JP2005090680A - 転がり軸受部品およびその製造方法 - Google Patents

転がり軸受部品およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 耐食性に優れた転がり軸受部品を提供する。
【解決手段】 転がり軸受部品は、Ｃ０．１５〜０．５wt％、Ｃｒ１〜２．５wt％およびＮｉ０．７〜３．５wt％を含む鋼により形成されている。転がり面の表層部の硬さがビッカース硬さで７００〜８００である。前記表層部に炭化物および炭窒化物が析出しているとともに、前記炭化物および炭窒化物の合計量が面積率で２０％以下でかつ前記炭化物および炭窒化物の平均粒径が２μｍ以下である。前記表層部のＣ含有量を［Ｃ］、Ｎ含有量を［Ｎ］とした場合、０．８５wt％≦［Ｃ］＋１．５［Ｎ］≦１．３wt％でかつ［Ｎ］≧０．０５wt％という関係を満たす。
【選択図】 なし

Description

この発明は、たとえば圧延機のロールネックを支持する転がり軸受のような鉄鋼機械に使用される大型転がり軸受の軌道輪として用いられる転がり軸受部品に関する。
従来、この種の転がり軸受部品としては、JIS ＳＮＣＭ８１５などの肌焼き鋼を用いて所定の形状に形成された加工済み部品素材に浸炭処理を施すことにより製造されたものが用いられていた（たとえば、非特許文献１参照）。
しかしながら、従来の転がり軸受部品は耐食性が不十分であり、錆が発生し、この錆が剥離の起点となって寿命が短くなるおそれがある。
転がり軸受の選び方・使い方編集委員会編、「転がり軸受の選び方・ 使い方（新版）」、財団法人日本規格協会、１９７６年１２月１日発 行、第３９５頁
この発明の目的は、上記問題を解決し、耐食性に優れた転がり軸受部品およびその製造方法を提供することにある。
この発明による転がり軸受部品は、Ｃ０．１５〜０．５wt％、Ｃｒ１〜２．５wt％およびＮｉ０．７〜３．５wt％を含む鋼により形成され、転がり面の表層部の硬さがビッカース硬さで７００〜８００となされ、前記表層部に炭化物および炭窒化物が析出しているとともに、前記炭化物および炭窒化物の合計量が面積率で２０％以下でかつ前記炭化物および炭窒化物の平均粒径が２μｍ以下となっており、前記表層部のＣ含有量を［Ｃ］、Ｎ含有量を［Ｎ］とした場合、０．８５wt％≦［Ｃ］＋１．５［Ｎ］≦１．３wt％でかつ［Ｎ］≧０．０５wt％となっているものである。
この発明の転がり軸受部品において、各数値の限定理由は次の通りである。
Ｃ含有量
Ｃは鋼に必須の成分であるが、Ｃ含有量が０．１５wt％未満であると転がり軸受部品としての内部硬さを確保できず、０．５wt％を越えると内部硬さが硬くなりすぎて内部靭性を確保することができない。Ｃ含有量は０．１５〜０．３wt％であることが好ましい。
Ｃｒ含有量
Ｃｒは転がり軸受部品を用いた転がり軸受の転がり疲労寿命を長くするとともに転がり軸受部品の耐食性を向上させる性質を有するが、その含有量が１wt％未満であると必要な転がり疲労寿命および耐食性を確保することができず、２．５wt％を越えると粗大な炭化物および炭窒化物が析出してこれが錆の起点となるとともに、熱処理性が低下するからである。
Ｎｉ含有量
Ｎｉは転がり軸受部品を用いた転がり軸受の転がり疲労寿命を長くするとともに転がり軸受部品の耐食性を向上させ、さらに内部靭性を向上させる性質を有するが、その含有量が０．７wt％未満であると必要な転がり疲労寿命、耐食性および内部靭性を確保することができず、３．５wt％を越えると熱処理性が低下するとともに、残留オーステナイト量が過剰となって必要な硬さを確保することができないからである。Ｎｉ含有量は１．４〜３．１wt％であることが好ましい。
ビッカース硬さ
転がり面の表層部のビッカース硬さ（Ｈｖ）が７００〜８００であることは、転がり軸受としての最適値である。
表層部の炭化物および炭窒化物の量
炭化物および炭窒化物は、浸炭効果と窒化効果を含む熱処理を施すこと、たとえば浸炭処理と浸炭窒化処理を施すこと、浸炭窒化処理を施すこと、あるいは浸炭処理と窒化処理とを施すことにより形成されるが、この炭化物および炭窒化物の量を面積率で２０％以下に限定したのは、２０％を越えるとこれらが錆の起点となって耐食性が低下するからである。なお、この面積率の下限は１％程度である。
表層部の炭化物および炭窒化物の平均粒径
この粒径を２μｍ以下に限定したのは、２μｍを越えるとこれらが錆の起点となって耐食性が低下するからである。
表層部のＣ含有量［Ｃ］およびＮ含有量［Ｎ］
ＣおよびＮはともに表層部の硬さを増大させる性質を有するが、耐食性に関してはＣは低下させ、Ｎは向上させる性質を有する。そして、０．８５wt％≦［Ｃ］＋１．５［Ｎ］≦１．３wt％でかつ［Ｎ］≧０．０５wt％であれば、必要な表層部の硬さを確保した上で耐食性を向上させることができる。
この発明による転がり軸受部品において、前記鋼が、さらにＳｉ０．０５〜０．５wt％、Ｍｎ０．１〜１wt％およびＭｏ１wt％以下を含むことがある。
ここで、Ｓｉ、ＭｎおよびＭｏの含有量の限定理由は次の通りである。
Ｓｉ含有量
Ｓｉは炭化物および炭窒化物を微細化させる性質を有するが、その含有量が０．０５wt％以下であるとこのような効果が得られない。また、Ｓｉは炭素の侵入を抑制する元素であるため、その含有量が０．５wt％を越えると必要な量の炭化物および炭窒化物の生成を阻害する。しかも、塑性加工性も低下する。Ｓｉ含有量は０．１５〜０．３５wt％であることが好ましい。
Ｍｎ含有量
Ｍｎは鋼の焼入性を向上させるために添加されるが、その含有量が０．１wt％未満であると焼入性向上効果が得られず、１wt％を越えると残留オーステナイトが安定して分解しなくなるとともに、加工性が低下するからである。Ｍｎ含有量は０．２〜０．８wt％であることが好ましい。
Ｍｏ含有量
Ｍｏは鋼の焼入性を向上させるために添加されるが、その含有量が１wt％を越えると被削性が低下するからである。Ｍｏ含有量の下限は０であることはなく、焼入性向上効果を十分に得るために０．２wt％であることが好ましい。
すなわち、この発明の転がり軸受部品は、たとえばＣ０．１５〜０．５wt％、Ｃｒ１〜２．５wt％、Ｎｉ０．７〜３．５wt％、Ｓｉ０．０５〜０．５wt％、Ｍｎ０．１〜１wt％、Ｍｏ１wt％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成される。
この発明による転がり軸受部品は、たとえば外径が３００ｍｍ以上、特に４００ｍｍ以上である大型の転がり軸受の軌道輪であることが好ましい。
ここで、転がり面の表層部とは、転がり、摺動面における寿命に影響を及ぼす深さ部分であり、たとえば内部起点剥離の要因となる最大剪断応力が作用する深さまでの部分である。この深さは、接触条件によって異なるが、多くの転がり、摺動部品おいて０．５ｍｍ程度までである。
この発明による転がり軸受部品の製造方法は、Ｃ０．１５〜０．５wt％、Ｃｒ１〜２．５wt％およびＮｉ０．７〜３．５wt％を含む鋼により形成された加工済み部品素材に、９３０℃以上の均熱温度で浸炭処理を施した後、浸炭性ガスと浸炭性ガス１００％に対して３〜１０％混入されたＮＨ３ガスとよりなりかつカーボンポテンシャルが１．２〜１．４である雰囲気中において、８８０〜９１０℃で均熱した後急冷し、ついで加工済み部品素材に中間焼鈍処理を施し、ついで加工済み部品素材に７７０〜８３０℃で加熱した後急冷する焼き入れ処理を施し、その後加工済み部品素材に焼き戻し処理を施すことにより、転がり面の表層部の硬さをビッカース硬さで７００〜８００とし、前記表層部に炭化物および炭窒化物を析出させるとともに、前記炭化物および炭窒化物の合計量を面積率で２０％以下でかつ前記炭化粒および炭窒化物の平均粒径を２μｍ以下とし、前記表層部のＣ含有量を［Ｃ］、Ｎ含有量を［Ｎ］とした場合、０．８５wt％≦［Ｃ］＋［Ｎ］≦１．３wt％でかつ［Ｎ］≧０．０５wt％とするものである。
この発明による転がり軸受部品の製造方法において、熱処理条件の限定理由は次の通りである。なお、用いる鋼中の各成分元素の限定理由は上述した転がり軸受部品の場合と同じである。
浸炭雰囲気
浸炭雰囲気のベースとなる浸炭性ガスは特に限定されないが、カーボンポテンシャルを１．３〜１．５にすることが好ましい。カーボンポテンシャルが１．３未満であると部品素材の表層部に所望量の炭素を侵入させることができず、１．５を越えると熱処理時に多量の煤が発生して操業上好ましくないからである。
浸炭温度
浸炭時の均熱温度を９３０℃以上に限定したのは、処理時間を短縮するためである。
浸炭後の処理の雰囲気
浸炭後の処理の雰囲気のカーボンポテンシャルを１．２〜１．４に限定したのは、１．２未満であると部品素材の表層部に所望量の炭素を侵入させることができず、１．４を越えると熱処理時に多量の煤が発生して操業上好ましくないからである。さらに、浸炭性ガスに混入されるＮＨ３ガスの量を３〜１０％に限定したのは３％未満であると部品素材の表層部に所望量の窒素を侵入させることができず、１０％を越えると未分解の残留ＮＨ３が増え、部品の表層部に炭窒化物を析出させるのに有効に寄与しないからである。
浸炭後の処理温度
この温度を８８０〜９１０℃に限定したのは、この範囲外であると表層部のＣ含有量である［Ｃ］と、Ｎ含有量である［Ｎ］との関係を、０．８５wt％≦［Ｃ］＋［Ｎ］≦１．３wt％とすることができないからである。
浸炭および浸炭後の処理時間
浸炭時および浸炭後の均熱時の処理時間は、部品素材の大きさに依存するために特に限定されないが、上述した大型転がり軸受の軌道輪の場合、次の時間が好ましい。すなわち、浸炭時の処理時間は、１５〜１００時間、特に２０〜５０時間であることが好ましい。軌道輪の強度を確保すべく十分な深さまで炭素を侵入させるためである。浸炭後の均熱時の処理時間は、５〜２０時間、特には６〜１０時間であることが好ましい。たとえば圧延機のロールネックを支持する軸受のように耐食性を確保する必要がある場合に、表層部の所定深さまで窒素を侵入させるためである。
焼入処理の加熱温度
この温度を７７０〜８３０℃に限定したのは、７７０℃未満であると焼入が不完全になって所望の硬さを得られず、８３０℃を越えると残留オーステナイト量が過剰になって所望の硬さを得られないからである。
中間焼鈍および焼入処理の加熱時間
この時間は、部品素材の大きさに依存するために特に限定されないが、上述した大型転がり軸受の軌道輪の場合、中間焼鈍の加熱時間は３〜６時間、焼入処理の加熱時間は０．５〜３時間であることが好ましい。
この発明の転がり軸受部品は、転がり面の表層部が転がり軸受に用いられるのに最適な表面硬さを有しているとともに、耐食性に優れている。そして、耐食性に優れているので、錆の発生および錆が起点となる剥離の発生を防止することができ、その結果長寿命化を図ることができる。
この発明の転がり軸受部品の製造方法によれば、上述したような効果を奏する転がり軸受部品を製造することができる。また、所定の浸炭後に、浸炭性ガスと浸炭性ガス１００％に対して３〜１０％混入されたＮＨ３ガスとよりなりかつカーボンポテンシャルが１．２〜１．４である雰囲気中において、８８０〜９１０℃で均熱することにより、大型の転がり軸受の軌道輪に要求される強度と、特に圧延機のロールネックを支持する軸受に要求される耐食性を兼ね備えた転がり軸受部品を製造することができる。すなわち、浸炭処理によって部品素材の表層部における表面より十分な深さまで炭素を侵入させることで強度を確保し、浸炭後の前記雰囲気での均熱によって耐食性の確保に必要な窒化処理を表層部のみに効果的に施すことができる。
以下、この発明の具体的実施例を、比較例とともに説明する。
Ｃ０．２wt％、Ｃｒ１．２wt％、Ｎｉ３．０wt％、Ｓｉ０．２５wt％、Ｍｎ０．５wt％、Ｍｏ０．６wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いて外径４５０ｍｍ、内径４００ｍｍ、幅１００ｍｍの転がり軸受用軌道輪の素材を形成した。
ついで、この素材に図１に示す条件で熱処理を施した。すなわち、カーボンポテンシャル１．４の浸炭性ガスからなる浸炭雰囲気中において９８０℃で３０時間均熱した後９００℃まで降温し、ここで浸炭性ガス１００％に対してＮＨ３ガスを４％導入して、９００℃で７時間均熱し、ついで８０℃に油冷した。なお、９００℃均熱中の雰囲気のカーボンポテンシャルは１．３である。
ついで、６６０℃で４時間均熱することにより中間焼鈍処理を施し、ついで７８０℃で１．５時間均熱した後８０℃に油冷して焼入処理を施した。最後に、１８０℃で４時間均熱して焼戻し処理を施した。こうして、転がり軸受用軌道輪を製造した。
この転がり軸受用軌道輪の軌道面の表層部の表面硬さはビッカース硬さで７６０、表層部に析出している炭化物および炭窒化物の合計量は面積率で９％、同じく炭化物および炭窒化物の平均粒径は０．９μｍであった。さらに、表層部のＣ含有量を［Ｃ］、Ｎ含有量を［Ｎ］とした場合、［Ｃ］＋１．５［Ｎ］＝１．１５wt％で、［Ｎ］＝０．２wt％であった。
比較例１
Ｃ０．１５wt％、Ｃｒ０．８０wt％、Ｎｉ４．００wt％、Ｓｉ０．２０wt％、Ｍｎ０．４０wt％、Ｍｏ０．２０wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるJIS ＳＮＣＭ８１５を用いて外径４５０ｍｍ、内径４００ｍｍ、幅１００ｍｍの転がり軸受用軌道輪の素材を形成した。
ついで、この素材にカーボンポテンシャル１．４の浸炭性ガスからなる浸炭雰囲気中において９８０℃で３２時間均熱した後９００℃まで降温し、ついで８０℃に油冷した。ついで、６６０℃で４時間均熱することにより中間焼鈍処理を施し、ついで７９０℃で１．５時間均熱した後８０℃に油冷して焼入処理を施した。最後に、１８０℃で４時間均熱して焼戻し処理を施した。こうして、転がり軸受用軌道輪を製造した。
この転がり軸受用軌道輪の軌道面の表層部の表面硬さはビッカース硬さで７４０、表層部に析出している炭化物の量は面積率で３％、同じく炭化物の平均粒径は０．７μｍであった。さらに、表層部のＣ含有量は０．９wt％、Ｎ含有量は０wt％であった。
評価試験
実施例１および比較例１の転がり軸受用軌道輪を十分に脱脂した後、温度５０℃、湿度９５％以上の恒温恒湿槽中に放置し、所定時間経過後の錆の面積率を測定した。その結果を表１に示す。
Figure 2005090680
実施例１の転がり軸受用軌道輪を製造する際の熱処理条件を示す線図である。

Claims (8)

  1. Ｃ０．１５〜０．５wt％、Ｃｒ１〜２．５wt％およびＮｉ０．７〜３．５wt％を含む鋼により形成され、転がり面の表層部の硬さがビッカース硬さで７００〜８００となされ、前記表層部に炭化物および炭窒化物が析出しているとともに、前記炭化物および炭窒化物の合計量が面積率で２０％以下でかつ前記炭化物および炭窒化物の平均粒径が２μｍ以下となっており、前記表層部のＣ含有量を［Ｃ］、Ｎ含有量を［Ｎ］とした場合、０．８５wt％≦［Ｃ］＋１．５［Ｎ］≦１．３wt％でかつ［Ｎ］≧０．０５wt％となっている転がり軸受部品。
  2. 前記鋼中のＣ含有量が０．１５〜０．３wt％以下である請求項１の転がり軸受部品。
  3. 前記鋼中のＮｉ含有量が１．４〜３．１wt％である請求項１または２の転がり軸受部品。
  4. 前記鋼が、さらにＳｉ０．０５〜０．５wt％、Ｍｎ０．１〜１wt％およびＭｏ１wt％以下を含む請求項１〜３のうちのいずれかの転がり軸受部品。
  5. 前記鋼中のＳｉ含有量が０．１５〜０．３５wt％以下である請求項４の転がり軸受部品。
  6. 前記鋼中のＭｎ含有量が０．２〜０．８wt％である請求項４または５の転がり軸受部品。
  7. 前記鋼中のＭｏ含有量が０．２〜１wt％である請求項４〜６のうちのいずれかの転がり軸受部品。
  8. Ｃ０．１５〜０．５wt％、Ｃｒ１〜２．５wt％およびＮｉ０．７〜３．５wt％を含む鋼により形成された加工済み部品素材に、９３０℃以上の均熱温度で浸炭処理を施した後、浸炭性ガスと浸炭性ガス１００％に対して３〜１０％混入されたＮＨ３ガスとよりなりかつカーボンポテンシャルが１．２〜１．４である雰囲気中において、８８０〜９１０℃で均熱した後急冷し、ついで加工済み部品素材に中間焼鈍処理を施し、ついで加工済み部品素材に７７０〜８３０℃で加熱した後急冷する焼き入れ処理を施し、その後加工済み部品素材に焼き戻し処理を施すことにより、転がり面の表層部の硬さをビッカース硬さで７００〜８００とし、前記表層部に炭化物および炭窒化物を析出させるとともに、前記炭化物および炭窒化物の合計量を面積率で２０％以下でかつ前記炭化粒および炭窒化物の平均粒径を２μｍ以下とし、前記表層部のＣ含有量を［Ｃ］、Ｎ含有量を［Ｎ］とした場合、０．８５wt％≦［Ｃ］＋［Ｎ］≦１．３wt％でかつ［Ｎ］≧０．０５wt％とする転がり軸受部品の製造方法。
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