JP4487748B2 - 軸受部品の製造方法 - Google Patents
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Description
転動疲労寿命を向上させる方法としては、例えば、特許文献1には、S53Cレベルの亜共析鋼(フェライト、パーライト組織)に2回以上のオーステナイト単層域への高周波熱処理を行い、旧オーステナイト粒径を微細化し、疲労寿命を向上させる方法が記載されており、その到達旧オーステナイト粒径は最小粒径のものでも6.2μmで、転動疲労寿命は従来材に比較して1.2〜1.5倍程度である。一方、過共析鋼については本文献には記載がないが、一般的に、過共析鋼の場合は通常焼入れ材でも旧オーステナイト粒径は6〜10μmを呈しているが、更なる最適熱処理化による旧オーステナイト粒の微細化処理を行わなければ転動疲労寿命の向上は期待できないとされる。
(1) 鋼の成分組成が、質量%で、C:0.6〜1.5%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.05〜2.0%、残部Fe及び不可避的不純物からなり、炭化物の形態が球状化炭化物である鋼を素材として、軸受部品の少なくとも一部表層に対して、Ac 3 点−10℃〜Ac 3 点の温度間での平均加熱速度を0.5℃/s以上とし、Ac 3 点以上Ac 3 点+130℃以下の温度での滞留時間を500秒以下とする加熱を行って、焼入れ処理を行うことを特徴とする軸受部品の製造方法。
(2)前記素材の鋼の成分組成に更に、質量%で、S:0.03%以下、Al:0.1%以下、Cu:1.0%以下、Ni:1.0%以下、Mo:1.0%以下、W:1.0%以下、Ti:0.01%以下、Nb:0.5%以下、B:0.01%以下、Sb:0.0050%以下、及びN:0.01%以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする発明(1)記載の軸受部品の製造方法。
軸受部品は、通常、焼入れ・焼戻し処理が施されて使用されるが、本発明では焼入れ表層部を有し、該表層部の平均オーステナイト粒径が4.0μm以下である軸受部品である。焼入れ表層部とは、焼入れ処理が施されてマルテンサイト組織を有する組織となっている表層部のことを言うが、表層に限らず全厚さ方向にマルテンサイトを有する組織となっていてもかまわない。そして、当該焼入れ表層部の平均旧オーステナイト粒径を4.0μm以下とすることで軸受部品の転動疲労寿命は通常の2.0倍以上に向上する。なお、軸受部品の焼入れ表層部の硬さはHv700以上であることが好ましい。Hv700未満では硬度不足により、軸受部品に要求される疲労寿命が必ずしも十分でないためである。なお、焼入れ表層部の硬さをHv700以上とするためには、焼戻処理時の加熱温度を考慮する必要があるが、詳細については後述する。
C:0.6〜1.5%
Cは、焼入れ部において部品の疲労寿命を得るために必要となる硬度確保のために必要な元素であり、0.6%未満では焼入れ部で十分な硬度および疲労強度が得られない。一方、1.5%を超えて添加すると、焼入れ前の加工性(剪断性、鍛造性)を劣化させるので上記範囲に限定した。
Si:0.1〜1.0%
Siは、転動疲労寿命を向上させるため、0.1%以上含有させる必要がある。しかし、1.0%を超えて添加すると、Cと同様に、焼入れ前の加工性(剪断性、鍛造性)を劣化させるので上記範囲に限定した。
Mn:0.1〜1.5%
Mnは焼入れ性を向上させるため、0.1%以上含有させる必要がある。しかし、過剰に添加すると焼入れ前の加工性(剪断性、鍛造性)を劣化させるので、その含有量の上限は1.5%とした。
Cr:0.05〜2.0%
Crは焼入れ性向上および炭化物の球状化を促進するので焼入れ前の硬さを押さえ、加工性を向上させる効果があるので、0.05%以上含有させる必要がある。しかし、2.0%を超えて添加してもその効果が飽和してしまうので上記範囲とした。
上述した元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物であるものが基本となる成分である。不可避的不純物としては、P,S,N,Oがあげられ、Pは0.05%まで、Oは0.0150%まで許容できる。S、Nは不可避的不純物としても混入するが、後述するとおり積極的に添加してもよい。尚、以上の基本成分組成に加えて更に、以下の元素を規定量の範囲で添加してもよい。
S:0.03%以下
SはMnと結合して、MnSを形成して被削性を向上させるので添加しても良いが0.03%を超えて添加するとMnSが割れの起点となり疲労寿命を著しく低下させるので上限を0.03%以下とする。
Al:0.1%以下
Alは強力な脱酸作用を持ち、鋼の清浄性を向上させる効果があるので、添加してもよいが、0.1%を超えて添加すると、鋼の清浄性をむしろ劣化させ疲労寿命が低下するので上限を0.1%以下とする。
Cu:1.0%以下
Cuは鋼の焼入れ性を向上させ焼入れ部の硬度を上昇させる効果があるので添加するのが好ましいが、本効果を得るためには1.0%以下の添加で十分である。
Ni:1.0%以下
Niは焼入れ性の向上や焼入れ部の靱性を向上させるため1.0%を上限として添加してもよい。また、Cu添加時に熱間脆性を抑制するためにNiをCuの添加量の1/2添加することが好ましい。
Mo:1.0%以下
Moは焼入れ性の向上や焼戻し軟化抵抗に対して効果があるので添加しても良いが、1.0%を超えて添加しても効果が飽和するので上限を1.0%以下とする。
W:1.0%以下
Wは焼入れ性の向上効果があるので添加しても良いが、1.0%を超えて添加しても効果が飽和するため上限を1.0%以下とする。
Ti:0.01%以下
Tiは窒化物形成によるオーステナイト粒成長抑制効果があるので添加しても良いが、0.01%を超えて添加すると、靱性が劣化するので上限を0.01%以下とする。
Nb:0.5%以下
Nbは窒化物(もしくは炭窒化物)形成によるオーステナイト粒成長抑制効果があるので添加しても良いが、0.5%を超えて添加してもその効果は飽和するので上限を0.5%以下とする。
B:0.01%以下
Bは焼入れ性向上効果があるので添加しても良いが、0.01%を超えて添加してもその効果は飽和するので上限を0.01%とする。
Sb:0.0050%以下
Sbは、ミクロ組織変化の遅延に対して効果があり、転動疲労特性の劣化を防止する作用を有するので添加しても良い。しかし、0.0050%を超えて添加すると、靱性が劣化するので上限を0.0050%以下とする。
N:0.01%以下
Nは窒化物(もしくは炭窒化物)を形成し、γ粒微細化に効果があるが、過剰添加は鋼の加工性を劣化させるので、上限を0.01%以下とする。
上述した元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物であり、不可避的不純物としては、P、Oが挙げられ、Pは0.05%、Oは0.0150%まで許容できる。
本発明の軸受部品は鋼素材、好ましくは、棒鋼、あるいは線材を鍛造工程を経てベアリング内外輪、ベアリングボール等の軸受部品の形状に加工した後、表層部焼入れを施して製造される。ここで、前記焼入れ表層部組織を得るためには、焼入れ前の組織、焼入れ条件の適正化が必要である。
焼入れ前の組織
焼入れ前の炭化物形態を球状化炭化物としておく必要がある。これは炭化物形態が球状化炭化物組織からなる鋼に後述する方法で焼入れ処理を行うと、加熱中のオーステナイト粒の成長が球状化炭化物によるピンニング効果により抑制されるからである。該ピンニング効果を有効に発現させるためには、炭化物の球状化状態は、炭化物のアスペクト比が平均で3以下である必要がある。アスペクト比を平均で3以下とするための方法は問わないが、アスペクト比や炭化物粒径を均一にするために、A1変態点付近で球状化焼鈍を行うことが好適である。尚、製品製造として鍛造工程の間に軟化焼鈍を実施したり、温間鍛造のための加熱を行っても、焼入れ前の炭化物形態が球状化炭化物であれば、焼入れ処理時のピンニング効果は消滅しないため問題はない。また、炭化物以外の残部組織は、フェライト、ベイナイト、マルテンサイトのいずれであってもよい。
焼入れ処理条件
平均旧オーステナイト粒径が4.0μm以下である焼入れ表層部を得るためには、焼入れ処理時の加熱条件を、加熱速度をAc3点―10℃〜Ac3点の温度間で平均0.5℃/s以上とし、加熱温度をAc3点以上Ac3点+130℃以下とし、かつ、この温度範囲での滞留時間を500秒以下とする必要がある。ここで、Ac3点とは、加熱時にフェライトもしくはベイナイトやマルテンサイトからオーステナイトへの変態が終了する温度をいう。加熱温度がAc3点未満であると、オーステナイトへの逆変態が生じないので、微細な焼入れ組織とすることができない。加熱温度がAc3点+130℃超では、たとえ球状化炭化物が存在していても、炭化物によるピンニング効果が低減して、オーステナイトの粒成長が生じるので、焼入れ後の組織の旧オーステナイト粒径が4.0μm超となってしまう。
また、焼入れ時の加熱に際して、加熱速度をAc3点―10℃〜Ac3点の温度間で平均0.5℃/s以上とする必要があるのは、この温度域で0.5℃/sより加熱速度が遅くなれば、オーステナイトへの核生成駆動力の減少などの影響で、オーステナイト粒径が粗大化し、焼入れ後の組織の旧オーステナイト粒径が4.0μm超となってしまうからである。
なお、上述した条件による焼入れ処理は、複数回行ってもよい。複数回の焼入れを行う場合には、この加熱速度条件は、最終の焼入れ処理時にのみ(N回焼入れ処理を施す場合には、N回目のみ)適用すればよい。最終の焼入れ処理に先だって行う焼入れ処理(N回焼入れ処理を施す場合には、1〜N―1回目までの焼入れ処理)では、焼入れ後の組織がベイナイトもしくはマルテンサイト組織(単相でも複合でも良い)と、残留球状化炭化物とであればよく、最終焼入れ行程に限定されるような熱処理は特に必要とはしない。但し、残留球状化炭化物が溶解してしまうような高温で加熱を行うと、最終焼入れ時に球状化炭化物によるオーステナイト粒成長抑制作用が消失してしまうので、最終焼入れ以前の焼入れ処理時においては、Acm点(球状化炭化物がオーステナイトに溶け込みオーステナイト単相となる温度)以下とする必要がある。複数回について前記焼入れ条件を適用することにより微細な焼入れ表層部が得られるので、複数回について前記焼入れ条件を適用してもかまわない。焼入れ処理の回数は、工業面・コスト面から考えれば2回行うのが好適である。上述した条件にて焼入れ処理を施すことにより、平均旧オーステナイト粒径が4.0μm以下である焼入れ表層部が得られる。
焼戻し温度が200℃以下であれば、前記成分組成の鋼を用いれば硬さがHv700以上の焼入れ表層部を得ることができる。
上述した条件で、焼入れ処理、焼戻し処理が施された後は、必要に応じて仕上げの研磨処理が施され軸受部品となる。
該棒鋼の直径の1/4の部分よりφ12mm X22mm長さのラジアル型転動疲労試験片を粗加工し、表2及び表3記載の熱処理条件で焼入れ処理を行った。焼戻しは170℃で行い、仕上げ加工を行った後に試験に供した。
また、表面硬度の低いサンプルでの旧γ粒微細化の効果を見るために200℃焼戻しを行い、表面硬度Hv700未満の試料も作成し試験に供した。
表層部のビッカース硬さはラジアル試験片の長手方向断面(以下L断面と呼ぶ)で表層から0.1mm内部のビッカース硬さHvを荷重2.94N(300gf)で5点測定し平均した。
表層部の旧オーステナイト粒径は、旧オーステナイト粒腐食を行い、L断面表層直下において1000倍で4視野写真撮影し、切断法にて測定を行った。
切断法では、各視野において630μmの線分が旧オーステナイト粒界と交差した数(X)を測定し「ある視野での平均オーステナイト粒径(μm)=630/(0.89xX)」として算出した後、4視野の平均値を算出した。
ラジアル疲労試験はヘルツ応力5880MPa(600kgf/mm2)、回転数約46400cpmで20本試験を行いB10寿命を求めた。
表2及び表3に試験結果を示す。本発明の条件に従い製造され、焼入れ表層部の平均旧オーステナイト粒径を4.0μm以下とした発明例は、B10寿命が優れていることがわかる。
Claims (2)
- 鋼の成分組成が、質量%で、C:0.6〜1.5%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.05〜2.0%、残部Fe及び不可避的不純物からなり、炭化物の形態が球状化炭化物である鋼を素材として、軸受部品の少なくとも一部表層に対して、Ac 3 点−10℃〜Ac 3 点の温度間での平均加熱速度を0.5℃/s以上とし、Ac 3 点以上Ac 3 点+130℃以下の温度での滞留時間を500秒以下とする加熱を行って、焼入れ処理を行うことを特徴とする軸受部品の製造方法。
- 前記素材の鋼の成分組成に更に、質量%で、S:0.03%以下、Al:0.1%以下、Cu:1.0%以下、Ni:1.0%以下、Mo:1.0%以下、W:1.0%以下、Ti:0.01%以下、Nb:0.5%以下、B:0.01%以下、Sb:0.0050%以下、及びN:0.01%以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の軸受部品の製造方法。
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