(57)【要約】【課題】従来よりも転動疲労寿命を向上させた軸受鋼部品を提供する。【解決手段】C：0.6〜1.5mass%、Si：0.1〜1.0mass%、Mn：0.1〜1.5mass%および、Cr：0.05〜2.0mass%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中の介在物の予測最大径が８μm以下である鋼素材からなり、かつ焼入れ後の焼入れ表層部における平均旧オーステナイト粒径が3.5μｍ以下でことを特徴とする疲労特性に優れた軸受用鋼部品とする。【選択図】図１
2008088484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.6〜1.5mass%、
Si：0.1〜1.0mass%、
Mn：0.1〜1.5mass%および
Cr：0.05〜2.0mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中の介在物の予測最大径が８μm以下である鋼素材からなり、かつ焼入れ後の焼入れ表層部における平均旧オーステナイト粒径が3.5μｍ以下でことを特徴とする疲労特性に優れた軸受用鋼部品。
【請求項２】
前記成分組成が、さらに、
Ｓ：0.03mass%以下、
Al：0.1mass%以下、
Cu：1.0mass%以下、
Ni：1.0mass%以下、
Mo：1.0mass%以下、
Ｗ：1.0mass%以下、
Ti：0.01mass%以下、
Nb：0.5mass%以下、
Ｂ：0.01mass%以下、
Sb：0.0050mass%以下および
Ｎ：0.01mass%以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の軸受用鋼部品。
【請求項３】
前記焼入れ表層部の硬さがHv700以上であることを特徴とする請求項１または2に記載の軸受用鋼部品。
【請求項４】
Ｃ：0.6〜1.5mass%、
Si：0.1〜1.0mass%、
Mn：0.1〜1.5mass%および
Cr：0.05〜2.0mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中の介在物の予測最大径が８μm以下であり、炭化物の球状化処理を行った鋼素材を、軸受鋼部品の形状に加工した後、１回または複数回の焼入れのうちの最終焼入れ時の加熱条件を、Ac３-20℃〜Ac３点の温度間での平均加熱速度0.5℃/s以上とし、Ac３点以上Ac３点+130℃以下の温度でAc３点以上の保持時間が500s以下とすることを特徴とする軸受用鋼部品の製造方法。
【請求項５】
前記素材の成分組成が、さらに、
Ｓ：0.03mass%以下、
Al：0.1mass%以下、
Cu：1.0mass%以下、
Ni：1.0mass%以下、
Mo：1.0mass%以下、
Ｗ：1.0mass%以下、
Ti：0.01mass%以下、
Nb：0.5mass%以下、
Ｂ：0.01mass%以下、
Sb：0.0050mass%以下および
Ｎ：0.01mass%以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項４に記載の軸受用鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベアリング内外輪、ベアリングボールなど焼入れ処理が施されている軸受用鋼により製造された部品に関するものであり、特に鋼素材の介在物径を規定するとともに、焼入れ後における焼入れ表層部の旧オーステナイト粒径の微細化とを規定することにより転動疲労特性を向上させた軸受用鋼部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ベアリングなどの軸受用鋼部品は、自動車、機械などに利用されており、優れた転動疲労特性が要求される。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、疲労寿命２倍以上を達成している。しかし、素材の介在物の影響は検討されておらず、旧オーステナイト粒径を微細化した鋼における転動疲労寿命への介在物低減の影響は述べられていない。
【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、従来鋼に対し、焼入れ表層部の旧オーステナイト粒径を3.5μm以下に微細化することで転動疲労寿命(10%累積破損確率(以下、Ｂ10寿命))を大幅に向上させた軸受用鋼部品において、さらに、素材の最大介在物を低減することにより、従来以上にB10寿命を向上させた、疲労寿命特性に優れた軸受用鋼部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明者らは、軸受用鋼部品の焼入れ硬化層表層部の旧オーステナイト粒径を3.5μm以下に微細化することで、B10寿命が大幅に向上することを見出した。次いで、更なるB10寿命の向上を目的として鋭意検討を行った結果、旧オーステナイト粒径を3.5μm以下に微細化した鋼で、更に素材中の最大介在物(実際には介在物の予測最大径)を８μm以下にまでした鋼では、通常粒径での向上代以上に疲労寿命が大幅に向上することを見出した。
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）Ｃ：0.6〜1.5mass%、
Si：0.1〜1.0mass%、
Mn：0.1〜1.5mass%および
Cr：0.05〜2.0mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中の介在物の予測最大径が８μm以下である鋼素材からなり、かつ焼入れ後の焼入れ表層部における平均旧オーステナイト粒径が3.5μｍ以下でことを特徴とする疲労特性に優れた軸受用鋼部品。
【０００６】
（２）前記成分組成が、さらに、
Ｓ：0.03mass%以下、
Al：0.1mass%以下、
Cu：1.0mass%以下、
Ni：1.0mass%以下、
Mo：1.0mass%以下、
Ｗ：1.0mass%以下、
Ti：0.01mass%以下、
Nb：0.5mass%以下、
Ｂ：0.01mass%以下、
Sb：0.0050mass%以下および
Ｎ：0.01mass%以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の軸受用鋼部品。
【０００７】
（３）前記焼入れ表層部の硬さがHv700以上であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の軸受用鋼部品。
【０００８】
（４）Ｃ：0.6〜1.5mass%、
Si：0.1〜1.0mass%、
Mn：0.1〜1.5mass%および
Cr：0.05〜2.0mass%
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼中の介在物の予測最大径が８μm以下であり、炭化物の球状化処理を行った鋼素材を、軸受鋼部品の形状に加工した後、１回または複数回の焼入れのうちの最終焼入れ時の加熱条件を、Ac３-20℃〜Ac３点の温度間での平均加熱速度0.5℃/s以上とし、Ac３点以上Ac３点+130℃以下の温度でAc３点以上の保持時間が500s以下とすることを特徴とする軸受用鋼部品の製造方法。
【０００９】
（５）前記素材の成分組成が、さらに、
Ｓ：0.03mass%以下、
Al：0.1mass%以下、
Cu：1.0mass%以下、
Ni：1.0mass%以下、
Mo：1.0mass%以下、
Ｗ：1.0mass%以下、
Ti：0.01mass%以下、
Nb：0.5mass%以下、
Ｂ：0.01mass%以下、
Sb：0.0050mass%以下および
Ｎ：0.01mass%以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（４）に記載の軸受用鋼部品の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、焼入れ前の鋼組織の予測最大径を８μm以下とした鋼で、かつ焼入れ後の焼入れ表層部における平均旧オーステナイト粒径を3.5μｍ以下に制御すれば、転動疲労寿命(B10寿命)が向上し、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】
【００１１】
本発明の軸受用鋼部品は、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軸受用鋼部品の形状に加工した後、焼入れを施して製造されており、本発明の効果を得るためには、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分布、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。
【００１２】
［鋼組成］
まず、鋼素材の成分組成について説明する。
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%〜1.5mass%である。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、0.05mass％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。
【００１６】
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。
【００１７】
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切削性、冷間鍛造性などが要求される用途では添加しても良いが、0.03mass%を超えて添加すると、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。一般的な軸受用鋼部品であれば、できるだけＳ添加量は低減することが好ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
［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、焼入れ前に球状化処理を行い、炭化物は球状化されている必要がある。このときの、球状化炭化物のアスペクト比は、(炭化物の長径/短径の比)平均３以下とする。球状化炭化物以外の組織(母相)は、加工性の観点からフェライト単相であることが好ましい。
【００２９】
［焼入れ］
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が、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、平均旧オーステナイト粒径を3.5μm以下にするために以下のような熱処理を行うこととする。なお、焼入れ表層部とは、具体的には、部品表面より0.1μm内部の位置を指すこととするが、焼入れ深さに関しては全厚わたって完全に焼入れされていても特に問題ない。
【００３０】
［焼入れ条件］
本発明では、後述するように、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：Ac３点−20℃〜Ac３点の温度間で平均0.5℃/s以上
(3) Ac３点以上の滞留時間：500秒以下
とする必要がある。
【００３１】
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点＋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、粒成長が急速に進むので、平均粒径が3.5μｍ超となってしまう。
【００３２】
焼入れ処理の加熱速度については、「Ac３点−20℃」〜「Ac３点」温度の間で平均0.5℃/s以上とする必要がある。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。
【００３３】
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。
【００３４】
なお、上記条件による焼入れ処理は、1回だけでも複数回でもよい。複数回の焼入れを行う場合には、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(ベイナイトとマルテンサイトの複合組織でも良い)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。
【００３５】
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。
焼入れ回数に関しては複数回について焼入れを行っても良いが、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。
【００３６】
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以下である焼入れ表層部が得られる。なお、最終的な焼入れ後には、焼入れ表層部の組織はマルテンサイトと残留炭化物(球状化炭化物の溶け残り)とする。
【００３７】
［焼入れ表層部の硬さ］
焼入れ表層部の硬さは、ビッカース硬度(以下Hv)で700以上であることが好ましい。本発明の効果は、硬度が同じ材料であれば同様の効果を示すが、Hv700未満では軸受用鋼部品として要求されている転動疲労寿命を十分には満たさなくなる。
【００３８】
［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、転動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、時間は２時間以下とするのが好ましい。
【００３９】
［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、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。
【００４０】
［鋼素材の介在物］
鋼素材中の介在物は軸受鋼部品の転動疲労特性に影響及ぼす重要因子である。本発明では、介在物の予測最大径を８μm以下に規定した鋼に、本件記載の焼入れ方法を用いて3.5μm以下へのオーステナイト粒微細化を行うことが重要なポイントである。なぜなら、介在物の予測最大径が８μm以下の鋼においては、オーステナイト粒径6.0μm程度の時の転動疲労寿命に比べ、オーステナイト粒径3.5μm以下の時の転動寿命は大幅に向上するからである。
【００４１】
まず、介在物の予測最大径の算出方法を述べる。鋼素材を長手方向に切断し、観察面に鏡面研磨を行った後、光学顕微鏡により１視野当り0.015mm2の面積中における介在物径を測定し、その視野中で最大である介在物の長径をその視野の介在物の最大径とした。さらに、この手法で3360視野(50.4mm2相当)について調査した。この結果をワイブルプロットで整理し、320mm2の観察面積に相当する予測介在物径を求めた。
【００４２】
次に、予測最大径を８μm以下と規定した理由について説明する。
ここで、予測最大径が5〜20μmである鋼素材に対し、旧オーステナイト粒径が2.5〜6.0μmとなるように焼入れを行ったSUJ2を用いて、転動疲労寿命（NTN株式会社製ラジアル型転動疲労試験機、繰り返し数20回）を評価した。予測介在物径20μmでかつγ粒径が6.0μmであった鋼素材を通常として、その寿命値からどの程度向上したのかを比率で求めた。
【００４３】
その結果を図１に示すように、予測介在物径８μm以下でかつγ粒径3.5μm以下のものに於いて、寿命向上比率10以上を示した。すなわち、旧オーステナイト粒径の微細化と予測介在物径を制御することによって、寿命の大幅な改善効果が得られる。
【実施例】
【００４４】
表1に示す組成の鋼を溶製した。脱ガス時間の調整により、介在物の清浄度(予測最大径)の異なる鋼を作製した。1250℃で15ｈソーキングを行い、850℃以上で30mmφに熱間圧延し、丸棒とした。この丸棒を、780℃で５ｈ保持し、空冷するという球状化焼鈍を行った後、中心部より直径12.2mm×長さ22mmの円柱状試験片を粗加工し、表２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1.5時間行い、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株式社製のラジアル型転動疲労試験機を用いて、ヘルツ応力5880MPa（600kgf/mm2）、応力負荷回数46400cpmで試験片が剥離するまでの転動疲労寿命を調査した。疲労試験は同一鋼種につき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。予測介在物径20μmでかつγ粒径が6.0〜6.1μmであった鋼素材を通常として、その寿命値からどの程度向上したのかを比率で求めた。
【００４５】
介在物の予測最大径を求めるために、素材を長手方向に切断し、観察面に鏡面研磨を行った後、直径の1/4に当る部分で光学顕微鏡により1視野当り0.015mm2の面積中における介在物の長径を測定し、その視野中で最大である介在物の長径をその視野の介在物の最大径とした。この手法で3360視野について調査し、この結果をワイブルプロットで整理し、320mm2の観察面積に相当する予測介在物径を求めた。
【００４６】
試験片の焼入れ表層部のビッカース硬度、表層部の旧オーステナイト粒径は、疲労試験後、転送軌道から0.5mm離れた位置で試験片円周が観察できるように切断・樹脂埋め込み・研磨を実施した。この面(以下Ｃ断面)で表層から0.1mm内部のビッカース硬度を荷重2.94Ｎ（300gf）、測定位置は円周方向に90°間隔、各位置で４点測定し、計12点を平均した。表層部の旧オーステナイト粒径は、旧オーステナイト粒界現出液(JFEスチール株式会社製のガンマＲ液)を用いて腐食を行い、SEMを用いて表層から0.1mm内部を90°間隔、各位置４枚ずつ、5000倍で撮影した後、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、全視野トータルでの平均オーステナイト粒径を求めた。
【００４７】
その結果を表２に示すように、介在物の予測最大径が８μm以下で、かつ旧オーステナイト粒径が3.5μm以下である鋼では、疲労寿命特性(特にB10寿命)に優れた鋼が得られる。
【００４８】
【表１】
2008088484.tif 000003
【００４９】
【表２】
2008088484.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】介在物径と寿命比の関係を示す図である。
【図１】
2008088484.tif 000005