JP2011169398A

JP2011169398A - 自動調心ころ軸受

Info

Publication number: JP2011169398A
Application number: JP2010033681A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sato; 努佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】連続鋳造機のガイドロール用軸受等のように、高荷重、低速回転であって、冷却水が内部に混入し易い環境で使用した場合でも、軌道面や転動面に摩耗や剥離が生じにくい自動調心ころ軸受を提供する。
【解決手段】自動調心ころ軸受のころ３の転動面に、ヤング率が１５０ＧＰａ以上２２０ＧＰａ以下であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成する。このＤＬＣ膜の表面に存在する、直径が１０μｍ以上で深さが１μｍ以上の凹状欠陥を、面積率で０．１％以下にする。
【選択図】図１

Description

この発明は、鉄鋼製造設備用軸受として好適な自動調心ころ軸受に関する。

鉄鋼製造設備用軸受としては、連続鋳造機を構成するガイドロール用軸受や、圧延機のバックアップロール用軸受が挙げられる。これらの軸受は、冷却水や異物が軸受内部に入り易いことから、潤滑膜が破壊され易い環境下にある。
連続鋳造機のガイドロール用軸受としては、通常、自動調心ころ軸受が使用されているが、使用条件が高荷重、低速回転であることから、ころと軌道輪の間に生じる差動すべりが大きくなる。自動調心ころ軸受の差動すべりでは、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（以下、「二山摩耗」と称する。）が生じる。

これに伴い、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、前記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点がある。
下記の非特許文献１には、上述の問題点を解決するために、連続鋳造機用軸受として、自動調心ころ軸受に代えて調心輪付き円筒ころ軸受を使用することが記載されている。

また、下記の特許文献１には、外輪の外周面が球面状に形成されていて、この外輪の外周面が、凹球面状の内周面を有する調心輪に嵌合されている調心ころ軸受装置が記載されている。この調心ころ軸受装置の外輪の外周面および調心輪の内周面のうち、少なくともいずれか一方に硬質皮膜（ダイヤモンドライクカーボン膜、炭窒化ホウ素膜など）を形成することで、調心面の焼き付きを防止することが記載されている。

特開２００５−３３７３１０号公報

保坂亮平、安田典嗣、「鉄鋼設備用軸受の技術動向」、JTEKT Engineering Journal No.1004(2007), p41-47

この発明の課題は、連続鋳造機のガイドロール用軸受等のように、高荷重、低速回転であって、冷却水が内部に混入し易い環境で使用した場合でも、軌道面や転動面に摩耗や剥離が生じにくい自動調心ころ軸受を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の自動調心ころ軸受は、内輪、外輪、およびころを備えた自動調心ころ軸受であって、前記内輪および外輪は鉄鋼材料からなり、その軌道面にＤＬＣ膜が形成されず、前記ころは鉄鋼材料からなり、その転動面に、前記ころの転動面に、ヤング率が１５０ＧＰａ以上２２０ＧＰａ以下であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜が形成され、前記ＤＬＣ膜の表面に存在する、直径が１０μｍ以上で深さが１μｍ以上の凹状欠陥が、面積率で０．１％以下であることを特徴とする。

ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜とは、炭素（Ｃ）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膜である。
この発明の自動調心ころ軸受によれば、ころの転動面に形成されているＤＬＣ膜のヤング率が１５０ＧＰａ以上２２０ＧＰａ以下であるため、使用条件が高荷重、低速回転である連続鋳造機用軸受として使用した場合でも、軌道輪の軌道面およびころの転動面に摩耗が生じにくく、軌道輪の軌道面に剥離が生じにくい。

具体的には、ヤング率が前記範囲であるＤＬＣ膜がころの転動面に形成されていることで、潤滑膜が破壊されて、ころと軌道輪が接触しても凝着が生じにくいため、摩耗の進行を抑えることができる。また、軌道面に二山摩耗が生じた場合でも、ヤング率が前記範囲であるＤＬＣ膜の存在により、ころと軌道輪との接触面積が大きくなるため、軌道面の剥離やころのＤＬＣ膜の剥離が生じにくい。

さらに、ＤＬＣ膜が形成された転動面は、鉄鋼材料からなりＤＬＣ膜が形成されていない軌道面より硬いことから、両者の接触の際に、軌道面の二山摩耗の頂点部が優先的に摩耗するため、二山摩耗の進行が抑えられる。
ころの転動面に形成されているＤＬＣ膜のヤング率が１５０ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ膜の硬さが不十分なため、前述の作用が得られない。ころの転動面に形成されているＤＬＣ膜のヤング率が２２０ＧＰａを超えると、軌道輪の軌道面に生じた二山摩耗の頂点部とＤＬＣ膜との接触面圧の増大により、ＤＬＣ膜が転動面から剥離したり、軌道面に剥離が生じたりする恐れがある。

この発明の自動調心ころ軸受によれば、ころの転動面に形成されているＤＬＣ膜の表面に存在する、直径が１０μｍ以上で深さが１μｍ以上の凹状欠陥が、面積率で０．１％以下であるため、冷却水が軸受内部に入った場合でもＤＬＣ膜の剥離が防止できる。このような凹状欠陥の存在率が面積率で０．１％を超えると、軸受内部に入った水分（水蒸気や潤滑剤に混入した水）がＤＬＣ膜の内部に浸透してＤＬＣ膜が剥離し易くなる。

前記ＤＬＣ膜と鉄鋼材料からなる下地面（ころの転動面）との間に、下地側から、クロム（Ｃｒ）からなる層、シリコン（Ｓｉ）とクロム（Ｃｒ）からなる層、シリコン（Ｓｉ）からなる層、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）からなる層が、この順に形成されていると、ＤＬＣ膜と鉄鋼材料からなる下地面との密着性が高くなるため好ましい。
前記ＤＬＣ層は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等のように、水素、アルゴン、または窒素を気体の状態で供給可能な成膜法により形成することができるが、特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」と略称する。）法により形成することが好ましい。

ＵＢＭＳ法は、非平衡な磁場分布を有するマグネトロンカソードを使用することにより、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング法）と比較して基板（被成膜面）の近傍でのプラズマ密度を高くすることができるため、成膜時の基板温度を低くすることができる。また、基板に負の電力を印加して行うバイアススパッタリングにより、硬いＤＬＣ層が形成できるという利点もある。

この発明の自動調心ころ軸受によれば、連続鋳造機のガイドロール用軸受等のように、高荷重、低速回転であって、冷却水が内部に混入し易い環境で使用した場合でも、軌道面や転動面に摩耗や剥離が生じにくいという効果が得られる。

この発明の実施形態に相当する自動調心ころ軸受を示す断面図である。実施例で使用した試験装置を示す概略構成図である。

以下、この発明の実施形態について説明する。
この実施形態の自動調心ころ軸受は、図１に示すように、内輪１、外輪２、ころ３、案内輪４、および保持器５で構成され、内部にグリース６が充填されている。内輪１は、２列の内輪軌道面１１を有し、外輪２は球面状の外輪軌道面２１を有する。
ころ３の球面状の転動面３１に、ヤング率が１５０ＧＰａ以上２２０ＧＰａ以下であるＤＬＣ膜が形成されている。このＤＬＣ膜の表面に存在する、直径が１０μｍ以上で深さが１μｍ以上の凹状欠陥は、面積率で０．１％以下となっている。

図１の構造を有する自動調心ころ軸受として、呼び番号２２２１０の自動調心ころ軸受を以下の方法で作製した。
内輪１、外輪２、および案内輪４は、ＳＵＪ２からなる素材を通常の方法で加工した後、通常の熱処理をして得た。保持器５は、鋼板を打抜き加工することにより得た。ころ３は、ＳＵＪ２からなる素材を通常の方法で加工し、通常の熱処理をした後に、（株）神戸製鋼所のＵＢＭＳ装置「５０４」を使用して、転動面に下記の５層構造の膜を形成することで得た。

この５層構造の膜は、下地側から順に、１５０ｎｍのクロム（Ｃｒ）からなる層、１５０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）とクロム（Ｃｒ）からなる層、３００ｎｍのシリコン（Ｓｉ）からなる層、３００ｎｍのシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）からなる層、および１００〜９２０ｎｍのＤＬＣ層である。
なお、５層構造の膜を形成する際に、ＤＬＣ層のヤング率および表面の凹状欠陥の存在率が異なる９種類のサンプルを得るために、ＤＬＣ層の成膜条件のうちバイアス電圧を変えるとともに、処理時間を変えて膜厚を変化させた。これにより、サンプルNo. １〜９のころを得た。

各ころに形成されたＤＬＣ層のヤング率と表面の凹状欠陥の存在率を測定したところ、表１に示す値であった。ヤング率はエリオニクス社の微小硬度計を使用し、押し込み荷重５０ｍＮで測定した。表面の凹状欠陥の存在率はレーザー干渉計を用いて測定した。
このようにして異なるＤＬＣ層が形成されたNo. １〜９のころ３を用い、ころ３のみが異なるサンプルNo. １〜９の自動調心ころ軸受を組み立て、連続鋳造機の軸受環境を模した試験装置にかけて耐摩耗性を調べた。

使用した試験装置を図２に示す。この試験装置は、モータ７１、ギアボックス７２、駆動ロール７３、従動ロール７４を有する。駆動ロール７３の上側に従動ロール７４が配置されている。ギアボックス７２はモータ７１により駆動する。ギアボックス７２が駆動ロール７３の入力側の回転軸７３ａに接続されている。駆動ロール７３および従動ロール７４の両端の回転軸７３ａ，７４ａとハウジング７５との間に、同じNo. の試験軸受（自動調心ころ軸受）７６を配置する。

従動ロール７４の両ハウジング７５の上部がアーム７７で結合され、このアーム７７の上からラジアル荷重Ｐが付与される。モータ７１とギヤボックス７２を除いた部分がチャンバ−７８内に配置されている。チャンバー７８の上部に水蒸気の導入口７８ａが形成され、下部に水蒸気の排出口７８ｂが形成されている。
試験は、各試験軸受７６に１５．５ｇのグリースを封入し、１個の試験軸受７６に付与されるラジアル荷重が２７９００Ｎ（Ｆ／Ｃ_0r＝０．３）となるように、アーム７７にラジアル荷重Ｐをかけ、チャンバー７８内が１００℃の水蒸気雰囲気となるように水蒸気をチャンバー７８内に供給し、駆動ロール７３を速度６ｒｐｍで７５０時間回転することで行った。

試験後に、試験軸受７６を分解して洗浄、乾燥した後に外輪２の質量を測定し、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。４つの試験軸受７６の摩耗量算出値を平均した値を各サンプル軸受の外輪の摩耗量とし、No. １の軸受の摩耗量を１とした相対値を算出した。その値を表１に併せて示す。

表１から分かるように、No. ２〜４、６、８の軸受では、ころ３のＤＬＣ膜のヤング率１５０〜２２０ＧＰａと、ＤＬＣ膜表面の凹部欠陥の存在率０．１％以下の両方を満たすため、これらのいずれもを満たさないNo. １の軸受と比較して、外輪軌道面２１の摩耗量を著しく低減することができた。
これに対し、No. １、５、７、９の軸受では、ころ３のＤＬＣ膜のヤング率１５０〜２２０ＧＰａと、ＤＬＣ膜表面の凹部欠陥の存在率０．１％以下のいずれかまたは両方を満たさないため、外輪軌道面２１の摩耗量が、両方を満たすNo. ２〜４、６、８の５〜６倍程度になっていた。

１内輪
２外輪
３ころ
４案内輪
５保持器
６グリース
７１モータ
７２ギアボックス
７３駆動ロール
７３ａ回転軸
７４従動ロール
７４ａ回転軸
７５ハウジング
７６試験軸受（自動調心ころ軸受）
７７アーム
７８チャンバ−
７８ａ水蒸気の導入口
７８ｂ水蒸気の排出口

Claims

内輪、外輪、およびころを備えた自動調心ころ軸受であって、
前記内輪および外輪は鉄鋼材料からなり、その軌道面にＤＬＣ膜が形成されず、
前記ころは鉄鋼材料からなり、その転動面に、ヤング率が１５０ＧＰａ以上２２０ＧＰａ以下であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜が形成され、前記ＤＬＣ膜の表面に存在する、直径が１０μｍ以上で深さが１μｍ以上の凹状欠陥が、面積率で０．１％以下であることを特徴とする自動調心ころ軸受。
前記ＤＬＣ膜と鉄鋼材料からなる下地面との間に、下地側から、クロム（Ｃｒ）からなる層と、シリコン（Ｓｉ）とクロム（Ｃｒ）からなる層、シリコン（Ｓｉ）からなる層、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）からなる層が、この順に形成されている請求項１記載の自動調心ころ軸受。