JP4570998B2 - 金属系球面軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、金属系（金属対金属接触（metal-to-metal））球面軸受に関する。
金属系球面軸受は、航空宇宙産業において使用されており、特に、航空機の着陸装置の軸受に適用されている。着陸装置の金属系軸受の製造に使用される従来の材料は、外輪及び内輪としてはステンレス鋼及び銅合金である。それらの材料は、それらが潤滑剤の存在しない領域でも摩耗しないという理由から使用されている。しかしながら、それらは比較的重い材料であるので、過去においてさらに軽い材料を使用すべく解決策が求められてきた。この点に関し、強度を基準として、比較的重い上記のような材料を約４０％軽いチタン合金軸受により置き換えることができる。これらの材料は、重量をかなり削減することができるが、着陸装置に掛かる負荷条件の下ではかなり急速に摩耗する傾向がある。米国特許公報第４，８４８，９３４号（特許文献１）は、チタン合金軸受の例を示している。このチタン合金は、金属対金属接触に対しては軟らか過ぎるので、酸化クロム製のハードコーティング（硬質被覆）を備えている。
他のコーティングも検討されてきたが、比較的軟らかいチタン合金にハードコーティングを付着するという考慮すべき問題に直面している。
従来の金属系軸受において、軸受のハウジングは銅又は銅合金製であり、ハウジング内に保持されたボールはステンレス鋼製である。軽量化されたものは、ステンレス鋼がチタン合金により置き換えられているものが利用可能であるが、これは比較的軟らかい材料なので、軸受ハウジングとボールとの間の界面に良好な軸受表面を提供するように酸化クロム製の比較的硬質のコーティングを備えている。
米国特許公報第４，８４８，９３４号
酸化クロム及びクロムメッキ技術を使用すると、環境保護面において不都合であり、しかもかなりの製造コストを必要とするので、酸化クロムは使用しないのが望ましい。
本発明の一態様では、第１の材料からなる軸受ハウジングと、前記軸受ハウジング内に保持される第２の材料からなるボールと、を備え、前記軸受ハウジングと前記ボールとの間の界面が二つの軸受表面を包含している金属系球面軸受であって、前記第１の材料及び前記第２の材料の一方は、前記軸受表面の一方を提供するために窒化チタンのコーティングが付着した外表面および表面近傍に窒素を拡散した拡散領域を有するチタン合金であることを特徴とする金属系球面軸受が提供される。
本発明の理解をさらに容易にするために、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態を一例として以下に説明する。
図１（ａ）を参照すると、本発明を具現化する金属系（金属対金属接触（metal-to-metal））軸受１は、軸受ハウジング２と、ハウジング２内に保持されたボール３と、を備えている。ボールの軸受表面と、軸受表面を提供するハウジングとの間には界面４が存在する。図１（ａ）に示す例においては、ボール３の外表面はコーティング（被覆）５を備えている。この例において、ボール３はチタン合金製であり、軸受ハウジング２は銅合金製である。
窒化物拡散領域６（図１（ｂ）参照）は、窒素拡散によってボール３のチタン合金の外表面に形成されている。拡散領域６は、外表面及び表面近傍を固化し、コーティング５が付着することが可能な良好な表面を提供する。コーティング５は、拡散領域６の表面に形成される。このコーティング５は、チタン合金の表面を被覆する窒化チタンである。このコーティング５は、物理蒸着法（ＰＶＤ法）プロセスによって提供される。ＰＶＤコーティング５は、窒化物拡散領域を有さないチタン合金表面に対してよりも、チタン合金表面の拡散領域６に対して良好に付着する。
上記プロセスは、真空下において７００℃で最も良好に実施されることが判明した。この温度では、チタン合金特性に対する有害な影響が最小になるが、未処理のチタン合金表面（即ち、窒化物拡散領域を有さない表面）上に単にコーティングを堆積するのとは対照的に、ボール３のチタン合金の外表面における拡散領域６へのコーティング５の付着がかなり強化される。
結果として得られるＰＶＤコーティング５は、採用され得る他のコーティングよりもかなりの利点がある。コーティングに先立って部品を仕上げ加工及び機械加工することができ、これにより、コーティング後に部品を機械加工することなく互換性を持たせることができるからである。コーティング及びチタン合金は、大変良好な耐腐食性を有し、これにより、カドミウムメッキの必要がなくなる。
意外にも、結果（図２乃至図４参照）によれば、窒化物拡散領域に付着した上記ＰＶＤコーティング５の減摩特性は、着陸装置において使用されるときの従来の鋼／銅合金の金属系軸受５と同等であるが、実質的な重量の削減になっており、環境保護面において不都合な製造技術又は材料を使用する必要がないことが分かる。
上述の例において、ボール３はチタン合金製であり、軸受ハウジング２は銅合金製である。この材料の選択を逆にして、窒化チタンコーティングをボールに隣接するチタン合金軸受ハウジングの表面に形成することができる。さらに、軸受ハウジング２及びボール３の双方をチタン合金製にすることができ、軸受ハウジング２、ボール３、又はそれらの双方は、図２乃至図４に示す例の結果として、拡散領域とＰＶＤ窒化チタンコーティングを備えることができる。６／４チタン合金は、特に上記に帰するのに対して、窒素拡散に応じて表面固化や、窒化チタン（ＴｉＮ）コーティングの付着の改善をもたらす他のチタン合金を使用してもよい。
本発明を具現化する金属系軸受の概略断面図（図１（ａ））、及び、図１（ａ）の軸受における軸受ハウジングとボールとの間の界面の詳細（図１（ｂ））である。 １８０ＭＰａ負荷における、本発明を具現化する軸受、及び、従来の銅合金／ステンレス鋼軸受の摩耗対サイクルのグラフである。 本発明を具現化する二つの軸受、従来の銅合金／ステンレス鋼軸受、及び、チタン／チタン軸受についての摩耗対サイクルのグラフである。 本発明を具現化する二つの軸受、及び、従来の銅合金／ステンレス鋼軸受に対するトルク対サイクルのグラフである。
符号の説明
１ 金属系（金属対金属接触（metal-to-metal））軸受
２ 軸受ハウジング
３ ボール
４ 界面
５ コーティング（被覆）
６ 拡散領域

Claims (6)

  1. 第１の材料からなる軸受ハウジングと、前記軸受ハウジング内に保持される第２の材料からなるボールと、を備え、前記軸受ハウジングと前記ボールとの間の界面が二つの軸受表面を包含している金属系球面軸受であって、前記第１の材料及び前記第２の材料の一方は、前記軸受表面の一方を提供するために窒化チタンのコーティングが付着した外表面および表面近傍に窒素を拡散した拡散領域を有するチタン合金であることを特徴とする金属系球面軸受。
  2. 前記第１の材料及び前記第２の材料の他方は、銅合金であることを特徴とする請求項１に記載の軸受。
  3. 前記第１の材料及び前記第２の材料の他方は、前記軸受表面に窒化チタンのコーティングを有するチタン合金であることを特徴とする請求項１に記載の軸受。
  4. 前記コーティングは、物理蒸着法プロセスにより形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸受。
  5. 前記拡散及び物理蒸着法プロセスは、真空下において７００℃で実施されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸受。
  6. 第１の材料からなる軸受ハウジングと、第２の材料からなるボールと、を備え、前記第１の材料及び前記第２の材料の一方はチタン合金である金属系球面軸受の製造方法であって、
    前記チタン合金の外表面および表面近傍に窒素を拡散した拡散領域を生成することと、
    物理蒸着法プロセスにより前記拡散領域にコーティングを付着させて軸受表面を形成することと、を含むことを特徴とする金属系球面軸受の製造方法。
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