(57)【要約】【課題】水素が侵入する環境下においてもWEAの生成を効果的に抑制して、転動疲労寿命を向上させることができ、また素材の切削性や鍛造性などの加工性も併せて改善した、球状化焼鈍後の加工性に優れ、かつ焼入れ・焼戻し後の耐水素疲労特性に優れる軸受鋼を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：0.85〜1.10％、Si：0.30〜0.80％、Mn：0.90〜2.00％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Al：0.05％以下、Cr：1.8〜2.5％、Mo：0.15〜0.4％、Ｎ：0.0080％以下およびＯ：0.0020％以下を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなる鋼組成とする。【選択図】図１
2012188740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：0.85〜1.10％、
Si：0.30〜0.80％、
Mn：0.90〜2.00％、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：1.8〜2.5％、
Mo：0.15〜0.4％、
Ｎ：0.0080％以下および
Ｏ：0.0020％以下
を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなる軸受鋼。
【請求項２】
前記軸受鋼が、さらに、質量％で、
Ti：0.01％以下、
Ni：0.10％以下、
Cu：0.10％以下および
Ｂ：0.0010％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する請求項１に記載の軸受鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、風車および産業機械などの汎用軸受鋼（JIS-SUJ2）製軸受で問題となっている、水素起因の白色組織に由来した軸受損傷を抑制することができ、しかも合金添加量を抑制して素材の加工性をSUJ2並とした、球状化焼鈍後の加工性に優れ、かつ焼入れ・焼戻し後の耐水素疲労特性に優れる軸受鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸受は、優れた転動疲労寿命が要求される部品であることから、従来から、転動疲労向上に関する研究が種々行なわれてきている。軸受部品としては、自動車オルタネーター用軸受等が挙げられる。軸受の転動疲労破壊の大きな要因として、軸受転送部直下に白色組織と呼ばれる組織変化が生じ、亀裂が発生・進展することにより、疲労破壊を引き起こしていることが分かっている。
【０００３】
ここに、白色組織は、
(1) 転送部に対して特定の方位関係を持たず、不規則に発生する白色組織（以下、WEAという）、
(2) 非金属介在物の周辺に45°方向に発生する白色組織（同、バタフライ）、
(3) 転送部に対し、約80°と約30°の方位関係をもつ白色組織（同、ホワイトバンド）
に分類される。
特に、WEAが生成すると、想定している軸受寿命より短時間で疲労破壊が生じるため、その対策が強く求められている。
【０００４】
WEAの生成機構については、特許文献１に記載されているように、軸受に使用されている潤滑油、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、この水素が鋼中へ侵入・蓄積されることで促進されると考えられている。
かようなWEAの生成を抑制するには方法として、例えば特許文献２には、CrおよびＮ添加量を高めて残留オーステナイト量を増加する方法が、また特許文献３には、NiまたはNiとMoを同時添加する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2008-255399号公報
【特許文献２】特開2007-262449号公報
【特許文献３】特開2002-60904号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方で、軸受の製造に際しては、軸受素材に対して、切削加工などを施して実施されることから、切削加工性に優れることは軸受鋼に要求される重要な特性の一つである。しかし、上述した特許文献に記載の技術では、切削などの加工性に関しては考慮が払われていないか、一般的な配慮がなされている程度である。
【０００７】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、潤滑油等から水素が侵入する環境下においてもWEAの生成を効果的に抑制して、転動疲労寿命を向上させるだけでなく、素材の切削性や鍛造性などの加工性も併せて改善した、球状化焼鈍後の加工性に優れ、かつ焼入れ・焼戻し後の耐水素疲労特性に優れる軸受鋼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】
【０００８】
さて、発明者らは、汎用鋼であるJIS SUJ2と同等の切削性を維持した上で、耐水素疲労特性がSUJ2よりも良好な鋼材を開発すべく、鋭意研究を行なった。
以下、その研究成果について説明する。なお、以下の説明において、鋼中の元素の含有量（％）は全て質量％を意味するものとする。
【０００９】
まず、Si，CrおよびMo量をそれぞれ変化させた鋼について、水素チャージをした後の転動疲労寿命Ｂ10を調査した。ベース鋼は、0.9％Ｃ−１％Mn−0.016％Ｐ−0.008％Ｓ−0.025％Al−0.003％Ｎ―0.0015％Ｏである。なお、比較のために、汎用鋼であるSUJ2相当鋼（1.05％Ｃ−0.25％Si−0.45％Mn−0.016％Ｐ−0.008％Ｓ−0.025％Al−1.45％Cr−0.003％Ｎ−0.0010％Ｏ）についても転動疲労寿命Ｂ10を調査した。ここで、試験片の作成条件および転動疲労試験条件は、後述する実施例に記載したものと同じとした。
【００１０】
上記した各鋼について、得られた転動疲労寿命Ｂ10をSUJ2相当鋼についての転動疲労寿命Ｂ10の値で除すことで、汎用鋼に対する寿命の向上度（Ｂ10寿命比＝Ｂ10寿命／SUJ2相当鋼のＢ10寿命）を評価した。
図１に、Si含有量を横軸にＢ10寿命比を縦軸にして整理した結果を示す。
図１から明らかなように、Cr含有量が1.8％以上で、かつMoを0.15％含有させた鋼では、Si含有量が0.3％以上になると、Ｂ10寿命比が４倍以上に向上した。これに対し、Cr含有量が1.7％の場合は、Moを0.15％添加し、かつSiを0.3％以上としても、Ｂ10寿命の上昇はほとんど認められなかった。また、Cr含有量が1.8％以上であっても、Mo含有量が０％の鋼では、Siを0.3％以上添加しても、Ｂ10寿命の向上が認められなかった。
また、剥離後の組織を観察した結果、剥離した部分にはWEAが観察され、剥離は全てWEAに起因することが判明した。
以上のことから、Crを1.8％以上、Siを0.3％以上、Moを0.15％以上含有させることにより、WEAの発生を遅らせ、転動疲労寿命を向上できることが分かった。
【００１１】
次に、上記した転動疲労寿命の調査を行なった鋼それぞれについて、外周旋削試験により被削性の調査を行なった。試験条件の詳細は後述する実施例の場合と同様であり、工具の逃げ面摩耗量が0.2mmになるまでの時間（以下、工具寿命という）を測定した。この時間が長い方が被削性は良好であると判断できる。また、それぞれの鋼について得られた工具寿命をSUJ2相当鋼についての工具寿命の値で除すことで、汎用鋼に対する工具寿命の向上度（工具寿命比＝工具寿命／SUJ2相当鋼の工具寿命）を評価した。
図２に、Si含有量を横軸に工具寿命比を縦軸にして整理した結果を示す。
図２に示したように、転動疲労寿命Ｂ10が高い値を示した1.8％Cr−0.15％Mo鋼、および2.5％Cr−0.15％Mo鋼は、Si含有量が0.8％超となると、工具寿命が急激に低下した。また、2.7％Cr−0.15％Mo 鋼は、Si含有量に関わらず、工具寿命は低い値を示した。
以上のことから、Moを含有させた鋼において、Cr含有量は2.5％以下、Si含有量は0.8％以下とすることにより、汎用鋼SUJ2並の被削性を確保できることが分かった。
【００１２】
本発明は、以上の知見に、さらに被削性を確保可能なMo含有量や、水素を混入させた場合の転動疲労寿命や、被削性に及ぼすその他の成分元素の影響も調査した結果を総合し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。
【００１３】
１．質量％で、
Ｃ：0.85〜1.10％、
Si：0.30〜0.80％、
Mn：0.90〜2.00％、
Ｐ：0.025％以下、
Ｓ：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：1.8〜2.5％、
Mo：0.15〜0.4％、
Ｎ：0.0080％以下および
Ｏ：0.0020％以下
を含有し、残部はFe及び不可避的不純物からなる軸受鋼。
【００１４】
２．前記軸受鋼が、さらに、質量％で、
Ti：0.01％以下、
Ni：0.10％以下、
Cu：0.10％以下および
Ｂ：0.0010％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有する前記１に記載の軸受鋼。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、切削などの加工性に優れるのはいうまでもなく、従来の軸受鋼に比べて耐水素疲労特性が格段に優れた軸受用鋼を得ることができ、その結果、軸受の転動疲労寿命の向上に寄与し、産業上有益な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】転動疲労寿命Ｂ10に及ぼすSi，Cr，Mo量の影響を示すグラフである。
【図２】工具寿命に及ぼすSi，Cr，Mo量の影響を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の軸受鋼について具体的に説明する。
まず、本発明の軸受鋼の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、以下の説明において、各元素の含有量（％）は質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.85〜1.10％
Ｃは、焼入れ焼戻し後の硬さを確保し、軸受の転動疲労寿命を高位に確保する上で必要な元素であり、そのためには0.85％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｃ含有量が1.10％を超えると、粗大な炭化物が残存しかえって転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Ｃ含有量は0.85〜1.10％の範囲とする。
【００１８】
Si：0.30〜0.80％
Siは、耐水素疲労特性の向上に有効に寄与し、本発明では、水素が混入した場合における転動疲労寿命を確保する上で特に重要な元素である。上述した効果を発現させるためには少なくとも0.30％のSiを必要とするが、Si含有量が0.80％を超えると、被削性が劣化する。したがって、Si含有量は0.30〜0.80％の範囲とする。より好ましい下限は0.40％である。
【００１９】
Mn：0.90〜2.00％
Mnは、焼入れ・焼戻し後の硬さを確保し、軸受の転動疲労寿命を高位に確保する上で必要な元素であり、そのためには0.90％以上含有させる必要がある。一方、Mn含有量が2.00％を超えると被削性の低下を招く。従って、Mn含有量は0.90〜2.00％、好ましくは0.90〜1.35％の範囲とする。より好ましくは0.90〜1.15％の範囲である。
【００２０】
Ｐ：0.025％以下
Ｐは、オーステナイトの粒界に偏析して、粒界強度を低下させることにより、焼入時に焼割れの発生を助長する。したがって、その含有量は極力低減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％以下である。工業的には、Ｐは０％を超える量含有されるが、可能であれば０％として良い。
【００２１】
Ｓ：0.02％以下
Ｓは、鋼中でMnＳを形成して切削性を向上させるため、添加してもよいが、0.02％を超えて添加すると、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おそれがあるので、0.02％以下の添加とする。好ましくは0.01％以下である。MnＳ形成による上記効果は、Ｓ：0.0003％以上であれば得ることができる。
【００２２】
Al：0.05％以下
Alは、脱酸に有効に寄与し、低酸素化のために有用な元素であるが、鋼中に存在するAl酸化物は転動疲労特性を低下させるため、必要以上の添加は行なわない方が良い。このためAlは0.05％以下の添加とする。脱酸後に残存するAl量は、最小で0.004％程度に抑制することができる。
【００２３】
Cr：1.8〜2.5％
Crは、白色組織（WEA）の生成抑制に有効な元素であり、本発明では特に重要な元素である。前掲図１にも示したとおり、Cr添加量が1.8％未満だと水素雰囲気下での白色組織の生成抑制による転動疲労寿命向上効果に乏しく、一方2.5％を超えて添加すると、コストアップになるだけでなく、被削性の著しい劣化を招く。したがって、Cr添加量は1.8〜2.5％の範囲とする。
【００２４】
Mo：0.15〜0.4％
Moは、白色組織（WEA）の生成抑制に有効な元素であり、本発明では重要な元素である。Mo添加量が0.15％未満だと水素雰囲気下での白色組織の生成抑制による転動疲労寿命向上効果に乏しく、一方0.4％を超えて添加すると、コストアップになるだけでなく、被削性を著しく劣化させる。したがって、Mo添加量は0.15〜0.4％の範囲とする。
【００２５】
Ｎ：0.0080％以下
Ｎは、Al，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が、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、Ｎ添加量は0.0080％以下とする。好ましくは0.0060％以下である。窒化物・炭窒化物形成による上記効果は、Ｎ：0.0015％以上であれば得ることができる。
【００２６】
Ｏ：0.0020％以下
Ｏは、硬質の酸化物系非金属介在物として存在し、Ｏ量の増大は酸化物系非金属介在物のサイズを粗大化させる。これらは、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、少なくとも0.0020％以下に低減する必要がある。好ましくは0.0010％以下である。工業的には、Ｏは０％を超える量含有されるが、可能であれば０％として良い。
【００２７】
以上、基本成分について説明したが、本発明では、その他にも、以下に示す各元素を適宜添加することができる。
Ti：0.01％以下
Tiは、Ｎと結合してTiＮとなることで、オーステナイト域でピンニング効果を発揮し、粒成長を抑制する効果があるが、多量に添加するとTiＮが多量析出することによって転動疲労寿命を低下させるので、Tiは0.01％以下の添加とする。前記効果を得るためには0.003％以上添加することが好適である。
【００２８】
Ni：0.10％以下
Niは、焼入性を向上させる元素であるので、焼入性を調整する場合に用いることができるが、一方でNi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、Niは0.10％以下の添加とする。前記効果を得るためには0.03％以上添加することが好適である。
【００２９】
Cu：0.10％以下
Cuは、焼入性を向上させる元素であるが、0.1％を超えて添加すると熱間加工性を阻害するおそれがあるため、Cuは0.1％以下の添加とする。前記効果を得るためには0.03％以上添加することが好適である。
【００３０】
Ｂ：0.0010％以下
Ｂは、焼入性を向上させる元素であるので、焼入性を調整する場合に用いることができる。しかし、0.0010％を超えて添加してもその効果は飽和するので、Ｂは0.0010％以下の添加とする。前記効果を得るためには0.0003％以上添加することが好適である。
なお、本発明の軸受鋼において、上記以外の成分は、Feおよび不可避的不純物である。
【００３１】
上記した成分組成になる軸受鋼の製造方法については、特に制限はなく、従来から公知の方法にて製造可能である。
すなわち、転炉、脱ガス設備等を用いて溶製したのち、鋳造し、得られた鋳片を、拡散焼鈍、圧延あるいは鍛錬成形工程を経て所定寸法の鋼材とする。この鋼材に対し、球状化焼鈍を施し、軸受部品の加工用素材とする。
なお、とくに好適な製造条件を例示すると、次の通りである。
球状化焼鈍は750〜820℃で4〜16時間程度保持し、650℃程度まで8〜20℃/ｈ程度で徐冷する処理を施すことが好ましい。球状化焼鈍後の加工用素材の組織はフェライトおよび球状セメンタイトを含むことが好ましく、ビッカース硬度は180〜250程度とすることが好ましい。
前記加工素材は、軸受部品の形状に加工された後、焼入れおよび焼戻しされて、軸受部品となる。なお、必要に応じ、焼入れ・焼戻し後に最終精度の部品形状に加工してもよい。
焼入れは800〜950℃に15〜120分程度保持した後、油焼入れ、水焼入れなどの急冷処理を施すことが好ましい。焼戻し処理は150〜250℃で30〜180分程度の条件で行うことが好ましい。焼入れ・焼戻し後の軸受用鋼（軸受部品）は焼戻しマルテンサイトを内部まで含有し、かつ面積率で90％程度以上含有することが好ましい。また、ビッカース硬度は700〜800程度とすることが好ましい。
【実施例】
【００３２】
表１に示す成分組成の鋼塊（30kg）を真空溶製し、1250℃，30時間の拡散焼鈍後、60mmφの丸棒に鍛伸し、ついで990℃，２時間の焼準を行なったのち、785℃，10時間保持後、15℃／ｈで徐冷する球状化焼鈍を施した。
球状化焼鈍後の鋼から、直径：60mm、厚さ：5.5mmの疲労試験片を粗加工した。得られた粗加工試験片を840℃に30分保持後、油焼入れし、さらに180℃，２時間の焼戻しを行なった。焼戻し後の粗加工試験片を、直径：60mm、厚さ：5.0mmの試験片に仕上げ加工した。仕上げ加工後の試験片に対し、水素チャージを行なった。水素チャージは、50℃の20％チオシアン酸アンモニウム（NH4SCN）水溶液中に、24時間保持することで行なった。この条件では、汎用鋼SUJ2（表１中のNo.１鋼）では、昇温式水素分析にて600℃までの水素量を測定し、鋼中に水素が0.5massppm侵入していることを確認している。
【００３３】
得られた試験片に対し、スラスト型転動疲労試験機を使用し、前述の水素チャージ後、30分以内に試験を実施する水素環境での使用を模擬した転動疲労試験を実施した。この試験はへルツ応力：3.8GPa、応力負荷速度：3600cpm、タービン油（FBKタービン68、ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製）潤滑（室温）の条件で実施した。各鋼種につき10回の試験を行ない、ワイブルプロットによる整理を実施して、累積破損確率が10％となるＢ10寿命を求めた。
それぞれの鋼について得られた転動疲労寿命Ｂ10をSUJ2相当鋼についての転動疲労寿命Ｂ10の値で除すことで、汎用鋼に対する寿命の向上度合（Ｂ10寿命比＝Ｂ10寿命／SUJ2相当鋼のＢ10寿命）を評価した。
また、球状化焼鈍後の鋼について、外周旋削試験を行なって被削性の調査を行なった。外周旋削試験は、超硬（Ｐ10）の切削工具を用いて、潤滑剤なしで切削速度：120m/min、送り速度：0.2mm/rev、切込み：1.0mmで行ない、工具の逃げ面摩耗量が0.2mmになるまでの時間を工具寿命とした。それぞれの鋼について得られた工具寿命をSUJ2相当鋼についての工具寿命の値で除すことで、汎用鋼に対する寿命の低下度合（工具寿命比＝工具寿命／SUJ2相当鋼の工具寿命）を評価した。
得られた結果を、表１に併記する。
【００３４】
【表１】
2012188740.tif 000003
【００３５】
表１の発明例から明らかなように、本発明の要件を満足する鋼は、従来例（No.１；SUJ2相当鋼）に対して、転動疲労寿命Ｂ10が４倍以上となっており、耐水素疲労特性に優れていることが分かる。また、発明例から明らかなように、本発明の要件を満足する鋼は、工具寿命が従来例の0.9倍以上であり、従来鋼とほぼ同等の被削性を有していることが分かる。
これに対し、本発明の成分組成範囲を外れる比較例はいずれも、転動疲労寿命Ｂ10または工具寿命のいずれかが、発明例よりも劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に従い、鋼成分中、特にCr，MoおよびSi含有量を適正範囲に制御することによって、切削などの加工性に優れるのはいうまでもなく、従来の軸受鋼に比べて耐水素疲労特性が格段に優れた軸受用鋼を得ることができる。その結果、軸受の転動疲労寿命が大幅に向上し、産業上多大の効果がもたらされる。
【図１】
2012188740.tif 000004
【図２】
2012188740.tif 000005