JPH05179401A

JPH05179401A - 軸受用鋼

Info

Publication number: JPH05179401A
Application number: JP35940191A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Muroga; 啓室賀; Tomoaki Nishikawa; 友章西川
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-20

Abstract

(57)【要約】【目的】軸受の寿命を実際上規定している要因である
異物に対して強くすることにより、軸受の寿命を大幅に
延長することのできる軸受用鋼を提供する。【構成】重量比にして、Ｃ：0.60〜1.50％、Ｓｉ：0.
15〜1.00％、Ｍｎ：0.15〜0.50％、Ｃｒ：3.0〜19.0
％、Ｍｏ：0.50〜6.50％、Ｖ：0.05〜1.50％、Ａｌ：0.
020〜1.50％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成る鋼
を、500〜600℃の温度で窒化を行なう軸受用鋼。【効果】表面は窒化により非常に硬化し、異物噛み込
みに対して強くなるとともに、内部においても、窒化処
理時に焼もどしが行なわれ、二次硬化により高い硬さが
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、潤滑油等に混在する異
物に対して強い（転動疲労強度の低下の割合が少ない）
軸受用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】軸受用鋼の製造工程は近年大きく進歩し
ており、種々の炉外精錬装置や脱ガス装置の導入によ
り、鋼そのものの清浄度は非常に向上している。これに
より、理想的な条件の下で行なう実験室的なデータで
は、材料単体での転動疲労寿命には大幅な向上が図られ
てきたが、実際に軸受として使用される場合には、寿命
が著しく短くなる場合がある。これは、軸受が寿命とな
る（使用不可となる）原因が材料自身よりも外部的な要
因にある場合である。現在、その最も大きな原因は潤滑
油の中に混在している機械摩耗粉等の異物であることが
判明しているが、このような異物はあらゆる機械的接触
部において発生する。例えば自動車のトランスミッショ
ン場合には各ギヤ同士の接触、摺動により微細な鉄粉が
発生する。このようにして発生した異物は、潤滑油を介
して、機械的摺動部（トランスミッション・ギヤ）と共
通の潤滑油で潤滑されている軸受の内部にも侵入する。
軸受の内部に侵入した異物は、特にボールとレースの転
動面に噛み込まれたときに転動面に疵を付け、剥離を促
進して転動疲労寿命を著しく短くする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、軸受の寿
命は実際上、異物が存在することを前提に考えることが
必要である。この場合、最も効果的な対策は、異物によ
るきずを付きにくくすることである。

【０００４】軸受の寿命を著しく低下させるもう一つの
要因は、温度である。例えば、近年、自動車の静粛性に
対する強い要請から、エンジン部分を断熱材等で覆って
音を遮断するという対策が取られつつあるが、このよう
なエンジン部の密閉化はエンジン部の温度上昇を招くこ
とになる。軸受は元来転動・摺動するものであるため、
他の部分よりは温度が上昇しやすいが、このようなエン
ジン部全体の温度上昇は軸受部分において更なる温度上
昇をもたらす。

【０００５】本発明は、これらの軸受の寿命を実際上規
定している要因に対して対策を施すことにより、軸受の
寿命を大幅に延長することのできる軸受用鋼を提供する
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、重量比にして、Ｃ：0.60〜1.50
％、Ｓｉ：0.15〜1.00％、Ｍｎ：0.15〜0.50％、Ｃｒ：
3.0〜19.0％、Ｍｏ：0.50〜6.50％、Ｖ：0.05〜1.50
％、Ａｌ：0.020〜1.50％、残部Ｆｅ及び不可避的不純
物から成る鋼を500〜600℃の温度で窒化を行なう軸受用
鋼である。

【０００７】

【作用】各化学成分の限定理由は次の通りである。

【０００８】Ｃ：0.60〜1.50％炭素はＣｒ、Ｍｏ、Ｖとの間に炭化物を形成する。この
炭化物は軸受用鋼に必要な耐摩耗性を付与するととも
に、焼もどし時の二次硬化を生じさせる効果を有する。
このような効果を有効に得て、軸受用鋼としての硬さを
満足させるためには、0.60％以上の炭素を含有する必要
がある。しかし、1.50％を超えて含有させると初析炭化
物が増加し、均一な炭化物分布を得ることが困難となっ
て、常温においても転動疲労寿命の低下をもたらす。ま
た、熱間加工性が低下する。

【０００９】Ｓｉ：0.15〜1.00％シリコンは製鋼時に溶鋼の脱酸剤として使用される。鋼
の脱酸が不十分である場合には鋼中に酸化物系介在物が
増加し、これが応力集中源となって転動疲労寿命を低下
させる。このような弊害を避けるために鋼の脱酸を確実
に行なうには、0.15％以上のシリコンの添加が必要であ
る。しかし、シリコンは一般に合金鋼の焼入後の残留オ
ーステナイトを安定化させる作用を有する。後述するよ
うに、本発明に係る軸受用鋼は比較的高温で焼もどしを
行なう（窒化と同時に行なう）が、1.00％を超えるシリ
コンを含有させると残留オーステナイトの分解温度が高
温側に移行する。残留オーステナイトは硬さを下げて転
動疲労寿命を低下させるとともに、その分解により経年
的な寸法変化をもたらすため、高温で使用する場合は特
に残留オーステナイト量を少なく抑えておく必要があ
る。また、シリコンは脱炭を促進する作用があること等
のため、1.00％を超えるシリコンの含有は鋼の製造を困
難にする。

【００１０】Ｍｎ：0.15〜0.50％マンガンもシリコンと同様、製鋼時に脱酸剤として用い
られる。また、焼入性を向上する効果が大きく、比較的
大きな部品において完全な焼入れを行なうために有用な
元素である。これらの効果を発揮させるためには、少な
くとも0.15％のマンガンを含有させる必要がある。しか
し、0.50％を超えると焼入れ後の残留オーステナイト量
が多くなり、焼入硬さが低下して転がり寿命が低下す
る。また、切削性も低下する。

【００１１】Ｃｒ：3.0〜19.0％クロムは、軸受用鋼として重要な焼なまし時の炭化物球
状化という作用を行なうほか、本発明で必須要件とする
窒化処理に際して表面窒化層の硬さを上昇させるという
効果を有するが、3.0％以下ではそれらの効果を十分に
発揮することができない。しかし、クロム含有量が19.0
％を超えると、クロム系の巨大炭化物が生成し、熱処理
後の最終組織にまで残存するようになるため、転動疲労
寿命が悪化する。また、熱間加工時の製造性を著しく困
難にする。

【００１２】Ｍｏ：0.50〜6.50％モリブデンは鋼の焼もどし時に軟化抵抗及び二次硬化を
生じさせる効果を有するほか、クロムと同様、窒化処理
に際して表面窒化層の硬さを上昇させるという効果を有
する。このような効果を得るためには、0.50％以上のモ
リブデンを含有させることが必要である。しかし、6.50
％を超えて含有させると、クロムの場合と同様、巨大炭
化物が生成し、転動疲労寿命が悪化する。また、熱間加
工時の製造性を困難にする。

【００１３】Ｖ：0.05〜1.50％バナジウムはモリブデン同様、微細炭化物の析出によ
り、焼もどし軟化抵抗性及び二次硬化性を鋼に与えると
ともに、結晶粒微細化の効果も有する。また、バナジウ
ムは炭化物の硬さを上昇させるが、本発明鋼の場合には
特に表面窒化層の硬さを上昇させるという作用により鋼
の耐摩耗性を向上し、転動疲労寿命を延ばす。このよう
な効果を得るためには0.05％以上のバナジウムの含有が
必要である。しかし、1.50％を超えて含有させてもこの
ような効果が飽和し、材料価格を無駄に上昇させる。ま
た、結晶粒界にバナジウム炭化物が多く析出するように
なって熱間加工性を低下させる。

【００１４】Ａｌ：0.02〜1.50％本発明鋼は窒化処理により表面硬さを上昇させるもので
あるが、アルミニウムはその窒化層を形成する元素であ
る。また、鋼製造時の脱酸にも必要な元素である。これ
らの効果を得るためには、0.02％以上のアルミニウムを
含有させることが必要である。しかし、1.50％を超えて
含有させると熱間で脆化し、圧延が困難となる。

【００１５】本発明では、以上の合金成分を含有する鋼
を950℃〜1200℃の範囲で加熱して、焼き入れる。この
ような温度範囲としたのは、950℃以下では炭化物が十
分マトリクスに溶け込まず、後の焼もどし時に十分な二
次硬化が得られなくなるためである。また、焼入温度が
1200℃を超えると結晶粒の粗大化が生じるとともに、脱
炭が著しくなるためである。

【００１６】焼入れた後は、500℃〜600℃の温度範囲で
窒化処理を施す。窒化処理としては、アンモニアを用い
るガス窒化法、或いは溶融ＫＣＮ等を用いた塩浴窒化法
のいずれでも構わない。窒化処理により、表面から約0.
3ｍｍ程度の深さまで、最高硬さHv1000程度の硬化層が
形成される。これにより、転動面に金属粉等の異物が噛
み込まれたときにも表面に容易に疵が付くことがなくな
り、転動疲労寿命の低下を最小限に防ぐことができる。
また、軸受のボール、ローラ等による摩耗が減少するた
め、軸受の転動疲労寿命は従来よりも長くなる。なお、
窒化後、最表面に白層と呼ばれる非常に脆いε相が生成
するが、これは軸受として使用する前にあらかじめ研磨
除去しておくことが望ましい。

【００１７】ここで、窒化温度が500〜600℃であるた
め、表面が窒化されると同時に内部では焼入組織が焼も
どされる。本発明鋼では上記の通りＣｒ、Ｍｏ、Ｖとい
う二次硬化元素を含有しており、これらの元素の微細な
炭化物が析出してくる温度が丁度この温度範囲であるた
め、表面が窒化されると同時に、内部では二次硬化によ
り高い硬さが得られる。

【００１８】

【実施例】次に、本発明鋼の特徴を実施例により説明す
る。供試鋼の主要化学成分を表１に示すが、本供試鋼は
従来より高温軸受用鋼として用いられているＡＩＳＩ−
Ｍ５０鋼の成分範囲内に入るものである。

【００１９】

【表１】

【００２０】転動疲労試験を行なうため、φ６５ｍｍに
圧延した供試鋼からφ６０×１０ｍｍの平板状試験片を
作製し、次のような熱処理を施した。まず、試験片を11
20℃で30分間保持した後に油焼入れし、直ちに液体窒素
（−78℃）中に浸漬してサブゼロ処理を施した。その
後、550℃で600分（10時間）のガス窒化処理を行なっ
た。これにより、表面が窒化されるとともに、内部では
焼もどし過程が進行して、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖによる二次硬
化が生じる。窒化処理後の表面（表面下0.1ｍｍ）硬さ
はHv1000、内部硬さはHv780であった。なお、窒化処理
後、最表面に生成する白層を除去するため、表面から約
0.05ｍｍを研磨した。

【００２１】上記供試鋼（Ａ）の他に、比較のために、
表１に示した供試鋼を、窒化処理を施すことなく、同じ
温度条件（550℃×600分）で焼もどした試験片（Ｂ）
と、従来鋼であるＳＵＪ２に通常の熱処理（840℃×40
分焼入、180℃×90分焼もどし）を施して作製した試験
片（Ｃ）を用意した。

【００２２】このようにして作製した３種の試験片Ａ、
Ｂ、Ｃについて、表２に示す条件で転動疲労試験を行な
った。ここで、試験条件を実際の軸受の負荷条件に近づ
けるため、粒径が約100μｍ（0.1ｍｍ）の鉄粉を潤滑油
に混入させ、試験片をその潤滑油中に浸漬して負荷球を
転動させた。転動疲労試験の結果を表３に示すが、試験
結果は、従来鋼であるＳＵＪ２の試験片ＣのＬ10寿命
（累積破損率１０％の寿命）を１として、それに対する
比率で現わした。表３に示されている通り、表面窒化処
理を施した試験片Ａは、このような厳しい条件の下では
通常の軸受用鋼の２倍以上の転動疲労寿命を有する。こ
れは、転動面が非常に硬い（Hv1000）ため、異物（潤滑
油に混入した鉄粉）が負荷球と転動面との間に噛み込ま
れても転動面が損傷しにくいためと考えられる。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】例えば自動車のトランスミッションで
は、トランスミッションギアの噛み合い部分で発生する
摩耗粉等が潤滑油に混入して軸受の内部に侵入すること
がある。本発明に係る軸受用鋼では表面を窒化して使用
するため、このような異物が軸受のボールやローラとレ
ースとの間に侵入しても、それにより表面が変形したり
疵が付いたりすることが少なく、寿命の低下が最小限に
抑えられる。従って、実際の使用状況の下では非常に寿
命の長い軸受とすることができる。なお、本発明鋼は軸
受以外にも、等速ジョイント等の種々の転動部品に適用
することができる。

【表３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にして、Ｃ：0.60〜1.50％、Ｓ
ｉ：0.15〜1.00％、Ｍｎ：0.15〜0.50％、Ｃｒ：3.0〜1
9.0％、Ｍｏ：0.50〜6.50％、Ｖ：0.05〜1.50％、Ａ
ｌ：0.020〜1.50％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から
成る鋼を、500〜600℃の温度で窒化を行なうことを特徴
とする軸受用鋼。