JP2016539290A - セラミックマトリックス複合材から製造された構成要素を有する軸受 - Google Patents

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Abstract

本明細書において軸受の実施形態が提供される。１つの実施形態において、軸受は、インナーレース及びアウターレースを有する軸受組立体と、インナーレースとアウターレースとの間に配置される複数の転動要素と、を含むことができ、インナーレース、アウターレース、及び複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から少なくとも部分的に製造される。【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、全体的に、軸受に関し、より具体的には、回転及び／又は転動要素軸受に関する。
例えば、２又はそれ以上の物体間で相対回転移動を提供するのに利用される従来の軸受（例えば、回転軸受）は通常、所望の用途において軸受に加わる応力に耐えるのに好適な特性を有する材料から製造される。従来、軸受の１又はそれ以上の構成要素を製造するのには、例えば、合金鋼、セラミック、又は同様のもののような高い硬度及び／又は強靱性を示す材料が利用されている。しかしながら、発明者らが認識したところでは、軸受の構成要素が大きな応力（例えば、高いヘルツ接触応力）に晒されるような用途（例えば、航空機又は航空宇宙用途）では、このような従来の材料は、許容できない量の変形及び／又は劣化を示し、結果として軸受の機能不全をもたらすようになる。
従って、発明者らは、セラミックマトリックス複合材から製造された構成要素を有する改善された軸受を提供した。
米国特許出願公開第２０１１１６８４５１Ａ１号明細書
本明細書において軸受の実施形態が提供される。１つの実施形態において、軸受は、インナーレース及びアウターレースを有する軸受組立体と、インナーレースとアウターレースとの間に配置される複数の転動要素と、を含むことができ、インナーレース、アウターレース、及び複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から少なくとも部分的に製造される。
１つの実施形態において、インナーレース及びアウターレースを有する軸受組立体と、インナーレースとアウターレースとの間に配置される複数の転動要素と、を含むことができ、インナーレース、アウターレース、及び複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造されたモノリシック部品であり、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、金属マトリックスを含有するＢ２全体にわたって分散された粒子及び繊維を含有する複数のＡｌＭｇＢ１４を含む。
本発明の実施形態の上記の特徴及び他の特徴は、図面及び詳細な説明を参照すると更に理解されるであろう。上記で概略的に要約され以下でより詳細に検討する本発明の実施形態は、添付図面に描かれた本発明の例示的な実施形態を参照することにより理解することができる。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を例示しているに過ぎず、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではなく、他の同様に効果的な実施形態が認められる点は理解されたい。
本発明の一部の実施形態による軸受の斜視図。 本発明の一部の実施形態による軸受の一部の断面図。 本発明の一部の実施形態による軸受の軸受組立体の一部の断面図。
理解を容易にするために、可能な限り、各図で共通する同じ要素を示すために同じ参照符号を用いている。図面は、縮尺通りには描かれておらず、明確にするために簡素化される場合がある。１つの実施形態の要素及び特徴は、更なる記載なしで他の実施形態に有利に組み込むことができることは企図される。
本明細書において、軸受の実施形態が開示される。本発明の軸受は、セラミック複合材を含有するアルミニウム−マグネシウム−ホウ素（ＡｌＭｇＢ１４，「ＢＡＭ」）から少なくとも部分的に製造された１又はそれ以上の構成要素（例えば、軸受組立体、インナーレース又はアウターレース、転動要素、又は同様のもの）を含む。セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から１又はそれ以上の構成要素を製造することで、有利には、従来利用される材料から製造された軸受と比べて、高応力用途において軸受に加わる応力に耐える改善された能力を有する軸受が提供される。
図１は、本発明の一部の実施形態による、軸受１００の斜視図である。１つの実施形態において、軸受１００は一般に、インナーレース１０４と、アウターレース１０２と、該インナーレース１０４及びアウターレース１０２間に配置された複数の転動要素１０６とを有する軸受組立体１１８を備える。
インナーレース１０４は、アウターレース１０２の内側に配置されて独立して回転する。１つの実施形態において、インナーレース１０４及びアウターレース１０２の各々は、インナーレース１０４及びアウターレース１０２間の所望の位置で複数の転動要素１０６を維持するよう構成された特徴要素、例えば、フランジ（符号１１０及び１１２で仮想線で部分的に示される）を備えることができる。存在する場合には、フランジ１１０，１１２は、インナーレース１０４又はアウターレース１０２に結合された別個の構成要素であり、或いは、インナーレース１０４又はアウターレース１０２と一体的に形成され、これにより単体構造設計を有する軸受組立体１１８を提供することができる。
複数の転動要素１０６が、インナーレース１０４及びアウターレース１０２の内表面１１４，１１６に接触し、インナーレース１０４及びアウターレース１０２の各々から独立して回転して、これにより荷重状態（例えば、半径方向及び／又はスラスト荷重）の間のインナーレース１０４とアウターレース１０２の摩擦を最小限にし、従って、インナーレース１０４及びアウターレース１０２が互いに対して回転できるようになる。複数の転動要素１０６は、所望のタイプの軸受を形成するようインナーレース１０４及びアウターレース１０２間の相対的な回転運動を容易にするのに好適なあらゆるタイプの転動要素とすることができる。例えば、複数の転動要素１０６は、円筒ローラー、針状ローラー、テーパーローラー、球状ローラー、又は同様のものを含むことができる。
１つの実施形態において、軸受１００は、複数の転動要素１０６の周りに配置されたケージ（符号１０８で仮想線で部分的に示される）を備えることができる。存在する場合には、ケージ１０８は、複数の転動要素１０６の個々の転動要素間の接触を阻止し、これにより複数の転動要素１０６の摩耗、劣化又は固着を阻止するよう機能することができる。
発明者らが認識したところでは、軸受１００の作動中、軸受１００の１又はそれ以上の構成要素（例えば、インナーレース１０４、アウターレース１０２、複数の転動要素１０６、ケージ１０８、又は同様のもの）は、軸受に作用する力（例えば、軸受１００の半径方向及び／又はスラスト荷重により生じるヘルツ接触応力）に起因して僅かに変形する可能性がある。このような変形により、構成要素間の摩擦力が増大し、従って、軸受１００の効率的な動作の低下（例えば、「抗力」）及び／又は構成要素の劣化が生じる。軸受を製造するのに通常利用される従来の材料（例えば、合金鋼、セラミックス、又は同様のもの）は、大きな変形及び／又は劣化を示し、これにより軸受１００の恒久的な又は頻繁な故障を生じる。
従って、１つの実施形態において、軸受１００の１又はそれ以上の構成要素（例えば、インナーレース１０４、アウターレース１０２、複数の転動要素１０６、ケージ１０８、又は同様のもの）は、セラミック複合材を含有するアルミニウム−マグネシウム−ホウ素（ＡｌＭｇＢ１４，「ＢＡＭ」）から少なくとも部分的に製造される。発明者らが認識したところでは、軸受１００の１又はそれ以上の構成要素をセラミック複合材を含有するアルミニウム−マグネシウム−ホウ素（ＡｌＭｇＢ１４，「ＢＡＭ」）から少なくとも部分的に製造することは、有利には、他の場合には高応力状態をもたらすことになる変形及び／又は劣化の低減又は排除を示す結果として製造された構成要素を提供し、これにより従来利用された材料から製造された構成要素を有する軸受と比べて、高応力用途においてより効率的で故障が少なくし易い軸受を提供する。
理論には制約されないが、発明者らは、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４の物理的及び／又は化学的特性（例えば、硬度、潤滑性、熱膨張係数、耐暑性、導電性及び／又は熱伝達率、又は同様のもの）は、変形及び／又は劣化の上述の低減又は排除をもたらすと考えている。例えば、１つの実施形態において、発明者らが認識したところでは、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４は、以下の特性、すなわち、１５００〜約４５００Ｈｖの硬度（Ｈｖ）、約０．０５未満又は１つの実施形態において約０．０２未満の摩擦係数、約８０よりも大きな硬度（Ｒｃ）、約２．６〜約３．８ｇ／ｃｃの密度、約６〜約１１１０−６／Ｋの膨張係数、及び約５〜約１５Ｍｐａ√Ｍの破壊強靱性（Ｋ１ｃ）のうちの１又はそれ以上を有する。発明者らが考えるところによれば、上述の特性のうちの１又はそれ以上（例えば、硬度）は、ＡｌＭｇＢ１４の結晶構造、具体的には、ホウ素系結晶物質において通常見られる高次の共有結合したＢ１４の正２０面体構造の産物である。
セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４の組成は、例えば、上述の特性などの１又はそれ以上の所望の特性を提供するよう変えることができる。例えば、１つの実施形態において、アルミニウム、マグネシウム、及びホウ素の比率は、ｘ、ｙ、１４（例えば、ＡｌｘＭｇｙＢ１４）で表すことができ、ここでｘ及びｙは約１未満である。
１つの実施形態において、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４は、金属含有マトリックス全体にわたって分散されたセラミック繊維又は粒子を含有するＡｌＭｇＢ１４を有する金属含有マトリックスを含むことができる。金属含有マトリックスは、例えば、ＩＩＩ族元素（スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、又は同様のもの）、ＩＶ族元素（チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又は同様のもの）、Ｖ族元素（バナジウム（Ｖ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、又は同様のもの）、その窒化物、そのホウ化物、又は同様のものなどのあらゆる金属を含むことができる。セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４内のＡｌＭｇＢ１４及び金属含有マトリックスの量は、例えば、上述の特性のような１又はそれ以上の所望の特性を提供するため変えることができる。例えば、１つの実施形態において、金属含有マトリックスは、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４の全重量の最大約９０％、又は１つの実施形態において約３０％〜９０％、或いは１つの実施形態において４０％〜７０％の量で存在することができる。
例示的な実施形態において、金属含有マトリックスは、チタンホウ化物（Ｂ２）マトリックスとすることができる。従って、このような実施形態において、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４は、マトリックス全体にわたって分散されたセラミック粒子又は繊維を含有する複数のＡｌＭｇＢ１４を有するチタンホウ化物（Ｂ２）マトリックスを含むことになる。存在する場合、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４に存在するチタンホウ化物（Ｂ２）に対するＡｌＭｇＢ１４の比率は、例えば、上述の特性のような１又はそれ以上の特性を提供するのに好適なあらゆる比率とすることができる。例えば、１つの実施形態において、ＡｌＭｇＢ１４とＢ２の比率は、約１：１とすることができる。
上述のセラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造されていない軸受１００の構成要素は、所望の用途に従って軸受１００の十分な性能を向上させるのに好適な何れかのプロセス適合材料から製造することができる。例えば、軸受１００の１又はそれ以上の構成要素は、例えば、ステンレス鋼、セラミック（例えば、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）など）、又は同様のもののような金属合金から製造することができる。
軸受１００の１又はそれ以上の構成要素は、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から１又はそれ以上の構成要素を製造するのに好適なあらゆるプロセスを介して製造することができ、また、製造された構成要素の１又はそれ以上の所望の物理的特性に依存することができる。例えば、１つの実施形態において、プロセスは、完全密度又はほぼ完全密度（例えば、気孔率が約５％未満）まで構成要素を製造するのに好適とすることができる。完全密度又はほぼ完全密度までの製造は、上述の所望の特性（例えば、破壊強靱性（Ｋ１ｃ）、硬度（Ｈｖ）、又は同様のもの）のうちの１又はそれ以上を最大限に高め、これにより従来利用されている材料から製造された軸受と比べて、高応力用途において軸受１００に軸受に加わる応力に耐える軸受１００の能力を向上させることができる。例示的な製造技術は、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、固相加工（例えば、真空ホットプレス（ＶＨＰ）、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、又は同様のもの）、蒸着（例えば、レーザ粉体供給堆積（ＬＡＭ）、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）、又は同様のもの）、直接材料レーザ製造（ＤＭＬＭ）、又は同様のものを含むことができる。
１又はそれ以上の構成要素は、部分的に又は完全にセラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造することができる。例えば、図２を参照すると、１つの実施形態において、複数の転動要素（図１では１０６）のうちの１つの転動要素２０６は、モノリシック部品とすることができる。このような実施形態において、転動要素２０６の本体２０２は、完全にセラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造することができる。或いは、１つの実施形態において、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４のコーティング（クラッディング）２０４を転動要素２０６の本体２０２上に配置することができる。このような実施形態において、本体２０２は、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から、又は例えば合金鋼、セラミック、又は同様のものなどの異なる適合材料から製造することができる。
図３を参照すると、図２の転動要素２０６と同様に、レース３０６（インナーレース１９４及び／又は上述のアウターレース１０２）の少なくとも１つは、完全にセラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造された本体３０２及び／又はレース３０６の本体３０２上に配置されるセラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４のコーティング（クラッディング）３０４を有するモノリシック部品とすることができる。
図中では転動要素の軸受として示されているが、軸受は、２つの物体の間の相対移動を提供するのに好適で本明細書で提供される教示から恩恵を受けることができるあらゆるタイプの軸受とすることができることは理解されたい。例えば、軸受は、滑り軸受、宝石軸受、流体軸受、磁気軸受、ジャーナル軸受、撓み軸受、リニア軸受、再循環軸受、又は同様のものとすることができる。
本明細書で開示される範囲は、包括的で且つ組み合わせ可能である（例えば、「約１５００〜約４５００の硬度（Ｈｖ）」の範囲は、「約１５００〜約４５００」の範囲の端点と全ての中間値を含むなど）。「組み合わせ」は、配合、混合、合金、反応生成物、及び同様のものを含む。更に、本明細書における用語「第１の」、「第２の」などは、どのような順序、数量、又は重要度を意味するものではなく、むしろ、１つの要素を別の要素と区別するために用いており、本明細書において数詞のない表現は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ参照する要素の少なくとも１つが存在することを意味する。数量に関して使用する「約」という修飾語は、記載の数値を包含しており、前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に付随するある程度の誤差を含む）。本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、前置される用語の単数及び複数の両方を含み、従って当該、用語の１つ又はそれ以上を含む（例えば、１つ又は複数の顔料という表現は、１つ又はそれ以上の顔料を含む）ことを意図している。本明細書全体を通じて、「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「ある実施形態」、及びその他などへの言及は、実施形態に関して記載された特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は特性）が、本明細書で記載される少なくとも１つの実施形態に含まれており、他の実施形態に存在する場合もあり、存在しない場合もあることを意味する。これに加えて、記載される本発明の特徴部は、様々な実施形態において何らかの好適な様態で組み合わせることができる点を理解されたい。
以上、軸受の実施形態について本明細書で提供された。少なくとも１つの実施形態において、本発明の軸受は、有利には、従来利用されている軸受と比べて幅広い範囲の動作条件（例えば、より高い応力負荷）で機能し、これにより更に広範囲の用途で改善された機能性を有する軸受を提供することができる。
例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
１００ 軸受
１０２ アウターレース
１０４ インナーレース
１０６ 転動要素
１１８ 軸受組立体

Claims (20)

  1. インナーレース（１０４）及びアウターレース（１０２）を有する軸受組立体（１１８）と、
    前記インナーレースと前記アウターレースとの間に配置される複数の転動要素（１０６）と、
    を備え、前記インナーレース、前記アウターレース、及び前記複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から少なくとも部分的に製造される、軸受（１００）。
  2. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４におけるアルミニウム、マグネシウム、及びホウ素の比率が、ｘ：ｙ：１で表され、ここでｘ及びｙが約１未満である、請求項１に記載の軸受（１００）。
  3. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、複数のＡｌＭｇＢ１４を有する金属含有マトリックスを含み、該複数のＡｌＭｇＢ１４が前記金属含有マトリックス全体にわたって分散された粒子及び繊維を含有する、請求項１に記載の軸受（１００）。
  4. 前記金属含有マトリックスが、ＩＩＩ族元素、ＩＶ族元素、又はＶ族元素のうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の軸受（１００）。
  5. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、該セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４の全重量の最大約９０％の量で前記金属含有マトリックスを含む、請求項３に記載の軸受（１００）。
  6. 前記金属含有マトリックスが、チタンホウ化物（Ｂ２）を含む、請求項３に記載の軸受（１００）。
  7. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４内のＡｌＭｇＢ１４とＢ２の比率が約１：１とすることができる、請求項６に記載の軸受（１００）。
  8. 前記インナーレース、前記アウターレース、及び前記複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造されたモノリシック部品である、請求項１に記載の軸受（１００）。
  9. 前記モノリシック部品が、約５％未満の気孔率を有する、請求項８に記載の軸受（１００）。
  10. 前記インナーレース、前記アウターレース、及び前記複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、金属又はセラミックから製造され、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４でコーティングされる、請求項１に記載の軸受（１００）。
  11. 前記セラミックが、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）である、請求項１０に記載の軸受（１００）。
  12. セラミックマトリックス複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、約１５００〜約４５００の硬度（Ｈｖ）を有する、請求項１に記載の軸受（１００）。
  13. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、約０．０５未満の摩擦係数を有する、請求項１に記載の軸受（１００）。
  14. インナーレース（１０４）及びアウターレース（１０２）を有する軸受組立体（１１８）と、
    前記インナーレースと前記アウターレースとの間に配置される複数の転動要素（１０６）と、
    を備え、前記インナーレース、前記アウターレース、及び前記複数の転動要素のうちの少なくとも１つが、セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４から製造されたモノリシック部品であり、前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、金属マトリックスを含有するＢ２全体にわたって分散された粒子及び繊維を含有する複数のＡｌＭｇＢ１４を含む、軸受（１００）。
  15. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４内のＡｌＭｇＢ１４とＢ２の比率が約１：１とすることができる、請求項１４に記載の軸受（１００）。
  16. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、該セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４の全重量の最大約９０％の量で金属マトリックスを含有するＢ２を含む、請求項１４に記載の軸受（１００）。
  17. 前記モノリシック部品が、約５％未満の気孔率を有する、請求項１４に記載の軸受（１００）。
  18. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４におけるアルミニウム、マグネシウム、及びホウ素の比率が、ｘ：ｙ：１で表され、ここでｘ及びｙが約１未満である、請求項１４に記載の軸受（１００）。
  19. セラミックマトリックス複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、約１５００〜約４５００の硬度（Ｈｖ）を有する、請求項１４に記載の軸受（１００）。
  20. 前記セラミック複合材を含有するＡｌＭｇＢ１４が、約０．０５未満の摩擦係数を有する、請求項１４に記載の軸受（１００）。
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