JPH0681847A - 表面硬化されたアルミニウム化チタンから成る軸受 - Google Patents
表面硬化されたアルミニウム化チタンから成る軸受Info
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Rolling Contact Bearings (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ガスタービンエンジン等の用途に於ける高温
下であっても硬度及び耐摩耗性を維持し得る軸受を提供
する。 【構成】 軸受部品（例えば軸受レース26;26a,26b）の
接触面(30)に、アルミニウム化チタン(Ti-Al) から成る
領域を設け、且つ、該アルミニウム化チタン領域(30)の
表面に表面硬化層(32)を形成する。上記表面硬化層(32)
は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、水素およびそれらの組
合せから成る群より選ばれた侵入型拡散元素により表面
硬化(case-hardened) されている。前記アルミニウム化
チタンはα 2 −アルミニウム化チタン、γ−アルミニウ
ム化チタン等である。前記表面硬化層は約0.010 〜約0.
030 インチの厚さを有する。前記表面硬化層は少なくと
も約６０のロックウェルＣ硬さを有する。
下であっても硬度及び耐摩耗性を維持し得る軸受を提供
する。 【構成】 軸受部品（例えば軸受レース26;26a,26b）の
接触面(30)に、アルミニウム化チタン(Ti-Al) から成る
領域を設け、且つ、該アルミニウム化チタン領域(30)の
表面に表面硬化層(32)を形成する。上記表面硬化層(32)
は、炭素、窒素、酸素、ホウ素、水素およびそれらの組
合せから成る群より選ばれた侵入型拡散元素により表面
硬化(case-hardened) されている。前記アルミニウム化
チタンはα 2 −アルミニウム化チタン、γ−アルミニウ
ム化チタン等である。前記表面硬化層は約0.010 〜約0.
030 インチの厚さを有する。前記表面硬化層は少なくと
も約６０のロックウェルＣ硬さを有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は軸受に関するものであっ
て、更に詳しく言えば、苛酷な環境中において高温下で
使用される軸受に関する。
て、更に詳しく言えば、苛酷な環境中において高温下で
使用される軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジン（「ジェットエン
ジン」とも呼ばれる）においては、エンジンの前部に空
気が吸入され、そして主軸上に取付けられた圧縮機によ
って圧縮される。圧縮された空気は燃料と混合され、そ
してかかる混合物が燃焼器内において燃焼させられる。
こうして生じた排ガスは、圧縮機と同じ主軸上に取付け
られたタービンを通過し、次いでエンジンの後部から流
出する。タービンの回転は主軸を回転させ、それによっ
て圧縮機に動力を供給する。
ジン」とも呼ばれる）においては、エンジンの前部に空
気が吸入され、そして主軸上に取付けられた圧縮機によ
って圧縮される。圧縮された空気は燃料と混合され、そ
してかかる混合物が燃焼器内において燃焼させられる。
こうして生じた排ガスは、圧縮機と同じ主軸上に取付け
られたタービンを通過し、次いでエンジンの後部から流
出する。タービンの回転は主軸を回転させ、それによっ
て圧縮機に動力を供給する。
【０００３】圧縮機およびタービンを取付けた主軸は、
数組の軸受によって支持されている。これらの軸受はタ
ービンの動翼および静翼の場合のように極めて高い温度
には暴露されないけれども、現行のエンジンでは最高約
３５０°Ｆまでの中等度の使用温度に暴露される。
数組の軸受によって支持されている。これらの軸受はタ
ービンの動翼および静翼の場合のように極めて高い温度
には暴露されないけれども、現行のエンジンでは最高約
３５０°Ｆまでの中等度の使用温度に暴露される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】かかる軸受の接触面
は、軸受の使用温度において優れた硬さ、耐摩耗性、強
度および破壊靭性を有していなければならない。現在、
かかる軸受はＭ５０合金のごとき特殊工具鋼で作製され
ているが、この材料は最高約６００°Ｆまでの温度下で
上記の要求条件を満たす。しかしながら、それよりも高
い温度の下では、軸受は性質の低下を示すと共に、環境
に原因する損害（たとえば、酸化や腐食）を益々受け易
くなる。それよりも高い温度の下ではまた、軸受材料と
主軸材料との間における熱膨張率の不整合のために公差
を維持することも困難である。
は、軸受の使用温度において優れた硬さ、耐摩耗性、強
度および破壊靭性を有していなければならない。現在、
かかる軸受はＭ５０合金のごとき特殊工具鋼で作製され
ているが、この材料は最高約６００°Ｆまでの温度下で
上記の要求条件を満たす。しかしながら、それよりも高
い温度の下では、軸受は性質の低下を示すと共に、環境
に原因する損害（たとえば、酸化や腐食）を益々受け易
くなる。それよりも高い温度の下ではまた、軸受材料と
主軸材料との間における熱膨張率の不整合のために公差
を維持することも困難である。
【０００５】燃焼ガスの温度が高くなるほどガスタービ
ンエンジンの燃料効率は高くなるのであって、このこと
が運転温度のより高いガスタービンエンジンを開発しよ
うとする経済的な動機となっている。タービンやその他
の高温域部品の設計および材料に関する改良の結果とし
てエンジンの運転温度が上昇するのに伴い、主軸および
それの軸受を一層高い温度下で動作させ、エンジン内の
部品を過度に冷却する必要性を排除し、かつ主軸および
軸受の設計を改良することが望まれることになる。
ンエンジンの燃料効率は高くなるのであって、このこと
が運転温度のより高いガスタービンエンジンを開発しよ
うとする経済的な動機となっている。タービンやその他
の高温域部品の設計および材料に関する改良の結果とし
てエンジンの運転温度が上昇するのに伴い、主軸および
それの軸受を一層高い温度下で動作させ、エンジン内の
部品を過度に冷却する必要性を排除し、かつ主軸および
軸受の設計を改良することが望まれることになる。
【０００６】このようなわけで、ガスタービンエンジン
およびその他の用途において高温下で使用するための改
良された軸受材料が今なお要望されている。本発明はか
かる要望を満たすものである。
およびその他の用途において高温下で使用するための改
良された軸受材料が今なお要望されている。本発明はか
かる要望を満たすものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、従来の
軸受の使用温度よりも遥かに高い温度（すなわち、最高
約１５５０°Ｆまでの温度）において使用し得る改良さ
れた軸受および軸受材料が提供される。本発明の軸受は
優れた機械的および物理的性質を有すると共に、従来の
軸受よりも実質的に軽量である。多くの用途において、
本発明の軸受は支持される部品に何らの変更を加えるこ
となしに従来の軸受と交換することができる。また、本
発明の軸受は確立された技術によって製造される。
軸受の使用温度よりも遥かに高い温度（すなわち、最高
約１５５０°Ｆまでの温度）において使用し得る改良さ
れた軸受および軸受材料が提供される。本発明の軸受は
優れた機械的および物理的性質を有すると共に、従来の
軸受よりも実質的に軽量である。多くの用途において、
本発明の軸受は支持される部品に何らの変更を加えるこ
となしに従来の軸受と交換することができる。また、本
発明の軸受は確立された技術によって製造される。
【０００８】本発明に従って述べれば、接触面を有する
軸受部品が含まれていて、接触面にはアルミニウム化チ
タンから成る領域が設けられ、かつアルミニウム化チタ
ン領域の表面には表面硬化層が形成されていることを特
徴とする軸受が提供される。軸受部品の接触面は、金属
とセラミックとの中間の性質を有する材料であるアルミ
ニウム化チタンから成っている。しかしながら、アルミ
ニウム化チタン自体は満足すべき接触面を得るために必
要な硬さおよび耐摩耗性を有していない。それ故、アル
ミニウム化チタンの硬さおよび耐摩耗性を増大させるた
め、好ましくはそれの表面に侵入型合金元素を拡散させ
ることによって接触面に表面硬化処理が施される。ここ
で言う「侵入型合金元素」としては、炭素、窒素、酸
素、ホウ素、水素およびそれらの組合せが挙げられる。
軸受部品が含まれていて、接触面にはアルミニウム化チ
タンから成る領域が設けられ、かつアルミニウム化チタ
ン領域の表面には表面硬化層が形成されていることを特
徴とする軸受が提供される。軸受部品の接触面は、金属
とセラミックとの中間の性質を有する材料であるアルミ
ニウム化チタンから成っている。しかしながら、アルミ
ニウム化チタン自体は満足すべき接触面を得るために必
要な硬さおよび耐摩耗性を有していない。それ故、アル
ミニウム化チタンの硬さおよび耐摩耗性を増大させるた
め、好ましくはそれの表面に侵入型合金元素を拡散させ
ることによって接触面に表面硬化処理が施される。ここ
で言う「侵入型合金元素」としては、炭素、窒素、酸
素、ホウ素、水素およびそれらの組合せが挙げられる。
【０００９】
【実施例】本発明の重要な特徴の１つは、軸受の接触面
に表面の改質されたアルミニウム化チタンが使用される
ことである。アルミニウム化チタンとは、チタン、アル
ミニウムおよびその他の元素から成る１群の金属間化合
物を意味する。特に重要な２種のアルミニウム化チタン
は、（ＴｉＡｌに近似した組成を有する）γ−アルミニ
ウム化チタンおよび（Ｔｉ3 Ａｌに近似した組成を有す
る）α2 −アルミニウム化チタンである。それらの材料
は軽量元素であるチタンおよびアルミニウムから成るた
めに比較的低い密度を有し、かつ中等度の温度において
優れた比弾性率および比強度を有している。
に表面の改質されたアルミニウム化チタンが使用される
ことである。アルミニウム化チタンとは、チタン、アル
ミニウムおよびその他の元素から成る１群の金属間化合
物を意味する。特に重要な２種のアルミニウム化チタン
は、（ＴｉＡｌに近似した組成を有する）γ−アルミニ
ウム化チタンおよび（Ｔｉ3 Ａｌに近似した組成を有す
る）α2 −アルミニウム化チタンである。それらの材料
は軽量元素であるチタンおよびアルミニウムから成るた
めに比較的低い密度を有し、かつ中等度の温度において
優れた比弾性率および比強度を有している。
【００１０】アルミニウム化チタンは、金属とセラミッ
クとの中間の性質を有している。すなわち、それらはセ
ラミックに特有な優れた高温特性を示しながら、金属に
特有なある程度の延性を示すのである。かかる延性は、
破壊靭性、亀裂成長抵抗性および熱衝撃抵抗性を付与す
る点で重要である。また、アルミニウム化チタンは多く
の金属構造材料に比べて比較的小さい熱膨張率を有する
が、このことも熱衝撃損傷に対する感受性を低減させる
ために役立つ。支持構造物または被支持構造物がアルミ
ニウム化チタンから成るような用途においては、アルミ
ニウム化チタンから成る軸受は熱膨張挙動の点で優れた
整合性を示す。
クとの中間の性質を有している。すなわち、それらはセ
ラミックに特有な優れた高温特性を示しながら、金属に
特有なある程度の延性を示すのである。かかる延性は、
破壊靭性、亀裂成長抵抗性および熱衝撃抵抗性を付与す
る点で重要である。また、アルミニウム化チタンは多く
の金属構造材料に比べて比較的小さい熱膨張率を有する
が、このことも熱衝撃損傷に対する感受性を低減させる
ために役立つ。支持構造物または被支持構造物がアルミ
ニウム化チタンから成るような用途においては、アルミ
ニウム化チタンから成る軸受は熱膨張挙動の点で優れた
整合性を示す。
【００１１】アルミニウム化チタンは軸受の接触面に対
して要求される硬さおよび耐摩耗性を有していない。し
かしながら、表面硬化処理を施せば、硬さおよび耐摩耗
性を軸受の接触面にとって十分な値にまで増大させ得る
ことが判明している。アルミニウム化チタンの表面を硬
化させるためには、高温下で硬化元素を気体雰囲気から
アルミニウム化チタン中に拡散させることが好ましい。
実施の一態様に従えば、アルミニウム化チタンから成る
接触面を有する軸受部品を減圧および高温の下で十分な
時間にわたり炭素含有ガスに暴露して炭素をアルミニウ
ム化チタンの表面に拡散させることにより、少なくとも
約０．０１０インチ（好ましくは約０．０２０〜０．０
３０インチ）の厚さを有する表面硬化層が形成される。
使用する混合ガスは、炭素がアルミニウム化チタン中に
侵入するが、それの表面上に炭素層を形成することはな
いように選定される。別の実施の態様に従えば、浸炭用
ガスが大気圧下で使用される点を除き、上記と同じ操作
が繰返される。
して要求される硬さおよび耐摩耗性を有していない。し
かしながら、表面硬化処理を施せば、硬さおよび耐摩耗
性を軸受の接触面にとって十分な値にまで増大させ得る
ことが判明している。アルミニウム化チタンの表面を硬
化させるためには、高温下で硬化元素を気体雰囲気から
アルミニウム化チタン中に拡散させることが好ましい。
実施の一態様に従えば、アルミニウム化チタンから成る
接触面を有する軸受部品を減圧および高温の下で十分な
時間にわたり炭素含有ガスに暴露して炭素をアルミニウ
ム化チタンの表面に拡散させることにより、少なくとも
約０．０１０インチ（好ましくは約０．０２０〜０．０
３０インチ）の厚さを有する表面硬化層が形成される。
使用する混合ガスは、炭素がアルミニウム化チタン中に
侵入するが、それの表面上に炭素層を形成することはな
いように選定される。別の実施の態様に従えば、浸炭用
ガスが大気圧下で使用される点を除き、上記と同じ操作
が繰返される。
【００１２】本発明によれば、高温下で使用する軸受の
分野において顕著な進歩が達成されることになる。選定
された軸受材料（すなわち、アルミニウム化チタン）は
硬さおよび耐摩耗性を除けば優れた物理的および機械的
性質を有しているが、表面硬化処理を施すことによって
表面の硬さおよび耐摩耗性を増大させることができるの
である。
分野において顕著な進歩が達成されることになる。選定
された軸受材料（すなわち、アルミニウム化チタン）は
硬さおよび耐摩耗性を除けば優れた物理的および機械的
性質を有しているが、表面硬化処理を施すことによって
表面の硬さおよび耐摩耗性を増大させることができるの
である。
【００１３】図１には、複数の軸受２２を伴った軸２０
が示されている。それらの軸受２２は、軸２０がそれの
中心軸の回りに回転し得るようにして軸２０を支持構造
物２４から支持するために役立つ。ガスタービンエンジ
ンの主軸を支持するために軸受２２を使用することが本
発明者等の主たる興味の対象であるが、軸受は回転、滑
動などによって相対的に運動する２個の構造体を支持す
るための多数の用途において使用されている。本発明は
それらの軸受用途に対しても適用し得るものである。
が示されている。それらの軸受２２は、軸２０がそれの
中心軸の回りに回転し得るようにして軸２０を支持構造
物２４から支持するために役立つ。ガスタービンエンジ
ンの主軸を支持するために軸受２２を使用することが本
発明者等の主たる興味の対象であるが、軸受は回転、滑
動などによって相対的に運動する２個の構造体を支持す
るための多数の用途において使用されている。本発明は
それらの軸受用途に対しても適用し得るものである。
【００１４】図２には軸受２２の断面図が示されてい
る。軸受２２は、少なくとも１個（通例は２個）の軸受
レース２６を含んでいる。図示された構造例において
は、概してＵ字形を成す２個の軸受レース２６が含まれ
ている。一方の軸受レース２６ａは軸２０に対して固定
されており、また他方の軸受レース２６ｂは支持構造物
２４に対して固定されていて、それらの軸受レース２６
ａおよび２６ｂは互いに向かい合って配置されている。
軸受レース２６ａおよび２６ｂの間には、それぞれの接
触面３０上において転動するようにして転動体（この場
合には玉２８）が配置されている。実際には、軸受２２
の外周に沿って軸受レース間の空間を満たすように多数
の転動体が使用されている。図２に示された軸受は比較
的簡単な形状を有するものであるが、個々の用途に応じ
てそれ以外にも様々な形状の軸受が使用されている。本
発明は軸受の形状ではなくそれの構造材料に関するもの
であり、従って任意の形状の軸受に対して適用すること
ができる。
る。軸受２２は、少なくとも１個（通例は２個）の軸受
レース２６を含んでいる。図示された構造例において
は、概してＵ字形を成す２個の軸受レース２６が含まれ
ている。一方の軸受レース２６ａは軸２０に対して固定
されており、また他方の軸受レース２６ｂは支持構造物
２４に対して固定されていて、それらの軸受レース２６
ａおよび２６ｂは互いに向かい合って配置されている。
軸受レース２６ａおよび２６ｂの間には、それぞれの接
触面３０上において転動するようにして転動体（この場
合には玉２８）が配置されている。実際には、軸受２２
の外周に沿って軸受レース間の空間を満たすように多数
の転動体が使用されている。図２に示された軸受は比較
的簡単な形状を有するものであるが、個々の用途に応じ
てそれ以外にも様々な形状の軸受が使用されている。本
発明は軸受の形状ではなくそれの構造材料に関するもの
であり、従って任意の形状の軸受に対して適用すること
ができる。
【００１５】軸受２２が満足すべき動作を達成するため
には、軸受２２の構造材料、とりわけ接触面３０の構造
材料が重要である。図３には、一方の軸受レース２６の
拡大断面図が示されている。本発明の好適な適用対象は
軸受レース２６であるが、転動体または玉２８に対して
適用することも可能である。軸受レース２６は、チタ
ン、アルミニウムおよび（場合によっては）その他の金
属元素から成る組成物であるアルミニウム化チタンで作
製されている。最も重要なアルミニウム化チタンとして
は、(1) ＴｉＡｌに近似した組成を有するγ−アルミニ
ウム化チタン、(2) γ−アルミニウム化チタンの合金、
(3) Ｔｉ3 Ａｌに近似した組成を有するα2 −アルミニ
ウム化チタン、および(4) α2 −アルミニウム化チタン
の合金が挙げられる。ここで言う「近似した組成を有す
る」という表現は、組成物が記載の相領域（γ相または
α2 相）の範囲内にあることを表わしている。すなわ
ち、組成物が厳密な化学量論的組成を有していてもよい
し、あるいはそれのＴｉ／Ａｌ比が化学量論的組成から
僅かに変動していてもよいのである。ここで言う「合
金」とは、その他の金属元素（たとえば、ニオブ、クロ
ム、タンタル、モリブデン、コバルト、タングステン、
ジルコニウム、ホウ素、ケイ素およびバナジウム）を添
加することによって基本組成物を改質したものを意味す
る。これらの合金元素は、基本組成物であるアルミニウ
ム化チタンの性質を改善するために添加される。一般的
に使用される場合、「アルミニウム化チタン」はかかる
基本組成物および改質組成物の全てを包括するものと解
すべきである。
には、軸受２２の構造材料、とりわけ接触面３０の構造
材料が重要である。図３には、一方の軸受レース２６の
拡大断面図が示されている。本発明の好適な適用対象は
軸受レース２６であるが、転動体または玉２８に対して
適用することも可能である。軸受レース２６は、チタ
ン、アルミニウムおよび（場合によっては）その他の金
属元素から成る組成物であるアルミニウム化チタンで作
製されている。最も重要なアルミニウム化チタンとして
は、(1) ＴｉＡｌに近似した組成を有するγ−アルミニ
ウム化チタン、(2) γ−アルミニウム化チタンの合金、
(3) Ｔｉ3 Ａｌに近似した組成を有するα2 −アルミニ
ウム化チタン、および(4) α2 −アルミニウム化チタン
の合金が挙げられる。ここで言う「近似した組成を有す
る」という表現は、組成物が記載の相領域（γ相または
α2 相）の範囲内にあることを表わしている。すなわ
ち、組成物が厳密な化学量論的組成を有していてもよい
し、あるいはそれのＴｉ／Ａｌ比が化学量論的組成から
僅かに変動していてもよいのである。ここで言う「合
金」とは、その他の金属元素（たとえば、ニオブ、クロ
ム、タンタル、モリブデン、コバルト、タングステン、
ジルコニウム、ホウ素、ケイ素およびバナジウム）を添
加することによって基本組成物を改質したものを意味す
る。これらの合金元素は、基本組成物であるアルミニウ
ム化チタンの性質を改善するために添加される。一般的
に使用される場合、「アルミニウム化チタン」はかかる
基本組成物および改質組成物の全てを包括するものと解
すべきである。
【００１６】アルミニウム化チタンは、優れた高温強
度、靭性、耐酸化性などをはじめとする概して良好な機
械的および物理的性質を有している。とは言え、アルミ
ニウム化チタンは軸受レースまたは軸受用転動体の接触
面３０において使用するために十分な硬さおよび耐摩耗
性は有していない。そこで、アルミニウム化チタンから
成る軸受レース２６の接触面３０は、図３に示されるご
とく表面硬化によって改質される。すなわち、アルミニ
ウム化チタンの硬さおよび耐摩耗性を増大させる１種以
上の侵入型合金元素を接触面３０に添加して表面硬化層
３２を形成することにより、接触面３０の硬さ、耐摩耗
性および転がり接触疲労寿命が選択的に増大させられ
る。表面硬化層３２の形成は、軸受部品の全体にわたっ
て硬化元素または強化元素を添加することとは区別すべ
きである。かかる元素を軸受部品の全体にわたって添加
した場合、それの硬さは増大するが、それの伸びおよび
靭性は低下する。軸受部品の全体にわたる伸びおよび靭
性の低下は、早期破損に対するそれの感受性を高めるの
で望ましくない。本発明に従えば、軸受部品の内部は良
好な靭性を保持する一方、表面層が選択的に硬化される
ことによって硬い耐摩耗性接触面が形成されるのであ
る。
度、靭性、耐酸化性などをはじめとする概して良好な機
械的および物理的性質を有している。とは言え、アルミ
ニウム化チタンは軸受レースまたは軸受用転動体の接触
面３０において使用するために十分な硬さおよび耐摩耗
性は有していない。そこで、アルミニウム化チタンから
成る軸受レース２６の接触面３０は、図３に示されるご
とく表面硬化によって改質される。すなわち、アルミニ
ウム化チタンの硬さおよび耐摩耗性を増大させる１種以
上の侵入型合金元素を接触面３０に添加して表面硬化層
３２を形成することにより、接触面３０の硬さ、耐摩耗
性および転がり接触疲労寿命が選択的に増大させられ
る。表面硬化層３２の形成は、軸受部品の全体にわたっ
て硬化元素または強化元素を添加することとは区別すべ
きである。かかる元素を軸受部品の全体にわたって添加
した場合、それの硬さは増大するが、それの伸びおよび
靭性は低下する。軸受部品の全体にわたる伸びおよび靭
性の低下は、早期破損に対するそれの感受性を高めるの
で望ましくない。本発明に従えば、軸受部品の内部は良
好な靭性を保持する一方、表面層が選択的に硬化される
ことによって硬い耐摩耗性接触面が形成されるのであ
る。
【００１７】表面硬化層３２を形成するために使用され
る表面硬化処理は深さに応じた硬さの変化をもたらすの
であって、最大の硬さは表面の直下において得られる。
図４は、後記に記載されるごとくにして処理されたα2
−アルミニウム化チタンの試験片に関し、硬さを深さの
関数として表わしたグラフである。表面硬化されたアル
ミニウム化チタンの硬さは、表面の直下において少なく
とも約６０Ｒｃ（ロックウェルＣ硬さ）好ましくは７７
Ｒｃであり、次いで徐々に低下し、そして表面から約
０．０１５〜０．０２０インチの深さにおいて約４２Ｒ
ｃに達する。４２Ｒｃの硬さは、本試験において使用さ
れた未改質のα2 −アルミニウム化チタンの硬さであ
る。このように、表面硬化層３２は厚さに伴って変化す
る性質を有するが、これは本発明の範囲内において意図
的に生み出されるものである。
る表面硬化処理は深さに応じた硬さの変化をもたらすの
であって、最大の硬さは表面の直下において得られる。
図４は、後記に記載されるごとくにして処理されたα2
−アルミニウム化チタンの試験片に関し、硬さを深さの
関数として表わしたグラフである。表面硬化されたアル
ミニウム化チタンの硬さは、表面の直下において少なく
とも約６０Ｒｃ（ロックウェルＣ硬さ）好ましくは７７
Ｒｃであり、次いで徐々に低下し、そして表面から約
０．０１５〜０．０２０インチの深さにおいて約４２Ｒ
ｃに達する。４２Ｒｃの硬さは、本試験において使用さ
れた未改質のα2 −アルミニウム化チタンの硬さであ
る。このように、表面硬化層３２は厚さに伴って変化す
る性質を有するが、これは本発明の範囲内において意図
的に生み出されるものである。
【００１８】表面硬化層３２は、少なくとも０．０１０
インチ（好ましくは０．０１０〜０．０３０インチ）の
厚さを有することが望ましい。厚さがより小さくなる
と、通常の表面摩耗により表面硬化層３２が摩滅して未
硬化のアルミニウム化チタンが露出し、そのために早期
破損が起こることがある。厚さがより大きくなると、靭
性の低下した表面硬化層３２が軸受部品の内部深くにま
で侵入し、そのために軸受部品の総合靭性が低下するこ
とがある。表面硬化層３２の厚さは様々な用途に応じて
選定することができ、また表面硬化処理方法を変更する
ことによって所望の厚さを得ることができる。一般的に
述べれば、表面硬化処理の温度および時間が増加するほ
ど表面硬化層３２の厚さは大きくなる。
インチ（好ましくは０．０１０〜０．０３０インチ）の
厚さを有することが望ましい。厚さがより小さくなる
と、通常の表面摩耗により表面硬化層３２が摩滅して未
硬化のアルミニウム化チタンが露出し、そのために早期
破損が起こることがある。厚さがより大きくなると、靭
性の低下した表面硬化層３２が軸受部品の内部深くにま
で侵入し、そのために軸受部品の総合靭性が低下するこ
とがある。表面硬化層３２の厚さは様々な用途に応じて
選定することができ、また表面硬化処理方法を変更する
ことによって所望の厚さを得ることができる。一般的に
述べれば、表面硬化処理の温度および時間が増加するほ
ど表面硬化層３２の厚さは大きくなる。
【００１９】好適な実施の態様に従えば、軸受部品（た
とえば軸受レース２６）の全体がアルミニウム化チタン
で作製される。とは言え、図５には別の実施の態様が示
されている。この場合には、概して軸受レース２６の形
状を有する基体３４が用意される。かかる基体３４は任
意適宜の材料で作製することができる。かかる基体３４
上にアルミニウム化チタン層３６が設置される。このア
ルミニウム化チタン層３６の表面に上記のごとき表面硬
化処理を施すことにより、図３に示されたものと同等な
表面硬化層３２が形成される。かかる実施の態様によれ
ば、軸受部品の本体を何らかの望ましい材料で作製し、
そして特定の所望部位に表面硬化されたアルミニウム化
チタンの層を設置することができるのである。かかる実
施の態様の代表的な使用例について述べれば、接触面３
０を含む領域のみにアルミニウム化チタン層が設置さ
れ、次いでそれに表面硬化処理が施される。
とえば軸受レース２６）の全体がアルミニウム化チタン
で作製される。とは言え、図５には別の実施の態様が示
されている。この場合には、概して軸受レース２６の形
状を有する基体３４が用意される。かかる基体３４は任
意適宜の材料で作製することができる。かかる基体３４
上にアルミニウム化チタン層３６が設置される。このア
ルミニウム化チタン層３６の表面に上記のごとき表面硬
化処理を施すことにより、図３に示されたものと同等な
表面硬化層３２が形成される。かかる実施の態様によれ
ば、軸受部品の本体を何らかの望ましい材料で作製し、
そして特定の所望部位に表面硬化されたアルミニウム化
チタンの層を設置することができるのである。かかる実
施の態様の代表的な使用例について述べれば、接触面３
０を含む領域のみにアルミニウム化チタン層が設置さ
れ、次いでそれに表面硬化処理が施される。
【００２０】図３に示された好適な実施の態様について
再び説明すれば、表面硬化処理は任意適宜の方法によっ
て行うことができる。好適な方法は、高温下において、
１種以上の侵入型合金元素を含有する雰囲気中にアルミ
ニウム化チタンから成る軸受部品を配置するというもの
である。侵入型合金元素は軸受部品の表面に沈着し、次
いで軸受部品中に拡散する。かかる目的のためには、比
較的迅速に拡散するという点で、炭素、窒素、酸素、ホ
ウ素、水素およびそれらの組合せから成る群より選ばれ
た侵入型拡散元素が好適である。本明細書中において
は、かかる侵入型合金元素を硬化元素として使用するこ
とが強調されているが、その他の硬化元素も使用し得る
ことを理解すべきである。また、商業的な浸炭雰囲気
（たとえば、鋼の浸炭のために使用されるようなもの）
も本発明にとって有効である。
再び説明すれば、表面硬化処理は任意適宜の方法によっ
て行うことができる。好適な方法は、高温下において、
１種以上の侵入型合金元素を含有する雰囲気中にアルミ
ニウム化チタンから成る軸受部品を配置するというもの
である。侵入型合金元素は軸受部品の表面に沈着し、次
いで軸受部品中に拡散する。かかる目的のためには、比
較的迅速に拡散するという点で、炭素、窒素、酸素、ホ
ウ素、水素およびそれらの組合せから成る群より選ばれ
た侵入型拡散元素が好適である。本明細書中において
は、かかる侵入型合金元素を硬化元素として使用するこ
とが強調されているが、その他の硬化元素も使用し得る
ことを理解すべきである。また、商業的な浸炭雰囲気
（たとえば、鋼の浸炭のために使用されるようなもの）
も本発明にとって有効である。
【００２１】アルミニウム化チタンから成る軸受部品を
表面硬化するために２つの方法が使用された。第１の方
法においては、表面硬化用の気体雰囲気が大気圧よりも
低い圧力に維持され、そして比較的高い温度が使用され
る。先ず最初に、表面硬化すべきアルミニウム化チタン
にベーパーホーニングまたはサンダー処理を施すことに
よって表面から酸化物や残骸が除去され、次いでアセト
ンおよびメタノール中において洗浄することによって表
面が脱脂される。この方法における好適な条件に従え
ば、軸受部品は約５〜約３８０Torrの流動する浸炭雰囲
気中において約２０００〜２２００°Ｆの温度に加熱さ
れる。熱処理時間は所望の厚さを有する表面硬化層３２
を得るための必要に応じて決定されるが、通例は約２〜
２０時間である。熱処理の完了後、浸炭雰囲気の下で炉
が冷却される。浸炭雰囲気としては、水素とメタンとの
５：１、８：１および２４：１混合物、一酸化炭素と二
酸化炭素との２５０：１混合物、および一酸化炭素と窒
素と二酸化炭素との１８０：１０：１混合物が使用され
た。（これらの混合物は成分ガスのモル比によって規定
されている。）かかる浸炭雰囲気は、混合物中のカーボ
ンポテンシャルがアルミニウム化チタン中のカーボンポ
テンシャルよりも大きいが、表面上に連続した炭化物層
を形成するために必要なカーボンポテンシャルよりは小
さくなるように選定される。
表面硬化するために２つの方法が使用された。第１の方
法においては、表面硬化用の気体雰囲気が大気圧よりも
低い圧力に維持され、そして比較的高い温度が使用され
る。先ず最初に、表面硬化すべきアルミニウム化チタン
にベーパーホーニングまたはサンダー処理を施すことに
よって表面から酸化物や残骸が除去され、次いでアセト
ンおよびメタノール中において洗浄することによって表
面が脱脂される。この方法における好適な条件に従え
ば、軸受部品は約５〜約３８０Torrの流動する浸炭雰囲
気中において約２０００〜２２００°Ｆの温度に加熱さ
れる。熱処理時間は所望の厚さを有する表面硬化層３２
を得るための必要に応じて決定されるが、通例は約２〜
２０時間である。熱処理の完了後、浸炭雰囲気の下で炉
が冷却される。浸炭雰囲気としては、水素とメタンとの
５：１、８：１および２４：１混合物、一酸化炭素と二
酸化炭素との２５０：１混合物、および一酸化炭素と窒
素と二酸化炭素との１８０：１０：１混合物が使用され
た。（これらの混合物は成分ガスのモル比によって規定
されている。）かかる浸炭雰囲気は、混合物中のカーボ
ンポテンシャルがアルミニウム化チタン中のカーボンポ
テンシャルよりも大きいが、表面上に連続した炭化物層
を形成するために必要なカーボンポテンシャルよりは小
さくなるように選定される。
【００２２】
【実施例１〜４】各種のアルミニウム化チタン材料から
成る試験片を用いて評価試験を行った。詳しく述べれ
ば、表１中に示された組成を有しかつ合金Ａ〜Ｈとして
表わされる８種のアルミニウム化チタン材料を用意し、
そして約１〜２cm3 の大きさの試験片に前述のごとき表
面硬化処理を施した。表１中には、一酸化炭素と窒素と
二酸化炭素との１８０：１０：１混合物を用いて３８０
Torrの圧力、２１００°Ｆの温度および２０時間の暴露
時間の下で行った評価試験の結果が示されている。この
ような表面硬化操作は実施例１と呼ばれる。表１の最後
の欄には、表面硬化処理によって得られた各試験片の基
準化重量増加（単位mg／cm2 ）が示されている。かかる
重量増加が大きくなるほど、より多くの硬化元素が試験
片の表面中に拡散したことになる。従って、かかる重量
増加は本発明に従って特定の合金に施される表面硬化処
理の容易さの指標となるわけである。
成る試験片を用いて評価試験を行った。詳しく述べれ
ば、表１中に示された組成を有しかつ合金Ａ〜Ｈとして
表わされる８種のアルミニウム化チタン材料を用意し、
そして約１〜２cm3 の大きさの試験片に前述のごとき表
面硬化処理を施した。表１中には、一酸化炭素と窒素と
二酸化炭素との１８０：１０：１混合物を用いて３８０
Torrの圧力、２１００°Ｆの温度および２０時間の暴露
時間の下で行った評価試験の結果が示されている。この
ような表面硬化操作は実施例１と呼ばれる。表１の最後
の欄には、表面硬化処理によって得られた各試験片の基
準化重量増加（単位mg／cm2 ）が示されている。かかる
重量増加が大きくなるほど、より多くの硬化元素が試験
片の表面中に拡散したことになる。従って、かかる重量
増加は本発明に従って特定の合金に施される表面硬化処
理の容易さの指標となるわけである。
【００２３】
【表１】 表 １ 組 成（原子％） 重量増加合 金 Ａｌ Ｎｂ Ｃｒ Ｔａ Ｍｏ Ｔｉ （mg／cm2 ） Ａ 24.5 12.5 1.5 残部 14.25 Ｂ 24 11 残部 30.64 Ｃ 48 2 2 残部 1.54 Ｄ 47 2 4 残部 2.11 Ｅ 48 1 3 残部 3.22 Ｆ 48 1 4 8 残部 2.68 Ｇ 52 1 8 残部 1.98 Ｈ 52 1 4 3 残部 4.13 試験したアルミニウム化チタン材料の全てに対し、本発
明に基づく表面硬化処理を有効に施すことができた。中
でも、α2 −アルミニウム化チタン合金である合金Ｂ
は、表面硬化処理の結果として最大の基準化重量増加を
示した。
明に基づく表面硬化処理を有効に施すことができた。中
でも、α2 −アルミニウム化チタン合金である合金Ｂ
は、表面硬化処理の結果として最大の基準化重量増加を
示した。
【００２４】実施例２と呼ばれる表面処理操作において
は、最初にアルミニウム化チタンを予備酸化し、次いで
高温および大気圧の下で表面硬化処理を施した。詳しく
述べれば、先ず最初にＴｉ−２４Ａｌ−１１Ｎｂ合金を
空気中において２０００°Ｆで３時間にわたり予備酸化
した。その後、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水
素、水蒸気および窒素から成る雰囲気中に合金を配置
し、そして大気圧および１７５０°Ｆの温度の下で９０
時間にわたり浸炭を施した。かかる雰囲気の鋼浸炭能力
を定量的に表わすそれのカーボンポテンシャルは、ＡＩ
ＳＩ１００５鋼について測定したところ、０．４％Ｃで
あった。試験片を切断した後、表面硬化層３２の硬さを
表面からの深さの関数として測定した。得られた結果を
図４および表２中に示す。表面硬化層３２の厚さは０．
０１０〜０．０２０インチの範囲内にあるが、より高い
温度および（または）より長い暴露時間の使用によって
増大させることができた。
は、最初にアルミニウム化チタンを予備酸化し、次いで
高温および大気圧の下で表面硬化処理を施した。詳しく
述べれば、先ず最初にＴｉ−２４Ａｌ−１１Ｎｂ合金を
空気中において２０００°Ｆで３時間にわたり予備酸化
した。その後、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水
素、水蒸気および窒素から成る雰囲気中に合金を配置
し、そして大気圧および１７５０°Ｆの温度の下で９０
時間にわたり浸炭を施した。かかる雰囲気の鋼浸炭能力
を定量的に表わすそれのカーボンポテンシャルは、ＡＩ
ＳＩ１００５鋼について測定したところ、０．４％Ｃで
あった。試験片を切断した後、表面硬化層３２の硬さを
表面からの深さの関数として測定した。得られた結果を
図４および表２中に示す。表面硬化層３２の厚さは０．
０１０〜０．０２０インチの範囲内にあるが、より高い
温度および（または）より長い暴露時間の使用によって
増大させることができた。
【００２５】
【表２】 表 ２ 硬 さ（Ｒｃ） 表面からの 合金Ａ／ 合金Ｂ／ 合金Ｂ／ 合金Ａ／ 深さ（ミル） 実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４ 2 61 65 76 46 4 59 57 45 5 64 6 52 51 43 8 50 44 40 10 50 28 60 37 12 26 50 15 46 44 18 42 20 44 26 43 25 43 実施例３の表面硬化操作は、０．１５％Ｃのカーボンポ
テンシャルを有する点を除けば実施例２の場合と同様な
雰囲気中において大気圧および２１００°Ｆの温度の下
で１６時間にわたり浸炭を施すことから成っていた。こ
の場合、予備酸化は行わなかった。
テンシャルを有する点を除けば実施例２の場合と同様な
雰囲気中において大気圧および２１００°Ｆの温度の下
で１６時間にわたり浸炭を施すことから成っていた。こ
の場合、予備酸化は行わなかった。
【００２６】実施例４の表面硬化操作は、水素とメタン
との２４：１混合物中において８Torrの圧力および２１
００°Ｆの温度の下で浸炭を施すことから成っていた。
この場合、予備酸化は行わなかった。上記の結果に基づ
けば、合金Ａと実施例１の表面硬化操作との組合せが本
発明の好適な実施の態様を成すように思われる。
との２４：１混合物中において８Torrの圧力および２１
００°Ｆの温度の下で浸炭を施すことから成っていた。
この場合、予備酸化は行わなかった。上記の結果に基づ
けば、合金Ａと実施例１の表面硬化操作との組合せが本
発明の好適な実施の態様を成すように思われる。
【００２７】本発明によれば、硬さおよび耐摩耗性を含
めて優れた機械的および物理的性質を有しかつ高温下で
使用し得る軸受部品が提供される。なお、前記特許請求
の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から
逸脱することなしに様々な変更態様が可能であることを
理解すべきである。
めて優れた機械的および物理的性質を有しかつ高温下で
使用し得る軸受部品が提供される。なお、前記特許請求
の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から
逸脱することなしに様々な変更態様が可能であることを
理解すべきである。
【図１】複数の軸受によって支持された軸の斜視図であ
る。
る。
【図２】図１に示された１個の軸受の線２−２に関する
拡大断面図である。
拡大断面図である。
【図３】図２に示された軸受レースの表面を一層詳しく
示す拡大断面図である。
示す拡大断面図である。
【図４】試験片の硬さを深さの関数として示すグラフで
ある。
ある。
【図５】本発明の別実施例に係る軸受けの拡大断面図で
あり、アルミニウム化チタンが基体の表面上の層として
設置されている点を除けば図３と同様である。
あり、アルミニウム化チタンが基体の表面上の層として
設置されている点を除けば図３と同様である。
２０ 軸 ２２ 軸受 ２４ 支持構造物 ２６ 軸受レース ２８ 玉 ３０ 接触面 ３２ 表面硬化層 ３４ 基体 ３６ アルミニウム化チタン層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・アラン・ロードス アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ピックウィック・ドライブ、806番 (72)発明者 ジョセフ・アロイシウス・ヘニイ，ザ・サ ード アメリカ合衆国、ヴァージニア州、フォー レスト・シャディ・オーク・レーン、203 番
Claims (10)
- 【請求項１】 接触面を有する軸受部品と、 上記接触面に設けられたアルミニウム化チタンから成る
領域と、 上記アルミニウム化チタン領域の表面に形成された表面
硬化層と、から成る軸受。 - 【請求項２】 前記軸受部品が軸受レースである請求項
１記載の軸受。 - 【請求項３】 前記表面硬化層が侵入型拡散元素を含む
請求項１記載の軸受。 - 【請求項４】 前記表面硬化層が炭素、窒素、酸素、ホ
ウ素、水素およびそれらの組合せから成る群より選ばれ
た侵入型拡散元素を含む請求項１記載の軸受。 - 【請求項５】 前記アルミニウム化チタンがα2 −アル
ミニウム化チタン、γ−アルミニウム化チタンおよびそ
れらの合金から成る群より選ばれる請求項１記載の軸
受。 - 【請求項６】 前記表面硬化層が約０．０１０〜約０．
０３０インチの厚さを有する請求項１記載の軸受。 - 【請求項７】 前記表面硬化層が少なくとも約６０のロ
ックウェルＣ硬さを有する請求項１記載の軸受。 - 【請求項８】 前記軸受部品がアルミニウム化チタンで
作製されている請求項１記載の軸受。 - 【請求項９】 前記アルミニウム化チタン領域が前記軸
受部品を成す基体上に析出した層である請求項１記載の
軸受。 - 【請求項１０】 高温および大気圧または減圧の条件下
で侵入型拡散元素を含む雰囲気に前記アルミニウム化チ
タン領域を暴露する操作によって前記表面硬化層が形成
される請求項１記載の軸受。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/899,562 US5518820A (en) | 1992-06-16 | 1992-06-16 | Case-hardened titanium aluminide bearing |
| US899562 | 1997-07-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0681847A true JPH0681847A (ja) | 1994-03-22 |
| JPH0826897B2 JPH0826897B2 (ja) | 1996-03-21 |
Family
ID=25411221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14313993A Expired - Lifetime JPH0826897B2 (ja) | 1992-06-16 | 1993-06-15 | 表面硬化されたアルミニウム化チタンから成る軸受 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5518820A (ja) |
| EP (1) | EP0575106A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0826897B2 (ja) |
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-
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- 1993-06-15 JP JP14313993A patent/JPH0826897B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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