JP3806261B2 - 圧延設備のロール支持用複列ころ軸受 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属板を圧延する圧延設備において、作業ロールや補強ロール等を回転自在に支持するロール支持用複列ころ軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属板を圧延する圧延設備の形態としては、圧延機を交互に正転、逆転させて、複数パスで素材を圧延するリバース式圧延設備と、直列に近接配置した複数の圧延機に素材を同時に噛み込んで、一方向へ圧延するタンデム式圧延設備とが代表的である。鋼板用のホットストリップミルのように、粗圧延工程のリバース式圧延設備と仕上げ圧延工程のタンデム式圧延設備を組み合わせたものもある。また、最も簡単な形態として、スキンパス圧延設備のように、１基の圧延機で一方向へ圧延するものもあり、これらは連続焼鈍ラインや連続酸洗ライン等の途中に組み込まれて使用されることもある。
【０００３】
圧延設備を構成する圧延機は、一対の作業ロールのみを備える２段圧延機と、各作業ロールの背面側に補強ロールが配置された４段圧延機が最も多く、各作業ロールと補強ロールの間に中間ロールを配置した６段圧延機やさらに多段の圧延機も一部で採用されている。特殊なロール配置をしたプラネタリミル等の特殊圧延機も、ごく一部で使用されている。
【０００４】
また、圧延される素材で区分すると、厚板圧延設備やホットストリップミルのように熱い素材を圧延する熱間圧延設備と、コールドストリップミルのように冷やされた素材を圧延する冷間圧延設備とに大別される。
【０００５】
前記作業ロールや補強ロール等のロールは、両端のネック部に複列ころ軸受が組み込まれた軸受箱が取り付けられ、これらの軸受箱が圧延機ハウジングのウインドゥに前後面を固定されて、ハウジングに回転自在に支持される。各ロールはその軸受箱とともに、圧下装置でハウジングウインドゥの側面に沿って上下され、上下作業ロール間のロールギャップが決められる。
【０００６】
上述した圧延設備では、幅広の素材を減厚するために、作業ロールに大きな圧延荷重が作用し、大型の厚板圧延設備やホットストリップミルでは、圧延荷重が数千トンになることもある。近年、圧延製品の材質を圧延工程でも造り込む目的や、生産性を高める目的で、１パス当たりの圧下量を従来よりも大きくすることも行われ、これに伴って圧延荷重はさらに増加する傾向がある。圧延荷重は、２段圧延機では作業ロールの軸受箱を介して、補強ロールを有する圧延機では補強ロールの軸受箱を介してハウジングで支えられる。
【０００７】
板圧延では大きな圧延荷重によるモーメントでロールが撓み、ロールギャップが幅方向で不均一となり、板製品の板クラウン（板幅方向での板厚差）や平坦度が悪化するため、圧延設備には、ロールの撓みを制御するロールベンディング装置が設けられている。近年、圧延製品の板クラウンや平坦度に対する要求精度が厳しくなり、これらの制御能力を高めるため、近年新設されたり、改造されたりした圧延設備では、非常に大きなベンディング力を有するロールベンディング装置が採用されている。ロールベンディング装置のベンディング力は、作業ロールや中間ロールの軸受箱に負荷される。
【０００８】
熱間圧延設備では、ロール冷却水やスケールブレーカ用のノズル配管も付設されるので、その周囲にはスケールや冷却水、およびその水蒸気が飛散する。冷間圧延設備では、水を主成分とするエマルションタイプの圧延油が多く使用されるので、その水分や蒸気が周囲に飛散する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、圧延設備のロール軸受箱には、非常に大きな圧延荷重やロールベンディング力が負荷されるので、軸受箱に組み込まれた複列ころ軸受の軌道輪や転動体には、優れた転動疲労特性が要求される。また、周囲に飛散する水やスケール等が軸受箱の中に侵入するので、潤滑グリースが水等で洗い流されて軸受軌道面での油膜が不足したり、軌道面にスケール等の異物が噛み込まれたりして、軌道面が摩耗しやすく、かつ、スミアリングや異物の噛み込み圧痕等の表面損傷が問題になることもある。
【００１０】
このため、従来、ロール軸受箱の複列ころ軸受の軸受材料には、ＳＮＣＭ８１５等の高価な肌焼き鋼を２回焼入れしたものを用い、２回焼入れ後の硬度を確保するため中間焼鈍も行っており、素材コストと熱処理コストが非常に高いものとなっている。
【００１１】
また、作業ロールは、圧延の進行に伴って胴部が摩耗したり、肌荒れしたりするので、適宜の周期で交換される。補強ロールや中間ロールは、通常、作業ロールよりも長い周期で交換され、作業ロールの何回目かの交換周期に合わせて交換される。ロール軸受箱は、これらの交換周期毎にロールと一緒にハウジングから取り出され、必要に応じて、軸受部のメインテナンスが行われる。近年、ホットストリップミル等の作業ロールには、優れた耐摩耗性と耐肌荒れ性を有するハイスロールが使用され始め、作業ロールの交換周期が非常に長くなる傾向があり、ロールを支持する複列ころ軸受に対しても、さらに長いメインテナンス周期を確保できるものが望まれている。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、製造コストが安価で、かつメインテナンス周期が長い圧延設備のロール支持用複列ころ軸受を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、ロールをハウジングに対して回転自在に支持する圧延設備のロール支持用複列ころ軸受において、前記ころ軸受の軌道輪と転動体の素材を、合金元素として質量％で、Ｃを０．２％以上で０．３％以下、Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下、Ｃｒを１．０％以下含有する鋼材とし、その表面に浸炭層または浸炭窒化層を形成し、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした構成を採用したのである。
【００１４】
すなわち、従来のＳＮＣＭ８１５に対して、高価なＮｉの含有量を少なくして、Ｃ量を多くすることにより、素材コストを低減して、内部の強度と靱性を確保するとともに、浸炭処理または浸炭窒化処理を行うことにより、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上として、耐摩耗性と耐表面損傷性を確保できるようにしたのである。また、後の表１に示すように、本発明による鋼材は、ＳＮＣＭ８１５よりもベースＣ量が多いため、見かけの拡散係数ｋ（必要な硬化深さｄを得るのに要する浸炭時間ｔの平方根に逆比例する値、ｋ＝ｄ／√ｔ）が大きく、同一の浸炭条件で浸炭処理時間を短縮でき、熱処理コストも低減することができる。
【００１５】
Ｃを０．２％以上で０．３％以下含有させたのは、０．２％未満では内部の強度を確保できないからである。上限を０．３％としたのは、０．３％を越えると浸炭鋼特有の内部の靱性を確保できず、鍛造性も低下するからである。
【００１６】
Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下含有させたのは、２．５％未満では内部の靱性を確保できず、焼入れ性も低下するからである。上限を３．０％としたのは、Ｎｉはオーステナイト安定化元素のため、３．０％を越えると２回焼入れを行っただけではまだ残留オーステナイト量が局部的に多くなり、表層の必要硬さ（ＨＲＣ５８以上）が得られないので、中間焼鈍による組織の均一化と炭化物の析出処理が必要になること、および素材コスト低減効果も少なくなることからである。
【００１７】
Ｃｒを１．０％以下含有させたのは、Ｃｒは炭化物を形成して鋼を強化するとともに、Ｎｉと共存して焼入れ性を高めるからである。上限を１．０％に限定したのは、素材コストを低減するためである。
【００１８】
前記鋼材にＭｏを質量％で、０．２％以上で０．３％以下含有させることにより、焼入れ性をさらに改善するとともに、焼戻し脆性を防止することができる。この効果を得るために下限を０．２％とした。Ｍｏを０．３％を越えて含有させると、被削性が低下し、かつ素材コストも上昇するので、上限を０．３％に限定した。
【００１９】
前記複列ころ軸受を４列ころ軸受とすることにより、軸受部の負荷容量を大きくすることができる。
【００２０】
前記複列ころ軸受としては、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受または自動調心ころ軸受を採用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図３に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、ホットストリップミルの仕上げ圧延設備を構成する４段圧延機の一つを示す。この４段圧延機は、ハウジング１に各上下一対の作業ロール２と補強ロール３が組み込まれており、各ロール２、３のネック部２ａ、３ａは、それぞれ４列ころ軸受４、５が組み込まれた軸受箱６、７で、ハウジング１のウインドゥ８に回転自在に支持されている。各作業ロール２は、その一端をスピンドルとユニバーサルジョイントを介して主機モータ（図示省略）に接続され、回転駆動される。
【００２２】
前記ウインドゥ８の底面には油圧圧下装置９が組み込まれて、この油圧圧下装置９の上に下補強ロール３の軸受箱７が載置され、上補強ロール３の軸受箱７の上面には、球面座１０を介して圧下スクリュ１１が押圧されている。圧下スクリュ１１は圧下モータ（図示省略）で回転駆動され、上作業ロール２と上補強ロール３が一体で上下して、被圧延材１２を通すロールギャップが所定の位置に初期設定される。油圧圧下装置９は、被圧延材１２の硬さむら等による圧延中の圧延荷重の変動に応じて作動され、被圧延材１２の長手方向の板厚変動を防止する。したがって、圧延荷重は上下補強ロール３の軸受箱７を介して、油圧圧下装置９と球面座１０で受けられる。
【００２３】
前記上下作業ロール２の軸受箱６の間には、油圧式のロールベンディング装置１３が組み込まれており、各作業ロール２に、圧延荷重による曲げモーメントと逆向きの曲げモーメントを与えてその撓みを抑制し、被圧延材１２の板クラウンを制御するようになっている。
【００２４】
前記作業ロール２の軸受箱６に組み込まれた４列ころ軸受４には、図２（ａ）に拡大して示すように、円錐ころ軸受が採用されている。この４列ころ軸受４は、２列の軌道面１４を有する一対の内輪１５と、単列の軌道面１６を有する一対の外輪１７、および２列の軌道面１８を有する一つの外輪１９と、各内輪１５の軌道面１４と外輪１７、１９の軌道面１６、１８との間に転動自在に配された４列の円錐ころ２０と、円錐ころ２０を円周方向で所定間隔に保持する保持器２１とを備えている。各内輪１５の中央部には大鍔２２が設けられ、軸受使用時に円錐ころ２０は、大鍔２２に案内されながら各軌道面１４上を転動する。なお、外輪１７と外輪１９の間には、給脂用の間座２３が介装されている。
【００２５】
前記内輪１５、外輪１７、１９および円錐ころ２０は、それぞれＣ量０．２〜０．３％、Ｎｉ量２．５〜３．０％、Ｃｒ量１．０％以下、Ｍｏ量０．２〜０．３％を含有する鋼材を素材とし、図２（ｂ）に示すように、その表面には浸炭層１５ａ、１７ａ、１９ａ、２０ａが形成され、表面硬さがロックウェル硬さＨＲＣ５８以上となっている。
【００２６】
前記補強ロール３の軸受箱７に組み込まれた４列ころ軸受５には、図３（ａ）に拡大して示すように、円筒ころ軸受が採用されている。この４列ころ軸受５は、４列の軌道面２４を有する内輪２５と、４列の軌道面２６を有する外輪２７と、内外輪２５、２７の各軌道面２４、２６の間に転動自在に配された４列の円筒ころ２８と、円筒ころ２８を円周方向で所定間隔に保持する保持器２９とを備えている。
【００２７】
前記内輪２５、外輪２７および円筒ころ２８は、図２に示した円錐ころ軸受と同様に、それぞれＣ量０．２〜０．３％、Ｎｉ量２．５〜３．０％、Ｃｒ量１．０％以下、Ｍｏ量０．２〜０．３％を含有する鋼材を素材とし、図３（ｂ）に示すように、その表面には浸炭層２５ａ、２７ａ、２８ａが形成され、表面硬さがロックウェル硬さＨＲＣ５８以上となっている。
【００２８】
上述した実施形態では、各軸受箱に４列ころ軸受を一つずつ組み込んだが、２列ころ軸受または４列ころ軸受を複数個組み込むこともできる。また、内輪、外輪、ころの各部品の素材とした鋼材にＭｏを含有させたが、Ｍｏを無添加とした鋼材も採用でき、各部品表面の浸炭層を浸炭窒化層とすることもできる。これらの浸炭層や浸炭窒化層は、各部品が互いに接触し合う面のみに形成してもよい。
【００２９】
以下に実施例および比較例を挙げる。
【００３０】
【実施例】
表１に示す化学成分を有する鋼を素材として、表面にロックウェル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭層を形成したリング状試験片ところ状試験片を製造した。
【００３１】
【比較例】
表１に示す化学成分を有するＳＮＣＭ８１５を素材として、実施例と同じ深さの浸炭層を形成したリング状試験片ところ状試験片を製造した。各試験片の寸法形状は実施例と同じである。
【００３２】
【表１】
【００３３】
上記実施例および比較例について、試験片を熱処理する過程での拡散係数と熱処理変形の調査と、前記リング状試験片ところ状試験片のいずれかを用いた表面硬さ試験、転動寿命試験およびスミアリング試験を行った。
【００３４】
（１）拡散係数の調査
外径６００ｍｍ、内径５４０ｍｍ、幅９０ｍｍのリング状試験片を浸炭処理する際に要した浸炭時間ｔと、製造された各試験片の断面硬さを測定して求めた浸炭深さｄから、次式を用いて拡散係数ｋを算出した。なお、浸炭深さｄは、ビッカース硬さＨＶ５５０以上としたものと、ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたものとの平均値を採用した。
【００３５】
ｄ ＝ ｋ√ｔ
調査結果を表１に併せて示す。拡散係数ｋは、比較例のものを１．０として、比の形で表した。実施例の拡散係数ｋは、比較例の１．５倍であり、同一の浸炭深さｄを得るための浸炭時間ｔが非常に短くなり、熱処理コストを低減できることがわかる。
【００３６】
（２）熱処理変形の調査
前記拡散係数を調査したリング状試験片について、浸炭、２回焼入れ処理を行ったときの熱処理変形量を測定した。比較例のリング状試験片については、表面硬さを確保するため、中間焼鈍も行った。浸炭深さ（ＨＶ５５０以上）はいずれも３ｍｍとし、測定部位は５箇所とした。
【００３７】
調査結果を表１に併せて示す。実施例は変形量が小さく、かつ測定部位間のばらつきも少ない。比較例は、浸炭時間が長く、かつ中間焼鈍も行ったため、測定部位間のばらつきも含めて変形量が大きい。したがって、実施例のものは、熱処理変形のための余裕代と熱処理後の研削代を少なくして、製造コストを低減することができる。
【００３８】
（３）表面硬さ試験
直径２５ｍｍ、長さ２５ｍｍのころ状試験片と、直径６０ｍｍ、長さ６０ｍｍのころ状試験片について、ビッカース硬さ試験機を用いて表面硬さＨＶを測定した。実施例および比較例のいずれのころ状試験片についても、中間焼鈍有りのものと無しのものを用意した。
【００３９】
試験結果を表２に示す。表中には換算ロックウェル硬さＨＲＣも併記する。実施例の試験片は中間焼鈍の有無に係わらず、ＨＲＣ５８以上の表面硬さが余裕代を持って得られている。比較例の試験片は、中間焼鈍無しのものは表面硬さがＨＲＣ５８よりもかなり低く、中間焼鈍有りのものはＨＲＣ５８以上となっているが、その余裕代は少ない。
【００４０】
【表２】
【００４１】
（４）転動寿命試験
直径６０ｍｍ、長さ６０ｍｍのころ状試験片を用いて、粗面鋼球を転動相手とした転動寿命試験を以下の試験条件で行った。なお、実施例は中間焼鈍無しの試験片、比較例は中間焼鈍有りの試験片を用いた。サンプル数Ｎは１０とし、耐久寿命はＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える負荷回数）で評価した。
【００４２】
・相手鋼球 ：５／８インチ（表面粗度Ｒａ＝０．０８μｍ）
・接触圧力ＰMAX ：５．８８ＧＰａ
・負荷速度 ：６６１０ｃｐｍ（cycle per minute）
・潤滑油 ：タービン油ＶＧ６８
試験結果を表２に併せて示す。実施例のものは中間焼鈍無しでも、比較例よりも長い耐久寿命を示す。
【００４３】
（５）スミアリング試験
スミアリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリング状の試験片を定速回転軸と、この定速回転軸に平行な増速回転軸に取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させるものである。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の曲率半径６０ｍｍであり、スミアリング強度は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の増速回転軸と定速回転軸の速度比で評価される。この試験においても、実施例は中間焼鈍無しの試験片、比較例は中間焼鈍有りの試験片を用い、以下の試験条件で試験を行った。
【００４４】
・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ
・接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・潤滑油 ：タービン油ＶＧ４６
・定速回転軸 ：２００ｒｐｍ一定
・増速回転軸 ：２００ｒｐｍから１００ｒｐｍずつ増速
試験結果を表２に併せて示す。比較例に較べて、実施例のものは優れたスミアリング強度を示す。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明の圧延設備のロール支持用複列ころ軸受は、軌道輪と転動体の素材を、合金元素として質量％で、Ｃを０．２％以上で０．３％以下、Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下、Ｃｒを１．０％以下含有する鋼材とし、その表面に浸炭層または浸炭窒化層を形成し、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたので、従来の軸受用材料を用いた複列ころ軸受よりも素材コストと熱処理コストを低減でき、かつ転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性も向上させて、そのメインテナンス周期を延ばし、圧延設備のロール交換周期の延長に寄与することができる。また、前記鋼材に、Ｍｏを質量％で、０．２％以上で０．３％以下含有させることにより、複列ころ軸受の耐久寿命をさらに延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の複列ころ軸受を採用した４段圧延機を示す一部断面正面図
【図２】ａは図１の複列ころ軸受を示す一部省略縦断面図、ｂはａの要部拡大断面図
【図３】ａは図１の他の複列ころ軸受を示す一部省略縦断面図、ｂはａの要部拡大断面図
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 作業ロール
３ 補強ロール
２ａ、３ａ ネック部
４、５ ４列ころ軸受
６、７ 軸受箱
８ ウインドゥ
９ 油圧圧下装置
１０ 球面座
１１ 圧下スクリュ
１２ 被圧延材
１３ ロールベンディング装置
１４ 軌道面
１５ 内輪
１６ 軌道面
１７ 外輪
１８ 軌道面
１９ 外輪
２０ 円錐ころ
２１ 保持器
２２ 大鍔
２３ 間座
２４ 軌道面
２５ 内輪
２６ 軌道面
２７ 外輪
２８ 円筒ころ
２９ 保持器
１５ａ、１７ａ、１９ａ、２０ａ、２５ａ、２７ａ、２８ａ 浸炭層
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属板を圧延する圧延設備において、作業ロールや補強ロール等を回転自在に支持するロール支持用複列ころ軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属板を圧延する圧延設備の形態としては、圧延機を交互に正転、逆転させて、複数パスで素材を圧延するリバース式圧延設備と、直列に近接配置した複数の圧延機に素材を同時に噛み込んで、一方向へ圧延するタンデム式圧延設備とが代表的である。鋼板用のホットストリップミルのように、粗圧延工程のリバース式圧延設備と仕上げ圧延工程のタンデム式圧延設備を組み合わせたものもある。また、最も簡単な形態として、スキンパス圧延設備のように、１基の圧延機で一方向へ圧延するものもあり、これらは連続焼鈍ラインや連続酸洗ライン等の途中に組み込まれて使用されることもある。
【０００３】
圧延設備を構成する圧延機は、一対の作業ロールのみを備える２段圧延機と、各作業ロールの背面側に補強ロールが配置された４段圧延機が最も多く、各作業ロールと補強ロールの間に中間ロールを配置した６段圧延機やさらに多段の圧延機も一部で採用されている。特殊なロール配置をしたプラネタリミル等の特殊圧延機も、ごく一部で使用されている。
【０００４】
また、圧延される素材で区分すると、厚板圧延設備やホットストリップミルのように熱い素材を圧延する熱間圧延設備と、コールドストリップミルのように冷やされた素材を圧延する冷間圧延設備とに大別される。
【０００５】
前記作業ロールや補強ロール等のロールは、両端のネック部に複列ころ軸受が組み込まれた軸受箱が取り付けられ、これらの軸受箱が圧延機ハウジングのウインドゥに前後面を固定されて、ハウジングに回転自在に支持される。各ロールはその軸受箱とともに、圧下装置でハウジングウインドゥの側面に沿って上下され、上下作業ロール間のロールギャップが決められる。
【０００６】
上述した圧延設備では、幅広の素材を減厚するために、作業ロールに大きな圧延荷重が作用し、大型の厚板圧延設備やホットストリップミルでは、圧延荷重が数千トンになることもある。近年、圧延製品の材質を圧延工程でも造り込む目的や、生産性を高める目的で、１パス当たりの圧下量を従来よりも大きくすることも行われ、これに伴って圧延荷重はさらに増加する傾向がある。圧延荷重は、２段圧延機では作業ロールの軸受箱を介して、補強ロールを有する圧延機では補強ロールの軸受箱を介してハウジングで支えられる。
【０００７】
板圧延では大きな圧延荷重によるモーメントでロールが撓み、ロールギャップが幅方向で不均一となり、板製品の板クラウン（板幅方向での板厚差）や平坦度が悪化するため、圧延設備には、ロールの撓みを制御するロールベンディング装置が設けられている。近年、圧延製品の板クラウンや平坦度に対する要求精度が厳しくなり、これらの制御能力を高めるため、近年新設されたり、改造されたりした圧延設備では、非常に大きなベンディング力を有するロールベンディング装置が採用されている。ロールベンディング装置のベンディング力は、作業ロールや中間ロールの軸受箱に負荷される。
【０００８】
熱間圧延設備では、ロール冷却水やスケールブレーカ用のノズル配管も付設されるので、その周囲にはスケールや冷却水、およびその水蒸気が飛散する。冷間圧延設備では、水を主成分とするエマルションタイプの圧延油が多く使用されるので、その水分や蒸気が周囲に飛散する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、圧延設備のロール軸受箱には、非常に大きな圧延荷重やロールベンディング力が負荷されるので、軸受箱に組み込まれた複列ころ軸受の軌道輪や転動体には、優れた転動疲労特性が要求される。また、周囲に飛散する水やスケール等が軸受箱の中に侵入するので、潤滑グリースが水等で洗い流されて軸受軌道面での油膜が不足したり、軌道面にスケール等の異物が噛み込まれたりして、軌道面が摩耗しやすく、かつ、スミアリングや異物の噛み込み圧痕等の表面損傷が問題になることもある。
【００１０】
このため、従来、ロール軸受箱の複列ころ軸受の軸受材料には、ＳＮＣＭ８１５等の高価な肌焼き鋼を２回焼入れしたものを用い、２回焼入れ後の硬度を確保するため中間焼鈍も行っており、素材コストと熱処理コストが非常に高いものとなっている。
【００１１】
また、作業ロールは、圧延の進行に伴って胴部が摩耗したり、肌荒れしたりするので、適宜の周期で交換される。補強ロールや中間ロールは、通常、作業ロールよりも長い周期で交換され、作業ロールの何回目かの交換周期に合わせて交換される。ロール軸受箱は、これらの交換周期毎にロールと一緒にハウジングから取り出され、必要に応じて、軸受部のメインテナンスが行われる。近年、ホットストリップミル等の作業ロールには、優れた耐摩耗性と耐肌荒れ性を有するハイスロールが使用され始め、作業ロールの交換周期が非常に長くなる傾向があり、ロールを支持する複列ころ軸受に対しても、さらに長いメインテナンス周期を確保できるものが望まれている。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、製造コストが安価で、かつメインテナンス周期が長い圧延設備のロール支持用複列ころ軸受を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、ロールをハウジングに対して回転自在に支持する圧延設備のロール支持用複列ころ軸受において、前記ころ軸受の軌道輪と転動体の素材を、合金元素として質量％で、Ｃを０．２％以上で０．３％以下、Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下、Ｃｒを１．０％以下含有する鋼材とし、その表面に浸炭層または浸炭窒化層を形成し、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上とした構成を採用したのである。
【００１４】
すなわち、従来のＳＮＣＭ８１５に対して、高価なＮｉの含有量を少なくして、Ｃ量を多くすることにより、素材コストを低減して、内部の強度と靱性を確保するとともに、浸炭処理または浸炭窒化処理を行うことにより、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上として、耐摩耗性と耐表面損傷性を確保できるようにしたのである。また、後の表１に示すように、本発明による鋼材は、ＳＮＣＭ８１５よりもベースＣ量が多いため、見かけの拡散係数ｋ（必要な硬化深さｄを得るのに要する浸炭時間ｔの平方根に逆比例する値、ｋ＝ｄ／√ｔ）が大きく、同一の浸炭条件で浸炭処理時間を短縮でき、熱処理コストも低減することができる。
【００１５】
Ｃを０．２％以上で０．３％以下含有させたのは、０．２％未満では内部の強度を確保できないからである。上限を０．３％としたのは、０．３％を越えると浸炭鋼特有の内部の靱性を確保できず、鍛造性も低下するからである。
【００１６】
Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下含有させたのは、２．５％未満では内部の靱性を確保できず、焼入れ性も低下するからである。上限を３．０％としたのは、Ｎｉはオーステナイト安定化元素のため、３．０％を越えると２回焼入れを行っただけではまだ残留オーステナイト量が局部的に多くなり、表層の必要硬さ（ＨＲＣ５８以上）が得られないので、中間焼鈍による組織の均一化と炭化物の析出処理が必要になること、および素材コスト低減効果も少なくなることからである。
【００１７】
Ｃｒを１．０％以下含有させたのは、Ｃｒは炭化物を形成して鋼を強化するとともに、Ｎｉと共存して焼入れ性を高めるからである。上限を１．０％に限定したのは、素材コストを低減するためである。
【００１８】
前記鋼材にＭｏを質量％で、０．２％以上で０．３％以下含有させることにより、焼入れ性をさらに改善するとともに、焼戻し脆性を防止することができる。この効果を得るために下限を０．２％とした。Ｍｏを０．３％を越えて含有させると、被削性が低下し、かつ素材コストも上昇するので、上限を０．３％に限定した。
【００１９】
前記複列ころ軸受を４列ころ軸受とすることにより、軸受部の負荷容量を大きくすることができる。
【００２０】
前記複列ころ軸受としては、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受または自動調心ころ軸受を採用することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図３に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、ホットストリップミルの仕上げ圧延設備を構成する４段圧延機の一つを示す。この４段圧延機は、ハウジング１に各上下一対の作業ロール２と補強ロール３が組み込まれており、各ロール２、３のネック部２ａ、３ａは、それぞれ４列ころ軸受４、５が組み込まれた軸受箱６、７で、ハウジング１のウインドゥ８に回転自在に支持されている。各作業ロール２は、その一端をスピンドルとユニバーサルジョイントを介して主機モータ（図示省略）に接続され、回転駆動される。
【００２２】
前記ウインドゥ８の底面には油圧圧下装置９が組み込まれて、この油圧圧下装置９の上に下補強ロール３の軸受箱７が載置され、上補強ロール３の軸受箱７の上面には、球面座１０を介して圧下スクリュ１１が押圧されている。圧下スクリュ１１は圧下モータ（図示省略）で回転駆動され、上作業ロール２と上補強ロール３が一体で上下して、被圧延材１２を通すロールギャップが所定の位置に初期設定される。油圧圧下装置９は、被圧延材１２の硬さむら等による圧延中の圧延荷重の変動に応じて作動され、被圧延材１２の長手方向の板厚変動を防止する。したがって、圧延荷重は上下補強ロール３の軸受箱７を介して、油圧圧下装置９と球面座１０で受けられる。
【００２３】
前記上下作業ロール２の軸受箱６の間には、油圧式のロールベンディング装置１３が組み込まれており、各作業ロール２に、圧延荷重による曲げモーメントと逆向きの曲げモーメントを与えてその撓みを抑制し、被圧延材１２の板クラウンを制御するようになっている。
【００２４】
前記作業ロール２の軸受箱６に組み込まれた４列ころ軸受４には、図２（ａ）に拡大して示すように、円錐ころ軸受が採用されている。この４列ころ軸受４は、２列の軌道面１４を有する一対の内輪１５と、単列の軌道面１６を有する一対の外輪１７、および２列の軌道面１８を有する一つの外輪１９と、各内輪１５の軌道面１４と外輪１７、１９の軌道面１６、１８との間に転動自在に配された４列の円錐ころ２０と、円錐ころ２０を円周方向で所定間隔に保持する保持器２１とを備えている。各内輪１５の中央部には大鍔２２が設けられ、軸受使用時に円錐ころ２０は、大鍔２２に案内されながら各軌道面１４上を転動する。なお、外輪１７と外輪１９の間には、給脂用の間座２３が介装されている。
【００２５】
前記内輪１５、外輪１７、１９および円錐ころ２０は、それぞれＣ量０．２〜０．３％、Ｎｉ量２．５〜３．０％、Ｃｒ量１．０％以下、Ｍｏ量０．２〜０．３％を含有する鋼材を素材とし、図２（ｂ）に示すように、その表面には浸炭層１５ａ、１７ａ、１９ａ、２０ａが形成され、表面硬さがロックウェル硬さＨＲＣ５８以上となっている。
【００２６】
前記補強ロール３の軸受箱７に組み込まれた４列ころ軸受５には、図３（ａ）に拡大して示すように、円筒ころ軸受が採用されている。この４列ころ軸受５は、４列の軌道面２４を有する内輪２５と、４列の軌道面２６を有する外輪２７と、内外輪２５、２７の各軌道面２４、２６の間に転動自在に配された４列の円筒ころ２８と、円筒ころ２８を円周方向で所定間隔に保持する保持器２９とを備えている。
【００２７】
前記内輪２５、外輪２７および円筒ころ２８は、図２に示した円錐ころ軸受と同様に、それぞれＣ量０．２〜０．３％、Ｎｉ量２．５〜３．０％、Ｃｒ量１．０％以下、Ｍｏ量０．２〜０．３％を含有する鋼材を素材とし、図３（ｂ）に示すように、その表面には浸炭層２５ａ、２７ａ、２８ａが形成され、表面硬さがロックウェル硬さＨＲＣ５８以上となっている。
【００２８】
上述した実施形態では、各軸受箱に４列ころ軸受を一つずつ組み込んだが、２列ころ軸受または４列ころ軸受を複数個組み込むこともできる。また、内輪、外輪、ころの各部品の素材とした鋼材にＭｏを含有させたが、Ｍｏを無添加とした鋼材も採用でき、各部品表面の浸炭層を浸炭窒化層とすることもできる。これらの浸炭層や浸炭窒化層は、各部品が互いに接触し合う面のみに形成してもよい。
【００２９】
以下に実施例および比較例を挙げる。
【００３０】
【実施例】
表１に示す化学成分を有する鋼を素材として、表面にロックウェル硬さＨＲＣ５８以上の浸炭層を形成したリング状試験片ところ状試験片を製造した。
【００３１】
【比較例】
表１に示す化学成分を有するＳＮＣＭ８１５を素材として、実施例と同じ深さの浸炭層を形成したリング状試験片ところ状試験片を製造した。各試験片の寸法形状は実施例と同じである。
【００３２】
【表１】
上記実施例および比較例について、試験片を熱処理する過程での拡散係数と熱処理変形の調査と、前記リング状試験片ところ状試験片のいずれかを用いた表面硬さ試験、転動寿命試験およびスミアリング試験を行った。
【００３４】
（１）拡散係数の調査
外径６００ｍｍ、内径５４０ｍｍ、幅９０ｍｍのリング状試験片を浸炭処理する際に要した浸炭時間ｔと、製造された各試験片の断面硬さを測定して求めた浸炭深さｄから、次式を用いて拡散係数ｋを算出した。なお、浸炭深さｄは、ビッカース硬さＨＶ５５０以上としたものと、ロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたものとの平均値を採用した。
【００３５】
ｄ ＝ ｋ√ｔ
調査結果を表１に併せて示す。拡散係数ｋは、比較例のものを１．０として、比の形で表した。実施例の拡散係数ｋは、比較例の１．５倍であり、同一の浸炭深さｄを得るための浸炭時間ｔが非常に短くなり、熱処理コストを低減できることがわかる。
【００３６】
（２）熱処理変形の調査
前記拡散係数を調査したリング状試験片について、浸炭、２回焼入れ処理を行ったときの熱処理変形量を測定した。比較例のリング状試験片については、表面硬さを確保するため、中間焼鈍も行った。浸炭深さ（ＨＶ５５０以上）はいずれも３ｍｍとし、測定部位は５箇所とした。
【００３７】
調査結果を表１に併せて示す。実施例は変形量が小さく、かつ測定部位間のばらつきも少ない。比較例は、浸炭時間が長く、かつ中間焼鈍も行ったため、測定部位間のばらつきも含めて変形量が大きい。したがって、実施例のものは、熱処理変形のための余裕代と熱処理後の研削代を少なくして、製造コストを低減することができる。
【００３８】
（３）表面硬さ試験
直径２５ｍｍ、長さ２５ｍｍのころ状試験片と、直径６０ｍｍ、長さ６０ｍｍのころ状試験片について、ビッカース硬さ試験機を用いて表面硬さＨＶを測定した。実施例および比較例のいずれのころ状試験片についても、中間焼鈍有りのものと無しのものを用意した。
【００３９】
試験結果を表２に示す。表中には換算ロックウェル硬さＨＲＣも併記する。実施例の試験片は中間焼鈍の有無に係わらず、ＨＲＣ５８以上の表面硬さが余裕代を持って得られている。比較例の試験片は、中間焼鈍無しのものは表面硬さがＨＲＣ５８よりもかなり低く、中間焼鈍有りのものはＨＲＣ５８以上となっているが、その余裕代は少ない。
【００４０】
【表２】
（４）転動寿命試験
直径６０ｍｍ、長さ６０ｍｍのころ状試験片を用いて、粗面鋼球を転動相手とした転動寿命試験を以下の試験条件で行った。なお、実施例は中間焼鈍無しの試験片、比較例は中間焼鈍有りの試験片を用いた。サンプル数Ｎは１０とし、耐久寿命はＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える負荷回数）で評価した。
【００４２】
・相手鋼球 ：５／８インチ（表面粗度Ｒａ＝０．０８μｍ）
・接触圧力ＰMAX ：５．８８ＧＰａ
・負荷速度 ：６６１０ｃｐｍ（cycle per minute）
・潤滑油 ：タービン油ＶＧ６８
試験結果を表２に併せて示す。実施例のものは中間焼鈍無しでも、比較例よりも長い耐久寿命を示す。
【００４３】
（５）スミアリング試験
スミアリング試験は、円筒部に緩やかな曲率を有するリング状の試験片を定速回転軸と、この定速回転軸に平行な増速回転軸に取り付け、両試験片の円筒面を互いに押し当てて転動させるものである。各試験片の寸法は、直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、円筒部の曲率半径６０ｍｍであり、スミアリング強度は、試験片の円筒面にスミアリングが発生した時点の増速回転軸と定速回転軸の速度比で評価される。この試験においても、実施例は中間焼鈍無しの試験片、比較例は中間焼鈍有りの試験片を用い、以下の試験条件で試験を行った。
【００４４】
・試験片の最大表面粗さ：３．０μｍ
・接触面圧Ｐmax ：２．１ＧＰａ
・潤滑油 ：タービン油ＶＧ４６
・定速回転軸 ：２００ｒｐｍ一定
・増速回転軸 ：２００ｒｐｍから１００ｒｐｍずつ増速
試験結果を表２に併せて示す。比較例に較べて、実施例のものは優れたスミアリング強度を示す。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明の圧延設備のロール支持用複列ころ軸受は、軌道輪と転動体の素材を、合金元素として質量％で、Ｃを０．２％以上で０．３％以下、Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下、Ｃｒを１．０％以下含有する鋼材とし、その表面に浸炭層または浸炭窒化層を形成し、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたので、従来の軸受用材料を用いた複列ころ軸受よりも素材コストと熱処理コストを低減でき、かつ転動疲労特性と耐摩耗性、耐表面損傷性も向上させて、そのメインテナンス周期を延ばし、圧延設備のロール交換周期の延長に寄与することができる。また、前記鋼材に、Ｍｏを質量％で、０．２％以上で０．３％以下含有させることにより、複列ころ軸受の耐久寿命をさらに延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の複列ころ軸受を採用した４段圧延機を示す一部断面正面図
【図２】ａは図１の複列ころ軸受を示す一部省略縦断面図、ｂはａの要部拡大断面図
【図３】ａは図１の他の複列ころ軸受を示す一部省略縦断面図、ｂはａの要部拡大断面図
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 作業ロール
３ 補強ロール
２ａ、３ａ ネック部
４、５ ４列ころ軸受
６、７ 軸受箱
８ ウインドゥ
９ 油圧圧下装置
１０ 球面座
１１ 圧下スクリュ
１２ 被圧延材
１３ ロールベンディング装置
１４ 軌道面
１５ 内輪
１６ 軌道面
１７ 外輪
１８ 軌道面
１９ 外輪
２０ 円錐ころ
２１ 保持器
２２ 大鍔
２３ 間座
２４ 軌道面
２５ 内輪
２６ 軌道面
２７ 外輪
２８ 円筒ころ
２９ 保持器
１５ａ、１７ａ、１９ａ、２０ａ、２５ａ、２７ａ、２８ａ 浸炭層
Claims (1)
- ロールをハウジングに対して回転自在に支持する圧延設備のロール支持用複列ころ軸受において、前記ころ軸受の軌道輪と転動体の素材を、合金元素として質量％で、Ｃを０．２％以上で０．３％以下、Ｎｉを２．５％以上で３．０％以下、Ｃｒを１．０％以下、Ｍｏを０．２％以上で０．３％以下、Ｓｉを０．２５％、Ｍｎを０．５５％含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼材とし、その表面に浸炭層または浸炭窒化層を形成し、表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５８以上としたことを特徴とする圧延設備のロール支持用複列ころ軸受。
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