JP3785198B2

JP3785198B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP3785198B2
Application number: JP27092594A
Authority: JP
Inventors: 賢二山元; 一徳林田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JPH07233818A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、転がり軸受に係り、特に通常のグリースやオイルの使用ができない真空環境や清浄環境および腐食環境等で用いるのに有利な転がり軸受に関する。
【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、転がり軸受の潤滑剤としてグリースを用いていると、グリースの油分が蒸発することにより、潤滑機能の劣化や使用環境の汚染といった不具合が発生する。
【０００３】
このような場合、従来では、主として、軌道輪の軌道面や転動体の表面に、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の固体潤滑剤を膜状に被覆することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の固体潤滑剤からなる潤滑膜では、この潤滑膜が転動体との接触により僅かずつ剥がれるなど、発塵状況がグリース使用時に比べると低レベルになるものの、特に清浄環境では不適合となるレベルである。
【０００５】
そこで、本件出願人は、ふっ素系樹脂を含む潤滑膜を軌道輪や保持器に形成して、従来よりも発塵を桁違いに減らせるようにしたものを考えている（特開平４−４６２１９号公報参照）。この公報では、主として潤滑膜を内・外輪の軌道部分に設けるようにしているために、回転初期などにおいての潤滑膜の剥離や欠落による発塵が多いことが判明した。ちなみに、この公報のものは図３に示す比較例３、４に相当するので、参照されたい。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、潤滑膜からの摩耗などによる発塵を抑制することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり軸受は、真空環境、清浄環境および腐食環境で使用される転がり軸受であって、金属またはセラミックス材料からなる軌道輪、転動体および金属または合成樹脂材料からなる保持器を有し、少なくとも保持器の摺動面を含む表面のみ、ポリイミド、ポリアミドイミドから選ばれる熱硬化性合成樹脂からなるバインダー中にふっ素系合成樹脂である平均分子量１×１０^４〜５×１０^４のＰＴＦＥを分散混合した潤滑膜が被覆され、上記熱硬化性合成樹脂からなるバインダーの重量と、上記ふっ素系合成樹脂の重量との比が１０〜５０：１〜２０である。
【０００８】
なお、軌道輪および転動体を構成する金属としては、特に耐食性が要求される環境においては、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て使用できる。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の使用も可能である。さらに、ニッケル系合金として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系の合金、例えば三菱マテリアル社製、商品名ハステロイＣ−２２、ハステロイＣ−２７６、ハステロイＣ−４などの使用も可能である。
【０００９】
セラミックス材料としては、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。
【００１０】
保持器を構成する金属としては、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４や黄銅、チタン材などが好適に用いられる。合成樹脂材料としては、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。保持器の形式としては、波型、冠型、もみ抜き型などが好適に用いられる。
【００１１】
熱硬化性合成樹脂としては、それ自身ある程度の摺動性を有していることが望ましく、例えば、イミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂が望ましい。イミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂バインダーとしては、例えば、熱硬化性の縮合重合型ポリイミド、ポリアミドイミドなどが挙げられる。これらの樹脂は、一般に、耐熱性がよく、接着性が優れかつ高温においても接着強度の低下がきわめて少ないこと、寸法安定性に優れること、摩擦摩耗特性がよいことなどの特徴を有する。また、これらの樹脂は、硬化（付加重合）が進む過程で、水分やその他の揮発分の生成を伴なわず、しかもこのもの自体吸湿性がきわめて小さいから、被着形成される潤滑膜層に気泡や亀裂を生じさせてしまうおそれもない。ふっ素系合成樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が用いられる。このふっ素系合成樹脂が実質的な潤滑主体とされる。上述の熱硬化性合成樹脂バインダーのみを使用した場合には、これらが非常に硬く、耐熱性に優れているが、摩耗が激しく簡単にはがれてしまうため、潤滑層の摩擦力を軽減させることを目的として添加される。ＰＴＦＥを用いる際には、平均分子量１×１０^４〜５×１０^４のポリマーが選ばれる。中でも、３×１０^４〜５×１０^４のポリマー平均分子量のものが好適に用いられる。平均分子量が１×１０^４を下回ると付着強度が低下するとともに摺動抵抗も大きくなる。平均分子量が５×１０^４を超えると、剪断抵抗が大きく、また硬くなりすぎるため、密着性に劣るとともに剥離した際、摩耗粉となりやすい。
【００１２】
なお、ＰＴＦＥの粒子径は２〜３μｍのものが好適に使用される。３μｍを超えると、流動性、分散性が低下するとともに、潤滑膜から突出し、潤滑膜の平滑性が損なわれ、円滑な駆動が妨げられるとともに、異音も発生する。２μｍを下回ると、潤滑効果が飽和する反面、経済的にもマイナスとなる。
【００１３】
潤滑膜６の厚みは、少なくとも保持器表面の凹凸をならす程度は必要とされ、例えば５〜２０μｍに、また、硬度はＪＩＳ規格Ｋ５４００に基づく鉛筆引っかき値の３Ｈ〜６Ｈにそれぞれ設定するのが好ましい。この硬度は、潤滑膜６の樹脂バインダーとふっ素系合成樹脂との混合比や、焼成条件により適宜に管理することができる。
【００１４】
本発明の潤滑膜は、上記イミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂バインダーを１０〜５０重量％として、この中にふっ素系合成樹脂１〜２０重量％を、例えばＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶媒を用いて分散混合させた溶液を被覆面にボンデッドフィルム法などで塗布して形成される。
【００１５】
【作用】
上記構成によれば、少なくとも保持器の摺動面を含む表面のみに形成してある潤滑膜から転動体との摺接に伴い潤滑膜の摩耗が発生して、この摩耗したものが転動体や軌道輪の軌道面に転移供給されて転動体と軌道輪軌道面との間の潤滑を行うようになる。
【００１６】
本発明の場合、転動体や軌道輪軌道面に潤滑膜を設けないから、回転初期などでの潤滑膜の摩耗などに伴う転移量としては転動体や軌道輪軌道面に潤滑膜を形成する場合に比べて遥かに少なくなる。
【００１７】
要するに、本発明では、保持器の潤滑膜から必要量のみ転動体や軌道輪軌道面に転移させて潤滑に利用するようにしている。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の詳細を図１ないし図４に示す実施例に基づいて説明する。図１は本発明の転がり軸受の一実施例を示している。ここでは深溝型玉軸受を例に挙げており、図中、１は内輪、２は外輪、３は転動体としてのボール、４はプレス製の波形の保持器である。保持器４の表面全面には、イミド結合またはアミドイミド結合を有する樹脂バインダー中にふっ素系合成樹脂を分散混合した潤滑膜５が被覆されている。具体的に、内・外輪１，２およびボール３はＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器４はＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４からなる。潤滑膜５は、潤滑主体となるＰＴＦＥと、熱硬化性を有する有機系樹脂バインダーとしてのポリアミドイミドとからなる。
【００１９】
前述の潤滑膜５の形成方法の一例を説明する。
【００２０】
（ａ）保持器４をそれぞれ脱脂する。この保持器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て表面粗度Ｒｚが０．３μｍ〜１．０μｍになっている。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をＲｚ６〜１０μｍにすることにより、保持器４の表面に対する潤滑膜５の付着力をさらに高めるようにしてもよい。
【００２１】
（ｂ）保持器４の表面全面に、ＰＴＦＥ粉末とポリアミドイミド粉末とをＮ−メチル−２−ピロリドンで溶かした溶液を複数回繰り返してスプレーする。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、前記各粉末がスプレー面にほぼ均等に拡散した状態になる。なお、前述の溶液の成分比は、例えばＰＴＦＥ粉末５％、ポリアミドイミド粉末２５％、Ｎ−メチル−２−ピロリドン７０％である。
【００２２】
（ｃ）前記スプレーした被膜を１８０℃±１０℃の温度で所定時間（約３０分〜１２０分）加熱焼成することにより保持器４に対して定着させる。
【００２３】
そして、必要に応じて（ｂ）、（ｃ）を数回繰り返し、最終的に潤滑膜５の膜厚を例えば５〜２０μｍとする。最終的に、潤滑膜５の表面粗度はＲｚ１〜２μｍとなっており、ボール３の粗度（Ｒｚ０．１μｍ以下）よりも粗く、ボール３との摺接によって効率的に潤滑膜がボール３の表面に転移してゆく。
【００２４】
次に、転がり軸受での回転初期の発塵量や発塵寿命について試験を行っているので、説明する。この試験では図２に示す装置を用いている。図中、５０は転がり軸受、５１は回転軸、５２はケーシング、５３は磁性流体シール、５４は発塵個数計測装置（パーティクルカウンター）、５５は計測結果記録機（レコーダ）、５６は軸受ハウジングである。
【００２５】
・使用軸受：ＳＥＭＬ６０１２（φ６×φ１２×３）、呼び番号ＭＬ６０１２
・回転速度：２００ｒｐｍ
・荷重：ラジアル荷重（２．９Ｎ）
・雰囲気：大気中クラス１０のクリーンベンチ内、室温
・計測条件：粒子径０．３μｍ以上の発塵量
試験は次の▲１▼〜▲６▼の６種類について行っている。▲１▼実施例１として、内・外輪およびボールをＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、保持器全面に潤滑膜を被覆する。▲２▼実施例２として、内・外輪をＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、ボールを窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主体とするセラミックス材料、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、保持器全面に潤滑膜を被覆する。▲３▼比較例１として、内・外輪およびボールをＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、潤滑膜なしの無潤滑とする。▲４▼比較例２では、内・外輪をＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、ボールを窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主体とするセラミックス材料、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、潤滑膜なしの無潤滑とする。▲５▼比較例３として、内・外輪およびボールをＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、内・外輪の軌道と保持器全面に潤滑膜を被覆する。▲６▼比較例４として、内・外輪をＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、ボールを窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主体とするセラミックス材料、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、内・外輪の軌道と保持器全面に潤滑膜を被覆する。
【００２６】
まず、回転初期の発塵量の試験では、試験開始から２０時間までの発塵量を測定している。結果としては、図３に示すように、発塵量の少ない順に、実施例１、実施例２、比較例３、比較例４、比較例２、比較例１となった。この結果は、前述の潤滑膜を、内・外輪の軌道に被覆するよりも、保持器に被覆することの優位性を証明している。
【００２７】
そして、発塵寿命の試験では、粒子径０．３μｍ以上の塵埃が１０００個／０．１ｃｆ以上となるまでの時間を測定している。なお、測定は６分間隔とする。結果としては、比較例１が約２５時間、比較例２が約５０時間、実施例１、２および比較例３、４が１０００時間以上となった。この結果は、無潤滑とするよりも前述した潤滑膜５を用いることの優位性を証明している。
【００２８】
さらに、静定格荷重と発塵寿命との関係を図４のグラフに示している。すなわち、静定格荷重が小さいと発塵寿命が延びることが判る。軸受の静定格荷重Ｃｏの特に２．９〔％〕以下の軽荷重条件だと発塵寿命が１０００時間以上と著しく延びる。この結果は、本実施例構造の軸受を軽荷重条件下で用いる場合に特に有効であることを示している。
【００２９】
次に、本発明の潤滑膜５と、従来の一般的なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のみからなる潤滑膜とを対比する。ここでは、前述と同じ実施例１と比較例５、６とを用いる。比較例５は、実施例１と同仕様すなわち内・外輪およびボールをＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器をＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし、保持器に平均分子量１０，０００未満のＰＴＦＥのみからなる潤滑膜を被覆している。比較例６は、比較例５において潤滑膜だけを平均分子量１０，０００以上のＰＴＦＥとしている。なお、比較例５、６の潤滑膜では、硬度がＪＩＳ規格Ｋ５４００に基づく鉛筆引っかき値の「Ｂ」となるのに対して、実施例１の潤滑膜では、硬度が前記鉛筆引っかき値の「３Ｈ〜６Ｈ」となる。そして、前述と同様の回転初期の発塵量の試験では、図５に示すように、比較例５、６が実施例１に比べてはるかに多くなっている。この結果が示すように、従来の一般的なＰＴＦＥのみからなる潤滑膜は軟質であって摺接時に過剰な摩耗が発生しやすいと言えるのに対して、本発明の潤滑膜は硬質であって摺接時の摩耗が必要最小限に抑制されるようになると言える。つまり、本発明の潤滑膜５は、従来の一般的なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のみからなる潤滑膜よりも、発塵量を低減する上で優れている。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例のみに限定されない。例えば、実施例では、保持器全体を上記のような構成の樹脂で形成してもよい。また、軸受形式も深溝型玉軸受を引用しているが、その他の種類の転がり軸受に本発明を適用できる。また、軸受端部に密封板をつけてもよい。この他、保持器４のポケット内面のみに潤滑膜５を形成してもよく、その場合においても上記試験データとほぼ同一または近似したものになる。この場合、潤滑膜５を形成する前に、保持器４のポケット内面を除く部分にマスク（図示省略）を被覆する必要がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、従来のように転動体と軌道輪との間に潤滑膜を被覆せずに、回転に伴って転動体と軌道輪との間へ少なくとも保持器の摺動面を含む表面のみに被覆してある潤滑膜から必要量だけ転移供給させるようにしているから、従来のように潤滑膜の摩耗などが必要以上に発生せずに済むようになり、軸受全体の発塵量を抑制できるようになる。
【００３２】
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】本発明の一実施例にかかる深溝型玉軸受の上半分の縦断面図。
【図２】同軸受の発塵量測定に用いる試験装置の概略図。
【図３】発塵量の測定結果を示すグラフ。
【図４】実施例における静定格荷重と発塵寿命との関係を示すグラフ。
【図５】発塵量の測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１内輪
２外輪
３ボール
４保持器
５潤滑膜

Claims

真空環境、清浄環境および腐食環境で使用される転がり軸受であって、
金属またはセラミックス材料からなる軌道輪、転動体および金属または合成樹脂材料からなる保持器を有し、少なくとも保持器の摺動面を含む表面のみ、ポリイミド、ポリアミドイミドから選ばれる熱硬化性合成樹脂からなるバインダー中にふっ素系合成樹脂である平均分子量１×１０^４〜５×１０^４のＰＴＦＥを分散混合した潤滑膜が被覆され、上記熱硬化性合成樹脂からなるバインダーの重量と、上記ふっ素系合成樹脂の重量との比が１０〜５０：１〜２０である、ことを特徴とする転がり軸受。