JPH05179404A - 耐熱軸受用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 常温から３００℃程度の高温までの広い範囲
において転動疲労寿命の良好な耐熱軸受用鋼。 【構成】 必須成分としてＣ：0.80〜1.50％、Ｓｉ：0.
15〜0.60％、Ｍｎ：0.15〜1.00％、Ｃｒ：1.50〜2.50
％、Ｍｏ：2.50〜4.50％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避
的不純物から成る。そのほかに、Ｎｉ：0.05〜0.50％、
Ｖ：0.05〜0.80％のうちの１種又は２種を含有してもよ
い。 【効果】 従来の耐熱軸受用鋼ＡＩＳＩ−Ｍ５０よりも
合金含有量が少なく、代わりに炭素量を上げている。こ
のため、低コストながら、高温（２５０℃）における転
動疲労寿命はＭ５０鋼とほぼ同等となる。また、炭化物
分布が良好であるため、常温における転動疲労寿命は従
来鋼ＳＵＪ２以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３００℃までの比較的
高温で使用される軸受等の転動部品に適した鋼に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンの高出力、高回転化に
代表されるように、軸受の使用環境は高温になりつつあ
る。また、異物混入防止や静粛性向上を目的とした軸受
のシールド化の進行は、軸受部分において更なる温度上
昇をもたらす。

【０００３】従来より軸受用鋼として最も一般的に用い
られているＪＩＳ−ＳＵＪ２鋼は、１７０℃前後で焼も
どしを行なっているため、使用温度がその温度に近くな
ると使用時に焼もどし過程の進行に伴う軟化が生じ、軸
受の寿命が低下する。このため、上記のような使用温度
環境の変化に対して十分対応できる軸受用鋼の開発が望
まれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高温用軸受用鋼として
は、ＡＩＳＩ−Ｍ５０鋼（０．８％Ｃ、４％Ｃｒ、４％
Ｍｏ、１％Ｖ）が知られている。これはジェットエンジ
ンのメインシャフト等の軸受用の鋼として、通常、再溶
解を行なった上で使用されるものであるが、合金元素の
含有量が高いため高価であり、他の軸受部品としての使
用はコスト的に困難である。また、上記軸受用鋼ＳＵＪ
２のような良好な炭化物分布を得ることが難しいため、
高コストの割には通常の温度（１５０℃程度以下）の使
用ではＳＵＪ２と同等程度の寿命でしかない。従って、
常温から高温までの広い温度範囲で使用される汎用軸受
（或いは転動部品）用の鋼としては必ずしも適していな
い。本発明はこのような課題を解決するために成された
ものであり、常温から高温までの広い範囲において寿命
の長い軸受用鋼を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る耐熱軸受用鋼は、重量比にし
て、Ｃ：0.80〜1.50％、Ｓｉ：0.15〜0.60％、Ｍｎ：0.
15〜1.00％、Ｃｒ：1.50〜2.50％、Ｍｏ：2.50〜4.50％
を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成ることを
特徴とする。また、それらに加えて、必要に応じて、Ｎ
ｉ：0.05〜0.50％、Ｖ：0.05〜0.80％のうちの１種又は
２種を含有してもよい。

【０００６】

【作用】本発明鋼を構成する各必須元素の化学成分範囲
を上記のように規定した理由は次の通りである。

【０００７】Ｃ：0.80〜1.50％ 炭素はＣｒ、Ｍｏ、Ｖとの間に炭化物を形成する。この
炭化物は軸受用鋼に必要な耐摩耗性を付与するととも
に、特に本発明鋼の場合、焼もどし時の二次硬化を生じ
させる作用を果たす。このような効果を得て、軸受とし
て必要な硬さを満足するためには0.80％以上の炭素を含
有する必要がある。しかし、1.50％を超えて含有させる
と初析炭化物が増加し、均一な炭化物分布を得ることが
困難となって、常温においても転動疲労寿命の低下をも
たらす。

【０００８】Ｓｉ：0.15〜0.60％ シリコンは製鋼時に溶鋼の脱酸剤として使用される。鋼
の脱酸が不十分である場合には鋼中に酸化物系介在物が
増加し、これが応力集中源となって転動疲労寿命を低下
させる。このような弊害を避けるために鋼の脱酸を確実
に行なうには、0.15％以上のシリコンの添加が必要であ
る。しかし、シリコンは一般に合金鋼の焼入後の残留オ
ーステナイトを安定化させる作用を有する。後述するよ
うに、本発明に係る軸受用鋼は比較的高温で焼もどしを
行なうが、シリコンを0.60％を超えて含有させると残留
オーステナイトの分解温度が高温側に移行する。残留オ
ーステナイトは硬さを下げて転動疲労寿命を低下させる
とともに、その分解により経年的な寸法変化をもたらす
ため、高温で使用する軸受用鋼の場合は特に残留オース
テナイト量を少なく抑えておく必要がある。

【０００９】Ｍｎ：0.15〜1.00％ マンガンもシリコンと同様、製鋼時に脱酸剤として用い
られる。また、焼入性を向上する効果が大きく、比較的
大きな部品において完全な焼入れを行なうために有用な
元素である。これらの効果を発揮させるためには、少な
くとも0.15％のマンガンを含有させる必要がある。しか
し、1.00％を超えると焼入れ後の残留オーステナイト量
が多くなり、焼入硬さが低下して転がり寿命が低下す
る。また、切削性も低下する。

【００１０】Ｃｒ：1.50〜2.50％ クロムはモリブデン系の炭化物の粗大化を妨げ、微細な
球状化炭化物を生成させること、及び炭化物を硬化して
耐摩耗性を向上させることにより、軸受の転動疲労寿命
を向上させる効果を有する。このような効果を得るため
には1.50％以上のクロムを含有させることが必要であ
る。しかし、2.50％を超えて含有させると逆に巨大なク
ロム系炭化物が生成しやすくなり、転動疲労寿命を低下
させる。また、高温における変形抵抗が大きくなるた
め、熱間圧延を困難にする。

【００１１】Ｍｏ：2.50〜4.50％ モリブデンは焼入性向上に非常に効果的な元素であると
ともに、鋼の焼もどし時に軟化抵抗及び二次硬化を生じ
させる。本発明鋼はこの焼もどし二次硬化を積極的に利
用するため、モリブデンの含有量を2.50％以上とする。
しかし、4.50％を超えて含有させると、クロムの場合と
同様、巨大な炭化物が生成しやすくなり、転動疲労寿命
を低下させる。また、クロムの場合と同様、熱間圧延を
困難にする。

【００１２】本発明に係る耐熱軸受用鋼は上記各元素を
必須的成分とし、従来の軸受用鋼と同様に焼入・焼もど
しを行なって使用する。本発明鋼ではＣ及びＭｏを多く
含有しており、これらによる焼もどし軟化抵抗及び二次
硬化を積極的に利用して、高い焼もどし硬さを得てい
る。上記範囲の化学成分を有する本発明鋼の場合、二次
硬化が得られる焼もどし温度は５００〜６００℃であ
る。このような高温で焼もどした後の本発明鋼は、この
温度範囲までは組織変化を生じることがない。すなわ
ち、二次硬化で得られた高い硬さが３００℃程度の比較
的高温まで大きく低下することがない。このため、本発
明に係る軸受用鋼は、高温での転動疲労寿命に優れた軸
受用鋼となっている。

【００１３】本発明に係る耐熱軸受用鋼は更に、次の元
素を１種又は２種加えることにより、より優れた特性を
有するようになる。

【００１４】Ｎｉ：0.05〜0.50％ ニッケルはマトリクスを強化して靱性を向上させ、これ
により転動疲労寿命を向上させるという効果を有する。
このような効果を確実に奏するためには0.05％以上の含
有が必要である。しかし、0.50％を超えて含有させると
残留オーステナイト量が増加し、焼入硬さが低下するた
め、逆に転がり寿命は低下する。また、ニッケルは高価
な元素であり、余分な添加は材料価格を無駄に上昇させ
るのみである。

【００１５】Ｖ：0.05〜0.80％ バナジウムはモリブデン同様、焼もどし時の微細炭化物
の析出により顕著な軟化抵抗性及び二次硬化性を鋼に付
与する。また、微細炭化物の析出によるピン止め効果に
より結晶粒を微細化し、転動疲労寿命に好影響をもたら
す。さらに、バナジウムは炭化物の硬さを上昇させ、鋼
の耐摩耗性を向上することによっても、転動疲労寿命を
延ばす。このような効果を得るためには0.05％以上のバ
ナジウムの含有が必要である。しかし、0.80％を超えて
含有させてもこのような効果の増加が緩慢になり、材料
価格を不必要に上昇させる。また、結晶粒界にバナジウ
ム炭化物が多く析出するようになって熱間加工性を低下
させる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明鋼の特徴を比較鋼、従来鋼と対
比して、実施例により説明する。表１にこれら供試鋼の
主要化学成分を示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１において、Ａ〜Ｆが本発明鋼（そのう
ち、Ａ〜Ｃは本発明の必須成分のみを含有し、Ｄ〜Ｆは
任意添加成分をも含有する）であり、Ｇ〜Ｊはいずれか
の成分が本発明で規定する範囲を外れている比較鋼であ
る。Ｋ〜Ｍは従来鋼であり、そのうちＫ及びＬはＪＩＳ
−ＳＵＪ２鋼、ＭはＡＩＳＩ−Ｍ５０鋼である。なお、
ＫとＬは化学成分は同一であるが、後述するように熱処
理条件を別異にしたものである。

【００１９】これらの供試鋼について、常温（約４０
℃）及び高温（２５０℃）で転動疲労寿命試験を行なっ
た。ここで、試験片は次のような工程で作製した。各供
試鋼のφ６５ｍｍ圧延材に球状化焼鈍を施した後、φ６
０×１０ｍｍの円盤状粗形試験片を作製し、焼入・焼も
どし処理を施した。ここで、発明鋼、比較鋼、及び従来
鋼の中でもＭ５０鋼については、常温及び高温寿命試験
は同一の条件で熱処理を施した試験片について行なっ
た。しかし、従来鋼のうちＳＵＪ２鋼については、常温
の寿命試験は通常に行なわれる条件で熱処理した（すな
わち、焼もどし温度が１８０℃）試験片Ｋで行なった
が、高温寿命試験は、試験温度がすでにその焼もどし温
度を超えているため、試験温度よりも高い温度（３００
℃）で焼もどしを行なった（試験片Ｌ）。各熱処理条件
を表２及び表３に示す。また、これらの熱処理を施した
後の各試験片の硬さを表５に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】以上の熱処理を施した粗形試験片の表面を
鏡面研磨して転動疲労試験片とし、常温及び高温の転動
疲労寿命試験を行なって、そのＬ10（累積破損率１０
％）寿命時間を測定した。常温及び高温の転動疲労寿命
試験の試験条件を表４に示す。各供試鋼の試験結果は、
従来鋼ＳＵＪ２（ただし、常温寿命試験については焼も
どし温度は１８０℃の試験片、高温寿命試験については
焼もどし温度３００℃の試験片）を１として、それに対
する比率で評価を行なった。その結果を表５に示す。表
５に示す通り、本発明鋼Ａ〜Ｆはいずれも常温において
従来鋼ＳＵＪ２以上の転動疲労寿命を有する。それに対
し、比較鋼Ｇは炭素含有量が低いために硬さが低く、転
動疲労寿命が低い。

【００２４】一方、高温寿命試験では、本発明鋼は従来
の高合金耐熱軸受用鋼であるＭ５０鋼とほぼ等しい転動
疲労寿命を有する。それに対し、いずれかの成分が上記
本発明鋼の範囲を外れている比較鋼Ｇ〜Ｊは、本発明鋼
の約半分程度の寿命しか得られない。例えば、比較鋼Ｇ
は炭素含有量が少ないため十分な硬さが得られず、高温
でも寿命が短い。比較鋼Ｊの場合はＭｏ含有量が少なす
ぎるため、十分な二次硬化が得られず、同様に高温寿命
が短いものと考えられる。また、比較鋼ＨはＳｉ含有量
が多すぎるため残留オーステナイト量が増加し、十分な
硬さが得られなかったものである。比較鋼ＩはＣｒ含有
量が多すぎるため巨大炭化物が生成し、炭化物分布が悪
化したため、十分な転動寿命が得られなかったものであ
る。

【００２５】

【表５】

【００２６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係る耐熱軸
受用鋼は、従来一般に用いられている耐熱軸受用鋼ＡＩ
ＳＩ−Ｍ５０鋼ほどの合金量を含有することなく、より
低コストでＭ５０鋼と同等の高温転動疲労寿命を得るこ
とができる。そして、合金含有量が高くないため熱間圧
延時の製造性が良好であり、この点からも製造コストを
低く抑えることができる。また、本発明鋼では炭化物の
分布状況がＭ５０鋼に比べて改善されているため、常温
においても従来鋼ＳＵＪ２以上の寿命が得られる。従っ
て、本発明鋼は常温から３００℃程度の高温まで、幅広
い温度範囲で使用される多彩な用途の軸受に使用された
場合に、特に優れた性能を発揮する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 敦彦 大阪市中央区南船場三丁目５番８号 光洋 精工株式会社内 (72)発明者 柴田 正道 大阪市中央区南船場三丁目５番８号 光洋 精工株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にして、Ｃ：0.80〜1.50％、Ｓ
   ｉ：0.15〜0.60％、Ｍｎ：0.15〜1.00％、Ｃｒ：1.50〜
   2.50％、Ｍｏ：2.50〜4.50％を含有し、残部Ｆｅ及び不
   可避的不純物から成ることを特徴とする耐熱軸受用鋼。
2. 【請求項２】 重量比にして、Ｃ：0.80〜1.50％、Ｓ
   ｉ：0.15〜0.60％、Ｍｎ：0.15〜1.00％、Ｃｒ：1.50〜
   2.50％、Ｍｏ：2.50〜4.50％を含有し、さらに、Ｎｉ：
   0.05〜0.50％、Ｖ：0.05〜0.80％のうちの１種又は２種
   を含有して、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成ること
   を特徴とする耐熱軸受用鋼。