JP2010255095A

JP2010255095A - 異物環境下での転動疲労特性に優れた軸受部品の製造方法

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Publication number: JP2010255095A
Application number: JP2009272903A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Hirai; 康正平井; Seishi Uei; 清史上井; Hideto Kimura; 秀途木村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP5556151B2

Abstract

【課題】特に異物環境下での転動疲労寿命の大幅な向上を実現する方途について提案する。
【解決手段】質量％でＣ：0.7％〜1.3％、Si：0.1〜0.8％、Mn：0.2〜1.2％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Al：0.1％以下、Cr：0.9％〜1.8％、Ｎ：0.01％以下およびＯ：0.003％以下を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材に、浸炭窒化深さが２mm以上となる浸炭窒化−焼入れ処理を行ったのち、高周波焼戻しを行い、その後の成形加工において、硬さの向上代がビッカース硬さで20ポイント以上の加工を少なくとも鋼材の表層部分に加えた後、該表層部分に加熱温度：820〜900℃として高周波焼入れし、さらに焼戻しを行う。
【選択図】なし

Description

本発明は、摩耗により生じた金属粉や、切削時に生じた金属の削りくずなどの異物が存在する環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法に関する。

従来、JIS Ｇ4805におけるSUJ２などの高炭素軸受鋼は、鍛造などで成形後、炉焼入れ・焼戻しを行うことにより製品での転動疲労特性を引き出すのが一般的である。しかし、近年では、軸受の使用環境が従来より厳しくなってきており、例えば、上記した異物環境下でも転動疲労特性の優れた軸受の開発が進められている。かような異物環境で使用される軸受の寿命特性を向上させる方法としては、製品表面部への浸炭窒化処理により、表面硬さを確保しながら、表層部に軟質な残留オーステナイト（以下、残留γと示す）を通常軸受より多量（20〜30質量％程度）に確保する方法が行われている。

例えば、特許文献１では、浸炭窒化−焼入れ後、再度、「低温オーステナイト・炭化物」域に加熱して焼入れる処理を行い、表層部のオーステナイト結晶粒度を10番以下（旧オーステナイト粒径で12.5μm以下）で、かつ残留γ量16.1％とすることによって、異物環境下での転動疲労寿命（累積破損確率10％での寿命）が通常焼入材に比べ２倍向上することに成功している。

特開2005−113257号公報

しかし、更なる転動疲労寿命向上に対するニーズが存在している昨今、通常焼入材に比べて２倍の向上では不足する傾向にあり、４倍以上の向上を目指した技術の開発が希求されていた。
そこで、本発明は、特に異物環境下での転動疲労寿命の大幅な向上を実現する方途について提案することを目的とする。

そこで、発明者らは、異物環境下での転動疲労寿命の向上について鋭意検討を行ったところ、以下の知見を得た。
まず、浸炭窒化−焼入れにより表層に浸炭窒化層を作る。その後、高周波焼戻しを行うと、浸炭窒化層のマルテンサイト中に固溶していたＣおよび残留γの分解により微細な炭化物が生成する。この後、引抜きや鍛造などの加工により、少なくとも表層部分にはビッカース硬さで20ポイントの上昇に相当する加工歪みを導入する。さらに、加工歪みが導入された表層部に高周波焼入れを行うと、高周波の特徴である短時間加熱の効果によって旧オーステナイト粒は微細化する。また、加工歪みが導入されているため、転位がオーステナイトの核生成サイトとなるとともに、焼戻しで生成した炭化物がピン二ング効果を示し、旧オーステナイト粒の微細化が進み、平均旧オーステナイト粒径3.0μm以下の組織が得られる。この旧オーステナイト粒径の微細化は、耐水素性が向上するため、水素が原因として発生する白色組織（WEC）変化による低寿命剥離を抑制する効果がある。また、旧オーステナイト粒の微細化に伴い、残留γが均一でかつ微細に分布することで、異物噛み込みに伴う加工誘起変態が均一に起こりやすくなり、摩耗により生じた金属粉や切削時に生じた金属の削りくずなどへの耐異物性が向上する。また、高周波焼入れを行うことで残留圧縮応力も増加し、これらの結果、異物環境での転動疲労寿命が４倍以上も向上する。

本発明は以上の知見をもとになされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で
Ｃ：0.7％〜1.3％、
Si：0.1〜0.8％、
Mn：0.2〜1.2％、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.1％以下、
Cr：0.9％〜1.8％、
Ｎ：0.01％以下および
Ｏ：0.003％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材に、浸炭窒化深さが２mm以上となる浸炭窒化−焼入れ処理を行ったのち、高周波焼戻しを行い、その後の成形加工において、硬さの向上代がビッカース硬さで20ポイント以上の加工を少なくとも鋼材の表層部分に加えた後、該表層部分に加熱温度：820〜900℃として高周波焼入れし、さらに焼戻しを行うことを特徴とする、異物環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法。

（２）前記（１）において、前記鋼材に、さらに質量％で
Ti：0.03％以下、
Mo：0.3％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.05〜0.50％、
Sb：0.003％以下、
Ｂ：0.003％以下、
Nb：0.01〜0.03％および
Ｖ：0.05〜0.5％
のうちから選ばれる１種もしくは２種以上を含有する異物環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法。

（３）前記（１）または（２）において、前記高周波焼入れ後の焼入表層部における旧オーステナイト粒径の平均値が３μm以下、当該部分での残留オーステナイト量が20〜35％である異物環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法。

本発明によれば、異物環境での転動疲労寿命を４倍以上も向上することができ、異物環境下でも転動疲労寿命に優れた軸受部品を提供することが可能になる。

以下、本発明の構成要件について、鋼材成分の限定理由から順に説明する。
まず、各成分の限定理由について述べる。なお、以下に示す「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を示すものとする。
Ｃ：0.7％〜1.3％
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、焼入れ硬化層の硬さを高めて、転動疲労寿命を向上させる上で有用な成分である。すなわち、0.7％に満たないと必要とされる転動疲労寿命を確保できないため、0.7％以上とする。一方、1.3％を超える含有は、焼入れ処理前の切断や成形鍛造などの加工性を著しく劣化させるため、0.3％以下とする。従って、Ｃは0.7％以上1.3％以下の含有とする。好ましくは、0.75〜1.1％である。

Si：0.1〜0.8％、
Siは、転動疲労寿命の向上に有効な元素であるため積極的に添加するが、0.1％未満だとその効果が乏しいため0.1％以上の含有とする。しかし0.8％を超えて含有させると、Ｃと同様に焼入れ処理前に行われる、切断や成形鍛造などの加工性を著しく劣化させるため、0.8％以下とする。従って、Siの含有範囲は0.1％〜0.8％とする。好ましくは、0.15〜0.6％である。

Mn：0.2〜1.2％、
Mnは、焼入れ性を向上させ、焼入れ時の硬化深さを確保する上で必須の成分であり、かつ残留γ量を増加するのに有効な元素であるため、積極的に含有させる。すなわち、0.2％未満の含有ではその効果に乏しく、一方1.2％を超えて含有させると、Ｃと同様に焼入れ処理前に行われる。切断や成形鍛造などの加工性を著しく劣化させるため、1.2％以下とする。従って、Mnの含有範囲は、0.2％〜1.2％とする。好ましくは、0.25〜1.0％である。

Ｐ：0.025％以下
Ｐは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、焼入れ時に焼割れを助長する。従って、その含有量は極力低下させることが望ましいが、0.025％以下であれば許容される。なお、好ましくは0.020％以下とする。

Ｓ：0.02％以下
Ｓは、鋼中でMnSを形成し、鍛造性、切削性を向上させるため、好ましくは0.003％以上で添加してもよいが、0.02％を超えて添加すると、転動疲労試験での破壊起点となり転動疲労強度が低下する可能性があるため、0.02％以下の添加とする。好ましくは、0.015％以下とする。

Al：0.1％以下
Alは、脱酸に有効な元素であり低酸素化のために有用な元素であり、そのためには0.01％以上で添加することが好ましい。一方で、Alの酸化物は転動疲労特性を低下させるため、必要以上の添加は行わない方が良い。このため0.1％以下の添加とする。好ましくは、0.05％以下とする。

Cr：0.9％〜1.8％
Crは、軸受鋼の場合、球状化焼鈍において炭化物を球状化するのに有用な元素であり、積極的に添加するが、0.9％に満たない場合その効果に乏しく、1.8％を超えると、その効果が飽和しコストが高くなるのみである。従って、0.9％〜1.8％とする。好ましくは、1.0〜1.6％である。

Ｎ：0.01％以下
Ｎは、AlやTiと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、焼入れのための加熱時に、オーステナイトの成長を抑制する効果がる。一方で、粗大な窒化物、短窒化物は転動疲労寿命の低下を招くため0.01％以下とする。なお、好ましくは0.006％以下とする。

Ｏ：0.003％以下
Ｏは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在し、この量の増大は酸化物系非金属介在物のサイズを粗大化させる。これらは、特に転動疲労特性に有害であるため、極力低減することが望ましく、0.0030％以下に低減する必要がある。好ましくは0.0010％以下とする。

さらに、上記の基本成分組成に加えて、必要に応じてTi、Mo、Cu、Ni、Sb、Ｂ、NbおよびＶのうちの１種もしくは２種以上を添加してもよい。
Ti：0.03％以下、
Tiを添加すると、TiNとなることによって、オーステナイト域でピン二ング効果を発揮し粒成長を抑制するため、好ましくは0.001％以上で添加しても良いが、多量に添加するとTiNが多量析出することで転動疲労寿命を低下させるため、その添加量を0.03％以下とする。好ましくは、0.02％以下とする。

Mo：0.3％以下
Moは、転動疲労寿命を向上させるため、好ましくは0.05％以上で添加してもよいが、コストが高いためその添加量を0.3％以下とする。

Cu：0.50％以下
Cuは、焼入れ性を向上させる元素であるため添加しても良い。0.05％未満の添加ではその効果が乏しいことから、この効果を得るためには、0.05％以上の添加とすることが好ましい。しかし、0.50％を超えて添加すると熱間加工性を阻害するため、0.50％以下の添加とする。

Ni：0.05〜0.50％、
Niは、焼入れ性を向上させる元素であり、焼入れ性を調整する場合に用いることができる。その際、0.05％未満の添加では効果が小さいため、0.05％以上で添加する。一方、Niは極めて高価な元素であり、添加量が多くなると鋼材価格が高くなるため、0.50％以下の添加とする。

Sb：0.003％以下
Sbは、スクラップ等の製鋼原料から混入することがあり、その量が0.003％を超えると転動疲労寿命を低下させるため、上限を0.003％とする。

Ｂ：0.003％以下
Ｂは、焼入れ性を向上させ、焼入れ焼もどし後の強度を高め、転動疲労寿命を向上させる元素であるため、好ましくは0.0010％以上で添加してもよいが、過剰な添加は加工性を劣化させるので0.003％以下とする。

Nb：0.01〜0.03％
Nbは、ＣおよびＮと結合してNbC、NbN、Nb(CN)を形成することによって、オーステナイト域でピンニング効果による粒成長を抑制し、オーステナイト粒微細化により疲労寿命を向上させるために添加しても良い。しかし、多量に添加すると、NbCが多量析出することで破壊起点となり、転動疲労寿命を低下させるため、その添加量を0.03％以下とする。

Ｖ：0.05〜0.5％
Ｖは、転動疲労寿命向上に有効な元素であるため添加してもよく、0.05％未満だとその効果が乏しいため0.05%以上の添加とする。しかし、0.5％を超えて添加しても、効果が飽和し、鋼材コストが高くなるのみであるため、上限を0.5％とする。したがって、Ｖの添加範囲は0.05〜0.5％とする。

以上の成分組成を有する鋼材は、以下に示す各製造工程を経て軸受部品となる。各製造工程について、具体的に説明する。ここで、鋼材に浸炭窒化−焼入れを施すに先立ち、鋼材の組織を、フェライトと球状化炭化物からなるものに調整することが好ましい。すなわち、本発明が対象とする軸受素材は、通常、切断や成形鍛造が行われるため、硬度が低いことが要求される。そのため、浸炭窒化前の素材には、球状化焼鈍を施して、その組織をフェライトと球状化炭化物からなるものに調整することが好ましい。

［浸炭窒化−焼入れ処理］
浸炭窒化は、処理温度820〜900℃にて行うことが好ましい。浸炭窒化温度が820℃より
低いと、焼入れ時に内部まで十分に焼きが入らないことがあり、浸炭窒化層が薄くなることを避けるために、820℃以上で処理することが好ましい。一方、処理温度が900℃を超えると、炭化物がマルテンサイト中に固溶しすぎてマルテンサイトが脆くなり、転動疲労寿命が低下する、おそれがあるため、900℃以下とすることが好ましい。
浸炭窒化の処理時間は、120分以上とすることが好ましい。なぜなら、120分に満たない場合、浸炭窒化深さが不十分となり転動疲労試験結果のばらつきが大きくなるためである。

なお、浸炭窒化深さは、２mm以上とする。浸炭窒化深さが２mmに満たない場合、転動疲労寿命のばらつきが大きくなる。ここで、浸炭窒化深さは、浸炭窒化−焼入れ後の材料において表層から内部へ0.1mmピッチで硬さ測定を行い、浸炭による硬度上昇がなくなる深さまでを浸炭窒化深さとする。

また、浸炭窒化後の焼入れでは、組織をマルテンサイト＋炭化物とする。これは、このあとの工程の高温焼戻しで微細炭化物をラス境界などに析出させ易くするためである。

［高周波焼戻し］
浸炭窒化処理後は、高周波焼戻しによる短時間焼戻しを行う。通常の炉焼戻しではなく、高周波焼戻しを行う理由は、急速加熱することで母相中（浸炭窒化部分）に微細かつ均一に炭化物を生成させることができ、最終工程の高周波加熱における、旧オーステナイト粒の粗大化を抑制できるからである。さらに、高周波焼入れ層に炭化物が微細かつ均一に分散することにより、残留γ量を増加しても表層部で十分な硬度を確保できる。このときの焼戻し温度は、400℃以上Ａ_Ｃ１点（フェライト＋炭化物相からオーステナイトが生成し始める温度）以下とし、そのときの浸炭窒化層の硬さはビッカース硬さでHv500以下に調整することが好ましい。なお、急速加熱時の加熱時間は、60s以内であることが好ましい。高周波加熱後の冷却は、水冷、油冷、空冷など特に規定しない。

［成形加工］
高周波焼戻し後の鋼材は、軸受部品に成形する。該成形は、引抜きあるいは、鍛造、鍛伸および圧延などの加工によるが、その際歪みを加えることとする。この歪み導入により、引き続く高周波焼入れ工程において、旧オーステナイト粒が微細化する。この加工歪みについては、ビッカース硬さで管理するものとし、焼入れ表層部から0.5mm位置において、ビッカース硬さで20ポイント以上は上昇させることが肝要である。ビッカース硬さの上昇が20ポイントに満たない場合、高周波焼入れによって旧オーステナイト粒が十分に微細化しない。

［高周波焼入れ］
焼入れは高周波焼入れとする。通常の炉加熱では旧オーステナイト粒径が微細化しない。高周波加熱とすることで、急速加熱によりオーステナイトの核生成量が増加し、旧オーステナイト粒が微細化する。高周波焼入れの加熱温度は820℃〜900℃とする。すなわち、820℃に満たない場合、焼入れが不十分になることがあり、転動疲労寿命がばらつく場合がある。一方、900℃を超えて加熱した場合、旧オーステナイト粒径が粗大化し、白色組織起因の破壊が起こりやすくなり、転動疲労寿命が低下する、おそれがある。

また、高周波加熱時間は規定しないが、旧オーステナイト粒成長抑制の観点からは30s
以内であることが好ましい。高周波焼入れ回数についても特に限定はしない。回数を増やすことによって、旧オーステナイト粒径を均一化することはできるが、その転動疲労寿命向上への効果はさほどではない。ただし、焼入れ回数を増やすことで、焼割れの危険やコスト増加の問題が発生するため、２回以内とするのが好ましい。
焼入深さに関しては、ビッカース硬さでHv450以上となる焼入れ硬化層が、0.6mm以上であることが好ましい。焼入れ硬化層が0.6mmに満たない場合、転動疲労寿命が大幅に低下することがある。

［焼戻し］
高周波焼入れ後は焼戻しを行う。この焼戻し処理方法は、高周波加熱、炉加熱など特に規定はしないが、内部まで焼戻しを行うことを考え、炉加熱戻しを推奨する。なお、焼戻し条件については、用途に応じて適宜設定するものとするが、転動疲労特性以外にも圧壊特性なども要求されることから、ビッカース硬さで20ポイント〜80ポイント程度低下するように焼戻しを実施することとする。焼戻し後の表面硬さについては、ビッカース硬さでHv700以上とする。Hv700に満たない場合、転動疲労特性は大幅に低下する。

［残留γ量］
以上の工程を経て得た軸受部品では、その鋼組織中の残留γ量が20〜35％となる。すなわち、残留γ量は異物環境での転動疲労寿命向上に有効であり、その量が20％に満たないと十分な転動疲労寿命が得られない場合がある。一方、残留γ量が35％以上では硬化層部の硬さが十分に得られず、その結果、転動疲労寿命が劣化する場合がある。なお、残留γ量の測定は表層部で行う。すなわち、軸受部品に仕上た後の転動体転送部において、Ｘ線回折を行い、測定する。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
表１に示す化学組成の鋼を転炉−連続鋳造プロセスにより溶製し、サイズ300×400mmの鋳片を製造した。この鋳片を、ブレークダウン工程を経て150mm角ビレットに圧延したのち、1050℃に再加熱後、直径20mmの棒鋼に圧延した。

この棒鋼の中心部より、直径13.0mmおよび長さ300mmの粗試験片を採取した。粗加工試験片には、Rxガス、ブタンガス及びアンモニアガスの混合ガスの中にて860℃で１時間もしくは３時間の浸炭窒化−焼入れ処理を行い、浸炭窒化−焼入れ深さを変えた。この段階で試験片を切り出し、浸炭窒化深さをビッカース硬さ（表層寄り0.1mmピッチで測定）により測定した。

次に、高周波焼戻しに周波数４kHzの高周波焼入装置を使用し、加熱温度500℃で焼戻しを行った。比較として、通常の炉において500℃×10分で焼戻した試験片も作製した。この段階でも硬度測定用サンプルを切り出し、ビッカース硬さ（表層0.5mm位置を５点測定し平均値を算出）を測定した。
さらに、高周波焼戻し後に成形加工として、12.6mmもしくは12.3mmの径へ引抜く加工を行った。引抜き後の材料でも、ビッカース硬さ測定（表層0.5mm位置を５点測定し、平均値を算出）を行い、引抜き前後のビッカース硬さ向上代を計算した。
最後に、高周波焼入れは、周波数200kHzの高周波焼入装置を使用し、860℃に加熱後に焼入れる高周波焼入れを行った。その後、オイルバスを使用し170℃で80分間の焼戻しを行った。焼戻し後の試験片は、直径12.0mmおよび長さ22.0mmの円柱状試験片に仕上げた。
なお、比較として、浸炭窒化−焼入れ処理のみを行った試験片についても作製し仕上げた。

かくして得られた試験片を用いて転動疲労を測定した。転動疲労試験は、ＮＴＮ株式会社製の円筒型転動疲労試験機を使用し、ヘルツ応力4900MPa（500kgf／mm²）、試験体3／4inch鋼球（２球と接触）、応力負荷速度46240cpm、PBK＃68タービン油潤滑の条件で試験を実施した。
潤滑油中に異物として、Hv800程度並びに粒径74〜150μmの鉄粉を300ppm混入させて試験を行った。評価は、各作製条件について10回の転動疲労試験を行い、累積破損確率と転動寿命の関係をワイブルプロット紙で整理し、累積破損確率10％の寿命であるＢ₁₀寿命を求めた。得られたＢ₁₀寿命を、各鋼種の浸炭窒化−焼入れ処理のみとした試験片で得られたＢ₁₀（表２中の基準例のＢ₁₀）で割り、転動疲労寿命比（／基本熱処理のＢ₁₀）として評価した。

また、表面硬さおよび表面残留応力は、仕上げ加工後の試験片の表面にて測定を行った。該表面の旧オーステナイト粒については、仕上げ加工後の試験片を1/2長さ位置で切断し、旧オーステナイト粒界腐食液で腐食を行った後、表層から0.2mm位置で光学顕微鏡（1000倍、３視野）で撮影を行い、撮影写真において３等分する線を縦横に引いた後、その線が切断した粒界数から平均旧オーステナイト粒径を算出した（切断法）。
これらの測定結果を、表２、表３、表４に示す。なお、表における基準例とは、浸炭窒化−焼入れ処理のみを行った材料のことを表す。

Claims

質量％で
Ｃ：0.7％〜1.3％、
Si：0.1〜0.8％、
Mn：0.2〜1.2％、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.1％以下、
Cr：0.9％〜1.8％、
Ｎ：0.01％以下および
Ｏ：0.003％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる鋼材に、浸炭窒化深さが２mm以上となる浸炭窒化−焼入れ処理を行ったのち、高周波焼戻しを行い、その後の成形加工において、硬さの向上代がビッカース硬さで20ポイント以上の加工を少なくとも鋼材の表層部分に加えた後、該表層部分に、加熱温度：820〜900℃として高周波焼入れし、さらに焼戻しを行うことを特徴とする、異物環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法。
請求項１において、前記鋼材に、さらに質量％で
Ti：0.03％以下、
Mo：0.3％以下、
Cu：0.50％以下、
Ni：0.05〜0.50％、
Sb：0.003％以下、
Ｂ：0.003％以下、
Nb：0.01〜0.03％および
Ｖ：0.05〜0.5％
のうちから選ばれる１種もしくは２種以上を含有する異物環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法。
請求項１または２において、前記高周波焼入れ後の焼入表層部における旧オーステナイト粒径の平均値が３μm以下、当該部分での残留オーステナイト量が20〜35％である異物環境下での転動疲労寿命に優れた軸受部品の製造方法。