転がり軸受
【課題】高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供する。
【解決手段】ターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するアンギュラ玉軸受１を構成する玉１３は、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。
【解決手段】ターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するアンギュラ玉軸受１を構成する玉１３は、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。
【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、より特定的には、βサイアロンを主成分とする焼結体からなる構成部品を備えた転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料を用いるロケットエンジンに関して、燃料を高圧燃焼させるために液体燃料をターボポンプで昇圧させてからエンジンへ供給する、ポンプ式と呼ばれる方式が提案されている。ここで、ポンプ式のエンジンの動作原理について簡略化して説明すると、たとえばターボポンプ中の回転するインデューサやインペラを有する遠心型ポンプ中に液体燃料を導入し、回転による遠心力などを利用して液体燃料を昇圧させる。この昇圧された液体燃料が、たとえばターボポンプ中のタービンに導入され、圧力を利用してタービン軸を回転させる。するとこの回転するタービン軸が再び上記遠心型ポンプ中に導入された液体燃料を昇圧させる。以上のようにポンプ式のロケットエンジンは、液体燃料を用いて、ターボポンプにて回転エネルギーと圧力によるエネルギーとの変換を繰り返しながら駆動させる。
【０００３】
ロケットエンジンのターボポンプの、上記タービン軸を、そのタービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するためには、たとえばアンギュラ玉軸受が用いられる。しかし、ロケットエンジンに用いる液体燃料とは、後述するようにたとえば液体水素や液体酸素であるため、圧縮された液体燃料が導入されるタービン軸に用いられる軸受は、液化ガスにより冷却される極低温環境下において使用される。したがって、軸受に対して潤滑油などの流動性潤滑剤を使用することが困難であるため、軸受を構成する各部品の摩耗を促進する可能性がある。そこで、たとえば特許文献１には、軸受を構成する内輪、外輪および転動体としての複数の玉が、強靭性を備えたマルテンサイト系ステンレス鋼で形成されていることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１４７４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ロケットエンジンのタービン軸のように、高速回転する環境下において使用される転がり軸受の転動体として、窒化珪素製の転動体が採用される場合がある。窒化珪素は、転動体の素材として一般的に採用される鋼に比べて耐摩耗性や耐食性に優れることから、機械性能向上のため、近年は窒化珪素を使用するケースが増加している。
【０００５】
しかしながら、窒化珪素は、鋼に比べてヤング率が大きく、弾性変形しにくいという特徴がある。そのため、鋼製の転動体に比べて、窒化珪素製の転動体と軌道部材との接触面積は小さくなり、接触面圧が大きくなる傾向にある。そのため、転がり軸受の転動体として窒化珪素製の転動体が採用されている場合、たとえばタービン軸を回転させる時に転がり軸受に衝撃が作用すると、軌道部材の摩耗や損傷を促進しやすくなる。軌道部材の損傷を抑制するために、一般的には軸受の動作を潤滑にさせる潤滑油が使用されるが、上述したとおり、ロケットエンジンのターボポンプに用いられる軸受に対して、一般的に軸受の動作を潤滑にさせるための潤滑油を使用することは困難である。結果的に、摩耗の促進により軌道部材の寿命の低下を招くことがあるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従った転がり軸受は、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受である。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている。より具体的には、たとえば転動体は、窒化珪素からなる場合に比べてヤング率が小さくなるセラミックスからなっている。
【０００８】
また、本発明に従った、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受としては、たとえばターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受を挙げることができる。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている。より具体的には、たとえば転動体は、窒化珪素からなる場合に比べてヤング率が小さくなるセラミックスからなっている。
【０００９】
上述した本発明の転がり軸受によれば、衝撃が作用した場合でも軌道部材における摩耗や損傷が抑制されるため、耐衝撃性を向上させつつ耐摩耗性や耐食性を向上させたガイドローラ軸受を提供することができる。
【００１０】
本発明の一の局面における転がり軸受は、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受である。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される、転がり軸受である。
【００１１】
本発明の他の局面における転がり軸受は、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受である。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される、転がり軸受である。
【００１２】
本発明の一の局面における、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受においては、転動体に絶縁体であるβサイアロン焼結体（βサイアロンを主成分とする焼結体）が採用されている。βサイアロン焼結体は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの一般的なセラミックスからなる焼結体に比べてヤング率が小さい。そのため、転動体のヤング率が高いことに起因して軌道部材との接触面圧が大きくなることによる、衝撃等による軌道部材の寿命の低下を抑制することができる。また、サイアロン焼結体を用いることにより、転動体として鋼の代わりに窒化珪素を用いた場合と同様に、転動体の耐摩耗性や耐食性を向上させる効果をも奏する。以上のように、本発明の一の局面における転がり軸受によれば、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【００１３】
また、本発明の他の局面における、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受は、基本的には上記本発明の一の局面における転がり軸受と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明の他の局面における転がり軸受では、焼結体が焼結助剤を含む点で上記本発明の一の局面における転がり軸受とは異なっている。本発明の他の局面における転がり軸受によれば、焼結助剤の採用により、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能な転がり軸受を容易に提供することができる。
【００１４】
なお、焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を採用することができる。また、上記本発明の一の局面における転がり軸受と同等の作用効果を奏するためには、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。
【００１５】
上述した本発明の一の局面における転がり軸受としては、たとえばターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受を挙げることができる。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される。
【００１６】
また、上述した本発明の他の曲面における転がり軸受としても、たとえばターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受を挙げることができる。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される。なお、以上のターボポンプとしては、たとえば液体ロケットエンジンのターボポンプであり、上記転がり軸受は、たとえば液体ロケットエンジンのターボポンプ用軸受に適用することができる。ただしその他にも、たとえば液体窒素やＬＮＧの搬送ポンプ用軸受などの極低温環境用軸受や、ガスタービン、ターボチャージャーなどの高温環境用軸受としても、上記転がり軸受を用いることができる。したがって、たとえば転動体としてβサイアロンを主成分とする焼結体を用いれば、窒化珪素よりもヤング率が低いことにより軌道部材に摩耗や圧痕などの損傷が発生することに起因した寿命の低下を抑制しつつ、鋼の代わりに窒化珪素を用いた場合の耐摩耗性や耐食性などの効果を維持することができるという効果を奏する。
【００１７】
上記転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす。
【００１８】
本発明者は、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とβサイアロンの組成との関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られた。βサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程を採用することにより、上記ｚの値（以下、ｚ値という）が０．１以上となる種々の組成を有するものを安価に製造することができる。そして、一般に転動疲労寿命に大きな影響を与える硬度は、製造の容易なｚ値４．０以下の範囲において、ほとんど変化しない。しかしながら、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とｚ値との関係を詳細に調査したところ、ｚ値が３．５を超えると転動体の転動疲労寿命が低下することが分かった。
【００１９】
より具体的には、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、転動疲労寿命はほぼ同等で、転がり軸受の運転時間が所定時間を超えると、転動体の表面に剥離が発生して破損する。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。つまり、ｚ値が３．５となる組成を境界として、βサイアロンからなる転動体の破損モードが変化し、ｚ値が３．５を超えると転動疲労寿命が低下するという現象が明らかとなった。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体において、安定して十分な寿命を確保するためには、ｚ値を３．５以下とすることが好ましい。以上のように、上記βサイアロンを０．１≦ｚ≦３．５を満たすものとすることにより、安価で、かつ耐久性に優れた転がり軸受を提供することができる。
【００２０】
上記転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．５≦ｚ≦３．０を満たす。
【００２１】
これにより、振動や衝撃が作用した場合における転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。
【００２２】
上記転がり軸受において好ましくは、上記転動体のヤング率は１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。
【００２３】
転動体のヤング率が高くなると、転動体を構成する素材（βサイアロン焼結体）の強度が上昇する傾向にある。しかし、その反面、転動体のヤング率が高くなると、転動体が弾性変形しにくくなるため、転動体同士の接触面積が小さくなり、接触面圧が高くなる。その結果、相手部材に損傷が発生し易くなる。一方、転動体のヤング率が低くなると、転動体が弾性変形しやすくなるため、転動体同士の接触面積が大きくなり、接触面圧が低くなる。しかし、その反面、転動体のヤング率が低くなると、これに伴って転動体を構成する素材の強度が低下する傾向にある。そのため、転動体のヤング率は、転動体を構成する素材の強度と転動体同士の接触面圧の低減とのバランスを確保可能な範囲とすることが必要である。
【００２４】
より具体的には、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が１８０ＧＰａ未満の場合、転動体を構成する素材の強度低下の影響が接触面圧の低減の効果を上回り、転動体の転動疲労寿命が低下する。また、転動体同士の接触面積が増大することに伴い、転動体間に作用する摩擦力が増加して軸受トルクが上昇し、使用時に転動体の表面に容易に剥離が生じるという問題も発生する。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、１８０ＧＰａ以上であることが好ましく、２２０ＧＰａ以上であることがより好ましい。
【００２５】
一方、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が２７０ＧＰａを超えると、接触面圧の増加の影響が転動体を構成する素材の強度上昇の効果を上回り、相手部材の転走面に損傷が発生しやすくなる。その結果、転がり軸受の寿命が低下する。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、２７０ＧＰａ以下であることが好ましく、２６０ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００２６】
上記転がり軸受においては、軌道部材は鋼からなるものとすることができる。この場合、当該軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上であることが好ましい。これにより、振動や衝撃が作用した場合における軌道部材の損傷を抑制することができる。
【００２７】
上記転がり軸受において好ましくは、上記転動体は、軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している。
【００２８】
上述のβサイアロン焼結体からなる転動体においては、その緻密性が転動疲労寿命に大きく影響する。これに対し、上記構成によれば、転走面を含む領域に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されていることにより、転動疲労寿命が向上する。その結果、十分な耐久性を安定して確保することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【００２９】
ここで、緻密性の高い層とは、焼結体において空孔率の低い（密度の高い）層であって、たとえば以下のように調査することができる。まず、βサイアロン焼結体からなる転動体の表面に垂直な断面において転動体を切断し、当該断面を鏡面ラッピングする。その後、鏡面ラッピングされた断面を光学顕微鏡の斜光（暗視野）にて、たとえば５０〜１００倍程度で撮影し、３００ＤＰＩ（Ｄｏｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）以上の画像として記録する。このとき、白色の領域として観察される白色領域は、空孔率の高い（密度の低い）領域に対応する。したがって、白色領域の面積率が低い領域は、当該面積率が高い領域に比べて緻密性が高い。そして、記録された画像を、画像処理装置を用いて輝度閾値により２値化処理した上で白色領域の面積率を測定し、当該面積率により、撮影された領域の緻密性を知ることができる。
【００３０】
つまり、上記転がり軸受において好ましくは、上記焼結体は、転走面を含む領域に内部よりも白色領域の面積率の低い層である緻密層が形成されている。なお、上記撮影は、ランダムに５箇所以上で行ない、上記面積率は、その平均値で評価することが好ましい。また、上記焼結体の内部における上記白色領域の面積率は、たとえば１５％以上である。また、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を一層向上させるためには、上記緻密層は１００μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。
【００３１】
上記転がり軸受において好ましくは、緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。
【００３２】
白色領域の面積率が７％以下となる程度に上記緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。
【００３３】
上記転がり軸受において好ましくは、緻密層の表面を含む領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている。
【００３４】
緻密性のさらに高い高緻密層が緻密層の表面を含む領域に形成されることにより、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転がり軸受の寿命を一層向上させることができる。
【００３５】
上記転がり軸受において好ましくは、高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である。
【００３６】
白色領域の面積率が３．５％以下となる程度に上記高緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本発明の転がり軸受によれば、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００３９】
図１は、本発明の一実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受を含むターボポンプの構成を示す概略断面図である。以下、図１を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受を含むターボポンプについて説明する。
【００４０】
図１を参照して、本実施の形態におけるターボポンプ４０は、液体水素／液体酸素２段燃焼式ロケットエンジンの液体酸素側を圧縮するものである。ターボポンプ４０は大きく分けると、タービン室９、主ポンプ室３０およびプリバーナポンプ室３１から構成される。なお、図示は省略するが、液体水素／液体酸素２段燃焼式ロケットエンジンは、液体水素側を圧縮する同様のターボポンプも備えている。
【００４１】
上述した遠心型ポンプとしての役割を有する主ポンプ室３０には、案内羽根３８および羽根車３９を備えており、これらが回転する軸を、その軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するアンギュラ玉軸受１が備えられている。液体酸素は、主ポンプ入口３６から主ポンプ室３０の内部に流入し、インデューサ３７を経て案内羽根３８および羽根車３９に達する。そして、案内羽根３８および羽根車３９の回転による遠心力により、流入した液体酸素は圧縮され、主ポンプ出口２０からいったんターボポンプ４０の外部へ流出する。
【００４２】
主ポンプ出口２０からターボポンプ４０の外部へ流出した液体酸素は、ガス入口３２からタービン室９およびプリバーナポンプ室３１の内部へ流入する。タービン室９においては、ガス入口３２からガス出口３３へ流れるプリバーナからの一次燃焼ガスによりタービン動翼３４が駆動され、約１８０００ｒｐｍの高速回転に達する。その回転がタービン軸３５によりアンギュラ玉軸受１に伝達される。また、プリバーナポンプ室３１側のアンギュラ玉軸受１には、プリバーナポンプ入口２１から液体酸素が流入する。
【００４３】
以上より、ターボポンプ４０の内部に備えられる各アンギュラ玉軸受１には、液体酸素が流入するため、これらのアンギュラ玉軸受１は、氷点下１８３℃の極低温環境において使用されることになる。したがって、これらのアンギュラ玉軸受１に対して潤滑油などの流動性潤滑剤を使用することが困難であるため、これらのアンギュラ玉軸受１は、極低温環境下において、無潤滑に近い潤滑条件にて高速回転を支持することになる。このため、軸受を構成する各部品の摩耗を促進する可能性があるので、本発明の実施の形態において、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供した。
【００４４】
次に、上記アンギュラ玉軸受１について説明する。図２は、本実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図３は、図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。
【００４５】
図２および図３を参照して、アンギュラ玉軸受１は、第１軌道部材としての外輪１１と、第２軌道部材としての内輪１２と、複数の転動体としての玉１３と、保持器１４とを備えている。外輪１１の内周面には、円環状の第１転走面としての外輪転走面１１Ａが形成されている。内輪１２の外周面には、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。また、複数の玉１３には、転動体転走面としての玉転走面１３Ａ（玉１３の表面）が形成されている。そして、当該玉１３は、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に玉転走面１３Ａにおいて接触し、円環状の保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。これにより、外輪１１と内輪１２とは互いに相対的に回転可能となっている。
【００４６】
ここで、アンギュラ玉軸受１においては、玉１３と外輪１１との接触点と、玉１３と内輪１２との接触点とを結ぶ直線は、ラジアル方向（アンギュラ玉軸受１の回転軸に垂直な方向）に対して角度をなしている。そのため、ラジアル方向の荷重だけでなく、アキシャル方向の荷重をも受けることが可能であるとともに、ラジアル方向の荷重が負荷されると、アキシャル方向（アンギュラ玉軸受１の回転軸の方向）への分力が生じる。本実施の形態のターボポンプ４０では、全てのアンギュラ玉軸受１に加わるアキシャル方向への分力を互いに相殺しあうように配置されている。
【００４７】
そして、本実施の形態における転動体としての玉１３は、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。
【００４８】
さらに、図３を参照して、玉１３の転走面である玉転走面１３Ａを含む領域には、内部１３Ｃよりも緻密性の高い層である玉緻密層１３Ｂが形成されている。この玉緻密層１３Ｂの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。そのため、本実施の形態おけるアンギュラ玉軸受１は、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な、極低温環境下において使用される転がり軸受となっている。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。
【００４９】
さらに、図３を参照して、玉緻密層１３Ｂの表面である玉転走面１３Ａを含む領域には、玉緻密層１３Ｂ内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である玉高緻密層１３Ｄが形成されている。玉高緻密層１３Ｄの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下となっている。これにより、玉１３の転動疲労に対する耐久性がより向上し、アンギュラ玉軸受１の耐久性が一層向上している。
【００５０】
なお、上記本実施の形態においては、アンギュラ玉軸受１を構成する玉１３は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されていてもよい。焼結助剤を含むことで、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なアンギュラ玉軸受１を、容易に提供することができる。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。
【００５１】
次に、本実施の形態における転がり軸受の製造方法について説明する。図４は、本発明の一実施の形態における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図５は、本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。
【００５２】
図４を参照して、本実施の形態における転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、外輪１１、内輪１２などが製造される。一方、転動体製造工程では、玉１３などが製造される。
【００５３】
そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪１１および内輪１２と、玉１３とを組み合わせることにより、アンギュラ玉軸受１が組立てられる。そして、転動体製造工程は、たとえば以下のβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法を用いて実施される。
【００５４】
図５を参照して、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法においては、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。βサイアロン粉末準備工程においては、たとえば燃焼合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。
【００５５】
次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合、省略することができる。
【００５６】
次に、図５を参照して、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、転動体の概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、玉１３などの概略形状に成形された成形体が作製される。
【００５７】
次に、上記成形体の表面が加工されることにより、当該成形体が焼結後に所望の転動体の形状により近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工などの加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に玉１３などの形状により近い形状になるように加工される。この焼結前加工工程は、成形工程において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の転動体の形状に近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。
【００５８】
次に、図５を参照して、上記成形体が焼結される焼結工程が実施される。具体的には、上記成形体が、たとえば１ＭＰａ以下の圧力下でヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱などの加熱方法により加熱されて焼結されることにより、玉１３などの概略形状を有する焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域に上記成形体が加熱されることにより実施される。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素などが採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。
【００５９】
次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、転動体を完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研磨することにより、転動体としての玉１３などを完成させる。以上の工程により、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体は完成する。
【００６０】
ここで、上記焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み５００μｍ程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下である高緻密層が形成される。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に転走面となるべき領域において１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、玉転走面１３Ａを含む領域に、高緻密層を残存させ、玉１３の転動疲労寿命を向上させることができる。
【００６１】
なお、上記焼結工程は、βサイアロンの分解を抑制するため、０．０１ＭＰａ以上の圧力下で行なうことが好ましく、低コスト化を考慮すると大気圧以上の圧力下で行なうことがより好ましい。また、製造コストを抑制しつつ緻密層を形成するためには、焼結工程は１ＭＰａ以下の圧力下で行なうことが好ましい。また、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率を１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の所望の値に調整するためには、たとえばβサイアロン粉末準備工程において準備されるβサイアロン粉末のｚ値を、０．１≦ｚ≦３．５の範囲で調節すればよい。より具体的には、ｚ値を増加させることにより、βサイアロン焼結体のヤング率を低下させることができる。
【００６２】
また、上記実施の形態における外輪１１および内輪１２の素材としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼、ＳＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼、Ｓ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼などの鋼を採用することができる。
【００６３】
上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受の一例としてアンギュラ玉軸受について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られず、深溝玉軸受を始めとする玉軸受や、円筒ころ軸受を代表とするころ軸受に採用することができる。また、上記各実施の形態においては、液化ガスにより冷却される環境下において使用される、たとえばロケットエンジンのターボポンプのタービン軸の回転を支持する転がり軸受について説明した。しかし本発明の転がり軸受の用途はこれに限られず、たとえば液体窒素やＬＮＧの搬送ポンプ用軸受において使用される転がり軸受など、極低温環境下において使用される種々の転がり軸受として採用することができる。これらの実施の形態においては、本発明の転がり軸受の軌道部材として、外輪および内輪が採用される場合について説明したが、軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸、ハウジングなどの部材であってもよい。すなわち、軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。
【実施例１】
【００６４】
以下、本発明の実施例１について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、ｚ値と転動疲労寿命（耐久性）との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００６５】
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜４の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施の形態において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と基本的に同様の方法で、ｚ値が０．１〜４である転動体を作製した。具体的な作製方法は以下のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、球状の成形体を得た。
【００６６】
引き続き当該成形体に対して１次焼結として常圧焼結を行なった後、圧力２００ＭＰａの窒素雰囲気中でＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；熱間静水圧焼結）処理することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｊ）。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。
【００６７】
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して転動体の破損状態を確認した。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に本実施例の試験結果を示す。表１においては、各実施例および比較例における寿命が、比較例Ａ（窒化珪素）における寿命を１とした寿命比で表されている。また、破損形態は、転動体の表面に剥離が発生した場合「剥離」、剥離が発生することなく表面が摩耗して試験が中止された場合「摩耗」と記載されている。
【００７０】
表１を参照して、ｚ値が０．１以上３．５以下となっている本発明の実施例Ａ〜Ｈでは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して遜色ない寿命を有している。また、破損形態も窒化珪素の場合と同様に「剥離」となっている。これに対し、ｚ値が３．５を超える実施例Ｉでは、寿命が低下するとともに、転動体に摩耗が観察される。すなわち、ｚ値が３．８である実施例Ｉでは、最終的には転動体に剥離が発生しているものの、転動体における摩耗が影響し、寿命が低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が４である実施例Ｊにおいては、短時間に転動体の摩耗が進行し、転がり軸受の耐久性がさらに低下している。
【００７１】
以上のように、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、βサイアロン焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受の耐久性は、窒化珪素の焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受とほぼ同等である。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。さらに、ｚ値が大きくなると、βサイアロンからなる転動体の破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が一層低下することが明らかとなった。このように、ｚ値を０．１以上３．５以下とすることにより、安価で、かつ耐久性に優れたβサイアロン焼結体からなる転動体が得られることが確認された。
【００７２】
なお、表１を参照して、ｚ値が３を超える３．５の実施例Ｈにおいては、転動体には僅かな摩耗が発生しており、寿命も実施例Ａ〜Ｇに比べて低下している。このことから、十分な耐久性をより安定して確保するためには、ｚ値は３以下とすることが望ましいといえる。
【００７３】
また、上記実験結果より、窒化珪素からなる転動体と同等以上の耐久性（寿命）を得るには、ｚ値は２以下とすることが好ましく、１．５以下とすることが、より好ましい。一方、燃焼合成を採用した製造工程によるβサイアロン粉体の作製の容易性を考慮すると、十分に自己発熱による反応が期待できる０．５以上のｚ値を採用することが好ましい。
【実施例２】
【００７４】
以下、本発明の実施例２について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、当該転がり軸受に対して衝撃が作用する環境下におけるｚ値と転動疲労寿命との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００７５】
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜３．５の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施例１と同様の方法で、ｚ値が０．１〜３．５である転動体を作製した。そして、別途準備した様々な鋼材を素材として製作した軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｊ）。軌道輪を構成する鋼としては、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０、Ｓ５３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４０ＣおよびＡＩＳＩ規格Ｍ５０を採用した。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。
【００７６】
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：２．５ＧＰａ、軸受回転数：５００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８循環給油、加振条件：２５００Ｎ（５０Ｈｚ）、試験温度：室温の条件の下で運転する加振衝撃疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、軸受に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して軸受の破損状態を確認した。
【００７７】
【表２】
【００７８】
表２に本実施例の試験結果を示す。表２においては、各欄内の上段に各実施例および比較例における寿命が、軌道輪の材質をＳＵＪ２とした場合の比較例Ａ（窒化珪素）の寿命を１とした寿命比で表されている。また、各欄内の下段には、軸受の破損部位（軌道輪または玉）が記載されている。
【００７９】
表２を参照して、ｚ値が０．５以上３．０以下となっている本発明の実施例Ｃ〜Ｈは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して明確に長寿命となっている。ここで、表２に示すように、破損部位は窒化珪素の場合と同様に軌道部材（軌道輪）となっており、破損形態は剥離であった。これに対し、ｚ値が３．０を超える実施例ＩおよびＪでは、寿命が低下するとともに、転動体（玉）の破損（剥離）が先行する。すなわち、ｚ値が３．２５である実施例Ｉでは、衝撃の影響によりβサイアロン焼結体からなる軸受部品（玉）に損傷が生じ、寿命が低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が３．５である実施例Ｊおいては、さらに短時間に転動体の剥離が生じ、転がり軸受の耐久性が一層低下している。
【００８０】
一方、ｚ値が０．５より小さい実施例ＡおよびＢでは、寿命が比較例Ａとほぼ同じ程度にまで低下するとともに、軌道部材の破損（剥離）が先行する。すなわち、ｚ値が０．２５である実施例Ｂでは、ｚ値が０（窒化珪素）である比較例Ａとの物性の差が小さくなる。そのため、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、一方的に軌道部材側に損傷が生じ、窒化珪素焼結体からなる玉を採用した比較例Ａ並みにまで寿命が低下したものと考えられる。
【００８１】
さらに、表２を参照して、ｚ値が０．５以上３．０以下となっている場合であっても、相対する軌道輪の硬度（表面硬度）がＨＶ６８０未満である場合、軌道輪の硬度がＨＶ６８０以上の場合に比べて寿命が低下する傾向にある。これは、軌道輪の硬度が低い場合、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、軌道部材側に損傷が生じ易くなるためであると考えられる。
【００８２】
以上のように、ｚ値が３．０を超えるとβサイアロン焼結体からなる軸受部品自身が破損し易くなる一方、ｚ値が０．５未満では、相手部材との間の接触面圧が増加し、相手部材に損傷が発生しやすくなる。そして、ｚ値を０．５以上３．０以下とすることにより、転動体を構成する素材の強度と、軌道部材との間の接触面圧の低減とのバランスが確保される。その結果、軸受に対して衝撃が作用する環境下において、βサイアロン焼結体からなる転動体を含む転がり軸受の寿命が向上することが確認された。特に、軌道部材が鋼からなる場合、軌道部材の物性と転動体の物性とがほどよく調和して、衝撃、振動等による損傷の発生を抑制することができる。このように、転動体を構成するβサイアロンのｚ値を０．５以上３．０以下とすることにより、振動や衝撃が作用した場合における転がり軸受の耐久性を向上させることができることが確認された。
【００８３】
また、軌道部材が鋼からなる場合、当該軌道部材の損傷を抑制するため、軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上とすることが好ましいことが確認された。
【実施例３】
【００８４】
以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の転がり軸受を構成するβサイアロンからなる転動体の緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００８５】
はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ５ＡｌＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、上記実施の形態において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で、一辺が約１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで（常圧焼結）、上記立方体試験片を製造した。
【００８６】
その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト−ＦＸＡ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフイルム株式会社製 ＦＰ−１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰＩ）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製 ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行なって（本実施例での２値化分離閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。
【００８７】
次に、試験結果について説明する。図６は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図７は、図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図８は、図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。図６において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。
【００８８】
図６および図７を参照して、上記実施の形態と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図８に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行なって白色領域の面積率を算出したところ、表３に示す結果が得られた。表３においては、図８に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。
【００８９】
【表３】
【００９０】
表３を参照して、本実施例における白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、上記実施の形態と同様の上記製造方法により作製された本実施例における試験片においては、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。
【実施例４】
【００９１】
以下、本発明の実施例４について説明する。本発明の転がり軸受を構成するβサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００９２】
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ５ＡｌＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、上記実施の形態において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で直径９．５２５ｍｍの３／８インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない球状の成形体を得た。
【００９３】
次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン体加工を行ない、引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（転動体；ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈ）。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体（日本特殊陶業株式会社製 ＥＣ１４１）に対して、上述と同様にラッピング加工を行ない、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（比較例Ａ）。ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。
【００９４】
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。
【００９５】
【表４】
【００９６】
表４に本実施例の試験結果を示す。表４を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ〜Ｇの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の１．５〜２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ〜Ｃの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の３倍程度となっていた。このことから、本発明の転がり軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、本発明の転がり軸受は、βサイアロン焼結体からなる転動体の加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。
【００９７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の一実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受を含むターボポンプの構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図３】図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。
【図６】試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。
【図７】図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。
【図８】図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１ アンギュラ玉軸受、９ タービン室、１１ 外輪、１１Ａ 外輪転走面、１２ 内輪、１２Ａ 内輪転走面、１３ 玉、１３Ａ 玉転走面、１３Ｂ 玉緻密層、１３Ｃ 内部、１３Ｄ 玉高緻密層、１４ 保持器、２０ 主ポンプ出口、２１ プリバーナポンプ入口、３０ 主ポンプ室、３１ プリバーナポンプ室、３２ ガス入口、３３ ガス出口、３４ タービン動翼、３５ タービン軸、 ３６ 主ポンプ入口、３７ インデューサ、３８ 案内羽根、３９ 羽根車、４０ ターボポンプ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関し、より特定的には、βサイアロンを主成分とする焼結体からなる構成部品を備えた転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料を用いるロケットエンジンに関して、燃料を高圧燃焼させるために液体燃料をターボポンプで昇圧させてからエンジンへ供給する、ポンプ式と呼ばれる方式が提案されている。ここで、ポンプ式のエンジンの動作原理について簡略化して説明すると、たとえばターボポンプ中の回転するインデューサやインペラを有する遠心型ポンプ中に液体燃料を導入し、回転による遠心力などを利用して液体燃料を昇圧させる。この昇圧された液体燃料が、たとえばターボポンプ中のタービンに導入され、圧力を利用してタービン軸を回転させる。するとこの回転するタービン軸が再び上記遠心型ポンプ中に導入された液体燃料を昇圧させる。以上のようにポンプ式のロケットエンジンは、液体燃料を用いて、ターボポンプにて回転エネルギーと圧力によるエネルギーとの変換を繰り返しながら駆動させる。
【０００３】
ロケットエンジンのターボポンプの、上記タービン軸を、そのタービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するためには、たとえばアンギュラ玉軸受が用いられる。しかし、ロケットエンジンに用いる液体燃料とは、後述するようにたとえば液体水素や液体酸素であるため、圧縮された液体燃料が導入されるタービン軸に用いられる軸受は、液化ガスにより冷却される極低温環境下において使用される。したがって、軸受に対して潤滑油などの流動性潤滑剤を使用することが困難であるため、軸受を構成する各部品の摩耗を促進する可能性がある。そこで、たとえば特許文献１には、軸受を構成する内輪、外輪および転動体としての複数の玉が、強靭性を備えたマルテンサイト系ステンレス鋼で形成されていることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１４７４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ロケットエンジンのタービン軸のように、高速回転する環境下において使用される転がり軸受の転動体として、窒化珪素製の転動体が採用される場合がある。窒化珪素は、転動体の素材として一般的に採用される鋼に比べて耐摩耗性や耐食性に優れることから、機械性能向上のため、近年は窒化珪素を使用するケースが増加している。
【０００５】
しかしながら、窒化珪素は、鋼に比べてヤング率が大きく、弾性変形しにくいという特徴がある。そのため、鋼製の転動体に比べて、窒化珪素製の転動体と軌道部材との接触面積は小さくなり、接触面圧が大きくなる傾向にある。そのため、転がり軸受の転動体として窒化珪素製の転動体が採用されている場合、たとえばタービン軸を回転させる時に転がり軸受に衝撃が作用すると、軌道部材の摩耗や損傷を促進しやすくなる。軌道部材の損傷を抑制するために、一般的には軸受の動作を潤滑にさせる潤滑油が使用されるが、上述したとおり、ロケットエンジンのターボポンプに用いられる軸受に対して、一般的に軸受の動作を潤滑にさせるための潤滑油を使用することは困難である。結果的に、摩耗の促進により軌道部材の寿命の低下を招くことがあるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従った転がり軸受は、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受である。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている。より具体的には、たとえば転動体は、窒化珪素からなる場合に比べてヤング率が小さくなるセラミックスからなっている。
【０００８】
また、本発明に従った、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受としては、たとえばターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受を挙げることができる。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている。より具体的には、たとえば転動体は、窒化珪素からなる場合に比べてヤング率が小さくなるセラミックスからなっている。
【０００９】
上述した本発明の転がり軸受によれば、衝撃が作用した場合でも軌道部材における摩耗や損傷が抑制されるため、耐衝撃性を向上させつつ耐摩耗性や耐食性を向上させたガイドローラ軸受を提供することができる。
【００１０】
本発明の一の局面における転がり軸受は、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受である。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される、転がり軸受である。
【００１１】
本発明の他の局面における転がり軸受は、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受である。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される、転がり軸受である。
【００１２】
本発明の一の局面における、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受においては、転動体に絶縁体であるβサイアロン焼結体（βサイアロンを主成分とする焼結体）が採用されている。βサイアロン焼結体は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの一般的なセラミックスからなる焼結体に比べてヤング率が小さい。そのため、転動体のヤング率が高いことに起因して軌道部材との接触面圧が大きくなることによる、衝撃等による軌道部材の寿命の低下を抑制することができる。また、サイアロン焼結体を用いることにより、転動体として鋼の代わりに窒化珪素を用いた場合と同様に、転動体の耐摩耗性や耐食性を向上させる効果をも奏する。以上のように、本発明の一の局面における転がり軸受によれば、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【００１３】
また、本発明の他の局面における、液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受は、基本的には上記本発明の一の局面における転がり軸受と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明の他の局面における転がり軸受では、焼結体が焼結助剤を含む点で上記本発明の一の局面における転がり軸受とは異なっている。本発明の他の局面における転がり軸受によれば、焼結助剤の採用により、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能な転がり軸受を容易に提供することができる。
【００１４】
なお、焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を採用することができる。また、上記本発明の一の局面における転がり軸受と同等の作用効果を奏するためには、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。
【００１５】
上述した本発明の一の局面における転がり軸受としては、たとえばターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受を挙げることができる。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成される。
【００１６】
また、上述した本発明の他の曲面における転がり軸受としても、たとえばターボポンプのタービン軸を、タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受を挙げることができる。この転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えている。そして、転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される。なお、以上のターボポンプとしては、たとえば液体ロケットエンジンのターボポンプであり、上記転がり軸受は、たとえば液体ロケットエンジンのターボポンプ用軸受に適用することができる。ただしその他にも、たとえば液体窒素やＬＮＧの搬送ポンプ用軸受などの極低温環境用軸受や、ガスタービン、ターボチャージャーなどの高温環境用軸受としても、上記転がり軸受を用いることができる。したがって、たとえば転動体としてβサイアロンを主成分とする焼結体を用いれば、窒化珪素よりもヤング率が低いことにより軌道部材に摩耗や圧痕などの損傷が発生することに起因した寿命の低下を抑制しつつ、鋼の代わりに窒化珪素を用いた場合の耐摩耗性や耐食性などの効果を維持することができるという効果を奏する。
【００１７】
上記転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす。
【００１８】
本発明者は、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とβサイアロンの組成との関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られた。βサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程を採用することにより、上記ｚの値（以下、ｚ値という）が０．１以上となる種々の組成を有するものを安価に製造することができる。そして、一般に転動疲労寿命に大きな影響を与える硬度は、製造の容易なｚ値４．０以下の範囲において、ほとんど変化しない。しかしながら、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命とｚ値との関係を詳細に調査したところ、ｚ値が３．５を超えると転動体の転動疲労寿命が低下することが分かった。
【００１９】
より具体的には、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、転動疲労寿命はほぼ同等で、転がり軸受の運転時間が所定時間を超えると、転動体の表面に剥離が発生して破損する。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。つまり、ｚ値が３．５となる組成を境界として、βサイアロンからなる転動体の破損モードが変化し、ｚ値が３．５を超えると転動疲労寿命が低下するという現象が明らかとなった。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体において、安定して十分な寿命を確保するためには、ｚ値を３．５以下とすることが好ましい。以上のように、上記βサイアロンを０．１≦ｚ≦３．５を満たすものとすることにより、安価で、かつ耐久性に優れた転がり軸受を提供することができる。
【００２０】
上記転がり軸受において好ましくは、上記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．５≦ｚ≦３．０を満たす。
【００２１】
これにより、振動や衝撃が作用した場合における転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。
【００２２】
上記転がり軸受において好ましくは、上記転動体のヤング率は１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。
【００２３】
転動体のヤング率が高くなると、転動体を構成する素材（βサイアロン焼結体）の強度が上昇する傾向にある。しかし、その反面、転動体のヤング率が高くなると、転動体が弾性変形しにくくなるため、転動体同士の接触面積が小さくなり、接触面圧が高くなる。その結果、相手部材に損傷が発生し易くなる。一方、転動体のヤング率が低くなると、転動体が弾性変形しやすくなるため、転動体同士の接触面積が大きくなり、接触面圧が低くなる。しかし、その反面、転動体のヤング率が低くなると、これに伴って転動体を構成する素材の強度が低下する傾向にある。そのため、転動体のヤング率は、転動体を構成する素材の強度と転動体同士の接触面圧の低減とのバランスを確保可能な範囲とすることが必要である。
【００２４】
より具体的には、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が１８０ＧＰａ未満の場合、転動体を構成する素材の強度低下の影響が接触面圧の低減の効果を上回り、転動体の転動疲労寿命が低下する。また、転動体同士の接触面積が増大することに伴い、転動体間に作用する摩擦力が増加して軸受トルクが上昇し、使用時に転動体の表面に容易に剥離が生じるという問題も発生する。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、１８０ＧＰａ以上であることが好ましく、２２０ＧＰａ以上であることがより好ましい。
【００２５】
一方、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率が２７０ＧＰａを超えると、接触面圧の増加の影響が転動体を構成する素材の強度上昇の効果を上回り、相手部材の転走面に損傷が発生しやすくなる。その結果、転がり軸受の寿命が低下する。したがって、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、２７０ＧＰａ以下であることが好ましく、２６０ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００２６】
上記転がり軸受においては、軌道部材は鋼からなるものとすることができる。この場合、当該軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上であることが好ましい。これにより、振動や衝撃が作用した場合における軌道部材の損傷を抑制することができる。
【００２７】
上記転がり軸受において好ましくは、上記転動体は、軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している。
【００２８】
上述のβサイアロン焼結体からなる転動体においては、その緻密性が転動疲労寿命に大きく影響する。これに対し、上記構成によれば、転走面を含む領域に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されていることにより、転動疲労寿命が向上する。その結果、十分な耐久性を安定して確保することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【００２９】
ここで、緻密性の高い層とは、焼結体において空孔率の低い（密度の高い）層であって、たとえば以下のように調査することができる。まず、βサイアロン焼結体からなる転動体の表面に垂直な断面において転動体を切断し、当該断面を鏡面ラッピングする。その後、鏡面ラッピングされた断面を光学顕微鏡の斜光（暗視野）にて、たとえば５０〜１００倍程度で撮影し、３００ＤＰＩ（Ｄｏｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）以上の画像として記録する。このとき、白色の領域として観察される白色領域は、空孔率の高い（密度の低い）領域に対応する。したがって、白色領域の面積率が低い領域は、当該面積率が高い領域に比べて緻密性が高い。そして、記録された画像を、画像処理装置を用いて輝度閾値により２値化処理した上で白色領域の面積率を測定し、当該面積率により、撮影された領域の緻密性を知ることができる。
【００３０】
つまり、上記転がり軸受において好ましくは、上記焼結体は、転走面を含む領域に内部よりも白色領域の面積率の低い層である緻密層が形成されている。なお、上記撮影は、ランダムに５箇所以上で行ない、上記面積率は、その平均値で評価することが好ましい。また、上記焼結体の内部における上記白色領域の面積率は、たとえば１５％以上である。また、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を一層向上させるためには、上記緻密層は１００μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。
【００３１】
上記転がり軸受において好ましくは、緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。
【００３２】
白色領域の面積率が７％以下となる程度に上記緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。
【００３３】
上記転がり軸受において好ましくは、緻密層の表面を含む領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている。
【００３４】
緻密性のさらに高い高緻密層が緻密層の表面を含む領域に形成されることにより、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転がり軸受の寿命を一層向上させることができる。
【００３５】
上記転がり軸受において好ましくは、高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である。
【００３６】
白色領域の面積率が３．５％以下となる程度に上記高緻密層の緻密性を向上させることで、βサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命がより向上する。したがって、上記構成により、本発明の転がり軸受の耐久性を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本発明の転がり軸受によれば、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００３９】
図１は、本発明の一実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受を含むターボポンプの構成を示す概略断面図である。以下、図１を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受を含むターボポンプについて説明する。
【００４０】
図１を参照して、本実施の形態におけるターボポンプ４０は、液体水素／液体酸素２段燃焼式ロケットエンジンの液体酸素側を圧縮するものである。ターボポンプ４０は大きく分けると、タービン室９、主ポンプ室３０およびプリバーナポンプ室３１から構成される。なお、図示は省略するが、液体水素／液体酸素２段燃焼式ロケットエンジンは、液体水素側を圧縮する同様のターボポンプも備えている。
【００４１】
上述した遠心型ポンプとしての役割を有する主ポンプ室３０には、案内羽根３８および羽根車３９を備えており、これらが回転する軸を、その軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持するアンギュラ玉軸受１が備えられている。液体酸素は、主ポンプ入口３６から主ポンプ室３０の内部に流入し、インデューサ３７を経て案内羽根３８および羽根車３９に達する。そして、案内羽根３８および羽根車３９の回転による遠心力により、流入した液体酸素は圧縮され、主ポンプ出口２０からいったんターボポンプ４０の外部へ流出する。
【００４２】
主ポンプ出口２０からターボポンプ４０の外部へ流出した液体酸素は、ガス入口３２からタービン室９およびプリバーナポンプ室３１の内部へ流入する。タービン室９においては、ガス入口３２からガス出口３３へ流れるプリバーナからの一次燃焼ガスによりタービン動翼３４が駆動され、約１８０００ｒｐｍの高速回転に達する。その回転がタービン軸３５によりアンギュラ玉軸受１に伝達される。また、プリバーナポンプ室３１側のアンギュラ玉軸受１には、プリバーナポンプ入口２１から液体酸素が流入する。
【００４３】
以上より、ターボポンプ４０の内部に備えられる各アンギュラ玉軸受１には、液体酸素が流入するため、これらのアンギュラ玉軸受１は、氷点下１８３℃の極低温環境において使用されることになる。したがって、これらのアンギュラ玉軸受１に対して潤滑油などの流動性潤滑剤を使用することが困難であるため、これらのアンギュラ玉軸受１は、極低温環境下において、無潤滑に近い潤滑条件にて高速回転を支持することになる。このため、軸受を構成する各部品の摩耗を促進する可能性があるので、本発明の実施の形態において、高いヤング率に起因した寿命の低下を抑制しつつ、耐摩耗性や耐食性を向上することが可能な転がり軸受を提供した。
【００４４】
次に、上記アンギュラ玉軸受１について説明する。図２は、本実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図３は、図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。
【００４５】
図２および図３を参照して、アンギュラ玉軸受１は、第１軌道部材としての外輪１１と、第２軌道部材としての内輪１２と、複数の転動体としての玉１３と、保持器１４とを備えている。外輪１１の内周面には、円環状の第１転走面としての外輪転走面１１Ａが形成されている。内輪１２の外周面には、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。また、複数の玉１３には、転動体転走面としての玉転走面１３Ａ（玉１３の表面）が形成されている。そして、当該玉１３は、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に玉転走面１３Ａにおいて接触し、円環状の保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。これにより、外輪１１と内輪１２とは互いに相対的に回転可能となっている。
【００４６】
ここで、アンギュラ玉軸受１においては、玉１３と外輪１１との接触点と、玉１３と内輪１２との接触点とを結ぶ直線は、ラジアル方向（アンギュラ玉軸受１の回転軸に垂直な方向）に対して角度をなしている。そのため、ラジアル方向の荷重だけでなく、アキシャル方向の荷重をも受けることが可能であるとともに、ラジアル方向の荷重が負荷されると、アキシャル方向（アンギュラ玉軸受１の回転軸の方向）への分力が生じる。本実施の形態のターボポンプ４０では、全てのアンギュラ玉軸受１に加わるアキシャル方向への分力を互いに相殺しあうように配置されている。
【００４７】
そして、本実施の形態における転動体としての玉１３は、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体から構成され、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっている。
【００４８】
さらに、図３を参照して、玉１３の転走面である玉転走面１３Ａを含む領域には、内部１３Ｃよりも緻密性の高い層である玉緻密層１３Ｂが形成されている。この玉緻密層１３Ｂの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である。そのため、本実施の形態おけるアンギュラ玉軸受１は、トラブル発生時における軌道部材の損傷を抑制しつつ、転動体の軽量化および耐焼付性の向上を達成することが可能な、極低温環境下において使用される転がり軸受となっている。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。
【００４９】
さらに、図３を参照して、玉緻密層１３Ｂの表面である玉転走面１３Ａを含む領域には、玉緻密層１３Ｂ内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である玉高緻密層１３Ｄが形成されている。玉高緻密層１３Ｄの断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下となっている。これにより、玉１３の転動疲労に対する耐久性がより向上し、アンギュラ玉軸受１の耐久性が一層向上している。
【００５０】
なお、上記本実施の形態においては、アンギュラ玉軸受１を構成する玉１３は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成されていてもよい。焼結助剤を含むことで、焼結体の気孔率を低下させやすくなり、十分な耐久性を安定して確保することが可能なアンギュラ玉軸受１を、容易に提供することができる。上記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可避的不純物を含む。
【００５１】
次に、本実施の形態における転がり軸受の製造方法について説明する。図４は、本発明の一実施の形態における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。また、図５は、本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。
【００５２】
図４を参照して、本実施の形態における転がり軸受の製造方法においては、まず、軌道部材を製造する軌道部材製造工程と、転動体を製造する転動体製造工程とが実施される。具体的には、軌道部材製造工程では、外輪１１、内輪１２などが製造される。一方、転動体製造工程では、玉１３などが製造される。
【００５３】
そして、軌道部材製造工程において製造された軌道部材と、転動体製造工程において製造された転動体とを組み合わせることにより、転がり軸受を組立てる組立工程が実施される。具体的には、たとえば外輪１１および内輪１２と、玉１３とを組み合わせることにより、アンギュラ玉軸受１が組立てられる。そして、転動体製造工程は、たとえば以下のβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法を用いて実施される。
【００５４】
図５を参照して、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法においては、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。βサイアロン粉末準備工程においては、たとえば燃焼合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。
【００５５】
次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末に、焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合、省略することができる。
【００５６】
次に、図５を参照して、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、転動体の概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、上記βサイアロンの粉末またはβサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押し出し成形、転動造粒などの成形手法を適用することにより、玉１３などの概略形状に成形された成形体が作製される。
【００５７】
次に、上記成形体の表面が加工されることにより、当該成形体が焼結後に所望の転動体の形状により近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工などの加工手法を適用することにより、上記成形体が焼結後に玉１３などの形状により近い形状になるように加工される。この焼結前加工工程は、成形工程において上記成形体が成形された段階で、焼結後に所望の転動体の形状に近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。
【００５８】
次に、図５を参照して、上記成形体が焼結される焼結工程が実施される。具体的には、上記成形体が、たとえば１ＭＰａ以下の圧力下でヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱などの加熱方法により加熱されて焼結されることにより、玉１３などの概略形状を有する焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、１５５０℃以上１８００℃以下の温度域に上記成形体が加熱されることにより実施される。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素などが採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。
【００５９】
次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、転動体を完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研磨することにより、転動体としての玉１３などを完成させる。以上の工程により、本実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体は完成する。
【００６０】
ここで、上記焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み５００μｍ程度の領域には、内部よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下である緻密層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下である高緻密層が形成される。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に転走面となるべき領域において１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、玉転走面１３Ａを含む領域に、高緻密層を残存させ、玉１３の転動疲労寿命を向上させることができる。
【００６１】
なお、上記焼結工程は、βサイアロンの分解を抑制するため、０．０１ＭＰａ以上の圧力下で行なうことが好ましく、低コスト化を考慮すると大気圧以上の圧力下で行なうことがより好ましい。また、製造コストを抑制しつつ緻密層を形成するためには、焼結工程は１ＭＰａ以下の圧力下で行なうことが好ましい。また、βサイアロン焼結体からなる転動体のヤング率を１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下の所望の値に調整するためには、たとえばβサイアロン粉末準備工程において準備されるβサイアロン粉末のｚ値を、０．１≦ｚ≦３．５の範囲で調節すればよい。より具体的には、ｚ値を増加させることにより、βサイアロン焼結体のヤング率を低下させることができる。
【００６２】
また、上記実施の形態における外輪１１および内輪１２の素材としては、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼、ＳＣＭ４２０などの機械構造用合金鋼、Ｓ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼などの鋼を採用することができる。
【００６３】
上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受の一例としてアンギュラ玉軸受について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られず、深溝玉軸受を始めとする玉軸受や、円筒ころ軸受を代表とするころ軸受に採用することができる。また、上記各実施の形態においては、液化ガスにより冷却される環境下において使用される、たとえばロケットエンジンのターボポンプのタービン軸の回転を支持する転がり軸受について説明した。しかし本発明の転がり軸受の用途はこれに限られず、たとえば液体窒素やＬＮＧの搬送ポンプ用軸受において使用される転がり軸受など、極低温環境下において使用される種々の転がり軸受として採用することができる。これらの実施の形態においては、本発明の転がり軸受の軌道部材として、外輪および内輪が採用される場合について説明したが、軌道部材は、転動体が表面を転走するように使用される軸、ハウジングなどの部材であってもよい。すなわち、軌道部材は、転動体が転走するための転走面が形成された部材であればよい。
【実施例１】
【００６４】
以下、本発明の実施例１について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、ｚ値と転動疲労寿命（耐久性）との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００６５】
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜４の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施の形態において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と基本的に同様の方法で、ｚ値が０．１〜４である転動体を作製した。具体的な作製方法は以下のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、球状の成形体を得た。
【００６６】
引き続き当該成形体に対して１次焼結として常圧焼結を行なった後、圧力２００ＭＰａの窒素雰囲気中でＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；熱間静水圧焼結）処理することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｊ）。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。
【００６７】
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して転動体の破損状態を確認した。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に本実施例の試験結果を示す。表１においては、各実施例および比較例における寿命が、比較例Ａ（窒化珪素）における寿命を１とした寿命比で表されている。また、破損形態は、転動体の表面に剥離が発生した場合「剥離」、剥離が発生することなく表面が摩耗して試験が中止された場合「摩耗」と記載されている。
【００７０】
表１を参照して、ｚ値が０．１以上３．５以下となっている本発明の実施例Ａ〜Ｈでは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して遜色ない寿命を有している。また、破損形態も窒化珪素の場合と同様に「剥離」となっている。これに対し、ｚ値が３．５を超える実施例Ｉでは、寿命が低下するとともに、転動体に摩耗が観察される。すなわち、ｚ値が３．８である実施例Ｉでは、最終的には転動体に剥離が発生しているものの、転動体における摩耗が影響し、寿命が低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が４である実施例Ｊにおいては、短時間に転動体の摩耗が進行し、転がり軸受の耐久性がさらに低下している。
【００７１】
以上のように、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、βサイアロン焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受の耐久性は、窒化珪素の焼結体からなる転動体を備えた転がり軸受とほぼ同等である。これに対し、ｚ値が３．５を超えると転動体が摩耗しやすくなり、これに起因して転動疲労寿命が低下する。さらに、ｚ値が大きくなると、βサイアロンからなる転動体の破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が一層低下することが明らかとなった。このように、ｚ値を０．１以上３．５以下とすることにより、安価で、かつ耐久性に優れたβサイアロン焼結体からなる転動体が得られることが確認された。
【００７２】
なお、表１を参照して、ｚ値が３を超える３．５の実施例Ｈにおいては、転動体には僅かな摩耗が発生しており、寿命も実施例Ａ〜Ｇに比べて低下している。このことから、十分な耐久性をより安定して確保するためには、ｚ値は３以下とすることが望ましいといえる。
【００７３】
また、上記実験結果より、窒化珪素からなる転動体と同等以上の耐久性（寿命）を得るには、ｚ値は２以下とすることが好ましく、１．５以下とすることが、より好ましい。一方、燃焼合成を採用した製造工程によるβサイアロン粉体の作製の容易性を考慮すると、十分に自己発熱による反応が期待できる０．５以上のｚ値を採用することが好ましい。
【実施例２】
【００７４】
以下、本発明の実施例２について説明する。種々のｚ値を有するβサイアロン焼結体からなる転動体を有する転がり軸受を作製し、当該転がり軸受に対して衝撃が作用する環境下におけるｚ値と転動疲労寿命との関係を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００７５】
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法でｚ値を０．１〜３．５の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、上記実施例１と同様の方法で、ｚ値が０．１〜３．５である転動体を作製した。そして、別途準備した様々な鋼材を素材として製作した軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｊ）。軌道輪を構成する鋼としては、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０、Ｓ５３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４０ＣおよびＡＩＳＩ規格Ｍ５０を採用した。また、比較のため、窒化珪素からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体も上記βサイアロンからなる転動体と同様の方法で作製し、同様に軸受に組立てた（比較例Ａ）。
【００７６】
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：２．５ＧＰａ、軸受回転数：５００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８循環給油、加振条件：２５００Ｎ（５０Ｈｚ）、試験温度：室温の条件の下で運転する加振衝撃疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、軸受に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して軸受の破損状態を確認した。
【００７７】
【表２】
【００７８】
表２に本実施例の試験結果を示す。表２においては、各欄内の上段に各実施例および比較例における寿命が、軌道輪の材質をＳＵＪ２とした場合の比較例Ａ（窒化珪素）の寿命を１とした寿命比で表されている。また、各欄内の下段には、軸受の破損部位（軌道輪または玉）が記載されている。
【００７９】
表２を参照して、ｚ値が０．５以上３．０以下となっている本発明の実施例Ｃ〜Ｈは、窒化珪素（比較例Ａ）と比較して明確に長寿命となっている。ここで、表２に示すように、破損部位は窒化珪素の場合と同様に軌道部材（軌道輪）となっており、破損形態は剥離であった。これに対し、ｚ値が３．０を超える実施例ＩおよびＪでは、寿命が低下するとともに、転動体（玉）の破損（剥離）が先行する。すなわち、ｚ値が３．２５である実施例Ｉでは、衝撃の影響によりβサイアロン焼結体からなる軸受部品（玉）に損傷が生じ、寿命が低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が３．５である実施例Ｊおいては、さらに短時間に転動体の剥離が生じ、転がり軸受の耐久性が一層低下している。
【００８０】
一方、ｚ値が０．５より小さい実施例ＡおよびＢでは、寿命が比較例Ａとほぼ同じ程度にまで低下するとともに、軌道部材の破損（剥離）が先行する。すなわち、ｚ値が０．２５である実施例Ｂでは、ｚ値が０（窒化珪素）である比較例Ａとの物性の差が小さくなる。そのため、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、一方的に軌道部材側に損傷が生じ、窒化珪素焼結体からなる玉を採用した比較例Ａ並みにまで寿命が低下したものと考えられる。
【００８１】
さらに、表２を参照して、ｚ値が０．５以上３．０以下となっている場合であっても、相対する軌道輪の硬度（表面硬度）がＨＶ６８０未満である場合、軌道輪の硬度がＨＶ６８０以上の場合に比べて寿命が低下する傾向にある。これは、軌道輪の硬度が低い場合、βサイアロン焼結体からなる玉と、当該玉に相対する軌道部材との衝突によって、軌道部材側に損傷が生じ易くなるためであると考えられる。
【００８２】
以上のように、ｚ値が３．０を超えるとβサイアロン焼結体からなる軸受部品自身が破損し易くなる一方、ｚ値が０．５未満では、相手部材との間の接触面圧が増加し、相手部材に損傷が発生しやすくなる。そして、ｚ値を０．５以上３．０以下とすることにより、転動体を構成する素材の強度と、軌道部材との間の接触面圧の低減とのバランスが確保される。その結果、軸受に対して衝撃が作用する環境下において、βサイアロン焼結体からなる転動体を含む転がり軸受の寿命が向上することが確認された。特に、軌道部材が鋼からなる場合、軌道部材の物性と転動体の物性とがほどよく調和して、衝撃、振動等による損傷の発生を抑制することができる。このように、転動体を構成するβサイアロンのｚ値を０．５以上３．０以下とすることにより、振動や衝撃が作用した場合における転がり軸受の耐久性を向上させることができることが確認された。
【００８３】
また、軌道部材が鋼からなる場合、当該軌道部材の損傷を抑制するため、軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上とすることが好ましいことが確認された。
【実施例３】
【００８４】
以下、本発明の実施例３について説明する。本発明の転がり軸受を構成するβサイアロンからなる転動体の緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００８５】
はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ５ＡｌＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、上記実施の形態において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で、一辺が約１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で所定の形状に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない、成形体を得た。引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで（常圧焼結）、上記立方体試験片を製造した。
【００８６】
その後、当該試験片を切断し、切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト−ＦＸＡ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフイルム株式会社製 ＦＰ−１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰＩ）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製 ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行なって（本実施例での２値化分離閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。
【００８７】
次に、試験結果について説明する。図６は、試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図７は、図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図８は、図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。図６において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。
【００８８】
図６および図７を参照して、上記実施の形態と同様の製造方法により作製された本実施例における試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることがわかる。そして、図８に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行なって白色領域の面積率を算出したところ、表３に示す結果が得られた。表３においては、図８に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。
【００８９】
【表３】
【００９０】
表３を参照して、本実施例における白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、上記実施の形態と同様の上記製造方法により作製された本実施例における試験片においては、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。
【実施例４】
【００９１】
以下、本発明の実施例４について説明する。本発明の転がり軸受を構成するβサイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命を確認する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００９２】
まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ５ＡｌＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、上記実施の形態において図５に基づいて説明した転動体の製造方法と同様の方法で直径９．５２５ｍｍの３／８インチセラミック球を作製した。具体的な製造方法は次のとおりである。まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍｏｘｉｄｅ ｇｒａｄｅ Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施し、造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行ない球状の成形体を得た。
【００９３】
次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン体加工を行ない、引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで、焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行ない、３／８インチセラミック球（転動体；ＪＩＳ等級 Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した。ここで、上記焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ〜Ｈ）。一方、比較のため、窒化珪素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて加圧焼結法により焼結した焼結球体（日本特殊陶業株式会社製 ＥＣ１４１）に対して、上述と同様にラッピング加工を行ない、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の軸受を作製した（比較例Ａ）。ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。
【００９４】
次に、試験条件について説明する。上述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８(清浄油)の循環給油、試験温度：室温、の条件の下で運転する疲労試験を行なった。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、転動体に破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止するとともに、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。
【００９５】
【表４】
【００９６】
表４に本実施例の試験結果を示す。表４を参照して、実施例の軸受の寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であるといえる。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ〜Ｇの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の１．５〜２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより転動体の表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ〜Ｃの軸受の寿命は、比較例Ａの寿命の３倍程度となっていた。このことから、本発明の転がり軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、本発明の転がり軸受は、βサイアロン焼結体からなる転動体の加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることにより寿命が向上し、加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることにより寿命がさらに向上することが分かった。
【００９７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の一実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受を含むターボポンプの構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態における転がり軸受としてのアンギュラ玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図３】図２の要部を拡大して示した概略部分断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるβサイアロン焼結体からなる転動体の製造方法の概略を示す図である。
【図６】試験片の上記観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。
【図７】図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。
【図８】図６の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理して白色領域の面積率を測定する際に、画像処理を行なう領域（評価領域）を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１ アンギュラ玉軸受、９ タービン室、１１ 外輪、１１Ａ 外輪転走面、１２ 内輪、１２Ａ 内輪転走面、１３ 玉、１３Ａ 玉転走面、１３Ｂ 玉緻密層、１３Ｃ 内部、１３Ｄ 玉高緻密層、１４ 保持器、２０ 主ポンプ出口、２１ プリバーナポンプ入口、３０ 主ポンプ室、３１ プリバーナポンプ室、３２ ガス入口、３３ ガス出口、３４ タービン動翼、３５ タービン軸、 ３６ 主ポンプ入口、３７ インデューサ、３８ 案内羽根、３９ 羽根車、４０ ターボポンプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受であって、
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて前記軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている、転がり軸受。
【請求項２】
ターボポンプのタービン軸を、前記タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受であって、
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて前記軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている、転がり軸受。
【請求項３】
前記転動体は、βサイアロンを主成分とし、不純物からなる焼結体から構成される、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす、請求項３または４のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項６】
前記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．５≦ｚ≦３．０を満たす、請求項３または４のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項７】
前記転動体のヤング率は１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項８】
前記転動体のヤング率は２２０ＧＰａ以上２６０ＧＰａ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項９】
前記軌道部材は鋼からなり、
前記軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上となっている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項１０】
前記転動体は、前記軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している、請求項１〜９のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項１１】
前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である、請求項１０に記載の転がり軸受。
【請求項１２】
前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、請求項１０または１１に記載の転がり軸受。
【請求項１３】
前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である、請求項１２に記載の転がり軸受。
【請求項１】
液化ガスにより冷却される環境下において使用される転がり軸受であって、
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて前記軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている、転がり軸受。
【請求項２】
ターボポンプのタービン軸を、前記タービン軸に対向するように配置される部材に対して回転自在に支持する転がり軸受であって、
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備え、
前記転動体は、窒化珪素からなる場合に比べて前記軌道部材に対する衝撃を抑制することが可能なセラミックスからなっている、転がり軸受。
【請求項３】
前記転動体は、βサイアロンを主成分とし、不純物からなる焼結体から構成される、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
前記転動体は、βサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不純物からなる焼結体から構成される、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項５】
前記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす、請求項３または４のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項６】
前記βサイアロンは、Ｓｉ６−ＺＡｌＺＯＺＮ８−Ｚの組成式で表され、０．５≦ｚ≦３．０を満たす、請求項３または４のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項７】
前記転動体のヤング率は１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項８】
前記転動体のヤング率は２２０ＧＰａ以上２６０ＧＰａ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項９】
前記軌道部材は鋼からなり、
前記軌道部材の表面硬度はＨＶ６８０以上となっている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項１０】
前記転動体は、前記軌道部材と接触する面である転走面を含む領域に、内部よりも緻密性の高い層である緻密層を有している、請求項１〜９のいずれか１項に記載の転がり軸受。
【請求項１１】
前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は７％以下である、請求項１０に記載の転がり軸受。
【請求項１２】
前記緻密層の表面を含む領域には、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている、請求項１０または１１に記載の転がり軸受。
【請求項１３】
前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率は３．５％以下である、請求項１２に記載の転がり軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１９８８（Ｐ２０１０−１９８８Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６１８７０（Ｐ２００８−１６１８７０）
【出願日】平成２０年６月２０日（２００８．６．２０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２０日（２００８．６．２０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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