JP3656372B2 - 転がり軸受 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面硬化処理された外周面が他部材と接触してロールとして用いられる外輪を有する転がり軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】
製鉄所等では焼結機パレットローラ、センジミア圧延機用バックアップローラあるいはチェーンコンベア等のようにローラを用いる設備や機器が多数存在する。これらの設備や機器ではローラのロール面として軸受の外輪を利用している。製鉄所等では種々の材質や温度のワークを加工するため、ワークと直接接触する軸受外輪の外周面は著しい損傷を受けやすい。このため、軸受外輪の外周面を表面硬化処理することにより所定レベル以上の硬さとしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ローラとして使用される外輪には大きな荷重がかかることが多く、時には大きな衝撃荷重等により外輪が割れてしまうことがある。
従来の軸受においては、外輪の割れ防止のために外輪にはC%が0.23%以下の浸炭鋼を用い、その心部硬さをビッカース硬さ(Hv)で500以下としている。このため、外輪に心部の降伏応力を超える力が作用したときに、外輪が塑性変形を起こして膨張するという問題がある。
【0004】
また、通常の浸炭、焼入、焼戻しを行った浸炭鋼の表面には残留オーステナイトが15体積%から30体積%の程度で残存しており、この残留オーステナイトが外輪が他の機械要素と接触することにより、接触した部分の残留オーステナイトが分解してマルテンサイトに変態し、そのマルテンサイト変態部分が膨張して外輪に反りのような変形を生じる。この外輪の膨張変形(反り)により外輪軌道面と転動体(ころ)とが偏当りを起こすという問題がある。とくに、外輪が他の機械要素と接触する接触外周面部にスケールや砂等の異物をかみ込むと、残留オーステナイトの分解はさらに促進される傾向にあり、軸受寿命が非常に短くなるため、このタイプの軸受の寿命延長が需要家から強く要望されてきている。
【0005】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、外輪をロールとして使用する転がり軸受において、塑性変形による外輪の半径方向の膨張を生じにくく、残留オーステナイトの分解による変形を生じにくく、外輪の割れを防止することができる転がり軸受を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明に係る転がり軸受は、転動体と、表面硬化処理された外周面部と前記転動体の軌道となる内周面部とを備え前記外周面部が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、前記転動体の軌道となる外周面部をもつ内輪と、を具備する転がり軸受において、前記外輪の心部硬さをビッカース硬さ(Hv)で500以上650以下の範囲とし、前記外輪外周面部の残留オーステナイト量を6体積%以下とし、前記外輪内周面部の残留オーステナイト量が20体積%から50体積%までの範囲とし、前記外輪内周面部の圧縮残留応力を130MPa以上としたことを特徴とする。
(2)前記外輪は、浸炭窒化、焼入れ、焼戻しを行った後に、外周面を誘導加熱により焼戻しを行ったことを特徴とする(1)記載の転がり軸受。
【0007】
図4に示すように外輪の心部硬さがHv500以上では外輪の外径膨張量がほとんど零になるので、外輪の心部硬さをHv500以上とした。一方、図6に示すように外輪の心部硬さがHv650以下では心部の伸びが大きいので、外輪の心部硬さをHv650以下とした。
【0008】
外輪の外周面部の残留オーステナイト量を10体積%以下とすることが好ましく、さらに6体積%以下とすることが好ましい。図5に示すように外輪の外周面部の残留オーステナイト量が6体積%以下では外輪の反り量が十分に小さくなるので、外輪の外周面部の残留オーステナイト量を6体積%以下とした。
【0009】
また、外輪の内周面部(軌道面部)の残留オーステナイト量を20体積%から50体積%までの範囲とすることが好ましく、さらに25体積%から40体積%までの範囲とすることが好ましい。図8に示すように外輪の内周面部(軌道面部)の残留オーステナイト量が20体積%から50体積%までの範囲では軸受の寿命が長くなるので、外輪の内周面部(軌道面部)の残留オーステナイト量をこの範囲とした。
【0010】
また、外輪の内周面部(軌道面部)の圧縮残留応力を130MPa以上とすることが好ましく、さらに180MPa以上とすることが好ましい。図7に示すように外輪の内周面部(軌道面部)の圧縮残留応力が130MPa以上では外輪の割れ寿命が長くなるので、外輪の内周面部(軌道面部)の圧縮残留応力を130MPa以上とした。
【0011】
ただし、外輪に加わる荷重が小さく、心部に塑性変形が生じない場合や、また衝撃荷重等により外輪に割れが生じるおそれのない場合は、必ずしも心部の硬さを限定する必要はなく、外周面の残留オーステナイト量を10体積%以下(好ましくは6体積%以下)とし、軌道面の残留オーステナイト量を20体積%から50体積%までとし、圧縮残留応力を130Mpa以上とすればよい。
【0012】
このように外輪の心部硬さ、外輪の外周面部の残留オーステナイト量、外輪の内周面部の圧縮残留応力のそれぞれを上記の数値範囲とすることにより、外輪の膨張量、反り量、心部の伸びなどの諸特性がさらに改善され、外輪の割れ寿命が大幅に延長され、全体として軸受の寿命が大幅に延長される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面及び表を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。
実施例に用いた外輪は表1に示すJISに定められた合金鋼に浸炭または浸炭窒化を行った後、表1に示す焼戻し温度で焼戻しを行い、外輪の外周面の残留オーステナイト量を所定の量に調整した。
【0014】
また、実施例3、実施例16、実施例23のそれぞれは外輪をいったん180℃で焼戻した後に、外輪の内周面(軌道面)を冷却するため外輪内周面に焼戻し温度以下の150℃の油をかけて内周面(軌道面)の焼戻しが進まないようにしながら、外周面の残留オーステナイト量が所定の量になるように外周面を誘導加熱を用いて焼戻しを行い、残留オーステナイト量を減少させる。150℃の油を用いたのは外輪の肉厚がやや薄いため外周面と内周面(軌道面)の温度差を適切にコントロールするためである。外輪の肉厚が厚い場合は水冷でも可能である。なお、内周面(軌道面)の冷却には温度コントロールされた中子を使ってもよい。
【0015】
図2に示す外輪ロール軸受試験機を用いて表1に示す鋼種、熱処理を行った図1に示す外輪4について回転試験を行った。図4には外輪の外径膨張量(mm)を測定した結果を示す。また、図5には外輪のそり量(mm)を測定した結果を示す。外輪の心部硬さがHv500以上になると外径の膨張量は軸受すきまの増加として実用上問題のない0.05mm以下となり、また図4に示すようにHv530以上になるとほとんど膨張は起こらなくなることが判明した。
【0016】
一方、図6に示すように、外輪の心部の伸び(%)は心部硬さがHv600を超えると低下しはじめ、硬さがHv650を超えると急激に低下して耐衝撃荷重性が低下する。よって、外輪の外径が膨張せず、かつ、耐衝撃荷重性が低下しないような心部硬さの範囲はHv500からHv650(好ましくはHv530からHv600)であることが判明した。
【0017】
図5に示すように、外輪のそり量(mm)は外径面の残留オーステナイト量(体積%)の増加とともに増大することが判明した。転動体(ころ)5に適切なクラウニングが加工されている場合はそり量は0.05mm、残留オーステナイト量で10体積%まで許容されるが、好ましくは外輪のそり量は0.03mm以下、残留オーステナイト量で6体積%以下とすることが望ましい。なお、ここでいう残留オーステナイト量とは表面硬化層深さの1/2までの残留オーステナイト量のことをいう。
【0018】
図2に示す外輪疲労割れ試験機を用いる試験では外輪割れは外輪の軌道面側から発生した。図7に示すように、外輪割れ強度は外輪軌道面部の残留応力に比例し、軌道面部に130Mpa以上の残留圧縮応力が存在すると実用上十分な強度があるとされるが、この場合とくに180Mpa以上の残留圧縮応力の存在下で割れ強度は大きな値を示す。よって、外輪の疲労割れ強度の向上のためには心部硬さよりも軌道面部の圧縮残留応力のほうが重要である。
【0019】
図8に示すように、異物混入条件の転がり寿命試験では外輪の軌道面部の残留オーステナイト量が20体積%以上になると転がり寿命は増大するが、50体積%を超えると軌道面部の硬さが低下するため転がり寿命は低下することが判明した。
【0020】
外輪ロール軸受試験には、図1に示す試験軸受(内径100mm)として外輪4(外径200mm,幅120mm,軌道面径150mm)を表1の材料、熱処理で製作した複数円筒ころ軸受2を用いた。図2に示す負荷ローラ7を有する試験機を用いて、試験荷重20ton、回転数500rpm、試験温度40℃、潤滑はVG60の潤滑油に硬さHv540、平均粒径100μmの鉄粉を300ppm混入させた条件下で試験し、50時間後における軸受2の外径の膨張量とそり量をそれぞれ測定した。これらの結果は図4及び図5にそれぞれ示した。
【0021】
外輪割れ試験は試験片に表1の材料、熱処理で製作した外径φ120mm,内径φ96mm、幅25mmのリングを用いた。図3に示す負荷ローラ8,9を有する試験機で試験荷重3ton、回転数1500rpm、試験温度40℃、潤滑はVG60の潤滑油を使用して外輪4が割損するまで行った。この結果は図7に示した。
【0022】
転がり寿命試験は「特殊鋼便覧」第一版(電気製鋼研究所偏、理工学社、1969年5月25日)0〜12頁に記載のスラスト型寿命試験機を用い、表1の材料、熱処理で製作した外径φ60,厚さ6mmの円板TPを用いて、荷重条件Pmax=4900Mpa,主軸回転数1000rpm,試験温度40℃,潤滑はVG60の潤滑油に硬さHv540,平均粒径100μmの鉄粉を100ppm混入させたものを使用して行った。
【0023】
図9に焼結機パレットローラ10の軸受部分を示した。符合13は内輪、14は外輪、15は転動体にそれぞれあたる。
図10にセンジミア圧延機20のローラの概要を示した。符合21はワークローラにあたる。符合22,23,24には外輪をロールとした本発明に係る転がり軸受(図示せず)が用いられている。
図11にチェンコンベア30の軸受部分を示した。符合33は内輪、34は外輪、35は転動体にそれぞれあたる。
【0024】
【表1】
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、ロールとして使用される外輪の心部硬さをHv500以上650以下としたことにより外輪の塑性変形が防止される。また、外周面部の残留オーステナイト量を6体積%以下とすることにより外輪の反りが防止される。また、外輪の軌道面に130MPa以上の圧縮残留応力を付与することにより外輪割れ寿命が大幅に延長される。さらに、外輪の内周面に20体積%から50体積%までの範囲の残留オーステナイトを形成することにより外輪軌道面の転がり寿命が大幅に延長される。
【図面の簡単な説明】
【図1】外輪をロールとして使用する転がり軸受の一部を切り欠いて示す部分拡大断面図。
【図2】外輪ロール試験機の概要を示す図。
【図3】外輪疲労割れ試験機の概要を示す図。
【図4】外輪の心部硬さ(Hv)と外径膨張量(mm)との関係を示すグラフ図。
【図5】外輪の残留オーステナイト量(%)とそり量(mm)との関係を示すグラフ図。
【図6】外輪の心部硬さ(Hv)と伸び(%)との関係を示すグラフ図。
【図7】外輪の残留応力(MPa)と割れ寿命(1 ×105 時間)との関係を示すグラフ図。
【図8】外輪の残留オーステナイト量(%)と寿命(1 ×106 時間)との関係を示すグラフ図。
【図9】焼結機パレットローラの軸受部分を示す部分断面図。
【図10】センジミア圧延機用ローラの概要を示す図。
【図11】チェンコンベアの軸受部分を示す部分断面図である。
【符号の説明】
2…軸受、
3,13,33…内輪、
4,14,34…外輪、
5,15,35…転動体、
6…シール、
7,8,9,21,22,23,24…ローラ、
10…焼結機パレットローラ、
20…センジミア圧延機、
30…チェンコンベア。
Claims (2)
- 転動体と、表面硬化処理された外周面部と前記転動体の軌道となる内周面部とを備え前記外周面部が他部材に接触してロールとして使用される外輪と、前記転動体の軌道となる外周面部をもつ内輪と、を具備する転がり軸受において、前記外輪の心部硬さをビッカース硬さ(Hv)で500以上650以下の範囲とし、前記外輪外周面部の残留オーステナイト量を6体積%以下とし、前記外輪内周面部の残留オーステナイト量が20体積%から50体積%までの範囲とし、前記外輪内周面部の圧縮残留応力を130MPa以上としたことを特徴とする転がり軸受。
- 前記外輪は、浸炭窒化、焼入れ、焼戻しを行った後に、外周面を誘導加熱により焼戻しを行ったことを特徴とする請求項1の転がり軸受。
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