JP3763553B2 - 真空または宇宙空間用の転がり軸受 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中例えばX線発生装置、真空蒸着装置、半導体製造装置等の真空機器、あるいは宇宙空間において用いられる転がり軸受に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
真空中において用いられる軸受では、潤滑剤として油やグリースを用いることが困難である。このため、転動体や軌道輪の表面に、潤滑性を有する金属や二硫化モリブデン等の層状固体潤滑剤を用いたものが知られている。
例えば、イオンプレーティングにより、JIS規格SKH4などの鋼球に銀あるいは鉛の被膜を形成して、この銀あるいは鉛により固体潤滑するものがあるが、銀あるいは鉛の鋼に対する固着が弱く剥がれ易いという欠点があった。
【0003】
このような欠点を解決するため、鋼の表面に、ニッケル,銅,銀の被膜を順次に形成して、表層の銀で固体潤滑するものが提供されている(例えば特開昭55−57717号公報参照)が、これでは、3層のイオンプレーティングを行うので、工程数が多くなって製造コストが高くなる。また、ニッケルや銅の膜厚の管理が困難なため歩留まりが悪く、この点からも製造コストが高くなっていた。鉛の場合にも、鋼の表面に錫、鉛の被膜を順次に形成するので、同様の問題があった。
【0004】
そこで、本発明の目的は、固体潤滑層が安価で剥がれ難い、真空または宇宙空間用の転がり軸受を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、
1)請求項1記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪および転動体の少なくとも一方が、0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび銀被覆との付着強度向上手段としての0.5〜8.0重量%の銅を含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成された鋼からなることを特徴とするものである。
【0006】
一般に、ある金属に対する他の金属の被膜の付着強度は、互いの金属の固溶限(溶解度)の大きさに依存し易く、潤滑性を有する銀は、鉄系合金に対し固溶限が小さい。一方、銅に対する銀の固溶限は、鉄系合金に対する銀の固溶限よりも一般に高いので、本発明のように、銅を含む鉄系合金であれば銀の被膜の付着強度を高くできる。また、被膜が1層で良いので、従来の3層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚の管理も容易になる。
【0007】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、高温用軸受の軌道輪および転動体に用いる例えばJIS規格SKH4やAISI規格M50に準ずるものとした。なお、ケイ素やマンガンの含有率は極微量でも良いが、0.20重量%以上であることが好ましい。また、銀被膜との密着性を考慮すると銅の含有率は0.5重量%以上であることが好ましい。一方、銅の含有率が高いほど銀の被膜との密着性は向上するが、8.0重量%を超えた場合、熱間加工等の成形性が大きく低下するので、銅の含有率の範囲は0.5〜8.0重量%が好ましい。
【0008】
ここで、最表面の少なくとも一部とは、軌道輪に被膜を形成する場合に、必ずしも軌道輪の表面全体に被膜を形成する必要はなく、軌道輪の軌道面のみであっても良い趣旨である。また、銀の被膜の厚みは、0.01〜0.1μmであることが好ましい。
2)また、請求項2記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪および転動体の少なくとも一方が、0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび銅被覆との付着強度向上手段としての1.0〜8.5重量%のニッケルを含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成されその下に銅の被膜が形成された鋼からなることを特徴とするものである。
【0009】
一般に、ニッケルに対する銅の固溶限や、銅に対する銀の固溶限は、ニッケルに対する銀の固溶限よりも高い。したがって、本発明のように、ニッケルを含む鉄系合金であれば、銅の被膜を形成したうえから銀の被膜を形成すれば、銀被膜の付着強度を確保することができる。また、被膜が2層で良いので、従来の3層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚の管理も容易になる。
【0010】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、請求項1記載の発明と同じである。また、銅被膜との密着性を考慮するとニッケルの含有率は1重量%以上であることが好ましい。一方、ニッケルの含有率が高いほど銅の被膜との密着性は向上するが、8.5重量%を超えた場合、熱処理後においても残留オーステナイトのために硬さが不足し、転がり軸受用として適さなくなるので、ニッケルの含有率の範囲は1.0〜8.5重量%が好ましい。また、銅および銀の各被膜の厚みは、それぞれ0.01〜0.1μmであることが好ましい。
【0011】
3)また、請求項3記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪および転動体の少なくとも一方が0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび鉛被覆との付着強度向上手段としての0.5〜8.0重量%の錫を含み、最表面の少なくとも一部に鉛の被膜が形成された鋼からなることを特徴とするものである。
【0012】
錫に対する鉛の固溶限は、鉄系合金に対する鉛の固溶限よりも高い。したがって、本発明のように錫を含む鉄系合金であれば、鉛の被膜の付着強度を確保することができる。また、被膜が1層で良いので、従来の2層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚の管理が容易になる。
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、請求項1記載の発明と同じである。また、鉛被膜との密着性を考慮すると、錫の含有率は0.5重量%以上であることが好ましい。一方、錫の含有率が高いほど鉛の被膜との密着性は向上するが、8.0重量%を超えた場合、脆性が生じ、熱間形成等の加工性が低下し、また、強度面でも転がり軸受用として適さなくなるので、錫の含有率の範囲は0.5〜8.0重量%が好ましい。
【0013】
また、鉛の被膜の厚みは、0.05〜0.8μmであることが好ましい。
4)また、請求項4記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、上記請求項1,2又は3において、上記軌道輪あるいは転動体の材料が粉末焼結材料であることを特徴とするものである。一般の鉄系金属では、銅あるいは錫を多く含む材料を溶解して製作する場合は、偏析等の対策が必要であるが、粉末焼結により材料を製作することにより、材料性状が安定した材料、ひいては被膜の付着強度が高く、安定した転がり軸受を提供することが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図1において、真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪としての内輪1および外輪2と、両輪1,2の軌道面1a,2a間に介在した複数の転動体としての玉3と、これらの玉3を保持する保持器4とを備えている。保持器4は必要に応じ省略して総玉形式としても良い。
【0015】
図2は玉の拡大断面図である。図2を参照して、本実施形態では、玉3が、0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび0.5〜8.0重量%の銅を含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜5がイオンプレーティングにより形成された鋼からなっている。なお、鋼には、通常の焼き入れ焼き戻しによる熱処理が施され、その後にイオンプレーティングが施されている。
【0016】
本実施形態では、本発明の特徴を玉3に適用した例に則して説明するが、内輪1、外輪2および玉3の少なくとも一つに適用すれば良い。軌道輪1,2に銀の被膜を形成する場合は、必ずしも全体に形成する必要はなく、軌道面1a,2aのみに形成すれば十分である。
本実施形態では、玉3の材料となる鋼が上記の割合で銅を含むので、銀の被膜の付着強度を高くできる結果、銀の被膜を剥がれ難くし、軸受寿命を長くすることができる。また、被膜が1層で良いので、従来の3層のものと比較して工程数が削減できる結果、製造コストを安価にできるとともに膜厚管理も容易となるので精度が向上する。
【0017】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、高温用軸受の軌道輪および転動体に用いる材料として適したものとした。また、ケイ素やマンガンの含有率は極微量でも良いが、0.20重量%以上であることが好ましい。
また、銅の含有率を上記の範囲としたのは、下記の理由による。即ち、銀被膜との密着性を考慮すると銅の含有率は0.5重量%以上であることが好ましく、銅の含有率が高いほど銀の被膜との密着性は向上するが、8.0重量%を超えた場合、熱間加工等の成形性が大きく低下するので、銅の含有率の範囲は0.5〜8.0重量%であることが好ましい。
【0018】
次いで、図3は本発明の他の実施形態を示している。同図を参照して、本実施形態では、玉3が、0.73〜1.10重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび1.0〜8.5重量%のニッケルを含む鋼からなっている。そして、玉3の表面にイオンプレーティングにより、まず、銅の被膜6が形成され、そのうえに、銀の被膜7が形成されている。
【0019】
本実施形態では、ニッケルを含む鋼を用い、ニッケルに対して密着性の良い銅の被膜6をまず形成し、この銅の被膜6に対して密着性の良い銀の被膜7を形成したので、銀の被膜7の付着強度を確保することができる。また、被膜6,7が2層で良いので、従来の3層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚管理も容易となる。
【0020】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、第1の実施形態と同じである。また、ニッケルの含有率を上記の範囲としたのは、下記の理由による。即ち、銅の被膜6との密着性を考慮するとニッケルの含有率は1重量%以上であることが好ましい。一方、ニッケルの含有率が高いほど銅の被膜6との密着性は向上するが、8.5重量%を超えた場合、熱処理後においても残留オーステナイトのために硬さが不足し、転がり軸受用として適さなくなるので、ニッケルの含有率の範囲は1.0〜8.5重量%であることが好ましい。
【0021】
図4は本発明の他の実施形態を示している。すなわち、玉3が0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび0.5〜8.0重量%の錫を含む鋼からなっている。そして、玉3の表面にイオンプレーティングにより鉛の被膜8が形成されている。
【0022】
本実施形態では、玉3の材料となる鋼が上記の割合で錫を含むので、鉛の被膜の付着強度を高くできる結果、鉛の被膜が剥がれ難くなり、軸受寿命を長くすることができる。
また、被膜が1層で良いので、従来の2層のものと比較して、工程数を削減できる結果、製造コストを安価にできるとともに膜厚管理も容易となる。
【0023】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は第1の実施形態と同じである。
また、錫の含有率を上記の範囲としたのは下記の理由による。すなわち、鉛の被膜8との密着性を考慮すると、錫の含有率は0.5重量%以上であることが好ましい。一方、錫の含有率が高いほど鉛の被膜との密着性は向上するが、8.0重量%を超えた場合、脆性が生じ、熱間成形等の加工性が低下し、また、強度面でも転がり軸受用として適さなくなるので、錫の含有率の範囲は0.5〜8.0重量%が好ましい。
【0024】
図2,3,4に示す実施形態において、玉3の材料がそれぞれに規定する成分の粉末焼結材料であっても、同様の効果を発揮することができる。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば上記各実施形態では、深溝玉軸受の場合を説明したが、他の形式の転がり軸受、例えばアンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受または球面ころ軸受であっても良い。
【0025】
【実施例】
下記の表1にそれぞれ示すような材料の鋼で転動体を形成し、その表面にイオンプレーティングにより銀の被膜を形成した実施例1と、イオンプレーティングで銅の被膜を形成したうえに銀の被膜を形成した実施例2、イオンプレーティングにより鉛の被膜を形成した実施例3とを製造した。
【0026】
また、上記の実施例1と比較して、銅の含有割合が主に異なり他の成分の含有割合は略同じである比較例1を製造した。また、上記の実施例2と比較して、ニッケルの含有割合が主に異なり他の成分の含有割合は略同じである比較例2を製造した。また、上記実施例3と比較して、鉛の含有割合が主に異なり他の成分の含有割合が略同じである比較例3を製造した。
【0027】
【表1】
【0028】
さらに、従来の材料(SUJ2)にイオンプレーティングにより銀の被膜を形成し、さらにその上に二硫化モリブデンの被膜を形成した比較例4を製造し、真空四球式試験装置にて、回転トルクと寿命について各例複数個ずつ試験を行った。
試験条件は、下記である。
【0029】
球サイズ :1/4inch
圧力(真空度) :6×10-4Pa
荷重(最大接触応力):196N(4200N/mm2 )
回転速度(すべり速度):132rpm (76mm/s)
温度 :室温
試験結果を、摩擦係数の時間的変化を示す図5、寿命時間のワイブル分布を示す図6および表1に示す。その結果、下記のことが判明した。
▲1▼ 実施例1,実施例2および実施例3と、従来例である比較例4とを比較すると、実施例1,実施例2および実施例3は、長寿命(略50%向上、図5参照)で、且つ安定しており(図6参照)、密着性、寿命が格段に向上していることが判明した。
▲2▼ 実施例1と、これに対して銅の含有割合が主に異なる比較例1とを比較すると、実施例1がB10寿命で約1.5倍長寿命(図7参照)となり、銀の被膜の密着性を高めるうえで、銅は0.5重量%以上含まれていることが必要であると判明した。
▲3▼ 実施例2と、これに対してニッケルの含有割合が主に異なる比較例2とを比較すると、実施例2がB10寿命で約1.5倍長寿命(図8参照)となり、銅の被膜の密着性を高めるうえで、ニッケルは1.0重量%以上含まれていることが必要であると判明した。
▲4▼ 実施例3と、これに対して錫の含有割合が主に異なる比較例3とを比較すると、実施例3がB10寿命で約1.5倍長寿命(図9参照)となり、鉛の被膜の密着性を高めるうえで、錫は0.5重量%以上含まれていることが必要であると判明した。
【0030】
なお、上記各実施例では、軌道輪、転動体の鋼は、JIS規格SKH4あるいはAISI規格M50に準じた鋼成分範囲の炭素、ケイ素、マンガン、クロムを選択しているが、通常の一般軸受の使用温度域で使用される場合には、JIS規格SUS440C鋼相当のケイ素(1.00重量%以下)、マンガン(1.00重量%以下)、クロム(16.00〜18.00重量%)を選択しても良い。
【0031】
【発明の効果】
請求項1記載の発明では、銀に対する固溶限の高い成分である銅を含む鋼の表面に、銀の被膜を形成するので、銀の付着強度を高くでき、固体潤滑層として剥がれ難い銀の被膜を得ることができる。また、3層の被膜を形成する従来の場合と比較して被膜形成工程の回数を削減でき、その分製造コストを安価にできるとともに膜厚の管理も容易になる。
【0032】
また、請求項2記載の発明では、ニッケルを含む鋼の表面に、当該ニッケルに対する溶解度の高い銅の被膜を形成し、この上に銅に対する固溶限の高い銀の被膜を形成するので、銀の付着強度を高くできる結果、固体潤滑層として剥がれ難い銀の被膜を得ることができる。また、3層の被膜を形成する従来の場合と比較して被膜形成工程の回数を削減でき、その分製造コストを安価にできるとともに膜厚の管理も容易になる。
【0033】
また、請求項3記載の発明では、鉛に対する固溶限の高い成分である錫を含む鋼の表面に鉛の被膜を形成するので、鉛の付着強度を高くでき、固体潤滑層として剥がれ難い鉛の被膜を得ることができる。また、2層の被膜を形成する従来の場合と比較して、被膜形成工程の回数を削減でき、その分製造コストを安価にできる。
【0034】
なお、本発明の実施において、材料を粉末焼結により製作することが可能であり、その場合、偏析等の材料性状を安定させることが容易であり、結果として被膜の付着強度が高く、安定した転がり軸受を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の転がり軸受の概略断面図である。
【図2】転動体としての玉の要部の拡大断面図である。
【図3】他の実施形態における玉の要部の拡大断面図である。
【図4】他の実施形態における玉の要部の拡大断面図である。
【図5】摩擦係数の経時変化を示すグラフ図である。
【図6】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【図7】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【図8】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【図9】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1 内輪
2 外輪
3 玉(転動体)
5,7 銀の被膜
6 銅の被膜
8 鉛の被膜
Claims (4)
- 軌道輪および転動体の少なくとも一方が、0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび銀被覆との付着強度向上手段としての0.5〜8.0重量%の銅を含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成された鋼からなることを特徴とする真空または宇宙空間用の転がり軸受。
- 軌道輪および転動体の少なくとも一方が、0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび銅被覆との付着強度向上手段としての1.0〜8.5重量%のニッケルを含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成されその下に銅の被膜が形成された鋼からなることを特徴とする真空または宇宙空間用の転がり軸受。
- 軌道輪および転動体の少なくとも一方が0.73〜1.25重量%の炭素、0.40重量%未満のケイ素、0.50重量%未満のマンガン、1.30〜4.50重量%のクロムおよび鉛被覆との付着強度向上手段としての0.5〜8.0重量%の錫を含み、最表面の少なくとも一部に鉛の被膜が形成された鋼からなることを特徴とする真空または宇宙空間用の転がり軸受。
- 上記軌道輪あるいは転動体の材料が粉末焼結材料である上記請求項1,2又は3記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受。
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