JP5114148B2

JP5114148B2 - 転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材およびその製造方法

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Publication number: JP5114148B2
Application number: JP2007256261A
Authority: JP
Inventors: 学藤田; 和寛辻
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009084647A

Description

本発明は、転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材に関するものである。

軸受用鋼として、従来からＪＩＳＧ４８０５に規定されるＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼が、自動車や各種産業機械等の種々の分野で用いられている軸受の材料として使用されている。しかし軸受は、接触面圧が非常に高い玉軸受やころ軸受等の内・外輪や転動体等、過酷な環境で用いられるため、非常に微細な欠陥（介在物等）から疲労破壊が生じ易く、また、その欠陥に分布があるため、寿命が安定しないといった問題がある。その結果、軸受を用いる際は、ばらつきある寿命の下限値を適用する必要があり、無駄な保守（交換、点検等）が発生している。

この問題に対し、転動疲労寿命そのものを高めて上記保守の回数を低減させるべく、軸受用鋼材の改善が試みられている。

例えば特許文献１には、軸受材料おいて、欠陥となる酸化物系非金属介在物の個数を厳密に規定することにより高寿命化を図っている。一方で、特許文献２では、上記特許文献１の評価面積よりもはるかに大きい３００００ｍｍ^２の被検面積を観察することによって、特に、硫化物の最大サイズが転動疲労寿命に影響していることを見出した旨示されている。この様に、被検面積と介在物の個数が転動疲労寿命に及ぼす影響については、未だ不明瞭な点が多く、高寿命化は図られているが、転動疲労寿命を安定化させる観点からは未だ検討されていない。

また、特許文献３には、介在物の組成を調整することにより、転動疲労寿命を向上させることが試みられている。即ち、転動疲労破壊の原因となる白色組織、炭化物組織を非金属介在物の微細化により抑制することとし、介在物の組成を調節することにより非金属介在物の微細化を図っているが、介在物の組成調節のための工程を設ける必要があるため、実用化が難しいと思われる。

一方、特許文献４には、多量の合金元素を添加した合金鋼とすることで、転動疲労寿命を向上できた旨示されている。しかしこの様な多量の合金元素の使用は、コスト、加工性、製造性に問題が生じやすく、ＳＵＪ２ほど汎用性に優れているとは考えにくい。
特許第３８８９９３１号公報特開２００６−６３４０２号公報特開平８−３６８２号公報特開平６−２８７６９７号公報

本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材を提供することにある。

本発明に係る転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材とは、
Ｃ：０．９５〜１．１０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
Ｍｎ：０．５０％以下（０％を含まない）、
Ｐ：０．０２０％未満（０％を含まない）、
Ｓ：０．０２０％未満（０％を含まない）、
Ｐ＋Ｓ：０．０２０％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：１．３０〜１．６０％を含み、
残部：鉄および不可避不純物からなり、
下記条件で測定して求められる硬さばらつき率が、２０％以下であるところに特徴を有する。

〈硬さばらつき率の測定条件〉
（i）測定箇所：
棒状または線状鋼材であって、球状化焼鈍および焼入れ焼戻ししたものについて、
・圧延方向に垂直な任意の切断面におけるＤ／４位置（Ｄは圧延材の直径、以下同じ）［９０°ごとに４箇所（以下、各箇所をａ〜ｄと称する）］、および
・圧延方向に平行な切断面（但し、この切断面は、上記ａ、ｂ、ｃまたはｄのＤ／４位置と中心軸を通る）における上記Ｄ／４位置
［９０°ごとに４箇所（以下、各箇所をａ’〜ｄ’と称する）］
の合計８箇所
（ii）測定方法：
ａ〜ｄ、ａ’〜ｄ’の各箇所において、上記Ｄ／４位置を中心とする１０ｍｍ線（上記Ｄに平行な線）上の３００ｇＨｖ硬さを、０．１ｍｍ間隔で１００点測定する。
（iii）硬さばらつき率の算出方法：
ａ〜ｄ、ａ’〜ｄ’の各箇所において、上記１００点の３００ｇＨｖ硬さ（ビッカース硬さ）のうち、平均硬さに対して±３０Ｈｖ以上の差異が認められる硬さの点数を、ばらつき割合とする。そして、ａ〜ｄおよびａ’〜ｄ’（合計８箇所）の上記ばらつき割合の平均値を、硬さばらつき率とする。

本発明の軸受用鋼材は、更に他の元素として、Ｎｉ：０．２５％未満（０％を含まない）、Ｃｕ：０．２５％未満（０％を含まない）、およびＭｏ：０．０８％未満（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含んでいてもよい。

本発明によれば、転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材を実現できるので、軸受用鋼材を軸受に適用したときに、転動疲労寿命のばらつきが抑えられ、該寿命の下限値を保証することができるので、無駄な保守（交換、点検等）を低減することができる。

本発明者らは、転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材を実現すべく鋭意研究を行った。その結果、
・軸受用鋼材の転動疲労寿命のばらつきは、後述する実施例の方法で測定する軸受用鋼材の硬さばらつきと相関性が高いこと；
・寿命ばらつきを低減させて転動疲労寿命の安定性を高めるには、この硬さばらつきを小さくするのがよいこと；
・そして、この硬さばらつきの原因が、鋳片凝固時の偏析に伴う縞状組織［焼入れ組織中に見られるものであって、ピクリン酸とアルコールの混合溶液で腐食後に、光学顕微鏡にて例えば倍率１００倍で観察したときに、炭化物、ＭｎＳ等の粗密に伴うコントラストの薄い組織とコントラストの濃い組織が縞状に存在する組織］の存在にあり、この縞状組織において、コントラストの薄い組織の部分は炭化物が少なく相対的に軟らかく、コントラストの濃い組織の部分は炭化物が多く相対的に硬いといった、硬さのばらつきが生じること；
を突き止め、硬さばらつきを小さくして転動疲労寿命の安定化を図るには、上記縞状組織の影響を低減するのがよい、との着想のもとでその具体的方法を見出した。

そしてその結果、上記縞状組織の影響を低減するにあたっては、
・溶鋼から鋼への凝固時の平衡分配係数の低い元素を低減すること、かつ
・軸受用鋼材の製造工程において、熱間圧延を比較的低温で行い、更には鋳片から圧延材への鍛圧比（「鋳片の鋳造方向に垂直な断面積／圧延材の圧延方向に垂直な断面積」をいう。以下同じ）を高めること、
が大変有効であることが分かった。以下、本発明で規定した成分組成および製造条件について詳述する。

まず、本発明の鋼材は、ＪＩＳＧ４８０５（１９９９）で規定するＳＵＪ２の成分組成をベースとするものであり、Ｃ：０．９５〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５０％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％を満たすものである。

このうち、Ｃは焼入硬さを増大させ、室温，高温における強度を維持して耐摩耗性を付与するために必須の元素である。従って、０．９５％以上含有させなければならず、好ましくは０．９８％以上のＣを含有させることが望ましい。しかしながら、Ｃ含有量が多くなり過ぎると巨大炭化物が生成し易くなり、転動疲労特性に却って悪影響を及ぼす様になるので、Ｃ量は１．１０％以下、好ましくは１．０５％以下に抑えるべきである。

またＣｒは、Ｃと結びついて微細な炭化物を形成し、耐摩耗性を付与すると共に、焼入性の向上に寄与する元素である。この様な効果を発揮させるには、Ｃｒ含有量を１．３０％以上とする。好ましくは１．３５％以上である。しかし、Ｃｒが過剰に存在すると、粗大な炭化物が生成し、転動疲労寿命が却って低下する。従ってＣｒ量は１．６０％以下とする。好ましくは１．５０％以下である。

本発明者らは、溶鋼から鋼への凝固時の平衡分配係数の低い元素としてＰ、Ｓが、縞状組織の形成に大きく影響し、転動疲労寿命の安定化に悪影響を及ぼしていることを見出した。そこで本発明では、特にＰ、Ｓについて下記範囲内となるよう抑制することとした。

〈Ｐ＋Ｓ：０．０２０％以下（０％を含まない）〉
〈Ｐ：０．０２０％未満（０％を含まない）〉
〈Ｓ：０．０２０％未満（０％を含まない）〉
まず本発明では、鋼材の成分組成において、凝固時の平衡分配係数（Ｃ_Ｓ／Ｃ_Ｌ）が０．１よりも低い元素：Ｐ、Ｓの合計含有量を０．０２０％以下とすれば縞状組織が著しく低減することを見出した。

Ｐは、鋳片凝固時に偏析し易い元素である。また、Ｐはフェライトフォーマーであるため、偏析すると、圧延材のパーライトのフェライト分率を高める。即ち、球状化焼鈍時に、球状炭化物のもととなるパーライト中のセメンタイトを減少させることになる。そのため、Ｐ量が多いと、偏析が顕著となり、かつ偏析した箇所の球状炭化物を減少させて縞状組織を顕著化し、硬さばらつきを生じさせる。一方、Ｓは、鋳片凝固時に偏析し易い元素であり、またＭｎＳを形成して縞状組織を顕著化し、硬さばらつきを生じさせる元素でもある。

この様に鋼材中に縞状組織を生じさせる原因となる成分：ＰおよびＳを併せて０．０２０％以下に低減させることにより、縞状組織を十分に低減できることがわかった。ＰおよびＳの合計含有量は、好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下であるが、量産工程で製造する観点からは、その下限が０．００６％程度となる。

また、上記Ｐ、Ｓによる縞状組織の生成を確実に防止するには、Ｐ量単独で、０．０２０％未満（好ましくは０．０１５％以下）に抑える必要があり、かつＳ量単独で、０．０２０％未満（好ましくは０．００８％以下）に抑える必要がある。

本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物であり、該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容され得る。

尚、転動疲労寿命を高めるため、下記元素を規定範囲内で積極的に含有させることも可能である。

〈Ｎｉ：０．２５％未満（０％を含まない）、Ｃｕ：０．２５％未満（０％を含まない）、およびＭｏ：０．０８％未満（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上〉
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏは、いずれも母相の焼入性向上元素として作用し、硬さを高めて転動疲労特性の向上に寄与する元素である。これらの効果は、Ｎｉで０．０３％以上、Ｃｕで０．０３％以上、Ｍｏで０．０１％以上含有させることによって有効に発揮される。

しかし、Ｎｉ量が０．２５％以上、あるいはＭｏ量が０．０８％以上になると、加工性が劣化し、Ｃｕ量が０．２５％以上になると熱間圧延時の割れを助長するので、夫々上記範囲内とするべきである。

本発明の軸受用鋼材は、上記成分組成を満たす鋳片を、例えばソーキング炉で加熱した後、熱間圧延することにより得られるが、上述の通り、縞状組織の影響を低減させるには、この熱間圧延を比較的低温で行なうことが大変有効である。

熱間圧延により、生成した縞状組織を伸展・破壊できるため、縞状組織の影響を低減でき、結果として硬さばらつきを低減することができる。しかし熱間圧延を高温で行うと、表層が優先して変形を受けるため、鋼材内部の縞状組織（偏析箇所）を十分伸展できない。

よって本発明では、内部まで大きな変形を与え、鋼材内部の縞状組織（偏析箇所）を十分伸展すべく、圧延温度範囲（圧延開始から圧延終了までの温度の幅）が８００℃〜１０００℃の間に入るようにするのがよい。圧延中の温度が低いほど上記縞状組織が伸展し易いので、圧延温度範囲の上限は９５０℃であることが好ましく、より好ましい上限は９００℃である。一方、上記温度が低すぎると、圧延機への負荷が増大し、故障等の原因となるため、圧延温度範囲の下限は、上記の通り８００℃（好ましくは８５０℃）とするのがよい。

また、熱間圧延時の鍛圧比を高めることで、偏析箇所がより多く伸展するため、縞状組織の影響を低減でき、硬さばらつきを低減することができる。この様な観点から本発明では、上記鍛圧比が６０以上となるよう圧延を行う。尚、鍛圧比が大きくなるほど縞状組織の影響を低減できるが、その効果は鍛圧比が約５００で飽和する。

図１は、上記鍛圧比と後述する実施例で測定した寿命比（転動疲労寿命の安定性の指標）との関係を、（Ｐ＋Ｓ）量別に示したグラフである。この図１より（Ｐ＋Ｓ）量を規定範囲内に低減した上で、鍛圧比が６０以上となるよう圧延を行うことにより、転動疲労寿命の安定性を向上できることがわかる。

本発明の軸受用鋼材は、軸受等の部品を容易に製造することのできる線状・棒状の鋼材として得られるが、そのサイズは、最終製品に応じて適宜決めることができる。

下記表１に示す成分組成の鋼を連続鋳造で溶製し、１５５ｍｍ角のビレットに分塊圧延した後ソーキング炉で加熱した。その後、表２に示す条件（圧延温度範囲、鍛圧比）で熱間圧延を行って、鋼材（棒状圧延材）を得た。

そしてこの圧延材を用いて硬さばらつき率を下記条件で測定した。また、圧延材を用いて試験片を作製し、寿命比を求めた。

〈硬さばらつき率の測定条件〉
以下、測定箇所を模式的に示した図２を用いて説明する。尚、図２では、ビッカース硬さを測定する１０ｍｍ線を、Ｄ／４位置から離して分かりやすく示しているが、実際の測定において、１０ｍｍ線は、図２（ｂ）に示す通り鋼材角からそれぞれ１５０μｍの位置にあり、圧延方向に垂直な切断面および平行な切断面のＤ／４位置を測定している。
（i）測定箇所：
得られた鋼材に、球状化焼鈍および焼入れ焼戻しを施したものについて、
・圧延方向に垂直な任意の切断面におけるＤ／４位置（Ｄは圧延材の直径、以下同じ）［９０°ごとに４箇所（以下、図２（ａ）に通り、各箇所をａ〜ｄと称する）］、
および、
・圧延方向に平行な切断面（但し、この切断面は、上記ａ、ｂ、ｃまたはｄのＤ／４位置と中心軸を通る）における上記Ｄ／４位置
［９０°ごとに４箇所（以下、各箇所をａ’〜ｄ’と称する。尚、図２（ｂ）は上記図１の一部拡大図であり、ａ’の位置を例示している）］
の合計８箇所
（ii）測定方法：
ａ〜ｄ、ａ’〜ｄ’の各箇所において、前記図２（ｂ）に示す通り、上記Ｄ／４位置を中心とする１０ｍｍ線（圧延材の直径に平行な線）上の３００ｇＨｖ硬さを、０．１ｍｍ間隔で１００点測定［図２（ｂ）では、ａおよびａ’の測定箇所について示している］。
（iii）硬さばらつき率の算出方法：
ａ〜ｄ、ａ’〜ｄ’の各箇所において、上記１００点の３００ｇＨｖ硬さのうち、平均硬さに対して±３０Ｈｖ以上の差異が認められる硬さの点数を、ばらつき割合とする。そして、ａ〜ｄおよびａ’〜ｄ’（合計８箇所）の上記ばらつき割合の平均値を、硬さばらつき率とする。

そして、この硬さばらつき率が２０％以下のものを硬さばらつきが小さいと評価し、２０％を超えるものを硬さばらつきが大きいと評価した。

尚、参考として、表１におけるＮｏ．７（本発明例）の１箇所のビッカース硬さの測定データ（１００点）を図３に示す。またＮｏ．２０（比較例）の１箇所のビッカース硬さの測定データ（１００点）を図４に示す。上記Ｎｏ．７やＮｏ．２０では、その他の７箇所についても上記図３や図４と同様にデータを取り、合計８箇所のばらつき割合の平均値をそれぞれ求めて硬さばらつき率とした。また、その他の例についても、上記Ｎｏ．７やＮｏ．２０と同様に１００点のビッカース硬さを測定して硬さばらつき率を求めた。

〈試験片の作製方法〉
上記圧延材に球状化焼鈍を施した後、Ｄ／４位置を中心として圧延方向に、試験片材料を切り出し、粗加工を施し、その後、８４０℃で３０分間加熱後に油焼入れを行ない、１６０℃で１２０分間焼き戻しを行なってから、仕上げ研磨を施して図５に示す試験片を得た。

〈寿命比の測定方法〉
転動疲労試験機にて、繰り返し速度：４６４８５ｃｐｍ、面圧：５．８８ＧＰａ、中止回数：３億回の条件で試験を実施した。この試験を、各鋼材につき１５個の試料を用いて行い、そのうちのＭａｘ寿命（３億回で中止した場合には、Ｍａｘ寿命を３億回とした）とＭｉｎ寿命を用い、寿命比として（Ｍｉｎ寿命／Ｍａｘ寿命）を算出した。そして、この寿命比が０．２０以上のものを転動疲労寿命が安定していると評価し、０．２０未満のものを転動疲労寿命が安定していないと評価した。

これらの結果を表１に併記する。

表１から次のように考察することができる。即ち、Ｎｏ．１〜１６は、本発明で規定する成分組成を満たしており、かつ本発明で規定する方法で製造したので、得られた鋼材は、いずれも硬さばらつき度が小さく、結果として寿命比が小さく、転動疲労寿命の安定性に優れていることがわかる。

これに対し、Ｎｏ．１７〜２８は、鋼材の化学成分が本発明の規定要件を外れるか、製造条件が規定要件を外れているため、いずれも硬さばらつき度が大きくなり、転動疲労寿命の安定性が低くなっている。

詳細には、Ｎｏ．１７〜２２は、圧延時の鍛圧比が小さいため、縞状組織の影響が強く残り、硬さにばらつきが生じて、安定した転動疲労寿命を確保できなかった。

Ｎｏ．２３〜２５は、（Ｐ＋Ｓ）量が規定範囲を超えており、Ｎｏ．２５では更に圧延時の鍛圧比も小さいため、縞状組織の影響が強く残り、硬さにばらつきが生じて、安定した転動疲労寿命を確保できなかった。

Ｎｏ．２６〜２８は、圧延温度が規定範囲よりも高く、Ｎｏ．２８では更に圧延時の鍛圧比も小さいため、縞状組織の影響が強く残り、硬さにばらつきが生じて、安定した転動疲労寿命を確保できていない。

鍛圧比と寿命比の関係を（Ｐ＋Ｓ）量別に示したグラフである。硬さばらつき率の測定箇所を説明する図である。実施例における本発明例のビッカース硬さデータ（１００点）の一例を示すものである。実施例における比較例のビッカース硬さデータ（１００点）の一例を示すものである。実施例における試験片の形状を示す図である。

Claims

Ｃ：０．９８〜１．１０％（質量％の意味、以下同じ）、
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、
Ｍｎ：０．５０％以下（０％を含まない）、
Ｐ：０．０２０％未満（０％を含まない）、
Ｓ：０．０２０％未満（０％を含まない）、
Ｐ＋Ｓ：０．０２０％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：１．３０〜１．６０％を含み、
残部：鉄および不可避不純物からなり、
下記条件で測定して求められる硬さばらつき率が、２０％以下であることを特徴とする転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材。
〈硬さばらつき率の測定条件〉
（i）測定箇所：
棒状または線状鋼材であって、球状化焼鈍および焼入れ焼戻ししたものについて、
・圧延方向に垂直な任意の切断面におけるＤ／４位置（Ｄは圧延材の直径、以下同じ）［９０°ごとに４箇所（以下、各箇所をａ〜ｄと称する）］、および
・圧延方向に平行な切断面（但し、この切断面は、上記ａ、ｂ、ｃまたはｄのＤ／４位置と圧延材の軸心を通る）における上記Ｄ／４位置
［９０°ごとに４箇所（以下、各箇所をａ’〜ｄ’と称する）］
の合計８箇所
（ii）測定方法：
ａ〜ｄ、ａ’〜ｄ’の各箇所において、上記Ｄ／４位置を中心とする１０ｍｍ線（上記Ｄに平行な線）上の３００ｇＨｖ硬さを、０．１ｍｍ間隔で１００点測定する。
（iii）硬さばらつき率の算出方法：
ａ〜ｄ、ａ’〜ｄ’の各箇所において、上記１００点の３００ｇＨｖ硬さのうち、平均硬さに対して±３０Ｈｖ以上の差異が認められる硬さの点数を、ばらつき割合とする。そして、ａ〜ｄおよびａ’〜ｄ’（合計８箇所）の上記ばらつき割合の平均値を、硬さばらつき率とする。
更に他の元素として、Ｎｉ：０．２５％未満（０％を含まない）、Ｃｕ：０．２５％未満（０％を含まない）、およびＭｏ：０．０８％未満（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含む請求項１に記載の軸受用鋼材。
請求項１または２に記載の軸受用鋼材を製造する方法であって、
請求項１または２に記載の成分組成を満たす鋼材を用い、熱間圧延を行うにあたり、
熱間圧延の圧延温度範囲を８００〜９５０℃とし、かつ、
熱間圧延時の鍛造比を６０以上５００以下とする
ことを特徴とする転動疲労寿命の安定性に優れた軸受用鋼材の製造方法。
前記熱間圧延の圧延温度範囲を８００〜８５０℃とする請求項３に記載の軸受用鋼材の製造方法。