WO2001029277A1

WO2001029277A1 - Steel for large bearing and parts for large bearing

Info

Publication number: WO2001029277A1
Application number: PCT/JP2000/007240
Authority: WO
Inventors: Yutaka Kurebayashi; Sadayuki Nakamura; Kiyoyuki Hattori; Katsuhiko Kizawa
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2002-04-21
Also published as: US6582532B1; EP1158064B1; JP4185997B2; DE60037575T2; KR20010101300A; EP1158064A1; EP1158064A4; KR100497828B1; DE60037575D1; JP2001123244A

Description

明細書大型軸受用鋼および大型軸受部品技術分野

本発明は、産業機械などに用いられる大型軸受部品およびそれに適する大型軸受用鋼に関し、従来の浸炭軸受と同等以上の転動寿命強度と耐破断性を有し、かつ、従来の熱処理方法に比べて容易に目標とする品質が得られる安価な軸受を提供するものである。背景技術

産業機械などに用いられる軸受には、リング外径 1 5 0 mm以上、厚さ 3 0 m m以上の大型軸受が使用されているが、軸受損傷に起因する装置故障を防止するために苛酷な使用環境下においても十分な強度を有すること力要求されている。そして、これらの大型軸受では転動疲労強度に優れていることに加え、特に、瞬間的に作用する過大負荷によっても脆性的に破断しないこと（耐破断性に優れていること）が重要とされている。

従来では、軸受部品の耐破断性を高めるために、内部の靭性に優れる浸炭処理が一般的に適用されており、 J I S S C M 4 2 0 , S N CM 4 2 0, S N C M 8 1 5などの肌焼鋼が用いられてきた。

しかしながら、浸炭処理は汎用軸受で適用されている焼入れ焼もどし処理に比ベて処理費用が高くつき、安価な軸受を提供することができなかった。

また、浸炭処理後にはリングの変形や寸法変化が発生するので機械加工仕上げを行なうが、 0. 5 mm程度の加工代を必要とするので浸炭直後では 2 mm以上の浸炭層を有するものとする必要がある。そして、この浸炭層を得るには最低でも 1 0 h r以上の浸炭処理を行なう必要があり、浸炭処理品は生産性の面でも問題があつた。

一方、焼入れ焼もどし処理を適用するに際しては、 J I S S U J 3 , S U J 5などの高炭素軸受鋼が用いられているが、通常の焼人れ処理を行なうと部品内部まで H R C 5 0以上の高硬さとなり耐破断性が大幅に劣化するため、冷却速度を制御して内部硬さを下げる対策が必要とされる。

これらの焼入れ処理には、油槽に冷却する際に槽内に配置された冷却剤噴射用冷却ノズルによつて軸受の表層部を急激に冷却して表層部のみを焼入れ処理し、続いて、冷却ノズルを調整して冷却速度を制御し、内部がマルテンサイト化して硬化しない様にするなどの操作を行なつている。

し力、しな力ら、これらの処理を行なう場台、鋼材の成分偏析などに起因して硬さが変動しゃすく、冷却剤の劣化，ノズル目詰まりなどにより冷却速度の制御が困難となり硬さのばらつきが生じ易いなどの欠点を有している。発明の開示

本発明はこのような従来の問題点を解消するためになされたものであって、優れた耐破断性と転動疲労強度を有する大型軸受部品を低コス卜で提供することを目的としている。

焼入れ焼もどし処理は浸炭に比べて短時間処理であり生産性に優れることから、適正な鋼材を用いて焼入れ焼もどし処理を行なうことができればコストを下げること力可能であり、かつまた、焼入れ焼もどし処理において煩雑な冷却速度の調整を行なうことなく容易に熱処理ができれば生産性や製造コストを下げることができる。また、浸炭品と同様の硬さ分布とすることによって耐破断性の改善が期待され、強度面においても利点を有するものとなすことができる。

そこで、これらについて詳細な検討を行なった結果、汎用の油焼入れ処理において油槽の H値（焼入れ強烈度）が 0. 2〜0. 5程度の場合、所定の焼入性を鋼材に規定することによって、目的とする硬さ分布となる大型軸受を製造すること力《可能であることを見出した。

また、この鋼材を用、製品の表層硬さと心部硬さを規定することによつて浸炭品と同等以上の耐破断性と転動疲労強度を有する大型軸受を提供できることが判明した。すなわち、本発明に係わる大型軸受用鋼は、請求項 1に記載しているように、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J 1. 5 mmで HRC64以上、 J 7 mmで HR C 63〜 66、】 1 5111111で111 〇 37 〜50、 J 20mmで HRC 30〜45、 J 45 mmで H R C 28〜 38であるものとしたことを特徴としている。

そして、本発明に係わる大型軸受用鋼においては、請求項 2に記載しているように、化学成分組成が、質量％で、

C ： 0. 80%〜： L. 30%、

S i ： 0. 35超過％〜0. 80%、

Mn： 0. 30%〜0. 90%、

C r ： 0. 90%〜1. 50%、

を含み、残部 F eおよび不純物からなり、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J l. 5mmで HRC64以上、 J 7mmで H RC63〜66、 J 15mmで HRC 37〜50、 J 20 mmで H R C 30〜 4 5、 J 45 mmで HRC 28〜38であるものとすることができる。

同じく、本発明に係わる大型軸受用鋼においては、請求項 3に記載しているように、化学成分組成が、質量％で、

C ： 0. 80%〜1. 30%、

S i ： 0. 35超過％〜0. 80%、

Mn： 0. 30%~0. 90%、

C r ： 0. 90%〜1. 50%と、

Mo ： 0. 25%以下および N i ： 0. 20%〜1. 50%のうちの 1種または 2種、

同じく、本発明に係わる大型軸受用鋼においては、請求項 4に記載しているように、鋼中不純物のうち S， P, 0， T i力

S : 0. 010 %以下、

P ： 0. 020 %以下、

〇： 0. 0010 %以下、

T i ： 0. 0030 %以下、

であるものとすることができる。

また、本発明に係わる耐破断性と転動疲労寿命特性に優れた大型軸受部品は、請求項 5に記載しているように、請求項 1ないし 4の、ずれかに記載の鋼を素材とし、リング形状の外径 15 Omm以上，厚さ 3 Om以上の軸受部品であって、焼入れ焼もどし処理後の表面硬さが HRC 58〜65でかつ部品中心部の硬さが HRC25〜45であるものとしたことを特徴としている。

(焼入性）

図 1に汎用の軸受に用いられている SU J 2と、大型用軸受に用いられている S U J 3、および本発明の好適鋼によるジョミ二一焼入性を示す。

例えば、本発明の好適範囲であるリング外径 15 Omm, 厚さ 3 Ommの大型軸受を油焼入れによつて製造する場合、軸受製品の肉厚中心部の硬さは等価直径法を用いて算出すると、ジョミニ一焼入れ端から 15mn！〜 2 Ommの距離の硬さに相当する力《、図 1に示したように、 SU J 3を用いた場台には焼入性が高いので、軸受の肉厚中心部の硬さは HRC 50以上となり、目標とする硬さを得ることができない。

そこで、この対策として焼入れ温度を下げると表層硬さが低下してしまうので、表層硬さおよび心部硬さを両立することが困難である。

一方、 SU J 2では内部硬さは目標の硬さレベルを得ること力可能であるが、焼入性が低 L、ため表層部の硬さが低下し、 H R C 58以上の硬さを得ることができなくなる。

この対策としては、焼入れ温度を高めることが効果的であるが、結晶粒が大型化するために靭性が低下し耐破断性を改善することができない。

このように、汎用の SU J 2では表層硬さを維持することが困難であり、 SU J 3では内部硬さが高目となり所望の硬さを得ることができないという問題がある。

大型軸受として求められる焼入性について、表層近傍は SU J 3、内部は SU J 2の焼入性能を併せ持つような特性が求められる。そこで、実際の大型軸受の部品寸法や焼入れ条件から、耐破断性を高めるために所定の硬さを得るのに必要な焼入性を確定するに至つた。

すなわち、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J 1. 5mmでHRC64以上、 J 7 mmで HR C 63〜 66であるように制定している力この値は、この範囲を外れると表層硬さを維持させることができなくなるために規定した値であり、この範囲を下回ると HRC 58以上の硬さを得ることができない。また、上限を超すと焼割れを起こす可能性が高くなるので、 J I 7 mmの上限を規定している。

また、 J 15mmで HRC 37〜50、 J 20 mmで H R C 30〜 45、 J 4 5mmで HRC 28〜38であるように規定しているのは、この規定の硬さを上回ると心部硬さが高くなり耐破断性が劣化するので上限を規定したものであり、また、規定値を下回ると表面硬さが低下するとともに心部硬さも低くなり所定の強度特性を得ることができなくなるので下限値を規定したものである。

(好ましい化学成分組成の限定理由）

C ：

Cは軸受としての強度を維持するために必須の元素であり、 0. 80%よりも少ないと焼入れ焼もどし後の硬さを HRC 58以上とすることが困難となり転動寿命が大幅に低下する傾向となるので 0. 80%以上とするのが好ましく、また、 1. 30%よりも多く過剰に Cを添加すると鋼材の溶製段階で巨大炭化物を生成しやすくなり、加工性を劣化するとともに耐破断性や転動寿命の低下を生じる傾向となるので 1. 30%以下とするのが好ましい。

S i ：

S iは転動寿命を改善する作用 ·効果を有するので、そのような作用 ·効果が得られやすい 0. 35%超過添加するのが好ましい。しかし、 0. 80%よりも多く含有すると軟化熱処理後の硬さが高くなり被削性や鍛造性を大幅に劣化させる傾向となるので 0. 80%以下とするの力《好ましい。

Mn ：

Mnは脱酸剤として用いられる力、同時に焼入性と耐破断性を改善することができるので添加する。この場台、 Mnは微量の添加でも焼入性と耐破断性を改善する作用 ·効果を有するが、 0. 30%よりも少ないと鋼材の溶製コストが増加する傾向となるので 0. 30%以上とするのが好ましい。また、 0. 90%よりも多く添加すると被削性が急激に低下する傾向となるので 0. 90%以下とするのが好ましい。

C r ：

C rは焼入性，耐破断性，転動寿命を改善する作用 ·効果を有するので添加する。そして、このような作用 ·効果を得るには 0. 90%以上とするのがよい。しかし、 1. 50%よりも多く含有すると大型の炭化物を生成し易くなり、耐破断性，転動寿命，被削性を劣化する傾向となるので 1. 50%以下とするのが好ましい。

Mo, N i ：

Mo, N iは焼入性を改善すると同時に耐破断性を改善する作用 ·効果を有するので必要に応じて添加する。

このうち、 Moは 0. 25%よりも多く添加すると焼入性が高くなりすぎ、所定の焼入性を満足しなくなる傾向となるので 0. 25%以下とするのが好ましい。また、 N iは 0. 20%よりも少ないと耐破断性の改善効果が十分に得られないので 0. 20%以上とするのが好ましい力 1. 50%よりも多くなると焼入性が高くなりすぎて被削性を劣化する傾向となるので 1. 50%以下とするのが好ましい。

S, P ：

鋼中不純物のうち Sは M n Sを生成して靭性を劣化し耐破断性に悪影響を及ぼすので極力低減するのが望ましく、 0. 010%以下とするのが好ましい。また、 Pは結晶粒界に偏折して靭性を低下し耐破断性に悪影響を及ぼすので極力低減するのが望ましく、 0. 020%以下とするのが望ましい。

0， T i ：

鋼中不純物のうち◦， T iは酸化物，窒化物を生成して転動寿命を劣化させるので極力低減するのが望ましく、 ◦については 0. 0010%以下、 T iについては 0. 0030%以下とするのが好ましい。

(製品の表面硬さ，内部硬さ）

表面硬さ：

軸受製品としての機能を有し、転動体として用いうるようにするためには HR C 58以上の硬さが必要であり、製品の表面硬さが HR C 58を下回ると転動寿命が急激に低下する傾向となる。また、 HRC 65を超す硬さの場台にも転動寿命が劣化し、耐破断性を低下する傾向となる。したがって、表面硬さは HRC5 8〜65であるようにするのが好ましい。

内部硬さ：

大型軸受では使用中に軸受が破断分離しないことが極めて重要であり、軸受リングの表層近傍に発生するき裂が急激に内部に伝播して脆性的な破壊力生じるのを防止することが必要である。この際、内部の硬さが高いとき裂が急激に伝播して脆性的な破壊力 <生じることが確認されたが、 HR C 45以下の硬さに低減することによって内部へのき裂伝播が抑制されるので、上限の硬さを HRC 45とするのが好ましい。そして、内部の硬さが低いほど耐破断性には優れるが、 HRC 25よりも低い硬さに内部の硬さを調整すると表面の硬さも低下して HRC 58 を維持することが困難となる傾向となるので、下限を HRC 25にするのがよい

図面の簡単な説明

図 1

汎用の軸受に用いられている S U J 2と、大型用軸受に用いられている S U J 3、および本発明の好適例による鋼のジョミニー焼入特性を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定されないことはいうまでもない。

(化学成分組成）

表 1に示す化学成分組成の材料を溶製し、直径 1 8 0 mmの棒鋼に熱間圧延した。なお、このときの鋼材の溶解，铸造，圧延はいずれも常法による製造である

o /一 .LIS.一 OAV -

(焼入性）

圧延鋼材から機械加工によって J I S G 0561に制定されるジョミニ一試験片を製作し、同じく J I Sに制定の条件で焼入性を評価した。また、表 2には焼入性の調査結果を示すが、本発明好適例の鋼はいずれも規定の焼入性を満足している。

一方、比較のための参考例の鋼 15， 16では低 Cのため J 1. 5 mmの硬さを満足せず、また、参考例の鋼 17〜20では C， Mn， C r, Mo, N iなど力《規定の範囲を外れているため、焼入性を満足することができないものとなっている。さらに、参考例の鋼 21は Mn， C r力 <規格の下限を下回っているため、所定の焼入性を得ることができないものとなっている。さらにまた、参考例の鋼 22は SU J 3であり、鋼 23は S CM420であって、所定の焼入性を得ることができないものとなっている。

表 2

(実部品の硬さ）

圧延材を所定の寸法に切断した後、熱間鍛造によって外径 260mm，内径 1

40 mm, 高さ 130mmのリングに製造した。そしてさらに、 850°Cで空冷の焼ならし処理を施し、続いて、機械加工を容易にするため球状化焼なまし処理を施した。次いで、この素形材を機械加工によって外径 252mm, 内径 148 mm, 高さ 122mmのリングに加工した。続いて、このリング部品を 830°C に加熱して 90分間保持した後、 60°Cの油槽中に冷却して焼入れ処理を行なつた。そして、本発明好適例の鋼における焼入れの容易性を確認するため、 SUJ 3 (参考例の鋼 22) などの処理に適用されている時間焼入れ法は適用せず、油中で 10分間の揺動を行なうのみにとした。この後、大気中に引き上げ、 180 °Cで 2時間の焼もどし処理を行なった。そしてさらに、機械加工によって外径 2

50 mm, 内径 150mm，高さ 120 mmの軸受リングに作製した。

表 3に熱処理後の硬さ測定結果を示すが、この場合の硬さ測定は、リングから高さ 60mmの位置を切断し軸受ボール力転動する内径面の最表亂表層 3 mm 深さ，および中心位置の硬さをロックゥエル硬度計で測定することにより行なつた。なお、比較のための参考例 23は S CM420鋼に浸炭処理を行なったもの C'める。

表 3

(耐破断性）

耐破断性を評価するため、リングの中央部からシャルビ一試験片を切り出し、

1 O Rのノツチを有するシャルビ一試験片を作製して衝撃値を評価した。試験の結果を表 4に示す。

さらに、耐破断性を評価するために、 A S T M E 3 9 9規格に準拠した破壊靭性試験を行なった。なお、試験片は熱処理を行なったリング素材からノツチ位置がリングの中央部となるように試験片を切り出しした。破壊靭性の試験結果を同じく表 4に示す。

表 4

表 3に示す通り、本発明好適例の鋼ではリング表層の硬さがいずれも HRC 5 8以上を維持しており、同時に、内部の硬さは HRC 25から HRC 45の範囲内にあることが分かる。そして、表 4と表 3とを対比すると、本発明好適例の鋼および比較のための参考例の鋼 15, 16, 21は参考例の鋼 22 (SU J 3) の衝撃値に比べてかなり高くなつており、比較のための参考例の鋼 23 (SCM 420) の浸炭鋼と比較しても同等レベルの衝撃値であることが分かる。

また、同じく、表 4に示した破壊靭性の試験結果についても表 2の結果と同様の傾向にあり、本発明好適例の鋼では比較のための参考例の鋼 22の SU J 3に比べて大幅な改善が達成されている。

(転動寿命）

圧延素材を熱間鍛造により直径 65 mmまで鍛伸して寿命試験用の試験素材とした。そして、素材は先の条件と同様に焼ならし，球状化焼なましを行なった後、スラスト型転動疲労試験片を加工した。この後、製品熱処理と同一条件で焼入れ焼もどし処理を行ない、仕上げ加工を行なつて試験片を製作した。

転動試験は 10個の試験片についてヘルツ応力 520 OMP aで行ない、潤滑油として # 60スピンドル油を用い、ワイブル確率 10%となる寿命（L 10寿命）を評価した。この評価結果を表 5に示す。

¾5 表 5に示すように、表 4で比較的に靭性が高いことが確認された比較のための参考例の鋼 15， 16， 21では大幅な寿命の低下が発生しており、耐破断性と転動寿命を両立することができないものであつた。

これに対し、本発明好適例の鋼では比較のための参考例の鋼 22， 23の軸受鋼（SUJ 3) および浸炭鋼（SCM420) の現行品と]:匕較しても同等以上の寿命特性を有しており、耐破断性と寿命特性を両立することが可能である。

(実体品）

本発明好適例の鋼 1， 6， 7， 13および比較のための参考例の鋼 15, 22 からなる直径 180mmの圧延素材を熱間鍛造によって外径 260mm, 内径 1 40mm, 高さ 130mmのリング形状に加工したのち、軟化処理を行ない、さらに機械加工を行なったあと 850°Cでの焼入れおよび 180°Cでの焼もどしを行ない、仕上げ加工を行なって軸受部品として組付けた。

そして、各軸受部品について耐圧荷重および転動疲労（面圧 5 G P a) を調べ、鋼 22を基準として評価したところ、表 6に示す結果であった。

表 6

表 6に示すように、本発明による大型軸受部品は耐圧荷重（耐破断性）および転動疲労強度に優れたものであることが確かめられた。発明上の利用の可能性

本発明による大型軸受用鋼では、請求項 1に記載しているように、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J l. 5mmで HR C64以上、 J 7 mmで HRC 63〜66、 J 15 mmで H R C 37〜 50、 J 20mmで HRC 30〜45、 J 45 mmで HRC 28〜38であるものとしたから、優れた耐破断性と転動疲労強度を有する大型軸受部品に適した大型軸受用鋼を提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。

そして、請求項 2に記載しているように、化学成分組成が、質量％で、 C ： 0. 80%〜1. 30%、

S i ： 0. 35超過％〜0. 80%、

Mn： 0. 30%〜0. 90%、

C r ： 0. 90%〜1. 50%、

を含み、残部 F eおよび不純物からなり、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J 1. 5 mmで HRC 64以上、 J 7mmで H RC63〜66、 J 15mmで HRC 37〜50、 J 20 mmで H R C 30〜 4 5、 J 45 mmで HRC 28〜38であるものとすることによって、優れた耐破断性と転動疲労強度を有する大型軸受部品に適した大型軸受用鋼を提供すること力可能であるという著大なる効果がもたらされる。

そしてまた、請求項 3に記載しているように、化学成分組成が、質量％で、 C ： 0. 80%〜1. 30%、

S i ： 0. 35超過％~0. 80%、

Mn： 0. 30%〜0. 90%、

C r ： 0. 90%%〜1. 50と、

Mo ： 0. 25%以下および N i ： 0. 20%~1. 50%のうちの 1種または 2種を含み、残部 F eおよび不純物からなり、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J l. 5mmで HRC64以上、 J 7mm で HRC63〜66、 J 15mmで HRC 37〜50、 J 20mmで HRC30 〜45、 J 45 mmで HRC 28〜 38であるものとすることによって、優れた耐破断性と転動疲労強度を有し、 Mo， N iの添加により耐破断性がさらに改善された大型軸受部品に適した大型軸受用鋼を提供すること力く可能であるという著大なる効果がもたらされる。

そしてまた、請求項 4に記載しているように、鋼中不純物のうち S， P, 0， T iが、

S : 0. 010%以下、

P : 0. 020%以下、

0 ： 0. 0010 %以下、

T i ： 0. 0030 %以下、

であるものとすることによって、耐破断性および転動寿命がさらに改善された大型軸受部品に適した大型軸受用鋼を提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。

さらに、本発明による大型軸受部品によれば、請求項 5に記載しているように、請求項 1ないし 4のいずれかに記載の鋼を素材とし、リング形状の外径 150 mm以上、厚さ 30m以上の軸受部品であって、焼入れ焼もどし処理後の表面硬さが HRC 58〜65でかつ部品中心部の硬さが HRC 25〜45であるものとしたことから、耐破断性と転動疲労寿命特性に優れた大型軸受部品を低コストで提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。

Claims

請求の範囲

1. J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J 1. 5mmで HRC64以上、 J 7 mmで H R C 63〜 66、 J 15mmで HR C37〜50、 J 20mmで HRC 30〜45、 J 45 mmで H R C 28〜 38 であることを特徴とする大型軸受用鋼。

2. 化学成分組成が、質量％で、

C ： 0. 80%〜1. 30%、

S i ： 0. 35超過％〜0. 80%、

Mn： 0. 30%〜0. 90%、

C r ： 0. 90%〜： L. 50%、

を含み、残部 F eおよび不純物からなり、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J 1. 5111111で^11^じ64以上、 J 7mmで H RC63〜66、 J 15mmで HRC 37〜50、 J 20 mmで H R C 30〜 4 5、 J 45mmで HRC28〜38であることを特徴とする大型軸受用鋼。

3. 化学成分組成が、質量％で、

C ： 0. 80%〜： L. 30%、

S i ： 0. 35超過％〜0. 80%、

Mn： 0. 30%〜0. 90%、

C r ： 0. 90%〜： L. 50%と、

を含み、残部 F eおよび不純物からなり、 J I S G 0561で制定する鋼の焼入性試験方法による焼入性が、 J 1. 5 mmで H RC 64以上、 J 7 mmで H RC63〜66、 J 15mmで HRC 37〜50、 J 20 mmで H R C 30〜 4 5、 J 45mmで HRC28〜38であることを特徴とする大型軸受用鋼。

4. 鋼中不純物のうち S， P，〇， T i力く、

S 0. 010%以下、

P 0. 020%以下、

0 0. 0010%以下、

T i 0. 0030%以下、

である請求項 2または 3に記載の大型軸受用鋼。

5. 請求項 1ないし 4のいずれかに記載の鋼を素材とし、外径 150mm以上 , 厚さ 3 Om以上の軸受部品であって、焼入れ焼もどし処理後の表面硬さが HR C58〜65でかつ部品中心部の硬さが HRC 25〜45であることを特徴とする耐破断性と転動疲労寿命特性に優れた大型軸受部品。