溶融金属中で使用される転がり軸受
【課題】溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れた転がり軸受を提供する。
【解決手段】保持器を、全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛で形成する。
【解決手段】保持器を、全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛で形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば連続溶融金属メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれる転がり軸受のように、溶融状態の亜鉛やアルミニウム等の溶融金属中で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、連続溶融亜鉛メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれるような溶融金属中で使用される転がり軸受としては、高い耐熱性と耐食性とが要求されるために、形状が複雑である保持器以外はセラミックスで作製されたものが使用され、保持器については、その耐食性を向上させるために、例えば純タンタルまたはタンタルに１０重量％以下の範囲でタングステンを加えた合金により作製することが提案されている（下記の特許文献１参照）。
【０００３】
下記の特許文献２には、溶融金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させるために、保持器を黒鉛または黒鉛を含む複合材料で作製することが提案されている。このような転がり軸受では、転動体が保持器のポケット部を摩耗させることによって、保持器をなす前記材料が転動体に移転・付着（以下、「移着」と称する。）し、転動体に移着された前記材料が外輪・内輪の転がり接触部に移着することで潤滑がなされる。
【０００４】
下記の特許文献３には、溶融金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させるために、保持器を純タンタル製、タンタル−タングステン合金（タングステン含有率１０重量％以下）製、黒鉛製、またはＣ／Ｃコンポジット製とし、セラミックス製の内輪、外輪、転動体に、黒鉛やＴａからなる固体潤滑膜を形成することが提案されている。
しかしながら、タンタル製の保持器は比重が１６〜１８と大きいため、軸受の回転トルクが大きくなる、低硬度（Ｈｖ８０〜３００）のためポケット部や案内面の摩耗が大きくなる等の問題点がある。また、黒鉛製の保持器は、溶融金属内から大気中に出した時に酸化されるため、再使用ときの耐摩耗性が著しく劣化する、高温での耐衝撃性が低いため割れが発生しやすい等の問題点がある。
【０００５】
下記の特許文献４には、等方性黒鉛基材表面に又はその内部に、高純度且つ不浸透性の緻密な熱分解炭素被膜を形成せしめるか、又は浸透せしめて成る溶融金属用黒鉛材料が記載されている。また、「高純度Ｃ3 Ｈ6 ガス等の炭化水素もしくは炭化水素化合物を高純度の等方性黒鉛基材上で熱分解せしめて成る溶融金属用黒鉛材は、高強度、耐熱衝撃性が強く、不浸透性で溶融金属に濡れにくく、離型性がよく、しかもカーボン微粉が飛散しない優れた黒鉛材料であると言える」、と記載されている。
【特許文献１】特開平５−１８７４４５号公報
【特許文献２】実開平７−１９６２２号公報
【特許文献３】特開平９−１４４７６５号公報
【特許文献４】特開昭６３−７９７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、セラミックス製の内輪、外輪、および転動体と、特殊な材料で形成された保持器を用いることで、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れた転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、内輪、外輪、および転動体が窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）またはサイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）からなり、保持器は、全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃（室温〜４００℃）の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛からなることを特徴とする溶融金属中で使用される転がり軸受を提供する。
「全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛」は、東洋炭素（株）より入手することができる。
この熱分解炭素皮膜黒鉛は、従来の高純度等方性黒鉛と比較して、耐久性、耐熱衝撃性不浸透性、離型性、カーボン微粉の不飛散性に優れている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の転がり軸受によれば、前述の熱分解炭素皮膜黒鉛で形成された保持器を用いることで、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について具体的な実施例に基づいて説明する。
図１および２に示す形状の軌道輪試験片１を二枚（内輪試験片１Ａ，外輪試験片１Ｂ）と、図３および４に示す形状の保持器試験片２を一枚と、直径３／８インチのボール３を三個で一組として、図５に示すような転がり軸受の摩耗試験用試験体Ｓを作製した。図１は軌道輪試験片の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は保持器試験片の正面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１０】
軌道輪試験片１は、図１および２から分かるように、厚さＴ1 ＝６ｍｍ、直径Ｄ1 ＝５２ｍｍの円板の中心に、直径Ｄ2 ＝１０ｍｍの穴１１を開け、片面の周辺部に円板と同心の環状の溝１２を付けたものである。この溝１２は断面が円弧状に形成され、その曲率半径は５．１５ｍｍであり、円板の面から最大０．８ｍｍ（＝Ｔ2 ）だけ凹んでいる。また、溝１２の中心線の直径Ｄ3 を３８．５ｍｍとした。
【００１１】
この軌道輪試験片１とボール３は窒化珪素製であり、窒化珪素の粉末をＡｒおよびＮ2 の雰囲気下、２０００℃で加圧焼結して得られた焼結体を機械加工することにより各形状に形成してある。保持器試験片２は、図３および４から分かるように、軌道輪試験片１と同じ大きさの円板の中心に直径Ｄ4 ＝２４ｍｍの穴２１を開け、円板面に直径Ｄ5 ＝９．８ｍｍの円形のポケット２２を三個、各ポケット２２の中心が同一円周上となるように等間隔で開けた形状のものである。そして、ポケット２２のピッチ円Ｅの直径Ｄ6 は、軌道輪試験片１の溝１２の中心線の直径Ｄ3 と同じ３８．５ｍｍとした。
【００１２】
このような形状の保持器試験片２を、東洋炭素（株）製の高純度等方性黒鉛であって（熱分解炭素皮膜が形成されていない）、熱膨張係数が５．５×１０-6／℃であるもの（No. １−１）と２．０×１０-6／℃であるもの（No. ２−１）と、東洋炭素（株）製の熱分解炭素被膜黒鉛「ＰＹＲＯＧＲＡＰＨ（登録商標）」であって、熱分解炭素皮膜の膜厚および黒鉛基材の熱膨張係数が表１に示す各値であるものを用い、機械加工により形成した。
【００１３】
図５に示すように、溝１２面を内側にした二枚の軌道輪試験片１Ａ，１Ｂで、各ポケット２２にボール３を入れた状態の保持器試験片２を挟み、各ボール３を各軌道輪試験片１Ａ，１Ｂの溝１２に収めることにより、転がり軸受の試験体Ｓを組み立てた。この状態で試験体Ｓを、るつぼ６の底部中心に配置し、回転軸７を上側の軌道輪試験片（内輪試験片）１Ａ上の中心に配置した。この回転軸７は、るつぼ６より上側に出る部分が小径部７１となっている。
【００１４】
そして、るつぼ６内に溶融亜鉛８を入れて蓋６１をした後、るつぼ６より上側に出た小径部７１に重り９を取り付け、この小径部７１に、アキシャル方向にフリーの継手９１を介して回転軸９２を接続し、この回転軸９２にトルクセンサ９３を取り付けた。この状態で回転軸９２を回転して回転軸７を回転させることにより、軌道輪試験片１Ａを回転させた。試験条件は下記の通りである。
〔試験条件〕
アキシャル荷重：４４６Ｎ
回転速度：３００ｒｐｍ
るつぼ内温度：４８０℃
そして、トルクが上昇し、試験体Ｓの回転が停止するまでの耐久時間を測定した。５００時間経っても回転が停止しない場合は試験を終了し、耐久時間を「５００時間以上」とした。その結果を下記の表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
この表に示すように、No. １−１〜１−６では、黒鉛基材の熱膨張係数が５．５×１０-6／℃であって、熱分解炭素皮膜の厚さが異なる場合の、保持器の耐久性の違いを見ている。そして、この結果から、黒鉛基材の熱膨張係数が５．５×１０-6／℃の場合には、熱分解炭素皮膜の厚さを５〜６０μｍとすることで、５００時間以上の耐久性が得られ、溶融金属の付着がなく、ポケットの摩耗は有るが破損は防止できることが分かった。
【００１７】
No. ２−１〜２−６では、黒鉛基材の熱膨張係数が２．０×１０-6／℃であって、熱分解炭素皮膜の厚さが異なる場合の、保持器の耐久性の違いを見ている。そして、この結果から、黒鉛基材の熱膨張係数が２．０×１０-6／℃の場合には、熱分解炭素皮膜の厚さを５〜２５０μｍとすることで、５００時間以上の耐久性が得られ、溶融金属の付着がなく、ポケットの摩耗は有るが破損は防止できることが分かった。
【００１８】
No. ３−１〜３−６では、熱分解炭素皮膜の厚さが５０μｍであって、黒鉛基材の熱膨張係数が異なる場合の、保持器の耐久性の違いを見ている。そして、この結果から、熱分解炭素皮膜の厚さが５０μｍの場合には、黒鉛基材の熱膨張係数を０．５〜６．０×１０-6／℃とすることで、５００時間以上の耐久性が得られ、溶融金属の付着がなく、ポケットの摩耗は有るが破損は防止できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例において使用した試験体を構成する軌道輪試験片の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】実施例において使用した試験体を構成する保持器試験片の正面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】実施例における回転試験の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ 軌道輪試験片
１Ａ 内輪試験片
１Ｂ 外輪試験片
２ 保持器試験片
３ ボール（転動体）
８ 溶融亜鉛（溶融金属）
Ｓ 転がり軸受の試験体
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば連続溶融金属メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれる転がり軸受のように、溶融状態の亜鉛やアルミニウム等の溶融金属中で使用される転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、連続溶融亜鉛メッキ浴中のロール支持装置に組み込まれるような溶融金属中で使用される転がり軸受としては、高い耐熱性と耐食性とが要求されるために、形状が複雑である保持器以外はセラミックスで作製されたものが使用され、保持器については、その耐食性を向上させるために、例えば純タンタルまたはタンタルに１０重量％以下の範囲でタングステンを加えた合金により作製することが提案されている（下記の特許文献１参照）。
【０００３】
下記の特許文献２には、溶融金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させるために、保持器を黒鉛または黒鉛を含む複合材料で作製することが提案されている。このような転がり軸受では、転動体が保持器のポケット部を摩耗させることによって、保持器をなす前記材料が転動体に移転・付着（以下、「移着」と称する。）し、転動体に移着された前記材料が外輪・内輪の転がり接触部に移着することで潤滑がなされる。
【０００４】
下記の特許文献３には、溶融金属中における耐食性および耐摩耗性をさらに向上させるために、保持器を純タンタル製、タンタル−タングステン合金（タングステン含有率１０重量％以下）製、黒鉛製、またはＣ／Ｃコンポジット製とし、セラミックス製の内輪、外輪、転動体に、黒鉛やＴａからなる固体潤滑膜を形成することが提案されている。
しかしながら、タンタル製の保持器は比重が１６〜１８と大きいため、軸受の回転トルクが大きくなる、低硬度（Ｈｖ８０〜３００）のためポケット部や案内面の摩耗が大きくなる等の問題点がある。また、黒鉛製の保持器は、溶融金属内から大気中に出した時に酸化されるため、再使用ときの耐摩耗性が著しく劣化する、高温での耐衝撃性が低いため割れが発生しやすい等の問題点がある。
【０００５】
下記の特許文献４には、等方性黒鉛基材表面に又はその内部に、高純度且つ不浸透性の緻密な熱分解炭素被膜を形成せしめるか、又は浸透せしめて成る溶融金属用黒鉛材料が記載されている。また、「高純度Ｃ3 Ｈ6 ガス等の炭化水素もしくは炭化水素化合物を高純度の等方性黒鉛基材上で熱分解せしめて成る溶融金属用黒鉛材は、高強度、耐熱衝撃性が強く、不浸透性で溶融金属に濡れにくく、離型性がよく、しかもカーボン微粉が飛散しない優れた黒鉛材料であると言える」、と記載されている。
【特許文献１】特開平５−１８７４４５号公報
【特許文献２】実開平７−１９６２２号公報
【特許文献３】特開平９−１４４７６５号公報
【特許文献４】特開昭６３−７９７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、セラミックス製の内輪、外輪、および転動体と、特殊な材料で形成された保持器を用いることで、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れた転がり軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、内輪、外輪、および転動体が窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）またはサイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ）からなり、保持器は、全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃（室温〜４００℃）の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛からなることを特徴とする溶融金属中で使用される転がり軸受を提供する。
「全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛」は、東洋炭素（株）より入手することができる。
この熱分解炭素皮膜黒鉛は、従来の高純度等方性黒鉛と比較して、耐久性、耐熱衝撃性不浸透性、離型性、カーボン微粉の不飛散性に優れている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の転がり軸受によれば、前述の熱分解炭素皮膜黒鉛で形成された保持器を用いることで、溶融金属中での耐摩耗性に著しく優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について具体的な実施例に基づいて説明する。
図１および２に示す形状の軌道輪試験片１を二枚（内輪試験片１Ａ，外輪試験片１Ｂ）と、図３および４に示す形状の保持器試験片２を一枚と、直径３／８インチのボール３を三個で一組として、図５に示すような転がり軸受の摩耗試験用試験体Ｓを作製した。図１は軌道輪試験片の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は保持器試験片の正面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１０】
軌道輪試験片１は、図１および２から分かるように、厚さＴ1 ＝６ｍｍ、直径Ｄ1 ＝５２ｍｍの円板の中心に、直径Ｄ2 ＝１０ｍｍの穴１１を開け、片面の周辺部に円板と同心の環状の溝１２を付けたものである。この溝１２は断面が円弧状に形成され、その曲率半径は５．１５ｍｍであり、円板の面から最大０．８ｍｍ（＝Ｔ2 ）だけ凹んでいる。また、溝１２の中心線の直径Ｄ3 を３８．５ｍｍとした。
【００１１】
この軌道輪試験片１とボール３は窒化珪素製であり、窒化珪素の粉末をＡｒおよびＮ2 の雰囲気下、２０００℃で加圧焼結して得られた焼結体を機械加工することにより各形状に形成してある。保持器試験片２は、図３および４から分かるように、軌道輪試験片１と同じ大きさの円板の中心に直径Ｄ4 ＝２４ｍｍの穴２１を開け、円板面に直径Ｄ5 ＝９．８ｍｍの円形のポケット２２を三個、各ポケット２２の中心が同一円周上となるように等間隔で開けた形状のものである。そして、ポケット２２のピッチ円Ｅの直径Ｄ6 は、軌道輪試験片１の溝１２の中心線の直径Ｄ3 と同じ３８．５ｍｍとした。
【００１２】
このような形状の保持器試験片２を、東洋炭素（株）製の高純度等方性黒鉛であって（熱分解炭素皮膜が形成されていない）、熱膨張係数が５．５×１０-6／℃であるもの（No. １−１）と２．０×１０-6／℃であるもの（No. ２−１）と、東洋炭素（株）製の熱分解炭素被膜黒鉛「ＰＹＲＯＧＲＡＰＨ（登録商標）」であって、熱分解炭素皮膜の膜厚および黒鉛基材の熱膨張係数が表１に示す各値であるものを用い、機械加工により形成した。
【００１３】
図５に示すように、溝１２面を内側にした二枚の軌道輪試験片１Ａ，１Ｂで、各ポケット２２にボール３を入れた状態の保持器試験片２を挟み、各ボール３を各軌道輪試験片１Ａ，１Ｂの溝１２に収めることにより、転がり軸受の試験体Ｓを組み立てた。この状態で試験体Ｓを、るつぼ６の底部中心に配置し、回転軸７を上側の軌道輪試験片（内輪試験片）１Ａ上の中心に配置した。この回転軸７は、るつぼ６より上側に出る部分が小径部７１となっている。
【００１４】
そして、るつぼ６内に溶融亜鉛８を入れて蓋６１をした後、るつぼ６より上側に出た小径部７１に重り９を取り付け、この小径部７１に、アキシャル方向にフリーの継手９１を介して回転軸９２を接続し、この回転軸９２にトルクセンサ９３を取り付けた。この状態で回転軸９２を回転して回転軸７を回転させることにより、軌道輪試験片１Ａを回転させた。試験条件は下記の通りである。
〔試験条件〕
アキシャル荷重：４４６Ｎ
回転速度：３００ｒｐｍ
るつぼ内温度：４８０℃
そして、トルクが上昇し、試験体Ｓの回転が停止するまでの耐久時間を測定した。５００時間経っても回転が停止しない場合は試験を終了し、耐久時間を「５００時間以上」とした。その結果を下記の表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
この表に示すように、No. １−１〜１−６では、黒鉛基材の熱膨張係数が５．５×１０-6／℃であって、熱分解炭素皮膜の厚さが異なる場合の、保持器の耐久性の違いを見ている。そして、この結果から、黒鉛基材の熱膨張係数が５．５×１０-6／℃の場合には、熱分解炭素皮膜の厚さを５〜６０μｍとすることで、５００時間以上の耐久性が得られ、溶融金属の付着がなく、ポケットの摩耗は有るが破損は防止できることが分かった。
【００１７】
No. ２−１〜２−６では、黒鉛基材の熱膨張係数が２．０×１０-6／℃であって、熱分解炭素皮膜の厚さが異なる場合の、保持器の耐久性の違いを見ている。そして、この結果から、黒鉛基材の熱膨張係数が２．０×１０-6／℃の場合には、熱分解炭素皮膜の厚さを５〜２５０μｍとすることで、５００時間以上の耐久性が得られ、溶融金属の付着がなく、ポケットの摩耗は有るが破損は防止できることが分かった。
【００１８】
No. ３−１〜３−６では、熱分解炭素皮膜の厚さが５０μｍであって、黒鉛基材の熱膨張係数が異なる場合の、保持器の耐久性の違いを見ている。そして、この結果から、熱分解炭素皮膜の厚さが５０μｍの場合には、黒鉛基材の熱膨張係数を０．５〜６．０×１０-6／℃とすることで、５００時間以上の耐久性が得られ、溶融金属の付着がなく、ポケットの摩耗は有るが破損は防止できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例において使用した試験体を構成する軌道輪試験片の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】実施例において使用した試験体を構成する保持器試験片の正面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】実施例における回転試験の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ 軌道輪試験片
１Ａ 内輪試験片
１Ｂ 外輪試験片
２ 保持器試験片
３ ボール（転動体）
８ 溶融亜鉛（溶融金属）
Ｓ 転がり軸受の試験体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪、および転動体が、窒化珪素またはサイアロンからなり、
保持器は、
全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛からなることを特徴とする溶融金属中で使用される転がり軸受。
【請求項１】
内輪、外輪、および転動体が、窒化珪素またはサイアロンからなり、
保持器は、
全灰分量２０ｐｐｍ以下の高純度等方性黒鉛に、熱膨張係数０．５〜６．０×１０-6／℃の熱分解炭素が、５〜２５０μｍの厚さで被覆された熱分解炭素皮膜黒鉛からなることを特徴とする溶融金属中で使用される転がり軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２９８０８７（Ｐ２００７−２９８０８７Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２５４１０（Ｐ２００６−１２５４１０）
【出願日】平成１８年４月２８日（２００６．４．２８）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２８日（２００６．４．２８）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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