JP2005133881A

JP2005133881A - 固体潤滑転がり軸受

Info

Publication number: JP2005133881A
Application number: JP2003372209A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; 博山田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】大気中または真空中での両用性があり、低発塵性であり、特に真空中での２００℃以上の高温でも面圧Ｐｍａｘ１．５ＧＰａ以上の高荷重に耐える転がり軸受とすることである。
【解決手段】内輪１と外輪２の間に回転自在に保持器３に保持される複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体４と、これより小径で軸受荷重が負荷されない非負荷転動体５からなり、１の非負荷転動体５が二硫化タングステンを９０体積％以上含有するタングステン合金系の焼結材で形成され、かつ内輪１、外輪２および負荷転動体４から選ばれる１以上の部品の表面に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑皮膜６を設けた固体潤滑転がり軸受とする。非負荷転動体５から潤滑性物質が摩擦面に供給され難い初期の摩擦状態においても、前記の所定部品から速やかに潤滑性物質が摩擦面に供給されて耐久性が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体潤滑転がり軸受に関し、より詳しくは半導体、液晶またはハードディスクの製造設備などのような低発塵性の要求される環境で高温かつ高荷重の運転条件に耐える固体潤滑転がり軸受に関する。

半導体、液晶またはハードディスク製造の製膜装置用固体潤滑転がり軸受においては、大気中または真空中での両用性、低発塵性、耐久性が要求されるが、特に真空中で高温かつ高荷重に耐えるという特性が最も重要と考えられる。

例えば、内・外輪の軌道面にポリテトラフルオロエチレンからなる潤滑皮膜を形成し、軸受内に潤滑油（グリースの基油成分）を封入し、せん断による潤滑皮膜の破断粉と基油成分を混和し転がり摩擦面に局部的なグリースを形成させて、発塵を防ぐものが知られている（特許文献１参照）。
このものは、３００℃程度の高温に耐えて真空中でも使用可能な転がり軸受である。

また、合成樹脂基材にアルキルシクロペンタン油からなる潤滑油またはこれを基油とする潤滑グリースを分散保持させた固形状の潤滑組成物を軸受内部に収容し、このような保油力の強い潤滑組成物から軸受運転中の遠心力の作用下においても油の滲み出しを徐々にかつ安定的に行なわれるようにして、気圧変化による軸受内部からの油の漏れ出しを防止するようにした半導体製造設備用の転がり軸受が知られている（特許文献２参照）。

特開２００２−２６６８７５号公報（請求項１、段落［００１５］）特開２０００−８７９８２号公報（段落［００１６］、［００２１］）

しかし、上記した従来の転がり軸受として特許文献１に記載されたものは、面圧Ｐｍａｘが１．５ＧＰａ以上での耐久性に劣るという問題があり、このような高荷重でも耐久性に優れると考えられる後者の特許文献２に記載されたものでは、その使用温度が１００℃以下であり、２００℃以上で使用できず、耐熱性が不充分であるという問題がある。

このように高荷重かつ高温の使用条件で耐久性のよい固体潤滑転がり軸受がなく、真空中での耐熱性、耐荷重性を兼ね備えた固体潤滑転がり軸受は容易に得られるものではなかった。

そこで、この発明の課題は、低発塵性であり、特に真空中で２００℃以上の高温でも面圧Ｐｍａｘ１．５ＧＰａ以上の高荷重に耐える転がり軸受とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明においては、内輪と外輪の間で回転自在に保持される複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体と、これより小径で軸受荷重が負荷されない非負荷転動体からなり、少なくとも１以上の非負荷転動体が二硫化タングステンを９０体積％以上含有するタングステン合金系の焼結材で形成され、かつ内輪、外輪および転動体から選ばれる１以上の部品の表面に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑皮膜を設けてなる固体潤滑転がり軸受としたのである。

上記したように構成されるこの発明の固体潤滑転がり軸受は、負荷転動体より小径の非負荷転動体が負荷転動体より低速または間欠的に回転する状態で負荷転動体や保持器および内・外輪に軽く摩擦接触し、その際に転動体表面が少量ずつ摩耗して摩擦面に二硫化タングステンまたは潤滑性の良い硫化物を安定した速度で供給する。

このようにしてこの発明の固体潤滑転がり軸受は、長期間の使用中に二硫化タングステンその他の硫化物が摩擦面に適当な量を途切れることなく長時間供給されるので、軸受耐久寿命が長くなる。

また、非負荷転動体の全体が二硫化タングステンを多量に含んでいるタングステン合金系の焼結材からなることにより、長時間使用した場合に非負荷転動体の表面が擦り減っても二硫化タングステンその他の硫化物からなる固体潤滑剤の摩擦面への供給は常に途切れることなく安定し、摩擦面は充分に潤滑される。

また、内輪、外輪および転動体から選ばれる１以上の部品の表面に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑皮膜を設けているので、非負荷転動体から潤滑性物質が摩擦面に供給され難い初期の摩擦状態においても、前記の部品から速やかに潤滑性物質が摩擦面に供給され、これによって転がり軸受の始動時から長時間回転時までに斑なく良好な潤滑状態が維持されるようになり、使用状態で耐久性の極めて良好な固体潤滑転がり軸受になる。

特に、二硫化タングステンを９０体積％以上含有するタングステン合金系の焼結材からなる非負荷転動体は、低荷重かつ２００℃以上の高温でも耐久性に優れており、面圧Ｐｍａｘ１．５ＧＰａ以上の高荷重かつ高温では、始動初期に効果的な潤滑剤の供給がなされ難いが、内輪、外輪および転動体から選ばれる１以上の部品の表面に設けた二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑皮膜により、初期潤滑性が向上し、大幅な耐久性の向上を達成することができる。

上記した作用効果を確実に奏する固体潤滑転がり軸受とするためには、固体潤滑皮膜が、タンブリングまたはスパッタリングによって形成された固体潤滑皮膜であることが剥がれ難く、安定した膜厚で形成されるために好ましい。

また、非負荷転動体が、バレル加工機により球形状に形成された非負荷転動体であると、任意の寸法に低コストで形成された非負荷転動体になり、種々の大きさの軸受に形成されやすく、それだけ低製造コストの固体潤滑転がり軸受になる。

この発明は、非負荷転動体が二硫化タングステンを所定量以上含有するタングステン合金系の焼結材で形成され、かつ転がり軸受の所定部品に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑皮膜を設けた固体潤滑転がり軸受としたので、大気中および真空中のいずれでも使用でき、かつ清浄な使用環境を汚さない低発塵性であり、また初期潤滑性が優れていて、真空中で２００℃以上の高温で面圧Ｐｍａｘが１．５ＧＰａ以上の高荷重の使用条件でも始動初期から潤滑性能がよく、例えば２００時間以上の長時間の連続使用に耐える転がり軸受となる利点がある。

また、固体潤滑皮膜が、タンブリングまたはスパッタリングによって形成された固体潤滑皮膜であるものは、潤滑皮膜が安定して良好な初期潤滑性を示すものになり、それだけ耐久性が確実なものになる。

非負荷転動体が、バレル加工機により球形状に形成された非負荷転動体は、種々の大きさの軸受に適用できる正確な所定寸法の非負荷転動体を効率よく製造できるものであり、低製造コストで製造できる固体潤滑転がり軸受であるという利点もある。

この発明の実施形態を以下に添付図面に基づいて説明する。
図１および図２に示す転がり軸受は、内輪１と外輪２の間に回転自在に保持器３に保持される複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体４と、これより小径で軸受荷重が負荷されない非負荷転動体５からなり、１の非負荷転動体５が二硫化タングステンを９０体積％以上含有するタングステン合金系の焼結材で形成され、かつ内輪１、外輪２および負荷転動体４の全表面に所定の固体潤滑皮膜６を設けた固体潤滑転がり軸受である。

この発明でいう固体潤滑転がり軸受は、特に種類や形態を限定したものではなく、種々の大きさに形成された周知形態の転がり軸受であり、代表例としては深溝玉軸受などを挙げることができる。

非負荷転動体５は、二硫化タングステンを９０体積％以上含有するタングステン合金を用いた焼結材からなるものであり、好ましくは二硫化タングステンを９５体積％以上含有するタングステン合金を用いた焼結材で形成された物である。

非負荷転動体５が二硫化タングステン９０体積％未満を含有する焼結材で形成された転がり軸受では、２００℃以上の高温での耐久性が所期した程度に発揮されず、望ましい耐久性が確実に得られなくなるので好ましくない。

また、非負荷転動体５の負荷転動体４に対する直径比Ａは、Ａ＜１であり、好ましくは０．８≦Ａ＜１である。Ａ＜０．８では、非負荷転動体５が負荷転動体４や保持器３および内・外輪に摩擦接触した際、転動体表面が接触する効率が低下して潤滑性能が低下し、また転動体の遊動量が必要以上に大きくなって好ましくない。また、Ａ≧１では、非負荷転動体５に高荷重が負荷され、割れが発生する可能性があるので好ましくない。

焼結材中の金属マトリクスは、二硫化タングステンであるが、その他に含有される金属材料は、特に限定されるものではなく、例えばタングステン（Ｗ）の他、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）などであってもよく、またカーボン（Ｃ）を含有させることもできる。

このような非負荷転動体５は、その素材として、前記した金属マトリクス中に固形潤滑剤を分散状態に配合して複合化された焼結材料を多面体状に形成したものを採用することができ、これをバレル加工機によって球形状に研摩加工することができる。

バレル加工機として、その好ましい構造は、電動モータなどで駆動される回転円盤の上面に、ダイヤモンドペーパー（例えばマルトー社製：＃１００）などの研磨剤を層状に固定し、回転円盤の上方に固定円盤を非負荷転動体の直径より短い距離を開けて配置したものが挙げられる。固定円盤には、盤面を貫通する貫通孔を、その円周方向に間隔を開けて複数箇所に形成して、貫通孔の上端面に被加工部品の飛び出し防止板を鉄系材料で形成して開閉可能に被せて設けたものである。

このようなバレル加工機を用いるときには、先ず、飛び出し防止板を取り外して貫通孔内に多面体状の焼結材料を適当数収容しておき、飛び出し防止板を取り付けて貫通孔の上面を塞ぎ、回転円盤を駆動する。
このようなバレル加工機を駆動すると、多面体状の焼結材料は、ダイヤモンドペーパーなどの研磨剤を固定した回転円盤の上面と貫通孔内面との衝突を繰り返し、角が丸く均等に削られて球形状に形成された非負荷転動体を効率よく製造できる。

また、内輪、外輪および転動体から選ばれる１以上の部品の表面に設ける固体潤滑皮膜は、例えば二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）または二硫化タングステン（ＷＳ₂）をタンブリング処理またはスパッタリング処理によって形成することができる。

タンブリング処理は、水平軸または傾斜させた軸の周りに回転駆動されるか、または回転する偏心軸などで振動可能な容器を有するタンブリング用機械を用いるが、このような機械の容器中に内輪、外輪または転動体の部品を被覆しようとする固体潤滑剤と共に入れ、容器を回転または振動させながら部品の表面に固体潤滑剤を被覆する処理である。また、固体潤滑剤を溶剤に溶かして液状化し、金網状の素材で容器を形成して、回しながら吹付け塗装するタンブリング処理であってもよい。

［実施例１］
ＳＵＳ４４０Ｃ製の深溝玉軸受（ＮＴＮ社製：ＳＥＢ０８）の複数の転動体を、軸受荷重が負荷される負荷転動体（直径４ｍｍ）と軸受荷重が負荷されない非負荷転動体（直径３．９ｍｍ）で構成し、非負荷転動体はタングステン合金中に二硫化タングステン９０体積％以上を分散させた立方体状の焼結材（富士ダイス社製：ＦＷＤ−ＣｕＣｏで二硫化タングステンの含有量を６０体積％から９０体積％に変更したもの）をバレル加工機で球形に研摩加工して前記直径の非負荷転動体とした。

得られた非負荷転動体の1つを爪曲げ保持器に組み込み、その他に組み込む転動体は、軸受荷重が負荷される通常の鋼球製の転動体とした。内輪および外輪には、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）をスパッタリングにて全面被覆し、これらの部品を組み付けて実施例１の深溝玉軸受を作製した。

［実施例２］
実施例１において、内輪および外輪には、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）からなる固体潤滑皮膜を形成することなく、軸受荷重が負荷される通常の鋼球製の転動体の全数にのみスパッタリングにて二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）からなる固体潤滑皮膜を全面被覆したこと以外は全く同様にして部品を調製し、これらの部品を組み付けて実施例２の深溝玉軸受を作製した。

［実施例３］
実施例１において、内輪および外輪には、固体潤滑皮膜をもうけることなく、軸受荷重が負荷される通常の鋼球製の転動体の全数にタンブリング処理にて二硫化タングステン（ＷＳ₂）からなる固体潤滑皮膜を全面被覆したこと以外は全く同様にして部品を調製し、これらの部品を組み付けて実施例３の深溝玉軸受を作製した。

［比較例１］
実施例１において、内輪、外輪および負荷転動体のいずれにも固体潤滑皮膜を形成しないこと以外は全く同様にして部品を調製し、これらの部品を組み付けて比較例１の深溝玉軸受を作製した。

得られた実施例１〜３と比較例１の転がり軸受を、高温用真空軸受耐久試験機（ＮＴＮ社製）に２個一組（但し、そのうち１個はダミー軸受とする。）にして組み付け、真空中、高温２００℃、高荷重（Ｐｍａｘ１．７５ＧＰａ）、回転速度１５５０ｒｐｍで回転させる試験条件で耐久試験を行なった。

この試験の評価は、２個の軸受の摩擦トルクが０．６×１０^-2Ｎ・ｍに達したときを軸受寿命とし、最長計測時間（耐久寿命の目安）を２００時間として、それ以上の試験は打ち切ることにした。得られた結果を表１中に示した。

表に示した結果からも明らかなように、固体潤滑膜は、それが内輪、外輪または転動体（ボール）のいずれにも形成されていない比較例１では、軸受寿命が２１時間という短時間しかなったが、固体潤滑膜が内輪、外輪または転動体（ボール）のいずれかに形成された実施例１〜３では、高温かつ高荷重での軸受耐久寿命が２００時間以上という顕著に優れた結果が得られていることがわかる。

実施形態を示す固体潤滑転がり軸受の部分断面図（ａ）図１のＡ−Ａ線断面図（ｂ）図１のＢ−Ｂ線断面図

符号の説明

１内輪
２外輪
３保持器
４負荷転動体
５非負荷転動体
６固体潤滑皮膜

Claims

内輪と外輪の間で回転自在に保持される複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体と、これより小径で軸受荷重が負荷されない非負荷転動体からなり、少なくとも１以上の非負荷転動体が二硫化タングステンを９０体積％以上含有する焼結材で形成され、かつ内輪、外輪および転動体から選ばれる１以上の部品の表面に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑皮膜を設けてなる固体潤滑転がり軸受。
固体潤滑皮膜が、タンブリングまたはスパッタリングによって形成された固体潤滑皮膜である請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受。
非負荷転動体が、バレル加工機により球形状に形成された非負荷転動体である請求項１に記載の固体潤滑転がり軸受。