JP2905242B2 - 転動疲労寿命に優れた低Ｃｒ軸受鋼素材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車、その他産業機械等に用いられる
転がり軸受の素材として好適な、優れた転動疲労寿命特
性を有する軸受用素材の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、軸受用鋼としては、機械構造用炭素鋼、機械構
造用合金鋼および高炭素クロム軸受鋼が使用されてい
る。

このうち高炭素クロム軸受鋼は、玉軸受、ころ軸受と
して自動車、産業機械等に最も多く使用されている。こ
の鋼は、1wt％（以下単に％で示す）程度の炭素と0.9〜
1.6％程度クロムが添加されていて、合金元素の添加コ
ストが極めて高い。また鋼材の連続鋳造時、特に鋳片軸
心部においてマクロ偏析（以下中心偏析と称す）ならび
に共晶炭化物が生成し、切断、打ち抜き時における割れ
発生を増大させると共に転動疲労寿命特性を劣化させる
ことから、素材中心部を打ち抜いて廃材とするか、造塊
法または長時間の拡散処理の実施により共晶炭化物の消
散を図ってから用いられていた。このため生産性や素材
歩留りの低下を避けることができなかった。

このような弊害をもたらす中心偏析および共晶炭化物
は、連続鋳造の場合、凝固先端部の凝固収縮のほか、凝
固シェルのバルジングなどによって生じる空隙の真空吸
引力が加わり、凝固先端部にC,Cr等の濃化溶鋼成分が吸
い込まれることによって形成されたもので、製品加工時
の熱処理により、大型の共晶炭化物または球状化炭化物
の残留、残留オーステナイト量の増大およびこれらミク
ロ組織の不均一などが生じて、転動疲労寿命を低下させ
る。

その防止策としては、例えば２次冷却帯域における電
磁攪拌等が試みられたが、セミミクロ偏析までを軽減す
るまでには至らず、大型の共晶炭化物の消散には効果が
無い。

その他、凝固末期に一対のロールを用いて大圧下を施
すいわゆるインラインリダクション法｛鉄と鋼 第60年
（1974）第７号875〜884頁｝の適用も試みられたが、未
凝固層の大きい鋳片領域における圧下が不十分だと、凝
固界面に割れが発生し、逆に圧下が十分すぎる場合には
鋳片の厚み方向中心部に強い負偏析が生じるなどの問題
があった。

この点につき、特開昭49−121738号公報では、鋳片の
凝固先端部付近でロール対による軽圧下を施し、該部分
の凝固収縮量を圧下により補償する方法が、また特開昭
52−54625号公報では、鍛造金型を用いて鋳片の凝固完
了点近傍を大圧下する方法が、それぞれ提案されてい
る。

しかしながらロールによる軽圧下の場合には、複数対
のロールによる数mm/mの圧下を施したとしても、ロール
ピッチ間で生じる凝固収縮やバルジングを十分に防止す
ることができず、また圧下位置が適切でなければかえっ
て中心偏析が悪化するといった問題があった。

他方、鍛造金型を用いて鋳片の凝固完了点近傍を大圧
下する場合は、インラインリダクション法の如きロール
による大圧下に比べて凝固界面が割れにくく、また負偏
析さらにはセミマクロ偏析をも飛躍的に改善できること
が明らかになってはいるけれども、依然として未凝固層
の大きい鋳片領域での圧下が不十分であると凝固界面に
割れが発生し、逆に圧下が十分すぎると鋳片の中心部に
強い負偏析を生じる不利があり、さらには未凝固厚の小
さい領域を圧下してもその効果が得られないことから、
最適な圧下条件を模索しているのが現状である。

さらに成分系からの検討としては、特公昭46−19425
号公報にて、C:0.58〜0.80％、Cr:0.50〜2.00％、Mn:0.
10〜1.15％およびSi:0.15〜2.00％を含有し、残部はFe
および不可避的不純物の組成になり、かつマルテンサイ
ト基地中における炭素固溶量が0.35〜0.55％である軸受
用鋼が提案され、すでに実用化されている。

またG.V.Gullottiらは、C:0.70％、Si:0.28％、Mn:0.
41％、Cr:0.28％、Ni:0.91％を含む組成とすることによ
り、SAE52100（JIS規格、高炭素クロム軸受鋼に相当）
と同等の性能を有する軸受用鋼を開発している（Metal
Progress,nov./1965,p2〜４）。

しかしながらこれらの鋼には、依然として高価な合金
元素であるCrやNiが多量に添加されており、低価格化の
面で問題が多いほか、中心偏析の改善は望み難い。

（発明が解決しようとする課題） この発明の目的は、上記技術の問題点を有利に解決す
るもので、成分調整に併せ、連鋳条件に工夫を加えるこ
とにより、高価な合金元素を用いずしかも高温長時間の
均質化焼鈍を必要とすることなしに、従来の高炭素クロ
ム軸受鋼と同等以上の優れた転動疲労寿命を有しかつ生
産性の高い低価格軸受用素材の有利な製造方法を提案す
るところにある。

（課題を解決するための手段） すなわちこの発明は、 C:0.50〜0.90％、 Si:0.30〜2.00％、 Mn:0.50〜2.50％および Cr:0.05〜0.50％ を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる溶鋼
を、溶鋼加熱度が25℃以上となる温度まで加熱したの
ち、連続鋳造し、鋳片内部が凝固を完了するクレータエ
ンド近傍にて圧下率５％以上の鍛圧加工を施し、ついで
熱間圧延を施すことからなる転動疲労寿命に優れた低Cr
軸受鋼素材の製造方法（第１発明）である。

またこの発明は、溶鋼の成分組成が、 C:0.50〜0.90％、 Si:0.30〜2.00％、 Mn:0.50〜2.50％および Cr:0.05〜0.50％ を含み、さらに Mo:0.05〜1.50％、 V:0.05〜0.50％、 Nb:0.05〜0.50％、 W:0.05〜0.50％、 Ni:0.10〜2.00％および Cu:0.05〜1.00％、 のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物の組成になる転動疲労寿命に優
れた低Cr軸受鋼素材の製造方法（第２発明）である。

（作用） まずこの発明において、素材の成分組成を上記の範囲
に限定した理由について説明する。

C:0.50〜0.90％ Ｃは、軸受けとして必要な強度、硬さを維持する上で
重要な元素であり、そのためには少なくとも0.50％以上
を必要とする。しかしながらあまり多すぎると共晶炭化
物が生成し、転動疲労寿命を劣化させるばかりでなく、
さらにその消散のために長時間の均質化処理が必要とな
ることから，上限を0.90％とした。

Si:0.30〜2.00％ Siは、鋼の溶製時脱酸剤として作用するほか、基地に
固溶し強度を上昇させるのに重要な元素であり、また鋼
塊の表面欠陥の発生の防止にも有効に寄与する。さらに
焼入れ組織の強化と焼戻しによる硬度低下を抑制する上
でも極めて有用な元素である。上記の効果は含有量が0.
30％以上で顕著になるので、この値を下限とする。一
方、2.00％を超えるとかかる効果は飽和に達するだけで
なく、耐衝撃性および被削性の劣化を招くため、上限を
2.00％とした。

Mn:0.50〜2.50％ Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることにより基地の強
度、靱性を高めることに有効に寄与する。この効果は、
0.50％以上で顕著となるため、この値を下限とする。し
かしながら2.50％を超えるとこの効果は飽和に達するだ
けでなく、耐衝撃性および切削性の劣化を招くため、上
限を2.50％とした。

Cr:0.05〜0.50％ Crは、焼入れ性を向上させ基地の強度および靱性を高
めると共に、炭化物の形成を助長し耐摩耗性を向上させ
るのに有効である。かかる効果は、0.05％以上で顕著に
なるのでこの値を下限とする。しかしながら0.50％を超
えると耐衝撃性および切削性が劣化し、また添加コスト
が上昇する。さらに鋳造時共晶炭化物を生成して、転動
疲労寿命を低下させるばかりでなく、この悪影響を解消
するために、高温、長時間の均質化処理が必要となる。
よって、0.50％を上限とした。

この発明では、上記した基本成分の他、必要に応じて
Mo,V,Nb,WおよびCuのうちから選んだ１種または２種以
上を、強度向上成分として以下に述べる範囲で添加する
ことができる。

Mo:0.05〜1.50％ Moは、焼入れ性を高めるだけでなく、強い固溶強化性
を有することから、強度ならびに転動疲労寿命の向上に
有効に寄与する。しかしながら多すぎると切削性を劣化
させると共に、添加コストの上昇を招く。よってMoは0.
05〜1.50％き範囲で添加するものとした。

V,Nb,W:0.05〜0.50％、 V,NbおよびＷはそれぞれ、高温で安定した炭化物を形
成し、転動疲労寿命特性を向上させる。しかし、多すぎ
ると焼戻後の硬度が低下し、かえって転動疲労寿命特性
を劣化させる。よってV,NbおよびＷはそれぞれ、0.05〜
0.50％の範囲で添加するものとした。

Ni:0.10〜2.00％ Niは、焼入れ性の向上に寄与するだけでなく、焼戻し
後の強度低下を抑制させることから、強度および転動疲
労寿命の向上に有用な元素である。しかしながらあまり
に多すぎると、残留γが多量に生成し焼戻し後の鋼材硬
度を低下させる。よってNiは0.10〜2.00％の範囲で添加
するものとした。

Cu:0.05〜1.00％ Cuは、Niと同様、焼入れ性の向上に寄与するだけでな
く、焼戻し後の硬度低下を抑制させることから、強度お
よび転動疲労寿命の向上に有用な元素である。しかしな
がら含有量が多すぎる場合には鍛造性の劣化を招く。よ
ってCuは0.05〜1.00％の範囲で添加するものとした。

なおその他、酸素量低減および介在物形態制御を目的
としたAl,Ca,Na,K,MgおよびZrのうちから選んだ１種ま
たは２種以上を、また被削性向上を目的としてS,Ca,Pb,
B,BiおよびREMのうちから選んだ１種または２種以上
を、さらに熱間強度向上を目的としてＰおよびＮのうち
から選んだ１種または２種を、またさらに脱炭低減を目
的としてSbをそれぞれ少量添加することもできる。

さて上述したような好適成分組成に調整した溶鋼を、
連続鋳造して鋳片とするが、この発明では、得られた連
続鋳造鋳片の内部溶鋼が凝固完了するクレータエンド近
傍にて圧化率:5％以上の鍛圧加工を施すことが肝要であ
り、かくして鋳片中心部における偏析の生成を防止する
のである。

ここに、上記の如き鍛圧加工によって、鋳片中心に相
当する位置での偏析が改善された理由は、次のとおりと
考えられる。

すなわち内部溶鋼の凝固末期には、大型の非金属介在
物を含んだ合金元素濃度の高い溶鋼がクレータエンド近
傍に存在するため、このまま凝固すると非金属介在物の
残存ならびに中心偏析が生じるわけであるが、凝固前に
鍛圧加工を施すと、かような非金属介在物を含む濃化溶
鋼は上方に押し出されるため、中心部の非金属介在物量
ならびに合金元素量はさほど上昇することはなく、その
結果、中心部における転動疲労寿命特性は向上する。

第１図に、C:0.65％、Si:0.80％、Mn:1.10％およびC
r:0.20％を含有する組成になる溶鋼の連続鋳造に際し、
連続鋳造中に連続的に鍛圧加工を行って得た鋳片、ある
いは鍛圧加工を行わない従来法により得られた鋳片をそ
れぞれ、棒鋼圧延により65mmφ棒鋼とし、中心部（棒鋼
の中心が試験片の表面にくるように試験片を採取）にお
ける転動疲労寿命特性について調べた結果を示す。

同図より明らかなように、棒鋼中心部材の転動疲労寿
命特性は、圧下率が５％以上の鍛圧加工を施すことによ
って、かかる鍛圧加工を施さない従来法の４倍以上に向
上した。

従ってこの発明では、鍛圧加工による圧下率につき、
５％以上の範囲に限定したのである。とはいえ圧下率が
60％を超えると圧延後の素材精度が低下するといった問
題が生じるので、圧下率は60％低下とするのが好まし
い。

ところで発明者らは、転動疲労寿命特性の一層の改善
を目指し、さらに研究重ねたところ、連続鋳造時におけ
る溶鋼加熱度ΔＴを25℃以上とするが、所期した目的の
達成に関し、極めて有効であることの知見を得た。

第２図に、鍛圧加工による圧下率０％（従来法）およ
び10％の各場合における、連続鋳造時の溶鋼加熱度ΔＴ
と中心部材の転動疲労寿命特性との関係について調べた
結果を示す。

同図により明らかなように、従来法では、転動疲労寿
命特性のピークは溶鋼加熱度ΔＴが約20℃のときで、Δ
Ｔがそれを下回る場合には非金属介在物の浮上、分離が
不十分のため、一方ΔＴがそれを上回る場合には濃厚な
中心偏析の残存により、いずれも転動疲労寿命は低下す
る傾向にあった。

これに対し、溶鋼加熱度ΔＴが25℃以上の条件で連続
鋳造し、鋳片の内部溶鋼が凝固を完了するクサータエン
ド近傍にて鍛圧加工を施すことによって、より一層の転
動疲労寿命の延長が達成されている。

そこでこの発明では、連続鋳造時の溶鋼加熱度ΔＴに
つき、25℃以上（好ましくは80℃以下）の範囲に限定し
た。

（実施例） 第１表に示す化学成分になる種々の溶鋼を、転炉→連
続鋳造法により、第２表に示す条件下に処理して鋳片と
した。

ついで鋼材No.1については、均熱炉により1240℃×2
h,20hで、一方その他の鋼材については均質化処理を行
わずに、65mmφ棒鋼に圧延後、球状化焼鈍処理を行い、
D/4部および中心部（棒鋼の中心が試験片の表面にくる
ように採取）より転動疲労寿命試験片を採取し、焼入
れ、焼戻し後、転動疲労寿命試験を実施した。

転動疲労寿命試験は、円筒型転動疲労寿命試験機を用
い、ヘルツ最大接触応力600kgf/mm²、繰り返し応力数46
240cpmの条件で行い、試験結果はワイブル分布に従うも
のと仮定して確率紙上にまとめ、鋼材No.1の20h拡散焼
鈍処理材のD/4部L₁₀（累積破損確立が10％のときの、は
く離までの応力負荷回数）を１として、相対的に評価し
た。

得られた結果を第２表に併記する。

鋼材No.1の2h拡散焼鈍処理材（比較材）の割れ発生
率、転動疲労寿命特性は、同20h処理材（従来材）に比
較して、割れ発生率は３倍、転動疲労寿命特性は1/3倍
と極めて悪い。

また、鍛圧加工を施さなかった鋼材No.3ならびに鍛圧
加工時の圧下率が５％以下である鋼材No.4、６では中心
部材の転動疲労寿命特性が、鋼材No.1の20h拡散焼鈍処
理材（従来材）に比べ低い。

さらに、この発明の適正範囲からＣがはずれている鋼
材No.2およびSiがはずれている鋼材No.7については、鍛
圧加工による圧下率が５％以上であっても、D/4部材な
らびに中心部材のいずれにおいても、転動疲労寿命特性
が鋼材No.1の20h拡散焼鈍処理材（従来材）よりも劣っ
ている。

これに対し、成分組成範囲、溶鋼加熱度および鍛圧加
工における圧下率ともこの発明の適正範囲を満足するも
のはいずれも、中心部の割れ発生率は０％、転動疲労寿
命特性は鋼材No.1の20h拡散焼鈍処理材（従来材）に比
べて1.5〜2.5倍程度優れている。

（発明の効果） かくしてこの発明によれば、高価な合金元素を用いず
しかも高温長時間の均質化焼鈍を必要とすることなし
に、従来の高炭素クロム軸受鋼よりも優れた転動疲労寿
命を有する軸受用低Cr鋼素材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鍛圧加工における圧下率と転動疲労寿命特性
との関係を示したグラフ、 第２図は、鍛圧加工による圧下率が０％（従来法）およ
び10％の各場合における、連続鋳造時の溶鋼加熱度ΔＴ
と中心部材の転動疲労寿命特性との関係を示したグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/18 Ｃ２２Ｃ 38/18 (72)発明者 田畑 綽久 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株 式会社技術研究本部内 (56)参考文献 特開 平３−226337（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−92444（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−71318（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B22D 11/00 B21J 5/00 C22C 38/00 301 C22C 38/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】C:0.50〜0.90wt％、 Si:0.30〜2.00wt％、 Mn:0.50〜2.50wt％および Cr:0.05〜0.50wt％ を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる溶鋼
   を、溶鋼加熱度が25℃以上となる温度まで加熱したの
   ち、連続鋳造し、鋳片内部が凝固を完了するクレータエ
   ンド近傍にて圧下率５％以上の鍛圧加工を施し、ついで
   熱間圧延を施すことを特徴とする転動疲労寿命に優れた
   低Cr軸受鋼素材の製造方法。
2. 【請求項２】溶鋼の成分組成が、 C:0.50〜0.90wt％、 Si:0.30〜2.00wt％、 Mn:0.50〜2.50wt％および Cr:0.05〜0.50wt％ を含み、さらに Mo:0.05〜1.50wt％、 V:0.05〜0.50wt％、 Nb:0.05〜0.50wt％、 W:0.05〜0.50wt％、 Ni:0.10〜2.00wt％および Cu:0.05〜1.00wt％、 のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
   Feおよび不可避的不純物の組成になる請求項１記載の低
   Cr軸受鋼素材の製造方法。