JP5368887B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼および転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、耐食性に優れ、また、鍛造時に割れが生じず冷間加工性や熱間加工性にも優れた高強度なマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものである。

従来、ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼は、硬さが高くて耐摩耗性が要求される滑り軸受や転がり軸受などの軸受、ギア、ボルト、金型、ポンチ、刃物等に使用されている。この種のステンレス鋼は、特許文献１等で知られている。

特開２００２−２５６３９７号公報

上記のＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼は、熱処理後の高い表面硬さを得るためにＣを多く含有している。このため、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、水分や塩分の多い環境下では錆が発生しやすく、耐食性に劣るといった欠点を有している。また、Ｃを多く含有しているため、鍛造時や焼き入れ、サブゼロ処理後に割れが発生する可能性がある。また、錆の発生を防止する手段として表面へのコーティング処理があるが、コーティング材料の母材に対する密着性が低い場合があったり、コストが増加したりする問題がある。

また、上に挙げたマルテンサイト系ステンレス鋼では共晶炭化物が生成しているため、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、冷間加工性や耐食性に劣るという難点がある。

ところで、水中ポンプや釣り用リール等のように水分や塩分が付着して腐食しやすい雰囲気で使用される用途の転がり軸受の材料としては高い表面硬さに加えて高い耐食性が望まれており、例えば、錆びにくいステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃが使用されている。しかしながら、ＳＵＳ４４０Ｃはステンレス鋼といえども上述したようにＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系のものに比べて熱処理後の表面硬さは高いが耐食性が低く、上記のような腐食しやすい雰囲気に長時間さらされると錆が発生し、軸受の寿命が低下するという難点がある。

よって本発明は、ＳＵＳ４４０Ｃよりも耐食性および冷間加工性に優れるとともに熱処理後の十分な表面硬さを有して耐摩耗性にも優れ、残留オーステナイト量が少なく、経年による寸法変化の少ないマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とするもので、特に水中ポンプや釣り用リール等のように水分や塩分が付着して腐食しやすい雰囲気で使用される製品に適用される転がり軸受の材料に好適なマルテンサイト系ステンレス鋼および腐食しやすい環境下でも錆が発生し難く、長寿命である転がり軸受に関する。

本発明者は上記目的を達成することのできるマルテンサイト系ステンレス鋼の開発を鋭意進めたところ、特定の範囲のＣに対してＳｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．３％以下の範囲、Ｐを０．０２％以下の範囲、Ｓを０．０２％以下の範囲、Ｃｒを１５〜１７％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００３％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼に焼き入れ、サブゼロ処理、焼き戻し処理を施すことで表面硬さがＨＲＣ６０以上と高く、残留オーステナイト量や経年による寸法変化が少なく、腐食しやすい雰囲気で使用する転がり軸受に好適なマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができることを見出した。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼はこのような知見に基づくものであり、成分が、重量比で、Ｃを０．３５〜０．４５％の範囲、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．３％以下の範囲、Ｐを０．０２％以下の範囲、Ｓを０．０２％以下の範囲、Ｃｒを１５〜１７％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００３％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

また、請求項２に記載した発明では、請求項１の発明において、成分として、重量比でさらに０．１〜０．２％の範囲のＷを含有させることで、強度と靭性をさらに向上させたマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することができる。

また、請求項３に記載した発明では、請求項１または２の発明において、Ｃの含有率が０．３５〜０．４５％と少ないため、Ｃ含有量をＣＷとし、Ｎ含有量をＮＷとした時、０．６０≦（ＣＷ＋ＮＷ）≦０．６５とすることで、熱処理後の表面硬さをさらに向上させたマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することができる。

また、請求項４に記載した発明では、請求項１、２または３の発明のマルテンサイト系ステンレス鋼を軸受材料として用いることで、焼き入れ、サブゼロ処理、焼き戻し処理により、表面硬さＨＲＣ６０以上が可能で、ＳＵＳ４４０Ｃよりも耐食性、冷間加工性および耐摩耗性に優れ、残留オーステナイト量や経年による寸法変化が少なく、腐食しやすい雰囲気での使用に好適な転がり軸受を提供することができる。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、成分が、重量比で、Ｃを０．３５〜０．４５％の範囲、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．３％以下の範囲、Ｐを０．０２％以下の範囲、Ｓを０．０２％以下の範囲、Ｃｒを１５〜１７％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００３％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、ＳＵＳ４４０Ｃに比べ、Ｃ量が０．３５〜０．４５％と少ないが、重量比で０．１〜０．２％の範囲のＷを含有させることで強度と靭性を向上させることができる他、Ｃ含有量をＣＷとし、Ｎ含有量をＮＷとした時、０．６０≦（ＣＷ＋ＮＷ）≦０．６５とすることで、焼き入れ、サブゼロ処理、焼き戻し処理を施した後の表面硬さＨＲＣ６０以上を可能にした。

以下、本発明における化学成分（元素）の含有量等の根拠を説明する。なお、以下の％は重量比である。本発明は以下に挙げた成分の他の残部が、Ｆｅおよび不可避的に混入する不純物とされる。

・Ｃ（炭素）：０．３５〜０．４５％
Ｃはオーステナイト生成元素であって、多量に添加すると共晶炭化物を生成しやすく、割れが発生しやすいので、十分な耐食性が得られなくなるため、上限を０．４５％とした。また、熱処理後の表面硬さがＨＲＣ６０以上の高い硬さを得るためには、後述するようにＮとの和が０．６０以上あることが必要であり、さらに、Ｎは大気溶解では０．２５%が限界であることから、Ｃの下限は０．３５％とした。

・Ｓｉ（ケイ素）：０．２％以下
０．２％を超える量のＳｉを含有していると、靭性が著しく低下し、熱間加工性に有害になるので、Ｓｉは０．２％以下の範囲で含有させることとした。

・Ｍｎ（マンガン）：０．３％以下
Ｍｎはオーステナイト安定化元素であり、過度の添加は残留オーステナイト量を増加させるため、熱処理後の表面硬さを低下させるのみでなく、耐食性も害する他、経年による寸法変化を起こしやすい。したがってＭｎの含有量は０．３％以下の範囲とした。

・Ｐ（リン）：０．０２％以下
Ｐは、結晶粒界に析出して冷間脆性を引き起こす成分であり、冷間脆性を避けるために含有量を０．０２％以下の範囲とした。

・Ｓ（硫黄）：０．０２％以下
Ｓは、耐食性を劣化させたり熱間加工性を害したりするので、含有量を０．０２％以下の範囲とした。

・Ｃｒ（クロム）：１５〜１７％
Ｃｒは、Ｍｎと同様にＮの固溶限を高め、また、耐食性を改善する効果を持つが、これは１３％以上添加された場合である。本発明ではＣを０．３５〜０．４５％と低めに規定したため、Ｃｒを増加し耐食性を低下させないよう下限を１５％とした。また、強固な不動態被膜を形成させるためと焼き入れ温度でのオーステナイト単相を確保するために上限は１７％とした。なお、１７％を超えて含有すると、Ｃｒ，Ｆｅの炭化物であるＭ_２３Ｃ_６型炭化物が生成し、熱処理後の表面硬さを低下させたり耐食性を劣化させたりしてしまう。

・Ｍｏ（モリブデン）：１．５〜２．５％
Ｍｏは、Ｃｒと同様にＮの固溶限を高め、また、耐食性を改善し、焼き入れ性を上げる効果を持つが、このような効果を得るためには１．５％以上の添加が必要である。また、過度の添加は靭性の低下を招くので、上限は２．５％とした。

・Ｎ（窒素）：０．１５〜０．２５％
Ｎは、マルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理後の表面硬さ・耐食性を向上させるのに非常に有効な元素であり（後述するようにＢＮを析出し強度の向上が可能となる。）、この効果を得るためには０．１５％以上必要である。また、大気溶解では、材料中にブロー（気泡）の発生がなく、実用に供し得るマルテンサイト系ステンレス鋼にするにはその固溶限界が０．２５％であるため、０．２５％を上限とした。

・０．６０≦（ＣＷ＋ＮＷ）≦０．６５ （ＣＷ：Ｃ含有量、ＮＷ：Ｎ含有量）
焼き入れ、サブゼロ処理、焼き戻しによって表面硬さＨＲＣ６０以上を得るためには、ＣＷ＋ＮＷは０．６０以上とする必要がある。また、ＣＷ＋ＮＷが０．６５以上では残留オーステナイト量が増加して熱処理後の表面硬さが低下してしまうため、０．６５％を上限とした。

・Ｂ（ホウ素）：０．００１％〜０．００３％
Ｂを添加するとＢＮが析出して強度の向上に有効で、かつ焼き入れ性を高めるが、この効果を得るためには０．００１％以上の添加が必要である。一方、過度の添加は靭性の低下を招くので、添加量の上限を０．００３％以下とする。

以上が本発明の合金の必須成分であるが、これらの他に本発明の合金には以下の成分が含まれる場合もある。

・Ｗ（タングステン）：０．１％〜０．２％
Ｗは原子半径が大きいため、固溶強化元素として作用する。この作用を得るためには、０．１％以上の添加が必要である。また、過度の添加は靭性の低下を招くので、添加量の上限を０．２％以下とする。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、表２から明らかなように耐食性および冷間加工性に優れており、熱処理後に十分な表面硬さを有して耐摩耗性にも優れている。また、残留オーステナイト量が少なく経年による寸法変化が少なく、焼き入れおよびその後のサブゼロ処理で割れが発生することがない。したがって、熱処理後の表面硬さ、耐摩耗性および耐食性の点で高いレベルが要求される滑り軸受や転がり軸受などの軸受、ギア、ボルト、金型、ポンチ、刃物等の部品材料として用いれば、安価で信頼性が高く、長寿命のものが得られ、工業的効果は大きなものがある。特に水分や塩分の多い腐食しやすい雰囲気で使用される釣り用リール等の軸受材料に好適である。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼を適用した実施例の玉軸受の斜視図である。 実施例で行った孔食電位の比較測定結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施例によって説明する。
１０ｋｇの高周波誘導炉を用いて、表１に示す化学成分（重量％）の各合金を溶解し、均質加熱後、固化させたインゴットを切断し、熱間鍛造にてφ２０の丸棒の試料を作製した。次に、１１００℃で１時間保持後に水冷し、続いて液体窒素中でサブゼロ処理を行った。その後、１５０℃の低温焼き戻しを行って、実施例１〜５、比較例１〜１３の試料を得た。なお、これら試料は、いずれも表１に示す化学成分以外に残部としてＦｅおよび不可避的に混入する不純物を含んでいる。

実施例１〜５、比較例１〜１３の試料につき、次の試験を行った。
・焼き戻し後の硬さ（ＨＲＣ）の測定
ＪＩＳ−Ｚ２２４５に規定されているロックウェルＣスケールで測定した。
・耐食性の評価
ＪＩＳ−Ｚ２３７１に規定されている方法で中性塩水噴霧試験を２４時間行った後、試料表面における錆の有無に応じて次の２段階で評価した。○：目視検査で錆の発生が認められなかった、×：目視検査で錆の発生が確認できた。
・Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の有無の確認
樹脂に試験片の一部を埋め込んで研磨し、試験片の研磨面を金属顕微鏡により１０００倍で観察し、有無を確認した。

・熱間加工性
分塊圧延時においてエッジに割れが発生した場合を×、発生しなかった場合を○と評価した。
・残留オーステナイト量
Ｘ線回折装置で残留オーステナイトの比率を調べた。
・ブロー（気泡）の発生の有無
ブローの存在は製品の製作を困難にするものである。インゴットの切断後、切断面を＃１０００のエミリー紙で研磨し、研磨面を目視で観察してブローの有無を確認した。
以上の試験結果を、表２に示す。

表２によると、実施例１〜５はいずれも熱処理後の表面硬さがＨＲＣ６０以上で、特にＢが０．００２６％以上の場合はＨＲＣ６２と非常に高い値を示す。このように、Ｂは焼き入れ性を改善（マルテンサイト変態を促進させる）し、かつＢＮを析出させて高い強度が得られる。また、良好な耐食性を示し、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物の発生がなく、熱間加工性もよく、残留オーステナイト量は６〜７％台で安定しており、かつ、ブローの発生もなかった。

一方、比較例１は、Ｃ量が０．２８％と低く、十分に焼き入れがなされなかったため（十分なマルテンサイト変態が生じなかった）、熱処理後の表面硬さは低い値（ＨＲＣ５６）を示している。比較例２は、Ｓｉ量が０．２５％と高いため、分塊圧延でエッジに割れが発生し、熱間加工性の評価は×であった。また、Ｂが０．００１８％添加されているため、ＨＲＣ６０という高い値を示している。比較例３は、熱処理後の表面硬さは高い値（ＨＲＣ６０）を示しているが、Ｍｎ量が０．３８％と多過ぎるため錆の面積率５％以上の錆が発生し、残留オーステナイト量も１６．５％と増加している。また、Ｂが０．００１７％添加されているため、ＨＲＣ６０という高い値を示している。比較例４は、熱処理後の表面硬さは高い値（ＨＲＣ６０）を示しているが、Ｃｒ量が１３．９％と少ないため錆が発生し、耐食性の評価は×であった。また、Ｂが０．００１８％添加されているため、ＨＲＣ６０という高い値を示している。

比較例５は、Ｃｒ量が１７．８％と多過ぎるため、Ｍ_２３Ｃ_６型炭化物が析出したことで熱処理後の表面硬さおよび耐食性がともに劣化し、熱処理後の表面硬さは低い値（ＨＲＣ５７）を示し、耐食性の評価は×であった。また、Ｎが０．２６％と多いためにブローが発生した。比較例６は、Ｍｏ量が１．３０％と少な過ぎるため、焼き入れ性が上がらず熱処理後の表面硬さはＨＲＣ６０を満たさなかった。また、錆の面積率２０％以上の錆びが発生し、耐食性の評価は×であった。これは、Ｍｏ量が１．３０％と少な過ぎるためである。比較例７は、Ｍｏ量が４．００％と多過ぎるため、靭性の低下により分塊圧延でエッジに割れが発生し、熱間加工性の評価は×であった。また、Ｂが０．００１６％添加されているため、ＨＲＣ６０という高い値を示している。

比較例８は、Ｎ量が０．１３％と少な過ぎるため、熱処理後の表面硬さはＨＲＣ６０以上が得られず、低い値（ＨＲＣ５８）を示し、かつ錆も発生し、耐食性の評価は×であった。比較例９は、Ｂが０．００１６％添加されているため熱処理後の表面硬さは高い値（ＨＲＣ６１）を示しているが、Ｎ量が０．２９％と多いため、ブローが発生した。また、分塊圧延でエッジに割れが発生し熱間加工性の評価は×であり、残留オーステナイト量も１３．３％と増加している。

比較例１０は、ＣＷ＋ＮＷは０．６１であるが、Ｂ量が０．０００９％と少ないため、十分な焼き入れ性がえられず熱処理後の表面硬さは低い値（ＨＲＣ５８）を示している。比較例１１は、ＣＷ＋ＮＷは０．６５で、熱処理後の表面硬さはＨＲＣ６１であるが、Ｂ量が０．００３１％と多いため、分塊圧延でエッジに割れが発生し熱間加工性の評価は×である。

比較例１２、１３では、オーステナイト安定化元素であるＮｉ、Ｃｕを含有しているため、残留オーステナイト量は高い値を示している。残留オーステナイト量が１０％を超えると、使用時の経年変化により寸法が変化してしまう（例えば、オーステナイトからマルテンサイトへの変態など）。精密機器に使用される軸受においては、寸法が変化することは機器の測定精度や加工精度に大きく影響を及ぼしてしまうため、残留オーステナイト量を１０％以上にするＮｉ、Ｃｕの元素は含有させない方が望ましい。

実施例６として、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼を適用した玉軸受１０を図１に示す。この玉軸受１０は、内輪１１、外輪１２、ボール（転動体）１３および保持器１４を備えるものである。玉軸受１０の内部空間（内輪１１と外輪１２の間の空間）にはグリースが適量充填され、両側に装着されたシール１５によってそのグリースは封入されている。ところで、耐食性が求められる場合には、内輪、外輪、転動体等の金属要素に、転がり軸受に必要な硬さを備えた高Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼を用いることができるが、転がり軸受としては、一般にＨＲＣ５８以上の表面硬さが必要とされている。

次に、上記実施例３のステンレス鋼と、既存の各種ステンレス鋼の孔食電位を調べた。各種ステンレス鋼の種類ならびに測定結果を、図２に示す。孔食電位は耐食性を表す１つの指標であってプラスの値が大きいほど耐食性が優れていることを示す。図２で明らかなように、既存のステンレス鋼と比較すると実施例３のステンレス鋼は格段に孔食電位の値が大きく、耐食性が優れていると言われているオーステナイト系のＳＵＳ３１６Ｌよりも耐食性に優れていることが判った。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼き入れ、サブゼロ処理、焼き戻しを施すことにより、ＨＲＣ６０以上の表面硬さを得ることができるので、耐食性を要する滑り軸受や転がり軸受などの軸受に好適な材料である。上記玉軸受１０では、内輪１１、外輪１２およびボール１３を実施例４のマルテンサイト系ステンレス鋼で構成し、オールステンレスベアリングとした。実施例４のマルテンサイト系ステンレス鋼はＨＲＣ６２という高い硬度に加えて残留オーステナイト量が６．３％と少ないため、経年変化が少なく、疲労寿命と音響特性に優れ、高い耐食性を備えた長寿命な玉軸受が得られる。

このような軸受は、例えば水中ポンプや釣り用リール等のように水分や塩分が付着して腐食しやすい雰囲気で使用される製品の軸受として好適である。なお、実施例６の転がり軸受は、内輪、外輪および転動体の全てを本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼からなるものとしたが、それほど高い耐食性が必要でなければ、軸受構成要素の少なくとも１つに本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼を適用した形態でも十分である。例えば、ボール１３の材料をＳＵＪ２としてもよい。

Claims (4)

1. 成分が、重量比で、Ｃを０．３５〜０．４５％の範囲、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．３％以下の範囲、Ｐを０．０２％以下の範囲、Ｓを０．０２％以下の範囲、Ｃｒを１５〜１７％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００３％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼。
2. 成分として、重量比でさらに０．１〜０．２％の範囲のＷを含有することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
3. Ｃ含有量をＣＷとし、Ｎ含有量をＮＷとした時、０．６０≦（ＣＷ＋ＮＷ）≦０．６５である請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
4. 内輪、外輪、転動体のうちの少なくとも一つを構成する材料が請求項１ないし３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする転がり軸受。

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