JP3241436B2 - 加工性に優れた軸受用鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ころ軸受、玉軸受など
の軸受に用いられる加工性および転動疲労寿命特性に優
れた軸受用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】転がり軸受には、機械構造用炭素鋼、機
械構造用合金鋼あるいは高炭素クロム鋼が用いられてお
り、特に自動車、産業機械などに用いられる軸受には、
高炭素クロム軸受鋼（SUJ 2)が最も多く利用されてい
る。これは、浸漬焼入により転がり軸受に必要な強度を
得ることが可能であり、浸炭焼入あるいは高周波焼入に
比べて品質が安定しているといった利点のためである。
しかし、SUJ 2 はC :0.95〜 1.10 重量%(以下% と略す)
、Cr:1.30 〜1.60% 含有しているのでコスト高であ
り、さらに硬質であるため加工する場合は球状化焼鈍が
不可欠であった。

【０００３】これに対し、特開平2-54739 号公報には、
C :0.45 〜0.80% ， Si:0.10〜2.00% ，Mn:0.20 〜2.00
% ， P :0.015%以下，S :0.015% 以下，Cr:2.0% 以下，
Al:0.015〜0.060%，Ti:0.020% 以下，N :0.003〜0.020
%，O :0.015% 以下のように全 C量を低減した軸受鋼が
提案されている。全C 量を減少することによって加工性
の良好な軸受用鋼が得られ、球状化焼鈍が省略できるよ
うになった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の技術により確か
に加工性は改善されたが、転動疲労寿命は高炭素クロム
鋼SUJ 2 と同程度であり、またC を下げた代わりに高価
な合金元素を添加する必要が生じ、コスト高となる問題
があった。本発明は、上記問題点を有利に解決するた
め、転動疲労寿命、加工性が優れ、かつ安価な軸受用鋼
の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点に
鑑みてなされたものであり、発明者らが広範な研究を行
った結果、Si、Mn、S を最適範囲に限定し、Ti、B を適
量添加することによりC 、Crを低減して、加工性を改善
すると同時に転動疲労寿命を向上できることを見出し、
その知見にもとづいてなされたものである。

【０００６】すなわち第一発明は、重量比にして、C :
0.45 〜 0.80%、Si:0.45 〜2.00% 、Mn :0.45〜2.00%
、Ｓ：0.025%以下、Cr :0.50% 以下、Ti :0.0020% 超
0.010%以下、B :0.0005 〜0.0100% を含み、残部Feおよ
びその他不可避的不純物からなることを特徴とする加工
性に優れた軸受用鋼である。次に第二発明は、重量比に
して、C :0.45 〜 0.80%、Si:0.45 〜2.00% 、Mn :0.45
〜2.00% 、Ｓ：0.025%以下、Cr :0.50% 以下、Ti :0.00
20% 超0.010%以下、B :0.0005 〜0.0100% を含み、さら
にMo:0.10 〜 1.00%、V :0.05 〜0.50% 、Nb:0.05〜0.5
0%:、W :0.05 〜 0.50%、Ni:0.10 〜 1.00%、Cu:0.05
〜0.50% のうち選ばれた１種あるいは２種以上を含有
し、残部Feおよびその他不可避的不純物からなることを
特徴とする加工性に優れた軸受用鋼である。

【０００７】

【作用】本発明における成分、組成範囲限定の理由につ
いて詳述する。 C :0.45 〜 0.80% C は基地に固溶し、マルテンサイトを強化させ、転動疲
労寿命を向上させる。0.45% 以下では、十分な転動疲労
寿命特性が得られないので、下限を0.45% とした。一
方、 0.80%を越えて添加すると巨大な炭化物が生成し、
転動疲労寿命を低下させるほか、その巨大炭化物消散の
ために長時間の拡散焼鈍が必要となり生産性が低下す
る。よって、上限を0.80% とした。

【０００８】Si:0.45 〜2.00% Siは鋼の溶製時脱酸剤として作用するほか、基地に固溶
し転動疲労寿命を向上させる目的で添加する。この作用
は0.45% 以上で顕著であるので、下限を0.45%とした。
しかし、2.00% を越えると被削性を著しく劣化させるこ
とから、上限を2.00% とした。

【０００９】Mn:0.45 〜2.00% Mnは鋼の焼き入れ性を向上させることによって基地マル
テンサイトの靱性を高め、転動疲労寿命を向上させる。
0.45% 未満では十分な転動疲労寿命特性が得られないの
で、下限を0.45% とした。一方、2.00% を越えると被切
削性を著しく劣化させる。よって、上限を2.00% とし
た。

【００１０】 Ｓ：0.025%以下 Ｓは鋼の被切削性を向上させる目的で積極的に添加す
る。しかし、0.025%を越えて添加すると鍛造性を劣化さ
せるので、上限を0.025%とした。 Cr：0.50% 以下 Crは炭化物の球状化を促進させるほか、基地に固溶させ
転動疲労寿命を向上させる。しかし、0.50% を越えて添
加しても目立った効果は得られず、かえってコスト高に
なる。さらに、鋼の溶製時 Cと結合して巨大炭化物が生
成し、転動疲労寿命を低下させるほか、その消散のため
長時間の拡散焼鈍が必要となり生産性が低下する。よっ
て、上限を0.50% とした。

【００１１】 Ti：0.0020 %超0.010%以下 Tiは Nと結合し、B の焼入性増大による転動疲労寿命の
向上を有効に作用させる目的で0.0020 %超添加する。し
かし、0.010%を越えて添加すると窒化物が粗大化し、か
えって転動疲労寿命を低下させる。よって、Tiの上限を
0.010%とした。 Ｂ：0.0005〜0.0100% Ｂは被削性を向上させるとともに、鋼の焼入性を向上さ
せることにより基地マルテンサイトの強度を高め、鋼の
転動疲労寿命を向上させる目的で添加する。0.0005% 未
満では十分な効果が得られないことから、下限を0.0005
% とした。しかし、0.0100% を越えて添加すると熱間鍛
造性を低下させることから、上限を0.0100% とした。

【００１２】上記、C 、Si、Mn、S 、Cr、Ti、B の各限
定量をもって本発明の基本成分とするが、さらにMo、V
、Nb、W 、Ni、Cuのうち選ばれた１種あるいは２種以
上を添加することにより、本発明の目的をより有効に達
成することができる。その限定理由は次の通りである。 Mo:0.10 〜 1.00%、Ni:0.1 〜1.00% 、Cu :0.05〜0.50
% Mo、Ni、Cuは焼入性を増大し、鋼の転動疲労寿命を向上
させる目的で添加する。しかし、Mo、Cuが多すぎる場合
には鋼の鍛造性を低下し、Niが多すぎる場合には残留γ
を多量に生成し、鋼材硬度を低下させ転動疲労寿命を低
下させる。よって、Moの下限を0.1%、上限を1.0%、Niの
下限を0.10% 、上限を1.00% 、Cuの下限を0.05% 、上限
を0.50% とした。

【００１３】 V :0.05 〜 0.50%、Nb:0.05 〜0.50% 、W :0.05〜0.50
% V 、Nb、W は鋼中のC と結合し、耐磨耗性を向上させる
とともに、結晶粒を微細化し転動疲労寿命、靱性を向上
させる目的で添加する。しかし、いずれの元素も多すぎ
る場合には炭化物が高温で安定化し、鋼材硬度を低下さ
せ転動疲労寿命を低下させるとともに、鋼の鍛造性を低
下させる。よって、V 、Nb、W の下限を0.05% 、上限を
0.50% とした。

【００１４】その他、快削性を要求されるときは、Pb、
Ca、Bi、REM などを添加してもかまわない。

【００１５】

【実施例】表１に示す化学組成を有する鋼材を転炉にて
溶製し、150mm 角ビレットに分塊圧延した後、65mmφの
棒鋼に圧延した。この棒鋼より冷間鍛造試験片ならびに
転動疲労寿命試験片を切削加工し採取した。なお、鋼材
No.1および3 、5 の一部については棒鋼を球状化焼鈍
後、冷間鍛造試験片ならびに転動疲労寿命試験片を切削
加工し採取した。

【００１６】

【表１】

【００１７】冷間鍛造試験は、10mmφX15mm の鍛造試験
片により完全拘束の状態で圧縮率:50% における変形抵
抗ならびに50〜80% における割れ発生率を測定した。変
形抵抗については、SUJ 2 (鋼材No.1) を１として評価
を行った。転動疲労寿命試験は、12mmφX22mm の円筒状
試験片を焼入、焼戻した後、円筒型転動疲労寿命試験機
によりヘルツ最大接触応力: 600kgf/mm²、繰り返し応力
数: 約46500cpmの条件で試験を行った。この時、鋼材N
o.4、5 の一部は、15kHz で高周波焼入焼戻しを行い、
同様の試験を行った。結果はワイブル分布に従うものと
して確率紙上にまとめ、鋼材No.1のＢ₁₀寿命（累積破損
確率：10% における、剥離発生までの繰り返し応力数）
を１として評価を行った。

【００１８】

【表２】

【００１９】評価試験の結果を、表２に示す。表２にお
いて、C 含有量が本発明範囲より低いNo.15 、Siの低い
No.17 、Mnの低いNo.18 ならびにB の低いNo.21 比較材
の変形抵抗は、No.1従来材の0.6 〜0.8 倍であり、さら
に鍛造割れは圧縮率80% まで発生しておらず、鍛造性は
優れている。しかし、転動疲労寿命はNo.1従来材の0.7
〜0.9 倍であり、若干劣っている。

【００２０】C 含有量の高いNo.16 比較材は、転動疲労
寿命こそNo.1従来材の5.4 倍と優れているものの、変形
抵抗はNo.1従来材の1.2 倍、鍛造割れは圧縮率: 70% で
30%、80% で80% 発生しており、実用上問題がある。一
方、S 含有量の高いNo.19 比較材は、変形抵抗はNo.1従
来材に比べて転動疲労寿命は3.8 倍、変形抵抗は0.8 倍
と優れている。しかし、圧縮率50% においてすでに10%
、80% では90% のものに鍛造割れが発生しており、加
工性が優れているとはいいがたい。

【００２１】さらに、Ti含有量が高いNo.20 比較材は、
変形抵抗こそNo.1従来材の0.8 倍と低減されてはいるも
のの、鍛造割れは圧縮率:60%で10% 、70% で30% 、 80%
で70% 発生しており、転動疲労寿命もNo.1従来材の0.8
倍と劣っている。これに対し、No．2 〜14本発明材の変
形抵抗はNo.1従来材の0.6 〜0.9 倍と低く、なかでも鍛
造試験前に球状化焼鈍を行ったものはいずれも0.6 倍に
改善される。鍛造割れは圧縮率:70%で０〜20％の発生率
であり、圧縮率:80%では、発生率が20〜30％、鍛造試験
前に球状化焼鈍を行ったものでは発生率が10％まで低減
される。転動疲労寿命は、No.1従来材の5.6 〜8.1 倍優
れており、なかでも高周波焼入を行った場合ではNo.1従
来材の7.8 〜8.0 倍と良好な結果が得られる。

【００２２】さらに、本実施例に示すごとくMo、V 、N
b、W 、Ni、Cuの１種または２種以上の添加は、鍛造性
を劣化させることなく転動疲労寿命を向上させることか
ら、その使用目的に応じて自由な組合わせを行うことが
可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、上記実施例からも明らかなよ
うに、成分組成を限定することによって鍛造性と転動疲
労寿命に優れた軸受用鋼であり、また球状化焼鈍も不要
なため生産性もきわめて優れている。また、C 、Crの低
減による合金コストの低減と、従来鍛造時に形成する共
晶炭化物の消散を目的として行われていた拡散焼鈍が不
要となり、大幅なコストの低減が達成された。

【００２４】また、鍛造割れの発生する限界の圧縮率が
高くなっていることから、各部の圧縮率の異なる、複雑
な形状をした転動体部品としても用いることができる。
さらに、Mo、V 、Nb、W 、Ni、Cuの添加による焼入性の
増大、転動疲労寿命の向上が可能であることから、ハブ
などの自動車部品の高強度化、長寿命化に有効である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 昭三郎 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株 式会社 技術研究本部内 (56)参考文献 特開 平２−54739（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−255651（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にして、Ｃ:0.45 〜 0.80%、Si:
   0.45 〜2.00% 、Mn :0.45〜2.00% 、Ｓ：0.025%以下、C
   r :0.50% 以下、Ti :0.0020% 超0.010%以下、Ｂ:0.0005
   〜0.0100% を含み、残部Feおよびその他不可避的不純
   物からなることを特徴とする加工性に優れた軸受用鋼。
2. 【請求項２】 重量比にして、Ｃ:0.45 〜 0.80%、Si:
   0.45 〜2.00% 、Mn :0.45〜2.00% 、Ｓ：0.025%以下、C
   r :0.50% 以下、Ti :0.0020% 超0.010%以下、Ｂ:0.0005
   〜0.0100% を含み、さらにMo:0.10 〜 1.00%、Ｖ:0.05
   〜0.50% 、Nb:0.05〜0.50%:、Ｗ:0.05 〜 0.50%、Ni:
   0.10 〜 1.00%、Cu:0.05 〜0.50% のうち選ばれた 1種
   あるいは 2種以上を含有し、残部Feおよびその他不可避
   的不純物からなることを特徴とする加工性に優れた軸受
   用鋼。