JPWO2015105186A1 - 軸受部品、軸受部品用鋼材及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年1月10日に、日本に出願された特願2014−3338号及び2014年4月16日に、日本に出願された特願2014−84952に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
特許文献1にて開示されている軸受部品は、鋼中に、C、Mn、Ni又はMoを含有させ、マルテンサイト変態開始温度(Ms点)を下げることで、残留オーステナイトの量を確保している。しかし、残留オーステナイトの量を確保するために、Mnの鋼への添加量を増加させると、鋼材の焼入れ性が高くなる。その結果、熱間圧延後の冷却時に、マルテンサイトなどの過冷組織が生成し、熱間圧延線材の加工性や延性、靭性が低下する。
しかしながら、特許文献4にて開示されている方法は、球状化熱処理の処理時間を短縮するものではない。
(2)上記(1)に記載の軸受部品では、前記化学成分が、質量%で、Mo:0.01%〜0.25%、B:0.0001%〜0.0050%、Cu:0.1%〜1.0%、Ni:1.0%〜3.0%、Ca:0.0001%〜0.0015%の1種以上を含有してもよい。
(3)本発明の一実施態様に係る軸受部品用鋼材は、化学成分が、質量%で、C:0.95%〜1.10%、Si:0.10%〜0.70%、Mn:0.20%〜1.20%、Cr:0.90%〜1.60%、Al:0.010%〜0.100%、N:0.003%〜0.030%を含有し、S:0.025%以下、P:0.025%以下、O:0.0010%以下に制限し、任意に、Mo:0.25%以下、B:0.0050%以下、Cu:1.0%以下、Ni:3.0%以下、Ca:0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなり、金属組織が、球状セメンタイト及びフェライトを含み、前記金属組織において、粒径が0.5μm〜3.0μmの前記球状セメンタイトの個数密度が2.0×106個/mm2以上である。
(4)上記(3)に記載の軸受部品用鋼材では、前記化学成分が、質量%で、Mo:0.01%〜0.25%、B:0.0001%〜0.0050%、Cu:0.1%〜1.0%、Ni:1.0%〜3.0%、Ca:0.0001%〜0.0015%の1種以上を含有してもよい。
(5)本発明の一実施態様に係る軸受部品用鋼材の製造方法は、上記(3)または(4)に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;を有する。ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式1より算出される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式1)
(6)本発明の一実施態様に係る軸受部品の製造方法は、上記(1)または(2)に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;前記球状化熱処理工程後の前記軸受部品用鋼材を、粗成形する成形工程と;前記成形工程後の前記軸受部品用鋼材を、800℃〜890℃に加熱して、焼入れ処理を行う焼入れ処理工程と;前記焼入れ処理工程後の前記軸受部品用鋼材に、250℃以下で焼戻し処理を行う焼戻し工程と;前記焼戻し処理工程後の前記軸受部品用鋼材に仕上加工を施して軸受部品を得る仕上工程とをを有する。ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式2より算出される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式2)
まず、パーライト組織の熱間圧延線材(パーライト鋼)を伸線加工することによって、加工ひずみを導入する。次に、伸線加工後の熱間圧延線材に対して、従来よりも低温で球状化熱処理を施す。この球状化熱処理によって、球状セメンタイトを微細分散させることができることがわかった。そして、球状セメンタイトを微細分散させることで、球状化熱処理後の軸受部品用鋼材に対して、焼入れ処理後の旧オーステナイトの平均粒径を微細化できることがわかった。
また、本発明者らは、軸受部品の旧オーステナイト平均粒径を6.0μm以下にすることによって、残留オーステナイトの量が18%〜25%に制御されることを見出した。
なお、旧オーステナイトの平均粒径は、次の方法により得られる。まず、軸受部品の長手方向の中心において、長手方向に垂直なC断面を研磨・腐食により、旧オーステナイト粒界を現出させる。次に、C断面の中心から半径3mmの範囲を中心部とし、その中心部を光学顕微鏡を用いて400倍の視野で撮影する。そして、撮影した画像からJIS G
0551に規定された計数方法により測定する。なお、サンプルごとに4視野ずつ測定し、得られた4視野の旧オーステナイト粒径の平均値を、旧オーステナイトの平均粒径とする。
図3に示すように、軸受部品用鋼材の球状セメンタイト(粒径が0.5μm〜3.0μm)の個数密度が2.0×106個/mm2以上の場合、焼入れ処理及び焼戻し処理後の、軸受部品の旧オーステナイトの平均粒径は微細化して、6.0μm以下となる。このように、軸受部品用鋼材の所定の大きさを有する球状セメンタイトの個数と、軸受部品の旧オーステナイト平均粒径とには、相関がある。
微細で硬質な球状セメンタイトは、鋼中に分散させると、軸受部品の強化に寄与する。そのため、所定の大きさの球状セメンタイトの個数密度が増加すると、軸受部品の転動疲労寿命や衝撃特性が向上する。本発明者らの検討の結果、球状セメンタイトの平均粒径を0.45μm以下とし、その個数密度を、0.45×106個/mm2以上にすることが重要であることがわかった。球状セメンタイトの個数密度が、0.45×106個/mm 2未満であると、軸受部品の転動疲労寿命は低下する。球状セメンタイトの個数密度は、より好ましくは、0.5×106個/mm2以上である。
また、軸受部品における、球状セメンタイトの平均粒径が0.45μmを超えると、疲労亀裂の発生や進展を促進させる。そのため、軸受部品における、球状セメンタイトの平均粒径を、0.45μm以下とすることが必要である。一方で、通常の操業条件を考慮すると、0.10μm未満にすることは困難である。
しかし、本発明者らは、焼入れ処理前の軸受部品用鋼材において粒径が0.5μm〜3.0μmの球状セメンタイト)の個数密度を、2.0×106個/mm2以上に増加させることによって、焼入れ処理後の軸受部品において、平均粒径が0.45μm以下の大きさを有する球状セメンタイトの個数密度を0.45×106個/mm2以上確保できることを見出した。
本実施形態に係る軸受部品の金属組織において、残留オーステナイトは、体積%で、18%〜25%である。マルテンサイト及び球状セメンタイトの合計は、体積率で、全体の体積から、残留オーステナイトを差し引いて、75%〜82%が好ましい。
C(炭素)は、強度を高める元素である。C含有量が0.95%未満では、軸受部品の強度及び異物混入環境下での転動疲労寿命を向上させることができない。一方、C含有量が1.10%を超えると、炭化物が粗大化し、また、残留オーステナイトの量が過多になり、軸受部品の硬さが低下するだけでなく、寸法の経年変化(経年劣化)が大きくなる。そのため、C含有量を0.95%〜1.10%とする。より確実に、転動疲労寿命の向上効果を得るために、C含有量は、0.96%〜1.05%であることが好ましい。さらに好ましくは、0.97%〜1.03%である。
Si(ケイ素)は、強度を高め、かつ、脱酸剤として機能する元素である。Si含有量が0.10%未満では、これらの効果を得ることが出来ない。一方、Si含有量が0.70%を超えると、鋼材中にSiO2系介在物が生じて、軸受部品の転動疲労寿命が低下する。そのため、Si含有量を0.10%〜0.70%とする。より確実に、転動疲労寿命を低下させないために、Si含有量は、0.12%〜0.56%であることが好ましい。さらに好ましくは、0.15%〜0.50%である。
Mn(マンガン)は、脱酸剤及び脱硫剤として機能する元素である。さらに、鋼の焼入れ性や残留オーステナイトの量を確保するために有用な元素である。Mn含有量が0.20%未満では、脱酸が不十分となってしまい、酸化物が生成して、軸受部品の転動疲労寿命が低下する。一方、Mn含有量が1.20%を超えると、熱間圧延後の冷却時にマルテンサイトなどの過冷組織が生じることによって、伸線加工時にボイドが生成する原因となる。さらに、Mn含有量が1.20%を超えると、残留オーステナイトの量が過多となり、軸受部品の硬さが低下する。そのため、Mn含有量を0.20%〜1.20%とする。より確実に脱酸し、転動疲労寿命を低下させないために、Mn含有量は0.21%〜1.15%であることが好ましい。さらに好ましくは、0.25%〜1.00%である。
Cr(クロム)は、鋼材の焼入れ性を向上させる元素である。さらに、炭化物の球状化を促進させ、かつ、炭化物量も増加させる極めて有効な元素である。Cr含有量が0.90%未満であると、オーステナイト中に固溶するC量が増加して、軸受部品において、残留オーステナイトが過剰に生成する。一方、Cr含有量が1.60%を超えると、焼入れ時に炭化物の溶解が抑制され、残留オーステナイトの量の低下や軸受部品の硬さの低下を招く。そのため、Cr含有量を0.90%〜1.60%とする。より確実に軸受部品の転動疲労寿命を向上させるために、Cr含有量は、0.91%〜1.55%であることが好ましい。さらに好ましくは、1.10%〜1.50%である。最も好ましくは、1.30%〜1.50%である。
Al(アルミニウム)は脱酸元素である。Al含有量が0.010%未満であると、脱酸が不十分となり、酸化物が析出することによって、軸受部品の転動疲労寿命が低下する。一方、Al含有量が0.100%を超えると、AlO系介在物が発生し、軸受部品用鋼材の伸線加工性の低下や軸受部品の転動疲労寿命が低下する。そのため、Al含有量を0.010%〜0.100%とする。より確実に転動疲労寿命を低下させないために、Al含有量は、0.015%〜0.078%であることが好ましい。さらに好ましくは、0.018%〜0.050%である。
Nは、AlやBと窒化物を形成する。これらの窒化物は、ピン止め粒子として機能して結晶粒を細粒化する。それゆえ、N(窒素)は結晶粒の粗大化を抑制する元素である。N含有量が0.003%未満であると、この効果を得ることができない。一方、N含有量が0.030%を超えると、粗大な介在物が生成して、転動疲労寿命が低下する。そのため、N含有量を0.003%〜0.030%とする。より確実に転動疲労寿命を低下させないために、N含有量は、0.005%〜0.029%が好ましい。さらに好ましくは、0.009%〜0.020%である。
P(リン)は不可避的に含有される不純物である。P含有量が0.025%を超えると、オーステナイト粒界に偏析して、オーステナイト粒界を脆化させて、軸受部品の転動疲労寿命を低下させる。そのため、P含有量を0.025%以下に制限する。より確実に転動疲労寿命を低下させないために、P含有量を0.020%以下、さらに0.015%以下に制限してもよい。また、P含有量は少ないほど望ましいので、上記制限範囲に0%が含まれる。ただし、P含有量を0%にするのは、技術的に容易ではない。そのため、製鋼コストの観点から、P含有量の下限値は0.001%としてもよい。通常の操業条件を考慮すると、P含有量は、0.004%〜0.012%が好ましい。
S(硫黄)は不可避的に含有される不純物である。S含有量が0.025%を超えると、粗大なMnSが形成され、軸受部品の転動疲労寿命を低下させる。そのため、S含有量を0.025%以下に制限する。より確実に転動疲労寿命を低下させないために、S含有量を0.020%以下、さらに0.015%以下に制限してもよい。S含有量は少ないほど望ましいので、上記制限範囲に0%が含まれる。ただし、S含有量を0%にするのは、技術的に容易ではない。そのため、製鋼コストの観点から、S含有量の下限値は0.001%としてもよい。通常の操業条件を考慮すると、S含有量は、0.003%〜0.011%が好ましい。
O(酸素)は不可避的に含有される不純物である。O含有量が0.0010%を超えると、酸化物系介在物が形成されて、軸受部品の転動疲労寿命が低下する。そのため、O含有量を0.0010%以下に制限する。O含有量は少ないほど望ましいので、上記制限範囲に0%が含まれる。ただし、O含有量を0%にするのは、技術的に容易ではない。そのため、製鋼コストの観点から、O含有量の下限値は0.0001%としてもよい。通常の操業条件を考慮すると、O含有量は、0.0005%〜0.0010%が好ましい。
以下に、これら成分の好ましい範囲とその理由とについて説明する。ここで、記載する%は、質量%である。
Moは、焼入れ性を向上させる元素である。また、焼入れを施した鋼材の粒界強度を高めて、靭性を向上させる作用を有する。より確実に、焼入れ性と靭性とを確保したい場合には、Mo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。しかしながら、Mo含有量が0.25%を超えると、これらの効果は飽和する。そのため、Mo含有量は、0.01%〜0.25%が好ましい。より好ましくは、Mo含有量は、0.01%〜0.23%である。さらに好ましくは、0.10%〜0.23%である。
Bは、微量で焼入れ性を向上させる元素である。また、焼入れ時のオーステナイト粒界におけるPやSの偏析を抑制する効果も有する。このような効果を得たい場合には、B含有量を0.0001%以上とすることが好ましい。しかしながら、B含有量が0.0050%を超えると、これらの効果は飽和する。そのため、B含有量は、0.0001%〜0.0050%が好ましい。より好ましくは、B含有量は、0.0003%〜0.0050%である。さらに好ましくは、0.0005%〜0.0025%であり、最も好ましくは、0.0010%〜0.0025%である。
Cuは、焼入れ性を向上させる元素である。より確実に焼入れ性を確保したい場合には、Cu含有量を0.05%以上とすることが好ましい。しかしながら、Cu含有量が1.0%を超えると、この効果が飽和し、さらに熱間加工性が低下する。そのため、Cu含有量は、0.05%〜1.0%が好ましい。より好ましくは、Cu含有量は、0.10%〜0.50%である。さらに好ましくは、0.19%〜0.31%である。
Niは、焼入れ性を向上させる元素である。また、焼入れを施した鋼材の靭性を向上させる作用を有する。より確実に焼入れ性と靭性とを確保したい場合には、Ni含有量を0.05%以上とすることが好ましい。しかしながら、Ni含有量が3.0%を超えると、この効果は飽和する。そのため、Ni含有量は、0.05%〜3.0%が好ましい。より好ましくは、Ni含有量は、0.10%〜1.5%である。さらに好ましくは、0.21%〜1.2%である。最も好ましくは、0.21%〜1.0%である。
Caは、硫化物中に固溶しCaSを形成し、硫化物を微細化させる元素である。硫化物の微細化により、転動疲労寿命をさらに向上させたい場合には、Ca含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。しかしながら、Ca含有量が0.0015%を超えると、この効果が飽和する。さらに、酸化物系介在物が粗大化することによって、転動疲労寿命の低下を招く。そのため、Ca含有量は、0.0003%〜0.0015%が好ましい。より好ましくは、Ca含有量は、0.0003%〜0.0011%である。さらに好ましくは、0.0005%〜0.0011%である。
本実施形態に係る軸受部品の金属組織は、残留オーステナイト、球状セメンタイト及びマルテンサイトである。
そのうち、残留オーステナイトの量は、体積%で、18%〜25%である。異物混入環境下であっても、転動疲労寿命を向上させるためには、残留オーステナイト量を18%〜25%とし、球状セメンタイトの平均粒径を0.45μm以下とし、球状セメンタイトの個数密度を0.45×106個/mm2以上とする必要がある。球状セメンタイトの個数密度は、好ましくは0.5×106個/mm2以上とする。なお、球状セメンタイトの個数密度の上限は、特に限定されないが、製造上の制約及び転動疲労寿命を確保する観点から、1.0×106個/mm2が好ましい。また、球状セメンタイトの平均粒径は過剰に微細化にしても、疲労寿命を向上させる効果は小さく、製造が困難となる。そのため、軸受部品における、球状セメンタイトの平均粒径は、好ましくは、0.25μm以上とする。つまり、本実施形態に係る軸受部品の、球状セメンタイトの好ましい平均粒径は、0.25μm〜0.45μmである。
なお、球状セメンタイトの平均粒径は、次の方法により得られる。まず、軸受部品の長手方向の中心において、長手方向に垂直な断面(C断面)で切断する。このC断面の中心から半径3mmの範囲を中心部とし、その中心部をSEMを用いて2000倍の視野で撮影する。そして、撮影した画像からトレーシングシートなどを使用して、球状セメンタイトを映して、そのシートを画像解析することで、セメンタイトの粒径を測定した。なお、サンプルごとに4視野ずつ測定し、得られた4視野の球状セメンタイト粒径の平均値を、球状セメンタイトの平均粒径とする。
また、残留オーステナイトの量を確保するため、本実施形態に係る軸受部品の、旧オーステナイトの平均粒径を6.0μm以下とする。旧オーステナイトの平均粒径が6.0μmを超えると、必要とする残留オーステナイトの量が得られない。一方で、軸受部品における、旧オーステナイトの平均粒径を3.0μm以下に微細化するためには、製造負荷を高くしなければならない。そのため、軸受部品における、旧オーステナイトの平均粒径は、好ましくは3.0μm以上とする。つまり、本実施形態に係る軸受部品の、旧オーステナイトの平均粒径は、3.0μm〜6.0μmが好ましい。
本実施形態に係る軸受部品用鋼材の金属組織は、球状セメンタイト及びフェライトを含む。このうち、粒径が0.5μm〜3.0μmの球状セメンタイトの個数密度は、2.0×106個/mm2以上である。軸受部品用鋼材において、所定の大きさの球状セメンタイトの個数密度が2.0×106個/mm2未満になると、焼入れ及び焼戻し処理後の軸受部品の球状セメンタイトが減少し、軸受部品の転動疲労寿命が低下する。なお、球状セメンタイトの個数密度の上限は、特に限定されないが、製造上の制約及び転動疲労寿命を確保する観点から、5.0×106個/mm2が好ましい。
熱間圧延線材は、軸受部品と同一の化学組成を有する。そして、パーライトと、面積率で、5%以下の初析セメンタイトとからなる組織を有することが好ましい。金属組織中に、マルテンサイトなどの過冷組織が存在すると、伸線加工時に均一に変形することができず、断線の要因となることがある。そのため、熱間圧延線材の組織は、マルテンサイトを有さず、主としてパーライトを有することが、好ましい。
また、パーライトブロックの大きさは延性と非常に強い相関関係がある。つまり、パーライトを微細化することによって、伸線加工性が向上する。そのため、パーライトブロックの平均粒径(円相当径)を15μm以下とすることが好ましい。パーライトブロックの平均粒径が、15μmを超えると、伸線加工性の向上効果が得られない場合がある。一方、パーライトブロック粒径を1μm以下とすることは、工業的に難しい場合がある。そのため、パーライトブロック粒径は、1μm〜15μmとすることが好ましい。より好ましくは、1μm〜10μmである。
パーライトブロックの平均粒径(円相当径)は、電子後方散乱回折装置(EBSD)を用いて測定することができる。
初析セメンタイトの面積率及び厚さは、SEM観察によって測定することができる。
次に、本実施形態に係る軸受部品及び軸受部品用鋼材の好ましい製造方法について説明する。
なお、以下に説明する軸受部品の製造方法、その素材となる軸受部品用鋼材、その軸受部品用鋼材の素材となる熱間圧延線材の製造方法は、本発明の軸受部品を得るための一例であり、以下の手順及び方法で限定するものではなく、本発明の構成を実現できる方法であれば、如何なる方法をも採用することも可能である。
例えば、常法で成分組成を調整した鋼を溶製、鋳造し、必要に応じてソーキング処理、分塊圧延を施し、鋼片とする。次に、得られた鋼片を加熱し、熱間圧延を施す。そして、リング状に巻き取った後、冷却する。
以上の工程を経て、本実施形態に係る軸受部品用鋼材の素材となる熱間圧延線材は、製造することができる。
また、必要に応じて、鋳造工程後の鋳片に対して施す、ソーキング処理(均熱拡散処理)は、鋳造などで発生する偏析を軽減させるための熱処理である。これらの工程を経て得られた鋼片は、一般的にビレットと呼ばれる。
なお、ソーキング処理の加熱温度は1100℃〜1200℃が好ましい。また、保持時間は10時間〜20時間が好ましい。
仕上圧延温度を850℃以下とすることにより、初析セメンタイトを分散して析出させることにより、初析セメンタイト厚さを低下させることができ、かつ、変態時のパーライトの核生成サイトを増加させて、パーライトブロックを微細化することができる。より好ましい仕上圧延温度は、800℃以下である。一方、仕上圧延温度が650℃未満であると、パーライトブロックを微細化させることができない場合がある。したがって、仕上圧延温度は650℃以上が好ましい。
熱間圧延中の鋼片の温度は、放射温度計によって測定することができる。
軸受部品用鋼材の素材となる、熱間圧延工程を経た鋼材、すなわち仕上圧延後の鋼材は、一般的に熱間圧延線材と呼ばれる。
巻取工程における、巻取温度が高いと、オーステナイトが粒成長し、パーライトブロックが粗大になることがある。そのため、巻取温度は、800℃以下が好ましい。より好ましい巻取温度は、770℃以下である。一方、巻取温度が650℃未満であると、断線が発生する場合がある。したがって、巻取温度は650℃以上が好ましい。
なお、熱間圧延工程終了後に、必要に応じて冷却を行う、巻取前冷却工程を有してもよい。
600℃までの冷却速度は、0.5℃/s〜3.0℃/sとすることが好ましい。
圧延線材を巻取り後、600℃まで冷却すると、パーライトへの変態が完了する。巻取り後の冷却速度は、オーステナイトからパーライトへの変態に影響する場合がある。そのため、マルテンサイトやベイナイトなどの過冷組織の析出を抑制するために、巻取り後の冷却速度は3.0℃/s以下が好ましい。より好ましくは、2.3℃/s以下である。一方、巻取り後の冷却速度は、初析セメンタイトの析出にも影響する場合がある。そのため、初析セメンタイトの過剰な析出や粗大化を抑制するために、巻取り後の冷却速度は0.5℃/s以上とすることが好ましい。より好ましくは、0.8℃/s以上である。
その後、得られた軸受部品用鋼材を成形した後、焼入れ処理、焼戻し処理を行って軸受部品を得る。
総減面率が50%未満であると、軸受部品用鋼材において、所定量の残留オーステナイトを確保できず、また、セメンタイトの球状化が不十分となって、軸受部品の旧オーステナイトを微細化することが出来ない場合がある。一方、総減面率が97%を超えると、伸線加工時に断線が発生する虞がある。そのため、総減面率は、50%〜97%とすることが好ましい。
750℃以上またはA1−5℃超の高温で球状化熱処理を行うと、軸受部品用鋼材の球状セメンタイトの個数密度が低下する。さらに、軸受部品用鋼材において、オーステナイトへの変態が生じるため、線径の変化が大きくなることがある。そのため、好ましくは、750℃またはA1−5℃のどちらか低い温度以下で加熱する。
一方、伸線加工後の球状化熱処理の加熱温度が650℃より低いと、軸受部品用鋼材において、セメンタイトの球状化が不十分となり、パーライトのままで残存する。そのため、焼入れ時に、オーステナイト粒径が粗大化し、硬さが上昇して、軸受部品の加工性が低下する恐れがある。したがって、伸線加工後の球状化熱処理の加熱温度は、650℃以上が好ましい。
すなわち、球状化熱処理の加熱温度は、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い温度以下である。
なお、A1とは、A1変態が開始する温度であり、単位は摂氏温度(℃)である。また、A1は、下記の式1より化学成分を基に、簡易的に算出することができる。
なお、式中の[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式1)
また、球状化熱処理において、上記温度にて、0.5〜5時間保持する。保持時間が0.5時間未満の場合は、球状化が十分ではなく、5時間を超えると、所定の球状セメンタイトの個数密度が低下する場合がある。
また、焼入れ処理における保持時間は、0.5〜2時間が好ましい。保持時間が0.5時間未満の場合は、セメンタイトのオーステナイト固溶が十分ではなく、2時間を超えると、セメンタイトが分解し、Cがオーステナイトへ過剰に固溶し、軸受部品における残留オーステナイトが増加したり、旧オーステナイトの平均粒径が粗大化したりする可能性がある。
また、焼戻し処理における保持時間は、0.5〜3時間が好ましい。保持時間が0.5時間未満の場合は、軸受部品の靱性が確保できない場合があり、3時間を超えて、焼き戻しを行っても、特性に変化はなく、生産性が低下するだけである。
この焼戻し処理後の、軸受部品用鋼材に仕上加工を施すことで、軸受部品が得られる。
通常の転動疲労寿命は、潤滑油のみで試験した。さらに、750Hv〜800Hvの硬さを有する、粒径100μm〜180μmの鉄粉を、潤滑油1Lに対して1g混入させた、異物混入環境下で転動疲労寿命を測定した。そして、測定した転動疲労寿命を、ワイブル統計処理により、累積破損確率10%の寿命を求めた。通常及び異物混入環境下での転動疲労寿命は、SUJ2と同成分であり、現行の製造方法で作製したB1の寿命を基準とし、表2−1及び表2−2にはその寿命に対する比で表わした。
本発明例において、軸受部品用鋼材の金属組織は、いずれも球状セメンタイト及びフェライトとからなっていた。また、軸受部品の金属組織は、いずれも球状セメンタイト及びマルテンサイトとからなっていた。
一方、A20〜A38、B1、B2は比較例である。A20〜A38、B1、B2は、本発明で規定する化学組成及び軸受部品の組織の何れかまたは両方を満足していないため、転動疲労寿命が、従来と同等、もしくは、従来よりも劣っていた。
2 球状セメンタイト
4 フェライト
5 球状セメンタイト
(2)上記(1)に記載の軸受部品では、前記化学成分が、質量%で、Mo:0.01%〜0.25%、B:0.0001%〜0.0050%、Cu:0.05%〜1.0%、Ni:0.05%〜3.0%、Ca:0.0003%〜0.0015%の1種以上を含有してもよい。
(3)本発明の一実施態様に係る軸受部品用鋼材は、化学成分が、質量%で、C:0.95%〜1.10%、Si:0.10%〜0.70%、Mn:0.20%〜1.20%、Cr:0.90%〜1.60%、Al:0.010%〜0.100%、N:0.003%〜0.030%を含有し、S:0.025%以下、P:0.025%以下、O:0.0010%以下に制限し、任意に、Mo:0.25%以下、B:0.0050%以下、Cu:1.0%以下、Ni:3.0%以下、Ca:0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなり、金属組織が、球状セメンタイト及びフェライトを含み、前記金属組織において、粒径が0.5μm〜3.0μmの前記球状セメンタイトの個数密度が2.0×106個/mm2以上である。
(4)上記(3)に記載の軸受部品用鋼材では、前記化学成分が、質量%で、Mo:0.01%〜0.25%、B:0.0001%〜0.0050%、Cu:0.05%〜1.0%、Ni:0.05%〜3.0%、Ca:0.0003%〜0.0015%の1種以上を含有してもよい。
(5)本発明の一実施態様に係る軸受部品用鋼材の製造方法は、上記(3)または(4)に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;を有する。ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式1より算出される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式1)
(6)本発明の一実施態様に係る軸受部品の製造方法は、上記(1)または(2)に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;前記球状化熱処理工程後の前記軸受部品用鋼材を、粗成形する成形工程と;前記成形工程後の前記軸受部品用鋼材を、800℃〜890℃に加熱して、焼入れ処理を行う焼入れ処理工程と;前記焼入れ処理工程後の前記軸受部品用鋼材に、250℃以下で焼戻し処理を行う焼戻し工程と;前記焼戻し処理工程後の前記軸受部品用鋼材に仕上加工を施して軸受部品を得る仕上工程とを有する。ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式2より算出される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式2)
しかし、本発明者らは、焼入れ処理前の軸受部品用鋼材において粒径が0.5μm〜3.0μmの球状セメンタイトの個数密度を、2.0×106個/mm2以上に増加させることによって、焼入れ処理後の軸受部品において、平均粒径が0.45μm以下の大きさを有する球状セメンタイトの個数密度を0.45×106個/mm2以上確保できることを見出した。
本実施形態に係る軸受部品の金属組織において、残留オーステナイトは、体積%で、18%〜25%である。マルテンサイト及び球状セメンタイトの合計は、体積率で、全体の体積から、残留オーステナイトを差し引いて、75%〜82%が好ましい。
以下に、これら成分の好ましい範囲とその理由とについて説明する。ここで、記載する%は、質量%である。
熱間圧延線材は、軸受部品と同一の化学組成を有する。そして、パーライトと、面積率で、5%以下の初析セメンタイトとからなる組織を有することが好ましい。金属組織中に、マルテンサイトなどの過冷組織が存在すると、伸線加工時に均一に変形することができず、断線の要因となることがある。そのため、熱間圧延線材の組織は、マルテンサイトを有さず、主としてパーライトを有することが、好ましい。
また、パーライトブロックの大きさは延性と非常に強い相関関係がある。つまり、パーライトを微細化することによって、伸線加工性が向上する。そのため、パーライトブロックの平均粒径(円相当径)を15μm以下とすることが好ましい。パーライトブロックの平均粒径が、15μmを超えると、伸線加工性の向上効果が得られない場合がある。一方、パーライトブロックの平均粒径を1μm以下とすることは、工業的に難しい場合がある。そのため、パーライトブロックの平均粒径は、1μm〜15μmとすることが好ましい。より好ましくは、1μm〜10μmである。
パーライトブロックの平均粒径(円相当径)は、電子後方散乱回折装置(EBSD)を用いて測定することができる。
本発明例において、軸受部品用鋼材の金属組織は、いずれも球状セメンタイト及びフェライトとからなっていた。また、軸受部品の金属組織は、いずれも残留オーステナイト、球状セメンタイト及びマルテンサイトとからなっていた。
一方、A20〜A38、B1、B2は比較例である。A20〜A38、B1、B2は、本発明で規定する化学組成及び軸受部品の組織の何れかまたは両方を満足していないため、転動疲労寿命が、従来と同等、もしくは、従来よりも劣っていた。
(2)上記(1)に記載の軸受部品では、前記化学成分が、質量%で、Mo:0.01%〜0.25%、B:0.0001%〜0.0050%、Cu:0.05%〜1.0%、Ni:0.05%〜3.0%、Ca:0.0003%〜0.0015%の1種以上を含有してもよい。
(3)本発明の一実施態様に係る軸受部品用鋼材は、化学成分が、質量%で、C:0.95%〜1.10%、Si:0.10%〜0.70%、Mn:0.20%〜1.20%、Cr:0.90%〜1.60%、Al:0.010%〜0.100%、N:0.003%〜0.030%を含有し、S:0.025%以下、P:0.025%以下、O:0.0010%以下に制限し、任意に、Mo:0.25%以下、B:0.0050%以下、Cu:1.0%以下、Ni:3.0%以下、Ca:0.0015%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなり、金属組織が、球状セメンタイト及びフェライトからなり、前記金属組織において、粒径が0.5μm〜3.0μmの前記球状セメンタイトの個数密度が2.0×106個/mm2以上、3.24×10 6 個/mm 2 以下である。
(4)上記(3)に記載の軸受部品用鋼材では、前記化学成分が、質量%で、Mo:0.01%〜0.25%、B:0.0001%〜0.0050%、Cu:0.05%〜1.0%、Ni:0.05%〜3.0%、Ca:0.0003%〜0.0015%の1種以上を含有してもよい。
(5)上記(3)または(4)に記載の軸受部品用鋼材の製造方法は、上記(3)または(4)に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;を有する。ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式1より算出される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式1)
(6)上記(1)または(2)に記載の軸受部品の製造方法は、上記(1)または(2)に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;前記球状化熱処理工程後の前記軸受部品用鋼材を、粗成形する成形工程と;前記成形工程後の前記軸受部品用鋼材を、800℃〜890℃に加熱して、焼入れ処理を行う焼入れ処理工程と;前記焼入れ処理工程後の前記軸受部品用鋼材に、250℃以下で焼戻し処理を行う焼戻し工程と;前記焼戻し処理工程後の前記軸受部品用鋼材に仕上加工を施して軸受部品を得る仕上工程とを有する。ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式2より算出される。なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式2)
Claims (6)
- 化学成分が、質量%で
C:0.95%〜1.10%、
Si:0.10%〜0.70%、
Mn:0.20%〜1.20%、
Cr:0.90%〜1.60%、
Al:0.010%〜0.100%、
N:0.003%〜0.030%、
を含有し、
P:0.025%以下、
S:0.025%以下、
O:0.0010%以下
に制限し、任意に、
Mo:0.25%以下、
B:0.0050%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:3.0%以下、
Ca:0.0015%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
金属組織が、残留オーステナイト、球状セメンタイト及びマルテンサイトであり、前記残留オーステナイトの量が、体積%で、18%〜25%であり、かつ、前記金属組織において、旧オーステナイトの平均粒径が6.0μm以下であり、前記球状セメンタイトの平均粒径が0.45μm以下であり、かつ、前記球状セメンタイトの個数密度が0.45×106個/mm2以上である
ことを特徴とする軸受部品。 - 前記化学成分が、質量%で、
Mo:0.01%〜0.25%、
B :0.0001%〜0.0050%、
Cu:0.1%〜1.0%、
Ni:1.0%〜3.0%、
Ca:0.0001%〜0.0015%
の1種以上を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の軸受部品。 - 化学成分が、質量%で
C:0.95%〜1.10%、
Si:0.10%〜0.70%、
Mn:0.20%〜1.20%、
Cr:0.90%〜1.60%、
Al:0.010%〜0.100%、
N:0.003%〜0.030%、
を含有し、
S:0.025%以下、
P:0.025%以下、
O:0.0010%以下
に制限し、任意に、
Mo:0.25%以下、
B:0.0050%以下、
Cu:1.0%以下、
Ni:3.0%以下、
Ca:0.0015%以下
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
金属組織が、球状セメンタイト及びフェライトを含み、前記金属組織において、粒径が0.5μm〜3.0μmの前記球状セメンタイトの個数密度が2.0×106個/mm2以上である
ことを特徴とする軸受部品用鋼材。 - 前記化学成分が、質量%で、
Mo:0.01%〜0.25%、
B:0.0001%〜0.0050%、
Cu:0.1%〜1.0%、
Ni:1.0%〜3.0%、
Ca:0.0001%〜0.0015%
の1種以上を含有する
ことを特徴とする請求項3に記載の軸受部品用鋼材。 - 請求項3または4に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;
前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;
前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;
前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;
前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;
前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;
前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;を有する
ことを特徴とする軸受部品用鋼材の製造方法。
ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式1より算出される。
なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式1) - 請求項1または2に記載の化学成分からなる鋼片を得る鋳造工程と;
前記鋼片を900℃〜1300℃の温度に加熱する加熱工程と;
前記加熱工程後の前記鋼片に、850℃以下の仕上圧延温度で、熱間圧延を施して、熱間圧延線材を得る熱間圧延工程と;
前記熱間圧延工程後の前記熱間圧延線材を、800℃以下の巻取温度で巻き取る巻取工程と;
前記巻取工程後に3.0℃/秒以下の冷却速度で、前記熱間圧延線材を600℃まで冷却し、前記熱間圧延線材の組織をパーライトとする冷却工程と;
前記冷却工程後の前記熱間圧延線材に、総減面率50%以上で伸線加工を施す伸線加工工程と;
前記伸線加工工程後の前記熱間圧延線材に、650℃以上、750℃もしくはA1−5℃のどちらか低い方の温度以下で、0.5〜5時間保持する球状化熱処理を行い、軸受部品用鋼材を得る球状化熱処理工程と;
前記球状化熱処理工程後の前記軸受部品用鋼材を、粗成形する成形工程と;
前記成形工程後の前記軸受部品用鋼材を、800℃〜890℃に加熱して、焼入れ処理を行う焼入れ処理工程と;
前記焼入れ処理工程後の前記軸受部品用鋼材に、250℃以下で焼戻し処理を行う焼戻し工程と;
前記焼戻し処理工程後の前記軸受部品用鋼材に仕上加工を施して軸受部品を得る仕上工程と;を有する
ことを特徴とする軸受部品の製造方法。
ここで、A1とはA1変態が開始する温度を前記化学成分から予測した値であり、下記の式2より算出される。
なお、[C]、[Si]、[Mn]、[Cu]、[Ni]、[Cr]、[Mo]、[Al]及び[B]は、質量%で、前記熱間圧延線材中のC含有量、Si含有量、Mn含有量、Cu含有量、Ni含有量、Cr含有量、Mo含有量、Al含有量及びB含有量である。
A1=750.8−26.6×[C]+17.6×[Si]−11.6×[Mn]−22.9×[Cu]−23.0×[Ni]+24.1×[Cr]+22.5×[Mo]−169.4×[Al]−894.7×[B] (式2)
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