JPH05223125A - 耐摩耗性レースランド領域を有するころがり要素軸受 - Google Patents

耐摩耗性レースランド領域を有するころがり要素軸受

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JPH05223125A
JPH05223125A JP4235523A JP23552392A JPH05223125A JP H05223125 A JPH05223125 A JP H05223125A JP 4235523 A JP4235523 A JP 4235523A JP 23552392 A JP23552392 A JP 23552392A JP H05223125 A JPH05223125 A JP H05223125A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 摩耗や条痕への感受性を低減したころがり要
素軸受を提供する。 【構成】 窒化チタンなどの硬い耐摩耗性材料のコーテ
ィング２０をころがり要素軸受１０のレースランド領域
１９に施す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】この発明は、ころがり要素軸受、特に高速
で大きな荷重下で用いられるころがり要素軸受に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ころがり要素軸受が回転シャフトと固定
ジャーナルとの間または回転車と固定車軸との間の摩擦
を低減するのに有効であることは、この種の軸受が種々
広範な用途に普及していることによく示されている。こ
のような軸受は摩擦防止軸受と呼ばれることもある。そ
れは、一般に、ころがり要素と内および外レースとの間
のころがり作用に関連した摩擦が、ジャーナル軸受にお
けるシャフトとジャーナルとの間のすべり作用に関連し
た摩擦よりはるかに少ないからである。
【０００３】ころがり要素軸受は、寸法、回転速度、作
動荷重および温度、ころがり要素の種類がいろいろであ
る。このような軸受でもっとも広く使用されている種類
のころがり要素は、ボール、円筒ローラ（ころ）そして
円すい台形テーパローラである。多くの要因が組み合わ
さって軸受の限界速度が決まる。軸受速度の限度につい
ての指標を得るため、寸法と回転速度を組み合わせて
「ＤＮ」と称される量を用いるのが好都合である。ＤＮ
は、内レースの内径またはボア径（ｍｍ）と回転速度
（ｒｐｍ）とを掛けた積である。ＤＮ値が約１，５０
０，０００以上である軸受は、ころがり要素のすべりま
たは横すべり（スキッド）、過熱、ころがり接触疲労、
大きなフープ応力に基づくレース破砕などの問題を生じ
がちであることが見出された。つまり、約１，５００，
０００を越えるＤＮ値で高速軸受を定義するのが、任意
ではあるが、有効である。
【０００４】ころがり要素軸受における摩耗を減らす手
段は多数考案されている。たとえば、ころがり要素およ
び両レースを硬化（焼入れ）鋼から形成することが多
い。通常用いられる鋼は高レベルの、一般に約０．５％
以上の炭素を含有する。あるいは、このような軸受の部
品の表面を同様の炭素レベルに浸炭する。特開昭５８−
１７４７１８号に、摩耗低減手段として硬質コーティン
グをころがり要素および両レースに被着することが開示
されている。しかし、ころがり要素またはレース上の硬
質コーティングが、大きな荷重を受ける高速軸受の作動
には有害であることを見出した。このような条件下で
は、硬質コーティングが割れたり、剥落したりし、ばら
ばらの硬質材料の粒子を生じるおそれがある。ばらばら
の粒子が、以下に説明するような汚染粒子として作用す
る。
【０００５】典型的なころがり要素軸受には、複数のこ
ろがり要素を両レースの周囲に沿って互いに均一な間隔
に保持する作用をなす、スペーサ手段が設けられてお
り、このスペーサ手段は通常ケージ、セパレータまたは
保持器と呼ばれる。高いＤＮ値で作動するよう設計され
た軸受の場合、ケージを、内レースまたは外レースいず
れかのランドまたは肩領域のごく近傍で作動させること
により、ケージを案内する。ケージと案内レースのラン
ド領域との間の半径方向隙間（クリアランス）は０．０
１０インチ程度と小さい。この設計はケージを軸受とよ
り一層同軸に保ち、これによりころがり要素の間隔の均
一性を向上するとともに、ケージの振動またはぐらつき
を減らす。
【０００６】しかし、この設計の欠点として、硬い汚染
粒子がケージと案内レースのランド領域との間の隙間領
域に取り込まれるおそれがある。そうすると、汚染粒子
が軸受部品の摩耗を増大する原因となる。この問題は、
ケージを青銅のような比較的軟質な材料から形成した場
合や、銀のような軟質の焼きつき防止コーティングで被
覆した場合に、特に深刻である。汚染粒子がこの軟質材
料に埋め込まれるおそれがある。埋め込まれた汚染粒子
は案内レースのランド領域に食い込む作用をなす。さら
に、摩耗過程で発生した破片粒子が摩耗過程を促進する
挙動を示す。通常製造、組立あるいは作動中に軸受の汚
染を防止するためにかなりの注意が払われているにもか
かわらず、このような汚染は依然としてころがり要素軸
受の設計者にとっても、利用者にとっても問題である。
【０００７】微細組織に非常に細かい炭化物粒子を有す
る鋼で形成したレースを有する軸受、たとえば粉末冶金
技術で作製した軸受レースは、汚染および破片からの摩
耗促進問題を特に受けやすい。個々の炭化物粒子が小さ
すぎて、汚染粒子や破片粒子が炭化物粒子や支持母材を
金属表面から掘り出すのを防止できないからである。
【０００８】航空機ガスタービンエンジンの回転する圧
縮機およびタービン部品は、代表的には、ころがり要素
軸受で支持されている。このような軸受は、通常高速、
高温および大きな作動荷重を受けるが、それでもなお、
エンジンの全重量を小さくするため、できるだけ軽くな
ければならない。２，０００，０００程度のＤＮ値が典
型的である。エンジン運転温度から、ＡＩＳＩ５２１０
０などの汎用軸受鋼の代わりに、Ｍ５０などの工具鋼を
使用する必要がある。航空機ガスタービンエンジンの軸
受は、エンジンが発生する全スラスト＋回転部品の重量
から生じる荷重＋飛行中のマヌーバ、空気擾乱および着
陸により発生する荷重を支えなければならない。このよ
うな高速大荷重の軸受はエンジンの運転に必須である。
したがって、このような軸受を、軸受破損のおそれを最
小にするように設計、製造する必要がある。
【０００９】
【発明の概要】この発明によれば、レースのランド領域
を摩耗や条痕から保護することにより、特にガスタービ
ンエンジン用の、改良型のころがり要素軸受を実現す
る。特に、硬い耐摩耗性材料、たとえば窒化チタンのコ
ーティングをころがり要素軸受のレースのランド領域に
施すことは、そのレースランド領域の摩耗や条痕を減ら
すのに有効である。さらに、このようなコーティング
は、ケージと内レースまたは外レースとの間の狭いラン
ニングクリアランスにより、ケージを軸受レースとほぼ
同軸な位置に案内し保持する形式の軸受の場合、特に有
効である。
【００１０】この発明の開発時に、上述した形式の軸受
が、ケージと案内用レースランド領域との間の小さなク
リアランス空間に存在する硬い汚染粒子の作用に基づく
摩耗や条痕を受けやすい、ことを見出した。硬い汚染粒
子を転がり要素軸受から排除するのが望ましいのは明ら
かであるが、実際には、前述した摩耗や条痕を防ぐのに
十分なほど汚染粒子のない状態を保つことは、ほとんど
不可能であることが、当業者には認識されるはずであ
る。したがって、この発明の目的は、このような摩耗や
条痕への感受性を低減したころがり要素軸受を提供する
ことにある。
【００１１】この発明の別の目的は、摩耗や条痕に対し
て保護したレースランド領域を有するころがり要素軸受
を提供することにある。この発明によれば、このような
摩耗や条痕に対する感受性を低減したが、その他の点で
は、そのような保護のないこと以外は同様の軸受と実質
的に同じ態様で機能するころがり要素軸受が提供され
る。
【００１２】この発明の他の特徴や効果を明らかにする
ために、以下に添付の図面を参照しながら、この発明の
好適な実施例を説明し、この発明の原理を示す。
【００１３】
【具体的な構成】この発明によれば、ケージと案内用レ
ースランド領域との間のクリアランス空間に入りこむ異
物粒子による摩耗や条痕の受けやすさを軽減した改良こ
ろがり要素軸受が提供される。改良点は、硬質な耐摩耗
性材料を軸受のレースランド領域に施すことにある。こ
の被覆材料は、適用が比較的簡単であり、軸受のこのレ
ースランド領域では過酷な作動条件に遭遇するにもかか
わらず、レースランド領域に被着したままに留まるとい
う意味で、レースランド領域の材料と物理的に適合性で
ある。異物粒子としては、軸受に偶然入りこむ汚染物
質、軸受の摩耗から生じる破片、軸受の外側での摩耗過
程から生じる破片などが挙げられるが、これらに限らな
い。
【００１４】図１および図２はころがり要素軸受の線図
的断面図である。図１では、ころがり要素１６はころが
り接触表面２２および２３間で作動するボールとして示
されている。図２では、ころがり要素１７はころがり接
触表面３２および３３間で作動するローラ（ころ）とし
て示されている。また、図１では、案内用レースランド
領域１９が外レース１２の上にあり、一方図２では、案
内用レースランド領域４２が内レース５４の上にある。
この発明は、ころがり要素がボール、ローラ、テーパ付
きローラ、または他の適当な形式のころがり要素である
か、あるいはケージが内レースまたは外レースいずれの
ランド領域で案内されるかにかかわりなく、ころがり要
素軸受類全般に適用できるので、図面は限定的なもので
はなく、例示にすぎない。
【００１５】図１に示すように、ころがり要素軸受１０
は、外レース１２、内レース１４、複数のころがり要素
１６およびころがり要素を位置決めするケージ１８を含
む。前述したように、ケージの主要機能の一つは、ころ
がり要素１６を両レース間の作動空間にほぼ等間隔の位
置に維持することである。この機能は、ケージをころが
り要素の両側で、ケージと案内用レースのレースランド
領域１９との間の作動クリアランスを小さくして、案内
することにより、達成するのがよい。軸受要素の摩耗と
いう前述した問題は、レースランド領域で現れることが
多い。
【００１６】この発明では、このようなレースランド領
域の摩耗を、硬質な薄いコーティング２０を案内用レー
スのレースランド領域１９に被着するが、両レースのこ
ろがり接触表面２２および２３には被着しないことによ
って、著しく軽減する。コーティングをレースランド領
域には被着するが、接触表面には被着しないという限定
は、この発明の重要な特徴である。前述したように、特
開昭５８−１７４７１８号に開示されたころがり要素お
よびころがり接触表面上の硬質コーティングは過大な荷
重下で剥落したり、薄片化したりしやすく、こうして摩
耗ランド領域における摩耗や条痕の原因となる汚染粒子
を生成する。驚くべきことには、硬質コーティングが、
この発明にしたがって用いた場合、大きな荷重下でも剥
落や薄片化のおそれなしに、摩耗ランド領域において摩
耗に対する保護をなすことを見出した。したがって、こ
の発明によれば、硬質コーティングを意図的にレースラ
ンド領域１９に適用する一方、ころがり要素１６または
１７およびころがり接触表面２２および２３上への適用
を特に避ける。硬質コーティングのレースの他の領域へ
の適用を許すべきか否かは、軸受の他の機能上および製
造上の条件を考慮して決める。
【００１７】硬質コーティング用に選ぶ材料や、そのコ
ーティングを施す方法は特に限定されない。この発明の
文脈内では、用語「硬質コーティング」は、他に特定し
ない限り、基体の表面に重ねられたコーティングと、基
体の表面の性質を変える表面処理の両方を包含する。こ
の２種のコーティングは、構造的には相違があるが、機
能的には同様である。たとえば窒化チタンの上張りコー
ティングをレースランド領域の表面に適用したとき、軸
受レース材料の組成の変化はほとんどない。窒化や浸炭
のような表面処理は軸受レース材料の表面領域に１種以
上の元素を付加することを意味し、こうしてその組成を
局部的に変化させる。これは、微細組織の局部的変化を
伴うのが普通である。レースに対して行うことのできる
浸炭処理は２種類に区別することができる。飽和浸炭
は、浸炭温度で炭素をオーステナイトへの溶解度を越え
て加え、特に大きな耐摩耗性炭化物を生成する処理で、
表面処理とみなされる。これに対して、通常の浸炭は低
い％の炭素を、ただし深さは深くまで加える処理で、い
ずれかのタイプのコーティングを適用する前のレースの
製造の一部とみなされる。
【００１８】窒化チタン、炭化チタン、浸炭窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、炭化タングステン、緻密なクロ
ム薄層、緻密なクロム薄層を硫化タングステン潤滑膜で
被覆したものなど多数の種類のコーティングが、この発
明に使用できる。コーティングの適用方法としては、物
理蒸着、電気メッキおよびイオン注入が適当であり、こ
れらはいずれも当業界で周知である。窒化チタンを物理
蒸着またはその変法により適用するのが特に効果的であ
ることを確かめた。他のタイプの硬質コーティングも使
用でき、またこの発明で考えられているコーティングと
機能的に同等であり、その範囲内に含まれる硬質コーテ
ィングを他の適用方法で生成できることが、当業者には
明らかである。
【００１９】
【実施例１】図１に線図的に示した形式の軸受を、ガス
タービンエンジンでＤＮ値約２，０００，０００にて作
動させた。この軸受が硬い粒子ですぐに汚されるのが見
られ、そのため外レースランド領域に摩耗や条痕が生じ
た。窒化チタンのコーティングを物理蒸着により厚さ約
２−５μｍに被着すると、実験室試験でも工場エンジン
試験でも、この問題がほぼ解決された。
【００２０】
【実施例２】一体の硬質コーティングを有する軸受を、
飽和浸炭法により製造する。ケージを案内するレースラ
ンド領域を有する軸受レースを、Ｂａｍｂｅｒｇｅｒら
の米国特許第４，６５９，２４１号に記載された種類の
低炭素軸受鋼から製造し、ころがり接触領域に約０．０
２０インチの過剰材料を残す。つぎに、レースを深さ約
０．０４５インチ、表面炭素含量約０．９０％炭素に浸
炭する。レースをさらに深さ約０．０１５インチ、表面
炭素含量約１．２％炭素に浸炭する。つぎに、レースを
熱処理して、炭化物粒子を球状化し、こうして完成部品
から粒界炭化物網状構造を回避する。つぎに、レースを
ころがり接触領域においてほぼ公称寸法まで切削加工
し、その領域の一体の硬質コーティングを効果的に取り
除く。つぎに、レースをさらに熱処理して構造体内の残
留オーステナイトを最適化し、ころがり接触領域および
レースランド領域に所望の硬さを与える。つぎに、これ
を必要な寸法に仕上げ研磨する。あるいは、最初の浸炭
工程後に、電気メッキニッケル層のような浸炭に対する
マスクを所定の領域に適用し、第２浸炭層の範囲を部品
の所定の領域に限定する。
【００２１】以上の説明から明らかなように、この発明
は上述した実施例、方法および組成に限定されない。多
数の変形、変更、置き換え、均等物が当業者には明らか
であり、これらもすべてこの発明の範囲内に入る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ケージと外レースランド領域間の狭いランニン
グ隙間で案内されるケージ付きころがり要素軸受の線図
的断面図である。
【図２】ケージと内レースランド領域間の狭いランニン
グ隙間で案内されるケージ付きころがり要素軸受の線図
的断面図である。
【符号の説明】
１０ 軸受 １２ 外レース １４ 内レース １６ ころがり要素 １７ ころがり要素 １８ ケージ １９ レースランド領域 ２０ コーティング ２２ ころがり接触表面 ２３ ころがり接触表面 ３２ ころがり接触表面 ３３ ころがり接触表面 ４２ レースランド領域 ５２ 外レース ５４ 内レース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラッセル・レイ・カーター アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、グリーンキャッスル・ドライブ、 12085番 (72)発明者 マイケル・ギルバート・ジョンソン アメリカ合衆国、オハイオ州、フェアフィ ールド、フレイグ・ドライブ、6020番 (72)発明者 ジェリー・ドナルド・シェル アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ターゴット・サークル、3249番 (72)発明者 アレキサンダー・ホン・ナーム アメリカ合衆国、オハイオ州、マデイラ、 フォックスダール・コート、6135番 (72)発明者 マイケル・ジョン・プライス アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ウェンゲート・レーン、10888番

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つのランド領域の間にころがり接触領域
    が配置された内面を有し、各ランド領域にはほぼ均一な
    厚さの硬質コーティングが施された、だいたい環形状の
    外レースと、 前記外レースと同心に配置され、内レースと外レースの
    間に環状空間を画定する内レースであって、ころがり接
    触領域を含む外面を有するだいたい環形状の内レース
    と、 それぞれが前記環状空間に配置され、外レースおよび内
    レースに接触する、実質的に均一な寸法の複数のころが
    り要素と、 前記複数のころがり要素を前記環状空間の周囲に沿って
    ほぼ等しい角度間隔で位置決めするスペーサ手段であっ
    て、２つのランド領域を有する外面を有し、各ランド領
    域が前記外レースのランド領域の一方にほぼ対向して配
    置され、かつそれと協同して作用するスペーサ手段とを
    備え、 前記外レースのランド領域に施された硬質コーティング
    の存在を両レースのころがり接触領域およびころがり要
    素から排除し、 前記スペーサ手段のランド領域と外レースのランド領域
    とを近接させて、両者間の回転運動を抑制せずに、前記
    スペーサ手段を外レース内のほぼ同心な位置に限定する
    ころがり要素軸受。
  2. 【請求項２】ころがり接触領域を含む内面を有するだい
    たい環形状の外レースと、 前記外レースと同心に配置され、内レースと外レースの
    間に環状空間を画定する内レースであって、２つのラン
    ド領域の間にころがり接触領域が配置された外面を有
    し、各ランド領域にはほぼ均一な厚さの硬質コーティン
    グが施された、だいたい環形状の内レースと、 それぞれが前記環状空間に配置され、外レースおよび内
    レースに接触する、実質的に均一な寸法の複数のころが
    り要素と、 前記複数のころがり要素を前記環状空間の周囲に沿って
    ほぼ等しい角度間隔で位置決めするスペーサ手段であっ
    て、２つのランド領域を有する内面を有し、各ランド領
    域が前記内レースのランド領域の一方にほぼ対向して配
    置され、かつそれと協同して作用するスペーサ手段とを
    備え、 前記内レースのランド領域に施された硬質コーティング
    の存在を両レースのころがり接触領域およびころがり要
    素から排除し、 前記スペーサ手段の各ランド領域と内レースのランド領
    域とを近接させて、両者間の回転運動を抑制せずに、前
    記スペーサ手段を内レースのまわりのほぼ同心な位置に
    限定する軸受。
  3. 【請求項３】硬質コーティングが厚さ約０．１−２５μ
    ｍの上張りコーティングである請求項１または２に記載
    の軸受。
  4. 【請求項４】硬質コーティングが、窒化チタン、炭化チ
    タン、浸炭窒化チタン、窒化ジルコニウム、炭化タング
    ステン、緻密なクロム薄層、および緻密なクロム薄層を
    二硫化タングステン固体潤滑材膜で被覆したものよりな
    る群から選ばれた材料で形成した上張りコーティングで
    ある請求項１または２に記載の軸受。
  5. 【請求項５】硬質コーティングが窒化チタンよりなる上
    張りコーティングである請求項１または２に記載の軸
    受。
  6. 【請求項６】硬質コーティングが、窒化、窒化浸炭およ
    び飽和浸炭よりなる群から選ばれた処理法により生成し
    た一体コーティングである請求項１または２に記載の軸
    受。
  7. 【請求項７】硬質コーティングが厚さ約２０−１０００
    μｍの一体コーティングである請求項１または２に記載
    の軸受。
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