支承装置及びその製造方法
【課題】耐焼付き性の高い表面層と耐摩耗性の高い中間層との界面の密着力が高く、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れる支承装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】運動体２を支承する支承装置１において、表面９を凹凸に処理された支承基体３と、前記表面９上に耐磨耗性材料で均一な厚さに形成された中間層１１と、該中間層１１上に耐焼付き性材料を溶射して形成された表面層１０とを備える。好ましくは、中間層１１はニッケル合金で形成されて熱処理され、表面層１０はスズ系合金で形成される。
【解決手段】運動体２を支承する支承装置１において、表面９を凹凸に処理された支承基体３と、前記表面９上に耐磨耗性材料で均一な厚さに形成された中間層１１と、該中間層１１上に耐焼付き性材料を溶射して形成された表面層１０とを備える。好ましくは、中間層１１はニッケル合金で形成されて熱処理され、表面層１０はスズ系合金で形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動体を支承する支承装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、軸を回転可能に支承する軸受装置において、軸受装置の内周部にスズ系合金の溶射膜を形成した後に、該溶射膜が形成された軸受金をスズ系合金の融点より高い温度で熱処理した軸受装置が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、軸受基体の表面に融点が１１００℃以下である金属粒子を溶射法でコーティングして中間層を形成し、該中間層にホワイトメタルをコーティングした軸受装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００１−３３５９１４号公報（段落〔００１１〕〜〔００１５〕、図２）
【特許文献２】特開２０００−２３４１６１号公報（段落〔００１０〕〜〔００１２〕、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された軸受金は、スズ系合金の皮膜により耐焼付き性が高いだけでなく、熱処理によりスズ系合金の耐摩耗性、軸受基体への密着性が向上する。
【０００５】
しかしながら、スズ系合金は軟質であるので、耐摩耗性が十分でない場合がある。
【０００６】
上記特許文献２に記載された軸受金は、ホワイトメタルの皮膜により耐焼付き性が高いだけでなく、融点が１１００℃以下の金属粒子の中間層によりホワイトメタルの剥離を防止することができる。
【０００７】
しかしながら、ホワイトメタルは軟質であるので、耐摩耗性が不足する場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、耐焼付き性の高い表面層と耐摩耗性の高い中間層との界面の密着力が高く、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れる支承装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、運動体を支承する支承装置において、表面を凹凸に処理された支承基体と、前記表面上に耐磨耗性材料で均一な厚さに形成された中間層と、該中間層上に耐焼付き性材料を溶射して形成された表面層と、を備えたことである。
【００１０】
請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記中間層はニッケル合金で形成され熱処理されており、前記表面層はスズ系合金で形成されていることである。
【００１１】
請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記中間層はニッケル−リン系合金で形成され、前記表面層はホワイトメタルで形成され、前記中間層及び前記表面層はスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で熱処理されていることである。
【００１２】
請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記支承基体は、粒径の小さい粒子でブラスト処理された後に、粒径の大きい粒子でブラスト処理されて表面を凹凸に処理されていることである。
【００１３】
請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記運動体は回転軸であり、前記支承基体は軸受金であることである。
【００１４】
請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、運動体を支承する支承装置の製造方法において、支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、前記表面上に耐磨耗性材料の中間層を均一な厚さで形成する工程と、該中間層上に耐焼き付き性材料を溶射して表面層を形成する工程と、を備えたことである。
【００１５】
請求項７に記載の発明の構成上の特徴は、運動体を支承する支承装置の製造方法において、支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、前記表面上にニッケル−リン系合金の硬化前中間層を均一な厚さで形成する工程と、該硬化前中間層上にホワイトメタルを溶射して熱処理前表面層を形成する工程と、前記硬化前中間層及び熱処理前表面層をスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理し、中間層及び表面層を形成する工程と、を備えたことである。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、支承基体の表面が凹凸に処理され、該表面上に耐磨耗性材料の中間層が形成され、該中間層上に耐焼付き性材料の表面層が溶射形成されている。これにより、移動体が表面層の高い耐焼付き性により焼付くことなく、かつ中間層の高い耐磨耗性により摩耗することなく支承装置に摺動案内される。
【００１７】
さらに、中間層が支承基体表面の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で支承基体に結合される。中間層は膜厚が均一であるので、支承基体表面の凹凸が中間層表面にも出現し、耐焼付き性材料の柔軟な性状と中間層表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟って表面層が機械的に高い密着力で中間層に結合される。これにより、表面層が支承基体から剥離することを確実に防止することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、凹凸に処理された支承基体の表面上にニッケル合金で生成されて熱処理された中間層が形成され、該中間層上にスズ系合金が溶射されて表面層が形成されている。これにより、スズ系合金からなる表面層の高い耐焼付き性により焼付くことなく、かつ熱処理処理されて硬度が高いニッケル合金からなる中間層の高い耐磨耗性により摩耗することなく、耐焼付き性、耐摩耗性、密着性の高い摺動面を備えた支承装置を得ることができる。さらに、スズ系合金は鉄製の部材と接触するとスズ元素が鉄内に移動する「スズ抜け」現象を起こすので、スズ系合金組織が劣化するが、支承基体とスズ系合金との間にニッケル合金の中間層を入れているので、たとえ支承基体を鉄製にしても、スズ抜け現象を防止することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、凹凸に処理された支承基体の表面上にニッケル−リン系合金で生成された中間層が形成され、該中間層上にホワイトメタルが溶射されて表面層が形成され、中間層及び表面層がスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で熱処理されている。これにより、請求項１に係る発明の効果に加え、中間層と表面層とを同時に熱処理して中間層の硬度を高めるとともに、表面層の靱性、強度、密着性を高めることができる。さらに、溶射形成される表面層は面が粗く、よい面を得るには仕上げ加工を必要とする。表面層の強度が中間層と表面層の界面より大きい場合、表面層が加工される前に界面で剥離が発生してしまうが、熱処理することで中間層と表面層の界面の密着力が表面層の強度を上回るため、表面層に仕上げ加工を施しても表面層と中間層の界面で剥離が発生することはない。
【００２０】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、支承基体の表面に、平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸が、粒径の小さい粒子でのブラスト処理により形成された後に、粒径の大きい粒子でのブラスト処理により深い凹凸が粗に形成される。中間層は膜厚が均一であるので、中間層の表面にも平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸と、深い凹凸が粗に刻設される。これにより、ホワイトメタルからなる表面層がニッケル−リン系合金からなる中間層に細かい凹凸によるアンカー効果によって密着性よく且つ全体としての平面度を維持して結合されるとともに、熱処理時に溶融した金属が深い凹凸に流入することにより一層アンカー効果を高めて強く結合される。
【００２１】
上記のように構成した請求項５に係る発明によれば、回転軸を回転可能に支承する耐焼付き性が高い表面層を、耐摩耗性が高い中間層を介して軸受金に高い密着性で強固に結合した支承装置を提供することができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、支承基体の表面を凹凸に処理し、該表面上に耐磨耗性材料で厚さが均一な中間層を形成し、該中間層上に耐焼き付き性材料を溶射して表面層を形成する。これにより、中間層が支承基体表面の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で支承基体に結合される。中間層は厚さが均一であるので、支承基体表面の凹凸が中間層表面にも出現し、耐焼付き性材料の柔軟な性状と中間層表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟って耐焼付き性材料からなる表面層が機械的に高い密着力で中間層に結合される。このようにして、耐焼付き性が高い表面層を、耐摩耗性が高い中間層を介して支承基体に高い密着性で強固に結合した支承装置を提供することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、支承基体の表面を凹凸に処理し、該表面上にニッケル−リン系合金で厚さが均一な硬化前中間層を形成し、該中間層上にホワイトメタルを溶射して熱処理前表面層を形成し、硬化前中間層及び熱処理前表面層を同時に熱処理する。これにより、中間層が支承基体表面の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で支承基体に結合される。中間層は厚さが均一であるので、支承基体表面の凹凸が中間層表面にも出現し、ホワイトメタルの柔軟な性状と中間層表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟ってホワイトメタルからなる表面層が機械的に高い密着力で中間層に結合される。そして、硬化前中間層及び熱処理前表面層がスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理される。これにより、ニッケル−リン系合金のメッキ層を硬化させて耐磨耗性のよい中間層を形成するとともに、ホワイトメタルを熱処理して中間層への密着性がよく耐焼付き性のよい表面層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、回転軸を回転可能に支承する軸受装置に本発明を適用した実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、運動体である軸２は軸受装置１に回転可能に支承されている。軸受装置１（支承装置）を構成する軸受金３（支承基体）の内周には静圧流体軸受装置の静圧ポケット４、排出溝５を形成する複数の環状のランド６が軸２に対向して突設されている。図２に示すように、ランド６の内周面７の両端角部には面取り部８が形成されている。ランド６の内周面７及び面取り部８の表面９は、ブラスト処理によって面粗さがＲａ８．３μｍ程度となるように凹凸に処理されている。
【００２５】
ブラスト処理された表面９には、Ｎｉ−Ｐメッキが施されて硬度がＨｖ４００程度のニッケル−リンのメッキ層が数百ミクロンの均一な厚さに形成され、このメッキ層が後述するように熱処理されて硬度がＨｖ９００程度に硬化される。このように、表面９には、熱処理により硬化されたニッケル合金等の耐摩耗性材料の中間層１１が均一な厚さに形成されている。
【００２６】
中間層１１は、ニッケル−リン−ボロン、ニッケル−リン−フッ素系樹脂（例えばＰＴＦＥ）、ニッケル−リン−硬質粒子（例えばＳｉＣ）、等の層が、ブラスト処理された表面９に均一な厚さで形成され、このニッケル−リン合金が熱処理により硬化されて生成された耐摩耗性材料で形成されるようにしてもよい。また、中間層１１は、凹凸に処理された表面９にクロムメッキ層が均一な厚さに形成され、このメッキ層が熱処理により硬化されて形成されるようにしてもよい。
【００２７】
中間層１１の表面には、耐焼付き性材料であるスズ系合金を内面からプラズマ溶射ガンにより溶射して厚さ１ｍｍ程度の溶射膜１５が形成されている。溶射膜１５のスズ系合金は一例として、主成分の組成割合がアンチモンSb５〜１３％、銅 Cu３〜8.5％、スズSn残部の合金である。スズ系合金は鉛Pb等を含んだものでも良い。アンチモンSbは低沸点であるため、高温のプラズマ溶射では蒸発してスズ系合金にアンチモンSbの不足をきたすことがある。アンチモンSbが７％以下に減少するとSbSnなどの硬質成分が得られず、軟質な合金となり易い。そこで、溶射原料となるスズ系合金の粉末材料の組成において、アンチモンSbの割合を溶射による減少分だけ多くしてスズ系合金の溶射膜１５のアンチモンSbの含有量が７％以上になるように調整すると、SbSnなどの硬質成分が析出した耐摩耗性に優れた溶射膜１５となる。なお、軸受装置１の使用目的によっては、アンチモンSbの含有量が７％より少なくてもよい。
【００２８】
また、スズも幾分蒸発するが、銅は高沸点であるため残留し、銅が過多となり、溶射膜１５の脆化を招く場合がある。そこで、スズ系合金の溶射膜１５の要求性質に合わせ、プラズマ溶射によるスズ系合金の成分割合の変化を考慮してスズ系合金の粉末材料の成分割合を調整する。プラズマ溶射によるスズ系合金の成分割合の変化の一例として、アンチモンSb８％、銅Cu４％、スズSn残部の成分割合のスズ系合金は、溶射によりアンチモンが３５％蒸発した。その結果、アンチモンSb５％、銅Cu１２％、スズSn残部の成分割合となり、硬質成分SbSnは６８％減少した。このため、スズ系合金の溶射膜１５の成分がホワイトメタルとなるように、プラズマ溶射によるアンチモンSb、スズSnの減少を見込んで、例えばJIS規格WJ１〜３のホワイトメタルの粉末材料にアンチモン、スズを添加する。添加する材料は必要に応じて、スズSnを含まないアンチモンSbのみでもよく、アンチモンとスズの合金Sb-Snでもよい。そして、スズ系合金の溶射膜１５のアンチモンSbの含有量を、SbSnなどの硬質成分の析出が起きる７％以上に保つためには、スズ系合金の粉末材料のアンチモンの含有量を１５〜３０％にするとよい。
【００２９】
この溶射された溶射膜１５が熱処理後に旋盤などにより仕上げ加工されて表面層１０となり、ランド６の軸２と対向するランド面１２及びポケット４、排出溝５の側壁１３の上部を形成している。スズ系合金を中間層１１の表面に溶射して形成した表面層１０と中間層１１との界面は密着力が弱く、表面層１０にせん断力が加わると剥離が起きやすい。この表面層１０の剥離を防止するために、軸受金３の表面９がブラスト処理によって凹凸に処理され、中間層１１が表面９の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で軸受金３に結合される。中間層１１は厚さが薄く均一であるので、表面９の凹凸が中間層１１の表面にも出現する。スズ系合金の柔軟な性状と中間層１１の表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟って表面層１０が機械的に高い密着力で中間層１１に結合され、表面層１０が中間層１１から剥離することを確実に防止することができる。
【００３０】
上記のように構成した実施の形態に係る軸受装置１の軸受金３においては、図略の固定絞りを介して静圧ポケット４に供給された圧力流体は、表面層１０の内周に形成されたランド面１２と軸２との間の隙間により絞られて排出溝５に流出され、静圧ポケット４内に静圧を発生して軸２を支承する。回転駆動されている軸２に高負荷が作用し、軸２がランド面１２に接触しても、軸２が表面層１０の高い耐焼付き性により焼付くことなく、かつ中間層１１の高い耐磨耗性により摩耗することなく軸受装置１に回転可能に支承される。ランド面１２は、軸受金３のランド６の表面９に溶射されたスズ系合金の溶射膜１５の内周を切削仕上げ加工して形成されたものであるので、ランド面１２の耐焼付き性は極めて高く、軸２と軸受装置１との焼付きが防止される。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る軸受装置１の製造方法について説明する。図1に示す軸受金３は、図３に示す第１工程３１において、その外周形状及びポケット４、排出溝５等の内周形状を旋盤、フライス盤等により切削加工される。その際に、ランド６の内周面７、両角部の面取り部８も切削加工されて表面９が形成される。軸受金３の素材としては、低炭素鋼等の鋼材、リン青銅等の銅合金を使用する。
【００３２】
第２工程３２では、軸受金３の表面９が面粗さがＲａ８．３μｍ程度となるようにブラスト処理等により凹凸に処理される。ブラスト処理により表面９の酸化膜が除去されるものの、ブラスト処理自身の発熱などにより表面９が再酸化し、この酸化物の生成によりニッケル合金のメッキ層の生成が困難になる。このためブラスト面を酸洗いし、酸化物を除去する。酸洗いの時間は、ブラスト面の凹凸を溶解することなく、酸化物を除去できる短時間の処理に留める。
【００３３】
ブラスト処理されて酸洗いされた表面９にＮｉ−Ｐメッキを施すことなくスズ系合金を直接溶射した場合において、ブラスト処理された表面９の面粗さと、スズ系合金の溶射膜１５が表面９から剥離するときのせん断力である密着力との関係は、図４の試験データが示すように、表面９の面粗さがＲａ８．３μｍ程度のときに最大となる。Ｎｉ−Ｐメッキを行っても、メッキ層の厚さは均一で１０〜１００μｍであるので、メッキ層の表面とブラスト処理された表面との面粗さは同程度となる。従って、表面９が面粗さＲａ８．３μｍ程度となるように凹凸に処理されると、溶射膜１５と中間層１１との界面の密着力が最大になると推定できる。
【００３４】
第３工程３３では、凹凸に処理された表面９上に、ニッケル系合金のメッキ層である硬化前中間層１４が１０〜１００μｍの厚さに均一に形成される。
【００３５】
例えば、ニッケル−リン系のメッキ層が無電解メッキによって表面９に形成される。無電解メッキの浴組成として、ニッケル塩（例えば硫酸ニッケル、塩化ニッケル）、還元剤（例えば次亜リン酸ナトリウム）、及びＰＨ調整剤（例えば苛性ソーダ、アンモニア水、硫酸）を主要成分とする。ニッケル−リン系のメッキ層は、ニッケル−リン、ニッケル−リン−ボロン、ニッケル−リン−フッ素系樹脂（例えばＰＴＦＥ）、ニッケル−リン−硬質粒子（例えばＳｉＣ）等のメッキ層である。なお、ニッケル−リン系のメッキ層の下地としてニッケル系メッキを施してもよい。また、ニッケル−リン系のメッキ層は、無電解メッキによって形成するのが好ましいが、電気メッキで形成してもよい。
【００３６】
第４工程３４では、ニッケル系合金のメッキ層が形成された表面９にスズ系合金の溶射膜１５が溶射形成される。
【００３７】
図５において、４０はベース４１上に垂直線回りに回転可能に支承された回転テーブルで、モータ４２により回転駆動されるようになっている。回転テーブル４０上面には、治具４３が固定され、治具４３に軸受金３がその軸線を回転テーブルの回転中心に一致させて取付けられている。４４はプラズマ溶射ガンで、ロボット等により操作され、スズ系合金の粉末材料を溶かして軸受金３の表面９に溶射する。溶射ガンはロボットにより自動制御されるため溶射膜の品質に作業者によるばらつきが小さく安定した性能を維持できる。図５に示すように、プラズマ溶射ガン４４のノズル４５は、内口金４６と外口金４７とで構成され、内口金４６には、プラズマ溶射ガン４４の軸線と直交する軸線を有する中心孔４８が穿設され、この中心孔４８からスズ系合金の粉末材料が供給される。内口金４６と外口金との間には、環状孔４９が中心孔４８と同心に設けられ、この環状孔４９から例えばアルゴンと水素の混合気体が供給される。５０は内口金４６と外口金４７との間に電圧をかける電源で、環状孔４９から噴出されるアルゴンと水素との混合気体中で大電流の直流放電を行わせて超高温のプラズマジェットを発生させる。内口金４６の中心孔４８から供給されたスズ系合金の粉末材料は、プラズマジェットにより溶かされて表面９に溶射される。５１は電源５０を内口金４６、外口金４７に接続する電線、５２は中心孔４８に粉末材料を供給するパイプ、５３は環状孔４９に混合気体を供給するパイプである。５４は一般的なロボットのアームで、アーム５４先端のリスト５５に取付けられた把持装置５６にプラズマジェット溶射ガン４４が垂直方向に取付けられている。５７は圧縮空気を噴出する吹出し口で、ベース４１上にスタンド５８により取付けられている。５９は回転テーブル４０、プラズマ溶射ガン４４及びロボット等の言わばプラズマ溶射装置全体を覆うカバーで、このカバー５９内の気体はバキュームポンプ６０により吸引されている。
【００３８】
治具４３に垂直に取付けられた軸受金３のランド６の表面９に図６に示すようなスズ系合金の溶射膜１５を溶射するために、ロボットのアーム５４及びリスト５５によりプラズマ溶射ガン４４は姿勢を制御されて軸受金３内に挿入される。この状態でプラズマジェットが発生され、内孔４８から供給されるスズ系合金の粉末材料が溶融して表面９に溶射される。回転テーブル４０が回転駆動されて軸受金３が適宜速度で回転され、プラズマ溶射ガン４４がロボットのアーム５４及びリスト５５により姿勢制御されながら軸受金３の軸線方向に移動されることにより、表面９にスズ系合金の溶射膜１５が全周に亙って溶射形成される。内周面７に溶射するときは、プラズマ溶射ガン４４を垂直にすることで溶射角を最適な９０度にすることができ、面取り部８に溶射するときは、プラズマ溶射ガン４４をロボットにより傾斜させて溶射角を９０度近くの適切な角度に維持することができるので、溶射膜１５の内周面７、面取り部８への密着性が高くなる。
【００３９】
このプラズマ溶射を行っている間、吹出し口５７から圧縮空気が軸受金３の内孔に供給される。これによりエアーブローしながらスズ系合金の溶射膜１５を軸受金３の表面９に溶射形成することとなり、プラズマジェットにより溶融されて飛散した金属粉等の粉塵が吹飛ばされ、バキュームポンプ６０により吸引されて外部に排出されるので、粉塵が溶射膜１５に捲き込まれることが防止でき、密着性が向上する。このプラズマ溶射においては、アルゴンに還元性のある水素が混合されているので、酸化し易いスズSnなども酸化することなく、高純度のスズ系合金の溶射膜１５を溶射形成することができる。
【００４０】
スズ系合金の溶射膜１５としては、組成の主成分の割合がアンチモンSbが５〜１３％、銅Cu３〜8.5％、残部がスズSnの合金が、耐焼付き性に優れている。
【００４１】
スズ系合金は鉄製の部材と接触するとスズ元素が鉄内に移動する「スズ抜け」現象を起こすので、スズ系合金組織が劣化するが、ニッケル系合金のメッキ層が形成された軸受金３の表面９にスズ系合金の溶射膜１５が溶射形成されるので、表面９とスズ系合金の表面層１０との間にニッケル合金の中間層１１が介在し、たとえ軸受金３が低炭素鋼等の鉄製であっても、スズ抜け現象を防止することができる。
【００４２】
第５工程３５において、硬化前中間層１４及び溶射膜１５がスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理される。
【００４３】
ニッケル−リン系合金のメッキ層である硬化前中間層１４を熱処理して硬度Ｈｖ９００程度に硬化させることにより、硬化前中間層１４を耐摩耗性材料の中間層１１にするとともに、スズ系合金の溶射膜１５の中間層１１への密着性を向上するため、溶射膜１５が溶射形成された後に、軸受金３が熱処理される。
【００４４】
スズ系合金は、アンチモンSn、スズSn、銅Cu、鉛Pbを主成分とする低融点の合金で、融点は３００〜４００℃であるので、これより１０〜５０℃低い温度で大気中で熱処理すると熱処理温度より低い成分が溶融し、密着性が向上するとともに、組成に硬質成分SbSn，Cu6Sn5等が析出されて耐摩耗性が向上する。さらに、溶射膜１５に含まれる空孔が溶融により無くなり緻密な層となる。加熱時間は、軸受金３全体が十分加熱するために必要な時間で、溶融した成分が溶け落ちることのない１時間以内とする。熱処理の一例として、融点が４００℃のスズ系合金に対し、３５０℃で加熱、冷却して密着性、膜組成も改善された。
【００４５】
図７に示すように、スズ系合金の溶射膜１５は、３５０℃程度で熱処理されることにより、ビッカース硬度Ｈｖが低下して柔らかくなるので、中間層１１の表面の凹凸へのアンカー効果が確実となり密着性が向上する。さらに、表面層１０のスズ系合金の破壊せん断力が中間層１１との界面の密着力より小さくなるので、表面層１０が剥離する前にスズ系合金がせん断破壊し、表面層１０が中間層１１から剥離することがない。さらに、溶射形成される表面層１０は面が粗く、よい面を得るには仕上げ加工を必要とする。表面層１０の強度が中間層１１と表面層１０の界面より大きい場合、表面層１０が加工される前に界面で剥離が発生してしまうが、熱処理することで中間層１１と表面層１０の界面の密着力が表面層１０の強度を上回るため、表面層１０に仕上げ加工を施しても表面層１０と中間層１１の界面で剥離が発生することはない。
【００４６】
また、スズSnの融点は２３２℃であるので、熱処理温度を２３２℃以上にすると、スズSnが溶融して中間層１１の凹凸に侵入し密着性が向上する。しかし、ニッケル−リン系合金は、熱処理温度が過剰に低いと、メッキ層の硬さが低下する傾向があるので、この場合でも熱処理温度としては、２５０℃程度にするとよい。
【００４７】
溶射膜１５が溶射された軸受基体３の一部を切断して試験片６２を作成し、溶射膜１５が軸受基体３から剥離するせん断力、即ち密着力を図８に示す密着力測定装置６３で測定した結果、溶射膜１５の密着性は再加熱により４０％向上したことを確認できた。密着力の測定は、試験片６２を密着力測定装置６３の取付け孔６４に、溶射膜１５がスリット６５に頭を出すように取付け、スリット６５内を下方に移動する加圧体６６により溶射膜１５に側方からせん断力を与え、溶射膜１５が剥離する荷重を測定している。
【００４８】
熱処理を大気中で行うと、溶射膜１５の表面にスズの酸化膜が生成されて黒変し、膜表面が高硬度、脆化して加工性が低下する。また、膜の酸化により、溶射膜１５の純度が低くなり、膜性能が低下する。これら熱処理により生じるマイナス面は、熱処理を真空雰囲気内又はアルゴン、窒素等の不活性気体中の不活性雰囲気内で熱処理することにより解消される。真空雰囲気は、真空炉を用いることで、また不活性雰囲気は炉中に不活性気体を導入することで容易に確保することができる。
【００４９】
第６工程３６において、溶射膜１５の図９に示す一点鎖線より内径側が旋盤等により旋削されて削除され、内周面１２が仕上げ加工された表面層１０が形成される。
【００５０】
上記実施の形態では、軸受金３の表面９が面粗さＲａ８．３μｍ程度となるように粒径の小さい粒子でブラスト処理しているが、粒径の小さい粒子（粒径０．３ｍｍ）で面粗さＲａ８．３μｍ程度となるようにブラスト処理した後に、粒径の大きい粒子（粒径１ｍｍ）でブラスト処理してもよい。
【００５１】
このようにすると、粒径の小さい粒子でのブラスト処理により、平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸が表面９に形成され、粒径の大きい粒子でのブラスト処理により深い凹凸が粗に形成される。硬化前中間層１４は厚さが均一であるので、硬化前中間層１４の表面にも平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸と、深い凹凸が粗に刻設される。これにより、スズ系合金からなる溶射膜１５がニッケル−リン系合金からなる硬化前中間層１４に細かい凹凸によるアンカー効果によって密着性よく且つ全体としての平面度を維持して結合されるとともに、熱処理時に溶融したスズ系合金の成分が深い凹凸に流入することによりアンカー効果が一層高められ、図９に示すように粒径の小さい粒子でのブラスト処理だけを行った場合に比して表面層１０と中間層１１との界面の密着力が強くなる。なお、図１０には、溶射膜１５の厚さを１ｍｍとしたときの密着力が、粒径の小さい粒子でのブラスト処理だけを行った場合、および粒径の小さい粒子でのブラスト処理後に粒径の大きい粒子でのブラスト処理を行った場合に分けて示されている。その他の条件は、図４の試験データの場合と同じである。
【００５２】
また、上記実施の形態では、硬化前中間層１４をニッケル−リン系合金を軸受金３の表面９にメッキして形成しているが、ニッケル−リン系合金を気相成長法（ＰＶＤ、ＣＶＤ）、電着、又は化成処理で形成するようにしてもよい。
【００５３】
上記実施の形態では、硬化前中間層１４及び溶射膜１５をスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理しているが、軸受金３の表面９にメッキされたニッケル−リン系合金のメッキ層を熱処理により硬化させて中間層１１を形成した後に、スズ系合金を中間層１１上に溶射して溶射膜１５を形成し、溶射膜１５を必要に応じて熱処理して表面層１０を形成するようにしてもよい。
【００５４】
上記実施の形態では運動体を支承する支承装置として回転軸を支承する軸受装置の例を示したが、これに限定されるものではなく、工作機械のテーブルなどに使用される静圧スライドのような平面の摺動面上を移動するスライド装置や熱機関などに使用されるシリンダのような円筒面内をピストンが軸方向に移動するピストン装置でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態に係る軸受金を示す断面図。
【図２】軸受金のランドの拡大図。
【図３】軸受装置の製造工程を示すブロック図。
【図４】表面の面粗さと、溶射膜と表面の界面の密着力との関係を示す図。
【図５】プラズマ溶射装置を示す図。
【図６】プラズマ溶射ガンのノズル部分の拡大断面図。
【図７】スズ系合金の溶射膜のビッカース硬度と熱処理との関係を示す図。
【図８】密着力測定装置の要部を示す図。
【図９】溶射膜が溶射形成されたランドを示す拡大断面図。
【図１０】溶射膜と表面との界面の密着力を、小径粒子のみでのブラスト処理と、小径、大径粒子でのブラスト処理と間で比較した図。
【符号の説明】
【００５６】
１…軸受装置（支承装置）、２…軸（運動体）、３…軸受金（支承基体）、６…ランド、７…内周部、８…面取り部、９…表面、１０…表面層、１１…中間層、１２…内周面、１３…側壁、１４…硬化前中間層、１５…溶射膜、３１…第１工程、３２…第２工程、３３…第３工程、３４…第４工程、３５…第５工程、３６…第６工程、４０…回転テーブル、４４…プラズマ溶射ガン、５４…ロボットのアーム、５７…吹出し口、６３…密着力測定装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動体を支承する支承装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、軸を回転可能に支承する軸受装置において、軸受装置の内周部にスズ系合金の溶射膜を形成した後に、該溶射膜が形成された軸受金をスズ系合金の融点より高い温度で熱処理した軸受装置が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、軸受基体の表面に融点が１１００℃以下である金属粒子を溶射法でコーティングして中間層を形成し、該中間層にホワイトメタルをコーティングした軸受装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００１−３３５９１４号公報（段落〔００１１〕〜〔００１５〕、図２）
【特許文献２】特開２０００−２３４１６１号公報（段落〔００１０〕〜〔００１２〕、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された軸受金は、スズ系合金の皮膜により耐焼付き性が高いだけでなく、熱処理によりスズ系合金の耐摩耗性、軸受基体への密着性が向上する。
【０００５】
しかしながら、スズ系合金は軟質であるので、耐摩耗性が十分でない場合がある。
【０００６】
上記特許文献２に記載された軸受金は、ホワイトメタルの皮膜により耐焼付き性が高いだけでなく、融点が１１００℃以下の金属粒子の中間層によりホワイトメタルの剥離を防止することができる。
【０００７】
しかしながら、ホワイトメタルは軟質であるので、耐摩耗性が不足する場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、耐焼付き性の高い表面層と耐摩耗性の高い中間層との界面の密着力が高く、耐焼付き性及び耐摩耗性に優れる支承装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、運動体を支承する支承装置において、表面を凹凸に処理された支承基体と、前記表面上に耐磨耗性材料で均一な厚さに形成された中間層と、該中間層上に耐焼付き性材料を溶射して形成された表面層と、を備えたことである。
【００１０】
請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記中間層はニッケル合金で形成され熱処理されており、前記表面層はスズ系合金で形成されていることである。
【００１１】
請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記中間層はニッケル−リン系合金で形成され、前記表面層はホワイトメタルで形成され、前記中間層及び前記表面層はスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で熱処理されていることである。
【００１２】
請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記支承基体は、粒径の小さい粒子でブラスト処理された後に、粒径の大きい粒子でブラスト処理されて表面を凹凸に処理されていることである。
【００１３】
請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記運動体は回転軸であり、前記支承基体は軸受金であることである。
【００１４】
請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、運動体を支承する支承装置の製造方法において、支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、前記表面上に耐磨耗性材料の中間層を均一な厚さで形成する工程と、該中間層上に耐焼き付き性材料を溶射して表面層を形成する工程と、を備えたことである。
【００１５】
請求項７に記載の発明の構成上の特徴は、運動体を支承する支承装置の製造方法において、支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、前記表面上にニッケル−リン系合金の硬化前中間層を均一な厚さで形成する工程と、該硬化前中間層上にホワイトメタルを溶射して熱処理前表面層を形成する工程と、前記硬化前中間層及び熱処理前表面層をスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理し、中間層及び表面層を形成する工程と、を備えたことである。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、支承基体の表面が凹凸に処理され、該表面上に耐磨耗性材料の中間層が形成され、該中間層上に耐焼付き性材料の表面層が溶射形成されている。これにより、移動体が表面層の高い耐焼付き性により焼付くことなく、かつ中間層の高い耐磨耗性により摩耗することなく支承装置に摺動案内される。
【００１７】
さらに、中間層が支承基体表面の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で支承基体に結合される。中間層は膜厚が均一であるので、支承基体表面の凹凸が中間層表面にも出現し、耐焼付き性材料の柔軟な性状と中間層表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟って表面層が機械的に高い密着力で中間層に結合される。これにより、表面層が支承基体から剥離することを確実に防止することができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、凹凸に処理された支承基体の表面上にニッケル合金で生成されて熱処理された中間層が形成され、該中間層上にスズ系合金が溶射されて表面層が形成されている。これにより、スズ系合金からなる表面層の高い耐焼付き性により焼付くことなく、かつ熱処理処理されて硬度が高いニッケル合金からなる中間層の高い耐磨耗性により摩耗することなく、耐焼付き性、耐摩耗性、密着性の高い摺動面を備えた支承装置を得ることができる。さらに、スズ系合金は鉄製の部材と接触するとスズ元素が鉄内に移動する「スズ抜け」現象を起こすので、スズ系合金組織が劣化するが、支承基体とスズ系合金との間にニッケル合金の中間層を入れているので、たとえ支承基体を鉄製にしても、スズ抜け現象を防止することができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、凹凸に処理された支承基体の表面上にニッケル−リン系合金で生成された中間層が形成され、該中間層上にホワイトメタルが溶射されて表面層が形成され、中間層及び表面層がスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で熱処理されている。これにより、請求項１に係る発明の効果に加え、中間層と表面層とを同時に熱処理して中間層の硬度を高めるとともに、表面層の靱性、強度、密着性を高めることができる。さらに、溶射形成される表面層は面が粗く、よい面を得るには仕上げ加工を必要とする。表面層の強度が中間層と表面層の界面より大きい場合、表面層が加工される前に界面で剥離が発生してしまうが、熱処理することで中間層と表面層の界面の密着力が表面層の強度を上回るため、表面層に仕上げ加工を施しても表面層と中間層の界面で剥離が発生することはない。
【００２０】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、支承基体の表面に、平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸が、粒径の小さい粒子でのブラスト処理により形成された後に、粒径の大きい粒子でのブラスト処理により深い凹凸が粗に形成される。中間層は膜厚が均一であるので、中間層の表面にも平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸と、深い凹凸が粗に刻設される。これにより、ホワイトメタルからなる表面層がニッケル−リン系合金からなる中間層に細かい凹凸によるアンカー効果によって密着性よく且つ全体としての平面度を維持して結合されるとともに、熱処理時に溶融した金属が深い凹凸に流入することにより一層アンカー効果を高めて強く結合される。
【００２１】
上記のように構成した請求項５に係る発明によれば、回転軸を回転可能に支承する耐焼付き性が高い表面層を、耐摩耗性が高い中間層を介して軸受金に高い密着性で強固に結合した支承装置を提供することができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、支承基体の表面を凹凸に処理し、該表面上に耐磨耗性材料で厚さが均一な中間層を形成し、該中間層上に耐焼き付き性材料を溶射して表面層を形成する。これにより、中間層が支承基体表面の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で支承基体に結合される。中間層は厚さが均一であるので、支承基体表面の凹凸が中間層表面にも出現し、耐焼付き性材料の柔軟な性状と中間層表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟って耐焼付き性材料からなる表面層が機械的に高い密着力で中間層に結合される。このようにして、耐焼付き性が高い表面層を、耐摩耗性が高い中間層を介して支承基体に高い密着性で強固に結合した支承装置を提供することができる。
【００２３】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、支承基体の表面を凹凸に処理し、該表面上にニッケル−リン系合金で厚さが均一な硬化前中間層を形成し、該中間層上にホワイトメタルを溶射して熱処理前表面層を形成し、硬化前中間層及び熱処理前表面層を同時に熱処理する。これにより、中間層が支承基体表面の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で支承基体に結合される。中間層は厚さが均一であるので、支承基体表面の凹凸が中間層表面にも出現し、ホワイトメタルの柔軟な性状と中間層表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟ってホワイトメタルからなる表面層が機械的に高い密着力で中間層に結合される。そして、硬化前中間層及び熱処理前表面層がスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理される。これにより、ニッケル−リン系合金のメッキ層を硬化させて耐磨耗性のよい中間層を形成するとともに、ホワイトメタルを熱処理して中間層への密着性がよく耐焼付き性のよい表面層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、回転軸を回転可能に支承する軸受装置に本発明を適用した実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、運動体である軸２は軸受装置１に回転可能に支承されている。軸受装置１（支承装置）を構成する軸受金３（支承基体）の内周には静圧流体軸受装置の静圧ポケット４、排出溝５を形成する複数の環状のランド６が軸２に対向して突設されている。図２に示すように、ランド６の内周面７の両端角部には面取り部８が形成されている。ランド６の内周面７及び面取り部８の表面９は、ブラスト処理によって面粗さがＲａ８．３μｍ程度となるように凹凸に処理されている。
【００２５】
ブラスト処理された表面９には、Ｎｉ−Ｐメッキが施されて硬度がＨｖ４００程度のニッケル−リンのメッキ層が数百ミクロンの均一な厚さに形成され、このメッキ層が後述するように熱処理されて硬度がＨｖ９００程度に硬化される。このように、表面９には、熱処理により硬化されたニッケル合金等の耐摩耗性材料の中間層１１が均一な厚さに形成されている。
【００２６】
中間層１１は、ニッケル−リン−ボロン、ニッケル−リン−フッ素系樹脂（例えばＰＴＦＥ）、ニッケル−リン−硬質粒子（例えばＳｉＣ）、等の層が、ブラスト処理された表面９に均一な厚さで形成され、このニッケル−リン合金が熱処理により硬化されて生成された耐摩耗性材料で形成されるようにしてもよい。また、中間層１１は、凹凸に処理された表面９にクロムメッキ層が均一な厚さに形成され、このメッキ層が熱処理により硬化されて形成されるようにしてもよい。
【００２７】
中間層１１の表面には、耐焼付き性材料であるスズ系合金を内面からプラズマ溶射ガンにより溶射して厚さ１ｍｍ程度の溶射膜１５が形成されている。溶射膜１５のスズ系合金は一例として、主成分の組成割合がアンチモンSb５〜１３％、銅 Cu３〜8.5％、スズSn残部の合金である。スズ系合金は鉛Pb等を含んだものでも良い。アンチモンSbは低沸点であるため、高温のプラズマ溶射では蒸発してスズ系合金にアンチモンSbの不足をきたすことがある。アンチモンSbが７％以下に減少するとSbSnなどの硬質成分が得られず、軟質な合金となり易い。そこで、溶射原料となるスズ系合金の粉末材料の組成において、アンチモンSbの割合を溶射による減少分だけ多くしてスズ系合金の溶射膜１５のアンチモンSbの含有量が７％以上になるように調整すると、SbSnなどの硬質成分が析出した耐摩耗性に優れた溶射膜１５となる。なお、軸受装置１の使用目的によっては、アンチモンSbの含有量が７％より少なくてもよい。
【００２８】
また、スズも幾分蒸発するが、銅は高沸点であるため残留し、銅が過多となり、溶射膜１５の脆化を招く場合がある。そこで、スズ系合金の溶射膜１５の要求性質に合わせ、プラズマ溶射によるスズ系合金の成分割合の変化を考慮してスズ系合金の粉末材料の成分割合を調整する。プラズマ溶射によるスズ系合金の成分割合の変化の一例として、アンチモンSb８％、銅Cu４％、スズSn残部の成分割合のスズ系合金は、溶射によりアンチモンが３５％蒸発した。その結果、アンチモンSb５％、銅Cu１２％、スズSn残部の成分割合となり、硬質成分SbSnは６８％減少した。このため、スズ系合金の溶射膜１５の成分がホワイトメタルとなるように、プラズマ溶射によるアンチモンSb、スズSnの減少を見込んで、例えばJIS規格WJ１〜３のホワイトメタルの粉末材料にアンチモン、スズを添加する。添加する材料は必要に応じて、スズSnを含まないアンチモンSbのみでもよく、アンチモンとスズの合金Sb-Snでもよい。そして、スズ系合金の溶射膜１５のアンチモンSbの含有量を、SbSnなどの硬質成分の析出が起きる７％以上に保つためには、スズ系合金の粉末材料のアンチモンの含有量を１５〜３０％にするとよい。
【００２９】
この溶射された溶射膜１５が熱処理後に旋盤などにより仕上げ加工されて表面層１０となり、ランド６の軸２と対向するランド面１２及びポケット４、排出溝５の側壁１３の上部を形成している。スズ系合金を中間層１１の表面に溶射して形成した表面層１０と中間層１１との界面は密着力が弱く、表面層１０にせん断力が加わると剥離が起きやすい。この表面層１０の剥離を防止するために、軸受金３の表面９がブラスト処理によって凹凸に処理され、中間層１１が表面９の凹凸によるアンカー効果によって機械的に高い密着力で軸受金３に結合される。中間層１１は厚さが薄く均一であるので、表面９の凹凸が中間層１１の表面にも出現する。スズ系合金の柔軟な性状と中間層１１の表面の凹凸によるアンカー効果とが相俟って表面層１０が機械的に高い密着力で中間層１１に結合され、表面層１０が中間層１１から剥離することを確実に防止することができる。
【００３０】
上記のように構成した実施の形態に係る軸受装置１の軸受金３においては、図略の固定絞りを介して静圧ポケット４に供給された圧力流体は、表面層１０の内周に形成されたランド面１２と軸２との間の隙間により絞られて排出溝５に流出され、静圧ポケット４内に静圧を発生して軸２を支承する。回転駆動されている軸２に高負荷が作用し、軸２がランド面１２に接触しても、軸２が表面層１０の高い耐焼付き性により焼付くことなく、かつ中間層１１の高い耐磨耗性により摩耗することなく軸受装置１に回転可能に支承される。ランド面１２は、軸受金３のランド６の表面９に溶射されたスズ系合金の溶射膜１５の内周を切削仕上げ加工して形成されたものであるので、ランド面１２の耐焼付き性は極めて高く、軸２と軸受装置１との焼付きが防止される。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る軸受装置１の製造方法について説明する。図1に示す軸受金３は、図３に示す第１工程３１において、その外周形状及びポケット４、排出溝５等の内周形状を旋盤、フライス盤等により切削加工される。その際に、ランド６の内周面７、両角部の面取り部８も切削加工されて表面９が形成される。軸受金３の素材としては、低炭素鋼等の鋼材、リン青銅等の銅合金を使用する。
【００３２】
第２工程３２では、軸受金３の表面９が面粗さがＲａ８．３μｍ程度となるようにブラスト処理等により凹凸に処理される。ブラスト処理により表面９の酸化膜が除去されるものの、ブラスト処理自身の発熱などにより表面９が再酸化し、この酸化物の生成によりニッケル合金のメッキ層の生成が困難になる。このためブラスト面を酸洗いし、酸化物を除去する。酸洗いの時間は、ブラスト面の凹凸を溶解することなく、酸化物を除去できる短時間の処理に留める。
【００３３】
ブラスト処理されて酸洗いされた表面９にＮｉ−Ｐメッキを施すことなくスズ系合金を直接溶射した場合において、ブラスト処理された表面９の面粗さと、スズ系合金の溶射膜１５が表面９から剥離するときのせん断力である密着力との関係は、図４の試験データが示すように、表面９の面粗さがＲａ８．３μｍ程度のときに最大となる。Ｎｉ−Ｐメッキを行っても、メッキ層の厚さは均一で１０〜１００μｍであるので、メッキ層の表面とブラスト処理された表面との面粗さは同程度となる。従って、表面９が面粗さＲａ８．３μｍ程度となるように凹凸に処理されると、溶射膜１５と中間層１１との界面の密着力が最大になると推定できる。
【００３４】
第３工程３３では、凹凸に処理された表面９上に、ニッケル系合金のメッキ層である硬化前中間層１４が１０〜１００μｍの厚さに均一に形成される。
【００３５】
例えば、ニッケル−リン系のメッキ層が無電解メッキによって表面９に形成される。無電解メッキの浴組成として、ニッケル塩（例えば硫酸ニッケル、塩化ニッケル）、還元剤（例えば次亜リン酸ナトリウム）、及びＰＨ調整剤（例えば苛性ソーダ、アンモニア水、硫酸）を主要成分とする。ニッケル−リン系のメッキ層は、ニッケル−リン、ニッケル−リン−ボロン、ニッケル−リン−フッ素系樹脂（例えばＰＴＦＥ）、ニッケル−リン−硬質粒子（例えばＳｉＣ）等のメッキ層である。なお、ニッケル−リン系のメッキ層の下地としてニッケル系メッキを施してもよい。また、ニッケル−リン系のメッキ層は、無電解メッキによって形成するのが好ましいが、電気メッキで形成してもよい。
【００３６】
第４工程３４では、ニッケル系合金のメッキ層が形成された表面９にスズ系合金の溶射膜１５が溶射形成される。
【００３７】
図５において、４０はベース４１上に垂直線回りに回転可能に支承された回転テーブルで、モータ４２により回転駆動されるようになっている。回転テーブル４０上面には、治具４３が固定され、治具４３に軸受金３がその軸線を回転テーブルの回転中心に一致させて取付けられている。４４はプラズマ溶射ガンで、ロボット等により操作され、スズ系合金の粉末材料を溶かして軸受金３の表面９に溶射する。溶射ガンはロボットにより自動制御されるため溶射膜の品質に作業者によるばらつきが小さく安定した性能を維持できる。図５に示すように、プラズマ溶射ガン４４のノズル４５は、内口金４６と外口金４７とで構成され、内口金４６には、プラズマ溶射ガン４４の軸線と直交する軸線を有する中心孔４８が穿設され、この中心孔４８からスズ系合金の粉末材料が供給される。内口金４６と外口金との間には、環状孔４９が中心孔４８と同心に設けられ、この環状孔４９から例えばアルゴンと水素の混合気体が供給される。５０は内口金４６と外口金４７との間に電圧をかける電源で、環状孔４９から噴出されるアルゴンと水素との混合気体中で大電流の直流放電を行わせて超高温のプラズマジェットを発生させる。内口金４６の中心孔４８から供給されたスズ系合金の粉末材料は、プラズマジェットにより溶かされて表面９に溶射される。５１は電源５０を内口金４６、外口金４７に接続する電線、５２は中心孔４８に粉末材料を供給するパイプ、５３は環状孔４９に混合気体を供給するパイプである。５４は一般的なロボットのアームで、アーム５４先端のリスト５５に取付けられた把持装置５６にプラズマジェット溶射ガン４４が垂直方向に取付けられている。５７は圧縮空気を噴出する吹出し口で、ベース４１上にスタンド５８により取付けられている。５９は回転テーブル４０、プラズマ溶射ガン４４及びロボット等の言わばプラズマ溶射装置全体を覆うカバーで、このカバー５９内の気体はバキュームポンプ６０により吸引されている。
【００３８】
治具４３に垂直に取付けられた軸受金３のランド６の表面９に図６に示すようなスズ系合金の溶射膜１５を溶射するために、ロボットのアーム５４及びリスト５５によりプラズマ溶射ガン４４は姿勢を制御されて軸受金３内に挿入される。この状態でプラズマジェットが発生され、内孔４８から供給されるスズ系合金の粉末材料が溶融して表面９に溶射される。回転テーブル４０が回転駆動されて軸受金３が適宜速度で回転され、プラズマ溶射ガン４４がロボットのアーム５４及びリスト５５により姿勢制御されながら軸受金３の軸線方向に移動されることにより、表面９にスズ系合金の溶射膜１５が全周に亙って溶射形成される。内周面７に溶射するときは、プラズマ溶射ガン４４を垂直にすることで溶射角を最適な９０度にすることができ、面取り部８に溶射するときは、プラズマ溶射ガン４４をロボットにより傾斜させて溶射角を９０度近くの適切な角度に維持することができるので、溶射膜１５の内周面７、面取り部８への密着性が高くなる。
【００３９】
このプラズマ溶射を行っている間、吹出し口５７から圧縮空気が軸受金３の内孔に供給される。これによりエアーブローしながらスズ系合金の溶射膜１５を軸受金３の表面９に溶射形成することとなり、プラズマジェットにより溶融されて飛散した金属粉等の粉塵が吹飛ばされ、バキュームポンプ６０により吸引されて外部に排出されるので、粉塵が溶射膜１５に捲き込まれることが防止でき、密着性が向上する。このプラズマ溶射においては、アルゴンに還元性のある水素が混合されているので、酸化し易いスズSnなども酸化することなく、高純度のスズ系合金の溶射膜１５を溶射形成することができる。
【００４０】
スズ系合金の溶射膜１５としては、組成の主成分の割合がアンチモンSbが５〜１３％、銅Cu３〜8.5％、残部がスズSnの合金が、耐焼付き性に優れている。
【００４１】
スズ系合金は鉄製の部材と接触するとスズ元素が鉄内に移動する「スズ抜け」現象を起こすので、スズ系合金組織が劣化するが、ニッケル系合金のメッキ層が形成された軸受金３の表面９にスズ系合金の溶射膜１５が溶射形成されるので、表面９とスズ系合金の表面層１０との間にニッケル合金の中間層１１が介在し、たとえ軸受金３が低炭素鋼等の鉄製であっても、スズ抜け現象を防止することができる。
【００４２】
第５工程３５において、硬化前中間層１４及び溶射膜１５がスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理される。
【００４３】
ニッケル−リン系合金のメッキ層である硬化前中間層１４を熱処理して硬度Ｈｖ９００程度に硬化させることにより、硬化前中間層１４を耐摩耗性材料の中間層１１にするとともに、スズ系合金の溶射膜１５の中間層１１への密着性を向上するため、溶射膜１５が溶射形成された後に、軸受金３が熱処理される。
【００４４】
スズ系合金は、アンチモンSn、スズSn、銅Cu、鉛Pbを主成分とする低融点の合金で、融点は３００〜４００℃であるので、これより１０〜５０℃低い温度で大気中で熱処理すると熱処理温度より低い成分が溶融し、密着性が向上するとともに、組成に硬質成分SbSn，Cu6Sn5等が析出されて耐摩耗性が向上する。さらに、溶射膜１５に含まれる空孔が溶融により無くなり緻密な層となる。加熱時間は、軸受金３全体が十分加熱するために必要な時間で、溶融した成分が溶け落ちることのない１時間以内とする。熱処理の一例として、融点が４００℃のスズ系合金に対し、３５０℃で加熱、冷却して密着性、膜組成も改善された。
【００４５】
図７に示すように、スズ系合金の溶射膜１５は、３５０℃程度で熱処理されることにより、ビッカース硬度Ｈｖが低下して柔らかくなるので、中間層１１の表面の凹凸へのアンカー効果が確実となり密着性が向上する。さらに、表面層１０のスズ系合金の破壊せん断力が中間層１１との界面の密着力より小さくなるので、表面層１０が剥離する前にスズ系合金がせん断破壊し、表面層１０が中間層１１から剥離することがない。さらに、溶射形成される表面層１０は面が粗く、よい面を得るには仕上げ加工を必要とする。表面層１０の強度が中間層１１と表面層１０の界面より大きい場合、表面層１０が加工される前に界面で剥離が発生してしまうが、熱処理することで中間層１１と表面層１０の界面の密着力が表面層１０の強度を上回るため、表面層１０に仕上げ加工を施しても表面層１０と中間層１１の界面で剥離が発生することはない。
【００４６】
また、スズSnの融点は２３２℃であるので、熱処理温度を２３２℃以上にすると、スズSnが溶融して中間層１１の凹凸に侵入し密着性が向上する。しかし、ニッケル−リン系合金は、熱処理温度が過剰に低いと、メッキ層の硬さが低下する傾向があるので、この場合でも熱処理温度としては、２５０℃程度にするとよい。
【００４７】
溶射膜１５が溶射された軸受基体３の一部を切断して試験片６２を作成し、溶射膜１５が軸受基体３から剥離するせん断力、即ち密着力を図８に示す密着力測定装置６３で測定した結果、溶射膜１５の密着性は再加熱により４０％向上したことを確認できた。密着力の測定は、試験片６２を密着力測定装置６３の取付け孔６４に、溶射膜１５がスリット６５に頭を出すように取付け、スリット６５内を下方に移動する加圧体６６により溶射膜１５に側方からせん断力を与え、溶射膜１５が剥離する荷重を測定している。
【００４８】
熱処理を大気中で行うと、溶射膜１５の表面にスズの酸化膜が生成されて黒変し、膜表面が高硬度、脆化して加工性が低下する。また、膜の酸化により、溶射膜１５の純度が低くなり、膜性能が低下する。これら熱処理により生じるマイナス面は、熱処理を真空雰囲気内又はアルゴン、窒素等の不活性気体中の不活性雰囲気内で熱処理することにより解消される。真空雰囲気は、真空炉を用いることで、また不活性雰囲気は炉中に不活性気体を導入することで容易に確保することができる。
【００４９】
第６工程３６において、溶射膜１５の図９に示す一点鎖線より内径側が旋盤等により旋削されて削除され、内周面１２が仕上げ加工された表面層１０が形成される。
【００５０】
上記実施の形態では、軸受金３の表面９が面粗さＲａ８．３μｍ程度となるように粒径の小さい粒子でブラスト処理しているが、粒径の小さい粒子（粒径０．３ｍｍ）で面粗さＲａ８．３μｍ程度となるようにブラスト処理した後に、粒径の大きい粒子（粒径１ｍｍ）でブラスト処理してもよい。
【００５１】
このようにすると、粒径の小さい粒子でのブラスト処理により、平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸が表面９に形成され、粒径の大きい粒子でのブラスト処理により深い凹凸が粗に形成される。硬化前中間層１４は厚さが均一であるので、硬化前中間層１４の表面にも平面度を全体として悪化させない程度の細かい凹凸と、深い凹凸が粗に刻設される。これにより、スズ系合金からなる溶射膜１５がニッケル−リン系合金からなる硬化前中間層１４に細かい凹凸によるアンカー効果によって密着性よく且つ全体としての平面度を維持して結合されるとともに、熱処理時に溶融したスズ系合金の成分が深い凹凸に流入することによりアンカー効果が一層高められ、図９に示すように粒径の小さい粒子でのブラスト処理だけを行った場合に比して表面層１０と中間層１１との界面の密着力が強くなる。なお、図１０には、溶射膜１５の厚さを１ｍｍとしたときの密着力が、粒径の小さい粒子でのブラスト処理だけを行った場合、および粒径の小さい粒子でのブラスト処理後に粒径の大きい粒子でのブラスト処理を行った場合に分けて示されている。その他の条件は、図４の試験データの場合と同じである。
【００５２】
また、上記実施の形態では、硬化前中間層１４をニッケル−リン系合金を軸受金３の表面９にメッキして形成しているが、ニッケル−リン系合金を気相成長法（ＰＶＤ、ＣＶＤ）、電着、又は化成処理で形成するようにしてもよい。
【００５３】
上記実施の形態では、硬化前中間層１４及び溶射膜１５をスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理しているが、軸受金３の表面９にメッキされたニッケル−リン系合金のメッキ層を熱処理により硬化させて中間層１１を形成した後に、スズ系合金を中間層１１上に溶射して溶射膜１５を形成し、溶射膜１５を必要に応じて熱処理して表面層１０を形成するようにしてもよい。
【００５４】
上記実施の形態では運動体を支承する支承装置として回転軸を支承する軸受装置の例を示したが、これに限定されるものではなく、工作機械のテーブルなどに使用される静圧スライドのような平面の摺動面上を移動するスライド装置や熱機関などに使用されるシリンダのような円筒面内をピストンが軸方向に移動するピストン装置でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態に係る軸受金を示す断面図。
【図２】軸受金のランドの拡大図。
【図３】軸受装置の製造工程を示すブロック図。
【図４】表面の面粗さと、溶射膜と表面の界面の密着力との関係を示す図。
【図５】プラズマ溶射装置を示す図。
【図６】プラズマ溶射ガンのノズル部分の拡大断面図。
【図７】スズ系合金の溶射膜のビッカース硬度と熱処理との関係を示す図。
【図８】密着力測定装置の要部を示す図。
【図９】溶射膜が溶射形成されたランドを示す拡大断面図。
【図１０】溶射膜と表面との界面の密着力を、小径粒子のみでのブラスト処理と、小径、大径粒子でのブラスト処理と間で比較した図。
【符号の説明】
【００５６】
１…軸受装置（支承装置）、２…軸（運動体）、３…軸受金（支承基体）、６…ランド、７…内周部、８…面取り部、９…表面、１０…表面層、１１…中間層、１２…内周面、１３…側壁、１４…硬化前中間層、１５…溶射膜、３１…第１工程、３２…第２工程、３３…第３工程、３４…第４工程、３５…第５工程、３６…第６工程、４０…回転テーブル、４４…プラズマ溶射ガン、５４…ロボットのアーム、５７…吹出し口、６３…密着力測定装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動体を支承する支承装置において、
表面を凹凸に処理された支承基体と、
前記表面上に耐磨耗性材料で均一な厚さに形成された中間層と、
該中間層上に耐焼付き性材料を溶射して形成された表面層と、
を備えたことを特徴とする支承装置。
【請求項２】
請求項１において、前記中間層はニッケル合金で形成され熱処理されており、
前記表面層はスズ系合金で形成されていることを特徴とする支承装置。
【請求項３】
請求項１において、前記中間層はニッケル−リン系合金で形成され、
前記表面層はホワイトメタルで形成され、
前記中間層及び前記表面層はスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で熱処理されていることを特徴とする支承装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記支承基体は、粒径の小さい粒子でブラスト処理された後に、粒径の大きい粒子でブラスト処理されて表面を凹凸に処理されていることを特徴とする支承装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、前記運動体は回転軸であり、前記支承基体は軸受金であることを特徴とする支承装置。
【請求項６】
運動体を支承する支承装置の製造方法において、
支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、
前記表面上に耐磨耗性材料の中間層を均一な厚さで形成する工程と、
該中間層上に耐焼き付き性材料を溶射して表面層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする支承装置の製造方法。
【請求項７】
運動体を支承する支承装置の製造方法において、
支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、
前記表面上にニッケル−リン系合金の硬化前中間層を均一な厚さで形成する工程と、
該硬化前中間層上にホワイトメタルを溶射して熱処理前表面層を形成する工程と、
前記硬化前中間層及び熱処理前表面層をスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理し、中間層及び表面層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする支承装置の製造方法。
【請求項１】
運動体を支承する支承装置において、
表面を凹凸に処理された支承基体と、
前記表面上に耐磨耗性材料で均一な厚さに形成された中間層と、
該中間層上に耐焼付き性材料を溶射して形成された表面層と、
を備えたことを特徴とする支承装置。
【請求項２】
請求項１において、前記中間層はニッケル合金で形成され熱処理されており、
前記表面層はスズ系合金で形成されていることを特徴とする支承装置。
【請求項３】
請求項１において、前記中間層はニッケル−リン系合金で形成され、
前記表面層はホワイトメタルで形成され、
前記中間層及び前記表面層はスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で熱処理されていることを特徴とする支承装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、前記支承基体は、粒径の小さい粒子でブラスト処理された後に、粒径の大きい粒子でブラスト処理されて表面を凹凸に処理されていることを特徴とする支承装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、前記運動体は回転軸であり、前記支承基体は軸受金であることを特徴とする支承装置。
【請求項６】
運動体を支承する支承装置の製造方法において、
支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、
前記表面上に耐磨耗性材料の中間層を均一な厚さで形成する工程と、
該中間層上に耐焼き付き性材料を溶射して表面層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする支承装置の製造方法。
【請求項７】
運動体を支承する支承装置の製造方法において、
支承基体の表面を凹凸に処理する工程と、
前記表面上にニッケル−リン系合金の硬化前中間層を均一な厚さで形成する工程と、
該硬化前中間層上にホワイトメタルを溶射して熱処理前表面層を形成する工程と、
前記硬化前中間層及び熱処理前表面層をスズの融点以上でホワイトメタルの融点以下の温度で同時に熱処理し、中間層及び表面層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする支承装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１９０６５６（Ｐ２００８−１９０６５６Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６８６３（Ｐ２００７−２６８６３）
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
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