JP2004196997A

JP2004196997A - ベアリング

Info

Publication number: JP2004196997A
Application number: JP2002368635A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Miyajima; 裕俊宮島
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】高速駆動且つ高負荷時の耐摩耗性に特に優れたボールねじを提供する。
【解決手段】ボールねじ用のグリースとして、モノスルフィド、ジスルフィド、スルフォキシド、およびチオールスルフィネートのうちの少なくとも一種からなる硫黄系極圧添加剤を含有するものを使用する。前記極圧添加剤の含有量を、グリース中の硫黄含有率が０．０８質量％以上２．０８質量％以下となる量にする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転動体とこれを転動させる軌道溝が形成された二つの部材とを備えたベアリング（例えば、転がり軸受、リニアガイド装置やボールねじ装置等の直動案内装置）であって、基油と増ちょう剤とを主成分として構成されたグリースにより潤滑されているものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじは、ねじ軸およびナットに設けた両ボール溝で構成される軌道をボールが負荷状態で転動することで、ナットがねじ軸に沿って直線移動する装置である。また、前記軌道の終点から始点へボールを移動させる戻し路を有し、この戻し路と前記軌道によりボール循環経路が構成されている。
【０００３】
このようなボールねじでは、ボールとボールの間に保持ピース（「セパレータ」とも称される。）を配置することで、ボール同士の競り合いをなくし、作動性と耐久性を向上させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来より、ボールねじの潤滑方法として、基油と増ちょう剤とを主成分として構成されたグリースを使用する方法が行われている。例えば、特許文献２乃至５には、ボールねじの潤滑に特定のグリースを使用することが開示されている。また、特許文献６には、ボールねじ用のグリースが開示されている。また、特許文献７には、工作機械のスピンドルの主軸支持用転がり軸受で好適に使用されるグリースが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３１５８３５号公報
【特許文献２】
特開平９−２７３５５２号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３０６１６号公報
【特許文献４】
特開２０００−３０３０８９号公報
【特許文献５】
特開２００１−０４９２７８号公報
【特許文献６】
特開２００１−０４９２７４号公報
【特許文献７】
特開２００２−２０６０９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のボールねじには、高速駆動且つ高負荷時の耐摩耗性に関して改善の余地がある。
本発明は、ボールねじ等の、転動体とこれを転動させる軌道溝が形成された二つの部材とを備えたベアリングにおいて、高速駆動且つ高負荷時の耐摩耗性に特に優れたものを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、基油と増ちょう剤とを主成分として構成されたグリースにより潤滑され、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ベアリングにおいて、前記グリースは、モノスルフィド、ジスルフィド、スルフォキシド、およびチオールスルフィネートのうちの少なくとも一種からなる硫黄系極圧添加剤を含有することを特徴とするベアリングを提供する。
【０００７】
本発明のベアリングは、使用するグリースの硫黄系極圧添加剤を、モノスルフィド、ジスルフィド、スルフォキシド、およびチオールスルフィネートのうちの少なくとも一種とすることにより、高速駆動且つ高負荷時の耐摩耗性が高くなる。
これらの硫黄系極圧添加剤は、鉄鋼材料からなる第１部材、第２部材、および転動体を使用する場合に、この転動体と軌道溝との摩擦面下で硫化鉄膜を形成する。これにより、転動体と軌道溝との焼き付きが効果的に防止される。例えば、ジスルフィドを用いた場合、摩擦面でジスルフィドと鉄が反応して、この摩擦面に先ず鉄メルカプチド膜が形成され、そのＣ−Ｓ結合が解離することで硫化鉄膜が形成される。
【０００８】
したがって、Ｃ−Ｓ結合が解離され易いものほど摩擦面下に硫化鉄膜を形成し易い。このＣ−Ｓ結合の解離され易さは分子構造によって異なる。一般に、アリル基、ベンジル基、またはシンナミル基が硫黄原子の隣にある分子構造を有する有機硫黄化合物は、Ｃ−Ｓ結合の結合エネルギーが小さいため反応性が高い。これは、アリル基、ベンジル基、またはシンナミル基が、それぞれ下記の化１〜化３に示す共鳴構造を有することから理解できる。
【０００９】
【化１】

【００１０】
【化２】

【００１１】
【化３】

【００１２】
また、炭素鎖が短いものほど有機硫黄化合物中の硫黄含有率が高いため、硫黄含有率の高い硫化鉄膜が摩擦面下に形成され易い。そのため、グリースの極圧添加剤として炭素鎖の短い有機硫黄化合物を使用することで、より高い耐摩耗性が得られる。
モノスルフィドとジスルフィドとの比較では、ジスルフィドの耐摩耗性の方がモノスルフィドよりも高い。その理由を以下に述べる。
【００１３】
モノスルフィドは「Ｃ−Ｓ−Ｃ」結合を有するため、摩擦面下に硫化鉄膜が形成されるためには、鉄メルカプチド膜を形成する際に一方のＣ−Ｓ結合が切断され、硫化鉄膜を形成する際に他方のＣ−Ｓ結合が切断される必要がある。これに対して、ジスルフィドは「Ｃ−Ｓ−Ｓ−Ｃ」結合を有するため、鉄メルカプチド膜を形成する際にＣ−Ｓ結合より結合力の弱いＳ−Ｓ結合が切断され、硫化鉄膜を形成する際に一方のＣ−Ｓ結合が切断されることで、摩擦面下に硫化鉄膜が形成される。
【００１４】
このように、摩擦面下に硫化鉄膜が形成されるために必要なエネルギーが、ジスルフィドよりもモノスルフィドの方が大きいため、ジスルフィドの方がモノスルフィドよりも摩擦面下に硫化鉄膜が形成され易い。その結果、ジスルフィドの耐摩耗性の方がモノスルフィドよりも高い。
モノスルフィドおよびジスルフィドと、スルフォキシドおよびチオールスルフィネートとの比較では、分子に酸素原子を含む後者の方が、Ｃ−Ｓ結合の結合エネルギーが小さいため、より高い耐摩耗性が得られる。
【００１５】
本発明のベアリングの一例としては、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、これらのボール転動溝で形成される軌道内に配置された複数のボールと、軌道の終点から始点へボールを移動させる戻し路とを備え、基油と増ちょう剤とを主成分として構成されたグリースにより潤滑されているボールねじにおいて、前記グリースは、モノスルフィド、ジスルフィド、スルフォキシド、およびチオールスルフィネートのうちの少なくとも一種からなる硫黄系極圧添加剤を含有することを特徴とするボールねじが挙げられる。
【００１６】
前記硫黄系極圧添加剤の含有量は、グリース中の硫黄含有率が０．０８質量％以上２．０８質量％以下となる量であることが好ましい。ここで、グリース中の硫黄含有率は、グリース中の硫黄系極圧添加剤の含有率に「（硫黄系極圧添加剤一分子に含まれる硫黄原子の個数×硫黄の原子量）／硫黄系極圧添加剤の分子量」を乗じることで算出される。
【００１７】
前記グリースを構成する基油は、鉱油を３０質量％以上の割合で含有することが好ましい。鉱油は、石油からの精製過程で残留する不純物を含み、この不純物が摩耗防止剤として作用するため、基油として鉱油を含むグリースを使用することでボールネジの耐久性が高くなる。
前記グリースを構成する増ちょう剤については、グリース中の含有率を例えば３質量％以上４０質量％以下とする。耐摩耗性およびトルク特性の点からは、増ちょう剤のグリース中の含有率を１０質量％以上３５質量％以下とすることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
［ボールねじの例］
図１は、本発明のベアリングの一実施形態に相当するボールねじを示す図である。
【００１９】
このボールねじは、ボールの戻し路としてチューブを用いるチューブ式ボールねじであり、ねじ軸１と、ナット２と、ボール３と、チューブ（戻し路）４と、シール５で構成されている。図１は、ナット２のみを、軸線を含む平面で２分割した図になっている。
ねじ軸１の外周面とナット２の内周面には、それぞれ螺旋状の溝１１，２１が形成されており、これらの螺旋溝１１，２１でボール３の軌道が形成されている。そして、ボール３がこの軌道を負荷状態で転動することにより、ナット２はねじ軸１に対して相対的に直線移動する。すなわち、ねじ軸１およびナット２の螺旋溝１１，２１がボール転動溝となっている。また、ナット２の軸方向両端部に、ナット２とねじ軸１との隙間を塞ぐシール５が取り付けられている。
【００２０】
チューブ４は略門形に形成され、その両端部が、ナット２をなす円筒に設けた貫通穴内に挿入され、軌道の始点と終点を連結するように、ねじ軸１を挟んで斜向かいに配置されている。したがって、軌道の終点に達したボール３はこのチューブ４を通って軌道の始点に戻される。
図１の構造のボールねじとして、ねじ軸１、ナット２、およびボール３がＳＵＪ２製であって、ねじ軸１の外径が２５ｍｍ、リードが１０ｍｍ、ボールの直径が４．７６２ｍｍ、ボールピッチ円の直径が２５．５ｍｍであるもの（日本精工のボールねじ「ＤＦＴ２５１０−３．５」）を用意し、ナット２とねじ軸１の間に封入するグリースのみを変えた各サンプルについて耐久性試験を行った。
【００２１】
各サンプルのグリースの構成（基油、増ちょう剤、および極圧添加剤の成分）を下記の表１に示す。これらのグリースは全て、使用した基油の動粘度が４０℃で５０ｍｍ²／ｓであり、混合比は質量比で、基油：増ちょう剤：極圧添加剤＝８３．０：１５．５：１．５であり、ちょう度が３００である。
試験条件は、荷重：２．５ＧＰａ（ボールとボール転動溝との接触最大面圧）、回転速度：１２００ｒｐｍ、雰囲気温度：８０℃、グリース封入量：１０ｍｌとした。この条件で、ボールねじを、スピンドルモータにより、正回転１秒、停止１秒、逆回転１秒を１サイクルとして連続駆動させ、スピンドルモータによる駆動ができなくなった時点のサイクル数を調べた。
【００２２】
得られた各サンプル（No. １−１〜No. １−１０）のサイクル数をNo. １−１０のサイクル数で除算して、各サンプルのボールねじの耐久性を、硫黄系極圧添加剤を含有しないNo. １０のグリースを用いたNo. １−１０のボールねじの寿命を「１」とした「寿命比」で表した。その結果を下記の表２に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
この表に示すように、本発明の実施例に相当するNo. １−１〜１−９のボールねじは、前記条件での耐久性が、比較例に相当するNo. １−１０のボールねじの２倍以上となった。極圧添加剤の成分のみが異なるNo. １〜４のグリースを使用したNo. １−１〜１−４のボールねじでの比較では、極圧添加剤がジベンジルモノスルフィドであるNo. ２のグリースを使用したNo. １−２のボールねじよりも、極圧添加剤がジベンジルジスルフィドであるNo. １、ジベンジルスルフォキシドであるNo. ３、およびジベンジルチオールスルフィネートであるNo. ４の各グリースを使用したNo. １−１，１−３，１−４のボールねじの方が、耐久性に優れていた。
【００２６】
また、基油の成分のみが異なるNo. ５〜７のグリースを使用したボールねじの比較では、基油が鉱油であるNo. ７のグリースを用いたNo. １−７のボールねじが、基油が鉱油以外であるNo. ５および６のグリースを用いたNo. １−５およびNo. １−６のボールねじよりも耐久性に優れていた。また、増ちょう剤の成分のみが異なるNo. ７と８のグリースを使用したNo. １−７とNo. １−８のボールねじの比較では、増ちょう剤がジウレアであるNo. ８のグリースを用いたNo. １−８のボールねじが、増ちょう剤がリチウムステアレートであるNo. ７のグリースを用いたNo. １−７よりも耐久性に優れていた。
【００２７】
次に、極圧添加剤の含有率を変化させた以外はNo. １と同じ構成のグリースを、前述のボールねじに封入して、上記と同じ耐久性試験を行った。その結果を図２にグラフで示す。このグラフの横軸は、グリース中の硫黄の含有率（質量％）であり、この値は、極圧添加剤として添加したジベンジルジスルフィドのグリース中の含有率に、「（ジベンジルジスルフィド一分子に含まれる硫黄原子の個数×硫黄の原子量）／ジベンジルジスルフィドの分子量」を乗じた値である。
【００２８】
図２のグラフから分かるように、グリース中の硫黄の含有率を０．０８質量％以上２．０８質量％以下とすることで、寿命比を２以上とすることができる。また、グリース中の硫黄の含有率を０．２５質量％以上１．５６質量％以下とすることで、寿命比を２．５以上とすることができる。
このように、グリース中の硫黄の含有率が少なすぎると、前述の硫化鉄膜の形成による耐摩耗性向上効果が発揮されないが、多すぎる場合には硫黄による摩擦面の腐食反応が顕著になることに起因して耐久性が低下する。
【００２９】
次に、基油としてポリオールエステルと鉱油との混合油を使用し、その混合比を変化させた以外はNo. １と同じ構成のグリースを、前述のボールねじに封入して、上記と同じ耐久性試験を行った。その結果を図３にグラフで示す。このグラフの横軸は、基油中の鉱油含有率である。
図３のグラフに示すように、グリースを構成する基油中の鉱油含有率が０である（表２のNo. １−１）場合には寿命比が２．５４であるが、鉱油含有率の上昇に伴って寿命比は急激に上昇し、この上昇率は３０質量％付近から小さくなって、５０質量％以上になると飽和している。この結果から分かるように、グリースを構成する基油中の鉱油含有率を３０質量％以上に（好ましくは４０質量％以上に）することで、基油として鉱油を使用することによる耐久性向上効果が十分に得られる。
【００３０】
次に、図４に示す往復動摩擦摩耗試験機を用いて、グリースを構成する基油として使用される、鉱油、ポリエーテルエステル（ＰＯＥ）、アルキルジフェニルエーテル（ＡＤＥ）、ポリアルファオレイン（ＰＡＯ）の耐摩耗性を調べる試験を行った。いずれも４０℃での動粘度が３０〜３５ｍｍ²／ｓであるものを使用した。
【００３１】
この試験機は、平板状試験体６１を載せる試験台７１と、カム７２から延びるアーム７３の先端に設けた上部ホルダー７４と、ロードセル７５と、ヒータ７６と、熱電対７７とで構成される。試験を行う際には、試験台７１に平板状試験体６１を載せ、上部ホルダー７４に球状試験体６２を取り付けて、上部ホルダー７４に垂直荷重を付与するとともに、カム７２によりアーム７３の往復運動させるこれにより、球状試験体６２を平板状試験体６１に押し付けながら往復運動させる。
【００３２】
ここでは、平板状試験体６１として、ＳＵＪ２製で、表面硬さがＨＲＣ６２〜６７で、表面粗さがＲａで０．０７６μｍであるものを、球状試験体６２として、直径が１０ｍｍで、ＳＵＪ２製で、表面硬さがＨＲＣ６２〜６７で、表面粗さがＲａで０．００９μｍであるものを用意した。また、試験条件は、試験温度：３５〜１４０℃、最大面圧：１．１〜１．９ＧＰａ、揺動周波数：１０Ｈｚ、揺動幅：０．７ｍ、試験時間：１０分とした。
【００３３】
図５に示すように、この試験により、平板状試験体６１の表面に摩耗圧痕８が生じる。この摩耗圧痕８の揺動方向Ｙに垂直な方向での寸法（摩耗痕径）Ｋを測定した。この測定値と試験温度との関係を図６にグラフで示す。
このグラフから、鉱油は、ポリエーテルエステル（ＰＯＥ）、アルキルジフェニルエーテル（ＡＤＥ）、およびポリアルファオレイン（ＰＡＯ）と比較して、全温度範囲において耐摩耗性が高いことが分かる。
［リニアガイドの例］
次に、呼び番号「ＬＹ１５ＡＮ」のリニアガイド（日本精工製）を用意し、スライダと案内レールとの間に封入するグリースのみを変えた各サンプルNo. ２−１〜No. ２−１０について磨耗試験を行った。各サンプルNo. ２−１〜No. ２−１０では、表３に示すように、表１に示す構成（基油、増ちょう剤、および極圧添加剤の成分）のグリースNo. １〜１０を使用した。
【００３４】
磨耗試験は以下のようにして行った。先ず、ボールとボール転動溝との接触最大面圧が２．５ＧＰａとなるように荷重を付加した状態で、スライダを連続的に往復移動させ、往復移動の合計距離が１００ｋｍに達した時点で移動を停止した。次に、このリニアガイドから任意に１０個のボールを取り出して、各ボールの直径を測定した。次に、これらの直径の平均値を算出し、この値と試験開始前のボールの直径との差を磨耗量として算出した。次に、各サンプルNo. ２−１〜No. ２−１０の磨耗量について、No. １０のグリースを用いたサンプルNo. ２−１０の磨耗量を「１」とした相対値を算出した。その結果を下記の表３に示す。
【００３５】
【表３】

【００３６】
この表に示すように、本発明の実施例に相当するNo. ２−１〜２−９のリニアガイドは、前記条件での磨耗量が、比較例に相当するNo. ２−１０のリニアガイドの半分以下となった。極圧添加剤の成分のみが異なるNo. ２〜４のグリースを使用したNo. ２−１〜２−４のリニアガイドでの比較では、極圧添加剤がジベンジルモノスルフィドであるNo. ２のグリースを使用したNo. ２−２のリニアガイドよりも、極圧添加剤がジベンジルジスルフィドであるNo. １、ジベンジルスルフォキシドであるNo. ３、およびジベンジルチオールスルフィネートであるNo. ４の各グリースを使用したNo. ２−１，２−３，２−４のリニアガイドの方が、耐磨耗性に優れていた。
【００３７】
また、基油の成分のみが異なるNo. ５〜７のグリースを使用したリニアガイドの比較では、基油が鉱油であるNo. ７のグリースを用いたNo. ２−７のリニアガイドが、基油が鉱油以外であるNo. ５および６のグリースを用いたNo. ２−５およびNo. ２−６のリニアガイドよりも耐磨耗性に優れていた。また、増ちょう剤の成分のみが異なるNo. ７と８のグリースを使用したNo. ２−７とNo. ２−８のリニアガイドの比較では、増ちょう剤がジウレアであるNo. ８のグリースを用いたNo. ２−８のリニアガイドが、増ちょう剤がリチウムステアレートであるNo. ７のグリースを用いたNo. ２−７よりも耐磨耗性に優れていた。
［転がり軸受の例］
次に、呼び番号「ＮＵ１０１２」の単列円筒ころ軸受（日本精工製、外形９５ｍｍ、内径６０ｍｍ、幅１８ｍｍ）を用意し、軸受内に封入するグリースのみを変えた各サンプルNo. ３−１〜No. ３−１０について寿命試験を行った。各サンプルNo. ３−１〜No. ３−１０では、表４に示すように、表１に示す構成（基油、増ちょう剤、および極圧添加剤の成分）のグリースNo. １〜１０を使用した。
【００３８】
寿命試験は、各サンプルの軸受を簡易型の耐久試験機に取り付け、雰囲気温度１００℃、回転速度７５００ｍｍ^-1、ラジアル荷重２００Ｎの条件で、軸受の外輪の温度が定常値から１０℃上昇するまで、あるいは回転トルクが増大してモータ電流が５Ａを超えるまで回転させることで行った。そして、この回転時間を軸受寿命とし、No. １０のグリースを用いたサンプルNo. ３−１０の回転時間を「１」とした相対値を算出して寿命比とした。その結果を下記の表４に示す。
【００３９】
【表４】

【００４０】
この表に示すように、本発明の実施例に相当するNo. ３−１〜３−９の軸受は、前記条件での寿命が、比較例に相当するNo. ３−１０の軸受の２倍以上となった。極圧添加剤の成分のみが異なるNo. １〜４のグリースを使用したNo. ３−１〜３−４の軸受での比較では、極圧添加剤がジベンジルモノスルフィドであるNo. ２のグリースを使用したNo. ３−２の軸受よりも、極圧添加剤がジベンジルジスルフィドであるNo. １、ジベンジルスルフォキシドであるNo. ３、およびジベンジルチオールスルフィネートであるNo. ４の各グリースを使用したNo. ３−１，３−３，３−４の軸受の方が、寿命が長かった。
【００４１】
また、基油の成分のみが異なるNo. ５〜７のグリースを使用した軸受の比較では、基油が鉱油であるNo. ７のグリースを用いたNo. ３−７の軸受が、基油が鉱油以外であるNo. ５および６のグリースを用いたNo. ３−５およびNo. ３−６の軸受よりも寿命が長かった。また、増ちょう剤の成分のみが異なるNo. ７と８のグリースを使用したNo. ３−７とNo. ３−８の軸受の比較では、増ちょう剤がジウレアであるNo. ８のグリースを用いたNo. ３−８の軸受が、増ちょう剤がリチウムステアレートであるNo. ７のグリースを用いたNo. ３−７よりも寿命が長かった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動体とこれを転動させる軌道溝が形成された二つの部材とを備えたベアリングとして、高速駆動且つ高負荷時の耐摩耗性に特に優れたベアリング（ボールねじ、リニアガイド、転がり軸受等）が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に相当するボールねじを示す図であって、ナットのみを、軸線を含む平面で２分割した図である。
【図２】実施形態の試験結果から得られた、グリース中の硫黄含有率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図３】実施形態の試験結果から得られた、グリースを構成する基油中の鉱油含有率と寿命比との関係を示すグラフである。
【図４】実施形態で行った試験で使用した往復動摩擦摩耗試験機を示す概略構成図である。
【図５】往復動摩擦摩耗試験機による試験で板状試験体の表面に生じる摩耗圧痕についての説明図である。
【図６】実施形態で行った往復動摩擦摩耗試験の結果から得られた、摩耗痕径と試験温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ねじ軸
１１ねじ軸のボール転動溝
２ナット
２１ナットのボール転動溝
３ボール
４チューブ（戻し路）
５シール
６１平板状試験体
６２球状試験体
７１試験台
７２カム
７３アーム
７４上部ホルダー
７５ロードセル
７６ヒータ
７７熱電対

Claims

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、基油と増ちょう剤とを主成分として構成されたグリースにより潤滑され、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ベアリングにおいて、
前記グリースは、モノスルフィド、ジスルフィド、スルフォキシド、およびチオールスルフィネートのうちの少なくとも一種からなる硫黄系極圧添加剤を含有することを特徴とするベアリング。
前記硫黄系極圧添加剤の含有量は、グリース中の硫黄含有率が０．０８質量％以上２．０８質量％以下となる量である請求項１記載のベアリング。
前記グリースを構成する基油は、鉱油を３０質量％以上の割合で含有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のベアリング。