JPH0610097A

JPH0610097A - 転動疲労特性に優れた軸受鋼

Info

Publication number: JPH0610097A
Application number: JP4172175A
Authority: JP
Inventors: Mitsusachi Yamamoto; 三幸山本; Kazuo Toyama; 和男外山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1994-01-18

Abstract

(57)【要約】【目的】安価に製造でき、転動疲労特性に優れた軸受鋼
の提供。【構成】(1) 重量％で、Ｃ：0.80〜1.20％、Si：2.0 ％
以下、Mn：2.0 ％以下、Cr：0.80〜1.60％を含有し、残
部がFeと不可避的不純物からなり、不純物としてのＰが
0.010 ％以下、Ti、NbおよびＶがそれぞれ 0.002％以
下、Ｎが 0.010％以下、Alが0.020 ％以下であって、Ｏ
(酸素) とＳ (硫黄) の比（Ｏ／Ｓ）が 0.2〜0.4 であ
ることを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受鋼。 (2) 上記(1) の合金成分に加えて、さらにMo：0.05〜0.
50％を含有する転動疲労特性に優れた軸受鋼【効果】図示のようにＯ／Ｓを適正範囲にすることによ
って、酸素含有量が比較的高い場合でも優れた転動疲労
特性が得られる。従って、酸素低減のための特殊な処理
なしでも製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、優れた転動疲労特性
を有し安価に製造することが可能な軸受鋼に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】軸受は機械類の回転部や摺動部を支持す
る重要な部品であり、接触面圧が相当に高く、また、作
用する外力が変動することもあるなど、使用される条件
が過酷である場合が多く、この素材である軸受鋼には優
れた耐久性が要求されている。

【０００３】近年、この要求は機械類の高性能化、軽量
化に対応して、年々厳しいものになっている。軸受の耐
久性向上には、潤滑に関する技術も必要であるが、材
料、即ち軸受鋼が転動疲労特性に優れることが特に重要
である。

【０００４】このような背景のもとで、転動疲労特性を
向上させた軸受鋼が種々開発されている。例えば、特開
昭60−194047号公報では、酸化物系介在物が転動疲労特
性を大幅に低下させること、酸化物系介在物が少ない場
合には硫化物系介在物も転動疲労特性を低下させるこ
と、また、Tiは炭窒化物を形成し、疲労特性を低下させ
ること、さらにＰ、Ｎ (窒素) も疲労特性に悪影響を与
えること、などの知見を基にし、これら介在物を生成す
る元素を極力低減した鋼が提案されている。また、特開
昭62−294150号公報では、鋼中に鋭いエッジを持つ形で
析出することにより転動疲労特性を劣化させるAlＮ＋Ti
Ｎの量を極力低下させることが提案されている。いずれ
も、転動疲労寿命に悪影響を及ぼす非金属介在物を低減
することを主たる目的として、介在物生成元素を極力低
いレベルに抑制すること特徴とするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように介在物生
成元素を下げることは、転動疲労特性の向上に有効であ
ることは確かであるが、これらを下げることは生産技術
上、限界がある。例えば、転動疲労寿命に最も大きい悪
影響を及ぼす酸化物系介在物の生成元素であるＯ（酸
素）は、真空脱ガス処理をした通常の軸受鋼では 6〜10
ppm であり、これに加えて真空アーク再溶解（ＶＡＲ）
のような特殊な処理をした極低酸素軸受鋼でも３〜４pp
m のレベルで残留している。しかも、極低酸素にするた
めの上記のような特殊処理には大きなコストがかかると
いう問題もある。

【０００６】本発明は、大幅な製造コストの増加を招く
ことなく転動疲労特性に優れた軸受鋼を得ることを課題
としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は下記(1) および
(2) の軸受鋼をその要旨とする。

【０００８】(1) 重量％で、Ｃ：0.80〜1.20％、Si：2.
0 ％以下、Mn：2.0 ％以下、Cr：０．８０〜１．６０％
を含有し、残部がFeと不可避的不純物からなり、不純物
としてのＰが0.010 ％以下、Ti、NbおよびＶがそれぞれ
0.002％以下、Ｎが 0.010％以下、Alが0.020 ％以下で
あって、Ｏ (酸素) とＳ (硫黄) の比（Ｏ／Ｓ）が 0.2
〜0.4 であることを特徴とする転動疲労特性に優れた軸
受鋼。

【０００９】(2) 上記(1) の成分に加えて、さらに重量
％で0.05〜0.50％のMoを含む転動疲労特性に優れた軸受
鋼。

【００１０】

【作用】本発明者は、軸受鋼の転動疲労特性に及ぼす非
金属介在物の影響に関する詳細な検討から下記の知見を
得た。即ち、転動疲労寿命に最も悪影響を及ぼすのは、従来から
言われているように、酸化物系介在物（特に Al₂O₃）で
ある。

【００１１】硫化物系介在物（例えばMnＳ）も転動
疲労寿命を低下させるが、MnＳはある程度の粘性を有す
るため、その悪影響度は酸化物系介在物に比べて相当に
小さい。

【００１２】酸化物系介在物と硫化物系介在物が共
に存在する場合には、硫化物系介在物は酸化物系介在物
を包み込むことが多く、このとき転動疲労特性に及ぼす
酸化物系介在物の悪影響は相対的に緩和される。

【００１３】窒化物系介在物（例えばTiＮ）も転動
疲労寿命を低下させるが、介在物自体の大きさが上記酸
化物系および硫化物系介在物に比べて小さいため、その
悪影響度は硫化物系介在物と同等あるいはそれ以下であ
る。

【００１４】本発明は以上の知見を基にしてなされたも
ので、その軸受鋼は合金成分の含有量および不純物元素
の許容上限値ならびに不純物中のＯとＳとの関係を具体
的に定められ、その結果、転動疲労特性が著しく改善さ
れたものである。以下、これらを定めた理由を説明す
る。

【００１５】(A) 合金成分の含有量 (以下、成分含有量
の％は重量％を意味する。) Ｃ：0.80〜1.20％Ｃは軸受鋼として要求される硬度を確保するのに必須の
成分である。一般に軸受鋼は、焼入れ・焼戻しの熱処理
を受けた後の硬さが HRCで60以上であることが必要とさ
れるが、この硬さを確保するためには、0.80％以上のＣ
が必要である。

【００１６】一方、Ｃが1.20％を超えると粗大な炭化物
が生成しやすくなる。炭化物は Hv で1000以上というよ
うに硬度が極めて高く、粗大化すると転動疲労寿命を低
下させる。

【００１７】Si：2.0 ％以下 Siは脱酸剤として作用し、鋼中の酸素を低減することに
より、酸化物系介在物を減らすのに有効な元素である。
また、転動荷重の繰り返しに伴う基地組織の軟化抵抗を
高めることにより、転動疲労寿命を向上させる作用も持
つ。しかしながら、その量が 2.0％を超えるとSiO₂を主
体とする酸化物系介在物を生成し易くなるので、逆に転
動疲労寿命を低下させる。従って、Siの含有量は 2.0％
以下にとどめるべきである。

【００１８】Mn：2.0 ％以下 Mnは、Siと同様に脱酸剤として作用すると共に、鋼の焼
入れ性を高めるためにも有効な元素である。しかしなが
ら、2.0 ％を超えると上記の作用効果が飽和すると共
に、硫化物系介在物（MnＳ）を生成しやすくなるので、
2.0 ％以下の含有量とする。

【００１９】Cr：0.80〜1.60％ Crは炭化物を形成する元素であり、炭化物が微細である
場合には、軸受鋼に必要な耐摩耗性を向上させるのに有
効である。また、基地組織の焼入れ性を高めて組織を強
靱化するという効果もある。このため、積極的に添加す
ることが好ましいが、含有量が0.80％未満では効果が少
なく、1.60％を超えると炭化物が粗大化して、転動疲労
寿命を低下させるおそれがある。従って、Cr含有量は0.
80〜1.60％が適正範囲である。

【００２０】Mo：0.05〜0.50％ Moは鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、特に大形軸
受用の鋼材ではMoを含有させると効果が大きい。この効
果は0.05％未満ではあまり期待できず、一方、0.50％を
超えて含有させても含有量の増加に見合うほどの効果は
得られない。また、Moは高価な元素なので、多く含有さ
せると材料費の増加を招く。従って、Moは必要に応じて
添加することとし、これを添加する場合はその含有量は
0.05〜0.50％の範囲とする。

【００２１】以上、ＣからCrまでは必須の合金成分であ
り、Moは任意に添加することができる合金成分である。
本発明の軸受鋼は、これらの合金元素の外、残部はFeと
不純物からなるものであるが、不純物元素の中でも、以
下に述べる元素については、それぞれ下記の上限値以下
に抑えることが重要である。

【００２２】(B) 不純物元素の許容上限値Ｐ：0.010 ％以下Ｐは介在物生成元素ではないが、結晶粒界に偏析して靱
性を低下させることにより、転動疲労寿命を低下させる
のでできるだけ少なくすることが望ましい。しかしなが
ら、0.010 ％以下であればこの悪影響の度合に顕著な相
違は無い。また、Ｐ量を極端に低くすることは製鋼工程
で相当のコストの増加を招くので、その許容上限を 0.0
10％とする。

【００２３】Ti、Nb、Ｖ：それぞれ 0.002％以下これらの元素は、Ｎと結合して窒化物系介在物を生成
し、転動疲労寿命を低下させるのでできるだけ少ない方
が望ましい。しかしながら、それぞれ 0.002％以下とす
れば、介在物が生成してもその大きさはきわめて小さ
く、転動疲労特性に及ぼす悪影響が殆ど無視できるよう
になる。

【００２４】Ｎ：0.010 ％以下ＮはTiＮなどの窒化物系介在物を生成し、転動疲労寿命
を低下させる。従って、これもできるだけ少ない方がが
望ましい。しかしながら、Ti、NbおよびＶを上述の範囲
に限定した場合、Ｎ量を 0.010％以下とすれば転動疲労
寿命への影響は殆ど無くなる。

【００２５】Al：0.020 ％以下 Al (アルミニウム) は、脱酸剤として作用するが、酸素
(Ｏ) と結合して転動疲労特性に最も悪影響を及ぼすAl
₂O₃を生成し、転動疲労寿命を著しく低下させる。従っ
て、脱酸は主にSiで行い、Alの含有量を極力低く抑える
のが望ましい。

【００２６】0.020 ％は実用上支障の生じない許容上限
である。

【００２７】(C) 酸素と硫黄の比 (Ｏ／Ｓ) ： 0.2〜0.
4 本発明の最も特徴的な構成要件の一つであり、この範囲
に限定する理由は以下のとおりである。

【００２８】図１は後述する表１に示す試験結果を酸素
（Ｏ）および硫黄（Ｓ）の含有量と転動疲労寿命との関
係で整理した図である。この図から、以下のような結論
が得られる。

【００２９】(イ)転動疲労寿命はＯもＳも含有量が少な
いほど長く、これらの元素が増すにしたがって短くなっ
て行くが、その度合はＳに比べてＯの方が大きく、Ｏの
増加と共に急激に転動疲労寿命が悪化して行く。これは
硫化物系介在物に比べ、酸化物系介在物の転動疲労寿命
への悪影響の度合が大きいからである。

【００３０】(ロ)ＯとＳが鋼中に含有されている場合に
は、これらの複合作用が現れる。例えば、Ｏが 0.005％
の場合、転動疲労寿命の最高点はＳが 0.015％のところ
にある。即ち、Ｏ／Ｓ＝ 0.005/0.0150 ＝0.33の場合に
転動疲労寿命が最高値になり、その前後では、Ｓが減少
しても増加しても転動疲労寿命は低下の傾向を示す。こ
の傾向は、Ｏが0.005 ％より低い場合でも同じである。

【００３１】上記のようにＯを含有する鋼にＳが含有さ
れていくと、Ｓがある一定量に達するまでは転動疲労寿
命は長くなる理由は、次のように考えられる。即ち、鋼
中に適当な比率で硫化物系介在物と酸化物系介在物が共
存すると、粘性に富む前者が粒状の後者を包み込んで、
後者 (酸化物系介在物) の悪影響を小さくするからであ
る。

【００３２】図１からわかるように、Ｏの含有量に関係
なくＯ／Ｓの値は 0.2〜0.4 の範囲の時に転動疲労寿命
は長くなる。この比が 0.2未満では、望ましい酸化物系
介在物と硫化物系介在物の含有割合に対して、硫化物系
介在物が多すぎてその好ましくない影響が現れ、0.4 を
超えると酸化物系介在物が多すぎて硫化物系介在物によ
る前記の包み込み効果が不十分になるのである。なお、
Ｏ／Ｓの値は 0.2〜0.4 の範囲であっても、酸化物系介
在物 (従って、硫化物系介在物も) の含有量が余りに多
くなれば、当然、転動疲労寿命は短くなるから、Ｏの含
有量は0.005 ％以下、更に望ましくは0.001 ％以下に抑
えるのがよい。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の効果を実施例に基づいて具体
的に説明する。

【００３４】表１に示す化学組成の鋼を溶製した後、鍛
造、機械加工、焼入れ−焼戻しの熱処理、および研磨を
施して試験片（寸法：径60mm×厚さ５mm、硬度：HRC 60
〜62、表面粗さ：Ra≒0.05μm ）を作製した。

【００３５】この試験片を用いて、図２に示す原理での
転動疲労試験を実施した。図２において、１は前記の試
験片、２は鋼球、３は潤滑油である。４は鋼球２を支持
し、試験片１に荷重をかけつつ回転する軸である。試験
条件は次のとおりである。

【００３６】接触面圧（Hertz 圧）Pmax：560 kgf/m
m²、潤滑：＃60スピンドル油軸回転数：1000 rpm 各鋼の試験片につき10個以上の試験を行い、ワイブル確
率分布を仮定し、累積破壊確率10％の疲労寿命（Ｌ₁₀）
を求めた。その結果を表１に併記する。

【００３７】表１に示すように、ほぼ等しい酸素量の鋼
(例えば、A1とB2) で比較すると、本発明鋼は比較鋼に
比べ、転動疲労寿命が長くなっている。特にA3鋼は酸素
量が15ppm と市販の真空脱ガス処理軸受鋼に比べ若干高
いものの、疲労寿命は極低酸素のB1およびB2鋼に勝る
か、ほぼ同じである。これはＯ／Ｓの比が適切な範囲に
あるからである。このことから、本発明によれば高度な
真空脱ガス処理を行わなくても、転動疲労特性が良好な
鋼を得ることができることが明らかである。

【００３８】表１の比較鋼のB5、B6、B7は、それぞれT
i、Nb、Ｖの含有量が本発明で定める上限値よりも多い
鋼である。これらの鋼のＯ／Ｓ比は、すべて本発明で定
めた適正範囲内にある。それでも疲労寿命が短いのは、
Ti、NbまたはＶの含有量が高いためにこれらの窒化物系
介在物が生成しているからである。この結果から見て、
Ｏ／Ｓ比を適切にすることと共に、Ti、Nb、Ｖといった
不純物の含有量を所定値以下に抑えることも重要である
ことがわかる。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【発明の効果】本発明の軸受鋼は、合金成分の含有量と
ともに、特に非金属介在物を形成する不純物元素の含有
量、およびＯ／Ｓ比が特定されていることにより優れた
転動疲労特性を有する。この鋼は、酸素含有量が比較的
高い場合でも、同じ酸素レベルの従来の鋼に比較して、
はるかに優れた転動疲労特性を持つ。つまり、高度の真
空処理またはＶＡＲのような特殊処理を施さなくても、
これを施した鋼と同等の特性のものが得られるというこ
とであり、同じ品質のものであればはるかに低コストで
製造することができる。もちろん、高度の真空脱ガス処
理やＶＡＲのような手段により、極低酸素レベルとした
上で、本発明に定める成分の鋼とするならば、一層優れ
た転動疲労特性の軸受鋼を得ることができるのは言うま
でもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼中の酸素含有量及び硫黄含有量と、転動疲労
寿命との関係を示す図である。

【図２】転動疲労試験の試験原理を示す図である。

【符号の説明】

１: 試験片、２: 鋼球、３：潤滑油、４：鋼球支持回転
軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.80〜1.20％、Si：2.0 ％
以下、Mn：2.0 ％以下、Cr：0.80〜1.60％を含有し、残
部がFeと不可避的不純物からなり、不純物としてのＰが
0.010 ％以下、Ti、NbおよびＶがそれぞれ 0.002％以
下、Ｎが 0.010％以下、Alが0.020 ％以下であって、Ｏ
(酸素) とＳ (硫黄) の比（Ｏ／Ｓ）が 0.2〜0.4 であ
ることを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受鋼。
【請求項２】重量％で、Ｃ：0.80〜1.20％、Si：2.0 ％
以下、Mn：2.0 ％以下、Cr：0.80〜1.60％、Mo：0.05〜
0.50％を含有し、残部がFeと不可避的不純物からなり、
不純物としてのＰが 0.010％以下、Ti、NbおよびＶがそ
れぞれ 0.002％以下、Ｎが 0.010％以下、Alが 0.020％
以下であって、Ｏ (酸素) とＳ (硫黄) の比（Ｏ／Ｓ）
が 0.2〜0.4 であることを特徴とする転動疲労特性に優
れた軸受鋼。