JP2020106133A - 高温用摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】３００℃以上の高温条件下でも潤滑機能を長時間維持できる高温用摺動部材を提供する。【解決手段】潤滑組成物７は、高温下で二物体が転がり運動または滑り運動する摺動面と、該摺動面を潤滑する潤滑組成物とを備える高温用摺動部材であって、高温が３００℃以上であり、潤滑組成物が分子中にフェニル基を有する基油を９０質量％以上含み、基油がアルキル置換ジフェニルエーテル油であり、該基油の４０℃における動粘度が５０〜９０ｍｍ２／ｓである。【選択図】図２

Description

本発明は、３００℃以上の高温大気下で用いられる高温用摺動部材に関し、特にフィルム延伸装置に用いられるテンタークリップで用いられる転がり軸受に関する。

各種産業機械や車両などに組み込まれる転がり軸受には、潤滑性を付与するために潤滑組成物（グリースや潤滑油など）が封入されている。潤滑組成物は、転がり軸受の使用条件によって要求特性が異なり、高温条件下で使用される潤滑組成物には耐熱性などが要求される。

例えば、テンタークリップ用転がり軸受には、耐熱性を考慮してフッ素グリースが広く使用されている。また、潤滑性の向上などを目的として固体潤滑剤を配合することも行われる。例えば、特許文献１に記載のフッ素グリースは、フッ素油と、増ちょう剤であるポリテトラフルオロエチレン樹脂粉末と、二硫化モリブデンなどの所定の添加剤とを含有する。フッ素グリースに所定の添加剤を加えることで、金属に対する親和性が強いエステル油が軸受内部に侵入するような環境下でも、フッ素グリースの漏出の抑制を図っている。

特許第４２７７５２１号公報

近年、各種産業機械の高速化、高性能化などにより転がり軸受等の摺動部材が使用される条件がますます過酷なものとなっている。そのため、例えば３００℃以上といった極めて高温の条件下でも使用可能な摺動部材が求められている。

上記特許文献１に記載のテンタークリップ用転がり軸受は、フッ素グリースが３００℃付近になると分解するため、それ以上の高温域では使用が困難である。また、グリースの劣化後においては、添加された耐熱性の固体潤滑剤が潤滑性付与に機能する可能性があるが、該固体潤滑剤の配合割合が少なく十分な機能を発揮できない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、３００℃以上の高温条件下でも潤滑機能を長時間維持できる高温用摺動部材を提供することを目的とする。

本発明の高温用摺動部材は、高温下で二物体が転がり運動または滑り運動する摺動面と、該摺動面を潤滑する潤滑組成物とを備える高温用摺動部材であって、上記高温が３００℃以上であり、上記潤滑組成物が分子中にフェニル基を有する基油を９０質量％以上含むことを特徴とする。

上記摺動面をラマン分光法により測定したラマンスペクトルにおいて、１５５０ｃｍ^−１〜１６５０ｃｍ^−１にピークを有する被膜が形成されていることを特徴とする。

上記潤滑組成物が上記基油のみからなることを特徴とする。また、上記基油が、アルキル置換ジフェニルエーテル油であることを特徴とする。

上記基油の４０℃における動粘度が５０〜９０ｍｍ^２／ｓであることを特徴とする。

上記高温用摺動部材が転がり軸受であり、該転がり軸受が、フィルム延伸装置用のテンタークリップに用いられる軸受であることを特徴とする。

本発明の高温用摺動部材は、３００℃以上の高温条件下で使用され、分子中にフェニル基を有する基油を９０質量％以上含むので、フェニル基含有の基油が転がり摩擦または滑り摩擦によって摺動面に移着し、グラファイト化するため、高温条件下でも潤滑剤として機能する。特に、上記潤滑組成物が基油のみ（１００質量％）からなる場合、増ちょう剤や固体潤滑剤、酸化防止剤などを含まないので、摺動面にグラファイト様の炭素被膜が形成されやすくなる。これにより、３００℃以上の高温大気下でも潤滑機能を長時間維持することができる。

本発明の高温用摺動部材は転がり軸受であり、該転がり軸受がフィルム延伸装置用のテンタークリップに使用される軸受である。フィルム延伸装置用のテンタークリップに使用される軸受は、高温（例えば、２５０℃付近）での使用が想定されるが、本発明の高温用摺動部材である転がり軸受は、優れた耐熱性を有するので、この用途に好適である。

テンタークリップの一例を示す図である。 本発明の転がり軸受の一例を示す軸方向断面図である。 フィルム延伸装置の一例を示す斜視図である。 図３の横延伸装置のガイドレールを示す図である。 ＳＲＶ摩擦摩耗試験結果を示す図である。 実施例２の試験片のラマンスペクトルを示す図である。 比較例４の試験片のラマンスペクトルを示す図である。

本発明者らは、例えば３００℃以上の高温大気環境下でも優れた軸受寿命を得るべく、転がり軸受などの摺動部材に用いられる潤滑組成物について検討した。一般的な潤滑組成物は、３００℃以上の高温大気下では蒸発し、油膜切れが発生するため、蒸発後は潤滑性を示さない。これに対して、本発明者らは、潤滑組成物として分子中にフェニル基を有する基油を主成分として用いることで、該基油の摺動面への移着物が、摩擦によってグラファイト化することを見出した。これにより、摺動部材は高温大気中でも潤滑性を維持することができる。本発明はこのような知見に基づくものである。

本発明に用いる潤滑組成物は、分子中にフェニル基を有する基油を９０質量％以上含む。好ましくは上記基油を９５質量％以上含み、より好ましくは上記基油を９８質量％以上含み、さらに好ましくは上記基油のみからなるものである。

本発明に用いる基油としては、通常、転がり軸受などの摺動部材に用いられ、分子中にフェニル基を有する基油であれば特に制限なく用いることができる。例えば、アルキルベンゼン油、芳香族ジエステル油、ポリフェニルエーテル油、アルキル置換ジフェニルエーテル油などが挙げられる。これらの基油は、単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。これらの基油の中でも、耐熱性に優れるアルキル置換ジフェニルエーテル油が好ましい。

アルキルベンゼンとしては、分岐アルキル基や直鎖アルキル基で置換されたアルキルベンゼンが使用できる。分岐アルキル基としては、例えば、エチレン、プロピレン、ブチレンを重合したオレフィン基などが挙げられる。アルキルベンゼンのアルキル基としては、例えば、炭素数が４〜１８のものが使用できる。

芳香族エステル油としては、トリメリット酸やピロメリット酸のアルキルエステルが使用できる。エステルのアルキル基としては、炭素数４〜１８のアルキル基が挙げられ、具体的には、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基などが挙げられる。これらのアルキル基は、直鎖であっても分岐鎖であってもよい。芳香族エステル油として、例えば、トリオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテートなどが使用できる。

ポリフェニルエーテル油としては、ペンタフェニルエーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラフェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテル、モノアルキルトリフェニルエーテルなどが挙げられる。

アルキル置換ジフェニルエーテル油としては、モノアルキル置換ジフェニルエーテル、ジアルキル置換ジフェニルエーテル、ポリアルキル置換ジフェニルエーテルなどが挙げられる。アルキル置換ジフェニルエーテル油を構成するアルキル基は、分岐でも直鎖でもよいが、直鎖が好ましい。アルキル基の炭素数は４〜１８が好ましい。具体的な置換基としては、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基などが挙げられる。

基油の動粘度（混合油の場合は、混合油の動粘度）としては、４０℃において１０〜２００ｍｍ^２／ｓが好ましい。より好ましくは２０〜１２０ｍｍ^２／ｓであり、さらに好ましくは、５０〜９０ｍｍ^２／ｓである。動粘度が２０ｍｍ^２／ｓ以上５０ｍｍ^２／ｓ未満、または９０ｍｍ^２／ｓを超え１２０ｍｍ^２／ｓ以下の範囲であると、５０〜９０ｍｍ^２／ｓの範囲のものに比べて、高温下において摺動面の摩擦係数が少し上昇するおそれがある。

本発明に用いる潤滑組成物は、分子中にフェニル基を含む基油を主成分とするが、この基油以外に、本発明の目的を損なわない範囲でさらに他の基油や添加剤を配合してもよい。他の基油として、例えば、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油などの鉱油、ポリブテン油、ポリ−α−オレフィン（ＰＡＯ）油などの炭化水素系合成油、または、天然油脂やポリオールエステル油、りん酸エステル油、ジエステル油、ポリグリコール油、シリコーン油、フッ素化油などの非炭化水素系合成油などが挙げられる。

上記添加剤として、例えば、有機亜鉛化合物、有機モリブデン化合物などの極圧剤、アミン系、フェノール系、イオウ系化合物などの酸化防止剤、イオウ系、リン系化合物などの摩耗防止剤、多価アルコールエステルなどの防錆剤、グラファイトなどの固体潤滑剤、エステル、アルコールなどの油性剤などが挙げられる。本発明に用いる潤滑組成物は、摺動面にグラファイト様の被膜を形成するため、固体潤滑剤や酸化防止剤は含まないことが好ましい。

本発明の摺動部材は、高温大気下でも優れた潤滑機能を有することから、３００℃以上の高温、例えば３５０℃で使用される。本発明の摺動部材としての転がり軸受が使用されるフィルム延伸装置の一例を図３および図４に示す。図３はフィルム延伸装置の斜視図であり、図４は図３の横延伸装置のガイドレールを示す図である。図３および図４に示すようにフィルム延伸装置は、樹脂を溶融混練する押出機９と、溶融混練した樹脂を原反シートに賦形して押し出すダイヘッド（Ｔダイ）１０と、原反シートを縦方向に延伸する縦延伸機１１と、縦方向に延伸されたシートをシート幅方向に延伸する横延伸装置１３と、縦、横方向に二軸延伸されたフィルムを引き巻き取る引巻取機１４とから構成される。横延伸装置１３は、一対の周回するガイドレール１２と、該ガイドレール１２上を一定の間隔をあけて周回する複数のテンタークリップ１５と、シートを加熱する手段とを有する。

図４に示すように、縦延伸されたシートは横延伸装置１３において、複数のテンタークリップ１５に両端を連続的に挟まれた状態で、熱処理されながら、ガイドレール１２の拡幅部１２ａ、１２ｂに沿ってシートの幅方向に延伸され、縦、横両方向に延伸された二軸延伸フィルムとなる。延伸された二軸延伸フィルムは、引巻取機１４にて巻き取られる。

テンタークリップ１５に用いられる本発明の転がり軸受は、加熱処理を行なう横延伸装置１３内において、高温条件に曝される。ここで、テンタークリップの一例の断面図を図１に示す。図１に示すようにテンタークリップ１５には、シートの片端１６を把持する把持部１７と、テンタークリップ本体１５ａがガイドレール１２にガイドされつつ走行可能とするための複数のテンタークリップ用転がり軸受１８とが設けられている。テンタークリップ用転がり軸受１８が本発明の摺動部材としての転がり軸受に相当する。

図１および図４に示すように、テンタークリップ１５はガイドレール１２に沿って横延伸装置１３内を周回する。縦延伸されたシートはガイドレール入口１２ｃでシートの片端１６を把持部１７で把持され、加熱処理されながらテンタークリップ１５の走行によってガイドレール拡幅部１２ａ、１２ｂで横延伸される。この縦延伸かつ横延伸されたシートが二軸延伸フィルムとなる。ガイドレール出口１２ｄにおいて、把持部１７は把持状態を解除し、テンタークリップ１５はガイドレール１２に沿って横延伸装置１３に入口に戻る。

テンタークリップ用転がり軸受１８は、横延伸装置１３内の加熱処理やテンタークリップ１５の走行補助のエステル油の噴霧にさらされる。延伸装置内での高温条件下等においてエステル油の酸化劣化を防止するため、エステル油にはアミン系添加剤が添加されており、軸受１８の外輪とガイドレール１２とは、このエステル油によって潤滑される。

本発明の摺動部材としての転がり軸受の一例を図２に示す。図２は深溝玉軸受の断面図である。テンタークリップ用転がり軸受として利用される深溝玉軸受１は、外周面に内輪軌道面２ａを有する内輪２と内周面に外輪軌道面３ａを有する外輪３とが同心に配置され、内輪軌道面２ａと外輪軌道面３ａとの間に複数個の転動体４が配置される。転動体４は保持器５により保持され、少なくとも転動体４の周囲に潤滑組成物７が封入されている。転がり軸受における内輪、外輪、転動体、および保持器は、他の軸受部材と転がり運動または滑り運動する。図２において、内輪軌道面２ａ、外輪軌道面３ａ、転動体４の転動面などが本発明の摺動面に相当する。シール部材６は、内輪２および外輪３の軸方向両端開口部８ａ、８ｂにそれぞれ外輪３等に固定されて設けられる。シール部材６は、潤滑組成物７の漏洩を防止するとともに、走行補助として噴霧されるエステル油の侵入や異物の混入を防止する。

転がり軸受において、軸受部材である内輪、外輪、転動体、および保持器の材質は特に限定されないが、少なくとも、内輪、外輪、および転動体が鉄系材料からなることが好ましい。鉄系材料としては、軸受部材として一般的に用いられる任意の鋼材などを使用でき、例えば、高炭素クロム軸受鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。鉄系材料であることから、グラファイト様の被膜が形成されやすくなる。

本発明の転がり軸受は、深溝玉軸受の形式に限らず、種々の形式の転がり軸受に適用可能である。例として、アンギュラ玉軸受、スラスト玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト針状ころ軸受、円すいころ軸受、スラスト円すいころ軸受、自動調心玉軸受、自動調心ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受、すべり軸受などが挙げられる。

本発明の転がり軸受は、高温条件下において摺動面にグラファイトの被膜が形成されるため、潤滑機能を長時間維持できる。特に、高温条件下で使用される転がり軸受に適しており、例えば、フィルム延伸装置に用いられるテンタークリップ用転がり軸受などに適している。グラファイトの形成は、摺動面のラマンスペクトルにおいて１５８０ｃｍ^−１付近のピークの有無を確かめることにより確認できる。使用前（摺動前）の摺動面のラマンスペクトルでは、１５８０ｃｍ^−１付近にピークがなく、高温大気下で摺動した後には１５８０ｃｍ^−１付近にピークが出現する。本発明の摺動部材は、摺動面をラマン分光法により測定したラマンスペクトルにおいて、１５５０ｃｍ^−１〜１６５０ｃｍ^−１にピークを有する被膜が形成されている。そのため、グラファイト化により潤滑性が付与されたことが確認できる。グラファイトは耐熱性の高い固体潤滑剤として一般に知られている。

また、本発明は、二物体が転がり運動または滑り運動する摺動面と、該摺動面を潤滑する潤滑組成物とを備える高温用摺動部材の使用方法であり、上記潤滑組成物が分子中にフェニル基を有する基油を９０質量％以上含み、上記高温用摺動部材を３００℃以上の高温条件下で摺動させることを特徴とする。上記潤滑組成物は、基油のみからなることが好ましく、また、上記基油がアルキル置換ジフェニルエーテル油であることが好ましい。

実施例１
潤滑組成物として、アルキル置換ジフェニルエーテル油（４０℃における動粘度３２ｍｍ^２／ｓ）を用いた。
実施例２
潤滑組成物として、アルキル置換ジフェニルエーテル油（４０℃における動粘度６９ｍｍ^２／ｓ）を用いた。
実施例３
潤滑組成物として、アルキル置換ジフェニルエーテル油（４０℃における動粘度１０２ｍｍ^２／ｓ）を用いた。

比較例１
潤滑組成物として、ＰＡＯ油（４０℃における動粘度４６ｍｍ^２／ｓ）を６０質量％、窒化ホウ素を４０質量％混合した組成物を用いた。
比較例２
潤滑組成物として、アルキル置換ジフェニルエーテル油（４０℃における動粘度１０２ｍｍ^２／ｓ）を４０質量％、二硫化モリブデンを６０質量％混合した組成物を用いた。
比較例３
潤滑組成物として、ＰＡＯ油（４０℃における動粘度１７ｍｍ^２／ｓ）を用いた。
比較例４
潤滑組成物として、ＰＡＯ油（４０℃における動粘度４６ｍｍ^２／ｓ）を用いた。
比較例５
潤滑組成物として、ＰＡＯ油（４０℃における動粘度６５ｍｍ^２／ｓ）を用いた。

実施例および比較例の潤滑組成物を用いて、以下に示すＳＲＶ摩擦摩耗試験に供し、３５０℃の大気環境における潤滑維持性能を評価した。具体的には、試験開始から１２０分までの間、経時的に摩擦係数を測定した。実施例および比較例の摩擦係数の経時的変化を示したグラフを図５に示す。

＜ＳＲＶ摩擦摩耗試験＞
テストピース：
ボール直径；９．５２５ｍｍ（Ｓｉ_３Ｎ_４）
円盤プレート直径；２４ｍｍ×７．９ｍｍ（ＳＵＳ４４０Ｃ）
評価条件：
点接触最大面圧；１．７ＧＰａ
周波数；１０Ｈｚ
振幅；１ｍｍ
試験温度；３５０℃

図５に示すように、潤滑組成物が分子中にフェニル基を含む基油のみからなる場合（実施例１〜３）では、３５０℃の高温大気下でも摩擦係数がほとんど上昇することなく、潤滑性が維持できた。これに対して、分子中にフェニル基を含まない基油のみからなる潤滑組成物（比較例３〜５）や、その基油および固体潤滑剤からなる潤滑組成物（比較例１）の場合には、摩擦係数が大幅に増加し、潤滑性が維持できない結果となった。特に、比較例３〜５では、昇温段階の３００℃付近ですでに摩擦係数が増大した結果となった。比較例２は、分子中にフェニル基を含む基油を４０質量％含んでおり、試験開始後しばらくの間は摩擦係数の上昇を抑えられたが、最終的に摩擦係数が上昇する結果となった。

＜ラマン分光測定＞
実施例２および比較例４について、ＳＲＶ摩擦摩耗試験終了後のテストピースをラマン分光法により測定した。各ラマンスペクトルを図６および図７に示す。

図６に示すように、良好な潤滑性を示した実施例２では、グラフェンの特徴的なピークの一つである１５８０ｃｍ^−１付近のＧバンドが現れた。Ｇバンドは、通常１５５０ｃｍ^−１〜１６５０ｃｍ^−１に観測され、図６では１５９６ｃｍ^−１のピークである。一方、比較例４ではＧバンドは観測されず、層状構造を持たない炭素膜で一般的にみられる１２７０〜１４５０ｃｍ^−１付近のＤバンドのみが認められた。

このように分子中にフェニル基を含む基油のみを用いた場合には、摺動面にグラファイトが形成されたのに対して、分子中にフェニル基を含まない基油を用いた場合には、そのような層状構造は形成されなかった。ＳＲＶ摩擦摩耗試験の結果からも、高温大気下において摺動面で基油がグラファイト化することで、潤滑性が維持されたことが判明した。

本発明の高温用摺動部材は、高温大気条件下でも潤滑機能を長時間維持できるので、３００℃以上の高温条件下でも使用可能である。そのため、高温条件下で使用される転がり軸受に適しており、特に、フィルム延伸装置用のテンタークリップに用いられる転がり軸受として好適である。

１ 深溝玉軸受
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 保持器
６ シール部材
７ 潤滑組成物
８ａ 開口部
８ｂ 開口部
９ 押出機
１０ Ｔダイ
１１ 縦延伸機
１２ ガイドレール
１３ 横延伸装置
１４ 引巻取機
１５ テンタークリップ
１５ａ テンタークリップ本体
１６ シートの片端
１７ 把持部
１８ テンタークリップ用転がり軸受

Claims (6)

1. 高温下で二物体が転がり運動または滑り運動する摺動面と、該摺動面を潤滑する潤滑組成物とを備える高温用摺動部材であって、
   前記高温が３００℃以上であり、前記潤滑組成物が分子中にフェニル基を有する基油を９０質量％以上含むことを特徴とする高温用摺動部材。
2. 前記摺動面をラマン分光法により測定したラマンスペクトルにおいて、１５５０ｃｍ^−１〜１６５０ｃｍ^−１にピークを有する被膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の高温用摺動部材。
3. 前記潤滑組成物が前記基油のみからなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高温用摺動部材。
4. 前記基油が、アルキル置換ジフェニルエーテル油であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の高温用摺動部材。
5. 前記基油の４０℃における動粘度が５０〜９０ｍｍ^２／ｓであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の高温用摺動部材。
6. 前記高温用摺動部材が転がり軸受であり、該転がり軸受が、フィルム延伸装置用のテンタークリップに用いられる軸受であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の高温用摺動部材。