JP3308836B2 - 軸受用鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ころ軸受、玉軸受
のような転がり軸受に用いて好適な転動疲労寿命特性に
優れた安価な軸受用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】産業機械や自動車部品等に用いられる軸
受部品には、JIS G 4805に規定されているSUJ2に代表さ
れる鋼、すなわち、0.95〜1.10mass％のＣと1.30〜1.60
mass％のCrを含む高炭素クロム軸受鋼が最も多く用いら
れている。この高炭素クロム軸受鋼は、溶製後、1250℃
程度で約30時間の高温, 長時間の拡散焼なましを経て、
所定の寸法の棒鋼に圧延され、次いで軸受部品に仕上げ
るため、球状化焼なましを施した後、切削加工や冷間圧
延あるいは温間加工等の成形加工を行い、その後さら
に、焼入れ, 焼もどしを施して製造されている。

【０００３】前記製造プロセスの中において、拡散焼な
ましの目的は、溶製時に発生して転動疲労寿命に悪影響
を及ぼすＣやCr等が結合した巨大炭化物を消散させるた
めに行い、また、前記球状化焼なましの目的は、高い炭
素濃度に起因した圧延ままの非常に高い硬さを低下さ
せ、引き続く各種の加工を容易にするために行い、そし
て前記焼入れおよび焼もどしは、転がり軸受に必要な硬
さと靱性を確保するために実施する処理である。

【０００４】ところで、この転がり軸受用材料に求めら
れている特性の１つには転動疲労寿命特性があり、この
寿命の永い材料が望ましいことはいうまでもない。こう
した要求を達成するために、これまでも多くの技術が提
案されている。例えば、その先行提案技術を俯瞰する
と、大きく分けて次のような２つのものが代表的であ
る。

【０００５】第１に、鋼中酸素量 (酸化物系介在物起
因) を低減することにより高寿命化を図る方法である。
この技術は、転動疲労寿命低下の主因が鋼中に分散する
硬質の介在物に基づくという考え方の下で主としてそれ
の抑制を図るというものである。このような考え方に基
づく既知技術としては、特開昭62−294150号公報、特開
昭62−63650 号公報、特開平１−306542号公報および特
公平４−5742号公報等の開示がある。これらの技術によ
れば、鋼中酸素量を30ppm から10ppm 程度のレベルにま
で低減することにより、前記転動疲労寿命は約30倍以上
にも向上したといわれている。

【０００６】第２に、画像解析で計測した介在物粒径の
極値統計処理により、被検材中の最大介在物径 (介在物
粒子面積の0.5 乗として介在物径を算出し、それの最大
値をいう) を推定する新介在物評価法である。この評価
方法の採用により、鋼中酸素量 (酸化物系介在物の総量
に対応する) が同一でも介在物の大きさを小さくするこ
とにより、前記転動疲労寿命をさらに延長できるという
ものである。そして、このような知見に基づき大きな介
在物を低減する新しい精錬法をも開発している。こうし
た新提案技術については、例えば、特開平３−126839号
公報、特開平４−280941号公報、特開平５−25587 号公
報などに開示されている。この新提案技術によれば、酸
素量10ppm 程度以下の高清浄鋼に比べて、転動疲労寿命
のばらつきがやや小さくなり、従来のばらつき範囲内で
の高位側の寿命が得られるようになったといわれてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したような各種の
従来技術の採用により、軸受用材料の転動疲労寿命は飛
躍的に向上した。しかしながら、鋼中酸素量低減による
介在物量制御の技術および大きな介在物を低減する技術
は、現在ほぼ飽和の状態にあり、これ以上の転動疲労寿
命特性の向上は望めないのが実情である。従って、新た
な技術開発による一層の高寿命化, 即ち、転動疲労寿命
のさらなる向上、さらには寿命のばらつきの解消を図る
という課題については依然として未解決のままに残され
ている。

【０００８】そこで本発明の主たる目的は、寿命のばら
つきがない上に、より一層の転動疲労寿命特性に優れた
軸受用鋼を提供することにある。本発明の他の目的は、
機械的特性を損なうことなく安価な軸受用鋼を提供する
ことにある。本発明のさらに他の目的は、不可避的に混
入する元素の抑制を通じて、品質の安定した軸受用鋼を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記の課題
を解決するために、まず寿命のばらつきに注目してその
ばらつきの原因について鋭意研究した。その結果、転動
疲労寿命のより一層の向上のためには、各種の不可避に
混入する微量元素の存在が大きく影響することを見いだ
した。そして、これらの微量元素量を低減ないし適当量
に制御すると、転動疲労寿命が改善できることを突き止
めた。それだけでなく、さらに研究を重ねたところ、或
る種の成分についてはこれらを特定の範囲に制御して添
加すれば、転動疲労寿命が飛躍的に向上することを見い
出し、本発明にかかる軸受用鋼を開発したのである。

【００１０】すなわち、本発明の基本的な考え方は、精
錬時に不可避に混入する微量成分に着目して、これを制
御する点にある。こうした考え方の下に成立している本
発明は、主要成分組成が、Ｃ：0.70〜0.95mass％、Si：
0.2 〜0.5 mass％未満、Al：0.050 mass％以下、Ｏ：0.
0030mass％以下およびSb：0.0010mass％未満を含有し、
残部がFeおよび不可避的不純物よりなる転動疲労寿命特
性に優れた軸受用鋼である。

【００１１】本発明はまた、Ｃ：0.70〜0.95mass％、S
i：0.2 〜0.5 mass％未満、Al：0.050 mass％以下、
Ｏ：0.0030mass％以下およびSb：0.0010mass％未満を含
有し、さらにMn：0.10〜2.5 mass％、Cr：0.10〜1.0 ma
ss％、Mo：0.10〜1.0 mass％、Ni：0.10〜2.0 mass％、
Nb：0.05〜0.50mass％、Ｖ：0.05〜0.50mass％、Ｗ：0.
05〜0.50mass％およびCu：0.10〜2.0 mass％のうちから
選ばれる１種または２種以上の転動疲労寿命改善成分を
含有し、残部はFeおよび不可避的不純物よりなる転動疲
労寿命特性に優れた軸受用鋼を提案する。

【００１２】

【発明の実施の形態】発明者らは、軸受用鋼の転動疲労
寿命特性を改善するために、まず不可避的に混入する微
量元素に注目し、その種類および含有量と転動疲労寿命
の関係を調べた。こうした微量元素のなかでもとくにSb
の存在が転動疲労寿命に大きく影響を及ぼしていること
がわかった。そこで、このSb量と転動疲労寿命比との関
係について調査した。

【００１３】図１は、鋼中の酸素量 (７〜10ppm ) およ
び最大介在物径 (９〜12μm 、面積320 mm²)がほぼ同一
のサンプルについて、Sb量と転動疲労寿命比 (転動疲労
寿命比1.0 は寿命の平均値と等しい) の関係を求めたも
のである。この図に示すように、定性的にはSb量の如何
が転動疲労寿命に大きな影響を及ぼしていることがわか
った。一方, 定量的な側面について見ると、Sbを0.0015
mass％程度までに低減した場合に効果があらわれはじ
め、このSb量が0.0005mass％以下になると、低減の効果
がほぼ飽和していくことがわかった。この理由は、必ず
しも明らかではないが、粒界に偏析しやすいSbがある量
以上存在すると、転動疲労亀裂の進展を助長するためで
あると考えられる。

【００１４】そこで、本発明にかかる転動疲労寿命に優
れた軸受用鋼を得るための条件、とくに含有成分とその
割合 (組成) について以下に説明する。 Ｃ：0.70〜0.95mass％ Ｃは、本発明において重要な元素であり、基地に固溶し
てマルテンサイトを強化し、転動疲労寿命を向上させる
有用な元素であり、強度、耐磨耗性をも向上させる。こ
のような作用効果は0.75mass％未満では小さい。一方、
0.95mass％を超えて添加すると、冷間加工性、温間加工
性、被削性および靱性が低下し、かつ他元素との関係よ
り、拡散焼なまし省略が不可能となり、コストアップの
原因となる。よって、Ｃ量は0.70〜0.95mass％の範囲に
限定した。より好ましくは0.70〜0.80mass％とする。

【００１５】Si：0.2 〜0.5 mass％未満 Siは、脱酸の他に、基地に固溶して転動疲労寿命を向上
させる元素として必要な元素である。しかし、その含有
量が0.2 mass％未満では添加効果が小さい。一方、0.5
mass％以上添加すると、特に球状化後の硬さが上昇する
ため被削性および加工性が著しく低下する。よって、Si
量は0.2 〜0.5 mass％未満の範囲に限定する。

【００１６】Al：0.050amass％以下 Alは、脱酸材として添加される。しかし、Ｏと結合して
硬い酸化物系介在物を形成して、転動疲労寿命を低下さ
せるので、その上限を0.050 mass％とした。より好まし
くは0.040 mass％以下とする。

【００１７】Ｏ：0.0030mass％以下 Ｏは、Alと結合し硬い酸化物系非金属介在物を形成する
ため、転動疲労寿命を低下させるので少ない方が望まし
い。よって、Ｏの上限は0.0030mass％とした。より好ま
しくは0.0015mass％以下とする。

【００１８】Sb：0.0010mass％未満 Sbは、本発明において重要な元素であり、特に、熱間加
工性および靱性の低下を招くだけでなく、軸受用鋼に求
められている重要な特性である転動疲労寿命に非常な悪
影響を及ぼすことから、抑制しなければならない。こう
した悪影響をなくし製造コストを考慮すると、その上限
は0.0010mass％未満にしなければならない。かかる悪影
響を完全に払拭するには、0.0005mass％程度にする必要
がある。従って、Sbの好ましい範囲は0.0005〜0.0010ma
ss％である。

【００１９】以上、基本含有成分について説明したが、
本発明では、さらにMn, Cr, Mo, Ni, Nb, Ｖ，Ｗ，Cuの
うちから選んだ１種または２種以上の転動疲労寿命改善
成分を添加することができる。上記各元素の好適添加量
範囲は次の通りである。

【００２０】Mn：0.10〜2.5 mass％ Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることによって基地マル
テンサイトの靱性を高め、転動疲労寿命の向上に有効に
寄与する。しかし、0.10mass％に満たないとその添加効
果に乏しく、一方、2.5 mass％を超えると被削性、靱性
および加工性が著しく低下するので、Mn量は0.10〜2.5
mass％の範囲に限定した。なお、より好ましくは0.50〜
1.5 mass％の範囲とするのがよい。

【００２１】Cr：0.10〜1.0 mass％ Crは、鋼の焼入れ性を高め、基地の強度および靱性を改
善して転動疲労寿命を向上させるだけでなく、冷間加工
性向上に密接に関係のある有効な元素であるが、1.0 ma
ss％を超えると冷間加工性向上の効果は飽和し、また、
他元素との関係より拡散焼なまし省略が不可能となる。
よって、Cr量は1.0 mass％以下の範囲に限定した。

【００２２】Ni：0.10〜1.0 mass％ Niは、鋼の焼入れ性を高め、転動過程での転位密度の低
下を抑制することにより、また、繰り返し過程でセメン
タイトの生成を抑制することにより、繰り返し軟化防止
を通じて転動疲労寿命を向上させるのに有効である。し
かしながら、1.0 mass％を超えるとその効果は飽和し、
むしろ最終製品の靱性の低下を招くので、その含有量を
上記の範囲に限定した。

【００２３】 Mo：0.10〜1.00mass％、Cu：0.05〜2.0 mass％ MoおよびCuはいずれも、焼入れ性を高め、鋼の転動疲労
寿命を向上させる有用元素である。しかし、Mo, Cuが多
すぎる場合には鋼の被削性が低下する。そこで、これら
の元素も、かかるおそれのない上記の各範囲で添加する
ものとした。

【００２４】Nb：0.05〜0.50mass％、Ｖ：0.05〜0.50ma
ss％、Ｗ：0.05〜0.50mass％Nb, ＶおよびＷはいずれ
も、鋼中のＣと結合し、耐磨耗性を向上させるととも
に、結晶粒の微細化により転動疲労寿命および靱性の向
上に有効に寄与する。しかし、いずれの元素も、多すぎ
る場合には炭化物が高温で安定化し、鋼材の硬さの低下
を招いて転動疲労寿命を低下させるだけでなく、鋼の被
削性をも低下させる。そこで、これらの元素の添加量
は、かかるおそれのない上記の各範囲内で添加するもの
とした。

【００２５】なお、本発明軸受用鋼の製造方法について
は、基本的には常法に従う処理法がそのまま適用でき
る。たとえば、転炉、電気炉等いずれの方法で溶製して
もよく、また、スラブ製造に当たっては連鋳法、造塊法
のいずれでもよい。さらに、熱間圧延条件および拡散焼
なまし, 球状化焼なまし、あるいは焼入れ−焼もどしの
条件も特に限定されることはなく、常法に従って行なえ
ばよい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例にもとづいて説明す
る。表１、表２に示す鋼を、転炉により溶製し、連続鋳
造法の下で鋼片としたのち、65mmφの棒鋼に圧延した。
なお、表中の鋼No.21 については、連続鋳造法で鋼片と
したのち、さらに1250℃で30時間の拡散焼なましを行
い、巨大炭化物の消失後、65mmφの棒鋼に圧延する方法
によって製造した。その後、上記各棒鋼は、転動疲労寿
命を評価するために球状化焼なまし後に焼入れ、焼もど
しを行い、サンプルを採取した。なお、熱処理条件は次
のとおりである。

【００２７】上掲の転動疲労寿命評価のための試験は、
円筒型転動疲労寿命試験機により、ヘルツ最大接触応
力：600 kgf/mm² 、繰り返し応力数：約46500cpmの条件
で行った。その試験結果は、ワイブル分布に従うものと
して確率紙上にまとめ、表２中の鋼材No. 21のＢ₁₀寿命
(累積破損確率：10％における、剥離発生までの総負荷
回数) を１として相対評価した。転動疲労寿命の評価結
果を表１、表２に示す。

【００２８】表に示す結果から明らかなように、Sb含有
量が本発明範囲より高い比較鋼No.22, 23は、転動疲労
寿命は従来鋼No.21 の0.6 倍と0.7 倍にすぎなかった。
Ｃ含有量が発明鋼よりも低い比較鋼No.24, 25 は、切削
性および冷間加工性の点ではやや改善されていたが転動
疲労寿命は共に0.7 倍であった。Si含有量が発明鋼より
低い比較鋼No.26, 27 およびMn含有量が本発明鋼より高
い比較鋼No.28, 29 も同様に転動疲労寿命が低い。Ｃ含
有量が発明鋼より高い比較鋼No.30, 31 およびCr含有量
が発明鋼より高い比較鋼No.32 は、転動疲労寿命に悪影
響を及ぼすと考えられる共晶炭化物がミクロ組織観察で
観察され、転動疲労寿命がいずれも従来鋼No.21 の0.5
倍にすぎなかった。

【００２９】これらに対し、鋼No.1〜20の発明鋼はいず
れも、従来鋼に比較して転動疲労寿命が良好で従来の2.
1 〜8.5 倍に改善されている。また、この実施例に示し
たように、鋼No.12 〜20の、Mn, Cr, Mo, Ni, Nb, Ｖ,
Ｗ, Cuの１種または２種以上を添加した鋼は、転動疲労
寿命が一層向上している。従って、これらの鋼は添加元
素の作用効果を勘案し、その使用目的に応じて自由な組
み合わせの鋼とすることができる。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、転
動疲労寿命特性に優れる軸受用鋼を提供することができ
る。また、転動疲労寿命のばらつきの少ない品質の安定
した軸受用鋼を提供することができると共に、Ｃ, Crの
低減により合金コストの低減を通じて素材コストの低減
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】Sb量と転動疲労寿命との関係を示すグラフであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 虔一 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社 水島製鉄所内 (56)参考文献 特開 平１−306542（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−271866（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−3690（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ：0.70〜0.95mass％、 Si：0.2 〜0.5 mass％未満、 Al：0.050 mass％以下、 Ｏ：0.0030mass％以下および Sb：0.0010mass％未満 を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなる転動
   疲労寿命特性に優れた軸受用鋼。
2. 【請求項２】Ｃ：0.70〜0.95mass％、 Si：0.2 〜0.5 mass％未満、 Al：0.050 mass％以下、 Ｏ：0.0030mass％以下および Sb：0.0010mass％未満 を含有し、さらに Mn：0.10〜2.5 mass％、 Cr：0.10〜1.0 mass％、 Mo：0.10〜1.0 mass％、 Ni：0.10〜2.0 mass％、 Nb：0.05〜0.50mass％、 Ｖ：0.05〜0.50mass％、 Ｗ：0.05〜0.50mass％および Cu：0.10〜2.0 mass％ のうちから選ばれる１種または２種以上の転動疲労寿命
   改善成分を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物より
   なる転動疲労寿命特性に優れた軸受用鋼。