JP3661133B2

JP3661133B2 - コンプレッサ用転がり軸受

Info

Publication number: JP3661133B2
Application number: JP17546495A
Authority: JP
Inventors: 且弘池沢; 弘志岩佐; 康裕野村; 寿郎河村; 弘奈良井; 孝永戸; 大金野; 力阿部; 孫三浜本; 史雄植木; 敏己高城
Original assignee: Toyota Industries Corp; NSK Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp; NSK Ltd
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: US5630668A; JPH08166014A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スラスト針状コロ軸受、転がり軸受、およびスラスト針状コロ軸受の保持器に関し、特に代替フロン等の環境下で使用するのに好適なスラスト針状コロ軸受、転がり軸受、およびスラスト針状コロ軸受の保持器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スラスト針状コロ軸受は、保持器と針状コロで構成されており、また、これらと軌道輪を組み合わせたものも知られており、針状コロとしては、通常、コロの径（Ｄａ）と、コロの長さ（ｌｒ）の比（ｌｒ／Ｄａ）が１．４〜３．４程度のものが使用されている。
【０００３】
また、近年、地球温暖化防止等の環境保護の観点から、エアコン用のコンプレッサ等においても、冷媒としてＨＣＦＣ１３４ａ等の代替フロンの使用が開始されている。この代替フロンは、従来のＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）１２等に比べて、自己潤滑作用が乏しいだけでなく、相溶性の観点から作動油として用いられるＰＡＧ（ポリアリキレングリコール）は、吸湿性が大きいという特徴がある。
【０００４】
このため、代替フロンとＰＡＧの環境の下で軸受を使用した場合、ＰＡＧ中に侵入した微量の水分により微小ピットが発生し、さらに吸水および代替フロンの溶解によりＰＡＧの粘度が低下して潤滑条件が劣化する等の複合的作用により、剥離、摩耗等の表面損傷を生じて軸受けが焼き付いてしまい、所期の寿命特性が得られないという問題が生じる。
【０００５】
このような問題を解決するためには、軸受材料の耐食性を向上させ、さらに潤滑条件の改善を図る必要がある。そこで、従来は、耐食性の向上方法としては、軸受材料としてステンレス鋼（例えばＳＵＳ４４０Ｃ）を使用するのが一般的である。また、潤滑条件の改善に関しては、作動油を改良して潤滑性を改善するのが最も効果があるが、相溶性の観点から作動油の選択範囲が制限されることから大幅な潤滑性の向上は望めない。
【０００６】
そこで、冷媒中の潤滑油の量を増やして潤滑性を向上させることにより焼き付けを防止する方法が考えられるが、この方法では、コンプレッサの冷却性能が劣化するという新たな問題が生じる。この新たな問題点を解決する技術としては、保持器の表面処理、すなわち基板上にフッ化炭素化合物のプラズマ重合層を形成することによって焼き付けを防止するようにしたものが知られている（特開平２−２３８０９４号公報）。
【０００７】
また、従来、軸受の転動体を保持する保持器の材質としては、金属が使用されてきたが、金属製の保持器では、転動体との間で摩耗が生じやすく、寿命が短くなるため、特開昭第６４−７９４１９号公報、特開平第４−３５７３２３号公報に開示されている通り、樹脂製の保持器が実現されている。なお、これら樹脂製の保持器はその全ての部分が樹脂により構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スラスト針状コロ軸受において、動トルクを小さくするためにはコロの長さを短くすればよいが、あまり短くするとコロの姿勢が不安定になったり、コロが保持器から脱落したり、研削加工が困難になるという問題が生じる。
【０００９】
また、耐食性を向上させるために、軸受材料としてステンレス鋼を使用すると、軸受のコストが上昇し、車載用のコンプレッサに適用するのが困難になるという問題があった。また、上記のように、作動油の改良による潤滑条件の改善は、十分な効果が得られていないという問題もあった。さらに、上記公報の表面処理（プラズマ重合層の形成）は、量産に適さず製造コストのアップを招くと共に、基板のような平面に対しては均一に表面処理を行えるが、軸受保持器のような複雑な形状のものに対しては、均一に表面処理を行えないという問題があった。
【００１０】
また、保持器を金属で構成すると、転動体（コロ）との間で摩耗が生じやすく、寿命が短くなるという問題を解決すべく、保持器の全ての部分を樹脂で構成すると、金属で構成した場合に比べて剛性が弱くなってしまう。このため、特に、スラスト針状コロ軸受では、転動体間の間仕切り部（柱部）や転動体の端面を受ける外周部の厚さが非常に薄いので、高速で回転する転動体の遠心力によりクリープ変形を起こすという新たな問題が生じていた。
【００１１】
本発明は、このような背景の下になされたもので、その目的は、代替フロン、水混入潤滑油の環境下でも、安価に耐摩耗性および潤滑条件を向上できるようにすることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、外輪と内輪との間に配設された複数の転動体を等間隔に隔てる保持器を有するコンプレッサ用転がり軸受において、前記保持器の表面に第１層として燐酸塩被膜を４〜１０μｍ施し、その上の第２層として、固体潤滑材被膜を２〜３０μｍ形成し、前記第１層の燐酸塩被膜の下地として浸炭窒化層を有し、前記外輪、内輪、転動体の少なくとも１つの転動面に浸炭窒化処理による浸炭窒化層を有し、前記浸炭窒化層の窒素濃度が０．０８〜０．５％となっている。
【００１７】
【作用】
本発明に係るコンプレッサ用転がり軸受では、保持器の表面に第１層として燐酸塩被膜を１〜１０μｍ施し、その上の第２層として固体潤滑材被膜を２〜３０μｍ形成し、前記第１層の燐酸塩被膜の下地として浸炭窒化層を有し、外輪、内輪、転動体の少なくとも１つの転動面に浸炭窒化処理による浸炭窒化層を有し、浸炭窒化層の窒素濃度が０．０８〜０．５％となっているので、代替フロン、水混入潤滑油の環境下でも、安価に耐摩耗性および潤滑条件を向上させて焼付けの発生が遅延され、コンプレッサ用転がり軸受の長寿命化が達成されるようになる。
【００２０】
【実施例】
［第１の発明の実施例］
図１は第１の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の針状コロの形状を示す図である。図１（ａ），（ｂ）に示したように、第１の発明では、長さｌｒの針状コロＮＲに対して、その両端部分に長さａのクラウニングを形成することにより、相手軌道面との接触長さｌａが全長ｌｒの３／４以下とし、これによりスラスト針状コロ軸受の動トルクを低減している。なお、図１（ｂ）に示したように、針状コロＮＲの両端面をアーチ状にすることにより、針状コロＮＲの両端面と保持器との接触面積を小さくして、より動トルクを低減することも可能である。
【００２１】
また、第１の発明では、針状コロＮＲは、コロ径Ｄａとコロ長ｌｒとの比（ｌｒ／Ｄａ）が１．２〜２．０となるように構成されている（図２（ｂ）参照）。このように構成したのは、動トルクを低減するためには、針状コロＮＲの長さを短くすればする程よいが、コロ径Ｄａとコロ長ｌｒとの比（ｌｒ／Ｄａ）を１．２より小さくすると、図２（ａ）に示したように、針状コロＮＲが回転したり、保持器から脱落し、さらに研削加工も困難になるからである。
【００２２】
次に、針状コロＮＲを上記のように構成した根拠をより詳細に説明すると、図３に示したような試験装置を用いて動トルクを測定した。
【００２３】
この試験装置は、図３に示したように、それぞれキー３，４により回転軸５に係合され、回転軸５と一体になって回転する第１の回転体１と第２の回転体２を有している。また、第１の回転体１と第２の回転体２との間には、第１の固定部６が設けられ、第１の回転体１と第１の固定部６、および第２の回転体２と第１の固定部６の間に、それぞれ試験対象のスラスト針状コロ軸受Ｂを配置するようになっている。なお、第１の回転体１は、軸受７により第２の固定部８に支承され、第２の回転体２は、軸受９により第３の固定部１０に支承されている。
【００２４】
第１の固定部６にはダイヤルゲージ１１とトルク検出用ロードセル１２とが取付けられ、第２の固定部８にはスラスト荷重検出用ロードセル１３が取付けられ、第２の回転体２には回転計１４が取付けられている。なお、トルク検出用ロードセル１２にはペンレコーダ１５が接続されている。
【００２５】
図３の試験装置を用いて軸受の直径Ｄｍ＝４２ｍｍ、針状コロの直径Ｄａ＝２ｍｍのスラスト針状コロ軸受について、荷重１５００ｋｇｆの下で動トルクを測定したところ、表１のような結果が得られた。
【００２６】
【表１】

表１の測定結果により、実施例１のように、ｌｒ（コロ長）／Ｄａ（コロ径）＝２．０で、接触長さｌａ＝３／４ｌｒの場合には、動トルクは８〜８．２ｋｇｆ−ｃｍとなり、実施例２のように、ｌｒ／Ｄａ＝１．４で、接触長さｌａ＝３／４ｌｒの場合には、動トルクは８〜８．３ｋｇｆ−ｃｍとなり、実施例３のように、ｌｒ／Ｄａ＝２．０で、接触長さｌａ＝１／４ｌｒの場合には、動トルクは８．２〜８．５ｋｇｆ−ｃｍとなり、実施例４のように、ｌｒ／Ｄａ＝１．４で、接触長さｌａ＝１／４ｌｒの場合には、動トルクは８〜８．５ｋｇｆ−ｃｍとなり、いずれの実施例においても動トルクを良品レベルの９．０ｋｇｆ−ｃｍ以下にすることができることが判明した。
【００２７】
また、比較例１のように、ｌｒ／Ｄａ＝３．０で、接触長さｌａ＝３／４ｌｒの場合には、動トルクは１２〜１２．５ｋｇｆ−ｃｍとなって、動トルクが大きくなり、比較例２のように、ｌｒ／Ｄａ＝１．１で、接触長さｌａ＝３／４ｌｒの場合には、動トルクは８〜９ｋｇｆ−ｃｍとなって、動トルクについては問題ないが、ｌｒ／Ｄａ＝１．１であるので、研削加工が困難になることが予想される。また、比較例３のように、ｌｒ／Ｄａ＝２．０で、接触長さｌａ＝ｌｒ、すなわちクラウニング部を形成しない場合には、動トルクは１２〜１３ｋｇｆ−ｃｍとなって、動トルクが大きくなり、比較例４のように、ｌｒ／Ｄａ＝２．０で、接触長さｌａ＝１／８ｌｒの場合には、動トルクは９〜１２ｋｇｆ−ｃｍとなって、動トルクのバラツキが大きくなることが判明した。なお、この場合には、接触長さｌａ＝１／８ｌｒであるので、針状コロの姿勢が非常に不安定になることが予想される。
【００２８】
さらに、図３の試験装置を用いて軸受の直径Ｄｍ＝４２ｍｍ、針状コロの直径Ｄａ＝２ｍｍのスラスト針状コロ軸受について、ｌｒ／Ｄａ＝１．９（すなわちｌｒ＝３．８ｍｍ）で、クラウニング部が形成されていない針状コロを有する第１の軸受と、ｌｒ／Ｄａ＝１．９（すなわちｌｒ＝３．８ｍｍ）で、０．９５ｍｍ以上のクラウニング部、すなわち、軌道面との接触長さがコロ全長である３．８ｍｍの３／４以下のクラウニング部が形成されている針状コロを有する第２の軸受と、ｌｒ／Ｄａ＝１．０（すなわちｌｒ＝２．０ｍｍ）で、クラウニング部が形成されていない第３の軸受について、荷重を変えて動トルクを測定したところ、図４のような結果が得られた。
【００２９】
すなわち、図４の実線は上記第１の軸受、破線は上記第２の軸受、一点鎖線は上記第３の軸受の測定結果を示しており、実線で示した上記第１の軸受では、ｌｒ／Ｄａが１．９と比較的小さくても、クラウニング部が形成されていない場合には、動トルクが大きくなることを示している。また、一点鎖線で示した上記第３の軸受では、クラウニング部が形成されていなくてもｌｒ／Ｄａが１．０であり、コロ長ｌｒが２．０ｍｍと短いので動トルクが小さくなることを示しているが、この場合はコロが回転する等して姿勢が不安定になる。一方、破線で示した上記第２の軸受では、動トルクは上記第３の軸受に比べるとほんの僅かだけ小さくなるが、姿勢が不安定になることはない。
【００３０】
従って、針状コロは、コロ径Ｄａとコロ長ｌｒとの比（ｌｒ／Ｄａ）が１．２〜２．０となるようにし、クラウニングを形成して相手軌道面との接触長さｌａが全長ｌｒの３／４以下となるようにするのが好ましい。なお、第１の発明においては、代替フロンおよび作動油の環境下で使用した場合等において、コロの損傷を防止するため、保持器をコロ持たせではなくレース持たせにすることが望ましい。
【００３１】
［第２の発明の実施例］
ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）等の代替フロンとＰＡＧ（ポリアリキレングリコール）の環境下において水分によって発生する軸受材料の腐食に対する耐食性を改善すべく、種々検討した結果、軸受鋼の表面に或る程度の窒素を含有させることが有効であることを見出だした。
【００３２】
すなわち、ＳＵＪ２を内外輪（上下のレース）および転動体の材料として用い、図５（ａ）に示すように、吸熱形ガスとエンリッチガスとアンモニアガスの雰囲気の下で、８４０℃で浸炭窒化処理を行った後、図５（ｂ）に示すように、１８０℃で２時間の焼戻しを行った。この際、表面窒素含有量の調整は、アンモニア濃度を変更することにより行った。なお、軸受材料は、ＳＵＪ２の他に、ステンレス鋼に属さない低合金鋼、例えば浸炭鋼を用いてもよい。
【００３３】
そして、摩擦低減のための表面処理として、保持器に対して、まず下地処理として、その表面を燐酸塩処理した（膜厚５μｍ）。そして、さらにその上に二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）および四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）をポリアミドイミドをバインダーとして焼成膜（膜厚１５μｍ）を形成した。なお、下地処理においては、燐酸塩処理に代えて浸硫化処理、浸硫窒化処理、ガス軟窒化処理を行うことも可能であり、以上の下地処理に先だって浸炭、または浸炭窒化処理を施してもよい。また、二硫化モリブデンおよび四フッ化エチレンは、これらを単独で用いてもよい。また、前記下地処理の後、Ａｇ、Ｓｎなどの金属固体潤滑剤層をめっき等により設けることも、耐焼付性向上に有益である。
【００３４】
さらに、バインダーとして用いる合成樹脂は、ポリアミドイミドに限らずエポキシ樹脂等の他の熱硬化樹脂を用いることもできる。このような摩擦低減のための固体潤滑剤焼成等による表面処理は、保持器以外の転動体、内輪、外輪の少なくとも１つに施してもよい。また、下地処理である前記燐酸塩処理に代えて浸硫化処理、浸硫窒化処理、ガス軟窒化処理のいずれかを潤滑膜として単独で用いてもよい。さらに、浸炭、または浸炭窒化処理のいずれかを施し、その後、浸硫化処理、浸硫窒化処理、ガス軟窒化処理のいずれかを施したものを潤滑膜としてもよい。なお、これら第２の発明の実施例に係る保持器の表面処理の変形例については、後で詳述する。
【００３５】
図６は、軸受用の寿命試験機の概略構成を示す図であり、この寿命試験機は、電気製鋼所編「特殊鋼便覧」（第１版、理工学社、１９６５年５月２５日発行）の第１０頁−第２１頁に記載のスラスト形軸受鋼寿命試験機を基本として、試験室に代替フロンを封入した状態でその試験部を密閉したものである。
【００３６】
すなわち、試験室２１は、下面に凹部が形成された上側固定部２２と上面に凹部が形成された下側固定部２３とが、Ｏリング２４により嵌合されることにより密閉空間を形成可能となっている。そして、スピンドル２５は、下側固定部２３と下側固定部２３とに支承され、スピンドル２５に取付けられた回転円盤部２５ａの下面と下側固定部２３の上面との間に、試験対象の試験片（軸受）２６を配置できるように構成されている。なお、３１はスラスト軸受、３２はラジアル軸受、３３はシール、３４は間座である。
【００３７】
なお、図６における２６ａは軸受の上レース、２６ｂは軸受のコロおよび保持器、２６ｃは軸受の下レースである。また、２７は潤滑油であり、この潤滑油２７は潤滑油供給口（排出口）２８から試験室２１内に供給される。また、２９，３０は、それぞれ代替フロン用の導入口、排出口である。代替フロン１３４ａを導入口２９より導入、排出口３０より真空ポンプで吸引し、試験室２１を代替フロン１３４ａで満たした後は、導入口２９、排出口３０をバルブで閉鎖する。
【００３８】
このような試験機を用いて、スラスト針状軸受について、Ｐｍａｘ＝２０００Ｍｐａ、Ｎ＝４９００ｃ．ｐ．ｍ、雰囲気はＨＦＣ１３４ａ（１気圧）、潤滑油はＰＡＧ（ＶＧ４８；３％水含有）という条件の下で試験を行ったところ、表２〜３に示したような試験結果が得られた。なお、試験片作成にあたり、熱処理後の研削取代は、全て片側０．１５ｍｍとした。また、試験部２１の振動値が初期値の２倍に達した時点をもって寿命とした。
【００３９】
表２〜３に示した試験結果について検討すると、試料番号１〜３は、表面処理が施されておらず、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではないが、表面窒素含有量が少なくとも０．０９％である。このため、ピーリングが発生し、摩耗度も大きいが、ピットおよび剥離は発生せず、少なくとも１０×１０⁶回転（ｒｐｍ）の耐久寿命を達成することができる。試料番号４は、表面処理も施されておらず、表面窒素含有量も０．０７％と少なく、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではないため、ピーリング、ピットおよび剥離が発生し、摩耗度も大きいため、１×１０⁶回転の耐久寿命しか得られない。また、試料番号５は、表面処理が施されておらず、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではないが、表面窒素含有量が０．６％と多いため、ピーリングが発生し、摩耗度も大きいが、ピットおよび剥離は発生せず、１３×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。しかし、このように表面窒素含有率が０．６％と多くなると、研削性が劣化し、製造コストが上昇することとなる。
【００４０】
【表２】

【００４１】
【表３】

試料番号６は、表面窒素含有量が０．０３％と少なく、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではないが、表面処理が施されている。このため、ピーリング、ピットおよび剥離が発生するが、摩耗度が小さくなり、６×１０⁶回転の耐久寿命を達成できる。試料番号７は、表面窒素含有量が０．０３％と少なく、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではなく、表面処理が施されていないため、ピーリング、ピットおよび剥離が発生し、摩耗度も大きくなり、１×１０⁶回転の耐久寿命しか得られない。
【００４２】
試料番号８〜１０は、表面粗さが少なくとも０．０８Ｒａ以上であり良好ではないが、表面窒素含有量が少なくとも０．０９％以上あり、表面処理も施されているため、ピーリングは発生するものの、ピットおよび剥離は発生せず、摩耗度も小さいため、少なくとも２２×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。
【００４３】
試料番号１１は、表面処理が施されておらず、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではないが、表面窒素含有量が少なくとも０．３％である。このため、ピーリングが発生し、摩耗度も大きいが、ピットおよび剥離は発生せず、１０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号１２は、表面窒素含有量が０．０５％と少なく、表面粗さも０．１Ｒａと良好ではないが、表面処理が施されている。このため、ピット、剥離、およびピーリングが発生するが、摩耗度が小さいため、最低限５×１０⁶回転の耐久寿命は達成することができる。
【００４４】
試料番号１３〜１８は、表面処理が施されていないが、表面窒素含有量が少なくとも０．１％以上あり、表面粗さが少なくとも０．０５Ｒａ以下であり良好であるため、摩耗度は大きいが、ピット、剥離、およびピーリングが発生せず、少なくとも２０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号１９は、表面処理が施されておらず、表面粗さも０．０８Ｒａと良好ではないが、表面窒素含有量が０．３％であるため、ピーリングが発生し摩耗度も大きいが、ピットと剥離は発生せず、１０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号２０は、表面窒素含有量が０．０７％と少なく、表面処理も施されていないが、表面粗さが０．０１Ｒａと良好であるため、ピットと剥離が発生し摩耗度も大きいが、油膜の形成が促進されてピーリングは発生せず、最低限５×１０⁶回転の耐久寿命は達成することができる。
【００４５】
試料番号２１〜２４は、表面窒素含有量が０．０３％と少ないが、表面処理が施されており、表面粗さも少なくとも０．０５Ｒａ以下であり良好であるため、ピットと剥離が発生するが、ピーリングは発生せず摩耗度も小さいため、１０×１０6回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号２５は、表面窒素含有量が０．０３％と少なく、表面粗さも０．０７Ｒａと良好ではないが、表面処理が施されているため、ピット、剥離、ピーリングは発生するが、摩耗度が小さいため、最低限５×１０6回転の耐久寿命は達成することができる。試料番号２６は、表面窒素含有量が０．０３％と少なく、表面処理も施されていないが、表面粗さが０．０５Ｒａと良好であるため、ピットと剥離が発生し摩耗度も大きいが、油膜の形成が促進されてピーリングが発生しないため、最低限５×１０6回転の耐久寿命は達成することができる。
【００４６】
試料番号２７〜３５は、表面窒素含有量が少なくとも０．０９％以上あり、表面処理も施されており、表面粗さも少なくとも０．０５Ｒａ以下であり良好であるため、ピット、剥離、ピーリングのいずれも発生せず摩耗度も小さいため、少なくとも５０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号３６は、表面粗さが０．０７Ｒａであり良好ではないが、表面窒素含有量が０．３％もあり、表面処理も施されているため、ピーリングは発生するもののピットと剥離は発生せず摩耗度も小さいため、少なくとも２０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号３７は、表面処理は施されていないが、表面窒素含有量が０．３％もあり、表面粗さも０．０３Ｒａであり良好なので、摩耗度は大きいが、ピット、剥離、ピーリングのいずれも発生せず、２０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。試料番号３８は、表面窒素含有量が０．０７％と少ないが、表面処理が施されており、表面粗さも０．０３Ｒａであり良好なので、ピットと剥離は発生するがピーリングは発生せず、摩耗度も小さいので、１０×１０⁶回転の耐久寿命を達成することができる。
【００４７】
このように、表面窒素濃度を適切に調節してピットおよび剥離の発生を防止し、または表面粗さを適切に調節して油膜の形成を促進してピーリングの発生を防止し、または表面処理を施して摩擦を低減することによって、ピットが発生してたとえ油膜切れが生じても表面被膜等の存在により金属接触を防止することにより、代替フロン、および水混入潤滑油の環境下でも転がり軸受の長寿命化を図ることができる。この場合、上記試験結果から、表面窒素濃度は０．０８％〜０．５％とすることが望ましく、表面粗さは０．０５Ｒａ以下とすることが望ましい。なお、表面窒素濃度の上限を０．５％としたのは、これ以上の濃度にしても特段に寿命が延びることがないばかりでなく、研削性の劣化に伴って製造コストが上昇するからである。
【００４８】
なお、摩擦低減のための固体潤滑剤焼成等による表面処理は、上記試験においては保持器に対してのみ施したが、保持器以外の転動体、内輪、外輪の少なくとも１つに施してもほぼ同等の効果が得られた。
【００４９】
次に、前記表面処理の変形例について、保持器を例に詳述する。なお、ここでは、保持器の素材としては、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を用い、その形状は、図２１に示すものと同一のものを用いているが、これに限らず、各種の鋼、その他の金属（好ましくは耐食性を有するもの）を素材とし、圧延でなく切削加工により作られるものでもよい。
【００５０】
表面処理は、大別して、
（Ａ）前記のスラスト針状ころ軸受の試験で用いたような、下地処理を施し、その上に固体潤滑剤を被覆するものと、
（Ｂ）素地の鉄と窒素と炭素との化合物、または鉄と窒素と炭素と硫黄との化合物（ただし、両方とも炭素は除いてもよい）を素地表面に形成するものとがある。
【００５１】
前者（Ａ）に関しては、ここでは固体潤滑剤としては四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）をポリアミドイミドをバインダとしてコーティングしたものについて取上げるが、前述したように、これに代え、固体潤滑剤としては二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）や二硫化タングステン（ＷＳ₂）等、他のものを用いてもよく、或いは、これらの２種類を混合したものでもよい。また、バインダとしては、ポリアミドイミド、エポキシ樹脂等を適宜選択してもよく、これらいずれの固体潤滑剤、およびバインダのであっても、以下に示す試験結果と同等の作用・効果が得られる。
【００５２】
前記固体潤滑剤の下地処理としては、▲１▼浸炭、または浸炭窒化処理、▲２▼浸硫化、または浸硫窒化処理、▲３▼ガス軟窒化処理、▲４▼燐酸塩処理（例えば燐酸マンガン塩被膜処理、燐酸亜鉛被膜処理等）を単独で施すか、或いは▲５▼前記▲１▼の処理を１次処理とし、この１次処理と、２次処理としての▲２▼、▲３▼、または▲４▼の少なくともいずれかとを組合わせたものを施すことができる。さらに、▲１▼、▲２▼、▲３▼、または▲５▼の下地処理の後、▲４▼の処理を施してもよい。
【００５３】
▲４▼の処理により形成される燐酸塩処理被膜は、表面に凹凸を生じ、その上に塗膜される固体潤滑剤およびバインダとの接触表面積が増すことにより、バインダと強く結合することとなり、固体潤滑剤と素地表面との密着性を高める働きがある。この働きは、１例として燐酸マンガン塩被膜で確認したところ、膜厚は４μｍ〜１０μｍが好ましいことが判明した。すなわち、４μｍ未満の膜厚では、表面の凹凸が十分ではなく、密着性が不十分となり、膜厚が１０μｍを越えると、表面が粗くなりすぎ、上に固体潤滑剤を塗膜した状態でも粗さが残り、保持器して使用した場合に油膜が切れる部分が生じる等、潤滑条件が悪化し、また、寸法公差も悪くなるという不具合を生じる。従って、本実施例では、燐酸塩処理被膜の膜厚は４μｍ〜１０μｍとした。なお、前記固体潤滑剤の下地処理の他の例としては、後述するように、ここでは、代表例として浸炭窒化処理を取上げた。
【００５４】
後者（Ｂ）に関しては、鉄と窒素との化合物層を形成させる処理として、ガス軟窒化処理があり、鉄と窒素と硫黄との化合物層を形成させる処理として、浸硫窒化処理があり、更にこれらの化合物の成分として炭素を加える処理としては、１次処理としての浸炭、または浸炭窒化処理と、その後に行う１次処理としてのガス軟窒化処理（または浸硫窒化処理）とを組合わせた処理などがあり、いずれも保持器の摩耗低減に効果がある。また、窒素や炭素は母材（素地）金属との化合物を形成し、保持器の強度（変形力に対する強度、および疲労強度）を向上させる効果もある。
【００５５】
以下、上記の効果を試験例に基づいて詳細に説明する。この試験では、試料の軸受としては、ＦＰ５０１７２４およびＦＰ５０１７２９（いずれもスラストニードル軸受、外径３７ｍｍ、内径１７ｍｍ、組立てた状態での幅が７ｍｍ、その保持器（試験対象：試料）は、図２１に示したものと同一形状のプレス成形したＳＰＣＣ鋼板製で、外径３４ｍｍ、内径１７ｍｍ、高さ最大２．１５ｍｍ）のものを用い、転動体（ニードル）および軌道輪は、いずれもＳＵＪ２からなり、表面窒素含有率０．３重量％、表面粗さ０．０３Ｒａのものを使用した。
【００５６】
図７は、この試験に用いた寿命試験機の概略構成を示す図であり、この寿命試験機は、１対の軸受４１ａ、４１ｂにより回転自在に支持されたシャフト４２に２つの試験軸受４３ａ、４３ｂを取付け、ガイド４４で支持されたハウジング４５を介してスラスト荷重Ｆａを試験軸受４３ａ、４３ｂに負荷し、図示省略したモータおよびベルトによりプーリー４６を回転駆動するように構成されている。
【００５７】
また、シャフト４２には、試験軸受４３ａ、４３ｂをそれぞれ取付けるためのレース固定部４７ａおよびレース回転部４８ａ、レース固定部４７ｂおよびレース回転部４８ｂが設けられており、レース回転部４８ａ，４８ｂはシャフト４２と一体になって回転し、レース固定部４７ａ，４７ｂは回転禁止されるように構成されている。試験軸受４３ａの第１軌道輪４９、第２軌道輪５０は、それぞれレース固定部４７ａ、レース回転部４８ａに係止され、試験軸受４３ｂの第１軌道輪４９、第２軌道輪５０は、それぞれレース固定部４７ｂ、レース回転部４８ｂに係止される。そして、シャフト４２が回転すると、試験軸受４３ａ、４３ｂの第２軌道輪５０は、転動可能に保持器５１に保持されたニードル５２の作用により、レース回転部４８ａ、４８ｂと一体になって回転駆動されるが、試験軸受４３ａ、４３ｂの第１軌道輪４９は、それぞれレース固定４７ａ、４７ｂによって回転停止状態が維持される。
【００５８】
試験条件は、回転速度は５０００ｒｐｍ、スラスト荷重は５００ｋｇｆ、潤滑条件は５ｇのＰＡＧオイル（３％の水分を含む）とした。なお、ＰＡＧオイルは、試験機に試験軸受４３ａ、４３ｂを組込む前に、固定側の軌道輪を外した状態で保持器のポケット部に注射器により滴下して供給した。
【００５９】
試験対象の保持器（ＳＰＣＣ鋼板製）に対する浸炭窒化処理は、吸熱形ガス＋エンリッチガス＋アンモニアガスの雰囲気で０．５時間行った後、２００℃で２時間の焼戻しを行った。なお、浸炭窒化処理に代えて例えば浸炭処理を行ってもよい。ガス軟窒化処理は、５００℃から６００℃の条件下でアンモニアガスを用いて１時間の窒化処理を施したものを、２００℃で２時間の焼戻しを行った。
【００６０】
浸硫窒化処理は、還元性塩浴法によりシアン酸塩を使い、硫酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウムの硫黄化合物を添加した塩浴中で５６０℃で１時間の処理を行った。また、四フッ化エチレンのコーティングは、ポリアミドイミドをバインダーとした有機溶剤をスプレーにて塗膜し、２００℃で１時間の熱処理により形成したものである。特に、本実施例では、四フッ化エチレンと素地表面との密着性を高めるめる目的で、保持器表面に燐酸マンガン塩被膜処理を施した。
【００６１】
ガス軟窒化処理により得られる組織は、窒化物（主としてＦｅ₃Ｎ）の表面層と窒素の内部拡散層で形成される。表面窒素濃度は処理温度に依存し、５００℃以下でも窒素を固溶する窒化物層が形成されるが、耐摩耗性の点では、特に５００℃（さらに好ましくは５４５℃）から６００℃でのガス軟窒化処理が好ましい。また、Ｆｅ₃Ｎとなる窒化物の表面層と窒素の内部拡散層の硬化層深さは処理時間に依存し、耐摩耗性の向上に寄与する。さらに、浸炭、もしくは浸炭窒化処理の１次処理と、ガス軟窒化処理の２次処理とを組合わせることにより、炭素をほとんど固溶しないＦｅ₄Ｎの組織である拡散層に炭素を固溶させることが可能となり、硬度が高くなり耐焼付性が向上する。
【００６２】
また、浸硫窒化処理の硬化層深さは処理時間に依存する。数μｍの化合物層で耐摩耗性は向上するが、処理温度を５００℃から６００℃とするのが望ましい。また、浸炭、もしくは浸炭窒化処理の１次処理と、浸硫窒化処理の２次処理とを組合わせることにより、炭素を表面に固溶させた鉄と硫黄と窒素と炭素との化合物を形成させることが、耐摩耗性と耐焼付性の点で望ましい。
【００６３】
上記の各種表面処理を膜厚または硬化層深さを変えて施した保持器を有する軸受について、図７に示した寿命試験装置を用いて試験した試験結果を図８，図９に示す。図８は、浸炭窒化処理を予め施した後に、ガス軟窒化処理、浸硫窒化処理、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ：下地処理により、膜厚４μｍ〜５μｍの燐酸マンガン処理被膜が形成されたもの）被膜処理をそれぞれ行った場合の膜厚と保持器の焼付時間との関係を示し、図９は、浸炭窒化処理を施さずに、図８と同様のガス軟窒化処理、浸硫窒化処理、ＰＴＦＥ被膜処理をそれぞれ行った場合の膜厚と保持器の焼付時間との関係を示している。
【００６４】
図８，図９の試験結果を検討すると、浸炭窒化処理を予め施すか否かに拘らず、ガス軟窒化処理、浸硫窒化処理、ＰＴＦＥ被膜処理のいずれかを施すと、保持器の焼付時間は、図８，図９に破線で示した未処理の場合の焼付時間よりも長くなり、寿命の向上が認められる。
【００６５】
また、浸炭窒化処理を予め施すか否かに拘らず、ガス軟窒化処理、または浸硫窒化処理を施すと、いずれも硬化層深さ（ここでは硬さＨｖが３２０〜３５０以上となる深さ、さらに望ましくは硬さＨｖが４５０〜５００以上となる深さで定義する。）が１０μｍになったときに未処理の場合より耐摩耗性が向上し、焼付時間が長くなり、硬化層深さは１０μｍ以上が好ましいことが判明した。また、硬化層深さを２０μｍ以上にしても、処理時間がかかる割りには焼付時間はそれほど延びず、寿命向上の効果が上がらないことも判明した。従って、経済性を考慮すると、ガス軟窒化処理、または浸硫窒化処理、あるいは浸炭窒化処理とこれらの処理との組合せによる硬化層深さは、１０μｍ〜２０μｍとするのが好ましいことが確認された。
【００６６】
上記ＰＴＦＥ被膜処理については、浸炭窒化処理を予め施すか否かに拘らず、ガス軟窒化処理、または浸硫窒化処理を施した場合より大幅に焼付時間が長くなり、２μｍ程度の膜厚で、ガス軟窒化処理、または浸硫窒化処理の焼付時間の飽和値に匹敵する効果が得られるが判明した。また、ＰＴＦＥ被膜処理の場合、浸炭窒化処理を予め施したときは膜厚が１０μｍ以上、浸炭窒化処理を施さないときは膜厚が２０μｍ以上になると、寿命向上の効果が飽和することが判明した。なお、膜厚が３０μｍを越えると、寸法公差に影響を及ぼし、転動体との間の隙間が大きくなり過ぎる部分や、小さくなり過ぎる部分が生じるという不具合が発生することが確認されているので、これらを考慮すると、ＰＴＦＥ被膜の膜厚は、２μｍ〜３０μｍ（好ましくは１０μｍ〜３０μｍ）が望ましいことが確認された。
【００６７】
図８の浸炭窒化処理を予め施した場合と図９の浸炭窒化処理を施さない場合とを比較すると、浸炭窒化処理を予め施した場合の方が、ガス軟窒化処理、浸硫窒化処理、ＰＴＦＥ被膜処理のいずれについても、より寿命が向上していることが分かる。この浸炭窒化処理による寿命の向上について、ガス軟窒化処理を例にして、図１０に基づいて説明する。
【００６８】
図１０は、ＳＰＣＣ鋼板（厚さ０．５ｍｍ）に浸炭窒化処理、またはガス軟窒化処理、または浸炭窒化処理を予め施した後にガス軟窒化処理を施した場合の、表面からの深さと硬さ（Ｈｖ）との関係を測定した結果を示している。
【００６９】
図１０に示したように、浸炭窒化処理のみでは表面層の硬さは８００Ｈｖ以上であるが、内部深さ８０μｍでは２００Ｈｖ以下（ＳＰＣＣの母材硬さ）の硬さになり、表面から伝えられる応力に対して十分支えきれない。また、ガス軟窒化処理のみでは、内部硬さは母材硬さより上昇するが、表面硬さが４００Ｈｖ以下となり他の２つの場合よりは耐摩耗性が劣ることとなる。
【００７０】
一方、浸炭窒化処理とガス軟窒化処理を組合わせた場合は、表面硬さ５８０Ｈｖ、内部硬さ３００Ｈｖ以上の耐摩耗性の優れた表面が得られる。つまり浸炭窒化により表面層が硬化されるが、後のガス軟窒化処理により表面から芯部に向かって窒素は深く拡散できるが焼戻りによる硬さ低下が生ずる。つまり、表面層窒化の侵入拡散による硬さの上昇と焼戻りによる硬さ低下の両現像が複合されて表面層の硬度は浸炭窒化処理のみよりも低く、ガス軟窒化処理のみより高くなり、芯部はガス軟窒化処理と同等になることを示している。さらに、保持器の疲労度も強くなるため、ころを抱える柱（間仕切り部）の破損も防止できる。さらに、内部まで硬くなることにより、保持器の変形も生じにくくなる。また、図１０に示したように、浸炭窒化処理を施した後にガス軟窒化処理を施した場合は、浸炭窒化処理だけを施した場合に比べて、結果のバラツキが小さくなっている。これは、表面層に仮に摩耗または損傷が生じても、下地である浸炭窒化層が支えることにより、信頼性が増すためと考えられる。
【００７１】
以上説明したように、代替フロン等の水混入潤滑環境下においても、スラストニードル軸受の保持器として、少なくとも窒素を含有させるための所定の処理を施したものを使用することにより、あるいは所定の下地処理により素地との密着性を確保した上で固体潤滑剤を被膜することにより、耐摩耗性および潤滑条件を向上させて焼付の発生を遅延させることにより、保持器の長寿命化を達成できるようになる。なお、上記の各種表面処理を施したのであれば、スラストニードル軸受に限らず、他のタイプの各種軸受に適用できることは言うまでもない。また、保持器以外の転動体、軌道輪に適用することも可能である。
【００７２】
［第３の発明の実施例］
図１１〜図２０は、それぞれ第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の構成図であり、図１１（ａ）は保持器の平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ´断面図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ´断面図、図１１（ｄ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ´断面図である。なお、図１２〜図２０においても同様に、（ａ）を付した図は保持器の平面図であり、（ｂ）を付した図は（ａ）を付した図のＡ−Ａ´断面図、（ｃ）を付した図は（ａ）を付した図のＢ−Ｂ´断面図、（ｄ）を付した図は（ａ）を付した図のＣ−Ｃ´断面図である。
【００７３】
図１１〜図１９に示した転がり針状コロ軸受の保持器は、金属製コア、または金属製リングと樹脂部とにより構成されている。ここで、金属の種類については特に限定されないが、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）等を使用できる。
【００７４】
一方、樹脂材料は、摺動性、耐熱性、耐薬品性、耐油性、強度に優れた材料が好ましく、具体的には、ナイロン６６樹脂、ナイロン４６樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、或いはこれら樹脂にガラス繊維、炭素繊維等の短繊維を混入して強化した材料が好ましい。ナイロン６６樹脂は、デュポン（株）の「ザイテル」、宇部興産（株）の「ＵＢＥナイロン」、ピーエーエスエフエンジニアリングプラスチック（株）の「ウルトラミッドＡ」として、ナイロン４６樹脂は、帝人（株）の「テイジン４６ナイロン」、日本合成ゴム（株）の「Ｓｔａｎｙｌ」として、ＰＰＳ樹脂は、呉羽化学工業（株）の「フォートロンＫＰＳ」として入手できる。
【００７５】
図１１〜図１９に示した保持器の製造方法としては、予め製造された金属製コア、または金属製リングを金型内に装着したとき、転動体案内部の一部または全部に相当する部分に空間が形成されるような金型を用意し、その空間に樹脂を射出成形により形成する方法や、金属製コア、または金属製リングと樹脂部を別々に製造し、樹脂のスナップフィット性等を利用して組み立てる方法がある。
【００７６】
図１１の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各ポケット部Ｐとポケット部Ｐとの間（間仕切り部：柱部）の上面部であってポケット部の近傍を除く部分、各ポケット部Ｐの端面と内周面、および外周面との間は、金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロの側面と接触するポケット部Ｐの側面は樹脂部Ｒが露出した状態となっており、コロの端面と接触するポケット部Ｐの端面は、金属部Ｍが露出した状態となっている。なお、各ポケット部Ｐとポケット部Ｐとの間では、図１１（ｄ）に示したように、金属部Ｍの内周側の内面、および外周側の内面に、樹脂部Ｒの脱落を防止するための突起部Ｍａが形成されている。
【００７７】
図１２の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各ポケット部Ｐよりも外側の外周部分は金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロと接触するポケット部Ｐの全ての面は、樹脂部Ｒが露出した状態となっている。なお、図１２（ｄ）に示したように、金属部Ｍの内面の上部と下部には、樹脂部Ｒの脱落を防止するための突起部Ｍａが全周に亘って形成されている。
【００７８】
図１３の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、外周部分は金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロと接触するポケット部Ｐの全ての面は、樹脂部Ｒが露出した状態となっている。なお、金属部Ｍは、図１３（ａ）、（ｄ）に示したように、各ポケット部Ｐとポケット部Ｐとの間では、上面部分が内周側に突出した状態となっている。
【００７９】
図１４の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各間仕切り部の上面部であってポケット部の近傍を除く部分、各ポケット部Ｐの端面から内周側の上面にかけて、各ポケット部Ｐの端面から外周側の上面にかけての部分は、金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロの側面と接触するポケット部Ｐの側面は樹脂部Ｒが露出した状態となっており、コロの端面と接触するポケット部Ｐの端面は、金属部Ｍが露出した状態となっている。
【００８０】
図１５の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、外周部分は金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロと接触するポケット部Ｐの全ての面は、樹脂部Ｒが露出した状態となっている。なお、図１５（ａ）、（ｄ）に示したように、金属部Ｍは、各ポケット部Ｐとポケット部Ｐとの間では、上面部分が内周側に突出した状態となっており、この突出部分には、孔Ｈが形成されていて、この孔Ｈに樹脂が充填されることにより、金属部Ｍと樹脂部Ｒとが強固に結合するようになっている。
【００８１】
図１６の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各間仕切り部の中層部であってポケット部の近傍を除く中層部分と、この中層部分と内周面との間の中層部および下層部、中層部分と外周面との間の中層部および上層部は、金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロの側面と接触するポケット部Ｐの側面は樹脂部Ｒが露出した状態となっており、コロの端面と接触するポケット部Ｐの端面の一部は、金属部Ｍが露出した状態となっている。
【００８２】
図１７の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各ポケット部Ｐから外側の外周部分は金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロの側面と接触するポケット部Ｐの側面は樹脂部Ｒが露出した状態となっており、コロの端面と接触するポケット部Ｐの外側の端面は、金属部Ｍが露出した状態となっている。なお、金属部Ｍは、ポケット部Ｐの外側の端面と対向する部分では肉厚が厚くなっており、ポケット部と金属部Ｍとの位相がずれないように工夫されている。
【００８３】
図１８の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各ポケット部Ｐから外側の外周部分は金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロの側面と接触するポケット部Ｐの側面は樹脂部Ｒが露出した状態となっており、コロの端面と接触するポケット部Ｐの外側の端面は、金属部Ｍが露出した状態となっている。なお、金属部Ｍには、その中層部分に凹部が形成され、樹脂部Ｒが金属部Ｍから脱落しないように工夫されている。
【００８４】
図１９の保持器は、基本的には樹脂部Ｒにより構成されているが、各ポケット部Ｐよりも外側の外周部分は金属部Ｍにより構成されている。すなわち、コロと接触するポケット部Ｐの全ての面は、樹脂部Ｒが露出した状態となっている。なお、金属部Ｍには、ポケット部Ｐの外側の端面との対応部の中層部分には凹部が形成され、樹脂部Ｒが金属部Ｍから脱落しないように工夫されている。
【００８５】
図２０の保持器は、その全てが樹脂部Ｒにより構成されている。この図２０の樹脂製の保持器は、射出成型により製造することができる。なお、図２１は従来の冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）製の保持器を示しており、図２１（ａ）は平面図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のＣ−Ｃ´断面図である。
【００８６】
図１１〜図１４、および図２０の構造の保持器を、樹脂部Ｒの樹脂の種類を替えて作成し、日本精工（株）製のスラストニードル型寿命試験機により寿命試験を行ったところ、表４のような試験結果が得られた。なお、試験条件は、Ｐｍａｘ＝２０００ＭＰａ、Ｎ＝４９００ｃ．ｐ．ｍ、雰囲気は代替フロンとしてのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）１３４ａ（２気圧）、潤滑油はＰＡＧ（ポリアリキレングリコール）とした。また、試験軸受の寸法は外径３７ｍｍ、内径１７ｍｍ、幅１４ｍｍとし、コロ径は２．５ｍｍ、コロ長さは５．６ｍｍとした。また、耐久寿命の評価は、１０×１０⁶回転未満は耐久性なし（×）、１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満は耐久性有り（○）、５０×１０⁶回転以上は耐久性大いに有り（◎）とした。
【００８７】
【表４】

試験例１のように、図１１の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ナイロン６６樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満となり、耐久性は良好となる。試験例２のように、図１１の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ナイロン４６樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満となり、耐久性は良好となる。また、試験例３のように、図１１の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は５０×１０⁶回転以上となり、耐久性は非常に良好となる。
【００８８】
試験例４のように、図１２の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ナイロン６６樹脂とガラス繊維との重量％比が７０：３０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満となり、耐久性は良好となる。試験例５のように、図１２の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ナイロン４６樹脂とガラス繊維との重量％比が７０：３０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は５０×１０⁶回転以上となり、耐久性は非常に良好となる。また、試験例６のように、図１２の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂とガラス繊維との重量％比が７０：３０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満となり、耐久性は良好となる。
【００８９】
試験例７のように、図１３の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ＰＰＳ樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満となり、耐久性は良好となる。試験例８のように、図１４の保持器の樹脂部Ｒの樹脂として、ＰＰＳ樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、軸受の耐久寿命は５０×１０⁶回転以上となり、耐久性は非常に良好となる。
【００９０】
図２０の樹脂製の保持器の樹脂として、試験例９のように、ＰＰＳ樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、試験例１０のように、ナイロン４６樹脂とガラス繊維との重量％比が７０：３０の樹脂を用いた場合、試験例１１のように、ナイロン６６樹脂とガラス繊維との重量％比が８０：２０の樹脂を用いた場合、いずれも軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転以上〜５０×１０⁶回転未満となり、耐久性は良好となる。これに対して、試験例１２のように、図２１の金属製の保持器を用いた場合には、軸受の耐久寿命は１０×１０⁶回転未満となり、耐久性がなくなってしまう。
【００９１】
次に、軸受の耐久寿命について考察する。保持器と転動体の摺動性をみると、上記試験における代替フロンの雰囲気のような潤滑性に劣る条件下では、金属製の保持器の場合、保持器と転動体の間に十分な潤滑油膜は形成されず、金属−金属接触が起こり、急激に摩耗が進行する。金属−金属接触が起こる理由の１つとしては、金属は樹脂に比べて剛性が高く、保持器と転動体間の接触部に高い応力が発生することが考えられる。
【００９２】
これに対して、保持器の転動体用の案内部に樹脂材料を使用すると、樹脂は金属に比べて弾性率が極端に大きく、高い応力を受けても樹脂自体が変形して応力が分散されることとなる。また、無潤滑下での摩擦摩耗度は、金属−金属摩擦よりも金属−樹脂摩擦の方が低くなる性質がある。
【００９３】
一方、保持器の剛性に関しては、金属製保持器の方が樹脂製保持器よりも優れている。従って、図１１〜図１９の保持器では、金属部Ｍにより剛性が保たれるので、高速で回転する転動体の遠心力によってクリープ変形が起こるのを防止でき、また、転動体の案内部には樹脂部Ｒが形成されているので、保持器と転動体の異常摩耗や焼き付けを防止できる。これにより、たとえ代替フロンの雰囲気のような潤滑性に劣る条件下で使用しても、軸受の長寿命を達成することができる。
【００９４】
なお、代替フロン等の環境下で使用する場合であっても、低速回転、低荷重用の軸受として利用する場合には、剛性がそれほど大きくなくてもクリープ変形が起こることはないので、簡単に製造できる図２０の樹脂製の保持器を使用し、保持器と転動体の異常摩耗や焼き付けを防止するだけで、軸受の長寿命を達成することができる。
【００９５】
［第２の発明の実施例の変形例］
図８、図９において、浸炭窒化処理の有無に拘らず四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）被膜が最も耐焼付性向上に効果のあることを確認したが、ここでは、さらに、被膜形成方法について改良を加えた前記第２の発明の実施例の変形例について説明する。すなわち、前記第２の発明の実施例では、固体潤滑剤としての四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等は、エアーを用いたスプレーによってコーティングしたが、本変形例では、スプレーに拠らず塗布することによりコーティングする点で異なる。以下、本変形例を詳細に説明する。
【００９６】
保持器の素材としては、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を用い、その形状は、図２１に示したものと同一のものを用いるが、これに限らず、各種の鋼、その他の金属（好ましくは耐食性を有するもの）を素材として、圧延ではなく切削加工により作られたものでもよい。
【００９７】
ここでは、固体潤滑剤としては、最も耐焼付性の効果の高い四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）をポリアミドイミドをバインダーとしてコーティングしたものについて取り上げるが、前述のように、これに代えて固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）や二硫化タングステン（ＷＳ₂）等、他のを用いてもよく、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）と上記のうちの１つとを混合したものでもよい。また、バインダーとしては、ポリアミドイミド、エポキシ樹脂等を適宜選択してもよく、これらいずれの固体潤滑剤、バインダーであっても、以下に示す試験結果と同等の作用・効果が得られる。
【００９８】
固体潤滑剤の下地となる燐酸塩処理膜は、表面に凹凸を生じ、その上に塗膜される固体潤滑剤およびバインダーとの接触面積が増すことにより、バインダーと強く結合することになり、固体潤滑剤と素地表面との密着性を高める働きがある。この働きは、１例として燐酸マンガン塩被膜で確認したところ、本変形例の場合では、１〜１０μｍの厚さに成膜するのが好ましいことが判明した（図２２参照）。なお、この確認試験においては、１μｍ未満の膜厚の燐酸マンガン塩被膜は、処理温度と処理時間を調節することにより形成した。例えば、０．９μｍの膜厚の燐酸マンガン塩被膜は、燐酸マンガン水溶液による処理温度を６０〜７０℃に設定して１０分間処理することにより形成した。また、１０μｍを越える膜厚の燐酸マンガン塩被膜は、処理液中の燐酸マンガン成分の濃度を調整することにより形成した。例えば、１０μｍの厚さに成膜する場合は、燐酸マンガン成分の濃度を４μｍの場合の１．２倍にし、４０μｍのの厚さに成膜する場合は、燐酸マンガン成分の濃度を４μｍの場合の１．４倍にした。
【００９９】
図２２は、保持器に対して下地処理として、上記の方法により燐酸マンガン塩被膜を各種の膜厚で形成し、後述する本変形例に係る塗布方式により四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）を２μｍの厚さに成膜した場合の焼付時間を示したものである。図２２に示したように、燐酸マンガン塩被膜の膜厚が、１〜１０μｍの場合に良好な耐焼付性が実現でき、この範囲から遠ざかる程、耐焼付性が急激に劣化している。すなわち、上述のスプレー方式と比較すると、スプレー方式では下限値として４μｍ必要であったが、本変形例の塗布方式では最低１μｍで済む。
【０１００】
このように耐焼付性が急激に劣化するのは、１．０μｍ未満の膜厚では、表面の凹凸が十分ではなく、密着性が不十分となり、膜厚が１０μｍを越えると、表面が粗くなりすぎ、上に固体潤滑剤を塗膜した状態でも粗さが残り、保持器として使用した場合に油膜が切れる部分が生じる等、潤滑条件が悪化するからである。また、膜厚が１０μｍを越えた場合には、寸法公差も悪くなるという不具合を生じる。従って、本変形例では、燐酸塩処理膜の膜厚は１〜１０μｍとした。なお、前記固体潤滑剤の下地としては、燐酸亜鉛、燐酸鉄、燐酸カルシウム等を用いても、以下に示す試験結果と同等の作用・効果が得られる。
【０１０１】
以下、試験例に基づいて本変形例を詳細に説明する。この試験では、試料の軸受としては、スラストニードル軸受（外径３７ｍｍ、内径１７ｍｍ、組立てた状態での幅が７ｍｍ）を用い、その保持器（試験対象：試料）としては、図２１に示したものと同一形状のプレス成形したＳＰＣＣ鋼板製で、転動体（ニードル）および軌道輪は、いずれもＳＵＪ２からなるものを使用した。
【０１０２】
また、寿命試験機としては、第２の発明の実施例の場合と同様に、図７に示したものを使用した。この場合の試験条件も、第２の発明の実施例の場合と同様に、回転速度５０００ｒｐｍ、スラスト荷重５００ｋｇｆ、潤滑条件は１ｇのＰＡＧオイルとした。このＰＡＧオイルは、試験機に試験軸受４３ａ，４３ｂを組み込む前に、固定側の軌道輪を外した状態で保持器のポケット部に注射器により滴下して供給した。
【０１０３】
保持器に対する上記下地処理しては、燐酸マンガン塩処理を施した。すなわち、保持器をＰＨ１０のアルカリ洗浄液で脱脂した後、亜硝酸ナトリウム溶液で表面調整を行った。なお、燐酸マンガン塩の結晶を均一に形成させるべく、亜硝酸ナトリウムの濃度は、３ｇ／水１ｌとした。このようにして表面調整を行った後、マンガン濃度１１０００ｐｐｍ、鉄濃度２０００ｐｐｍの燐酸と、ＰＨ３．０に調整した硝酸との水溶液中で、９５℃で１０分間浸せき処理を行うことにより、表面に約８ｇ／ｍ²の燐酸マンガン塩結晶を形成した。なお、このような下地処理を省いてもテフロン（四フッ化エチレン）コーティングは可能であるが、耐焼き付き性の面では、下地処理を施すことが望ましい。
【０１０４】
四フッ化エチレンのコーティングは、ポリアミドイミドをバインダーとした有機溶剤のサスペンション液（懸濁液）を塗布して行う。すなわち、保持器７０００個を容積０．７ｍ³の金属製容器の中に入れ、この容器を１５ｒｐｍで回転させて、保持器同士を互いに接触させる。その中に上記サスペンション液を流し込み、その後、乾燥させて有機溶剤分を蒸発させることにより、四フッ化エチレンとバインダーを保持器の表面に均一塗布（塗膜）する。その後、２００℃で１時間熱処理を行い、バインダーを硬化させる。
【０１０５】
このようにすると、上記実施例のようにエアーでスプレーコーティングする場合と比べて、▲１▼使用するサスペンション液がより少量で済むと共に、▲２▼単位時間当たりの塗膜処理量が約２〜５倍になるため、処理コストを低減できるようになる。また、▲３▼保持器同士が接するので、スプレーコーティングに比べて被膜中の応力が増加するため、薄膜でかつ密度が大きくなり、さらに、密着性が向上し、薄膜であるにも拘らずスプレーコーティングと同等の摺動性を維持できる。なお、本変形例の上記コーティングにおいて、保持器と共に１０ｍｍ以下のメディア等を混入させてサスペンション液を保持器の表面に塗膜すれば、さらに被膜密度を大きくし、密着性も向上できることが確認されている。
【０１０６】
上記の表面処理を施した保持器を有する軸受について、図７に示した寿命試験機により上記条件下で行った試験結果を図２３に示す。図２３は、浸炭窒化処理を施さないものと、浸炭窒化処理を施した後にスプレーにより四フッ化エチレンをコーティングしたもの（上記実施例）と、浸炭窒化処理を施した後に塗布により四フッ化エチレンをコーティングしたもの（本変形例）とについて、耐焼き付き時間と、処理コストとの比較結果を示している。
【０１０７】
図２３から明らかなように、浸炭窒化処理を施さない保持器は、焼き付きに対する耐久時間は、最も短くなっている。これに対して、上記実施例と本変形例に係る保持器では、焼き付きに対する耐久時間は共に大幅に長くなっており、上記実施例に係る保持器よりも本変形例に係る保持器での方が、焼き付きに対する耐久時間はより長くなっている。このように、本変形例の方が上記実施例よりも耐焼き付性能が優れているのは、被膜密度が高く強度が大きいためであると考えらる。また、製造コストは、本変形例の保持器は上記実施例の保持器の約１／２となっている。
【０１０８】
次に、上記の本変形例の塗布による四フッ化エチレンの表面処理（下地処理として膜厚４μｍ〜５μｍの燐酸マンガン塩処理を施したもの）を膜厚を変えて施した保持器を有する軸受について、図７に示した寿命試験装置を用いて試験した試験結果を図２４（前記表面処理に先立ち、浸炭窒化処理を施した場合），図２５（浸炭窒化処理を施さない場合）に示す。なお、比較のため、図２４には、図８に示した浸炭窒化処理を予め施した後に、ガス軟窒化処理、浸硫窒化処理、およびスプレー方式による四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ：下地処理により、膜厚４μｍ〜５μｍの燐酸マンガン処理被膜が形成されたもの）被膜処理をそれぞれ行った場合の膜厚と保持器の焼付時間との関係を、図２５には、図９で示した浸炭窒化処理を施さずに、ガス軟窒化処理、浸硫窒化処理、およびスプレー方式によるＰＴＦＥ被膜処理をそれぞれ行った場合の膜厚と保持器の焼付時間との関係を併せて示している。
【０１０９】
図２４，図２５の試験結果を検討すると、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）を上記実施例のスプレー方式と本変形例の塗布方式によりコーティングしたものを比較すると、図２４の浸炭窒化処理を予め施した場合と図２５の浸炭窒化処理を施さない場合とのいずれにおいても、保持器の焼き付き時間は、上記実施例のスプレー方式よりも本変形例の塗布方式の方が長くなっており、特に、本変形例の塗布方式では、ＰＴＦＥ被膜の膜厚が１０μｍ以下であっても、実用に耐え得る焼き付き時間となっている。このように、本変形例の塗布方式により耐焼付性がより向上するのは、上記実施例のスプレー方式よりもＰＴＦＥの被膜密度が大きくなると共に、下地処理被膜とＰＴＦＥ被膜との界面での密着性が高くなるためである。
【０１１０】
しかし、ＰＴＦＥ被膜の膜厚が２μｍ未満となると、成膜のバラツキの影響を受けて焼付寿命のバラツキも大きくなるため、本変形例の塗布方式によるＰＴＦＥ被膜の膜厚は２μｍ以上であることが望ましい。一方、ＰＴＦＥ被膜の膜厚の上限に関しては、上記のスプレー方式の場合と同様の理由により、３０μｍである。ただし、スプレー方式に比べ被膜密度が高いため、ＰＴＦＥ被膜の膜厚が２０μｍを越えると、うろこ状に剥離が発生し、その剥離片が軸受組立時にレースと転動体との間に入り込むため、軸受の組立後の例えばトルク、音響などの検査に多少の影響を及ぼす。また、転動体と保持器のポケット部の隙間量が小さくなり、ポケット内における転動体の動きが拘束されて発熱を生じる等により、耐焼付性を向上させるというＰＴＦＥ被膜の効果が下がる傾向にある。
【０１１１】
従って、本変形例の塗布方式によるＰＴＦＥ被膜の膜厚は、２μｍ〜３０μｍとするのが好ましく、さらに言えば、５μｍ〜２０μｍとするのがより好ましい。
【０１１２】
以上説明したように、金属材料からなる軸受保持器の表面処理において、複数の軸受保持器が互いに接触するように軸受保持器に運動を与えながら、固体潤滑剤と熱硬化性樹脂と有機溶剤とからなる分散液を供給し、有機溶剤を蒸発させることにより、軸受保持器の表面に均一に固体成分（ＰＴＦＥ等）を塗膜した後、熱処理により樹脂成分を硬化させることにより、より一層、軸受保持器の耐焼付性を向上させることが可能となる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、代替フロン、水混入潤滑油の環境下でも、安価に耐摩耗性および潤滑条件を向上さることができ、焼付けの発生が遅延され、保持器の長寿命化が達成されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の針状コロの形状を示す図である。
【図２】第１の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の針状コロのコロ径とコロ長との関係を説明するための説明図である。
【図３】第１の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の動トルクを測定した装置の概略構成図である。
【図４】各種形状の針状コロを有するスラスト針状コロ軸受について上記装置により荷重を変えて動トルクを測定したときの測定結果を示す図である。
【図５】第２の発明の実施例における窒素の含有方法を説明するための説明図である。
【図６】第２の発明の実施例における軸受の寿命を試験した試験機の概略構成図である。
【図７】第２の発明の実施例における所定の表面処理を施した保持器の寿命を試験した試験機の概略構成図である。
【図８】保持器に各種の表面処理を膜厚を変えて施した保持器の寿命試験結果を示す図である。
【図９】図８における各種の表面処理の前に予め浸炭窒化処理が施されていない保持器の寿命試験結果を示す図である。
【図１０】厚さ０．５ｍｍのＳＰＣＣ鋼板に各種の表面処理を施した場合の表面からの深さと硬さとの関係の測定結果を示す図である。
【図１１】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の構成例を示す図である。
【図１２】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１３】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１４】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１５】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１６】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１７】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１８】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図１９】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図２０】第３の発明の実施例によるスラスト針状コロ軸受の保持器の他の構成例を示す図である。
【図２１】従来の冷間圧延鋼板製の保持器を示す図である。
【図２２】第２の発明の実施例の変形例における下地処理膜の適正な膜厚を説明するための説明図である。
【図２３】第２の発明の実施例とその変形例との耐久時間および製造コストを比較した図である。
【図２４】第２の発明の実施例の変形例における保持器に各種の表面処理を膜厚を変えて施した保持器の寿命試験結果を示す図である。
【図２５】図２４における各種の表面処理の前に予め浸炭窒化処理が施されていない保持器の寿命試験結果を示す図である。
【符号の説明】
ＮＲ…針状コロ
Ｍ…金属部
Ｍａ…突起部
Ｒ…樹脂部
Ｐ…ポケット部
Ｈ…孔

Claims

外輪と内輪との間に配設された複数の転動体を等間隔に隔てる保持器を有するコンプレッサ用転がり軸受において、
前記保持器の表面に第１層として燐酸塩被膜を４〜１０μｍ施し、その上の第２層として、固体潤滑材被膜を２〜３０μｍ形成し、前記第１層の燐酸塩被膜の下地として浸炭窒化層を有し、前記外輪、内輪、転動体の少なくとも１つの転動面に浸炭窒化処理による浸炭窒化層を有し、前記浸炭窒化層の窒素濃度が０．０８〜０．５％であることを特徴とするコンプレッサ用転がり軸受。
前記保持器の第２層の被膜の厚さが２〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ用転がり軸受。
前記保持器は、スラスト針状コロ軸受の保持器であって、該保持器にて等間隔に隔てられた転動体は、コロ径（Ｄａ）と長さ（Ｉｒ）の比Ｉｒ／Ｄａが１．２〜２．０であって、軌道面との接触長さが前記コロの長さ（Ｉｒ）の３／４以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンプレッサ用転がり軸受。
前記保持器の第２層の固体潤滑被膜は、ＰＴＦＥからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンプレッサ用転がり軸受。
前記外輪、内輪、転動体の少なくとも１つの面粗さが０．０５Ｒａ以下であることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ用転がり軸受。
前記保持器の第１層は、浸硫化処理層、又は５〜２０μｍの層厚の浸硫窒化処理層、若しくは１０〜２０μｍの層厚のガス軟窒化処理層を有することを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ用転がり軸受。
前記保持器の第２層の固体潤滑被膜は、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、Ａ_ｇ、Ｓ_ｎの何れか１つ以上からなることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ用転がり軸受。
前記保持器は、少なくとも前記転動体との接触部が樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ用転がり軸受。