JP4936080B2

JP4936080B2 - メタル軸受

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Publication number: JP4936080B2
Application number: JP2008513057A
Authority: JP
Inventors: 博小林
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: WO2007125603A1; US7810999B2; EP2014938A4; US20090116773A1; JPWO2007125603A1; EP2014938A1

Description

本発明は、軸部材と摺接可能な軸受面を備え、表面及び内部に気孔を有し、金属または合金を主成分とする焼結体からなるメタル軸受に関する。

従来、金属または合金の焼結体を主成分とするメタル軸受として、焼結体の内部に潤滑油を含浸させた含油軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のメタル軸受は、自己給油性を有しており、軸部材が軸受面に対して摺動する際の発熱等によって焼結体の内部に含浸させた潤滑油を軸受面に滲み出させることができる。

また、その他のメタル軸受としては、銅−ニッケル系の合金粉末に対して、銅−リン合金と黒鉛粒子とをボールミル等で混合して加圧成形し、焼結させた黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製の軸受が提案されている(例えば、特許文献２参照)。このようなメタル軸受では、高い強度及び優れた耐食性を有する銅−ニッケル系合金と硬質の銅−リン合金と高い潤滑性を有する遊離黒鉛とにより、優れた耐摩耗性を発揮することができる。
特開２００２−３９１８３号公報（従来の技術）特開２００２−１８０１６２号公報（第３−４頁）

しかし、前記従来の焼結体の内部に潤滑油を含浸させた含油軸受では、低温領域においては、潤滑油の蒸気圧が小さい（表面張力が大きい）、潤滑油の体積が熱収縮する等の要因によって焼結体の内部に含浸させた潤滑油が充分に軸受面に滲み出難くなり、自己給油性が低下する。このため、軸受と軸部材との摺接面での焼付きや片あたり等によって焼結体の気孔が潰れるという問題が発生していた。特に使用温度が−３０℃以下の場合に軸受の自己給油性は極端に低下していた。

一方、高温領域においては、潤滑油の蒸気圧が大きい（表面張力が小さい）、潤滑油の熱膨張が大きくなる等の要因によって焼結体の内部に含浸させた潤滑油が滲み出易くなり、使用時間が長くなると枯渇する。このため、高温時においても低温時と同様に、軸受と軸部材との摺接面での焼付きや片あたり等によって焼結体の気孔が潰れる虞があった。特に使用温度が１００℃以上の場合では、軸受の連続動作時間に制約を受けていた。
なお、軸受に使用される金属または合金の焼結体が表面及び内部に備える気孔の体積割合は、一般的に１７〜２３ｖｏｌ％程度であり、気孔の内部に含浸できる潤滑油の容量は制限されている。

さらに、軸受とその軸受に軸支された軸部材とが干渉する場合にも、軸受面の焼結体の気孔が潰れ、潤滑油が滲み出難くなる。このため、軸受の内径寸法と軸部材の外形寸法とについて高い加工精度が必要となり、製造コストが高くなるという問題もあった。

また、前記黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製の軸受では、銅−ニッケル系の合金粉末に対して単にボールミルにて黒鉛粉末を混合するものであるため、黒鉛が塊となって分散してしまう。このため、軸受面に黒鉛が均一に付かないという問題があった。

さらに、金属粒子の表面に黒鉛粒子が固着したものを焼結する場合には、金属と黒鉛との融点が大きく異なるため、金属粒子同士の接触面での溶融が黒鉛の存在で阻害される。このため、焼結体の機械的強度が大きく低下するという問題も発生していた。

また、軸受を自動車用のモータに適用する場合では、自動車用のモータの動作環境温度の範囲は広く、モータが配置される位置によっても動作環境温度は変化し、モータの動作環境温度の範囲は−４０〜１２０℃程度になる。そして、軸受の軸受面においては、軸部材が摺動することによりさらに昇温し、モータの動作環境温度より３０〜５０℃程度高くなる。このため、軸受を自動車用モータに適用する場合においては、幅広い温度範囲で軸受面における潤滑性を確保できるものが求められていた。
なお、自動車用モータの軸受は、一般には、メンテナンスフリーで１０年以上使用される。

さらに、軸受の使用温度範囲が広い場合や使用時間が長い場合、軸部材と軸受との干渉が避けられない場合等においては、含油軸受（または、すべり軸受という）に代えてボール軸受（または、ころがり軸受という）を使用することも想定されるが、ボール軸受を使用するとコストが高くなるという問題があった。また、ボール軸受の場合、その実装スペースを大きくとる必要があるため、軸受を使用したユニット自体が大きくなりその実装性を損なう虞もあった。

本発明は上記の問題に鑑みて案出されたものであり、使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための本発明に係るメタル軸受の第１特徴構成は、軸部材と摺接可能な軸受面を備え、表面及び内部に気孔を有し、金属または合金を主成分とする焼結体からなるメタル軸受において、前記気孔の内に分散溶媒を備え、マグヘマイト粒子が、気体及び前記分散溶媒の沸点より低い沸点を有する液体のうち少なくとも一方を伴って前記分散溶媒の中に存在し、前記気体及び前記液体のうち少なくとも一方が、一定の温度以上になった前記気孔の内で前記マグヘマイト粒子を取り囲む気泡を形成する点にある。

つまり、この構成によれば、メタル軸受では、軸部材が摺動すること等によって軸受面が昇温すると、気孔の温度も軸受面の近傍から順に上がる。そして、一定の温度以上になった気孔の内では、分散溶媒中においてマグヘマイト粒子が液体を伴う場合には、その液体は気化して気泡であるバルーンを形成し、気体を伴う場合にはその気体がバルーンを形成してマグヘマイト粒子を取り囲むようになる。マグヘマイト粒子を取り囲むバルーンは、分散溶媒を媒体として気孔の内に存在するため、気孔の内の温度上昇に伴って熱膨張しようとしてもその周りを取り囲む分散溶媒によって体積膨張が抑制され、バルーンの内部の圧力が上昇する。そして、さらなる温度上昇によりその内部の圧力が大気圧に達すると、バルーンはマグヘマイト粒子を伴って気孔の内から軸受面に移動する。

そして、マグヘマイト粒子は、抗磁力が大きいため、永久磁石としての性質が顕在化されており、磁気吸着力が高い。一方、飽和磁束密度は小さいため、粒子間の磁気凝集力は小さく、粒子の磁気凝集は解除し易くなる。このため、軸受面に移動したマグヘマイト粒子は、軸受と軸部材との摺接により応力を受け、マグヘマイト粒子同士の磁気凝集による結合が解除され、より微細な粒子となって軸受面に磁気吸着する。これによりマグヘマイトの微細な粒子は、軸受面に被膜状の構造体（以下「被膜」と称する）を形成することができ、ベアリング効果の媒体として使用することが可能となる。

このようにマグヘマイト粒子を軸受面に磁気吸着させることにより被膜を形成することができるため、従来の含油軸受等のように、含浸油の熱膨張に基づく自己給油性により、メタル軸受側からメタル軸受の他の部位または軸部材側への潤滑油等の継続的な供給は必要なくなる。さらには、メタル軸受と軸部材との間隙に、マグヘマイト粒子を磁気吸着によって介在させることで、メタル軸受と軸部材との摺接面でマグヘマイト粒子が滑ることによって、焼付きが発生せず、摺動性を長期にわたって確保することが可能となる。

したがって、本構成によるメタル軸受は、軸受面にマグヘマイト粒子の被膜を形成することができるため、使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供することができる。そして、マグヘマイト粒子の被膜によって軸受と軸部材とが直接干渉することを防ぐことができるため、加工精度を高くする必要が無くなり、製造コストを抑えることができる。

本発明に係るメタル軸受の第２特徴構成は、前記マグヘマイト粒子の平均粒径は、０．３μｍ以下である点にある。

つまり、この構成によれば、平均粒径が小さくなると単一粒子の飽和磁化が小さくなるため、マグヘマイト粒子の磁気凝集をより解除し易くなる。

本発明に係るメタル軸受の第３特徴構成は、前記マグヘマイト粒子のＢＥＴ値は、１０ｍ^２／ｇ以上である点にある。

つまり、この構成によれば、より多くの気体や液体をマグヘマイト粒子の表面に伴わせることができる。

本発明に係るメタル軸受の第４特徴構成は、前記マグヘマイト粒子は、マグネタイト粒子を熱処理し、磁気変態させたものである点にある。

つまり、この構成によれば、粒状または球状であると共に、抗磁力が大きく、飽和磁力密度が小さいマグヘマイト粒子を作製することができる。

本発明に係るメタル軸受の第５特徴構成は、前記マグヘマイト粒子は、表面にチタン系カップリング剤及びシラン系カップリング剤から選ばれる少なくとも一種の化合物を備える点にある。

つまり、この構成によれば、チタン系カップリング剤及びシラン系カップリング剤から選ばれる少なくとも一種の化合物によって、マグヘマイト粒子の表面を疎水性にすることにより、疎水性の分散溶媒中におけるマグヘマイト粒子の分散性を向上させることができると共に、マグヘマイト粒子を取り囲む気体が、マグヘマイト粒子から遊離することを防ぐことができる。

本発明に係るメタル軸受の第６特徴構成は、前記分散溶媒は、ポリアルファオレフィンである点にある。

つまり、この構成によれば、幅広い温度範囲において、マグヘマイト粒子を良好に分散させることができる。また、ポリアルファオレフィンは潤滑性にも優れるため、マグヘマイト粒子と共に軸受面に移動した場合には軸受と軸部材との潤滑剤とすることができる。

本発明に係るメタル軸受は、軸部材と摺接可能な軸受面を備え、表面及び内部に気孔を有し、金属または合金を主成分とする焼結体からなるメタル軸受において、前記気孔の内に分散溶媒を備え、マグヘマイト粒子が、気体及び前記分散溶媒の沸点より低い沸点を有する液体のうち少なくとも一方を伴って前記分散溶媒の中に存在するものである。すなわち、本発明に係るメタル軸受では、軸部材が摺動すること等によって軸受面が昇温すると、気孔の温度も軸受面の近傍から順に上がる。そして、一定の温度以上になった気孔の内では、分散溶媒中においてマグヘマイト粒子が液体を伴う場合には、その液体は気化して気泡であるバルーンを形成し、気体を伴う場合にはその気体がバルーンを形成してマグヘマイト粒子を取り囲むようになる。マグヘマイト粒子を取り囲むバルーンは、分散溶媒を媒体として気孔の内に存在するため、気孔の内の温度上昇に伴って熱膨張しようとしてもその周りを取り囲む分散溶媒によって体積膨張が抑制され、バルーンの内部の圧力が上昇する。そして、さらなる温度上昇によりその内部の圧力が大気圧に達すると、バルーンはマグヘマイト粒子を伴って気孔の内から軸受面に移動する。本発明に係るメタル軸受では、気孔の内の温度が軸受面に近いほど高くなることを利用し、内部の圧力が一定圧力に達した軸受面に近いバルーンから順に軸受面に移動させることにより、自己給油機構を実現することができる。

このようなマグヘマイト粒子は、抗磁力が大きいため、永久磁石としての性質が顕在化されており、磁気吸着力が高い。一方、飽和磁束密度は小さいため、粒子間の磁気凝集力は小さく、粒子の磁気凝集は解除し易くなる。このため、軸受面に移動したマグヘマイト粒子は、軸受と軸部材との摺接により応力を受け、マグヘマイト粒子同士の磁気凝集による結合が解除され、より微細な粒子となって軸受面に磁気吸着する。これによりマグヘマイトの微細な粒子は、軸受面に被膜を形成することができ、ベアリング効果の媒体として使用することが可能となる。

また、マグヘマイト粒子と共に分散溶媒が軸受面に移動する場合には、分散溶媒は軸部材からの荷重を受けると、軸受と軸部材との間隙偏差が形成され、これに応じて油膜の圧力分布が形成される。この結果、分散溶媒は流体潤滑層を形成し、これにより自己潤滑作用を発揮することが可能となる。さらに、分散溶媒は、軸部材の荷重によって発生する油膜の圧力分布と軸部材の回転とにより、軸部材の回転方向に移動する応力を受け、軸受及び軸部材に付着したマグヘマイト粒子を軸部材の回転方向に移動させる。このように軸受面に移動した分散溶媒は、マグヘマイト粒子と共に軸受と軸部材との間隙を潤滑する潤滑剤とすることができる。

したがって、本発明に係るメタル軸受は、軸受と軸部材との摺接面にマグヘマイト粒子の被膜を形成することができるため、使用温度に影響を受けることなく、使用寿命の長いメタル軸受を提供することができる。そして、マグヘマイト粒子を潤滑材として用いるため、従来の含油軸受のように使用温度によって潤滑油が軸受面に滲み出難くなったり、潤滑油が枯渇してしまうこと等をなくすことができる。さらに、マグヘマイト粒子の被膜によって軸受と軸部材とが直接干渉することを防ぐことができるため、加工精度を高くする必要が無くなり、製造コストを抑えることができる。なお、マグヘマイト粒子は、気体が軸受面の全体に放出されるのに伴って軸受面の全体に分散されるため、軸受と軸部材との摺接面に均一に磁気吸着させることができる。

本発明に使用するマグヘマイト粒子は、特に限定はされないが、例えば、以下の特性を有するものが好ましい。

１．粒子形状
マグヘマイト粒子は、球状または粒状であることが好ましい。このようなマグヘマイト粒子であれば、磁気凝集したマグヘマイト粒子自身が軸受及び軸部材から応力を受けた際に応力を緩和し易い。すなわち、球状及び粒状の粒子では粒子同士は点接触に近い状態で互いに磁気凝集している。このため、軸受面のマグヘマイト粒子は、軸受及び軸部材から圧縮、剪断、引張り等の各種応力を受けることにより、粒子同士の凝集が解除されるように作用し、マグヘマイト粒子の被膜を軸受と軸部材との間隙に容易に形成できる。また、球状及び粒状の粒子は、軸受と軸部材との摺接面に接する面積も小さいため、粒子に応力が加わった場合には磁気吸着された状態で粒子が滑るように作用する。なお、マグヘマイト粒子は単一粒子に近い状態にまで凝集解除することが好ましい。これにより、軸部材および軸受の摺接面に磁気吸着したマグヘマイト粒子は滑りやすくなり、軸部材及び軸受から受ける応力を緩和させるという固体潤滑作用を良好に発揮することができる。

２．比表面積
マグヘマイト粒子は、比表面積が大きい方が好ましい。マグヘマイト粒子を軸受面に移動させるためには、マグヘマイト粒子に気体または分散溶媒より沸点が低い液体を吸着、含浸等により伴わせるが、マグヘマイト粒子の比表面積が大きいほど、気体や液体をマグヘマイト粒子の表面に伴わせることができる。例えば、液体を伴わせる場合、バルーンを形成させてマグヘマイト粒子を軸受面に移動させるためには、マグヘマイト粒子に対して１ｗｔ％以上の液体を伴わせることが好ましい。このため、マグヘマイト粒子のＢＥＴ値は１０ｍ^２/ｇ以上であることが好ましく、２１．５ｍ^２/ｇ以上であることがより好ましい。例えば、ＢＥＴ値が２１．５ｍ^２/ｇマグネタイト粒子を含浸材料に用いる際には、マグヘマイト粒子を過飽和水蒸気の雰囲気に放置することにより、２．５ｗｔ％まで液体の吸着量を増大させることができる。なお、ＢＥＴ値は大きい方が気体や液体を伴わせることができるため好ましいが、例えば、ＢＥＴ値が２１．５ｍ^２/ｇのマグヘマイト粒子に２．５ｗｔ％の水分を吸着させた場合では、８５℃において連続５００時間放置してもマグヘマイト粒子が水蒸気を伴って移動することを確認している。このため、ＢＥＴ値としては、４０ｍ^２／ｇ以下で十分に実用に供するマグヘマイト粒子とすることができる。

３．粒径
マグネタイト粒子を使用する場合は、平均粒径は０．３μｍ以下であることが好ましく、０．１５μｍ以下であることがより好ましく、０．０８μｍ以下であることがさらに好ましい。すなわち、マグヘマイト粒子の平均粒径は小さい方が、単一粒子の飽和磁化が小さくなるため、粒子の磁気凝集を解除し易くなる。これにより、マグヘマイト粒子を単一粒子、もしくは単一粒子に近い状態にまで凝集解除することができるため、軸部材と軸受との間隙に存在するマグヘマイト粒子が軸部材と軸受を攻撃することを防止し、良好な固体潤滑作用を発揮することができる。なお、マグヘマイト粒子の平均粒径は小さい方が好ましいが、小さくなりすぎると製造コストが高くなり、また粒子に応力が加わった場合には粒子の凝集部に直接応力が印加され難くなって凝集解除され難くなるため、０．０１μｍ以上であることが好ましい。
また、マグヘマイト粒子は、その粒径分布は狭い方が好ましい。通常、マグヘマイト粒子の密度は、分散溶媒の密度に比べて大きくなる。例えば、分散溶媒に比べて密度比が８倍に近いマグヘマイト粒子であっても、粒径分布が狭いマグヘマイト粒子を用いることによって、マグヘマイト粒子を分散溶媒中に安定に分散させることができる。

マグヘマイト粒子は、例えば、マグネタイト粒子を熱処理し磁気変態させることによって作製することができる。マグネタイト粒子は、液体中で粒子を生成させる湿式法等の従来公知の方法によって作製することができる。湿式法で作製したマグネタイト粒子は、球に近い多面体形状となる。また、湿式法では硫酸鉄等の溶解溶液に酸素ガスを吹き付けながら粒子を析出させるので、小さい粒子ほど短時間に析出し、析出される粒子の大きさを揃えることができる。そして、マグネタイト粒子（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、酸素含有雰囲気下で熱処理すると、図２に示すように、１５４℃付近で磁気変態してマグヘマイト粒子（γ−Ｆｅ_２Ｏ_３）になる。この磁気変態は不可逆反応であるため、マグヘマイト粒子に磁気変態した粒子は１５４℃以下にしても元のマグネタイト粒子になることはない。また、このマグヘマイト粒子は、さらに酸素含有雰囲気下で昇温すると４７８℃付近でヘマタイト粒子（α−Ｆｅ_２Ｏ_３）に磁気変態する。このため、マグネタイト粒子を磁気変態させることによって作製したマグヘマイト粒子は４７８℃付近までは安定した物質となり、熱安定性の観点からも好ましい。

このようなマグヘマイト粒子は、表１に示すようにマグネタイト粒子に比べて、抗磁力が１０％程度増加し、飽和磁束密度が２０％程度減少する。したがって、マグヘマイト粒子は、抗磁力の増加により永久磁石としての性質が顕在化し、マグネタイト粒子に比べて磁気吸着し易くなり、飽和磁束密度の減少により、マグネタイト粒子に比べて粒子間の磁気凝集力が弱まり磁気凝集が解除し易くなる。また、マグヘマイト粒子の粒子径、比表面積等のその他の粒子としての特性は、マグネタイト粒子と同様であって、磁気変態の前後でほとんど変化することがないため、マグネタイト粒子を作製する際に制御することにより、マグヘマイト粒子の特性を制御することができる。

本発明に係るメタル軸受の焼結体を形成する金属または合金は、従来のメタル軸受と同様のものが適用でき、特に限定されるものではない。すなわち、従来のメタル軸受の焼結体は、耐荷重性、耐衝撃性、圧環強度、かしめ性、耐久性、製造コスト等の観点から、鉄系、鉄―炭素系、鉄−銅系、鉄−銅−炭素系、鉄−銅−錫系等が用途に応じて適用されている。そして、これらの金属及び合金はいずれも強磁性であるため、マグヘマイト粒子を用いたメタル軸受に好ましく適用することができる。

本発明に係るメタル軸受に使用する分散溶媒は、特に限定されるものではないが、例えば、以下の特性を有するものが好ましい。

１．潤滑性
分散溶媒は、気孔内においてマグヘマイト粒子を良好に分散させると共に、軸受面に移動した後は、軸受面と軸部材との摺接面において液体の潤滑作用を奏することが好ましい。これにより、軸受面と軸部材との摺接面が損傷するのを防止することができる。
また、分散溶媒は、温度による粘度変化が小さい方が好ましい。これにより、幅広い温度範囲において潤滑性を確保することができるため、分散溶媒の温度に関わらず、軸受面と軸部材との間隙において分散溶媒は、スムースな移動を実現することができる。したがって、異音の発生を防止できると共に、摺接面における急な発熱を抑制し、分散溶媒の加水分解や熱分解を起こり難くすることができる。
さらに、分散溶媒は、熱安定性を有するものが好ましい。すなわち、分散溶媒は、高温時にも熱分解、加水分解等、化学変化しないものが好ましい。これにより、軸受面と軸部材との摺接面において潤滑性を保持することができる。具体的には、分散溶媒は１５０℃において熱分解及び加水分解し難いものが好ましく、１９０℃において熱分解及び加水分解し難いものがより好ましく、２００℃以上において熱分解及び加水分解し難いものがさらに好ましい。このような分散溶媒であれば、高温雰囲気下でも使用される自動車用途等にも適用ができる。

２．マグヘマイト粒子の分散性
分散溶媒は、親油性(または、疎水性という)、または無極性であることが好ましい。特に、有極性であるアルコール等を伴わせた親水性のマグヘマイト粒子を分散させる場合には、分散溶媒は、親油性が高いほど分散性が向上し、極性が低いほど安定分散に寄与する。

３．吸湿性
分散溶媒は、吸湿性が低い方が好ましく、吸湿性を有しない方がより好ましい。分散溶媒に溶解する水分は、軸受面の昇温により、軸受面の付近で水蒸気のバルーンとなって軸受面に分散溶媒を伴って移動する。これにより、分散溶媒が無駄に消費され、またマグヘマイト粒子の自己給油性を阻害する。また、水分は、軸受面における分散溶媒の加水分解反応を促進する。このため、分散溶媒中の存在する水分の割合は低い方が好ましい。

分散溶媒としては、例えば、（１）モノ脂肪酸グリセリンに酸化エチレンを付加重合したポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、（２）ソルビタン脂肪酸エステルにアルカリ触媒を使用して酸化エチレンを付加重合したポリオキシエチレン脂肪酸エステル、（３）ソルビトールに酸化エチレンを付加し、この後脂肪酸でエステル化するポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル等のエーテルエステル型の非イオン性界面活性剤、（４）ポリエチレングリコールと脂肪酸をエステル化したあるいは高級脂肪酸に酸化エチレンを付加重合したポリエチレングリコール脂肪酸モノ（ジ）エステル、（５）グリセリンを縮合したポリグリセリンにアルカリ触媒を使用して脂肪酸をエステル化したポリグリセリン脂肪酸エステル等のエステル型の非イオン性界面活性剤や、ポリアルファオレフィン、ポリアルキレングリコール、ポリオールジエステル等の合成油を用いることができる。これらは、親油性が高く、無極性の溶媒であるため、液体としてアルコール等を伴うマグヘマイト粒子を安定に分散させることができる。

中でも、ポリアルファオレフィン、ポリオールジエステル、ポリアルキレングリコール等の合成油は、マグヘマイト粒子の分散性に加え、潤滑性等の特性にも優れているためより好ましい。例えば、ポリアルファオレフィンは、粘度指数を高くすることが容易で、幅広い温度範囲において動粘度の変化が小さいため好ましい。また、ポリアルファオレフィンは、流動点が低く、低温における動粘度の上昇も抑制できると共に、吸湿性を有しないため加水分解反応も起こり難い。

ポリアルファオレフィンは、粘度指数と流動点に優れたαオレフィンＣＨ_３(ＣＨ_２)_７ＣＨ＝ＣＨ_２をエチレンによって重合したＣ_１０Ｈ_２１−[ＣＨ(Ｃ_８Ｈ_１７)ＣＨ_２]n−Ｈの組成式を有する合成油である。ポリアルファオレフィンは、その重合度によって粘度、沸点、熱分解性等の特性が変わるものであるが、例えば、分子量が約５００で、重合度が２及び３であるもののうち少なくとも一方の重合度であるものを主成分として有する場合は、以下の特性を示すため、特に好ましい。

このポリアルファオレフィンの熱分解温度は２３０℃付近であり、熱分解が始まる温度は２００℃付近にある。このため、分散溶媒として軸受と軸部材との間隙に滲み出た後においても熱分解し難い。沸点は０．１気圧においても２００℃を越えており大気圧では殆ど蒸発しない。このため、軸と軸受の間隙に滲み出た後においても液体として存在させることができる。粘度指数は１３８と大きいため、幅広い温度範囲で潤滑性を保つことができる。４０℃における動粘度は３１ｃＳｔと低いため、例えば、マグヘマイト粒子を気孔内に低圧含浸する場合にも分散性を損なうことがない。流動点は−５７℃であり、−３０℃での動粘度の上昇が抑制でき、−３０℃の極低温でも潤滑油として用いることができる。

本発明に係るメタル軸受は、マグヘマイト粒子が表面改質剤を表面に有することが好ましい。すなわち、表面改質剤によって、親水性であるマグヘマイト粒子の表面を疎水性に改質することにより、疎水性の分散溶媒中におけるマグヘマイト粒子の分散性を向上させることができると共に、マグヘマイト粒子を取り囲むべき気体が、マグヘマイト粒子から遊離することを防ぐことができる。

また、表面改質剤は耐熱分解性を有するものが好ましく、具体的には、軸部材との摺動による軸受面の昇温に対して、熱分解率が５％以下であるものが好ましい。これにより、表面改質剤は、軸受面に移動した後においても、マグヘマイト粒子の表面に吸着している。すなわち、表面改質剤が軸受面に移動した後にも熱分解されなければ、表面改質剤としての性質を維持できるため、表面改質剤は軸受面においてマグヘマイト粒子の表面に吸着すると共に、分散溶媒と結合することができる。したがって、このような表面改質剤を適用する場合には、図１に模式的に示すように、軸受１と軸部材２との摺接面３においても、表面改質剤６は、マグヘマイト粒子４の表面と分散溶媒５とに化学吸着されている。このように、マグヘマイト粒子４の表面には、表面改質剤６を介して分散溶媒４が吸着されているので、マグヘマイト粒子４は、固体潤滑作用に加え、吸着した分散溶媒４による液体の潤滑作用を併せて有することとなる。

表面改質剤は、界面活性剤、カップリング剤等の従来公知の表面改質剤や磁性イオン液体を適用することもできる。界面活性剤としては、例えば、脂肪酸エステルや脂肪酸エステルの誘導体、リン酸エステルの非イオン型アニオン界面活性剤等を用いることができる。これらは、親水基と疎水基とを有するため、親水基がマグヘマイト粒子の表面と水素結合すると共に、疎水基が分散溶媒の分子鎖と相互作用する。そして、これによりマグヘマイト粒子の分散性を向上させ、マグヘマイト粒子に吸着した気体が熱膨張する際には、分散溶媒と共に熱膨張を抑制するように働く。このようなリン酸エステルとしては、例えば、イソトリデシルアルコールにエチレンオキサイドを付加したポリオキシエチレンイソトリデシルアルコールを無水リン酸と反応させて生成するリン酸モノエステルとリン酸ジエステルとからなるエステルの混合物を適用することができる。また、耐熱分解性の観点からは、例えば、親水基としてイソプロポキシ基を備え、疎水基として下記式（１）を備えるカルボン酸エステルであれば、１８０℃における熱分解率は２％であり、２００℃における熱分解率は４％である。また、同様の親水基を備え、疎水基として下記式（２）を備えるリン酸エステルであれば、１８０℃における熱分解率は２％であり、２００℃における熱分解率は５％である。このような界面活性剤であれば、耐熱分解性に優れるため好ましく適用することができる。

このような高級脂肪酸エステル等は、２００℃以上の温度においても、熱分解性が２〜５ｗｔ％以下である。これに対し、自動車用の各種モータの軸受面の最高温度は１２０℃〜１５０℃の間にあり、このような温度に上昇しても界面活性剤の組成変化がほとんどないため、マグヘマイト粒子は、軸受面においても液体の潤滑作用を失うことはない。また、これらの界面活性剤は、鉄系、鉄−銅系、鉄−銅−錫系の金属及び合金の表面に吸着膜を形成するため、油性剤としての機能を有し、軸受面が軸部材と直接接触することによる凝着磨耗が起こらない。

表面改質剤として、カップリング剤を用いる場合にも界面活性剤を用いる場合と同様の効果が得られ、例えばチタン系カップリング剤を好ましく適用することができる。チタン系カップリング剤は、加水分解性を有する親水性の官能基と疎水性の官能基とを有するため、親水基がマグヘマイト粒子に吸着している水酸基と加水分解反応し、マグヘマイト粒子に疎水基が形成される。これにより、疎水性の分散溶媒中にマグヘマイト粒子を安定に分散させることができる。

チタン系カップリング剤としては、特に限定されないが、例えば、下記式（３）〜（５）に示すものが好ましく適用できる。なお、下記式（３）〜（５）において、例えば、アルキル鎖の炭素数は、特に限定されるものではない。

なお、上記式（３）に示すチタン系カップリング剤を使用する場合には、ＳＰ値が８．１であるため、分散溶媒としてはＳＰ値が８〜９の脂肪酸エステルを用いることが好ましい。また、上記式（４）に示すチタン系カップリング剤は、ＳＰ値が９．２であり、上記式（５）に示すチタン系カップリング剤は、ＳＰ値が９．６であるため、これらのチタン系カップリング剤を使用する場合には、分散溶媒としてはＳＰ値が９〜１０の脂肪酸エステルを用いることが好ましい。

また、カップリング剤として、シラン系カップリング剤を用いることもできる。シラン系カップリング剤は、特に限定されないが、分散溶媒との親和性が高い長鎖アルキルを持つものが好ましく、下記式（６）〜（８）に示すデシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等が例示される。これらのシラン系カップリング剤は、その沸点がそれぞれ、１３２℃/１０ｍｍＨｇ、２０２℃/１０ｍｍＨｇ、２３６℃/１０ｍｍＨｇと高く、軸受面において蒸発することはない。もちろん、これらのシラン系カップリング剤のアルキル鎖の炭素数やアルコキシ基の炭素数は任意に変更可能である。

なお、上記のシラン系カップリング剤を用いる場合には、シラン系カップリング剤を水溶液あるいはアルコール溶液とし、吸湿ないしはアルコールを伴ったマグヘマイト粒子に添加し、６０分程度攪拌する。その後、水およびアルコールの沸点より低い温度で放置し、マグヘマイト粒子の表面にシラン系カップリング剤を吸着させて、分散溶媒にマグヘマイト粒子を分散させる。なお、フェニルトリエトキシシランは、疎水性が高いため、例えば、酢酸水−アルコール系の溶媒に溶解させて用いる。

さらに、カップリング剤として脂肪酸を用いることもできる。すなわち、脂肪酸をマグヘマイト粒子に吸着している水酸基と反応させ、脂肪酸のＨＬＢ値と近いＨＬＢ値を有するものを分散溶媒として用いることにより、マグヘマイト粒子を分散溶媒中に安定に分散させることができる。

磁性イオン液体としては、特に限定はされないが、[Fe_XM_YN_ZCl₄]^n-（但し、Ｍ，Ｎはそれぞれ遷移金属原子であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｎはｘ，ｙ，ｚにより定まる数値である。）で表される陰イオンから選ばれる少なくとも１種の陰イオンを備えるものを使用することができる。具体的には、陰イオンとして、ｘ＝１，ｙ＝ｚ＝０，ｎ＝１である[FeCl₄]^-を有し、陽イオンとして１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、１−オクチル−３−メチルイミダゾリウム、１−デシル−３−メチルイミダゾリウムを有する塩化鉄（ＩＩＩ）酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、塩化鉄（ＩＩＩ）酸１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、塩化鉄（ＩＩＩ）酸１−オクチル−３−メチルイミダゾリウム、塩化鉄（ＩＩＩ）酸１−デシル−３−メチルイミダゾリウムが例示される。このような磁性イオン液体は常磁性体であるが、強磁性粒子であるマグヘマイト粒子に磁気吸着し、被覆することができるため、分散溶媒中にマグヘマイト粒子を分散させることができる。これは、マグヘマイト粒子は、１８０度磁壁を伴う偶数個の磁区から構成されるため、粒子の極近傍には磁束が漏れている。この漏れ磁束によって、磁性イオン液体が磁気吸着される。なお、１位のアルキル基は、特に限定されないが、炭素数が多い方が、疎水性度が高まるため好ましく、１位のアルキル基は、炭素数が６〜２０であることが好ましい。

また、上記磁性イオン液体の熱分解温度は２８０℃であるため、軸受面に移動した後も性質を損なわず、マグヘマイト粒子と磁気吸着している。さらに磁性イオン液体はほとんど蒸気圧を有しないため、軸受面に移動した後においても蒸発しない。このため、軸受面と軸部材との摺接面において、磁性イオン液体による液体の潤滑作用によってマグヘマイト粒子の潤滑作用を増大させることができる。

このように、表面改質剤は、軸受面と軸部材との間隙の環境下においても化学的に変質しない場合には、強磁性微粒子群が軸受面と軸部材との間隙に吐き出された後に再度、表面改質剤は、強磁性微粒子群の周囲を取り囲み、分散溶媒と結合して、強磁性微粒子の群を分散させている。これによって、間隙における潤滑状態が境界潤滑になったとしても、表面改質剤と分散溶媒の存在によって、金属同士が直接摺接することがなく、これによって発生する軸受面の凝集磨耗は起こらない。また、軸受面が軸部材から過大な応力を受けたとしても、強磁性微粒子を取り囲む分散溶媒の存在によって、強磁性微粒子がよりよく滑るという潤滑現象をもたらし、軸受と軸部材との間隙におけるマグヘマイト粒子の潤滑作用を増大させることができる。

分散溶媒中に存在するマグヘマイト粒子が伴う液体は、分散溶媒の主成分の沸点より低い沸点を有するものであり、これにより分散溶媒中において気化することが可能となる。また、マグヘマイト粒子が伴う気体及び液体としては、特に制限はないが、軸受の動作環境温度と、軸部材に対する摺動による軸受面の昇温とに応じて選択することが好ましく、特に液体においては軸受面の最高到達温度より低い沸点を有するものが好ましい。すなわち、軸受面の温度が液体の沸点より低い場合であっても気化は可能であるが、沸点が軸受面の最高到達温度よりも低い液体を選択すれば、軸部材との摺動による軸受面の昇温により確実に液体を気化させることができる。なお、沸点が軸受面の温度より高い液体を用いる場合には、軸受面を加熱するための装置を別途設けることにより、同様の効果を得ることができる。

動作環境温度や軸受面の温度の範囲が広い場合は、沸点が異なる複数種類の気体あるいは液体の混合物を選択することができる。そして、複数種類の気体または液体は、温度領域内でそれぞれが対応できるようにそれぞれの蒸気圧に応じて混合し、さらに気体または液体は軸受面の温度頻度に応じた割合でマグヘマイト粒子に伴わせることで、摺接により軸受面の温度が変わったとしても、軸受面の温度範囲と温度頻度に応じて効率よくマグヘマイト粒子を軸受面に移動させることができる。また、気体と液体との両方をマグヘマイト粒子に伴わせてもよい。

例えば、自動車用モータの軸受の軸受面における最高平均温度は１５０℃である。したがって、マグヘマイト粒子に液体を伴わせる場合には、その沸点が１３０℃に至る温度範囲にあれば、確実に焼結体の軸受面にマグヘマイト粒子が吐き出される。そして、常温〜１３０℃に至る温度範囲を、２０℃ごとに５〜６の領域に分け、それぞれの温度領域に沸点を持つ液体をマグヘマイト粒子に伴わせる。これによってモータの動作が−３０℃〜１２０℃の温度範囲であれば、焼結体の軸受面にマグヘマイト粒子を吐き出させることができる。なお、常温〜１３０℃に至る温度範囲を、さらに細分化すればマグヘマイト粒子に伴わせる液体は効率よくマグヘマイト粒子を軸受面に移動させることができる。

また、軸受の動作温度が−３０℃以下の極低温である場合には、室温に近い沸点を有する液体を伴わせても、軸受面にマグヘマイト粒子を吐き出させることは困難である。したがって、軸受を組み込んだ製品がこのような極低温の状況下で始動する場合には、軸部材との摺動によって一定温度以上になるまで軸受面にはマグヘマイト粒子及び分散溶媒が存在しないことになる。このため、使用前に軸受を常温以上の温度で一定時間放置し、予めマグヘマイト粒子を軸受面に滲み出させておくことが好ましい。例えば、６０℃で３０分放置し、マグヘマイト粒子の一部を予め軸受面に滲み出させてから軸受を製品に組み込み軸受を稼動させると、始動時から良好な潤滑性を得ることができる。さらには、マグヘマイト粒子に気体を伴わせることによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、例えば、使用開始温度以下で気体となる液体を伴わせることにより、始動時においてバルーンがマグヘマイト粒子を取り囲む状態となり、始動後直ちにバルーンの圧力が高まるため、マグヘマイト粒子を軸受面に移動させることができる。

マグヘマイト粒子に吸着させる複数種類の気体及び液体は、一つのマグヘマイト粒子に複数の気体及び液体を伴わせても、一つのマグヘマイト粒子にそれぞれ異なる一種類の気体または液体を伴わせてもよく、混合する気体及び液体のそれぞれの相溶性に応じて任意に選択することができる。

気体または液体をマグヘマイト粒子に伴わせる手段としては、マグヘマイト粒子に含浸または吸着した状態で存在させることが好ましい。これにより、液体が気化し、気体が熱膨張してもマグヘマイト粒子と分離することなく、マグヘマイト粒子を伴って軸受面に移動することができる。

例えばマグネタイトは表面に水酸基を備えるため、水やアルコール類、エーテル類、ケトン類等の多くの有機溶剤を吸着する。常温〜１３０℃の温度範囲で、マグネタイトに吸着し、かつ沸点の違いの温度差を考慮して有機溶剤を選択すると、例えば、アセトアルデヒド(沸点：20.2℃)、ジエチルエーテル(沸点：34.5℃)、ジクロロメタン(沸点：40.2℃)、ギ酸エチル(沸点：54.5℃)、メタノール(64.7℃)、酢酸エチル(76.8℃)、エタノール(78.5℃)、シクロヘキサン(81.4℃)、１−プロパノール(沸点：97.4℃)、水(沸点：100℃)、１−ブタノール(沸点：117.6℃)、2-メトキシエタノール(沸点：124.5℃)、酢酸イソブチル(沸点：126.3℃)、イソペンチルアルコール(沸点：130.8℃)等を挙げることができる。これらの液体を沸点の温度差を考慮して組み合わせることで、広い温度範囲でマグヘマイト粒子を軸受面に吐き出させることができる。

本発明に係るメタル軸受の製造方法の一例は、まずマグヘマイトの粒子を用意する。このマグヘマイト粒子は、湿式法で作製したマグネタイト粒子を１８０℃で３０分処理して、マグヘマイト粒子に磁気変態させる。具体的には、硫酸第一鉄等の第一鉄塩水溶液と水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ性水溶液とを混合して得られたＦｅ（ＯＨ）₂又はＦｅＣＯ₃等のＦｅ含有沈澱物を含む水溶液に６０〜１００℃の温度範囲において酸化性ガスを通気して黒色沈澱物を生成させて、酸根等を水洗除去する。もしくは、硫酸第一鉄等の第一鉄塩水溶液と硫酸第二鉄等の第二鉄塩水溶液を用い、Ｆｅ²⁺：Ｆｅ³⁺が１：２となる混合鉄水溶液を調製し、該混合鉄水溶液中にＮａＯＨ等のアルカリ性水溶液を１当量以上添加して５０〜１００℃の温度範囲で加熱混合して黒色沈澱物を生成させて、酸根等を水洗除去する。これにより粒状のマグネタイト粒子を作製することができる。次いで、水中に沈殿したマグネタイト粒子をスラリー状態のまま密閉容器に入れて、１８０℃で３０分間処理し、マグネタイト粒子をマグヘマイト粒子に変態させる。このようにマグヘマイト粒子をスラリー状態で取り扱うことにより、粒子の磁気凝集を進行させずに、水が吸着したマグヘマイト粒子を作製することができる。なお、マグヘマイト粒子にアルコールを吸着させる場合は、上記の黒色沈殿物をアルコールで洗浄して、マグヘマイト粒子をアルコール中に存在させる。

表面改質剤としてカップリング剤を使用する場合には、例えば、分散溶媒に上記の沈殿物を加える際に、カップリング剤をマグヘマイト粒子に対し２ｗｔ％、好ましくは３ｗｔ％以上の割合で混合し、この後よく攪拌する。これにより、マグヘマイト粒子の表面に吸着された水酸基がカップリング剤の親水基と水素結合すると共にカップリング剤の疎水基が分散溶媒の長鎖と相互作用し、マグヘマイトを分散溶媒中に安定に分散させることができる。表面改質剤として界面活性剤を使用する場合も同様の方法によって行うことができる。

また、表面改質剤として磁性イオン液体を使用する場合は、スラリー状態のマグヘマイト粒子に、５ｗｔ％以上の割合で磁性イオン液体を分散溶媒と共に混合し、この後よく攪拌する。これにより、疎水性である磁性イオン液体がマグヘマイト粒子に磁気吸着され、疎水性の分散溶媒中に安定分散される。

そして、このようにして得られたマグヘマイト粒子を分散溶媒に分散させる。磁気凝集したマグヘマイト粒子の凝集度を下げるためには、マグヘマイト粒子を分散溶媒と混合する際にマグヘマイトの凝集部分に、剪断力、圧縮力、引張力を発生させることが必要になる。このため、マグヘマイト粒子と分散溶媒との混合比率を本来のマグヘマイトと分散溶媒との混合比率より高めることが好ましい。すなわち、特に界面活性剤等の表面改質剤を用いて高濃度のマグヘマイト粒子と分散溶媒とを混合し捏和することで、マグヘマイト粒子に分散溶媒が吸着され、この結果、粘度の高いマグヘマイト粒子と分散溶媒との混合物が形成される。このような高濃度のマグヘマイト粒子と分散溶媒とは、加圧式のニーダーなどの攪拌装置に充填し、捏和すると、捏和と共にさらに分散溶媒がマグヘマイト粒子に吸着し、粘度が上昇する。そして、マグヘマイト粒子への分散溶媒の吸着が収れんし、粘度の増大が収れんした後、さらにニーダーを回転させると、効率よくマグヘマイト粒子の凝集部に、剪断力、圧縮力や引張力の各種の応力が作用するため、マグヘマイト粒子の凝集が解除され、マグヘマイト粒子の大きさが２００ｎｍ以下の凝集度の低いマグヘマイト粒子を得ることができる。このようにして、凝集度の低いマグヘマイト粒子が分散した混合溶液は、必要に応じて分散溶媒で希釈し、金属または合金の焼結体の気孔内に低圧含浸させる。このような方法により、マグヘマイト粒子を気体及び液体のうち少なくとも一方を伴って気孔内に閉じ込めることができる。

加圧式のニーダー装置で捏和してマグヘマイト粒子の凝集度が下がったとしても、凝集度が下がると粒子の凝集部に応力が直接印加され難くなるため、捏和前の凝集度よりは大きく低下しているが、マグヘマイト粒子は依然として磁気凝集している。このようなマグヘマイトは、軸受面に吐き出されると、軸受面と軸部材との表面状態に応じた応力を受ける。例えば、軸部材の凸部と軸受の凸部とが対峙し、軸部材側から荷重を軸受側に伝える状態では、凝集したマグヘマイト粒子は、両者の凸部に形成された僅かな間隙に磁気吸着によってはさまれ、軸部材側から応力を受ける。これによって吸着した粒子は、凝集が解除され、さらに凝集度合いが低い粒子群となる。またこの際に、多くの応力が磁気凝集を解く力として作用する。従来の固体潤滑作用、例えば黒鉛粒子における固体潤滑作用は、自身の滑り破壊によるが、本発明における固体潤滑作用は、凝集した粒子群の接触部に直接応力が働くことによって凝集した粒子群を解くことになるため、粒子群が滑ることで粒子の凝集が解かれることによる固体潤滑作用である。このように、軸受と軸部材とに吐き出された凝集粒子群は、各種の応力を受け、粒子の凝集度合いを徐々に下げ、マグヘマイトの微粒子群からなる被膜を形成する。
なお、このような場合であっても、軸受面に吐き出されたマグヘマイト粒子の磁気凝集度が大きい場合や、軸受面が軸部材から過大な応力を受ける場合には、マグヘマイト粒子が軸部材と軸受を攻撃する虞がある。このため、捏和時間を長くして、マグヘマイト粒子を単一粒子、もしくは単一粒子に近い状態にまで凝集解除することが好ましい。

以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

マグヘマイト粒子として、平均粒径が０．０８μｍ、粒径分布の標準偏差が０．０５μｍ、ＢＥＴ値が３４ｍ^２/ｇのマグヘマイト粒子を用いた。
分散溶媒として、粘度指数が１３８、４０℃の動粘度が３１ｃＳｔ、１００℃の動粘度が５．８ｃＳｔ、流動点が−５７℃であり、分子量が約５００であるポリアルファオレフィンを用いた。
表面改質剤として、上記式（３）に示すＴｉ系カップリング剤を用いた。
そして、水が吸着したスラリー状のマグヘマイト粒子にＴｉ系カップリング剤を３．５ｗｔ％で添加し、ポリアルファオレフィンを極少量ずつ１０ｗｔ％まで加えながら２４時間をかけて捏和した。この後、ポリアルファオレフィンを、全体の重量に対し６５ｗｔ％になるまで混合しながら添加し、含浸材料を作製した。

次に、含浸材料を金属焼結体に低圧含浸し、軸受部品としてモータに取り付けて、モータの動作温度と動作時間とを変えて連続動作試験を行った。モータの動作条件は、２０℃で７２分間、４０℃で１４４分間、５５℃で３６０分間、７５℃で５０４分間、９０℃で２８８分間、１２０℃で７２分間となるように設定し、これを１サイクルとして、繰り返し連続動作させた。
その結果、５０サイクルを繰り返しても、摺接面からは異音や異臭の発生が見られず、７５サイクルに入った段階で異音が発生し、さらにこれに続いて異臭も発生した。

比較例として、従来の軸受を用いたモータを同様の条件で動作させると、５サイクルに入った段階で異音が発生し、さらにこれに続いて異臭も発生した。

以上のように、従来のメタル軸受では−３０℃から１００℃強の動作環境温度であったのに対し、本発明に係るメタル軸受では−４０℃から１２０℃の温度範囲で軸受部品として用いることができる。さらに、２０℃から１２０℃の温度範囲で連続的に温度が変わる温度サイクルの環境では、従来の軸受に対し１０倍以上の動作寿命を有することが分かった。

本発明に係るメタル軸受は、車両用の電磁弁やモータの軸受部品等、様々な軸受部品に適用することができる。

本発明に係るメタル軸受と軸部材との摺接面におけるマグヘマイト粒子の状態を示す模式図マグネタイト粒子の熱分析結果を示すグラフ

符号の説明

１軸受
２軸部材
４マグヘマイト粒子
５分散溶媒

Claims

軸部材と摺接可能な軸受面を備え、表面及び内部に気孔を有し、金属または合金を主成分とする焼結体からなるメタル軸受において、
前記気孔の内に分散溶媒を備え、マグヘマイト粒子が、気体及び前記分散溶媒の沸点より低い沸点を有する液体のうち少なくとも一方を伴って前記分散溶媒の中に存在し、
前記気体及び前記液体のうち少なくとも一方が、一定の温度以上になった前記気孔の内で前記マグヘマイト粒子を取り囲む気泡を形成するように構成してあるメタル軸受。
前記マグヘマイト粒子の平均粒径は、０．３μｍ以下である請求項１に記載のメタル軸受。
前記マグヘマイト粒子のＢＥＴ値は、１０ｍ^２／ｇ以上である請求項１に記載のメタル軸受。
前記マグヘマイト粒子は、マグネタイト粒子を熱処理し、磁気変態させたものである請求項１に記載のメタル軸受。
前記マグヘマイト粒子は、表面にチタン系カップリング剤及びシラン系カップリング剤から選ばれる少なくとも一種の化合物を備える請求項１に記載のメタル軸受。
前記分散溶媒は、ポリアルファオレフィンである請求項１〜５のいずれか一項に記載のメタル軸受。