JP2005299838A

JP2005299838A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005299838A
Application number: JP2004118578A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yagi; 隆司八木; Yukihiro Takeda; 幸浩竹田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】発錆や腐食を引き起こしやすい液体が軸受内部に浸入しやすい環境で用いられても、腐食摩耗に起因する表面剥離等の損傷が生じにくい転がり軸受を提供することである。
【解決手段】内輪１、外輪２および各ころ３の表面に、炭素含有量が０．８０質量％以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の浸炭窒化層を形成し、さらに、内外輪１、２の軌道面１ａ、２ａところ３の転動面３ａとに、表面粗さがＲａ０．５〜１．０μｍの燐酸マンガン塩皮膜を形成することにより、防錆効果を有する燐酸マンガン塩皮膜の密着強度を十分に確保して、内外輪１、２の軌道面１ａ、２ａやころ３の転動面３ａの腐食摩耗を防止するとともに、応力集中による表面剥離等の損傷の発生も防止できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受に関し、特に、発錆や腐食を引き起こしやすい液体が軸受内部に浸入しやすい環境で用いられる転がり軸受に関する。

製鉄所の圧延設備等に使用される軸受のように、圧延水やロール冷却水が軸受内部に浸入しやすい環境で用いられる転がり軸受には、内外輪や転動体の表面に残留オーステナイトを有する浸炭窒化層を形成し、さらにその表面に防錆効果のある燐酸塩皮膜を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。燐酸塩皮膜は、転動接触面間での油膜形成能力を向上させて、軸受の潤滑性を高める効果もある。

特許文献１に記載されたものでは、浸炭窒化層の炭素含有量を０．８０質量％以上とし、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上として、転動疲労寿命を確保するとともに、残留オーステナイト量を２５〜３５体積％として、浸炭窒化層に適度の靭性を付与し、圧延水等に混入する異物の噛み込みに伴う応力発生を緩衝させるようにしている。

また、圧延水等が軸受内部に浸入するなど、潤滑条件が悪い環境下で使用される転がり軸受では、転動体の保持器に自己潤滑性を有する銅系素材が多く使用されている。

特開平１１−２９０９１８号公報（第２−３頁）

近年、鉄鋼の厚板圧延設備では、圧延材の材質改善や圧延効率の向上を目的として、１パス当たりの圧下率を大きくする大圧下圧延技術が採用され、これに伴って、圧延潤滑性を高めるために、圧延水に油分や極圧材等の添加剤が添加されるようになってきている。このような添加剤には腐食性を有するものがあり、この腐食性添加剤の軸受内部への浸入によって、内外輪や転動体の腐食摩耗が進行しやすくなっている。

また、従来の保持器に使用されている銅系素材は、内外輪や転動体に使用される鋼素材よりも電気的に貴な金属であるので、内外輪や転動体の腐食摩耗を加速する。さらに、厚板圧延設備のフィードロールを支持する軸受等に用いられる自動調心ころ軸受は、正逆回転や衝撃荷重を受けるような使用条件下で使用され、かつ、転動面を太鼓状とされたころが滑りを伴って内外輪の軌道面を転動するので摩耗粉を生じやすく、この摩耗粉が発錆の核となって腐食摩耗を増進する。このため、このような腐食摩耗に起因する偏摩耗で内外輪の軌道面や転動体の転動面に応力集中が生じ、この応力集中によって発生する表面剥離等の損傷で軸受寿命が短くなっている問題がある。

そこで、本発明の課題は、発錆や腐食を引き起こしやすい液体が軸受内部に浸入しやすい環境で用いられても、腐食摩耗に起因する表面剥離等の損傷が生じにくい転がり軸受を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、内外輪の軌道面間に複数の転動体を保持器に保持し、これらの内外輪および転動体の表面に、炭素含有量が０．８０質量％以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の浸炭窒化層を形成し、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上として、前記内外輪の軌道面と転動体の転動面とに燐酸塩皮膜を形成した転がり軸受において、前記燐酸塩皮膜の表面粗さを、Ｒａで０．５〜１．０μｍとした構成を採用した。

前記燐酸塩皮膜の表面粗さをＲａで０．５〜１．０μｍとしたのは、以下の理由による。燐酸塩皮膜は母材を侵食させながら皮膜を形成するものであり、その表面粗さは母材の表面粗さとほぼ比例して粗くなる。皮膜の密着強度を高めるためには、皮膜の表面粗さ、つまり母材の表面粗さを粗くする方がよいが、母材の表面粗さを粗くし過ぎると、母材の疲労寿命が短くなる。このため、皮膜の密着強度を十分に確保するために、皮膜の表面粗さをＲａ０．５μｍ以上とし、母材の疲労寿命を確保するために、皮膜の表面粗さをＲａ１．０μｍ以下とした。

すなわち、防錆効果を有する燐酸塩皮膜の密着強度を十分に確保して、内外輪の軌道面や転動体の転動面の腐食摩耗を防止するとともに、高い靭性と加工硬化特性を有する残留オーステナイトを浸炭窒化層に適度な量だけ形成して、応力集中による表面剥離等の損傷の発生を防止できるようにした。なお、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％としたのは、残留オーステナイト量が２５体積％未満では靭性が不足し、３５体積％を超えると、硬度が低下し過ぎて塑性変形による表面粗さの劣化を招くからである。

前記燐酸塩皮膜としては、燐酸マンガン塩皮膜を採用することができる。

前記保持器を鋼製のものとし、その表面に燐酸塩皮膜を形成することにより、鋼製の内外輪や転動体と保持器とのイオン化傾向の差をなくすとともに、初期のなじみ時に発生する摩耗粉を発錆の核とならない燐酸塩化合物として、内外輪や転動体の腐食摩耗の進行を抑制することができる。

前記転がり軸受は自動調心ころ軸受に好適である。すなわち、自動調心ころ軸受は、一方向からのアキシアル荷重が大きくなると、反負荷側のころが遊んで滑りを生じるようになる。そこで、内外輪の軌道面やころの転動面に燐酸塩皮膜を形成することにより、ころの滑りに伴うスミアリングの発生も防止することができる。

本発明の転がり軸受は、十分な表面硬さと適度な残留オーステナイト量を有する浸炭窒化層を形成した内外輪の軌道面と転動体の転動面とに燐酸塩皮膜を形成し、この燐酸塩皮膜の表面粗さをＲａで０．５〜１．０μｍとしたので、防錆効果を有する燐酸塩皮膜の密着強度を十分に確保して、内外輪の軌道面や転動体の転動面の腐食摩耗を防止でき、かつ、応力集中による表面剥離等の損傷の発生も防止することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。この転がり軸受は、鉄鋼厚板圧延設備のフィードロールの支持に用いられる自動調心ころ軸受であり、図１に示すように、内輪１と外輪２の軌道面１ａ、２ａ間に、太鼓状の転動面３ａを有する複数のころ３が保持器４の両側に２列で保持されている。

前記内輪１、外輪２および各ころ３は、いずれも浸炭鋼ＳＮＣＭ４２０を素材とし、その表面に、炭素含有量が０．８０質量％以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の浸炭窒化層を形成して、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたものであり、内輪１と外輪２の軌道面１ａ、２ａところ３の転動面３ａには、燐酸マンガン塩皮膜が形成されている。これらの燐酸マンガン塩皮膜は、いずれも皮膜厚さが５〜１０μｍ、表面粗さがＲａで０．５〜１．０μｍとされている。また、保持器４は、構造用炭素鋼Ｓ３０Ｃを素材とし、その表面にマンガン系の燐酸塩皮膜を形成したものであり、燐酸塩皮膜の皮膜厚さは２〜１０μｍとされている。この燐酸塩皮膜は亜鉛系のものとしてもよい。

表１に示すように、実施例として、浸炭鋼ＳＮＣＭ４２０素材の表面に、炭素含有量が０．８０質量％以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の浸炭窒化層を形成し、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成した円筒ころを用意した（実施例Ａ、Ｂ、Ｃ）。また、比較例として、同様に浸炭鋼ＳＮＣＭ４２０素材の表面に浸炭窒化層を形成し、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成しない円筒ころ（比較例Ａ、Ｅ）と、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％の範囲外として、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成した円筒ころ（比較例Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ）とを用意した。なお、実施例と比較例の円筒ころの表面硬さは、いずれもロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした。

上記実施例と比較例の各円筒ころを用いて、清浄な潤滑油を給油する条件下で転動させる清浄環境下転動疲労試験と、清浄環境下で所定時間の予備転動試験をした円筒ころを、腐食性液体に浸漬した後さらに転動させる腐食環境下転動疲労試験とを行った。それぞれの転動疲労試験における転動疲労寿命はＬ１０寿命（サンプルの１０％に表面剥離が発生するまでの負荷回数）で評価した。なお、各円筒ころの寸法は、直径１２ｍｍ、長さ１２ｍｍとした。

前記各円筒ころの転動試験は、同じ実施例または比較例の２本の円筒ころを一組として、所定の接触面圧と負荷速度で線接触させる方法で行った。試験条件は以下の通りである。
・最大接触面圧：４．２ＧＰａ
・負荷速度：２０４００回／分
・潤滑油：タービン油ＶＧ６８を強制循環給油
また、腐食環境下転動疲命試験における予備転動試験は１００時間とし、腐食性液体としては０．１％食塩水を用いた。各円筒ころは、この食塩水に４０℃で３時間浸漬した後に、本番の転動疲労試験に供するようにした。

上記各転動疲労試験の結果を表１に併せて示す。いずれの転動疲労試験においても、転動疲労寿命は、浸炭窒化層の残留オーステナイト量が２３体積％で、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成しない比較例ＡのＬ１０寿命を基準値１．０とする寿命比で表示した。

まず、清浄な潤滑油を給油する通常の清浄環境下転動疲労試験では、浸炭窒化層の残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の範囲外で、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成した比較例Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆの円筒ころは、寿命比が著しく低下している。また、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成せずに、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２８体積％とした比較例Ｅの円筒ころは、寿命比が著しく向上している。これに対して、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を２５〜３５体積％とした各実施例Ａ、Ｂ、Ｃの円筒ころは、転動面に燐酸マンガン塩皮膜を形成しているにも拘わらず、比較例Ａのものとほぼ同等のＬ１０寿命を有している。

つぎに、腐食環境下転動疲労試験では、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を３７体積％とした比較例Ｆの円筒ころは寿命比が向上しているが、その他の比較例の円筒ころは寿命比が向上していない。なお、比較例Ｆのものは、上述したように、清浄環境下転動疲労試験での寿命比の低下が著しい。これに対して、清浄環境下転動疲労試験でのＬ１０寿命が比較例Ａのものと同等であった各実施例の円筒ころは、いずれも腐食環境下転動疲労試験での寿命比も向上しており、特に、燐酸マンガン塩皮膜の表面粗さをＲａ０．５〜１．０μｍの範囲とした実施例Ｂ、Ｃのものは、これらの寿命比が３倍以上に向上している。

表２に示すように、実施例として、図１に示したような自動調心ころ軸受で、内外輪および各ころの表面に、炭素含有量が０．８０質量％以上で、残留オーステナイト量が２８体積％の浸炭窒化層を形成して、内外輪の軌道面ところの転動面に、表面粗さがＲａで０．７μｍの燐酸マンガン塩皮膜を形成し、保持器の素材を構造用炭素鋼Ｓ３０Ｃとしたものを用意した（実施例Ｌ）。さらに保持器の表面に燐酸マンガン塩皮膜を形成したものも用意した（実施例Ｍ）。また、比較例として、同様の自動調心ころ軸受で、内外輪およびころの表面に残留オーステナイト量が１０体積％の浸炭窒化層を形成し、保持器を銅系素材のＣＡＣ３０１としたもの（比較例Ｌ）も用意した。なお、各実施例と比較例の自動調心ころ軸受の内外輪およびころの表面硬さは、いずれもロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした。各実施例と比較例の軸受寸法は、外径４００ｍｍ、内径２４０ｍｍ、幅１６０ｍｍである。

上記各実施例と比較例の自動調心ころ軸受について、鉄鋼厚板圧延設備で使用される圧延水を多量にかけ、雰囲気温度を８０〜１００℃とした環境下での軸受寿命試験を行った。試験条件は以下の通りである。
・軸受回転速度：１３０ｒｐｍ
・軸受荷重：１５０ｋＮ（ラジアル荷重）

上記軸受寿命試験の結果を表２に併せて示す。軸受寿命は比較例ＬのＬ１０寿命を基準値１．０とする寿命比で表示した。この試験結果から分かるように、各実施例のＬ１０寿命は著しく延長され、保持器の表面に燐酸マンガン塩皮膜を形成した実施例Ｍは寿命比が４倍、保持器の表面に燐酸マンガン塩皮膜を形成しない実施例Ｌでも寿命比が３倍に延長されている。

上述した実施形態では、転がり軸受を自動調心ころ軸受としたが、本発明に係る転がり軸受は、玉軸受や他のころ軸受にも採用することができる。また、上述した実施形態では、内外輪の軌道面ところの転動面のみに燐酸塩皮膜としての燐酸マンガン塩皮膜を形成したが、内外輪ところの全表面に燐酸マンガン塩皮膜を形成してもよく、他の種類の燐酸塩皮膜を形成してもよい。

転がり軸受の実施形態を示す縦断面図

符号の説明

１内輪
２外輪
１ａ、２ａ軌道面
３ころ
３ａ転動面
４保持器

Claims

内外輪の軌道面間に複数の転動体を保持器に保持し、これらの内外輪および転動体の表面に、炭素含有量が０．８０質量％以上で、残留オーステナイト量が２５〜３５体積％の浸炭窒化層を形成し、その表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上として、前記内外輪の軌道面と転動体の転動面とに燐酸塩皮膜を形成した転がり軸受において、前記燐酸塩皮膜の表面粗さを、Ｒａで０．５〜１．０μｍとしたことを特徴とする転がり軸受。
前記燐酸塩皮膜を燐酸マンガン塩皮膜とした請求項１に記載の転がり軸受。
前記保持器を鋼製のものとし、その表面に燐酸塩皮膜を形成した請求項１または２に記載の転がり軸受。
前記転がり軸受が自動調心ころ軸受である請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受。