(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中にはＡｌＮを０．０２０ｍａｓｓ％以下含有し、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１６８個以上２５０個以下であることを特徴とする軸受材料。
【請求項２】
請求項１に記載された材料において、この材料の上記化学成分に加えてさらに、Ｍｏを０．１０〜０．２５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする軸受材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載された材料において、これらの材料の上記化学成分に加えてさらに、Ｓｂを０．００１０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする軸受材料。
【請求項４】
厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１２００個以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸受材料。
【請求項５】
Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつこの材料中には厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１２００個以下であり、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１７０個以上２５０個以下であることを特徴とする軸受材料。
【請求項６】
請求項５に記載された材料において、この材料の上記化学成分に加えてさらに、Ｍｏを０．１０〜０．２５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする軸受材料。
【請求項７】
請求項５または６に記載された材料において、これらの材料の上記化学成分に加えてさらに、Ｓｂを０．００１０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする軸受材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ころ軸受あるいは玉軸受といった転がり軸受に用いられる軸受材料、とくに転動疲労寿命特性に優れた軸受材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受などに用いられる軸受材料には、転動疲労寿命の長いものであることが求められる。一般に、軸受の転動疲労寿命は、材料中に存在する硬質の酸化物系非金属介在物に影響されることがよく知られている。そこで、従来、主として材料中の酸素量を低減することによって、酸化物系非金属介在物量の低減を図り、もって転動疲労寿命の向上を図る努力がなされてきた。その結果、精錬技術の進歩とも相俟って、現在では材料中の酸素量を重量比にして10ppm 以下にまで低減することができるようになってきた。しかし、こうした低酸素化による転動疲労寿命の向上方法は、既に限界に達しているのが実情である。また、酸素量を10ppm 以下に低減するには、製造コストの増加を招き、汎用鋼への適用の足かせとなっていた。
【０００３】
こうした実情に鑑み最近では、転動疲労寿命のより一層の向上を目指す提案がなされている。例えば、特開平 3−126839号公報では、単位面積あるいは単位体積中の酸化物系非金属介在物の個数により、また特開平 5−25587 号公報では、極値統計によって推定される酸化物系非金属介在物の予測最大径により、それぞれ長寿命を実現する軸受材料が開示されている。しかし、酸素量を10ppm 以下のような極低値まで下げた超清浄鋼においては、サイズと個数の関係が必ずしも明瞭ではない。
【０００４】
さらに、特開平９−291340号公報では、鋼中の硫化物系非金属介在物の厚みと個数、ならびに酸化物系非金属介在物の予測最大径に着目し、厚み１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が被検面積320 mm２のときに1200個以下、かつ／または、被検面積320 mm２での酸化物の予測最大径を10μｍ以下に制御することにより、長寿命を実現する軸受け用鋼が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の技術は、酸化物の個数または最大径を極低値まで低減することを基幹技術として、実現されうるものである。しかしながら、このような超清浄鋼を実現するためには、取鍋精錬のような特殊な２次精錬の設備が必要になるので、製造プロセス／製鉄メーカーの制約や、鋼の精錬コストのいたずらな増加を招き、汎用実用鋼への適用拡大の障害となっていた。
【０００６】
本発明の目的は、精錬のプロセス制約を受けず、かつ製造コストの増加を招くことなく、汎用の長寿命軸受材料を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上掲の目的に鑑み、その実現のためになされたものでる。すなわち、本発明者らは、本発明で規定した鋼組成および、AlＮおよび／または硫化物系非金属介在物を制御した鋼において、酸化物系非金属介在物の予測最大径が10μｍ越え15μｍ以下であっても、その個数を所定以下に制御しさえすれば、長寿命の軸受け鋼が実現できることを見いだし、本発明を完成させたものである。
【０００８】
以下に、上記知見に基づいて開発した本発明の要旨構成をあげる。
即ち、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中にはＡｌＮを０．０２０ｍａｓｓ％以下含有し、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１６８個以上２５０個以下である軸受材料である。
【０００９】
また、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらにＭｏ：０．１０〜０．２５ｍａｓｓ％を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中にＡｌＮを０．０２０ｍａｓｓ％以下含有し、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１６８個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１０】
また、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらにＳｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中にＡｌＮを０．０２０ｍａｓｓ％以下含有し、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１６８個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１１】
また本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらにＭｏ：０．１０〜０．２５ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中にＡｌＮを０．０２０ｍａｓｓ％以下含有し、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１６８個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１２】
なお、上記各発明にかかる軸受材料は、厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：320 mm２のときに1200個以下であることが好ましい。
【００１３】
つぎに、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ、材料中に厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１２００個以下であり、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１７０個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１４】
また、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、さらにＭｏ：０．１０〜０．２５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中に厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１２００個以下であり、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１７０個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１５】
また、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下を含有し、さらにＳｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ、材料中に厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１２００個以下であり、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１７０個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１６】
また、本発明は、Ｃ：０．９５〜１．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２５ｍａｓｓ％以下を含有し、非金属介在物形成元素であるＳおよびＯを、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％以下、Ｏ：０．００１２ｍａｓｓ％以下含有し、さらにＭｏ：０．１０〜０．２５ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、かつ材料中に厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１２００個以下であり、さらに酸化物系非金属介在物の最大径が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１０μｍ越え１５μｍ以下、かつ円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が、被検面積：３２０ｍｍ２のときに１７０個以上２５０個以下である軸受材料である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る軸受材料の成分組成を上記のように限定する理由について以下に詳述する。なお、本発明軸受材料は、JIS G4805 高炭素クロム軸受鋼をベースとして合金設計した成分組成を有するものである。従って、以下は軸受鋼の例で説する。
【００１８】
Ｃ：0.95〜1.10mass％
Ｃは、基地に固溶してマルテンサイトの強化に有効に作用する元素であり、焼入れ焼もどし後の強度確保とそれによる転動疲労寿命を向上させるために含有させる。その含有率が0.95mass％未満ではこうした効果が得られず、一方、1.10mass％超では鋳造時に巨大炭化物が生成し、加工性ならびに転動疲労寿命が低下するので、0.95〜1.10mass％の範囲に限定した。
【００１９】
Si：0.15〜0.70mass％
Siは、基地に固溶して焼もどし軟化抵抗の増大により焼入れ、焼もどし後の強度を高めて転動疲労寿命を向上させる元素として有効である。こうした目的の下に添加されるSiの含有量は、0.15〜0.70mass％の範囲とする。
【００２０】
Mn：1.15mass％以下
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることにより基地マルテンサイトの靱性、硬度を向上させ、転動疲労寿命の向上に有効に作用する。こうした目的のためには、1.15mass％以下の添加があれば十分である。下限は特に設ける必要はないが、脱酸等のために0.10mass％以上添加するのが妥当である。
【００２１】
Cr：0.90〜1.60mass％
Crは、焼入れ性の向上と安定した炭化物の形成を通じて、強度の向上ならびに耐摩耗性を向上させ、ひいては転動疲労寿命を向上させる成分である。こうした効果を得るためには、0.90〜1.60mass％の添加が必要である。
【００２２】
Ｐ：0.025 mass％以下
Ｐは、鋼の靱性ならびに転動疲労寿命を低下させることから可能な限り低いことが望ましく、その許容上限は0.025 mass％である。
【００２３】
Ｓ：0.025 mass％
Ｓは、Mnと結合してMnＳ等の硫化物系介在物を形成し、被削性を向上させる。しかし、多量に含有させると転動疲労寿命を低下させることから、0.025 mass％を上限としなければならない。ただし、後述するように、通常の溶製，圧延法により介在物の個数を所定の量にするためには0.003 mass％を上限とすることが好ましい。
【００２４】
Ｏ：0.0012mass％以下
Ｏは、硬質な酸化物系非金属介在物を形成して、転動疲労寿命を低下させることから、低いことが望ましいが、0.0012mass％までは許容される。よって、その上限をＯ：0.0012mass％とした。
【００２５】
Mo：0.10〜0.25mass％
Moは、本発明において必要に応じて添加する。ただし、高価な元素であるため、焼入れ性のより一層の向上が必要な場合にのみ添加する。その効果を得るには、Moは0.10〜0.25mass％の範囲での添加で十分である。
【００２６】
Sb：0.0010mass％以下
Sbは、スクラップ等の製鋼原料から混入することがあるが、転動疲労寿命を低下させる元素であるから、スクラップ等を厳選するなどの手段により、その上限を0.0010mass％とするこが望ましい。
【００２７】
AlＮ量：0.020 mass％以下
AlＮは、鋼中の量が0.020 mass％を越えると転動疲労寿命が顕著に低下するので、0.020 mass％を上限として可能な限り低くすることが望ましい。なお、鋼中AlＮ量の低減方法としては、鋼中Al量ならびに鋼中Ｎ量の低減が最も有効である。また、焼入れ時の保持温度を高めることにより対処可能であるが、軸受の製造性を著しく悪化させる可能性がある。上記のAlＮ量を満足するためには、鋼中のAlを0.030 mass％以下、好ましくは0.020 mass％以下とし、またＮを0.010 mass％以下、好ましくは0.008 mass％以下にすることが必要である。
【００２８】
また、本発明の他の実施形態としては、厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数を被検面積320 mm２のときに1200個以下になるようにすることである。本発明において、硫化物系非金属介在物の形態につき、厚さ１μｍ以上に限定した理由は、非金属介在物の組成を可視的に識別できる限界のサイズであり、転動疲労寿命との対応も良いためである。また、硫化物系非金属介在物の個数は、転動疲労寿命の向上に対しては可能な限り少ないことが望ましい。この厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の個数が、被検面積320 mm２において1200個を越えるとＢ１０寿命が急激に低下するので、その上限を1200個とする。
【００２９】
次に、本発明の最も重要な酸化物系介在物の最大径と個数の限定理由について述べる。  図１は、上掲の成分組成ならびに、ＡｌＮおよび／または硫化物系非金属介在物を制御したＪＩＳ  Ｇ４８０５高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２相当鋼）の鋼中の、被検面積３２０ｍｍ２のときの酸化物系非金属介在物の最大径と、被検面積３２０ｍｍ２のときの円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数との関係を示したものである。図から明らかなように、酸化物の最大径が１０μｍ越え１５μｍ以下であっても、３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数が１６８個以上または１７０個以上２５０個以下の範囲であれば、優れた転動疲労寿命が得られることがわかる。すなわち、酸化物径介在物の最大径を１０μｍ以下のような極低値まで低減しなくても、同時にその個数を制御しさえすれば、長寿命鋼が得られるのである。したがって、精錬のコスト増、プロセス制約を受けることなく長寿命鋼を製造することができるため、この範囲としたのである。
【００３０】
【実施例】
表１に示す化学組成およびAlＮ量、硫化物系非金属介在物ならびに酸化物を有するJIS G4805 高炭素クロム軸受用鋼２種 (SUJ2相当鋼) を転炉にて溶製し、ＲＨ脱ガスを行い、その後連続鋳造し65mmφの棒鋼に圧延した。なお、比較のために、転炉溶製の後に取鍋精錬を行った超清浄鋼も溶製した。次いで、焼ならし、球状化焼なましの後に、830 ℃で30min 保持後油焼入れし、180 ℃で２h の焼もどしを行い、切削およびラッピング仕上げにより60mmφ×５mmの円盤型転動疲労寿命試験片を得た。なお、非金属介在物の測定は、棒鋼の１／４直径部から16mm×120 mmの被検面を有する試験片を圧延方向に採取し、被検面積が320 mm２であるときの酸化物系非金属介在物の最大径、個数ならびに厚さ１μｍ以上の硫化物系非金属介在物の総個数を実測した。また、転動疲労試験は、森式スラスト型転動疲労試験機を用いて、ヘルツ最大接触応力：5260ＭPa、繰り返し応力数：30Hz、ならびに潤滑油：#68 タービン油の条件で行った。その試験の結果を、ワイブル分布にしたがうものとして確率紙上にまとめ、Ｂ１０寿命として評価した。
【００３１】
上記の評価結果を、表１にあわせて示す。この表に示すところから明らかなように、本発明の範囲にある鋼は、いずれも比較鋼に比べて長寿命を示すことがわかる。
鋼No. ７は、AlＮ量および硫化物系介在物が本発明の範囲を逸脱しているものの、酸化物は本発明の範囲に制御された比較鋼である。転動疲労寿命に顕著な改善効果は認められず、AlＮおよび／または硫化物系介在物の制御と同時に酸化物のサイズ、個数を同時に制御することにより、初めて本発明の効果が得られることがわかる。
また、鋼No. ８，９は、酸化物系介在物の最大径または個数が本発明の範囲を逸脱した比較鋼であり、転動疲労寿命が著しく低いことがわかる。
また、鋼No.10 は、取鍋精錬プロセスの適用により酸化物系介在物の最大径を10μｍ以下とした比較鋼である。確かに、長寿命を示すものの、その実現のために、製造コストの増加、製造プロセス／製造メーカーの制約につながり、汎用鋼としては適さないものである。
【００３２】
【表１】
0003889931.tif 000002
【００３３】
【発明の効果】
以上説したように本発明にかかる軸受材料は、鋼組成および、AlＮおよび／または硫化物系非金属介在物を制御した鋼において、酸化物系非金属介在物の予測最大径が10μｍ越え15μｍ以下であっても、その個数を所定数以下に制御しさえすれば、転動疲労寿命をさらに改善することが可能である。従って、本発明によれば、酸化物の最大径を低減するために必要な取鍋精錬のような製造コストの増加、製造プロセス／製造メーカーの制約を招くことがないため、汎用の長寿命鋼に適した鋼を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被検面積320 mm２における、酸化物系非金属介在物の最大径と円相当径３μｍ以上の酸化物系非金属介在物の個数との関係を示すグラフである。
【図１】
0003889931.tif 000003