JP6481652B2 - Bearing steel - Google Patents
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Description
本発明は、自動車、風車および産業機械などの軸受、特に汎用軸受鋼(JIS-SUJ2)製の軸受で問題となっている、水素由来の白色組織に起因した軸受損傷を抑制することができる、水素環境下における転動疲労特性に優れる軸受鋼に関する。 The present invention can suppress bearing damage caused by a white structure derived from hydrogen, which is a problem in bearings for automobiles, windmills, industrial machines, etc., in particular, bearings made of general-purpose bearing steel (JIS-SUJ2). The present invention relates to a bearing steel having excellent rolling fatigue characteristics in a hydrogen environment.
軸受は優れた転動疲労寿命が要求される部品であり、近年、自動車、風車および産業機械などに使用される軸受には汎用軸受鋼(JIS-SUJ2)が使用されている。この汎用軸受鋼製の軸受において、水素由来の白色組織に起因した、軸受に使用されている鋼材の早期はく離が問題となっている。この早期剥離は、軸受に使用されている潤滑油が転動面においてトライボケミカル反応により分解して水素を生成し、この水素が鋼中へ侵入し蓄積することにより発生する、といわれている。 Bearings are components that require an excellent rolling fatigue life. In recent years, general-purpose bearing steel (JIS-SUJ2) has been used for bearings used in automobiles, windmills, and industrial machines. In this general-purpose bearing steel bearing, there is a problem of early peeling of the steel material used in the bearing due to the white structure derived from hydrogen. This early peeling is said to occur when the lubricating oil used in the bearing decomposes by a tribochemical reaction on the rolling surface to generate hydrogen, and this hydrogen penetrates into and accumulates in the steel.
このような白色組織の生成抑制に関して、例えば、特許文献1にはCrおよびNの添加量を高めて残留オーステナイト量を増加する方法が開示されている。しかし、この特許文献1に記載の発明ではCr添加量を4.0%以上とするため、焼入れ温度を975℃以上の非常に高温にする必要があり、一般的な焼入れ炉では熱処理することが難しい。仮に、熱処理できたとしても、非常に高温で熱処理するため熱変形が大きく焼割れを生じたり、熱処理後の形状を修正するための加工に多大な工数と費用がかかる。 Regarding such white structure formation suppression, for example, Patent Document 1 discloses a method of increasing the amount of retained austenite by increasing the amount of Cr and N added. However, in the invention described in Patent Document 1, since the Cr addition amount is 4.0% or more, it is necessary to make the quenching temperature very high such as 975 ° C. or higher, and it is difficult to perform heat treatment in a general quenching furnace. Even if the heat treatment can be performed, the heat treatment is performed at a very high temperature, so that the thermal deformation is large, causing a fire crack, and the processing for correcting the shape after the heat treatment requires a great number of man-hours and costs.
また、特許文献2には、Si、CrおよびMoを添加することにより、白色組織を抑制するとともに加工性も確保する方法が開示されている。この文献には、一般的な熱処理炉で対応可能な焼入れ温度であり、加工性も保持しつつ、鋼中水素量0.5質量%の下での転動疲労試験にて優れた寿命特性を得ることが示されている。しかし、近年、環境負荷低減のため自動車の燃費向上および風力発電の伝達負荷低減のため、潤滑油の低粘度化が進み、転動面の潤滑状態は過酷になってきている。そのために、転動面での潤滑油の分解が促進されて鋼中への水素侵入量は増加する傾向にある。そこで、かような、近年の過酷な環境下においても、軸受部品の転動疲労寿命特性を向上することが希求されている。 Patent Document 2 discloses a method for suppressing white structure and ensuring workability by adding Si, Cr and Mo. In this document, it is a quenching temperature that can be handled by a general heat treatment furnace, and it has excellent life characteristics in a rolling fatigue test under a hydrogen content of 0.5 mass% while maintaining workability. It is shown. However, in recent years, in order to improve the fuel consumption of automobiles and reduce the transmission load of wind power generation in order to reduce the environmental load, the viscosity of the lubricating oil has been lowered, and the lubrication state of the rolling surface has become severe. For this reason, decomposition of the lubricating oil on the rolling surface is promoted, and the amount of hydrogen entering the steel tends to increase. Therefore, there is a demand for improving the rolling fatigue life characteristics of bearing parts even under such severe environments in recent years.
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、水素由来の白色組織に起因した軸受損傷を抑制することができ、特に近年における鋼中への水素侵入量が増加した環境下における転動疲労特性に優れる軸受鋼を提供することを目的とする。 The present invention solves such problems of the prior art and can suppress bearing damage caused by a white structure derived from hydrogen, particularly rolling fatigue characteristics in an environment in which the amount of hydrogen penetration into steel in recent years has increased. It aims at providing the bearing steel which is excellent in.
本発明者らは、上記した目的を達成するために、白色組織による早期はく離現象に影響を与える要因について鋭意究明した。
さて、白色組織は素地であるマルテンサイトおよび炭化物から変化した組織である。白色組織に変化していく過程は、まず、マルテンサイトブロック境界面に水素が濃化し、この状態で繰返しせん断応力が付加されると、前駆段階である針状組織を形成する。さらに、水素が侵入・濃化し、繰返しせん断応力が加わると、点在していた前駆段階の針状組織の一部が連結・凝集して初期段階の白色組織を形成する。この段階にある金属組織の電子顕微鏡写真を図1(a)に示す。この白色組織は、主に数十nmの微細なフェライトの組織であり、この組織は周囲のマルテンサイトに比べて硬さが低いため、繰返し応力を受けた際に応力を集中して受けるとともに疲労き裂の起点ともなる。引き続き、白色組織が繰返しせん断応力を受けると、初期段階の白色組織を起点として白色組織の領域が拡大していき、白色組織がある程度以上の大きさになると、上記の疲労き裂が急速に進展し、鋼材のはく離に至るというメカニズムであることを知見した。
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors diligently investigated factors that influence the early peeling phenomenon due to the white tissue.
Now, the white structure is a structure changed from martensite and carbide which are base materials. In the process of changing to a white structure, first, hydrogen is concentrated at the boundary surface of the martensite block, and when a shearing stress is repeatedly applied in this state, a needle-like structure as a precursor stage is formed. Further, when hydrogen penetrates and thickens and a repeated shear stress is applied, a part of the pre-existing needle-like structures connected and aggregated to form an initial white structure. An electron micrograph of the metal structure at this stage is shown in FIG. This white structure is mainly a fine ferrite structure of several tens of nanometers. Since this structure is lower in hardness than the surrounding martensite, it undergoes stress concentration and fatigue when subjected to repeated stress. It is also the starting point of the crack. Subsequently, when the white structure is repeatedly subjected to shear stress, the region of the white structure expands starting from the initial stage white structure. When the white structure becomes larger than a certain size, the above fatigue cracks rapidly develop. And it was found that this is the mechanism of peeling of steel.
水素環境下での使用に際して、まず、外部環境から侵入し鋼中に拡散する水素量を低減するには、マルテンサイト組織中に残留オーステナイトを一定量以上含有させて水素拡散速度を小さくすることが有効である。しかし、前述の如く、近年の過酷な環境下では外部環境の水素発生量が増加しているため、水素拡散速度を小さくするだけでは不十分であり、水素が侵入・拡散した際の水素由来の白色組織も抑制しなければならない。
一方、マルテンサイトブロック境界面に形成される針状組織の生成を抑制するには、鋼中への水素侵入を完全に抑制する、あるいはマルテンサイトブロック境界面を無くすことが有効である。しかしながら、これらを実現するのは実質的に不可能である。このため、針状組織からもう1段階進んだ初期段階の白色組織の生成を遅延させる、あるいは、白色組織の領域拡大を抑制させることが、早期はく離の抑制に対して非常に効果的であるとの知見を得た。
When using in a hydrogen environment, first, in order to reduce the amount of hydrogen that penetrates from the external environment and diffuses into the steel, it is possible to reduce the hydrogen diffusion rate by containing a certain amount or more of retained austenite in the martensite structure. It is valid. However, as described above, the amount of hydrogen generated in the external environment has increased in recent severe environments, so it is not sufficient to reduce the hydrogen diffusion rate. White tissue must also be suppressed.
On the other hand, in order to suppress the formation of the needle-like structure formed at the martensite block boundary surface, it is effective to completely suppress hydrogen intrusion into the steel or to eliminate the martensite block boundary surface. However, it is virtually impossible to realize these. For this reason, delaying the generation of the white tissue in the initial stage, which is one step further from the needle-shaped tissue, or suppressing the expansion of the white tissue region is very effective for suppressing early peeling. I got the knowledge.
初期段階の白色組織は、点在していた針状組織の一部が連結・凝集してマルテンサイト組織から微細なフェライト組織に変化したものである。マルテンサイト組織中には多量のCが固溶しているが、フェライト組織が許容できる固溶C量は非常に少ない。そのため、初期段階の白色組織が形成されるときに、フェライト組織に変化する部分のマルテンサイト組織中のCは周囲に拡散される必要がある。その際、SiおよびCrを一定以上含有していると、C拡散に対して大きな抵抗となり、初期段階の白色組織の形成を遅延させることができることを新たに知見した。 The white structure at the initial stage is a structure in which a part of the interspersed acicular structure is connected and aggregated to change from a martensite structure to a fine ferrite structure. Although a large amount of C is dissolved in the martensite structure, the amount of dissolved C that the ferrite structure can accept is very small. Therefore, when the white structure in the initial stage is formed, C in the martensitic structure of the portion that changes to the ferrite structure needs to be diffused around. At that time, it was newly found that when Si and Cr are contained in a certain amount or more, the resistance to C diffusion becomes large, and the formation of the white structure in the initial stage can be delayed.
次に、初期段階の白色組織が領域を広げていく過程においては、周囲に点在する炭化物が白色組織の広がりを抑制する役割を果たすことを見出した。すなわち、図1(a)の段階から白色組織が拡大してゆく段階における、金属組織の電子顕微鏡写真を図1(b)に示すように、白色組織が周囲の炭化物を取り込み、その領域を広げていくためには、取り込んだ炭化物を素地中に溶け込ませて消滅させなければならない。しかし、白色組織は上述の如くフェライト組織で構成されており、フェライト組織が許容できる固溶C量は非常に少ないため、炭化物を白色組織中に溶け込ませることはエネルギー的に大きな抵抗を伴うことになる。以上述べたところに従って、この素地に固溶しにくい炭化物の存在が白色組織の領域拡大に対して有効であるとの知見を新たに得るに到った。 Next, in the process of expanding the area of the white structure in the initial stage, it was found that the carbides scattered around the area play a role of suppressing the expansion of the white structure. That is, as shown in FIG. 1 (b), an electron micrograph of the metal structure in the stage where the white structure expands from the stage of FIG. 1 (a), the white structure takes in surrounding carbides and widens the region. In order to continue, the captured carbide must be dissolved in the substrate and disappear. However, the white structure is composed of a ferrite structure as described above, and the amount of solid solution C that can be accepted by the ferrite structure is very small, so that the carbide is dissolved in the white structure involves a large energy resistance. Become. As described above, the present inventors have newly obtained knowledge that the presence of carbides that are difficult to dissolve in the substrate is effective for expanding the area of the white structure.
本発明はかかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
(1)質量%で、
C:0.55%以上1.10%以下、
Si:1.0%以上2.0%以下、
Mn:2.0%以上3.0%以下、
P:0.02%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.05%以下、
Cr:0.8% 以上2.4%以下、
N:0.020%以下および
O:0.0020%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の成分組成を有し、焼戻マルテンサイト、残留オーステナイトおよび炭化物を含む金属組織を有し、前記残留オーステナイトの体積分率が10%超20%以下であり、前記炭化物中のCr濃度が6%以上およびMn濃度が5%以上である軸受鋼。
The present invention has been completed based on such findings and further studies. That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) In mass%,
C: 0.55% to 1.10%,
Si: 1.0% to 2.0%,
Mn: 2.0% to 3.0%,
P: 0.02% or less,
S: 0.02% or less,
Al: 0.05% or less,
Cr: 0.8% or more and 2.4% or less,
N: not more than 0.020% and O: not more than 0.0020%, the balance having a component composition of Fe and inevitable impurities, having a metal structure containing tempered martensite, residual austenite and carbide, and the volume of the residual austenite A bearing steel having a fraction of more than 10% and 20% or less, a Cr concentration in the carbide of 6% or more, and an Mn concentration of 5% or more.
(2)前記成分組成が、さらに、質量%で、
Sb:0.0050%以下、
Mo:0.50%以下、
Ti:0.01%以下、
Cu:0.30%以下、
Ni:0.15%以下および
B:0.0010%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記(1)に記載の軸受鋼。
(2) The component composition is further in mass%,
Sb: 0.0050% or less,
Mo: 0.50% or less,
Ti: 0.01% or less,
Cu: 0.30% or less,
Bearing steel as described in said (1) containing 1 type (s) or 2 or more types chosen from Ni: 0.15% or less and B: 0.0010% or less.
本発明によれば、水素由来の白色組織に起因した軸受損傷を抑制することができる。特に、近年の鋼中への水素侵入量が増加した環境下における転動疲労特性に優れる軸受鋼を提供する、という要求に対して偉効を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the bearing damage resulting from the white structure | tissue derived from hydrogen can be suppressed. In particular, the present invention has a great effect on the demand to provide a bearing steel that is excellent in rolling fatigue characteristics in an environment in which hydrogen penetration into steel has increased in recent years.
以下、本発明の軸受鋼について詳しく説明する。まず、軸受鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について述べる。なお、以下の成分組成に関する「%」表示は、特に断らない限りは「質量%」を意味する。
C:0.55%以上1.10%以下
Cは、焼入れ焼き戻し後の硬さを確保し、軸受の転動疲労寿命を高位に確保する上で重要な元素であり、白色組織の領域拡大を抑制する炭化物を形成させる上でも0.55%以上は含有する必要がある。また、外部環境から侵入し鋼中に拡散する水素量を低減させるための残留オーステナイトを一定量以上確保するためにも、Cは0.55%以上が必要である。好ましくは、0.70%以上である。一方、1.10%を超えて含有させると、残留オーステナイトが多量に生成されて転動疲労寿命を高位に確保するのに必要な硬さが確保できない、という不利が生じる。また、本発明の鋼成分においては、CrおよびSiを含有するため、Cが1.10%を超えて添加されると、Cの中心偏析により連続鋳造時の最終凝固中央部に巨大炭化物[(Fe,Cr)3C]が晶出し、その後の熱間圧延によっても消滅しないため、転動疲労寿命を大幅に劣化させることになる。このため、C量は1.10%以下に限定する。好ましくは、0.95%以下である。
Hereinafter, the bearing steel of the present invention will be described in detail. First, the reason why the component composition of the bearing steel is limited to the above range will be described. In addition, unless otherwise indicated, the "%" display regarding the following component composition means "mass%".
C: 0.55% or more and 1.10% or less C is an element important for ensuring hardness after quenching and tempering and ensuring a high rolling fatigue life of the bearing, and suppresses the expansion of the white structure region. Even in the case of forming, it is necessary to contain 0.55% or more. In order to secure a certain amount or more of retained austenite for reducing the amount of hydrogen that penetrates from the external environment and diffuses into the steel, C needs to be 0.55% or more. Preferably, it is 0.70% or more. On the other hand, if the content exceeds 1.10%, a disadvantage arises in that a large amount of retained austenite is generated and the hardness necessary to ensure a high rolling fatigue life cannot be ensured. In addition, since the steel component of the present invention contains Cr and Si, when C is added in an amount exceeding 1.10%, a large carbide [(Fe, Cr) 3C] crystallizes and does not disappear even by subsequent hot rolling, so that the rolling fatigue life is greatly deteriorated. For this reason, the amount of C is limited to 1.10% or less. Preferably, it is 0.95% or less.
Si:1.0%以上2.0%以下
Siは、水素が侵入した際の転動疲労寿命を確保する上で非常に重要な元素である。前述した如く、初期段階の白色組織の生成過程で、マルテンサイト組織は微細なフェライト組織に変遷するとともに、そこに存在していた炭化物を素地に取り込み、消滅させていくが、Siを1.0%以上添加することにより、マルテンサイト組織からフェライト組織への変遷および炭化物が素地へ固溶するのを抑制することができる。より好ましくは、1.2%以上である。一方、Siが2.0%を超えると、鋼材の脆化が顕著になるとともに、加工性を著しく劣化させるため、2.0%を上限とした。
Si: 1.0% to 2.0%
Si is an extremely important element for securing the rolling fatigue life when hydrogen penetrates. As described above, the martensite structure is transformed into a fine ferrite structure during the formation process of the white structure in the initial stage, and the carbides existing there are taken into the substrate and disappear, but Si is 1.0% or more. By adding, it is possible to suppress the transition from the martensite structure to the ferrite structure and the solid solution of carbide into the substrate. More preferably, it is 1.2% or more. On the other hand, when Si exceeds 2.0%, the embrittlement of the steel material becomes remarkable and the workability is remarkably deteriorated, so 2.0% was made the upper limit.
Mn:2.0%以上3.0%以下
Mnも水素が侵入した際の転動疲労寿命を確保する上で非常に重要な元素である。すなわち、Mnは、外部環境から侵入し鋼中に拡散する水素量を低減させるための残留オーステナイトを、生成させて安定化させる上で重要な元素である。この残留オーステナイトを一定量以上確保するためには、Mnを2.0%以上で添加する必要がある。また、Mnは炭化物中にも固溶し、白色組織が領域拡大していく過程で、取り込んだ炭化物が素地に固溶するのを抑制する元素である。特に、後述するCrとの複合固溶による相乗効果により、炭化物の素地への固溶を確実に抑制できる。炭化物中のMnを一定量以上確保するためにも、2.0%以上の添加を必要とする。好ましくは、2.2%以上である。一方、Mnが3.0%を超えると、残留オーステナイト量が過剰となり、必要な硬さが確保できなくなるとともに、製品使用中の寸法変化が大きくなる。また、鋼材の脆化が顕著になるため、3.0%以下に限定する。好ましくは、2.8%以下である。
Mn: 2.0% to 3.0%
Mn is also an extremely important element for securing the rolling fatigue life when hydrogen penetrates. That is, Mn is an important element for generating and stabilizing retained austenite for reducing the amount of hydrogen that penetrates from the external environment and diffuses into the steel. In order to secure a certain amount or more of this retained austenite, it is necessary to add Mn at 2.0% or more. In addition, Mn is an element that also dissolves in carbides and suppresses the incorporated carbides from dissolving in the substrate during the process of expanding the white structure. In particular, the solid solution of carbide to the substrate can be reliably suppressed by the synergistic effect of the composite solid solution with Cr described later. In order to ensure a certain amount or more of Mn in the carbide, addition of 2.0% or more is required. Preferably, it is 2.2% or more. On the other hand, if Mn exceeds 3.0%, the amount of retained austenite becomes excessive, the required hardness cannot be ensured, and the dimensional change during product use increases. Moreover, since embrittlement of the steel material becomes remarkable, it is limited to 3.0% or less. Preferably, it is 2.8% or less.
P:0.02%以下(ゼロを含む)
Pは不純物であり、オーステナイト粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、焼入れ時に焼き割れを助長する。従って、Pの含有量は極力低減することが望ましいが、0.02%までの含有は許容される。
P: 0.02% or less (including zero)
P is an impurity, and segregates at the austenite grain boundary to reduce the grain boundary strength, thereby promoting quench cracking during quenching. Therefore, it is desirable to reduce the P content as much as possible, but the content up to 0.02% is acceptable.
S:0.02%以下
Sは、鋼中でMnSを形成し被削性を向上させる点で有用な元素であり、好ましくは0.003%以上で添加する。一方、0.02%を超えて添加すると、形成されるMnSが巨大化して転動疲労破壊の起点となり、疲労強度を低下させる弊害が生じるため、0.02%を上限とする。好ましくは0.01%以下である。
S: 0.02% or less S is an element useful for improving the machinability by forming MnS in steel, and is preferably added in an amount of 0.003% or more. On the other hand, if added over 0.02%, the formed MnS becomes enormous and becomes the starting point of rolling fatigue fracture, which has the adverse effect of reducing fatigue strength, so 0.02% is made the upper limit. Preferably it is 0.01% or less.
Al:0.05%以下
Alは脱酸に有効な元素であり、低酸素化のために有益な元素であるが、鋼中に存在するAl酸化物は転動疲労特性を低下させるため、本発明では0.05%以下の添加とする。
Al: 0.05% or less
Al is an element effective for deoxidation, and is an element useful for reducing oxygen. However, since Al oxide existing in steel deteriorates rolling fatigue properties, in the present invention, 0.05% or less is added. And
Cr:0.8%以上2.4%以下
Crも、水素が侵入した際の転動疲労寿命を確保する上で非常に重要な元素であり、残留オーステナイトの生成および安定化に有効である。さらに、CrはMnと同様に炭化物中にも固溶し、白色組織の領域拡大過程で炭化物が素地に固溶するのを抑制する元素である。上述のとおり、Mnとの複合固溶による相乗効果によって、炭化物の素地への固溶を著しく抑制できる。炭化物中にCrを一定量以上確保するためには、0.8%以上の添加を必要とする。好ましくは、1.0%以上である。一方、含有量が2.4%を超えると、残留オーステナイト量が過剰となって硬さが低下するとともに、連続鋳造時の最終凝固中央部に生成する巨大炭化物[(Fe,Cr)3C]の成長を助長し、転動疲労寿命を劣化させるため、2.4%以下する。好ましくは2.2%以下である。
Cr: 0.8% to 2.4%
Cr is also an extremely important element for securing the rolling fatigue life when hydrogen penetrates, and is effective for the generation and stabilization of retained austenite. Further, Cr is an element that dissolves in the carbide as well as Mn, and suppresses the solid solution of carbide in the base material in the process of expanding the region of the white structure. As described above, the solid solution of carbide to the substrate can be remarkably suppressed by the synergistic effect of the composite solid solution with Mn. In order to ensure a certain amount or more of Cr in the carbide, addition of 0.8% or more is required. Preferably, it is 1.0% or more. On the other hand, if the content exceeds 2.4%, the amount of retained austenite becomes excessive and the hardness decreases, and the growth of giant carbide [(Fe, Cr) 3C] formed in the final solidification center during continuous casting is increased. 2.4% or less to promote and deteriorate the rolling fatigue life. Preferably it is 2.2% or less.
N:0.020%以下
Nは、AlおよびTiと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、焼入れ加熱時のオーステナイト粒の成長を抑制する、有益な元素である。そのためには、0.0015%以上で添加することが好ましい。また、AlおよびTiとの窒化物あるいは炭窒化物は、水素のトラップサイトにもなる。一方で、粗大な窒化物および炭窒化物は、転動疲労寿命の低下を招くため、Nは0.020%以下する。好ましくは0.015%以下である。
N: 0.020% or less N is a beneficial element that forms a nitride or carbonitride with Al and Ti and suppresses the growth of austenite grains during quenching heating. For that purpose, it is preferable to add at 0.0015% or more. Further, nitrides or carbonitrides with Al and Ti also serve as hydrogen trap sites. On the other hand, coarse nitrides and carbonitrides cause a decrease in rolling fatigue life, so N is 0.020% or less. Preferably it is 0.015% or less.
O:0.0020%以下
Oは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在する。このO量の増大は、酸化物系非金属介在物のサイズを粗大化させる。この粗大介在物は、転動疲労条件にとっては特に有害であるため、極力低減することが望ましい。そのためには、O量を0.0020%以下に低減する必要がある。好ましくは0.0010%以下である。
O: 0.0020% or less O exists as a hard oxide-based nonmetallic inclusion. This increase in the amount of O coarsens the size of the oxide-based nonmetallic inclusion. Since this coarse inclusion is particularly harmful to rolling fatigue conditions, it is desirable to reduce it as much as possible. For that purpose, it is necessary to reduce the amount of O to 0.0020% or less. Preferably it is 0.0010% or less.
本発明に係る水素環境下における転動疲労寿命特性に優れる軸受鋼は、以上の化学成分を基本成分とし、残部は鉄および不可避的不純物である。
さらに、必要に応じて、上記の基本成分に加えて、Sb:0.0050%以下、Mo:0.50%以下、Ti:0.01%以下、Cu:0.30%以下、Ni:0.15%以下およびB:0.0010%以下のうちから選ばれる1種または2種以上を含有することができる。これにより、水素環境下における転動疲労寿命特性をより安定して確保することができる。
The bearing steel excellent in rolling fatigue life characteristics in a hydrogen environment according to the present invention has the above chemical components as basic components, and the balance is iron and inevitable impurities.
Furthermore, if necessary, in addition to the above basic components, Sb: 0.0050% or less, Mo: 0.50% or less, Ti: 0.01% or less, Cu: 0.30% or less, Ni: 0.15% or less, and B: 0.0010% or less 1 type (s) or 2 or more types selected from among them can be contained. Thereby, the rolling fatigue life characteristic in a hydrogen environment can be secured more stably.
Sb:0.0050以下
Sbは、鋼板の表面に濃化してCの拡散を抑制し、熱処理中の表層脱炭を抑制するとともに、水素のトラップサイトとなり、初期段階の白色組織生成を抑制するために有益な元素である。0.0015%以下では添加効果が乏しいため、必要により添加する場合は0.0015%超で添加することが好ましい。一方、0.0050%を超えて添加しても、この効果は飽和するため、0.0050以下とする。
Sb: 0.0050 or less
Sb concentrates on the surface of the steel sheet and suppresses C diffusion, suppresses surface decarburization during heat treatment, and serves as a hydrogen trap site, and is an element useful for suppressing the formation of a white structure in the initial stage. . Since the effect of addition is poor at 0.0015% or less, it is preferable to add more than 0.0015% when necessary. On the other hand, even if added over 0.0050%, this effect is saturated.
Mo:0.50%以下
Moは、初期段階の白色組織生成を抑制するために有益な元素である。含有量が0.15%未満では添加効果に乏しいため、必要により添加する場合は0.15%以上で添加することが好ましい。なお、含有量が0.50%を超えると、この効果は飽和するため、コストの観点から0.50%以下とする。
Mo: 0.50% or less
Mo is an element useful for suppressing the formation of white tissue in the initial stage. If the content is less than 0.15%, the effect of addition is poor. Therefore, when necessary, it is preferably added at 0.15% or more. If the content exceeds 0.50%, this effect is saturated, so the content is made 0.50% or less from the viewpoint of cost.
Ti:0.01%以下
Tiは、TiNになってオーステナイト域でのピンニング効果を発揮し、粒成長を抑制する効果があるとともに、TiNが水素のトラップサイトにもなるため添加することが好ましい。しかし、多量に添加するとTiNが多量に析出するとともに、TiNのサイズを粗大化させ、転動疲労特性の低下ならびに鋼材の脆化が顕著になるため、0.01%以下とする。前記効果を得るためには、0.003%以上で添加することが好適である。
Ti: 0.01% or less
Ti becomes TiN and exhibits a pinning effect in the austenite region, has an effect of suppressing grain growth, and TiN is preferably added because it also serves as a hydrogen trap site. However, if added in a large amount, TiN precipitates in a large amount, and the size of TiN is coarsened, so that the rolling fatigue characteristics are deteriorated and the steel material becomes brittle. In order to acquire the said effect, adding at 0.003% or more is suitable.
Cu:0.30%以下
Cuは、焼入れ性を向上させる元素であるため、必要に応じて0.03%以上で添加することができる。しかしながら、0.30%を超えると熱間加工性を阻害するため0.30%以下の添加とする。
Cu: 0.30% or less
Since Cu is an element that improves hardenability, it can be added at 0.03% or more as necessary. However, if it exceeds 0.30%, the hot workability is inhibited, so 0.30% or less is added.
Ni:0.15%以下
Niは、焼入れ性を向上させる元素であり、焼入れ性を調整する場合に用いることができる。また、Cu添加時の熱間加工性の悪化を抑制する効果もあるため、必要に応じて0.03%以上で添加することができる。しかしながら、Niは高価な元素であり添加量が多くなると鋼材価格が高くなるため、0.15%以下の添加とする。
Ni: 0.15% or less
Ni is an element that improves hardenability and can be used to adjust hardenability. Moreover, since there exists an effect which suppresses the deterioration of the hot workability at the time of Cu addition, it can add at 0.03% or more as needed. However, Ni is an expensive element, and the steel material price increases as the amount added increases, so 0.15% or less is added.
B:0.0010%以下
Bは、焼入れ性を向上させる元素であり、焼入れ性を調整する場合に用いることができる。しかしながら、0.0010%を超えると効果が飽和するため0.0010%以下の添加とすることが好ましい。焼入れ性の向上効果を得るためには、0.003%以上で添加することが好ましい。
B: 0.0010% or less B is an element that improves hardenability, and can be used to adjust hardenability. However, if the content exceeds 0.0010%, the effect is saturated, so it is preferable to add 0.0010% or less. In order to obtain the effect of improving hardenability, it is preferable to add at 0.003% or more.
次に、本発明の軸受鋼の組織について、詳しく述べる。
まず、組織は、焼戻マルテンサイト、残留オーステナイトおよび炭化物を含む金属組織とする。焼戻マルテンサイトは、鋼を高硬度化して良好な転動疲労寿命を得るために必要である。炭化物は、本発明の成分組成では焼入れ焼戻し後に必ず存在する。
Next, the structure of the bearing steel of the present invention will be described in detail.
First, the structure is a metal structure containing tempered martensite, retained austenite and carbide. Tempered martensite is necessary for increasing the hardness of steel and obtaining a good rolling fatigue life. Carbides are always present after quenching and tempering in the composition of the present invention.
上記の金属組織において、残留オーステナイトの体積分率が10%超20%以下、炭化物中のCr濃度が6%以上およびMn濃度が5%以上、かつCrおよびMnの合計濃度が11%以上であることが肝要である。
[残留オーステナイトの体積分率が10%超20%以下]
残留オーステナイトを一定量以上含有させることにより、鋼中の水素拡散速度を小さくし、外部環境から侵入して鋼中に拡散する水素量を低減させることができる。マルテンサイト組織中に残留オーステナイトが10%超ないと効果が発揮しない。一方、残留オーステナイトが20%を超えると、必要な硬さが確保できなくなるとともに、製品使用中に残留オーステナイトが加工誘起変態(TRIP:Transformation Induced plasticity)により、マルテンサイト化することにより寸法変化が大きくなり、軸受使用時の異音の助長および付加的応力の増加につながることになる。このため、残留オーステナイトの体積分率は10%超20%以下に限定した。
In the above metal structure, the volume fraction of retained austenite is more than 10% and 20% or less, the Cr concentration in the carbide is 6% or more, the Mn concentration is 5% or more, and the total concentration of Cr and Mn is 11% or more. It is important.
[Volume fraction of retained austenite is more than 10% and less than 20%]
By containing a certain amount or more of retained austenite, the hydrogen diffusion rate in the steel can be reduced, and the amount of hydrogen that penetrates from the external environment and diffuses into the steel can be reduced. The effect is not exhibited unless the retained austenite exceeds 10% in the martensite structure. On the other hand, if the retained austenite exceeds 20%, the required hardness cannot be ensured, and the dimensional change becomes large due to the martensite formed by processing-induced transformation (TRIP) during the use of the product. As a result, abnormal noise is increased and additional stress is increased when the bearing is used. For this reason, the volume fraction of retained austenite was limited to more than 10% and not more than 20%.
[炭化物中のCr濃度が6%以上、Mn濃度が5%以上]
前述したように、初期段階の白色組織が領域拡大していく過程は、白色組織が周囲に存在する炭化物を取り込み、この取り込んだ炭化物が素地中に溶け込み消滅しながら進んでいく。上記の炭化物のうちCrおよびMnが濃化したCrおよびMn複合炭化物は、素地への拡散(固溶)を著しく抑制することができる。Cr単独あるいはMn単独で炭化物に濃化した場合でも、炭化物の素地への拡散抑制効果があるが、単独濃化に比べCrおよびMnを複合濃化させたほうが相乗効果をもたらし、炭化物の素地への固溶を著しく抑制する。特に、相乗効果が功を奏するのは、Cr濃度が6%以上およびMn濃度が5%以上となり、Cr+Mn濃度が11%以上となる場合であることから、それぞれの限定とした。なお、炭化物中のCr濃度およびMn濃度の測定は、後述する走査型電子顕微鏡(SEM)に付属したエネルギー分散型X線分析(EDS)による測定方法にて測定できる。
[Cr concentration in carbide is 6% or more, Mn concentration is 5% or more]
As described above, the process of expanding the area of the white structure in the initial stage proceeds while the white structure takes in carbides present in the surroundings, and the incorporated carbides dissolve into the substrate and disappear. Among the above carbides, Cr and Mn composite carbides enriched with Cr and Mn can remarkably suppress diffusion (solid solution) into the substrate. Even when Cr or Mn alone is concentrated in carbides, there is an effect of suppressing the diffusion of carbides to the substrate, but composite concentration of Cr and Mn provides a synergistic effect compared to single concentration, leading to a carbide substrate. Remarkably suppresses solid solution. In particular, the synergistic effect is effective when the Cr concentration is 6% or more, the Mn concentration is 5% or more, and the Cr + Mn concentration is 11% or more. The Cr concentration and Mn concentration in the carbide can be measured by a measurement method by energy dispersive X-ray analysis (EDS) attached to a scanning electron microscope (SEM) described later.
かくして、本発明に従う成分組成および組織を有した軸受鋼とすれば、所期した特性、特に近年における鋼中への水素侵入量が増加した環境下における転動疲労特性に優れた軸受鋼を得ることができる。 Thus, if the bearing steel having the composition and structure according to the present invention is obtained, a bearing steel excellent in rolling fatigue characteristics in an environment in which the expected characteristics, in particular, the amount of hydrogen penetration into the steel in recent years has increased is obtained. be able to.
以上説明した成分組成および組織を有する軸受鋼は、公知の方法にて製造可能である。
すなわち、転炉、脱ガス設備等の溶製方法にて溶製された後、鋳造され、得られた鋳片を、拡散焼鈍、圧延あるいは鍛錬成形過程を経て所定寸法のとされる。この鋼材に対して、従来公知の球状化焼鈍が施され、軸受部品への加工用素材となる。その後、切削加工や鍛造加工などの加工工程を経て、本発明の軸受鋼となる。
The bearing steel having the component composition and structure described above can be manufactured by a known method.
That is, after being melted by a melting method such as a converter or a degassing facility, it is cast, and the resulting slab is made into a predetermined size through diffusion annealing, rolling, or forging forming process. The steel material is subjected to conventionally known spheroidizing annealing, and becomes a material for processing a bearing part. After that, the bearing steel of the present invention is obtained through processing steps such as cutting and forging.
なお、特に好適な製造条件を例示すると、下記の通りである。
まず、球状化焼鈍では、750〜820℃で4〜16時間程度保持し、650℃まで8〜20℃/h程度で徐冷する処理を施すことが好ましい。球状化焼鈍後の加工前素材における組織は、フェライトおよび球状化炭化物であり、ビッカース硬度は180〜250程度であることが好ましい。
Particularly preferable production conditions are as follows.
First, in the spheroidizing annealing, it is preferable to perform a treatment of holding at 750 to 820 ° C for about 4 to 16 hours and gradually cooling to 650 ° C at about 8 to 20 ° C / h. It is preferable that the structure in the raw material after spheroidizing annealing is ferrite and spheroidizing carbide, and the Vickers hardness is about 180 to 250.
前記加工前素材は、軸受部品の形状に加工された後、焼入れによる急冷処理を施し、その後の焼戻し処理は150〜250℃で30〜180分程度の条件で行うことが好ましい。焼入れ・焼戻し後の組織は、残留オーステナイトを含む焼戻しマルテンサイトと炭化物であり、ビッカース硬度は700〜800程度とすることが好ましい。 The pre-processed material is processed into the shape of the bearing component, and then subjected to a quenching process by quenching, and the subsequent tempering process is preferably performed at 150 to 250 ° C. for about 30 to 180 minutes. The structure after quenching and tempering is tempered martensite and carbide containing residual austenite, and the Vickers hardness is preferably about 700 to 800.
表1に示す成分組成を有し、残部がFeおよび不可避的不純物である鋼塊(100kg)を真空溶製し、1250℃にて24時間の拡散焼鈍を行った。ついで、1200℃にて熱間鍛伸加工して直径60mmの丸棒とした後、950℃で1時間保持してから、空冷して焼きならし処理を行った。その後、780〜820℃の範囲で7時間保持し、15℃/hにて徐冷する球状化焼鈍を施した丸棒から、直径60mmおよび厚さ5.5mmのスラスト型転動疲労試験の粗加工を施した。 A steel ingot (100 kg) having the component composition shown in Table 1 with the balance being Fe and inevitable impurities was vacuum-melted and subjected to diffusion annealing at 1250 ° C. for 24 hours. Next, after hot forging at 1200 ° C. to make a round bar with a diameter of 60 mm, it was kept at 950 ° C. for 1 hour, then air cooled and normalized. After that, rough machining of the thrust type rolling fatigue test with a diameter of 60mm and a thickness of 5.5mm from a round bar annealed by spheroidizing annealed at 780-820 ° C for 7 hours and slowly cooled at 15 ° C / h. Was given.
得られた粗加工試験片を820〜880℃の範囲で30分保持後、油焼入れを施した後、さらに170〜220℃の範囲で2時間の焼戻し処理を行った後、表面仕上げ加工にて5mmとしたスラスト型転動疲労試験片を準備した。なお、鋼No.6および7については、鋼No.5の素材を用いて、焼入れ温度を2相域(オーステナイト+炭化物)の高温側および低温側とすることにより、残留オーステナイト量を本発明の範囲から外した。 After holding the obtained rough-processed test piece in the range of 820 to 880 ° C. for 30 minutes, oil quenching, and further tempering in the range of 170 to 220 ° C. for 2 hours, followed by surface finishing A thrust type rolling fatigue test piece of 5 mm was prepared. In addition, about steel No. 6 and 7, using the raw material of steel No. 5, the quenching temperature is set to the high temperature side and the low temperature side of the two-phase region (austenite + carbide), so that the amount of retained austenite of the present invention is reduced. Removed from range.
かかる仕上げ加工後の試験片に対して、水素侵入環境を模擬するため、水素チャージを行った。水素チャージは、50℃の20%チオシアン酸アンモニウム(NH4SCN)水溶液中に24時間保持して行った。ここで、水素チャージした試験片を後述するスラスト型転動疲労試験に供すると、疲労試験中に水素が試験片から抜けていくため、長時間評価では過小評価となる。このため、水素チャージした試験片を24時間転動疲労試験に供した後、再度、水素チャージを同じ条件で施すこととし、24時間毎に水素チャージと転動疲労試験を繰り返す試験とした。この条件では、JIS規格の高炭素クロム軸受鋼2種(SUJ2)で、鋼中に水素が1〜3質量ppm侵入した状態で繰り返し試験されることを、昇温式水素分析を用いて600℃までの水素量を測定することにより確認している。なお、水素チャージの際に転走面への腐食生成物の生成を防止するため、転走軌道部周囲5mmの領域をテープにてマスキングした。 In order to simulate the hydrogen intrusion environment, hydrogen charging was performed on the test piece after finishing. The hydrogen charge was carried out by holding in a 20% aqueous solution of ammonium thiocyanate (NH 4 SCN) at 50 ° C. for 24 hours. Here, when the hydrogen-charged test piece is subjected to a thrust type rolling fatigue test described later, since hydrogen escapes from the test piece during the fatigue test, the long-time evaluation is underestimated. For this reason, the hydrogen-charged test piece was subjected to a rolling fatigue test for 24 hours, and then subjected to hydrogen charging again under the same conditions, and the hydrogen charging and the rolling fatigue test were repeated every 24 hours. Under these conditions, JIS-standard high carbon chromium bearing steel type 2 (SUJ2) is used to repeatedly test with hydrogen penetrating 1 to 3 mass ppm into the steel at 600 ° C using temperature rising hydrogen analysis. It is confirmed by measuring the amount of hydrogen up to. In order to prevent the formation of corrosion products on the rolling surface during hydrogen charging, a 5 mm area around the rolling track was masked with tape.
スラスト型転動疲労試験の条件は、ヘルツ応力3.8GPa、応力負荷速度3600cpm、タービン油(FGKタービン油68,JX日鉱日石エネルギー株式会社製)潤滑の条件とし、前述の水素チャージ後、直ちに転動疲労試験に供した。なお、各鋼種につき7回試験を行い、ワイブルプロットによる整理を実施して、累積破損確率が10%となるB10寿命を求めた。
それぞれの鋼について得られた転動疲労寿命B10を、JIS SUJ2相当鋼についての転動疲労寿命B10の値で除すことによって、汎用鋼に対する寿命向上度(B10寿命比=B10寿命/JIS SUJ2相当鋼のB10寿命)を求め、評価した。
The thrust rolling fatigue test conditions were Hertz stress 3.8 GPa, stress load rate 3600 cpm, and turbine oil (FGK turbine oil 68, manufactured by JX Nippon Oil & Energy Corporation) lubrication. It was subjected to a dynamic fatigue test. Each steel type was tested seven times and organized by Weibull plot to obtain a B10 life with a cumulative failure probability of 10%.
By dividing the rolling fatigue life B10 obtained for each steel by the value of the rolling fatigue life B10 for JIS SUJ2 equivalent steel, the degree of life improvement compared to general-purpose steel (B10 life ratio = B10 life / JIS SUJ2 equivalent) The B10 life of the steel was determined and evaluated.
炭化物中の濃度の測定は、焼入れ焼戻し後の試料をピクリン酸飽和水溶液にて腐食して炭化物を現出させ、走査型電子顕微鏡(SEM)に付属したエネルギー分散型X線分析(EDS)を用いて、各試料につき、ランダムに炭化物を抽出し、EDS電子線が炭化物に収まるように照射し、そこに含まれるMnおよびCrの量をそれぞれ測定し、それらの平均値をその試料の炭化物中のMnおよびCrの濃度とした。 To measure the concentration in carbides, the sample after quenching and tempering is corroded with a saturated aqueous solution of picric acid to reveal carbides, and energy dispersive X-ray analysis (EDS) attached to a scanning electron microscope (SEM) is used. Then, for each sample, the carbide is extracted at random, irradiated so that the EDS electron beam fits in the carbide, the amount of Mn and Cr contained therein is measured, and the average value thereof is calculated in the carbide of the sample. The concentration was Mn and Cr.
以上の測定並びに評価結果を、表1に併記する。また、図2〜5に、表1に示すB10寿命と炭化物における各種濃度との関係を整理して示す。表1および図2〜5から、成分組成、炭化物中のMn,Cr濃度、および残留オーステナイト量のいずれもが本発明の範囲を満たす場合には、鋼中への水素侵入量が増加した環境下における転動疲労特性に優れていることが判る。これに対し、成分組成、炭化物中のMnおよびCrの濃度、および残留オーステナイト量のいずれかが本発明の条件を満足しない比較例は、水素環境下での転動疲労特性に劣っている。 The above measurements and evaluation results are also shown in Table 1. 2 to 5 collectively show the relationship between the B10 life shown in Table 1 and various concentrations in carbides. From Table 1 and FIGS. 2 to 5, when all of the component composition, the Mn and Cr concentration in the carbide, and the amount of retained austenite satisfy the scope of the present invention, the amount of hydrogen penetration into the steel increased. It can be seen that it has excellent rolling fatigue characteristics. On the other hand, the comparative example in which any of the component composition, the concentration of Mn and Cr in the carbide, and the amount of retained austenite does not satisfy the conditions of the present invention is inferior in rolling fatigue characteristics in a hydrogen environment.
Claims (2)
C:0.55%以上1.10%以下、
Si:1.0%以上2.0%以下、
Mn:2.0%以上3.0%以下、
P:0.02%以下、
S:0.02%以下、
Al:0.05%以下、
Cr:0.8%以上2.4%以下、
N:0.020%以下および
O:0.0020%以下
を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の成分組成を有し、焼戻マルテンサイト、残留オーステナイトおよび炭化物からなる金属組織を有し、前記残留オーステナイトの体積分率が10%超20%以下であり、前記炭化物のCr濃度が6%以上およびMn濃度が5%以上である軸受鋼。 % By mass
C: 0.55% to 1.10%,
Si: 1.0% to 2.0%,
Mn: 2.0% to 3.0%,
P: 0.02% or less,
S: 0.02% or less,
Al: 0.05% or less,
Cr: 0.8% to 2.4%,
N: 0.020% or less and O: 0.0020% or less, with the balance being a component composition of Fe and inevitable impurities, having a metal structure composed of tempered martensite, residual austenite and carbide, and the volume of the residual austenite A bearing steel having a fraction of more than 10% and 20% or less, wherein the Cr concentration of the carbide is 6% or more and the Mn concentration is 5% or more.
Sb:0.0050%以下、
Mo:0.50%以下、
Ti:0.01%以下、
Cu:0.30%以下、
Ni:0.15%以下および
B:0.0010%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項1に記載の軸受鋼。 The component composition is further in mass%,
Sb: 0.0050% or less,
Mo: 0.50% or less,
Ti: 0.01% or less,
Cu: 0.30% or less,
The bearing steel according to claim 1, containing one or more selected from Ni: 0.15% or less and B: 0.0010% or less.
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