JP5416459B2

JP5416459B2 - 転動疲労寿命に優れた軸受用鋼材

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Publication number: JP5416459B2
Application number: JP2009095233A
Authority: JP
Inventors: 武広土田; 学藤田; 和寛辻; 啓文田井; 克浩岩崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP2010047832A

Description

本発明は、軸受部品として用いたときに優れた転動疲労寿命を発揮する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（１９９９）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いといった問題がある。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、軸受材料において、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３００００ｍｍ²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。

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。

しかしながら、現在、工業的に用いられている軸受鋼材の介在物は非常に厳密に制御されたものが多く、こうした介在物の制御だけでは転動疲労寿命を更に向上させることは困難な状況になっている。

特許第３８８９９３１号公報特開２００６−６３４０２号公報特開平８−３６８２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、転動疲労寿命を更に向上させた軸受を得るための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）、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％、Ｐ：０．０２５％未満（０％を含まない）、Ｓ：０．０２５％未満（０％を含まない）を夫々含み、残部が鉄および不可避不純物からなり、縞状偏析によるＣｒ濃化部とＣｒ非偏析部の夫々で観察される炭化物面積率の比［（Ｃｒ濃化部の炭化物面積率）／（Ｃｒ非偏析部の炭化物面積率）］が１〜４の範囲内にある点に要旨を有するものである。

本発明の軸受用鋼材においては、（１）ＰおよびＳの合計含有量を０．０２０％以下（０％を含まない）に抑制することや、（２）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種以上を含有させること、（３）更に他の元素として、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含有させることも有用であり、抑制または含有される成分に応じて鋼材の特性が更に改善される。

本発明によれば、転動疲労寿命を更に向上させた軸受用鋼材が実現できるので、軸受用鋼材を軸受に適用したときに、過酷な環境で用いられても優れた転動疲労寿命を発揮でき、無駄な保守（交換、点検等）を低減することができる。

試験Ｎｏ．２の鋼材の縞状偏析の状態を示す図面代用光学顕微鏡写真である。試験Ｎｏ．２の鋼材の淡色部（図１のＡ部）の状態を示す図面代用ＳＥＭ写真である。試験Ｎｏ．２の鋼材の濃色部（図１のＢ部）の状態を示す図面代用ＳＥＭ写真である。炭化物面積率比（濃色部／淡色部）と疲労寿命Ｌ₁₀との関係を示すグラフである。

本発明者らは、転動疲労寿命の向上を目指して、介在物制御とは異なる観点から検討した。その結果、軸受部品の組織においては、炭化物の分散状態が不均一になることによって、介在物からの剥離（鋼材の剥離）が促進され、こうした現象が転動疲労寿命に悪影響を及ぼしていることが判明した。

即ち、軸受部品の表面直下においては、酸化物や非金属介在物が存在した場合に、その介在物の周りに応力が集中して隔離しやすい状態になることは従来から知られていたのであるが、本発明者らが検討したところによれば、炭化物の分散状態にばらつきがあると、応力集中を助長してしまい、短寿命で剥離が発生することが明らかになったのである。

そこで、本発明者らは軸受用鋼材における炭化物の分散状態のばらつきを低減するべく、更に鋭意研究を重ねた。軸受用鋼材では、圧延での展進方向（圧延方向）に平行な断面に、鋳片凝固時の偏析に伴う縞状組織（以下、これを「縞状偏析」と呼ぶことがある）が現れることになる。この縞状偏析は、圧延材、球状化熱処理材、焼入れ・焼戻し材のいずれにも見られるものであり、腐食液で腐食後に、光学顕微鏡にて例えば倍率：５０倍で観察したときに、炭化物の粗密に伴うコントラストの薄い組織（淡色部）とコントラストの濃い組織（濃色部）が縞状に存在する組織を意味する（後記図１参照）。

上記のような縞状偏析では、Ｃｒの偏析量が多い部分が濃色部となり、炭化物がそれだけ多くなる傾向がある（以下、この部分を「Ｃｒ濃化部」と呼ぶ）。これに対して、淡色部では、Ｃｒの偏析が少なくなって、それだけ炭化物も少なくなる傾向がある（以下、この部分を「Ｃｒ非偏析部」と呼ぶ）。

本発明者らは、上記の縞状偏析によるＣｒ濃化部とＣｒ非偏析部における炭化物の生成状況に着目し、夫々の部分における炭化物面積率の比［（Ｃｒ濃化部の炭化物面積率）／（Ｃｒ非偏析部の炭化物面積率）］が所定の範囲内にあれば、炭化物の分散状態のばらつきが低減されていると判断できることが分かったのである。即ち、上記比［（Ｃｒ濃化部の炭化物面積率）／（Ｃｒ非偏析部の炭化物面積率）］の値が１であれば、炭化物がほぼ完全に均一な分散状態が達成されており、偏析によるばらつきが大きくなるとこの値も大きくなる。そして、比の値が大きくなりすぎると、介在物の周りの応力集中と炭化物のばらつきによる応力集中が相俟って早期に隔離が発生することになるが、上記比の値が４以下であれば、急激に転動疲労寿命が向上することになる。尚、炭化物面積率の比［（Ｃｒ濃化部の炭化物面積率）／（Ｃｒ非偏析部の炭化物面積率）］は、球状化材、および焼入れ・焼戻し材で実質的に変化しないため、いずれにも本発明の規定を適用できる。

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含有量は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。

ＰやＳについては、ＪＩＳＧ４８０５（１９９９）で規定するＳＵＪ２の成分組成に示される通り、夫々Ｐ：０．０２５％未満（０％を含まない）、Ｓ：０．０２５％未満（０％を含まない）とする必要があるが、これらの元素は縞状偏析を助長する傾向があり、その結果としてＣｒの偏析も助長する傾向がある。こうしたことから、ＰやＳについては合計含有量（Ｐ＋Ｓ）で０．０２０％以下（０％を含まない）とすることが好ましい。ＰおよびＳの合計含有量は、より好ましくは０．０１５％以下であり、更に好ましくは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。

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。不可避不純物としては、Ａｌ、Ｏ及びＮなどが挙げられる。

Ａｌは、不可避不純物として少量の混入は避けられない。このＡｌ量が過剰になると、アルミナ系の介在物が粗大化して軸受の寿命を低下させる。また後述する脱酸効果（Ｏ量低減効果）も飽和する。そこでＡｌ量は、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０４％以下、さらに好ましくは０．０３％以下である。なおＡｌは、脱酸元素として有効であり、鋼中のＯ量を低減して、酸化物を低減することができる。そこで軸受の寿命に悪影響を及ぼす酸化物を低減するために、通常、Ａｌは意図的に添加される。この脱酸効果を充分に発揮させるためにＡｌ量は、好ましくは０．００５％超、より好ましくは０．０１％以上である。

Ｏは、不可避不純物の１つであり、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎなどと酸化物を形成して、軸受の寿命を低下させる。そこでＯ量は、好ましくは０．００１５％以下、より好ましくは０．００１０％以下、さらに好ましくは０．０００８％以下、最も好ましくは０．０００６％以下である。

Ｎは、不可避不純物の１つであり、その量が過剰になると熱間加工性が低下して、鋼材製造上の不具合が出やすい。またＮは、不可避不純物として存在するＴｉと結合して、転動疲労に有害な窒化物を形成し、軸受の疲労に悪影響を及ぼし得る。そこでＮ量は、好ましくは０．０２％以下、より好ましくは０．０１５％以下、さらに好ましくは０．０１０％以下である。なおＮは、母相の焼入れ性を向上させて硬さを高める効果を有する。この効果を充分に発揮させるためにＮ量は、好ましくは０．００４５％以上、より好ましくは０．００７％以上である。

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含有量が０．２５％以上、あるいはＭｏ含有量が０．０８％以上になると、加工性が劣化し、Ｃｕ含有量が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、縞状偏析を上記の要件（炭化物面積率の比の値が１〜４）を満足するようにするためには、Ｃｒの偏析そのものを低減することが有効である。前述のごとく、炭化物はＣｒ含有量が多くなるほど析出する性質があるので、Ｃｒが偏析しているＣｒ濃化部とＣｒ非偏析部を比べると、Ｃｒ濃化部において炭化物が多く生成することになる。

本発明者らは、Ｃｒ偏析を低減するために、比較的高温に加熱してＣｒの拡散速度を高めると共に、低速で鍛造若しくは圧延して塑性変形との相互作用によって、Ｃｒの拡散を促進させ、Ｃｒの拡散速度をより均一にすることによって上記状態を達成した。具体的な条件として、熱間鍛造（または熱間圧延）時の温度として、１０００℃以上とすることが好ましい（より好ましくは１０５０℃以上）。また熱間鍛造若しくは熱間圧延時の速度としては、できるだけ遅い方がＣｒの拡散時間が稼げるため、鍛圧比／分（圧下速度）で算出した場合に２以下で実施することが好ましい。このときの鍛圧比／分の下限については特に限定されるものではないが、あまりに遅過ぎると、生産性が低下することになるので、０．５以上とすることが好ましい。尚、その他の方法として、鋼材の凝固時の冷却速度を速くして均一化を図ることや、鍛造若しくは圧延前に均一化熱処理をより厳密に行うことも有用である。

本発明の軸受用鋼材は、所定の部品形状にされた後焼入れ・焼戻しされて軸受部品を製造するものであるが、鋼材段階の形状についてはこうした製造に適用できるような線状・棒状のいずれも含むものであり、そのサイズも、最終製品に応じて適宜決めることができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することは勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記表１に示す各種化学成分組成の鋼を１５０ｋｇ真空熔解（一部転炉溶解）によって溶製し、直径：２３０ｍｍ（丸棒材）のインゴットを作製した。

上記で得られたインゴットを用い、下記表２に示す条件［鍛造（圧延）温度範囲、鍛圧比、圧下速度（鍛圧比／分）］で熱間鍛造した後、球状化熱処理および焼入れ・焼戻しした。このときの球状化熱処理の条件は、加熱温度８００℃（保持時間：１時間）、その後の冷却速度：３０℃／ｈｒである。また、球状化処理材は、８４０℃×３０分で加熱後油焼入れし、１６０℃×１２０分で焼戻しした。

得られた各鋼材（焼入れ・焼戻し材）からスラスト試験片を作製し、面圧：５：８８ＧＰａにてスラスト転動疲労試験を各１０回ずつ実施し、疲労寿命Ｌ₁₀（累積破損確率１０％における疲労破壊までの応力繰り返し数）を評価し、比較例のおおむね２倍に相当する疲労寿命Ｌ₁₀である２×１０⁶回以上を合格基準とした。

また、各鋼材について、圧延方向に平行な断面において、鏡面研磨後に、ナイタール（腐食液）でエッチングし、光学顕微鏡にて淡色部（Ｃｒ非偏析部）と濃色部（Ｃｒ濃化部：Ｃｒ偏析部）の識別を行い、夫々の部位について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、５０００倍）で観察し、写真撮影した。得られたＳＥＭ写真をもとに、画像解析し、各部位の炭化部面積率を測定した。各試験片について、淡色部（Ｃｒ非偏析部）と濃色部（Ｃｒ偏析部）各５視野の写真について測定し、夫々の平均したものを求めた。また、鍛造（圧延）速度は、鍛圧比を熱間鍛造若しくは圧延に実質的に要した時間（分）で割った値（鍛圧比／分）を算出した。

これらの結果を、製造条件と共に、下記表２に併記する。また、試験Ｎｏ．２の鋼材の縞状偏析の状態を図１（図面代用光学顕微鏡写真：５０倍）に、図１の淡色部（図１のＡ部）の状態を図２（図面代用ＳＥＭ写真：５０００倍）に、図１の濃色部（図１のＢ部）の状態を図３（図面代用ＳＥＭ写真：５０００倍）に夫々示す。

これらの結果から、次のように考察することができる。即ち、試験Ｎｏ．１〜１０のものでは、本発明で規定する成分組成を満たしており、いずれも転動疲労寿命が優れていることがわかる。

これに対し、試験Ｎｏ．１１〜１４のものでは、本発明で規定する要件［（Ｃｒ濃化部の炭化物面積率）／（Ｃｒ非偏析部の炭化物面積率）］を外れているため、いずれも転動疲労寿命が低くなっている。

これらのデータに基づいて、炭化物面積率比（濃色部／淡色部）と疲労寿命Ｌ₁₀との関係を図４に示すが、炭化物面積率比を適切な範囲に制御することによって、優れた疲労寿命（転動疲労寿命）が達成されることが分かる。

Claims

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）、
Ｃｒ：１．３０〜１．６０％、
Ｐ：０．０２５％未満（０％を含まない）、
Ｓ：０．０２５％未満（０％を含まない）を夫々含み、
残部が鉄および不可避不純物からなり、
縞状偏析によるＣｒ濃化部とＣｒ非偏析部の夫々で観察される炭化物面積率の比［（Ｃｒ濃化部の炭化物面積率）／（Ｃｒ非偏析部の炭化物面積率）］が１〜４の範囲内にあることを特徴とする転動疲労寿命に優れた軸受用鋼材。
ＰおよびＳの合計含有量を０．０２０％以下（０％を含まない）に抑制したものである請求項１に記載の軸受用鋼材。
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または２に記載の軸受用鋼材。
更に他の元素として、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０２％以下（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１〜３のいずれかに記載の軸受用鋼材。