JP2005076715A - 転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面起点型剥離もスミアリングも発生しやすい高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長することである。
【解決手段】耐熱軸受鋼M50で形成した玉軸受の内輪1と外輪2の各軌道面側の表面に、拡散層のみからなる窒化層5とイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜6を形成することにより、表面起点型剥離とスミアリングの両者の発生を防止し、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される玉軸受の寿命を安定して延長できるようにした。
【選択図】図1
【解決手段】耐熱軸受鋼M50で形成した玉軸受の内輪1と外輪2の各軌道面側の表面に、拡散層のみからなる窒化層5とイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜6を形成することにより、表面起点型剥離とスミアリングの両者の発生を防止し、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される玉軸受の寿命を安定して延長できるようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は、転がり軸受に関し、特に、高温、高速、軽荷重の条件下での使用に好適な転がり軸受に関する。
高温、高速、軽荷重の条件下で使用されるガスタービン主軸やその減速機入力軸等の転がり軸受では、内外輪の軌道面や転動体の転動面に、潤滑油中に混入する硬質異物の噛み込み等による圧痕を起点とする表面起点型剥離や、軽荷重下で生じやすい転動体のスリップやスキッディングに起因するスミアリングが早期に発生し、軸受寿命を著しく低下させることがある。
前記表面起点型剥離を防止する技術としては、内外輪の軌道面に化合物層と拡散硬化層とからなる窒化層を形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、スミアリングを防止する技術としては、軌道面を非真円であるバイローブまたはトライローブ形状として、ラジアル予圧を付与することが紹介されている(例えば、非特許文献1参照。)。
上述した内外輪の軌道面に硬質の窒化層を形成する方法は、表面起点型剥離の防止には有効であるが、同種金属同士の高速すべりで生じやすいスミアリングの防止には効果がない。また、軌道面をバイローブやトライローブ形状として、ラジアル予圧を付与する方法は、適正な予圧量を設定するのが難しい。このため、表面起点型剥離もスミアリングも発生しやすい高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受では、確かな寿命設計ができない問題がある。
そこで、本発明の課題は、表面起点型剥離もスミアリングも発生しやすい高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長することである。
上記の課題を解決するために、本発明は、内輪と外輪の軌道面間で複数の転動体が転動面で転動する転がり軸受において、前記内輪、外輪および転動体の少なくともいずれかの部品を鋼材料で形成し、この鋼材料で形成した部品の全部または一部について、その少なくとも内輪もしくは外輪の軌道面または転動体の転動面に、拡散層のみからなる窒化層を形成し、その表面にイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜を形成した構成を採用した。
すなわち、内外輪の軌道面や転動体の転動面に、表面起点型剥離の防止に有効な拡散層のみからなる窒化層を形成するとともに、イオンプレーティングによりクロムを主成分とする窒化クロム皮膜を形成して、スミアリングが発生しないように表面層を改質することにより、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長できるようにした。硬くて脆い窒化クロム皮膜は、単体で形成すると異物の噛み込み等で割れや欠けを生じやすいが、これを下地の硬質窒化層でバックアップすることにより、この割れや欠けを防止することができる。
前記窒化層を拡散層のみからなるものとしたのは、表面起点型剥離の防止に大きく寄与するのは硬質の拡散層だからである。なお、拡散層のみからなる窒化層は、例えば、アンモニアガスと水素ガスを用いてプラズマ状態でイオン窒化するラジカル窒化で形成することができる。
前記窒化クロム皮膜の皮膜厚は3μm以下とするのが好ましい。皮膜厚が3μmを超えると、硬くて脆い窒化クロム皮膜に割れや欠けが生じる恐れがあるからである。
前記転動体をセラミックで形成することにより、鋼同士の高速すべりをなくして、スミアリングを防止することができる。
本発明の転がり軸受は、内外輪の軌道面や転動体の転動面に、表面起点型剥離の防止に有効な拡散層のみからなる窒化層を形成するとともに、イオンプレーティングによりクロムを主成分とする窒化クロム皮膜を形成して、スミアリングが発生しないように表面層を改質するようにしたので、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長することができる。
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図1は、第1の実施形態を示す。この転がり軸受は、内輪1と外輪2の軌道面間に、保持器3で保持された転動体としての複数のボール4を転動させるようにした玉軸受である。内輪1、外輪2および各ボール4は、いずれも耐熱軸受鋼M50で形成され、内輪1と外輪2の各軌道面側の表面には、それぞれラジカル窒化による拡散層のみからなる窒化層5と、イオンプレーティングによる窒化クロム皮膜6とが形成されている。
実施例として、転動面に拡散層のみからなる窒化層とイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜を形成した転動疲労寿命試験用の円筒ころ試験片と、円筒面に同様の窒化層と窒化クロム皮膜を形成したスミアリング試験用のリング状試験片(実施例1、2)を用意した。また、比較例として、表面が無処理の円筒ころ試験片とリング状試験片(比較例1)、拡散層のみからなる窒化層だけを形成した円筒ころ試験片とリング状試験片(比較例2)、および窒化クロム皮膜だけを形成した円筒ころ試験片(比較例3)も用意した。実施例と比較例の円筒ころ試験片およびリング状試験片の各素材は、いずれも耐熱軸受鋼M50である。
上述した実施例と各比較例の円筒ころ試験片を用いた転動疲労寿命試験と、リング状試験片を用いたスミアリング試験の概要と試験結果を以下に示す。
(1)転動疲労寿命試験
この転動疲労寿命試験は、転動面にビッカース硬度計で予め圧痕を付与した円筒ころ試験片を、ラジアル荷重を負荷して転動させるものである。実施例と各比較例のサンプル数はいずれも7個とし、転動疲労寿命はL10寿命(サンプルの90%が破損しないで使える時間)で評価した。試験条件は以下の通りである。なお、円筒ころ試験片の寸法は、外径12mm、長さ12mmである。
・最大接触面圧 :4.2GPa
・負荷速度 :20400回/分
・潤滑油 :タービン油VG56
・ビッカース圧痕:196N(軸方向に1mm間隔で9個)
この転動疲労寿命試験は、転動面にビッカース硬度計で予め圧痕を付与した円筒ころ試験片を、ラジアル荷重を負荷して転動させるものである。実施例と各比較例のサンプル数はいずれも7個とし、転動疲労寿命はL10寿命(サンプルの90%が破損しないで使える時間)で評価した。試験条件は以下の通りである。なお、円筒ころ試験片の寸法は、外径12mm、長さ12mmである。
・最大接触面圧 :4.2GPa
・負荷速度 :20400回/分
・潤滑油 :タービン油VG56
・ビッカース圧痕:196N(軸方向に1mm間隔で9個)
上記L10寿命の測定結果を表1に示す。表中には、円筒ころ試験片の転動面を無処理とした比較例1のL10寿命を基準値1.0とする寿命比で表示した。転動面に窒化層と皮膜厚が3μmの窒化クロム皮膜を形成した実施例1は、比較例1の1.7倍のL10寿命を示し、表面起点型剥離が発生し難いことが分かる。窒化層と皮膜厚が5μmの窒化クロム皮膜を形成した実施例2のL10寿命は1.2倍であり、転動疲労寿命の向上代は実施例1よりも少ない。また、転動面に窒化層だけを形成した比較例2も優れたL10寿命を示す。一方、転動面に窒化クロム皮膜だけを形成した比較例3は、無処理の比較例1よりも著しくL10寿命が低下している。これらの結果は、硬くて脆い窒化クロム皮膜は、単体で形成すると異物の噛み込み等で割れや欠けを生じやすいが、これを下地の硬質窒化層でバックアップすることにより、これらの割れや欠けを防止できることを立証している。なお、この窒化クロム皮膜は、皮膜厚が3μmを超えると転動疲労寿命の向上代が低下する傾向がある。
スミアリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリング状試験片を、互いに平行な駆動軸と従動軸とに取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させながら、従動軸を一定速度で回転させて、駆動軸を従動軸と等速回転から徐々に増速するものである。各試験片の寸法は、直径40mm、高さ12mm、円筒部の曲率半径60mmであり、各円筒面の表面粗さはRmax 3μmに仕上げた。スミアリング強度は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆動軸と従動軸の速度比で評価される。このスミアリング試験は、上記実施例と比較例3のものについてのみ行った。試験条件は以下の通りである。
・最大接触面圧Pmax :2.1GPa
・駆動軸回転速度:200rpmで3分間馴らし運転した後、
30秒おきに100rpmずつ増速
・従動軸回転速度:200rpm一定
・潤滑油 :タービン油VG46
上記スミアリング発生時の駆動軸と従動軸の速度比の測定結果を表1に併せて示す。表中には、比較例1の速度比を基準値1.0とした相対速度比で表示した。窒化層と窒化クロム皮膜を形成した実施例1、2は、いずれも比較例1の1.8倍を超える速度比を示し、スミアリング強度も非常に優れていることが分かる。一方、転動疲労寿命が優れていた窒化層だけの比較例2は、スミアリング強度が無処理の比較例1と同等以下である。この結果より、窒化層の表面に窒化クロム皮膜を形成することが、スミアリング強度の向上に有効であることが分かる。
図2は、第2の実施形態を示す。この転がり軸受も第1の実施形態のものと同様の玉軸受であり、内輪1と外輪2の各軌道面側表面のほかに、転動面であるボール4の表面にも拡散層のみからなる窒化層5と、イオンプレーティングによる窒化クロム皮膜6とが形成されている。
図3は、第3の実施形態を示す。この転がり軸受も玉軸受であり、ボール4がセラミックで形成されている点が第1の実施形態のものと異なる。内輪1と外輪は耐熱軸受鋼M50で形成され、各軌道面側の表面には前記窒化層5と窒化クロム皮膜6とが形成されている。
上述した各実施形態では、転がり軸受を玉軸受としたが、本発明に係る転がり軸受は、ころ軸受や円錐ころ軸受等の他の転がり軸受にも採用することができる。
1 内輪
2 外輪
3 保持器
4 ボール
5 窒化層
6 窒化クロム皮膜
2 外輪
3 保持器
4 ボール
5 窒化層
6 窒化クロム皮膜
Claims (3)
- 内輪と外輪の軌道面間で複数の転動体が転動面で転動する転がり軸受において、前記内輪、外輪および転動体の少なくともいずれかの部品を鋼材料で形成し、この鋼材料で形成した部品の全部または一部について、その少なくとも内輪もしくは外輪の軌道面または転動体の転動面に、拡散層のみからなる窒化層を形成し、その表面にイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜を形成したことを特徴とする転がり軸受。
- 前記窒化クロム皮膜の皮膜厚を3μm以下とした請求項1に記載の転がり軸受。
- 前記転動体をセラミックで形成した請求項1または2に記載の転がり軸受。
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- 2004-08-27 US US10/927,445 patent/US20050047694A1/en not_active Abandoned
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