JP2015519468A - 非潤滑接触面のための耐フレッティング添加剤 - Google Patents
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Abstract
耐フレッティング錆止め溶液は、錆止め液とその錆止め液に溶解された耐フレッティング添加剤を含む。耐フレッティング添加剤は、金属間締り嵌めの中に低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である少なくとも一つの化合物を含む。耐フレッティング錆止め溶液は、金属間締り嵌めを有する軸受アセンブリのほか、フレッティング摩耗がさもなければ発生しうる他の用途にも提供できる。【選択図】図３
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関連出願の相互参照
[0001]本願は、２０１２年３月２２日出願の米国仮特許出願第６１/６１４，３６４号に基づく優先権を主張し、その全内容を引用によって本明細書に援用する。
[0001]本願は、２０１２年３月２２日出願の米国仮特許出願第６１/６１４，３６４号に基づく優先権を主張し、その全内容を引用によって本明細書に援用する。
[0002]本発明は、軸受アセンブリにおける“固定された”金属間接合部、例えば内輪の内径に嵌合されたシャフト、又はハウジングに嵌合された外輪の外表面のような非潤滑接触面の処理に関する。
これらの“固定”接合部は、典型的には、一緒にプレス嵌合又は焼嵌合(shrink-fitted)されており、一般的にそれらの間での動きを排除することを目的としている。小内径サイズの軸受の場合、通常、フレッティング摩耗を防止又は阻止するために適切な締り嵌め（タイトフィットと言うこともある）を達成するのは難しいことではない。しかしながら、大内径軸受で十分な締り嵌めを達成するのは、はるかに困難なことでありうる。軸受アセンブリの運転中、一定のトルク及び／又は振動発生のために、小振幅の反復振動運動が締り嵌めの表面間に発生しうる。こうした状況下で、フレッティング摩耗は接触面の不規則微小突起の接着及び破壊によって開始される。フレッティング摩耗は酸化又は腐食によっても増幅され得、次いでアブレシブ摩耗として現れる。従って、フレッティング摩耗は、大内径軸受の内輪及び外輪の締り嵌めに関する共通の懸案事項である。フレッティング摩耗はさらに、腐食及び摩損による及び／又は部品間の接着及び溶接による部品の焼付きももたらしかねない。
[0003]接触面はランニングクリアランスを備えておらず、一般的に互いに対して回転してはならないので、市販のグリース又は潤滑剤を使用してフレッティング摩耗を防止することができない。従って、これらの接触面は“乾燥”摩擦状態を呈示する。典型的には、金属間接合部に存在する唯一の物質は、製造後に適用される錆止め油の薄膜コーティングである。しかしながら、錆止め油は、フレッティング摩耗による損傷から表面を有意に保護する性質を備えていない。大内径軸受のフレッティング摩耗のリスクを削減するために一部の軸受製造業者が使用してる標準的実践は、低摩擦材料のコーティングを適用し、フレッティング摩耗を受けやすい金属軌道輪の表面を被覆することである。例えば、テフロン（登録商標）系コーティング又はクロム系コーティングを施して、真の金属対金属接触を避けるようにする。これらのコーティングは、フレッティング摩耗のリスク削減に有効であると考えられているが、軌道輪にコーティングを追加することは費用もかかり、製造工程の複雑さも増す。
[0004]一側面において、本発明は、錆止め液とその錆止め液に溶解された耐フレッティング添加剤とを含む耐フレッティング錆止め溶液を提供する。耐フレッティング添加剤は、金属間締り嵌めの中に低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である少なくとも一つの化合物を含む。
[0005]別の側面において、本発明は、耐フレッティング特性を有する軸受アセンブリを提供する。軸受アセンブリは、シャフト、第一の締り嵌めでシャフトに固定された内輪、内径を含むハウジング、第二の締り嵌めでハウジングの内径に固定された外輪、及び少なくとも第一及び第二の締り嵌めに提供された耐フレッティング錆止め溶液を含む。耐フレッティング錆止め溶液は、錆止め液とその錆止め液に溶解された耐フレッティング添加剤を含む。耐フレッティング添加剤は、低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である少なくとも一つの化合物を含む。
[0006]本発明の他の側面は、詳細な説明及び添付の図面を考慮することによって明らかになるであろう。
[0011]本発明の何らかの実施態様を詳細に説明するのに先立ち、本発明は、当然のことながら、その適用において、以下の説明に示されている又は以下の図面に図示されている構成の詳細及び部品の配置に限定されないことは理解されねばならない。本発明は、他の実施態様も、様々な方法で実施又は実行されることも可能である。
[0012]図４に、内輪１２、内輪１２の内径１２Ａ内に固定されたシャフト１４、外輪１６、及び外輪１６が固定される内径１８Ａを有するハウジング１８を含む典型的な軸受アセンブリ１０を示す。内輪１２と外輪１６は、転動体（図示せず）のような低摩擦継手をそれらの間に有する。内輪１２の内径１２Ａは、シャフト１４との締り嵌めを有し、内輪１２とシャフト１４間での相対的回転を阻止している。同様に、外輪１６は、ハウジング１８の内径１８Ａとの締り嵌めを有し、外輪１６とハウジング１８間での相対的回転を阻止している。締り嵌めは、プレス嵌合又は焼嵌合によって達成できる。いずれの場合も、内輪１２とシャフト１４間の締り嵌め及び外輪１６とハウジング１８間の締り嵌めは、どちらも金属間表面接触をもたらす。一部の構成において、軸受アセンブリ１０は、内輪１２の内径１２Ａが約２００ｍｍよりも大きい大型軸受アセンブリのこともある。一定の用途では、ただ一つの軌道輪、従って単一の金属間締り嵌めしか必要としない場合もあることは理解されるはずである。
[0013]少なくとも内輪及び外輪１２、１６上の腐食を防止又は阻止するために、錆止め（ＲＰ）液を内輪及び外輪１２、１６の表面上に施す。ＲＰ液は、シャフト１４及びハウジング１８の一方又は両方に施すこともできる。ＲＰ液は、内輪及び外輪１２、１６の表面を濡らす炭化水素系流体（又は水性錆止め液）でありうる。炭化水素系流体は、石油系流体（例えば、灯油様稠度を有する薄油）又は非石油系流体（例えば、植物油、合成品など）又は水溶性油又は水性合成錆止め溶液を含みうる。適切なＲＰの例は、Ｑｕａｋｅｒ ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ及びＱｕａｋｅｒ ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ Ｔ１などであるが、これらに限定されない。金属間表面接触に耐フレッティング特性を提供するには、少なくとも一つの添加剤をＲＰに添加して溶液を形成する。そのような添加剤は、ホウ素化合物（例えば、ホウ酸、ホウ酸ナトリウムのようなホウ酸の塩、ホウ酸エステル、ボロン酸エステル、又はボリン酸エステル）及び極圧（ＥＰ）添加剤（例えば、モリブデンジチオホスフェート“ＭｏＤＴＰ”）の少なくとも一つを含みうる。例えば、添加剤は、少なくとも一つのトリ−アルキルボレートなどであり得、そのアルキル基は、エチル、ｎ−ブチル、イソ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、イソ−ペンチルなど（これらに限定されない）に類似した任意の直鎖又は分枝アルキル基である（例えばトリ−イソプロピルボレート又はトリ−プロピルボレートのようなトリ−アルキルボレート）。正確なタイプがどのようなものであれ、耐フレッティング添加剤は、内輪１２とシャフト１４（第一の締り嵌めで結合されている）の少なくとも一つ、及び外輪１６とハウジング１８（第二の締り嵌めで結合されている）の少なくとも一つがＲＰで濡らされている場合にフレッティング摩耗からの保護を提供するように、ＲＰ液中に溶解した状態で存在する。構成によっては、内輪１２とシャフト１４の一方又は両方、及び外輪１６とハウジング１８の一方又は両方がスチールであり、耐フレッティング添加剤はスチールと界面活性で（すなわち、スチールとスチールとの集中接触の中で化学反応を受ける）、剪断変形層又は“低剪断速度対応層”を生み出すことができるため、二つの表面が互いに対して動く場合、滑り界面は低剪断速度対応層に存在できる。低剪断速度対応層については、Ｙ．Ｂｅｒｔｈｉｅｒ，Ｍ．Ｇｏｄｅｔ ＆ Ｍ．Ｂｒｅｎｄｌｅ（１９８９）：Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ，Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，３２：４，４９０−４９６に詳述されており、その内容は引用によって本明細書に援用する。例えば、この参考文献は、予測可能な流体力学原理に従って流体剪断のみを通じて動作する単純厚膜潤滑剤と、多数のより複雑な機構を通じて動作する“乾燥”摩擦との間での、二体又は二表面間の動きに対応するための違いについて詳報している。乾燥摩擦では、油膜が存在しうるが、速度対応の機構は剪断のみの単純な流体原理に執着しない。本明細書において、“速度対応層”とは、二体又は二表面間の層のことを言い、それらの間の動き（すなわちノンゼロ速度）のための能力を増強する。構成によっては、ＲＰ液中に溶解されたホウ素化合物がスチールと界面活性で、ホウ酸の速度対応層を生み出すことができる。また、添加剤としてのＭｏＤＴＰもスチールと界面活性で、モリブデンジスルフィドＭｏＳ２の速度対応層を生み出す。トリ−イソプロピルボレート及びトリ−プロピルボレートのようなホウ素化合物及びＭｏＤＴＰのような一部のＥＰ添加剤は、フレッティングを起こす往復接触のような状況において速度対応層として良く機能することが発明者らの研究室で観察された。実験的試験によれば、この方法論は、ＲＰの本来の腐食保護を犠牲にすることなくフレッティング摩耗を阻止するのに極めて有効であることが示された。
[0014]二つの試験法を用いて添加剤の効果を測定し、その使用についても示した。第一は、フレッティング摩耗の標準試験であるＦａｆｎｉｒ Ｆｒｅｔｔｉｎｇ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ試験（ＡＳＴＭ Ｄ−４１７０−９７）であった。第二は、シャフト上の輪という用途を模倣する振動コンフォーマル・フレッティング試験であった。制限するのではないが、本明細書中に開示された試験は４種類の異なる溶液で実施された。４種類の溶液は、二つの添加剤（トリ−イソプロピルボレート及び２−エチルヘキシルモリブデンジチオホスフェート）のうちの一つを全体積の５パーセントの溶質として、及び二つのＲＰ液（ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ Ｔ１及びＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ）を溶媒として組み合わせる（例えば溶解する）ことによって創製した。ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ Ｔ１ ＲＰ液は、ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦと同じ又は類似しており、溶媒でさらに希釈されている。試験は少なくとも２回反復された。Ｆａｆｎｉｒ試験はＡＳＴＭの手順に従って実施され、コンフォーマルフレッティング摩耗試験は以下のパラメーターに従って実施された。
クリアランス：〜０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）
内輪直径：〜４９．２３ｍｍ（１．９３８インチ）
外輪内径：〜４９．４８ｍｍ（１．９４８インチ）
接触幅：〜１３．０７ｍｍ（０．５１５インチ）
荷重：〜４４８０Ｎ（１０００ポンド）
接触応力：〜５３ＭＰａ（７．７ｋｓｉ）
内輪表面仕上げ：〜μｍ（μｉｎ）
外輪表面仕上げ：〜０．８１３μｍ（３２μｉｎ）
オイル：接触面に０．１ｍＬのＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ＢＦ
振動：１３．３Ｈｚで５度
時間：２２時間又は試験が温度（１００℃）又は摩擦（１１０ポンド）によって中断されたとき。
内輪直径：〜４９．２３ｍｍ（１．９３８インチ）
外輪内径：〜４９．４８ｍｍ（１．９４８インチ）
接触幅：〜１３．０７ｍｍ（０．５１５インチ）
荷重：〜４４８０Ｎ（１０００ポンド）
接触応力：〜５３ＭＰａ（７．７ｋｓｉ）
内輪表面仕上げ：〜μｍ（μｉｎ）
外輪表面仕上げ：〜０．８１３μｍ（３２μｉｎ）
オイル：接触面に０．１ｍＬのＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ＢＦ
振動：１３．３Ｈｚで５度
時間：２２時間又は試験が温度（１００℃）又は摩擦（１１０ポンド）によって中断されたとき。
[0015]Ｆａｆｎｉｒ試験はグリース試験として最も一般的に使用されているので、実地における実際の錆止め条件の試験条件に近い試験条件を提供するように調製を修正した。サンプルは、ヘキサン及びイソプロパノール中で超音波洗浄された。ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ又はＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ ＢＦ＋５％のトリ−イソプロピルボレートを内輪及び外輪の表面に塗布した。過剰分はすべて拭き取るか又は滴り落とした（例えば５分間）。内輪をＦａｌｅｘスピンドルに搭載したら、０．１ｍＬ滴の試験溶液を試験輪の上に載せ、それから外輪を搭載した。各溶液について複数回の試験を実施した。
[0016]Ｆａｆｎｉｒ試験は重量損失を測定する。重量損失が大きいほどフレッティング摩耗が大きい。ここに、結果を表に示す。
[0017]ＡＳＴＭ Ｄ−４１７０はグリースを試験するために設計されているので、文書中の統計的評価はグリースについて正しい。この試験はグリースではなくオイル錆止め剤に対して実施されたので、我々は、測定から導き出された統計データを信頼する。ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ＢＦ Ｔ１を用いた試験で見出されたベースラインサンプルの値の範囲は１．８ｍｇであった。ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ＢＦ試験におけるベースラインサンプルの範囲は０．３８ｍｇであった。添加剤がフレッティング摩耗を確かに削減したという傾向はどちらの試験でも同様である。
[0018]コンフォーマルフレッティング摩耗試験の結果は、摩擦又は温度による試験の中断までの時間である。試験条件が摩擦又は温度のカットオフに達すると、表面をフレッティングから保護している膜は機能を失う。膜が長く持続するほど、保護は良好である。結果を以下の表３にまとめた。
[0019]添加剤を添加されたＲＰ溶液は、何よりもまず腐食防止剤であることを目的としているので、添加剤添加ＲＰ溶液の錆止め特性を試験した。ＡＳＴＭ １７４８に従って長期湿潤試験も実施した。Ｑｕａｋｅｒ ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ Ｔ１中５体積パーセントのトリ−イソプロピルボレートの溶液で被覆されたサンプルは、華氏１２０度、相対湿度９０パーセントに４ヶ月暴露後も腐食を示さなかった。従って、耐フレッティング添加剤はＲＰ液自体の腐食防止能力に何の悪影響も与えないことが分かった。ＭｏＤＴＰのような他の添加剤は潤滑添加剤であり、軸受にそれらが使用されているため、ＲＰ液の腐食保護に何の悪影響もないと理解されている。
[0020]本明細書中に記載のように添加剤を添加されたＲＰ液は、既に使用されているＲＰ液に直接取って代わることができる。ＲＰ溶液中の添加剤の量は、全体積の約又は少なくとも約０．１、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０パーセント（ｖ／ｖ）、及び全体積の約９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、又は１０パーセント（ｖ／ｖ）又はおよそそれ未満であり得るが、他の量も有効であり得る。構成によっては、その量は全体積の約１パーセント〜約１０パーセント（ｖ／ｖ）であり得、特に、構成によっては全体積の約５パーセント（ｖ／ｖ）であり得る。必ずしも上限はないが、添加剤が非常に高濃度だと、基礎のＲＰ液の錆止め特性が犠牲になり始めるであろう。言い換えれば、添加剤は腐食を起こさないが、腐食防止の基本的機能を遂行するのに必要な基礎ＲＰ液の最少量（例えば、約又は少なくとも約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０又は９０パーセント）があるはずである。添加剤添加ＲＰ溶液は、ＲＰ液が通常適用されるとおりの任意の様式で適用できる。構成によっては、部品を浸漬し、自然に水気を切る。ＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ＢＦ及びＦＥＲＲＯＣＯＴＥ（登録商標）５８５６ＢＦ Ｔ１が本明細書中では例として与えられているが、この二つの間に必ずしも優先はなく、当業者であれば、他の公知ＲＰ液も本明細書中に記載のような耐フレッティング添加剤を用いて溶液に変更できることは分かるであろう。
[0021]等しく重要な別の側面は、用途への取り付け前にも軸受の転動体と軌道面の間に偽ブリネリング又はフレッティングが発生しうることである。本明細書中に記載の耐フレッティングＲＰ溶液は、例えば輸送及び貯蔵中に発生するこの種の摩耗のリスクも削減できる。本明細書中に記載のＲＰ溶液中の添加剤によるフレッティング摩耗の防止は、軌道輪の締り嵌め以外の他の状況、及び軸受以外の金属部品におけるフレッティング摩耗もまとめて軽減するのに使用できる。金属部品の輸送は、何らかの形態のフレッティング摩耗保護を必要とすることが多い。グリースのような潤滑剤か又はプラスチックもしくは段ボールのような物理的保護材である。本明細書中に記載の耐フレッティングＲＰ溶液によるフレッティング摩耗保護は、低コストでこれらの他の形態のフレッティング摩耗保護の代わりに単独で使用されるのに極めて十分であり得る。
１０ 軸受アセンブリ
１２ 内輪
１２Ａ 内径
１４ シャフト
１６ 外輪
１８ ハウジング
１８Ａ 内径
１２ 内輪
１２Ａ 内径
１４ シャフト
１６ 外輪
１８ ハウジング
１８Ａ 内径
Claims (21)
- 耐フレッティング錆止め溶液であって、
錆止め液；及び
その錆止め液に溶解された耐フレッティング添加剤
を含み、耐フレッティング添加剤は、金属間締り嵌めの中に低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である少なくとも一つの化合物を含む
耐フレッティング錆止め溶液。 - 錆止め液が炭化水素系流体である、請求項１に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 少なくとも一つの化合物が、ホウ酸の低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である、請求項１に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 化合物が、ホウ酸エステル、ボロン酸エステル、及びボリン酸エステルの少なくとも一つを含む、請求項３に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 少なくとも一つの化合物が、トリ−アルキルボレートを含み、該アルキル基はイソプロピル基及びｎ−プロピル基の一つである、請求項３に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 少なくとも一つの化合物が、モリブデンジスルフィドの低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である、請求項１に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 少なくとも一つの化合物がモリブデンジチオホスフェートを含む、請求項６に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 耐フレッティング添加剤の量が、少なくとも０．５パーセント及び５０体積パーセント未満である、請求項１に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 耐フレッティング添加剤の量が約１パーセント〜約１０体積パーセントである、請求項１に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 耐フレッティング添加剤の量が約５体積パーセントである、請求項１に記載の耐フレッティング錆止め溶液。
- 耐フレッティング特性を有する軸受アセンブリであって、その軸受アセンブリは、
締り嵌めで嵌め合い部品に固定されたリング；
少なくとも締り嵌めに提供された耐フレッティング錆止め溶液
を含み、耐フレッティング錆止め溶液は、錆止め液及びその錆止め液に溶解された耐フレッティング添加剤を含み、耐フレッティング添加剤は、低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である少なくとも一つの化合物を含む軸受アセンブリ。 - 錆止め液が炭化水素系流体である、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
- 少なくとも一つの化合物が、ホウ酸の低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
- 少なくとも一つの化合物が、ホウ酸エステル、ボロン酸エステル、及びボリン酸エステルの少なくとも一つを含む、請求項１３に記載の軸受アセンブリ。
- 少なくとも一つの化合物が、トリ−アルキルボレートを含み、該アルキル基はイソプロピル基及びｎ−プロピル基の一つである、請求項１３に記載の軸受アセンブリ。
- 少なくとも一つの化合物が、モリブデンジスルフィドの低剪断速度対応層を生み出すためにスチールと界面活性である、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
- 少なくとも一つの化合物がモリブデンジチオホスフェートを含む、請求項１６に記載の軸受アセンブリ。
- 耐フレッティング添加剤の量が、少なくとも０．５パーセント及び５０体積パーセント未満である、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
- 耐フレッティング添加剤の量が約１パーセント〜約１０体積パーセントである、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
- 耐フレッティング添加剤の量が約５体積パーセントである、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
- リングが、第一の締り嵌めである締り嵌めで嵌め合い部品のシャフトに固定された内輪であり、軸受アセンブリはさらに、第二の締り嵌めでハウジングの内径に固定された外輪を含み、耐フレッティング錆止め溶液はさらに第二の締り嵌めにも提供される、請求項１１に記載の軸受アセンブリ。
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