(57)【要約】【課題】高温での転動疲労特性に優れ、加工性にも優れた耐熱軸受用鋼を提供するものである。【解決手段】鋼の成分組成が、質量％でＣ：0.8〜1.5％、Si：0.5〜1.0％、Mｎ：0.3〜1.5％、Cｒ：1.0〜2.0％、Mo：0.1〜0.5％、およびAl：0.5〜2.0％、O：0.0012％以下  で、Si+Al：1.2％以上を満足する範囲で含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱軸受用鋼。【選択図】図１
2006219703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼の成分組成が、質量％でＣ：0.8〜1.5％、Si：0.5〜1.0％、Mｎ：0.3〜1.5％、Cｒ：1.0〜2.0％、Mo：0.1〜0.5％、およびAl：0.5〜2.0％、O：0.0012％以下で、Si+Al：1.2％以上を満足する範囲で含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱軸受用鋼
【請求項２】
鋼の成分組成として、更に質量％でW：0.05〜0.3％、V：0.05％〜0.3％、Ni：0.05％〜1.0％、C u：0.05〜1.0％、の一種または二種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の耐熱軸受用鋼
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ころ軸受や玉軸受という転がり軸受の部材を作成する軸受用鋼に関して、近年、軸受の使用環境の苛酷化、特に使用温度の上昇に対応して、優れた疲労特性を有するとともに、部材に加工するための加工性にも優れた耐熱軸受用鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、軸受用の鋼としては、機械構造用炭素鋼、合金鋼および高炭素クロム鋼が用いられる。特にJISで規定される高炭素クロム軸受鋼SUJ2は、焼入れ焼き戻しによって、大半の軸受に求められる室温での強度を得ることができ、最も汎用的に使用されてきている。部品になるまでの工程をおおまかに記述すれば、材料製造側では熱間圧延加工により棒鋼や線材に加工された後に軟化焼鈍が行われ、部品製造側では、冷間鍛造や切断によって各種の製品形状に加工され、焼入れ焼き戻し等の熱処理を施して、部品として必要な特性が付与される。
【０００３】
近年、環境問題の高まりにより自動車分野等でも燃費の向上、排気ガス規制が求められ、そのためエンジンの小型高出力化が技術開発の流れとなっており、部材等の使用環境はより高温化へ向かっている。このような流れの中で軸受用鋼に対しても、より高温でより高負荷に耐える汎用鋼が要求されてきている。この場合、使用対象温度域は150〜250℃の準高温域であるが、以下は単に高温と記す。
【０００４】
従来の汎用軸受鋼であるSUJ2（１％C−1.5％Cr 系）は、上記温度域では軟化が著しく使用に耐えられない。そこで変わるべき耐熱軸受鋼の開発が進められてきた。例えば特許文献１ 、特許文献２や、特許文献３等が提案されている。しかし、これらの提案はCr、Mo、V等の高価な元素を数％含むもので、SUJ2の汎用性に比べれば高温型という特殊な使用条件を差し引いて考えても、コストが高いという問題がある。また合金元素量が多いため変形抵抗も高く、圧延の困難さや、特に玉や内外輪等の部品成形の困難さがある。
【０００５】
さらに特許文献４では、これらの元素の添加をできる限り押さえて必要な特性を得ようという提案がなされている。これはSi、Cr、Mo量の調整、特にSi添加量を上げて焼き戻し軟化抵抗を上げる、すなわち高温域でも軟化せずに疲労特性が向上する、というものである。しかしこの場合でもSi量が高くなるために加工性が顕著に低下し、特に冷間鍛造性の低下が著しいという問題がある。
【特許文献１】特開昭５４−４１０１４号公報
【特許文献２】特開昭６３−６２８４７号公報
【特許文献３】特開平０５−１７９０４号公報
【特許文献４】特開平０２−４７３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明では、上記の従来技術の問題点に鑑みて、製造コストの増加を極力抑制して、しかも高温での転動疲労特性に優れ、加工性にも優れた耐熱軸受用鋼を安価に提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討をかさねた結果、これを解決する手段を見出した。Alを添加することで焼き戻し軟化抵抗性が向上することに注目し、Siがあまり高くなくてもSiとの相乗効果で疲労特性が顕著に高くなることを見出した。
【０００８】
本発明は、以上の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）第１の発明は、鋼の成分組成が、質量％でＣ：0.8〜1.5％、Si：0.5〜1.0％、Mｎ：0.3〜1.5％、Cｒ：1.0〜2.0％、Mo：0.1〜0.5％、およびAl：0.5〜2.0％、O：0.0012％以下で、Si+Al：1.2％以上を満足する範囲で含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐熱軸受用鋼である。
（２）第２の発明は、鋼の成分組成として、更に質量％でW：0.05〜0.3％、V：0.05％〜0.3％、Ni：0.05％〜1.0％、C u：0.05〜1.0％、の一種または二種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の耐熱軸受用鋼である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高温での転動疲労特性に優れ、かつ加工性にも優れた耐熱軸受鋼を安価に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の成分組成について、以下に具体的に説明する。なお、以下の説明において含有量％は全て質量％を意味する。    
【００１１】
Ｃ：0.8％〜1.5％
Cは軸受鋼として必要な強度を確保するために必須の元素であり、0.8％未満では所定の強度確保が難しい。いっぽう1.5％を超えると軟質化が困難で冷間鍛造性が著しく低下したり、鍛造後に熱処理する際の割れ発生や、鋼組織中に巨大な炭化物が生成し、転動疲労特性を著しく低下させるため1.5％を上限とする。
【００１２】
Si：0.5％〜1.0％
Siは脱酸剤として鋼の溶製時に作用するほかに、鋼マトリックス中に固溶することで、特にAlとの相互作用で鋼の焼き戻し軟化を抑制する。そのためには0.5％以上が必要である。いっぽう1.0％を超えると鋼の加工性、特に冷間鍛造性を著しく低下させるので、上限を1.0％とする。
【００１３】
Mn：0.3％〜1.5％
Mnは脱酸に必要な元素であり、また固溶強化により疲労特性の向上に必要な元素である。そのためには0.3％以上が必要である。いっぽう1.5％を超えると加工性、特に冷間鍛造性を著しく低下させるので、上限を1.5％とする。
【００１４】
Ｃｒ：1.0％〜2.0％
Crは、適正な球状化炭化物組織を得て、高温疲労特性の維持に必須の元素である。その効果を発現させるためには1.0％以上が必要である。いっぽう2.0％を超えると焼き戻し後の硬度が低下して、高温疲労特性が低下する。そこで上限を2.0％とする。
【００１５】
Mo：0.1％〜0.5％
Moは鋼マトリックスに固溶することによって、特にSi、Alとの重畳効果によって焼き戻し後の硬度および高温疲労特性を向上させる。その効果を発現するには0.1％以上の添加が必須である。いっぽう0.5％以上を添加しても高温疲労特性のそれ以上の向上にならず、コスト高となってしまう。また加工性が低下するので、上限を0.5％とする。
【００１６】
Al + Si：1.2％以上
焼き戻し後に硬度を維持することと、高温域での転動疲労特性を得るために、1.2％以上を含有する。
【００１７】
O：0.0012％以下
Oは硬質の酸化物系介在物を生成し、転動疲労寿命を低下させる。その含有量はできるだけ低下させる必要がある。そこで上限を0.0012％に抑制する。
【００１８】
Ｗ，Ｖ：0.05％〜0.3％
WおよびVは高温で安定した炭化物を形成し、高温域でさらに転動疲労特性を得るために有効な成分である。これらの含有量については0.05％以下では、その効果は発現せず、いっぽう0.3％を超えると加工性、特に鍛造性を低下させるので、上記の範囲に限定する。
Ni：0.05％〜1.0％
Niは鋼マトリックスに固溶し、焼き戻し後の硬度を確保し、高温域でさらに転動疲労特性を得るのに有効な元素である。そのためには0.05％以上の添加が必要であり、いっぽう1.0％を超えて添加すると残留オーステナイトが多量に生成し、高温域での転動疲労特性がかえって低下する。そこで上記の範囲に限定する。
【００１９】
Cu：0.05％以上1.0％以下
Cuは鋼マトリックスに固溶し、焼き戻し後の硬度を確保し、高温域でさらに転動疲労特性を得るのに有効な元素である。そのためには0.05％以上の添加が必要であり、いっぽう1.0％を超えて添加すると加工性、特に冷間鍛造性を低下させるので上記の範囲に限定する。
【実施例１】
【００２０】
以下、実施例に従って具体的に説明する。
高温域での疲労特性を得るために、本発明の成分系1%C−1.5Crで特にMoおよびAl+Siの効果についてまず調査した。
表1に示す組成の鋼を30ｋｇ真空溶解炉で溶製した。鋼塊は押湯と底部を切り離した後、1200℃で20ｈのソーキング処理をおこない共晶炭化物を拡散消滅させた。そして1050℃×１ｈ加熱後に熱間圧延をおこない厚さ20ｍｍの板材とした。
【００２１】
その後、所定の大きさに切断して、まず790℃で５ｈ保持後に650℃まで5ｈかけて徐冷する軟化焼鈍をおこなった。スラスト型転動疲労試験片の形状に近い状態（Φ61×6ｍｍ）に粗加工をおこなった後、900℃×１ｈ→70℃油温中に油焼入れをおこなった。焼き戻しは260℃×80分間おこない、その後試験片はΦ60×5ｍｍ厚さに仕上げ加工した。転動面はラッヒ゜ンク゛加工までおこなった。
【００２２】
高温域での評価は焼き戻し後の転動面の硬さおよび180℃での転動疲労試験を実施した。この場合の温度は試験中の潤滑油の温度である。各鋼種ともｎ＝10枚試験片を準備し、順次同じ条件（ヘルツ応力4.2Gpa、回転数1200rpm）で試験をおこない、表面が剥離することによる試験片破損までの回転数を記録し、ｎ＝１０でワイブル分布を採った。そして破壊する累積破損確率が10％になる回転数（B10寿命）を求めた。標準試験として同じことをSUJ2（1%C−0.2%Si−0.4%Mn−1.5Cr）でおこない、SUJ2のB10寿命を１として、各鋼種のB10寿命との相対値を出した。この場合、値が１より大きいほど高温転動疲労強度に優れることになる。
【００２３】
鍛造性評価は以下の方法によった。すなわち、球状化焼鈍後の板材からφ１５，高さ２２.５ｍｍのタブレットを、軸が圧延方向に一致するように切り出した。鍛造試験は種々の圧下率でｎ＝１０の圧縮をおこない，試験片われの有無にて判断した。各圧縮率での割れ発生率と圧縮率の関係をグラフにプロットし，試験片の５０％（５個）が割れる圧縮率をもって，鍛造性評価値とした。この値が大きいほど鍛造性が良いことになる。
【００２４】
結果を表1に示す。まずMoが適正であってもSiが適正でAlが不適正の場合（1,2,3）、Alが適正でSiが不適正の場合（4,5,6）、またSi,Alとも適正であるがAl+Siが範囲外の場合（7,8）は焼き戻し後の硬度が確保できず高温転動疲労特性もSUJ2と同じ程度にしかならない。またMoがない場合（9,10）も同様である。
【００２５】
Si、Al、Moが適正でSi+Alが範囲内にある場合は、非常に優れた高温特性を示す(11〜14,16〜19)。ただしSi、Al、Mo量が範囲より多いとたちまちにして冷間鍛造性が低下（15,20,21）している。図１に上述した結果を横軸にSi+Al%を、縦軸に高温転動疲労特性のSUJ2に対する比をとって表示した。
【００２６】
【表１】
2006219703.tif 000003
【実施例２】
【００２７】
ここでは他の成分であるC、Mn、Cr、O、W、V、Ni、Cuの影響に付いて調べた。表2には各鋼塊の成分を示す。実験方法は全て実施例１と同じである。
【００２８】
結果を表中に示すが、
・  C量が下限外（22）では、硬度、高温疲労特性が上がらない
いっぽう上限外（24）ではかえって高温疲労特性が低下、鍛造性も悪化する
・  Mn量が下限外（25）では、高温疲労特性が上がらない
いっぽう上限外（27）では、鍛造性が顕著に低下してしまう。
・  Crが下限外（28）では、高温疲労強度が上がらない
いっぽう上限外（30）では、かえって焼き戻し後の硬度、転動疲労強度とも低下してしまう。
・Ni、Cu、W,、Vを適正量添加すると（31,33,35,37）、高温疲労特性がより向上する。
【００２９】
しかし上限外にすると（32,34,36,38）、高温転動疲労特性が向上しないばかりか、鍛造性が顕著に圧下する。
・  Oが上限外（39）になると、高温疲労特性が急激に悪化する。
【００３０】
【表２】
2006219703.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明鋼は高温での転動疲労特性に優れているので、ころ軸受や玉軸受等の転がり軸受でその使用環境が１５０〜２５０℃の高温に達する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】Si+Al%と高温転動疲労特性との関係を説明する図
【図１】
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