JP5358871B2

JP5358871B2 - 円筒ころ軸受用保持器、円筒ころ軸受

Info

Publication number: JP5358871B2
Application number: JP2006178528A
Authority: JP
Inventors: 武文吉川; 俊一矢部; 敏己高城; 豪村上; 美昭勝野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP2007039667A

Description

この発明は、樹脂組成物からなる円筒ころ軸受用保持器と円筒ころ軸受に関する。

従来より、転がり軸受の保持器として合成樹脂製の保持器を使用する際には、合成樹脂に繊維強化材が添加された樹脂組成物を射出成形したものが使用されている。この樹脂組成物としては、６，６−ナイロンや４，６−ナイロン等のポリアミド樹脂またはポリフェニレンサルファイド樹脂に、繊維強化材として直径が６〜１４μｍ程度のガラス繊維を添加したものや、ポリエーテルエーテルケトン樹脂に、繊維強化材として直径が４〜１５μｍ程度の炭素繊維を添加したものが使用されている。

下記の特許文献１には、射出成形時の樹脂組成物の流動性低下を防止するとともに、転動体との接触部からの繊維の脱落を防止するために、直径が５００ｎｍ以下の微細炭素繊維を２〜５０質量％含有する樹脂組成物を使用して保持器を形成することが記載されている。
特開２００４−５２９８０号公報

例えば、工作機械等で使用される転がり軸受は、装置の高性能化に伴って回転速度が高速になるため、良好な放熱性を有する必要がある。そして、上述の従来の合成樹脂製保持器には、放熱性と機械的強度の両立という点で改善の余地がある。
本発明の課題は、放熱性と機械的強度の両方に優れた合成樹脂製保持器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、円筒体の形状を有し、前記円筒体の周面を貫通するポケットが形成され、前記ポケットは、円筒ころの周面を受ける円弧面と円筒ころの両端面と対向する面を有する外輪案内型の円筒ころ軸受用保持器であって、
直径の平均値が３μｍ以上１６μｍ以下である第１の炭素繊維と、直径の平均値が４０ｎｍ以上２１０ｎｍ以下である第２の炭素繊維と、ポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリエーテルエーテルケトン樹脂である合成樹脂とからなり、前記第１の炭素繊維はポリイミド樹脂系のサイジング剤でサイジング処理されたものであり、前記第１の炭素繊維を１０質量％以上４０質量％以下の範囲で含有し、前記第２の炭素繊維を５質量％以上２０質量％以下の範囲で含有し、前記第１の炭素繊維の含有率は前記第２の炭素繊維の含有率よりも多く、前記第１の炭素繊維および第２の炭素繊維の合計含有率が３５質量％以上５０質量％以下である樹脂組成物で形成され、熱伝導率が０．５５〜１．３０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする円筒ころ軸受用保持器を提供する。

本発明はまた、この保持器を備えた円筒ころ軸受を提供する。
第１の炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維等である。この炭素繊維の熱伝導率はガラス繊維よりも高い。好ましくは、熱処理して黒鉛構造とすることにより、熱伝導率が５００〜８５０Ｗ／ｍ・Ｋであるものを使用する。

第２の炭素繊維は、「カーボンナノファイバー」と称され、炭化水素と水素を、触媒微粒子の共存下、気相で熱分解反応させることにより、触媒微粒子を核に炭素を繊維状に成長させたものであり、更に熱処理して黒鉛構造とすることで、銅よりも高い熱伝導率（１２００Ｗ／ｍ・Ｋ）となる。また、この方法で得られた炭素繊維は、繊維長が８〜２０μｍ程度、アスペクト比が１０〜１００である。なお、直径が１０ｎｍ程度のカーボンナノチューブは、アスペクト比が５程度であり、熱伝導率を高くする作用は得られるが、繊維強化材としての作用は得られ難い。よって、本発明で使用する第２の炭素繊維の直径の範囲は、カーボンナノチューブを含まない範囲となっている。

本発明によれば、繊維強化材として、二種類の炭素繊維（直径の平均値が３μｍ以上１６μｍ以下である第１の炭素繊維と、直径の平均値が４０ｎｍ以上２１０ｎｍ以下である第２の炭素繊維）を使用することにより、放熱性と機械的強度の両方に優れた合成樹脂製保持器が得られる。樹脂組成物からなる保持器の熱伝導率は、第１の炭素繊維のみを繊維強化材とした場合は０．４０〜０．５２Ｗ／ｍ・Ｋであるが、二種類の炭素繊維を前記各範囲で含有した場合は０．５５〜１．３０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。また、第１の炭素繊維の間に第２の炭素繊維が介在することにより、保持器の機械的強度が向上する。

二種類の繊維強化材の合計含有率の上限値は５０質量％とする。合計含有率が５０質量％を超えると成形性が不良になり易い。また、これらの繊維強化材としては、サイジング処理されたものを使用することが好ましい。
本発明で使用可能な合成樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、６，６−ナイロン、４，６−ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂等が挙げられる。
ポリフェニレンサルファイド樹脂は、吸水性が低く、耐熱性に優れ、また成形性が良好であることから、寸法安定性に優れ、１５０〜１８０℃で使用可能な保持器を射出成形により低コストで作製することができる。

４，６−ナイロンは、高融点で、衝撃強度および耐疲労性に優れているため、１２０〜１４０℃で使用可能で、破損し難い保持器を作製することができる。
６，６−ナイロンは、４，６−ナイロンより融点は低いが、衝撃強度および耐疲労性等のバランスがよく、材料コストが低いため、１００〜１２０℃程度の使用環境となる用途では好適に使用できる。
ポリエーテルエーテルケトン樹脂および熱可塑性ポリイミド樹脂は、材料コストは高いが、吸水性が低く、耐熱性に特に優れ、２００〜２５０℃程度の高温で使用可能な保持器を作製することができる。

本発明で使用する合成樹脂の分子量は、上記二種類の炭素繊維を含有した状態で射出成形できる範囲に相当する「数平均分子量で１３０００〜３００００」が好ましい。数平均分子量が１３０００未満である合成樹脂を使用すると、得られる保持器の機械的強度が不良となる。数平均分子量が３００００を超える合成樹脂を使用すると、前記第１の炭素繊維の含有率が１５質量％以上３０質量％以下の場合、溶融時の粘度が高くなり過ぎて、保持器を射出成形で精度良く製造することが難しい。

本発明で使用する合成樹脂の分子量のより好ましい範囲は「数平均分子量で１８０００〜２６０００」であり、この範囲にすることで成形性や得られる保持器の衝撃強度が良好となる。
本発明で使用する樹脂組成物には、成形時および保持器として使用時の熱劣化を防止する目的で、ヨウ化物系熱安定剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独で、あるいは両方を併用して添加することが好ましい。本発明で使用する樹脂組成物には、さらに、耐衝撃性を改善する目的で、エチレンプロピレン非共役ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴム系材料を添加してもよい。

本発明の保持器は、合成樹脂に前述の二種類の炭素繊維が所定範囲で含有された樹脂組成物を用いて形成することで、放熱性と機械的強度の両方に優れた合成樹脂製保持器となっている。よって、本発明の保持器は、合成樹脂製でありながら、高速回転で使用される転がり軸受の保持器として使用することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に相当する保持器を備えた円筒ころ軸受（転がり軸受）を示す断面図である。
この円筒ころ軸受は、内輪１、外輪２、円筒ころ３、および保持器４からなる。この保持器４を、表１に示す各組成の樹脂組成物を用いて射出成形により作製した。
この軸受の寸法は、内径：５５ｍｍ、外径：９０ｍｍ、幅：２６ｍｍ、ころ寸法：直径８．０ｍｍ×軸方向寸法８．０ｍｍである。また、保持器４の形状は、内径：６８ｍｍ、外径：７９ｍｍ、軸方向寸法：１２ｍｍ、厚さ：５．５ｍｍの円筒体であり、ポケットが２０個形成されている。ポケットの寸法は、軸方向寸法：８．０ｍｍ、ころの周面を受ける円弧面の直径：８．２ｍｍである。なお、内輪１と外輪２は、ＳＵＪ２製で通常の熱処理を施したものを使用した。

ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂としては、Ｖｉｃｔｒｅｘ社製の「ＰＥＥＫ４５０Ｐ」を用いた。
ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂としては、ポリプラスチックス（株）製の直鎖状ＰＰＳ「フォートロン０２２０Ａ９」を用いた。
第１の炭素繊維としては、東邦テナックス（株）製「ベスファイト（登録商標）」のチョップドファイバー「ＨＴＡ−Ｃ６−ＴＸ」を用いた。これは、ポリイミド樹脂系のサイジング剤でサイジング処理されたＰＡＮ系カーボンファイバーであり、繊維の平均直径が７μｍ、繊維長が６ｍｍ、熱伝導率が６０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋである。

第２の炭素繊維としては、昭和電工（株）製の気相法カーボンナノファイバー「ＶＧＣＦ」を用いた。これは、繊維の平均直径が１５０ｎｍ、繊維長が１０〜２０μｍ、熱伝導率が１２００Ｗ／ｍ・Ｋである。
No. １〜４の各保持器について、熱伝導率と引っ張り強度を測定した。また、No. １〜４の各保持器を図１の円筒ころ軸受の保持器４として用い、潤滑剤：ジエステル含有鉱油−ウレア系グリース、試験温度：２５℃の条件で、回転試験を行った。この試験では、０から１００ｒｐｍずつ上昇させた各回転速度で軸受を３時間回転させ、保持器の異常に起因する異常な温度上昇が発生するかどうかを調べることを繰り返して、異常な温度上昇が発生した時点で回転試験を終了した。そして、異常な温度上昇が発生した際の回転速度の一つ前の回転速度を「寿命の回転速度」とした。この結果を表１に示す。

この結果から、本発明の実施例に相当するNo. １および２の保持器は、熱伝導率が０．６５〜０．７１Ｗ／ｍ・Ｋと高く、引っ張り強度も十分であるため、２０，０００ｒｐｍ以上の高速回転で良好に使用可能であるのに対して、比較例に相当するNo. ３およびNo. ４の保持器は、熱伝導率が０．４９〜０．５１Ｗ／ｍ・Ｋと低く、１８，０００ｒｐｍ以下でないと良好に使用できないことが分かる。
なお、この実施形態は円筒ころ軸受について説明しているが、本発明の保持器は、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受等の各種軸受用としても好適である。

〔樹脂組成物の試験片を用いた物性試験〕
図２に示す試験装置を用いて高速回転時の摩耗試験を行った。この試験は、円板状試験片１１とニードル１２を用いたニードルオンディスクによる摩耗試験であり、ロードセル１３で円板状試験片１１側から荷重を付与しながら、ニードル１２を回転させる。図２において、符号１４は断熱板であり、符号１５はネジである。ニードル１２はＳＵＪ２製で、直径６ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）０．１２μｍである。

先ず、下記の表２に示す各組成の樹脂組成物を用い、射出成形を行うことにより、直径３０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）０．２μｍの円板状試験片１１を得た。次に、得られた円板状試験片１１とニードル１２を、ヘキサン、アセトンの順番で５分間超音波洗浄した後に、図２の試験装置に取り付けた。次に、円板状試験片１１とニードル１２の間にポリαオレフィン油を１μｌ滴下し、下記の条件で、荷重を付与しながらニードル１２を回転させた。
＜試験条件＞
ニードルの回転速度：１００００ｒｐｍ（摺動速度：３．１４ｍ／ｓ）
荷重：２０Ｎ（面圧０．７１Ｎ／ｍｍ²）
試験時間：１．５時間

試験終了後、円板状試験片１１の摺動部分の摩耗量を（株）東京精密の「サーフコム（商品名）」を用いて測定した。この摩耗試験を６回行い、各６回の最大摩耗量の平均を算出した。その値を「平均摩耗量」として表２に示す。また、平均摩耗量と第２の炭素繊維の含有率との関係を図３のグラフに示す。
また、６回の各試験での最大摩耗量をプロットした結果を、図４にグラフで示す。さらに、図４のグラフの一部を拡大したものを図５に示す。図４および５のグラフから、試験毎の摩耗量のバラツキが大きかったことが分かる。

なお、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂としては、ポリプラスチックス（株）製の直鎖状ＰＰＳ「フォートロン０２２０Ａ９」を用いた。第１の炭素繊維としては、東邦テナックス（株）製「ベスファイト（登録商標）」のチョップドファイバー「ＨＴＡ−Ｃ６−ＴＸ」を用いた。第２の炭素繊維としては、昭和電工（株）製の気相法カーボンナノファイバー「ＶＧＣＦ」を用いた。

図３〜５の結果から、第２の炭素繊維の含有率が０と５質量％とでは、摩耗量に大きな差があり、第２の炭素繊維を５質量％以上含有させることで高速回転時の耐摩耗性が著しく向上することが分かる。
また、No. ２−１とNo. ２−３の摩耗試験後の試験片の摺動面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して、二次電子画像を撮影した。図６は、第２の炭素繊維の含有率が０であるNo. ２−１の摺動面を示す顕微鏡写真である。図７は、第２の炭素繊維の含有率が１０質量％であるNo. ２−３の摺動面を示す顕微鏡写真である。
これらの写真の比較から、第２の炭素繊維を１０質量％含有させることで、摺動面内での摩耗量のバラツキが小さくなることが分かる。

次に、No. ２−１〜２−５の樹脂組成物からなる試験片を作製して、引っ張り試験を行うことで引っ張り強度と伸び率を測定するとともに、熱伝導率を測定した。その結果を、表２と、第２の炭素繊維の含有率を横軸としたグラフ（図８と９）に示す。
図８のグラフから、第２の炭素繊維の含有率が多いほど、引っ張り強度および伸び率が低下することが分かる。また、第２の炭素繊維の含有率が１５質量％以上となると、低下率が大きくなることが分かる。

図９のグラフから、第２の炭素繊維の含有率が多いほど、熱伝導率が高くなることが分かる。
なお、第１の炭素繊維の含有率が３０質量％である場合、第２の炭素繊維の含有率が２０質量％を超えると、合成樹脂の含有率が５０質量％未満となって、成形体の機械的強度が不十分となるため、第２の炭素繊維の含有率は２０質量％以下にする。また、図３および図８の結果から、第１の炭素繊維の含有率が３０質量％である場合、第２の炭素繊維の含有率は５質量％以上１０質量％以下とすることが好ましい。

図１０に示す試験装置を用いて摩擦摩耗試験を行った。この試験は、正方形の板状の試験片２１とリング２２を用いたリングオンディスクによる摩擦摩耗試験であり、リング２２の上から荷重を付与しながら試験片２１を載せた台２３を回転させる。図１０において、符号２３ａは台２３の回転軸である。リング２２はＳＵＪ２製で、内径２０．０ｍｍ、外径２５．６ｍｍ、軸方向の長さ１５．０ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）０．０８μｍである。

先ず、下記の表３に示す各組成の樹脂組成物を用い、射出成形を行うことにより、４ｍｍ×４ｍｍ×厚さ３ｍｍの板状物を得、その表面を研磨することにより、表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍである試験片２１を得た。
ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂としては、Ｖｉｃｔｒｅｘ社製の「ＰＥＥＫ４５０Ｐ」を用いた。第１の炭素繊維としては、東邦テナックス（株）製「ベスファイト（登録商標）」のチョップドファイバー「ＨＴＡ−Ｃ６−ＴＸ」を用いた。第２の炭素繊維としては、昭和電工（株）製の気相法カーボンナノファイバー「ＶＧＣＦ」を用いた。

リング２２の外周面の下端（試験片２１との接触面の近く）に熱電対を張り付け、このリング２２を試験片２１の上に載せて、リング２２の上から荷重を付与し、摺動速度が１．０ｍ／ｓとなるように回転軸２３ａを回転させた。荷重の付与は４ｋｇから１時間毎に１ｋｇずつ増加させて８ｋｇまで行い、熱電対からのデータにより各荷重付与時（各荷重としてから３０分経過後）のリング２２の温度を測定した。
その結果を下記の表３と図１１のグラフに示す。

この結果から、第１の炭素繊維の含有率が３０質量％である場合、第２の炭素繊維の含有率を１０質量％含有させることで、摩擦摩耗試験時の試験片の摺動部付近での温度を１０℃程度低下できることが分かる。

本発明の一実施形態に相当する保持器を備えた円筒ころ軸受を示す断面図である。実施形態で行った摩耗試験を説明する図である。実施形態で行った摩耗試験の結果を「平均摩耗量と第２の炭素繊維の含有率との関係で示すグラフである。実施形態で行った摩耗試験の結果を、各回の摩耗量のメジアン値で表したグラフである。図４の部分拡大図である。実施形態で行った摩耗試験後の試験片の摺動面（第２の炭素繊維の含有率が０であるNo. ２−１の摺動面）を示す顕微鏡写真である。実施形態で行った摩耗試験後の試験片の摺動面（第２の炭素繊維の含有率が１０質量％であるNo. ２−３の摺動面）を示す顕微鏡写真である。 No. ２−１〜２−５の樹脂組成物からなる試験片の引っ張り強度と伸び率を測定した結果を、第２の炭素繊維の含有率との関係で示したグラフである。 No. ２−１〜２−５の樹脂組成物からなる試験片の熱伝導率を測定した結果を、第２の炭素繊維の含有率との関係で示したグラフである。実施形態で行った摩擦摩耗試験を説明する図である。実施形態で行った摩擦摩耗試験の結果を、付与した荷重と試験片の温度との関係で示したグラフである。

符号の説明

１内輪
２外輪
３円筒ころ
４保持器
１１円板状試験片
１２ニードル
１３ロードセル
１４断熱板
１５ネジ
２１試験片
２２リング
２３台
２３ａ回転軸

Claims

円筒体の形状を有し、前記円筒体の周面を貫通するポケットが形成され、前記ポケットは、円筒ころの周面を受ける円弧面と円筒ころの両端面と対向する面を有する外輪案内型の円筒ころ軸受用保持器であって、
直径の平均値が３μｍ以上１６μｍ以下である第１の炭素繊維と、直径の平均値が４０ｎｍ以上２１０ｎｍ以下である第２の炭素繊維と、ポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリエーテルエーテルケトン樹脂である合成樹脂とからなり、
前記第１の炭素繊維はポリイミド樹脂系のサイジング剤でサイジング処理されたものであり、
前記第１の炭素繊維を１０質量％以上４０質量％以下の範囲で含有し、前記第２の炭素繊維を５質量％以上２０質量％以下の範囲で含有し、前記第１の炭素繊維の含有率は前記第２の炭素繊維の含有率よりも多く、前記第１の炭素繊維および第２の炭素繊維の合計含有率が３５質量％以上５０質量％以下である樹脂組成物で形成され、
熱伝導率が０．５５〜１．３０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする円筒ころ軸受用保持器。
請求項１記載の保持器を備えたことを特徴とする円筒ころ軸受。