JP2006063353A - 圧砕強度に優れた軸受鋼球およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼球の圧砕強度のmin値を向上させることによって、圧砕強度の平均値を向上させると共に、圧砕強度のばらつきを低減する。
【解決手段】鋼球に成形した後の、該線材の長さ方向両端に相当する部位を極とした時、鋼球の極部分の平均旧オーステナイト粒径と、鋼球の赤道部分の平均旧オーステナイト粒径との比（極部分の平均旧オーステナイト粒径／赤道部分の平均旧オーステナイト粒径）を、1.4以下とする。
【選択図】なし

Description

この発明は、圧砕強度に優れた軸受鋼球およびその製造方法に関し、特に鋼球同士を接触させて破壊させた時の圧砕強度の異方性を有利に低減したものである。

軸受鋼球は、通常、球状化焼鈍した鋼を、所定の長さに切断後、球体に鍛造成形し、ついで焼入れ・焼戻し処理、研磨処理を施して製造されており、主にベアリング用の鋼球や自動車の等速ジョイント用ボールなどに使用されている。特性としては、鋼球として破壊を生じさせないために、高い破壊強度や高い疲労寿命が要求されている。
軸受鋼球の破壊強度を評価する方法としては、保持機によって鋼球を２個もしくは３個、同軸上に縦に積み重ねたのち、圧縮し、鋼球同志が接触する部分から破壊させて強度を測定する圧砕試験が一般的に行われている。

従来、軸受鋼や軸受製品の圧砕強度を向上する方法としては、例えば（社）日本鉄鋼協会発行の「軸受用鋼」（1999年発行）の「第６章 軸受用鋼の強度」にまとめられているように、マルテンサイト中の固溶炭素量（焼入れ温度）や焼戻し温度の適正化、炭化物粒径微細化の面から検討が行われている。
ただし、これらの評価はいずれも、鋼球の圧砕試験より簡便なリング状試験片や棒状試験片による検討結果である。

一方、実際に鋼球の圧砕試験を行うと、強度のばらつきが大きく、最大強度（max値）と最小強度（min値）の比（max値／min値）で比較すると、1.5超えとなる。
従って、通常の軸受で検討されている要因以外に、（min値）を向上させてばらつきを低減することが、圧砕強度の平均値の向上に有効であると考えられる。
しかしながら、従来、このような観点から、軸受鋼球の圧砕強度を向上させる検討は行われていない。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、鋼球の圧砕強度のmin値を向上させることによって、圧砕強度の平均値を向上させると共にばらつきを低減した、圧砕強度に優れた軸受鋼球を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。

さて、発明者らは、軸受鋼球の圧砕強度のばらつきを低減する観点から、種々の実験および検討を行った結果、以下に述べる知見を得た。

２個の鋼球を破壊させる圧砕方式で50回試験を行い、圧砕強度の低かったサンプルと高かったサンプルを抽出したのち、それぞれのサンプルを60℃の温塩酸中に浸漬し、鋼球の極と圧縮方向の関係について調査した。なお、ここでいう鋼球の極とは、冷間鍛造前の線材の長さ方向両端に相当する部位であり、鋼球の表面のうち冷間鍛造前の鋼の長手方向に垂直な面のことである。
図１は、球状に成形される前の線材の長さ方向端部と、球状に成形したあとの極との対応を示す図であり、(a)は成形前の線材を、(b)は成形後の鋼球を示す。
本発明では、図１に示すように、鋼球に成形後の、線材の両端部分（ｃ断面部分）に相当する部分を、極とする。この極は、鋼球を温塩酸中に浸漬すると、鋼球表面に現出しているＰの偏析部分が腐食されて、図２に示すように小さな穴があく（この領域を極部という）ことから判別することができる。

その結果、圧砕強度の高かったサンプルでは、双方の鋼球とも鋼球の極と極を結ぶ軸（以降、極軸と呼ぶ）と圧縮方向がほぼ90°の関係にあることが判明した。一方、圧砕強度の低かったサンプルでは、破壊したほうの鋼球の極軸が圧縮方向と０〜30°の角度をなしていること、すなわち極付近（極部）で破壊が発生するほど圧砕強度が低いことが判明した。

そこで、次に、極付近で破壊し易い原因について調査した結果、極部における旧オーステナイト粒径が赤道部における旧オーステナイト粒径よりも粗大であることが原因であると推定された。
極軸を通る断面で切断し、旧オーステナイト粒径を観察したところ、極部では赤道部に比べて粒径が1.5〜３μm 程度粗大であった。この原因としては、鋼球を冷間成形する時の歪量の違いが影響していると考えられる。そして、旧オーステナイト粒径の大きい極では、亀裂の進展がし易いことが低値で破壊に至った原因と考えられる。

そこで、このような極の影響を低減した鋼を作成し、鋼球に製造後、圧砕試験を行ったところ、圧砕強度のばらつきは1.5以下に低減し、また平均値も対策を行わなかった鋼よりも向上した。
また、極の影響を低減するには、線材としての最終熱処理後に、適切な加工処理を施すことがとりわけ有効であることが判明した。

このような発見は、工業的にきわめて重要であり、極の影響を低減すれば、圧砕強度ばらつきが低減するばかりか、平均圧砕値の高い軸受鋼球が容易に得られるのである。
本発明は、上記の新規知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）線材を冷間成形して得た軸受用の鋼球であって、
該鋼球に成形した後の、該線材の長さ方向両端に相当する部位を極とした時、鋼球の極部分の平均旧オーステナイト粒径と、鋼球の赤道部分の平均旧オーステナイト粒径との比（極部分の平均旧オーステナイト粒径／赤道部分の平均旧オーステナイト粒径）が、1.4以下であることを特徴とする圧砕強度に優れた軸受鋼球。

（２）軸受鋼用の鋼素材を、線材としての最終熱処理後、所定の長さに切断したのち、球体に鍛造形成し、ついで焼入れ・焼戻し処理および研磨処理を施して軸受鋼球を製造するに際し、上記線材としての最終熱処理後に、総減面率が６％以上の加工を施すことを特徴とする圧砕強度に優れた軸受鋼球の製造方法。

本発明によれば、圧砕強度の最低強度を効果的に向上して、圧砕強度のばらつきが少なく、かつ平均圧砕値の高い軸受鋼球を容易に得ることができ、工業的に極めて有用である。

以下、本発明を具体的に説明する。
（１）鋼の組成成分
鋼組成については、軸受用鋼であれば従来公知のもの全てに適用でき、鋼組成は特に限定されることはないが、疲労特性や破壊特性が要求される軸受鋼球に一般的に利用されている、JISの高Ｃ高Cr鋼が特に有利に適合する。
かかる高Ｃ高Cr鋼の代表組成を掲げると次のとおりである。
Ｃ：0.95〜1.10mass％、
Si：0.35mass％以下、
Mn：1.15mass％以下、
Cr：0.90〜1.60mass％、
Mo：0.25mass％以下、
Ni：0.25mass％以下、
Cu：0.25mass％以下。

（２）鋼の組織
鋼の組織は、マルテンサイトと球状化炭化物である。そして、このマルテンサイトの旧オーステナイト粒径について、鋼球の極部での旧オーステナイト粒径と赤道部での旧オーステナイト粒径の平均粒径の比を1.4倍以下とすることが重要である。この点、平均粒径が1.4を超えれば、通常レベルのばらつきとなる。

このように、極部と赤道部との旧オーステナイト粒径の比を調整すると、鋼球の圧砕強度は、極同士を接触させて破壊させたときの圧砕強度と、赤道同士を接触させて破壊させたときの圧砕強度が近い値となり、具体的にはこれらの比（min値／max値）を0.67以上とすることができる。圧砕強度のmin値は極同士で破壊した場合の圧砕強度に一致することから、圧砕強度比が上記の条件を満足すれば、圧砕強度のばらつきが少なくなり、かつ平均圧砕値は向上する。この点、圧砕強度比が0.67未満では、通常レベルの鋼球圧砕強度ばらつきとなる。

鋼球の極部の強度を向上させためには、上述したような旧オーステナイト粒径を制御する方法が有利に適合するが、その他の方法であっても極の悪影響を低減することができれば良く、この方法のみに限定するものではない。

上記のようにオーステナイト粒径を制御するには、例えば鋼球の冷間成形前における線材への歪の付与、すなわち線材としての最終熱処理（球状化焼鈍や軟化焼鈍）後に、総減面率が６％以上の加工を加えることが有効である。
なお鋼球の冷間成形時における鍛造性の観点からは、冷間成形時の組織は（フェライト＋球状化炭化物）の複合組織であることがより好ましい。

次に、本発明の製造方法について説明する。
連続鋳造法または造塊−分塊法により、ブルームまたはビレットとしたのち、熱間圧延により線材とし、ついで球状化焼鈍や軟化焼鈍の最終熱処理を施す。この球状化焼鈍や軟化焼鈍に際しては、特に制限はなく、従来公知の方法に従えば良い。

本発明では、上記の最終熱処理後、総減面率が６％以上の加工を施すことが重要である。
鋼球への成形は、線材を所定長さに切断したもの（図１(a)参照）を、鍛造成形により球状（図１(b)参照）に成形するのであるが、このとき、線材の側面については球状に成形するにあたり大きな変形が加わる一方、線材の長さ方向両端面については側面に比較すると変形量が小さい。従って、最終熱処理後の線材をそのまま鍛造成形して鋼球とした場合は、鋼球の極部は赤道部に比較して転位の導入が少ないため、鋼球の焼入れ加熱時にオーステナイトの生成核が赤道部に比較して少なくなり、結果として焼入れ後の極部の旧オーステナイト粒径が粗大となる。
そこで、線材の最終熱処理後で、球状への成形前に、該線材に加工を施して線材の両端部にも、焼入れ加熱時のオーステナイト生成核となる転位を多数導入しておくことで、焼入れ後の極部の旧オーステナイト粒径を赤道部と同等にできるという知見を得た。そして、最終熱処理後には、総減面率が６％以上の加工を線材に対して施せば、極部での旧オーステナイト粒径と赤道部での旧オーステナイト粒径との比を1.4倍以下とすることができ、その結果圧砕強度のばらつきを効果的に低減することが可能となる。
なお、かかる減面加工処理としては、引き抜き加工処理が有利に適合する。

上記の減面加工後の処理についても、特に制限はなく、従来公知の方法に従って行えば良い。すなわち、所定の長さに切断したのち、球体に鍛造成形し、ついで焼入れ・焼戻し処理および研磨処理を施して鋼球に仕上げれば良い。

素材としては、JIS規格のSUJ2を用いた。すなわち、このSUJ2組成の鋼を実機溶製し、線材圧延、球状化焼鈍を行って、線材とした。ついで、この線材に、総減面率：5.9％，６％，10％の引き抜き加工を施して、φ6.4mmの線材に仕上げた。
ついで、この線材を所定の長さに切断後、鍛造成形により9.525mm径および6.35mm径の球形に成形し、焼入れ・焼戻し処理後、研磨を行って軸受鋼球とした。そして、同一条件にて製造した軸受鋼球２個を接触させ、それぞれの鋼球の中心を通る方向に圧縮を加える圧砕試験を行った。
かくして得られた軸受鋼球の極部分および赤道部分の平均旧オーステナイト粒径およびそれらの比、ならびに圧砕強度の最小値（min値）とその時の破壊位置、圧砕強度の最大値（max値）とその時の破壊位置、それらの比（min値／max値）および平均値について調べた結果を表１に示す。

なお、旧オーステナイト粒径は、鋼球の極軸を含む面で切断後、旧オーステナイト粒腐食を行い、極部分の表面、赤道部分の表面の各視野で、1000倍で４視野写真撮影し、これらの写真から切断法により求めた平均切片長さ、から求めた。
また、圧砕強度は、同一条件で製造した鋼球について、50回の圧砕試験後のデータを整理したものである。

同表から明らかなように、本発明に従い、線材としての最終熱処理後に、総減面率が６％以上の加工を施した場合には、極部の旧オーステナイト粒径／赤道部の旧オーステナイト粒径が1.4以下となり、圧砕強度のmin値が大幅に向上し、その結果、圧砕強度の平均値の向上と共に、圧砕強度のバラツキすなわち圧砕強度の異方性を効果的に低減することができた。

球状に成形される前の線材の長さ方向端部（Ｃ断面）と、球状に成形した後の極部との対応を示す図である。 鋼球を温塩酸で腐食した後に、極部正面から観察した写真である。

Claims (2)

1. 線材を冷間成形して得た軸受用の鋼球であって、
   該鋼球に成形した後の、該線材の長さ方向両端に相当する部位を極とした時、鋼球の極部分の平均旧オーステナイト粒径と、鋼球の赤道部分の平均旧オーステナイト粒径との比（極部分の平均旧オーステナイト粒径／赤道部分の平均旧オーステナイト粒径）が、1.4以下であることを特徴とする圧砕強度に優れた軸受鋼球。
2. 軸受鋼用の鋼素材を、線材としての最終熱処理後、所定の長さに切断したのち、球体に鍛造成型し、ついで焼入れ・焼戻し処理および研磨処理を施して軸受鋼球を製造するに際し、上記線材としての最終熱処理後に、総減面率が６％以上の加工を施すことを特徴とする圧砕強度に優れた軸受鋼球の製造方法。

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