JPH1082426A

JPH1082426A - 転がり軸受

Info

Publication number: JPH1082426A
Application number: JP23608696A
Authority: JP
Inventors: Shin Niizeki; 心新関
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】腐食性水溶液中でも十分な耐久性を確保でき
る構造を実現する。【解決手段】外輪３と内輪５と転動体６とを炭化珪素
のセラミック製とし、保持器７を弗素樹脂製とする。
又、使用時に加わる動等価荷重を、動定格荷重の５％以
下とする。炭化珪素セラミックが優れた耐食性を備えて
いる事と、弗素樹脂が優れた潤滑性を備えている事とに
より、腐食性水溶液中でも十分な耐久性を確保できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明に係る転がり軸受
は、化学繊維、フィルム等の製造装置の回転支持部を構
成し、当該製造装置の使用時に、酸又はアルカリ等の腐
食性水溶液中若しくはこの液体（腐食性水溶液）が掛か
る部分、或はこれらの腐食性水溶液が蒸発する事により
発生した蒸気等の腐食性気体中等の、腐食性環境で使用
される転がり軸受の改良に関する。特に本発明は、油、
グリース等の従来の潤滑剤が使用できない様な環境下で
使用される転がり軸受の、耐久性向上を図るものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】各種回転支持部分に組み込む転がり軸受
として、図１に示す様な構造のものが広く使用されてい
る。この転がり軸受１は、内周面に外輪軌道２を有する
外輪３と、外周面に内輪軌道４を有する内輪５と、これ
ら外輪軌道２と内輪軌道４との間に転動自在に設けられ
た複数の転動体６と、これら複数の転動体６を転動自在
に保持する保持器７とから成る。この様な転がり軸受１
は、例えば上記外輪３を図示しないハウジングに内嵌固
定し、上記内輪５をやはり図示しない回転軸に外嵌固定
する事により、この回転軸を上記ハウジングに対して回
転自在に支持する。

【０００３】又、酸又はアルカリ等の水溶液中若しくは
この液体が掛かる部分、或はこれらの腐食性水溶液が蒸
発する事により発生した蒸気中等の腐食性環境で使用す
る転がり軸受として従来から、特開昭６２−５６６２０
号公報、或は特開平７−１７４１４３号公報に記載され
たものが知られている。このうち、特開昭６２−５６６
２０号公報に記載された転がり軸受は、外輪と内輪と転
動体とのうちの少なくとも１個の部品を炭化珪素のセラ
ミック製とし、残りの部品を窒化珪素のセラミック製と
するものである。これに対して特開平７−１７４１４３
号公報に記載された転がり軸受は窒化珪素系のセラミッ
クにより構成各部材を造ったものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
７−１７４１４３号公報に示されている様な窒化珪素系
のセラミックにより造った転がり軸受では、強酸或は強
アルカリによって窒化珪素系セラミックの粒界が腐食さ
れる。又、高温・高圧の水中では、窒化珪素自身が溶出
するので、表面の硬さや強度が低下したり、転がり接触
により構成部品に摩耗やクラックが生じてしまう。この
結果、転がり軸受の耐久性を十分に確保できない。又、
特開昭６２−５６６２０号公報に記載された、炭化珪素
のセラミック製部品と窒化珪素のセラミック製部品とを
組み合わせた転がり軸受は、そのままでは十分な潤滑性
能を得られず、実際の使用条件の下では、摩耗の進行が
著しくなったり、或はクラックや剥離が発生し易くなる
等、やはり十分な耐久性を確保できない。本発明の転が
り軸受は、この様な事情に鑑みて、腐食環境下でも十分
な耐食性を確保し、しかも必要とする潤滑性を確保する
事により、十分な耐久性を確保する事を目的に考えたも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の転がり軸受は、
前述した従来の転がり軸受と同様に、内周面に外輪軌道
を有する外輪と、外周面に内輪軌道を有する内輪と、こ
れら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた
複数の転動体と、これら複数の転動体を転動自在に保持
する保持器とを備える。又、本発明の転がり軸受は、水
を含む腐食性液体中若しくはこの液体が掛かる部分、又
は水蒸気を含む腐食性気体中で使用される。特に、本発
明の転がり軸受に於いては、上記外輪と内輪と転動体と
をそれぞれ炭化珪素のセラミック製とし、上記保持器と
して、少なくとも表面が弗素樹脂製のものを組み込んで
いる。そして、使用時に加わる動等価荷重を動定格荷重
の５％以下とする条件で使用する。

【０００６】

【作用】本発明の転がり軸受の場合には、外輪と内輪と
複数の転動体とを構成する炭化珪素、並びに保持器を構
成する弗素樹脂の何れもが、酸、アルカリに対する耐食
性が優れているので、転がり軸受全体としての耐食性も
優れている。又、転がり軸受の運転時、外輪と内輪との
相対回転に伴う転動体の転動に伴って、保持器を構成す
る弗素樹脂の一部が、この保持器に設けたポケットの内
面から上記複数の転動体の転動面に移着する。弗素樹脂
は摩擦係数が低く、転動面に付着した状態ではこの転動
面と外輪軌道及び内輪軌道との転がり接触部の潤滑剤と
して機能する。この結果、上記転がり接触部の潤滑状態
を良好に保つ事ができる。又、使用時に加わる動等価荷
重を、転がり軸受の動定格荷重の５％以下に限定してい
る為、上記転がり接触部に過大な応力が加わる事がな
く、この転がり接触部を構成する上記転動面及び外輪、
内輪両軌道にクラック等の損傷が生じる事を防止でき
る。更に、転がり軸受の使用状態を、水を含む腐食性液
体中若しくはこの液体が掛かる部分、或は水蒸気を含む
腐食性気体中、即ち、水環境での使用に限定しているの
で、上記転がり接触部の潤滑状態をより良好に保てる。
即ち、転がり軸受の運転時には、上記転がり接触部位に
水分子を噛み込む結果、この転がり接触部で炭化珪素と
水とが反応し、反応膜を形成する。そして、この反応膜
が上記転がり接触部の潤滑に寄与する。この結果、上記
弗素樹脂が転動面に移着する事と相まって、油やグリー
ス等の油系の潤滑剤がなくても、良好な潤滑状態を保つ
事ができる。

【０００７】

【実施例】本発明の効果を確認する為、本発明者が行な
った実験に就いて説明する。図２は、実験に使用した試
験機の概略を示している。この試験機８は、上下１対の
深溝型の玉軸受９ａ、９ｂ｛呼び番号：６００２＝内径
１５mm、外径３２mm、幅９mm）｝により、固定のハウジ
ング１０の内側に回転軸１１を、回転自在に支持してい
る。そして、上記１対の玉軸受９ａ、９ｂのうち、下側
の玉軸受９ａのみを、貯液槽１２内に貯溜した腐食性水
溶液１３中に浸漬し、上記回転軸１１を介して内輪を回
転させる。又、試験軸受となる上記下側の玉軸受９ａに
は、ナット１４の緊締により圧縮されるばね１５によ
り、所定のアキシャル荷重を付加している。

【０００８】即ち、上記１対の玉軸受９ａ、９ｂを構成
する外輪同士の間に間座１６を挟持し、上記回転軸１１
の下端部に支持した座板１７の上面を、上記下側の玉軸
受９ａを構成する内輪の下端面に当接させている。又、
上記ばね１５は、上記回転軸１１の上部に設けた雄ねじ
部１８に螺着したナット１４の下面と、上側の玉軸受９
ｂを構成する内輪の上端面との間に設けている。従っ
て、上記ばね１５は、上記１対の玉軸受９ａ、９ｂの内
輪を互いに近づけ合う方向に押圧し、これら両玉軸受９
ａ、９ｂのアキシャル荷重を付与する。このアキシャル
荷重の大きさは、上記ナット１４の位置を変え、上記ば
ね１５の圧縮量を変える事により調節自在である。又、
上記回転軸１１の上部には図示しない従動プーリを支持
し、この従動プーリと、やはり図示しない電動モータの
回転軸に固定した駆動プーリとの間にベルトを掛け渡す
事により、上記回転軸１１を所望の回転速度により回転
駆動する。試験軸受である下側の玉軸受９ａの異常は、
上記ハウジング１０に付設した振動加速度ピックアップ
１９により検出する。そして、この振動加速度ピックア
ップ１９が検出する振動加速度の値が、初期値の３倍に
達した時点を、その試験軸受（玉軸受９ａ）の寿命と判
断した。

【０００９】実験は、次の表１に示す様な、本発明の技
術的範囲に属する４種類の玉軸受（実施例１〜４）と、
本発明の技術的範囲から外れる６種類の玉軸受（比較例
１〜６）との、合計１０種類の玉軸受に就いて行なっ
た。尚、次の表１は、各玉軸受を構成する外輪と内輪と
転動体と保持器との材質を、それぞれ表している。尚、
各玉軸受とも、外輪と内輪と転動体とは同じ材質により
造った。これら各玉軸受を構成する外輪の内周面或は内
輪の外周面に形成した外輪軌道及び内輪軌道の断面の曲
率半径が玉の直径に対する割合である溝曲率｛＝（軌道
の曲率半径／玉直径）×１００％｝は、総ての試料に就
いて、外輪軌道に関しては５３％、内輪軌道に関しては
５１％とした。

【００１０】

【表１】

【００１１】これら表１に示した１０種類の玉軸受に就
いて、次の条件で回転試験を行なった。アキシャル荷重：９８Ｎ回転速度：１０００rpm 腐食溶液種類：２０％硫酸溶液液温：室温尚、呼び番号が６００２である玉軸受は、外輪、内輪、
転動体が軸受鋼製の場合、動定格荷重Ｃr は５５９０Ｎ
である。又、上記試験条件での動等価荷重Ｐは、ＪＩＳ
Ｂ１５１８により算出できる。即ち、上記試験条件で
の動等価荷重Ｐは、動定格荷重Ｃr の４．６％に相当す
る。

【００１２】この様にして、上記表１に示した１０種類
の玉軸受のそれぞれに就いて行なった回転試験の結果
を、次の表２に示す。尚、この表２の右欄に記載した摩
耗量とは、各玉軸受のアキシャル隙間の増加量を示して
いる。

【００１３】

【表２】

【００１４】この表２に示した、回転試験の結果から、
次の事が分る。本発明の技術的範囲に属する玉軸受であ
る、実施例１〜４に関しては、外輪、内輪、転動体が何
れも炭化珪素セラミック製で、保持器が弗素樹脂により
造られているので、硫酸溶液による腐食が見られない。
又、転がり接触部に水が介在しており、内輪の回転に伴
う転がり接触により、上記転がり接触部に反応膜を形成
するので、滑らかな摩耗が生じたものの、クラック、剥
離等の損傷は見られなかった。この様な低摩耗性及び耐
久性の確保は、炭化珪素の結晶構造がα型であるかβ型
であるかに拘らず実現できた。又、特に実施例は示さな
いが、燒結助剤の種類が、表中の硼素（Ｂ）、炭素
（Ｃ）系と異なる、Ｂ−Ｃ−Ａl 系の場合や、燒結方法
がＨＩＰや常圧燒結等、異なる場合であっても、炭化珪
素のセラミックの物理的・化学的性質は殆ど変化しな
い。従って、この様な燒結助剤や燒結方法により造られ
た炭化珪素系セラミックにより外輪、内輪、転動体を構
成した場合も、上記実施例１〜４と同様の効果を期待で
きると考えられる。更に、外輪、内輪、転動体のそれぞ
れが完全に同じ炭化珪素系セラミックにより造られる必
要はない。即ち、これら各部材が、異なる結晶構造（α
型やβ型）のもの、異なる燒結助剤によるもの、異なる
燒結方法によるであったとしても、効果は変らないと考
えられる。

【００１５】これに対して比較例１〜３は、外輪、内
輪、転動体が炭化珪素のセラミックにより造られている
が、保持器の材質が弗素樹脂ではないので、硫酸溶液に
対する耐食性や転がり接触に寄与する潤滑性に乏しい。
そして、保持器自身に腐食や損傷が発生した結果、転が
り軸受の回転性能に悪影響を及ぼした。即ち、保持器の
損傷に基づく振動により、外輪、内輪両軌道並びに玉の
転動面が荒っぽく摩耗し、更にはこれら外輪、内輪両軌
道並びに玉の転動面にクラックや剥離を引き起こす原因
になった。但し、例えばプレス形式の金属製保持器に、
ポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）をコーティングしたも
のでも、弗素樹脂保持器と同等な効果を得られると考え
られる。

【００１６】又、比較例４〜６は、保持器に弗素樹脂製
のものを使ってはいるが、外輪、内輪、転動体の材質
が、炭化珪素よりも耐食性が劣る窒化珪素である為、寿
命時間及び摩耗量の実験結果が何れも悪かった。この理
由は、窒化珪素のセラミックの耐食性が炭化珪素のセラ
ミックよりも劣るという、材料本来の性質によるもので
ある。即ち、窒化珪素を燒結してセラミックとする際に
添加する燒結助剤が酸に腐食され易く、燒結助剤が侵食
された窒化珪素のセラミックは結合強度が低下し、転が
り接触による繰り返し応力で結晶粒が脱落してしまう。
その結果、摩耗が早く進み、耐久寿命が短くなる。

【００１７】次に、前記１０種類の玉軸受の耐食性に関
して、これら各玉軸受を８０℃の酸性水溶液（１０％硫
酸水溶液）、８０℃のアルカリ性水溶液（２０％水酸化
カリウム水溶液）、及び２００℃の高圧水中に２４時間
浸漬した後、硬さ、強度、成分変化、溶出量、寸法変
化、ミクロ組織について測定を行なった。その結果を、
次の表３に示す。

【００１８】

【表３】

【００１９】尚、この表３中、符号「○」は、硬さ、強
度、成分変化、溶出量、寸法変化、ミクロ組織の何れの
項目に就いても、腐食が原因と思われる変化が全く見ら
れなかった事を示している。これに対して、符号「×」
は、上記各項目のうち少なくとも一つの項目で腐食が原
因と思われる変化が見られた事を示している。この様な
表３に示した結果からも、各種炭化珪素のセラミック
は、酸性水溶液、アルカリ性水溶液及び高圧水の何れに
対しても、十分な耐食性を備えている事が分る。

【００２０】次に、実施例１の試験片を用いて、使用可
能な荷重条件を確認する試験を行なった。アキシャル荷
重以外の諸条件は、前述した回転試験の条件と同じであ
る。この結果を、次の表４に示す。

【００２１】

【表４】

【００２２】この表４に示した実験結果から、前記表１
に実施例１として記載した玉軸受は、動定格荷重Ｃｒの
５％以下の動等価荷重Ｐであれば、腐食溶液中でも長期
間に亙って良好な回転性能を得られる事が確認できた。
これに対して、上記動等価荷重Ｐが動定格荷重Ｃｒの５
％を越えると、寿命時間が低下する。この理由は、動等
価荷重Ｐが動定格荷重Ｃｒの５％を越える様な使用条件
下では、転がり接触面で発生する繰り返し応力に炭化珪
素のセラミックの強度が耐えられないからである。逆に
動定格荷重Ｃｒの５％以下の動等価荷重Ｐ程度の軽荷重
ならば、炭化珪素のセラミックの強度が耐える事ができ
る。又、炭化珪素のセラミックが腐食溶液中であっても
十分な耐食性を有し、更に水が介在するので転がり接触
面での反応膜の形成と保持器から玉の転動面への弗素樹
脂の移着による潤滑効果とが相まって、外輪、内輪量軌
道及び玉の転動面が滑らかに摩耗しながら、クラック、
剥離等の損傷の起こらない状態で、良好な回転性能を保
つ事が可能となる。

【００２３】尚、上記転がり接触面に発生する繰り返し
応力は、外部荷重が同一であっても、軸受内部の設計内
容、即ち外輪軌道、内輪軌道の断面の曲率半径（溝半
径）によって変える事ができる。この様な観点から、こ
れら各軌道の溝半径が異なる複数種類の玉軸受に就い
て、この溝半径が摩耗量に及ぼす影響に就いて調べる為
に、回転性能に関する実験を行なった。この場合、外輪
と内輪と玉との材質は、前記実施例１の場合と同様に、
何れもＢ−Ｃ系炭化珪素のセラミックとし、保持器材質
はＰＴＦＥとした。又、回転性能試験の条件は、前記回
転試験と同じ条件とした。その結果を、次の表５に示
す。

【００２４】

【表５】

【００２５】上記溝半径が摩耗量に及ぼす影響に就いて
知る為に行なった、回転性能に関する実験の結果、何れ
の試験片も５００時間良好に回転したが、摩耗量に差が
見られた。即ち、実施例１、５〜８に就いては、各玉軸
受のアキシャル隙間の増加量で表した摩耗量が３０μｍ
以下で、長寿命である事を確認できた。これに対して、
準実施例１〜４に就いては、上記摩耗量が３０〜８０μ
ｍであり、実施例１、５〜８よりは多い摩耗であった
が、次述する比較例７〜９よりは少なかった。これに対
して、比較例７〜９に関しては、上記摩耗量が８０〜１
５０μｍと、多くなった。尚、実施例１、５〜８、準実
施例１〜４の９種類の玉軸受に関しては、何れの場合も
摩耗は非常に円滑に進行し、振動加速度の上昇は見られ
ず、良好な回転を得られる。この事から、外輪溝曲率が
５５％以下で、且つ内輪溝曲率が５４％以下であれば、
或る程度の長寿命は期待できる（準実施例を含む）事が
分る。更に、より長い耐久性を望む場合には、外輪溝曲
率が５４％以下で、且つ内輪溝曲率が５４％以下である
事が望ましい（実施例のみ）事が分る。この理由は、溝
曲率が大きくなると接触面圧が高くなり、転がり接触部
に加わる面圧が高くなる為である。尚、上記溝曲率の下
限は、溝曲率が玉径と同じになる５０％とする。この様
な溝曲率が５０％の場合も、寿命時間の面からは長寿命
であると考えられる。

【００２６】尚、外輪軌道、内輪軌道（軌道に関して
は、玉軸受用、ころ軸受用を含む。）及び円筒ころの転
動面の表面粗さは、０．０１〜３．２μｍＲa に規制す
る事が望ましい。上限を３．２μｍＲa にするのは、表
面粗さが３．２μｍＲa を越えると、振動の原因になっ
たりクラックが入り易くなり、寿命の低下を引き起こす
為である。これに対して、下限を０．０１μｍＲa とし
たのは、表面粗さを０．０１μｍＲa 未満にしても、製
造コストが嵩むのみで、それ以上の性能向上が望めない
為である。これに対して、転動体が玉である場合に、玉
の形状精度は、振動の原因や寿命の低下に支障ない程度
とすべく、ＪＩＳＢ１５０１規格の等級１００よりも
良い精度のものを用いる事が望ましい。

【００２７】

【発明の効果】この発明の転がり軸受は、以上に述べた
通り構成され作用して、窒化珪素製の転がり軸受では十
分な耐久性を望めない様な、水を含む腐食性環境に於い
て、優れた耐久性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の対象となる転がり軸受の部分断面図。

【図２】本発明の効果を確認する為の実験に使用した試
験装置の概略断面図。

【符号の説明】

１転がり軸受２外輪軌道３外輪４内輪軌道５内輪６転動体７保持器８試験機９ａ、９ｂ玉軸受１０ハウジング１１回転軸１２貯液槽１３腐食性水溶液１４ナット１５ばね１６間座１７座板１８雄ねじ部１９振動加速度ピックアップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内周面に外輪軌道を有する外輪と、外周
面に内輪軌道を有する内輪と、これら外輪軌道と内輪軌
道との間に転動自在に設けられた複数の転動体と、これ
ら複数の転動体を転動自在に保持する保持器とを備え、
水を含む腐食性液体中若しくはこの液体が掛かる部分、
又は水蒸気を含む腐食性気体中で使用される転がり軸受
に於いて、上記外輪と内輪と転動体とをそれぞれ炭化珪
素のセラミック製とし、上記保持器として、少なくとも
表面が弗素樹脂製のものを組み込み、使用時に加わる動
等価荷重を動定格荷重の５％以下とする条件で使用する
事を特徴とする転がり軸受。