JP2007239856A - 耐食・耐薬品用転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射法に代わる方法で緻密なセラミックス層を形成し、優れた耐食・耐薬品性を保持できる耐食・耐薬品用転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪１、外輪２、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体４を備えてなり、上記内輪１および外輪２の少なくとも腐食性物質と接触する表面（１ａ、２ａ）にセラミックス被膜７を有する耐食・耐薬品用転がり軸受であって、該セラミックス被膜は、アルミナ微粒子等をエアロゾル原料として使用したエアロゾルデポジション法により形成される被膜であり、該被膜は、例えば、エアロゾル噴射ノズルを固定し、外輪または内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐食・耐薬品用転がり軸受に関し、特に化学プラント等で用いられる各種の酸やアルカリ等の薬品に接触することにより金属が腐食しやすい環境で使用可能な耐食・耐薬品用転がり軸受に関する。

高分子材料製造プラント、液晶用フィルム製造装置などの化学プラント設備では、各種の酸やアルカリ等の薬品が用いられる各種処理装置が存在し、この中で撹拌や搬送用などに使用される転がり軸受は各種の酸やアルカリ等の薬品に接触することにより、軸受構成材料が腐食、膨潤、溶解、分解等の品質劣化を起こすことから比較的短寿命であるという問題がある。このような軸受を構成する内輪、外輪、転動体および保持器には、一般に耐食性や耐薬品性を有するステンレス鋼、セラミックスおよび樹脂等が用いられる。しかしステンレス鋼は必ずしも万能ではなく適用できる酸、アルカリ等の薬品には制限があり、セラミックスは酸、アルカリ等の薬品に対し優れた耐食・耐薬品性を示すが高価であるという問題がある。

樹脂は機械的強度や摺動性を有する種類の選定や、各種の酸、アルカリ等の薬品に対し耐食・耐薬品性のある種類の選択などにより、近年、腐食環境、各種薬品使用環境などの分野において多用されている。
従来、合成樹脂製転がり軸受としては、少なくとも外輪がポリイミド材からなる転がり軸受（特許文献１参照）、軌道輪が曲げ弾性率 2000〜6000 MPa の範囲にあるポリフェニレンスルフィド（以下、ＰＰＳと記す）樹脂などのポリアリーレンスルフィド系樹脂で形成されている樹脂製転がり軸受（特許文献２参照）、内輪および外輪の転がり摩擦または滑り摩擦を生ずる表面等にポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す）樹脂の潤滑被膜を形成した転がり軸受（特許文献３参照）等が知られている。
また、転がり軸受を構成する部品のうち少なくとも転がり摩擦または滑り摩擦を生ずる表面に、結晶性の高分子量ＰＴＦＥ樹脂を含む被膜形成部材を圧接し、両者間に摺動を与えることにより上記表面にＰＴＦＥ樹脂の固体潤滑被膜を形成する転がり軸受（特許文献４参照）が知られている。
しかしながら、上述のような内輪または外輪の転走面が樹脂製の転がり軸受は、一般に耐荷重性が鋼製に比べて劣り、転走面を形成する樹脂より硬質の転動体が転動することにより、転走面の摩耗が顕著であり転がり軸受の耐久性が十分でないため、適用できる用途が制限されるという問題がある。

一方、鋼製の内輪、外輪に対し耐食・耐薬品性を付与する方法として、従来、軸受軌道輪の外表面にセラミックス等の耐食・耐薬品性を有する溶射被膜を形成する方法が知られている。
しかしながら、溶射技術を用いて軸受の外径面および幅面にセラミックス層を設ける方法は、熱処理して硬化させた軸受綱の溶射加工時の熱による焼き戻り防止のために、ワークを冷却しながらセラミックス層を成膜せねばならず、非常に煩雑であり、生産性の低下を招いていた。さらに、溶射法で軸受外径面および幅面にセラミックス層を設けようとすると、下地処理としてニッケルアルミ等の層を予め溶射する必要があり、これも生産性の低下を招く原因となっている。

また溶射法で得られたセラミックス層は、多孔質となることから結露等での水分の侵入による耐食・耐薬品性の低下が生じるので、セラミックス層内の空孔を封孔処理して水分の侵入を防止応する必要がある。封孔処理については合成樹脂、重合性有機溶剤、並びにフッ素系界面活性剤およびパーフルオロ基含有有機ケイ素化合物からなる群から選ばれる少なくとも一種を含有する封孔処理剤を用いる方法（特許文献５参照）や、浸透性良好な耐食・耐薬品用樹脂による封孔処理層を下層とし、浸透性が完全でない耐食・耐薬品用樹脂による封孔処理層を上層とする組合せ層を形成することにより封孔する方法（特許文献６参照）等が知られているが、封孔処理という追加処理が必要となり生産効率やコストが悪化するという問題がある。
特開平７−２７９９７３号公報 特開平１０−４７３５５号公報 特開平８−９３７７４号公報 特開平５−１０６６３８号公報 特開２００３−１８３８０６号公報 特許第３００９５１６号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、溶射法に代わる方法で緻密なセラミックス層を形成し、酸、アルカリ等の薬品に対し優れた耐食・耐薬品性を示す耐食・耐薬品用転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の耐食・耐薬品用転がり軸受は、内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体を備えてなり、上記内輪および外輪の少なくとも腐食性物質と接触する表面にセラミックス被膜を有する耐食・耐薬品用転がり軸受であって、上記セラミックス被膜は、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）により形成される被膜であることを特徴とする。
なお、本発明において耐食・耐薬品性とは各種の酸、アルカリ等の薬品（腐食性物質）に接しても腐食、膨潤、溶解、分解等の品質劣化を起こすことがない性質をいう。

上記セラミックス被膜は、アルミナ微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする。
また、上記アルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm であることを特徴とする。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製：レーザー式粒度分析計マイクロトラックＭＴ３０００によって測定した値である。

上記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、上記外輪または上記内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成することを特徴とする。

本発明の耐食・耐薬品用転がり軸受は、内輪および外輪の少なくとも腐食性物質と接触する表面に、ＡＤ法によりセラミックス被膜を形成するので、常温で被膜表面と軌道輪素地とを連通することのない緻密なセラミックス被膜が得られ、高い耐食・耐薬品性を保持できる。

真空チャンバー内等で、位置決め用ＸＹテーブル上に軸を回転させる対象物回転用モータを設置し、エアロゾル噴射ノズルを固定し、軸受外輪または軸受内輪を回転させながらかつ軸方向に移動させるので、セラミックス被膜を曲面である外輪の接触表面または内輪の接触表面に均一に形成できる。回転させてエアロゾルによる被膜を塗り重ねることで、数μm〜数十μm の緻密なセラミックス被膜を密着性良好に形成できる。また、ワークの冷却不要、ニッケルアルミ等の下地処理不要および封孔処理不要などにより、製造コストが大幅に安くなる。

内輪表面および外輪表面が、薄膜状のセラミック層で被覆されるので、ＰＴＦＥ樹脂等の樹脂被膜と比べて高硬度であり、耐荷重性、耐摩耗性に優れる。また、ＰＰＳ樹脂単体軸受と比べた場合、弾性率が高いため、耐荷重性に優れる。

本発明の耐食・耐薬品用転がり軸受の一実施例を図１に基づいて説明する。図１は耐食・耐薬品用転がり軸受の断面図である。なお、セラミックス被膜は非常に薄い、数μm〜数十μm の被膜であるが、図１においては説明の便宜上、実際よりも厚く図示している。
図１に示すように、耐食・耐薬品用転がり軸受は、内輪１と外輪２との間に保持器３に保持された複数の転動体４を介在させ、転動体４の周囲に封入したグリースをシールするシール部材８を内輪１および外輪２の軸方向両端開口部に設けてなり、ハウジング５等に外輪２を、軸６を内輪１の内径に、それぞれ固定させる。また、回転軸６と、シール部材８と、ハウジング５とともに各種の腐食性物質に接触する空間を構成する内輪１の接触表面１ａおよび外輪２の接触表面２ａにエアロゾルデポジション法により形成されるセラミックス被膜７を有する。内輪１および外輪２は、軸受鋼等の金属材からなる。
なお、内輪１および外輪２においてセラミックス被膜７を形成する表面は、該内輪１および外輪２の少なくとも腐食性物質と接触する表面であり、直接接触する面および接触するおそれのある面を含む。

本発明においてＡＤ法は、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを内輪や外輪等の基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
エアロゾル中ではセラミックスの微粒子は分散状態を維持している。溶射法から得られる被膜が多孔質であるのに対し、ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。このため、腐食性物質に接触する内輪の接触表面および外輪の接触表面に、該被膜を形成した耐食・耐薬品用転がり軸受は、酸やアルカリ等の腐食性物質にさらされても、これらが浸透できる空孔を持たないセラミックス層に保護されるので腐食性物質が基材素地に侵入することがなく、耐食・耐薬品性の低下を招くことがない。
また、ＡＤ法によるセラミックス被膜は緻密で耐食・耐薬品性に優れるので、一定の耐食・耐薬品性を確保するために必要な被膜厚さは、溶射法に比べて薄くすることができる。

本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、耐食・耐薬品性が良好なアルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物セラミックス微粒子等が挙げられる。それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
本発明に用いることができるアルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。
アルミナ微粒子の粒子径調整方法としては、アルコキシド法やコロイド法、アンモニウム明礬の熱分解法、アンモニウムアルミニウム炭酸塩熱分解法、改良バイヤー法、エチレンクロルヒドリン法の化学的手法や、ガス中蒸発法やスパッタリング（気相酸化）法、アルミニウムの水中火花放電法などの物理的手法を用いて作製された数十 nm 以下の微細な微粒子を加熱し、粒子径で数百 nm 程度の２次粒子に凝集させる方法等が挙げられる。また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時にアルミナ微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いてクラックを予め形成しておくことが好ましい。

内輪表面および外輪表面を、上記のＡＤ法によるセラミックス層で被覆された軸受は、ＰＴＦＥ樹脂の被膜と比べて高硬度であるため、耐荷重性、耐摩耗性が高い。また、ＰＰＳ単体軸受と比べた場合、弾性率が高いため、耐加重性に優れる。

本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜の形成方法としては、耐食・耐薬品用転がり軸受を固定してエアロゾル噴射ノズルを移動させて被膜を形成する方法、または、エアロゾル噴射ノズルを固定して耐食・耐薬品用転がり軸受を移動させて被膜を形成する方法のいずれも採用できる。
これらの方法の中で、エアロゾルを安定な状態で吹きつけることができ、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用し、軸受の内輪または外輪を回転させつつ軸方向に移動させることで、セラミックス被膜を容易に塗り重ねて形成できることから、後者の方法を用いることが好ましい。

本発明におけるＡＤ法を図２に基づいて説明する。図２はＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。図２に示すように、ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置９は真空チャンバー１０を有する。真空チャンバー１０内には、セラミックス被膜形成対象である耐食・耐薬品用転がり軸受の外輪または内輪１２と、エアロゾル噴射ノズル１７とが配設されている。エアロゾル噴射ノズル１７にはエアロゾル発生装置１６からエアロゾルが供給される。真空チャンバー１０の内部は真空ポンプ１１によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ１１の直前に微粒子フィルター１８が設けられている。外輪または内輪１２は、真空チャンバー１０内において、対象物回転用モータ１４により回転させられ（図中Ａ）、位置決め用ＸＹテーブル１３により軸方向に移動させられる（図中Ｂ）。

エアロゾル噴射ノズル１７は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、外輪または内輪１２の全表面に噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル１７は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル１７は、真空チャンバー１０内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備１５からエアロゾル発生装置１６に供給されている。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
固定したエアロゾル噴射ノズル１７から、対象物回転用モータ１４により所定回転数で回転している外輪または内輪１２に、セラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが噴射され、外輪の接触表面または内輪の接触表面にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル１３により外輪または内輪１２を軸方向に移動させることで、外輪の接触表面または内輪の接触表面の軸方向にも均一に被膜が形成される。
被膜形成は、被膜厚さが 4μm 程度となるまで行なうことが好ましい。4μm 未満であると十分な耐食・耐薬品性が得られず、200μm をこえると製造コストが高くなる。

実施例
図１に示す耐食・耐薬品用転がり軸受を作成し試験用軸受とした。ここで、内輪１の接触表面１ａおよび外輪２の接触表面２ａに、アルミナ微粒子からなる被膜をＡＤ法により形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用した軸受駆動装置を用いて、周速 6 mm／分で回転しつつ軸方向に移動する、内輪１の接触表面１ａおよび外輪２の接触表面２ａに、100 Pa以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm×0.3 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 4μm となるまで行なった。
アルミナ微粒子は、大明化学工業社製：タイミクロンＴＭ-ＤＡＲを用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。

得られた試験用軸受を、薬液中に浸漬し、回転数 2000 rpmで20時間回転させた。薬液は水酸化ナトリウムおよび硫酸の各 20 重量％水溶液の 2 種類について試験を行なった。試験後において、軸受の薬液接触表面を目視で確認した結果、いずれの薬液の場合でも侵食や損傷等は認められず、被膜が非常に薄い（4μm）にもかかわらず優れた耐食・耐薬品性を示した。

本発明の耐食・耐薬品用転がり軸受は、内輪および外輪の少なくとも腐食性物質と接触する表面に、ＡＤ法により形成されるセラミックス被膜を有するので、高い耐食・耐薬品性を保持できる。このため各種産業機械に用いられる転がり軸受において、耐食・耐薬品用転がり軸受として好適に利用できる。

本発明の耐食・耐薬品用転がり軸受の一実施例を示す断面図である。 ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。

符号の説明

１ 内輪
２ 外輪
３ 保持器
４ 転動体
５ ハウジング
６ 軸
７ セラミックス被膜
８ シール部材
９ セラミックス被膜形成装置
１０ 真空チャンバー
１１ 真空ポンプ
１２ 外輪または内輪
１３ 位置決め用ＸＹテーブル
１４ 対象物回転用モータ
１５ ガス供給設備
１６ エアロゾル発生装置
１７ エアロゾル噴射ノズル
１８ 微粒子フィルター

Claims (4)

1. 内輪、外輪、およびこれら内外輪の軌道面間に介在する複数の転動体を備えてなり、前記内輪および外輪の少なくとも腐食性物質と接触する表面にセラミックス被膜を有する耐食・耐薬品用転がり軸受であって、
   前記セラミックス被膜は、エアロゾルデポジション法により形成される被膜であることを特徴とする耐食・耐薬品用転がり軸受。
2. 前記セラミックス被膜は、アルミナ微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする請求項１記載の耐食・耐薬品用転がり軸受。
3. 前記アルミナ微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm であることを特徴とする請求項２記載の耐食・耐薬品用転がり軸受。
4. 前記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、前記外輪または前記内輪を、対象物回転用モータを用いて回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向に移動させて形成することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の耐食・耐薬品用転がり軸受。

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