KR20000006384A - 압연설비의롤러지지장치 - Google Patents

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나수시노부
니시와키히데시
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이토오 도요아키
엔티엔 가부시키가이샤
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Abstract

원뿔 볼베어링(5)은, 2열의 궤도면(5a1)을 갖는 한 쌍의 내륜(5a)과, 단수열의 궤도면(5b1)을 갖는 한 쌍의 외륜(5b), 및, 2열의 궤도면(5c1)을 갖는 한 개의 외륜(5c)과, 내륜(5a)의 궤도면(5a1)과 외륜(5b, 5c)의 궤도면(5b1, 5c1)사이에 회전이 자유롭도록 배치된 4열의 원뿔볼(5d)과 원뿔볼(5d)을 원주 소정 간격으로 유지하는 유지기(5e)를 구비하고 있다. 내륜(5a), 외륜(5b, 5c), 및 원뿔볼(5d)은, 각각 탄소함유량 0.12∼0.40%의 침탄강(浸炭鋼)으로 형성되고, 이들 부품의 표면에 탄소함유량 0.80%이상, 록웰 경도 HRC58 이상, 잔류 오스테나이트량 25∼35용량%의 침탄질화층(A)이 형성되어 있다.

Description

압연설비의 롤러지지장치{ROLL SUPPORTING DEVICE FOR A ROLLING MILL ARRANGEMENT}
본 발명은, 강판압연라인의 압연기 등의 설비에 있어서, 롤러를 회전이 지유롭도록 지지하는 지지장치에 관한 것이다.
예를 들면, 정련을 종료한 용융된 강판은 연속주조법으로 슬래브(slab)로 주조된 후, 핫 스트립 밀(열간압연기)에 의해 스트립(띠강판)으로 압연가공된다. 슬래브는 압연에 앞서 가열로에서 압연온도까지 가열되고, 핫 스트립의 애벌 마무리 스트랜드(strand)로부터 마무리 스트랜드로 연속적으로 보내어져 소정의 두께로 열간압연된다. 그리고, 핫 스트립 밀의 마무리 스트랜드를 지난 스트립(띠강판)은, 주행전단기로 일정한 길이로 절단되거나, 또는 코일러로 코일형상으로 감겨지고, 코일러로 감겨진 것은 예를 들면 산세척 등의 처리를 거친 후, 콜드 스트립 밀(냉간압연기)에 의해서 냉간압연된다.
상기와 같은 강판압연설비의 압연기로는, 2단 압연기, 3단 압연기, 4단 압연기, 다단 압연기, 스텍켈(steckel) 압연기 등 여러 종류가 있지만, 예를 들면 4단 압연기에서는 지름이 비교적 작은 한 쌍의 구동롤러에 의해서 재료의 압연을 행하고, 그 상하에 지름이 비교적 큰 백업롤러를 설치해서 구동롤러의 압연하중에 의한 휘어짐을 방지하는 구조로 되어 있다. 각 롤러는 각각 복수열 또는 다수열의 볼베어링으로 하우징에 대해서 회전이 자유롭도록 지지되고 하우징은 롤러스탠드에 지지된다. 이러한 종류의 롤러지지장치는, 하중조건, 주위온도, 냉각수, 수증기, 스케일(scale) 등의 이물의 존재 등의 영향으로, 볼베어링내부의 윤활조건이 까다롭고 수명을 연장시키기 위한 설계가 중요한 과제의 하나로 되고 있다.
본 출원인은 오랜 세월의 베어링 손상해석(解析)에 의해, 이러한 종류의 롤러지지장치에 조립해 넣는 대형 베어링 손상의 대부분이 이물질이 끼는 것에 의한 압흔(壓痕)을 기점(起点)으로 하는 박리, 윤활유막이 불충분하기 때문에 발생하는 필링(peeling)이나 스미어링(smiaring) 및 이들을 기점으로 하는 갈라짐이며, 이들의 표면을 기점(基点)으로 하는 손상(표면기점형 손상)에 대한 강도를 높이는 것이 수명을 연장시키 위한 것임을 확인했다.
본 발명은, 상기의 관점에서, 이러한 종류의 롤러지지장치, 특히 베어링부의 수명연장을 도모하고, 보수점검기간의 장기화, 보수점검비용의 삭감에 기여하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 롤러를 복수열 또는 다수열의 볼베어링으로 하우징에 대해서 회전이 자유롭도록 지지한 압연설비의 롤러지지장치에 있어서, 상기 볼베어링의 궤도륜 및 볼표면에, 탄소함유량 0.80%이상으로 록웰 경도 HRC58 이상의 침탄질화층(浸炭窒化層)을 형성하고, 또한 그 침탄질화층의 잔류 오스테나이트량을 25∼35용량%로 한 구성을 제공한다. 「HRC」는 록웰 경도의 C스케일을 나타내고 있다.
궤도륜 및 볼의 접촉면에 침탄질화층을 형성한 것은 다음과 같은 이유에 의한 것이다. 보통의 침탄에 의해 얻어지는 침탄층의 잔류 오스테나이트는 균열발생이나 진전을 억제하고 또한 사용중에 가공경화(강화)하기 때문에, 이것을 적절히 포함하는 것으로 강인한 재질로 할 수 있지만, 열에 대해서는 불안정하다. 이것에 대해서, 적절한 조건에서의 질소를 복합시키면, 질소의 침입에 의해 잔류 오스테나이트나 모재(매트릭스)의 마텐자이트(martensite)가 열에 대해서 안정이 되고, 변화하기 어려운 재질로 되는 동시에 적당량의 탄화물이 석출하고, 갈라지는 강도를 내리지 않고, 피로강도를 높일 수 있다.
잔류 오스테나이트량을 25∼35용량%으로 한 것은, 침탄질화층에 적당한 인성(靭性)을 부여해서 윤활제에 혼입한 이물의 표면압입에 의한 소성 변형에 대해서 응력발생을 완충시키기 위해서이다. 잔류 오스테나이트량이 25%미만이면, 소성 변형에 의한 응력발생을 완충시키기에 충분하지 않고, 잔류 오스테나이트량이 35%를 넘으면 표면경도가 저하하는 것에 의해 소성 변형이 커서 표면거칠기의 열화(劣化)를 초래한다.
잔류 오스테나이트조직의 크기는 10㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서의 잔류 오스테나이트조직의 크기는 현미경 관찰하에서의 시료연마 에칭면의 오스테나이트조직 1개의 면적과 등가인 면적을 갖는 원의 지름으로 대표되는 크기이지만, 이 크기를 10㎛이하로 하는 이유는, 미소한 이물의 혼입에 대처하기 위해서 이물압흔내에 포함되는 잔류 오스테나이트상(相)의 수를 확보해서 이물의 압입응력을 완화하여 표층의 균열발생을 방지하는 것에 있다.
상기 볼베어링의 궤도륜 및 볼은, 예를 들면 탄소함유량 0.12∼0.40%의 탄소강으로 형성할 수 있고, 또한, 상기 침탄질화층중의 잔류 탄화물량은 10%이하로 하는 것이 바람직하다.
잔류 탄화물은, 주로 담금질가열시에 오스테나이트상중에 용해되지 않은 탄화물의 담금질후의 잔류물이지만, 잔류 탄화물량은 현미경관찰하에서의 시료단면의 점유면적%으로 나타내며, 이 잔류탄화물량을 10%이하로 규제하는 이유는, 고용(固溶) 탄소량을 높이고, 매트릭스의 강도를 높여 이물질의 압력으로 표층내부에 미치는 소성 변형의 영향을 경감하고, 또한, 사용중의 온도상승에 의한 경화층의 연화를 방지해서 지나친 사용조건에서의 내피로(耐疲勞)수명을 확보하는 것에 있다.
상기와 같은 침탄질화층의 조직은 침탄후의 침탄질화 처리에 의해 형성한다. 침탄분위기중의 카본 전위(potential)를 0.8C%이상으로 해서 소정시간 가열한 후(보통, 확산처리를 따름), 유중(油中) 냉각의 담금질을 행한다(침탄 담금질). 그리고, 침탄공정에서 형성된 침탄층에 대해서 침탄질화처리를 행하고, 그후 곧바로 담금질한다. 또, 침탄질화 처리는 침탄공정중에 동시에 행할 수도 있다.
침탄층의 질소증가는, 고용 탄소량을 증가시키기 때문에, 잔류 탄화물량이 저하하지만, 오스테나이트를 안정시키기 때문에, 탄화질화후의 담금질온도를 800∼840℃로 저하시켜 담금질후의 잔류 오스테나이트의 조직의 크기와 그 양을 상기 소정범위로 조정한다. 이와 같이, 오스테나이트화 온도를 800∼840℃로 저하시켜도 침탄층의 질소증가는 오스테나이트중의 고용 탄소량을 증가시키고, 잔류 탄화물량이 저하하기 때문에, 잔류 탄화물량을 10%이하로 규제할 수 있다. 또, 잔류 오스테나이트량을 조정하는 방법으로서 서브제로처리나 고온뜨임을 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 복수열 볼베어링 또는 다수열 볼베어링의 궤도륜 및 볼표면에, 탄소함유량 0.80%이상이고, 록웰 경도 HRC58 이상의 침탄질화층을 형성하고, 또한 그 침탄질화층의 잔류 오스테나이트량을 25∼35용량%으로 했기 때문에, 궤도륜이나 볼의 접촉면의 표면기점형 손상에 대한 강도가 향상하고, 이러한 종류의 롤러지지장치 특히 베어링부의 수명연장이 달성되고, 보수점검기간의 장기화, 보수점검비용의 삭감에 기여할 수 있다.
도 1은 4단 열간압연기의 구조 모델도(단면도)이다.
도 2는 4열 원뿔 볼베어링의 일실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 4열 원통 볼베어링의 일실시예를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 관해서 설명한다.
도 1은, 4단 열간압연기의 구조 모델을 예시하고 있다. 이 4단 열간압연기는 예를 들면, 핫 스트립 밀의 마무리 스트랜드를 구성하는 것으로(열간압연라인을 따라 여러대가 설치된다.), 공작물(W)의 압연을 지름이 비교적 작은 한 쌍의 구동롤러(1)에 의해서 행하고, 그 상하에 지름이 비교적 큰 백업롤러(2)를 설치해서, 구동롤러(1)의 압연하중(Fw)에 의한 휘어짐을 방지하는 구조로 되어 있다.백업롤러(2)에는 유압장치 등의 가압장치(3)에 의해 누르는 압력(Fr)을 부여하고, 또한, 상하의 구동롤러(1)사이에 유압장치 등의 가압장치(4)를 설치하고, 가압장치(4)의 누르는 압력에 의해서 구동롤러(1)에 굽힘변형을 부여하고, 공작물(W)의 폭방향의 두께제어를 행한다.
각 롤러(1,2)의 축단부(1a, 2a)는 각각 볼베어링(5, 6)으로 하우징(7, 8)에 대해서 회전이 자유롭도록 지지되며, 하우징(7, 8)은 각각 롤러스탠드(S)에 지지된다. 이 실시예에서는, 구동롤러(1)의 축단부(1a)를 지지하는 볼베어링(5)으로서 4열 원뿔 볼베어링을 사용하며, 백업롤러(2)의 축단부(2a)를 지지하는 볼베어링(6)으로서 4열 원통 볼베어링을 사용하고 있다. 또한, 백업롤러(2)에 작용하는 비교적 작은 축방향의 하중을 지지하기 위해서, 한 쪽 축단부(2a)의 4열원통 볼베어링(6)의 측쪽으로 원뿔각의 비교적 큰 복수열 원뿔 볼베어링(9)을 배치하고 있다. 각 롤러지지장치의 양단부는 각각 밀봉기구에 의해 밀봉되며, 지지장치의 베어링부에 냉각수, 수증기, 스케일 등의 이물이 침입하는 것을 방지하고 있다.
도 2는, 구동롤러(1)의 축단부(1a)를 하우징(7)에 대하여 회전이 자유롭도록 지지하는 4열 원뿔 볼베어링(5)의 일실시예를 나타내고 있다. 이 원뿔 볼베어링(5)은, 2열의 궤도면(5a1)을 갖는 한 쌍의 내륜(5a)과, 단수열의 궤도면(5b1)을 갖는 한 쌍의 외륜(5b) 및 2열의 궤도면(5c1)을 갖는 한 개의 외륜(5c)과, 내륜(5a)의 궤도면(5a1)과 외륜(5b, 5c)의 궤도면(5b, 5c1) 사이에 회전이 자유롭도록 배치된 4열 원뿔 볼(5d)과, 원뿔 볼(5d)을 원주의 소정 간격을 유지하는 유지기(5e)를 구비하고 있다. 각 내륜(5a)의 중앙부에 중간플랜지(5a2)가 설치되고, 베어링사용시,원뿔 볼(5d)은 중간플랜지(5a2)에 접촉되어 안내되면서 궤도면위를 전동(轉動)한다. 또, 외륜(5b)과 외륜(5c)사이에는, 각각, 오일공급부재를 겸한 스페이서(5f)가 설치된다.
내륜(5a), 외륜(5b, 5c) 및 원뿔 볼(5d)은 각각 탄소함유량 0.12∼0.40%, 바람직하게는 0.12∼0.35%의 침탄강(SNCM 815, SNCM420, SCM420, SCr435, SCM435 등)으로 형성되고, 이들 부품의 표면에 탄소함유량 0.80%이상, 록웰 경도 HRC58 이상, 잔류 오스테나이트량 25∼35용량%의 침탄질화층(A)이 형성되어 있다(도 2에서 쇄선으로 나타낸 원내부). 침탄질화층(A)에서의 잔류 오스테나이트의 조직의 크기는 10㎛이하, 잔류 탄화물량은 10%이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 침탄질화층(A)의 깊이는 원뿔 볼(5d)의 평균지름(대지름측 지름과 소지름측 지름의 평균)에 대해서, 내륜(5a), 외륜(5b­5c) 및 원뿔 볼(5d)에 대해서 각각 0.02이상으로 하고, 또한, 심부(B)의 경도는 재료의 적절한 인성을 확보하는 동시에, 표면층에 압축응력을 형성하기 위해서, 록웰 경도 HRC58 미만, 바람직하게는 HRC50 이하로 하는 것이 좋다. 또, 침탄질화층(A)은, 적어도 마찰이 발생하는 접촉면, 즉 내륜(5a)의 궤도면(5a1) 및 중간플랜지(5a2)의 플랜지면, 외륜(5b, 5c)의 궤도면(5b1, 5c1), 원뿔 볼(5d)의 회전면 및 가장 끝면에 형성되어 있으면 좋다.
도 3은, 백업롤러(2)의 축단부(2a)를 하우징(8)에 대해서 회전이 자유롭도록 지지하는 4열 원통 볼베어링(6)의 일실시예를 나타내고 있다. 이 원통 볼베어링(6)은 , 4열의 궤도면(6a1)을 갖는 내륜(6a)과, 4열의 궤도면(6b1)을 갖는 외륜(6b)과, 내륜(6a)의 궤도면(6a1)과 외륜(6b)의 궤도면(6b1) 사이에 회전이 자유롭도록배치된 4열의 원통 볼(6c)과, 원통 볼(6c)을 원주의 소정 간격을 유지하는 유지기(6d)를 구비하고 있다.
내륜(6a), 외륜(6b), 및 원통 볼(6c)은 각각 탄소함유량 0.12∼0.40%, 바람직하게는 0.12∼0.35%의 침탄강(SNCM815, SNCM420, SCM420, SCr 435, SCM435 등)으로 형성되고, 이들 부품의 표면에 탄소함유량 0.80%이상, 록웰 경도 HRC58 이상, 잔류 오스테나이트량 25∼35용량%의 침탄질화층(A)이 형성되어 있다 (도 3에서의 쇄선으로 나타낸 원의 내부). 그 밖의 사항은 상술한 원뿔 볼베어링(5)과 마찬가지이기 때문에 중복설명을 생략한다.
상기와 같은 침탄질화층(A)을 형성한 것에 의한 효과 및 침탄질화층(A)의 잔류 오스테나이트량을 25∼35용량%으로 한 것에 의한 효과를 평가하기 위해서 하기의 시험방법으로 수명시험을 행했다.
[시험방법]
시험 베어링: ①원뿔 볼베어링(침탄질화품)
내경 ψ 30㎜, 외경 ψ62㎜
내륜, 외륜, 볼→침탄강(SCr435)+침탄질화층(A)
침탄질화층A의 잔류 오스테나이트량(용량%)이 20이하, 22,
25, 28, 30, 32, 35, 40, 46의 것을 각종 제작
②원뿔 볼베어링(표준침탄품)
내경 ψ 30㎜, 외경 ψ 62㎜
내륜, 외륜, 볼→침탄강(SCR435)+침탄층
침탄층의 잔류 오스테나이트량(용량%)은 28%
시험조건: 하중 ; 라디얼하중 17.64KN
회전수; 2000rpm
윤활유; 터빈 VG56 아부라아비
이물; 입경 100∼180㎛
경도 HV700∼800
가스애터마이즈분말
혼입량 1g/ℓ
시험방법; 각종의 시험베어링에 관해서, 여러개를 각각 상기 시험조건하에
서 운전하여, 그 중의 90%가 표면기점형 손상을 발생시키지 않고
회전할 수 있는 시간을 수명으로 했다(L10수명).
[시험결과]
시험결과를 표 1에 정리해서 나타낸다. 또, 표 1에 있어서의 수명비는, 상기②의 시험 베어링(표준침탄품: 잔류 오스테나이트량 28용량%)의 Ll0수명을 1로써 상기 ①의 시험 베어링의 L10수명을 비율로 나타낸 것이다.
잔류 오스테나이트량(용량%) 20이하 22 25 28 30 32 35 40 46
수명비 2.0 2.2 3.4 3.2 3.0 3.0 2.6 2.2 1.8
표 1에 나타내듯이, 침탄질화층(A)을 형성한 시험 베어링①은, 잔류 오스테나이트량의 크고작음에 관계없이 표준침탄품②에 비해서 수명이 증대하는 것이 인정되었다. 특히, 잔류 오스테나이트량이 25∼35용량%의 영역에서는 표준침탄품②에 비해서 수명이 3배 이상으로 향상하고 현저한 효과가 얻어졌다.
상기 시험결과로부터 이러한 종류의 롤러지지장치, 특히 베어링부의 수명연장을 꾀하는 데에 있어서 침탄질화층(A)의 잔류 오스테나이트량을 25∼35용량%의 범위로 하는 것이 특히 유효한 것을 이해할 수 있다.
또, 볼베어링의 형태는, 도 2, 도 3에 나타낸 것에 한정되지 않고, 예를 들면, 복수열형이나 양단부에 밀봉체를 장착한 밀봉형의 것이어도 좋다. 또한, 볼베어링은 자동 조심(調心) 볼베어링이어도 좋다. 또 본 발명은 열간압연기에 한정되지 않고, 냉간압연이나 그 밖의 압연기 등의 롤러지지장치에 널리 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 베어링부의 수명연장을 도모하고, 보수점검기간의 장기화, 보수점검비용을 절약할 수 있다.

Claims (5)

  1. 롤러를 복수열 볼베어링 또는 다수열 볼베어링으로 하우징에 대해서 회전이 자유롭도록 지지한 압연설비의 롤러지지장치에 있어서, 상기 볼베어링의 궤도륜 및 볼표면에, 탄소함유량 0.80%이상이고, 록웰 경도 HRC58 이상의 침탄질화층을 형성하고, 또한, 그 침탄질화층의 잔류 오스테나이트량을 25∼35용량%로 한 것을 특징으로 하는 압연설비의 롤러지지장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 볼베어링이 4열 볼베어링인 것을 특징으로 하는 압연설비의 롤러지지장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 볼베어링이 원뿔 볼베어링인 것을 특징으로 하는 압연설비의 롤러지지장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 볼베어링이 원통 볼베어링인 것을 특징으로 하는 압연설비의 롤러지지장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 볼베어링이 자동 조심 볼베어링인 것을 특징으로 하는 압연설비의 롤러지지장치.
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