JP6772769B2 - 転がり摺動部材、その製造方法、浸炭用鋼材及び転がり軸受 - Google Patents
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Description
47.2≦8.1Mn+13.7Cr≦60.9 (I)
(式中、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)を示す)
及び式(II):
0.65≦9.2Si+29(Ni+Cu)+18.5Mo≦5.5 (II)
(式中、Siはケイ素の含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)を示す)
を満たす組成を有する基体部と表面浸炭層とを含むことを特徴とする転がり摺動部材に関する。
(A)炭素0.1〜0.5質量%と、ケイ素0.05〜0.25質量%と、マンガン1.2〜1.6質量%と、ニッケル0.1質量%以下と、銅0.05質量%以下と、クロム2.5〜3.5質量%と、モリブデン0.01〜0.1質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、前記式(I)及び式(II)を満たす組成を有する鋼材から素形材を得る工程、
(B)前記素形材をカーボンポテンシャル1.1〜1.5の浸炭雰囲気下に930〜980℃に加熱保持することによって当該素形材に浸炭処理を施し、中間素材を得る工程、
(C)前記工程(B)後の中間素材を830〜870℃に加熱保持することによって焼入れを行なう工程、並びに
(D)前記工程(C)後の中間素材を160〜200℃に加熱保持した後、冷却することによって焼戻しを行なう工程
を含む転がり摺動部材の製造方法に関する。本発明の転がり摺動部材の製造方法では、鋼材として前記組成を有する鋼材から得られた素形材に対して浸炭処理を施すという操作が採用されている。これにより、前記転がり摺動面から最大直交せん断応力発生深さの位置において、応力誘起マルテンサイト変態による組織の強靭化に十分な残留オーステナイト量が確保され、かつ応力誘起マルテンサイト変態が起こりやすい組織構造を形成させることができる。したがって、前述の作用効果を奏する転がり摺動部材を得ることができる。
本明細書において、「最大直交せん断応力発生深さ」とは、転がり摺動部材の内部に生じる直交せん断応力の振幅が最大となる深さをいう。前記最大直交せん断応力発生深さは、通常、転がり摺動部材の用途、転がり摺動部材の形状、転がり摺動部材の使用条件等によって異なるため、転がり摺動部材の用途、転がり摺動部材の形状、転がり摺動部材の使用条件等に応じて適宜決定することができる。転がり摺動部材が、転がり軸受の構成部材である場合、前記最大直交せん断応力発生深さは、転がり軸受を構成する転動体の大きさから決定することができる。
以下、添付の図面により本発明の一実施形態に係る転がり軸受を説明する。以下においては、転がり軸受の一例として玉軸受を挙げて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の一例である玉軸受を示す要部断面図である。
以下においては、本実施形態に係る転がり摺動部材の例として、玉軸受1の外内輪10,20及び玉30を挙げて説明する。外輪10は、基体部10a1と表面浸炭層10a2とを含む。表面浸炭層10a2は、基体部10a1上に存在している。外輪10の内周面には、複数個の玉30が転動する軌道部11aが形成されている。すなわち、図1に示されるように、軌道部11aは、表面浸炭層10a2の表面に形成されている。軌道部11aの表面は、転がり摺動面である。外輪10は、転がり摺動面において、玉30との間で相対的に転がり接触若しくは滑り接触又は両接触を含む接触をする。なお、外輪10の軌道部11a、端面11b、肩面11c及び外周面11dは、研磨仕上げが施された研磨部である。
47.2≦8.1Mn+13.7Cr≦60.9 (I)
(式中、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)を示す)
及び式(II):
0.65≦9.2Si+29(Ni+Cu)+18.5Mo≦5.5 (II)
(式中、Siはケイ素の含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)を示す)
を満たす組成を有する。なお、基体部10a1,20a1,30a1の組成は、後述の浸炭用鋼材の組成と同様である。
Ms=550−350C−40Mn−35V−20Cr−17Ni−10Cu−10Mo−10W−0Si+15Co (III)
(式中、Cは炭素の含有量(質量%)、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Vはバナジウムの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)、Wはタングステンの含有量(質量%)、Siはケイ素の含有量(質量%)、Coはコバルトの含有量(質量%)を示す)
にしたがって求めることができる〔(社)日本熱処理技術協会編著、「1.7 鋼の及ぼす合金元素の影響」、入門・金属材料の組織と性質、2004年7月、p.40参照〕。
Md30=551−462(C+N)−9.2Si−8.1Mn−13.7Cr−29(Ni+Cu)−18.5Mo−68Nb (IV)
(式中、Cは炭素の含有量(質量%)、Nは窒素の含有量(質量%)、Siはケイ素の含有量(質量%)、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)、Nbはニオブの含有量(質量%)を示す)
にしたがって求めることができる〔野原清彦ら、「準安定オーステナイトステンレス鋼における加工誘起マルテンサイト変態の組成および結晶粒度依存性」、社団法人日本鉄鋼協会、日本鐡鋼協會々誌「鉄と鋼」、第63巻、第5号、1977年4月1日、pp.772−782参照〕。
式(III)及び式(IV)に基づき、鋼材として、式(I)及び式(II)を満たす組成を有する浸炭用鋼材を用いた場合に、転がり転動寿命を長くすることができることを見出した。
本実施形態に係る浸炭用鋼材は、炭素0.1〜0.5質量%と、ケイ素0.05〜0.25質量%と、マンガン1.2〜1.6質量%と、ニッケル0.1質量%以下と、銅0.05質量%以下と、クロム2.5〜3.5質量%と、モリブデン0.01〜0.1質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、前記式(I)及び式(II)を満たす組成を有する。本実施形態に係る浸炭用鋼材は、前記組成を有しているため、浸炭処理が施されることにより、応力誘起マルテンサイト変態による組織の強靭化に十分な残留オーステナイト量が確保され、かつ応力誘起マルテンサイト変態が起こりやすい組織構造を形成させることができる。
8.1Mn+13.7Cr (Ia)
〔Mn及びCrは式(I)におけるMn及びCrと同じ。〕
の値は、応力誘起マルテンサイトによる組織の強靭化に十分な残留オーステナイト量を確保する観点から、47.2以上、好ましくは49以上である。また、式(I)において、式(Ia)の値は、残留オーステナイトの過剰な生成を抑制し、転がり軸受に要求される硬さを確保する観点から、60.9以下、好ましくは55以下である。
9.2Si+29(Ni+Cu)+18.5Mo (IIa)
〔Si、Ni、Cu及びMoは式(II)におけるSi、Ni、Cu及びMoと同じ〕
の値は、転がり軸受に要求される強度を確保する観点から、0.65以上、好ましくは1以上である。また、式(II)において、式(IIa)の値は、残留オーステナイトの応力誘起マルテンサイト変態を容易に生じさせる観点から、5.5以下、好ましくは4.5以下である。
外内輪10,20及び玉30は、例えば、前記浸炭用鋼材から形成された素形材を形成する前加工工程と、得られた素形材に対し、浸炭焼入れ処理を施し、中間素材を得る表面硬化処理工程と、得られた中間素材に仕上げ加工を施す仕上げ加工工程とを含む方法等によって得られる。以下、本実施形態に係る転がり摺動部材の製造方法の例として、外輪10の製造方法を説明する。図2は本発明の一実施形態に係る転がり摺動部材である外輪の製造方法の各工程を示す工程図、図3は表面硬化処理工程における熱処理条件の一例を示す線図である。
表1に示される鋼材を所定形状に加工して、深溝玉軸受(軸受呼び番号6206)用外内輪及び玉それぞれの素形材を製造した。表1において、実施例1〜8の鋼材は、炭素0.1〜0.5質量%と、ケイ素0.05〜0.25質量%と、マンガン1.2〜1.6質量%と、ニッケル0.1質量%以下と、銅0.05質量%以下と、クロム2.5〜3.5質量%と、モリブデン0.01〜0.1質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、式(I)及び式(II)を満たす組成を有する浸炭用鋼材の一例である。なお、表中、「式(I)判定」の項目において、白丸は式(I)を満たすこと、クロスは式(I)を満たさないことを示す。表中、「式(II)判定」の項目において、白丸は式(II)を満たすこと、クロスは式(II)を満たさないことを示す。表中、「総合判定」の項目において、白丸は式(I)及び(II)の双方を満たすこと、クロスは式(I)及び(II)の少なくとも一方を満たさないことを示す。
<熱処理条件>
カーボンポテンシャルCP:1.3
浸炭温度A:950℃
浸炭時間tc:3h以上
焼入れ温度B:850℃
焼入れ温度での保持時間tq:15分間
油冷:80℃
焼戻し温度C:170℃
焼戻し時間tt:2時間
実施例1〜8及び比較例1〜9で得られた深溝玉軸受に用いられた外内輪について、転がり摺動面から100μmの深さ(最大直交せん断応力発生深さz0)の位置でのビッカース硬さHv、転がり摺動面から100μmの深さの位置における残留オーステナイト量、転がり摺動面から100μmの深さの位置での炭素含有量、転がり摺動面から100μmの深さの位置における析出物面積率、転がり摺動面から100μmの深さの位置における析出物粒子の平均粒子径及び転動疲労寿命(L10寿命)を調べた。
[析出物面積率]
=([1μm×1μmの範囲の視野に存在する析出物粒子の面積]/[視野面積])×100 (V)
にしたがって算出した。[1μm×1μmの範囲の視野に存在する析出物粒子の面積]は、実施例1〜8及び比較例1〜9それぞれの外内輪の転がり摺動面から100μmの位置において、画像解析により、透過型電子顕微鏡によって取得した1μm×1μmの範囲の視野に存在する析出物粒子の面積である。[視野面積]は、1μm2である。
実施例2、比較例3及び比較例7それぞれで得られた深溝玉軸受を用い、表2に示される条件で内輪を回転させた。所定の時間経過時に内輪の回転を停止し、試験例1と同様の操作を行なうことにより、内輪の転がり摺動面から100μmの深さの位置における残留オーステナイト量を経時的に調べた。
実施例2、比較例3及び比較例7それぞれで得られた深溝玉軸受を用い、表2に示される条件で内輪を回転させた。所定の時間経過時に内輪の回転を停止し、試験例1と同様の操作を行なうことにより、内輪の転がり摺動面から100μmの深さの位置におけるビッカース硬さHvを経時的に調べた。
Claims (6)
- 相手部材との間で相対的に接触する研磨仕上げされた転がり摺動面を有する転がり摺動部材であって、
炭素0.1〜0.5質量%と、ケイ素0.05〜0.25質量%と、マンガン1.2〜1.6質量%と、ニッケル0.1質量%以下と、銅0.05質量%以下と、クロム2.5〜3.5質量%と、モリブデン0.01〜0.1質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、式(I):
47.2≦8.1Mn+13.7Cr≦60.9 (I)
(式中、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)を示す)
及び式(II):
0.65≦9.2Si+29(Ni+Cu)+18.5Mo≦5.5 (II)
(式中、Siはケイ素の含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)を示す)
を満たす組成を有する基体部と表面浸炭層とを含むことを特徴とする転がり摺動部材。 - 前記転がり摺動面から最大直交せん断応力発生深さの位置におけるビッカース硬さHvが700〜800である請求項1に記載の転がり摺動部材。
- 前記転がり摺動面から最大直交せん断応力発生深さの位置における残留オーステナイト量が25〜50体積%であり、
前記転がり摺動面から前記最大直交せん断応力発生深さの位置における析出物粒子の面積率が1%以下であり、
前記転がり摺動面から前記最大直交せん断応力発生深さの位置における析出物粒子の平均粒子径が0.4μm以下である請求項1又は2に記載の転がり摺動部材。 - 相手部材との間で相対的に接触する研磨仕上げされた転がり摺動面を有する転がり摺動部材の製造方法であって、
(A)炭素0.1〜0.5質量%と、ケイ素0.05〜0.25質量%と、マンガン1.2〜1.6質量%と、ニッケル0.1質量%以下と、銅0.05質量%以下と、クロム2.5〜3.5質量%と、モリブデン0.01〜0.1質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、式(I):
47.2≦8.1Mn+13.7Cr≦60.9 (I)
(式中、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)を示す)
及び式(II):
0.65≦9.2Si+29(Ni+Cu)+18.5Mo≦5.5 (II)
(式中、Siはケイ素の含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)を示す)
を満たす組成を有する鋼材から素形材を得る工程、
(B)前記素形材をカーボンポテンシャル1.1〜1.5の浸炭雰囲気下に930〜980℃に加熱保持することによって当該素形材に浸炭処理を施し、中間素材を得る工程、
(C)前記工程(B)後の中間素材を830〜870℃に加熱保持することによって焼入れを行なう工程、並びに
(D)前記工程(C)後の中間素材を160〜200℃に加熱保持した後、冷却することによって焼戻しを行なう工程
を含む転がり摺動部材の製造方法。 - 浸炭処理が施される素材用の鋼材であって、炭素0.1〜0.5質量%と、ケイ素0.05〜0.25質量%と、マンガン1.2〜1.6質量%と、ニッケル0.1質量%以下と、銅0.05質量%以下と、クロム2.5〜3.5質量%と、モリブデン0.01〜0.1質量%とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物であり、式(I):
47.2≦8.1Mn+13.7Cr≦60.9 (I)
(式中、Mnはマンガンの含有量(質量%)、Crはクロムの含有量(質量%)を示す)
及び式(II):
0.65≦9.2Si+29(Ni+Cu)+18.5Mo≦5.5 (II)
(式中、Siはケイ素の含有量(質量%)、Niはニッケルの含有量(質量%)、Cuは銅の含有量(質量%)、Moはモリブデンの含有量(質量%)を示す)
を満たす組成を有する浸炭用鋼材。 - 内周に転がり摺動面を有する外輪と、外周に転がり摺動面を有する内輪と、前記外内輪の両転がり摺動面の間に配置されている複数個の転動体とを有する転がり軸受であって、
前記外輪、内輪及び転動体のうちの少なくとも1つが、請求項1〜3のいずれかに記載の転がり摺動部材からなることを特徴とする転がり軸受。
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