JP2009114488A

JP2009114488A - 転動部材用鋼、転動部材、及び、転動部材の製造方法

Info

Publication number: JP2009114488A
Application number: JP2007286809A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Morita; 敏之森田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】真空浸炭時の炭化物生成を抑制することができ、かつ、転動疲労寿命を向上させることができる転動部材用鋼を提供すること、並びに、真空浸炭時の炭化物生成が抑制され、かつ、転動疲労寿命を向上させた転動部材、及び、転動部材の製造方法を提供すること。
【解決手段】転動部材用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、及び、Ｃｒ：０．３０〜１．００％等を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｓｉ［％］＋Ｎｉ［％］＋Ｃｕ［％］−Ｃｒ［％］＞０．３を満たす。転動部材は、該転動部材用鋼に真空浸炭を施すことにより得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、転動部材用鋼、転動部材、及び、転動部材の製造方法に関し、更に詳しくは、真空浸炭時における炭化物生成を抑制することにより、転動疲労寿命を向上させる転動部材用鋼、転動部材、及び、転動部材の製造方法に関する。

転動部材の一例である軸受部品を製造する際には鋼材としてＳＣｒ４２０等が広く用いられている。ＳＣｒ４２０を素材として軸受部品を製造する場合には、鋼表面にＣを侵入させて鋼表面を硬くするためにガス浸炭法が従来より用いられている（特許文献１参照）。このガス浸炭法は、鋼を入れた加熱炉にガス（主成分のＣＯと、Ｃ濃度調整のためのＣＯ_２，Ｈ_２等とにより構成される）を導入し９００℃以上の高温で長時間浸炭する浸炭方法である。
一方、近年このガス浸炭法に代わり真空浸炭法が普及し始めている。この真空浸炭法は、減圧後９８０℃〜１０５０℃に加熱し、メタン・プロパンなどの炭化水素ガスを導入させることにより鋼表面にＣを侵入させて硬くする浸炭方法であり、浸炭期にＣを鋼表面に浸入させ、浸入させたＣを拡散期に溶解させることにより行われる。

真空浸炭法がガス浸炭法に代わって普及し始めている理由は、真空浸炭法は、ガス浸炭法に比べて、
（１）真空中で処理するため酸化が起こらず、ガス浸炭品に存在する粒界酸化が発生せず、強度が向上すること、
（２）炉耐構造上、高温浸炭を行いやすく、高温浸炭を採用することで更なる迅速浸炭化が可能であること、
（３）使用する浸炭ガスが少なくて済み、ガス浸炭対比ランニングコストが安いこと、等の利点があるからである。
このように真空浸炭法は、一般的にはガス浸炭法に比べて多くの利点がある。

特開２００２−２１２６４２

しかしながら、鋼材として広く用いられている従来の一般的なＳＣｒ４２０を真空浸炭法で浸炭すると、真空浸炭に供したＳＣｒ４２０は、ガス浸炭に供したＳＣｒ４２０よりも却って短寿命となることがある。その理由は次の通りである。浸炭期にＣを浸入させると炭化物が生成し、このときに生成した炭化物を拡散期に溶解させる。しかし、浸炭期に生成した炭化物全てを拡散期に溶解させることができない。そのため、その炭化物の一部が残存する。すると、その残存した炭化物が破壊の起点となるためである。

例えば、図２（ｂ）は、従来の一般的なＳＣｒ４２０（後述する比較例６）を真空浸炭したときの断面組織の顕微鏡写真（４００倍）であり、上段が浸炭後の状態を撮影したもの（４００倍）、下段が拡散後の状態を撮影したもの（４００倍）である。尚、図２（ｂ）に示す白層は鋼材表面のＮｉメッキである。そして、図２（ｂ）の下段の拡散後の状態を更に拡大した示したのが、図３（ａ）（ｂ）に示す電子顕微鏡写真（１００００倍）である。尚、図３（ｂ）は図３（ａ）の炭化物生成部分に印を付けたものである。図２（ｂ）上段の浸炭後の状態においては、炭化物（図中、白いヒゲ状のもの）が形成されており、図２（ｂ）下段の拡散後の状態においては、この炭化物（白いヒゲ状のもの）が幾分か消えているように見える。しかし、実際には、図３（ａ）（ｂ）に更に拡大して示すように炭化物が残存している。そして、残存した炭化物は、これを起点とする破壊の原因となる。
この破壊を未然に抑制し長寿命化を図るには、浸炭期における炭化物生成を抑制すればよい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その第一の目的は、真空浸炭時の炭化物生成を抑制することができる転動部材用鋼を提供すること、並びに、真空浸炭時の炭化物生成が抑制された転動部材、及び、その製造方法を提供することにある。
本発明の第二の目的は、転動疲労寿命を向上させることができる転動部材用鋼を提供すること、並びに、転動疲労寿命を向上させた転動部材、及び、その製造方法を提供することにある。

本発明者は、真空浸炭の浸炭期に炭化物が生成すること自体を抑制できれば、拡散期に炭化物の一部が残存するという問題も生じず、そこが破壊の起点となることもないことに着目し、種々の合金組成を探求した。その結果、本発明者は、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕの添加により真空浸炭時の炭化物生成が抑制される一方、Ｃｒの添加により真空浸炭時の炭化物生成が促進されるという知見を得た。

本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る転動部材用鋼は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、及び、Ｃｒ：０．３０〜１．００％、を含み、
更に、質量％で、Ｍｏ：０．００〜２．００％、Ａｌ：０．００〜０．２０％、Ｎｂ：０．００〜０．２０％、Ｔｉ：０．００〜０．２０％、Ｎ：０．００〜０．０５％、及び、Ｂ：０．００〜０．０１％からなる群の少なくともいずれかを含み、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる転動部材用鋼であって、下記（１）式を満たすことを要旨とする。
Ｓｉ［％］＋Ｎｉ［％］＋Ｃｕ［％］−Ｃｒ［％］＞０．３…（１）

本発明に係る転動部材は、本発明に係る転動部材用鋼に対して、真空浸炭を行って得られることを要旨とする。本発明に係る転動部材の製造方法は、本発明に係る転動部材用鋼に対して、真空浸炭を行うことを要旨とする。

本発明に係る転動部材用鋼は、上記組成を備え、かつ、上記（１）式を満たすものであるから、真空浸炭時における炭化物生成を抑制することができる。また、本発明に係る転動部材は、上記組成を備え、かつ、上記（１）式を満たす転動部材用鋼を真空浸炭に供したものであるから、真空浸炭時における炭化物生成が抑制されている。そのため、本発明に係る転動部材用鋼は、転動疲労寿命を向上させることができ、本発明に係る転動部材は、転動疲労寿命を向上させたものとなる。

本発明に係る転動部材の製造方法は、上記組成を備え、かつ、上記（１）式を満たす転動部材用鋼に対して真空浸炭を行うものであるから、真空浸炭時における炭化物生成を抑制することができる。従って、本発明に係る転動部材の製造方法により得られる転動部材は、真空浸炭時における炭化物生成が抑制されている。そのため、本発明に係る転動部材の製造方法によれば、得られる転動部材の転動疲労寿命を向上させたものとなる。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。尚、以下の説明において、「％」は、特に説明がない限り「質量％」を意味する。
（成分組成及びその関係並びにそれらの限定理由）
本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼及び転動部材は、基本的構成元素として、以下の（１）から（８）の元素を含む。
（１）Ｃ：０．１０〜０．３０％。
Ｃは、転動部材等の機械構造用部品として必要な強度を得る上で必要な元素である。Ｃの下限を０．１０％としたのは、Ｃが少なすぎると心部にフェライトが生成し、圧潰強度が低下するためである。具体的には、Ｃが少なすぎて非浸炭部が柔らかいと荷重に耐えられず、例えば、軸受の球自身が潰れるためである。一方、Ｃの上限を０．３０％としたのは、Ｃが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。

（２）Ｓｉ：０．５０〜３．００％。
Ｓｉは、後述するＣｕ、Ｎｉと共に、炭化物生成を抑制する元素である。Ｓｉの下限を０．５０％としたのは、Ｓｉが少なすぎると耐焼付性・耐かじり性が低下し、強度が低下するためである。一方、Ｓｉの上限を３．００％としたのは、Ｓｉが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。

（３）Ｍｎ：０．３０〜３．００％。
Ｍｎは、転動部材等の機械構造用部品として必要な強度を得る上で必要な元素である。Ｍｎの下限を０．３０％としたのは、Ｍｎが少なすぎると心部にフェライトが生成し、圧潰強度が低下するためである。具体的には、Ｍｎが少なすぎて非浸炭部が柔らかいと荷重に耐えられず、例えば、軸受の球自身が潰れるためである。一方、Ｍｎの上限を３．００％としたのは、Ｍｎが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。

（４）Ｐ：０．０３０％以下。
Ｐは、不純物であり不可避的に含まれる元素である。Ｐの上限を０．０３０％としたのは、Ｐが多すぎると脆化するためである。

（５）Ｓ：０．０３０％以下。
Ｓは、不純物であり不可避的に含まれる元素である。Ｓの上限を０．０３０％としたのは、Ｓが多すぎると脆化するためである。

（６）Ｃｕ：０．０１〜１．００％。
Ｃｕは、前述したＳｉ、後述するＮｉと共に、炭化物生成を抑制する元素である。Ｃｕの下限を０．０１％としたのは、Ｃｕが少なすぎると焼入性が低下し、強度が低下するためである。一方、Ｃｕの上限を１．００％としたのは、Ｃｕが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。

（７）Ｎｉ：０．０１〜３．００％。
Ｎｉは、前述したＳｉ、Ｃｕと共に、炭化物生成を抑制する元素である。Ｎｉの下限を０．０１％としたのは、Ｎｉが少なすぎると焼入性が低下し、強度が低下するためである。一方、Ｎｉの上限を３．００％としたのは、Ｎｉが多すぎると加工性、特に被削性が劣化するためである。

（８）Ｃｒ：０．３０〜１．００％。
Ｃｒは、炭化物生成を促進する元素であるため、多量に含有させることができない。しかし、Ｃｒが少なすぎると焼入性が低下するとともに、心部にフェライトが生成し、圧潰強度が低下するため、Ｃｒの下限を０．３０％とした。尚、Ｃｒが少なすぎて圧潰強度が低下すると非浸炭部が柔らかくなり、荷重に耐えられず、例えば、軸受の球自身が潰れる。一方、Ｃｒが多すぎると加工性、特に被削性を劣化させるため、上限を１．００％としたが、１．００％を限度としてＣｒの添加量を増加させ得るのは炭化物生成を充分に抑制できる場合である。

本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼及び転動部材は、任意的構成元素として、以下の（９）から（１１）の元素を含んでもよい。
（９）Ｍｏ：０．００〜２．００％。
Ｍｏは、焼入性を向上させるために添加することができる。焼入れ性が低下すると、心部にフェライトが生成し、圧潰強度が低下するためである。Ｍｏは、その添加量が多すぎると加工性、特に被削性を劣化させるため、上限を２．００％とした。

（１０）Ａｌ：０．００〜０．２０％。
Ａｌは、結晶粒を微細化し、強度を向上させるために添加することができるが、多すぎると鋼中でアルミナを生じ強度を低下させるため、上限を０．２０％とした。

（１１）Ｎｂ：０．００〜０．２０％、Ｔｉ：０．００〜０．２０％、Ｎ：０．００〜０．０５％、及び、Ｂ：０．００〜０．０１％からなる群の少なくともいずれか。
Ｎｂ及びＴｉは、真空浸炭で生じる結晶粒の成長を抑制し、整粒組織を保つために添加することができる。一方、Ｎｂ又はＴｉが多すぎると、加工性に悪影響が出るため、いずれも上限を０．２０％とした。
Ｎは、結晶粒の粗大化を防止するために添加することができるが、その効果は、０．０５％程度で飽和するため、０．０５％を上限とした。
Ｂは、焼入性を向上させるために添加することができるが、多すぎると加工性に悪影響を及ぼすため、０．０１％を上限とした。

（１２）Ｓｉ［％］＋Ｎｉ［％］＋Ｃｕ［％］−Ｃｒ［％］＞０．３…（１）
前述のように、Ｓｉ、Ｃｕ、及び、Ｎｉは、炭化物生成を抑制する元素であり、Ｃｒは、炭化物生成を促進させるため、Ｓｉ、Ｃｕ、及び、Ｎｉの量の合計からＣｒの量を差し引いた値を炭化物生成を判断する目安とした。この値を０．３超としたのは、後述する実施例により経験的に求めた値である。本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼は、上記組成を備え、かつ、上記（１）式の関係を満たすため、当該転動部材用鋼を真空浸炭に供しても浸炭期における炭化物生成が抑制される。従って、そもそも炭化物生成が抑制されるため、真空浸炭の拡散期において炭化物が残存することはない。また、本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼を真空浸炭することにより得られる転動部材は、浸炭時における炭化物生成が抑制されているため、その転動疲労寿命が向上する。すなわち、本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼は、得られる転動部材の転動疲労寿命を向上させる。

（製造方法）
本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼は、上記組成になるように原料を溶解し、造塊し、鍛造により所定の形状に加工し、更に、必要な熱処理（焼きならし）を行うことにより得られる。
そして、このように得られた本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼を真空浸炭に供することにより、本発明の一実施形態に係る転動部材が得られる。真空浸炭の条件は特に限定されない。

（作用）
本発明の一実施形態に係る転動部材用鋼は、上記組成を備え、かつ、上記（１）式を満たすものであるから、これを真空浸炭に供すれば炭化物生成が抑制され、転動疲労寿命を向上させる。本発明に係る転動部材は、上記組成を備え、かつ、上記（１）式を満たす転動部材用鋼を真空浸炭に供したものであるから、真空浸炭時における炭化物生成が抑制されている。そのため、本発明に係る転動部材は、転動疲労寿命が向上したものとなる。

本発明に係る転動部材の製造方法によれば、上記組成を備え、かつ、上記（１）式を満たす転動部材用鋼に対して真空浸炭がなされるので、真空浸炭時における炭化物生成が抑制され、よって、炭化物生成が抑制された転動部材が得られる。そして、得られた転動部材は、その転動疲労寿命が向上したものとなる。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。
（実施例１〜２１及び比較例１〜６）
（転動部材用鋼の作製）
実施例１〜２１及び比較例１〜６について、表１に示す成分組成となるように原料を電気炉に投入し、溶解・鋳造し、鋼塊（転動部材用鋼）を作製した。

（試験片（転動部材）の作製、及び、断面組織観察）
次に、各実施例及び各比較例について、上記の鋼塊（転動部材用鋼）を圧延により棒材に加工した後、熱間鍛造により試験片形状（外径６３ｍｍ、内径２８．３ｍｍ、厚さ８．８ｍｍディスク型）に加工した。

次に、図１に示すように各実施例及び各比較例に対して、以下の（１）〜（６）の熱処理を行った。
（１）試験片形状の各鋼塊を炉に入れて、９５０℃に加熱して３０分間、均熱した。
（２）各実施例及び各比較例について表１に示すガスを導入しながら、９５０℃、１０００Ｐａで６０分間、浸炭処理を行った（真空浸炭：浸炭期）。また、この浸炭後の断面組織を観察した。更に、実施例８及び比較例６の顕微鏡写真（４００倍）を撮影したので、それぞれを、図２（ａ）（ｂ）上段に示した。
（３）９５０℃、１０Ｐａで６０分間、拡散処理を行った（真空浸炭：拡散期）。
（４）８５０℃で３０分間、保持した。
（５）焼入れ（油又はガス）を行った。
（６）１８０℃で６０分間、焼戻しを行った。また、この焼戻し後（すなわち、真空浸炭における拡散を既に終わった後）の断面組織を観察した。更に、実施例８及び比較例６の顕微鏡写真（４００倍）を撮影したので、それぞれを、図２（ａ）（ｂ）下段に示した。このうち比較例６については、電子顕微鏡写真（１００００倍）を撮影した。そこで、これを図３（ａ）（ｂ）に示した。尚、図３（ｂ）は、図３（ａ）の炭化物に印を付けたものである。

次に、仕上げ加工としてラッピング加工を行った。
以上の手順で試験片（転動部材）を作製した。

（転動疲労試験）
上記試験片を図４に示すスラスト型転動寿命試験機にセットして転動疲労試験を行った。スラスト型転動疲労試験では、数ＧＰａ程度のスラスト方向の繰り返し転がり最大接触応力で転動体（鋼球）を試験片に対して転動させ、試験片に疵や剥離等の破損が生じるまでの転動サイクル数を調べ、全試験片の１０％が破損する寿命をＬ１０寿命（サンプルの９０％が破損しないで使える負荷回数）として求めた。
具体的な試験条件は以下の通りとした。
（１）試験片：上記の手順で作製した外径６３ｍｍ、内径２８．３ｍｍ、厚さ８．８ｍｍディスク型のラッピング加工済みの試験片
（２）転動体：３／８インチ（０．９５２５ｃｍ）ＳＵＪ２ボール３個
（３）最大接触応力：Ｐｍａｘ＝５．５ＧＰａ
（４）負荷回転速度：１８００ｒｐｍ
（５）潤滑：タービン油＃６８油槽給油（出光興産（株）製）
（６）温度：常温
各実施例及び各比較例のＬ１０寿命は表１に示した通りである。このＬ１０寿命を転動寿命の評価基準とした。

（評価）
（断面組織観察）
まず、真空浸炭の浸炭後（上記熱処理の（２）後）においては、各実施例の断面組織には炭化物生成が認められなかったが、比較例の断面組織には顕著に炭化物生成が認められた。この点、図２（ａ）（ｂ）の上段に示すように、実施例８では炭化物の生成が抑制されているが、比較例６では顕著に炭化物が生成していたことにより確認できる。本実施例に係る試験片で炭化物生成が認められなかったのは、いずれも特定の成分バランスを備え、かつ、上記（１）式を満たしたからであるといえる。一方、各比較例に係る試験片でいずれも炭化物生成が認められたのは、本実施例に係る試験片に近い成分バランスを備えたとしても、上記（１）式を満たしていないためと考えられる。

次に、真空浸炭の拡散後（上記熱処理の（３）後、観察自体は上記熱処理の（６）後に行った）においては、各実施例の断面組織には炭化物生成が認められなかったが、比較例の断面組織には浸炭期に生成した炭化物が溶解しきれずに残存していた。拡散後の比較例６（図２（ｂ）下段）によれば、炭化物が消失しているように見えるが、これを更に拡大した図３（ａ）（ｂ）によれば、炭化物の残存が認められるからである。従って、各比較例では、拡散処理がなされても浸炭期に生成した炭化物が完全に溶解しきれず残存することが確認できた。一方、各実施例では、そもそも浸炭期において炭化物生成が認められなかったことから、拡散後の炭化物残存は認められなかった。

（転動疲労試験）
従って、転動疲労試験においても、各実施例はＬ１０値がいずれも１６．０超であったが、各比較例はＬ１０値がいずれも１４．１以下であった。各比較例が各実施例よりもＬ１０値が相対的に低かったのは、浸炭期に生成した炭化物が拡散後も残存し、それが、転動疲労試験における疵や剥離等の破損の起点となったからと考えられる。一方、各実施例のＬ１０値が相対的に高かったのは、特定の成分バランスを備え、かつ、上記（１）式を満たしたために、浸炭期にそもそも炭化物が生成しないため、拡散後に炭化物が残存すること自体が生じず、炭化物が疵や剥離等の破損の起点とならないからと考えられる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る転動部材用鋼は、これを真空浸炭に供しても炭化物生成が抑制され、かつ、転動疲労寿命を向上させるから、軸受その他転動部材等、機械構造用部品の鋼材として適している。従って、本発明に係る転動部材は、長寿命化が図られ、鋼材メーカーや機械構造部品メーカーにとって産業上の利用価値が極めて高い。
本発明に係る転動部材の製造方法は、成分バランスを工夫した転動部材用鋼を用いることにより、炭化物生成を抑制し、かつ、転動疲労寿命を向上させた転動部材を製造するものであるため、転動部材の長寿命化を図ることができ、鋼材メーカーや機械構造部品メーカーに対して製造方法の選択余地を拡げる点で産業上の利用価値が極めて高い。

各実施例及び各比較例について行った熱処理を模式的に示した図である。（ａ）は、実施例８の断面組織の顕微鏡写真であり、（ｂ）は、比較例６（従来の一般的なＳＣｒ４２０）の断面組織の顕微鏡写真である。（ａ）は、図２（ｂ）の下段の拡散後の状態を更に拡大した示した電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）と同一写真であり炭化物が形成された部分に印を付けたものである。スラスト型転動寿命試験機の構成を示す図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜３．００％、Ｍｎ：０．３０〜３．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％、及び、Ｃｒ：０．３０〜１．００％、を含み、
更に、質量％で、Ｍｏ：０．００〜２．００％、Ａｌ：０．００〜０．２０％、Ｎｂ：０．００〜０．２０％、Ｔｉ：０．００〜０．２０％、Ｎ：０．００〜０．０５％、及び、Ｂ：０．００〜０．０１％からなる群の少なくともいずれかを含み、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる転動部材用鋼であって、下記（１）式を満たすことを特徴とする転動部材用鋼。
Ｓｉ［％］＋Ｎｉ［％］＋Ｃｕ［％］−Ｃｒ［％］＞０．３…（１）
請求項１に記載の転動部材用鋼に対して、真空浸炭を行って得られることを特徴とする転動部材。
請求項１に記載の転動部材用鋼に対して、真空浸炭を行うことを特徴とする転動部材の製造方法。