JP2016135901A - 転動疲労特性に優れた軸受用鋼材および軸受部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る転動疲労特性に優れた軸受用鋼材は、所定の鋼中成分を含み、鋼中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物が、下記(1)および(2)の要件を満足する。
(1)平均組成が質量%でCaO:10〜50%、Al2O3:10〜50%、SiO2:20〜70%、TiO2:1.0〜40%を含有し、残部は不純物からなると共に、CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%を満足する。
(2)前記酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成している酸化物系介在物の個数割合が酸化物系介在物全体の30%以上である。
【選択図】なし
Description
(1)平均組成が、質量%で、CaO:10〜50%、Al2O3:10〜50%、SiO2:20〜70%、TiO2:1.0〜40%を含有し、残部は不純物からなると共に、CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%を満足する。
(2)前記酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成している酸化物系介在物の個数割合が酸化物系介在物全体の30%以上である。
(1)平均組成が、質量%で、CaO:10〜50%、Al2O3:10〜50%、SiO2:20〜70%、TiO2:1.0〜40%を含有し、残部は不純物からなると共に、CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%を満足する。
(2)前記酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成している酸化物系介在物の個数割合が30%以上である。
Cは、焼入硬さを増大させ、室温、高温における強度を維持して耐磨耗性を付与するための必須の元素である。こうした効果を発揮させるためには、Cは少なくとも、0.8%以上含有させる必要がある。しかしながら、C含有量が1.1%を超えて過剰になると、軸受の芯部に巨大炭化物が生成し易くなり、転動疲労特性に悪影響を及ぼすようになる。C含有量の好ましい下限は0.85%以上、より好ましくは0.90%以上である。また、C含有量の好ましい上限は1.05%以下、より好ましくは1.0%以下である。
Siは、脱酸元素として有効に作用する他、焼入れ・焼戻し軟化抵抗を高めて硬さを高める作用を有している。こうした効果を有効に発揮させるためには、Si含有量は、0.15%以上とする必要がある。しかしながら、Si含有量が過剰になって0.8%を超えると、鍛造時に金型寿命が低下するばかりか、コスト増加を招くことになる。Si含有量の好ましい下限は0.20%以上、より好ましくは0.25%以上である。また、Si含有量の好ましい上限は0.7%以下(より好ましくは0.6%以下)である。
Mnは、鋼材マトリックスの固溶強化および焼入れ性を向上させる元素である。Mn含有量が0.1%を下回るとその効果が発揮されず、1.0%を上回ると低級酸化物であるMnO含有量が増加し、転動疲労特性を悪化させる他、加工性や切削性が著しく低下する。Mn含有量の好ましい下限は0.2%以上、より好ましくは0.3%以上である。また、Mn含有量の好ましい上限は0.8%以下、より好ましくは0.6%以下である。
Crは、焼入れ性の向上と安定な炭化物の形成によって、強度および耐磨耗性を向上させ、これによって転動疲労特性の改善に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Cr含有量は、1.3%以上とする必要がある。しかしながら、Cr含有量が過剰になって1.8%を超えると、炭化物が粗大化して、転動疲労特性および切削性を低下させる。Cr含有量の好ましい下限は1.35%以上、より好ましくは1.4%以上である。また、Cr含有量の好ましい上限は1.7%以下、より好ましくは1.6%以下である。
Pは、結晶粒界に偏析して転動疲労特性に悪影響を及ぼす不純物元素である。特に、P含有量が0.05%を超えると、転動疲労特性の低下が著しくなる。従って、P含有量は0.05%以下に抑制する必要がある。好ましくは0.03%以下、より好ましくは0.02%以下とするのが良い。尚、Pは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは、工業生産上、困難である。
Sは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が0.015%を超えると、粗大な硫化物が残存するため、転動疲労特性が劣化する。従って、Sの含有量は0.015%以下に抑制する必要がある。転動疲労特性の向上という観点からは、S含有量は低ければ低いほど望ましく、好ましくは0.007%以下、より好ましくは0.005%以下とするのが良い。尚、Sは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは、工業生産上、困難である。
Alは脱酸元素であり、酸化物系介在物の平均組成を制御するためにAlの含有量を制御する必要がある。本発明ではSiによる脱酸を行うため、Al脱酸鋼のように酸化精錬後のAl添加による脱酸処理は行わない。Al含有量が多くなり、0.005%を超えると、Al2O3を主体とする硬質な酸化物の生成量が多くなり、しかも圧下した後も粗大な酸化物として残存するので、転動疲労特性が劣化する。従って、Al含有量の上限を0.005%以下とする。Al含有量は、好ましくは0.002%以下であり、より好ましくは0.0015%以下である。但し、Al含有量を0.0002%未満にすると、酸化物中のAl2O3含有量が少なくなり過ぎ、SiO2を多く含む酸化物系介在物が生成して転動疲労特性が劣化する。また、Al含有量を0.0002%未満に制御するためには、Alの混入を抑制するために、鋼中成分のみならず、フラックス中のAl2O3含有量も少なくする必要があるが、高炭素鋼である軸受鋼においてAl2O3含有量の少ないフラックスは非常に高価であり、経済的でない。従って、Al含有量の下限を0.0002%とする。好ましくは0.0003%以上であり、より好ましくは0.0005%以上である。
Caは、酸化物中のCaO含有量を制御し、転動疲労特性を改善するのに有効である。このような効果を発揮させるため、Ca含有量は0.0002%以上とする。しかしながら、Ca含有量が過剰になって0.002%を超えると、酸化物組成におけるCaOの割合が高くなり過ぎてしまい、酸化物が粗大化して転動疲労特性が低下する。従って、Ca含有量は0.002%以下とする。Ca含有量の好ましい下限は0.0003%以上であり、より好ましくは0.0005%以上である。また、Ca含有量の好ましい上限は0.0015%以下であり、より好ましくは0.0010%以下である。
Tiは、本発明を特徴付ける元素である。所定量のTiを添加することで、酸化物系介在物と鋼との界面に所定量のTiNが生成され、上記界面の剥離を抑制できる。その結果、転動疲労特性が改善する。更に、酸化物系介在物中のTiO2濃度を制御することができ、アスペクト比の低減化(詳細は後述する。)にも有効に作用し、転動疲労特性が一層向上する。このような効果を得るためには、Ti含有量は0.0005%以上とする必要がある。ただし、Tiの含有量が多くなって0.010%を超えると、TiNが粗大化すると共に、TiO2系酸化物の粗大化を招き、転動疲労特性が悪化する。よって、Ti含有量の上限を0.010%以下とする。Ti含有量の好ましい下限は0.0008%以上であり、より好ましくは0.0011%以上である。また、Ti含有量の好ましい上限は0.0050%以下であり、より好ましくは0.0030%以下である。
Nも上記Tiと同様、本発明を特徴付ける元素である。所定量のNを添加することで、酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成され、上記界面の剥離を抑制できる。その結果、転動疲労特性が改善する。このような効果を得るためには、N含有量は0.0030%以上とする必要がある。ただし、Nの含有量が多くなって0.010%を超えると、TiNが粗大化するため、転動疲労特性が悪化する。よって、N含有量の上限は0.010%以下とする。N含有量の好ましい下限は0.0035%以上であり、より好ましくは0.004%以上である。また、N含有量の好ましい上限は0.008%以下であり、より好ましくは0.007%以下である。
Oは、好ましくない不純物元素である。Oの含有量が多くなって0.0030%を超えると、粗大な酸化物が生成し易くなり、熱間圧延および冷間圧延後においても粗大な酸化物として残存し、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。そのため、O含有量の上限を0.0030%以下とする。転動疲労特性を改善するためにはO含有量をできる限り低減することが良く、例えばO含有量の好ましい上限は0.0025%以下であり、より好ましくは0.0020%以下である。なお、O含有量の下限は、転動疲労特性改善の観点からは特に限定されないが、経済性などを考慮すると、好ましくは0.0004%以上であり、より好ましくは0.0008%以上である。O含有量を0.0004%未満に制御するためには溶鋼からのO除去を厳密に行う必要があるが、溶鋼処理時間が長くなるなど経済的でないからである。
(1)平均組成が、質量%で、CaO:10〜50%、Al2O3:10〜50%、SiO2:20〜70%、TiO2:1.0〜40%を含有し、残部は不純物からなると共に、CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%を満足する。
(2)前記酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成している酸化物系介在物の個数割合が酸化物系介在物全体の30%以上である。
CaOは、SiO2を主体とした酸化物の液相線温度低下に効果がある。そのため、酸化物の粗大化を抑制して、酸化物系介在物と鋼との界面にTiNを生成させる効果がある。その結果、転動疲労特性が改善する。また、CaOには、酸化物系介在物を結晶化する効果がある。そのため、酸化物系介在物のアスペクト比低減に重要な役割を果たす。このような効果は、酸化物系介在物の平均組成におけるCaO含有量を10%以上に制御することによって得られる。しかしながら、CaO含有量が高過ぎると、酸化物系介在物が粗大化して転動疲労特性が悪化してしまうため、その上限を50%以下とする必要がある。酸化物系介在物中に占めるCaO含有量の好ましい下限は20%以上であり、より好ましくは25%以上である。また、CaO含有量の好ましい上限は45%以下であり、より好ましくは40%以下である。
Al2O3は、SiO2を主体とした酸化物の液相線温度を下げる効果がある。そのため、酸化物の粗大化を抑制して、酸化物系介在物鋼と鋼との界面にTiNを生成させる効果がある。その結果、転動疲労特性が改善する。また、Al2O3には、酸化物系介在物を結晶化する効果がある。そのため、酸化物系介在物のアスペクト比低減に重要な役割を果たす。このような効果は、酸化物系介在物の平均組成におけるAl2O3含有量を10%以上に制御することによって得られる。一方、酸化物系介在物の平均組成におけるAl2O3含有量が50%を超えると、溶鋼中および凝固過程でAl2O3(コランダム)結晶相が晶出したり、MgOと共にMgO・Al2O3(スピネル)結晶相が晶出する。これらの固相は硬質であり、粗大な介在物として存在し、加工中に空洞が生成し易くなり、転動疲労特性を悪化させる。こうした観点から、酸化物系介在物の平均組成におけるAl2O3含有量は50%以下とする必要がある。酸化物系介在物におけるAl2O3含有量の好ましい下限は20%以上であり、より好ましくは25%以上である。また、Al2O3含有量の好ましい上限は45%以下であり、より好ましくは40%以下である。
SiO2は、酸化物系介在物の液相線温度を下げる効果がある。そのため、酸化物の粗大化を抑制して、酸化物系介在物と鋼との界面にTiNを生成させる効果がある。その結果、転動疲労特性が改善する。このような効果を有効に発揮させるためには、酸化物系介在物中にSiO2を20%以上含有させる必要がある。しかしながら、SiO2含有量が70%を超えると酸化物が粗大化して転動疲労特性が悪化する。また、酸化物が延伸してアスペクト比が大きくなるため、転動疲労特性が悪化する。酸化物系介在物中におけるSiO2含有量の好ましい下限は25%以上であり、より好ましくは30%以上である。また、SiO2含有量の好ましい上限は60%以下であり、より好ましくは45%以下である。
TiO2は、SiO2を主体とした酸化物の液相線温度を下げる効果がある。そのため、酸化物の粗大化を抑制して、酸化物系介在物と鋼との界面にTiNを生成させる効果がある。その結果、転動疲労特性が改善する。このような効果は、酸化物系介在物の平均組成におけるTiO2含有量を1.0%以上に制御することによって得られる。しかしながら、TiO2含有量が高すぎると、酸化物が粗大化して転動疲労特性が悪化してしまうため、その上限を40%以下とする必要がある。酸化物系介在物中におけるTiO2含有量の好ましい下限は3%以上であり、より好ましくは5%以上である。また、TiO2含有量の好ましい上限は35%以下であり、より好ましくは30%以下である。
上述したようにCaO、Al2O3、SiO2、およびTiO2は、本発明における酸化物系介在物の主要成分であり、それぞれの含有量を制御するが、本発明では、更にこれらの合計量も適切に制御する必要がある。これにより、酸化物系介在物と鋼との界面に所定割合のTiNを生成させて界面の剥離を抑制し、転動疲労特性を改善することができる。上記の合計量が60%未満では、酸化物が粗大化してしまい、TiNによる上記界面制御が十分に得られず、転動疲労特性が悪化する。上記合計量は多い程良く、好ましい下限は65%以上であり、より好ましくは70%以上である。なお、その上限は特に限定されず、例えば100%であっても良い。
上記界面に生成するTiNとは、後記する実施例の欄に示すように、当該酸化物系介在物の円周上生成されるTiNを意味する。このTiNは転動疲労特性の改善に極めて重要であり、上記界面にTiNが生成することで、酸化物系介在物と母相である鋼との界面の剥離が抑制される。転動疲労特性に有害な界面剥離が抑制される結果、転動疲労特性が改善する。このような効果を得るには、上記界面に生成するTiNの個数割合を30%以上とする。上記TiNの個数割合は多い程良く、好ましい下限は40%以上であり、より好ましくは50%以上である。なお、その上限は特に限定されず、例えば、100%であっても良い。
小型溶解炉(容量170kg/1ch)を用い、下記表1に示す各種化学成分組成の供試鋼(残部は鉄および不可避的不純物)を溶製し、鋳片(鋳片上部の直径がφ245mm、鋳片下部の直径がφ210mmであり、鋳片の高さが480mm)を作製した。溶製時にはMgO系耐火物の取鍋を用い、通常実施されるAl脱酸処理を行わず、C、Si、Mn、およびCrを用いて溶鋼の溶存酸素量を調整した後、下記一部の例を除き、Ti源、Ca源をこの順序で投入し、Ti含有量、Ca含有量を制御した。
このようにして得られた鋳片を、加熱炉において1100〜1300℃の温度に加熱し、この温度域(保持温度域)で、表2に記載の「加熱炉保持時間」保持した後、900〜1200℃の温度で分塊圧延した。本実施例では、酸化物系介在物と鋼との界面に所定量のTiNを生成させるために、鋳片を加熱する上記加熱炉において鋳片を2.0時間以上加熱保持した。その後、加熱炉において830〜1200℃の温度に加熱し、鋼材を1.0時間保持した後、830〜1100℃の温度で熱間圧延を実施し、φ65mmの熱間圧延材を得た。
上記熱間圧延材を、760〜800℃の温度で2〜8時間加熱した後、10〜15℃/時の平均冷却速度で(Ar1変態点−60℃)の温度まで冷却してから大気放冷する(球状化焼鈍)ことにより、球状化セメンタイトを分散させた球状化焼鈍材を得た。このようにして得られた球状化焼鈍材からφ60mm、厚さ30mmの試験片を切り出し、840℃の温度で30分間加熱した後、油焼入れし、次いで160℃の温度で120分間焼戻しを行って、酸化物系介在物の平均組成測定用試験片を作製した。
上記酸化物系介在物平均組成測定用試験片を用い、短径が1μm以上の任意の酸化物系介在物(分析対象元素は、Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(酸素))を100個選び、各々の長径と短径を測定し、各々の酸化物系介在物のアスペクト比(=長径/短径)を算出した。その結果を算術平均することで酸化物系介在物の平均のアスペクト比を求めた。
上記酸化物系介在物平均組成測定用試験片を用い、観察面積を100mm2(研磨面)について、まず、電子線マイクロプローブX線分析計を用いて、短径が1μm以上の酸化物系介在物(分析対象元素は、Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(酸素)で、酸素含量が5%以上の介在物)を5個選んだ。5個の酸化物系介在物の選定基準については、観察面積100mm2の中に存在する酸化物系介在物のうち、そのサイズが最も大きいものから順番に5個を選んだ。酸化物系介在物のサイズが最も大きいものを選定した理由は、転動疲労特性は、酸化物系介在物の寸法が大きい程悪影響度が大きいと言われているからである。なお、酸化物系介在物のサイズは、上記観察面に現れている酸化物系介在物の面積で大小を比較した。その後、対象の酸化物系介在物について、FIB法(Focused Ion Beam、集束イオンビーム加工法)により酸化物系介在物がTEM観察可能な厚さまで薄片化した。装置は、日立製作所製の集束イオンビーム加工観察装置FB2000Aを用いて、加速電圧30kV、イオン源にはGaを用いた。その後、薄片化した酸化物系介在物をTEM観察した。装置は、日本電子製の電界放出形透過電子顕微鏡JEM−2010Fを用い、Noran製EDX(Energy dispersive X−ray spectrometry)分析装置Vantageにて、酸化物系介在物と鋼との界面に対してEDX分析を実施した。分析対象元素は、Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Crとし、Ti濃度が30%以上の相を選定し、その相に対して電子線回折による同定解析を行い、立方晶の結晶構造を示すものをTiNと判断した。このとき、対象の酸化物系介在物と鋼との界面(酸化物系介在物の円周上)にTiNが生成している場合(つまり、TiNとして判断する上記方法でTiNが存在すると認められた場合)、酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成している酸化物系介在物があると判断し、測定した5個の酸化物系介在物中に存在する、上記TiNが生成している酸化物系介在物の個数割合を測定した。
上記(3)で得られた球状化焼鈍材からφ60mm、厚さ6mmの試験片を切り出し、840℃の温度で30分間加熱した後、油焼入れをし、次いで160℃の温度で120分間焼戻しを行った。最後に仕上げ研磨を施して、表面粗さRa0.04μm以下のスラスト転動疲労試験片を作製した。このようにして得られたスラスト転動疲労試験片を用い、スラスト疲労試験機(スラスト型転動疲労試験機「FJ−5T」、富士試験機製作所製)にて、負荷速度1200rpm、鋼球数3個、面圧5.24GPa、中止回数2億回の条件でスラスト転動疲労試験を実施した。
・不可(転動疲労寿命に劣る):L10寿命5.4×107回未満(4.5倍未満の寿命比)
・可(転動疲労寿命に優れる):L10寿命5.4×107回以上6.0×107回未満(4.5倍以上5.0倍未満の寿命比)
・良(転動疲労寿命に特に優れる):L10寿命6.0×107回以上6.5×107回未満(5.0倍以上5.4倍未満の寿命比)を
・優(転動疲労寿命に特段に優れる):L10寿命6.5×107回以上(5.4倍以上の寿命比)
Claims (3)
- 質量%で、
C :0.8〜1.1%、
Si:0.15〜0.8%、
Mn:0.1〜1.0%、
Cr:1.3〜1.8%、
P :0%超0.05%以下、
S :0%超0.015%以下、
Al:0.0002〜0.005%、
Ca:0.0002〜0.002%、
Ti:0.0005〜0.010%、
N :0.0030〜0.010%、
O :0%超0.0030%以下
を含有し、残部は鉄及び不可避的不純物からなり、
鋼中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物が、下記(1)および(2)の要件を満足することを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受用鋼材。
(1)平均組成が、質量%で、CaO:10〜50%、Al2O3:10〜50%、SiO2:20〜70%、TiO2:1.0〜40%を含有し、残部は不純物からなると共に、CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%を満足する。
(2)前記酸化物系介在物と鋼との界面にTiNが生成している酸化物系介在物の個数割合が酸化物系介在物全体の30%以上である。 - 前記鋼材の長手方向に平行に切断した面に存在する前記酸化物系介在物のアスペクト比(長径/短径)の平均が3.0以下に抑制されたものである請求項1に記載の軸受用鋼材。
- 請求項1または2に記載の軸受用鋼材からなる軸受部品。
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