(57)【要約】【課題】高い嵌め合い応力が負荷され、低速回転で油膜の形成が不十分な風力発電機のような運転環境においても、内輪の割損を防止し、長寿命化を図る。【解決手段】内輪３１と外輪３２との間に複数のころ３３が周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受３０において、内輪３１として、心部のＣ濃度が０．９重量％〜１．３重量％、Ｓｉ濃度が０．１重量％〜１．５重量％である素材に浸炭窒化処理を施してからショットピーニング処理を施すことにより、完成品軌道輪の最大圧縮残留応力が−７００〜−１２００ＭＰａとされたものを用い、且つ前記浸炭窒化処理による浸炭窒化層の表面の残留オーステナイト量γＲを５〜１５％とする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間に複数のころが周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受において、内輪として、心部のＣ濃度が０．９重量％〜１．３重量％、Ｓｉ濃度が０．１重量％〜１．５重量％である素材に浸炭窒化処理を施してからショットピーニング処理を施すことにより、完成品軌道輪の最大圧縮残留応力が−７００〜−１２００ＭＰａとされたものを用い、且つ前記浸炭窒化処理による浸炭窒化層の表面の残留オーステナイト量γＲが５〜１５％であることを特徴とする自動調心ころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内輪と外輪との間に複数のころが周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受に関し、特に風力発電機用軸受などの高負荷、高剛性が要求される軸受に好適な自動調心ころ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電機では、通常、自動調心ころ軸受、円すいころ軸受、円筒ころ軸受などのころ軸受が使用されている。これはころ軸受が玉軸受に比して負荷容量が高く剛性が大であり、且つすべり軸受に比して焼付きに対する信頼性が高く長寿命という特徴を有するからである。また、風力発電機に用いられるころ軸受は、軸と内輪との間で生じるクリープを防止するために、内輪に１００ＭＰａを超える高い嵌め合い応力を付与して使用される。
【０００３】
ところで、自動調心ころ軸受の材料としては、一般に、高炭素クロム軸受鋼（Ｃ：約１重量％、Ｃｒ：約１．５重量％含有）のような完全硬化鋼に焼入れ、焼戻し処理を行ったものが使用されているが、この完全硬化鋼からなる内輪に１００ＭＰａを超える嵌め合い応力を与えて軸受を使用すると、嵌め合い応力と転がり応力との組み合わせにより、軌道面近くに介在している非金属介在物などを起点として内輪が軸方向に割損する場合があった。
【０００４】
このような内輪の割損を防止するために、従来においては、軌道面の圧縮残留応力や材料自体の破壊靭性を高めることが有効という一般的知識により、完全硬化鋼にオーステンパー処理を行うか、或いは浸炭鋼を用いることにより、軌道面の圧縮残留応力を高めることが行われてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、完全硬化鋼にオーステンパー処理を行う方法では、オーステンパー処理により軌道面に付与できる圧縮残留応力は−１００ＭＰａ前後であるため、使用条件として１３０ＭＰａを超えるようなより高い嵌め合い応力下で使用する場合には、内輪の割損を防止することができない。
【０００６】
一方、浸炭鋼を用いる方法では、浸炭、焼入れ、および焼戻しの条件を制御することにより、軌道面に−２００ＭＰａ程度の圧縮残留応力を付与することができるため、１３０ＭＰａを超える嵌め合い応力下で使用される内輪の割損防止にも有効である。
しかしながら、自動調心ころ軸受に関しては、円すいころ軸受や円筒ころ軸受のような線接触とは異なり、大きな接触楕円を持つ点接触となるため差動すべりが生じる。また、風力発電機用転がり軸受は数１０ｍｉｎ−１といった低速回転で、十分な油膜が形成されず、前記差動すべりとの相乗で大きな接線力、即ち、引張応力が加わるため、自動調心ころ軸受においては、浸炭鋼を用いた場合にもその耐摩耗特性を十分に発揮することが難しい。
【０００７】
従って、自動調心ころ軸受においては、上記材料や熱処理では軸受損傷などが発生し、寿命が短縮される虞れがあり、その結果、軸受交換などの頻度、例えば、風力発電機のメンテンナンス頻度やメンテナンスコストが高くなる。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、内輪の割損を防止して寿命の向上を図ることができる自動調心ころ軸受を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、内輪と外輪との間に複数のころが周方向に転動可能に配設された自動調心ころ軸受において、内輪として、心部のＣ濃度が０．９重量％〜１．３重量％、Ｓｉ濃度が０．１重量％〜１．５重量％である素材に浸炭窒化処理を施してからショットピーニング処理を施すことにより、完成品軌道輪の最大圧縮残留応力が−７００〜−１２００ＭＰａとされたものを用い、且つ前記浸炭窒化処理による浸炭窒化層の表面の残留オーステナイト量γＲが５〜１５％であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である自動調心ころ軸受の要部断面図、図２はショットピーニング装置の概略図である。
この自動調心ころ軸受３０は、図１に示すように、内輪３１の２列の軌道溝３１ａ，３１ｂと外輪３２の軌道面３２ａとの間に二列のころ３３が保持器３４を介して周方向に転動可能に介装されている。
【００１０】
ここで、この実施の形態では、内輪３１として、心部のＣ濃度が０．９重量％〜１．３重量％、Ｓｉ濃度が０．１重量％〜１．５重量％である素材に浸炭窒化処理を施した後、ショットピーニング処理を施すことにより、完成品軌道輪の最大圧縮残留応力が−７００〜−１２００ＭＰａとされたものを用い、且つ前記浸炭窒化処理による浸炭窒化層の表面の残留オーステナイト量γＲを５〜１５％の範囲としている。これにより、高い嵌め合い応力が負荷され、低速回転などで油膜の形成が不十分な風力発電機等のような運転環境においても内輪の割損が防止されてより長寿命とすることができ、その結果、軸受交換などの頻度、即ち、風力発電機のメンテンナンス頻度やメンテナンスコストを大幅に下げることができる。
【００１１】
図２は内輪素材の浸炭窒化後にショットピーニング処理を施す直圧式ノズル型ショットピーニング装置を示したものである。
この装置は、ショット粒１が充填された加圧タンク２と、この加圧タンク２に加圧空気を供給する加圧空気供給管３と、加圧タンク２内に供給された空気を排気する排気管４と、加圧タンク２の下部に配設され、加圧空気供給管３の分岐管５からの圧縮空気とショット粒１とを混合するミキサ６と、ショット７を先端のノズル８から被処理物表面に投射するホース９と、加圧タンク２内にシャッタ１０を介してショット粒１を供給するホッパ１１と、分岐管５の途中に設けられ、ショット粒１の投射速度を調節する空気圧を調整可能なバルブ１２とを備えている。
【００１２】
本実施形態では、ショット粒１として、平均粒径０．７２ｍｍ、平均硬さＨＲＣ６１の鋼球を使用し、ショット投射速度が３２〜１２０ｍ／ｓｅｃ（平均投射速度８０ｍ／ｓｅｃ）となるようにショットピーニング処理を行った。ショットピーニング加工は、表面硬さ及び圧縮残留応力を被加工物に付与するために長時間の熱処理等を必要としないため、熱処理生産性が低下することがない。なお、このショットピーニングの際、バルブ１２の開度を調整して空気圧を変更することにより、完成品軌道輪の圧縮残留応力を調整することができる。
【００１３】
次に、本発明における各数値限定の臨界的意義について説明する。
前述の差動滑りにより表面に存在する介在物を起点とした剥離が誘発する。従って、表面起点の剥離を抑制するには、浸炭窒化処理し表面を強化すると同時に素材の高清浄度化が必要であるため、Ｃ濃度が０．９重量％以上の高炭素鋼を選定する。
【００１４】
ここで、浸炭窒化処理を施す高炭素鋼においては、浸炭窒化後の素材の各主成分特性と表面のＣ濃度、表面のＮ濃度を無視することは出来ないため、下記に示す範囲に適合させることが望ましい。
（素材のＣ濃度）
軸受に必要とされる硬さと炭化物を得るための元素であり、寿命に必要十分な硬さと炭化物の面積率、本発明に好適な清浄度を得るためには素材のＣ濃度は０．９重量％以上は必要である。また、Ｃ濃度が１．３重量％を超えて含有された場合、凝固時に大型の炭化物が生成し、転動疲労寿命を著しく低下させるため上限を１．３重量％とする。
（浸炭窒化処理後の完成品軌道輪表面のＣ濃度について）
浸炭窒化処理を実施し、表面Ｃ濃度を１．１重量％以上２．０重量％以下とする。表面Ｃ濃度を１．１重量％以上としたのは、製品に必要な転がり疲れ強さを得るためであり、且つ所要の炭化物を形成させるためである。一方、表面Ｃ濃度が２．０重量％を超えるとセメンタイト系炭化物が粗大化して、それらが起点となり製品軸受の転がり疲労特性及び割れ強度を劣化させるため上限を２．０重量％とした。
（浸炭窒化処理後の完成品軌道輪表面のＮ濃度について）
浸炭窒化処理を実施し、表面Ｎ濃度を０．１重量％以上０．７重量％以下とする。完成品軌道輪の表面層のＮ量が０．１重量％未満であると、Ｎの固溶不足により十分な表面硬さと残留オーステナイト量γＲが得られず、寿命が向上しない。また、窒素量を増加していくと、窒化物が析出し耐摩耗性が向上するが、表面Ｎ濃度が０．７重量％以上となると研磨加工が困難になり、生産性の低下を招くため上限を０．７重量％とした。。
（Ｓｉについて）
Ｓｉは製鋼時の脱酸剤として０．１重量％以上必要であり、さらに焼戻し軟化抵抗性を高めるが、多量に添加すると、靭性を低下させ、また、浸炭窒化時にその浸透深さが急激に減少することとなるので、上限を１．５重量％とした。
（圧縮残留応力について）
内輪については、嵌め合い応力と低速回転時に生じる油膜不足と差動すべりとの相乗による過大な引張応力が生じた場合にクラックの発生、進展を防止する効果を与えるため、ショットピーニング処理を実施して−７００ＭＰａ以上の最大圧縮残留応力を与える必要がある。しかしながら、最大圧縮残留応力が−１２００ＭＰａを超えるような加工を施した場合、表層部、特に表面近傍にマイクロクラックと称する微視亀裂が著しく深くなり、後の研磨工程がコストアップとなると共に−１２００ＭＰａにて十分な転がり寿命を有することを確認したため、上限を−１２００ＭＰａとした。
（残留オーステナイト量γＲについて）
上記圧縮残留応力の付与のみでは亀裂の発生・進展を抑えきれず、残留オーステナイト量γＲの併存により靭性を確保して亀裂の発生・進展を遅らせる必要がある。この際、５％未満の場合はクラック発生防止の効果をあまり期待出来ず、また、１５％より多くなると必要な表面硬さを得ることが出来なくなる為、上限を１５％とした。
【００１５】
【実施例】
次に、軸受の疲労寿命試験について説明する。
まず、図１と同一構造で、内径φ５５ｍｍ、外径φ１００ｍｍ、組立幅２５ｍｍ、基本動定格荷重Ｃ＝１１９ｋＮ、基本静定格荷重Ｃ０＝１４４ｋＮの自動調心ころ軸受を、内輪については、表１に示す実施例１及び実施例２（本発明例）、比較例１〜比較例６を用い、それぞれ１０個作成した。
【００１６】
また、浸炭窒化処理（Ｒｘガス＋アンモニアガス＋エンリッチガスの雰囲気で９５０〜９６０°Ｃで３０〜２００時間）を施したものは処理後の焼入れ（８２０〜８４０°Ｃで１時間）・焼戻し（１６０〜１８０°Ｃで２時間）処理により有効硬化深さ（ビッカース硬さＨｖ５５０以上の表面層厚さ）を１．５ｍｍとしてある。外輪及びころはＳＵＪ２に焼入れ・焼戻し処理を施したものを使用し、転がり面（内輪及び外輪の軌道面、及びころの転動面）の表面粗さは約０．１μｍＲａとした。
【００１７】
浸炭窒化処理後のショットピーニング加工については、図２の装置を用い、バルブ１２の開度を調整して空気圧を変更することにより、内輪の完成品軌道輪の圧縮残留応力を調整した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
寿命試験方法は、外輪（固定輪）を寿命試験機のハウジングに組み込むとともに、内輪（回転輪）を回転軸に嵌め合わせ、ラジアル荷重Ｆｒとアキシャル荷重Ｆａを自動調心ころ軸受に負荷し、回転軸を回転させることで評価を行った。この際、内輪と回転軸との嵌め合い応力として１３０ＭＰａを付与した。
試験条件は次の通りである。
ラジアル荷重Ｆｒ＝２８．６２ｋＮ
アキシャル荷重Ｆａ＝５．７２ｋＮ
動等価荷重Ｐ＝４５．２２Ｎ　　Ｐ／Ｃ＝０．３８
内輪の回転速度Ｎ＝６０ｍｉｎ−１
潤滑剤：ＩＳＯ　ＶＧ１５相当の潤滑油
試験温度：１３０°Ｃとし、低速時と同様に油膜形成が不十分な状態とする。
粘度比κ＝０．２
定格疲れ寿命（１０％破損寿命の計算値）＝１６８時間
表１に試験結果を併せて示す。
【００２０】
表１から明らかなように、本発明例である実施例１及び２は、比較例１〜６に比べて寿命Ｌ１０が大幅に延長されるのが判る。
比較例１と比較例６は内輪に肌焼鋼を用いて浸炭焼入を行っており、また、比較例６についてはショットピーニング処理を施して圧縮残留応力を本発明範囲内まで高めたが、試験中差動すべりによる表面起点剥離が多く発生した。
【００２１】
比較例２は内輪にＳＵＪ２を用いた例であるが、高い嵌め合い応力の付与により引張応力が発生し定格疲れ寿命以下にて破損した。また、比較例３では表面のＣ濃度が過大なため、寿命が比較的短い結果となった。
比較例５ではクラックの発生が目立った。これは高い圧縮残留応力を付与しているがショットピーニング処理により残留オーステナイトが分解され靭性が不足して破損したものと思われる。
【００２２】
比較例４ではＳｉ量を過大に添加しており浸炭窒化処理において表面窒素を侵入させることが出来ず、また、靭性も低かったものと思われる。
これに対し、本発明例である実施例１及び実施例２では、高い嵌め合い応力が負荷され、低速回転で油膜の形成が不十分な条件でも、内輪が割損することなく寿命Ｌ１０が大幅に延長され、これにより、風力発電機のような運転環境においても、内輪の割損を防止し、より長寿命となる自動調心ころ軸受を提供することができる。
【００２３】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、高い嵌め合い応力が負荷され、低速回転で油膜の形成が不十分な風力発電機等のような運転環境においても、内輪の割損を防止し、より長寿命となる自動調心ころ軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である自動調心ころ軸受の要部断面図である。
【図２】ショットピーニング装置の概略図である。
【符号の説明】
３０…自動調心ころ軸受
３１…内輪
３２…外輪
３３…ころ
【図１】
2004011737.tif 000004
【図２】
2004011737.tif 000005