WO2013042701A1 - 固体潤滑転がり軸受 - Google Patents

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solid
ball
composite material
rolling bearing
solid lubricated
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川村隆之
英之 筒井
伊東　直子
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Ntn株式会社
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    • F16C2206/40—Ceramics, e.g. carbides, nitrides, oxides, borides of a metal
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    • F16C2206/80—Cermets, i.e. composites of ceramics and metal

Definitions

  • the present invention relates to a solid lubricated rolling bearing for vacuum and high temperature that can be used for electronic parts, optical systems, liquid crystal glass, film forming apparatuses such as semiconductor manufacturing apparatuses, thin film manufacturing apparatuses for solar cells, and the like.
  • a film forming apparatus such as an electronic component, an optical system, liquid crystal glass, or a semiconductor manufacturing apparatus, or a thin film manufacturing apparatus for a solar cell requires a manufacturing process for performing an organic or inorganic thin film forming process.
  • a surface treatment apparatus such as a sputtering apparatus or a vapor deposition apparatus (PVD, CVD) is used for the film formation process, and an in-line apparatus using a belt conveyance or a multi-chamber apparatus using a robot conveyance is used to move a processed product.
  • PVD vapor deposition apparatus
  • an in-line apparatus using a belt conveyance or a multi-chamber apparatus using a robot conveyance is used to move a processed product.
  • solid lubricated rolling bearings used for the movable parts are required to be usable in either air or vacuum, and have low dust generation and durability. In particular, the demand for durability at high vacuum temperatures is the greatest.
  • These solid lubricated rolling bearings are specifically used in a vacuum high temperature environment of about 250 to
  • a fluorine resin film such as an ion plating film of silver (Ag) or polytetrafluoroethylene (PTFE) is formed on the surface of the ball, but only the film
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the plurality of rolling elements incorporated in the rolling bearing include a load rolling element to which a bearing load is applied and a non-loading rolling element to which the bearing load is not applied, and at least one or more non-loading rolling elements are formed of PTFE resin.
  • a solid-lubricated rolling bearing is proposed that has a surface roughness of 1.0 ⁇ m or less and a diameter ratio of an unloaded rolling element to a loaded rolling element within a predetermined range (see Patent Document 1). Also proposed is a solid-lubricated rolling bearing in which at least one solid-lubricated composite ball made of a sintered material in which tungsten disulfide (WS 2 ) is dispersed in a tungsten (W) alloy with high blending is incorporated between the rolling elements. (See Patent Document 2).
  • the solid lubricated rolling bearing of Patent Document 1 uses PTFE resin balls, it is difficult to use in an environment of high temperature of 250 ° C. or higher and high surface pressure, and is inferior in vacuum high temperature durability. Further, the solid lubricated rolling bearing of Patent Document 2 is excellent in vacuum high temperature durability as compared with that of Patent Document 1, but further improvement in durability is desired. Particularly in recent years, semiconductors and thin films for solar cells are rapidly advancing in related technologies, and the cost reduction in the market is remarkable, and it is important to improve the reliability and durability of rolling bearings, which are the basic components incorporated in the manufacturing equipment. It is a difficult task.
  • the present invention has been made to cope with such a problem, and is a solid lubricated rolling bearing excellent in long-term durability even when used at a high vacuum temperature and a high surface pressure at 250 ° C. or higher and a vacuum degree of 10 ⁇ 4 Pa or lower.
  • the purpose is to provide.
  • the solid lubricated rolling bearing of the present invention is a solid lubricated rolling bearing used in a vacuum high temperature environment of 250 ° C. or higher and a vacuum degree of 10 ⁇ 4 Pa or lower, and is interposed between the inner ring and the outer ring and the inner ring and the outer ring.
  • the ball is a ball having a diameter smaller than that of the silicon nitride ball, and the solid lubricating composite material is a sintered material in which tungsten disulfide is dispersed in an alloy.
  • the solid lubricant composite material is characterized by containing 80% by volume or more of the tungsten disulfide with respect to the total volume of the composite material. It is particularly preferable that the tungsten disulfide is contained in an amount of 95% by volume or more based on the total volume of the composite material.
  • the alloy is a tungsten alloy.
  • the transfer amount of the tungsten disulfide to the inner ring rolling surface is larger than that of a solid lubricated rolling bearing having the same configuration except that the rolling element is a ball made of stainless steel.
  • the solid lubricated rolling bearing is a bearing used in a CVD apparatus or a solar cell thin film manufacturing apparatus.
  • a solid lubricated rolling bearing of the present invention includes an inner ring and an outer ring, a plurality of rolling elements interposed between the inner ring and the outer ring, and a ball made of at least one solid lubricating composite material incorporated between the inner ring and the outer ring.
  • the rolling element is a ball made of silicon nitride
  • the ball made of the solid lubricating composite material is a ball having a smaller diameter than the ball made of the silicon nitride
  • the solid lubricating composite material is made of tungsten disulfide. Because it is a sintered material dispersed in an alloy, it is used in a high temperature vacuum environment of 250 ° C or higher and a vacuum degree of 10 -4 Pa or lower.
  • the solid lubricating component is sufficiently transferred to the surface and the durability can be improved.
  • the solid lubricating composite material used in the present invention has a lower hardness than a ball made of a conventional solid lubricating composite material, the processing time is shortened for processing into a spherical ball, leading to cost reduction.
  • a ball made of at least one solid lubricant composite material it is possible to achieve a long life at a high vacuum temperature, so that the function can be improved at low cost.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a solid lubricated rolling bearing of the present invention
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of the solid lubricated rolling bearing of the present invention.
  • These bearings are deep groove ball bearings.
  • the solid lubricated rolling bearing 1 of the present invention includes an inner ring 2 and an outer ring 3, a plurality of rolling elements 4 interposed between the inner ring 2 and the outer ring 3, and the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • a ball hereinafter also referred to as a “solid lubricant composite ball”
  • solid lubricant composite ball made of at least one solid lubricant composite material interposed therebetween.
  • the rolling element 4 is a ball made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) (hereinafter also referred to as “silicon nitride ball”).
  • silicon nitride ball As shown in FIG. 2, the solid lubricated rolling bearing of the present invention has a configuration in which one or more of the plurality of rolling elements 4 are replaced with solid lubricated composite balls 5 from the rolling bearing of the normal mode. . In each bearing, a plurality of silicon nitride balls 4 and solid lubricating composite material balls 5 are held by a cage 6.
  • the solid lubricating composite material ball 5 has a smaller diameter than the silicon nitride ball 4. For this reason, the silicon nitride ball 4 receives the bearing load, and the solid lubricant composite ball 5 becomes an unloaded ball. Since the solid lubricated composite ball 5 is an unloaded ball, it makes a light frictional contact with the cage surface and the rolling surface of the inner and outer rings while rotating at a lower speed or intermittently than the loaded silicon nitride ball 4. To do. At that time, the ball surface is worn little by little, and the solid lubricating component held on the surface of the cage as the contact surface and the rolling surface of the inner and outer rings is transferred.
  • the ball made of SUS440C is a load ball.
  • the amount of solid lubricating component transferred to the inner ring rolling surface can be greatly increased, and the solid lubricating component can be transferred and supplied to the rolling surface over a long period of time.
  • the present invention is based on such knowledge.
  • the load ball does not come into direct contact with the solid lubricant composite material ball, it cannot be assumed that the material of the load ball affects the amount of the solid lubricant component transferred to the rolling surfaces of the inner and outer rings.
  • the load ball of silicon nitride is inactive as compared with that made of SUS440C, the transfer of the solid lubricating component to the load ball is suppressed, and the inner and outer rings are relatively It is thought that the amount transferred to the rolling surface increased.
  • the above transfer amount is the amount of the solid lubricating component present on the rolling surface at an arbitrary time after the operation, and in order to increase this amount, the supply amount from the solid lubricating composite ball is increased.
  • the number of solid lubricant composite balls to be incorporated is at least one. As the number of solid lubricating composite balls increases, the amount of transfer of the solid lubricating component can be ensured, but at the same time, the number of load balls decreases and the load resistance of the bearing decreases.
  • the number of solid lubricated composite balls incorporated is preferably 1 or 2, and most preferably 2.
  • the diameter B of the solid lubricating composite ball is preferably 0.8A ⁇ B ⁇ A.
  • the solid lubricating composite ball is too small to hold the absolute amount of the solid lubricating component, and the amount of wear and transfer when friction contact is made with the cage surface and the inner / outer ring rolling surface. There is a risk that the amount of wearing will be reduced, resulting in insufficient lubrication and poor durability.
  • the material of the inner ring 2, the outer ring 3, and the cage 6 is not particularly limited, and an iron-based metal material or the like can be used.
  • ferrous metal materials include bearing steel, case-hardened steel, cold-rolled steel, hot-rolled steel, carbon steel, stainless steel, and mild steel.
  • the solid lubricating composite material forming the solid lubricating composite ball in the present invention is a sintered material in which tungsten disulfide (WS 2 ) is dispersed in a high blend in an alloy having a binder.
  • the alloy used as the binder can be any alloy such as a tungsten (W) alloy or a Cu—Sn alloy. It is preferable to use a W alloy because it has excellent adhesion to tungsten disulfide (WS 2 ) and can form a solid lubricating composite ball even with a small amount. Further, it may be a sintered material combined with carbon.
  • solid lubricant composites examples include NF metal (W + WS 2 composite, Cu-Sn + WS 2 composite, Cu-Sn + C + WS 2 composite) manufactured by Fuji Dice Co., Ltd. Material). After sintering using these sintered materials to form a polyhedral solid lubricating composite material such as a cubic shape, it is processed into a ball shape by barrel processing or the like to be described later.
  • the solid lubricating composite material preferably contains 80% by volume or more of tungsten disulfide (WS 2 ) with respect to the total volume of the composite material.
  • tungsten disulfide WS 2
  • durability can be improved as compared with a case where an existing SUS440C ball is used as the load ball and a composite material containing 95% by volume of tungsten disulfide (WS 2 ) is used. Further, it is particularly preferable that 95% by volume or more of tungsten disulfide (WS 2 ) is included with respect to the total volume of the composite material.
  • the amount of solid lubricant components transferred to the inner raceway can be greatly increased, and solid lubricant components can be transferred to the raceway for a long period of time. Improved durability can be achieved.
  • a method for producing a solid lubricant composite ball there is a method in which a sintered polyhedral solid lubricant composite is processed into a spherical ball by a barrel processing machine and finished to a required size.
  • barrel processing By barrel processing, a ball having a required size can be obtained, and costs can be reduced in terms of materials and material processing.
  • barrel processing is considered to be the most effective method, which is a mass-productive and low-cost processing method.
  • the solid lubricating composite material is processed into a ball shape while the surface is cut with hard particles.
  • the configuration of the barrel processing machine can include a rotating disk, a fixed disk, a through-hole provided in the fixed disk, and a ball pop-out preventing plate removably fixed to the upper surface of the fixed disk.
  • FIG. 3 is a schematic view of a barrel processing machine used for processing a solid lubricating composite ball.
  • This barrel processing machine has a rotating disk 7 and a fixed disk 9.
  • the rotating disk 7 is rotationally driven by driving means (not shown) such as an electric motor.
  • Diamond paper 8 is pasted on the upper surface of the rotating disk 7.
  • a fixed disk 9 is located above the rotating disk 7.
  • the fixed disk 9 has a plurality of through holes 10 distributed in the circumferential direction. The lower end of the through hole 10 is opened, and the upper end is closed by attaching a ball jumping prevention plate 11 to the upper surface of the fixed disk 9.
  • There is a clearance between the upper surface of the rotating disk 7 and the lower surface of the fixed disk 9 so that the finished solid lubricant composite ball does not pass through.
  • the material of the fixed disk 9 is iron-based material. Instead of attaching the diamond paper 8 to the rotating disk 7, a layer containing diamond, silicon carbide, alumina or other hard particles may be provided.
  • the solid lubricating composite material 12 is put into the through hole 10 with the ball pop-out prevention plate 11 removed. After the ball jumping prevention plate 11 is attached, the driving means is activated to rotate the rotating disk 7. Then, as indicated by a dotted arrow in the figure, the solid lubricating composite material 12 jumps between the diamond paper 8 and the wall of the fixed disk 9 made of an iron-based material, and repeatedly collides with the diamond paper 8 to cut round corners. Then, the surface is gradually evenly cut into a ball shape.
  • the solid lubricant composite ball of the required dimensions can be obtained by barrel processing.
  • the barrel processing machine when # 100 diamond paper with the coarsest particle is used, the particle is coarse, so there is no noticeable clogging when processing solid lubricated composite balls, and the processing time is shortened.
  • a lubricating ball having a required size can be obtained.
  • a barrel processing machine if the processing time is set, lubricating balls of the required dimensions can be obtained, and maintenance of the processing machine is relatively easy.
  • Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 8 As the solid lubricating composite material, a sintered material in which tungsten disulfide (WS 2 ) or molybdenum disulfide (MoS 2 ) was dispersed in a tungsten (W) alloy was employed. A sintered body (cube shape with a side of 4 mm) was obtained using a sintered material in which the addition amount of tungsten disulfide (WS 2 ) or molybdenum disulfide (MoS 2 ) was changed in various proportions as shown in Table 1. This was finished into a spherical ball by a barrel processing machine shown in FIG. 3 to obtain a solid lubricating composite ball.
  • WS 2 tungsten disulfide
  • MoS 2 molybdenum disulfide
  • a diamond paper (# 100) manufactured by Marto was used, and a rotating disk was rotated at 85 rpm, and processed into a ball of a size that could be incorporated into a nominal number 608 of a JISB1521 deep groove ball bearing.
  • ⁇ Long-term durability test 1 250 ° C>
  • a high temperature vacuum bearing endurance tester was used as a tester, and the degree of vacuum was 10 ⁇ 4 to 10 ⁇ 5 Pa, and two sets of bearings were attached.
  • the test conditions were a bearing outer ring temperature of 250 ° C., an axial load of 150 N, a rotation speed of 2000 rpm, and the life judgment was performed when the friction torque of the two bearings reached 152 mN ⁇ m.
  • Comparative Example 1 using an existing ball made of SUS440C and having a compounding amount of tungsten disulfide (WS 2 ) in the composite material equivalent to that in Example 1 (95% by volume), significant durability as in the Example was achieved. It was not possible to improve. Further, in Comparative Example 8 using a composite material containing a high blend of molybdenum disulfide (MoS 2 ) instead of tungsten disulfide (WS 2 ), the durability was remarkably inferior even if a silicon nitride ball was used as the load ball. there were.
  • MoS 2 molybdenum disulfide
  • the solid-lubricated rolling bearing of the present invention is solid-lubricated from a ball made of a solid-lubricated composite material to the inner and outer ring rolling surfaces over a long period of time while being used in a vacuum high temperature environment of 250 ° C. or higher and a vacuum degree of 10 ⁇ 4 Pa or lower. Since the components are sufficiently transferred and supplied, durability can be improved, so film deposition equipment such as electronic components, optical systems, liquid crystal glass, and semiconductor manufacturing equipment, vapor deposition equipment (PVD, CVD), and solar cell thin film manufacturing equipment It can utilize suitably as a bearing in a movable part.
  • PVD vapor deposition equipment

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Abstract

　２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温、高面圧下での使用においても長期耐久性に優れる固体潤滑転がり軸受を提供する。固体潤滑転がり軸受１は、内輪２および外輪３と、この内輪２および外輪３間に介在する複数の転動体４と、この内輪２および外輪３間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉５とを備えてなり、転動体４が窒化ケイ素からなる玉であり、固体潤滑複合材からなる玉５が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、上記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材である。

Description

固体潤滑転がり軸受
　本発明は、電子部品、光学系、液晶ガラス、半導体製造装置などのフイルム成膜装置、太陽電池用薄膜製造装置などに使用できる真空高温用の固体潤滑転がり軸受に関する。
　電子部品、光学系、液晶ガラス、半導体製造装置などのフイルム成膜装置、太陽電池用薄膜製造装置では、有機または無機の薄膜形成処理を行なう製造工程が必要とされる。被膜形成処理には、スパッタリング装置や蒸着装置（ＰＶＤ、ＣＶＤ）などの表面処理装置が用いられ、処理品の移動にはベルト搬送によるインライン装置やロボット搬送によるマルチチャンバ装置が用いられる。これらの装置では、真空処理室内に可動部があり、該可動部に用いる固体潤滑転がり軸受では、大気・真空のいずれでも使用可能であること、低発塵性、耐久性が要求される。なかでも真空高温での耐久性に対する要求が最も大きい。これらの固体潤滑転がり軸受は、具体的には２５０～４００℃程度、真空度１０－４Ｐａ程度以下の真空高温環境下で使用される。
　従来、真空高温用の固体潤滑転がり軸受としては、ボールの表面に銀（Ａｇ）のイオンプレーティング被膜あるいはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂被膜を形成したものがあるが、被膜だけの潤滑源では耐久性が劣る。
　また、転がり軸受に組み込まれる複数の転動体が、軸受荷重が負荷される負荷転動体と、軸受荷重が負荷されない非負荷転動体からなり、少なくとも１以上の非負荷転動体がＰＴＦＥ樹脂の成形体からなる表面粗さ１．０μｍ以下の転動体であり、かつ非負荷転動体の負荷転動体に対する直径比が所定の範囲である固体潤滑転がり軸受が提案されている（特許文献１参照）。また、転動体間に、二硫化タングステン（ＷＳ２）をタングステン（Ｗ）合金中に高配合で分散させた焼結材からなる固体潤滑複合材ボールを少なくとも１個組み込んだ固体潤滑転がり軸受が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２－２５０３５０号公報 特開２００５－４８８５２号公報
　しかしながら、特許文献１の固体潤滑転がり軸受では、ＰＴＦＥ樹脂ボールを用いるため、２５０℃以上の高温、高面圧下の環境などでは使用が困難であり、真空高温耐久性に劣る。また、特許文献２の固体潤滑転がり軸受は、特許文献１のものと比較して真空高温耐久性に優れるが、さらなる耐久性の向上が望まれている。特に近年において、半導体、太陽電池用薄膜などは、関連技術の進歩速度が速く、市場における低コスト化も著しく、その製造装置に組み込む基幹部品である転がり軸受の信頼性・耐久性の向上は重要な課題である。
　本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温、高面圧下での使用においても長期耐久性に優れる固体潤滑転がり軸受を提供することを目的とする。
　本発明の固体潤滑転がり軸受は、２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用される固体潤滑転がり軸受であって、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この内輪および外輪間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉とを備えてなり、上記転動体が窒化ケイ素からなる玉であり、上記固体潤滑複合材からなる玉が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、上記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材であることを特徴とする。
　上記固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して上記二硫化タングステンを８０体積％以上含むことを特徴とする。特に好ましくは、複合材全体積に対して上記二硫化タングステンを９５体積％以上含むことを特徴とする。
　上記固体潤滑複合材からなる玉が、２個組み込まれることを特徴とする。また、上記合金が、タングステン合金であることを特徴とする。
　上記二硫化タングステンの内輪転走面への移着量が、上記転動体をステンレス鋼からなる玉とする以外は同じ構成の固体潤滑転がり軸受と比較して多いことを特徴とする。
　上記固体潤滑転がり軸受は、ＣＶＤ装置または太陽電池用薄膜製造装置に使用される軸受であることを特徴とする。
　本発明の固体潤滑転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この内輪および外輪間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉とを備えてなり、上記転動体が窒化ケイ素からなる玉であり、上記固体潤滑複合材からなる玉が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、上記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材であるので、２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用されながら、長期にわたって、固体潤滑複合材からなる玉より内・外輪転走面へ固体潤滑成分が十分に移着供給され耐久性の向上が図れる。
　また、本発明で用いる固体潤滑複合材は、従来の固体潤滑複合材からなる玉より硬度が低くなるため、球形のボールに加工するのに加工時間が短縮され、コスト低減につながる。少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉を組み込むことで、真空高温で長寿命を達成することが可能であるので、低コストで機能アップが図れる。
本発明の固体潤滑転がり軸受の軸方向断面図である。 本発明の固体潤滑転がり軸受の一部切欠き斜視図である。 固体潤滑複合材ボールの加工に用いるバレル加工機の概略図である。
　本発明の固体潤滑転がり軸受を図１および図２に基づいて説明する。図１は、本発明の固体潤滑転がり軸受の軸方向断面図であり、図２は本発明の固体潤滑転がり軸受の一部切欠き斜視図である。これらの軸受は、深溝玉軸受である。図１および図２に示すように、本発明の固体潤滑転がり軸受１は、内輪２および外輪３と、この内輪２および外輪３間に介在する複数の転動体４と、この内輪２および外輪３間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉（以下、「固体潤滑複合材ボール」ともいう）５とを備えている。転動体４は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる玉（以下、「窒化ケイ素ボール」ともいう）である。図２に示すように、本発明の固体潤滑転がり軸受は、通常の態様の転がり軸受から、複数の転動体４の１個以上を、固体潤滑複合材ボール５に置き換えた構成とするものである。それぞれの軸受において、複数の窒化ケイ素ボール４および固体潤滑複合材ボール５は、保持器６により保持されている。
　固体潤滑複合材ボール５は、窒化ケイ素ボール４よりも小径である。このため、軸受荷重は窒化ケイ素ボール４が受け、固体潤滑複合材ボール５は非負荷ボールとなる。固体潤滑複合材ボール５は、非負荷ボールであるので、負荷ボールである窒化ケイ素ボール４よりも低速または間欠的に回転する状態で、保持器表面や内・外輪の転走面に軽く摩擦接触する。その際に、ボール表面が少量ずつ摩耗して、接触面である保持器表面や内・外輪の転走面に保持している固体潤滑成分を移着させる。
　２５０℃以上（例えば、２５０～４００℃）かつ高真空下（例えば、１０－４Ｐａ以下）の厳しい条件下において、固体潤滑転がり軸受の耐久性（潤滑寿命）を向上させるためには、内・外輪の転走面への固体潤滑成分の移着量を長期にわたり確保することが重要である。本発明者らは鋭意検討の結果、この移着量が、固体潤滑複合材ボールの組成に加えて、負荷ボールとなる他の転動体の材質にも依存することを見出した。具体的には、既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボール（負荷ボール）の一部を、二硫化タングステンを高配合した固体潤滑複合材ボール（非負荷ボール）に置換した従来構成において、負荷ボールであるＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを、窒化ケイ素ボールに変更することで、内輪転走面への固体潤滑成分の移着量を大幅に増加させることができ、長期にわたって固体潤滑成分が転走面に移着供給されることになり、大幅な耐久性の向上が達成されることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。
　通常、負荷ボールは、固体潤滑複合材ボールとは直接に接触しないため、負荷ボールの材質が、内・外輪の転走面への固体潤滑成分の移着量に影響を与えることは想定できない。上記作用については明らかではないが、窒化ケイ素の負荷ボールは、ＳＵＳ４４０Ｃ製のものと比較して不活性であり、負荷ボールへの固体潤滑成分の移着が抑制され、相対的に内・外輪の転走面への移着量が増加したものと考えられる。なお、上記の移着量は、運転後の任意の時点において転走面に存在する固体潤滑成分の量であり、この量を増加させるには、固体潤滑複合材ボールからの供給量を多くすることは勿論、一度移着した固体潤滑成分が脱離しないことも重要であると考えられる。
　固体潤滑複合材ボールを組み込む個数、すなわち、負荷ボールと置換する個数は、少なくとも１個以上とする。固体潤滑複合材ボールの数が多いほど、固体潤滑成分の移着量を確保できるが、同時に負荷ボールの数が少なくなり、軸受の耐荷重性などが低下する。固体潤滑転がり軸受の転動体総数（負荷ボール＋非負荷ボール）にもよるが、固体潤滑複合材ボールを組み込む個数は、１個または２個が好ましく、２個が最も好ましい。
　窒化ケイ素ボールの直径をＡとする場合、固体潤滑複合材ボールの直径Ｂは、０．８Ａ≦Ｂ＜Ａとすることが好ましい。Ｂ＜０．８Ａの場合、固体潤滑複合材ボールが小さすぎて固体潤滑成分の保持絶対量が不足し、また、保持器表面や内・外輪転走面に摩擦接触した際の摩耗量および移着量が少なくなり、全体として潤滑不足となり耐久性に劣るおそれがある。
　内輪２、外輪３、保持器６の材質としては、特に限定されず、鉄系金属材料などを使用できる。鉄系金属材料としては、軸受鋼、肌焼き鋼、冷間圧延鋼、熱間圧延鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、軟鋼などが挙げられる。
　本発明における固体潤滑複合材ボールを形成する固体潤滑複合材は、二硫化タングステン（ＷＳ２）を、バインダーとする合金中に高配合で分散させた焼結材である。バインダーとする合金は、タングステン（Ｗ）合金、Ｃｕ－Ｓｎ合金などの任意の合金を使用できる。二硫化タングステン（ＷＳ２）との密着性に優れ、少量でも固体潤滑複合材ボールを形成できることからＷ合金を用いることが好ましい。また、さらに炭素を含めて複合化した焼結材としてもよい。固体潤滑複合材ボールを形成する焼結材（固体潤滑複合材）の市販品としては、例えば、冨士ダイス株式会社製ＮＦメタル（Ｗ＋ＷＳ２複合材、Ｃｕ－Ｓｎ＋ＷＳ２複合材、Ｃｕ－Ｓｎ＋Ｃ＋ＷＳ２複合材）が挙げられる。これらの焼結材を用いて焼結し、立方体形状などの多面体形状の固体潤滑複合材を形成した後に、後述するバレル加工等によりボール状に加工する。
　固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して二硫化タングステン（ＷＳ２）を８０体積％以上含むことが好ましい。この範囲とすることで、負荷ボールとして既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを用い、二硫化タングステン（ＷＳ２）を９５体積％含む複合材を用いる場合よりも、耐久性の向上が図れる。また、複合材全体積に対して二硫化タングステン（ＷＳ２）を９５体積％以上含むことが特に好ましい。この範囲とすることで、内輪転走面への固体潤滑成分の移着量を大幅に増加させることができ、長期にわたって固体潤滑成分が転走面に移着供給されることになり、大幅な耐久性の向上が達成できる。
　一方、負荷ボールとして既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを用いる場合では、複合材における二硫化タングステン（ＷＳ２）の配合量を同等（９５体積％）とする場合でも、このような大幅な耐久性の向上は望めない。また、二硫化タングステン（ＷＳ２）ではなく、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を高配合した複合材を用いる場合では、負荷ボールとして窒化ケイ素ボールを用いても耐久性は著しく劣る。これらより、本発明の上記効果は、窒化ケイ素ボールを用いること、および、二硫化タングステン（ＷＳ２）を高配合した複合材を用いることの相乗効果により得られるものであると考える。
　固体潤滑複合材ボールの製造方法としては、焼結された多面体形状の固体潤滑複合材をバレル加工機により球形のボールに加工し、必要寸法に仕上げる方法が挙げられる。バレル加工により、必要寸法のボールを得ることができ、材料および材料加工の面からコスト低減が図れる。ボール形状にするための方法として、バレル加工は最も有効な方法と考えられ、量産性があり、かつ、低コストな加工方法である。固体潤滑複合材は、硬質粒子で表面を切削されながらボール形状に加工されていく。バレル加工機の構成は、回転円盤と、固定円盤と、固定円盤に設けた貫通孔と、固定円版の上面に取り外し可能に固定したボール飛び出し防止板とを有するものとできる。
　固体潤滑複合材ボールの製造方法を図３に基づいて詳細に説明する。図３は固体潤滑複合材ボールの加工に用いるバレル加工機の概略図である。このバレル加工機は、回転円盤７と固定円盤９とを有する。回転円盤７は、電動モータ等の駆動手段（図示省略）によって回転駆動される。回転円盤７の上面にはダイヤモンドペーパー８を貼り付けてある。回転円盤７の上方に固定円盤９が位置している。固定円盤９は、円周方向に分配した複数の貫通孔１０を有する。貫通孔１０の下端は開放し、上端は固定円盤９の上面にボール飛び出し防止板１１を取り付けることによって閉じられる。回転円盤７の上面と固定円盤９の下面との間には、仕上げられた固体潤滑複合材ボールが通過しない程度のすきまがある。
　固定円盤９の材質は、鉄系材料などである。回転円盤７にダイヤモンドペーパー８を貼り付ける代わりに、ダイヤモンド、炭化ケイ素、アルミナその他の硬質粒子を含む層を設けてもよい。加工に際しては、ボール飛び出し防止板１１を外した状態で貫通孔１０に固体潤滑複合材１２を投入する。ボール飛び出し防止板１１を取り付けた後、駆動手段を起動して回転円盤７を回転させる。すると、図中点線矢印で示すように、固体潤滑複合材１２はダイヤモンドペーパー８と鉄系材料からなる固定円盤９の壁との間を跳ね回り、ダイヤモンドペーパー８と衝突を繰り返して角が丸く削られ、徐々に表面が均等に削られてボール形状となる。
　バレル加工により、必要寸法の固体潤滑複合材ボールを得ることができる。また、バレル加工機では、最も粒子の粗い＃１００のダイヤモンドペーパーを用いた場合、粒子が粗いため固体潤滑複合材ボールの加工に対して顕著な目詰まりは発生せず、しかも、加工時間を短縮して必要寸法の潤滑ボールを得ることができる。さらに、バレル加工機では、加工時間さえセットしておけば、必要寸法の潤滑ボールを得ることができ、加工機のメンテナンスが比較的簡単である。
実施例１～実施例４、比較例１～比較例８
　固体潤滑複合材として、タングステン（Ｗ）合金に、二硫化タングステン（ＷＳ２）または二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を分散させた焼結材を採用した。表１に示す割合で、二硫化タングステン（ＷＳ２）または二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）の添加量を種々変更した焼結材を用いて焼結体（一辺が４ｍｍの立方体形状）を得た。これを図３に示すバレル加工機で球形のボールに仕上げて固体潤滑複合材ボールを得た。バレル研磨は、マルトー社製のダイヤモンドペーパー（＃１００）を用い、回転円盤を８５ｒｐｍで回転させ、ＪＩＳＢ１５２１深溝玉軸受の呼び番号６０８に組込み可能なサイズのボールに加工した。
　この固体潤滑複合材ボールを表１に示す個数だけ、ＳＵＳ４４０Ｃ製深溝玉軸受ＳＥＢ０８（爪曲げ保持器）に組み込み、その他の転動体をＳＵＳ４４０Ｃまたは窒化ケイ素からなる玉として試験軸受を得た。なお、固体潤滑複合材ボール（ボール直径：３．９２ｍｍ）は、他の転動体（ボール直径：４ｍｍ）より小径とした。得られた試験軸受について、以下の長期耐久試験１、２を行った。また、以下の方法により移着膜における元素割合を測定した。これらの結果を表１に併記する。
＜長期耐久試験１（２５０℃）＞
　試験機として高温用真空軸受耐久試験機を用い、真空度が１０－４～１０－５Ｐａで軸受は２個セットで取り付けた。試験条件は、軸受外輪温度２５０℃、アキシアル荷重１５０Ｎ 、回転数２０００ｒｐｍで、寿命判定は２個の軸受の摩擦トルクが１５２mＮ・ｍに達した時とした。
＜長期耐久試験２（４００℃）＞
　試験機として高温用真空軸受耐久試験機を用い、真空度が１０－４～１０－５Ｐａで軸受は２個セットで取り付けた。試験条件は、軸受外輪温度４００℃、アキシアル荷重１９６Ｎ 、回転数１０００ｒｐｍで、寿命判定は２個の軸受の摩擦トルクが１５２mＮ・ｍに達した時とした。
＜移着膜測定法＞
　比較例５、６については長期耐久試験１の終了後（寿命判定後）に、比較例５、６以外の実施例および比較例については長期耐久試験２の終了後（寿命判定後）に、軸受を分解し、内輪転走面について、ＳＥＭ／ＥＤＸの表面分析により、Ｆｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓの４元素の重量％を測定した。Ｆｅに対するＷ（Ｍｏ）とＳの存在比率で固体潤滑剤であるＷＳ２（ＭｏＳ２）の潤滑膜形成性を評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、窒化ケイ素ボールを用い、かつ、二硫化タングステン（ＷＳ２）を高配合した固体潤滑複合材ボールを用いることで、２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温環境下において、内輪転走面への固体潤滑成分の移着量を大幅に増加させることができ、長期にわたって固体潤滑成分が転走面に移着供給されることになり、大幅な耐久性の向上が図れた。
　一方、既存のＳＵＳ４４０Ｃ製ボールを用い、複合材における二硫化タングステン（ＷＳ２）の配合量を実施例１と同等（９５体積％）にした比較例１では、実施例のような大幅な耐久性の向上は図れなかった。また、二硫化タングステン（ＷＳ２）ではなく、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）を高配合した複合材を用いた比較例８では、負荷ボールとして窒化ケイ素ボールを用いても耐久性は著しく劣る結果であった。
　本発明の固体潤滑転がり軸受は、２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用されながら、長期にわたって、固体潤滑複合材からなる玉より内・外輪転走面へ固体潤滑成分が十分に移着供給され耐久性の向上が図れるので、電子部品、光学系、液晶ガラス、半導体製造装置などのフイルム成膜装置、蒸着装置（ＰＶＤ、ＣＶＤ）、太陽電池用薄膜製造装置内の可動部での軸受として好適に利用できる。
　　１　固体潤滑転がり軸受
　　２　内輪
　　３　外輪
　　４　転動体（窒化ケイ素ボール）
　　５　固体潤滑複合材からなる玉（固体潤滑複合材ボール）
　　６　保持器
　　７　回転円盤
　　８　ダイヤモンドペーパー
　　９　固定円盤
　１０　貫通孔
　１１　ボール飛び出し防止板
　１２　固体潤滑複合材

Claims (7)

  1. 　２５０℃以上、真空度１０－４Ｐａ以下の真空高温環境下で使用される固体潤滑転がり軸受であって、
    　内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この内輪および外輪間に組み込まれる少なくとも１個の固体潤滑複合材からなる玉とを備えてなり、
    　前記転動体が窒化ケイ素からなる玉であり、前記固体潤滑複合材からなる玉が、該窒化ケイ素からなる玉よりも小径の玉であり、
    　前記固体潤滑複合材が、二硫化タングステンを合金中に分散させた焼結材であることを特徴とする固体潤滑転がり軸受。
  2. 　前記固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して前記二硫化タングステンを８０体積％以上含むことを特徴とする請求項１記載の固体潤滑転がり軸受。
  3. 　前記固体潤滑複合材は、複合材全体積に対して前記二硫化タングステンを９５体積％以上含むことを特徴とする請求項２記載の固体潤滑転がり軸受。
  4. 　前記固体潤滑複合材からなる玉が、２個組み込まれることを特徴とする請求項１記載の固体潤滑転がり軸受。
  5. 　前記合金が、タングステン合金であることを特徴とする請求項１記載の固体潤滑転がり軸受。
  6. 　前記二硫化タングステンの内輪転走面への移着量が、前記転動体をステンレス鋼からなる玉とする以外は同じ構成の固体潤滑転がり軸受と比較して多いことを特徴とする請求項１記載の固体潤滑転がり軸受。
  7. 　前記固体潤滑転がり軸受は、ＣＶＤ装置または太陽電池用薄膜製造装置に使用される軸受であることを特徴とする請求項１記載の固体潤滑転がり軸受。
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