(57)【要約】【課題】表面起点型剥離もスミアリングも発生しやすい高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長することである。【解決手段】耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成した玉軸受の内輪１と外輪２の各軌道面側の表面に、拡散層のみからなる窒化層５とイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜６を形成することにより、表面起点型剥離とスミアリングの両者の発生を防止し、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される玉軸受の寿命を安定して延長できるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪の軌道面間で複数の転動体が転動面で転動する転がり軸受において、前記内輪、外輪および転動体の少なくともいずれかの部品を鋼材料で形成し、この鋼材料で形成した部品の全部または一部について、その少なくとも内輪もしくは外輪の軌道面または転動体の転動面に、拡散層のみからなる窒化層を形成し、その表面にイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜を形成したことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
前記窒化クロム皮膜の皮膜厚を３μｍ以下とした請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記転動体をセラミックで形成した請求項１または２に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関し、特に、高温、高速、軽荷重の条件下での使用に好適な転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温、高速、軽荷重の条件下で使用されるガスタービン主軸やその減速機入力軸等の転がり軸受では、内外輪の軌道面や転動体の転動面に、潤滑油中に混入する硬質異物の噛み込み等による圧痕を起点とする表面起点型剥離や、軽荷重下で生じやすい転動体のスリップやスキッディングに起因するスミアリングが早期に発生し、軸受寿命を著しく低下させることがある。
【０００３】
前記表面起点型剥離を防止する技術としては、内外輪の軌道面に化合物層と拡散硬化層とからなる窒化層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、スミアリングを防止する技術としては、軌道面を非真円であるバイローブまたはトライローブ形状として、ラジアル予圧を付与することが紹介されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６６８７２号公報（第２−４頁、第１図）
【非特許文献１】B.A.Tassone,「Roller Bearing Slip and Skidding Damage」,J.AIRCRAFT,Vol.12,No.4,APRIL,1975,p.281-287
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した内外輪の軌道面に硬質の窒化層を形成する方法は、表面起点型剥離の防止には有効であるが、同種金属同士の高速すべりで生じやすいスミアリングの防止には効果がない。また、軌道面をバイローブやトライローブ形状として、ラジアル予圧を付与する方法は、適正な予圧量を設定するのが難しい。このため、表面起点型剥離もスミアリングも発生しやすい高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受では、確かな寿命設計ができない問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、表面起点型剥離もスミアリングも発生しやすい高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、内輪と外輪の軌道面間で複数の転動体が転動面で転動する転がり軸受において、前記内輪、外輪および転動体の少なくともいずれかの部品を鋼材料で形成し、この鋼材料で形成した部品の全部または一部について、その少なくとも内輪もしくは外輪の軌道面または転動体の転動面に、拡散層のみからなる窒化層を形成し、その表面にイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜を形成した構成を採用した。
【０００８】
すなわち、内外輪の軌道面や転動体の転動面に、表面起点型剥離の防止に有効な拡散層のみからなる窒化層を形成するとともに、イオンプレーティングによりクロムを主成分とする窒化クロム皮膜を形成して、スミアリングが発生しないように表面層を改質することにより、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長できるようにした。硬くて脆い窒化クロム皮膜は、単体で形成すると異物の噛み込み等で割れや欠けを生じやすいが、これを下地の硬質窒化層でバックアップすることにより、この割れや欠けを防止することができる。
【０００９】
前記窒化層を拡散層のみからなるものとしたのは、表面起点型剥離の防止に大きく寄与するのは硬質の拡散層だからである。なお、拡散層のみからなる窒化層は、例えば、アンモニアガスと水素ガスを用いてプラズマ状態でイオン窒化するラジカル窒化で形成することができる。
【００１０】
前記窒化クロム皮膜の皮膜厚は３μｍ以下とするのが好ましい。皮膜厚が３μｍを超えると、硬くて脆い窒化クロム皮膜に割れや欠けが生じる恐れがあるからである。
【００１１】
前記転動体をセラミックで形成することにより、鋼同士の高速すべりをなくして、スミアリングを防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり軸受は、内外輪の軌道面や転動体の転動面に、表面起点型剥離の防止に有効な拡散層のみからなる窒化層を形成するとともに、イオンプレーティングによりクロムを主成分とする窒化クロム皮膜を形成して、スミアリングが発生しないように表面層を改質するようにしたので、高温、高速、軽荷重の条件下で使用される転がり軸受の寿命を安定して延長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態を示す。この転がり軸受は、内輪１と外輪２の軌道面間に、保持器３で保持された転動体としての複数のボール４を転動させるようにした玉軸受である。内輪１、外輪２および各ボール４は、いずれも耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成され、内輪１と外輪２の各軌道面側の表面には、それぞれラジカル窒化による拡散層のみからなる窒化層５と、イオンプレーティングによる窒化クロム皮膜６とが形成されている。
【実施例】
【００１４】
実施例として、転動面に拡散層のみからなる窒化層とイオンプレーティングによる窒化クロム皮膜を形成した転動疲労寿命試験用の円筒ころ試験片と、円筒面に同様の窒化層と窒化クロム皮膜を形成したスミアリング試験用のリング状試験片（実施例１、２）を用意した。また、比較例として、表面が無処理の円筒ころ試験片とリング状試験片（比較例１）、拡散層のみからなる窒化層だけを形成した円筒ころ試験片とリング状試験片（比較例２）、および窒化クロム皮膜だけを形成した円筒ころ試験片（比較例３）も用意した。実施例と比較例の円筒ころ試験片およびリング状試験片の各素材は、いずれも耐熱軸受鋼Ｍ５０である。
【００１５】
上述した実施例と各比較例の円筒ころ試験片を用いた転動疲労寿命試験と、リング状試験片を用いたスミアリング試験の概要と試験結果を以下に示す。
【００１６】
（１）転動疲労寿命試験
この転動疲労寿命試験は、転動面にビッカース硬度計で予め圧痕を付与した円筒ころ試験片を、ラジアル荷重を負荷して転動させるものである。実施例と各比較例のサンプル数はいずれも７個とし、転動疲労寿命はＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える時間）で評価した。試験条件は以下の通りである。なお、円筒ころ試験片の寸法は、外径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍである。
・最大接触面圧  ：４．２ＧＰａ
・負荷速度      ：２０４００回／分
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ５６
・ビッカース圧痕：１９６Ｎ（軸方向に１ｍｍ間隔で９個）
【００１７】
上記Ｌ１０寿命の測定結果を表１に示す。表中には、円筒ころ試験片の転動面を無処理とした比較例１のＬ１０寿命を基準値１．０とする寿命比で表示した。転動面に窒化層と皮膜厚が３μｍの窒化クロム皮膜を形成した実施例１は、比較例１の１．７倍のＬ１０寿命を示し、表面起点型剥離が発生し難いことが分かる。窒化層と皮膜厚が５μｍの窒化クロム皮膜を形成した実施例２のＬ１０寿命は１．２倍であり、転動疲労寿命の向上代は実施例１よりも少ない。また、転動面に窒化層だけを形成した比較例２も優れたＬ１０寿命を示す。一方、転動面に窒化クロム皮膜だけを形成した比較例３は、無処理の比較例１よりも著しくＬ１０寿命が低下している。これらの結果は、硬くて脆い窒化クロム皮膜は、単体で形成すると異物の噛み込み等で割れや欠けを生じやすいが、これを下地の硬質窒化層でバックアップすることにより、これらの割れや欠けを防止できることを立証している。なお、この窒化クロム皮膜は、皮膜厚が３μｍを超えると転動疲労寿命の向上代が低下する傾向がある。
【００１８】
【表１】
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（２）スミアリング試験
スミアリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリング状試験片を、互いに平行な駆動軸と従動軸とに取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させながら、従動軸を一定速度で回転させて、駆動軸を従動軸と等速回転から徐々に増速するものである。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の曲率半径６０ｍｍであり、各円筒面の表面粗さはＲmax ３μｍに仕上げた。スミアリング強度は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の駆動軸と従動軸の速度比で評価される。このスミアリング試験は、上記実施例と比較例３のものについてのみ行った。試験条件は以下の通りである。
・最大接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・駆動軸回転速度：２００ｒｐｍで３分間馴らし運転した後、
３０秒おきに１００ｒｐｍずつ増速
・従動軸回転速度：２００ｒｐｍ一定
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ４６
【００１９】
上記スミアリング発生時の駆動軸と従動軸の速度比の測定結果を表１に併せて示す。表中には、比較例１の速度比を基準値１．０とした相対速度比で表示した。窒化層と窒化クロム皮膜を形成した実施例１、２は、いずれも比較例１の１．８倍を超える速度比を示し、スミアリング強度も非常に優れていることが分かる。一方、転動疲労寿命が優れていた窒化層だけの比較例２は、スミアリング強度が無処理の比較例１と同等以下である。この結果より、窒化層の表面に窒化クロム皮膜を形成することが、スミアリング強度の向上に有効であることが分かる。
【００２０】
図２は、第２の実施形態を示す。この転がり軸受も第１の実施形態のものと同様の玉軸受であり、内輪１と外輪２の各軌道面側表面のほかに、転動面であるボール４の表面にも拡散層のみからなる窒化層５と、イオンプレーティングによる窒化クロム皮膜６とが形成されている。
【００２１】
図３は、第３の実施形態を示す。この転がり軸受も玉軸受であり、ボール４がセラミックで形成されている点が第１の実施形態のものと異なる。内輪１と外輪は耐熱軸受鋼Ｍ５０で形成され、各軌道面側の表面には前記窒化層５と窒化クロム皮膜６とが形成されている。
【００２２】
上述した各実施形態では、転がり軸受を玉軸受としたが、本発明に係る転がり軸受は、ころ軸受や円錐ころ軸受等の他の転がり軸受にも採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態の転がり軸受を示す縦断面図
【図２】第２の実施形態の転がり軸受を示す縦断面図
【図３】第３の実施形態の転がり軸受を示す縦断面図
【符号の説明】
【００２４】
１  内輪
２  外輪
３  保持器
４  ボール
５  窒化層
６  窒化クロム皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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