JP5204328B2 - 高炭素鋼線材および高炭素鋼線材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明者らは、製造時における球状化処理時間の短縮化が図れるうえに、硬さが十分に低下した高炭素鋼線材を得ることができる方法を見出すために、鋭意検討を行った。その結果、球状化処理の加熱時に、母相組織がフェライトからオーステナイトへ逆変態すると炭化物の球状化が容易に進行することから、逆変態を促進すれば、球状化時間の短縮化を図れることができることを見出した。
一方、球状化処理の加熱温度を高くすると拡散速度が速くなり、また、逆変態が進行するため、炭化物(セメンタイト)の球状化、粗大化が促進される。しかしながら、加熱温度を高くし過ぎると炭化物の溶解量が増え、冷却時にパーライトが生成しやすくなり、硬さが増加する。徐冷すればパーライト生成を抑制できるが、時間短縮が図れなくなる。
本発明の高炭素鋼線材は、「JIS G 4805(2008)」で規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材(SUJ材2〜5)を全て含む成分範囲とする。具体的には、質量%で、C:0.95〜1.10%、Si:0.15〜0.70%、Mn:1.15%以下(0%を含まない)、Cr:0.90〜1.60%を含有するものとする。尚、単位は全て%と記載するが、他の明細書中の記載を含め、特に断りのない限り全て質量%のことを示す。
Cは、焼入れ硬さを増大させ、室温および高温における強度を維持して耐摩耗性を付与するために必須の元素である。従って、0.95%以上含有させる必要がある。しかしながら、Cの含有量が多くなりすぎると巨大炭化物が生成しやすくなり、転動疲労特性によって悪影響を及ぼすようになるので、Cの含有量は1.10%以下に抑えなければならない。Cの含有量の好ましい下限は0.98%、好ましい上限は1.05%である。
Crは、Cと結びついて微細な炭化物を形成し、耐摩耗性を付与すると共に、焼入れ性の向上に寄与する元素である。また、Crが炭化物に濃化することで加熱時に溶けにくくなり、球状化促進に寄与する。このような作用を発揮させるためには、Crを0.90%以上含有させる必要がある。しかし、Crの含有量が過剰になると、粗大な炭化物が生成し、転動疲労寿命が低下する。従って、Crの含有量は1.60%以下とする。Crの含有量の好ましい下限は1.00%、好ましい上限は1.55%である。
Siは、マトリックスの固溶強化および焼入れ性を向上させるために有用な元素である。このような作用を発揮させるためには、Siを0.15%以上含有させる必要がある。Siの含有量の好ましい下限は0.20%、より好ましい下限は0.25%である。一方で、Siの含有量が多くなり過ぎると、加工性や被削性が著しく低下するので、Si含有量は0.70%以下とする。Siの含有量の好ましい上限は0.65%、より好ましい上限は0.60%である。
Mnは、マトリックスの固溶強化および焼入れ性を向上させるために有用な元素であるが、Mnの含有量が多くなり過ぎると、加工性や被削性が著しく低下する。従って、Mn含有量は1.15%以下とする。Mnの含有量の好ましい上限は1.10%、より好ましい上限は1.05%である。下限については特に定めていないが、固溶強化や焼入れ性向上の作用を得るには、0.10%以上含有させる必要がある。Mnの含有量のより好ましい下限は0.15%、更に好ましい下限は0.20%である。
Pは、偏析部での靭性、加工性を劣化させ、Sは、介在物を形成して転動疲労特性を劣化させるため、いずれも0.050%以下とする。また、「JIS G 4805(2008)」には、P、Sの上限が規定されており、いずれも0.025%以下とするのが好ましい。より好ましい上限は0.020%、更に好ましくい上限は0.015%である。
Alは、窒化物を形成し、組織を微細化させ、転動疲労特性を向上させる作用を有する。一方、過剰に含有させると脱炭を促進し、転動疲労特性等に不具合を生じる。従って、本発明では、Alの含有量の上限を0.100%とする。好ましい上限は0.050%、より好ましい上限は0.030%、更に好ましい上限は0.010%である。
Tiは、Alと同様に窒化物を形成するが、窒化物が比較的粗大であるため組織微細化への寄与は小さい上、転動疲労特性を劣化させる場合がある。よって、本発明では、Tiの含有量の上限を0.015%とする。好ましい上限は0.010%、より好ましい上限は0.005%、更に好ましい上限は0.002%である。
Nは、固溶強化に有効な元素であって、前記したように転動疲労特性の向上にも寄与する。但し、その含有量が過剰になると、歪時効による加工性の劣化などの不具合を招くため、積極的に含有させる場合でも0.025%以下とする。好ましい上限は0.020%、より好ましい上限は0.010%、更に好ましい上限は0.0050%である。
転動疲労では酸化物を主とする介在物を起点として破壊することが知られており、Oは、極力低減することが好ましい。本発明では、Oの含有量の上限を0.0025%とする。好ましい上限は0.0020%、より好ましい上限は0.0015%、更に好ましい上限は0.0010%である。
Cu、Ni、Moは、いずれも焼入れ性を向上させる作用を有し、前記したように転動疲労特性の向上にも寄与する。但し、それらの含有量が過剰になると、加工性の劣化などの不具合を招くため、Cu:0.25%以下、Ni:0.25%以下、Mo:0.25%以下とする。いずれも、好ましい上限は0.20%、より好ましい上限は0.15%、更に好ましい上限は0.10%である。尚、MoはSUJ4材およびSUJ5材の必須含有元素であって、いずれも0.10〜0.25%含有される。
Nb、V、Bは、いずれも焼入れ性を向上させる作用を有し、前記したように転動疲労特性の向上にも寄与するため、必要に応じて含有される。但し、それらの含有量が過剰になると、特性劣化を招くため、Nb:0.5%以下、V:0.5%以下、B:0.005%以下とする。NbおよびVの含有量の好ましい上限は0.25%、より好ましい上限は0.10%、更に好ましい上限は0.05%である。また、Bの含有量の好ましい上限は0.004%、より好ましい上限は0.003%、更に好ましい上限は0.002%である。
Ca、REM(Ce、Y、La、Nd)、Mg、Li、Zrは、いずれも酸化物や硫化物の介在物を微細化する作用を有し、転動疲労特性の向上に寄与するため、必要に応じて含有される。但し、それらの含有量が過剰になると、特性劣化を招くため、Ca:0.05%以下、REM:0.05%以下、Mg:0.02%以下、Li:0.02%以下、Zr:0.2%以下とする。CaおよびREMの含有量の好ましい上限は0.02%、より好ましい上限は0.01%、更に好ましい上限は0.005%である。また、MgおよびLiの含有量の好ましい上限は0.01%、より好ましい上限は0.005%、更に好ましい上限は0.001%である。また、Zrの含有量の好ましい上限は0.1%、より好ましい上限は0.05%、更に好ましい上限は0.01%である。
Pb、Bi、Teは、いずれも被削性を向上する作用を有し、必要に応じて含有される。但し、それらの含有量が過剰になると、熱間加工特性の劣化、疵の発生などの不具合を招くため、Pb:0.5%以下、Bi:0.5%以下、Te:0.1%以下とする。PbおよびBiの含有量の好ましい上限は0.2%、より好ましい上限は0.1%、更に好ましい上限は0.05%である。また、Teの含有量の好ましい上限は0.05%、より好ましい上限は0.02%、更に好ましい上限は0.01%である。
Asは、鋼材の脆化を招く有害元素であり、極力低減するのが好ましい。但し、必要以上の低減はコスト増を招くため工業上好ましくない。従って、As:0.02%以下とする。好ましい含有量の上限は0.01%、より好ましい上限は0.005%、更に好ましい上限は0.002%である。
上記したように、軸受は、軸受鋼を熱間圧延して圧延線材とした後に、球状化焼鈍し、切断後、所定の形状に冷間鍛造し、焼入れ焼戻し処理し、最後に仕上げ加工を施すことで製造することができる。
フェライト結晶粒径は、圧延線材の長手方向に対して垂直な断面について、鏡面研磨後、ナイタールでエッチングを行い、光学顕微鏡にて組織観察を行い、合計10断面のD/4位置(D:直径)について、組織サイズに合わせて400〜1000倍の写真を撮影し、合計30視野の結果を平均化した。フェライト結晶粒径は比較法によって粒度番号Nを求め、下記の式から粒径Dα(単位:μm)に換算した。
Dα=[0.254/2(N−1)/2 ]×1000
炭化物中のCr濃度は、電解抽出した残渣中のCr濃度を測定することで求めた。まず、圧延材線材を長さ20mmに切断した後、外表面からD/4(D:直径)までの部分を研削除去して、電解用サンプルとした。次に、加工層を除去するために、10%AA系電解液(%は質量比)を用いた定電流電解法にて予備電解を行った。この後、本電解として10%AA系電解液を用いた定電流電解法による電解を行い、吸引ろ過法により電解液をろ過して残渣を採取した。ろ過にはポアサイズ0.1μmのポリカーボネート製のメッシュを用いた。得られた残渣を分析用の処理を施した後、ICP発行分析法にて、Cr濃度を測定した。
(H1)通常条件:均熱785℃×6時間→ 徐冷(冷却速度:10℃/h)
(H2)短縮条件:均熱785℃×6時間→ 徐冷(冷却速度:30℃/h)
球状化焼鈍後の各圧延線材を用いてビッカース硬さを測定した。圧延線材の長手方向に対して垂直な断面について、鏡面研磨後、荷重を1kgとして、圧延線材のD/4位置(D:直径)計4点のビッカース硬さ(Hv)を測定した。4点の平均値を、球状化焼鈍後の各圧延線材のビッカース硬さとする。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.95〜1.10%、Si:0.15〜0.70%、Mn:1.15%以下(0%を含まない)、Cr:0.90〜1.60%、P:0.050%以下(0%を含まない)、S:0.050%以下(0%を含まない)、Al:0.100%以下(0%を含まない)、Ti:0.015%以下(0%を含まない)、N:0.025%以下(0%を含まない)、O:0.0025%以下(0%を含まない)を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
フェライト結晶粒径が20.0μm以下であって、
且つ、炭化物中のCr濃度が、質量%で6.0%以上であることを特徴とする高炭素鋼線材。 - 更に、質量%で、Cu:0.25%以下(0%を含まない)、Ni:0.25%以下(0%を含まない)、Mo:0.25%以下(0%を含まない)の1種以上を含有する請求項1記載の高炭素鋼線材。
- 更に、質量%で、Nb:0.5%以下(0%を含まない)、V:0.5%以下(0%を含まない)、B:0.005%以下(0%を含まない)の1種以上を含有する請求項1または2記載の高炭素鋼線材。
- 更に、質量%で、Ca:0.05%以下(0%を含まない)、REM:0.05%以下(0%を含まない)、Mg:0.02%以下(0%を含まない)、Li:0.02%以下(0%を含まない)、Zr:0.2%以下(0%を含まない)の1種以上を含有する請求項1乃至3のいずれかに記載の高炭素鋼線材。
- 更に、質量%で、Pb:0.5%以下(0%を含まない)、Bi:0.5%以下(0%を含まない)、Te:0.1%以下(0%を含まない)の1種以上を含有する請求項1乃至4のいずれかに記載の高炭素鋼線材。
- 更に、質量%で、As:0.02%以下(0%を含まない)を含有する請求項1乃至5のいずれかに記載の高炭素鋼線材。
- 加熱から仕上げ圧延までの鋼材温度を750〜870℃とした上で、仕上げ圧延温度を850℃以下とすると共に、仕上げ圧延後の740℃までの平均冷却速度を10℃/s以上とした上で、740℃から500℃までの平均冷却速度を5℃/s以下とすることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の高炭素鋼線材の製造方法。
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