JP7483644B2 - 浸炭軸受鋼及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、軸受鋼の組織の微細化と均質化の技術分野、特に浸炭軸受鋼及びその製造方法に関する。
軸受はほぼすべての伝動装置にとって不可欠な重要な基本部品であり、その疲労寿命レベルが機械や装置の耐用年数の長さと信頼性を決定する。現在、Ｇ２０ＣｒＮｉＭｏ、Ｇ２０ＣｒＮｉ２Ｍｏ、Ｇ２０Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍｏなどの民間用軸受鋼やＭ５０ＮｉＬ、ＣＳＳ～４２Ｌなどの軍用軸受鋼など、耐衝撃性や長寿命軸受の分野において国内外で一般的に使用されている浸炭軸受鋼は、一般に接触疲労寿命や疲労強度が低く、ハイエンド機器としての長寿命と高信頼性の要件を満たすことはできない。
軸受鋼の疲労寿命を延長するために、主に軸受鋼の介在物の含有量を減らし、軸受鋼の介在物のサイズを小さくし、軸受鋼の介在物の種類と分布を制御することによって、軸受鋼の接触疲労寿命を延長するための多くの研究が国内外で行われている。世紀を超えて３０年近く発展した結果、現在炉外精製される浸炭軸受鋼Ｇ２０ＣｒＮｉ２Ｍｏの疲労寿命は、Ｌ１０≧４～６×１０７回にとどまり、更なる進歩はなく、ハイエンド機器の長寿命と高信頼性要件を満たすことができない。炉外での精製工程により、酸素含有量をさらに減らし、介在物のサイズと含有量を減らすと、コストが大幅に増加し、生産性が低下するだけでなく、接触疲労寿命の大幅な延長も達成できなくなることがわかる。したがって、鉄道、シールド、機械工具などのハイエンド軸受は、接触疲労寿命が比較的長い高価なエレクトロスラグと二重真空Ｇ２０ＣｒＮｉ２Ｍｏ（Ｌ１０≧５．０×１０７回）軸受鋼を使用する必要がある。しかしながら、エレクトロスラグ軸受鋼と二重真空軸受鋼は、生産量要件を満たすことができないだけでなく、コストも大幅に増加する。
本発明は、エレクトロスラグおよび二重真空に依存する必要がなく、マイクロアロイ元素を使用するだけで、浸炭軸受鋼の接触疲労寿命を延ばし、長寿命、高信頼性及び低コストなどの包括的な性能要件のためのハイエンド機器軸受鋼の要件を満たす浸炭軸受鋼を提供することを目的とする。
本発明の上記の目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決手段を提供する。
本発明は、浸炭軸受鋼を提供し、０．１８～０．２４ｗｔ％Ｃ、０．４～０．６ｗｔ％Ｃｒ、０．２０～０．４０ｗｔ％Ｓｉ、０．４０～０．７０ｗｔ％Ｍｎ、１．６～２．２ｗｔ％Ｎｉ、０．１５～０．３５ｗｔ％Ｍｏ、０．００１～０．０１ｗｔ％Ｓ、０．００１～０．０１５ｗｔ％Ｐ、０～０．２０ｗｔ％Ｎｂ、０～０．２０ｗｔ％Ｖ及び残りの鉄という含有量の元素を含み、前記ＮｂとＶの含有量は同時に０ではない。
好ましくは、前記ＮｂとＶの総量は、０．３％より小さい。
本発明は、
浸炭軸受鋼を製造するための原材料を製錬することで、化学組成が上記手段に記載の浸炭軸受鋼の化学組成に対応する鋼インゴットを得るステップと、
前記鋼インゴットを均質化した後、棒材に加工されるステップと、
前記棒材に対して順次浸炭処理、焼入れ、焼戻しを行い、浸炭軸受鋼を得るステップと、を含む、
上記の手段に記載の浸炭軸受鋼の製造方法を提供する。
好ましくは、前記製錬の方法は、エレクトロスラグ製錬、二重真空製錬、炉外精製または真空誘導炉製錬である。
好ましくは、前記均質化処理の温度は１１００～１２５０℃、保温時間は２～６時間である。
好ましくは、前記浸炭処理の温度は９３０℃±１０℃、保温時間は６～１２時間である。
好ましくは、前記焼入れの温度は、８２０℃±１０℃、保温時間は、０．５～２時間であり、前記焼入れの冷却方法は室温まで油焼入れることである。
好ましくは、前記焼戻しの温度は、１７０℃±１０℃、保温時間は、１～２時間であり、前記焼戻しの冷却方法は室温まで空冷することである。
好ましくは、前記棒材の加工方法は熱間鍛造または熱間圧延であり、前記熱間鍛造または熱間圧延の初期温度は１１５０～１２００℃であり、最終鍛造または最終圧延の温度は９００℃以上である。
本発明は、浸炭軸受鋼を提供し、０．１８～０．２４ｗｔ％Ｃ、０．４～０．６ｗｔ％Ｃｒ、０．２０～０．４０ｗｔ％Ｓｉ、０．４０～０．７０ｗｔ％Ｍｎ、１．６～２．２ｗｔ％Ｎｉ、０．１５～０．３５ｗｔ％Ｍｏ、０．００１～０．０１ｗｔ％Ｓ、０．００１～０．０１５ｗｔ％Ｐ、０～０．２０ｗｔ％Ｎｂ、０～０．２０ｗｔ％Ｖ及び残りの鉄という含有量の元素を含み、前記ＮｂとＶの含有量は同時に０ではない。本発明は、浸炭軸受鋼Ｇ２０ＣｒＮｉ２Ｍｏの組成に基づいており、他の元素と組み合わせるように適切な量のＮｂおよびＶを添加して結晶粒サイズを微細化し、浸炭プロセス中の鋼中の大きな炭化物の出現を抑制し、鋼鉄材料の組織均一性を改善し、それにより、浸炭軸受鋼の接触疲労寿命を延長できる。実施例の結果として、本発明によるＮｂおよびＶを添加した軸受鋼は、従来の浸炭軸受鋼より、接触疲労寿命が２～４倍以上延長し、それは、長寿命、高信頼性、および低コストのためのハイエンド機器の包括的な性能要件を満たすことができる。
本発明の浸炭軸受鋼と従来の浸炭軸受鋼との接触疲労寿命のｗｅｉｂｕｌｌ分布図である。
本発明は、浸炭軸受鋼を提供し、０．１８～０．２４ｗｔ％Ｃ、０．４～０．６ｗｔ％Ｃｒ、０．２０～０．４０ｗｔ％Ｓｉ、０．４０～０．７０ｗｔ％Ｍｎ、１．６～２．２ｗｔ％Ｎｉ、０．１５～０．３５ｗｔ％Ｍｏ、０．００１～０．０１ｗｔ％Ｓ、０．００１～０．０１５ｗｔ％Ｐ、０～０．２０ｗｔ％Ｎｂ、０～０．２０ｗｔ％Ｖ及び残りの鉄という含有量の元素を含み、前記ＮｂとＶの含有量は同時に０ではない。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．１８～０．２４ｗｔ％のＣ、好ましくは０．１９～０．２３ｗｔ％、より好ましくは０．２０～０．２２ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．４～０．６ｗｔ％のＣｒ、好ましくは０．４５～０．５５ｗｔ％、より好ましくは０．５５ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．２０～０．４０ｗｔ％のＳｉ、好ましくは０．２５～０．３５ｗｔ％、より好ましくは０．３０ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．４０～０．７０ｗｔ％のＭｎ、好ましくは０．５～０．６ｗｔ％、より好ましくは０．５５ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、１．６～２．２ｗｔ％のＮｉ、好ましくは１．７～２．１ｗｔ％、より好ましくは１．８～２．０ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．１５～０．３５ｗｔ％のＭｏ、好ましくは０．２０～０．３０ｗｔ％、より好ましくは０．２５ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．００１～０．０１ｗｔ％のＳ、好ましくは０．００３～０．００８ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０．００１～０．０１５ｗｔ％のＰ、好ましくは０．００５～０．０１０ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０～０．２０ｗｔ％のＮｂ、好ましくは０．０４～０．２０ｗｔ％、より好ましくは０．０８～０．１５ｗｔ％を含む。
本発明によって提供される浸炭軸受鋼は、０～０．２０ｗｔ％のＶ、好ましくは０．０４～０．２０ｗｔ％、より好ましくは０．０８～０．１５ｗｔ％を含む。
本発明により提供される浸炭軸受鋼は、好ましくはＮｂおよびＶの両方を含む。前記ＮｂおよびＶの総量は、好ましくは０．３ｗｔ％より小さく、より好ましくは０．０５～０．２５ｗｔ％、最も好ましくは０．１０～０．２０ｗｔ％である。
本発明は、浸炭軸受鋼Ｇ２０ＣｒＮｉ２Ｍｏの組成に基づいており、他の元素と組み合わせるようにマイクロアロイ元素としての適切な量のＮｂおよびＶを添加して、結晶粒サイズを微細化し、浸炭プロセス中の鋼中の大きな炭化物の出現を抑制し、鋼鉄材料の組織均一性を改善し、それにより、浸炭軸受鋼の接触疲労寿命を延長できる。
本発明は、
浸炭軸受鋼を製造するための原材料を製錬することで、化学組成が上記手段に記載の浸炭軸受鋼の化学組成に対応する鋼インゴットを得るステップと、
前記鋼インゴットを均質化した後、棒材に加工されるステップと、
前記棒材に対して順次浸炭処理、焼入れ、焼戻しを行い、浸炭軸受鋼を得るステップと、を含む、
上記の手段に記載の浸炭軸受鋼の製造方法を提供する。
本発明は浸炭軸受鋼を製造するための原材料を製錬して鋼インゴットを得る。本発明において、前記製錬の方法は、好ましくは、エレクトロスラグ製錬、二重真空製錬、炉外精製または真空誘導炉製錬である。製造コストを削減するために、本発明はさらに好ましくは、炉外精製または真空誘導炉製錬を採用する。本発明は、前記製錬プロセスに特別な要件を有さず、当技術分野で周知のエレクトロスラグ製錬、二重真空製錬、炉外精錬または真空誘導炉製錬を使用すればよい。本発明の前記製錬は、転炉、電気炉または誘導炉に適している。本発明において、前記鋼インゴットの化学組成は、上記手段に記載の浸炭軸受鋼の化学組成に対応する。本発明は、それらが鋼インゴットの組成要件を満たすことができる限り、前記各で製造用原材料の種類および供給源に関して特別な要件を有さない。本発明は、製錬により軸受鋼中の酸素含有量が２０ｐｐｍ以下であり、大粒子介在物のサイズ（ＤＳ）が≦４０ミクロンであることを実現している。
本発明は、鋼インゴットが得られた後、前記鋼インゴットを均質化した後、棒材に加工する。
本発明において、前記均質化処理の温度は、好ましくは１１００～１２５０℃、より好ましくは１２００℃であり、保温時間は好ましくは２～６時間、より好ましくは３～５時間である。本発明は、前記均質化処理を完了した後、得られたブランクを棒材に加工する。本発明において、前記加工方法は、好ましくは熱間鍛造または熱間圧延であり、前記熱間鍛造または熱間圧延の初期温度は好ましくは１１５０～１２００℃であり、最終鍛造または最終圧延の温度は９００℃以上である。本発明は、前記棒材のサイズに関する特別な要件を有さず、それは、浸炭軸受鋼の要件に従って設定される。本発明の実施例において、前記棒材のサイズは、Φ６０ｍｍである。本発明では、好ましくは、加工された棒材を室温まで水冷し、次に次のステップに進む。
棒材が得られた後、本発明は、前記棒材に対して順次浸炭処理、焼入れ、焼戻しを行い、浸炭軸受鋼を得る。
本発明において、前記浸炭処理の温度は好ましくは、９３０℃±１０℃、より好ましくは９３０℃であり、保温時間は好ましくは、６～１２時間、より好ましくは８～１０時間である。本発明は好ましくは、浸炭処理された棒材を室温まで油冷する。本発明は、前記浸炭プロセスが当技術分野で周知である限り、浸炭プロセスを特に限定しない。本発明は、油冷を使用すると、靱性および接触疲労性能に影響を与える表面層メッシュの出現を回避できる。
前記浸炭処理を完了した後、本発明は、得られた棒材を焼入れ、焼入れた棒材を得る。
本発明において、前記焼入れの温度は好ましくは、８２０℃±１０℃、より好ましくは８２０℃であり、保温時間は好ましくは、０．５～２時間であり、より好ましくは１時間である。前記焼入れの冷却方法は好ましくは、室温まで油焼入れることである。本発明は、室温から焼入れ温度までの温度上昇速度に関する特別な要件を有さず、当技術分野で周知の温度上昇プロセスを使用すればよい。
焼入れ棒材が得られた後、本発明は前記焼入れ棒材を焼戻し、浸炭軸受鋼を得る。本発明において、前記焼戻しの温度は好ましくは、１７０℃±１０℃、より好ましくは１７０℃であり、保温時間は好ましくは、１～２時間、より好ましくは２時間であり、前記焼戻しの冷却方法は好ましくは室温まで空冷することである。本発明は、焼戻しにより焼入れ応力を除去することができる。
本発明は、焼入れおよび焼戻しを使用して、浸炭後の表面から超微細で均一な炭化物および高い表面硬度を得ることができ、これは、軸受鋼の接触疲労寿命を延長するのに有利である。
本発明により提供される浸炭軸受鋼およびその製造方法を、実施例とともに以下に詳細に説明するが、それらは、本発明の保護の範囲を制限するものとして理解することはできない。
実施例１：
本発明の鋼は、実験用真空誘導炉で製錬され、キャストインゴットタイプは５０ｋｇの丸型インゴットであり、棒状サンプルを鍛造するために合計５個炉の鋼が製錬され、化学組成を表１に示す。ＮＡ１～ＮＡ４鋼は、本発明の浸炭軸受鋼及びＣＶ１と比較用軸受鋼であった。実験用真空誘導製錬による鋼インゴットは、１２００℃、６時間の高温均質化処理を経った後、鍛造・鍛伸加工され、鍛造初期温度は１１５０℃、最終鍛造温度は９００℃、初期断面サイズは１２０ｍｍである鋳造ビレットを断面サイズ６０ｍｍの丸棒に放射状に鍛造し、鍛造した後に室温まで水冷した。直径６０ｍｍの丸棒を９３０℃で１２時間浸炭し、室温まで油冷却し、その後、８２０℃で０．５時間保温し、焼入れ、室温まで油焼入れ、最後に、１７０℃で２時間保温して焼戻し、室温まで空冷して浸炭軸受鋼を得た。接触疲労試験（最大ヘルツ応力４．５ＧＰａのスラストピース試験）を実施し、その結果を表２と図１に示す。
表２及び図１から、Ｎｂ、Ｖのマイクロアロイにより、ＮＡ１－ＮＡ４鋼の接触疲労寿命Ｌ１０は、従来のマイクロアロイなしの実験用製錬軸受鋼のＬ１０より２～４倍以上向上していることがわかる。
上記は、本発明の好ましい実施形態にすぎない。本発明の原理から逸脱しないことを前提として、当業者にとって、いくつかの改善および修正を行うことができ、これらの改善および修正もまた本発明の保護範囲と見なされるべきであることを指摘すべきである。

Claims (9)

  1. 浸炭軸受鋼であって、０．１８～０．２４ｗｔ％Ｃ、０．４～０．６ｗｔ％Ｃｒ、０．２０～０．４０ｗｔ％Ｓｉ、０．４０～０．７０ｗｔ％Ｍｎ、１．６～２．２ｗｔ％Ｎｉ、０．１５～０．３５ｗｔ％Ｍｏ、０．００１～０．０１ｗｔ％Ｓ、０．００１～０．０１５ｗｔ％Ｐ、０．１５～０．２０ｗｔ％Ｎｂ、０～０．２０ｗｔ％Ｖ及び残りの鉄からなり、
    接触疲労寿命Ｌ １０ が１．０×１０ ８ 回以上である
    ことを特徴とする浸炭軸受鋼。
  2. 前記ＮｂとＶの総量は、０．３ｗｔ％より小さいことを特徴とする請求項１に記載の浸炭軸受鋼。
  3. 請求項１または２に記載の浸炭軸受鋼の製造方法であって、
    浸炭軸受鋼を製造するための原材料を製錬することで、化学組成が請求項１または２に記載の浸炭軸受鋼の化学組成に対応する鋼インゴットを得るステップと、
    前記鋼インゴットを均質化した後、棒材に加工されるステップと、
    前記棒材に対して順次浸炭処理、焼入れ、焼戻しを行い、浸炭軸受鋼を得るステップと、を含む浸炭軸受鋼の製造方法。
  4. 前記製錬の方法は、エレクトロスラグ製錬、二重真空製錬、炉外精製または真空誘導炉製錬であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
  5. 前記鋼インゴットを均質化するための処理の温度は１１００～１２５０℃、保温時間は２～６時間であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
  6. 前記浸炭処理の温度は９３０℃±１０℃、保温時間は６～１２時間であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
  7. 前記焼入れの温度は、８２０℃±１０℃、保温時間は、０．５～２時間であり、前記焼入れの冷却方法は室温まで油焼入れることであることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
  8. 前記焼戻しの温度は、１７０℃±１０℃、保温時間は、１～２時間であり、前記焼戻しの冷却方法は室温まで空冷することであることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
  9. 前記棒材の加工方法は熱間鍛造または熱間圧延であり、前記熱間鍛造または熱間圧延の温度は１１５０～１２００℃であり、最終鍛造または最終圧延の温度は９００℃以上であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
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