JP2006038167A

JP2006038167A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2006038167A
Application number: JP2004221930A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamamura; 賢二山村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】高温高速回転で使用される場合に、耐熱性および心部靭性に優れるのは勿論のこと、耐焼付き性にも優れる鋼製の転動部材を備えることで、信頼性の向上を図る。
【解決手段】一対の軌道輪及び前記転動体の内の少なくとも一つの転動部材を、Ｃ：０．１〜０．５重量％、Ｓｉ：０．１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｖ：０．８〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量％、Ｍｏ：３〜５重量％、Ｎｉ：２．５〜４．５重量％を含有する合金鋼で形成し、浸炭窒化処理を施した後に焼入れを行い、更に焼戻しを施すことによって二次硬化し、表面層のＣ濃度：０．６〜１．５重量％、表面層のＮ濃度：０．１〜０．５重量％、表面層の硬さ：Ｈｖ６５０〜９５０、非浸炭窒化部である心部硬さ：Ｈｖ４００〜５５０とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温高速条件で用いられる転がり軸受に関し、特に、航空機エンジンやガスタービン等の回転支持部に用いるのに好適な転がり軸受に関する。

航空機等に用いられる転がり軸受は非常に高い信頼性が要求され、その中でもエンジンに用いられる転がり軸受は２００°Ｃを越える非常に厳しい高温環境で使用されるため、耐熱性に優れたセミハイス系のＡＩＳＩＭ５０が用いられている。
また、航空機エンジンに対する低燃費化の要求は高く、これに応えるためにエンジンの高速回転化が進められた結果、転がり軸受の使用条件は次第に高速化してきている。使用条件が高速化することによって、転がり軸受の内輪に作用するフープ応力が増大し、内輪の損傷が問題となる。

これを防止するためには、内輪の靭性を高める必要があり、従来においては、前記ＡＩＳＩＭ５０を浸炭型に改良したＭ５０ＮｉＬが用いられている。また、Ｍ５０ＮｉＬに浸炭処理、焼入れ、および焼戻し処理を施して用いれば、軌道面となる表面の浸炭層の硬さは前記Ｍ５０と同等で、浸炭されていない心部の靭性は非常に高く、浸炭層に圧縮の残留応力を付与することが可能となる（例えば特許文献１参照）。更に、心部靭性をＭ５０ＮｉＬよりも高くすることも開示されている（例えば特許文献２参照）。
特開昭６１−２３６９２３号公報特開平１０−１０２２０９号公報

ところで、環境問題や輸送コスト低減の観点から、航空機エンジンの低燃費化に対する要求は依然として高く、転がり軸受に対しては、使用条件の更なる高温高速化が要求される。転がり軸受の回転速度を表す指標として軸径ｄ（ｍｍ）と回転数ｎ（ｍｉｎ^-1）との積であるｄｎ値が用いられるが、航空機エンジンにおいては、このｄｎ値が２００万を越える高速条件で転がり軸受が用いられており、NSK Technica1 Journal No.663（1997）P9に示されているように徐々に高速化が進んでいる。

更に、航空機エンジン用の転がり軸受においては、高信頼性の観点から給油遮断時の性能確保という極めて厳しい要求に応える必要があり、使用条件の高速化によって従来の転がり軸受の内外輪や転動体では耐焼付き性が不足することが懸念される。
ところが、転がり軸受の軌道輪や転動体に関しては、上記特許文献１及び特許文献２では、高速化に対しては心部の靭性のみが着目され、耐焼付き性に対する配慮の開示や示唆がされていない。また、耐焼付き性に優れた材料としてはセラミックがあるが、信頼性の観点から実用化が困難な状況にある。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、高温高速回転で使用される場合に、耐熱性および心部靭性に優れるのは勿論のこと、耐焼付き性にも優れる鋼製の転動部材を備えることで、信頼性の向上を図ることができる転がり軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、一対の軌道輪の間に複数の転動体が転動可能に配設された転がり軸受において、
前記一対の軌道輪及び前記転動体の内の少なくとも一つの転動部材を、Ｃ：０．１〜０．５重量％、Ｓｉ：０．１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｖ：０．８〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量％、Ｍｏ：３〜５重量％、Ｎｉ：２．５〜４．５重量％を含有する合金鋼で形成し、浸炭窒化処理を施した後に焼入れを行い、更に焼戻しを施すことによって二次硬化し、表面層のＣ濃度：０．６〜１．５重量％、表面層のＮ濃度：０．１〜０．５重量％、表面層の硬さ：Ｈｖ６５０〜９５０、非浸炭窒化部である心部硬さ：Ｈｖ４００〜５５０としたことを特徴とする。

本発明によれば、高温高速回転で使用される場合に、耐熱性、心部靭性および耐焼付き性に優れた鋼製の転動部材を備えているので、信頼性の向上を図ることができ、航空機エンジンやガスタービン等の回転支持部に好適に用いることができる転がり軸受を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を説明する。
本発明の実施の形態の一例である転がり軸受は、一対の軌道輪及び前記転動体の内の少なくとも一つの転動部材を、Ｃ：０．１〜０．５重量％、Ｓｉ：０．１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｖ：０．８〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量％、Ｍｏ：３〜５重量％、Ｎｉ：２．５〜４．５重量％を含有する合金鋼で形成し、浸炭窒化処理を施した後に焼入れを行い、更に焼戻しを施すことによって二次硬化し、表面層のＣ濃度：０．６〜１．５重量％、表面層のＮ濃度：０．１〜０．５重量％、表面層の硬さ：Ｈｖ６５０〜９５０、非浸炭窒化部である心部硬さ：Ｈｖ４００〜５５０とし、これにより、高温高速回転で使用される場合に、耐熱性、心部靭性および耐焼付き性に優れた鋼製の転動部材を備えて、信頼性の向上を図り、航空機エンジンやガスタービン等の回転支持部に好適に用いることができる転がり軸受を提供することを可能にしている。

以下、詳述する。
航空機エンジンやガスタービン用の転がり軸受は、２００°Ｃを越えるような非常に高温で使用されるため、このような温度に耐えて転がり疲れ寿命を確保することが最も基本となる。このため、軌道輪や転動体等の転動部材の耐熱性を確保するためには、焼入れ後に使用温度よりも十分に高い温度で焼戻しを行っても、軌道輪の軌道面や転動体の転動面の表面層の硬さがＨｖ６５０以上である必要がある。
また、長期間の使用に耐えて高い信頼性を確保するためには、使用温度よりも十分に高い５００°Ｃを越えるような高温焼戻しでも二次硬化する転動部材であることが望ましく、このような転動部材であれば、使用中に軟化して転動疲労特性が低下することを防止することが可能となる。

焼戻し軟化抵抗性を高めるためには、Ｃｒを多量に添加することが有効であり、二次硬化によって軟化を防止するためには、Ｍｏの添加が有効である。これらの合金元素の効果を十分に得るためには、ＣｒおよびＭｏの添加量は少なくとも３重量％以上必要であり、好ましくは４重量％以上とするが、これらの合金元素を余りに多量に添加してもその効果が飽和してしまうばかりか、素材の製造時に粗大な炭化物が生成して靭性の低下を招く虞れがあり、更に、不必要なコストの上昇を招くため、ＣｒおよびＭｏの添加量の上限は５重量％とする。

また、ｄｎ値で２００万を越える高速条件での使用に耐えるためには、高い心部靭性を確保する必要がある。
このためには、転動部材の心部の硬さをＨｖ５５０以下に抑え、更に、靭性の向上に有効なＮｉおよびＶを適量添加することが有効である。Ｎｉの効果を十分に得るためには、少なくとも２．５重量％以上添加する必要があるが、余り多量に添加してもその効果は飽和するばかりか、多量に添加し過ぎると素材の被削性が低下して不必要なコストの増大を招くため、Ｎｉの添加量の上限は４．５重量％とする。

Ｖは、組織を微細化して靭性を向上させる効果がある他、浸炭窒化処理を施す場合には表面層のＮ濃度を高めるのに非常に有効であるため、少なくとも０．８重量％以上添加する必要があり、好ましくは１．０重量％以上添加する。但し、Ｖを余り多量に添加してもその効果は飽和してしまうばかりか不必要に素材のコストを増大させるため、Ｖの添加量の上限は２．０重量％とする。

また、転動部材の心部の硬さをＨｖ５５０以下に抑えるためには、素材のＣを０．５重量％以下にすることが望ましいが、余りに少な過ぎると心部組織にδ−フェライトが生成して靭性の低下を招く虞れがあること、および転動部材として必要な心部強度が得られなくなることから、少なくともＣを０．１重量％以上添加することが好ましい。また、転動部材として必要な心部強度を確保するためには、熱処理後の心部硬さをＨｖ４００以上とすることが好ましい。

上記の合金元素以外にも、製鋼上の脱酸剤や脱硫剤として必要なＳｉおよびＭｎは、０．１〜１．５重量％含有することができる。
尚、上記合金元素の他に、不可避な不純物として含まれる元素、例えばＰ、Ｓ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｏ等を含むことは構わない。
以上の素材を用いて、浸炭処理、焼入れおよび焼戻し処理を適切に行えば、表面の転動疲労寿命特性および心部の靭性については十分な特性が得られる。

更に、完成品の表面層のＮ濃度が０．１重量％以上となるように浸炭窒化処理を施すことによって、耐焼付き性を効果的に向上を図ることができる。
従来から、表面起点型のフレーキングや摩耗の対策として浸炭窒化処理を施すことは広く用いられているが、表面起点型のフレーキングを防止するためには浸炭窒化処理を施すことによって表面層の残留オーステナイト量を高める必要がある。また、摩耗の対策として浸炭窒化処理を施す場合においても、同時に表面起点型のフレーキングを防止するために残留オーステナイト量が高められている。

本発明者等が、耐焼付き性の向上のために研究を行ってきた結果、浸炭窒化処理に加えて高温焼戻しを施し、残留オーステナイト量を少なくすることによって耐焼付き性を効果的に向上できるという知見を得た。上記素材を用いた場合、表面層のＮ濃度を０．１重量％以上とし、更に、表面層の残留オーステナイト量を１０体積％以下とすると耐焼付き性の向上効果が得られ、表面層の残留オーステナイト量を８体積％以下となるように焼戻しを行うと、より一層効果的に耐焼付き性を向上させることが可能となる。耐焼付き性の観点からは、表面層の残留オーステナイトは０体積％でも構わない。尚、表面層のＮ濃度は、余りに高くしてもその効果は飽和してしまい、熱処理のコストが不必要に高くなることから、表面層のＮ濃度の上限は０．５重量％とすることが好ましい。

また、本発明においては、転動部材として必要な表面硬さを得るために、浸炭窒化処理を施すことによってＮと同時にＣを表面層に添加する必要があり、そのためには完成品の軌道面や転動面における表面層のＣ濃度が少なくとも０．６重量％となるよるように浸炭窒化処理を施す必要がある。但し、Ｃ濃度を余りに高くすると粗大な炭化物が生成して、転動疲労寿命特性を返って低下させる虞れがあるため、表面層のＣ濃度の上限は１．５重量％とすることが好ましい。

尚、表面層の硬さを高めるためには、サブゼロ処理を施しても構わないが、表面層の硬さを余りに高くし過ぎると、靭性の低下を招くため、上限はＨｖ９５０とすることが好ましい。また、心部の平面ひずみ破壊じん性Ｋ_IC（ＪＩＳＧ０５６４）は４０ＭＰａ・ｍ^-1/2以上となっていることが好ましい。
ここで、本発明における表面層とは、表面から少なくとも０．０２ｍｍの範囲を意味するものとする。

以下に本発明の実施例について説明する。
表ｌに試験に用いた素材の主要合金成分を重量％で示す。

まず、表１に示す記号Ｅの素材を用いて耐焼付き性の評価を行った結果について説明する。
耐焼付き性の評価には、図１に示すように、リング状の試験片の外周面に玉を所定の荷重で押し付け、この状態で試験片を図示しないモータにて回転させる構造の試験機を用いた。試験条件としては、試験開始時点での試験片と玉との接触圧力を２ＧＰａとし、鉱油を０．０３ｃｍ³ ／ｓの割合で滴下しながら徐々に回転数を増加させ、回転トルクが初期の２倍を越えた時点の滑り速度を焼付き限界として評価を行った。

試験片は複数用意し、それぞれに対して１１９３Ｋ〜１２２３Ｋ（約９２０〜９５０°Ｃ）で１４ｋｓ〜４３ｋｓ（約４〜１２ｈｒ）の浸炭または浸炭窒化処理を施すことによって、表面層のＣ濃度およびＮ濃度が異なる試験片を作製した。尚、浸炭または浸炭窒化処理後に、１３７３Ｋ〜１４２３Ｋ（約１１００〜１１５０°Ｃ）で焼入れを行い、更に７９３Ｋ〜８２３Ｋ（約５２０〜５５０°Ｃ）で５ｋｓ〜７ｋｓ（約１．４〜２ｈｒ）の焼戻しを３回施した後、研削仕上を行って試験片とした。

試験の結果を図２に示すが、滑り速度４ｍ／ｓで焼付きを起さなかった場合については矢印を記している。図２より、浸炭窒化処理によって表面層の窒素濃度が０．１重量％となると耐焼付き性を向上させる効果が得られ、０．２重量％では浸炭（窒素濃度が０重量％）の場合と比較して焼付き限界が２倍に向上することが判る。尚、窒素濃度の測定は、試験後に切断した試験片の断面をＥＰＭＡ分析装置を用いて線分析を行い、表面から０．０２ｍｍまでの平均値を用いた。

続いて、表面層の窒素濃度が０．２重量％となるように浸炭窒化処理を施した試験片について、焼戻し温度を変えることによって、表面層の残留オーステナイト量が異なる試験片を作製して耐焼付き性の評価を行った。
その結果を図３に示すが、滑り速度４ｍ／ｓで焼付きを起さなかった場合については矢印を記している。図３より、焼戻し温度を４７３Ｋ〜５７３Ｋ（約２００〜３００°Ｃ）と低くして、表面層の残留オーステナイト量を２０体積％以上と高くした場合には、耐焼付き性の向上効果が小さくなることが判る。一方、浸炭窒化処理を施し、且つ、高温焼戻しを施して表面層の残留オーステナイト量を８体積％以下とすることによって、耐焼付き性を効果的に向上できることが判る。また、表面層の残留オーステナイト量を６体積％以下とすると、より好ましいことが判る。尚、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法を用いて測定した。

続いて、表１に示すＡ〜Ｍの素材を用いて、合金成分の影響について実験を行った結果について説明する。
試験片には、１１９３Ｋ〜１２２３Ｋ（約９２０〜９５０°Ｃ）で１４ｋｓ〜４３ｋｓ（約４〜１２ｈｒ）で浸炭窒化処理を施すことによって、表面層のＣ濃度およびＮ濃度が異なる試験片を作製した。尚、浸炭窒化処理後に、１３７３Ｋ〜１４２３Ｋ（約１１００〜１１５０°Ｃ）で焼入れを行い、更に７９３Ｋ〜８２３Ｋ（約５２０〜５５０°Ｃ）で５ｋｓ〜７ｋｓ（約１．４〜２ｈｒ）の焼戻しを３回施した後、研削仕上を行って試験片とした。

評価としては、前述の耐焼付き性の評価の他に、心部靭性の評価を行っており、心部の特性を評価するため、靭性の試験片には浸炭窒化処理は施さずに焼入れおよび焼戻し処理のみを施して用いた。
評価の結果を表２に示すが、表面層については、硬さ、Ｃ濃度、Ｎ濃度および残留オーステナイト量γ_Rを、心部については、硬さおよび平面ひずみ破壊じん性Ｋ_IC（ＪＩＳＧ０５６４）の測定結果を示している。

表２に示す通り、本発明の実施例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．８においては、高い温度で焼戻しを施しても転動部材として十分なＨｖ６５０以上の表面硬さを有すると同時に焼付き限界も４ｍ／ｓ以上で耐焼付き性にも優れており、心部の靭性についても、高速回転用として十分な値を示している。
比較例であるＮｏ．９およびＮｏ．１０は、それぞれ素材のＣｒまたはＭｏが本発明の範囲より少ない場合であるが、耐熱性が不足しているために十分な表面硬さが得られない。

比較例Ｎｏ．１１は、素材のＶが本発明の範囲より少ない場合であるが、浸炭窒化処理によって十分な表面Ｎ濃度が得られず、耐焼付き性が低い結果となっており、心部の靭性も不足している。
比較例Ｎｏ．１２は、素材のＮｉ含有量が本発明の範囲より少ない場合の例であり、心部の靭性が不足している。
比較例Ｎｏ．１３は、従来から航空機用として用いられているＡＩＳＩＭ５０を素材として用いた場合であるが、素材のＣ含有量が高すぎること、およびＮｉが添加されていないことから心部の靭性が不足している。
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

耐焼付き性の評価に用いる試験機の概略図である。表面層の窒素濃度と焼付き限界との関係を示すグラフ図である。表面層の残留オーステナイト量と焼付き限界との関係を示すグラフ図である。

Claims

一対の軌道輪の間に複数の転動体が転動可能に配設された転がり軸受において、
前記一対の軌道輪及び前記転動体の内の少なくとも一つの転動部材を、Ｃ：０．１〜０．５重量％、Ｓｉ：０．１〜１．５重量％、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｖ：０．８〜２．０重量％、Ｃｒ：３〜５重量％、Ｍｏ：３〜５重量％、Ｎｉ：２．５〜４．５重量％を含有する合金鋼で形成し、浸炭窒化処理を施した後に焼入れを行い、更に焼戻しを施すことによって二次硬化し、表面層のＣ濃度：０．６〜１．５重量％、表面層のＮ濃度：０．１〜０．５重量％、表面層の硬さ：Ｈｖ６５０〜９５０、非浸炭窒化部である心部硬さ：Ｈｖ４００〜５５０としたことを特徴とする転がり軸受。