(57)【要約】【課題】水素脆性に起因する軸受転走面での早期剥離を効果的に抑制できるグリース封入転がり軸受を提供する。【解決手段】内輪２および外輪３と、これら内外輪の転走面２ａ、３ａ間に介在する複数の転動体４とを備え、上記転動体の周囲にグリース７を封入してなる転がり軸受であって、上記内輪２、外輪３および転動体４から選ばれた少なくとも一つの軸受部材にクロムを 1.8〜6.0 重量％を含有する鋼材を使用し、上記グリースは基油と、増ちょう剤とからなるベースグリースに添加剤を配合してなり、上記添加剤は、アルミニウム粉末およびアルミニウム化合物から選ばれた少なくとも一つのアルミニウム系添加剤をベースグリース 100 重量部に対して 0.05〜10 重量部配合してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪および外輪と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体とを備え、前記転動体の周囲にグリースを封入してなる転がり軸受であって、
前記内輪、外輪および転動体から選ばれた少なくとも一つの軸受部材にクロムを 1.8〜6.0 重量％を含有する鋼材を使用し、
前記グリースは、基油と増ちょう剤とからなるベースグリースに添加剤を配合してなり、前記添加剤はアルミニウム粉末およびアルミニウム化合物から選ばれた少なくとも一つのアルミニウム系添加剤を含有し、該アルミニウム系添加剤の配合割合はベースグリース 100 重量部に対して 0.05〜10 重量部であることを特徴とするグリース封入転がり軸受。
【請求項２】
前記アルミニウム化合物は、炭酸アルミニウムおよび硝酸アルミニウムから選ばれた少なくとも一つの化合物であることを特徴とする請求項１記載のグリース封入転がり軸受。
【請求項３】
前記増ちょう剤は、ウレア系増ちょう剤であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のグリース封入転がり軸受。
【請求項４】
前記基油は、アルキルジフェニルエーテル油およびポリ-α-オレフィン油から選ばれた少なくとも一つの油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記載のグリース封入転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特異性のある水素に起因する脆性剥離を防止したグリース封入転がり軸受に関し、特にオルタネータ、カーエアコン用電磁クラッチ、中間プーリ、電動ファンモータ等の自動車電装補機やモータ等に用いられるグリース封入転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の高速化・コンパクト化が進みエンジン・電装補機用軸受は高速・高荷重・高振動といった過酷な条件下で使用されるようになっている。こういった状況に伴い、オルタネータ用軸受などでは、図２に示すような損傷起点部に白層を伴った特異な剥離が散見されている。この白層の形態は、転動疲労によって生じるＷＥＣ（ White Etching Constituent ）や非金属介在物の周りに発生するバタフライとは違い、転動方向に対して方向性を持たないことが特徴である。この損傷が発生した軸受では明らかに鋼中水素量が増加しており、白層内に存在する亀裂が結晶粒界に沿って非常に内部まで進展していることから、損傷の発生には水素が関与していることは確実と考えられる。以後、この白層を伴う特異な剥離を水素脆性剥離と称することにする。
【０００３】
水素脆性剥離は転動時に発生した化学的に活性な金属新生面の触媒作用で潤滑剤が分解し、発生した水素が鋼中に侵入すること等により生じると考えられる。そのため、水素脆性剥離の対策技術として、金属表面が露出しない黒染処理のような表面処理を目的とした軌道輪の転走面に厚さ 0.1〜2.5μm の酸化被膜を形成したグリース封入軸受（特許文献１参照）が有効とされている。また、材質面からの対策方法として、鋼中クロム含有量を 1.5〜6.0％と多くすることで金属表面に効果的な厚さの酸化クロム被膜を形成させ、水素の侵入を防止することを特徴とする軸受も知られている（特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、表面処理に関しては、使用条件の急速な過酷化に伴って金属表面の酸化被膜は摩耗による消失が懸念されるため、恒久的な対策とはいい難い状況が出てきている。また、材料についても水素脆性剥離に対し、多量のクロムを添加することは材料コストアップに繋がるため採用し難く、コストアップ要素の少ない潤滑剤での対策が現在の主流となっているのが実情である。しかし潤滑剤での対策だけでは必ずしも十分であるとはいえない。
【特許文献１】特開平２−１９０６１５号公報
【特許文献２】特許第３００９２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる問題に対処するためになされたものであり、水素脆性に起因する軸受転走面での早期剥離を効果的に抑制できるグリース封入転がり軸受の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のグリース封入転がり軸受は、内輪および外輪と、これら内外輪の転走面間に介在する複数の転動体とを備え、上記転動体の周囲にグリースを封入してなる転がり軸受であって、上記内輪、外輪および転動体から選ばれた少なくとも一つの軸受部材にクロムを 1.8 重量％〜6.0 重量％を含有する鋼材を使用し、上記グリースは、基油と増ちょう剤とからなるベースグリースに添加剤を配合してなり、上記添加剤はアルミニウム粉末およびアルミニウム化合物から選ばれた少なくとも一つのアルミニウム系添加剤を含有し、該アルミニウム系添加剤の配合割合はベースグリース 100 重量部に対して 0.05 重量部〜10 重量部であることを特徴とする。
【０００７】
上記アルミニウム化合物は、炭酸アルミニウムおよび硝酸アルミニウムから選ばれた少なくとも一つの化合物であることを特徴とする。
また、上記増ちょう剤は、ウレア系増ちょう剤であることを特徴とする。
また、上記基油は、アルキルジフェニルエーテル油およびポリ-α-オレフィン油から選ばれた少なくとも一つの油であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のグリース封入転がり軸受は、第一の効果として標準軸受鋼ＪＩＳ-ＳＵＪ２（Ｃｒ：1.3〜1.6 重量％）よりクロム含有量を多くした鋼材（Ｃｒ：1.8〜6.0 重量％）を採用することにより、水素脆性による白層を伴った剥離を効果的に防止することができる。鋼中のクロムは金属表面に効果的な厚みと密着性の高い緻密な酸化クロム被膜（ＦｅＣｒＯ4 ）を形成するため、転走面を不活性化しグリース分解による水素の発生を抑制する効果がある。また、表面に形成した高濃度の酸化クロム被膜は転走面への水素の侵入を抑制する役割も果たすため、水素脆性剥離を防止する効果も果たす。加えて、第二の効果として基油と増ちょう剤とからなるベースグリースにアルミニウム粉末およびアルミニウム化合物から選ばれた少なくとも一つのアルミニウム系添加剤を配合したグリースを使用するので、上記酸化クロム被膜が部分的に摩滅する等しても、軸受の摩擦摩耗面または摩耗により露出した金属新生面においてアルミニウム系添加剤が反応し、酸化鉄とともにアルミニウム被膜が軸受転走面に生成し、転走面での水素脆性による特異な剥離の発生を効果的に抑制することができる。
【０００９】
本発明のグリース封入転がり軸受は、これら第一および第二の効果の結果、軸受の長寿命化について飛躍的な向上を図ることができる。このため、オルタネータ、カーエアコン用電磁クラッチ、中間プーリ、電動ファンモータ等の自動車電装部品、補機等の転がり軸受として好適に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
転がり軸受について、水素脆性による転走面での剥離を効果的に防止できる方法について鋭意検討を行なった。検討の結果、内輪、外輪および転動体から選ばれた少なくとも一つの部材に高クロム鋼を用いた転がり軸受に、アルミニウム粉末およびアルミニウム化合物から選ばれた少なくとも一つのアルミニウム系添加剤を配合したグリースを封入した転がり軸受を用いて、急加減速試験を行なったところ軸受寿命が飛躍的に延長することがわかった。
本発明のグリース封入転がり軸受は、所定のクロム含有量の鋼材を軌道輪等に使用することで、該軌道輪等の表面に酸化クロム被膜を形成し、転走面を不活性化しグリース分解による水素の発生を抑制するとともに、転走面への水素の侵入を防ぐことで脆性剥離を防止する第一の効果と、アルミニウム系添加剤を配合したグリースを使用することで、軸受転走面が活性化、すなわち軸受転走面において、摩擦摩耗面または摩耗により金属新生面が露出したとしても、グリースに配合したアルミニウム系添加剤が反応し、酸化鉄とともにアルミニウム被膜が軸受転走面に生成され、水素脆性による特異な剥離の発生を抑制する第二の効果とを相乗的に発揮させることができるものと考えられる。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００１１】
本発明のグリース封入転がり軸受の実施例について図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
図１に示す転がり軸受１は、同心に配置された内輪２および外輪３と、内輪転走面２ａ、外輪転走面３ａ間に介在する転動体４と、この転動体４を保持する保持器５と、内、外輪の軸方向両端開口部をシールするシール部材６と、軸受空間に封入されたグリース７とからなる。内輪２、外輪３および転動体４から選ばれた少なくとも一つの軸受部材にクロム含有率の高い鋼材を使用し、グリース７は後述するアルミニウム系添加剤を含有したものを使用している。
上述した実施形態では、本発明のグリース封入転がり軸受を深溝玉軸受として説明したがアンギュラ軸受やころ軸受等の他形式の転がり軸受にも採用することができる。
【００１２】
本発明のグリース封入転がり軸受は、内輪、外輪および転動体から選ばれた少なくとも一つの軸受部材が、クロム含有量が 1.8〜6.0 重量％の高クロム鋼からなる。クロムの含有量が多いほど水素脆性に対し優れた効果はあるが、逆にクロム添加量を 6.0 重量％より増加させると焼入温度を高くする必要が出てくるため、オーステナイト結晶粒の粗大化を促進し、靭性の低下に繋がる。また、クロム量の増加は材料コストの増大に直結する。したがって十分な耐水素脆性を確保しつつ、軸受の疲労寿命低下を極力抑える点から 1.8〜3.0 重量％の高クロム鋼を用いることが好ましい。
【００１３】
本発明のグリース封入転がり軸受は、軌道輪等に上記の高クロム鋼を採用することに加えて、アルミニウム系添加剤を配合したグリースを使用することを特徴としている。
本発明に用いるアルミニウム系添加剤は、アルミニウム粉末およびアルミニウム化合物から選ばれた少なくとも一つである。アルミニウム化合物としては、炭酸アルミニウム、硫化アルミニウム、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウムおよびその水和物、硫酸アルミニウム、フッ化アルミニウム、臭化アルミニウム、よう化アルミニウム、酸化アルミニウムおよびその水和物、水酸化アルミニウム、セレン化アルミニウム、テルル化アルミニウム、りん酸アルミニウム、りん化アルミニウム、アルミン酸リチウム、アルミン酸マグネシウム、セレン酸アルミニウム、チタン酸アルミニウム、ジルコン酸アルミニウム等の無機アルミニウム、安息香酸アルミニウム、クエン酸アルミニウム等の有機アルミニウムが挙げられる。これらアルミニウム系添加剤は、１種類または２種類を混合してグリースに添加してもよい。
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、極圧性効果の高いアルミニウム粉末である。
【００１４】
アルミニウム系添加剤の配合割合は、ベースグリース 100 重量部に対して 0.05 重量部 〜10 重量部である。すなわち、（１）アルミニウム系添加剤がアルミニウム粉末のみである場合、ベースグリース 100 重量部に対してアルミニウム粉末を 0.05〜10 重量部、（２）アルミニウム系添加剤がアルミニウム化合物のみである場合、ベースグリース 100 重量部に対してアルミニウム化合物を 0.05〜10 重量部、（３）アルミニウム系添加剤がアルミニウム粉末とアルミニウム化合物とである場合、ベースグリース 100 重量部に対して、アルミニウム粉末とアルミニウム化合物とを合せて 0.05〜10 重量部配合する。
アルミニウム系添加剤の配合割合が 0.05 重量部未満であると水素脆性による転走面での剥離を効果的に防止できない。また 10 重量部をこえても剥離防止効果がそれ以上に向上しない。
【００１５】
本発明に使用できる基油としては、スピンドル油、冷凍機油、タービン油、マシン油、ダイナモ油等の鉱油、高度精製鉱油、流動パラフィン、ポリブテン、フィッシャー・トロプシュ法により合成されたＧＴＬ油、ポリ-α-オレフィン油、アルキルナフタレン、脂環式化合物等の炭化水素系合成油、または、天然油脂、ポリオールエステル油、りん酸エステル油、ポリマーエステル油、芳香族エステル油、炭酸エステル油、ジエステル油、ポリグリコール油、シリコーン油、ポリフェニルエーテル油、アルキルジフェニルエーテル油、アルキルベンゼン油、フッ素化油等の非炭化水素系合成油等を使用できる。
これらの中で、耐熱性と潤滑性に優れたアルキルジフェニルエーテル油、または、ポリ-α-オレフィン油を用いることが好ましい。
【００１６】
本発明に使用できる増ちょう剤としては、ベントン、シリカゲル、フッ素化合物、リチウム石けん、リチウムコンプレックス石けん、力ルシウム石けん、カルシウムコンプレックス石けん、アルミニウム石けん、アルミニウムコンプレックス石けん等の石けん類、ジウレア化合物、ポリウレア化合物等のウレア系化合物が挙げられる。
これらの中で、耐熱性、コスト等を考慮するとウレア系化合物が望ましい。
【００１７】
ウレア系化合物は、イソシアネート化合物とアミン化合物と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。
【００１８】
ジウレア化合物は、例えば、ジイソシアネートとモノアミンとの反応で得られる。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、トリ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、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。ポリウレア化合物は、例えば、ジイソシアネートとモノアミン、ジアミンとの反応で得られる。ジイソシアネート、モノアミンとしては、ジウレア化合物の生成に用いられるものと同様のものが挙げられ、ジアミンとしては、エチレンジアミン、プロパンジアミン、ブタンジアミン、ヘキサンジアミン、オクタンジアミン、フェニレンジアミン、トリレンジアミン、キシレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン等が挙げられる。
【００１９】
基油にウレア系化合物等の増ちょう剤を配合して、上記アルミニウム系添加剤等を配合するためのベースグリースが得られる。ウレア系化合物を増ちょう剤とするベースグリースは、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。
ベースグリース 100 重量部中に占める増ちょう剤の配合割合は、1 〜40 重量部、好ましくは 3 〜25 重量部配合される。増ちょう剤の含有量が 1 重量部未満では、増ちょう効果が少なくなり、グリース化が困難となり、 40 重量部をこえると得られたベースグリースが硬くなりすぎ、所期の効果が得られ難くなる。
【００２０】
また、アルミニウム系添加剤とともに、必要に応じて公知のグリース用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、フェノール系化合物等の酸化防止剤、ベンゾトリアゾール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、金属スルホネート、多価アルコールエステルなどの防錆剤、有機モリブデンなどの摩擦低減剤、エステル、アルコールなどの油性剤、りん系化合物などの摩耗防止剤等が挙げられる。これらを単独または 2 種類以上組み合せて添加できる。
【実施例】
【００２１】
参考実施例１〜参考実施例８
基油の半量に４，４−ジフェニルメタンジイソシアネート（日本ポリウレタン工業社製商品名のミリオネートＭＴ、以下、ＭＤＩと記す）を表１に示す割合で溶解し、残りの半量の基油にＭＤＩの 2 倍当量となるモノアミンを溶解した。それぞれの配合割合および種類は表１のとおりである。
ＭＤＩを溶解した溶液を撹拌しながらモノアミンを溶解した溶液を加えた後、100℃〜120℃で 30 分間撹拌を続けて反応させて、ジウレア化合物を基油中に生成させた。これにアルミニウム系添加剤および酸化防止剤を表１に示す配合割合で加えてさらに 100℃〜120℃で 10 分間撹拌した。その後冷却し、三本ロールで均質化し、グリースを得た。
表１において、基油として用いた合成炭化水素油は 40℃における動粘度 30 mm2/sec の新日鉄化学社製、シンフルード６０１を、アルキルジフェニルエーテル油は 40℃における動粘度 97 mm2/sec の松村石油社製、モレスコハイルーブＬＢ１００を、それぞれ用いた。また、酸化防止剤は住友化学社製、ヒンダードフェノールを用いた。
得られたグリースをＳＵＪ２製の転がり軸受に封入し急加減速試験を行なった。試験方法および試験条件を以下に示す。また、結果を表１に併記する。
【００２２】
＜急加減速試験＞
電装補機の一例であるオルタネータの回転べルトを巻きかけたプーリを支持する回転軸を内輪で支持する転がり軸受の急加減速試験を行なった。急加減速試験条件は、回転軸先端に取り付けた試験用軸受に対する負荷荷重を 1960 N 、回転速度は 0 rpm〜18000 rpm で運転条件を設定し、さらに、試験軸受内に 0.1 A の電流が流れる状態で試験を実施した。そして、軸受内に異常剥離が発生し、振動検出器の振動が設定値以上になって発電機が停止する時間（剥離発生寿命時間、h ）を計測した。なお、試験は、500 時間で打ち切った。
【００２３】
参考比較例１〜参考比較例３
参考実施例１に準じる方法で、表１に示す配合割合で、増ちょう剤、基油を選択してベースグリースを調整し、さらに添加剤を配合してグリースを得た。得られたグリースを参考実施例１と同様の試験を行なって評価した。結果を表１に併記する。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１に示すように、各参考実施例の急加減速試験は全て 400 時間以上の優れた結果を示した。これはアルミニウム系添加剤を所定割合で添加したことにより転走面で生じる白色組織変化を伴った特異的な剥離を効果的に防止できたためであると考えられる。
【００２６】
実施例１〜実施例２および比較例１〜比較例５
表１の参考実施例２にて得られたベースグリースに表２に示した添加剤を添加してグリースを得た。このグリースを表２に示した鋼材からなる内輪および外輪を用いた転がり軸受に封入して試験用軸受を得た。
得られた試験用軸受の急加減速試験（ 0.5 A ）を行なった。試験方法および試験条件を以下に示す。また、結果を表２に示す。
【００２７】
＜急加減速試験（ 0.5 A ）＞
電装補機の一例であるオルタネータの回転べルトを巻きかけたプーリを支持する回転軸を内輪で支持する転がり軸受の急加減速試験を行なった。急加減速試験条件は、回転軸先端に取り付けた試験用軸受に対する負荷荷重を 1960 N 、回転速度は 0 rpm〜18000 rpm で運転条件を設定し、高クロム鋼を用いた軸受やアルミニウム粉末添加グリース封入軸受でも水素脆性剥離の発現を加速させるために、試験軸受内に流れる電流を 0.5 A に増やして急加減試験を実施した。そして、軸受内に異常剥離が発生し、振動検出器の振動が設定値以上になって発電機が停止する時間（剥離発生寿命時間、h ）を計測した。なお、試験は、1000 時間で打ち切った。結果を表２に併記する。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
はじめに急加減速試験条件を 0.1 A から 0.5 A に増加させたことによる水素脆性剥離の加速性については、使用したグリースと鋼材とが同一である表１の参考実施例５と、表２の比較例５とにおいて検証した。参考実施例５は 0.1 A の通電では 500 時間以上剥離しなかったにもかかわらず、比較例５は 0.5 A の通電では 200 時間で水素脆性剥離が発生していることから、剥離の発現に対する試験条件の加速性が立証されている。
【００３０】
比較例１〜比較例３の結果よりクロム含有量を多くするほど水素脆性に対し優れた効果を期待できることがわかる。ただし、クロム含有量をさらに増加させた場合、必要硬度を確保するために焼入温度を高くしなくてはいけないため、靭性が低下し、軸受疲労寿命がＳＵＪ２材よりも大きく低下する。市場での水素脆性発生例が非常に稀であることを考慮すると、水素脆性剥離寿命が向上しても疲労寿命の低下は許容できない。従ってクロム量は 1.8〜6.0 重量％であることが妥当である。
【００３１】
そして、前述したグリースと高クロム鋼とを併用することにより、水素脆性剥離に対しさらに優れた性能を示すことがわかる。実施例１は比較例１の鋼材にアルミニウム粉末添加グリースを組合せた例を指しているが、耐水素脆性が飛躍的に向上している。実施例２は比較例３の鋼材にアルミニウム粉末を添加したグリースを組合せたものであり、6％クロム鋼の軸受にアルミニウム粉末添加グリースを封入すれば、水素脆性に関して高い安全性を得ることができる。そしてこの結果は、低クロム鋼でもグリースとの相乗効果により、高い耐水素脆性を担保できることを示している。クロム量が増加すると材料コストも増加するため、なるべく少ない方が望ましい。クロム量を増加させた場合の材料コストアップより、アルミニウム粉末添加によるコストアップの方がわずかであり、すなわち安価に対策方法を提示することが可能となる。
【００３２】
白層の発生は炭素原子の拡散・凝集であると考えられており、鋼中炭素の拡散速度を抑制するためには炭素濃度を下げる方法が有効である。比較例４のＳＵＪ２材に対してクロム濃度を高くし炭素濃度を低くした比較例２では水素脆性剥離寿命が約 2 倍長くなっている。このように炭素濃度は 1.0 重量％より少ない方が望ましいが、炭素含有量が少な過ぎると焼入硬度が確保できなくなる。耐水素脆性を確保しつつ、軸受として必要な硬度を確保するためには、炭素濃度は 0.65〜0.8 重量％であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明のグリース封入転がり軸受は、内輪、外輪および転動体から選ばれた少なくとも一つの軸受部材に高クロム鋼を用い、アルミニウム系添加剤を配合したグリースを封入してなるので、水素脆化による軸受軌道輪の表面剥離を防止する効果を有する。このため高速回転と高荷重をともに受ける各種産業機械に用いられる軸受、特にオルタネータ等、自動車電装・補機に用いられる軸受として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例を示す深溝玉軸受の断面図である。
【図２】水素脆性剥離の状態を示す図（光学顕微鏡写真）である。
【符号の説明】
【００３５】
１    転がり軸受
２    内輪
２ａ  内輪転走面
３    外輪
３ａ  外輪転走面
４    転動体
５    保持器
６    シール部材
７    グリース
【図１】
2008075813.tif 000005
【図２】
2008075813.tif 000006