JPH0230733A

JPH0230733A - 高炭素クロム系軸受鋼

Info

Publication number: JPH0230733A
Application number: JP1069790A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hyodo; 兵頭　賢昭; Masamichi Shibata; 正道柴田; Toshihiro Miyagawa; 宮川　利宏
Original assignee: NIPPON KOSHUHA KOGYO KK; Koyo Seiko Co Ltd; Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Current assignee: NIPPON KOSHUHA KOGYO KK; Koyo Seiko Co Ltd; Nippon Koshuha Steel Co Ltd
Priority date: 1988-04-04
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1990-02-01
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JP2728137B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉この発明は、転がり疲労寿命に著しく優れた軸受の素材
として利用される高炭素クロム系軸受鋼に関する。

〈従来の技術〉転がり軸受の転がり疲労寿命は一般に、転勤部材から転
がり接触を受ける軌道面のはくりで終るが、このはくり
の形態は、使用中に表面に生じた疵等を起点とする表面
起点ばくりと上記軌道面の表面上最大せん断応力位置付
近に存在する非金属介在物あるいは組織変化による析出
物等を起点とする内部起点はくりの２種類がある。転が
り疲労寿命（以下単に寿命と言う）を長くするためには
、上記表面起点ばくりに対しては、硬さを硬＜シて表面
に疵が付きに＜＜シ、内部起点はくりに対しては、非金
属介在物の含有量の低減をはかると共に、マトリックス
（母相）の強化をはかって組織変化を防いで、き裂発生
源を少くすることが有効である。また、不可避不純物で
あるＰおよびＳにおいて、Ｓ＋Ｐ含有量を０．０１０重
量％以下とした例（特開昭６１−２７２３４９号公報）
、あるいはＳｉ含有ｆｆ１０．１５〜１．６重量％添加
による寿命向上を図った例（特開昭６０−１９４０４７
号公報）もある。

従来、上記の点に着目した転がり軸受に使用される高炭
素クロム系軸受鋼としては、ＪＩＳ　Ｇ　４８０５に規
定された高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪＩ〜５）が知られ
ている。なかでも５ＵＪ２が一般的である。この５ＵＪ
２は、１％Ｇ、１．５％Ｃｒを特徴とする材料で、焼入
焼戻し熱処理により組織をマルチンサイト化し、通常、
約ＩＯ％の残留オーステナイトと約７％の未溶解炭化物
を含む状態で使用される。また一部には硬質コーティン
グを施す場合もある。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら、上記ＳＵＪ　２を用いる限りは、上記表
面起点のはぐりに関係する硬さには限界があり、それ以
上硬くすることができないという問題がある。また、表
面に硬質コーティング等を施す場合はコーティング層と
母相との界面強度が弱いという問題がある。また、上記
内部起点はくりに関係する非金属介在物の含有量の低減
ら、現在の製鋼法のもとではほぼ限界に近づきつつあり
、これ以上の大幅な非金属介在物の含有量の低減が望め
ないという問題もある。

そこで、この発明の目的は、起点より微小き裂が発生進
展してはくりに至るプロセスに着目し、材料面よりマト
リックス（母相）の強靭化をはかることにより、上記微
小き裂の発生・進展を抑制することができ、したがって
、寿命を長寿命化できる高炭素クロム系軸受鋼を提供す
ることにある。

〈課題を解決するための手段〉上記目的を達成するため、この発明は、炭素含有型が０
．８〜１．２重量％である高炭素クロム系軸受鋼におい
て、Ｎｉ含有量が１．０〜２．０重量％、Ｓｉ含有量が
１．０〜２，０重量％、Ｓ＋Ｐ含有量が０．０１５〜０
．０４０重量％であることを特徴としている。

この発明の高炭素クロム系軸受鋼において、Ｎｌの含有
量を１．０〜２．０重量％（以下単に％と言う）に限定
した理由は以下のようである。すなわち、前述のように
、転がり接触下での転がり軸受の寿命は、通常は、高面
圧下でのせん断応力繰り返しによるき裂発生とその発生
したき裂の進展により生ずる軌道面のばくりか生じると
尽きる。したがって、寿命向上には、上記き裂発生とそ
れに続くき裂の進展を抑制する必要がある。このため、
高炭素クロム系軸受鋼のマトリックスの靭性を向上させ
ることは、それを用いた転かり軸受の寿命向上にとって
非常に有効な手段である。上記Ｎ１は、このマトリック
スの靭性向上に対して有効な元素である。上記マトリッ
クスの靭性の向上を評価するものとして、破壊靭性値と
繰り返し圧縮試験におけるき裂発生サイクル数とを選び
、これにより以下の説明をする。Ｎｉの含有量を１．０
％以上とした理由は、Ｎｉ含有量１．０％以下では、マ
トリックスの靭性の向上つまり、破壊靭性値およびき裂
発生サイクル数の値の向上に大きな効果が認められない
からである。また、Ｎｉ含有量を２．０％以下とした理
由は、Ｎｉ含有量を２．０％以上にしても、き裂発生サ
イクルおよび破壊靭性値は共に向上するが、残留オース
テナイト量が増大し、これにより、前述のように寿命の
低下につながる硬さの低下が認められるからである。す
なわち、Ｎｉ含有量が２．０％を超えると、残留オース
テナイト量の増大による硬さの低下が問題となるほど大
きくなり、それにつれて、寿命も短かくなってしまうか
らである。

Ｓｌをｌ　Ｏ〜２０％に限定した理由は、以下のようで
ある。すなわち、Ｓｉはマトリックス強化元素であり、
かつ焼戻し軟化抵抗性を増大させる元素であるため、寿
命向上には有効な元素である。このために必要なＳｉ量
は最低１．０％程度であり、一方では、２．０％を超え
ると球状化焼なましや焼入時の加熱による脱炭が著しく
なり、寿命向上の利点を失う。また、冷間加工性も悪く
なる。よって、下限を１．０％とし上限を２．０％とす
る。

Ｓ＋Ｐを０．０１５〜０．０４０％に限定した理由は、
以下のようである。すなわち、一般に、マトリックスの
靭性が向上した場合被削性の低下という不利な一面がで
てくる。通常、Ｓ十Ｐは鋼中の不可避不純物であり、寿
命向上にとっては、極力少なくする必要があるとされて
いるが、本発明者らは、マトリックスの靭性の向上にと
もなう上述の被削性の低下を補う目的で、Ｓ十Ｐ含有量
と被削性との関係を検討した。その結果、Ｓ＋Ｐ含有量
が０．０１５％以下になると、通常の軸受鋼に比べて、
被削性が低下してしまい、また、Ｓ十Ｐが０．０４０％
以上では、Ｓ十Ｐの粒界への偏折等に起因して寿命が著
しく低下することが分かった。したがって、Ｓ＋Ｐを０
．０１５％〜０．０４０％に限定したのである。

〈実施例〉以下、この発明を図示の実施例により詳細に説明する。

第１表において、最上段は標準高炭素クロム軸受ｗ４（
ＳＵＪ２）、サンプル１．サンプル２は夫々比較例、サ
ンプル３．サンプル４およびサンプル５は夫々この発明
の各実施例を示す。熱処理条件は全て高温保持８３５℃
、４０分、油焼入れ、焼戻し１８０°Ｃ，２時間、空冷
で、同一である。この第１表により、本実施例は標準高
炭素クロム軸受鋼、比較例に比べてき裂発生すイクル数
、破壊靭性値がともに優れ、また、硬度は標準高炭素ク
ロム軸受鋼と同等であることが分かる。

第１表における本実施例を示すサンプル３．サンプル４
およびサンプル５は、Ｃ含有量が０．８〜１．２％、Ｓ
ｉ含有量が１．０〜２．０％、Ｃｒ含有量１．０〜２．
０％、　Ｍ　ｎ含有量が０．２〜１．０％。

Ｎｉ含有量が１．０〜２．０％およびＳ＋Ｐ含有量が０
．０１５〜０．０４０％で、残りＦｅの高炭素クロム軸
受鋼である。

以下余白転がり軸受用鋼において、高い接触面圧による塑性変形
を抑えるために、通常必要な硬さはＨＲＣ５８〜６４程
度といわれており、マトリックス中の０％は０．５〜０
．６％１未溶解炭化物量は６〜８％が寿命の点で最適と
される。これらのため、本実施例では０８〜１．２％の
Ｃ含有量で、このＣ含有量は表１の標準高炭素クロム軸
受鋼と同等である。Ｃ含有量の下限を０８％、また上限
を１．２％としたのは、Ｃ含有量が０．８％未満になる
と、炭化物の球状化がいくぶん困難となり、また１　２
％をこえると上述のＣｒ量の範囲では巨大炭化物が生成
しやすくなり寿命の点で好ましくないからである。この
点では、標準鋼、比較例とも同じである。

Ｓｉの含有量について検討する。転がり接触面下、最大
せん断力力が作用する深さの領域においては、繰り返し
せん断力力に基づく発熱作用のため、マトリックスの硬
さの低下およびこれによる塑性変形抵抗の低下、つまり
焼戻し軟化抵抗の低下を招く、ここで言及するＳｉは、
マトリックス強化元素であり、また焼戻し軟化抵抗性を
増大させる元素であるため、寿命向上には有効な元素で
ある。このために必要なＳｉ量は最低１．０％程度であ
り、Ｓｉ量が増すほど寿命は向上するが、方では２，０
％を超えると球状化焼なましや焼入時の加熱による脱炭
が著しくなり寿命向上の利点を失う。また、冷間加工性
も悪くなる。よって下限を１．０％とし上限を２．０％
とする。

Ｃｒは炭化物形成元素であり、また焼入性向上元素でも
あり、前述のＳｉ後述のＭｎと共に焼入性を調整して軸
受として必要な硬さを保持すると共に、鋼中の炭化物の
微細球状化のため有効である。

このためには、Ｃｒは少なくとも１．０％を必要とする
。よって、Ｃｒの下限を１．０％とする。一方、Ｏｒが
２．０％をこえると巨大炭化物が生じ寿命をかえって低
下させる可能性があるので、Ｃｒの上限を２．０％とす
る。

Ｍｎ含有量を０．２〜１．０％とした理由を以下に述べ
ると、下限を０．２％以上としたのは、現状の５ＵＪＺ
並の焼入性および残留オーステナイトを得るためであり
、一方、上限を１．０％としたのは、Ｍｎを多く添加す
ると残留オーステナイトａが増加し被削性を著しく阻害
するためである。

Ｎｉ含有量について検討する。前述のように、き裂の発
生および進展を抑制するための靭性向上は、寿命の長寿
命化にとって非常に有効な手段であり、ここで言及する
Ｎｉは、このマトリックスの靭性向上に対して有効な元
素である。第１表において、本発明材であるサンプル３
，４．５は夫々Ｎ１含ａｍが１．０３％、１．４７％、
１．９５％である。このサンプル３，４．５の破壊靭性
値およびき裂発生サイクル数、つまり、繰り返し圧縮試
験におけるき裂発生開始のサイクル数は、標準高炭素ク
ロム軸受鋼の夫々の値を１として比の値で示すと、破壊
靭性値が夫々１．３，１．３，１．．３、また、き裂発
生サイクル数が夫々１．５，１．５，１．５と上Ｓ己す
ンプル３，４．５のすべてのサンプルで、Ｎｉを全く含
有していない上記標準高炭素クロム軸受鋼の値に比べて
、破壊靭性値が３０％、またき裂発生サイクル数が５０
％と明らかに向上している。

このことは後述のように寿命にも好結果をもたらす。一
方、Ｎｉ含有量が本発明のＮｉ含有量１．０〜２．０％
の下限１％よりも少ない０．５１％であるサンプルｌの
破壊靭性値はｌ　１１また、き裂発生サイクル数は１．
１と、上記サンプル３，４゜５の夫々の値に比べて低く
、Ｎ１を１．０％以下の量添加しても、Ｎｉ添加による
マトリックスの靭性の向上に大きな効果が認められない
。それゆえ、Ｎｉ含有量の下限を１．０％とする。また
、Ｎｉ含有量が本発明のＮｉ含有量の上限の２０％より
も多い２．４１％のサンプル２の破壊靭性値およびき裂
発生サイクル数は夫々ｌ　２および１．３と、上記標準
高炭素クロム鋼の１に比して改善されてはいるが、残留
オーステナイト量もＮｉ含有量の増加につれて増加して
しまい、その結果として、マトリックス靭性の向上と共
に寿命に直接影響する要素である硬さ（ＨＲＣ）が５７
と、標準高炭素クロム鋼の硬さ（ＨＲＣ）６２あるいは
本発明のサンプル３．４．５の硬さ（ＨＲＣ）６２，６
２．６１に比して著しく低下してしまう。このように、
Ｎｉ含有量が２．０％を超えると、寿命の長寿化に貢献
する破壊靭性値および繰り返しサイクル数はある程度向
上するものの、その一方で同じく寿命の長寿命化に貢献
する硬さ（ＨＲＣ）が低下してしまい、全体として寿命
が短くなってしまう。したがってＮｉ含有量を１．０〜
２．０％とした。

次に、Ｓ十Ｐ含有量について検討する。前述のように、
一般に、マトリックスの靭性が向上すると、寿命の長寿
命化には大きく効果が表われるが、被削性の低下という
不利な一面がでてくる。通常、Ｓ＋Ｐは鋼中の不可避不
純物であり、寿命向上にとっては、極力少なくする必要
があるとされているが、本発明者らは、上記被削性の低
下を補う目的で、Ｓ＋Ｐ含有量と被削性との関係を検討
した。

試料を、同一切削条件の下で、同一条件の工具でもって
切削を行い、その工具寿命長さでもってその試料の被削
性を評価した結果、Ｓ＋Ｐ含有景が００１５％以下では
、被削性が通常の軸受鋼（標準高炭素クロム軸受ｗ４）
に比べて１０％も低下した。このことは軸受の生産性に
大きく影響し、生産性を低下させてしまう。一方、Ｓ＋
Ｐ含有量が００４０％以上では、炭化物の粗大化やＳ＋
Ｐの粒界への偏析等に起因して寿命が著しく短かくなる
ことを確認している。したがってＰ十Ｓ含有虫を０．０
１５〜０．０４０％とした。

第３図は、発明鋼であるサンプル３と標学高炭素クロム
軸受鋼（図中現用鋼）における焼戻し温度℃と硬さＨＲ
Ｃの関係を示した図であり、上述の熱処理条件において
焼戻し温度をパラメータとして変化させた結果である。

第３図より明らかなように、発明鋼は現用鋼に比へて耐
焼戻し性に優れ、特に、２５０℃以上の焼戻し温度の範
囲において、現用鋼に比べて硬度ＨＲＣの低下が少ない
、つまり、高い耐焼戻し性を有する。なお、試料は直径
が２Ｏｎ＋ｎ＋、長さがｌＯ闘のものを用いた。

第４図は、上記サンプル３と現用鋼５ＵＪ２に回転曲げ
疲労試験を行った結果を示した図であり、縦軸は繰り返
し応力（ｋｇｆ／ｍｍ”）、横軸は破断に至った応力の
繰り返し数（サイクル）である。試料の形状１寸法は図
中記載のとおりである。第４図より明らかなように、サ
ンプル３は現用鋼５ＵＪ２に比べて、同−繰り返し応力
下での破断に至るまでの繰り返し数が著しく多くなった
。つまり、サンプル３においては、現用鋼５ＵＪ２に比
べてはるかに高い回転曲げ疲労強度が得られた。そして
、図示はしないが、１０７サイクルにおける疲労限がサ
ンプル３はＩ　０５　ｋｇｆ／　ｍｍ”と、現用鋼の９
３ｋｇｆ／ｍｍ’に比べて１０％以上も高まることを確
認した。これらは、次に述べる転がり疲労寿命の長寿命
化にも大きく貢献する。

第１図は、第１表のサンプル３の高炭素クロム軸受鋼お
よび標準高炭素クロム軸受鋼で作った所定の数の直径が
２０ｍｍ、長さが２Ｏｎ＋ｍの円筒コロの試験片を用い
て転がり疲労寿命試験を行った結果をワイブル確率紙上
にプロットした図である。

試験条件は、最大接触面圧Ｐ　ｍａｘが４４０　ｋｇｆ
／ｍｍ２゜応力繰り返し数が３　Ｘ　１０　’ｃｐｍで
ある。横軸は応力繰り返しサイクル数、縦軸は累積破損
確率である。この第１図から明らかなように、本発明品
であるＮｉ含有型が１．０３％のサンプル３の高炭素ク
ロム軸受ａ（図中発明鋼）の試料の寿命は、Ｎ１の添加
されていない標準高炭素クロム軸受に！４（図中現用鋼
）の試料の寿命に比べて、Ｂ　１０寿命（サイクル）で
１２９倍、Ｂ５０寿命（サイクル）で１２６倍と飛躍的
に長寿命化している。

第５図は、上記転がり疲労寿命試験において、応力繰り
返し数が９．５Ｘ１０７サイクルではくすした現用鋼の
転勤面下最大せん断応力深さ付近に認められた組織変化
を概略的に示したものであり、図示の如く、線状の組織
変化が表れている。

この組織変化した部分が起点となって、この現用鋼はば
くりに至った。本発明鋼であるサンプル３においては、
上記現用鋼にはくりが生じた９５×１０７サイクルより
らはるかに多い１０×１０８サイクルもの応力繰り返し
数を与えた後においても、第５図に示すような組織変化
は認められず、もちろん、何等はくり等は生じなかった
。

第２図は、上記サンプル３の被削性を調べた結果の図で
ある。上記サンプル３は、Ｎｉを１．０３％加えて、マ
トリックスの靭性を標準高炭素クロムａ（ＳＵＪ２）に
比べてはるかに高めて飛躍的な長寿命化を実現したもの
である。しかし、前述のように、被削性の面では不利な
面が生じるので、Ｓ＋Ｐ含有量を、前述の理由により、
上記標準高炭素クロムｇ（ＳＵＪ２）の０．０１４％よ
りも高めて０．０１８％として、従来のＳＵＪ　２並み
の被削性を確保している。試験条件は、工具超硬合金Ｐ
２０（ＪＩＳ　　Ｂ１２Ｏ３）、送り０　、３　ｍｔａ
／　ｒｅＵ、切込量１．ｏｎ＋ｍ、切削速度１５０〜２
５０　ｍ／ｍｉｎ。

切削油無し、工具寿命基準ＶＢ（前逃げ面平均摩耗幅）
　０　、３　＋ｎｍである。第２図の横軸は工具寿命（
ｍｉｎ）を、縦軸は切削速度（ｍ／ｍ１ｎ）を示してい
る。この図から明らかなように、Ｓ十Ｐ含有量を０．０
１８％に高められたサンプル３（図中発明鋼）を切削し
た工具の寿命は、実験を行なった切削速度範囲のすべて
に渡って標準高炭素クロム軸受鋼（図中現用ｊＩａｌ）
を切削した工具の寿命とほとんど差はない。

つまりサンプル３の被削性は、上記標準高炭素クロム軸
受鋼と同等である。

〈発明の効果〉以上より明らかなように、この発明の高炭素クロム系軸
受鋼は、０，８〜１．２重量％のＣ，１，０〜２．０重
量％のＮｉ１．Ｏ〜２．０重量％のＳｉおよびＯ，Ｏ１
５〜０．０４０％のＳ＋Ｐを含有しているので、マトリ
ックス靭性を向上させて、き裂の発生、進展を抑えて、
転がり疲労寿命を従来に比べ１０倍以上に、また曲げ疲
労寿命を１０倍以上に飛躍的に長くすることができると
共に、従来、転がり疲労寿命の長寿命化にとってその存
在がデメリットと言われており、その低減のために特別
な技術・コストを必要としてきたＳ十Ｐ元素を、逆に積
極的に利用して、被削性を、従来の高炭素クロム軸受鋼
ＳＵＪ　２と同等にすることができる。つまり、５ＵＪ
２の焼入焼戻し硬化処理に大きな変更を加えずに熱処理
を行って、切削性を低下させることなく転がり疲労寿命
を長寿命化することができ、かつ回転曲げ疲労限を向上
させることができる。さらに、従来の高炭素クロム軸受
鋼５ＵＪ２と同等あるいはそれ以上の硬度を確保しつつ
、耐焼戻１−性を従来に比べて向上させることができ、
特に、焼戻し温度が２５０℃以上の範囲において優れた
耐焼戻し性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の高炭素クロム系軸受鋼の実施例およ
びその比較材の各成分の含有量および諸態定値を示す第
１表のサンプル３の転がり疲労試験結果を従来品の結果
と共に、ワイブル確率紙にプロットした図、第２図は第
１表のサンプル３の被削性を調べた結果を、従来品の結
果と共に示した図、第３図はこの発明の高炭素クロム系
軸受鋼の実施例と現用鋼の焼戻し温度（’Ｃ）と硬さ（
ＨＲＣ）との関係を示した図、第４図はこの発明の高炭
素クロム系軸受鋼の実施例と現用鋼の回転曲げ疲労試験
結果を示した図、第５図は転がり疲労寿命に至った従来
品の転勤面下最大せん断応力深さ付近に生じた組織変化
の概略の説明図である。第２図工具４今１ｍＩｎ　＋特　許　出　廓　人　光洋精工株式会社ほか１名代　理
　人　弁理士　前出　葆　ほか１名第図焼戻し温度（°Ｃ）第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素含有量が０．８〜１．２重量％である高炭素
クロム系軸受鋼において、Ｎｉ含有量が１．０〜２．０重量％、Ｓｉ含有量が１．
０〜２．０重量％、Ｓ＋Ｐ含有量が０．０１５〜０．０
４０重量％であることを特徴とする高炭素クロム系軸受
鋼。