JP2012072429A

JP2012072429A - 軸受用鋼及びそれを用いた軸受部品

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Publication number: JP2012072429A
Application number: JP2010217340A
Authority: JP
Inventors: Takumi Kozuka; 巧小塚; Takeshi Udagawa; 毅志宇田川
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: JP5840833B2

Abstract

【課題】合金成分の含有量を低減すると共に製造工程における熱処理工程の短縮化を可能とし、生産性に優れ、低コストで、かつ要求される特性を有した軸受用鋼及びそれを用いた部品を提供する。
【解決手段】少なくとも油焼入れ又は水焼入れ及び焼き戻しを施して軸受部品を製造するための軸受用鋼である。質量％でＣ：０．５０％〜１．００％、Ｓｉ：０．５０％超〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０％〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．７０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、合金成分を低減することにより、生産性の向上及び低コスト化を実現すると共に省資源化に貢献することができる軸受用鋼及びそれを用いた軸受部品に関する。

軸受部品には、ＪＩＳＧ４８０５にて規定されたＳＵＪ２に代表される高炭素クロム軸受鋼が用いられることが多い。該高炭素クロム軸受鋼の特性は、Ｃ及びＣｒからなる炭化物の存在が大きい。そのため、上記高炭素クロム軸受鋼においては、軸受部品として必要な特性を得るために鋼材製造時のソーキングによる巨炭の生成回避及び部品製造時の球状化焼鈍による炭化物の球状化等の熱処理を行う必要がある。しかし、昨今の省エネルギー化、省資源化及び低コスト化の強い要望により、生産効率の低下及び製造費の増大の要因の１つである熱処理工程の短縮と、高価なＣｒの含有量低減が課題となっている。
熱処理工程を短縮する方法としては、球状化焼鈍の処理時間を短縮する方法（特許文献１参照）が提案されている。
また、Ｃｒの含有量を低減する方法としては、Ｂを添加し焼入性を確保する方法（特許文献２参照）が提案されている。

特開平２−５４７３９号公報特開２００９−２４２９１８号公報

ところで、上述した方法には以下の問題がある。
特許文献１の方法においては、球状化焼鈍の処理時間を短縮又は省略するにあたり、必要な焼入れ性を得るためにＣｒ及びＭｎの含有量を多くしてある。したがって、製造工程の短縮化は可能であるが、低合金化による省資源化及びコスト低減は困難である。
また、特許文献２の方法においては、Ｃ及びＣｒの含有量を抑えると共にＳｉ及びＭｏを所定の量、添加することにより転動疲労寿命を大幅に向上させることができる。さらに、焼入性を確保するために添加したＢが効果的に作用するようにＴｉを添加している。そのため、ＴｉがＮと結合しＴｉＮを形成することにより、転動疲労寿命が低下するおそれがあり、その場合には必要な特性を確保することができない。また、特許文献２に示す成分構成は、高周波焼入れを行うことを前提としており、油又は水焼入れを用いて製造を行う軸受部品には適用できない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、合金成分の含有量を低減すると共に製造工程における熱処理工程の短縮化を可能とし、生産性に優れ、低コストで、かつ要求される特性を備えた軸受用鋼及びそれを用いた軸受部品を提供しようとするものである。

第１の発明は、少なくとも油焼入れ又は水焼入れのいずれかと焼き戻しを施して軸受部品を製造するための軸受用鋼であって、
質量％でＣ：０．５０％〜１．００％、Ｓｉ：０．５０％超〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０％〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．７０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする軸受用鋼にある（請求項１）。

第２の発明は、少なくとも油焼入れ又は水焼入れのいずれかと焼き戻しを施して軸受部品を製造するための軸受用鋼であって、
質量％でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：０．５０超〜１．００％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする軸受用鋼にある（請求項２）。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明の軸受用鋼を用い、少なくとも油焼入れ又は水焼入れのいずれかと焼き戻しを施して製造した軸受部品にある（請求項３）。

本発明の軸受用鋼及びこれを用いた軸受部品は、生産性に優れると共に、コストを低減し、かつＳＵＪ２相当の高炭素クロム軸受鋼と同等以上の特性が得られるように、鋼を構成する化学成分等の条件について鋭意検討を重ね、その条件を明確にしたものである。

第１の発明の軸受用鋼においては、Ｃｒの含有量を低減することによる焼入れ性不足を、Ｂを含有することで改善し、高炭素クロム軸受鋼と同等の焼入れ性を確保してある。また、Ｂの焼入れ性向上効果を有効に活用するため、Ｎと結合させる元素として、Ａｌを添加している。それにより、微細なＡｌＮを析出させ転動疲労寿命への影響を低減させた。また、Ｏの含有量を低減することでＡｌ₂Ｏ₃の析出量を低減させることにより転動疲労寿命を確保した。

このように、上述の条件を満足することにより、Ｃｒの含有量を低減することが可能となる。また、Ｃｒの含有量低減に伴い、炭化物の生成量が減少するため、ソーキングの処理時間については、従来鋼（ＳＵＪ２）よりも短縮することができ、例えば、処理時間を２分の１以下に短縮できる場合もある。また、球状化焼鈍の処理時間についても、従来鋼（ＳＵＪ２）よりも短縮することができ、処理時間を２分の１以下に短縮することができる場合もある。それゆえ、低合金化、省資源化及び省エネルギー化を可能とし、軸受用鋼のコスト低減及び製造効率の向上を図ることができる。

第２の発明においては、第１の発明に対してＣ、Ｓｉ及びＣｒの含有量を、Ｃ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：０．５０超〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％とし、それぞれの上限値を低減してある。

そのため、Ｃ及びＣｒの最大含有量が低減し、炭化物の生成量を更に減少させることができる。それにより、ソーキングの処理時間については、従来鋼（ＳＵＪ２）よりも短縮することができ、例えば、処理時間を４分の１以下に短縮できる場合もある。また、球状化焼鈍処理については、省略することができる。この、球状化焼鈍の省略を実施するために、球状化焼鈍の省略による硬度の向上及び加工性（特に切削性）の悪化を防止すべく、Ｓｉの最大含有量を低減し、加工性を確保している。それゆえ、さらなる低合金化、省資源化及び省エネルギー化を可能とし、軸受用鋼のコスト低減及び製造効率の向上を図ることができる。

第３の発明は、上述した第１の発明又は第２の発明に示す軸受用鋼からなる軸受部品である。
したがって、上記の優れた軸受鋼を用いること低コストで、かつ要求される特性を備えた軸受用部品を生産することができる。

上述したごとく、本発明によれば、合金成分の含有量を低減すると共に製造工程における熱処理工程の短縮化を可能とし、生産性に優れ、低コストで、かつ要求される特性を備えた軸受用鋼及びそれを用いた部品を提供することができる。

実施例１における、森式スラスト型転動疲労試験機を示す説明図。実施例１における、転動疲労寿命試験結果の一例を示すグラフ図。実施例１における、ジョミニー試験結果の一例を示すグラフ図

第１の発明の化学成分は、質量％でＣ：０．５０〜１．００％、Ｓｉ：０．５０超〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．７０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる。

Ｃ：０．５０〜１．００質量％
Ｃは、転動疲労寿命を得るのに必須の元素である。Ｃの含有によって、マルテンサイトを固溶強化し、焼入れ及び焼戻しを行った後の硬度を向上させることができ、転動疲労寿命を向上させることができる。Ｃの含有量が０．５０質量％未満では上述した効果が得られにくい。また、Ｃを多量に添加すると、炭化物が粗大化し、部分的に強度が低下するおそれがあるためＣ含有量の上限を１．００質量％とする。

Ｓｉ：０．５０超〜１．５０質量％
Ｓｉは、脱酸効果を有すると共に、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上する元素である。そのため、Ｓｉの含有により、焼戻し後の硬度を高めることができ、転動疲労寿命が向上する。Ｓｉの含有量が０．５０質量％以下では上述した効果が得られにくい。また、Ｓｉを多量に添加すると加工性が低下するため、Ｓｉ含有量の上限を１．５０質量％とする。

Ｍｎ：０．４０〜１．００質量％
Ｍｎは、焼入れ性を向上させると共に、脱酸及び脱硫元素であり、鋼の低酸素化に対して有効な元素である。Ｍｎの含有量が０．４０質量％未満では必要とする焼入れ性が得られにくい。また、Ｍｎを多量に添加すると加工性が低下するため、Ｍｎ含有量の上限を１．００質量％とする。

Ｃｒ：０．０１〜０．７０質量％
Ｃｒは、炭化物を安定化させ、焼入れ性を向上させる元素である。Ｃｒの含有量が０．０１質量％未満では、添加による効果が得られにくい。また、Ｃｒを多量に添加するとコストの上昇を招くため、上限は０．７０質量％とする。
尚、本発明に示す軸受用鋼は、ＳＵＪ２相当の高炭素クロム軸受鋼に比べ、Ｃｒの含有量を低減してある。それにより、コストを低減することができる。

Ｂ：０．０００５〜０．００５０質量％
Ｂは、上記軸受用鋼中に固溶することで、焼入れ性を著しく向上させる元素である。Ｂの含有量が０．０００５質量％未満では、添加による効果が得られにくい。また、Ｂの含有量が、０．００５０質量％を超えると焼入れ性の向上効果が飽和してしまうため、その上限を０．００５０質量％とする。

Ａｌ：０．１超〜０．３質量％
Ａｌは、脱酸効果を有すると共に、上記軸受用鋼中のＮと結合しやすいため、ＢとＮが結合することを抑制して、Ｂの焼入れ性向上効果の低減を防止する。ＡｌとＮが結合して形成されるＡｌＮは、微細であり転動疲労寿命へ悪影響を及ぼしにくい。Ａｌの含有量が、０．１％以下では上述した効果が表れにくい。また、Ａｌの含有量が０．３％を超えるとＡｌＮが粗大化し、転動疲労寿命を低下させてしまうため、その上限を０．３質量％とする。

Ｎ：１５０質量ｐｐｍ以下
Ｎは、上述したごとく、Ａｌと結合し結晶粒が微細なＡｌＮを形成する。Ｎの含有量が多量となると、ＡｌＮが粗大化し、転動疲労寿命が低下する。そのため、Ｎの含有量の上限は、１５０質量ｐｐｍ以下とする。

Ｏ：１５質量ｐｐｍ以下
Ｏは、Ａｌと結びついてＡｌ₂Ｏ₃となる。Ｏの含有量が多量となると、Ａｌ₂Ｏ₃が粗大化し、転動疲労寿命が低下する。そのため、Ｏの含有量の上限は、１５質量ｐｐｍとする。

第２の発明の化学成分は、質量％でＣ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：０．５０超〜１．００％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる。
尚、Ｃ、Ｓｉ及びＣｒ以外の化学成分の含有量について、その決定理由は、上述した第１の発明の内容と同様である。

Ｃ：０．５０〜０．７０質量％
上述したごとく、Ｃは、転動疲労寿命を得るのに必須の元素である。Ｃの含有によって、マルテンサイトを固溶強化し、焼入れ及び焼戻しを行った後の硬度を向上させることができ、転動疲労寿命を向上させることができる。Ｃの含有量が０．５０質量％未満では上述した効果が得られにくい。また、第２の発明においては、炭化物の生成量を低減して、球状化焼鈍処理を省略するために、Ｃの含有量の上限を低減して０．７０質量％とする。

Ｓｉ：０．５０超〜１．００質量％
上述したごとく、Ｓｉは、脱酸効果を有すると共に、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上する元素である。そのため、Ｓｉの含有により、焼戻し後の硬度を高めることができ、転動疲労寿命が向上する。Ｓｉの含有量が０．５０質量％以下では上述した効果が得られにくい。また、球状化焼鈍の省略による硬度の向上及び加工性（特に切削性）の悪化を防止すべく、Ｓｉの最大含有量を低減し、加工性を確保する必要がある。したがって、Ｓｉの含有量の上限を低減して１．００質量％とする。

Ｃｒ：０．０１〜０．５０質量％
上述したごとく、Ｃｒは、炭化物を安定化させ、焼入れ性を向上させる元素である。Ｃｒの含有量が０．０１質量％未満では、添加による効果が得られにくい。また、炭化物の生成量低減のため、Ｃｒの含有量の上限を低減して０．５０質量％とする。

（実施例１）
本例は、本発明の実施例にかかる軸受用鋼及び軸受部品について説明する。
本例では、本発明の発明鋼として、表１の試料１〜試料４に示す組成の鋼を作製した。また、試料５は、従来鋼であるＳＵＪ２を示し、試料６〜試料１４は、比較鋼として同表に示す組成の鋼を作製した。

試料１〜試料１４は、鋳造により形成された鋳片における、巨炭の生成を回避するために雰囲気温度１２５０℃にてソーキングを行った。尚、ソーキング処理時間は、表１に示すごとく、試料１〜試料３、試料６〜試料１１及び試料１３は３ｈｒ、試料４は６ｈｒ、試料５は１２ｈｒとした。ソーキング処理後、鍛伸加工によって、φ４５ｍｍの丸棒を製造し、表１に示すごとく、焼きならし又は球状化焼鈍のいずれかの熱処理を行った後、焼入れ及び焼戻し処理を行い作製した。

焼きならしは、８５０℃×３０ｍｉｎで加熱保持後、空冷するという条件にて行った。また、球状化焼鈍については、以下の２つの条件のいずれかで行った。球状化焼鈍Ａの条件は、通常の球状化焼鈍において用いられるものであり、７８０℃×６ｈｒで加熱保持後、−１５℃／ｈｒで７２０℃まで冷却する。そして、７２０℃×６ｈｒで加熱保持後、−１５℃／ｈｒで６７０℃まで冷却した後、空冷するという条件である。また、球状化焼鈍Ｂの条件は、７８０℃×３ｈｒ保持後、−１５℃／ｈｒで６７０℃まで冷却した後、空冷を行うという条件である。球状化焼鈍条件Ｂの加熱保持時間は、球状化焼鈍条件Ａに対して１／４に短縮してある。また、焼入れは、８４０℃×３０ｍｉｎで加熱保持後、８０℃の油により冷却する条件で行い、焼戻しは、１６０℃×１ｈｒで保持後、空冷するという条件で行った。

表１に示すごとく、試料１〜試料３、試料６〜試料１１及び試料１３は、球状化焼鈍を省略し、上述した条件によって焼きならしを行った。また、試料５（ＳＵＪ２）は、球状化焼鈍Ａの条件により球状化焼鈍を行った。また、試料４、試料１２及び試料１４は、加熱保持時間を短縮した条件である球状化焼鈍Ｂの条件により球状化焼鈍を行った。

＜転動疲労寿命＞
転動疲労寿命の試験は、図１に示すごとく、直径Ｄがφ６０ｍｍ、厚さｔが１０ｍｍの円盤状の試験片Ｐを作製し、森式スラスト型転動疲労試験機１０により行った。試験方法は、同図に示すごとく、荷重軸１４により、荷重Ｆを付与して試験片Ｐの上面を球体１３に押し当てつつ、回転軸１１を回転させることにより、球体１３を試験片Ｐの上面で転動させた。そして、試験片Ｐの上面に破損が生じた際の応力繰り返し数（回）を計測した。尚、本例においては、最大接触面圧を５．３ＧＰａとし、回転速度を１５００ｃｐｍとした。

転動疲労寿命試験には、試料１〜試料１４において、それぞれ試験片を１０個作製し、試料が破損した応力繰り返し数（回）を計測した。そして、該応力繰り返し数（回）は、ワイブル分布に従うものとして、図２のグラフ上にプロットした。同図は転動疲労寿命試験の試験結果の一例を示す対数グラフであり、横軸を応力繰り返し数（回）として、縦軸を累積破損確率（％）とした。尚、実線Ｘ１は比較する試料Ｚ（試料１〜試料１４のいずれか）の試験結果を、実線Ｙ１は試料５（ＳＵＪ２）の試験結果をそれぞれ示すものである。

転動疲労寿命の評価は、ＳＵＪ２（試料５）との比較により行い、図２に示す実線Ｙ１から求めたＳＵＪ２の累積破損率１０％における応力繰り返し数ｎ_５（回）に対して、実線Ｘ１から求めた比較する試料Ｚ（試料１〜試料１４のいずれか）の累積破損率１０％における応力繰り返し数ｎ_Ｚ（回）が１倍以上であれば、寿命が確保されているものとした。

転動疲労寿命試験の結果、表２に示すごとく、発明鋼である試料１〜試料４及び比較鋼である試料８〜試料１１はＳＵＪ２と同等以上の転動疲労強度を有していることが明らかとなった。

（表２）

＜焼入れ性＞
焼入れ性の試験は、ＪＩＳＧ０５６１規格に準拠してジョミニー試験により行った。図３には、ジョミニー試験結果の一例を示し、縦軸をロックウェル硬さ（ＨＲＣ）として、横軸を表層からの距離（／１６ｉｎｃｈ）とした。試料１〜試料１４において、ジョミニー試験の結果より、ロックウェル硬さがＨＲＣ６０となる表層からの距離を求めた。尚、実線Ｘ２は比較する試料Ｚ（試料１〜試料１４のいずれか）の試験結果を、実線Ｙ２は試料５（ＳＵＪ２）の試験結果をそれぞれ示すものである。

焼入れ性の評価は、ＳＵＪ２（試料５）との比較により行い、実線Ｙ２から求めたＳＵＪ２のロックウェル硬さがＨＲＣ６０となる表層からの距離Ｌ_５に対して、実線Ｘ２から求めた比較する試料Ｚ（試料１〜試料１４のいずれか）のロックウェル硬さがＨＲＣ６０となる表層からの距離Ｌ_Ｚが１倍以上であれば要求される焼入れ性を有しているものとした。

上述した焼入れ性の評価の結果、表２に示すごとく、発明鋼である試料１〜試料４及び比較鋼である試料６、試料７及び試料１２〜試料１４は、ＳＵＪ２と同等以上の焼入れ性を有していることが明らかとなった。

＜硬さ＞
硬さ試験は、ロックウェル硬さ試験により行った。上述したごとく作製した試料１〜試料１４の試験片において、その表面のロックウェル硬さを測定した。
硬さの評価は、試験片表面におけるロックウェル硬さがＨＲＣ６０以上であれば要求される硬さを有しているものとした。

上述した硬さ評価の結果、表２に示すごとく、発明鋼である試料１〜試料４及び比較鋼である試料７〜試料１１及び試料１３は、ＳＵＪ２と同等の硬度を有していることが明らかとなった。

上述したごとく、発明鋼である試料１〜試料４は、従来鋼であるＳＵＪ２に対してＣ及びＣｒの含有量を低減している。また、ＳＵＪ２に対して、ソーキングの処理時間を短縮すると共に、球状化焼鈍の処理時間も短縮又は省略してある。それに加え、軸受用鋼に要求される特性である転動疲労寿命、焼入れ性及び硬さは、ＳＵＪ２と同等以上の性能を有している。
このように、本発明によれば、合金成分の含有量を低減すると共に製造工程における熱処理工程の短縮化を可能とし、生産性に優れ、低コストで、かつ要求される特性を備えた軸受用鋼及びそれを用いた軸受部品を提供することができる。

Claims

少なくとも油焼入れ又は水焼入れ及び焼き戻しを施して軸受部品を製造するための軸受用鋼であって、
質量％でＣ：０．５０％〜１．００％、Ｓｉ：０．５０％超〜１．５０％、Ｍｎ：０．４０％〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．７０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする軸受用鋼。
少なくとも油焼入れ又は水焼入れ及び焼き戻しを施して軸受部品を製造するための軸受用鋼であって、
質量％でＣ：０．５０％〜０．７０％、Ｓｉ：０．５０％超〜１．００％、Ｍｎ：０．４０％〜１．００％、Ｃｒ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ａｌ：０．１０超〜０．３０％、Ｎ：１５０ｐｐｍ以下、Ｏ：１５ｐｐｍ以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする軸受用鋼。
請求項１又は２に記載の軸受用鋼を用い少なくとも油焼入れ又は水焼入れ及び焼き戻しを施して製造した軸受部品。