JPWO2020138450A1 - 浸炭窒化軸受部品の素材となる鋼材 - Google Patents
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Abstract
Description
化学組成が、
質量%で、
C:0.15〜0.45%、
Si:0.50%以下、
Mn:0.20〜0.60%、
P:0.015%以下、
S:0.005%以下、
Cr:0.80〜1.50%、
Mo:0.17〜0.30%、
V:0.24〜0.40%、
Al:0.005〜0.100%、
N:0.0300%以下、
O:0.0015%以下、
Cu:0〜0.20%、
Ni:0〜0.20%、
B:0〜0.0050%、
Nb:0〜0.100%、
Ti:0〜0.100%、
Ca:0〜0.0010%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)〜式(4)を満たし、
ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が10.0%以上であり、残部がベイナイトからなり、
前記化学組成中のV含有量(質量%)に対する、電解抽出残渣中のV含有量(質量%)の割合が10.0%以下である。
1.50<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.45 (1)
2.20<2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V<2.80 (2)
Mo/V≧0.58 (3)
(Mo+V+Cr)/(Mn+20P)≧2.40 (4)
ここで、式(1)〜式(4)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
1.50<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.45 (1)
2.20<2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V<2.80 (2)
Mo/V≧0.58 (3)
(Mo+V+Cr)/(Mn+20P)≧2.40 (4)
ここで、式(1)〜式(4)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命を高めるためには、浸炭窒化軸受部品内において、円相当径が150nm以下のV炭化物、円相当径が150nm以下のV炭窒化物、円相当径が150nm以下のV複合炭化物、及び、円相当径が150nm以下のV複合炭窒化物からなる群から選択される1種以上を多数生成させることが有効である。ここで、V複合炭化物とは、V及びMoを含む炭化物を意味する。V複合炭窒化物とは、V及びMoを含有する炭窒化物を意味する。以降の説明では、V炭化物及びV炭窒化物を「V炭化物等」とも称し、V複合炭化物及びV複合炭窒化物を「V複合炭化物等」と称する。また、円相当径が150nm以下のV炭化物等を「小型V炭化物等」と称し、円相当径が150nm以下のV複合炭化物等を「小型V複合炭化物等」と称する。ここで、円相当径とは、V炭化物等、又は、V複合炭化物等の面積と同じ面積の円の直径を意味する。
浸炭窒化軸受部品の水素発生環境下での剥離寿命を高めるためにはさらに、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度を高めることが有効である。浸炭窒化軸受部品の芯部の強度を高めるためには、浸炭窒化軸受部品の素材となる鋼材の焼入れ性を高めることが有効である。しかしながら、鋼材の焼入れ性を過剰に高めれば、鋼材の被削性が低下してしまう。
Moは小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等の析出を促進する元素である。具体的には、上述のとおり、F1が式(1)を満たすことにより、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等の生成に必要なV含有量、Cr含有量及びMo含有量の総含有量が得られる。しかしながら、本発明者らの検討の結果、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等を十分に生成するためにはさらに、Mo含有量のV含有量に対する比(=Mo/V)を調整しなければならないことが判明した。具体的には、Mo含有量のV含有量に対する比が低すぎれば、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等が生成する前に、析出核生成サイトとなるMo炭化物が十分に析出しない。この場合、V含有量、Cr含有量及びMo含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、式(1)を満たしていても、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等が十分に生成しない。
上述の小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等は、水素をトラップするだけでなく、析出強化により結晶粒内を強化する。一方で、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の粒界も強化でき、さらに、水素の侵入を抑えることができれば、(a)結晶粒内強化、(b)結晶粒界強化、(c)水素侵入抑制、の3つの相乗効果により、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命がさらに高まる。(a)の結晶粒内強化については、上述のとおり、Mo含有量、V含有量、Cr含有量の総含有量に依存する。一方、(b)の結晶粒界強化については、上述の化学組成のうち、特に結晶粒界に偏析しやすいPの含有量を低減することが有効である。さらに、(c)の水素侵入抑制については、鋼材中のMn含有量を低減することが極めて有効であることが本発明者らの調査により判明した。
RAV=[V]R/[V]C×100 (A)
残渣中V量割合RAVが10.0%以下であれば、浸炭窒化軸受部品の素材である鋼材において、V炭化物等及びV複合炭化物等は十分に固溶している。そのため、粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等に起因した水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命の低下が抑制される。
化学組成が、
質量%で、
C:0.15〜0.45%、
Si:0.50%以下、
Mn:0.20〜0.60%、
P:0.015%以下、
S:0.005%以下、
Cr:0.80〜1.50%、
Mo:0.17〜0.30%、
V:0.24〜0.40%、
Al:0.005〜0.100%、
N:0.0300%以下、
O:0.0015%以下、
Cu:0〜0.20%、
Ni:0〜0.20%、
B:0〜0.0050%、
Nb:0〜0.100%、
Ti:0〜0.100%、
Ca:0〜0.0010%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)〜式(4)を満たし、
ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が10.0%以上であり、残部がベイナイトからなり、
前記化学組成中のV含有量(質量%)に対する、電解抽出残渣中のV含有量(質量%)の割合が10.0%以下である、
鋼材。
1.50<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.45 (1)
2.20<2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V<2.80 (2)
Mo/V≧0.58 (3)
(Mo+V+Cr)/(Mn+20P)≧2.40 (4)
ここで、式(1)〜式(4)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
[1]に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Cu:0.01〜0.20%、
Ni:0.01〜0.20%、
B:0.0001〜0.0050%、
Nb:0.005〜0.100%、及び、
Ti:0.005〜0.100%、からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有する、
鋼材。
[1]又は[2]に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Ca:0.0001〜0.0010%を含有する、
鋼材。
本実施形態の鋼材は、浸炭窒化軸受部品の素材となる。本実施形態の鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼の焼入れ性を高める。そのため、本実施形態の鋼材を素材として製造される浸炭窒化軸受部品の芯部の強度及び芯部の靭性を高める。Cはさらに、浸炭窒化処理により微細な炭化物及び炭窒化物を形成して、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性を高める。Cはさらに、主として浸炭窒化処理時において、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等を形成する。小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等は、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の使用中に、鋼材中の水素をトラップする。そのため、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等は、浸炭窒化軸受部品の水素発生環境下での剥離寿命を高める。C含有量が0.15%未満であれば、化学組成中の他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、C含有量が0.45%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の製造工程において、V炭化物等及びV複合炭化物等が固溶しきらずに残存する。残存したV炭化物等及びV複合炭化物等は、浸炭窒化軸受部品の製造工程においても十分に固溶しない。そして、鋼材中に残存したV炭化物等及びV複合炭化物等は、浸炭窒化軸受部品の製造工程中で成長して、浸炭窒化軸受部品中において、粗大V炭化物等及びV複合炭化物等として残存する。この場合、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の使用中に、浸炭窒化軸受部品内の粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等は水素をトラップする能力が低いため、組織変化を引き起こす。浸炭窒化軸受部品内の粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等はさらに、割れの起点ともなる。そのため、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が低下する。したがって、C含有量は0.15〜0.45%である。C含有量の好ましい下限は0.16%であり、さらに好ましくは0.17%であり、さらに好ましくは0.18%である。C含有量の好ましい上限は0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.32%である。
シリコン(Si)は、不可避的に含有される。つまり、Si含有量は0%超である。Siは鋼材の焼入れ性を高め、さらに、鋼材のフェライトに固溶してフェライトを強化する。これにより、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まる。しかしながら、Si含有量が0.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の硬さが高くなりすぎ、鋼材の被削性が低下する。したがって、Si含有量は0.50%以下である。Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。Si含有量の好ましい上限は0.40%であり、さらに好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.32%であり、さらに好ましくは0.30%である。
マンガン(Mn)は、鋼材の焼入れ性を高める。これにより、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まり、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が高まる。Mn含有量が0.20%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Mn含有量が0.60%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の硬さが高くなりすぎ、鋼材の被削性が低下する。Mn含有量が0.60%を超えればさらに、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の使用中に、浸炭窒化軸受部品に水素が侵入しやすくなり、浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が低下する。したがって、Mn含有量が0.20〜0.60%である。Mn含有量の好ましい下限は0.22%であり、さらに好ましくは0.24%であり、さらに好ましくは0.26%である。Mn含有量の好ましい上限は0.55%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.45%である。
リン(P)は、不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。Pは粒界に偏析して粒界強度を低下する。P含有量が0.015%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Pが粒界に過剰に偏析して粒界強度を低下する。その結果、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が低下する。したがって、P含有量は0.015%以下である。好ましいP含有量の上限は0.013%であり、さらに好ましくは0.010%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
硫黄(S)は不可避に含有される不純物である。つまり、S含有量は0%超である。Sは、硫化物系介在物を生成する。粗大な硫化物系介在物は、水素発生環境下で浸炭窒化軸受部品の使用中に、割れの起点となりやすい。S含有量が0.005%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、硫化物系介在物が粗大となり、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が低下する。したがって、S含有量は0.005%以下である。S含有量の好ましい上限は0.004%であり、さらに好ましくは0.003%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、S含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、S含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
クロム(Cr)は、鋼材の焼入性を高める。これにより、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まる。Crはさらに、V及びMoと複合して含有されることにより、浸炭窒化処理時において小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等の生成を促進する。これにより、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性だけでなく、水素発生環境下での浸炭窒化部品の剥離寿命が高まる。Cr含有量が0.80%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Cr含有量が1.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、浸炭窒化処理時の浸炭性が低下する。この場合、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が十分に得られなくなる。したがって、Cr含有量は0.80〜1.50%である。Cr含有量の好ましい下限は0.85%であり、さらに好ましくは0.88%であり、さらに好ましくは0.90%である。Cr含有量の好ましい上限は1.45%であり、さらに好ましくは1.40%であり、さらに好ましくは1.35%である。
モリブデン(Mo)は、Crと同様に、鋼材の焼入性を高める。これにより、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まる。Moはさらに、V及びCrと複合して含有されることにより、浸炭窒化処理時において小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等の生成を促進する。これにより、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性だけでなく、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が高まる。Mo含有量が0.17%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、Mo含有量が0.30%を超えれば、鋼材の強度が高くなりすぎる。この場合、鋼材の被削性が低下する。したがって、Mo含有量は0.17〜0.30%である。Mo含有量の好ましい下限は0.18%であり、さらに好ましくは0.19%であり、さらに好ましくは0.20%である。Mo含有量の好ましい上限は0.29%であり、さらに好ましくは0.28%であり、さらに好ましくは0.27%である。
バナジウム(V)は、鋼材を用いた浸炭窒化軸受部品の製造工程において、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等を形成する。小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等は、水素発生環境での浸炭窒化軸受部品の使用中に、浸炭窒化軸受部品に侵入した水素をトラップする。浸炭窒化軸受部品中の小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等の円相当径は150nm以下と小さい。そのため、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等が水素をトラップしても、組織変化の起点とはなりにくい。そのため、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が高まる。Vはさらに、浸炭窒化軸受部品の製造工程において、小型V炭化物等及び小型V複合炭化物等を形成して、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性を高める。V含有量が0.24%未満であれば、上記効果が十分に得られない。一方、V含有量が0.40%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の製造工程において、V炭化物及びV複合炭化物等が固溶しきらずに残存する。残存したV炭化物等及びV複合炭化物等は、浸炭窒化軸受部品の製造工程においても十分に固溶しきらず、浸炭窒化軸受部品の製造工程中において成長して粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等となる場合がある。粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等は、浸炭窒化軸受部品の芯部の靱性を低下する。さらに、浸炭窒化軸受部品内の粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等は水素をトラップする能力が低い。そのため、粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等は、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の使用中に、組織変化を引き起こしやすい。粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等はさらに、割れの起点にもなる。そのため、粗大V炭化物等及び粗大V複合炭化物等は、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命を低下する。したがって、V含有量は0.24〜0.40%である。V含有量の好ましい下限は0.25%であり、さらに好ましくは0.26%であり、さらに好ましくは0.27%である。V含有量の好ましい上限は0.39%であり、さらに好ましくは0.38%であり、さらに好ましくは0.36%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が0.005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Al含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大な酸化物系介在物が生成する。粗大な酸化物系介在物は、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の疲労破壊の起点となる。そのため、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命を低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.008%であり、さらに好ましくは0.010%である。Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.060%である。本明細書にいうAl含有量は、全Al(Total Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は不可避に含有される不純物である。つまり、N含有量は0%超である。Nは鋼材中に固溶して、鋼材の熱間加工性を低下する。N含有量が0.0300%を超えれば、鋼材の熱間加工性が顕著に低下する。したがって、N含有量は0.0300%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0250%であり、さらに好ましくは0.0200%であり、さらに好ましくは0.0150%であり、さらに好ましくは0.0130%である。N含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、N含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、N含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
酸素(O)は不可避に含有される不純物である。つまり、O含有量は0%超である。Oは鋼中の他の元素と結合して粗大な酸化物系介在物を生成する。粗大な酸化物系介在物は、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の疲労破壊の起点となる。そのため、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が低下する。O含有量が0.0015%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、水素発生環境下での浸炭窒化軸受部品の剥離寿命が顕著に低下する。したがって、O含有量は0.0015%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0013%であり、さらに好ましくは0.0012%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、O含有量の過剰な低減は、製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%である。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Cu、Ni、B、Nb、Tiからなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、浸炭窒化軸受部品の強度を高める。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高める。これにより、鋼材の強度が高まり、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まる。Cuが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が過剰に高まり、鋼材の被削性が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.20%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。Cu含有量の好ましい上限は0.18%であり、さらに好ましくは0.16%であり、さらに好ましくは0.15%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ni含有量は0%であってもよい。含有される場合、Niは鋼材の焼入れ性を高める。これにより、鋼材の強度が高まり、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まる。Niが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が0.20%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の強度が過剰に高まり、鋼材の被削性が低下する。したがって、Ni含有量は0〜0.20%である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.05%である。Ni含有量の好ましい上限は0.18%であり、さらに好ましくは0.16%であり、さらに好ましくは0.15%である。
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、B含有量は0%であってもよい。含有される場合、Bは鋼材の焼入れ性を高める。これにより、鋼材の強度が高まり、浸炭窒化軸受部品の芯部の強度が高まる。Bはさらに、結晶粒界にPが偏析するのを抑制する。Bが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、B含有量が0.0050%を超えれば、B窒化物(BN)が生成して浸炭窒化軸受部品の芯部の靱性が低下する。したがって、B含有量は0〜0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。B含有量の好ましい上限は0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0%であってもよい。含有される場合、Nbは鋼中のC及びNと結合して炭化物、窒化物、及び、炭窒化物を生成する。これらの析出物は析出強化により浸炭窒化軸受部品の強度を高める。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Nb含有量が0.100%を超えれば、浸炭窒化軸受部品の芯部の靱性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.100%である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Nb含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.040%である。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ti含有量は0%であってもよい。含有される場合、TiはNbと同様に、炭化物、窒化物、及び、炭窒化物を生成して、浸炭窒化軸受部品の強度を高める。Tiが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ti含有量が0.100%を超えれば、浸炭窒化軸受部品の芯部の靱性が低下する。したがって、Ti含有量は0〜0.100%である。Ti含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Ti含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.040%である。
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ca含有量は0%であってもよい。含有される場合、Caは、鋼材中の介在物に固溶して、硫化物を微細化かつ球状化する。この場合、鋼材の熱間加工性が高まる。Caが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ca含有量が0.0010%を超えれば、鋼材中に粗大な酸化物系介在物が生成する。水素発生環境下での浸炭軸受部品の使用中に、粗大な酸化物系介在物が水素をトラップすると、組織変化が発生しやすくなる。組織変化の発生は、浸炭窒化軸受部品の剥離寿命を低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.0010%である。Ca含有量の好ましい下限は0%超であり、さらに好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%である。Ca含有量の好ましい上限は、0.0009%であり、さらに好ましくは0.0008%である。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、次の式(1)〜式(4)を満たす。
1.50<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.45 (1)
2.20<2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V<2.80 (2)
Mo/V≧0.58 (3)
(Mo+V+Cr)/(Mn+20P)≧2.40 (4)
ここで、式(1)〜式(4)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の鋼材の化学組成は、式(1)を満たす。
1.50<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.45 (1)
ここで、式(1)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、式(2)を満たす。
2.20<2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V<2.80 (2)
ここで、式(2)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、式(3)を満たす。
Mo/V≧0.58 (3)
ここで、式(3)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の鋼材の化学組成はさらに、式(4)を満たす。
(Mo+V+Cr)/(Mn+20P)≧2.40 (4)
ここで、式(4)中の元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
本実施形態の鋼材のミクロ組織では、フェライト及びパーライトの総面積率が10.0%以上であり、残部がベイナイトからなる組織を意味する。化学組成中のC含有量が低い場合、本実施形態の鋼材のミクロ組織では、フェライト及びパーライトの総面積率が50.0%以上であり、残部はベイナイトからなる。一方、化学組成中のC含有量が高い場合、本実施形態の鋼材のミクロ組織では、ベイナイトの面積率が50.0%以上であり、残部はフェライト及びパーライトからなる。C含有量が変動しても、本実施形態の鋼材のミクロ組織では、フェライト及びパーライトの総面積率が少なくとも10.0%以上であり、残部はベイナイトからなる。好ましくは、本実施形態の鋼材のミクロ組織では、フェライト及びパーライトの好ましい総面積率が10.0〜90.0%であり、残部はベイナイトからなる。フェライト及びパーライトの総面積率の好ましい上限は80.0%であり、さらに好ましくは78.0%である。フェライト及びパーライトの好ましい下限は20.0%であり、さらに好ましくは25.0%である。なお、鋼材のミクロ組織において、ベイナイト、フェライト及びパーライト以外の領域はたとえば、残留オーステナイト、析出物(セメンタイトを含む)及び、介在物であるが、ミクロ組織における残留オーステナイト、析出物及び介在物の総面積率は無視できるほど小さい。
本実施形態の鋼材のミクロ組織中のフェライト及びパーライトの総面積率(%)、及び、ベイナイトの面積率(%)は、次の方法で測定される。棒鋼又は線材である鋼材の長手方向(軸方向)に垂直な断面(以下、横断面という)のうち、表面と中心軸とを結ぶ半径Rの中央位置(R/2位置)からサンプルを採取する。採取したサンプルの表面のうち、上記横断面に相当する表面を観察面とする。観察面を鏡面研磨した後、2%硝酸アルコール(ナイタール腐食液)を用いて観察面をエッチングする。エッチングされた観察面を、500倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の20視野の写真画像を生成する。各視野のサイズは、100μm×100μmとする。
ベイナイト面積率=100.0−フェライト及びパーライトの総面積率
フェライト及びパーライトの総面積率(%)は、小数第2位を四捨五入して得られた値である。
本実施形態の鋼材ではさらに、鋼材の電解抽出残渣中のV含有量を[V]Rと定義し、鋼材の化学組成中のV含有量を[V]Cと定義した場合、次の式(A)で定義される残渣中V量割合RAVが10.0%以下である。
RAV=[V]R/[V]C×100 (A)
本実施形態の鋼材の電解抽出残渣中のV含有量は次の方法で測定できる。初めに、鋼材中の析出物及び介在物を残渣として捕捉する。鋼材から、直径6mmで長さ50mmの円柱試験片を採取する。具体的には、鋼材の長手方向(軸方向)に垂直な断面(以下、横断面という)のR/2位置から上述の円柱試験片を3個を採取する。採取した円柱試験片の表面を、予備の電解研磨にて50μm程度研磨して新生面を得る。電解研磨した円柱試験片を、電解液(10%アセチルアセトン+1%テトラアンモニウム+メタノール)で電解する。電解後の電解液を0.2μmのフィルターを通して残渣を捕捉する。得られた電解抽出残渣を酸分解し、ICP(誘導結合プラズマ)発光分析により、鋼材(母材)を100質量%とした場合の電解抽出残渣中のV含有量を質量%単位で定量する。各円柱試験片の電解抽出残渣中のV含有量の算術平均値(つまり、3つのV含有量の算術平均値)を、鋼材の電解抽出残渣中のV含有量[V]Rと定義する。電解抽出残渣中のV含有量[V]Rは、上述の算術平均値の小数第2位を四捨五入して得られた値である。鋼材の化学組成中のV含有量[V]Cと、上記測定により得られた電解抽出残渣中のV含有量[V]Rとを用いて、式(A)により残渣中V量割合RAVを求める。残渣中V量割合RAVは小数第2位を四捨五入して得られた値である。
RAV=[V]R/[V]C×100 (A)
本実施形態の鋼材の製造方法の一例を説明する。以降に説明する鋼材の製造方法は、本実施形態の浸炭窒化軸受部品の素材となる鋼材を製造するための一例である。したがって、上述の構成を有する鋼材は、以降に説明する製造方法以外の他の製造方法により製造されてもよい。しかしながら、以降に説明する製造方法は、本実施形態の鋼材の製造方法の好ましい一例である。
製鋼工程では、初めに、各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、F1〜F4が式(1)〜式(4)を満たす上記化学組成を有する溶鋼を製造する。精錬方法は特に限定されず、周知の方法を用いればよい。たとえば、周知の方法で製造された溶銑に対して転炉での精錬(一次精錬)を実施する。転炉から出鋼した溶鋼に対して、周知の二次精錬を実施する。二次精錬において、成分調整の合金元素の添加を実施して、各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、F1〜F4が式(1)〜式(4)を満たす化学組成を有する溶鋼を製造する。
熱間加工工程では、製鋼工程で製造された素材(ブルーム又はインゴット)に対して、熱間加工を実施して、鋼材を製造する。鋼材は、棒鋼又は線材である。
加熱温度:1150〜1300℃
上記加熱温度での保持時間:1.5〜10.0時間
ここで、加熱温度は、加熱炉の炉温(℃)である。また、保持時間は、加熱炉の炉温が1150〜1300℃での保持時間(時間)である。
加熱温度:1150〜1300℃
上記加熱温度での保持時間:1.5〜5.0時間
ここで、加熱温度は、加熱炉の炉温(℃)である。また、保持時間は、加熱炉の炉温が1150〜1300℃での保持時間(時間)である。
本実施形態の鋼材は、浸炭窒化軸受部品に用いられる。浸炭窒化軸受部品とは、浸炭窒化処理された軸受部品を意味する。本明細書において、浸炭窒化処理とは、浸炭窒化焼入れ及び焼戻しを実施する処理を意味する。
上述の構成を有する浸炭窒化軸受部品の製造方法の一例は次のとおりである。初めに、浸炭窒化軸受部品の素材となる本実施形態の鋼材を所定の形状に加工して中間品を製造する。加工方法はたとえば、熱間鍛造や機械加工である。機械加工はたとえば、切削加工である。熱間鍛造は、周知の条件で実施すれば足りる。熱間鍛造工程での鋼材の加熱温度はたとえば、1000〜1300℃である。熱間鍛造後の中間品を放冷する。なお、熱間鍛造後に機械加工工程を実施してもよい。機械加工工程を実施する前の鋼材又は中間品に対して、周知の球状化焼鈍処理を実施してもよい。機械加工では鋼材(中間品)の被削性が高い方が好ましい。本実施形態の鋼材は被削性に優れる。したがって、本実施形態の鋼材は、機械加工工程に適する。
雰囲気ガス中のカーボンポテンシャルCPが0.70以上であれば、浸炭窒化軸受部品の表面のC濃度が十分に高まり、たとえば、表面C濃度が質量%で0.70%以上になる。この場合、浸炭窒化処理により十分な量の炭窒化物が生成して、耐摩耗性が顕著に高まる。また、カーボンポテンシャルCPが1.40以下であれば、表面C濃度が1.20%以下となり、粗大な炭窒化物の生成が十分に抑えられる。したがって、好ましいカーボンポテンシャルCPは0.70〜1.40である。
雰囲気中の浸炭変成ガス流量に対するアンモニア濃度とは、浸炭変成ガス流量を100%とした場合のアンモニア濃度(質量%)を意味する。浸炭変成ガス流量に対するアンモニア濃度が1.00%以上であれば、浸炭窒化軸受部品の表面N濃度が十分に高まり、表面N濃度が0.15%以上となる。この場合、浸炭窒化処理により十分な量の炭窒化物が生成して、耐摩耗性が顕著に高まる。また、浸炭変成ガス流量に対するアンモニア濃度が6.00%以下であれば、浸炭窒化軸受部品の表面N濃度が0.60%以下となる。この場合、粗大な炭窒化物の生成が十分に抑えられる。したがって、雰囲気中の浸炭変成ガス流量に対するアンモニア濃度は1.00〜6.00%である。
浸炭窒化温度での保持時間:30〜100分
浸炭窒化温度が低すぎれば、C及びNの拡散速度が遅くなる。この場合、所定の熱処理性状を得るために必要な処理時間が長くなり、製造コストが高くなる。一方、浸炭窒化温度が高すぎれば、雰囲気中のアンモニアが分解し、鋼材に侵入するN量が減少する。さらに、侵入したC及びNの鋼材マトリクス中への固溶量が増加する。そのため、十分な量の炭窒化物が生成せず、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が低下する。したがって、浸炭窒化温度は830〜930℃である。
焼入れ温度は低すぎれば、鋼中に十分なCを固溶させることができず、鋼の硬さが低下する。一方、焼入れ温度が高すぎれば、結晶粒が粗大化し、結晶粒界に沿った粗大な炭窒化物が析出しやすくなる。したがって、焼入れ温度は830〜930℃である。なお、浸炭窒化温度が、浸炭焼入れ温度を兼用していてもよい。
焼戻し温度での保持時間:30〜240分
焼戻し温度が低すぎれば、浸炭窒化軸受部品の芯部の靱性が十分に得られない。一方、焼戻し温度が高すぎれば、浸炭窒化軸受部品の表面硬さが低下し、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が低下する。したがって、焼戻し温度は150〜200℃である。
以上の製造工程で製造される浸炭窒化軸受部品の表面でのC濃度、N濃度及びロックウェルC硬さHRCは次のとおりである。
本実施形態の鋼材を上述の条件で浸炭窒化焼入れ及び焼戻しして製造された浸炭窒化軸受部品の表面のC濃度は0.7〜1.2%である。表面のC濃度が低すぎれば、表面硬さが低くなりすぎ、耐摩耗性が低下する。一方、表面のC濃度が高すぎれば、粗大な炭化物及び粗大な炭窒化物等が生成して、水素発生環境下での剥離寿命が低下する。表面のC濃度が0.70〜1.20%であれば、耐摩耗性及び水素発生環境下での剥離寿命に優れる。表面のC濃度の好ましい下限は0.75%であり、さらに好ましくは0.80%である。表面のC濃度の好ましい上限は1.10%であり、さらに好ましくは1.05%であり、より好ましくは1.00%である。
本実施形態の鋼材を上述の条件で浸炭窒化焼入れ及び焼戻しして製造された浸炭窒化軸受部品の表面のN濃度は0.15〜0.60%である。表面のN濃度が低すぎれば、微細な炭窒化物の生成が抑制されるため、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が低下する。一方、表面のN濃度が高すぎれば、残留オーステナイトが過剰に多く生成される。この場合、浸炭窒化軸受部品の表面の硬さが低下してしまい、水素発生環境下での剥離寿命が低下する。表面のN濃度が0.15〜0.60%であれば、浸炭窒化軸受部品は、耐摩耗性及び水素発生環境下での剥離寿命に優れる。表面のN濃度の好ましい下限は0.18%であり、さらに好ましくは0.20%である。表面のN濃度の好ましい上限は0.58%であり、さらに好ましくは0.56%であり、さらに好ましくは0.54%である。
浸炭窒化軸受部品の表面のロックウェルC硬さHRCは58〜65である。表面のロックウェルC硬さHRCが58未満であれば、浸炭窒化軸受部品の耐摩耗性が低下する。一方、表面のロックウェルC硬さが65を超えれば、微細なき裂の発生及び進展が容易になり、水素発生環境下での剥離寿命が低下する。表面のロックウェルC硬さは58〜65であれば、優れた耐摩耗性及び水素発生環境下での優れた剥離寿命が得られる。表面のロックウェルC硬さの好ましい下限は59である。表面のロックウェルC硬さの好ましい上限は64である。
製造された鋼材(棒鋼)に対して、ミクロ組織観察試験、残渣中V量割合RAV測定試験、被削性評価試験、靭性評価試験、耐摩耗性評価試験、及び、水素発生環境下での剥離寿命評価試験を実施した。
各試験番号の鋼材(棒鋼)の長手方向(軸方向)に垂直な断面(横断面)のうち、R/2位置からサンプルを採取した。採取したサンプルの表面のうち、上記横断面に相当する表面を観察面とした。観察面を鏡面研磨した後、2%硝酸アルコール(ナイタール腐食液)を用いて観察面をエッチングした。エッチングされた観察面を、500倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の20視野の写真画像を生成した。各視野のサイズは、100μm×100μmとした。
各試験番号の鋼材(棒鋼)の長手方向(軸方向)に垂直な断面(横断面)のうち、R/2位置から、直径6mmで長さ50mmの円柱試験片を3個を採取した。採取した円柱試験片の表面を、予備の電解研磨にて50μm程度研磨して新生面を得た。電解研磨した試験片を、電解液(10%アセチルアセトン+1%テトラアンモニウム+メタノール)で電解した。電解後の電解液を0.2μmのフィルターを通して残渣を捕捉した。得られた残渣を酸分解し、ICP(誘導結合プラズマ)発光分析により、鋼材(母材)を100質量%とした場合の電解抽出残渣中のV含有量を質量%単位で定量した。各円柱試験片の電解抽出残渣中のV含有量の算術平均値(つまり、3つのV含有量の算術平均値)を、鋼材の電解抽出残渣中のV含有量を[V]Rと定義した。電解抽出残渣中のV含有量[V]Rは、上述の算術平均値の小数第2位を四捨五入して得られた値とした。鋼材の化学組成中のV含有量[V]Cと、上記測定により得られた電解抽出残渣中のV含有量[V]Rとを用いて、式(A)により残渣中V量割合RAV(%)を求めた。残渣中V量割合RAVは小数第2位を四捨五入して得られた値とした。
RAV=[V]R/[V]C×100 (A)
得られた残渣中V量割合RAV(%)を表2中の「RAV」欄に示す。
各試験番号の鋼材(直径60mmの棒鋼)に対して、外周旋削加工を実施して、工具寿命を評価した。具体的には、各試験番号の棒鋼に対して、次の条件で外周旋削加工を実施した。使用した切削工具は、JIS B 4053(2013)に規定のP10に相当する超硬合金とした。切削速度を150m/分とし、送り速度を0.15mm/revとし、切込み量を1.0mmとした。なお、旋削時には潤滑剤を使用しなかった。
工具寿命比=各試験番号の工具寿命(Hr)/比較基準鋼材の工具寿命(Hr)
靭性評価試験を次の方法で実施した。各試験番号の棒鋼に対して、機械加工(外周旋削加工)を実施して、直径40mmの中間品(棒鋼)とした。機械加工後の中間品に対して浸炭窒化処理を模擬して、図2に示すヒートパターンの焼入れ及び焼戻し(模擬浸炭窒化処理)を実施した。図2を参照して、模擬浸炭窒化処理での焼入れ処理では、焼入れ温度は900℃とし、保持時間を60分とした。保持時間経過後の中間品(棒鋼)を油冷した(図中「OQ」と記載)。焼戻し処理では、焼戻し温度を180℃とし、保持時間を120分とした。保持時間経過後の中間品(棒鋼)を空冷した(図中「AC」と記載)。以上の模擬浸炭窒化処理を実施した棒鋼は、浸炭窒化軸受部品の芯部に相当した。
Index=σy×(vE20)0.1
耐摩耗性評価試験を次の方法で実施した。直径60mmの棒鋼から機械加工により図3に示す中間品を作製した。図3は、中間品の側面図である。図3中の数値は、中間品の各部位の寸法(mm)を示す。図3中の「φ」の横の数値は、直径(mm)を示す。
すべり率=(V2−V1)/V2×100
試験後の試験片の摺動部分の粗さを測定した。具体的には、小ローラ試験片の周面において、円周方向に90°ピッチで4箇所の位置で、粗さプロファイルを測定した。上記4箇所での粗さプロファイルの最大深さを摩耗深さと定義し、これら4箇所の摩耗深さの平均を、平均摩耗深さ(μm)と定義した。平均摩耗深さを表2中の「平均摩耗深さ」欄に示す。平均摩耗深さが10μm以下であれば、耐摩耗性に優れると判断した(表2中の耐摩耗性評価において「E」で表記)。一方、平均摩耗深さが10μmを超えた場合、耐摩耗性が低いと判断した(表2中の耐摩耗性評価において「B」で表記)。
試験後の小ローラ試験片の試験部の表面のうち、摺動部分以外の領域(以下、未摺動部分という)において、円周方向に対して90°ピッチで4箇所の測定位置を特定した。特定された4箇所の測定位置において、JIS Z2245(2011)に準拠して、Cスケールを用いたロックウェル硬さ試験を実施した。各測定箇所のロックウェルC硬さHRCの算術平均値を、表面でのロックウェルC硬さHRCと定義した。得られたロックウェルC硬さを表2中の「HRC」欄に示す。
小ローラ試験片の試験部の未摺動部分を軸方向に対して垂直に切断した。未摺動部の表面(周面)を含む切断面を含む試験片を採取した。切断面に対して埋め込み研磨仕上げを行った。その後、電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて、未摺動部分の表面から10μm深さまで、0.1μmピッチでC濃度及びN濃度を測定した。測定された値の算術平均値を、表面C濃度(質量%)及び表面N濃度(質量%)と定義した。得られた表面C濃度(%)及び表面N濃度(%)を表2に示す。
各試験番号の鋼材(直径60mmの棒鋼)から、機械加工により、直径60mm、厚さ5.5mmの円板状の中間品を作成した。中間品の厚さ(5.5mm)は、棒鋼の長手方向に相当した。中間品に対して、浸炭窒化処理(浸炭窒化焼入れ及び焼戻し)を実施して、浸炭窒化軸受部品を製造した。このとき、各浸炭窒化軸受部品の表面C濃度が0.80%、表面N濃度が0.30%、及び、表面ロックウェルC硬さHRCが60となるように、浸炭窒化焼入れ及び焼戻しを実施した。具体的には、浸炭窒化焼入れ処理は、表3に示すカーボンポテンシャルCP、雰囲気中の浸炭変成ガスに対するアンモニア濃度、加熱温度(本実施例では加熱温度=浸炭窒化処理温度=焼入れ温度)及び保持時間(=浸炭窒化処理温度での保持時間+焼入れ温度での保持時間)で実施し、冷却方法は油冷とした。焼戻し処理は、表3に示す焼戻し温度及び保持時間で実施し、保持時間経過後は空冷した。得られた試験片の表面をラッピング加工して、転動疲労試験片とした。
剥離寿命比=各試験番号の剥離寿命/鋼種Yの剥離寿命
表2に試験結果を示す。表2を参照して、試験番号1〜10の化学組成において、各元素含有量は適切であり、F1〜F4が式(1)〜式(4)を満たした。さらに、製造条件も適切であった。そのため、ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が10.0%以上であり、残部がベイナイトからなり、残渣中V量割合RAVが10.0%以下であった。その結果、鋼材の工具寿命比は0.8以上であり、優れた被削性が得られた。さらに、模擬浸炭窒化処理後において、Indexはいずれも950以上であり、浸炭窒化軸受部品の芯部において優れた靱性が得られることが予想できた。さらに、耐摩耗性評価試験において、浸炭窒化処理後の浸炭窒化軸受部品の表面C濃度は0.70〜1.20%であり、表面N濃度は0.15〜0.60%であり、表面のロックウェルC硬さHRCは58〜65であった。さらに、耐摩耗性評価試験において、平均摩耗深さは10μm以下であり、耐摩耗性に優れた。さらに、耐水素発生環境下での剥離寿命試験において、浸炭窒化処理後の浸炭窒化軸受部品の表面C濃度は0.70〜1.20%であり、表面N濃度は0.15〜0.60%であり、表面のロックウェルC硬さHRCは58〜65であった。さらに、剥離寿命比は2.0以上であり、水素発生環境下での剥離寿命に優れた。
Claims (3)
- 化学組成が、
質量%で、
C:0.15〜0.45%、
Si:0.50%以下、
Mn:0.20〜0.60%、
P:0.015%以下、
S:0.005%以下、
Cr:0.80〜1.50%、
Mo:0.17〜0.30%、
V:0.24〜0.40%、
Al:0.005〜0.100%、
N:0.0300%以下、
O:0.0015%以下、
Cu:0〜0.20%、
Ni:0〜0.20%、
B:0〜0.0050%、
Nb:0〜0.100%、
Ti:0〜0.100%、
Ca:0〜0.0010%、及び、
残部がFe及び不純物からなり、
式(1)〜式(4)を満たし、
ミクロ組織におけるフェライト及びパーライトの総面積率が10.0%以上であり、残部がベイナイトからなり、
前記化学組成中のV含有量(質量%)に対する、電解抽出残渣中のV含有量(質量%)の割合が10.0%以下である、
鋼材。
1.50<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.45 (1)
2.20<2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V<2.80 (2)
Mo/V≧0.58 (3)
(Mo+V+Cr)/(Mn+20P)≧2.40 (4)
ここで、式(1)〜式(4)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Cu:0.01〜0.20%、
Ni:0.01〜0.20%、
B:0.0001〜0.0050%、
Nb:0.005〜0.100%、及び、
Ti:0.005〜0.100%、からなる群から選択される1元素又は2元素以上を含有する、
鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Ca:0.0001〜0.0010%を含有する、
鋼材。
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