JP3788854B2 - 転がり軸受用鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転曲げ疲れ特性及び転がり疲れ特性に優れた転がり軸受用の鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受部品では、耐摩耗性は勿論のことながら、ボール、ころ、レース等の転動面における転がり疲れ特性が重視される。転がり軸受の外輪や転動部を有するシャフトでは、耐摩耗性、転がり疲れ特性のほか、回転曲げ疲れ特性が高いことが要求される。
【０００３】
従来、このような転がり軸受に用いられる鋼として、１質量％のＣと１．４質量％のＣｒとを含有するＳＵＪ２が最も代表的な鋼として用いられている。この鋼は、球状化焼なましによって炭化物を球状とし、次いで焼入れ焼もどしすることによって、強靱な鋼マトリックスに微細な球状炭化物が均一に分散した金属組織として使用される。
【０００４】
転がり軸受用鋼の転がり疲れ特性、回転曲げ疲れ特性を向上するためには、鋼中の非金属介在物の量の低減、形態・形状の無害化、寸法の微細化などが有効であることが知られており、非金属介在物を形成するＯやＳなどの含有量、あるいはこれらの元素の弊害を低減する努力が払われてきた。最近の製鋼技術の進歩により、鋼中のＯ含有率を大幅に低減することが可能となっているが、しかし、鋼中のＯ含有率をさらに低減することによって、これらの特性を現状以上に向上させるためには著しいコスト増を招くこととなり、実用的な意味を失うのが実情である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の現状に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大幅なコスト増を招くことなく、優れた回転曲げ疲れ特性及び転がり疲れ特性を有する転がり軸受用鋼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、転がり軸受用鋼の回転曲げ疲れ特性及び転がり疲れ特性を向上するための方策を研究した結果、次の所見を得た。すなわち、
（１）回転曲げ疲れ特性は、鋼中のＯ含有率の低減によって向上するが、Ｏ含有率が０．０００８質量％以下となると、Ｏ含有率による特性の優劣は判じ難く、疲れ強さのばらつきの範囲内となる。
【０００７】
（２）Ｏ含有率が０．０００８質量％以下であるとき、焼入れ焼もどし組織に存在する円相当径１０μｍ以上の大型炭化物が曲げ疲れにおける破壊発生起点になることがある。ここに、炭化物の円相当径とは、組織観察面における当該炭化物の面積と同じ面積をもつ円の直径とする。
（３）ＪＩＳ−ＳＵＪ２は鋳造後の鋼塊に、高温で長時間の拡散焼なましを施すことによって前記のごとき大型炭化物の大きさを小さくすることができる。これによって、疲れ強さのばらつきを小さくすることができる。しかし、このように拡散焼なましを行えば鋼の製造に長時間を要し、また、製造コストを高める。
【０００８】
以上の所見に基づいて種々検討した結果、以下の手段を講じることにより前記目的を達成し得ることが判明した。すなわち、本発明の転がり軸受用鋼は、合金元素の含有率が質量％で、
Ｃ ：０．７５〜０．９０％、
Ｓｉ：０．０４〜０．１４％、
Ｍｎ：０．１５〜０．３５％、
Ｃｒ：１．００〜１．４０％、
Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、
Ｏ ：０．０００８％以下、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ｏ含有率が０．０００８質量％以下で、非金属介在物が極めて少ない超清浄鋼となると、軸受用鋼の疲れ特性は焼入れ焼もどし後に鋼中に存在する円相当径１０μｍ以上の大型炭化物によって支配されるという知見に基づき、さらに、部品加工における加工性を損わないために素材硬さをＳＵＪ２と同等とし、耐摩耗性の観点から焼入れ焼もどし硬さをＳＵＪ２と同等として、鋼の化学組成を種々検討した結果得られたものである。
【００１０】
以下、本発明の転がり軸受用鋼における各成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．７５〜０．９０％
Ｃは、鋼の焼入れ焼もどし後の硬さを維持するために０．７５％以上の含有を必要とする。しかし、過剰にＣを含有する鋼においては、鋼塊の拡散焼なましを省略した場合に、焼入れ焼もどし後に円相当径１０μｍ以上の大型の炭化物が残存し、該大型炭化物が鋼の疲労特性を劣化するので、このような大型炭化物の形成を阻止するために、Ｃ含有率の上限を０．９０％とする。
【００１１】
Ｓｉ：０．０４〜０．１４％
Ｓｉは、溶鋼の脱酸剤として含有率０．０４％以上となるように添加するが、鋼中に過度に含有されれば、鋼のマトリックスに固溶して焼なまし後の硬さ、変形抵抗を高め、冷間加工性を損うのでＳｉ含有率の上限を０．１４％とする。
Ｍｎ：０．１５〜０．３５％
Ｍｎは、溶鋼の脱酸に必要であるとともに、鋼の焼入性を確保するために添加する。そのためには、０．１５％以上のＭｎ含有率が必要である。しかし過度に含有した場合、鋼の焼なまし硬さを高め、鋼の機械加工性を損うのでＭｎ含有率の上限を０．３５％とする。
【００１２】
Ｃｒ：１．００〜１．４０％
Ｃｒは、鋼の焼入性を確保するために必要な元素である。また、鋼の焼なまし時に炭化物の形状を球状化し易くする。これらの効果を得るために、Ｃｒ含有率を１．００％以上とする必要がある。しかし過度に含有した場合、鋼の焼なまし硬さを高め、鋼の機械加工性を損うのでＣｒ含有率の上限を１．４０％とする。
【００１３】
Ｍｏ：０．０１〜０．２０％
Ｍｏは、鋼マトリックスの靭性を高め、疲れ特性を向上するために添加する。そのためには、Ｍｏ含有率は０．０１％以上とする必要がある。しかし過度にＭｏを添加しても、疲れ特性の向上に対する効果は飽和し、徒に素材費の上昇を招くばかりなのでＭｏ含有率の上限を０．２０％とする。
【００１４】
Ｏ：０．０００８％以下
Ｏは、鋼中に介在して疲れ特性を劣化せしめる非金属介在物を形成するので、その含有率は可及的低いことが望ましい。非金属介在物が鋼の疲労特性に大きな影響およぼさない範囲としてＯ含有率の上限は０．０００８％とする。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す化学組成の鋼をそれぞれ溶製し、４．６トン鋼塊とした後、熱間圧延して直径２０ｍｍおよび７０ｍｍの棒材を得た。比較例１０はＳＵＪ２相当鋼で、比較例１０については鋼塊の状態で１２４０℃×６時間の拡散焼なましを施した後熱間圧延した。これらの棒材に７６０℃×５時間加熱保持後１５℃／ｈで室温まで冷却の球状化焼なましを施して供試材とした。
【００１６】
【表１】

【００１７】
前記供試材の横断面について金属組織を檢出し、前記横断面内に認められた最大の炭化物径（円相当径）を求めた。また、前記供試材の横断面について球状化焼なまし硬さを測定した。
直径２０ｍｍの供試材から回転曲げ疲れ試験片の粗形材を、また、直径７０ｍｍの供試材から転動寿命試験片の粗形材をそれぞれ削出して、８４０℃焼入れ、１６０℃焼もどしの熱処理を施した後仕上加工して各試験片を得た。回転曲げ疲れ試験片は平行部直径８ｍｍとし、平行部をエメリー紙で鏡面仕上して試験に供した。また、転動寿命試験片は円盤状のスラスト型転動寿命試験片とし、転動面はラップ仕上げして試験に供した。
【００１８】
回転曲げ疲れ試験を行って１０⁷ 強さを求め、これによって曲げ疲れ特性を評価した。転動寿命試験は、ＪＩＳ−ＳＵＪ２製ボールを組み合せ、面圧４８８０ＭＰａで＃６８タービン油を用いて行い、比較例１０からなる試料の累積破損確率１０％時の応力繰返し数を１とした場合の寿命比で評価した。また、転動寿命試験片の転動面について焼入れ焼もどし硬さを測定した。
【００１９】
これらの試験結果を表２に示す。
【００２０】
【表２】

【００２１】
比較例１は、曲げ疲れ特性は優れているがＣ含有率が少ないために焼入れ焼もどし後の硬さが低く、これにより転がり疲労寿命が短い。
比較例２は、Ｃ含有率が多いために焼入れ焼もどし後に巨大な炭化物が残存し、回転曲げ疲れ特性が劣る。
比較例３は、Ｓｉ含有率が本発明の範囲を超えて多い。このため球状化焼なまし後の硬さが高く、冷間加工性に劣り、ＳＵＪ２相当鋼である比較例１０に比べて材料加工に高いコストを要することが判った。
【００２２】
比較例４は、Ｍｎ含有率が低いため十分な焼入性が得られず、焼入れ焼もどし後の硬さが低い。そのためＳＵＪ２相当鋼である比較例１０に比べて転がり疲労寿命が短い。
比較例５は、Ｍｎ含有率が高いため、球状化焼なまし後の硬さが高く、冷間加工性が劣るため、材料加工に高いコストがかかる。
【００２３】
比較例６は、Ｃｒ含有率が低く、球状化焼なまし時に板状の炭化物が多量に生成した。このため焼なまし硬さが下がらず、材料加工に高いコストがかかる。
比較例７は、Ｃｒ含有率が高く、球状化焼なまし時に微細な球状炭化物が多量に生成した。焼なまし硬さを下げるためには球状炭化物の大きさは粗大である方が望ましいのであるが、比較例７では炭化物が微細化したために焼なまし硬さは高く、材料加工に高いコストがかかる。さらに、巨大な炭化物も一部で残存し、回転曲げ疲れ特性も劣化している。
【００２４】
比較例８は、Ｍｏを含有しておらず、鋼マトリックスの靭性が劣っているために曲げ疲れ特性がＳＵＪ２相当鋼である比較例１０と同程度になっている。
比較例９は、Ｏ含有率が本発明の範囲を超えて多い。そのため非金属介在物量が増加し、本発明の実施例に比べて転がり疲労寿命が短くなっている。
本発明の実施例は、ＳＵＪ２相当鋼である比較例１０に比べて焼なまし後の硬さは同等以下に低く、焼入れ焼もどし後の硬さは比較例１０と同等に高い。そして曲げ疲れ特性および転がり疲労寿命は比較例１０に比べて著しく優れている。
【００２５】
実施例１および比較例１０の鋼塊について、造塊後、１２４０℃で種々の時間で加熱保持を行った。該供試材の横断面について金属組織を檢出し、前記横断面内に認められた最大の炭化物の円相当径を求め、これを最大炭化物径とした。
図１に加熱保持時間と最大炭化物径との関係を示す。加熱保持なしのとき、本発明の実施例の最大炭化物径は１５μｍ程度で、比較例に比べて著しく小さい。また、比較例に比べて遥かに短時間での加熱によって炭化物を微細化することがわかる。
【００２６】
以上に詳述したように、本発明が限定する化学組成とすることによって、炭化物を微細とすることができ、鋼塊における拡散焼なまし時間を短くしても従来材に比べて十分に優れた回転曲げ疲れ特性および転がり疲労寿命を示し、しかも、焼なまし硬さが低くて加工性に優れた、高性能でかつ経済的な転がり軸受用鋼を得ることができる。
【００２７】
なお、本発明で示した転がり軸受用鋼は、焼入れ焼もどしの熱処理によって強度を発揮するものであるが、この熱処理に限定されず、焼入れ加熱時に窒化雰囲気に曝し、鋼表面に窒素を富化させる熱処理にも適している。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、鋼塊における拡散焼なまし時間を短くしても従来材に比べて十分に優れた回転曲げ疲れ特性および転がり疲労寿命を示し、しかも、球状化焼なまし硬さが低くて加工性に優れた、高性能でかつ経済的な転がり軸受用鋼を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼塊の拡散焼なましにおける加熱時間と球状化焼なまし後の最大炭化物径との関係を示す特性図である。

Claims (2)

1. 合金元素の含有率が質量％で、
   Ｃ ：０．７５〜０．９０％、
   Ｓｉ：０．０４〜０．１４％、
   Ｍｎ：０．１５〜０．３５％、
   Ｃｒ：１．００〜１．４０％、
   Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、
   Ｏ ：０．０００８％以下、
   残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、造塊後の最大炭化物径が１５μｍ以下であることを特徴とする転がり軸受用鋼。
2. 合金元素の含有率が質量％で、
   Ｃ ：０．７５〜０．９０％、
   Ｓｉ：０．０４〜０．１４％、
   Ｍｎ：０．１５〜０．３５％、
   Ｃｒ：１．００〜１．４０％、
   Ｍｏ：０．０１〜０．２０％、
   Ｏ ：０．０００８％以下、
   残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる転がり軸受用鋼を造塊後、１０時間以下の加熱保持を行うことを特徴とする転がり軸受用鋼材の製造方法。

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