JPH09280252A - 耐食転動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】自動車用転がり軸受の耐食転動部材にステンレ
スやセラミックス等を使用するとコストが吸収できな
い。クロム等の金属メッキでは剥離する。また、半導体
製造装置等に用いる直動案内軸受，直動駆動装置の耐食
転動部材では、半導体ウエハーの洗浄で使用されるアル
カリ性溶液やフッ化水素酸に代表される強酸に腐食され
て溶出した鉄分が製造工程へ混入し、半導体素子の歩留
りを左右する。 【解決手段】例えば直動案内軸受の金属製転動部材であ
る案内レール７の素地７ｄの表面に、クロム酸化物から
なる電解防錆処理被膜７を形成すると共に、その上をフ
ッ素樹脂コーティング膜７ｆで被覆して、安価で且つア
ルカリ性溶液やフッ化水素酸にも腐食されない強固な耐
食性を付与した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車や半導体製
造装置及びその周辺機器等に使用される各種の転がり軸
受，直動案内軸受装置或いは直動駆動装置を構成する転
動部材に係り、特にそれらの転動部材の耐食性の改善に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の耐食性転がり軸受としては、例え
ば図５に示すような転がり軸受がある。このものは、内
輪１，外輪２からなる軌道輪と転動体３及び保持器４等
を主な転動部材として構成されており、それらの転動部
材の材料にステンレス鋼またはセラミックスが用いられ
ている。ステンレス鋼はＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ３１６
Ｌ，ＳＵＳ６３０，ＳＵＳ３０４などが代表的なもの
で、軸受としての硬度を必要とする軌道輪（内輪１，外
輪２）、転動体３には主としてＳＵ４４０などの熱処理
によって硬さを高めたものが使用されている。また、セ
ラミックス材料としては、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などが主として使
われ、内輪１，外輪２及び転動体３がそれぞれセラミッ
クスで構成されるとか、転動体３のみセラミックスで、
内輪１，外輪２はいずれもステンレス鋼材で構成された
もの等がある。

【０００３】従来の耐食性直動案内軸受としては、例え
ば図６に示すようなリニアガイド装置がある。これは両
側面に軸方向の転動体転動溝６を有して延長された案内
レール７と、その案内レール７上に移動可能に組み付け
ると共に案内レールの転動体転動溝６に対向する図外の
転動体転動溝を内側面に有するスライダ８と、相対する
前記両転動体転動溝内に転動自在に挿入された多数の図
示されない転動体を主な転動部材として構成されてい
る。スライダ８の内部には転動体の循環経路が設けられ
ており、スライダ８はその転動体の転動を介して案内レ
ール７に案内されつつ移動する。この耐食性直動案内軸
受の場合、転動部材のうちでも酸やアルカリ等の蒸気を
含むような腐食環境に直接にさらされる案内レール７に
は特に耐食性が要求され、一般にステンレス鋼を使用し
たりクロムメッキなどを適用して対応している。

【０００４】従来の耐食性直動駆動装置としては、例え
ば図７に示すようなボールねじ装置がある。これは、外
周面に螺旋状のボールねじ溝１１を有するねじ軸１２
と、そのねじ軸のボールねじ溝１１に対応するボールね
じ溝１３を内周面に有して前記ねじ軸１２に螺合される
ボールねじナット１４と、相対する両ボールねじ溝１
１，１３内を転動する多数のボール１５を主な転動部材
として構成されている。ボールねじナット１４にはボー
ル１５の循環経路として循環駒１６が設けられており、
循環移動するボール１５の転動を介して、ねじ軸１２
（又はボールねじナット１４）の回転をボールねじナッ
ト１４（又はねじ軸１２）の直動運動に変換している。
この耐食性直動駆動装置の場合も、ねじ軸１２が酸やア
ルカリ等の蒸気を含むような腐食環境に直接にさらされ
るため、やはりステンレス鋼を使用したりクロムメッキ
などを適用して対応している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
耐食転動部材が使用される環境は過酷になりつつある。
例えば自動車に使用される転がり軸受の場合、寒冷地に
おける不凍結剤の使用に伴い、各種の塩に起因する軸受
腐食の問題が発生している。これに対応するべくステン
レス鋼材やセラミックスを材料として使用すると、コス
ト上昇が負担しきれない。一方、クロム等の金属メッキ
では、使用条件によっては剥離する可能性がある。

【０００６】また、半導体製造装置及びその周辺機器に
使用される転がり軸受，直動案内軸受，直動駆動装置の
場合は、アルカリ性溶液或いはフッ化水素酸に代表され
る強酸が半導体ウエハーの洗浄で使用される。そのた
め、アルカリ，酸溶液の飛散或いはそれらの蒸気中に暴
露されることによる半導体製造工程への不純物の混入が
重要な問題になっている。特に、半導体素子の集積度が
高まるにつれて、装置内に使われている搬送系や駆動系
の表面の腐食の問題が素子の歩留りを左右する因子にな
っている。しかるに、クロムメッキやセラミックスの場
合、使用条件によって溶け出す場合があり、その時は腐
食を防止することが難しい。

【０００７】そこで本発明は、このような従来の耐食転
動部材における未解決の問題点に着目してなされたもの
であり、クロムメッキやセラミックスに代わる、安価で
かつフッ化水素酸に対しても耐食性のある耐食転動部材
を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、転がり軸受，直動案内軸受，直動駆動装置等の
金属製転動部材であって、その表面にクロム酸化物から
なる電解防錆処理被膜を形成したことを特徴とするもの
である。

【０００９】本発明の耐食転動部材に形成する電解防錆
処理被膜は、６価のクロムイオンを含む溶液中に被処理
体である耐食転動部材を浸漬し、その耐食転動部材を陰
極として白金またはカーボンを対極として酸化還元反応
を利用した電解により３価のクロム酸化物層を被処理体
表面に形成させたものである。クロムイオンの還元反応
の過程で温度の制御が不可欠であり、クロム化合物中の
クロム酸化数は成膜時の電解温度に依存する。電解温度
が高くなると３価にならない。

【００１０】すなわち３価のクロム酸化物層を形成する
当該電解温度は、好適には４０℃以下が望ましく、更に
好適には２５℃以下が望ましい。８０℃を超えると電解
中にクロムイオンが還元されて酸化数０の金属クロムが
析出してしまい耐食性が劣る。

【００１１】また、クロム酸化物層の膜厚は電解温度と
電解時間とに依存する。当該膜厚は１μｍ以上が望まし
く、好適には１〜７μｍが望ましい。１μｍ未満では、
クロム酸化物を形成していながらも酸に対して耐食性が
劣り、逆に７μｍを超えて膜厚を厚くすると、電解温度
が高温となるため金属クロムが析出し易くなり、その結
果耐食性が劣る。

【００１２】本発明の耐食転動部材に形成する電解防錆
処理被膜は、前記３価のクロム酸化物層を第１層とし、
その第１層を被覆する第２層として耐食性に優れた被膜
層を施すこともできる。例えば、当該第２層の被膜層と
して好適にはポリエチレン樹脂層やアクリル樹脂層、更
に好適にはフッ素樹脂層などがあり、それらは第１層の
クロム酸化物のピンホールを埋めて素地の露出を防止す
る機能を果たす。第２層の被膜層の膜厚としては２μｍ
以上あることが望ましい。２μｍ未満では、素地の露出
防止機能が不十分である。

【００１３】上述のように、本発明によれば、転がり軸
受，直動案内軸受，直動駆動装置等の金属製転動部材の
表面に、電解温度を制御してとくに腐食性に優れたクロ
ム酸化物層からなる防錆処理被膜を形成させることによ
り、強酸やアルカリ溶液またはガス雰囲気中で耐食性を
有する転動部材が低コストで提供できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、従来と同一又は相当する部
分には同一の符号を用いてある。

【００１５】Ａ：第１の実施形態 図１に示すスラスト転がり軸受の軌道輪（内輪１及び外
輪２のいずれか）を被試験体の転動部材として、その表
面にクロム酸化物からなる電解防錆処理被膜を、次の条
件で形成した。

【００１６】軸受材質；ＳＵＪ２，熱処理後の硬さＨＲ
Ｃ６０ 先ず、ＮａＯＨの４％水溶液を用いて、６０℃で２分
間、供試体をアルカリ洗浄した。

【００１７】その後水洗いした供試体を陽極として電
解洗浄した。電解洗浄は、無水クロム（ＣｒＯ₃ ）３０
０ｇ／ｌ，酢酸５ｍｌ／ｌの濃度の６価クロムメッキ浴
中で、供試体を陽極とし対極（陰極）をカーボンとして
温度２０℃，電流密度２０Ａ／ｄｍ² で１分間、逆電解
することにより行った。

【００１８】次に、前記電解洗浄における６価クロム
メッキ浴と同じ濃度の６価クロムメッキ浴中で、供試体
を陰極とし対極（陽極）をカーボンとして温度２０℃，
電流密度８０Ａ／ｄｍ² で１０分間、電解メッキを施し
て供試体の金属表面に３価クロム（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）に富む
黒色のクロム酸化物層を３μｍの厚さに析出させた。

【００１９】上記と同様の手順で、但し電解温度と時
間とを制御して析出クロム酸化物層の厚さを変えたもの
を供試体として複数形成した。以上用意した複数の供試
体について、耐食試験を実施した。

【００２０】耐食試験は、次の通り行った。２００ｍｌ
のプラスチックビーカー中に５Ｎの硝酸を５０ｍｌ入
れ、その液中に供試体を一定面積浸漬できるように設置
し、温度５０℃で３０時間放置した。放置後、浸漬液を
希塩酸溶液で１００倍に希釈し、その浸漬液中に溶解し
ている鉄分をＩＣＰ（Inductively Coupled plasma）発
光分析法で定量し、得られた溶出鉄分量をもって供試体
（転動部材）の腐食量とした。

【００２１】結果を、腐食量と膜厚との関係図２に示
す。図２から、電解温度が低く、成膜速度が小さいため
膜厚が１μｍ未満の領域では膜厚が１μｍに近づくにつ
れて鉄分溶出量（腐食量）は急減することがわかる。電
解温度を次第に高くして成膜速度を大きくしていくと膜
厚が増大する。膜厚が１μｍを超えると鉄分溶出量は安
定して、７μｍに達するまでの領域では略一定となる。
この膜厚１〜７μｍの範囲は酸化クロム層が形成される
膜厚領域であって耐食性に有効な膜厚領域といえる。更
に電解温度を上げ成膜速度を大きくすると、成膜された
マトリックス中に金属クロム（酸化数０）の含有量が増
えるが、耐食性は劣化する。すなわち、電解温度を下げ
ることにより、クロム酸化物（酸化数３のクロム化合
物）をマトリックス中に形成させ、耐食性を向上させる
ことが可能である。温度が低くなるに従い成膜の効率は
低下するから、耐食性に有効で且つ実用的な成膜速度が
得られる膜厚範囲としては１〜７μｍ程度が望ましい。

【００２２】Ｂ：第２の実施形態 図３は、直動案内軸受として代表的なリニアガイド装置
において、転動部材の一つとして使用される案内レール
７の断面図である。この案内レール７を被試験体の転動
部材として、その表面にクロム酸化物からなる電解防錆
処理被膜を、次の条件で形成した。

【００２３】上記第１の実施形態のと同様に供試体を
アルカリ洗浄した後、同と同様の電解洗浄工程を経
て、同と同様の電解メッキを施し、供試体のレール表
面７ｄに第１層として３価クロム（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）に富む
黒色のクロム酸化物層７ｅを３μｍの厚さに析出させ
た。なお、この厚さ３μｍのクロム酸化物層７ｅには、
クラックやピンホールが生じて供試体の金属表面（素
地）７ｄがそこから露出する場合がある。

【００２４】次に、その第１層の上に、第２層として、
共重合体のフッ素樹脂膜７ｆを形成して被覆した。当該
フッ素樹脂膜７ｆは、次の化学式（１）で表される２フ
ッ化物とポリエチレンとの共重合体である。

【００２５】

【化１】

【００２６】その共重合体を有機溶剤に分散させたもの
を、スプレー等で供試体の第１層７ｅに塗布して、温度
１５０〜２００℃で加熱し、前記クロム酸化物層７ｅ
（及びクラックやピンホール等から露出した金属素地）
をフッ素樹脂膜７ｆで被覆した。そのフッ素樹脂膜７ｆ
の膜厚はスプレーの塗膜吹きつけ量で調整した。

【００２７】以上用意した複数の供試体について、耐食
試験を実施した。耐食試験は、次の通り行った。２００
ｍｌのプラスチックビーカー中に５Ｎの硝酸又は５Ｎの
塩酸又は５Ｎの硫酸又は１Ｎのフッ化水素酸のいずれか
を５０ｍｌ入れ、その液中に供試体を一定面積浸漬でき
るように設置し、温度５０℃で３０時間放置した。放置
後、浸漬液を希塩酸溶液で１００倍に希釈し、その浸漬
液中に溶解している鉄分をＩＣＰ（Inductively Couple
d plasma）発光分析法で定量し、得られた溶出鉄分量を
もって供試体（転動部材）の腐食量とした。

【００２８】結果を、腐食量と膜厚との関係図４に示
す。図４の結果から、浸漬した各酸の種類によって異な
るが、供試体に形成したクロム酸化物層７ｅ（第１層）
とフッ素樹脂膜７ｆ（第２層）との合計膜厚が５μｍ以
上（即ち、フッ素樹脂膜７ｆの単独膜厚が２μｍ以上）
あれば、鉄分溶出量は１００００ｐｐｍ（１％）未満に
なり、耐食性に有効であることがわかる。フッ素樹脂膜
７ｆの膜厚の上限は、製品の機能に影響が無いかぎり特
に限定されないが、厚くなるほど成膜時間が長くなり生
産性に影響する。

【００２９】なお、上記実施形態では第２層としてフッ
素樹脂膜を形成した場合を述べたが、この樹脂の種類と
しては耐食性のあるものであれば、特にフッ素樹脂に限
定されない。

【００３０】Ｃ：第３の実施形態 一般的に耐食性を有する材料とされるＳＵＳ３１６Ｌ，
ＳＵＳ６３０，窒化ケイ素，アルミナを用いてそれぞれ
形成した比較供試体と、ＳＵＳ４４０Ｃに上記第２実施
形態の場合と同様にして厚さ３μｍのクロム酸化物層
（第１層）及び厚さ１０μｍのフッ素樹脂膜のコーティ
ング層（第２層）を形成した本発明供試体とを用意し
て、フッ化水素酸に対する耐食性の比較試験を実施し
た。

【００３１】試験条件： 供試体形状；直径１０ｍｍ×厚さ４０ｍｍの円盤 フッ化水素酸濃度；１Ｎ 浸漬時間；深さ２０ｍｍで２４時間浸漬 浸漬温度；２４℃ 耐食性の評価は、浸漬前後の供試体の重量変化を測定し
た。

【００３２】結果を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】溶出量％は、供試体の最初の重さに対する
溶出量の重量％である。表１の結果から、半導体素子製
造の洗浄工程で常用されているフッ化水素酸に対して
は、耐食性ステンレス材料やセラミックスからなる比較
供試体よりも、本発明にかかる防錆処理被膜を形成した
本発明供試体の方が腐食による重量変化が少なく、半導
体素子製造装置内からの汚染物流出を防止するのに有効
であることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る耐食
転動部材によれば、転がり軸受，直動案内軸受，直動駆
動装置等の金属製転動部材の表面に、クロム酸化物から
なる電解防錆処理被膜を少なくとも形成したため、従来
のクロムメッキやセラミックスに代わりアルカリ溶液や
フッ化水素酸等の強酸に対しても耐食性のある耐食転動
部材を安価に提供できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐食転動部材の一実施形態の一部を切
除して示す斜視図である。

【図２】図１に示した転動部材の防錆処理被膜の耐食性
の説明図である。

【図３】本発明の耐食転動部材の他の実施形態を説明す
る断面図である。

【図４】図３に示した転動部材の防錆処理被膜の耐食性
の説明図である。

【図５】従来の耐食性転がり軸受の一部を切除して示す
斜視図である。

【図６】従来の耐食性直動案内軸受の斜視図である。

【図７】従来の耐食性直動駆動装置の一部を切除して示
す斜視図である。

【符号の説明】

なし

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 転がり軸受，直動案内軸受，直動駆動装
   置等の金属製転動部材であって、その表面にクロム酸化
   物からなる電解防錆処理被膜を少なくとも形成したこと
   を特徴とする耐食転動部材。