JP3811596B2 - 転がり運動部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば転がり軸受、ボールねじ、リニア玉軸受、リニアウエイなどの転がり運動部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、転がり軸受においては、その内・外輪の軌道面を、内・外輪の素材の表層（基体）に固体潤滑膜を施した軌道面として、ボールの転がりや滑り接触に伴う摩耗を抑制しているものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記転がり軸受の場合、使用に伴い固体潤滑膜が前記基体から剥離しその周囲に対する塵埃として作用するから、固体潤滑膜の膜厚を必要最小限に薄くしてその発塵量を極力少なくすることが考えられる。
【０００４】
しかし、このように固体潤滑膜の膜厚を薄くした場合、内・外輪の軌道面を構成する基体表面の平滑度が低くて凹凸が多いと、固体潤滑膜で覆うことのできない凹凸箇所が生じ、この凹凸箇所を起点にして固体潤滑膜の剥離や腐食が進行し、固体潤滑膜の膜厚を薄くしたのに発塵を抑制できない傾向となる。
【０００５】
したがって、本発明は、転がり運動部品において、上記固体潤滑膜の剥離や腐食の進行を抑制して発塵量を少なく抑制可能とすることを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり運動部品は、相手部材との間で相対的に転がり接触または滑り接触する面を有した転がり運動部品であって、その基体は素材を鉄系材料とし、少なくとも前記接触面上にその表面粗さを緩和し、かつ素材を樹脂材料とした表面粗さ緩和層が形成され、この表面粗さ緩和層上にフッ素系高分子を含み、その膜厚を０．０５〜０．３μｍの範囲内に規定した固体潤滑膜が形成されているとともに、前記基体の表面粗さ（Ｒｙ）は前記固体潤滑膜の膜厚より大きく、前記表面粗さ緩和層の表面粗さ（Ｒｙ）を前記固体潤滑膜の膜厚より小さくしている。
【０００７】
ここで、表面粗さの緩和とは、表面粗さを緩くすることであり、そのために、表面粗さ緩和層において接触面と対向する裏面側の一部が該接触面の凹凸内における凹所に入り込んでこれを埋設するような形態となって接触面の表面粗さを緩和することである。そして、表面粗さ緩和層の表面粗さは小さくなっていてその表面の最大高さが低くなっている。この結果、接触表面の凹凸の固体潤滑膜に対する影響は小さくなり、また、固体潤滑膜の膜厚が薄くてもその表面粗さ緩和層の表面粗さが小さいので、固体潤滑膜は平均した膜厚でかつその表面もほぼ平滑となっている。
【０００８】
したがって、本発明によると、固体潤滑膜が、相手部材との間での転がり接触や滑り接触により摩耗しても固体潤滑膜より下層側の凹凸の影響を抑制でき、その凹凸を起点とした固体潤滑膜の剥離や腐食の進行を抑制可能となるから、固体潤滑膜の膜厚を薄くして発塵量を少なく抑制できる結果、転がり運動部品の長寿命化の達成が可能となる。
【０００９】
本発明において、前記基体の表面粗さを前記固体潤滑膜の膜厚より大きく、前記表面粗さ緩和層の表面粗さを前記固定潤滑膜の膜厚より小さくしていることにより、基体の表面粗さが大きくても表面粗さ緩和層の表面粗さを小さくすることで、固体潤滑膜の膜厚を小さくでき、より固体潤滑膜の剥離や腐食の進行を抑制して発塵量を少なくして、転がり運動部品の長寿命化の達成が可能となる。
【００１０】
本発明において、前記接触面を構成する基体を鉄系材料でその表面粗さＲｙを０．２〜０．５μｍの範囲内とし、また、前記表面粗さ緩和層の素材を、ニッケル系合金でその表面粗さＲｙを０．１〜０．３μｍの範囲内とした場合、基体の研磨工程の作業効率を損なうことなく表面の平滑性が得られる。
【００１１】
なお、基体の表面粗さが０．２μｍ以下であると、基体の研磨工程の作業効率が損なわれるとともに、緩和層の密着が弱くなり、０．５μｍ以上であると緩和層の表面粗さが大きくなり緩和効果がない。
【００１２】
同様に、表面粗さ緩和層の表面粗さが０．１μｍ以下であると、固体潤滑膜の密着力が弱く０．３μｍ以上であると固体潤滑膜上に緩和層の凸部が露出する。
【００１３】
本発明において、前記固体潤滑膜がフッ素高分子を含み、その膜厚が０．０５〜０．３μｍの範囲内としていることにより、低発塵で寿命延長の作用効果が得られる。
【００１４】
なお、固体潤滑膜の膜厚が０．０５μｍ以下であると、短寿命であり、０．３μｍ以上であると発塵が増大する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る相対運動部品としての転がり軸受の上半分の縦断面図、図２は、図１の内輪の要部拡大断面図である。
【００１７】
図例の転がり軸受Ａ１は、内輪２、外輪４、ボール６、波形保持器８およびシール１０を備える。
【００１８】
そして、転がり軸受Ａ１においては、内・外輪２，４の基体表面に表面粗さ緩和層１２が形成され、そして、表面粗さ緩和層１２上に固体潤滑膜１４が形成されている。ここで、２ａは、内・外輪２，４の基体の表面凹凸、１２ａは表面粗さ緩和層１２の表面凹凸である。
【００１９】
これによって、この転がり軸受Ａ１においては、例えば、内・外輪２，４においてボール６が転動する接触面の表面粗さＲｙを大きくする凹凸２ａがあっても、その凹凸２ａは、表面粗さの小さい表面粗さ緩和層１２で覆われているから、表面粗さ緩和層１２に凹凸１２ａがあってもその表面粗さは小さくその平滑度は前記基体表面のそれより高くなってある。そのため、表面粗さ緩和層１２上に形成した固体潤滑膜１４も凹凸高さを小さくつまり平滑度を高く形成することが可能となり、結果として、ボール６が転動しても固体潤滑膜１４が前記基体の凹凸２ａにより剥離されたり腐食されたりすることが抑制されて発塵量が少なくなる結果、転がり軸受Ａ１の長寿命化の達成が可能となる。
【００２０】
以下、さらに詳しく説明する。
【００２１】
内・外輪２，４およびボール６は、鉄系材料で構成されている。この場合、例えばＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系などの鉄系材料では耐食性低いが、耐荷重性が高く高荷重用途に適する。このような鉄系材料ではその全面に表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４を形成するのが好ましい。
【００２２】
内・外輪２，４はまた、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ６３０などのオーステナイト系の鉄系材料では耐食性高いが、耐荷重性が低く軽荷重用途に適する。このような鉄系材料では少なくとも軌道面に表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４を形成するとよい。
【００２３】
なお、ボール６にはステンレスやセラミックスを用いるとよい。
【００２４】
表面粗さ緩和層１２は、内・外輪２，４の全面に形成されており、表面粗さ緩和層１２の素材は、ポリイミドやポリアミドイミドなどの樹脂である。表面粗さ緩和層１２の素材として参考例として金属とすることがあげられる。
【００２５】
その素材を金属とした場合の例として、ニッケル系、クロム系の合金がある。これら合金による表面粗さ緩和層１２の形成は、メッキによる膜形成でもよい。このメッキには電解メッキ、無電解ニッケルメッキ、その他のメッキがある。
【００２６】
表面粗さ緩和層１２の素材がニッケル系合金の場合、鉄系材料である内・外輪２，４の軌道面となじみやすいので好ましい。また、ニッケル系合金の中でもニッケル−リン（Ｎｉ−Ｐ）やニッケル−タングステン（Ｎｉ−Ｗ）が好ましい。
【００２７】
内・外輪２，４の基体を鉄系材料とし、表面粗さ緩和層１２の素材をニッケル−リン合金とした場合、日本工業規格ＪＩＳによる表面粗さ（最大高さ）（Ｒｙ）、中心線平均粗さ（Ｒａ）、十点平均粗さ（Ｒｚ）は、例えば次の通りである。
【００２８】
すなわち、内・外輪２，４の基体において、
・表面粗さ（Ｒｙ）： ０．２５μｍ
・中心線平均粗さ（Ｒａ）：０．０２μｍ
・十点平均粗さ（Ｒｚ）： ０．２μｍ
表面粗さ緩和層１２において、
・表面粗さ（Ｒｙ）： ０．１１μｍ
・中心線平均粗さ（Ｒａ）：０．０１μｍ
・十点平均粗さ（Ｒｚ）： ０．１μｍ
ここで、内・外輪２，４の基体を鉄系材料とし、表面粗さ緩和層１２の素材をニッケル系合金とした場合、また、基体の表面粗さＲｙは、固体潤滑膜１４の膜厚より大きく、０．２〜０．５μｍの範囲内とし、表面粗さ緩和層１２の表面粗さＲｙは、固体潤滑膜１４の膜厚より小さく０．１〜０．３μｍの範囲内が好ましい。
【００２９】
表面粗さ緩和層１２の形成方法は何でもよいが、電気メッキで形成してもよい。この電気メッキのうち、内・外輪２，４の軌道面に電解メッキを施して表面粗さ緩和層１２を形成してもよいが、電解メッキによる表面粗さ緩和層１２の下地の場合、軌道面の粗さの緩和が少ない。これに対して、無電解メッキで表面粗さ緩和層１２を形成した場合、軌道面の下地としてはその面粗さが緩和され、したがって、表面粗さ緩和層１２上の固体潤滑膜１４表面の粗さも緩和される結果、軸受の長寿命化が達成可能となって好ましい。
【００３０】
表面粗さ緩和層１２は、金属単独の膜、樹脂単独の膜としてもよいが、参考例として複合膜があげられる。
【００３１】
この複合膜としては、ニッケル複合メッキ膜と呼ばれるものがある。このニッケル複合メッキ膜は、ＮｉＰあるいはＮｉＢをマトリックスとし、これに硬質または潤滑性を有する不溶性微粒子を複合共析させた構造である。共析させる微粒子としては、ＳｉＣが好ましく、これが均一に分散される。このニッケル複合メッキ膜は、組成が緻密になっているから、このニッケル複合メッキ膜による表面粗さ緩和層１２とした場合、腐食性成分がより浸透しにくくなって好ましい。
【００３２】
ニッケル合金を用いた無電解メッキにより形成した場合の表面粗さ緩和層１２の膜厚は、例えば１〜２０μｍの範囲が、潤滑性少なく、ＳＵＳ３０４に近い耐食性をもつことができて好ましいが、より好ましくは１〜１０μｍの範囲、もっとも好ましくは１〜５μｍの範囲に設定できる。
【００３３】
ここで、表面粗さ緩和層１２を無電解ニッケルメッキで被膜形成した場合について説明する。
【００３４】
無電解ニッケルメッキには、無電解ニッケル（Ｎｉ−）メッキ、無電解ニッケル−リン（Ｎｉ−Ｐ）メッキ、無電解ニッケル−ボロン（Ｎｉ−Ｂ）メッキであり、これのメッキ膜は、公知の成膜技術を利用して成膜することができる。
【００３５】
例えば無電解ニッケルメッキの場合、ヒドラジン等を還元剤として成膜し、無電解ニッケル−リンヒドラジンメッキの場合、次亜リン酸塩等を還元剤として成膜し、無電解ニッケル−ボロンメッキの場合、水素化ナトリウムやアルミボランとしを還元剤として成膜する。
【００３６】
無電解ニッケルメッキの場合、内・外輪を有機溶剤洗浄、酸処理、電解洗浄を施した後、電解ニッケルメッキによりサブミクロン程度のニッケル膜を形成し、次いでニッケルメッキ浴に浸漬して無電解メッキすることにより成膜される。メッキ条件は、通常の無電解ニッケルメッキと同様の条件でかまわず、例えばｐＨ４．５〜５．５に調整され、液温９０℃程度の酸性硫酸ニッケル浴で還元剤として次亜リン酸ナトリウムを用いて行われる。
【００３７】
固体潤滑膜１４は、潤滑性能を呈する素材であればなんでもよいが、高潤滑性を有するものが好ましいが、その例として、フッ素系高分子や、金、銀、プラチナなどの軟質金属、二硫化モリブデン、あるいは炭化化合物などが挙げられる。
【００３８】
固体潤滑膜１４をフッ素系高分子で形成した場合、そのフッ素系高分子の限定はなく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフロロエチレン、ポリトリフロロクロロエチレン、ヘキサフロロプロピレン、ポリビニルフメライド、ポリビリニデンフロライドの単独重合体または共重合体等の周知のフッ素樹脂が使用可能であるが、中でもポリテトラフルオロエチレンの単独樹脂が好ましく、例えばテフロン（米国デュポン社）やポリフロン（ダイキン工業（株））の登録商標名で販売されているフッ素樹脂を好適に使用できる。そして、これらフッ素樹脂からなる粒子と適当なバインダおよび界面活性剤とを適当な溶剤に分散した溶液中（水溶液、アルコール等）に浸漬することにより固体潤滑膜１４が成膜される。また、 固体潤滑膜１４の膜厚は特に限定されないが、それをフッ素系高分子で構成した場合、好ましい膜厚は、０．０１〜５μｍの範囲、より好ましい膜厚は、０．０５〜０．３μｍの範囲である。
【００３９】
なお、図１で示される転がり軸受Ａ１の場合、内・外輪２，４に表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４とが形成されているが、ボール６の外周面に表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４とを形成してもよい。
【００４０】
いずれにしても、図１で示される転がり軸受Ａ１は、内輪２とボール６との接触面、外輪４とボール６との接触面は、互いに相対運動する一対の接触面を構成し、少なくともいずれか一方の接触面に固体潤滑膜が形成された相対運動部品となっている。
【００４１】
上記のように表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４との２層構造とした転がり軸受Ａ１における発塵性能と寿命を従来の固体潤滑膜１４だけの転がり軸受と比較して以下のようになった。
【００４２】
（従来の転がり軸受）
内・外輪２，４の材料：日本工業規格ＳＵＳ４４０Ｃ
ボール６の材料： 日本工業規格ＳＵＳ４４０Ｃ
固体潤滑膜１４の素材：フッ素系高分子、膜厚０．２μｍ
発塵性能：クラス１０
寿命：５０時間
（本実施の形態の転がり軸受）
内・外輪２，４の材料：日本工業規格ＳＵＳ４４０Ｃ
ボール６の材料：日本工業規格ＳＵＳ４４０Ｃ
表面粗さ緩和層１２の素材：無電解ニッケル−リンメッキ，膜厚５〜１０μｍ
固体潤滑膜１４の素材：フッ素系高分子，膜厚０．２μｍ
発塵性能：クラス１０
寿命：３００時間
以上の比較の結果、本実施の形態の場合、発塵性能および寿命において従来よりも格段に向上した。
【００４３】
なお、本発明の転がり運動部品は、上述した転がり軸受Ａ１に限定されるものではなく、以下、図３〜図５を参照して述べる他の転がり運動部品Ａ２〜Ａ４などについても同様に適用実施することができる。
【００４４】
なお、図３以降の図面において、１９は、図１と同様の表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４との２層構造を略示している。
【００４５】
（１）図３は、他の転がり運動部品としてのボールネジＡ２が示されている。図２について説明すると、２０はネジ軸、２２はナット、２４はボール、２６はサーキュレータチューブである。
【００４６】
ネジ軸２０は、その外周面に螺旋溝２８が形成されている。ナット２２は、ネジ軸２０に外嵌されており、その内周面にネジ軸２０の螺旋溝２８に対応する螺旋溝３０が形成されている。複数のボール２４は、ねじ軸２０の螺旋溝２８と、ナット２２の螺旋溝３０との間に介装されている。サーキュレータチューブ２６は、ネジ軸２０またはナット２２のいずれか一方の回転により両螺旋溝２８，３０間に介装されるボール２４を転動循環させるためのもので、ナット２２に取り付けられている。
【００４７】
このようなボールネジＡ２においては、ネジ軸２０の外周面とナット２２の内周面とに対して、表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４（符号１９は両膜１２，１４を略示）とが被覆形成されている。
【００４８】
この表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４の素材や形成は図１の実施形態と同様であるから、その詳細は省略する。
【００４９】
（２）図４は、リニア玉軸受Ａ３の要部の上半断面図である。３２は、円筒形の軸からなるレール、３４は円筒部材からなる移動体、３６は保持器、３８は転動体としてのボール、４０は環体である。
【００５０】
レール３２は、その外周面の円周六箇所に軸方向に沿う直線状の溝４０が全長に及んで設けられている。
【００５１】
移動体３４は、その内周面の軸方向中間領域の円周六箇所にレール３２の溝４０に径方向で対向するようにそれぞれ負荷循環ボール列および無負荷循環ボール列用の不図示の溝が設けられている。
【００５２】
保持器３６は、移動体３４の内周面の一部に沿うように湾曲加工された円筒形状をなす。その両端部分は、環体４２により支持されている。保持器３６の軸方向中間領域には、平面的に見ると横長の輪状溝４４が周方向に複数設けられている。輪状溝４４の軸方向に沿う片方の直線部４４ａは、底が貫通されて底無しとされ、残り片方の直線部４４ｂは底有りとされている。
【００５３】
このようなリニア玉軸受Ａ３において、レール３２と移動体３４の各全面に対して、表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４（符号１９は両膜１２，１４を略示）とが被覆形成されている。
【００５４】
（３）図５は、転がり運動部品としてのリニアウエイＡ４を示している。
【００５５】
リニアウエイＡ４は、側面に係合凹部４６ａを有するレール４６と、側面に係合凹部４８ａを有するハウジング４８とを有し、両係合凹部４６ａ，４８ａ間にボール５０が複数介装されている。レール４６とハウジング４８の係合凹部４６ａ，４８ａとボール５０に対して、表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４（符号１９は両膜１２，１４を略示）が被覆形成されている。
【００５６】
前記（１）（２）（３）それぞれにおける表面粗さ緩和層１２と固体潤滑膜１４との２層構造による作用効果は、図１の転がり軸受Ａ１におけると同様であるからその詳細は省略する。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、相手部材との間で相対的に転がり接触または滑り接触する面の基体上に表面粗さ緩和層が形成されているとともに、この表面粗さ緩和層上に固体潤滑膜が形成されているから、固体潤滑膜の膜厚を薄くしても、固体潤滑膜は、基体表面の表面粗さの影響を軽減される結果、その剥離や腐食の進行が抑制され、発塵量が少なくなって転がり運動部品の長寿命化の達成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る転がり運動部品である転がり軸受の上半分の側面断面図
【図２】図１で示される転がり軸受の軌道面の拡大図
【図３】本発明の他の実施形態に係る転がり運動部品であるボールネジの側面断面図
【図４】本発明のさらに他の実施形態に係る転がり運動部品であるリニア玉軸受の側面断面図
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る転がり運動部品であるリニアウエイの正面断面図
【符号の説明】
Ａ１ 転がり軸受（相対運動部品）
２ 内輪
４ 外輪
６ ボール
８ 保持器
１０ シール
１２ 表面粗さ緩和層
１４ 固体潤滑膜
Ａ２ ボールネジ
Ａ３ リニア玉軸受
Ａ４ リニアウエイ

Claims (1)

1. 相手部材との間で相対的に転がり接触または滑り接触する面を有した転がり運動部品であって、その基体は素材を鉄系材料とし、少なくとも前記接触面上にその表面粗さを緩和し、かつ素材を樹脂材料とした表面粗さ緩和層が形成され、この表面粗さ緩和層上にフッ素系高分子を含み、その膜厚を０．０５〜０．３μｍの範囲内に規定した固体潤滑膜が形成されているとともに、前記基体の表面粗さ（Ｒｙ）は前記固体潤滑膜の膜厚より大きく、前記表面粗さ緩和層の表面粗さ（Ｒｙ）を前記固体潤滑膜の膜厚より小さくしている、ことを特徴とする転がり運動部品。

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