(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロールを複列ころ軸受によりハウジングに回転自在に支持する抄紙機のロール支持装置において、前記軸受の少なくとも内輪および外輪の軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｃを１．０％以上で１．２％以下、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有する鋼材で形成し、この表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたことを特徴とする抄紙機のロール支持装置。
【請求項２】
前記鋼材に、合金元素として質量％で、Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上で５．０％以下添加した請求項１に記載の抄紙機のロール支持装置。
【請求項３】
前記軸受の少なくとも軌道輪の表面に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とした請求項１または２に記載の抄紙機のロール支持装置。
【請求項４】
前記ロールがドライヤロールである請求項１乃至３のいずれかに記載の抄紙機のロール支持装置。
【請求項５】
前記複列ころ軸受の内輪が、前記ロールのネック部にテーパ孔で嵌合された請求項１乃至４のいずれかに記載の抄紙機のロール支持装置。
【請求項６】
前記複列ころ軸受が自動調心ころ軸受である請求項１乃至５のいずれかに記載の抄紙機のロール支持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、抄紙機のドライヤロール等を複列ころ軸受で回転自在に支持する支持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に抄紙機は、すき網部、プレス部、乾燥部および仕上げ部より成り、各部には種々のロールが配置されている。これらのロールの例として、乾燥部のドライヤロールについて説明する。
【０００３】
前記乾燥部には多数のドライヤロールが上下に千鳥状に配列され、プレス部のプレスロールで絞り脱水された湿紙が、これらのドライヤロールに巻き掛けられて乾燥され、仕上げ部に搬送される。図１は、本発明の実施形態であるドライヤロールの構造を示す。このドライヤロールは、円筒状のロール胴部１と、ロール胴部１の両端を密閉する鏡板２を有する一対のロールネック部３、４より成り、各ロールネック部３、４が複列の自動調心ころ軸受５で回転自在に支持されている。
【０００４】
前記ロール胴部１の中心には、ドライヤロールを内部加熱するための蒸気導入管６が、一方のロールネック部３を通して配管されている。蒸気導入管６には多数の孔７が設けられ、これらの孔７から噴出してロール胴部１を加熱した蒸気が凝縮した水は、汲み上げ車８で汲み上げられ、ロールネック部３に通された排水管９で外部に排出されるようになっている。汲み上げ車８の替わりにサイフォンを用いたドライヤロールもある。
【０００５】
図２は、前記ロールネック部３側の軸受部を拡大して示す。自動調心ころ軸受５は、外周面に複列の軌道１０を有する内輪１１と、内周面に球面軌道１２を有する外輪１３の間に、複列のたる形のころ１４が保持器１５で転動自在に保持されたものであり、外輪１３はハウジング１６の内周面に嵌合され、内輪１１は、その内周側がテーパ孔とされ、ロールネック部３にテーパスリーブ１７を介して嵌合されている。
【０００６】
上記のようなドライヤロールは高温の蒸気で内部加熱されるので、ロールネック部も温度上昇し、ドライヤロールの支持装置は高温環境下で使用される。これらのロール支持装置の複列ころ軸受の軌道輪やころには、ＳＵＪ２やＳＵＪ３の高炭素クロム軸受鋼を焼入れ処理したものが用いられ、温度上昇時の寸法変化を防止するために、軸受の使用温度よりも高温で焼戻し処理を施されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、抄紙機のドライヤロール等のロール支持装置の複列ころ軸受は、高温環境下で使用されるので、軌道面に油膜ができ難く、ピーリングやスミアリング等の表面損傷が問題になることがある。また、複列ころ軸受にテーパ孔を有する自動調心ころ軸受を採用する場合は、比較的高い嵌め合い応力で内輪が固定されるので、ころの転動による繰り返し応力の値も高くなり、内輪の転動疲労特性が不足して、ロール支持装置の短寿命が問題になることもある。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、高温環境下でも軸受の軌道面に表面損傷が生じ難く、かつ長い耐久寿命を確保できる抄紙機のロール支持装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、ロールを複列ころ軸受によりハウジングに回転自在に支持する抄紙機のロール支持装置において、前記軸受の少なくとも内輪および外輪の軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｃを１．０％以上で１．２％以下、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有する鋼材で形成し、この表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした構成を採用したのである。
【００１０】
前記軸受の少なくとも軌道輪を形成する鋼材の合金元素について、Ｓｉ量を０．３〜３．０％含有させたのは、Ｓｉは高温域での軟化を抑制し、転がり軸受の耐熱性を改善する作用があるためである。０．３％未満ではその効果が得られず、Ｓｉ量の増加に伴って耐熱性は向上するが、３．０％を越えて多量に含有させてもその効果は飽和し、かつ、熱間加工性や被削性が低下するので、上限を３．０％に限定した。
【００１１】
Ｎｉを０．１〜３．０％、Ｖを０．０５〜１．０％、Ｍｏを０．０５〜０．２５％未満ずつ単独または複合で含有させたのは、以下の理由による。
【００１２】
Ｎｉは、鋼中に固溶してマトリックスを強化するとともに、特に軸受が高温下で使用された場合に、転動疲労過程における組織の変化を抑制し、かつ高温域での硬さの低下も抑制する。したがって、Ｎｉは高温環境下での転動疲労特性と耐表面損傷性を向上させる効果を有する。これらの効果を得るためには、Ｎｉを０．１％以上含有させる必要があるので、添加する場合の下限を０．１％とした。しかし、３．０％を越えてＮｉを含有させると、焼き入れ処理時に多量の残留オーステナイトが生成されて、所定の硬さを得られなくなり、また鋼材コストも高価になるので、上限を３．０％に限定した。
【００１３】
Ｖは、炭素と結合して微細な炭化物を析出させ、結晶粒を微細化して強度、靱性を改善するとともに、高温焼戻し処理時の軟化を抑制し、さらに高温域での軟化も抑制する。したがって、上述したＮｉと同様に、Ｖは高温環境下での転動疲労特性と耐表面損傷性を向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｖ含有量の下限を０．０５％とした。上限を１．０％に限定したのは、１．０％を越えてＶを多量に含有させると、被削性と熱間加工性が低下するからである。
【００１４】
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を改善するとともに、焼戻し脆性を防止し、さらに高温域での軟化も抑制する。したがって、Ｍｏも高温環境下での転動疲労特性と耐表面損傷性を向上させる効果を有する。この効果を得るために、Ｍｏ含有量の下限を０．０５％とした。Ｍｏ含有量を０．２５％以上にすると被削性が低下し、かつ鋼材コストも上昇するので、上限を０．２５％未満に限定した。
【００１５】
上述した各合金元素の働きで、軸受が高温で焼戻し処理を施されても、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とすることにより、前記ピーリングやスミアリング等の表面損傷の発生を防止することができる。
【００１６】
前記鋼材に、合金元素として質量％で、Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上で５．０％以下添加することにより、軸受の転動疲労特性と耐表面損傷性をさらに向上させることができる。
【００１７】
すなわち、ＭｎとＣｒは、いずれも鋼材の焼入れ性を改善し、Ｍｎは鋼中に固溶して鋼を強靱化し、Ｃｒは炭化物を形成して鋼を強化する。Ｍｎ含有量の下限を０．２％、Ｃｒ含有量の下限を０．３％としたのは、これらの効果を得るためである。また、Ｍｎ含有量の上限を１．５％に限定したのは被削性の低下を避けるためであり、Ｃｒ含有量の上限を５．０％に限定したのは、大形の炭化物の生成による脆化を防止するためである。
【００１８】
前記軸受の少なくとも軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とすることにより、軌道輪の表面層に高い靱性を付与して、亀裂の発生や進展を抑え、ロール支持装置の耐久寿命をさらに延ばすことができる。
【００１９】
すなわち、浸炭窒化処理で表面層の窒素含有量を高めると、表面層のＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低くなり、これを焼き入れすると、表面層に未変態のオーステナイトが多く残留する。残留オーステナイトは、高い靱性と加工硬化特性を有し、亀裂の発生や進展を抑える働きをする。また、Ｍｓ点が低下した表面層は、マルテンサイト変態が内部よりも遅れて始まり、かつ変態量も内部より少ないので、表面層には圧縮の残留応力が形成され、表面層の疲労強度が向上する。浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上としたのは、これらの効果を得るためである。一方、内部は高温焼戻しにより残留オーステナイト量が減少するので、使用時の残留オーステナイトの分解による寸法経年変化は抑えられる。
【００２０】
前記ロール支持装置は、ドライヤロールに適用すると好適である。
【００２１】
前記複列ころ軸受の内輪としては、前記ロールのネック部にテーパ孔で嵌合されたものを採用できる。また、前記複列ころ軸受としては、自動調心ころ軸受を採用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、本発明のロール支持装置を用いた抄紙機のドライヤロールを示す。このドライヤロールは、前述したように、円筒状のロール胴部１と、ロール胴部１の両端を密閉する鏡板２を有する一対のロールネック部３、４より成り、各ロールネック部３、４が複列の自動調心ころ軸受５で回転自在に支持されている。
【００２３】
前記ロール胴部１の中心には、ドライヤロールを内部加熱するための蒸気導入管６が、一方のロールネック部３を通して配管されている。蒸気導入管６には多数の孔７が設けられ、これらの孔７から噴出してロール胴部１を加熱した蒸気が凝縮した水は、汲み上げ車８で汲み上げられ、ロールネック部３に通された排水管９で外部に排出される。
【００２４】
図２は、前記ロールネック部３側の軸受部を拡大して示す。自動調心ころ軸受５は、外周面に複列の軌道１０を有する内輪１１と、内周面に球面軌道１２を有する外輪１３の間に、複列のたる形のころ１４を保持器１５で転動自在に保持し、外輪１３はハウジング１６の内周面に嵌合され、内輪１１は、その内周側がテーパ孔とされ、ロールネック部３にテーパスリーブ１７を介して嵌合され、このテーパスリーブ１７がナット１８で軸方向を固定されている。ロールネック部４側の軸受部も同様の構成になっている。
【００２５】
前記内輪１１と外輪１３は、後の表１に実施例として示す化学成分を有する鋼を素材として、８４０℃〜８６０℃に加熱したのち塩浴中へ焼入れし、３５０℃で焼戻ししたものである。一部の実施例では、焼入れ前の加熱をアンモニアガスが添加された浸炭性雰囲気中で行い、浸炭窒化処理も施した。浸炭窒化処理を施したものについては、焼戻し温度を２３０℃とした。
【００２６】
前記実施例の自動調心ころ軸受５の内輪１１および外輪１３は、サンプル抽出による検査の結果、いずれもロックウェル硬さＨＲＣ５８以上の表面硬さを有し、浸炭窒化処理を施したものは、浸炭窒化層の残留オーステナイト量が１０体積％以上になっていた。
【００２７】
【表１】
0003712557.tif 000002
【００２８】
以下に実施例および比較例を挙げる。
【００２９】
【実施例】
表１に示す６種類の化学成分を有する鋼を素材として、上述した焼入れ焼戻し処理を施した試験片と内輪（表１中の実施例１〜６）を用意した。実施例１〜６に示した一部の鋼材に浸炭窒化処理を施した試験片と内輪（表１中の実施例７〜８）も用意した。
【００３０】
【比較例】
高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２、ＳＵＪ３および本願の化学成分範囲を外れる２種類の化学成分を有する鋼を焼入れ焼戻し処理した試験片と内輪（表１中の比較例１〜４）を用意した。ＳＵＪ２を素材としたものについては、浸炭窒化処理も施した試験片と内輪（表１中の比較例５）も用意した。
【００３１】
上記実施例および比較例の試験片および内輪のいずれかのサンプルについて、寸法安定性試験、ピーリング試験、スミアリング試験、および高嵌め合い応力下での転動疲労試験を実施した。
【００３２】
各試験の概要と結果は以下の通りである。
【００３３】
（１）寸法安定性試験
３５０℃および２３０℃で焼戻し処理した内輪を、それぞれ２５０℃と１５０℃で恒温保持し、内径の寸法変化率を測定した。保持時間は２５００時間とし、収縮の変化率は負の値で表示した。試験結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
0003712557.tif 000003
【００３５】
実施例１〜６および比較例３の内輪は、寸法変化率が０．０１％以下であり、優れた寸法安定性を示す。浸炭窒化処理を施した実施例７、８は、これらよりもわずかに寸法変化率が大きいが、規格（０．０１５％以下）の範囲内に納まっている。比較例１、２は、寸法変化率は小さいが、３５０℃焼戻し、２５０℃保持の試験で収縮の寸法変化を示すため、内輪の嵌め合い応力が過多となる恐れがある。また、ＣｒとＭｏを多く含有する比較例４は膨張率が高く、規格を外れている。
【００３６】
（２）ピーリング試験
ピーリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリング状の試験片を駆動軸と、この駆動軸に平行な従動軸に取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させるものである。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の副曲率半径６０ｍｍであり、駆動軸側試験片の円筒面はＲmax ３μｍの粗さに研削仕上げ、従動軸側試験片の円筒面は鏡面仕上げされる。ピーリング強度は、試験終了時の従動軸側試験片円筒面のピーリング発生面積率で評価される。実施例１、７および比較例１、３について、以下の試験条件でピーリング試験を行った。なお、駆動軸側および従動軸側の両試験片は、同種のサンプルのものをペアとして用いた。
【００３７】
・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ（駆動軸側）、０．２μｍ（従動軸側）
・接触面圧Ｐmax ：２．３ＧＰａ
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ４６
・駆動軸回転速度：２０００ｒｐｍ
・総回転数      ：４．８×１０5 回
【００３８】
【表３】
0003712557.tif 000004
【００３９】
試験結果を表３に示す。実施例の試験片は、いずれもピーリング発生面積率が１％程度であり、優れたピーリング強度を示す。比較例の各試験片は、実施例の３倍以上の大きなピーリング発生面積率になっている。
【００４０】
（３）スミアリング試験
スミアリング試験は、ピーリング試験と同じ装置を用いて、ピーリング試験と同一形状の２つのリング状試験片を同様に転動させるものである。この試験の場合は、従動軸は一定速度で回転駆動され、駆動軸は従動軸と等速回転から徐々に増速される点が異なる。また、従動軸側試験片の円筒面が駆動軸側試験片と同じ表面粗さＲmax ３μｍに仕上げられる点も異なる。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。実施例１、７および比較例１、３、５について、以下の試験条件でスミアリング試験を行った。なお、この試験においても、摺動されるペアの試験片は同種のサンプルのものとした。
【００４１】
・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ
・接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・潤滑油        ：タービン油ＶＧ４６
・駆動軸回転速度：２００ｒｐｍから１００ｒｐｍずつ増速
・従動軸回転速度：２００ｒｐｍ一定
試験結果を表３に併せて示す。実施例の試験片は、比較例１に対して、いずれも１．４倍以上の大きな速度比までスミアリングが発生しない。比較例の各試験片は、実施例の半分程度の速度差でスミアリングが発生している。
【００４２】
（４）転動疲労試験
転動疲労試験は、内輪を想定したリング状試験片の内径面にころを圧入して、試験片の円周方向に引張応力を付与し、この引張応力が付与された試験片を回転ローラと転動させる方法を採用し、実施例１、７および比較例１、３、５について、以下の試験条件で試験を行った。この試験では、サンプル数Ｎを１０とし、疲労強度をＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える負荷回数）で評価した。
【００４３】
・試験片寸法    ：外径２０ｍｍ、内径１４  ｍｍ、長さ２０ｍｍ
・嵌め合い応力  ：４２５ＭＰａ（試験片転走面での引張応力）
・相手ローラ寸法：直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍ、副曲率半径４８０ｍｍ
・接触応力Ｐmax ：３．０ＧＰａ
・負荷速度      ：６１２０回／分
試験結果を表３に併せて示す。比較例は高温の３００℃で焼戻したもので著しく寿命が低下するが、さらに高温の３５０℃で焼戻した実施例１は、１８０℃の低温で焼戻した比較例１、３や、低温で焼戻して浸炭窒化処理した比較例５よりも寿命が長い。浸炭窒化処理した実施例７はさらに長寿命になっている。
【００４４】
以上の各試験結果より、実施例のものは、ピーリングやスミアリングが生じ難く、高嵌め合い応力下でも優れた転動疲労特性を示し、かつ使用中の寸法の経年変化も少ないことがわかる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明の抄紙機のロール支持装置は、ロールを支持する複列ころ軸受の少なくとも内輪および外輪の軌道輪を、合金元素として質量％で、Ｃを１．０％以上で１．２％以下、Ｓｉを０．３％以上で３．０％以下、Ｎｉを０．１％以上で３．０％以下含有し、かつ、Ｖを０．０５％以上で１．０％以下、Ｍｏを０．０５％以上で０．２５％未満を単独または複合して含有する鋼材で形成し、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたので、焼入れ焼戻し処理後の軸受の材質と表面硬さを、高温下でも安定して転動疲労特性と耐表面損傷性に優れたものとし、高温環境下で使用されるロール支持装置の耐久寿命を延長して、抄紙機のメインテナンス周期を長くすることができる。
【００４６】
また、合金元素として質量％で、Ｍｎを０．２％以上で１．５％以下、Ｃｒを０．３％以上で５．０％以下添加することにより、前記転動疲労特性と耐表面損傷性をさらに向上させることができ、軸受の少なくとも軌道輪の表層に浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を１０体積％以上とすることにより、表面層に高い靱性を付与して、亀裂の発生や進展を抑え、ロール支持装置の耐久寿命をさらに延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のロール支持装置が組み込まれたドライヤロールの縦断面図
【図２】図１の軸受部を拡大して示す縦断面図
【符号の説明】
１  ロール胴部
２  鏡板
３、４  ロールネック部
５  自動調心ころ軸受
６  蒸気導入管
７  孔
８  汲み上げ車
９  排水管
１０  軌道
１１  内輪
１２  軌道
１３  外輪
１４  ころ
１５  保持器
１６  ハウジング
１７  テーパスリーブ
１８  ナット
【図１】
0003712557.tif 000005
【図２】
0003712557.tif 000006