(57)【要約】      （修正有）【課題】大型軸受においても表面改質を容易に施すことができ、負荷圏と非負荷圏の境界領域で転動体とレース表面が高面圧でかつ転がりすべり運動となり油膜形成が阻害された場合においても、金属接触を抑制しつつスミアの発生を防止する。【解決手段】鋼設備用軸受１を構成する内輪5の軌道面、外輪4の軌道面、転動体３の転送面のうち少なくとも一つに、ショットピーニングにてＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉなどの鉄より卑な金属からなる耐食性皮膜２を形成する。【選択図】      図１
2008002532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼設備用軸受を構成する鋼製の内輪軌道面、外輪軌道面または転動体の転送面のうち少なくとも一つに鉄より卑な金属被膜がショットピーニングして形成されていることを特徴とする鉄鋼設備用軸受。
【請求項２】
鉄鋼設備用軸受を構成する鋼製の内輪軌道面、外輪軌道面または転動体の転送面のうち少なくとも一つに鉄より卑な金属と貴な金属との合金または混合粉末をショットピーニングして形成された被膜を備えることを特徴とする鉄鋼設備用軸受。
【請求項３】
鉄鋼設備用軸受を構成する鋼製の内輪軌道面、外輪軌道面または転動体の転送面のうち少なくとも一つにショットピーニングして形成された鉄より卑な金属からなる第一層目被膜と、
前記第一層目被膜上にショットピーニングして形成された鉄より貴な金属からなる第二層目被膜とを備えることを特徴とする鉄鋼設備用軸受。
【請求項４】
前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２または３記載の鉄鋼設備用軸受。
【請求項５】
前記被膜全体の厚さが０．１以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の鉄鋼設備用軸受。
【請求項６】
前記被膜全体の厚さが０．５以上６μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の鉄鋼設備用軸受。
【請求項７】
前記被膜全体の厚さが０．５以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の鉄鋼設備用軸受。
【請求項８】
被膜が形成される母材のディンプルの深さが０．１以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の鉄鋼設備用軸受。
【請求項９】
母材に形成された被膜の最表面の粗さが０．０１以上０．５μｍＲ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の鉄鋼設備用軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄鋼設備用軸受に関し、特に、転動体とレース面の転がり滑りによる摩擦低減処理方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼圧延機などでは、最大径が３００ｍｍを超えるようなロールネック用の大型ころ軸受が使用され、このような鉄鋼設備用軸では金属接触による微少な焼付き（以下、スミアとも呼ぶ）が発生することがある。
図６は、鉄鋼設備用軸受のスミアの原因となる負荷圏と非負荷圏との関係を示す図である。
図６において、ころ軸受５１には、内輪軌道面５５ａおよび外輪軌道面５４ａが形成され、内輪軌道面５５ａと外輪軌道面５４ａとの間は、ころ５３が転動自在に配置されている。
【０００３】
そして、ころ軸受５１には加圧により大きなラジアル荷重が負荷され、ころ５３に負荷が加わる負荷圏５５と、ころ５３に負荷がかからず内外輪に拘束されない非負荷圏５６が生じる。そして、非負荷圏５６では内外輪によるころ５３が拘束されないため、ころ５３を自転させる駆動力が減少し、負荷圏５５と非負荷圏５６では、ころ５３の自転速度が異なるようになる。このような状態でころ５３が公転すると、負荷圏５５と非負荷圏５６の境界領域で、自転の急激な回復が行われるため、ころ５３と外輪軌道面５４ａおよび内輪軌道面５５ａ（以下、双方まとめてレース面ともいう。）が転がりすべり接触となる。
【０００４】
そして、転がりすべり接触による金属接触を防止するために、グリ−スを使ってレース面に油膜を形成することが行われているが、鉄鋼圧延機用等に使用されるころ軸受５１には圧延水が混入し、油膜形成に不利な運転条件となる。このため、ころ５３の転走面とレース面で油膜が破断してスミアが発生し、ひいては表面剥離を引き起こす。このような、潤滑油やグリ−スが使用できない環境において潤滑機能を与える技術として、メッキやスパッタリングあるいはイオンプレーティングによってレース面の表面改質を行う方法がある（特許文献１、２）。
【０００５】
また、軸受を構成する内輪軌道面５５ａ、外輪軌道面５４ａ、ころ５３の転走面もしくは保持器案内面の少なくともその一つに、少なくとも二硫化モリブデン、四フッ化エチレンを含んでなる固体潤滑剤を結合剤によって摩擦低減表面処理を施す方法も知られている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平３−１２１３１３号公報
【特許文献２】特開平３−１７２６１１号公報
【特許文献３】特開平８−１６６０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２等に開示された技術は、発塵の防止等の環境下への配慮を目的として成されたものであるが、その対象とされる軸受は比較的小型のものであり、内径１５０ｍｍ以上のロールネック軸受に代表される大型軸受には、表面処理の設備の点からも適用困難である。また、これらの特許文献１、２に示される軸受のレース面の表面改質の方法としては、メッキやスパッタリング、あるいはイオンプレーティング等によるものであり、その工程が長時間かつ多岐に渡ることから、コストアップの要因になるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３に開示された技術はスミア防止には効果があるが、総圧延トン数の増加とともにさらなる表面損傷に対応できる技術が望まれている。
そこで、本発明の目的は、大型軸受においても表面改質を容易に施すことができ、負荷圏と非負荷圏の境界領域で転動体とレース表面が高面圧でかつ転がりすべり運動となり油膜形成が阻害された場合においても、金属接触を抑制しつつスミアの発生を防止することが可能な鉄鋼設備用軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の鉄鋼設備用軸受によれば、鉄鋼設備用軸受を構成する鋼製の内輪軌道面、外輪軌道面または転動体の転送面のうち少なくとも一つに鉄より卑な金属被膜がショットピーニングして形成されていることを特徴とする。
これにより、ショットピーニングという簡易な方法にて耐食性被膜を軸受鋼の表面に形成することが可能となるとともに、母材内部に被膜を拡散させることができ、被膜を軸受鋼の表面に強固に付着させることができる。このため、大型軸受においても表面改質を容易に施すことができ、負荷圏と非負荷圏の境界領域で転動体とレース表面が高面圧でかつ転がりすべり運動となり油膜形成が阻害された場合においても、金属接触を抑制しつつスミアの発生を防止することが可能となることから、水が混入する環境下においても耐久性のよい鉄鋼設備用軸受を安価に量産することができる。
【０００９】
また、請求項２記載の鉄鋼設備用軸受によれば、鉄鋼設備用軸受を構成する鋼製の内輪軌道面、外輪軌道面または転動体の転送面のうち少なくとも一つに鉄より卑な金属と貴な金属との合金または混合粉末をショットピーニングして形成された被膜を備えることを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、水や水蒸気に曝される環境下においても、錆から母材を有効に保護することが可能となる。
【００１０】
また、請求項３記載の鉄鋼設備用軸受によれば、鉄鋼設備用軸受を構成する鋼製の内輪軌道面、外輪軌道面または転動体の転送面のうち少なくとも一つにショットピーニングして形成された鉄より卑な金属からなる第一層目被膜と、前記第一層目被膜上にショットピーニングして形成された鉄より貴な金属からなる第二層目被膜とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、第二層目被膜が損傷した場合においても、第一層目被膜を母材よりも優先的に酸化させて、母材に錆が発生するのを防止することが可能となり、錆から母材を有効に保護することが可能となる。
また、鉄より卑な金属を第一層目とし、鉄より貴な金属を第二層目とすることにより、鉄より卑な金属が腐食性環境下に曝される部分を第二層目被膜の損傷部分に限定することができ、第二層目被膜が損傷した場合においても、犠牲防食による第一層目被膜の酸化の進行を遅らせることが可能となることから、第一層目被膜が消失するのを遅らせることができ、鉄鋼設備用軸受の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
また、請求項４記載の鉄鋼設備用軸受によれば、前記鉄より卑な金属がＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、前記鉄より貴な金属がＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする。
これにより、鉄よりも錆びにくい金属で母材を保護することが可能となり、母材に錆が発生するのを防止することが可能となるとともに、被膜に損傷や傷があるために母材が露出した場合においても、犠牲防食にて母材を錆から保護することが可能となり、鉄鋼設備用軸受の耐久性を向上させることができる。
【００１３】
また、請求項５記載の鉄鋼設備用軸受によれば、前記被膜全体の厚さが０．１以上８μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、防錆効果が飽和しない範囲内で十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となり、コスト増を抑制しつつ、鉄鋼設備用軸受の耐久性を向上させることができる。
また、請求項６記載の鉄鋼設備用軸受によれば、前記被膜全体の厚さが０．５以上６μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、被膜の剥離を抑制しつつ、十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となる。
また、請求項７記載の鉄鋼設備用軸受によれば、前記被膜全体の厚さが０．５以上５μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、十分かつ持続的な防錆効果を得ることが可能となるとともに、被膜処理後に隙間を調整するために後加工する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
【００１４】
また、請求項８記載の鉄鋼設備用軸受によれば、被膜が形成される母材のディンプルの深さが０．１以上５μｍ以下であることを特徴とする。
これにより、母材に形成された被膜の密着性を向上させることができ、鉄鋼設備用軸受の耐久性を向上させることができる。
また、請求項９記載の鉄鋼設備用軸受によれば、母材に形成された被膜の最表面の粗さが０．０１以上０．５μｍＲ以下であることを特徴とする。
これにより、母材に形成された被膜の密着性を向上させることができ、鉄鋼設備用軸受の耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、大型軸受においても表面改質を容易に施すことができ、負荷圏と非負荷圏の境界領域で転動体とレース表面が高面圧でかつ転がりすべり運動となり油膜形成が阻害された場合においても、金属接触を抑制しつつスミアの発生を防止することが可能となることから、水が混入する環境下においても耐久性のよい鉄鋼設備用軸受を安価に量産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る鉄鋼設備用軸受について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る鉄鋼設備用軸受の概略構成を示す断面図である。
図１において、鉄鋼設備用軸受１には、内輪５と外輪４とが対向して設けられ、内輪５と外輪４との間には、複数の転動体（ころ）３が転動自在に配置されるとともに、転動体３を保持する保持器６が設置されている。なお、内輪５、外輪４および転動体３の母材の材質としては、例えば、ＳＵＪ２材、保持器６の母材の材質としては、例えば、冷間圧延鋼板を用いることができる。そして、シャフト７を内輪５に固定することにより、鉄鋼設備用軸受１にてシャフト７を回転自在に保持することができる。
【００１７】
ここで、内輪５の軌道面、外輪４の軌道面および転動体３の転送面のうち少なくとも一つには、ショットピーニングにて耐食性皮膜２が形成されている。なお、耐食性皮膜２としては、鉄より卑な金属被膜であってもよいし、鉄より卑な金属と貴な金属とが配合された合金被膜であってもよい。あるいは、鉄より卑な金属からなる第一層目被膜と鉄より貴な金属からなる第二層目被膜からなる２層構造であってもよい。また、鉄より卑な金属としてはＡｌ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか少なくとも１つを含み、鉄より貴な金属としてはＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎのいずれか少なくとも１つを含むことができる。
【００１８】
これにより、ショットピーニングという簡易な方法にて耐食性被膜２を軸受鋼の表面に形成することが可能となるとともに、母材内部に被膜を拡散させることができ、被膜を軸受鋼の表面に強固に付着させることができる。このため、大型軸受においても表面改質を容易に施すことができ、負荷圏と非負荷圏の境界領域で転動体３とレース表面が高面圧でかつ転がりすべり運動となり油膜形成が阻害された場合においても、金属接触を抑制しつつスミアの発生を防止することが可能となることから、水が混入する環境下においても耐久性のよい鉄鋼設備用軸受１を安価に量産することができる。
【００１９】
また、鉄より卑な金属を介して鉄より貴な金属にて母材の表面を覆うことにより、軸受鋼が湿潤環境下におかれた場合においても、母材が酸化されるよりも先に鉄よりも卑な金属を酸化させて母材が錆びるのを防止するとともに、鉄よりも卑な金属が湿潤環境下に曝されるのを鉄より貴な金属にて抑えることができ、鉄よりも卑な金属の酸化を遅らせることが可能となる。
【００２０】
なお、耐食性被膜２の膜厚は、好ましくは０．１以上８μｍ以下であるのがよく、さらに好ましくは０．５以上６μｍ以下であるのがよく、最も好ましくは０．５以上５μｍ以下であるのがよい。また、耐食性被膜２の最表面の粗さは０．０１以上０．５μｍＲ以下であるのが好ましい。
また、内輪５の軌道面、外輪４の軌道面および転動体３の母材の転送面には、被膜を形成する前の前処理としてディンプルを形成するようにしてもよい。ここで、母材のディンプルの深さは０．１以上５μｍ以下であることが好ましい。
なお、被膜の厚さを測定する方法としては、例えば、マイクロメータにて処理前後の径を測定する方法、あるいは断面を電子顕微鏡で測定する方法を用いることができる。
【００２１】
また、被膜の厚さを測定する方法として、以下の方法を用いるようにしてもよい。まず、被膜の保護を目的として、被膜を備えた転動体の転動面に、熱硬化性樹脂であるポリアミドイミドのピロリドン溶液を塗布し、１７５℃で２時間加熱して硬化させ、被膜の保護膜を形成する。この転動体を切断してエポキシ樹脂に埋め込み、転動体の切断面をバフ研磨で鏡面仕上げする。さらに、凹凸を付けるために、３％ピクラール溶液で５秒間腐食した後、スパッタによりナノオーダーのクロム層を表面に被覆して通電性を付与する。そして、電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、切断面を５０００倍の倍率で３０視野観察する。
【００２２】
また、電子顕微鏡による観察では、反射電子線像で膜厚が明瞭に観察できるようにするために、各視野において、横方向に被覆面が横断されるように観察し、縦方向に６分割し、被膜の厚さを５点測定し、これら５点の平均値を求め、この平均値をその視野の被膜の厚さとする。そして、３０視野の被膜の厚さの平均値を求めることができる。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態に係るショットピーニング処理装置の概略構成を示す断面図である。
図２において、ショットピーニング処理装置２０には、投射材３５を収容するタンク３２が設けられている。そして、タンク３２の底には投射材３５を送出するパイプ３３が接続され、パイプ３３の一端には、投射材３５を噴出するノズル３３ａが設けられるとともに、パイプ３３の他端には、圧縮空気３４が供給されるようになっている。なお、投射材３５としては、例えば、硬度ＨＲＣ５０以上、粒径２００μｍ程度の低融点金属ステンレス粒子や炭素鋼などを用いることができ、投射速度は１００ｍ／ｓｅｃ程度に設定することができる。また、投射時間は、被覆された膜厚を見ながら適宜設定することができ、例えば、３０〜６０秒に設定することが好ましい。
【００２４】
そして、転がり摺動部材１１の軌道面１１ａに亜鉛被膜を形成する場合、パイプ３３に圧縮空気３４を送り込むことによりノズル３３ａから投射材３５を噴出させ、亜鉛粉末の上から投射材３５を軌道面１１ａに投射する。これにより、投射材３５の衝突エネルギーによって亜鉛粉末を母材の表層と結合させることができ、強固な被膜を形成することが可能となるとともに、均一な膜厚の被膜を短時間で容易に作製することができ、大型軸受においても、コストアップを抑制しつつ表面改質を容易に施すことができる。
【００２５】
なお、図１の内輪１の軌道面または外輪２の軌道面に被膜を形成する場合、内輪１の軌道面または外輪２の軌道面をノズル３３ａの側方に配置して支持し、転動体３の転送面に被膜を形成する場合、複数の転動体３を網目状の容器に収容し、例えば、２〜５ｒｐｍの回転速度で軸回転させながら、投射材３５を投射することができる。
そして、２円筒転がりすべり試験機を用いることで、鉄鋼設備用軸受１１の耐久試験を評価した。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態に係る２円筒転がりすべり試験機の概略構成を示す断面図である。
図３において、２円筒転がりすべり試験機４１では、試験片リング４７、４８の外径面が接触するように組み合わされ、試験片リング４７はシャフト４５を介してモータ４６に接続されるとともに、モータ４６による駆動力がギア４２、４２を介して試験片リング４８に伝わるように構成されている。
【００２７】
そして、φ７８ｍｍ、幅１８ｍｍの試験片リング４７、４８において、軸受鋼の表面に亜鉛被膜をショットピーニングにて形成したもの（実施例１）、軸受鋼の表面に亜鉛と錫とからなる被膜をショットピーニングにて形成したもの（実施例２）、二硫化モリブデン、四フッ化エチレンを含んでなる固体潤滑剤を結合剤によって摩擦低減表面処理を施したもの（比較例１）、軸受鋼の表面に被膜が形成されていないもの（比較例２）を用意した。
【００２８】
そして、モータ４６にて試験片リング４７を駆動させ、ギア４２、４２を介して試験片リング４８に３．２ｍ／ｓの相対滑り速度を与え、試験片リング４７、４８間が転がり滑り接触になるように構成した。ここで、試験片リング４７、４８の外周面に２０ｃｃのギヤオイルを予めシリンジにて塗布した。そして、試験片リング４７、４８間が転がり滑り面の面圧が１００ｋｇｆ／ｍｍ2となるように設定し、モータ４６に直結された試験片リング４７のトルクが１００ｋｇｆ−ｃｍを超えるまでの時間を耐久時間（分）とした。また、水分の混入条件として、試験片リング４７、４８の側面から毎分１００ｃｃの水をシャワー４４にて噴霧状態とし、試験片リング４７、４８の摺動面に混入した。
【００２９】
図４は、本発明の一実施例に係る鉄鋼設備用軸受の耐久試験結果を比較例とともに示す図である。
図４において、亜鉛被膜または亜鉛と錫とからなる被膜をショットピーニングにて軸受鋼の表面に形成することにより、耐久時間を向上させることができた。また、亜鉛被膜または亜鉛と錫とからなる被膜をショットピーニングにて軸受鋼の表面に形成する方法は、スメア対策にも有効であることが判った。
【００３０】
図５は、本発明の一実施例に係る被膜膜厚と耐久性との関係を示す図である。
図５において、亜鉛被膜または亜鉛と錫とからなる被膜の膜厚は、軸受の組立寸法公差や耐久性などの点から、０．１以上８μｍ以下であるのがよく、さらに好ましくは０．５以上６μｍ以下であるのがよく、最も好ましくは０．５以上５μｍ以下であるのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る鉄鋼設備用軸受の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るショットピーニング処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る２円筒転がりすべり試験機の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る鉄鋼設備用軸受の耐久試験結果を比較例とともに示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る被膜膜厚と耐久性との関係を示す図である。
【図６】鉄鋼設備用軸受の負荷圏と非負荷圏との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  鉄鋼設備用軸受
２  耐食性皮膜
３  転動体
４  外輪
５  内輪
６  保持器
７  シャフト
１１  転がり摺動部材
１１ａ  軌道面
２０  ショットピーニング処理装置
３２  タンク
３３  パイプ
３３ａ  ノズル
３４  圧縮空気
３５  投射材
４１  ２円筒転がりすべり試験機
４２、４２  ギア
４４  シャワー
４５  シャフト
４６  モータ
４７、４８  試験片リング
【図１】
2008002532.tif 000003
【図２】
2008002532.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008002532.tif 000007
【図６】
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