(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受において、外輪が、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼よりなり、焼き入れ処理および焼戻し処理が施されて、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で５８〜６２となされるとともにこの深さ部分の硬さ勾配が外周面から内側に向かって１HRC／１mm以下となされ、さらにこの深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、外輪の内周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さが６１〜６４HRCとなされるとともにこの深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１５vol％となされており、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３５〜４２HRCとなされていることを特徴とする外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受。
【請求項２】
外輪の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分の表面硬さが、４５〜５９HRCとなされている請求項１の外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受。
【請求項３】
請求項１の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射することを特徴とする転がり軸受用外輪の製造方法。
【請求項４】
請求項２の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、焼入油中への焼入時に、外輪素材の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分を、鋼材からなるリングで覆っておくことを特徴とする請求項３の転がり軸受用外輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内輪と、外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受および軸受用外輪の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、多段式圧延機のバックアップロールには、転がり軸受の外輪が使用されている。このような転がり軸受は異物が混入した潤滑油を用いて使用されることが多く、異物が混入した潤滑油による潤滑条件下での転がり疲労寿命の長寿命化が要求されることは当然のことながら、外輪の耐割損性や、外輪の熱や荷重による塑性変形に対する耐変形性が要求される。外輪が割損すると圧延ラインのラインストップの原因となり、外輪が塑性変形すると圧延品質が低下するからである。通常は、このような圧延ラインのラインストップや圧延品質の低下を防止する目的で定期点検が施されており、損傷する前に転がり軸受を交換している。
【０００３】
しかしながら、バックアップロールとして用いられる転がり軸受の外輪が短期間で割損したり、塑性変形したりすると、上記定期点検は比較的短い周期で行う必要があり、その作業が面倒である。
【０００４】
従来、外輪の割損や塑性変形を防止するために、軸受鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材に、浸炭または浸炭窒化処理を施すことによって、外輪の外周面に硬さの比較的大きい表面硬化層を形成するとともに、それよりも内部には靭性を付与している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多段式圧延機のバックアップロールとして用いられる外輪を有する転がり軸受は、高負荷容量の軸受であること、および外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨する必要があることから、表面硬化層の厚さを厚くする必要がある。
【０００６】
しかしながら、浸炭処理や浸炭窒化処理で厚さの厚い表面硬化層を形成するには、処理時間を長くしなければならず、製造コストが高くなるという問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、上記問題を解決し、短期間での外輪の割損や塑性変形の発生を防止しうる外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受、および製造コストを低減しうる転がり軸受用外輪の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受は、内輪と、外周面が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、内外両輪間に配された複数の転動体とを備えており、外輪の外周面に傷が付いた場合にはこの傷を除去するために再研磨するようになされているとともに、外輪がバックアップロールとして用いられる転がり軸受において、外輪が、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼よりなり、焼き入れ処理および焼戻し処理が施されて、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で５８〜６２となされるとともにこの深さ部分の硬さ勾配が外周面から内側に向かって１HRC／１mm以下となされ、さらにこの深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、外輪の内周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さが６１〜６４HRCとなされるとともにこの深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１５vol％となされており、外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さが３５〜４２HRCとなされていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１の発明における各数値の限定理由は次の通りである。なお、外輪に用いる鋼の合金成分については、後述する請求項３の発明の場合と同じである。
【００１０】
外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さ
この硬さが５８HRC未満であると塑性変形を起こしやすく、６２HRCを越えると割れが発生しやすくなるからである。
【００１１】
外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さ勾配
この勾配が１HRC／１mmを越えると表面クラックが進展するからである。すなわち、表面クラックの進展を防止して耐割損性を向上させるためには、圧縮残留応力を増大させることが効果的であるが、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の圧縮残留応力を増大させるには、前記硬さ勾配を１HRC／１mm以下でかつ均一にする必要がある。
【００１２】
外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の残留オーステナイト量
この残留オーステナイト量が５vol％未満であると靭性が不足して耐割損性が低下し、１８vol％を越えると時効変形しやすくなって寸法に狂いが生じ、局所的に高面圧の箇所が発生して割損の原因となるからである。
【００１３】
ここで、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さ、硬さ勾配および残留オーステナイト量を上記のようにしたのは、一度使用した外輪の再利用を可能にするためである。すなわち、一度使用した外輪の外周面を研磨（再研磨）すれば、再利用することが可能であるが、研磨した後に所望の性能を得るためには、外輪の外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さ、硬さ勾配および残留オーステナイト量を上記のようにしておかなければならない。
【００１４】
外輪の内周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さ
この硬さが６１HRC未満では異物による圧痕が発生しやすく、６４を越えると割れが発生しやすくなるからである。
【００１５】
外輪の内周面から深さ１ｍｍまでの部分の残留オーステナイト量
この残留オーステナイト量が５vol％未満であると靭性が不足して耐割損性が低下するとともに異物に対する寿命が低下し、１５vol％を越えると時効変形しやすくなって寸法に狂いが生じ、局所的に高面圧の箇所が発生して割損の原因となるとともに、転がり寿命が低下するからである。
【００１６】
ここで、外輪の内周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さおよび残留オーステナイト量を上記のようにしたのは、内部起点剥離寿命を支配する最大剪断応力深さが１ｍｍ以内となっているからである。
【００１７】
外輪の内外両周面間の厚さ方向の中心部の硬さ
この硬さが３５HRC未満であると塑性変形を起こしやすくなって強度が不足し、たとえば多段圧延機のバックアップロールとして機能しなくなり、４２HRCを越えると靭性が不足して耐割損性が低下するからである。
【００１８】
請求項１の発明の転がり軸受によれば、たとえば多段圧延機のバックアップロールに用いたさいの短期間での外輪の表面クラックの進展による割損や、短期間での外輪の塑性変形を防止しうる。したがって、外輪の長寿命化を図ることができる。
【００１９】
請求項２の発明による外輪が圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受は、請求項１の発明において、外輪の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分の表面硬さが、４５〜５９HRCとなされているものである。
【００２０】
請求項２の発明において、外輪の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分の表面硬さを、４５〜５９HRCに限定したのは、４５HRC未満であると軸受外輪全体としての強度が不足し、５９HRCを越えると軸受外輪の耐割損性が不足するからである。
【００２１】
請求項２の発明によれば、外輪の両端面とそれに隣接するスラストワッシャにヒートクラックが発生したとしても、軸受外輪全体が割損することが防止される。
【００２２】
請求項３の発明による転がり軸受用外輪の製造方法は、請求項１の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、請求項１の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状に形成された外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射することを特徴とするものである。
【００２３】
請求項３の発明における各数値の限定理由は次の通りである。
【００２４】
鋼種
Ｃ含有量
Ｃは軸受としての強度を維持するために必須の元素であり、含有量が０．８wt％未満であると焼入、焼戻し後の外輪の内外両周面の硬さをそれぞれ所望の硬さにすることが困難となって転がり寿命が低下し、１．３wt％を越えると鋼材の溶製段階で巨大な炭化物を生成しやすくなって加工性が劣化するとともに耐破断性および転がり疲労寿命が低下するからである。
【００２５】
Ｓｉ含有量
Ｓｉは転がり寿命を改善する性質を有するが、含有量が０．３５wt％未満では転がり寿命改善効果が得られにくく、０．８wt％を越えると軟化熱処理後の硬さが高くなり、被削性や鍛造性を大幅に劣化させるからである。
【００２６】
Ｍｎ含有量
Ｍｎは脱酸剤として用いられるものであり、同時に焼入性および耐破断性を改善させる性質を有するが、含有量が０．３wt％未満であると溶製コストが高くなり、１．２wt％を越えると被削性が急激に低下するからである。
【００２７】
Ｃｒ含有量
Ｃｒは焼入性、耐破断性および転がり寿命を改善する性質を有するが、含有量が０．９wt％未満であると耐破断性および転がり寿命を改善する効果が得られず、１．５wt％を越えると大型の炭化物が生成して耐破断性および転がり寿命がかえって劣化するからである。
【００２８】
加熱温度
加熱温度が８００℃未満では外輪の内外両周面の硬さを所望の硬さにすることができず、８８０℃を越えると結晶粒の粗大化がすすむとともに、第２相である炭化物のマトリックス中への固溶が多くなりすぎて、必要とする転がり寿命および耐割損性を得ることができないからである。
【００２９】
加熱時間
加熱時間が１時間未満であると均熱不足に起因して熱処理不良になり、３時間を越えると熱処理コストが増大するからである。
【００３０】
外輪素材の内周面および外周面への焼入油の噴射圧力
外輪素材の内周面および外周面への焼入油の噴射圧力が下限値未満であると外輪の内周面および外周面の硬さを所定の硬さにすることができず、上限値を越えると内部の硬さが硬くなりすぎて４２HRCよりも大きくなるからである。なお、上記噴射圧力は、噴射ノズルの噴射口における圧力である。また、外輪素材の外周面に焼入油を噴射するノズルの噴射口は、外輪素材の外周面より１５０〜３００ｍｍ離れていることが好ましく、２００〜２５０ｍｍ離れていることが望ましい。
【００３１】
請求項３の発明によれば、外周面から深さ３ｍｍまでの部分の硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で５８〜６２となるるとともにこの深さ部分の硬さ勾配が外周面から内側に向かって１HRC／１mm以下となり、さらにこの深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となり、内周面から深さ１ｍｍまでの部分の硬さが６１〜６４HRCとなるとともにこの深さ部分の残留オーステナイト量が５〜１５vol％となる外輪を製造することができる。
【００３２】
そして、外輪素材を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入し、焼入油中において外輪素材の内周面に圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射するだけであるので、従来の浸炭や浸炭窒化処理を施す方法に比べて、コストが安くなる。
【００３３】
請求項４の発明による転がり軸受用外輪の製造方法は、請求項３の発明において、請求項２の転がり軸受の外輪を製造する方法であって、焼入油中への焼入時に、外輪素材の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分を、鋼材からなるリングで覆っておくことを特徴とするものである。
【００３４】
この場合、リングの厚さを適宜調節することにより、外輪素材の両端面におけるリングで覆われている部分の焼入後の硬さを調節することが可能になり、その結果リングに覆われていた部分の硬さを、焼入後の外輪の内外両周面の硬さよりも柔らかい４５〜５９HRCとすることができる。たとえば、リングの厚さを５ｍｍとした場合、焼入後の外輪の両端面におけるリングで覆われていた部分の硬さは、リングで覆われていない場合の表面から５ｍｍの深さの部分の硬さとなる。
【００３５】
【発明の実施形態】
以下、この発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３６】
多段式圧延機のバックアップロールとして用いられる転がり軸受の外輪を示す図１において、外輪(1)の外周面(2)から深さ３ｍｍまでの部分(3)の硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）で５８〜６２となされるとともに、この深さ部分(3)の硬さ勾配が外周面(2)から内側に向かって１HRC／１mm以下となされている。また、外輪(1)の内周面(4)から深さ１ｍｍまでの部分(5)の硬さが６１〜６４HRCとなされており、外輪(1)の内外両周面(4)(2)間の厚さ方向の中心部の硬さが３５〜４２HRCとなされている。なお、外輪(1)の厚さ方向の硬さ分布は、内外両周面(4)(2)から厚さ方向の中心部にかけて滑らかに変化している。また、外輪(1)の外周面(2)から深さ３ｍｍまでの部分(3)の残留オーステナイト量が５〜１８vol％となされ、外輪(1)の内周面(4)から深さ１ｍｍまでの部分(5)の残留オーステナイト量が５〜１５vol％となされている。
【００３７】
外輪(1)の両端面(6)における外周縁から幅３ｍｍの環状部分(7)および内周縁から幅１ｍｍの環状部分(8)を除いた部分の表面硬さが、４５〜５９HRCとなされている。
【００３８】
上述したような外輪(1)は、次に述べる方法により製造される。
【００３９】
まず、Ｃ０．８〜１．３wt％、Ｓｉ０．３５〜０．８wt％、Ｍｎ０．３〜１．２wt％、Ｃｒ０．９〜１．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて所定の形状の外輪素材(10)を形成する。ついで、外輪素材(10)を、８００〜８８０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入する。この焼入の前に、図２に示すように、外輪素材(10)の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分を、鋼材からなるリング(11)で覆っておき、両リング(11)を図示しないクリップで固定しておく。また、図３に示すように、焼入のさいに、焼入油中において外輪素材(10)の内周側における中心軸線上に軸線方向に伸びる第１の焼入油噴射ノズル(12)を１つ配置するとともに、外輪素材(10)の外周側における周方向に等間隔をおいた複数箇所にそれぞれ軸線方向に伸びる第２の焼入油噴射ノズル(13)を配置しておき、外輪素材(10)の内周面に第１焼入油噴射ノズル(12)により圧力０．２〜０．８kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく外周面に第２焼入油噴射ノズル(13)により圧力１．４〜２．１kg/cm２で焼入油を噴射する。
【００４０】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出してリング(11)を取り外し、焼戻し処理を施す。最後に、外輪素材(10)の内外両周面および両端面に所定の切削加工等を施す。こうして、外輪(1)が製造される。
【００４１】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【００４２】
Ｃ１．０２wt％、Ｓｉ０．５５wt％、Ｍｎ１．０１wt％、Ｐ０．０１５wt％、Ｓ０．００３wt％、Ｃｕ０．０９wt％、Ｎｉ０．０７wt％、Ｃｒ１．１０wt％およびＭｏ０．０２wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて、外径３００ｍｍ、内径２２０ｍｍ、長さ１７０ｍｍの円筒状外輪素材(10)を形成した。
【００４３】
ついで、外輪素材(10)を８６０℃で１００分間加熱した後、外輪素材(10)の両端面における外周縁から幅３ｍｍの環状部分および内周縁から幅１ｍｍの環状部分を除いた部分を、JIS Ｓ４５Ｃからなる厚さ５ｍｍのリング(11)で覆うとともに両リング(11)をクリップで固定した。ついで、外輪素材(10)をマスタークエンチＡからなる油温８０℃の焼入油中に浸漬して焼入れするとともに、焼入油中において第１焼入油噴射ノズル(12)により外輪素材(10)の内周面に圧力０．６kg/cm２で焼入油を噴射するとともに同じく第２焼入油噴射ノズル(13)により外周面に圧力１．９kg/cm２で焼入油を噴射した。なお、第２焼入油噴射ノズル(13)の数は８つである。焼入条件を表１に示す。
【００４４】
【表１】
0003959608.tif 000002
【００４５】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出してリング(11)を取り外し、２００℃で５時間加熱する焼戻し処理を施した。その後、外輪素材(10)の内外両周面および両端面に所定の切削加工および研削加工を施した。
【００４６】
こうして、製造された外輪(1)の長さ方向の中心における外周面(2)から内周面(3)までの硬さ分布を計測した。その結果、図４に示すように、外周面(2)の硬さは６１HRC、外周面(2)から深さ３ｍｍの部分(3)の硬さは５９HRC、外周面(2)から深さ３ｍｍまでの部分(3)の硬さ勾配が外周面(2)から内側に向かって２／３HRC／１mmとなっていた。また、内周面(4)の硬さは６２HRC、内周面(4)から深さ１ｍｍの部分(5)の硬さが６１HRC、厚さ方向の中心の硬さは３９HRCとなっていた。さらに、外周面(2)から深さ３ｍｍまでの部分(3)の残留オーステナイト量が１１vol％、内周面(4)から深さ１ｍｍまでの部分(5)の残留オーステナイト量が１３vol％となっていた。
【００４７】
さらに、上述したようにして製造された外輪(1)を利用して転がり軸受を組立て、外輪(1)がバックアップロールとなるように多段式圧延機に組込んだ場合、従来の外輪を用いた場合に点検や交換を要していた６ヶ月の使用後も、外輪(1)に割損や塑性変形は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による転がり軸受の外輪の半分を示す縦断面図である。
【図２】加熱した外輪素材にリングを取り付けた状態を示す縦断面図である。
【図３】焼入油中において外輪素材に焼入油を噴射するノズルの配置状態を示す図である。
【図４】具体的実施例において製造された外輪の硬さ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
(1)：外輪
(2)：外周面
(3)：外周面から深さ３ｍｍまでの部分
(4)：内周面
(5)：内周面から深さ１ｍｍまでの部分
(6)：端面
(7)：外周縁から幅３ｍｍの環状部分
(8)：内周縁から幅１ｍｍの環状部分
【図１】
0003959608.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003959608.tif 000005
【図４】
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