JP2010001190A - Roller bearing for gas turbine - Google Patents

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昌平 中村
Yosuke Oya
洋右 大矢
Katsutoshi Muramatsu
勝利 村松
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a roller bearing for a gas turbine, the rolling body of which can be made lightweight and improved in heat resistance while restraining a track member from being damaged due to vibration or impact. <P>SOLUTION: A ball 13, which constitutes a three-point contact ball bearing 1 for supporting a main shaft of the gas turbine or a rotating member to be rotated by the rotation of the main shaft while being rotated freely together with the main shaft or a member arranged to be opposed to the rotating member, consists of a sintered compact containing the β sialon being a main component, which is shown by compositional formula: Si<SB>6-z</SB>Al<SB>z</SB>O<SB>z</SB>N<SB>8-z</SB>and satisfies 0.1≤z≤3.5, and impurities of the remainder. The ball 13 has 180-270 GPa Young's modulus. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガスタービン用転がり軸受に関し、より特定的には、βサイアロンを主成分とする焼結体からなる構成部品を備えたガスタービン用転がり軸受に関するものである。   The present invention relates to a rolling bearing for a gas turbine, and more specifically, to a rolling bearing for a gas turbine provided with a component made of a sintered body containing β sialon as a main component.

ガスタービン装置は、燃料の燃焼により発生した燃焼ガスの膨張エネルギーにより、主軸を有するタービンを回転させる機構を有している。そして、当該タービンの主軸は、当該主軸に対向して配置される部材に対してガスタービン用転がり軸受である主軸用軸受により回転自在に支持されている。また、タービンの主軸の回転エネルギーは、ガスタービン装置に含まれる減速機を介して外部へと取り出される。この減速機の内部においては、種々のギア等の回転部材が回転しており、当該回転部材は、回転部材に対向して配置される部材に対してガスタービン用転がり軸受である減速機用軸受により回転自在に支持されている。   The gas turbine apparatus has a mechanism for rotating a turbine having a main shaft by expansion energy of combustion gas generated by combustion of fuel. And the main shaft of the turbine is rotatably supported by a main shaft bearing which is a rolling bearing for a gas turbine with respect to a member arranged to face the main shaft. Moreover, the rotational energy of the main shaft of the turbine is extracted to the outside through a reduction gear included in the gas turbine device. Inside the speed reducer, rotating members such as various gears rotate, and the rotating member is a gas turbine rolling bearing with respect to a member arranged to face the rotating member. It is supported rotatably by.

ここで、上記主軸や減速機内部の回転部材は、極めて高速で回転する。そのため、ガスタービン用転がり軸受に対しては、高速回転の環境下において高い耐久性が求められる。これに対し、たとえば潤滑剤の供給が止まった場合でも、所定時間回転を維持することが可能な転がり軸受が提案されている(たとえば特許文献1参照)。   Here, the main shaft and the rotating member inside the speed reducer rotate at an extremely high speed. Therefore, high durability is required for a gas turbine rolling bearing in a high-speed rotation environment. On the other hand, for example, a rolling bearing capable of maintaining rotation for a predetermined time even when the supply of lubricant is stopped has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、高速回転の環境下において使用されるガスタービン用転がり軸受においては、当該ガスタービン用転がり軸受を構成する転動体に作用する遠心力を低減するため、転動体の軽量化が求められる。さらに、特に主軸用軸受は、ガスタービンにおける燃料の燃焼に起因して、高温環境下で使用されることとなる。そのため、耐熱性の向上も求められる。   Further, in a rolling bearing for a gas turbine used in a high-speed rotating environment, the rolling element is required to be light in weight in order to reduce the centrifugal force acting on the rolling element constituting the rolling bearing for the gas turbine. Further, the main shaft bearing is used in a high temperature environment due to the combustion of fuel in the gas turbine. Therefore, improvement in heat resistance is also required.

これに対し、ガスタービン用転がり軸受の転動体として、窒化珪素製の転動体が採用される場合がある。窒化珪素は、転動体の素材として一般的に採用される鋼に比べて比重が小さいため、転動体の軽量化に寄与することができる。また、窒化珪素は、鋼に比べて高温での硬度の低下が小さいなど、耐熱性に優れているため、耐熱性の向上にも寄与することができる。したがって、ガスタービン用転がり軸受の転動体の素材として窒化珪素を採用することにより、上述の転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することができる。
特開2007−292117号公報
On the other hand, a rolling element made of silicon nitride may be employed as a rolling element for a gas turbine rolling bearing. Since silicon nitride has a smaller specific gravity than steel generally used as a material for the rolling elements, it can contribute to weight reduction of the rolling elements. In addition, since silicon nitride is excellent in heat resistance, such as a decrease in hardness at a high temperature compared with steel, it can contribute to improvement in heat resistance. Therefore, by adopting silicon nitride as the material for the rolling element of the gas turbine rolling bearing, the above-described rolling element can be reduced in weight and improved in heat resistance.
JP 2007-292117 A

一方、ガスタービン用転がり軸受に対しては、燃料の燃焼やタービンの回転に起因して振動や衝撃が作用する。ここで、窒化珪素は鋼に比べてヤング率が大きく、弾性変形しにくいという特徴がある。そのため、鋼製の転動体に比べて、窒化珪素製の転動体と軌道部材との接触面積は小さくなり、接触面圧が大きくなる傾向にある。そのため、ガスタービン用転がり軸受の転動体として窒化珪素製の転動体が採用されている場合、上記振動や衝撃に起因して、軌道部材に圧痕などの損傷が発生しやすくなる。軌道部材に圧痕などの損傷が発生した場合、早期焼付きなどの原因となる。つまり、ガスタービン用転がり軸受の転動体として窒化珪素製の転動体を採用した場合、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷が発生しやすいという問題があった。   On the other hand, vibration and impact act on the rolling bearing for the gas turbine due to fuel combustion and turbine rotation. Here, silicon nitride has a characteristic that it has a Young's modulus greater than that of steel and is difficult to elastically deform. For this reason, the contact area between the rolling element made of silicon nitride and the raceway member is smaller than the rolling element made of steel, and the contact surface pressure tends to increase. Therefore, when a rolling element made of silicon nitride is employed as the rolling element of the gas turbine rolling bearing, damage such as indentation is likely to occur in the race member due to the vibration and impact. If damage such as indentation occurs on the raceway member, it may cause premature seizure. That is, when a silicon nitride rolling element is used as a rolling element for a gas turbine rolling bearing, there is a problem that the raceway member is easily damaged due to vibration or impact.

そこで、本発明の目的は、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a rolling bearing for a gas turbine that can achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in heat resistance while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. is there.

本発明に従ったガスタービン用転がり軸受は、ガスタービンの主軸、または主軸の回転を受けて回転する部材である回転部材を、主軸または回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するガスタービン用転がり軸受である。このガスタービン用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている。より具体的には、たとえば転動体は、窒化珪素からなる場合に比べてヤング率が小さくなるセラミックスからなっている。   A rolling bearing for a gas turbine according to the present invention rotates a main shaft of a gas turbine or a rotating member that rotates by receiving the rotation of the main shaft with respect to a member arranged to face the main shaft or the rotating member. It is a rolling bearing for a gas turbine that is freely supported. This gas turbine rolling bearing includes a race member and a rolling element that contacts the race member and is disposed on an annular raceway. And the rolling element consists of ceramics which can suppress the impact with respect to a track member compared with the case where it consists of silicon nitride. More specifically, for example, the rolling element is made of ceramics having a Young's modulus smaller than that of silicon nitride.

本発明のガスタービン用転がり軸受によれば、衝撃が作用した場合でも軌道部材における損傷が抑制されるため、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受を提供することができる。   According to the rolling bearing for a gas turbine of the present invention, since damage to the race member is suppressed even when an impact is applied, the rolling element is reduced in weight and heat resistance while suppressing damage to the race member due to vibration or impact. It is possible to provide a rolling bearing for a gas turbine capable of achieving improvement in performance.

本発明の一の局面におけるガスタービン用転がり軸受は、ガスタービンの主軸、または主軸の回転を受けて回転する部材である回転部材を、主軸または回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するガスタービン用転がり軸受である。このガスタービン用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される。   A rolling bearing for a gas turbine according to an aspect of the present invention is directed to a main shaft of a gas turbine or a rotating member that is a member that rotates in response to the rotation of the main shaft with respect to a member that is disposed so as to face the main shaft or the rotating member. It is a rolling bearing for a gas turbine that is rotatably supported. This gas turbine rolling bearing includes a race member and a rolling element that contacts the race member and is disposed on an annular raceway. And a rolling element is comprised from the sintered compact which has (beta) sialon as a main component and consists of remainder impurities.

本発明の他の局面におけるガスタービン用転がり軸受は、ガスタービンの主軸、または主軸の回転を受けて回転する部材である回転部材を、主軸または回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するガスタービン用転がり軸受である。このガスタービン用転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される。   A rolling bearing for a gas turbine according to another aspect of the present invention relates to a main shaft of a gas turbine or a rotating member that is a member that rotates in response to the rotation of the main shaft with respect to a member that is disposed so as to face the main shaft or the rotating member. It is a rolling bearing for a gas turbine that is rotatably supported. This gas turbine rolling bearing includes a race member and a rolling element that contacts the race member and is disposed on an annular raceway. And a rolling element is comprised from the sintered compact which has (beta) sialon as a main component and consists of a remainder sintering auxiliary agent and an impurity.

本発明の一の局面におけるガスタービン用転がり軸受においては、転動体に軽量でかつ耐熱性に優れたセラミックスであるβサイアロン焼結体(βサイアロンを主成分とする焼結体)が採用されている。そのため、転動体の軽量化および耐熱性の向上が達成される。さらに、βサイアロン焼結体は、窒化珪素(Si)やアルミナ(Al)などの一般的なセラミックスからなる焼結体に比べてヤング率が小さい。そのため、ヤング率が高いことに起因した振動や衝撃による軌道部材の損傷を抑制することができる。以上のように、本発明の一の局面におけるガスタービン用転がり軸受によれば、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受を提供することができる。 In a rolling bearing for a gas turbine according to one aspect of the present invention, a β sialon sintered body (sintered body containing β sialon as a main component), which is a lightweight ceramic with excellent heat resistance, is employed as a rolling element. Yes. Therefore, weight reduction and heat resistance improvement of the rolling elements are achieved. Further, the β sialon sintered body has a Young's modulus smaller than a sintered body made of a general ceramic such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) or alumina (Al 2 O 3 ). Therefore, it is possible to suppress damage to the track member due to vibration and impact caused by the high Young's modulus. As described above, according to the rolling bearing for a gas turbine in one aspect of the present invention, it is possible to reduce the weight of the rolling element and improve the heat resistance while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. Therefore, it is possible to provide a rolling bearing for a gas turbine capable of achieving the above.

また、本発明の他の局面におけるガスタービン用転がり軸受は、基本的には上記本発明の一の局面におけるガスタービン用転がり軸受と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明の他の局面におけるガスタービン用転がり軸受では、焼結体が焼結助剤を含む点で上記本発明の一の局面におけるガスタービン用転がり軸受とは異なっている。本発明の他の局面におけるガスタービン用転がり軸受によれば、焼結助剤の採用により、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なガスタービン用転がり軸受を容易に提供することができる。   A gas turbine rolling bearing according to another aspect of the present invention basically has the same configuration as that of the gas turbine rolling bearing according to one aspect of the present invention, and exhibits the same effects. However, the gas turbine rolling bearing according to another aspect of the present invention is different from the gas turbine rolling bearing according to one aspect of the present invention in that the sintered body contains a sintering aid. According to the rolling bearing for a gas turbine in another aspect of the present invention, the adoption of the sintering aid makes it easy to lower the porosity of the sintered body, and can ensure sufficient durability stably. A rolling bearing for a gas turbine can be easily provided.

なお、焼結助剤としては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、チタン(Ti)、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を採用することができる。また、上記本発明の一の局面におけるガスタービン用転がり軸受と同等の作用効果を奏するためには、焼結助剤は、焼結体のうち20質量%以下とすることが望ましい。   As the sintering aid, at least one of magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), titanium (Ti), rare earth element oxide, nitride, and oxynitride is employed. be able to. In order to achieve the same effect as that of the rolling bearing for gas turbine according to one aspect of the present invention, the sintering aid is desirably 20% by mass or less in the sintered body.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Si6−ZAl8−Zの組成式で表され、0.1≦z≦3.5を満たす。 In the gas turbine rolling bearing, preferably, the β sialon is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z and satisfies 0.1 ≦ z ≦ 3.5.

本発明者は、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とβサイアロンの組成との関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られた。βサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程を採用することにより、上記zの値(以下、z値という)が0.1以上となる種々の組成を有するものを安価に製造することができる。そして、一般に転動疲労寿命に大きな影響を与える硬度は、製造の容易なz値4.0以下の範囲において、ほとんど変化しない。しかしながら、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とz値との関係を詳細に調査したところ、z値が3.5を超えると転動体の転動疲労寿命が低下することが分かった。   The inventor has investigated in detail the relationship between the rolling fatigue life of a rolling element made of a β sialon sintered body and the composition of β sialon. As a result, the following knowledge was obtained. By adopting a production process including combustion synthesis, β sialon can be produced inexpensively with various compositions having a value of z (hereinafter referred to as z value) of 0.1 or more. In general, the hardness that greatly affects the rolling fatigue life hardly changes in the range of the z value of 4.0 or less that is easy to manufacture. However, when the relationship between the rolling fatigue life of the rolling element made of β sialon sintered body and the z value is investigated in detail, when the z value exceeds 3.5, the rolling fatigue life of the rolling element may decrease. I understood.

より具体的には、z値が0.1以上3.5以下の範囲においては、転動疲労寿命はほぼ同等で、転がり軸受の運転時間が所定時間を超えると、転動体の表面に剥離が発生して破損する。これに対し、z値が3.5を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。つまり、z値が3.5となる組成を境界として、βサイアロンからなる転動体の破損モードが変化し、z値が3.5を超えると転動疲労寿命が低下するという現象が明らかとなった。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体において、安定して十分な寿命を確保するためには、z値を3.5以下とすることが好ましい。以上のように、上記βサイアロンを0.1≦z≦3.5を満たすものとすることにより、安価で、かつ耐久性に優れたガスタービン用転がり軸受を提供することができる。   More specifically, when the z value is in the range of 0.1 or more and 3.5 or less, the rolling fatigue life is substantially the same, and if the operation time of the rolling bearing exceeds a predetermined time, the surface of the rolling element is peeled off. Occurs and breaks. On the other hand, if the z value exceeds 3.5, the rolling elements are likely to be worn, resulting in a decrease in the rolling fatigue life. That is, it becomes clear that the failure mode of the rolling element made of β sialon changes with the composition having the z value of 3.5 as a boundary, and the rolling fatigue life decreases when the z value exceeds 3.5. It was. Therefore, in the rolling element made of β sialon sintered body, the z value is preferably set to 3.5 or less in order to ensure a stable and sufficient life. As described above, by making the β sialon satisfy 0.1 ≦ z ≦ 3.5, it is possible to provide a rolling bearing for a gas turbine that is inexpensive and excellent in durability.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Si6−ZAl8−Zの組成式で表され、0.5≦z≦3.0を満たす。 In the gas turbine rolling bearing, preferably, the β sialon is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z and satisfies 0.5 ≦ z ≦ 3.0.

これにより、振動や衝撃が作用した場合におけるガスタービン用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。   Thereby, the durability of the rolling bearing for gas turbine when vibration or impact is applied can be further improved.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、上記転動体のヤング率は180GPa以上270GPa以下である。   In the gas turbine rolling bearing, the Young's modulus of the rolling element is preferably 180 GPa or more and 270 GPa or less.

転動体のヤング率が高くなると、転動体を構成する素材(βサイアロン焼結体)の強度が上昇する傾向にある。しかし、その反面、転動体のヤング率が高くなると、転動体が弾性変形しにくくなるため、軌道部材との接触面積が小さくなり、接触面圧が高くなる。その結果、軌道部材に損傷が発生し易くなる。一方、転動体のヤング率が低くなると、転動体が弾性変形しやすくなるため、軌道部材との接触面積が大きくなり、接触面圧が低くなる。しかし、その反面、転動体のヤング率が低くなると、これに伴って転動体を構成する素材の強度が低下する傾向にある。そのため、転動体のヤング率は、転動体を構成する素材の強度と軌道部材との間における接触面圧の低減とのバランスを確保可能な範囲とすることが必要である。   When the Young's modulus of the rolling element increases, the strength of the material (β sialon sintered body) constituting the rolling element tends to increase. However, when the Young's modulus of the rolling element is increased, the rolling element is less likely to be elastically deformed, so that the contact area with the raceway member is reduced and the contact surface pressure is increased. As a result, the track member is likely to be damaged. On the other hand, when the Young's modulus of the rolling element becomes low, the rolling element is easily elastically deformed, so that the contact area with the raceway member increases and the contact surface pressure decreases. However, on the other hand, when the Young's modulus of the rolling element becomes low, the strength of the material constituting the rolling element tends to decrease. For this reason, the Young's modulus of the rolling element needs to be within a range in which a balance between the strength of the material constituting the rolling element and the reduction of the contact surface pressure between the race members can be secured.

より具体的には、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が180GPa未満の場合、転動体を構成する素材の強度低下の影響が接触面圧の低減の効果を上回り、転動体の転動疲労寿命が低下する。また、軌道部材との接触面積が増大することに伴い、軌道部材との間に作用する摩擦力が増加して軸受トルクが上昇するという問題も発生する。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、180GPa以上であることが好ましく、220GPa以上であることがより好ましい。   More specifically, when the Young's modulus of the rolling element made of β sialon sintered body is less than 180 GPa, the influence of the strength reduction of the material constituting the rolling element exceeds the effect of reducing the contact surface pressure, and the rolling element rolling Dynamic fatigue life is reduced. In addition, as the contact area with the raceway member increases, the frictional force acting between the raceway member and the bearing torque increases. Therefore, the Young's modulus of the rolling element made of the β sialon sintered body is preferably 180 GPa or more, and more preferably 220 GPa or more.

一方、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が270GPaを超えると、接触面圧の増加の影響が転動体を構成する素材の強度上昇の効果を上回り、軌道部材の転走面に圧痕などの損傷が発生しやすくなる。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、270GPa以下であることが好ましく、260GPa以下であることが好ましい。   On the other hand, if the Young's modulus of the rolling element made of β sialon sintered body exceeds 270 GPa, the effect of increasing the contact surface pressure exceeds the effect of increasing the strength of the material constituting the rolling element, and the indentation is formed on the rolling surface of the race member. Damage is likely to occur. Therefore, the Young's modulus of the rolling element made of the β sialon sintered body is preferably 270 GPa or less, and preferably 260 GPa or less.

上記ガスタービン用転がり軸受においては、軌道部材は鋼からなるものとすることができる。この場合、当該軌道部材の表面硬度はHV680以上であることが好ましい。これにより、振動や衝撃が作用した場合における軌道部材の損傷を抑制することができる。   In the gas turbine rolling bearing, the race member may be made of steel. In this case, the surface hardness of the track member is preferably HV680 or more. Thereby, damage to the track member when vibration or impact is applied can be suppressed.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、上記転動体は、軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している。   In the above-described rolling bearing for gas turbine, preferably, the rolling element has a dense layer that is a denser layer than the inside in a region including a rolling surface that is a surface in contact with the race member.

上述のβサイアロン焼結体からなる転動体においては、その緻密性が転動疲労寿命に大きく影響する。これに対し、上記構成によれば、転走面を含む領域に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されていることにより、転動疲労寿命が向上する。その結果、十分な耐久性を安定して確保することが可能なガスタービン用転がり軸受を提供することができる。   In the rolling element made of the above-described β sialon sintered body, the denseness greatly affects the rolling fatigue life. On the other hand, according to the said structure, a rolling fatigue life improves because the dense layer which is a layer denser than the inside is formed in the area | region containing a rolling surface. As a result, it is possible to provide a gas turbine rolling bearing capable of stably ensuring sufficient durability.

ここで、緻密性の高い層とは、焼結体において空孔率の低い(密度の高い)層であって、たとえば以下のように調査することができる。まず、βサイアロン焼結体からなる転動体の表面に垂直な断面において転動体を切断し、当該断面を鏡面ラッピングする。その後、鏡面ラッピングされた断面を光学顕微鏡の斜光(暗視野)にて、たとえば50〜100倍程度で撮影し、300DPI(Dot Per Inch)以上の画像として記録する。このとき、白色の領域として観察される白色領域は、空孔率の高い(密度の低い)領域に対応する。したがって、白色領域の面積率が低い領域は、当該面積率が高い領域に比べて緻密性が高い。そして、記録された画像を、画像処理装置を用いて輝度閾値により2値化処理した上で白色領域の面積率を測定し、当該面積率により、撮影された領域の緻密性を知ることができる。   Here, the high-density layer is a layer having a low porosity (high density) in the sintered body, and can be investigated as follows, for example. First, the rolling element is cut in a cross section perpendicular to the surface of the rolling element made of β sialon sintered body, and the cross section is mirror-wrapped. Thereafter, the mirror-wrapped cross section is photographed with oblique light (dark field) of an optical microscope at, for example, about 50 to 100 times and recorded as an image of 300 DPI (Dot Per Inch) or more. At this time, the white region observed as a white region corresponds to a region with high porosity (low density). Therefore, a region where the area ratio of the white region is low is denser than a region where the area ratio is high. The recorded image is binarized using a luminance threshold using an image processing apparatus, and then the area ratio of the white area is measured, and the density of the photographed area can be known from the area ratio. .

つまり、上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、上記焼結体は、転走面を含む領域に内部よりも白色領域の面積率の低い層である緻密層が形成されている。なお、上記撮影は、ランダムに5箇所以上で行ない、上記面積率は、その平均値で評価することが好ましい。また、上記焼結体の内部における上記白色領域の面積率は、たとえば15%以上である。また、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を一層向上させるためには、上記緻密層は100μm以上の厚みを有していることが好ましい。   That is, in the rolling bearing for a gas turbine, preferably, the sintered body is formed with a dense layer that is a layer having a lower area ratio of the white region than the inside in the region including the rolling surface. In addition, it is preferable to perform the said imaging | photography at 5 or more places at random, and to evaluate the said area ratio by the average value. Moreover, the area ratio of the said white area | region inside the said sintered compact is 15% or more, for example. In order to further improve the rolling fatigue life of the rolling element made of β sialon sintered body, the dense layer preferably has a thickness of 100 μm or more.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は7%以下である。   In the rolling bearing for a gas turbine, preferably, when the cross section of the dense layer is observed with oblique light of an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 7% or less.

白色領域の面積率が7%以下となる程度に上記緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明のガスタービン用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。   By improving the denseness of the dense layer to such an extent that the area ratio of the white region is 7% or less, the rolling fatigue life of the rolling element made of the β sialon sintered body is further improved. Therefore, the durability of the rolling bearing for a gas turbine of the present invention can be further improved by the above configuration.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、緻密層の表面を含む領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている。   Preferably, in the rolling bearing for a gas turbine, a highly dense layer that is a denser layer than the other regions in the dense layer is formed in the region including the surface of the dense layer.

緻密性のさらに高い高緻密層が緻密層の表面を含む領域に形成されることにより、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労に対する耐久性がより向上し、ガスタービン用転がり軸受の寿命を一層向上させることができる。   By forming a highly dense layer with higher density in the region including the surface of the dense layer, the durability against rolling fatigue of the rolling element made of β sialon sintered body is further improved, and the rolling bearing for gas turbine is improved. The lifetime can be further improved.

上記ガスタービン用転がり軸受において好ましくは、高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は3.5%以下である。   In the rolling bearing for a gas turbine, preferably, when the cross section of the highly dense layer is observed with oblique light of an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 3.5% or less.

白色領域の面積率が3.5%以下となる程度に上記高緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明のガスタービン用転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。   By improving the denseness of the highly dense layer to such an extent that the area ratio of the white region is 3.5% or less, the rolling fatigue life of the rolling element made of the β sialon sintered body is further improved. Therefore, the durability of the rolling bearing for a gas turbine of the present invention can be further improved by the above configuration.

以上の説明から明らかなように、本発明のガスタービン用転がり軸受によれば、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受を提供することができる。   As is apparent from the above description, according to the rolling bearing for a gas turbine of the present invention, it is possible to reduce the weight of the rolling element and improve the heat resistance while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. Therefore, it is possible to provide a rolling bearing for a gas turbine capable of achieving the above.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

(実施の形態1)
図1は、本発明の一実施の形態である実施の形態1におけるガスタービン用転がり軸受を備えたガスタービンであるターボファンエンジン(航空機用ガスタービンエンジン)の構成を示す概略断面図である。図1を参照して、本実施の形態におけるターボファンエンジンの構成について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a turbofan engine (aircraft gas turbine engine) that is a gas turbine provided with a rolling bearing for gas turbine according to the first embodiment of the present invention. With reference to FIG. 1, the structure of the turbofan engine in the present embodiment will be described.

図1を参照して、ターボファンエンジン70は、圧縮部71と、燃焼部72と、タービン部73とを備えている。そして、ターボファンエンジン70は、圧縮部71から、燃焼部72を通り、タービン部73に至るように配置された、低圧主軸74と、低圧主軸74の外周面を取り囲むように配置された高圧主軸77とを備えている。   With reference to FIG. 1, a turbofan engine 70 includes a compression unit 71, a combustion unit 72, and a turbine unit 73. The turbofan engine 70 is disposed so as to surround the outer peripheral surface of the low-pressure main shaft 74 and the low-pressure main shaft 74 disposed from the compression section 71 through the combustion section 72 to the turbine section 73. 77.

圧縮部71は、低圧主軸74に接続され、低圧主軸74から径方向外側に突出するように形成された複数のファンブレード75Aを有するファン75と、ファン75の外周側を取り囲むとともに燃焼部72に向けて延在するファンナセル76と、ファン75から見て燃焼部72側に配置されたコンプレッサ81とを含んでいる。コンプレッサ81は、低圧コンプレッサ81Aと、低圧コンプレッサ81Aから見て燃焼部72側に配置される高圧コンプレッサ81Bとを有している。低圧コンプレッサ81Aは、低圧主軸74に接続され、低圧主軸74側から径方向外側に向けて突出し、かつファン75側から燃焼部72に近づく方向に並べて配置される複数のコンプレッサブレード88を有している。また、高圧コンプレッサ81Bは、高圧主軸77に接続され、高圧主軸77側から径方向外側に向けて突出し、かつファン75側から燃焼部72に近づく方向に並べて配置される複数のコンプレッサブレード88を有している。さらに、低圧コンプレッサ81Aの外周側を取り囲むように、コアカウル78が配置されている。このコアカウル78とファンナセル76との間の環状の空間は、バイパス流路79を構成する。   The compression unit 71 is connected to the low pressure main shaft 74 and surrounds the fan 75 having a plurality of fan blades 75A formed so as to protrude radially outward from the low pressure main shaft 74, and the combustion unit 72. A fan nacelle 76 extending toward the end and a compressor 81 arranged on the combustion portion 72 side when viewed from the fan 75 are included. The compressor 81 includes a low-pressure compressor 81A and a high-pressure compressor 81B disposed on the combustion unit 72 side when viewed from the low-pressure compressor 81A. The low pressure compressor 81A has a plurality of compressor blades 88 connected to the low pressure main shaft 74, projecting radially outward from the low pressure main shaft 74 side, and arranged side by side in a direction approaching the combustion unit 72 from the fan 75 side. Yes. The high pressure compressor 81B has a plurality of compressor blades 88 connected to the high pressure main shaft 77, projecting radially outward from the high pressure main shaft 77 side, and arranged side by side in a direction approaching the combustion unit 72 from the fan 75 side. is doing. Further, a core cowl 78 is disposed so as to surround the outer peripheral side of the low-pressure compressor 81A. The annular space between the core cowl 78 and the fan nacelle 76 constitutes a bypass channel 79.

燃焼部72は、圧縮部71の高圧コンプレッサ81Bに接続され、燃料供給部材および点火部材(図示しない)を有する燃焼室82を含んでいる。タービン部73は、高圧タービン83Bと、高圧タービン83Bから見て燃焼部72とは反対側に配置される低圧タービン83Aとを有するタービン83を含んでいる。さらに、低圧タービン83Aから見て高圧タービン83Bとは反対側には、タービン83内の燃焼ガスを外部に排出するタービンノズル84が配置されている。低圧タービン83Aは、低圧主軸74に接続され、低圧主軸74側から径方向外側に向けて突出し、かつ燃焼室82側からタービンノズル84に近づく方向に並べて配置される複数のタービンブレード87を有している。また、高圧タービン83Bは、高圧主軸77に接続され、高圧主軸77側から径方向外側に向けて突出し、かつ燃焼室82側からタービンノズル84に近づく方向に並べて配置される複数のタービンブレード87を有している。   The combustion section 72 is connected to the high-pressure compressor 81B of the compression section 71, and includes a combustion chamber 82 having a fuel supply member and an ignition member (not shown). The turbine unit 73 includes a turbine 83 having a high-pressure turbine 83B and a low-pressure turbine 83A disposed on the opposite side of the combustion unit 72 when viewed from the high-pressure turbine 83B. Further, a turbine nozzle 84 for discharging the combustion gas in the turbine 83 to the outside is disposed on the opposite side of the low pressure turbine 83A from the high pressure turbine 83B. The low-pressure turbine 83A is connected to the low-pressure main shaft 74, has a plurality of turbine blades 87 that protrude radially outward from the low-pressure main shaft 74 side and are arranged side by side in a direction approaching the turbine nozzle 84 from the combustion chamber 82 side. ing. The high-pressure turbine 83B is connected to the high-pressure main shaft 77, protrudes radially outward from the high-pressure main shaft 77 side, and has a plurality of turbine blades 87 arranged side by side in a direction approaching the turbine nozzle 84 from the combustion chamber 82 side. Have.

そして、ターボファンエンジン70の主軸である低圧主軸74および高圧主軸77は、転がり軸受89により、低圧主軸74および高圧主軸77に対向して配置される部材に対して回転自在に支持されている。すなわち、転がり軸受89は、ガスタービンの主軸を、当該主軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するガスタービン用転がり軸受(主軸用軸受)である。   The low-pressure main shaft 74 and the high-pressure main shaft 77 that are main shafts of the turbofan engine 70 are rotatably supported by members that are opposed to the low-pressure main shaft 74 and the high-pressure main shaft 77 by rolling bearings 89. That is, the rolling bearing 89 is a gas turbine rolling bearing (main shaft bearing) that rotatably supports the main shaft of the gas turbine with respect to a member disposed so as to face the main shaft.

次に、本実施の形態におけるターボファンエンジン70の動作について説明する。図1を参照して、ファン75から見て燃焼部72とは反対側、すなわちターボファンエンジン70の前方側の空気は、低圧主軸74の軸周りに回転するファン75により、ファンナセル76に囲まれる空間に取り込まれる(矢印α)。取り込まれた空気の一部は、矢印βに沿った方向に流れ、バイパス流路79を通って空気噴流として外部に排出される。この空気噴流は、ターボファンエンジン70によって発生される推力の一部となる。   Next, the operation of the turbofan engine 70 in the present embodiment will be described. Referring to FIG. 1, air on the side opposite to the combustion portion 72 as viewed from the fan 75, that is, on the front side of the turbofan engine 70 is surrounded by the fan nacelle 76 by the fan 75 rotating around the axis of the low-pressure main shaft 74. (Arrow α). A part of the taken-in air flows in the direction along the arrow β and is discharged to the outside through the bypass channel 79 as an air jet. This air jet becomes part of the thrust generated by the turbofan engine 70.

一方、ファンナセル76に囲まれる空間に取り込まれた空気の残部は、矢印γに沿ってコンプレッサ81の内部に流入する。コンプレッサ81の内部に流入した空気は、低圧主軸74の軸周りに回転する複数のコンプレッサブレード88を有する低圧コンプレッサ81Aの内部を高圧コンプレッサ81Bに向けて流れることにより圧縮され、高圧コンプレッサ81Bに流入する。さらに、高圧コンプレッサ81Bに流入した空気は、高圧主軸77の軸周りに回転する複数のコンプレッサブレード88を有する高圧コンプレッサ81Bの内部を燃焼室82に向けて流れることによりさらに圧縮され、燃焼室82に流入する(矢印δ)。   On the other hand, the remaining portion of the air taken into the space surrounded by the fan nacelle 76 flows into the compressor 81 along the arrow γ. The air that has flowed into the compressor 81 is compressed by flowing inside the low-pressure compressor 81A having a plurality of compressor blades 88 rotating around the low-pressure main shaft 74 toward the high-pressure compressor 81B, and flows into the high-pressure compressor 81B. . Further, the air that has flowed into the high-pressure compressor 81B is further compressed by flowing toward the combustion chamber 82 through the inside of the high-pressure compressor 81B having a plurality of compressor blades 88 that rotate about the axis of the high-pressure main shaft 77, and enters the combustion chamber 82. Inflow (arrow δ).

コンプレッサ81において圧縮され、燃焼室82に流入した空気は、燃料供給部材(図示しない)により燃焼室内に供給された燃料と混合された上で、点火部材(図示しない)により点火される。これにより、燃焼ガスが燃焼室82内に発生する。この燃焼ガスは、燃焼室82から流出し、タービン83内に流入する(矢印ε)。   The air compressed in the compressor 81 and flowing into the combustion chamber 82 is mixed with fuel supplied into the combustion chamber by a fuel supply member (not shown) and then ignited by an ignition member (not shown). Thereby, combustion gas is generated in the combustion chamber 82. This combustion gas flows out of the combustion chamber 82 and flows into the turbine 83 (arrow ε).

タービン83内に流入した燃焼ガスは、高圧タービン83B内において、高圧主軸77に接続されたタービンブレード87に衝突することにより、高圧主軸77を軸周りに回転させる。これにより、高圧主軸77に接続されたコンプレッサブレード88を有する高圧コンプレッサ81Bが駆動される。さらに、高圧タービン83B内を通過した燃焼ガスは、低圧タービン83A内において、低圧主軸74に接続されたタービンブレード87に衝突することにより、低圧主軸74を軸周りに回転させる。これにより、低圧主軸74に接続されたコンプレッサブレード88を有する低圧コンプレッサ81Aと、低圧主軸74に接続されたファンブレード75Aを有するファン75とが駆動される。   The combustion gas flowing into the turbine 83 collides with the turbine blade 87 connected to the high-pressure main shaft 77 in the high-pressure turbine 83B, thereby rotating the high-pressure main shaft 77 around the axis. As a result, the high-pressure compressor 81B having the compressor blade 88 connected to the high-pressure main shaft 77 is driven. Further, the combustion gas that has passed through the high-pressure turbine 83B collides with the turbine blade 87 connected to the low-pressure main shaft 74 in the low-pressure turbine 83A, thereby rotating the low-pressure main shaft 74 around the axis. As a result, the low pressure compressor 81A having the compressor blade 88 connected to the low pressure main shaft 74 and the fan 75 having the fan blade 75A connected to the low pressure main shaft 74 are driven.

そして、低圧タービン83A内を通過した燃焼ガスは、タービンノズル84から外部へと排出される。この排出される燃焼ガスの噴流は、ターボファンエンジン70によって発生される推力の一部となる。   The combustion gas that has passed through the low-pressure turbine 83A is discharged from the turbine nozzle 84 to the outside. This jet of exhausted combustion gas becomes part of the thrust generated by the turbofan engine 70.

ここで、ターボファンエンジン70の内部において、低圧主軸74または高圧主軸77を、低圧主軸74または高圧主軸77に対向して配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受89は、ターボファンエンジン70において発生する熱の影響により、高温環境下で使用される。また、低圧主軸74または高圧主軸77の高速回転を支持するため、転動体の軽量化が求められる。さらに、転がり軸受89に対しては、燃料の燃焼やタービンの回転に起因して振動や衝撃が作用する。そのため、ガスタービン用転がり軸受(主軸用軸受)である転がり軸受89には、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが求められる。   Here, in the turbofan engine 70, a rolling bearing 89 that rotatably supports the low-pressure main shaft 74 or the high-pressure main shaft 77 with respect to a member disposed opposite to the low-pressure main shaft 74 or the high-pressure main shaft 77 is a turbofan. Under the influence of heat generated in the engine 70, it is used in a high temperature environment. Further, in order to support the high-speed rotation of the low-pressure main shaft 74 or the high-pressure main shaft 77, it is required to reduce the weight of the rolling elements. Furthermore, vibrations and impacts act on the rolling bearing 89 due to fuel combustion and turbine rotation. Therefore, in the rolling bearing 89 that is a rolling bearing for a gas turbine (main shaft bearing), it is possible to reduce the weight of the rolling element and improve the heat resistance while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. Desired.

これに対し、転がり軸受89が、以下に説明する実施の形態1におけるガスタービン用転がり軸受であることにより、上記要求を満たすことができる。   On the other hand, when the rolling bearing 89 is a rolling bearing for a gas turbine in the first embodiment described below, the above requirement can be satisfied.

図2は、実施の形態1におけるガスタービン用転がり軸受としての3点接触玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図3は、図2の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図2および図3を参照して、実施の形態1におけるガスタービン用転がり軸受としての3点接触玉軸受について説明する。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a three-point contact ball bearing as a gas turbine rolling bearing in the first embodiment. FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. With reference to FIG. 2 and FIG. 3, the three-point contact ball bearing as a rolling bearing for gas turbines in Embodiment 1 is demonstrated.

図2を参照して、3点接触玉軸受1は、軌道部材である環状の外輪11と、外輪11の内側に配置された軌道部材である環状の内輪12と、外輪11と内輪12との間に配置され、円環状の保持器14に保持された転動体としての複数の玉13とを備えている。外輪11の内周面には外輪転走面11Aが形成されており、内輪12の外周面には内輪転走面12Aが形成されている。そして、内輪転走面12Aと外輪転走面11Aとが互いに対向するように、外輪11と内輪12とは配置されている。   Referring to FIG. 2, a three-point contact ball bearing 1 includes an annular outer ring 11 that is a race member, an annular inner ring 12 that is a race member disposed inside the outer ring 11, and an outer ring 11 and an inner ring 12. And a plurality of balls 13 as rolling elements that are disposed between and held by an annular retainer 14. An outer ring rolling surface 11 </ b> A is formed on the inner circumferential surface of the outer ring 11, and an inner ring rolling surface 12 </ b> A is formed on the outer circumferential surface of the inner ring 12. And the outer ring | wheel 11 and the inner ring | wheel 12 are arrange | positioned so that 12A of inner ring | wheel rolling surfaces and 11A of outer ring | wheels may mutually oppose.

内輪12は、第1内輪121と第2内輪122とを含んでおり、軸方向中央部において分割された構造を有している。第1内輪121および第2内輪122の外周面には、それぞれ第1内輪転走面121Aおよび第2内輪転走面122Aが形成されている。この第1内輪転走面121Aおよび第2内輪転走面122Aは、内輪転走面12Aを構成する。さらに、複数の玉13は、外周面である玉転走面13Aにおいて、第1内輪転走面121A、第2内輪転走面122Aおよび外輪転走面11Aに接触可能となっており、かつ保持器14により周方向に所定のピッチで配置されることにより、円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、3点接触玉軸受1の外輪11および内輪12は、互いに相対的に回転可能となっている。   The inner ring 12 includes a first inner ring 121 and a second inner ring 122, and has a structure divided at the axially central portion. A first inner ring rolling surface 121A and a second inner ring rolling surface 122A are formed on the outer peripheral surfaces of the first inner ring 121 and the second inner ring 122, respectively. The first inner ring rolling surface 121A and the second inner ring rolling surface 122A constitute an inner ring rolling surface 12A. Further, the plurality of balls 13 can contact and hold the first inner ring rolling surface 121A, the second inner ring rolling surface 122A, and the outer ring rolling surface 11A on the ball rolling surface 13A that is the outer peripheral surface. By being arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction by the vessel 14, it is held so as to roll on an annular track. With the above configuration, the outer ring 11 and the inner ring 12 of the three-point contact ball bearing 1 can rotate relative to each other.

そして、本実施の形態における転動体としての玉13は、Si6−ZAl8−Zの組成式で表され、0.1≦z≦3.5を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が180GPa以上270GPa以下となっている。 Then, balls 13 serving as rolling elements in this embodiment is represented by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z, composed mainly of β-sialon satisfying 0.1 ≦ z ≦ 3.5 And the Young's modulus is 180 GPa or more and 270 GPa or less.

さらに、図3を参照して、玉13の転走面である玉転走面13Aを含む領域には、内部13Cよりも緻密性の高い層である玉緻密層13Bが形成されている。この玉緻密層13Bの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は7%以下である。以上の構成により、本実施の形態おける3点接触玉軸受1は、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受となっている。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。   Furthermore, with reference to FIG. 3, a ball dense layer 13 </ b> B that is a layer having a higher density than the inside 13 </ b> C is formed in a region including the ball rolling surface 13 </ b> A that is a rolling surface of the ball 13. When the cross section of the dense ball layer 13B is observed with oblique light from an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 7% or less. With the above configuration, the three-point contact ball bearing 1 in the present embodiment can achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in heat resistance while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. It is a rolling bearing for gas turbines. The impurities include inevitable impurities including those derived from raw materials or those mixed in the manufacturing process.

さらに、図3を参照して、玉緻密層13Bの表面である玉転走面13Aを含む領域には、玉緻密層13B内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である玉高緻密層13Dが形成されている。玉高緻密層13Dの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は3.5%以下となっている。これにより、玉13の転動疲労に対する耐久性がより向上し、3点接触玉軸受1の耐久性が一層向上している。   Further, referring to FIG. 3, the region including the ball rolling surface 13 </ b> A that is the surface of the ball dense layer 13 </ b> B has a high ball density that is a layer having a higher density than the other regions in the ball dense layer 13 </ b> B. Layer 13D is formed. When the cross section of the ball height dense layer 13D is observed with oblique light from an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 3.5% or less. Thereby, the durability with respect to rolling fatigue of the ball 13 is further improved, and the durability of the three-point contact ball bearing 1 is further improved.

なお、上記本実施の形態においては、3点接触玉軸受1を構成する玉13は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されていてもよい。焼結助剤を含むことで、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能な3点接触玉軸受1を、容易に提供することができる。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。   In the present embodiment, the balls 13 constituting the three-point contact ball bearing 1 may be composed of a sintered body mainly composed of β sialon and composed of the remaining sintering aid and impurities. By including a sintering aid, the porosity of the sintered body can be easily lowered, and the three-point contact ball bearing 1 that can stably ensure sufficient durability can be easily provided. . The impurities include inevitable impurities including those derived from raw materials or those mixed in the manufacturing process.

図4は、本実施の形態の変形例であるガスタービン用転がり軸受としての円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。また、図5は、図4の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図4および図5を参照して、本実施の形態の変形例である円筒ころ軸受について説明する。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a cylindrical roller bearing as a rolling bearing for a gas turbine which is a modification of the present embodiment. FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. With reference to FIG. 4 and FIG. 5, the cylindrical roller bearing which is a modification of this Embodiment is demonstrated.

図4を参照して、円筒ころ軸受2は、環状の外輪21と、外輪21の内側に配置された環状の内輪22と、外輪21と内輪22との間に配置され、円環状の保持器24に保持された転動体としての複数のころ23とを備えている。ころ23は、円筒形状を有している。外輪21の内周面には外輪転走面21Aが形成されており、内輪22の外周面には内輪転走面22Aが形成されている。そして、内輪転走面22Aと外輪転走面21Aとが互いに対向するように、外輪21と内輪22とは配置されている。さらに、複数のころ23は、外周面であるころ転走面23Aにおいて内輪転走面22Aおよび外輪転走面21Aに接触し、かつ保持器24により周方向に所定のピッチで配置されることにより、円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、円筒ころ軸受2の外輪21および内輪22は、互いに相対的に回転可能となっている。   Referring to FIG. 4, the cylindrical roller bearing 2 is disposed between an annular outer ring 21, an annular inner ring 22 disposed inside the outer ring 21, and the outer ring 21 and the inner ring 22. And a plurality of rollers 23 as rolling elements held by 24. The roller 23 has a cylindrical shape. An outer ring rolling surface 21 </ b> A is formed on the inner circumferential surface of the outer ring 21, and an inner ring rolling surface 22 </ b> A is formed on the outer circumferential surface of the inner ring 22. The outer ring 21 and the inner ring 22 are arranged so that the inner ring rolling surface 22A and the outer ring rolling surface 21A face each other. Further, the plurality of rollers 23 come into contact with the inner ring rolling surface 22A and the outer ring rolling surface 21A on the roller rolling surface 23A, which is the outer circumferential surface, and are arranged at a predetermined pitch in the circumferential direction by the cage 24. It is held on an annular track so as to be freely rollable. With the above configuration, the outer ring 21 and the inner ring 22 of the cylindrical roller bearing 2 can rotate relative to each other.

ここで、図5を参照して、本変形例における円筒ころ軸受2のころ23は玉13に該当し、同様の構成を有している。すなわち、ころ23は、Si6−ZAl8−Zの組成式で表され、0.1≦z≦3.5を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が180GPa以上270GPa以下となっている。また、ころ23は、玉13の内部13Cと同様の内部23Cを有するとともに、玉緻密層13Bおよび玉高緻密層13Dと同様のころ緻密層23Bおよびころ高緻密層23Dを有している。 Here, with reference to FIG. 5, the roller 23 of the cylindrical roller bearing 2 in this modification corresponds to the ball 13 and has the same configuration. In other words, the roller 23 is a sintered body that is mainly composed of β sialon that is expressed by a composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z and satisfies 0.1 ≦ z ≦ 3.5, and is composed of the remaining impurities. The Young's modulus is 180 GPa or more and 270 GPa or less. The roller 23 has an inner portion 23C similar to the inner portion 13C of the ball 13, and also includes a roller dense layer 23B and a roller high dense layer 23D similar to the ball dense layer 13B and the ball high dense layer 13D.

そのため、本変形例おける円筒ころ軸受2は、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐熱性の向上を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受となっている。   Therefore, the cylindrical roller bearing 2 in the present modification is a rolling bearing for a gas turbine that can achieve reduction in the weight of the rolling element and improvement in heat resistance while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. It has become.

次に、本実施の形態におけるガスタービン用転がり軸受の製造方法について説明する。図6は、本発明の一実施の形態におけるガスタービン用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図7は、本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。   Next, the manufacturing method of the rolling bearing for gas turbines in this Embodiment is demonstrated. FIG. 6 is a diagram showing an outline of a method for manufacturing a rolling bearing for a gas turbine in one embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 7 is a figure which shows the outline of the manufacturing method of the rolling element which consists of (beta) sialon sintered compact in one embodiment of this invention.

図6を参照して、本実施の形態におけるガスタービン用転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、外輪11,21、内輪12,22などが製造される。一方、転動体製造工程では、玉13、ころ23などが製造される。   Referring to FIG. 6, in the method for manufacturing a rolling bearing for a gas turbine in the present embodiment, first, a race member manufacturing process for manufacturing a race member and a rolling element manufacturing process for manufacturing a rolling element are performed. . Specifically, in the race member manufacturing process, the outer rings 11, 21 and the inner rings 12, 22 are manufactured. On the other hand, in the rolling element manufacturing process, balls 13, rollers 23, and the like are manufactured.

そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、ガスタービン用転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪11および内輪12と、玉13とを組み合わせることにより、3点接触玉軸受1が組立てられる。そして、転動体製造工程は、たとえば以下のβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法を用いて実施される。   And the assembly process which assembles the rolling bearing for gas turbines is implemented by combining the track member manufactured in the track member manufacturing process, and the rolling element manufactured in the rolling element manufacturing process. Specifically, the three-point contact ball bearing 1 is assembled by combining the outer ring 11 and the inner ring 12 and the ball 13, for example. And a rolling element manufacturing process is implemented using the manufacturing method of the rolling element which consists of the following (beta) sialon sintered compact, for example.

図7を参照して、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法においては、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。βサイアロン粉末準備工程においては、たとえば燃焼合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。   Referring to FIG. 7, in the method for manufacturing a rolling element made of a β sialon sintered body in the present embodiment, first, a β sialon powder preparation step of preparing β sialon powder is performed. In the β sialon powder preparation step, β sialon powder can be produced at low cost by, for example, a production step employing a combustion synthesis method.

次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合、省略することができる。   Next, a mixing step is performed in which a sintering aid is added to and mixed with the β sialon powder prepared in the β sialon powder preparation step. This mixing step can be omitted if no sintering aid is added.

次に、図7を参照して、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、転動体の概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、玉13、ころ23などの概略形状に成形された成形体が作製される。   Next, referring to FIG. 7, a forming step of forming the β sialon powder or a mixture of β sialon powder and a sintering aid into a schematic shape of a rolling element is performed. Specifically, by applying a molding technique such as press molding, cast molding, extrusion molding, rolling granulation, or the like to the above β sialon powder or a mixture of β sialon powder and a sintering aid, the ball 13 A molded body formed into a schematic shape such as the roller 23 is produced.

次に、上記成形体の表面が加工されることにより、当該成形体が焼結後に所望の転動体の形状により近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工などの加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に玉13、ころ23などの形状により近い形状になるように加工される。この焼結前加工工程は、成形工程において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の転動体の形状に十分近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。   Next, a pre-sintering processing step is performed in which the surface of the molded body is processed so that the molded body is shaped to be closer to the shape of the desired rolling element after sintering. Specifically, by applying a processing method such as green body processing, the molded body is processed so as to have a shape closer to the shape of the balls 13 and rollers 23 after sintering. This pre-sintering processing step can be omitted if the shape is sufficiently close to the shape of the desired rolling element after sintering at the stage where the molded body is formed in the forming step.

次に、図7を参照して、上記成形体が焼結される焼結工程が実施される。具体的には、上記成形体が、たとえば1MPa以下の圧力下でヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱などの加熱方法により加熱されて焼結されることにより、玉13、ころ23などの概略形状を有する焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、1550℃以上1800℃以下の温度域に上記成形体が加熱されることにより実施される。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素などが採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。   Next, referring to FIG. 7, a sintering step is performed in which the molded body is sintered. Specifically, the molded body is heated and sintered under a pressure of 1 MPa or less, for example, heating with a heater, electromagnetic wave heating with microwaves or millimeter waves, and the like, such as balls 13 and rollers 23. A sintered body having a schematic shape is produced. Sintering is performed by heating the molded body to a temperature range of 1550 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower in an inert gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen. As the inert gas, helium, neon, argon, nitrogen, or the like can be employed, but nitrogen is preferably employed from the viewpoint of reducing manufacturing costs.

次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、転動体を完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研磨することにより、転動体としての玉13、ころ23などを完成させる。以上の工程により、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体は完成する。   Next, a finishing process for completing the rolling elements is performed by performing a finishing process in which the surface of the sintered body produced in the sintering process is processed and a region including the surface is removed. Specifically, by polishing the surface of the sintered body produced in the sintering step, the balls 13, rollers 23, etc. as rolling elements are completed. Through the above steps, the rolling element made of the β sialon sintered body in the present embodiment is completed.

ここで、上記焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み500μm程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が7%以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み150μm程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が3.5%以下である高緻密層が形成される。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に転走面となるべき領域において150μm以下とすることが好ましい。これにより、玉転走面13Aやころ転走面23Aを含む領域に、高緻密層を残存させ、玉13およびころ23の転動疲労寿命を向上させることができる。   Here, as a result of sintering in the above-described sintering step, a region having a thickness of about 500 μm from the surface of the sintered body is denser than the inside, and when the cross section is observed with oblique light of an optical microscope, a white region is obtained. A dense layer in which the area ratio of the observed white region is 7% or less is formed. Furthermore, the region having a thickness of about 150 μm from the surface of the sintered body has a higher density than the other regions in the dense layer, and is observed as a white region when the cross section is observed with an oblique light of an optical microscope. A highly dense layer in which the area ratio of the white region is 3.5% or less is formed. Therefore, in the finishing step, it is preferable that the thickness of the sintered body to be removed is 150 μm or less particularly in a region to be a rolling surface. Thereby, a highly dense layer can remain in the region including the ball rolling surface 13A and the roller rolling surface 23A, and the rolling fatigue life of the ball 13 and the roller 23 can be improved.

なお、上記焼結工程は、βサイアロンの分解を抑制するため、0.01MPa以上の圧力下で行なうことが好ましく、低コスト化を考慮すると大気圧以上の圧力下で行なうことがより好ましい。また、製造コストを抑制しつつ緻密層を形成するためには、焼結工程は1MPa以下の圧力下で行なうことが好ましい。また、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率を180GPa以上270GPa以下の所望の値に調整するためには、たとえばβサイアロン粉末準備工程において準備されるβサイアロン粉末のz値を、0.1≦z≦3.5の範囲で調節すればよい。より具体的には、z値を増加させることにより、βサイアロン焼結体のヤング率を低下させることができる。   The sintering step is preferably performed under a pressure of 0.01 MPa or higher in order to suppress the decomposition of β sialon, and more preferably performed under a pressure of atmospheric pressure or higher in consideration of cost reduction. Moreover, in order to form a dense layer while suppressing manufacturing costs, the sintering process is preferably performed under a pressure of 1 MPa or less. Further, in order to adjust the Young's modulus of the rolling element made of the β sialon sintered body to a desired value of 180 GPa or more and 270 GPa or less, for example, the z value of the β sialon powder prepared in the β sialon powder preparation step is set to 0. What is necessary is just to adjust in the range of 1 <= z <= 3.5. More specifically, the Young's modulus of the β sialon sintered body can be decreased by increasing the z value.

また、上記実施の形態における外輪11,21および内輪12,22の素材としては、たとえばAISI規格M50、M50NiLなどの耐熱軸受用鋼、JIS規格SUJ2などの高炭素クロム軸受鋼、SCM420などの機械構造用合金鋼、S53Cなどの機械構造用炭素鋼などの鋼を採用することができる。   Further, as materials of the outer rings 11 and 21 and the inner rings 12 and 22 in the above embodiment, for example, heat-resistant bearing steels such as AISI standards M50 and M50NiL, high carbon chromium bearing steels such as JIS standards SUJ2, and mechanical structures such as SCM420 Steel such as alloy steel for use and carbon steel for machine structure such as S53C can be employed.

(実施の形態2)
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態2について説明する。図8は、実施の形態2におけるガスタービン用転がり軸受を備えたガスタービンの減速機であるエクスターナルギアボックスの構成を示す概略図である。
(Embodiment 2)
Next, Embodiment 2 which is another embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of an external gear box that is a reduction gear of the gas turbine including the gas turbine rolling bearing according to the second embodiment.

図8を参照して、エクスターナルギアボックス60は、航空機用ガスタービンエンジンであるターボファンエンジンの低圧主軸74(図1参照)の回転を外部に取り出すためのギアボックスである。このエクスターナルギアボックス60は、低圧主軸74の外周面に配置されたギア74Aに噛み合う複数のギア61Aと、ギア61Aに接続されたギアシャフト61と、ギアシャフト61を、ギアシャフト61に対向するように配置された部材(ハウジング)に対して回転自在に支持する玉軸受68およびころ軸受69とを備えている。また、エクスターナルギアボックス60は、ギア74Aに噛み合うギア61Aに接続されたギアシャフト61の回転を受けて回転するギアシャフト61も備えており、当該ギアシャフト61も、玉軸受68および/またはころ軸受69により、これに対向する部材に対して回転自在に支持されている。これにより、ガスタービンの低圧主軸74の回転を減速しつつ、ギアシャフト61の回転として取り出すことができる。そして、ギアシャフト61は、図示しないアクセサリーギアボックスに接続される。このアクセサリーギアボックスにおいてギアシャフト61の回転はさらに減速され、油圧ポンプ、ウォーターポンプ、発電機、エアコンプレッサなどの補機を駆動する。   Referring to FIG. 8, an external gear box 60 is a gear box for taking out the rotation of a low-pressure main shaft 74 (see FIG. 1) of a turbofan engine that is an aircraft gas turbine engine. The external gear box 60 has a plurality of gears 61A meshing with a gear 74A disposed on the outer peripheral surface of the low-pressure main shaft 74, a gear shaft 61 connected to the gear 61A, and the gear shaft 61 so as to face the gear shaft 61. Are provided with a ball bearing 68 and a roller bearing 69 which are rotatably supported with respect to a member (housing) disposed in the housing. The external gear box 60 also includes a gear shaft 61 that rotates in response to the rotation of the gear shaft 61 connected to the gear 61A that meshes with the gear 74A. The gear shaft 61 also includes a ball bearing 68 and / or a roller bearing. By 69, it is rotatably supported with respect to the member facing this. Thereby, it can take out as rotation of the gear shaft 61, decelerating rotation of the low-pressure main axis | shaft 74 of a gas turbine. The gear shaft 61 is connected to an accessory gear box (not shown). In this accessory gear box, the rotation of the gear shaft 61 is further decelerated, and drives auxiliary equipment such as a hydraulic pump, a water pump, a generator, and an air compressor.

ここで、ガスタービンの主軸の回転を受けて回転する回転部材であるギアシャフト61を、ギアシャフト61に対向するように配置される部材(ハウジング)に対して回転自在に支持するガスタービン用転がり軸受(減速機用軸受)である玉軸受68およびころ軸受69は、高速で回転する低圧主軸74の回転を受けて回転するギアシャフト61または当該ギアシャフト61の回転を受けて回転するギアシャフト61を支持するため、転動体の軽量化が求められる。さらに、玉軸受68およびころ軸受69に対しては、燃料の燃焼やタービンの回転に起因して振動や衝撃が作用する。そのため、ガスタービン用転がり軸受(減速機用軸受)である玉軸受68およびころ軸受69には、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化を達成することが求められる。   Here, the rolling for a gas turbine that rotatably supports a gear shaft 61 that is a rotating member that rotates in response to the rotation of the main shaft of the gas turbine with respect to a member (housing) disposed so as to face the gear shaft 61. A ball bearing 68 and a roller bearing 69 that are bearings (reduction gear bearings) are a gear shaft 61 that rotates in response to the rotation of the low-pressure main shaft 74 that rotates at high speed, or a gear shaft 61 that rotates in response to the rotation of the gear shaft 61. Therefore, it is required to reduce the weight of the rolling element. Further, vibration and impact are applied to the ball bearing 68 and the roller bearing 69 due to fuel combustion and turbine rotation. Therefore, in the ball bearing 68 and the roller bearing 69 which are gas turbine rolling bearings (reduction gear bearings), it is possible to reduce the weight of the rolling element while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. Desired.

これに対し、本実施の形態における玉軸受68およびころ軸受69は、それぞれ実施の形態1における3点接触玉軸受1および円筒ころ軸受2と同様の構成を有している。そのため、玉軸受68およびころ軸受69は、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化を達成することが可能なガスタービン用転がり軸受となっている。なお、本実施の形態における玉軸受68およびころ軸受69は、上記実施の形態1の3点接触玉軸受1と同様に製造することができる。   On the other hand, the ball bearing 68 and the roller bearing 69 in the present embodiment have the same configurations as the three-point contact ball bearing 1 and the cylindrical roller bearing 2 in the first embodiment, respectively. Therefore, the ball bearing 68 and the roller bearing 69 are rolling bearings for a gas turbine that can achieve a reduction in the weight of the rolling element while suppressing damage to the raceway member due to vibration or impact. In addition, the ball bearing 68 and the roller bearing 69 in the present embodiment can be manufactured in the same manner as the three-point contact ball bearing 1 in the first embodiment.

上記実施の形態においては、本発明のガスタービン用転がり軸受の一例として3点接触玉軸受および円筒ころ軸受について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られず、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受など種々の形式の転がり軸受に採用することができる。また、上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受の軌道部材として、外輪および内輪が採用される場合について説明したが、軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸、ハウジングなどの部材であってもよい。すなわち、軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。   In the above embodiment, the three-point contact ball bearing and the cylindrical roller bearing have been described as examples of the gas turbine rolling bearing of the present invention. However, the rolling bearing of the present invention is not limited to this, and a deep groove ball bearing or an angular ball bearing. It can be employed for various types of rolling bearings. In the above embodiment, the case where the outer ring and the inner ring are employed as the race members of the rolling bearing of the present invention has been described. However, the race member is a shaft used so that the rolling elements roll on the surface. Or a member such as a housing. That is, the raceway member should just be a member in which the rolling surface for a rolling element to roll was formed.

以下、本発明の実施例1について説明する。種々のz値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、z値と転動疲労寿命(耐久性)との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。   Embodiment 1 of the present invention will be described below. Rolling bearings having rolling elements made of β sialon sintered bodies having various z values were produced, and tests for investigating the relationship between the z value and the rolling fatigue life (durability) were conducted. The test procedure is as follows.

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でz値を0.1〜4の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施の形態において図7に基づいて説明した転動体の製造方法と基本的に同様の方法で、z値が0.1〜4である転動体を作製した。具体的な作製方法は以下のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム(住友化学株式会社製、AKP30)および酸化イットリウム(H.C.Starck社製、Yttriumoxide grade C)とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形(CIP)で加圧を行ない、球状の成形体を得た。   First, a method for producing a test bearing to be tested will be described. First, β sialon powder prepared by a combustion synthesis method with a z value in the range of 0.1 to 4 is prepared, and is basically the same as the rolling element manufacturing method described in the above embodiment based on FIG. The rolling element whose z value is 0.1-4 by the method was produced. A specific manufacturing method is as follows. First, β sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck Co., Ltd., Yttrium oxide grade C) as a ball mill Were mixed by wet mixing. Then, granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a sphere with a mold and further pressurized by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a spherical molded body.

引き続き当該成形体に対して1次焼結として常圧焼結を行なった後、圧力200MPaの窒素雰囲気中でHIP(Hot Isostatic Press;熱間静水圧焼結)処理することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、3/8インチセラミック球(JIS等級 G5)とした。そして、別途準備した軸受鋼(JIS規格SUJ2)製の軌道輪と組み合わせて、JIS規格6206型番の軸受を作製した(実施例A〜J)。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちz値が0である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた(比較例A)。   Subsequently, after performing atmospheric pressure sintering as primary sintering for the molded body, the sintered spheres are obtained by performing HIP (Hot Isostatic Press) in a nitrogen atmosphere at a pressure of 200 MPa. Manufactured. Next, lapping was performed on the sintered spheres to obtain 3/8 inch ceramic spheres (JIS grade G5). And the bearing of the JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring made from bearing steel (JIS standard SUJ2) prepared separately (Example AJ). For comparison, a rolling element made of silicon nitride, that is, a rolling element having a z value of 0 was also produced in the same manner as the rolling element made of β sialon, and similarly assembled to a bearing (Comparative Example A).

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたJIS規格6206型番の軸受に対し、最大接触面圧Pmax:3.2GPa、軸受回転数:2000rpm、潤滑:タービン油VG68(清浄油)の循環給油、試験温度:室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して転動体の破損状態を確認した。 Next, test conditions will be described. Maximum contact surface pressure P max : 3.2 GPa, bearing rotational speed: 2000 rpm, lubrication: circulating oil supply of turbine oil VG68 (clean oil), test temperature: room temperature for the JIS standard 6206 model bearing manufactured as described above A fatigue test was performed under the conditions of The vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when the rolling element is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as bearing life. In addition, after the test was stopped, the bearing was disassembled to confirm the damaged state of the rolling elements.

表1に本実施例の試験結果を示す。表1においては、各実施例および比較例における寿命が、比較例A(窒化珪素)における寿命を1とした寿命比で表されている。また、破損形態は、転動体の表面に剥離が発生した場合「剥離」、剥離が発生することなく表面が摩耗して試験が中止された場合「摩耗」と記載されている。   Table 1 shows the test results of this example. In Table 1, the life in each Example and Comparative Example is expressed as a life ratio with the life in Comparative Example A (silicon nitride) as 1. The damage form is described as “peeling” when peeling occurs on the surface of the rolling element, and “wearing” when the surface is worn without peeling and the test is stopped.

表1を参照して、z値が0.1以上3.5以下となっている本発明の実施例A〜Hでは、窒化珪素(比較例A)と比較して遜色ない寿命を有している。また、破損形態も窒化珪素の場合と同様に「剥離」となっている。これに対し、z値が3.5を超える実施例Iでは、寿命が低下するとともに、転動体に摩耗が観察される。すなわち、z値が3.8である実施例Iでは、最終的には転動体に剥離が発生しているものの、転動体における摩耗が影響し、寿命が低下したものと考えられる。さらに、z値が4である実施例Jにおいては、短時間に転動体の摩耗が進行し、転がり軸受の耐久性がさらに低下している。   Referring to Table 1, Examples A to H of the present invention in which the z value is 0.1 or more and 3.5 or less have a life comparable to that of silicon nitride (Comparative Example A). Yes. Further, the form of breakage is “peeling” as in the case of silicon nitride. On the other hand, in Example I in which the z value exceeds 3.5, the life is shortened and wear is observed on the rolling elements. That is, in Example I in which the z value is 3.8, it is considered that although the rolling element finally peeled off, the life of the rolling element was affected by the wear of the rolling element. Furthermore, in Example J in which the z value is 4, the wear of the rolling elements proceeds in a short time, and the durability of the rolling bearing is further reduced.

以上のように、z値が0.1以上3.5以下の範囲においては、βサイアロン焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受の耐久性は、窒化珪素の焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受とほぼ同等である。これに対し、z値が3.5を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。さらに、z値が大きくなると、βサイアロンからなる転動体の破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が一層低下することが明らかとなった。このように、z値を0.1以上3.5以下とすることにより、安価で、かつ耐久性に優れたβサイアロン焼結体からなる転動体が得られることが確認された。   As described above, when the z value is in the range of 0.1 to 3.5, the rolling bearing provided with the rolling element made of β sialon sintered body has the durability of the rolling element made of the silicon nitride sintered body. It is almost equivalent to a rolling bearing with On the other hand, if the z value exceeds 3.5, the rolling elements are likely to be worn, resulting in a decrease in the rolling fatigue life. Furthermore, it has been clarified that when the z value increases, the cause of breakage of the rolling element made of β sialon changes from “peeling” to “wear”, and the rolling fatigue life is further reduced. Thus, it was confirmed that a rolling element made of a β sialon sintered body that is inexpensive and excellent in durability can be obtained by setting the z value to 0.1 or more and 3.5 or less.

なお、表1を参照して、z値が3を超える3.5の実施例Hにおいては、転動体には僅かな摩耗が発生しており、寿命も実施例A〜Gに比べて低下している。このことから、十分な耐久性をより安定して確保するためには、z値は3以下とすることが望ましいといえる。   In addition, with reference to Table 1, in Example H in which the z value exceeds 3.5, a slight amount of wear has occurred in the rolling elements, and the service life has also decreased compared to Examples A to G. ing. From this, it can be said that the z value is desirably 3 or less in order to ensure sufficient durability more stably.

また、上記実験結果より、窒化珪素からなる転動体と同等以上の耐久性(寿命)を得るには、z値は2以下とすることが好ましく、1.5以下とすることが、より好ましい。一方、燃焼合成を採用した製造工程によるβサイアロン粉体の作製の容易性を考慮すると、十分に自己発熱による反応が期待できる0.5以上のz値を採用することが好ましい。   From the above experimental results, the z value is preferably 2 or less, and more preferably 1.5 or less, in order to obtain durability (life) equal to or greater than that of a rolling element made of silicon nitride. On the other hand, in view of the ease of production of β sialon powder by a production process employing combustion synthesis, it is preferable to employ a z value of 0.5 or more at which a reaction due to self-heating can be sufficiently expected.

以下、本発明の実施例2について説明する。種々のz値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、当該転がり軸受に対して衝撃が作用する環境下におけるz値と転動疲労寿命との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。   Embodiment 2 of the present invention will be described below. A test for producing a rolling bearing having rolling elements made of β-sialon sintered bodies having various z values and investigating the relationship between the z value and the rolling fatigue life in an environment in which an impact is applied to the rolling bearing. Was done. The test procedure is as follows.

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でz値を0.1〜3.5の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施例1と同様の方法で、z値が0.1〜3.5である転動体を作製した。そして、別途準備した様々な鋼材を素材として製作した軌道輪と組み合わせて、JIS規格6206型番の軸受を作製した(実施例A〜J)。軌道輪を構成する鋼としては、JIS規格SUJ2、SCM420、SCr420、S53C、S45C、S40CおよびAISI規格M50を採用した。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちz値が0である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた(比較例A)。   First, a method for producing a test bearing to be tested will be described. First, β sialon powder prepared by a combustion synthesis method with a z value in the range of 0.1 to 3.5 is prepared, and the z value is 0.1 to 3.5 by the same method as in Example 1 above. A rolling element was produced. And the bearing of the JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring produced using the various steel materials prepared separately as a raw material (Examples AJ). As steel constituting the race, JIS standards SUJ2, SCM420, SCr420, S53C, S45C, S40C and AISI standard M50 were adopted. For comparison, a rolling element made of silicon nitride, that is, a rolling element having a z value of 0 was also produced in the same manner as the rolling element made of β sialon, and similarly assembled to a bearing (Comparative Example A).

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたJIS規格6206型番の軸受に対し、最大接触面圧Pmax:2.5GPa、軸受回転数:500rpm、潤滑:タービン油VG68循環給油、加振条件:2500N(50Hz)、試験温度:室温の条件の下で運転する加振衝撃疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、軸受に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して軸受の破損状態を確認した。 Next, test conditions will be described. For the bearing of the JIS standard 6206 model number manufactured as described above, the maximum contact surface pressure P max : 2.5 GPa, the bearing rotation speed: 500 rpm, lubrication: turbine oil VG68 circulating oil supply, vibration conditions: 2500 N (50 Hz), Test temperature: An excitation shock fatigue test was performed under the condition of room temperature. The vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when the bearing is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as the lifetime of. In addition, after the test was stopped, the bearing was disassembled to confirm the damaged state of the bearing.

表2に本実施例の試験結果を示す。表2においては、各欄内の上段に各実施例および比較例における寿命が、軌道輪の材質をSUJ2とした場合の比較例A(窒化珪素)の寿命を1とした寿命比で表されている。また、各欄内の下段には、軸受の破損部位(軌道輪または玉)が記載されている。   Table 2 shows the test results of this example. In Table 2, the life in each example and comparative example is shown in the upper part of each column as a life ratio with the life of Comparative Example A (silicon nitride) as 1 when the material of the bearing ring is SUJ2. Yes. Moreover, the damaged part (bearing ring or ball) of the bearing is described in the lower part of each column.

表2を参照して、z値が0.5以上3.0以下となっている本発明の実施例C〜Hは、窒化珪素(比較例A)と比較して明確に長寿命となっている。ここで、表2に示すように、破損部位は窒化珪素の場合と同様に軌道部材(軌道輪)となっており、破損形態は剥離であった。これに対し、z値が3.0を超える実施例IおよびJでは、寿命が低下するとともに、転動体(玉)の破損(剥離)が先行する。すなわち、z値が3.25である実施例Iでは、衝撃の影響によりβサイアロン焼結体からなる軸受部品(玉)に損傷が生じ、寿命が低下したものと考えられる。さらに、z値が3.5である実施例Jおいては、さらに短時間に転動体の剥離が生じ、転がり軸受の耐久性が一層低下している。   Referring to Table 2, Examples C to H of the present invention having a z value of 0.5 or more and 3.0 or less clearly have a longer life than silicon nitride (Comparative Example A). Yes. Here, as shown in Table 2, the damaged part was a track member (track ring) as in the case of silicon nitride, and the damaged form was delamination. On the other hand, in Examples I and J in which the z value exceeds 3.0, the life is shortened and the rolling element (ball) is damaged (peeled) first. That is, in Example I in which the z value is 3.25, it is considered that the bearing part (ball) made of the β sialon sintered body is damaged due to the impact and the life is shortened. Furthermore, in Example J in which the z value is 3.5, the rolling elements are peeled off in a shorter time, and the durability of the rolling bearing is further reduced.

一方、z値が0.5より小さい実施例AおよびBでは、寿命が比較例Aとほぼ同じ程度にまで低下するとともに、軌道部材の破損(剥離)が先行する。すなわち、z値が0.25である実施例Bでは、z値が0(窒化珪素)である比較例Aとの物性の差が小さくなる。そのため、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、一方的に軌道部材側に損傷が生じ、窒化珪素焼結体からなる玉を採用した比較例A並みにまで寿命が低下したものと考えられる。   On the other hand, in Examples A and B in which the z value is smaller than 0.5, the lifetime is reduced to substantially the same level as in Comparative Example A, and the raceway member is preceded by breakage (peeling). That is, in Example B in which the z value is 0.25, the difference in physical properties from Comparative Example A in which the z value is 0 (silicon nitride) is reduced. Therefore, the collision between the ball made of the β sialon sintered body and the race member facing the ball unilaterally causes damage on the race member side, and the same as Comparative Example A employing the ball made of the silicon nitride sintered body. It is thought that the lifetime was reduced to

さらに、表2を参照して、z値が0.5以上3.0以下となっている場合であっても、相対する軌道輪の硬度(表面硬度)がHV680未満である場合、軌道輪の硬度がHV680以上の場合に比べて寿命が低下する傾向にある。これは、軌道輪の硬度が低い場合、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、軌道部材側に損傷が生じ易くなるためであると考えられる。   Furthermore, referring to Table 2, even when the z value is 0.5 or more and 3.0 or less, when the hardness (surface hardness) of the opposite bearing ring is less than HV680, The life tends to be shorter than when the hardness is HV680 or higher. This is thought to be because when the hardness of the raceway is low, damage to the raceway member is likely to occur due to the collision between the ball made of β sialon sintered body and the raceway member facing the ball.

以上のように、z値が3.0を超えるとβサイアロン焼結体からなる軸受部品自身が破損し易くなる一方、z値が0.5未満では、相手部材との間の接触面圧が増加し、相手部材に損傷が発生しやすくなる。そして、z値を0.5以上3.0以下とすることにより、転動体を構成する素材の強度と、軌道部材との間の接触面圧の低減とのバランスが確保される。その結果、軸受に対して衝撃が作用する環境下において、βサイアロン焼結体からなる転動体を含む転がり軸受の寿命が向上することが確認された。特に、軌道部材が鋼からなる場合、軌道部材の物性と転動体の物性とがほどよく調和して、衝撃、振動等による損傷の発生を抑制することができる。このように、転動体を構成するβサイアロンのz値を0.5以上3.0以下とすることにより、振動や衝撃が作用した場合における転がり軸受の耐久性を向上させることができることが確認された。   As described above, when the z value exceeds 3.0, the bearing part itself made of the β sialon sintered body is easily damaged, whereas when the z value is less than 0.5, the contact surface pressure between the mating member is low. It increases, and damage to the mating member is likely to occur. And by making z value 0.5 or more and 3.0 or less, the balance of the intensity | strength of the raw material which comprises a rolling element and the reduction of the contact surface pressure between track members is ensured. As a result, it was confirmed that the life of a rolling bearing including a rolling element made of a β sialon sintered body is improved in an environment in which an impact is applied to the bearing. In particular, when the race member is made of steel, the physical properties of the race member and the physical properties of the rolling elements are well matched, and the occurrence of damage due to impact, vibration, or the like can be suppressed. Thus, it was confirmed that the durability of the rolling bearing when vibration or impact is applied can be improved by setting the z value of β sialon constituting the rolling element to 0.5 or more and 3.0 or less. It was.

また、軌道部材が鋼からなる場合、当該軌道部材の損傷を抑制するため、軌道部材の表面硬度はHV680以上とすることが好ましいことが確認された。   In addition, when the race member is made of steel, it was confirmed that the surface hardness of the race member is preferably HV680 or more in order to suppress damage to the race member.

以下、本発明の実施例3について説明する。本発明のガスタービン用転がり軸受を構成するβサイアロンからなる転動体の緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。   Embodiment 3 of the present invention will be described below. A test was conducted to investigate the formation state of the dense layer and the highly dense layer of the rolling elements made of β sialon constituting the rolling bearing for gas turbine of the present invention. The test procedure is as follows.

はじめに、燃焼合成法で作製した組成がSiAlONであるβサイアロンの粉末(株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス)を準備し、上記実施の形態において図7に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で、一辺が約10mmの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム(住友化学株式会社製、AKP30)および酸化イットリウム(H.C.Starck社製、Yttriumoxide grade C)とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形(CIP)で加圧を行ない、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力0.4MPaの窒素雰囲気中で1650℃に加熱して焼結することで(常圧焼結)、上記立方体試験片を製造した。 First, a β sialon powder (product name: Melamix, manufactured by Isman Jay Co., Ltd.) having a composition of Si 5 AlON 7 prepared by a combustion synthesis method is prepared, and the rolling element described in the above embodiment based on FIG. A cubic test piece having a side of about 10 mm was produced in the same manner as in the manufacturing method. A specific manufacturing method is as follows. First, a β sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck Co., Ltd., Yttrium oxide grade C) as a ball mill Were mixed by wet mixing. Then, granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a predetermined shape with a mold and further pressed by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a molded body. Subsequently, the cube test piece was manufactured by heating and sintering the molded body at 1650 ° C. in a nitrogen atmosphere having a pressure of 0.4 MPa (atmospheric pressure sintering).

その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡(株式会社ニコン製、マイクロフォト−FXA)の斜光で観察し、倍率50倍のインスタント写真(フジフイルム株式会社製 FP−100B)を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて(解像度300DPI)パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト(三谷商事株式会社製 WinROOF)を用いて輝度閾値による2値化処理を行なって(本実施例での2値化分離閾値:140)、白色領域の面積率を測定した。   Thereafter, the test piece was cut, and the cut surface was lapped with a diamond lapping machine, and then mirror lapping with a chromium oxide lapping machine was performed to form a cross section for observation including the center of the cube. And the said cross section was observed with the oblique light of the optical microscope (the Nikon Corporation make, Microphoto-FXA), and the 50-times-magnification instant photograph (Fujifilm Corporation FP-100B) was image | photographed. Thereafter, the obtained photographic image was taken into a personal computer using a scanner (resolution: 300 DPI). And the binarization process by a brightness | luminance threshold value was performed using the image processing software (Mitani Corporation WinROOF) (binarization separation threshold value in a present Example: 140), and the area ratio of the white area | region was measured.

次に、試験結果について説明する。図9は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図10は、図9の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により2値化処理した状態を示す一例である。また、図11は、図9の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により2値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域(評価領域)を示す図である。図9において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。   Next, test results will be described. FIG. 9 is a photograph of the observation cross section of the test piece taken with an oblique light of an optical microscope. FIG. 10 is an example showing a state in which the image of the photograph in FIG. 9 is binarized by a luminance threshold using image processing software. Further, FIG. 11 shows a region (evaluation region) where image processing is performed when the image of the photograph of FIG. 9 is binarized by the luminance threshold using image processing software and the area ratio of the white region is measured. FIG. In FIG. 9, the upper side of the photograph is the surface side of the test piece, and the upper end is the surface.

図9および図10を参照して、上記実施の形態と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図11に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて3つの領域(最表面からの距離が150μm以内の領域、150μmを超え500μm以内の領域、500μmを超え800μm以内の領域)に分け、領域毎に画像解析を行なって白色領域の面積率を算出したところ、表3に示す結果が得られた。表3においては、図11に示した各領域を1視野として、無作為に撮影された5枚の写真から得られる5視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。   Referring to FIGS. 9 and 10, the test piece in this example manufactured by the same manufacturing method as that of the above embodiment has a layer with less white area than the inside in the area including the surface. I understand. And, as shown in FIG. 11, the photographed photograph image is divided into three regions according to the distance from the outermost surface of the test piece (region within 150 μm distance from the outermost surface, region within 150 μm and within 500 μm, When the area ratio of the white area was calculated by performing image analysis for each area and obtaining the area ratio of the white area, the results shown in Table 3 were obtained. In Table 3, the average value and the maximum value of the area ratio of the white area in five fields obtained from five photographs taken at random are shown with each field shown in FIG. 11 as one field of view. Yes.

表3を参照して、本実施例における白色領域の面積率は、内部において18.5%であったのに対し、表面からの深さが500μm以下である領域においては3.7%、表面からの深さが150μm以下の領域においては1.2%となっていた。このことから、上記実施の形態と同様の上記製造方法により作製された本実施例における試験片においては、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。   Referring to Table 3, the area ratio of the white region in the present example was 18.5% inside, whereas it was 3.7% in the region having a depth of 500 μm or less from the surface. It was 1.2% in the region where the depth from the region was 150 μm or less. From this, in the test piece in the present example produced by the above manufacturing method similar to the above embodiment, a dense layer and a highly dense layer having a white region less than the inside are formed in the region including the surface. It was confirmed.

以下、本発明の実施例4について説明する。本発明のガスタービン用転がり軸受を構成するβサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。   Embodiment 4 of the present invention will be described below. A test was conducted to confirm the rolling fatigue life of the rolling element made of the β sialon sintered body constituting the rolling bearing for gas turbine of the present invention. The test procedure is as follows.

まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がSiAlONであるβサイアロンの粉末(株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス)を準備し、上記実施の形態において図7に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で直径9.525mmの3/8インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム(住友化学株式会社製、AKP30)および酸化イットリウム(H.C.Starck社製、Yttriumoxide grade C)とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形(CIP)で加圧を行ない球状の成形体を得た。 First, a method for producing a test bearing to be tested will be described. First, a β sialon powder (product name: Melamix, manufactured by Isman Jay Co., Ltd.) having a composition of Si 5 AlON 7 prepared by a combustion synthesis method is prepared, and the rolling element described in the above embodiment based on FIG. A 3/8 inch ceramic sphere having a diameter of 9.525 mm was produced in the same manner as the production method described above. A specific manufacturing method is as follows. First, a β sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck Co., Ltd., Yttrium oxide grade C) as a ball mill Were mixed by wet mixing. Then, granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a sphere with a mold, and further pressurized by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a spherical molded body.

次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン体加工を行ない、引き続き当該成形体を圧力0.4MPaの窒素雰囲気中で1650℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、3/8インチセラミック球(転動体;JIS等級 G5)とした。そして、別途準備した軸受鋼(JIS規格SUJ2)製の軌道輪と組み合わせて、JIS規格6206型番の軸受を作製した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み(加工代)を8段階に変化させ、8種類の軸受を作製した(実施例A〜H)。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体(日本特殊陶業株式会社製 EC141)に対して、上述と同様にラッピング加工を行ない、別途準備した軸受鋼(JIS規格SUJ2)製の軌道輪と組み合わせて、JIS規格6206型番の軸受を作製した(比較例A)。ラッピング加工による加工代は0.25mmとした。   Next, the green body is processed so that the processing allowance after sintering becomes a predetermined dimension, and the green body is subsequently heated to 1650 ° C. in a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.4 MPa. By sintering, sintered spheres were produced. Next, lapping was performed on the sintered spheres to obtain 3/8 inch ceramic spheres (rolling elements; JIS grade G5). And the bearing of the JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring made from bearing steel (JIS standard SUJ2) prepared separately. Here, the thickness (processing allowance) of the sintered sphere removed by the lapping process on the sintered sphere was changed in eight stages, and eight types of bearings were produced (Examples A to H). On the other hand, for comparison, lapping is performed on sintered spheres (EC 141 manufactured by Nippon Special Ceramics Co., Ltd.) sintered by pressure sintering using raw material powders composed of silicon nitride and a sintering aid in the same manner as described above. Processing was performed, and a bearing of JIS standard 6206 model number was manufactured in combination with a bearing ring (JIS standard SUJ2) prepared separately (Comparative Example A). The machining allowance for lapping was 0.25 mm.

次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたJIS規格6206型番の軸受に対し、最大接触面圧Pmax:3.2GPa、軸受回転数:2000rpm、潤滑:タービン油VG68(清浄油)の循環給油、試験温度:室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに15個ずつとし、そのL10寿命を算出した上で、比較例Aに対する寿命比で耐久性を評価した。 Next, test conditions will be described. Maximum contact surface pressure P max : 3.2 GPa, bearing rotational speed: 2000 rpm, lubrication: circulating oil supply of turbine oil VG68 (clean oil), test temperature: room temperature for the JIS standard 6206 model bearing manufactured as described above A fatigue test was performed under the conditions of The vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when the rolling element is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as bearing life. The number of tests was 15 in each of the examples and the comparative examples, and after calculating the L 10 life, the durability was evaluated by the life ratio with respect to Comparative Example A.

表4に本実施例の試験結果を示す。表4を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を0.5mm以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例D〜Gの軸受の寿命は、比較例Aの寿命の1.5〜2倍程度となっていた。さらに、加工代を0.15mm以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例A〜Cの軸受の寿命は、比較例Aの寿命の3倍程度となっていた。このことから、本発明のガスタービン用転がり軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、本発明のガスタービン用転がり軸受は、βサイアロン焼結体からなる転動体の加工代を0.5mm以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、加工代を0.15mm以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。   Table 4 shows the test results of this example. Referring to Table 4, it can be said that the life of the bearings of the examples is all good considering the manufacturing cost and the like. The life of the bearings of Examples D to G in which the dense layer remains on the surface of the rolling element by setting the machining allowance to 0.5 mm or less is about 1.5 to 2 times the life of Comparative Example A. It was. Furthermore, the life of the bearings of Examples A to C in which the high-density layer remained on the surface of the rolling element by setting the machining allowance to 0.15 mm or less was about three times the life of Comparative Example A. From this, it was confirmed that the rolling bearing for gas turbine of the present invention is excellent in durability. In the rolling bearing for a gas turbine of the present invention, the machining cost of the rolling element made of β sialon sintered body is set to 0.5 mm or less, and the life is improved by leaving the dense layer on the surface. It was found that the lifetime was further improved by leaving the highly dense layer on the surface at 15 mm or less.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明のガスタービン用転がり軸受は、振動や衝撃に起因した軌道部材の損傷の抑制が求められるガスタービン用転がり軸受に、特に有利に適用され得る。   The rolling bearing for a gas turbine of the present invention can be applied particularly advantageously to a rolling bearing for a gas turbine that is required to suppress damage to the raceway member due to vibration or impact.

実施の形態1におけるガスタービン用転がり軸受を備えたターボファンエンジンの構成を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a turbofan engine including a gas turbine rolling bearing according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1における3点接触玉軸受の構成を示す概略断面図である。3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a three-point contact ball bearing in the first embodiment. FIG. 図2の要部を拡大して示す概略部分断面図である。FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. 2. 実施の形態1の変形例である円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a cylindrical roller bearing that is a modification of the first embodiment. 図4の要部を拡大して示す概略部分断面図である。FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view showing an enlarged main part of FIG. 4. 本発明の一実施の形態におけるガスタービン用転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the manufacturing method of the rolling bearing for gas turbines in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the manufacturing method of the rolling element which consists of (beta) sialon sintered compact in one embodiment of this invention. 実施の形態2におけるエクスターナルギアボックスの構成を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of an external gear box in a second embodiment. 試験片の観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the cross section for observation of a test piece with the oblique light of the optical microscope. 図9の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により2値化処理した状態を示す一例である。It is an example which shows the state which carried out the binarization process with the brightness | luminance threshold value using the image processing software for the photograph image of FIG. 画像処理を行なう領域(評価領域)を示す図である。It is a figure which shows the area | region (evaluation area | region) which performs image processing.

符号の説明Explanation of symbols

1 3点接触玉軸受、2 円筒ころ軸受、11,21 外輪、11A,21A 外輪転走面、12,22 内輪、12A,22A, 内輪転走面、13 玉、13A 玉転走面、13B 玉緻密層、13C,23C 内部、13D 玉高緻密層、14,24 保持器、23A ころ転走面、23B ころ緻密層、23D ころ高緻密層、60 エクスターナルギアボックス、61 ギアシャフト、61A ギア、68 玉軸受、69 ころ軸受、70 ターボファンエンジン、71 圧縮部、72 燃焼部、73 タービン部、74 低圧主軸、74A ギア、75 ファン、75A ファンブレード、76 ファンナセル、77 高圧主軸、78 コアカウル、79 バイパス流路、81 コンプレッサ、81A 低圧コンプレッサ、81B 高圧コンプレッサ、82 燃焼室、83 タービン、83A 低圧タービン、83B 高圧タービン、84 タービンノズル、87 タービンブレード、88 コンプレッサブレード、89 転がり軸受、121 第1内輪、122 第2内輪、121A 第1内輪転走面、122A 第2内輪転走面。   1 3-point contact ball bearing, 2 cylindrical roller bearing, 11, 21 outer ring, 11A, 21A outer ring rolling surface, 12, 22 inner ring, 12A, 22A, inner ring rolling surface, 13 balls, 13A ball rolling surface, 13B ball Dense layer, 13C, 23C inside, 13D ball high density layer, 14, 24 cage, 23A roller rolling surface, 23B roller dense layer, 23D roller high density layer, 60 external gearbox, 61 gear shaft, 61A gear, 68 Ball bearing, 69 Roller bearing, 70 Turbo fan engine, 71 Compression section, 72 Combustion section, 73 Turbine section, 74 Low pressure main shaft, 74A gear, 75 fan, 75A fan blade, 76 fan nacelle, 77 High pressure main shaft, 78 Core cowl, 79 Bypass channel, 81 compressor, 81A low pressure compressor, 81B high pressure compressor, 8 2 Combustion chamber, 83 turbine, 83A low pressure turbine, 83B high pressure turbine, 84 turbine nozzle, 87 turbine blade, 88 compressor blade, 89 rolling bearing, 121 first inner ring, 122 second inner ring, 121A first inner ring rolling surface, 122A Second inner ring rolling surface.

Claims (12)

ガスタービンの主軸、または前記主軸の回転を受けて回転する部材である回転部材を、前記主軸または前記回転部材に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するガスタービン用転がり軸受であって、
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて前記軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている、ガスタービン用転がり軸受。
A rolling bearing for a gas turbine that rotatably supports a main shaft of a gas turbine or a rotating member that is a member that rotates in response to the rotation of the main shaft with respect to a member that is disposed so as to face the main shaft or the rotating member. Because
A track member;
A rolling element that contacts the raceway member and is disposed on an annular raceway,
The rolling element for a gas turbine, wherein the rolling element is made of ceramics capable of suppressing an impact on the race member as compared with a case of silicon nitride.
前記転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される、請求項1に記載のガスタービン用転がり軸受。   2. The rolling bearing for a gas turbine according to claim 1, wherein the rolling element is composed of a sintered body mainly composed of β sialon and made of remaining impurities. 前記転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される、請求項1に記載のガスタービン用転がり軸受。   2. The rolling bearing for a gas turbine according to claim 1, wherein the rolling element is composed of a sintered body containing β sialon as a main component and the remaining sintering aid and impurities. 前記βサイアロンは、Si6−ZAl8−Zの組成式で表され、0.1≦z≦3.5を満たす、請求項2または3に記載のガスタービン用転がり軸受。 The β-sialon is represented by the composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z, satisfy 0.1 ≦ z ≦ 3.5, the rolling bearing for a gas turbine according to claim 2 or 3. 前記βサイアロンは、Si6−ZAl8−Zの組成式で表され、0.5≦z≦3.0を満たす、請求項2または3に記載のガスタービン用転がり軸受。 The β-sialon is represented by the composition formula of Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z, satisfy 0.5 ≦ z ≦ 3.0, the rolling bearing for a gas turbine according to claim 2 or 3. 前記転動体のヤング率は180GPa以上270GPa以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスタービン用転がり軸受。   The rolling bearing for a gas turbine according to claim 1, wherein a Young's modulus of the rolling element is 180 GPa or more and 270 GPa or less. 前記転動体のヤング率は220GPa以上260GPa以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスタービン用転がり軸受。   The rolling bearing for a gas turbine according to claim 1, wherein a Young's modulus of the rolling element is 220 GPa or more and 260 GPa or less. 前記軌道部材は鋼からなり、
前記軌道部材の表面硬度はHV680以上となっている、請求項1〜7のいずれか1項に記載のガスタービン用転がり軸受。
The track member is made of steel,
The rolling bearing for a gas turbine according to any one of claims 1 to 7, wherein the raceway member has a surface hardness of HV680 or more.
前記転動体は、前記軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している、請求項1〜8のいずれか1項に記載のガスタービン用転がり軸受。   9. The rolling element according to claim 1, wherein the rolling element has a dense layer, which is a dense layer than the inside, in a region including a rolling surface that is a surface in contact with the raceway member. The rolling bearing for gas turbines described in 1. 前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は7%以下である、請求項9に記載のガスタービン用転がり軸受。   The rolling bearing for a gas turbine according to claim 9, wherein when the cross section of the dense layer is observed with oblique light of an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 7% or less. 前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、請求項9または10に記載のガスタービン用転がり軸受。   The rolling for a gas turbine according to claim 9 or 10, wherein a high-density layer that is a layer having a higher density than other areas in the dense layer is formed in a region including the surface of the dense layer. bearing. 前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は3.5%以下である、請求項11に記載のガスタービン用転がり軸受。   The rolling bearing for a gas turbine according to claim 11, wherein when the cross section of the highly dense layer is observed with oblique light from an optical microscope, the area ratio of the white region observed as a white region is 3.5% or less.
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