JP5990428B2 - 転動疲労特性に優れた軸受用鋼材およびその製造方法 - Google Patents
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球状炭化物の一部が焼入れ時に溶出し、その周囲に残留オーステナイトが生成される。通常の焼入れ焼戻しを行った後の残留オーステナイト量を10〜20面積%に制限し、安定度を高めるためには、球状炭化物の平均円相当径を適切に制御する必要がある。炭化物の平均円相当径が0.30μmよりも小さくなると、焼入れ時に球状炭化物の溶出が促進されすぎて残留オーステナイト量が増加し、耐久性に対して悪影響を及ぼす。一方、炭化物の平均円相当径が0.50μmよりも大きくなると、球状炭化物の周囲にのみCの濃化部が形成させるため、残留オーステナイトが粗大化し、且つ溶出量が減少して母相のC量が減少することによって軟化し、拘束力が弱くなるため、安定度が高い残留オーステナイトを得ることができない。尚、本発明で対象とする炭化物とは、炭化物形成元素と炭素が結合した全ての炭化物[例えば、(Fe,Cr)3C、(Fe,Cr)7C等]が含まれる。
本発明の軸受用鋼材では、球状炭化物の円相当径の標準偏差σを0.18μm以下に制御することが重要な要件となる。この標準偏差σが0.18μmを超えて炭化物が分布している場合、微細な炭化物と粗大な炭化物が混在することになる。微細な炭化物は、一部または全部が基地へ固溶し、残留オーステナイト量を増加させ、転動疲労特性に悪影響を及ぼす。一方、粗大な炭化物では、微細で安定度の高い残留オーステナイトを得ることができない。即ち、球状炭化物の円相当径の標準偏差σが0.18μm以下に制御することが、微細で安定度の高い残留オーステナイトを得る上で重要な要件である。
Cは、基地に固溶して、マルテンサイト粒を強化するため、焼入れ焼戻し後の軸受部品の強度を確保するために有効な元素である。また、球状化焼鈍後において、本発明の鋼材で重要な球状炭化物を形成する元素である。焼入れ時に、この炭化物の一部が基地に固溶してマルテンサイト変態開始温度(Ms点)を低下させ、残留オーステナイトを形成する。軸受部品において、強度と所望の残留オーステナイトを得ることができる球状化組織を得るためには、Cは0.60%以上含有させる必要がある。しかしながら、C含有量が1.40%を超えて過剰になると、溶湯の鋳造後に大型の炭化物を生成し、続く圧延加工中に割れを生じやすくなる。C含有量の好ましい下限は0.7%以上(より好ましくは0.8%以上)であり、好ましい上限は1.3%以下(より好ましくは1.2%以下)である。
Siは、マトリックスの固溶強化および焼入れ性を向上させるために有用な元素である。こうした効果を有効に発揮させるためには、Si含有量は、0.05%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0.5%を超えると、加工性や被削性が著しく低下する。Si含有量の好ましい下限は0.07%以上(より好ましくは0.1%以上)であり、好ましい上限は0.4%以下(より好ましくは0.3%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ために有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Mnは0.10%以上含有させる必要がある。しかしながら、Mn含有量が多くなり過ぎると加工性や被削性が著しく低下するので、1.0%以下に抑えるべきである。Mn含有量の好ましい下限は0.15%以上(より好ましくは0.20%以上)であり、好ましい上限は0.9%以下(より好ましくは0.8%以下)である。
Pは、不可避的に不純物として含有する元素であり、粒界に偏析し、加工性を低下させるため極力低減することが望ましい。しかしながら、Pを極端に低減することは製鋼コストの増大を招くことになる。こうしたことから、P含有量は0.05%以下に抑制する必要がある。好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.03%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、不可避的に不純物として含有する元素であり、MnSとして析出し、転動疲労寿命を低下させるため極力低減することが望ましい。しかしながら、Sを極端に低減することは製鋼コストの増大を招くことになる。こうしたことから、S含有量は、0.05%以下とした。好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.03%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。
Alは、強度の脱酸作用を有すると共に、Nと化合して窒化物を形成して結晶粒を微細化する元素である。こうした効果を発揮させるためには、Alは0.005%以上含有させる必要がある。但し、Alを0.05%を超えて含有させてもその効果は飽和するので、上限を0.05%とした。尚、Al含有量の好ましい下限は0.007%以上(より好ましくは0.01%以上)であり、好ましい上限は0.04%以下(より好ましくは0.03%以下)である。
Nは、Alと窒化物を形成してオーステナイト結晶粒の成長を抑制する元素である。こうした効果はその含有量が増加するにつれて大きくなるが、Nが過剰に含有されると窒化物が硬質の析出物となって転動疲労破壊の起点となるため、その上限を0.02%以下とした。好ましくは0.015%以下、より好ましくは0.010%以下とするのが良い。
Crは、Cと反応して炭化物を形成し、更にオーステナイト中の炭化物を安定化させて炭化物の球状化を促進するの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、0.50%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2.0%を超えると、粗大な炭化物が生成し、転動疲労特性を悪化させる。Cr含有量の好ましい下限は0.8%以上(より好ましくは1.2%以上)であり、好ましい上限は1.8%以下(より好ましくは1.6%以下)である。
Cu,NiおよびMoは、いずれも母相の焼入れ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。しかしながら、過剰に含有されると加工性が劣化するので、いずれも1%以下とすることが好ましい。上記効果を発揮させるためには、いずれも0.01%以上含有させることが好ましい。尚、これらの元素のより好ましい下限は、いずれも0.03%以上(更に好ましくは0.05%以上)であり、より好ましい上限は0.8%以下(より好ましくは0.6%以下)である。
Nb,VおよびBは、いずれもNと結合することで窒素化合物を形成し、結晶粒を整粒化して、転動疲労寿命を向上させる上で有効な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて大きくなるが、過剰に含有されると結晶粒が微細化し、不完全焼入れ相が生成しやすくなるので、NbおよびVで0.5%以下、Bで0.01%以下とすることが好ましい。上記効果を発揮させるためには、NbおよびVで0.01%以上、Bで0.0001%以上含有させることが好ましい。尚、これらの元素のより好ましい下限は、NbおよびVで0.03%以上、Bで0.0005%以上であり、より好ましい上限は、NbおよびVで0.3%以下(更に好ましくは0.1%以下)、Bで0.003%以下(更に好ましくは0.001%以下)である。
炭化物は欠陥を基にして、600〜690℃の温度範囲で分断が始まる。600〜690℃で2〜10時間加熱保持することによって、炭化物の分断を行い、球状炭化物の核を均一に残存させることができる。このときの温度が600℃未満、または保持時間が2時間未満では、炭化物の分断が十分に行われず、次いで行われる加熱で、炭化物が初析セメンタイトとパーライトのままオーステナイト変態に達し、固溶しきれない初析セメンタイトは大きい粒子として、パーライトは極めて小さい粒子となって残留するため、均一な球状炭化物の核を得ることができない。一方、温度が690℃を超えたり、または保持時間が10時間を超えると、分断した炭化物の一部が結合し、微細な炭化物の中に粗大な炭化物が生成し、所望の球状炭化物を得ることができない。尚、保持温度の好ましい下限は620℃以上であり、好ましい上限は680℃以下である。また保持時間の好ましい下限は4時間以上であり、好ましい上限は8時間以下である。
1段目の均熱からオーステナイト変態までの温度領域は、1段目の均熱で分断した炭化物の結合が著しいため、できるだけ急速に加熱する必要がある。このときの加熱速度が100℃/時未満では、1段目の均熱で分断したパーライトの一部が結合、または成長し、微細な炭化物の中に粗大な炭化物が生成してしまうため、所望の球状炭化物を得ることができない。一方、加熱速度が200℃/時よりも速く急加熱しても、炭化物の結合を抑制する効果は飽和するばかりか、加熱するための炉への負荷が大きくなり、設備寿命が短くなるため、その上限を200℃/時とする。尚、加熱速度の好ましい下限は120℃/時以上であり、好ましい上限は180℃/時以下である。
この温度域では、炭化物はオーステナイトに固溶すると共に球状化する。このときの温度が750℃よりも低くなったり、または保持時間が0.5時間未満では炭化物は球状化しないものとなる。一方、温度が890℃を超えたり、または保持時間が10時間を超えると、炭化物がオーステナイトへ固溶し過ぎるため、次いで行われる冷却過程で再生パーライトが発生し、炭化物は球状化しない。尚、保持温度の好ましい下限は760℃以上であり、好ましい上限は870℃以下である。また保持時間の好ましい下限は2時間以上であり、好ましい上限は8時間以下である。
この冷却過程では、2段目の均熱でオーステナイトへ固溶したCが析出し、残存している炭化物が成長する。このとき30℃/時よりも速い冷却速度で冷却した場合には、パーライト内部の炭化物は微細に球状化し、パーライトコロニーの周囲で、炭化物は析出しやすい方向に伸びて大きくなるため、所望の球状炭化物を得ることができない。冷却速度の好ましい下限は1℃/時以上、好ましい上限は25℃/時以下である。尚、冷却停止温度については、少なくとも炭化物の析出が完了する670℃以下となればよく、その下限については室温であってもよい。
(a)上記球状化焼鈍を行った鋼材を長手方向に対して垂直に切断した。
(b)その断面が観察できるように樹脂に埋め込み、エメリー紙による研磨、ダイヤモンドバフによる研磨および電解研磨を順次行なって、観察面を鏡面に仕上げた。
(c)ナイタール(3%硝酸エタノール溶液)で腐食した。
(d)試験片(円盤)のD/4(Dは直径)の位置を、走査型顕微鏡(SEM)にて倍率:2000倍(視野:1688μm2)で観察し、4箇所撮影した。
(e)粒子解析ソフト[「粒子解析III for Windows(登録商標) Version3.00 SUMITOMO METAL TECHNOLOGY製」(商品名)]を用いて、フェライト相を白色、炭化物を黒色とし(即ち、2値化し)、各炭化物の大きさから円相当径を算出し、4視野の平均値(算術平均)を求めた(「平均円相当径」として採用)。また、各箇所内での炭化物の円相当径の分布から標準偏差σを計算し、4視野の平均を求めた。
上記球状化焼鈍を行った鋼材から、切削により直径:60mm、厚さ:5mmの円盤を切出し、800〜840℃で30〜60分間加熱後、油焼入れを実施し、120〜180℃で60〜180分焼戻し、最終的に仕上げ研磨を施して試験片を得た。
Claims (5)
- C :0.60〜1.40%(質量%の意味、化学成分組成について、以下同じ)、
Si:0.05〜0.5%、
Mn:0.10〜1.0%、
P :0.05%以下(0%を含まない)、
S :0.05%以下(0%を含まない)、
Al:0.005〜0.05%、
N :0.02%以下(0%を含まない)、および
Cr:0.50〜2.0%、
を夫々含み、残部が鉄および不可避不純物からなり、
ミクロ組織がフェライトであり、フェライト組織中に含まれる炭化物の平均円相当径が0.30〜0.50μmであると共に、炭化物の円相当径における標準偏差σが0.18μm以下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、Cu:1%以下(0%を含まない)、Ni:1%以下(0%を含まない)およびMo:1%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有するものである請求項1に記載の転動疲労特性に優れた軸受用鋼材。
- 更に、Nb:0.5%以下(0%を含まない)、V:0.5%以下(0%を含まない)およびB:0.01%以下(0%を含まない)よりなる群から選ばれる1種以上を含有するものである請求項1または2に記載の転動疲労特性に優れた軸受用鋼材。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の軸受用鋼材を製造する方法であって、
前記化学成分組成を有する鋼材を、600〜690℃の温度範囲で2〜10時間保持し、この温度範囲から760〜890℃の温度範囲へ100〜200℃/時の加熱速度で加熱してこの温度範囲で0.5〜10時間保持し、その後1〜30℃/時の冷却速度で670℃以下まで冷却する球状化焼鈍を行うことを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受用鋼材の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の軸受用鋼材を更に所定の形状に加工した後、焼入れ焼き戻しを行うことを特徴とする転動寿命に優れた軸受部品の製造方法。
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