【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体潤滑できない低温や真空の環境で使用できる固体潤滑転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば−２５０℃程度の液体水素または−１８３℃程度の液体酸素などを取り扱うロケットエンジンのターボポンプなどに用いられる極低温用の軸受や、高空や宇宙などの真空条件で使用される真空用の軸受は、その使用中に液体潤滑剤が機能せず、または補給ができないために、固体潤滑剤を軸受に組み込んで特有の潤滑性を利用している。
【０００３】
周知の固体潤滑剤としては、金、銀、鉛等の軟質金属、二硫化モリブデン等の無機層状物質、四フッ化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略記する。）等の高分子系のものが周知である。
【０００４】
これら固体潤滑剤は、例えば内・外輪の軌道面やボールの表面、または保持器の表面（ポケット面、保持器案内面等）に被覆されるか、または保持器全体をＰＴＦＥ等の高分子材で成形して用いられる。
【０００５】
例えば高分子材系固体潤滑剤で形成された保持器を組み込んだ転がり軸受は、保持器表面の適度な摩耗で生成される高分子の粉が内・外輪の軌道面やボールの表面等に添着して潤滑性の被膜を形成し、この添着膜によって長期にわたって潤滑性を発揮する。
【０００６】
また、塩素を含まずに潤滑性能が劣る冷媒ガスを圧縮するための圧縮機のアルミニウム製ピストンピンの表面には、コンロッドのアルミニウム合金の凝着を防止するために、ニッケルを主成分とするマトリックス合金に、四フッ化エチレン樹脂を配合したニッケルリン複合めっきが施される（特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１０３１４０号公報（特許請求の範囲、段落０００５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した圧縮機のアルミニウム製ピストンピンは、アルミニウム合金との接触面にニッケルリン複合めっきが形成されているにすぎないもので、アルミニウム合金の凝着防止性以外の特性は明らかにされていない。
【０００９】
また、前記した保持器全体をＰＴＦＥ等の高分子材で形成した従来の転がり軸受は、回転速度が高速化すると、遠心力による負荷や高速回転する転動体との接触または衝突による引張り応力が増大するので、損傷や変形が起こる可能性が高まり、転がり軸受にさらなる高速度化が求められた場合には、保持器が許容引張応力の増大に耐えられなくなるという問題がある。
【００１０】
このような問題は、特にロケットエンジンの低温の燃料を取り扱う機械要素である極低温で高速に耐える転がり軸受においては特に重要な問題である。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して転がり軸受の保持器が、高速回転時の引っ張り応力に充分に耐える機械的強度を有すると共に、無潤滑の使用環境下においても転がり軸受の軌道面や転走面などの要部摩耗を抑制できる潤滑性のある固体潤滑転がり軸受にすることである。
【００１２】
また、特にロケットエンジンのターボポンプを構成する機械要素のように極低温で高速使用に耐える固体潤滑転がり軸受とすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明においては、転がり軸受の内・外輪の間に、軸受荷重を支持する転動体を回転自在に保持する保持器を設けた転がり軸受において、前記保持器を金属で形成すると共に、その表面に、ニッケルを主成分として四フッ化エチレン樹脂粉末を含有する無電解ニッケル複合めっき皮膜を設けたことを特徴とする固体潤滑転がり軸受としたのである。
【００１４】
上記した構成の固体潤滑転がり軸受は、保持器を金属で形成すると共に、その表面に、ニッケルを主成分として四フッ化エチレン樹脂粉末を含有する無電解ニッケル複合めっき皮膜を設けたことにより、保持器が高速回転時に増大する引張り応力に耐える強度を有し、かつ表面の皮膜を形成する主要成分であるニッケルが摩耗する時に四フッ化エチレン樹脂粒子を徐々に放出するため、無潤滑の使用環境下においても転がり軸受の軌道面や転動面などの要部が摩耗せずにフッ素皮膜で潤滑される。
【００１５】
ニッケル複合めっき皮膜による潤滑を長時間充分に発揮させるためには、四フッ化エチレン樹脂粉末の含有量が、１０〜３５容量％であることが好ましい。
【００１６】
また、高速回転時に増大する引張り応力に耐える強度を保持器に持たせるために好ましい条件は、保持器を形成する金属が、浸炭鋼、アルミニウム金属、ステンレス鋼、または銅合金である固体潤滑転がり軸受である。
【００１７】
また、保持器が、転動体保持用の平穴型のポケットを形成した保持器であることが好ましい。平穴に収容された転動体は、平穴内の長手方向に遊動する間隙を有するので、転動体の振動は保持器の振動に対してある程度独立しており、保持器が転動体と激しく衝突して破損するような事態を防止できる。
【００１８】
このような固体潤滑転がり軸受は、特にロケットエンジンのターボポンプを構成する機械要素である極低温・高速用の固体潤滑転がり軸受に適用できるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の固体潤滑転がり軸受の実施形態を以下に添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すように、実施形態は、転がり軸受の内輪１と外輪２の間に、軸受荷重を支持する転動体であるボール３を回転自在に保持する保持器４を設けた転がり軸受であり、保持器４を所定の金属で形成すると共に、その表面に、ニッケルを主成分として四フッ化エチレン樹脂粉末を含有する無電解ニッケル複合めっき皮膜５を設けたものである。
【００２１】
保持器４を形成している金属材料は、転がり軸受の使用条件に応じて適当な材料を選択して用いればよく、たとえば高速回転に耐えて変形し難い強度を必要とする場合には、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ）が適当であり、転がり軸受に軽量化が必要な場合には、アルミニウムまたはアルミニウム合金が適当である。また、転がり軸受が地上に保管される場合に求められる耐食性を充分に満足させるためには、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ニッケル含有）やマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４０４Ｃ、フェライト含有）、軽量化や強度が特に求められていない場合には、高力黄銅鋳物（ＣＡＣ３０１、旧記号ＨＢｓＣｌ）が挙げられる。
【００２２】
図１および図２に示すように、保持器４は、その形状を特に限定することなく採用できるが、ボール３などの転動体を保持するポケット６と称される穴の部分の形状は、特に平円形状（レーストラック形状または長穴とも呼ばれる。）に形成することが好ましい。なぜなら、ロケットエンジンの液体水素ターボポンプなどに用いられた転がり軸受は、使用中に非常に激しく振動するが、その際にボール３の振動と保持器４の振動の周期がずれると両者が激しく衝突し、保持器４のポケット６が破損する場合もあるため、そのような事態を防止できるように、ボール３をポケット６内で回転軸の周りに若干の遊動が可能であるようにして、ボール３と保持器４との動きを独立させ、その衝突を防止している。
【００２３】
そして、保持器４を前記した金属で形成すると共に、その表面にニッケルを主成分として、四フッ化エチレン樹脂粉末を含有する無電解ニッケル複合めっき皮膜５を設けた。
【００２４】
ニッケル複合めっきは、無電解ニッケル被覆で形成することが好ましく、めっき浴中の四フッ化エチレン樹脂の含有量は１０〜３５容量％であることが好ましい。なぜなら１０容量％未満の少量の添加では、充分な摩擦面に充分な添着量がなく、潤滑性を確実に発揮できないからであり、３５容量％を越えて添加すると、耐摩耗性が低くなって長時間、連続して潤滑性を発揮できないからである。
【００２５】
四フッ化エチレン樹脂粉末は、その粒径が１〜１００μｍ程度のものを使用することができ、粒径は１〜２０μｍ程度に微小であるものが潤滑性や耐摩耗性の点で好ましい。
【００２６】
前記のめっき浴中には、リン酸エステル、亜リン酸エステルなどのリン（燐）系化合物を含有させることが、摩擦係数を低く安定させるために好ましく、例えば８〜１０重量％程度のリンをリン酸亜鉛塩として配合しためっき浴を用いて好ましい結果を得ている。前記リン（燐）系化合物の代表例としては、トリアルキルフォスフェート、トリクレジルフォスフェート、アミンフォスフェートなどが挙げられる。
【００２７】
このようにして保持器の表面に得られる無電解ニッケル複合めっき皮膜は、四フッ化エチレン樹脂を１０〜３５体積％、好ましくは２０〜２６体積％（７〜９重量％）含有し、硬度Ｈｖ４００〜６００程度のものになる。また、表面の摩擦係数は、四フッ化エチレン樹脂を１０体積％含有する皮膜では、静摩擦０．０１６８、動摩擦０．０１５７、四フッ化エチレン樹脂を３５体積％含有の皮膜では、静摩擦０．００９６、動摩擦０．００９６という測定例がある。
【００２８】
【実施例】
深溝玉軸受の保持器（冷間圧延鋼板製、ポケットは平円形状）に、四フッ化エチレン樹脂粉末（粒径１μｍ）を２３体積％（８重量％）、ニッケル８３重量％、リン９重量％を含有するＰＴＦＥ・ニッケル・リン複合めっきを皮膜２μｍとなるように形成し、６０℃で乾燥の後、３００℃にてエージング処理を行ない、得られた保持器を内輪、外輪、転動体（ＳＵＪ２製）と組み立て、低温下で高速回転した結果、保持器に摩耗損傷がなく、使用に耐えることがわかった。
【００２９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、保持器を金属で形成すると共に、その表面に、ニッケルを主成分として四フッ化エチレン樹脂粉末を含有する無電解ニッケル複合めっき皮膜を設けたことを特徴とする固体潤滑転がり軸受としたので、転がり軸受の保持器が高速回転時の引っ張り応力に充分に耐える機械的強度を有すると共に、無潤滑の使用環境下においても転がり軸受の軌道面や転動面などの要部の摩耗を抑制できる潤滑性能を有する固体潤滑転がり軸受となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の固体潤滑転がり軸受の要部断面図
【図２】実施形態に用いた保持器の要部を切り欠き拡大して示す斜視図
【符号の説明】
１ 内輪
２ 外輪
３ ボール
４ 保持器
５ 無電解ニッケル複合めっき皮膜
６ ポケット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid lubricated rolling bearing that can be used in a low-temperature or vacuum environment where liquid lubrication cannot be performed.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a cryogenic bearing used for a rocket engine turbo pump that handles liquid hydrogen at about -250 ° C. or liquid oxygen at about −183 ° C., or a vacuum for use in vacuum conditions such as high altitudes and space In this type of bearing, a solid lubricant is incorporated into the bearing to take advantage of the unique lubricity because the liquid lubricant does not function or cannot be replenished during use.
[0003]
As well-known solid lubricants, soft metals such as gold, silver and lead, inorganic layered materials such as molybdenum disulfide, and polymer-based materials such as ethylene tetrafluoride resin (hereinafter abbreviated as PTFE) are well known. It is.
[0004]
These solid lubricants are coated on, for example, the raceway surfaces of the inner and outer rings, the surfaces of the balls, the surfaces of the cage (pocket surfaces, cage guide surfaces, etc.), or the entire cage is made of a polymer material such as PTFE. It is used after molding.
[0005]
For example, in a rolling bearing incorporating a cage made of a polymer-based solid lubricant, polymer powder generated by moderate wear of the cage surface adheres to the raceway surfaces of the inner and outer races and the ball surface. As a result, a lubricating film is formed, and the attached film exhibits lubricating properties over a long period of time.
[0006]
The surface of the aluminum piston pin of the compressor for compressing the refrigerant gas, which does not contain chlorine and has poor lubrication performance, has a matrix containing nickel as a main component to prevent the aluminum alloy of the connecting rod from adhering. Nickel-phosphorus composite plating in which an alloy of tetrafluoroethylene is blended is applied to the alloy (see Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-7-103140 (Claims, paragraph 0005)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the aluminum piston pin of the above-described compressor has only a nickel-phosphorus composite plating formed on the contact surface with the aluminum alloy, and characteristics other than the anti-adhesion property of the aluminum alloy have been clarified. Absent.
[0009]
Further, in the conventional rolling bearing in which the entire retainer is formed of a polymer material such as PTFE, when the rotation speed is increased, the load due to centrifugal force and the tensile stress due to contact or collision with a rolling element rotating at high speed increase. Therefore, the possibility of damage or deformation increases, and when the rolling bearing is required to have a higher speed, there is a problem that the cage cannot withstand an increase in allowable tensile stress.
[0010]
Such a problem is particularly important in a rolling bearing capable of withstanding high speed at extremely low temperatures, which is a mechanical element for handling low-temperature fuel of a rocket engine.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a rolling bearing retainer having mechanical strength sufficient to withstand tensile stress during high-speed rotation, and a rolling bearing even in a non-lubricated use environment. The purpose of the present invention is to provide a solid lubricated rolling bearing having lubricating properties that can suppress wear of main parts such as raceway surfaces and rolling surfaces.
[0012]
Another object of the present invention is to provide a solid lubricated rolling bearing capable of withstanding high-speed use at extremely low temperatures, such as a mechanical element constituting a turbo pump of a rocket engine.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, in a rolling bearing provided with a cage rotatably holding a rolling element that supports a bearing load between an inner ring and an outer ring of the rolling bearing, The solid lubricated rolling bearing is formed of a metal and provided on its surface with an electroless nickel composite plating film containing nickel as a main component and containing a tetrafluoroethylene resin powder.
[0014]
In the solid lubricated rolling bearing having the above-described structure, the retainer is formed of metal, and the surface thereof is provided with an electroless nickel composite plating film containing nickel tetrafluoride resin powder containing nickel as a main component. It has the strength to withstand the tensile stress that increases during high-speed rotation, and gradually releases ethylene tetrafluoride resin particles when nickel, which is the main component forming the surface film, wears out. Even below, the main parts such as the raceway surface and the rolling surface of the rolling bearing are lubricated with the fluorine film without being worn.
[0015]
In order to sufficiently exhibit lubrication by the nickel composite plating film for a long time, the content of the ethylene tetrafluoride resin powder is preferably 10 to 35% by volume.
[0016]
In order to provide the cage with strength that can withstand the tensile stress that increases during high-speed rotation, a preferable condition is that the metal forming the cage is carburized steel, aluminum metal, stainless steel, or a solid lubricated rolling bearing in which a copper alloy is used. It is.
[0017]
Further, it is preferable that the retainer is a retainer in which a flat hole type pocket for holding a rolling element is formed. Since the rolling elements housed in the flat hole have a gap that floats in the longitudinal direction inside the flat hole, the vibration of the rolling elements is somewhat independent of the vibration of the cage, and the cage violently collides with the rolling elements. Can be prevented.
[0018]
Such a solid lubricated rolling bearing can be applied particularly to a cryogenic and high-speed solid lubricated rolling bearing which is a mechanical element constituting a turbo pump of a rocket engine.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a solid lubricated rolling bearing of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0020]
As shown in FIG. 1, the embodiment is a rolling bearing in which a retainer 4 that rotatably holds a ball 3 that is a rolling element that supports a bearing load is provided between an inner ring 1 and an outer ring 2 of the rolling bearing. The retainer 4 is formed of a predetermined metal, and the surface thereof is provided with an electroless nickel composite plating film 5 containing nickel as a main component and containing a tetrafluoroethylene resin powder.
[0021]
As the metal material forming the cage 4, an appropriate material may be selected and used according to the use conditions of the rolling bearing. For example, when a strength that withstands high-speed rotation and hardly deforms is required, nickel If chromium molybdenum steel (SNCM) is appropriate and the rolling bearing needs to be reduced in weight, aluminum or an aluminum alloy is appropriate. Further, in order to sufficiently satisfy the corrosion resistance required when the rolling bearing is stored on the ground, austenitic stainless steel (SUS304, containing nickel) or martensitic stainless steel (SUS404C, containing ferrite), weight reduction, etc. When the strength is not particularly required, a high-strength brass casting (CAC301, former symbol HBsCl) can be used.
[0022]
As shown in FIGS. 1 and 2, the shape of the cage 4 can be adopted without any particular limitation, but the shape of a hole portion called a pocket 6 for holding a rolling element such as the ball 3 is particularly It is preferably formed in a flat circular shape (also called a race track shape or a long hole). The reason is that the rolling bearings used in liquid hydrogen turbopumps of rocket engines vibrate very violently during use, but if the period of the vibration of the ball 3 and the vibration of the cage 4 shift, the two violently collide. However, since the pocket 6 of the retainer 4 may be damaged, the ball 3 is allowed to freely move around the rotation axis in the pocket 6 so as to prevent such a situation. The movement of the retainer 3 and the retainer 4 is made independent to prevent the collision.
[0023]
Then, the retainer 4 was formed of the above-described metal, and an electroless nickel composite plating film 5 containing nickel as a main component and containing tetrafluoroethylene resin powder was provided on the surface thereof.
[0024]
The nickel composite plating is preferably formed by electroless nickel coating, and the content of the ethylene tetrafluoride resin in the plating bath is preferably 10 to 35% by volume. This is because addition of a small amount of less than 10% by volume does not provide a sufficient amount of adhesion on a friction surface, so that lubricity cannot be exhibited reliably. This is because lubricating properties cannot be exerted continuously for a long time.
[0025]
As the tetrafluoroethylene resin powder, those having a particle size of about 1 to 100 μm can be used, and those having a fine particle size of about 1 to 20 μm are preferable in terms of lubricity and wear resistance.
[0026]
The plating bath preferably contains a phosphorus (phosphorus) compound such as a phosphoric acid ester or a phosphite to stabilize a low friction coefficient. For example, about 8 to 10% by weight of phosphorus is added. Preferred results have been obtained using a plating bath formulated as a zinc phosphate salt. Representative examples of the phosphorus compound include trialkyl phosphate, tricresyl phosphate, and amine phosphate.
[0027]
The electroless nickel composite plating film obtained on the surface of the cage in this manner contains 10 to 35% by volume, preferably 20 to 26% by volume (7 to 9% by weight) of a tetrafluoroethylene resin, and has a hardness of Hv400. ~ 600. The coefficient of friction of the surface is as follows: static friction 0.0168, dynamic friction 0.0157 for a film containing 10% by volume of tetrafluoroethylene resin, and 0.0096 static friction for a film containing 35% by volume of ethylene tetrafluoride resin. , Dynamic friction 0.0096.
[0028]
【Example】
In a cage of a deep groove ball bearing (made of a cold-rolled steel plate, a pocket is a flat circular shape), 23% by volume (8% by weight) of ethylene tetrafluoride resin powder (particle diameter: 1 μm), 83% by weight of nickel, and 9% by weight of phosphorus % PTFE / nickel / phosphorus composite plating is formed to a thickness of 2 μm, dried at 60 ° C., and then subjected to aging at 300 ° C. (Manufactured by SUJ2) and rotated at a high speed under a low temperature. As a result, it was found that the cage had no wear damage and could be used.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is characterized in that a retainer is formed of metal and an electroless nickel composite plating film containing nickel as a main component and containing tetrafluoroethylene resin powder is provided on the surface thereof. Solid lubricated rolling bearings, the bearings of the rolling bearings have sufficient mechanical strength to withstand the tensile stress during high-speed rotation, and the raceway and rolling surfaces of the rolling bearings, even in an unlubricated operating environment. There is an advantage that the solid lubricated rolling bearing has a lubricating performance capable of suppressing the wear of the main part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a solid lubricated rolling bearing according to an embodiment. FIG.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner ring 2 Outer ring 3 Ball 4 Cage 5 Electroless nickel composite plating film 6 Pocket
