JP5018995B1 - 球状化焼鈍後の加工性に優れ、かつ焼入れ・焼戻し後の耐水素疲労特性に優れる軸受鋼 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.85〜1.10%、Si:0.30〜0.80%、Mn:0.90〜2.00%、P:0.025%以下、S:0.02%以下、Al:0.05%以下、Cr:1.8〜2.5%、Mo:0.15〜0.4%、N:0.0080%以下およびO:0.0020%以下を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなる鋼組成とする。
【選択図】図1
Description
(1) 転送部に対して特定の方位関係を持たず、不規則に発生する白色組織(以下、WEAという)、
(2) 非金属介在物の周辺に45°方向に発生する白色組織(同、バタフライ)、
(3) 転送部に対し、約80°と約30°の方位関係をもつ白色組織(同、ホワイトバンド)
に分類される。
特に、WEAが生成すると、想定している軸受寿命より短時間で疲労破壊が生じるため、その対策が強く求められている。
かようなWEAの生成を抑制するには方法として、例えば特許文献2には、CrおよびN添加量を高めて残留オーステナイト量を増加する方法が、また特許文献3には、NiまたはNiとMoを同時添加する方法が提案されている。
以下、その研究成果について説明する。なお、以下の説明において、鋼中の元素の含有量(%)は全て質量%を意味するものとする。
図1に、Si含有量を横軸にB10寿命比を縦軸にして整理した結果を示す。
図1から明らかなように、Cr含有量が1.8%以上で、かつMoを0.15%含有させた鋼では、Si含有量が0.3%以上になると、B10寿命比が4倍以上に向上した。これに対し、Cr含有量が1.7%の場合は、Moを0.15%添加し、かつSiを0.3%以上としても、B10寿命の上昇はほとんど認められなかった。また、Cr含有量が1.8%以上であっても、Mo含有量が0%の鋼では、Siを0.3%以上添加しても、B10寿命の向上が認められなかった。
また、剥離後の組織を観察した結果、剥離した部分にはWEAが観察され、剥離は全てWEAに起因することが判明した。
以上のことから、Crを1.8%以上、Siを0.3%以上、Moを0.15%以上含有させることにより、WEAの発生を遅らせ、転動疲労寿命を向上できることが分かった。
図2に、Si含有量を横軸に工具寿命比を縦軸にして整理した結果を示す。
図2に示したように、転動疲労寿命B10が高い値を示した1.8%Cr−0.15%Mo鋼、および2.5%Cr−0.15%Mo鋼は、Si含有量が0.8%超となると、工具寿命が急激に低下した。また、2.7%Cr−0.15%Mo 鋼は、Si含有量に関わらず、工具寿命は低い値を示した。
以上のことから、Moを含有させた鋼において、Cr含有量は2.5%以下、Si含有量は0.8%以下とすることにより、汎用鋼SUJ2並の被削性を確保できることが分かった。
C:0.85〜1.10%、
Si:0.30〜0.80%、
Mn:0.90〜2.00%、
P:0.025%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.05%以下、
Cr:1.8〜2.5%、
Mo:0.15〜0.4%、
N:0.0080%以下および
O:0.0020%以下
を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなる軸受鋼。
Ti:0.01%以下、
Ni:0.10%以下、
Cu:0.10%以下および
B:0.0010%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記1に記載の軸受鋼。
まず、本発明の軸受鋼の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、以下の説明において、各元素の含有量(%)は質量%を意味するものとする。
C:0.85〜1.10%
Cは、焼入れ焼戻し後の硬さを確保し、軸受の転動疲労寿命を高位に確保する上で必要な元素であり、そのためには0.85%以上の含有が必要である。しかしながら、C含有量が1.10%を超えると、粗大な炭化物が残存しかえって転動疲労寿命の低下を招く。したがって、C含有量は0.85〜1.10%の範囲とする。
Siは、耐水素疲労特性の向上に有効に寄与し、本発明では、水素が混入した場合における転動疲労寿命を確保する上で特に重要な元素である。上述した効果を発現させるためには少なくとも0.30%のSiを必要とするが、Si含有量が0.80%を超えると、被削性が劣化する。したがって、Si含有量は0.30〜0.80%の範囲とする。より好ましい下限は0.40%である。
Mnは、焼入れ・焼戻し後の硬さを確保し、軸受の転動疲労寿命を高位に確保する上で必要な元素であり、そのためには0.90%以上含有させる必要がある。一方、Mn含有量が2.00%を超えると被削性の低下を招く。従って、Mn含有量は0.90〜2.00%、好ましくは0.90〜1.35%の範囲とする。より好ましくは0.90〜1.15%の範囲である。
Pは、オーステナイトの粒界に偏析して、粒界強度を低下させることにより、焼入時に焼割れの発生を助長する。したがって、その含有量は極力低減させることが望ましいが、0.025%以下であれば許容される。好ましくは0.020%以下である。工業的には、Pは0%を超える量含有されるが、可能であれば0%として良い。
Sは、鋼中でMnSを形成して切削性を向上させるため、添加してもよいが、0.02%を超えて添加すると、転動疲労試験での破壊起点となり転動疲労強度が低下するおそれがあるので、0.02%以下の添加とする。好ましくは0.01%以下である。MnS形成による上記効果は、S:0.0003%以上であれば得ることができる。
Alは、脱酸に有効に寄与し、低酸素化のために有用な元素であるが、鋼中に存在するAl酸化物は転動疲労特性を低下させるため、必要以上の添加は行なわない方が良い。このためAlは0.05%以下の添加とする。脱酸後に残存するAl量は、最小で0.004%程度に抑制することができる。
Crは、白色組織(WEA)の生成抑制に有効な元素であり、本発明では特に重要な元素である。前掲図1にも示したとおり、Cr添加量が1.8%未満だと水素雰囲気下での白色組織の生成抑制による転動疲労寿命向上効果に乏しく、一方2.5%を超えて添加すると、コストアップになるだけでなく、被削性の著しい劣化を招く。したがって、Cr添加量は1.8〜2.5%の範囲とする。
Moは、白色組織(WEA)の生成抑制に有効な元素であり、本発明では重要な元素である。Mo添加量が0.15%未満だと水素雰囲気下での白色組織の生成抑制による転動疲労寿命向上効果に乏しく、一方0.4%を超えて添加すると、コストアップになるだけでなく、被削性を著しく劣化させる。したがって、Mo添加量は0.15〜0.4%の範囲とする。
Nは、Al,Tiと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、焼入れのための加熱時に、オーステナイトの成長を抑制する効果があるが、一方で、粗大な窒化物、炭窒化物は転動疲労寿命の低下を招くため、N添加量は0.0080%以下とする。好ましくは0.0060%以下である。窒化物・炭窒化物形成による上記効果は、N:0.0015%以上であれば得ることができる。
Oは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在し、O量の増大は酸化物系非金属介在物のサイズを粗大化させる。これらは、特に転動疲労特性に有害であるため、極力低減することが望ましく、少なくとも0.0020%以下に低減する必要がある。好ましくは0.0010%以下である。工業的には、Oは0%を超える量含有されるが、可能であれば0%として良い。
Ti:0.01%以下
Tiは、Nと結合してTiNとなることで、オーステナイト域でピンニング効果を発揮し、粒成長を抑制する効果があるが、多量に添加するとTiNが多量析出することによって転動疲労寿命を低下させるので、Tiは0.01%以下の添加とする。前記効果を得るためには0.003%以上添加することが好適である。
Niは、焼入性を向上させる元素であるので、焼入性を調整する場合に用いることができるが、一方でNiは高価な元素であり、添加量が多くなると鋼材価格が高くなるため、Niは0.10%以下の添加とする。前記効果を得るためには0.03%以上添加することが好適である。
Cuは、焼入性を向上させる元素であるが、0.1%を超えて添加すると熱間加工性を阻害するおそれがあるため、Cuは0.1%以下の添加とする。前記効果を得るためには0.03%以上添加することが好適である。
Bは、焼入性を向上させる元素であるので、焼入性を調整する場合に用いることができる。しかし、0.0010%を超えて添加してもその効果は飽和するので、Bは0.0010%以下の添加とする。前記効果を得るためには0.0003%以上添加することが好適である。
なお、本発明の軸受鋼において、上記以外の成分は、Feおよび不可避的不純物である。
すなわち、転炉、脱ガス設備等を用いて溶製したのち、鋳造し、得られた鋳片を、拡散焼鈍、圧延あるいは鍛錬成形工程を経て所定寸法の鋼材とする。この鋼材に対し、球状化焼鈍を施し、軸受部品の加工用素材とする。
なお、とくに好適な製造条件を例示すると、次の通りである。
球状化焼鈍は750〜820℃で4〜16時間程度保持し、650℃程度まで8〜20℃/h程度で徐冷する処理を施すことが好ましい。球状化焼鈍後の加工用素材の組織はフェライトおよび球状セメンタイトを含むことが好ましく、ビッカース硬度は180〜250程度とすることが好ましい。
前記加工素材は、軸受部品の形状に加工された後、焼入れおよび焼戻しされて、軸受部品となる。なお、必要に応じ、焼入れ・焼戻し後に最終精度の部品形状に加工してもよい。
焼入れは800〜950℃に15〜120分程度保持した後、油焼入れ、水焼入れなどの急冷処理を施すことが好ましい。焼戻し処理は150〜250℃で30〜180分程度の条件で行うことが好ましい。焼入れ・焼戻し後の軸受用鋼(軸受部品)は焼戻しマルテンサイトを内部まで含有し、かつ面積率で90%程度以上含有することが好ましい。また、ビッカース硬度は700〜800程度とすることが好ましい。
球状化焼鈍後の鋼から、直径:60mm、厚さ:5.5mmの疲労試験片を粗加工した。得られた粗加工試験片を840℃に30分保持後、油焼入れし、さらに180℃,2時間の焼戻しを行なった。焼戻し後の粗加工試験片を、直径:60mm、厚さ:5.0mmの試験片に仕上げ加工した。仕上げ加工後の試験片に対し、水素チャージを行なった。水素チャージは、50℃の20%チオシアン酸アンモニウム(NH4SCN)水溶液中に、24時間保持することで行なった。この条件では、汎用鋼SUJ2(表1中のNo.1鋼)では、昇温式水素分析にて600℃までの水素量を測定し、鋼中に水素が0.5massppm侵入していることを確認している。
それぞれの鋼について得られた転動疲労寿命B10をSUJ2相当鋼についての転動疲労寿命B10の値で除すことで、汎用鋼に対する寿命の向上度合(B10寿命比=B10寿命/SUJ2相当鋼のB10寿命)を評価した。
また、球状化焼鈍後の鋼について、外周旋削試験を行なって被削性の調査を行なった。外周旋削試験は、超硬(P10)の切削工具を用いて、潤滑剤なしで切削速度:120m/min、送り速度:0.2mm/rev、切込み:1.0mmで行ない、工具の逃げ面摩耗量が0.2mmになるまでの時間を工具寿命とした。それぞれの鋼について得られた工具寿命をSUJ2相当鋼についての工具寿命の値で除すことで、汎用鋼に対する寿命の低下度合(工具寿命比=工具寿命/SUJ2相当鋼の工具寿命)を評価した。
得られた結果を、表1に併記する。
これに対し、本発明の成分組成範囲を外れる比較例はいずれも、転動疲労寿命B10または工具寿命のいずれかが、発明例よりも劣っていた。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.85〜1.10%、
Si:0.30〜0.80%、
Mn:0.90〜2.00%、
P:0.025%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.05%以下、
Cr:1.8〜2.5%、
Mo:0.15〜0.4%、
N:0.0080%以下および
O:0.0020%以下
を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなる軸受鋼。 - 前記軸受鋼が、さらに、質量%で、
Ti:0.01%以下、
Ni:0.10%以下、
Cu:0.10%以下および
B:0.0010%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項1に記載の軸受鋼。
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