JP3317516B2 - 軸受用鋼 - Google Patents

軸受用鋼

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ころ軸受、玉軸受の
ような転がり軸受に用いて好適な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】自動車ならびに産業機械等で用いられる
転がり軸受用鋼としては、高炭素クロム軸受鋼(JIS 規
格:SUJ 2)が最も多く利用されている。このSUJ 2
は、0.95〜1.10wt%(以下単に%で示す)のCを含有し
ていることから非常に硬質であるため、まず球状化焼鈍
を行って加工性を向上させた後、成形加工し、その後焼
入れ・焼戻し処理を施すことによって転がり軸受に必要
な硬さを確保している。ところでこの数回の熱処理時
に、素材表面のCと雰囲気ガスとが反応し、素材表面に
脱炭層と呼ばれる低C濃度領域が発生する。かかる低C
濃度領域は、転がり軸受の硬さ低下のみならず転動疲労
寿命劣化の原因となることから、球状化焼鈍または焼入
れ・焼戻し後に切削もしくは研削により脱炭層を除去す
るのが通例であり、そのため歩留りさらには生産性の低
下を余儀なくされていた。
【0003】上記したような脱炭層の形成を防止する手
法としては、熱処理時における雰囲気ガス中のカーボン
ポテンシャルをコントロールする方法や、球状化焼鈍の
初期段階に浸炭処理を施す方法(特開平2-54717号公報
参照)等が知られている。しかし、上記の各方法はいず
れも、熱処理中の雰囲気制御によるものであることか
ら、熱処理コストが嵩むだけでなく、材料の組成や熱処
理時間等に応じた適切なガス組成の設定という煩雑な操
作を必要とする難があった。
【0004】また球状化焼鈍は、長時間にわたることか
ら、脱炭層の増大を招き、それに伴い生産性も低下して
いるのが現状である。この点、特開平2-54739号公報に
おいて、C含有量を低減することにより、加工性が良好
でしかも球状化焼鈍の省略が可能な軸受用鋼が提案され
た。しかしこの軸受用鋼においても、焼入れ・焼戻し処
理を省略することはできないため、脱炭層の発生を完全
に回避することはできなかった。従って、現在、脱炭層
の形成を抑制することができる成分系の開発が強く要望
されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述した
現状に鑑み開発されたもので、熱処理時における脱炭層
の形成が極めて少ない軸受用鋼を提供することを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】さて発明者らは、上記の
目的を達成すべく、成分組成につき広範な研究を行っ
た。その結果、C、Si、MnおよびCrを特定範囲に制限し
た上でSbを適量添加することが、所期した目的の達成に
関し、極めて有効であることの知見を得た。この発明
は、正に上記の知見に立脚するものである。
【0007】すわわちこの発明は、 C:0.50〜0.77%、Si:0.10〜2.00%、 Mn:0.10〜2.00%、Cr:0.05〜0.30%、 Al:0.050%以下、O:0.0030%以下 を含み、かつ Sb:0.0010〜0.0150%、 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなること
を特徴とする軸受用鋼(第1発明)、上記第1発明に
おいて、さらに Mo:0.1〜1.0%、Ni:0.1〜1.0%、Cu:0.05〜0.50% のうちから選んだ1種または2種以上を含有してなる軸
受用鋼(第2発明)、上記第1発明において、さらに Nb:0.05〜0.50%、V:0.05〜0.50%、W:0.05〜0.50
% のうちから選んだ1種または2種以上を含有してなる軸
受用鋼(第3発明)、上記第1発明において、さらに Mo:0.1〜1.0%、Ni:0.1〜1.0%、Cu:0.05〜0.50% のうちから選んだ1種または2種以上と、 Nb:0.05〜0.50%、V:0.05〜0.50%、W:0.05〜0.50
% のうちから選んだ1種または2種以上とを含有してなる
軸受用鋼(第4発明)を、それぞれ要旨構成とするもの
である。
【0008】
【作用】以下、この発明において鋼の成分組成を上記の
範囲に限定した理由について説明する。 C:0.50〜0.77% Cは、基地に固溶しマルテンサイトを強化し、転動疲労
寿命を向上させる作用元素であるが、含有量が0.50%未
満ではその効果に乏しく、一方0.77%を超えて添加する
と巨大炭化物が生成して転動疲労寿命を低下させる他、
その消散のために長時間の拡散焼鈍が必要となり生産性
の低下を招くので、C量は0.50〜0.77%の範囲に限定し
た。
【0009】Si:0.10〜2.00% Siは、鋼の溶製時に脱酸剤として作用する他、基地に固
溶して焼き戻し軟化抵抗を高めると同時に転動疲労寿命
を向上させる有用元素である。しかしながら、含有量が
0.10%未満ではその効果が小さく、一方2.00%を超えて
添加すると被削性が著しく劣化するので、0.10〜2.00%
の範囲で含有させるものとした。
【0010】Mn:0.10〜2.00% Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることによって基地マル
テンサイトの靭性を高め、また転動疲労寿命の向上にも
有効に寄与する。しかし、含有量が0.30%未満ではその
添加効果に乏しく、一方2.00%を超えると被削性が著し
く劣化するので、Mn量は0.10〜2.00%の範囲とした。
【0011】Cr:0.05〜0.30% Crは、炭化物の球状化を促進させると共に、基地に固溶
させて転動疲労寿命の向上を図る目的で添加する。しか
し、0.30%を超えて添加しても転動疲労寿命はそれ以上
向上せず、むしろコスト高となり、しかも、鋼の溶製時
にCと結合して巨大炭化物を生成し、転動疲労寿命に悪
影響を及ぼす他、その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。それ故、Crは0.05〜0.
30の範囲で含有させるものとした。
【0012】Al:0.050 %以下 Alは、脱酸剤として添加するが、後述するOと結合して
硬質な酸化物系非金属介在物を形成し、転動疲労寿命の
劣化を招くことから、少ないほど好ましい。よってこの
発明では 0.050%以下で添加するものとした。
【0013】O:0.0030%以下 Oは、上述したとおり、Alと結合して硬質な酸化物系非
金属介在物を形成し、転動疲労寿命の劣化を招くことか
ら、極力低減することが望ましく、この発明では0.0030
%以下に抑制するものとした。
【0014】Sb:0.0010〜0.0150% Sbは、この発明において特に重要な元素であり、熱処理
時の鋼材表層部のCと雰囲気ガスとの反応を抑制して脱
炭層の発生を抑制する目的で積極的に添加する。かかる
作用は、含有量が0.0010%以上で顕著となるが、0.0150
%を超えて添加してもその効果は飽和に達し、むしろ熱
間加工性および靭性の劣化を招く。よってSbは、0.0010
〜0.0150%の範囲で含有させるものとした。
【0015】以上、基本成分について説明したが、この
発明では、さらにMo, Ni, Cuのうちから選んだ1種また
は2種以上、および/またはNb, V,Wのうちから選ん
だ1種または2種以上を添加することができる。上記各
元素の好適添加量範囲は次のとおりである。
【0016】Mo:0.1 〜1.0 %、Ni:0.1 〜1.0 %、C
u:0.05〜0.50% Mo、NiおよびCuはいずれも、焼入れ性を高め、鋼の転動
疲労寿命を向上させる有用元素である。しかし、Mo、Cu
が多すぎる場合には鋼の鍛造性が低下し、またNiが多す
ぎる場合には残留γが多量に生成して鋼材硬さを低下
し、転動疲労寿命が劣化する。そこで、これらの各元素
は、かかるおそれのない上記の各範囲で添加するものと
した。
【0017】Nb:0.05〜0.50%、V:0.05〜0.50%、
W:0.05〜0.50% Nb、VおよびWはいずれも、鋼中のCと結合し、耐摩耗
性を向上させると共に、結晶粒を微細化して転動疲労寿
命および靱性の向上にも有効に寄与する。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、
鋼材硬さを低下させ転動疲労寿命を低下させるだけでな
く、鋼の鍛造性をも劣化させる。よって、これらの各元
素も、かかるおそれのない上記の各範囲で添加するもの
とした。
【0018】なおこの発明では、切削性を改善するため
に、S、Pb、Ca、BiおよびREM 等を添加しても脱炭層の
抑制を阻害することはなく、効果的に被削性を付与する
ことができる。
【0019】次に、この発明鋼の製造方法について説明
する。この発明鋼は、転炉、電気炉等いずれの方法で溶
製しても良く、またスラブ製造に当たっては連鋳、造塊
いずれでも良い。さらに熱間圧延条件も特に限定される
ことはなく、常法に従って行えば良い。
【0020】
【実施例】表1に示す化学組成になる種々の鋼材を、転
炉にて溶製し、65mmφの棒鋼に圧延した。この時、鋼材
No.1については、1240℃で30hの拡散焼鈍後、65mmφ
の棒鋼に圧延した。ついでこの棒鋼のD/4部より、15
mmφ×20mmφの円筒状試験片および鍛造試験片および転
動疲労寿命試験片を採取した後、雰囲気制御なし(大気
雰囲気)に、焼入れ・焼戻しを行った。この時、鋼材 N
o.1および No.2の一部については、焼ならし・球状化
焼なまし後に焼入れ・焼戻しを行った。なお試験片採取
後、鍛造試験片および転動疲労寿命試験片は、脱炭層を
完全に除去するため1mm以上の研磨を行い、鍛造試験片
については10mmφ×15mm、また転動疲労寿命試験片につ
いては12mmφ×22mmに仕上げた。
【0021】なお脱炭層は、15mmφ×20mmの円筒状試験
片を10mmの位置で高さ方向に垂直に切断後、ナイタール
にて腐食し、ミクロ組織観察による円周上の全脱炭層の
最大値(以後、最大脱炭層と称す)で評価した。また鍛
造性は、完全拘束の状態で圧縮率:50%における変形抵
抗および50〜80%における割れ発生率を測定した。ここ
に変形抵抗は、鋼材 No.1の焼ならし・球状化焼なまし
材を1として相対的に評価した。さらに転動疲労寿命
は、円筒型転動疲労寿命試験機により、ヘルツ最大接触
応力:600 kgf/mm2 、繰り返し応力数:約46500 cpm の
条件で試験を行い、試験結果を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の焼ならし・球状
化焼なまし材のB10寿命(累積破損確率:10%における
剥離発生までの総負荷回数)を1として相対評価した。
評価結果を表2に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】表2より明らかなように、Sb含有量がこの
発明の適正範囲より低い鋼材 No.18およびSb無添加の鋼
材 No.17は、変形抵抗はいずれも従来材の 0.8倍、割れ
発生率も圧縮率70%で10%、80%で30〜40%と優れてお
り、さらに転動疲労寿命は従来材の 1.2〜1.3 倍とこの
発明と同等程度であるが、最大脱炭層が0.05〜0.06mm発
生しており、鋼材 No.1の焼ならし・球状化焼なまし材
と同等であって、この点については改善がなされてな
い。またC含有量がこの発明の適正範囲より低い鋼材 N
o.15は、最大脱炭層は0.01mmに、変形抵抗は従来材の
0.6倍に、そして割れ発生率は圧縮率80%で20%に低減
されているけれども、転動疲労寿命は従来材の 0.7倍と
劣っていた。さらにC含有量が適正範囲より高い鋼材 N
o.16は、最大脱炭層が0.02mmに改善されており、また転
動疲労寿命も従来材の 1.2倍とこの発明と同等である。
しかしながら変形抵抗は従来材の 1.2倍と高く、鍛造割
れが圧縮率60%で10%、70%で40%、80%で70%発生し
ており、実用上問題が残る。
【0025】これに対し、鋼材 No.2〜14の発明材はい
ずれも、最大脱炭層は0.01〜0.02mmと従来材および鋼材
No.1の焼ならし・球状化焼なまし材よりも低減されて
おり、また転動疲労寿命も従来材の 1.2〜2.9 倍に改善
されている。さらに加工性については、焼ならし・球状
化焼なましがなくとも変形抵抗は従来材の 0.7〜0.9
倍、また鍛造割れはいずれも圧縮率60%まで発生してな
く、従来材に比較して格段に優れている。とくに鋼材 N
o.2の焼ならし・球状化焼なまし材では、変形抵抗は従
来材の 0.6倍、鍛造割れは圧縮率80%で10%と極めて良
好な成績が得られている。また上記実施例に示したよう
に、(Mo,Ni,Cu)および/または(Nb,V,W)の1
種または2種以上の添加は、脱炭層の抑制を阻害するこ
となく転動疲労寿命を向上させていることから、その使
用目的に応じて自由な組み合わせ添加が可能なことが判
る。
【0026】
【発明の効果】かくしてこの発明によれば、転動疲労寿
命を阻害することなしに、熱処理時に発生が懸念された
脱炭層の生成を効果的に抑制することができるので、従
来、脱炭層の除去のために行われていた切削加工の省略
または簡略化が可能であり、また目的に応じて球状化焼
鈍の省略も可能であることから、材料の歩留り向上およ
び生産性向上に大きく貢献する。またC,Crの低減によ
り、合金コストが低減されるだけでなく、従来、鋳造時
に生成する巨大炭化物の消散のために施されていた拡散
焼鈍を省略することが可能となったので、素材コストを
大幅に低減できる。さらに鋳造割れの発生する限界圧縮
率を上昇させ得るので、各部の圧縮率が異なる複雑な形
状をした転動体部品の加工工程を簡略化することもでき
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田畑 綽久 千葉県千葉市中央区川崎町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 昭63−57749(JP,A) 特開 昭62−274058(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60 F16C 33/12

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:0.50〜0.77wt%、Si:0.10〜2.00wt
    %、 Mn:0.10〜2.00wt%、Cr:0.05〜0.30wt%、 Al:0.050wt%以下、O:0.0030wt%以下 を含み、かつ Sb:0.0010〜0.0150wt%、 を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなること
    を特徴とする軸受用鋼。
  2. 【請求項2】C:0.50〜0.77wt%、Si:0.10〜2.00wt
    %、 Mn:0.10〜2.00wt%、Cr:0.05〜0.30wt%、 Al:0.050wt%以下、O:0.0030wt%以下 を含み、かつ Sb:0.0010〜0.0150wt%、 を含有し、さらに Mo:0.1〜1.0wt%、Ni:0.1〜1.0wt%、 Cu:0.05〜0.50wt% のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部は
    Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする軸受
    用鋼。
  3. 【請求項3】C:0.50〜0.77wt%、Si:0.10〜2.00wt
    %、 Mn:0.10〜2.00wt%、Cr:0.05〜0.30wt%、 Al:0.050wt%以下、O:0.0030wt%以下 を含み、かつ Sb:0.0010〜0.0150wt%、 を含有し、さらに Nb:0.05〜0.50wt%、V:0.05〜0.50wt%、 W:0.05〜0.50wt% のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部は
    Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする軸受
    用鋼。
  4. 【請求項4】C:0.50〜0.77wt%、Si:0.10〜2.00wt
    %、 Mn:0.10〜2.00wt%、Cr:0.05〜0.30wt%、 Al:0.050wt%以下、O:0.0030wt%以下 を含み、かつ Sb:0.0010〜0.0150wt%、 を含有し、さらに Mo:0.1〜1.0wt%、Ni:0.1〜1.0wt%、 Cu:0.05〜0.50wt% のうちから選んだ1種または2種以上と、 Nb:0.05〜0.50wt%、V:0.05〜0.50wt%、 W:0.05〜0.50wt% のうちから選んだ1種または2種以上とを含有し、残部
    はFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする軸
    受用鋼。
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