれと略同
等であるが、強度は合成樹脂よりも大きいため、高負荷
条件下で使用する保持器の場合に、マグネシウム合金材
料は合成樹脂材料に比べ特に好適である。

【００１１】特に工作機械などの高速回転で使用される
装置に用いる転がり軸受において潤滑状態が悪化する
と、保持器が自励振動によって変形を伴いながら回転
し、最悪の場合には保持器の破損に至ることが知られて
いる。これに対しマグネシウム合金は振動吸収能が他の
金属材料に比べて著しく優れるため、自励振動が抑制さ
れて、回転中の変形による破損を低減することができ
る。

【００１２】次に、本発明に係る転がり軸受の保持器製
造に採用した半溶融成形加工法について述べる。マグネ
シウムは、室温での結晶構造がＨＣＰ構造（稠密六方格
子）をとるため、室温での塑性加工性に極めて乏しい。
従って、保持器形状に加工する場合、室温でのプレス加
工による成形は困難であり、もみ抜き加工法またはダイ
キャスト法が一般的には適用される。しかしながら、も
み抜き加工法は切削部が多くて材料の歩留りが悪く、一
方、ダイキャスト法の場合は、低コストであるが、マグ
ネシウムの凝固潜熱が小さいために鋳造後の冷却が早
く、アルミダイキャスト品に比べて引け巣ができやすい
から強度面で問題がある。

【００１３】そこで本発明では、ダイキャスト法にかえ
て半溶融成形加工法を採用する。半溶融成形加工法は、
ダイキャストのように材料を完全な溶融状態にはせず、
固液共存状態にして攪拌し、固相と液相が微細に混合し
た状態で金型に射出成形して最終製品を得るものであっ
て、具体的にはレオキャスト，チクソキャスト，チクソ
モールディング等がある。

【００１４】このような半溶融成形加工にはダイキャス
トに比較して以下の利点がある。 ダイキャストより鋳造欠陥が少ないので強度が向上す
る。欠陥が少なくなるのは、半溶融スラリ一としている
ために射出成形時に湯の流れの乱れが生じにくく、気泡
の巻き込みが少ないためである。 固液共存状態とするため、ダイキャストに比較して湯
の温度を下げることができて、金型寿命が長くなりコス
トの低減がはかれる。

【００１５】このような利点を有する半溶融成形加工法
の中でも、チクソモールディング法はアメリカのダウ・
ケミカル社とバッテル研究所によって開発された成形法
で、合金チップを原料としており溶解炉や給湯装置を必
要としないため、安全性が高く好適である。図１に、チ
クソモールディング法で用いられる半溶融成形装置の一
例を示す。図中の符号１はシリンダで、内部にスクリュ
ー２と貯留部３とを備え、外周にヒータ４が巻かれてい
る。また、スクリュー２の基部に材料を供給するフィー
ダ５と材料を貯えるホッパー６を備えている。

【００１６】マグネシウム合金材料を切削してチップに
したものをホッパー６に投入し、フィーダ５からスクリ
ュー２の基部に供給し、シリンダ１内で加熱（５６０〜
６３０℃）するとともにスクリュー２でせん断力を与え
つつ貯留部３に送る。貯留部３の温度を制御することに
より、溶融状態の液相に初晶αを晶出させ、液相中に初
晶のα相粒子が微細に混合した半溶融状態に保持する。
この固相液相混合状態の材料を、シリンダ１の先端のノ
ズル７から金型８のキャビティ内へ射出して保持器を成
形する。

【００１７】図２に、成形前後のマグネシウム合金組織
の模式図を比較して示す。図２（ａ）は射出成形前のも
ので、液相１０に初晶α（純Ｍｇ固相）が混合した固液
共存の半溶融状態である。図２（ｂ）は射出成形後に固
化した試料の断面の模式図で、液相１０が凝固した凝固
部１１に初晶αが分散混合しており、その分布状態は変
化しているが初晶α自体の大きさは変化していない。

【００１８】半溶融成形加工は、上述のような固相・液
相混合状態で射出成形するが、その時に固相となる初晶
α相の面積比率（固相率）によって冷却後の金属組織が
変化し、機械的性質に差が生じる。そこで、機械的性質
に及ぼす固相率の影饗を確かめるため、以下の実験を行
なった。

【００１９】材料として、ＡＺ９１Ｄマグネシウム合金
を使用し、半溶融成形加工法としてチクソモールディン
グ法を用いて、種々の固相率で引張り試験片を作製し、
引張り試験を行なった。半溶融射出成形は型締め力４５
０ｔｏｎの日本製鋼所製半溶融射出成形加工機ＪＥＭ４
５０Ｅ一ＭＧを使用した。なお、固相率はシリンダーの
保持温度を変えることにより変化させた。得られた引張
強さと固相率の関係を図３に示す。

【００２０】チクソモールディングによって半溶融成形
した場合には、固相率の増大によって保持器柱部の強度
が増加する傾向にある。しかしながら、固相率が７０％
を越えると、強度は減少傾向となる。これは、半溶融成
形加工した場合、鋳造欠陥の減少により強度が増加する
が、固相率が７０％を越えるとα相の粒子が粗大にな
り、その結果強度が低下したものと考えられる。

【００２１】一方、半溶融成形加工した場合でも、固相
率が５％未満の低固相率では、液相部分が多く、そのた
め凝固したときの隙間が引けとなって製品である保持器
の柱部の強度が低くなる傾向にある。すなわち、半溶融
加工における固相率は、シリンダ温度を変化させること
によって制御できるが、固相率が小さ過ぎると、半溶融
成形加工の利点が生かせずに強度低下を招く。一方、固
相率が大き過ぎると、初晶αの粒子が成長して粗大とな
り、やはり製品強度が低下する。

【００２２】したがって、チクソモールディングのよう
な半溶融成形加工によって保持器を成形する場合は、射
出成形時に固相である初晶のα相の量比は、面積比で５
〜７０％とするのが良い。本発明に係る保持器の材料の
種類については、ダイカスト用マグネシウム合金が適用
でき、その種類としてはＡＺ９１Ｄ，ＡＭ６０Ｂ，ＡＥ
４２，ＷＥ５４Ａ，ＷＥ４３Ａ等が挙げられるが、その
いずれの合金を使用しても効果は変わらない。

【００２３】本発明に係る保持器にあっては、マグネシ
ウム合金を材料として半溶融成形法により成形した保持
器の表面、特に保持器の周面における少なくとも転動体
との摺接面および軌道輪との摺動面に、耐摩耗性皮膜処
理を施す。以下、当該表面処理による被膜形成について
述べる。マグネシウム合金は、電気化学的に卑であるた
め、異種金属と接触した場合にマグネシウムのみに腐食
が進行する。例えば、転がり軸受の転動体にＳＵＪ２等
の鋼を使用した場合には、異種金属接触によってマグネ
シウム合金製保持器の腐食が進行し、保持器ポケットの
精度低下や強度の低下が生じてしまう。

【００２４】また、マグネシウムは活性な金属であり、
金属接触した場合に凝着摩耗を生じ易い。従って、マグ
ネシウム合金製保持器を表面被膜処理無しで使用する
と、転動体がＳＵＪ２等の鋼の場合には、保持器材料の
マグネシウムの摩耗が著しくなって焼付きが生じる。こ
のようなマグネシウム合金製保持器に対し被膜処理を施
すことにより、保持器と転動体の摺動部の耐焼付性が改
善され、高速回転に好適のものになる。更に被膜処理を
施すことによって、ＳＵＪ２等の鋼を用いた転動体との
組合わせでも異種金属接触が防止できるため、腐食によ
って保持器の性能が損なわれることを防止できる。

【００２５】当該被膜の処理法としては、化成処理，陽
極酸化，電気めっき，無電解メッキ，ＰＶＤ等が挙げら
れるが、処理の簡便性から陽極酸化処理が望ましい。保
持器と転動体の摺動部の耐焼付性を改善するための陽極
酸化処理の種類としては、硬質な被膜が形成されるもの
が望ましく、特にＤＯＷ１７やＨＡＥ処理は皮膜が非常
に硬質なので好適である。

【００２６】次に、実施例によって、本発明の効果を具
体的に説明する。 （実施例）：汎用の鋳造マグネシウム合金であるＡＤ９
１Ｄ，ＡＭ６０，ＡＳ４１合金を使用して、アンギュラ
玉軸受７０１３名番相当の保持器を作製した。それらの
材料成分を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】保持器の作製には上述した半溶融射出成形
機ＪＥＭ４５０Ｅ一ＭＧを用いた。また、射出シリンダ
ーの温度を変えることで、固相率の割合を変化させた。
保持器に成形後、陽極酸化処理を施して保持器表面に被
膜を形成した。その陽極酸化処理条件は以下の通りとし
た。 ＤＯＷ１７処理 浴組成：２２５〜４５０ｇ／ｌ ＮＨ₄ＨＦ₂ ５０〜１２０ｇ／ｌ Ｎａ₂Ｃｒ₂０₇・２Ｈ₂０ ５０〜１１０ｍｌ／ｌ ８５％Ｈ₃Ｐ０₄ 浴温度：７０〜８０℃ 電 圧：６０〜１００Ｖ 電流密度：０．５〜５Ａ／ｄｍ² 通電時間：５〜２５ｍｉｎ 比較例として、通常のダイカスト成形品（固相率０％）
および粒子強化合金（ＳｉＣ３０％）、従来材料として
ＳＰＣＣ，高力黄銅（ＨＢｓＣ１）で作製した保持器に
関しても評価を行なった。

【００２９】作製した保持器に関して、疲労試験，高速
耐久試験を行ない、その性能を評価した。 〔疲労試験〕疲労拭験は、保持器の柱部を切り出して試
験片とした。その試験片を片持ちの状態でサーボパルサ
ー試験機（島津製作所製，ＥＨＦ−ＵＤ１５型）によっ
て荷重制御による両振り負荷を加え、試験片にクラック
が入るまでの繰り返し数を測定した。繰り返し数１×１
０⁷ ｃｙｃｌｅをもって疲労限とし、その時の応力を評
価した。

【００３０】図４にサーボパルサー疲労試験機の模式図
を示した。その作動原理は次の通りである。 油圧源であるパワーパック２０から高油圧がサーボバ
ルブ２１を経てアクチュエータ２２に供給されて、一定
ストロークの往復運動に変換される。 アクチュエータ２２に接続されたピストンロッド２３
により、往復運動がロードセル２４を介して試験片２５
に伝達される。

【００３１】サーボバルブ２１は、ピストンロッド２
３の変位が一定となるようにパワーパック２０からの油
量を電気的に制御している。 試験片２５に負荷される荷重Ｗは、ｓｉｎカーブ状の
交番荷重である。 〔高速耐久試験〕高速耐久試験は、スピンドルに軸受を
組込み、ハウジングに測温孔を設けて熱電対により外輪
の温度を測定し、回転時の軸受の温度上昇を回転数２０
０００ｒｐｍの温度上昇度で比較して評価した。

【００３２】試験条件 試験軸受：７０１３ グリース潤滑：ＨＳ１ 予圧：１０ｋｇｆ 以上の試験結果を表２に示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】本発明の実施例であるＮｏ．１〜６は、い
ずれもマグネシウム合金を使用し、本願発明の範囲の固
相率で半溶融成形して作製した保持器であって、軽量な
マグネシウム合金を使用し、且つ転動体との摺動面およ
び案内面に硬質被膜を形成したことにより、摩耗は生じ
ずに高速回転時の温度上昇が比較例に比べて小さくなっ
ており、その効果は明らかである。また、適正な固相率
で半溶融成形加工しているため、引け巣のような欠陥が
少なく、疲労試験においても高い疲労強度を示してい
る。

【００３５】これに対して、比較例Ｎｏ．１は陽極酸化
被膜を施さないものであるが、転動体と保持器の摺動面
および案内面で摩耗が生じて摩擦が大きくなるため、高
速耐久試験において発熱が大きくなり高速回転には好適
ではない。比較例Ｎｏ．２はダイキャスト成形したもの
であるが、疲労試験において疲労強度が小さい。これ
は、上述したようにダイキャストでは引け巣等の内部欠
陥が多く発生し、この内部欠陥に応力集中が生じて疲労
強度が低下したものと考えられる。

【００３６】比較例Ｎｏ．３は、半溶融成形時の固相率
の割合が本発明の範囲である７０％を越えている場合で
あり、疲労試験において低い疲労強度を示している。こ
れは、固相率が高すぎると初晶のα相粒子の径が粗大に
なり、その結果強度低下が生じてしまうためである。比
較例Ｎｏ．４はマグネシウム合金を基材とした複合材料
を使用した場合であるが、比重が小さくて保持器の重量
が小さくなるため、高速回転時の温度上昇は小さく抑え
ることができる。しかしながら、疲労試験では、本発明
の実施例より低い疲労強度を示している。これは、Ｓｉ
Ｃの添加で複合材料化することによって材料強度が増大
するが、複合化する際に強化粒子または強化繊維と母材
のマグネシウムとが反応して界面に反応層が形成され、
この反応層の強度が低いためと考えられる。また、複合
化によって保持器の剛性が向上するが、保持器は変形を
伴いながら回転をするため、剛性を高くしすぎると保持
器の柱に大きな負荷がかかり、短時間で破断してしま
う。したがって、材料強度を著しく高くして保持器の剛
性を極度に高めるのは、保持器の寿命の延長にはむしろ
逆効果であると考えられる。 比較例Ｎｏ．５及び６は
従来のＳＰＣＣ材および高力黄銅を使用した場合である
が、いずれの材料もマグネシウムに対して比重が大きく
なるために保持器重量が大きくなり、高遠回転時に保持
器に作用する遠心力が大きく作用することに起因して軸
受の温度上昇が大きくなり、高速回転には不適である。

【００３７】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１に係る
本発明によれば、保持器に軽量なマグネシウム合金を使
用し、室温では成形性が劣るマグネシウム合金も半溶融
成形加工法を用いて固相率を適正に調整することにより
鋳造欠陥を抑制し、且つその表面に陽極酸化被膜処理を
施して摩耗を防止したため、成形性に優れ、欠陥が少な
く、強度が高い高速回転に好適な保持器を提供すること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】チクソモールディング半溶融成形加工装置の模
式断面図である。

【図２】半溶融成形加工の組織の模式図で、（ａ）は射
出成形前、（ｂ）は射出成形後である。

【図３】半溶融成形加工時の固相率、と引張強さとの関
係を表したグラフである。

【図４】疲労試験機の模式図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｇ合金を基材とした転がり軸受用保持
   器であって、半溶融成形加工により成形され、その組織
   中の初晶αからなる固相率が面積比で５〜７０％であ
   り、且つ保持器の周面における少なくとも転動体との摺
   接面および軌道輪との摺動面に、耐摩耗性皮膜処理を施
   したことを特徴とする転がり軸受用保持器。