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JP6733329B2 - 転がり軸受、機械要素、及び固体膜形成方法 - Google Patents

転がり軸受、機械要素、及び固体膜形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、転がり軸受、機械要素、及び固体膜形成方法に関する。
グリースやオイルを使用できない真空環境や腐食環境において転がり軸受を用いる場合、内輪や外輪等の軸受構成要素に対して固体潤滑剤を膜状としたコーティングが施されている。このコーティングには、従来、例えば、金、銀、鉛等の軟質金属や、グラファイト、二硫化モリブデン等の層状構造物質が用いられている。
固体潤滑剤を用いたコーティングを転がり軸受に形成した場合、軸受の回転中に、微量の固体潤滑剤が剥がれることで潤滑に寄与している。この場合、転がり軸受からの発塵量は、グリースやオイルを用いる場合と比べて少なくなるものの、高い清浄度が必要となる環境では、やはりその適用に難がある。
そこで、軸受構成要素に含フッ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜を形成した転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１３７８３０号公報
前記特許文献１に記載の技術によれば、グリースやオイルの使用ができない真空環境、腐食環境、及び清浄環境において、好適な転がり軸受とすることができる。
そこで、本発明は、前記特許文献１の技術とは異なる新たな技術的手段によって、発塵の低下と潤滑性の向上とを可能とする転がり軸受、機械要素、及びこのような転がり軸受や機械要素を製造するための固体膜形成方法を提供することを目的とする。
本発明の転がり軸受は、内輪、外輪、及び前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体を軸受構成要素として備え、前記軸受構成要素の少なくとも一つに、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分として含むフッ素化合物の固体膜が形成されており、前記固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されている。
この転がり軸受によれば、固体膜のＳｉ基と軸受構成要素の水酸基（ＯＨ基）とが結合することで、軸受構成要素に対する固体膜の密着性が高くなり、固体膜による発塵を低減することが可能となる。また、固体膜においてもシロキサン結合により強く結合して、軸受構成要素の表面を覆うため、剥がれにくく、発塵を低減することが可能となる。
また、官能基を有していない潤滑剤が固体膜に流動可能な状態で分散して添加されているので、潤滑剤は固体膜から滲み出て転がり軸受の潤滑に寄与することができ、潤滑性を向上させることが可能となる。
また、前記潤滑剤はフッ素重合体からなるのが好ましく、これにより、転がり軸受の潤滑性能を高めることが可能となる。
また、前記フッ素化合物は、前記フッ素重合体よりも配合割合が高いのが好ましく、これにより、軸受構成要素に対する固体膜の密着性を高くする作用が強くなる。
また、本発明は、内輪、外輪、及び前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体を軸受構成要素として備えている転がり軸受の、当該軸受構成要素の少なくとも１つに固体膜を形成する方法であって、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分としたフッ素化合物と、官能基を有していない潤滑剤と、を含む溶液を、前記軸受構成要素の少なくとも１つに液状膜として付着させる工程と、付着させた前記液状膜を硬化させることにより、前記軸受構成要素の少なくとも１つに固体膜を形成する工程と、を含む。
この方法によれば、軸受構成要素の少なくとも一つに、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分として含むフッ素化合物の固体膜が形成され、更に、この固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加された、転がり軸受を製造することができる。
そして、固体膜のＳｉ基と軸受構成要素の水酸基（ＯＨ基）とが結合することで、軸受構成要素に対する固体膜の密着性が高くなり、固体膜による発塵を低減することが可能となる。また、固体膜においてもシロキサン結合により強く結合して、軸受構成要素の表面を覆うため、剥がれにくく、発塵を低減することが可能となる。
また、官能基を有していない潤滑剤を流動性を有した状態で分散させた、前記フッ素化合物による固体膜を形成することができる。このため、潤滑剤は固体膜から滲み出て転がり軸受の潤滑に寄与することができる。
また、前記溶液は、前記フッ素化合物と前記潤滑剤とを溶媒に加えて得たものであり、前記潤滑剤は、パーフルオロポリエーテルからなり、前記溶媒は、エチルノナフルオロイソブチルエーテルと、エチルノナフルオロブチルエーテルとの内の少なくとも一方を含むエーテルであるのが好ましい。
この場合、前記フッ素化合物用と前記潤滑剤用との二種類の溶媒を用いなくても、溶液を得ることができる。
また、本発明は、転がり接触する構成部材を含む機械要素であって、前記構成部材に、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分として含むフッ素化合物の固体膜が形成されており、前記固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されている。
この機械要素によれば、前記転がり軸受と同様に、発塵を低減することが可能となり、また、潤滑性を向上させることが可能となる。
また、本発明は、転がり接触する構成部材を含む機械要素の、当該構成部材に固体膜を形成する方法であって、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分としたフッ素化合物と、官能基を有していない潤滑剤と、を含む溶液を、前記構成部材に液状膜として付着させる工程と、付着させた前記液状膜を硬化させることにより、前記構成部材に固体膜を形成する工程と、を含む。
この方法によれば、前記のような発塵を低減することが可能であると共に、潤滑性を向上させることが可能となる機械要素を製造することが可能となる。
本発明の転がり軸受（機械要素）によれば、軸受構成要素（構成部材）に対する固体膜の密着性が高くなり、固体膜による発塵を低減することが可能となり、また、潤滑剤は固体膜から滲み出て転がり軸受（機械要素）の潤滑に寄与することができ、潤滑性の向上を図ることができる。
本発明の固体膜形成方法によれば、前記のような転がり軸受（機械要素）を製造することが可能となる。
本発明の転がり軸受の実施の一形態を示す断面図である。 メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピルの一般式（化学式）を示す図である。 ヘキサフルオロプロペンの一般式（化学式）を示す図である。 メタクリル酸メチルの一般式（化学式）を示す図である。 固体膜の説明図である。 発塵試験のための装置の説明図である。 試験条件を示す図である。 ２０時間の平均発塵量（個／ｃｆ）を示しているグラフである。 クラス１０相当の発塵量を越える時間（つまり、発塵寿命）を示しているグラフである。 固体膜形成方法を説明するフロー図である。
図１は、本発明の転がり軸受の実施の一形態を示す断面図である。転がり軸受１０は、内輪１１、外輪１２、複数の転動体（１３）、及び保持器１４を備えており、図１に示す形態では、前記転動体は玉１３である。つまり、図１に示す転がり軸受１０は、玉軸受である。保持器１４は、複数の玉１３を周方向に間隔をあけて保持する環状の部材である。これら内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４それぞれは、軸受構成要素と呼ばれる。本実施形態では、これら軸受構成要素それぞれの表面に、固体膜１５が形成されている。
本実施形態の内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４は、耐食性を有する材料により形成されている。例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼とすることができ、又は、セラミックス材であってもよい。このような耐食性材料以外に、内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４は、軸受鋼等の炭素鋼であってもよい。保持器１４については、黄銅や合成樹脂材料としてもよい。
固体膜１５は、内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４それぞれの全表面に形成されている。この固体膜１５は、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルをモノマー成分として含むフッ素化合物による膜である。
メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピルの構造を示す一般式（化学式）を図２に示す。ヘキサフルオロプロペンの構造を示す一般式（化学式）を図３に示す。メタクリル酸メチルの構造を示す一般式（化学式）を図４に示す。
固体膜１５には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されており、潤滑剤が固体膜１５から流動可能となっている。前記潤滑剤はフッ素重合体からなり、本実施形態では、パーフルオロポリエーテル（以下、ＰＦＰＥ油とも言う）が用いられている。このようなフッ素系潤滑剤（フッ素系潤滑油）からなる官能基を有していない潤滑剤（フッ素重合体）が固体膜１５に分散して添加されている。固体膜１５の厚さは、例えば１〜数マイクロメートル程度である。
固体膜１５の形成方法について説明する。
内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４は脱脂されており、これらが組み立てられた状態とする。このために、本実施形態では、転がり軸受１０として組み立てた状態で脱脂を行っている。
以下に説明する溶液を用意し、この溶液中に、組み立てた状態の転がり軸受１０を浸漬し、内輪１１と外輪１２とを相対的に数回、回転させる。これにより、内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４それぞれの表面全体に液状膜（つまり、前記溶液の膜）を付着させることができる（付着処理）。
前記溶液は、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルをモノマー成分として含むフッ素化合物を有しており、更に、フッ素重合体である潤滑剤（パーフルオロポリエーテル）を添加した溶液である。前記フッ素化合物は官能基を有しているのに対して、前記潤滑剤は官能基を有していない。
この溶液について更に説明する。メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルをモノマー成分としたフッ素化合物を第一の溶質とし、官能基を有しないパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ油）を第二の溶質とし、前記第一の溶質を溶媒により希釈した溶液に、前記第二の溶質を加えたものである。前記溶媒としては、フッ素溶媒であり、具体的には、エチルノナフルオロイソブチルエーテル及びエチルノナフルオロブチルエーテルの混合液である。
溶液において、第一の溶質を０．５〜５重量％とするのに対して、第二の溶質を０．１〜２重量％とするのが好ましい。
第一の溶質を０．５重量％未満とすると、形成される固体膜１５が、薄く柔らかい膜となり、耐摩耗効果が低減する可能性がある。これに対して、第一の溶質が５重量％を超えると、軸受構成要素同士が固体膜１５を介して強く固着し、この固着を解除するのが困難となる場合がある。そこで、第一の溶質を１〜３重量％とするのがより好ましい。
また、第二の溶質を０．１重量％未満とすると、潤滑剤の潤滑効果が低くなる可能性がある。これに対して、第二の溶質が２重量％を超えると、形成される固体膜１５の密着性を低下させる場合がある。そこで、第二の溶質を、０．３〜１重量％とするのがより好ましい。
溶液に含まれる第一の溶質（前記フッ素化合物）と第二の溶質（パーフルオロポリエーテル）との配合は、固体膜１５の密着性を確保するために、第一の溶質の方が第二の溶質よりも多くなるようにするのが好ましい。すなわち、第一の溶質と第二の溶質との配合割合は、第一の溶質を第二の溶質よりも高く設定するのが好ましく、例えば、（第一の溶質：第二の溶質）＝（４：１）の配合割合にするのが好ましい。
そして、このような配合の溶液を、軸受構成要素に液状膜として付着させる（付着工程）。本実施形態では、転がり軸受１０の全体を前記溶液に浸漬させる場合について説明しているが、その他の手段によって軸受構成要素に液状膜を付着させてもよい。また、転がり軸受１０として組み立てた状態ではなく、ばらばらの状態で軸受構成要素のそれぞれに液状膜を付着させてもよい。
そして、軸受構成要素に付着させた液状膜を硬化させる。具体的な方法としては、転がり軸受１０を加熱し（恒温槽で１００℃、６０分保持し）、皮膜（液状膜）を硬化反応させる。これにより、軸受構成要素の表面に固体膜１５が形成される（成膜工程）。前記液状膜を硬化させるために設定する温度として５０〜１５０℃とすればよい。ただし、この温度は、軸受構成要素の焼戻し温度以下とすべきである。
以上のように、転がり軸受１０の軸受構成要素に固体膜１５を形成する固体膜形成方法は、図１０に示すように、付着工程と、成膜工程とを含む。前記付着工程では、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルをモノマー成分としたフッ素化合物と、官能基を有していない潤滑剤（ＰＦＰＥ油）と、を含む溶液を、軸受構成要素に液状膜として付着させる。そして、前記成膜工程では、付着させた前記液状膜を硬化させることにより、軸受構成要素に固体膜１５を形成する。
この方法によって製造される転がり軸受１０は、内輪１１、外輪１２、これら内輪１１と外輪１２との間に介在する複数の玉１３、及び保持器１４を、軸受構成要素として備えており、これら軸受構成要素に、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルをモノマー成分として含むフッ素化合物の固体膜１５が形成されている。そして、この固体膜１５には、流動可能な官能基を有していないフッ素重合体の潤滑剤が分散して添加されている。
上記のようにして得られる固体膜１５は、硬化反応により分子間が結合された構造を有する。特に、図５に示すように、固体膜１５が有しているＳｉ基と、軸受構成要素（基材Ｍ）の水酸基（ＯＨ基）とが結合することで、軸受構成要素に対する固体膜１５の密着性が高くなり、固体膜１５による発塵を低減することが可能となる。なお、軸受構成要素は一般的に水酸基（ＯＨ基）を有している。また、固体膜１５においてもシロキサン結合により強く結合して、軸受構成要素の表面を覆うため、剥がれにくく、発塵を低減することが可能となる。なお、図５の左側は硬化反応前であり、右側が硬化反応後を示している。
また、官能基を有していないフッ素重合体の潤滑剤が固体膜１５に流動可能な状態で分散して添加されているので、つまり、フッ素重合体の潤滑剤は官能基を有していないので流動可能となり、固体膜１５からこの潤滑剤が滲み出て転がり軸受１０の潤滑に寄与することができ、潤滑性を向上させることが可能となる。
本実施形態では、前記潤滑剤は官能基を有していないフッ素重合体からなるため、転がり軸受１０の潤滑性能を高めることが可能となる。また、フッ素化合物（前記第一の溶質）は、フッ素重合体（前記第二の溶質）よりも配合割合が高いことから、軸受構成要素に対する固体膜１５の密着性を高くする作用が強くなる。
このように、本実施形態の固体膜１５では、ベースの樹脂がフッ素系（前記フッ素化合物）であり、これに潤滑剤として（従来の固体潤滑剤の代わりに）官能基を有していないフッ素重合体が添加されている。
また、本実施形態の固体膜形成方法において、使用する前記溶液は、フッ素化合物（前記第一の溶質）と潤滑剤（前記第二の溶質、つまり、パーフルオロポリエーテル）とを溶媒に加えて得たものであり、この溶媒は、エチルノナフルオロイソブチルエーテルと、エチルノナフルオロブチルエーテルとの内の少なくとも一方を含むエーテルである。この場合、フッ素化合物用（前記第一の溶質用）と潤滑剤用（前記第二の溶質用、つまり、パーフルオロポリエーテル用）との二種類の溶媒を用いなくても済む。
次に、形成された固体膜１５の発塵寿命について説明する。ここでは、実施例１と従来例１とを挙げる。
実施例１は、前記実施形態のとおり、組立済みの転がり軸受に対して、脱脂洗浄を行い、前記溶液による液状膜を付着させ（付着工程）、この液状膜を硬化させたものである（成膜工程）。なお、脱脂洗浄では、ヘキサン及びアセトンそれぞれにより１分間、超音波洗浄機で洗浄を行った。前記液状膜の付着は、前記溶液中に転がり軸受を１分間浸漬して行った。そして、硬化は、６０分間、１００℃の条件で焼成して行った。
実施例１では、前記溶液に関して、第一の溶質（前記フッ素化合物）を２重量％とし、第二の溶質（官能基を有しないパーフルオロポリエーテル）を０．５重量％とし、第一の溶質と第二の溶質との配合割合を４：１としている。
従来例１は、背景技術で説明した（特開平９−１３７８３０号公報）含フッ素ポリウレタン高分子化合物の固体膜を形成した転がり軸受である。
実施例１及び従来例１の転がり軸受それぞれを、図６に示す装置に取り付け、発塵試験を行った。図６中の矢印はエア（クリーンエア）の流れを示しており、エアは軸受内を通過し、パーティクルカウンターへと流れる。試験条件は図７に示すとおりである。
図８は、試験開始後の２０時間の平均発塵量（個／ｃｆ）を示しているグラフである。図９は、クラス１０相当の発塵量を越える時間（つまり、発塵寿命）を示しているグラフである。図８に示すように、実施例１の平均発塵量は従来例１よりも低く、好ましい結果となっている。また、図９に示すように、実施例１の発塵寿命は従来例１よりも長く、好ましい結果となっている。
以上より、本実施形態の転がり軸受１０（実施例１）では、軸受構成要素に対する固体膜１５の密着性が高くなっており、固体膜１５による発塵が低減されている。また、前記試験の結果によれば（図９参照）、固体膜１５は高い耐久性を有することができる。そして、固体膜１５から前記潤滑剤が滲み出て転がり軸受１０の潤滑に寄与することができ、潤滑性の向上を図ることができる。
なお、前記実施形態では、内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４を組み立てた状態とし、これを前記溶液に浸漬して固体膜１５を形成したが、組み立てる前の状態で軸受構成要素を前記溶液に浸漬して軸受構成要素それぞれに固体膜１５を形成し、その後、転がり軸受１０として組み立てを行ってもよい。
また、内輪１１、外輪１２、玉１３、及び保持器１４の全てに固体膜１５を形成する場合について説明したが、軸受構成要素の少なくとも一つに固体膜１５を形成してもよい。この場合、軸受構成要素の少なくとも１つに前記溶液を液状膜として付着させればよく、その後、この液状膜を硬化させればよい。そして、完成品として転がり軸受１０を組み立てればよい。
更に、図１に示す転がり軸受１０は、保持器１４を備えているが、保持器１４が省略された転がり軸受に、本発明を適用してもよい。
また、固体膜１５は、軸受構成要素の全体に設けられていなくてもよく、部分的であってもよい。例えば、内輪１１及び外輪１２の場合、少なくとも転動体（玉１３）が転がり接触する軌道面に固体膜１５が設けられていればよい。また、保持器１４が内輪１１又は外輪１２の一部に滑り接触する場合、この一部に固体膜１５が設けられていればよい。また、軸受構成要素の内の転動体（玉１３）の表面（全体）にのみ、固体膜１５が設けられていてもよい。
また、前記固体膜形成方法は、図１に示すような転がり軸受以外の他の機械要素を対象とすることができ、機械要素が有する構成部材に固体膜を形成すればよい。例えば、前記固体膜形成方法によって構成部材に固体膜が形成される機械要素は、転がり接触する構成部材を含むボールネジやリニアガイド等の直動要素とすることができる。
以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の転がり軸受は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。
１０：転がり軸受 １１：内輪 １２：外輪
１３：玉（転動体） １４：保持器 １５：固体膜

Claims (9)

  1. 内輪、外輪、及び前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体を軸受構成要素として備え、
    前記軸受構成要素の少なくとも一つに、下記化１で示す第１の官能基と、下記化２で示す第２の官能基と、下記化３で示す第３の官能基と、を含むフッ素化合物の固体膜が形成されており、
    前記固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されている、転がり軸受。
    Figure 0006733329
    Figure 0006733329
    Figure 0006733329
  2. 内輪、外輪、及び前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体を軸受構成要素として備え、
    前記軸受構成要素の少なくとも一つに、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分として含むフッ素化合物のケイ素が酸素を介して前記軸受構成要素と結合する固体膜が形成されており、
    前記固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されている、転がり軸受。
  3. 前記潤滑剤はフッ素重合体からなる、請求項１又は２に記載の転がり軸受。
  4. 前記フッ素化合物は、前記フッ素重合体よりも配合割合が高い、請求項３に記載の転がり軸受。
  5. 内輪、外輪、及び前記内輪と前記外輪との間に介在する複数の転動体を軸受構成要素として備えている転がり軸受の、当該軸受構成要素の少なくとも１つに固体膜を形成する方法であって、
    メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分としたフッ素化合物と、官能基を有していない潤滑剤と、を含む溶液を、前記軸受構成要素の少なくとも１つに液状膜として付着させる工程と、
    付着させた前記液状膜を硬化させることにより、前記軸受構成要素の少なくとも１つに固体膜を形成する工程と、
    を含む固体膜形成方法。
  6. 前記溶液は、前記フッ素化合物と前記潤滑剤とを溶媒に加えて得たものであり、
    前記潤滑剤は、パーフルオロポリエーテルからなり、
    前記溶媒は、エチルノナフルオロイソブチルエーテルと、エチルノナフルオロブチルエーテルとの内の少なくとも一方を含むエーテルである、請求項５に記載の固体膜形成方法。
  7. 転がり接触する構成部材を含む機械要素であって、
    前記構成部材に、下記化１で示す第１の官能基と、下記化２で示す第２の官能基と、下記化３で示す第３の官能基と、を含むフッ素化合物の固体膜が形成されており、
    前記固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されている、機械要素。
    Figure 0006733329
    Figure 0006733329
    Figure 0006733329
  8. 転がり接触する構成部材を含む機械要素であって、
    前記構成部材に、メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分として含むフッ素化合物のケイ素が酸素を介して前記構成部材と結合する固体膜が形成されており、
    前記固体膜には、官能基を有していない潤滑剤が分散して添加されている、機械要素。
  9. 転がり接触する構成部材を含む機械要素の、当該構成部材に固体膜を形成する方法であって、
    メタクリル酸３−（トリメトキシシリル）プロピル、ヘキサフルオロプロペン、及びメタクリル酸メチルを成分としたフッ素化合物と、官能基を有していない潤滑剤と、を含む溶液を、前記構成部材に液状膜として付着させる工程と、
    付着させた前記液状膜を硬化させることにより、前記構成部材に固体膜を形成する工程と、
    を含む固体膜形成方法。
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