JP2007113034A

JP2007113034A - 軸受鋼

Info

Publication number: JP2007113034A
Application number: JP2005303338A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Iwasaki; 克浩岩崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: JP4616148B2

Abstract

【課題】所望の軸受部材に成形するときの加工性と、軸受部材を高温環境下で使用するときの転動疲労特性に優れた軸受部材を製造するための軸受鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．８〜１．２％（質量％の意味。以下同じ）、Ｓｉ：０．３５〜０．９９％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｃｒ：１．３５〜１．７５％、Ｍｏ：０．２６〜０．４％を含有すると共に、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏの含有量が下記（１）式を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼とし、該鋼に分散している炭化物の最大粒径が５μｍ以下にすれば、加工性および高温転動疲労特性に優れた軸受鋼となる。
０．６０≦［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）≦１．００ …（１）
なお、式中、［］は、鋼に含まれる各元素の量（％）を示している。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車や各種産業機械などに使用される玉軸受やローラ軸受などの軸受部材を製造するために用いる軸受鋼に関するものである。

軸受鋼としては、従来からＪＩＳＧ４８０５に規定されるＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼が主に用いられており、こうした軸受鋼から製造される軸受部材は、常温のみならず、例えば１００℃以上の高温で使用されることがある。特に近年では、例えば自動車などの分野においては、エンジンの高出力と小型化が急速に進行しているため、軸受部材の使用環境も益々苛酷になっており、瞬間的には１８０℃程度にまで温度上昇すると考えられている。そのため軸受鋼には、高温環境下でも良好な転動疲労特性（以下、高温転動疲労特性ということがある）が要求される。

軸受鋼の高温転動疲労特性を改善した技術としては、例えば特許文献１に、Ｃｒ量を増やすと共に、ＳｉとＭｏを合計で１．０％以上含有させることが提案されている。

ところで軸受鋼には、高温転動疲労特性の他に、所望の軸受部材に成形するための加工性も要求される。しかし上記特許文献１には、この加工性については考慮されていない。

これに対し、特許文献２には、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼の加工性を改善するために、鋼の成分組成を規定すると共に、転動疲労特性のバラツキを抑えるために、炭化物の最大粒径と量を規定することが記載されている。しかし高温における転動疲労特性を改善することについては考慮されていない。

なお、本出願人らは特許文献３に、転動疲労特性に及ぼす巨大炭化物量の影響について先に開示している。即ち、この文献では、常温環境下における転動疲労特性と炭化物量の関係について明らかにした。しかし高温環境下における転動疲労特性と炭化物量の関係については明らかにできていなかった。また、軸受鋼の加工性についても考慮していなかった。
特開平３−２５３５４２号公報（特許請求の範囲など参照）特開２００２−１２９１９号公報（特許請求の範囲など参照）特開平９−１６５６４３号公報（特許請求の範囲、段落０００５など参照）

本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の軸受部材に成形するときの加工性と、軸受部材を高温環境下で使用するときの転動疲労特性に優れた軸受部材を製造するための軸受鋼を提供することにある。

上記課題を解決すべく本発明者らは鋭意検討を重ねた。その結果、鋼の成分組成を規定すると共に（特に、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏのバランスを正しく制御すると共に）、該鋼に分散している炭化物の大きさを適切に制御すれば、加工性と高温転動疲労特性の両方の特性に優れた軸受部材を製造するための軸受鋼を提供できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、上記課題を解決することができる本発明に係る軸受鋼は、Ｃ：０．８〜１．２％（質量％の意味。以下同じ）、Ｓｉ：０．３５〜０．９９％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｃｒ：１．３５〜１．７５％、Ｍｏ：０．２６〜０．４％を含有すると共に、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏの含有量が下記（１）式を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、該鋼に分散している炭化物の最大粒径が５μｍ以下である点に要旨を有する。
０．６０≦［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）≦１．００ …（１）
なお、式中、［］は、鋼に含まれる各元素の量（％）を示している。

更に他の元素として、
（ａ）Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：０．５％以下（０％を含まない）、およびＶ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、
（ｂ）Ａｌ：０．０４％以下（０％を含まない）および／またはＮ：０．０１５％以下（０％を含まない）、
（ｃ）Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない）、およびＯ：０．００２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、
等を含有してもよい。

本発明によれば、鋼の成分組成を規定すると共に、該鋼に分散している炭化物の大きさを適切に制御することで、加工性と高温転動疲労特性に優れた軸受鋼を提供できる。

加工性に優れ、しかも軸受部材として使用するときの高温転動疲労特性に優れた軸受鋼とするには、成分組成のなかでも特にＣ，Ｓｉ，Ｍｏ量のバランスが重要である。即ち、本発明では、鋼の成分組成のうち、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏの含有量が、下記（１）式を満足するように調整する。
０．６０≦［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）≦１．００ …（１）
なお、式中、［］は、鋼に含まれる各元素の量（％）を示している。また、上記「［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）」の値を、Ｚ値ということがある。

Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏは、いずれも高温転動疲労特性を改善するのに有効に作用する元素であり、特に、Ｃは、軸受鋼として必要な硬さ（ロックウェル硬さで、Ｈ_ＲＣ５８以上）を確保することで高温転動疲労特性を向上させる元素である。一方、Ｓｉは、鋼中に分散する炭化物を微細化すると共に、焼戻し処理による軟化を抑えることにより高温転動疲労特性を向上させる元素である。また、Ｍｏは、焼入れ処理時の焼入れ性を高めて鋼材の硬さを向上させることにより、高温転動疲労特性を改善する元素である。

そして本発明では、こうしたＣ，Ｓｉ，Ｍｏ量から算出される上記Ｚ値を０．６０〜１．００％の範囲に制御する。Ｚ値が０．６０％未満では、高温転動疲労特性が急激に悪くなる。従ってＺ値は０．６０％以上とする。Ｚ値は０．６５％以上とするのが好ましく、より好ましくは０．７％以上とする。しかしＺ値が１．００％を超えると、Ｃ量過多となって鋼中に粗大な炭化物が生成して加工性が悪くなるか、或いはＭｏ量とＳｉ量が増加して加工性が低下する。従ってＺ値は１．００％以下とする。Ｚ値は０．９５％以下とするのが好ましく、より好ましくは０．９％以下とする。

なお、本発明においては後述するように、Ｃ量は１％前後に調整することが好ましいため、上記（１）式の「［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］」の値は、下記（２）式に示す関係を満足することが好ましい。より好ましくは下記（３）式に示す関係を満たすのがよい。
（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）＜１ …（２）
（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）＜０．９ …（３）

本発明は、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏのバランスを上述したように調整するものであるが、これらの元素の含有量は、次に示す範囲に調整する。

Ｃ：０．８〜１．２％
上記効果を発揮させるには、Ｃは少なくとも０．８％含有させる。好ましくは０．８５％以上であり、より好ましくは０．９％以上である。一方、Ｃ量の上限値は１．２％とし、好ましくは１．１５％以下、より好ましくは１．１％以下である。

Ｓｉ：０．３５〜０．９９％
上記効果を発揮させるには、Ｓｉは少なくとも０．３５％含有させる。好ましくは０．４％以上であり、より好ましくは０．４５％以上とする。一方、Ｓｉの上限値は０．９９％であり、好ましくは０．９％以下、より好ましくは０．８％以下である。

Ｍｏ：０．２６〜０．４％
上記効果を発揮させるには、Ｍｏは少なくとも０．２６％含有させる。好ましくは０．２７％以上であり、より好ましくは０．２８％以上である。一方、Ｍｏの上限値は０．４％とし、好ましくは０．３８％以下、より好ましくは０．３５％以下である。

本発明では、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ以外に、Ｍｎを０．１〜０．４％、Ｃｒを１．３５〜１．７５％含有する。こうした範囲を設定した理由は次の通りである。

Ｍｎは、脱酸剤や脱硫剤として作用する他、焼入れ処理時の焼入れ性を高める元素であり、これにより鋼材は硬くなる。そのため高温転動疲労特性を向上させるのに有効に作用する。こうした効果を発揮させるには、０．１％以上含有させる。好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．２％以上である。しかし過剰に含有させてもこうした効果は飽和し、また粗大な炭化物が生成して却って加工性が低下する。従ってＭｎ量は０．４％以下とする。好ましくは０．３８％以下であり、より好ましくは０．３５％以下とする。

Ｃｒは、焼入れ処理時の焼入れ性を高めて鋼材の硬さを高める元素であり、これにより高温転動疲労特性を確保することができる。従ってＣｒは、１．３５％以上含有させる必要がある。好ましくは１．３８％以上であり、より好ましくは１．４％以上である。しかし過剰に含有させてもこうした効果は飽和し、また粗大な炭化物が生成して却って加工性が低下する。従ってＣｒ量は１．７５％以下とする。好ましくは１．７％以下、より好ましくは１．６％以下とする。

本発明で用いる鋼材の必須構成元素は以上の通りであるが、更に他の元素として、
（ａ）Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：０．５％以下（０％を含まない）、およびＶ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、
（ｂ）Ａｌ：０．０４％以下（０％を含まない）および／またはＮ：０．０１５％以下（０％を含まない）、
（ｃ）Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない）、およびＯ：０．００２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上の元素、
等を含有してもよい。

（ａ）Ｃｕ、Ｎｉ、およびＶは、何れも高温転動疲労特性を高める元素である。特に、ＣｕとＮｉは共に、焼入れ処理時の焼入れ性を高める元素であり、鋼材の硬さを高めて高温転動疲労特性を一層高めるのに有効に作用する。こうした作用を発揮させるには、Ｃｕは０．１％以上、Ｎｉは０．１％以上含有させるのが好ましい。しかしＮｉ，Ｃｕの過度の添加は鋼コストの上昇を招き、また加工性の低下を引き起こすので、Ｎｉは０．５％以下、Ｃｕは０．５％以下に抑える。Ｎｉは、０．４％以下とするのが好ましく、より好ましくは０．３％以下である。Ｃｕは、０．４％以下とするのが好ましく、より好ましくは０．３％以下である。

一方、Ｖは、炭化物や窒化物、或いは炭窒化物を形成し、結晶粒を微細化して靭性の向上に寄与する元素である。こうした効果を発揮させるには、０．００５％以上含有させることが推奨される。しかし過剰に添加してもこうした効果は飽和し、コスト高となるので、上限は０．０５％とする。好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下である。

ＮｉとＣｕとＶは、夫々単独で含有させてもよいし、２種以上を併用してもよい。併用する場合の合計は０．８％以下とするのがよい。

（ｂ）ＡｌとＮは、窒化物を生成し、この窒化物は熱処理時におけるオーステナイト粒の成長を抑制し、結晶粒を微細化する作用を発揮する。これにより鋼材の靭性を高めることができる。こうした効果を発揮させるには、Ａｌは、０．００５％以上含有させるのが好ましい。より好ましくは０．００８％以上であり、更に好ましくは０．０１％以上である。一方、Ｎは、０．００１％以上含有させるのが好ましい。より好ましくは０．００２％以上であり、更に好ましくは０．００３％以上である。しかし過剰に含有させると粗大な窒化物を生成し、却って高温転動疲労特性を低下させるため、Ａｌ量は０．０４％以下に抑える。より好ましくは０．０３５％以下であり、更に好ましくは０．０３％以下である。一方、Ｎ量は０．０１５％以下に抑える。より好ましくは０．０１３％以下であり、更に好ましくは０．０１０％以下である。

（ｃ）Ｐは、非金属介在物を形成して靭性に悪影響を及ぼすので、極力少なく抑えるのがよい。従ってＰは、多くとも０．０３％とする。より好ましくは０．０２５％以下、更に好ましくは０．０２０％以下に抑えるのがよい。

Ｓは、Ｍｎと結合して硫化物を形成し、鋼材の被削性を高めるのに作用する元素であるが、酸素含有量の少ない鋼材においては、高温転動疲労特性が低下する。従ってＳ量は多くとも０．０３％とする。好ましくは０．０２５％以下、より好ましくは０．０２％以下である。

Ｔｉは、Ｎと結びついて粗大な窒化物を形成し、高温転動疲労特性を劣化させるため、多くとも０．００５％とする。より好ましくは０．００４％以下であり、更に好ましくは０．００３％以下である。

Ｏは、Ａｌと結合してＡｌ₂Ｏ₃系介在物を形成し、高温転動疲労特性を悪化させる元素である。従ってＯは、多くとも０．００２０％とする。より好ましくは０．００１８％以下、更に好ましくは０．００１５％以下に抑えるのがよい。

本発明で用いる鋼材を構成する元素は以上の通りであるが、本発明の効果を損なわない範囲で他の元素を更に含有してもよい。なお、残部はＦｅおよび不可避不純物であってもよい。

本発明の軸受鋼は、成分組成を上記の範囲に調整する他、鋼中に分散している炭化物の最大粒径を５μｍ以下とする。炭化物は、軸受部材の表面硬さや芯部硬さを向上させて、耐摩耗性を良好にするのに作用するが、粗大化すると加工性が低下する他、高温転動疲労特性も劣化する。そこで本発明では、鋼中に分散する炭化物の最大粒径を５μｍ以下とする。炭化物の最大粒径は４μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３μｍ以下である。

炭化物の最大粒径は、光学顕微鏡で１０ｍｍ²の視野範囲を観察して測定すればよい。

上記炭化物の最大粒径を５μｍ以下にするには、鋼の成分組成を上記範囲を満足するように調整すると共に、熱間圧延後に図１に例示する条件で球状化熱処理を行えばよい。即ち、熱間圧延終了後、７９０℃まで加熱し、この温度で２時間保持した後、６８０℃まで平均冷却速度２０℃／ｈｒで徐冷し、次いで室温まで空冷すればよい。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

下記表１に示す成分組成の鋼を真空溶製炉で溶製し、ビレットに鍛造した後、１２００℃で５時間ソーキングした。ソーキング後、直径６５ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、次いで図１に示す条件で球状化熱処理を行った。

得られた球状化熱処理材について、下記の手順で炭化物の最大粒径を測定すると共に、球状化熱処理材から切り出した試験片を用いて下記の手順で加工性と高温転動疲労特性を評価した。夫々の結果を下記表２に示す。また、鋼の成分組成から上記（１）式を用いて［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）の値（Ｚ値）を算出した結果を下記表２に併せて示す。

＜炭化物の最大粒径の測定＞
球状化熱処理後の棒鋼におけるＤ／４位置（Ｄは棒鋼の半径）の縦断面を、光学顕微鏡で１０ｍｍ²の視野範囲を観察し、該視野範囲に観察される炭化物の最大粒径を測定した。

＜加工性＞
球状化熱処理後の棒鋼におけるＤ／４位置から直径１０ｍｍ、長さ１５ｍｍの円柱状試験片を切り出し、プレス試験機を用いて加工率８０％で加工した後、試験片の側面を光学顕微鏡で４０倍で観察し、下記式で割れ発生率を求め、加工性（変形能）を評価した。なお、試験片の数は１０個とし、試験片の側面を観察したときに、０．１ｍｍ以上の割れがある場合を「割れ発生」とした。
割れ発生率（％）＝（割れが発生した試験片の数／１０）×１００

＜高温転動疲労特性＞
球状化熱処理材をスラスト試験片に加工し、これを図２に示す条件で焼入れ焼戻し処理した後、表面を１００μｍ研磨したものを転動疲労試験片とした。

転動疲労試験は、面圧５ＧＰａ、回転数１５００ｒｐｍ、鋼球数３個、温度１５０℃とし、潤滑油としてタービン油を用いて行った。試験片の数は１５個とし、ワイブル分布図を用いて１０％破損確率（Ｌ₁₀寿命）で整理した。

なお、高温転動疲労特性は、表２に示したＮｏ．７（ＪＩＳ G４８０５に規定されるＳＵＪ２相当）のＬ₁₀寿命を１としたときのＬ₁₀寿命比で評価した。Ｌ₁₀寿命比は１．５以上を合格とした。

表２から次のように考察できる。Ｎｏ．１〜６は、本発明で規定する要件を満たす例であり、鋼の成分組成と該鋼に分散している炭化物の大きさが適切に制御できているため、割れ発生率が０％で、Ｌ₁₀寿命比が１．５以上である加工性と高温転動疲労特性に優れた軸受鋼を実現できた。

一方、Ｎｏ．７は、ＪＩＳに規定されているＳＵＪ２相当鋼であり、Ｚ値が本発明で規定する範囲から外れて小さく、また粗大な炭化物が生成しているため、加工性と高温転動疲労特性の両方に劣っている。Ｎｏ．８は、Ｃ量が少ないため、Ｚ値が本発明で規定する範囲から外れて小さい。従って加工性は良好であるが、高温転動疲労特性を改善できていない。Ｎｏ．９は、Ｃ量が多く、粗大な炭化物が生成しているため加工性が悪い。従って高温転動疲労特性も低下している。Ｎｏ．１０は、Ｓｉ量が多いため、Ｚ値が本発明で規定する範囲から外れて大きい。従って加工性が悪い。Ｎｏ．１１は、Ｍｎ量が多いため、粗大な炭化物が生成した。従って加工性が悪く、高温転動疲労特性も改善できていない。Ｎｏ．１２は、Ｃｒ量が小さいため、焼入れ処理時の焼入れ性が悪く、充分な硬度が得られないため高温転動疲労特性を確保できない。Ｎｏ．１３は、Ｃｒ量が多いため粗大な炭化物が生成し、加工性が悪い。Ｎｏ．１４は、Ｍｏ量が少なく、Ｚ値が本発明で規定する範囲から外れて小さい。従って高温転動疲労特性を充分に改善できていない。Ｎｏ．１５は、Ｍｏ量が多く、Ｚ値が本発明で規定する範囲から外れて大きい。従って加工性が悪い。

上記表２に示したＮｏ．１〜６、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５の［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）の値（Ｚ値）とＬ₁₀寿命比の関係を図３に示す。図３から明らかなように、鋼中に分散している炭化物の最大粒径が本発明で規定する範囲を満足している場合には、Ｚ値を０．６０％以上にすれば、高温転動疲労特性を改善できることが分かる。

図１は、球状化熱処理における温度、保持時間および冷却条件を示す図である。図２は、焼入れ焼戻しにおける温度、保持温度および冷却条件を示す図である。図３は、［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）の値（Ｚ値）とＬ₁₀寿命比の関係を示すグラフである。

Claims

Ｃ：０．８〜１．２％（質量％の意味。以下同じ）、
Ｓｉ：０．３５〜０．９９％、
Ｍｎ：０．１〜０．４％、
Ｃｒ：１．３５〜１．７５％、
Ｍｏ：０．２６〜０．４％を含有すると共に、
Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏの含有量が下記（１）式を満たし、
残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、
該鋼に分散している炭化物の最大粒径が５μｍ以下であることを特徴とする加工性および高温転動疲労特性に優れた軸受鋼。
０．６０≦［Ｃ］×（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］）≦１．００ …（１）
なお、式中、［］は、鋼に含まれる各元素の量（％）を示している。
更に他の元素として、
Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：０．５％以下（０％を含まない）、および
Ｖ：０．０５％以下（０％を含まない）
よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１に記載の軸受鋼。
更に他の元素として、
Ａｌ：０．０４％以下（０％を含まない）および／または
Ｎ：０．０１５％以下（０％を含まない）
を含有する請求項１または２に記載の軸受鋼。
更に他の元素として、
Ｐ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．０３％以下（０％を含まない）、
Ｔｉ：０．００５％以下（０％を含まない）、および
Ｏ：０．００２％以下（０％を含まない）
よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の軸受鋼。