(57)【要約】【課題】特に水素環境下での白色組織の生成を抑制することによって、転動疲労寿命特性に優れた軸受鋼を低コストの下に提供する。【解決手段】Ｃ：0.6％超0.9％以下、Si：0.15％以上1.0％未満、Mn：0.2％以上1.2％以下、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Al:0.05％以下、Cr：6.0以上10.5％未満、Ｎ:0.0100％以下およびＯ：0.0030％以下を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中に存在する炭化物の平均直径が0.4μm以上0.7μm以下、かつ炭化物の平均アスペクト比が1.0以上2.0以下とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.6％超0.9％以下、
Si：0.15％以上1.0％未満、
Mn：0.2％以上1.2％以下、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：6.0以上10.5％未満、
Ｎ：0.0100％以下および
Ｏ：0.0030％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中に存在する炭化物の平均直径が0.4μm以上0.7μm以下、かつ炭化物の平均アスペクト比が1.0以上2.0以下であることを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受鋼。
【請求項２】
前記成分組成が、さらに、質量％で、
Ti：0.03％以下、
Mo：0.1％未満、
Cu：0.1％以下、
Ni：0.1％以下、
Ｗ：0.1％以下および
Ｂ：0.003％以下
のうちから選ばれる１種もしくは２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の転動疲労特性に優れた軸受鋼。
【請求項３】
質量％で、
Ｃ：0.6％超0.9％以下、
Si：0.15％以上1.0％未満、
Mn：0.2％以上1.2％以下、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：6.0以上10.5％未満、
Ｎ：0.0100％以下および
Ｏ：0.0030％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成になる鋼を、780℃以上980℃以下の温度に加熱後、10時間以上均熱保持し、その後、少なくともオーステナイトからフェライトが生成し始める温度からオーステナイトからフェライトへの変態が終了する温度までの温度範囲において、１℃／ｈ以上20℃／ｈ以下の冷却速度にて冷却する、軟化焼鈍を行うことを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受鋼の製造方法。
【請求項４】
前記成分組成が、さらに、質量％で、
Ti：0.03％以下、
Mo：0.1％未満、
Cu：0.1％以下、
Ni：0.1％以下、
Ｗ：0.1％以下および
Ｂ：0.003％以下
のうちから選ばれる１種もしくは２種以上を含有することを特徴とする請求項３に記載の転動疲労特性に優れた軸受鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受鋼、特に水素ガス用のコンプレッサなど、水素雰囲気下で使用される軸受として用いることが可能な、転動疲労寿命に優れた軸受鋼およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受は、自動車や産業機械などの回転部分に用いられる部品であり、優れた転動疲労寿命が要求される。ここに、自動車のオルターネーターなどの一部の軸受において、転送軌道の直下に白色組織と呼ばれる組織が生成するため、規定寿命より短時間で剥離が発生すると言う問題が生じている。このような、白色組織生成にともなう軸受の短期間での剥離現象は、特許文献１および２に記載されているように、軸受に使用されているグリースや潤滑油、あるいは軸受に侵入した水がトライボケミカル反応により分解して水素を生成し、これらの水素が鋼中へと侵入そして蓄積し、白色組織への変化を促進して引き起こされている。
【０００３】
ところで、自動車においては、CO2削減の観点から、水素燃料による自動車の開発が進められている。この種の自動車において、水素ガス供給用の水素ガスコンプレッサーに使用される軸受などは、多量の水素ガス雰囲気に曝されることになる。そのため水素が潤滑剤に侵入し易く、この水素は随時分解され鋼中へ侵入するため、上述の場合に比べ、白色組織への組織変化が大幅に促進される。
【０００４】
ここに、白色組織の生成抑制には、特許文献１および２に記載されるように、Cr添加が有効とされている。しかしながら、多量のCr添加はコストの増加につながるとともに、鋼の製造性や加工性の観点からも好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2005-133211号公報
【特許文献２】特開2008-255399号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、特に水素環境下での白色組織の生成を抑制することによって、転動疲労寿命特性に優れた軸受鋼を低コストの下に提供するための方途について提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、白色組織の生成抑制を所期して鋭意検討を行ったところ、軸受鋼の組成と素材の炭化物形態を適正化することによって、低コストにて水素環境下での白色組織の生成が抑制され、転動疲労寿命が向上するとの知見を得た。
本発明はこの知見を基になされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：0.6％超0.9％以下、
Si：0.15％以上1.0％未満、
Mn：0.2％以上1.2％以下、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：6.0以上10.5％未満、
Ｎ：0.0100％以下および
Ｏ：0.0030％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中に存在する炭化物の平均直径が0.4μm以上0.7μm以下、かつ炭化物の平均アスペクト比が1.0以上2.0以下であることを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受鋼。
【０００８】
（２）前記成分組成が、さらに、質量％で、
Ti：0.03％以下、
Mo：0.1％未満、
Cu：0.1％以下、
Ni：0.1％以下、
Ｗ：0.1％以下および
Ｂ：0.003％以下
のうちから選ばれる１種もしくは２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の転動疲労特性に優れた軸受鋼。
【０００９】
（３）質量％で、
Ｃ：0.6％超0.9％以下、
Si：0.15％以上1.0％未満、
Mn：0.2％以上1.2％以下、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：6.0以上10.5％未満、
Ｎ：0.0100％以下および
Ｏ：0.0030％以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成になる鋼を、780℃以上980℃以下の温度に加熱後、10時間以上均熱保持し、その後、少なくともオーステナイトからフェライトが生成し始める温度からオーステナイトからフェライトへの変態が終了する温度までの温度範囲において、１℃/h以上20℃/h以下の冷却速度にて冷却することを特徴とする転動疲労特性に優れた軸受鋼の製造方法。
【００１０】
（４）前記成分組成が、さらに、質量％で、
Ti：0.03％以下、
Mo：0.1％未満、
Cu：0.1％以下、
Ni：0.1％以下、
Ｗ：0.1％以下および
Ｂ：0.003％以下
のうちから選ばれる１種もしくは２種以上を含有することを特徴とする前記（３）に記載の転動疲労特性に優れた軸受鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、特に水素環境下での白色組織の生成を抑制することによって、転動疲労寿命特性に優れた軸受鋼を低コストの下に提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の軸受鋼について、まず成分組成の限定理由を成分毎に説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を示している。
Ｃ：0.6％超0.9％以下
Ｃは、焼入れ性への影響が最も大きい元素であり、軸受を焼入れた場合に焼入れ硬化層の硬さを高めて、転動疲労寿命を向上させる上で有用である。Ｃ含有量が0.6％以下では、焼入れ硬化層の硬度が得られず、必要とされる転動疲労寿命を確保できないため、0.6％超とする。一方、0.9％を超えて添加すると、溶製後の素材に粗大な共晶炭化物が生成しやすくなり、球状化焼鈍後に粗大な炭化物が残留し、通常の転動疲労寿命および水素環境下での転動疲労寿命が大幅に低下してしまうため、0.9％以下とする。従って、Ｃ含有量は0.6％超0.9％以下とする。
【００１３】
Si：0.15％以上1.0％未満
Siは、白色組織の生成抑制に有効な元素であり、本発明において重要な元素である。その添加量が、0.15％未満だとは白色組織の生成抑制効果が乏しいため0.15％以上の添加とする。一方、1.0％以上添加すると、軸受製造時の加工性(切断、成形鍛造など)を著しく劣化させるため、1.0％未満とする。従って、Si含有量は0.15％以上1.0％未満とする。
【００１４】
Mn：0.2％以上1.2％以下
Mnは、焼入性を向上させるために添加するが、0.2％未満の添加ではその効果に乏しい。一方、1.2％を超えて添加すると、軸受製造時の加工性(切断、成形鍛造など)を著しく劣化させるため、1.2％以下とする。従って、Mn含有量は0.2％以上1.2％以下とする。
【００１５】
Ｐ：0.025％以下
Ｐは、オーステナイトの粒界に偏析し、粒界強度を低下させることにより、焼入時に焼割れを助長する。従って、その含有量は極力低下させることが望ましいが、0.025％以下であれば許容される。好ましくは、0.020％以下とする。
【００１６】
Ｓ：0.02％以下
Ｓは、鋼中でMnSを形成し、転動疲労試験での破壊起点となり転動疲労強度が低下する可能性があるため、0.02％以下とする。好ましくは0.01％以下とする。
【００１７】
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用な元素であり、好ましくは0.01％以上で添加してもよい。しかし、酸化物は転動疲労特性を低下させるため、必要以上の添加は避ける方が良い。このために、0.05％以下の添加とする。
【００１８】
Cr：6.0％以上10.5％未満
Crは、白色組織の生成抑制に有効な元素であり、本発明において重要な元素である。Cr添加量が6.0％未満では、水素雰囲気下での白色組織の生成抑制効果が乏しいため、6.0％以上の添加とする。一方、10.5％以上添加すると、コスト増になるとともに、軸受製造時の加工性(切断、成形鍛造など)を著しく劣化させるため、10.5％未満とする。従って、Cr添加量の範囲は、6.0％以上10.5％未満とする。
【００１９】
Ｏ：0.0030％以下
Ｏは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在し、Ｏ量が増加すると、酸化物系非金属介在物のサイズが粗大化する。この酸化物系非金属介在物は、特に転動疲労特性に有害であるため、極力低減することが望ましく、0.0030％以下に低減する必要がある。好ましくは、0.0010％以下とする。
【００２０】
Ｎ：0.0100％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、焼入れのための加熱時に、オーステナイトの成長を抑制する効果があるため、好ましくは0.0030％以上で含有していてもよい。しかし、一方で、粗大な窒化物、炭窒化物は転動疲労寿命の低下を招くため0.0100％以下とする。好ましくは、0.0060％以下とする。
【００２１】
さらに、上記の成分に加えて、Ti、Mo、Cu、Ni、ＷおよびＢのうち１種または２種以上を添加してもよい。
Ti：0.03％以下
Tiを添加すると、TiNとなることによって、オーステナイト域でピンニング効果を発揮し粒成長を抑制することから添加しても良いが、多量に添加すると、TiNが多量析出することにより転動疲労寿命を低下させるため、その添加量を0.03％以下とする。
【００２２】
Mo：0.1％未満
Moは、転動疲労寿命を向上させるため添加してもよいが、コストが高くなるためその添加量を0.1％未満とする。
【００２３】
Cu：0.1％以下
Cuは、焼入性を向上させる元素であるため添加しても良いが、0.1％を超えて添加すると熱間加工性を阻害する可能性があるため、0.1％以下の添加とする。
【００２４】
Ni：0.1％以下
Niは、焼入性を向上させる元素であるため、焼入性を調整する場合に用いることができる。Niは高価な元素であるため、添加量が多くなると鋼材価格が高くなるため、0.1％以下の添加とする。
【００２５】
Ｗ：0.1％以下
Ｗは、焼入性を向上させる元素であるため、焼入性を調整する場合に用いることができる。Ｗ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、0.1％以下の添加とする。
【００２６】
Ｂ：0.003％以下
Ｂは、焼入性を向上させる元素であるため、焼入性を調整する場合に用いることができる。しかし、0.003％を超えて添加しても効果が飽和するため、0.003％以下の添加とする。
【００２７】
炭化物の平均直径：0.4μm以上0.7μm以下
炭化物の平均直径は、0.4μm以上0.7μm以下に規定する。すなわち、軸受鋼中の球状化炭化物は鋼中に侵入してきた水素のトラップサイトとして働く。ここで、炭化物の平均直径が0.4μmより小さい場合、トラップサイトとなる炭化物表面積の総面積が小さくなるため、トラップする水素量が少なくなってしまう。そのため、侵入した水素における拡散性水素量が増加し、結果として白色組織への組織変化を抑制できない。一方、炭化物の平均直径が0.7μmより大きい場合、通常雰囲気での転動疲労寿命および水素雰囲気下での転動疲労寿命の双方が低下する。これは、粗大な球状化炭化物が応力集中源となり、母相／炭化物界面への割れの発生を助長するためと考えられる。そのため、炭化物の平均直径は0.4μm以上0.7μm以下に規定する。
【００２８】
炭化物の平均アスペクト比：1.0以上2.0以下
炭化物の長径／短径であるアスペクト比は平均で、1.0以上2.0以下とする。平均アスペクト比が2.0を超えてしまうと、トラップサイトとなる炭化物表面積の総面積が小さくなるため、トラップする水素量が少なくなってしまう。そのため、侵入した水素における拡散性水素量が増加し、結果として白色組織への組織変化を抑制できない。
【００２９】
なお、炭化物の平均直径や平均アスペクト比を求めるには、走査型電子顕微鏡を用いて炭化物を観察するが、平均直径や平均アスペクト比を正確に求めることが可能な炭化物は円相当径が0.02μｍ以上のものであり、従って、本発明においては、円相当径が0.02μｍ以上の炭化物についての測定を行う。平均直径については、画像解析により観察される炭化物について円相当径を求め、0.02μｍ以上である炭化物の個数と円相当径とから、その円相当径の平均値を求め、これを平均直径とする。平均アスペクト比は、0.02μｍ以上である炭化物についてそれぞれアスペクト比を求め、この平均値を算出する。
【００３０】
次に、本発明の軸受鋼の製造方法について説明する。
上記した成分組成に従って溶製した鋼素材を、780℃以上980℃以下の温度に加熱後、10時間以上均熱保持し、その後、少なくともオーステナイトからフェライトが生成し始める温度からオーステナイトからフェライトへの変態が終了する温度までの温度範囲において、１℃／ｈ以上20℃／ｈ以下の冷却速度にて冷却することが肝要である。すなわち、鋼中の炭化物の平均直径を0.4μm以上0.7μm以下、炭化物の平均アスペクト比を1.0以上2.0以下とするには、次に述べる熱処理（球状化焼鈍）を施すことが必須である。
【００３１】
加熱温度：780℃以上980℃以下
加熱温度が780℃未満では、炭化物球状化が不十分になり、炭化物の平均アスペクト比が2.0を超えてしまう。一方、加熱温度が980℃を超えると、炭化物が母相に溶け込みすぎて、その後の冷却中にパーライトや棒状炭化物が生成されるため、結果として炭化物の平均アスペクト比が2.0を超えてしまう。
【００３２】
均熱時間：10時間以上
上記加熱後の均熱時間が10時間未満では、炭化物球状化が不十分になって炭化物の平均アスペクト比が2.0を超えてしまう。均熱時間を10時間以上とすると、素材の炭化物が球状化して平均アスペクト比が1.0以上2.0以下の良好な球状化炭化物が得られる。
【００３３】
冷却：少なくともオーステナイトからフェライトが生成し始める温度からオーステナイトからフェライトへの変態が終了する温度までの温度範囲を１℃／ｈ以上20℃／ｈ以下
冷却は、オーステナイトからフェライトが生成し始める温度からオーステナイトからフェライトへの変態が終了する温度までの温度範囲において、冷却底度が１℃／ｈより遅いと、球状化炭化物の平均直径が0.7μmを超えてしまう。一方、20℃／ｈより早い温度で冷却すると、球状化炭化物の平均直径が0.4μm未満となる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
表１に示す化学組成の鋼を造塊法により溶製し、1250℃で30時間の拡散焼鈍を実施した。この鋼を、ブレークダウン工程を経て、150mm角ビレットに圧延したのち、1050℃に再加熱後、直径70mmの棒鋼に圧延し、空冷した。得られた棒鋼には、炭化物状態を変えるために、下記の諸条件にて球状化焼鈍を施した。
記
Ａ：800℃に10時間加熱均熱後、25℃／ｈにて冷却
Ｂ：800℃に10時間加熱均熱後、15℃／ｈにて冷却
Ｃ：970℃に10時間加熱均熱後、15℃／ｈにて冷却
Ｄ：970℃に10時間加熱均熱後、５℃／ｈにて冷却
Ｅ：760℃に10時間加熱均熱後、15℃／ｈにて冷却
【００３５】
球状化焼鈍後の棒鋼は、炭化物を確認するために、輪切りサンプルを採取した後、粗研磨および鏡面研磨仕上げをし、ピクラール腐食液にて腐食した。
炭化物観察は、棒鋼の周面から直径の1/4深さ部において、SEM観察を5000倍で10視野観察し、撮影したSEM像を画像解析し、各炭化物の平均炭化物直径および平均アスペクト比(長径/短径)を求めた。
【００３６】
転動疲労試験に供する試験片は、棒鋼から直径60mmで厚さ5.5mmの粗試験片を採取した後、980℃〜1050℃で0.5時間加熱均熱後、60℃の油中にて焼入れを行った。その後、180℃で１時間焼戻しを実施した。焼戻し後のサンプルは５mm厚に研磨(試験面は▽▽▽▽仕上げ)仕上げした。試験片は、試験実施前に、転動疲労試験に影響しない位置にてビッカース硬度計を用いて、10kgfの荷重にて４点測定し、表面硬さを測定し、各試験に用いた試験片の平均値を求めた。
【００３７】
転動疲労試験は、スラスト型転動疲労試験機を使用し、試験片に処理を実施しないまま(通常雰囲気模擬)の転動疲労試験と、試験片を濃度20％のチオシアン酸アンモニウム水溶液(液温50℃)中での転動疲労試験との、２種類で実施した。通常雰囲気を模擬した試験では、へルツ応力5.2GPa、応力負荷速度1800cpm、FBK#68タービン油潤滑(室温)の条件で試験を実施した。また、水素雰囲気を模擬した試験ではへルツ応力3.8GPa、応力負荷速度3600cpm、FBK#68タービン油潤滑(室温)の条件で試験を実施した。各条件につき10回試験を行い、ワイブルプロットによる整理を実施して、Ｂ10寿命を求めた。
【００３８】
その結果を表２に示すように、本発明の条件を満足する発明例はいずれも、通常雰囲気および水素雰囲気のどちらの場合にあっても、優れた転動疲労寿命を有することがわかる。
【００３９】
【表１】
2011208208.tif 000002
【００４０】
【表２】
2011208208.tif 000003