JPH1060586A

JPH1060586A - 浸炭窒化軸受用鋼

Info

Publication number: JPH1060586A
Application number: JP25523896A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tanaka; 秀明田中; Toshimitsu Kimura; 利光木村; Sadayuki Nakamura; 貞行中村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 1998-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性、スポーリング、ピッティン
グといった面疲れ特性に優れた浸炭窒化軸受用鋼を提供
する。【解決手段】合金元素の含有量と浸炭窒化もしくは
浸炭浸窒焼入焼戻し処理後の表面Ｃ＋Ｎ量を規定するこ
とにより、焼きならし後の硬さを低く抑えつつ、浸炭窒
化もしくは浸炭浸窒焼入焼戻し処理後に適正量の表面残
留オーステナイトがえられ、この浸炭窒化もしくは浸炭
浸窒焼入焼戻し後の残留オーステナイトが有効に作用
し、また同時に軟化抵抗も高いため、これらの相乗効果
により、耐摩耗性や面疲れ特性といった転動疲労強度に
著しく優れた軸受鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、スポーリン
グ、ピッティングといった面疲れ特性に優れた浸炭窒化
軸受用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで、浸炭軸受鋼としてＪＩＳＳ
Ｃｒ４２０、ＳＣＭ４２０に代表されるような肌焼鋼が
用いられてきた。しかし、軸受の長寿命化の要求がます
ます高まるにつれ、転動疲労強度を向上させた浸炭軸受
鋼が種々提案されている。鋼の転動疲労向上の手段とし
ては、従来から、鋼中のＯ含有量の低減、ＳｉやＣｒの
添加、残留オーステナイト量の適正化などが有望視さ
れ、検討されている。これらの改善により疲労強度は向
上するが、その向上は従来鋼の２から５倍程度であった
り、また、非常に長寿命であっても極端に強度の劣化す
るものがみられ、ばらつきが大きく、実用上信頼性の面
で問題がある。

【０００３】また、近年、従来の浸炭に加え、Ｎを積極
的に添加させる浸炭窒化もしくは浸炭浸窒処理が検討さ
れている。Ｎは鋼のＭ_Ｓ点温度を低下させるため、浸炭
窒化もしくは浸炭浸窒焼入時に表層部に多量の残留オー
ステナイトを現出させる。さらに、Ｎは焼戻し軟化抵抗
を向上させる効果があるため、転動疲労強度向上に有効
に作用する。しかし、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒処理を
利用した場合、使用状況によっては表面に多量に出現し
た残留オーステナイトが必ずしも有効に作用しない場合
がある。これは、適正な表面残留オーステナイト量や、
浸炭窒化もしくは浸炭浸窒処理に適した鋼について十分
に究明されていないことによる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
事情を背景としてなされたもので、本発明の目的とする
ところは、ばらつきが少なく、かつ高い転動疲労寿命を
有する浸炭窒化軸受用鋼を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】合金元素の含有量が重量
％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．３５％
以下、Ｍｎ：０．８％以下、Ｃｒ：１．５〜２．５％で
あり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつＳ
ｉ＋Ｃｒ量が１．８〜２．８％の範囲であり、また、浸
炭窒化もしくは浸炭浸窒後焼入焼戻しによる表面硬化層
を有し、表面から０．１ｍｍまでのＣ＋Ｎ量が１．０〜
２．０％の範囲であることを特徴とする、浸炭窒化軸受
用鋼（請求項１）。また、上記請求項１に記載の合金組
成に加え、Ｎｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、
Ｃｕ：１．０％以下のうち、１種または２種以上を含む
ことを特徴とする、請求項１に記載の浸炭窒化軸受用
鋼。そして、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入焼戻し後の
表面残留オーステナイト量が体積％で４０〜６５％であ
り、かつ表面から５０μｍ深さのビッカース硬さが４０
０から７００である請求項１または２に記載の浸炭窒化
軸受用鋼。

【０００６】以下に合金元素の限定理由について説明す
る。Ｃ：０．１０〜０．３０％Ｃは鋼の強度を保持するのに必須の元素であり、その含
有量が浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入焼戻し後に所定の
心部硬さを決定し、また浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入
焼戻し後の後の有効硬化層深さにも影響する。そこで本
発明ではＣ量の下限を０．１０％とし、心部硬さを確保
している。しかし、その含有量が多すぎると熱間鍛造後
や焼ならし後の硬さが増大して、被削性を低下させると
ともに、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入焼戻し後のひず
みを増加させるなどの弊害をもたらすので、Ｃ含有量の
上限を０．３０％とした。

【０００７】Ｓｉ：０．３５％以下Ｓｉは素材のマトリックス中に固溶し、パーライト変態
を抑制することにより焼戻し軟化抵抗を向上させる元素
である。しかしながら、同時にフェライト強化型元素で
もあり、多量に添加すると焼きならし硬さの増加に伴い
被削性が劣化する。さらに、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒
時にＣやＮの拡散を抑制し、浸炭性、窒化性を阻害し、
転動疲労強度を低下させるため、その上限を０．３５％
とする。

【０００８】Ｍｎ：０．８％以下Ｍｎは溶鋼の脱酸、脱硫元素として有用であり、また鋼
の熱間加工性を高め、さらに焼入性を確保するために添
加される。しかし、過剰に添加すると素材の軟化焼なま
しを困難とし、また被削性を劣化させるので、その上限
を０．８％とする。

【０００９】Ｃｒ：１．５〜２．５％以下Ｃｒは鋼の焼入性の向上に有効な元素であり、また、
炭、窒化物を形成することにより、Ｓｉと同様に焼戻し
軟化抵抗を向上させ、転動疲労強度を向上させるのに寄
与する重要な元素である。また、浸炭性、浸窒性を向上
させるのに有効な元素でもあり、転動疲労強度に影響を
及ぼす浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入れ焼戻し後の有効
硬化層深さや、残留オーステナイト量を増加させる効果
がある。転動疲労強度の向上には１．５％以上のＣｒ量
が必要であるため、その下限値を１．５％とした。しか
しながら２．５％を超えて含有しても転動疲労強度向上
の効果は飽和し、かえって被削性を低下させると共に、
経済性も損なわれるため、その上限を２．５％とする。

【００１０】Ｓｉ＋Ｃｒ：１．８％〜２．８％の範囲Ｓｉ、Ｃｒは上述したように、特に準高温域における軟
化抵抗を増大させたり、浸炭性や浸窒性を向上させて転
動疲労強度を向上させるのに有効な元素である。Ｓｉ、
Ｃｒのこのような作用をよりいっそう効果的に得るため
には、Ｓｉ、Ｃｒとのバランスをとることがより望まし
く、素材の鍛造性、被削性等の生産性を極端に低下させ
ることなく焼戻し軟化抵抗を飛躍的に向上させるにはＳ
ｉ＋Ｃｒ量を１．８％〜２．８％の範囲とすることが最
もよいことを見いだした。そこで本発明では、Ｓｉ＋Ｃ
ｒ量を１．８％〜２．８％の範囲とした。

【００１１】浸炭窒化後表面から深さ０．１ｍｍまでの
Ｃ＋Ｎ量：１．０〜２．０％表面のＣ量およびＮ量は、表面硬さ、表面残留オーステ
ナイト量、および焼戻し軟化抵抗の確保に対して大きな
影響を及ぼす。特に表面残留オーステナイト量はＣ＋Ｎ
量の影響を大きくうけ、転動疲労強度を向上させるため
に有効な残留オーステナイト量を確保するためには、浸
炭窒化焼入焼戻し後の表面のＣ＋Ｎ量が１．０％以上あ
ることが望ましい。しかし、Ｃ＋Ｎ量が２．０％を超え
ると表面の残留オーステナイトが過剰となり、逆に表面
硬さを極端に低下させ、面疲労強度に悪影響を及ぼす上
に、表面へ網目状のセメンタイトの析出が顕著になり、
表層部の靱性および研削性が低下する。そのため、Ｃ＋
Ｎ量の範囲は１．０〜２．０％とする。

【００１２】Ｎｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以
下、Ｃｕ：１．０％以下Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕは、それぞれ靱性、焼入性、耐食性の
向上に寄与する元素である。しかしながら、添加しすぎ
ると製造性や被削性に悪影響を及ぼす上に、浸炭窒化も
しくは浸炭浸窒焼入焼戻し後に表面に過剰の残留オース
テナイトを生成させ、転動疲労強度に悪影響を及ぼす。
さらに経済性も損なわれるため、それぞれ請求項の範囲
とする。

【００１３】表面残留オーステナイト量：体積％で４０
〜６５％残留オーステナイトはそれ自体は軟らかいが、圧縮や引
張りの加工を加えることによりマルテンサイト変態が誘
起され、硬化することが知られている。すなわち軸受使
用中に応力が負荷されることにより残留オーステナイト
がマルテンサイトに変態し硬化するため、亀裂の発生お
よび進展を抑制し、疲れ特性に対して特に有効に作用す
る。耐摩耗性や転動疲労強度に関しては、表面残留オー
ステナイト量が４０％以上の場合に有効に作用する。し
かし、６５％を超えた量となると、逆に表面硬さの低下
が顕著となり、転動疲労強度は悪化する。そのため、表
面残留オーステナイト量を体積％で４０〜６５％とす
る。

【００１４】表面から５０μｍ深さのビッカース硬さ：
４００〜７００表面硬さの増加は、亀裂発生および進展を抑制し、転動
疲労強度の向上に有効であるが、前述したように、残留
オーステナイトのマルテンサイト変態による硬化分を考
慮に入れると、表面硬さは４００ＨＶ以上必要となる。
しかし、表面硬さが７００ＨＶを超えると残留オーステ
ナイトが転動疲労特性に有効に働く範囲を超えるため、
その範囲をビッカース硬さで４００〜７００とする。

【００１５】

【実施例】表１に示す化学組成を有する熱間圧延材から
直径２２ｍｍの素材を製造し、次いで直径１２ｍｍの円
筒型試験片とし、後記する浸炭窒化処理を施した後、表
面を研削し、ラジアル型転動試験に供した。なお、試験
時の面圧は５８８０ＭＰａ、相手材にはＳＵＪ２製ボー
ルを用いた。

【００１６】これらの試験片は、９３０℃で３３０分保
持している間に浸炭を行い、８４０℃に冷却、保持する
過程で１２０分ＮＨ_３を流すことにより窒化を行った。
その後、１００℃の油で焼入れを行い、１７０℃で１２
０分間焼戻しを行った。なお、Ｃ＋Ｎ量は、直径２５ｍ
ｍ、長さ１３０ｍｍの試験片を表面硬化処理時に同装
し、表面から０．１ｍｍ深さまでの切り粉を採取し、化
学分析によって求めたものである。また、残留オーステ
ナイト量はＸ線による定量分析法により求めた。

【００１７】

【表１】

【００１８】表２に実験結果を示す。Ｎｏ．１からＮ
ｏ．１０が本発明に関する鋼の試験結果であり、Ｎｏ．
１１からＮｏ．１８が比較例の試験結果である。なお、
Ｎｏ．１７にはＪＩＳ鋼のＳＣｒ４２０の結果を、また
Ｎｏ．１８にはａ鋼を浸炭焼入焼戻しした場合の試験結
果を合わせて示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】本発明鋼は、ＳＣｒ４２０と比較すると、
焼きならし後の硬さの上昇は大きくは見られないが、転
動試験におけるＬ１０、Ｌ５０どちらの寿命も延長して
いる。とくにＬ５０寿命の向上が大きく、ＳＣｒ４２０
浸炭窒化処理鋼と比較すると約２倍の向上り、またばら
つきも改善される。これに対し、Ｓｉ量の高いＮｏ．１
１、Ｍｎ量の高いＮｏ．１２、Ｃｒ量の高いＮｏ．１
３、Ｍｏ量の多いＮｏ．１４は、ＳＣｒ４２０と比較す
ると転動寿命は若干延長するが、焼きならし後の硬さが
表１に示すように非常に高い。また、Ｍｎ量の多いＮ
ｏ．１２、Ｓｉ＋Ｃｒ量が２．８％以上であるＮｏ．１
６は、いずれも表面に残留オーステナイトが過剰とな
り、表面硬さが極端に低下し、転動寿命は短い。Ｓｉ＋
Ｃｒ量が請求範囲以下であるＮｏ．１５では、転動疲労
特性に有効に作用する残留オーステナイト量が得られて
おらず、転動寿命は短い。さらに、表面残留オーステナ
イト量の影響をより詳しく調査するため、表１のａの鋼
に浸炭焼入焼戻しを行い、転動試験を行った。Ｎｏ．１
８にその結果を示す。同鋼浸炭窒化焼入焼戻しを行った
Ｎｏ．１と比較すると、Ｎｏ．１８は表面残留オーステ
ナイト量が約１／４であり寿命が短く、またばらつきが
大きい。。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、合金元素を適正化する
ことで、焼きならし後の硬さの増加を招かずに、浸炭窒
化もしくは浸炭浸窒性を向上させ、かつＳｉ＋Ｃｒ含有
量と浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入焼戻し後の表面Ｃ＋
Ｎ量を規定することで、表面に適正量の残留オーステナ
イトが形成され、また同時に、高負荷での接触面におい
て発生する２００℃を超える発熱に際して軟化抵抗が高
いため、面疲労特性が著しく優れたものとなる、浸炭窒
化軸受用鋼を提供するという、産業上著しく優れた効果
をもたらすものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】合金元素の含有量が重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．８％以下、Ｃｒ：１．５〜２．５％であり、残部Ｆｅおよび不可避
的不純物からなり、かつＳｉ＋Ｃｒ量が１．８〜２．８
％の範囲であり、また、浸炭窒化もしくは浸炭浸窒後焼
入焼戻しによる表面硬化層を有し、表面から０．１ｍｍ
までのＣ＋Ｎ量が１．０〜２．０％の範囲であることを
特徴とする浸炭窒化軸受用鋼。
【請求項２】請求項１に記載の合金組成に加え、Ｎｉ：３．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下、Ｃｕ：１．０％以下のうち、１種または２種以上を含む
ことを特徴とする、請求項１に記載の浸炭窒化軸受用
鋼。
【請求項３】浸炭窒化もしくは浸炭浸窒焼入焼戻し
後の表面残留オーステナイト量が体積％で４０〜６５％
であり、かつ表面から５０μｍ深さのビッカース硬さが
４００から７００である請求項１または２に記載の浸炭
窒化軸受用鋼。