JP2010265487A

JP2010265487A - マルテンサイト系ステンレス鋼および転がり軸受

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Publication number: JP2010265487A
Application number: JP2009115158A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; 廣志山田
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】表面硬さがＨＶ１４００以上、内部硬さがＨＶ６５０以上を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】成分が、重量比で、Ｃを０．３５〜０．４５％の範囲、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．２％以下の範囲、Ｐを０．０１％以下の範囲、Ｓを０．０１％以下の範囲、Ｃｒを１５．５〜１６．５％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００１５％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐食性および耐摩耗性に優れた高強度を有する転がり軸受用のマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。

従来、ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼は、硬さが高いため軸受や刃物等に使用されている。ところで、同様に高い硬さが求められる転がり軸受にあっては、耐摩耗性を上げるために窒化処理を施す場合がある。この種の転がり軸受用ステンレス鋼は、特許文献１で知られている。

また、上記ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼に焼き入れ・焼き戻しを施してから、さらに表面硬さを上げて耐摩耗性の向上を図るために、窒化処理を施す場合がある。この時、表層の硬さは約ＨＶ９００程度であるので、転がり軸受の転動体（ボール）に窒化ケイ素を用いた場合には、外輪および内輪の摩耗が大きくなる場合がある。これを避けるために、外輪および内輪も窒化ケイ素とすると、非常に高価なものとなり、製品化が難しくなる。

窒化処理の手法としては、プラズマ窒化法、ガス窒化法などある。ガス軟窒化またはプラズマ窒化を行う場合は６００℃付近の温度で行われるが、この温度で処理すると、焼き戻し温度よりかなり高くなるため、内部の硬さがＨＶ３００程度まで低下してしまう。この程度まで軟化してしまうと、転動体から受ける高い接触応力によって転がり軸受の内輪および外輪の各部材が圧壊してしまう場合がある。

そこで、より低い温度で窒化処理を行うために、フッ化処理を行った後に窒化処理を行う方法（例えばエア・ウォーター社のＮＶ窒化処理）が特許文献２で知られている。また、転がり軸受の部材にＮＶ窒化処理を施した転がり軸受用ステンレス鋼は、表面硬さがＨＶ９００以上、内部硬さがＨＶ６００以上になることが、特許文献３〜５で知られている。

特許第３３２６９１２号公報特許第３４２８７７６号（特開平８−１９３２５６）特開２００１−７４０５３号公報特開２００１−１８７９１６号公報ＷＯ９８／４４２７０号公報

上記特許文献３〜５によると、表面硬さがＨＶ９００以上、内部硬さがＨＶ６００以上のステンレス鋼が得られるとされている。しかしながら、転がり軸受の転動体に窒化ケイ素のボールを用いた場合、より高い接触面圧に耐えられるように、現状では、最表面から深さ１０μｍまでの表面硬さはＨＶ１４００以上、また、深さ４０μｍまでの硬さはＨＶ１２００以上、さらに、それより内部のおける内部硬さはＨＶ６５０以上を有するマルテンサイト系ステンレス鋼が求められている。

よって本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、より高い表面硬さと適切な内部硬さを有するマルテンサイト系ステンレス鋼および転がり軸受を提供することを目的としている。

本発明者は上記目的を達成することのできるマルテンサイト系ステンレス鋼の開発を鋭意進めたところ、特定の範囲のＣに対して、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．２％以下の範囲、Ｐを０．０１％以下の範囲、Ｓを０．０１％以下の範囲、Ｃｒを１５．５〜１６．５％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼に、焼き入れ、サブゼロ処理、５００℃付近での高温焼き戻し処理を施すことにより、内部の硬さが増加し、さらに、ＮＶ窒化処理などを行うことにより、表面から深さ４０μｍまでの表面硬さがＨＶ１２００以上と高く、残留オーステナイト量や経年による寸法変化が少なく、腐食しやすい雰囲気で使用する軸受として好適な、マルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができることを見出した。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は上記知見に基づいてなされたものであり、成分が、重量比で、Ｃを０．３５〜０．４５％の範囲、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．２％以下の範囲、Ｐを０．０１％以下の範囲、Ｓを０．０１％以下の範囲、Ｃｒを１５．５〜１６．５％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００１５％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼によれば、Ｎは、焼き戻しの際にＣｒＮを析出させ、焼き戻しによる硬度の低下を防止する重要な元素である。また、０．００１〜０．００１５％の範囲のＢを含有させることで、強度の向上に有効で、かつ、焼き入れ性が高まり、ＢＮの析出による強度と靭性の向上効果がさらに大きく得られるマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することができる。

本発明の請求項２に記載した発明では、請求項１の発明において、成分として、さらに重量比で０．１８〜０．２２％の範囲のＷを含有させることで、強度と靭性をさらに向上させたマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することができる。

また、請求項３に記載した発明は、上記本発明のステンレス鋼を、フッ素ガスで活性化した後、４００〜６００℃、好ましくは４５０〜５５０℃で窒化処理してなることを特徴とする。

また、請求項４に記載した発明は、上記窒化処理後の、表面硬さがＨＶ１４００以上、内部の硬さがＨＶ６５０以上であることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼であり、表面および内部の硬さが、本発明の目的とする値を示している。

また、請求項５に記載した発明では、請求項１、２、３または４の発明のマルテンサイト系ステンレス鋼を軸受材料として用いることで、焼き入れ、サブゼロ処理、焼き戻し処理により、表面硬さＨＶ６５０以上が可能で、ＳＵＳ４４０Ｃよりも耐食性、冷間加工性および耐摩耗性に優れ、残留オーステナイト量や経年による寸法変化が少なく、腐食しやすい雰囲気での使用に好適な転がり軸受を提供することができる。

次に、本発明における化学成分（元素）の含有量等の根拠を説明する。なお、以下の％は重量比である。本発明は以下に挙げた成分の他の残部が、Ｆｅおよび不可避的に混入する不純物とされる。

・Ｃ（炭素）：０．３５〜０．４５％
Ｃはオーステナイト生成元素であって、多量に添加すると共晶炭化物を生成しやすく、割れが発生しやすいので、十分な耐食性が得られなくなるため、上限を０．４５％とした。また、十分な焼き入れ硬さを得るためにＣの下限は０．３５％とした。

・Ｓｉ（ケイ素）：０．２％以下
０．２％を超える量のＳｉを含有していると、靭性が著しく低下し、熱間加工性に有害になるので、Ｓｉは０．２％以下の範囲で含有させることとした。

・Ｍｎ（マンガン）：０．２％以下
Ｍｎはオーステナイト安定化元素であり、過度の添加は残留オーステナイト量を増加させるため、熱処理後の表面硬さを低下させるのみでなく、耐食性も害するほか、経年による寸法変化を起こしやすい。したがってＭｎの含有量は０．２％以下の範囲とした。

・Ｐ（リン）：０．０１％以下
Ｐは、結晶粒界に析出して冷間脆性を引き起こす成分であり、冷間脆性を避けるために含有量を０．０１％以下の範囲とした。

・Ｓ（硫黄）：０．０１％以下
Ｓは、耐食性を劣化させたり熱間加工性を害したりするので、含有量を０．０１％以下の範囲とした。

・Ｃｒ（クロム）：１５．５〜１６．５％
Ｃｒは、Ｍｎと同様にＮの固溶限を高め、また、耐食性を改善する効果を持つが、これは１３％以上添加された場合である。本発明ではＣを０．３５〜０．４５％と低めに規定したため、Ｃｒを増加し耐食性を低下させないよう下限を１５．５％とした。また、強固な不動態被膜を形成させるためと焼き入れ温度でのオーステナイト単相を確保するために上限は１６．５％とした。なお、１６．５％を超えて含有すると、Ｃｒ，Ｆｅの炭化物であるＭ_２３Ｃ_６型炭化物が生成し、熱処理後の表面硬さを低下させたり耐食性を劣化させたりしてしまう。

・Ｍｏ（モリブデン）：１．５〜２．５％
Ｍｏは、Ｃｒと同様にＮの固溶限を高め、また、耐食性を改善し、焼き入れ性を上げる効果を持つが、このような効果を得るためには１．５％以上の添加が必要である。また、過度の添加は靭性の低下を招くので、上限は２．５％とした。

・Ｎ（窒素）：０．１５〜０．２５％
Ｎは、マルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理後の表面硬さ・耐食性を向上させるのに非常に有効な元素であり、この効果を得るためには０．１５％以上、望ましくは、０．１８％以上を必要とする。また、大気溶解では、材料中にブロー（気泡）の発生がなく、実用に供し得るマルテンサイト系ステンレス鋼にするにはその固溶限界が０．２５％であるため、０．２５％を上限とした。

・Ｂ（ホウ素）：０．００１％〜０．００１５％
Ｂを添加するとＢＮが析出して強度の向上に有効で、かつ焼き入れ性を高めるが、この効果を得るためには０．００１％以上の添加が必要である。一方、過度の添加は靭性の低下を招くので、添加量の上限を０．００１５％とする。

以上が本発明の合金の必須成分であるが、これらの他に本発明の合金にはＷが含まれる場合もある。

・Ｗ（タングステン）：０．１８％〜０．２２％
Ｗは原子半径が大きいため、固溶強化元素として作用する。この作用を得るためには、０．１８％以上の添加が必要である。また、過度の添加は靭性の低下を招くので、添加量の上限を０．２２％とする。

本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は、表面硬さがＨＶ１４００以上、内部硬さがＨＶ６５０以上を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を提供することができる。また、耐食性および冷間加工性に優れているととともに、残留オーステナイト量が少なく経年による寸法変化が少なく、焼き入れおよびその後のサブゼロ処理で割れが発生することがないことから、熱処理後の表面硬さ、耐摩耗性および耐食性の点で高いレベルが要求される転がり軸受の材料としてきわめて有望である。

実施例のサブゼロ処理後の焼き戻し曲線であって、表面硬さと焼き戻し温度の関係を示す線図である。実施例の窒化処理後の硬さ分布を示す線図である。実施例で行った転動疲労試験に用いた転動疲労試験機を模式的に示す（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。

以下、本発明を実施例によって説明する。
１０ｋｇの高周波誘導炉を用いて、表１に示す化学成分（重量％）の各合金を溶解し、均質加熱後、固化させたインゴットを切断し、熱間鍛造にてφ２０の丸棒の試料を作製した。実施例１〜３は、Ｂ，Ｎを添加した材料であり、比較例１は、実施例１〜３の成分からＢを除いた材料である。また、比較例２，３は、それぞれＪＩＳ規格の鋼種であるＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｊ２である。なお、これら試料は、いずれも表１に示す化学成分以外に残部としてＦｅおよび不可避的に混入する不純物を含んでいる。

これら試料につき、１０７５℃で１時間保持後に水冷し、続いて、液体窒素中に投入するサブゼロ処理を行った。

（１）焼き戻し温度と表面硬さ
実施例１〜３および比較例１〜３の焼き入れ、サブゼロ処理後の焼き戻し曲線を図１に示す。図１で横軸は焼き戻し温度（℃）、縦軸は表面硬さ（ＨＶ）を表す。ここでは、いずれの実施例および比較例に対してもＮＶ窒化処理を施していない。表面硬さに対する焼き戻し温度の影響を調べるために、焼き戻し温度を１５０℃から８００℃まで変化させ、それぞれの焼き戻し温度ごとの試料を得た。表面硬さはＪＩＳ−Ｚ２２４４に規定されている「ビッカース硬さ試験−試験方法」によりビッカース硬さ計を用いて測定した。

図１によると、Ｎを０．２％程度添加した実施例１〜３および比較例１は、焼き戻し温度３００℃付近までの場合では表面硬さは下がるが、それ以上では、２次硬化によって表面硬さが増加し、５００℃付近で最大値をとる。これは、ＣｒＮの析出によるものと推測される。また、実施例１〜３は、Ｂの添加量が多いほど表面硬さが高くなることを示している。これは、ＢＮの析出によるものと推測される。

特に比較例１では、Ｎを０．２％添加したにもかかわらず初期の表面硬さが低い。これはＢを添加していないため、十分な焼き入れ性が得られなかったと考えられる。すなわち、Ｂを含有していないと十分な冷却速度が得られず、完全なマルテンサイト変態をしていない箇所が出てくるため、表面硬さが低いのである。比較例２はＮを含有せずとも初期硬さが高いが、これはＣの含有量が高いためである。また、Ｎを含まない比較例２，３は、二次硬化を示さず、５００℃付近で表面硬さがＨＶ３００以下になってしまう。

（２）窒化処理後の硬さ
次に、実施例１〜３および比較例１〜３につき、上記同様に焼き入れ・サブセロ処理・焼き戻し後、表層の酸素をフッ素置換した後、Ｎを拡散させるＮＶ窒化処理（前述のエア・ウォーター社の商品名）を５００℃で行った。この場合の試料表面から内部におよぶ硬さを測定した結果を、図２に示す。

図２によると、実施例および比較例のいずれも、表面硬さは表面から内部へ向かうにしたがって低下し、約８０μｍ以上の深さでは硬さがほぼ一定値になる。本発明では、このほぼ一定値の硬さを内部硬さとみなす。実施例１〜３および比較例１は、Ｎが添加されているため、ＣｒＮの析出により、内部硬さはＨＶ６５０以上となっている。また、実施例１〜３では、表面硬さはＨＶ１４００以上の高い値を示している。さらに、表面から深さ４０μｍまでの表面硬さもＨＶ１２００以上と高い値を示している。

表面硬さをＨＶ１４００以上で、深さ４０μｍまでの表面硬さもＨＶ１２００以上にするためには、Ｎの固溶限０．２５％を超えるＮを添加して、結晶格子をより大きく歪ませることにより可能となるが、通常の大気溶解では、０．２５％以上のＮを添加するとブローが発生してしまう。そこで、加圧ＥＳＲ炉などの特別な設備を用いれば多量のＮを添加することができるが、それでは材料のコストが大幅に増加してしまう。ところが本発明では、微量のＢを添加することにより、ＢＮが析出し、Ｎを０．２５％以上添加せずとも表面硬さがＨＶ１４００以上で、深さ４０μｍまでの表面硬さもＨＶ１２００以上となり、より耐摩耗性に優れた材料を得ることができるのである。

（３）転動疲労試験
実施例１〜３および比較例１〜３の材料から、φ１２ｍｍ×Ｌ２２ｍｍの円筒試験片をそれぞれ８本ずつ作製した。これら試験片を、１０５０℃で１時間保持後に水冷し、続いて５００℃でＮＶ窒化処理し、この後、転動疲労試験に供した。転動疲労試験は、図３に示す転動疲労試験機を用いて、接触面圧６ＧＰａ、回転数２３１３０ｒｐｍの条件で行った。相手玉は、直径３／４インチ（１９．０５ｍｍ）の鋼球を用いた。また潤滑油としてタービンオイル＃６８を用いた。

転動疲労試験結果は、ワイブル分布確率紙上にプロットし、１０％破損確率を示すＬ_１０寿命と、５０％破損確率を示すＬ_５０寿命を求め、転動疲労寿命を評価した。その結果

表２によると、実施例１〜３は、比較例１〜３に比べ高い転動疲労寿命を示している。比較例１は比較例中では最も高い寿命値であるが、いずれの実施例よりも低い寿命値を示している。これは、実施例と比較してＢが添加されていないため、焼き入れが不十分で、部分的にマルテンサイト変態していないためと考えられる。また、比較例２、３は実施例１〜３および比較例１に比べて低い寿命値を示しているが、これはＮもＢも添加されていないため、表面および内部の硬さが低いためと考えられる。

Claims

成分が、重量比で、Ｃを０．３５〜０．４５％の範囲、Ｓｉを０．２％以下の範囲、Ｍｎを０．２％以下の範囲、Ｐを０．０１％以下の範囲、Ｓを０．０１％以下の範囲、Ｃｒを１５．５〜１６．５％の範囲、Ｍｏを１．５〜２．５％の範囲、Ｂを０．００１〜０．００１５％の範囲、Ｎを０．１５〜０．２５％の範囲でそれぞれ含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼。
成分として、重量比でさらに０．１８〜０．２２％の範囲のＷを含有することを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
フッ素ガスで活性化された後、４００〜６００℃で窒化処理されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
前記窒化処理後の、表面硬さがＨＶ１４００以上、内部の硬さがＨＶ６５０以上であることを特徴とする請求項３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼。
内輪、外輪、転動体のうちの少なくとも１つを構成する材料が請求項１〜４のいずれかに記載のマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする転がり軸受。