JP6846901B2 - 水素環境下での転動疲労寿命に優れる高清浄度軸受用鋼 - Google Patents
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Cは、芯部の焼入性、鍛造性および機械加工性に影響する元素であり、0.13%未満では十分な芯部の硬さが得られず、強度が低下するので、0.13%以上の添加が必要である。望ましくは、0.15%以上が良い。一方、Cが0.35%を超えて含有されると、素材硬さが増加し被削性および鍛造性等の加工性を阻害し、素材の芯部硬度が過剰となり、靭性が劣化する。そのため、Cは0.35%以下にする必要があり、望ましくは0.30%以下とする。そこで、Cは0.13〜0.35%、望ましくは0.15〜0.30%とする。
Siは、脱酸に必要な元素であり、高温環境での鋼材強度を高め、組織変化の抑制、転動疲労寿命の向上に繋がる。これらの十分な効果を有するには、Siは0.20%以上の添加が必要であり、望ましくは、0.25%以上とするのが良い。一方、Siは0.65%より多いと、素材硬さを増加し被削性および鍛造性等の加工性を阻害し、また、浸炭阻害を起こし、浸炭または浸炭窒化しても十分な材料強度が得られない。そのため、Siは0.65%以下にする必要があり、望ましくは、0.50%以下が良い。そこで、Siは0.20〜0.65%とし、望ましくは0.25〜0.50%とする。
Mnは、焼入性の確保に必要な元素であり、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に、残留γ量を増加させることで、水素を起因とした白色組織変化の抑制に繋がる。これらの十分な効果を十分に得るには、Mnは0.50%以上の添加が必要であり、望ましくは、0.65%以上とするのが良い。一方、Mnは1.20%より多いと、素材硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性が阻害され、また、MnはSと結合しMnSとなることで水素を起因とした白色組織変化の起点となる。また、過度にMnを添加すると靭性劣化を引き起こすため、Mnは1.20%以下とする必要があり、望ましくは、1.10%以下とするのが良い。そこで、Mnは0.50〜1.20%とし、望ましくは、0.65%〜1.10%とする。
Pは、不可避不純物の元素であって、0.030%を超えて含有されると、脆化を引き起こし、疲労強度が下がる。そこで、Pは0.030%以下とし、望ましくは、0.020%以下とする。
Sは、不可避不純物の元素であって、0.030%を超えて含有されると冷間加工性を阻害し、疲労強度が劣化する。そこで、Sは0.030%以下とし、望ましくは、0.020%以下とする。
Crは、焼入性の確保に必要な元素であり、鋼材を浸炭または浸炭窒化した際に、残留γ量を増加させることで、水素を起因とした白色組織変化の抑制に繋がる。さらに、Crは、微細で均質な残留γを形成するのに有効であり、水素を起因とした白色組織変化の抑制効果を高める働きをする。これらの十分な効果を得るには、Crは2.30%以上の添加が必要であり、望ましくは、2.50%以上とするのが良い。一方、Crは3.50%より過多になると浸炭又は浸炭窒化時に、鋼材最表面で酸化物を形成することで浸炭阻害を引き起こし、強度劣化に繋がる。また、Crは浸炭時に粗大炭化物を形成し、粗大炭化物周囲において水素を起因とした白色組織変化の起点となる。そのため、Crは3.50%以下とする必要があり、望ましくは、3.20%以下にするのが良い。そこで、Crは2.30〜3.50%とし、望ましくは、2.50〜3.20%とする。
Niは、添加により鋼材の焼入性を高め、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に、残留γ量を増加する元素であり、これらの効果を十分に得るには、Niは0.10%以上の添加が必要である。一方、Niは、0.50%より過多に添加すると素材コストが大きく増加し、また、浸炭または浸炭窒化時に塊状の残留γが形成し易くなり、残留γによる水素を起因とした白色組織変化の抑制効果が失われる。そのため、Niは0.50%以下として添加するのが良い。そこで、Niは0.10〜0.50%とする。
Moは、添加により鋼材の焼入性を高め、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に、残留γ量を増加する元素であり、また、組織を均質化し、残留γを均質に分布させるのに有効である。これらの効果を十分に得るためには、Moは0.03%以上が必要であり、望ましくは、0.05%以上とするのが良い。一方、Moは0.50%より過多に添加すると素材コストが大きく増加し、また、上記の組織変化の抑制の効果は0.50%で飽和する。そのため、Moは0.50%以下とする必要があり、望ましくは、0.40%以下とするのが良い。そこで、Moは0.03〜0.50%とし、望ましくは0.05〜0.40%とする。
Vは、結晶粒を微細化し、粒界における水素濃度を低減することで水素を起因とした白色組織変化を抑制する元素である。また、Vは浸炭または浸炭窒化時にサブミクロンオーダーの炭化物および炭窒化物を形成することで水素トラップとして機能し、白色組織変化の抑制に有効であり、十分な効果を得るには、Vは0.01%以上の添加が必要である。一方、Vは添加による結晶粒微細化や、炭化物および炭窒化物析出による白色組織変化の抑制効果は、0.20%までの添加で飽和し、過多に添加すると粗大な炭化物および炭窒化物を析出するため、返って悪影響を及ぼす。そのため、Vは0.20%以下とするのが良い。そこで、Vは0.01〜0.20%とする。
Nbは、結晶粒を微細化し、粒界における水素濃度を低減することで水素を起因とした白色組織変化を抑制する元素である。また、Nbは浸炭または浸炭窒化時にサブミクロンオーダーの炭化物および炭窒化物を形成することで水素トラップとして機能し、白色組織変化の抑制に有効であり、これらの十分な効果を得るには、Nbは0.01%以上の添加が必要である。一方、Nbの添加による結晶粒微細化や、炭化物および炭窒化物の析出による白色組織変化の抑制効果は、Nbは0.20%までの添加で飽和し、過多に添加すると粗大な炭化物および炭窒化物を析出するため、返って悪影響を及ぼす。そのため、Nbは0.20%以下とするのが良い。そこでNbは0.01〜0.20%とする。
Tiは、結晶粒を微細化し、粒界における水素濃度を低減することで水素を起因とした白色組織変化を抑制する元素であり、また、Tiは浸炭又は浸炭窒化時にサブミクロンオーダーの炭化物および炭窒化物を形成することで水素トラップとして機能し、白色組織変化の抑制に有効である。これらの十分な効果を得るには、Tiは0.01%以上の添加が必要である。一方、Tiの添加による結晶粒微細化、炭化物および炭窒化物の析出による白色組織変化の抑制効果は、Tiが0.20%の添加で飽和し、過多に添加すると粗大な炭化物および炭窒化物を析出するため、返って悪影響を及ぼす。そのため、Tiは0.20%以下とするのが良い。そこで、Tiは0.01〜0.20%とする。
水素環境における転動疲労でも介在物周囲に水素が集中して早期破損を起すため、応力集中部となる介在物径を小さくする必要がある。介在物を起点とした組織変化を伴ったはく離を抑制するには、極値統計30,000mm2における最大介在物径の予測値√area maxを50μm以下とすることが必要であり、望ましくは、35μm以下とすると良い。
水素を起因とした組織変化は、繰返し高いせん断応力を受ける100〜300μm位置において発生して破損に至るため、鋼材最表面から100〜300μm位置の領域における組織変化の抑制が重要である。
浸炭又は浸炭窒化した際には、炭化物や炭窒化物の形成により母相の合金元素量は実際の添加量と比較して低下する。そこで十分な残留γ量を得るには、母相に固溶した合金元素量を増やす必要があり、また、水素の拡散速度を低下させることにより、組織変化の抑制に繋がる効果がある。これらの十分な効果を得るためには、母相中のSi、Mn、Cr、Ni、Moの合計量が3.0%以上である必要がある。
残留γ量は、非拡散性の水素トラップサイトとして機能し、使用時の水素濃化を抑制し、また、鋼材内を拡散する水素の拡散速度を遅くする効果を持ち、水素を起因とした組織変化抑制に非常に有効である。十分な効果を得るには、残留γ量は25vol%以上が必要である。一方、残留γ量は過多になると硬さの低下を引き起こし、強度劣化に繋がり、また、寸法の安定性の低下や塊状γの発生にもつながる。そのため、残留γ量は50vol%以下とするのが良い。そこで、残留γ量は25〜50vol%とする。
フェライトやパーライトといった強度の低い組織が存在すると、水素を起因とした白色組織変化の起点となる。そこで、浸炭焼入焼戻しまたは浸炭窒化焼入焼戻し組織におけるその他残部はマルテンサイトを主とする組織である。
2 D:スラスト試験片の厚さ
Claims (4)
- 質量%で、C:0.13〜0.35%、Si:0.20〜0.65%、Mn:0.50〜1.20%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Cr:2.30〜3.50%、さらにNi:0.10〜0.50%、Mo:0.03〜0.50%から選択した1種または2種の化学成分を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼であり、鋼材断面100mm2中の非金属介在物のうち、最大介在物径の測定を30か所において行い、極値統計法により予測される30000mm2中における最大介在物径の予測値√area maxが50μm以下であり、当該鋼を浸炭焼入焼戻した際または浸炭窒化焼入焼戻した際の鋼材最表面から100〜300μm位置における母相成分中に固溶したSi、Mn、Cr、Ni、Moの合計が3.0%以上であり、さらに残留γ量がvol%で25〜50%であって、その他残部はマルテンサイトを主とする組織であることを特徴とする軸受用鋼。
- 請求項1の化学成分に加えて、V:0.01〜0.20%、Nb:0.01〜0.20%、Ti:0.01〜0.20%から選択した1種又は2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる鋼であり、鋼材断面100mm2中の非金属介在物のうち、最大介在物径の測定を30か所において行い、極値統計法により予測される30000mm2中における最大介在物径の予測値√area maxが50μm以下であり、当該鋼を浸炭焼入焼戻した際または浸炭窒化焼入焼戻した際の鋼材最表面から100〜300μm位置における母相成分中に固溶したSi、Mn、Cr、Ni、Moの合計が3.0%以上であり、さらに残留γ量がvol%で25〜50%であって、その他残部はマルテンサイトを主とする組織であることを特徴とする軸受用鋼。
- 請求項1又は2に記載の軸受用鋼からなる軸受部品。
- 請求項1又は2に記載の軸受用鋼からなる軸受。
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