JP2009150508A - スラストころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、かつ耐摩耗性に優れ、長寿命である斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受を提供する。
【解決手段】スラストころ軸受１１は、複数のころ１４と、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤１２，１３とを備える。そして、軌道盤１２，１３の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における窒素濃度の差が０．２ｗｔ％以内である。
【選択図】図１

Description

この発明は、スラストころ軸受に関し、より具体的には、カーエアコンの斜板式コンプレッサに用いられるスラストころ軸受に関するものである。

従来、カーエアコン等に用いられる斜板式コンプレッサの斜板を支持する軸受としては、例えば、特開２００３−６５２２６号公報（特許文献１）または特開２００４−３１６９３０号公報（特許文献２）に記載されているような斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受が用いられる。

このスラストころ軸受は、８０００（ｒ／ｍｉｎ）程度の高速で回転すると共に、軸受回転軸心からずれた位置（オフセット）にスラスト荷重が作用する。また、カーエアコンに用いられる潤滑剤は、冷媒と冷凍機油との混合物であって、潤滑性に乏しい。このように、斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受は、極めて厳しい条件下で使用されている。

上記構成のスラストころ軸受は、その本来の構造に由来して、正常回転時においてもころの内径側と外径側との間に差動滑りが生じる。この滑りは、転がり接触面の油膜形成に悪影響を及ぼし、軌道盤およびころの接触面に表面損傷を発生させる原因となる。

この差動滑りの影響を小さくするためには、ころのころ長さを短くすればよいが、ころ長さを短くすると転がり接触面の接触面圧が上昇する。この接触面圧の上昇により、転がり疲労寿命の低下が問題となる。
特開２００３−６５２２６号公報 特開２００４−３１６９３０号公報

上記のスラストころ軸受では、冷媒と冷凍機油との混合物を潤滑剤として使用するので、コンプレッサの効率向上の要請から、冷凍機油の混合割合が減るなど、益々潤滑剤の潤滑性が低下する傾向にある。この様な希薄潤滑下で、差動滑りに起因する軌道盤またはころの表面損傷は増加傾向にある。

近年の技術傾向として、省資源、省エネルギー、部品構造のコンパクト化がより一層進み、使用条件はより過酷になっている。このため、カーエアコン用のスラストころ軸受においても、低コストでさらに摩耗が少なく、かつ、剥離寿命を向上したものが要求される。

そこで、この発明の目的は、低コストで、かつ耐摩耗性に優れ、長寿命な斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受を提供することである。

この発明に係るスラストころ軸受は、主軸に固定された斜板を主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜板式コンプレッサの主軸の回転運動およびピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を支持するために、多くが斜板に接する位置に配置される。このスラストころ軸受は、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤を備える。そして、軌道盤の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における窒素濃度の差が０．２ｗｔ％以内である。

この発明の他の局面に係るスラストころ軸受は、主軸に固定された斜板を主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜板式コンプレッサの主軸の回転運動およびピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を支持するために、多くが斜板に接する位置に配置される。このスラストころ軸受は、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤を備える。そして、軌道盤の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における残留オーステナイト量の差が２ｖｏｌ％以内である。

この発明のさらに他の局面に係るスラストころ軸受は、主軸に固定された斜板を主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜板式コンプレッサの主軸の回転運動およびピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を支持するために、多くが斜板に接する位置に配置される。このスラストころ軸受は、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤を備える。そして、軌道盤の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における球状化炭化物の面積率の差が５％以内である。

上記の化学成分の炭素鋼を使用することにより、軌道盤の機械的性質が向上する。具体的には、焼入性の改善、転動疲労寿命や耐荷重性の向上、摩擦や摩耗の低減、硬さの向上、およびプレス加工等による軌道盤の破損を防止することができる。

また、冷間圧延工程を経て製造された鋼板は、所望の寸法、表面の平滑性、および硬さを得ることができるので、軌道盤の製造工程中で寸法を調整する旋削工程や表面を平滑にする研削工程等を省略することができる。これにより、軌道盤の製造工程が簡素化されるので、スラストころ軸受の製造コストを低減することができる。さらに、熱処理によって得られた表面の窒素富化層が除去されることがない。

さらに、軌道盤の製造工程において、熱処理後の研削工程を省略することにより、熱処理によって軌道盤の表面に形成された窒素富化層を除去することがない。その結果、窒素富化層における窒素濃度、残留オーステナイト量、および球状化炭化物の面積率が軌道盤の厚み方向の一方側壁面と他方側壁面とでほぼ均一となる。

なお、本明細書中「厚み方向の一方側壁面」または「厚み方向の他方側壁面」とは、軌道面または軌道面に対して厚み方向反対側の壁面を指すものとする。一方、「表面」とは、厚み方向一方側および他方側の壁面、外周面、および内周面等の軌道盤の表層面全体を指すものとする。

好ましくは、軌道盤の焼戻し温度は２３０℃〜２８０℃の範囲内である。残留オーステナイトを１０ｖｏｌ％以下とするためには焼戻温度を２３０℃以上とする必要がある。一方、焼戻温度が２８０℃以上になると、硬さＨＲＣ６０以下となって軌道盤に必要な硬さを維持できないおそれがある。そこで、２３０℃〜２８０℃の範囲内で高温焼戻を行うのが望ましい。

好ましくは、軌道盤の表面の窒素富化層における炭化物の面積率が１０％〜２５％である。表面の窒素富化層における炭化物の面積率を上記の範囲内とすることにより、転動疲労寿命および摺動特性が向上する。

好ましくは、軌道盤の表面の窒素富化層における残留オーステナイト量は１０ｖｏｌ％以下である。表面の窒素富化層における残留オーステナイト量を１０ｖｏｌ％以下とすることにより、高荷重下での転動疲労寿命や耐荷重性が向上すると共に、摩擦や摩耗を低減することができる。

好ましくは、軌道盤の表面の窒素富化層における炭化物の粒径は５μｍ以下である。これにより、高荷重下での転動疲労寿命や耐荷重性が向上すると共に、摩擦や摩耗を低減することができる。

この発明によれば、所定の化学成分の鋼板を出発材料として軌道盤を製造することにより、軌道盤の機械的性質が向上すると共に、低コストで転動疲労寿命、耐荷重性、および摺動特性が向上し、摩擦や摩耗を低減したスラストころ軸受を得ることができる。さらには、上記の斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受を採用することにより、長寿命で信頼性の高い斜板式コンプレッサを得ることができる。

図８〜図１０を参照して、この発明に係る斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受１１（以下「スラストころ軸受１１」という）を採用した斜板式コンプレッサ５１，６１，７１を説明する。なお、図８は片斜板タイプの斜板式コンプレッサ５１を示す図、図９は両斜板タイプの斜板式コンプレッサ６１を示す図、図１０は可変容量片斜板タイプの斜板式コンプレッサ７１を示す図である。

まず、図８を参照して、片斜板タイプの斜板式コンプレッサ５１は、ケーシング５２と、主軸５７と、片面傾斜板５８と、ピストン５９とを主に備える。この斜板式コンプレッサ５１は、例えば、カーエアコンの冷媒蒸気を圧縮するのに利用される。

ケーシング２２は、低圧室５５および高圧室５６を有するヘッドケース５３と、ピストン５９が往復運動するシリンダ５４ａを有するシリンダケース５４とをボルトによって固定している。

低圧室５５は、ヘッドケース５３に設けられた吸入ポート（図示省略）と、シリンダ５４ａに連通する吸入孔５５ａと、吸入孔５５ａから冷媒蒸気の逆流を防止する弁（図示省略）とを有する。そして、吸入ポートから吸入した冷媒蒸気を吸入孔５５ａを通じてシリンダ５４ａに供給する。

一方、高圧室５６は、ヘッドケース５３に設けられた吐出ポート（図示省略）と、シリンダ５４ａに連通する吐出口５６ａと、吐出口５６ａから冷媒蒸気の逆流を防止する弁５６ｂとを有する。そして、ピストン５９によって圧縮されたシリンダ５４ａ内部の冷媒蒸気が吐出口５６ａを通じて高圧室５６に排出される。

主軸５７は、ラジアルころ軸受５７ａによってケーシング５２に対して回転自在に支持されている。また、シリンダケース５４の内部で片面傾斜板５８を保持している。

片面傾斜板５８は、主軸５７の回転軸線に直交する平面に対して所定角度傾いた状態で主軸５７に固定連結されている。また、その円周上にはピストン５９がロッドによって連結されている。

ピストン５９は、片面傾斜板５８に連結されており、主軸５７の回転に伴ってシリンダ５４ａの内部を軸線方向（図８中の上下方向）に往復運動する。また、シリンダ５４ａとピストン５９と囲まれる領域には、冷媒蒸気を圧縮する圧縮室（図８では、圧縮室の容積は０となっている）が形成されている。

上記構成の斜板式コンプレッサ５１の動作を説明する。

まず、主軸５７が回転すると、片面傾斜板５８に取り付けられたピストン５９がシリンダ５４ａの内部を往復運動する。ピストン５９が圧縮室の容積を大きくする方向（図８中の下方向）に移動すると、吸入孔５５ａに設けられた弁が開放されて冷媒蒸気が低圧室５５から吸入孔５５ａを通って圧縮室に移動する。このとき、吐出口５６ａに設けられた弁５６ｂは閉鎖されて高圧室５６内の冷媒蒸気が圧縮室に逆流するのを防止している。

次に、ピストン５９が圧縮室の容積を小さくする方向（図８中の上方向）に移動すると、ピストン５９が圧縮室内の冷媒蒸気を圧縮すると共に、吐出口５６ａに設けられた弁５６ｂが開放されて圧縮された冷媒蒸気が吐出口５６ａを通って高圧室５６に移動する。このとき、吸入孔５５ａに設けられた弁は閉鎖されて圧縮室内の冷媒蒸気が低圧室５５に逆流するのを防止している。

上記構成の斜板式コンプレッサ５１は、主軸５２と一体回転する片面傾斜板５８の回転によって、ピストン５９が往復運動する。このとき、主軸５７の回転運動およびピストン５９の往復運動によってスラスト荷重が発生する。そこで、このスラスト荷重を支持することを目的として、片面傾斜板５８に接する位置にスラストころ軸受１１を配置する。

また、斜板式コンプレッサの他の形態として、図９に示すような主軸６７に固定した両面傾斜板６８でピストン６９を往復運動させる両斜板タイプの斜板式コンプレッサ６１、または、図１０に示すような主軸７７に角度可変に取り付けた傾斜板７８でピストン７９を往復運動させる可変容量片斜板タイプのコンプレッサ７１等がある。なお、基本構成は図８に示す斜板式コンプレッサ５１と共通するので、詳しい説明は省略する。

上記の斜板式コンプレッサ６１，７１についても、傾斜板６８，７８が、主軸６７，７７の回転運動およびピストン６９，７９の往復運動によってスラスト荷重を受けるので、傾斜板６８，７８は、スラストころ軸受１１で支持される。

次に、図１〜図６を参照して、この発明の一実施形態に係るスラストころ軸受１１およびスラストころ軸受１１の軌道盤１２，１３の製造方法を説明する。なお、図１はスラストころ軸受１１を示す図、図２は軌道盤１２，１３の出発材料となるみがき鋼板の主な製造工程を示すフロー図、図３は軌道盤１２，１３の主な製造工程を示すフロー図、図４は図１のＰ部の拡大図、図５は図１のＲ部の拡大図、図６は図１のＱ部の拡大図である。

まず、図１を参照して、スラストころ軸受１１は、複数のころ１４と、複数のころ１４を保持する保持器１５と、複数のころ１４を保持器１５の厚み方向から挟持する一対の軌道盤１２，１３とを備える。なお、この実施形態における軌道盤１２，１３の厚み寸法は、３ｍｍ以下である。

上記構成のスラストころ軸受１１は、単純な形式で負荷容量や剛性を大きくすることができる等の種々の利点を有する一方で、軌道盤１２，１３ところ１４との間に差動滑りが生じる。ころ１４は、その長さ方向中央部で純転がりとなり、両端に近づくにつれて相対滑りが直線的に増加する。特に、ころ１４はころ長さが長いので、ころ１４の両端部における周速の差が大きくなり、他の軸受に比べて滑り量が大きくなる。

このため、大きな差動滑りを生じる部分で軌道盤１２，１３の摩耗量が大きくなり、転走跡端部付近で表面起点型の剥離が生じる。特に、スラストころ軸受１１は、ころ本数が多く、内部空間が狭いため、潤滑油が軌道面に行き渡りにくい。その結果、他の軸受に比べて潤滑不足による表面起点型の剥離が発生しやすい。

また、上記構成のスラストころ軸受１１に採用される軌道盤１２，１３には、主軸５７，６７，７７の回転運動およびピストン５８，６８，７８の往復運動によって大きなスラスト荷重が負荷される。さらに、ころ１４が転動する軌道面には、所定の硬さや表面平滑性が求められる。

そこで、図２を参照して、このような環境で使用される軌道盤１２，１３の出発材料となる鋼板の製造方法を説明する。まず素材として、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素（Ｃ）と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）と、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）と、その他の不可避不純物および鉄（Ｆｅ）とを含む鋼片を用いる（Ｓ１１）。また、鋼中の酸素濃度は０．００１０ｗｔ％以下とする。

炭素（Ｃ）は、軌道盤１２，１３に必要な強度を確保するのに必要不可欠の元素である。なお、軌道盤１２，１３の表面および芯部の硬さをＨＲＣ５８以上とするためには０．９ｗｔ％以上の炭素が必要となる。一方、炭素含有量が１．２ｗｔ％を超えると、軌道盤１２，１３の表面に大型の炭化物が生成して転動疲労寿命および耐荷重性が低下すると共に、摩擦や摩耗が増大する。そこで、炭素含有量は０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の範囲内とするのが望ましい。なお、「ＨＲＣ」は、ロックウェル硬さを示す。

また、クロム（Ｃｒ）は、軌道盤１２，１３の焼入性や転動疲労寿命を改善し、炭化物による硬さを確保し、摩擦や摩耗を低減し、かつ耐荷重性を向上するのに必要不可欠な元素である。なお、所定の炭化物を得るためには１．２ｗｔ％以上のクロムが必要となる。一方、１．７ｗｔ％を超える量を添加しても著しい添加効果は認めらない。さらに、５．０ｗｔ％を超えると大型の炭化物を生成して転動疲労寿命や耐荷重性が低下すると共に、摩擦や摩耗が増大する。そこで、クロム含有量は１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％の範囲内とするのが望ましい。

また、マンガン（Ｍｎ）は、鋼を製造する際の脱酸に用いられる元素であって、軌道盤１２，１３の出発材料としては必要不可欠の元素である。なお、鋼中の酸素を十分に除去するためには０．１ｗｔ％以上のマンガンが必要となる。一方、０．５ｗｔ％を超えると材料が脆くなり、プレス加工時に軌道盤１２，１３が破損する恐れがある。そこで、マンガンの含有量は０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の範囲内とするのが望ましい。

また、シリコン（Ｓｉ）は、鉄鋼材料に不可避の元素であり、含有量の下限値を０．１５ｗｔ％としている。一方、０．３５ｗｔ％を超えるとプレス加工時に軌道盤１２，１３が破損する恐れがある。そこで、シリコンの含有量は０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％の範囲内とするのが望ましい。

さらに、酸素は、鋼中で酸化物を形成して非金属介在物として疲労破壊の起点となるので、転動疲労寿命や耐荷重性が低下すると共に、摩擦や摩耗が増大する。そこで、鋼中の酸素濃度は０．００１０ｗｔ％以下とするのが望ましい。

次に、熱間圧延加工によって上記の素材から鋼板を得る（Ｓ１２）。加熱状態で圧延することにより、巨大な鋳造組織が微細かつ良質な圧延組織となる。また、再結晶温度以上の温度領域で圧延することにより材料の加工硬化を防止することができるので、厚みを一気に薄くすることができる。

なお、熱間圧延工程の後に圧延加工された鋼板を焼鈍しする工程をさらに追加してもよい。焼鈍しによって結晶粒が微細化されると共に、結晶の方向性が調整されるので、表面の精度および加工性が向上する。

次に、防錆や鋼板の表面に付着した酸化被膜（スケール）の除去を目的として酸洗を行う（Ｓ１３）。酸洗によって酸化被膜を除去しておくことにより、以降の工程における生産効率および製品品質を向上することができる。なお、酸洗液には、塩酸、硫酸、硝酸等があり、５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の希塩酸水を４０℃〜５０℃程度で使用することが多い。

次に、冷間圧延加工によって、所定の寸法の鋼板を得ると共に、軌道盤１２，１３に必要な硬さや表面平滑性等の機械的性質を得る（Ｓ１４）。常温で圧延を行うことにより、正確に所定の板厚を得ることができると共に、高い平滑性が得られる。また、再結晶温度未満の温度領域で圧延を行うことにより鋼板が加工硬化するので、鋼板の硬度が向上する。

なお、軌道盤１２，１３の軌道面となる壁面は、ころ１４の円滑な転動の観点からＲｍａｘ≦１．６μｍの表面粗さが要求される。後述するように、軌道盤１２，１３の形状加工後は、面粗さの山が取れる程度のバレル加工しかできないため、冷間圧延工程後の表面粗さはＲｍａｘ≦２μｍとするのが望ましい。さらに、プレス成形時の破損を防止する観点から、冷間圧延工程後の硬さはＨｖ２２０以下とするのが望ましい。ここで、「Ｒｍａｘ」は最大高さを、「Ｈｖ」はビッカース硬さを示す。

ここで、冷間圧延工程によって得られる鋼板の表面粗さ、硬さ、および板厚は、圧延ロールの表面粗さ、圧延ロールの撓み、圧延率（圧延前後の板厚の比）、圧延ロール間の隙間（ギャップ）および回転速度等の影響を受ける。したがって、所望の表面粗さ、硬さ、および板厚を得るためには、これらの要素を適切に設定する必要がある。

また、上記の熱間圧延工程および冷間圧延工程は、それぞれ１回の圧延工程で所定の厚みを得ることとしてもよいが、粗圧延、中間圧延、および仕上圧延等、複数回に分けて所定の厚みを得ることとしてもよい。

次に、図３を参照して、この発明の一実施形態に係る軌道盤１２，１３を製造する方法を説明する。なお、図３は軌道盤１２，１３の主な製造工程を示すフロー図である。まず、図２を参照して説明した鋼板（みがき鋼板）を出発材料として採用する（Ｓ２１）。

次に、プレス加工によって鋼板を軌道盤１２，１３の形状に成形する（Ｓ２２）。上記の出発材料は、冷間圧延工程によって板厚や表面粗さ等が既に所望の状態になっているので、旋削加工等の工程を省略することが可能となる。その結果、製造工程を簡素化することができるので、スラストころ軸受１１の製造コストを低減することが可能となる。なお、このプレス加工工程は、１度のプレス加工によって所望の形状としてもよいが、プレス加工を複数回行って所望の形状を得ることとしてもよい。また、プレス加工後にバリ取り加工を行ってもよい。

次に、軌道盤１２，１３に必要な機械的性質を得るために、浸炭窒化処理と焼戻温度を２３０℃〜２８０℃とする高温焼戻とを含む熱処理を施す（Ｓ２３）。浸炭窒化処理を行うことにより、軌道盤１２，１３の表面層に窒素富化層が形成される。この窒素富化層は、転動疲労寿命や耐荷重性の向上、および摩擦や摩耗の低減に有効である。なお、「表面層」とは、軌道盤１２，１３の表面から厚さ５０μｍの層を指すものとする。

ここで、この表面の窒素富化層における窒素濃度は、０．１ｗｔ％〜０．９ｗｔ％の範囲内であることが望ましい。窒素濃度が０．１ｗｔ％未満となると上記の効果が低く、特に表面損傷寿命が低下する。一方、窒素濃度が０．９ｗｔ％を超えると、材料中にボイドと呼ばれる空孔を生じたり、残留オーステナイト量が多くなりすぎて硬度が低下し、短寿命となる。なお、窒素濃度は、例えば、ＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）で測定することができる。

また、高温焼戻を行うことにより、耐高温特性が向上するばかりでなく、残留オーステナイトが焼戻マルテンサイトと結晶粒の微細な炭化物（粒径５μｍ以下）とに分解される。これにより、特に高荷重条件での転動疲労寿命や耐荷重性の向上、および摩擦や摩耗の低減に有効である。

なお、残留オーステナイトを１０ｖｏｌ％以下とするためには焼戻温度を２３０℃以上とする必要がある。一方、焼戻温度が２８０℃以上になると、硬さＨＲＣ６０以下となって軌道盤１２，１３に必要な硬さを維持できないおそれがある。そこで、２３０℃〜２８０℃の範囲内で高温焼戻を行うのが望ましい。なお、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折によるマルテンサイトα（２１１）と、残留オーステナイトγ（２２０）の回折強度の比較で測定することができる。

また、転動疲労寿命および摺動特性を向上させる観点からは、球状化炭化物は多い程望ましい。具体的には、表面の窒素富化層における球状化炭化物の面積率を１０％〜２５％の範囲内に設定する。面積率が１０％未満になると、転動疲労寿命や摺動特性の向上効果はほとんど期待できない。一方、面積率が２５％を超えると、炭化物の粗大化や凝集によって材料の靭性が劣化する。なお、球状化炭化物の面積率は、研削後の転動面の表層５０μｍにおける値であって、材料表面をピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用いて腐食させた後、光学顕微鏡（４００倍）で観察することができる。また、本明細書中の「球状化炭化物」とは、炭化物のみならず窒化物をも含むものとする。

さらに、軌道盤１２，１３のみならず保持器１５にも高温焼戻しを施すのが望ましい。これにより、保持器１５の硬度をころ１２よりも低くすることができるので、組込時にころ１２の表面に凹みや傷が生じるのを防止することができる。

最後に、熱処理によって軌道盤１２，１３の表面に生じた酸化被膜（スケール）を除去する（Ｓ２４）。スケール除去加工としては、バレル処理やブラストクリーニング等の機械的方法と、前述した酸洗等の化学的方法がある。

ここで、「バレル処理」とは、容器（バレル）に軌道盤１２，１３、コンパウンド、およびメディアを入れた状態で、容器を回転若しくは振動させる処理である。この方法によれば、スケールを除去することができると共に、軌道盤１２，１３のバリ取りや表面粗さの改善効果も期待できる。前述の通り軌道盤１２，１３の出発材料の表面粗さは、冷間圧延工程後の段階で既にＲｍａｘ≦２μｍとなっているので、独立した研削工程を設けなくとも軌道盤１２，１３に必要な表面粗さＲｍａｘ≦１．６μｍを得ることができる。

また、上記工程を経て製造された軌道盤１２，１３の表面の負荷長さ率ｔｐ（以下「ＴＰ値」という）は９５％以上、表面粗さパラメータＲｓｋは、−２＜Ｒｓｋ＜０となっている。これにより、軌道盤１２，１３の表面にある程度の凹みを形成することができる。この凹みは油溜まりとして機能し、油膜形成能力、耐焼付き性、および耐摩耗性が向上する。

Ｒｓｋ＜０の状態とは軌道盤の表面に凸形状部が存在していない状態である。すなわち、スラストころ軸受１１の接触面をそれぞれＲｓｋ＜０とすれば、凸形状部同士の接触による応力集中を抑制することができる。一方、Ｒｓｋ≦−２になると、凹み部の周囲に微小な凸部が発生し初期摩耗が生じやすくなる。そこで、Ｒｓｋの値を上記範囲内とすることにより、油膜形成能力、耐焼付き性、および耐摩耗性が向上し、長寿命の軌道盤１２，１３を得ることができる。

なお、「負荷長さ率ｔｐ」は、ＪＩＳ規格（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ：Ｂ ０６０１−１９９４）で規定される表面粗さを示すパラメータである。また、負荷長さ率ｔｐの切断レベルを０．３μｍ、最大高さＲｙに対する比を５％とする。「Ｒｓｋ」は、ＪＩＳ規格（Ｂ ０６０１）で規定される表面粗さを示すパラメータである。

また、図４を参照して、軌道盤１２の軌道盤中心を通る径方向母線形状は、径方向内側領域１２ｂと、径方向中央領域１２ｃと、径方向外側領域１２ｄとに区分される。そして、径方向中央領域１２ｃは、径方向内側領域１２ｂおよび径方向外側領域１２ｄと比較して、断面高さが相対的に低くなっており、その最大高低差は３０μｍ以下に設定されている。なお、図４は縦方向を５００倍、横方向を５倍に拡大した図である。また、図４の右側が図１のころ軸受１１の中心側に対応し、図４の左側が図１のころ軸受の外周側に対応している。

このように、軌道盤１２の径方向中央領域１２ｃの断面高さをその他の部分より低くすることにより、潤滑油の流れを阻害することなく、均一な油膜を形成することができる。その結果、潤滑性に優れたスラストころ軸受１１を得ることができる。

また、従来の製造工程によって製造された軌道盤のように、研削加工によって軌道面を完全な平坦面とした場合、取付誤差等によって接触部分にエッジ応力を生じるおそれがある。これは、軌道盤の内縁部および外縁部で特に顕著である。

一方、軌道盤１２の表面を図４のような形状としたスラストころ軸受１１に荷重が作用すると、軌道盤１２の軌道面が弾性変形して、径方向内側領域１２ｂと径方向外側領域１２ｄとの最大高さの差が数μｍ（１μｍ〜９μｍ）程度に縮小する。その結果、局所的な接触面圧の低減、特に最も高い位置（図４では、「径方向内側領域１２ｂ」を指す）での接触面圧を低減することができる。

さらに、従来の製造工程によって製造された軌道盤は、熱処理によってうねりを生じる等、表面形状が不均一となっていた。これは、局所的な接触を助長させたり、潤滑油の流れを阻害したりするおそれがあった。しかし、図３に示したようなこの発明の一実施形態に係る製造工程によって製造された軌道盤１２では、焼戻処理（Ｓ２３）によって表面形状を均一な状態に矯正することができる。

なお、少なくとも軌道盤１２の一方側の表面、すなわちころ１４と接触する軌道面１２ａを上記の表面形状とすればこの発明の効果を得ることができる。また、軌道盤１３の表面も同様であるので、説明は省略する。

また、図５を参照して、上記工程で製造された軌道盤１２の表面には、厚み方向の一方側に平坦面１２ｅと、この平坦面１２ｅの縁から厚み方向深さが次第に大きくなるように傾斜する傾斜部１２ｆとが形成されている。

そして、平坦面１２ｅの縁から径方向に最も離れて位置する傾斜部先端を点Ａとし、平坦面１２ｅに向かって点Ａから径方向に０．３ｍｍ離れた位置を計測位置とすると、この計測位置における傾斜部１２ｆの厚み方向深さが、０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍとなるように設定する。なおこの実施形態においては、計測位置における厚み方向深さを０．１ｍｍとしている。また、軌道盤１２の全周において、計測位置における傾斜部１２ｆの厚み方向深さのばらつきは、４０μｍ以下に設定する。

上記数値範囲の最小値（０．０２ｍｍ）は、想定される接触面圧のエッジ応力を最大接触面圧以下に緩和できる値である。一方、最大値（０．３ｍｍ）は、軌道盤１２に作用する荷重により、バックアップ面に軌道盤形状が倣う際、反対面端部に生じるカエリ（盛上り）からの影響が及ばない値である。

なお、図１に示すスラストころ軸受１１における平坦面１２ｅとは、軌道盤１２のころ１４と接触する軌道面１２ａを指す。また、傾斜部１２ｆは、軌道面１２ａの内縁部および外縁部に形成される。さらには、軌道盤１２に孔が形成されている場合には、その外縁部にも傾斜部が形成される。なお、軌道盤１３も同様の構成であるので、説明は省略する。

さらに、図６を参照して、上記工程で製造された軌道盤１２には、その厚み方向一方側に軌道面１２ａが形成され、他方側に軌道面１２ａに平行な平坦面１２ｇと、この平坦面１２ｇの縁に平坦面１２ｇより厚み方向高さの高い縁部１２ｈとが形成される。

そして、平坦面１２ｇと縁部１２ｈとの厚み方向高さの差（以下「カエリ量」という）を０．０２ｍｍ以下に設定する。さらに、軌道盤１２の全域において、縁部１２ｈの厚み方向高さのばらつきを０．０１ｍｍ以下に設定する。

プレス加工によって形成される軌道盤１２において、縁部１２ｈのカエリ量を０とするのは極めて困難である。しかし、このカエリ量が０．０２ｍｍより大きくなると、たわみによる取付け誤差の影響から、縁部１２ｈのみが相手バックアップ面と接触する可能性が高くなる。この状態で荷重が負荷されると、軌道盤１２が撓んで軌道面１２ａところ１４との間のエッジ応力が増大し、回転不良やスラストころ軸受１１の損傷の原因となる。そこで、上記の問題を解消するために、上記の数値範囲を満たすのが望ましい。

なお、図１に示すスラストころ軸受１１における縁部１２ｈとは、軌道面１２ａと反対側の面の内縁部および外縁部を指す。また、軌道盤１３も同様の構成であるので、説明は省略する。

この発明によれば、軌道盤１２，１３の機械的性質が向上すると共に、転動疲労寿命、耐荷重性、潤滑性、油膜形成性、および耐焼付き性が向上し、摩擦や摩耗が低減される。その結果、長寿命で信頼性の高い斜板式コンプレッサ５１，６１，７１を得ることができる。

また、出発材料の製造工程（図２に示す工程）に冷間圧延工程を含めることによって、軌道盤１２，１３に必要な板厚、硬さ、および表面粗さ等を得ることができる。そうすると、軌道盤１２，１３の製造工程（図３に示す工程）において、旋削加工や研削加工の工程を省略することが可能となる。その結果、軌道盤１２，１３の製造工程が簡素化され、軌道盤１２，１３の製造コストを低減することができる。

また、熱処理後の研削加工を省略したことにより、軌道盤１２，１３の表面層に形成された窒素富化層を除去してしまうことがない。その結果、転動疲労寿命や耐荷重性が向上すると共に、摩擦や摩耗を低減した軌道盤１２，１３を得ることができる。さらに、窒素富化層における窒素濃度、残留オーステナイト量、および球状化炭化物の面積率が軌道盤１２，１３の厚み方向の一方側壁面と他方側壁面とでほぼ均一となる。具体的には、窒素濃度の差が０．２ｗｔ％以内、残留オーステナイト量の差が２ｖｏｌ％以内、そして球状化炭化物の面積率の差が５％以内となる。

次に、図７および表１を参照して、この発明の効果を確認するための試験について説明する。なお、図７は効果確認試験の試験装置４１の正面図（左側）および側面図（右側）、表１は試験片４４の組成および試験結果を示す。

まず、図７を参照して、試験装置４１は、片持ち梁４２にエアスライダ４３を介して取り付けられている試験片４４と、試験片４４の下面に当接し、回転軸４５の回転に伴って回転する回転部材４６と、試験片４４に荷重を負荷するウエイト４７と、荷重を測定するロードセル４８とを備える。なお、試験片４４と回転部材４６との当接部分には、５０Ｎ（最大接触面圧０．４９ＧＰａ）の荷重が負荷されている。

試験片４４は、図２および図３の工程を経て製造される。具体的には、図３の熱処理工程で、浸炭窒化処理と２８０℃での焼戻処理とを施した実施例１、浸炭窒化処理と２３０℃での焼戻処理とを施した実施例２、浸炭窒化処理と１８０℃での焼戻処理とを施した比較例１、および普通熱処理と１８０℃での焼戻処理とを施した比較例２の４種類を各１０個ずつ用意する。なお、各材料中の残留オーステナイト量（ｖｏｌ％）、窒素濃度（ｗｔ％）、および表面硬さ（ＨＲＣ）は、表１に示す。

また、試験片４４の表面は、表面粗さＲａが０．１０μｍ〜０．１５μｍの平坦面である。一方、回転部材４６の表面は、曲率半径が６０ｍｍの曲面であって、表面粗さＲａが０．０５μｍに設定されている。そして、試験片４４の回転部材４６との接触部分の形状は、長径０．６３ｍｍ、短径０．３１ｍｍの楕円形状（「接触楕円」という）である。

さらに、回転部材４６の下部は潤滑油に浸かっており、試験片４４と回転部材４６との当接部分を潤滑する。潤滑油としては、多目的油（ＶＧ６８）を使用する。また、油膜パラメータΛは、約０．３に設定する。

上記の試験条件の下、直径が４０ｍｍの回転軸４５を０．０５ｍ／ｓの速度（回転速度：２４ｒ／ｍｉｎ）で６０分間回転させたときの摩耗体積比を算出した。結果を表１に示す。なお、表１中の各値は１０個の試験片の平均値を示す。また、摩耗体積比は比較例２を基準とした値を示す。

表１を参照して、試験片４４中の残留オーステナイト量は、焼戻温度が高くなる程少なくなることが確認された。なお、比較例２の残留オーステナイト量が少ないのは、普通熱処理によるオーステナイト析出量が浸炭窒化処理と比較して少ないことに起因する。一方、表面硬さは、焼戻温度が高くなる程低くなった。これにより、焼戻は、２３０℃〜２８０℃の範囲内で、残留オーステナイト量を減少させる観点からは高温で、表面硬さを向上させる観点からは低温で焼戻処理を行うのが望ましい。

また、窒素濃度は、浸炭窒化処理を施した各材料（実施例１，２、比較例１）が０．３ｗｔ％〜０．４ｗｔ％であったのに対し、普通熱処理を施した比較例２が０ｗｔ％であった。

さらに、摩耗体積比は、浸炭窒化処理を施した各材料（実施例１，２、比較例１）が、普通熱処理を施した比較例２に対して低くなり、焼戻温度が高くなる程低くなった。これにより、浸炭窒化処理およびより高い温度での焼戻処理によって耐摩耗性が向上することが確認された。

次に、この発明の効果を確認するための他の試験について説明する。試験に用いた軸受は、ころ径３ｍｍ、軌道盤内径６０ｍｍ、軌道盤外径８５ｍｍ、軌道盤厚さ１．５ｍｍのころ軸受であって、ＴＰ値およびＲｓｋ値を変更した７種類のころ軸受（実施例３，４、比較例３〜７）である。

また、試験は、６０℃〜８０℃の雰囲気中で、１０００ｋｇｆの荷重を負荷した状態で、５０００（ｒ／ｍｉｎ）で回転させたときの寿命比を比較例５を基準として測定した。さらに、潤滑油としては、多目的油ＶＧ２（油膜パラメータ０．１）を用いた。試験に用いたころ軸受のＴＰ値、Ｒｓｋ値、および試験結果を表２に示す。

表２を参照して、ＴＰ値が大きくなる程、また、Ｒｓｋ値が小さくなる程、軸受寿命が延伸されることが確認された。また、ＴＰ値が同一であれば、Ｒｓｋ値が小さい程、軸受寿命は長くなる（実施例４、比較例３）。同様に、Ｒｓｋ値が同一であれば、ＴＰ値が大きい程、軸受寿命は長くなる（実施例４、比較例４）。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受の軌道盤等の製造に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係る斜板式コンプレッサ用スラストころ軸受を示す図である。 軌道盤を製造する主な工程を示すフロー図である。 鋼板から軌道盤を製造する主な工程を示すフロー図である。 図１のＰ部の拡大図である。 図１のＲ部の拡大図である。 図１のＱ部の拡大図である。 この発明の効果を確認するための試験装置を示す図である。 片斜板タイプの斜板式コンプレッサを示す図である。 両斜板タイプの斜板式コンプレッサを示す図である。 可変容量片斜板タイプの斜板式コンプレッサを示す図である。

符号の説明

１１ スラストころ軸受、１２，１３ 軌道盤、１２ａ，１３ａ 軌道面、１２ｂ 径方向内側領域、１２ｃ 径方向中央領域、１２ｄ 径方向外側領域、１２ｅ，１２ｇ 平坦面、１２ｆ 傾斜面、１２ｈ 縁部、１４ ころ、１５ 保持器、５１，６１，７１ 斜板式コンプレッサ、５２ ケーシング、５３ ヘッドケース、５４ シリンダケース、５４ａ シリンダ、５５ 低圧室、５５ａ 吸入孔、５６ 高圧室、５６ａ 吐出口、５６ｂ 弁、５７，６７，７７ 主軸、５７ａ ラジアルころ軸受、５８，６８，７８ 斜板、５８，６８，７８ ピストン。

Claims (7)

1. 主軸に固定された斜板を前記主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜板式コンプレッサの前記主軸の回転運動および前記ピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を支持するために配置されるスラストころ軸受であって、
   前記スラストころ軸受は、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤を備え、
   前記軌道盤の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における窒素濃度の差が０．２ｗｔ％以内である、スラストころ軸受。
2. 主軸に固定された斜板を前記主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜板式コンプレッサの前記主軸の回転運動および前記ピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を支持するために配置されるスラストころ軸受であって、
   前記スラストころ軸受は、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤を備え、
   前記軌道盤の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における残留オーステナイト量の差が２ｖｏｌ％以内である、スラストころ軸受。
3. 主軸に固定された斜板を前記主軸の周りに回転させることにより、ピストンを往復運動させる斜板式コンプレッサの前記主軸の回転運動および前記ピストンの往復運動に伴って発生するスラスト荷重を支持するために配置されるスラストころ軸受であって、
   前記スラストころ軸受は、０．９ｗｔ％〜１．２ｗｔ％の炭素と、１．２ｗｔ％〜１．７ｗｔ％のクロムと、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％のマンガンと、０．１５ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％のシリコンとを含有する高炭素鋼を冷間圧延して得られる表面粗さがＲｍａｘ≦２μｍのみがき帯鋼に熱処理を施して形成される軌道盤を備え、
   前記軌道盤の厚み方向一方側および他方側の壁面それぞれに形成された窒素富化層における球状化炭化物の面積率の差が５％以内である、スラストころ軸受。
4. 前記軌道盤の焼戻し温度は、２３０℃〜２８０℃の範囲内である、請求項１〜３に記載のスラストころ軸受。
5. 前記軌道盤の表面の窒素富化層における炭化物の面積率が１０％〜２５％である、請求項１〜４のいずれかにスラストころ軸受。
6. 前記軌道盤の表面の窒素富化層における残留オーステナイト量は、１０ｖｏｌ％以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のスラストころ軸受。
7. 前記軌道盤の表面の窒素富化層における炭化物の粒径は、５μｍ以下である、請求項１〜６のいずれかに記載のスラストころ軸受。

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