特開 2023-178642 疲労寿命に優れた軸受用鋼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023178642

(43)【公開日】2023-12-18

(54)【発明の名称】疲労寿命に優れた軸受用鋼

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20231211BHJP

   C22C 38/18 20060101ALI20231211BHJP

   C21D 1/32 20060101ALN20231211BHJP

   C21D 8/06 20060101ALN20231211BHJP

   C21D 9/40 20060101ALN20231211BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Z

C22C38/18

C21D1/32

C21D8/06 A

C21D9/40 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022091441

(22)【出願日】2022-06-06

(71)【出願人】

【識別番号】000180070

【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100160886

【弁理士】

【氏名又は名称】久松 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】眞鍋 亮太

(72)【発明者】

【氏名】藤松 威史

【テーマコード（参考）】

4K032

4K042

【Ｆターム（参考）】

4K032AA06

4K032AA07

4K032AA11

4K032AA12

4K032AA16

4K032AA26

4K032AA27

4K032AA29

4K032AA31

4K032BA02

4K032CA02

4K032CF03

4K042AA22

4K042BA03

4K042BA04

4K042CA06

4K042CA15

4K042DA01

4K042DA02

4K042DA03

4K042DA04

4K042DA06

4K042DB01

4K042DC02

4K042DC03

4K042DD02

4K042DD05

4K042DE02

(57)【要約】

【課題】 軸受用鋼の表面に非金属介在物の一部が露出した軸受用鋼において、非金属介在物を起点としたはく離が短期間で発生することを抑制し、実用上必要とされる疲労寿命を確保する。
【解決手段】 軸受用鋼の表面における非金属介在物が露出した領域のサイズである露出径√ａｒｅａが２００μｍ以下である。露出径√ａｒｅａ［μｍ］と、軸受用鋼の表面から非金属介在物の最も深い位置までの深さＤ［μｍ］とが、下記式（Ｉ）に示す関係を満たす。
【数１】

【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸受用鋼の表面において非金属介在物の一部が露出した領域のサイズである露出径√ａｒｅａが２００μｍ以下であり、
前記露出径√ａｒｅａ［μｍ］と、前記表面から前記非金属介在物の最も深い位置までの深さＤ［μｍ］とが、下記式（Ｉ）に示す関係を満たすことを特徴とする軸受用鋼。

【数1】

【請求項2】

硬さが５８ＨＲＣ以上であることを特徴とする請求項１に記載の軸受用鋼。

【請求項3】

軸受用鋼中の酸素含有量が８ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の軸受用鋼。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１つに記載の軸受用鋼で形成された軸受。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１つに記載の軸受用鋼で形成された軸受部品。

【請求項6】

請求項１から３のいずれか１つに記載の軸受用鋼で形成された転動疲労が負荷される部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、疲労寿命に優れた軸受用鋼に関する。

【背景技術】

【0002】

軸受が適正な潤滑条件下で使用されているにも関わらず、軸受が想定よりも早期にはく離する現象（以下、「短寿命はく離」という）が起こる場合がある。この短寿命はく離は、軸受の鋼に含まれる非金属介在物によって引き起こされる。非金属介在物は、鋼の精錬過程で不可避的に形成され、その後の鋳造や凝固の過程で除去しきれないものが後処理（圧延や鍛造等）を経た軸受用鋼の中に含まれることになる。

【0003】

非金属介在物を起点としたはく離は、通常、軸受の部品の表面ではなく、表面よりも若干内部の位置から発生する。この理由は、軸受の軌道輪と転動体（球、ころ等）が転がり接触する際に軌道輪の若干内部で高いせん断応力が生じることによるものである。また前述した表層付近の高いせん断応力作用領域深さ内に存在する介在物のなかでも試験片の表面に一部が露出した非金属介在物が特に疲労寿命に悪影響を与えていることを見出している。

【0004】

特許文献１には、例えば、ＨＵＢや電動機用軸受などの、他の部品と潤滑油を共有しない軸受において、表層起点型のはく離を抑制することができる、転がり軸受の製造方法が開示されている。この製造方法は、最大径が１００μｍ以下の範囲の介在物を有する転がり軸受において、内輪及び外輪の軌道面の表面から介在物の最大径（１００μｍ以下）の４０％以上６０％以下の深さに、圧縮残留応力が最大となるピークが位置するように、圧縮残留応力を付与することで寿命が向上した転がり軸受となることを特徴とする特許である。ただし、上記特許は、表面に露出した介在物の有害性を直接検証したものではなく、さらに１００μｍを超える介在物が存在する場合については検査で取り除くことが前提となっており、そもそも圧縮残留応力を付与する必要がない程度のものまで一律に圧縮残留応力を付与することになるので、介在物の有害性が過剰に見積もられている可能性があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－２０６９８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本願発明者らは、軸受用鋼の表面に一部が露出した非金属介在物について、その露出した領域のサイズと露出部分下の非金属介在物の深さに着目し、それらが転がり疲れによる疲労寿命に及ぼす影響を調査したところ、非金属介在物を起点としたはく離が短期間で発生することを抑制し、実用上必要とされる疲労寿命を確保できる条件を見いだし、本発明を完成するに至った。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明である軸受用鋼は、軸受用鋼の表面において非金属介在物の一部が露出した領域のサイズである露出径√ａｒｅａが２００μｍ以下であり、露出径√ａｒｅａ［μｍ］と、軸受用鋼の表面に一部が露出した非金属介在物の最も深い位置までの深さＤ［μｍ］とが、下記式（Ｉ）に示す関係を満たす。

【0008】

【数1】

【0009】

軸受用鋼の硬さは、５８ＨＲＣ以上とすることができる。軸受用鋼中の酸素含有量は、８ｐｐｍ以下とすることができる。

【0010】

本発明である軸受用鋼によって、軸受、軸受部品、転動疲労が負荷される部品を製造することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、軸受用鋼の表面に非金属介在物の一部が露出した軸受用鋼において、非金属介在物を起点としたはく離が短期間で発生することを抑制し、実用上必要とされる疲労寿命を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】軸受用鋼の表面に一部が露出した非金属介在物についての露出径及び深さを説明する図である。

【図2】実施例の試験片表面をバフ研磨した後の露出Ａｌ_２Ｏ_３の観察事例（顕微鏡写真）である。

【図3】実施例１～１１及び比較例１～５について、露出径及び深さの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本実施形態である軸受用鋼は、軸受の全体で用いたり、軸受を構成する一部の部品（軸受部品）で用いたり、転動疲労が負荷される部品で用いたりすることができる。

【0014】

本実施形態である軸受用鋼の鋼種としては、様々な鋼種が用いられ、例えばＪＩＳ Ｇ４８０５に規定されているＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ５等の焼入れ・焼戻しにより全体を硬くして用いる高炭素鋼、浸炭・高周波焼入れで表面付近を硬くして用いる中炭素鋼、浸炭焼入れで表面付近を硬くして用いる低炭素鋼等が挙げられる。

【0015】

（非金属介在物の露出径√ａｒｅａ)
本実施形態の軸受用鋼では、図１に示すように、軸受用鋼ＢＳの表面Ｓに非金属介在物ＮＭＩが存在しており、非金属介在物ＮＭＩの一部が表面Ｓで露出している。非金属介在物ＮＭＩの露出径√ａｒｅａは、軸受用鋼ＢＳの表面Ｓで非金属介在物ＮＭＩの一部が露出している場合において、この非金属介在物ＮＭＩの露出領域のサイズである。

【0016】

露出径√ａｒｅａを求めるためには、まず、光学顕微鏡等を用いて軸受用鋼ＢＳの表面Ｓにおいて非金属介在物ＮＭＩの露出領域を特定し、この露出領域において、長径ａ及び短径ｂを測定する。そして、下記式（１）に基づいて、露出径√ａｒｅａを求める。

【0017】

【数2】

【0018】

露出領域の長径ａは、露出領域において、端と端を結んだ最大の辺である。露出領域の短径ｂは、長径ａの辺と平行な一対の線によって露出領域を挟んだときの最大幅である。本実施形態において、露出径√ａｒｅａは２００μｍ以下である。

【0019】

（非金属介在物の深さＤ)
非金属介在物の深さＤは、図１に示すように、軸受用鋼ＢＳの表面Ｓで一部が露出している非金属介在物ＮＭＩについて、表面Ｓから非金属介在物ＮＭＩの最も深い位置までの距離である。非金属介在物の深さDは、例えば測定顕微鏡(JIS B7153)を用いて求めることができる。本実施形態の軸受用鋼において対象となるＡｌ_２Ｏ_３などの介在物は、光（可視光）を透過する性質があるため、可視光線の波長域の光を利用した光学顕微鏡により、介在物表面(下記実施例ではバフ研磨された試験片上に表出した介在物の断面としているが、軸受部品として適用が可能な程度の粗さの鋼材表面に現れた介在物表面であればよい)と介在物底の母相にピントを合わせることができる。測定顕微鏡は、光学顕微鏡の特徴に加えて、介在物表面にピントを合わせた位置から介在物底の母材にピントを合わせた位置までのレンズの移動量を記録することが可能であり、上記のレンズの移動量に対して、介在物の屈折率を掛けることで非金属介在物の深さDが求められる。

【0020】

（露出径√ａｒｅａ及び深さＤの関係)
露出径√ａｒｅａ［μｍ］及び深さＤ［μｍ］は、下記式（２）に示す関係を満たす。

【0021】

【数3】

【0022】

露出径√ａｒｅａ及び深さＤが上記式（２）に示す関係を満たさない場合には、非金属介在物を起点としたはく離（以下、「介在物起点型はく離」という）が短期間で発生しやすくなり、軸受用鋼の寿命が低下しやすくなる。一方、露出径√ａｒｅａ及び深さＤが上記式（２）に示す関係を満たす場合には、介在物起点型はく離が発生することがあるものの、実用上必要とされる疲労寿命を確保することができる。

【0023】

軸受用鋼を製造したときには、光学顕微鏡等を用いた検査を行うことにより、軸受用鋼の表面に非金属介在物が露出しているか否かを確認することができる。軸受用鋼の表面に非金属介在物が露出している場合には、上述したように露出径√ａｒｅａ及び深さＤを測定すれば、上記式（２）に示す関係を満たしているか否かを判断することができる。そして、上記式（２）に示す関係を満たす軸受用鋼は製品として採用することができる。

【0024】

（硬さ）
軸受として使用するときの軸受用鋼の硬さは５８ＨＲＣ以上であることが好ましい。この硬さは、ロックウェル硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ２２４５）による硬さである。軸受用鋼の硬さが５８ＨＲＣ未満である場合には、転動疲労寿命が大きく低下してしまう。軸受用鋼の硬さは、６０ＨＲＣ以上であることがより好ましい。軸受用鋼の硬さは、ロックウェル硬さ試験以外の試験方法によって求めた硬さをロックウェル硬さ試験による硬さに換算したものでも良い。

【0025】

（酸素含有量）
軸受用鋼中に不純物として含まれる酸素含有量は８ｐｐｍ以下であることが好ましい。酸素含有量は、ＪＩＳ Ｇ１２３９の規定に準じて測定することができる。酸素含有量を８ｐｐｍ以下にすることで、鋼材中において、疲労寿命に悪影響を与える大型の非金属介在物の存在頻度を低減することができる。酸素含有量は、５ｐｐｍ以下であることがより好ましい。

【実施例0026】

（試験片の用意）
実施例１～１１及び比較例１～５として、下記表１に示す化学組成と、残部としてＦｅならびに不可避不純物を有する鋼を用意した。この鋼は、ＪＩＳ Ｇ４８０５に規定されている鋼種ＳＵＪ２であり、本実施形態の軸受用鋼の一例である。

【0027】

【表1】

【0028】

上述した鋼（１００ｋｇ）を真空溶解炉で溶製し、その鋼を１１５０℃に加熱してから直径６５ｍｍの丸棒に鍛伸した。この鋼材に対して、８６５℃で１時間保持した後に空冷する焼ならしと、最高点加熱温度（８００℃）で保持した後に徐冷を行う球状化焼なましを行った。次に、機械加工によって、鋼材を外径６０ｍｍ、内径２０ｍｍ及び厚さ８ｍｍに粗加工し、鋼材の片面をバフ研磨仕上げすることにより、スラスト型転動疲労試験で用いられる試験片を作製した。

【0029】

次に、先端直径０．４ｍｍのマイクロドリルを用いることにより、試験片のバフ研磨面に直径０．４ｍｍで深さ１．５ｍｍのドリルホールを加工した。このドリルホールに、非金属介在物を模擬して人工の球形状Ａｌ_２Ｏ_３粒子を投入した。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径は７５～３２７μｍとした。

【0030】

次に、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）加工によって、試験片の母相とＡｌ_２Ｏ_３粒子との密着化を行った。具体的には、まず、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の抜け止めを施して、低炭素鋼製のケースに試験片を収容し、試験片の内径穴部に芯金を入れてからケースを密閉した。そして、ケースの内部を真空脱気した後、１４７ＭＰａ及び１１７０℃で５時間保持した後に徐冷することにより、Ａｌ_２Ｏ_３粒子と母相とを密着化させた。これにより、Ａｌ_２Ｏ_３粒子と母相との界面に隙間の無い状態を意図的に作りだした。

【0031】

ＨＩＰ加工を行った後、上述と同様に焼ならしと球状化焼なましを施してから、引張加工を付与するための形状（外径φ５４ｍｍ、厚さ６．２ｍｍ）を有する中間材に加工し、引張加工により埋設したＡｌ_２Ｏ_３粒子と母相の間に隙間を形成させた。この隙間は実鋼材において介在物周囲に見られることがある隙間を模擬したものである。このような隙間を意図的に形成することにより、Ａｌ_２Ｏ_３粒子（非金属介在物）の周囲の応力集中によるき裂の発生と、き裂の発生箇所からのき裂の進展が促進される。この試験片を用いることにより、非金属介在物がはく離に対して及ぼす影響を明らかにすることができる。上述した隙間を形成した後、焼入焼戻しを行う（８３５℃で０．５時間保持後に油冷する焼入れと、その後の１８０℃で１．５時間保持後に空冷する焼戻しからなる）ことにより、鋼材の硬さを６２ＨＲＣに調整した。

【0032】

次に、熱処理中表面に形成された酸化スケールを平面研削によって除去した後、周波数が５０ＭＨｚである超音波を用いた超音波探傷（ＵＴ）により、試験片中のＡｌ_２Ｏ_３粒子について、その試験片表面からの深さ、および試験片面内の座標を特定した。この深さに基づいて試験片の片面全体に対して研削及びバフ研磨仕上げを行い、次工程の局所研削のための介在物の深さの調整を行った。

【0033】

次に、先の工程での介在物位置特定にもとづき、バフ研磨面上で試験片の局所研削箇所の目印を付与し、それをターゲットとして局所研削を行った。この局所研削手段として、研削と同時に研削箇所からの元素を高感度に検出する手段を利用することにより、Ａｌ_２Ｏ_３粒子が試験片の表面に露出するタイミングを特定した。ここでは、上記手段の一例として、グロー放電によるスパッタを利用した。市販されている装置として、Ａｒガスなどをグロー放電でプラズマ化させ、それをさまざまな試料の表面に照射し、スパッタにより試料表面を除去しながら、スパッタによって取り除かれた原子のプラズマ内の発行を分光分析することによって、同時化学分析を行うことが可能なものがある。このような装置を用いることで、埋設箇所上のスパッタによる局所加工とその領域内に介在物が露出したことの検知とを同時に達成することができる。続いて、Ａｌ_２Ｏ_３粒子が露出している局所加工面(スパッタ面)の深さを、局所加工面の周辺に位置する非加工面を基準として計測した。そして、局所加工面の深さと、露出Ａｌ_２Ｏ_３粒子の露出径√areaとその露出下の深さＤの調整を考慮の上、所定の仕上げ研磨量まで試験片の表面をバフ研磨した。なお、上記の仕上げ研磨にはバフ研磨を用いているが、実用上は軸受部品としての適用が可能な程度の粗さとすれば良い。図２は、バフ研磨後の露出Ａｌ_２Ｏ_３の観察事例である。上記方法により、実施例１～１１及び比較例１～５の試験片を得た。

【0034】

下記表２には、実施例１～１１及び比較例１～５について、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径、露出径√ａｒｅａ及び深さＤと、試験片の硬さをまとめた。

【0035】

【表2】

【0036】

（スラスト型転動疲労試験）
スラスト型転動疲労試験を行うにあたり、下板として試験片（実施例１～１１及び比較例１～５）を用い、上板として、ＳＵＪ２製単式スラスト軸受のレース（型番５１３０５）を用いた。また、上板及び下板の間に３個の転動体（直径３／８インチのＳＵＪ２製の鋼球）を１２０°ピッチで等分に配置した。ここで、試験片（下板）においては、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の埋設位置の直上を転動体が通過するように、転動体の軌道位置に埋設位置を合わせる。

【0037】

転動体及び試験片の接触部分に４．５ＧＰａの最大ヘルツ接触応力が加わるように荷重を付与した。また、負荷サイクル速度を１８００サイクル／ｍｉｎとし、潤滑をＩＳＯ ＶＧ６８油浴への浸漬方式とした。この条件において、スラスト型転動疲労試験を常温で実施した。

【0038】

上述したスラスト型転動疲労試験において、はく離が発生するまでの応力繰り返し数を測定し、この応力繰り返し数をはく離寿命として求めた。ここで、実施例１～１１及び比較例１～５の試験片では、試験片中のＡｌ_２Ｏ_３粒子を起点としたはく離（介在物起点型はく離）が発生した。

【0039】

下記表３には、実施例１～１１及び比較例１～５について、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の露出径√ａｒｅａ及び深さＤと、基準となるはく離寿命Ｌｒｅｆに対する各試験片のはく離寿命Ｌｎの比（以下、「寿命比」という）Ｌｎ／Ｌｒｅｆと、各試験片のはく離要因とを示す。実施例１の試験片については、はく離寿命が実用上必要とされる転動疲労寿命以上であったため、実施例１におけるはく離寿命をはく離寿命Ｌｒｅｆとした。

【0040】

【表3】

【0041】

図３には、実施例１～１１及び比較例１～５について、露出径√ａｒｅａ及び深さＤの関係を示す。図３において、縦軸は露出径√ａｒｅａ［μｍ］であり、横軸は深さＤ［μｍ］である。図３に示す点線Ｅは、実施例１～１１及び比較例１～５を区画する境界線であり、下記式（３）で表される。

【0042】

【数4】

【0043】

上記表３及び図３によれば、露出径√ａｒｅａが上記式（３）の右辺に示す値以下であれば、言い換えれば、上記式（２）に示す関係を満たせば、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが１．０以上となり、介在物起点型はく離が短期間に発生することを抑制できる。ここで、露出径√ａｒｅａ及び深さＤが大きいほど、介在物起点型はく離が短期間に発生しやすくなる。

【0044】

実施例１及び比較例２については、深さＤがほぼ同じ（９８，１００μｍ）であるが、露出径√ａｒｅａが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。実施例２及び比較例５については、深さＤが同一（５０μｍ）であるが、露出径√ａｒｅａが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。実施例３，４及び比較例３については、深さＤがほぼ同じ（７５，７２，７０μｍ）であるが、露出径√ａｒｅａが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。実施例５及び比較例４については、深さＤがほぼ同じ（８８，９０μｍ）であるが、露出径√ａｒｅａが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。

【0045】

図１から理解できるように、深さＤが同一であるとき、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径が大きいほど、露出径√ａｒｅａが大きくなる。そして、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径が大きいほど、き裂を進展させやすくなる。したがって、上述したように、深さＤが同等であるときには、露出径√ａｒｅａを小さくするほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆを高くすることができる。

【0046】

実施例２，８及び比較例１については、露出径√ａｒｅａがほぼ同じ（７０，７０，６０μｍ）であるが、深さＤが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。実施例６及び比較例２については、露出径√ａｒｅａがほぼ同じ（１２４，１２０μｍ）であるが、深さＤが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。実施例９，１０及び比較例３については、露出径√ａｒｅａがほぼ同じ（１４４，１４０，１４０μｍ）であるが、深さＤが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。実施例１１及び比較例５については、露出径√ａｒｅａが同一（１８０μｍ）であるが、深さＤが小さいほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆが高くなる。

【0047】

上述したように、露出径√ａｒｅａが同等であるときには、深さＤを小さくするほど、寿命比Ｌｎ／Ｌｒｅｆを高くすることができる。

【符号の説明】

【0048】

ＢＳ：軸受用鋼、Ｓ：表面、ＮＭＩ：非金属介在物

【図1】

【図2】

【図3】