JPH07286235A

JPH07286235A - 繰り返し応力負荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた軸受部材

Info

Publication number: JPH07286235A
Application number: JP8082194A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Yasumoto; 聡安本; Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野; Akihiro Matsuzaki; 明博松崎; Kenichi Amano; 虔一天野
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-04-20
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】クリーンな環境のみならずゴミ入りの過酷な
使用条件下においても、繰り返し応力負荷によるミクロ
組織変化が少なく軸受寿命の永い軸受部材を提供するこ
と。【構成】繰り返し応力負荷によるミクロ組織変化遅延
を促進するために、Ｂ₅₀高負荷転動疲労寿命改善成分と
して、とくにＷ：0.05 〜1.0 wt％および Si：0.5 超〜2.5 wt％, Cr：2.5 超〜8.0wt ％, Ni：1.0 超〜3.0 wt％, Ｎ：0.012 超〜0.050 wt％, Zr：0.02〜0.5 wt％, Ta：0.02〜0.5 wt％, Hf：0.02〜0.5 wt％及びCo：0.05〜1.5 wt％のうちから
選ばれるいずれか１種または２種以上を含む成分組成と
し、かつその組織は残留オーステナイト量が10〜35％を
占めるものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ころ軸受あるいは玉軸
受といった転がり軸受の要素部材として用いられる軸受
部材に関し、とくに苛酷な使用環境における繰り返し応
力負荷によって転動接触面下に発生するミクロ組織変化
（劣化）に対する遅延特性が、潤滑油の清浄性に関係な
く、それが劣悪な状態であってもなお優れた特性を示す
軸受部材とその製造方法について提案する。

【０００２】

【従来の技術】自動車ならびに産業機械等で用いられる
転がり軸受としては、従来、高炭素クロム軸受鋼(JIS：
SUJ 2)が最も多く使用されてきた。一般に軸受鋼という
のは、転動疲労寿命の長いことが重要であるが、この転
動疲労寿命に与える要因としては、鋼中の硬質な非金属
介在物の影響が大きいと考えられていた。そのため、最
近の研究の主流は、鋼中酸素量の低減を通じて非金属介
在物の量, その大きさを制御することによって軸受寿命
を向上させる方策がとられてきた。

【０００３】例えば、軸受の転動疲労寿命の一層の向上
を目指して開発されたものとしては、特開平１−306542
号公報や特開平３−126839号公報などの提案があり、こ
れらは、鋼中の酸化物系非金属介在物の組成, 形状ある
いは分布状態をコントロールする技術である。しかしな
がら、非金属介在物の少ない軸受鋼を製造するには、高
価な溶製設備の設置あるいは従来設備の大幅な改良が必
要であり、経済的な負担が大きいという問題があった。

【０００４】一方、軸受の寿命は、潤滑油の特性にも大
きく影響される。一般に、潤滑油中には、研磨時の研磨
粉やバリ、あるいは回転時に発生した摩耗粉等（以下、
これらを「ゴミ」という）が混入しており、このゴミの
混入は軸受部材の転がり寿命の低下を招くことが指摘さ
れていた。従来、ゴミ入り環境下での軸受寿命の改善に
対しては、主に潤滑油の清浄性を向上させる手法が採ら
れているが、特開平５−78782 号公報や同５−78814 号
公報などの開示によると、軸受部材の表面層を浸炭窒化
処理することにより、その表面層の炭化物面積率, 表面
炭素濃度, 表面残留オーステナイト量をコントロールし
て、該表層部における特性を改善することにより、ゴミ
による圧痕形状をコントロールし、もって、応力集中の
軽減を導いて長寿命化を図ることを提案している。しか
しながら、この従来技術は、鋼組織を本質的に改善する
訳ではなく、いわゆる浸炭窒化・硬化熱処理によって、
軸受部材の表面層のみを外的に改質する方法であるか
ら、後述するような、表層部の下辺で観察されるミクロ
組織変化部の改善につながらないばかりでなく、さらに
処理コストが高いといった問題が残っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者らが
行った最近の研究成果によれば、転動寿命を決めている
要因としては、従来から一般に論じられてきた現象；す
なわち、特開平５−78782 号, 同５−78814 号各公報な
どで問題にしている熱処理時に生じる軸受部材表面にお
ける“脱炭層”（低Ｃ濃度領域）や、特開平１−306542
号, 同３−126839号各公報で問題にしている“非金属介
在物”の存在以外の要因もあるということが判った。と
いうのは、従来技術の下で主として軸受部材表面層を熱
処理することによって、単に脱炭層や非金属介在物を減
少させても、軸受の転動疲労寿命、特に、高負荷あるい
は高温といった過酷な条件下での軸受寿命の向上には大
きな効果が得られないことを多く経験したからである。
このことから、発明者らは軸受寿命を律する他の要因の
存在を確信したのである。

【０００６】そこで、発明者らは、転がり軸受の剥離の
発生原因について鋭意研究を続けた。その結果、軸受の
内・外輪と転動体との回転接触時に発生する繰り返し剪
断応力により、図１に示すような、転動接触面（表層
部）下に、帯状の白色生成物と棒状の析出物からなるミ
クロ組織変化層が発生し、これが転動回数を増すにつれ
て次第に成長し、終にはこのミクロ組織変化部から疲労
剥離が生じて軸受部材表層部を欠損して軸受寿命がつき
ることがわかった。さらに、軸受使用環境の苛酷化すな
わち, 高面圧化（小型化）, 使用温度の上昇は、これら
ミクロ組織変化が発生するまでの転動回数を短縮し、著
しい軸受寿命の低下につながるということもつきとめ
た。以上説明したように、軸受寿命というのは、従来技
術のような、軸受部材の表面層の部分における脱炭層や
非金属介在物の制御だけでは不十分であり、例えば、浸
炭・窒化や球状化焼鈍などの各種の熱処理によって、表
面層の脱炭層や非金属介在物量を低減させるだけでは、
上述した転動接触面（表層部）下で発生するミクロ組織
変化が発生するまでの時間を遅延させることはできな
い。その結果として、軸受寿命の今まで以上の向上は図
り得ないということを知見したのである。

【０００７】本発明の主たる目的は、過酷な使用条件下
での転動疲労寿命特性を向上させるのに有効な手段を提
案することにある。本発明の具体的な目的は、軸受鋼の
成分組成そのものおよび鋼中の残留オーステナイト量を
工夫することによって、表層部だけでなく鋼全体として
の特性, とくに高負荷・高温環境下での軸受使用中に生
成が予想される表層部下に見られるミクロ組織変化を遅
延させることができ、ひいては軸受寿命の著しい向上を
もたらす軸受部材を提供することにある。本発明の他の
具体的な目的は、鋼の成分組成と鋼中残留オーステナイ
トの量を制御することにより、ゴミ入り環境下において
も、そのゴミによる圧痕の周辺にその応力集中によって
上記ミクロ組織変化が発生するのを抑制することに加
え、更に表面層の転動疲労寿命、素材自体の特性の改善
を図り、もって軸受寿命の一層の向上を目指すことにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上述
した知見に基づき軸受寿命として新たに“ミクロ組織変
化遅延特性”というものに着目し、この特性の向上を通
じてこの面における軸受寿命の向上を図るには、当然そ
のための新たな合金設計（成分組成）ならびに鋼組織の
特定、さらには適切な熱処理条件の開発が必要であり、
このことの実現なくして軸受のより一層の寿命向上は図
れないという認識に立って、さらに種々の実験と検討と
を行った。その結果、意外にも適正量のＷを添加するこ
とおよび鋼中の残留オーステナイト量（以下、単に「残
留γ量」と略記する）を制御すれば、繰り返し応力負荷
による転動接触面下に生成する上述したミクロ組織変化
を著しく遅延できることを見い出し、本発明軸受部材と
その製造方法を開発した。

【０００９】すなわち、本発明にかかる軸受部材は、以
下の如き要旨構成を有するものである。 (1) Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物からなる成分組成を有し、かつ鋼中の残留オース
テナイト量が体積比にして10〜35％である鋼組織を有す
ることを特徴とする、繰り返し応力負荷によるミクロ組
織変化の遅延特性に優れた軸受部材。

【００１０】 (2) Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、さらに、 Si：0.05〜0.5 wt％, Mn：0.05〜2.0 wt％, Ni：0.05〜1.0 wt％, Mo：0.05〜0.5 wt％, Cu：0.05〜1.0 wt％, Ｂ：0.0005〜0.01wt％, Al：0.005 〜0.07wt％及びＮ：0.0005〜0.012 wt％、の
うちから選ばれるいずれか１種または２種以上を含み、
残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を有
し、かつ鋼中の残留オーステナイト量が体積比にして10
〜35％である鋼組織を有することを特徴とする、繰り返
し応力負荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた軸
受部材。 (3) ただし、上記基本成分（Ｃ, Ｗ ,Ｏ）に対しさら
に、選択的に添加される任意添加成分（Si, Mn, Ni, M
o, Cu, Ｂ, Al, Ｎ）については、上記(2) の組成の範
囲内において、次のような組合わせで添加することが推
奨される。 0.05〜0.5 wt％Si−(Mn, Ni, Mo, Cu,Ｂ, AlおよびＮ
のいずれか１種以上) 0.05〜2.0 wt％Mn−(Ni, Mo, Cu,Ｂ, AlおよびＮのい
ずれか１種以上） 0.05〜1.0 wt％Ni−(Mo, Cu, Ｂ, AlおよびＮのいず
れか１種以上） 0.05〜0.5 wt％Mo−(Cu,Ｂ, AlおよびＮのいずれか１
種以上） 0.05〜1.0 wt％Cu−( Ｂ, AlおよびＮのいずれか１種
以上） 0.0005〜0.01wt％Ｂ−(Al およびＮのいずれか１種以
上） 0.005 〜0.07wt％Al−Ｎ

【００１１】 (4) Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、さらに、 Si：0.5 超〜2.5 wt％, Cr：2.5 超〜8.0 wt％, Ni：1.0 超〜3.0 wt％, Ｎ：0.012 超〜0.050 wt％, Zr：0.02〜0.5 wt％, Ta：0.02〜0.5 wt％, Hf：0.02〜0.5 wt％及びCo：0.05〜1.5 wt％のうちか
ら選ばれるいずれか１種または２種以上を含み、残部が
Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ
鋼中の残留オーステナイト量が体積比にして10〜35％で
ある鋼組織を有することを特徴とする、繰り返し応力負
荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた軸受部材。 (5) ただし、上記基本成分（Ｃ, Ｗ, Ｏ）に対しさら
に、選択的に多量添加される任意添加成分（Si, Cr, N
i, Ｎ）とその他の少量添加される任意添加成分(Zr,Ta,
Hf およびCo）については、上記(4) に記載の組成範囲
内において、次のような組合わせで添加することが推奨
される。 0.5 超〜2.5 wt％Si−( Cr,Ni およびＮのうちのい
ずれか１種以上）−(Zr,Ta, Hf およびCoのうちのいず
れか１種以上） 2.5 超〜8.0 wt％Cr−( NiおよびＮのうちのいずれ
か１種以上）−(Zr, Ta,Hf およびCoのうちのいずれか
１種以上） 1.0 超〜3.0 wt％Ni−( Ｎ）−(Zr, Ta, Hf および
Coのうちのいずれか１種以上）Ｎ− (Zr, Ta, HfおよびCoのうちのいずれか１種以
上）

【００１２】 (6) Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、さらに、 Si：0.05〜0.5 wt％, Mn：0.05〜2.0 wt％, Ni：0.05〜1.0 wt％, Mo：0.05〜0.5 wt％, Cu：0.05〜1.0 wt％, Ｂ：0.0005〜0.01wt％, Al：0.005 〜0.07wt％及びＮ：0.0005〜0.012 wt％、の
うちから選ばれるいずれか１種または２種以上を、通常
環境下での転動疲労を改善する成分として含み、さらに
また、上記改善成分のいずれか１種以上のものが選択さ
れた場合はその元素を除く下記の成分、すなわち、 Si：0.5 超〜2.5 wt％, Cr：2.5 超〜8.0 wt％, Ni：1.0 超〜3.0 wt％, Ｎ：0.012 超〜0.050 wt％, Zr：0.02〜0.5 wt％, Ta：0.02〜0.5 wt％, Hf：0.02〜0.5 wt％及びCo：0.05〜1.5 wt％のうちか
ら選ばれるいずれか１種または２種以上を、苛酷な環境
下での転動疲労寿命を改善する成分として含み、残部が
Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ
鋼中の残留オーステナイト量が体積比にして10〜35％で
ある鋼組織を有することを特徴とする、繰り返し応力負
荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた軸受部材。 (7)ただし、上記通常環境における転動疲労寿命改善成
分については、次のような組合わせが推奨される。 0.05〜0.5 wt％Si−(Mn, Ni, Mo, Cu,Ｂ, AlおよびＮ
のいずれか１種以上) 0.05〜2.0 wt％Mn−(Ni, Mo, Cu,Ｂ, AlおよびＮのい
ずれか１種以上） 0.05〜1.0 wt％Ni−(Mo, Cu, Ｂ, AlおよびＮのいず
れか１種以上） 0.05〜0.5 wt％Mo−(Cu,Ｂ, AlおよびＮのいずれか１
種以上） 0.05〜1.0 wt％Cu−( Ｂ, AlおよびＮのいずれか１種
以上） 0.0005〜0.01wt％Ｂ−(Al およびＮのいずれか１種以
上） 0.005 〜0.07wt％Al−Ｎまた、上記の苛酷な使用環境における転動疲労寿命改善
成分についての組合わせは下記のものが推奨される。 0.5 超〜2.5 wt％Si−( Cr,Ni およびＮのうちのい
ずれか１種以上）−(Zr,Ta, Hf およびCoのうちのいず
れか１種以上） 2.5 超〜8.0 wt％Cr−( NiおよびＮのうちのいずれ
か１種以上）−(Zr, Ta,Hf およびCoのうちのいずれか
１種以上） 1.0 超〜3.0 wt％Ni−( Ｎ）−(Zr, Ta, Hf および
Coのうちのいずれか１種以上）Ｎ− (Zr, Ta, HfおよびCoのうちのいずれか１種以
上）

【００１３】なお、上記各軸受部材は、所定の成分組成
を有する鋼を、溶製後常法に従う処理によって棒鋼に圧
延し、次いで焼ならしと焼なましを施した後、 880〜10
00℃(望ましくは 900〜950 ℃) からの焼入れを施すこ
とによって製造することができる。

【００１４】

【作用】まず、上記合金設計ならびに組織制御にかかる
本発明の軸受部材を開発した経緯につき、発明者らが行
った実験結果に基づいて説明する。まず、この実験に当
たっては、 SUJ 2 ( Ｃ：1.02wt％, Si：0.25wt％, Mn：0.45wt
％, Cr：1.35wt％, Ｎ：0.0040wt％, Ｏ：0.0012wt％)
と、Ｗを添加した２種の材料 (Ｃ：1.00wt％, Si：0.33wt％, Mn：0.52wt％,
Ｗ：0.32wt％, Ｎ：0.0048wt％, Ｏ：0.0009wt％) (Ｃ：1.00wt％, Si：0.30wt％, Mn：0.52wt％,
Ｗ：0.77wt％, Ｎ：0.0046wt％, Ｏ：0.0009wt％) の化学組成を有する鋼を溶製した鋳造し、1240℃で30h
の拡散焼鈍を施した後に65mmφの棒鋼に圧延して供試材
とした。ついで、この供試材を焼ならし、球状化焼なま
し、さらには焼入れ−焼もどしの順で熱処理を行い、そ
の後、ラッピング仕上げにより12mmφ×22mmの円筒型の
試験片を作製した。

【００１５】次に、上記試験片をラジアルタイプ型の転
動疲労寿命試験機を用い、ヘルツ最大接触応力：600kgf
/mm², 繰返し応力数：46500 cpm , 潤滑：＃68タービン
飛沫油使用環境下の負荷条件で、焼入れ温度を調整し、
鋼中の残留γ量（７％, 18％) を変化させて転動疲労寿
命試験を行った。その試験結果は、ワイブル分布に従う
ものとして確立紙上にプロットし、主として表面層にお
ける非金属介在物の抑制と材料強度の上昇による, 従来
から検討されていた通常の転動疲労寿命を示す数値であ
るＢ₁₀（10％累積破損確率) と、高温・高負荷転動時の
繰り返し応力負荷による, 苛酷な使用環境下で見られ
る、いわゆる表層部下におけるミクロ組織変化の発生を
遅延させることによる転動疲労寿命を示す数値と見られ
るＢ₅₀（50％累積破損確率）とを求めた。

【００１６】その結果、表１に示すように、Ｗ添加材に
ついては、残留γ量が少量（＜10％）の場合、前記Ｂ₁₀
値についての改善はそれほど大きくないが、Ｂ₅₀値につ
いては著しく高い数値を示し、軸受平均寿命はSUJ 2 材
に比べ、Ｗ：0.32wt％では約３倍もの改善を示してい
た。とくに、Ｗ：0.77wt％と、もっと多量に添加した場
合には、Ｂ₅₀値は約６倍にも達し、高負荷転動中に生成
するミクロ組織変化の遅延特性に対して顕著な効果を示
し、破損（寿命）を大きく遅延させることができること
が判った。ところが、同じ成分組成でも、残留γ量が多
く（≧10％）なると、Ｂ₅₀値の改善程度が一層顕著なも
のになることに加え、更にＢ₁₀値もSUJ ２材に比べる
と、Ｗ：0.32wt％の場合で約２倍、Ｗ：0.77wt％の場合
で約４倍も改善されることが判った。

【００１７】

【表１】

【００１８】図２は、上記実験結果をまとめたものであ
って、表層部における非金属介在物に起因する軸受寿命
と、表層部下における繰返し応力負荷でのミクロ組織変
化の様子、ならびに残留γ量が軸受の転動疲労寿命に及
ぼす影響を示す模式図である。この図に明らかなよう
に、従来からごく一般的に議論されてきた、軸受部材表
面層の非金属介在物の量, その形態, Ｃ濃度, 炭化物面
積率などの指標としての, 累積破損確率10％のＢ₁₀値で
示される軸受寿命（以下、これを「Ｂ₁₀寿命」という）
によれば、単にＷを添加するだけではその効果は期待し
た程には得られないが、残留γ量を多くした場合には、
かなり改善されることがわかる。一方、部材表層部下の
帯域に見られるミクロ組織変化特性を示す指標として
の, 累積破損確率50％のＢ₅₀値で示される軸受寿命( 以
下、これを「Ｂ₅₀寿命」という）でみると、Ｗの添加効
果は極めて顕著であり、この傾向は残留γ量の影響より
も大きく、少なくとも苛酷な環境下で発生するミクロ組
織変化の生成度合いを示す軸受寿命を意識する限り、適
正量のＷの添加と高残留γ量へのコントロールは極めて
有効であることがわかる。

【００１９】以上説明したように、Ｂ₁₀寿命, Ｂ₅₀寿命
の両方を改善するには、適正量のＷを含有する鋼につい
て、焼ならしおよび球状化焼なましの処理を経てからさ
らに適正な焼入れ, 焼もどし処理を施すことにより、鋼
中の残留γ量を所定の範囲に制御することが有効であ
る。この理由については明確に解明されている訳ではな
いが、発明者らは、この残留γが繰返し応力負荷による
ミクロ組織変化の遅延と応力作用領域に存在する硬質な
非金属介在物の切り欠き作用を緩和し、このことによっ
てＢ₁₀寿命およびＢ₅₀寿命の両方を向上させるものと考
えている。

【００２０】なお、この残留γ量は、体積比にして10〜
35％が適正量と考えている。それは、この残留γの量が
少ないと転動疲労寿命、とりわけＢ₁₀寿命向上の効果が
得られないからであり、それ故に10％以上は必要であ
る。一方、35％を超える残留γ量では軸受強度の不足な
らびに寸法の安定性に欠けるから、残留γ量は、10〜35
％の範囲に、好ましくは12〜30％の範囲に、そしてより
好ましくは15〜25％の範囲内に制御する。

【００２１】本発明においては、主として繰り返し応力
負荷によるミクロ組織変化遅延特性の改善を図るという
観点から、以下に説明するような成分組成の範囲を決定
した。

【００２２】Ｃ： 0.5〜1.5 wt％Ｃは、基地に固溶してマルテンサイトの強化に有効に作
用する元素であり、焼入れ焼もどし後の強度確保とそれ
による転動疲労寿命を向上させるために含有させる。そ
の含有量が0.5 wt％未満ではこうした効果が得られな
い。一方、 1.5wt％超では被削性, 鍛造性が低下するの
で、 0.5〜1.5 wt％の範囲に限定した。好ましくは、0.
65〜1.10wt％の範囲がよい。

【００２３】Ｗ： 0.05 〜1.0 wt％Ｗは、本発明において最も重要な役割を担っている元素
であり、とりわけ過酷な繰り返し応力負荷の下での、上
述したミクロ組織変化の遅延を促して、この面での転動
疲労寿命( Ｂ₅₀寿命) を向上させる。また、残留炭化物
の安定化により耐磨耗性を向上させる作用をも有する。
さらに、結晶粒を微細化に寄与して靱性を向上させる。
これらの作用、効果を得るためには、少なくとも0.05wt
％が必要であるが、その量が 1.0wt％を超えると、焼き
入れ時に固溶Ｃが減少して強度の低下を招くほか、転動
疲労寿命の向上に対する効果が飽和するので、 0.05 〜
1.0 wt％の範囲内で添加することが必要であり、好まし
くは0.10〜1.0 wt％、より好ましくは0.20〜0.8 がよ
い。

【００２４】Ｏ：0.0020wt％以下Ｏは、硬質な非金属介在物を形成するので、たとえ他の
成分の制御によって繰り返し応力負荷によるミクロ組織
変化の遅延が得られたとしても、Ｂ₁₀寿命, Ｂ ₅₀寿命の
低下を招くことがあるから、可能な限り低いことが望ま
しい。しかし、0.0020wt％以下の含有量であれば許容で
きる。好ましくは0.0012wt％以下である。

【００２５】Si：0.05〜0.5 wt％, 0.5 超〜2.5 wt％ Siは、鋼の溶製時の脱酸剤として用いられる他、基地に
固溶して焼もどし軟化抵抗の増大により焼入れ, 焼もど
し後の強度を高めてＢ₁₀値にあらわれる転動疲労寿命
（Ｂ₁₀寿命）を向上させる元素として有効である。こう
した目的の下に添加されるSiの含有量は、0.05〜0.5 wt
％、好ましくは0.15〜0.50wt％がよい。さらに、このSi
は、0.5 wt％超を添加すると、高温, 高負荷, 繰り返し
応力負荷の下でのミクロ組織変化の遅延をもたらして、
Ｂ₅₀値としてあらわれる転動疲労寿命（Ｂ₅₀寿命）を向
上させる効果がある。しかし、その含有量が 2.5wt％を
超えると、効果が飽和する一方で加工性や靱性を低下さ
せるので、ミクロ組織変化遅延特性のより一層の向上の
ためには、 0.5超〜2.5 wt％を添加することが有効であ
る。より好ましくは0.50超〜2.0 wt％がよい。

【００２６】Mn：0.05 〜2.0 wt％ Mnは、鋼の溶製時に脱酸剤として作用し、鋼の低酸素化
に有効な元素である。また、鋼の焼入れ性を向上させる
ことにより基地マルテンサイトの靱性, 硬度を向上さ
せ、部材表層部における一般的な転動疲労寿命（Ｂ₁₀寿
命）の向上に有効に寄与する。こうした目的のために
は、0.05〜2.0 wt％の添加があれば十分であり、好まし
くは0.25〜2.0 wt％である。

【００２７】Ni：0.05〜1.0 wt％, 1.0 超〜3.0 wt％ Niは、焼入れ性の増大により焼入れ焼もどし後の強度を
高め靱性を向上させるとともに、Ｂ₁₀寿命を向上させる
ので、この目的のためには0.05〜1.0 wt％の範囲内で添
加することとし、好ましくは0.15〜1.0 wt％添加する。
さらに、このNiは、上述したように、 1.0wt％を超えて
添加した場合には、転動時のミクロ組織変化を遅らせ、
これによりＢ₅₀寿命を向上させる。しかし、この場合で
も３wt％を超えて添加すると、多量（＞35％) の残留γ
を析出して強度の低下ならびに寸法安性を害することに
なる他、コストアップになるため、この作用効果を期待
する場合には、1.0 超〜3.0 wt％の範囲内で添加するこ
とが必要であり、好ましくは 1.0超〜2.5 wt％がよい。

【００２８】Cr：2.5 超〜8.0 wt％ Crは、繰返し応力負荷によるミクロ組織変化を遅延せし
めて、この面での転動疲労寿命（Ｂ₅₀寿命）を向上させ
るのに有効な元素である。そして、このＢ₅₀寿命を向上
するために添加するCr添加の効果は、 8.0wt％を超える
と飽和するのみならず、却って焼入れ時の固溶Ｃ量の低
下を招いて強度が低下させる。従って、このCrは、2.5
超〜8.0 wt％としなければならない。好ましくは 2.5超
〜5.0 wt％の範囲がよい。

【００２９】Mo： 0.05 〜0.5 wt％ Moは、残留炭化物の安定化により耐摩耗性を向上させる
元素である。とくに0.05〜0.5 wt％を添加すると、焼入
れ性を増大して焼入れ焼もどし後の強度向上に寄与する
と共に、安定炭化物の析出により、耐摩耗性とＢ₁₀寿命
を向上させる。

【００３０】Cu：0.05〜1.0 wt％ Cuは、焼入れの増大により焼入れ焼もどし後の強度を高
め、Ｂ₁₀寿命を向上させるために添加する。この目的の
ためには、0.05〜1.0 wt％の範囲で十分であり、好まし
くは0.15〜1.0 wt％がよい。

【００３１】Ｂ：0.0005〜0.01wt％Ｂは、焼入れ性の増大により焼入れ焼もどし後の強度を
高め、Ｂ₁₀寿命を向上させるので、0.0005wt％以上を添
加する。しかしながら、0.01wt％を超えて添加すると加
工性を劣化させるので、0.0005〜0.01wt％の範囲に限定
する。好ましくは0.0015〜0.0050wt％がよい。

【００３２】Al：0.005 〜0.07wt％ Alは、鋼の溶製時の脱酸剤としても作用し、さらにＮと
結合して結晶粒を微細化し、鋼の靱性向上にも寄与する
元素である。また、焼入れ焼もどし後の強度を高め、転
動疲労寿命の向上にも有効に作用する。このような作用
のためにAlは、0.005 〜0.07wt％、好ましくは0.015 〜
0.07wt％の範囲で添加する必要がある。

【００３３】Ｎ：0.0005〜0.012 wt％, 0.012 超〜0.05
0wt ％Ｎは、炭窒化物形成元素と結合して結晶粒を微細化し、
基地に固溶して焼入れ焼もどし後の強度を高め、そして
Ｂ₁₀寿命を向上させる。この目的のためには0.0005〜0.
012 wt％の範囲内で添加するが、好ましくは0.0020〜0.
012 wt％がよい。また、このＮは、一方において0.012
wt％を超えて添加した場合には、上述したように、繰り
返し応力によるミクロ組織変化を遅らせることによりＢ
₅₀寿命を向上させることができる。ただし、この量が0.
05wt％を超えると、加工性, 靱性が低下するため、この
目的のためには0.012 超〜0.050wt ％を添加するが、好
ましくは 0.012超〜0.035 wt％がよい。

【００３４】以上、部材表層部における繰り返し応力負
荷によるミクロ組織変化を遅延させることによる転動疲
労寿命（Ｂ₅₀寿命）を改善すると共に、強度の上昇を通
じて部材表層部における転動疲労寿命（Ｂ₁₀寿命）を改
善するための主要成分（Ｃ,Nb, ＯおよびSi, Mn, Ni, C
r, Mo,Cu,Ｂ, Al, Ｎ）の限定理由について説明した
が、本発明ではさらに、Zr, Ta, HfおよびCoのうちから
選ばれるいずれか１種または２種以上を添加することに
より、苛酷な使用環境（ゴミ入り, 高負荷, 高温）での
転動疲労寿命, 即ちＢ₅₀寿命を改善させるようにしても
よい。

【００３５】上記各元素の好適添加範囲と添加の目的、
上限値、下限値限定の理由につき、表２にまとめて示
す。

【表２】

【００３６】さらに、本発明においては、被削性を改善
するために、Ｐ，Ｓ，Se, Te, REM,Pb,Bi, Ca, Ti, Mg,
Sn, As等を添加しても、上述した本発明の目的である
繰り返し応力負荷によるミクロ組織変化による遅延特性
を阻害することはなく、容易に被削性を改善することが
できるので、必要に応じて添加してもよい。なお、Ｐ
は、鋼の靱性ならびに転動疲労寿命を低下させることか
ら低いことが望ましく、0.025 wt％以下、さらに 0.015
wt％以下に抑えることが好ましい。また、Ｓは、Mnと結
合してMnＳを形成し、被削性を向上させる。しかし、多
量に含有させると転動疲労寿命を低下させることから、
0.025 wt％以下、好ましくは 0.015wt％以下に抑えるの
がよい。

【００３７】

【実施例】表３、表４に示す成分組成の鋼を溶製して鋳
造し、得られた鋼材につき1200℃で30h の拡散焼鈍を施
した後に65mmφの棒鋼に圧延した。次いで、焼ならし−
球状化焼なましの後、鋼材No.1, No.2は 820℃で、他は
900℃〜950 ℃で焼入れ、180℃で焼もどした。さら
に、ラッピング仕上げにより12mmφ×22mmならびに60mm
φ×５mmの円筒状試験片を作製した。このときの該試験
片の面粗度はいずれもRa：0.1 mmとした。そして、上記
各試験片について、クリーン環境下におけるＢ₁₀寿命,
Ｂ₅₀寿命についての測定試験を行った。このＢ₁₀寿命,
Ｂ₅₀寿命の試験は、図３に示すようなラジアルタイプの
転動疲労寿命試験機を用いて、ヘルツ最大接触応力：60
0kgf/mm² , 繰り返し応力数約46500 cpm および潤滑
油：＃68タービン飛沫油を使うという条件で行ったもの
である。なお、試験の結果は、ワイブル分布に従うもの
として確率紙上にまとめ、鋼材No.1 (従来鋼である SUJ
２) の平均寿命 (累積破損確率：10％および50％におけ
る、剥離発生までの総負荷回数) を１として、その他の
鋼種のものを対比して評価した。

【００３８】一方、上記各試験片についてのゴミ入り環
境下での転動寿命 (Ｂ₁₀寿命, Ｂ₅₀寿命) は、円盤状試
験片を作製してスラスト型転動疲労試験機を用い、ヘル
ツ最大接触応力：536 kgf/mm² , 繰り返し応力数：1800
cpm の条件で、＃68タービン油中に硬さ：Hv850 程度、
平均粒子径：約100 μｍの鉄粉を約150 ppm 混入して行
った。試験機には、図３に示すような改良を行い、鋼球
と試験片の接触部に常時鉄粉が供給されるようにした。

【００３９】試験結果は、ワイブル分布に従うものとし
て確率紙上にプロットし、Ｂ₁₀寿命(累積破損確率：10
％での剥離発生までの総負荷回数) ならびにＢ₅₀寿命(
同50％) を求め、鋼材No.1をそれぞれ１として比較評価
したものである。また、残留オーステナイト量は、ラッ
ピング仕上げ後の試験片をＸ線解析装置を使って測定し
た。上記の評価結果を、表３, 表４にまとめて示した。

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】鋼No.2〜5 は比較例として示すものであ
り、鋼中Ｃ量が本発明範囲外である鋼No.4、鋼中Ｗ量が
本発明範囲外である鋼No.5、鋼中Ｏ量が本発明範囲外で
ある鋼No.3および鋼中残留オーステナイト量が本発明範
囲外である鋼No.2のＢ₁₀寿命,Ｂ₅₀寿命は、従来鋼 (鋼N
o.1) に比べていずれも大差がない。これに対し、本発
明軸受部材である鋼材No.6〜32のＢ₁₀寿命は、クリーン
環境での通常試験でも従来鋼（鋼材No.1）に比較して平
均約2 〜20倍、Ｂ₅₀寿命も3〜47倍も優れた結果を出し
ている。また、この傾向は、ゴミ入り環境の高負荷,高
温下における試験でも、Ｂ₁₀寿命にして約2 〜 9倍、Ｂ
₅₀寿命にして約4 〜16倍も優れた結果となっている。す
なわち、軸受部材としては、多量のＷの添加がゴミ入り
環境下における転がり寿命, とりわけＢ₅₀寿命で示され
るミクロ組織変化を著しく遅延し、一方残留γ量を10〜
35％にコントロールすることによりＢ₁₀寿命の著しい向
上をもたらし、その結果、軸受の全体的な転動疲労寿命
の向上に極めて有効であることが窺える。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
鋼中残留γ量を10〜35％の組織とし、かつ0.05〜1.0 wt
％のＷを含有した軸受鋼材とすることにより、クリーン
環境のみならずゴミ入りの高負荷, 高温使用下において
も、軸受部材の表層部下における繰り返し応力負荷に伴
うミクロ組織変化の遅延をもたらし、このことによって
転動疲労寿命 (Ｂ₁₀寿命, Ｂ₅₀寿命）の向上を達成し
て、高寿命の軸受用部材を提供することができる。従っ
て、従来技術の下では不可欠とされていた、部材表層部
のより一層の鋼中酸素量の低減あるいは鋼中に存在する
酸化物系非金属介在物の組成, 形状, ならびにその分布
状態をコントロールするために必要となる製鋼設備の改
良あるいは建設が、本発明では不必要である。また、本
発明にかかる軸受部材の開発によって、転がり軸受の小
型化ならびに軸受使用温度のより以上の上昇が期待でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は、繰り返し応力負荷の下に、
部材表層部下の帯域において発生するミクロ組織変化の
ようすを示す金属組織の顕微鏡写真。

【図２】非金属介在物に起因する軸受寿命とミクロ組織
変化に起因する軸受寿命とに及ぼすＷおよび残留γ量の
影響を示す説明図。

【図３】スラスト型転動疲労試験機の概略構成を示す略
線図。

フロントページの続き (72)発明者松崎明博千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者天野虔一千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物からなる成分組成を有し、かつ鋼中の残留オース
テナイト量が体積比にして10〜35％である鋼組織を有す
ることを特徴とする、繰り返し応力負荷によるミクロ組
織変化の遅延特性に優れた軸受部材。
【請求項２】Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.
0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、さらに、 Si：0.05〜0.5 wt％, Mn：0.05〜2.0 wt％, Ni：0.05〜1.0 wt％, Mo：0.05〜0.5 wt％, Cu：0.05〜1.0 wt％, Ｂ：0.0005〜0.01wt％, Al：0.005 〜0.07wt％及びＮ：0.0005〜0.012 wt％、のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上を含
み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成を
有し、かつ鋼中の残留オーステナイト量が体積比にして
10〜35％である鋼組織を有することを特徴とする、繰り
返し応力負荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた
軸受部材。
【請求項３】Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.
0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、さらに、 Si：0.5 超〜2.5 wt％, Cr：2.5 超〜8.0 wt％, Ni：1.0 超〜3.0 wt％, Ｎ：0.012 超〜0.050 wt％, Zr：0.02〜0.5 wt％, Ta：0.02〜0.5 wt％, Hf：0.02〜0.5 wt％及びCo：0.05〜1.5 wt％のうちか
ら選ばれるいずれか１種または２種以上を含み、残部が
Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ
鋼中の残留オーステナイト量が体積比にして10〜35％で
ある鋼組織を有することを特徴とする、繰り返し応力負
荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた軸受部材。
【請求項４】Ｃ： 0.5〜1.5 wt％, Ｗ：0.05 〜1.
0 wt％, Ｏ：0.0020wt％以下を含有し、さらに、 Si：0.05〜0.5 wt％, Mn：0.05〜2.0 wt％, Ni：0.05〜1.0 wt％, Mo：0.05〜0.5 wt％, Cu：0.05〜1.0 wt％, Ｂ：0.0005〜0.01wt％, Al：0.005 〜0.07wt％及びＮ：0.0005〜0.012 wt％、のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上を、通
常環境下での転動疲労を改善する成分として含み、さら
にまた、上記改善成分のいずれか１種以上のものが選択
された場合はその元素を除く下記の成分、すなわち、 Si：0.5 超〜2.5 wt％, Cr：2.5 超〜8.0 wt％, Ni：1.0 超〜3.0 wt％, Ｎ：0.012 超〜0.050 wt％, Zr：0.02〜0.5 wt％, Ta：0.02〜0.5 wt％, Hf：0.02〜0.5 wt％及びCo：0.05〜1.5 wt％のうちか
ら選ばれるいずれか１種または２種以上を、苛酷な環境
下での転動疲労寿命を改善する成分として含み、残部が
Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ
鋼中の残留オーステナイト量が体積比にして10〜35％で
ある鋼組織を有することを特徴とする、繰り返し応力負
荷によるミクロ組織変化の遅延特性に優れた軸受部材。