JP6205061B2 - 浸炭窒化軸受用鋼 - Google Patents
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Description
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60 ・・・(1)
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20 ・・・(2)
鋼材に対して浸炭窒化焼入れ、焼戻し等の表面硬化処理を実施して、鋼材の耐摩耗性を高めるためには、鋼材の表層にV炭化物及びV炭窒化物等の微細なV析出物が分散していることが有効である。しかしながら、耐摩耗性にはさらに、表面硬化処理後の鋼材の表面硬さ、及び、鋼材中の残留オーステナイト量も影響する。したがって、耐摩耗性を高めるためには、V系析出物を微細分散させつつ、表面硬さ及び残留オーステナイト量に影響するV量、Cr量及びMo量を調整することが有効である。
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60 ・・・(1)
ここで、式(1)中の各元素には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
浸炭窒化処理を実施して製造される浸炭窒化軸受部品の素材である浸炭窒化軸受用鋼には、高い焼入れ性が要求される。浸炭窒化軸受用鋼の化学組成が式(2)を満たせば、軸受部品が大型であっても十分に焼入れ可能であり、高強度が得られる。
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20 ・・・(2)
ここで、式(2)中の各元素には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。fn2=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+Vと定義する。fn2に規定される各元素はいずれも、鋼の焼入れ性を高める。したがって、fn2が2.20よりも高ければ、十分な焼入れ性が得られ、軸受部品において、耐摩耗性を高めるために必要な強度が得られる。
中型及び大型の軸受部品には、優れた耐摩耗性、表面起点はく離寿命とともに、優れた靱性(破壊靭性)が要求される。焼戻しマルテンサイトを主とする組織の鋼材の破壊靭性は、主に、焼戻しマルテンサイト組織の強度、下部組織に影響するC含有量、粒界脆化を引き起こすP含有量、及び、鋼材中の硫化物の量が影響する。
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60 ・・・(1)
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20 ・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
浸炭窒化軸受用鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼の焼入れ性を高める。そのため、浸炭窒化軸受用鋼に対して浸炭窒化焼入れ及び焼戻しを施してなる浸炭窒化軸受部品の芯部の強度及び靭性を高める。Cはさらに、浸炭窒化軸受部品の表面起点はく離寿命を高める。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、熱間加工後においても粗大な炭化物及び炭窒化物(炭窒化物等)が残存して、浸炭窒化軸受部品の靭性及び表面起点はく離寿命が低下する。したがって、C含有量は0.22〜0.45%である。C含有量の好ましい下限は0.24%であり、さらに好ましくは0.25%である。C含有量の好ましい上限は0.44%であり、さらに好ましくは0.42%である。
シリコン(Si)は、不可避的に含有される。Siは鋼の強度を高める。Siはさらに、浸炭窒化軸受部品の表面起点はく離寿命を高める。しかしながら、Si含有量が高すぎれば、母材の硬さが高くなりすぎ、切削時の工具寿命が低下する。Si含有量が高すぎればさらに、鋼材の靭性及び熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は0.50%以下である。Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。Si含有量の好ましい上限は0.35%であり、冷間加工性を考慮すれば、さらに好ましい上限は0.10%である。
マンガン(Mn)は、鋼の焼入れ性を高め、さらに、浸炭窒化軸受部品の表面起点はく離寿命を高める。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、母材の硬さが高くなりすぎ、切削時の工具寿命が低下する。Mn含有量が高すぎればさらに、靭性が低下したり、焼入れ時に焼割れが発生したりする。したがって、Mn含有量は0.40〜1.50%である。Mn含有量の好ましい下限は0.45%であり、さらに好ましくは0.48%である。Mn含有量の好ましい上限は1.30%であり、さらに好ましくは1.00%以下であり、さらに好ましくは0.75%である。
リン(P)は、不純物である。Pは結晶粒界に偏析して浸炭窒化軸受部品の靭性を低下する。したがって、P含有量は0.0015%以下である。好ましいP含有量の上限は0.013%であり、さらに好ましくは0.010%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。
硫黄(S)は不純物である。Sは、鋼中で硫化物を生成して浸炭窒化軸受部品の表面起点はく離寿命を低下する。したがって、S含有量は0.005%以下である。表面起点はく離寿命をさらに高めるためのS含有量の好ましい上限は0.004%であり、さらに好ましくは0.003%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。
クロム(Cr)は、鋼の焼入性を高め、浸炭窒化軸受部品の強度を高める。Crはさらに、V及びMoと複合して含有されることにより、浸炭窒化処理(浸炭窒化焼入れ及び焼戻し)時に微細な析出物の生成を促進し、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性を高める。Cr含有量が低すぎればこれらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、浸炭窒化処理時の浸炭性が低下する。したがって、Cr含有量は0.30〜2.0%である。Cr含有量の好ましい下限は0.50%であり、さらに好ましくは0.60%である。Cr含有量の好ましい上限は1.8%であり、さらに好ましくは1.7%である。
モリブデン(Mo)は、Crと同様に、鋼の焼入性を高める。Moはさらに、V及びCrと複合して含有されることにより、浸炭窒化処理時に微細な析出物の生成を促進し、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性を高める。Mo含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、鋼の熱間加工性及び切削性が低下し、さらに、製造コストが高くなる。したがって、Mo含有量は0.10〜0.35%である。Mo含有量の好ましい下限は0.20%であり、さらに好ましくは0.22%である。Mo含有量の好ましい上限は0.30%であり、さらに好ましくは0.28%である。
バナジウム(V)は、Cr及びMoと同様に、鋼の焼入性を高める。Vはさらに、C及びNと結合して微細な析出物(炭窒化物等)を生成する。本実施形態では、V、Cr及びMoが複合して含有されることにより、浸炭窒化処理時に、微細な析出物が多数生成し、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が高まる。V含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、V含有量が高すぎれば、熱間加工後においても未固溶の粗大な炭化物等が残存し、浸炭窒化軸受部品の靭性及び表面起点はく離寿命が低下する。さらに、鋼の熱間加工性及び切削性も低下する。したがって、V含有量は0.20〜0.40%である。V含有量の好ましい下限は0.21%であり、さらに好ましくは0.22%である。V含有量の好ましい上限は0.38%であり、さらに好ましくは0.36%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、粗大な酸化物系介在物が鋼中に残存して、浸炭窒化軸受部品の表面起点はく離寿命が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.10%である。Al含有量の好ましい下限は0.008%であり、さらに好ましくは0.010%である。Al含有量の好ましい上限は0.050%であり、さらに好ましくは0.048%である。ここでいうAl含有量は、全Al(Total Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は不純物である。Nは鋼中に固溶して鋼の熱間加工性を低下する。したがって、N含有量は0.030%以下である。N含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%である。N含有量はなるべく低い方が好ましい。
酸素(O)は不純物である。Oは鋼中の他の元素と結合して酸化物を生成し、鋼材の強度を低下する。Oはさらに、酸化物を生成するとともに、MnSの粗大化を促進して、浸炭窒化軸受部品の表面起点はく離寿命を低下する。したがって、O含有量は0.0015%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0013%であり、さらに好ましくは0.0012%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Bは鋼の焼入れ性を高め、浸炭窒化軸受部品の強度を高める。Bはさらに、焼入れ時にオーステナイト粒界にP及びSが偏析するのを抑制する。しかしながら、B含有量が高すぎれば、B窒化物(BN)が生成して鋼の靭性が低下する。したがって、B含有量は0〜0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0.0003%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。B含有量の好ましい上限は0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Nbは鋼中のC及びNと結合して炭化物、窒化物、及び、炭窒化物を生成する。これらの析出物は結晶粒を微細化し、析出強化によって浸炭窒化軸受部品の強度を高める。しかしながら、Nb含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.10%である。Nb含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Nb含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%である。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、TiはNbと同様に、炭化物、窒化物、及び、炭窒化物を生成して結晶粒を微細化し、浸炭窒化軸受部品の強度を高める。しかしながら、Ti含有量が高すぎれば、鋼の靭性が低下する。したがって、Ti含有量は0〜0.10%である。Ti含有量の好ましい下限は0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Ti含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%である。
本実施形態の浸炭窒化軸受用鋼の化学組成はさらに、式(1)を満たす。
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60 ・・・(1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の浸炭窒化軸受用鋼の化学組成はさらに、式(2)を満たす。
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20 ・・・(2)
ここで、式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
上述の浸炭窒化軸受用鋼の製造方法、及び、その浸炭窒化軸受用鋼を用いて製造される浸炭窒化軸受部品の製造方法の一例を説明する。
上述の化学組成を有し、かつ、式(1)及び式(2)を満たす溶鋼を連続鋳造法により鋳片にする。造塊法により溶鋼をインゴット(鋼塊)にしてもよい。鋳片又はインゴットを熱間加工して、鋼片(ビレット)を製造する。たとえば、分塊圧延により鋳片又はインゴットを鋼片にする。鋼片又は鋳片を熱間加工して、棒鋼又は線材等の浸炭窒化軸受用鋼材を製造する。熱間加工は、熱間圧延でもよいし、熱間鍛造(熱間鍛伸等)でもよい。必要に応じて、熱間圧延前の鋼片又は鋳片に対して均熱拡散処理を実施してもよい。製造された浸炭窒化軸受用鋼材に対して、必要に応じて、焼準処理や球状化焼鈍処理を実施してもよい。以上の工程により、浸炭窒化軸受用鋼材が製造される。
上述の浸炭窒化軸受用鋼を用いて、浸炭窒化軸受部品を製造する。初めに、浸炭窒化軸受用鋼材を所定の形状に加工して中間品を製造する。加工方法はたとえば、熱間鍛造や機械加工である。機械加工はたとえば、切削加工である。
雰囲気中のカーボンポテンシャルCPが低すぎれば、浸炭窒化軸受部品の表面のC濃度が0.7%未満となる。この場合、十分な量の炭窒化物を分散させることができず、耐摩耗性が低下する。一方、カーボンポテンシャルCPが高すぎれば、表面のC濃度が1.2%を超える。この場合、粗大な炭窒化物等が残存するため、表面起点はく離寿命が低下する。したがって、カーボンポテンシャルCPは0.7〜1.4である。
雰囲気中の浸炭変成ガス流量に対するアンモニア濃度が低すぎれば、浸炭窒化軸受部品の表面のN濃度が0.15%未満となる。この場合、十分な量の炭窒化物を分散させることができず、耐摩耗性が低下する。一方、アンモニア濃度が高すぎれば、表面N濃度が0.6%を超える。この場合、粗大な炭窒化物が残存するため、表面起点はく離寿命が低下する。したがって、アンモニア濃度は1〜6%である。
浸炭窒化温度での保持時間:3時間以上
浸炭窒化温度が低すぎれば、C及びNの拡散速度が遅くなる。この場合、所定の熱処理性状を得るために必要な処理時間が長くなり、生産コストが増大する。一方、浸炭窒化温度が高すぎれば、雰囲気中のアンモニアが分解し、鋼材に侵入するN量が減少するとともに、侵入したC及びNの鋼材マトリクス中への固溶量が増加する。この場合、十分な量の炭窒化物を分散させることができず、耐摩耗性が低下する。したがって、浸炭窒化温度は830〜930℃である。
焼入れ温度での保持時間:1時間以内
焼入れ温度は低すぎれば、鋼中に十分なCを固溶させることができず、鋼の硬さが低下する。一方、焼入れ温度が高すぎれば、結晶粒が粗大化し、結晶粒界に沿った粗大な炭窒化物が析出しやすくなる。この場合、転がり軸受としての機能が低下する。したがって、焼入れ温度は830〜930℃である。
焼戻し温度での保持時間:0.5〜4時間
焼戻し温度が低すぎれば、十分な靭性が得られない。一方、焼戻し温度が高すぎれば、表面硬さが低下し、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が低下する。したがって、焼戻し温度は150〜200℃である。
以上の製造工程で製造される浸炭窒化軸受部品の表面でのC濃度、N濃度及びロックウェルC硬さHRCは次のとおりである。
上述の条件で浸炭窒化焼入れ及び焼戻しして製造された浸炭窒化軸受部品の表面のC濃度は0.7〜1.2%である。表面のC濃度が低すぎれば、表面硬さが低くなりすぎ、耐摩耗性が低下する。一方、表面のC濃度が高すぎれば、粗大な炭窒化物等が残存するため、表面起点はく離寿命が低下する。表面のC濃度が0.7〜1.2%であれば、耐摩耗性及び表面起点はく離寿命に優れる。表面のC濃度の好ましい下限は0.75%であり、さらに好ましくは0.80%である。表面のC濃度の好ましい上限は1.1%であり、さらに好ましくは1.05%であり、より好ましくは1.00%である。
浸炭窒化焼入れ及び焼戻しにより製造された浸炭窒化軸受部品の表面のN濃度は0.15〜0.6%である。表面のN濃度が低すぎれば、浸炭窒化焼入れ後の残留オーステナイト量が少なすぎ、さらに微細な炭窒化物の生成が抑制されるため、耐摩耗性が低下する。一方、表面のN濃度が高すぎれば、残留オーステナイトが過剰に多く生成される。この場合、浸炭窒化軸受部品の表面の硬さが低下してしまい、強度及び表面起点はく離寿命がかえって低下する。表面のN濃度が0.15〜0.6%であれば、耐摩耗性及び表面起点はく離寿命に優れる。表面のN濃度の好ましい下限は0.18%であり、さらに好ましくは0.20%である。表面のN濃度の好ましい上限は0.58%であり、さらに好ましくは0.56%であり、さらに好ましくは0.54%である。
浸炭窒化軸受部品の表面のロックウェルC硬さHRCは58〜65である。表面のロックウェルC硬さHRCが58未満であれば、耐摩耗性が低下し、さらに、表面起点はく離寿命も低下する。一方、表面のロックウェルC硬さが65を超えれば、微小な亀裂が発生した場合の進展感受性が高まり、表面起点はく離寿命がかえって低下する。表面のロックウェルC硬さは58〜65であれば、優れた耐摩耗性及び優れた表面起点はく離寿命が得られる。表面のロックウェルC硬さの好ましい下限は58.5であり、さらに好ましくは59.0である。表面のロックウェルC硬さの好ましい上限は64.5であり、さらに好ましくは64.3である。
球状化焼鈍処理後の棒鋼を浸炭窒化軸受用の鋼材とし、各鋼材の焼入れ性、靭性、耐摩耗性、及び、表面起点はく離寿命を評価した。
焼入れ性評価試験を次の方法で実施した。直径30mmの棒鋼から、フランジ付きの直径25mm、長さ100mmのジョミニー試験片を機械加工により作製した。各試験番号の試験片に対して、JIS G0561(2011)に準拠したジョミニー試験を実施した。試験後、水冷端から11mm位置での硬さJ11で焼入れ性を評価した。大型の浸炭窒化軸受部品に適用される軸受用鋼材では、硬さJ11がロックウェルC硬さHRCで32以上であることが要求される。したがって、焼入れ性試験では、硬さJ11が32以上の場合に焼入れ性が高いと判断し(表2中で「○」印で表記)、硬さJ11が32未満の場合に焼入れ性が低いと判断した(表2中で「×」印で表記)。
靭性評価試験を次の方法で実施した。各試験番号の直径30mmの棒鋼に対して、図1に示すヒートパターンの焼入れ及び焼戻しを実施した。図1を参照して、焼入れ処理では、焼入れ温度は900℃とし、保持時間を6時間とした。保持時間経過後の棒鋼を油冷した(図中「OQ」と記載)。焼戻し処理では、焼戻し温度を180℃とし、保持時間を2時間とした。保持時間経過後の棒鋼を空冷した(図中「AC」と記載)。
Index=σy×(vE20)0.1
浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性評価試験を次の方法で実施した。直径30mmの棒鋼から図2に示す小ローラ試験片の中間品を作製した。図2は、小ローラ試験片の中間品の一部断面を示す側面図及び横断面図である。図2中の数値は、中間品の各部位の寸法(mm)を示す。
試験後の小ローラ試験片の試験部の表面のうち、摺動部分以外の領域(以下、未摺動部分という)において、円周方向に対して90°ピッチで4箇所の測定位置を特定した。特定された4箇所の測定位置において、JIS Z2245(2011)に準拠して、Cスケールを用いたロックウェル硬さ試験を実施した。各測定箇所のロックウェルC硬さHRCの平均を、表面でのロックウェルC硬さHRCと定義した。
小ローラ試験片の試験部の未摺動部分を軸方向に対して垂直に切断した。未摺動部を含む切断面を含む試験片を採取し、切断面に対して埋め込み研磨仕上げを行った。その後、電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて、未摺動部分の表面から10μm深さまで、0.1μmピッチでC濃度及びN濃度を測定した。測定された値の平均値を、表面C濃度(質量%)及び表面N濃度(質量%)と定義した。
表面起点はく離寿命評価試験を次の方法で実施した。直径60mmの棒鋼から、直径60mm、厚さ5.5mmの円板状の粗試験片をスライスして採取した。粗試験片の厚さ(5.5mm)は、棒鋼の長手方向に相当した。
表2に試験結果を示す。表2を参照して、試験番号1〜7の軸受用鋼材の化学組成は適切であり、式(1)及び式(2)を満たした。そのため、これらの試験番号の鋼材の焼入れ性は高く、焼入れ及び焼戻し後の靭性も高かった。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.22〜0.45%、
Si:0.50%以下、
Mn:0.40〜1.50%、
P:0.015%以下、
S:0.005%以下、
Cr:0.30〜2.0%、
Mo:0.10〜0.35%、
V:0.20〜0.40%、
Al:0.005〜0.10%、
N:0.030%以下、
O:0.0015%以下、
B:0〜0.0050%、
Nb:0〜0.10%、及び、
Ti:0〜0.10%を含有し、残部がFe及び不純物からなり、式(1)及び式(2)を満たす化学組成を有する、浸炭窒化軸受用鋼。
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60 ・・・(1)
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20 ・・・(2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載の浸炭窒化軸受用鋼であって、
前記化学組成は、
B:0.0003〜0.0050%、
Nb:0.005〜0.10%、及び、
Ti:0.005〜0.10%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、浸炭窒化軸受用鋼。
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