JPH08109433A

JPH08109433A - 軸受用鋼

Info

Publication number: JPH08109433A
Application number: JP6249508A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Murakami; 保夫村上; Nobuaki Mitamura; 宣晶三田村; Seiji Sato; 誠二佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 1996-04-30
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP3422094B2; US5853660A; GB9520947D0; GB2294270A; GB2294270B

Abstract

(57)【要約】【目的】素材コストと軸受製造上の熱処理コストを低減
しながら軸受特性を十分に満足し得る軸受用鋼と、それ
を用いた転がり軸受とを提供する。【構成】本発明の軸受用鋼は、その成分が重量％で、
Ｃ；0.70％以上0.93％以下、Ｓｉ；0.15％以上0.50％以
下、Ｍｎ；0.50％以上1.10％以下、Ｃｒ；0.3 ％以上0.
65％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からな
り、且つＣｒ／Ｃの比の値として0.4 以上、0.7 以下と
の限界比を規定したもので、巨大炭化物の生成が防止さ
れ高温長時間のソーキング処理を省略できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼塊の鋳込みの時の巨
大炭化物の生成を防止したことにより高温長時間のソー
キング処理を省略し、さらに簡単な球状化焼鈍熱処理で
処理した軸受用鋼、及び当該軸受鋼を用いてなる優れた
加工性（被削性）と長寿命とを有する転がり軸受に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、転がり軸受の構成部品である転
動体や内外輪の材料として、ＳＵＪ２，ＳＵＪ３などの
スルーハードニング型の軸受用鋼のほか、ＳＣｒ４２
０，ＳＣＭ４２０などのケースハードニング型のはだ焼
鋼が主として使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＳＵＪ
２，ＳＵＪ３などの高炭素クロム鋼の場合は、鋼塊の鋳
込みの時に生じた巨大炭化物ならびに偏析を消滅や均質
化するべく１２００℃の高温を用いて全工程２０時間に
及ぶソーキング処理を施したり、圧延後の炭化物の球状
化のために長時間の熱処理を必要とする。そのため鋼材
の製造コストが高くなるという問題点がある。

【０００４】一方、はだ焼鋼の場合は素材の炭素濃度が
低いので、巨大炭化物は生成しない。したがって、高温
でのソーキング処理も、また圧延後の炭化物の球状化の
ための長時間の熱処理も必要としない。しかし、はだ焼
鋼では表面層を硬化させるべく浸炭または浸炭窒化とい
う長時間の熱処理が別途に必要であり、結局軸受として
の熱処理コストは高くなるという問題点がある。

【０００５】そもそも軸受は高荷重が負荷される回転軸
を支持する機械要素であり、高剛性，耐転がり疲労性，
耐磨耗性，耐クリープ性など種々の特性が要求されてい
る。これらの厳しい要求に応えつつ同時にコスト低減を
図ることは、すなわち素材の限界設計を行うことであ
り、極めて困難な課題である。そこで、本発明はその課
題を解決するためになされたもので、素材コストと軸受
製造上の熱処理コストを低減しながら、しかも軸受特性
を十分に満足し得る軸受用鋼と、それを用いた転がり軸
受とを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の軸受用鋼は、その成分が重量％で、Ｃ；0.70％以
上0.93％以下、Ｓｉ；0.15％以上0.50％以下、Ｍｎ；0.
50％以上1.10％以下、Ｃｒ；0.3 ％以上0.65％以下を含
有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つＣｒ
／Ｃの比の値として0.4 以上、0.7 以下との限界比を規
定したものである。

【０００７】また、上記本発明の軸受用鋼を用いて、内
輪，外輪，転動体を少なくとも備えた加工性（被削性）
に優れ長寿命の転がり軸受を形成することができる。

【０００８】

【作用】本願発明者らは、コストを考慮した最適な材料
と熱処理に関して研究を重ねた。その結果、高炭素クロ
ム鋼の場合、Ｃ量，Ｃｒ量，Ｃｒ／Ｃ比を限定し、更に
Ｍｎ量を限定すれば、巨大炭化物を消滅させるために行
う高温で長時間に及ぶソーキング処理を省き、また炭化
物の球状化のために行う長時間の球状化焼鈍熱処理を簡
略化することができ、材料コストと加工コストを最小限
にして、しかも加工性に優れると共に異物混入潤滑とい
う厳しい環境下においても長寿命が得られる優れた特性
の転がり軸受が開発可能との知見を得て本発明に至った
ものである。

【０００９】以下に、本発明における数値限定の臨界的
意義について述べる。先ず、本発明の軸受用鋼における
合金成分の組成範囲を限定する理由を説明する。［Ｃ；0.7 〜0.93％］本発明の軸受用鋼は、浸炭又は浸
炭窒化といったような長時間の熱処理を行わずに、ＳＵ
Ｊ２又はＳＵＪ３などの高炭素クロム鋼と同様の熱処
理、すなわち還元雰囲気中で前処理加熱後、８２０〜８
６０℃で焼入れ，１６０〜２００℃程度の低温焼戻し処
理を行って、ロックウェルＣ硬度（Ｈ_RＣ）６０以上と
いう軸受として必要な高硬度を得ることを目標とする。
このためＣ量は0.7 ％以上を必要とする。従来は、Ｃ量
が0.7 ％未満でもＨ_RＣ６０以上の硬さが得られるとし
て、冷間加工性向上のためＣ量を0.7 ％未満とする例も
ある。しかしながら、Ｃ量の減少は焼戻し抵抗性を著し
く低下させ、Ｃ量0.7 ％未満では１６０〜２００℃とい
った低温焼戻しにおいてＨ_RＣ６０以上の硬さを安定し
て確保することができない。

【００１０】他方、本発明の軸受用鋼は、ソーキング処
理の省略，球状化焼鈍処理の簡略化により低コストを達
成することを目標とする。このソーキング処理の省略の
ために、Ｃ以外の他の合金元素（特にはＣｒ）との関係
からＣ量の上限を0.93％とする必要がある。すなわち、
素材の炭素量が0.93％を越えると、製鋼時に巨大炭化物
や偏析をなくすためのソーキングが必要となり、素材の
コストが上昇してしまう。

【００１１】以上の理由から、本発明軸受用鋼の炭素量
は0.7 重量％以上0.93重量％以下とする。［Ｓｉ；0.15〜0.50％］けい素は、製鋼時に脱酸剤とし
て作用し、焼入れ性を向上させるとともに基地マルテン
サイトを強化するので、転動体及び内外輪を問わず軸受
の寿命を延長するのに有効な元素である。その軸受寿命
の延長効果はＳｉ量0.15％以上1.2 ％程度までは有効で
ある。が、反面、含有量が増加するにつれて被削性，鍛
造性，冷間加工性などの加工性が低下する。そこで、現
行のＳＵＪ２と同程度の加工性を確保するためにＳｉ量
の上限値を0.5 ％とする。下限値の方は、Ｓｉ量0.15％
未満では焼入れ性を確保するのが難しい。

【００１２】以上の理由から、本発明軸受用鋼のＳｉ量
は0.15重量％以上0.50重量％以下とする。［Ｍｎ；0.50〜1.10％］マンガンは、焼入れ性の調整と
残留オーステナイト量の確保のために添加する。例えば
自動車のトランスミッション用の軸受は異物混入潤滑の
状態で使用されるが、このような使用環境のもとでは、
軸受素材鋼の残留オーステナイト量（γ _R）を増加させ
ることが長寿命化に有効であることが明らかになってき
ている（特開昭６４−５５４２３号）。

【００１３】そこで、本発明の軸受用鋼にあっては、Ｓ
ＵＪ２と同等以上の焼入れ性と残留オーステナイト量
（例えばγ_R＝１２〜１７容量％）とを確保するのに必
要な最低限のＭｎ量として0.50％を規定する。しかし、
Ｍｎは鋼中のフェライトを強化する元素でもあり、含有
量が増すと冷間加工性が著しく劣化するため上限を1.1
重量％とする。

【００１４】以上の理由から、本発明軸受用鋼のＭｎ量
は0.50重量％以上1.10重量％以下とする。［Ｃｒ；0.3 〜0.65％］クロムは焼入れ性向上、焼戻し
軟化抵抗性向上、耐磨耗性向上などに有効に機能する元
素である。その効果を有効に出すためには0.3 重量％以
上が必要である。しかし、Ｃ量との関連で炭化物生成元
素でもあり、Ｃｒ含有量が0.65重量％を越えると、製鋼
過程で巨大炭化物が生じてこれを消滅させるために高温
・長時間のソーキング処理を行う必要があり、コストが
上昇してしまう。そこで、Ｃｒ量の上限を0.65重量％と
する。

【００１５】以上の理由から、本発明軸受用鋼のＣｒ量
は0.3 重量％以上0.65重量％以下とする。［Ｃｒ／Ｃ比：0.4 〜0.7 ］クロム／炭素の比の限定値
は、鋳造時の溶鋼において、鋼材の凝固時に中心偏析部
のＣ，Ｃｒの溶質が濃化され、その結果、共晶炭化物が
発生することを防止するための臨界値である。

【００１６】Ｆｅ−Ｃ二元系状態図によれば、共晶物の
理論発生限界はＣ＝1.7 重量％である。分析結果によれ
ば、溶鋼の凝固時のＣ濃化は母相（鋼材の中心偏析部以
外の部分）の1.8 倍程度にまで達してしまう。すなわ
ち、母相のＣ量の上限値は前記共晶物の理論発生限界1.
7 重量％／1.8 ＝0.944 重量％である。しかして、Ｃと
Ｃｒによるマトリックスを強化して焼戻し軟化抵抗性，
硬さを高めることにより、軸受寿命を高寿命とするため
にＣｒを添加する必要があり、このＣｒの添加により、
生成されるクロム炭化物にＣが取り込まれるから、共晶
炭化物の発生限界は上記の値より低炭素側に移行する。
これを見込んで、母相のＣ量の上限値を0.93重量％と定
めた。一方、Ｃｒの上限値は上述したように0.65重量％
であるから、これらの値に基いてクロム／炭素の比の上
限は、Ｃｒ／Ｃ≦0.65／0.93＝0.7と規定した。

【００１７】また、クロム／炭素の比の下限は、0.4 と
する。Ｃｒ／Ｃの下限値設定理由は、上述したように、
ＣとＣｒによるマトリックスを強化して焼戻し軟化抵抗
性，硬さを高めることにより軸受寿命を高寿命とするた
めには、Ｃｒ／Ｃの最低値を0.4 とする必要があるため
である。［Ｐ及びＳ≦0.025 ％］：軸受用鋼の不純物元素である
ＰとＳは、鋼の機械的性質を劣化させるので、軸受用鋼
としては少ないほど良い。しかしながら、Ｐ，Ｓを極限
的に低減させるには高度の精錬設備と十分な精錬時間が
必要であり、コストアップの要因となる。

【００１８】したがって、Ｐ，Ｓの上限値は、軸受材料
としての機械的性質の劣化を許容し得る清浄度規制（Ｊ
ＩＳＧ４８０５）を満足する水準とした。［Ｔｉ≦40ｐｐｍ，Ｏ≦15ｐｐｍ〕ＴｉとＯは転がり軸受の疲労に有害な非金属介在物生成
元素であり、これらの元素を低減した、軸受の長寿命化
に好適な高清浄度鋼が公知である。しかしながら、これ
らの元素を低減するためには、原料の厳選，取鍋の特別
な管理などが必須であり、コストアップ要因となる。

【００１９】そこで本発明の軸受用鋼にあっては、鋼中
のＴｉ量，Ｏ量と寿命との関係に着目して、寿命延長効
果が緩慢となる含有量をもって上限値を規定し、Ｔｉ≦
40ｐｐｍ，Ｏ≦15ｐｐｍとした。

【００２０】

【実施例】以下に、この発明の実施例を説明する。（１）被試験材（供試材）の製造：１００ｋｇ真空誘導
加熱溶解炉を使用して、表１に示す成分組成の供試材を
溶製した。ソーキング処理は省略し、直径６５ｍｍの棒
鋼に鍛伸した後、前処理として図１に示す簡易球状化焼
鈍処理を行い、その後、図２に示す焼入れ・焼戻し処理
を実施した。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１中、試料番号１〜３は本発明軸受用鋼
の実施例である。試料番号４〜１３は比較例であり、下
線を付した数値は本発明の成分組成の範囲外を表してい
る。試料番号１４は標準鋼（ＳＵＪ２）であり、通常の
ソーキング処理ならびに球状化焼鈍処理を施した量産材
である。なお、試料番号１〜１４において、不純物であ
るＰ，Ｓの量はそれぞれ0.025 重量％以下、Ｔｉ量は40
ｐｐｍ以下、Ｏ量は15ｐｐｍ以下である。

【００２３】（２）供試材の切削性評価試験及び異物混
入潤滑下の寿命試験：試料番号１〜１４の各供試材につ
いて円板状の寿命試験片と、円柱状の切削性評価試験片
とを試作し、切削性評価試験と寿命試験を行った。寿命
試験は、試験機として「特殊鋼便覧」（第１版，電気製
鋼研究所編，理工学社，1969年５月２５日）の１０−２
１頁記載のスラスト形試験機を用いた。

【００２４】試験条件：面圧：最大５００ｋｇ／ｍｍ² 回転数：１０００ｒｐｍ潤滑油：Ｎｏ．６８タービン油混入異物：硬さ；Ｈ_V５４０粒径；７４〜１４７μｍ混入量；潤滑油中に３００ｐｐｍ各供試材毎に試験数ｎは８〜１０とし、Ｌ₁₀寿命をもっ
て寿命の優劣を判定した。表２に、寿命試験の結果を示
す。

【００２５】切削性評価試験は、試料番号１〜１３につ
いては簡易球状化焼鈍処理後の試験片を用いた。また、
試料番号１４の標準標準鋼試料については球状化焼鈍処
理後の試験片を用いた。試験条件：切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ切り込み：１ｍｍ送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ上記試験条件で供試材を切削して、切削工具の逃げ面磨
耗量が０．２ｍｍに達する時間をもって優劣を判定し
た。切削試験の結果を、焼入れ・焼戻し後の硬さ測定値
と共に、表２に併記して示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】本発明軸受用鋼の実施例である試料番号１
〜３は、焼入れ・焼戻し後の硬さがＨ_RＣ６０を越えて
おり、試料番号１４の標準鋼に比べて寿命，切削性とも
同等以上の性能を示している。これに対して比較例のも
のは、以下の通りである。試料番号４は、Ｃ量が本発明
の上限値を越えており、寿命値が低下している。

【００２８】試料番号５は、Ｃ量が本発明の下限値を下
回っており、焼入れ・焼戻し後の硬さがＨ_RＣ６０を保
持できず、寿命も著しく低下している。試料番号６は、
Ｓｉ量が本発明の上限値を越えており、寿命は標準鋼の
試料番号１４と同等であるが、切削性が著しく低下して
いる。試料番号７は、Ｓｉ量が本発明の下限値を下回っ
ており、寿命値が低下している。

【００２９】試料番号８は、Ｍｎ量が本発明の上限値を
越えており、寿命は標準鋼の試料番号１４と同等である
が、切削性が著しく低下している。試料番号９は、Ｍｎ
量が本発明の下限値を下回っており、寿命値が低下して
いる。試料番号１０は、Ｃｒ量及びＣｒ／Ｃ値が本発明
の上限値を越えており、巨大炭化物が生成して寿命，切
削性とも低下している。

【００３０】試料番号１１は、Ｃｒ量及びＣｒ／Ｃ値が
本発明の下限値を下回っており、寿命値が低下してい
る。試料番号１２は、Ｃｒ／Ｃ値が本発明の上限値を越
えており、試料番号１０と同様に寿命，切削性とも低下
している。試料番号１３は、Ｃｒ／Ｃ値が本発明の下限
値を下回っており、寿命値が低下している。

【００３１】試料番号１４は、標準鋼としてＳＵＪ２量
産品を用いているが、Ｃ量が高く且つＣｒ／Ｃ値が本発
明の上限値０．７を越えているにもかかわらず、寿命，
切削性とも悪影響を受けていない。しかし、これは前述
したように、長時間を要するソーキング処理によって巨
大炭化物を消滅させているためである。これに対し、試
料番号１〜３はこのような処理を必要とせずに（したが
って、これらの素材により転がり軸受を作製した場合、
加工コストをＳＵＪ２に比べ低くできる）、寿命，切削
性とも試料番号１４に比べ同等以上の結果が得られた。

【００３２】なお、本発明は各種の転がり軸受（玉軸
受，円筒ころ軸受，円すいころ軸受，球面ころ軸受等
に、ラジアル型，スラスト型は問わず）に適用すること
ができる。また、本発明の転がり軸受は、構成部品とし
て外輪，内輪，転動体の他に保持器やシールなどを備え
ていても良い。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の軸受用
鋼によれば、Ｃ量，Ｃｒ量，Ｓｉ量，Ｃｒ／Ｃ値を限定
し、更にＭｎ量を限定したため、鋼塊の鋳込みの時に巨
大炭化物の生成を防止することができ、その結果、高温
長時間のソーキング処理を省略できて鋼材の製造コスト
を大幅に低減できるという効果が得られる。また、本
発明の転がり軸受は、素材として上記本発明の軸受用鋼
を用いたため、所要量の残留オーステナイトが確保され
て、加工性に優れると共に異物混入潤滑下の厳しい使用
環境においても長寿命を有するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】供試材の簡易球状化焼鈍処理過程を示す図であ
る。

【図２】供試材の焼入れ・焼戻し過程を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その成分が重量％で、Ｃ；0.70％以上0.
93％以下、Ｓｉ；0.15％以上0.50％以下、Ｍｎ；0.50％
以上1.10％以下、Ｃｒ；0.3 ％以上0.65％以下を含有
し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ0.4 ≦
Ｃｒ／Ｃ≦0.7である軸受用鋼。