JP3614508B2 - Linear motion bearing - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、直動型軸受に係り、特に清浄環境等で用いるのに好適な直動型軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】
前述の環境として、例えば半導体製造装置内部に配設される搬送系などが挙げられるが、このような環境では、直動型軸受からの発塵が問題となる。
【0003】
そのため、潤滑剤として、グリースに比べ低発塵である固体潤滑剤(金、銀、鉛、銅などの軟質金属、カーボンや二硫化モリブデンなど)が用いられる。この固体潤滑剤は、レールおよび移動体の軌道面や転動体の表面などに、膜状にコーティングされる。
【0004】
この他、転動体の転動、摺動に伴う摩耗粉の発生を抑制するために、転動体をセラミックスで形成することが考えられる。このセラミックスとして、本願出願人は、高密度かつ高強度な高品位なものを製作するようにしている。このような高品位なセラミックスとするには、不純物濃度を低くするとともに気孔率を小さくすることが重要となる。
【0005】
ここで、本願出願人が現在実施しているセラミックス部品の製造方法を簡単に説明する。
【0006】
まず、平均粒径0.2μmのα型の窒化けい素の粉末(高グレード品例えば株式会社宇部興産の品種番号E−10)に対してイットリア(Y2O3),アルミナ(Al2O3),窒化アルミ(AlN),チタニア(TiO2)などの焼結助剤を10重量%以下添加する。これにバインダーを混入して金型に充填した状態で単軸圧縮することにより成形する。この成形品を最終形状に近い状態に加工するとともにバインダーなどの有機物を除去してから、いわゆるHP(ホット・プレス)、HIP(ホット・アイソスタティック・プレス)と称する手法により焼結する。この焼結体の転動面や摺動面に対して超仕上げ加工を施す。HP、HIPでは、焼結時に1000気圧もの高い圧力をかける。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来のセラミックスでは、原料コストや製造コストが高くつくことが原因で、製品価格が非常に高くなる。
【0008】
このように従来では、高品位のセラミックスを形成しようとするあまり、価格が高価になっており、そのために、使用対象が制限されることになっていた。
【0009】
したがって、本発明の目的は、直動型軸受において、発塵を抑制できるような構成としながら、価格低減を図ることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の直動型軸受は、軸状のレールと、それに外嵌される筒状の移動体と、レールと移動体との間に配置されてそれらの相対的なスライド動作に伴い転動循環される複数の転動体とを備え、前記レールおよび移動体が金属で形成され、転動体がセラミックスで形成されている直動型軸受であって、前記セラミックス製の転動体が、平均粒径0.2〜1μmの窒化けい素の粉末に対して少なくともY2O3,Al2O3などの焼結助剤が5〜20重量%添加された材料を、1〜10気圧の圧力下で焼結した焼結体からなるとともに、前記セラミックス製の転動体の表面に開口するポアの大きさが20〜30μmである。
また、本発明の直動型軸受は、軸状のレールと、それに外嵌される筒状の移動体と、レールと移動体との間に配置されてそれらの相対的なスライド動作に伴い転動循環される複数の転動体とを備え、前記レールおよび移動体が金属で形成され、転動体がセラミックスで形成されている直動型軸受であって、前記セラミックス製の転動体が、平均粒径0.2〜1μmの窒化けい素の粉末に対して少なくともY 2 O 3 ,Al 2 O 3 などの焼結助剤が5〜20重量%添加された材料を、1〜10気圧の圧力下で焼結した焼結体からなるとともに、前記セラミックス製の転動体の表面に開口するポアの大きさが1〜15μmである。
【0011】
【作用】
転動体は、窒化けい素の粉末の焼結時に従来例で引用したHP、HIPなどのように1000気圧もの高い圧力をかけずに1〜10気圧の比較的低い圧力をかけるだけと簡易に済ませることにより、形成されている。その密度や強度については、従来の高品位セラミックスに比べると若干低くなるものの、実用上十分な強度を有する。なお、焼結助剤の量が5重量%未満の場合には、焼結不良となり、また20重量%を超えると母材の窒化けい素の量が相対的に少なくなり、十分な強度が得られない。さらには、9〜14重量%の範囲のものが、焼結性と強度上から好適に用いられる。焼結圧としては1〜10気圧程度であれば、比較的安価な圧力容器で達成されるので、従来のように大掛かりで高価な装置が必要でなくなる。
【0012】
このように、本発明では、製造コストを削減することにより、従来の高品位セラミックスよりも製品価格を低く抑えるようにしている。
【0013】
また、焼結体には、表面に開口するポアが存在するから、それが潤滑膜の摩耗粉をトラップして貯溜するようになる。これにより、発塵要素が低減するだけでなく、潤滑性の長期継続が期待できるようになる。
【0014】
さらに、本発明では、従来の高品位セラミックスのような高品質な原料(窒化けい素の粉末の平均粒径の細かいもの)を用いたり、あるいは比較的低品質な原料(窒化けい素の粉末の平均粒径の粗いもの)を用いることができる。低品質な原料は、高品質な原料に比べて安価(約半値)であるから、製品価格の一層の低減に貢献できる。
【0015】
【実施例】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施例に基づいて説明する。図1ないし図3は本発明の一実施例にかかり、図1は、直動型玉軸受の縦断面図、図2は、図1の横断面図、図3は、レールの横断面図である。
【0016】
図中、Aは直動型玉軸受、1は円筒形の軸からなるレール、2は円筒部材からなる移動体、3はプレス製の保持器、4はボール、5は保持筒である。
【0017】
レール1は、JIS規格SUS440C製でなり、その外周面の円周六箇所に軸方向に沿う直線状の溝6が全長に及んで設けられている。
【0018】
移動体2は、同じくJIS規格SUS440C製でなり、その内周面の軸方向中間領域の円周六箇所にはレール1の近接する溝6に径方向で対向するようにそれぞれ負荷循環ボール列および無負荷循環ボール列用の軌道溝91,92が設けられている。
【0019】
保持器3は、JIS規格SUS304製でなり、移動体2の内周面の一部に沿うように湾曲加工された円筒形状をなす。その両端部分は、保持筒5により支持されている。中央領域に各々六条の横長の環状溝31,32が対称的に設けられている。環状溝31の直線部分は底が貫通されて底無しとされて負荷循環ボール列41用とされている。環状溝32は底有りとされて無負荷循環ボール列42用とされている。
【0020】
前述のレール1側と移動体2側の対向する二つの直線状の溝6,91がそれぞれ対となって合計六本の負荷用ボール転送路12を構成している。このボール転送路12に存在するボール4群は、保持器3の環状溝31の底無し直線部に位置する。また、移動体2の溝92と保持器3の環状溝32の底有り部とが対となって合計六本の無負荷用ボール循環路13を構成している。これら、六本のボール転送路12それぞれとそれに近い側に隣り合う六本のボール循環路13それぞれとが一本ずつ連通連結されていて、それでボール循環回路を構成している。このため、レール1と移動体2との相対的な軸方向スライド動作に伴って、このボール転送路12とボール循環路13との間でボール4群が転動循環されるようになっている。
【0021】
ところで、レール1の溝6と移動体2の溝91の横断面は、サーキュレータアーク状に形成されるが、その他、ゴチックアーチ状でもよい。この場合、溝の横断面は、それぞれV字形状に形成されていて、対向する一対の溝6,91でボール4が四点接触支持されるようになる。この溝6,91それぞれの二つの斜面はそれぞれ緩やかな曲面に形成される。なお、レール1の溝6それぞれにボール4をあてがった状態でのボール4群の外接円径と、移動体2の溝91それぞれにボール4をあてがった状態でのボール4群の内接円径との差を調整して所定の予圧を付加することにより、一対の溝6,91でボール4を四点接触支持させるようにされる。
【0022】
前述のレール1および移動体2は、耐食性材料により形成されている。この耐食性材料としては、例えば上述のJIS規格SUS440Cなどのマルテンサイト系ステンレス鋼の他、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金属材などが挙げられる。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でもよい。また、保持器3は、例えばJIS規格SUS304の他、黄銅、チタン材などが好適に用いられるが、合成樹脂材料とすることもできる。この合成樹脂材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと略称する)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)などのふっ素系樹脂やポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ナイロン46などのエンジニアリングプラスチックスなどの使用も可能である。これらの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。
【0023】
これらのレール1の溝6、移動体2の溝91および保持器3の環状溝32には、図示しないが潤滑膜が被覆形成される。なお、レール1の外周面全面に潤滑膜を形成してもよい。この潤滑膜としては、金、銀、鉛、MoS2、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、グラファイトなどの固体潤滑剤が挙げられる。なお、パーフルオロポリエーテル(PFPF)などの潤滑油の薄膜とすることもできる。
【0024】
なお、ボール4は、セラミックス材により形成される。このセラミックス材としては、下記詳細に説明する。
【0025】
このような材料で直動型玉軸受Aの各構成要素を形成すれば、例えば半導体製造装置などにおいて用いられるハロゲン系腐食性ガスに対しても、腐食せずに済むようになるとともに、使用環境での発塵をも低減できるようになる。
【0026】
次に、上述したセラミックス製のボール4に関する製造方法を具体的に説明する。
【0027】
▲1▼ 原料としては比較的低品質なものを用いる。原料である平均粒径0.5〜1μmのα型の窒化けい素の粉末(例えば電気化学工業株式会社の品種番号SN−9FW)に対してイットリア(Y2O3),アルミナ(Al2O3),窒化アルミ(AlN),チタニア(TiO2)などの焼結助剤を5〜20重量%添加し、これを適当な混合機(ボールミル)でもって有機溶剤または水を用いて均一に混合する(調合工程)。
【0028】
▲2▼ 混合されたスラリーにバインダーを混入して、一定粒径の球状粒子を製造する(乾燥造粒工程)。
【0029】
▲3▼ 造粒粉末を単純形状の金型に充填した状態で単軸圧縮する(成形工程)。なお、ここで成形品を所望形状とする金型を用いれば、下記▲4▼の一次加工工程を省略することができる。
【0030】
▲4▼ この成形品をボール4に応じて最終形状に近い状態に加工する(一次加工工程)。
【0031】
▲5▼ 加工したものを脱脂炉内で徐々に加熱し、脱脂対象品からバインダーなどの有機物を分解あるいは揮発させて除去する(脱脂工程)。
【0032】
▲6▼ 脱脂したものを1〜10気圧の圧力下で焼結する(焼結工程)。焼結温度や焼結時間は、1800℃、2〜4時間である。なお、焼結によって、成形品が所定の割合で収縮するものの、この収縮量は、比重を計れば容易に把握でき、ベースとする素材や助剤の混合比によって適宜調整できる。
【0033】
▲7▼ この焼結体の転動面や摺動面に対して超仕上げ加工を施し、最終製品の寸法、表面状態とする(二次加工工程)。この超仕上げ加工では、表面粗さをRZで約0.1〜0.8μmにまでできる。
【0034】
▲8▼ 最終製品の表面のクラックやピンホールなどの発生の有無を蛍光浸透探傷で検査する。
【0035】
このような製造方法により得られるものを低品位セラミックスと称する。この低品位セラミックスと、従来例の製造方法により得られる高品位セラミックスとの物性を調べたので、下記表1に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
密度は、アルキメデス方法により測定している。硬度、破壊靭性値は、ビッカース硬度計を用いて測定しており、硬度は図4に示すビッカース圧痕の対角線の長さから算出し、破壊靭性値KICは、IF(Indention Fracture)法により下記する新原の式を用いて算出する。曲げ強度は、直接材料の強度を測定するもので、JIS R 1601規格の3点曲げ強度試験方法を用いている。
【0038】
新原の式=0.0114E0.4P0.6a−0.7(C/a−1)−0.5
但し、Pは荷重(Kgf)、dは圧痕の対角線長(mm)、Eはヤング率(Kgf/mm2 )、Cは圧痕の中心点から亀裂の長さ(mm)、aは圧痕の対角線長の1/2(mm)である。
【0039】
ところで、上記製造方法の▲1▼の工程において、従来の高品質な原料を用いてもよい。この高品質な原料とは、例えば平均粒径0.2μmのα型の窒化けい素の粉末(高グレード品例えば株式会社宇部興産の品種番号E−10)に対してイットリア(Y2O3),アルミナ(Al2O3),窒化アルミ(AlN),チタニア(TiO2)などの焼結助剤を10重量%以下添加したものである。この高品質な原料を用いて上記▲2▼〜▲8▼のような処理を施したものを、中品位セラミックスと称する。
【0040】
この中品位セラミックス製のボールについて下記試験により評価する。試験は、ボールのスラスト試験、ラジアル試験を行った。
【0041】
スラスト試験では、図5に示すようなスラスト軸受において、玉サイズを3/8インチ、1/4インチの2種類とし、油浴潤滑とし、軸の回転数を1200rpmとし、面圧を3/8インチのものは291kgf/mm2(2.85GPa)、1/4インチのものは319kgf/mm2(3.13GPa)とした。いずれのサイズのボールも、1000時間で打ち切ったが剥離などの異常はなかった。
【0042】
ラジアル試験では、図6に示すようなラジアル試験機を用いる。試験軸受は、呼び番号#6206のラジアル玉軸受とし、油浴潤滑とし、回転数を6000rpmとし、面圧を335kgf/mm2(3.28GPa)とした。400時間で打ち切ったがボールに剥離などの異常がなかった。
【0043】
このような試験より、直動型玉軸受のボールを安価な中品位セラミックスとしても、優れた特性を発揮することがわかった。但し、その場合、最大接触応力を所要以下(安全を考慮して250kgf/mm2以下)に規制するのが好ましい。低品位セラミックスについても、前述の評価試験を行っていないが、前述の物性評価によりほぼ同様になるものと考えられる。
【0044】
そして、低品位、中品位セラミックスは、従来例で説明した製造方法で製造される高品位セラミックスに比べて密度が若干低下するため、その内部や表面にポアが点在するようになる。低品位セラミックスの場合、ポアの大きさが約20〜30μmに、また、中品位セラミックスの場合、低品位セラミックスに比べてポアの大きさが約1〜15μmと小さくなり、その点在量が少なくなる。
【0045】
しかし、このような低品位セラミックスや中品位セラミックスでも、上述した評価により実用上あまり問題ないことがわかる。その上、低品位セラミックスや中品位セラミックスの場合、高品位セラミックスに比べて次のような点で優位であると言える。つまり、表面に開口するポアが、潤滑膜の摩耗粉をトラップして貯溜するようになる。要するに、潤滑膜の摩耗粉のボール4に対する移着性が良好となる。これについて、上記製造方法の▲7▼のように超仕上げ加工を施していれば、焼結体の表面により多くのポアが開口するようになるので、より潤滑膜の摩耗粉のボール4に対する移着性が良好となる。
【0046】
この移着性について、下記試験により調査しているので、説明する。この試験では、潤滑膜をコーティングした金属製(JIS規格SUS630)の平板試料を水平に置き、この平板試料の上面(潤滑膜形成面)に、超仕上げを施したセラミックス製の円柱試料の外周面を垂直方向に押し付けた状態で、水平方向に滑らせることにより、円柱試料に対する固体潤滑剤の移着状況を調べる。この垂直荷重は10Kgf、滑り距離を30mm、摺動回数を1回としている。
【0047】
円柱試料は、▲1▼低品位セラミックス(表面粗さRZ約0.5μm)、▲2▼中品位セラミックス(表面粗さRZ約0.2μm)、▲3▼高品位セラミックス(表面粗さRZ約0.2μm)、▲4▼高品位セラミックス(表面粗さRZ約0.5μm)の4つを用意している。これらの円柱試料は、いずれも直径φ40mm、長さ15mmとし、平板試料に対する潤滑膜は、金、MoS2としている。金は、イオンプレーティングにて膜厚1μmとし、MoS2は、樹脂バインダーを用いて、膜厚10μmとしている。
【0048】
試験結果を、図7ないし図10に添付する顕微鏡写真に示す。このうち、図7(a)〜(c)は、前述の▲1▼に関するもの、図8(a)〜(c)は前述の▲2▼に関するもの、図9(a)〜(c)は前述の▲3▼に関するもの、図10(a)〜(c)は前述の▲4▼に関するものである。また、図7ないし図10の各(a)は試験前の円柱試料表面の状態を表し、図7ないし図10の各(b)は潤滑膜を金とした場合での試験後の円柱試料表面の状態を表し、図7ないし図10の各(c)は潤滑膜をMoS2とした場合での試験後の円柱試料表面の状態を表している。
【0049】
これらの写真結果から、低品位、中品位セラミックスだと、表面に開口するポアに対して潤滑剤が入り込むことがわかり、高品位セラミックスだと、表面に開口するポアがほとんどないかもしくはかなり小さいので、潤滑剤が入り込まないことが分かる。結果的には、高品位セラミックスに比べて低品位、中品位セラミックスは、移着性が良好となっている。
【0050】
なお、前述と同様の試験を球体試料により行ったが、図11および図12に添付する顕微鏡写真に示すように、前述と同様の結果が得られた。図11(a)、(b)は中品位セラミックスの球体試料に関するもの、図12(a)、(b)は高品位セラミックスの球体試料に関するものであり、図11および図12の各(a)は試験前の球体試料表面の状態を表し、図11および図12の各(b)は試験後の球体試料表面の状態を表している。球体試料は、直径3/8インチで、表面粗さはいずれもRaで0.01μmである。平板試料に形成する潤滑膜は樹脂バインダーを用いたMoS2とし、膜厚10μmとしている。垂直荷重は5Kgf、滑り距離を20mm、摺動回数を5回往復とする。
【0051】
さらに、直動型玉軸受の初期発塵試験を行ったので、説明する。この試験では、図13に示すような発塵試験装置を用いる。試験に用いた直動型玉軸受は、光洋精工(株)製型番SESDM10ST5である。レール1および移動体2をJIS規格SUS440C、保持器3をJIS規格SUS304とし、レール1の溝6、移動体2の溝91および保持器3の環状溝32に樹脂バインダーにPTFEを混合した固体潤滑剤をコーティングしている。ボールは、実施例として中品位セラミックスに、比較例として高品位セラミックスにしている。
【0052】
試験条件は、下記のとおり。
【0053】
・往復速度 :20〜30mm/s
・荷重 :ラジアル荷重50N
・ストローク:100mm
・雰囲気 :10−3Pa以下、クリーンベンチ内(クラス10)
・環境温度 :室温
・計測条件 :粒子径0.38μm以上の発塵粒子数
計測タイミングを10分間隔とし、試験時間を20時間としている。
【0054】
結果は、比率で言うと、比較例:実施例=1:0.8になり、実施例のほうが優れている。そもそも、回転初期では、潤滑膜からの摩耗粉や剥離粉が発塵成分となる。これらの発塵成分は、中品位セラミックスの場合、表面に開口するポアにトラップされて貯溜されるので、前述の結果が得られたものと考えられる。なお、低品位セラミックスの場合だと、同等またはそれ以上の結果が得られるものと考えられる。
【0055】
なお、本発明は上記実施例のみに限定されない。例えば、実施例で説明した直動型玉軸受の他の種類、例えば角状レールに跨がった鞍型移動体を備えた、いわゆる直動ガイドなどの直動型軸受にも本発明を適用できる。
【0056】
【発明の効果】
本発明では、製造コストを削減するように工夫しているから、従来の高品位セラミックスよりも安価にでき、しかも、密度や強度については、従来の高品位セラミックスに比べると若干低くなるものの、実用上十分な強度を有している。しかも、原料についても低品質のものを用いれば、原料コストをも低減できるから、製品価格の一層の低減に貢献できる。このように、本発明では、直動型軸受を比較的安価に構成できるようになる。
【0057】
また、焼結体には表面に開口するポアが存在するので、これが潤滑膜からの摩耗粉をトラップして貯溜するようになるなど、発塵の抑制と、潤滑作用の長期継続とに効果を奏する。
【0058】
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直動型軸受を用いると、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】本発明の一実施例にかかる直動型玉軸受の縦断面図
【図2】図1の横断面図
【図3】レールの横断面図
【図4】本発明の実施例での硬度、破壊靭性値測定に関する圧痕を示す模式図
【図5】ボールの寿命試験の様子を示す図
【図6】ボールの寿命試験に用いるラジアル試験機を示す図
【図7】低品位セラミックスの円柱試料に関する潤滑剤移着試験の前後の顕微鏡写真
【図8】中品位セラミックスの円柱試料に関する潤滑剤移着試験の前後の顕微鏡写真
【図9】高品位セラミックスの円柱試料に関する潤滑剤移着試験の前後の顕微鏡写真
【図10】他の高品位セラミックスの円柱試料に関する潤滑剤移着試験の前後の顕微鏡写真
【図11】中品位セラミックスの球体試料に関する潤滑剤移着試験の前後の顕微鏡写真
【図12】高品位セラミックスの球体試料に関する潤滑剤移着試験の前後の顕微鏡写真
【図13】直動型玉軸受の発塵量測定に用いる試験装置の概略図。
【符号の説明】
A 直動型玉軸受
1 レール
2 移動体
3 保持器
4 ボール
6 軸の溝
91 移動体の溝
31 保持器の環状溝
12 ボール転送路
13 ボール循環路
16 潤滑油の薄膜[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a direct acting bearing, and more particularly to a direct acting bearing suitable for use in a clean environment.
[0002]
[Prior art]
As the above-mentioned environment, for example, a conveyance system disposed inside the semiconductor manufacturing apparatus can be cited. In such an environment, dust generation from the direct acting bearing becomes a problem.
[0003]
Therefore, a solid lubricant (soft metal such as gold, silver, lead, copper, carbon, molybdenum disulfide, etc.) that generates less dust than grease is used as the lubricant. This solid lubricant is coated in a film on the rails, the raceway surfaces of the moving body, the surface of the rolling element, and the like.
[0004]
In addition to this, in order to suppress the generation of wear powder accompanying rolling and sliding of the rolling elements, it is conceivable to form the rolling elements with ceramics. As this ceramic, the applicant of the present application is to produce a high-quality one with high density and high strength. In order to obtain such high quality ceramics, it is important to reduce the impurity concentration and the porosity.
[0005]
Here, the manufacturing method of the ceramic component currently implemented by the present applicant will be briefly described.
[0006]
First, y-tria (Y 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ) were used for α-type silicon nitride powder having an average particle size of 0.2 μm (high grade product, for example, product number E-10 of Ube Industries, Ltd.). ), A sintering aid such as aluminum nitride (AlN) or titania (TiO 2 ) is added in an amount of 10% by weight or less. This is molded by uniaxial compression in a state where a binder is mixed and filled in a mold. The molded product is processed to a state close to the final shape and organic substances such as a binder are removed, and then sintered by a technique called so-called HP (hot press) or HIP (hot isostatic press). Superfinishing is performed on the rolling surface and sliding surface of the sintered body. In HP and HIP, a pressure as high as 1000 atm is applied during sintering.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional ceramics as described above, the product price is very high due to high raw material costs and manufacturing costs.
[0008]
Thus, in the past, the price has become so high that high-quality ceramics are to be formed, and therefore the object of use has been limited.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the price of the direct acting bearing while adopting a configuration capable of suppressing dust generation.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The linear motion bearing according to the present invention includes a shaft-shaped rail, a cylindrical movable body fitted on the shaft-shaped rail, and a rolling circulation circuit that is disposed between the rail and the movable body and moves relative to the rail. A linear motion type bearing in which the rail and the moving body are made of metal, and the rolling element is made of ceramics, and the ceramic rolling element has an average particle size of 0. A material in which at least 5 to 20% by weight of a sintering aid such as Y 2 O 3 or Al 2 O 3 is added to silicon nitride powder of 2 to 1 μm is sintered at a pressure of 1 to 10 atm. The size of the pores that are formed on the sintered body and open to the surface of the ceramic rolling element is 20 to 30 μm.
Further, the linear motion bearing of the present invention is disposed between a shaft-shaped rail, a cylindrical moving body fitted on the rail, and the rail and the moving body, and is rotated in accordance with their relative sliding motion. And a plurality of rolling elements to be circulated, wherein the rail and the moving body are made of metal, and the rolling elements are made of ceramics. A material obtained by adding at least 5 to 20% by weight of a sintering aid such as Y 2 O 3 or Al 2 O 3 to a silicon nitride powder having a diameter of 0.2 to 1 μm under a pressure of 1 to 10 atm. The pores opened on the surface of the ceramic rolling element have a size of 1 to 15 μm.
[0011]
[Action]
When rolling silicon nitride powder, the rolling element can be simply applied by applying a relatively low pressure of 1 to 10 atm without applying a pressure as high as 1000 atm, such as HP and HIP cited in the prior art. Is formed. Although its density and strength are slightly lower than those of conventional high-quality ceramics, it has sufficient strength for practical use. When the amount of the sintering aid is less than 5% by weight, the sintering is poor, and when it exceeds 20% by weight, the amount of silicon nitride in the base material is relatively reduced, and sufficient strength is obtained. I can't. Furthermore, the thing of the range of 9-14 weight% is used suitably from a sinterability and intensity | strength. If the sintering pressure is about 1 to 10 atm, it can be achieved with a relatively inexpensive pressure vessel, so that a large-scale and expensive apparatus as in the prior art is not necessary.
[0012]
As described above, in the present invention, by reducing the manufacturing cost, the product price is kept lower than the conventional high-quality ceramics.
[0013]
In addition, since the sintered body has pores that open to the surface, it traps and accumulates the wear powder of the lubricating film. Thereby, not only the dust generation element is reduced, but also long-term continuity of lubricity can be expected.
[0014]
Further, in the present invention, a high-quality raw material (such as a silicon nitride powder having a small average particle diameter) such as a conventional high-grade ceramic is used, or a relatively low-quality raw material (silicon nitride powder Those having a mean particle diameter) can be used. Low-quality raw materials are cheaper (about half price) than high-quality raw materials, which can contribute to further reduction in product price.
[0015]
【Example】
Hereinafter, details of the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings. 1 to 3 relate to one embodiment of the present invention, FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a linear motion ball bearing, FIG. 2 is a transverse sectional view of FIG. 1, and FIG. 3 is a transverse sectional view of a rail. is there.
[0016]
In the figure, A is a direct acting ball bearing, 1 is a rail made of a cylindrical shaft, 2 is a moving body made of a cylindrical member, 3 is a cage made of press, 4 is a ball, and 5 is a holding cylinder.
[0017]
The
[0018]
The moving
[0019]
The
[0020]
The two
[0021]
By the way, the cross section of the
[0022]
The
[0023]
Although not shown, a lubricating film is formed on the
[0024]
The
[0025]
If each component of the linear motion ball bearing A is formed of such a material, for example, it is possible to prevent corrosion with respect to a halogen-based corrosive gas used in a semiconductor manufacturing apparatus or the like, and a use environment. Dust generation can be reduced.
[0026]
Next, a manufacturing method related to the above-described
[0027]
(1) Use relatively low quality raw materials. Y-tria (Y 2 O 3 ), alumina (Al 2 O) against α-type silicon nitride powder having an average particle size of 0.5 to 1 μm (for example, type number SN-9FW manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) 3 ) Add 5-20% by weight of sintering aid such as aluminum nitride (AlN), titania (TiO 2 ), etc., and mix it uniformly with an organic solvent or water using a suitable mixer (ball mill). (Formulation process).
[0028]
{Circle around (2)} A binder is mixed into the mixed slurry to produce spherical particles having a constant particle size (dry granulation step).
[0029]
(3) Uniaxial compression with the granulated powder filled in a simple mold (molding process). In addition, if the metal mold | die which makes a molded article into a desired shape here is used, the following primary processing process of (4) can be skipped.
[0030]
(4) The molded product is processed into a state close to the final shape according to the ball 4 (primary processing step).
[0031]
(5) The processed material is gradually heated in a degreasing furnace, and organic substances such as binders are removed from the object to be degreased by decomposing or volatilizing (degreasing process).
[0032]
(6) The degreased product is sintered under a pressure of 1 to 10 atm (sintering step). The sintering temperature and sintering time are 1800 ° C. and 2 to 4 hours. Although the molded product shrinks at a predetermined rate by sintering, the amount of shrinkage can be easily grasped by measuring the specific gravity, and can be appropriately adjusted depending on the mixing ratio of the base material and the auxiliary agent.
[0033]
(7) Superfinishing is performed on the rolling surface and sliding surface of the sintered body to obtain the dimensions and surface state of the final product (secondary processing step). In the superfinishing can the surface roughness to about 0.1~0.8μm with R Z.
[0034]
(8) Inspect the presence of cracks and pinholes on the surface of the final product by fluorescent penetrant flaw detection.
[0035]
What is obtained by such a manufacturing method is referred to as low quality ceramics. Table 1 shows the physical properties of the low-quality ceramics and the high-quality ceramics obtained by the conventional manufacturing method.
[0036]
[Table 1]
[0037]
The density is measured by the Archimedes method. The hardness and fracture toughness values are measured using a Vickers hardness meter, the hardness is calculated from the diagonal length of the Vickers indentation shown in FIG. 4, and the fracture toughness value KIC is described below by an IF (Indentation Fracture) method. Calculated using Niihara's formula. The bending strength directly measures the strength of the material, and uses the JIS R 1601 standard three-point bending strength test method.
[0038]
Niihara's formula = 0.0114E 0.4 P 0.6 a -0.7 (C / a-1) -0.5
Where P is the load (Kgf), d is the diagonal length (mm) of the impression, E is the Young's modulus (Kgf / mm 2 ), C is the crack length (mm) from the center point of the impression, and a is the diagonal line of the impression. It is 1/2 (mm) of the length.
[0039]
By the way, a conventional high-quality raw material may be used in the step (1) of the manufacturing method. This high-quality raw material is, for example, yttria (Y 2 O 3 ) for α-type silicon nitride powder having an average particle size of 0.2 μm (high grade product, for example, product number E-10 of Ube Industries, Ltd.). , Alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), titania (TiO 2 ) and other sintering aids are added at 10 wt% or less. A material that has been subjected to the above-mentioned treatments (2) to (8) using this high-quality raw material is referred to as medium-grade ceramic.
[0040]
This medium-grade ceramic ball is evaluated by the following test. In the test, a ball thrust test and a radial test were performed.
[0041]
In the thrust test, in the thrust bearing as shown in FIG. 5, the ball size is 2/8 inch and 1/4 inch, oil bath lubrication is performed, the shaft rotation speed is 1200 rpm, and the surface pressure is 3/8. The inch was 291 kgf / mm 2 (2.85 GPa), and the ¼ inch was 319 kgf / mm 2 (3.13 GPa). All size balls were cut off in 1000 hours, but there was no abnormality such as peeling.
[0042]
In the radial test, a radial tester as shown in FIG. 6 is used. The test bearing was a radial ball bearing having a nominal number # 6206, oil bath lubrication, a rotational speed of 6000 rpm, and a surface pressure of 335 kgf / mm 2 (3.28 GPa). The ball was cut off in 400 hours, but the ball had no abnormality such as peeling.
[0043]
From these tests, it was found that the ball of the direct acting ball bearing exhibited excellent characteristics even as an inexpensive medium grade ceramic. However, in that case, it is preferable to limit the maximum contact stress to a required value or less (250 kgf / mm 2 or less in consideration of safety). Although the above-described evaluation test has not been performed on low-grade ceramics, it is considered that the quality is almost the same by the above-described physical property evaluation.
[0044]
Further, since the density of the low-quality and medium-quality ceramics is slightly lower than that of the high-quality ceramics manufactured by the manufacturing method described in the conventional example, pores are scattered on the inside and the surface. In the case of low-grade ceramics, the pore size is about 20-30 μm. In the case of medium-grade ceramics, the pore size is about 1-15 μm smaller than that of low-grade ceramics, and the amount of interspersed is small. Become.
[0045]
However, even with such low-grade ceramics and medium-grade ceramics, it can be seen that there is no practical problem with the above-described evaluation. In addition, it can be said that low-grade ceramics and medium-grade ceramics are superior to high-grade ceramics in the following points. That is, the pores that open to the surface trap and accumulate the abrasion powder of the lubricating film. In short, the transferability of the abrasion powder of the lubricating film to the
[0046]
The transferability is investigated by the following test, and will be described. In this test, a metal (JIS standard SUS630) flat plate sample coated with a lubricating film is placed horizontally, and the outer peripheral surface of a cylindrical sample made of ceramics that has been superfinished on the upper surface (lubricant film forming surface) of this flat plate sample. The state of the solid lubricant being transferred to the cylindrical sample is examined by sliding in the horizontal direction while pressing in the vertical direction. This vertical load is 10 kgf, the sliding distance is 30 mm, and the number of sliding times is one.
[0047]
Cylindrical samples, ▲ 1 ▼ low-grade ceramics (surface roughness R Z of about 0.5μm), ▲ 2 ▼ medium grade ceramics (surface roughness R Z of about 0.2μm), ▲ 3 ▼ high quality ceramics (surface roughness RZ is about 0.2 μm) and {circle around (4)} high quality ceramics (surface roughness RZ is about 0.5 μm). These cylindrical samples are both a diameter [phi] 40 mm, length 15 mm, the lubricating film to the flat sample is gold, and a MoS 2. Gold has a thickness of 1 μm by ion plating, and MoS 2 has a thickness of 10 μm using a resin binder.
[0048]
The test results are shown in photomicrographs attached to FIGS. Of these, FIGS. 7 (a) to (c) are related to the above-mentioned (1), FIGS. 8 (a) to (c) are related to (2), and FIGS. 9 (a) to (c) are related to FIG. FIG. 10A to FIG. 10C relate to the above item (4). 7A to 10A show the state of the cylindrical sample surface before the test, and FIGS. 7B to 10B show the cylindrical sample surface after the test when the lubricating film is gold. represents the state, the (c) of FIG. 7 to FIG. 10 shows a state of the cylindrical surface of the sample after the test in the case where the lubricating film and MoS 2.
[0049]
From these photographic results, it can be seen that the low-grade and medium-grade ceramics have a lubricant entering the pores that open on the surface, and the high-grade ceramics have few or quite small pores opening on the surface. It can be seen that the lubricant does not enter. As a result, the low-grade and medium-grade ceramics have better transferability than the high-grade ceramics.
[0050]
Although the same test as described above was performed on a spherical sample, the same result as described above was obtained as shown in the micrographs attached to FIGS. FIGS. 11 (a) and 11 (b) relate to a medium quality ceramic sphere sample, and FIGS. 12 (a) and 12 (b) relate to a high quality ceramic sphere sample. Represents the state of the sphere sample surface before the test, and each (b) of FIGS. 11 and 12 represents the state of the sphere sample surface after the test. The spherical sample has a diameter of 3/8 inch and the surface roughness is 0.01 μm in Ra. The lubricating film formed on the flat plate sample is MoS 2 using a resin binder and has a thickness of 10 μm. The vertical load is 5 kgf, the sliding distance is 20 mm, and the sliding frequency is 5 reciprocations.
[0051]
Further, an initial dust generation test of the direct acting ball bearing was performed, which will be described. In this test, a dust generation test apparatus as shown in FIG. 13 is used. The direct acting ball bearing used for the test is model number SESDM10ST5 manufactured by Koyo Seiko Co., Ltd. Solid lubrication in which
[0052]
The test conditions are as follows.
[0053]
・ Reciprocating speed: 20-30mm / s
・ Load: Radial load 50N
・ Stroke: 100mm
・ Atmosphere: 10 -3 Pa or less, in a clean bench (class 10)
-Environmental temperature: Room temperature-Measurement conditions: The measurement timing of the number of dust particles with a particle size of 0.38 μm or more is set at 10-minute intervals, and the test time is 20 hours.
[0054]
In terms of ratio, the result is Comparative Example: Example = 1: 0.8, and the Example is superior. In the first place, at the initial stage of rotation, wear powder and peeling powder from the lubricant film become dust generating components. In the case of medium-grade ceramics, these dust-generating components are trapped and stored in pores that are open on the surface, and it is considered that the above-mentioned results were obtained. In the case of low-grade ceramics, it is considered that equivalent or better results can be obtained.
[0055]
In addition, this invention is not limited only to the said Example. For example, the present invention is also applied to other types of linear motion ball bearings described in the embodiments, for example, linear motion bearings such as so-called linear motion guides having a saddle type moving body straddling a square rail. it can.
[0056]
【The invention's effect】
In the present invention, since it is devised to reduce the manufacturing cost, it can be made cheaper than the conventional high-quality ceramics, and the density and strength are slightly lower than those of the conventional high-quality ceramics. It has sufficient strength. In addition, if the raw material is of low quality, the raw material cost can be reduced, which can contribute to further reduction of the product price. Thus, according to the present invention, the direct acting bearing can be configured at a relatively low cost.
[0057]
In addition, there are pores that open on the surface of the sintered body, and this helps trap dust particles from the lubricating film and store them. Play.
[0058]
Therefore, when the linear motion bearing of the present invention is used where high-precision processing is required, for example, in the semiconductor manufacturing process, it is difficult to inhibit the clean atmosphere, which can contribute to the improvement of the yield of semiconductor manufactured products.
[Brief description of the drawings]
1 is a longitudinal sectional view of a linear motion ball bearing according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a transverse sectional view of FIG. 1. FIG. 3 is a transverse sectional view of a rail. Schematic diagram showing indentations related to the measurement of hardness and fracture toughness values of the ball. [Fig. 5] Diagram showing the state of the ball life test. [Fig. 6] Diagram showing the radial test machine used for the ball life test. Micrographs before and after lubricant transfer test on cylindrical sample [Fig. 8] Microscopic images before and after lubricant transfer test on cylindrical sample of medium-grade ceramic [Fig. 9] Lubricant transfer test on cylindrical sample of high-grade ceramic Micrograph before and after [Fig. 10] Micrograph before and after lubricant transfer test on other high quality ceramic cylindrical samples [Fig. 11] Micrograph before and after lubricant transfer test on spherical samples of medium quality ceramic [ Fig. 12 High quality Schematic diagram of a test apparatus used for the dust amount measurement before and after the
[Explanation of symbols]
A Direct acting
Claims (3)
前記セラミックス製の転動体が、平均粒径0.2〜1μmの窒化けい素の粉末に対して少なくともY2O3,Al2O3などの焼結助剤が5〜20重量%添加された材料を、1〜10気圧の圧力下で焼結した焼結体からなるとともに、前記セラミックス製の転動体の表面に開口するポアの大きさが20〜30μmであることを特徴とする直動型軸受。A shaft-shaped rail, a cylindrical moving body fitted on the rail, and a plurality of rolling elements that are arranged between the rail and the moving body and are circulated in association with their relative sliding motion. The rail and the moving body are made of metal and the rolling element is made of ceramics,
In the ceramic rolling element, at least 5 to 20% by weight of a sintering aid such as Y 2 O 3 or Al 2 O 3 is added to silicon nitride powder having an average particle size of 0.2 to 1 μm. A direct acting type comprising a sintered body obtained by sintering a material under a pressure of 1 to 10 atm, and a pore opening on a surface of the ceramic rolling element having a size of 20 to 30 μm. bearing.
前記セラミックス製の転動体が、平均粒径0.2〜1μmの窒化けい素の粉末に対して少なくともYThe ceramic rolling element has at least Y for silicon nitride powder having an average particle size of 0.2 to 1 μm. 22 OO 33 ,Al, Al 22 OO 33 などの焼結助剤が5〜20重量%添加された材料を、1〜10気圧の圧力下で焼結した焼結体からなるとともに、前記セラミックス製の転動体の表面に開口するポアの大きさが1〜15μmであることを特徴とする直動型軸受。The size of the pores which are made of a sintered body obtained by sintering a material to which 5 to 20% by weight of a sintering aid is added at a pressure of 1 to 10 atm and which opens on the surface of the ceramic rolling element A linear motion bearing having a length of 1 to 15 μm.
前記焼結助剤が9〜14重量%であることを特徴とする直動型軸受。A linear motion bearing, wherein the sintering aid is 9 to 14% by weight.
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