JP2006300294A

JP2006300294A - 転がり軸受用保持器

Info

Publication number: JP2006300294A
Application number: JP2005126968A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kawada; 真一河田; Hisashi Kawamura; 久河村; Masaru Konno; 大金野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】転がり軸受の高速回転時においても優れた潤滑性、耐摩耗性、耐食性(防食性)を発揮することが可能な転がり軸受用保持器を提供する。
【解決手段】転がり軸受用保持器２において、当該保持器の表面のうち少なくとも軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面には、表面処理によって複数層の被膜4,6が形成されており、最表面層の被膜４と保持器との間に介在された中間層の被膜６は、少なくともその硬度が保持器の硬度よりも高く設定されている。この場合、保持器の材料には、マグネシウム合金が用いられている。また、最表面層には、ＤＬＣ被膜が形成されている。なお、中間層には、陽極酸化被膜若しくはアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受用保持器に関するものであり、特に、ジェットエンジンやガスタービンエンジンのギアボックス用の軸受、減速機用の高速ピニオン軸受などのように高速で使用される転がり軸受に好適な保持器に関する。

従来から、高速回転して使用される転がり軸受の保持器には、その材料として図５の保持器材料の物性値表に示すような各種の素材が用いられてきた。例えば、保持器の材料として、Ｖ・４３４０Ｈ(Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼)やＨＢ_ＳＣ１(高力黄銅)などの比重の大きな素材が用いられる場合がある(特許文献１参照)。この場合、転がり軸受の回転に伴い当該保持器も回転し、その遠心力によって当該保持器の内部に内部応力(フープ応力)が発生する。上記のような比重の大きな素材からなる保持器の場合、回転による遠心力が大きく作用するため、フープ応力もそれに伴って大きくなる。また、例えばジェットエンジンやガスタービンエンジンなどの転がり軸受に前記保持器が用いられる場合、当該転がり軸受とともに当該保持器も高速回転し、遠心力が大きく作用するため、フープ応力は大きくなる。そして、転がり軸受がさらに高速回転を続け、保持器が遠心力の影響を受け続けると、保持器は内部に発生するフープ応力に耐えられなくなり、回転中に破損してしまう場合がある。

そこで、例えば、保持器の材料としてＡｌ合金(Ａ６０６１)、エンジニアリングプラスチック(ＰＥＥＫ)などの比重の小さな素材を用いることも考えられる(特許文献２参照)。この場合、当該保持器は回転する際の遠心力が小さくなるため、当該保持器の内部に発生するフープ応力も小さくなる。しかしながら、当該保持器では、高速回転に耐え得る高温強度特性や潤滑特性、摩耗特性を十分得ることはできない。

このような不都合を解消するための方策として、例えば図４に示すように、軽金属の中でも、比重が小さく、比強度に優れたＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)を保持器２の材料として用いた上で、当該保持器２に表面処理を施し、潤滑特性や摩耗特性を向上させることが考えられる。この場合、保持器２の表面処理により、例えば、トライボロジ特性(摩耗特性・摩擦特性・潤滑特性)の優れたＤＩＡＭＯＮＤＬＩＫＥＣＡＲＢＯＮ被膜(以下、ＤＬＣ被膜４という)を形成することによって、保持器２の潤滑特性や摩耗特性を向上させることができる。

しかし、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))は、その表面の硬さがＤＬＣ被膜４を形成する上で不十分なため、ＤＬＣ被膜４と保持器２との間の密着性が弱くなってしまう。このため、保持器２の表面にＤＬＣ被膜４を形成したとしても、ＤＬＣ被膜４のトライボロジ特性を十分発揮させることができない虞がある。
また、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))には、その電極電位が卑である金属(マグネシウム)が含まれているため、耐食性(防食性)が弱く、その表面にＤＬＣ被膜４を施したとしても、保持器２の耐食性(防食性)を十分に確保することができない虞もある。
特開２００３−３４３５６６号公報特開２００５−４８７９９号公報

本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、転がり軸受の高速回転時においても優れた潤滑性、耐摩耗性、耐食性(防食性)を発揮することが可能な転がり軸受用保持器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の転がり軸受用保持器は、当該保持器の表面のうち少なくとも軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面に、表面処理によって複数層の被膜が形成されており、最表面層の被膜と保持器との間に介在された中間層の被膜は、少なくともその硬度が保持器の硬度よりも高く設定されている。
この場合、保持器の材料には、マグネシウム合金が用いられている。また、最表面層には、ＤＬＣ被膜が形成されている。
なお、中間層には、陽極酸化被膜若しくはアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜が形成されている。

本発明によれば、転がり軸受用の保持器に表面処理を施し、複数層の被膜を形成することで、転がり軸受の高速回転時においても、保持器は、優れた潤滑性、耐摩耗性、耐食性(防食性)を発揮することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る転がり軸受用保持器について、添付図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の転がり軸受用保持器２には、その表面全体に表面処理が施されており、例えば２層の被膜4,6が形成されている。なお、以下の説明において、被膜６を中間層、被膜４を最表面層という。

保持器２の材料としては、例えば、軽金属の中でも比重が小さく、比強度に優れたマグネシウム合金(Ｍｇ合金)を用いることができるが、本実施形態では一例として、ＡＳＴＭ(ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌ：アメリカ材料試験協会)規格のＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)を用いている。図５の保持器材料の物性値表に示すように、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)は、比重がＡｌ合金の約２／３、高力黄銅の約１／５にすぎない。このため、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)を保持器２の材料として用いると、保持器２が高速回転時に受ける遠心力を小さくすることができ、保持器２の内部に発生する内部応力(フープ応力)も小さくすることができる。また、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)は、比強度がＡｌ合金の約１．５倍、高力黄銅の約３倍であるため、高速回転時における保持器２の強度を確保する材料として好適な素材である。さらに、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)は、他の金属素材と比較して減衰係数が大きいため、振動吸収性にも優れている。

中間層となる被膜６は、保持器２の表面を陽極酸化処理することにより、保持器２の表面に陽極酸化被膜６として形成されている。これにより、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))が軸受鋼(例えば、高炭素クロム軸受鋼)と直に接触しなくなるため、電極電位が卑であるＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)の耐食性(防食性)の弱さを解消させることができる。なお、陽極酸化被膜６自体にも耐食性(防食性)があるため、保持器２の耐食性(防食性)を向上させることができる。

また、当該陽極酸化被膜６は、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))の表面硬度を高めるため(当該陽極酸化被膜６の硬度が、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))の硬度よりも高いため)、後述する表面処理によってＤＬＣ被膜４が形成される際に、当該陽極酸化被膜６を介してＤＬＣ被膜４と保持器２との間の密着性を高めることができる。
なお、ここでは特に陽極酸化処理の方法については限定しないが、陽極酸化工程と封孔工程があることが好ましい。また、陽極酸化被膜６の膜厚は、１０〜１５μｍであることが好ましい。

陽極酸化被膜６の表面には、最表面層を構成するＤＬＣ被膜４が形成されている。ＤＬＣ被膜４は、トライボロジ特性(摩耗特性・摩擦特性・潤滑特性)に優れているため、保持器２の最表面層(本実施例では、陽極酸化被膜６の表面)にＤＬＣ被膜４を形成することで、保持器２の潤滑特性や摩耗特性を向上させることができる。なお、当該ＤＬＣ被膜４には、クロム(Ｃｒ)とタングステン(Ｗ)が含有されている。

ここで、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))の摩擦特性について、一例として、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク１２を用いてピンオンディスク試験装置により測定した(図３(ａ)に示す試験装置参照)。この場合、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク１２として、中間層被膜(陽極酸化被膜６)の表面に最表面層被膜(ＤＬＣ被膜４)が形成されたＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク(以下、実施形態例１のディスクという)と、表面に何ら被膜処理を施していないＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク(以下、比較例のディスクという)とを用いた。当該試験では、ピン１０の種類として表面に被膜処理を施していないＡＩＳＩ(ＡｍｅｒｉｃａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ：アメリカ鉄鋼協会)規格の耐熱高速度鋼材(Ｍ５０材)を使用し、実施形態例１及び比較例のディスクを速度１０００ｒｐｍで回転させ、当該ディスク表面にピン１０から３９．２ｋｇｆの荷重を加えた(図３(ｂ)に示す測定条件参照)。なお、この場合、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク１２の直径φを５５ｍｍ、ピン１０の先端を曲率半径Ｒ＝４ｍｍの曲面として、ディスク１２の中心からの距離Ｌ＝１５ｍｍの位置でピン１０の先端をディスク表面に当接させている(図３(ａ)参照)。

測定の結果、実施形態例１のディスク表面の摩擦係数は０．２〜０．３で、比較例のディスク表面の摩擦係数０．８〜１．０の約１／５〜１／３となった(図３(ｃ)に示す測定結果参照)。また、試験後の実施形態例１のディスク表面には損傷は見られず、凝着(損傷)が観察された比較例のディスク表面とは、顕著な相違があった(同測定結果参照)。
したがって、保持器２の表面(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)の表面)に中間層となる陽極酸化被膜６を形成し、さらに当該陽極酸化被膜６の表面に最表面層となるＤＬＣ被膜４を形成することで、保持器２の耐摩擦性を向上させることができる。

また、本発明は、上述の実施形態に限定されず、以下のように変更することができる。上述の実施形態例では、中間層として陽極酸化被膜６を形成したが、これに代えて、例えば図２に示すように、中間層としてアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８を形成してもよい。この場合、アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８の形成方法としては、例えば、カロライジング処理を適用することができる。なお、カロライジング処理とは、材料の表面にＡｌ素材を拡散浸透させる処理であり、これを保持器２の表面(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)の表面)に対して施すことで、保持器２の表面にアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８を形成することができる。

これにより、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))が軸受鋼(例えば、高炭素クロム軸受鋼)と直に接触しなくなるため、電極電位が卑であるＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)の耐食性(防食性)の弱さを解消させることができる。なお、アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８自体にも耐食性(防食性)があるため、保持器２の耐食性(防食性)を向上させることができる。
また、当該アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８は、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))の表面硬度を高めるため(当該アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８の硬度が、保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))の硬度よりも高いため)、表面処理としてＤＬＣ被膜４が形成される際に、当該アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８を介してＤＬＣ被膜４と保持器２との間の密着性を高めることができる。

このように、中間層被膜としてアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８が形成されている場合にも、当該アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８の表面に、最表面層としてＤＬＣ被膜４を形成することで、中間層被膜として陽極酸化被膜６を形成した場合と同様に、保持器２の潤滑特性や摩耗特性を向上させることができる。なお、この場合も、当該ＤＬＣ被膜４には、クロム(Ｃｒ)とタングステン(Ｗ)をそれぞれ含有させている。

また、上記保持器２(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ))の摩擦特性についても、図３(ａ)に示すようなピンオンディスク試験装置により測定した。この場合、Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク１２として、中間層被膜(アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８)の表面に最表面層被膜(ＤＬＣ被膜４)が形成されたＭｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク(以下、実施形態例２のディスクという)を用いた。

実施形態例１のディスクの場合と同様の測定条件(図３(ｂ)に示す測定条件参照)で測定した結果、実施形態例２のディスク表面の摩擦係数は０．２〜０．３であり、試験後の実施形態例２のディスク表面にも損傷は見られないという実施形態例１のディスクと同様の結果が得られた(図３(ｃ)に示す測定結果参照)。
したがって、保持器２の表面(Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)の表面)に中間層被膜としてアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８を形成し、さらに当該アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８の表面に最表面層としてＤＬＣ被膜４を形成することで、保持器２の耐摩擦性を向上させることができる。

なお、上述した実施形態例及び変形例においては、保持器２の表面全体に表面処理を施しているが、当該保持器２の表面のうち、軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面にのみ表面処理を施してもよい。また、中間層被膜として、陽極酸化被膜６若しくはアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８をそれぞれ１層のみ形成したが、複数層で中間層被膜を構成してもよい。例えば、複数の陽極酸化被膜６で中間層を構成してもよく、陽極酸化被膜６とアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜８とを組み合わせて中間層を構成してもよい。
また、上述した実施形態例及び変形例においては、保持器２の種類について特に限定しなかったが、例えば、冠型保持器、波型保持器、もみ抜き保持器、打ち抜き保持器など各種の保持器２を適用することができる。なお、転がり軸受としては、例えば、ラジアル軸受やスラスト軸受を適用することができる。さらに、転がり軸受に組み込む転動体としては、例えば、玉やころを適用することができる。

本発明の一実施形態に係る転がり軸受用保持器に形成された被膜の構成例を示す断面図。本発明の変形例に係る転がり軸受用保持器に形成された被膜の構成例を示す断面図。本発明の一実施形態と変形例に係る転がり軸受用保持器の摩擦特性の測定方法を説明するための図であって、(ａ)は、ピンオンディスク試験装置の概要を示す図、(ｂ)は、測定条件を示す図、(ｃ)は、測定結果を示す図。現状の転がり軸受用保持器に形成された被膜の構成を示す断面図。転がり軸受用保持器の材料の特性を示す図。

符号の説明

２転がり軸受用保持器
４ＤＬＣ被膜(最表面層被膜)
６陽極酸化被膜(中間層被膜)
８アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜(中間層被膜)
１０ピン
１２Ｍｇ合金(ＡＺ３１Ａ)ディスク

Claims

転がり軸受用の保持器において、
当該保持器の表面のうち少なくとも軌道輪に対する摺接面及び転動体に対する摺接面には、表面処理によって複数層の被膜が形成されており、最表面層の被膜と保持器との間に介在された中間層の被膜は、少なくともその硬度が保持器の硬度よりも高く設定されていることを特徴とする転がり軸受用保持器。
保持器の材料は、マグネシウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受用保持器。
最表面層には、ＤＬＣ被膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の転がり軸受用保持器。
中間層には、陽極酸化被膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受用保持器。
中間層には、アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)被膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受用保持器。