JP3666532B2

JP3666532B2 - 真空高温環境用転がり軸受およびその製造方法

Info

Publication number: JP3666532B2
Application number: JP00862297A
Authority: JP
Inventors: 一徳林田
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JPH10205541A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、特に真空環境、高温環境あるいは高荷重条件下で用いるのに有利な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような環境では、転がり軸受の潤滑剤として、一般的に、金、銀、鉛などの軟質金属や、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどを用いることが考えられている。これらは、軸受構成要素に対してスパッタリングなどで膜状に形成される。なお、二硫化モリブデン、二硫化タングステンにあっては、それらを金属または合金に添加した焼結合金とし、これを転がり軸受の保持器の素材とすることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したような被膜の場合では、摺接動作により剥がれやすいため、短寿命となる。そこで、膜厚を厚く設定すると、被膜そのものが比較的軟質であるために、摩擦係数の変動が大きく、摩耗むらを生じるなど、トルクが不安定になりやすいことが指摘される。
【０００４】
一方、保持器の素材を焼結合金とした場合では、上述した被膜の不具合はないものの、機械加工性が悪くて、脆いという欠点があり、使用時に割れやすい他、大気中での摩耗がきわめて大きくて摩擦音が大きいことなどが指摘される。
【０００５】
したがって、本発明は、転がり軸受において、トルク安定化と長寿命化を図ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の真空高温環境用転がり軸受は、保持器を有する真空高温環境用転がり軸受であって、少なくとも保持器の摺接面に、４５〜６０ｖｏｌ％の無機系バインダーに固体潤滑剤としての二硫化タングステンを４０〜５０ｖｏｌ％ならびに酸化抑制剤としてのふっ化物を２〜１０ｖｏｌ％添加してなり、摺接対象の転動体の表面粗度よりも粗く表面粗度Ｒｚ２μｍ以下の被膜が形成されており、前記無機系バインダーは、珪酸塩であり、前記ふっ化物は、ふっ化カルシウムまたはふっ化バリウムの少なくともいずれか一方とされている。
【０００８】
本発明の第２の真空高温環境用転がり軸受は、被膜に酸化アンチモンを添加したものである。
【０００９】
本発明の真空高温環境用転がり軸受の製造方法は、保持器表面粗度Ｒｚを６〜１０μｍに仕上げ、この表面に無機系バインダと二硫化タングステンとふっ化物を含む被膜組成溶液を複数回塗付し、２４０〜４５０℃の温度で加熱焼成するものである。
【００１０】
このように、本発明では、要するに、被膜の形態をとりながら、従来例で指摘したような被膜の不具合を解消するようにしている。本発明での被膜は、無機系バインダーをベースとするものであるから、形成対象の摺接面の表面が比較的硬質となっている。また、被膜の二硫化タングステンが潤滑性に優れたものである。さらに、被膜のふっ化物が酸化を抑制する。これらの相乗により、摺接時の摩擦係数が小さくなるとともに摩擦係数の変動が小さくなり、摩耗むらが発生しにくくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を、図１ないし図５に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１ないし図４は本発明の一実施形態にかかり、図１は転がり軸受の上半分の縦断面図、図２は、被膜の摩擦係数の試験結果を示すグラフ、図３は、転がり軸受の寿命試験に用いる試験装置の概略構成図、図４は、転がり軸受の寿命の試験結果を示すグラフである。
【００１３】
図１は転がり軸受の全体を示しており、ここでは深溝型玉軸受を例に挙げている。図中、１は内輪、２は外輪、３は転動体としてのボール、４は保持器、５は被膜である。この実施形態では、被膜５は保持器４の表面全面にのみ被覆形成している。
【００１４】
被膜５は、無機系バインダーに二硫化タングステン（ＷＳ₂）ならびにふっ化物を添加したものであるが、ここでは膜の安定化剤として酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）を添加している。前述の無機系バインダーは、珪酸塩（珪酸ナトリウム）とし、また、ふっ化物は、ふっ化カルシウム（ＣａＦ₂）またはふっ化バリウム（ＢａＦ₂）の少なくともいずれか一方とするのが好ましい。具体的に、被膜５の組成について説明する。珪酸塩を４５〜６０〔Ｖｏｌ％〕、二硫化タングステンを４０〜５０〔Ｖｏｌ％〕、ふっ化カルシウムを１〜５〔Ｖｏｌ％〕、ふっ化バリウム１〜５〔Ｖｏｌ％〕、安定化剤として酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）を１〜５〔Ｖｏｌ％〕としている。そして、被膜５の厚みは、少なくとも保持器４の表面の凹凸をならし、潤滑性能、被膜５の強度に問題が生じない程度、例えば１０〜２０μｍに設定する。なお、被膜５の膜厚が、１０μｍ未満になると摩耗により早期に被膜が消失してしまい軸受の寿命が短くなってしまう。一方、被膜５の膜厚を２０μｍよりも厚くすると被膜がもろくなり、はがれやすくなるためにトルクが不安定になったり、寿命が短くなってしまう。
【００１５】
ところで、内・外輪１，２およびボール３は、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼、例えばＪＩＳ規格ＳＫＨ４などの高速度工具鋼、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ６３０などの析出硬化型ステンレス鋼に適当な硬化熱処理を施したものとすることができる。また、軽荷重用途では、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼とすることができる。また、内・外輪１，２およびボール３は、前述した金属材の他にセラミックス材とすることができる。このセラミックス材としては、焼結助剤として、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、その他、適宜、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）を用いた窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主体とするものの他、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、窒化アルミ（ＡｌＮ）などを用いることができる。
【００１６】
保持器４は、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼とすることができる。この他、保持器４は、黄銅、チタン材の他、耐熱性に優れたポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミドなどの合成樹脂などとすることができる。合成樹脂にはガラス繊維などの強化繊維が添加されていてもよい。保持器４の形式としては、図示する波型の他、冠型、もみ抜き型などが好適に用いられる。
【００１７】
次に、上述した被膜５の形成方法の一例を説明する。
【００１８】
（ａ）被膜５の形成対象となる保持器４をそれぞれ脱脂する。保持器４として、波型にプレス加工したものとする場合、保持器４は、プレス後にバリ取り用のバレル研磨処理を施している。なお、保持器４に対してサンドブラストを施して表面粗度〔Ｒｚ〕を６〜１０μｍにすることにより、保持器４の表面に対する被膜５の付着力をさらに高めるようにしてもよい。
【００１９】
（ｂ）被膜５の付着性を高めるために、被膜５の付着前に保持器４を加熱しておく。この保持器４の表面全面に、上述した成分の溶液を複数回繰り返してスプレーすることにより塗布する。これは、いわゆるボンデッドフィルム法と呼ばれる塗布方法であり、溶液の各添加剤がスプレー面にほぼ均等に拡散した状態になる。
【００２０】
（ｃ）前記塗布した被膜を２４０〜４５０℃の温度で約９０〜１２０分間にわたって加熱焼成することにより保持器４に対して定着させる。
【００２１】
そして、必要に応じて上記（ｂ）、（ｃ）を数回繰り返し、最終的に被膜５の膜厚を例えば１０〜２０μｍとする。また、被膜５の表面粗度〔Ｒｚ〕は２μｍ以下となっており、ボール３の表面粗度〔Ｒｚ〕の０．１μｍ以下よりも粗いため、ボール３との摺接によって効率的に被膜５がボール３の表面に転移してゆく。
【００２２】
次に、被膜５について摩擦試験により評価しているので、説明する。この摩擦試験は、周知のボールオンディスク試験、つまり試料に対してボールを押し付けて試料を回転させたときの摩擦係数を測定するものである。
【００２３】
試験は、実施例と比較例１〜４の計５つについて行っている。実施例と比較例１〜４との相違は、下記表１に示すように、被膜５の成分である。表１における数値の単位は、〔Ｖｏｌ％〕である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
試料は、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４の平板とし、この表面に上述した各被膜５を約１０μｍの膜厚で被覆形成する。ボールは、直径１／４”のＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃとする。試験条件は、下記のとおり。
【００２６】

試験結果としては、図２のグラフに示すように、実施例が比較例１〜４に比べて室温および高温での摩擦係数が最も小さく安定したものとなった。つまり、室温では、実施例および比較例１，２の３つが同レベルであるものの、高温では、実施例が最も小さいレベルである。この結果は、実施例の被膜５の成分つまり、比較的硬質な無機系バインダーとしての珪酸塩と、潤滑性に優れる二硫化タングステンと、酸化抑制作用を有するふっ化物としてのふっ化カルシウムおよびふっ化バリウムとの組み合わせの相乗効果によるものと考えられる。
【００２７】
さらに、被膜５について実使用状況で評価しているので、説明する。ここでは、図３に示す試験装置を用いて転がり軸受の寿命試験を行っている。図中、５０は被試験軸受、５１は回転軸、５２はケーシング、５３は磁性流体シール、５４は回転トルク計測器、５５はアキシャル荷重付加用のコイルバネである。
【００２８】
試験は、実施例と比較例１の２つについて行っている。試験軸受は、内径寸法φ9.525mm、外径寸法φ22.225mm、軸方向幅7.142mmのものを用い、内・外輪およびボールをＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、保持器全面に被膜５を被覆する。被膜５は、上記表１の実施例と比較例１とする。試験条件は、下記のとおり。
【００２９】

試験結果としては、図４に示すように、実施例だと、荷重Ｆａ１４７Ｎのとき２００時間、荷重Ｆａ５８８Ｎのとき１００時間についてトルクが安定したまま経過したが、比較例１だと、荷重Ｆａ１４７Ｎのとき１１９時間、荷重Ｆａ５８８Ｎのとき４７時間でトルクが上昇した。この比較例１では、トルク上昇時点で転がり軸受を調べると、内・外輪の軌道面とボール表面とに摩耗が認められた。これらは高温（３００℃）での試験結果であるが、室温の場合は特に有効であることは言うまでもない。
【００３０】
以上のことから、本発明の被膜５は、▲１▼硬質であって摺接時の摩耗が必要最小限に抑制される、▲２▼摺接部位の潤滑性が良好になる、▲３▼摺接に伴い発生する最小限の摩耗粉が他の摺接部位や転動部位に転移して潤滑性を発揮する、▲４▼酸化を抑制して潤滑性を長期間継続する、などの優れた効果を発揮するので、トルク安定化と長寿命化とを達成できる。この他、上記実施形態では、保持器４のみに被膜５を形成し、回転に伴ってボール３と内・外輪１，２との間へ保持器４の被膜５から必要量だけ転移供給させるようにしているから、被膜５の摩耗が必要以上に発生せずに済むようになるなど、発塵量を抑制できるようになる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００３２】
（１）上記実施形態では、軸受形式を深溝型玉軸受としているが、その他の軸受形式にも本発明を適用できる。また、シールド板やリップ付きシールリングなどの密封部材を装着してもよい。
【００３３】
（２）被膜５は、保持器４の表面全面に形成する例を挙げているが、保持器４のポケット内面のみに被膜５を形成してもよい。その場合でも上記試験結果と近似したものになる。この場合、被膜５の形成は、保持器４のポケット内面を除く部分をマスキングする必要がある。
【００３４】
（３）被膜５は、保持器４にのみ形成する例を挙げているが、内・外輪１，２の少なくとも軌道面や、ボール３の表面に形成するようにしてもよい。例えば、図５に示すように、内・外輪１，２、ボール３、保持器４のすべてに被膜５を形成してもよい。但し、このようにする場合には、付着性を考慮して内・外輪、ボール、保持器それぞれの材質にあった被膜材質としたほうがよい。また、摺接する相互面に被膜を付けるときには、被膜が厚くなりすぎてトルク性能に影響が出ないよう被膜を薄めにしたほうがよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明では、▲１▼硬質であって摺接時の摩耗が必要最小限に抑制される、▲２▼摺接部位の潤滑性が良好になる、▲３▼摺接に伴い発生する最小限の摩耗粉が他の摺接部位や転動部位に転移して潤滑性を発揮する、▲４▼酸化を抑制して潤滑性を長期間継続する、などの優れた効果を発揮する被膜を備えているので、転がり軸受のトルク安定化と長寿命化とを達成できる。しかも、前述の被膜は、上記実施形態での試験結果から明らかなように、真空、高温、高荷重条件下においても優れた効果を発揮する。
【００３６】
特に、保持器のみに被膜を形成した場合にあっては、回転に伴って転動体と軌道輪との間へ被膜から必要量だけ転移供給できるようになるから、摩耗が必要以上に発生せずに済むようになるなど、発塵量を抑制できるようになる。したがって、例えば半導体製造過程のように高精度な加工が要求されるところに本発明の転がり軸受を用いると、清浄雰囲気を阻害しにくくなるので、半導体製造品の歩留まり向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の転がり軸受の上半分の縦断面図
【図２】被膜の摩擦係数の試験結果を示すグラフ
【図３】転がり軸受の寿命試験に用いる試験装置の概略構成図
【図４】転がり軸受の寿命の試験結果を示すグラフ
【図５】本発明の他の実施形態の転がり軸受の上半分の縦断面図
【符号の説明】
１内輪
２外輪
３ボール
４保持器
５被膜

Claims

保持器を有する真空高温環境用転がり軸受であって、少なくとも保持器の摺接面に、４５〜６０ｖｏｌ％の無機系バインダーに固体潤滑剤としての二硫化タングステンを４０〜５０ｖｏｌ％ならびに酸化抑制剤としてのふっ化物を２〜１０ｖｏｌ％添加してなり、摺接対象の転動体の表面粗度よりも粗く表面粗度Ｒｚ２μｍ以下の被膜が形成されており、前記無機系バインダーは、珪酸塩であり、前記ふっ化物は、ふっ化カルシウムまたはふっ化バリウムの少なくともいずれか一方とされる、ことを特徴とする真空高温用転がり軸受。
前記被膜に酸化アンチモンを添加した請求項１に記載の真空高温用転がり軸受。
保持器表面粗度Ｒｚを６〜１０μｍに仕上げ、この表面に無機系バインダーと二硫化タングステンとふっ化物を含む被膜組成溶液を複数回塗布し、２４０〜４５０℃の温度で加熱焼成することを特徴とする真空高温環境用転がり軸受の製造方法。