(57)【要約】【課題】鉄鋼産業用機械の圧延工程などといった軸受にとって劣悪・過酷な環境下でもその機能を長期に亘って維持できる新規な４列円錐ころ軸受の提供。【解決手段】内輪と外輪との間にその周方向に沿って４列のころ列を備えた４列円錐ころ軸受であって、少なくとも前記外輪および各円錐ころは、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．４〜１．４質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、Ｍｏ：０．５〜２．０質量％、残部Ｆｅと不可避的不純物からなる鋼材からなると共に、浸炭もしくは浸炭窒化処理を施された後に、表層部に、Ｃ：０．８〜１．２質量％、Ｎ：０．０１〜１．００質量％含まれている。これによって、優れた耐摩耗性、耐焼付き性などを発揮できるため、鉄鋼産業用機械の圧延工程などといった軸受にとって劣悪・過酷な環境下でもその機能を長期に亘って維持することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪との間にその周方向に沿って４列のころ列を備えた４列円錐ころ軸受であって、
少なくとも前記外輪および各円錐ころは、
Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．４〜１．４質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、Ｍｏ：０．５〜２．０質量％、残部Ｆｅと不可避的不純物からなる鋼材からなると共に、浸炭もしくは浸炭窒化処理を施された後に、表層部に、Ｃ：０．８〜１．２質量％、Ｎ：０．０１〜１．００質量％含まれていることを特徴とする４列円錐ころ軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の４列円錐ころ軸受において、
少なくとも前記外輪および各円錐ころは、焼入れ焼戻し処理により、鋼中の残留オーステナイト（γＲ）量が１９体積％以下であることを特徴とする４列円錐ころ軸受。
【請求項３】
請求項２に記載の４列円錐ころ軸受において、
前記焼戻し温度を２１０℃以上にすることを特徴とする４列円錐ころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に一般産業機械のうち、鉄鋼産業用機械の圧延工程で用いられる４列円錐ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から多くの産業機械などに適用される転がり軸受のうち、異物が混入しやすい環境下や、高面圧や繰り返し剪断応力がかりやすい過酷な環境下で使用される転がり軸受は、通常の転がり軸受よりもより優れた圧痕起点型剥離寿命や耐摩耗性、耐焼付き性などが要求される。
そのため、例えば以下の特許文献１では、転がり軸受が異物混入潤滑環境下で使用される際に問題となる剥離寿命に対し、耐圧痕性と疲労寿命を高めるために鋼材中の成分や残留オーステナイト量を調整し、軸受部材の硬さを所定の値に維持することで長寿命化を図るようにした技術が開示されている。
【０００３】
また、以下の特許文献２では、円錐ころ軸受の構成部材の外周面に、ＳｉおよびＭｎの微細な窒化物を面積比で１〜１０％析出させ、残留オーステナイト量を１０体積％とすることで高速および高温下で使用された場合の耐摩耗性および耐焼付き性を向上させることが可能な技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−２５６０９号公報
【特許文献２】特開２００７−１６２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、鉄鋼産業用機械の圧延工程で用いられる４列円錐ころ軸受などの転がり軸受は、重荷重・高速回転・高温・多湿・異物の噛み込みなどといった、先行技術で想定した環境下よりもさらに一層過酷な環境下で使用されている。
すなわち、このような過酷な環境下で使用される転がり軸受の場合、正常な潤滑状態を保つことが難しく、十分な潤滑油膜が形成されないことにより、金属間の接触が頻発し、摩耗が進行する。そして、摩耗の進行により、ころが軸方向に対して大きく傾き、スキュー滑りによりずれが発生し、このずれが大きくなると軌道輪の接触部に大きなエッジ応力が作用してさらに摩耗が進行し、それ以後は油膜が断絶するなどして焼付きに至ることがある。
そこで、本発明は前記のような従来技術が有する問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、鉄鋼産業用機械の圧延工程などといった軸受にとって劣悪・過酷な環境下でもその機能を長期に亘って維持することができる新規な４列円錐ころ軸受を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題解決するために第１の発明は、
内輪と外輪との間にその周方向に沿って４列のころ列を備えた４列円錐ころ軸受であって、少なくとも前記外輪および各円錐ころは、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．４〜１．４質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、Ｍｏ：０．５〜２．０質量％、残部Ｆｅと不可避的不純物からなる鋼材からなると共に、浸炭もしくは浸炭窒化処理を施された後に、表層部に、Ｃ：０．８〜１．２質量％、Ｎ：０．０１〜１．００質量％含まれていることを特徴とする４列円錐ころ軸受である。
【０００６】
また、第２の発明は、
第１の発明において、少なくとも前記外輪および各円錐ころは、焼入れ秋戻し処理により、鋼中の残留オーステナイト（γＲ）量が１９体積％以下であることを特徴とする４列円錐ころ軸受である。
また、第３の発明は、
第２の発明において、前記焼戻し温度を２１０℃以上にすることを特徴とする４列円錐ころ軸受である。
【０００７】
本発明の４列円錐ころ軸受はこのような構成をしたことから、優れた耐摩耗性、耐焼付き性などを発揮することができるため、鉄鋼産業用機械の圧延工程などといった軸受にとって劣悪・過酷な環境下でもその機能を長期に亘って維持することができる。
ここで、第１の発明において、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）の含有量を、Ｃ：０．１〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．４〜１．４質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、Ｍｏ：０．５〜２．０質量％と規定したのは、以下の理由による。
【０００８】
（Ｃ含有量）
炭素（Ｃ）は、鋼に必要な強度と寿命を得るために必要な元素であるが、これが少なすぎると十分な強度が得られないだけでなく、後述する浸炭もしくは浸炭窒化処理の際に、必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、熱処理コストの増大に繋がる。そのため、炭素含有量は０．１質量％以上、好ましくは０．６質量％以上とする。また、逆に炭素含有量が多すぎると、製鋼時に巨大炭化物が生成され、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えるため、上限を１．０２質量％とした。
【０００９】
（Ｓｉ含有量）
珪素（Ｓｉ）は、製鋼時に脱酸剤として必要であるばかりでなく、基地マルテンサイトを強化すると共に、焼戻し軟化抵抗性を高め、疲労寿命を延長するのに極めて有効な元素である。また、浸炭窒化層の諸特性を満足するための表面窒化濃度や残留オーステナイト量などをバランス良く確保するためには、無くてはならない必須元素である。その効果を十分に発揮させるためには、少なくとも０．１質量％以上、好ましくは０．２質量％以上が必要である。しかしながら、Ｓｉは含有量が多すぎると、被削性などを低下させるだけでなく、浸炭窒化処理特性が低下して十分な硬化層硬さや窒化拡散深さを確保できなくなる場合があるため、上限を０．１質量％以下とした。
【００１０】
（Ｍｎ含有量）
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様に、脱酸剤としての働きがある他、焼入れ性を向上させるために必要不可欠な元素でもある。その効果を発揮するには０．４質量％以上必要である。しかし、Ｍｎは含有量が多すぎると、被削性を低下させるばかりでなく、熱処理後においては、多量の残留オーステナイトが生成したりして却って耐摩耗性が低下して良好な性能が得られなくなる場合あるため、上限を１．４質量％以下とした。
【００１１】
（Ｃｒ含有量）
クロム（Ｃｒ）は、基地に固有して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性などを高めると共に、高硬度の微細な炭化物または炭窒化物を形成して軸受材料の硬さや熱処理時の結晶粒粗大かを防止して軸受寿命を高める作用がある。その効果を出すためには少なくとも０．５質量％以上、好ましくは１．３質量％以上であるが、２．０質量％を超えると、製鋼過程で巨大炭化物が生成して、その後の焼入れ特性に悪影響を与えたり、被削性が低下するため、その上限は、２．０質量％以下、好ましくは、１．６質量％以下とした。
【００１２】
（Ｍｏ含有量）
モリブデン（Ｍｏ）は、炭化物形成促進元素であり、析出炭化物の粒子の大きさを微細化する効果がある。その効果を発揮させるためには、少なくとも０．５質量％以上とした。
Ｍｏ添加による炭化物（炭窒化物を含む）微細効果は、その炭化物組成がＭ３Ｃのセメンタイト系の炭化物からＭ２３Ｃ６系の合金炭化物に変化したことによるものである。セメンタイト系炭化物の硬さがＨｖ１０００〜１５００程度であるのに対し、Ｍ２３Ｃ６系の合金炭化物は、Ｈｖ１３００〜１８００であるため、析出炭化物粒子の微細効果と相まって耐摩耗性の向上に寄与する。より好ましくは、０．８質量％以上とする。一方で、Ｍｏの大量添加は、製鋼の溶解時にＭｏＣなどの未溶解巨大析出物が出現し、耐摩耗性を低下させるおそれがあるため、上限を２．０質量％以下とした。
【００１３】
（残部Ｆｅと不可避的不純物）
その他、バナジウム（Ｖ）などの炭化物形成促進元素もＣｒと同様の作用・効果が得られるので、素材費や加工性低下によるコストアップが生じない範囲で０．２質量％程度添加しても良い。損他山部は実質的にＦｅとする。
また、浸炭もしくは浸炭窒化処理を施された後の表層部の窒素の濃度を「Ｎ：０．０１〜１．００質量％」と規定したのは、以下の理由による。
窒素（Ｎ）は、炭素と同じようにマルテンサイトの固溶強化および残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物または炭窒化物を形成して摩擦・摩耗特性を著しく高める作用がある。その効果を十分に発揮させるためには、少なくとも０．０１質量％以上、好ましくは０．２質量％以上が必要である。ただし、必要以上に添加されると、地下物または炭窒化物の析出量が増大して十分な残留オーステナイト量が確保できなくなたり、焼入れ性の低下により、十分な硬度が得られないなど、十分な耐疲労性が得られない場合があるため、上限を１．０質量％以下とした。
【００１４】
また、第２の発明において、鋼中の残留オーステナイト（γＲ）量を「０．１〜１９体積％」と規定したのは、以下の理由による。
残留オーステナイト量は、通常は柔らかく粘りのある組織である。鋼中に存在すると転がり軸受などのような繰り返し応力を受けた際のエネルギーがマルテンサイト変態に利用され応力緩和に効果的であり、フレーキング破損など転がり寿命の超寿命化に効果的な組織である。大量の残留オーステナイトの存在は却って硬さの低下を招いてしまい、耐疲労特性や耐摩耗性の低下を招く。従って、鋼中の残留オーステナイト量は１９体積％以下、好ましくは１０体積％以下とする。特に摩耗損傷が問題となる場合には、より好ましくは５体積％以下とする。
また、第３の発明において、焼戻し温度を２１０℃以上と規定したのは、図３に示すように鋼中の残留オーステナイト量は、この焼戻し温度に影響されるからであり、鋼中の残留オーステナイト量を１９体積％以下にするには、図からもわかるようにこの焼戻し温度を２１０℃以上にする必要があるからである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、優れた耐摩耗性、耐焼付き性などを発揮することができるため、鉄鋼産業用機械の圧延工程などといった軸受にとって劣悪・過酷な環境下でもその機能を長期に亘って維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明に係る４列円錐ころ軸受１００の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る４列円錐ころ軸受１００の構成を示す部分断面図である。
図示するように、この４列円錐ころ軸受１００は、内輪１０と外輪２０との間に、円錐台形状のころ３０をその周方向に沿って複数、保持器４０によって等間隔かつ回転自在に配設すると共に、さらに、このころ列５０をその幅方向に沿って４つ配列した構造となっている。
【００１７】
そして、例えばこの内輪１０に図示しない軸を取り付けるとともに、外輪２０を図示しないハウジングなどに取り付けた状態で各円錐ころ３０を内輪１０および外輪２０の各軌道面に沿って転動させることで前記軸のラジアル荷重とアキシアル荷重とを同時に負担できるようになっている。
そして、この４列円錐ころ軸受１００を構成する軸受部材、すなわち内輪１０、外輪２０、円錐ころ３０、保持器４０のうち少なくとも外輪２０、円錐ころ３０の１つがＣ：０．１〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．４〜１．４質量％、Ｃｒ：０．５〜２．０質量％、Ｍｏ：０．５〜２．０質量％、残部Ｆｅと不可避的不純物からなる鋼材からなると共に、浸炭もしくは浸炭窒化処理を施された後に、表層部に、Ｃ：０．８〜１．２質量％、Ｎ：０．０１〜１．００質量％含まれている。
【００１８】
また、さらに、少なくとも前記外輪２０および各円錐ころ３０は、焼入れ焼戻し処理により、鋼中の残留オーステナイト（γＲ）量が１９体積％以下となっている。
そして、このような構成をした本発明の４列円錐ころ軸受１００にあっては、以下の実施例からもわかるように、優れた耐摩耗性、耐焼付き性などを発揮することができるため、鉄鋼産業用機械の圧延工程などといった軸受にとって劣悪・過酷な環境下でもその機能を長期に亘って維持することができる。
【実施例】
【００１９】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
以下の表１に示すような合金元素を含む鋼材を用い、以下に示す熱処理（浸炭、浸炭窒化、焼戻し）を施してから図１に示したような、内輪１０と外輪２０およびその間に介在する円錐ころ３０および保持器４０とからなる構成をした１０種類の円錐ころ軸受（ＨＲ３２０１７ＸＪ）を作製した（実施例１〜５、比較例１〜５）。その後、これら各サンプルの寿命を確認すべく以下に示すような耐久試験を行い、その結果を表１の右欄に示す。
１．熱処理方法
【００２０】
（浸炭処理）
エンリッチガス雰囲気下で８２０〜９２０℃に１．０〜２４．０時間保持した後、放冷、その後にＲｘガス雰囲気で８２０〜８５０℃に０．５〜１．０時間保持し、６０〜８０℃の油焼入れ。
（浸炭窒化処理）
Ｒｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気中で８２０〜９２０℃に１．０〜２４．０時間保持した後、放冷、その後にＲｘガス雰囲気で８２０〜８５０℃に０．５〜１．０時間保持し、６０〜８０℃の油焼入れ。
【００２１】
（焼戻し処理）
上記のいずれかの処理を施した後に、連続して２００〜３００℃に２．０時間保持し、放冷。
２．耐久試験
・荷重（Ｐ／Ｃ）：０．４０
・回転数：２０００ｒｐｍ
・潤滑油：リチウム石鹸グリース
・耐久時間：耐久試験時間は、各サンプルをそれぞれｎ＝１０試験し、摩耗が発生した時点までの累積時間とした。摩耗による寿命到達の判定は、軸受の振動値が初期振動に対し、２倍となった時点で走行面を金属顕微鏡により外観観察、調査した。試験結果からワイブルロットを作成し、各ワイブル分布の結果から各々のＬ１０寿命を求め、比較例１に対しての相対比でその効果を確認した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
この結果、本発明に係る実施例１〜５の寿命比は、比較例１の約２倍以上と優れた寿命（耐摩耗性）を発揮した。
これに対し、鋼材のＭｏ含有量が少ない比較例１（０．１３質量％）は、耐摩耗性向上に十分な効果が得られなかった。
また、鋼材のＣｒ含有量が少ない比較例２（０．２２質量％）、および鋼材のＣ含有量が少なく（０．０５質量％）かつ熱処理後のＣ濃度が不足している比較例３（０．６６質量％）も同じく耐摩耗性向上に十分な効果が得られなかった。
【００２４】
さらに、熱処理時に窒化が行われていない比較例４，および熱処理後の残留オーステナイト量が多い比較例５（４０体積％）も同じく耐摩耗性向上に十分な効果が得られなかった。特に、Ｃ含有量とＣ濃度が不足している比較例３は、耐摩耗性が極端に低かった。
また、図３に示すように、鋼中の残留オーステナイト（γＲ）量を１９体積％以下にするには焼戻し温度を２１０℃以下にする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る４列円錐ころ軸受１００の実施の一形態を示す部分断面図である。
【図２】本実施例で作成した円錐ころ軸受ＨＲ３２０１７ＸＪを示す断面図である。
【図３】焼戻し温度と残留オーステナイト量の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２６】
１００…４列円錐ころ軸受
１０…内輪
２０…外輪
３０…円錐ころ
４０…保持器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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