JP3713975B2

JP3713975B2 - 軸受用鋼

Info

Publication number: JP3713975B2
Application number: JP26339198A
Authority: JP
Inventors: 善弘大藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP2000096185A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボール、コロ、ニードル、シャフト、レースなど軸受要素部品の素材として用いられる軸受用鋼に関し、特に、転動疲労寿命と耐摩耗特性に優れた低コスト型の軸受用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の産業機械や自動車などに使用される軸受には、高い面圧が繰り返し作用する。そのため、軸受要素部品であるボール、コロ、ニードル、シャフト、レースなどには、長い転動疲労寿命が要求される。更に、軸受要素部品には耐摩耗性も要求される。
【０００３】
長い転動疲労寿命を確保するには、焼入れ焼戻し後にロックウェルＣ硬さ（ＨRＣ）で６０以上の大きな硬さとすることが必要で、そのためにはマルテンサイト組織マトリックス（素地）中のＣ含有量を０．５重量％以上にする必要がある。一方、耐摩耗性を高めるためには、焼入れ焼戻し後に球状セメンタイトを残存させることが有効である。
【０００４】
したがって、従来、前記の軸受要素部品の素材として用いられる軸受用鋼には、０．８重量％を超えるＣ（炭素）を含有する過共析鋼に、セメンタイトを安定化させるＣｒを添加した鋼を用いることが多く、その代表例は０．９５〜１．１０重量％のＣと１．３０〜１．６０重量％のＣｒを含有する、JIS G 4805で規格化されているＳＵＪ２鋼である。
【０００５】
つまり、前記の各種軸受要素部品は、従来、上記の高炭素クロム軸受鋼を素材として、熱間圧延などの手段で熱間加工した後に球状化焼鈍し、次いで所望の形状に冷間鍛造や切削加工で粗成形し、その後焼入れと低温での焼戻しを行い、更に、仕上げ加工としての研削や研磨を施して製造されてきた。
【０００６】
しかしながら、鋼が０．９５重量％以上のＣと１．３重量％以上のＣｒを含む場合には、その凝固時に巨大な共晶炭化物が生成し易い。このため、例えば、１２５０℃で２０時間といった高温長時間の均質化熱処理が必要となるので、軸受要素部品の製造コストが嵩んでしまう。更に、熱間加工後の軟化のための球状化焼鈍に際し、鋼が１．３％以上のＣｒを含む場合には球状化した炭化物を粗大化させるのに長時間が必要となる。例えば、棒鋼や線材に熱間圧延した場合には、２０〜２５時間という長時間の球状化焼鈍を行う必要があり、コスト上昇の要因となっている。したがって、軸受用鋼としての性能を低下させることなく、ＣとＣｒの含有量を減らすことができれば、高温で長時間を要する均質化熱処理を省略したり、球状化焼鈍のための時間を短くすることが可能となって、軸受要素部品の製造コストを大幅に削減できると考えられる。
【０００７】
これに関して、例えば、特開平９−３０２４４３号公報には、Ｃ含有量が０．７０重量％以上で０．８０重量％未満、Ｃｒ含有量が０．４０〜０．９５重量％である「軸受用鋼」が開示されている。この公報で提案された軸受用鋼に関しては、均質化熱処理の省略は可能である。しかし、前記ＳＵＪ２鋼に比べてＣとＣｒの含有量が低いので、オーステナイト中でセメンタイトが不安定になることがあり、こうした場合には焼入れ・焼戻し処理後のセメンタイトの残存量が少なくなって、軸受要素部品の耐摩耗性が低下してしまう。又、球状化焼鈍の加熱に際しては適量のセメンタイトを残存させる必要があるが、セメンタイトがオーステナイトに固溶し易いと、鋼材自体の温度を狭い範囲で管理しなければならず、加熱保持時間、その後の徐冷に長時間を要し、球状化焼鈍時間を短縮することが困難である。
【０００８】
特開平９−１２５２０２号公報には、Ｃ含有量が０．７０〜０．９３％、Ｃｒ含有量が０．３０〜０．６５％である「軸受用鋼」が開示されている。しかし、この公報で提案された軸受用鋼も、均質化熱処理の省略ができるものの、前記ＳＵＪ２鋼に比べてＣとＣｒの含有量が低いので、オーステナイト中でセメンタイトが不安定になることがあり、こうした場合には耐摩耗性が低下し、球状化焼鈍の短時間化も困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、均質化熱処理を省略できるとともに球状化焼鈍時間を短縮することが可能で、軸受要素部品の素材として好適な転動疲労寿命と耐摩耗性に優れた軸受用鋼を提供することである。なお、転動疲労寿命と耐摩耗性の目標は、後述の実施例における転動疲労試験での１×１０⁷ 以上の寿命と、摩耗試験でＳＵＪ２鋼に相当する鋼の摩耗量を下回ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記に示す軸受用鋼にある。
【００１１】
すなわち、「重量％で、Ｃ：０．６％以上で０．９５％未満、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：１．３％未満、Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｂ：０．０００２％を超え０．０１％以下、Ａｌ：０．０２１〜０．０５％を含み、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＮは０．００６％以下、Ｔｉは０．００２％以下、Ｏは０．００２％以下で、更に、式中の元素記号をその元素の重量％での含有量として下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．００１％以下である軸受用鋼。ｆｎ１＝Ｎ−０．３Ｔｉ−１．４Ｂ・・・・・(1)」である。
【００１２】
本発明者らは、セメンタイトをオーステナイト中で安定化させて球状化焼鈍の時間を短縮し、しかも、焼入れ・焼戻し処理を施した軸受要素部品に長い転動疲労寿命と優れた耐摩耗性とを確保させるために、軸受用鋼の化学組成について種々実験・研究を重ねた。その結果、下記の知見を得た。
【００１３】
（ａ）ＣとＣｒの含有量を低減した場合、オーステナイト中でセメンタイトを安定化させるためにはＢを添加すれば良い。
【００１４】
（ｂ）Ｂがオーステナイト中でのセメンタイトの安定化に寄与するためには、Ｂがセメンタイト中に固溶していることが重要である。
【００１５】
（ｃ）Ｂは、Ｎとの親和力が大きくＢＮを形成してしまう。このため、Ｂを有効に働かせるためには、Ｎの含有量を低く調整する必要がある。
【００１６】
（ｄ）Ｔｉは、ＢよりもＮと結合し易く容易にＴｉＮを形成するので、Ｔｉを添加すればＮが固定されてＢが有効に作用する。
【００１７】
（ｅ）一方、ＮとＴｉが結合したＴｉＮは転動疲労寿命を低下させてしまう。
（ｆ）上記（ａ）〜（ｅ）から、オーステナイト中でのセメンタイトの安定化に有効なＢを確保するためには、Ｂの含有量とともにＮとＴｉの含有量を適正化すれば良い。
【００１８】
（ｇ）球状化焼鈍後の球状化率と耐摩耗性は、重量％での鋼のＢ含有量及びＴｉと結合しないＮの含有量、つまり、Ｎ（％）−０．３Ｔｉ（％）の量で整理できる。図１はＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｎ、Ｔｉ及びＯの含有量が異なる種々の鋼について、時間を変えて球状化焼鈍した場合の球状化率と耐摩耗性との関係を、重量％でのＢ含有量及びＮ（％）−０．３Ｔｉ（％）の量で整理した一例である。図中○印は８時間程度の短時間の球状化焼鈍でも８０％以上の球状化率が得られ、しかも耐摩耗性も良好であることを示す。一方、×印は少なくとも（イ）８時間程度の短時間の球状化焼鈍では球状化率が８０％に達しない、（ロ）耐摩耗性が低い、のいずれかに該当することを示す。
【００１９】
ここで、上記の「球状化率」とは、顕微鏡観察した時、「その視野における炭化物（セメンタイト）に対しての（短径）／（長径）の比が０．５以上である炭化物の割合（％）」を意味する。
【００２０】
本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「重量％」を意味する。
【００２２】
Ｃ：０．６％以上で０．９５％未満
Ｃは、焼入れ・焼戻し後の硬度を高めて転動疲労寿命を大きくする作用がある。しかし、その含有量が０．６％未満では添加効果に乏しく、所望の転動疲労寿命が得られない。一方、Ｃの含有量が０．９５％以上になると鋼の凝固時に巨大な炭化物が生成し易くなるので、均質化熱処理を省略した場合には目標とする転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｃの含有量を０．６％以上で０．９５％未満とした。なお、Ｃの含有量は０．７５％以上で０．９５％未満とすることが好ましい。
【００２３】
Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは、転動疲労寿命を高めるとともに脱酸作用を有する。しかし、その含有量が０．１％未満では前記の効果が得難い。一方、１．５％を超えると冷間加工性が劣化し、冷間鍛造の際に割れが発生し易くなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．５％とした。
【００２４】
Ｍｎ：０．２〜１．５％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるとともにＳによる熱間脆性を防止する作用を有する。これらの効果を発揮させるためには、Ｍｎを０．２％以上含有させる必要がある。一方、Ｍｎの含有量が１．５％を超えると冷間加工性が劣化し、冷間鍛造の際に割れが発生し易くなる。したがって、Ｍｎ含有量を０．２〜１．５％とした。
【００２５】
Ｃｒ：１．３％未満
Ｃｒは添加しなくても良い。添加すれば、オーステナイト中におけるセメンタイトの安定性を増大させて、球状化焼鈍時間を短縮するとともに耐摩耗性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｒは０．２％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が１．３％以上になると、鋼の凝固時に巨大な炭化物が生成し易くなるので、均質化熱処理を省略した場合には目標とする転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｃｒの含有量を１．３％未満とした。
【００２６】
Ｎｉ：１％以下
Ｎｉは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性を高めて転動疲労寿命を向上させる作用を有する。この効果を確実に発揮させるためには、Ｎｉは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が１％を超えると、焼入れしても未変態のままであるオーステナイト（所謂「残留オーステナイト」）の量が増えて硬度が低くなるので、所望の転動疲労寿命が得られない。したがって、Ｎｉの含有量を１％以下とした。
【００２８】
Ｃｕ：０．３％以下
Ｃｕは添加しなくても良い。添加すれば、焼入れ性を高めて転動疲労寿命を向上させる作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．３％を超えると、熱間延性が低下し、熱間での加工の際に割れが発生する場合がある。したがって、Ｃｕの含有量を０．３％以下とした。
【００２９】
Ｎｂ：０．２％以下
Ｎｂは添加しなくても良い。添加すれば、Ｃと結合して微細なＮｂＣを形成し、オーステナイト粒を微細化して転動疲労寿命を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｎｂは０．０３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．２％を超えると、凝固時に粗大なＮｂＣを生成するので、却って転動疲労寿命が低下してしまう。したがって、Ｎｂの含有量を０．２％以下とした。
【００３２】
Ｂ：０．０００２％を超え０．０１％以下
Ｂは、本発明において極めて重要な元素である。すなわち、Ｂはセメンタイト中に固溶してオーステナイト中におけるセメンタイトを安定化し、球状化焼鈍時間の短縮を可能にするとともに耐摩耗性を高める。しかしながら、その含有量が０．０００２％以下では前記の効果が得られない。一方、０．０１％を超えると粗大なＢＮが生成して転動疲労寿命が低下したり、耐摩耗性が低下する場合がある。したがって、Ｂの含有量を０．０００２％を超え０．０１％以下とした。
【００３３】
Ａｌ：０．０２１〜０．０５％
Ａｌは、鋼を脱酸して転動疲労寿命を高める作用を有する。この効果を確実に得るために、Ａｌは０．０２１％以上の含有量とする。しかし、その含有量が０．０５％を超えると、粗大な非金属系介在物が生成し易くなり、却って転動疲労寿命が低下する。したがって、Ａｌの含有量を０．０２１〜０．０５％とした。
【００３４】
本発明においては、不純物元素としてのＮ、Ｔｉ及びＯの含有量を下記のとおりに制限する。
【００３５】
Ｎ：０．００６％以下
Ｎは、ＴｉやＢと結合してＴｉＮやＢＮを形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特にその含有量が０．００６％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しい。したがって、Ｎの含有量を０．００６％以下とした。なお、Ｎの含有量が０．００４％以下であれば、切削加工時の工具摩耗量が減少するので、Ｎの含有量は０．００４％以下とすることが好ましい。
【００３６】
Ｔｉ：０．００２％以下
Ｔｉは、Ｎと結合してＴｉＮを形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特にその含有量が０．００２％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しい。したがって、Ｔｉの含有量を０．００２％以下とした。
【００３７】
Ｏ：０．００２％以下
Ｏは、酸化物系介在物を形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特にその含有量が０．００２％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しい。したがって、Ｏの含有量を０．００２％以下とした。
【００３８】
既に述べた図１から明らかなように、球状化焼鈍後の球状化率と耐摩耗性は、鋼のＢ含有量及びＮ（％）−０．３Ｔｉ（％）の量で整理でき、Ｎ（％）−０．３Ｔｉ（％）≦１．４Ｂ（％）＋０．００１を満たす場合、８時間程度の短時間の球状化焼鈍でも良好な球状化率が得られ、しかも、耐摩耗性も良好である。つまり、Ｎ（％）−０．３Ｔｉ（％）≦１．４Ｂ（％）＋０．００１を満たす場合、従来１６時間以上要していた球状化焼鈍時間を短縮することができ、しかも耐摩耗性も良好である。したがって、(1)式で表されるｆｎ１の値を０．００１％以下の値とした。
【００３９】
本発明が対象とする軸受用鋼において、上記以外の他の化学成分の組成に関しては、特別な限定を加える必要はない。軸受要素部品及びそれらから構成される最終製品、つまり軸受に要求される特性の付与が可能であり、均質化熱処理の省略と球状化焼鈍時間の短縮が可能な成分範囲でありさえすれば良い。
【００４０】
具体的には、例えば前記以外の元素として、Ｓ：０．１０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、希土類元素の合計：０．１０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅと不可避不純物からなり、不純物としてのＰが０．０５％以下のものであれば良い。
【００４１】
なお、熱間加工された鋼材、軸受要素部品や最終製品である軸受の特性向上などを目的に、上記した元素を追加含有させる場合には、Ｓ：０．００５〜０．１０％、Ｐｂ：０．０２〜０．３０％、希土類元素の合計：０．００２〜０．１０％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％の含有量とすることが好ましい。更に不純物としてのＰは０．０２％以下とすることが好ましい。
【００４２】
上記の化学組成を有する軸受用鋼は、例えば、通常の方法で溶製、鋼片とされた後、熱間での圧延又は鍛造を受け、例えば８時間程度の短時間の球状化焼鈍を受け、冷間鍛造や切削加工によって所望の形状に粗成形され、次いで、焼入れと焼戻しを受け、更に、研削や研磨など機械加工されて所望の精密な要素部品形状に仕上げられてから、精密機械部品である最終製品としての軸受に組み立てられる。
【００４３】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
【００４４】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｅ、Ｇ、Ｈ、Ｊ〜Ｐ及びＲ〜Ｘを通常の方法で転炉溶製した後、連続鋳造して連鋳鋼片を得た。なお、表１における鋼Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｇ、Ｊ、Ｍ、Ｏ、Ｗ及びＸは、化学組成が本発明で規定する含有量の範囲内にある本発明例である。一方、鋼Ａ、Ｄ、Ｈ、Ｋ、Ｌ、Ｎ、Ｐ及びＲ〜Ｖは成分のいずれかが本発明で規定する含有量の範囲から外れた比較例である。比較例のうち鋼ＵはＪＩＳ規格のＳＵＪ２に相当するものである。
【００４５】
【表１】

【００４６】
これらの鋼の連鋳鋼片の断面マクロ組織を通常の方法で目視観察し、巨大炭化物の有無を調査した。なお、目視によって炭化物の凝集部分が確認できた場合、巨大炭化物が有ると判断した。
【００４７】
次いで、前記の連鋳鋼片を通常の方法により直径６５ｍｍの棒鋼に熱間圧延し、下記の条件で球状化焼鈍を行った。なお下記の温度はいずれも炉温を指す。
【００４８】
・ＳＡ１：７７０℃で２時間保持後、６６０℃まで２０℃／時間で冷却（在炉時間は合計７．５時間）
・ＳＡ２：７７０℃で６時間保持後、６６０℃まで１０℃／時間で冷却（在炉時間は合計１７時間）
上記の各条件で球状化焼鈍した後、直径６５ｍｍの棒鋼のＤ／４とＤ／２の部位（Ｄは棒鋼の直径）での球状化率を測定した。すなわち、上記各部位を含む試料を切り出して通常の方法でピクラールで腐食した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率５０００倍で１０視野観察して球状化率を調査し、球状化率が８０％未満の場合に球状化が不十分であると判定した。
【００４９】
なお、既に述べたように、「球状化率」とは、「その視野における炭化物（セメンタイト）に対しての（短径）／（長径）の比が０．５以上である炭化物の割合（％）」を意味する。
【００５０】
次に、前記のＳＡ１の条件で球状化焼鈍した直径６５ｍｍの棒鋼から、直径６０ｍｍで厚さ６ｍｍの試験片を切り出し、８４０℃に加熱して３０分保持してから油焼入れし、その後１６０℃で１時間の焼戻しを行い、表面スケール、脱炭層を研磨によって除去した後、硬さ（ＨRＣ）測定を行った。
【００５１】
又、研磨した試験片を用いて転動疲労試験と摩耗試験を行った。
【００５２】
転動疲労試験は、スラスト型の転動疲労試験機を用いて、潤滑油に＃６０スピンドル油を使用して、ヘルツ最大接触応力が５００ｋｇｆ／ｍｍ² 、回転数が１２００ｒｐｍの負荷条件で行った。各鋼について試験片は１０個ずつとし、１０個の試験片の中で最初に表面剥離をおこしたときの回転数を「転動疲労寿命」とした。なお、転動疲労寿命の目標は１×１０⁷ 以上とした。
【００５３】
摩耗試験は、大越式摩耗試験機を用いて、硬さをＨRＢで８７に調整したＳＣＭ４２０を相手材とし、摩擦速度１ｍ／秒、摩擦距離４００ｍ、最終荷重６ｋｇｆ、無潤滑の条件で行った。各鋼について試験片は５個ずつとし、５個の試験片の摩耗量の平均値を摩耗量とした。なお、耐摩耗性の目標は試験番号２１におけるＳＵＪ２鋼に相当する鋼Ｕの摩耗量を１とした場合の１以下の摩耗量とした。
【００５４】
表２に、各種の試験結果をまとめて示す。
【００５５】
【表２】

【００５６】
表２から、本発明例の鋼を用いた試験番号２、３、５、７、１０、１３、１５、２３及び２４の場合には、連鋳鋼片に巨大炭化物がないので均質化熱処理を省略でき、しかも、球状化焼鈍時間を８時間に短縮しても８０％以上の球状化率が得られ、耐摩耗性が良好で転動疲労寿命も１×１０⁷以上と長いことが明らかである。
【００５７】
これに対して、比較例の鋼を用いた場合には、連鋳鋼片に巨大炭化物が認められたり、７．５時間の短時間焼鈍では、球状化率が８０％を下回ったり、耐摩耗性が低かったり、転動疲労寿命が短かったりする。
【００５８】
すなわち、試験番号１は、鋼のＣ含有量が本発明で規定する量を下回るため、摩耗量が多く、転動疲労寿命も２×１０⁶ と短い。
【００５９】
試験番号４は、鋼のＣ含有量が本発明で規定する量を上回るため、試験番号８は、Ｃｒ含有量が本発明で規定する量を上回るため、試験番号２１は、鋼のＣ含有量及びＣｒ含有量が本発明で規定する量を上回るため、いずれも連鋳鋼片中に巨大炭化物が存在し、転動疲労寿命も１×１０⁷ を下回っている。なお、既に述べたように、試験番号２１で用いた鋼ＵはＪＩＳ規格のＳＵＪ２に相当するものである。
【００６０】
試験番号１１、１４、１８〜２０は、それぞれＡｌ、Ｎ、Ｂ、Ｔｉ及びＯの含有量が本発明で規定する量を上回るため、転動疲労寿命はいずれも１×１０⁷ に達せず短いものである。
【００６１】
試験番号１２、１６、２２は、ｆｎ１の値が０．００１％を上回るため、７．５時間の短時間焼鈍では、球状化率が８０％を下回るし、耐摩耗性も不十分である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の軸受用鋼は、均質化熱処理を省略できるとともに球状化焼鈍時間を短縮することが可能で、転動疲労寿命が長く耐摩耗性に優れていることから、各種の産業機械や自動車などに使用される軸受の要素部品として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼のＢ含有量及びＮ（％）−０．３Ｔｉ（％）の量が、時間を変えて球状化焼鈍した場合の球状化率と耐摩耗性とに及ぼす影響の一例を示す図である。

Claims

重量％で、Ｃ：０．６％以上で０．９５％未満、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：１．３％未満、Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｎｂ：０．２％以下、Ｂ：０．０００２％を超え０．０１％以下、Ａｌ：０．０２１〜０．０５％を含み、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＮは０．００６％以下、Ｔｉは０．００２％以下、Ｏは０．００２％以下で、更に下記(1)式で表されるｆｎ１の値が０．００１％以下である軸受用鋼。
ｆｎ１＝Ｎ−０．３Ｔｉ−１．４Ｂ・・・・・(1)
なお、(1)式中の元素記号はその元素の重量％での含有量を示す。