CN107489695B - 滚动轴承、旋转机械元件及固体膜形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滚动轴承、旋转机械元件及固体膜形成方法，在滚动轴承的轴承结构元件形成固体膜。使包含氟化物和不具有官能团的润滑剂的溶液作为第一液状膜附着于轴承结构元件(附着工序)。通过使附着的所述第一液状膜固化，而在所述轴承结构元件形成固体膜。使包含形成有固体膜的轴承结构元件在内的滚动轴承旋转。通过包含与在所述附着工序中使用的所述润滑剂相同的润滑剂的清洗液对该滚动轴承进行清洗，并且使该清洗液作为第二液状膜附着于轴承结构元件。并且，使附着的第二液状膜干燥。

Description

滚动轴承、旋转机械元件及固体膜形成方法
在2016年6月10日提出的日本专利申请2016-116097的公开，包括其说明书、附图及摘要作为参照而全部包含于此。
技术领域
本发明涉及滚动轴承、旋转机械元件及固体膜形成方法。
背景技术
在无法使用润滑脂、润滑油的真空环境、腐蚀环境中使用滚动轴承的情况下，相对于内圈、外圈等轴承结构元件施加将固体润滑剂设为膜状的涂层。在该涂层中，以往，例如使用金、银、铅等软质金属、石墨、二硫化钼等层状结构物质。
在使使用固体润滑剂的涂层形成于滚动轴承的情况下，在轴承的旋转时，通过微量的固体润滑剂剥落而有助于润滑。在该情况下，来自滚动轴承的扬尘量与使用润滑脂、润滑油的情况相比较少，但在需要较高的洁净度的环境中，还是难以将其应用。因此，提出在轴承结构元件形成含氟聚氨酯高分子化合物的固体膜的滚动轴承(例如，参照日本特开平9-137830号公报)。
根据所述日本特开平9-137830号公报中记载的技术，在无法使用润滑脂、润滑油的真空环境、腐蚀环境及洁净环境中能够作为合适的滚动轴承。
发明内容
本发明的目的之一在于，提供能够减少扬尘和提高润滑性的滚动轴承、旋转机械元件及用于制造这样的滚动轴承、旋转机械元件的固体膜形成方法。
本发明的固体膜形成方法，是在滚动轴承的至少一个轴承结构元件上形成固体膜的方法，所述滚动轴承具备内圈、外圈及设置于所述内圈与所述外圈之间的多个滚动体作为所述轴承结构元件，所述方法包括：附着工序，使包含氟化物和不具有官能团的润滑剂的溶液作为第一液状膜附着于至少一个所述轴承结构元件；成膜工序，通过使附着的所述第一液状膜固化，而在至少一个所述轴承结构元件上形成固体膜；旋转工序，使包含形成有所述固体膜的所述轴承结构元件在内的滚动轴承旋转；清洗工序，通过包含与在所述附着工序中使用的所述润滑剂相同的润滑剂的清洗液对所述滚动轴承进行清洗，并且使该清洗液作为第二液状膜附着于所述轴承结构元件；及干燥工序，使附着的所述第二液状膜干燥。
附图说明
前述及后述的本发明的特征及优点通过下面的具体实施方式的说明并参照附图而明确，其中，相同的标号表示相同的部件。
图1是表示本发明的滚动轴承的一实施方式的剖视图。
图2是表示甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯的通式(化学式)的图。
图3是表示六氟丙烯的通式(化学式)的图。
图4是表示甲基丙烯酸甲酯的通式(化学式)的图。
图5是固体膜的说明图。
图6是用于进行扬尘试验的装置的说明图。
图7是表示试验条件的图。
图8是表示20小时的平均扬尘量(个/cf)的坐标图。
图9是表示超过相当于等级10的扬尘量的时间(即扬尘寿命)的坐标图。
图10是说明固体膜形成方法的流程图。
具体实施方式
图1是表示本发明的滚动轴承的一实施方式的剖视图。滚动轴承10具备内圈11、外圈12、多个滚动体13及保持架14，在图1所示的方式中，所述滚动体是滚珠13。即，图1所示的滚动轴承10是滚珠轴承。保持架14是在周向上隔开间隔而保持多个滚珠13的环状的部件。这些内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14分别被称为轴承结构元件。在本实施方式中，在这些轴承结构元件各自的表面形成有固体膜15。
本实施方式的内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14由具有耐腐蚀性的材料形成。例如，可以作为马氏体系不锈钢、奥氏体系不锈钢，或者也可以是陶瓷材料。除了这样的耐腐蚀性材料以外，内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14也可以是轴承钢等碳钢。关于保持架14也可以是黄铜、合成树脂材料。
固体膜15形成于内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14各自的整个表面。该固体膜15是由氟化物形成的膜，所述氟化物作为成分含有甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯。
将表示甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯的结构的通式(化学式)在图2中表示。将表示六氟丙烯的结构的通式(化学式)在图3中表示。将表示甲基丙烯酸甲酯的结构的通式(化学式)在图4中表示。
在固体膜15中分散地添加有不具有官能团的润滑剂，润滑剂能够从固体膜15流动。所述润滑剂由氟聚合物构成，在本实施方式中使用全氟聚醚(以下称为PFPE油)。由这样的氟系润滑剂(氟系润滑油)构成的不具有官能团的润滑剂(氟聚合物)分散地添加到固体膜15。并且，固体膜15的表面由氟聚合物的润滑剂覆盖。固体膜15的厚度为例如一微米～几微米左右。
对固体膜15的形成方法进行说明。内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14被预先脱脂，它们处于装配后的状态。因此，在本实施方式中，作为滚动轴承10在装配后的状态下进行脱脂。
准备以下说明的溶液，在该溶液中浸渍装配后的状态的滚动轴承10，使内圈11与外圈12相对旋转数次。由此，能够在内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14各自的表面整体附着液状膜(即所述溶液的膜)(附着处理)。
所述溶液具有氟化物，并且是添加了作为氟聚合物的润滑剂(全氟聚醚)的溶液，所述氟化物作为单体成分含有甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯。所述氟化物具有官能团，相对于此，所述润滑剂不具有官能团。对该溶液进一步进行说明。将氟化物作为第一溶质，所述氟化物将甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为单体成分。将不具有官能团的全氟聚醚(PFPE油)作为第二溶质。所述溶液是向由溶剂稀释所述第一溶质而成的溶液中加入所述第二溶质而成的溶液。作为所述溶剂是氟溶剂，具体而言，是全氟丁基甲醚及乙基九氟丁基醚的配合液。
在溶液中，优选将第一溶质设为0.5～5重量％，相对于此，将第二溶质设为0.1～2重量％。若使第一溶质小于0.5重量％，则形成的固体膜15成为较薄且柔软的膜，可能会降低耐磨损效果。相对于此，若第一溶质超过5重量％，则轴承结构元件彼此经由固体膜15强固地粘合。有时解除该粘合较困难。因此，更加优选将第一溶质设为1～3重量％。而且，若使第二溶质小于0.1重量％，则润滑剂的润滑效果可能较低。相对于此，若第二溶质超过2重量％，则存在减小形成的固体膜15的紧贴性的可能性。因此，更加优选将第二溶质设为0.3～1重量％。
为了确保固体膜15的紧贴性，在溶液中含有的第一溶质(所述氟化物)与第二溶质(全氟聚醚)之间的配合优选为第一溶质比第二溶质多。即，第一溶质与第二溶质之间的配合比例中，优选将第一溶质设定得比第二溶质高，例如优选为(第一溶质：第二溶质)＝(4：1)的配合比例。
并且，使这样的配合的溶液作为液状膜附着于轴承结构元件(附着工序)。在本实施方式中，对将滚动轴承10的整体浸渍于所述溶液的情况进行了说明，但也可以通过其他手段在轴承结构元件附着液状膜。而且，可以不以装配为滚动轴承10的状态而以零散的状态在轴承结构元件的各自附着液状膜。
并且，使附着于轴承结构元件的液状膜固化。作为具体的方法，对滚动轴承10进行加热(在恒温槽中以100℃保持60分钟)，使皮膜(液状膜)进行固化反应。由此，在轴承结构元件的表面形成固体膜15(成膜工序)。为了使所述液状膜固化，作为设定的温度设为50～150℃即可。但是，该温度应该为轴承结构元件的回火温度以下。
这样使在轴承结构元件形成固体膜15的滚动轴承10沿正方向及逆方向旋转。即，使内圈11与外圈12分别沿正方向及逆方向相对旋转(旋转工序)。由此，能够解除由固体膜15引起的滚动轴承10的粘合。即使在形成于内圈11及外圈12的各轨道的固体膜15存在凸部，滚珠13也能够压扁这样的凸部，并除去这样的凸部，能够减小固体膜15的厚度的偏差。若在轨道上的固体膜15的厚度中产生偏差，则在轴承旋转时可能会产生振动、转矩变动这样的不良情况。在该旋转工序中，若滚动轴承10的旋转速度过低、旋转时间过短，则难以得到减小固体膜15的厚度的偏差的效果。而且，若旋转速度过高、旋转时间过长，则会使固体膜15过度地磨损。因此，旋转速度优选为1000～2000rpm，而且，优选将旋转时间设为3～10秒左右。
在这样使滚动轴承10旋转之后，通过清洗液对滚动轴承10进行清洗(清洗工序)。这里使用的清洗液含有与在所述附着工序中使用的润滑剂相同并作为氟聚合物的不具有官能团的润滑剂(全氟聚醚：PFPE油)，将该润滑剂添加到容易挥发的溶剂中。在清洗液中使用的溶剂也与在所述附着工序中使用的溶剂相同，是乙基九氟异丁基醚及乙基九氟丁基醚配合液。即，通过清洗液来进行滚动轴承10的清洗，所述清洗液是将作为溶质的不具有官能团的全氟聚醚由溶剂稀释而成的清洗液，所述溶剂由乙基九氟异丁基醚及乙基九氟丁基醚的配合液形成。
在这样的清洗液中浸渍滚动轴承10，通过超声波清洗机进行清洗。由此，能够将残存于轴承内部的剥落的皮膜等除去，并且能够使清洗液作为液状膜而均匀且较薄地附着于轴承结构元件各自的固体膜15的表面。作为清洗时间为大约1～3分钟左右。
并且，将滚动轴承10从清洗液取出，使均匀地较薄地附着于固体膜15的液状膜干燥(干燥工序)。作为具体的方法，对滚动轴承10进行加热(在恒温槽中以80℃保持5分钟)，使皮膜(液状膜)干燥。由此，固体膜15的表面整体成为由氟聚合物的润滑剂覆盖的膜。即，形成分散地添加有氟聚合物、并且由相同的氟聚合物覆盖表面而成的固体膜15。因此，在固体膜15中，其表面的氟聚合物的占有比例比在膜内氟聚合物的占有比例高。
在所述清洗液中使用的润滑剂的浓度设为与在所述附着工序中用作溶液的润滑剂的浓度相同的程度。即，将在清洗液中使用的润滑剂的浓度设为0.1～3重量％。在清洗液中使用的润滑剂的浓度优选设为在固体膜15中含有的润滑剂的浓度以上，为0.1重量％以上。在清洗液中使用的润滑剂的浓度较低的情况下，在成膜工序中分散地添加于固体膜15的氟聚合物的润滑剂在清洗工序中可能会脱离到固体膜15外。
如上所述，如图10所示，在滚动轴承10的轴承结构元件形成固体膜15的固体膜形成方法包括附着工序、成膜工序、旋转工序、清洗工序和干燥工序。在所述附着工序中，使溶液作为第一液状膜附着于轴承结构元件，所述溶液含有将甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为单体成分的氟化物和不具有官能团的润滑剂(PFPE油)。并且，在所述成膜工序中，使附着的所述第一液状膜固化，由此在轴承结构元件形成固体膜15。所述旋转工序中，使包括形成有固体膜15的所述轴承结构元件在内的滚动轴承10旋转。在所述清洗工序中，通过含有与在所述附着工序中使用的润滑剂相同的润滑剂(PFPE油)的清洗液对该滚动轴承10进行清洗。使该清洗液(PFPE油)作为第二液状膜附着于轴承结构元件。并且，所述干燥工序使附着的所述第二液状膜干燥。由此，由氟聚合物的润滑剂覆盖固体膜15。
通过该方法制造的滚动轴承10具备内圈11、外圈12、设于这些内圈11与外圈12之间的多个滚珠13及保持架14作为轴承结构元件。在这些轴承结构元件形成有氟化物的固体膜15，所述氟化物含有甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为单体成分。并且，在该固体膜15中分散地添加有能够流动的不具有官能团的氟聚合物的润滑剂。该固体膜15的表面的该氟聚合物的润滑剂的占有比例比膜中(固体膜15中)的比例高。
如上所述，得到的固体膜15由于固化反应而具有分子之间结合的结构。特别地，如图5所示，通过固体膜15具有的Si基与轴承结构元件(基体材料M)的氢氧基(OH基)结合，而固体膜15相对于轴承结构元件的紧贴性变高，能够减少固体膜15所产生的扬尘。需要说明的是，轴承结构元件通常具有氢氧基(OH基)。而且，在固体膜15也通过硅氧烷结合而强固地结合，覆盖轴承结构元件的表面，因此难以剥落，能够减少扬尘。需要说明的是，图5的左侧表示固化反应之前，右侧表示固化反应之后。
而且，通过所述附着工序及所述成膜工序，使不具有官能团的氟聚合物的润滑剂以具有流动性的状态分散，能够形成由氟化物构成的固体膜15。并且，通过所述清洗工序及所述干燥工序，滚动轴承10被清洗，并且固体膜15由氟聚合物的润滑剂覆盖。即，能够得到不具有官能团的氟聚合物的润滑剂以能够流动的状态分散地添加于固体膜15并且覆盖固体膜15的结构。如此，不具有官能团的氟聚合物的润滑剂以能够流动的状态分散地添加于固体膜15，因此，也就是说氟聚合物的润滑剂由于不具有官能团而能够流动。由此，该润滑剂从固体膜15渗出而能够有助于滚动轴承10的润滑，能够提高润滑性。并且，通过所述旋转工序，能够减小固体膜15的厚度的偏差。而且，此时，即使存在从固体膜15剥落的部分，也能够通过所述清洗工序将其除去，得到适于洁净环境的滚动轴承10。
在本实施方式中，所述润滑剂由不具有官能团的氟聚合物构成，因此能够提高滚动轴承10的润滑性能。而且，氟化物(所述第一溶质)的配合比例比氟聚合物(所述第二溶质)高。因此，提高固体膜15相对于轴承结构元件的紧贴性的作用较强。如此，在本实施方式的固体膜15中，基础的树脂是氟系(所述氟化物)，在这其中添加有不具有官能团的氟聚合物作为润滑剂(代替现有的固体润滑剂)。
而且，在本实施方式的固体膜形成方法中，使用的所述溶液是将氟化物(所述第一溶质)和润滑剂(所述第二溶质，即全氟聚醚)加入到溶剂而得到的溶液。该溶剂是含有乙基九氟异丁基醚和乙基九氟丁基醚中的至少一种的醚。在该情况下，可以不使用氟化物用(所述第一溶质用)和润滑剂用(所述第二溶质用，即全氟聚醚用)的两种溶剂。并且，所述清洗液是通过所述溶剂(含有乙基九氟异丁基醚和乙基九氟丁基醚中的至少一种的醚)将所述润滑剂(全氟聚醚)稀释而得到的溶液。
接着，对形成的固体膜15的扬尘寿命进行说明。在此，列举出实施例1、比较例1和现有例1。实施例1如所述实施方式那样，是如下方式：对装配完成的滚动轴承进行脱脂清洗，使由所述溶液形成的液状膜附着(附着工序)，使该液状膜固化(成膜工序)，使该滚动轴承旋转(旋转工序)，通过所述清洗液进行清洗(清洗工序)，进行干燥(干燥工序)。需要说明的是，在所述脱脂清洗中，分别借助于己烷及丙酮通过超声波清洗机进行1分钟的清洗。所述液状膜的附着是将滚动轴承浸渍于所述溶液中1分钟而进行的，固化是在100℃的条件下烧成60分钟而进行的。滚动轴承的旋转分别沿正方向及逆方向以旋转速度1800rpm进行5秒(旋转工序)，通过清洗液对该滚动轴承清洗2分钟，使用恒温槽在80℃的环境下干燥5分钟。需要说明的是，在使滚动轴承旋转时，负载额定载荷的5％的轴向载荷。
在实施例1中，关于所述溶液，将第一溶质(所述氟化物)设为2重量％，将第二溶质(不具有官能团的全氟聚醚)设为0.5重量％，将第一溶质与第二溶质之间的配合比例设为4：1。而且，关于所述清洗液，将不具有官能团的全氟聚醚设为0.5重量％。所述溶液及所述清洗液各自的溶剂是乙基九氟异丁基醚与乙基九氟丁基醚的配合液。比较例1完成了与实施例1相同的所述附着工序及所述成膜工序，但省略了旋转工序、清洗工序及干燥工序。现有例1是在背景技术中说明的(日本特开平9-137830号公报)形成了含氟聚氨酯高分子化合物的固体膜的滚动轴承。
分别将实施例1、比较例1及现有例1的滚动轴承安装于图6所示的装置并进行扬尘试验。图6中的箭头表示气体(净化气体)的流动，气体通过轴承内向颗粒计数器流动。试验条件如图7所示。
图8是表示试验开始后20小时的平均扬尘量(个/cf)的坐标图。图9是表示超过相当于等级10的扬尘量的时间(即扬尘寿命)的坐标图。如图8所示，实施例1的平均扬尘量比现有例1低，成为优选的结果。而且，如图9所示，实施例1的扬尘寿命比现有例1长，成为优选的结果。
由上所述，在本实施方式的滚动轴承10(实施例1)中，固体膜15相对于轴承结构元件的紧贴性较高，减少固体膜15所产生的扬尘。而且，根据所述试验的结果(参照图9)，固体膜15能够具有较高的耐久性。并且，所述润滑油从固体膜15渗出而能够有助于滚动轴承10的润滑，能够提高润滑性。
需要说明的是，在所述实施方式中，将内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14设为装配后的状态，将其浸渍于所述溶液而形成固体膜15。但是，也可以以装配之前的状态将轴承结构元件浸渍于所述溶液而分别在轴承结构元件形成固体膜15，然后，装配为滚动轴承10。而且，对在内圈11、外圈12、滚珠13及保持架14的全部形成固体膜15的情况进行了说明，但也可以在轴承结构元件的至少一个上形成固体膜15。在该情况下，使所述溶液作为液状膜附着于轴承结构元件的至少一个上即可，然后，使该液状膜固化，进而，通过所述清洗液进行清洗并干燥即可。并且，将滚动轴承10装配成完成品即可。而且，图1所示的滚动轴承10具备保持架14，但也可以在省略保持架14的滚动轴承中应用本发明。
而且，固体膜15可以不设置于轴承结构元件的整体，可以部分地进行设置。例如，在内圈11及外圈12中，固体膜15至少设置于供滚动体(滚珠13)滚动接触的轨道面即可。而且，在保持架14与内圈11或外圈12的一部分滑动接触的情况下，在该一部分设置有固体膜15即可。而且，可以仅在轴承构成元件中的滚动体(滚珠13)的表面(整体)设置固体膜15。
而且，所述固体膜形成方法可以将除图1所示那样的滚动轴承以外的其他的旋转机械元件作为对象，在旋转机械元件具有的结构部件形成固体膜即可。例如，通过所述固体膜形成方法而在结构部件形成固体膜的旋转机械元件可以作为包括滚动接触的结构部件在内的滚珠丝杆、直线导轨等线性运动元件。
以上公开的实施方式在所有的方面都是示例而不是限制性的实施方式。即，本发明的滚动轴承不局限于图示的方式，可以是在本发明的范围内的其他的方式。
根据本发明的滚动轴承(旋转机械元件)，能够减少固体膜所产生的扬尘，而且，润滑剂从固体膜渗出而能够有助于滚动轴承(旋转机械元件)的润滑，能够提高润滑性。根据本发明的固体膜形成方法，能够制造所述那样的滚动轴承(旋转机械元件)。

Claims (6)

1.一种固体膜形成方法，是在滚动轴承的至少一个轴承结构元件上形成固体膜的方法，所述滚动轴承具备内圈、外圈及设置于所述内圈与所述外圈之间的多个滚动体作为所述轴承结构元件，所述方法包括：
附着工序，使包含氟化物和不具有官能团的润滑剂的溶液作为第一液状膜附着于至少一个所述轴承结构元件，所述氟化物是将甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为成分的化合物；
成膜工序，通过使附着的所述第一液状膜固化，而在至少一个所述轴承结构元件上形成固体膜；
旋转工序，使包含形成有所述固体膜的所述轴承结构元件在内的滚动轴承旋转；
清洗工序，通过包含与在所述附着工序中使用的所述润滑剂相同的润滑剂的清洗液对所述滚动轴承进行清洗，并且使该清洗液作为第二液状膜附着于所述轴承结构元件；及
干燥工序，使附着的所述第二液状膜干燥。
2.根据权利要求1所述的固体膜形成方法，其中，
所述溶液是将所述氟化物和所述润滑剂加入溶剂而得到的溶液，
所述润滑剂由全氟聚醚构成，
所述溶剂是包含乙基九氟异丁基醚和乙基九氟丁基醚中的至少一种的醚，
所述清洗液是通过所述溶剂将所述润滑剂稀释而得到的溶液。
3.根据权利要求1或2所述的固体膜形成方法，其中，
在所述溶液中，所述氟化物的配合比例比所述润滑剂的配合比例高。
4.一种滚动轴承，具备内圈、外圈及设置于所述内圈与所述外圈之间的多个滚动体作为轴承结构元件，其中，
在至少一个所述轴承结构元件上形成有氟化物的固体膜，所述氟化物包含甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为成分，
在所述固体膜中分散地添加有不具有官能团的润滑剂，并且该固体膜的表面上的该润滑剂的占有比例比膜中的该润滑剂的占有比例高。
5.一种旋转机械元件，具备进行滚动接触的结构部件，其中，
在所述结构部件上形成有氟化物的固体膜，所述氟化物包含甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为成分，
在所述固体膜中分散地添加有不具有官能团的润滑剂，并且该固体膜的表面上的该润滑剂的占有比例比膜中的该润滑剂的占有比例高。
6.一种固体膜形成方法，所述方法是在包含进行滚动接触的结构部件在内的旋转机械元件的该结构部件上形成固体膜的方法，所述方法包括：
附着工序，使包含氟化物和不具有官能团的润滑剂的溶液作为第一液状膜附着于所述结构部件，所述氟化物是将甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基酯、六氟丙烯及甲基丙烯酸甲酯作为成分的化合物；
成膜工序，通过使附着的所述第一液状膜固化，而在所述结构部件上形成固体膜；
旋转工序，使包含形成有所述固体膜的所述结构部件在内的旋转机械元件进行旋转动作；
清洗工序，通过包含与在所述附着工序中使用的所述润滑剂相同的润滑剂的清洗液对所述旋转机械元件进行清洗，并且使该清洗液作为第二液状膜附着于所述结构部件；及
干燥工序，使附着的所述第二液状膜干燥。
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