(57)【要約】【課題】転がり軸受等の転がり支持装置において、金属製の軌道溝の防錆性能が長期に渡って持続されるようにする。【解決手段】転がり軸受の金属製の内輪および外輪の軌道溝１を、金属粒子３を含有する合成樹脂層２で被覆する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、
前記第１部材および第２部材の少なくともいずれかは、少なくとも軌道溝の部分が金属で形成され、且つ前記軌道溝が金属粒子を含有する合成樹脂層で被覆されていることを特徴とする転がり支持装置。
【請求項２】
前記合成樹脂層は、試料表面にプローブを圧入して得られる荷重−変位曲線から求めた塑性変形硬さが１．０ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下であり、前記曲線から求めた弾性係数が７０ＧＰａ以上１７０ＧＰａ未満である請求項１記載の転がり支持装置。
【請求項３】
前記合成樹脂層はフッ素樹脂からなる請求項１または２記載の転がり支持装置。
【請求項４】
前記フッ素樹脂は、フッ素原子の含有率が１０質量％以上４５質量％以下であるフッ素化合物からなる請求項３記載の転がり支持装置。
【請求項５】
前記金属粒子は、ＶＡ族元素、ＶＩＡ族元素、ＶIIＡ族元素、およびＶIII 族元素のいずれかの金属からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり支持装置。
【請求項６】
前記金属粒子はニッケル粒子であり、前記合成樹脂層中のニッケル粒子の含有率が５質量％以上７０質量％以下である請求項５記載の転がり支持装置。
【請求項７】
前記合成樹脂層の厚さが０．５μｍ以上１０μｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の転がり支持装置。
【請求項８】
有機フッ素化合物または炭化水素化合物を基油としたグリースで潤滑されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の転がり支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する装置、具体的には、転がり軸受（ボールベアリング、ローラベアリング等）、ボールねじ、リニアガイド、ボールスプライン、リニアボールベアリング等に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の内外輪は、通常、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼２種）等の鉄鋼材料で形成されており、防錆を目的として表面にめっきを施すことが行われている（例えば、下記の特許文献１参照）。この場合に採用されるめっき法としては、一般に、硬質クロムめっき、無電解ニッケルめっき、低温電解クロムめっき（いわゆる「レイデント処理」：「レイデント」はレイデント工業株式会社の登録商標）等が挙げられる。
【特許文献１】特開平１−９６３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような一般的なめっき法では、めっき層が薄いと、均一なめっき処理がなされなかったり、めっき層にクラックやピットが生じ易くなったりするため、防錆性能向上効果が不十分な場合がある。めっき層が厚いと防錆性能は高くなるが、厚さが不均一になり易い。転動体は面圧が付与された状態で軌道面を転動するため、厚さが不均一なめっき層は軌道面から剥がれ易くなる。したがって、厚いめっき層を設けた場合でも、防錆性能を長期に渡って持続することは困難である。
本発明は、このような従来技術の未解決な課題を解決するためになされたものであり、転がり軸受等の転がり支持装置において、金属製の軌道溝の防錆性能が長期に渡って持続されるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は、互いに対向配置される軌道溝を備えた第１部材および第２部材と、両部材の軌道溝間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を少なくとも備え、転動体が転動することにより第１部材および第２部材の一方が他方に対して相対移動する転がり支持装置において、前記第１部材および第２部材の少なくともいずれかは、少なくとも軌道溝の部分が金属で形成され、且つ前記軌道溝が金属粒子を含有する合成樹脂層で被覆されていることを特徴とする転がり支持装置を提供する。
【０００５】
図１は、前記第１部材または第２部材の軌道溝部分を示す断面図である。この図において、符号「１」は軌道溝（の表層部）であり、符号「２」は軌道溝を被覆する合成樹脂層であり、符号「３」は金属粒子である。この図に示すように、軌道溝１の表面は凹凸になっており、この凹部に金属粒子３が入ることで、合成樹脂層２の軌道溝１に対する密着性が高くなる。
【０００６】
そのため、軌道溝１の表面粗さに応じて、凹部に入る大きさの金属粒子３を使用することが好ましい。例えば、軌道溝１の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であれば、平均粒径が０．００５〜０．１μｍである金属粒子３を使用することが好ましい。
また、図１において、合成樹脂層２中の金属粒子３は、軌道溝１との境界側に密に存在しているが、合成樹脂層２の表面側に存在する金属粒子３の密度は低く、最表面には金属粒子３が露出していない。本発明において、金属粒子を含有する合成樹脂層はこの状態（図１の構成）になっていることが好ましい。
【０００７】
前記合成樹脂層は、耐水性、耐酸性、および耐アルカリ性が良好な（水中、酸性液、アルカリ液中で、機械的強度が保持される）材質からなることが好ましい。例えば、フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、フラン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂のうちのいずれか一種または二種以上からなることが好ましい。特に、フッ素樹脂からなることが好ましい。
【０００８】
前記合成樹脂層がフッ素樹脂からなる場合には、フッ素原子の含有率（例えば蛍光Ｘ線分析により測定される値）が５質量％以上７０質量％以下であるフッ素化合物からなるものを使用することが好ましい。前記合成樹脂層を構成するフッ素樹脂のフッ素原子含有率が５質量％未満であると、前記合成樹脂層の撥水性が不十分となり、ピンホールやクラックが生じ易くなる。前記合成樹脂層を構成するフッ素樹脂のフッ素原子含有率が７０質量％を超えると、前記合成樹脂層の金属製軌道溝に対する密着性が不十分となる。この含有率のより好ましい範囲は１０質量％以上４５質量％以下である。
【０００９】
使用可能なフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、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（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、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（ＰＦＡ）等が挙げられる。
【００１０】
前記金属粒子は、ＶＡ族元素、ＶＩＡ族元素、ＶIIＡ族元素、およびＶIII 族元素のいずれかの金属からなることが好ましい。
前記金属粒子としては、前記軌道溝をなす金属と原子半径が近い金属からなる粒子を用いることが好ましい。
前記軌道溝をなす金属が高炭素クロム軸受鋼やステンレス鋼等の鉄鋼製である場合には、前記金属粒子として、ニッケルまたはコバルトからなる粒子を用いることが好ましい。前記軌道溝をなす金属がアルミニウム合金やマグネシウム合金製である場合には、前記金属粒子として、チタン粒子を用いることが好ましい。
【００１１】
前記金属粒子がニッケル粒子の場合には、前記合成樹脂層中のニッケル粒子の含有率が５質量％以上７０質量％以下であることが好ましい。
前記合成樹脂層の厚さは、転動体と転動溝との隙間に応じて適宜設定されるが、例えば、０．５μｍ以上１０μｍ以下とする。前記合成樹脂層の厚さが０．５μｍ未満であると、防錆性能が不十分となることがある。前記合成樹脂層の厚さが１０μｍを超えると、転がり支持装置として必要な剛性が得られなくなる懸念がある。
【００１２】
また、前記合成樹脂層を設けることによって転動体と転動溝との隙間が多少狭くなっても、この合成樹脂層が接触応力に対してクリープ変形を起こして抵抗を吸収できるので、転動体の円滑な転動を確保できる。
厚さが１０μｍ以下である合成樹脂層の硬さおよび弾性係数を、下地の影響を受けずに測定する方法としては、試料表面にプローブを圧入して得られる荷重−変位曲線を利用して測定する方法が挙げられる。この測定は、エリオニクス社やフィッシャー社から市販されている微小硬度計を使用して行うことができる。
【００１３】
そして、前記合成樹脂層は、試料表面にプローブを圧入して得られる荷重−変位曲線（図２）から求めた塑性変形硬さが１．０ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下であり、前記曲線から求めた弾性係数が７０ＧＰａ以上１７０ＧＰａ未満であることが好ましい。これにより、転がり支持装置の作動の安定性を確保しながら、合成樹脂層を金属製軌道溝から剥離し難くできる。
【００１４】
前記合成樹脂層の前記硬さおよび弾性係数が前記各上限値より大きい（すなわち、剛性が高くなり過ぎる）と、金属製軌道溝の変形（転動体からの圧力や作動時の衝撃に伴う変形）に対する追従性が不十分となって、金属製軌道溝から剥離し易くなる。前記合成樹脂層の前記硬さおよび弾性係数が前記各下限値より小さいと、転がり支持装置の作動時に転動体の接触面積の増大によって転がり抵抗が過大となり易く、発熱が生じ易くなる。
【００１５】
また、前記硬さが１．０ＧＰａ未満であると、前記合成樹脂層中の金属粒子の含有率も少なくなるため、前記合成樹脂層の金属製軌道溝に対する密着性が低下する。前記合成樹脂層中の金属粒子の含有率は、５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。
ここで、前記硬さ（Ｈ）は、プローブ圧入時の接触深さから算出される接触投影面積（Ａｃ）と、最大荷重（Ｗmax ：図２のＡ点での荷重）とから、下記の（１）式で算出される。前記弾性係数（Ｅｒ）は、除荷曲線の初期の傾き（スティフネスＳ：図２のラインＢの傾き）と、前記接触投影面積（Ａｃ）とから、下記の（２）式で算出される。
Ｈ＝Ｗmax ／Ａｃ  ‥‥（１）
Ｅｒ＝Ｓ（√π）／２（√Ａｃ）  ‥‥（２）
【００１６】
なお、前記硬さおよび弾性係数の数値は、例えば、プローブとして、シリコン単結晶基板表面に１ｍＮの荷重で圧入した際に、圧入深さが５０ｎｍ〜６０ｎｍとなるバーコビッチ圧子を使用し、圧入荷重５ｍＮの条件で行った場合の数値である。
本発明の転がり支持装置は、有機フッ素化合物または炭化水素化合物を基油としたグリースで潤滑されていることが好ましい。これにより、有機フッ素化合物および炭化水素化合物以外を基油としたグリースで潤滑されている場合よりも、真空装置用として好適である。基油とする有機フッ素化合物としてはパーフルオロポリエーテルが、炭化水素化合物としてはアルキルシクロペンタンが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の転がり支持装置によれば、金属製の軌道溝の防錆性能が長期に渡って持続されるため、水中等の腐食雰囲気下で使用された場合の寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図３は、本発明の転がり支持装置の一実施形態に相当するリニアガイドを示す図である。
このリニアガイドは、案内レール（第１部材）４とスライダ（第２部材）５とボール（転動体）６とで構成されている。案内レール４の両側面にボール転動溝（軌道溝）４１が形成されている。スライダ５の内側面にも、案内レール４のボール転動溝４１と向かい合う位置に、ボール転動溝５１が形成されている。両ボール転動溝４１，５１により、ボール６の転動通路が形成されている。また、このリニアガイドは、スライダ５にボール戻し路が形成されていないタイプである。
【００１９】
ボール転動溝４１を含む案内レール４の全体を、機械構造用炭素鋼（中炭素鋼）Ｓ５７Ｃ相当の材料で形成し、高周波焼入れで硬化処理を施した。なお、案内レール４の全体は、肌焼き鋼ＳＣＲ４２０等の材料で形成した後に、浸炭または浸炭窒化処理が施されたものであってもよい。ボール転動溝５１を含むスライダ５の全体を、Ｓ５８Ｃ相当の材料で形成した。ボール６は高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２で形成した。ボール転動溝４１，５１の表面粗さは０．０９μｍとした。
【００２０】
ボール転動溝４１，５１の表面に、以下の方法で、金属粒子を含有する合成樹脂層を形成した。
フッ素樹脂粉末と、平均粒径０．０３μｍであるコバルト（Ｃｏ）粒子とニッケル（Ｎｉ）粒子の混合粉末と、界面活性剤とを、アルコールに分散させた。この分散液を容器に入れ、容器内の分散液を攪拌しながら、この容器内に案内レール４とスライダ５を入れて分散液に所定時間浸漬した。次に、案内レール４とスライダ５を分散液中から取り出し、大気中で２００℃の加熱処理を行った。
【００２１】
その結果、コバルト粒子とニッケル粒子が均一に分散されているフッ素樹脂層が、案内レール４とスライダ５の全表面に形成された。そして、エリオニクス社の微小硬度計を使用し、このフッ素樹脂層に、前述のバーコビッチ圧子からなるプローブを圧入荷重５ｍＮの条件で圧入して、図２に示すような荷重−変位曲線を得、この曲線から塑性変形硬さと弾性係数を求めた。その結果、塑性変形硬さは３．７ＧＰａであり、弾性係数は１１０ＧＰａであった。
【００２２】
この案内レール４とスライダ５を用いてリニアガイドを組み立てた。このリニアガイドを用いて、「ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１」に準拠した塩水噴霧試験を行い、噴霧時間４８時間までの耐食性を調べた。ボール転動溝４１，５１の表面に上記方法で厚さ１．８μｍの、コバルト粒子とニッケル粒子が均一に分散されているフッ素樹脂層を形成した場合、噴霧時間４８時間を過ぎても錆が発生しなかった。
【００２３】
比較例として、低温電解クロムめっきを行うことにより厚さ２．０μｍのクロムめっき層を、案内レール４とスライダ５の全表面に形成した。この案内レール４とスライダ５を用いてリニアガイドを組み立て、同様に耐食性を調べた。その結果、噴霧時間１２時間後に点錆が発生し、噴霧時間２４時間後には全面に錆が発生した。
なお、この実施形態の方法でフッ素樹脂層を形成する場合には、フッ素樹脂粉末と金属粉末との比率を、体積比でフッ素樹脂粉末：金属粉末＝３〜４：７〜６とすることが好ましい。さらに、この実施形態の方法で合成樹脂層を形成する場合には、浸漬時間、熱処理温度、熱処理時間を変えることで、得られる合成樹脂層の硬さおよび弾性係数を変えることができる。また、前記熱処理は省略することも可能である。
【００２４】
次に、フッ素原子含有率が異なるフッ素樹脂からなる粉末と、平均粒径が０．０３μｍであるニッケル（Ｎｉ）粉末を用い、両粉末の混合比率を変化させることでフッ素樹脂層中のニッケル粒子含有率を変化させた。また、熱処理条件（熱処理温度と熱処理時間）を変化させた。これ以外の点は前記と同じ方法で、案内レール４とスライダ５の全表面にニッケル粒子を含むフッ素樹脂層を形成した。これらの案内レール４とスライダ５を用いてリニアガイドを組み立てた。
【００２５】
また、各フッ素樹脂層の塑性変形硬さおよび弾性係数を前述の方法で測定した。これらの測定結果と、各サンプルで変化させた「フッ素樹脂のフッ素原子含有率（Ｆ含有率）」および「フッ素樹脂層中のニッケル（Ｎｉ）粒子含有率」を下記の表１に示す。なお、フッ素樹脂層の塑性変形硬さは熱処理条件により変化する。フッ素樹脂層の弾性係数は、フッ素樹脂のフッ素原子含有率、フッ素樹脂層中のニッケル粒子含有率、および熱処理条件により変化する。
【００２６】
「フッ素樹脂のフッ素原子含有率（Ｆ含有率）」および「フッ素樹脂層中のニッケル（Ｎｉ）粒子含有率」は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）のＺＡＦ定量分析法により測定した。ＺＡＦ定量分析法とは、標準試料と未知試料の特性Ｘ線強度を比較して得られた相対強度の値に、原子番号効果補正（Ｚ）、吸収補正（Ａ）、蛍光励起補正（Ｆ）を施して真の濃度を求める方法である。ここでは、タングステンフィラメントに１５ｋＶの電圧を印加して電子線を発し、この電子線を照射して発生した特性Ｘ線を用いて分析を行った。
【００２７】
このようにして組み立てたリニアガイドについて、接触応力（最大接触面圧）１．５ＧＰａの条件で１０００ｋｍ往復移動させる試験を行い、この試験後に、合成樹脂層に剥離が生じているかどうかを調べた。その際に、潤滑剤として、基油がパーフルオロポリエーテルであるグリース「フォブリンＹＶＡＣ３」を使用した。その結果を、下記の表１に示す。
また、この試験後に、グリース中の鉄含有率を測定した。この測定は以下の方法で行った。先ず、試験後のリニアガイドからグリースを５０〜１００ｍｇ採取して灰化させた。次に、これを王水に入れて、グリースに含まれている金属を溶解させた。次に、この王水に含まれる鉄の含有率を原子吸光光度計で分析した。この結果も下記の表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１の結果から、前述の方法で測定された合成樹脂層の塑性変形硬さが１．０ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下であり、弾性係数が７０ＧＰａ以上１６５ＧＰａ以下であると、転がり支持装置の作動の安定性を確保しながら、合成樹脂層が金属製軌道溝から剥離し難くなることが分かる。また、この範囲では、この範囲を外れる場合よりも、グリース中の鉄含有率も低く、本発明の構成とすることで、良好な耐摩耗性が得られることが分かる。
【００３０】
また、フッ素樹脂のフッ素原子含有率を１０質量％以上４５質量％以下、且つフッ素樹脂層中のニッケル粒子含有率を５質量％以上７０質量％以下とすることで、合成樹脂層の塑性変形硬さを１．０ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下、且つ弾性係数を７０ＧＰａ以上１６５ＧＰａ以下にできることが分かる。
なお、この実施形態では、スライダにボール戻し路が形成されていないタイプのリニアガイドについて説明しているが、本発明は、ボール戻し路が形成されているタイプのリニアガイドにも適用できる。
【００３１】
［第２実施形態］
図４は、本発明の転がり支持装置の一実施形態に相当するボールねじを示す図である。
このボールねじは、ねじ軸（第１部材）７とナット（第２部材）８とボール（転動体）９とで構成されている。ねじ軸７の外周面に螺旋状に形成されたボール転動溝（軌道溝）７１と、ナット８の内周面に螺旋状に形成されたボール転動溝（軌道溝）８１とに、第１実施形態と同じ方法で、厚さ１．８μｍの、コバルト粒子とニッケル粒子が均一に分散されているフッ素樹脂層を形成した。
【００３２】
ボール転動溝７１を含むねじ軸７の全体を、機械構造用炭素鋼ＳＣＭ４２０相当の材料で形成し、浸炭または浸炭窒化による硬化処理を施した。ボール転動溝８１を含むナット８の全体を機械構造用炭素鋼ＳＣＭ４２０相当の材料で形成し、浸炭または浸炭窒化による硬化処理を施した。ボール９は高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２で形成した。ボール転動溝７１，８１の表面粗さは０．０６μｍとした。
【００３３】
また、このボールねじは、ねじ軸７とナット８との間にグリース１０を充填しているとともに、ナット８の両端にシール部材８２を設けて、ねじ軸７とナット８との間を塞いでいる。
このボールねじを用いて、結露雰囲気での耐食性試験を行った。具体的には、環境試験装置内にボールねじを入れて装置内を相対湿度９０％とし、３時間毎に温度を２０℃と７０℃に変えることを繰り返すことで、この環境試験装置内に結露を発生させた。その結果、９０時間経過した後でもこのボールねじに錆が発生しなかった。
【００３４】
比較例として、低温電解クロムめっきを行うことにより厚さ２．０μｍのクロムめっき層を、ねじ軸７とナット８の全表面に形成した。このねじ軸７とナット８を用いてリニアガイドを組み立て、同様に耐食性を調べた。その結果、２４時間経過後には錆が発生していなかったが、４８時間経過後に点錆が発生し、９０時間経過後には全面に錆が発生した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の特徴を説明する図であって、金属粒子を含有する合成樹脂層で被覆されている軌道溝部分を示す断面図である。
【図２】試料表面にプローブを圧入して得られる荷重−変位曲線を示すグラフである。
【図３】本発明の転がり支持装置の一実施形態に相当するリニアガイドを示す図である。
【図４】本発明の転がり支持装置の一実施形態に相当するボールねじを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  軌道溝の表層部
２  合成樹脂層
３  金属粒子
４  案内レール（第１部材）
４１  ボール転動溝（軌道溝）
５  スライダ（第２部材）
５１  ボール転動溝（軌道溝）
６  ボール（転動体）
７  ねじ軸（第１部材）
７１  ボール転動溝（軌道溝）
８  ナット（第２部材）
８１  ボール転動溝（軌道溝）
８２  シール部材
９  ボール（転動体）
１０  グリース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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