JP2015064038A

JP2015064038A - 増減速機用転がり軸受および増減速機

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Publication number: JP2015064038A
Application number: JP2013197731A
Authority: JP
Inventors: 則暁三輪; Noriaki Miwa; 幸生松原; Yukio Matsubara
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: JP6294619B2

Abstract

【課題】風力発電装置等における増減速機内での使用に際し、水素脆性による転走面での早期剥離を効果的に防止できる増減速機用転がり軸受、および、これを用いた増減速機を提供する。【解決手段】入力軸２の回転を遊星歯車９を用いて増減速させて出力軸３に伝える増減速機において、油潤滑されながら遊星歯車９を回転自在に支持する増減速機用転がり軸受１７であり、内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の上記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえる。【選択図】図１

Description

本発明は、増速機用または減速機用の転がり軸受、および該転がり軸受を用いた増速機または減速機に関する。特に、風力発電装置に用いられる増速機に関する。

従来、種々の装置において転がり軸受を内部に用いた増速機または減速機（両者を総括して「増減速機」ともいう）が使用されており、例えば、産業機械減速機（循環給油）、ロボット減速機（油浴潤滑）、ミル用減速機（循環給油または油浴潤滑）、建設機械用減速機（油浴潤滑）、風力発電装置増速機（循環給油または油浴潤滑）などが挙げられる。括弧内は、転がり軸受を含むギヤ部等の油潤滑方式であり、細分化すれば油浴潤滑、ジェット給油、循環給油、オイルミスト潤滑、エアオイル潤滑、はねかけ給油、油圧作動油浸漬などがあるが、大別すると油浴潤滑か循環給油である。

上記の潤滑油に水が混入する条件下や、転がり軸受にすべりを伴う条件下で使用されると、水や潤滑油が分解して水素が発生する。この水素が鋼材中に侵入することで、水素脆性を起因とする早期損傷を起こすことがある。この理由は、接触要素間の接触面で金属接触が起き、金属新生面が露出すると、水や潤滑油の分解による水素の発生、および、該水素の鋼材中への侵入が促進されるからである。

一般的にこのような早期剥離の発生防止には、Ｃｒ含有率を高めた軸受鋼などを用いることが提案されている（特許文献１参照）。これは、鋼材中で含有率を高められたＣｒが転走面表面の酸素と結合し、転走面表面にＣｒの酸化被膜（不動態膜）を形成し、この酸化被膜が鋼中への水素の侵入を防ぎ、延いては水素脆性を起因とする早期剥離を防止するものである。

特開２０００−２８２１７８号公報

しかしながら、特許文献１の鋼材では、Ｃｒを多く添加することで炭化物が粗大化し、それが応力集中源となって早期剥離が起きることがある。また、不動態膜は水素の拡散を遅くする効果はあるが、発生した水素が鋼表面に吸着するのを促進する効果も併せ持つ。転がり軸受が間欠的に使われる場合は、停止時に水素が散逸しうるため、鋼中への水素の侵入を遅らせることは、早期剥離の防止に有効であることがある。しかしながら、増減速機内において連続して使われる場合は、不動態膜が多くの水素を吸着する分、鋼中に侵入する水素量が増すため、早期剥離が生じることになる。また、特殊鋼材はコスト高になり、また海外調達が困難である。さらに屋外用途においては、潤滑油中に水が浸入しやすくなる。これらの理由により、特許文献１の鋼材では、増減速機用転がり軸受における早期剥離を十分に抑制できず、その適用は困難である。

また、風力発電装置については、今後のニーズの更なる増加に伴う設置場所の自由度の減少や、エネルギーの転換トレンド、および風況解析の進展の観点により、従来では積極的に設置検討がなされていなかった洋上や山岳地帯（高地）などへ設置するケースが増加するものと考えられる。このような事情より、従来では考えにくかった過酷な使用環境でも、増速機内の転がり軸受等における上記剥離現象を防止することが望まれる。特に、装置へのアクセスも困難となることが予想されるため、上記剥離現象を長期にわたり防止し、メンテナンス頻度を減少させなければならないニーズも高まるものと考える。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、風力発電装置等における増減速機内での使用に際し、水素脆性による転走面での早期剥離を効果的に防止できる増減速機用転がり軸受、および、これを用いた増減速機の提供を目的とする。

本発明の増減速機用転がり軸受は、入力軸の回転を遊星歯車を用いて増減速させて出力軸に伝える増減速機において、油潤滑されながら上記遊星歯車を回転自在に支持する増減速機用転がり軸受であって、該軸受は、内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の前記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえることを特徴とする。なお、「最大径」とは、酸化物系介在物は略球形であるところ、主にその直径を意味し、任意の方向（例えば、圧延方向）に延伸している場合には、その最大径を意味する。

上記鋼材の成分組成は、Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下、Ｓｉ：０．３５質量％未満、Ｍｎ：０．５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満、残部が鉄および不純物であることを特徴とする。

上記軸受部材は、その表層に窒化処理が施されてなり、表面窒素濃度が０．０５〜０．６重量％であることを特徴とする。また、上記軸受部材の表面から０．０５ｍｍ深さの箇所と上記窒素が含まれていない深さの箇所とのビッカース硬度差ΔＨＶが６０以上であることを特徴とする。

本発明の増速機は、油潤滑される転がり軸受により回転自在に支持された遊星歯車を用いて、入力軸の回転を増減速させて出力軸に伝える増減速機であって、上記転がり軸受が、本発明の増減速機用転がり軸受であることを特徴とする。

上記増減速機は、ケーシング内に、旋回自在なキャリアと、該キャリアの周方向複数箇所に上記転がり軸受を介して支持された上記遊星歯車と、上記遊星歯車が噛み合う内歯のリングギヤと、該リングギヤと同心位置に回転自在に設けられて上記遊星歯車が噛み合う太陽歯車とを有し、上記入力軸が上記キャリアに固定され、上記出力軸が上記太陽歯車に固定された増速機であることを特徴とする。特に、上記増減速機は、風力発電装置に用いられる増速機であることを特徴とする。

本発明の増減速機用転がり軸受は、入力軸の回転を遊星歯車を用いて増減速させて出力軸に伝える増減速機において、油潤滑されながら上記遊星歯車を回転自在に支持する増減速機用転がり軸受であり、該転がり軸受は、内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、上記内輪、上記外輪、および上記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の上記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえる。このように、軸受部材の鋼材中に不可避に含まれる酸化物系介在物の多くが軟らかいＭｎＳで覆われていることにより、酸化物系介在物の周りに形成される引張応力場が緩和される。このため、増減速機内での使用に際して、鋼材内部に水素が集積しにくくなり、水素脆性を起因とする早期剥離を防止することができる。

本発明の増減速機は、上記転がり軸受を用いるので、該軸受における水素脆性を起因とする早期剥離を防止でき、該機器の寿命延長が図れる。このため、例えば、風力発電装置の増速機に適用することで、該装置へのアクセスが困難となる場合でもメンテナンス頻度を減少させることができる。

本発明の増減速機用転がり軸受を用いた増速機の断面図である。本発明の増減速機用転がり軸受の断面図である。介在物検査結果の代表例（比較例１および実施例１）を示す写真である。介在物検査結果の代表例（実施例２および実施例３）を示す写真である。超音波軸荷重疲労試験片の形状を示す図である。超音波軸荷重疲労試験結果を示す図である。急加減速運転パターンを示す図である。転走面からの深さ方向の断面硬度分布を示す図である。転走面からの深さ方向の断面窒素濃度分布を示す図である。

増減速機用転がり軸受における耐水素脆性を向上させるため、内輪、外輪、転動体などの軸受部材を構成する鋼材に不可避に含まれる酸化物系介在物に着目した。該軸受部材にすべりなどで摩耗が生じれば、新生面が形成され、混入した水や潤滑剤が分解し、水素が発生する。発生した水素の一部は、鋼中に侵入する。酸化物系介在物の周りには、引張応力場が形成される。水素は、引張応力場に集積する性質がある。これに対して、酸化物系介在物の多くを（４０％をこえる）軟らかいＭｎＳ（約１５０ＨＶ）で覆うことで、上記引張応力場を緩和し、水素を集積しにくくした。その結果、耐水素脆性が向上することを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。

特に、鋼材中に侵入する水素の中でも、拡散性水素が水素脆性の原因と考えられている。拡散性水素は、結晶粒界などにトラップされていない比較的自由に動き得る水素のことをいう。この拡散性水素は、室温で時間と共に鋼材中から外に放出されるものである。例えば、拡散性水素は、２００℃までの加熱で放出される水素と定義でき、非拡散性水素は、２００℃をこえる加熱温度ではじめて鋼材中から放出される水素と定義でき、拡散性水素と非拡散性水素との合計量が、鋼材中に侵入した水素の総量である。

軸受部材を構成する鋼材中において、酸化物系介在物は不可避的に含まれる。本発明の増減速機用転がり軸受では、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材の鋼材中の最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合（被覆率）が４０％をこえることを必須としている。被覆率を式で表すと以下のとおりとなる。

被覆率（％）＝（最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物の中でＭｎＳで覆われた酸化物系介在物の個数）／（最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物の全個数）×１００

また、被覆率は高い方が好ましく、５０％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。ここで、ＭｎＳで覆われているとは、ＭｎＳが酸化物系介在物を核として析出し、この酸化物系介在物の周りに巻き付いたような状態をいい、酸化物系介在物の周囲が完全に覆われている場合のみならず一部が覆われている場合を含む。また、ＭｎＳは圧延方向に引き伸ばされた線形状である。

被覆率の算出において、対象とする酸化物系介在物を、その最大径が３μｍ以上のものとしている。最大径が３μｍ未満の微細な酸化物系介在物の存在状態（ＭｎＳの被覆状態）は水素脆性を起因とする早期剥離にほぼ寄与しない。また、最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物は、光学顕微鏡によりその存在状態を容易に測定可能である。

また、対象とする酸化物系介在物の最大径の下限値をより大きくしてもよく、例えば、５μｍ以上、１０μｍ以上としてもよい。最大径が３μｍ以上の酸化物系介在物であれば、その最大径の下限値を大きくしても、上記被覆率は略同一となる。

酸化物系介在物のＭｎＳによる被覆率を上記範囲とする製造方法等は特に限定されない。一般的に、鋼材を連続鋳造する際のように冷却速度が速い場合には、酸化物系介在物と軟質介在物であるＭｎＳとが別々に析出し、被覆率は低くなりやすい。一方、鋼材をインゴット鋳造する際のように冷却速度が遅い場合には、酸化物系介在物が軟質介在物であるＭｎＳの析出の核となり、被覆率が高くなりやすい。

本発明において、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材に用いる鋼材の成分組成は、Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下、Ｓｉ：０．３５質量％未満、Ｍｎ：０．５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満、残部が鉄および不純物であることが好ましい。上記成分組成の詳細を以下に説明する。

Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下
Ｃ（炭素）は、鋼材の強度確保に必要な元素である。また、焼入性への影響も大きく、焼入硬化層の硬さおよび深さを高めて疲労強度の向上にも寄与する。上記範囲では、これらの効果を十分に得られる。

Ｓｉ：０．３５質量％未満
Ｓｉ（珪素）は、焼入加熱時にオーステナイト粒成長を抑制するため、本来は積極的に添加したいが、Ｓｉの添加により鍛造性、被削性が著しく劣化する。これらの観点より、０．３５質量％未満とする。

Ｍｎ：０．５質量％未満
Ｍｎ（マンガン）は、強度および焼き入れ性の向上に有効に寄与する元素である。また、Ｍｎが過剰であると、粒界に偏析して粒界割れを引き起こすと考えられるため、０．５質量％未満が適当である。

Ｓ：０．０２５質量％未満
Ｓ（硫黄）は、鋼材中でＭｎＳを形成する元素である。一方でオーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させ、疲労強度を低下させるおそれもある。これらの観点より、０．０２５質量％未満とする。

Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満
Ｃｒ（クロム）は、安定した炭化物を形成し、また焼入性を向上させて、強度、耐摩耗性、疲労強度の向上に寄与する元素である。一方、Ｃｒが過剰に含有されれば、鍛造性および被削性が低下する。これらの効果を十分に得るためには、上記範囲が適当である。

上記成分組成を有する鋼材としては、例えば、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２（ＪＩＳ規格）、ＳＵＪ２相当材である５２１００（ＡＩＳＩまたはＳＡＥ規格）、１００Ｃｒ６（ＤＩＮ規格）、ＧＣｒ１５（ＧＳＢ規格）等に準じたもの挙げられる。上記成分組成を満たす各鋼材であっても、上述の所定の被覆率（％）を満たさないものは本発明の増減速機用転がり軸受には使用できない。本発明の増減速機用転がり軸受では、上述の所定の被覆率（％）を満たし、かつ、上記成分組成を満たす鋼材を用いることが好ましい。

本発明において、内輪、外輪、および転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材に用いる鋼材は、表層に窒化処理を施すことが好ましい。内・外輪（軌道輪）については、該軌道輪の転走面に窒化処理を施す。窒化処理は、例えば、８５０℃の温度でＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気中で行われる。転走面に窒化処理を施して焼入することで、軌道輪が塑性変形しにくくなり、耐水素脆性が向上する。転走面の表面窒素濃度は、０．０５〜０．６重量％であることが好ましい。０．０５重量％未満では窒化による寿命向上の効果は得られない場合がある。一方、表面窒素濃度が０．６重量％をこえると、Ｃｒ炭窒化物が多く生成されるため、焼入性に寄与するＣｒ量が欠乏し、十分な焼入性が確保できないおそれがある。

窒化処理を施して焼入し、その後焼戻する。熱処理（焼入・焼戻条件）は、特に限定されず公知の条件を採用できる。例えば、まず、鋼材をＡ１点以上の所定の温度に加熱し、所定時間保持する。このとき、鋼材は、ＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気中等において加熱し、これにより鋼材表層に窒化処理を施す。その後、鋼材を油中等に浸漬することで、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却し、焼入硬化工程が完了する。さらに、焼入硬化された鋼材をＡ１点以下の温度である所定温度に加熱し、所定時間保持した後、例えば室温まで空冷することにより焼戻工程が完了する。以上の工程により、熱処理が完了する。

本発明の増減速機用転がり軸受は、大気に完全に解放された用途で使用する場合には、大気中からの水分の混入の可能性がある。また、油浴等の潤滑油が接触している雰囲気環境は、特に屋外で用いられる装置（増減速機を有する）においては、日々の寒暖、乾湿の変動により、マクロ的には装置が閉鎖されていたとしても、ミクロ的には開放系であるため、装置内外の環境間で常時呼吸していると考えられる。装置内に入り込んだ外気が高湿の場合、装置内に結露が生じ、潤滑油中に水分が混入する。また、風力発電装置のように、豪雨や強い風雨にさらされる場合には、さらに多くの水分が混入すると考えられる。また、転がり軸受は、その運動形態から、接触要素間で金属接触が起こり、すべりを伴う条件などで使用されるため、鋼材部材表面における金属新生面の露出により水素が鋼材中に侵入しやすい等、水素の影響を受けやすい部品である。

本発明の増減速機用転がり軸受を用いた増減速機の一例を図１に基づいて説明する。図１は風力発電装置における増速機の断面図である。増速機本体１は、入力軸２と出力軸３との間に、一次増速機となる遊星歯車機構６と、２次増速機７とを設けたものである。遊星歯車機構６は、入力軸２に固定されたキャリア８に遊星歯車９を設置し、遊星歯車９を、内歯のリングギヤ１０と太陽歯車１１に噛み合わせ、太陽歯車１１に固定された軸を中間出力軸１２とするものである。２次増速機７は、中間出力軸１２の回転を出力軸３に複数の歯車１３〜１６を介して伝達する歯車列からなる。遊星歯車９や、この遊星歯車９を支持する転がり軸受１７、リングギヤ１０、２次増速機７の歯車１３となる各部品が、ハウジング４内の潤滑油貯留槽４ａの潤滑油５内に浸漬される。潤滑油貯留槽４ａは、ポンプおよび配管からなる循環給油手段（図示せず）によって循環させられる。なお、循環給油手段は必ずしも設けなくてもよく、油浴潤滑形式としてもよい。

図１に示す構成において、入力軸２が回転すると、入力軸２と一体のキャリア８が旋回し、キャリア８の複数箇所に支持された遊星歯車９が公転移動する。この際、各遊星歯車９は、固定のリングギヤ１０に噛み合いながら公転することで自転を生じる。この公転しながら自転する遊星歯車９に太陽歯車１１が噛み合っており、太陽歯車１１は、入力軸２に対して増速されて回転する。太陽歯車１１は、２次増速機７の中間出力軸１２に設けられたものであり、太陽歯車１１の回転が２次増速機７で増速されて出力軸３に伝えられる。このように入力軸２に入力される風車主軸（図示せず）の回転が、遊星歯車機構６と２次増速機７とで大幅に増幅されて出力軸３に伝えられ、出力軸３からは発電が可能な高速回転が得られる。なお、この態様では増速用の例を説明したが、減速用のものとしてもよい。その場合、太陽歯車１１が入力側となり、キャリア８が出力側となる。

遊星歯車９および転がり軸受１７は、キャリア８の旋回により公転して底に位置した時に潤滑油貯留槽４ａの潤滑油５内に浸かり、潤滑油が供給される。潤滑油としては特に限定されず、増減速機用の公知のギア油等を用いることができる。

上記の転がり軸受１７が本発明の増減速機用転がり軸受である。該転がり軸受を図２に基づいて説明する。図２は転がり軸受（円筒ころ軸受）の断面図である。転がり軸受１７は、外周面に内輪転走面を有する内輪１８と内周面に外輪転走面を有する外輪１９とが同心に配置され、内輪転走面と外輪転走面との間に複数個の転動体（円筒ころ）２０が配置される。内輪１８、外輪１９、および転動体２０の少なくとも１つが、上述の所定鋼材から構成される。図に示す転がり軸受１７は、保持器を用いない総ころ型の軸受とされているが、必要に応じて転動体を保持する保持器を設けてもよい。また、外輪１９は両鍔付きであり、内輪１８は鍔無しとされている。これとは逆に外輪１９を鍔無しとし、内輪１８を両鍔付きとしてもよい。

上記転がり軸受において、転動体２０は、コスト高になるが、水素脆性を示さない窒化珪素製とすることもできる。また、保持器を設ける場合、通電が起きる条件下では、鋼製や銅合金製の金属製保持器を採用することで、樹脂製保持器よりも水素脆性起因の早期剥離が起きにくくできる。

本発明の増減速機用転がり軸受として円筒ころ軸受を例示したが、上記以外の円すいころ軸受、自動調心ころ軸受、針状ころ軸受などのころ軸受、または深溝玉軸受などの玉軸受とすることもできる。

本発明の増減速機用転がり軸受を実施例により具体的に説明するが、これらの例によって何ら限定されるものではない。

＜化学成分分析＞
表１に、実施例および比較例の鋼材について、それぞれの化学成分を示す。比較例１の鋼材は連続鋳造により、実施例１〜３の鋼材はインゴット鋳造により、それぞれ製造したものである。表中の被覆率は、後述の介在物検査結果における、酸化系介在物がＭｎＳによって覆われていた割合（％）である。比較例１（従来鋼）と実施例１〜３（開発鋼）とで化学成分自体に大きな違いはないが、被覆率は異なる。

＜介在物検査＞
介在物検査は、鋼材断面の３０ｍｍ×３０ｍｍの面積（被検面積９００ｍｍ²）を観察して検出された酸化物系介在物（最大径が３μｍ以上のもの）のうち、それぞれがＭｎＳで覆われているかを判断した。ここで、鋼材断面（表面）を観察して検出された酸化物系介在物とは、該断面（表面）に露出している酸化物系介在物である。比較例１（上図）および実施例１（下図）の代表例の写真を図３に、実施例２（上図）および実施例３（下図）の代表例の写真を図４に、それぞれ示す。各図において、各サンプル略中央の黒点またはこれが引き伸ばされたものが酸化物系介在物であり、その周囲を覆う薄い線状物がＭｎＳである。

比較例１は４０７１個中９８８個（被覆率２４％）、実施例１は３９８５個中１６２０個（被覆率４１％）、実施例２は４１０３個中２１３７個（被覆率５２％）、実施例３は４２６７個中４００５個（被覆率９４％）が、ＭｎＳで覆われていた。

＜超音波軸荷重疲労試験＞
超音波軸荷重疲労試験は、超音波振動により試験片を共振状態にして、繰返し応力を発生させ、試験片の疲労強度を短時間で求めることができる疲労試験である。このため、鋼材中に侵入した水素が散逸する前に疲労させることが可能であり、水素の影響を合理的に評価できる。比較例１および実施例１〜３の鋼材を用いて、図５に示す形状の超音波軸荷重疲労試験片を製作した。なお、図５中の数値単位はｍｍである。熱処理は、いずれについても、８５０℃のＲＸガス雰囲気中で５０分加熱して、８０℃の油中でずぶ焼入を施した後、１８０℃で１２０分の焼戻を施した。

超音波軸荷重疲労試験を開始する前に、鋼中水素量が５ｍａｓｓ−ｐｐｍとなる電流密度で２０時間の陰極電解水素チャージを施し、その後、１０分後に試験した（チャージあり）。また、水素チャージなしでの試験も行った（チャージなし）。図６に超音波軸荷重疲労試験結果を示す。図６において、横軸は負荷回数であり、縦軸は応力振幅（ＭＰａ）である。比較例１（従来鋼）はチャージすることで、疲労強度が明らかに低下したのに対し、実施例１〜３（開発鋼）は、水素チャージなしよりも若干低下する程度であった。この結果より、実施例１〜３（開発鋼）は比較例１（従来鋼）と比較して、破壊の起点になる酸化物系介在物のまわりに水素が集積しにくい特性を有するといえる。

＜スラスト型寿命試験（転がり疲労試験）＞
上述のとおり増減速機用転がり軸受では潤滑油中に水が混入しやすい。潤滑油に水が混入する転がり接触条件下では水が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入して早期剥離が起きる。そこで、水混入油中での転がり疲労試験を行った。比較例１および実施例１の鋼材を用いて、スラスト軸受５１１０６の内外輪を製作した。それぞれ試験片１（比較例１）と試験片２（実施例１）とする。熱処理は、いずれも８５０℃のＲＸガス雰囲気中で５０分加熱し、８０℃の油でずぶ焼入を施した後、１８０℃で１２０分の焼戻を施した。また、実施例１の鋼材については、８５０℃のＲＸガス雰囲気中にアンモニアガスを添加したものも製作した。これを試験片３（実施例１＋窒化処理）とする。

ＶＧ１５０のポリグリコール系合成油（密度１．０７３ｇ／ｃｍ³、４０℃における動粘度１５０ｍｍ²／ｓ、１００℃における動粘度２３．６ｍｍ²／ｓ）に４０±０．０１重量％の純水を混入した。水混入油作製後、水が蒸発しないように食品包装用の薄いフィルムで封をし、３０分以上スターラーで攪拌した後、２００ｍＬの水混入油浴中で、上記試験片の内外輪を用いたスラスト軸受５１１０６を回転させる試験を行なった。ここで、ボールは、ＳＵＳ４４０Ｃ製のものを１２個用いた。保持器は１２個のボールを等間隔で保持する樹脂製のものを用いた。アキシャル荷重Ｆａ＝５．１０ｋＮのみを作用させ、０〜２５００ｍｉｎ^-1で内輪を急加減速させた。図７に運転パターンを示す。この荷重条件での弾性ヘルツ接触計算でのレース面と鋼球間の最大接触面圧は２．３ＧＰａである。なお、弾性ヘルツ接触計算では、５１１０６、およびＳＵＳ４４０Ｃ製鋼球のヤング率とポアソン比はそれぞれＥ＝２０４ＧＰａ、ν＝０．２９とした。剥離の検出は振動計で行なった。

試験は、試験片２（実施例１）、試験片３（実施例１＋窒化処理）、試験片１（比較例１）のいずれも５個ずつ用意して行なった。剥離は、すべて５１１０６内輪あるいは外輪のレース面に生じ、すべて水素起因の特徴を有する剥離であった。

表２に、各試験片の剥離寿命を２母数ワイブル分布に当てはめて求めたＬ_１０、Ｌ_５０、およびワイブルスロープ（形状母数）ｅを示す。試験片１（比較例１）は、Ｌ_１０＝３８．５時間であった。それに対し、試験片２（実施例１）はＬ_１０＝１１８．８時間であり、試験片１（比較例１）に対して約３倍の長寿命を示した。このことから、本発明の転がり軸受は、水素脆性起因の早期剥離を起きにくくする効果を有するといえる。また、試験片３（実施例１＋窒化処理）は、Ｌ_１０＝１８３．４時間であり、試験片１（比較例１）に対して約５倍の長寿命を示した。このことから、試験片２（実施例１）に窒化処理を加えることで、より水素脆性起因の早期剥離を起きにくくする効果を有するといえる。

試験片３（実施例１＋窒化処理）を５００℃で１時間焼戻した。図８に試験片３の転走面からの深さ方向の断面硬度分布（ビッカース硬度ＨＶ）を示す。測定は、ビッカース硬度計を用い５０μｍ間隔で行なった。図８に示すように、転走表面から０．０５ｍｍ深さと窒化されていない深さ（０．２ｍｍ以上）の箇所との硬度差ΔＨＶは６０であった。

また、図９に同試験片における転走面からの深さ方向の断面窒素濃度分布を示す。測定にはＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ（ＥＰＭＡ）を用いて、加速電圧１５ｋＶ、スポット径２μｍ、測定間隔２μｍ、測定時間１ｓｅｃ（秒）で測定した。試験片の転走面側から内部に向かう方向にＥＰＭＡによって鋼材中の窒素濃度分布を測定した。図９に示すように、表面窒素濃度は０．０５重量％であった。なお、表面窒素濃度における「表面」とは、表面からの深さが０〜０．０１ｍｍまでの範囲である。表層の窒素濃度が高くなるほどΔＨＶは大きくなる。

本発明の増減速機用転がり軸受は、Ｃｒ含有率を高めた特殊鋼材等を用いることなく、水素脆性による転走面での早期剥離を効果的に防止できるので、産業機械減速機、ロボット減速機、ミル用減速機、建設機械用減速機、風力発電装置用増速機などに用いられる軸受として好適に利用できる。

１増速機本体
２入力軸
３出力軸
４ハウジング
５潤滑油
６遊星歯車機構
７２次増速機
８キャリア
９遊星歯車
１０リングギヤ
１１太陽歯車
１２中間出力軸
１３〜１６歯車
１７転がり軸受
１８内輪
１９外輪
２０転動体

Claims

入力軸の回転を遊星歯車を用いて増減速させて出力軸に伝える増減速機において、油潤滑されながら前記遊星歯車を回転自在に支持する増減速機用転がり軸受であって、
該軸受は、内輪と、外輪と、該内・外輪間に介在する複数の転動体とを有し、
前記内輪、前記外輪、および前記転動体から選ばれる少なくとも一つの軸受部材は、鋼材からなり、該鋼材中に含まれる酸化物系介在物の少なくとも一部がＭｎＳで覆われており、かつ、該鋼材中の最大径が３μｍ以上の前記酸化物系介在物において、その全個数に対するＭｎＳで覆われたものの個数の割合が４０％をこえることを特徴とする増減速機用転がり軸受。
前記鋼材の成分組成は、Ｃ：０．９５質量％以上１．１質量％以下、Ｓｉ：０．３５質量％未満、Ｍｎ：０．５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：１．４質量％以上１．６質量％未満、残部が鉄および不純物であることを特徴とする請求項１記載の増減速機用転がり軸受。
前記軸受部材は、その表層に窒化処理が施されてなり、表面窒素濃度が０．０５〜０．６重量％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の増減速機用転がり軸受。
前記軸受部材の表面から０．０５ｍｍ深さの箇所と前記窒素が含まれていない深さの箇所とのビッカース硬度差ΔＨＶが６０以上であることを特徴とする請求項３記載の増減速機用転がり軸受。
油潤滑される転がり軸受により回転自在に支持された遊星歯車を用いて、入力軸の回転を増減速させて出力軸に伝える増減速機であって、
前記転がり軸受が、請求項１から請求項４のいずれか１項記載の増減速機用転がり軸受であることを特徴とする増減速機。
前記増減速機は、ケーシング内に、旋回自在なキャリアと、該キャリアの周方向複数箇所に前記転がり軸受を介して支持された前記遊星歯車と、前記遊星歯車が噛み合う内歯のリングギヤと、該リングギヤと同心位置に回転自在に設けられて前記遊星歯車が噛み合う太陽歯車とを有し、前記入力軸が前記キャリアに固定され、前記出力軸が前記太陽歯車に固定された増速機であることを特徴とする請求項５記載の増減速機。
前記増減速機は、風力発電装置に用いられる増速機であることを特徴とする請求項５または請求項６記載の増減速機。