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技術 被削性に優れた軸受要素部品用鋼材

出願人 住友金属工業株式会社
発明者 大藤善弘
出願日 2001年3月16日 (19年9ヶ月経過) 出願番号 2001-076092
公開日 2002年9月25日 (18年3ヶ月経過) 公開番号 2002-275584
状態 特許登録済
技術分野 ころがり軸受け ころがり軸受
主要キーワード 巻取りコイル 三角チップ 上工具 腐食処理 エネルギー分散形 軸受要素 規定条件 JIS規格
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重要な関連分野

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課題

解決手段

本発明の鋼材は、C:0.8〜1.2%、Si:0.2〜2.0%、Mn:0.2〜1.5%、Cr:0.6〜2.0%、Al≦0.05%、Cu≦2.0%、Ni≦4.0%、Mo≦0.5%、V≦0.2%、Nb≦0.10%、Ca≦0.003%、Mg≦0.003%を含有し、残部はFeと不純物からなり、不純物としてのTi≦0.002%、P≦0.02%、S≦0.015%、N≦0.009%、O≦0.0015%で、Si、Mn、CrおよびMoの関係が式「5.0≦1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo≦9.0」を満たし、かつセメンタイト中のCr+Mn濃度が5.0%以上である。

概要

背景

ボールコロニードルシャフトレースなどの軸受要素部品素材鋼としては、一般に、JIS G 4805に規定されているSUJ2鋼などの高炭素クロム軸受鋼が多用されている。

上記の所謂「軸受用鋼」は、熱間圧延などの手段で加工された後、軟化を目的とした球状化焼鈍を受け、次いで冷間鍛造冷間抽伸切削などの加工を施され、さらに、焼入れ低温での焼戻しによる熱処理を受けて所望の機械的性質を付与される。

上記の各工程のうち、切削加工コストが嵩むので、切削速度の向上や工具寿命延長が可能となる被削性に優れた軸受用鋼に対する要求が極めて大きくなっている。

鋼にPbやSなどの快削元素(被削性改善元素)を単独あるいは複合させて添加すれば、被削性が向上することはよく知られている。しかし、各種の産業機械自動車などに使用される軸受には高い面圧が繰り返し作用する。このため、軸受用鋼に前記快削元素を添加すれば、軸受(要素部品)の転動疲労寿命が大幅に低下してしまう。さらに、前記快削元素は一般に熱間加工性を低下させる。したがって、熱間圧延などの熱間加工時表面割れや疵が発生しやすくなるという問題もある。

このため、特開平1−255651号公報には、鋼中にREM希土類元素)を含有させた「被削性に優れた高Si−低Cr軸受鋼」が開示されている。しかし、REMは極めて酸化されやすいため、鋼中での歩留まりが不安定である。また、鋼中に生成しやすいREM酸化物粒径分散状態を制御することは、工業的には難しい。粗大なREM酸化物が生成したり、REM酸化物が多量に生成すると、転動疲労寿命が大幅に低下してしまう。

特開平3−56641号公報には、鋼中にBN化合物を生成させることで、転動疲労寿命を低下させることなく被削性を向上させる「被削性に優れた軸受鋼」が開示されている。しかし、Bは鋼中への溶解度が小さいため、鋼中での歩留まりが不安定であるし、偏析も生じやすい。さらに、Bは高炭素鋼凝固開始温度を著しく低下させるので、Bの偏析と相まって、凝固偏析が助長されることになる。加えて、凝固開始温度の低下が熱間加工性の低下につながり、熱間加工時に表面割れや疵が生成しやすくなる。したがって、軸受用鋼のB含有量をたとえ前記公報で規定された値、つまり、質量%で、0.004〜0.020%にしても、必ずしも工業的規模で安定して軸受要素部品が製造できるというものでもなかった。

特開平9−227991号公報には、特定の条件で熱処理して組織中の炭化物数と硬さを調整する「被削性および冷間加工性に優れる軸受鋼およびその製造方法」が開示されている。しかし、この公報で提案された焼鈍条件では、加熱工程の途中で徐熱または等温保持をおこなう必要がある。このため、焼鈍時間が長くなり生産性の低下をきたす。さらに、徐熱、急熱徐冷など熱処理条件の変更が必要であるため、例えば、鋼線材(以下、「鋼線材」を単に「線材」という)の一般的な形状である巻取りコイルを対象とする場合、コイル全体を均一に熱処理(焼鈍処理)することが困難である。たとえ均一な熱処理ができたとしても、工業的規模で用いられる連続熱処理炉は、一般に各ゾーンの温度が決まっていて、ゾーンの数も限られているため、前記公報で規定された条件で焼鈍を実施することは難しいし、規定条件で焼鈍するためには連続熱処理炉の改造更新が必要でコストが嵩んでしまう。

上記の各公報で提案された技術によれば、一応は被削性に優れた鋼材、具体的には線材、棒鋼および鋼管を得ることができる。しかし、既に述べたように、生産性、品質の点で大きな問題があった。

概要

被削性と転動疲労寿命に優れた軸受要素部品用鋼材(鋼線材、棒鋼および鋼管)の提供。

本発明の鋼材は、C:0.8〜1.2%、Si:0.2〜2.0%、Mn:0.2〜1.5%、Cr:0.6〜2.0%、Al≦0.05%、Cu≦2.0%、Ni≦4.0%、Mo≦0.5%、V≦0.2%、Nb≦0.10%、Ca≦0.003%、Mg≦0.003%を含有し、残部はFeと不純物からなり、不純物としてのTi≦0.002%、P≦0.02%、S≦0.015%、N≦0.009%、O≦0.0015%で、Si、Mn、CrおよびMoの関係が式「5.0≦1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo≦9.0」を満たし、かつセメンタイト中のCr+Mn濃度が5.0%以上である。

目的

本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、快削元素を特別に添加含有させることなく、かつ、焼鈍時間も従来と同様の10〜20時間程度であるため生産性の低下をきたすこともなく、ボール、コロ、ニードル、シャフト、レースなどの軸受要素部品の用途に好適な被削性に優れた鋼材(線材、棒鋼または鋼管)を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
5件
牽制数
3件

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請求項1

質量%で、C:0.8〜1.2%、Si:0.2〜2.0%、Mn:0.2〜1.5%、Cr:0.6〜2.0%、Al:0.05%以下、Cu:2.0%以下、Ni:4.0%以下、Mo:0.5%以下、V:0.2%以下、Nb:0.10%以下、Ca:0.003%以下、Mg:0.003%以下を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のTiは0.002%以下、Pは0.02%以下、Sは0.015%以下、Nは0.009%以下、O(酸素)は0.0015%以下で、Si、Mn、CrおよびMoの関係が下記の(1) 式を満たし、セメンタイト中のCrとMnの合計濃度が5.0%以上であることを特徴とする被削性に優れた軸受要素部品用鋼材。5.0≦1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo≦9.0 ・・・(1)

技術分野

0001

本発明は、軸受を構成するボールコロニードルシャフトレースなどの軸受要素部品の用途に好適な被削性に優れた軸受要素部品用鋼材に関する。

背景技術

0002

ボール、コロ、ニードル、シャフト、レースなどの軸受要素部品の素材鋼としては、一般に、JIS G 4805に規定されているSUJ2鋼などの高炭素クロム軸受鋼が多用されている。

0003

上記の所謂「軸受用鋼」は、熱間圧延などの手段で加工された後、軟化を目的とした球状化焼鈍を受け、次いで冷間鍛造冷間抽伸切削などの加工を施され、さらに、焼入れ低温での焼戻しによる熱処理を受けて所望の機械的性質を付与される。

0004

上記の各工程のうち、切削加工コストが嵩むので、切削速度の向上や工具寿命延長が可能となる被削性に優れた軸受用鋼に対する要求が極めて大きくなっている。

0005

鋼にPbやSなどの快削元素(被削性改善元素)を単独あるいは複合させて添加すれば、被削性が向上することはよく知られている。しかし、各種の産業機械自動車などに使用される軸受には高い面圧が繰り返し作用する。このため、軸受用鋼に前記快削元素を添加すれば、軸受(要素部品)の転動疲労寿命が大幅に低下してしまう。さらに、前記快削元素は一般に熱間加工性を低下させる。したがって、熱間圧延などの熱間加工時表面割れや疵が発生しやすくなるという問題もある。

0006

このため、特開平1−255651号公報には、鋼中にREM希土類元素)を含有させた「被削性に優れた高Si−低Cr軸受鋼」が開示されている。しかし、REMは極めて酸化されやすいため、鋼中での歩留まりが不安定である。また、鋼中に生成しやすいREM酸化物粒径分散状態を制御することは、工業的には難しい。粗大なREM酸化物が生成したり、REM酸化物が多量に生成すると、転動疲労寿命が大幅に低下してしまう。

0007

特開平3−56641号公報には、鋼中にBN化合物を生成させることで、転動疲労寿命を低下させることなく被削性を向上させる「被削性に優れた軸受鋼」が開示されている。しかし、Bは鋼中への溶解度が小さいため、鋼中での歩留まりが不安定であるし、偏析も生じやすい。さらに、Bは高炭素鋼凝固開始温度を著しく低下させるので、Bの偏析と相まって、凝固偏析が助長されることになる。加えて、凝固開始温度の低下が熱間加工性の低下につながり、熱間加工時に表面割れや疵が生成しやすくなる。したがって、軸受用鋼のB含有量をたとえ前記公報で規定された値、つまり、質量%で、0.004〜0.020%にしても、必ずしも工業的規模で安定して軸受要素部品が製造できるというものでもなかった。

0008

特開平9−227991号公報には、特定の条件で熱処理して組織中の炭化物数と硬さを調整する「被削性および冷間加工性に優れる軸受鋼およびその製造方法」が開示されている。しかし、この公報で提案された焼鈍条件では、加熱工程の途中で徐熱または等温保持をおこなう必要がある。このため、焼鈍時間が長くなり生産性の低下をきたす。さらに、徐熱、急熱徐冷など熱処理条件の変更が必要であるため、例えば、鋼線材(以下、「鋼線材」を単に「線材」という)の一般的な形状である巻取りコイルを対象とする場合、コイル全体を均一に熱処理(焼鈍処理)することが困難である。たとえ均一な熱処理ができたとしても、工業的規模で用いられる連続熱処理炉は、一般に各ゾーンの温度が決まっていて、ゾーンの数も限られているため、前記公報で規定された条件で焼鈍を実施することは難しいし、規定条件で焼鈍するためには連続熱処理炉の改造更新が必要でコストが嵩んでしまう。

0009

上記の各公報で提案された技術によれば、一応は被削性に優れた鋼材、具体的には線材、棒鋼および鋼管を得ることができる。しかし、既に述べたように、生産性、品質の点で大きな問題があった。

発明が解決しようとする課題

0010

本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、快削元素を特別に添加含有させることなく、かつ、焼鈍時間も従来と同様の10〜20時間程度であるため生産性の低下をきたすこともなく、ボール、コロ、ニードル、シャフト、レースなどの軸受要素部品の用途に好適な被削性に優れた鋼材(線材、棒鋼または鋼管)を提供することである。

0011

なお、既に述べたように、軸受には高い面圧が繰り返し作用するので、後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命を有することを目標とする。

課題を解決するための手段

0012

本発明の要旨は、下記の被削性に優れた軸受要素部品用鋼材にある。

0013

質量%で、C:0.8〜1.2%、Si:0.2〜2.0%、Mn:0.2〜1.5%、Cr:0.6〜2.0%、Al:0.05%以下、Cu:2.0%以下、Ni:4.0%以下、Mo:0.5%以下、V:0.2%以下、Nb:0.10%以下、Ca:0.003%以下、Mg:0.003%以下を含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のTiは0.002%以下、Pは0.02%以下、Sは0.015%以下、Nは0.009%以下、O(酸素)は0.0015%以下で、Si、Mn、CrおよびMoの関係が式「5.0≦1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo≦9.0」を満たし、セメンタイト中のCrとMnの合計濃度が5.0%以上であることを特徴とする被削性に優れた軸受要素部品用鋼材。

0014

上記の本発明においては、上記各元素のうち、Cu、Ni、Mo、V、Nb、CaおよびMgの7元素については、必ずしも添加含有させる必要はなく、不純物量レベルであってもよい。また、本発明にいう鋼材とは、線材、棒鋼または鋼管をいう。

0015

本発明者らは、線材、棒鋼および鋼管の球状化焼鈍後の組織、セメンタイト中のCr、Mn濃度、およびセメンタイト粒径が被削性に及ぼす影響について調査、研究を重ね、その結果、下記の知見を得た。
(a)軸受用鋼の切削加工においては、被切削材中の炭化物の硬さが工具寿命や上限切削速度に大きく影響する。
(b)セメンタイト中にCr、Mnが濃化すると、セメンタイトが硬化することは知られているが、マトリックスであるフェライト中のCr、Mnが減少すると、フェライトは軟化し、セメンタイトとマトリックスであるフェライトの硬度差が大きくなればなるほど、被削性が向上する。
(c)セメンタイト中のCr、Mn濃度を高めるためには、球状化焼鈍中にオーステナイトからフェライトに変態した後も、徐冷または保定すればよい。
(d)転動疲労寿命を確保するためには一定以上の焼入性の確保が必要で、そのためにはSi、Mn、CrおよびMoの含有量を制御すればよい。

0016

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

発明を実施するための最良の形態

0017

以下、本発明について詳しく説明する。なお、以下において、「%」は「質量%」を意味する。
(A)化学組成
C:0.8〜1.2%
Cは、焼入れと低温での焼戻しによる熱処理をおこなって軸受用鋼材(軸受要素部品)に所望の機械的性質を付与させるが、その含有量が0.8%未満では焼入れ焼戻し後硬度が低く、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命)が得られない。一方、Cの含有量が1.2%を超えると、鋼の凝固開始温度が低下して熱間加工時、なかでも鋼材が鋼管の場合、熱間製管時に割れや疵が多発する。また、鋼の凝固時に巨大な炭化物が生成しやすくなるので、長時間の均質化熱処理をおこなわない場合には目標とする転動疲労寿命が得られない。したがって、C含有量は0.8〜1.2%とした。好ましい範囲は0.8〜1.0%、より好ましい範囲は0.8〜0.9%である。

0018

Si:0.2〜2.0%
Siは、転動疲労寿命を高めるのに有効な元素であるほか、脱酸剤として必要な元素でもある。また、Siは鋼の焼入性を向上させる元素でもある。しかし、その含有量が0.2%未満では前記の効果が得難い。なお、Siの含有量が0.6%以上になると被削性向上効果も大きくなる。一方、Siの含有量が2.0%を超えると、熱間圧延後や球状化焼鈍後に脱スケールするために長時間を要するので生産性の大幅な低下を招く。したがって、Si含有量は0.2〜2.0%とした。好ましい範囲は0.5〜1.5%、より好ましい範囲は0.5〜1.0%である。

0019

Mn:0.2〜1.5%
Mnは、鋼の焼入性を向上させると同時に、Sによる熱間脆性の防止に必要な元素である。これらの効果を発揮させるためにはMnを0.2%以上含有させる必要がある。一方、Mnの含有量が1.0%を超えるとMnのみならずCの中心偏析が生じるようになり、1.5%を超えるとMn、Cの中心偏析が顕著になり、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Mn含有量は0.2〜1.5%とした。好ましい範囲は0.2〜1.0%、より好ましい範囲は0.2〜0.8%である。

0020

Cr:0.6〜2.0%
Crは、鋼の焼入性を向上させると同時に、セメンタイト中に濃化しやすい元素で、セメンタイトを硬化させて被削性を向上させる。しかし、その含有量が0.6%未満では前記の効果が得難い。一方、1.6%を超えるとCrのみならずC元素の中心偏析が生じるようになり、2.0%を超えるとCr、Cの中心偏析が顕著になり、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Cr含有量は0.6〜2.0%とした。好ましい範囲は0.6〜1.6%、より好ましい範囲は0.6〜1.3%である。

0021

Al:0.05%以下
Alは脱酸剤として添加するが、過剰なAlは非金属系介在物を形成して転動疲労寿命を低下さる。特に、その含有量が0.05%を超えると、粗大な非金属系介在物を形成して転動疲労寿命の著しい低下を招き、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命)が得られなくなる。したがって、Alの含有量は0.05%以下とした。好ましい上限は0.04%、より好ましい上限は0.03%である。一方、十分な脱酸効果を得るためには、その含有量を0.0003%以上とするのがよい。なお、Alは、上記のSiによって脱酸が十分になされる場合には必ずしも添加する必要はなく、その含有量は不純物量レベルであってもよい。

0022

Cu:2.0%以下(添加時の望ましい範囲は0.05〜2.0%)
Cuは添加しなくてもよい。添加すれば耐食性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Cuは0.05%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が2.0%を超えると結晶粒界に偏析して鋼塊分塊圧延や線材の熱間圧延などの熱間加工時における割れや疵の発生が顕著になる。したがって、Cuの含有量は2.0%以下とした。好ましい上限は1.5%、より好ましい上限は1.0%である。

0023

Ni:4.0%以下(添加時の望ましい範囲は0.2〜4.0%)
Niは添加しなくてもよい。添加すれば、焼入れ後マルテンサイト中に固溶して靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Niは0.2%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、4.0%を超えて含有させても、前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Niの含有量を4.0%以下とした。好ましい上限は3.0%、より好ましい上限は2.0%である。

0024

Mo:0.5%以下(添加時の望ましい範囲は0.05〜0.5%)
Moも添加しなくてもよい。添加すれば、焼入性を高め、転動疲労寿命を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Moは0.05%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が0.5%を超えると、焼入性が高くなり過ぎて熱間圧延後にマルテンサイトが生成しやすくなり、割れが発生しやすくなる。したがって、Moの含有量は0.5%以下とした。好ましい上限は0.3%、より好ましい上限は0.2%である。

0025

V:0.2%以下(添加時の望ましい範囲は0.03〜0.2%)
Vは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒微細化させ、靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Vは0.03%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、0.2%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Vの含有量は0.2%以下とした。好ましい上限は0.1%である。

0026

Nb:0.10%以下(添加時の望ましい範囲は0.01〜0.10%)
Nbは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Nbは0.01%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、0.10%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Nbの含有量は0.10%以下とした。好ましい上限は0.08%、より好ましい上限は0.05%である。

0027

Ca:0.003%以下
Caは添加しなくてもよい。添加すれば、熱間加工性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Caは0.0001%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Caを0.003%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Caの含有量は0.003%以下とした。好ましい上限は0.002%である。

0028

Mg:0.003%以下
Mgも添加しなくてもよい。添加すれば、熱間加工性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Mgは0.0001%以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Mgを0.003%を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Mgの含有量は0.003%以下とした。好ましい上限は0.002%である。

0029

本発明においては、不純物としてのTi、P、S、NおよびO(酸素)の含有量を下記のとおりに制限することが重要である。その理由は以下の通りである。

0030

Ti:0.002%以下
Tiは、Nと結合してTiNを形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特にその含有量が0.002%を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命)が得られない。したがって、Tiの含有量は0.002%以下とした。なお、不純物としてのTiの含有量はできるだけ少なくすることが望ましい。

0031

P:0.02%以下
Pは、粒界に偏析して転動疲労寿命を低下させてしまう。特に、その含有量が0.02%を超えると転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命)が得られなくなる。したがって、Pの含有量は0.02%以下とした。

0032

S:0.015%以下
Sは、Mnと結合してMnSを形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特にその含有量が0.015%を超えると、粗大なMnSを形成しやすくなるので転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命)が得られない。したがって、Sの含有量は0.015%以下とした。

0033

N:0.009%以下
Nは、TiやAlと結合してTiNやAlNを形成しやすく、N含有量が多くなって粗大なTiNやAlNが形成されると、転動疲労寿命が低下してしまう。特にその含有量が0.009%を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107回以上の転動疲労寿命)が得られない。したがって、Nの含有量は0.009%以下とした。

0034

O(酸素):0.0015%以下
Oは、酸化物系介在物を形成し、転動疲労寿命を低下させてしまう。特にその含有量が0.0015%を超えると転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 回以上の転動疲労寿命)が得られない。したがって、Oの含有量は0.0015%以下とした。なお、不純物としてのO含有量はできる限り少なくすることが望ましい。
(B)Si、Mn、CrおよびMoの関係
本発明においては、Si、MnおよびCrの各含有量を(A)で規定した範囲内において、式「5.0≦1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo≦9.0」を満たす量に規定する。これは、後の実施例に示すように、式「1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo」で求められ値が5.0未満では、焼入性が不足するために、焼入れ後の硬度が低く、転動疲労寿命の低下が著しくなり、所望の転動疲労寿命(後述の実施例における転動疲労試験で、1.0×107 以上の転動疲労寿命)が得られない。一方、式「1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo」で求められる値が9.0を超えると、焼入性が過剰で、熱間圧延後の冷却中にマルテンサイト組織が生成して、焼割れハンドリング時の割れが発生しやすくなる。したがって、Si、MnおよびCrの各含有量を式「5.0≦1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo≦9.0」満たす量とした。

0035

ここで、上記の式「1.6×%Si+4.0×%Mn+3.0×%Cr+5.0×%Mo」は、鋼の焼入性を表し、下記の実験結果に基づいて各元素の係数最小二乗法を用いて求めることにより、本発明者が初めて定めた式である。

0036

すなわち、一般に、鋼の焼入性は、例えばAISI規格にも規定されているように、鋼の化学組成と結晶粒度から計算によって求め得る。しかし、本発明のような高炭素で、かつセメンタイト中にMn、Crが濃化している鋼の場合、マトリックス中のMn、Cr濃度が低下しているため、その計算結果と実際の焼入性とが一致しない。このため、以下に述べる実験をおこない、高炭素で、かつセメンタイト中にMn、Crが濃化している本発明鋼の焼入性を正確に表すパラメータ式として上記の式を定めたのである。

0037

実験内容:後述する表1に示す各鋼を用い、同じく後述する表2に示す「条件Y」と同じ条件で球状化焼鈍をおこなった外径40mmの棒鋼から試験片採取し、JISG 0561に規定される方法に準拠してジョミニー試験をおこなった。その際、試験片の加熱条件は、軸受用部品の一般的な焼入温度である820℃×20分間保持とした。次いで、ロックウェルC硬度50を示す位置までの冷媒供給側の試験片端部からの距離を各鋼について求めた。そして、この求めた各鋼の距離と、当該鋼中に含まれる各元素中、鋼の焼入性に大きな影響を及ぼすといわれているSi、Mn、CrおよびMoの4元素の含有量とから、各元素の効果が加算できると仮定し、最小二乗法によって、各元素の係数を求めた。その結果、各元素の係数は上記の式中に示す通りであった。
(C)セメンタイト中のCrとMnの合計濃度
本発明においては、セメンタイト中のCrとMnの合計濃度(以下、Cr+Mn濃度という)を5.0%以上に規定する。これは、後述の実施例に示すように、セメンタイト中のCr+Mn濃度が5%未満であると、セメンタイトの硬化が十分ではないために、切削試験での工具寿命が一般的な方法で製造された鋼材切削時の工具寿命の1.3倍以上にならないためである。さらに、セメンタイト中のCr+Mn濃度が6.0%以上の場合、その工具寿命が一般的な方法で製造された鋼材切削時の工具寿命の1.5倍以上になるので、セメンタイト中のCr+Mn濃度は6.0%以上であることが望ましい。一方、セメンタイト中のCr+Mn濃度の上限は特に制限しないが、セメンタイト中のCr+Mn濃度が15%を超えると、セメンタイト以外の炭化物になる可能性があるため、上限は15%以下にすることが望ましい。

0038

セメンタイト中のCr+Mn濃度を5.0%以上にするためには、鋼中のCrとMnの含有量を増加させるとともに、球状化焼鈍中にマトリックスがオーステナイトからフェライトに変態した後に、徐冷または保定することが有効である。

0039

例えば、後の実施例に示すように、鋼B(0.90%C−0.50%Mn−0.82%Cr)を770℃で2時間保持した後、10℃/時間で680℃まで冷却し、その後炉外で放冷すると、セメンタイト中のCr+Mn濃度は4.2%となる。また、770℃で2時間保持した後、10℃/時間で700℃まで冷却した後、650℃までを5℃/時間で冷却し、その後炉外で放冷すると5.8%となる。なお、650℃未満では、CrおよびMnの拡散が極めて遅くなるため、650℃未満の冷却速度はセメンタイト中のCrおよびMn濃度にほとんど影響しない。

0040

セメンタイト中のCrとMn濃度の測定は、次の方法によって決定した。すなわち、抽出レプリカ法によって、セメンタイトを取り出し、透過型電子顕微鏡TEM)に付属したエネルギー分散形X線分析(EDS)によって、各試料につき5個のセメンタイト中のCとMnの濃度を測定し、その各平均値をその試料のセメンタイト中のCrとMnの濃度とした。

0041

また、セメンタイトの粒径については、特に規定しないが、その平均粒径が0.4μm未満になると、鋼材の強度が上昇して、切削加工での切削抵抗が増加して工具寿命が短くなる傾向が大きくなる。このため、セメンタイトの平均粒径は0.4μm以上であることが好ましい。また、その上限も特に規定しないが、セメンタイトの平均粒径が0.8μmを上回ると、工具寿命の改善効果も飽和してくる傾向があり、球状化焼鈍に要する時間も長くなって生産性が低下するため、セメンタイトの平均粒径は0.8μm以下であることが好ましい。

0042

セメンタイトの平均粒径は、次のように定義されるものである。すなわち、各セメンタイト粒面積を求め、その面積と等価な面積の円の直径を求め、それを各セメンタイト粒の見かけの粒径とする。次いで、面積を測定したすべてのセメンタイト粒の見かけの粒径の平均値を見かけのセメンタイト平均粒径とし、上記の見かけのセメンタイトの平均粒径を1.12倍したものをセメンタイト平均粒径と定義する。

0043

前記(A)、(B)および(C)に記載した構成要件からなる本発明の鋼材(鋼線材、棒鋼または鋼管)は、通常の方法で冷間鍛造、冷間抽伸や切削などの加工を施され、さらに、焼入れと低温での焼戻しによる熱処理を受けて所望の機械的性質を有する軸受要素部品に仕上げられてから、精密機械部品である最終製品としての軸受に組み立てられる。

0044

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

0045

表1に示す化学組成を有する18種類の鋼を容量300kgの真空溶解炉を用いて溶製した。表1中、代符B〜IおよびO〜Rの鋼は化学組成が本発明で規定する範囲内のものであり、代符AおよびJ〜Nの鋼は成分のいずれかが本発明で規定する範囲から外れた比較例である。

0046

ID=000002HE=095 WI=145 LX=0325 LY=1500
各鋼は、1200℃に加熱後、仕上げ温度950℃の条件で熱間鍛造して直径40mm、長さ約2450mmの鍛造材成形した後、放冷した。放冷後の鍛造材の外観を観察したところ、代符GおよびHの鍛造材には微小クラックの発生が認められ、その組織を観察した結果マルテンサイト組織が混在していた。このため、代符GおよびHの鍛造材については以後の試験には供しなかった。

0047

クラックの発生が認められなかった代符A〜FおよびI〜Rの鋼からなる鍛造材は、長さ600mmに切断した後、電気炉を用いて表2に示す4通りの熱処理条件(ヒートパターン)のそれぞれによる球状化焼鈍をおこなった。なお、表2中の条件Wは、従来の焼鈍処理のヒートパターンに相当し、炉外放冷に至るまでの所要時間は11時間である。また、他の条件の所要時間は、条件Xが18時間、条件Yが14時間、条件Zが10時間である。

0048

ID=000003HE=040 WI=104 LX=0530 LY=0450
球状化焼鈍後の各鍛造材は、研削加工して直径38mmの丸棒にし、これを対象にセメンタイト中のCr+Mn濃度とセメンタイトの平均粒径を測定した。

0049

すなわち、Cr+Mn濃度は、各丸棒の横断面を鏡面研磨した後、抽出レプリカ法によってセメンタイトを取り出し、透過型電子顕微鏡(TEM)に付属したエネルギー分散形X線分析(EDS)によって各試料につき5個のセメンタイト中のCとMnの濃度を測定し、その平均値をその試料のセメンタイト中のCrとMnの濃度とし、これを合計して求めた。

0050

セメンタイトの平均粒径は、上記と同様に鏡面研磨した各丸棒の横断面をピクラールで腐食処理し、その腐食処理表面を走査型電子顕微鏡を用いて各試料の円中心から半径の1/2位置を倍率5000倍で10視野撮影し、この写真を通常の方法による画像解析によって各セメンタイト粒の面積を求め、それと等価な面積の円を計算して求められる直径を各セメンタイト粒の直径とし、その直径の平均値を1.12倍した値をセメンタイトの平均粒径とした。

0051

また、球状化焼鈍後、研削加工して仕上げた直径38mmの各丸棒を対象に、切削試験もおこなった。すなわち、切削工具としてJIS G 4403に規定されるSKH4からなる三角チップを用い、無潤滑周速50m/min、切り込み量0.7mm、送り0.2mm/rev.の条件で旋削加工して工具寿命を調査し、被削性の指標とした。

0052

なお、工具寿命は、前記条件で丸棒を切削加工した場合に、切削時間10分までは30秒ごと、それ以降は1分ごとに工具主切り刃摩耗量を測定して、主切り刃摩耗量が0.20mmになった時点とした。また、被削性の目標は下記(イ)の条件を満足することとした。
(イ)各鋼について、条件Wで球状化焼鈍した丸棒の工具寿命を基準とし、これよりも30%以上工具寿命が長いこと。

0053

さらに、上記の切削加工に供した各丸棒から、直径12mm、長さ22mmの試験片を切り出し、この試験片を焼入れ焼戻し処理(820℃×30分間保持後油焼入れ→160℃×1時間保持の焼戻し)して次の条件による転動疲労試験に供した。

0054

すなわち、円筒型の転動疲労試験機を用いて、潤滑油JIS規格に規定される#68タービン油を使用して、ヘルツ最大接触応力が588MPa、試験片負荷回数が46000回/分の条件で転動疲労試験をおこなった。試験片は各鋼について10個ずつとし、10個の試験片の中で最初に表面剥離をおこしたときの回転数を「転動疲労寿命」とした。転動疲労寿命が1.0×107 以上の場合に転動疲労特性に優れていると評価した。

0055

表3および表4に、球状化焼鈍後のセメンタイト中のCr+Mn濃度、セメンタイトの平均粒径、旋盤による切削加工での工具寿命、転動疲労寿命の各調査結果をまとめて示す。

0056

0057

上記のうち、試番1、4、25、28、29、32、33、36、41および44〜46は、セメンタイト中のCr+Mn濃度が5.0%未満であるため、工具寿命も目標の値に達していない。

0058

また、試番5、8、9、12、13、16、17、20、21、24、49、52、53、56、57、60、61および64は、鋼の化学組成は本発明で規定する範囲内であるが、セメンタイト中のCr+Mn濃度が5.0%未満であるため、工具寿命が目標の値に達していない。

0059

これに対し、本発明で規定する条件を満たす代符B〜IおよびO〜R鋼を用いた試番6、7、10、11、14、15、18、19、22、23、50、51、54、55、58、59、62および63は、工具寿命が目標の値に達しており、しかも転動疲労寿命も目標の1.0×107 回を上回っている。

0060

特に、セメンタイト中のCr+Mn濃度が6.0%以上の試番11、22、23、50、51、54、55、57、60、61および64の工具寿命は、条件Wで球状化焼鈍したものに比べて50%以上と長く、一段と優れている。

発明の効果

0061

本発明の軸受要素部品用鋼材は、被削性に優れるとともに、転動疲労寿命が長い。このため、ボール、コロ、ニードル、シャフト、レースなどの軸受要素部品の高寿命化が図れる。

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