JP2009085421A

JP2009085421A - 水素コンプレッサ用転がり軸受

Info

Publication number: JP2009085421A
Application number: JP2007259857A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sato; 努佐藤; Takeshi Saito; 剛齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】鋼中への水素の侵入が生じにくく長寿命な水素コンプレッサ用転がり軸受を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受は、内輪１，外輪２，転動体３，及び保持器４を備えている。そして、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａには、等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下であり且つ厚さが０．２μｍ以上２μｍ以下であるダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄが被覆されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素コンプレッサに組み込まれる転がり軸受（以降においては、水素コンプレッサ用転がり軸受と記すこともある）に関する。

潤滑剤や水が分解して生成した水素が鋼に侵入し、その状態で鋼が剪断を受けると、表面より内部で白色組織と呼ばれる組織への変化が生じ、早期剥離を起こす場合がある。そして、この早期剥離のため、転がり軸受の寿命は大きく低下する。よって、転がり軸受においては、潤滑剤や水の分解による水素の生成を防止することや、鋼中への水素の侵入を防止することが重要であった。

例えば、特許文献１，２には、モリブデン酸塩及び有機酸塩を添加剤として含有するグリースが開示されている。これらの添加剤により、軸受軌道面に酸化鉄被膜とともにモリブデン化合物被膜が形成されるので、摩耗により生じる金属新生面が酸化鉄やモリブデン化合物の被膜で覆われる。その結果、金属新生面を触媒とする潤滑剤や水の分解反応が抑制されるので、水素の生成が抑制される。
特開２００５−１１２９０１号公報特開２００５−１１２９０２号公報

しかしながら、上記の酸化鉄やモリブデン化合物の被膜は軟質であるため、厳しい潤滑環境下で使用されると、摩擦，摩耗により剥離するおそれがあった。そのため、鋼中への水素の侵入を十分に防止できない場合があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、鋼中への水素の侵入が生じにくく長寿命な水素コンプレッサ用転がり軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の水素コンプレッサ用転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、水素コンプレッサに組み込まれる転がり軸受において、前記内輪の軌道面，前記外輪の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下であり且つ厚さが０．２μｍ以上２μｍ以下であるダイヤモンドライクカーボン被膜が被覆されていることを特徴とする。

軌道面や転動面が、水素の遮断性に優れるダイヤモンドライクカーボン被膜で覆われているので、鋼中への水素の侵入が抑制される。そのため、軌道面や転動面が、白色組織に起因する早期剥離を起こすことがほとんど無い。また、軌道面や転動面が摩耗して金属新生面が生じると、該面を触媒として潤滑剤や水が分解し水素が生成するが、軌道面や転動面が潤滑性に優れるダイヤモンドライクカーボン被膜で覆われているので、軌道面や転動面に金属新生面が生じにくい。そのため、金属新生面を触媒として潤滑剤や水が分解し水素が生成するおそれがほとんどない。

よって、このような構成の転がり軸受は、水素コンプレッサに組み込まれて水素に晒された状態で使用されても長寿命であるので、水素コンプレッサ用転がり軸受として好適である。ただし、このような構成の転がり軸受は、水素コンプレッサ用に限らず、鋼中へ水素が侵入して白色組織が生じやすいような用途や環境下で使用される転がり軸受としても好適である。
ダイヤモンドライクカーボン被膜の厚さが０．２μｍ未満であると、水素の遮断性が不十分となるおそれがある。一方、２μｍ超過であると、ダイヤモンドライクカーボン被膜が剥離しやすくなる。

また、ダイヤモンドライクカーボン被膜の等価弾性定数は１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下であり、ダイヤモンドライクカーボン被膜が母材（鋼）に近い等価弾性定数を有しているので、繰り返し応力が作用した場合でもダイヤモンドライクカーボン被膜が母材の変形に追従することが可能であり、ダイヤモンドライクカーボン被膜の破損が生じにくい。ダイヤモンドライクカーボン被膜の等価弾性定数が２８０ＧＰａ超過であると、ダイヤモンドライクカーボン被膜の等価弾性定数が鋼よりも大き過ぎるので、繰り返し応力が作用した際の母材の変形にダイヤモンドライクカーボン被膜が追従することが困難となって、ダイヤモンドライクカーボン被膜の破損が生じやすくなる。一方、１００ＧＰａ未満であると、ダイヤモンドライクカーボン被膜の硬さが低く、摩耗が生じやすくなる。

なお、このダイヤモンドライクカーボン被膜のような薄膜については、通常の方法では弾性定数を測定することはできないため、本発明においては以下の方法により測定された、弾性定数に準拠する等価弾性定数を用いる。すなわち、押し込み深さを少なくともダイヤモンドライクカーボン被膜の厚さ内として微小硬度計による測定を行い、得られた荷重−除荷曲線により等価弾性定数を求める。
例えば、ダイヤモンドライクカーボン被膜の厚さが２μｍ以下である場合は、押し込み荷重を０．４〜５０ｍＮの間で適宜設定して測定を行う。本発明においては、エリオニクス社製の微小硬度計を使用し、押し込み荷重を５０ｍＮとして測定した等価弾性定数を用いる。

この他の等価弾性定数の測定方法としては、フィッシャー社製の微小硬度測定装置を用いる方法がある。この方法においては、（マイクロ）ビッカース硬度計は使用せず、静電容量で制御できる微小硬度計又はナノインデンテータを用いることが望ましい。なおかつ、押し込み深さはダイヤモンドライクカーボン被膜の厚さ内とする必要がある。そして、前記微小硬度計又はナノインデンテータにより得られた荷重−除荷曲線の弾性変形量から、等価弾性定数を求める。
なお、ＨＲＣ６０の高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）の表面の等価弾性定数を上記の方法により求めると２５０ＧＰａとなり、通常カタログ等に記載されている２１０ＧＰａよりも大きい結果となる。これは、上記の方法が微小な押し込み領域における測定であることから、ＳＵＪ２の表面の加工硬化層の影響を受けるためである。

本発明の水素コンプレッサ用転がり軸受は、鋼中への水素の侵入が生じにくく長寿命である。

本発明に係る水素コンプレッサ用転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る水素コンプレッサ用転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の深溝玉軸受（内径１２ｍｍ，外径３７ｍｍ，幅１２ｍｍ）は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動自在に配された複数の転動体３と、両軌道面１ａ，２ａ間に転動体３を保持する保持器４と、ゴムシール等の密封装置５，５と、を備えている。内輪１，外輪２，及び転動体３は、ＳＵＪ２等の鋼製である。なお、保持器４及び密封装置５は、備えていなくてもよい。

そして、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａには、等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下であり且つ厚さが０．２μｍ以上２μｍ以下であるダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄが被覆されている。ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄは、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも一つに被覆されていればよいが、全てに被覆されていることが最も好ましい。
なお、上記のようなダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄと母材である鋼との間に、クロム層のような中間層を介在させてもよい。すなわち、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａに、クロム層を被覆し、さらにこのクロム層の上にダイヤモンドライクカーボン被膜を被覆してもよい。

軌道面１ａ，２ａや転動面３ａが、水素の遮断性に優れるクロム層で覆われていると、鋼中への水素の侵入が抑制される。そのため、軌道面１ａ，２ａや転動面３ａが、白色組織に起因する早期剥離を起こすことがほとんど無い。また、クロム層が潤滑性に優れるダイヤモンドライクカーボン被膜で覆われているので、クロム層の摩耗が抑制される。さらに、軌道面１ａ，２ａや転動面３ａが摩耗して金属新生面が生じると、該面を触媒として潤滑剤や水が分解し水素が生成するが、軌道面１ａ，２ａや転動面３ａが潤滑性に優れるダイヤモンドライクカーボン被膜で覆われているので、軌道面１ａ，２ａや転動面３ａに金属新生面が生じにくい。そのため、金属新生面を触媒として潤滑剤や水が分解し水素が生成するおそれがほとんどない。

クロム層の上に被覆されるダイヤモンドライクカーボン被膜は、等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下であり且つ硬さＨＶが７００以上２０００以下であることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン被膜の硬さＨＶが７００未満であると、クロム層の摩耗が生じやすくなる。一方、２０００超過であると、ダイヤモンドライクカーボン被膜が剥離しやすくなる。等価弾性定数の数値限定理由については、前述の理由と同様である。

ここで、ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄを形成する方法について、外輪２を例に説明する。なお、ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄは、外輪２のみならず、内輪１，転動体３や保持器４に形成しても差し支えない。まず、油分を脱脂した外輪２を株式会社神戸製鋼所製のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置５０４（以降はＵＢＭＳ装置と記す）に設置し、アルゴンプラズマによるスパッタリングを用いて、軌道面２ａにボンバード処理を１５分間施した。そして、炭素をターゲットとして、母材の表面のうち軌道面２ａとなる部分に炭素をスパッタリングして成膜し、ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄを成膜した。

ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄと母材である鋼との間にクロム層を介在させる場合には、以下のようにするとよい。前述のボンバード処理の後に、クロムをターゲットとして、母材の表面のうち軌道面２ａとなる部分にクロムをスパッタリングして成膜し、クロム層を形成する。次に、炭素をターゲットとしたスパッタリングを行って、クロム層の上にダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄを成膜する。

なお、ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄとクロム層との間に、ケイ素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ）等の他種の元素からなる中間層をさらに設けてもよい。例えばケイ素からなる中間層を設ける場合は、以下のようにするとよい。前述のボンバード処理の後に、クロムをターゲットとして、母材の表面のうち軌道面２ａとなる部分にクロムをスパッタリングして成膜し、クロム層を形成する。

次に、クロム及びケイ素をターゲットとしてスパッタリングを行うことにより、クロム及びケイ素からなる複合金属層をクロム層の上に形成する。このスパッタリングの際には、クロムのスパッタ効率を徐々に減少させながら、ケイ素のスパッタ効率を徐々に増加させる。そして、クロムのスパッタリングを終了し、ケイ素のスパッタリングのみとして、複合金属層の上にケイ素からなる中間層を形成する。

さらに、ケイ素のスパッタリングを続けながら、炭素をターゲットとした炭素のスパッタリングを開始する。このようなスパッタリングによって、ケイ素及び炭素からなる複合カーボン層を、中間層の上に形成する。さらに、ケイ素のスパッタ効率を徐々に減少させながら、炭素のスパッタ効率を徐々に増加させる。そして、ケイ素のスパッタリングを終了し、炭素のスパッタリングのみとして、複合カーボン層の上にダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄを形成する。

このようなスパッタリングにより成膜を行えば、クロム層からダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄに向かって、組成が連続的に徐々に変化していく被膜を形成することができる。このような構成の被膜は、各層（クロム層，複合金属層，中間層，複合カーボン層，及びダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄ）の間の密着性が非常に優れているとともに、潤滑性に優れたダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄと母材である鋼との密着性が非常に優れている。

ＵＢＭＳ装置は、スパッタリングに用いるターゲットを複数装着でき、各ターゲットのスパッタ電源を独立に制御することにより、各成分のスパッタ効率を任意に制御することができるので、上記のような成膜に好適である。例えば、上記の場合の複合カーボン層及びダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄを成膜する工程においては、金属ターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を低減させながら、同時に炭素ターゲットのスパッタ電源（ＤＣ電源）の電力を増加させればよい（このとき、外輪２には負のバイアス電圧を印加する）。

ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄの等価弾性定数は、外輪２に印加するバイアス電圧を制御するか、又は導入するガスの分圧を制御することにより、変化させることができる。この導入するガス（アルゴン，水素，メタン等の炭化水素系ガス）の種類や分圧比を制御すれば、ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄの等価弾性定数とともに表面の摺動抵抗を自在にコントロールすることが可能であるので、前記ガスを単独又は混合して導入することにより、目的にあった所望のダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄを形成することができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン被膜Ｄの厚さは、スパッタ時間により精度よく制御することができる。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、水素コンプレッサ用転がり軸受の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は深溝玉軸受以外の他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，針状ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。

転がり軸受が自動調心ころ軸受である場合は、転動体の転動面が球面状であるので、軌道輪の軌道面と転動体の転動面との間に差動滑りが存在する。このような状態で軸受が回転すると、軌道輪の軌道面や転動体の転動面が大きく摩耗してしまう。さらに、この差動滑りは一様ではなく、純転がり部以外の部分が大きく摩耗して純転がり部を頂点とする二山摩耗となるため、摩耗の少ない山の頂点部分に発生する応力集中による剥離や、曲げ応力によるクラックの発生，進展が生じるおそれがある。
しかしながら、軌道輪の軌道面や転動体の転動面にダイヤモンドライクカーボン被膜が被覆されていれば、二山摩耗を抑制することができるので、自動調心ころ軸受が長寿命となる。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。図１の深溝玉軸受とほぼ同様の構成の軸受において、ダイヤモンドライクカーボン被膜の等価弾性定数及び厚さ、並びに、前述のクロム層等の中間層の有無を種々変更したものを用意した（表１を参照）。ただし、ダイヤモンドライクカーボン被膜は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、転動体の転動面には形成しなかった。

この軸受をプーリに組み込み、ポリオールエステル油を基油としウレア化合物を増ちょう剤とするグリース０．９５ｇで潤滑しながら、室温下で回転試験を行った。回転試験の条件は、回転速度１０００ｍｉｎ^-1から回転速度８０００ｍｉｎ^-1に移行し回転速度１０００ｍｉｎ^-1に戻るというサイクルの運転を繰り返し行うというものである。また、プーリ荷重は１２００Ｎである。

回転試験においては軸受の振動値を測定し、この振動値が回転初期の５倍以上となった時点で白色組織に起因する剥離が生じたと判断し、寿命（白色剥離寿命）とした。ただし、１０００時間回転させても振動値が回転初期の５倍以上に達しなかった場合は、回転試験を打ち切った。回転試験の結果を表１に示す。なお、１種の軸受につき５個の深溝玉軸受の試験を行い、その平均値を寿命として表示してある。
表１から分かるように、実施例１〜７の深溝玉軸受は、白色組織に起因する剥離が生じにくく長寿命であった。

次に、ダイヤモンドライクカーボン被膜を備えるスラスト針状ころ軸受（図２を参照。図１と同一又は相当する部分には、図１と同一の符号を付してある）を用意して、回転試験により耐久性を調査した。なお、この試験においては、ダイヤモンドライクカーボン被膜は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、転動体の転動面には形成しなかった。また、ダイヤモンドライクカーボン被膜の内容や中間層の有無については、前述の深溝玉軸受の場合と同様である。

回転試験においては軸受の振動値を測定し、この振動値が回転初期の５倍以上となったら実体顕微鏡によりピーリング（微小剥離）の有無を確認した。そして、ピーリングが確認された場合は寿命（ピーリング寿命）とし、確認されなかった場合は回転試験を続行した。なお、回転試験は、ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯＶＧ１０である鉱油を潤滑剤として用いて行った。また、回転試験の条件は、雰囲気温度が室温（約２８℃）、荷重が動定格荷重の４０％（Ｐ／Ｃ＝０．４）、回転速度が２５００ｍｉｎ^-1である。

回転試験の結果を表１に示す。なお、１種の軸受につき５個のスラスト針状ころ軸受の試験を行い、その平均値を寿命とした。そして、表１のピーリング寿命の数値は、比較例１のピーリング寿命を１とした場合の相対値で示してある。
表１から分かるように、実施例１〜７のスラスト針状ころ軸受は、ピーリングが生じにくく長寿命であった。特に、中間層としてクロム層とケイ素層を有する実施例７は、ダイヤモンドライクカーボン被膜と母材との密着性がよく、ダイヤモンドライクカーボン被膜の低摩擦性，低凝着性が長期間にわたって発揮されたため長寿命であった。

次に、ダイヤモンドライクカーボン被膜を備える呼び番号２２２１１の自動調心ころ軸受（図３を参照。なお、図１と同一又は相当する部分には、図１と同一の符号を付してある）において、ダイヤモンドライクカーボン被膜の等価弾性定数及び厚さ、並びに、前述のクロム層等の中間層の有無を種々変更したものを用意した（表２を参照）。ただし、ダイヤモンドライクカーボン被膜は内輪及び外輪の軌道面のみに形成し、転動体の転動面には形成しなかった。
この軸受に１７ｇのグリースを封入して、水素ガスを充満させたチャンバー内で回転試験を行った。回転試験の条件は、回転速度１０００ｍｉｎ^-1、ラジアル荷重３３０００Ｎである。また、回転試験の雰囲気温度は室温である。

回転試験においては軸受の振動値を測定し、この振動値が回転初期の５倍以上となった時点で白色組織に起因する剥離が生じたと判断し、寿命（白色剥離寿命）とした。回転試験の結果を表２に示す。なお、１種の軸受につき５個の深溝玉軸受の試験を行い、その平均値を寿命とした。そして、表２の寿命の数値は、比較例１１の寿命を１とした場合の相対値で示してある。
表２から分かるように、実施例１１〜１６の自動調心ころ軸受は、比較例１１〜１４と比べて長寿命であった。剥離が発生した軸受を破断して断面を観察したところ、いずれも白色組織が確認されたことから、水素脆化が生じたことが分かった。

次に、ダイヤモンドライクカーボン被膜を備える呼び番号２２２１０の自動調心ころ軸受において、ダイヤモンドライクカーボン被膜の等価弾性定数及び厚さ、並びに、前述のクロム層等の中間層の有無を種々変更したものを用意した（表２を参照）。ただし、ダイヤモンドライクカーボン被膜は転動体の転動面のみに形成し、内輪及び外輪の軌道面には形成しなかった。また、ダイヤモンドライクカーボン被膜の内容や中間層の有無については、被膜の形成箇所を除いて前述の自動調心ころ軸受の場合と同様である。

この軸受に１５．５ｇのグリースを封入して、連続鋳造機に使用される軸受の環境を模した試験装置（図４を参照）に取り付け、１００℃の水蒸気中で７５０時間回転させた。回転試験の条件は、回転速度６ｍｉｎ^-1、軸受１個当たりのラジアル荷重２７９００Ｎ（Ｆ／Ｃ_0r＝０．３）である。そして、回転終了後に、転動体の転動面の摩耗深さを測定して、耐摩耗性を評価した。なお、回転前後の転動体の形状を比較して、最も摩耗している部分の深さを摩耗深さとした。
結果を表２に示す。実施例１１〜１６の自動調心ころ軸受は、比較例１１〜１４と比べて摩耗深さが小さかった。また、実施例１２〜１６の自動調心ころ軸受については、摩耗深さがダイヤモンドライクカーボン被膜の厚さよりも小さいことから、回転試験終了後もダイヤモンドライクカーボン被膜が残存していることが分かる。

本発明に係る水素コンプレッサ用転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。スラスト針状ころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。自動調心ころ軸受の構造を示す一部を破断した斜視図である。耐摩耗性の評価に使用する試験装置の構造を示す概念図である。

符号の説明

１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３転動体
３ａ転動面
Ｄダイヤモンドライクカーボン被膜

Claims

軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、水素コンプレッサに組み込まれる転がり軸受において、
前記内輪の軌道面，前記外輪の軌道面，及び前記転動体の転動面のうち少なくとも一つに、等価弾性定数が１００ＧＰａ以上２８０ＧＰａ以下であり且つ厚さが０．２μｍ以上２μｍ以下であるダイヤモンドライクカーボン被膜が被覆されていることを特徴とする水素コンプレッサ用転がり軸受。