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JP2905243B2 - 転動疲労寿命に優れた軸受用素材の製造方法 - Google Patents

転動疲労寿命に優れた軸受用素材の製造方法

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JP2905243B2
JP2905243B2 JP5082790A JP5082790A JP2905243B2 JP 2905243 B2 JP2905243 B2 JP 2905243B2 JP 5082790 A JP5082790 A JP 5082790A JP 5082790 A JP5082790 A JP 5082790A JP 2905243 B2 JP2905243 B2 JP 2905243B2
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虔一 天野
昭三郎 中野
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、自動車、その他産業機械等に用いられる
転がり軸受の素材として好適な、優れた転動疲労寿命特
性を有する軸受用素材の製造方法に関するものである。
(従来の技術) 転がり軸受は、転動輪と転動体とから構成され、いず
れも転動接触面が均質であることが要求される。特に鋳
片中心部に発生するマクロ偏析(以下単に中心偏析と称
す)および共晶炭化物は、転動疲労寿命を劣化させるこ
とから、素材中心部を打ち抜いて廃材とするか、造塊法
または長時間の拡散処理に実施によりこれらを十分に消
散させてから用いられていた。なお共晶炭化物は打抜き
や切断時における割れも増大させる。従って生産性や素
材歩留りの低下を避けることができなかった。
このような弊害をもたらす中心偏析は、連続鋳造の場
合、凝固先端部の凝固収縮の他、凝固シェルのバルジン
グなどによって生じる空隙の真空吸引力が加わり、凝固
先端部にC,Cr等の濃化溶鋼成分が吸い込まれる結果、鋳
片の断面中心部に正偏析となって残留したもので、製品
加工時の熱処理により、過度の球状化炭化物の残留、残
留オースナイトの増大さらにはこれらミクロ組織の不均
一が生じて、転動疲労寿命を低下させる。
その防止策としては、例えば2次冷却帯域における電
磁撹拌等が試みられたが、セミミクロ偏析までを軽減す
るまでに至らず、その効果は充分とはいえない。
その他、凝固末期に一対のロールを用いて大圧下を施
すいわゆるインラインリダクション法{鉄と鋼 第60年
(1974)第7号875〜884頁}の適用も試みられたが、未
凝固層の大きい鋳片領域における圧下が不十分だと、凝
固界面に割れが発生し、逆に圧下が十分すぎる場合には
鋳片の厚み方向中心部に強い負偏析が生じるなどの問題
があった。
この点につき、特開昭49−121738号公報では、鋳片の
凝固先端部付近でロール対による軽圧下を施し、該部分
の凝固収縮量を圧下により補償する方法が、また特開昭
52−54625号公報では、鍛造金型を用いて鋳片の凝固完
了点近傍を大圧下する方法が、それぞれ提案されてい
る。
しかしながらロールによる軽圧下の場合には、複数対
のロールによる数mm/mの圧下を施したとしても、ロール
ピッチ間で生じる凝固収縮やバルジングを十分に防止す
ることができず、また圧下位置が適切でなければかえっ
て中心偏析が悪化するといった問題があった。
他方、鍛造金型を用いて鋳片の凝固完了点近傍を大圧
下する場合は、インラインリダクション法の如きロール
による大圧下に比べて凝固界面が割れにくく、また負偏
析さらにはセミマクロ偏析をも飛躍的に改善できること
が明らかになってはいるけれども、依然として未凝固層
の大きい鋳片領域での圧下が不十分であると凝固界面に
割れが発生し、逆に圧下が十分すぎると鋳片の中心部に
強い負偏析を生じる不利があり、さらには未凝固厚の小
さい領域を圧下してもその効果が得られないことから、
最適な圧下条件を模索しているのが現状である。
(発明が解決しようとする課題) この発明の目的は、上記技術の問題点を有利に解決
し、鍛造性ならびに転動疲労寿命特性に優れた軸受用素
材の有利な製造方法を提案するところにある。
(課題を解決するための手段) すなわちこの発明は、 C:0.60〜1.50wt%(以下単に%で示す)、 Si:0.15〜2.00%、 Mn:0.15〜2.50%および Cr:0.5超〜3.0% を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる溶鋼
を、溶鋼加熱度が25℃以上となる温度まで加熱したの
ち、連続鋳造し、鋳片内部が凝固を完了するクレータエ
ンド近傍にて圧下率5%以上の鍛圧加工を施し、ついで
均熱処理後、熱間圧延を施すことからなる転動疲労寿命
に優れた軸受用素材の製造方法(第1発明)である。
またこの発明は、溶鋼の成分組成が、 C:0.60〜1.50%、 Si:0.15〜2.00%、 Mn:0.15〜2.50%および Cr:0.5超〜3.0% を含み、さらに Mo:0.05〜1.50%、 V:0.05〜0.50%、 Nb:0.05〜0.50%、 W:0.05〜0.50%、 Ni:0.10〜2.00%および Cu:0.05〜1.00% のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物の組成になる軸受用素材の製造
方法(第2発明)である。
さらにこの発明は、上記の第1および第2発明におい
て、均熱処理における処理条件を、1100〜1250℃、2〜
10時間とした軸受用素材の製造方法(第3発明)であ
る。
(作用) まずこの発明において、素材の成分組成を上記の範囲
に限定した理由について説明する。
C:0.60〜1.50% Cは、基地に固溶することによって、強度、耐摩耗性
ひいては転動疲労寿命特性を向上させる有用元素であ
る。。しかしながらあまりに多すぎると巨大炭化物が生
成し、かえって転動疲労寿命を劣化させるだけでなく、
さらにその消散のため長時間の拡散焼鈍が必要となり生
産性の低下を招く。そこで上記の点を勘案してC量は0.
60〜1.50%の範囲で添加するものとした。
Si:0.15〜2.00% Siは、鋼の溶製時脱酸剤として作用するほか、基地に
固溶し焼戻しによる硬度低下を抑制して転動疲労寿命を
向上させる有用元素である。しかしながらあまりに多す
ぎると被削性ならびに鍛造性を劣化させるので、Siは0.
15〜2.00%の範囲で添加するものとした。
Mn:0.15〜2.50% Mnは、鋼の焼入れ性を向上させることにより、基地靭
性の向上、ひいては鋼材の転動疲労寿命の向上に有効に
寄与する。しかしながら多すぎると被削性ならびに鍛造
性を劣化させるので、Mnは0.15〜2.50%の範囲で添加す
るものとした。
Cr:0.5超〜3.0% Crは、焼入れ性を向上させ基地の強度および靭性を高
めると共に、炭化物の球状化を促進する働きを持つ。か
かる効果を充分に発現させるためには0.5%を超える量
のCrが必要であるので、この発明では少なくとも0.5超
のCrを含有させるものとした。しかしながらあまりに多
量の添加は炭化物が粗大化し、被削性ならびに転動疲労
寿命の劣化を招くので、Cr含有量の上限は3.0%とし
た。
この発明では、上記した基本成分の他、必要に応じて
Mo,V,Nb,WおよびCuのうちから選んだ1種または2種以
上を、強度向上成分として以下に述べる範囲で添加する
ことができる。
Mo:0.05〜1.50%、 Moは、焼入れ性を高めるだけでなく、強い固溶強化性
を有することから、強度ならびに転動疲労寿命の向上に
有効に寄与する。しかしながら多すぎると切削性を劣化
させると共に、添加コストの上昇を招く。よってMoは0.
05%〜1.50%の範囲で添加するものとした。
V,Nb,W:0.05〜0.50%、 V,NbおよびWはそれぞれ、高温で安定した炭化物を形
成し、転動疲労寿命特性を向上させる。しかし、多すぎ
ると焼戻し後の硬度が低下し、かえって転動疲労寿命特
性を劣化させる。よってV,NbおよびWはそれぞれ、0.05
〜0.50%の範囲で添加するものとした。
Ni:0.10〜2.00% Niは、焼入れ性の向上に寄与するだけでなく、焼戻し
後の硬度低下を抑制させることから、強度および転動疲
労寿命の向上に有用な元素である。しかしながらあまり
に多すぎると、残留オーステナイトが多量に生成し焼戻
し後の鋼材硬度を低下させる。よってNiは0.10〜2.00%
の範囲で添加するものとした。
Cu:0.05〜1.00% Cuは、Niと同様、焼入れ性の向上に寄与するだけでな
く、焼戻し後の硬度低下を抑制させることから、強度お
よび転動疲労寿命の向上に有用な元素である。しかしな
がら含有量が多すぎる場合には鍛造性の劣化を招く。よ
ってCuは0.05〜1.00%の範囲で添加するものとした。
なおその他、酸素量低減および介在物形態制御を目的
としてAl,Ca,Na,K,MgおよびZrのうちから選んだ1種ま
たは2種以上を、また被削性向上を目的としてS,Ca,Pb,
B,BiおよびREMのうちから選んだ1種または2種以上
を、さらに熱間強度向上を目的としてPおよびNのうち
から選んだ1種または2種を、またさらに脱炭低減を目
的としてSbをそれぞれ少量添加することもできる。
さて上述したような好適成分組成に調整した溶鋼を、
連続鋳造して鋳片とするが、この発明では、得られた連
続鋳造鋳片の内部溶鋼が凝固完了するクレータエンド近
傍にて圧下率:5%以上の鍛圧加工を施すことが肝要であ
り、かくして鋳片中心部における偏析の生成を防止する
のである。
ここに、上記の如き鍛圧加工によって、鋳片中心に相
当する位置での偏析が改善される理由は、次のとおりと
考えられる。
すなわち内部溶鋼の凝固末期には、合金元素の濃度の
高い溶鋼がクレータエンド近傍に存在するため、このま
ま凝固すれば中心偏析となるわけであるが、凝固前に鍛
圧加工を施しすと、かような濃度溶鋼は上方に押し出さ
れるため、中心部の合金元素濃度はさほど上昇すること
はなく、その結果、転動疲労寿命劣化の要因となる中心
偏析、共晶炭化物などの生成が防止される。
そして上記したとおり中心偏析や共晶炭化物が効果的
に抑制される結果、従来均熱炉を用いて行われていた拡
散焼鈍処理時間が大幅に短縮されるのである。
第1図aに、1.00%C−0.45%Si−0.70%Mn−1.30%
Cr鋼の連続鋳造に際し、連続鋳造中に連続的に鍛圧加工
を行って得た鋳片、あるいは鍛圧加工を行わない従来法
により得られた鋳片をそれぞれ、1240℃,2hの均熱拡散
処理後、棒鋼圧延を施し、D/4部(D:棒鋼の直径)なら
びに中心部(棒鋼の中心が表面にくるように試験片を採
取)の転動疲労寿命L0について調べた結果を示す。
また第1図bには、中心部の鍛造性について調べた結
果を示す。
同図より明らかなように、棒鋼中心部材の転動疲労寿
命特性は、圧下率が5%以上の鍛圧加工を施すことによ
って、かかる鍛圧加工を施さない従来法の5倍以上に向
上し、また割れ発生も完全に防止される。
ここに、棒鋼中心部材あるいは線材を軸受鋼球用素材
として適用するには、中心部材の転動疲労寿命がD/4部
材と比較して同等あるいはそれ以上の特性を示せばよ
い。
従ってこの発明では、鍛圧加工による圧下率の下限を
5%としたのである。
しかしながら圧下率があまりに大きいと、圧延後の素
材精度が低下する点で問題が生じるので、圧下率は60%
以下程度とするのが好ましい。
なお鍛圧加工法としては、発明者らが先に特開昭60−
82257号公報において開示した連続鍛圧法を利用した。
次に第2図、1.0%C−0.45%Si−0.70%Mn−1.30%C
r鋼の連続鋳造に際し、種々の圧下率で鍛圧加工を行っ
たときの、圧下率と鋳片の中心部における共晶炭化物の
大きさ(1個当りの面積)との関係を示す。
同図より明らかなように、共晶炭化物の大きさは鍛圧
加工における圧下率の増大に伴って小さくなる傾向にあ
り、圧下率を5%以上とすることによって鍛圧加工を施
さない場合の1/5以下にまで低減することができた。
また第3図には、鍛圧加工における圧下率を0%,2
%,5%,10%とした場合の、共晶炭化物の消散に必要な
均熱保持温度と保持時間との関係を示す。
均熱温度が1200℃以上あるいは均熱時間が5h以上の場
合には生産性ならびに材質の面から、圧延ラインに直結
した加熱炉を使用することができず、拡散焼鈍処理専用
の均熱炉が必要となる。
しかしながら圧下率が5%以上の鍛圧加工を施せば、
加熱温度1100℃以上、保持時間2h以上程度の生産性の非
常に高い加熱、保持条件で共晶炭化物の消散を行うこと
ができる。
ところで発明者らは、転動疲労寿命特性の一層の改善
を目指し、さらに研究重ねたところ、連続鋳造時におけ
る溶鋼加熱度ΔTを25℃以上とするが、所期した目的の
達成に関し、極めて有効であることの知見を得た。
第4図に、鍛圧加工による圧下率が0%(従来法)お
よび10%の各場合における、連続鋳造時の溶鋼加熱度Δ
Tと中心部材の転動疲労寿命特性との関係について調べ
た結果を示す。
同図より明らかなように、従来法では、転動疲労寿命
特性のピークは溶鋼加熱度ΔTが約20℃のときで、ΔT
がそれを下回る場合には非金属介在物の浮上、分離が不
十分のため、一方ΔTがそれを上回る場合には濃厚な中
心偏析の残存により、いずれも転動疲労寿命は低下する
傾向にあった。
これに対し、溶鋼加熱度ΔTが25℃以上の条件で連続
鋳造し、鋳片の内部溶鋼が凝固を完了するクレータエン
ド近傍にて鍛圧加工を施すことによって、より一層の転
動疲労寿命の延長が達成されている。
この理由は、鋳片内部溶鋼が凝固完了するクレータエ
ンド近傍にて鍛圧加工を施すことによって製品の中心偏
析を抑制できることから、従来は濃厚な中心偏析の発生
が懸念されるため採用できなかった高温鋳造を採用で
き、その結果介在物の浮上、分離が促進され、転動疲労
寿命が向上するものと考えられる。
この効果は、溶鋼加熱度ΔTが25℃以上で著しいこと
から、この発明では連続鋳造時の溶鋼加熱度ΔTにつ
き、25℃以上(好ましくは85℃以下)の範囲に限定し
た。
(実施例) 第1表に示す化学成分になる種々の溶鋼を、転炉→連
続鋳造法により、第2表に示す加熱度ΔTおよび圧下率
条件下に処理して鋳片とした。
ついで第2表に示す条件で均熱処理後、熱間圧延を施
して65mmφの棒鋼としたのち、球状化焼鈍処理後に12mm
φ×22mm寸法の試験片をD/4部および中心部(棒鋼の中
心が試験片の表面にくるように採取)より採取し、焼入
れ、焼戻し後、転動疲労寿命特性および鋳造性(中心
部)について調べた結果第2表に併記する。
なお転動疲労寿命試験は、円筒型転動疲労寿命試験機
を用い、ヘルツ最大接触応力600kgf/mm2、繰り返し応力
数46240cpmの条件で行い、試験結果はワイブル分布に従
うものと仮定して確率紙上にまとめ、鋼材Clの1240℃,2
0h拡散焼鈍処理材D/4部L10(累積破損確立が10%のとき
の、はく離までの応力負荷回数)を1として、相対的に
評価した。
また鋳造性試験は、端面完全拘束の状態で圧縮率50%
の条件で行い、同じく鋼材Cl,20h拡散焼鈍処理材の割れ
発生率を1として相対的に評価した。
第2表から明らかなように、成分組成が適正範囲を満
足し、さらに溶鋼加熱度:25℃以上、かつ鍛造加工時の
圧下率:5%以上とした場合はいずれも、中心部の転動疲
労寿命特性がD/4部と同等かあるいは若干優れており、D
/4部および中心部とも転動疲労寿命特性が向上がしてい
る。とくに溶鋼加熱温度が高い場合に転動疲労寿命特性
は一層向上している。
また、鍛造性も、圧下率5%以上の鍛造加工を加える
ことによって、従来例に比べ短い均熱時間で著しい向上
がみられ、十分な性能が得られている。
(発明の効果) かくしてこの発明によれば、従来の連続鋳造鋳片にお
いて問題とされた横断面軸心部の非金属介在物の微細化
および共晶炭化物の低減を達成することができ、また均
熱、保持時間の大幅な簡略化が可能となり、鍛造性のみ
ならず転動疲労寿命特性に優れた軸受用素材が得ること
ができる。
また従来、中心偏析ならびに共晶炭化物の消散のため
不可避とされた高温、長時間の拡散焼鈍を施す必要がな
くなり、専用の均熱炉が不要となる。
さらに連続鋳造鋳片の全断面が軸受素材として適用可
能となることから、生産性ならびに材料歩留りの面でも
有利である。
【図面の簡単な説明】
第1図aは、鍛圧加工における圧下率と鋳片のD/4部お
よび中心部の転動疲労寿命L0との関係を示したグラフ、
同図bは、鍛圧加工における圧下率と鋳片中心部の鍛造
性およびL0との関係を示したグラフ、 第2図は、鍛圧加工における圧下率と鋳片の中心部にお
ける共晶炭化物の大きさとの関係を示したグラフ、 第3図は、共晶炭化物の消散に必要な均熱保持温度と保
持時間との関係を鍛圧加工における圧下率パラメータと
して示したグラフ、 第4図は、鍛圧加工による圧下率が0%(従来法)およ
び10%の各場合における、連続鋳造時の溶鋼加熱度ΔT
と中心部材の転動疲労寿命特性との関係を示したグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22C 38/18 C22C 38/18 (72)発明者 鍋島 誠司 千葉県千葉市川崎町1番地 川崎製鉄株 式会社技術研究本部内 (56)参考文献 特開 平3−226337(JP,A) 特開 昭48−71318(JP,A) 特開 平2−92444(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22D 11/00 B21J 5/00 C22C 38/00 301 C22C 38/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C:0.60〜1.50wt%、 Si:0.15〜2.00wt%、 Mn:0.15〜2.50wt%および Cr:0.5超〜3.0wt% を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる溶鋼
    を、溶鋼加熱度が25℃以上となる温度まで加熱したの
    ち、連続鋳造し、鋳片内部が凝固を完了するクレータエ
    ンド近傍にて圧下率5%以上の鍛圧加工を施し、ついで
    均熱処理後、熱間圧延を施すことを特徴とする転動疲労
    寿命に優れた軸受用素材の製造方法。
  2. 【請求項2】溶鋼の成分組成が、 C:0.60〜1.50wt%、 Si:0.15〜2.00wt%、 Mn:0.15〜2.50wt%および Cr:0.5超〜3.0wt% を含み、さらに、 Mo:0.05〜1.50wt%、 V:0.05〜0.50wt%、 Nb:0.05〜0.50wt%、 W:0.05〜0.50wt%、 Ni:0.10〜2.00wt%および Cu:0.05〜1.00wt% のうちから選んだ1種または2種以上を含有し、残部は
    Feおよび不可避的不純物の組成になる請求項1記載の軸
    受用素材の製造方法。
  3. 【請求項3】均熱処理における処理条件が、1100〜1250
    ℃、2〜10時間である請求項1または請求項2記載の軸
    受用素材の製造方法。
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