(57)【要約】【課題】チタン合金からなる保持器表面の硬度を高めて機械的強度の増大を図り、しかも保持器全体が大きな引張応力と繰り返し応力に充分に耐えるように疲労強度を増大させ、航空機用途などの厳しい使用条件に耐える転がり軸受のチタン合金製保持器とすることである。【解決手段】転がり軸受のチタン合金製保持器について、結晶粒間に微細な二次α相が溶体化及び時効により析出したα＋β型またはα型のチタン合金からなる保持器４の外径面４ａ、内径面４ｂ、幅面４ｃ及びポケット面４ｄに対し、酸素拡散層５を設ける。保持器４の表面は酸素濃度０．８質量％以上に酸素を固溶し、前記表面の硬さを５５０Ｈｖ以上とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶粒間に微細な二次α相が溶体化及び時効により析出したα＋β型またはα型のチタン合金からなる保持器の表面に、酸素濃度が前記表面からの深さに応じて連続的に減少する酸素拡散層を設け、前記表面は酸素濃度０．８質量％以上に酸素を固溶し、前記表面の硬さが５５０Ｈｖ以上である転がり軸受のチタン合金製保持器。
【請求項２】
上記チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖチタン合金である請求項１に記載の転がり軸受のチタン合金製保持器。
【請求項３】
上記保持器の表面が、ＥＢＳＤ測定の観察画像において、結晶方位差１５°以上を結晶粒界とみなし、前記観察画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、前記観察画像領域中の全結晶粒面積の７０％に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が１５μｍ以下の結晶粒で構成されている請求項１または２に記載の転がり軸受のチタン合金製保持器。
【請求項４】
上記保持器の表面が、固体潤滑剤層で被覆されている請求項１〜３のいずれかに記載の転がり軸受のチタン合金製保持器。
【請求項５】
上記固体潤滑剤層が、銀めっき層である請求項４に記載の転がり軸受のチタン合金製保持器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の転がり軸受のチタン合金製保持器からなる航空機用転がり軸受のチタン合金製保持器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受の保持器に関し、特に軽量化と共に耐久性の求められる航空宇宙などの技術分野で適用できる転がり軸受のチタン合金製保持器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に航空機等に用いられる及びそれらに用いられる転がり軸受は、航空機等の燃料消費量の削減のために、可及的に軽量化することが求められる。
【０００３】
このような航空機用転がり軸受のなかでも、特に低温から高温までの幅広い温度領域で使用されるものや、高速回転条件で使用されるものの保持器の材質としては、これまでニッケルクロムモリブデン鋼である米国ＡＩＳＩ規格ＳＡＥ４３４０等の高張力鋼が用いられてきた。
しかし、高張力鋼は、比重が大きいので、航空機用転がり軸受の保持器として必要な軽量化を十分に図れない。
【０００４】
また、ＳＡＥ４３４０製の保持器の焼入れ・焼戻し熱処理後の硬さは、通常、３１０Ｈｖ程度になり、このような硬さの保持器の案内面やポケット面に、転がり軸受の外部から異物が侵入すると、保持器が異常摩耗を起こす可能性がある。
【０００５】
このように保持器の案内面やポケット面は、できるだけ高い硬度と耐摩耗性を備えていることが求められ、また高速回転/高頻度の起動停止を伴う条件下で使用される転がり軸受の保持器には、高い引張強度と疲労強度を備えている必要もある。
【０００６】
例えば、高張力鋼よりも軽量であり、しかも耐蝕性に優れた純チタンもしくはチタン合金で保持器を形成する場合には、軌道輪を案内する面の耐摩耗性の向上を目的として、保持器表面にＨｖ４００以上の硬さの酸素化合物を厚さ２０ｎｍ以上に形成することが知られている（特許文献１、段落［００２２］）。
【０００７】
また、腐食性環境で軸受材料としてチタン合金を用いる場合、マルテンサイトを強化し、またα相領域を拡大する侵入型固溶元素のＯ，Ｎ，Ｃを添加成分とすることが知られている。また酸素の含有量を０．２％以上０．９％以下としたチタン合金に、溶体化処理及び時効処理を行なうことによって、チタン合金製軸受の硬さや耐摩耗性を高めることが知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２-３３９９８２号公報
【特許文献２】特開平１１-１５３１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、耐摩耗性や強度を向上させる目的で、チタン合金にＯ，Ｎ，Ｃを添加し、さらに溶体化処理及び時効処理を行なったとしても、チタン合金の硬さや耐摩耗性は高められるが、引張強度や疲労強度を充分に高めることは困難であった。
【００１０】
言い換えれば、α＋β型またはα型のチタンまたはチタン合金に対し、通常の溶体化処理および時効処理を行なってもα相領域は拡大するが相変態することはなく、期待される程度に機械的性質を改良または変化させることはできなかった。
【００１１】
また、溶体化処理および時効処理を経ていないチタン合金の生材に対し、浸酸処理によって酸素を固溶させると、酸素の固溶した部分の強度，硬さ，耐食性，耐摩耗性を高められる。しかしながら、前記硬さは、４００Ｈｖ程度に高められるにすぎず、また酸素原子が化合した結晶粒は生材に比べて粗大化するので、疲労強度は低下してしまう。
【００１２】
このような従来のチタン合金を用いて製造された保持器では、これを転がり軸受に組み込んで高速回転させ大きな遠心力が保持器に作用するときや、転がり軸受の起動と停止が高頻度で行われるとき、または軸受運転パターンによって保持器に作用する遠心力が高頻度で変動するときには、大きな引張応力と繰り返し応力を受ける保持器が、使用に耐えきれず、本来の機能を充分に発揮できなくなる可能性がある。
【００１３】
そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決し、チタン合金からなる保持器表面の硬度を高めて機械的強度の増大を図り、しかも保持器全体が大きな引張応力と繰り返し応力に充分に耐えるように疲労強度を増大させ、厳しい使用条件に耐える転がり軸受のチタン合金製保持器とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、この発明においては、結晶粒間に微細な二次α相が溶体化及び時効により析出したα＋β型またはα型のチタン合金からなる保持器の表面に、酸素濃度が前記表面からの深さに応じて連続的に減少する酸素拡散層を設け、前記表面は酸素濃度０．８質量％以上に酸素を固溶し、前記表面の硬さが５５０Ｈｖ以上である転がり軸受のチタン合金製保持器としたのである。
【００１５】
上記したように構成されるこの発明の転がり軸受のチタン合金製保持器は、初析α相からなる結晶粒間に微細な二次α相が溶体化及び時効によって析出しているので、固溶した酸素原子と化合した結晶粒のうち、初析α相よりも微細な二次α相の結晶粒は、初析α相の結晶粒に比べて粗大化の程度が小さく、二次α相を有する全結晶粒の平均粒径は、１５μｍ以下にまで小さくなる。
【００１６】
そのため、微細な二次α相の結晶粒に酸素濃度０．８質量％以上に酸素を固溶した酸素拡散層による硬度は、より高められて硬さ５５０Ｈｖ以上になる。
【００１７】
また、チタン合金からなる保持器に、酸素濃度が表面からの深さに応じて連続的に減少する酸素拡散層を設けたことにより、チタン合金の表面の強度，硬さ，耐食性，耐摩耗性を向上させ、しかも二次α相を有する全結晶粒の平均粒径が小さいため、チタン合金全体の疲労強度は、低下させない。
【００１８】
結晶粒間に微細な二次α相が溶体化及び時効により析出した保持器の表面は、脆性が高く実質的に酸素拡散層と言えないＴｉＣ、ＴｉＯ２、ＴｉＯからなる化合物層を取り除いて、酸素濃度が深さ方向に減少する酸素拡散層を露出させることにより、酸素濃度０．８質量％以上に酸素を固溶し、硬さ５５０Ｈｖ以上の硬質で、転がり軸受に必要な摺動面に適切な強度を得る。
【００１９】
上記チタン合金は、引張強度、クリープ強さ等をできるだけ高めるために、α相の安定化元素であるアルミニウム元素（Ａｌ）をある程度（７質量％以下）まで含ませることは好ましく、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖチタン合金などを用いることが好ましい。
【００２０】
酸素原子の化合した微細な二次α相を有する全結晶粒の平均粒径は、１５μｍ以下にすることが疲労強度を高めるために好ましいが、そのような平均粒径は、上記保持器の表面が、ＥＢＳＤ測定の観察画像において、結晶方位差１５°以上を結晶粒界とみなし、前記観察画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、前記観察画像領域中の全結晶粒面積の７０％に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が１５μｍ以下の結晶粒で構成されていることで確認できる。
【００２１】
また、上記保持器に所要の潤滑性を高めるため、保持器の表面を、固体潤滑剤層で被覆して設けることが好ましい。そのような固体潤滑剤層としては、例えば銀めっき層が好ましい。軟質金属である銀は、鍍金により潤滑性の被膜を形成し、低温から高温までの航空機用の転がり軸受に好ましい態様となる。
このように上記の転がり軸受のチタン合金製保持器は、航空機用転がり軸受のチタン合金製保持器として適用できるものになる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明は、α＋β型またはα型のチタン合金製保持器の表面に、結晶粒間に微細な二次α相が溶体化及び時効により析出した状態で酸素拡散層を設けるので、酸素の固溶した表面の硬度を高めると共に機械的強度を充分に高めることができる利点がある。
【００２３】
そのため、チタン合金製保持器の表面が充分に硬化し、しかも保持器全体が大きな引張応力と繰り返し応力に耐える充分な疲労強度を備えるので、航空機用途などの厳しい使用に適用できる転がり軸受のチタン合金製保持器となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態のチタン合金製保持器を組み込んだ玉軸受の断面図
【図２】第１実施形態のチタン合金製保持器の一部を切り欠いた断面図
【図３】第２実施形態のチタン合金製保持器を組み込んだころ軸受の断面図
【図４】実施例１の保持器の表面からの深さと硬さ(Hv)の関係を示す図表
【図５】実施例１の保持器の表面からの深さと酸素濃度の関係を示す図表
【図６】実施例１の保持器表面のＥＢＳＤ測定による観察画像を示す図面代用写真
【発明を実施するための形態】
【００２５】
この発明におけるチタン合金製保持器は、特にその形態を限定せずに、例えば、図１〜３に示される玉軸受やころ軸受の保持器を代表的なものとして説明できる。
【００２６】
保持器の形態は環状であって、玉またはころからなる転動体を保持するポケットを環状の周方向に間隔を空けて形成されたものである。図示した円孔状または四角穴状のポケットを有する保持器の他、いわゆる籠型保持器、櫛歯型保持器、冠型保持器などの周知形態の保持器であってもよい。これらの保持器は、チタン合金からなる金属素材をプレス、打ち抜き、成型、削り出し等の周知の加工手段で形成できる。
【００２７】
チタン合金は、α＋β型またはα型のチタン合金を用いることができる。保持器として高温で使用される条件を考慮し、高温で高い強度の得られるα相を有していることが必要である。
【００２８】
例えば、α＋β型チタン合金の例として、Ｔｉ-６Ａｌ-４ＶやＴｉ-６Ａｌ-２Ｓｎ-４Ｚｒ-６Ｍｏ等を挙げることができ、またα型チタン合金の例として、Ｔｉ-５Ａｌ-２．５ＳｎやＴｉ-８Ａｌ-１Ｍｏ-１Ｖ等を挙げることができる。
【００２９】
上記のようなチタン合金製保持器は、最終的にはα＋β型またはα型のチタン合金に酸素を浸酸工程で固溶させることにより、表面硬さを高めて強化するが、酸素を固溶させる前段階のチタン合金の素地は、微細結晶粒が形成されるように、初析α相の結晶粒間に微細な二次α相を溶体化及び時効により析出させておくのである。
【００３０】
上記の微細な二次α相が析出したチタン合金製保持器の製造工程には、以下のように準備工程、溶体化処理工程、時効処理工程、浸酸処理工程を必須工程として含んでいる。
【００３１】
準備工程においては、α+β型チタン合金またはα型チタン合金のいずれかからなる部材を、保持器の内径、外径、幅、ポケット径の最終製品の寸法に近い寸法と形状にまで切削加工を行なう。
【００３２】
溶体化処理工程では、前記準備工程にて一定形状まで加工された保持器部材を所定の温度と時間、炉中で加熱保持する。
この時、炉内は常圧下で、不活性ガスとしてアルゴン等を導入する。不活性ガスは希ガスであるヘリウムや窒素ガス等を用いても良い。
【００３３】
時効処理工程では、前記溶体化処理工程の後に、初析α相より微細なセカンダリα（二次α相）を析出させることを目的として行なう。
【００３４】
浸酸処理工程においては、溶体化処理工程及び時効処理工程の後、高硬度を有する酸素拡散層を形成するために浸酸処理を行なう。
【００３５】
図１及び図２に示す第１実施形態では、例えば航空機のジェットエンジン用軸受として外輪１と２分割可能な内輪２との間に回転自在に介在する玉の転動体３を円環状の保持器４で所定間隔に保持する周知形式の３点接触玉軸受で使用される保持器４を示しており、この保持器４の外径面４ａ、内径面４ｂ、幅面４ｃ及びポケット面４ｄに対して酸素拡散層５を設けることが好ましい。
【００３６】
また上記一連の処理工程は、保持器の全表面に対して行なってもよく、また特定箇所を浸酸処理する時には、保持器の一部にマスキングを施すことで、高硬度化が必要なポケット面４ｄ以外に、保持器の転動体に対する案内形式に応じて、例えば内輪案内形式の場合、保持器の内径面４ｂ等の特定の面のみに酸素拡散層を設けてもよい。
【００３７】
図３に示すように第２実施形態では、ころの転動体６を円環状の保持器７で所定間隔に保持している。このようなころ軸受に対しても上記同様に、保持器７の外径面７ａ、内径面７ｂ、幅面７ｃ及びポケット面７ｄに対して酸素拡散層５を設けることができる。
【００３８】
後処理工程として、前記の浸酸処理工程の後、保持器素材を特定の寸法精度に仕上げるための旋削や研磨等の機械加工を行なう。
すなわち、浸酸処理後の保持器素材の表層部には、ＴｉＣ、ＴｉＯ２またはＴｉＯからなる化合物層が形成されるが、この化合物層は、硬さは高いが脆性的であるため、後処理工程の機械加工にて表層を除去する。また、浸酸処理後、特定の寸法精度に仕上げるため、旋削や研磨等の機械加工が実施される。
【００３９】
また、必要に応じて、保持器案内面と軌道輪案内面、保持器ポケット面と転動体間の滑り運動に対する潤滑性向上のために、銀メッキ処理等により固体潤滑剤層が保持器表面に設けられる。
【００４０】
固体潤滑剤として周知な軟質金属としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｃｕが挙げられ、潤滑性のある高分子材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂が挙げられる。
【００４１】
上記一連の工程によって製造された保持器表面の酸素濃度は、約０．８質量％以上になり、保持器表面の硬度は約５５０Ｈｖ以上になる。また、保持器表面のＥＢＳＤ観察画像において、結晶方位差１５°以上で粒界として規定し、ＥＢＳＤ画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、ＥＢＳＤ画像領域中の全結晶粒面積の７０％に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が１５μｍ以下の結晶粒で保持器表面を構成する。
【００４２】
上記のように製造される実施形態の比強度が高いチタン合金製の保持器は、溶体化及び時効処理において結晶粒微細化を行うことで疲労強度を確保しながら、その後の浸酸処理において高硬度の酸素拡散層を設けることができ、高硬度を有すると共に疲労強度に優れた転がり軸受の保持器になる。
【実施例】
【００４３】
［実施例１］
ＡＳＴＭ Ｂ３４８-１３ ＧＲ.５準拠のα+β型チタン合金であるＴｉ-６Ａｌ-４Ｖからなる環状の保持器素材（図１、２）に対し、前記の製造工程に従って、溶体化処理工程、時効処理工程、浸酸処理工程を行なった。
【００４４】
このときの保持器（試料）のビッカース硬さ（Ｈｖ）を、試料の表面から少しずつ削り取りながら深さ０．５ｍｍまで所定深さ毎に測定し、各深さでのＨｖと当初表面からの深さ（ｍｍ）との関係を図４に示した。
【００４５】
また、上記のビッカース硬さ（Ｈｖ）の測定と同時に、酸素濃度（質量％）を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によって測定し、保持器（試料）の表面から深さ０．５ｍｍまでの深さ（ｍｍ）との関係を図５に示した。
ここで、図４、５では、仕上げ加工（後処理）工程を行っていない保持器素材の硬さ及び酸素濃度分布を示している。
【００４６】
最終製品である実施例１の保持器は、後処理工程での機械加工によって任意で設定される取り代分だけ、表層は除去されたものである。したがって、図４、５に示される硬度及び酸素濃度分布において、取り代分より深い位置での硬度や酸素濃度が、実際の保持器表面の硬度および酸素濃度に相当する。
【００４７】
ここで、浸酸処理後の機械加工は、硬化層である酸素拡散層を可能な限り除去しない範囲内での取り代にて行うことが望ましく、一般的に取り代は、０．１０ｍｍ未満である。参考のために、図中に記載した保持器素材（試料）の表面から取り代０．１０ｍｍで軸受摺動面を形成した場合の摺動面表面の硬さ及び酸素濃度は、５４７Ｈｖ及び０．７８質量％であった。
【００４８】
また、保持器素材（試料）の表面から取り代０．１０ｍｍで軸受摺動面を形成した場合の表層のＥＢＳＤ測定による観察画像を図６に示した。
【００４９】
ＥＢＳＤ画像から測定した試料中のα結晶粒の平均粒径は、１０．１μmであった。また溶体化および時効により析出した二次α相は、ＥＢＳＤ画像に現れているように針状または板状の微細な二次α相であることが認められた。
【００５０】
この時の平均粒径の測定条件は、結晶方位差１５°以上で粒界として規定し、ＥＢＳＤ画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、ＥＢＳＤ画像領域中の全結晶粒面積の７０％に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値として測定した。
【００５１】
また、実施例１に示す処理工程及び処理条件にて製造したチタン合金製保持器素材からなる試験片に対して、引張強度（ＭＰａ）及び回転曲げ疲労強度（ＭＰａ）を調べ、結果を表１に示した。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
［比較例１］
実施例１において、保持器素材の熱処理（溶体化処理工程および時効処理工程）に代えて、以下に示す(従来の)条件で溶体化処理工程および時効処理工程を行なったこと以外は、実施例１と全く同様にして、比較例１のチタン合金製の保持器素材からなる試験片を製造した。
【００５４】
［比較例２］
実施例１において、保持器素材に対して溶体化処理および時効処理を行なわずに、比較例２のチタン合金製の保持器素材からなる試験片を製造した。
【００５５】
上記のようにして得られた比較例１、２の試験片について、実施例１に対する試験方法及び条件で引張強度（ＭＰａ）と回転曲げ疲労強度（ＭＰａ）を測定し、その結果を表１中に併記した。
【００５６】
表１に示される結果からも明らかなように、実施例１は、比較例１〜２の保持器よりも大きな引張強度を有しているため、高速回転で使用される条件においても適用が可能であることが分かる。加えて、所定の溶体化処理および時効処理によって結晶粒が微細であり、その後に浸酸処理されて表面に充分な酸素を固溶しているので、比較例１〜２の保持器よりも高い疲労強度を有しており、このことから、高頻度の軸受起動停止を伴う使用条件においても適用が可能であることが分かった。
【００５７】
また、実施例１の保持器は、高濃度の酸素拡散層を有する保持器表面は高硬度であるため、外来異物の噛み込み時や、潤滑性向上のために設けた銀等の固体潤滑剤層が磨滅した際に、保持器の耐摩耗性が改善されていると判断された。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
航空宇宙機器用の転がり軸受などとして、軽量化および耐久性のよい強度が求められる用途に汎用性のある転がり軸受として利用でき、またそのような優れた特性を有する高頻度の起動と停止を繰り返す使用状態の転がり軸受などにも利用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１  外輪
２  内輪
３  玉の転動体
４、７  保持器
４ａ，７ａ  外径面
４ｂ，７ｂ  内径面
４ｃ，７ｃ  幅面
４ｄ，７ｄ  ポケット面
５  酸素拡散層
６  ころの転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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