JP7163770B2 - 転がり軸受部品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
C :0.90~1.20%、
Si:0.15~0.35%、
Mn:0.20~0.50%、
P :0.025%以下、
S :0.010%以下、
Cr:1.00~1.80%
Cu:0~0.20%、
Ni:0~0.20%
B :0~0.0050%
Nb:0~0.05%
Ti:0~0.10%
を含み、残部Feおよび不純物からなる成分組成を有し、
転動面の表面から300μm深さの範囲の残留オーステナイト面積率が8%以下であり、
転動面の表面から800μm深さの範囲のビッカース硬さが760HV以上であり、
転動面の表面から300μm深さの範囲の圧縮残留応力が750MPa~2000MPaであり、
転動面の表面から1~20μmの深さの範囲に塑性流動層を有する転がり軸受部品。
(2)前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0超え~0.20%、Ni:0超え~0.20%、及び、B:0超え~0.0050%の1種又は2種以上を含む請求項1に記載の転がり軸受部品。
(3)前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0超え~0.05%以下、及び、Ti:0超え~0.10%以下の1種又は2種を含む請求項1又は2に記載の転がり軸受部品。
(4)(1)~(3)いずれか1項に記載の転がり軸受の製造方法であって、転がり軸受部品に焼入れ焼戻し処理を施した後に、転動面に超音波衝撃加工を施す工程を有する転がり軸受部品の製造方法。
なお、本明細書中において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、「~」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。
また、成分組成の各元素の含有量の「%」は、「質量%」を意味する。
(1)転動面の表面から300μm深さの範囲の残留オーステナイト面積率が8%以下である。
(2)転動面の表面から800μm深さの範囲のビッカース硬さが760HV以上である。
(3)転動面の表面から300μm深さの範囲の圧縮残留応力が750MPa~2000MPaである。
(4)転動面の表面から1~20μmの深さの範囲に塑性流動層を有する。
つまり、所定の成分組成を有すると共に、上記(1)~(4)の特性を有すると、軸受部品の転動疲労寿命が向上する。
このように本実施形態に係る軸受部品は、転動疲労による破損に対して良好な耐久性を有し、転動疲労寿命が長い。そのため、各種の産業機械および自動車に使用される玉軸受又はころ軸受といった転がり軸受部品として好適に用いることができる。
本実施形態に係る軸受部品の成分組成は、C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu、Ni、B、NbおよびTiを含み、残部Feおよび不純物からなる。ただし、Cr、Cu、Ni、B、NbおよびTiは、任意元素である。つまり、これら任意元素の含有量の下限は0%である。そして、これら任意元素の1種又は2種以上を含有させる場合、元素の含有量の上限値は、後述する範囲の上限値とする。各元素の含有量は、0%超え後述する範囲の上限値以下が好ましく、後述する範囲がより好ましい。
Cは、焼入れ時の硬さを確保して転動疲労寿命を向上させる元素である。そのため、C含有量は、0.90%以上とする必要がある。しかしながら、C含有量が1.20%を超えると、耐摩耗性は増大するものの,未溶解炭化物量が増量するため転動疲労寿命は低下する。よって、C含有量は、1.20%以下とする。
C含有量の好ましい下限は0.97%である。好ましい上限は1.1%である。
Siは、焼戻し軟化抵抗を高めて転動疲労寿命を向上させるのに必要な元素である。そのため、Si含有量は、0.15%以上とする必要がある。しかしながら、0.35%を超えてSiを含有させると、残留オーステナイトの安定性が高くなりすぎ,超音波衝撃加工時に十分な加工誘起変態が生じない。よって、Si含有量は、0.35%以下とする。
Siの好ましい下限は0.18%である。好ましい上限は0.30%である。
Mnは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、鋼中の残留オーステナイトを増加させる。その結果、部品の転動疲労特性が向上する。しかし、Mnの含有量が0.20%未満では、この効果が得られない。よって、Mn含有量は、0.2%以上とする。
一方、Mn含有量が0.50%を超えると、残留オーステナイトの安定性が高くなり過ぎ、超音波衝撃加工時に十分な加工誘起変態が生じない。よって、Mn含有量は、0.50%以下とする。
Mnの好ましい下限は0.25%であり、好ましい上限は0.45%である。
Pは、不純物として鋼中に含まれ、結晶粒界に偏析して転動疲労寿命を低下させる。特に、P含有量が0.025%を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなる。よって、P含有量は、0.25%以下とする。P含有量は、好ましくは0.020%以下である。
P含有量は極力低くすることがよく、P含有量の下限値は0%である。つまり、Pは含有しなくてもよい。しかし、Pの除去を必要以上に行った場合、製造コストが増大する。よって、P含有量の実質的な下限値は、例えば、0.003%となる。
Sは、不純物として鋼中に含まれ、硫化物を形成し、鋼の靭性、冷間鍛造性、転動疲労寿命を低下させる。特に、S含有量が0.010%を超えると、靭性、冷間鍛造性、転動疲労寿命の低下が著しくなる。よって、S含有量は、0.010%以下とする。S含有量は、好ましくは0.008%以下である。
一方、S含有量は極力低くすることがよく、S含有量の下限値は0%である。つまり、Sは含有しなくてもよい。しかし、Sの除去を必要以上に行った場合、製造コストが増大する。よって、S含有量の実質的な下限値は、例えば、0.002%となる。
Crは、鋼の焼入れ性を高めるとともに、セメンタイトを熱的に安定させ、高温域におけるセメンタイトのマトリックス中への固溶を抑止する作用を有する。また、Crには、鋼材のMs点を低下させる効果がある。その結果、焼入れ後に残留オーステナイトが生成し、転動疲労寿命向上に有効な元素である。この効果はCrの含有量が1.00%以上で発揮される。よって、Cr含有量は、1.00%以上とする。
しかしながら、Cr含有量が1.80%を超えると、残留オーステナイトの安定性が高くなり過ぎ、超音波衝撃加工時に十分な加工誘起変態が生じない。そのため、転動疲労寿命の低下を招く。よって、Cr含有量は、1.80%以下とする。
Cr含有量の好ましい下限は1.10%であり、好ましい上限は1.60%である。
Cuは、鋼の焼入れ性を高める作用を有するので、さらなる焼入れ性向上のために含有してもよい。しかしながら、Cuは熱間加工性の低下を招く。特に、Cu含有量が0.20%を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。よって、Cu含有量は、0.20%以下とする。Cu含有量は、好ましくは0.18%以下である。
一方、Cuを含有することによる焼入れ性向上効果を得るためには、Cuの含有量は0.05%以上とすることが好ましい。
Niは、鋼の焼入れ性を高める作用を有する。Niはさらに、焼入れ後の鋼材の靱性を高める。しかしながら、Niは高価な元素である。よって、Ni含有量は0.20%以下とする。
一方、Niの効果を得るためには、Ni含有量は0.05%以上とすることが好ましい。
Bは、鋼の焼入れ性を高める。Bはさらに、焼入れ時のオーステナイト粒界におけるPやSの偏析を抑制する。しかしながら、B含有量が0.0050%を超えれば、BNが生成して鋼の靱性が低下する。よって、B含有量は0.0050%とする。
一方、Bの効果を得るためには、B含有量は0.0003%以上とすることが好ましい。
Nbは、微細な炭化物等を形成し、結晶粒を微細化する。これにより、鋼の強度が高まる。しかしながら、Nb含有量が0.05%を超えれば、鋼の靱性が低下する。よって、Nb含有量は0.05%以下とする。
一方、Nbの効果を得るためには、Nb含有量は0.005%以上とすることが好ましい。
Tiは、微細な炭化物等を形成し、結晶粒を微細化する。これにより、鋼の強度が高まる。しかしながら、Ti含有量が0.10%を超えれば、鋼の靱性が低下する。よって、Ti含有量は0.10%以下とする。
一方、Tiの効果を得るためには、Tiの含有量は0.010%以上とすることが好ましい。
残部は、Feおよび不純物からなるものである。
なお、「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものであって、本実施形態に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
不純物としては、P、S、O、As、Co、Ni、Mg、Zr、Te、Bi、Pb、Sn、Zn等が挙げられる。これらの中で、特に、PはP:0.025%以下、Sは0.010%以下、Oは0.003%以下に制限される。As、Co、Ni、Mg、Zr、Te、Bi、Pb、Sn及びZn等は、本実施形態の効果を阻害しない範囲に制限される。
本実施形態に係る軸受部材の金属組織は、残留オーステナイトを含む。残留オーステナイト以外の残部組織は、マルテンサイトが好ましい。つまり、軸受部材の金属組織は、オーステナイトおよび残留オーステナイトからなる組織が好ましい。ただし、微量、他の組織が混在していてもよい。
そして、転動面の表面から300μm深さの範囲の残留オーステナイト面積率は8%以下である。
測定には、例えば、(株)リガク製微小部X線応力装置 Auto MATE MSシステムを用いる。ただし、他の市販のX線回折装置を使用することもできる。光源にはCr管球を使用する。
X線回折により得られたbcc構造の(221)面とfcc構造の(220)面の回折曲線の面積比から、残留オーステナイト面積率を測定する。具体的には、マスキングに空けたφ3mmの穴の中心にコリメーターでφ2mmに絞ったX線を、bcc構造の測定の際は、測定面に垂直な方向から11.8度、残留オーステナイト(fcc構造)の際は25.8度傾けた方向から入射し、それぞれ同じ角度傾けた方向に検出器を設置してX線強度をbcc構造は60秒、残留オーステナイト(fcc構造)は180秒測定する。それぞれのX線積分強度比を残留オーステナイトとそれ以外の相の面積比率として求める。従って、fcc構造の積分強度をbcc構造とfcc構造の積分強度を足した強度で割った値(fcc構造の積分強度/(bcc構造の積分強度+fcc構造の積分強度))が、残留オーステナイトの面積比率となる。
そして、電解研磨による研磨深さを、転動面の表面から、深さ50μmの位置、深さ100μmの位置、深さ200μmの位置、深さ300μmの位置とした上記残留オーステナイト面積率の測定を行う。
この操作を任意の5箇所の断面で実施し、計20個の位置のオーステナイト面積率の算術平均値を上記範囲の残留オーステナイト面積率とする。
本実施形態に係る軸受部品は、転動面の表面から800μm深さの範囲のビッカース硬さが760HV以上である。
この操作を任意の5箇所の断面で実施し、計25個の位置でのビッカース硬度の算出平均硬さを、上記範囲のビッカース硬度とする。
本実施形態に係る軸受部品は、表面から300μm深さの範囲での圧縮残留応力が750MPa~2000MPaである。
測定には、例えば、リガク製微小部X線応力装置 Auto MATE MSシステムを用いる。ただし、他の市販のX線回折装置を使用することもできる。光源にはCr管球を使用する。
そして、電解研磨による研磨深さを、転動面の表面から、深さ50μmの位置、深さ100μmの位置、深さ200μmの位置、深さ300μmの位置とした上記圧縮残留応力の測定を行う。
この操作を任意の5箇所の断面で実施し、計20個の位置の圧縮残留応力の算術平均値を上記範囲の圧縮残留応力とする。
本実施形態に係る軸受部品は、転動面の表層に厚さ1~20μmの塑性流動層を有している。
ここで、塑性流動層は、転動面を転動面と垂直な切断面において、軸受部品の中心部に対して組織が湾曲している塑性流動組織からなる層である。塑性流動層の厚さは、当該切断面において、転動面の表面から、軸受部品の中心部に対して湾曲している組織の端までの距離とする。
そして、この操作を任意の5箇所の断面で実施し、計25個の厚さの算術平均値を塑性流動層の厚さとする。
本実施形態に係る軸受部材の製造方法は、転がり軸受部品に焼入れ焼戻し処理を施した後に、転動面に超音波衝撃加工を施す工程を有する。
転動面に超音波衝撃加工を施すことにより、上記(1)~(4)の特性を有する軸受部品が得られる。
なお、超音波衝撃加工前の転がり軸受部品は、周知の方法により製造できる。
次に、種の溶鋼を用いて、造塊法によりインゴットを得た。各インゴットを1250℃で4時間加熱した後、熱間鍛伸を行って直径70mmの棒鋼を得た。熱間鍛伸時の仕上げ温度は1000℃であった。
次に、各棒鋼に対して焼準処理を施した。焼準処理温度は900℃であり、焼準処理時間は3時間であった。焼準処理後、丸棒を室温(25℃)まで放冷した。
次に、焼準を施した棒鋼に対して球状化焼鈍処理を施した。780℃で3時間保持した後、8時間かけて650℃まで炉冷後、室温(25℃)まで放冷した。
次に、各試験番号の粗試験片に対して、830℃で1時間保持した後、油冷する焼入れ処理を施した。焼入れした試験片に対して、180℃で2時間保持した後、空冷する焼戻し処理を施した。
次に、焼戻し後の試験片の表面に対して、HRc63.5の超硬から作製した直径3mmのストレートピンを衝撃工具とし、周波数27kHzの条件で超音波衝撃加工を施した。
次に、超音波衝撃加工を施した試験片の表面を鏡面加工することによって転動疲労試験片を作製した。仕上げ加工後の転動疲労試験片の表面の算術平均粗さRaは0.5μm以下であった。
なお、残留オーステナイト面積率、ビッカース硬さ、圧縮残留応力、塑性流動層厚さは、既述の方法に従って測定した。
表2中の「残留オーステナイト面積率、ビッカース硬さ、圧縮残留応力」の欄の「位置」は、転動面の表面から深さ方向の位置での測定値を意味する。
上記表2に示すように、試験番号1~17の軸受の化学組成は適切であり、残留オーステナイト面積率、ビッカース硬さ、残留応力、塑性流動層厚さを満たした。その結果、これらの軸受は、優れた転動疲労寿命を示した。
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.90~1.20%、
Si:0.15~0.35%、
Mn:0.20~0.50%、
P :0.025%以下、
S :0.010%以下、
Cr:1.00~1.80%、
Cu:0~0.20%、
Ni:0~0.20%、
B :0~0.0050%、
Nb:0~0.05%、および
Ti:0~0.10%、
を含み、残部Feおよび不純物からなる成分組成を有し、
転動面の表面から300μm深さの範囲の残留オーステナイト面積率が8%以下であり、
転動面の表面から800μm深さの範囲のビッカース硬さが760HV以上であり、
転動面の表面から300μm深さの範囲の圧縮残留応力(絶対値)が750MPa~2000MPaであり、
転動面の表層に厚さ1~20μmの塑性流動層を有する転がり軸受部品。 - 前記成分組成が、さらに、質量%で、Cu:0超え~0.20%、Ni:0超え~0.20%、及び、B:0超え~0.0050%の1種又は2種以上を含む請求項1に記載の転がり軸受部品。
- 前記成分組成が、さらに、質量%で、Nb:0超え~0.05%以下、及び、Ti:0超え~0.10%以下の1種又は2種を含む請求項1又は2に記載の転がり軸受部品。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の転がり軸受の製造方法であって、転がり軸受部品に焼入れ焼戻し処理を施した後に、転動面に超音波衝撃加工を施す工程を有する転がり軸受部品の製造方法。
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