JP5351557B2 - 転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は転がり軸受、特に家電や産業機器などの高温高速回転で使用される転がり軸受に関する。

各種産業機械や車両等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が封入される。この潤滑組成物は、基油および増ちょう剤と、必要に応じて添加剤とを混練して得られ、基油としては鉱油やエステル油、シリコーン油、エーテル油等の合成潤滑油が、また増ちょう剤としてはリチウム石けん等の金属石けんやウレア化合物が一般的に使用されている。また、添加剤としては、必要に応じて酸化防止剤、さび止剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤などの各種添加剤が配合される。酸化防止剤としては、アルキルジチオりん酸亜鉛などの有機亜鉛化合物や、アルキル化ジフェニルアミンなどのアミン系化合物などを単独で、または、複数種類を組み合わせて用いている。

近年、家電や産業機器などに使用される転がり軸受は、高温高速回転で使用される。また、静音性、高温高速耐久性に優れていることが要求されている。従来、高温耐久性に優れ、冷時異音を抑え、高温高荷重下での剥離性に優れたグリースなどの潤滑組成物として、合成炭化水素油とエステル油とからなる基油にウレア系増ちょう剤等を配合した潤滑組成物が知られている（特許文献１および特許文献２参照）。

また、高温高速回転条件における焼き付き寿命が長い潤滑組成物として、基油にエステル油を含み、脂肪族ジウレア化合物を必須とした増ちょう剤を 3〜30 重量％含むグリース組成物が知られている（特許文献３参照）。

また、有機りん化合物、有機イオウ化合物、有機塩素化合物および有機金属化合物のうち、少なくとも１種と化学結合反応させて、0.05〜0.5μm の厚さの化合物反応膜層を形成した摺動または転がり部材が知られている（特許文献４参照）。また、チオりん酸金属塩被膜を形成してなる軸受用金属材料が知られている（特許文献５参照）。

特開平９−２０８９８２号公報（特許請求の範囲） 特開平１１−２７０５６６号公報（特許請求の範囲） 特開２００１−１０７０７３号公報（特許請求の範囲） 特開平０２−２５６９２０号公報（特許請求の範囲） 特開平１１−０３０２３６号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、特許文献１〜特許文献３のような潤滑（グリース）組成物を使用する場合や、これらに従来の酸化防止剤を組み合わせて添加する場合でも、近年の家電や産業機器などの高温高速回転で使用される軸受に封入した際に、高温高速耐久性について性能を満足させることができない場合がある。

特許文献４および特許文献５では耐摩耗性の向上が目的であり、高温高速時の焼き付き防止効果は十分ではなかった。また、使用済み転がり軸受を産業廃棄物として処分する際において、生物環境などへの悪影響を避けるため、有機りん化合物などは使用しないことが望まれている。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、環境負荷が低く、かつ、高温高速耐久性に優れる転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受は、金属製軸受部材として、内輪と、外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなり、上記金属製軸受部材の少なくとも１つの部材が、該部材の摺動面または転動面に、植物由来の多価アルコール化合物にて被膜処理を施された部材であることを特徴とする。特に被膜処理を施された部材が、上記保持器であることを特徴とする。

上記被膜処理を施された部材は、該部材の摺動面または転動面に酸化鉄被膜を有することを特徴とする。また、上記被膜処理は、水および／または有機溶媒に上記植物由来の多価アルコール化合物を分散または溶解させた処理液中に、被膜処理を施す金属製軸受部材を浸漬する処理であることを特徴とする。

上記植物由来の多価アルコール化合物は、クルクミンまたはその誘導体であることを特徴とする。また、上記植物由来の多価アルコール化合物は、ケルセチンまたはその誘導体であることを特徴とする。

上記植物由来の多価アルコール化合物は、クロロゲン酸またはその誘導体であることを特徴とする。また、上記植物由来の多価アルコール化合物は、コーヒー酸またはその誘導体であることを特徴とする。上記植物由来の多価アルコール化合物は、キナ酸またはその誘導体であることを特徴とする。

上記植物由来の多価アルコール化合物は、没食子酸またはその誘導体であることを特徴とする。また、上記植物由来の多価アルコール化合物は、エラグ酸またはその誘導体であることを特徴とする。

本発明の転がり軸受は、該軸受を構成する金属製軸受部材の少なくとも１つの部材の摺動面または転動面に、植物由来の多価アルコール化合物にて被膜処理が施されているので、高温高速耐久性に優れ、高温高速時の焼き付きを防止できる。また、植物由来の多価アルコール化合物を用いた被膜処理のため、環境負荷の低い転がり軸受となる。

深溝玉軸受の断面図である。 摺動試験機を示す図である。 比摩耗量および摩擦係数測定結果を示す図である。

転がり軸受について、植物由来の多価アルコール化合物にて軸受部材表面を処理したものを用いて、高温耐久性試験を行なったところ軸受寿命を延長できることがわかった。これは、上記植物由来の多価アルコール化合物の作用により、金属製（軸受鋼）の軸受部材表面に酸化鉄被膜が形成されて該表面が不活性化し、軸受に封入されるグリースや潤滑油の酸化劣化を抑制できるためであると考えられる。本発明はこの知見に基づくものである。

本発明の転がり軸受を図面に基づいて説明する。図１は本発明の転がり軸受の一実施例である深溝玉軸受の断面図である。図１に示すように深溝玉軸受１は、外周面に転走面２ａを有する内輪２と、内周面に転走面３ａを有する外輪３と、上記両転走面２ａ、３ａ間に介在する複数の転動体４と、この転動体４を保持する保持器５とからなる。外輪３等に固定されるシール部材６が、内輪２および外輪３の軸方向両端開口部８ａ、８ｂにそれぞれ設けられている。内輪２、外輪３、転動体４、または保持器５が金属製軸受部材であり、該金属製軸受部材の少なくとも１つの部材の摺動面または転動面に、後述の植物由来の多価アルコール化合物にて被膜処理が施されている。

本発明の転がり軸受に用いる、内輪２、外輪３、転動体４、保持器５などの軸受部材は周知の軸受用金属材料からなる。本発明においては、少なくともいずれかの金属製軸受部材が、植物由来の多価アルコール化合物による被膜処理が可能な金属材料から構成される必要がある。具体例として、軌道輪用材料としては、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼ＪＩＳ Ｇ ４８０５）、肌焼鋼（ＪＩＳ Ｇ４１０４等）、高速度鋼（ＡＭＳ ６４９０）、ステンレス鋼（ＪＩＳ Ｇ４３０３）、高周波焼入鋼（ＪＩＳ Ｇ４０５１等）などが挙げられる。また、保持器材料としては、打ち抜き保持器用冷間圧延鋼板(ＪＩＳ Ｇ ３１４１等)、もみ抜き保持器用炭素鋼(ＪＩＳ Ｇ４０５１)、もみ抜き保持器用高力黄銅鋳物(ＪＩＳ Ｈ ５１０２等)などが挙げられる。また、他の軸受合金を採用することもできる。

シール部材６は、金属製またはゴム成形体単独でよく、あるいはゴム成形体と金属板、プラスチック板、セラミック板等との複合体であってもよい。耐久性、固着の容易さからゴム成形体と金属板との複合体が好ましい。

本発明の転がり軸受は、軸受内部に潤滑油またはグリース等の潤滑剤を塗布または充填した転がり軸受であり、ラジアル玉軸受、スラスト玉軸受などの形式を特に限定するものではない。潤滑剤としては、一般に軸受に使用される潤滑剤であれば、特に種類を限定するものではない。図１に示す深溝玉軸受１においては、転動体４の周囲にグリース７が封入されている。

本発明の転がり軸受において、金属製軸受部材の摺動面または転動面に施される被膜処理は、植物由来の多価アルコール化合物の作用により該面に酸化鉄被膜が形成される処理であればよく、被膜処理方法は特に限定されない。被膜処理方法として、例えば、植物由来の多価アルコール化合物を水および／または有機溶媒に分散または溶解させた処理液中に、被膜形成対象となる金属製軸受部材を浸漬し、部材表面に酸化鉄被膜を形成させる方法を採用できる。この方法では、被膜形成を速めるため加温しながら行なうことが好ましい。

また、植物由来の多価アルコール化合物を、水や有機溶媒に分散または溶解させた処理液を、被膜形成対象となる金属製軸受部材の摺動面などに塗布することによって該面に酸化鉄被膜を形成することもできる。

本発明において使用できる多価アルコール化合物は、後述する植物由来のものである。これらの化合物を用いた被膜処理を軸受部材に施すことで、上記酸化鉄被膜の形成による軸受の高温高速耐久性の向上に加え、環境負荷の低い転がり軸受となる。

本発明において使用できる植物由来の多価アルコール化合物としては、例えば、没食子酸、エラグ酸、クロロゲン酸、コーヒー酸、キナ酸、クルクミン、ケルセチン、ピロガロール、テアフラビン、アントシアニン、ルチン、リグナン、カテキンなどが挙げられる。また、植物由来のセサミン、イソフラボン、クマリンなどから得られる多価アルコール化合物も使用できる。以上のような多価アルコール化合物は、単独で用いても２種類以上を組み合わせて用いてもよい。

これらの中で、被膜処理の際に、金属製軸受部材表面に酸化鉄被膜を形成しやすいことから、没食子酸またはその誘導体、エラグ酸またはその誘導体、クロロゲン酸またはその誘導体、コーヒー酸またはその誘導体、キナ酸またはその誘導体、クルクミンまたはその誘導体、ケルセチンまたはその誘導体を用いることが好ましい。また、被膜処理後の軸受の高温耐久性が優れることから、クルクミン、ケルセチン、またはクロロゲン酸が特に好ましい。

本発明に用いる没食子酸は、フシノキ、茶の葉などに含まれる多価アルコール化合物であり、下記式（１）に示す構造を有する。また、本発明に用いるエラグ酸は、レッドラズベリーなどに含まれる多価アルコール化合物であり、下記式（２）に示す構造を有する。

本発明に用いる没食子酸の誘導体としては、没食子酸メチル、没食子酸エチル、没食子酸プロピル、没食子酸ブチル、没食子酸ペンチル、没食子酸ヘキシル、没食子酸ヘプチル、没食子酸オクチル等の没食子酸エステルや没食子酸ビスマス等の没食子酸塩が挙げられる。また、エラグ酸についても、同様の誘導体を用いることができる。

本発明に用いるクロロゲン酸は、コーヒー豆などに含まれる多価アルコール化合物であり、下記式（３）に示す構造を有する。

本発明に用いるコーヒー酸およびキナ酸は、クロロゲン酸の加水分解で得られる多価アルコール化合物であり、コーヒー酸は下記式（４）に、キナ酸は下記式（５）にそれぞれ示す構造を有する。

本発明に用いるクルクミンは、ウコンなどに含まれる多価アルコール化合物であり、下記式（６）に示す構造を有する。

本発明に用いるケルセチンは、柑橘類などに含まれる多価アルコール化合物であり、下記式（７）に示す構造を有する。

以下に示す各実施例に用いた多価アルコール化合物は、全て東京化成社製試薬を用いた。

実施例１〜実施例７
表１に示した多価アルコール化合物 0.5 g を表１に示す溶媒 99.5 g に加えて処理液を調整した。該処理液中に、６２０４軸受（軸受寸法：内径 20 mm、外径 47 mm、幅 14 mm 材質：ＳＵＪ２）を浸漬したまま 4 時間回転させ、転がり軸受の金属製軸受部材の表面全体に酸化鉄被膜を形成させた。この軸受に、グリース（協同油脂社製マルテンプＳＲＬ）を 0.7 g 封入し、転がり軸受試験片を得た。得られた転がり軸受試験片について以下に示す高温耐久性試験を行ない軸受寿命時間を測定した。結果を表１に併記する。

＜高温耐久性試験＞
転がり軸受試験片の軸受外輪外径部温度 150℃、ラジアル荷重 67 N 、アキシアル荷重 67 N の下で 10000 rpm の回転数で回転させ、焼き付きに至るまでの時間を軸受寿命時間として測定する。

実施例８〜実施例１０
表１に示した多価アルコール化合物 0.5 g を表１に示す溶媒 99.5 g に加えて処理液を調整した。該処理液中に、６２０４軸受（軸受寸法：内径 20 mm、外径 47 mm、幅 14 mm）の保持器（材質：ＳＰＣＣ）を 4 時間浸漬し、保持器表面に酸化鉄被膜を形成させた。この保持器を用いて軸受を製作し、グリース（協同油脂社製マルテンプＳＲＬ）を 0.7 g 封入し、転がり軸受試験片を得た。得られた転がり軸受試験片について上記の高温耐久性試験を行ない軸受寿命時間を測定した。結果を表１に併記する。

比較例１
金属製軸受部材に表面処理を施さずに６２０４軸受（軸受寸法：内径 20 mm、外径 47 mm、幅 14 mm）にグリース（協同油脂社製マルテンプＳＲＬ）を 0.7 g 封入し、転がり軸受試験片を得た。得られた転がり軸受試験片について上記の高温耐久性試験を行ない軸受寿命時間を測定した。結果を表１に併記する。

表１に示すように、実施例１〜実施例１０は、高温耐久性試験において寿命が全て 120 時間以上の優れた高温耐久性を示した。これは、特定の多価アルコール化合物により形成された酸化鉄被膜がグリースの酸化劣化を抑制できたことによると考えられる。一方、比較例１では、実施例１〜実施例１０と比較して寿命が短かい結果となった。

実施例１１
実施例３の処理液（クロロゲン酸含有）中に、外径 40 mm×内径 20 mm×ｔ10 mm （副曲率 R 60 mm ）の寸法を有するＳＵＪ２製リング状基材を浸漬したまま 4 時間回転させ、基材の表面全体に酸化鉄被膜を形成させリング状試験片を得た。得られたリング状試験片を以下に示す摺動試験に供し、比摩耗量および試験終了時の摩擦係数を各２回測定した。結果を表２および図３に示す。表２の比摩耗量は３回測定した比摩耗量の平均値である。図３において棒グラフは比摩耗量を３回測定した個別データであり、丸印はそれぞれの各測定終了時の摩擦係数を示す。

＜摺動試験＞
図２に示す摺動試験機を用いた。図２（ａ）は正面図を、図２（ｂ）は側面図をそれぞれ表す。回転軸１１にリング状試験片１２を取り付け、アーム部のエアスライダー１３に鋼板１４を固定する。リング状試験片１２は所定の荷重１５を図面上方から印加されながら鋼板１４に回転接触すると共に潤滑油が含浸されたフェルトパッド１６より潤滑油がリング状試験片１２の外周面に供給される。リング状試験片１２を回転させたときに発生する摩擦力はロードセル１７により検出される。鋼板１４はＳＣＭ４１５浸炭焼入れ焼戻し処理品（Ｈｖ 700 ）を、潤滑油はモービルベロシティオイルＮｏ.３（エクソンモービル社製：ＶＧ２）をそれぞれ用いた。荷重は 9.7 N 、滑り速度は 0.05 m ／秒、試験時間は 1 分である。

比較例２
実施例１１と同じ寸法のＳＵＪ２製リング状基材に、日本パーカライジング社製ＢＫ−３９０１にて 140℃、30分黒染め処理を施しリング状試験片を得た。得られたリング状試験片を上記の摺動試験に供し、比摩耗量および試験終了時の摩擦係数を各２回測定した。結果を表２および図３に示す。表２の比摩耗量は２回測定した比摩耗量の平均値である。図３において棒グラフは比摩耗量を２回測定した個別データであり、丸印はそれぞれの各測定終了時の摩擦係数を示す。

比較例３
実施例１１と同じ寸法のＳＵＪ２製リング状基材に、表面処理を施さずにリング状試験片として、上記の摺動試験に供し、比摩耗量および試験終了時の摩擦係数を各３回測定した。結果を表２および図３に示す。表２の比摩耗量は３回測定した比摩耗量の平均値である。図３において棒グラフは比摩耗量を３回測定した個別データであり、丸印はそれぞれの各測定終了時の摩擦係数を示す。

表２および図３に示すように、特定の多価アルコール化合物により形成された酸化鉄被膜を有する実施例１１は、黒染め処理した比較例２よりも、摩擦係数および比摩耗量が小さい値を示し、摺動特性に優れることが分かる。

本発明の転がり軸受は、金属製軸受部材の摺動面または転動面に植物由来の多価アルコール化合物にて被膜処理を施したので、高温高速下においても長寿命である。このため、家電、自動車電装・補機、産業機器などの高温高速回転条件で使用される転がり軸受として好適に利用できる。

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 グリース
８ａ 両端開口部
８ｂ 両端開口部
１１ 回転軸
１２ リング状試験片
１３ エアスライダー
１４ 鋼板
１５ 荷重
１６ フェルトパッド
１７ ロードセル

Claims (5)

1. 金属製軸受部材として、内輪と、外輪と、この内・外輪間に介在する複数の転動体と、この転動体を保持する保持器とを備えてなる転がり軸受において、
   前記金属製軸受部材の少なくとも１つの部材が、該部材の摺動面または転動面に、植物由来の多価アルコール化合物にて被膜処理を施された部材であり、
   前記植物由来の多価アルコール化合物は、クルクミン、ケルセチン、クロロゲン酸、コーヒー酸、キナ酸、没食子酸、エラグ酸、および、それらの誘導体、から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする転がり軸受。
2. 前記被膜処理を施された部材が、前記保持器であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
3. 前記被膜処理を施された部材は、該部材の摺動面または転動面に酸化鉄被膜を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の転がり軸受。
4. 前記被膜処理は、水および／または有機溶媒に前記植物由来の多価アルコール化合物を分散または溶解させた処理液中に、被膜処理を施す前記金属製軸受部材を浸漬する処理であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の転がり軸受。
5. 前記植物由来の多価アルコール化合物は、前記クルクミン、前記ケルセチン、前記クロロゲン酸、前記コーヒー酸、および、それらの誘導体、から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の転がり軸受。

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