JP2002155948A - 転がり軸受 - Google Patents

転がり軸受

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JP2002155948A JP2000356211A JP2000356211A JP2002155948A JP 2002155948 A JP2002155948 A JP 2002155948A JP 2000356211 A JP2000356211 A JP 2000356211A JP 2000356211 A JP2000356211 A JP 2000356211A JP 2002155948 A JP2002155948 A JP 2002155948A
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Kiyotoshi Ueda
清利 上田
Yukio Oura
大浦  行雄
Susumu Tanaka
進 田中
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    • F16C2326/00Articles relating to transporting
    • F16C2326/47Cosmonautic vehicles, i.e. bearings adapted for use in outer-space

Abstract

(57)【要約】 【課題】 転動体の表面にバンド状マークや光沢の喪失
といった損傷が生じない人工衛星用転がり軸受を提供す
る。 【解決手段】 本発明の転がり軸受10は、人工衛星に
用いられるもので、マルテンサイト系ステンレス鋼を母
材とした外輪12、内輪11、転動体13のうち少なく
とも転動体13の表面に窒化層13aを有し、その窒化
層13aがHv1200〜1500の硬度を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、人工衛星姿勢制御
用フライホイールの支持等に好適に使用される転がり軸
受に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、人工衛星の姿勢を制御するため
に、人工衛星にフライホイールを搭載し、そのフライホ
イールの回転角速度を変化させて衛星に反動トルクを加
えるという手法がとられている。人工衛星姿勢制御用フ
ライホイールを支持する転がり軸受としては、例えば、
予圧を与えた組合せアンギュラ玉軸受等が使用される。
人工衛星姿勢制御用フライホイール用転がり軸受におい
ては、真空環境下での耐久性や低発塵性の他に、低トル
クであることや、トルクの変動を最小限に抑えること
や、長寿命であることが要求される。これらの要求に応
えるために、潤滑油量を最小限に保ちつつ潤滑油を安定
供給することが求められている。
【0003】この種の転がり軸受においては、外部の潤
滑油供給源から潤滑油が補給されるまでのある一定期
間、内外輪の軌道面に塗布された微量潤滑油及び保持器
に含浸された潤滑油のみによって潤滑が行われる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、外部の
潤滑油供給源から潤滑油が補給されるまでの間はごく微
量の潤滑油によって潤滑が行われるが、この間に、玉
(転動体)の表面にバンド状マーク(バンド状磨耗)が
形成されたり、玉の表面の光沢がなくなったりするとい
ったトラブルが発生することがある。バンド状マーク
は、玉及び内外輪軌道面間の潤滑が十分でない状態にお
ける両者間のすべりによってもっぱら形成される。これ
らの損傷は、外部異物の除去あるいは洗浄作業の改善と
いった方法だけでは防ぐことが困難である。ここでいう
損傷とは、目視上では玉にバンド状マークが形成されて
いることや玉の光沢がなくなっていることが識別可能で
あるが、磨耗としてのオーダーは極めて小さく、表面粗
さにおいてその変化がようやく認められるといった程度
のものである。しかし、この程度の磨耗でも、宇宙空間
という特殊な環境下における長時間の運転後にはその磨
耗が進展し、転がり軸受の機能を維持できなくする。本
発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その
目的は、転動体の表面にバンド状マークや光沢の喪失と
いった損傷が生じない人工衛星用転がり軸受を提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、基本的に
は鋼の特性をそのまま利用し、転がり軸受構成部品の表
面に適当な改質層を形成することによって、宇宙空間と
いう特殊な環境下における表面損傷を防ぐことができな
いか検討を重ね、本発明を完成するに至った。本発明
は、人工衛星に用いられる転がり軸受において、マルテ
ンサイト系ステンレス鋼を母材とした外輪、内輪、転動
体のうち少なくとも転動体の表面に窒化層を有し、その
窒化層がHv1200〜1500の硬度を有することを
特徴とする。
【0006】以上のような転がり軸受においては、運転
中に内外輪と転動体との間の油膜が薄くなって、それら
の表面同士が直接接触することがあっても、Hv(ビッ
カース硬さ)が1200〜1500とされているので少
なくとも転動体表面には損傷が生じない。また、窒化層
の縦弾性係数がマルテンサイト系ステンレス鋼のそれよ
り大きいため、接触楕円が小さくなり、すべりが減少す
る。したがって、転動体にバンド状マークが形成される
こともない。
【0007】本発明の転がり軸受は人工衛星の回転部に
装着されるが、人工衛星の回転部としてはフライホイー
ルの他に、太陽電池パドルの展開機構及びそのモータ
部、アンテナ展開機構、ドッキング機構のアクチュエー
タやロボットアームのマニピュレータ、放射計、スイッ
チ類等を例示できる。
【0008】窒化層(適切な窒素濃度及び硬さを有する
層)の形成方法としては、塩浴等による液体窒化処理
や、ガス窒化処理や、イオン窒化処理が挙げられる。こ
のうち、イオン窒化処理は処理温度が比較的高く、母材
の耐熱性を考慮しても十分な下地の硬度が得られにくか
ったり、球体形状物の表面に均一な窒化層を形成させる
ことが困難な場合があるため、塩浴窒化処理あるいはガ
ス窒化処理によることが好ましい。なお、好ましい窒化
処理温度は480℃以下とする。また、窒化層は、特に
処理温度が高い場合に、その最表面に数ミクロン程度の
脆弱な化合物層(ξ相あるいはε相単相からなる擬似セ
ラミックス層)が膜状に形成される場合があるため、窒
化処理温度はさらに好ましくは460℃以下とする。ま
た、このように処理温度がより低いものであると、窒化
層がより緻密なものとなって粗悪なポーラス層も生成し
ない。
【0009】本発明における窒化層はξ相(Fe
2N)、ε相(Fe23N)、γ‘相(Fe4N)、Cr
N、及びCr2N等のうち1種又は2種以上の窒化物が
マルテンサイト地に多量に析出したものであり、著しく
硬さが高いことに加え、高い靱性も有するため、転動体
の損傷を極めて抑制できる。また、母材にはマルテンサ
イト系ステンレス鋼を使用しているので、上記窒化処理
条件下でもHRC57〜59程度の十分な下地の硬度を
確保することが可能となる。また、窒化層を形成させた
転動体は、引き続いて仕上げ加工を行い、その表面粗さ
を0.1μmRa以下とすることが好ましい。こうする
ことで、その窒化層表面が接触する相手部材の表面への
攻撃性を弱めることができる。
【0010】以下に転動体の製造方法について説明す
る。先ず、冷間で引抜加工された線材を用い、ヘッダー
による冷間加工或いは切削加工とフラッシング等により
素球を製作し、その素球を焼入れ、焼戻し、場合によっ
てはサブゼロ処理を併用することで硬化させる。その
後、目標寸法、即ち完成品寸法に設定取り代を加算した
寸法まで研削加工を行い、半加工球を製作する。設定取
り代は、具体的には目標とする精度まで仕上げ加工を行
う際の必要取り代を意味するが、窒化処理による膨縮量
も含めたものを意味している。
【0011】窒化処理前の素球が焼入れされたままの状
態のものは、その真球度或いは直径相互差等は非常に大
きく、一般には数十μm〜百μm程度の設定取り代が必
要である。したがって、焼入れされたままの素球に窒化
層を形成すると、窒化層が不均一に削られることにな
り、窒化層厚さが不均一になると同時に、窒化処理によ
って生じた内部応力のバランスが崩れて、要求精度を出
すために仕上げ加工に長時間を要したり、目標精度が達
成できなくなる場合もある。また、転動体の耐久性にも
影響を与える場合もある。これらの問題は、焼入れされ
たままの素球で特に顕著であるが、半加工球であっても
その精度が不十分である場合には、要求精度を満足でき
なかったり、仕上げ加工に長時間を要したりする場合が
あるため、半加工球の真球度は3.0μm以下、好まし
くは1.0μm以下が必要である。
【0012】また、半加工球は、焼入れ後に焼戻しを施
しておかないと、焼入れ時に蓄積された内部残留応力が
完成品品質に悪影響を与える場合もあるため、前述した
下地の硬度が満足できる範囲で焼戻しを行うと良い。さ
らに、取り扱い上の表面キズ発生の防止対策あるいは強
度面等から、半加工球を作製する上で熱処理後、バレル
或いはボールピーニング等の機械的硬化加工によって、
更に硬度を高めても良い。
【0013】その結果、得られた転動体は、その表面に
Hv1200〜1500の非常に硬質かつ靱性に優れる
窒化層を非常に均一な膜厚となるように形成せしめ、さ
らに、その窒化層を支える下地が、HRC57以上を満
足するような構成としたため、軸受が高負荷条件で作動
した場合等においても、耐久性を保持することができ
る。
【0014】なお、窒化層の厚さは、大きすぎると処理
コストが嵩むだけでなく、窒化後の膨縮や変形等が顕著
になって、仕上げ加工費も増大し、また、鋼の物性も損
なわれるため、3μm以上2%Da(直径の2%の意)
以下であることが好ましい。また、上述した理由によ
り、窒化層厚さの均一性は5μm以内であることが好ま
しい。
【0015】以上、もっぱら玉軸受の転動体について述
べたが、他の転がり軸受の転動体(ころ等)について
も、同様のことがいえる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態を説明する。図1に示すアンギュラ玉軸受10
は、内輪11、外輪12、内外輪11,12間に複数配
置された玉13及び玉13を円周方向等間隔に保持する
保持器14を備えている。本実施形態は、人工衛星姿勢
制御用フライホイール用転がり軸受である。
【0017】本実施形態においては、内外輪11,12
及び玉13がマルテンサイト系ステンレス鋼(SUS4
40C)により形成されている。そして、玉13の表面
にはHv1200〜1500の窒化層13aが形成され
ている。SUS440Cの縦弾性係数は200GPa程
度である。一方、この窒化層13aの縦弾性係数は24
0GPa程度である。
【0018】以上のようなアンギュラ玉軸受10におい
ては、運転中に内外輪11,12と玉13との間の油膜
が薄くなって、それらの表面同士が直接接触することが
あっても、Hv(ビッカース硬さ)が1200〜150
0とされているので少なくとも玉13表面には損傷が生
じない。また、窒化層13aの縦弾性係数がマルテンサ
イト系ステンレス鋼のそれより大きいため、接触楕円は
極めて小さく、すべりが生じない。したがって、玉13
にバンド状マークが形成されることもない。
【0019】
【実施例】図1に示したような構成の、本発明の一実施
例であるアンギュラ玉軸受(内径直径20mm、玉径6
mm、玉数12)を下記条件で回転させた。 回転数4000min-1。予圧39.2N。 40℃で90cStの潤滑油を使用。 内外輪の各軌道面に潤滑油を合計8mg塗布。保持
器に潤滑油を約50mg含浸。 40時間連続回転。
【0020】図2(A)に示すように、回転後の玉13
の表面にはバンド状マークが形成されておらず、光沢も
失っていなかった。比較のため、従来のアンギュラ玉軸
受を上記条件で回転させたところ、図2(B)に示すよ
うに、回転後の玉23の表面にはバンド状マークが形成
された。
【0021】なお、本発明は前述した実施形態、実施例
に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能
である。例えば、本発明の転がり軸受を組み合わせて組
合せ軸受としてもよい。また、本発明は人工衛星以外の
装置に用いることもでき、例えば低発塵性が要求される
半導体製造装置等に適用することもできる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
転動体の表面にバンド状マークや光沢の喪失といった損
傷が生じない人工衛星用転がり軸受を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す断面図である
【図2】本発明実施例及び比較例を説明する図である
【符号の説明】 10 アンギュラ玉軸受(転がり軸受) 11 内輪 12 外輪 13 玉(転動体) 13a 窒化層 14 保持器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 進 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目5番50号 日本精工株式会社内 Fターム(参考) 3J101 AA02 AA32 AA54 BA10 BA53 BA54 BA70 DA02 EA06 FA31 GA60

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 人工衛星に用いられる転がり軸受におい
    て、マルテンサイト系ステンレス鋼を母材とした外輪、
    内輪、転動体のうち少なくとも転動体の表面に窒化層を
    有し、その窒化層がHv1200〜1500の硬度を有
    することを特徴とする転がり軸受。
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