JP3317516B2

JP3317516B2 - 軸受用鋼

Info

Publication number: JP3317516B2
Application number: JP11284092A
Authority: JP
Inventors: 聡安本; 俊幸星野; 虔一天野; 綽久田畑
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-05-01
Filing date: 1992-05-01
Publication date: 2002-08-26
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH05306432A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ころ軸受、玉軸受の
ような転がり軸受に用いて好適な加工性および転動疲労
寿命特性に優れた軸受用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車ならびに産業機械等で用いられる
転がり軸受用鋼としては、高炭素クロム軸受鋼（JIS 規
格：SUJ ２）が最も多く利用されている。このSUJ ２
は、0.95〜1.10wt％（以下単に％で示す）のＣを含有し
ていることから非常に硬質であるため、まず球状化焼鈍
を行って加工性を向上させた後、成形加工し、その後焼
入れ・焼戻し処理を施すことによって転がり軸受に必要
な硬さを確保している。ところでこの数回の熱処理時
に、素材表面のＣと雰囲気ガスとが反応し、素材表面に
脱炭層と呼ばれる低Ｃ濃度領域が発生する。かかる低Ｃ
濃度領域は、転がり軸受の硬さ低下のみならず転動疲労
寿命劣化の原因となることから、球状化焼鈍または焼入
れ・焼戻し後に切削もしくは研削により脱炭層を除去す
るのが通例であり、そのため歩留りさらには生産性の低
下を余儀なくされていた。

【０００３】上記したような脱炭層の形成を防止する手
法としては、熱処理時における雰囲気ガス中のカーボン
ポテンシャルをコントロールする方法や、球状化焼鈍の
初期段階に浸炭処理を施す方法（特開平２-54717号公報
参照）等が知られている。しかし、上記の各方法はいず
れも、熱処理中の雰囲気制御によるものであることか
ら、熱処理コストが嵩むだけでなく、材料の組成や熱処
理時間等に応じた適切なガス組成の設定という煩雑な操
作を必要とする難があった。

【０００４】また球状化焼鈍は、長時間にわたることか
ら、脱炭層の増大を招き、それに伴い生産性も低下して
いるのが現状である。この点、特開平２-54739号公報に
おいて、Ｃ含有量を低減することにより、加工性が良好
でしかも球状化焼鈍の省略が可能な軸受用鋼が提案され
た。しかしこの軸受用鋼においても、焼入れ・焼戻し処
理を省略することはできないため、脱炭層の発生を完全
に回避することはできなかった。従って、現在、脱炭層
の形成を抑制することができる成分系の開発が強く要望
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述した
現状に鑑み開発されたもので、熱処理時における脱炭層
の形成が極めて少ない軸受用鋼を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】さて発明者らは、上記の
目的を達成すべく、成分組成につき広範な研究を行っ
た。その結果、Ｃ、Si、MnおよびCrを特定範囲に制限し
た上でSbを適量添加することが、所期した目的の達成に
関し、極めて有効であることの知見を得た。この発明
は、正に上記の知見に立脚するものである。

【０００７】すわわちこの発明は、Ｃ：0.50〜0.77％、Si：0.10〜2.00％、 Mn：0.10〜2.00％、Cr：0.05〜0.30％、 Al：0.050％以下、Ｏ：0.0030％以下を含み、かつ Sb：0.0010〜0.0150％、を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなること
を特徴とする軸受用鋼（第１発明）、上記第１発明に
おいて、さらに Mo：0.1〜1.0％、Ni：0.1〜1.0％、Cu：0.05〜0.50％のうちから選んだ１種または２種以上を含有してなる軸
受用鋼（第２発明）、上記第１発明において、さらに Nb：0.05〜0.50％、Ｖ：0.05〜0.50％、Ｗ：0.05〜0.50
％のうちから選んだ１種または２種以上を含有してなる軸
受用鋼（第３発明）、上記第１発明において、さらに Mo：0.1〜1.0％、Ni：0.1〜1.0％、Cu：0.05〜0.50％のうちから選んだ１種または２種以上と、 Nb：0.05〜0.50％、Ｖ：0.05〜0.50％、Ｗ：0.05〜0.50
％のうちから選んだ１種または２種以上とを含有してなる
軸受用鋼（第４発明）を、それぞれ要旨構成とするもの
である。

【０００８】

【作用】以下、この発明において鋼の成分組成を上記の
範囲に限定した理由について説明する。Ｃ：0.50〜0.77％Ｃは、基地に固溶しマルテンサイトを強化し、転動疲労
寿命を向上させる作用元素であるが、含有量が0.50％未
満ではその効果に乏しく、一方0.77％を超えて添加する
と巨大炭化物が生成して転動疲労寿命を低下させる他、
その消散のために長時間の拡散焼鈍が必要となり生産性
の低下を招くので、Ｃ量は0.50〜0.77％の範囲に限定し
た。

【０００９】Si：0.10〜2.00％ Siは、鋼の溶製時に脱酸剤として作用する他、基地に固
溶して焼き戻し軟化抵抗を高めると同時に転動疲労寿命
を向上させる有用元素である。しかしながら、含有量が
0.10％未満ではその効果が小さく、一方2.00％を超えて
添加すると被削性が著しく劣化するので、0.10〜2.00％
の範囲で含有させるものとした。

【００１０】Mn：0.10〜2.00％ Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることによって基地マル
テンサイトの靭性を高め、また転動疲労寿命の向上にも
有効に寄与する。しかし、含有量が0.30％未満ではその
添加効果に乏しく、一方2.00％を超えると被削性が著し
く劣化するので、Mn量は0.10〜2.00％の範囲とした。

【００１１】Cr：0.05〜0.30％ Crは、炭化物の球状化を促進させると共に、基地に固溶
させて転動疲労寿命の向上を図る目的で添加する。しか
し、0.30％を超えて添加しても転動疲労寿命はそれ以上
向上せず、むしろコスト高となり、しかも、鋼の溶製時
にＣと結合して巨大炭化物を生成し、転動疲労寿命に悪
影響を及ぼす他、その消散のために長時間の拡散焼鈍が
必要となり、生産性が低下する。それ故、Crは0.05〜0.
30％の範囲で含有させるものとした。

【００１２】Al：0.050 ％以下 Alは、脱酸剤として添加するが、後述するＯと結合して
硬質な酸化物系非金属介在物を形成し、転動疲労寿命の
劣化を招くことから、少ないほど好ましい。よってこの
発明では 0.050％以下で添加するものとした。

【００１３】Ｏ：0.0030％以下Ｏは、上述したとおり、Alと結合して硬質な酸化物系非
金属介在物を形成し、転動疲労寿命の劣化を招くことか
ら、極力低減することが望ましく、この発明では0.0030
％以下に抑制するものとした。

【００１４】Sb：0.0010〜0.0150％ Sbは、この発明において特に重要な元素であり、熱処理
時の鋼材表層部のＣと雰囲気ガスとの反応を抑制して脱
炭層の発生を抑制する目的で積極的に添加する。かかる
作用は、含有量が0.0010％以上で顕著となるが、0.0150
％を超えて添加してもその効果は飽和に達し、むしろ熱
間加工性および靭性の劣化を招く。よってSbは、0.0010
〜0.0150％の範囲で含有させるものとした。

【００１５】以上、基本成分について説明したが、この
発明では、さらにMo, Ni, Cuのうちから選んだ１種また
は２種以上、および／またはNb, Ｖ，Ｗのうちから選ん
だ１種または２種以上を添加することができる。上記各
元素の好適添加量範囲は次のとおりである。

【００１６】Mo：0.1 〜1.0 ％、Ni：0.1 〜1.0 ％、C
u：0.05〜0.50％ Mo、NiおよびCuはいずれも、焼入れ性を高め、鋼の転動
疲労寿命を向上させる有用元素である。しかし、Mo、Cu
が多すぎる場合には鋼の鍛造性が低下し、またNiが多す
ぎる場合には残留γが多量に生成して鋼材硬さを低下
し、転動疲労寿命が劣化する。そこで、これらの各元素
は、かかるおそれのない上記の各範囲で添加するものと
した。

【００１７】Nb：0.05〜0.50％、Ｖ：0.05〜0.50％、
Ｗ：0.05〜0.50％ Nb、ＶおよびＷはいずれも、鋼中のＣと結合し、耐摩耗
性を向上させると共に、結晶粒を微細化して転動疲労寿
命および靱性の向上にも有効に寄与する。しかし、いず
れの元素も多すぎる場合には炭化物が高温で安定化し、
鋼材硬さを低下させ転動疲労寿命を低下させるだけでな
く、鋼の鍛造性をも劣化させる。よって、これらの各元
素も、かかるおそれのない上記の各範囲で添加するもの
とした。

【００１８】なおこの発明では、切削性を改善するため
に、Ｓ、Pb、Ca、BiおよびREM 等を添加しても脱炭層の
抑制を阻害することはなく、効果的に被削性を付与する
ことができる。

【００１９】次に、この発明鋼の製造方法について説明
する。この発明鋼は、転炉、電気炉等いずれの方法で溶
製しても良く、またスラブ製造に当たっては連鋳、造塊
いずれでも良い。さらに熱間圧延条件も特に限定される
ことはなく、常法に従って行えば良い。

【００２０】

【実施例】表１に示す化学組成になる種々の鋼材を、転
炉にて溶製し、65mmφの棒鋼に圧延した。この時、鋼材
No.１については、1240℃で30ｈの拡散焼鈍後、65mmφ
の棒鋼に圧延した。ついでこの棒鋼のＤ／４部より、15
mmφ×20mmφの円筒状試験片および鍛造試験片および転
動疲労寿命試験片を採取した後、雰囲気制御なし（大気
雰囲気）に、焼入れ・焼戻しを行った。この時、鋼材 N
o.１および No.２の一部については、焼ならし・球状化
焼なまし後に焼入れ・焼戻しを行った。なお試験片採取
後、鍛造試験片および転動疲労寿命試験片は、脱炭層を
完全に除去するため１mm以上の研磨を行い、鍛造試験片
については10mmφ×15mm、また転動疲労寿命試験片につ
いては12mmφ×22mmに仕上げた。

【００２１】なお脱炭層は、15mmφ×20mmの円筒状試験
片を10mmの位置で高さ方向に垂直に切断後、ナイタール
にて腐食し、ミクロ組織観察による円周上の全脱炭層の
最大値（以後、最大脱炭層と称す）で評価した。また鍛
造性は、完全拘束の状態で圧縮率：50％における変形抵
抗および50〜80％における割れ発生率を測定した。ここ
に変形抵抗は、鋼材 No.１の焼ならし・球状化焼なまし
材を１として相対的に評価した。さらに転動疲労寿命
は、円筒型転動疲労寿命試験機により、ヘルツ最大接触
応力：600 kgf/mm² 、繰り返し応力数：約46500 cpm の
条件で試験を行い、試験結果をワイブル分布に従うもの
として確率紙上にまとめ、鋼材 No.１の焼ならし・球状
化焼なまし材のＢ₁₀寿命（累積破損確率：10％における
剥離発生までの総負荷回数）を１として相対評価した。
評価結果を表２に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】表２より明らかなように、Sb含有量がこの
発明の適正範囲より低い鋼材 No.18およびSb無添加の鋼
材 No.17は、変形抵抗はいずれも従来材の 0.8倍、割れ
発生率も圧縮率70％で10％、80％で30〜40％と優れてお
り、さらに転動疲労寿命は従来材の 1.2〜1.3 倍とこの
発明と同等程度であるが、最大脱炭層が0.05〜0.06mm発
生しており、鋼材 No.１の焼ならし・球状化焼なまし材
と同等であって、この点については改善がなされてな
い。またＣ含有量がこの発明の適正範囲より低い鋼材 N
o.15は、最大脱炭層は0.01mmに、変形抵抗は従来材の
0.6倍に、そして割れ発生率は圧縮率80％で20％に低減
されているけれども、転動疲労寿命は従来材の 0.7倍と
劣っていた。さらにＣ含有量が適正範囲より高い鋼材 N
o.16は、最大脱炭層が0.02mmに改善されており、また転
動疲労寿命も従来材の 1.2倍とこの発明と同等である。
しかしながら変形抵抗は従来材の 1.2倍と高く、鍛造割
れが圧縮率60％で10％、70％で40％、80％で70％発生し
ており、実用上問題が残る。

【００２５】これに対し、鋼材 No.２〜14の発明材はい
ずれも、最大脱炭層は0.01〜0.02mmと従来材および鋼材
No.１の焼ならし・球状化焼なまし材よりも低減されて
おり、また転動疲労寿命も従来材の 1.2〜2.9 倍に改善
されている。さらに加工性については、焼ならし・球状
化焼なましがなくとも変形抵抗は従来材の 0.7〜0.9
倍、また鍛造割れはいずれも圧縮率60％まで発生してな
く、従来材に比較して格段に優れている。とくに鋼材 N
o.２の焼ならし・球状化焼なまし材では、変形抵抗は従
来材の 0.6倍、鍛造割れは圧縮率80％で10％と極めて良
好な成績が得られている。また上記実施例に示したよう
に、（Mo，Ni，Cu）および／または（Nb，Ｖ，Ｗ）の１
種または２種以上の添加は、脱炭層の抑制を阻害するこ
となく転動疲労寿命を向上させていることから、その使
用目的に応じて自由な組み合わせ添加が可能なことが判
る。

【００２６】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、転動疲労寿
命を阻害することなしに、熱処理時に発生が懸念された
脱炭層の生成を効果的に抑制することができるので、従
来、脱炭層の除去のために行われていた切削加工の省略
または簡略化が可能であり、また目的に応じて球状化焼
鈍の省略も可能であることから、材料の歩留り向上およ
び生産性向上に大きく貢献する。またＣ，Crの低減によ
り、合金コストが低減されるだけでなく、従来、鋳造時
に生成する巨大炭化物の消散のために施されていた拡散
焼鈍を省略することが可能となったので、素材コストを
大幅に低減できる。さらに鋳造割れの発生する限界圧縮
率を上昇させ得るので、各部の圧縮率が異なる複雑な形
状をした転動体部品の加工工程を簡略化することもでき
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田畑綽久千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (56)参考文献特開昭63−57749（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−274058（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 F16C 33/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.50〜0.77wt％、Si：0.10〜2.00wt
％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Cr：0.05〜0.30wt％、 Al：0.050wt％以下、Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつ Sb：0.0010〜0.0150wt％、を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなること
を特徴とする軸受用鋼。
【請求項２】Ｃ：0.50〜0.77wt％、Si：0.10〜2.00wt
％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Cr：0.05〜0.30wt％、 Al：0.050wt％以下、Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつ Sb：0.0010〜0.0150wt％、を含有し、さらに Mo：0.1〜1.0wt％、Ni：0.1〜1.0wt％、 Cu：0.05〜0.50wt％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする軸受
用鋼。
【請求項３】Ｃ：0.50〜0.77wt％、Si：0.10〜2.00wt
％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Cr：0.05〜0.30wt％、 Al：0.050wt％以下、Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつ Sb：0.0010〜0.0150wt％、を含有し、さらに Nb：0.05〜0.50wt％、Ｖ：0.05〜0.50wt％、Ｗ：0.05〜0.50wt％のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物からなることを特徴とする軸受
用鋼。
【請求項４】Ｃ：0.50〜0.77wt％、Si：0.10〜2.00wt
％、 Mn：0.10〜2.00wt％、Cr：0.05〜0.30wt％、 Al：0.050wt％以下、Ｏ：0.0030wt％以下を含み、かつ Sb：0.0010〜0.0150wt％、を含有し、さらに Mo：0.1〜1.0wt％、Ni：0.1〜1.0wt％、 Cu：0.05〜0.50wt％のうちから選んだ１種または２種以上と、 Nb：0.05〜0.50wt％、Ｖ：0.05〜0.50wt％、Ｗ：0.05〜0.50wt％のうちから選んだ１種または２種以上とを含有し、残部
はFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする軸
受用鋼。