JP3659373B2 - 軸受用鋼 - Google Patents
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Description
【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、冷間加工性および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1.30〜1.60mass％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ことにある。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、引き続いて行われる各種の加工を容易にすることに、そして前記焼入れおよび焼もどしの目的は、転がり軸受に必要な硬さと靱性を確保することにある。
【０００４】
ところで、従来から切削加工によって成形加工されていた軸受部品が、最近では、鋼材の歩止り向上を狙って、リングローリング加工等のさらに厳しい冷間加工により製造される傾向がでてきた。このような冷間での成形加工は、歩止り向上のメリットのほか、特にエネルギー原単位削減、作業環境向上および寸法精度向上等の利点をも有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷間鍛造等の上記冷間加工を、従来のクロム軸受鋼に適用すると加工性に問題が生じ、例えば、冷間鍛造時に割れを発生して、おのずと冷間加工に制限があった。また、冷間シャー切断（以下、冷間切断と称す）を行う際に、工具寿命が短く、また、被切断材が同一硬さであっても、刃の磨耗量にばらつきが大きかった。このため、切断作業の面では、最短寿命での刃取り替え時期を予測して作業者を配置する必要があり、作業費の低減を阻害していた。さらに、鋼成分に起因する巨大炭化物を消散させるために、高温かつ長時間の拡散焼なまし処理が不可欠であり、大幅なコストアップ要因となっていた。
【０００６】
これらの問題を解決する方法が、例えば、特開平２−54739 号公報に開示されている。この方法は、素材の炭素量を低減させることにより切削抵抗あるいは変形抵抗を低くしたものであり、高炭素クロム鋼と比較して概して冷間加工性はやや向上するものの、ある成分範囲では、依然として、従来の高炭素クロム鋼の冷間鍛造可能範囲の加工であっても割れの発生がみられた。そのうえ、この方法では、高温かつ長時間の拡散焼なましを省略することについてはまったく考慮されていない。
また、特開平１−127651号公報の方法は、この拡散焼なましの省略を可能とするものの、加工性の問題は依然として未解決のままに残されている。
【０００７】
そこで本発明の主たる目的は、従来技術が抱えていた上述した問題を解決することにあり、転動疲労寿命特性のほか、冷間での加工性、特に冷間鍛造性および冷間切断性に優れ、しかも拡散焼なましを行う必要がない安価な軸受用鋼を提供することにある。
【０００８】
【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、主として冷間加工性に着目して鋭意研究した。その結果、冷間鍛造等の非常に厳しい冷間加工の向上には、球状化焼なまし組織が大きく影響を及ぼしていることを見いだし、球状化焼なまし組織を向上させることにより冷間鍛造性を向上できることがわかった。また、鋼成分を特定の範囲に調整することにより、冷間鍛造および冷間切断等の冷間加工性を向上させ、しかも高温かつ長時間の拡散焼なましを省略でき、従来の高炭素クロム軸受鋼と比較して同程度以上の転動疲労寿命を達成できることがわかった。
本発明は上記知見に基づいて完成したものであり、その要旨構成は以下のとおりである.
【０００９】
(1)Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、
Mn：0.10〜0.50mass％未満、Cr：0.50超〜0.95mass％、
Al：0.050 mass％未満、 Ｏ：0.0030mass％未満
を含み、かつＣ量（mass％）に応じて、次式：
Ｎ＜−0.02（Ｃ−0.7 ）＋0.009
の関係を満たすＮ（mass％）を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼（第１発明）。
【００１０】
(2)Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、
Mn：0.50〜1.10mass％未満、Cr：0.65超〜0.95mass％、
Al：0.050 mass％未満、 Ｏ：0.0030mass％未満
を含み、かつＣ量（mass％）に応じて、次式：
Ｎ＜−0.02（Ｃ−0.7 ）＋0.009
の関係を満たすＮ（mass％）を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼（第２発明）。
【００１１】
（3）Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、Mn：1.10〜1.37mass ％、Cr：0.50超〜0.95mass％、Al：0.050mass％未満、Ｏ：0.0030mass％未満を含み、かつＣ量(mass％)に応じて、次式：
Ｎ＜−0.01(Ｃ−0.7)＋0.008
の関係を満たすＮ(mass％)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼（第３発明）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
発明者らは、先ず、冷間鍛造性の向上を目標にして、球状化焼なまし組織と冷間鍛造性の関係を調べた。その結果の１例（0.8 wt％Ｃ鋼）を図１に示す。ここに、球状化率とは、単位面積中に存在する炭化物のうち縦径と横径との比が２以下の炭化物の個数の全個数に占める割合（％）で定義する。
図１より、冷間鍛造性は球状化率が向上するほど向上することがわかる。すなわち、球状化率を向上させることにより、冷間鍛造性に優れた軸受用鋼を得ることができる。
【００１３】
さて、球状化率を向上させるためには、球状化焼なまし条件を適正化する必要がある。図２に、一般的な球状化焼なましのヒートパターンの模式図を示す。発明者らは、球状化焼なまし条件についても鋭意調査研究を重ねた。その結果、球状化率向上のためには、球状化焼なまし処理において、最高加熱温度に保持する前の炭化物中に含まれるクロム量が球状化に大きく影響していること、炭化物中に含まれるクロム量が多いほど、その後の冷却中に成長する炭化物の核が多く残留し、球状化率は向上することが明らかとなった。
このような現象がもたらされる理由は、最高加熱温度において炭化物中に含まれるクロム量が多いほど炭化物が溶解しにくくて、小さな炭化物の核が残留しやすくなり、これらの核がその後の冷却中に成長して球状化するためであると考えられる。
以上の検討結果から、球状化率向上のためには、構成主元素である炭素とクロムを特定範囲に調整する必要があることがわかった。
【００１４】
次に、冷間切断性を改善することを目標に、切断面の性状、工具寿命と成分組成について相互の関係を調べた。
その結果、工具寿命は、切断面にしめる三日月状の部分（単に、三日月部と称す）の面積が増えるほど減少し、この面積率が８％を超えると寿命が極端に低下することがわかった。
さらに、発明者らは化学成分が切断面の性状に及ぼす影響について詳細に調べた。図３は、0.73〜0.86mass％Ｃ、0.15〜0.47 mass％Si、0.23〜0.95mass％Mn、0.53〜0.93mass％Cr、0.012 〜0.041mass ％Al、0.0005〜0.0017mass％Ｏ鋼における、ＮおよびＣと三日月部の面積率との関係を例示するものである。図３から、三日月部の面積率８％超を達成するためには、Ｃ量とＮ量との間の関係を一定範囲に制御する必要があることが明らかとなった。
このように、Ｃ量とＮ量が工具寿命に影響を及ぼすメカニズムは必ずしも明らかではないが、切断途中で局部的に温度が上昇することによるＣおよびＮに密接に関連した動的歪時効が切断性向上に有利に作用し、逆に粒内のAlＮおよびセメンタイト粒は不利に作用したためであると考えられる。
【００１５】
以下、本発明に成分組成を限定した理由について説明する.
Ｃ：0.70超〜0.90mass％
Ｃは、冷間加工性に密接に関係する球状化率の向上のために、クロム量との割合から必要な元素であるとともに、基地に固溶してマルテンサイトを強化し、強度、耐磨耗性および転動疲労寿命を向上させる有用な元素である。これらの効果は、0.70mass％以下の含有量ではその効果が小さく、一方、0.90mass％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、特にCr量との関係より拡散焼なましを省略することが不可能になる。このため、Ｃ量は0.70超〜0.90mass％の範囲に限定する。
【００１６】
Si：0.50mass％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ために必要な元素である。しかし、含有量が0.50mass％以上では、球状化後の硬さが上昇するため被削性および切断性が徐々に低下する。よって、Si量は0.50mass％未満の範囲に限定する。なお、望ましい範囲は、0.15〜0.45mass％である。
【００１７】
Mn：0.10〜0.50mass％未満、0.50〜1.10mass％未満、1.10〜1.37mass ％
Mnは、鋼の焼入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、また転動疲労寿命を向上させるうえで有効に寄与する。しかし、0.10mass％に満たないとその添加効果が十分ではなく、一方、2.0mass％以上では焼もどし後に残留オーステナイトが増加するため、軸受として使用中に残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し寸法変化が大きくなり、逆に疲労寿命低下を招く原因になる。ただし、本発明では、Mn量は0.10〜1.37mass ％の範囲とする。そして、この範囲で、添加可能なCr量、適用できるＣとＮの関係式が相違することを考慮して0.10〜0.50mass％未満、0.50〜1.10mass％未満、1.10〜1.37mass ％の３区分に分ける。このうち、加工性を重視する場合には低Mn系を、転動疲労寿命を重視する場合には高Mn系を用いるのがよい。
【００１８】
Cr：0.50超（ただし、Mn0.50〜1.10mass％未満のときは0.65超）〜0.95mass％
Crは、本発明において重要な元素であり、鋼の焼入性を高め、基地の強度および靱性を向上させるだけでなく、球状化率の向上ひいては冷間鍛造性の向上に寄与する有用な元素である。その含有量が、0.50（Mn0.50〜1.10mass％未満のときは0.65）mass％以下ではその効果が小さく、一方0.95mass％を超えると他元素、特にＣ量との関係から拡散焼なましの省略が不可能になる。このため、Cr量は0.50超（Mn0.50〜1.10mass％未満のときは0.65超）〜0.95mass％の範囲に限定する。なお、Crの効果は、0.80mass％でほぼ飽和し、0.80mass％以上では他元素特にＣ量との関係から溶製時に巨大炭化物が生成しやすくなるので上限は0.80mass％とするのが望ましい。
【００１９】
Al：0.050 mass％未満
Alは、脱酸剤として添加するが、Ｏと結合し硬質な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、できる限り低い方が望ましい。またＮと結合し硬質な窒化物系介在物を形成するため、冷間切断性を低下させる。よって、Al含有量は0.050 mass％未満とする。
【００２０】
Ｏ：0.0030mass％未満
Ｏは、Alと結合し硬質な酸化物系非金属介在物を形成して、転動疲労寿命を低下させることから少ない方が望ましい。よって、Ｏ含有量は0.0030mass％未満とする。なお、望ましい上限は0.0010mass％である。
【００２１】
Ｎ：Ｎ量とＣ量の間の関係式は、図３で説明したように、冷間切断時の三日月部の面積を８％未満に抑えて、工具寿命を高位に安定させるるために一定範囲に定めることが必要である。この関係式は、MnとCrの含有量によって次式のように変わる。ただし、Ｎ、Ｃはそれぞれのmass％とする。
(1) Mn：0.10〜0.50mass％未満かつCr：0.50超〜0.95mass％の場合、またはMn：0.50〜1.10mass％未満かつCr：0.65超〜0.95mass％の場合には、
Ｎ＜−0.02(Ｃ−0.7)＋0.009
(2) Mn：1.10〜1.37mass ％かつCr：0.50超〜0.95mass％の場合には、
Ｎ＜−0.01(Ｃ−0.7)＋0.008
【００２２】
なお、本発明による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球状化焼なまし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。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例にもとづいて説明する。
実施例１（第１発明）
表１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。
次いでこれらの棒鋼の（直径／４）部より、18mmφの試験片を切り出し、大気雰囲気のもとで球状化焼なましを行い、冷間鍛造性などの冷間加工性を評価した。一方、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、球状化焼なましおよび焼入れ焼もどしの各熱処理の条件は次のとおりとした。
▲１▼球状化焼なまし： 750℃×２時間→ 650℃まで炉冷、その後、空冷
▲２▼焼入れ焼もどし： 850℃×１時間／水冷 150℃×２時間／空冷
【００２４】
上掲の冷間鍛造試験は、球状化焼なまし後のサンプルより15mmφ×20 mm を切り出し、完全拘束の状態で圧縮試験を行い、割れ発生率が50％となる圧縮率を限界圧縮率と定義した。
冷間切断試験は、切断後に単位重量当りの工具寿命を測定し、鋼材No.21 の値を１として相対評価した。
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。その試験結果を、ワイブル分布に従うものとして確率紙上にまとめ、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に併せて示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１より明らかなように、Ｎ含有量が発明範囲より高い鋼材No.22 ，23の冷間切断性は、No.21 （従来材）の0.5 倍と0.3 倍にすぎなかった。Cr含有量が発明範囲より低い鋼材No.24 ，25は、球状化焼なまし後の球状化率が低く、比較的低い圧縮率で割れが発生しており、冷間鍛造性が低いことがわかる。Ｃ含有量が発明範囲より低い鋼材No.26 ，27は、冷間切断性の点では改善されているものの、転動疲労寿命はいずれもNo.21 （従来材）の0.8 倍にすぎなかった。Ｃ含有量が発明範囲より高い鋼材No.28 、29およびCr含有量が発明範囲より高い鋼材No.30 は、転動疲労寿命がNo.21 （従来材）のそれぞれ0.6 倍、0.7 倍および0.7 倍にすぎなかった。転動寿命が低いのは、転動疲労試験片のミクロ組織観察結果から、溶製時に生成した巨大炭化物によるものであると推察された。
【００２７】
これらに対し、鋼材No.1〜No.20 の発明例はいずれも、冷間鍛造性および冷間切断性は従来材に比較して格段に優れており、しかも転動疲労寿命も従来の比較材と同程度以上である。
【００２８】
実施例２（第２発明）
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。
次いでこれらの棒鋼の（直径／４）部より、18mmφの試験片を切り出し、大気雰囲気のもとで球状化焼なましを行い、冷間鍛造性などの冷間加工性を評価した。一方、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、球状化焼なましおよび焼入れ焼もどしの各熱処理の条件は次のとおりとした。
▲１▼球状化焼なまし： 750℃×２時間→ 650℃まで炉冷、その後、空冷
▲２▼焼入れ焼もどし： 850℃×１時間／水冷 150℃×２時間／空冷
【００２９】
上掲の冷間鍛造試験は、球状化焼なまし後のサンプルより15mmφ×20 mm を切り出し、完全拘束の状態で圧縮試験を行い、割れ発生率が50％となる圧縮率を限界圧縮率と定義した。
冷間切断試験は、切断後に単位重量当りの工具寿命を測定し、鋼材No.21 の値を１として相対評価した。
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。その試験結果を、ワイブル分布に従うものとして確率紙上にまとめ、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２に併せて示す。
【００３０】
【表２】
【００３１】
表２より明らかなように、Ｎ含有量が発明範囲より高い鋼材No.22 ，23の冷間切断性は、No.21 （従来材）の0.6 倍と0.4 倍にすぎなかった。Cr含有量が発明範囲より低い鋼材No.24 ，25は、球状化焼なまし後の球状化率が低く、比較的低い圧縮率で割れが発生しており、冷間鍛造性が低いことがわかる。Ｃ含有量が発明範囲より低い鋼材No.26 ，27は、冷間切断性の点では改善されているものの、転動疲労寿命はいずれもNo.21 （従来材）の0.8 倍と0.7 倍にすぎなかった。Ｃ含有量が発明範囲より高い鋼材No.28 ，29およびCr含有量が発明範囲より高い鋼材No.30 は、転動疲労寿命がNo.21 （従来材）のそれぞれ0.7 倍、0.7 倍および0.6 倍にすぎなかった。転動寿命が低いのは、転動疲労試験片のミクロ組織観察結果から、溶製時に生成した巨大炭化物によるものであると推察された。
【００３２】
これらに対し、鋼材No.1〜No.20 の発明例はいずれも、冷間鍛造性および冷間切断性は従来材に比較して格段に優れており、しかも転動疲労寿命も従来の比較材と同程度以上である。
【００３３】
実施例３（第３発明）
表３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。
次いでこれらの棒鋼の（直径／４）部より、18mmφの試験片を切り出し、大気雰囲気のもとで球状化焼なましを行い、冷間鍛造性などの冷間加工性を評価した。一方、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、球状化焼なましおよび焼入れ焼もどしの各熱処理の条件は次のとおりとした。
▲１▼球状化焼なまし： 750℃×２時間→ 650℃まで炉冷、その後、空冷
▲２▼焼入れ焼もどし： 850℃×１時間／水冷 150℃×２時間／空冷
【００３４】
上掲の冷間鍛造試験は、球状化焼なまし後のサンプルより15mmφ×20 mm を切り出し、完全拘束の状態で圧縮試験を行い、割れ発生率が50％となる圧縮率を限界圧縮率と定義した。
冷間切断試験は、切断後に単位重量当りの工具寿命を測定し、鋼材No.21 の値を１として相対評価した。
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。その試験結果を、ワイブル分布に従うものとして確率紙上にまとめ、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３に併せて示す。
【００３５】
【表３】
【００３６】
表３より明らかなように、Ｎ含有量が発明範囲より高い鋼材No.22 ，23の冷間切断性は、No.21 （従来材）の0.6 倍と0.5 倍にすぎなかった。Cr含有量が発明範囲より低い鋼材No.24 ，25は、球状化焼なまし後の球状化率が低く、比較的低い圧縮率で割れが発生しており、冷間鍛造性が低いことがわかる。Ｃ含有量が発明範囲より低い鋼材No.26 ，27は、冷間切断性の点では改善されているものの、転動疲労寿命はいずれもNo.21 （従来材）の0.9 倍にすぎなかった。Ｃ含有量が発明範囲より高い鋼材No.28 ，29およびCr含有量が発明範囲より高い鋼材No.30 は、転動疲労寿命がNo.21 （従来材）のそれぞれ0.7 倍、0.7 倍および0.6 倍にすぎなかった。転動寿命が低いのは、転動疲労試験片のミクロ組織観察結果から、溶製時に生成した巨大炭化物によるものであると推察された。
【００３７】
これらに対し、鋼材No.２，４，６，７，９， 13 ， 15 ， 18の発明例はいずれも、冷間鍛造性および冷間切断性は従来材に比較して格段に優れており、しかも転動疲労寿命も従来の比較材と同程度以上である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動疲労寿命を阻害することなしに冷間加工性を効果的に向上させることができる。したがって、本発明によれば、従来、冷間鍛造時に割れが発生していた過酷な加工量でも、欠陥を発生することなく加工できて、切削加工の省略または簡略化が可能となり、材料の歩留り向上および生産性向上に大きく貢献する。
また、本発明によれば、冷間シャー切断時の工具寿命を高位に安定させることができ、工具コストの低減およぶ作業性の向上が可能となる。さらにＣ，Crの低減により、合金コストの低減の低減が可能となるばかりでなく、従来、鋳造時に生成する巨大炭化物の消散のために施されていた拡散焼なましを省略することが可能となるので、素材コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鍛造の限界圧縮率に及ぼす炭化物の球状化率の影響を示すグラフである。
【図２】球状化焼きなまし熱処理の温度パターンを示す図である。
【図３】三日月部の面積率とＣ、Ｎ含有量との関係を示すグラフの１例である。
【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、冷間加工性および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1.30〜1.60mass％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ことにある。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、引き続いて行われる各種の加工を容易にすることに、そして前記焼入れおよび焼もどしの目的は、転がり軸受に必要な硬さと靱性を確保することにある。
【０００４】
ところで、従来から切削加工によって成形加工されていた軸受部品が、最近では、鋼材の歩止り向上を狙って、リングローリング加工等のさらに厳しい冷間加工により製造される傾向がでてきた。このような冷間での成形加工は、歩止り向上のメリットのほか、特にエネルギー原単位削減、作業環境向上および寸法精度向上等の利点をも有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷間鍛造等の上記冷間加工を、従来のクロム軸受鋼に適用すると加工性に問題が生じ、例えば、冷間鍛造時に割れを発生して、おのずと冷間加工に制限があった。また、冷間シャー切断（以下、冷間切断と称す）を行う際に、工具寿命が短く、また、被切断材が同一硬さであっても、刃の磨耗量にばらつきが大きかった。このため、切断作業の面では、最短寿命での刃取り替え時期を予測して作業者を配置する必要があり、作業費の低減を阻害していた。さらに、鋼成分に起因する巨大炭化物を消散させるために、高温かつ長時間の拡散焼なまし処理が不可欠であり、大幅なコストアップ要因となっていた。
【０００６】
これらの問題を解決する方法が、例えば、特開平２−54739 号公報に開示されている。この方法は、素材の炭素量を低減させることにより切削抵抗あるいは変形抵抗を低くしたものであり、高炭素クロム鋼と比較して概して冷間加工性はやや向上するものの、ある成分範囲では、依然として、従来の高炭素クロム鋼の冷間鍛造可能範囲の加工であっても割れの発生がみられた。そのうえ、この方法では、高温かつ長時間の拡散焼なましを省略することについてはまったく考慮されていない。
また、特開平１−127651号公報の方法は、この拡散焼なましの省略を可能とするものの、加工性の問題は依然として未解決のままに残されている。
【０００７】
そこで本発明の主たる目的は、従来技術が抱えていた上述した問題を解決することにあり、転動疲労寿命特性のほか、冷間での加工性、特に冷間鍛造性および冷間切断性に優れ、しかも拡散焼なましを行う必要がない安価な軸受用鋼を提供することにある。
【０００８】
【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、主として冷間加工性に着目して鋭意研究した。その結果、冷間鍛造等の非常に厳しい冷間加工の向上には、球状化焼なまし組織が大きく影響を及ぼしていることを見いだし、球状化焼なまし組織を向上させることにより冷間鍛造性を向上できることがわかった。また、鋼成分を特定の範囲に調整することにより、冷間鍛造および冷間切断等の冷間加工性を向上させ、しかも高温かつ長時間の拡散焼なましを省略でき、従来の高炭素クロム軸受鋼と比較して同程度以上の転動疲労寿命を達成できることがわかった。
本発明は上記知見に基づいて完成したものであり、その要旨構成は以下のとおりである.
【０００９】
(1)Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、
Mn：0.10〜0.50mass％未満、Cr：0.50超〜0.95mass％、
Al：0.050 mass％未満、 Ｏ：0.0030mass％未満
を含み、かつＣ量（mass％）に応じて、次式：
Ｎ＜−0.02（Ｃ−0.7 ）＋0.009
の関係を満たすＮ（mass％）を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼（第１発明）。
【００１０】
(2)Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、
Mn：0.50〜1.10mass％未満、Cr：0.65超〜0.95mass％、
Al：0.050 mass％未満、 Ｏ：0.0030mass％未満
を含み、かつＣ量（mass％）に応じて、次式：
Ｎ＜−0.02（Ｃ−0.7 ）＋0.009
の関係を満たすＮ（mass％）を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼（第２発明）。
【００１１】
（3）Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、Mn：1.10〜1.37mass ％、Cr：0.50超〜0.95mass％、Al：0.050mass％未満、Ｏ：0.0030mass％未満を含み、かつＣ量(mass％)に応じて、次式：
Ｎ＜−0.01(Ｃ−0.7)＋0.008
の関係を満たすＮ(mass％)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼（第３発明）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
発明者らは、先ず、冷間鍛造性の向上を目標にして、球状化焼なまし組織と冷間鍛造性の関係を調べた。その結果の１例（0.8 wt％Ｃ鋼）を図１に示す。ここに、球状化率とは、単位面積中に存在する炭化物のうち縦径と横径との比が２以下の炭化物の個数の全個数に占める割合（％）で定義する。
図１より、冷間鍛造性は球状化率が向上するほど向上することがわかる。すなわち、球状化率を向上させることにより、冷間鍛造性に優れた軸受用鋼を得ることができる。
【００１３】
さて、球状化率を向上させるためには、球状化焼なまし条件を適正化する必要がある。図２に、一般的な球状化焼なましのヒートパターンの模式図を示す。発明者らは、球状化焼なまし条件についても鋭意調査研究を重ねた。その結果、球状化率向上のためには、球状化焼なまし処理において、最高加熱温度に保持する前の炭化物中に含まれるクロム量が球状化に大きく影響していること、炭化物中に含まれるクロム量が多いほど、その後の冷却中に成長する炭化物の核が多く残留し、球状化率は向上することが明らかとなった。
このような現象がもたらされる理由は、最高加熱温度において炭化物中に含まれるクロム量が多いほど炭化物が溶解しにくくて、小さな炭化物の核が残留しやすくなり、これらの核がその後の冷却中に成長して球状化するためであると考えられる。
以上の検討結果から、球状化率向上のためには、構成主元素である炭素とクロムを特定範囲に調整する必要があることがわかった。
【００１４】
次に、冷間切断性を改善することを目標に、切断面の性状、工具寿命と成分組成について相互の関係を調べた。
その結果、工具寿命は、切断面にしめる三日月状の部分（単に、三日月部と称す）の面積が増えるほど減少し、この面積率が８％を超えると寿命が極端に低下することがわかった。
さらに、発明者らは化学成分が切断面の性状に及ぼす影響について詳細に調べた。図３は、0.73〜0.86mass％Ｃ、0.15〜0.47 mass％Si、0.23〜0.95mass％Mn、0.53〜0.93mass％Cr、0.012 〜0.041mass ％Al、0.0005〜0.0017mass％Ｏ鋼における、ＮおよびＣと三日月部の面積率との関係を例示するものである。図３から、三日月部の面積率８％超を達成するためには、Ｃ量とＮ量との間の関係を一定範囲に制御する必要があることが明らかとなった。
このように、Ｃ量とＮ量が工具寿命に影響を及ぼすメカニズムは必ずしも明らかではないが、切断途中で局部的に温度が上昇することによるＣおよびＮに密接に関連した動的歪時効が切断性向上に有利に作用し、逆に粒内のAlＮおよびセメンタイト粒は不利に作用したためであると考えられる。
【００１５】
以下、本発明に成分組成を限定した理由について説明する.
Ｃ：0.70超〜0.90mass％
Ｃは、冷間加工性に密接に関係する球状化率の向上のために、クロム量との割合から必要な元素であるとともに、基地に固溶してマルテンサイトを強化し、強度、耐磨耗性および転動疲労寿命を向上させる有用な元素である。これらの効果は、0.70mass％以下の含有量ではその効果が小さく、一方、0.90mass％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、特にCr量との関係より拡散焼なましを省略することが不可能になる。このため、Ｃ量は0.70超〜0.90mass％の範囲に限定する。
【００１６】
Si：0.50mass％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ために必要な元素である。しかし、含有量が0.50mass％以上では、球状化後の硬さが上昇するため被削性および切断性が徐々に低下する。よって、Si量は0.50mass％未満の範囲に限定する。なお、望ましい範囲は、0.15〜0.45mass％である。
【００１７】
Mn：0.10〜0.50mass％未満、0.50〜1.10mass％未満、1.10〜1.37mass ％
Mnは、鋼の焼入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、また転動疲労寿命を向上させるうえで有効に寄与する。しかし、0.10mass％に満たないとその添加効果が十分ではなく、一方、2.0mass％以上では焼もどし後に残留オーステナイトが増加するため、軸受として使用中に残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し寸法変化が大きくなり、逆に疲労寿命低下を招く原因になる。ただし、本発明では、Mn量は0.10〜1.37mass ％の範囲とする。そして、この範囲で、添加可能なCr量、適用できるＣとＮの関係式が相違することを考慮して0.10〜0.50mass％未満、0.50〜1.10mass％未満、1.10〜1.37mass ％の３区分に分ける。このうち、加工性を重視する場合には低Mn系を、転動疲労寿命を重視する場合には高Mn系を用いるのがよい。
【００１８】
Cr：0.50超（ただし、Mn0.50〜1.10mass％未満のときは0.65超）〜0.95mass％
Crは、本発明において重要な元素であり、鋼の焼入性を高め、基地の強度および靱性を向上させるだけでなく、球状化率の向上ひいては冷間鍛造性の向上に寄与する有用な元素である。その含有量が、0.50（Mn0.50〜1.10mass％未満のときは0.65）mass％以下ではその効果が小さく、一方0.95mass％を超えると他元素、特にＣ量との関係から拡散焼なましの省略が不可能になる。このため、Cr量は0.50超（Mn0.50〜1.10mass％未満のときは0.65超）〜0.95mass％の範囲に限定する。なお、Crの効果は、0.80mass％でほぼ飽和し、0.80mass％以上では他元素特にＣ量との関係から溶製時に巨大炭化物が生成しやすくなるので上限は0.80mass％とするのが望ましい。
【００１９】
Al：0.050 mass％未満
Alは、脱酸剤として添加するが、Ｏと結合し硬質な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、できる限り低い方が望ましい。またＮと結合し硬質な窒化物系介在物を形成するため、冷間切断性を低下させる。よって、Al含有量は0.050 mass％未満とする。
【００２０】
Ｏ：0.0030mass％未満
Ｏは、Alと結合し硬質な酸化物系非金属介在物を形成して、転動疲労寿命を低下させることから少ない方が望ましい。よって、Ｏ含有量は0.0030mass％未満とする。なお、望ましい上限は0.0010mass％である。
【００２１】
Ｎ：Ｎ量とＣ量の間の関係式は、図３で説明したように、冷間切断時の三日月部の面積を８％未満に抑えて、工具寿命を高位に安定させるるために一定範囲に定めることが必要である。この関係式は、MnとCrの含有量によって次式のように変わる。ただし、Ｎ、Ｃはそれぞれのmass％とする。
(1) Mn：0.10〜0.50mass％未満かつCr：0.50超〜0.95mass％の場合、またはMn：0.50〜1.10mass％未満かつCr：0.65超〜0.95mass％の場合には、
Ｎ＜−0.02(Ｃ−0.7)＋0.009
(2) Mn：1.10〜1.37mass ％かつCr：0.50超〜0.95mass％の場合には、
Ｎ＜−0.01(Ｃ−0.7)＋0.008
【００２２】
なお、本発明による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球状化焼なまし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。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例にもとづいて説明する。
実施例１（第１発明）
表１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。
次いでこれらの棒鋼の（直径／４）部より、18mmφの試験片を切り出し、大気雰囲気のもとで球状化焼なましを行い、冷間鍛造性などの冷間加工性を評価した。一方、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、球状化焼なましおよび焼入れ焼もどしの各熱処理の条件は次のとおりとした。
▲１▼球状化焼なまし： 750℃×２時間→ 650℃まで炉冷、その後、空冷
▲２▼焼入れ焼もどし： 850℃×１時間／水冷 150℃×２時間／空冷
【００２４】
上掲の冷間鍛造試験は、球状化焼なまし後のサンプルより15mmφ×20 mm を切り出し、完全拘束の状態で圧縮試験を行い、割れ発生率が50％となる圧縮率を限界圧縮率と定義した。
冷間切断試験は、切断後に単位重量当りの工具寿命を測定し、鋼材No.21 の値を１として相対評価した。
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。その試験結果を、ワイブル分布に従うものとして確率紙上にまとめ、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に併せて示す。
【００２５】
【表１】
表１より明らかなように、Ｎ含有量が発明範囲より高い鋼材No.22 ，23の冷間切断性は、No.21 （従来材）の0.5 倍と0.3 倍にすぎなかった。Cr含有量が発明範囲より低い鋼材No.24 ，25は、球状化焼なまし後の球状化率が低く、比較的低い圧縮率で割れが発生しており、冷間鍛造性が低いことがわかる。Ｃ含有量が発明範囲より低い鋼材No.26 ，27は、冷間切断性の点では改善されているものの、転動疲労寿命はいずれもNo.21 （従来材）の0.8 倍にすぎなかった。Ｃ含有量が発明範囲より高い鋼材No.28 、29およびCr含有量が発明範囲より高い鋼材No.30 は、転動疲労寿命がNo.21 （従来材）のそれぞれ0.6 倍、0.7 倍および0.7 倍にすぎなかった。転動寿命が低いのは、転動疲労試験片のミクロ組織観察結果から、溶製時に生成した巨大炭化物によるものであると推察された。
【００２７】
これらに対し、鋼材No.1〜No.20 の発明例はいずれも、冷間鍛造性および冷間切断性は従来材に比較して格段に優れており、しかも転動疲労寿命も従来の比較材と同程度以上である。
【００２８】
実施例２（第２発明）
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。
次いでこれらの棒鋼の（直径／４）部より、18mmφの試験片を切り出し、大気雰囲気のもとで球状化焼なましを行い、冷間鍛造性などの冷間加工性を評価した。一方、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、球状化焼なましおよび焼入れ焼もどしの各熱処理の条件は次のとおりとした。
▲１▼球状化焼なまし： 750℃×２時間→ 650℃まで炉冷、その後、空冷
▲２▼焼入れ焼もどし： 850℃×１時間／水冷 150℃×２時間／空冷
【００２９】
上掲の冷間鍛造試験は、球状化焼なまし後のサンプルより15mmφ×20 mm を切り出し、完全拘束の状態で圧縮試験を行い、割れ発生率が50％となる圧縮率を限界圧縮率と定義した。
冷間切断試験は、切断後に単位重量当りの工具寿命を測定し、鋼材No.21 の値を１として相対評価した。
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。その試験結果を、ワイブル分布に従うものとして確率紙上にまとめ、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２に併せて示す。
【００３０】
【表２】
表２より明らかなように、Ｎ含有量が発明範囲より高い鋼材No.22 ，23の冷間切断性は、No.21 （従来材）の0.6 倍と0.4 倍にすぎなかった。Cr含有量が発明範囲より低い鋼材No.24 ，25は、球状化焼なまし後の球状化率が低く、比較的低い圧縮率で割れが発生しており、冷間鍛造性が低いことがわかる。Ｃ含有量が発明範囲より低い鋼材No.26 ，27は、冷間切断性の点では改善されているものの、転動疲労寿命はいずれもNo.21 （従来材）の0.8 倍と0.7 倍にすぎなかった。Ｃ含有量が発明範囲より高い鋼材No.28 ，29およびCr含有量が発明範囲より高い鋼材No.30 は、転動疲労寿命がNo.21 （従来材）のそれぞれ0.7 倍、0.7 倍および0.6 倍にすぎなかった。転動寿命が低いのは、転動疲労試験片のミクロ組織観察結果から、溶製時に生成した巨大炭化物によるものであると推察された。
【００３２】
これらに対し、鋼材No.1〜No.20 の発明例はいずれも、冷間鍛造性および冷間切断性は従来材に比較して格段に優れており、しかも転動疲労寿命も従来の比較材と同程度以上である。
【００３３】
実施例３（第３発明）
表３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。
次いでこれらの棒鋼の（直径／４）部より、18mmφの試験片を切り出し、大気雰囲気のもとで球状化焼なましを行い、冷間鍛造性などの冷間加工性を評価した。一方、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、球状化焼なましおよび焼入れ焼もどしの各熱処理の条件は次のとおりとした。
▲１▼球状化焼なまし： 750℃×２時間→ 650℃まで炉冷、その後、空冷
▲２▼焼入れ焼もどし： 850℃×１時間／水冷 150℃×２時間／空冷
【００３４】
上掲の冷間鍛造試験は、球状化焼なまし後のサンプルより15mmφ×20 mm を切り出し、完全拘束の状態で圧縮試験を行い、割れ発生率が50％となる圧縮率を限界圧縮率と定義した。
冷間切断試験は、切断後に単位重量当りの工具寿命を測定し、鋼材No.21 の値を１として相対評価した。
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。その試験結果を、ワイブル分布に従うものとして確率紙上にまとめ、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３に併せて示す。
【００３５】
【表３】
表３より明らかなように、Ｎ含有量が発明範囲より高い鋼材No.22 ，23の冷間切断性は、No.21 （従来材）の0.6 倍と0.5 倍にすぎなかった。Cr含有量が発明範囲より低い鋼材No.24 ，25は、球状化焼なまし後の球状化率が低く、比較的低い圧縮率で割れが発生しており、冷間鍛造性が低いことがわかる。Ｃ含有量が発明範囲より低い鋼材No.26 ，27は、冷間切断性の点では改善されているものの、転動疲労寿命はいずれもNo.21 （従来材）の0.9 倍にすぎなかった。Ｃ含有量が発明範囲より高い鋼材No.28 ，29およびCr含有量が発明範囲より高い鋼材No.30 は、転動疲労寿命がNo.21 （従来材）のそれぞれ0.7 倍、0.7 倍および0.6 倍にすぎなかった。転動寿命が低いのは、転動疲労試験片のミクロ組織観察結果から、溶製時に生成した巨大炭化物によるものであると推察された。
【００３７】
これらに対し、鋼材No.２，４，６，７，９， 13 ， 15 ， 18の発明例はいずれも、冷間鍛造性および冷間切断性は従来材に比較して格段に優れており、しかも転動疲労寿命も従来の比較材と同程度以上である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動疲労寿命を阻害することなしに冷間加工性を効果的に向上させることができる。したがって、本発明によれば、従来、冷間鍛造時に割れが発生していた過酷な加工量でも、欠陥を発生することなく加工できて、切削加工の省略または簡略化が可能となり、材料の歩留り向上および生産性向上に大きく貢献する。
また、本発明によれば、冷間シャー切断時の工具寿命を高位に安定させることができ、工具コストの低減およぶ作業性の向上が可能となる。さらにＣ，Crの低減により、合金コストの低減の低減が可能となるばかりでなく、従来、鋳造時に生成する巨大炭化物の消散のために施されていた拡散焼なましを省略することが可能となるので、素材コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鍛造の限界圧縮率に及ぼす炭化物の球状化率の影響を示すグラフである。
【図２】球状化焼きなまし熱処理の温度パターンを示す図である。
【図３】三日月部の面積率とＣ、Ｎ含有量との関係を示すグラフの１例である。
Claims (3)
- Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、Mn：0.10〜0.50mass％未満、Cr：0.50超〜0.95mass％、Al：0.050mass％未満、Ｏ：0.0030mass％未満を含み、かつＣ量(mass％)に応じて、次式：
Ｎ＜−0.02(Ｃ−0.7)＋0.009
の関係を満たすＮ(mass％)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼。 - Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、Mn：0.50〜1.10mass％未満、Cr：0.65超〜0.95mass％、Al：0.050mass％未満、Ｏ：0.0030mass％未満を含み、かつＣ量(mass％)に応じて、次式：
Ｎ＜−0.02(Ｃ−0.7)＋0.009
の関係を満たすＮ(mass％)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼。 - Ｃ：0.70超〜0.90mass％、Si：0.50mass％未満、Mn：1.10〜1.37mass ％、Cr：0.50超〜0.95mass％、Al：0.050mass％未満、Ｏ：0.0030mass％未満を含み、かつＣ量(mass％)に応じて、次式：
Ｎ＜−0.01(Ｃ−0.7)＋0.008
の関係を満たすＮ(mass％)を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする軸受用鋼。
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