圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受
【課題】過酷な環境下における転動疲労寿命を向上させた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受を提供する。
【解決手段】圧延機ロールネック用転がり軸受１５用の転動部材であって、外輪２、内輪３および円錐ころ１７は、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなり、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以上４０体積％以下であり、外輪転走面、内輪転走面および円錐ころ１７の外周面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【解決手段】圧延機ロールネック用転がり軸受１５用の転動部材であって、外輪２、内輪３および円錐ころ１７は、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなり、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部の残留オーステナイト量は２０体積％以上４０体積％以下であり、外輪転走面、内輪転走面および円錐ころ１７の外周面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受に関し、より特定的には、高接触面圧環境などの過酷な環境下においても使用可能な圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、転がり軸受が使用される産業機械、輸送機械などの高性能化に伴い、転がり軸受が使用される環境は一層過酷になっている。たとえば、圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受は、転動部材としての軌道部材と転動部材としての転動体との間の接触面圧の高い高接触面圧環境であるだけでなく、被圧延物の表面に生成した酸化皮膜などの硬質の異物が潤滑油に混入する異物混入環境において使用される場合がある。さらに、圧延機はその性質上、運転と停止とを繰返す間欠運転が実施される場合も多く、転動体と軌道部材との間に十分な油膜が形成されないおそれがあり、また、冷却水などが軸受内部に侵入することにより、十分な潤滑が得られない稀薄潤滑環境で使用される場合もある。
【０００３】
そのため、圧延機ロールネック用転がり軸受を構成する軌道輪、転動体などの圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材に対しては、転動疲労寿命の長寿命化、特に軌道部材と転動体との間の接触面圧の高い高接触面圧環境、潤滑油に硬質の異物が混入する異物混入環境、十分な潤滑が得られない稀薄潤滑環境などの過酷な環境下での長寿命化が求められている。
【０００４】
これに対し、転動部材を焼入硬化する焼入硬化工程の加熱時において、加熱時の雰囲気であるＲＸガスにアンモニアガスを添加することにより転動部材を浸炭窒化する熱処理方法が提案されている。これにより、転動部材の転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命を向上させることができる（たとえば特許文献１および２参照）。また、ピン型保持器を用いた円筒ころ軸受において、保持器側板を共通化した円筒ころ軸受が提案されている。これにより、円筒ころの軸方向の長さを長くすることができ、円筒ころ軸受の負荷容量を向上させることができる（たとえば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−４７７４号公報
【特許文献２】特開平１１−１０１２４７号公報
【特許文献３】特開２０００−１０４７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、最近の圧延機ロールネック用転がり軸受には耐久性・信頼性の向上、小型・軽量化、高効率・省エネルギー化およびメンテナンスフリー化が求められており、圧延機ロールネック用転がり軸受を構成する圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材にも、上述のような過酷な使用環境において更なる長寿命化および信頼性の向上が要求されている。
【０００６】
さらに、上述のような高接触面圧環境などの過酷な環境下で転がり軸受などの転動部品が使用される場合、潤滑油が分解することにより水素が発生して転動部材中に侵入し、転動部材の転動疲労寿命が低下するという問題がある。このような状況を考慮すると、上述のような対策は、必ずしも十分とはいえない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、転動疲労寿命、特に高接触面圧環境などの過酷な環境下における転動疲労寿命を向上させた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の局面における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である。そして、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなっている。さらに、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【０００９】
本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材によれば、上述の成分範囲の鋼からなることにより、安価でかつ転動部材として必要な特性を得ることができる。また、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、転動部材を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散している。そのため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。なお、上述のように成分範囲を限定した理由の詳細については後述する。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織には粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散している。これにより、転動部材が高接触面圧環境などの過酷な環境下において使用され、潤滑油が分解することにより水素が発生して転動部材中に侵入した場合でも、バナジウム炭化物が水素を捕集（トラップ）するトラップサイトとして機能し、水素の拡散を抑制する。その結果、転動疲労による破壊の起点となる鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積を抑制し、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下にまで細粒化されている。これにより、転動部材における亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、転動疲労寿命が向上する。
【００１０】
さらに、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材においては、転動疲労寿命に対する影響の大きい表層部に窒素富化層が形成されているため、転動疲労に対する抵抗性が向上して転動疲労寿命が向上する。また、表層部、特に表面から０．２ｍｍの深さの領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であるため、転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命が向上する。さらに、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有しているため、本発明の転動部材は転動部材として十分機能することができる。そして、このような転動部材を圧延機ロールネック用転がり軸受に適用することにより、当該転がり軸受の長寿命化を図ることができる。その結果、圧延機の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００１１】
本発明の他の局面における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である。そして、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下である鋼からなっている。さらに、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以
上２０体積％以下であり、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【００１２】
本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材によれば、上述の成分範囲の鋼からなることにより、安価でかつ転動部材として必要な特性を得ることができる。また、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、転動部材を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散している。そのため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織には粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散している。これにより、転動部材が高接触面圧環境などの過酷な環境下において使用され、潤滑油が分解することにより水素が発生して転動部材中に侵入した場合でも、バナジウム炭化物が水素を捕集するトラップサイトとして機能し、水素の拡散を抑制する。その結果、転動疲労による破壊の起点となる鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積を抑制し、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下にまで細粒化されている。これにより、転動部材における亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、転動疲労寿命が向上する。
【００１３】
さらに、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材においては、転動疲労寿命に対する影響の大きい表層部に窒素富化層が形成されているため、転動疲労に対する抵抗性が向上して転動疲労寿命が向上する。また、表層部、特に表面から０．２ｍｍの深さの領域における残留オーステナイト量が１５体積％以上２０体積％以下であるため、転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命が向上する。さらに、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有しているため、本発明の転動部材は転動部材として十分機能することができる。そして、このような転動部材を圧延機ロールネック用転がり軸受に適用することにより、当該転がり軸受の長寿命化を図ることができる。その結果、圧延機の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００１４】
上述のように、上記他の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材では、上記一の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材と比較して、表層部の残留オーステナイト量が少なくなっている。残留オーステナイトは、時間の経過とともにマルテンサイトに変態し、当該変態は体積の変化を伴う。そのため、残留オーステナイト量の少ない上記他の局面における本発明の転動部材は、上記一の局面における本発明の転動部材に比べて寸法安定性に優れている。一方、残留オーステナイトは、転動部材の転動疲労寿命、とくに異物混入環境における転動疲労寿命を向上させる。上記他の局面における転動部材においては、上記一の局面における本発明の転動部材に比べて残留オーステナイト量が同量以下となっている。しかし、上記他の局面における転動部材においては、上記一の局面における本発明の転動部材に比べて旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が小さくなっており、転動疲労寿命を補完している。
【００１５】
ここで、残留オーステナイト量の測定は、たとえばＸ線回折計（ＸＲＤ）を用いて、マルテンサイトα（２１１）面とオーステナイトγ（２２０）面との回折強度とを測定することにより、算出することができる。また、旧オーステナイト結晶粒の粒径の測定は、たとえばＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なうことができる。
【００１６】
なお、上記一の局面および他の局面における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材においては、上述の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径および表層部の残留オーステナイト量の条件は、転動疲労寿命への影響の大きい、転走面から０．２ｍｍの深さの領域において満たされていることが好ましい。
【００１７】
次に、上記一の局面および他の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を構成する鋼の成分範囲を上述の範囲に限定した理由について説明する。
【００１８】
炭素量：０．６質量％以上１．２質量％以下
一般に、転動部材は、棒鋼などの素材に対して旋削などの冷間加工を実施して成形する成形部材準備工程を経て製造される。このとき、素材の炭素含有量が多く、素材の硬度が高い場合、素材に対して球状化焼鈍（焼きなまし）が実施されて素材の硬度を低下させることにより冷間加工の容易性（冷間加工性）が確保される。しかし、素材の炭素含有量が１．２質量％を超えると、球状化焼鈍が実施されても素材の硬度が高く、冷間加工のためのコストが上昇するだけでなく、加工精度を確保することも困難となる可能性がある。さらに、素材の炭素含有量が１．２質量％を超えると、たとえば転動部材の製造工程において浸炭窒化処理が実施された場合、素材の金属組織（ミクロ組織）中に大型の炭化物が生成した過浸炭組織が形成され易くなる。過浸炭組織が形成されると、転動部材の靭性が低下するとともに疲労強度も低下するおそれがある。以上の理由により、炭素含有量は１．２質量％以下である。
【００１９】
一方、転動部材の硬度および残留オーステナイト量は転動部材を構成する鋼の炭素含有量に大きな影響を受ける。転動部材を構成する鋼の炭素含有量が０．６質量％未満の場合、上述の転走面の硬度および表層部の残留オーステナイト量を確保するためには、浸炭、浸炭窒化などの処理を長時間実施する必要があり、製造コスト上昇の原因となる。さらに、転動部材を構成する鋼の炭素含有量が０．６質量％未満の場合、長時間の浸炭、浸炭窒化などが実施されて表層部の炭素量が確保されても、転動部材の内部においては炭素量が不足し、十分な内部硬度が得られない。以上の理由により、炭素含有量は０．６質量％以上である。
【００２０】
珪素量：０．１５質量％以上１質量％以下
転動部材の使用環境によっては、使用中に温度が上昇し、転動部材の硬度が低下するという問題が生じる場合がある。転動部材を構成する鋼が珪素を含有することにより、これを防止する効果（焼戻軟化抵抗）が向上する。また、転動部材を構成する鋼が珪素を含有することにより、異物混入環境における転動部材の転動疲労寿命が向上する。転動部材を構成する鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満の場合、転動部材の焼戻軟化抵抗、および異物混入環境における転動疲労寿命が不十分となる場合がある。また、珪素は鋼の製造工程において、鋼の特性に対して有害な酸素の含有量を低下させるために添加される元素であり、０．１５質量％未満に低減することは製造コスト上昇の原因となるため、その必要性もない。一方、転動部材を構成する鋼の珪素含有量が１質量％を超える場合、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下する。以上の理由により、珪素量は０．１５質量％以上１質量％以下である。
【００２１】
マンガン：０．３質量％以上１．５質量％以下
マンガンは、転動部材を構成する鋼に含有されることにより、転動部材の焼入の容易性を向上させる効果を有している。また、マンガンは、転動部材を構成する鋼に不可避に含有される硫黄と化合して硫化マンガンを形成し、ミクロ組織における硫黄の結晶粒界への偏析を抑制して、転動部材の特性の低下を回避する効果を有している。マンガンの含有量が０．３質量％未満の場合、上述の効果を十分に果たすことができない。また、マンガンは珪素と同様に、鋼の製造工程において、鋼の特性に対して有害な酸素の含有量を低下させるために添加される元素である。マンガンの含有量を０．３質量％未満に低減することは、製造コスト上昇の原因となるため、その必要性もない。一方、マンガンの含有量が１．５質量％を超えると、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下する。以上の理由により、マンガン量は０．３質量％以上１．５質量％以下である。
【００２２】
クロム：０．１質量％以上２質量％以下
クロムは、転動部材を構成する鋼に含有されることにより、転動部材に対して浸炭、浸炭窒化が実施された場合に表層部に炭化物、炭窒化物を形成し、表層部の硬度を上昇させる効果を有する。クロムの含有量が０．１質量％未満では、前述の効果を十分に果たすことができない。また、クロムは転動部材を構成する鋼中に不純物として含有され、０．１質量％以下に低減することは製造コスト上昇の原因となるため、その必要性もない。一方、クロムの含有量が２質量％を超えると、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下する。また、クロムの含有量が２質量％を超えると、表層部の硬度を上昇させる効果が小さくなる。以上の理由により、クロム量は０．１質量％以上２質量％である。
【００２３】
バナジウム：０．１質量％以上２質量％以下
バナジウムは本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を構成する鋼において必須の元素である。バナジウムが添加されていることにより、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、本発明の転動部材を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散している。そのため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、バナジウムが添加されていることにより、本発明の転動部材では、転動部材の使用時においても鋼組織に粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物を分散させることができる。これにより、水素が転動部材中に侵入した場合でも、バナジウム炭化物が水素を捕集するトラップサイトとして機能し、水素の拡散を抑制する。その結果、転動疲労による破壊の起点となる鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積を抑制し、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。バナジウムの含有量が０．１質量％未満では、前述の効果を十分に果たすことができない。一方、バナジウムの含有量が２質量％を超えると、転動部材の製造工程において仕上げ加工として実施される研削加工が困難となり、十分な仕上げ精度を確保できないおそれがある。以上の理由により、バナジウム量は０．１質量％以上２質量％である。
【００２４】
ここで、バナジウム炭化物とはバナジウムおよび炭素を主成分とする化合物をいい、純粋なバナジウム炭化物だけでなく、窒素の含まれる炭窒化物や、バナジウムの一部がクロムや鉄などに置換された化合物をも含む。また、表層部とは、転動部材において、表面からの距離が０．２ｍｍ以下である領域をいう。さらに、転走面とは、転動部材において、当該転動部材とは別の別部材と接触する表面であり、たとえば転動部材が転がり軸受の軌道輪である場合、転動体と接触する表面をいう。また、たとえば転動部材が玉軸受の玉である場合、玉の表面全体であり、ころ軸受のころである場合、軌道輪の転走面と接触する外周面をいう。
【００２５】
なお、上記一の局面および他の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を構成する鋼は、より具体的には、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼であることが好ましい。また、前述の鋼は、前述の成分に加えて、０．０１質量％以上１質量％以下のニッケルおよび０．０１質量％以上０．１質量％以下のモリブデンの一方または両方を含有していてもよい。
【００２６】
なお、珪素は亜共析鋼のＡ３変態点（鋼の温度を上昇させた場合に、鋼の組織が完全にオーステナイト化する温度に相当する点）を上昇させる効果が大きいため、転動部材を構成する鋼の珪素含有量が多い場合、焼入における冷却前の加熱温度を高くすべき点に留意する必要がある。また、マンガンやクロムは低温でもオーステナイト相を安定化させるオーステナイト生成元素である。そのため、転動部材を構成する鋼のマンガンやクロムの含有量が多い場合、浸炭窒化の温度や焼入における冷却前の加熱温度を高くしすぎるとバナ
ジウム炭化物が安定に存在できず、オーステナイト粒の粗大化を抑制する効果を十分に発揮できない可能性がある。そのため、これらの温度の適正化に留意する必要がある。上記留意点を確認するためには、多元系合金の平衡状態図を用いることができる。現在では、専用のソフトウェアなどを用いることにより、多元系合金の平衡状態図を精度よく容易に作製することができる。
【００２７】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材において好ましくは、表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である。
【００２８】
転動疲労に対する抵抗性を十分に確保するためには、転動疲労寿命に対する影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域において、窒素含有量が０．１質量％以上の窒素富化層が形成されていることが好ましい。一方、窒素含有量が０．７質量％を超えると、残留オーステナイト量が多くなりすぎ、好ましい範囲の量に制御することが困難となる。上述のように窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下とすることにより、転動疲労寿命に対する影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域において、転動疲労寿命の向上に対して十分な効果を有する窒素富化層が形成されるとともに、残留オーステナイト量を好ましい範囲の量に制御することができる。なお、上記条件は転動部材の転動疲労寿命に対する影響の特に大きい、転走面からの深さが０．２ｍｍの領域において満たされていることが、より好ましい。
【００２９】
ここで、上記窒素含有量は、たとえば転動部材の転走面からの距離が０．２ｍｍの領域を切り出し、表面を研磨した上で、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）にて母地の窒素濃度を１０箇所測定し、その平均値を算出することで求めることができる。
【００３０】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材において好ましくは、表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率は５％以上である。
【００３１】
上述のように、バナジウム炭化物は転動部材を構成する鋼に水素が侵入した場合、水素のトラップサイトとして機能する。そのため、侵入した水素を十分にトラップするためには、バナジウム炭化物の量が多いことが好ましい。本発明者は転動疲労寿命に対して影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率と水素が侵入する環境における転動部材の転動疲労寿命との関係を検討したところ、当該切断面においてバナジウム炭化物の面積率が５％以上であれば、転動疲労寿命が大きく向上することを見出した。すなわち、上述の構成を有することにより、水素が侵入する環境における転動部材の転動疲労寿命が一層向上する。なお、上記条件は転動部材の転動疲労寿命に対する影響の特に大きい、転走面からの深さが０．２ｍｍの領域において満たされていることが、より好ましい。
【００３２】
ここで、上記バナジウム炭化物の面積率は、たとえば以下のように測定することができる。すなわち、転動部材の転走面からの距離が０．２ｍｍの領域を切り出し、表面を研磨した上で、ピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用いて当該表面を腐食することにより、バナジウム炭化物を観察可能な状態とする。そして、当該表面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）を用いて５０００倍の倍率で５箇所撮影する。さらに、撮影されたそれぞれの画像中において、バナジウム炭化物が占める面積率をパソコンにインストールされた画像処理用ソフトウェアにより算出し、その平均値を上記バナジウム炭化物の面積率とする。
【００３３】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材において好ましくは、表面からの深
さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下である。
【００３４】
上述のように、バナジウム炭化物は水素のトラップサイトとして機能するため、転動部材の転動疲労寿命の向上に大きな効果を有する。一方、バナジウム炭化物は大きさが１μｍを超えると、応力集中源としての悪影響が大きくなり、転動部材の転動疲労寿命を低下させるおそれがある。そのため、表面からの深さが０．２ｍｍの領域、特に転走面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径が１μｍ以下であることにより、転動部材の転動疲労寿命を一層向上させることができる。
【００３５】
ここで、上記バナジウム炭化物の粒径は、たとえば以下のように測定することができる。すなわち、転動部材の転走面からの距離が０．２ｍｍの領域を切り出し、表面を研磨した上で、ピクラルを用いて当該表面を腐食することにより、バナジウム炭化物を観察可能な状態とする。そして、当該表面をＳＥＭを用いて５０００倍の倍率で５箇所撮影する。さらに、撮影された画像中の各バナジウム炭化物の面積をパソコンにインストールされた画像処理用ソフトウェアにより算出し、その平方根を上記バナジウム炭化物の粒径とする。そして、得られたバナジウム炭化物の粒径の最大値が１μｍ以下であれば、本発明の上記条件、すなわち表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下である、との条件を満たすこととなる。
【００３６】
本発明に従った圧延機ロールネック用転がり軸受は、上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えている。本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受によれば、上述の転動疲労寿命に優れた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えていることにより、過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することができる。
【００３７】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受において好ましくは、圧延機ロールネック用転がり軸受は、ロールネックの外周面に接続される環状の内輪と、内輪の外周側に配置される環状の外輪と、外輪と内輪との間に配置される複数の転動体とを備えている。そして、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、外輪、内輪、転動体のうちの少なくともいずれか１つである。
【００３８】
外輪、内輪および転動体を備えた圧延機ロールネック用転がり軸受において、外輪、内輪および転動体のうち少なくともいずれか１つとして上述の転動疲労寿命に優れた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えていることにより、過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することができる。
【発明の効果】
【００３９】
以上の説明から明らかなように、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材によれば、転動疲労寿命、特に高接触面圧環境などの過酷な環境下における転動疲労寿命を向上させた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を提供することができる。また、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受によれば、過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することができる。その結果、圧延機の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、以下の説明において、転動部材とは圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材をさし、転がり軸受とは圧延機ロールネック用転がり軸受をさす。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の転動部材を備えた転がり軸受としての四列円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における転がり軸受としての四列円筒ころ軸受の構成について説明する。
【００４２】
図１を参照して、四列円筒ころ軸受６は、転動部材としての環状の４つの外輪２、２、２、２と、外輪２の内側に配置された環状の２つの内輪３、３と、外輪２と内輪３との間に配置された複数の円筒ころ７とを備えている。外輪２の内周面には外輪転走面２Ａが形成されており、内輪３の外周面には内輪転走面３Ａが形成されている。そして、内輪転走面３Ａはそれぞれ２つの外輪転走面２Ａ、２Ａに対向するように、４つの外輪２、２、２、２と２つの内輪３、３とは配置されている。さらに、複数の円筒ころ７は、外輪転走面２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面２Ａと内輪転走面３Ａとに接触し、周方向に所定のピッチで配置されることにより４列の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、四列円筒ころ軸受６の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００４３】
さらに、転動部材（外輪２、内輪３および円筒ころ７）は、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなっている。さらに、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部、特に表面から０．２ｍｍの深さの領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、外輪転走面２Ａ、内輪転走面３Ａおよび円筒ころ７の外周面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【００４４】
本実施の形態１の転動部材としての外輪２、内輪３および円筒ころ７によれば、上述の成分範囲の鋼からなることにより、安価でかつ転動部材として必要な特性を得ることができる。また、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、外輪２、内輪３および円筒ころ７を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散しているため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７を構成する鋼組織には水素のトラップサイトとして機能する粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しているため、鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積が抑制され、外輪２、内輪３および円筒ころ７の転動疲労寿命を向上させることができる。
【００４５】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７では、外輪２、内輪３および円筒ころ７を構成する鋼組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下にまで細粒化されているため、耐摩耗性や変形抵抗が向上して亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、外輪２、内輪３および円筒ころ７の転動疲労寿命が向上するとともに、衝撃値、破壊靭性値および圧壊強度なども向上している。さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７においては、転動疲労寿命に対する影響の大きい表層部に窒素富化層が形成されているため、転動疲労に対する抵抗性が向上して転動疲労寿命が向上している。また、表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であるため、転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命が向上している。さらに、外輪転走面２Ａ、内輪転走面３Ａおよび円筒ころ７の外周面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有しているため、外輪２、内輪３および円筒ころ７は転動部材として十分機能することができる。
【００４６】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７において、表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下であることが好ましい。こ
れにより、転動疲労寿命に対する影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域において、転動疲労寿命の向上に対して十分な効果を有する窒素富化層が形成されるとともに、残留オーステナイト量を好ましい範囲の量に制御することができる。
【００４７】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７において、表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率は５％以上であることが好ましい。これにより、水素のトラップサイトとして十分なバナジウム炭化物の量が確保され、水素が侵入する環境における転動部材の転動疲労寿命が一層向上する。
【００４８】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７において、表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。これにより、バナジウム炭化物の応力集中源としての悪影響が小さいため、外輪２、内輪３および円筒ころ７の転動疲労寿命を一層向上させることができる。
【００４９】
さらに、実施の形態１の四列円筒ころ軸受６は、上述の優れた特性を有する上記外輪２、内輪３および円筒ころ７を備えているため、過酷な環境下においても長寿命となっている。
【００５０】
図２は、実施の形態１の転がり軸受の変形例である深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図２を参照して、実施の形態１の転がり軸受の変形例である深溝玉軸受の構成について説明する。
【００５１】
図２を参照して、実施の形態１の変形例の深溝玉軸受１と、上述の四列円筒ころ軸受６とは、基本的に同様の構成を有しており、同様の効果を有しているが、軌道輪および転動体の構成が異なっている。すなわち、図２を参照して、実施の形態１の変形例である深溝玉軸受１は、転動部材としての環状の外輪２と、外輪２の内側に配置された転動部材としての環状の内輪３と、転動部材としての玉４と、円環状の保持器５とを備えている。複数の玉４は、外輪２の内周面に形成された外輪転走面２Ａと、内輪３の外周面に形成された内輪転走面３Ａとに接触し、かつ保持器５により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００５２】
次に、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。図３は実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。図３を参照して、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。
【００５３】
図３を参照して、まず、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有する鋼からなる成形部材を準備する成形部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を含有する棒鋼などの素材に対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１に示した外輪２、内輪３および円筒ころ７の形状に成形された成形部材、または図２に示した外輪２、内輪３および玉４の形状に成形された成形部材などが準備される。
【００５４】
次に、図３を参照して、上記成形部材をＡ１点以上の温度で浸炭窒化する浸炭窒化工程と、浸炭窒化工程において浸炭窒化された成形部材を、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却することにより焼入硬化する冷却工程と、焼入硬化された成形部材を焼戻す焼戻工程とを含む熱処理工程が実施される。この熱処理工程の詳細については後述する。
【００５５】
ここで、Ａ１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。
【００５６】
次に、図３を参照して、仕上げ加工工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された成形部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、転動部材としての外輪２、内輪３および玉４または外輪２、内輪３および円筒ころ７が仕上げられる。これにより、実施の形態１の転動部材が完成する。
【００５７】
さらに、図３を参照して、組立て工程が実施される。具体的には、たとえば図２を参照して、転動部材としての外輪２、内輪３および玉４と、保持器５などとを組み合わせることにより、転がり軸受としての深溝玉軸受１が組み立てられる。
【００５８】
次に、熱処理工程について詳細に説明する。図４は実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。図４において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図４において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図４を参照して、実施の形態１の成形部材に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。
【００５９】
図４を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材はＡ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、成形部材の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される浸炭窒化工程が実施される。その後、成形部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。これにより、成形部材は焼入硬化される。
【００６０】
さらに、焼入硬化された成形部材はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程は完了する。
【００６１】
上記熱処理工程により、成形部材の表層部に窒素富化層を形成し、表層部の残留オーステナイト量を２０体積％以上４０体積％以下とし、かつ転走面を５９ＨＲＣ以上の硬度とすることができる。また、成形部材を構成する鋼に粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物を分散させ、かつ成形部材を構成する鋼のミクロ組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を１２μｍ以下とすることができる。さらに、上記熱処理工程によれば、成形部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とするとともに、成形部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率を５％以上とすることも可能である。さらに、成形部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径を１μｍ以下とすることも可能である。以上より、上記熱処理工程を備えた実施の形態１の転動部材および転がり軸受の製造方法により、実施の形態１の転動部材および転がり軸受を製造することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
実施の形態２における転動部材、転がり軸受およびその製造方法について説明する。実
施の形態２の転動部材および転がり軸受は、基本的には図１および図２に基づいて説明した実施の形態１の転動部材および転がり軸受と同様の構成を有している。しかし、実施の形態２の転動部材は、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下である鋼からなっている点、および表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上２０体積％以下である点において、実施の形態１の転動部材および転がり軸受とは異なっている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００６３】
これにより、実施の形態２の転動部材および転がり軸受は、実施の形態１の転動部材および転がり軸受と基本的に同様の効果を有している。しかし、転動部材の表層部における残留オーステナイト量、および転動部材を構成する鋼の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径において異なっているため、実施の形態２の転動部材および転がり軸受は、以下の効果を有している。すなわち、残留オーステナイト量の少ない実施の形態２の転動部材は、実施の形態１における転動部材に比べて寸法安定性に優れている。一方、実施の形態２の転動部材においては、実施の形態１の転動部材に比べて旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が小さいことにより、耐摩耗性や変形抵抗が向上して亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、転動部材の転動疲労寿命が補完されるとともに、衝撃値、破壊靭性値および圧壊強度なども向上している。
【００６４】
次に、実施の形態２の転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。図５は、本発明の一実施の形態である実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。図５を参照して、実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。
【００６５】
図５を参照して、実施の形態２の転動部材および転がり軸受の製造方法は、基本的には図３に基づいて説明した実施の形態１の転動部材および転がり軸受の製造方法と同様である。しかし、実施の形態２の製造方法は熱処理方法において、実施の形態１の製造方法とは異なっている。すなわち、図５を参照して、まず実施の形態１と同様に、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有する鋼からなる成形部材を準備する成形部材準備工程が実施されたあと、熱処理工程が実施される。
【００６６】
熱処理工程では、浸炭窒化工程、第１の冷却工程、再加熱工程、第２の冷却工程および焼戻工程が順次実施される。浸炭窒化工程では、成形部材がＡ１点以上の温度である浸炭窒化温度で浸炭窒化される。第１の冷却工程では、浸炭窒化工程において浸炭窒化された成形部材が、Ａ１点より低い温度に冷却される。再加熱工程では、第１の冷却工程においてＡ１点より低い温度に冷却された成形部材が、Ａ１点以上の温度であって浸炭窒化温度よりも低い温度である再加熱温度に加熱される。第２の冷却工程では、再加熱工程において再加熱温度に加熱された成形部材が、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却されることにより焼入硬化される。そして、焼戻工程では、焼入硬化された成形部材が焼戻される。その後の仕上げ加工工程および組立て工程は、実施の形態１の場合と同様に実施される。
【００６７】
次に、実施の形態２における熱処理工程について詳細に説明する。図６は実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。図６において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図６において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図６を参照して、実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。
【００６８】
図６を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材はＡ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度Ｔ１、たとえば８４５℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、成形部材の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される浸炭窒化工程が実施される。その後、成形部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却される第１の冷却工程が実施される。これにより、１次焼入が完了する。
【００６９】
さらに、１次焼入が実施された転動部材がＡ１点以上の温度である７３０℃以上８３０℃以下の温度Ｔ２、たとえば８００℃に再び加熱される再加熱工程が実施され、その後３０分間以上１２０分間以下の時間、たとえば５０分間保持される。このとき、浸炭窒化処理において調整された炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度となるように、たとえば脱炭を防止するため、たとえばＲＸガスを含む雰囲気において加熱される。さらに、転動部材が、たとえば油冷されることにより、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に急冷されて焼入硬化される第２の冷却工程が実施される。これにより、２次焼入が完了する。
【００７０】
さらに、２次焼入が完了した転動部材はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後冷却される。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、本実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程は完了する。
【００７１】
ここで、温度Ｔ２は、熱処理工程において鋼中に侵入する水素濃度を低減し、かつオーステナイト結晶粒を小さくする観点から、前述のように７９０℃以上８３０℃以下とすることが望ましい。また、同様の観点から、温度Ｔ２はＴ１よりも低い温度とすることが好ましい。さらに、再加熱工程における成形部材の表層部の昇温速度は、Ａ１点において３℃／分以上であることが好ましい。これにより、旧オーステナイト結晶粒の大きさのバラツキが小さい整粒組織を有する鋼からなる転動部材を製造することができる。さらに、第２の冷却工程のおいて転動部材を冷却するための冷却媒体は、０．１ｃｍ−１以上の焼入強烈度（Ｈ値：Ｈ＝（１／２）（Ｃ／ｋ）；Ｃは熱伝達率（単位：Ｗ・ｍ−２・Ｋ−１）、ｋは鋼材の熱伝導度（単位：Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）。改訂６版金属便覧５０４頁〜５０５頁参照。）を有していることが好ましい。これにより、転動部材の耐久性を確保するために十分な転走面の硬度、具体的には５９ＨＲＣ以上の硬度を容易に転動部材に付与することができる。
【００７２】
上記熱処理工程により、転動部材の表層部に窒素富化層を形成し、表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上２０体積％以下とし、かつ転走面を５９ＨＲＣ以上の硬度とすることができる。また、転動部材を構成する鋼に粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物を分散させ、かつ転動部材を構成する鋼のミクロ組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を５μｍ以下とすることができる。さらに、上記熱処理工程によれば、転動部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とするとともに、転動部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率を５％以上とすることも可能である。さらに、転動部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径を１μｍ以下とすることも可能である。以上より、上記熱処理工程を備えた実施の形態２の転動部材および転がり軸受の製造方法により、実施の形態２の転動部材および転がり軸受を製造することができる。
【００７３】
図７は、実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を示す
図である。図７において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図７において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図７を参照して、実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を説明する。
【００７４】
図７を参照して、本変形例における図７に示す熱処理工程と上述の図６に示す熱処理工程とは基本的には温度および時間の条件を含めて同様の工程となっている。しかし、図７の熱処理工程においては浸炭窒化工程に引き続いて油冷を実施して１次焼入を完了するのではなく、まずＡ１変態点以下の温度に冷却した後、室温（常温）まで冷却することなく再びＡ１変態点以上の温度Ｔ２に加熱する点において、図６の熱処理工程とは異なっている。
【００７５】
これにより、一度焼入を実施した後に再度温度Ｔ２まで加熱する場合に比べて再加熱に要する時間およびエネルギーを小さくすることが可能となるため、製造コストを低減し得る点において有利である。なお、浸炭窒化後に引き続く冷却温度はＡ１変態点よりも低い温度、すなわち鉄のオーステナイトからフェライトへの変態点以下の温度であればよく、たとえば６５０℃以上７００℃以下とすることができる。
【００７６】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えた圧延機ロールネック用転がり軸受が配置された圧延機の構造を示す概略断面図である。図８を参照して、実施の形態３に係る圧延機の構成を説明する。
【００７７】
図８を参照して、圧延機１０は、ワークロール１２と、バックアップロール１１と、ハウジング１３と、スタンド１４と、圧延機ロールネック用転がり軸受１５とを備えている。ワークロール１２は、中央部に被圧延物Ｗを圧延するためのロール部である円柱状のワークロールロール部１２１と、ワークロールロール部１２１の両端にワークロールロール部１２１よりも直径の小さい円柱状のワークロールロールネック１２２とを有している。また、バックアップロール１１は、中央部にワークロールロール部１２２に接触してワークロールロール部１２２の撓みを抑制するためのロール部である円柱状のバックアップロールロール部１１１と、バックアップロールロール部１１１の両端にバックアップロールロール部１１１よりも直径の小さい円柱状のバックアップロールロールネック１１２とを有している。そして、２つのワークロール１２は被圧延物Ｗを圧延するための間隔をおいて、かつ２つのワークロール１２の長手方向の軸が平行になるように配置されている。さらに、２つのワークロール１２のそれぞれから見て他方のワークロール１２とは反対側には、ワークロールロール部１２１とバックアップロールロール部１１１とが接触し、かつ長手方向の軸がワークロール１２の長手方向の軸と平行になるように、バックアップロール１１が配置されている。
【００７８】
さらに、ワークロールロールネック１２２およびバックアップロールロールネック１１２のそれぞれの一部を取り囲むように、ハウジング１３が配置され、ハウジング１３とワークロールロールネック１２２およびバックアップロールロールネック１１２のそれぞれとの間には、圧延機ロールネック用転がり軸受１５が配置されている。すなわち、圧延機ロールネック用転がり軸受１５は圧延機１０のワークロール１２およびバックアップロール１１をハウジング１３に対して回転自在に軸支するために使用されている。さらに、上述のように配置されたワークロール１２、バックアップロール１１、ハウジング１３および圧延機ロールネック用転がり軸受１５は、スタンド１４により、全体として支持されている。
【００７９】
ここで、圧延機ロールネック用転がり軸受１５のそれぞれは、ワークロールロールネッ
ク１２２およびバックアップロールロールネック１１２のそれぞれの外周面に接続される環状の内輪３と、内輪の外周側に配置される環状の外輪２と、外輪２と内輪３との間に配置される複数の転動体としての円錐ころ１７とを備えている。本実施の形態３の圧延機ロールネック用転がり軸受１５は、図１に基づいて説明した実施の形態１の四列円筒ころ軸受６と基本的には同様の構成を有している。しかし、転動体としてのころが円錐ころ１７である点において、実施の形態１の四列円筒ころ軸受６とは異なっている。その他の構成については実施の形態１の四列円筒ころ軸受６と同様であり、同様に動作する。
【００８０】
次に、図８を参照して、圧延機１０の動作を説明する。図８を参照して、被圧延物Ｗは、長手方向の軸周りに互いに逆向きに回転する２つのワークロール１２のワークロールロール部１２１の間に挟まれ、所定量の圧縮を受けつつ、紙面奥から紙面手前に向けて進行し、圧延される。そして、バックアップロール１１はワークロール１２に従動して、接触しているワークロール１２とは反対向きに回転する。ここで、ワークロールロール部１２１は、軸方向に垂直な方向に被圧延物Ｗからの反力を受け、撓もうとするが、ワークロールロール部１２１よりも直径の大きなバックアップロールロール部１１１と接触していることにより、当該撓みは抑制される。このとき、圧延機ロールネック用転がり軸受１５は、ワークロールロールネック１２２またはバックアップロールロールネック１１２と、ハウジング１３との間に発生する長手方向の軸に垂直な方向（ラジアル方向）の荷重を支持しつつ回転する。
【００８１】
ここで、被圧延物Ｗの変形抵抗が大きい場合、圧延機ロールネック用転がり軸受１５が支持すべき荷重は大きくなるが、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受は高接触面圧環境においても長寿命であり、被圧延物Ｗの変形抵抗が大きい場合でも使用が可能である。また、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受は表面起点型の剥離が発生しやすい高接触面圧環境においても長寿命であるため、圧延機ロールネック用転がり軸受の交換に要する時間の低減、またはメンテナンスフリー化も可能であり、圧延機１０の稼動効率の向上に寄与することができる。
【００８２】
なお、上記実施の形態３においては、圧延機ロールネック用転がり軸受として円錐ころ軸受について説明したが、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受はこれに限られず、たとえば円筒ころ軸受、ニードルころ軸受など他の形態の転がり軸受であってもよい。また、本実施の形態３においては圧延機の一例として２つのワークロールと２つのバックアップロールとを備えた４段圧延機について説明したが、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受を使用することが可能な圧延機はこれに限られず、たとえばワークロールとバックアップロールとの間に中間ロールを備えた６段圧延機に使用することもできる。
【実施例１】
【００８３】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である円筒ころと本発明の範囲外の円筒ころとについて高接触面圧環境における寿命を比較する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００８４】
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。素材として、一般に転動部材に使用されているＪＩＳ ＳＵＪ２、およびＪＩＳ ＳＵＪ３の成分をベースとした鋼を採用した。具体的な化学成分を表１に示す。なお、表１に示した化学成分において、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）以外の部分は鉄（Ｆｅ）および不可避的不純物である。
【００８５】
【表１】
【００８６】
表１に示すように、本発明の実施例の素材とした鋼はＳＵＪ２またはＳＵＪ３の成分をベースとし、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムを添加したものである。これらの鋼の棒鋼が素材として用いられて旋削加工などにより、円筒ころの成形部材が作製された。さらに、この成形部材に浸炭窒化焼入が実施されることにより窒素富化層が形成され、その後焼戻および仕上げ加工が実施されることにより、本発明の転動部材としての実施例Ａ〜Ｈの円筒ころが作製された。浸炭窒化には図４の熱処理工程が採用され、浸炭窒化温度Ｔ１８５０℃、Ｃｐ値１．１、ＲＸガスに５質量％のアンモニアが添加された雰囲気、の条件で浸炭窒化焼入が実施された後、１８０℃の温度に２時間保持されることにより、焼戻が行なわれた。
【００８７】
一方、同様の成形部材に対して、８５０℃に５０分間保持された後、１００℃の油に浸漬される一般的なずぶ焼入が実施され、その後焼戻および仕上げ加工が実施されることにより本発明の範囲外の比較例Ａ〜Ｈの円筒ころが作製された。さらに、Ｖが添加されていない通常のＳＵＪ２およびＳＵＪ３を素材として用いて上述と同様に成形部材を作製し、上述のずぶ焼入または浸炭窒化焼入が実施された後、焼戻および仕上げ加工が実施されることにより本発明の範囲外の比較例Ｉ〜Ｌの円筒ころが作製された。
【００８８】
次に、具体的試験方法について説明する。表２は、本実施例１における転動疲労寿命試
験の試験条件を示している。
【００８９】
【表２】
【００９０】
表２に示すように、試験片は直径φ１２ｍｍ、長さＬ１２ｍｍの円筒状、試験数は１０個、相手試片はＳＵＪ２製で直径φ２０ｍｍ、長さＬ２０ｍｍの円筒状、接触面圧は４．１６ＧＰａ、応力の負荷速度は２０４００回／分、潤滑はタービンＶＧ６８油の強制循環による給油とした。
【００９１】
図９は、転動疲労寿命を評価するための試験に用いられた転動疲労寿命試験機の概略を説明するための概略側面図である。また、図１０は、図９の転動疲労寿命試験機の概略正面図である。図１０においては、内部構造の一部が断面図として示されている。図９および図１０を参照して、実施例１において転動疲労寿命を評価するために用いられた試験機について説明する。
【００９２】
図９および図１０を参照して、転動疲労寿命試験機２０は、円筒状の上部ロール２１と、外周面が上部ロール２１の外周面に対向するように配置された下部ロール２２と、上部ロール２１と下部ロール２２との間に配置された円筒状の駆動ロール２３および支持ロール２４とを備えている。円筒状の相手試片２５、２５は上部ロール２１および駆動ロール２３の外周面に接触する位置と、下部ロール２２および駆動ロール２３の外周面に接触する位置とのそれぞれに配置される。そして、円筒状の試験片２９は、相手試片２５、２５の外周面のそれぞれと、支持ロール２４の外周面とに外周面が接触するようにセットされる。
【００９３】
駆動ロール２３が円周方向に回転すると、駆動ロール２３に接触している相手試片２５、２５が回転する。その結果、相手試片２５、２５と支持ロール２４とで保持されている試験片２９が相手試片２５、２５から高い接触面圧を受けつつ、回転する。このとき、上部ロール２１と駆動ロール２３との間から試験片２９に向けて潤滑油が供給される。そして、試験片２９の外周面に剥離が発生して振動が生じると、図示しない振動センサによりこれを感知して駆動ロールを停止させる。このとき、相手試片２５、２５から受けた応力の繰り返し回数をその試験片２９の転動疲労寿命とする。さらに、上述のような試験を１０回ずつ行ない、転動疲労寿命を統計的に解析して、１０％の試験片が破損するまでの寿命（Ｌ１０寿命）を算出した。
【００９４】
表３に試験結果を示す。また、表３にはＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比、およびＳＵＪ３にＶが添加された鋼から作製された実施例および比較例に関してはＳＵＪ３をずぶ焼入して作製した比較例Ｊに対するＬ１０寿命の比を合わせて示している。さらに、図１１は、実施例１の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命（ＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比）との関係を示す図である。図１１において、横軸はバナジウムの添加量、縦軸はＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比を示している。表３およ
び図１１を参照して、実施例１の転動疲労寿命試験の結果を説明する。
【００９５】
【表３】
【００９６】
表３および図１１を参照して、ＳＵＪ２の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、ずぶ焼入された比較例Ａ〜Ｅは、ＳＵＪ２から構成され、ずぶ焼入された比較例Ｉに対して１．２〜１．８倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある。一方、ＳＵＪ２の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化焼入された実施例Ａ〜Ｅは、比較例Ｉに対して２．４〜４．８倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ａ〜Ｅと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。
【００９７】
また、表３および図１１を参照して、ＳＵＪ３の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、ずぶ焼入された比較例Ｆ〜Ｈは、ＳＵＪ３から構成され、ずぶ焼入された比較例Ｊに対して１．４〜２．０倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある。一方、ＳＵＪ３の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化焼入された実施例Ｆ〜Ｈは、比較例Ｊに対して２．４〜４．４倍（比較例Ｉ
に対して最大５．２倍）程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ｆ〜Ｈと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、ＳＵＪ３の成分系においても上述のＳＵＪ２の成分系の場合と同様に、浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。なお、この長寿命化効果の増幅は、Ｖが添加された鋼からなる試験片２９に窒素富化層が形成されることにより、単に窒素富化層の効果による寿命向上が得られただけでなく、Ｖ炭化物（Ｖ炭窒化物を含む）の量が増加し、熱処理工程においてオーステナイト結晶粒の成長を抑制する効果が増幅されるとともに、試験時において水素のトラップサイトとしての効果も増幅されたことに起因するものと考えられる。
【００９８】
以上より、Ｖが添加された鋼からなる転動部材は、表層部に窒素富化層が形成されることにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されて、非常に長寿命な転動部材とすることができるといえる。
【実施例２】
【００９９】
以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である円筒ころと本発明の範囲外の円筒ころとについて高接触面圧環境における寿命を比較する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【０１００】
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。素材としては実施例１の場合と同様の鋼を採用した。具体的な化学成分を表４に示す。
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
また、試験片の作製方法も基本的には実施例１の場合と同様である。しかし、実施例２では、表４に示すように、熱処理において実施例１の浸炭窒化焼入に代えて、浸炭窒化再加熱焼入が採用されている点で実施例１とは異なっている。すなわち、実施例Ｉ〜Ｐおよび比較例ＭおよびＮにおいては、図４の熱処理工程に代えて、図６の熱処理工程が採用されて、成形部材に窒素富化層が形成された。具体的には、浸炭窒化温度Ｔ１は８５０℃、Ｃｐ値は１．１、雰囲気はＲＸガスに５質量％のアンモニアが添加されたもの、再加熱温度Ｔ２はＴ１より低い８００℃、の条件で熱処理工程が実施されることにより、浸炭窒化再加熱焼入が実施された。
【０１０３】
次に、具体的試験方法および試験結果について説明する。実施例２における試験は実施例１と同様の転動疲労寿命試験機２０を用い、同様の条件で実施された。
【０１０４】
表５に試験結果を示す。また、表５には表３と同様に、ＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比、およびＳＵＪ３にＶが添加された鋼から作製された実施例および比較例に関してはＳＵＪ３をずぶ焼入して作製した比較例Ｊに対するＬ１０寿命の比を合わせて示している。さらに、図１２は、実施例２の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命（ＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比）との関係を示す図である。図１２において、横軸はバナジウムの添
加量、縦軸はＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比を示している。表５および図１２を参照して、実施例２の転動疲労寿命試験の結果を説明する。
【０１０５】
【表５】
【０１０６】
表５および図１２を参照して、ＳＵＪ２の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化再加熱焼入された実施例Ｉ〜Ｍは、比較例Ｉに対して４．５〜９．４倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ａ〜Ｅと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、実施例１の場合と同様に、浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。
【０１０７】
また、表５および図１２を参照して、ＳＵＪ３の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化焼入された実施例Ｎ〜Ｐは、比較例Ｊに対して４．３〜８．４倍（比較例Ｉに対して最大９．９倍）程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ｆ〜Ｈと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、実施例１の場合と同様に、ＳＵＪ３の成分系においても浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。
【０１０８】
さらに、表３、表５、図１１および図１２を参照して、実施例２の本発明の実施例Ｉ〜Ｐにおける試験片２９の寿命のレベルは、実施例１の本発明の実施例Ａ〜Ｈに比べて、さらに上昇していることが分かる。これは、実施例１の浸炭窒化焼入に代えて、実施例２では浸炭窒化再加熱焼入が採用されているため、試験片２９を構成する鋼の旧オーステナイト結晶粒が一層細粒化され、さらなる寿命向上効果が得られたためであると考えられる。
【０１０９】
以上より、Ｖが添加された鋼からなる転動部材は、表層部に窒素富化層が形成され、かつ転動部材を構成する鋼の旧オーステナイト結晶粒が一層細粒化されることにより、極めて長寿命な転動部材とすることができるといえる。
【０１１０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受は、高接触面圧環境などの過酷な環境下で使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】実施の形態１の転動部材を備えた転がり軸受としての四列円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１の転がり軸受の変形例である深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。
【図４】実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。
【図５】実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。
【図６】実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。
【図７】実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。
【図８】実施の形態３における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えた圧延機ロールネック用転がり軸受が配置された圧延機の構造を示す概略断面図である。
【図９】転動疲労寿命を評価するための試験に用いられた転動疲労寿命試験機の概略を説明するための概略側面図である。
【図１０】図９の転動疲労寿命試験機の概略正面図である。
【図１１】実施例１の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命との関係を示す図である。
【図１２】実施例２の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 深溝玉軸受、２ 外輪、２Ａ 外輪転走面、３ 内輪、３Ａ 内輪転走面、４ 玉、５ 保持器、６ 四列円筒ころ軸受、７ 円筒ころ、１０ 圧延機、１１ バックアップロール、１１１ バックアップロールロール部、１１２ バックアップロールロールネ
ック、１２ ワークロール、１２１ ワークロールロール部、１２２ ワークロールロールネック、１３ ハウジング、１４ スタンド、１５ 圧延機ロールネック用転がり軸受、２０ 転動疲労寿命試験機、２１ 上部ロール、２２ 下部ロール、２３ 駆動ロール、２４ 支持ロール、２５ 相手試片、２９ 試験片、Ｗ 被圧延物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受に関し、より特定的には、高接触面圧環境などの過酷な環境下においても使用可能な圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、転がり軸受が使用される産業機械、輸送機械などの高性能化に伴い、転がり軸受が使用される環境は一層過酷になっている。たとえば、圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受は、転動部材としての軌道部材と転動部材としての転動体との間の接触面圧の高い高接触面圧環境であるだけでなく、被圧延物の表面に生成した酸化皮膜などの硬質の異物が潤滑油に混入する異物混入環境において使用される場合がある。さらに、圧延機はその性質上、運転と停止とを繰返す間欠運転が実施される場合も多く、転動体と軌道部材との間に十分な油膜が形成されないおそれがあり、また、冷却水などが軸受内部に侵入することにより、十分な潤滑が得られない稀薄潤滑環境で使用される場合もある。
【０００３】
そのため、圧延機ロールネック用転がり軸受を構成する軌道輪、転動体などの圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材に対しては、転動疲労寿命の長寿命化、特に軌道部材と転動体との間の接触面圧の高い高接触面圧環境、潤滑油に硬質の異物が混入する異物混入環境、十分な潤滑が得られない稀薄潤滑環境などの過酷な環境下での長寿命化が求められている。
【０００４】
これに対し、転動部材を焼入硬化する焼入硬化工程の加熱時において、加熱時の雰囲気であるＲＸガスにアンモニアガスを添加することにより転動部材を浸炭窒化する熱処理方法が提案されている。これにより、転動部材の転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命を向上させることができる（たとえば特許文献１および２参照）。また、ピン型保持器を用いた円筒ころ軸受において、保持器側板を共通化した円筒ころ軸受が提案されている。これにより、円筒ころの軸方向の長さを長くすることができ、円筒ころ軸受の負荷容量を向上させることができる（たとえば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−４７７４号公報
【特許文献２】特開平１１−１０１２４７号公報
【特許文献３】特開２０００−１０４７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、最近の圧延機ロールネック用転がり軸受には耐久性・信頼性の向上、小型・軽量化、高効率・省エネルギー化およびメンテナンスフリー化が求められており、圧延機ロールネック用転がり軸受を構成する圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材にも、上述のような過酷な使用環境において更なる長寿命化および信頼性の向上が要求されている。
【０００６】
さらに、上述のような高接触面圧環境などの過酷な環境下で転がり軸受などの転動部品が使用される場合、潤滑油が分解することにより水素が発生して転動部材中に侵入し、転動部材の転動疲労寿命が低下するという問題がある。このような状況を考慮すると、上述のような対策は、必ずしも十分とはいえない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、転動疲労寿命、特に高接触面圧環境などの過酷な環境下における転動疲労寿命を向上させた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の局面における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である。そして、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなっている。さらに、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【０００９】
本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材によれば、上述の成分範囲の鋼からなることにより、安価でかつ転動部材として必要な特性を得ることができる。また、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、転動部材を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散している。そのため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。なお、上述のように成分範囲を限定した理由の詳細については後述する。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織には粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散している。これにより、転動部材が高接触面圧環境などの過酷な環境下において使用され、潤滑油が分解することにより水素が発生して転動部材中に侵入した場合でも、バナジウム炭化物が水素を捕集（トラップ）するトラップサイトとして機能し、水素の拡散を抑制する。その結果、転動疲労による破壊の起点となる鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積を抑制し、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下にまで細粒化されている。これにより、転動部材における亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、転動疲労寿命が向上する。
【００１０】
さらに、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材においては、転動疲労寿命に対する影響の大きい表層部に窒素富化層が形成されているため、転動疲労に対する抵抗性が向上して転動疲労寿命が向上する。また、表層部、特に表面から０．２ｍｍの深さの領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であるため、転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命が向上する。さらに、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有しているため、本発明の転動部材は転動部材として十分機能することができる。そして、このような転動部材を圧延機ロールネック用転がり軸受に適用することにより、当該転がり軸受の長寿命化を図ることができる。その結果、圧延機の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００１１】
本発明の他の局面における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である。そして、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下である鋼からなっている。さらに、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以
上２０体積％以下であり、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【００１２】
本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材によれば、上述の成分範囲の鋼からなることにより、安価でかつ転動部材として必要な特性を得ることができる。また、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、転動部材を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散している。そのため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織には粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散している。これにより、転動部材が高接触面圧環境などの過酷な環境下において使用され、潤滑油が分解することにより水素が発生して転動部材中に侵入した場合でも、バナジウム炭化物が水素を捕集するトラップサイトとして機能し、水素の拡散を抑制する。その結果、転動疲労による破壊の起点となる鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積を抑制し、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。さらに、本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下にまで細粒化されている。これにより、転動部材における亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、転動疲労寿命が向上する。
【００１３】
さらに、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材においては、転動疲労寿命に対する影響の大きい表層部に窒素富化層が形成されているため、転動疲労に対する抵抗性が向上して転動疲労寿命が向上する。また、表層部、特に表面から０．２ｍｍの深さの領域における残留オーステナイト量が１５体積％以上２０体積％以下であるため、転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命が向上する。さらに、転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有しているため、本発明の転動部材は転動部材として十分機能することができる。そして、このような転動部材を圧延機ロールネック用転がり軸受に適用することにより、当該転がり軸受の長寿命化を図ることができる。その結果、圧延機の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００１４】
上述のように、上記他の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材では、上記一の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材と比較して、表層部の残留オーステナイト量が少なくなっている。残留オーステナイトは、時間の経過とともにマルテンサイトに変態し、当該変態は体積の変化を伴う。そのため、残留オーステナイト量の少ない上記他の局面における本発明の転動部材は、上記一の局面における本発明の転動部材に比べて寸法安定性に優れている。一方、残留オーステナイトは、転動部材の転動疲労寿命、とくに異物混入環境における転動疲労寿命を向上させる。上記他の局面における転動部材においては、上記一の局面における本発明の転動部材に比べて残留オーステナイト量が同量以下となっている。しかし、上記他の局面における転動部材においては、上記一の局面における本発明の転動部材に比べて旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が小さくなっており、転動疲労寿命を補完している。
【００１５】
ここで、残留オーステナイト量の測定は、たとえばＸ線回折計（ＸＲＤ）を用いて、マルテンサイトα（２１１）面とオーステナイトγ（２２０）面との回折強度とを測定することにより、算出することができる。また、旧オーステナイト結晶粒の粒径の測定は、たとえばＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なうことができる。
【００１６】
なお、上記一の局面および他の局面における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材においては、上述の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径および表層部の残留オーステナイト量の条件は、転動疲労寿命への影響の大きい、転走面から０．２ｍｍの深さの領域において満たされていることが好ましい。
【００１７】
次に、上記一の局面および他の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を構成する鋼の成分範囲を上述の範囲に限定した理由について説明する。
【００１８】
炭素量：０．６質量％以上１．２質量％以下
一般に、転動部材は、棒鋼などの素材に対して旋削などの冷間加工を実施して成形する成形部材準備工程を経て製造される。このとき、素材の炭素含有量が多く、素材の硬度が高い場合、素材に対して球状化焼鈍（焼きなまし）が実施されて素材の硬度を低下させることにより冷間加工の容易性（冷間加工性）が確保される。しかし、素材の炭素含有量が１．２質量％を超えると、球状化焼鈍が実施されても素材の硬度が高く、冷間加工のためのコストが上昇するだけでなく、加工精度を確保することも困難となる可能性がある。さらに、素材の炭素含有量が１．２質量％を超えると、たとえば転動部材の製造工程において浸炭窒化処理が実施された場合、素材の金属組織（ミクロ組織）中に大型の炭化物が生成した過浸炭組織が形成され易くなる。過浸炭組織が形成されると、転動部材の靭性が低下するとともに疲労強度も低下するおそれがある。以上の理由により、炭素含有量は１．２質量％以下である。
【００１９】
一方、転動部材の硬度および残留オーステナイト量は転動部材を構成する鋼の炭素含有量に大きな影響を受ける。転動部材を構成する鋼の炭素含有量が０．６質量％未満の場合、上述の転走面の硬度および表層部の残留オーステナイト量を確保するためには、浸炭、浸炭窒化などの処理を長時間実施する必要があり、製造コスト上昇の原因となる。さらに、転動部材を構成する鋼の炭素含有量が０．６質量％未満の場合、長時間の浸炭、浸炭窒化などが実施されて表層部の炭素量が確保されても、転動部材の内部においては炭素量が不足し、十分な内部硬度が得られない。以上の理由により、炭素含有量は０．６質量％以上である。
【００２０】
珪素量：０．１５質量％以上１質量％以下
転動部材の使用環境によっては、使用中に温度が上昇し、転動部材の硬度が低下するという問題が生じる場合がある。転動部材を構成する鋼が珪素を含有することにより、これを防止する効果（焼戻軟化抵抗）が向上する。また、転動部材を構成する鋼が珪素を含有することにより、異物混入環境における転動部材の転動疲労寿命が向上する。転動部材を構成する鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満の場合、転動部材の焼戻軟化抵抗、および異物混入環境における転動疲労寿命が不十分となる場合がある。また、珪素は鋼の製造工程において、鋼の特性に対して有害な酸素の含有量を低下させるために添加される元素であり、０．１５質量％未満に低減することは製造コスト上昇の原因となるため、その必要性もない。一方、転動部材を構成する鋼の珪素含有量が１質量％を超える場合、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下する。以上の理由により、珪素量は０．１５質量％以上１質量％以下である。
【００２１】
マンガン：０．３質量％以上１．５質量％以下
マンガンは、転動部材を構成する鋼に含有されることにより、転動部材の焼入の容易性を向上させる効果を有している。また、マンガンは、転動部材を構成する鋼に不可避に含有される硫黄と化合して硫化マンガンを形成し、ミクロ組織における硫黄の結晶粒界への偏析を抑制して、転動部材の特性の低下を回避する効果を有している。マンガンの含有量が０．３質量％未満の場合、上述の効果を十分に果たすことができない。また、マンガンは珪素と同様に、鋼の製造工程において、鋼の特性に対して有害な酸素の含有量を低下させるために添加される元素である。マンガンの含有量を０．３質量％未満に低減することは、製造コスト上昇の原因となるため、その必要性もない。一方、マンガンの含有量が１．５質量％を超えると、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下する。以上の理由により、マンガン量は０．３質量％以上１．５質量％以下である。
【００２２】
クロム：０．１質量％以上２質量％以下
クロムは、転動部材を構成する鋼に含有されることにより、転動部材に対して浸炭、浸炭窒化が実施された場合に表層部に炭化物、炭窒化物を形成し、表層部の硬度を上昇させる効果を有する。クロムの含有量が０．１質量％未満では、前述の効果を十分に果たすことができない。また、クロムは転動部材を構成する鋼中に不純物として含有され、０．１質量％以下に低減することは製造コスト上昇の原因となるため、その必要性もない。一方、クロムの含有量が２質量％を超えると、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下する。また、クロムの含有量が２質量％を超えると、表層部の硬度を上昇させる効果が小さくなる。以上の理由により、クロム量は０．１質量％以上２質量％である。
【００２３】
バナジウム：０．１質量％以上２質量％以下
バナジウムは本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を構成する鋼において必須の元素である。バナジウムが添加されていることにより、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、本発明の転動部材を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散している。そのため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、バナジウムが添加されていることにより、本発明の転動部材では、転動部材の使用時においても鋼組織に粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物を分散させることができる。これにより、水素が転動部材中に侵入した場合でも、バナジウム炭化物が水素を捕集するトラップサイトとして機能し、水素の拡散を抑制する。その結果、転動疲労による破壊の起点となる鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積を抑制し、転動部材の転動疲労寿命を向上させることができる。バナジウムの含有量が０．１質量％未満では、前述の効果を十分に果たすことができない。一方、バナジウムの含有量が２質量％を超えると、転動部材の製造工程において仕上げ加工として実施される研削加工が困難となり、十分な仕上げ精度を確保できないおそれがある。以上の理由により、バナジウム量は０．１質量％以上２質量％である。
【００２４】
ここで、バナジウム炭化物とはバナジウムおよび炭素を主成分とする化合物をいい、純粋なバナジウム炭化物だけでなく、窒素の含まれる炭窒化物や、バナジウムの一部がクロムや鉄などに置換された化合物をも含む。また、表層部とは、転動部材において、表面からの距離が０．２ｍｍ以下である領域をいう。さらに、転走面とは、転動部材において、当該転動部材とは別の別部材と接触する表面であり、たとえば転動部材が転がり軸受の軌道輪である場合、転動体と接触する表面をいう。また、たとえば転動部材が玉軸受の玉である場合、玉の表面全体であり、ころ軸受のころである場合、軌道輪の転走面と接触する外周面をいう。
【００２５】
なお、上記一の局面および他の局面における本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を構成する鋼は、より具体的には、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼であることが好ましい。また、前述の鋼は、前述の成分に加えて、０．０１質量％以上１質量％以下のニッケルおよび０．０１質量％以上０．１質量％以下のモリブデンの一方または両方を含有していてもよい。
【００２６】
なお、珪素は亜共析鋼のＡ３変態点（鋼の温度を上昇させた場合に、鋼の組織が完全にオーステナイト化する温度に相当する点）を上昇させる効果が大きいため、転動部材を構成する鋼の珪素含有量が多い場合、焼入における冷却前の加熱温度を高くすべき点に留意する必要がある。また、マンガンやクロムは低温でもオーステナイト相を安定化させるオーステナイト生成元素である。そのため、転動部材を構成する鋼のマンガンやクロムの含有量が多い場合、浸炭窒化の温度や焼入における冷却前の加熱温度を高くしすぎるとバナ
ジウム炭化物が安定に存在できず、オーステナイト粒の粗大化を抑制する効果を十分に発揮できない可能性がある。そのため、これらの温度の適正化に留意する必要がある。上記留意点を確認するためには、多元系合金の平衡状態図を用いることができる。現在では、専用のソフトウェアなどを用いることにより、多元系合金の平衡状態図を精度よく容易に作製することができる。
【００２７】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材において好ましくは、表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である。
【００２８】
転動疲労に対する抵抗性を十分に確保するためには、転動疲労寿命に対する影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域において、窒素含有量が０．１質量％以上の窒素富化層が形成されていることが好ましい。一方、窒素含有量が０．７質量％を超えると、残留オーステナイト量が多くなりすぎ、好ましい範囲の量に制御することが困難となる。上述のように窒素含有量を０．１質量％以上０．７質量％以下とすることにより、転動疲労寿命に対する影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域において、転動疲労寿命の向上に対して十分な効果を有する窒素富化層が形成されるとともに、残留オーステナイト量を好ましい範囲の量に制御することができる。なお、上記条件は転動部材の転動疲労寿命に対する影響の特に大きい、転走面からの深さが０．２ｍｍの領域において満たされていることが、より好ましい。
【００２９】
ここで、上記窒素含有量は、たとえば転動部材の転走面からの距離が０．２ｍｍの領域を切り出し、表面を研磨した上で、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）にて母地の窒素濃度を１０箇所測定し、その平均値を算出することで求めることができる。
【００３０】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材において好ましくは、表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率は５％以上である。
【００３１】
上述のように、バナジウム炭化物は転動部材を構成する鋼に水素が侵入した場合、水素のトラップサイトとして機能する。そのため、侵入した水素を十分にトラップするためには、バナジウム炭化物の量が多いことが好ましい。本発明者は転動疲労寿命に対して影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率と水素が侵入する環境における転動部材の転動疲労寿命との関係を検討したところ、当該切断面においてバナジウム炭化物の面積率が５％以上であれば、転動疲労寿命が大きく向上することを見出した。すなわち、上述の構成を有することにより、水素が侵入する環境における転動部材の転動疲労寿命が一層向上する。なお、上記条件は転動部材の転動疲労寿命に対する影響の特に大きい、転走面からの深さが０．２ｍｍの領域において満たされていることが、より好ましい。
【００３２】
ここで、上記バナジウム炭化物の面積率は、たとえば以下のように測定することができる。すなわち、転動部材の転走面からの距離が０．２ｍｍの領域を切り出し、表面を研磨した上で、ピクリン酸アルコール溶液（ピクラル）を用いて当該表面を腐食することにより、バナジウム炭化物を観察可能な状態とする。そして、当該表面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）を用いて５０００倍の倍率で５箇所撮影する。さらに、撮影されたそれぞれの画像中において、バナジウム炭化物が占める面積率をパソコンにインストールされた画像処理用ソフトウェアにより算出し、その平均値を上記バナジウム炭化物の面積率とする。
【００３３】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材において好ましくは、表面からの深
さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下である。
【００３４】
上述のように、バナジウム炭化物は水素のトラップサイトとして機能するため、転動部材の転動疲労寿命の向上に大きな効果を有する。一方、バナジウム炭化物は大きさが１μｍを超えると、応力集中源としての悪影響が大きくなり、転動部材の転動疲労寿命を低下させるおそれがある。そのため、表面からの深さが０．２ｍｍの領域、特に転走面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径が１μｍ以下であることにより、転動部材の転動疲労寿命を一層向上させることができる。
【００３５】
ここで、上記バナジウム炭化物の粒径は、たとえば以下のように測定することができる。すなわち、転動部材の転走面からの距離が０．２ｍｍの領域を切り出し、表面を研磨した上で、ピクラルを用いて当該表面を腐食することにより、バナジウム炭化物を観察可能な状態とする。そして、当該表面をＳＥＭを用いて５０００倍の倍率で５箇所撮影する。さらに、撮影された画像中の各バナジウム炭化物の面積をパソコンにインストールされた画像処理用ソフトウェアにより算出し、その平方根を上記バナジウム炭化物の粒径とする。そして、得られたバナジウム炭化物の粒径の最大値が１μｍ以下であれば、本発明の上記条件、すなわち表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下である、との条件を満たすこととなる。
【００３６】
本発明に従った圧延機ロールネック用転がり軸受は、上記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えている。本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受によれば、上述の転動疲労寿命に優れた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えていることにより、過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することができる。
【００３７】
上記圧延機ロールネック用転がり軸受において好ましくは、圧延機ロールネック用転がり軸受は、ロールネックの外周面に接続される環状の内輪と、内輪の外周側に配置される環状の外輪と、外輪と内輪との間に配置される複数の転動体とを備えている。そして、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、外輪、内輪、転動体のうちの少なくともいずれか１つである。
【００３８】
外輪、内輪および転動体を備えた圧延機ロールネック用転がり軸受において、外輪、内輪および転動体のうち少なくともいずれか１つとして上述の転動疲労寿命に優れた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えていることにより、過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することができる。
【発明の効果】
【００３９】
以上の説明から明らかなように、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材によれば、転動疲労寿命、特に高接触面圧環境などの過酷な環境下における転動疲労寿命を向上させた圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を提供することができる。また、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受によれば、過酷な環境下においても長寿命な圧延機ロールネック用転がり軸受を提供することができる。その結果、圧延機の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、以下の説明において、転動部材とは圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材をさし、転がり軸受とは圧延機ロールネック用転がり軸受をさす。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の転動部材を備えた転がり軸受としての四列円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における転がり軸受としての四列円筒ころ軸受の構成について説明する。
【００４２】
図１を参照して、四列円筒ころ軸受６は、転動部材としての環状の４つの外輪２、２、２、２と、外輪２の内側に配置された環状の２つの内輪３、３と、外輪２と内輪３との間に配置された複数の円筒ころ７とを備えている。外輪２の内周面には外輪転走面２Ａが形成されており、内輪３の外周面には内輪転走面３Ａが形成されている。そして、内輪転走面３Ａはそれぞれ２つの外輪転走面２Ａ、２Ａに対向するように、４つの外輪２、２、２、２と２つの内輪３、３とは配置されている。さらに、複数の円筒ころ７は、外輪転走面２Ａのそれぞれに沿って、外輪転走面２Ａと内輪転走面３Ａとに接触し、周方向に所定のピッチで配置されることにより４列の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、四列円筒ころ軸受６の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００４３】
さらに、転動部材（外輪２、内輪３および円筒ころ７）は、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなっている。さらに、表層部に窒素富化層が形成されており、表層部、特に表面から０．２ｍｍの深さの領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、外輪転走面２Ａ、内輪転走面３Ａおよび円筒ころ７の外周面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している。
【００４４】
本実施の形態１の転動部材としての外輪２、内輪３および円筒ころ７によれば、上述の成分範囲の鋼からなることにより、安価でかつ転動部材として必要な特性を得ることができる。また、浸炭窒化などの熱処理工程の加熱時において、外輪２、内輪３および円筒ころ７を構成する鋼組織にはバナジウム炭化物が分散しているため、オーステナイト結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７を構成する鋼組織には水素のトラップサイトとして機能する粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しているため、鋼組織中の非金属介在物などの応力集中源周辺における拡散性水素の集積が抑制され、外輪２、内輪３および円筒ころ７の転動疲労寿命を向上させることができる。
【００４５】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７では、外輪２、内輪３および円筒ころ７を構成する鋼組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下にまで細粒化されているため、耐摩耗性や変形抵抗が向上して亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、外輪２、内輪３および円筒ころ７の転動疲労寿命が向上するとともに、衝撃値、破壊靭性値および圧壊強度なども向上している。さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７においては、転動疲労寿命に対する影響の大きい表層部に窒素富化層が形成されているため、転動疲労に対する抵抗性が向上して転動疲労寿命が向上している。また、表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であるため、転動疲労寿命、特に異物混入環境における転動疲労寿命が向上している。さらに、外輪転走面２Ａ、内輪転走面３Ａおよび円筒ころ７の外周面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有しているため、外輪２、内輪３および円筒ころ７は転動部材として十分機能することができる。
【００４６】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７において、表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下であることが好ましい。こ
れにより、転動疲労寿命に対する影響の大きい表面からの深さが０．２ｍｍの領域において、転動疲労寿命の向上に対して十分な効果を有する窒素富化層が形成されるとともに、残留オーステナイト量を好ましい範囲の量に制御することができる。
【００４７】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７において、表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率は５％以上であることが好ましい。これにより、水素のトラップサイトとして十分なバナジウム炭化物の量が確保され、水素が侵入する環境における転動部材の転動疲労寿命が一層向上する。
【００４８】
さらに、外輪２、内輪３および円筒ころ７において、表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。これにより、バナジウム炭化物の応力集中源としての悪影響が小さいため、外輪２、内輪３および円筒ころ７の転動疲労寿命を一層向上させることができる。
【００４９】
さらに、実施の形態１の四列円筒ころ軸受６は、上述の優れた特性を有する上記外輪２、内輪３および円筒ころ７を備えているため、過酷な環境下においても長寿命となっている。
【００５０】
図２は、実施の形態１の転がり軸受の変形例である深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。図２を参照して、実施の形態１の転がり軸受の変形例である深溝玉軸受の構成について説明する。
【００５１】
図２を参照して、実施の形態１の変形例の深溝玉軸受１と、上述の四列円筒ころ軸受６とは、基本的に同様の構成を有しており、同様の効果を有しているが、軌道輪および転動体の構成が異なっている。すなわち、図２を参照して、実施の形態１の変形例である深溝玉軸受１は、転動部材としての環状の外輪２と、外輪２の内側に配置された転動部材としての環状の内輪３と、転動部材としての玉４と、円環状の保持器５とを備えている。複数の玉４は、外輪２の内周面に形成された外輪転走面２Ａと、内輪３の外周面に形成された内輪転走面３Ａとに接触し、かつ保持器５により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００５２】
次に、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。図３は実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。図３を参照して、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。
【００５３】
図３を参照して、まず、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有する鋼からなる成形部材を準備する成形部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を含有する棒鋼などの素材に対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１に示した外輪２、内輪３および円筒ころ７の形状に成形された成形部材、または図２に示した外輪２、内輪３および玉４の形状に成形された成形部材などが準備される。
【００５４】
次に、図３を参照して、上記成形部材をＡ１点以上の温度で浸炭窒化する浸炭窒化工程と、浸炭窒化工程において浸炭窒化された成形部材を、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却することにより焼入硬化する冷却工程と、焼入硬化された成形部材を焼戻す焼戻工程とを含む熱処理工程が実施される。この熱処理工程の詳細については後述する。
【００５５】
ここで、Ａ１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。
【００５６】
次に、図３を参照して、仕上げ加工工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された成形部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、転動部材としての外輪２、内輪３および玉４または外輪２、内輪３および円筒ころ７が仕上げられる。これにより、実施の形態１の転動部材が完成する。
【００５７】
さらに、図３を参照して、組立て工程が実施される。具体的には、たとえば図２を参照して、転動部材としての外輪２、内輪３および玉４と、保持器５などとを組み合わせることにより、転がり軸受としての深溝玉軸受１が組み立てられる。
【００５８】
次に、熱処理工程について詳細に説明する。図４は実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。図４において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図４において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図４を参照して、実施の形態１の成形部材に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。
【００５９】
図４を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材はＡ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、成形部材の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される浸炭窒化工程が実施される。その後、成形部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。これにより、成形部材は焼入硬化される。
【００６０】
さらに、焼入硬化された成形部材はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程は完了する。
【００６１】
上記熱処理工程により、成形部材の表層部に窒素富化層を形成し、表層部の残留オーステナイト量を２０体積％以上４０体積％以下とし、かつ転走面を５９ＨＲＣ以上の硬度とすることができる。また、成形部材を構成する鋼に粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物を分散させ、かつ成形部材を構成する鋼のミクロ組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を１２μｍ以下とすることができる。さらに、上記熱処理工程によれば、成形部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とするとともに、成形部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率を５％以上とすることも可能である。さらに、成形部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径を１μｍ以下とすることも可能である。以上より、上記熱処理工程を備えた実施の形態１の転動部材および転がり軸受の製造方法により、実施の形態１の転動部材および転がり軸受を製造することができる。
【００６２】
（実施の形態２）
実施の形態２における転動部材、転がり軸受およびその製造方法について説明する。実
施の形態２の転動部材および転がり軸受は、基本的には図１および図２に基づいて説明した実施の形態１の転動部材および転がり軸受と同様の構成を有している。しかし、実施の形態２の転動部材は、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下である鋼からなっている点、および表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上２０体積％以下である点において、実施の形態１の転動部材および転がり軸受とは異なっている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００６３】
これにより、実施の形態２の転動部材および転がり軸受は、実施の形態１の転動部材および転がり軸受と基本的に同様の効果を有している。しかし、転動部材の表層部における残留オーステナイト量、および転動部材を構成する鋼の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径において異なっているため、実施の形態２の転動部材および転がり軸受は、以下の効果を有している。すなわち、残留オーステナイト量の少ない実施の形態２の転動部材は、実施の形態１における転動部材に比べて寸法安定性に優れている。一方、実施の形態２の転動部材においては、実施の形態１の転動部材に比べて旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が小さいことにより、耐摩耗性や変形抵抗が向上して亀裂の発生や伝播に対する抵抗が上昇し、転動部材の転動疲労寿命が補完されるとともに、衝撃値、破壊靭性値および圧壊強度なども向上している。
【００６４】
次に、実施の形態２の転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。図５は、本発明の一実施の形態である実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。図５を参照して、実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法について説明する。
【００６５】
図５を参照して、実施の形態２の転動部材および転がり軸受の製造方法は、基本的には図３に基づいて説明した実施の形態１の転動部材および転がり軸受の製造方法と同様である。しかし、実施の形態２の製造方法は熱処理方法において、実施の形態１の製造方法とは異なっている。すなわち、図５を参照して、まず実施の形態１と同様に、０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有する鋼からなる成形部材を準備する成形部材準備工程が実施されたあと、熱処理工程が実施される。
【００６６】
熱処理工程では、浸炭窒化工程、第１の冷却工程、再加熱工程、第２の冷却工程および焼戻工程が順次実施される。浸炭窒化工程では、成形部材がＡ１点以上の温度である浸炭窒化温度で浸炭窒化される。第１の冷却工程では、浸炭窒化工程において浸炭窒化された成形部材が、Ａ１点より低い温度に冷却される。再加熱工程では、第１の冷却工程においてＡ１点より低い温度に冷却された成形部材が、Ａ１点以上の温度であって浸炭窒化温度よりも低い温度である再加熱温度に加熱される。第２の冷却工程では、再加熱工程において再加熱温度に加熱された成形部材が、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却されることにより焼入硬化される。そして、焼戻工程では、焼入硬化された成形部材が焼戻される。その後の仕上げ加工工程および組立て工程は、実施の形態１の場合と同様に実施される。
【００６７】
次に、実施の形態２における熱処理工程について詳細に説明する。図６は実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。図６において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図６において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図６を参照して、実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の詳細を説明する。
【００６８】
図６を参照して、成形部材準備工程において準備された成形部材はＡ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度Ｔ１、たとえば８４５℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、成形部材の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される浸炭窒化工程が実施される。その後、成形部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却される第１の冷却工程が実施される。これにより、１次焼入が完了する。
【００６９】
さらに、１次焼入が実施された転動部材がＡ１点以上の温度である７３０℃以上８３０℃以下の温度Ｔ２、たとえば８００℃に再び加熱される再加熱工程が実施され、その後３０分間以上１２０分間以下の時間、たとえば５０分間保持される。このとき、浸炭窒化処理において調整された炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度となるように、たとえば脱炭を防止するため、たとえばＲＸガスを含む雰囲気において加熱される。さらに、転動部材が、たとえば油冷されることにより、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に急冷されて焼入硬化される第２の冷却工程が実施される。これにより、２次焼入が完了する。
【００７０】
さらに、２次焼入が完了した転動部材はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後冷却される。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、本実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程は完了する。
【００７１】
ここで、温度Ｔ２は、熱処理工程において鋼中に侵入する水素濃度を低減し、かつオーステナイト結晶粒を小さくする観点から、前述のように７９０℃以上８３０℃以下とすることが望ましい。また、同様の観点から、温度Ｔ２はＴ１よりも低い温度とすることが好ましい。さらに、再加熱工程における成形部材の表層部の昇温速度は、Ａ１点において３℃／分以上であることが好ましい。これにより、旧オーステナイト結晶粒の大きさのバラツキが小さい整粒組織を有する鋼からなる転動部材を製造することができる。さらに、第２の冷却工程のおいて転動部材を冷却するための冷却媒体は、０．１ｃｍ−１以上の焼入強烈度（Ｈ値：Ｈ＝（１／２）（Ｃ／ｋ）；Ｃは熱伝達率（単位：Ｗ・ｍ−２・Ｋ−１）、ｋは鋼材の熱伝導度（単位：Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）。改訂６版金属便覧５０４頁〜５０５頁参照。）を有していることが好ましい。これにより、転動部材の耐久性を確保するために十分な転走面の硬度、具体的には５９ＨＲＣ以上の硬度を容易に転動部材に付与することができる。
【００７２】
上記熱処理工程により、転動部材の表層部に窒素富化層を形成し、表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上２０体積％以下とし、かつ転走面を５９ＨＲＣ以上の硬度とすることができる。また、転動部材を構成する鋼に粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物を分散させ、かつ転動部材を構成する鋼のミクロ組織における旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を５μｍ以下とすることができる。さらに、上記熱処理工程によれば、転動部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量を、０．１質量％以上０．７質量％以下とするとともに、転動部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率を５％以上とすることも可能である。さらに、転動部材の表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径を１μｍ以下とすることも可能である。以上より、上記熱処理工程を備えた実施の形態２の転動部材および転がり軸受の製造方法により、実施の形態２の転動部材および転がり軸受を製造することができる。
【００７３】
図７は、実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を示す
図である。図７において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図７において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図７を参照して、実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を説明する。
【００７４】
図７を参照して、本変形例における図７に示す熱処理工程と上述の図６に示す熱処理工程とは基本的には温度および時間の条件を含めて同様の工程となっている。しかし、図７の熱処理工程においては浸炭窒化工程に引き続いて油冷を実施して１次焼入を完了するのではなく、まずＡ１変態点以下の温度に冷却した後、室温（常温）まで冷却することなく再びＡ１変態点以上の温度Ｔ２に加熱する点において、図６の熱処理工程とは異なっている。
【００７５】
これにより、一度焼入を実施した後に再度温度Ｔ２まで加熱する場合に比べて再加熱に要する時間およびエネルギーを小さくすることが可能となるため、製造コストを低減し得る点において有利である。なお、浸炭窒化後に引き続く冷却温度はＡ１変態点よりも低い温度、すなわち鉄のオーステナイトからフェライトへの変態点以下の温度であればよく、たとえば６５０℃以上７００℃以下とすることができる。
【００７６】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えた圧延機ロールネック用転がり軸受が配置された圧延機の構造を示す概略断面図である。図８を参照して、実施の形態３に係る圧延機の構成を説明する。
【００７７】
図８を参照して、圧延機１０は、ワークロール１２と、バックアップロール１１と、ハウジング１３と、スタンド１４と、圧延機ロールネック用転がり軸受１５とを備えている。ワークロール１２は、中央部に被圧延物Ｗを圧延するためのロール部である円柱状のワークロールロール部１２１と、ワークロールロール部１２１の両端にワークロールロール部１２１よりも直径の小さい円柱状のワークロールロールネック１２２とを有している。また、バックアップロール１１は、中央部にワークロールロール部１２２に接触してワークロールロール部１２２の撓みを抑制するためのロール部である円柱状のバックアップロールロール部１１１と、バックアップロールロール部１１１の両端にバックアップロールロール部１１１よりも直径の小さい円柱状のバックアップロールロールネック１１２とを有している。そして、２つのワークロール１２は被圧延物Ｗを圧延するための間隔をおいて、かつ２つのワークロール１２の長手方向の軸が平行になるように配置されている。さらに、２つのワークロール１２のそれぞれから見て他方のワークロール１２とは反対側には、ワークロールロール部１２１とバックアップロールロール部１１１とが接触し、かつ長手方向の軸がワークロール１２の長手方向の軸と平行になるように、バックアップロール１１が配置されている。
【００７８】
さらに、ワークロールロールネック１２２およびバックアップロールロールネック１１２のそれぞれの一部を取り囲むように、ハウジング１３が配置され、ハウジング１３とワークロールロールネック１２２およびバックアップロールロールネック１１２のそれぞれとの間には、圧延機ロールネック用転がり軸受１５が配置されている。すなわち、圧延機ロールネック用転がり軸受１５は圧延機１０のワークロール１２およびバックアップロール１１をハウジング１３に対して回転自在に軸支するために使用されている。さらに、上述のように配置されたワークロール１２、バックアップロール１１、ハウジング１３および圧延機ロールネック用転がり軸受１５は、スタンド１４により、全体として支持されている。
【００７９】
ここで、圧延機ロールネック用転がり軸受１５のそれぞれは、ワークロールロールネッ
ク１２２およびバックアップロールロールネック１１２のそれぞれの外周面に接続される環状の内輪３と、内輪の外周側に配置される環状の外輪２と、外輪２と内輪３との間に配置される複数の転動体としての円錐ころ１７とを備えている。本実施の形態３の圧延機ロールネック用転がり軸受１５は、図１に基づいて説明した実施の形態１の四列円筒ころ軸受６と基本的には同様の構成を有している。しかし、転動体としてのころが円錐ころ１７である点において、実施の形態１の四列円筒ころ軸受６とは異なっている。その他の構成については実施の形態１の四列円筒ころ軸受６と同様であり、同様に動作する。
【００８０】
次に、図８を参照して、圧延機１０の動作を説明する。図８を参照して、被圧延物Ｗは、長手方向の軸周りに互いに逆向きに回転する２つのワークロール１２のワークロールロール部１２１の間に挟まれ、所定量の圧縮を受けつつ、紙面奥から紙面手前に向けて進行し、圧延される。そして、バックアップロール１１はワークロール１２に従動して、接触しているワークロール１２とは反対向きに回転する。ここで、ワークロールロール部１２１は、軸方向に垂直な方向に被圧延物Ｗからの反力を受け、撓もうとするが、ワークロールロール部１２１よりも直径の大きなバックアップロールロール部１１１と接触していることにより、当該撓みは抑制される。このとき、圧延機ロールネック用転がり軸受１５は、ワークロールロールネック１２２またはバックアップロールロールネック１１２と、ハウジング１３との間に発生する長手方向の軸に垂直な方向（ラジアル方向）の荷重を支持しつつ回転する。
【００８１】
ここで、被圧延物Ｗの変形抵抗が大きい場合、圧延機ロールネック用転がり軸受１５が支持すべき荷重は大きくなるが、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受は高接触面圧環境においても長寿命であり、被圧延物Ｗの変形抵抗が大きい場合でも使用が可能である。また、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受は表面起点型の剥離が発生しやすい高接触面圧環境においても長寿命であるため、圧延機ロールネック用転がり軸受の交換に要する時間の低減、またはメンテナンスフリー化も可能であり、圧延機１０の稼動効率の向上に寄与することができる。
【００８２】
なお、上記実施の形態３においては、圧延機ロールネック用転がり軸受として円錐ころ軸受について説明したが、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受はこれに限られず、たとえば円筒ころ軸受、ニードルころ軸受など他の形態の転がり軸受であってもよい。また、本実施の形態３においては圧延機の一例として２つのワークロールと２つのバックアップロールとを備えた４段圧延機について説明したが、本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受を使用することが可能な圧延機はこれに限られず、たとえばワークロールとバックアップロールとの間に中間ロールを備えた６段圧延機に使用することもできる。
【実施例１】
【００８３】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である円筒ころと本発明の範囲外の円筒ころとについて高接触面圧環境における寿命を比較する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【００８４】
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。素材として、一般に転動部材に使用されているＪＩＳ ＳＵＪ２、およびＪＩＳ ＳＵＪ３の成分をベースとした鋼を採用した。具体的な化学成分を表１に示す。なお、表１に示した化学成分において、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）以外の部分は鉄（Ｆｅ）および不可避的不純物である。
【００８５】
【表１】
【００８６】
表１に示すように、本発明の実施例の素材とした鋼はＳＵＪ２またはＳＵＪ３の成分をベースとし、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムを添加したものである。これらの鋼の棒鋼が素材として用いられて旋削加工などにより、円筒ころの成形部材が作製された。さらに、この成形部材に浸炭窒化焼入が実施されることにより窒素富化層が形成され、その後焼戻および仕上げ加工が実施されることにより、本発明の転動部材としての実施例Ａ〜Ｈの円筒ころが作製された。浸炭窒化には図４の熱処理工程が採用され、浸炭窒化温度Ｔ１８５０℃、Ｃｐ値１．１、ＲＸガスに５質量％のアンモニアが添加された雰囲気、の条件で浸炭窒化焼入が実施された後、１８０℃の温度に２時間保持されることにより、焼戻が行なわれた。
【００８７】
一方、同様の成形部材に対して、８５０℃に５０分間保持された後、１００℃の油に浸漬される一般的なずぶ焼入が実施され、その後焼戻および仕上げ加工が実施されることにより本発明の範囲外の比較例Ａ〜Ｈの円筒ころが作製された。さらに、Ｖが添加されていない通常のＳＵＪ２およびＳＵＪ３を素材として用いて上述と同様に成形部材を作製し、上述のずぶ焼入または浸炭窒化焼入が実施された後、焼戻および仕上げ加工が実施されることにより本発明の範囲外の比較例Ｉ〜Ｌの円筒ころが作製された。
【００８８】
次に、具体的試験方法について説明する。表２は、本実施例１における転動疲労寿命試
験の試験条件を示している。
【００８９】
【表２】
【００９０】
表２に示すように、試験片は直径φ１２ｍｍ、長さＬ１２ｍｍの円筒状、試験数は１０個、相手試片はＳＵＪ２製で直径φ２０ｍｍ、長さＬ２０ｍｍの円筒状、接触面圧は４．１６ＧＰａ、応力の負荷速度は２０４００回／分、潤滑はタービンＶＧ６８油の強制循環による給油とした。
【００９１】
図９は、転動疲労寿命を評価するための試験に用いられた転動疲労寿命試験機の概略を説明するための概略側面図である。また、図１０は、図９の転動疲労寿命試験機の概略正面図である。図１０においては、内部構造の一部が断面図として示されている。図９および図１０を参照して、実施例１において転動疲労寿命を評価するために用いられた試験機について説明する。
【００９２】
図９および図１０を参照して、転動疲労寿命試験機２０は、円筒状の上部ロール２１と、外周面が上部ロール２１の外周面に対向するように配置された下部ロール２２と、上部ロール２１と下部ロール２２との間に配置された円筒状の駆動ロール２３および支持ロール２４とを備えている。円筒状の相手試片２５、２５は上部ロール２１および駆動ロール２３の外周面に接触する位置と、下部ロール２２および駆動ロール２３の外周面に接触する位置とのそれぞれに配置される。そして、円筒状の試験片２９は、相手試片２５、２５の外周面のそれぞれと、支持ロール２４の外周面とに外周面が接触するようにセットされる。
【００９３】
駆動ロール２３が円周方向に回転すると、駆動ロール２３に接触している相手試片２５、２５が回転する。その結果、相手試片２５、２５と支持ロール２４とで保持されている試験片２９が相手試片２５、２５から高い接触面圧を受けつつ、回転する。このとき、上部ロール２１と駆動ロール２３との間から試験片２９に向けて潤滑油が供給される。そして、試験片２９の外周面に剥離が発生して振動が生じると、図示しない振動センサによりこれを感知して駆動ロールを停止させる。このとき、相手試片２５、２５から受けた応力の繰り返し回数をその試験片２９の転動疲労寿命とする。さらに、上述のような試験を１０回ずつ行ない、転動疲労寿命を統計的に解析して、１０％の試験片が破損するまでの寿命（Ｌ１０寿命）を算出した。
【００９４】
表３に試験結果を示す。また、表３にはＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比、およびＳＵＪ３にＶが添加された鋼から作製された実施例および比較例に関してはＳＵＪ３をずぶ焼入して作製した比較例Ｊに対するＬ１０寿命の比を合わせて示している。さらに、図１１は、実施例１の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命（ＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比）との関係を示す図である。図１１において、横軸はバナジウムの添加量、縦軸はＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比を示している。表３およ
び図１１を参照して、実施例１の転動疲労寿命試験の結果を説明する。
【００９５】
【表３】
【００９６】
表３および図１１を参照して、ＳＵＪ２の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、ずぶ焼入された比較例Ａ〜Ｅは、ＳＵＪ２から構成され、ずぶ焼入された比較例Ｉに対して１．２〜１．８倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある。一方、ＳＵＪ２の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化焼入された実施例Ａ〜Ｅは、比較例Ｉに対して２．４〜４．８倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ａ〜Ｅと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。
【００９７】
また、表３および図１１を参照して、ＳＵＪ３の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、ずぶ焼入された比較例Ｆ〜Ｈは、ＳＵＪ３から構成され、ずぶ焼入された比較例Ｊに対して１．４〜２．０倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある。一方、ＳＵＪ３の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化焼入された実施例Ｆ〜Ｈは、比較例Ｊに対して２．４〜４．４倍（比較例Ｉ
に対して最大５．２倍）程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ｆ〜Ｈと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、ＳＵＪ３の成分系においても上述のＳＵＪ２の成分系の場合と同様に、浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。なお、この長寿命化効果の増幅は、Ｖが添加された鋼からなる試験片２９に窒素富化層が形成されることにより、単に窒素富化層の効果による寿命向上が得られただけでなく、Ｖ炭化物（Ｖ炭窒化物を含む）の量が増加し、熱処理工程においてオーステナイト結晶粒の成長を抑制する効果が増幅されるとともに、試験時において水素のトラップサイトとしての効果も増幅されたことに起因するものと考えられる。
【００９８】
以上より、Ｖが添加された鋼からなる転動部材は、表層部に窒素富化層が形成されることにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されて、非常に長寿命な転動部材とすることができるといえる。
【実施例２】
【００９９】
以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材である円筒ころと本発明の範囲外の円筒ころとについて高接触面圧環境における寿命を比較する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。
【０１００】
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。素材としては実施例１の場合と同様の鋼を採用した。具体的な化学成分を表４に示す。
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
また、試験片の作製方法も基本的には実施例１の場合と同様である。しかし、実施例２では、表４に示すように、熱処理において実施例１の浸炭窒化焼入に代えて、浸炭窒化再加熱焼入が採用されている点で実施例１とは異なっている。すなわち、実施例Ｉ〜Ｐおよび比較例ＭおよびＮにおいては、図４の熱処理工程に代えて、図６の熱処理工程が採用されて、成形部材に窒素富化層が形成された。具体的には、浸炭窒化温度Ｔ１は８５０℃、Ｃｐ値は１．１、雰囲気はＲＸガスに５質量％のアンモニアが添加されたもの、再加熱温度Ｔ２はＴ１より低い８００℃、の条件で熱処理工程が実施されることにより、浸炭窒化再加熱焼入が実施された。
【０１０３】
次に、具体的試験方法および試験結果について説明する。実施例２における試験は実施例１と同様の転動疲労寿命試験機２０を用い、同様の条件で実施された。
【０１０４】
表５に試験結果を示す。また、表５には表３と同様に、ＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比、およびＳＵＪ３にＶが添加された鋼から作製された実施例および比較例に関してはＳＵＪ３をずぶ焼入して作製した比較例Ｊに対するＬ１０寿命の比を合わせて示している。さらに、図１２は、実施例２の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命（ＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比）との関係を示す図である。図１２において、横軸はバナジウムの添
加量、縦軸はＳＵＪ２をずぶ焼入して作製した比較例Ｉに対するＬ１０寿命の比を示している。表５および図１２を参照して、実施例２の転動疲労寿命試験の結果を説明する。
【０１０５】
【表５】
【０１０６】
表５および図１２を参照して、ＳＵＪ２の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化再加熱焼入された実施例Ｉ〜Ｍは、比較例Ｉに対して４．５〜９．４倍程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ａ〜Ｅと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、実施例１の場合と同様に、浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。
【０１０７】
また、表５および図１２を参照して、ＳＵＪ３の成分系をベースにＶを添加した鋼から構成され、浸炭窒化焼入された実施例Ｎ〜Ｐは、比較例Ｊに対して４．３〜８．４倍（比較例Ｉに対して最大９．９倍）程度の寿命を有している。また、Ｖ添加量が多いほど、寿命が向上する傾向にある点については比較例Ｆ〜Ｈと同様であるが、寿命向上の傾向が強くなっている。すなわち、実施例１の場合と同様に、ＳＵＪ３の成分系においても浸炭窒化を実施して試験片２９の表層部に窒素富化層を形成することにより、Ｖ添加による長寿命化の効果が増幅されていることがわかる。
【０１０８】
さらに、表３、表５、図１１および図１２を参照して、実施例２の本発明の実施例Ｉ〜Ｐにおける試験片２９の寿命のレベルは、実施例１の本発明の実施例Ａ〜Ｈに比べて、さらに上昇していることが分かる。これは、実施例１の浸炭窒化焼入に代えて、実施例２では浸炭窒化再加熱焼入が採用されているため、試験片２９を構成する鋼の旧オーステナイト結晶粒が一層細粒化され、さらなる寿命向上効果が得られたためであると考えられる。
【０１０９】
以上より、Ｖが添加された鋼からなる転動部材は、表層部に窒素富化層が形成され、かつ転動部材を構成する鋼の旧オーステナイト結晶粒が一層細粒化されることにより、極めて長寿命な転動部材とすることができるといえる。
【０１１０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受は、高接触面圧環境などの過酷な環境下で使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材および圧延機ロールネック用転がり軸受に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】実施の形態１の転動部材を備えた転がり軸受としての四列円筒ころ軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１の転がり軸受の変形例である深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図３】実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。
【図４】実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。
【図５】実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す図である。
【図６】実施の形態２における転動部材および転がり軸受の製造方法に含まれる転動部材の熱処理工程の詳細を説明するための図である。
【図７】実施の形態２の成形部材に対して実施される熱処理工程の変形例の詳細を示す図である。
【図８】実施の形態３における圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えた圧延機ロールネック用転がり軸受が配置された圧延機の構造を示す概略断面図である。
【図９】転動疲労寿命を評価するための試験に用いられた転動疲労寿命試験機の概略を説明するための概略側面図である。
【図１０】図９の転動疲労寿命試験機の概略正面図である。
【図１１】実施例１の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命との関係を示す図である。
【図１２】実施例２の転動疲労寿命試験におけるバナジウム（Ｖ）添加量とＬ１０寿命との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 深溝玉軸受、２ 外輪、２Ａ 外輪転走面、３ 内輪、３Ａ 内輪転走面、４ 玉、５ 保持器、６ 四列円筒ころ軸受、７ 円筒ころ、１０ 圧延機、１１ バックアップロール、１１１ バックアップロールロール部、１１２ バックアップロールロールネ
ック、１２ ワークロール、１２１ ワークロールロール部、１２２ ワークロールロールネック、１３ ハウジング、１４ スタンド、１５ 圧延機ロールネック用転がり軸受、２０ 転動疲労寿命試験機、２１ 上部ロール、２２ 下部ロール、２３ 駆動ロール、２４ 支持ロール、２５ 相手試片、２９ 試験片、Ｗ 被圧延物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材であって、
０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、
粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなり、
表層部に窒素富化層が形成されており、
前記表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、
転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している、圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項２】
圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材であって、
０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、
粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下である鋼からなり、
表層部に窒素富化層が形成されており、
前記表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上２０体積％以下であり、
転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している、圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項３】
表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項１または２のいずれかに記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項４】
表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率は５％以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項５】
表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えた、圧延機ロールネック用転がり軸受。
【請求項７】
前記圧延機ロールネック用転がり軸受は、
前記ロールネックの外周面に接続される環状の内輪と、
前記内輪の外周側に配置される環状の外輪と、
前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体とを備え、
前記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、前記外輪、前記内輪、前記転動体のうちの少なくともいずれか１つである、請求項６に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受。
【請求項１】
圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材であって、
０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、
粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が１２μｍ以下である鋼からなり、
表層部に窒素富化層が形成されており、
前記表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、
転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している、圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項２】
圧延機のロールのロールネックをハウジングに対して軸支するために使用される圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材であって、
０．６質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上１質量％以下の珪素と、０．３質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、０．１質量％以上２質量％以下のクロムと、０．１質量％以上２質量％以下のバナジウムとを含有し、
粒径５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下のバナジウム炭化物が分散しており、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が５μｍ以下である鋼からなり、
表層部に窒素富化層が形成されており、
前記表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上２０体積％以下であり、
転走面は５９ＨＲＣ以上の硬度を有している、圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項３】
表面からの深さが０．２ｍｍの領域における窒素含有量は、０．１質量％以上０．７質量％以下である、請求項１または２のいずれかに記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項４】
表面からの深さが０．２ｍｍの領域の切断面におけるバナジウム炭化物の面積率は５％以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項５】
表面からの深さが０．２ｍｍの領域におけるバナジウム炭化物の粒径は１μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材を備えた、圧延機ロールネック用転がり軸受。
【請求項７】
前記圧延機ロールネック用転がり軸受は、
前記ロールネックの外周面に接続される環状の内輪と、
前記内輪の外周側に配置される環状の外輪と、
前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体とを備え、
前記圧延機ロールネック用転がり軸受用の転動部材は、前記外輪、前記内輪、前記転動体のうちの少なくともいずれか１つである、請求項６に記載の圧延機ロールネック用転がり軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１００１２８（Ｐ２００７−１００１２８Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８８０１７（Ｐ２００５−２８８０１７）
【出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]