JP3991901B2

JP3991901B2 - 転がり軸受用軌道輪およびその製造方法

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Publication number: JP3991901B2
Application number: JP2003090482A
Authority: JP
Inventors: 克彦木澤; 一寿戸田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004293755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は転がり軸受用軌道輪およびそ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、転がり軸受における肉厚が２５ｍｍ以上となされた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、このようなバックアップロールとして、鋼よりなり、軌道面である内周面の最表面から深さ３ｍｍまでの領域の硬さがロックウェルＣ硬さ（HRC）５８以上となされ、外周面の最表面から深さ５ｍｍまでの領域の硬さがHRC４０〜５０となされているものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０２９２７号公報（請求項３、段落０００２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されたバックアップロールの場合、圧延ロールに接触する外周面の硬さがHRC４０〜５０であるから、使用条件によっては、硬さが不足し、塑性変形しやすくなることがある。
【０００７】
この発明の目的は、上記問題を解決し、軌道面の転がり疲労寿命を向上させうるとともに、塑性変形が生じ易い使用条件でも軌道面とは反対側の面の塑性変形を効果的に抑制しうる転がり軸受用軌道輪およびそ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の発明による転がり軸受用軌道輪は、鋼よりなりかつ肉厚が２５ｍｍ以上の転がり軸受用軌道輪において、軌道面の表層部の金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなり、前記軌道面から全肉厚の１／４の部分の金属組織がマルテンサイトとパーライトとよりなり、前記軌道面から全肉厚の１／２の部分の金属組織がパーライトよりなり、前記表層部の残留オーステナイト量が５〜３０vol％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の発明において、前記表層部の残留オーステナイト量を５〜３０vol％に限定したのは、５vol％未満であると靭性が低下して、たとえば圧延機のバックアップロールのように異物が存在する劣悪な環境で使用される場合に寿命が著しく低下し、３０vol％を越えると寸法安定性が悪くなるからである。
【００１０】
また、請求項１の発明において、軌道面の表層部とは、表面および表面近傍であって、転がり寿命や表面変形に影響がある部分をいう。たとえば鋼よりなる肉厚２５ｍｍ以上の軌道輪では、軌道面の最表面から１ｍｍまでの深さの部分である。このような軌道輪では、軌道面における少なくとも最大せん断応力が作用する深さまではマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなる組織にしないと必要な硬さにならず、良好な寿命が得られない。軌道面の最表面から１ｍｍまでの部分を上記性状としておけば、最大せん断応力が作用する深さを十分にカバーすることができる。
【００１１】
請求項１の発明によれば、軌道輪の肉厚方向の硬さは、軌道面の表層部で最も高く、肉厚方向の内方に向かって向かって徐々に低くなり、肉厚の１／２の部分で最も低くなる。したがって、軌道面の転がり疲労寿命が向上するとともに、靭性が向上して割損が防止される。
【００１２】
請求項２の発明による転がり軸受用軌道輪は、鋼よりなりかつ肉厚が２５ｍｍ以上の転がり軸受用軌道輪において、軌道面とは反対側の反対面の表層部の金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなり、前記反対面から全肉厚の１／４の部分の金属組織がマルテンサイトとパーライトとよりなり、前記反対面から全肉厚の１／２の部分の金属組織がパーライトよりなり、前記表層部の残留オーステナイト量が５〜３０vol％となされていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の発明において、前記表層部の残留オーステナイト量を５〜３０vol％に限定したのは、５vol％未満であると靭性が低下して、たとえば圧延機のバックアップロールのように異物が存在する劣悪な環境で使用される場合に寿命が著しく低下し、３０vol％を越えると寸法安定性が悪くなるからである。
【００１４】
また、請求項２の発明において、軌道面の反対面の表層部とは、反対面の最表面から２ｍｍまでの深さの部分を意味するものとする。軌道面の反対面とは、たとえば圧延機のバックアップロールの場合にはロール面であり、再研磨して再利用する必要があるので、最表面から２ｍｍまでの深さを上記性状とする。
【００１５】
請求項２の発明によれば、軌道輪の肉厚方向の硬さは、前記反対面の表層部で最も高く、肉厚方向の内方に向かって向かって徐々に低くなり、肉厚の１／２の部分で最も低くなる。したがって、この軌道輪を多段式圧延機のバックアップロールとして用いた場合、圧延ロールと接触する軌道面とは反対側の外周面の塑性変形が抑制され、バックアップロールの寿命が向上するとともに、靭性が向上して割損が防止される。
【００１６】
請求項３の発明による転がり軸受用軌道輪は、請求項１または２の発明において、前記表層部の表面硬さがロックウェルＣ硬さで５８以上であり、前記全肉厚の１／４の部分の硬さがロックウェルＣ硬さで５０以下であり、前記全肉厚の１／２の部分の硬さがロックウェルＣ硬さで４５以下であるものである。
【００１７】
請求項３の発明において、軌道面の表層部の表面硬さをHRC５８以上にしたのは、この表面硬さがHRC５８未満であると潤滑油に含まれる異物により圧痕が発生しやすいからである。また、請求項３の発明において、軌道面とは反対側の反対面の表層部の表面硬さをHRC５８以上にしたのは、この表面硬さがHRC５８未満であると、この軌道輪を多段式圧延機のバックアップロールとして用いた場合、圧延ロールと接触する軌道面とは反対側の外周面が塑性変形しやすくなるからである。なお、これらの表層部の表面硬さは、割れの発生を抑制するためにHRC６１以下であることが好ましい。
【００１８】
請求項３の発明において、軌道面から全肉厚の１／４の部分の硬さをHRC５０以下とし、同じく全肉厚の１／２の部分の硬さをHRC４５以下としたのは、十分な耐割損性を得るために必要だからである。また、請求項３の発明において、軌道面とは反対側の反対面から全肉厚の１／４の部分の硬さをHRC５０以下とし、同じく全肉厚の１／２の部分の硬さをHRC４５以下としたのは、十分な耐割損性を得るために必要だからである。
【００１９】
請求項４の発明による転がり軸受用軌道輪の製造方法は、請求項１の転がり軸受用軌道輪を製造する方法であって、鋼を用いて肉厚が２５ｍｍ以上になるように形成された軌道輪素材に焼入処理を施す際に、軌道面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく前記軌道面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とすることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４の発明において、軌道面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上としたのは、この冷却速度が１１℃／秒未満であると、表層部にマルテンサイトおよび残留オーステナイト以外の組織、すなわちベイナイトやパーライトが発生して硬度が低下し、転がり寿命および耐変形性に対する所定の性能が得られなくなるからである。同じく軌道面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下としたのは、この冷却速度が４℃／秒を越えると、表層部よりも内側の部分にパーライトよりも高硬度となる不要なベイナイトが発生して耐割損性が悪化するからである。
【００２１】
請求項４の発明において、焼入処理の際の加熱温度は８４０〜８７０℃、同じく加熱時間は１〜３時間であることが好ましい。その理由は、加熱温度に関しては、マトリックス中に固溶する炭素量を適正な量にするためであり、加熱時間に関しては、軌道輪素材の温度を均一な温度にするためである。
【００２２】
また、請求項４の発明において、軌道面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく軌道面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とするには、焼入処理の加熱後に焼入油中で急冷する際に、軌道面となるべき面に、ノズルにより噴出口における噴射圧力が０．６〜２．１kg/cm^２となるように焼入油を噴射することにより行うのがよい。この噴射圧力が０．６kg/cm^２未満であると軌道面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上にすることができず、２．１kg/cm^２を越えると軌道面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下にすることができないからである。この噴射圧力は、１．４〜２．１kg/cm^２であることが好ましい。また、ノズルの噴出口と軌道面となるべき面との距離は１５０〜３００ｍｍであることが好ましく、２００〜２５０ｍｍであることが望ましい。
【００２３】
請求項４の発明によれば、上述する作用効果を有する転がり軸受用軌道輪を比較的簡単に製造することができる。
【００２４】
請求項５の発明による転がり軸受用軌道輪の製造方法は、請求項２の転がり軸受用軌道輪を製造する方法であって、鋼を用いて肉厚が２５ｍｍ以上になるように形成された軌道輪素材に焼入処理を施す際に、軌道面とは反対側の反対面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく前記反対面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とすることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項５の発明において、焼入処理の際の加熱温度は８４０〜８７０℃、同じく加熱時間は１〜３時間であることが好ましい。その理由は、加熱温度に関しては、マトリックス中に固溶する炭素量を適正な量にするためであり、加熱時間に関しては、軌道輪素材の温度を均一な温度にするためである。
【００２６】
また、請求項５の発明において、軌道面とは反対側の反対面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく反対面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とするには、焼入処理の加熱後に焼入油中で急冷する際に、反対面に、ノズルにより噴出口における噴射圧力が１．４〜２．１kg/cm^２となるように焼入油を噴射することにより行うのがよい。この噴射圧力が１．４kg/cm^２未満であると反対面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上にすることができず、２．１kg/cm^２を越えると反対面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下にすることができないからである。また、ノズルの噴出口と軌道面となるべき面との距離は１５０〜３００ｍｍであることが好ましく、２００〜２５０ｍｍであることが望ましい。
【００２７】
請求項５の発明によれば、上述する作用効果を有する転がり軸受用軌道輪を比較的簡単に製造することができる。
【００２８】
【発明の実施形態】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明を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用外輪に適用したものである。
【００２９】
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用外輪を示す図１において、外輪(1)の肉厚ｔは２５ｍｍ以上であり、軌道面となる内周面(2)から深さ１ｍｍまでの表層部(3)の金属組織はマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなる。この表層部(3)の残留オーステナイト量は５〜３０vol％となされている。また、外輪(1)の内周面(2)から全肉厚ｔの１／４の部分(P1)（１／４ｔ部分）の金属組織はマルテンサイトとパーライトとよりなり、内周面(2)から全肉厚ｔの１／２の部分(P2)（１／２ｔ部分）の金属組織がパーライトよりなる。
【００３０】
外輪(1)における圧延ロールと接触する外周面(4)から深さ２ｍｍまでの表層部(5)の金属組織はマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなる。この表層部(5)の残留オーステナイト量は５〜３０vol％となされている。また、外輪(1)の外周面(4)から全肉厚ｔの１／４の部分(P3)（１／４ｔ部分）の金属組織はマルテンサイトとパーライトとよりなる。
【００３１】
外輪(1)の内外両周面(2)(4)の表層部(3)(5)の硬さはそれぞれHRC５８以上であり、１／４ｔ部分(P1)(P3)の硬さはそれぞれHRC５０以下であり、１／２ｔ部分(P2)の硬さはHRC４５以下である。そして、外輪(1)の肉厚方向の硬さ分布は、内外両周面(2)(4)から１／２ｔ部分(P2)にかけて滑らかに変化している。
【００３２】
外輪(1)は、次に述べる方法により製造される。
【００３３】
まず、鋼を用いて肉厚２５ｍｍ以上の円筒状外輪素材(10)を形成する。ついで、外輪素材(10)を８４０〜８７０℃で１〜３時間加熱した後、焼入油中に焼入する。焼入の際に、図２および図３に示すように、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焼入油噴射装置(11)を１つ配置しておくとともに、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個所にそれぞれ軸線方向に伸びる第２焼入油噴射装置(12)を配置しておく。第１焼入油噴射装置(11)における上下方向に等間隔をおいた複数個所には、それぞれ周方向に等間隔をおいて第２焼入油噴射装置(12)と同数のノズル(11a)が形成されている。また、第２焼入油噴射装置(12)における上下方向に等間隔をおいた複数個所には、それぞれ外輪素材(10)の中心軸線を向いたノズル(12a)が形成されている。両装置(11)(12)のノズル(11a)(12a)に形成された噴出口(11b)(12b)はそれぞれ縦長方形である。この実施形態においては、第１焼入油噴射装置(11)の全てのノズル(11a)のうち上側の複数個は焼入油の油面(L)よりも上方に位置しているとともに、第２焼入油噴射装置(12)の全てのノズル(12a)は焼入油の油面よりも下方に位置している。第１焼入油噴射装置(11)における焼入油の油面(L)よりも下方に位置するノズル(11a)の数は第２焼入油噴射装置(12)のノズル(12a)の数と同じであり、油面(L)下に位置する第１焼入油噴射装置(11)のノズル(11a)と第２焼入油噴射装置(12)のノズル(12a)とは同一高さ位置にある。そして、外輪素材(10)の内周面に第１焼入油噴射装置(11)のノズル(11a)により噴出口(11b)における噴射圧力が０．６〜２．１kg/cm^２となるように焼入油を噴射するとともに、外輪素材(10)の外周面に第２焼入油噴射装置(12)のノズル(12a)により噴出口(12b)における噴射圧力が１．４〜２．１kg/cm^２となるように焼入油を噴射する。こうして、外輪素材(10)の内外両周面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく内外両周面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とする。
【００３４】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出して焼戻し処理を施す。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、研磨加工等の仕上げ加工を施す。こうして、外輪(1)が製造される。
【００３５】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【００３６】
Ｃ１．０１wt％、Ｓｉ０．４３wt％、Ｍｎ０．４９wt％、Ｐ０．０１wt％、Ｓ０．００７wt％、Ｃｕ０．０９wt％、Ｎｉ０．０６wt％、Ｃｒ１．１８wt％およびＭｏ０．０３wt％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、肉厚４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍの円筒状外輪素材(10)を形成した。
【００３７】
ついで、外輪素材(10)を８６０℃で１００分間加熱した後、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焼入油噴射装置(11)のノズル(11a)により外輪素材(10)の内周面にノズル(11a)の噴出口(11b)における噴射圧力が０．６kg/cm^２となるように焼入油を噴射するとともに同じく第２焼入油噴射装置(12)のノズル(12a)により外周面にノズル(12a)の噴出口(12b)における噴射圧力が１．９kg/cm^２となるように焼入油を噴射した。ここで、ノズル(11a)(12a)の噴出口(11b)(12b)は、長さ２０ｍｍ、幅４ｍｍである。また、第２焼入油噴射装置(12)の数は８つである。焼入条件を以下に示す。なお、油温は８０℃、ノズル(11a)(12a)の噴出口(11b)(12b)と素材(10)の内外両周面との距離は２００ｍｍ、噴射時間は６分である。
【００３８】
焼入終了後、外輪素材(10)を焼入油中から取り出して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。
【００３９】
こうして、製造された外輪(1)の長さ方向の中心における内周面(2)から外周面(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、内外両周面(2)(4)の硬さは６１．５HRC、内外両周面(2)(4)から１／４ｔ部分(P1)(P3)の硬さは４５HRC、内外両周面(2)(4)から１／２ｔ部分(P2)の硬さは３６．５HRCとなっていた。また、内外両周面(2)(4)から深さ２ｍｍまでの表層部(3)(5)の金属組織はマルテンサイトと残留オーステナイトよりなり、残留オーステナイト量が１５vol％であった。また、内外両周面(2)(4)から１／４ｔ部分(P1)(P3)の金属組織はマルテンサイトとパーライトとよりなり、内外両周面(2)(4)から１／２ｔ部分(P2)の金属組織はパーライトとなっていた。
【００４０】
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】焼入油中において外輪素材に焼入油を噴射する焼入油噴射装置の配置状態を示す平面図である。
【図３】焼入油中において外輪素材に焼入油を噴射する焼入油噴射装置の配置状態を示す一部切り欠き正面図である。
【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)：内周面
(3)：表層部
(4)：外周面
(5)：表層部
(10)：外輪素材
(P1)(P3)：１／４部分
(P3)：１／２部分
ｔ：肉厚

Claims

鋼よりなりかつ肉厚が２５ｍｍ以上の転がり軸受用軌道輪において、軌道面の表層部の金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなり、前記軌道面から全肉厚の１／４の部分の金属組織がマルテンサイトとパーライトとよりなり、前記軌道面から全肉厚の１／２の部分の金属組織がパーライトよりなり、前記表層部の残留オーステナイト量が５〜３０vol％となされていることを特徴とする転がり軸受用軌道輪。
鋼よりなりかつ肉厚が２５ｍｍ以上の転がり軸受用軌道輪において、軌道面とは反対側の反対面の表層部の金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトとよりなり、前記反対面から全肉厚の１／４の部分の金属組織がマルテンサイトとパーライトとよりなり、前記反対面から全肉厚の１／２の部分の金属組織がパーライトよりなり、前記表層部の残留オーステナイト量が５〜３０vol％となされていることを特徴とする転がり軸受用軌道輪。
前記表層部の表面硬さがロックウェルＣ硬さで５８以上であり、前記全肉厚の１／４の部分の硬さがロックウェルＣ硬さで５０以下であり、前記全肉厚の１／２の部分の硬さがロックウェルＣ硬さで４５以下である請求項１または２の転がり軸受用軌道輪。
請求項１の転がり軸受用軌道輪を製造する方法であって、鋼を用いて肉厚が２５ｍｍ以上になるように形成された軌道輪素材に焼入処理を施す際に、軌道面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく前記軌道面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とすることを特徴とする転がり軸受用軌道輪の製造方法。
請求項２の転がり軸受用軌道輪を製造する方法であって、鋼を用いて肉厚が２５ｍｍ以上になるように形成された軌道輪素材に焼入処理を施す際に、軌道面とは反対側の反対面の表層部の冷却速度を１１℃／秒以上とし、同じく前記反対面から全肉厚の１／４の部分の冷却速度を４℃／秒以下とすることを特徴とする転がり軸受用軌道輪の製造方法。