JP2006349063A - 転がり支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場環境下且つ腐食環境下で良好に作動する転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪２および外輪１を放電プラズマ焼結によるＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金製とし、玉３を窒化珪素製とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受、リニアガイド装置、ボールねじ等の転がり支持装置（互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材および前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する装置）に関する。

半導体装置、液晶パネル、ハードディスク等の製造過程で使用する装置には、転がり軸受、リニアガイド、ボールねじ等の転がり支持装置が組み込まれており、磁場環境下で使用されるものもある。例えば、電子線を利用した露光装置、描画装置、検査装置などで、電子線が照射されるシリコンウエハの移動に、転がり支持装置が使用されている。そして、磁場環境下で使用される転がり支持装置が磁性材からなるものであると、磁場が乱れて測定精度や製造精度（描画精度）が低下する。

また、半導体装置、液晶パネル、ハードディスク等は、製造工程で各種薬品で洗浄されるため、その製造過程で使用する装置に組み込まれた転がり支持装置には、腐食環境下で良好に作動することが要求される。
下記の特許文献１には、磁場環境下で使用される転がり軸受として、内輪および外輪をＮｉを結合相とするＷＣ−Ｎｉ系超硬合金で形成し、転動体を非磁性のセラミックス製とすることが開示されている。
特開２０００−１５４８２５号公報

しかしながら、Ｎｉを結合相とするＷＣ−Ｎｉ系超硬合金で形成された内輪および外輪の非磁性を確保するためには、ＷＣ合金中の炭素含有等を厳密に制御する必要がある。また、ＷＣ−Ｎｉ系超硬合金で形成された内輪および外輪は、Ｎｉ含有率によって強度、硬さ、および焼結性が異なるため、腐食環境下で良好な耐久性を得るためには、Ｎｉ含有率を厳密に制御する必要がある。特許文献１にはこれらの点についての記載がない。
本発明の課題は、磁場環境下且つ腐食環境下で良好に作動する転がり支持装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の転がり支持装置は、互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材および前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、転動体、第一部材、および第二部材の少なくともいずれかは、放電プラズマ焼結により得られたＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金で形成されていることを特徴とする。

ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金はＮｉおよびＣｏの合金相を含まない合金であるため、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金で形成された部材は、ＷＣ−Ｎｉ系超硬合金を用いた場合とは異なり、確実に非磁性となる。
また、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金からなる部材を放電プラズマ焼結で作製することにより、硬くて（Ｈｖ２０００程度）機械的強度の高い部材が得られる。すなわち、放電プラズマ焼結を採用することにより、１３００℃程度の焼結温度で緻密な焼結体が得られる。これに対して、真空焼結を採用すると１５００℃以上の高温で焼結する必要があるため、炭化物の粒子が大きくなって硬さが低くなり、機械的強度が低下する。

本発明によれば、放電プラズマ焼結により得られたＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金で形成された転動体、第一部材、および第二部材が、確実に非磁性となり、硬くて機械的強度の高い部材となるため、磁場環境下且つ腐食環境下で良好に作動する転がり支持装置が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。
呼び番号６０００の玉軸受（内径１０ｍｍ、外径２６ｍｍ、幅：８ｍｍ）の内輪および外輪を以下の方法で作製した。この軸受は、図１に示すように、外輪１、内輪２、玉（転動体）３、および冠形の保持器４で構成され、シールを設けていない。
原料粉末として、Ｎｉ粒子（粒度：１．０〜１．５μｍ）、Ｃｏ粒子（粒度：１．０〜１．５μｍ）、ＷＣ粒子（粒度：１．０〜２．５μｍ）、ＴｉＣ粒子（粒度：０．５〜２．０μｍ）、ＴａＣ粒子（粒度：０．５〜２．０μｍ）を用意した。

サンプルNo. １では、先ず、ＷＣ粒子とＴｉＣ粒子とＴａＣ粒子を、質量比でＷＣ：ＴｉＣ：ＴａＣ＝９５：３：２となるように混合した。次に、この混合物を内輪および外輪用の成形金型に入れて、加圧圧力５０ＭＰａで圧縮成形した後、２００Ａのパルス電流を通電し、１３００℃で１２０秒間保持することで、放電プラズマ焼結を行った。
これにより、放電プラズマ焼結によるＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金製の内輪および外輪を得た。この合金の組成は、ＷＣ−３質量％ＴｉＣ−２質量％ＴａＣであった。

サンプルNo. ２では、先ず、ＷＣ粒子とＴｉＣ粒子とＴａＣ粒子を、質量比でＷＣ：ＴｉＣ：ＴａＣ＝９５：３：２となるように混合した。次に、滑剤としてパラフィンを、この混合物に対して１質量％となるように添加した。次に、このパラフィンが添加された混合物を内輪および外輪用の成形金型に入れて、加圧圧力１００ＭＰａで圧縮成形した。次に、得られた成形体を脱脂した後に、真空炉内に入れて、１５００〜１６００℃で真空焼結を行った。
これにより、真空焼結によるＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金製の内輪および外輪を得た。この合金の組成は、ＷＣ−３質量％ＴｉＣ−２質量％ＴａＣであった。

サンプルNo. ３では、先ず、ＷＣ粒子とＮｉ粒子を、質量比でＷＣ：Ｎｉ＝９０：１０となるように混合した。次に、滑剤としてパラフィンを、この混合物に対して１質量％となるように添加した。次に、このパラフィンが添加された混合物を内輪および外輪用の成形金型に入れて、加圧圧力１００ＭＰａで圧縮成形した。次に、得られた成形体を脱脂した後に、真空炉内に入れて、１５００〜１６００℃で真空焼結を行った。
これにより、真空焼結によるＷＣ−Ｎｉ合金製の内輪および外輪を得た。この合金はＮｉ結合相を１０質量％含有していた。

サンプルNo. ４では、先ず、ＷＣ粒子とＣｏ粒子を、質量比でＷＣ：Ｃｏ＝９０：１０となるように混合した。次に、滑剤としてパラフィンを、この混合物に対して１質量％となるように添加した。次に、このパラフィンが添加された混合物を内輪および外輪用の成形金型に入れて、加圧圧力１００ＭＰａで圧縮成形した。次に、得られた成形体を脱脂した後に、真空炉内に入れて、１５００〜１６００℃で真空焼結を行った。
これにより、真空焼結によるＷＣ−Ｃｏ合金製の内輪および外輪を得た。この合金はＣｏ結合相を１０質量％含有していた。

得られたサンプルNo. １〜４の焼結体からなる内輪および外輪の透磁率を透磁率計で測定し、これらの測定値から比透磁率（真空の透磁率に対する比）を算出した。そして、内輪および外輪の比透磁率が１．００１以下の場合を非磁性、１．００１を超える場合を磁性と判断した。
また、得られたサンプルNo. １〜４の焼結体からなる内輪および外輪と、窒化珪素製の玉と、フッ素樹脂製の保持器を用いて、図１に示す転がり軸受を組み立てた。そして、組み立てた各転がり軸受を図２に示す日本精工（株）製の軸受回転試験機にかけて、腐食性液中に浸漬した状態での耐久性を調べた。

この試験機は、試験軸受１０の内輪を先端部１１ａに取り付ける軸１１と、外輪を内挿するハウジング１２を備えている。ハウジング１２の外周部にはプレート１３が固定され、このプレート１３に振動計１４が取り付けられている。ハウジング１２の外周部のプレート１３とは反対の側に、ワイヤー１５の一端が固定されている。このワイヤー１５の他端に、試験軸受１０にラジアル荷重を付与するための重り１６が取り付けられている。

この試験機では、また、容器２０を載せる台３０にアーム３１が固定され、その上に滑車３２が取り付けてある。試験軸受１０は、軸１１とハウジング１２との間に取り付けられた状態で容器２０内に設置する。そして、この状態で、ワイヤー１５を滑車３２を介して台３１の側部に垂下させる。容器２０内には１規定の塩酸（塩化水素水）Ｗが入っている。

また、軸１１の回転装置として、モータ１１１とスピンドル１１２と連結継ぎ手１１３とからなる回転装置１１０を備えている。
この試験機により下記の条件で回転試験を行い、振動値を基準とした軸受寿命を測定した。すなわち、軸受に生じる振動を回転試験中に常時測定し、この振動値が初期値の３倍以上となった時点で試験を中止し、それまでの総回転数を寿命とした。なお、全ての転がり軸受に対してグリースおよび潤滑油による潤滑は行わなかった。

＜回転試験条件＞
雰囲気温度：常温
ラジアル荷重：９Ｎ
回転速度：３０００ｍｉｎ^-1
そして、各試験用軸受の耐久性（回転寿命）を比較するために、サンプルNo. ３の転がり軸受の寿命を「１」とした時の相対値を算出し、これを「耐久性（相対値）」として表１に示した。また、内輪および外輪の透磁率に基づく、各転がり軸受の「非磁性」「磁性」の区別も表１に示す。

表１に示すように、No. １の転がり軸受は、内輪および外輪が放電プラズマ焼結によるＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金製であるため、本発明の転がり支持装置に相当する。表１の結果から、この転がり軸受は非磁性であり、本発明の範囲から外れるNo. ２〜４よりも、塩酸中での耐久性（振動寿命）に優れていることが分かる。すなわち、No. １の転がり軸受によれば、非磁性と、塩酸中での長期間の使用に耐えられる高い耐摩耗性の両方が得られる。

No. ２の転がり軸受は、内輪および外輪が真空焼結によるＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金製であるため、非磁性ではあったが、塩酸中での耐久性（振動寿命）がNo. ３の転がり軸受の半分であった。
No. ３の転がり軸受は、内輪および外輪が真空焼結によるＷＣ−Ｎｉ合金製であるため、磁性であり、塩酸中での耐久性（振動寿命）がNo. １の転がり軸受の１／１０であった。

No. ４の転がり軸受は、内輪および外輪が真空焼結によるＷＣ−Ｃｏ合金製であるため、磁性であり、塩酸中での耐久性（振動寿命）がNo. ３の転がり軸受の１／３以下であった。
したがって、内輪および外輪が放電プラズマ焼結によるＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金製であり、玉が窒化珪素製である転がり軸受は、磁場環境下且つ腐食環境下で長期間良好に作動することが分かる。

本発明の実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。 実施形態で使用した回転試験機を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 外輪
２ 内輪
３ 玉（転動体）
４ 保持器
１０ 試験軸受
１１ 軸
１１ａ 軸の先端部
１１０ 回転装置
１１１ モータ
１１２ スピンドル
１１３ 連結継ぎ手
１２ ハウジング
１３ プレート
１４ 振動計
１５ ワイヤー
１６ 重り
２０ 容器
３０ 台
３１ アーム
３２ 滑車
Ｗ 塩酸

Claims (1)

1. 互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材および前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、
   転動体、第一部材、および第二部材の少なくともいずれかは、放電プラズマ焼結により得られたＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣバインダーレス合金で形成されていることを特徴とする転がり支持装置。

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