JP4225228B2

JP4225228B2 - 軸受材料とその製造方法

Info

Publication number: JP4225228B2
Application number: JP2004089249A
Authority: JP
Inventors: 誠司鍋島; 久生山崎; 利継武田; 剛村井; 祐司三木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005272953A

Description

本発明は、玉軸受などの転がり軸受に用いられる軸受材料であって、とくに圧砕強度の高い軸受材料とその製造方法に関するものである。

軸受材料というのは、転勤疲労寿命が長く、圧砕強度が高いことが求められている。その転勤疲労寿命は、一般に、この軸受材料中に含まれている硬質の酸化物系非金属介在物に影響されることが知られている。従来、転勤疲労寿命の向上は、主として材料中の酸素量を低減することによって、酸化物系非金属介在物量の低減を図ることによって向上させてきた。その結果、精錬技術の進歩とも相侯って、現在では、該軸受材料中の酸素量を重量比にして10 ppm以下にまで低減することができるようになっている。しかし、こうした酸素量の低減による転勤疲労寿命の向上方法は、既に限界に達しているのが実情である。

こうした実情に鑑み最近では、転勤疲労寿命のより一層の向上を目指す幾つかの提案がなされている。例えば、特許文献１として示す従来技術では、単位面積あるいは単位体積当たりの酸化物系非金属介在物の個数を制御することにより、また特許文献２として示す従来技術では、極値統計処理によって推定される酸化物系非金属介在物の最大径を予測することにより、長寿命を実現した軸受材料を提案している。しかし、これらの従来技術は、酸素量を10 ppm以下という極低値まで下げた超清浄鋼についての知見ではなく、超清浄鋼については非金属介在物の個数や最大径と転動疲労寿命との関係は解明されていなかった。

さらに、特許文献３では、鋼中の硫化物系非金属介在物の厚みと個数、ならびに酸化物系非金属介在物の予測最大径に着目し、厚み１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が被検面積320 mm²のときに1200個以下、および／または、被検面積320 mm²での酸化物の予測最大径を10μｍ以下に制御することにより、長寿命を実現する軸受用鋼が開示されている。
特開平３−１２６８３９号公報特開平５−２５５８７号公報特開平９−２９１３４０号公報

ただし、従来の上述した技術は、酸化物や硫化物の個数または最大径を低減することのみを目標として転動疲労寿命の向上を図るものであるが、それだけでは材料の圧砕強度まで向上させることはできない。このような背景の下で、軸受材料のさらなる長寿命化と圧砕強度の向上とを目指すには、介在物量の減少や最大径の減少はもちろんのこと、さらに酸化物や硫化物の形態の制御も必要になると考えられる。

本発明の目的は、従来技術が抱えている解決を必要とする上述した課題、とくに超清浄鋼についてのさらなる長寿命、圧砕強度の向上を実現できる軸受材料を提供すると共に、それの有利な製造方法を提案することにある。

本発明は、上掲の目的、即ち、転動疲労寿命の延長と高い圧砕強度をもつ軸受材料を開発するためになされたものであって、それは、以下に詳述するような鋼組成、酸化物系介在物の大きさ、個数、および鋼中における存在形態を適切に制御することにより実現されるものである。

即ち、本発明は、Ｃ：0.80〜1．10mass％、Si：0.15〜0.70 mass％、Mn：1.15mass％以下、Cr：0.90〜1.60mass％、Ｐ：0.025mass％以下、Ｓ：0.020mass％以下、Ｏ：0.0010mass％以下含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、被検面積を320mm²としたときの、酸化物系非金属介在物の最大径が15μｍ以下、円相当径が３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が１５０個以下、かつ、MnＳを帯同する酸化物からなる複合系非金属介在物の個数割合が全酸化物個数の40％以下であることを特徴とする軸受材料である。

また、本発明は、請求項１に記載の軸受鋼を製造するにあたり、転炉、電気炉または取鍋精錬装置において、Ｃ濃度0.5mass％以上および／またはAl濃度0.005mass％以上の溶鋼中に窒素ガスを吹き込んで、溶鋼中の窒素濃度を120ppm以上に上昇させた後、ＲＨ式真空脱ガス装置において、30分以上ArまたはAr＋窒素を吹込み、次いで脱窒素、脱酸素処理を行い、その後、溶鋼を連続鋳造し、得られた鋳片を熱間圧延する際、1200℃以上での均熱時間を１５時間以下の加熱を行うことを特徴とする軸受材料の製造方法を提案する。

上述した構成の採用によって本発明によれば、鋼中酸素濃度が重量割合で10 ppmという超清浄鋼を使った軸受材料の転動疲労寿命や圧砕強度を格段に向上させることができ、転がり軸受などの寿命が向上する。

本発明において開発対象としている軸受材料とは、下記の成分組成を有する超清浄鋼である。

Ｃ：0.80〜1.10 mass％
Ｃは、基地に固溶してマルテンサイトの強化に有効に作用する元素であり、焼入れ焼もどし後の強度確保と、それによる転勤疲労寿命の向上のために必要な元素である。その含有量が0.80 mass％未満では上記の効果が得られず、一方、1.10 mass％超では鋳造時に巨大炭化物が生成し、加工性ならびに転勤疲労寿命が低下するので、0.80〜1.10 mass％の範囲に限定した。

Si：0.15〜0.70 mass％
Siは、鋼中に固溶して焼もどし軟化抵抗の増大により焼入れ、焼もどし後の強度を高めて転勤疲労寿命を向上させる元素として有効である。こうした目的の下に添加されるSiの含有量は0.15〜0.70 mass％の範囲とする。その含有量が0.15 mass％未満では、上記の効果が得られず、一方0.70 mass％では過剰であり、脱スケール性が悪化するためである。

Mn：1.15 mass％以下
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることにより基地マルテンサイトの靭性、硬度を向上させ、転勤疲労寿命を向上させる元素として有効である。こうした目的のためには1.15 mass％以下の添加であれば十分である。

Cr：0.90〜1.60 mass％
Crは、焼入れ性の向上と安定した炭化物の形成を通じて、強度の向上ならびに耐摩耗性を向上させ、ひいては転勤疲労寿命を向上させる成分である。こうした効果を得るためには、0.90〜1.60 mass％の添加が必要である。その含有量が0.90 mass％未満では上記の効果が得られず、一方1.60 mass％超では、その添加効果は向上せず、鋼材硬さを低下させ転動疲労寿命に悪影響を与えるためである。

Ｐ：0.025 mass％以下
Ｐは、鋼の勒性ならびに転勤疲労寿命を低下させることから可能な限り低いことが望ましく、その許容上限はO.025 mass％としなけばならない。望ましくは0.020 mass％以下である。

Ｓ：0.020 mass％以下
Sは、Mnと結合してMnS等の硫化物系介在物を形成し、被削性を向上させる。しかし、多量に含有させると転勤疲労寿命を低下させることから、0.020 mass％を上限としなければならない。望ましくは0.010 mass％以下である。

Ｏ：0.0010 mass％
Ｏは、硬質の酸化物系非金属介在物を生成して、転勤疲労寿命を低下させることから、低いほど望ましい。とくに、本発明の材料において転動疲労寿命のさらなる向上と圧砕強度のより一層の向上を目指すには、その上限の含有量は0.0010 mass％程度にしなければならない。

なお、本発明では、酸素含有量が0.0010 mass％という超清浄鋼を対象とした軸受材料であるが、この材料の転動疲労寿命や圧砕強度のより一層の向上のためには、さらに鋼中に不可避に生成する非金属介在物、とくに酸化物系非金属介在物のサイズや個数のみならず、その介在物の鋼中における存在形態についての検討も必要であるとの認識の下で鋭意研究した結果、以下の条件を採用することが有効であることがわかった。

即ち、鋼中の介在物形態に関しては、熱間圧延後の丸棒、線材の長手方向縦断面を顕微鏡観察したとき、以下のような介在物形態、組成を有することが転動疲労寿命、圧砕強度の向上に有効である。まず、酸化物系非金属介在物の最大径は被検面積：320 mm²での最大径を15μｍ以下にする必要がある。なお、測定面積が少ない場合には、極値統計法により320 mm²あたりの予測最大径を求めてもよい。

図１は、被検面積320 mm²における３μｍ以上の介在物個数、最大介在物粒径と転動疲労寿命との関係を示すものである。この図に示すところからかわるように、最大径を15μｍ以下とし、かつ、円相当径３μｍ以上の酸化物系介在物の個数が被検面積：320 mm²において150個以下のとき疲労時間は100時間を超え、疲労寿命低下の抑止に効果のあることがわかる。この図に示すとおり、望ましくは酸化物系金属介在物の最大径を12μｍ以下、酸化物系介在物の個数を100個以下にするとさらなる疲労寿命の向上が期待できる。

次に、発明者らは、酸化物の形態と圧砕強度との関係を詳細に調査した。その結果、同程度の酸化物個数においても、酸化物のまわりにMnＳが析出して巻付いたような酸化物（以下、「MnＳを帯同する酸化物」という）が多いと、圧砕強度が低下することが判明した。図２は、酸化物のまわりにMnＳが巻付いた“MnＳを帯同する酸化物”の写真である。

また、図３は、被検面積320 mm²における上記MnＳを帯同する酸化物個数と圧砕強度との関係を示すグラフである。この図に示すように、MnＳを帯同する酸化物の個数を60個以下にすることにより圧砕強度は、120ＫＰａを越して著しく向上することがわかる。望ましくは40個以下にするとよい。

以上の試験結果を整理すると、円相当径３μｍ以上の酸化物系介在物の個数が被検面積：320 mm²において150個以下場合、被検面積320mm²におけるMnＳを帯同する酸化物である複合系非金属介在物の個数割合は60個以下であればよいから、全酸酸化物個数との比率では40％以下とすればよいことがわかる。同様にして、MnＳを帯同する酸化物のより好ましい個数割合は、60％以上となる。

なお、酸化物のまわりに析出するMnＳは、主にビレット圧延時の冷却過程において酸化物を核として生成するものである。そのとき、酸化物のまわりにMn欠乏層が生成するため、この酸化物物の周囲は脆弱になり、その結果、鋼球の圧砕時において強度が低下する。したがって、酸化物周囲へのMnＳの析出は極力抑制することが重要であり、その上限として被検面積：320 mm²においてMnＳの巻付いた酸化物を60個以下としたのである。

次に、上述した軸受材料（用鋼）の製造方法について説明する。まず、3μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数を被検面積：320 mm²において150個以下にするために、転炉、電気炉、または取鍋精錬装置において、Ｃ濃度0.5 mass％以上、または、Al濃度0.005 mass％以上の溶鋼中に窒素ガスを吹き込み、溶鋼中の窒素濃度を120 ppm以上にした後、ＲＨ式真空脱ガス装置にて30分以上、ArガスまたはAr＋窒素混合ガスを吹込むことにより、脱窒素、脱酸素処理を行う。
この処理において、ＲＨ式真空脱ガス前の窒素濃度を120 ppm以上にすることにより、真空槽内で窒素気泡が生成し、その気泡に介在物がトラップされて介在物が凝集する。しかも、ＲＨ式真空脱ガス処理時間を30分以上行うことにより、取鍋内で凝集した介在物の浮上分離が促進されるので、溶鋼中の介在物個数が著しく減少する。
なお、上記の処理に当たっては、取鍋内のスラグは、FeＯやMnＯが低くかつSiＯ₂濃度の低い組成にすることが重要である。

図４は、ＲＨ式真空脱ガス装置での還流時間、ＲＨ式真空脱ガス処理前窒素濃度と被検面積320mm²における３μｍ以上の酸化物系非金属介在物個数との関係を示すグラフである。この図に示すように、ＲＨ式真空脱ガス処理前窒素濃度を120ppm以上、かつ、ＲＨ式真空脱ガス処理時間を30分以上確保することにより、３μｍ以上の介在物個数は被検面積：320mm²において150個以下にすることが可能となる。但し、ＲＨ式真空脱ガス装置にて環流ガスとして窒素のみを使用した場合には、窒素は溶鋼に可溶なるため環流量が低下し、３μｍ以上の介在物個数を被検面積：320mm²において150個以下にすることができなくなる。
なお、ＲＨ式真空脱ガス処理前の窒素濃度を120ppm以上にするには、転炉、電気炉、または取鍋精錬装置にて窒素ガスを歩留まりよく吹き込み、これを溶解させるには溶鋼中の酸素濃度を低下することが重要であり、そのためには、Ｃ濃度0.5mass％以上および／またはAl濃度0.005mass％以上の溶鋼を用いることが有効である。

次に、軸受材料中の被検面積320mm²におけるMnＳを帯同する酸化物からなる複合系非金属介在物の個数割合を全酸化物個数に対する割合で40％以下にするには、溶鋼を連続鋳造した鋳片を熱間圧延する際に、1200℃以上での均熱時間を１５時間以下の加熱を行うことが有効である。1200℃以上の均熱時間をあまり長くすると、鋳片中のMnＳが鋼中に再溶解し、その後の分塊圧延時の冷却過程において酸化物を核として酸化物のまわりにMnＳが析出する。その結果、上述したように、介在物周囲のMn欠乏層が生成するため、介在物の周囲が脆弱になり、鋼球の圧砕時において強度が低下する。したがって、酸化物周囲へのMnＳの過剰析出を防止するためには、均熱処理時にMnＳの再溶解を抑止することが重要である。

図５は、分塊圧延前均熱処理での1200℃以上の加熱時間とMnＳを帯同する酸化物の個数との関係を示すグラフである。この図に示すように、被検面積：320 mm²においてMnＳを帯同する酸化物の個数割合を40％以下にするには、分塊圧延前の1200℃以上での均熱処理時間は15時間以下にする必要があることがわかる。

表１に示す成分組成を有する高炭素クロム軸受用鋼を、転炉にて溶製し、次いで、取鍋溶鋼撹拝装置による溶鋼攪拌処理を行ってから、ＲＨ式真空脱ガス装置で脱ガス処理を行い、その後、連続鋳造、均熱処理、分塊圧延、熱間圧延を経て6.5 mmφの線材に圧延した。次に、球状化焼なまし、酸洗後巻き取り、さらに鋼球製造のための冷間鍛造、熱処理、研磨、ラッピングを行って所定の鋼球を得た。この鋼球（９mmφ）を転動疲労寿命試験、圧砕強度試験に供した。なお、非金属介在物の測定は、鋼球の断面を光学顕微鏡により平均径3μｍ以上の酸化物と最大径を評価し、被検面積として320 mm²を測定した。その際に酸化物と酸化物の周囲にMnＳを巻いた介在物と分けて評価した。表１に実施例と比較例の最大介在物径、3μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数、MnＳを帯同する酸化物個数、MnＳを帯同する酸化物個数比、転動疲労寿命、圧砕強度を示す。

本発明に適合する酸化物系非金属介在物の形態、個数、最大径を有するものでは、高寿命で圧砕強度の高い軸受鋼が得られていることわかった。
表２に、表１に示した各実施例の製造方法を示す。真空脱ガス前の窒素濃度、真空脱ガスの環流時間、ガス種、分塊圧延前の均熱温度時間を本発明に適合する条件にすることにより、上記に示した酸化物系非金属介在物の形態、個数、最大径の素材を得ることができることがわかった。

本発明は、転がり軸受材料とくに鋼球に適用される。

被検面積320 mm²における３μｍ以上の介在物個数、最大介在物粒径と疲労寿命の関係を示すグラフである。 MnSを帯同する酸化物のようすを示す写真である。被検面積320 mm²におけるMnＳを帯同する酸化物個数と圧砕強度の関係を示すグラフである。ＲＨ式真空脱ガス装置での環流時間、ＲＨ処理前窒素濃度と被検面積320 mm²における３μｍ以上の介在物個数の関係を示すグラフである。分塊圧延前の均熱処理における1200℃以上の時間と被検面積320 mm²におけるMnＳを巻いた酸化物個数の関係を示すグラフである。

Claims

Ｃ：0.80〜1.10mass％、Si：0.15〜0.70mass％、Mn：1.15mass％以下、Cr：0.90〜1.60mass％、Ｐ：0.025mass％以下、Ｓ：0.020mass％以下、Ｏ：0.0010mass％以下含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、被検面積を320mm²としたときの、酸化物系非金属介在物の最大径が15μｍ以下、円相当径が３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が１５０個以下、かつ、MnＳを帯同する酸化物からなる複合系非金属介在物の個数割合が全酸化物個数の40％以下であることを特徴とする軸受材料。
請求項１に記載の軸受鋼を製造するにあたり、転炉、電気炉または取鍋精錬装置において、Ｃ濃度0.5mass％以上および／またはAl濃度0.005mass％以上の溶鋼中に窒素ガスを吹き込んで、溶鋼中の窒素濃度を120ppm以上に上昇させた後、ＲＨ式真空脱ガス装置において、30分以上ArまたはAr＋窒素を吹込み、次いで脱窒素、脱酸素処理を行い、その後、溶鋼を連続鋳造し、得られた鋳片を熱間圧延する際、1200℃以上での均熱時間を１５時間以下の加熱を行うことを特徴とする軸受材料の製造方法。