(57)【要約】      （修正有）【課題】転動疲労寿命を向上させ、さらに、圧壊強度を向上させた軸受のコロまたは球、および、それを用いた軸受を提供する。【解決手段】軸受鋼を素材とした軸受のコロまたは球において、転走部における、少なくとも表面から1.5mm深さ位置までの鋼組織の旧オーステナイト粒径を3.5μｍ以下とする。このような鋼組織を得るため、素材をオーステナイトと球状化炭化物の２相域に加熱後、急冷して焼き入れる処理を２回以上行う。【選択図】図１
2008088482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受鋼を素材とした、軸受のコロまたは球において、
転走部における、少なくとも表面から1.5mm深さ位置までの鋼組織が、旧オーステナイト粒径3.5μｍ以下であることを特徴とする転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【請求項２】
前記素材をオーステナイトと球状化炭化物の2相域に加熱後、急冷して焼き入れる処理を2回以上行うことで、前記鋼組織を得ることを特徴とする請求項１に記載の転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【請求項３】
前記２相域への加熱を、800℃〜最高加熱温度までの加熱速度が0.5℃／s以上850℃／s以下、最高加熱温度がAc３以上Ac３+130℃以下、Ac３点以上の温度での滞留時間が500ｓ以下である加熱条件とすることを特徴とする請求項２に記載の転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【請求項４】
請求項1乃至３において、コロおよび球の硬度が深さ方向全域にわたりHv700以上であることを特徴とする転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【請求項５】
請求項1乃至４において、前記素材がSUJ2からなる転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【請求項６】
コロまたは球として、請求項１乃至５に記載のコロまたは球が用いられてなることを特徴とする軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受鋼により製造されたコロまたは球軸受のコロまたは球、さらに、それを用いた軸受に関するものであり、特に、従来より転動疲労特性と圧壊強度を向上させたコロまたは球、および、それを用いた軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸受は、自動車、機械などの回転部品に利用されており、優れた転動疲労特性が要求される。また、コロ軸受または球軸受には、軸受に負荷がかかった場合であっても破壊を起こさないようコロまたは鋼球に圧壊強度が要求される。転動疲労特性を向上する方法としては、例えば、特許文献１に記載されているように、軸受鋼の加熱方法を規定する手法があり、旧オーステナイト粒径を平均4.0μm以下に微細化することで、転動疲労寿命2倍以上を達成している。しかし、この特許文献中には軸受の重要特性である圧壊強度に関しては記述されていない。表層部のみの焼入れでは良好な圧壊強度は得られない。
【特許文献１】特開2006-152407号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、軸受の重要特性である転動疲労試験における10%累積破損確率(以下、Ｂ10寿命)を大幅に向上させた軸受のコロまたは鋼球を提供するとともに、もう1つの重要特性である軸受の圧壊強度を大幅に向上させた軸受のコロまたは鋼球を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明者らは、焼入部の旧オーステナイト粒径を微細化した軸受用コロおよび鋼球を作製し、同一条件で20回試験を行い、転走部で疲労剥離が発生するまでの転動疲労寿命を調査し、10%累積破損確率(以下、Ｂ10寿命)を求めた。その結果、転動疲労寿命は平均オーステナイト粒径3.5μm以下で大幅に向上できることが判った。さらに、圧壊強度に関して鋭意検討したところ、部品の全体がHv700以上の硬度が必要で、かつ表面〜1.5mm深さまでの平均オーステナイト粒径が3.5μm以下であれば、圧壊強度が1.3倍以上に向上することがわかった。
本発明は、この知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
【０００５】
（１）  軸受鋼を素材とした軸受のコロまたは鋼球において、転走部における、少なくとも表面から1.5mm深さ位置までの鋼組織が、旧オーステナイト粒径3.5μｍ以下であることを特徴とする転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【０００６】
（２）  前記素材をオーステナイトと球状化炭化物の2相域に加熱後、急冷して焼き入れる処理を2回以上行うことで、前記鋼組織を得ることを特徴とする前記（１）に記載の転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【０００７】
（３）  前記２相域への加熱を、800℃〜最高加熱温度までの加熱速度が0.5℃／s以上850℃／s以下、最高加熱温度がAc３以上Ac３+130℃以下、Ac３点以上の温度での滞留時間が500ｓ以下である加熱条件とすることを特徴とする請求項２に記載の転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球
【０００８】
（４）前記（1）乃至（３）において、コロおよび球の硬度が深さ方向全域にわたりHv700以上であることを特徴とする転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【０００９】
（５）前記（1）乃至（４）において、前記素材がSUJ2からなる転動疲労特性と圧壊強度に優れた軸受のコロまたは球。
【００１０】
（６）  コロまたは球として、前記（１）乃至（5）に記載の軸受のコロまたは球が用いられてなることを特徴とする軸受。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のコロまたは球、さらにはそれを用いた軸受よれば、転動疲労寿命の向上のみならず、圧壊強度も向上することができ、工業的に非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の軸受のコロまたは鋼球は、鋼素材、棒鋼あるいは線材を、成型工程(鍛造・切削など)を経てベアリング内外輪、軸受ボール、軸受ころおよびニードルなどのコロ軸受または球軸受を構成する部品の形状に加工した後、転走部もしくは部品全体に焼入れを施して製造される。
本発明を得るためには、鋼素材の組成、素材組織、焼入れ表層部の旧オーステナイト粒径および深さ、焼入れ条件、焼入れ後の組織の適正化が必要である。
以下、本発明を具体的に説明する。
【００１３】
［鋼組成］
先ず、後述するような本発明で必要とする焼入れ表層部を得るのに好適な、鋼素材について説明する。鋼素材には軸受鋼として広く用いられているSUJ2が最も好適に用いられるが、下記の成分組成を満足する鋼を用いることができる。
【００１４】
C：0.6mass%〜1.5mass%
Cは、焼入れ部において部品の疲労寿命を得るために必要となる硬度確保のために必要な元素であり、0.6mass%未満では焼入れ部で十分な硬度および疲労強度が得られない。一方、1.5mass%を超えて添加すると、焼入れ前の加工性(剪断性、鍛造性)を劣化させる。よって、好適なＣ含有量範囲は0.6mass%〜1.0mass%である。
【００１５】
Si：0.1〜1.0mass%
Siは、転動疲労寿命を向上するため0.1mass%以上含有されていることが好ましい。しかし、1.0mass%を越えて添加すると、Cと同様、焼入れ前の加工性(剪断性、鍛造性)を劣化させる。よって、Siの好適含有量範囲は0.1〜1.0mass%以下である。
【００１６】
Mn：0.1〜1.5mass%
Mnは、焼入性を向上するため、0.1mass%以上含有されていることが好ましい。しかし、過剰に添加すると焼入れ前の加工性(剪断性、鍛造性)を劣化させる。このため、その含有量の上限は1.5mass%以下とすることが好ましい。
【００１７】
Cr：0.05〜2.0mass%
Crは焼入性向上および炭化物球状化を促進による焼入れ前の硬度低下・加工性向上の効果があるため0.05以上含有されていることが好ましい。しかし、2.0mass%を超えて添加しても効果が飽和してしまうため0.05〜2.0mass%の範囲で含有されていることが好ましい。
【００１８】
以上説明した元素以外の残部はFeおよび不可避的不純物であるものが、基本となる成分である。不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏが挙げられ、Ｐは0.05mass%まで、Oは0.0150mass%までを許容できる。Ｓ、Ｎは不可避的不純物としても混入するが、後述するとおり積極的に添加してもよい。以上の基本成分組成に加えて、以下の元素をそれぞれ以下に説明する範囲で含有させてもよい。
【００１９】
Ｓ：0.03mass%以下
Ｓは、Mnと結合して、MnSを形成して被削性を向上するため添加しても良いが、0.03mass%を越えて添加するとMnSが転動疲労試験中の割れ起点となり転動疲労特性を著しく低下するためその含有量の上限は0.03mass%とすることが好ましい。
【００２０】
Al：0.1mass%以下
Alは、強力な脱酸作用を持ち、鋼の清浄化を向上させる効果を有する成分であるため添加しても良いが、0.10mass%を超えて添加した場合には、鋼の清浄化がむしろ劣化し、転動疲労特性が低下することから、その含有量を0.1mass%以下とすることが好ましい。
【００２１】
Cu：1.0mass%以下
Cuは、焼入れ性向上により焼入れ部の硬度向上効果があるため添加しても良いが、この効果を得るためには1.0mass%以下で十分である。
【００２２】
Ni：1.0mass%以下
Niは、焼入性増大や焼入れ部の靭性を向上させるために1.0mass%を上限に添加しても良い。また、Cu添加時には熱間脆性抑制のためにNiをCu添加量の1／2添加することが好ましい。
【００２３】
Mo：1.0mass%以下
Moは、焼入性向上効果や焼戻し軟化抵抗の効果があるため添加してもよいが、加工性が悪くなるため1.0mass%以下とすることが好ましい。
【００２４】
W：1.0mass%以下
Wは、焼入性向上効果があるため添加してもよいが、加工性が悪くなるため1.0mass%以下とすることが好ましい。
【００２５】
Ti：0.01mass%以下
Tiは、窒化物形成によるオーステナイト粒成長抑制効果があるため添加してもよいが、0.01mass%を超えると、転動疲労特性が劣化するため0.01mass%以下とすることが好ましい。
【００２６】
Nb：0.5mass%以下
Nbは、窒化物(もしくは炭窒化物)形成によるオーステナイト粒成長抑制効果があるため添加しても良いが、その含有量が0.5mass%を超えるとその効果は飽和するので、0.5mass%以下とすることが好ましい。
【００２７】
Ｂ：0.01mass%以下
Ｂは、焼入性向上効果があるため0.01mass%を上限に添加しても良いが、その含有量が0.01mass%を超えるとその効果は飽和するため、0.01mass%以下とすることが好ましい。
【００２８】
Sb：0.0050mass%以下
Sbは、転動疲労試験中のミクロ組織変化(白色層生成)の遅延に対して効果があり、転動疲労特性の劣化を防止する作用を有するので、添加してもよい。しかし、その含有量が0.01mass%を超えると、靭性が劣化するので、0.01mass%以下とすることが好ましい。
【００２９】
N：0.01mass%以下
Nは、窒化物や炭窒化物を形成し、オーステナイト粒微細化に効果があるが、過剰添加は鋼の加工性を劣化させるため0.01mass%以下であることが好ましい。
以上説明した元素以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
【００３０】
［鋼素材の組織］
軸受用鋼部品は、焼入れ前に鋼素材から切削、研削、鍛造等の加工によって成型されることから、焼入れ前の鋼素材の組織は、球状化処理により、母相はフェライト組織、炭化物は球状化されている必要がある。このとき炭化物は、加工性、焼入れ処理中のオーステナイト粒成長抑制効果を考慮して、アスペクト比(炭化物の長径/短径の比)を平均３以下とする必要がある。
【００３１】
［焼入れ表層部の旧オーステナイト粒径］
軸受用鋼部品は、転動疲労特性が要求されるため焼入れ・焼戻しが施されている。本発明では、特に転動疲労特性にとって重要である焼入れ表層部において、旧オーステナイト粒径が平均3.5μm以下である必要がある。これは、転動疲労寿命が3.5μm超えのものより、格段に向上するからである。
【００３２】
一方、軸受のもう１つの重要特性である圧壊強度を向上させるには、この旧オーステナイト粒径が3.5μm以下である領域が、少なくとも表面から1.5mmの深さまである必要がある。これにより、高い圧壊強度が得られるようになる。
なお、粒径3.5μm以下である領域の測定は以下の様にして行った。まず当社開発のガンマR液で旧オーステナイト粒界を腐食後、表面から0.1mm、0.2mm、0.3mm・・・・・と0.1mmピッチの位置で、5000倍でSEM像を4枚撮影した後、画像解析装置で1個1個のオーステナイト粒の面積を測定し、面積から円相当径（2×(面積／π)1／2）を求め、その位置での平均オーステナイト粒径を求めた。この平均旧オーステナイト粒径が3.5μm以下であった位置を、「旧オーステナイト粒径が3.5μm以下である領域」とした。
【００３３】
図１および図２にSUJ2（後述の表２における鋼記号１の成分組成）の圧壊強度と粒径、平均旧オーステナイト粒径が3.5μm以下の領域との関係を示す。6.0mmφ× 9.0mm長さの円柱状試験片において、旧オーステナイト粒径3.5μm以下である領域の深さが1.0mm、2.0mmの鋼（なお、焼入れ硬度は全深さに於いてHv750以上であり、中心部の旧オーステナイト粒径はいずれも4.5μm）と、比較のために、表層(表面から0.1mm位置での旧オーステナイト粒径)および中心部とも平均オーステナイト粒径が4.3μmでかつ硬度が全域でHv750以上あるような試験片(旧オーステナイト粒径3.5μm以下の領域が０mmとする)も作製した。このような試験片において、図３のように試験片が破壊するまで圧縮を行い(圧壊試験)、破壊荷重を測定した。この圧壊試験を10回行い、平均圧壊強度を算出した。
【００３４】
この算出結果を図１に示すように、旧オーステナイト粒径が3.5μm以下である領域を少なくとも表面から1.5ｍｍの深さとすることにより、圧壊強度を高レベルにすることができ、図２に示すように、旧オーステナイト粒径が3.5μm以下である領域の深さが少なくとも表面から1.5mmまであるような鋼では、圧壊強度が1.3倍以上に向上する。
【００３５】
［焼入れ部の硬さ］
本発明では、コロ軸受のコロまたは球軸受の球について、旧オーステナイト粒径3.5μm以下であるような領域以外に於いても、ビッカース硬度(以下Hv)で700以上であること、すなわち、コロまたは球の深さ方向全域にわたり、ビッカース硬度(以下Hv)が700以上であることとする。これは、硬度がHv700未満であるような部材では、十分な圧壊強度が得られないからである。
【００３６】
［焼入れ条件］
本発明では、焼入れ表層部の旧オーステナイト粒径が平均3.5μｍ以下である必要があることから、焼入れ条件の最適化が非常に重要な意味を持つ。焼入れ回数に関してはN回焼入れ(N=1以上)を実施すれば良いが、N回目(最後)の焼入れ処理における加熱条件を、
（１）加熱温度：Ac３点以上Ac３+130℃以下
（２）加熱速度：800℃〜Ac３点の温度間で平均0.5℃／s以上850℃／s以下
（３）Ac３点以上の滞留時間：500秒以下
とする必要がある。
【００３７】
ここで、Ac３点とは、加熱時にフェライトもしくはベイナイトやマルテンサイトからオーステナイトへの変態が終了する温度のこととする。加熱温度がAc３点に満たないと、オーステナイトへの逆変態が終了しないので、完全なマルテンサイトの焼入れ組織とすることができず、硬度も十分に得られない。逆に、加熱温度がAc３+130℃超では、球状化炭化物の溶け込みが進みオーステナイトの粒成長抑制効果が無くなり、粒成長が急速に促進するので、焼入れ後の旧オーステナイト粒径が3.5μｍ超となってしまう。
【００３８】
焼入れ処理の加熱速度については、「800℃」〜「Ac３点」温度の間で平均0.5℃／s以上〜850℃／ｓ以下とする必要がある。この温度域で0.5℃／ｓより加熱速度が遅くなれば、オーステナイトへの核生成駆動力の減少などの影響で、オーステナイト粒径が微細化せず、焼入れ組織の旧オーステナイト粒径が3.5μｍ超となってしまう。850℃／ｓ超えでは旧オーステナイト粒径3.5μm以下の領域が1.5mm未満となってしまい、圧壊強度が1.3倍未満となってしまう。
【００３９】
さらに、Ac３点以上の滞留時間が500秒以下となるように、加熱条件を調整する必要がある。Ac３点以上の滞留時間が500秒超となると、粒成長に十分な時間となり、焼入れ後の組織の旧オーステナイト粒径が3.5μｍ超となってしまう。
【００４０】
上記条件による焼入れ処理は、2回以上とする。2回以上に限定する理由は、旧オーステナイト粒径3.5μmと、旧オーステナイト粒径3.5μm以下の領域1.5mm以上を両立させるためで１回加熱のみでは、旧オーステナイト粒径は3.5μm以下にできても、領域の深さは得られなかったからである。この加熱速度条件は、最終の焼入れ処理時にのみ（N回焼入れ処理を施す場合には、N回目のみ）適用すればよい。最終の焼入れ処理に先立って行う焼入れ処理（N回焼入れ処理を施す場合には、１回〜N-1回目までの焼入れ処理）では、焼入れ後の組織がベイナイトもしくはマルテンサイト組織(単相でも複合でも良い)と、残留球状炭化物とであれば良く、最終焼入れ工程に限定されるような熱処理は特に必要とはしない。但し、残留球状炭化物が溶解してしまうような高温で加熱を行うと、最終焼入れ時に球状炭化物によるオーステナイト粒成長抑制作用が消失してしまい、オーステナイト粒が粗大化・不均一化するといった問題や、母相への炭素の溶け込み量が最適値より高くなり転動疲労特性を低下するといった弊害が出るため、最終焼入れ以前の焼入れ処理時においては、球状化炭化物がオーステナイトに溶け込みオーステナイト単相となる温度以下とする必要がある。なお、焼入れ回数に関しては複数回について焼入れをしても良いが、工業面・コスト面から考えれば2回までとするのが好適である。
【００４１】
以上説明した条件にて焼入れ処理を施すことにより、平均旧オーステナイト粒径が3.5μｍ以下、平均旧オーステナイト粒径3.5μm以下である領域が少なくとも表面から1.5mm深さにある、軸受のコロもしくは鋼球が製造できる。
【００４２】
［焼戻し］
本発明においては、焼入れ処理の後に焼戻し処理を行ってもよい。但し、焼戻し処理を行う場合、焼戻し温度が高すぎると、焼入れ表層部が軟化して、疲労強度が低下してしまい、焼入れ表層部の旧オーステナイト粒径を微細化した効果が減じてしまうため、焼戻しを行う場合、温度は200℃以下とする。また、時間は２時間以下とするのが好ましい。
【００４３】
［その他］
上記の条件で、焼入れ処理、焼戻し処理が施された後は、必要に応じてショットピーニングなどの表面処理、仕上げの表面研磨処理などが施されて、軸受用鋼部品に仕上げても問題ない。
【００４４】
以上の各項目毎で説明したようにすることで、転動疲労特性と圧壊強度とを両立した、コロまたは球が得られ、このようなコロまたは球を軸受のコロまたは球として用いることにより、軸受の転動疲労寿命を向上させることが可能となり、また、高負荷で使用可能な軸受とすることができる。なお、ベアリング内外輪等、コロや球以外の軸受を構成する部品についても、その転走面について上記した各条件を満足させることが好ましい。
【実施例】
【００４５】
表1に示す各種組成の実験用100kg鋼塊を、1250℃で20hソーキングを行った後、仕上げ温度1000℃で20mmφに熱間鍛造し、丸棒とした。この丸棒を、780℃で５ｈ保持する球状化焼鈍を行った。この丸棒の中心部分より12.2ｍｍφの円柱状試験片を粗加工し、表2に記載の熱処理条件で焼入れ処理を行った後、焼戻しを170℃で２時間行った。
転動疲労試験は、12mmφ×22mm長さの円柱状試験片に仕上げ、転動疲労試験に供した。転動疲労特性評価は、ＮＴＮ社製のラジアル型転動疲労試験機を用いて、試験片が剥離するまでの転動疲労寿命を調査した。疲労試験は、ヘルツ応力5880MPa（600kgf／mm2）応力負荷回数46400cpmで20本試験を行い、10%累積破損確立での寿命〔以下B10寿命〕を求めた。
【００４６】
また、圧壊試験は6.2mmφ×9.2mm長さの円柱状試験片を作製し、高周波焼入れを行ったもの、1100℃に加熱したソルトバスにおいて所定温度に到達後、焼入れを行う作業を2回繰り返したもので、種々の粒径と種々の平均旧オーステナイト粒径3.5μm以下の領域深さの試料を作成した。その後6.0 mmφ×9.0mmに仕上げ研磨を行い、コロ軸受を模擬した試験片を作製した。この試料を図３の試験方法で10回、圧壊試験を行い、圧壊強度の平均値を算出した。
【００４７】
試験片の焼入れ硬度は、転動疲労試験片および圧壊試験片ともに、円柱状試験片の長さ方向の1／2の位置で輪切りにして鏡面に研磨し、表面部から0.1mmピッチでビッカース硬度、旧オーステナイト粒径を調査した。旧オーステナイト粒径は前述した通り、各位置の5000倍SEM像を４枚撮影した後、画像解析装置で1個1個のオーステナイト粒の面積を測定し、面積から円相当径（2×(面積/π)1/2）を求め、その位置での平均オーステナイト粒径を求めた。この平均旧オーステナイト粒径が3.5μm以下であった位置を、「旧オーステナイト粒径が3.5μm以下である領域」とした。
なお、硬度はいずれも全断面Hv700以上であった。
【００４８】
【表１】
2008088482.tif 000003
【００４９】
【表２】
2008088482.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】旧γ粒径が3.5μｍ以下である深さと圧壊強度との関係を示す図である。
【図２】旧γ粒径が3.5μｍ以下である深さと圧壊強度の向上率との関係を示す図である。
【図３】圧壊試験方法を示す図である。
【図１】
2008088482.tif 000005
【図２】
2008088482.tif 000006
【図３】
2008088482.tif 000007