JP4696975B2

JP4696975B2 - 転がり軸受

Info

Publication number: JP4696975B2
Application number: JP2006058448A
Authority: JP
Inventors: 大輔渡貫; 秀幸飛鷹
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007232201A

Description

本発明は、例えば圧延機のバックアップロール用軸受として用いられる転がり軸受に関する。

鋼板の熱間圧延工程で使用される圧延機の圧延ロールは、生産性の面からより小径であること、より高荷重に耐えられることが求められる。このため、圧延ロールの後側に配置されるバックアップロールとしては、圧延ロールに加わる荷重や衝撃を受け止め圧延ロールの変形を抑えるために、圧延ロールよりロール径の大きいものが使用され、このような圧延機のバックアップロールを支持する転がり軸受（以下「バックアップロール用軸受」という）に要求される性能としては、より大きな荷重に耐えられること、より大きな衝撃力に耐えられることなどが挙げられる。

バックアップロール用軸受などの大型転がり軸受は、その軌道輪や転動体の素材として浸炭鋼が用いられ、これに浸炭または浸炭窒化などの処理を主に気相中で行なって軌道輪や転動体が製造されている。また、その際には、大型の軸受であるために、焼入れ性の良好な鋼種が選択され、これに浸炭または浸炭窒化を施し、次いで焼鈍を施した後、焼入れ及び焼戻しを施すことによって、ＨＲＣ６０以上の表面硬度とＨＲＣ３０〜４８の芯部硬度を得ている。

しかし、上述した方法でバックアップロール用軸受などの大型転がり軸受を製造しようすると、素材の熱処理方法によっては粗大な結晶粒が発生し、それが疲労破壊の起点になることによって材料強度が大きく損なわれることがあった。また、浸炭層より深く、十分な硬さが得られない部分では、熱処理によって発生する残留引張応力も強度低下の原因となる。これらの要因によって材料強度が使用環境によって必要とされる強度を下回ると破壊が起こると考えられる。そこで、年々過酷化して使用環境に対して、非金属系介在物の大きさと量を規定することによって軌道輪や転動体の損傷を防止するようにしたものや（例えば、特許文献１、特許文献２参照）、軌道輪の端面部に割れが発生するのを抑制するために、浸炭層の深さを調整したものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４−８４８６９号公報特開平６−１４５８８３号公報特開２０００−３１４４２７号公報

しかしながら、特許文献１−３に開示された技術は、非金属系介在物を起点とした損傷の発生を抑えるには有効であるが、バックアップロール用軸受などの大型転がり軸受では、非金属系介在物によらない破壊の形態もあり、単に材料の清浄度を向上させるだけでは転がり軸受の転がり疲労寿命が不足するという問題があった。また、単に硬さを向上させるだけでは、芯部の靭性が不足して疲労破壊の発生を招くおそれがあった。
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、耐荷重性及び耐衝撃性の向上を図ることのできる転がり軸受を提供することにある。

本発明のうち請求項１の発明は、内輪と、該内輪の外周に配置された外輪と、前記内輪と前記外輪との間に設けられた複数の転動体とを備えてなる転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体の少なくとも一つが、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭または浸炭窒化を施され、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施された後、焼入れ及び焼戻しを施された鋼からなり、前記鋼を素材とする軸受構成部材の芯部における疲労強度を前記芯部の平均硬度で除した値が１．６以上であり、前記疲労強度の数値は、転がり軸受に回転トルクを与えながら曲げモーメント荷重を負荷して回転曲げ試験を行い、転がり軸受に損傷が発生したときの曲げモーメント荷重値であり、浸炭または浸炭窒化を施す鋼の炭素含有量は、０．１〜０．５質量％であることを特徴とする。

本発明のうち請求項２の発明は、請求項１記載の転がり軸受において、前記鋼を素材とする軸受構成部材の芯部における結晶粒の最大粒径が、１観察範囲４〜２５ｍｍ^２、全被検面積３２〜４００ｍｍ^２を観察し、各視野における結晶粒子の最大面積の平方根より極値統計を行い、３０００００ｍｍ^２に換算したときに９０μｍ以下であることを特徴とする。

上述した問題点を材料面から解決する手段としては、結晶粒の微細化が有効である。これは、マルテンサイト組織を有する高強度鋼の破壊が、粒界への応力集中を原因としていること、そして結晶粒を細かくすることで応力集中を軽減できるからである。

実際に大型転がり軸受について、結晶粒を微細化する手法を考える。大型の転がり軸受に使用される鋼材には、焼入れ性を確保するために、Ｎｉ，Ｍｏなどの合金元素が多量に添加されている。したがって、多くの鋼種について浸炭または浸炭窒化・冷却後の芯部組織はベイナイト組織となる。このベイナイト組織は、マルテンサイト組織と同様に、旧オーステナイト粒内にパケット、ブロック、ラスといった下部組織を有している。

このような組織を焼入れする場合、焼入れ前に変態点以下の温度で保持することは有効である。これは、冷却したままのベイナイトブロック界面が、特定の結晶方位の相対角度を有しているために、ランダムな結晶方位を有している旧オーステナイト粒界に比べてエネルギー状態が低く安定な状態にあり、核生成サイトに成り難いことに由来している。
焼鈍を施すことで、組織の回復が起こり、ブロック界面の結晶方位がランダムとなるため、核生成サイトとして旧オーステナイト粒界と同等の能力を有するようにすることができる。したがって、冷却後焼鈍を施した場合、旧オーステナイト粒界のみならず粒内からも結晶粒の核生成が起こり、微細化が達成されることになる。このような効果を得るために、焼鈍温度は６２０℃以上とすることが好ましい。

一方で、浸炭または浸炭窒化後の焼鈍を変態点以上の温度で行うことも非常に有効である。これは、加熱過程では上記の焼鈍と同様の効果が生じ、変態点温度以上に加熱された際に、実際に結晶粒が発生し、元の結晶粒が分割されるためである。パケット、ブロックと言った下部組織のサイズは旧オーステナイト粒径が小さくなるに比例して小さくなることが知られているため、焼入れ前に変態点以上の温度で焼鈍を行うことは結晶粒の微細化に非常に有効である。ただし、結晶粒の粗大化を抑制するためには、８６０℃以下の温度で焼鈍を行なうことが好ましい。また、浸炭または浸炭窒化は、処理時間を短縮化させるために、８００℃以上、好ましくは８５０℃以上の温度で行うことが望ましく、結晶粒の粗大化を抑制するためには、１０５０℃以下の温度で行うことが好ましい。さらに、浸炭または浸炭窒化を施す鋼の炭素含有量は、０．１〜０．５質量％、好ましくは０．１〜０．３質量％であることが望ましい。

本発明によれば、１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施すことで、結晶粒の粗大化が抑制されるので、転がり軸受の耐荷重性及び耐衝撃性の向上を図ることができる。また、バックアップロール用軸受などの大型の転がり軸受に好適に適用でき、特に、外径が１２０ｍｍ以上の転がり軸受に好適に適用できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の第１の実施形態に係る転がり軸受を図１に示す。同図に示される転がり軸受は内輪１と、この内輪１の外周に配置された外輪２とを備えており、内輪１の外周面に形成された転動体軌道面１ａと外輪２の内周面に形成された転動体軌道面２ａとの間には複数の円筒ころ３が設けられている。これらの円筒ころ３は内輪１または外輪２の回転に伴って転動体軌道面１ａ，１２ａ上を転動するようになっており、内輪１と外輪２との間には、転動体としての円筒ころ３を内輪１及び外輪２の円周方向にほぼ等間隔で保持する保持器４が設けられている。

内輪１、外輪２及び円筒ころ３のうち少なくとも一つは耐荷重性及び耐衝撃性に優れた肌焼鋼から形成されており、このような肌焼鋼を得るためには、図２に示すように、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭または浸炭窒化を施し、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施した後、焼入れ及び焼戻しを施す方法が有効である。
本発明の実施例と比較例を表１に示す。

表１の実施例１は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いでＮ_２ガス雰囲気で２回の焼鈍（１回目は焼鈍温度：６６０℃、焼鈍温度：２時間、２回目は焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間）を施した後（図３（ａ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の実施例２は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いでＮ_２ガス雰囲気で３回の焼鈍（１回目と２回目は焼鈍温度：６６０℃、焼鈍温度：２時間、３回目は焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間）を施した後（図３（ｂ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の実施例３は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間、焼鈍雰囲気：Ｎ_２の条件で２回の焼鈍を施した後（図３（ｃ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の実施例４は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いでＮ_２ガス雰囲気で３回の焼鈍（１回目は焼鈍温度：６６０℃、焼鈍温度：２時間、２回目と３回目は焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間）を施した後（図３（ｄ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の実施例５は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間、焼鈍雰囲気：Ｎ_２の条件で３回の焼鈍を施した後（図３（ｅ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の実施例６は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間、焼鈍雰囲気：Ｎ_２の条件で４回の焼鈍を施した後（図３（ｆ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の比較例１は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで焼鈍温度：６６０℃、焼鈍温度：２時間、焼鈍雰囲気：Ｎ_２の条件で２回の焼鈍を施した後（図３（ｇ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の比較例２は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで焼鈍温度：６６０℃、焼鈍温度：２時間、焼鈍雰囲気：Ｎ_２の条件で１回の焼鈍を施した後（図３（ｈ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

表１の比較例３は、被熱処理鋼としてＳＮＣＭ８１５を用い、このＳＮＣＭ８１５に８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで焼鈍温度：８００℃、焼鈍温度：１時間、焼鈍雰囲気：Ｎ_２の条件で１回の焼鈍を施した後（図３（ｉ）参照）、焼入れ及び焼戻しを施して得られた浸炭鋼の芯部平均硬度、疲労強度、疲労強度／硬度、極値統計による最大粒径、寿命比を示している。

ここで、表１に示した芯部平均硬度の数値は、上述した方法で熱処理が施された浸炭鋼から試験片をそれぞれ作製し、作製された各試験片の芯部硬度をビッカース硬度計により測定したときの平均値である。
また、表１に示した疲労強度の数値は、上述した方法で熱処理が施された浸炭鋼から転がり軸受をそれぞれ作製し、作製された各転がり軸受に回転トルクを与えながら曲げモーメント荷重を負荷して回転曲げ試験を行い、転がり軸受に損傷が発生したときの曲げモーメント荷重値である。

さらに、表１に示した極値統計による最大粒径の数値は、上述した方法で熱処理が施された浸炭鋼から試験片をそれぞれ作製し、作製された各試験片を１観察範囲４〜２５ｍｍ^２、全被検面積３２〜４００ｍｍ^２を顕微鏡観察し、各視野における結晶粒子の最大面積の平方根より極値統計を行い、３０００００ｍｍ^２に換算したときに予測される結晶粒子の最大粒径を計算した計算値である。

さらにまた、表１に示した寿命比の数値は、上述した方法で熱処理が施された浸炭鋼から転がり軸受（軸受品番：ＮＵ２２８（円筒ころ軸受））をそれぞれ作製し、作製された各転がり軸受に対してラジアル荷重：Ｐ／Ｃ＝０．６、回転数１０００ｍｉｎ^−１、潤滑油：Ｒｏ６８の条件で寿命回転試験を行い、転がり軸受に損傷が発生するまでの時間を測定した結果を比較例１の寿命を１として指標化した値である。

なお、焼鈍時の冷却は炉冷で行い、焼入れ及び焼戻しは焼入れ温度：８２０℃、焼戻し温度：１６０℃の条件で行った。
表１から、浸炭または浸炭窒化後、１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を二回以上行うことが好ましいことがわかるが、焼鈍の回数を３回、４回と増やしていくことがより好ましい。この場合、オーステナイト変態を伴う焼鈍の回数を２回、３回、４回と増やすことがより好ましい。

表１に示した各浸炭鋼の極値統計による最大粒径と疲労強度／硬度との関係を図４に示す。ＨＶ３５０以下の軟鋼においては、疲労強度／硬度の値が１．５〜１．６になると言われている。しかし、これ以上の硬度を有する鋼においては、もっと低い値を示すのが一般的である。図４に示すように、今回用いたＨｖ４００以上の硬度を持つ鋼においても、焼鈍によって粗大粒の発生を抑制することで、１．６を上回る値の疲労強度／硬度を得ることができる。また、疲労強度は結晶粒の最大粒径に依存し、これは極値統計で求められ、さらに３０００００ｍｍ^２の被検面積に換算したときに、９０μｍ以下であると疲労強度が良いということが図４に示されている。

表１に示した各浸炭鋼の極値統計による最大粒径と寿命比との関係を図５に示す。図５において、実施例１〜６は比較例１に対する寿命比で２倍以上の値を示し、芯部強度の向上が軸受寿命の延長を図れることを示している。
なお、１回以上のオーステナイト変態を伴う複数回の焼鈍のうち最初の焼鈍は後の焼鈍と温度を同じにするか、あるいは後の焼鈍より温度を低くすることで、組織の調整が行いやすくなるので好ましい。

実施例１〜６と比較例１〜３とを比較すると、比較例１〜３はその極値統計による最大粒径が１００μｍを上回る値となっている。これに対し、実施例１〜６はその極値統計による最大粒径が１００μｍを下回る値となり、従って、実施例１〜６のように、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施した後、焼入れ及び焼戻しを施すことで、結晶粒の粗大化を抑制することができる。

また、比較例１〜３はその疲労強度／硬度が１．５を下回る値となるのに対し、実施例１〜６はその疲労強度／硬度が１．５を上回る値となる。従って、実施例１〜６のように、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施した後、焼入れ及び焼戻しを施すことで、耐荷重性及び耐衝撃性の向上を図ることができる。特に、実施例２，４〜６のように、焼鈍を３回以上施すと、図３に示すように、疲労限界限度／硬度が比較例１の１．７倍以上となるので、耐荷重性及び耐衝撃性をより大きく向上させる。

さらに、比較例１〜３はその寿命比が１．５を下回る値となるのに対し、実施例１〜６はその寿命比が２．０を上回る値となる。
したがって、実施例１〜６のように、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施した後、焼入れ及び焼戻しを施すことで、芯部組織における結晶粒の粗大化が抑制されるので、転がり軸受の耐荷重性及び耐衝撃性を高めることができると共に転がり軸受の寿命延長を図ることができる。
特に、実施例３，５及び６のように、オーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施すと、図４に示すように、寿命比が比較例１の２．５倍以上となるので、転がり軸受の長寿命化により大きく貢献できる浸炭鋼を得ることができる。

なお、上述した実施例１〜６では、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭を施し、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施した後、焼入れ及び焼戻しを施すようにしたが、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭窒化を施し、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施した後、焼入れ及び焼戻しを施すようにしてもよく、このような方法で熱処理を施すことで、表面層の硬さ向上や結晶粒の微細化が可能となり、一層の寿命延長を図ることができる。
また、上述した実施例１〜６では、Ｎ_２ガス雰囲気で焼鈍を施したが、例えばＲｘガス等のガス雰囲気で焼鈍を施してもよい。
さらに、図１に示した実施形態では本発明を円筒ころ軸受に適用した場合を例示したが、これに限られるものではなく、例えば円錐ころ軸受、玉軸受などの転がり軸受全般に本発明を適用できることは勿論である。

本発明の第１の実施形態に係る転がり軸受の断面図である。転がり軸受の軌道輪や転動体の素材として用いられる鋼材の熱処理方法を示す図である。浸炭または浸炭窒化が施された鋼材に焼鈍を施す場合のヒートパターンを示す図である。図２に示す方法で熱処理が施された浸炭鋼の極値統計による最大粒径と疲労強度／硬度との関係を示す図である。図２に示す方法で熱処理が施された浸炭鋼の極値統計による最大粒径と寿命比との関係を示す図である。

符号の説明

１内輪
２外輪
１ａ，２ａ転動体軌道面
３円筒ころ
４保持器

Claims

内輪と、該内輪の外周に配置された外輪と、前記内輪と前記外輪との間に設けられた複数の転動体とを備えてなる転がり軸受であって、前記内輪、外輪及び転動体の少なくとも一つが、８００℃〜１０５０℃の温度範囲で浸炭または浸炭窒化を施され、次いで１回以上のオーステナイト変態を伴う焼鈍を２回以上施された後、焼入れ及び焼戻しを施された鋼からなり、前記鋼を素材とする軸受構成部材の芯部における疲労強度を前記芯部の平均硬度で除した値が１．６以上であり、前記疲労強度の数値は、転がり軸受に回転トルクを与えながら曲げモーメント荷重を負荷して回転曲げ試験を行い、転がり軸受に損傷が発生したときの曲げモーメント荷重値であり、浸炭または浸炭窒化を施す鋼の炭素含有量は、０．１〜０．５質量％であることを特徴とする転がり軸受。
前記鋼を素材とする軸受構成部材の芯部における結晶粒の最大粒径が、１観察範囲４〜２５ｍｍ^２、全被検面積３２〜４００ｍｍ^２を観察し、各視野における結晶粒子の最大面積の平方根より極値統計を行い、３０００００ｍｍ^２に換算したときに９０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。