JP4513775B2

JP4513775B2 - 圧延機ロールネック用転動装置

Info

Publication number: JP4513775B2
Application number: JP2006071447A
Authority: JP
Inventors: 啓之内田; 剛齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007247757A

Description

本発明は、転がり軸受，リニアガイド装置，ボールねじ，直動ベアリング等のような圧延機ロールネック用転動装置に係り、特に、発錆が生じにくい圧延機ロールネック用転動装置に関する。

例えば、鉄鋼製造設備の圧延機の圧延ロールを支持する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、軸受内部に圧延水や冷却水が侵入することが多い。また、ロール交換等のために数時間にわたって停止することや、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ることがあり、その停止期間中に軸受内部で錆（いわゆる置き錆）が生じやすい。このような使用環境では、軸受寿命は、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。

従来、この置き錆の発生を抑える手段としては、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て、水の侵入を防ぐためにシールを取り付ける手段や、軸受全面にリン酸塩被膜処理等の化成処理を施す手段等がある。
特開２００２−１０６５８８号公報特開２００３−２３９９９２号公報特開平９−３２９１４７号公報

しかしながら、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は、水の侵入を防ぐシールを取り付けたとしても完全に水の侵入を防げるとは限らないので、水が侵入しても発錆しないことが求められている。
また、リン酸マンガン被膜等の化成処理膜は腐食被膜であるため、軸受を構成する金属材料（母材）を若干侵食する。そのため、軸受の軌道面に化成処理を施した場合は、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、化成処理を施していない場合の発錆寿命よりも短い時間で寿命に至る場合があった。

さらに、母材の侵食の程度を少なくしようとすると被膜の結晶サイズに影響し、転動によって化成処理膜が脱落しやすくなる。その結果、転動後の油保持力の低下等が起き、発錆寿命を延長させることができないという問題があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、水が侵入しても発錆が生じにくい圧延機ロールネック用転動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の圧延機ロールネック用転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える圧延機ロールネック用転動装置において、前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも一つは、その表面の少なくとも一部に、亜鉛層とスズ層とを有する金属被膜を備えるとともに、前記金属被膜は、前記亜鉛層の上に前記スズ層を形成することにより得られたものであることを特徴とする。

亜鉛は、内方部材，外方部材，転動体を構成する金属材料（以降は母材と記すこともある）の主成分である鉄よりも卑な金属であるので、亜鉛を含有する金属被膜を表面に被覆すれば、錆が発生しやすいような環境下でも亜鉛が優先的に溶け出し（自己犠牲型防錆作用）、母材中の鉄が溶出して錆となることが抑制される。自己犠牲型である亜鉛の防錆原理から、電気的に導通状態となりうる部分のうちの一部分に金属被膜を被覆すれば、上記のような亜鉛による防錆効果が得られる。よって、内方部材，外方部材，及び転動体の表面全体（すなわち転動装置の表面全体）のうちの一部分に金属被膜を被覆すれば、亜鉛による防錆効果が得られる。

また、スズは、鉄や亜鉛よりも貴な金属であり錆びにくいので、スズを含有する金属被膜を表面に被覆すれば、スズにより母材が保護されて発錆が抑制される。これに加えて、亜鉛が早期に溶出することがスズによって抑制され、防錆効果が長期間にわたって維持される。
さらに、亜鉛層の上にスズ層を形成したので、スズ層により母材及び亜鉛層が保護され、発錆がより抑制される。
また、本発明に係る請求項２の圧延機ロールネック用転動装置は、請求項１に記載の圧延機ロールネック用転動装置において、前記金属被膜は機械的エネルギーを利用して形成されたものであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項３の圧延機ロールネック用転動装置は、請求項１に記載の圧延機ロールネック用転動装置において、前記金属被膜は亜鉛粉末及びスズ粉末のショットピーニングにより形成されたものであることを特徴とする。
金属被膜を機械的エネルギーを利用して形成したので、従来の被膜形成方法である電気メッキ，化学メッキのように処理過程において水素が発生し母材を脆化させるおそれがない。よって、圧延機ロールネック用転動装置に、遅れ破壊や白色剥離が生じにくい。また、溶融メッキのように処理過程において高温に曝されることがないので、母材の硬さ低下や表面組織の変質を生じさせることなく金属被膜を形成することができる。よって、圧延機ロールネック用転動装置の性能が損なわれることがない。
機械的エネルギーを利用した金属被膜の形成方法としては、亜鉛粉末やスズ粉末を被処理面に吹き付けるショットピーニングが、金属被膜を短時間且つ容易に形成できるため好ましい。

さらに、本発明に係る請求項４の圧延機ロールネック用転動装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置において、前記金属被膜は亜鉛とスズの合金を含有していることを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項５の圧延機ロールネック用転動装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置において、前記金属被膜の厚さが０．５μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする。
金属被膜の厚さが０．５μｍ未満であると、十分且つ持続的な防錆効果が得られないおそれがある。一方、金属被膜の厚さが８μｍ超過であると、金属被膜の脱落が生じやすくなり、圧延機ロールネック用転動装置にとって異物となるおそれがある。

さらに、本発明に係る請求項６の圧延機ロールネック用転動装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置において、前記内方部材の表面，前記外方部材の表面，及び前記転動体の表面のうち少なくとも前記金属被膜が備えられた部分に、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルを設けたことを特徴とする。
ディンプルにより金属被膜と母材との密着性が向上する。また、圧延機ロールネック用転動装置の駆動時に脱落した金属被膜がディンプル内にトラップされるので、防錆効果が長く維持される。このような効果を得るためには、ディンプルの深さを０．１μｍ以上とすることが好ましい。ただし、ディンプルの深さを５μｍ超過としても、それ以上の効果は期待できないので、ディンプルの深さは５μｍ以下とすることが好ましい。

さらに、本発明に係る請求項７の圧延機ロールネック用転動装置は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置において、前記金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする。
このような構成であれば、防錆効果が得られるとともに、圧延機ロールネック用転動装置にカジリが生じにくく且つ音響特性が良好である。特に、内方部材の軌道面，外方部材の軌道面，及び転動体の転動面に金属被膜を形成する場合には、金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａを上記範囲内とすることが好ましい。金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａが１μｍ超過であると、カジリが生じたり音響特性が不十分となるおそれがある。一方、中心線平均粗さＲａを０．１μｍ未満とすると、圧延機ロールネック用転動装置が高価となってしまうおそれがある。

なお、本発明は種々の転動装置に適用することができる。例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。また、本発明における内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には内輪、同じくボールねじの場合にはねじ軸、同じくリニアガイド装置の場合には案内レール、同じく直動ベアリングの場合には軸をそれぞれ意味する。また、外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合には外輪、同じくボールねじの場合にはナット、同じくリニアガイド装置の場合にはスライダ、同じく直動ベアリングの場合には外筒をそれぞれ意味する。

本発明の圧延機ロールネック用転動装置は、発錆が生じにくい。

本発明に係る圧延機ロールネック用転動装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る圧延機ロールネック用転動装置の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図１の円すいころ軸受は、図示しない軸に固定される内輪１（内方部材）と、図示しないハウジングに固定される外輪２（外方部材）と、内輪１の軌道面１ａと外輪２の軌道面２ａとの間に転動自在に配された複数の転動体３と、複数の転動体３を両輪１，２の間に保持する保持器４と、を備えている。そして、内輪１，外輪２，及び転動体３のうち少なくとも一つは、その表面の少なくとも一部に、亜鉛及びスズを含有する金属被膜（図示せず）を備えている。

鉄よりも卑な金属である亜鉛が金属被膜に含まれているので、錆が発生しやすいような環境下でも亜鉛が優先的に溶け出し、母材中の鉄が溶出して錆となることが抑制される。また、鉄や亜鉛よりも貴な金属であり錆びにくいスズが金属被膜に含まれているので、スズにより母材が保護されて発錆が抑制される。これに加えて、亜鉛が早期に溶出することがスズによって抑制されるので、防錆効果が長期間にわたって維持される。よって、この円すいころ軸受は、錆が発生しやすいような環境下でも内輪１，外輪２，及び転動体３の発錆が抑制される。

金属被膜を形成する箇所は、内輪１，外輪２，及び転動体３の表面であれば特に限定されるものではなく、金属被膜を形成した箇所の発錆を抑制することができるが、内輪１の軌道面１ａ，外輪２の軌道面２ａ，及び転動体３の転動面３ａのうち少なくとも一つに金属被膜を形成すれば、これらの面の発錆を抑制することができるので、円すいころ軸受を長寿命とすることができる。

この金属被膜は、ショットピーニングのような機械的エネルギーを利用する方法により形成することが好ましいので、亜鉛粉末やスズ粉末を被処理面に投射することにより形成するとよい。機械的エネルギーを利用して金属被膜を形成すれば、従来の被膜形成方法である化成処理において問題となる侵食が生じることがない。そして、形成された金属被膜は、亜鉛層とスズ層とを備え、亜鉛層の上にスズ層が形成されていることが好ましい。亜鉛層の上にスズ層が形成されていれば、スズ層により母材及び亜鉛層が保護され、発錆がより抑制される。

ショットピーニングにより亜鉛層の上にスズ層を形成する場合には、亜鉛粉末の投射に続いてさらにスズ粉末を投射するとよい。そうすれば、亜鉛層にスズ粉末が投射されるので、まず亜鉛層の上に亜鉛とスズの合金層が形成され、さらにその上にスズ層が形成されることとなる（すなわち３層構造となる）。ただし、本実施形態における金属被膜は亜鉛及びスズを含有するが、亜鉛とスズは合金となっていてもよいし、合金ではなく単なる混合物であってもよい。また、合金と混合物の両方が混在していてもよい。さらに、亜鉛層とスズ層との２層構造となっていてもよい。なお、亜鉛粉末とスズ粉末の混合粉末を投射すれば、亜鉛スズ合金からなる金属被膜を形成することが可能である。

この金属被膜の厚さは、０．５μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。また、内輪１の表面，外輪２の表面，及び転動体３の表面のうち少なくとも金属被膜が被覆された部分には、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルを設けることが好ましい。さらに、前記金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａは、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

なお、本実施形態においては、圧延機ロールネック用転動装置の例として円すいころ軸受をあげて説明したが、転がり軸受の種類は円すいころ軸受に限定されるものではなく、本発明は様々な種類の転がり軸受に対して適用することができる。例えば、深溝玉軸受，アンギュラ玉軸受，自動調心玉軸受，針状ころ軸受，円筒ころ軸受，自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受，スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。さらに、本発明は、転がり軸受に限らず、他の種類の様々な転動装置に対して適用することができる。例えば、ボールねじ，リニアガイド装置，直動ベアリング等である。

〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。圧延機ロールネック用円すいころ軸受を用意して、その寿命を評価した。この円すいころ軸受の諸元は次の通りである。
呼び番号：ＨＲ３２０１７ＸＪ
軸受内径：８５ｍｍ
軸受外径：１３０ｍｍ
組立幅：２９ｍｍ
基本動定格荷重：１４３０００Ｎ

また、内輪，外輪，及び転動体はＳＵＪ２鋼で構成されており、その性状は次の通りである。
表面硬さ：ＨＲＣ５８〜６４
表面の残留オーステナイト量：２０〜４５体積％
表面の炭素濃度：０．８〜１．１質量％
表面の窒素濃度：０．０５〜０．３質量％
なお、本実施例においては、内輪，外輪，及び転動体には浸炭窒化処理が施されているが、浸炭窒化処理は施さずにズブ焼入れ及び高周波焼入れ処理を施したものでもよい。また、ＳＵＪ２鋼に代えて、ＳＣＭ４２０，ＳＣｒ４２０に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施したものを用いてもよい。

さらに、外輪の外周面には、亜鉛粉末の投射に続けてスズ粉末を投射することにより前述のような３層構造の金属被膜が形成されており、内輪及び転動体の表面には金属被膜は形成されていない。比較例として、外輪の外周面に亜鉛粉末のみを投射して亜鉛被膜を形成したもの、外輪の外周面に従来の化成処理膜（リン酸マンガン被膜）を形成したもの、金属被膜等の被膜を全く備えていないものをそれぞれ用意した。

なお、本実施例においては外輪の外周面に金属被膜を形成したが、外輪の外周面には金属被膜を形成せず、内輪の表面又は転動体の表面に金属被膜を形成してもよく、同様の効果が得られる。あるいは、内輪の表面，外輪の表面，転動体の表面のうちいずれか２つ以上に、金属被膜を形成してもよい。また、これら表面の一部に金属被膜を形成してもよい。さらに、保持器の表面に金属被膜を形成してもよい。

金属被膜の形成にはショットピーニング装置を用い、投射材としては平均粒径４５μｍ（ＪＩＳＲ６００１の規定による）の亜鉛粉末及び平均粒径４５μｍ（ＪＩＳＲ６００１の規定による）のスズ粉末を用いた。噴射圧力は０．１９６〜０．８８２ＭＰａで、噴射時間は１０〜２０ｍｉｎである。１回の処理に用いる外輪の質量は１〜２０ｋｇとした。
外輪の外周面に被覆された金属被膜の厚さ及び中心線平均粗さＲａ、並びに外輪の外周面に形成されたディンプルの深さは、表１に示す通りである。なお、比較例２は被膜を備えていないが、表１に示した中心線平均粗さＲａは外輪の外周面の粗さである。

実施例，比較例のうち一部のものの外輪の外周面には、金属被膜を形成する前に前処理を施して、ディンプルが形成してある。この前処理（ディンプルの形成方法）は特に限定されるものではないが、本実施例においてはショットピーニング処理を採用した。ショットピーニング処理は、ショットピーニング装置を用いて行った。投射材にはＪＩＳＲ６００１に規定された平均粒径４５μｍの鋼球，ＳｉＣ，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ガラスビーズ等を用い、前述のショットピーニング条件と同様の条件で投射材を外輪の外周面に噴射した。

なお、バレル処理によりディンプルを形成してもよいし、ショットピーニング処理とバレル処理の両方を用いてディンプルを形成してもよい。バレル処理は、種々のメディアや添加剤を配合したものを用いて外輪の外周面に大きな凹凸を形成する粗加工と、プラトー部の粗さを整える仕上げ加工とを行う。
ディンプルの深さを測定する方法は、以下の通りである。三次元非接触表面形状計測機により、外輪の外周面を１００倍の倍率で３０視野観察し、得られた画像を断面プロファイルに変換した。そして、Ｘ方向及びＹ方向それぞれの５つの断面において、ディンプルの深さを測定し、その結果を平均した。

また、金属被膜の厚さを測定する方法は、以下の通りである。まず、金属被膜を備えた外輪の外周面に、熱硬化性樹脂であるポリアミドイミドのピロリドン溶液を塗布し、１７５℃で２時間加熱して硬化させ、金属被膜の保護膜を形成した。この外輪を切断してエポキシ樹脂に埋め込み、外輪の断面をバフ研磨で鏡面仕上げした。さらに、凹凸を付けるために、３％ピクラール溶液で５秒間腐食した後、スパッタによりナノオーダーのクロム層を表面に被覆して通電性を付与した。

電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、断面を５０００倍の倍率で３０視野観察した。各視野において金属被膜の厚さを５点測定し、これら５点の平均値を求め、この平均値をその視野の金属被膜の厚さとした。そして、３０視野の金属被膜の厚さの平均値を求めた。
このような円すいころ軸受を図２に示すような寿命試験機に装着して回転させ、寿命を測定した。ただし、寿命試験機に装着する前に、軸受の内部に０．５質量％ＮａＣｌ水溶液を１０ｍｌ滴下し、温度６０℃，湿度９０％以上の環境下で２０時間放置した。

図２において符号Ｗは被試験体の円すいころ軸受（ワーク）であり、符号１１は内輪、符号１２は外輪、符号１３は円すいころ、符号１４は保持器である。寿命試験機の回転軸１６の一端の軸受座１６ａに内輪１１を嵌合することによりワークＷを装着し、外輪１２は試験機のハウジン１７の外輪嵌合部材１８に嵌合して固定する。回転軸１６には、図示しないラジアル荷重負荷手段によってラジアル荷重Ｆｒを加え、これによりワークＷにラジアル荷重を負荷する。また、外輪嵌合部材１８には図示しない油圧シリンダによりアキシャル荷重Ｆｓを加え、これによりワークＷにアキシャル荷重を負荷する。
寿命試験の条件は、下記の通りである。
ラジアル荷重：３５７５０Ｎ
アキシャル荷重：１５６８０Ｎ
内輪回転速度：１５００ｒｐｍ
潤滑剤：純グリース潤滑（グリース量６０ｇ）

上記のような条件で回転試験を行い、振動値が初期値の５倍となるか、又は、外輪１２が１６０℃となった時点で回転を停止した。振動値が５倍となった場合は、実体顕微鏡を用いて損傷の有無を確認し、損傷がある場合は寿命とし、損傷がない場合は回転試験を再開した。また、外輪１２が１６０℃となった場合は、焼付きが生じたと判断し、寿命とした。
寿命試験の結果を表１に示す。なお、表１における寿命の数値は、従来の化成処理膜を備える比較例１の軸受の寿命を１とした場合の相対値で示してある。実施例１〜３は、外輪の外周面に亜鉛及びスズを含有する金属被膜が形成されているので、錆が生じにくく長寿命であった。

本発明に係る圧延機ロールネック用転動装置の一実施形態である円すいころ軸受の構造を示す部分縦断面図である。寿命試験機の断面図である。

符号の説明

１内輪
１ａ軌道面
２外輪
２ａ軌道面
３転動体
３ａ転動面

Claims

外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備える圧延機ロールネック用転動装置において、
前記内方部材，前記外方部材，及び前記転動体のうち少なくとも一つは、その表面の少なくとも一部に、亜鉛層とスズ層とを有する金属被膜を備えるとともに、前記金属被膜は、前記亜鉛層の上に前記スズ層を形成することにより得られたものであることを特徴とする圧延機ロールネック用転動装置。
前記金属被膜は機械的エネルギーを利用して形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
前記金属被膜は亜鉛粉末及びスズ粉末のショットピーニングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
前記金属被膜は亜鉛とスズの合金を含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
前記金属被膜の厚さが０．５μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
前記内方部材の表面，前記外方部材の表面，及び前記転動体の表面のうち少なくとも前記金属被膜が備えられた部分に、深さ０．１μｍ以上５μｍ以下のディンプルを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。
前記金属被膜の表面の中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧延機ロールネック用転動装置。