JP3729217B2 - 転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は転がり軸受に係わり、特に高真空、高温、低温、放射性雰囲気などのようにグリースや油で潤滑できない環境や油の存在が好ましくない環境での使用に適する転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、高真空、高温、低温、放射性雰囲気等のようにグリースや油で潤滑できない所や油の存在が好ましくない場所では、一般的に固体潤滑が採用されている。固体潤滑の方法としては玉および内輪、外輪の軌道溝に二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(以下、PTFEと略す)、金、銀などの固体潤滑剤を蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、メッキ、焼き付けおよびバーニッシュ(機械的な押しつけ)などの方法が提案されている。
例えば、特開平2ー245514号公報に記載されているように、コーティングの手段としてスパッタによる技術が用いられ、特開昭53ー138989号および特開昭55ー57717号公報には、イオンプレーティングによる技術が用いられている。
また、特開昭51ー42847号公報に記載されているように、玉表面に金、銀等の潤滑性金属のメッキを施す技術が用いられている。
また、特開平6ー109022号公報および特開平6ー159373号公報には固体潤滑剤の微粉末をボールミル、バレル加工およびショットピーニング等の機械的エネルギを利用して軸受部品にコーティングする技術が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来の固体潤滑剤のコーティング方法においては次のような問題点、課題がある。
(1)スパッタやイオンプレーティングで玉表面に固体潤滑剤をコーティングする場合、強固に付着する膜厚は、約0.2μm以下であり、その範囲内では膜厚が増すほど軸受寿命が延びる。ところが製造時に膜厚が均一になりにくいことや玉の表面粗さのばらつきを考慮して、固体潤滑剤の膜厚は0.2μm以上にするのが一般的である。このように膜厚を増すと約0.2μm以上についた膜は付着力が弱くなるため、軸受を回転したときに潤滑膜が容易に摩耗して、発塵となって軸受外に多量の塵となって出てくるという問題があった。
このように固体潤滑膜をコーティングした玉をテフロンのような自己潤滑性材料からなる保持器をもつ軸受に組み込み、回転させると玉の表面に保持器材が移着して薄い膜が出来るが、下地材の固体潤滑剤の膜厚が厚すぎて強固に付着していないため、移着膜も容易に剥離が起こってしまい、発塵が多かったり耐久性が短いなどの問題があった。
(2)電気メッキでコーティングする場合は、金属電極との距離でメッキ厚さが大きく影響を受け、かつ玉にも電極を設置しなければならないため、電極設置部分はメッキされないという問題があった。
(3)固体潤滑剤の微粉末を機械的エネルギでコーティングする方法では、コーティングするときのエネルギで軸受表面が傷ついたり、コーティングされた膜は固体潤滑剤の微粉末が重なって表面に係留している状態なので、膜は剥がれ易くそのため軸受の寿命が短かったり、発塵が多いという問題があった。
そこで、本発明は玉表面に固体潤滑膜を強固に付着させるとともに、回転時に発塵が少なく、さらに 耐久性に優れる転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の本発明は、内輪と外輪との間に挿設される転がり軸受の玉の表面に残留した物質をスパッタ装置内でスパッタエッチングにより除去し表面を荒らす第1の工程と、前記第1の工程で処理された玉の表面上に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンをスパッタにより0.01〜0.1μmの膜厚に形成する第2の工程と、を有する転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法において、前記スパッタ装置内から取り出し前記第2の工程で被膜処理された玉と、前記被膜処理された玉の表面に接触させた自己潤滑性材料からなる第1のリング材と第2のリング材および保持器を備えたスラスト型の仮組立軸受を構成し、両リング材のうち、少なくとも一方のリング材に前記被膜処理された玉と互いに向かい合う面で接触する弧状の軌道溝を形成し、前記仮組立軸受の両端に設けた両リング材の向かい合う面の何れか一方を前記被膜処理された玉に押圧させた状態で、前記被膜処理された玉が回転するように移動させることにより前記両リング材から前記被膜処理された玉に移着させて潤滑膜を形成する第3の工程を有することを特徴としている。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は本発明の実施の形態を示す転がり軸受の玉への固体潤滑形成方法のうち、スパッタエッチングとスパッタに用いるスパッタ装置の断面図である。図において、1は玉、2はスパッタ装置、21は回転基板、22は皿、23は固定基板、24は二硫化モリブデンターゲット、25は真空チャンバ、26は二硫化モリブデン膜である。
まず、最初に第1の工程として軸受型番#608(内径φ8、外径φ22、幅7)用の玉1(直径5/32″、材質 ステンレスSUS440C)を軸受2セット分の14個準備し、玉1に付着した酸化膜や吸着膜、あるいは塵などを十分に溶剤で洗浄する。次に、スパッタダウンのスパッタ装置2を使って、回転基板21の上に内径φ60、高さ15の皿22を固定し、その中に洗浄・乾燥した14個の玉1を入れる。固定基板23に配設されたターゲット24には純度99%の二硫化モリブデンのバルクを用いる。まず、真空チャンバ25内を真空引きして、真空度が落ち着いてきたら、回転基板21を4r/minで10秒間回転、2秒間停止のサイクルで稼動する。3分経過後、スパッタエッチングを開始し、10分間その状態に保持する。時間がきたらスパッタエッチングを停止して3分経過後、続いて第2の工程としてスパッタに入る。この間、回転基板21は前記サイクルで稼動したままの状態にしておく。この時、玉1表面に付着させる膜厚はスパッタする時間で管理する。このようにして二硫化モリブデンの膜厚(μm)を0.005、0.008、0.01、0.05、0.1、0.15および0.3にスパッタした玉1をそれぞれ14個(軸受#608の2セット分)ずつ準備した。
【0006】
次に第3の工程として、図2に示すスラスト軸受3(NSK型番#51200、内径φ10、外径φ26、幅11)を準備する。なお、図1の(a)はスラスト軸受の側断面図、(b)は(a)に関するAA’矢視図を示したものである。
スラスト軸受3はその構成要素である第1のリング材である内輪31、第2のリング材である外輪32および保持器33の材質を、二硫化モリブデンを50%、ガラス繊維を5%添加したPTFEとしたものを使用した。このスラスト軸受3に前記の二硫化モリブデン膜26がスパッタされた玉1を組み込んで仮組立軸受とし、真空チャンバ内の稼動軸に取り付ける。このような状態で内輪31を固定し、外輪32をスパッタされた玉1に押圧させた状態でスラスト荷重5kgfをかけて、真空度が10-4Paになったら、1,200r/minで外輪32を1時間回転させる。その後回転を停止して、玉1を取り出す。玉1の表面には二硫化モリブデン膜26があるが、さらにその上にPTFE複合材料の移着膜34が付いている。
なお、このスラスト軸受3はその両端に設けた内輪31と外輪32のうち、少なくとも一方にスパッタされた玉1と互いに向かい合う面で接触する弧状の軌道溝を形成させる構成とし、内輪31、外輪32の向かい合う面はその何れか一方を固定し、他方を回転させるようにしたものである。また、スラスト軸受3のリング材31、32および保持器33の材質はPTFEに替えて、二硫化モリブデンを20%とPTFEを20%を含んだポリエ−テルエ−テルケトン(PEEK)樹脂、二硫化モリブデンを15%添加したポリイミド樹脂、あるいは鉛10%、すず10%、銅80%からなる鉛青銅鋳物、PTFEを20%含んだポリイミド樹脂などを使用しても良い。
【0007】
上記の第3の処理工程にて、これらの二硫化モリブデン膜の上にPTFE複合材料の移着膜が形成された玉1を仮組立軸受であるスラスト軸受3から取り外し、十分に溶剤で洗浄されたステンレス製の被試験用のラジアル軸受(型番#608)4に組み込んで、真空中で発塵試験を行った。発塵量測定装置5を図3に示す。モータ51のロータ52が垂直になるようにして、ロータ52の支持に前記のとおり製作した2個ずつの玉軸受4、41を取りつけた。モータ51の内部は10-4Paの真空になっている。2.7kgfのスラスト荷重をバネ53で軸受4にかけて、モータ51を1,200r/minで回転させたときに、軸受4から発生する塵を、下部の玉軸受41の下方に設置したレーザ式のパーティクルカウンタ54(最高測定感度0.27μm)で測定した。
【0008】
図4に8時間測定したときの0.27μm以上の塵のカウント総数と二硫化モリブデンの膜厚との関係を示す。二硫化モリブデンの膜厚が0.01〜0.1μmの間では軸受からの発塵は比較的少ない。二硫化モリブデンの膜厚が0.01μm未満および0.1μmを越えると発塵が多い。0.01μm未満では玉軸受の潤滑としてPTFE複合材料が支配的になり、0.1μmを越えると二硫化モリブデンからの発塵があると考える。
このようにまず玉1に0.01μm〜0.1μmの膜厚の二硫化モリブデン膜25をスパッタして、その玉1の表面に固体潤滑剤の移着膜34を処理して、固体潤滑玉軸受4を構成すると、非常に発塵の少ない玉軸受を提供することが出来る。なお、実施例では、スパッタする固体潤滑剤として二硫化モリブデンを挙げたが、二硫化タングステンなどの他の層状構造物質でも良い。
【0009】
上記スパッタエッチングにより、玉表面は全面にわたってほぼ均一に0.01〜0.3μm程度に荒らされて、その面に膜厚0.01〜0.1μmの二硫化モリブデンがスパッタされ、さらにその表面に自己潤滑性材料の移着膜が処理されるので、二硫化モリブデン膜は強固に付着しており、また移着膜も荒らされた面の谷間に食い込む。したがって、玉軸受に組み込まれて回転するときの保持器および転走面との接触による摩耗は非常に少なくなるので、発塵が少ない転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法を提供することができる。
【0010】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、玉表面に固体潤滑膜を強固に付着させ、回転時に発塵の少ない、耐久性に優れる高信頼性の転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示すスパッタ装置の断面図である。
【図2】(a)は本発明の実施の形態を示すスラスト軸受の側断面図、(b)は(a)に関するAA’矢視図である。
【図3】発塵量測定装置を示す断面図である。
【図4】二硫化モリブデンのスパッタ膜厚と発塵カウント数の関係を示す図である。
【符号の説明】
1:玉、2:スパッタ装置、21:回転基板、
22:皿、23:回転基板、
24:二硫化モリブデンターゲット、
25:真空チャンバ、26:二硫化モリブデン膜、
3:スラスト軸受、31:内輪、32:外輪、
33:保持器、34:PTFEの移着膜、
4、41:玉軸受、5:発塵量測定装置、
51:モータ、52:ロータ、53:バネ、
54:パーティクルカウンタ
Claims (1)
- 内輪と外輪との間に挿設される転がり軸受の玉の表面に残留した物質をスパッタ装置内でスパッタエッチングにより除去し表面を荒らす第1の工程と、
前記第1の工程で処理された玉の表面上に二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンをスパッタにより0.01〜0.1μmの膜厚に形成する第2の工程と、
を有する転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法において、
前記スパッタ装置内から取り出し前記第2の工程で被膜処理された玉と、前記被膜処理された玉の表面に接触させた自己潤滑性材料からなる第1のリング材と第2のリング材および保持器を備えたスラスト型の仮組立軸受を構成し、両リング材のうち、少なくとも一方のリング材に前記被膜処理された玉と互いに向かい合う面で接触する弧状の軌道溝を形成し、前記仮組立軸受の両端に設けた両リング材の向かい合う面の何れか一方を前記被膜処理された玉に押圧させた状態で、前記被膜処理された玉が回転するように移動させることにより前記両リング材から前記被膜処理された玉に移着させて潤滑膜を形成する第3の工程を有することを特徴とする転がり軸受の玉への固体潤滑膜形成方法。
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