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CN110249146A - 滚动轴承 - Google Patents

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CN110249146A
CN110249146A CN201880009906.6A CN201880009906A CN110249146A CN 110249146 A CN110249146 A CN 110249146A CN 201880009906 A CN201880009906 A CN 201880009906A CN 110249146 A CN110249146 A CN 110249146A
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bearing
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inner ring
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CN201880009906.6A
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佐藤努
龚方奇
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Original Assignee
NSK Ltd
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Abstract

本发明的滚动轴承中，内圈、外圈和滚动体都包含钢铁材料，并且，在(A)滚动体的表面形成有Ag被膜并且在内圈和外圈中的至少一者的滚道面形成有Cr被膜，或者在(B)滚动体的表面形成有Cr被膜并且在内圈和外圈中的至少一者的滚道面形成有Cr被膜。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承，更详细而言，涉及一种在钢铁制的内外圈以及滚动体的各表面形成有润滑用的被膜的滚动轴承。
背景技术
例如X射线管球用滚动轴承由于在高真空、高温、无润滑的条件下使用，而且还需要导电性，所以现有技术在内外圈的滚道面的表面、滚动体的表面形成有以Pb为主要成分的固体润滑被膜。然而，由于Pb对环境的影响很大，所以寻求使用对环境影响小的替代材料。
作为替代固体润滑材料，考虑到润滑性、导电性，考虑采用Ag。然而，已知在使用Ag的情况下，不少Ag会粘附(转移)到对方材料(非专利文献1)。另外，由于Ag是比Pb硬质的材料，所以即使是小的金属块的转移，也容易成为噪音和振动的原因。
作为对这种Ag的转移的对策，在专利文献1中记载有如下技术：在Ag的对方材料形成与Ag的溶解度低的被膜，并例举W、Ta作为被膜。
另外，在非专利文献2中记载了各种金属材料的相互溶解度，例举W、Ni作为与Ag的溶解度低的材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实用新型公开平5-32651号公报
非专利文献1：润滑、第23卷、第2号、144～151(1977)、与离子镀金、银膜的摩擦、磨损特性相关的研究(第5报)
非专利文献2：ASLE Trans.14,198(1971),The Determination of theCompatibility of Materials through Static Friction Tests(通过静摩擦试验确定材料的相容性)
发明内容
发明欲解决的技术问题
然而，本发明人进行研究的结果，在Ag被膜的情况下，即使在对方材料上被覆Ni也不能防止转移。另外，引用文献1中记载的W有时也不能充分地防止转移，而存在改善的余地。也就是说，可知，在真空下使用的滚动轴承中，对Ag溶解度低的物质不一定难以转移。
本发明是鉴于这种情况完成的，其目的是在滚动体的表面或内外圈的滚道面形成有润滑用的Ag被膜的滚动轴承中，通过防止Ag向对方材料转移，从而抑制声音特性的下降，实现长寿命化。
用于解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明提供下述的滚动轴承。
(1)一种滚动轴承，其特征在于，内圈、外圈和滚动体都包含钢铁材料，并且，在所述滚动体的表面形成有Ag被膜，同时在所述内圈和所述外圈中的至少一者的滚道面形成有Cr被膜。
(2)一种滚动轴承，其特征在于，内圈、外圈和滚动体都包含钢铁材料，并且，在所述滚动体的表面形成有Cr被膜，同时在所述内圈和所述外圈中的至少一者的滚道面形成有Ag被膜。
(3)如上述(1)或(2)所述的滚动轴承，其特征在于，在所述Ag被膜与基材之间存在有基底层，该基底层从基材侧起依次包含Ni层和Cu层。
(4)如上述(1)～(3)中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述Ag被膜的膜厚或者所述Ag被膜与所述基底层的合计膜厚为1.0μm以下。
发明效果
根据本发明，对为了润滑而在滚动体的表面或内外圈的滚道面形成有Ag被膜的滚动轴承能够防止Ag被膜向对方材料转移并且实现优异的声音特性、实现长寿命化。
附图说明
图1是表示X射线管球用轴承的一例的剖视图。
图2是表示试验1～3中使用的真空中高温旋转试验机的剖视图。
图3是表示试验3的结果的图表。
符号说明
7 壳体
8 靶板
11 满珠轴承
20 旋转轴
21 内圈滚道面
30 外圈
31 外圈滚道面
40 滚珠
具体实施方式
以下，关于本发明参照附图进行详细说明。
本发明的滚动轴承中，将滚动体和内外圈用强度、疲劳寿命优异的轴承钢、不锈钢、高速钢等钢铁制。具体而言，例举SUS440C、SUJ2、SKH等。而且，在滚动体的表面或者内圈的滚道面和外圈的滚道面中的至少一者优选为在两滚道面形成润滑用的Ag被膜。
需要说明的是，Cr被膜可以是Cr单独的被膜，也可以是包含Cr合金的被膜，也可以是CrN(氮化铬)等。例如，CrN(氮化铬)可以利用反应溅射、离子镀法来形成。
另外，Cr被膜也可以是多层被膜。例如，通过从基材(转动体或内外圈)起依次分别形成Ni膜和Cr膜从而得到。只要能够实现本申请的效果，多层被膜也可以适当调整。
Cr单独的被膜的情况下，Cr的含量优选相对于Cr单独被膜为99.0质量％以上，进一步优选为99.9质量％以上。另外，剩余部分为不可避免的杂质。
CrN(氮化铬)的含量优选相对于CrN(氮化铬)被膜为99.0质量％以上，进一步优选为99.8质量％以上。另外，剩余部分为不可避免的杂质。
在设为Cr合金的情况下，作为与Cr配合的合金成分，可以例举Ni、Co、Fe、Mo等，合金成分也可以是两种以上。此时的Cr的含量优选相对于Cr合金被膜为15质量％以上，进一步优选为30质量％以上。另外，剩余部分是合金成分和不可避免的杂质。
另外，在滚动体形成有Ag被膜的情况下，在滚道面形成Cr被膜。或者，在内外圈的滚道圈形成有Ag被膜的情况下，在滚动体的表面形成Cr被膜。通过这种被膜组合，能够防止Ag向对方材料的转移，保持初始的平滑表面，从而声音特性长期优异。
而且，为了提高Ag被膜与基材(滚动体或内外圈)的贴合性，优选存在基底层。作为基底层，是从基材侧起依次层叠Ni层和Cu层而成的结构。如后述的试验2所示，仅用Ni层时，Ag被膜的贴合性不够。
作为Ag被膜以及Cr被膜的形成方法，优选为不仅能够均匀地形成被膜，而且容易控制膜厚，例如可以利用溅射法、离子镀法、镀敷法来形成。此外，对于Cr被膜，在用溅射法来形成的情况下，在暴露于大气的时间点与氧结合而成为表面能量小的稳定状态，防转移效果优异。
另外，在Ag被膜和Cr被膜、基底层皆过厚时，被膜容易剥落，有可能妨碍轴承的旋转。与之相对，如果过薄，则有可能被膜形成得不均匀，产生未被覆的部分。特别是，Ag被膜由于负责轴承的润滑，所以需要适当的膜厚。因此，Ag被膜的膜厚或者Ag被膜与基底层的合计膜厚的上限优选为1.0μm以下，进一步优选为0.7μm以下。Ag被膜的膜厚或者Ag被膜与基底层的合计膜厚的下限优选为0.2μm以上，进一步优选为0.4μm以上。
在层叠Ni层和Cu层而作为基底层的情况下，优选各自的膜厚如下。
·Ni的膜厚优选为0.05～0.2μm，进一步优选为0.05～0.15μm。
·Cu的膜厚优选为0.05～0.2μm，进一步优选为0.05～0.15μm。
·Ag的膜厚优选为0.1～0.6μm，进一步优选为0.2～0.5μm。
另外，Ni、Cu、Ag的各含量如以下。
·Ni的含量相对于Ni被膜优选为99.0质量％以上，进一步优选为99.9质量％以上。另外，剩余部分为不可避免的杂质。
·Cu的含量相对于Cu被膜优选为99.0质量％以上，进一步优选为99.9质量％以上。另外，剩余部分为不可避免的杂质。
·Ag的含量相对于Ag被膜优选为99.0质量％以上，进一步优选为99.9质量％以上。另外，剩余部分为不可避免的杂质。
另外，也可以在Ag被膜中适当添加添加剂等。在与添加剂并用时，Ag的含量为90质量％以上即可。另外，剩余部分是并用的添加剂和不可避免的杂质。
与之相对，Cr被膜的膜厚优选为0.05～1.0μm，进一步优选为0.05～0.15μm。
需要说明的是，Ag在大气中有时会在表面形成极薄的氧化膜，氧化膜有可能导致润滑性下降。为了解决该氧化问题，也可以在Ag膜的表面追加包含软质金属的抗氧化被膜。作为软质金属，优选与Ag的粘着性好且离子化倾向比Ag大的Ti、In、Sn、Mg、Zn、Al等，能够得到良好的抗氧化效果。特别是，In、Sn由于也能够期待润滑性而优选。
作为抗氧化被膜的成膜方法可以例举溅射、镀敷等，但由于在抗氧化被膜过厚时会成为振动的原因，所以优选膜厚为100nm以下，需要进行膜厚的调整。另外，若是100nm以下，则在使用中抗氧化被膜迅速剥落，所以能够得到利用润滑性优异的Ag而进行的润滑。需要说明的是，Ag由于容易氧化，所以优选在形成抗氧化被膜前实施还原处理。
在本发明中，由于Ag被膜用作固体润滑被膜，所以即使在不能使用润滑油、油脂的用途中也能够赋予润滑性。另外，Ag被膜和Cr被膜的导电性都优异。因此，本发明的滚动轴承适合用作在高真空、高温下使用而且还要求导电性的X射线管球用轴承。
X射线管用轴承没有限制，图1表示其一个例子。如图所示，一对满球轴承11、11被旋转轴20以能够旋转的方式轴支承。外圈30、30与壳体7以间隙配合的方式嵌合，且被配置为能够相对于壳体7在轴向移动。两满球轴承11、11是使多个滚珠40、40存在于外圈滚道面31、31与在旋转轴20直接形成有的内圈滚道面21、21之间的所谓的“整体式深沟球轴承”。在滚珠40、40形成有Ag被膜，在圈滚道面31、31和内圈滚道面21、21形成有Cr被膜。或者，也可以在滚珠40、40形成有Cr被膜，在外圈滚道面31、31和内圈滚道面21、21形成有Ag被膜。而且，Ag被膜也可以经由包含Ni层和Cu层的基底层来形成。另外，符号8是靶板。
需要说明的是，也可以在转动轴20的包含内圈滚道面21、21在内的外周面和包含外圈滚道面31、31的内周面形成有热传导促进膜。如果进一步地在轴环32、33的内周面也同样形成热传导促进膜，则热传导效率进一步提升。
轴承的种类也没有限制，图1中为整体式深沟球轴承，但是也可以将转动轴和内圈分体，此外也可以应用角接触球轴承、滚子轴承。
如上所述，本发明更优选为下述构成。
·关于轴承形式
本发明优选应用于整体式的滚珠轴承或深沟球轴承、角接触球轴承等滚珠轴承。
·对于母材
滚珠的材质优选SUS440C或SUJ2或者SKH4。外圈和内圈的材质优选SUS440C或SUJ2或者SKH4。需要说明的是，关于这些钢材的成分，SUS440C按照JIS G 4303(2012)，SUJ2按照JIS G 4805(2008)，SKH4按照JIS G 4403(2015)。
·滚珠的被膜
优选利用镀敷法，从基材侧起依次形成Ni镀0.05～0.15μm、Cu镀0.05～0.15μm、Ag镀0.2～0.5μm。另外，优选Ni镀、Cu镀和Ag镀的合计为0.4～0.7μm。而且，Ni镀的Ni含量优选为99.9质量％以上，Cu镀的Cu含量优选为99.9质量％以上，Ag镀的Ag含量优选为99.9质量％以上，剩余部分都是不可避免的杂质。
·外圈的被膜
优选为利用溅射法来形成由包含Cr的被膜0.05～0.15μm。Cr被膜的Cr含量优选为99.9质量％以上，剩余部分是不可避免的杂质。
·内圈的被膜
优选为利用溅射法来形成包含Cr的被膜0.05～0.15μm。Cr被膜的Cr含量优选为99.9质量％以上，剩余部分是不可避免的杂质。
实施例
以下用实施例来进一步说明本发明，但是本发明不限于实施例。
(试验1)
准备包含内圈、外圈以及滚珠(滚动体)的名称序号7200A的满球角接触轴承(内径10mm、外径30mm、宽度9mm、接触角α＝30°、滚珠数目12个、滚珠直径3/16英寸)。需要说明的是，内圈和外圈是SUJ2制，滚珠是SUS440C制或SUJ2制，而且，12个滚珠中以等间隔地在4个滚珠的表面形成Ag被膜，剩下的8个无被膜。Ag被膜都利用电镀法从基材侧起按照Ni层、Cu层的顺序形成基底层，并在其上形成Ag被膜。需要说明的是，Ni被膜的膜厚为0.1μm，Cu被膜的膜厚为0.1μm，Ag被膜的膜厚为0.3μm。另外，在内圈和外圈的各滚道面利用溅射法或电镀法形成有表1所示的金属被膜。之后，使用这些滚珠和内外圈来组装角接触球轴承作为试验轴承。
将上述的试验轴承安装在图2所示的真空中高温旋转试验机，并进行旋转试验。
该试验机具备：用试验轴承J支承的旋转轴S；使旋转轴S旋转的电机M；加热旋转轴S的加热器H；形成真空室的凸缘S1和壁S2、S3；以及检测试验轴承J的温度的热电偶(未图示)。旋转轴S除试验轴承J之外也被附图标记18表示的轴承支承。
旋转轴S的电机M侧端部利用联轴器10而与磁密封单元16的旋转轴的一端连接，磁密封单元16的旋转轴的另一端利用联轴器17而与电机M连接。另外，磁密封单元16、联轴器17和电机M被容纳在壳体(未图示)，并被设置在大气中。
而且，在轴向负荷：30N，旋转速度：4500min-1，温度：25℃、真空度：3×10-3Pa的条件下，使试验轴承J旋转，利用在真空室的凸缘S1的表面设置的加速度拾取器来测定振动值。测量到超过初始振动值的5倍(25m/s2)为止的时间，并在表1中表示为“到振动上升为止的时间”。
[表1]
如实施例1那样，通过在一方形成Ag被膜，并在对方材料形成Cr被膜，从而不产生Ag的转移因此振动不上升，与使用其他金属的比较例相比，实现了使用寿命的大幅延长。特别是，比较例5是专利文献1所举出的Ag和W的组合，但是与实施例1的Ag和Cr的组合相比，只得到了十分之一的寿命。
(试验2)
使用与试验1相同的满球角接触轴承，且在全部12个滚珠形成有Ag被膜。这时，如表2所示地，对于被膜1，仅形成Ni层作为基底层，对于被膜2，从基材侧起依次形成Ni层、Cu层这2层，并在其上形成Ag被膜。Ag被膜和基底层都用电镀法形成，Ag被膜的膜厚为0.6μm。与之相对，在内外圈的各滚道面利用溅射法以0.12μm的厚度来形成Cr被膜。
而且，制作试验轴承，并使用图2所示的真空中高温旋转试验机在相同条件下测定振动值，并求得寿命。试验中，针对被膜1制作4个试验轴承，针对被膜2制作5个试验轴承。需要说明的是，在从旋转开始起1333.0min的时间点未观察到振动上升的情况下，中止试验。将结果在表2中示出。
[表2]
在仅以Ni层作为基底层的被膜1中，虽然在一个试验轴承中直到试验中止仍未观察到振动上升，但是在剩余的3个试验轴承中在短时间内观察到振动上升，寿命存在大的波动。与之相对，在用Ni层和Cu层这两层构成基底层的被膜2中，所有试验轴承到试验中止仍未观察到振动上升，稳定地实现了长寿命化。可以认为这是由于通过使Cu层存在于Ag被膜与Ni层之间，从而进一步提升了Ag被膜的贴合性。
(试验3)
使用与试验1相同的满球角接触轴承，且在全部12个滚珠形成有Ag被膜。此时，如表3所示那样，改变Ag被膜和基底层的各膜厚，所有被膜都是用电镀法形成。需要说明的是，基底层从基材侧起依次为Ni层、Cu层这两层。与之相对，在内外圈的各滚道面利用溅射法以0.12μm的厚度来形成Cr被膜。
而且，制作试验轴承，并使用图2所示的真空中高温旋转试验机在相同条件下测定振动值，并求得寿命。虽然各被膜的试验轴承的数量不同，但表3示出平均寿命。另外，图3中，用图表示出Ag被膜和基底层的合计膜厚与平均寿命的关系。
[表3]
如表3和图3所示，如果合计膜厚超过1.0μm，则寿命变得极短。这是由于如果被膜过厚，则在滚珠彼此接触时形成凹凸，产生振动上升。
参照特定的实施方式来详细说明了本发明，但是对本领域技术人员来说显而易见的是在不超出本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种变更和修正。
本发明基于2017年2月2提出的日本专利申请(JP2017-17773)，本说明书参考并采用了其内容。
工业上的可利用性
本发明对在高真空、高温、无润滑的条件下使用且被用在还要求导电性的用途的滚动轴承能够实现声音特性的提升、长寿命化。

Claims (4)

1.一种滚动轴承，其特征在于，
内圈、外圈和滚动体都包含钢铁材料，并且，
在所述滚动体的表面形成有Ag被膜，并且，
在所述内圈和所述外圈中的至少一者的滚道面形成有Cr被膜。
2.一种滚动轴承，其特征在于，
内圈、外圈和滚动体都包含钢铁材料，并且，
在所述滚动体的表面形成有Cr被膜，并且，
在所述内圈和所述外圈中的至少一者的滚道面形成有Ag被膜。
3.如权利要求1或2所述的滚动轴承，其特征在于，
在所述Ag被膜与基材之间存在有基底层，该基底层从基材侧起依次包含Ni层和Cu层。
4.如权利要求1～3中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，
所述Ag被膜的膜厚或者所述Ag被膜与所述基底层的合计膜厚为1.0μm以下。
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