JP2010002012A - 旋回軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 転動体と軌道輪との接触部における滑り摩耗およびフレッティング損傷が抑制され、軸受の軽量化を図ることができる旋回軸受を提供する。
【解決手段】 内輪１と、外輪２と、これら内外輪１，２の各軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ間で転動自在な複数の転動体３とを備える。転動体３は耐衝撃性に強いセラミックス製である。セラミックスは、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体、または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る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば風力発電装置等の旋回部分に用いられる大型または超大型の旋回軸受に関する。

図７および図８は風力発電装置の１例を示す。この風力発電装置１１は、支持台１２上にナセル１３を水平旋回自在に設け、このナセル１３のケーシング１４内に主軸１５を回転自在に支持し、この主軸１５のケーシング１４外に突出した一端に、旋回翼であるブレード１６を取付けてなる。主軸１５の他端は増速機１７に接続され、増速機１７の出力軸１８が発電機１９のロータ軸に結合されている。

風力発電装置は規模が非常に大きく、１枚のブレード１６の長さが数１０メートル、中には１００メートルを超えるものもある。そのため、ブレード１６が主軸１５回りに回転する際に、その回転位置、例えば主軸１５よりも上側の位置と下側の位置とで、ブレード１６が受ける風の風速が異なる。風速が違っていても各ブレード１６が同じ荷重を受けるように、ブレード１６が回転する間に、風速に応じて各ブレード１６の風に向かう角度を調整する。また、常に各ブレード１６が正面から風を受けるように、風向きの変化に応じてナセル１３の向きを変える（ヨー）。なお、風速が速過ぎて多大な荷重を受ける恐れがある場合には、ナセル１３の向きを通常の逆にして、風が抜けるようにすることもある。

このように、風力発電装置では、風の状態に合わせてブレード１６の角度およびナセル１３の向きを随時変える必要があるため、ブレード１６およびナセル１３はそれぞれ旋回軸受２１，２２により旋回自在に支持され、図示しない駆動手段により旋回させるようになっている。風力発電装置の旋回軸受の特徴としては、寸法が非常に大きいこと、旋回の揺動角が比較的小さいこと、変動荷重を受けることが挙げられる。
寸法に関しては、ブレード用で外輪外径１０００〜３０００ｍｍ、ヨー用で同１５００〜３５００ｍｍである。揺動角に関しては、ブレード用で最大約９０°、ヨー用で最大３６０°である。変動荷重に関しては、ブレード用およびヨー用のいずれについても変動荷重を受けるが、特にブレード用が急激な変動荷重を受けることが多い。

建設機械、工作機械等の幅広い分野において、旋回軸受として、４点接触玉軸受が用いられている（例えば特許文献１，２）。４点接触玉軸受は、内輪および外輪の各軌道面をそれぞれ２つの曲面で形成し、これらの軌道面間に複数のボールを転動自在に介在させたものであり、転動体としてのボールが両軌道面間にしっかりと挟持され、かつ内外輪の剛性も高いので、簡単な構成で大きな負荷容量が得られる。
特開２００２−３３９９８１号公報 特開２００３−１３９６３号公報

そこで、大型または超大型であり、大きな負荷容量を必要とする風力発電装置の旋回軸受についても、４点接触玉軸受の採用を検討することにした。なお、JIS B 0104-1991によると、大型軸受は外輪外径が１８０〜８００ｍｍのものと定義されている。
前述のように、風力発電装置の旋回軸受は、変動荷重により比較的狭い旋回範囲内で頻繁に揺動するため、フレッティングが生じやすい。フレッティングを防止するには、内部すきまを負すきまにして、転動体と軌道輪との滑りを抑えるのが有効である。しかし、４点接触玉軸受で負すきまにすると、４点接触状態でボールが転動することにより滑り摩耗が発生する問題がある。また、負すきまにしても、変動荷重によるフレッティングを完全に防ぐことは困難であるため、フレッティング損傷を極力少なくすることが重要な課題であることに変わりない。さらに、大型または超大型である風力発電装置の旋回軸受では、軸受の軽量化も重要な課題である。これらの問題や課題は、４点接触玉軸受である場合だけに限らず、他の形式の軸受についても言えることである。例えば、アキシアル荷重を受ける円筒ころとラジアル荷重を受ける円筒ころを組み合わせた３列円筒ころ軸受がそうである。

上記滑り摩耗およびフレッティング損傷に対しては、従来、軸受に封入するグリースの量を調整することや、グリースに二酸化モリブデン等の添加剤を添加することによる対策がとられていた。これらの方法によっても、ある程度の効果は期待できるが、さらに根本的な解決策が求められている。

この発明の目的は、転動体と軌道輪との接触部における滑り摩耗およびフレッティング損傷が抑制され、軸受の軽量化を図ることができる旋回軸受を提供することである。

この発明にかかる旋回軸受は、内輪と、外輪と、これら内外輪の各軌道面間で転動自在な複数の転動体とを備え、前記転動体が耐衝撃性に強いセラミックス製であることを特徴とする。

転動体をセラミックス製とすれば、以下の作用効果が得られる。
・ 焼結体であるセラミックスは保油性が良好である。このため、転動体に含浸している油が転動体と内外輪の軌道間に滲み出て潤滑油として作用し、両者の滑り摩耗およびフレッティング損傷が抑制される。
・ セラミックスは、鋼に比べて密度が小さい。このため、転動体の軽量化が図れ、軸受全体の軽量化を図れる。
・ セラミックスは耐食性が高く、絶縁性を有する。このため、腐食や電食により転動体が損傷することを抑制できる。

前記セラミックスは、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たものとすることができる。その場合、前記セラミックスは、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−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以下であるのが好ましい。
また、前記セラミックスは、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たものとしてもよい。その場合、前記セラミックスは、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−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、残部焼結助剤および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以下であるのが好ましい。
以後、これらのβサイアロンを主成分とする焼結体を「サイアロン焼結体」とする。

この発明の発明者は、サイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命と、転動体の構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、この発明に想到した。

すなわち、上述の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、上記の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が、製造可能である。そして、一般の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サイアロンを主成分とする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大幅に低下することが分かった。

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、旋回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大幅に低下する。つまり、ｚ値が３．５となる組成を境界として、サイアロン焼結体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大幅に低下するという現象が明らかとなった。したがって、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以下とする必要がある。

一方、上述のように、βサイアロンは、燃焼合成を含む製造工程により製造することにより、安価に製造することができる。しかし、ｚ値が０．１未満では、燃焼合成の実施が困難となることが分かった。そのため、サイアロン焼結体からなる転動体を安価に製造するには、ｚ値を０．１以上とする必要がある。

また、転動体のヤング率が高くなると、転動体を構成する素材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、転動体と軌道輪との接触面積が小さくなり、接触面圧が高くなる。その結果、負荷される荷重が急激に上昇した場合、転動体に損傷が発生しやすくなる。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、転動体と軌道輪と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と軌道輪と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。

より具体的には、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、転動体と軌道輪との接触面積が増大することに伴い、転動体と軌道輪間に作用する摩擦力が増加し、軸受トルクが上昇するという問題も発生する。したがって、サイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、１８０ＧＰａ以上であることが必要である。

一方、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、負荷される荷重が増加した場合、軌道輪と接触する面である転走面に変形等の損傷が発生しやすくなる。その結果、サイアロン焼結体からなる転動体の転動疲労寿命が低下する。したがって、負荷される荷重が急激に変化するような用途に用いられる場合、サイアロン焼結体からなる転動体のヤング率は、２７０ＧＰａ以下であることが必要である。

これに対し、この発明の一の局面における転動体は、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−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ており、ヤング率が１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下となっているため、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能であるとともに、負荷される荷重が急激に変化するような用途に用いることが可能である。例えば、風力発電装置の旋回軸受の転動体に適する。

なお、負荷される荷重が比較的大きい用途で用いられる場合、転動体のヤング率は２２０ＧＰａ以上であることが望ましい。一方、外部からの衝撃が負荷される場合等、負荷される荷重の変化が特に大きい環境下で使用される場合、転動体のヤング率は２６０ＧＰａ以下であることが望ましい。

また、この発明の他の局面における転動体は、基本的には上記この発明の一の局面における転動体と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、この発明の他の局面における転動体では、転動体の用途等を考慮し、焼結助剤を含む点で上記この発明の一の局面における転動体とは異なっている。この発明の他の局面における転動体は、焼結助剤の採用により、サイアロン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である。

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１種類以上を採用することができる。また、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。

サイアロン焼結体は、低圧、例えば１ＭＰａ以下の圧力下で焼結されるため、１０ＭＰａ以上の圧力下で加圧焼結する一般的なセラミックス、例えば窒化珪素を主成分とする焼結体（以下、「窒化珪素焼結体」とする）に比べて、製造コストを低く抑えることができる。
サイアロン焼結体は窒化珪素焼結体よりも、ヤング率が小さい。窒化珪素焼結体のヤング率は３１０ＧＰａであるのに対し、サイアロン焼結体のヤング率は上述したように１８０ＧＰａ以上２７０ＧＰａ以下である。そのため、サイアロン焼結体製の転動体は、窒化珪素焼結体製の転動体よりも、荷重を受けたときに転動体が内外輪の軌道面と接触する面積が大きく、負荷容量が大きい。また、サイアロン焼結体製の転動体は、内外輪の軌道面と広い面積で接触するため、軌道面に対する攻撃性が小さく、軌道面を傷付けにくい。

前記転動体は、前記内外輪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が形成されているのが好ましい。
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、転動体において最も重要な耐久性の１つである転動疲労寿命に大きく影響する。上記のように、転走面を含む領域に緻密層が形成されている転動体は、転動疲労寿命が向上し、十分な耐久性を安定して確保することが可能である。

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、例えば以下のように調査することができる。まず、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、例えば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、画像処理装置を用いて記録された画像を輝度閾値により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。

つまり、上記本発明の旋回軸受の転動体では、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、転動体の内部における上記白色領域の面積率は、例えば１５％以上である。また、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。

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％以下であるのが好ましい。
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、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、転動体の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

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のがより好ましい。
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、転動体の転動疲労に対する耐久性がより向上し、転動疲労寿命が一層向上する。

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％以下であるのが好ましい。
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、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、転動体の転動疲労寿命を一層向上させることができる。

この発明の旋回軸受は、上記の各作用効果が得られるため、風力発電装置のブレードを主軸に対し、主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持するためや、風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持するために好適に使用できる。

この発明の旋回軸受は、内輪と、外輪と、これら内外輪の各軌道面間で転動自在な複数の転動体とを備え、前記転動体が耐衝撃性に強いセラミックス製であるため、転動体と軌道輪との接触部における滑り摩耗およびフレッティング損傷が抑制され、軸受の軽量化を図ることができる。特に、セラミックスをサイアロン焼結体とした場合は、製造コストを低く抑えることができ、かつ軌道面を傷付けにくい。

この発明の実施形態を図１と共に説明する。この旋回軸受は、例えば、風力発電装置のブレードを主軸に対して、主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持する軸受、または風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持する軸受として使用される。

旋回軸受は、内輪１と、外輪２と、これら内外輪１，２の複列の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ間にそれぞれ転動自在に介在する各列複数のボールからなる転動体３と、各列の転動体３をポケット４ａ内で別々に保持する保持器４とを備える。

内外輪１，２の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂは、いずれも２つの曲面１ａａ，１ａｂ，１ｂａ，１ｂｂ，２ａａ，２ａｂ，２ｂａ，２ｂｂで構成されている。これら２つの曲面は、それぞれ転動体３よりも曲率半径が大きく、曲率中心が互いに異なる断面円弧状である。各軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂを構成する一対の曲面間は、溝部１ａｃ，１ｂｃ，２ａｃ，２ｂｃになっている。各転動体３は、その転走面３ａが内輪軌道面１ａ，１ｂおよび外輪軌道面，２ａ，２ｂの前記各曲面に接して４点接触する。すなわち、この旋回軸受は４点接触複列玉軸受として構成されている。

内輪１および外輪２には、取付用ボルト孔５，６がそれぞれ設けられている。内外輪１，２間の軸受空間にはグリースが充填され、この軸受空間の軸方向の両端がシール部材７により密封されている。

転動体３は、サイアロン焼結体から構成されている。サイアロン焼結体は、βサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体、または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のことを言う。

βサイアロンは、セラミックスの一種であり、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たす物質である。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。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１種類以上を採用することができる。なお、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。

図２に、サイアロン焼結体からなる転動体３の製造方法を示す。
βサイアロン粉末準備工程Ｓ１は、βサイアロンの粉末を準備する工程である。例えば、燃焼合成法を採用することにより、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。

混合工程Ｓ２は、βサイアロン粉末準備工程Ｓ１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工程である。焼結助剤を添加しない場合は、この工程を省略することができる。

成形工程Ｓ３は、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３の概略形状に成形する工程である。具体的には、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、転動造粒等の成形手法を適用することにより、転動体３の概略形状に成形された成形体を作製する。

焼結前加工工程Ｓ４は、上記成形体を表面加工して、当該成形体が焼結後に所望の転動体３の形状により近い形状となるよう成形する工程である。具体的には、グリーン体加工等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転動体３の形状により近い形状となるように成形する。この焼結前加工工程Ｓ４は、成形工程Ｓ３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３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。

焼結工程Ｓ５は、上記成形体を１ＭＰａ以下の圧力下で焼結する工程である。具体的には、上記成形体を、ヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電波波加熱等の加熱方法により加熱して焼結することにより、転動体３の概略形状を有する焼結体を作製する。

仕上げ工程Ｓ６は、焼結工程Ｓ５において作製された焼結体に対して仕上げ加工を実施することにより、転動体３を完成させる工程である。具体的には、焼結工程Ｓ５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３を完成させる。

ここで、上記焼結工程Ｓ５における焼結により、焼結体の表面から厚さ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は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さ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は３．５％以下である高緻密層が形成されている。したがって、仕上げ工程Ｓ６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１５０μ以下とすることが好ましい。これにより、転動体３の転走面３ａを含む領域に、高緻密層を残存させ、転動体３の転動疲労寿命を向上させることができる。

なお、上記焼結工程Ｓ５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Ｓ５は１ＭＰａ以下の圧力下で行うことが好ましい。また、製造される転動体３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、例えばβサイアロン粉末準備工程Ｓ１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、製造される転動体のヤング率を低下させることができる。

一般的なセラミックスの焼結では、熱間静水焼結法（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ；ＨＩＰ）、ガス圧焼結法（Ｇａｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ＧＰＳ）等の加圧焼結法による焼結が採用される。これらの加圧焼結法は、通常１０ＭＰａ以上の圧力下で焼結を行うため、製造コストが高くつく。これに対し、サイアロン焼結体からなる製品の製造方法は、前述したように１ＭＰａ以下の圧力下で焼結するため、製造コストを例えば１／１０程度に低く抑えることができる。したがって、転動体３を安価に製造することができる。

内外輪１，２および保持器４の素材は特に限定されない。例えば、内外輪１，２は、鋼、具体的には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２等の軸受鋼や、ＳＣＲ４２０、ＳＣＭ４２０等の浸炭鋼を採用することができる。保持器４は、鋼の他に、樹脂も使用できる。場合によっては、内外輪１，２および保持器４についても、転動体３と同様に、サイアロン焼結体を用いてもよい。

この旋回軸受は、軸受形式を４点接触玉軸受とし、かつ転動体３を複列に配置したため、構成が簡単でありながら定格荷重が大きい。単純計算で、単列の場合に比べて、静定格荷重が２倍である。転動体３が複列であると、保持器４の軸方向幅が広くなるが、単列である場合に比べて２倍になることはない。そのため、保持器４の軸方向幅をあまり広くすることなく、定格荷重を増加させることができる。転動体３は保持器４により確実に保持されるため、転動体３の進み遅れによって各転動体３が散らばることがなく、常に転動体３を等間隔に保持できる。

表１は、サイアロン焼結体と窒化珪素焼結体と軸受鋼（ＳＵＪ２）の特性を比較したものである。

転動体３をサイアロン焼結体で構成したことにより、以下の作用効果が得られる。
・ サイアロン焼結体は、空孔が多く、保油性が良好である。このため、転動体３に含浸している油が、転動体３の転走面と内外輪１，２の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂとの間に滲み出て潤滑油として作用し、両者の滑り摩耗およびフレッティング損傷が抑制される。
・ サイアロン焼結体は、鋼に比べて密度が小さい。このため、転動体３の軽量化が図れ、軸受全体の軽量化を図れる。
・ サイアロン焼結体は耐食性が高く、絶縁性を有する。このため、腐食や電食により転動体３が損傷することを抑制できる。

上記の各作用効果は、転動体３が他のセラミックス例えば窒化珪素焼結体である場合にも言える。サイアロン焼結体と窒化珪素焼結体とを比較した場合、サイアロン焼結体の方が窒化珪素焼結体よりも、ヤング率が小さいという特性がある。そのため、サイアロン焼結体製の転動体３は、窒化珪素焼結体製の転動体よりも、荷重を受けたときに転動体３が内外輪１，２の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂと接触する面積が大きく、負荷容量が大きい。また、サイアロン焼結体製の転動体３は、内外輪１，２の軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂと広い面積で接触するため、軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂに対する攻撃性が小さく、軌道面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂを傷付けにくい。
さらに、前述したように、サイアロン焼結体は他のセラミックスよりも低コストであるという利点がある。

以上の説明のように、この旋回軸受は、構成が簡単で定格荷重が大きく、耐久性に優れ、フレッティングが生じにくいことから、風力発電装置のブレード支持用の旋回軸受２１（図７）またはナセルのヨー支持用の旋回軸受２２（図８）に適する。風力発電装置以外では、油圧ショベル、クレーン等の建設機械、工作機械の回転テーブル、パラボラアンテナ等に適用できる。

上記実施形態では、転動体３を複列としたが、単列であってもよい。

図３は、この発明の異なる実施形態を示す。この旋回軸受は、軸受形式が３列円筒ころ軸受であって、内輪３１と、上下一対の外輪部材３２Ａ，３２Ｂからなる外輪３２と、３列の円筒ころからなる転動体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃとを備える。転動体３３Ａ，３３Ｂは、内輪３１の外径側突出部３１ａの上下両面に形成された軌道面３１ａａ，３１ａｂと、外輪部材３２Ａ，３２Ｂの内径側突出部３２ａＡ，３２ａＢに形成された軌道面３２ａａ，３２ａｂとの間に転動自在に介在し、アキシアル荷重を受ける。転動体３３Ｃは、前記内輪３１の外径側突出部３１ａの外径面に形成された軌道面３１ａｃと、前記上側外輪部材３２Ａの内径面に形成された軌道面３２ｃとの間に転動自在に介在し、ラジアル荷重を受ける。各転動体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは、前記同様のサイアロン焼結体から構成されている。

内輪３１および外輪３２には、取付用ボルト孔３５，３６がそれぞれ設けられている。内外輪３１，３２間の軸受空間にはグリースが充填され、この軸受空間の軸方向の両端がシール部材３７により密封されている。

この旋回軸受は、複列の円筒ころからなる転動体３３Ａ，３３Ｂによりアキシアル荷重を受ける構成であるため、定格荷重が大きい。また、この軸受形式が３列円筒ころ軸受である旋回軸受も、転動体３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃがサイアロン焼結体から構成されているため、前記軸受形式が４点接触玉軸受である旋回軸受の欄で記載したのと同じ作用効果が得られる。そのため、特に風力発電装置のナセルを支持するヨー軸受に適する。

ｚ値が異なるサイアロン焼結体からなる転動体をそれぞれ備えた複数の旋回軸受を作製し、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った。なお、本試験は一般の旋回軸受の転動体について行ったが、風力発電装置の旋回軸受の転動体についても適用できる。また、本試験は転動体をボールとしたが、転動体がころである場合も、類似する試験結果が得られることが予想される。試験の手順は以下のとおりである。

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値と０．１〜４の範囲で作製したβサイアロンの粉末を用意し、前記図２に示す転動体の製造方法と同様の方法で、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形に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行い、球形の成形体を得た。

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い、３／８インチセラミックス球（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〜Ｈおよび比較例Ｂ，Ｃ）。また、比較のため、窒化珪素焼結体からなる転動体、すなわちｚ値が０である転動体を、上記サイアロン焼結体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）。

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。

表２に試験結果を示す。表２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（窒化珪素焼結体）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。

表２を参照して、ｚ値が０．１以上３．５未満となっている本発明の実施例Ａ〜Ｈでは、窒化珪素焼結体（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焼結体の場合と同様に「剥離」となっている。これに対し、ｚ値が３．５を超え、本発明の範囲外となっている比較例Ｂでは、寿命が大幅に低下するとともに、転動体に摩耗が観察される。すなわち、ｚ値が３．８である比較例では、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、寿命が大幅に低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が４である比較例Ｃにおいては、極めて短時間に転動体の摩耗が進行し、軸受の耐久性が著しく低下している。

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、サイアロン焼結体からなる転動体を備えた軸受の耐久性は、窒化珪素焼結体からなる転動体を備えた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大幅に低下する。さらに、ｚ値が大きくなると、サイアロン焼結体からなる転動体の破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が著しく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、安価でありながら、十分な耐久性を安定して確保することが可能なサイアロン焼結体からなる軸受が提供可能であることが確認された。

なお、表２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言える。

また、上記実験結果より、窒化珪素焼結体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サイアロン粉末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ｚ値である０．５以上とすることが好ましい。

サイアロン焼結体の断面における緻密層および高緻密層の形成状態の調査をする試験を行った。試験の手順は以下のとおりである。

はじめに、燃焼合成法で作製した組成がＳｉ_５ＡｌＯＮ_７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、前記図２に示す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℃に加熱焼結することで、上記立法体試験片を製造した。

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‐ＦＡＸ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフィルム株式会社製 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３００ＤＰ１）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値化処理を行って（本試験での２値化閾値：１４０）、白色領域の面積率を測定した。

次に、試験結果について説明する。図４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５は、図４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６は、図４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値化処理する際に、画像処理を行う領域（評価領域）を示す図である。図４において、写真上側が試験片の処理側であり、上端が表面である。

図４および図５を参照して、図２に示す転動体の製造方法と同様の方法で作成された試験片は、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６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って白色領域の面積率を算出したところ、表２に示す結果が得られた。表２においては、図６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。

表３を参照して、試験片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、図２に示す転動体の製造方法と同様の方法で作成された試験片は、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。

この発明にかかる旋回軸受の転動体の転動疲労寿命を確認する試験を行った。なお、本試験は一般の旋回軸受の転動体について行ったが、風力発電装置の旋回軸受の転動体についても適用できる。試験の手順は以下のとおりである。

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Ｓｉ_５ＡｌＯＮ_７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、前記図２に示す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）で加圧を行い、球状の成形体を得た。

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加工を行い、引き続き当該焼結体を圧力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型番の軸受を作成した。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。

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Ｌ_１０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。

表４に本試験の試験結果を示す。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、サイアロン焼結体からなる転動体を備えた旋回軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、サイアロン焼結体からなる転動体を備えた旋回軸受は、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、転動体の加工代を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。

この発明の実施形態にかかる旋回軸受の断面図である。 同旋回軸受の保持器の製造方法の概略を示す図である。 この発明の異なる実施形態にかかる旋回軸受の断面図である。 試験片の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４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４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値化処理する際に、画像処理を行う領域（評価領域）を示す図である。 風力発電装置の一例の一部を切り欠いて表した斜視図である。 同風力発電装置の破断側面図である。

符号の説明

１，３１…内輪
１ａ，１ｂ，３１ａａ，３１ａｂ…内輪軌道面
２，３２…外輪
２ａ，２ｂ，３２ａａ，３２ａｂ…外輪軌道面
３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ…転動体
３ａ…転走面
４…保持器
２１，２２…旋回軸受

Claims (11)

1. 内輪と、外輪と、これら内外輪の各軌道面間で転動自在な複数の転動体とを備え、前記転動体が耐衝撃性に強いセラミックス製であることを特徴とする旋回軸受。
2. 請求項１において、前記セラミックスは、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ている旋回軸受。
3. 請求項２において、前記セラミックスは、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−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以下である旋回軸受。
4. 請求項１において、前記セラミックスは、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る旋回軸受。
5. 請求項４において、前記セラミックスは、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−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、残部焼結助剤および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以下である旋回軸受。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記転動体は、前記内外輪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が形成されている旋回軸受。
7. 請求項６において、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％以下である旋回軸受。
8. 請求項６または請求項７において、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旋回軸受。
9. 請求項８において、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％以下である旋回軸受。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、風力発電装置のブレードを主軸に対して、主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持する旋回軸受。
11. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持する旋回軸受。

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