JP5873405B2 - 転動疲労特性に優れた軸受用鋼材および軸受部品 - Google Patents
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酸性酸化物であるSiO2を基本組成とする酸化物は、塩基性であるCaOを含むこと
により、酸化物の液相線温度が下がり、熱間圧延温度域で延伸しやすくなり、その後の冷間圧延において分断・破砕し易くなり、酸化物系介在物の長径が小さいものとなる。こうした効果は、酸化物の平均組成におけるCaO含有量が20%以上で得られる。しかしながら、CaO含有量が高すぎると、粗大な介在物となってしまうため、45%以下とする必要がある。尚、酸化物系介在物におけるCaO含有量の好ましい下限は22%以上(より好ましくは24%以上)であり、好ましい上限は43%以下(より好ましくは41%以下)である。
両性酸化物であるAl2O3は、酸性酸化物であるSiO2に含まれると、酸化物の液相線温度が下がり、熱間圧延時の変形抵抗が下がるため、酸化物系介在物の長径を小さくする効果がある。こうした効果を発揮させるためには、Al2O3含有量は20%以上とする必要がある。しかしながら、Al2O3含有量が45%を超えると、酸化物系介在物中にAl2O3結晶相や、MgO・Al2O3結晶相が晶出する。これらは、硬質で熱間圧延や冷間圧延時に変形にくく、粗大な介在物として存在し、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。こうした観点から、酸化物の平均組成におけるAl2O3含有量は45%以下とする必要がある。尚、酸化物系介在物におけるAl2O3含有量の好ましい下限は22%以上(より好ましくは24%以上)であり、好ましい上限は43%以下(より好ましくは41%以下)である。
SiO2は、酸化物系介在物に含まれることで、酸化物系介在物を非晶質化させ、熱間圧延時に延伸し易くするために不可欠の成分である。また、酸化物の平均組成で30%以上含ませることで、酸化物の液相線温度を低下させ、熱間圧延の温度域において介在物の変形抵抗を著しく低下させ延伸し易くする効果がある。また、冷間圧延時に分断・破砕しやすい状態とすることで、転動疲労特性の改善に重要な役割を果たしている。こうした効果を発揮させるためには、酸化物系介在物中にSiO2を30%以上含有させる必要がある。しかしながら、SiO2含有量が50%を超えると、粘性が上昇して、硬質な介在物となり、その後の冷間圧延時に介在物が分断・破砕しにくくなる。尚、酸化物系介在物におけるSiO2含有量の好ましい下限は32%以上(より好ましくは35%以上)であり、好ましい上限は45%以下(より好ましくは40%以下)である。
ZrO2は、酸性酸化物であるSiO2に含まれると、SiO2を主体とした非晶質系の酸化物系介在物の結晶化を抑制する効果を発揮する。そのため、熱間圧延において延伸し易い非晶質の酸化物系介在物のまま維持され、短径が十分小さくなり、その後の冷間圧延において分断・破砕し易くなり、酸化物系介在物の長径を小さくする。こうした効果を発揮させるためには、ZrO2は酸化物系介在物中に2.0%以上含有することが必要である。しかしながら、ZrO2含有量が10%を超えると、硬質なZrO2結晶相が生成し、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。尚、酸化物系介在物におけるZrO2含有量の好ましい下限は3%以上(より好ましくは4%以上)であり、好ましい上限は8%以下(より好ましくは6%以下)である。
MnOは酸化物としては塩基性を有し、酸性酸化物であるSiO2に含まれると、酸化物系介在物の液相線温度を下げ、熱間圧延時に非晶質系の酸化物系介在物の延伸を促進し、その後の冷間圧延時に分断・破砕しやすい状態とすることで、酸化物系介在物の長径を小さくする効果がある。しかしながら、MnO含有量が15%を超えると、酸化物系介在物の結晶化を促進し、熱間圧延において延伸し難い介在物を生成し、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。また、冷間圧延において分断・破砕し難くなり、酸化物系介在物の長径を大きくする酸硫化物の生成を促進し、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。更に、MnO含有量が高いと、鋼中のO(酸素)の含有量も高くなり、O含有量を0.0025%以下にできなくなる。したがって、酸化物の平均組成におけるMnO含有量は15%以下であることが好ましい。尚、酸化物系介在物におけるMnO含有量の好ましい下限は2%以上(更に好ましくは5%以上)であり、より好ましい上限は13%以下(更に好ましくは11%以下)である。
MgOは塩基性酸化物であり、その含有量が少量であっても酸性酸化物であるSiO2に含まれると、酸化物系介在物の液相線温度を下げる効果がある。その結果、SiO2を主体とした非晶質系の酸化物系介在物は熱間圧延の温度域で延伸し易くなり、その後の冷間圧延において介在物が分断・破砕し易くなり、最大長径が小さくなる。こうした効果を発揮させるためには、MgOは酸化物系介在物中に1%以上含有することが好ましい。一方、MgOの含有量が8%を超えると、SiO2を主体とした非晶質系の酸化部物系介在物の結晶化を促進し、熱間圧延において延伸し難い介在物を生成し、また冷間圧延において分断・破砕し難くなり、酸化物系介在物の長径を大きくする。その上、MgO自体も硬質のMgOの結晶相や、Al2O3とともにMgO・Al2O3結晶相を生成するため、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。尚、酸化物系介在物におけるMgO含有量のより好ましい下限は2.5%以上(更に好ましくは3.0%以上)であり、より好ましい上限は7%以下(更に好ましくは6%以下)である。
清浄油環境(異物が混入していない潤滑油での環境)において、軸受は一定の繰り返し荷重を受けると、非金属系介在物(酸化物系介在物)に応力集中が生じ、亀裂発生、伝播を経て剥離に至る。圧延方向に対して、酸化物系介在物の最大長径が大きい場合には、疲労を受ける転走面に介在物が存在する確率が高まり、また高い応力集中を生じ、早期剥離しやすくなる。こうした現象を抑制するために、長手方向断面の酸化物系介在物の最大長径が20μm以下であることが好ましい。この最大長径は、より好ましくは18μm以下であり、更に好ましくは16μm以下である。
Cは、焼入硬さを増大させ、室温および高温における強度を維持して耐磨耗性を付与するための必須の元素である。こうした効果を発揮させるためには、Cは少なくとも、0.8%以上含有させる必要がある。しかしながら、C含有量が1.1%を超えて過剰になると、軸受の芯部に巨大炭化物が生成し易くなり、転動疲労特性に悪影響を及ぼすようになる。C含有量の好ましい下限は0.85%以上(より好ましくは0.90%以上)であり、好ましい上限は1.05%以下(より好ましくは1.0%以下)である。
Siは、脱酸元素として有効に作用する他、焼入れ・焼戻し軟化抵抗を高めて硬さを高める作用を有している。こうした効果を有効に発揮させるためには、Si含有量は、0.15%以上とする必要がある。しかしながら、Si含有量が過剰になって0.8%を超えると、鍛造時に金型寿命が低下するばかりか、コスト増加を招くことになる。Si含有量の好ましい下限は0.20%以上(より好ましくは0.25%以上)であり、好ましい上限は0.7%以下(より好ましくは0.6%以下)である。
Mnは、鋼材マトリックスの固溶強化および焼入れ性を向上させる元素である。Mn含有量が0.10%を下回るとその効果が発揮されず、1.0%を上回ると低級酸化物であるMnO含有量が増加し、転動疲労特性を悪化させる他、加工性や被削性が著しく低下する。Mn含有量の好ましい下限は0.2%以上(より好ましくは0.3%以上)であり、好ましい上限は0.8%以下(より好ましくは0.6%以下)である。
Pは、結晶粒界に偏析して転動疲労特性に悪影響を及ぼす不純物元素である。特に、P含有量が0.05%を超えると、転動疲労特性の低下が著しくなる。したがって、P含有量は0.05%以下に抑制する必要がある。好ましくは0.03%以下、より好ましくは0.02%以下とするのが良い。尚、Pは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは、工業生産上、困難である。
Sは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が0.01%を超えると、粗大な硫化物が残存するため、転動疲労特性が劣化する。したがって、Sの含有量は0.01%以下に抑制する必要がある。転動疲労特性の向上という観点からは、S含有量は低ければ低いほど望ましく、好ましくは0.007%以下、より好ましくは0.005%以下とするのが良い。尚、Sは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは、工業生産上、困難である。
Crは、焼入れ性の向上と安定な炭化物の形成によって、強度および耐磨耗性を向上させ、これによって転動疲労特性の改善に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Cr含有量は、1.3%以上とする必要がある。しかしながら、Cr含有量が過剰になって1.8%を超えると、炭化物が粗大化して、転動疲労特性および切削性を低下させる。Cr含有量の好ましい下限は1.4%以上(より好ましくは1.5%以上)であり、好ましい上限は1.7%以下(より好ましくは1.6%以下)である。
Zrは、酸化物系介在物中のZrO2含有量を制御し、酸化物系介在物を熱間圧延時に延伸しやすくし、且つ冷間圧延時に分断・破砕により微細化し易くし、転動疲労特性を改善するのに有効である。特に、Si脱酸鋼にZrO2をある範囲内に制御するように加えることで、熱間圧延時に酸化物系介在物の結晶化が抑制され、熱間圧延により酸化物系介在物は良く延伸し、十分に短径が小さくなることが判明した。その結果、転動疲労特性が改善される。但し、Zr含有量が過剰になり、0.0010%を超えると、ZrO2系酸化物が結晶相として単独で生成し、熱間圧延で延伸せず、酸化物系介在物の粗大化を招くため好ましくない。したがって、Zr含有量は0.0010%以下とした。尚、Zr含有量は、好ましくは0.0008%以下、より好ましくは0.0005%以下とするのが良い。
Alは、好ましくない元素であり、本発明の鋼材においては、Alは極力少なくすることが好ましい。したがって、酸化精錬後のAl添加による脱酸処理は行わない。Al含有量が多くなり、特に0.005%を超えてしまうと、Al2O3を主体とする硬質な酸化物の生成量が多くなり、しかも圧下した後も粗大な酸化物として残存するので、転動疲労特性が劣化する。したがって、Alの好ましい含有量を0.005%以下とした。尚、Al含有量は、0.004%以下とすることが好ましく、より好ましくは0.003%以下である。
Caは、酸化物系介在物中のCaO含有量を制御し、酸化物系介在物を熱間圧延時に延伸しやすくし、且つ冷間圧延時に分断・破砕により微細化し易くし、転動疲労特性を改善するのに有効である。このような効果を発揮させるためには、Ca含有量は0.0002%以上とすることが好ましい。しかしながら、Ca含有量が過剰になって0.001%を超えると、酸化物組成におけるCaOの割合が高くなり過ぎて、粗大な酸化物となってしまう。したがって、Ca含有量は0.001%以下であることが好ましい。Ca含有量のより好ましい下限は0.0003%以上(更に好ましくは0.0005%以上)であり、より好ましい上限は0.0009%以下(更に好ましくは0.0008%以下)である。尚、0.0002%未満のCa含有量は、不可避不純物扱いとなる。
Oは、好ましくない不純物元素である。Oの含有量が多くなって、特に0.0025%を超えると、粗大な酸化物が生成し易くなり、熱間圧延および冷間圧延後においても粗大な酸化物として残存し、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。したがって、O含有量は0.0025%以下とする必要がある。O含有量の好ましい上限は0.0023%以下(より好ましくは0.0020%以下)である。
冷間加工率={(S0−S1)/S0}×100(%) …(1)
各試験片の直径Dの1/2の位置における鋼材の長手方向(圧延方向に相当)に、20mmL(圧延方向長さ)×5mm(表層からの深さ)のミクロ試料(組織観察用試料)を1個切り出し、断面を研磨した。この断面中に観察される無数の酸化物系介在物の平均組成は、日本電子データム製の電子線マイクロプローブX線分析計(Electron Probe X−ray Micro Analyzer:EPMA 商品名「JXA−8500F」)を用いて観察し、短径が1μm以上の酸化物系介在物100個について成分組成を定量分析した。このとき、観察面積を100mm2(研磨面)とし、介在物の中央部での成分組成を特性X線の波長分散分光により定量分析した。分析対象元素は、Ca,Al,Si,Mn,Mg,ZrおよびOとし、既知物質を用いて各元素のX線強度と元素濃度の関係を予め検量線として求めておき、分析対象とする上記介在物から得られたX線強度と上記検量線から各試料に含まれる元素量を定量し、その結果を算術平均することで平均の介在物組成を求めた。
各試験片の直径Dの1/2の位置における鋼材の長手方向(圧延方向に相当)に、20mmL(圧延方向長さ)×5mm(表層からの深さ)のミクロ試料(組織観察用試料)を10個切り出し、断面を研磨した。各試料の研磨面(100mm2)において、光学顕微鏡によって酸化物系介在物の最大長径を測定し、1000mm2中で最も大きい長径を最大長径とした。尚、測定面積が少ない場合には、極限統計法により、1000mm2当たりの予測最大長径を求めてもよい。
Claims (4)
- C :0.8〜1.1%(質量%の意味、成分組成について、以下同じ)、
Si:0.15〜0.8%、
Mn:0.10〜1.0%、
P :0.05%以下(0%を含まない)、
S :0.01%以下(0%を含まない)、
Cr:1.3〜1.8%、および
Zr:0.0010%以下(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、
鋼中に含まれる酸化物系介在物が、CaO,Al2O3,SiO2,MnO,MgO,ZrO2および不可避不純物であり、これらの平均組成が、CaO,Al2O3,SiO2,MnO,MgO,ZrO2の合計100%に対して、CaO:20〜45%、Al2O3:20〜45%、SiO2:30〜50%、ZrO2:2.0〜10%であり、更にMnO:15%以下(0%を含まない)およびMgO:1〜8%を含むものであり、
且つ球状セメンタイト組織を有するものであることを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受用鋼材。 - 更に、Al:0.0002〜0.005%、Ca:0.0002〜0.001%およびO:0.0025%以下(0%を含まない)を夫々含有するものである請求項1に記載の軸受用鋼材。
- 鋼材の圧延方向断面の酸化物系介在物の最大長径が20μm以下である請求項1または2に記載の軸受用鋼材。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の軸受用鋼材からなる軸受部品。
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