JP4746503B2 - モータ用電食防止転がり軸受 - Google Patents
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Description
また、絶縁被膜に用いられる樹脂材料は総じて金属と比較し、機械的物性や寸法安定性や、高温時の耐クリープ特性が大きく劣るため、これら特性を必要領域まで確保するために設計面での工夫を要し、転がり軸受製品の設計自由度を低下させる原因ともなっていた。さらに各転がり軸受品番ごとに専用の射出成型金型を準備する必要があり、製品の製造コスト面でも不利であった。
一方、絶縁被膜をセラミック系材料を用いた溶射被膜とした場合、樹脂被膜とは異なり、上記に示すような懸念事項は緩和される。また、樹脂材料よりも耐熱性にすぐれるため、運転時の温度上昇が比較的厳しい鉄道車両用のモータの転がり軸受に、好適な製品とすることができる。
また、封孔処理されたセラミック溶射被膜を有するモータ用電食防止転がり軸受における電食の発生を防ぐことができる部位が、転がり軸受と、少なくともハウジングまたは軸とが嵌合する面であることを特徴とする。
また、封孔処理するための封孔処理剤を構成するエポキシ基含有成分は、更に1分子中に含まれるエポキシ基の数が1個のモノグリシジルエーテル化合物を含むことを特徴とする。
図1はハウジングと嵌合する面である外輪外周面に封孔処理されたセラミック溶射被膜を形成したモータ用電食防止円筒ころ軸受の部分断面図である。
図1に示すように、モータ用電食防止転がり軸受は、内輪1と外輪2との間に保持器3に保持された複数のころ状の転動体4を介在させ、外輪2をハウジング5等に収納し、軸6を内輪1の内径に固定する軸受であって、外輪2の外周面2aに封孔処理されたセラミック溶射被膜7が形成されている。内輪1、外輪2および転動体4は、軸受鋼等の金属材からなる。
封孔処理されたセラミック溶射被膜7は、ハウジング5と嵌合する面、例えば外輪2の外径面a、この外径面aから幅面bにわたる範囲で、面取部cも含めた範囲の面に形成される。
上記のように、外輪とハウジング等とが接触する面、および、内輪と軸等とが接触する面の少なくとも一方に封孔処理されたセラミック溶射被膜7を形成することにより絶縁性能が担保され、電食を防ぐことができる。
図2に示すように、モータ用電食防止深溝玉軸受は、内輪1と外輪2との間に保持された複数のボール状の転動体4aを介在させ、外輪2をハウジング等(図示を省略)に、軸(図示を省略)を内輪1の内径に固定する軸受であって、外輪2の外周面および内輪1の内周面に封孔処理されたセラミック溶射被膜7が形成されている。内輪1、外輪2および転動体4aは、軸受鋼等の金属材からなる。なお、3は保持器、3aはシール部材、3bはグリースである。
溶射セラミックス被膜は、鋼等の基材金属の表面に酸化物セラミックス、炭化物サーメット等の溶射材を公知の溶射方法で形成する。
溶射材として用いる酸化物セラミックスとしてはアルミナ、ジルコニア、チタニア等を、炭化物サーメットとしてはクロム炭化物、タングステン炭化物等を、それぞれ挙げることができる。
なお、溶射セラミック被膜の形成において、溶射被膜と基材金属の密着性を高めるために、ニッケルなどの金属粉末を最下層に溶射することができる。また、溶射セラミック被膜が受ける外部からの機械的衝撃を緩和する目的で、金属被膜を最表層に形成することができる。
溶射方法としては、例えばプラズマ溶射法、高速ガス炎溶射法等を用いることができる。溶射被膜の膜厚は、溶射材料の種類や得られる溶射被膜被覆部材の用途に応じて適宜設定することができるが、通常、炭素鋼を基材として、溶射材をアルミナとした場合、20〜2000μm 程度、好ましくは 50〜1000μm 程度である。
例えば、後述する本発明で使用される封孔処理剤は、形成された溶射被膜の気孔率が 10%以下である場合の封孔処理に用いることが好ましい。また、該封孔処理剤は、溶射材としてセラミック粉末や炭化物サーメット等を用いてプラズマ溶射、高速ガス炎溶射法によって形成した溶射被膜の気孔率 10 %以下である場合の封孔処理に用いることが好ましい。該封孔処理剤を用いてこれら溶射被膜に封孔処理を施した場合、非常に優れた絶縁特性などの封孔効果を発揮し、表層を、例えば 200μm 程度、研削除去しても封孔効果を確認することができる。
ここで、溶射被膜の気孔(間隙)が「実質的に全て充填されている」とは、溶射被膜表面に塗膜形状で存在している封孔処理剤により形成された層(封孔処理剤に含まれる成分の硬化物などからなる)を含めた溶射被膜の最外層部分(例えば、表面から厚さ 0.2 mm程度)を研削・研磨して除去した後、JIS H 8666に基づく染色浸透試験において、着色が見られないことを意味する。
封孔処理方法としては、溶射被膜への封孔処理剤の塗布、封孔処理剤への溶射被膜の浸漬等、公知の方法を用いることができる。その後、所定の硬化条件で硬化することにより封孔処理されたセラミック溶射被膜を得ることができる。
上記エポキシ基含有成分は、1分子中に含まれるエポキシ基の数が3個以上のポリグリシジルエーテル化合物を必須成分とし、1分子中に含まれるエポキシ基の数が2個のアルキレンジグリシジルエーテル化合物および環状脂肪族ジエポキシ化合物から選ばれた少なくとも1つを含む混合物であり、上記エポキシ基含有成分は、硬化剤を除く、エポキシ基含有成分全体に対して、ポリグリシジルエーテル化合物の配合割合が 10〜80 重量%である。上記エポキシ基含有成分は、更に1分子中に含まれるエポキシ基の数が1個のモノグリシジルエーテル化合物を含むことができる。
複数のポリグリシジルエーテル化合物の混合物は、分子構造が類似するので相溶性に優れるため、相分離などが生じるおそれがないことから気孔内に容易に浸透することができる。このため溶射被膜材の封孔状態や経時的な封孔特性の劣化のおそれを回避でき、使用時における溶射被膜の剥離や亀裂発生などの破損を防止し、破損部位から侵入する通電物質の皮膜内への侵入を防ぐ。そして、軸受の内外輪間の電位差の発生を防ぐことで、軌道面および転動体表面への電食の発生を防ぐことで、結果的に鉄道車両用のモータの軸受の寿命を向上させることができる。
これは優れた浸透性および充填性により粒子境界に侵入した封孔処理剤が粒子境界を適切に充填し、優れた接着力により粒子境界と強固に接着し、かつ重合性ビニル基含有溶剤を含まないので、溶剤の揮発による空隙の発生を効果的に抑制することにより、溶射被膜材の間隙が実質的に全て充填されている状態まで封孔処理を施すことができたことによると考えられる。本発明はこのような知見に基づき完成されたものである。
これらの中で、封孔処理剤の粘度を下げる観点から、トリグリシジルエーテル化合物が好ましく、特にトリメチロールプロパンポリグリシジルエーテルが好ましい。
トリグリシジルエーテル化合物の 25℃における粘度は 500 mPa・s 以下であることが好ましい。500 mPa・s をこえると浸透性に劣る。
表1で用いた材料を以下に示す。
(1)グリシジルエーテル化合物または環状脂肪族ジエポキシ化合物
(1−1)トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル:ナガセケムテックス社製、デナコールEX−321L、粘度; 500 mPa・s (25℃)
(1−2)フェニレンジグリシジルエーテル:ナガセケムテックス社製、デナコールEX−201、粘度; 240 mPa・s (25℃)
(1−3)アルキレンジグリシジルエーテル:ジャパンエポキシレジン社製、YED216M、粘度; 15 mPa・s (25℃)
(1−4)アルキレンモノグリシジルエーテル:ジャパンエポキシレジン社製、YED111E、粘度; 7 mPa・s (25℃)
(1−5)環状脂肪族ジエポキシ化合物:ダイセル化学工業社製、セロキサイド3000、粘度; 10 mPa・s (25℃)
(2)エポキシ樹脂
(2−1)ビスフェノールF型エポキシ樹脂:ジャパンエポキシレジン社製、エピコート806、粘度; 2000 mPa・s (25℃)
(3)硬化剤、硬化促進剤
(3−1)酸無水物系硬化剤:大日本インキ化学工業社製、エピクロンB−570、粘度; 40 mPa・s (25℃)
(3−2)イミダゾール系硬化促進剤:四国化成工業社製、OR−2E4MZ
(4)重合性ビニル基含有溶剤
(4−1)スチレンモノマー:和光純薬社製、試薬
<焼成後重量減少率試験>
得られた封孔処理剤を、140℃×2 時間の条件で充分に乾燥させ、異物付着のない(容量 3 ml )のガラス製容器に約 2 g 秤量し、焼成前秤量値とした。その後、ガラス容器の口を開放したまま、80℃×1 時間予備焼成し、その後 120℃×2 時間焼成を行ない、焼成後の重量を測定し焼成後秤量値とし、下記の式にしたがって封孔処理剤の重量減少率を計測した。測定結果を表1に示す。なお、測定結果に対する判定基準は、重量減少率が 1 %をこえると溶射被膜に残存する微小空隙内で硬化後に空隙部を生じたり、発生ガスによって硬化物中の残留気泡の発生が多くなったりする懸念があるため「不可」と判定され、1 %以下を「可」と判定できる。また、「未硬化」は上記焼成条件において固体状にならなかった場合である。
焼成後重量減少率(%)=100×(焼成前秤量値−焼成後秤量値)/焼成前秤量値
溶射面の表面に室温雰囲気下において、ポリアミド製ブラシを用いて表1に示す封孔処理剤を塗布し 30 分静置した。その後ポリエチレン製のヘラで表面付着分の過剰な封孔処理剤を掻き取った状態をもって、封孔処理剤の塗布済み試験片とした。その後、これら塗布済み試験片を 80℃×1 時間予備焼成し、その後 120℃×2 時間焼成を行ない、封孔処理剤を硬化させた。次に、セラミック平面と平行にダイヤモンド砥石を用いて研削除去を行なった。研削除去量は、下記に示す2水準を設定した。
(1)表層部の硬化樹脂層を重点的に除去する目的でセラミック部を約 10 μm 研削除去した。
(2)硬化試験片の表面から約 200 μm の深さまでの樹脂浸透層を除去する目的で、約 200 μm 研削除去した。
表面を研削除去して得られた硬化試験片を用いて以下に示す浸透性試験、密着力試験、絶縁抵抗試験、耐電圧特性試験により浸透性、密着力、絶縁抵抗値、耐電圧特性を測定した。
硬化試験片の浸透性試験は、封封孔処理を施した硬化試験片基材8の被膜面9に対しJIS H 8666に基づくフェロキシル試験を適用して行なった。フェロキシル試験の概略を図3に示す。試験条件は、図3に示す試験液を浸漬させたろ紙10、スズ板11、ウエイト12の形状が試験片に合わせたもの(φ16 mm )となっている点を除き、試験液組成、試験面圧、放置時間等の条件はすべてJIS H 8666に準拠した。ろ紙10が着色することは、溶射被膜9に試験片基材8と外部空間とを連結する連通孔があるため、フェロキシル試験溶液が試験片基材8の鉄イオンに接触して青色に呈色したことを示す。判定基準は、元来白色であったろ紙10の表面に青色の斑点が 1 個以上見られたものを「斑点あり」とし、青色の斑点が 0 個であったものを「斑点無し」とし、浸透性測定結果を表1に併記する。
密着力試験の概略を図4に示す。焼成後の表層部分を 200μm 研削除去した硬化試験片基材8に対し、高粘度エポキシ系接着剤を介して引張治具13(接着部の形状:φ16 mm )をエポキシ接着面9aで接着し、引張圧縮試験機にて矢印方向に引っ張って単位面積あたりの溶射被膜9の密着力を測定した。測定結果を表1に併記する。判定基準は、密着力が 2 MPa 以上で「可」、2 MPa より下回ると「不可」と判定される。
絶縁抵抗試験の概略を図5に示す。硬化試験片基材8を 80℃の温水に 1 時間浸漬後、配線16に取り付けた 1000 V DC絶縁抵抗計15を用いて、溶射被膜9表面と試験片基材8間の絶縁抵抗を測定した。14は電極である。測定結果を表1に併記する。判定基準は、2000 MΩ以上(表中に>2000 として表示)の抵抗率を示す場合は「可」、2000 MΩより下回る抵抗率の場合は「不可」と判定される。
耐電圧特性試験の概略を図6に示す。溶射被膜9と試験片基材8との間の配線16に取り付けた高電圧発生装置17によりDC 5 kV の電圧を印加してモニタ18により耐電圧特性を評価した。14は電極である。測定結果を表1に併記する。判定基準は、DC 5 kV を 5 分間印加させ、絶縁破壊を生じなかったら「可」、絶縁破壊を生じた場合「不可」とした。
製作方法の詳細を下記に示す。
(1)6204軸受外輪試験片を準備し、石油ベンジンを用い防錆油などを異物を充分に除去する。
(2)外輪内周面にショットブラスト粉が入り込まないように、円盤状のマスキング治具を取付け、回転装置に軸受試験片を取付ける。
(3)軸受試験片を 10 rpm で回転させながら、円筒外周面および両側の端面にアルミナセラミック溶射被膜を大気プラズマ溶射法により、膜厚が 400 μm となるように形成した。なお、この時、軸受内部より乾燥空気を吹きつけ冷却を行なった。
(4)マスキング治具とワークとの間をダイヤモンド砥石で縁切りし、マスキング治具を分離する。
(5)軸受試験片の溶射面の表面に室温雰囲気下において、ポリアミド製ブラシを用いて表1に示す各封孔処理剤を塗布し 30 分静置した。その後ポリエチレン製のヘラで表面付着分の過剰な封孔処理剤を掻き取る。その後、これら試験片を 80℃×1 時間予備焼成し、その後 120℃×2 時間焼成を行ない、封孔処理剤を硬化させた。
(6)ダイヤモンド砥石を用いて軸受試験片の外形および幅面の研削除去を行なった。研削による溶射面の除去量は、約 200 μm とした。
軸受試験片の外径および幅面の表面を研削除去して得られた試験片を用い、以下に示す絶縁抵抗試験および耐電圧特性試験を行なった。
軸受試験片による絶縁抵抗試験の概略を図7に示す。軸受試験片19を 80℃の温水に 1 時間浸漬後乾燥布で拭取り、常温まで放冷後、締め代 20 μm となるようなハウジング5aに圧入し、幅面固定蓋20をボルト止めして固定する。配線16に取り付けた 1000 V DC絶縁抵抗計15を用いて、軸受試験片19とハウジング5a間の絶縁抵抗を測定した。測定結果を表1に併記する。判定基準は、2000MΩ以上(表中に>2000 として表示)の抵抗率を示す場合は「可」、2000 MΩより下回る抵抗率の場合は「不可」と判定される。
耐電圧特性試験の基本的な構成は、上記軸受試験片による絶縁抵抗試験と同様であるため図示を省略する。軸受試験片19をハウジング5aに取り付け、両部材間に取り付けた高電圧発生装置17によりDC 3 kV の電圧を印加してモニタにより耐電圧特性を評価した。測定結果を表1に併記する。判定基準は、DC 3 kV を1 分間印加させ、絶縁破壊を生じなかったら「可」、絶縁破壊を生じた場合「不可」とした。
また、各実施例の試験片は何れも 10 分間安定して絶縁性が維持されたが、全ての比較例の試験片は、電圧印加の直後に火花放電が生じ、絶縁破壊が生じた。
2 外輪
3 保持器
4 転動体
5 ハウジング
6 軸
7 封孔処理されたセラミック溶射被膜
8 試験片基材
9 封孔処理済み溶射被膜
10 フェロキシル試験溶液付きろ紙
11 スズ板
12 ウェイト
13 引張治具
14 電極
15 絶縁抵抗計
16 配線
17 高電圧発生装置
18 モニタ
19 軸受試験片
20 幅面固定蓋
Claims (3)
- 鉄道車両用モータに用いられる転がり軸受の軌道面および転動体の表面に生じる電食の発生を防ぐことができる部位に封孔処理されたセラミック溶射被膜を有するモータ用電食防止転がり軸受であって、
前記封孔処理するための封孔処理剤は、エポキシ基含有成分と硬化剤とを含み、重合性ビニル基含有溶剤を含まず、前記エポキシ基含有成分は、1分子中に含まれるエポキシ基の数が3個以上のポリグリシジルエーテル化合物を必須成分とし、1分子中に含まれるエポキシ基の数が2個のアルキレンジグリシジルエーテル化合物および環状脂肪族ジエポキシ化合物から選ばれた少なくとも1つを含む混合物であり、前記硬化剤を除く、前記エポキシ基含有成分全体に対して、ポリグリシジルエーテル化合物が 10〜80 重量%配合された封孔処理剤であることを特徴とするモータ用電食防止転がり軸受。 - 前記電食の発生を防ぐことができる部位は、前記転がり軸受と、少なくともハウジングまたは軸とが嵌合する面であることを特徴とする請求項1記載のモータ用電食防止転がり軸受。
- 前記エポキシ基含有成分は、更に1分子中に含まれるエポキシ基の数が1個のモノグリシジルエーテル化合物を含むことを特徴とする請求項1記載のモータ用電食防止転がり軸受。
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