JP2004100016A

JP2004100016A - 軸受用圧延線材および伸線材

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Publication number: JP2004100016A
Application number: JP2002266368A
Authority: JP
Inventors: Toshio Murakami; 村上　俊夫; Shigenobu Nanba; 難波　茂信; Masaki Shimotsusa; 下津佐　正貴; Daisuke Ogura; 小椋　大輔; Masao Toyama; 外山　雅雄; Fujio Koizumi; 小泉　富士雄
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: JP4008320B2

Abstract

【課題】最終製品である転動部品に優れた転動疲労特性を付与することができる、生引きが可能な圧延線材および伸線材を提供する。
【解決手段】本発明の軸受用圧延線材は、　ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．８〜１．３％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｃｒ：０．８〜２．０％を含み、パーライトのコロニーが６μｍ　以下とされたものである。この線材において、初析セメンタイトは面積率で３％超とすることができる。また、本発明の伸線材は、圧延線材を用いて伸線加工した軸受用伸線材であって、鋼材密度が７．７０ｇ／ｃｍ^３以上であり、かつ平均炭化物粒径が０．６５μｍ　未満とされたものである。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、伸線加工された軸受用伸線材およびその素材となる圧延線材に係り、特に伸線加工前に１次球状化焼鈍を省略して伸線することができる、生引き可能な軸受用圧延線材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸受用線材は、球軸受の鋼球やコロ軸受のコロ等の素材として用いられており、一般的に、鋳塊から熱間圧延した圧延線材を１次球状化焼鈍した後、伸線加工を施し、さらに２次球状化焼鈍した後、仕上伸線することによって製造される。前記鋼球、コロ等の転動部品は、前記伸線材を適宜のサイズに切断し、切断片を概略部品形状に鍛造した後、熱処理が施され、仕上加工されて製造される。
【０００３】
軸受用線材を形成する軸受用鋼は、過共析鋼であり、難加工材であるため、圧延線材を直接伸線加工すること（「生引き」という。）は困難であり、材質を軟化し、加工性を改善するため、伸線加工する前に上記のように１次球状化焼鈍が施される。
【０００４】
しかし、この球状化焼鈍は、処理時間、コストがかかるため、近年、コスト削減のために１次球状化焼鈍を省略することができる圧延線材が望まれている。
圧延線材を生引き可能にするには、加工性を向上させる必要がある。従来、粗大な初析セメンタイトが破壊の起点になり、圧延線材の加工性を劣化させるものと考えられていた。かかる観点から、初析セメンタイトの面積率、サイズを抑え、加工性を向上させた圧延線材が、例えば特開平８−２６００４６号公報、特開平９−２６３８８７号公報に開示され、さらにパーライトのラメラ間隔を０．０５〜０．２μｍ　に規制した圧延線材が特開２００１−２３４２８６号公報に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２６００４６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平９−２６３８８７号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開２００１−２３４２８６号公報（特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような圧延線材を用いて伸線し、球状化焼鈍された伸線材を素材として製作された転動部品は、転動疲労特性が劣化し、軸受の耐久性が低下するという問題がある。
本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、最終製品である転動部品に優れた転動疲労特性を付与することができる、生引きが可能な圧延線材および伸線材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、生引きを可能とする鋼の組織を鋭意研究したところ、加工性劣化の原因は、従来信じられていたように粗大な初析セメンタイトの生成にあるのではなく、パーライト内から生じていることを知見した。本発明は、かかる知見を基に、加工性を改善するには、パーライト内におけるマイクロクラックの進展が可能な最小単位であるコロニーを微細化することによって、球状化焼鈍を省略しても、伸線加工によって破壊し難い過共析鋼組織を得ることができるとの着想の下に完成されたものである。
【０００８】
すなわち、本発明の軸受用圧延線材は、　ｍａｓｓ％で、
Ｃ：０．８〜１．３％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｃｒ：０．８〜２．０％
を含み、パーライトのコロニーが６μｍ　以下とされたものである。この線材において、初析セメンタイトは面積率で３％超とすることができる。また、本発明の伸線材は、圧延線材を用いて伸線加工した軸受用伸線材であって、鋼材密度が７．７０ｇ／ｃｍ^３以上であり、かつ平均炭化物粒径が０．６５μｍ　未満とされたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の圧延線材および伸線材の鋼組成について説明する。以下、単位はｍａｓｓ％である。
【００１０】
Ｃ：０．８〜１．３％
Ｃは軸受鋼に必要な強度を確保するために必要な元素であり、０．８％未満では強度不足を招来し、一方１．３％超では強度が過大となり、伸線加工性が劣化するようになる。このため、Ｃ量の下限を０．８％、上限を１．３％とする。
【００１１】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは脱酸剤として添加され、０．１％未満では脱酸作用が過小であり、一方１．０％超添加すると強度が過大となり、伸線加工性が低下する。このため、Ｓｉ量の下限を０．１％、上限を１．０％とする。
【００１２】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは脱酸の効果と焼入れ性確保のために添加される。０．２％未満では十分な効果が得られず、一方２．０％超では圧延後の冷却時に過冷組織が発生して、延性が劣化するようになる。このため、Ｍｎ量の下限を０．２％、上限を２．０％とする。
【００１３】
Ｃｒ：０．８〜２．０％
Ｃｒは焼入れ性の向上と、オーステナイト中のセメンタイトの安定性を向上させ、セメンタイトを球状化を促進するために添加される。０．８％未満では十分な効果が得られず、一方２．０％超では焼入れ性が過大となり、圧延後の冷却時に過冷組織が発生し、強度が過大となり、延性が低下する。このため、Ｃｒ量の下限を０．８％、上限を２．０％とする。
【００１４】
本発明の線材は、上記合金成分の他、典型的には残部Ｆｅおよび不可避的不純物で形成されるが、上記作用効果を害しない元素およびその含有範囲として、例えば、Ｍｏ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｂ：０．００３０％以下の１種以上を単独で、あるいは複合して添加することができる。なお、不純物であるＰ、Ｓは伸線加工性を阻害するため、少ないほどよい。
【００１５】
本発明にかかる過共析鋼の組織は、通常、図１に示すように、旧オーステナイト粒界１に沿って初析セメンタイト２が生成し、その内側にパーライト組織が形成されている。パーライト組織には、旧オーステナイト粒内のフェライトの方位が同じ領域（ノジュールという。）３がいくつか形成され、その一つのノジュール３にはラメラが平行に揃った領域（コロニーという。）４がいくつか形成されている。
【００１６】
前記コロニー４は破壊組織単位であり、本発明ではコロニーのサイズを６μｍ　以下に微細化するので、破壊組織単位が微細化され、延性が向上し、生引き伸線しても、断線しないことはもちろん、密度低下が起こらないようになる。６μｍ　超では組織が粗大なために延性が劣化し、生引き伸線することができても、伸線材の密度低下が起こり、この伸線材から製造した転動部品の転動疲労特性が悪化する。このため、本発明ではコロニーサイズの上限を６μｍ　とする。コロニーは微細なほどよく、好ましくは２〜５μｍ　とするのがよい。
【００１７】
また、初析セメンタイトの析出量が増えるほどパーライト中のＣ量が低下し、強度が低下するので、生引き伸線性がより向上する。初析セメンタイトの面積率が３％以下では強度が１３００ＭＰａ以上になり、伸線加工性が低下するので、３％超とすることが好ましい。初析セメンタイトの析出量は多ければ多いほど強度が低下するが、熱力学的には９％が限界である。望ましくは５％以上にすることで、強度を１２００ＭＰａ以下に低下させることができる。
【００１８】
次に、本発明の圧延線材の推奨される製造条件について説明する。
本発明の圧延線材は、前記組成の鋼を溶製して鋳造し、図２に示すように、▲１▼鋳造片に１１００〜１２００℃程度で１０〜２０ｈｒ保持するソーキング処理（鋳造により発生した偏析を軽減するために高温で長時間保持する熱処理）を施した後、鋳造片の温度を制御して、圧延終了温度７００〜８５０℃にて分塊圧延を終了し、線材圧延に適した大きさの鋼片（線材圧延前の鋼塊であり、ビレットと呼ばれる。）を製造する。そして、▲２▼この鋼片を、８５０〜１０００℃に加熱し、圧延温度を制御し、圧延終了温度を７００〜８５０℃として線材圧延（熱間圧延）を行い、▲３▼圧延後、３℃／ｓ以下の冷却速度にて５００℃以下まで連続冷却することによって製造される。なお、従来の分塊圧延では、鋳造片の温度コントロールは行われず、鋳造片の温度はソーキングを行った均熱炉を出た段階で１１００〜１２００℃程度、鋳造片の圧延終了時の温度は９００〜１０００℃程度である。
【００１９】
前記分塊圧延の圧延終了温度を７５０〜８５０℃と低温域に設定するのは、線材圧延前の鋼片組織を微細化するためである。７５０℃未満では鋳造片の強度が高くなるため、圧延に必要な荷重が過大となり、一方８５０℃超では圧延後にオーステナイトが再結晶し、粗大に成長してしまうため、線材圧延前の組織を微細化することができない。好ましくは７７５〜８２５℃である。
【００２０】
分塊圧延によって得られた鋼片は、線材圧延に際し、その強度を低下させることが必要であるために加熱されるが、８５０〜１０００℃に加熱することによって、強度を低下させつつ、分塊圧延によって微細化された組織の粗大化を抑制することができる。８５０℃未満の加熱では粗圧延をするために十分な軟らかさを確保することができず、一方１０００℃超に加熱すると、加熱により形成されたオーステナイトが粗大化し、最終組織のパーライトコロニーを微細化することができず、延性が得られないようになる。
線材圧延の圧延終了温度を７００〜８５０℃とするのは、未再結晶温度域での圧延を行い、旧オーステナイト粒を圧延方向にパンケーキ状に伸展させ、単位体積あたりの旧オーステナイト粒界面積を増大させ、パーライトの核生成サイトを多量に導入し、形成されるパーライトのコロニーサイズを微細化するためである。８５０℃超では、圧延後、パーライト変態が起こるまでに再結晶が起こるため旧オーステナイト粒が等軸状になり、十分な核生成サイトが得られず、一方７００℃未満では圧延前にパーライト変態が生じ、変形抵抗が高くなる。好ましくは７５０〜８００℃である。
【００２１】
線材圧延後の冷却速度は、オーステナイトからパーライトへの変態を制御する因子である。冷却速度が３℃／ｓ超ではでは冷却中にパーライト変態が完全に終了せずにベイナイトやマルテンサイトが形成され、延性が劣化するおそれがある。冷却速度が小さい分には問題はないが、製造に時間がかかり過ぎるようになるので、１〜２℃／ｓとするのが好ましい。この冷却速度は、パーライト変態が完全に終了している５００℃以下まで維持することが必要である。もっとも、冷却終了温度を５００℃以下の範囲で高温にした方が温度を管理する時間が短時間になるので、不必要に低温まで前記冷却速度を維持する必要はない。
【００２２】
また、既述のとおり、圧延線材の組織において、初析セメンタイトを３面積％超析出させることによって線材の強度を低下させることができる。このように初析セメンタイトを多量に析出させるには、線材圧延終了後、７００℃までの冷却速度を０．５℃／ｓ以下で徐冷するとよい。０．５℃／ｓ超では、初析セメンタイトが十分に析出しないため、強度低下に寄与しないようになるからである。冷却速度が遅いほど強度低下の効果は大きいので、冷却速度は遅ければ遅いほど望ましい。もっとも、生産性を考慮すると、０．０１℃／ｓ以上とするのがよい。好ましくは０．１〜０．３℃／ｓとするのがよい。７００℃未満の冷却については、前記のとおり、５００℃以下までを３℃／ｓ以下で冷却すればよい。
【００２３】
上記のようにして製造された圧延線材は、酸洗後、１次球状化焼鈍が施されることなく、要求される線径に応じて総減面率が１０〜８０％程度となるように直接伸線加工され、球状化焼鈍されて、本発明の伸線材とされる。前記球状化焼鈍は、常法のとおり、７５０〜８５０℃で保持後、５５０〜７００℃までを５〜３０℃／ｈで徐冷すればよい。
【００２４】
このようにして製造された伸線材の密度および炭化物粒径について説明する。
伸線材の密度は、伸線時に導入された欠陥量の指標になり、欠陥量が多いと、き裂が既に発生していることになり、伸線材から加工される転動部材の転動疲労特性が劣化する。なお、転動疲労の過程は、▲１▼き裂の発生、▲２▼き裂の進展、▲３▼マクロなき裂の進展と剥離の各段階に分けられ、き裂の発生が転動疲労の発端となる。
本発明の伸線材では、密度は７．７０ｇ／ｃｍ^３以上であり、球状化焼鈍後に伸線した線材と同程度の欠陥導入量に抑えられており、球状化焼鈍材と同等の転動疲労寿命が得られる。密度は高いほど好ましいが、上限は鉄の密度である７．７８６ｇ／ｃｍ^３に止まる。７．７０ｇ／ｃｍ^３未満では、欠陥量が多く、高振動下、高疲労下での繰り返し疲労において、き裂発生の起点が多く、破壊の進行が早くなるため、転勤疲労寿命が低下する。
【００２５】
また、本発明の伸線材の炭化物平均粒径は、０．６５μｍ　未満であり、炭化物粒径が細かいほど耐転動疲労特性は向上する。炭化物粒径は、球状化焼鈍の回数が多いほど大きくなり、従来のように球状化焼鈍を２回行ったものでは、平均粒径が１．０μｍ　程度になるが、本発明のように球状化焼鈍回数が１回になることで炭化物粒径が均一微細になり、０．６５μｍ　未満に止まる。なお、球状化焼純が終了した段楷の炭化物の面積率は炭素量に比例し、本発明では２０〜３０％となる。炭化物の単位面積あたりの個数は面積率と炭化物の平均粒径が決まれば計算により算出することができる。
【００２６】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【００２７】
【実施例】
表１に示す鋼組成（残部Ｆｅ）を有する鋼を連続鋳造し、その鋳造片（２００ｍｍ角）を１１５０℃で１５ｈｒ保持するソーキング処理を行った後、同表に示す分塊圧延終了温度にて鋳造片を分塊圧延し、５５ｍｍ角の鋼片を得た。次いで同表に示す鋼片加熱温度、線材圧延終了温度にて線材圧延を行い、同表に示す冷却条件にて冷却し、直径８ｍｍの圧延線材を得た。
【００２８】
得られた圧延線材を酸洗後、伸線加工した。伸線の総減面率は約３４％であり、パススケジュールは、１パス目：８．０ｍｍから７．５ｍｍ、２パス目：７．５ｍｍから７．０ｍｍ、３パス目：７．０ｍｍから６．５ｍｍとした。その後、球状化焼鈍を施した。焼鈍条件は８０００℃、３時間保持後、６００℃まで１０℃／ｓで冷却した。さらに、この伸線材を切断、鍛造、研磨して直径６．３５ｍｍの軸受鋼球を製作し、８２０℃で３０分保持後油冷し、１５０℃で３０分保持する焼き戻しを施した。
【００２９】
下記の方法にて、上記圧延線材の引張強度、初析セメンタイト（初析θ）面積率、コロニーサイズを調べた。また、上記伸線材の線材密度、炭化物平均粒径を調べた。さらに、前記鋼球を用いて転動疲労寿命を測定した。これらの測定結果を表２に示す。同表中には、生引伸線性についても示した。生引き伸線性は、直径８ｍｍの線材１００ｋｇを伸線し、破断した回数を測定し、断線ゼロを○、断線１〜５回を△、断線６回以上を×として示す。なお、表中の試料Ｎｏ．　１は、１次球状化焼鈍後に伸線した従来例を示し、生引伸線性が×のものについては伸線材の密度等および転動疲労寿命の測定は行わなかった。
【００３０】
引張強度は、ＪＩＳＺ２２０１（金属材料引張試験片）９号試験片を用いてＪＩＳＺ２２４１（金属材料引張試験方法）によって測定された。
【００３１】
コロニーサイズおよび初析セメンタイト面積率は、組織観察片を鏡面に研磨した後、２％ナイタールで腐食した後、走査型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製ＪＳＭ−５４１０）で倍率５０００倍で１０視野を観察することとし、コロニー（ラメラが平行に並んだ領域）サイズは切片法により測定し、初析セメンタイト（旧オーステナイト粒界に沿って生成したセメンタイト）の面積を画像解析用ソフトウェア（商品名Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ）を用いて測定した。
【００３２】
球状炭化物平均粒径は、抽出レプリカ法を用いてセメンタイトを抽出し、前記走査型電子顕微鏡でランダムに１０視野観察し、全炭化物の直径を測定し、それらの平均値を求めた。
【００３３】
線材の密度は、表面スケールを取り除くため酸洗を施した後、ＪＩＳＺ８８０７の固体密度測定方法を用いて測定した。
【００３４】
転動疲労寿命は、図３に示すように、スラスト式寿命試験機を用い、１鋼種につき２０個測定し、メジアン寿命を採用した。前記試験機は、円板状の基盤（材質ＳＵＪ２）１１に鋼球１２を載置し、これに荷重（１個当たり１０００Ｎ）をかけながら基盤を１０００ｒｐｍで回転させるものであり、鋼球表面に剥離（フレーキング）が発生した時点での総回転数を転動疲労寿命とした。なお、表２では、試料Ｎｏ．　１（従来例）の寿命を１とし、これとの寿命比を示した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
表１および表２より、成分および組織条件を満足する試料Ｎｏ．　２，５，７，９，１０（実施例）は、生引伸線性に優れ、しかも伸線材から製作した鋼球の転動寿命も従来例（Ｎｏ．　１）に比して、１．６倍のものが１点あるものの、他は２倍超と優れている。Ｎｏ．　３，４，６，８，１１は本発明成分範囲を満足するものの、製造条件が適切でないため組織条件を満足しておらず、生引伸線性に劣り、Ｎｏ．　３については転動疲労寿命が著しく劣化している。また、Ｎｏ．　１２〜１９は製造条件は適切であるものの、本発明成分範囲を満足しておらず、生引伸線性が概ね劣り、良好なもの（Ｎｏ．　１２，１９）では転動疲労寿命が悪化している。
前記比較例について具体的に見ると、Ｎｏ．　３は分塊圧延終了温度が高いため、Ｎｏ．　４は線材圧延の際の鋼片加熱温度が高いため、またＮｏ．　６は線材圧延終了温度が高いため、各々コロニーサイズが粗大化し、生引伸線性が劣化している。また、Ｎｏ．　８およびＮｏ．　１１は、冷却速度が過大であるため、過冷組織が形成され、やはり生引伸線性が劣化している。
また、試料Ｎｏ．　１２はＣ量が過少であるため、十分な硬さを確保することができず、転動寿命が低下している。Ｎｏ．　１３はＣ量が過多であるため、強度が過大となり、延性が劣化して生引伸線性が劣化している。Ｎｏ．　１４および１６はＳｉ量、Ｍｎ量が過少であるため、介在物に起因した破断が発生し、生引伸線性に問題がある。Ｎｏ．　１５はＳｉ量が過多のため、強度が過大となり、延性が劣化するため、生引伸線性が劣化している。Ｎｏ．　１７，１８はＭｎ量、Ｃｒ量が過多のため強度が過大となり、生引伸線性に問題がある。また、Ｎｏ．　１９はＣｒ量が過少なため、炭化物の球状化ができず、転動疲労寿命が低下している。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の軸受用圧延線材は、所定の成分の下、破壊の単位となるパーライトのコロニーサイズを６μｍ　以下としたので、良好な生引き伸線性が得られると共に、この圧延線材を伸線加工し、得られた伸線材を素材として加工することによって優れた転動疲労特性を有する転動部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】過共析鋼の組織を示す模式図である。
【図２】本発明の圧延線材の製造方法を示す加工熱処理線図である。
【図３】転動寿命の測定要領を示す説明図である。
【符号の説明】
１　旧オーステナイト粒界
２　初析セメンタイト
３　ノジュール
４　コロニー

Claims

ｍａｓｓ％で、
Ｃ：０．８〜１．３％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｃｒ：０．８〜２．０％
を含み、パーライトのコロニーが６μｍ　以下である軸受用圧延線材。
初析セメンタイトが面積率で３％超である請求項１に記載した軸受用圧延線材。
請求項１または２に記載した圧延線材を用いて伸線加工した軸受用伸線材であって、
鋼材密度が７．７０ｇ／ｃｍ^３以上であり、かつ平均炭化物粒径が０．６５μｍ　未満である軸受用伸線材。