(57)【要約】【課題】材料強度と耐摩耗性に優れた固体潤滑剤を形成可能な自己潤滑性複合材料を提供する。【解決手段】自己潤滑性複合材料の組成を、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなり、二硫化モリブデンの含有率が４０質量％以上６０質量％以下、銅の含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、ニッケルの含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下で、残部が鉄とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなり、
二硫化モリブデンの含有率が４０質量％以上６０質量％以下、銅の含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、ニッケルの含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下で、残部が鉄である自己潤滑性複合材料。
【請求項２】
二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、黒鉛、銅（Ｃｕ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなり、
二硫化モリブデンの含有率が４０質量％以上６０質量％以下、銅の含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、ニッケルの含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、鉄の含有率が５. ０質量％以上３０. ０質量％以下であり、タングステンの含有率が２. ０質量％以上３０. ０質量％以下で、黒鉛の含有率が２. ０質量％以上７. ０質量％以下である自己潤滑性複合材料。
【請求項３】
鉄とタングステンの含有比率が質量比で１：１である請求項２記載の自己潤滑性複合材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の自己潤滑性複合材料を構成する各成分の粉末を、混合した後に焼結させて得られた固体である固体潤滑剤。
【請求項５】
円柱状に形成されて、圧縮強度が４０ＭＰａ以上である請求項４記載の固体潤滑剤。
【請求項６】
請求項５記載の固体潤滑剤が隣り合う転動体の間に配置されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項７】
テンタークリップのレール走行をガイドする外輪回転の転がり軸受として使用される請求項６記載の転がり軸受。
【請求項８】
請求項６記載に記載された転がり軸受を備えている搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自己潤滑性複合材料と、自己潤滑性複合材料からなる固体潤滑剤と、固体潤滑剤を有する転がり軸受と、転がり軸受を備えた搬送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、黒鉛、弗化黒鉛、弗化カルシウムなどの潤滑性物質と、各種の金属又は合金とからなる焼結体が、固体潤滑剤として使用されている。また、このような固体潤滑剤の問題点（材料強度や耐摩耗性など）を改善することを目的とした提案がなされている。
例えば、特許文献１には、二硫化モリブデンを２０重量％〜３５重量％、黒鉛を３重量％〜１５重量％、二硫化タングステンを８重量％〜２０重量％、銅を０．１重量％〜５重量％、クロムを０．１重量％〜２重量％、タングステンを２重量％〜２０重量％含有し、残部が少なくとも鉄を含有する自己潤滑性焼結複合材料が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、潤滑性物質と結合補助物質とを含有する塊状相と、金属及び／又は合金を主成分とする結合相とからなり、塊状相中の潤滑性物質の結晶粒が結合補助物質により包囲されており、塊状相が結合相により包囲されており、結合相の含有量が結合補助物質の含有量よりも多いことを特徴とする固体潤滑性複合材料が記載されている。
また、この固体潤滑性複合材料の塊状相を構成する潤滑性物質は、二硫化タングステン、二硫化モリブデン、および黒鉛の少なくとも１種であり、結合補助物質は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ及びこれらの２種以上の合金の中の少なくとも１種であり、結合相は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐ、Ｂ及びこれら２種以上の合金の中の少なくとも１種からなると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９９０２８号公報
【特許文献２】特公平７−７６４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１および２に記載された自己潤滑性焼結複合材料および固体潤滑性複合材料には、材料強度および耐摩耗性の点で改善の余地がある。
この発明の課題は、材料強度と耐摩耗性に優れた固体潤滑剤を形成可能な自己潤滑性複合材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明の一態様の自己潤滑性複合材料は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなり、二硫化モリブデンの含有率が４０質量％以上６０質量％以下、銅の含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、ニッケルの含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下で、残部が鉄であることを特徴とする。なお、この自己潤滑性複合材料は、必要に応じて添加される添加剤の含有を否定するものではない。
【０００７】
二硫化モリブデンと鉄からなる自己潤滑性複合材料の場合、二硫化モリブデンの含有率が多いほど潤滑性能は高くなるが、相対的に結合剤として作用する鉄の含有率が少なくなることで、固体潤滑剤とした場合の材料強度が低下する。これに対して、この自己潤滑性複合材料は、二硫化モリブデンと鉄だけでなく、特定量（０. １質量％以上２. ０質量％以下）の銅とニッケルを含有することにより、二硫化モリブデンの含有率を４０質量％以上６０質量％以下と多くすることで相対的に鉄の含有率は少なくなっているが、固体潤滑剤とした場合の材料強度が良好になっている。
このような効果が得られる理由は、理論的には十分に解明されていないが、二硫化モリブデンと、ニッケル、銅、および鉄とが複雑な複合化合物を形成していることで、固体潤滑剤とした場合の材料強度が良好になると考えられる。この複合化合物の結晶粒径は１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
銅およびニッケルの含有率が０. １質量％未満であると、鉄の含有率が少なくても材料強度を保持できる効果が実質的に得られない。銅およびニッケル２. ０質量％を超えて含有させても効果は飽和する。
この自己潤滑性複合材料は、タングステン（Ｗ）と黒鉛をさらに含み、鉄の含有率が５. ０質量％以上３０. ０質量％以下であり、タングステンの含有率が２. ０質量％以上３０. ０質量％以下で、黒鉛の含有率が２. ０質量％以上７. ０質量％以下であることが好ましい。タングステンは鉄と同様に結合剤として作用する。黒鉛は酸化防止剤として作用する。
【０００９】
すなわち、この自己潤滑性複合材料の好ましい構成は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、黒鉛、銅（Ｃｕ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなり、二硫化モリブデンの含有率が４０質量％以上６０質量％以下、銅の含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、ニッケルの含有率が０. １質量％以上２. ０質量％以下、鉄の含有率が５. ０質量％以上３０. ０質量％以下であり、タングステンの含有率が２. ０質量％以上３０. ０質量％以下で、黒鉛の含有率が２. ０質量％以上７. ０質量％以下である。この構成の自己潤滑性複合材料でも、必要に応じて添加される添加剤の含有を否定するものではない。
【００１０】
タングステンの含有率が２. ０質量％未満であると、タングステンを加えたことで得られる効果（鉄との相互作用による強度安定化効果）が発揮できない。３０. ０質量％を超えると相対的に二硫化モリブデンの含有率が低下する。
黒鉛の含有率が２. ０質量％未満であると、実質的に酸化防止効果が得られない。７. ０質量％を超えると、相対的に鉄およびタングステンの含有率が少なくなることで固体潤滑剤とした場合の材料強度が低下する。
【００１１】
また、この自己潤滑性複合材料の鉄とタングステンの含有比率が質量比で１：１であると、固体潤滑剤とした場合の材料強度が安定するため好ましい。
この発明の一態様の固体潤滑剤は、この発明の一態様の自己潤滑性複合材料を構成する各成分の粉末を、混合した後に焼結させて得られた固体である。前記複合化合物の結晶粒径は１μｍ以上１ｍｍ以下とするためには、前記各成分の粉末の粒径を０．１ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００１２】
前記固体潤滑剤であって、円柱状に形成されて、圧縮強度が４０ＭＰａ以上であるものは、転がり軸受の隣り合う転動体の間に配置して転動体を潤滑する用途で好適に使用することができる。前記固体潤滑剤が隣り合う転動体の間に配置されている転がり軸受は、テンタークリップのレール走行をガイドする外輪回転の転がり軸受として好適である。
【００１３】
前記固体潤滑剤が隣り合う転動体の間に配置されている転がり軸受は、また、下記の構成(a) および(b) を有するフィルム搬送装置の従動ローラの回転軸を支持する転がり軸受として好適である。
(a) 互いに平行に配置され、フィルムを支持しながら搬送する複数の搬送ローラと、前記搬送ローラの回転軸を支持する転がり軸受と、を有する。
(b) 前記搬送ローラは、フィルムに駆動力を与える駆動ローラと、移動するフィルムとの間に生じる摩擦力で回転する従動ローラと、からなる。
前記固体潤滑剤が隣り合う転動体の間に配置されている転がり軸受は、フィルム等をローラの回転で搬送する搬送装置に使用できる。
前記固体潤滑剤が隣り合う転動体の間に配置されている転がり軸受を備えている搬送装置の例としては、前記構成(a) および(b) を有するフィルム搬送装置が挙げられる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の自己潤滑性複合材料によれば、材料強度と耐摩耗性が従来品よりも改善された固体潤滑剤を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の転がり軸受を示す部分破断斜視図である。
【図２】テンタークリップの一例を示す概略構成図である。
【図３】寿命試験で使用する試験装置を示す概略構成図である。
【図４】第１実施例での試験結果を示すグラフである。
【図５】第２実施例での試験結果を示すグラフである。
【図６】第３実施例での試験結果を示すグラフである。
【図７】第４実施例での試験結果を示すグラフである。
【図８】圧縮強度測定装置の構成を示す部分断面正面図である。
【図９】動摩擦測定装置の構成を示す図であって、（ａ）は外輪回転試験時を、（ｂ）は内輪回転試験時を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されるものではない。
図１は、この実施形態の転がり軸受を示す部分破断斜視図である。
この転がり軸受は、内輪１、外輪２、玉（転動体）３、固体潤滑剤４、および保持器５で構成されている。保持器５は、ポケットがさやえんどう型で、一つのポケットに二個の玉３と一個の固体潤滑剤４が配置されている。固体潤滑剤４は円柱形で、二つの玉３の間に、円柱の各端面を玉３に向けた状態で配置されている。固体潤滑剤４をなす円柱の直径は約４ｍｍである。玉３の直径は約５ｍｍである。内輪１の内径（直径）は１０ｍｍである。
【００１７】
内輪１、外輪２、玉（転動体）３、および保持器５は従来より公知の方法で作製された一般的なものであり、固体潤滑剤４は以下の方法で作製されたものである。
二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）の粉末と、銅（Ｃｕ）の粉末と、ニッケル（Ｎｉ）の粉末と、鉄（Ｆｅ）の粉末と、黒鉛（Ｃ）粉末と、タングステン（Ｗ）の粉末を、質量比でＭｏＳ2 ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ｃ：Ｗ：Ｆｅ＝５０. ０：１. ０：１. ０：５. ０：２１. ５：２１. ５の比率で混合した後、円柱形状にするための型に入れてプレス成形し、次いで真空中で焼結した。各成分の粉末は粒径が０. １ｍｍ以下のものを用いた。
【００１８】
固体潤滑剤４の５００℃での圧縮強度は、後述の図８に示す圧縮強度測定装置で測定した値で、１０５ＭＰａ程度である。固体潤滑剤４の摩擦係数は、後述の図９に示す動摩擦測定装置を使用し、５００℃の大気下、外輪回転、回転速度６０ｍｉｎ-1の条件で測定した値で、例えば０. ０９〜０．１０である。
この実施形態の転がり軸受によれば、固体潤滑剤４の５００℃での圧縮強度が１０５ＭＰａ程度であり、回転速度６０ｍｉｎ-1での固体潤滑剤４の耐摩耗性が良好であるため、従来の固体潤滑剤を使用した転がり軸受と比較して、５００℃での寿命を長くすることができる。
【００１９】
外輪回転で回転速度が６０ｍｉｎ-1程度である転がり軸受としては、フィルム延伸機を構成するテンタークリップのレール走行をガイドする転がり軸受が挙げられる。よって、この実施形態の転がり軸受は、テンタークリップのレール走行をガイドする外輪回転の転がり軸受として好適に使用される。
テンタークリップは、フィルム延伸機において、フィルムの左右方向両端に配置されてフィルムの両端を掴み、無限軌道のレール上を走行しながら、フィルムを幅方向に引き伸ばすものである。図２にテンタークリップの一例を示す。
【００２０】
図２のテンタークリップ１０は、本体１１と、本体１１に固定された複数の軸１２と、各軸１２に取り付けられた転がり軸受１３と、本体１１に取り付けられたフィルム保持部１４とで構成されている。
テンタークリップ１０は、平面視で略ハ字状に配置した２本のガイドレール１５に対して、各転がり軸受１３の外輪１３ｂの外周面がガイドレール１５に接触するように装着されている。テンタークリップ１０は、各外輪１３ｂの回転によりガイドレール１５に沿って走行する。すなわち、各転がり軸受１３の内輪１３ａは固定輪であり、外輪１３ｂは回転輪である。
【００２１】
フィルム延伸機の使用時には、フィルム１６の左右両側の各位置に配置された多数のテンタークリップ１０のフィルム保持部１４で、フィルム１６を保持する。また、ガイドレール１５の外輪１３ｂとの接触面にエステル油等の潤滑油を噴霧する。
この状態で、フィルム１６を高温（フィルムの材質や延伸度合に応じて設定される値）に加熱しながら、テンタークリップ１０を２本のガイドレール１５に沿って走行させる。これにより、左右のテンタークリップ１０の間隔が徐々に広がり、左右方向に向いた張力がフィルム１６に負荷されるため、フィルム１６が延伸される。
【実施例】
【００２２】
［第１実施例：固体潤滑剤の圧縮強度の違いによる軸受寿命の違い］
図１の転がり軸受を構成する円柱状（直径が約４ｍｍ、軸方向寸法が約３ｍｍ）の固体潤滑剤４を以下の方法で作製した。
先ず、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）の粉末と銅（Ｃｕ）の粉末とニッケル（Ｎｉ）の粉末と鉄（Ｆｅ）の粉末を、質量比でＭｏＳ2 ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ｆｅ＝５０. ０：１．０：１．０：４８．０の比率で混合した。次に、得られた混合粉末を、円柱形状にするための型に入れてプレス成形した。次に、得られた成形体を真空中で焼結した。各成分の粉末は粒径が０．１ｍｍ以下のものを用いた。
【００２３】
作製時の焼結条件のうち焼結時間のみを変えることで、圧縮強度が異なる３種類（No.1-1〜No.1-3）の固体潤滑剤４を得、各サンプルの常温での圧縮強度を測定した。圧縮強度の測定は、円柱状の固体潤滑剤４に軸方向に沿った圧縮力を付与する装置（図８の圧縮強度測定装置）を使用し、圧縮速度５μｍ／ｓの条件で行った。
その結果、固体潤滑剤４の圧縮強度は、サンプルNo.1-1で６７ＭＰａ、サンプルNo.1-2で４０ＭＰａ、サンプルNo.1-3で３５ＭＰａであった。
これらのサンプルを固体潤滑剤４として用いた以外は実施形態と同じ転がり軸受を組み立てて試験軸受とし、図３に示す試験装置を使用して寿命試験を行った。
【００２４】
図３の試験装置は、２個の試験軸受２１を支持する門型ハウジング２２と、門型ハウジング２２内に配置された２個のサポート軸受２３を支持するサポートハウジング２４と、試験軸受２１およびサポート軸受２３の内輪に嵌合された回転軸２５と、これらが内部に配置された恒温槽２６を有する。２個の試験軸受２１と２個のサポート軸受２３は、それぞれ同じものを使用する。試験軸受２１の外輪は、リング状ハウジング２２１を介して門型ハウジング２２に固定される。
【００２５】
恒温槽２６の側壁２６１に貫通穴２６１ａが形成されている。この貫通穴２６１ａを通って回転導入軸２７の先端部側が恒温槽２６内に配置され、回転導入軸２７の先端がカップリング２７ａで回転軸２５と結合されている。恒温槽２６の外部に配置された回転導入軸２７の基端にモータ（図示せず）が接続されている。
恒温槽２６の底板２６２に貫通穴２６２ａが形成されている。底板２６２の貫通穴２６２ａの位置に、門型ハウジング２２の下部が固定されている。これにより、門型ハウジング２２の中抜き部２２ａが恒温槽２６の外部と連通する。
【００２６】
サポートハウジング２４の下部にブラケット２８が固定されている。ブラケット２８の下部に懸垂金具２９が固定されている。懸垂金具２９の先端が、底板２６２の貫通穴２６２ａを通って恒温槽２６の下に配置されている。懸垂金具２９の先端にウエイト３０が懸垂されている。このウエイト３０による荷重がブラケット２８に付与されることで、ブラケット２８を介してサポート軸受２３にラジアル荷重が付与される。そして、２個のサポート軸受２３は、２個の試験軸受２１の中間位置に配置されているため、サポート軸受２３に付与されたラジアル荷重は、１／２ずつ試験軸受２１に付与される。
【００２７】
この試験装置を使用する際には、恒温槽２６内を所定温度に保持した状態で、モータを駆動して回転導入軸２７を回転する。これに伴って、回転軸２５が回転し、試験軸受２１およびサポート軸受２３が回転する。また、送風機により、恒温槽２６の底板２６２の貫通穴２６２ａから門型ハウジング２２の中抜き部２２ａに冷風を導入して、サポート軸受２３を冷却する。これにより、サポート軸受２３が試験軸受２１より早期に損傷することが防止される。
ここでは、回転中のモータのトルク電圧を軸受トルクとしてモニタし、試験軸受２１に損傷が生じて軸受トルクが上昇した時点で回転を停止した。そして、回転を停止するまでの回転数を軸受寿命とした。試験条件は下記の通りとした。
【００２８】
＜試験条件＞
ラジアル荷重：１軸受当たり４９Ｎ（５ｋｇｆ）
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
軸受温度：５００℃
いずれのサンプルでも、固体潤滑剤４から生じた摩耗粉が軸受内部に詰まり、玉３が回転しにくくなることで軸受トルクが上昇した。
この試験で得られた軸受寿命を図４にグラフで示す。圧縮強度が６７ＭＰａであるサンプルNo.1-1の固体潤滑剤４を有する軸受の寿命は６２０万回であり、圧縮強度が４０ＭＰａであるサンプルNo.1-2の固体潤滑剤４を有する軸受の寿命は３３５万回であり、圧縮強度が３５ＭＰａであるサンプルNo.1-3の固体潤滑剤４を有する軸受の寿命は約１０万回であった。
【００２９】
この試験の結果から、同じ組成の固体潤滑剤４を用いた場合、圧縮強度が大きいほど軸受寿命が長くなることが分かる。固体潤滑剤４の圧縮強度が小さいと、粒子の結合力が弱いため、ＭｏＳ2 粒子が潤滑に使用されずに固体潤滑剤４の摩耗が進むと考えられる。また、使用する固体潤滑剤４の圧縮強度が４０ＭＰａ以上であると、３５ＭＰａの場合の３０倍以上の軸受寿命が得られることが分かる。
【００３０】
［第２実施例：固体潤滑剤の組成の違いによる軸受寿命の違い］
図１の転がり軸受を構成する円柱状（直径４ｍｍ、軸方向寸法３ｍｍ）の固体潤滑剤４を以下の方法で作製した。
サンプルNo.2では、先ず、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）の粉末と鉄（Ｆｅ）の粉末を、質量比で１：１の比率で混合した。次に、得られた混合粉末を、円柱形状にするための型に入れてプレス成形した。次に、得られた成形体を真空中で焼結した。各成分の粉末は粒径が０．１ｍｍ以下のものを用いた。
【００３１】
サンプルNo.3では、先ず、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）の粉末と黒鉛（Ｃ）の粉末とタングステン（Ｗ）の粉末と鉄（Ｆｅ）の粉末を、質量比でＭｏＳ2 ：Ｃ：Ｗ：Ｆｅ＝５０．０：７．０：２１．５：２１．５の比率で混合した。次に、得られた混合粉末を、円柱形状にするための型に入れてプレス成形した。次に、得られた成形体を真空中で焼結した。各成分の粉末は粒径が０．１ｍｍ以下のものを用いた。
【００３２】
サンプルNo.4では、先ず、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）の粉末と銅（Ｃｕ）の粉末とニッケル（Ｎｉ）の粉末と黒鉛（Ｃ）の粉末とタングステン（Ｗ）の粉末と鉄（Ｆｅ）の粉末を、質量比でＭｏＳ2 ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ｃ：Ｗ：Ｆｅ＝５０．０：１．０：１．０：５．０：２１．５：２１．５の比率で混合した。次に、得られた混合粉末を、円柱形状にするための型に入れてプレス成形した。次に、得られた成形体を真空中で焼結した。各成分の粉末は粒径が０．１ｍｍ以下のものを用いた。
【００３３】
得られた各固体潤滑剤４の常温での圧縮強度を、第１実施例と同じ方法で測定したところ、サンプルNo.2で４０ＭＰａ、サンプルNo.3で５２ＭＰａ、サンプルNo.4で１１８ＭＰａであった。
これらのサンプルを固体潤滑剤４として用いた以外は実施形態と同じ転がり軸受を組み立てて試験軸受とし、図３に示す試験装置を使用して寿命試験を行った。試験方法および条件は第１実施例と同じにした。
この試験で得られた軸受寿命を図５にグラフで示す。
【００３４】
また、第１実施例のNo.1-1の結果を図５にNo.1として示す。すなわち、サンプルNo.1の固体潤滑剤４の組成はＭｏＳ2 ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ｆｅ＝５０. ０：１．０：１．０：４８．０であり、圧縮強度は６７ＭＰａであり、これを有する図１の転がり軸受の寿命は６２０万回である。
サンプルNo.2の固体潤滑剤４を有する図１の転がり軸受の寿命は３７５万回であった。サンプルNo.3の固体潤滑剤４を有する図１の転がり軸受の寿命は５２５万回であった。サンプルNo.4の固体潤滑剤４を有する図１の転がり軸受の軸受は、１１００万回の回転でもトルク上昇が生じなかったため、試験を打ち切った。
【００３５】
このように、ＭｏＳ2 とＦｅのみからなる組成の固体潤滑剤４を用いたNo.2の軸受寿命は、５００万回転未満であり、No.2の組成に黒鉛とＷを追加した組成の固体潤滑剤４を用いたNo.3の軸受寿命は、５００万回転を少し超えた程度であった。これに対して、No.2の組成にＣｕとＮｉを追加した組成の固体潤滑剤４を用いたNo.1の軸受寿命は、５００万回転を大きく超え、No.1の組成に黒鉛とＷを追加した組成の固体潤滑剤４を用いたNo.4の軸受寿命は、１１００万回を超えるものとなった。
【００３６】
この試験の結果から、以下のことが分かる。
転がり軸受に使用する固体潤滑剤４の組成を、ＭｏＳ2 とＦｅとＣｕとＮｉからなる組成とすることで、ＭｏＳ2 とＦｅのみからなる場合よりも、５００℃での軸受寿命を著しく長くすることができる。また、転がり軸受に使用する固体潤滑剤４の組成を、ＭｏＳ2 とＦｅとＣｕとＮｉからなる組成とすることで、ＭｏＳ2 とＦｅと黒鉛とＷからなる組成とした場合よりも、５００℃での軸受寿命を長くすることができる。また、転がり軸受に使用する固体潤滑剤４の組成を、ＭｏＳ2 とＦｅとＣｕとＮｉと黒鉛とＷからなる組成とすることで、ＭｏＳ2 とＦｅとＣｕとＮｉからなり、黒鉛とＷを含有しない組成とした場合よりも、５００℃での軸受寿命を著しく長くすることができる。
【００３７】
［第３実施例：固体潤滑剤の組成（ＭｏＳ2 含有率）と圧縮強度との関係］
直径が４ｍｍで軸方向寸法が３ｍｍである円柱状の固体潤滑剤を、下記の方法で作製した。
先ず、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）の粉末と銅（Ｃｕ）の粉末とニッケル（Ｎｉ）の粉末と黒鉛（Ｃ）の粉末とタングステン（Ｗ）の粉末と鉄（Ｆｅ）の粉末を、質量比でＭｏＳ2 ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ｃ：Ｗ：Ｆｅ＝Ｘ：１. ０：１. ０：５. ０：（９３−Ｘ）／２：（９３−Ｘ）／２の比率で混合した。次に、得られた混合粉末を、円柱形状にするための型に入れてプレス成形した。次に、得られた成形体を真空中で焼結した。各成分の粉末は粒径が０．１ｍｍ以下のものを用いた。
【００３８】
ＭｏＳ2 の含有率Ｘを３０、４０、５０、６０、７０、８０質量％に変化させた６種類のサンプルを作製し、常温と５００℃での圧縮強度を第１実施例と同じ方法で測定した。なお、５００℃での測定は、測定装置の試料台の外周に巻かれたシースヒータに通電して試料台を加熱することで、固体潤滑剤を５００℃に保持した状態で行う。
その結果を図６にグラフで示す。この結果から、ＭｏＳ2 含有率が４０〜６０質量％の範囲である固体潤滑剤は、５００℃での圧縮強度が１００ＭＰａ程度と高いが、ＭｏＳ2 含有率がこの範囲から外れる固体潤滑剤は、５００℃での圧縮強度が８０ＭＰａ未満と低いことが分かる。
【００３９】
［第４実施例：回転輪と摩擦係数との関係］
第３実施例で作製した円柱状の固体潤滑剤のうち、ＭｏＳ2 含有率が７０質量％であるものと５０質量％であるもの（Ｘ＝７０．０であるものとＸ＝５０. ０であるもの）について、後述の図９に示す動摩擦測定装置を使用して大気中５００℃での摩擦係数を測定した。摩擦係数の測定は、内輪回転および外輪回転のそれぞれで、回転速度を６０ｍｉｎ-1と３６０ｍｉｎ-1にして行った。
その結果を図７にグラフで示す。なお、図７のグラフで、「○」と「△」のプロットは回転速度６０ｍｉｎ-1と３６０ｍｉｎ-1の位置より少し左側にズレているが、回転速度６０ｍｉｎ-1と３６０ｍｉｎ-1で測定した摩擦係数を示している。
【００４０】
この結果から以下のことが分かる。ＭｏＳ2 含有率が同じ固体潤滑剤４を有する転がり軸受を、回転輪を変えて同じ回転速度で回転させた場合、外輪回転の方が内輪回転の時より摩擦係数が小さくなる。ＭｏＳ2 含有率が同じ固体潤滑剤４を有する転がり軸受を、回転輪は同じで異なる回転速度で回転させた場合、回転速度６０ｍｉｎ-1の方が回転速度３６０ｍｉｎ-1の時より摩擦係数の差は大きくなり、回転速度６０ｍｉｎ-1の方が回転速度３６０ｍｉｎ-1の時より摩擦係数の値は小さくなる。
よって、固体潤滑剤４が組み込まれた転がり軸受を６０ｍｉｎ-1程度の回転速度で且つ外輪回転で使用することで、固体潤滑剤４の摩擦係数が小さくできる。つまり、この発明の実施形態の固体潤滑剤４は、６０ｍｉｎ-1程度の回転速度で且つ外輪回転で使用される転がり軸受、例えばテンタークリップのレール走行をガイドする転がり軸受として好適である。
【００４１】
［圧縮強度測定装置］
図８に示す圧縮強度測定装置と、これを用いて、円柱形状の固体潤滑剤の圧縮強度を測定する方法について説明する。
この装置は、モータ１０１と、フレーム１０２と、カップリング１０３と、ボールねじ１０４と、ハウジング１０５と、直動案内装置１０６を有する。この装置は、さらに、ロードセル１０７と、パッド１０８と、パッド用ステー１０９と、パッド用スプリング１１０と、複数のセラミックスリーブ１１１と、パッド用ハウジング１１２と、球面座１１３と、試料台１１６と、シースヒータ１１７を有する。
【００４２】
フレーム１０２は、基台部１２１と、基台部１２１から鉛直上方に延びる延伸部１２２と、延伸部１２２の上端で屈曲して水平方向に延びる上側部１２３を有する。モータ１０１は、フレーム１０２の上側部１２３の上に設置されている。フレーム１０２の上側部１２３に、モータ１０１の回転軸を通す開口部１２３ａが形成されている。フレーム１０２の基台部１２１に、試料台１１６の固定部１２５が突設されている。固定部１２５の上端にフランジ１２５ａが形成されている。フランジ１２５ａの複数位置にボルト挿通穴が形成されている。
【００４３】
ボールねじ１０４のねじ軸１０４ａは、カップリング１０３によりモータ１０１の回転軸と接続されている。ボールねじ１０４のナット１０４ｂは、円筒形のハウジング１０５内に固定されている。ハウジング１０５は、直動案内装置１０６のスライダ１０６ａに固定されている。直動案内装置１０６の案内レール１０６ｂは、フレーム１０２の延伸部１０２ｂに固定されている。よって、ハウジング１０５は、直動案内装置１０６で案内されながら、ボールねじ１０４により上下方向に直動する。
【００４４】
ハウジング１０５の下端にロードセル１０７が固定されている。ロードセル１０７の端面にパッド用ステー１０９が固定されている。パッド１０８は、スプリング１１０によってパッド用ハウジング１１２に押し付けられている。パッド１０８とパッド用ハウジング１１２との間に球面座１１３が配置されている。パッド用ハウジング１１２とパッド用ステー１０９は、複数のセラミックスリーブ１１１を介して、セラミックスリーブ１１１を挿通させたボルトの締結により固定されている。
このように、パッド１０８は、パッド用ステー１０９、スプリング１１０、パッド用ハウジング１１２、および球面座１１３を介して、ロードセル１０７の下端に取り付けられて、球面座１１３の座面に沿って姿勢が変えられるようになっている。
【００４５】
試料台１１６の上端面中央に、円柱形状の試料（円柱試料）１１５の下部を嵌合する凹部が形成されている。試料台１１６の外周にシースヒータ１１７が巻かれている。試料台１１６の下端にフランジ１１６ａが形成され、フランジ１１６ａの複数位置に、固定部１２５のフランジ１２５ａのボルト挿通穴に合わせた雌ねじが形成されている。
複数のセラミックスリーブ１１１を、試料台１１６のフランジ１１６ａと固定部１２５のフランジ１２５ａとの間、および上端フランジ１２５ａの下部に配置し、これらのセラミックスリーブ１１１とフランジ１２５ａのボルト挿通穴を挿通させたボルトを、フランジ１１６ａの雌ねじに螺合することで、フランジ１１６ａとフランジ１２５ａを締結している。これにより、試料台１１６が固定部１２５に固定されている。
【００４６】
この装置を使用して高温における固体潤滑剤の圧縮強度を測定する際には、先ず、試料台１１６の凹部に円柱試料（固体潤滑剤）１１５を置くことで、円柱試料１１５の端面をパッド１０８の下面中央の直下に向ける。次に、シースヒータ１１７に通電することで試料台１１６を加熱して昇温させる。昇温させた後、所定時間保持することで、円柱試料１１５を所定の温度にする。なお、常温で圧縮強度を測定する際には、シースヒータ１１７の通電を行わない。
【００４７】
次に、モータ１０１を駆動してハウジング１０５を降下させることにより、パッド１０８の下面中央を円柱試料１１５の上端面に接触させる。図８はこの状態を示す。この状態からさらに所定の圧縮速度でハウジング１０５を降下させると、ロードセル１０７を介してパッド１０８が円柱試料１１５を圧縮する。
ここで、パッド１０８は、球面座１３の座面に沿って姿勢を変化させることができるので、パッド１０８の下面は円柱試料１１５の端面の全面と接触し、片当りすることはない。
【００４８】
圧縮荷重が試料１０８の圧縮強度荷重に達すると、試料１０８が崩壊するため、その時点でモータ１０１を停止する。試料１０８が崩壊した時点での圧縮強度荷重を試料１０８の断面積で除して、単位面積あたりの圧縮荷重（単位は圧力）を求め、それを試料１０８の圧縮強度とする。
なお、圧縮試験時に円柱試料１１５にパッド１０８が接触する際に、円柱試料１１５の熱がパッド１０８に伝わるが、接触している時間は非常に短いため、円柱試料１１５の温度低下量はわずかである。また、この装置は、セラミックスリーブ１１１を使用することにより、試料台１１６の熱が、締結ボルトを介してフレーム１０２に伝わりにくい構造になっている。
【００４９】
仮に、パッド１０８が高温に保持された円柱試料１１５と接触することで、パッド１０８の温度が上昇し、熱伝導でパッド用ハウジング１１２の温度が上昇した場合でも、セラミックスリーブ１１１の存在により、パッド用ハウジング１１２の熱が、締結ボルトを介してパッド用ステー１０９に伝わりにくい構造になっている。これにより、高温での測定時に、試料台１１６からの熱伝導でロードセル１０７が破損することが防止される。
【００５０】
［動摩擦測定装置］
図９に示す動摩擦測定装置と、これを用い、転がり軸受の内輪回転時および外輪回転時に、円柱形状の固体潤滑剤に生じる摺動摩擦抵抗を測定する方法について説明する。
この装置は、モータに接続する駆動軸およびトルク計に接続する連れ回り軸を有し、駆動軸および連れ回り軸の一方の先端に円板部を設け、他方の先端に前記円板部が入るカップを設け、円柱形状の固体潤滑剤を円板部およびカップの一方に固定し、他方に摺動させて、内輪回転および外輪回転の固体潤滑剤に生じる摺動摩擦抵抗を測定する装置である。内輪回転試験と外輪回転試験で、これらの軸および部品を組み替えることで両方の摺動摩擦抵抗を測定することができる。また、円板部およびカップを両者の間に固体潤滑剤を取り付けた状態で配置する恒温槽を有することで、一定温度に保持しながら摺動摩擦抵抗を測定することができる。
【００５１】
図９（ａ）は外輪回転試験時の状態を、（ｂ）は内輪回転試験時の状態を示す。
図９（ａ）に示すように、外輪回転用として組み立てられた場合、この装置は、カップ（外輪回転摺動カップ）４０２と、連れ回り軸４０３と、セラミックスリーブ４０４と、連結軸４０５と、カップリング４０６，４０８と、直動支持装置４０９を有する。さらに、試験荷重用ウェイト４１０と、プーリ４１１と、重量補償ウェイト４１２と、ワイヤ４１３と、トルク計４１４と、駆動軸（外輪回転駆動軸）４１８と、駆動軸支持軸受４１９と、恒温槽４２０と、モータ４２１を有する。
【００５２】
すなわち、外輪回転の場合、モータ４２１に接続する駆動軸４１８としては、その先端部に、内周面が円柱試料（固体潤滑剤）４０１の摺動面となっているカップ（外輪回転摺動カップ）４０２が固定されたものを使用する。トルク計４１４に接続する連れ回り軸４０３としては、その一端部に、カップ４０２内に配置される円板部４０３ａを有するものを使用する。
【００５３】
恒温槽４２０の壁に、駆動軸導入孔４２０ａと連れ回り軸導出孔４２０ｂが形成されている。駆動軸４１８が駆動軸導入孔４２０ａから恒温槽４２０内に導入され、カップ４０２が恒温槽４２０内に配置されている。駆動軸導入孔４２０ａの直径は、駆動軸４１８の直径よりやや大きく作られている。
駆動軸４１８は、恒温槽４２０外に配置された駆動軸支持軸受４１９により支持されている。駆動軸支持軸受４１９は、駆動軸受ハウジング４１５に収容支持されていて、図示しない冷却ファンによって冷却されている。これにより、駆動軸４１８が恒温槽４２０内で加熱された場合でも、駆動軸支持軸受４１９の温度上昇が抑制され、耐久性能の低下が抑制される。
【００５４】
カップ４０２は、ＳＵＳ４４０Ｃからなる素材を、円柱体で軸方向一端部に内周面を有する形状に加工した後、焼入れ焼き戻しを施し、研磨を行うことで得られたものであり、その内周面は、研磨後にスーパフィニッシュ仕上げが施され、表面粗さが０．１μｍＲａ以下となっている。
連れ回り軸４０３は、連れ周り軸導入孔４２０ｂから恒温槽４２０内に導入され、円板部４０３ａが、恒温槽４２０内でカップ４０２内に配置されている。
【００５５】
連れ回り軸４０３の円板部４０３ａの外周面に、円柱試料４０１の外周面の一部を嵌合する取付凹部（円柱試料４０１の外周面と同じ円弧面を有する）が形成されている。これにより、円柱試料４０１が円板部４０３ａから脱落しない。また、取付凹部に円柱試料４０１を嵌合した状態で、カップ４０２内に円板部４０３ａが配置されると、カップ４０２と円柱試料４０１の軸が平行な状態で、カップ４０２の内周面の最下点位置に円柱試料４０１が接触する。すなわち、カップ４０２の内周面と円柱試料４０１の外周面が一本の直線で接触する。
【００５６】
連れ回り軸４０３の他端にフランジ４０３ｂが形成され、フランジ４０３ｂの複数位置にボルト挿通穴が形成されている。連れ回り軸４０３は、トルク計４１４の回転軸に固定されたカップリング４０６に対して、連結軸４０５を介して接続されている。連結軸４０５の一端にフランジ４０５ａが形成されている。フランジ４０５ａの複数位置に、連れ回り軸４０３のフランジ４０３ｂのボルト挿通穴に合わせた雌ねじが形成されている。
【００５７】
複数のセラミックスリーブ４０４を、連れ回り軸４０３のフランジ４０３ａと連結軸４０５のフランジ４０５ａとの間、およびフランジ４０３ａの外側面に配置し、これらのセラミックスリーブ４０４とフランジ４０３ｂのボルト挿通穴を挿通させたボルトを、フランジ４０５ａの雌ねじに螺合することで、フランジ４０３ａとフランジ４０５ａを締結している。これにより、連結軸４０５と連れ回り軸４０３が同一軸上で固定されている。
また、カップリング４０６はリジッドカップリングであり、カップリング４０６が屈曲して連れ周り軸４０３が撓むということはない。
【００５８】
熱によってトルク計４１４が破損するのを防止するために、トルク計４１４に熱が伝達されない工夫がなされている。具体的には、フランジ４０３ａとフランジ４０５ａを、図示しない冷却ファンによって冷却している。また、セラミックスリーブ４０４の存在により、ボルトが連れ回り軸４０３のフランジ４０３ａと接触しない構造となっているため、連れ周り軸４０３が加熱されて温度が上昇しても、その熱が連結軸４０５を介してトルク計４１４に伝導しにくい。
駆動軸受ハウジング４１５は、駆動軸支持軸受４１９、駆動軸４１８、カップリング４０８、モータ４２１等とともに、自重により、直動支持装置４０９を介して下方へ直動する。これに伴い、駆動軸４１８は、カップ４０２内に円柱試料４０１と円板部４０３ａが配置されていないと、駆動軸導入孔４２０ａに接触して停まる。
【００５９】
そこで、駆動軸受ハウジング４１５の上方にウェイト牽引用のワイヤ４１３の一端を接続し、プーリ４１１によりワイヤ４１３の方向を変更して、ワイヤ４１３の他端に重量補償ウェイト４１２を接続することで、駆動軸受ハウジング４１５が降下しないようにしている。つまり、この装置では、駆動軸４１８を上下方向の任意の位置で静止させることができる。
駆動軸４１８を、駆動軸導入孔４２０ａの中心に非接触状態で配置された状態にし、重量補償ウェイト４１２の上に試験荷重用ウェイト４１０を載置すると、駆動軸４１８は上昇し、駆動軸導入孔４２０ａに接触して停まる。この時、駆動軸導入孔４２０ａが受けるラジアル荷重は、試験荷重用ウェイト４１０の重さと同じである。
【００６０】
そして、カップ４０２内に円柱試料４０１と円板部４０３ａが配置されていると、カップ４０２の内周面が円柱試料４０１に接触し、円柱試料４０１が円板部４０３ａの取付凹部に嵌合されているため、円柱試料４０１は、その位置を保持しつつ、試験荷重ウェイト４１０の重さと同じラジアル荷重を受ける。
この状態でモータ４２１を駆動すると、カップ４０２が円柱試料４０１と摺動しながら円板部４０３ａの周りを回転する。その時、円柱試料４０１とカップ４０２の内周面（摺動面）との間に動摩擦力が発生し、円柱試料４０１から円板部４０３ａを介して連れ回り軸４０３に伝わる。これに伴って、連れ回りするための軸力が連れ回り軸４０３に発生し、この軸力がトルク計４１４で測定される。よって、トルク計４１４の測定値と試験荷重ウェイト４１０で付与したラジアル荷重とから、摩擦係数を求めることができる。
【００６１】
したがって、重量補償ウェイト４１２の上に、試験条件に応じた試験荷重ウェイト４１０を載置し、恒温槽４２０の設定温度を試験条件に応じた温度にして、十分な時間保持した後に、モータ４２１を駆動することにより、設定温度での摩擦係数を求めることができる。この時、求められた摩擦係数値が、円柱試料４０１に外輪回転のリングが摺動した際の摩擦係数に応じた値となる。
【００６２】
図９（ｂ）に示すように、内輪回転用として組み立てられた場合、この装置は、図９（ａ）の駆動軸４１８、カップ（外輪回転摺動カップ）４０２、および連れ回り軸４０３の代わりに、駆動軸４１６、カップ４１７、および連れ回り軸４２２を有する。また、試験荷重ウェイト４１０が、駆動軸受ハウジング４１５の上に載置されて使用される。これ以外の点は外輪回転用の場合と同じ構成である。
すなわち、内輪回転の場合、トルク計４１４に接続する連れ回り軸４２２として、その一端部に、カップ（内輪回転連れ回りカップ）４１７が固定され、他端部にフランジ４２２ａが形成されたものを使用する。モータ４２１に接続する駆動軸４１６として、その先端部に、カップ４１７内に配置される円板部４１６ａを有するものを使用する。円板部４１６ａの外周面が円柱試料（固体潤滑剤）４０１の摺動面となっている。
【００６３】
円板部４１６ａは、ＳＵＳ４４０Ｃからなる素材を、円板形状に加工した後、焼入れ焼き戻しを施し、研磨を行うことで得られたものであり、その外周面は、研磨後にスーパフィニッシュ仕上げが施され、表面粗さが０．１μｍＲａ以下となっている。
カップ４１７の内周面に、円柱試料４０１の外周面の一部を嵌合する取付凹部（円柱試料４０１の外周面と同じ円弧面を有する）が形成されている。これにより、円柱試料４０１がカップ４１７から脱落しない。また、取付凹部に円柱試料４０１を嵌合した状態で、カップ４１７内に円板部４１６ａが配置されると、円板部４１６ａと円柱試料４０１の軸が平行な状態で、円板部４１６ａの外周面の最下点位置に円柱試料４０１が接触する。すなわち、円板部４１６ａの外周面と円柱試料４０１の外周面が一本の直線で接触する。
【００６４】
連れ回り軸４２２のフランジ４２２ａと連結軸４０５のフランジ４０５ａをボルトで締結することにより、連結軸４０５と連れ回り軸４２２が同一軸上で固定されている。
図９（ｂ）の状態でモータ４２１を駆動すると、円板部４１６ａが円柱試料４０１と摺動しながらカップ４１７で回転する。その時、円柱試料４０１と円板部４１６ａの外周面（摺動面）との間で動摩擦力が発生し、円柱試料４０１からカップ４１７を介して連れ回り軸４２２に伝わる。これに伴って、連れ回りするための軸力が連れ回り軸４２２に発生し、この軸力がトルク計４１４で測定される。よって、トルク計４１４の測定値と試験荷重ウェイト４１０で付与したラジアル荷重とから、摩擦係数を求めることができる。
【００６５】
したがって、駆動軸受ハウジング４１５の上に、試験条件に応じた試験荷重ウェイト４１０を載置し、恒温槽４２０の設定温度を試験条件に応じた温度にして、十分な時間保持した後に、モータ４２１を駆動することにより、設定温度での摩擦係数を求めることができる。この時、求められた摩擦係数値が、円柱試料４０１に内輪回転のリングが摺動した際の摩擦係数に応じた値となる。
なお、前述の実施形態および実施例では、外輪回転試験時には、内径（摺動面の直径）が３０ｍｍであるカップ４０２と、外径が２８ｍｍである円板部４０３ａを使用した。内輪回転試験時には、外径（摺動面の直径）が３０ｍｍである円板部４１６ａと、内径が３２ｍｍであるカップ４１７を使用した。
【符号の説明】
【００６６】
１  内輪
２  外輪
３  玉（転動体）
４  固体潤滑剤
５  保持器
１０  テンタークリップ
１１  本体
１２  軸
１３  転がり軸受
１３ａ  内輪（固定輪）
１３ｂ  外輪（回転輪）
１４  フィルム保持部
１５  ガイドレール
１６  フィルム
２１  試験軸受
２２  門型ハウジング
２３  サポート軸受
２４  サポートハウジング
２５  回転軸
２６  恒温槽
２７  回転導入軸
２７ａ  カップリング
２８  ブラケット
２９  懸垂金具
３０  ウエイト
【図１】
2014074189.tif 000003
【図２】
2014074189.tif 000004
【図３】
2014074189.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2014074189.tif 000008
【図７】
2014074189.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014074189.tif 000011