(57)【要約】【課題】必要な機械的強度を有し、かつ、厳しい潤滑条件下においても、優れた耐焼付性と耐摩耗性を長期間維持することができる転がり軸受用保持器を提供する。【解決手段】保持器３５は、Ｆｅを主成分とする多孔質の焼結金属材で形成され、５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下のＣｕを含有し、かつ、気孔率が１０〜４０％である。また、保持器３５を構成する焼結金属材の気孔内には、予め潤滑油が含浸されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅを主成分とする多孔質の焼結金属材で形成され、５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下のＣｕを含有し、かつ、気孔率が１０〜４０％であることを特徴とする転がり軸受用保持器。
【請求項２】
３ｗｔ％以下のグラファイトを含有した請求項１に記載の転がり軸受用保持器。
【請求項３】
前記焼結金属材のＦｅ成分の一部又は全部が、原料金属粉として配合したステンレス鋼の成分である請求項１又は２に記載の転がり軸受用保持器。
【請求項４】
前記焼結金属材の気孔中に潤滑油を含浸させた請求項１から３の何れか１項に記載の転がり軸受用保持器。
【請求項５】
前記焼結金属材の気孔中に固体潤滑剤又は樹脂を含浸させた請求項１から３の何れか１項に記載の転がり軸受用保持器。
【請求項６】
前記焼結金属材の表面に樹脂コーティングを施した請求項１から３の何れか１項に記載の転がり軸受用保持器。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の転がり軸受用保持器が組み込まれた転がり軸受。
【請求項８】
回転軸を請求項７に記載の転がり軸受で回転自在に支持した回転装置。
【請求項９】
回転軸を請求項７に記載の転がり軸受で回転自在に支持した風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設置場所や使用環境により長時間給脂されることがなく、潤滑が不十分になり易い条件下で運転される転がり軸受の保持器に関するもので、例えば、風力発電機の主軸支持や増速器の回転軸支持に用いられる転がり軸受、自動車・建設機械などに使用される転がり軸受に好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に優しい発電方法の一環として風力発電が注目されており、ヨーロッパ諸国を中心に大型の風力発電機の設置が増加している。例えば１．５ＭＷ級の風力発電機では、本体部分が高さ５０ｍ以上の場所に設置されるため、ブレードの主軸支持や増速機に使用される転がり軸受に対するメンテナンス作業は大変な危険が伴う。加えて、１０〜２０年という長期にわたり連続運転されるため、軸受内部の潤滑剤（グリース・油）が徐々に枯渇していき、結果的に微量潤滑という過酷な条件で運転されることも考えられる。また、自動車・建設機械などに使用される軸受についても、必ずしも推奨される給脂サイクルが守られるわけではなく、潤滑が不十分な条件下で運転されることも考えられる。
【０００３】
軸受部品の中で、転動体を所定間隔に保持する保持器は、一般に鉄（鋼）や銅合金、樹脂などで形成されている。特に、高速回転・振動といった高い保持器強度が要求される使用条件では、鉄・銅合金（高力黄銅ＣＡＣ３０１）等からなる金属製保持器が使用されている。転がり軸受の運転時、転動体は自転を伴いながら軌道面上を公転し、保持器は転動体や軌道輪によって駆動されて回転する。その際、軸受内部の潤滑剤が不足し、転動体と保持器ポケットとの接触部に油膜切れが発生すると、両者の金属接触により、保持器の摩耗が急激に促進される。この保持器の摩耗により生じる金属粉は、転動体と軌道面との接触部に噛み込んで、転動体や軌道面の表面剥離の原因となる。さらに、鉄製保持器の場合、転動体の材質である軸受鋼と同種金属（ともがね）となるため、焼付が生じやすくなる。
【０００４】
保持器材の耐摩耗性や耐焼付性を向上させる手段として、例えば、ＭｏＳ２、グラファイト、Ｓｎといった固体潤滑材やＰＴＦＥ（フッ素樹脂）、ＰＡ（ポリアミド）といった樹脂を保持器表面に被膜としてコーティングすることが考えられる。しかし、潤滑不良により油膜切れが発生すると、被膜が摩滅することが考えられるため、長期的に万全な対策とはならない。
【０００５】
一方、多孔質体である焼結金属材の気孔中に潤滑油を含浸させた滑り軸受（焼結含油軸受）は広く使用されている。例えば、下記の特許文献１には、高速回転下での耐久性を向上させた鉄系焼結含油軸受が開示されている。
【０００６】
また、下記の特許文献２には、高速・高温の環境下での保持器の破損等を防止するために、転がり軸受の保持器を多孔質体である焼結金属材で形成することが開示されている。
【特許文献１】特許第３４１０５９５号公報
【特許文献２】特開２００３−０４９８４１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、転がり軸受は滑り軸受に比べて高速回転で運転されるため、転動体を保持する保持器は十分な機械的強度と耐焼付性をもったものであることが好ましい。しかしながら、多孔質の焼結金属材は密度が低くなると、溶解材（無垢金属材）に比べて機械的強度が
小さくなり、保持器に必要な機械的強度を満足できなくなる。一方、保持器の材質として鉄系焼結金属材（鉄を主成分とする焼結金属材）を用いた場合、強度上の問題は幾分緩和されるものの、軸受鋼で形成されている転動体や軌道輪と保持器が同種金属になるため、厳しい潤滑条件下では、保持器の接触部で焼付が生じやすくなる。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑み、必要な機械的強度を有し、かつ、厳しい潤滑条件下においても、優れた耐焼付性と耐摩耗性を長期間維持することができる転がり軸受用保持器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、Ｆｅを主成分とする多孔質の焼結金属材で形成され、５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下のＣｕを含有し、かつ、気孔率が１０〜４０％であることを特徴とする転がり軸受用保持器を提供する。ここで、気孔率は、焼結金属材の密度をρｓ、該焼結金属材と同じ成分含量でかつ気孔を有しない金属材（例えば鍛造材）の密度をρｔとしたとき、｛（ρｔ−ρｓ）/ρｔ｝ ×１００で算出される値である。
【００１０】
保持器を多孔質体である焼結金属材で形成することで、焼結金属材の気孔に潤滑油溜まりとしての機能を持たせることができる。すなわち、軸受内部に給脂された潤滑油（又は潤滑グリース）の一部が毛細管力によって引き込まれて保持器の気孔内に保持される。そして、気孔内に保持された潤滑油は、軸受内部の潤滑油が不足すると、保持器の表面開孔（気孔が表面で開口した部分）から滲み出して転動体や軌道輪等との接触部に供給される。また、保持器に表面開孔があることで、転動体等との接触部に介在する潤滑油の保持性が高まり、油膜形成が促進される。これらの効果により、保持器と転動体等との接触部の良好な潤滑性が長期に亘って維持される。
【００１１】
焼結金属材の気孔に上記のような潤滑油溜まりとしての機能を持たせるためには、１０％以上の気孔率が必要である。一方、気孔率が４０％を越えると、材料強度の問題が生じる。気孔に潤滑剤溜まりとしての機能を持たせつつ、所要の材料強度を確保する観点から、気孔率は１０〜４０％にする必要がある。
【００１２】
また、Ｆｅを主成分とする焼結金属材（鉄系焼結金属材）を用いることで、保持器に必要とされる機械的強度を満足させることができ、しかも、５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下のＣｕを含有させることで、軸受鋼等の鋼材料で形成されている転動体や軌道輪との接触部の初期なじみ性を高めると共に、焼付を防止することができる。また、Ｃｕを含有させることで、焼結時にＣｕが溶融して内部空洞を埋める役割を果たすと共に、鉄粒子の界面で鉄と合金化して、焼結金属材の引張強度を向上させる。このような効果は、Ｃｕの含有量を５ｗｔ％以上とすることにより得ることができる。一方、銅自体の引張強度は鉄よりも低いため、Ｃｕの含有量が４０ｗｔ％を越えると、焼結金属材の引張強度が却って低下し、また耐摩耗性も低下する。従って、Ｃｕの含有量は４０ｗｔ％以下である必要がある。
【００１３】
上記構成において、焼結金属材に３ｗｔ％以下のグラファイトを含有させることができる。グラファイトは、焼結により、鉄と合金化して鋼となるため、保持器の強度が高まると同時に靭性の改善も期待できる。また、グラファイトは固体潤滑材としての役割も期待でき、保持器の接触部における焼付防止の効果が高まる。一方、グラファイトは焼結中に脱炭が進むため、歩留まりが一定になり難いが、保持器完成品での含有量が３ｗｔ％以下となるようにグラファイトを添加すると良い。
【００１４】
また、保持器により高い耐摩耗や耐食性が要求される場合には、焼結金属材の原料金属粉として、鉄粉の一部又は全部に代えてステンレス鋼粉を用いても良い。尚、この場合のステンレス鋼粉は、クロム含有量が１２ｗｔ％以上の鉄合金の粉末を指す。
【００１５】
また、保持器（焼結金属材）の気孔内に予め潤滑油を含浸させておくと、初期なじみ性に効果がある。
【００１６】
また、保持器の耐摩耗や耐焼付性を高めるために、保持器（焼結金属材）の気孔中に固体潤滑剤や樹脂を含浸させても良く、あるいは、保持器（焼結金属材）の表面に樹脂コーティングを施しても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、必要な機械的強度を有し、かつ、厳しい潤滑条件下においても、優れた耐焼付性と耐摩耗性を長期間維持することができる転がり軸受用保持器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、風力発電機において、ブレードの主軸や増速機の回転軸、特にブレードの主軸を回転自在に支持する転がり軸受の一例を示している。ブレードの主軸は、ブレードが風を受けることによって生じるアキシャル荷重に加え、ブレードの自重や回転によって生じるラジアル荷重やモーメント荷重を受ける。そのため、該主軸を回転自在に支持する転がり軸受には、ラジアル荷重、アキシャル荷重及びモーメント荷重を支持できる機能が要求され、この機能を満足させるため、この実施形態では、主軸支持用に自動調心ころ軸受３１（複列自動調心ころ軸受）を用いている。尚、主軸支持用に、単列又は複列の円すいころ軸受、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受を用いても良い。
【００１９】
図１に示す自動調心ころ軸受３１は、外径面に２列の軌道面３２ｃ、３２ｄを有する内輪３２と、内径面に軌道面３３ａを有する外輪３３と、内輪３２の軌道面３２ｃ、３２ｄと外輪３３の軌道面３３ａとの間に介在する２列の球面ころ３４と、各列の球面ころ３４をそれぞれ保持する一対の保持器３５とを備えている。内輪３２、外輪３３、及び球面ころ３４は軸受鋼で形成され、保持器３５は多孔質の焼結金属材で形成されている。
【００２０】
内輪３２の軌道面３２ｃ、３２ｄと外輪３３の軌道面３３ａは、球面ころ３４の転動面３４ａに沿った形状を有している。また、内輪３２の外径面の軸方向中央部には中鍔３２ｅが設けられ、軸方向両端部にはそれぞれ外鍔３２ｆが設けられている。
【００２１】
一対の保持器３５は、それぞれ、Ｆｅを主成分とし、５ｗｔ％以上４０ｗｔ％以下のＣｕを含有し、かつ、気孔率が１０〜４０％の焼結金属材で形成された環体で、各球面ころ３４を収容して円周等間隔に保持するためのポケットを複数備えている。また、保持器３４を構成する焼結金属材の内部気孔には、予め（軸受完成品の状態で）潤滑油又は潤滑グリースが含浸されている。
【００２２】
上記のような保持器３５を形成する材料は、１５０Ｎ／ｍｍ２以上の引張強度を有するものであることが好ましい。原料金属粉として鉄粉のみを用いた焼結金属材では、引張強度も１００〜１４０Ｎ／ｍｍ２程度しか確保できず、転がり軸受の保持器の材料として用いるには不安が残る。また、焼結金属材の強度には気孔率も深く関係するが、原料金属粉として銅粉を添加することで強度を大きく向上させることができる。すなわち、銅は融点が１０８４℃であるため、焼結温度を１１００〜１２５０℃に設定することで銅粉は溶融し、鉄粉と固溶して合金化して焼結金属材の強度を向上させる他、焼結を促進する効果がある。焼結金属材の引張強度はＣｕ含有量が１０ｗｔ％付近で最も高くなるが、銅が溶融拡散した跡が空洞となるため、Ｃｕ含有量が多すぎると強度は却って低下する。従って、Ｃｕ含有量は４０ｗｔ％以下にする必要がある。一方、原料金属粉としての銅紛は鉄紛に比べてコストが高いため、Ｃｕ含有量は５〜２０ｗｔ％とすることが好ましい。
【実施例１】
【００２３】
下記の表１に示す成分含量と気孔率を有する焼結金属材（試験片Ｎｏ．１〜１０）と、高力黄銅ＣＡＣ３０１の溶解材（試験片Ｎｏ．１１）を作製し、図２に示すサバン型摩耗試験機を用いて耐摩耗性・耐焼付性を評価した。気孔率（％）は、焼結金属材の密度をρｓ、該焼結金属材と同じ成分含量でかつ気孔を有しない金属材（鍛造材）の密度をρｔとして、｛（ρｔ−ρｓ）/ρｔ｝ ×１００で算出した値である。尚、試験片Ｎｏ．１０は、Ｓｎを約１０ｗｔ％含有させた青銅系の焼結金属材である。また、サバン型摩耗試験機の試験条件を下記の表２に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
【表２】
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【００２６】
上記の試験条件は、転がり軸受の転動体を想定した相手材(軸受鋼ＳＵＪ２)と保持器を想定した試験片の摩耗量を境界潤滑条件で評価できるように設定した。つまり、金属接触を伴う潤滑条件での耐摩耗性を評価することを目的としている。耐摩耗性の評価には、試験片に残る摩耗痕（楕円形状）がアスペクト比一定であることを利用して、短軸長さ（相手材の回転方向）から摩耗量を算出した。また、軸受鋼との耐焼付性を評価する際には、最悪の潤滑条件（油切れ）を想定して、図１のサバン型摩耗試験において潤滑油を供給するフェルトパットを取り除き、無潤滑での転動滑り試験を実施し、目安として摩擦係数が０．４を越える時間を比較した。摩擦係数は、相手材(ＳＵＪ２)と試験片との摩擦によって発生する引張力（摩擦力）をロードセルで測定し、荷重で除して算出した値である。
【００２７】
上記の条件で実施した耐焼付性試験の結果を図３に示す。転がり軸受の標準保持器材として広く用いられ、鋼材との耐焼付性に優れる高力黄銅ＣＡＣ３０１（Ｃｕ−Ｚｎ合金：試験片Ｎｏ.１１）の結果と比較することで、各試験片の耐焼付性を相対評価した。焼結
金属材であるＮｏ.１〜１０の各試験片は、石油ベンジン中で脱脂した後に、潤滑油（Ｖ
Ｇ２）に１時間浸漬して、該潤滑油を気孔内に含浸（含油）させた状態で、耐焼付性試験を実施した。
【００２８】
図３に示すように、鉄系焼結金属材（試験片Ｎｏ.１、２）では、気孔率の大きい試験
片Ｎｏ.２の方が耐焼付性に優れていたが、含油した状態であってもＣＡＣ３０１（試験
片Ｎｏ.１１）に比べると劣っていた。また、銅を２ｗｔ％添加したＦｅ−Ｃｕ焼結金属
材（試験片Ｎｏ.３）でも、ＣＡＣ３０１（試験片Ｎｏ.１１）とほぼ同等の耐焼付性しか得られなかったが、銅を５ｗｔ％添加したＦｅ−Ｃｕ焼結金属材（試験片Ｎｏ.４〜６）
では耐焼付性が大きく向上することが確認できた。さらに、試験片Ｎｏ.４、７、８を比
較すると、気孔率がほぼ同じでも銅の添加量が増加すると、耐焼付性が大きく向上していた。このことから、焼結金属材中の銅が耐焼付性の向上に大きな効果があることがわかる。また、同じＦｅ−５％Ｃｕ系焼結金属材でも、気孔率が１３％の試験片Ｎｏ.４は耐焼
付性が顕著に優れているとは言えないが、気孔率が１９、４０％と増加するにつれて、耐焼付性も顕著に向上する傾向がみられた（試験片Ｎｏ.５、６）。試験片Ｎｏ.６、８、９は摩擦係数が約０．３５、Ｎｏ.１０は約０．３で落ち着いていたため、試験を打切った
。
【００２９】
つぎに、耐摩耗試験の結果を図４に示す。ここで、比摩耗量とは、摩耗体積を荷重と摩擦距離の積（Ｎｍ）で除した値であり、この値が低い方が耐摩耗性に優れている。図４に示すように、各焼結金属材（試験片Ｎｏ.１〜１０）は、生材である高力黄銅ＣＡＣ３０
１（試験片Ｎｏ.１１）と比較して耐摩耗性に優れていることがわかる。これは、高温で
焼結を実施しているために生材より硬度が高いことと、多孔質体であるために油膜形成能力に優れていることに起因すると思われる。なお、鉄紛のみの焼結金属材（試験片Ｎｏ.
１、２）よりも、銅を添加した焼結金属材の方が耐摩耗性に優れていることがわかる。
【００３０】
つぎに、引張強度試験の結果を図５に示す。保持器材は１５０Ｎ／ｍｍ２以上の強度を有することが望ましい。溶解材である黄銅（試験片Ｎｏ.１１）は高い引張強度を示して
おり、多孔質体である焼結金属材は総じて強度が低い。特に、純鉄の焼結金属材である試験片Ｎｏ.１、２は保持器として使用するには強度不足であり、同じく青銅系（Ｃｕ−１
０ｗｔ％Ｓｎ）焼結金属材である試験片Ｎｏ.１０も保持器の材質として用いる強度不足
である。一方、Ｆｅ−Ｃｕ系の焼結金属材はそれぞれ単一成分組成の焼結金属材に比べて強度が大きく増加している。銅を５ｗｔ％含有し、気孔率が１３％と低い試験片Ｎｏ.４
は黄銅の溶解材（試験片Ｎｏ.１１）とほぼ等しい強度を有している。そして、銅の含有
率が同じ（５ｗｔ％）でも、気孔率が増加するにつれて強度が低下している（試験片Ｎｏ.４〜６）。また、銅を２ｗｔ％含有している試験片Ｎｏ.３より、銅を５ｗｔ％含有している試験片Ｎｏ.５、銅を１０ｗｔ％含有している試験片Ｎｏ.７の方が同程度の気孔率で
も高い引張強度を示しており、銅が引張強度の向上に効果があることがわかる。しかし、銅の含有量が４０ｗｔ％と高い試験片Ｎｏ.８では強度が低下している。従って、銅の添
加量は４０ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００３１】
以上の３つの試験結果より、鉄系焼結金属材への銅の添加量は５〜４０ｗｔ％が最適であり、気孔率は１０〜４０％が最適である。
【００３２】
加えて、保持器に優れた耐食性や耐摩耗性が要求される場合は、原料金属粉として鉄紛の代わりにステンレス鋼粉末を用いた焼結金属材で保持器を形成しても良い。この場合のステンレス鋼粉末とは、クロム含有量が１２ｗｔ％以上である鉄系合金の粉末を指す。また、多孔質の焼結金属材は運転中でも潤滑油を吸収して、油溜まりとしての機能を果たすが、予め潤滑油を含浸させておくことで初期なじみに優れた機能が期待できる。また、含浸させる潤滑剤として、ＭｏＳ２、グラファイト、Ｓｎ等の固体潤滑材や、ＰＴＦＥ（フッ素樹脂）、ＰＡ（ポリアミド）等の樹脂を用いても良い。焼結金属材の表面開孔に固体潤滑剤が封入される事で、耐摩耗性と耐焼付性の両方に優れた性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る自動調心ころ軸受を示す断面図である。
【図２】サバン型摩耗試験の概念図である。
【図３】耐焼付性試験の結果を示す図である。
【図４】耐磨耗性試験の結果を示す図である。
【図５】引張強度試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
３２  内輪
３３  保持器
３４  球面ころ
３５  保持器
【図１】
2009250316.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009250316.tif 000009