JPH07233442A

JPH07233442A - 転動疲労特性に優れた耐摩耐食軸受鋼

Info

Publication number: JPH07233442A
Application number: JP6046339A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Fukushima; 捷昭福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1995-09-05
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JP3241921B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＳＵ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性、耐食性を損なう
ことなく、転動疲労特性に優れた軸受鋼を提供すること
である。【構成】重量％でＣ 0.5〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn
2.0%以下、Ｃr 11〜20%、Ｎ 0.06〜0.20%、残部Ｆeおよ
び不可避的不純物からなり、焼戻し後の硬さが59HRC以
上であることを特徴とする転動疲労特性に優れた耐摩耐
食軸受鋼であり、必要に応じてＭo，Ｗ，Ｖ，Ｎbを特定
範囲内で添加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、転動寿命特性が優れた
耐摩耗性、耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス
軸受鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、比較的高い温度で使用が可能
で、腐食環境に対しても優れた耐食性を有する軸受鋼と
して、ＪＩＳＳＵＳ４４０Ｃ鋼、ＢＡＳ４４０Ｍ鋼
(１．１Ｃ−１４．５Ｃｒ−４Ｍｏ−Ｆｅ），０．７Ｃ
−１２Ｃｒ鋼等が用いられている。これらのマルテンサ
イトステンレス鋼は、耐熱性、耐食性、耐摩耗性の点で
ＪＩＳＧ４８０５に規定されている高炭素クロム軸受
鋼(ＳＵＪ)より優れているが、転動疲労特性が劣る欠点
がある。上記鋼のうち、ＳＵＳ４４０Ｃは製造時に巨大
な共晶炭化物が鋼中に残留し易く、そのため転動疲労特
性が低下する問題があった。この問題を解消する目的
で、ＣとＣrをともに低めて転動疲労特性を改善した鋼
が特開昭５３−１０３９１７号に提案されている。

【０００３】軸受は、機械などの軸の回転を案内し、回
転軸にかかる荷重を支え保持する重要な機械要素であ
り、あらゆる機械器具に使用されている。近年、機器類
においては、高性能化、高精度化の要求が高まる一方で
高速回転、使用温度、腐食雰囲気など、従来に増して使
用環境の厳しさに耐え得る軸受鋼が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の特開昭５３−１
０３９１７号の鋼は、転動寿命の点でＳＵＳ４４０Ｃ鋼
よりも優れているが、耐摩耗性、耐腐食性などの面で、
必ずしも軸受鋼として十分とはいえない問題があった。
これら耐摩耗性や耐腐食性の低下は機器類の性能や精度
を損なうだけでなく、騒音の発生原因にもなり軸受鋼と
して求められる重要な特性の一つである。本発明の目的
は、ＳＵ４４０Ｃ鋼の耐摩耗性、耐食性を損なうことな
く、転動疲労特性にも優れた軸受鋼を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】転動疲労特性の向上のた
めには、耐摩耗性に有効な炭化物を基地中に微細に分散
させるとともに基地自体を強化し、さらに不安定な破壊
を防止する材料欠陥を少なくすることが重要である。発
明者が高Ｃ高Ｃr鋼を対象に、上述の炭化物の微細化と
基地自体の強化について鋭意検討した結果、Ｎを添加し
た鋼は、焼なまし状態でＮをＦeとＣrの窒化物として形
成させ、これを焼入れすると窒化物が固溶して基地の硬
さを著しく高め、転動疲労特性や耐摩耗性を向上できる
ことを新たに見出した。

【０００６】すなわち本発明は、重量％でＣ 0.5〜1.3
%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn 2.0%以下、Ｃr 11〜20%、Ｎ 0.0
6〜0.20%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、焼
戻し後の硬さが59HRC以上であることを特徴とする転動
疲労特性に優れた耐摩耐食軸受鋼である。本発明鋼は上
記をベースとして、さらに耐摩耗性が必要な場合および
結晶粒の微細化が必要な場合には、Ｍo 5%以下、Ｗ 3%
以下、Ｖ 2%以下、Ｎb 1%以下から選ばれる一種または
二種以上の元素を組み合わせて添加することができる。
また本発明鋼は、重量％でＣ 0.5〜1.3%、Ｓi 1.5%以
下、Ｍn 2.0%以下、Ｃr 11〜20%、Ｎ 0.06〜0.20%、残
部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、焼なまし後の組
織中にＦeとＣrの微細な窒化物が形成されていることを
特徴とする転動疲労特性に優れた耐摩耐食軸受鋼であ
り、Ｍo，Ｗ，Ｖ，Ｎbを上述の範囲内で含むことができ
る。

【０００７】本発明の最大の特徴は、焼なまし状態にお
いてＦeとＣrの微細な窒化物を形成せしめ、軸受に製造
後の熱処理で容易に固溶するような状態を準備すること
である。ＳＵＳ４４０Ｃなどの従来の軸受鋼は、その硬
さや耐摩耗性の付与を主にＣrの炭化物に依存するため
高Ｃ高Ｃr組成となり、製造時に巨大な共晶炭化物が鋼
中に残存して転動疲労寿命が低下することがあったので
ある。本発明では、焼なまし時のＦeとＣrの微細な多数
の窒化物が焼入時に基地に固溶し、基地の強化が行なえ
るので、軸受の転動疲労特性と耐摩耗性を従来の鋼と比
較して著しく高めることができる。したがって、本発明
の適正な組成の組合せは上記の作用を考慮して決定する
ことができる。

【０００８】

【作用】以下に本発明鋼の成分限定理由について述べ
る。Ｃはマルテンサイト系ステンレス鋼の硬さを得る上
で最も重要な元素の一つである。また、Ｃrの他、Ｍo，
Ｗ，Ｖ，Ｎbと炭化物をつくり、耐摩耗性の向上に寄与
する。本発明の鋼の高強度を得るためには、最低0.5%以
上必要であるが、1.3%を越えると共晶炭化物が粗大化し
て転動疲労特性が低下するため、Ｃの範囲を0.5〜1.3%
に限定する。望ましいＣの範囲は1.0〜1.2%である。Ｓi
は、鋼の脱酸元素として必要な添加元素である。しか
し、過度のＳiの添加は、靭性の低下が著しくなるた
め、1.5%以下とする。Ｓiの望ましい添加量は1.2%以下
である。

【０００９】ＭnはＳiと同じく脱酸剤として用いられ、
またオーステナイト安定化元素である窒素と同時に用い
るため、焼入れ時に残留オーステナイトが過多となるの
で、2.0%以下とする。望ましいＭnの含有量は1.5%以下
である。Ｃrは、本発明鋼の耐食性を向上させるため必
須の元素であるとともに、硬質のＣr系炭化物を作り、
耐摩耗性を向上させる効果がある。本発明鋼に耐食性、
耐摩耗性を共に向上させるためには、最低11%の含有量
が必要である。しかし、Ｃrが多過ぎると共晶炭化物が
粗大化し、転動疲労特性を低下させる原因となるため、
その上限を2.0%とする。Ｃrの望ましい範囲は15〜18%で
ある。

【００１０】Ｎは、本発明合金において最も重要な元素
である。すなわち、Ｎを添加することにより、焼なまし
状態でＮをＦeとＣrの微細な窒化物、例えば(Ｃr・Ｆe)₂
Ｎとして形成させた後、焼入れを行なうとこれらの窒化
物が固溶して基地を強化する効果がある。本発明のこれ
らの特徴は、後に説明する実施例４などの組織、Ｘ線回
折結果から明らかにわかる。また、Ｎの添加は、基地中
に残留する一次炭化物の粗大成長を抑制する効果もあ
り、軸受として重要な転動疲労特性および耐摩耗性の向
上に特に有効である。Ｎが0.06%以下では、その効果が
得られず、また0.2%を越えて含有させると残留オーステ
ナイト相をマルテンサイト相に変態させることができな
くなり、硬さが低下するためその上限を0.2%とする。Ｎ
の望ましい範囲は0.06〜0.17%である。

【００１１】Ｍo，Ｗ，Ｖ，Ｎbは、炭化物を形成し、耐
摩耗性を高める効果を有するとともに、一部は基地中に
固溶して焼戻し軟化抵抗を高める効果があり、必要に応
じて一種または二種以上添加することができる。しか
し、多量に含有すると、熱間加工性を害するため、Ｍ
o，Ｗ，Ｖ，Ｎbの上限をそれぞれ5%,3%,2%,1%とする。
上記の元素のうち、Ｍoは耐食性の向上にも寄与し、ま
たＶとＮbは、本発明のＮ含有による結晶粒の微細化を
助長させ、転動疲労性を高める効果があり、軸受として
使用される条件によって適宜選択するのが良い。

【００１２】本発明鋼は、高Ｃ高Ｃr鋼にＮを0.06〜0.2
%含有するため、焼なまし状態でＮをＦeとＣrの窒化物
として形成させ、これを焼入れすることにより基地中に
固溶させると基地の硬さを一段と高めることができる。
なお、焼入れ時に残留オーステナイトが多く残存する。
硬質の軸受にするためには、焼入れ時に残存する残留オ
ーステナイト相をマルテンサイト相にする必要がある。
そのため、焼入れ後にサブゼロ処理を行ない、続いて焼
戻し行なうのが良い。このようにして得られた軸受鋼
は、焼戻し後の硬さが59HRC以上とすることができ、特
に精密機器用軸受や腐食性環境や高温で使用されるＬＮ
Ｇポンプ、ミニモーターシャフト、キャプスタン軸など
の転動疲労および耐摩耗性が要求される部材に好適であ
る。

【００１３】

【実施例】以下に実施例を示し、本発明を詳細に説明す
る。（実施例１）表１は、実施例に使用した鋼の化学成分を
示す。各鋼は真空溶解炉で吹製し、窒素添加鋼について
は、真空炉に窒素を0.75気圧雰囲気にして窒素を添加、
吹製した。表１に示す鋼のうち、Ｎo.1〜16は本発明鋼
であり、Ｎo.20はＳＵＳ４４０Ｃ、Ｎo.21はＢＡＳ４４
０Ｍ、Ｎo.22は特開昭53-103917号に開示された鋼であ
る。

【００１４】

【表１】

【００１５】吹製した鋼塊は、疵取、分塊鍛造後、２０
角に仕上げ鍛造した。次いで、焼なまし処理を行なった
後、以下に示す試験に供した。なお、Ｎを含有する本発
明鋼は、焼なまし状態でのＸ線解析によれば、窒素が主
に微細な(Ｃr・Ｆe)₂Ｎの形で存在していることが確認さ
れた。このことは実施例４でもデータを示して解説す
る。図１は、本発明鋼であるＮo.1および従来鋼である
Ｎo.20について、1030℃で油焼入れした後、-75℃で2時
間のサブゼロ処理を行ない、次いで100〜400℃の各温度
で焼戻しを行なった試料の硬さ曲線を示したものであ
る。図１からわかるように、Ｎを0.120%含有する本発明
鋼は、Ｎを添加しない従来鋼よりサブゼロ処理後の硬さ
が高く、焼戻し軟化抵抗も高いことを示している。硬さ
を高めるＮの機構は十分解明できなかったが、焼なまし
状態で存在していた（Ｃr・Ｆe)₂Ｎの析出物が焼入れ後
には確認されなかったことから推察すると、Ｎは主に固
溶した状態で基地の強化に関与しているものと考えられ
る。

【００１６】（実施例２）表１に示す各鋼について、10
30℃で油焼入れした後、-75℃×2時間のサブゼロ処理を
行ない、次いで160℃×2時間の焼戻しを行なった後、硬
さ試験、シャルピー衝撃試験、転動疲労試験、孔食電位
の測定を行ない、その結果を表２に併記する。なお、シ
ャルピー衝撃試験片は10RのＣノッチで行ない、転動疲
労試験は、12mmφ×22mmLの試験片を作表し、これを鋼
球の間に挾み、ヘルツ最大接触応力 5880MPaで4400rpm
にて試験した。寿命は50%破損までの回転数で表示し
た。さらに、孔食電位の測定には、3.5%のＮaＣl水溶液
を30℃とし、100mAの電流を流れた時の電圧値(mV)を測
定した。本発明鋼は、同じレベルのＣ含有量の従来鋼と
比較すると同一熱処理したにもかかわらず、明らかに高
い59HRC以上の硬さを示している。さらに本発明鋼は、
衝撃値および転動疲労特性がＳＵＳ４４０Ｃより優れて
いる他、孔食電位もＳＵＳ４４０Ｃと同等であることが
わかる。

【００１７】

【表２】

【００１８】（実施例３）表１に示す本発明鋼Ｎo.3,6,
8および従来鋼Ｎo.20,21,22の鋼について、1030℃油焼
入れをした後、-75℃×2時間のサブゼロ処理を行ない、
次いで160℃×2時間の焼戻しを行なったのち、大越式摩
耗試験を行なった。その結果を表３に示す。大越式摩
耗試験の条件は、相手材はＪＩＳＳＣＭ４１５焼なま
し材を使用し、乾式にて摩擦スピード 0.78m/s、摩擦距
離 400m、最終荷重 6.8kgで行ない、試験片の摩耗体積
から比摩耗量を求めた。摩耗試験の結果、本発明鋼は従
来鋼に比較して耐摩耗性が優れていることがわかる。

【００１９】（実施例４）表１に示す鋼のうち、本発明
鋼Ｎo.6および従来鋼Ｎo.20について、860℃×4時間・徐
冷の焼なまし処理を行なった後、抽出レプリカ法による
電子顕微鏡組織観察した結果を図２に示す。また、同じ
試料について行なったＸ線回折チャートと解析結果を図
３に示す。さらに上記試料を焼なまし後、実施例２と同
じ条件で焼入れ、サブゼロおよび焼戻しを実施した後
に、同様の電子顕微鏡組織観察し、その結果を図４に示
す。

【００２０】図２の（ａ）に示す本発明鋼Ｎo.6は、微
細な析出物が多く分散しており、これをＸ線回折チャー
トと解析結果を示す図３によれば(Ｃr・Ｆe)₂Ｎであるこ
とがわかる。一方、図２の（ｂ）に示す従来鋼Ｎo.20に
は、微細な析出物が認められず、Ｘ線回折した結果も
(Ｃr・Ｆe)₂Ｎは検出できなかった。また、図４の本発明
鋼Ｎo.6の焼戻し組織には、焼なまし時の微細な(Ｃr・Ｆ
e)₂Ｎが認められない。このようにＮを含有する本発明
鋼は、焼なまし後の組織中にＦeとＣrの窒化物が形成さ
れることが特徴である。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【発明の効果】本発明材料は、高Ｃ高Ｃr組成にＮを添
加し、焼なまし状態の組織中にＦeとＣrの微細な窒化物
を形成させ、軸受に成形後の熱処理で容易に固溶するよ
うな状態を準備することで、焼戻し後の強度を一段と向
上することが可能となった。その結果、優れた転動疲労
特性を示し、耐摩耗性と耐食性が従来鋼であるＳＵＳ４
４０Ｃ並みの性質を兼備している軸受鋼として有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例鋼Ｎo.1およびＮo.20を1030℃で油焼入
れした後、-75℃でサブゼロ処理した材料の焼戻し硬さ
曲線である。

【図２】Ｎo.6およびＮo.20の焼なまし処理後の電子顕
微鏡金属組織写真である。

【図３】Ｎo.6およびＮo.20の焼なまし処理後のＸ線回
折チャートと解析結果を示す図である。

【図４】Ｎo.6およびＮo.20の焼戻し後の電子顕微鏡金
属組織写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ 0.5〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 2.0%以下、Ｃr11〜20%、Ｎ 0.06〜0.20%、残部Ｆe
および不可避的不純物からなり、焼戻し後の硬さが59HR
C以上であることを特徴とする転動疲労特性に優れた耐
摩耐食軸受鋼。
【請求項２】重量％でＣ 0.5〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 2.0%以下、Ｃr 11〜20%、Ｎ 0.06〜0.20%を含有
し、さらにＭo 5%以下、Ｗ 3%以下、Ｖ 2%以下、Ｎb 1%
以下から選ばれる一種または二種以上の元素を含み、残
部Ｆeおよび不可避的不純物からなり、焼戻し後の硬さ
が59HRC以上であることを特徴とする転動疲労特性に優
れた耐摩耐食軸受鋼。
【請求項３】重量％でＣ 0.5〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 2.0%以下、Ｃr11〜20%、Ｎ 0.06〜0.20%、残部Ｆe
および不可避的不純物からなり、焼なまし後の組織中に
ＦeとＣrの微細な窒化物が形成されていることを特徴と
する転動疲労特性に優れた耐摩耐食軸受鋼。
【請求項４】重量％でＣ 0.5〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、
Ｍn 2.0%以下、Ｃr11〜20%、Ｎ 0.06〜0.20%を含有し、
さらにＭo 5%以下、Ｗ 3%以下、Ｖ 2%以下、Ｎb 1%以下
から選ばれる一種または二種以上の元素を含み、残部Ｆ
eおよび不可避的不純物からなり、焼なまし後の組織中
にＦeとＣrの微細な窒化物が形成されていることを特徴
とする転動疲労特性に優れた耐摩耐食軸受鋼。