(57)【要約】【課題】すべりを伴う接触疲労がある条件下または潤滑油が希薄な環境下においても、すぐれた耐摩耗性と耐焼付き性、および転動疲労寿命を有する浸炭軸受部品を提供する。【解決手段】重量基準で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ：０．４〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ:０．３〜２．５％およびＡｌ：０．００５〜０．０５０％を含有し、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ:０．０２５％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成を有する鋼を部品形状に成形してなり、浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上であって、（浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さ）−（３００℃での焼戻し処理後の表面硬さ）として定義される３００℃焼戻し軟化抵抗が１３０Ｈｖ以下であることを特徴とする軸受鋼部品。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量基準で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ：０．４〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ:０．３〜２．５％およびＡｌ：０．００５〜０．０５０％を含有し、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ:０．０２５％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成を有する鋼を部品形状に成形してなり、浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上であって、（浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さ）−（３００℃での焼戻し処理後の表面硬さ）として定義される３００℃焼戻し軟化抵抗が１３０Ｈｖ以下であることを特徴とする浸炭または浸炭窒化した軸受鋼部品。
【請求項２】
前記した合金成分に加えて、Ｎｉ：０．２５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜２．５％、Ｖ:０．０５〜１．０％およびＮｂ:０．１％以下の１種または２種以上を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成を有する鋼を部品形状に成形してなり、前記した表面硬さおよび焼戻し軟化抵抗を有する請求項１の浸炭または浸炭窒化した軸受鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、すべりを伴う接触が生じる環境または潤滑油が希薄な環境の下で、すぐれた耐摩耗性と耐焼付き性を示し、長い転動疲労寿命を有する浸炭または浸炭窒化した軸受鋼部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な軸受の製造には、ＪＩＳのＳＵＪ２、ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０等に代表される軸受鋼が用いられてきた。しかし、近年、軸受の使用条件が過酷になり、軸受を使用する温度が上昇して潤滑油の粘度が低下したり、高速回転に伴って接触時に生じるすべりが多くなったりして、軸受の焼付きを生じる危険が増加している。そこで、軸受に関して、転動疲労寿命のみならず、耐焼付き性にすぐれた製品の出現が要望されていた。
【０００３】
耐焼付き性が要求される軸受にとしては、セラミック軸受が知られているが、一般に製造コストが高いという問題があるため、実用化は特殊な用途の軸受に限られている。今後増加すると考えられる使用条件の一層の過酷化に対応するため、ＪＩＳ軸受鋼のもつ製造性および加工性を維持したまま、耐焼付き性および転動疲労寿命に関して改善された軸受鋼ないし軸受を開発する努力がなされている。
【０００４】
焼付きは、すべりに伴う表面温度上昇に起因して油膜が破断することにより金属間の直接の接触が生じ、接触した金属どうしの凝着が生じる現象である。一般に、油膜厚さｈと表面粗さσの比である油膜パラメターｈ／σが２以下になると，焼付きの危険性が増加し、すべりに伴う接触表面での閃光温度が約１４０℃を超えると、焼付きが発生するといわれている。耐焼付き性を改善するためには、すべりに伴う温度上昇に起因する凝着と、その拡大を抑制することが効果的である。凝着は、接触部の塑性変形により拡大するため、塑性変形を抑制する高い表面硬さと高い降伏強度が望ましく、また、凝着部の拡大を防止する意味で、凝着部の破断が促進されることが有効と考えられている。
【０００５】
歯車に関しては、浸炭後、焼入れしても芯部にフェライトを発生せず、かつ、再加熱しても軟化抵抗を有するものが開発された（特許文献１）。この浸炭歯車用鋼は、重量で、Ｃ：０．１８〜０．２５％、Ｓｉ：０．４５〜１．００％、Ｍｎ：０．４〜０．７％、Ｎｉ：０．３〜０．７％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜０．７％、Ｃｕ：０．７０％以下、Ａｌ：０．０１５〜０．０３０％、Ｖ：０．０３〜０．３０％、Ｎｂ：０．０１〜０．０３％、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１〜０．０２％を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成を有し、浸炭層の硬さが、浸炭焼入れ焼戻し後の硬さに比べてＨＶ５０以上低下しないものである。
【０００６】
軸受を対象とする発明では、すべり接触を伴う転がり軸受において、すべり接触する部品を黒鉛、セメンタイトおよびフェライトを主成分とする素材で製作し、黒鉛の平均粒径が１〜５μｍ、黒鉛の総含有量が面積率で０．１〜２．５％となるように均一に分散させたものがある（特許文献２）。この転がり軸受の材料とする鋼は、黒鉛を析出させるために、０．４５〜０．８０％という多量のＣを含有する。
【０００７】
やはり転がり軸受に属する支持装置において、焼付き寿命特性にすぐれたものとして、針状ころ軸受の外輪に、重量で、Ｃ：０．３〜１．１％、Ｓｉ：０．１５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜１．８％、Ｍｎ：０．１５〜１．８％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避の不純物からなる合金を用い、浸炭窒化および焼入れ焼戻しを施して、表面のＳｉ濃度とＮ濃度（ともに重量％）との積が０．０８〜０．９１となるようにした、耐焼き付き材料を使用することが提案された（特許文献３）。
【特許文献１】特開平７−２５８７９３
【特許文献２】特開平１１−８０８３８
【特許文献３】特開２００４−２２５７４３
【０００８】
発明者らは、ＳＣｒ４２０鋼に代表される浸炭鋼をベースとする軸受鋼および軸受部品の改良を意図し、検討の結果、浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理により形成された表面硬さが、３００℃での焼戻し処理によりどの程度低下するかという度合い（これを本発明において「３００℃焼戻軟化抵抗」と呼ぶ）が、耐焼付き性と高い相関を示すことを見出した。これは、焼付き発生時の表面温度が２００〜３００℃であること、すべりに起因した閃光温度による瞬間的温度上昇時に表面硬さが低下する程度が大きい鋼ほど、温度上昇に伴う塑性変形の変化量も大きく、油膜破断を生じやすくなるためと考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような事情を背景としてなされたもので、本発明の目的は、すべりを伴う接触疲労あるいは潤滑油が希薄な環境下においても、すぐれた耐摩耗性と耐焼付き性、および転動疲労寿命を有する浸炭軸受部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成する本発明の浸炭または浸炭窒化した軸受鋼部品は、重量基準で、Ｃ：０．１％以上０．３％未満、Ｓｉ：０．４〜２％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜２．５％およびＡｌ：０．００５〜０．０５０％を含有し、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０２５％以下であって、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成を有する鋼を部品形状に成形してなり、浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上であって、（浸炭焼入れ・焼戻しまたは浸炭窒化焼入れ・焼戻し処理後の表面硬さ）−（３００℃での焼戻し処理後の表面硬さ）として定義される３００℃焼戻し軟化抵抗が１３０Ｈｖ以下であることを特徴とする軸受鋼部品である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、固有の合金組成の選択によって浸炭処理あるいは浸炭窒化処理を行なうことにより、すべりを伴う接触疲労が生じる環境、あるいは潤滑油が希薄な環境下で、すぐれた耐摩耗性と耐焼付き性を有し、転動疲労寿命が長い浸炭または浸炭窒化した軸受鋼部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の浸炭または浸炭窒化した軸受鋼部品の材料としては、前記した合金成分に加えて、Ｎｉ：０．２５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜２．５％、Ｖ：０．０５〜１．０％およびＮｂ：０．１％以下の１種または２種以上を含有し、残部が実質上Ｆｅからなる合金組成を有する鋼を使用することができる。
【００１３】
以下に、本発明の軸受鋼部品の材料とする浸炭または浸炭窒化して使用する鋼の合金組成を、上記のように選択した理由を説明する。
【００１４】
Ｃ：０．１％以上０．３％未満
Ｃは軸受として必要な強度を得るとともに、浸炭処理後に十分な表面硬さを確保する上で０．１％以上必要である。ただし、０．３％以上になると靭性および被削性が低下する。
【００１５】
Ｓｉ：０．４〜２％
Ｓｉは、焼き入れマルテンサイト組織を緻密なものとし、鋼の靭性や耐疲労特性を向上させる上で有用である。発明者らの見出したところでは、３００℃軟化抵抗はＳｉ量と相関があり、軟化抵抗を改善する合金元素としてＳｉを添加することが有効であり、それによって耐焼付き性が向上する。Ｓｉ量が０．４％より少ないと、そのような効果が得られない。一方、２％を超えると、靭性および加工性が低下する。窒化によっても３００℃軟化抵抗は改善されるため、浸炭窒化処理によっても耐焼付性を向上させることができる。
【００１６】
Ｍｎ：１．５％以下
Ｍｎは、鋼の溶製時に脱酸および脱硫元素として作用するとともに、鋼の焼入れ性を高める上で有効な元素である。ただし、１．５％を超えると加工性および被削性が低下する。
【００１７】
Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下
ＰおよびＳは、軸受部品の強度を低下させる。そこで、含有量をそれぞれ上記の限度以下に規制する。
【００１８】
Ｃｒ：０．３〜２．５％
Ｃｒは鋼の焼入れ性および焼入れ・焼戻し後の靭性を向上させるのに有効な元素であり、そのために０．３％以上含有させる。２．５％を超えると鋼の靭性および加工性を低下させるので、この値を上限とした。
【００１９】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
ＡｌはＡｌＮとなって結晶粒を微細化する効果があり、この目的で０．００５％以上添加する。０．０５０％を超えて多量に含有させると、鋼の清浄度が低下するとともに、結晶粒の粗大化防止効果がかえって低下する。
【００２０】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、鋼の原料を吟味しないと混入する成分であって、硬質析出物ＴｉＮを生成し、それが転動疲労破壊の起点となって、疲労寿命の低下を引き起こす。そこで、Ｔｉの含有量を０．００３％以下に規制する。
【００２１】
Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは鋼の清浄度を低下させ、疲労寿命を低下させる原因となる。そこでＯの含有量を０．００１５％以下に規制する。
【００２２】
Ｎ：０．０２５％以下
ＮはＡｌと結合してＡｌＮを生成し、結晶粒を微細化する働きをする。多量に含有させると、かえって鋼の強度を低下させる。そこで、Ｎの含有量の上限を０．０２５％とする。好ましい範囲は、０．０１〜０．０２％である。
【００２３】
Ｎｉ：０．２５〜３．５％
Ｎｉは鋼の焼入れ性および焼入れ・焼戻し後の強度および靭性を向上させるのに有効な元素であり、所望により０．２５％以上含有させるとよい。３．５％を超えると、鋼の靭性および加工性を低下させる。
【００２４】
Ｍｏ：０．０３〜２．５％、
Ｍｏは鋼の強度を向上させる上で有用な元素であり、選択元素として添加する場合には、この効果が確実に得られる０．０３％以上の添加量を選ぶ。２．５％よりも多く含有させると、焼き入れ性が低下すると同時に被削性も低下するので、この値を上限とした。Ｍｏはまた、軟化抵抗を改善するとともに、微細な炭（窒）化物が析出することにより、耐焼付き性の改善にも寄与する。
【００２５】
Ｖ：０．０５〜１．０％、Ｎｂ：０．１％以下
ＶおよびＮｂは、結晶粒の微細化に寄与する元素であるが、含有量が多すぎるとその効果が小さくなるため、選択元素として添加する場合に、Ｖについては０．０５〜１．０％、Ｎｂについては０．１％以下の範囲の添加量を選ぶ。Ｖの添加は、耐焼付き性の一層の改善をもたらす。これは、微細炭化物の分散析出により凝着部の破断が促進されることにより、凝着部の拡大が抑制されるためと考えられる。
【実施例１】
【００２６】
表１（実施例）および表２（比較例）に示す化学組成の浸炭軸受鋼を溶製し、熱間圧延鋼材を試験用の素材とした。この素材から試験部の直径が５５mm、厚さが５mmのディスク型摩耗試験片を削り出し、図１に示す条件下に、カーボンポテンシャル０．８％で浸炭処理を行なった。つづいて機械加工を行ない、焼付き試験に供した。表面処理を浸炭窒化処理とした場合については、同様にディスク型摩耗試験片を図２に示した条件で浸炭窒化処理した後、図３に示した条件の二次焼入れ・焼戻しを行ない、つづいて機械加工を行なったものを、焼付き試験に供した。
【００２７】
上記の試験片の試験面を、ロックウェル硬さ計を用いてＨＲＣ表面硬さを測定し、５点の平均を算出した。同じ試験片の縦断面を埋め込んで研磨し、ビッカース硬さ計を用いて表面硬さを測定した。さらに、この試験片に対して３００℃×６０分間の焼戻しを行ない、同様に表面のビッカース硬さを測定して、３００℃焼戻し前の表面硬さから３００℃焼戻し後の表面硬さの値を引いて、３００℃焼戻軟化抵抗を求めた。
【００２８】
焼付き試験にはピンオンディスク試験機を用い、回転するディスク試験片に、相手材として直径８mm×長さ２０mmのＳＵＪ２ピン（２本）を押し付けて行なった。試験は、すべり速度５ｍ/ｓ、タービン＃６８連続潤滑の条件下である。荷重負荷条件は、初期荷重１０kgfから１分間隔で１０kgfづつ漸増した。試験中にディスクとピンとの間の摩擦により生じるトルクを連続的に測定し、このトルクの急激な上昇によって焼付きを判定し、焼付き発生時の荷重を求めた。
【００２９】
この素材から試験部の直径が６３mmのスラスト型転動疲労試験片を削り出し、図１に示す条件下にカーボンポテンシャル０．８％で浸炭処理を行なった後、機械加工およびラッピング加工によって表面研磨を行ない、転動疲労試験に供した。スラスト転動疲労試験条件は、つぎのとおりである。
試験片形状：  φ６３×φ２８．７×ｔ８．８（mm）
転動体：      ３／８インチＳＵＪ２ボール３個
接触応力：    Ｐmax＝５．５ＧＰａ
負荷回転速度：１８００rpm
潤滑：        タービン油＃６８油浴給油
試験温度：    常温
【００３０】
浸炭窒化処理については、同様にスラスト型転動疲労試験片を、図２に示す条件で浸炭窒化処理後、図３に示した二次焼入れ・焼戻しを行ない、その後機械加工を行なったものを転動疲労試験に供した。表３（実施例）および表４（比較例）に浸炭処理した場合の、表５（実施例）および表６（比較例）に浸炭窒化処理した場合の、それぞれ表面硬さ、３００℃焼戻軟化抵抗、焼付き荷重および転動寿命試験でのＬ10寿命を示す。
【００３１】
浸炭処理材においては、表３および表４にみるように、本発明に従った鋼の表層硬さは５８ＨＲＣ以上である。３００℃焼戻軟化抵抗は１３０Ｈｖ以下であって、この限界を超える軟化傾向を示す比較鋼にくらべて軟化抵抗性がすぐれており、それに伴って耐焼付き荷重も高い。転動疲労寿命においても、本発明のものは、比較鋼にくらべてすぐれた性能を有する。
【００３２】
一方、浸炭窒化処理材に関しては、表５および表６のデータが示すように、浸炭材と比較したとき、窒化により焼戻し軟化抵抗が一層高まっている。このため、浸炭窒化材では、本発明の実施例も比較例も、耐焼付き性が浸炭材にくらべて向上している。しかし、本発明の実施例は、焼戻し軟化抵抗、耐焼付き荷重、転動疲労寿命のいずれに関しても比較例よりすぐれていることは、浸炭材と同様である。
【００３３】
上述の試験結果について、３００℃焼戻し軟化抵抗と焼付き荷重との関係を、図４にまとめて示す。焼付き荷重は軟化抵抗の値が小さいほど増大し、両者の間に明瞭な相関が認められる。この図に見るように、本発明で限定した軟化抵抗１３０Ｈｖ以下の領域においては、焼付き荷重１００kgf以上という、本発明で目標としたレベルが維持されている。
【００３４】
同じく本発明の実施データから得た、焼戻し軟化抵抗とＳｉ量との関係を、図５にまとめて示す。軟化抵抗はＳｉ量と高い相関があること、および、窒化により軟化抵抗の値が改善されることがわかる。この試験結果は、すべり速度５ｍ／ｓの条件における結果であるが、焼付き性はすべり速度Ｖと接触面圧ｐの積ｐＶ値でほぼ決定されるから、本発明に従った軸受に関して、広いすべり速度範囲で同様の効果が期待できることが確認された。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
【表２】
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【００３７】
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【００３８】
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【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例における、供試材の浸炭処理すなわち浸炭焼き入れ・焼戻しの条件（温度、保持時間および冷却方法）を観念的に示す図。
【図２】本発明の実施例における、供試材の浸炭窒化処理すなわち浸炭窒化焼き入れ・焼戻しの条件（温度、保持時間および冷却方法）を観念的に示す図。
【図３】本発明の実施例における、供試材の二次焼入れ・焼戻し処理の条件（温度、保持時間および冷却方法）を観念的に示す図。
【図４】本発明の実施例のデータをまとめたものであって、３００℃焼戻軟化抵抗と焼付き荷重との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例のデータをまとめたものであって、３００℃焼戻軟化抵抗とＳｉ含有量との関係を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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