(57)【要約】【課題】水中や薬液中などの腐食しやすい液中や、液体の蒸気を多量に含む腐食性の多湿雰囲気で使用される用途の転がり軸受において、クラックや表層剥離または局所的な摩耗を発生させない。【解決手段】一対の軌道輪の間に、転動体およびその保持器を介在させた転がり軸受において、上記軌道輪、転動体および保持器から選ばれる一種以上の軸受部品が、合成樹脂を主成分とし、カーボンナノチューブを配合した樹脂組成物からなる成形体であり、合成樹脂に配合されるカーボンナノチューブの配合割合が、１〜５０重量％である。【選択図】      図１
2004308877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の軌道輪の間に、転動体およびその保持器を介在させた転がり軸受において、前記軌道輪、前記転動体および前記保持器から選ばれる一種以上の軸受部品が、合成樹脂を主成分とし、カーボンナノチューブを配合した樹脂組成物からなる成形体であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの配合割合が、樹脂組成物全体に対して、１〜５０重量％であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は転がり軸受に関し、例えば水中などの液中や多湿環境のような金属が腐食しやすい環境で使用可能な耐腐食性転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、軸受鋼やステンレス鋼で形成されている転がり軸受は、水や薬液などの液中またはこのような液体の蒸気を多量に含む雰囲気中で使用された場合に、腐食して実用性が無くなったり、頻繁に部品を交換する必要が生じるので、軸受全体を覆うように合成樹脂製のカバーを取り付け、腐食性環境から隔離して使用するようにしている。
【０００３】
また、転がり軸受を密閉して腐食性環境から完全に隔離することが困難である場合には、軌道輪などの部品を耐腐食性（耐薬品性）の合成樹脂で形成することが好ましい。しかし、この合成樹脂製の軸受用部品は、金属製のものに比べて耐荷重変形性や耐摩耗性が劣るので、完成した転がり軸受の用途は、低荷重・低速回転用のものに限定されることになる。
このため、粒径５〜５０００ｎｍの無機充填剤を分散させてなる合成樹脂成形体を合成樹脂製の軸受用部品に用いて、例えば腐食性の環境で使用した場合であっても機械的強度の低下が起こり難い耐腐食性転がり軸受が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８３１６８（段落［００１３］）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の充填剤を配合した合成樹脂製部品を用いた転がり軸受は、転がり摩擦による応力を繰り返し受けた部分が起点となってクラックを発生させやすく、クラックが進行すると表層剥離や局所的な摩耗も起こりやすくなる。このような転がり軸受部品は、充填剤を配合せずに成形した合成樹脂製の軸受部品に比べて、転がり疲労特性も劣っている。
【０００６】
軸受部品に転がり摩擦による応力が発生する作用機構については、恐らく一般的に金属製部品に比べて弾性率が低くて剛性も低い合成樹脂が、弾性変形するからであると考えられる。すなわち、合成樹脂製の軌道輪の転走面に転動体が転がって摩擦接触した際、転動体と接触した軌道輪が弾性変形して転走面やその周辺に波状の起伏が形成され、この起伏によって転動体の円滑な転動が妨げられて、軸受全体としての機能を低下させていると考えられる。
【０００７】
また、第２の原因としては、軸受部品の表面の一部に比較的大きな粒子や繊維状の無機質充填剤が露出していると、無機質充填剤が水や薬液などに接して腐食し、無機質充填剤に沿って軸受部品の内部まで強度が低下してクラックを広がらせたり、終には表層が剥離したり局所的な摩耗が起こりやすくなるとも考えられる。また、このように露出した充填剤上を転動した場合、局部的に面圧が高まり、より損傷を受けやすいという問題があり、また、転動の際に音響を悪化させたりするという問題がある。
【０００８】
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、腐食性の環境で使用した場合に、強度の低下が起こり難い合成樹脂製の転がり軸受の提供である。より具体的に説明すると、転がり軸受の繰り返して転がり摩擦による応力を受ける部分に、クラック、表層剥離、局所的な摩耗を発生させ難い耐腐食性の転がり軸受の提供である。特に、水中や薬液中などの腐食しやすい液中や、液体の蒸気を多量に含む腐食性の多湿雰囲気で使用される用途の転がり軸受において、耐荷重性を高め、かつクラックや表層剥離または局所的な摩耗を発生させないようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対の軌道輪の間に、転動体およびその保持器を介在させた転がり軸受において、上記軌道輪、転動体および保持器から選ばれる一種以上の軸受部品が、合成樹脂を主成分とし、カーボンナノチューブを配合した樹脂組成物からなる成形体であることを特徴とする。
また、合成樹脂に配合されるカーボンナノチューブの配合割合が、樹脂組成物全体に対して、１〜５０重量％であることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、繰り返し転がり摩擦力を受けて応力を発生させる軸受部品の少なくとも一つが、カーボンナノチューブを配合した樹脂組成物で形成されている。この組成物は、微細なカーボンナノチューブと合成樹脂とが分子レベル（ナノメータ単位）で絡み合っているので、樹脂とカーボンナノチューブとの密着強度が高められていて、機械的強度が高くしかも部品の弾性率が高く、すなわち外力を受けた場合の弾性変形量が小さくなる。
したがって、このような樹脂組成物で形成された部品からなる転がり軸受は、耐荷重性が高くなり、腐食性の高い環境で繰り返して転がり摩擦による応力を受けた場合にも、クラックを発生させ難くなり、表層剥離または局所的な摩耗を発生させ難い転がり軸受になる。
また、カーボンナノチューブは、１重量％という比較的少量であっても、または５０重量％の配合量であっても、その樹脂組成物で成形した部品を用いた転がり軸受は、転がりによる繰り返し応力を受けた部品にクラックが発生せず、耐荷重性の高い合成樹脂製の転がり軸受が得られた。これはカーボンナノチューブと合成樹脂との界面での密着強度が高められたためと考えられる。
さらに、カーボンナノチューブは、そのサイズが極めて小さいため表面平滑性に優れ、音響特性に優れた転がり軸受が得られる。また、カーボンナノチューブを配合させた樹脂組成物は導電性をも有することから、通電軸受として使用することも可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る転がり軸受の一例を図１に示す。図１は単式スラスト玉軸受の断面図である。
転がり軸受１は、軸軌道盤３とハウジング軌道盤２との間に保持器５に保持された複数個の転動体４を備えている。
本発明においては、軸軌道盤３とハウジング軌道盤２とで構成される軌道輪、転動体４および保持器５の少なくとも一つがカーボンナノチューブを配合した樹脂組成物からなる成形体で構成される。
【００１２】
本発明で使用できるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）または多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を単独であるいは混合して使用できる。単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）としては、直径が１〜２００ｎｍ、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）としては、直径が１〜５０ｎｍが好ましい。またチューブの長さについては限定されない。
カーボンナノチューブの直径が１〜２００ｎｍの範囲以外となると、合成樹脂に対するミクロ的な補強効果がなく、得られた軸受部品の転がり疲労特性は、従来品とあまり変わらないものになる。このような傾向から、カーボンナノチューブの好ましい直径は１００ｎｍ以下である。また、単層または多層のカーボンナノチューブは、その表面を化学修飾し、後述する合成樹脂との親和性を向上させてもよい。
単層および多層のカーボンナノチューブは、黒鉛などのアーク放電による方法、触媒を用いた熱分解法、レーザー蒸発法、ＣＶＤ法、ＳｉＣから珪素原子を除去する方法等、公知の方法で得ることができる。
【００１３】
本発明に用いる軸受部品を構成する主成分の合成樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれであってもよく、具体例を列挙すれば以下の通りである。すなわち、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、クロロトリフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン樹脂、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、ポリエチレン樹脂（低密度、高密度または超分子量のいずれの特性のものであってもよい）、水架橋ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリアリルスルホン樹脂、ポリシアノアリールエーテル樹脂、ポリアリールエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、脂肪族ポリケトン樹脂、ポリビニルピロリドン樹脂、ポリオキサゾリン樹脂、各種熱可塑性エラストマー、または上記合成樹脂から選ばれた２種以上の樹脂材料が混合された重合体（ポリマーブレンドやポリマーアロイと称されるもの）が挙げられる。
【００１４】
上述の合成樹脂のうち、好ましいものとしては、ポリアリールエーテルケトン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
【００１５】
上述の合成樹脂にカーボンナノチューブは樹脂組成物全体に対して１〜５０重量％配合される。１重量％未満の配合量では、樹脂組成物の補強効果がなく、これでは耐荷重性の向上がない。また、５０重量％をこえる量を配合すると、却って樹脂組成物は脆くなる場合がある。好ましくは３０重量％以下である。
【００１６】
本発明において、樹脂組成物を軌道輪、転動体または保持器に成形するには、所定のカーボンナノチューブが分散配合された樹脂組成物を押出成形、射出成形、圧縮成形、真空成形、吹き込み成形、発泡成形、注型成形など周知の成形方法を採用できる。射出成形は、効率がよい成形方法であるから、軸受部品の低価格化の要求に適している。これらの成形後は、旋削や研磨などの機械加工により、所定の形状に調整することもできる。
【００１７】
また、本発明における合成樹脂組成物には、一般にプラスチック材料に適用される各種の添加剤を、この発明の効果を阻害しない量であれば添加することもできる。そのような添加剤としては、離型剤、難燃剤、帯電防止剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、着色剤、工業用潤滑剤などが挙げられる。
【００１８】
なお、本発明における合成樹脂組成物は、ペレットやブロック等に仮成形した後、ジェットミル、冷凍粉砕機などで粉砕し、得られた粉末を必要に応じて分級整粒し、これを別途設けた軸受部品に塗装してもよい。塗装方法としては、粉末を塗装材料とする流動浸漬塗装や静電粉体塗装、粉末を溶剤に分散または溶解したものもしくは液状の樹脂組成物をそのままスプレー塗装または浸漬塗装する方法を採用することもできる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
カーボンナノチューブ（多層）を７重量％配合したポリエーテルエーテルケトン樹脂（大塚化学社製ＫＨＰ−０７）を用いて、この材料を３８０℃、８０ＭＰａ  で１時間加熱加圧する条件でリング型に成形した。
次いで、この素形材のリング型の成形体をスラスト玉軸受５１２０１用の軌道輪（外径２８ｍｍ、内径１４ｍｍ、厚さ３ｍｍ）に切削加工した。なお、この軌道輪は２個一組で使用するが、一方の軌道輪はレース付き、他方の軌道輪は転走面が平滑面になるように形成した。
そして、このようにして作製した軌道輪と、直径５．５６ｍｍ（７／３２インチ）の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）製の転動体（ボール）と、ガラス繊維１０重量％を添加して補強したナイロン６６で成形した保持器を使用してスラスト玉軸受（グリース等の潤滑剤を使用しないもの）を組み立てた。
【００２０】
実施例２
カーボンナノチューブ（多層）を１５重量％配合したポリエーテルエーテルケトン樹脂（ハイペリオン社製ＲＭＢ９０１５−００）を使用する以外は実施例１と同様にして、実施例と同一のスラスト玉軸受を組み立てた。
得られた実施例１および実施例２の玉軸受に対して、以下の水中スラスト試験を行ない、その結果を表１に示した。
【００２１】
＜水中スラスト試験＞
水中スラスト試験機を図２に示す。図２に示す水中スラスト試験機は、カップ形のハウジング内に水を溜め、スラスト軸受を水に浸けて回転試験を行なうものであり、スラスト玉軸受１は、転走面が平滑面の軌道輪２を上側に配置し、レース付きの軌道輪３を下側に配置してハウジング６で保持した。ハウジング６の内底部には、軌道輪３をホルダで固定し、軌道輪２は回転力が入力される回転軸７の先端に設けた円盤状のホルダ８に取り付けて回転軸７と一体に回転させるようにした。なお、図中番号４は、ボール（転動体）、図中番号９は、水の飛散を防止する蓋であり、ハウジング６には熱電対１０を装着して試験温度を測定すると共に、ロードセル１１で軸受に係るスラスト荷重を測定した。
【００２２】
試験条件は、軸受のスラスト荷重をＰｍａｘ  １０ｋｇ／ｍｍ２または２０ｋｇ／ｍｍ２とし、回転数２０３８ｒｐｍ（１２８ｍ／ｍｉｎ）、水中での試験時間を２０時間とした。
試験後の評価は、転走面が平滑面の軌道輪  の転走面を目視で観察することにより行ない、表中に○印（損傷なし）、△印（僅かに損傷が認められるか、または損傷は認められないが回転に支障があった。）、×印（剥離や摩耗などの損傷が明らかに認められるか、または変形量が１００μｍ以上である。）、−印（未試験）で示した。
【００２３】
比較例１〜比較例６
各比較例に用いた材料を以下に示す。
（１）炭素繊維３０重量％含有ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）
ビクトレックス社製：ＰＥＥＫ４５０ＣＡ３０
（２）ポリオキシメチレン樹脂（ＰＯＭ）
ポリプラスチックス社製：ジュラコンＭ９０−２５
（３）ポリアミド６樹脂（ＰＡ６）
東レ社製：アミランＣＭ１００１
（４）ポリアミド６６樹脂（ＰＡ６６）
東レ社製：アミランＣＭ３００１
（５）ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）
トープレン社製：Ｔ４ＡＧ
（６）合成マイカ
ナカコー社製：ＦＭ−２０
（７）ガラス繊維
旭ガラスファイバー社製：ＣＳＯ３ＭＡ４９７（φ１３μｍ、３ｍｍ）
【００２４】
上記材料を用いて、表１に示す配合割合で混合し、比較例１は３８０℃、８０ＭＰａで１時間加熱加圧する条件で、比較例２および比較例３は１９０℃、５０ＭＰａで０．２時間加熱加圧する条件で、比較例４は２２０℃、５０ＭＰａで０．２時間加熱加圧する条件で、比較例５は２８０℃、５０ＭＰａで０．２時間加熱加圧する条件で、比較例６は３２０℃、５０ＭＰａで０．５時間加熱加圧する条件で、それぞれリング型に射出成形した。
このリング型の成形体を一方の軌道輪がレース付き、他方の軌道輪は転走面が平滑であるスラスト玉軸受５１２０１用の軌道輪（外径２８ｍｍ、内径１４ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を作製した。
得られた軌道輪を使用したこと以外は、実施例１と全く同様の部品を用いて、スラスト玉軸受を組み立てた。このスラスト玉軸受に対して、実施例１と同一の水中スラスト試験を同じ条件で行ない、その結果を表１中に併記した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１の結果からも明らかなように、充填剤を含まない比較例２は、スラスト荷重がＰｍａｘ  ２０ｋｇ／ｍｍ２の条件で軌道輪に損傷が発生し、または運転に支障が生じた。
また、炭素繊維やマイカ、ガラス繊維で補強した合成樹脂からなる軌道輪を使用した比較例１または比較例３〜６は、スラスト荷重がＰｍａｘ  １０ｋｇ／ｍｍ２の条件で軌道輪に剥離や摩耗などの損傷が発生した。
これに対して、カーボンナノチューブを所定量だけ均一分散させた合成樹脂を使用した実施例１および２は、スラスト荷重がＰｍａｘ  ２０ｋｇ／ｍｍ２の条件でも軌道面の剥離、変形、摩耗などの損傷がなく、腐食性の高い環境で繰り返して転がり摩擦による応力を受けた場合でもクラックを発生させ難く、耐荷重性の高い軸受であることが確認できた。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、軸受部品が、合成樹脂を主成分としてカーボンナノチューブを分散させた樹脂組成物からなる成形体からなる転がり軸受としたので、樹脂組成物は微細なカーボンナノチューブと合成樹脂とが分子レベルで絡み合って機械的強度の高い軸受部品となり、外力を受けた場合の弾性変形量が小さく、耐荷重性が高くなり、また腐食性の高い環境で繰り返して転がり摩擦による応力を受けた場合に、各部品はクラックを発生させ難く、表層剥離または局所的な摩耗を起こさない転がり軸受になる。
【００２８】
また、転がり軸受は、カーボンナノチューブの配合割合が１〜５０重量％である場合に、上記した利点をより確実にかつ充分に奏するものになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単式スラスト玉軸受の断面図である。
【図２】水中スラスト試験機を示す図である。
【符号の説明】
１  転がり軸受
２  ハウジング軌道盤
３  軸軌道盤
４  転動体
５  保持器
【図１】
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【図２】
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