JPWO2012032819A1 - 耐食性に優れた軸受鋼と、軸受部品及び精密機器部品 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の耐食性に優れた軸受鋼は、直動運動案内システム用のレールとキャリッジ、ボールねじ、XYテーブル、回転運動する転がり軸受、すべり軸受、鋼球などの軸受部品全般及び軸受け機能を備える精密機器部品全般に利用可能なものである。
日本工業規格(JIS)で規格したマルテンサイト系ステンレス鋼は、Crを11.5質量%以上含有する鋼である。特に、軸受用のSUS440は、Cを0.6質量%以上、Crを16質量%以上含有する。
このようなCrを多量に含む鋼は、高価であるばかりでなく、焼入れ性が極めてよいので、鋳造から棒鋼又は線材までの製造工程において、置き割れの防止、剪断性の確保などのために、加熱−加工後に徐冷することが必要となる。
また、Crを多量に含む鋼は、熱間延性が低いことや、焼入れ温度が高いことから、部品製造性が悪く、その結果、最終部品の価格が非常に高くなる。
このような、従来鋼の課題を解決するため、SUS440より低合金で、冷間加工性に優れ、かつ、必要な耐食性と転動疲労強さを備える鋼が開発されてきた。
例えば、特許文献1には、Cを0.75〜0.85質量%、Crを8.0〜10.5質量%含有し、平均炭化物間の距離が0.45〜1.00μmの耐食性軸受鋼が開示されている。
また、特許文献2には、Cを0.25〜0.50質量%、Crを10〜16質量%、Siを1.0質量%以上含有し、C/Crが大きい、被削性に優れた高耐食高強度マルテンサイト系ステンレス鋼が開示されている。
一方、フェライト系ステンレス鋼については、例えば、特許文献3に、13〜22質量%のCrに加え、0.001〜1質量%のSnを添加した耐食性と加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献3の鋼は、CrとNiを含有するSUS304と同等以上の耐食性と、優れた加工性を備えている。
特許文献4には、10〜25質量%のCrとともに、0.05〜2質量%のSnを含有する高温強度に優れたフェライト系ステンレス鋼が開示されている。特許文献4の鋼において、Snは、高温強度の向上も担っている。
さらに、耐食性に優れ、かつ、十分な転動疲労特性を備えるマルテンサイト系ステンレス鋼が抱える課題、即ち、(a)Cr量が多いので合金コストが高い、及び、(b)焼入れ性が極めてよいので、鋼塊、鋼片、及び、棒鋼又は線材の製造工程で、徐冷して軟質化し、剪断性の低下や遅れ破壊を防止する必要があるという課題を解決する手法として、Cr量を低減することが、特許文献5に開示されている。
特許文献5の軸受鋼においては、Crを、従来のステンレス鋼よりも大幅に低減しつつ、欠陥として働く第二相を形成する合金成分、特に、S、Al、Ti、及び、Nを制限して耐孔食腐食性を高め、さらに、Moの低減、及び、Si、V、及び、Nbの添加により、焼入れ性を低減して、素材の製造性を高めている。
しかし、特許文献5の軸受鋼において、非焼入れ部位における耐食性の低下は避けられない。Cr量が少ない耐食鋼は、穏やかな腐食環境において使用する耐食鋼であるが、使用寿命の確保の観点から、非焼入れ部の耐食性の向上が強く要求されている。
特許文献6には、Cu:0.2〜0.5質量%、かつ、Sn:0.03〜0.30質量%を含有し、用途の一つが軸受の鋼材を、表面温度1150〜1250℃で熱間圧延し、表面疵の発生を防止することが開示されている。しかし、特許文献6に、上記鋼材を軸受鋼として使用した場合の特性は記載されていない。
しかし、Cを0.3質量%以上含有する軸受鋼の非焼入れ部の組織は、フェライト、パーライト、及び、ベイナイトが混在する組織となり、パーライト及びベイナイトには、焼戻しマルテンサイトと異なり、粗大な炭化物が析出するので、上記軸受鋼の非焼入れ部の耐食性は低下する。
それ故、軸受部品の非焼入れ部では錆が発生し易く、そして、発生した錆が、焼入れした転動面に侵入して、転動面が損傷する恐れがある。
本発明においては、従来のCr量の少ない耐食性軸受部品(以下「低Cr耐食性軸受部品」ということがある。)の耐食性、特に、非焼入れ部の耐食性を向上させるため、軸受鋼にSnを添加するが、その際、熱間加工性の低下が課題となる。
本発明者らは、Sn添加に伴う熱間加工性の低下を最小限に留める成分組成を鋭意検討した。その結果、所要の熱間加工性を確保し、かつ、耐食性を高めることができる成分組成を見いだした。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は、以下の通りである。
(1)質量%で、C:0.3〜0.6%、Si:0.25〜1.50%、Mn:0.2〜0.7%、Cr:3.0〜7.0%、Sn:0.05〜1.00%、Ni:0.01〜2.00%、S:0.002〜0.020%、及び、Al:0.005〜0.040%、Cu:0.0005〜0.10%、N:0.02%以下、及び、O:0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、かつ、%Sn、%Cu、及び、%Niが、下記式を満足することを特徴とする耐食性に優れた軸受鋼。
−0.194≦0.12×%Sn+%Cu−0.1×%Ni
≦0.150
(2)前記軸受鋼が、さらに、質量%で、Nb:0.01〜0.10%、V:0.01〜0.10%の1種又は2種を含有することを特徴とする前記(1)に記載の耐食性に優れた軸受鋼。
(3)前記軸受鋼が、さらに、質量%で、Mo:0.01〜0.50%を含有することを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の耐食性に優れた軸受鋼。
(4)前記(1)〜(3)のいずれかに記載の耐食性に優れた軸受鋼を部品形状に加工し、転動面に高周波焼入れを施したことを特徴とする軸受部品。
(5)前記(1)〜(3)のいずれかに記載の耐食性に優れた軸受鋼を部品形状に加工し、摺動面に高周波焼入れを施したことを特徴とする精密機器部品。
本発明者らは、従来の低Cr耐食軸受部品の耐食性、特に、非焼入れ部の耐食性を高めるため、素材となる軸受鋼にSnを添加すると、熱間加工性が低下するという課題を解決する手法を、成分組成の観点から鋭意研究した。
その結果、本発明者らは、熱間加工性の低下を最小限に留め得る成分組成を見いだした。
まず、本発明の耐食性に優れた軸受鋼(以下「本発明鋼」ということがある。)の成分組成の限定理由について説明する。以下、成分組成に係る%は質量%を意味する。
C:Cは、焼入れ、焼戻しにより、表面硬さHRC52以上を得、転動疲労強さを高めるため、0.3%以上を添加する。好ましくは0.4%以上である。一方、0.6%を超えると、素材硬さが過度に高くなり、機械加工が難しくなるので、0.6%以下とする。好ましくは0.5%以下である。
Si:Siは、フェライト変態を促進し、素材である棒鋼又は線材の製造時に、棒鋼又は線材を軟質化するので、0.25%以上を添加する。好ましくは0.40%以上である。一方、1.50%を超えると、冷間及び熱間での変形抵抗が高くなり、加工性が低下するので、1.50%以下とする。好ましく1.00%以下である。
Mn:Mnは、Sと結合して、被削性を向上させるMnSを析出させる。MnSを充分に析出させるため、0.2%以上を添加する。好ましくは0.4%以上である。
また、Mnは焼入れ性を高める元素であり、多量に添加すると、棒鋼又は線材の圧延後の組織にベイナイトが生じて、硬さが必要以上に高くなり、圧延後、冷却床で曲がりが発生したり、剪断ができなくなる。
それ故、圧延組織をフェライト・パーライトとし、曲がりや剪断不能を回避するため、Mnは0.7%以下とする。好ましくは0.6%以下である。
Cr:Crは、大気環境、又は、穏やかな腐食環境で最低限の耐食性を得るため、3.0%以上を添加する。好ましくは4.0%以上である。
Crが多いほど耐孔食腐食性は向上するが、過剰に添加すると、合金コストが上昇するので、7.0%以下とする。好ましくは6.0%以下である。
Sn:Snは、Crと同様に、鋼材表面で酸化物を形成して耐食性を高める元素である。本発明鋼では、Snの添加で耐食性の向上を図るため、0.05%以上を添加する。好ましくは0.10%以上である。
一方、Snは、熱間加工性を低下させ、鋼材の高温加工時、割れや疵の発生原因となる元素である。特に、SnとCuが共存すると、鋼材の高温延性が著しく低下して、高温加工時に、割れや疵が発生する。
Sn添加により、耐食性の向上を図るが、所要の熱間加工性と製造性を確保するため、1.00%以下とする。好ましくは0.70%以下である。
Ni:Niは、熱間加工時に割れや、疵の発生を抑制するため、0.01%以上を添加する。好ましくは0.05%以上である。
また、Niは、Crと同様に、耐食性を高めるが、2.00%を超えると、焼鈍後の硬さが上昇し、加工性が低下するので、2.00%以下とする。
確実に圧延後の硬さを低減するためには、1.00%以下が好ましい。
S:Sは、硫化物を形成して熱間加工性を低下させ、また、硫化物が孔食腐食の優先的発生起点となるので、0.020%以下とする。好ましくは0.010%以下である。
一方、Sは、機械加工性を向上させる元素でもあるので、所要の機械加工性を確保するため、0.002%以上を添加する。好ましくは0.005%以上である。
Al:Alは、製鋼時の脱酸剤として必須の元素である。鋼を充分に脱酸し、軸受部品の転動疲労特性を向上させるため、0.005%以上を添加する。好ましくは0.008%以上である。
しかし、鋼中に、脱酸生成物として残存する酸化物は孔食腐食の発生起点となるので、Alは0.040%以下とする。好ましくは0.030%以下である。
Cu:Cuは、熱間加工性を低下させる元素である。特に、Snを添加する本発明鋼においては、極力、低減する必要があるので、上限を0.10%とする。好ましくは0.06%以下である。
鋼原料から、不可避的に0.0005%程度の混入は避けられないので、下限を0.0005%とする。なお、0.001%以上の含有は許容される。
N:Nは、不可避的に存在して窒化物を形成する元素である。粗大な窒化物は孔食腐食の発生起点となるので、0.02%以下とする。好ましくは0.01%以下である。
下限は0%を含むが、Nを0.001%以下に低減することは、製造コストの急増を招くので、0.001%が実質的な下限である。
O:Oは、不可避的に存在し、酸化物を形成する元素である。酸化物は、窒化物と同様に、孔食腐食の発生起点となり、また、軸受部品の転動負荷時に破壊起点となり、転動疲労寿命を低下させる。それ故、Oは、0.0015%以下とする。
特に、軸受部品において高寿命が必要な場合は、0.0010%以下にする。好ましくは0.0006%以下である。下限は0%を含むが、Oを0.0001%以下に低減することは、製造コストの急増を招くので、0.0001%が実質的な下限である。
本発明鋼は、上記成分の他、Nb及びVの1種又は2種、及び/又は、Moを含有してもよい。
Nb及びV:Nb及びVは、炭窒化物として析出し、棒鋼や線材の圧延時に、オーステナイトを微細化する。オーステナイトの微細化により、圧延後のフェライト・パーライト変態が促進され、硬質なベイナイトやマルテンサイトへの変態が防止される。
その結果、圧延鋼材の曲がりが防止され、また、軟質化されることによって、剪断性が向上する。
オーステナイトを微細化するため、Nb、Vのいずれも0.01%以上を添加する。好ましくは、いずれも0.03%以上である。一方、0.10%を超えると、析出強化作用により、圧延材の硬さが上昇するので、いずれも0.10%以下とする。好ましくは、いずれも0.07%以下である。
Mo:Moは、耐孔食腐食性を高める元素である。耐孔食腐食性を高めるため、0.01%以上を添加する。好ましくは0.04%以上である。
Moは、鋼の焼入れ性を大きく向上させる元素でもあり、多量に添加すると、圧延後の鋼組織に、ベイナイトやマルテンサイトが生成して、冷却床での曲がりや、剪断不能が生じるので、0.50%以下とする。
確実にベイナイト、マルテンサイトの生成を阻止するには、0.30%以下が好ましい。より好ましくは0.10%以下である。
本発明鋼は、上記成分の他、本発明鋼の特性を損なわない範囲で、P、Ca、Mg、Te、Hf、Zr、及び、Ceの1種又は2種以上を含有してもよい。
Pは、鋼中に不可避的不純物として存在するが、0.05%以下であれば、熱間加工性や、耐食性に特段影響しない。
Ca、Mg、Te、Hf、Zr、及び、Ceは、硫化物の微細化などの目的に応じて、10ppm程度の微量を添加してもよい。これらの元素は、割れや疵の発生原因となる酸化物を形成するので、多量の添加は避けるのが望ましい。
−0.194≦0.12×%Sn+%Cu−0.1×%Ni
≦0.150:
耐食性を高めるSnは、一方で、熱間加工性を低下させる元素である。それ故、耐食性を高めるが、熱間加工性を低下させるSn、熱間加工性を低下させるCu、及び、熱間加工性を高めるNiとの量的バランスは、耐食性と熱間加工性の両立を図るうえで、極めて重要である。
本発明者らは、Sn、Cu、及び、Niの量的バランスを適正範囲に維持し、耐食性と熱間加工性の両立を図るため、下記式で定義する指標Ciを導入した。
Ci=0.12×%Sn+%Cu−0.1×%Ni
上記指標は、Sn及びCuが熱間加工性の低下に寄与する程度、及び、Niが熱間加工性の向上に寄与する程度を、多くの試験結果に基づいて係数で表示し、Sn、Cu、及び、Niを含有する本発明鋼の耐食性と熱間加工性を両立させる観点から、Sn、Cu、及び、Niの添加効果を総合的に評価する指標である。
Ciが、0.150を超えると、工業的生産に適う熱間加工性を確保できないので、上限を0.150とする。好ましくは0.120以下、より好ましくは0.080以下である。
一方、Ciが、−0.194未満であると、工業的生産に適う熱間加工性を確保できても、所要の耐食性を確保できないので、下限を、−0.194とする。好ましくは、−0.100以上、より好ましくは、−0.050以上である。
即ち、Sn、Cu、及び、Niの含有量(質量%)が、上記式を満たすとき、本発明鋼は、所要の耐食性を備えるともに、工業的生産に適う熱間加工性を備えるものとなる。その結果、本発明鋼の熱間圧延時、及び、部品への熱間成形時に、割れや、疵の発生を防止することができる。
実際の鋼材製造工程では、鋳片を分塊圧延する工程があり、分塊圧延での加工性、即ち、分塊圧延での割れと疵の発生が問題となる。
鋳片の熱間加工性は、一般に、鋼片の熱間加工性よりも劣るので、本発明鋼では、熱間加工性を、分塊圧延を模擬した条件のもとで、Ciを変えて評価し、素材とする棒鋼又は線材を圧延する時の割れ、及び、圧延後の疵を防止するSn、Cu、及び、Niの含有量(質量%)を決定する。
0.5%C−0.2%Si−0.5%Mn−0.02%P−0.005%S−7%Cr−0.02%Al−0.012%N−残部Fe及び不可避不純物を基本組成とし、2.0%以下のSn、1.0%以下のCu、及び、2.0%以下のNiを種々の組合せで含有する供試鋼を真空溶解し、15kgのインゴットに鋳造して、熱間加工性を評価した。
インゴットを切削して、断面80mm角の試験材を作製し、中心部に熱電対を取り付けた。80mm角の試験材を1050℃の電気炉に装入し、試験材の中心部が1045℃に達してから30分後に取り出し、表面温度が1000℃となった時点で圧延を開始した。
圧延は3パス連続で行い、厚さ80mmを、順次、64mm、51mm、41mmとし、その後、空冷した。
空冷後、試験材の断面を切り出して表面疵を観察した。疵は、深さ60μm未満を“疵なし”と判定し、深さ60〜100μmを“疵軽微”と判定し、深さ100μm超を“疵あり”と判定した。なお、圧延途中で試験材が割れた場合は、割れた時点で圧延を中断した。
以上の試験結果を図1に示す。Ciが0.150を超える軸受鋼においては、工業的生産に適う熱間加工性を確保できず、深さ100μm超の疵が発生することが解る。
一方、Ciが0.150以下の本発明鋼においては、疵が発生せず、Ciが0.120以下であれば、疵が全く発生しないことが解る。
疵が発生しない本発明鋼を軸受部品又は精密機器部品に適用する場合、部品形状に加工した後、転動面又は摺動面に高周波焼入れを施す。その結果、疲労特性に優れ、長寿命の軸受部品及び精密機器部品を得ることができる。
本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
(実施例)
最初に、鋳片の熱間加工性を評価した。表1に示す成分組成の鋼を16kg真空溶解して鋳造したインゴットを切削して、熱間加工性の試験に供する、断面80mm角の四角柱形状の試験材を作製した。
圧延は3パス連続で行い、厚さ80mmを、順次、64mm、51mm、41mmとし、その後、空冷した。
空冷後、圧延方向と平行に中心線上で、試験材を切断し、中央部の断面30mm長さについて表面疵を観察した。
疵は、深さ60μm未満を“疵なし”と判定し、深さ60〜100μmを“疵軽微”と判定し、深さ100μm超を“疵あり”と判定した。なお、圧延途中で試験材が割れた場合は、割れた時点で試験を中断した。判定結果を表2に示す。
続いて、圧延した発明鋼の全部と、割れ・疵が発生しなかった比較鋼のNo.17、21〜25、及び、26(従来鋼)について、以下の腐食試験を行った。
圧延した試験材から、圧延方向と平行な方向において、直径30mm×200mmの丸棒を切り出して試験片とした。上記試験片の表面に高周波焼入れを施した後、長さ方向の中央部で切断した。切断面を#800のサンドペーパーで仕上げ、この仕上げ面を試験面とした。
耐食性は、JIS C0028に基づき、低温サイクルなしの温湿潤サイクル試験(24時間/サイクル)による発銹の発錆状態で評価した。発銹状態を評価した結果を表2に併せて示す。
表2において、○印は、微少な孔食腐食が試験面全体で5個以下の発錆状態を示し、△印は、孔食腐食が5〜25個で軽微な発生状態を示し、×印は、孔食腐食が25個を超える発銹状態を表す。
従来鋼のNo.26(従来鋼)は、Crを10.0%含有する鋼であり(表1、参照)、その耐食性は、本発明鋼の耐食性を評価する基準となるが、表2に示すように、8サイクル以降、急速に腐食が進行して、本発明鋼の耐食性より劣る結果となっている。
一方、本発明鋼の非焼入れ部は、8サイクルで発銹が始まるものがあっても、従来鋼No.26と比較すると、いずれも軽微な発銹で止まっている。
比較鋼のNo.17は、Sが0.050%と多く(表1、参照)、4サイクル目から発銹状態が×となっている。比較鋼のNo.21は、Mnが本発明の範囲を外れて高いものである。Mnが多くても、耐食性に大きく影響しないが、圧延材の組織に硬質なベイナイトやマルテンサイトが混在し易くなり、圧延後の剪断性や遅れ破壊特性が劣化する。
比較鋼のNo.22は、S量が多いことに加え、Snが無添加で(表1、参照)、4サイクル目から多数の錆が認められた。比較鋼のNo.23は、Snが無添加で、また、O量が多く、耐発錆性は、発明鋼及び基準となるNo.26(従来鋼)より劣っている。
比較鋼のNo.24は、N量が多く、耐発錆性に劣っている。また、比較鋼のNo.24は、C量は少なすぎて、軸受鋼として必要な焼入れ硬さが得られていない。比較鋼のNo.25は、Snが無添加であり、発錆量が発明鋼や基準となるNo.26(従来鋼)よりも多い。
比較鋼のNo.26は、従来の低Cr耐食鋼であり、被削性を重視するため、S量が0.015%を超えており、また、N量も多い。そのため、No.26(従来鋼)の耐食性は、Cr量が本発明鋼より多いのにもかかわらず、耐食性が本発明鋼よりも劣っている。
本発明は、直動運動案内システム用のレールとキャリッジ、ボールねじ、XYテーブル、回転運動する転がり軸受、すべり軸受、鋼球などの軸受部品全般及び軸受け機能を備える精密機器部品全般に利用可能であるので、産業上の利用可能性が高いものである。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.3〜0.6%、Si:0.25〜1.50%、Mn:0.2〜0.7%、Cr:3.0〜7.0%、Sn:0.05〜1.00%、Ni:0.01〜2.00%、S:0.002〜0.020%、及び、Al:0.005〜0.040%、Cu:0.0005〜0.10%、N:0.02%以下、及び、O:0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、かつ、%Sn、%Cu、及び、%Niが、下記式を満足することを特徴とする耐食性に優れた軸受鋼。
−0.194≦0.12×%Sn+%Cu−0.1×%Ni
≦0.150 - 前記軸受鋼が、さらに、質量%で、Nb:0.01〜0.10%、V:0.01〜0.10%の1種又は2種を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐食性に優れた軸受鋼。
- 前記軸受鋼が、さらに、質量%で、Mo:0.01〜0.50%を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の耐食性に優れた軸受鋼。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐食性に優れた軸受鋼を部品形状に加工し、転動面に高周波焼入れを施したことを特徴とする軸受部品。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐食性に優れた軸受鋼を部品形状に加工し、摺動面に高周波焼入れを施したことを特徴とする精密機器部品。
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