JP2013537586A

JP2013537586A - 高炭素クロム軸受鋼及びその製造方法

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Publication number: JP2013537586A
Application number: JP2013523096A
Authority: JP
Inventors: クワン−ホキム、
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-10-03
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: EP2602349A4; CN103201399A; US20130139991A1; WO2012018239A3; JP6038026B2; KR20120013710A; EP2602349B1; US9062359B2; CN103201399B; EP2602349A2; KR101271899B1; WO2012018239A2

Abstract

本発明は、軸受鋼鋳造時の偏析を最小化し、偏析帯における巨大炭化物の生成を低減させて疲労寿命に優れた軸受鋼を提供するためのもので、重量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：０．１５〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｐ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｓ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｃｒ：０．１〜１．６％、Ｃｅ：０．０１〜０．３％、残りはＦｅ及び不可避な不純物を含む高炭素クロム軸受鋼及びこれを製造する方法を提供する。

Description

本発明は軸受鋼に関し、より詳細には鋳造材の偏析帯を微細化して偏析発生を減少させることで、軸受素材の疲労寿命を向上させることができる高炭素クロム軸受鋼及びその製造方法に関する。

通常、軸受鋼は、転炉または電気炉で製鋼した後ラドル内で強還元性雰囲気を保持しながら精錬して非金属介在物の量を減少させ、真空脱ガス工程を経て酸素含量（Ｔ［Ｏ］）を１２ｐｐｍ以下まで低めた状態で精錬してから鋳造工程で鋳片や鋼塊に凝固させた後、素材に存在する偏析と巨大炭化物を除去するために亀裂拡散処理（Ｓｏａｋｉｎｇ）を施し、ビレットに圧延する。その後、圧延工場で素材を軟化させるために、極徐冷操業を施して軸受鋼の線材または棒材に生産され、生産された素材は球状化熱処理（Ｓｐｈｅｒｏｉｄｉｚｉｎｇａｎｎｅａｌｉｎｇ）を経て軸受の転動体である玉やローラーまたは内外輪に加工される。そして、硬化熱処理として焼き入れ及び焼き戻し処理をした後、研磨工程を経て最終製品である軸受に生産される。

上記のように、鋳造工程により生産された軸受鋼は、通常、高炭素高クロム含有により素材における偏析及び巨大炭化物の生成が避けられないと認識されている。即ち、凝固時に、固相と液相の間には溶質元素の溶解度に差があり、固液界面の先端に溶質原子が排出されて濃化される。これは樹脂状晶間の微細偏析の発生に繋がる。このような樹脂状晶間の微細偏析は、凝固完了時に素材の中心部に発生する凝固収縮孔の内部に吸入されて多量の中心偏析を誘発する。これにより、素材の中心偏析帯に巨大炭化物が生成される。該巨大炭化物は、疲労試験及び実際の使用中に、これを基点とする早期疲労破断の原因となって軸受剥離（ｆｌａｋｉｎｇ）現象を誘発する。図１は収縮孔の内部に生成された巨大炭化物を示し、収縮孔の一部が充填されずに残っていることが分かる。

軸受鋼の機械的性質に最も悪影響を及ぼす鋳造材偏析帯の巨大炭化物を除去する従来技術には、鋳造時に軽圧下を施し、収縮孔の内部に微細偏析が吸入されることを防止する方法、及び鋳造後に１０００℃以上の高温で亀裂拡散処理（ｓｏａｋｉｎｇ）を施し、中心偏析及び巨大炭化物を拡散させて除去する方法がある。

また、特許文献１には、垂直型連続鋳造操業時に１０〜１００ｍｍの軽圧下を施し、軸受鋼における偏析を減少させる方法が提示されており、特許文献２には、偏析を制御するために、凝固部分にロール（ｒｏｌｌ）を設けて軽圧下を施す技術が提示されているなど、設備により偏析発生を制御するために多くの方法が試みられてきた。

特許文献３には、鋳片を軽圧下で圧延し、分塊圧延する前に、１１５０〜１２５０℃で２〜５時間亀裂拡散処理（ｓｏａｋｉｎｇ）して巨大炭化物を除去する技術が提示されており、特許文献４には、Ｐ濃度が０．００２〜０．００９質量％の鋼を用い、１１５０〜１２６０℃で２時間未満保持して巨大炭化物を抑制する技術が提示されており、特許文献５には、１０５０℃以上の高温で１〜４時間保持して巨大炭化物を縮小または拡散消滅させた高炭素クロム軸受鋼に関する技術が提示されている。

しかし、現在の技術では、鋳造時に軽圧下により偏析及び巨大炭化物生成を完全に防止することが不可能であるため、鋳造後の亀裂拡散処理が必須である。なお、巨大炭化物の形成を抑制するために、鋳造された素材を炭化物の発生温度である約１１５０℃以上で、数〜十数時間保持して亀裂拡散処理するのは、エネルギー消耗が多すぎる上、加熱保持中に素材の表層で脱炭が過度に行われるため、鋼片圧延する前にホットスカーフ（ｈｏｔｓｃａｒｆｉｎｇ）しなければならず、これにより、実収率も低下する。

従って、軸受鋼鋳造材の偏析帯の巨大炭化物は、樹脂状晶間の微細偏析が偏析に発展して生成されるものであるため、これを根本的に解決するための技術が要求されている。

特開１９９６−１３２２０５号公報特開１９９４−２４８３０２号公報特開１９９５−２９９５５０号公報特開２００６−０１６６８３号公報特開２００９−１２７１１３号公報

本発明の一側面は、偏析発生を減少し、偏析帯における巨大炭化物の生成を抑制させ、疲労寿命に優れた軸受鋼及びその製造方法を提供する。

本発明は、重量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：０．１５〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｐ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｓ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｃｒ：０．１〜１．６％、Ｃｅ：０．０１〜０．３％、残りはＦｅ及び不可避な不純物を含む高炭素クロム軸受鋼を提供する。

また、本発明は、溶銑を精錬した後鋳造して軸受鋼を製造する方法において、接種剤としてＣｅ化合物を利用して軸受鋼を製造する高炭素クロム軸受鋼の製造方法を提供する。

本発明によると、既存の軸受鋼の代りに、Ｍｎの添加を減らすことができ、別途の亀裂熱処理をしないため、経済性を高めることができ、偏析帯で等軸晶結晶粒の微細化を図って偏析の発生を低減し、巨大炭化物の大きさを著しく減少させて疲労寿命に優れた軸受鋼を提供することができる。

収縮孔の内部に形成された巨大炭化物の微細組織を示す写真である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ比較例と発明例２の偏析帯の等軸晶微細組織を示す写真である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ比較例と発明例２の偏析帯の等軸晶結晶粒の大きさ分布を示すグラフである。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ比較例と発明例２の偏析帯の電子探針微細分析（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＸ−ｒａｙＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｉｓ）の結果である。発明例２のオーステナイト結晶粒の間の三重点（ｔｒｉｐｌｅｊｕｎｃｔｉｏｎ）で観察したＣｅＯ_２酸化物の写真である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ比較例と発明例２の偏析帯内の巨大炭化物の微細組織を示す写真である。

以下では、本発明について詳しく説明する。

本発明者は、軸受鋼鋳造時の偏析を最小化し、偏析帯における巨大炭化物の生成を低減させて疲労寿命に優れた軸受鋼を得るためには、鋳造時に偏析が発生する可能性のある偏析帯に微細な等軸晶を多量形成させる方法が効果的であることを見出して本発明に至った。

本発明において、偏析帯とは、鋳造により鋳造材で偏析が発生する可能性のある部位を意味し、鋳造の種類、同一鋳造であっても工程により相違する。例えば、インゴット鋳造時には、インゴットの頂点部分に偏析帯が形成され、連続鋳造時には、鋳造材の中心部に偏析帯が形成される。

本発明者は、鋳造された軸受鋼の微細な等軸晶を多量形成するために、接種剤（ｉｎｏｃｕｌａｎｔ）を利用する方案を考案した。上記接種剤は、不均一な核生成を促すもので、接種剤中の特定成分が速かに凝固相と格子不一致（ＬａｔｔｉｃｅＭｉｓｆｉｔ）の少ない化合物や析出物を形成し、該化合物や析出物は、固液界面の界面エネルギーの増加を最小化し、不均一な核生成を促す。これにより、微細な等軸晶の形成を促す。

このような接種剤としては、オーステナイトと格子不一致の小さい化合物や析出物であることが好ましく、ＡｌＣｅＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_２Ｓ、ＣｅＳ、Ｃｅ_２Ｓ_３、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などを使用することができ、ＣｅＯ_２やＣｅ_２Ｏ_３が好ましい。オーステナイトとの格子不一致はＣｅＯ_２が６．７％であるが、Ｃｅ_２Ｏ_３は１１．０％であるため、軸受鋼の鋳造時に微細な等軸晶の形成を促すための接種剤としてはＣｅＯ_２がより好ましい。

以下、本発明の軸受鋼の組成に対して詳しく説明する（重量％）。

炭素（Ｃ）：０．５〜１．２％
炭素は軸受鋼の強度を確保する極めて重要な元素である。炭素の含量が低いと、軸受の強度と疲労強度が低くて軸受部品に相応しくないため、炭素の含量は０．５％以上添加することが好ましい。一方、炭素の含量が高すぎると、溶解されない巨大炭化物が残存して疲労強度を低下させるだけでなく、焼き入れ前の加工性が低下するため、上記炭素含量の上限は１．２％にすることが好ましい。

ケイ素（Ｓｉ）：０．１５〜２．０％
ケイ素は硬化能に影響を与える元素であって、その含量が低すぎると、硬化能に問題が生じることがあるため、０．１５％以上添加することが好ましい。但し、ケイ素の含量が高すぎると、炭素との位置競争反応により脱炭が起きる恐れがあり、炭素と同様に焼き入れ前の加工性が低下するだけでなく、偏析が増加するため、上記ケイ素含量の上限は２．０％にすることが好ましい。

マンガン（Ｍｎ）：０．０５〜０．４５％
マンガンは鋼の焼き入れ性を改善して強度を確保するのに重要な元素であって、その含量は０．０５％以上であることが好ましい。但し、マンガンの含量が高すぎると、焼き入れ前の加工性が低下するだけでなく、偏析及び疲労寿命に悪影響を及ぼすＭｎＳの析出が増加するため、上記マンガンの含量は０．４５％以下にすることが好ましい。

リン（Ｐ）：０．０２５％以下（０は除く）
リンは結晶粒系に偏析されて鋼材の靭性を低下させる元素である。よって、その含量を積極的に制限することが好ましい。製鋼過程などの負荷を考慮すると、その含量を０．０２５％以下に制限することが好ましい。

硫黄（Ｓ）：０．０２５％以下（０は除く）
硫黄は鋼の被削性を高める作用をするが、リンと同様に粒界に偏析されて靭性を低下させるだけでなく、マンガンと結合してＭｎＳ硫化物を形成することで、疲労寿命を低下させる悪影響を及ぼすため、その含量を制限することが好ましい。従って、製鋼過程などの負荷を考慮すると、その含量は０．０２５％以下にすることが好ましい。

クロム（Ｃｒ）：０．１〜１．６％
クロムは鋼の焼き入れ性を改善して硬化能を付与し、鋼の組織を微細化するのに効果的な元素であるため、０．１％以上添加することが好ましい。しかし、クロムの含量が多すぎると、その効果が飽和するため、その含量を１．６％以下にすることが好ましい。

セリウム（Ｃｅ）：０．０１〜０．３％
セリウムは接種剤として作用するために添加され、鋼の組織を微細化するのに効果的な元素であるため、０．０１％以上添加することが好ましい。しかし、セリウムの含量が多すぎると、製鋼工程の安全性がかなり低下し、酸化物の形成が急激に進行されて等軸晶形成促進効果が飽和するため、上記セリウムの含量は０．３％以下にすることが好ましい。

上記組成以外の残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなる。但し、上記組成に制限されず、上記組成以外に他の組成を含んでもよい。

上述のように、上記Ｃｅは本発明の軸受鋼の製造時にＣｅ化合物を形成し、オーステナイト結晶粒が不均一核生成されるようにする接種剤として作用する。上記Ｃｅ化合物は、Ｃｅ酸化物、Ｃｅ炭化物、Ｃｅ窒化物、Ｃｅ硫化物などであってもよく、具体的には、ＡｌＣｅＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_２Ｓ、ＣｅＳ及びＣｅ_２Ｓ_３などであってもよい。中でも、ＣｅＯ_２またはＣｅ_２Ｏ_３が好ましく、ＣｅＯ_２であることがより好ましい。

上記Ｃｅ化合物は、上記鋳造による鋳造組織と格子不一致（ＬａｔｔｉｃｅＭｉｓｆｉｔ）が１５％以下であることが好ましい。上記格子不一致が１５％を超えると、Ｃｅ化合物を基点とするオーステナイト結晶粒の不均一核生成が困難となり、等軸晶の微細化効果が期待できないため、鋳造組織との格子不一致が１５％以下であることが好ましい。

上記Ｃｅ化合物がオーステナイト結晶粒の不均一核生成サイトとして作用するためには球形であることが好ましく、その平均粒径は２０μｍ以下であることが好ましい。また、上記Ｃｅ化合物は５〜２００個／ｍｍ^２で均一に分布されていることが好ましい。

上記Ｃｅ化合物の平均粒径が２０μｍを超えると、オーステナイト結晶粒の不均一核生成サイトとしての接種剤効果が僅かである。また、Ｃｅ化合物の個数が５個／ｍｍ^２未満であれば、生成された等軸晶が微細化せずに粗大化し、その個数が２００個／ｍｍ^２を超えると、その効果が重なって飽和するため、その個数を２００個／ｍｍ^２以下にすることが好ましい。

以下、本発明の軸受鋼の製造方法に対して詳しく説明する。

本発明の軸受鋼は、溶銑を精錬した後鋳造して製造する方法において、接種剤としてＣｅ化合物を利用して製造する。上記Ｃｅ化合物は、軸受鋼の製造時に接種剤として作用し、不均一核生成を通じてオーステナイト結晶粒が微細化される。

本発明は、上記溶銑の精錬時にＣｅを含む化合物を投入し、重量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：０．１５〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｐ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｓ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｃｒ：０．１〜１．６％、Ｃｅ：０．０１〜０．３％、残りはＦｅ及び不可避な不純物を含む溶鋼を製造する。

上記Ｃｅを含む化合物は、上記接種剤として説明したＣｅ化合物とは区別される。上記Ｃｅを含む化合物は、接種剤として作用するＣｅ化合物、具体的には、Ｃｅ酸化物、Ｃｅ炭化物、Ｃｅ窒化物、Ｃｅ硫化物などであってもよく、精錬中に投入され、反応を通じて上記Ｃｅ化合物を形成することができる物質まで含む。このような物質は種類が多様であり、具体的な一例としては、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｅ系合金鉄を挙げることができる。また、上記Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｅ系合金鉄もその含量によって多様にできる。

上記組成を満たす溶鋼を鋳造する段階を含む。上記鋳造は通常の軸受鋼の製造方法で行われ、その方法は特に限定されない。通常、適用されるインゴット鋳造（ＩｎｇｏｔＣａｓｔｉｎｇ）方法と連続鋳造（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣａｓｔｉｎｇ）方法を全て適用することができる。

以下では、本発明の実施例に対して詳しく説明する。

（実施例）
下記表１の組成を満たす軸受鋼を鋳造した。上記鋳造は通常の連続鋳造方法で行った。比較例は従来最も多く使用される軸受鋼で、発明例１〜３は比較例に比べてＭｎの含量を減らし、Ｃｅを添加したもので、Ｍｎは偏析及びＭｎＳ析出量を減少させるために少量添加した。

上記比較例と発明例２の鋳造材偏析帯の等軸晶微細組織を観察し、それぞれ図２の（ａ）及び（ｂ）に示した。図２の（ａ）と（ｂ）を比較すると、比較例より発明例２で等軸晶組織がさらに微細であることが分かる。

一方、上記比較例と発明例２の等軸晶結晶粒の大きさ分布を観察し、その結果をそれぞれ図３の（ａ）及び（ｂ）に示した。図３の（ａ）の比較例は、凝固組織の等軸晶結晶粒の平均大きさが約４９６μｍであるが、図３の（ｂ）の発明例２では、等軸晶結晶粒の平均大きさが約３２５μｍと遥かに微細であることが分かる。

Ｃｅの添加による軸受鋼鋳造材偏析帯の等軸晶結晶粒微細化効果が偏析の低減により現れることを確認するために、比較例と発明例２の各合金元素の分布様相を分析する電子探針微小分析（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＸ−ｒａｙＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｉｓ）を行い、その結果をそれぞれ図４の（ａ）及び（ｂ）に示した。図４の（ａ）の結果から分かるように、比較例ではＭｎ、Ｃｒ、Ｃの偏析が酷く、図４の（ｂ）に示した発明例２では、比較例に比べて偏析が遥かに低減することが分かる。

上記のように、添加されたＣｅが溶鋼内で化合物を形成してオーステナイト結晶粒が不均一核生成されるようにする接種剤の役割をするため、等軸晶結晶粒微細化効果とこれを通じた偏析の低減効果が得られる。上記発明例２においてオーステナイト結晶粒の間の三重点（ｔｒｉｐｌｅｊｕｎｃｔｉｏｎ）で観察されたＣｅＯ_２酸化物を観察して図５に示した。

また、Ｃｅの添加による等軸晶結晶粒微細化と偏析低減により、鋳造材偏析帯で巨大炭化物の生成が大きく減少した。図６の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ比較例と発明例２における偏析帯で巨大炭化物微細組織を観察した写真であり、図６の（ａ）に示したように、比較例では約１２５μｍの巨大炭化物が観察されたが、図６の（ｂ）に示した発明例２では約４３μｍの巨大炭化物が観察された。

Claims

重量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：０．１５〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｐ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｓ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｃｒ：０．１〜１．６％、Ｃｅ：０．０１〜０．３％、残りはＦｅ及び不可避な不純物を含む高炭素クロム軸受鋼。
前記軸受鋼は接種剤を含み、前記接種剤としてＣｅ化合物を含む請求項１に記載の高炭素クロム軸受鋼。
前記Ｃｅ化合物はＣｅ酸化物、Ｃｅ窒化物及びＣｅ炭化物からなる群から選択された１種以上である請求項２に記載の高炭素クロム軸受鋼。
前記Ｃｅ化合物はＡｌＣｅＯ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_２Ｓ、Ｃｅ_２Ｓ_３、ＣｅＳ、Ｃｅ_２Ｏ_３及びＣｅＯ_２からなる群から選択された１種以上である請求項２に記載の高炭素クロム軸受鋼。
前記Ｃｅ化合物は、前記軸受鋼の鋳造組織と格子不一致（ＬａｔｔｉｃｅＭｉｓｆｉｔ）が１５％以下である請求項２に記載の高炭素クロム軸受鋼。
前記Ｃｅ化合物は球形であり、平均粒径が２０μｍ以下である請求項２に記載の高炭素クロム軸受鋼。
前記Ｃｅ化合物は、１ｍｍ^２当たりに５〜２００個の分布で分散している請求項２に記載の高炭素クロム軸受鋼。
溶銑を精錬した後鋳造して軸受鋼を製造する方法において、
接種剤としてＣｅ化合物を利用して軸受鋼を製造する高炭素クロム軸受鋼の製造方法。
前記精錬時にＣｅを含む化合物を投入し、重量％で、Ｃ：０．５〜１．２％、Ｓｉ：０．１５〜２．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．４５％、Ｐ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｓ：０．０２５％以下（０は除く）、Ｃｒ：０．１〜１．６％、Ｃｅ：０．０１〜０．３％、残りはＦｅ及び不可避な不純物を含む溶鋼を製造する段階と、
前記溶鋼を鋳造する段階と、を含む請求項８に記載の高炭素クロム軸受鋼の製造方法。
前記Ｃｅを含む化合物はＣｅ酸化物、Ｃｅ窒化物、Ｃｅ炭化物及びＦｅ−Ａｌ−Ｃｅ系合金鉄からなる群から選択された１種以上である請求項８に記載の高炭素クロム軸受鋼の製造方法。