JP2002213459A

JP2002213459A - 転がり軸受用保持器

Info

Publication number: JP2002213459A
Application number: JP2001016014A
Authority: JP
Inventors: Yukio Fujii; 幸生藤井
Original assignee: Senshin Zairyo Riyo Gas Generator Kenkyusho KK
Current assignee: Senshin Zairyo Riyo Gas Generator Kenkyusho KK
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2002-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】２００℃以上の高温における希薄な潤滑条件
で良好な摩擦摩耗特性があり、さらに潤滑油を供給しな
がら高速回転で使用した場合にも保持器のポケットの内
径側の角部に損傷が生じないで焼付きや破損が生じ難い
高温高速回転用の転がり軸受用保持器とすることであ
る。【解決手段】一対の軌道輪間で転動体を回転自在に保
持する転がり軸受用保持器において、この保持器の基材
をチタン−アルミニウム金属間化合物またはチタン合金
で形成し、保持器の表面に硬度Ｈｖ５００〜６５０のニ
ッケル−クロム合金からなる溶射皮膜を膜厚が０．０５
〜０．１５ｍｍとなるように形成する。転がり軸受が、
２００℃以上の軸受温度にてｄｎ値＝２．５×１０⁶
（ｄは軸受内径（ｍｍ）、ｎは軌道輪の回転速度（ｒｐ
ｍ））以上の回転条件で使用できる高温高速回転用転が
り軸受となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は転がり軸受用保持
器に関し、特にガスタービンなどの高速回転シャフトを
支承可能な高温高速回転に対応する転がり軸受用保持器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービンなどの高速回転シ
ャフトを支承可能な高温高速回転に対応した転がり軸受
には、以下のような機能(1) 〜(3) が要求される。

【０００３】(1) 軽量性：シャフトが高速で回転すると
環状の転がり軸受用保持器に遠心力が働きフープ応力が
発生するが、この応力は材料の比重に比例する。そのた
め、保持器を軽量化してフープ応力をできるだけ小さく
する必要がある。

【０００４】(2) 優れた摩擦摩耗特性：内・外軌道輪や
転動体と転がり接触する際に２００℃以上の高温で、し
かも希薄な潤滑条件でも良好な摩擦摩耗特性を示す特性
が必要である。

【０００５】(3) 高強度性：前記(1) のフープ応力に耐
える疲労強度を２００℃以上の高温状態で維持する強度
が必要である。

【０００６】上記したような諸要求を満たすべく、従来
の高温・高速回転対応の転がり軸受用保持器は、ＳＡＥ
４３４０などの鉄系材料で製作し、その表面には銀メッ
キを施して自己潤滑性をもたせたものが採用されてい
る。

【０００７】また、特開平１１−２４７８６１号公報に
は、転がり軸受用保持器の基材をチタン−アルミニウム
金属間化合物またはチタン合金で形成し、保持器の表面
にニッケル−クロム合金からなる溶射皮膜を形成するこ
とにより、軽量で２００℃以上の高温における希薄な潤
滑条件でも良好な摩擦摩耗特性があり、さらに高速回転
した際のフープ応力に耐える疲労強度を有する転がり軸
受用保持器が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の転がり軸受用保持器をガスタービンなどの高速回転シ
ャフトを支承させて高温高速回転させると、ＤＮ値(内
輪内径と内輪回転数の積で表わされる速度パラメータ)
が３５０万、環境温度が２００℃を超える領域での軸受
運転を実施すると、所定部分に集中的に損傷が生じる場
合がある。

【０００９】図４に示すように保持器１６の損傷部１７
は、特に保持器１６の全表面のうち、摩耗痕１８の形成
される摺動部ではないポケット１８の内径側の角部にお
いて、そこが被膜で覆われている場合は被膜が剥がれ、
母材の場合はそれ自体が欠けるという特異的なものであ
る。

【００１０】そして、本願の発明者らは、このような損
傷の原因について調べた結果、円筒ころ軸受用保持器に
生じる該損傷は全数のポケットに生じ、しかも回転方向
（図４中に矢印で示す。）に依存することから、おそら
く軸受を高速回転で用いる場合に、内輪転走面下からア
ンダーレース方式を採用して供給された潤滑油が、高温
高速で回転する保持器のポケットの内径側角に繰り返し
当たり、そこに高周波の熱サイクルが生じ、同時にその
箇所に高速回転による強い遠心力の作用で応力集中が生
じたことが要因であろうと考えた。

【００１１】そこで、この発明の課題は上記した従来の
転がり軸受用保持器における問題点を解決して、２００
℃以上の高温における希薄な潤滑条件で良好な摩擦摩耗
特性があり、さらに潤滑油を供給しながら高速回転する
使用条件でも保持器の表面のうち、摺動部ではないポケ
ットの内径側の角部に損傷が生じることなく、焼付きや
破損が生じ難い高温高速回転用の転がり軸受用保持器と
することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、一対の軌道輪間で転動体を回
転自在に保持する転がり軸受用保持器において、この保
持器の基材をチタン−アルミニウム金属間化合物または
チタン合金で形成し、保持器の表面に硬度Ｈｖ５００〜
６５０のニッケル−クロム合金からなる溶射皮膜を形成
してなる転がり軸受用保持器としたのである。

【００１３】また、上記転がり軸受用保持器において、
ニッケル−クロム合金の溶射皮膜の膜厚が０．０５〜
０．１５ｍｍとする構成を採用したのである。

【００１４】また、前記転がり軸受が、２００℃以上の
軸受温度にてｄｎ値＝２．５×10⁶（ｄは軸受内径（ｍ
ｍ）、ｎは軌道輪の回転速度（ｒｐｍ））以上の回転条
件で使用される高温高速回転用転がり軸受としたのであ
る。

【００１５】上記したように構成される転がり軸受用保
持器は、保持器の基材をチタン−アルミニウム金属間化
合物またはチタン合金で形成したことにより、鉄系基材
に比べて軽量なものになり、回転時のフープ応力が比較
的小さなものになる。

【００１６】チタン系材料の摩擦摩耗特性は、高温で希
薄な潤滑条件では不充分であるが、上記チタン系材料か
らなる保持器基材の表面に、ニッケル−クロム合金の溶
射皮膜を形成することにより、前記軽量性を維持したま
ま高温・高速摺動状態でも優れた摩擦摩耗特性のある転
がり軸受用保持器になる。

【００１７】特に、この発明ではニッケル−クロム合金
からなる溶射皮膜を硬度Ｈｖ５００〜６５０に特定した
ことにより、耐摩耗性の要求に応じられると共に、溶射
皮膜の強度と基材に対する密着性が改善されたものにな
り、潤滑油を供給しながら高速回転で使用した場合にも
保持器の摺動部ではない内周面のポケット角部のような
応力が集中する箇所にも損傷が生じることなく、焼付き
や破損が生じ難い転がり軸受用保持器になる。

【００１８】さらに、ニッケル−クロム合金の溶射皮膜
の膜厚を０．０５〜０．１５ｍｍに調整すると、熱衝撃
に良く耐える保持器になり、すなわち、溶射皮膜が基材
に良く密着して剥がれ難く、耐久性に優れた転がり軸受
用保持器になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】この発明に用いるチタン−アルミ
ニウム（ＴｉＡｌ）金属間化合物は、チタン元素（Ｔ
ｉ）とアルミニウム元素（Ａｌ）が簡単な整数比で結合
し、成分の各金属元素より好ましい物性を示すものであ
る。ＴｉＡｌ金属間化合物の組成比の具体例としては、
Ｔｉ：Ａｌ＝２：１、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１、Ｔｉ：Ａｌ
＝１：３などが挙げられる。ＴｉＡｌ金属間化合物は、
このような組成比の混合物を融解、冷却することによっ
て得られる。ＴｉＡｌ金属間化合物の物性としては、軽
量耐熱性、高温引張比強度及びクリープ比強度に優れる
ことである。

【００２０】この発明に用いるチタン合金は、チタン
（Ｔｉ）を主成分とする合金であり、例えばチタンに添
加される合金元素としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、
Ｍｏ、Ｖなどが挙げられ、Ａｌ以外の多くの合金元素は
遷移元素である。ＪＩＳに規定されているチタン合金で
あって、この発明に使用できるものとしては、Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖやそれに類した組成の合金が挙げられる。

【００２１】この発明における溶射皮膜を形成するニッ
ケル−クロム合金は、ニッケルを主要成分としてクロム
を１０〜３０重量％程度含有する合金であり、Ｃｒと共
にＭｏを含むものであってもよく、具体例としてはニッ
ケルを主要成分としてＣｒを１４〜２３．５重量％程度
含む市販品（商品名）であるインコネル、ハステロイな
どが挙げられる。

【００２２】溶射皮膜を形成する方法としては、金属線
を溶かして基材に吹きつける溶線式溶射法や粉末を用い
た粉末式溶射法があるが、いずれの方法であってもよ
い。実用的な方法としては、フレーム溶射法（ガス溶線
式、粉末式）、アーク溶射法、プラズマ溶射法が挙げら
れる。このうち、フレーム式およびアーク式は２０００
〜３０００℃の高温で材料を溶かして吹きつける方法で
ある。

【００２３】また、プラズマ溶射法は、陽極と陰極の間
に直流大電流を低電圧で印加してアークを生じさせ、こ
の中にアルゴン、水素、窒素などのガスを導入し、これ
をプラズマ化する方法である。この非移行性プラズマ
は、３００００Ｋにも達し、ここに溶射材料粉末を入
れ、溶かして吹きつける。また、１０３〜１０４Ｐａ程
度の減圧下で溶射を行なう減圧プラズマを行えば、溶射
皮膜の気孔率、酸化率ともに少なくなり、密着度の高い
皮膜が形成できる。

【００２４】

【実施例】〔実施例１、比較例１，２〕（被膜の硬度と
摩耗試験）図１に示すように、内輪１と外輪２の間で転動体（こ
ろ）３を回転自在に保持した円筒ころ軸受４に装着でき
る保持器５を、チタン−アルミニウム金属間化合物（比
較例１、実施例１、比較例２）で形成し、保持器５を形
成する基材の表面にそれぞれニッケル−クロム合金（表
１に示すニッケルとクロムの組成重量比のもの）の溶射
皮膜を形成した。その際に溶射被膜の厚さは、研磨加工
によって２０μｍに調整した。また、上記した実施例お
よび比較例の保持器と全く同様にして摩擦摩耗試験のた
めにリング状試験片（外径５０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ
５ｍｍ、面粗度０．６μｍＲａ）をそれぞれ形成した。

【００２５】上記実施例および比較例の保持器および試
験片に使用したチタン−アルミニウム金属間化合物は、
ＴｉＡｌの組成比がＴｉ：Ａｌ＝２：１のものであり、
チタン合金は、Ｔｉ−６Ａｌ−４．０Ｓｎ−３．５Ｚｒ
−２．８Ｍｏ−０．７Ｎｂ−０．３５Ｓｉの組成であ
る。

【００２６】そして、実施例１、比較例１，２に対し
て、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定して被膜硬度を調
べ、そのときにビッカース圧子の押し込み（５００ｇ）
による「膜の割れ」の有無を観察して、結果を表１にま
とめて示した。

【００２７】また、高温・高速摩擦摩耗試験を図２に概
略を示した試験機を用い、表２に示す条件で実施例１お
よび比較例１、２のリング状試験片の摩耗痕幅を測定
し、その結果を表１中に併記した。

【００２８】図２に示した試験機の概略構成を説明する
と、このものは直動静圧軸受６、７で水平方向および垂
直方向に移動自在に支持された基台８に固定試片９を取
り付け、水平な回転軸に取り付けた回転試片１０を回転
数１９０００ｒｐｍで駆動しながら、押し付け荷重Ｆで
もって固定試片９に押し付け、かつロードセル１１で負
荷（摩擦力）を測定するものである。そして、潤滑ユニ
ット１２から２００℃の潤滑オイル（MIL-L-23699Ｃ相
当油）を０．２リットル／分の割合でジェット給油する
潤滑条件で摩擦摩耗試験を行なった。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表２の結果からも明らかなように、ニッケ
ルとクロムの組成比がおよそ８：２であり、かつ高速フ
レーム溶射によって適切な条件で被膜形成したニッケル
クロム溶射被膜の硬度がＨＶ５１０〜６４０の実施例１
の試験片は、硬質で緻密かつ母材との密着性に優れた被
膜が得られたため、割れ難く、摩耗痕の幅も０．４ｍｍ
以内という短いものであった。

【００３２】これに対して、ニッケルとクロムの組成比
がおよそ８：２というクロムの多い組成比からなる被膜
を設けた比較例１は、被膜が脆くて割れやすいので、ポ
ケットの内径側角に損傷が生じやすく、また被膜は硬質
になって耐摩耗性は向上するが、軌道輪や転動体に対す
る硬度差は小さくなってそれらを攻撃したと考えられ
た。

【００３３】なお、溶射条件が適切でなかったり、プラ
ズマ溶射などによって被膜形成すると、被膜が軟らかく
なったり、緻密さや母材との密着性の低下につながる可
能性がある。被膜が軟らかければ良好な摩耗強度が得ら
れず、緻密さや密着強度を欠くと、被膜の脱落などが起
こりやすくなると考えられた。

【００３４】〔実施例２〜７、比較例３〕（熱衝撃試
験）実施例１において、溶射被膜の厚さを研磨加工によっ
て、表３に示す厚さとしたこと以外は実施例１と全く同
様にして実施例２〜７および比較例３の試験片を形成
し、熱衝撃試験を行なった。熱衝撃試験は、５００℃ま
で加熱した各試験片を室温の水中に漬けて急冷する（水
中急冷）を１００回繰り返して行ない、その際に皮膜の
剥がれの有無を調べた。

【００３５】

【表３】

【００３６】表３の結果からも明らかなように、被膜厚
さが０．０２ｍｍ以上では熱衝撃による被膜の剥がれは
見られなかった。したがって、被膜厚さが０．０２ｍｍ
未満の薄厚であると、それに熱サイクルが加わって母材
との微妙な熱膨張差が生じた際に被膜が剥がれてしまう
と考えられた。また、被膜厚さが０．０２ｍｍ以上の厚
みであれば、被膜強度は充分と考えられた。ただし、保
持器の摺動部では摩耗を生じるので、母材の露出を避け
るために０．０５ｍｍ以上にするのが実用的である。

【００３７】〔比較例４、５〕（軸受運転試験）実施例１の保持器と同じ形態で、鉄系材料のＳＡＥ４３
４０製保持器の表面にＡｇメッキを形成した保持器（比
較例４）、またはセラミック粒子分散アルミ基複合材料
製(特開平09-170625)の保持器（比較例５）を作製し
た。

【００３８】これら実施例１、比較例４，５の保持器を
試験軸受（図１参照）に装着し、内輪に形成した油路１
３からジェット給油を行なって軸受運転試験を行なっ
た。

【００３９】試験条件は、給油温度を２３０℃とし、ｄ
ｎ値＝３５０×１０⁴ （ｍｍ・ｒｐｍ）の回転条件まで
段階的に増速し、ｄｎ値＝３５０×１０⁴ （ｍｍ・ｒｐ
ｍ）にて１時間保持する試験条件とした。

【００４０】試験中、増速の各段階でいずれの保持器を
組み込んだ軸受も温度上昇、振動値ともほぼ同程度であ
り、ｄｎ３５０万に達した時点で外輪温度は３００℃を
超えていたが、安定した運転ができた。ところが、試験
後に保持器を観察すると、図３に示したように、実施例
１（図３ａ）は無損傷であったのに対し、比較例４（図
３ｂ）や比較例５（図３ｃ）には全てのポケットの内径
側角に「欠け」１４，１５が見られた。

【００４１】さらに詳しく観察すると、比較例４は銀め
っきが剥がれており、アルミ複合材製の比較例５は、母
材自体が欠損していた。これらのことから、この発明の
保持器は、被膜の強度、被膜と母材との密着性、母材強
度がいずれも従来品より優れていることがわかる。

【００４２】また、いずれの保持器にも、特に摺動条件
が最も厳しいポケットところとの接触部に摩耗が見られ
た。その測定結果によると、実施例１の摩耗深さは５．
１μｍであり最も軽微であった。それに対し、アルミ複
合材製の比較例５は約２倍の１２．５μｍ、比較例４は
約４倍の２１．５μｍであった。因みに、５μｍ程度の
軽微な摩耗であれば、長時間の使用に耐えられると判断
して差し支えない。なお、いずれも軌道輪との案内面に
摩耗は見られなかったことから、被膜の耐久性はポケッ
ト部の摩耗に依存していると考えられた。

【００４３】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、所定
のチタン系材料からなる保持器基材の表面に、ニッケル
−クロム合金の溶射皮膜を形成することにより、チタン
系材料の軽量性を維持したまま高温・高速摺動状態でも
優れた摩擦摩耗性のある転がり軸受用保持器になるとい
う利点がある。

【００４４】また、ニッケル−クロム合金の溶射皮膜の
膜厚を０．０５〜０．１５ｍｍとして転がり軸受用保持
器は、溶射皮膜が基材に良く密着して剥がれ難く、特に
熱衝撃に良く耐えて耐久性に優れた転がり軸受用保持器
であるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】軸受運転試験に用いた円筒ころ軸受の要部断面
図

【図２】高温高速摩擦摩耗試験機の概略構成を説明する
正面図

【図３】（ａ）実施例１の軸受運転試験の結果を示す保
持器の内周面の要部拡大図（ｂ）比較例４の軸受運転試験の結果を示す保持器の内
周面の要部拡大図（ｃ）比較例５の軸受運転試験の結果を示す保持器の内
周面の要部拡大図

【図４】従来例の保持器の内周面の要部拡大斜視図

【符号の説明】

１内輪２外輪３転動体４円筒ころ軸受５、１６保持器６、７直動静圧軸受８基台９固定試片１０回転試片１１ロードセル１２潤滑ユニット１３油路１４、１５欠け１７損傷部１８摩耗痕１９ポケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J101 AA13 AA24 AA32 AA42 AA52 AA62 BA34 BA44 BA50 CA07 CA32 DA05 EA51 EA78 EA80 FA06 FA31 FA33 GA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の軌道輪間で転動体を回転自在に保
持する転がり軸受用保持器において、この保持器の基材
をチタン−アルミニウム金属間化合物またはチタン合金
で形成し、保持器の表面に硬度Ｈｖ５００〜６５０のニ
ッケル−クロム合金からなる溶射皮膜を形成してなる転
がり軸受用保持器。
【請求項２】ニッケル−クロム合金の溶射皮膜の膜厚
が０．０５〜０．１５ｍｍである請求項１記載の転がり
軸受用保持器。
【請求項３】転がり軸受が、２００℃以上の軸受温度
にてｄｎ値＝２．５×１０⁶（ｄは軸受内径（ｍｍ）、
ｎは軌道輪の回転速度（ｒｐｍ））以上の回転条件で使
用される高温高速回転用転がり軸受である請求項１また
は２に記載の転がり軸受用保持器。