JPH04337024A - 軸受鋼の製造方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、常温ではもとより、
３００℃という比較的高い温度までの領域においても優
れた転動疲労強度を示す軸受用鋼の製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】近年、例えば自動車産業の分野
での燃費向上施策等に見られるように、各種機械・設備
における使用部品の軽量化要請が高まっているが、特に
動力伝達部品の場合には、軽量化に伴って部品が負担す
る応力は相応に大きくなるので軽量化と同時に材料の高
強度化も必要となる。

【０００３】ところで、動力伝達系に使用される軸受に
ついては、上記のような小型化に伴った高強度化が必要
であることは勿論であるが、特にエンジン周辺部に使用
されるものでは同時にエンジンの高速回転による潤滑油
の温度上昇（１２０〜３００℃）にも十分耐え得るだけ
の強度、即ち耐熱性を有していることも重要な要件とな
る。

【０００４】ここで、軸受材料に必要な強度とは「玉又
はころとレ−スとの間の繰り返しころがり接触による表
面剥離に対する強度（以降“転動疲労強度”と称する）
」のことであり、これが軸受の寿命を左右する。従って
、自動車等の動力伝達部に使用される軸受のうち、特に
エンジン周辺部で使用されるものについては、１２０〜
３００℃の温度においても高い転動疲労寿命を発揮する
ことが必要となる。

【０００５】このような軸受用の材料として、従来から
ＪＩＳに規定されたＳＵＪ２鋼の焼入れ・焼戻し材が最
も頻繁に使用されてきたが、それでもこの材料では前述
した１２０〜３００℃程度の温間での耐熱性は十分と言
えなかった。つまり、ＳＵＪ２鋼製の軸受では、１２０
〜３００℃の温間に長時間曝されると表面は焼戻し作用
を受けて軟化し、転動疲労寿命の大幅な低下が生じた訳
である。

【０００６】このようなＳＵＪ２鋼の欠点を補うには、
材料表面を軟化抵抗の高い金属組織とするか、或いは表
面硬度を上昇させる必要があり、そのためこれまで鋼組
成や表面処理方法に様々な工夫が試みられ、多くの提案
もなされてきた。その代表的なものとして、例えばａ）
　　ＳＵＪ２鋼のＳｉ量を増すことによって焼戻し軟化
抵抗を増加させ、これにより転動疲労寿命の向上を図る
提案（特開平１−２５５６５０号）， ｂ）　　高Ｃｒ低・中炭素鋼を浸炭し、表層部に炭化物
を分散析出させることによって表面硬度を上昇させ、こ
れにより転動疲労寿命の向上を図る提案（特開平２−１
０７７５５号），等を挙げることができる。

【０００７】しかしながら、前記提案ａ）の場合は、Ｓ
ｉ量の増加のみでは軟化抵抗の向上に限界があり、高Ｓ
ｉ量としても使用温度が２００℃以上になると急激に硬
度が低下するため、２００℃以上における転動疲労寿命
の向上は期待できなかった。

【０００８】また、前記提案ｂ）の場合は、炭化物の析
出による表面硬度の上昇や軟化抵抗の向上が期待できる
ので温間での硬さ低下は提案ａ）の場合に比べて小さい
が、それでも転動疲労寿命の向上効果が十分とは言えず
、３００℃程度までの温間における転動疲労寿命の目立
った改善を達成することはできなかった。これは、提案
ｂ）の手法で炭化物の分散析出が図られた材料は、炭化
物の析出形態が転動疲労寿命の向上に十分適合していな
いことによるものと考えられる。

【０００９】このようなことから、本発明が目的とした
のは、従来材に比べて大幅に改善された転動疲労強度を
有し、１２０〜３００℃の比較的高い温度域においても
優れた転動疲労寿命を示す軸受鋼を提供することであっ
た。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は上
記目的を達成すべく、特に浸炭により表層部に炭化物を
分散析出させた軸受鋼の表面硬度や軟化抵抗の向上効果
に着目しつつ、１２０〜３００℃程度の比較的高い温度
下での転動疲労寿命の更に安定した向上策を求めて鋭意
研究を重ねた。

【００１１】ところで、浸炭により鋼の表層部に炭化物
を効果的に析出・分散させるためには、原則として、浸
炭前の組織の中に炭化物析出浸炭時の析出サイトとなる
べき核を予め分散させておく必要があるという基礎的な
事実がある。つまり、前組織の中に前記核の分散が無け
れば、浸炭時における炭化物の析出は優先的にオ−ステ
ナイト粒界で起きることとなる。このようなオ−ステナ
イト粒界への炭化物の析出が起きると、機械構造部品と
して必要な靭性が大幅に劣化することは言うまでもない
。従って、１２０〜３００℃の温度域においても高い転
動疲労寿命を確保するには、オ−ステナイト粒界への炭
化物析出を極力阻止し、オ−ステナイト粒内に炭化物を
析出させることが必要であり、このためには浸炭の前組
織に炭化物の析出サイトとなる核を分散させておくこと
が必要な訳である。

【００１２】そこで、本発明者等はこのような観点から
種々の調査を行った結果、次のような事実を見出したの
である。 （ａ）　浸炭によって炭化物を析出させる際、析出サイ
トとして最も有効に働く核は　”浸炭時に析出する炭化
物の結晶構造と同じもの”　であり、核としてこのよう
なものを選ぶことが重要である。例えば、浸炭時に析出
する炭化物がＭ３　Ｃ型の場合には、前組織にＭ３　Ｃ
型の炭化物を予め分散しておけば、浸炭にて粒内に均一
に炭化物を析出させることが可能となる。

【００１３】（ｂ）　ところで、前記析出核は炭化物析
出浸炭の際にマトリックス中へ溶解してはならない。浸
炭中に核（炭化物）がマトリックス中へ溶解すると、浸
炭による炭化物の析出は粒界において優先的に生じるこ
ととなる。このため、炭化物析出浸炭は、核がマトリッ
クスに完全に溶解しない“温度−時間バランス”で行う
必要がある。

【００１４】（ｃ）　　前記条件に沿う炭化物析出浸炭
の前組織としては、球状化焼鈍組織を挙げることができ
る。 即ち、該組織の球状化した炭化物は炭化物析出浸炭の際
に不溶で安定な炭化物の析出核として有効に作用し、同
一結晶構造の炭化物の析出を促す。そして、中，低炭素
鋼においてこの球状化焼鈍組織を実現するには、該鋼を
事前浸炭し表面を高炭素化してから球状化処理する手法
が効果的である。

【００１５】（ｄ）　　従って、中，低炭素軸受鋼を事
前浸炭して表層部を高炭素のパ−ライト或いはベイナイ
ト主体の組織とした後、これに球状化焼鈍を施して〔フ
ェライト＋球状化炭化物〕組織とし、この後に炭化物析
出浸炭を実施すると、事前浸炭部の球状化炭化物を核に
して鋼表面の結晶粒内に炭化物が微細に分散析出され、
鋼の表面硬度と焼鈍軟化抵抗が著しく上昇して１２０〜
３００℃の使用温度においても優れた転動疲労寿命を示
すようになる。

【００１６】本発明は、上記知見事項等を基にして完成
されたものであり、 「Ｃ：０．１　〜０．７　％（以降、　成分割合を表わ
す％は重量％とする）， Ｓｉ：２．０　％以下，　　　　Ｃｒ：１．０　〜１７
．０％，　　　　Ｎｉ：５．０　％以下 を含むか、　或いは更に Ｍｏ：５．０　％以下，　　　　　Ｎｂ：０．０１〜１
．０％，　　　　Ｖ：０．０１〜１．０　％ の１種又は２種をも含み、残部がＦｅ及び不可避的不純
物から成る鋼を、事前浸炭して表層の炭素量を〔共析点
を超えＡｃｍ変態点未満〕の範囲に調整した後空冷して
該表層をパ−ライト又はベイナイト主体の組織とし、続
いてこれに球状化焼鈍を施して表層部を〔フェライト＋
球状化セメンタイト〕組織と成した後、７５０〜１００
０℃の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡｃｍ変態
点以上に調整し、引き続いて９００〜７５０℃より焼入
れ処理してから焼戻し処理を施すことにより、　常温か
ら３００℃の温度域においても優れた転動疲労強度を示
す軸受鋼を工業的に安定して提供し得るようにした点」
に大きな特徴を有している。

【００１７】なお、上記本発明法においては、球状化焼
鈍後の炭化物析出浸炭の前に機械加工（冷間鍛造加工等
）を施しても良い。球状化焼鈍後の組織は〔フェライト
＋球状化セメンタイト〕組織となっているので加工性に
優れており、従って、形状を整えるのが非常に容易だか
らである。

【００１８】次に、本発明において適用鋼の化学成分組
成及びその処理条件を前記の如くに限定した理由を説明
する。 Ａ）　鋼の化学成分組成 Ｃ Ｃには鋼の硬度を確保する作用があるが、その含有量が
　０．１％未満であると芯部の強度不足を招いて軸受鋼
としての性能を確保できなくなる。一方、０．７％を超
えてＣを含有させると材料芯部の靱性を大幅に損ね、や
はり軸受鋼としての所望性能を確保できなくなる。特に
、本発明は炭化物析出により鋼の表面を強化する表面硬
化手段を取り入れたものであるが、表面硬化を行う場合
には硬化により著しく低下した表面の靱性を芯部の靱性
で補う必要があるため芯部に十分な靱性を確保すること
が非常に重要であり、それ故、Ｃ含有量の上限には十分
に注意しなければならない。従って、Ｃ含有量は　０．
１〜０．％と定めた。

【００１９】Ｓｉ Ｓｉは基地組織のマルテンサイトに固溶してマルテンサ
イトを強靭化する作用があり、これを通じて転動疲労強
度を向上させる効果をもたらす。しかし、一方では、炭
化物析出浸炭の際に炭化物を析出させにくくする作用も
あり、　２．０％を超えてＳｉを含有させると炭化物が
析出しなくなる恐れがある。従って、Ｓｉ含有量は２．
０　％以下と定めた。

【００２０】Ｃｒ Ｃｒは炭化物析出元素であり、炭化物析出浸炭の際の析
出反応を促進する作用があるが、その含有量が　１．０
％未満では炭化物析出反応の促進作用が不十分で、浸炭
処理中に核である球状化炭化物も凝集粗大化してしまい
、転動疲労強度向上に寄与する炭化物分散組織を得るこ
とができない。一方、１７．０％を超えてＣｒを含有量
させても上記作用による効果が飽和してしまって経済的
な不利を招くようになる。従って、Ｃｒ含有量は　１．
０〜１７．０％と定めた。

【００２１】Ｎｉ Ｎｉも、Ｓｉと同様、基地組織のマルテンサイトに固溶
してこれを強靭化する作用を有しており、この作用を通
じて転動疲労強度を向上させる効果を発揮するが、一方
で、炭化物析出浸炭の際に炭化物を析出させにくくする
作用もある。特に、Ｎｉ含有量が　５．０％を超えると
炭化物の析出が不十分となることから、Ｎｉ含有量は５
．０　％以下と定めた。

【００２２】Ｍｏ Ｍｏは、Ｎｉ及びＳｉと同様、基地組織であるマルテン
サイトに固溶して強靭化させる作用のほか、Ｃｒほどで
はないが浸炭地の炭化物析出反応を促進させる作用をも
有していることから必要により含有せしめられるが、５
．０％を超えて含有させても基地強靭化による転動疲労
の向上効果が飽和してしまうので、Ｍｏ含有量は　５．
０％以下と定めた。

【００２３】Ｎｂ及びＶ Ｎｂ並びにＶには何れも浸炭中にＣと結合してＭＣ型の
特殊炭化物となり、Ｆｅ，Ｃｒの炭化物と共に分散析出
して転動疲労寿命を向上させる作用があるので、必要に
より１種又は２種が添加されるが、何れも含有量が０．
０１％未満であると上記作用による所望の効果が得られ
ず、一方、　１．０％を超えて含有させても転動疲労寿
命の向上効果が飽和してしまう。従って、Ｎｂ及びＶの
含有量は、それぞれ０．０１〜１．０　％と定めた。

【００２４】Ｂ）　前処理（事前浸炭，球状化焼鈍処理
等） 炭化物析出浸炭によって球状化炭化物を微細分散させる
ためには、炭化物の析出核の存在する前組織が必要であ
る。そして、事前浸炭は鋼の表層部を高炭素化させて析
出核を形成する下地を作るために欠かせない処理である
。

【００２５】事前浸炭によって鋼表層のＣ量を共析点を
超える値に調整する理由は、炭化物析出浸炭中にあって
も析出核を安定に残しておくことにあり、共析点以下の
Ｃ量では炭化物析出浸炭中に析出核が消失してしまって
炭化物の微細分散析出が困難になる。一方、該事前浸炭
によって増加する鋼表層のＣ量をＡｃｍ変態点未満に抑
える理由は、この処理中に炭化物を析出させないことに
ある。即ち、析出核として好適な炭化物の析出は次プロ
セスである球状化焼鈍で行われるため、この事前浸炭処
理においてはその準備として表面の固溶Ｃ量を高くして
おくことが重要だからである。

【００２６】事前浸炭後の空冷は、浸炭部をパ−ライト
或いはベイナイトを主体とする組織とし、次プロセスで
ある球状化焼鈍にて結晶粒内に炭化物を均一に分散させ
るために必要である。なお、この場合の冷却速度は特に
制限されるものではない。

【００２７】球状化焼鈍処理は、上述したように、炭化
物析出浸炭の際に析出核となる好適な炭化物が均一分散
した組織、即ち〔フェライト＋球状化セメンタイト〕組
織を得るために実施される。なお、球状化焼鈍には恒温
保持法と徐冷法とがあるが、何れによって得られる炭化
物も析出核としての作用は変わらないので、その処理法
を格別に指定する必要はない。

【００２８】ところで、特開昭５５−６９２５２号公報
には、鋼の浸炭処理に際して、事前浸炭を行い、引き続
く冷却によって表層部をベイナイト，パ−ライト或いは
マルテンサイト組織を作り、ベイナイト，パ−ライト中
の炭化物、或いは昇温中にマルテンサイトの中から生成
する炭化物を炭化物析出浸炭の際の析出核として利用し
ようとの提案が記載されている。しかしながら、前組織
をパ−ライトにした場合には、パ−ライト中の炭化物は
フレ−ク状であるので炭化物析出浸炭過程で十分に球状
化された炭化物が析出しない。また、前組織をベイナイ
ト，マルテンサイトにした場合には、硬度が高くなるの
で前組織での加工が困難となり、何れも軸受鋼の製造手
段としては好ましくない。

【００２９】Ｃ）　炭化物析出浸炭処理炭化物析出浸炭
処理は、先立つ球状化焼鈍で生成された炭化物を核にし
て更なる炭化物を球状微細に析出させ、鋼表面部の硬度
や軟化抵抗を増大させて転動疲労寿命を向上させるため
に施される。なお、上述のように転動疲労寿命の向上の
ためには表面硬度を上昇させることが必要であり、この
ためには炭化物の分散析出に加えマトリックスをＣ量が
Ａｃｍ変態点以上の高炭素マルテンサイトにする必要が
ある。そして、高炭素マルテンサイトを得るためにはＣ
固溶度が大きいオ−ステナイト領域で浸炭する必要があ
る。しかし、浸炭温度が７５０℃未満ではオ−ステナイ
ト領域での浸炭が不可能となる。一方、１０００℃を超
える温度域で浸炭すると炭化物析出の核となる球状化焼
鈍炭化物が消失するので、浸炭によって供給される炭化
物はオ−ステナイト粒界に粗大化して析出することとな
り、転動疲労寿命強度を劣化させる。従って、浸炭処理
温度は７５０〜１０００℃と定めた。

【００３０】浸炭処理の方法としては固体法，塩浴法，
ガス法，イオン法があるが、何れの方法によっても本発
明の目的を達成できるので特に指定する必要はない。ま
た、浸炭時間については、製品によって必要な炭化物分
散層の濃度が変わるのでそれに応じて適正な時間を選ぶ
必要がある。

【００３１】Ｄ）　焼入れ処理 焼入れ処理は、マトリックスを高炭素マルテンサイトに
変態させ、炭化物析出層及び芯部の硬度を上昇させるた
めに実施される。ここで、焼入れによって高炭素マルテ
ンサイトを得ようとすると一般には高温相のオ−ステナ
イトがマトリックスの中に残留しがちである。これを残
留オ−ステナイトと言うが、多量に残留すれば軸受駆動
中の軸受の寸法安定性が劣化し、騒音や焼付の問題が生
じる。そして、焼入れ温度が高くなるほど残留オ−ステ
ナイトに多量に残留する。特に、９００℃を超える温度
域から焼入れを行うと急激に残留オ−ステナイトが増加
し、軸受の寸法安定性を損なうようになる。一方、マト
リックスを高炭素マルテンサイトにするためにはオ−ス
テナイト域から焼入れる必要があるが、焼入れ温度が７
５０℃未満であるとオ−ステナイト域からの焼入れが不
可能となる。従って、焼入れ温度は９００〜７５０℃と
定めた。

【００３２】Ｅ）　焼戻し処理 焼戻しは、焼入れによって生成した高炭素マルテンサイ
トに靭性を付与するため施される。この場合、焼戻し温
度は特に限定されるものではないが、軸受の使用温度よ
りも５０〜１００℃高い温度で行うことが望ましい。

【００３３】続いて、本発明の効果を実施例によって更
に具体的に説明する。

【実施例】表１に示す如き成分組成の鋼を真空溶製し、
得られた鋳塊を熱間鍛造して各々直径７０ｍｍの丸棒材
を製作した。次に、各丸棒材から機械加工により直径６
０ｍｍ，厚さ７ｍｍの円盤状試験片を作成し、表２に示
す条件の熱処理を施した。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】次いで、上記熱処理を施した各試験片の表
面を鏡面研磨した後、各々について転動疲労試験（スラ
スト式）を行った。なお、試験条件は 接触応力：５６０ｋｇｆ／ｍｍ２， 油温：２５０℃， 鋼球：　３／８″適正仕上軸受鋼 に設定した。

【００３７】これらの結果（Ｌ５０寿命）を表２に併せ
て示す。表２に示される結果からも明らかなように、本
発明で規定する条件に従って製造された鋼材では、２５
０℃という温間での転動疲労寿命が何れも従来品に比べ
顕著に向上していることが確認できる。これは、炭化物
析出浸炭に先立ち、事前浸炭によりＣ量調整を行った素
地から球状化焼鈍により炭化物が微細分散した前組織を
形成しておくと、炭化物析出浸炭処理によって生じる炭
化物がより球状となって均一微細に分散することとなっ
て、温間での転動疲労寿命の大幅な改善につながったも
のと考えられる。

【００３８】

【効果の総括】以上に説明した如く、本発明によれば、
従来の軸受鋼に指摘された「１２０〜３００℃の使用温
度で転動疲労寿命が低下する」と言う問題を解決し、常
温から３００℃の比較的高い温度までの広い使用温度域
で優れた転動疲労寿命を示す軸受鋼を工業的に安定提供
することが可能となり、自動車におけるエンジン周辺部
等の高い温度で使用される軸受の性能を一段と向上させ
得るなど、産業上有用な効果がもたらされる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量割合にて Ｃ：０．１　〜０．７　％，Ｓｉ：２．０　％以下，Ｃ
   ｒ：１．０　〜１７．０％，Ｎｉ：５．０　％以下 を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物から成る鋼を、
   事前浸炭して表層の炭素量を〔共析点を超えＡｃｍ変態
   点未満〕の範囲に調整した後空冷して該表層をパ−ライ
   ト又はベイナイト主体の組織とし、続いてこれに球状化
   焼鈍を施して表層部を〔フェライト＋球状化セメンタイ
   ト〕組織と成した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸
   炭処理して表面の炭素量をＡｃｍ変態点以上に調整し、
   引き続いて９００〜７５０℃より焼入れ処理してから焼
   戻し処理を施すことを特徴とする、常温から３００℃の
   温度域においても優れた転動疲労強度を示す軸受鋼の製
   造方法。
2. 【請求項２】　　重量割合にて Ｃ：０．１　〜０．７　％，　　Ｓｉ：２．０　％以下
   ，　　Ｃｒ：１．０　〜１７．０％， Ｎｉ：５．０　％以下，　　　　Ｍｏ：５．０　％以下
   を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物から成る鋼を、
   事前浸炭して表層の炭素量を〔共析点を超えＡｃｍ変態
   点未満〕の範囲に調整した後空冷して該表層をパ−ライ
   ト又はベイナイト主体の組織とし、続いてこれに球状化
   焼鈍を施して表層部を〔フェライト＋球状化セメンタイ
   ト〕組織と成した後、７５０〜１０００℃の温度域で浸
   炭処理して表面の炭素量をＡｃｍ変態点以上に調整し、
   引き続いて９００〜７５０℃より焼入れ処理してから焼
   戻し処理を施すことを特徴とする、常温から３００℃の
   温度域においても優れた転動疲労強度を示す軸受鋼の製
   造方法。
3. 【請求項３】　　重量割合にて Ｃ：０．１　〜０．７　％，Ｓｉ：２．０　％以下，Ｃ
   ｒ：１．０　〜１７．０％，Ｎｉ：５．０　％以下 を含有すると共に、更に Ｎｂ：０．０１〜１．０　％，Ｖ：０．０１〜１．０　
   ％の１種又は２種をも含み、残部がＦｅ及び不可避的不
   純物から成る鋼を、事前浸炭して表層の炭素量を〔共析
   点を超えＡｃｍ変態点未満〕の範囲に調整した後空冷し
   て該表層をパ−ライト又はベイナイト主体の組織とし、
   続いてこれに球状化焼鈍を施して表層部を〔フェライト
   ＋球状化セメンタイト〕組織と成した後、７５０〜１０
   ００℃の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡｃｍ変
   態点以上に調整し、引き続いて９００〜７５０℃より焼
   入れ処理してから焼戻し処理を施すことを特徴とする、
   常温から３００℃の温度域においても優れた転動疲労強
   度を示す軸受鋼の製造方法。
4. 【請求項４】　　重量割合にて Ｃ：０．１　〜０．７　％，　　Ｓｉ：２．０　％以下
   ，　　Ｃｒ：１．０　〜１７．０％， Ｎｉ：５．０　％以下，　　　　Ｍｏ：５．０　％以下
   を含有すると共に、更に Ｎｂ：０．０１〜１．０　％，Ｖ：０．０１〜１．０　
   ％の１種又は２種をも含み、残部がＦｅ及び不可避的不
   純物から成る鋼を、事前浸炭して表層の炭素量を〔共析
   点を超えＡｃｍ変態点未満〕の範囲に調整した後空冷し
   て該表層をパ−ライト又はベイナイト主体の組織とし、
   続いてこれに球状化焼鈍を施して表層部を〔フェライト
   ＋球状化セメンタイト〕組織と成した後、７５０〜１０
   ００℃の温度域で浸炭処理して表面の炭素量をＡｃｍ変
   態点以上に調整し、引き続いて９００〜７５０℃より焼
   入れ処理してから焼戻し処理を施すことを特徴とする、
   常温から３００℃の温度域においても優れた転動疲労強
   度を示す軸受鋼の製造方法。