JP3857449B2

JP3857449B2 - 低発塵転がり摺動部品

Info

Publication number: JP3857449B2
Application number: JP01015999A
Authority: JP
Inventors: 豊田　　泰; 健久気田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP2000205278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば転がり軸受の軌道輪、送りねじのねじ軸やナット、直動型軸受のレールや移動体などの低発塵転がり摺動部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、上述した転がり軸受、送りねじ、直動型軸受などを高温、真空あるいは清浄環境などで使用する場合では、転動部位あるいは摺動部位に、ふっ素系グリースやふっ素系オイルなどの油膜を塗布したり、あるいはふっ素系高分子成分からなる固形膜をコーティングすることが行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した油膜は、金属製の母材に対する親和性があまり良好でないため、局部的な油膜切れが発生しやすいと言え、母材の摩耗や焼き付きが起こり得る。また、固形膜は、金属製の母材に対して定着されているものの、経時的な摩耗が避けられないため、寿命という点において問題がある。
【０００４】
さらに、油膜では、１０^-5Ｐａレベルの高真空環境での使用だと、母材から離れやすくなり、環境汚染につながることが懸念される。
【０００５】
このような事情に鑑み、本発明では、転がり摺動部品において、長期にわたって良好な潤滑性を発揮できるようにすることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にかかる低発塵転がり摺動部品は、相手部材との間で相対的に転がり接触またはすべり接触が生ずるもので、前記相手部材との接触面に、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理することで形成された少なくとも上記化学式１０，１１のいずれかの結合を備えたふっ素系高分子成分のみからなる固形膜が予め被覆形成されており、前記固形膜は３次元の網状構造を有し、かつ膜厚が１０μｍ以下であり、前記固形膜の表面に、オイルであるふっ素系油成分からなる油膜が付着されており、前記油膜は前記固形膜に対する付着強度を高めるために使用開始時における前記固形膜の膜厚の半分以下の膜厚に設定されている。
【０００８】
請求項２の発明にかかる低発塵転がり摺動部品は、上記請求項１の構成であって、転がり軸受の軌道輪、送りねじのねじ軸やナット、あるいは直動型軸受のレールや移動体として用いられるものである。
【０００９】
要するに、本発明では、固形膜と油膜とを併用することにより、油膜の親和性を良好とするとともに、固形膜の摩擦抵抗を軽減するようにしている。これにより、局部的な油膜切れが発生しにくくなるばかりか、仮にそのような油膜切れが発生したところで、固形膜の存在により互いに転動、摺動する２つの部材の直接接触を回避できるようになる他、固形膜の摩耗進展を抑制できるようになる。そのため、良好な潤滑性が長期間継続されることになる。
【００１０】
特に、油膜の膜厚を特定すれば、固形膜に対する油膜の付着強度がより一層高められることになる。これにより、高真空環境での油膜の分離による環境汚染を回避できるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の低発塵転がり摺動部品としては、転がり軸受の軌道輪、送りねじのねじ軸やナット、直動型軸受のレールや移動体などが挙げられるが、この実施形態では、転がり軸受としての深溝玉軸受と、送りねじとしてのボールねじと、直動型軸受としての直動型玉軸受との３つを例に挙げる。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態にかかるボールねじの縦断面図である。図中、Ａは送りねじの全体を示しており、１はねじ軸、２はナット、３はボール、４はサーキュレータチューブである。
【００１３】
ねじ軸１は、その外周面に螺旋溝５が形成されている。ナット２は、ねじ軸１に外嵌されており、その内周面にねじ軸１の螺旋溝５に対応する螺旋溝６が形成されている。複数のボール３は、ねじ軸１の螺旋溝５と、ナット２の螺旋溝６との間に介装されている。サーキュレータチューブ４は、ねじ軸１またはナット２のいずれか一方の回転により両螺旋溝５，６間に介装されるボール３を転動循環させるためのもので、ナット２に取り付けられている。
【００１４】
ねじ軸１の螺旋溝５およびナット２の螺旋溝６の断面形状は、詳細に図示しないが、ゴチックアーチ状（二つの曲率中心の異なる円弧をほぼＶ字形に組み合わせた形状）あるいは円弧状に形成される。
【００１５】
このようなボールねじＡにおいて、ねじ軸１、ナット２、ボール３ならびにサーキュレータチューブ４は、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３０４などの金属で形成される。但し、ボール３は、例えば窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）などのセラミックスで形成してもよい。
【００１６】
この実施形態では、ねじ軸１の外周面とナット２の内周面とに対して、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理することで形成された少なくとも上記化学式１０，１１のいずれかの結合を備えたふっ素系高分子成分からなる固形膜４０が被覆形成されているとともに、この固形膜４０の表面にふっ素系油成分からなる油膜４１が付着されている。
【００１７】
なお、固形膜４０は、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理することで形成された少なくとも上記化学式１０，１１のいずれかの結合を備えた含フッ素高分子化合物からなる。この末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理することで形成された少なくとも上記化学式１０，１１のいずれかの結合を備えた含フッ素高分子化合物は、−ＣXＦ2X−Ｏ−という一般式（Ｘは１〜４の整数）で示される単位を主要構造単位とし、いずれも平均分子量が数百万以上で硬化反応により分子間が結合した３次元の網状構造を有している。３次元の網状構造とは、化学構造上の表現であって、膜の断面が網状になっているのではなく、分子間が網状のように連続してつながって密に詰まった均質な構造になっていることを意味している。このような化合物としては、下記化学式１に示すような末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体を用いて、化学構造を変化させたものとすることができる。前述の末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体としては、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）の誘導体、具体的に例えばモンテカチーニ社の商品名フォンブリンＺ誘導体（FOMBLIN Z DISOCなど）が好適に用いられる。
【００１８】
【化１】

【００１９】
また、油膜４１は、例えばＣＴＦＥ（三フッ化塩化エチレン樹脂）のオリゴマーやＰＦＰＥ（パーフルオロポリエーテル）など分子内に塩素やエーテル結合を有するオイルが好適に用いられる。前述のＰＦＰＥとしては、モンテカチーニ社の商品名フォンブリンの他、ダイキン工業（株）製の商品名デムナムやデュポン社の商品名クライトックスなどが挙げられる。グリース状のものでは、ＰＴＦＥ・フルオロカーボン油グリース、ＰＴＦＥ・フロロシリコーン油グリースやＰＴＦＥ・フッ素化ポリエーテル油グリースなどが挙げられる。
【００２０】
この固形膜４０の形成手法の一例について説明する。固形膜４０を形成するための溶液を対象部材に付着させる。この溶液の付着はスプレーを用いて行うこともできるし、また、溶液中に浸漬してもよい。ここで用意する溶液は、末端がイソシアネートの官能基付き含ふっ素重合体〔フォンブリンＺ誘導体（FONBLIN Z DISOC）〕を希釈溶媒（ふっ素系溶剤ＳＶ９０Ｄ）で含ふっ素重合体の濃度を１ｍａｓｓ％にまで希釈したものである。次に、液状膜を付着した対象部材を４０〜５０度で約１分間加熱し、液状膜に含む溶媒を除去する。この後、例えば１５０〜３００度で１５〜３０分間、加熱する。これにより、液状膜の化学構造が変化することにより硬化反応して固形膜４０が得られる。ちなみに、この硬化処理では、液状膜に存在している官能基付き含ふっ素重合体の個々について、下記化学式２〜５に示すような４種の硬化反応でもって末端のイソシアネート（ＮＣＯ）が消失し、各官能基付き含ふっ素重合体が互いに結合することにより３次元の網状構造となる。結合は、化学式２，３に示すような硬化反応でもって、図２（ａ）に模式的に示すように直線的に架橋するとともに、化学式４，５に示すような硬化反応でもって、図２（ｂ）に模式的に示すように３次元方向で架橋する。なお、図２では、下記化学式６に示すように、上記化学式１を簡略化して模式的に表している。
【００２１】
【化２】

【００２２】
【化３】

【００２３】
【化４】

【００２４】
【化５】

【００２５】
【化６】

【００２６】
この固形膜４０の膜厚は、例えば１０μｍ以下に管理され、また、表面粗さは、Ｒａ（中心線平均粗さ）で５μｍに管理される。
【００２７】
このようにして形成した固形膜４０の表面に、油膜４１をスプレーを用いて吹き付けたりあるいは液中浸漬により塗布する。この油膜４１の膜厚は、固形膜４０の膜厚の１／２以下に管理される。
【００２８】
以上説明した固形膜４０と油膜４１は、互いに同種のふっ素原子を含むために、固形膜４０に対する油膜４１の親和性がきわめて良好となり、仮にボール３のひきずり現象が発生しても局部的な油膜切れが発生しにくくなるばかりか、仮にそのような油膜切れが発生したところで、固形膜４０の存在によりねじ軸１やナット２に対するボール３の直接接触つまり母材相互の直接接触を回避できるようになる。一方、油膜４１の存在によって固形膜４０の摩擦係数が軽減されることになるので、固形膜４０の摩耗進展を抑制できるようになる。このように固形膜４０と油膜４１とが相互に助長し合うことによって、転動、摺動部位の良好な潤滑性を長期間継続できるようになる。しかも、上述したように油膜４１の膜厚を固形膜４０の膜厚の１／２以下に設定していれば、固形膜４０に対する油膜４１の付着強度がより一層高められるので、低発塵性を確保できて環境清浄化に貢献できるようになる。この油膜４１の付着強度は、例えば１０^-5Ｐａレベルの高真空環境においても十分なものとなるなど、使用環境範囲を拡大できるようになる。図７に膜厚と発塵量との関係についての試験結果を示す。この結果から、油膜４１の膜厚を固形膜の１／２以下としたものは、使用開始時から発塵量が少なく、また、時間が経過しても終始発塵量が低くなっていることが判る。
【００２９】
図３ないし図５に本発明の一実施形態にかかる直動型玉軸受を示している。図３は、直動型玉軸受の上半分を断面にした側面図、図４は、直動型玉軸受の一部を断面にした端面図、図５は、図３中のレールの断面図である。
【００３０】
図中、Ｂは直動型玉軸受の全体を示しており、１１は円筒形の軸からなるレール、１２は円筒部材からなる移動体、１３は保持器、１４は転動体としてのボール、１５は環体である。
【００３１】
レール１１は、その外周面の円周六箇所に軸方向に沿う直線状の溝１６が全長に及んで設けられている。
【００３２】
移動体１２は、その内周面の軸方向中間領域の円周六箇所にレール１１の溝１６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溝１７，１８が設けられている。
【００３３】
保持器１３は、移動体１２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、環体１５により支持されている。保持器１３の軸方向中間領域には、平面的に見ると横長の輪状溝１９が周方向に合計六つ設けられている。輪状溝１９の軸方向に沿う片方の直線部１９ａは、底が貫通されて底無しとされ、残り片方の直線部１９ｂは底有りとされている。
【００３４】
前述のレール１１側と移動体１２側の対向する二つの直線状の溝１６，１７がそれぞれ対となって合計六本の負荷用ボール転送路２０を構成している。このボール転送路２０に、保持器１３の輪状溝１９の底無しの直線部１９ａが位置する。また、移動体１２の溝１８と保持器１３の輪状溝１９の底有りの直線部１９ｂとが対となって合計六本の無負荷用ボール循環路２１を構成している。これら、六本のボール転送路２０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２１それぞれとが保持器１３の輪状溝１９の周方向に沿う部分によって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１１と移動体１２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２０とボール循環路２１との間でボール１４群が転動循環されるようになっている。なお、レール１１の溝１６と移動体１２の溝１７の横断面は、例えばＶ字形に形成されていて、これら対向する一対の溝１６，１７に対してボール１４が２点ずつ計四点で接触するようになっている。
【００３５】
このような直動型玉軸受Ｂにおいて、レール１１の外周面と移動体１２の内周面に対して、上述した固形膜４０が被覆形成されるとともに、この固形膜４０の表面にふっ素系油成分からなる油膜４１が付着される。
【００３６】
直動型玉軸受Ｂにおいて、レール１１、移動体１２、保持器１３ならびにボール１４は、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３０４などの金属で形成され、環体１５は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＰＡ）などのエンジニアリングプラスチックスで形成される。但し、ボール１４は、例えば窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）などのセラミックスで形成してもよい。また、保持器１３は、例えば黄銅やチタン、あるいは上記合成樹脂などで形成してもよい。
【００３７】
図６は本発明の一実施形態にかかる転がり軸受の上半分の縦断面図である。図中、Ｃは転がり軸受の全体を示しており、深溝型玉軸受と呼ばれる形式を例示している。この転がり軸受Ｃは、内輪３１と、外輪３２と、転動体としてのボール３３と、波形の保持器３４とを備えている。
【００３８】
上述した内・外輪３１，３２、ボール３３ならびに保持器３４は、各種の金属材で形成される。この金属材としては、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た金属材、あるいはＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼などが挙げられる。
【００３９】
このような転がり軸受Ｃの場合、内輪３１の外周面および外輪３２の内周面に対して、上述した固形膜４０が被覆形成されるとともに、この固形膜４０の表面にふっ素系油成分からなる油膜４１が付着される。
【００４０】
以上説明したように、ボールねじＡ、直動型玉軸受Ｂあるいは転がり軸受Ｃにおいてボール３，１４，３３の転動部位あるいは摺動部位に固形膜４０と油膜４１とを形成すれば、仮にボール３，１４，３３のひきずり現象が発生してもボール３，１４，３３をその転動、摺動相手に対して必ず固形膜４０や油膜４１を介して接触させることができて、金属材どうしの直接接触を避けるようにできる。したがって、良好な潤滑性を長期にわたって継続できるようになり、長寿命化を達成できるようになる。
【００４１】
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。
【００４２】
（１）上記実施形態で例示したボールねじＡ、直動型玉軸受Ｂならびに転がり軸受Ｃは、あくまでも本発明の対象の一例であって、転がり摺動部品の範疇に含まれる周知の各種機器に対して本発明を適用できる。
【００４３】
（２）上記実施形態では、ボールねじＡのねじ軸１とナット２とに対して、また、直動型玉軸受Ｂのレール１１と移動体１２に対して、さらに、転がり軸受Ｃの内・外輪３１，３２に対して、それぞれ固形膜４０と油膜４１とを形成したが、いずれも、ボール３，１４，３３に対して固形膜４０と油膜４１とを形成してもよい。また、ボールねじのサーキュレータチューブ４や直動型玉軸受の保持器１３にも膜を形成してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１または２の発明では、転動部位あるいは摺動部位に形成してある固形膜および油膜が長期にわたって排除されずに安定して存在するから、転動部位あるいは摺動部位の潤滑性を長期にわたって良好に保つことができて、寿命の向上に貢献できる。
【００４５】
特に、油膜の膜厚を特定すれば、油膜の付着強度をより一層高めることができるので、潤滑性のさらなる長期安定化を図ることができるだけでなく、低発塵性を確保できて環境清浄化に貢献できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるボールねじの縦断面図
【図２】固形膜の構造を模式的に表した構造図
【図３】本発明の他の実施形態にかかる直動型玉軸受の上半分を断面にした側面図
【図４】図３の直動型玉軸受の一部を断面にした端面図
【図５】図３中のレールの断面図
【図６】本発明の他の実施形態にかかる転がり軸受の上半分の断面図
【図７】各油膜の膜厚毎の発塵量の測定結果を示すグラフ
【符号の説明】
Ａボールねじ
１ねじ軸
２ナット
３ボール
５ねじ軸の螺旋溝
６ナットの螺旋溝
Ｂ直動型玉軸受
１１レール
１２移動体
１３保持器
１４ボール
１６レールの溝
１７，１８移動体の溝
Ｃ転がり軸受
３１内輪
３２外輪
３３ボール
４０固形膜
４１油膜

Claims

相手部材との間で相対的に転がり接触またはすべり接触が生ずる低発塵転がり摺動部品であって、
前記相手部材との接触面に、末端がイソシアネート官能基付き含ふっ素重合体を硬化処理することで形成された少なくとも下記化学式１０，１１のいずれかの結合を備えたふっ素系高分子成分のみからなる固形膜が予め被覆形成されており、前記固形膜は３次元の網状構造を有し、かつ膜厚が１０μｍ以下であり、
前記固形膜の表面に、オイルであるふっ素系油成分からなる油膜が付着されており、前記油膜は前記固形膜に対する付着強度を高めるために使用開始時における前記固形膜の膜厚の半分以下の膜厚に設定されている、ことを特徴とする低発塵転がり摺動部品。
転がり軸受の軌道輪、送りねじのねじ軸やナット、あるいは直動型軸受のレールや移動体として用いられる、請求項１の低発塵転がり摺動部品。