(57)【要約】【課題】  軸受の静的強度のバラツキをなくし、かつ、強度の高い軸受を得るための過共析鋼の焼き入れ方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる過共析鋼において、焼入れ処理時に昇温速度を７２０℃から７８０〜８５０℃の焼入保持温度までの平均昇温速度を１℃／ｍｉｎ〜２５℃／ｍｉｎとし、焼入保持温度での保持時間を１５〜６０ｍｉｎとする転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
過共析鋼において、焼入れ処理時に昇温速度を７２０℃から焼入れ保持温度までの平均昇温速度を１℃／ｍｉｎ〜２５℃／ｍｉｎとすることを特徴とする転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法。
【請求項２】
焼入保持温度は７８０〜８５０℃とし、焼入保持温度での保持時間は１５〜６０ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法。
【請求項３】
過共析鋼は、質量％で、Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法。
【請求項４】
過共析鋼は、上記の成分に加えて、質量％で、焼入性を向上させる元素として、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．５％のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項３に記載の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法。
【請求項５】
過共析鋼は、さらに上記の成分に加えて、質量％で、結晶粒を微細化し静的強度をさらに向上させる元素として、Ｎｂ：０．００１〜０．１５％を含有することを特徴とする請求項３または４に記載の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受には、ＪＩＳ  Ｇ４８０５に規定される高炭素クロム軸受鋼やそれに準じたＣを質量％で０．８％以上を含有する過共析鋼が多く使用されている。これらの過共析鋼は、熱間領域での加工の後に球状化焼鈍を行い、必要形状に成形した後、焼入れ、焼戻し処理を実施して所望の硬さに調整した後、最終研磨工程を経て軸受となる。
【０００３】
ところで、過共析鋼は、熱間加工後の空冷ままでは、初析セメンタイトとパーライトの混在した組織であり、硬いため、その後の冷間ローリング加工や切削加工を行う前に、炭化物を適度な大きさに球状化させて、硬さを低下させる球状化焼鈍を行い、その後に最終形状へ加工する。
【０００４】
その後の焼入れ、焼戻し処理では、耐転動疲労特性、耐摩耗性を確保するために、その組織をマルテンサイトにオーステナイトと炭化物を適量残存させた組織とすることが必要である。さらに、その焼入れ温度はＳＵＪ１、ＳＵＪ２、ＳＵＪ４で８００〜８５０℃程度、ＳＵＪ３、ＳＵＪ５で７９０〜８３０℃程度であり、保持時間はそれぞれ３０〜６０ｍｉｎが標準とされており、また、焼戻しについては、焼入れによって生じた内部応力を除去し組織を安定化させるために１４０〜１８０℃で１２０ｍｉｎが標準とされている（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、このような温度で焼入れした場合でも静的強度のバラツキが大きかった。
【０００５】
さらに、軸受に要求される特性としては、これら耐転動疲労特性、耐摩耗性の他に圧壊強度（静的強度）が評価される。圧壊強度はリング上の試験片を作製し、リングを圧壊させた時の荷重で評価をしている（例えば、非特許文献２参照。）。これによれば、圧壊値はオーステナイト化温度が高く保持時間が長いほど強度が低くなることが示されており、このことも踏まえ、上記の最適温度が決定されている。
【０００６】
しかしながら、上記した焼入条件にて処理しているにもかかわらず、実際の量産炉で処理されている軸受の圧壊強度は大きくバラツキ、かつ、低強度のものが認められるのが現実である。
【０００７】
【非特許文献１】「特殊鋼」、第４６巻第４号、ｐ．４６〜４８
【非特許文献２】「鉄と鋼」、第４９年第１号、ｐ．４７〜５４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、軸受の圧壊強度の原因である過共析鋼の静的強度のバラツキをなくし、かつ、強度の高い軸受を得るための過共析鋼の焼き入れ方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者は、過共析鋼における静的強度のバラツキの要因を検討した結果、同じ熱処理炉であっても、熱処理炉中に入れる被処理物の量や被処理物の大きさ、炉内の置く位置などにより昇温速度に差があること、さらに、その昇温速度の差によって同じ焼入温度、保持時間であるにもかかわらず、静的強度に差が生じていることを鋭意研究して見出した。
【００１０】
そこで、上記の課題を解決する本発明の手段は、請求項１の発明では、焼入れの際に７２０℃から焼入保持温度までの平均昇温速度を１℃／ｍｉｎ〜２５℃／ｍｉｎに限定することにより、静的強度のバラツキが抑えられ高強度となる過共析鋼の焼入れ方法である。
【００１１】
請求項２の発明では、焼入保持温度は７８０〜８５０℃とし、焼入保持温度での保持時間は１５〜６０ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１の手段の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法である。
【００１２】
請求項３の発明では、過共析鋼は、質量％で、Ｃ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であることを特徴とする請求項１または２の手段の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法である。
【００１３】
請求項４の発明では、過共析鋼は、上記の成分に加えて、質量％で、焼入性を向上させる元素として、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．５％のうち１種または２種を含有することを特徴とする請求項３の手段の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法である。
【００１４】
請求項５の発明では、過共析鋼は、さらに上記の成分に加えて、質量％で、結晶粒を微細化し静的強度をさらに向上させる元素として、Ｎｂ：０．００１〜０．１５％を含有することを特徴とする請求項３または４の手段の転がり軸受に使用される静的強度に優れた過共析鋼の焼入れ方法である。
【００１５】
ところで、上記の７２０℃から焼入れ保持温度までというのは、フェライトがオーステナイトに変態し、球状に析出した炭化物がオーステナイトに溶け込む温度域である。そして、この間の平均昇温速度を１℃／ｍｉｎ以上に限定する理由は、平均昇温速度が１℃／ｍｉｎ未満の場合ではフェライトからオーステナイトへの変態が遅いため、結晶粒界に不純物が偏析すると共に、オーステナイト中に炭化物が固溶し過ぎて、マルテンサイトがレンズマルテンサイト化して強度が低下するためである。さらに望ましくは昇温速度を１０℃／ｍｉｎ以上とすることで、より高い焼入れ効果が得られる。さらに平均昇温速度の上限を２５℃／ｍｉｎに限定する理由は、平均昇温速度が２５℃／ｍｉｎを超えると、炭化物の固溶が不均一となり、炭化物の残存しない部位で結晶粒が粗大化して強度が低下するためである。そこで、望ましくは平均昇温速度の上限を２０℃／ｍｉｎ以下とすることで、より高い効果が得られる。
【００１６】
なお、７２０℃までの昇温速度は、特性上は特に規定されるものではないので、任意の昇温速度でよい。さらに、工業的な観点からは昇温速度は早ければ早い方が望ましい。例えば、２００℃／ｈｒ以上が好適である。また、その場合に処理物の温度のバラツキを抑える目的で５００〜７２０℃の間に３０ｍｉｎ〜６０ｍｉｎ程度の間保持することも可能である。
【００１７】
焼入保持温度については７８０〜８５０℃でその温度での保持時間は１５〜６０ｍｉｎが好適である。焼入れ後の焼戻し温度は１４０〜２００℃で、その温度での保持時間は６０〜１８０ｍｉｎが好適である。
【００１８】
本発明における過共析鋼の好ましい成分例としては、質量％で、Ｃが０．８〜１．２％、Ｓｉが０．０１〜１．５％、Ｍｎが０．１〜２．０％、Ｃｒが０．１〜３．０％を含有する鋼であり、これに焼入性を向上させる元素としてＮｉを０．１〜２．０％、Ｍｏを０．０１〜１．５％を１種又は２種以上を含有することができる。また、結晶粒を微細化し静的強度をさらに向上させるため、Ｎｂを０．００１〜０．１５％を含有することもできる。さらに、Ｓは不純物として０．０３％以下に抑制するものである。
【００１９】
上記の鋼成分例の限定理由を説明する。なお、それぞれの％は質量％を示す。
Ｃ：０．８〜１．２％
Ｃは、０．８％未満では残留炭化物を残して焼入れ、焼戻しを行った場合、十分な硬さが得られず、その結果、静的強度が低下する。一方、１．２％を超えると凝固時に共晶炭化物が回避できず焼入れ、焼戻し後に巨大な炭化物が残存し静的強度を低下させる。そこでＣは０．８〜１．２％とする。
【００２０】
Ｓｉ：０．０１〜１．５％
Ｓｉは、０．０１％未満では焼入性向上の効果が期待できず、焼入れ後の強度が確保できない。１．５％を超えると焼入性向上の効果が飽和し、フェライト強化により加工性が低下する。
【００２１】
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、０．１％未満では焼入性向上の効果が期待できず、焼入れ後の強度が確保できない。２．０％を超えると焼入性向上の効果が飽和し、フェライト強化により加工性が低下する。
【００２２】
Ｃｒ：０．１〜３．０％
Ｃｒは、０．１未満では前熱処理である球状化焼鈍にて良好な球状化炭化物が得られず、焼入れ時に炭化物の均一な固溶ができず、その結果として静的強度が低下する。３．０％を超えると凝固時に共晶炭化物が回避できず焼入れ、焼戻し後に巨大な炭化物が残存し静的強度を低下させる。
【００２３】
Ｎｉ：０．１〜２．０％
Ｎｉは、０．１％未満では焼入性向上及び靱性向上の効果がない。２．０％を超えると効果が飽和する。
【００２４】
Ｍｏ：０．０１〜１．５％
Ｍｏは、０．０１％未満では焼入性向上及び靱性向上の効果がない。１．５％を超えると効果が飽和する。
【００２５】
Ｎｂ：０．００１〜０．１５％
Ｎｂは、０．００１％未満では細粒化の効果がない。０．１５％を超えると効果が飽和する。
【００２６】
なお、その他の不可避の不純物として含有される元素については、下記範囲に限定することが望ましい。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、結晶粒界に偏在し強度を低下させるので低いほうがよい。０．０３％以下であれば許容できる。
【００２７】
Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、ＭｎＳを生成し破壊の起点となり静的強度を低下させるため低いほうが望ましいが、被削性を必要とする場合には０．０１０％から０．０３％の範囲で許容できる。
【００２８】
Ｏ：０．００２％以下
不可避不純物として含有されるＯは、大きな酸化物が破壊の起点となり静的強度を低下させるので、Ｏは０．００２％以下とする。
【００２９】
Ｔｉ：０．０１％以下
不可避不純物として含有されるＴｉは、Ｎと結合して大きなＴｉＮを生じて破壊の起点となり静的強度を低下させるので、Ｔｉは０．０１％以下とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、軸受用鋼などの過共析鋼において、焼入れ方法を工夫したことにより、静的強度のバラツキのない引張強さの高い軸受が得られるなどの優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を実施するための最良の形態を以下に説明する。１００ｋｇ真空溶解炉で溶製した表１に示す成分のインゴットを１１００℃に加熱し、φ３２ｍｍに熱間鍛造し、８７０℃で１時間保持した後に空冷し、その後オーステナイト化温度の８００℃に加熱後、徐冷し、合計１５時間の球状化焼鈍を行い供試材を準備した。
【００３２】
【表１】
2005187888.tif 000002
【実施例１】
【００３３】
上記で準備した鋼材より引張試験片を作製した。大気中で熱処理を行うため、引張試験片の粗加工として平行部をφ１２ｍｍとした試料を作製し、７２０℃から焼入保持温度までの平均昇温速度を０．５℃／ｍｉｎ〜３０℃／ｍｉｎの表２に示す昇温速度において昇温した後、７８０℃〜８５０℃間の表２に示す焼入れ保持温度に３０ｍｉｎ保持し、５０℃の油中に焼入れ処理を行った。その後１８０℃で９０ｍｉｎの焼戻し処理を行った後、平行部φ１０ｍｍに仕上げて加工し、引張試験を行った。引張試験はｎ数を５本として平均値により評価し、２０００ＭＰａ以上を良好と判断した。なお、昇温速度についてはφ１２ｍｍの棒鋼の中心に熱電対を挿入し、７２０℃から焼入保持温度±５℃の温度に達するまでの時間を測定して確認した。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
表２に見られるとおり、鋼材Ａ、鋼材Ｂ、鋼材Ｃ、鋼材Ｄともに、７２０℃からそれぞれの焼入保持温度までの平均昇温速度が１℃／ｍｉｎ〜２５℃／ｍｉｎにあるものは、いずれも引張強さが２０００ＭＰａ以上であった。これに対し、平均昇温速度が１℃／ｍｉｎ未満あるいは２５℃／ｍｉｎを超えるものはいずれも引張強さが２０００ＭＰａ未満であった。