(57)【要約】      （修正有）【課題】高荷重下での焼付きを防止するために硬質被膜を形成した鉄鋼製造設備用ころ軸受において、硬質被膜の剥離を抑えて耐久性を向上させる。【解決手段】金属製の内輪１、外輪２及びころ３を備える自動調心ころ軸受であって、前記ころ３の転動面の表面粗さＲａが０．１〜０．２μｍで、炭素を主成分とする非晶質炭素被膜で被覆されており、かつ、前記非晶質炭素被膜の表面粗さＲａが０．０７μｍ以下であることを特徴とする鉄鋼製造設備用ころ軸受。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の内輪、外輪及びころを備え、鉄鋼製造設備に使用されるころ軸受であって、
前記ころの転動面の表面粗さＲａが０．１〜０．２μｍで、炭素を主成分とする非晶質炭素被膜で被覆されており、かつ、前記非晶質炭素被膜の表面粗さＲａが０．０７μｍ以下であることを特徴とする鉄鋼製造設備用ころ軸受。
【請求項２】
非晶質炭素被膜が、ビッカース硬度Ｈｖ２５００以下であることを特徴とする請求項１記載の鉄鋼製造設備用ころ軸受。
【請求項３】
金属製の内輪、外輪及び硬質被膜が形成されたころを備え、鉄鋼製造設備に使用されるころ軸受の製造方法であって、
前記ころの転動面を、表面粗さＲａ０．１〜０．２μｍに粗面化する工程と、
粗面化された転動面を、炭素を主成分とする非晶質炭素被膜で被覆さする工程と、
前記非晶質炭素被膜の表面に、球状の弾性体に砥粒が分散した研磨粒子を衝突させて、表面粗さＲａ０．０７μｍ以下に調整する工程と
を備えることを特徴とする鉄鋼製造設備用ころ軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続鋳造機を構成するガイドロールや圧延機のバックアップロール等のような鉄鋼製造設備用軸受に使用されるころ軸受、並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製造設備では、連続鋳造機を構成するガイドロールや圧延機のバックアップロールに自動調心ころ軸受が使用されている。しかし、使用条件が高荷重、低速回転であることから、ころと軌道輪との間に生じる差動すべりが大きくなり、軌道輪の軌道面で純転がり部以外の部分が大きく摩耗して純転がり部を頂点とする二山状の摩耗（二山摩耗）が生じる。それに伴い、二山摩耗の頂点部に応力が集中して軌道面に剥離が生じたり、頂点部に曲げ応力がかかって軌道面にクラックが発生し、進展する恐れがある。その結果、軌道輪の軌道面やころの転動面に摩耗が生じ易く、軌道輪の軌道面には剥離が生じ易いという問題がある。
【０００３】
そこで、ころの転動面や軌道面に、ダイヤモンドライクカーボン膜や炭窒化ホウ素膜等の硬質被膜を形成することで、焼き付きを防止することが行われている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３７３１０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６９３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の被膜形成に際して、ころの転動面や軌道面の表面を粗面化し、その上に硬質被膜を形成してアンカー効果により硬質被膜との密着性を高めている。そのため、硬質被膜の表面は、粗面化された転動面や軌道面の表面の凹凸が反映されて凹凸になっている。
【０００６】
そして、硬質被膜の凸部に局所的に大きな接触面圧が加わると、凸部を起点として亀裂が進展して硬質皮膜の剥離が起こるようになる。
【０００７】
そこで本発明は、高荷重下での焼付きを防止するために硬質被膜を形成した鉄鋼製造設備用ころ軸受において、硬質被膜の剥離を抑えて耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、下記を提供する。
（１）金属製の内輪、外輪及びころを備え、鉄鋼製造設備に使用されるころ軸受であって、
前記ころの転動面の表面粗さＲａが０．１〜０．２μｍで、炭素を主成分とする非晶質炭素被膜で被覆されており、かつ、前記非晶質炭素被膜の表面粗さＲａが０．０７μｍ以下であることを特徴とする鉄鋼製造設備用ころ軸受。
（２）非晶質炭素被膜が、ビッカース硬度Ｈｖ２５００以下であることを特徴とする上記（１）記載の鉄鋼製造設備用ころ軸受。
（３）金属製の内輪、外輪及び硬質被膜が形成されたころを備え、鉄鋼製造設備に使用されるころ軸受の製造方法であって、
前記ころの転動面を、表面粗さＲａ０．１〜０．２μｍに粗面化する工程と、
粗面化された転動面を、炭素を主成分とする非晶質炭素被膜で被覆さする工程と、
前記非晶質炭素被膜の表面に、球状の弾性体に砥粒が分散した研磨粒子を衝突させて、表面粗さＲａ０．０７μｍ以下に調整する工程と
を備えることを特徴とする鉄鋼製造設備用ころ軸受の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の鉄鋼製造設備用ころ軸受は、高荷重下での焼付きを防止するために硬質被膜を形成したものであるが、硬質被膜の表面の粗さを規定量以下として凸部に加わる接触面圧を小さくすることで、硬質被膜の剥離を抑えられ、耐久性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】鉄鋼製造設備用ころ軸受の一例を示す部分断面斜視図である。
【図２】ころ表面の状態を模式的に示す断面図であり、（Ａ）研磨直後の状態、（Ｂ）非晶質炭素被膜を形成した状態、（Ｃ）非晶質炭素被膜を研磨した後の状態を示す。
【図３】試験１で用いた試験装置（連続鋳造装置を想定）を示す模式図である。
【図４】試験２の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
本発明において、鉄鋼製造設備用ころ軸受の種類には制限はなく、例えば図１を例示することができる。図示されるころ軸受は、外周面に軌道面１ａを有する内輪１と、内輪１の軌道面１ａに対向する軌道面２ａを内周面に有する外輪２と、両軌道面１ａ，２ａ間に複列に配置される複数のころ３と、保持器４とを備えている。内輪１、外輪２及びころ３は、ＳＵＪ２等の鋼製である。
【００１３】
本発明では、ころ３の転動面に硬質被膜である炭素を主成分とする非晶質炭素被膜を形成するが、転動面と非晶質炭素被膜との密着性を高めるために、図２（Ａ）に示すように、転動面を表面粗さＲａ０．１〜０．２μｍ、好ましくは０．１２〜０．１５μｍとなるように粗面化する。粗面化の方法には制限はないが、規定の表面粗さＲａに制御しやすいことから、砥粒を吹き付ける方法が好ましい。
【００１４】
砥粒の平均粒径は、４５μｍ以下が好ましい。平均粒径が小さくなるほど、緻密な凹凸を形成することができるが、処理時間がかかるようになる。また、材質はアルミナやダイヤモンド、炭化けい素が挙げられ、それぞれ単独でも、２種以上を混合して用いてもよい。
【００１５】
また、砥粒を吹き付けるときの角度（投射角度）は、転動面に対して略９０°が好ましい。これにより、転動面に深い凹凸を効率よく形成することができる。
【００１６】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、粗面化された転動面に、非晶質炭素被膜１０を形成する。非晶質炭素被膜１０は、ビッカース硬さＨｖ２５００以下であることが好ましく、Ｈｖ１５００以下であることがより好ましい。Ｈｖ２５００を超えると、非晶質炭素被膜１０が硬すぎて、後述する研磨処理がし難くなり、更には被膜自体の内部応力が大きすぎて剥離しやすくなる。また、相手材である内輪軌道面及び外輪軌道面を損傷させやすくなる。一方、硬さの下限は、時間の経過とともに非晶質炭素被膜１０が摩耗するため、Ｈｖ１０００以上が望ましい。
【００１７】
非晶質炭素被膜１０としては、タイヤモンドライクカーボン膜が好ましい。ダイヤモンドライクカーボンは、炭素からなり、ダイヤモンド構造のＳＰ３結合とグラファイト構造のＳＰ２結合が混在しているアモルファス構造を有する。また、ダイヤモンドライクカーボン膜は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成することができるが、成膜時のバイアス電圧を変えることにより、膜の硬さを変えることができる。
【００１８】
次いで、図２（Ｃ）に示すように、非晶質炭素被膜１０を研磨して表面粗さＲａ０．０７μｍ以下に調整する。その際、非晶質炭素被膜１０が薄すぎると、研磨されて平坦になった部分１０ｂの膜厚が不足して耐久性に劣るようになり、場合によっては地肌が露出するおそれがある。そのため、非晶質炭素被膜１０の膜厚は、表面粗さＲａ０．０７μｍ以下となるように研磨された後でも平坦な部分１０ｂに十分な厚さの被膜が残存するように設定されるが、１〜２μｍが適当である。尚、非晶質炭素被膜１０に微小な凹凸が残っていると、その凹部が油溜りとなって機能して潤滑性が向上する。本発明でも、非晶質炭素被膜１０に微小な凹部が残こり、凹部が油溜りとして機能する。
【００１９】
非晶質炭素被膜１０を形成した後、図２（Ｃ）に示すように、非晶質炭素被膜１０の表面を研磨して表面粗さＲａ０．０７μｍ以下、好ましくは０．０５μｍ以下に調整する。表面粗さＲａ０．０７μｍを超える粗面では、平坦な部分１０ｂに接触面圧が局所的に加わり非晶質炭素被膜１０が剥離しやすくなる。但し、非晶質炭素被膜１０に微小な凹凸が残っていると、凹部が油溜まりとして機能するため、平滑すぎて好ましくない。そのため、非晶質炭素被膜１０の表面粗さＲａは０．０３μｍ以上が好ましい。
【００２０】
非晶質炭素被膜１０の研磨には、球状の弾性体に砥粒が分散した研磨粒子を用いることが好ましい。研磨粒子の平均粒径は０．０２〜３ｍｍが好ましく、０．５〜１ｍｍがより好ましい。弾性体としてはゴム、熱可塑性エラストマー等が挙げられる。砥粒は、粒度が＃２０００以上、または平均粒径が６μｍ以下であることが好ましく、粒度が＃３０００以上、または平均粒径が４μｍ以下であることがより好ましく、粒度が＃８０００以上、または平均粒径が１μｍ以下であることが特に好ましい。砥粒をこのような粒径にすることにより表面粗さＲａ０．０７μｍ以下に調整することができるようになる。砥粒の材質としては、アルミナやダイヤモンド、炭化けい素が挙げられる。また、研磨粒子に含まれる砥粒の割合としては、１０〜９０質量％が好ましく、６０〜８０質量％がより好ましい。
【００２１】
また、研磨粒子の投射角度は、転動面に対して０°以上９０°以下となるようにが好ましく、４５°以下がより好ましく、２０°以下が更に好ましい。投射角度が小さいほど、投射される研磨粒子が転動面を滑走する距離が長くなり、研磨効率が向上する。
【００２２】
尚、図示は省略するが、非晶質炭素被膜１０を形成する際に、クロム等からなる下地層を形成してもよい。
【実施例】
【００２３】
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。
【００２４】
（試験１）
試験軸受として、呼び番号「２２２１０」の自動調心ころ軸受を次のようにして作製した。内輪、外輪及びころを、ＳＵＪ２からなる素材を通常の方法で加工した後、通常の熱処理をした。そして、ころについては、表面にダイヤモンド砥粒を吹き付けて粗面化し、その上に神戸製鋼所製アンバランスマグネトロンスパッタリング装置５０４を用いてダイヤモンドライクカーボン膜を形成した。その後、ダイヤモンドライクカーボン膜に、球状のゴムに＃２０００以上のダイヤモンド砥粒を分散させた砥粒粒子を吹き付けて粗面化した。転動面の表面粗さＲａ及びダイヤモンドライクカーボン膜の表面粗さＲａは、表１に示すとおりであり、研磨時間や吹き付け圧力を調整するなどして変更した。尚、比較例３では、ダイヤモンドライクカーボン膜をパフ研磨して表面粗さをより小さくした。
【００２５】
そして、試験軸受を図３に示す連続鋳造機を模した試験装置に装着し、外輪の摩耗状況を調べた。図示される試験装置は、モータ、ギアボックス、ドライブロール、ドライブロールの上側に配置される従動ロールを有する。ギアボックスはモータにより駆動する。ギアボックスがドライブロールの入力側の回転軸に接続されている。ドライブロール及び従動ロールの両端の回転軸に試験軸受が配置されている。また、従動ロールの試験軸受の上部からラジアル荷重が付与される。モータとギアボックスを除いた部分がチャンバ−内に収容されており、チャンバーの上部に水蒸気の導入口が形成され、下部に水蒸気の排出口が形成されている。
【００２６】
試験は、試験軸受１個あたり１５．５ｇのグリースを封入し、試験軸受１個当たりラジアル荷重を２７９００Ｎ（Ｆ／Ｃ0r＝０．３）負荷し、チャンバー内が１００℃の水蒸気雰囲気となるように水蒸気を供給し、ドライブロールを速度６ｒｐｍで７５０時間回転することで行った。
【００２７】
摩耗量の測定は、試験後に試験軸受を分解して洗浄、乾燥した後に、外輪の質量を測定して試験前の質量との差から、軌道面に生じた摩耗量を算出した。結果を表１に示すが、比較例１の摩耗量を１とする相対値で示した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１から、本発明に従い、転動面の表面粗さＲａが０．１〜０．２μｍで、かつ、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面粗さＲａが０．０７μｍ以下であるころを用いた実施例は、外輪の摩耗量が比較例１と比べても５分の１以下に低減している。これは、外輪との凝着が低い状態が維持されたためと考えられる。また、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面の粗さが小さいため、潤滑効果が期待できないような環境（水蒸気雰囲気）においても、相手材である外輪への攻撃性が低く、アブレッシブ摩耗が防止されたものと考えられる。更には、７５０時間経過後でも十分な膜厚でダイヤモンドライクカーボン膜が残存していることから、摩耗防止効果を長期間維持できることが期待できる。
【００３０】
これに対し、比較例では、ころの転動面の表面粗さＲａまたはダイヤモンドライクカーボン膜の表面粗さＲａが本発明の範囲を逸脱しているため、外輪の摩耗量が多くなっている。
【００３１】
（試験２）
円盤状のフラットディスクと、相手材としての３／８インチの軸受鋼球とを用いて、回転型摩擦摩耗試験機により相手材への攻撃性を評価した。フラットディスクは、その表面にダイヤモンド砥粒を吹き付けて表面粗さＲａを０．１５μｍとし、その上に、神戸製鋼所製アンバランスマグネトロンスパッタリング装置５０４を用いてダイヤモンドライクカーボン膜を形成した。成膜に際し、バイアス電圧を変えることで膜の硬さをＨｖ８００〜３０００まで変えた。その後、ダイヤモンドライクカーボン膜に、球状のゴムに＃２０００以上のダイヤモンド砥粒を分散させた砥粒粒子を吹き付けて表面粗さＲａ０．０７μｍにした。
【００３２】
そして、試験荷重１０ｋｇ、滑り速度１．０ｍ／ｓ、潤滑油にＶＧ３２相当の無添加鉱油を用い、総回転数１×１０６ｒｅｖまで試験を行い、試験後のダイヤモンドライクカーボン膜の剥がれ面積及び軸受鋼球の摩耗量を測定した。尚、剥がれ面積は、接触面積に対する比率（％）とし、摩耗量は試験後に軸受鋼球を洗浄、乾燥した後に、質量を測定して試験前の質量との差から算出した。結果を図４に示すが、摩耗量はＨｖ１０００のダイヤモンドライクカーボン膜での値を１とする相対値で示した。
【００３３】
図示されるように、Ｈｖ２５００以下の範囲でダイヤモンドライクカーボン膜の剥がれ、並びに軸受鋼球の摩耗量も少なくなっている。これに対し、Ｈｖ３０００ではダイヤモンドライクカーボン膜が広範囲に剥がれており、軸受鋼球の摩耗量も多くなっている。
【００３４】
尚、Ｈｖ１０００未満の範囲でも、ダイヤモンドライクカーボン膜の剥がれや、軸受鋼球の摩耗量が少ないものの、時間の経過とともにダイヤモンドライクカーボン膜の摩耗が進行することから、Ｈｖ１０００以上が望ましい。
【符号の説明】
【００３５】
１  内輪
２  外輪
３  ころ
４  保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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