(57)【要約】【課題】浸炭窒化処理をすることなく、焼入れ焼戻し処理だけで異物混入環境下において高い転動寿命特性を有し、かつ安価な軸受用鋼を提供すること。【解決手段】重量％で、Ｃ：Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１５％以下を含有し、必要に応じて更にＮｉ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％及びＶ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上になり、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になることを特徴とする異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で（以下同じ）、Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上になり、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になることを特徴とする異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼。
【請求項２】
Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１５％以下を含有し、更にＮｉ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％およびＶ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上になり、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になることを特徴とする異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軸受などを製造する軸受鋼としてＪＩＳ　ＳＵＪ２（Ｃ：０．９５〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％、残部がＦｅおよび不可避不純物）に代表される軸受鋼が用いられてきた。しかし、この軸受鋼などで製造した軸受部品は、通常の軸受使用環境下では長い転動寿命を示すが、異物混入環境下では極端に転動寿命が低下することがあることが知られている。異物混入環境下で使用される代表的な例として、自動車のトランスミッションやデファレンシャルに用いられる軸受部品がある。これらの軸受部品は、バリ、摩耗粉などの異物が混入した潤滑油中で使用されるため、極端に転動寿命が短くなる場合がある。そのため、異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼の開発が要求されている。
【０００３】
清浄潤滑油中での鋼の転動疲労強度の向上のためには、従来より鋼中の酸素含有量の低減、Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｒなどの合金元素の添加が有望とされており、すでに、ＳｉとＮｉを複合添加するとともに、アルミナクラスタの低減により転動疲労寿命を向上したＣ：０．６〜１．５％、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．３〜５．０％およびＡｌ：０．００５〜０．０５０％を含有し、必要に応じて更にＮｉ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％およびＶ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を含有し、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１５％以下であって、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有し、かつ長さが０．５ｍｍ以上のアルミナクラスターの存在量が１０−３個／ｍｍ２　以下ある軸受用鋼が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、この軸受用鋼は、清浄潤滑油中での使用においては長い転動寿命を有するが、異物混入環境下では十分な転動寿命を得られないという問題がある。
【０００４】
ところで、軸受は、異物混入環境下では混入異物による圧痕を起点とした表面起点型剥離が寿命を支配するため、転動寿命を改善するには圧痕の生成抑制、圧痕部の応力集中の低減、亀裂発生抵抗の向上などが効果があると考えられている。そのため、ＳＵＪ２鋼に浸炭窒化処理を施し、表面硬さおよび破壊抵抗を向上するとともに、残留オーステナイト量を増加して圧痕による応力集中を緩和する方法が採用されている。しかし、浸炭窒化処理をすると時間がかかり、またコストも高くなるという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１７３９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、浸炭窒化処理をすることなく、焼入れ焼戻し処理だけで異物混入環境下において高い転動寿命特性を有し、かつ安価な軸受用鋼を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者は、軸受用鋼の組織、種々の合金元素の組み合わせなどについて検討していたところ、異物混入環境下において転動寿命を向上させるためには、図１に示すように焼入れ焼戻し処理後の表層部の残留オーステナイト量を２０％以上にする必要があること、残留オーステナイト量が４５％より多くなると必要な硬さが得られないため、逆に転動寿命が低下すること、軸受鋼であるＪＩＳ　ＳＵＪ２鋼を焼入れ焼戻し処理したものの残留オーステナイト量は１０％程度であり、２０〜４５％の残留オーステナイト量を得るためには浸炭窒化処理が必要であることなどの知見を得た。
【０００８】
また、コストも時間もかかる浸炭窒化処理を省略して焼入れ焼戻し処理だけで高い残留オーステナイ量が得られる軸受鋼を得るためには、Ｃ，Ｍｎ，Ｎｉ又はＭｏを添加し、鋼のマルテンサイト変態発生温度（Ｍｓ点）を下げることが必要であること、コストの面からＣ，Ｍｎを含有させることが有利であること、異物混入環境下において転動寿命を向上させるためには表面硬さを異物の硬さより硬い５８ＨＲＣ以上にする必要があることなどの知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて発明をされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼においては、Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上になり、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になるものとすることである。
【００１０】
また、本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼においては、Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜２．５％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０１５％以下を含有し、更にＮｉ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％およびＶ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上になり、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になるものとすることである。
【００１１】
【作用】
本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受用鋼においては、上記成分組成にするとともに、焼入れ焼戻し後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上で、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になるものとすることによって、浸炭窒化処理をすることなく、異物混入環境下で長い転動寿命の軸受部品を製造することができ、また、高価な合金元素を使用していないので安価になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受鋼の成分組成、焼入れ焼戻し処理後の表面硬さを５８ＨＲＣ以上で、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％に特定している理由を説明する。
Ｃ：０．８〜１．２％
Ｃは、鋼の硬度および強度を向上させるので、そのために含有させる元素である。焼入れ焼戻し処理後に軸受部品に必要な硬さの５８ＨＲＣ以上にするためには０．８％以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると球状化焼なまし処理時に網状の炭化物が析出して、靱性および被削性を低下させ、また、溶湯の鋳造後に大型の炭化物を生成し、続く圧延加工中に割れを生じさせるので、その含有量の上限を１．２％とする。
【００１３】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、鋼溶製時に脱酸作用を有するとともに、焼戻し軟化抵抗を向上させるので、それらのために含有させる元素であるが、多くなると効果が飽和するとともに、鋼の変態点を上昇させるために熱処理温度を高くする必要が生じ、また鍛造性や被削性を低下させるので、その含有量の上限を１．０％とする。
【００１４】
Ｍｎ：１．５〜３．５％
Ｍｎは、本発明にとって重要な成分であって、鋼のマルテンサイト変態の開始温度（Ｍｓ点）を下げ、焼入れ時の残留オーステナイトを増加し、また鋼の熱間加工性を高めるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには１．５％以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると素材の軟化焼なましが困難になるとともに、被削性も低下させるので、その含有量の上限を３．５％とする。
【００１５】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、溶解原料に不可避的に存在する不純物であり、オーステナイト結晶粒界に偏析して靱性を低下させるので、少ないほど好ましいが、少なくするにはコストがかかるので、その含有量の上限を０．０３％とする。
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、溶解原料に不可避的に存在する不純物であり、熱間加工性を損ない、また非金属介在物を形成し、これが圧延によって延伸されて、延伸方向に垂直な方向の靱性を低下させるので、その含有量の上限を０．０３％とする。
【００１６】
Ｃｒ：０．３〜２．５％
Ｃｒは、焼入れ時のオーステナイト量を増加するとともに、焼入性を改善し、焼戻し軟化抵抗を高めるので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには、０．３％以上含有させる必要があるが、多くなるとコストを高くするので、その含有量の上限を２．５％以下とする。
【００１７】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは、強度の脱酸作用を有するとともに、Ｎと化合して窒化物を形成して結晶粒を微細化するので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには０．００５％以上含有させる必要があるが、多くなると効果が飽和し、靱性を低下させるので、その含有量の上限を０．０５０％とする。
【００１８】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは、不純物であり、Ｎと化合して窒化物のＴｉＮを形成し、これが硬質の析出物として転動疲労破壊の起点となるので、少ないほうが好ましいが、少なくするにはコストを高くするともに、効果も飽和するので、その含有量の上限を０．００３％とする。
Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは、不純物であり、鋼中で酸化物、主としてＡｌ２　Ｏ３　を形成し、これが転動疲労強度を低下させるので、少ないほうが好ましいが、少なくするにはコストを高くするともに効果も飽和するので、その含有量の上限を０．００１５％とする。
【００１９】
Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは、Ａｌ，Ｔｉなどと窒化物を形成して極微量のうちはオーステナイト結晶粒の微細化に有用であるが、多くなると硬質の析出物として転動疲労破壊の起点となるので、その含有量の上限を０．０１５％とする。
Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉは、焼入れ時のオーステナイト量を増加するとともに、焼入性を向上し、転動疲労過程での白色組織や炭化物組織の生成を抑制して軸受の寿命を長くするので、それらのために含有させる元素である。それらの作用効果を得るためには０．１％以上含有させる必要があるが、多くなると効果が飽和するとともにコスト面で不利になるので、その含有量の上限を３．０％とする。
【００２０】
Ｍｏ：０．０５〜１．００％
Ｍｏは、焼入れ時の残留オーステナイト量を増加するとともに、焼入性を向上させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには０．０５％以上含有させる必要があるが、多くなると効果が飽和するとともにコスト面で不利になるので、その含有量の上限を１．００％とする。
Ｖ：０．０５〜１．００％
Ｖは、炭化物を形成して軸受の耐摩耗性を向上させるので、そのために含有させる元素である。その作用効果を得るためには０．０５％以上含有させる必要があるが、多くなり過ぎると巨大炭化物を生成して強度を低下させるので、その含有量の上限を１．００％とする。
【００２１】
焼入れ焼戻し処理後の表面硬さ：５８ＨＲＣ以上
軸受は、使用環境下での寸法を安定させるために使用環境温度以上の温度で焼戻し処理を施すのが一般的である。さらに、異物混入下では異物の硬さより高い表面硬さを有することが転動寿命の向上に有効である。また、５８ＨＲＣ未満になると、転動寿命が急激に低下する傾向があり、転動寿命のバラツキも大きくなる。そのため、焼入れ焼戻し処理後の表面硬さを５８ＨＲＣ以上にする必要がある。
【００２２】
焼入れ焼戻し後の残留オーステナイト量：２０〜４５％
残留オーステナイトは、異物混入環境下での転動疲労において、靱性に優れているとともに、軸受などとして使用中にマルテンサイト変態し、その変態により高い加工硬化を生じることのみならず、残留オーステナイトが柔らかいために異物によって生じる圧痕形状が繰り返し負荷により変化するので、応力の集中を緩和する作用があり、疲労寿命を向上する効果がある。これらの作用効果を得るためには図１に示すように２０％以上の残留オーステナイト量が必要である。しかし、多過ぎると所定の焼入れ焼戻し硬さが得られないことにより逆に疲労寿命が低下し、また軸受使用中に残留オーステナイトが分解することによる寸法変化も大きくなるので、その上限を４５％とする。
【００２３】
ここで、上記図１を説明すると、図１はＪＩＳ　ＳＵＪ２鋼を焼入れ焼戻し処理した試験片、ＪＩＳ（Ｇ　４１０４）　ＳＣｒ４２０鋼を浸炭処理した試験片およびＳＣｒ４２０鋼を浸炭窒化処理した試験片を下記実施例に記載する方法で転動寿命試験をし、その結果を、縦軸を転動寿命のＬ１０（累積破損確率が１０％となる破損繰り返し数）とし、横軸を残留オーステナイト量としたグラフに記入したものである。これより残留オーステナイト量が２０％以上であると、転動寿命が長くなることが分かる。
【００２４】
本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受鋼は、上記理由により成分組成を上記範囲内にし、かつ焼入れ焼戻し処理後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上で、かつ残留オーステナイト量が２０〜４５％になるものとするのである。その製造方法は、従来の軸受鋼と同様であり、またその用途は、異物混入環境下などで使用する軸受部品などである。
また、本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受鋼の熱処理は、８１０〜８５０℃程度の温度で焼入れをし、１６０〜２５０℃程度の温度で焼戻しをするのが適当である。
【００２５】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
下記表１に示す成分組成を有する熱間圧延鋼材から、試験部直径６３ｍｍのリング状のスラスト型転動疲労試験片を削り出し、図２に示す条件で焼入れ焼戻し処理を施した。その後機械加工およびラッピング加工によって表面研磨を行い、転動疲労試験片とした。この転動疲労試験片を用い下記方法で表面硬さを測定し、この転動疲労試験片から下記試料を作成して下記方法で表面残留オーステナイト量を測定し、また下記方法で転動寿命試験をした。その結果を下記表３に示す。
【００２６】
【表１】
2004124215.tif 000002
【００２７】
表面硬さの測定：上記転動疲労試験片のラッピング面の５点をロックウエル硬度計を用いてＣスケールで測定し、その平均値とした。
表面残留オーステナイト量の測定：上記転動疲労試験片のラッピング面から５ｍｍ角で厚さ１ｍｍの試料をミクロカッターで切り出し、Ｘ線回折により表面オーステナイト量を測定した。
転動寿命試験：図３に示すようなハウジングの内面に斜度を設けて試験中に異物攪拌が十分行われ、転走面に適度に異物のかみ込みが生じるように改造したスラスト試験機を用い、下記表２に示す条件で試験を実施した。
【００２８】
【表２】
2004124215.tif 000003
【００２９】
【表３】
2004124215.tif 000004
【００３０】
表３の結果によると、本発明例は、残留オーステナイト量が２１〜４１％、表面硬さが５９〜６２ＨＲＣ、転動寿命のＬ１０が６．９〜１４．２×１０５　回であり、Ｌ５０が１５．７〜３６．７×１０５　回であった。上記転動寿命のＬ１０の７．０〜１４．２×１０５　回は、図１に示すＪＩＳ　ＳＣｒ４２０　鋼を浸炭窒化処理したものと同等である。
【００３１】
これに対して、Ｍｎ含有量が本発明より低い比較例１は、表面硬さが本発明（５８ＨＲＣ以上）の範囲内の６１ＨＲＣであったが、残留オーステナイト量が本発明（２０％以上）より低い１１％であったため、転動寿命のＬ１０が本発明例の約３８％以下の２．６×１０５　回であり、またＬ５０が本発明例の約４４％以下の６．９×１０５　回であった。
Ｍｎ含有量が本発明より低い比較例２は、残留オーステナイト量が本発明より低い１７％であり、また表面硬さが本発明より低い５７ＨＲＣであったため、転動寿命のＬ１０が本発明例の約３６％以下の２．５×１０５　回であり、またＬ５０が本発明例の約３９％以下の６．２×１０５　回であった。
【００３２】
Ｍｎ含有量が本発明より低い比較例３は、表面硬さが本発明の範囲内の５９ＨＲＣであったが、残留オーステナイト量が本発明より低い１７％であったため、転動寿命のＬ１０が本発明例の約４５％以下の３．１×１０５　回であり、またＬ５０が本発明例の約５１％以下の８．０×１０５　回であった。
Ｍｎ含有量が本発明より低い比較例４は、表面硬さが本発明の範囲内の５９ＨＲＣであったが、残留オーステナイト量が本発明より低い１６％であったため、転動寿命のＬ１０が本発明例の約４８％以下の３．３×１０５　回であり、またＬ５０が本発明例の約６４％以下の１０．１×１０５　回であった。
【００３３】
【効果】
本発明の異物混入環境下での転動寿命に優れた軸受鋼は、上記構成にしたことにより、浸炭窒化処理をすることなく、焼入れ焼戻し処理だけで異物混入環境下において浸炭窒化処理をしたものと同程度の高い転動寿命特性を得ることができ、また、高価な合金元素を使用していないために安価であるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来軸受に用いられていたＪＩＳ　ＳＵＪ２鋼を焼入れ焼戻し処理した試験片、ＪＩＳ　ＳＣｒ４２０鋼を浸炭処理した試験片およびＪＩＳ　ＳＣｒ４２０鋼を浸炭窒化処理した試験片の転動寿命と残留オーステナイト量の関係を示すグラフである。
【図２】実施例の熱処理パターンを示す説明図である。
【図３】実施例の転動寿命試験に用いた転動寿命試験機の概念図である。
【図１】
2004124215.tif 000005
【図２】
2004124215.tif 000006
【図３】
2004124215.tif 000007