JP6652226B2 - 転動疲労特性に優れた鋼材 - Google Patents
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Description
転がり軸受は、例えば玉形状やコロ形状をした「転動体」と、転動体に接して荷重を伝える「内輪」及び「外輪」」とを備える。転動体や内輪、外輪といった転動部材に使用される鋼材には、優れた転動疲労特性が要求されている。鋼材に含まれる介在物は、転動疲労寿命を向上させる目的から、できるだけ微細でかつ少量であることが望まれている。鋼材に含まれる介在物としては、アルミナ(Al2O3)等の酸化物、硫化マンガン(MnS)等の硫化物、窒化チタン(TiN)等の窒化物が知られている。
[1]
質量%で、
C:0.10%〜1.50%、
Si:0.01%〜0.80%、
Mn:0.10%〜1.50%、
Cr:0.02%〜2.50%、
Al:0.002%〜0.010%未満、
Ce+La+Nd:0.0001%〜0.0025%、
Mg:0.0005%〜0.0050%、
O:0.0001%〜0.0020%、
Ti:0.000%〜0.005%未満、
N:0.0180%以下、
P:0.030%以下、
S:0.005%以下、
Ca:0.0000%〜0.0010%、
V:0.00〜0.40%、
Mo:0.00〜0.60%、
Cu:0.00〜0.50%、
Nb:0.000〜0.050%未満、
Ni:0.00〜2.50%、
Pb:0.00〜0.10%、
Bi:0.00〜0.10%、
B:0.0000〜0.0050%、
残部がFeおよび不純物であり、
超音波疲労試験によって検出される疲労起点介在物がCe、La、Ndの1種以上と、Mg、Al,および、Oを含有し、かつ、その組成比が式(1)を満たすことを特徴とする、転動疲労特性に優れた鋼材。
(Ce%+La%+Nd%+Mg%)/Al%≧0.20 ・・・ 式(1)
但し、式(1)において、Ce%、La%、Nd%、Mg%、Al%は、それぞれ、疲労起点介在物が含有するCe、La、Nd、Mg、Alの原子量%である。
[2]
質量%で、C:0.10%〜0.45%未満であり、Cr:0.02〜1.50%であることを特徴とする、[1]に記載の転動疲労特性に優れた鋼材。
[3]
質量%で、C:0.45%〜0.90%未満であり、Cr:0.70〜2.50%であることを特徴とする、[1]に記載の転動疲労特性に優れた鋼材。
[4]
質量%で、C:0.90%〜1.50%であり、Cr:0.70〜2.50%であることを特徴とする、[1]に記載の転動疲労特性に優れた鋼材。
(1)クラスター状の酸化物であるAl−O系介在物をREM−Al−Mg−O系介在物に改質することで、酸化物系介在物と母材との密着性が向上する。
(2)クラスター状の酸化物であるAl−O系介在物にMgとREM系の介在物を混在させるためには、MgおよびREMとの反応性が高いSは極力含有量を抑えるべきである。
(3)クラスター状の酸化物であるAl−O系介在物は粗大であり、疲労特性に悪影響を及ぼすため、Al量は極力抑えるほうがいいが、非添加では粗大な低級酸化物が形成され、MgおよびREMによる酸化物系介在物の改質効果が得られない。よって、Alの脱酸は最低限必要である。
まず、本実施形態に係る鋼材の成分組成とその限定理由について説明する。なお、下記の元素の含有量に関する%は、質量%を意味する。
Cは、硬さを確保して、疲労寿命を向上させる元素である。所要の強度と硬さとを確保するためには、Cを0.10%以上含有させる必要がある。しかし、C含有量が1.50%を超えると硬さが上昇しすぎて、焼割れの原因となる。したがって、C含有量は、0.10%〜1.50%とする。なお、C:0.10%〜0.45%未満であれば、肌焼用の鋼材に適している。C:0.45%〜0.90%未満であれば、高周波焼入れ用の鋼材に適している。C:0.90%〜1.50%であれば、全体焼入れ用の鋼材に適している。また、C含有量の下限は、好ましくは、0.15%である。C含有量の上限は、好ましくは1.35%である。
Siは、焼入れ性を高めて、疲労寿命を向上させる元素である。この効果を得るためには、Siを0.01%以上含有させる必要がある。しかし、Si含有量が、0.80%を超えると、焼入れ性向上効果が飽和し、さらに、脱酸状態に影響し、酸化物の形成に影響を及ぼし疲労特性が低下する。したがって、Si含有量は0.01%〜0.80%とする。また、Si含有量の下限は、好ましくは、0.07%とする。Si含有量の上限は、好ましくは0.65%以下とする。
Mnは、焼入れ性を高めて強度を高め、疲労寿命を向上させる元素である。この効果を得るためには、Mnを0.10%以上含有させる必要がある。しかし、Mn含有量が、1.50%を超えると、焼入れ性向上効果が飽和し、かえって、焼割れの原因となる。そのため、Mn含有量は0.10%〜1.50%とする。Mn含有量の下限は、好ましくは、0.20%とする。Mn含有量の上限は、好ましくは、1.20%とする。
Crは、焼入れ性を高めて、疲労寿命を向上させる元素である。この効果を安定して得るためには、Crを0.02%以上含有させることが好ましい。しかし、Cr含有量が2.50%を超えると、焼入れ性向上効果が飽和し、かえって焼割れの原因となる。そのため、Cr含有量の上限は2.50%とする。また、Cr含有量の下限は、好ましくは0.15%以上とする。Cr含有量の上限は、好ましくは2.00%以下とする。Cr含有量は、1.90%以下、もしくは1.80%以下と規定してもよい。
なお、肌焼による軸受用の鋼材として用いる場合には、Cr:0.02〜1.50%とすることが望ましい。高周波焼き入れによる軸受用の鋼材、または全体焼き入れによる軸受用の鋼材として用いる場合には、Cr:0.70〜2.50%とすることが望ましい。
Alは、T.O(全酸素量)を低減する脱酸元素として、0.002%以上を含有させる必要がある。しかし、Al含有量が0.010%以上では、クラスター状のアルミナ量が増加し、MgおよびREM添加によるREM−Al−Mg−O系介在物への改質が十分できないと考えられる。そのため、Al含有量は0.010%未満とする。Al含有量は、好ましくは、下限について0.005%以上とする。Al含有量は、好ましくは、上限について、0.008%以下とする。
Ce(セリウム)、La(ランタン)、およびNd(ネオジム)は希土類元素に分類される元素である。希土類元素とは、原子番号が57のランタンから71のルテシウムまでの15元素に、原子番号が21のスカンジウムと原子番号が39のイットリウムとを加えた合計17元素の総称である。希土類元素は、強力な脱酸元素であり、本実施形態に係る軸受け用鋼材において、極めて重要な役割を担う。製鋼用の希土類元素合金は、Ce、La、および、Ndの3元素が主成分となっているため、本発明では、希土類17元素のうち、Ce、La、および、Ndを限定する。希土類合金に含まれる3元素以外の元素も強力な脱酸元素であることに変わりなく、3元素と同様の効果を発揮する。Ce、La、Ndのいずれか1種を0.0001%〜0.0025%含有しても良いし、2種以上を合計で0.0001%〜0.0025%含有しても良い。本発明における説明ではCe、La、および、NdをREMと総称する。REMは、まず、溶鋼中の酸素と反応して、REM系の酸化物を生成する。次いで、溶鋼中でのアルミナ酸化物の凝集クラスター化に伴ってREM系酸化物も同時に取り込まれる。そうすることでAl−O系酸化物がREM−Al−Mg−O系介在物へと改質される。
これらの観点から検討した結果、REMが0.0001%未満では含有効果が不十分であることを実験的に知見した。したがって、REM含有量の下限を0.0001%とし、好ましくは、0.0003%以上、より好ましくは、0.0008%以上とする。ただし、REM含有量が0.0025%を超えると、コスト高となるだけでなく、鋳造ノズルの閉塞が発生し易くなり、鋼の製造を阻害する。したがって、REMの含有量の上限は0.0025%であり、好ましくは0.0020%、より好ましくは0.0018%である。
Mgは、Alと同様に強力な脱酸元素であり、本実施形態に係る鋼材において、極めて重要な役割を担う。Mgだけではクラスター酸化物起点の破壊を抑制する効果は小さいが、REMとMgの併用により、REM単独よりもその疲労特性の改善効果が高まる。本効果を得るためには、Mgを0.0005%以上の量で含有させる必要がある。Mg含有量が多いと、酸化物量そのものが増加しREM添加によるREM−Al−Mg−O系介在物を改質ができないと考えられる。そのため、Mg含有量は0.0050%以下とする。Mg含有量は、好ましくは下限を0.0010%以上と規定する。Mg含有量は、好ましくは、上限を0.0040%以下と規定する。
Oは不純物であり、脱酸により鋼から除去される元素である。脱酸により鋼中のOを皆無とすることができればアルミナクラスターは発生せず、本発明が解決しようとする課題はもとより生じない。しかし、技術面およびコスト面から、現在の鋼においては0.0001%以上のOが必然的に含有され、これにより生じるアルミナクラスターにより疲労特性が低下しうる。本発明は、通常含まれるのと同程度の酸素を含有する鋼において、従来に比べて疲労特性を改善したものである。一般的には、鋼のO含有量は0.0005%以上であることが多い。一方、O含有量が0.0020%を超えると、アルミナなどの酸化物が多量に残存し、疲労寿命が低下するので、O含有量の上限を0.0020%とする。O含有量は、好ましくは0.0015%以下である。
クラスター状の酸化物であるAl−O系介在物をREM−Al−Mg−O系介在物に改質することで、酸化物系介在物と母材との密着性が向上し、疲労特性が向上する。この効果は、疲労起点介在物におけるCe、La、Nd、Mg、Alの組成比(Ce%+La%+Nd%+Mg%)/Al%が0.20%以上の場合に発現する。したがって、(Ce%+La%+Nd%+Mg%)/Al%を0.20以上とする。上記の効果をより高めるためには、(Ce%+La%+Nd%+Mg%)/Al%は0.50以上が好ましい。
Tiは不純物であり、鋼中に存在すると、TiNを生成して疲労特性を劣化させるので、Ti含有量を0.005%未満に制限する。好ましくはTi含有量を0.004%以下に制限する。
Nは不純物であり、鋼中に存在すると、窒化物を形成して疲労特性を劣化させ、また、歪時効によって延性及び靭性を劣化させる。N含有量が、0.0180%を超えると、疲労特性、延性、及び、靭性の劣化などの弊害が著しくなる。そのため、N含有量の上限を0.0180%に制限する。好ましくはN含有量を0.0150%以下に制限する。Nは0.0000%でも良いが、N含有量の低減には工業上の制約があり、またあまりに低くすることは意味がない。通常の費用で可能なNの実質的な下限として0.0020%としても良い。
Pは、不純物であり、鋼中に存在すると、結晶粒界に偏析して疲労寿命を低下させる。P含有量が、0.030%を超えると、疲労寿命が低下する。そのため、P含有量の上限を0.030%に制限する。好ましくは、P含有量を0.020%以下に制限する。P含有量の下限は0.000%でもよいが、工業的な下限として0.001%としても良い。
Sは、鋼中に存在すると、硫化物を形成する。S含有量が、0.005%を超えると、SがREMと結合して硫化物を形成し、アルミナクラスターの改質に有効なREMを低減させ、ひいては疲労寿命を低下させる。そのため、S含有量の上限を0.005%に制限する。好ましくは、S含有量を0.0025%以下に制限する。S含有量の下限は0.000%でもよいが、工業的な下限として0.001%としても良い。
Caは、鋼中に存在すると、粗大なCaOが生成して、疲労寿命が低下するので、上限を0.0010%とする。Ca含有量は、好ましくは0.0002%以下であり、0.0000%であればなおよい。
本実施形態に係る鋼材は、さらに、V:0.00%〜0.40%、Mo:0.00%〜0.60%、Cu:0.00%〜0.50%、Nb:0.000%〜0.050%、Ni:0.00%〜2.50%、Pb:0.00〜0.10%、Bi:0.00〜0.10%、B:0.0000〜0.0050%、の1種以上を含有してもよい。
Vは、鋼中のC及びNと結合して、炭化物、窒化物、又は炭窒化物を形成し、鋼の組織微細化と強化に寄与する元素である。この効果を安定して得るためには、Vを0.05%以上含有させることが好ましい。V含有量は、より好ましくは0.10%以上である。しかし、V含有量が0.40%を超えると、含有効果は飽和するとともに熱間加工時に割れが発生するので、V含有量の上限を0.40%とする。好ましくは、V含有量を0.30%以下とする。
Moは、焼き入れ性を高めるとともに鋼中のCと結合して、炭化物を形成し、析出強化により鋼の強度の向上に寄与する元素である。この効果を安定して得るためには、Moを0.05%以上含有させることが好ましい。Mo含有量は、より好ましくは0.10%以上である。しかし、Mo含有量が0.60%を超えると、かえって焼割れの原因となるので、Mo含有量の上限を0.60%とする。Mo含有量は、好ましくは0.50%以下である。
Cuは、母材の強化による疲労特性の向上に寄与する元素である。この効果を安定して得るためには、Cuを0.05%以上含有させることが好ましい。しかし、Cu含有量が0.50%を超えると、熱間加工時に割れが発生するので、Cu含有量の上限を0.50%とする。Cu含有量は、好ましくは0.35%以下である。
Nbは、母材強化による疲労特性の向上に寄与する元素である。この効果を安定して得るためには、Nbを0.005%以上含有させることが好ましい。Nb含有量は、より好ましくは0.010%以上である。しかし、Nb含有量が0.050%以上になると、含有効果が飽和するとともに熱間加工時に割れが発生するので、Nb含有量を0.050%未満とする。Nb含有量は、好ましくは0.030%以下である。
Niは、耐食性を上げることで疲労寿命の向上に寄与する元素である。この効果を安定して得るためには、Niを0.10%以上含有させることが好ましい。Ni含有量は、より好ましくは0.30%以上である。しかし、Ni含有量が2.50%を超えると、鋼の被削性が低下するので、Ni含有量の上限を2.50%とする。Ni含有量は、好ましくは2.00%以下である。
Pbは、鋼の被削性を高めるために添加される。しかし、Pb含有量が0.10%を超えると疲労き裂の発生起点となり疲労強度が低下する。したがって、Pb含有量の上限は0.10%とする。Pb含有量は好ましくは0.06%以下である。
Biは、鋼の被削性を高めるために添加される。しかし、Bi含有量が0.10%を超えると疲労き裂の発生起点となり疲労強度が低下する。したがって、Bi含有量の上限は0.10%とする。Bi含有量は好ましくは0.06%以下である。
Bは、オーステナイト粒界に偏析し、粒界強度を高めて靭性を改善する効果がある。しかし、B含有量が0.0050%を超えると熱処理時にオーステナイト粒が異常粒成長し疲労強度が低下する。したがって、B含有量の上限は0.0050%とする。B含有量は好ましくは0.0030%以下である。
表1に示すNo.A1〜A16(本発明例)、No.B1〜B14(比較例)の各成分の鋼種を150kg真空溶解炉で鋳造した。脱酸条件については、表2に示す脱酸条件a〜fとして変化させ、影響を調査した。REMを添加する場合には、想定歩留まり40%でミッシュメタルを添加した。
脱酸条件a、b、dは、いずれもAl、Mg、REMの順番で脱酸剤を添加し、脱酸条件aでは、REM添加から90秒経過後、出鋼した。脱酸条件bでは、REM添加から500秒経過したことを確認し出鋼した。脱酸条件dでは、REM添加から30秒経過後すぐに出鋼した。脱酸条件cは、REM、Al、Mgの順番で脱酸剤を添加し、REMによる脱酸時間は120秒とした。脱酸条件eは、Al,Mgの順番で脱酸剤を添加して脱酸を行い、REM添加による脱酸を行わなかった。脱酸条件fは、Al,REMの順番で脱酸剤を添加して脱酸を行い、REM添加から90秒経過したことを確認して出鋼した。
介在物の長径はおよそ100〜300μmであり、介在物全体が視野に収まらない場合も、一視野内で得られた値をその介在物の組成として用いる。上記の視野について、ドゥエルタイム0.5μs、プリセット5でEDSによる元素マッピングを実施し、介在物エリアから得られたX線スペクトルよりCe、La、Nd、Mg、Alの原子量%を求め、介在物組成を計測する。EDSのデータ取得及び解析には、EDS分析システムAnalysis
Station(日本電子製)を用いる。なお、表3における原子量%の算出にあたってはOの割合が考慮されていないが、疲労起点介在物はいずれもOを介して形成された複合介在物であり、Oを含んでいた。また、比較例では、疲労起点介在物が他元素(Mn、Ti等)を含むケースもあったが、Ce、La、Nd、Mg、Al以外の元素はいずれも原子量%の算出に考慮されていない。
本発明例の疲労寿命L10は、107サイクル以上であり、比較例となる鋼種より優位であった。
表4に示すNo.C1〜C14(本発明例)、No.D1〜D10(比較例)の各成分の鋼種を150kg真空溶解炉で鋳造し、実施例1と同様にφ80mmの丸棒(試験片採取のための素材)へと熱間鍛造した。脱酸条件は、実施例1と同様、表2に示す脱酸条件a〜fにより行った。転動疲労試験片の採取後、試験部に高周波焼入れ処理と、150℃で1hrの焼戻し処理を行った。高周波焼き入れ処理は、焼き戻し後の表面硬度が650Hv(測定荷重2.94N)以上となる条件にて行った。さらに、試験面を鏡面に仕上げ加工し転動疲労試験に供した。転動疲労試験は森式スラスト型試験機(接触面圧:5.33GPa)で行った。各水準(表5のNo.1〜28)に対する10回の試験結果について、ワイブル統計を用いて、評価試料のうちの10%が破壊するサイクル数を疲労特性L10として評価した。
REMを適量含有した、本発明例の疲労特性L10は、106サイクル以上であり、比較例となる鋼種より優位であった。
表6に示すNo.E1〜E12(本発明例)、No.F1〜F12(比較例)の各成分の鋼種を150kg真空溶解炉で鋳造し、実施例1と同様にφ80mmの丸棒(試験片採取のための素材)へと熱間鍛造した。脱酸条件は、実施例1と同様、表2に示す脱酸条件a〜fにより行った。転動疲労試験片の採取後、試験片を850℃に加熱してから焼入れ処理を行い、その後180℃で1hrの焼戻し処理を行った。さらに、試験面を鏡面に仕上げ加工し転動疲労試験に供した。転動疲労試験は森式スラスト型試験機(接触面圧:5.33GPa)で行った。各水準(表7のNo.201〜228)に対する10回の試験結果について、ワイブル統計を用いて、評価試料のうちの10%が破壊するサイクル数を疲労特性L10として評価した。
10 破断面
11 同心円状の模様(フィッシュアイ)
L 標点距離
a 介在物
a’ 介在物(疲労起点介在物)
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.10%〜1.50%、
Si:0.01%〜0.80%、
Mn:0.10%〜1.50%、
Cr:0.02%〜2.50%、
Al:0.002%〜0.010%未満、
Ce+La+Nd:0.0001%〜0.0025%、
Mg:0.0005%〜0.0050%、
O:0.0001%〜0.0020%、
Ti:0.000%〜0.005%未満、
N:0.0180%以下、
P:0.030%以下、
S:0.005%以下、
Ca:0.0000%〜0.0010%、
V:0.00〜0.40%、
Mo:0.00〜0.60%、
Cu:0.00〜0.50%、
Nb:0.000〜0.050%未満、
Ni:0.00〜2.50%、
Pb:0.00〜0.10%、
Bi:0.00〜0.10%、
B:0.0000〜0.0050%、
残部がFeおよび不純物であり、
超音波疲労試験によって検出される疲労起点介在物がCe、La、Ndの1種以上と、Mg、Al,および、Oを含有し、かつ、その組成比が式(1)を満たすことを特徴とする、転動疲労特性に優れた鋼材。
(Ce%+La%+Nd%+Mg%)/Al%≧0.20 ・・・ 式(1)
但し、式(1)において、Ce%、La%、Nd%、Mg%、Al%は、それぞれ、疲労起点介在物が含有するCe、La、Nd、Mg、Alの原子量%である。 - 質量%で、C:0.10%〜0.45%未満であり、Cr:0.02〜1.50%であることを特徴とする、請求項1に記載の転動疲労特性に優れた鋼材。
- 質量%で、C:0.45%〜0.90%未満であり、Cr:0.70〜2.50%であることを特徴とする、請求項1に記載の転動疲労特性に優れた鋼材。
- 質量%で、C:0.90%〜1.50%であり、Cr:0.70〜2.50%であることを特徴とする、請求項1に記載の転動疲労特性に優れた鋼材。
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