JP4262668B2

JP4262668B2 - グリース組成物および転がり軸受

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Publication number: JP4262668B2
Application number: JP2004343721A
Authority: JP
Inventors: 英信三上
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: JP2005255977A

Description

本発明は、高荷重下における潤滑性および耐荷重性に優れるグリース組成物および転がり軸受に関する。

従来、グリース組成物封入転がり軸受を高荷重条件下で使用する場合には、潤滑グリース組成物の潤滑膜が破断しやすくなる。潤滑膜が破断すると金属接触が起こり、発熱、摩擦摩耗が増大する不具合が発生する。そのため、極圧剤（ＥＰ剤）含有グリース組成物を使用して、その不具合を軽減している。
転がり軸受の使用条件が過酷になるにつれ、グリース組成物においては、潤滑性および高荷重性を向上させ、潤滑油膜破断による金属接触を防止する必要がある。特に、ころ軸受はつばを有し、つば部で転動体と軌道輪つばがすべり運動するため、つば部で潤滑油膜の破断が起こりやすくなる。
メラミン（イソ）シアヌル酸付加物 100 重量部に対して、ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデンおよびモリブデンジチオカーバメート（以下、ＭｏＤＴＣと略称）よりなる群から選ばれた固体潤滑剤を 5〜1000 重量部の割合で併用した固体潤滑剤含有グリースが開示されている（特許文献１参照）。
また、有機ビスマス化合物を含んでなる、転がり軸受用の極圧グリース潤滑剤組成物が開示されている（特許文献２参照）。
また、摩耗を低減するため、ＭｏＤＴＣおよびポリサルファイドを含有してなるグリース組成物が開示されている（特許文献３参照）。

しかしながら、ころ軸受の使用条件がｄＮ値 10 万以上という高速条件下での潤滑など過酷になるにつれて、従来のグリース組成物ではころ軸受の使用が困難になるなどの問題がある。
ころ軸受は、内、外輪の転走面と転動体である「ころ」との間にころがり摩擦が、つば部と「ころ」との間にすべり摩擦が発生する。ころがり摩擦に比べるとすべり摩擦は大きいので、使用条件が過酷になるとつば部の焼付きが生じやすくなる。そのためグリース組成物の交換作業等が頻繁になりメンテナンスフリー化を達成できないという問題がある。
特開昭６１−１２７９１号公報（特許請求の範囲）特開平８−４１４７８号公報（特許請求の範囲）特開平１０−３２４８８５号公報（特許請求の範囲）

本発明における課題は、高荷重またはすべり運動が生じる状態での潤滑面での摩擦摩耗を防止し、長期耐久性に優れたグリース組成物およびグリース組成物封入転がり軸受を提供することである。

本発明のグリース組成物は、増ちょう剤と基油を含むグリース組成物に、ビスマス粉末、硫酸ビスマスおよび三酸化ビスマスから選ばれた少なくとも１つの無機ビスマス系添加物をグリース組成物全体に対して 0.01〜15 重量％添加してなることを特徴とする。
上記増ちょう剤は、ウレア系化合物およびリチウム石けんから選ばれた少なくとも１つの化合物であることを特徴とする。
上記基油は、ポリ-α-オレフィン油、鉱油、エステル油およびエーテル油から選ばれる少なくとも１つの油であることを特徴とする。

転がり軸受は、内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体の周囲にグリース組成物を封入してなり、該グリース組成物は上記記載のグリース組成物であることを特徴とする。

本発明のグリース組成物を封入した転がり軸受は、ころ軸受であることを特徴とする。

本発明のグリース組成物および転がり軸受、特にころ軸受は、耐熱耐久性に優れた無機ビスマス系添加物を使用しているので、極圧性効果を長期間持続することができる。そのため、耐摩耗性とともに、長期間耐久性の要求される鉄道車両、建設機械、自動車電装補機などに好適に利用することができる。

本発明のころ軸受用グリース組成物が封入されるころ軸受について図１により説明する。図１はころ軸受の一部切り欠き斜視図である。ころ軸受は内輪１と外輪２との間にころ３が保持器４を介して配置されている。ころ３は内輪１の転走面１ａと外輪２の転走面２ａとの間でころがり摩擦を受け、内輪１のつば部１ｂとの間ですべり摩擦を受ける。これらの摩擦を低減するためにころ軸受用グリース組成物が封入されている。

本発明のグリース組成物に使用できる基油としては、例えば、鉱油、ポリ−α−オレフィン油(以下、ＰＡＯと略称）、エステル油、フェニルエーテル油、フッ素油、さらに、フィッシャートロプシュ反応で合成される合成炭化水素油（ＧＴＬ基油）などが挙げられる。この中でも、ポリ−α−オレフィン油または鉱油から選ばれた少なくとも一種を使用することが好ましい。上記のポリ−α−オレフィン油としては、通常、α−オレフィンまたは異性化されたα−オレフィンのオリゴマーまたはポリマーの混合物である。α−オレフィンの具体例としては、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、１−ドデセン、１−トリデセン、１−テトラデセン、１−ペンタデセン、１−ヘキサデセン、１−ヘプタデセン、１−オクタデセン、１−ノナデセン、１−エイコセン、１−ドコセン、１−テトラコセン等を挙げることができ、通常はこれらの混合物が使用される。また、鉱油としては、例えば、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油等の通常潤滑油やグリース組成物の分野で使用されているものをいずれも使用することができる。

本発明のグリース組成物に使用できる基油は、好ましくは、 40℃における動粘度が 20〜200 mm²/sec である。 20 mm²/sec 未満の場合は、蒸発量が増加し、耐熱性が低下するので好ましくなく、また、200 mm²/sec をこえると回転トルクの増加による軸受の温度上昇が大きくなるので好ましくない。

本発明のグリース組成物に使用できる増ちょう剤として、アルミニウム、リチウム、ナトリウム、複合リチウム、複合カルシウム、複合アルミニウムなどの金属石けん系増ちょう剤、下記式（１）のジウレア化合物が挙げられる。好ましくは、ジウレア化合物である。これらの増ちょう剤は、１種類単独で用いても２種類以上組み合わせて用いてもよい。

（式（１）中のＲ₂ は、炭素数 6〜15 の芳香族炭化水素基、Ｒ₁ およびＲ₃ は、炭素数 6〜12 の芳香族炭化水素基または炭素数 6〜20 の脂環族炭化水素基または炭素数 6〜20 の脂肪族炭化水素基を示し、Ｒ₁ およびＲ₃ は、同一であっても異なっていてもよい。）
式（１）で表されるウレア系化合物は、例えば、ジイソシアネートとモノアミンの反応で得られる。ジイソシアネートとしては、フェニレンジイソシアネート、ジフェニルジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、１，５−ナフチレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート、３，３−ジメチル−４，４−ビフェニレンジイソシアネート、オクタデカンジイソシアネート、デカンジイソシアネート、ヘキサンジイソシアネー卜等が挙げられ、モノアミンとしては、オクチルアミン、ドデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミン、アニリン、ｐ−トルイジン、シクロヘキシルアミン等が挙げられる。
ウレア化合物は、イソシアネート化合物とアミン化合物を反応させることにより得られる。反応性のある遊離基を残さないため、イソシアネート化合物のイソシアネート基とアミン化合物のアミノ基とは略当量となるように配合することが好ましい。
基油にウレア化合物を配合して各種配合剤を配合するためのベースグリース組成物が得られる。ベースグリース組成物は、基油中でイソシアネート化合物とアミン化合物とを反応させて作製する。

本発明のグリース組成物には、無機ビスマス系添加物を極圧剤として添加することを必須とする。これら無機ビスマス系添加物は、1 種類または、2 種類を混合してグリース組成物に添加してもよい。また、添加量は、グリース全体に対して 0.01〜15 重量％であることが好ましい。より好ましくは 1〜10 重量％である。添加量が 0.01 重量％未満では、耐摩耗性の向上効果が発揮されず、また、 15 重量％をこえると、回転時のトルクが大きくなって、発熱が増大し、回転障害を生じるためである。
本発明のグリース組成物に使用することができる無機ビスマス系添加物としては、ビスマス粉末、炭酸ビスマス、塩化ビスマス、硝酸ビスマスおよびその水和物、硫酸ビスマス、フッ化ビスマス、臭化ビスマス、ヨウ化ビスマス、オキシフッ化ビスマス、オキシ塩化ビスマス、オキシ臭化ビスマス、オキシヨウ化ビスマス、酸化ビスマスおよびその水和物、水酸化ビスマス、セレン化ビスマス、テルル化ビスマス、リン酸ビスマス、オキシ過塩素酸ビスマス、オキシ硫酸ビスマス、ビスマス酸ナトリウム、チタン酸ビスマス、ジルコン酸ビスマス、モリブデン酸ビスマス等が挙げられるが、本発明において、特に好ましいのは、耐熱耐久性に優れ、熱分解しにくいため、極圧性効果の高いビスマス粉末、硫酸ビスマスおよび三酸化ビスマスである。

本発明のグリース組成物には、必要に応じて公知の添加剤を含有させることができる。この添加剤として、例えば、有機亜鉛化合物、アミン系、フェノール系、イオウ系等の酸化防止剤、ベンゾトリアゾール、亜硝酸ソーダなどの金属不活性剤、ポリメタクリレート、ポリスチレン等の粘度指数向上剤、二硫化モリブデン、グラファイト等の固体潤滑剤等が挙げられる。これらを単独または 2 種類以上組み合せて添加することができる。

本発明のころ軸受用グリース組成物は、グリース組成物封入ころ軸受の寿命を向上させることができる。このため、円筒ころ軸受、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト円筒ころ軸受、スラスト円すいころ軸受、スラスト針状ころ軸受、スラスト自動調心ころ軸受等の封入グリース組成物として使用することができる。

実施例１〜実施例９
反応容器中で、基油中に増ちょう剤を加え、3 本ロールミルを用いて均一化処理して、表１に示すＬｉ石けん／鉱油系グリース組成物( 40℃基油粘度 100 mm²/sec 、混和ちょう度 220 )、ウレア／ＰＡＯ系グリース組成物（ 40℃基油粘度 46 mm²/sec 、混和ちょう度 280 ）、Ｌｉ石けん／エステル油系グリース組成物( 40℃基油粘度 30 mm²/sec 、混和ちょう度 250 )、ウレア／エーテル系グリース組成物（ 40℃基油粘度 100 mm²/sec 、混和ちょう度 300 ）を得た。さらに、極圧剤として無機ビスマス系添加物を、表１に示す割合で上記グリース組成物に添加して、各実施例のグリース組成物を作製した。得られたグリース組成物につき、以下に記す極圧性評価試験およびころ軸受試験を行なった。結果を表１に併記した。

比較例１〜比較例１０
反応容器中で、基油中に増ちょう剤を加え、3 本ロールミルを用いて均一化処理して、表２に示すＬｉ石けん／鉱油系グリース組成物( 40℃基油粘度 100 mm²/sec 、混和ちょう度 220 )、ウレア／ＰＡＯ系グリース組成物（ 40℃基油粘度 46 mm²/sec 、混和ちょう度 280 ）、Ｌｉ石けん／エステル油系グリース組成物( 40℃基油粘度 30 mm²/sec 、混和ちょう度 250 )、ウレア／エーテル系グリース組成物（ 40℃基油粘度 100 mm²/sec 、混和ちょう度 300 ）を得た。さらに、極圧剤として、有機ビスマス化合物またはＭｏＤＴＣなどを、表２に示す割合で上記グリース組成物に添加して、各比較例のグリース組成物を作製した。得られたグリース組成物につき、以下に記す極圧性評価試験およびころ軸受試験を行なった。結果を表２に併記した。

極圧性評価試験：
極圧性評価試験装置を図２に示す。評価試験装置は、回転軸５に固定されたφ40×10 のリング状試験片６と、この試験片６と端面８にて端面同士が擦り合わされるリング状試験片７とで構成される。ころ軸受用グリース組成物を端面８部分に塗布し、回転軸５を回転数 2000 rpm、図２中右方向のアキシアル荷重 490 N 、ラジアル荷重 392 N を負荷して、極圧性を評価した。極圧性は両試験片のすべり部の摩擦摩耗増大により生じる回転軸５の振動を振動センサにて測定し、その振動値が初期値の 2 倍になるまで試験を行ない、その時間を測定した。
回転軸５の振動値が初期値の 2 倍になるまでの時間が長いほど極圧性効果が大となり、優れた耐熱耐久性を示す。したがってグリース組成物の耐熱耐久性の評価は、測定された上記時間の長さにて各実施例と各比較例とを対比させて行なった。
ころ軸受試験：
３０２０６円すいころ軸受にグリース組成物を 3.6 g 封入し、アキシアル荷重 980 N 、回転数 2600 rpm 、室温にて運転し、回転中のつば部表面温度を測定した。運転開始後、 4〜8 時間までのつば部表面温度の平均値を算出した。
つば部と「ころ」との間に発生するすべり摩擦が大きくなると回転中のつば部表面温度は上昇する。そのためグリース組成物の耐熱耐久性の評価は、測定された上記温度の高さにて各実施例と各比較例とを対比させて行なった。上記温度の高さが 70℃未満であることが、グリース組成物の耐熱耐久性を有する基準とした。

表１および表２においてＬｉ石けん／鉱油系グリース組成物のデータを、各実施例と各比較例とを対比すると、極圧剤の種類では、有機ビスマス化合物よりも無機ビスマス系添加物が、極圧性評価試験およびころ軸受試験において優れた耐熱耐久性を示した。
実施例９および比較例５に示すように、特にビスマス粉末は、有機ビスマスに比して約 6 倍の耐熱耐久性を示すことがわかる。また、実施例２および比較例５に示すように、特に三酸化ビスマスは、有機ビスマスに比して約 3 倍の耐熱耐久性を示すことがわかる。これらのことから無機ビスマス系添加物が有機ビスマス化合物よりも耐熱耐久性に優れ、熱分解しにくいため、極圧性効果を長時間持続することができることによるものと考えられる。
また、ビスマス粉末、硫酸ビスマスおよび三酸化ビスマスの中では、ビスマス粉末が最も良好な耐熱耐久性を示した。

三酸化ビスマスの添加量が実施例５の 1 重量部、実施例２の 5 重量部、実施例６の 15 重量部と増加するにつれて極圧性効果が増加する傾向を示すが、三酸化ビスマスの添加量を 15 重量部と添加量 5 重量部の 3 倍に増加させても、極圧性効果の増加は約 1.4 倍に留まる。これは三酸化ビスマスの添加量が 15 重量部に近づくと、回転時のトルクが大きくなって、発熱が増大し、回転障害を生じる傾向にあるためと考えられる。
また、比較例８に示すように、亜鉛粉末を添加した場合には、耐熱耐久性が著しく悪化し、無機化合物ではあっても亜鉛粉末には極圧性効果が認められなかった。これは亜鉛の融点が低く、グリースの耐熱性を向上させることができなかったためと考えられる。

表１および表２においてウレア／ＰＡＯ系グリース組成物、Ｌｉ石けん／エステル油系グリース組成物、ウレア／エーテル系グリース組成物のデータを、各実施例と各比較例とを対比すると、ウレア／ＰＡＯ系グリース組成物の場合、極圧剤の種類では、有機ビスマス化合物よりも硫酸ビスマスおよび三酸化ビスマスといった無機ビスマス系添加物が優れた耐熱耐久性を示す。実施例３、実施例４および比較例７に示すように、硫酸ビスマスは有機ビスマスに比して約 3 倍の耐熱耐久性を示し、三酸化ビスマスは有機ビスマスに比して約 4 倍の耐熱耐久性を示すことがわかる。これは無機ビスマス系添加物が有機ビスマス化合物よりも耐熱耐久性に優れ、熱分解しにくいため、極圧性効果を長時間持続することができることによるものと考えられる。

また、実施例７および比較例３に示すように、Ｌｉ石けん／エステル油系グリース組成物の場合、硫酸ビスマスを極圧剤として用いると極圧剤を使用しない場合に比して約 13 倍の耐熱耐久性を示した。
また、実施例８および比較例４に示すように、ウレア／エーテル系グリース組成物の場合、三酸化ビスマスを極圧剤として用いると極圧剤を使用しない場合に比して約 6 倍の耐熱耐久性を示した。以上のことから、硫酸ビスマスおよび三酸化ビスマスといった無機ビスマス系添加物が極圧性効果を長時間持続することがわかる。

本発明のグリース組成物および転がり軸受は、耐熱耐久性に優れた無機ビスマス系添加物を使用しているので、極圧性効果を長期間持続することができる。そのため、耐摩耗性とともに、長期間耐久性の要求される鉄道車両、建設機械、自動車電装補機などに好適に利用できる。

ころ軸受の一部切り欠き斜視図である。極圧性評価試験装置を示す図である。

符号の説明

１内輪
２外輪
３ころ
４保持器
５回転軸
６、７リング状試験片
８端面

Claims

増ちょう剤と基油を含むグリース組成物に、ビスマス粉末、硫酸ビスマスおよび三酸化ビスマスから選ばれた少なくとも１つの無機ビスマス系添加物を、該グリース組成物全体に対して 0.01〜15 重量％添加してなるグリース組成物であって、
前記増ちょう剤は、ウレア系化合物およびリチウム石けんから選ばれる少なくとも１つの化合物であり、
前記基油は、ポリ-α-オレフィン油、鉱油、エステル油およびエーテル油から選ばれる少なくとも１つの油であることを特徴とするグリース組成物。
前記無機ビスマス系添加物は、グリース組成物全体に対して、無機ビスマス系添加物 1〜15 重量％を添加したことを特徴とする請求項１記載のグリース組成物。
内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する複数の転動体とを備え、この転動体の周囲にグリース組成物を封入してなる転がり軸受であって、前記グリース組成物は請求項１または請求項２記載のグリース組成物であることを特徴とする転がり軸受。
前記転がり軸受が、ころ軸受であることを特徴とする請求項３記載の転がり軸受。