JPH06287712A

JPH06287712A - 転動疲労寿命に優れた鋼部品

Info

Publication number: JPH06287712A
Application number: JP9695493A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Murai; 暢宏村井; Terutaka Tsumura; 輝隆津村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】表面の仕上げ粗さがＲ_max1.0 以上と大きい
状態であっても優れた転動疲労寿命を示す鋼製の機械構
造部品を提供する。【構成】高い面圧が繰り返し負荷される鋼部品を、
Ｃ：0.05〜 0.3％，Si:0.4超〜 2.0％，Mn：２％以下，
Ｐ：0.03％以下，Ｓ：0.03％以下，Ni:0.5〜５％，Cr：
２％以下，Mo：１％以下を含むか、或いは更にCu：0.
05〜 1.0％，Ｎ：0.01〜0.05％， Nb：0.01〜0.05
％，Ｖ：0.01〜 0.2％のうちの１種以上をも含有し、そ
して残部がFe及び不可避的不純物から成る成分組成であ
って、かつ表面部の残留オ−ステナイト量が２０％以上
である浸炭焼入れ層あるいは浸炭窒化焼入れ層を有して
成る構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、表面粗さが粗い状態
であっても優れた転動疲労寿命を示す鋼部品に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術とその課題】一般に、軸受やジョイント等と
いった高い面圧が繰り返し負荷される鋼製の機械構造部
品では、その転動疲労寿命が部品の寿命を支配するが、
近年、自動車等の燃費規制や耐久性強化に対する要求が
一段と厳しくなったこともあって、それら鋼部品につい
ても更なる軽量化や転動疲労寿命向上が強く望まれてい
る。

【０００３】そこで、転動疲労寿命の向上要請に対し、
例えば特開昭６１−２７２３４９号公報にも説明されて
いるように、鋼中酸素量を減らすことによって破壊の起
点となる非金属介在物を低減させたり、Si添加により転
動面の軟化を防止する等の改善策が提案された。そし
て、この改善策によって鋼製軸受，ジョイント類の使用
寿命は著しい向上を見せている。

【０００４】しかしながら、これらの改善策では、転動
面の粗さをラップ仕上げ等により小さくした鋼部品の場
合にのみ所望の効果が認められるが、転動面の表面粗さ
が大きい場合には有効でないという問題があった。

【０００５】即ち、“転動疲労”とは、転動部にて高面
圧が繰り返し作用することにより表面部が剥離する現象
である。つまり、材料表面に面圧が作用した時には表面
部から内部にかけてせん断応力の分布が形成されるが、
一般的にはこの分布は材料の表面からやや内側に入った
ところで最大値を示す。そのため、面圧が繰り返し作用
するとこの最大せん断応力位置付近で疲労亀裂が発生し
てこれが進展し、最終的には剥離に至る。ところが、こ
れは表面粗さが小さい場合の転動疲労挙動であって、表
面からやや内側に入ったところで亀裂が発生することに
特徴があり、この場合には前述した「鋼中非金属介在物
の低減策」や「転動面の軟化抵抗向上策」は有効であ
る。しかるに、転動疲労の破壊形態は転動面の表面粗さ
に著しく影響されるものであって、表面粗さが大きくな
ると破壊機構は様相を異にし、従って上記対策では十分
な転動疲労寿命の向上効果が得られなかった。

【０００６】なぜなら、表面粗さが大きくなると、材料
表面に面圧が作用した時にせん断応力分布が形成される
ことは表面粗さが小さい場合と同様であるものの、表面
凹凸部の応力集中が著しく大きくなるので亀裂は表面か
ら発生するようになり、寿命も短くなる。このように、
表面粗さが大きい場合の転動疲労は、表面粗さが小さい
場合と比べて材料に局部的に作用する応力の大きさが異
なる上、その破壊機構も全く異なるので、内部に存在す
る介在物の低減や軟化抵抗向上が転動疲労寿命の向上に
直接的には結び付かない訳である。

【０００７】上述のように、これまでに提案された転動
疲労寿命の改善策は特に転動面の粗さが小さい場合に有
効であるという事情もあって、多くの軸受等では転動疲
労寿命への考慮から転動面の粗さをラップ仕上げ等によ
り小さくしている。しかし、一部の鋼部品についてはコ
スト上の制約から表面粗さが大きい状態のままで使用さ
れており、この傾向はコスト低減要求の高まりと共に一
部の部品に止まらない状況となりつつあることから、表
面粗さが大きい（粗い）場合であっても良好な転動疲労
寿命を示す鋼部品の開発は急を要する課題であると考え
られた。

【０００８】このようなことから、本発明が目的とする
のは、表面の仕上げ粗さが大きい状態であっても優れた
転動疲労寿命を示す鋼製の機械構造部品を提供すること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく様々な観点に立って鋭意研究を重ねた結
果、次のような知見を得ることができた。 a) 表面粗さが大きい場合の転動疲労破壊は、鋼部品表
面に面圧がかかると粗い表面の凹凸部への応力集中が著
しく大きくなって表面から亀裂が発生する「表面起点型
転動疲労（以降、単に“転動疲労”という）」が進展し
て生じるが、前記表面凹凸部の応力集中の防止に残留オ
−ステナイトが極めて有効であり、表層部に残留オ−ス
テナイトが２０％以上存在すると、この軟相のオ−ステ
ナイトが凹凸部の応力集中を緩和し転動疲労寿命を向上
させる。

【００１０】b) 残留オ−ステナイトが多量に存在する
状態の鋼部品に更に所定の高い値でSiが添加されている
と、その転動疲労寿命はより向上する。なお、“Si添
加”は一般的には部品の表面粗さが小さい時の転動疲労
寿命向上に有効であって、表面粗さが大きくなるとその
効果が無くなることが知られているが、本発明者等の研
究により、表層部に残留オ−ステナイトを分散させて表
面凹凸部の応力集中を緩和しさえすれば応力分布は表面
粗さが小さい場合の応力分布に近づくので、Si添加本来
の効果（転動面の軟化を防止して転動疲労寿命向上に寄
与する効果）を発揮することが明らかとなった。

【００１１】c) また、残留オ−ステナイトが多量に存
在する状態の鋼部品にCu又はＮが添加されていると、そ
の転動疲労寿命は更に向上する。

【００１２】d) 表層部に上述した多量の残留オ−ステ
ナイトが存在する鋼部品は、鋼の成分調整と浸炭焼入れ
あるいは浸炭窒化焼入れを実施することによって実現す
ることが可能である。

【００１３】なお、この“鋼の成分調整”と“浸炭焼入
れ”あるいは“浸炭窒化焼入れ”とに関しては以下に示
す事実を確認している。即ち、鋼を浸炭あるいは浸炭窒
化せずに単純に焼入れした場合、生成される残留オ−ス
テナイトは鋼中の合金元素の種類と量とに影響される。
ここで、鋼の合金元素単位重量当りの残留オ−ステナイ
ト増加量を比較すると「Ｃ＝Ｎ＞Mn＞Cr＞Ni＞Cu＞Mo＞
Si」の順となり、何れの元素も残留オ−ステナイト量を
増加させるが、Ｃ，Ｎの効果は非常に大きい。従って、
表面部に残留オ−ステナイトを生成させるためには、浸
炭あるいは浸炭窒化によりＣあるいはＣとＮを多量に浸
透させるのが有効である。

【００１４】しかし、Si添加鋼を浸炭し、しかも残留オ
−ステナイトを多量に生成させるには次のような配慮が
必要である。つまり、鋼にSiを添加すると、Ｃとの相互
作用によって浸炭あるいは浸炭窒化時の浸透Ｃ量が低下
し残留オ−ステナイトを多量に生成させることができな
くなるので、この場合には浸透Ｃ量を増加させるMn，C
r，Moの複合添加や、浸炭あるいは浸炭窒化時の雰囲気
調整といった手立てを講じる必要がある。

【００１５】本発明は、上記知見に基づき、成分調整し
た鋼に更に高い値でSiを添加すると共に、これによって
問題となる浸炭あるいは浸炭窒化時の浸透Ｃ量の低下を
Mn，Cr，Mo量の制御あるいは浸炭，浸炭窒化時の雰囲気
制御により克服し、この鋼の組成調整と浸炭あるいは浸
炭窒化との適正な組み合わせによって表層部の残留オ−
ステナイトを増量し、表面粗さが大きい場合の転動疲労
寿命を向上させるという思想の下に完成されたものであ
り、「高い面圧が繰り返し負荷される鋼部品を、Ｃ：0.0
5〜 0.3％（以降、成分割合を表す％は重量％とする),S
i： 0.4超〜 2.0％， Mn：２％以下，Ｐ：0.0
3％以下，Ｓ：0.03％以下， Ni： 0.5〜５％，
Cr：２％以下，Mo：１％以下を含むか、或いは更に
Cu：0.05〜 1.0％，Ｎ：0.01〜0.05％，Nb：0.01〜
0.05％，Ｖ：0.01〜 0.2％のうちの１種以上をも含
有し、そして残部がFe及び不可避的不純物から成る成分
組成であって、かつ表面部の残留オ−ステナイト量が２
０％以上である浸炭焼入れ層あるいは浸炭窒化焼入れ層
を有して成る構成とすることにより、Ｒ_max1.0以上の
表面粗さでも優れた転動疲労寿命を発揮し得るようにし
た点」に大きな特徴を有している。

【００１６】次に、本発明において「鋼部品の成分組
成」や「表面部の残留オ−ステナイト量」を前記の如く
に数値限定した理由、並びに「浸炭焼入れ層あるいは浸
炭窒化焼入れ層」を設けた理由を、その作用と共に説明
する。

【００１７】

【作用】

A) 鋼部品の成分含有割合 [Ｃ]Ｃには浸炭焼入れ後あるいは浸炭窒化焼入れ後の鋼
部品芯部の強度を向上させる作用があるが、その含有量
が0.05％未満であると芯部の必要強度を確保することが
できず、一方、 0.3％を超えて含有させると芯部の靱性
確保が難しくなることに加えて、熱処理（浸炭焼入れ，
浸炭窒化焼入れ）前の機械加工時における切削性が劣化
する。従って、Ｃ含有量は0.05〜 0.3％と定めた。

【００１８】[Si]Siには浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼
入れ後の残留オ−ステナイト量が２０％以上の状態にお
いて鋼部品の転動疲労寿命を向上させる作用があるが、
その含有量が 0.4％以下であると前記作用による所望の
効果が得られず、一方、 2.0％を超えて含有させると素
材の加工性が劣化する。従って、Si含有量は 0.4超〜
2.0％と定めたが、好ましくは 0.5超〜 2.0％の範囲に
調整するのが良い。

【００１９】[Mn]Mnには浸炭焼入れ後あるいは浸炭窒化
焼入れ後の残留オ−ステナイト量を増加させる作用があ
るため、残留オ−ステナイト増量のため添加することが
望ましい成分ではあるが、２％を超えて含有させても転
動疲労寿命の更なる改善効果が認められないばかりか、
炭化物析出，マイクロクラック発生の危険が出てくるこ
とから、Mn含有量は２％以下と定めた。

【００２０】[Ｐ及びＳ]Ｐ及びＳは何れも鋼全体の靱性
を劣化させる不純物元素であり、何れの場合もその含有
量が0.03％を超えると靱性が大幅に劣化することから、
Ｐ含有量，Ｓ含有量とも上限を0.03％とした。

【００２１】[Ni]Niには浸炭焼入れ後あるいは浸炭窒化
焼入れ後の残留オ−ステナイト量を増加させる作用のほ
か、残留オ−ステナイトの増量による転動疲労寿命向上
とは別に残留オ−ステナイト２０％以上の状況下で独自
に転動疲労寿命を向上させる作用があり、本発明におい
ては極めて重要な成分である。そして、Ni含有量が 0.5
％未満であると前記作用による所望の効果が得られず、
他の元素の添加あるいは浸炭，浸炭窒化時のＣ，Ｎ量の
増加により残留オ−ステナイトを２０％以上にしても十
分な転動疲労寿命の向上が認められない。一方、５％を
超えて含有させると浸炭性が著しく劣化し、加えて鋼材
コストも上昇する。従って、Ni含有量については 0.5〜
５％と定めた。

【００２２】[Cr]Crには浸炭焼入れ後あるいは浸炭窒化
焼入れ後の残留オ−ステナイト量を増加させる作用があ
るので、残留オ−ステナイト増量のため添加することが
望ましい成分ではあるが、２％を超えて含有させても転
動疲労寿命の更なる改善効果が認められないばかりか、
浸炭あるいは浸炭窒化の際に表面部のＣ量を増加させて
粗大炭化物を析出させる懸念も出てくることから、Cr含
有量は２％以下と定めた。

【００２３】[Mo]Moには浸炭焼入れ後あるいは浸炭窒化
焼入れ後の残留オ−ステナイト量を増加させる作用があ
り、所望の残留オ−ステナイト量を確保するためには望
ましい成分である。しかし、Mo含有量が１％を超えても
より以上の転動疲労寿命向上効果が得られないばかり
か、浸炭あるいは浸炭窒化の際に表面部のＣ量を増加さ
せ粗大炭化物を析出させる懸念が出てくることから、Mo
含有量の上限を１％と定めたが、好ましくは 0.3〜１％
に調整するのが良い。

【００２４】[Cu及びＮ]Cu，Ｎは何れも浸炭焼入れある
いは浸炭窒化焼入れ後の残留オ−ステナイト量を増加さ
せる作用を通じて転動疲労寿命を向上させる効果をもた
らすので、本発明においては必要に応じて単独又は複合
で含有させるが、以下、個々の成分についての含有量限
定理由を付随するその他の作用と共に説明する。

【００２５】イ) Cu Cuには浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れ後の残留オ−
ステナイト量を増加させる作用がある。また、Niほどで
はないが、残留オ−ステナイトの増量による転動疲労寿
命向上とは別に残留オ−ステナイト２０％以上の状況下
で独自に転動疲労寿命を向上させる作用もある。しか
し、Cu含有量が0.05％未満であると残留オ−ステナイト
量を増加させる効果を殆ど発揮しなくなり、一方、 1.0
％を超えてCuを含有させると熱間加工時の割れや疵の原
因となる。従って、Cu含有量は0.05〜 1.0％と限定し
た。

【００２６】イ) ＮＮには、浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れ後の残留オ
−ステナイト量を増加させる作用のほか、鋼中のAlと化
合物を形成し浸炭あるいは浸炭窒化時のオ−ステナイト
結晶粒粗大化を防止する作用がある。結晶粒粗大化は焼
入れ時の焼き割れの原因となるが、本発明に係る鋼部品
では浸炭あるいは浸炭窒化により表面のＣ量が高くなる
ので焼入れ時における焼き割れの危険性が一段と大き
く、そのため結晶粒の粗大化は極力阻止しなければなら
ないので、Ｎの添加はこの点からも望ましいと言える。
しかし、その含有量が0.01％未満であると前記作用によ
る所望の効果が得られず、一方、0.05％を超えてＮを含
有させると冷間加工性が劣化することから、Ｎ含有量は
0.01〜0.05％と定めた。

【００２７】[Nb及びＶ]Nb及びＶは何れも炭窒化物を形
成し浸炭あるいは浸炭窒化中の結晶粒粗大化を防止する
作用を有しているため、必要に応じて何れか単独又は複
合で添加がなされるが、何れもその含有量が0.01％未満
であると前記作用による所望の効果を確保できない。一
方、これらの成分には炭化物を形成させるため基地のＣ
量を低下させ残留オ−ステナイトを低下させる作用もあ
り、そのためNbの場合には0.05％を超えて含有される
と、またＶの場合には 0.2％を超えて含有されると目標
とする残留オ−ステナイト量を確保できなくなる。

【００２８】B) 浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れ浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れは鋼部品表面部の残
留オ−ステナイトを上昇させる作用があり、前述した所
望の特性を確保するためには浸炭焼入れ層あるいは浸炭
窒化焼入れ層の形成が欠かせない。ところで、先にも述
べた通り、焼入れの際に残留オ−ステナイトを増量させ
るのに最も有効な成分はＣ，Ｎであり、所定量の残留オ
−ステナイトを鋼部品の表面部に確保するためには浸炭
或いは浸炭窒化により表面のＣあるいはＣ，Ｎ量を上昇
させる必要がある。但し、Ｃを過剰に浸透させると粗大
炭化物の析出、マイクロクラックの導入が懸念されるの
で、Ｃの浸透量は合金元素の配合により考慮する必要が
ある。なお、所定量の残留オ−ステナイトを鋼部品表面
に確保する手段として、予め鋼成分のＣ，Ｎを上昇する
ことも考えられるが、この場合には部品全体の靱性が大
幅に劣化するので採用できない手段である。

【００２９】C) 表面部の残留オ−ステナイト量鋼部品表面（転動面）部の残留オ−ステナイトは表面粗
さが大きい状態での転動疲労寿命を向上させる作用を有
するが、この表面部の残留オ−ステナイト量が２０％未
満であると所望の転動疲労寿命向上効果が得られない。
従って、鋼部品表面（転動面）部の残留オ−ステナイト
量を２０％以上と定めた。

【００３０】ところで、特開平３−１００１４２号公報
を参照すると、脱酸剤としての規制された量のSiを含む
と共に、Ｃ，Mn，Cr，Al，Ｎ，Ni，Mo等を構成成分と
し、かつ残留オ−ステナイト量を２０％以上とした軸受
用肌焼鋼に関する発明が開示されているが、該発明は、
その実施例の欄の記載からも明らかなように、浸炭後に
表面をラップ仕上げした軸受に見られる内部からの破壊
防止を狙いとしたものであって、本発明とは全く異質な
ものであることは言うまでもない。

【００３１】続いて、本発明を実施例によって説明す
る。

【実施例】まず、真空炉によって表１に示す各成分組成
の鋼を溶製し、得られた鋳塊を熱間鍛造によって直径７
０mmの丸棒に加工した。

【００３２】

【表１】

【００３３】次に、得られた各丸棒を焼鈍した後、機械
加工によって直径６０mm，厚さ５mmの円盤状試験片を切
出し、浸炭焼入れ・焼戻しあるいは浸炭窒化焼入れ・焼
戻しを施してから、表面を 0.1mmだけ研磨した。

【００３４】なお、浸炭は９３０℃で６時間保持の条件
で実施し、また浸炭窒化はアンモニア雰囲気にて８８０
℃に１０時間保持する条件で実施した。そして、浸炭処
理，浸炭窒化処理後の焼入れは６０℃油焼入れとし、焼
戻し条件は１７０℃で２時間保持とした。

【００３５】このようにして製作した各試験片につき、
スラスト式転動疲労試験機によって転動疲労試験を実施
し、転動疲労寿命を調べた。この時の試験条件は、最大接触面圧：５６０kg/mm²，相手ボ−ル（３個）：ＳＵＪ２焼入れ焼戻し鋼，主軸回転数：１０００rpm ，潤滑油：＃６０スピンドル油，であった。表２に、各試験片の“浸炭又は浸炭窒化条
件",“表面粗さ",“表面部での残留オ−ステナイト量”
並びに“転動疲労試験にて測定された転動疲労寿命（Ｌ
₅₀)"を示す。

【００３６】

【表２】

【００３７】表２に示される結果からも、Siを添加した
特定の成分組成を備えると共に、表面部の残留オ−ステ
ナイト量が２０％以上と多い本発明に係る鋼材では、表
面粗さが粗くても非常に優れた転動疲労寿命を示すよう
になることが分かる。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、ラップ仕上げ等の表面仕上げ加工を施さなくても優
れた転動疲労寿命を発揮する鋼部品を提供することがで
き、機械・装置類の耐久性向上，低コスト化に大きく寄
与し得るなど、産業上有用な効果がもたらされる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にてＣ：0.05〜 0.3％， Si：
0.4超〜 2.0％， Mn：２％以下，Ｐ：0.03％以下，
Ｓ：0.03％以下， Ni： 0.5〜５％，Cr：２％
以下， Mo：１％以下を含むと共に、残部がFe及
び不可避的不純物から成る成分組成であって、かつ表面
部の残留オ−ステナイト量が２０％以上である浸炭焼入
れ層あるいは浸炭窒化焼入れ層を有して成ることを特徴
とする、Ｒ_max1.0 以上の表面粗さでの転動疲労寿命に
優れた鋼部品。
【請求項２】重量比にてＣ：0.05〜 0.3％， Si：
0.4超〜 2.0％， Mn：２％以下，Ｐ：0.03％以下，
Ｓ：0.03％以下， Ni： 0.5〜５％，Cr：２％
以下， Mo：１％以下を含むと共に、更にCu：0.
05〜 1.0％，Ｎ：0.01〜0.05％のうちの１種又は２
種を含有し、そして残部がFe及び不可避的不純物から成
る成分組成であって、かつ表面部の残留オ−ステナイト
量が２０％以上である浸炭焼入れ層あるいは浸炭窒化焼
入れ層を有して成ることを特徴とする、Ｒ_max1.0 以上
の表面粗さでの転動疲労寿命に優れた鋼部品。
【請求項３】重量比にてＣ：0.05〜 0.3％， Si：
0.4超〜 2.0％， Mn：２％以下，Ｐ：0.03％以下，
Ｓ：0.03％以下， Ni： 0.5〜５％，Cr：２％
以下， Mo：１％以下を含むと共に、更にNb：0.
01〜0.05％，Ｖ：0.01〜 0.2％のうちの１種又は２
種を含有し、そして残部がFe及び不可避的不純物から成
る成分組成であって、かつ表面部の残留オ−ステナイト
量が２０％以上である浸炭焼入れ層あるいは浸炭窒化焼
入れ層を有して成ることを特徴とする、Ｒ_max1.0 以上
の表面粗さでの転動疲労寿命に優れた鋼部品。
【請求項４】重量比にてＣ：0.05〜 0.3％， Si：
0.4超〜 2.0％， Mn：２％以下，Ｐ：0.03％以下，
Ｓ：0.03％以下， Ni： 0.5〜５％，Cr：２％
以下， Mo：１％以下を含むと共に、更にCu：0.
05〜 1.0％，Ｎ：0.01〜0.05％のうちの１種又は２
種と、Nb：0.01〜0.05％，Ｖ：0.01〜 0.2％のうち
の１種又は２種を含有し、そして残部がFe及び不可避的
不純物から成る成分組成であって、かつ表面部の残留オ
−ステナイト量が２０％以上である浸炭焼入れ層あるい
は浸炭窒化焼入れ層を有して成ることを特徴とする、Ｒ
_max1.0 以上の表面粗さでの転動疲労寿命に優れた鋼部
品。