(57)【要約】【課題】防錆性能の更なる耐久性を図った圧延機ロールネック用転動装置を提供する。【解決手段】  内輪、外輪及び転動体の少なくとも１つの表面が、リン酸塩被膜を介して、ショットピーニング法により得られ、かつ、鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属を含有する金属被膜で被覆されていることを特徴とする圧延機ロールネック用転動装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪及び転動体の少なくとも１つの表面が、リン酸塩被膜を介して、ショットピーニング法により得られ、かつ、鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属を含有する金属被膜で被覆されていることを特徴とする圧延機ロールネック用転動装置。
【請求項２】
前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉ及びＭｎの少なくとも１つであり、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＳｎの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の圧延機ロールネック用転動装置。
【請求項３】
前記リン酸塩被膜がリン酸マンガンからなり、かつ、膜厚が７μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の圧延機ロールネック用転動装置。
【請求項４】
前記金属被膜の平均表面粗さが０．３μｍＲａ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
【請求項５】
前記金属被膜における前記鉄より卑な金属及び前記鉄より貴な金属の合計含有量が１〜９０質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧延機ロールネック用転動装置に関し、特に防錆性能の改善を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造設備の圧延機の圧延ロールを支持する圧延機ロールネック用軸受は、ハウジングシールが装着されていても、軸受内部に圧延水や冷却水が侵入することが多い。また、ロール交換等のために数時間にわたって停止することや、定期的なロール研磨のために圧延機から軸受が取外されることがあり、その停止期間中に軸受内部で錆（いわゆる置き錆）が生じやすい。このような使用環境では、軸受寿命は、内部剥離による転動疲労寿命ではなく、錆を起点とした剥離等の損傷も含めて発錆により支配されている場合がある。
【０００３】
錆防止のために、圧延機ロールネック用軸受の内輪や外輪、転動体の表面に、耐食性を有するリン酸塩被膜を形成することも行われている。しかし、圧延機ロールネック用軸受には高荷重が加わるため、リン酸塩被膜が早期に摩耗して防錆効果が持続しないという問題がある。
【０００４】
そこで、本出願人は、特許文献１において、圧延機ロールネック用軸受の内輪や外輪、転動体の表面に、亜鉛層とスズ層とを有する金属被膜をショットピーニング法で形成して錆の発生を抑えることを提案している。亜鉛は鉄より卑な金属であり、自身が優先的に酸化されることで母材が錆びるのを防止（犠牲的防食）し、スズは鉄より貴な金属であり、自身が酸化しにくく錆に強い。そして、亜鉛層とスズ層との相乗効果により、錆の発生をより効果的に抑えることができる。また、ショットピーニング法では、相手材に亜鉛粉末やスズ粉末を吹き付けるだけでよいため、工程が簡素であるという製造上の利点もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５１３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ショットピーニング法で形成された被膜は、表面に微細な凹凸が形成されており、内外輪や転動体のような摺動を受ける部材では、摺動により被膜の凸部が摩耗して母材が露出し、露出部を起点として錆が発生するようになる。そこで、本発明は、防錆性能の更なる耐久性を図った圧延機ロールネック用軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために本発明は、下記の圧延機ロールネック用軸受を提供する。
（１）内輪、外輪及び転動体の少なくとも１つの表面が、リン酸塩被膜を介して、ショットピーニング法により得られ、かつ、鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属を含有する金属被膜で被覆されていることを特徴とする圧延機ロールネック用転動装置。
（２）前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉ及びＭｎの少なくとも１つであり、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＳｎの少なくとも１つであることを特徴とする上記（１）記載の圧延機ロールネック用転動装置。
（３）前記リン酸塩被膜がリン酸マンガンからなり、かつ、膜厚が７μｍ以下であることを特徴とする上記（１）または（２）記載の圧延機ロールネック用転動装置。
（４）前記金属被膜の平均表面粗さが０．３μｍＲａ以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
（５）前記金属被膜における前記鉄より卑な金属及び前記鉄より貴な金属の合計含有量が１〜９０質量％であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧延機ロールネック用転動装置では、最表面にある金属被膜中の鉄より貴な金属による高い防食性能と、鉄より卑な金属による犠牲的防食作用との相乗効果により、高い防錆性能が獲られる。また、金属被膜はショットピーニング法により形成されたものであり、摺動により凸部が摩耗するが、その下にあるリン酸塩被膜も防食性を有するため、母材が錆びるのを防止して防錆性能が長期間維持される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の圧延機ロールネック用転動装置の一例を示す断面図である。
【図２】実施例２のＳＥＭ写真及び分析結果である。
【図３】実施例２の亜鉛−スズ合金被膜の表面の凹凸状態を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明について、圧延機ロールネック用転動装置の一例として、円筒ころ軸受を例示して説明する。
【００１１】
図１はその断面図であるが、圧延機ロールネック用転動装置１００は、内輪１０と、外輪２０との間に４列の円筒ころ３０，３０，３０，３０が周方向に転動自在に配置された構造となっている。内輪１０は２個の複列内輪１０ａ，１０ａから構成されているとともに、外輪２０は４個の単列外輪２０ａ，２０ａ，２０ａ，２０ａから構成されており、複列内輪１０ａ，１０ａ間及び単列外輪２０ａ，２０ａ間には、それぞれ間座４０，５０が設けられている。また、各列の円筒ころ３０は、保持器７０によってそれぞれ等間隔に保持されている。
【００１２】
また、複列外輪２０の両端部には、環状シール部材６０，６０がそのシールリップ部を複列内輪１０の外周面に接触させた状態で装着されているとともに、内輪１０，１０の突き合わせ端の内周側には中間シール部材６１，６１が装着されている。更に、これら環状シール部材６０，６０と中間シール部材６１，６１でシールされた内輪１０と外輪２０間には、潤滑用のグリースＧがそれぞれ封入されている。
【００１３】
尚、内輪１０、外輪２０及び円筒ころ３０の材質としては、例えばＳＵＪ２材を用いることができ、保持器７０の材質としては、例えば冷間圧延鋼板を用いることができる。これらは、ステンレスのような耐食性金属に比べて安価である。
【００１４】
本発明では、内輪１０、外輪２０及び円筒ころ３０の少なくとも１つ、好ましくはこれら全ての表面に、リン酸塩被膜を介して、鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属を含む金属被膜が形成されている。また、保持器７０の表面にもリン酸塩被膜を介して金属被膜を形成してもよい。
【００１５】
リン酸塩被膜には、従来から耐食被膜として代表的なリン酸マンガン被膜を用いることができ、例えば次のようにして形成することができる。
【００１６】
先ず、内輪１０や外輪２０、円筒ころ３０、保持器７０をアセトン中で１０分程度超音波洗浄した後に、７０℃で２分程度アルカリ脱脂処理を行う。更に、イオン交換水で洗浄した後に、４０℃の表面調整剤中で４０秒程度前処理を行う。尚、表面調整剤には、日本パーカーライジング社製のプレパレンＰＭ５５ＡとＰＭ５５Ｂとの懸濁液を用いることができる。その後、マンガンイオンが溶解しているリン酸水溶液（化成処理液）に浸漬し、９５℃で１０分程度化成処理を施し、水洗、乾燥してリン酸マンガン被膜を形成する。
【００１７】
形成されるリン酸マンガン被膜の性状は化成処理液の組成が影響し、例えば全酸度ＴＡ、遊離酸度ＦＡ、これら両酸度の比（ＴＡ／ＦＡ）である酸比ＡＲ、マンガンイオン濃度に影響される。
【００１８】
遊離酸度ＦＡとは、リン酸の遊離酸成分（下記の化学式（Ｉ）におけるＨ＋及びＨ２ＰＯ４−）の中和に必要な濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）である。すなわち、ブロモフェノールブルーを指示薬として使用して濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液でリン酸マンガン溶液（化成処理液）１０ｍＬを滴定し、液色が黄色から青黄色に変色するまでに要した濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）が遊離酸度ＦＡである。
Ｈ＋ ＋Ｈ２ＰＯ４−＋ＮａＯＨ→ ＮａＨ2ＰＯ４＋Ｈ２Ｏ ・・・（Ｉ）
【００１９】
全酸度ＴＡとは、リン酸の遊離酸成分（下記の化学式（II）における２Ｈ＋及びＨＰＯ４２−）及び全酸成分（下記の化学式（III）における３Ｍｎ（Ｈ２Ｏ４）２）の中和に必要な濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）である。即ち、フェノールフタレインを指示薬として使用して濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液でリン酸マンガン溶液（化成処理液）１０ｍＬを滴定し、液色が無色からピンク色に変色するまでに要した濃度０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム溶液の量（単位はｍＬ）が全酸度ＴＡである。
２Ｈ＋＋ＨＰＯ４２−＋２ＮａＯＨ → Ｎａ２ＨＰＯ４＋２Ｈ２Ｏ・・・（II）
３Ｍｎ（Ｈ２ＰＯ４）２＋８ＮａＯＨ →
４Ｎａ２ＨＰＯ４＋Ｍｎ３（ＰＯ４）２＋８Ｈ２Ｏ・・・（III）
【００２０】
本発明においては、全酸度ＴＡが２０〜５０、遊離酸度ＦＡが２．０〜５．０、酸比ＡＲが５〜１５、マンガンイオン濃度２０００〜６０００ｐｐｍが好ましい。
【００２１】
リン酸塩被膜の膜厚は、膜質や成膜性から７μｍ以下が好ましい。リン酸塩被膜が厚いほど耐久性が増すようになるが、リン酸塩の結晶粒が大きくなりすぎて、その上に形成される金属被膜の表面が粗くなる。好ましくは、４μｍ以下である。但し、リン酸塩被膜が薄いほど耐久性が低くなり、更に本発明ではショットピーニング法により金属被膜を形成するため、金属粉末の衝突によりリン酸塩被膜が剥離して内輪１０や外輪２０、円筒ころ３０、保持器７０の表面に、直接金属被膜が形成されるおそれもある。そのため、リン酸塩被膜の膜厚は２μｍ以上が好ましい。リン酸塩被膜の膜厚は、化成処理液の濃度や浸漬時間で調整することができる。
【００２２】
尚、リン酸塩被膜の平均表面粗さは０．４〜１μｍＲａ程度であるが、ショットピーニングすることで凸部の角が取れて０．３μｍＲａ程度にまで平坦化される。そのため、金属被膜が摩耗してリン酸塩被膜が露出しても、その後の摺動性が良好に維持される。
【００２３】
また、リン酸塩被膜の密着性を高めるために、内輪１０、外輪２０、円筒ころ３０及び保持器７０の表面を粗面化してもよい。粗面化のためには、鋼球やＳｉＣ、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ガラスビーズ等の投射材を用いたショットピーニング処理や、バレル処理等を行うことができる。尚、凹部の深さは０．１〜５μｍが好ましい。
【００２４】
金属被膜は鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属を含有するが、鉄より卑な金属による犠牲的防食作用と、鉄より貴な金属による高い防食性能との相乗効果により、高い防錆性能が獲られる。鉄より卑な金属としてはＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉ及びＭｎが好ましく、鉄より貴な金属としてはＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＳｎが好ましい。尚、鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属は、共に単独で用いてもよいし、複数種を用いてもよい。
【００２５】
また、金属被膜中の鉄より卑な金属と鉄より貴な金属との混合比率は、重量比で、鉄より卑な金属：鉄より貴な金属＝（２０：８０〜８０：２０）が好ましいが、両者の相状効果からは等量ずつ（５０：５０）であることがより好ましい。
【００２６】
金属被膜は、鉄より卑な金属と鉄より貴な金属との合金からなる粉末、もしくは鉄より卑な金属の粉末と鉄より貴な金属の粉末との混合粉末を用いてショットピーニング法により形成される。そのため、合金粉末における鉄より卑な金属と鉄より貴な金属との比率、もしくは混合粉末における鉄より卑な金属の粉末と鉄より貴な金属の粉末との比率を調整することにより、前記の混合比率とすることができる。
【００２７】
金属被膜の膜厚は、２〜８μｍが好ましい。膜厚が２μｍ未満では、十分且つ持続的な防食効果が得られなくなる。一方、膜厚が８μｍ超では、処理に時間がかかりすぎるだけでなく、厚い膜を均質に形成するのは難しく、被膜に亀裂が発生しやすくなり、更には表面も粗くなる。
【００２８】
また、金属被膜において、鉄より卑な金属及び鉄より貴な金属の合計含有量は、１〜９０質量％であることが好ましい。合計含有量が１質量％未満では十分な防錆性能が得られず、９０質量％を超えると上記の膜厚を超えてしまう。尚、残部は、下層のリン酸塩被膜からの混入物質である。
【００２９】
金属被膜の表面には微小の凹凸が数多く形成されているが、凹部の深さは０．１〜１０μｍが好ましい。金蔵被膜は、摺動により摩耗するため、凹部が浅いと残膜量が少なくなり、凹部の深さは０．１μｍ以上であることが好ましい。しかし、凹部が深いとその周囲の凸部が高いことになり、摺動に支障を来たして異音が発生したり、摩耗しやすくなるため、凹部の深さは１０μｍ以下であることが好ましい。また、金蔵被膜の残膜量を確保するために、凹部の直径は０．１〜２０μｍが好ましい。更には、凹部または凸部の数は、１平方ミリメートル当たり１０００個以上であることが好ましい。凹部または凸部の数が少ないと、個々の凹部または凸部の直径が前記値よりも大きくなり、好ましくない。尚、凹部または凸部の数の上限は、１平方ミリメートル当たり１００，０００個が好ましい。
【００３０】
また、金属被膜１ｂ〜４ｂは摺動して摩耗するため、表面が粗く、凸部が高いと摩耗しやすくなる。そのため、金属被膜１ｂ〜４ｂの平均表面粗さは、０．３μｍＲａ以下が好ましく、０．２μｍＲａ以下がより好ましい。尚、金属被膜１ｂ〜４ｂの表面粗さの下限には制限はないが、０．１μｍ未満にするには精緻な表面加工が必要であり、実用的ではない。
【００３１】
このような表面粗さとするには、鉄より卑な金属の粉末、鉄より貴な金属の粉末、あるいは合金粉末の粒径や噴射圧力を調整すればよい。粒径は、ＪＩＳ  Ｒ６００１による平均粒径で１０〜５０μｍが好ましく、噴射圧力としては０．２〜０．９ＭＰａが好ましい。また、上記した膜厚とするには、噴射時間を１０〜２０分とすればよい。
【００３２】
上記のようにリン酸塩被膜を介して金属被膜を形成したことにより、内輪１０、外輪２０、円筒ころ３０及び保持器７０に高価なステンレス鋼を使用する必要がなく、更には金属被膜をショットピーニング法で形成するため工程が簡素になる。そのため、高い防錆性能を長期にわたり維持できる圧延機ロールネック用転動装置１００を低コストで作製することができる。
【００３３】
尚、本発明の圧延機ロールネック用転動装置とは、冷間圧延機や熱間圧延機、調質圧延機等に使用され、その種類として開放タイプ４列円すいころ軸受（内径Φ３４３ｍｍ×外径Φ４５７ｍｍ×幅２５４ｍｍ）や密封タイプ４列円すいころ軸受（内径Φ３４３ｍｍ×外径Φ４５７ｍｍ×幅２５４ｍｍ）、４列円筒ころ軸受（内径Φ７７０ｍｍ×外径Φ１０７５ｍｍ×幅７７０ｍｍ）等が挙げられる。また、球面ころ軸受や調心輪付き円筒ころ軸受等にも応用できる。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００３５】
（実施例１）
円すいころ軸受「ＨＲ３２２０５」の外輪を用意し、アセトン中で１０分間超音波洗浄した後に、７０℃で２分間アルカリ脱脂処理し、更にイオン交換水で洗浄した後、４０℃の表面調整剤中で４０秒間前処理を行った。尚、表面調整剤には、日本パーカーライジング社製のプレパレンＰＭ５５Ａ（３０ｇ／Ｌ）とＰＭ５５Ｂ（３０ｇ／Ｌ）との懸濁液を用いた。その後、マンガンイオンが溶解しているリン酸水溶液（化成処理液）に浸漬し、９５℃で１０分間化成処理を施した後、水洗、乾燥して膜厚が７μｍのリン酸マンガン被膜を形成した。尚、化成処理液の全酸度は４０、遊離酸度は４．０である。
【００３６】
次いで、リン酸マンガン被膜を形成した外輪に、平均粒径３０μｍの亜鉛粉末と、平均粒径３０μｍのスズ粉末とを等量ずつ混合した混合粉末を、噴射圧力０．５ＭＰａで２０分間吹吹き付けて膜厚が１μｍの亜鉛−スズ合金被膜を形成した。
【００３７】
そして、リン酸マンガン被膜を介して亜鉛−スズ合金被膜を形成した外輪を、同円すいころ軸受に組み込んで試験軸受を作製した。
【００３８】
（実施例２）
化成処理液の全酸度を３５、遊離酸度を３．２と低めに設定してリン酸マンガン被膜の膜厚を４μｍとした以外は、実施例１と同様にして試験軸受を作製した。
【００３９】
（比較例１）
円すいころ軸受「ＨＲ３２２０５」をそのまま試験軸受とした。
【００４０】
（比較例２）
円すいころ軸受「ＨＲ３２２０５」の外輪に、リン酸マンガン被膜を形成することなく、実施例１と同様にしてショットピーニングを行って膜厚が１μｍの亜鉛−スズ合金被膜のみを形成して試験軸受を作製した。
【００４１】
（比較例３）
実施例１と同様にして、外輪に膜厚７μｍのリン酸マンガン被膜のみを形成して試験軸受を作製した。
【００４２】
（比較例４）
実施例２と同様にして、外輪に膜厚４μｍのリン酸マンガン被膜のみを形成して試験軸受を作製した。
【００４３】
（錆試験）
ＡＳＴＭ  Ｄ１７４３に従い、試験軸受を石油ベンジンで５分間、超音波洗浄（２回）した後、グリースを５ｇ封入した。そして、アキシアル荷重１４７０Ｎ、速度１０００ｍｉｎ−１にて１５時間連続回転させた後、２質量％の塩水に１分間浸漬し、その後温度５０℃、湿度９５％の恒温恒湿槽に入れて放置し、所定時間毎に錆びの発生状況を観察した。全てのころ／外輪接触面に１ｍｍ以上の錆が発生した時点を寿命と見做し、それまでの時間を計測した。結果を表１に示すが、比較例１の寿命に対する相対値で示してある。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１に示すように、比較例２のように亜鉛−スズ合金被膜のみを形成した場合や、比較例３、４のようにリン酸マンガン被膜のみを形成した場合は、防食被膜を全く形成していない比較例１に比べて７〜１３倍に耐錆性能が高まっているものの、実施例のようにリン酸マンガン被膜を介して亜鉛−スズ合金被膜を形成することにより、耐錆性能が２０〜３１倍にも向上している。
【００４６】
（亜鉛−スズ合金被膜の表面観察Ａ）
実施例２の試験軸受を、室温で、ラジアル荷重０Ｎ、アキシアル荷重３０００Ｎ、回転数１０００ｍｉｎ−１にて１５時間連続回転させた後に分解し、外輪軌道面を観察した。図２にＳＥＭ写真（１０００倍）、並びにＳＥＭ写真の白色部分及び黒色部分の元素分析の結果を示す。白色部分が当初の凸部に相当し、黒色部分が当初の凹部に相当するが、分析結果に示すように、白色部分では殆どが鉄であり、亜鉛−スズ合金膜及びリン酸マンガン被膜が摩耗して外輪軌道面が露出している。これに対し黒色部分では亜鉛及びスズ、酸素、リン及びマンガンが多く検出されており、亜鉛−スズ合金被膜及びリン酸マンガン被膜が残存しているため、これらによる防錆作用が今後も期待できる。
【００４７】
また、試験前の試験軸受の外輪軌道面について、亜鉛−スズ合金被膜の表面の凹凸状態を調べた。結果を図３に示すが、凹部の直径が数μｍ〜１０μｍ程度で、深さが０．１〜１μｍ程度であり、１平方メートル当たり１万個程度であった。
【００４８】
（亜鉛−スズ合金被膜の表面観察Ｂ）
実施例１、実施例２及び比較例２の試験軸受を用い、上記の亜鉛−スズ合金被膜の表面観察Ａと同条件にて回転させた後、外輪軌道面を元素分析した。結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１では亜鉛量がほぼ半減しており、スズ量も少なくなっている。このことから、特に亜鉛による犠牲的防食作用が十分ではなく、表１に示した防錆性能の寿命比に関係していると思われ、リン酸塩被膜が厚すぎても好ましくないことがわかる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  内輪
１０ａ  複列内輪
２０  外輪
２０ａ  複列外輪
３０  円筒ころ
４０、５０  間座
６０  環状シール部材
６１  中間シール部材
７０  保持器
Ｇ  グリース
【図１】
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【図３】
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【図２】
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