树脂制保持器和轴承的制作方法

专利名称：树脂制保持器和轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及树脂制保持器，特别涉及适用于在使用液氢、液氧、液氮、LNG等的极低温环境下、或在真空中使用的轴承的树脂制保持 器。
背景技术：
滚动轴承，将球或圆筒滚子等滚动体排列在内轮和外轮之间的轨 道空间，利用保持器保持这些滚动体。该保持器多数情况是在内轮或 外轮侧的任一侧被导向。此外，有时在低温环境下使用滚动轴承。作为在低温环境下使用的轴承的代表例，有用于火箭发动机的液 体燃料用涡轮泵的旋转支持部的角接触球轴承。图3示出了该涡轮泵 中使用的角接触球轴承l的结构例。该轴承由内轮2、外轮3、多个作 为滚动体4的球4a、保持器5的4种部件构成。内轮2和外轮3与球 4a相对于径方向中心线A具有设定的角度6 (接触角)接触，能够施 加径向荷重和一方向的轴向荷重。该轴承有时在液氢或液氧中这样的极低温环境下，dn值(-内轮 内径mmx内轮旋转数rpm)超过160万的高速旋转这样的苛刻条件下 使用。因此，内轮2、外轮3和多个球4a由具备强韧性的马氏体不锈 钢形成，保持器5由复合材料形成，该复合材料是用玻璃纤维增强具 备润滑性能的聚四氟乙烯树脂(以下简称为PTFE)而成(非专利文献 1)。此外，图4中示出具有凹穴(窗孔，pocket)部的现有的保持器 的实例。图4 (a)表示保持器的斜视图，图4 (b)表示图4 (a)的 D-D截面的侧面图。为了将凹穴部5a设置于保持器5，有用PTFE作成 保持器5本体的方法和用金属作成保持器5本体的方法。 对于用PTFE作成保持器5本体的方法，已知如下方法将玻璃织 布层合为圆筒状，使其浸渍PTFE并烧成后，采用机械加工形成保持器 本体5和凹穴部5a，进行使存在于加工面的玻璃纤维溶解的氟化氢处 理的方法(专利文献l)。对于用金属作成保持器5本体的方法，已知如下方法采用机械 加工形成保持器本体5和凹穴部5a，插入PTFE制的凹穴构件的方法 (专利文献2)。但是，专利文献l的情况下，保持器材料是将玻璃织布层合为圆 筒状，使其浸渍PTFE并烧成而成的复合材料，因此存在如下等问题(1)材料自身变得非常高价，(2)加工成保持器形状后，由于需要 使加工面存在的玻璃纤维溶解的氟化氢处理，因此价格进一步升高，(3)材料的制造方法特殊，因此生产率也低，从订货到交货也需要长 时间。对于专利文献2的情况，由于是复杂的保持器形状，存在本体金 属部分的机械加工困难的问题。非专利文献1:野坂正隆，日本复合材料学会会志，20巻，6号 (1994 ) ， 215-223专利文献1:特公平2-20854号公报 专利文献2:特开2003-232363号公报发明内容发明要解决的课题本发明是针对上述问题而完成的研究，其目的在于提供在没有使 保持器形成复杂的结构的情况下，而且在没有进行特殊处理的情况下， 能够在极低温环境下或者在真空中使用的树脂制保持器和使用了该保 持器的轴承。用于解决课题的方法本发明的树脂制保持器，是具备具有沿半径方向贯通的多个凹 穴部(pocket portion)的圓环状的本体、设置于该圆环状的本体且 保持滚动轴承的滚动体的凹穴构件(pocket member)而成的树脂制保 持器，其特征在于上述本体是在第1树脂中配合有固体润滑材料的 第l树脂組合物的成型体，上述凹穴构件至少保持上述滚动体的滚动 体保持表面由以氟树脂为主成分的第2树脂组合物形成。其特征在于上述第1树脂组合物的成型体的拉伸强度为30MPa 以上并且耐热温度为200X:以上。应予说明，本发明中，拉伸强度是 指采用根据JIS K7161的方法测定的值，耐热温度是指采用根据ASTM D648的方法测定的值。其特征在于上述第1树脂包含选自芳香族聚醚醚酮和聚苯硫醚 中的至少一种树脂。其特征在于上述第1树脂组合物中配合的固体润滑材料是PTFE。 此外，其特征在于上述固体润滑材料的配合比例，相对于上述第1 树脂组合物全体，为10重量％~60重量％。其特征在于上述氟树脂为PTFE。此外，其特征在于上述第2 树脂组合物在含有上述氟树脂的同时还含有补强材料。本发明的轴承，是包括内轮和外轮、存在于该内轮和外轮之间的 滚动体、和保持该滚动体的保持器的轴承，其特征在于将树脂制保持器用于上述保持器。此外，其特征在于上述轴承是用于火箭发动机的液体燃料用涡 轮泵的轴承。发明效果本发明的树脂制保持器，该保持器本体是配合有固体润滑材料的 第l树脂組合物的成型体，保持滚动轴承的滚动体的凹穴构件至少保 持上述滚动体的滚动体保持表面由以氟树脂为主成分的第2树脂组合 物形成，因此能够兼具保持器的强度和润滑特性。此外，上述第l树脂组合物的成型体的拉伸强度为30MPa以上并 且耐热温度为200。C以上，上述第2树脂组合物是氟树脂组合物，因 此能够使与滚动体的接触圆滑。此外，在极低温环境下能够兼具保持 器的强度和润滑特性。
本发明的树脂制保持器，由于只成型第l树脂组合物就能够制造 保持器本体，因此不需要切削等机械加工，能够使生产效率提高。本发明的轴承，是包括内轮和外轮、存在于该内轮和外轮之间的 滚动体、和保持该滚动体的保持器的轴承，上述保持器是树脂制保持 器，因此能够兼具在极低温环境下使用的轴承的强度和润滑特性。此外，上述轴承在极低温环境下能够兼具强度和润滑特性，因此 能够用于在火箭发动机的液体燃料用涡轮泵中使用的轴承。


图l是树脂制保持器的组图。图2是凹穴构件的平面图和正面图。图3是表示现有的角接触球轴承的截面图。图4是现有的保持器的斜视图和侧面图。符号说明1角接触球轴承2内轮3外轮4滚动体5保持器6凹穴构件7粘接层具体实施方式
使用了如下的保持器的轴承，发现对于在极低温环境下的使用显 示出优异的机械强度和润滑性能用配合有固体润滑材料并且具有一 定机械强度和磨耗特性的树脂组合物成型保持器本体，在保持器的凹 穴部安装有以氟树脂为主成分的第2树脂组合物。这被认为是，树脂 制保持器本体发挥优异的机械强度和磨耗特性，同时从由安装在凹穴 部的以氟树脂为主成分的第2树脂组合物形成的凹穴构件，氟树脂迁
移附着到滚动体滑动面，进而迁移附着到滚动体的氟树脂迁移附着到 内轮和外轮的轨道面，带来润滑作用。本发明是基于这样的见识完成的。形成本发明的树脂制保持器本体的上述第1树脂组合物中能够使用的树脂，只要是能够得到拉伸强度为30MPa以上并且耐热温度为200 。C以上的树脂组合物的树脂即可。作为这样的树脂，优选超级工程塑 料。通过使用能够得到拉伸强度为30MPa以上并且耐热温度为200*C 以上的树脂组合物的超级工程塑料，滚动轴承所要求的耐磨性和耐久 性提高。作为树脂单独的耐热温度的例子，对于聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等通用塑料，为ioox:以下，对于聚缩醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚(PPE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PPB)等通用工程塑料，为ioon以上，对于超级工程塑料，为i50t:以上。上述超级工程塑料，具体地可以列举聚酰亚胺(以下简称为PI)、 聚醚酰亚胺或聚酰胺酰亚胺等聚酰亚胺系树脂、聚苯硫醚(以下简称为PPS)等聚亚芳基硫醚系树脂、聚砜、聚醚砜、聚芳酯、芳香族聚 醚醚酮(以下简称为PEEK)或芳香族聚醚酮等芳香族聚醚酮系树脂、 脂肪族聚酰胺树脂、聚邻苯二甲酰胺等芳香族聚酰胺树脂等。这些超级工程塑料即使在树脂单独的情况下耐热温度小于200c，通过作为树脂组合物而使耐热温度为20ox:以上，也能够使用。 作为得到耐热温度为200x:以上的树脂组合物的方法，能够使用添加 填料等耐热温度提高剂的方法、制成与耐热温度高的其他超级工程塑 料树脂的树脂混合物的方法等。在这些超级工程塑料中，由于耐磨性和自润滑性优异，因此优选PI等聚酰亚胺系树脂、PPS等聚亚芳基硫醚系树脂、PEEK等芳香族聚 醚酮系树脂或芳香族热固性树脂。通过使用这些树脂，容易在滚动体 表面形成树脂被膜。再有，如果是可以注射成型的材料，由于收率高、 生产率提高，因此优选。特别优选的是PEEK等芳香族聚醚酮系树脂和 PPS等聚亚芳基硫醚系树脂。本发明的树脂制保持器本体中能够使用的固体润滑材料，可以列
举PTFE、 二疏化钼、二硫化鴒、石墨、硫化锑、氮化硼等硼化合物等。 其中，优选使用与超级工程塑料的相容性好，对于复杂的保持器形状 的成型性和使极低温时的滑动部的摩擦系数和磨耗量降低的性质优异 的PTFE。固体润滑材料的配合比例，相对于第l树脂组合物全体，优 选为10重量％~60重量％。如果小于10重量％，树脂制保持器本体的 滑动特性降低，如果超过60重量％，树脂制保持器本体的机械强度降 低。由PTFE制作的现有的保持器本体，是将玻璃织布层合为圆筒状， 使其浸渍PTFE并烧成而得到的复合材料，因此存在机械强度的提高存 在限度，直至制品交货的订货至交货的时间也需要长时间的问题。与 其相反，本发明只是将包含超级工程塑料和固体润滑材料的树脂组合 物成型，就可以制造保持器本体。此外，由金属制作的现有的保持器本体，需要复杂的机械加工。 与其相反，本发明只是将包含超级工程塑料和固体润滑材料的树脂组 合物成型，就可以制造保持器本体，因此不需要切削等机械加工，能 够使生产率提高。本发明的树脂保持器中设置的凹穴构件，至少保持滚动体的滚动 体保持表面由以氟树脂为主成分的第2树脂组合物形成。上述凹穴构件能够使用的氟树脂，树脂的主成分作为固体润滑成 分，具有特别是在真空气氛中容易迁移附着的性质。具体地可以列举 PTFE、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(以下简称为PFA)、乙烯 -四氟乙烯共聚物(以下简称为ETFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物 (FEP)、四氟乙烯-氟代烷基乙烯基醚-氟代烯烃共聚物(EPE)、聚 三氟氯乙烯共聚物(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚 偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)等。它们可以是各自单独或混合 物。其中优选PTFE、 PFA或ETFA，由于迁移附着到滑动配合材料上而 使滑动部的摩擦系数和磨耗量降低的性质优异，因此特别优选PTFE。本发明的树脂制保持器的凹穴构件中能够使用的第2树脂组合物 的主成分的氟树脂，只要是比内轮、外轮、滚动体和保持器软的固体，
由于与随轴承的旋转而产生的作为滑动配合材料的内轮、外轮和滚动 体的滑动，少量磨耗则生成磨耗粉，在与内轮、外轮和滚动体的滑动 面形成润滑膜即可。PTFE可以是树脂单独，为了补强其机械强度，可以根据需要配合 纤维状填充材料或各种晶须、无机物等补强材料。补强材料可以使用 一种或者将两种以上复合使用。补强材料只要是向滑动配合材料的迁移附着性优异，能够降低滑 动部的摩擦系数，能够减少磨耗量即可。具体地说，在纤维状填充材 料中，能够示出PAN系碳纤维、源青系碳纤维等碳纤维，磨断纤维、 玻璃纤维、钛酸钾纤维、硼纤维、碳化硅纤维、黄铜、铝、锌等的金 属纤维等无机纤维、以芳族聚酰胺纤维为代表的有机纤维等。作为晶须，可以列举碳化硅晶须、氮化硅晶须、钛酸钾晶须、硼 酸铝晶须、氧化锌晶须、硫酸镁晶须、镁晶须、硼酸镁晶须、二硼化 钛晶须、碳酸钙晶须、石墨晶须、铋系晶须、氧化镁晶须、氮化铝硅 灰石、焦硼酸镁等陶资晶须等。作为无机物，可以列举玻璃珠、硅灰石、云母、滑石、高岭土、 二氧化硅、粘土、石棉、碳酸钙、氢氧化镁、二氧化硅、硅藻土、金 刚砂等。此外，可以列举铝或锌的薄片、氟化钙、氧化钙、氧化镁、 铜粉末等。此外，优选使用用环氧系、氨基系等硅烷偶联剂对上述补强材料 进行了处理而成的物质。此外，在不损害本发明的主旨的范围内，可以配合二硫化钼、二 硫化鴒等层状润滑材料、抗氧化剂、热稳定剂、紫外线吸收剂、阻燃 剂、抗静电剂、结晶核剂、结晶化促进剂等各种添加剂。上述补强材料和添加剂等配合剂的配合量，相对于第2树脂组合 物全体，优选小于50重量％。如果达到50重量％以上，向滑动配合材 料的迁移附着性差。对于能够安装于本发明的树脂制保持器的凹穴构件进行说明。图 2(a)表示凹穴构件6的平面图，图2 (b)表示图2 (a)的C-C截面
的正面图。凹穴构件6是在平圆形状的圓筒部6a的外周缘部具有凸缘 部6b的形状的构件。作为将由上述第2树脂组合物制成的凹穴构件安装到本发明的树 脂制保持器的凹穴部的方法，有采用粘接的方法和使其嵌合的方法。 这些方法中，优选加工方法简单、作业性好的采用粘接的方法。作为 粘接剂，可以使用极低温用粘接剂，优选双液型的粘接剂，优选环氧 系粘接剂。作为极低温用粘接剂，可以使用例如日东电工制NF N it of i x SK-299。本发明的树脂制保持器，可以形成从保持器本体的凹穴部5a的内 轮侧或保持器外轮侧的任一方向安装凹穴部件6的结构。利用轴承的 旋转产生的离心力将凹穴构件6压靠于凹穴部5a,能够使与凹穴部5a 的固定稳定化，因此优选从保持器内轮侧安装的结构。作为该结构的 一例，在使凸缘部6b向着保持器的内轮侧的状态下从保持器本体的内 轮侧插入凹穴构件6，釆用粘接或嵌合进行安装。粘接的情况下，如 图1 (d)所示，在凹穴构件6的圆筒部6a和凸缘部6b的外圆周面介 由粘接剂形成的粘接层7，安装到保持器本体5的凹穴部5a。此外，本发明的树脂制保持器，由于能够根据使用环境而调整氟 树脂向滚动体的迁移附着特性，因此能够使各种轴承的生产率提高。其结果，在不使用制造成本高的特殊的复合体的保持器的情况下， 能够生产率高、从订货到交货的时间也短、低价地得到极低温用的树 脂制保持器。外轮和内轮能够应用通常的轴承材料。能够使用例如马氏体不锈钢。滚动体能够使用马氏体不锈钢。此外，也能够使用陶瓷。使用陶 资的情况下，可以列举氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC )、氧化铝(A1203 )、 氧化锆(Zr02)、硅铝氧氮陶瓷(赛隆)等。本发明的轴承是包括内轮和外轮、存在于该内轮和外轮间的滚动 体、和保持该滚动体的保持器的轴承，将树脂制保持器用于上述保持 器。 此外，上述轴承能够用于火箭发动机的液体燃料用涡轮泵。本发明的轴承，通过调节安装在保持器的凹穴部的第2树脂组合 物的组成，能够控制向与滚动体的接触面赋予滑动性的供给量。此外， 由于不仅可以从现有的保持器本体，而且还可以从安装于保持器的凹 穴构件供给润滑材料的供给源，因此通过改变凹穴构件的材料组成， 能够将润滑材料向滚动体的迁移附着特性调节为与使用环境相符的特 性。因此，除了在低温环境下的用途以外，能够将应用范围扩大到汽 车用副机等在高温环境下的用途。实施例通过以下的实施例对本发明的树脂制保持器进行说明。 实施例1图1是表示树脂制保持器的组图(一部分是截面图)。图1 (a) 表示平面图，图1 (b)表示图1 (a)的A-A截面的正面图，图l(c) 表示图1 (a)的B-B截面的侧面图，图1 (d)表示图1 (c)的圓标 记部分放大图。如图1 (a) ~图1 (d)所示，该树脂制保持器5在圓 环状的构件中具有沿半径方向贯通的多个凹穴部5a，在凹穴部5a中 从内轮侧安装有收纳滚动体的凹穴构件6。如图1 (d)所示，形成了 凹穴构件6通过粘接层7与凹穴部5a粘接的结构。对于凹穴构件6， 将放大图示于图2。树脂制保持器5本体是包含PEEK和PTFE的第1树脂组合物的成 型体。将PEEK、 PTFE混合、混炼的方法，并无特别限定，采用亨舍尔混 合机、球混合机、螺条混合器、Redige混合机、超级亨舍尔混合机等 只将粉末原料干式混合，进而用双螺杆挤出机等熔融挤出机进行熔融 混炼，能够得到成型用粒料(颗粒)。此外，填充材料的投入可以在 用双螺杆挤出机等进行熔融混炼时采用侧面进料。此外，作为成型方 法，能够采用挤出成型、注射成型、加热压缩成型等，但从制造效率 方面出发，特别优选注射成型。此外，对于成型品，为了改善物性， 可以采用退火处理等处理。作为第l树脂组合物，可以使用例如NTN
制BeareePK5060 (拉伸强度56MPa、耐热温度250"C ) 、 PK5300 (拉 伸强度82MPa、耐热温度250X:)。设置于由PEEK和PTFE形成的树脂制保持器本体5的凹穴部5a 中安装的凹穴构件6由氟树脂组合物形成。氟树脂组合物的氟树脂迁 移附着到滚动体滑动面，进而迁移附着于滚动体的氟树脂迁移附着到 内轮和外轮的轨道面从而带来润滑作用。形成凹穴构件的氟树脂组合物，在PTFE单独的情况下和在PTFE 中配合了碳酸钓或铜粉的情况下，得到良好的结果。将氟树脂组合物混合、混炼的方法和形成凹穴构件的方法，能够 与上述使用第l树脂组合物成型保持器本体的方法同样地实施。此外，将凹穴构件6安装到凹穴部5a的方法，是在凹穴构件6 的外圓周上涂布极低温用粘接剂的日东电工制NF Nitofix SK-299， 从保持器本体5的内轮侧安装到凹穴部5a的方法。NFNitofix SK-299 在凹穴构件6与保持器本体5树脂组合物之间形成稳定的粘接层7， 吸收在极低温下作为不同种材料的凹穴构件6与保持器本体5树脂组 合物的尺寸收缩，将两者稳定地固定。其结果，在凹穴构件和滚动体 之间形成稳定的滑动面，可以兼具极低温下的机械强度和润滑特性。 作为在极低温下将不同种材料粘接的粘接剂，优选双液型的粘接剂。 本实施例使用了 NF Nitofix SK-299 (主剂成分环氧树脂，固化剂 成分聚酰胺，混合比1:1)。粘接于保持器5的凹穴部5a的凹穴构件6，由于与滚动体的滑动 而磨耗，从而生成磨耗粉，该磨耗粉在与滚动体的滑动面形成润滑膜， 因此成为即使在极低温环境下也耐使用的保持器5。应予说明，图1和图2所示的保持器5的凹穴部5a孔和凹穴构件 6的平面形状为平圓形状，但也可以是真圆。在此，所谓平圓形状， 如特开昭58-180839中公开那样，是指使与真圆形状所必需的凹穴间 隙(凹穴内径与球直径的差)量一致的间隙为间隙，在其两侧形成用 与球的半径大致近似的凹穴面的半径构成的平圆的形状。优选是通过使旋转轴圆周方向的凹穴间隙量增大，吸收球的前进滞后，从而能够
减轻对保持器外加的负荷的平圆形状。在高速球轴承中，同时施以径向荷重和轴向荷重，产生球的前进 滞后，在保持器与球之间产生圆周方向的力。在液氢或液氧中使用的 轴承的情况下，由于球与轨道面的摩擦系数高，因此两者间难以产生 滑动。因此，由于将圆周方向的力直接施以保持器，因此强度弱的保 持器的情况下，产生破损的情况。因此，通过增大凹穴的圆周方向间 隙量，吸收球的前进滞后，从而能够减轻施加于保持器的负荷。本发明中，在不使用制造成本高的特殊的复合体的保持器的情况 下，通过能够替代为更低价的保持器，从而能够显著地降低极低温用 的滚动轴承的制造成本。本发明的轴承，适用于液氢或液氧涡轮泵用轴承，液氢或液氧的 流动变得顺利，滚动体与内轮和外轮的轨道面的接触点、滚动体和凹 穴部面的滑动点、保持器外径面和外轮内径面的滑动点处的发热能够得到抑制。产业上利用的可能性本发明的轴承，由于具有上述结构，因此适用于特别优选在使用液氢、液氧、液氮、LNG等的极低温环境下或者在真空中使用的轴承。 此外，本发明的轴承除了低温环境下以外，也优选在汽车用副机 等的高温环境中使用。
权利要求
1. 树脂制保持器，该树脂制保持器具备具有沿半径方向贯通的多个凹穴部的圆环状的本体、设置于该圆环状的本体且保持滚动轴承的滚动体的凹穴构件，其特征在于上述本体是在第1树脂中配合有固体润滑材料的第1树脂组合物的成型体，上述凹穴构件至少保持上述滚动体的滚动体保持表面由以氟树脂为主成分的第2树脂组合物形成。
2. 权利要求1所述的树脂制保持器，其特征在于上述第1树脂 组合物的成型体的拉伸强度为30MPa以上并且耐热温度为200X:以上。
3. 权利要求2所述的树脂制保持器，其特征在于上述第l树脂 包含选自芳香族聚醚醚酮和聚苯硫醚中的至少一种树脂。
4. 权利要求2所述的树脂制保持器，其特征在于上述第l树脂 组合物中配合的固体润滑材料是聚四氟乙烯树脂。
5. 权利要求2所述的树脂制保持器，其特征在于上述固体润滑 材料的配合比例，相对于上述第l树脂组合物全体，为10重量％~60 重量％。
6. 权利要求1所述的树脂制保持器，其特征在于上述氟树脂为 聚四氟乙烯树脂。
7. 权利要求6所述的树脂制保持器，其特征在于上述第2树脂 组合物在含有上述氟树脂的同时还含有补强材料。
8. 轴承，其包括内轮和外轮、存在于该内轮和外轮之间的滚动体、 和保持该滚动体的保持器，其特征在于上述保持器是权利要求l所 述的树脂制保持器。
9. 权利要求8所述的轴承，其特征在于上迷轴承是用于火箭发 动机的液体燃料用涡轮泵的轴承。
全文摘要
在不形成复杂的结构，而且在不进行特殊处理的情况下，能够在极低温环境下或者在真空中使用。树脂制保持器，其具备具有沿半径方向贯通的多个凹穴部的圆环状的本体、设置于该圆环状的本体且保持滚动轴承的滚动体的凹穴构件，上述本体是配合有固体润滑材料的第1树脂组合物的成型体，上述凹穴构件至少保持上述滚动体的滚动体保持表面由以氟树脂为主成分的第2树脂组合物形成，上述第1树脂组合物的成型体的拉伸强度为30MPa以上并且耐热温度为200℃以上，上述第2树脂组合物为氟树脂组合物，该树脂制保持器与内轮和外轮、存在于该内轮和外轮之间的滚动体一起构成滚动轴承，该滚动轴承用于火箭发动机的液体燃料用涡轮泵。
文档编号F16C33/66GK101400910SQ20078000849
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月7日 优先权日2006年3月10日
发明者三原礼, 中村昌平, 伊藤崇, 冈安彰, 太田丰彦, 江上正树, 石井卓哉, 野崎昌之 申请人:Ntn株式会社;株式会社Ihi