(57)【要約】【課題】SUJ 2をベースとして合金元素を添加することにより従来の熱処理条件等を大幅に変更することなく、水素脆性剥離が生じるような使用条件下においても優れた転動疲労寿命を有する耐環境用軸受鋼を提供することを目的とする。【解決手段】軸受鋼の組成を、質量％で、C：0.6〜1.3％、Si：0.1〜1.0％、Mn：≦1.5％、P：≦0.03％、S：≦0.03％、Cr：0.3〜2.5％、V：0.05〜2.0％、Al：≦0.050％、O：≦0.0015％、Ti：≦0.003％、N ：≦0.015％、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成とし、且つ焼入れ焼戻し処理後の表面硬さがＨＲＣ５８以上で、最大径５００ｎｍ以下の微細なV系炭化物が分散析出したものである。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
C ：0.6〜1.3％
Si：0.1〜1.0％
Mn：≦1.5％
P ：≦0.03％
S ：≦0.03％
Cr：0.3〜2.5％
V ：0.05〜2.0％
Al：≦0.050％
O ：≦0.0015％
Ti：≦0.003％
N ：≦0.015％
残部Fe及び不可避的不純物からなり、且つ焼入れ焼戻し処理後の表面硬さがＨＲＣ５８以上で、最大径５００ｎｍ以下の微細なV系炭化物が分散析出していることを特徴とする耐水素脆性に優れた耐環境用軸受鋼。
【請求項２】
請求項１記載の合金元素に加えて、質量％で
Ni：0.1〜3.0％
Mo：0.05〜2.0％
のうち１種又は２種を含んでいることを特徴とする耐水素脆性に優れた耐環境用軸受鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐水素脆性に優れた耐環境用軸受鋼に関し、詳しくは水素脆性剥離による寿命低下を抑制し、長寿命を有する耐環境用軸受鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車，産業機器等の軸受部品において高振動・高荷重，急加減速等の厳しい負荷条件下で、且つ特定の潤滑油や水混入条件等が複合した場合に、通常の転がり疲労寿命より著しく短寿命の早期剥離が発生する問題がある。
この早期剥離の原因は、転がり過程において転動面に水素が発生し、それが内部に侵入することによる水素脆性によるものと考えられる。
このような水素脆性が生じると剥離寿命が著しく低下する。
【０００３】
詳しくは、近年自動車や産業機器に用いられる軸受部品は高性能化、高速化に伴い使用条件が過酷化している。
新しい変速機である無段変速機ＣＶＴをはじめ潤滑油の種類も多様化しており、従来とは異なる剥離形態による早期剥離を生じる場合があり、問題となっている。
例えば自動車のオルタネーター用軸受で、従来型の組織変化であるホワイトバンドとは異なる粒界に沿った樹木状の白色層の組織変化を伴う早期剥離が生じる場合がある。
これは高振動・高荷重の厳しい負荷条件下で潤滑油が分解して転動面に水素が発生し、内部に侵入することにより水素脆性剥離が生じたためと考えられている。
【０００４】
オルタネーター用軸受では潤滑油を変えることにより、この早期剥離防止してきた。
しかしながら軸受部品の使用条件の過酷化及び多様化により、従来軸受鋼の転動疲労破壊においてほとんど問題にならなかった、水素脆性剥離が発生する条件が増加する傾向にあり、単に潤滑油を変えるだけでは抑制できなくなりつつある。
このため、このような転動疲労における水素脆性剥離に対して耐性が高く、長寿命を有する材料の開発が求められていた。
【０００５】
尚、下記特許文献１には転がり軸受についての発明が示され、そこにおいて水浸入による腐食ピッチング発生下の条件においても、水素誘起割れを含む腐食ピッチングを起し難い転がり軸受が開示されている。
しかしながらこの特許文献１に開示のものは、水素脆性剥離に対する解決手段が本発明とは異なっている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−８０８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上のような事情を背景とし、SUJ 2をベースとして合金元素を添加することにより、従来の熱処理条件を大幅に変更することなく、水素脆性剥離を生ぜしめるような使用条件の下においても優れた転動疲労寿命を有する耐環境用軸受鋼を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
而して請求項１の軸受鋼は、質量％で、C：0.6〜1.3％、Si：0.1〜1.0％、Mn：≦1.5％、P：≦0.03％S：≦0.03％、Cr：0.3〜2.5％、V：0.05〜2.0％、Al：≦0.050％、O ：≦0.0015％、Ti：≦0.003％、N ：≦0.015％、残部Fe及び不可避的不純物からなり、且つ焼入れ焼戻し処理後の表面硬さがＨＲＣ５８以上で、最大径５００ｎｍ以下の微細なV系炭化物が分散析出していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２のものは、請求項１記載の合金元素に加えて質量％で、Ni：0.1〜3.0％、Mo：0.05〜2.0％のうち１種又は２種を含んでいることを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１０】
（発明の作用）
従来より、水素脆性による材料強度低下現象は知られており、例えば、ばねやボルト部品では水等の分解により曝露環境から侵入する拡散性水素が遅れ破壊の原因となることが知られている。
そこで耐遅れ破壊性に優れたばね，ボルト用鋼として、微細な炭化物を多数析出させ、拡散性水素をトラップして粒界や応力集中部への水素の拡散を抑えた鋼が用いられている。
【００１１】
ここにおいて本発明はＳＵＪ２をベースに種々の合金元素の組み合わせを検討した結果、Vを添加することにより数十〜数百ｎｍ程度の微細なV系炭化物を多数生成することにより、繰返し疲労条件下での水素脆性による寿命低下を抑え得る知見を得た。
即ち、本発明者等は様々な炭化物形成元素を添加し試験を行ったところ、他の添加元素に比べてVを添加した場合に、最も良好な結果の得られることを見出した。
【００１２】
このようにV添加した場合に最も良好な結果の得られる理由については十分に確認されてはいないが、その理由として次の点が考えられる。
即ち、Vは少量添加で微細な炭化物を均一に分散析出し易く、またV添加によって形成される微細な炭化物は、その周りに水素のトラップ能力の高い歪場を作り易い性質を有するものと考えられる。
【００１３】
より具体的には、析出粒子の周囲に整合ひずみ場が存在すると水素トラップ効果が高くなる。Vについては、高温焼戻しにおいてV系炭化物が整合析出し、整合ひずみ場ができる。またこの整合析出したV系炭化物が微細であるため表面積が大きくなり、水素トラップ効果がより大きくなる。更にV系炭化物は熱処理等の実施後も整合性が低下しにくい性質を有している。一方、同時に存在する未固溶V系炭化物は非整合であるが、Vについては炭化物が微細分散しやすいこと及び非整合ひずみ場でも水素トラップ効果を有することのため、最大径５００ｎｍ以下とすることにより、優れた水素トラップ効果が得られるものと考えられる。
尚、本発明で繰返し疲労試験は、水素チャージした試験片を用いて試験中に水素が散逸しないように超音波疲労による短時間の試験を行った。
【００１４】
次に本発明における各化学成分等の限定理由を以下に詳述する。
C ：0.6〜1.3％
Cは転がり軸受として強度を確保するために必須の元素であり、所定の熱処理後硬さを維持するためには0.6％以上含有させる必要がある。
但しC量が1.3％を越えた場合大型の炭化物が生成し、転動疲労寿命の低下が生じることが判明したため、C量の上限値は1.3％とした。
【００１５】
Si：0.1〜1.0％
Siは鋼を製造する際に脱酸剤として用いられ、また鋼の強度、転動疲労寿命を向上するために添加されるが、その効果を得るために０.１％以上が必要である
一方、１.０％を超えて添加すると、靭性が低下するとともに熱間加工性が低下するため、上限値を１.０％とした。
【００１６】
Mn：≦1.5％
Mnは鋼を製造する際に脱酸に用いられる元素であるとともに、焼入れ性を改善する元素である。しかし、1.5％を超えて多量にMnを含有させると被削性が大幅に低下するため、Mn含有量の上限を1.5％に限定した。
【００１７】
P ：≦0.03％
Pは鋼のオーステナイト粒界に偏析し、靭性や転動疲労寿命の低下を招くため、0.03％をP含有量の上限とした。
【００１８】
S ：≦0.03％
Sは鋼の熱間加工性を害し、鋼中での非金属介在物を形成して靭性や転動寿命を低下させるため、可及的に少なくすることが望ましいが、Sは切削加工性を向上する効果も有しているため、0.03％をSの上限値とした。
【００１９】
Cr：0.3〜2.5％
Crは焼入れ性の改善と、炭化物による硬さの確保と、寿命改善のために添加される。所定の炭化物を得るためには0.3％以上の添加が必要である。
但し2.5％を超えて含有させると大型の炭化物が生成し、転動疲労寿命の低下が生じるため、Cr含有量の上限を2.5％とした。
【００２０】
V ：0.05〜2.0％
Vは本発明において重要な作用を果たす元素であり、炭素と結合して粒径数百ｎｍ以下の微細なV系炭化物を多数析出し、鋼中で拡散性水素をトラップすることにより、粒界或いは応力集中部への水素の拡散を抑制し、水素脆性剥離を抑制する効果がある。また、結晶粒の微細化を促進して強度・靭性を改善する効果を有する。
この効果が得られるVの含有量が0.05％以上であるため、V含有量の下限値を0.05％とした。
しかし2.0％を超えて多量にVを含有させると被削性、熱間加工性が低下するため、V含有量の上限を2.0％とした。
【００２１】
Al：≦0.050％
Alは鋼の製造時の脱酸剤として使用されるが、硬質の非金属介在物を生成し、転動疲労寿命を低下させるため低減することが望ましい。0.050％を超えてAlが多量に含有されると顕著な転動疲労寿命の低下が認められるため、Al含有量の上限を0.050％とした。
尚、Al含有量を0.005％未満とするためには鋼製造コストの上昇が生じるため、Alの含有量の下限を0.005％にすることが望ましい。
【００２２】
O ：≦0.0015％
Ti：≦0.003％
N ：≦0.015％
O，Ti及びNは鋼中に酸化物、窒化物を形成し、非金属介在物として疲労破壊の起点となり、転動疲労寿命を低下させるため、O：0.0015％，Ti：0.003％，N：0.015％を各元素の上限とした。
【００２３】
Ni：0.1〜3.0％
Niは転動疲労過程での組織変化を抑制し、転動疲労寿命を向上する。また、Niの添加は靭性及び耐食性の改善にも効果がある。これらの効果を得るためにNi含有量を0.1％以上とする。
但し3.0％を超えて多量に含有させると、鋼の焼入れ時に多量の残留オーステナイトを生成し、所定の硬さが得られなくなるとともに、鋼材のコストが上昇するため、Ni含有量の上限値を3.0％とした。
【００２４】
Mo：0.05〜2.0％
Moは鋼の焼入れ性を改善するとともに、炭化物中に固溶することにより焼戻し時の硬さの低下を抑制する効果がある。この効果を得るためにはMo含有量が0.05％以上必要であるため下限値を0.05％とした。
但し2.0％を超えて多量に含有させると鋼材のコストが上昇し、また熱間加工性や切削性が低下するためMoの上限値を2.0％とした。
【００２５】
次に、本発明の耐環境軸受鋼の表面硬さ及びV系炭化物について言及する。
表面硬さ
焼戻し後の表面硬さと転動疲労寿命には相関が認められ、表面硬さが高いほど転動疲労寿命は長くなる傾向がある。特に、焼戻し処理後の表面硬さがＨＲＣ５８未満になると急激に転動疲労寿命が低下し、寿命のばらつきも大きくなるため、焼戻し処理後の表面硬さをＨＲＣ５８以上とする。
【００２６】
V系炭化物
V系炭化物は水素をトラップすることにより、水素脆性剥離を抑制する効果がある。その効果を得るためには微細な炭化物を多数析出させる必要があり、その粒径が５００ｎｍを超える粗大なV系炭化物が生成すると、粗大化により水素をトラップする効果が小さくなるとともに、同一V量でも水素トラップに有効な微細なV系炭化物の数が減少し、急速にその効果が低下するため、最大径を５００ｎｍ以下の微細な炭化物とした。
【００２７】
（発明の効果）
以上のような本発明によれば、SUJ 2をベースとして合金元素を添加することにより、従来の熱処理条件等を大幅に変更することなく、水素脆性剥離が生じ得るような使用条件においても、長寿命を有する耐環境軸受鋼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】
【００２８】
次に本発明の実施形態を以下に詳しく説明する。
表１に示す化学成分の材料１５０ｋｇを真空溶解で溶製し、熱間鍛造により直径２８ｍｍと６５ｍｍの棒鋼を製造した。
この後、焼ならし処理として９２０℃に加熱して２時間保持した後空冷し、更に図１（Ａ）に示す条件で球状化焼なまし処理を行い、各試験の素材とした。
【００２９】
【表１】
2006213981.tif 000002
【００３０】
尚、比較例No.13はJIS SUJ 2である。
その２８ｍｍ素材から長さ１５ｍｍの試験片を削り出し、図１（Ｂ）に示す条件で焼入れ焼戻し処理を行い、端面を深さ１ｍｍ研削した後、表面研磨を行い、５点平均でロックウェル硬さを求めた。
その後、同試験片の縦断面を埋め込み、研磨仕上げし、表層部のV，Cr，Fe量をＥＰＭＡを用いて約１００００倍で面分析し、数百ｎｍの大きさのV系炭化物を同定し、最大V系炭化物径を求めた。
【００３１】
また、同素材から最小部径４ｍｍのサーキュラーテーパーダンベル型の超音波疲労試験片を作製し、図１（Ｂ）に示す条件で焼入れ焼戻し処理を施した後、研削加工により所定の寸法に仕上げた。
その後、同試験片を希硫酸にチオ尿素を加えた電解液を用いて、電流密度０．１及び０．２ｍＡ／ｃｍ２で２０時間の水素チャージを行った。
尚、水素チャージによって試験片に浸入する拡散性水素の量については、別途同じ条件で水素チャージしたものを昇温脱離分析により定量した。
【００３２】
その後、常温大気中において負荷周波数２０ｋＨｚ、応力比−１で超音波疲労試験に供した。
ここで繰返し疲労試験として超音波疲労試験を用いたのは、水素チャージした試験片から試験中に水素が散逸しないように短時間試験とするためである
尚、水素チャージ後の散逸による影響を抑えるため、水素チャージしてから試験開始するまでの時間は１０分とした。
また、超音波疲労試験中の試験片の発熱を抑制するため、０．１１秒負荷後、休止を１．１０秒とする間欠負荷方式を用いた。
【００３３】
試験は同一鋼種，同一水素チャージ条件において数１０点行い、ＳＮ線図を採取し、日本材料学会標準（JSMS-SD-6-02）を適用し、連続降下型片対数ＳＮ回帰曲線を求め、１０７回における１０％疲労強度を算出した。
更に、異なる水素チャージ条件での試験結果から、拡散性水素量と１０％強度との関係を求め、拡散性水素量２ｐｐｍでの１０７回における１０％疲労強度を算出し評価に用いた。
【００３４】
一方、径６５ｍｍの素材より外径６３ｍｍ，内径２８．７ｍｍのスラスト型転動疲労試験片を作製し，図１（Ｂ）に示す条件で焼入れ焼戻し処理を施した後、機械加工及びラッピング加工によって表面研磨を行い転動疲労試験に供した。ここで転動疲労試験は表２に示した条件で行った。
この試験は同一条件で約１０点行い、ワイブル分布の１０％寿命を求めて評価寿命とした。
【００３５】
【表２】
2006213981.tif 000003
【００３６】
表３に焼入れ焼戻し材の試験結果を示している。
Vを添加した本発明例は何れも表面硬さＨＲＣ５８以上である。
ＥＰＭＡ分析では、比較例ではV系炭化物が存在しないのに対して、Vを添加した本発明例では最大径５００ｎｍ以下のV系炭化物が多数観察された。
【００３７】
【表３】
2006213981.tif 000004
【００３８】
図２はＥＰＭＡで観察した炭化物を示している。
図中に矢印で示す粒状の炭化物は大きさが約３００ｎｍである。
表４はこの炭化物の組成分析結果を、サーモカルクを用いた平衡状態計算結果と比較して示している。この成分分析結果から本炭化物はVCと認められる。
【００３９】
【表４】
2006213981.tif 000005
【００４０】
水素チャージした超音波疲労試験により評価した、水素脆性条件下での疲労強度は、Vを添加した本発明例がV非添加の比較例に対して高い疲労強度を有している。
また、常温スラスト転動疲労寿命では、本発明例は比較例と同等以上である。
【００４１】
図３は本発明例の疲労強度とV量との関係を示している。
図３の結果から、V量の増加に伴ない疲労強度が向上していることが分る。
これは、水素のトラップサイトとなるV系炭化物（VC）の量がV量とともに増加するためと考えられる。
【００４２】
図４はサーモカルクによる平衡状態図計算によって焼入れ温度８４０℃でのVC及びセメンタイト量を求めたものである。
VC量はV量の増加に伴ない一様に増加していることが分る。
尚、V添加した本発明例は超音波疲労での水素脆性破壊寿命が改善しているが、当然のことながら同様の機構によって、転がり疲労の水素脆性剥離に対しても効果があることも確認している。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（Ａ）球状化焼きなまし処理における温度，保持時間及び冷却条件を示す図である。  （Ｂ）焼入れ焼戻し処理における温度，保持時間及び冷却条件を示す図である。
【図２】ＥＰＭＡ分析で観察したV系炭化物を示す図である。
【図３】水素チャージした超音波疲労試験による１０７回破損強度の１０％強度とV量の関係を示す図である。
【図４】８４０℃平衡状態計算によるVC，セメンタイト量とV量の関係を示す図である。
【図１】
2006213981.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図２】
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