JP2946272B2 - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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Description

【発明の詳細な説明】
【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
下、高温環境下あるいは腐食環境下といった特殊環境で
用いるのに有利な転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】前述の特殊環境として、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
のような特殊環境では、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、やはり発生す
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）。この潤滑膜は、有機溶
剤中にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの
ふっ素系樹脂と熱硬化性を有するポリアミドイミドなど
の樹脂バインダーとを分散させたものを、形成対象にス
プレーコーティングした後、焼成することにより定着さ
せるが、現時点では、焼成温度を、単純に、膜の移着性
や定着性を考慮して１８０℃±１０℃にと比較的低めに
設定している。ところが、このようなふっ素系樹脂から
なる潤滑膜は、焼成温度よりも高温の環境下において炭
化水素系のガスを多量に放出することを実験により知見
した（図５のグラフ参照）。この炭化水素系ガスは、特
に、半導体製造過程のように高精度な加工が要求される
場合では妨害要素となる可能性を秘めている。但し、図
５のグラフに示されるように、前述の炭化水素系のガス
の発生とともに、Ｈ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ・Ｎ2および、ＣＯ2
も発生するが、これらは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場合でも、それ程、妨害要素
とならないので問題ない。
【０００６】本発明は、このような事情に鑑み、剥離や
欠落による発塵を抑制しながらも、高温環境下で炭化水
素系ガスの放出がない構造と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、
金属またはセラミックス材料からなる軌道輪および転動
体を有し、それらの転動部位のうちの少なくともいずれ
か一つに、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かつ
炭化水素ガスの脱ガス処理を施した潤滑膜が被覆されて
いる。
【０００８】本発明の転がり軸受は、金属またはセラミ
ックス材料からなる軌道輪および転動体と、金属または
合成樹脂材料からなる保持器とを有し、それらの転動・
摺接部位のうちの少なくともいずれか一つに、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かつ炭化水素ガスの脱ガ
ス処理を施した潤滑膜が被覆されている。
【０００９】本発明の転がり軸受は、金属またはセラミ
ックス材料からなる軌道輪および転動体と、金属または
合成樹脂材料からなる保持器とを有し、少なくとも保持
器において転動体との摺接面に、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
樹脂を分散混合しかつ炭化水素ガスの脱ガス処理を施し
た潤滑膜が被覆されている。
【００１０】なお、前述の軌道輪および転動体のうち少
なくとも転動体を窒化けい素系のセラミックスで形成し
てもよい。
【００１１】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Ｊ
ＩＳ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ＳＵＳ３
０４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。また、ニッケル系合金として、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ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。また、特に耐熱性が要求さ
れる環境では、ＪＩＳ規格ＳＫＨ４鋼やＡＩＳＩ規格Ｍ
−５０材などが好適に使用される。一般的に用いられる
ＪＩＳ規格ＳＵＪ−２などの軸受鋼や、ＳＡＥ規格５１
２０材などの浸炭用鋼なども、焼入れ、焼戻しの温度、
時間などの熱処理条件を適宜調整すれば使用可能であ
る。さらに、Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ，Ｉｎｃ．製のＮｉ−Ｃｒ系合金ＨＡＹＮＥＳ ＡＬ
ＬＯＹ，例えばＨＡ２１４，ＨＡ２３０などの使用も可
能である。
【００１２】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（Ａｌ
2Ｏ3）、その他、適宜、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化チ
タン（ＴｉＯ2）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（Ａ
ｌＮ）などを用いることができる。
【００１３】保持器を構成する金属としては、例えばＪ
ＩＳ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る。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。
【００１４】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、ポリイミド、ポリアミドイ
ミドなどが挙げられる。ふっ素系合成樹脂としては、上
記保持器に使用されるふっ素系樹脂と同じＰＴＦＥやＥ
ＴＦＥなどが挙げられる。
【００１５】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剤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。炭化水素ガスの脱ガス
処理は、３１５℃〜３６０℃の温度で３０分〜１２０分
の時間で焼成されることにより行われる。
【００１６】
【作用】潤滑膜は炭化水素系ガスの脱ガス処理が施され
ているから、例えば本発明の転がり軸受の使用対象環境
の温度がかなり高温であっても、炭化水素系ガスが放出
されずに済み、特に炭化水素系ガスが妨害要素となりう
る使用対象環境において有利となる。
【００１７】また、上記脱ガス処理時の高温域での焼成
により、イミド結合またはアミド結合を有する樹脂バイ
ンダーが縮合反応を起こし、酸化、炭化による潤滑膜表
面での硬化および脆化を生じて移着が促進されるととも
に、酸化成分−ＣＯＯＨ基の極性による金属表面への付
着力向上に伴って潤滑性能の向上も奏しうる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の詳細を図１ないし図１１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はボー
ル、４は波形の保持器である。保持器４の各ポケット内
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がコーティングされている。この潤滑膜５は、炭化
水素ガスの脱ガス処理が施されている。
【００１９】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Ｓ
ＵＳ３０４からなる。潤滑膜５は、潤滑主体となるＰＴ
ＦＥ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。
【００２０】次に、潤滑膜５の形成方法の一例を説明す
る。
【００２１】（ａ） 対象となる保持器４をそれぞれ脱
脂するとともに、保持器４のポケット内面を除く部分に
マスク（図示省略）を被覆してから、露出部分にサンド
ブラストを施す。この処理により、潤滑膜５の付着力が
高められるとともに、耐圧性が高められる。
【００２２】（ｂ） 保持器４においてマスクで被覆さ
れていないポケット内面に、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
流動体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、前述の流動体の成分比は、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。
【００２３】（ｃ） 保持器４からマスクを除去して
後、前記スプレーした被膜を３１５℃〜３６０℃もの高
温で所定時間（約３０分〜１２０分）加熱焼成すること
により保持器４のポケット内面に対して定着させる。こ
の焼成工程での温度を先に述べたような高温で行うと、
前記被膜を構成する樹脂のうち樹脂バインダーのポリア
ミドイミドが縮合反応により炭化水素系ガスを放出し、
炭化水素系ガスがほとんどない状態になる。
【００２４】この後、（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。
なお、焼成工程のヒートパターンを図８に示すようにし
てもよい。
【００２５】このように潤滑膜５の焼成温度を前述した
ような高温に設定した場合、前記縮合反応とともに潤滑
膜５が酸化、炭化して硬化することになり、焼成温度を
低温（１８０℃±１０℃）に設定した場合と外観上の色
が相違する。この点は図７に示す鉛筆硬度測定および図
９に示す赤外分光分析測定により確認している。まず、
図７のグラフに示すように、１８０℃±１０℃で９０分
間の場合と、３００℃±１０℃で３０分間の場合、３５
０℃±１０℃で３０分間の場合、３８０℃±１０℃で３
０分間の場合の四つの例を挙げているが、結果としては
潤滑膜５の焼成温度を高くする程、硬度が増している。
一方、図９のグラフに示すように、１８０℃±１０℃で
９０分間の場合、２５０℃±１０℃で３０分間の場合、
３００℃±１０℃で３０分間の場合、３５０℃±１０℃
で３０分間の場合の四つの例を挙げているが、結果とし
ては潤滑膜５の焼成温度を高くする程、波数９３０ｃｍ
-1（−ＣＨ2−ＣＯＯＨ）の官能基が増加している。
【００２６】次に、潤滑膜５からの発塵、放出ガスの状
況および転がり軸受での発塵寿命について実験により調
べているので、説明する。
【００２７】（ａ）発塵 図２は実験に用いた装置を示している。図において、５
０は転がり軸受、５１は回転軸、５２はケーシング、５
３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。
【００２８】 ・使用軸受：ＳＥＭＬ６０１２（φ６×φ１２×３） ・回転速度：２００ｒｐｍ ・ 荷重：ラジアル荷重（２Ｎ） ・ 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 ・実験時間：連続２０時間 使用軸受において、内・外輪および転動体はＪＩＳ規格
ＳＵＳ４４０Ｃ、保持器はＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４とし
ている。比較例１は保持器のポケット内面に潤滑膜５を
形成していない無処理のものとし、比較例２は保持器の
ポケット内面に前述の成分からなる潤滑膜５を低温（１
８０℃±１０℃）で焼成定着させたものとし、実施例は
潤滑膜５を高温（３５０℃±１０℃）で焼成定着させた
ものとしている。
【００２９】この実験での結果は、図３に示すようにな
る。つまり、実施例の場合、発塵量が、比較例２より僅
かに多くなる傾向を示したものの、比較例１に比べると
桁違いに少なくなっている。これは潤滑膜５によって発
塵を抑制できることを意味している。
【００３０】（ｂ）放出ガス 図４〜図６には、環境温度と放出ガス成分との関係の実
験結果を、また図７には、焼成温度と発塵個数の関係お
よび焼成温度と潤滑膜の硬度の関係の実験結果をそれぞ
れ示している。図４は実施例に関するグラフで、図５は
比較例２に関するグラフ、図６は比較例１に関するグラ
フ、図７は実施例および比較例２に関するグラフであ
る。なお、グラフの縦軸のＡ．Ｕ．は、arbitrary unit
の略であり、強度を示す。
【００３１】比較例２の場合、図５に示すように、環境
温度が３００℃を越えると、炭化水素系（質量数５８，
７１，９８）のガス放出が顕著に発生するのに対して、
実施例の場合、図４に示すように、環境温度が４００℃
を越えても炭化水素系のガスが全く放出されなくなる。
これは、潤滑膜５の焼成温度を高温にしたことによりこ
の焼成時に潤滑膜５から炭化水素系ガスが放出されつく
すからと考えられ、潤滑膜５の焼成温度を高温とするこ
との優位性を証明している。
【００３２】また、図７から明らかなように、焼成温度
を３００℃±１０℃、３５０℃±１０℃とする場合、１
８０℃±１０℃とする比較例２の場合に比べて使用時の
発塵量が僅かに多くなる程度でほとんど遜色ないけれど
も、焼成温度を３８０℃±１０℃とした場合、使用時の
発塵量が３００℃±１０℃、３５０℃±１０℃の場合に
比べて極端に多くなっている。これはつまり、焼成温度
をあまり高くし過ぎると、潤滑膜５の内部深くまで酸
化、炭化されることになって膜全体が脆くなるために剥
離や欠落が深さ方向に一定しておきるからと考えられ、
一方の３００℃±１０℃、３５０℃±１０℃の場合だ
と、潤滑膜５の表面側で酸化、炭化されることになるも
のの内部での酸化、炭化が少ないために膜の剥離、欠落
が表面側からおきてその進行が比較的遅くなるからと考
えられる。このことから、焼成温度にも望ましい範囲が
存在することを意味している。
【００３３】さらに、潤滑膜５を被覆していない比較例
１に関する図６に比べ、潤滑膜５を被覆している比較例
２および実施例に関する図４および図５のほうがＨ2、
Ｈ2Ｏ、ＣＯ・Ｎ2および、ＣＯ2の発生量が多くなって
おり、同様に、図４と図５との差異からも明らかなよう
に、潤滑膜５の焼成温度を高くした場合のほうが、低く
した場合よりもＨ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ・Ｎ2および、ＣＯ2の
発生量多くなっている。これらの成分は、大気中で潤滑
膜５の表面に付着したとしか考えられないので、高温で
焼成した潤滑膜５では表面が多孔質になって表面積が増
大したことで付着量が増えて、前述した結果のように発
生量が増加したものと考えられる。
【００３４】（ｃ）発塵寿命 発塵寿命では、図２の実験装置において転がり軸受５
０、５０（型番６０８）に対してアキシャル荷重（２０
Ｎ）を付加するようにしている点が前記実験の場合と異
なっている。この実験では、転がり軸受５０を寿命にな
るまで連続回転させて、発塵個数計測装置５４で６分間
隔で発塵量を測定している。この測定した発塵量が１０
００個／０．１ｃｆであるか否かで発塵異常の有無を確
認するとともに、この発塵異常を１０回連続して確認す
ると、実験開始時点から前記確認した時点までを発塵寿
命としてその間に要した時間を計測する。その結果を表
１に示している。なお、潤滑膜５は、下記いずれの場合
も転がり軸受５０の保持器のポケット面に被覆してい
る。表１での(1)が前述の比較例２に、(4)が実施例に対
応している。
【００３５】
【表１】
【００３６】結果としては、発塵寿命が長い順に(1)、
(5)、(4)、(2)、(6)、(3)となったが、高温雰囲気で炭
化水素系ガスを放出しないという前提があるので、(4)
と(5)が実用上好ましいと言える。いずれも実験後に
は、転動体、内・外輪および保持器ポケット面に摩耗が
見られたことから、発塵寿命時点では潤滑膜５がほとん
ど無くなって無潤滑状態となるために、軸受構成要素の
すべり面および転がり面に著しい摩耗が発生するように
なり、この摩耗粉によって発塵異常になるものと考えら
れる。つまり、(2)、(3)の焼成温度では、潤滑膜５の表
面側が硬化してあまり脆くなっていないために剥離、欠
落がおきにくくなって潤滑性が低下したものと考えら
れ、一方の(4)、(5)では、潤滑膜５の表面側の酸化、炭
化がより進んで適度に脆くなり、表面側での剥離、欠落
がおきやすくなって潤滑性が向上したものと考えられ
る。したがって、炭化水素系ガスを放出しないという前
提をふまえて潤滑膜５の潤滑性能を考えると、好ましい
焼成温度が存在することが判る。
【００３７】以上の実験結果に基づき、潤滑膜５の焼き
付け温度を３１５℃〜３６０℃の温度範囲に設定すれ
ば、高温環境において炭化水素系ガスの放出を全く無く
せるようになるとともに、潤滑性を可及的に延ばせるよ
うになる。
【００３８】ところで、前述の好ましい焼成温度に設定
した潤滑膜５を用いて、転がり軸受５０の転動体のみ、
または転動体および内・外輪を窒化けい素（Ｓｉ3Ｎ4）
系のセラミックスとした場合について、前述と同様の発
塵寿命を調べた。その結果を表２に示している。
【００３９】
【表２】
【００４０】このように、(7)、(8)の発塵寿命は(9)な
いし(11)や前述の(4)、(5)に比べてはるかに延びている
ことから、転がり軸受の内・外輪、転動体を適宜に窒化
けい素（Ｓｉ3Ｎ4）系のセラミックスとすれば、発塵寿
命が著しく向上すると言える。(7)、(8)では実験後に転
動体、内・外輪および保持器ポケット面に摩耗が見られ
た。
【００４１】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、保持器のボールとの摺接面
のみに潤滑膜を形成したのち炭化水素系の脱ガス処理を
施しているが、保持器全面にそれらを形成してもよい。
また、保持器以外に軌道輪の軌道面、ボール表面などに
形成してもよく、この場合には保持器なしの総玉型とし
ても用いることができる。さらに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。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。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、潤滑
膜を焼成定着させるときの焼成温度を、被膜層から炭化
水素系ガスが発生する温度以上に設定することにより、
保持器のポケット内面に被覆した潤滑膜が実質的に炭化
水素系ガスを含まないようにしている。
【００４３】したがって、本発明の転がり軸受を高温環
境に放置しても、潤滑膜から炭化水素系ガスが全く放出
されなくなる。そのため、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、歩留まり向上に貢献できる。
【００４４】また、上記脱ガス処理時の高温域での焼成
により、イミド結合またはアミド結合を有する樹脂バイ
ンダーが縮合反応を起こし、酸化、炭化による潤滑膜表
面での硬化および脆化を生じて移着が促進されるととも
に、酸化成分−ＣＯＯＨ基の極性による金属表面への付
着力向上に伴って潤滑性能の向上も奏しうる。
【００４５】そして、転がり軸受の内・外輪、転動体の
うち少なくとも転動体を窒化けい素系セラミックスとし
て、少なくとも保持器のポケット面に前述の処理を施し
た潤滑膜を被覆すれば、寿命についても著しく向上する
ようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転がり軸受の一実施例の縦断面図。
【図２】同軸受の発塵量測定に用いる実験装置の概略
図。
【図３】発塵量の測定結果を示すグラフ。
【図４】本実施例のガス放出状況を示すグラフ。
【図５】比較例２のガス放出状況を示すグラフ。
【図６】比較例１のガス放出状況を示すグラフ。
【図７】実施例および比較例２の発塵状況と、硬度を示
すグラフ。
【図８】潤滑膜の焼成工程の他のヒートパターンを示す
グラフ。
【図９】潤滑膜の性状を赤外分光分析により調べた結果
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
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16C 33/32 F16C 33/44 F16C 33/62

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属またはセラミックス材料からなる軌
    道輪および転動体を有し、それらの転動部位のうちの少
    なくともいずれか一つに、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
    分散混合しかつ炭化水素ガスの脱ガス処理を施した潤滑
    膜が被覆されている、ことを特徴とする転がり軸受。
  2. 【請求項２】 金属またはセラミックス材料からなる軌
    道輪および転動体と、金属または合成樹脂材料からなる
    保持器とを有し、それらの転動・摺接部位のうちの少な
    くともいずれか一つに、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
    散混合しかつ炭化水素ガスの脱ガス処理を施した潤滑膜
    が被覆されている、ことを特徴とする転がり軸受。
  3. 【請求項３】 金属またはセラミックス材料からなる軌
    道輪および転動体と、金属または合成樹脂材料からなる
    保持器とを有し、少なくとも保持器において転動体との
    摺接面に、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かつ
    炭化水素ガスの脱ガス処理を施した潤滑膜が被覆されて
    いる、ことを特徴とする転がり軸受。
  4. 【請求項４】 前記軌道輪および転動体のうち少なくと
    も転動体が、窒化けい素系のセラミックスで形成される
    ものである、請求項１、２または３のいずれかに記載の
    転がり軸受。
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