(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道輪および転動体の少なくとも一方が、０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび銀被覆との付着強度向上手段としての０．５〜８．０重量％の銅を含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成された鋼からなることを特徴とする真空または宇宙空間用の転がり軸受。
【請求項２】
軌道輪および転動体の少なくとも一方が、０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび銅被覆との付着強度向上手段としての１．０〜８．５重量％のニッケルを含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成されその下に銅の被膜が形成された鋼からなることを特徴とする真空または宇宙空間用の転がり軸受。
【請求項３】
軌道輪および転動体の少なくとも一方が０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび鉛被覆との付着強度向上手段としての０．５〜８．０重量％の錫を含み、最表面の少なくとも一部に鉛の被膜が形成された鋼からなることを特徴とする真空または宇宙空間用の転がり軸受。
【請求項４】
上記軌道輪あるいは転動体の材料が粉末焼結材料である上記請求項１，２又は３記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中例えばＸ線発生装置、真空蒸着装置、半導体製造装置等の真空機器、あるいは宇宙空間において用いられる転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
真空中において用いられる軸受では、潤滑剤として油やグリースを用いることが困難である。このため、転動体や軌道輪の表面に、潤滑性を有する金属や二硫化モリブデン等の層状固体潤滑剤を用いたものが知られている。
例えば、イオンプレーティングにより、ＪＩＳ規格ＳＫＨ４などの鋼球に銀あるいは鉛の被膜を形成して、この銀あるいは鉛により固体潤滑するものがあるが、銀あるいは鉛の鋼に対する固着が弱く剥がれ易いという欠点があった。
【０００３】
このような欠点を解決するため、鋼の表面に、ニッケル，銅，銀の被膜を順次に形成して、表層の銀で固体潤滑するものが提供されている（例えば特開昭５５−５７７１７号公報参照）が、これでは、３層のイオンプレーティングを行うので、工程数が多くなって製造コストが高くなる。また、ニッケルや銅の膜厚の管理が困難なため歩留まりが悪く、この点からも製造コストが高くなっていた。鉛の場合にも、鋼の表面に錫、鉛の被膜を順次に形成するので、同様の問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、固体潤滑層が安価で剥がれ難い、真空または宇宙空間用の転がり軸受を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、
１）請求項１記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪および転動体の少なくとも一方が、０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび銀被覆との付着強度向上手段としての０．５〜８．０重量％の銅を含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成された鋼からなることを特徴とするものである。
【０００６】
一般に、ある金属に対する他の金属の被膜の付着強度は、互いの金属の固溶限（溶解度）の大きさに依存し易く、潤滑性を有する銀は、鉄系合金に対し固溶限が小さい。一方、銅に対する銀の固溶限は、鉄系合金に対する銀の固溶限よりも一般に高いので、本発明のように、銅を含む鉄系合金であれば銀の被膜の付着強度を高くできる。また、被膜が１層で良いので、従来の３層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚の管理も容易になる。
【０００７】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、高温用軸受の軌道輪および転動体に用いる例えばＪＩＳ規格ＳＫＨ４やＡＩＳＩ規格Ｍ５０に準ずるものとした。なお、ケイ素やマンガンの含有率は極微量でも良いが、０．２０重量％以上であることが好ましい。また、銀被膜との密着性を考慮すると銅の含有率は０．５重量％以上であることが好ましい。一方、銅の含有率が高いほど銀の被膜との密着性は向上するが、８．０重量％を超えた場合、熱間加工等の成形性が大きく低下するので、銅の含有率の範囲は０．５〜８．０重量％が好ましい。
【０００８】
ここで、最表面の少なくとも一部とは、軌道輪に被膜を形成する場合に、必ずしも軌道輪の表面全体に被膜を形成する必要はなく、軌道輪の軌道面のみであっても良い趣旨である。また、銀の被膜の厚みは、０．０１〜０．１μｍであることが好ましい。
２）また、請求項２記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪および転動体の少なくとも一方が、０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび銅被覆との付着強度向上手段としての１．０〜８．５重量％のニッケルを含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜が形成されその下に銅の被膜が形成された鋼からなることを特徴とするものである。
【０００９】
一般に、ニッケルに対する銅の固溶限や、銅に対する銀の固溶限は、ニッケルに対する銀の固溶限よりも高い。したがって、本発明のように、ニッケルを含む鉄系合金であれば、銅の被膜を形成したうえから銀の被膜を形成すれば、銀被膜の付着強度を確保することができる。また、被膜が２層で良いので、従来の３層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚の管理も容易になる。
【００１０】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、請求項１記載の発明と同じである。また、銅被膜との密着性を考慮するとニッケルの含有率は１重量％以上であることが好ましい。一方、ニッケルの含有率が高いほど銅の被膜との密着性は向上するが、８．５重量％を超えた場合、熱処理後においても残留オーステナイトのために硬さが不足し、転がり軸受用として適さなくなるので、ニッケルの含有率の範囲は１．０〜８．５重量％が好ましい。また、銅および銀の各被膜の厚みは、それぞれ０．０１〜０．１μｍであることが好ましい。
【００１１】
３）また、請求項３記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪および転動体の少なくとも一方が０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび鉛被覆との付着強度向上手段としての０．５〜８．０重量％の錫を含み、最表面の少なくとも一部に鉛の被膜が形成された鋼からなることを特徴とするものである。
【００１２】
錫に対する鉛の固溶限は、鉄系合金に対する鉛の固溶限よりも高い。したがって、本発明のように錫を含む鉄系合金であれば、鉛の被膜の付着強度を確保することができる。また、被膜が１層で良いので、従来の２層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚の管理が容易になる。
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、請求項１記載の発明と同じである。また、鉛被膜との密着性を考慮すると、錫の含有率は０．５重量％以上であることが好ましい。一方、錫の含有率が高いほど鉛の被膜との密着性は向上するが、８．０重量％を超えた場合、脆性が生じ、熱間形成等の加工性が低下し、また、強度面でも転がり軸受用として適さなくなるので、錫の含有率の範囲は０．５〜８．０重量％が好ましい。
【００１３】
また、鉛の被膜の厚みは、０．０５〜０．８μｍであることが好ましい。
４）また、請求項４記載の真空または宇宙空間用の転がり軸受は、上記請求項１，２又は３において、上記軌道輪あるいは転動体の材料が粉末焼結材料であることを特徴とするものである。一般の鉄系金属では、銅あるいは錫を多く含む材料を溶解して製作する場合は、偏析等の対策が必要であるが、粉末焼結により材料を製作することにより、材料性状が安定した材料、ひいては被膜の付着強度が高く、安定した転がり軸受を提供することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図１において、真空または宇宙空間用の転がり軸受は、軌道輪としての内輪１および外輪２と、両輪１，２の軌道面１ａ，２ａ間に介在した複数の転動体としての玉３と、これらの玉３を保持する保持器４とを備えている。保持器４は必要に応じ省略して総玉形式としても良い。
【００１５】
図２は玉の拡大断面図である。図２を参照して、本実施形態では、玉３が、０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび０．５〜８．０重量％の銅を含み、最表面の少なくとも一部に銀の被膜５がイオンプレーティングにより形成された鋼からなっている。なお、鋼には、通常の焼き入れ焼き戻しによる熱処理が施され、その後にイオンプレーティングが施されている。
【００１６】
本実施形態では、本発明の特徴を玉３に適用した例に則して説明するが、内輪１、外輪２および玉３の少なくとも一つに適用すれば良い。軌道輪１，２に銀の被膜を形成する場合は、必ずしも全体に形成する必要はなく、軌道面１ａ，２ａのみに形成すれば十分である。
本実施形態では、玉３の材料となる鋼が上記の割合で銅を含むので、銀の被膜の付着強度を高くできる結果、銀の被膜を剥がれ難くし、軸受寿命を長くすることができる。また、被膜が１層で良いので、従来の３層のものと比較して工程数が削減できる結果、製造コストを安価にできるとともに膜厚管理も容易となるので精度が向上する。
【００１７】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、高温用軸受の軌道輪および転動体に用いる材料として適したものとした。また、ケイ素やマンガンの含有率は極微量でも良いが、０．２０重量％以上であることが好ましい。
また、銅の含有率を上記の範囲としたのは、下記の理由による。即ち、銀被膜との密着性を考慮すると銅の含有率は０．５重量％以上であることが好ましく、銅の含有率が高いほど銀の被膜との密着性は向上するが、８．０重量％を超えた場合、熱間加工等の成形性が大きく低下するので、銅の含有率の範囲は０．５〜８．０重量％であることが好ましい。
【００１８】
次いで、図３は本発明の他の実施形態を示している。同図を参照して、本実施形態では、玉３が、０．７３〜１．１０重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび１．０〜８．５重量％のニッケルを含む鋼からなっている。そして、玉３の表面にイオンプレーティングにより、まず、銅の被膜６が形成され、そのうえに、銀の被膜７が形成されている。
【００１９】
本実施形態では、ニッケルを含む鋼を用い、ニッケルに対して密着性の良い銅の被膜６をまず形成し、この銅の被膜６に対して密着性の良い銀の被膜７を形成したので、銀の被膜７の付着強度を確保することができる。また、被膜６，７が２層で良いので、従来の３層のものと比較して工程数が削減できるとともに膜厚管理も容易となる。
【００２０】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は、第１の実施形態と同じである。また、ニッケルの含有率を上記の範囲としたのは、下記の理由による。即ち、銅の被膜６との密着性を考慮するとニッケルの含有率は１重量％以上であることが好ましい。一方、ニッケルの含有率が高いほど銅の被膜６との密着性は向上するが、８．５重量％を超えた場合、熱処理後においても残留オーステナイトのために硬さが不足し、転がり軸受用として適さなくなるので、ニッケルの含有率の範囲は１．０〜８．５重量％であることが好ましい。
【００２１】
図４は本発明の他の実施形態を示している。すなわち、玉３が０．７３〜１．２５重量％の炭素、０．４０重量％未満のケイ素、０．５０重量％未満のマンガン、１．３０〜４．５０重量％のクロムおよび０．５〜８．０重量％の錫を含む鋼からなっている。そして、玉３の表面にイオンプレーティングにより鉛の被膜８が形成されている。
【００２２】
本実施形態では、玉３の材料となる鋼が上記の割合で錫を含むので、鉛の被膜の付着強度を高くできる結果、鉛の被膜が剥がれ難くなり、軸受寿命を長くすることができる。
また、被膜が１層で良いので、従来の２層のものと比較して、工程数を削減できる結果、製造コストを安価にできるとともに膜厚管理も容易となる。
【００２３】
なお、炭素、ケイ素、マンガンおよびクロムの含有率は第１の実施形態と同じである。
また、錫の含有率を上記の範囲としたのは下記の理由による。すなわち、鉛の被膜８との密着性を考慮すると、錫の含有率は０．５重量％以上であることが好ましい。一方、錫の含有率が高いほど鉛の被膜との密着性は向上するが、８．０重量％を超えた場合、脆性が生じ、熱間成形等の加工性が低下し、また、強度面でも転がり軸受用として適さなくなるので、錫の含有率の範囲は０．５〜８．０重量％が好ましい。
【００２４】
図２，３，４に示す実施形態において、玉３の材料がそれぞれに規定する成分の粉末焼結材料であっても、同様の効果を発揮することができる。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば上記各実施形態では、深溝玉軸受の場合を説明したが、他の形式の転がり軸受、例えばアンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円すいころ軸受または球面ころ軸受であっても良い。
【００２５】
【実施例】
下記の表１にそれぞれ示すような材料の鋼で転動体を形成し、その表面にイオンプレーティングにより銀の被膜を形成した実施例１と、イオンプレーティングで銅の被膜を形成したうえに銀の被膜を形成した実施例２、イオンプレーティングにより鉛の被膜を形成した実施例３とを製造した。
【００２６】
また、上記の実施例１と比較して、銅の含有割合が主に異なり他の成分の含有割合は略同じである比較例１を製造した。また、上記の実施例２と比較して、ニッケルの含有割合が主に異なり他の成分の含有割合は略同じである比較例２を製造した。また、上記実施例３と比較して、鉛の含有割合が主に異なり他の成分の含有割合が略同じである比較例３を製造した。
【００２７】
【表１】
0003763553.tif 000002
【００２８】
さらに、従来の材料（ＳＵＪ２）にイオンプレーティングにより銀の被膜を形成し、さらにその上に二硫化モリブデンの被膜を形成した比較例４を製造し、真空四球式試験装置にて、回転トルクと寿命について各例複数個ずつ試験を行った。
試験条件は、下記である。
【００２９】
球サイズ        ：１／４inch
圧力（真空度）  ：６×１０-4Ｐａ
荷重（最大接触応力）：１９６Ｎ（４２００Ｎ／ｍｍ2 ）
回転速度（すべり速度）：１３２rpm （７６ｍｍ／ｓ）
温度                ：室温
試験結果を、摩擦係数の時間的変化を示す図５、寿命時間のワイブル分布を示す図６および表１に示す。その結果、下記のことが判明した。
▲１▼  実施例１，実施例２および実施例３と、従来例である比較例４とを比較すると、実施例１，実施例２および実施例３は、長寿命（略５０％向上、図５参照）で、且つ安定しており（図６参照）、密着性、寿命が格段に向上していることが判明した。
▲２▼  実施例１と、これに対して銅の含有割合が主に異なる比較例１とを比較すると、実施例１がＢ10寿命で約１．５倍長寿命（図７参照）となり、銀の被膜の密着性を高めるうえで、銅は０．５重量％以上含まれていることが必要であると判明した。
▲３▼  実施例２と、これに対してニッケルの含有割合が主に異なる比較例２とを比較すると、実施例２がＢ10寿命で約１．５倍長寿命（図８参照）となり、銅の被膜の密着性を高めるうえで、ニッケルは１．０重量％以上含まれていることが必要であると判明した。
▲４▼  実施例３と、これに対して錫の含有割合が主に異なる比較例３とを比較すると、実施例３がＢ10寿命で約１．５倍長寿命（図９参照）となり、鉛の被膜の密着性を高めるうえで、錫は０．５重量％以上含まれていることが必要であると判明した。
【００３０】
なお、上記各実施例では、軌道輪、転動体の鋼は、ＪＩＳ規格ＳＫＨ４あるいはＡＩＳＩ規格Ｍ５０に準じた鋼成分範囲の炭素、ケイ素、マンガン、クロムを選択しているが、通常の一般軸受の使用温度域で使用される場合には、ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ鋼相当のケイ素（１．００重量％以下）、マンガン（１．００重量％以下）、クロム（１６．００〜１８．００重量％）を選択しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明では、銀に対する固溶限の高い成分である銅を含む鋼の表面に、銀の被膜を形成するので、銀の付着強度を高くでき、固体潤滑層として剥がれ難い銀の被膜を得ることができる。また、３層の被膜を形成する従来の場合と比較して被膜形成工程の回数を削減でき、その分製造コストを安価にできるとともに膜厚の管理も容易になる。
【００３２】
また、請求項２記載の発明では、ニッケルを含む鋼の表面に、当該ニッケルに対する溶解度の高い銅の被膜を形成し、この上に銅に対する固溶限の高い銀の被膜を形成するので、銀の付着強度を高くできる結果、固体潤滑層として剥がれ難い銀の被膜を得ることができる。また、３層の被膜を形成する従来の場合と比較して被膜形成工程の回数を削減でき、その分製造コストを安価にできるとともに膜厚の管理も容易になる。
【００３３】
また、請求項３記載の発明では、鉛に対する固溶限の高い成分である錫を含む鋼の表面に鉛の被膜を形成するので、鉛の付着強度を高くでき、固体潤滑層として剥がれ難い鉛の被膜を得ることができる。また、２層の被膜を形成する従来の場合と比較して、被膜形成工程の回数を削減でき、その分製造コストを安価にできる。
【００３４】
なお、本発明の実施において、材料を粉末焼結により製作することが可能であり、その場合、偏析等の材料性状を安定させることが容易であり、結果として被膜の付着強度が高く、安定した転がり軸受を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の転がり軸受の概略断面図である。
【図２】転動体としての玉の要部の拡大断面図である。
【図３】他の実施形態における玉の要部の拡大断面図である。
【図４】他の実施形態における玉の要部の拡大断面図である。
【図５】摩擦係数の経時変化を示すグラフ図である。
【図６】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【図７】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【図８】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【図９】寿命時間のワイブル分布を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１      内輪
２      外輪
３      玉（転動体）
５，７  銀の被膜
６      銅の被膜
８      鉛の被膜
【図１】
0003763553.tif 000003
【図２】
0003763553.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003763553.tif 000008
【図７】
0003763553.tif 000009
【図８】
0003763553.tif 000010
【図９】
0003763553.tif 000011