JP4427224B2

JP4427224B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4427224B2
Application number: JP2002035003A
Authority: JP
Inventors: 隆司八木; 健二伊藤
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: JP2003239992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は転がり軸受に関し、特に圧延機のロールネック部に使用される転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧延機ロールネック軸受は、ハウジングシールが装着されていても軸受内部に圧延水・冷却水が浸入するのが実情である。また、ロール交換などで数時間に亘り停止することがあったり、定期的なロール研磨のために圧延機から軸受が取外されたりする場合があり、その停止期間中に軸受内部で錆が発生する現象、いわゆる置き錆が発生しやすい。このような使用環境では、軸受寿命が内部剥離による転動疲労寿命ではなく、錆を起点とした剥離等の損傷も含めて発錆により支配されている場合がある。
【０００３】
従来、この置き錆の発生を抑える手段として、（１）水の浸入を防ぐために転動疲労寿命の主要因となる軸受の負荷容量を犠牲にし、シールを付ける、（２）軸受全面にリン酸塩被膜処理などの化成処理を行なう等の対策がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水の浸入を防ぐシールを付けたとしても、過酷な条件で運転される圧延機ロールネック軸受の場合、完全に水の浸入を防げるとは言い難く、水が浸入しても発錆しないことが求められている。
【０００５】
また、リン酸マンガン被膜などの化成処理膜は腐食被膜であり、母材を幾分か侵食する。そのため、軸受の軌道面にその処理を実施した場合、侵食の程度によってはその部分を起点とした剥離が生じ、処理をしないときの発錆寿命よりも短い時間で寿命に至る場合がある。また、母材への侵食程度を少なくしようとすると被膜結晶のサイズに影響し、転動によって取れやすく転動後の油保持力の低下などが起き、発錆寿命を延長させることができないという問題がある。
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、転がり軸受、特に圧延機ロールネック軸受の軸受寿命を延長することで、交換期間を長くすることができる転がり軸受の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る転がり軸受は、外輪および内輪間に複数の転動体が介在し、上記外輪の転走面、上記内輪の転走面および転動体の表面の少なくとも一つの面に化成処理膜が形成されてなり、該化成処理膜における単位表面積あたりの結晶数が、発錆に起因する転がり軸受寿命から転動疲労に起因する転がり軸受寿命に遷移する領域における結晶数であることを特徴とする。
また、上記単位表面積あたりの結晶数は、（7.4〜10.3）×10⁴個／mm² であることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、発錆に起因する転がり軸受寿命（以下、錆寿命と略称する）とは、転動後の転がり軸受を発錆環境下に放置した際、その錆を起点として剥離等の損傷が生じる軸受寿命をいう。
また、転動疲労に起因する転がり軸受寿命（以下、転動疲労寿命と略称する）とは、発錆が生じない環境下における軸受寿命をいう。
【０００９】
上述した転がり軸受の外輪の転走面、内輪の転走面および転動体の表面の少なくとも一つの面に形成される化成処理膜が、リン酸塩処理膜、特にリン酸マンガン塩系処理膜であることを特徴とする。
また、上述した転がり軸受が、圧延機のロールネック部に使用されることを特徴とする。
【００１０】
圧延機ロールネック用軸受は、軸受交換周期が錆寿命で定まる場合が多い。このため、錆寿命を向上させる目的で、リン酸塩処理膜の平均結晶粒子径を大きくすることが行なわれている。しかし、平均結晶粒子径を大きくすると、転動によりリン酸塩処理膜が剥がれやすく軸受交換周期が逆に短くなることが分かった。
【００１１】
一方、転がり軸受にかかる荷重が大きくなく、または、回転速度が遅く、実稼動上、転動による表面膜の剥がれを考慮する必要がない場合、軸受交換周期は錆寿命で定められる。しかし、リン酸塩処理膜の平均結晶粒子径を大きくして防錆能を向上させようとすると、逆に錆が発生しやすくなり転がり軸受の軸受寿命が低下することが分かった。
【００１２】
本発明は上記二つの知見に基づくものである。すなわち、（１）錆寿命と転動疲労寿命とを考慮する必要がある場合には、軸受表面の化成処理膜における単位表面積あたりの結晶数を、転がり軸受寿命が錆寿命から転動疲労寿命に遷移する領域における結晶数に設定することにより、発錆までの時間を延長させ、かつ、被膜処理による転動疲労寿命の低下を極力抑える。また、（２）極低荷重条件で計算寿命が 20 年程度ある場合には、軸受表面の化成処理膜における単位表面積あたりの結晶数を、錆寿命が最大となる領域における結晶数に設定することにより、転がり軸受寿命を向上できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
転がり軸受を構成する、外輪の転走面、内輪の転走面および転動体の表面の少なくとも一つの面に形成される化成処理膜表面の結晶数を横軸にして軸受寿命のパターンを図１および図２に示す。図１は錆寿命と転動疲労寿命とを考慮する必要がある場合を、図２は極低荷重条件において十分な転動疲労寿命があるため、その転動疲労寿命を考慮する必要がない場合をそれぞれ示す。なお、単位表面積あたりの結晶数を、その逆数で示してある。
【００１４】
図１に示すように、錆寿命曲線Ｉは結晶数が小さくなるに従って単調に増加し極大値Ａをとり、その後単調に減少する。一方、転動疲労寿命曲線ＩＩは結晶数が小さくなるに従って単調に減少する。錆寿命曲線Ｉと転動疲労寿命曲線ＩＩとはＢ点において交わる。このため、転がり軸受寿命は、結晶数が減少してＢ点に至るまでは、錆寿命曲線Ｉに従い、結晶数がＢ点をこえて減少すると転動疲労寿命曲線ＩＩに従うことになる。
【００１５】
以上の結果、図１に示す錆寿命と転動疲労寿命とを考慮する必要がある場合は、錆寿命から転動疲労寿命に遷移する領域Ｒに結晶数を設定することにより、転がり軸受寿命が最大になる。実際には転動疲労寿命がより重要となる場合があり、結晶数は領域Ｒ₁に設定することが好ましい。
【００１６】
一方、図２に示すように、転動疲労寿命を考慮する必要がない場合には、結晶数が小さくなるに従って極大値Ａをとる錆寿命曲線Ｉと、単調に減少する転動疲労寿命曲線ＩＩとは明確な交点を有さない。この場合は、錆寿命曲線Ｉのみを考慮すればよいので、結晶数は領域Ｓに設定すればよく、特にＳ₁に設定することにより、転がり軸受寿命が最大になる。
【００１７】
図１および図２に示す関係を各実験例に基づいて説明する。
圧延機ロールネック用軸受の転動体を例として、その表面に化成処理を施し、錆寿命を測定した。
転動体形状をした金属材ＳＵＪ２を準備して、その表面に化成処理を行なった。化成処理方法は、耐摩耗性に優れるリン酸マンガン処理液に浸漬することで行なった。なお、化成処理は、金属材料の表面に適当な手段により処理液を接触させて、化学反応により表面に微結晶から構成される化合物被膜を形成できる方法であれば使用できる。化成処理方法を例示すれば、リン酸塩処理、クロメート処理等がある。本発明においては、化成処理方法としてリン酸塩処理が耐摩耗性、保油性に優れるため好ましい。
【００１８】
化成処理後の結晶数、平均結晶径、平均膜厚、平均粗さをそれぞれ測定した。単位表面積あたりの結晶数は、化成処理被膜表面の任意の位置を 2000 倍の電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測し、0.045mm×0.054mm の長方形内に認識される結晶の個数を単位表面積（ 1mm² ）当りに換算した。
平均結晶径は、 2000 倍の電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測したときの２次元的サイズであり、円形状、多角形状、楕円形状等を有する結晶の約 20 個の平均径である。なお、楕円形状においてはその長径で表した。
また、化成処理被膜表面の平均粗さ（Ｒａ）と平均膜厚（μm ）とを粗さ計および膜厚計により測定した。
【００１９】
試験条件イ、および試験条件ロにて発錆性を調べた。発錆性の程度を優れている順から１、２、３、４に順位付けを行ない評価した。結果を表１に示す。
試験条件イは、円筒ころ軸受のころに皮膜処理を施し、回転速度 1000rpm、ラジアル荷重と動定格荷重の比Ｆｒ／Ｃｒ＝０．０５にてグリース（圧延機ロールネック軸受用Ｌｉ系グリース）潤滑で 72 時間運転後、ころ単体を脱脂し、希釈グリース（圧延機ロールネック軸受用Ｌｉ系グリースをベンジンで 10 重量％に希釈）を塗布し、25 ℃イオン交換水に浸漬して 120 時間放置した。
試験条件ロは、25 ℃イオン交換水に浸漬して放置する時間を 168 時間に変更する以外は、試験条件イと同一条件である。
【００２０】
【表１】

【００２１】
表１より、化成処理被膜表面の単位面積当りの結晶数が少な過ぎても（実験番号１）、あるいは多すぎても（実験番号２）、錆の発生頻度が多かった。結晶数が（（ 80 〜 100 ）＝（3.3〜4.1）×10⁴個／mm² ）の場合に最も錆が発生しなかった。
【００２２】
実験番号１〜４で用いた金属材ＳＵＪ２を円板状として、試験条件ハにて発錆性を評価した。結果を表２に示す。
試験条件ハは、円板状試験片に化成処理を施し、ボールを、接触面圧 3.2GPa で油浴（ＶＧ２）潤滑で、100 万回転動後、円板の転動面を垂直に 5 分間放置した後、30 ℃の温度で 1 重量％の食塩水に浸漬放置して発錆するまでの時間を調べた。なお、表２に示す内周円はボールが転動した部分を示し、このボールが転動した部分での発錆性で評価した。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２より、化成処理被膜表面の単位面積当りの結晶数が（（ 180 〜 250 ）＝（7.4〜10.3）×10⁴個／mm² ）の場合に発錆するまでの時間が最も長い値を示した。従って、錆寿命と転動疲労寿命とを考慮する必要がある場合は、単位面積当りの結晶数が（7.4〜10.3）×10⁴個／mm² のときが最も優れていた。
【００２５】
次に、実験例８〜実験例１０として、金属材を浸炭鋼ＳＮＣＭ４２０に変更し、実験例１と同様にして化成処理を行ない、結晶数、平均結晶径、平均膜厚、平均粗さをそれぞれ測定した。また、試験条件ニ、ホ、ヘにて、錆発生試験と、転動疲労寿命試験を行なった。結果を表３に示す。なお、表３における判定は最も優れているものから１、２、３の順で示した。またワイブルプロットにおけるＬ１０／Ｌ５０の比は共に実験番号８に対する比で示した。
試験条件ニは、円筒ころ（ＳＮＣＭ４２０）に皮膜処理を施し、線接触（円筒ころ同士を接触させる）下で接触面圧 4.2GPa 負荷速度 20400cpm で、強制循環給油（ＶＧ６８）で運転し、剥離発生までの負荷回数で評価した。
試験条件ホは、円筒ころ（ＳＮＣＭ４２０）に皮膜処理を施し、線接触（円筒ころ同士を接触させる）下で接触面圧 4.2GPa 、負荷速度 20400cpm で、強制循環給油（ＶＧ６８）で 100 時間運転する。その後、ころの転動面を垂直にして 20 分間放置した後、40 ℃の温度で 0.1 重量％の食塩水に 3 時間浸漬放置して発錆性を評価した。
試験条件ヘは、円筒ころ（ＳＮＣＭ４２０）に皮膜処理を施し、線接触（円筒ころ同士を接触させる）下で接触面圧 4.2GPa 、負荷速度 20400cpm で、強制循環給油（ＶＧ６８）で 3 時間運転後、ころの転動面を垂直にして 20 分間放置した後、40 ℃の温度で 0.1 重量％の食塩水に 5 時間浸漬放置し、さらに線接触（円筒ころ同士を接触させる）下で接触面圧 4.2GPa 、負荷速度 20400cpm で、強制循環給油（ＶＧ６８）で運転し、剥離発生までの負荷回数で評価した。
【００２６】
【表３】

【００２７】
表３より、化成処理被膜表面の単位面積当りの結晶数が（（ 180 〜 250 ）＝（7.4〜10.3）×10⁴個／mm² ）の場合に防錆能に優れ、また、ワイブルプロットから求めた累積破壊確率も結晶数が小さい実験例１０よりも優れていた。
【００２８】
単位面積当りの結晶数を調整するためのリン酸塩処理には、リン酸亜鉛系、リン酸マンガン系、リン酸鉄系、リン酸カルシウム系処理方法のいずれであってもよい。特に耐摩耗性に優れるリン酸マンガン処理が好ましい。
また、化成処理方法としては、例えばリン酸塩処理においては、リン酸塩処理液中に鋼、軸受などの被処理材を浸漬するか、あるいは被処理材にリン酸塩処理液をスプレー塗布することにより被処理材表面にリン酸塩処理膜が形成できる。
【００２９】
本発明に係る転がり軸受は、外輪および内輪の転走面および転動体の表面、あるいはいずれかの面に上述の単位面積当りの結晶数を有する表面処理がなされている。結晶数を最適範囲にすることにより、転がり軸受の中でも置き錆の発生が短寿命損傷を引き起こしやすい用途に適用できる。例えば、圧延機ロールネック軸受に適用できる。また、接触する２物体の一方のみに表面処理を実施するよりも両方に実施する方が転動疲労寿命を長くできることが知られており、上記表面処理は、外輪および内輪の転走面および転動体の表面全てに実施することが望ましい。また、転がり軸受では一般的に浸炭窒化処理を施すことで微小クラック（剥離）の進展を抑えることがなされており、リン酸塩皮膜処理などの母材を侵食する皮膜処理では、その侵食部から微小クラックが進展することを抑える目的で、従来から母材に浸炭窒化処理を実施することがある。また、一般的に浸炭窒化処理を施すことで母材表面の耐錆性が向上すると考えられることからも上記表面処理の母材にも浸炭窒化処理を実施することが望ましい。
圧延機ロールネック軸受の例を図３および図４により説明する。図３は圧延機ロールネック軸受として用いられる四列円すいころ軸受の断面図であり、図４は密封形四列円すいころ軸受である。
外輪１および内輪２間に複数の転動体３が介在している。転動体３は円すいころであり、この円すいころが転走面１ａ、２ａに線接触して回転する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る転がり軸受は、外輪の転走面、内輪の転走面および転動体の表面の少なくとも一つの面に化成処理膜が形成されてなり、該化成処理膜における単位表面積あたりの結晶数が、発錆に起因する転がり軸受寿命から転動疲労に起因する転がり軸受寿命に遷移する領域における結晶数であるので、転動疲労寿命と錆寿命との調和がとれ、軸受、特に、圧延機ロールネック軸受の交換寿命を延長できる。
【００３２】
また、化成処理膜がリン酸塩処理膜であり、特にリン酸マンガン塩系処理膜であるので、化成処理膜が密になり、防錆性と耐摩耗性がともにより向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】軸受寿命のパターンを示す図である。
【図２】転動寿命を考慮する必要がない場合の軸受寿命のパターンを示す図である。
【図３】四列円すいころ軸受の部分拡大断面図である。
【図４】密封形四列円すいころ軸受の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１外輪
２内輪
３転動体

Claims

外輪および内輪間に複数の転動体が介在し、前記外輪の転走面、前記内輪の転走面および前記転動体の表面の少なくとも一つの面にリン酸マンガン塩処理膜が形成されてなり、圧延機のロールネック部に使用される転がり軸受において、
前記リン酸マンガン塩処理膜における単位表面積あたりの結晶数は、前記転がり軸受の軸受寿命が、発錆に起因する軸受寿命から転動疲労に起因する軸受寿命に遷移する領域における結晶数であり、（7.4〜10.3）×10⁴個／mm² であることを特徴とする転がり軸受。