JP5575335B2 - 転動体、転動体の製造方法及び動力伝達装置 - Google Patents
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Description
更に詳細には、本発明は、耐久性に優れた転動体、その製造方法及び耐久性に優れた転動体を具備した動力伝達装置に関する。
更に、WC−12%Co合金からなる硬質膜を、高速フレーム溶射法によって形成させた軸受が提案されている(特許文献2参照。)。
また、上記特許文献2に記載された軸受は、一定の耐久性向上は達成されているものの、更なる耐久性向上が望まれている。
そして、本発明の目的とするところは、耐久性に優れた転動体、その製造方法及び耐久性に優れた転動体を具備した動力伝達装置を提供することにある。
その結果、ヤング率が220GPa以下である金属製基材の表面に、硬質粒子と金属単体や合金などの金属材とを含み且つヤング率が250GPa以上である皮膜を形成することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
そして、この転動体は、ヤング率が220GPa以下である金属製基材と、金属製基材の表面に形成され、硬質粒子と金属単体及び合金の少なくとも一方からなる金属材とを含み且つヤング率が250GPa以上である皮膜とを備える。
そして、この転動体の製造方法における所定の溶射材は、硬質粒子と金属単体及び合金の少なくとも一方からなる金属材とを含むものである。
図1は、本実施形態の転動体における皮膜の構造の一例を示す概略断面図である。
図1に示すように、本実施形態の転動体1は、金属製基材2と、金属製基材2の表面に形成される皮膜4とを備えたものである。
そして、この転動体1における金属製基材2は、ヤング率が220GPa以下である。また、金属製基材のヤング率は200GPa以上であることが好ましい。更に、この転動体1における皮膜4は、硬質粒子4aと金属単体及び合金の少なくとも一方からなる金属材4bとを含み且つヤング率が250GPa以上で高いほど好ましい。なお現時点では皮膜のヤング率は262〜301GPaで良い結果が得られている。
また、このような構成とすると、焼結体である超硬合金に比して、生産性が向上するため、低コスト化を図ることができるという利点もある。
金属製基材2としては、ヤング率が220GPa以下であるものであれば、特に限定されるものではなく、200GPa以上であることが好ましく、従来の転動体の基材として用いられているものを適用することができる。
このような金属製基材としては、例えば、日本工業規格(JIS)で規格されたJIS G4051 機械構造用炭素鋼鋼材(SC)、JIS G4052 焼入れ保証した構造用鋼鋼材(H鋼)、JIS G4053 構造用合金鋼(マンガン鋼(SMn)、マンガンクロム鋼(SMnC)、クロム鋼(SCr)、クロムモリブデン鋼(SCM)、ニッケルクロム鋼(SNC)、ニッケルクロムモリブデン鋼(SNCM))、JIS G4401 炭素工具鋼鋼材(SK)、JIS G4403 高速度鋼鋼材(SKH)、JIS G4404 合金工具鋼鋼材(SKS、SKD、SKT)、JIS G4805 高炭素クロム軸受鋼鋼材(SUJ)などで作製されたものを挙げることができる。
これらは、代表的には、硬度が700〜800HV程度であり、融点が1400〜1500℃程度である。
硬質粒子4aとしては、金属製基材2の硬度より相対的に高い硬度及び金属製基材2の融点より相対的に高い融点を有するものを好適例として挙げることができるが、これに限定されるものではない。なお、本発明において、「硬度」は、例えばビッカース硬度(HV)で規定することができるが、これに限定されるものではなく、他の尺度を用いてもよい。
このような硬質粒子としては、例えば、炭化物、硼化物、窒化物、珪化物、硫化物、酸化物、炭素の硬質粒子を挙げることができる。
一般に、上述した硬質粒子は、高硬度且つ高融点を示すものが多い。このような硬質粒子を適用すると耐焼付性に優れるという効果も得られる。
また、これらは1種が単独で、2種以上が組み合わされて含まれていてもよい。
硼化物の硬質粒子としては、例えば硼化チタン(TiB2)、硼化ジルコニウム(ZrB2)、硼化バナジウム(VB2)、硼化ニオブ(NbB2)、硼化タンタル(TaB2)、硼化クロム(CrB2)、硼化モリブデン(Mo2B5)、硼化タングステン(W2B5)、硼素(B)、硼化アルミニウム(AlB12)、硼化ケイ素(SiB6)などからなる硬質粒子を挙げることができる。
窒化物の硬質粒子としては、例えば窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化バナジウム(VN)、窒化ニオブ(NbN)、窒化クロム(CrN)、窒化硼素(c−BN)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)などからなる硬質粒子を挙げることができる。
酸化物の硬質粒子としては、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化トリウム(ThO2)、酸化ベリリウム(BeO)、酸化マグネシウム(MgO)などからなる硬質粒子を挙げることができる。なお、酸化マグネシウムは例えばジルコニウム酸マグネシウムとして含れていることが好ましい。
炭素の硬質粒子としては、ダイヤモンド(C)などから硬質粒子を挙げることができる。
炭化タングステンは、密度が高いため、後述する溶射法によって皮膜を形成する際に、空孔が少ない緻密な皮膜を形成し易いという利点がある。
金属材4bとしては、例えば金属単体や合金を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。これらの金属材は硬質粒子同士を強固に結合する結着剤として機能する。そのため、このような機能を発揮することができれば、例えば金属間化合物や固溶体であってもよい。
これらは1種が単独で、2種以上が組み合わされて含まれていてもよい。
このような金属単体としては、例えばコバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、チタン(Ti)などを挙げることができる。
また、このような合金としては、例えばコバルト(Co)−クロム(Cr)やニッケル(Ni)−クロム(Cr)、ハステロイ(Hastelloy)、クロム(Cr)−モリブデン(Mo)、タングステン(W)−クロム(Cr)、ニッケル(Ni)−コバルト(Co)−クロム(Cr)、タングステン(W)−コバルト(Co)、ニッケル(Ni)−クロム(Cr)−アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)−モリブデン(Mo)などを挙げることができる。
その中でも、コバルト(Co)を好適に用いることができる。
コバルト(Co)は、塑性変形し易いため、緻密な皮膜を形成し易い。
なお、η相は低級炭化物と言われることもある。
後述する溶射法によって皮膜を形成する場合に溶射材の構成成分である硬質粒子として炭化タングステンを適用すると、溶射材の他の構成成分である金属材としての金属単体や合金に、炭化タングステンの成分が溶出する。
このとき、金属材としてコバルト(Co)を適用すると、例えば炭化タングステン(WC、W2C)の他にW3Co3Cなどの複炭化物からなるη相が形成されることとなる。
η相は、一般に金属単体や合金に比較して、硬度や融点が高いものである。
従って、η相を含ませることにより、より耐久性が優れた転動体となる。
本実施形態の転動体の製造方法は、上述した本発明の一実施形態に係る転動体の製造方法の一例である。
具体的には、転動体を製造するに当たって、基材の表面への皮膜の形成を、例えば基材の硬度より高い硬度及び基材の融点より高い融点を有する少なくとも1種の硬質粒子と金属単体及び合金の少なくとも一方からなる金属材とを含む溶射材を用いた溶射法によって行う。
このような製造方法とすることにより、粒径が数μm〜数十μmの溶射材を基材表面に吹き付けることができるので、必要な部分にだけ高い成膜速度で皮膜を形成することができる。
また、このような製造方法とすると、溶射材における硬質粒子の含有割合を高く設定することができ、且つ必要な部分にだけ皮膜を形成することができるので、転動体を低コストで製造することができるという利点もある。
大気中で皮膜の形成を行うことができると、大型の転動体の製造に対しても容易に適用することができる。
なお、雰囲気制御された条件で行うことが可能であることは言うまでもない。
HVOFであっても燃焼室内又は燃焼室後に燃焼ガスの冷却及びキャリアガスの増量を目的に空気や窒素ガスを追加しても良い。また、経済的ではないがHVOFの助燃ガスの酸素を燃焼に必要な量以上に投入しても良い。
高速フレーム溶射によって皮膜の形成を行うと、溶射材における硬質粒子の成分を金属単体や合金中に溶出させ易い。
その結果、皮膜中にη相を形成させやすくなり、皮膜の硬度及び融点が向上し、より耐久性や耐焼付性が優れた転動体を得ることができる。
硬質粒子と金属材粒子とから造粒した溶射材を用いる場合には、溶射材における組成の自由度が高く、微小な一次粒子が得られれば、あらゆる成分の組み合わせが可能になる。
図2は、本発明の一実施形態に係る動力伝達装置の一例である四輪駆動車両のトランスファを示す断面図である。
動力伝達装置の一例である四輪駆動車両のトランスファ100は、ハウジングH内に転動体の例である入力軸10及び出力軸20が配置されている。
入力軸10は、ボールベアリング31、32によりハウジングHに対して回転自在に支持されており、出力軸20も同様に、ボールベアリング33、34によりハウジングHに対して回転自在に支持されている。
入力軸10は更に、ハウジングH内に配されたローラベアリング35、36によってもハウジングHに対して回転自在に支持されており、出力軸20は更に、ハウジングH内に配したローラベアリング37、38によってもハウジングHに対して回転自在に支持されている。
また、入出力軸10、20の同じ軸直角面内に位置するローラベアリング36、38を、共通なベアリングサポート41内に抱持し、このベアリングサポート41をボルト42等の任意の手段でハウジングHの対応する内側面に取着する。
出力軸20の図中左端を、ハウジングHから突出させ、該出力軸20の突出左端をフロントプロペラシャフト(図示せず)を介してフロントファイナルドライブユニット(図示せず。)に結合する。
また、出力軸20も、軸受鋼(SUJ)で形成されており、その軸線方向中程に軸受鋼(SUJ)で形成された第2ローラ21を有し、その表面には、高速フレーム溶射法によって、WC−Co皮膜22が形成されている。
これらは、第1ローラ11及び第2ローラ21が共通な軸直角面内に配置されている。
そして、第1ローラ11及び第2ローラ21が相互に径方向へ押し付けられ、ローラ外周面における皮膜同士が符号12a、22aで示す箇所において予圧下に押圧接触される。
この径方向押付力によって第1ローラ11及び第2ローラ21間で伝達可能なトルクが決まる。
なお、図2においては、第1ローラ11及び第2ローラ21の両方に皮膜12、22を形成しているが、耐久性が満足できる場合にはどちらか一方のみに皮膜を形成してもよい(図示せず。)。
そのとき、車両を走行させるために入力軸10の第1ロータ11と出力軸20の第2ロータ21とを押付けることで出力軸20に駆動力が伝達される。
その際、出力軸20は回転していない状態なので、押付けられることで大きなすべり速度を持って駆動力が伝達することになる。
そして、本発明の転動体を適用したトランスファにおいては、所定の皮膜が形成されているため、耐久性が高いものとなる。また、焼付きの発生を抑制ないし防止して、駆動力を十分に伝達することができる利点もある。
このとき、第1ローラ11及び第2ローラ21の転動体同士は、潤滑剤を介して接触していてもよく、直接接触していてもよい(図示せず。)。潤滑剤としては、代表的にはトラクション油(KTF−1)を用いることができる。
軸受鋼(SUJ2)からなる金属製基材(ヤング率:208GPa、ポアソン比:0.3、表面硬度:700〜750HV、形状:円筒(外径φ70mm、幅18mm))の表面に対して、酸化アルミニウム粒子を使用したブラスト処理をした。
次いで、硬質粒子の一例である炭化タングステン(WC)及び金属材粒子の一例であるコバルト(Co)を用いて造粒して得られた溶射材(組成:WC−12質量%Co)を用いて表1に示す条件の高速フレーム溶射を行い、皮膜を基材の表面に形成した。
高速フレーム溶射としては、助燃ガスに空気を用いるHVAF装置を用いて成膜した。本実施例では溶射の粒子速度を大きくするため、ラバールノズルを採用した。
ここで、粒子速度は、溶射距離(ノズル先端から基材までの距離)での粒子速度を可視化画像流速計(PIV:Particle Image Velocimetry)で測定した。なお、基材に衝突する際の粒子速度の測定は困難なので、基材をセットしない状態でノズル先端から溶射距離分は離れた位置の粒子の飛行速度を測定した。
更に、皮膜の表面をダイヤモンドホイールを用いて研削した後、ダイヤモンド砥粒を用いて表面粗さRa0.04μm以下にラッピングして、本例の試験用の転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を得た。
下記耐久性評価試験の後、本例の試験用転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を切断して、試料を作成した。
次いで、作成した試料をマイクロインデンタ(MTS Systems社製 Nano Indenter XP)のステージに固定し、圧子(Berkovich(三角錐形))を使用し、連続剛性測定を5回行ってデータを得た。
ヤング率を接触深さ約800nmでの数値で算出するという解析条件で、上記得られたデータを解析して、ヤング率を測定した。
基材のヤング率及びポアソン比と皮膜のヤング率及びポアソン比とから、次式(1)により、転動体の等価ヤング率(E*)を算出した。このとき、皮膜のポアソン比は0.3とした。なお、次式(1)のパラメータ、係数1及び2は、αとEとHが一定の関係を有するため、これらをプロットし、曲線当てはめ(カーブフィッティング)により算出することができる。
下記耐久性評価試験の後、本例の試験用転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を切断して、試料を作成した。次いで、作成した試料の断面を光化学顕微鏡(対物レンズ:50倍)を用いて画像処理装置に画像を取り込み、次いで、2値化処理にて測定対象物である空孔を黒色部として抽出した。
次に、画像解析装置(カールツァイス AxioVision)を使用して、観察される黒色部の面積率を算出し、皮膜の断面空孔率とした。
本例の仕様の一部を表1に併記する。
表1に示すように、用いる硬質粒子の仕様や溶射条件などを変えて、皮膜のヤング率などを変えたこと以外は、実施例1−1と同様の操作を繰り返して、各例の試験用の転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を得た。
具体的には、実施例1−2では実施例1−1と同じくラバールノズルを採用したHVAF装置で成膜した。また、実施例1−3〜実施例1−5については、助燃ガスに空気を用いるHVAF装置を用いたが、ラバールノズルは採用せず、ストレートノズルで成膜した。
また、上記同様の方法により、皮膜のヤング率、転動体の等価ヤング率及び皮膜の断面空孔率を測定・算出した。
なお、各例の仕様の一部を表1に併記する。
表1に示すように、用いる硬質粒子の仕様や溶射条件を変えて、皮膜のヤング率などを変えたこと以外は、実施例1−1と同様の操作を繰り返して、本例の試験用の転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を得た。
高速フレーム溶射としては一般的な助燃ガスに酸素を用いるHVOF装置で成膜した。
また、上記同様の方法により、皮膜のヤング率及び皮膜の断面空孔率を測定・算出した。
なお、本例の仕様の一部を表1に併記する。
図3に、上記実施例1−1〜実施例1−5及び比較例1−1で測定した粒子速度と皮膜のヤング率の関係の一部を示す。粒子速度が高いほどヤング率が高く、一般的な高速フレーム溶射のHVOFでは250GPaを超えるヤング率の皮膜が成膜できない。したがって優れた耐久性を有する転動体を作製するためには、助燃ガスに空気を使用するHVAFを適用することが好ましい。
膜厚を100μmに変えたこと以外は、実施例1−1と同様の操作を繰り返して、本例の試験用の転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を得た。
また、上記同様の方法により、皮膜のヤング率、転動体の等価ヤング率及び皮膜の断面空孔率を測定・算出した。
なお、本例の皮膜のヤング率は301GPaであり、転動体の等価ヤング率は219GPaであり、皮膜の断面空孔率は0.9体積%である。
一般的な超硬合金(ヤング率:364GPa)により、本例の試験用の転動体(ローラピッチング試験用ローラ)を作製した。
なお、本例の試験用の転動体においては、皮膜を設けておらず、超硬合金のバルク体であるため、転動体の等価ヤング率は超硬合金のヤング率(364GPa)となる。
(耐久性評価試験)
図4(A)及び(B)は、耐久性評価試験(ローラピッチング試験)の要領を示す正面図及び側面図である。
同図に示すように、ダイス鋼(ヤング率:213GPa、ポアソン比:0.28、表面硬度:700〜750HV)で作製したR10形状のローラ5の外周部に、フラット形状の各例のローラピッチング試験用ローラ1が接触するように配置させた。
そして、表2に示す条件下、潤滑剤供給装置6から潤滑剤(トラクション油)7を供給しながらローラ1及びローラ5を回転させ、ピッチングの発生によりローラ1に生じた振動でローラ1が停止するまでの回転数を求め、これにより、ローラ1の耐久性を評価した。
得られた結果を表1に併記する。
図5に示すように、236GPaから大きくすることで寿命が長くなることが分かった。特に、皮膜のヤング率が250GPa以上であると、大幅に寿命が向上することが分かる。
図6に示すように、空孔率が小さくなるほど寿命が長くなる傾向になっており、特に空孔率が5体積%以下であると、その傾向が強くなっていることが分かる。
図7は、実施例1−1及び実施例2−1における皮膜厚さと転動体の等価ヤング率との関係を示すグラフである。
図7に示すように、実施例1−1〜実施例1−5において、500μmでの寿命が最も長かった実施例1−1では、等価ヤング率が281GPaであった。一方、これに対応する例である皮膜厚さを100μmとした実施例2−1では、等価ヤング率が219GPaであった。
図8に示すように、等価ヤング率を超硬合金のヤング率以下である350GPa以下とすることによって、寿命が長くなることが分かる。
また、金属製基材の必要な部分(転動ローラ部分)のみに皮膜を形成することができるので、超硬合金に対して、非常に安価で、高い生産性をもって部品を製作することができるという利点がある。
図9から高速フレーム溶射法によって、WC−Co粒子が加熱されたことにより、皮膜成分中に炭化タングステン(WC、W2C)とη相(Co3W3C)が存在することが分かる(なお、他の例においても同様の分析結果が得られた。)。
このように、炭化タングステンと共にη相を含むため、耐久性が優れているとも考えられる。
なお、硬質粒子は、少なくとも上記説明した金属製基材より高硬度且つ高融点である硬質粒子であれば、本発明の効果を奏することができることは推測できる。
また、本発明の範囲に属する実施例の転動体の製造方法において説明したように、溶射法により大気中で皮膜の形成を行うことができると、大型の転動体の製造に対しても容易に適用することができる。
更に、本発明の範囲に属する実施例の転動体の製造方法において説明したように、高速フレーム溶射によって皮膜の形成を行うと、溶射材における硬質粒子の成分を金属単体や合金中に溶出させ易く、皮膜中にη相を形成させやすくなる。
その結果、皮膜の硬度及び融点が向上し、より耐焼付性が優れた転動体を得ることができる。
更にまた、本発明の範囲に属する実施例の転動体の製造方法において説明したように、硬質粒子と金属材粒子とから造粒した溶射材を用いる場合には、溶射材における組成の自由度が高い。
そして、1.5μm以下の微小な一次粒子が得られれば、あらゆる成分の組み合わせが可能になる。
例えば、本発明は、トラクションローラや、圧延ローラ、ガイドローラ、ころ軸受などに適用することもできる。
2 基材
4 皮膜
4a 硬質粒子
4b 金属材
5 ローラ
6 潤滑剤供給装置
7 潤滑剤
10 入力軸
11 第1ローラ
12、22 皮膜
20 出力軸
21 第2ローラ
31、32、33、34 ボールベアリング
35、36、37、38 ローラベアリング
39、41 ベアリングサポート
40、42 ボルト
100 四輪駆動車両のトランスファ
H ハウジング
Claims (11)
- 潤滑剤を介して、又は直接接触する複数個の転動体を具備した動力伝達装置において用いられる転動体であって、
ヤング率が220GPa以下である金属製基材と、
上記金属製基材の表面に形成され、硬質粒子と金属単体及び合金の少なくとも一方からなる金属材とを含み且つヤング率が250GPa以上である皮膜と、
を備えたことを特徴とする転動体。 - 当該転動体の等価ヤング率が350Gpa以下であることを特徴とする請求項1に記載の転動体。
- 上記皮膜の断面空孔率が5体積%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の転動体。
- 上記硬質粒子が、炭化物、硼化物、窒化物、珪化物、硫化物、酸化物及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも1種の硬質粒子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の転動体。
- 上記硬質粒子が、炭化タングステンからなる硬質粒子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の転動体。
- 上記皮膜が、η相を含むことを特徴とする請求項5に記載の転動体。
- 請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の転動体を具備したことを特徴とする動力伝達装置。
- 請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の転動体の製造方法であって、
金属製基材の表面への皮膜の形成を、硬質粒子と金属単体及び合金の少なくとも一方からなる金属材とを含む溶射材を用いた溶射法によって行うことを特徴とする転動体の製造方法。 - 上記溶射法が大気中で行う溶射法であることを特徴とする請求項8に記載の転動体の製造方法。
- 上記溶射法が高速フレーム溶射法であることを特徴とする請求項8又は9に記載の転動体の製造方法。
- 上記溶射材が、上記硬質粒子と上記金属材を含む粒子とを用いて造粒した溶射材であることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1つの項に記載の転動体の製造方法。
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