JP5783056B2 - 浸炭軸受鋼鋼材 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭軸受鋼鋼材に関し、詳しくは、ベアリング等の機械構造部品に用いられる転動疲労特性（転動疲労寿命）に優れた浸炭軸受鋼鋼材に関する。

浸炭軸受鋼鋼材は「玉軸受」、「コロ軸受」等の転がり軸受に用いられており、近年のエンジンの高出力化および周辺部品の小型化のニーズによって、より一層長い転動疲労寿命が必要とされている。

この要求に対し、鋼材面からの対策としては、一般的に軸受の剥離の原因となるようなＡｌ₂Ｏ₃に代表される非金属介在物（以下、単に「介在物」ということがある。）の量を極力低減させ、転動疲労寿命の向上を図ることが行われてきた。

鋼材の非金属介在物評価方法としては、例えば、非特許文献１に極値統計処理によるものが提案されている。

しかしながら、例えば、非特許文献２に記載されているように、近年の製鋼技術の進歩により酸化物が小径化した結果、相対的に硫化物のサイズが大きくなる場合があるため、酸化物のみを指標とした対策では、転動疲労寿命のばらつきが大きくなることがある。

そこで、例えば、特許文献１〜４に、転動疲労寿命を向上させるための技術が開示されている。

特許文献１に、質量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．４〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２５〜３．５％、Ｃｒ：０．３〜５．０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００１５％以下、Ｎ：０．０２５％以下であって、必要に応じてさらに、特定量のＭｏ、Ｖ、Ｎｂ、「ｓｏｌ．Ｂ＋Ｔｉ」、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｂ、Ｓ、Ｃａ、Ｂｉのいずれか１種または２種以上を含有し、残部が実質上Ｆｅから成る合金組成を有し、かつ長さが０．５ｍｍ以上のアルミナクラスターの存在量が１０^-3個／ｍｍ³以下であることを特徴とする「転動疲労強度に優れた肌焼鋼」が開示されている。

特許文献２に、機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ²中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ²中における硫化物の最大介在物径の予測値√area maxが４０μｍ以下であることを特徴とする「転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼」と、機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ²中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ²中における酸化物、硫化物、窒化物の各介在物の最大介在物径の予測値√area maxのうち最大の値が６０μｍ以下であることを特徴とする「転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼」とが開示されている。

特許文献３に、機械部品に使用する際の鋼の表面硬さが５８ＨＲＣ以上であり、かつ質量割合でＯが２０ｐｐｍ以下、Ａｌが０．０１０％未満を満足する機械構造用鋼であって、介在物径を（縦×横）^1/2と定義するとき、その鋼中に存在する検鏡面積３０００ｍｍ²に存在する最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物あるいは１５μｍ以上の介在物径を有する全ての酸化物系非金属介在物の組成が質量％でＳｉＯ₂：３０％以上であることを特徴とする「転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼」と、上記内容に加えてさらに、鋼中に存在する酸化物系非金属介在物のうち、検鏡面積３０００ｍｍ²中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下であることを特徴とする「転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼」とが開示されている。

特許文献４に、質量％で、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｓ：０．００１〜０．１５％、Ｃｒ：０．４〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％を含有し、Ａｌ：０．０４％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｏ：０．００２５％以下に制限し、さらに、Ｍｇ：０．００３％以下、Ｚｒ：０．０１％以下、Ｃａ：０．００５％以下の１種または２種以上を含有し、必要に応じてさらに、特定量のＮｂ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｂのいずれか１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、ＡｌＮの析出量を０．０１％以下に制限し、円相当径が２０μｍ超、アスペクト比が３超で硫化物の密度ｄ（個／ｍｍ²）と、Ｓの含有量［Ｓ］（質量％）とが、ｄ≦１７００［Ｓ］＋２０を満足することを特徴とする「冷間加工性、切削性、浸炭焼入れ後の疲労特性に優れた肌焼鋼」およびその製造方法が開示されている。

特開２０００−２９７３４６号公報 特開２００６−６３４０２号公報 特開２００８−２４００１９号公報 国際公開第２０１０／１１６５５５号

村上敬宜：金属疲労 微小欠陥と介在物の影響（１９９３）、〔養賢堂〕 長尾実佐樹ら：Ｓａｎｙｏ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｖｏｌ．１２（２００５）Ｎｏ．１、ｐ．３８

前述の特許文献１で開示されている鋼は、硫化物に対して考慮されていないため、粗大な硫化物が存在する可能性があり、優れた転動疲労寿命が得られない場合がある。

特許文献２で開示されている鋼は、硫化物の最大介在物径の予測値を満足するように鋼を製造する方法について具体的に記載されておらず、発明の鋼を得る手段が明確ではない。

特許文献３で開示されている鋼は、延伸した粗大な、酸化物および硫化物が存在している可能性があるため、優れた転動疲労寿命が得られない場合がある。

特許文献４で開示されている鋼は、酸化物に対して考慮されておらず、延伸した粗大な酸化物が存在している可能性があるため、優れた転動疲労寿命が得られない場合がある。

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、転動疲労寿命に優れた浸炭軸受鋼鋼材を提供することを目的とする。

転がり軸受において欠陥が生じる主な形態は、鋼中に存在する介在物に繰返し荷重が加わり、応力集中によって生じたき裂が繰り返し荷重によって徐々に進展し、最終的に剥離に至ることが挙げられる。

そのため、本発明者らは、転動疲労寿命に及ぼす介在物の影響を調査した。その結果、非特許文献１に示されているように、転動疲労寿命向上のためには、極値統計処理によって予測される最大介在物径である√ＡＲＥＡ_max（以下、「予測√ＡＲＥＡ_max」ということがある。）を小さくすることが有効であり、その中でも鋼材の長手方向に認められる介在物の長さを短くすることが重要であることを確認した。

そこでさらに、介在物の転動疲労に及ぼす影響を詳細に調査し、その結果下記（ａ）および（ｂ）の知見を得た。

（ａ）酸化物および硫化物の組成を制御することによって、すなわち酸化物中に適量のＣａＯを、硫化物中にＣａＳを含有するように組成を制御することによって、それぞれの介在物の長さを短くすることができ、このために転動疲労寿命が著しく向上する。

（ｂ）転動疲労寿命は、３０箇所で測定した１００ｍｍ²中の最大酸化物および最大硫化物の平均組成と相関を有する。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記（１）および（２）に示す浸炭軸受鋼鋼材にある。

（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｃｒ：０．４〜２．０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％およびＯ：０．００１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する浸炭軸受鋼鋼材であって、
該鋼材の長手方向縦断面１００ｍｍ²中の最大酸化物径である酸化物の√ＡＲＥＡ_maxと最大硫化物径である硫化物の√ＡＲＥＡ_maxの測定をそれぞれ３０箇所において行い、極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ²中における酸化物の予測最大径である酸化物の予測√ＡＲＥＡ_maxが５０μｍ以下であり、硫化物の予測最大径である硫化物の予測√ＡＲＥＡ_maxが６０μｍ以下であり、かつ前記３０箇所の最大酸化物および最大硫化物の平均アスペクト比がそれぞれ、５．０以下であり、
さらに、前記３０箇所の最大酸化物の平均組成における質量％での含有量が、ＣａＯ：２．０〜２０％、ＭｇＯ：０〜２０％およびＳｉＯ₂：０〜１０％で、かつ残部がＡｌ₂Ｏ₃であって、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の２元系酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃の３元系酸化物、ＣａＯ、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の３元系酸化物およびＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の４元系酸化物のうちのいずれかからなり、かつ、前記３０箇所の最大硫化物の平均組成における質量％での含有量が、ＣａＳ：１００％のＣａＳの１元系硫化物、または、ＣａＳ：１．０％以上、ＭｇＳ：０〜２０％で、かつ残部がＭｎＳであって、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物またはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなる、
ことを特徴とする浸炭軸受鋼鋼材。

（２）Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ：１．０％以下およびＮｉ：２．０％以下のうちの１種以上を含有する、上記（１）に記載の浸炭軸受鋼鋼材。

本発明でいう鋼材の「長手方向縦断面」とは、鋼材の圧延方向または鍛錬軸に平行に切断した面をいう。

また、本発明でいう酸化物および硫化物の「アスペクト比」とはそれぞれ、酸化物および硫化物の長径（Ｌ）と短径（Ｗ）の比、すなわちＬ／Ｗをいう。

本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、安定して良好な転動疲労寿命を得ることができる。このため、「玉軸受」、「コロ軸受」等の転がり軸受の素材として用いるのに好適である。

１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片および１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片から実施例の転動疲労試験に用いた素形材を採取した方法を模式的に説明する図である。 実施例において、直径が６０ｍｍで厚みが５．５ｍｍの素形材に施した「浸炭焼入れ−焼戻し」のヒートパターンを示す図である。図中の「Ｃｐ」は、「炭素ポテンシャル」を表す。「Ｏ．Ｑ．」は、「油焼入れ」を表す。焼戻し後の冷却は大気中放冷とし、図では「Ａ．Ｃ．」と表記した。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素、酸化物および硫化物の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

（Ａ）鋼材の化学組成：
Ｃ：０．０５〜０．３０％
Ｃは、本発明の鋼材の強度を左右する重要な元素である。浸炭焼入れしたときの部品の芯部強度（部品の生地の強度）を確保するためには、０．０５％以上のＣを含有させる必要がある。一方、０．３０％を超えるＣを含有させると靱性および被削性が低下する。したがって、Ｃの含有量を０．０５〜０．３０％とした。Ｃの含有量は０．１５％以上とすることが好ましく、０．１８％以上とすれば一層好ましい。また、Ｃの含有量は０．２５％以下とすることが好ましく、０．２３％以下とすれば一層好ましい。

Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高める効果が大きく、また、転動疲労強度の向上にも効果を有する元素である。しかしながら、Ｓｉの含有量が０．０５％未満では前記の効果が不十分である。一方、Ｓｉの含有量が１．０％を超えると、転動疲労強度を高める効果が飽和するだけでなく、靱性および被削性の低下が顕著になる。したがって、Ｓｉの含有量を０．０５〜１．０％とした。Ｓｉの含有量は０．１０％以上とすることが好ましく、０．１５％以上とすれば一層好ましい。また、Ｓｉの含有量は０．７０％以下とすることが好ましく、０．３５％以下とすれば一層好ましい。

Ｍｎ：０．１０〜２．０％
Ｍｎは、鋼に固溶して鋼の転動疲労強度を高め、鋼の焼入れ性を高める元素である。Ｍｎはさらに、鋼中のＳと結合してＭｎＳを形成し、鋼の被削性を高める。これらの効果を得るためには、０．１０％以上のＭｎを含有させる必要がある。しかし、Ｍｎの含有量が過剰になると焼入れ後の表面硬さが高くなりすぎて、靱性および被削性が低下する。このため、上限を設け、Ｍｎの含有量を０．１０〜２．０％とした。焼入れ性および強度を向上させたい場合、Ｍｎの含有量は０．６０％以上とすることが好ましい。なお、Ｍｎの含有量は０．９０％以下とすることが好ましい。

Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、鋼中に不純物として混入する元素である。Ｐを過剰に含有すると、熱間加工性の低下を招く。このため、上限を設け、Ｐの含有量を０．０５％以下とした。好ましいＰ含有量は０．０３５％以下であり、さらに好ましくは０．０２５％以下である。

Ｓ：０．００８％以下
Ｓは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が０．００８％を上回ると硫化物中のＣａ濃度が低下し、延伸した粗大な硫化物を形成しやすくなって、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Ｓの含有量を０．００８％以下とした。Ｓの含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。

Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％
Ａｌは、精錬工程で脱酸を行うために使用する元素であり、また、ＡｌＮを形成して結晶粒を微細化する効果を有する元素である。しかし、Ａｌの含有量が０．０１０％未満では上記効果が不十分である。一方、０．０５０％を超えてＡｌを含有させた場合、粗大な酸化物として残存しやすくなり、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Ａｌの含有量を０．０１０〜０．０５０％とした。Ａｌの含有量は、０．０２０％以上とすることが好ましく、また０．０４０％以下とすることが好ましい。

Ｃｒ：０．４〜２．０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性、焼入れ焼戻し後の強度および靱性を向上させるのに有効な元素である。これらの効果を得るためには、０．４％以上のＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒを２．０％を超えて含有させると、かえって靱性が低下し、さらには被削性も低下する。したがって、Ｃｒの含有量を０．４〜２．０％とした。Ｃｒの含有量は０．６％以上とすることが好ましく、また１．５％以下とすることが好ましい。

Ｎ：０．０１０〜０．０２５％
Ｎは、Ａｌと結合してＡｌＮを生成し、結晶粒を微細化する働きをする。しかし、Ｎの含有量が０．０１０％未満では上記効果が不十分である。一方、０．０２５％を超えてＮを含有させた場合、かえって鋼の強度を低下させる。したがって、Ｎの含有量を０．０１０〜０．０２５％とした。なお、Ｎ含有量の上限は０．０２０％とすることが好ましい。

Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは、酸化物を生成する元素であるため、極力その含有量を低下させる必要がある。Ｏの含有量が多くなって、特に０．００１５％を上回ると、粗大な酸化物として残存しやすくなり、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Ｏの含有量を０．００１５％以下とした。Ｏの含有量は０．００１０％以下であることが好ましい。なお、Ｏの含有量はできる限り少なくすることが好ましいが、製鋼でのコストを考慮すると、その下限は０．０００５％程度となる。

本発明の浸炭軸受鋼鋼材の化学組成の一つは、上記元素のほか、残部がＦｅと不純物からなるものである。

なお、残部としての「Ｆｅおよび不純物」における「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入するものを指す。

本発明の浸炭軸受鋼鋼材の化学組成の他の一つは、Ｆｅの一部に代えて、ＭｏおよびＮｉのうちの１種以上の元素を含有するものである。

以下、任意元素であるＭｏおよびＮｉの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。

Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を高めて、転動疲労強度を高める効果を有する。また、Ｍｏには、浸炭後の焼入れ処理において、不完全焼入れ層を抑制する効果もある。このため、Ｍｏを含有させてもよい。しかしながら、Ｍｏの含有量が過剰になると、鋼の被削性が低下し、さらに、鋼の製造コストも高くなる。したがって、含有させる場合のＭｏの量に上限を設け、１．０％以下とした。含有させる場合のＭｏの量は、０．５０％以下であることが好ましく、０．３０％以下であればさらに好ましい。

一方、前記したＭｏの効果を安定して得るためには、Ｍｏの含有量は０．０２％以上であることが好ましく、０．０５％以上であれば一層好ましい。Ｍｏの含有量は、０．１０％以上であれば極めて好ましい。

Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、転動疲労強度を高める効果を有する。Ｎｉには、焼入れ性および靱性を向上させる効果もある。このため、Ｎｉを含有させてもよい。しかしながら、Ｎｉの含有量が２．０％を超えても上記効果は飽和するので、鋼の製造コストが嵩むばかりである。したがって、含有させる場合のＮｉの量に上限を設け、２．０％以下とした。含有させる場合のＮｉの量は、１．８％以下であることが好ましい。

一方、前記したＮｉの効果を安定して得るためには、Ｎｉの含有量は０．２０％以上であることが好ましく、０．４０％以上であれば一層好ましい。

上記のＭｏおよびＮｉは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種の複合で含有させることができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は、各元素の含有量がそれぞれの上限値である場合の３．０％であってもよいが、２．１％以下であることが好ましい。

（Ｂ）鋼材の長手方向縦断面における酸化物の予測√ＡＲＥＡ_maxと硫化物の予測√ＡＲＥＡ_maxおよび最大酸化物と最大硫化物の平均アスペクト比：
「玉軸受」、「コロ軸受」等の転がり軸受の素材として用いるために、本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面１００ｍｍ²中の最大酸化物径である酸化物の√ＡＲＥＡ_maxと最大硫化物径である硫化物の√ＡＲＥＡ_maxの測定をそれぞれ３０箇所において行い、極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ²中における酸化物の予測最大径である酸化物の予測√ＡＲＥＡ_maxが５０μｍ以下であり、硫化物の予測最大径である硫化物の予測√ＡＲＥＡ_maxが６０μｍ以下で、かつ前記３０箇所の最大酸化物および最大硫化物の平均アスペクト比がそれぞれ５．０以下でなければならない。

なお、「極値統計処理」による介在物の予測√ＡＲＥＡ_maxの評価は、例えば次に示すような手順で行えばよい。

〈１〉棒鋼の長手方向に平行である断面を研磨した後、その研磨面を被検面積として、検査基準面積Ｓ₀（ｍｍ²）を決める。
〈２〉上記Ｓ₀中で最大の√ＡＲＥＡを有する介在物を選び、その√ＡＲＥＡ_max（μｍ）を測定する。
〈３〉上述した測定を、重複しない場所でｎ回繰り返して行う。
〈４〉測定した√ＡＲＥＡ_maxを小さい順に並べ直し、それを√ＡＲＥＡ_max,j（ｊ＝１〜ｎ）とする。
〈５〉それぞれのｊについて下記の基準化変数ｙ_jを計算する。
ｙ_j＝−ｌｎ［−ｌｎ｛ｊ／（ｎ＋１）｝］。
〈６〉極値統計用紙の座標横軸に√ＡＲＥＡ_max、縦軸に基準化変数ｙをとって、ｊ＝１〜ｎについてプロットし、最小二乗法により近似直線を求める。
〈７〉評価したい面積をＳ（ｍｍ²）、Ｔ＝（Ｓ＋Ｓ₀）／Ｓ₀として下記の式からｙの値を求め、上記の近似曲線を用いて、前記ｙの値における√ＡＲＥＡ_maxを求めれば、これがその評価面積における介在物の予測√ＡＲＥＡ_maxである。
ｙ＝−ｌｎ［−ｌｎ｛（Ｔ−１）／Ｔ｝］。

上記の方法で、鋼材の長手方向縦断面１００ｍｍ²中の最大酸化物について、√ＡＲＥＡ_maxの測定を３０箇所において行い、極値統計処理を行った際、３００００ｍｍ²中に予測される酸化物の最大径である予測√ＡＲＥＡ_maxが５０μｍを上回ると、粗大な酸化物によって転動疲労寿命が低下する。なお、酸化物の好ましい予測√ＡＲＥＡ_maxは４０μｍ以下である。また、酸化物の予測最大径√ＡＲＥＡ_maxは小さければ小さい方が好ましい。

上記の方法で、鋼材の長手方向縦断面１００ｍｍ²中の最大硫化物について、√ＡＲＥＡ_maxの測定を３０箇所において行い、極値統計処理を行った際、３００００ｍｍ²中に予測される硫化物の最大径である予測√ＡＲＥＡ_maxが６０μｍを上回ると、延伸した粗大な硫化物によって転動疲労寿命が低下する。なお、硫化物の好ましい予測√ＡＲＥＡ_maxは５０μｍ以下である。また、硫化物の予測最大径√ＡＲＥＡ_maxは小さければ小さい方が好ましい。

酸化物径や硫化物径である介在物径√ＡＲＥＡの測定方法に関しては、非特許文献２に記載の光学顕微鏡による測定方法に基づいて測定する。すなわち、まず、光学顕微鏡により、観察している介在物が酸化物か硫化物かを判定する。そして、介在物の長径（Ｌ）は、単体または複数からなる群にて存在する介在物の端と端を結んだ最大の長さとし、その長径の方向と平行な線で挟んだ介在物の最大幅を短径（Ｗ）とする。また、群にて存在する介在物の場合には、２つ介在物間の距離と小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値とを比較し、小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値が２つの介在物間の距離よりも大きな場合には２つの介在物は一体と判断し、一方、小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値が２つの介在物間の距離よりも小さな場合には２つの介在物は別々の独立した介在物と判断する。

上記３０箇所において測定を行った最大酸化物の平均アスペクト比が５．０を超えると、延伸した、または点列状の、粗大な酸化物によって、転動疲労寿命が低下する。また、上記３０箇所において測定を行った最大硫化物の平均アスペクト比が５．０を超えると、延伸した粗大な硫化物によって、転動疲労寿命が低下する。したがって、上記３０箇所において測定を行った最大酸化物および最大硫化物の平均アスペクト比をそれぞれ、５．０以下とした。なお、上記の最大酸化物および最大硫化物の平均アスペクト比はそれぞれ、４．０以下であることが好ましい。上記の最大酸化物および最大硫化物の平均アスペクト比は、１に近ければ近い方がよい。

なお、例えば、後述の酸化物組成および硫化物組成を得るための製造方法によって、上記の鋼材のＬ断面における介在物の予測√ＡＲＥＡ_maxとアスペクト比の条件を満たすことができる。

（Ｃ）鋼材の長手方向縦断面における最大酸化物の平均組成：
「玉軸受」、「コロ軸受」等の転がり軸受の素材として用いるために、本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、上記３０箇所において測定を行った最大酸化物の平均組成における質量％での含有量（以下、「濃度」ということがある。）が、ＣａＯ：２．０〜２０％、ＭｇＯ：０〜２０％およびＳｉＯ₂：０〜１０％で、かつ残部がＡｌ₂Ｏ₃であって、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の２元系酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃の３元系酸化物、ＣａＯ、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の３元系酸化物およびＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の４元系酸化物のうちのいずれかからなるものでなければならない。

本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面における最大酸化物の平均組成が上記の条件を満たし、そして後述する熱間圧延を施すことによって、長く延伸した、または点列状の、粗大な酸化物の生成が抑制され、優れた転動疲労寿命を確保することが可能になる。

なお、酸化物に関しては、以下の方法で各酸化物の濃度を算出する。

まず、エネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）によって、酸化物中のＣａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓの含有量を「ｍｏｌ％」で定量する。

ここで、酸化物と硫化物が複合した介在物では、酸化物の構成元素中からＳが検出される場合がある。その場合の酸化物濃度の求め方について説明する。

まず、Ｃａに関してはＣａＳまたはＣａＯのどちらかで検出される。そして、ＣａＳが存在する状況では熱力学的にＭｎＯは存在しないため、Ｍｎは全てＳと結合しているものとする。したがって、酸化物中から［Ｓ］が検出される場合、つまり、［Ｓ］＞［Ｍｎ］の場合には、［Ｍｎ］はすべてＭｎＳを構成し、Ｍｎの酸化物は存在しないとする。そして、［Ｍｎ］に対して余剰な［Ｓ］に相当する［Ｃａ］をＣａＳを構成するＣａとし、さらに、ＣａＳを構成するのに余剰な［Ｃａ］をＣａＯ濃度とする。次いで、［Ｍｇ］、［Ｓｉ］および［Ａｌ］からそれぞれ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度を求める。

一方、［Ｓ］≦［Ｍｎ］の場合には、［Ｓ］はすべてＭｎＳを構成しているものとし、［Ｃａ］、［Ｍｇ］、［Ｓｉ］および［Ａｌ］からそれぞれ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度を求める。

なお、低級酸化物であるＦｅ_xＯおよびＣｒ₂Ｏ₃については、本発明で規定しているＯ含有量の範囲ではごく微量しか存在しない。したがって、酸化物中から［Ｃｒ］および／または［Ｆｅ］が微量ながら検出された場合であっても、検出された［Ｃｒ］および［Ｆｅ］を除外した元素、すなわち［Ｃａ］、［Ｍｇ］、［Ｓｉ］および［Ａｌ］の合計を１００％として、各酸化物の濃度を求め、最後に、上記のようにして求めた３０個それぞれの試料におけるＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度から、最大酸化物の質量％での平均組成を算出する。

上記において［Ｘ］は元素Ｘの「ｍｏｌ％」単位で定量された値を指す。

以下、本発明で規定する各酸化物について詳しく説明する。

ＣａＯ：２．０〜２０％
塩基性酸化物であるＣａＯは、スラグの主要成分の１つであり、脱硫時の媒溶剤として用いられる。前記最大酸化物の平均組成におけるＣａＯ濃度が２．０％以上であれば、長く延伸した、または点列状の、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（スピネル）相の生成を抑制する効果が得られる。一方、ＣａＯ濃度が２０％を上回ると、大型のＣａＯを主体とする粗大な酸化物が生成されてしまい転動疲労寿命が低下する。したがって、前記最大酸化物の平均組成におけるＣａＯ濃度を２．０〜２０％とした。

ＭｇＯ：０〜２０％
ＭｇＯは塩基性酸化物であり、溶解度が低いため硬質のＭｇＯ（ぺリクレース）相として、さらには、Ａｌ₂Ｏ₃とともにスピネル相として晶出する。これらは点列状の粗大な酸化物となって鋼材中へ残存し、転動疲労寿命を低下させる場合があるため、前記最大酸化物の平均組成におけるＭｇＯ濃度に上限を設け、２０％以下に制限する。なお、酸化物中にＭｇＯは存在していなくても構わない。このため、酸化物の平均組成におけるＭｇＯ濃度を０〜２０％とした。

ＳｉＯ₂：０〜１０％
酸性酸化物であるＳｉＯ₂は、スラグの主要成分の１つであり、酸化物中に含有される可能性があり、前記最大酸化物の平均組成において１０％までは許容できるものの、１０％を上回ると酸化物が延伸して粗大となって、転動疲労寿命が低下する場合がある。なお、酸化物中にＳｉＯ₂は存在していなくても構わない。したがって、酸化物の平均組成におけるＳｉＯ₂濃度を０〜１０％とした。

なお、前記最大酸化物の平均組成におけるＣａＯ濃度が２．０％以上になると、酸化物の残部であるＡｌ₂Ｏ₃が、長く延伸したり、点列状になったりすることが抑制される。このため、残部としてのＡｌ₂Ｏ₃の濃度は、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の２元系酸化物でかつ、ＣａＯ濃度が２．０％の場合の９８．０％であってもよい。

（Ｄ）鋼材の長手方向縦断面における最大硫化物の平均組成：
本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、前記３０箇所において測定を行った最大硫化物の平均組成における質量％での含有量が、ＣａＳ：１００％のＣａＳの１元系硫化物、または、ＣａＳ：１．０％以上、ＭｇＳ：０〜２０％で、かつ残部がＭｎＳであって、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物もしくはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなるものでなければならない。

本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面における最大硫化物の平均組成が上記の条件を満たし、そして後述する熱間圧延を施すことによって、延伸した粗大な硫化物の生成が抑制されるため、優れた転動疲労寿命を確保できる。

なお、硫化物に関しては、以下の方法で各硫化物の濃度を算出する。

まず、エネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）によって、硫化物中のＣａ、Ｍｇ、ＭｎおよびＳの含有量を「ｍｏｌ％」で定量する。ついで、［Ｃａ］、［Ｍｇ］、［Ｍｎ］からそれぞれ、ＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの濃度を求める。

最後に、上記のようにして求めた３０個それぞれの試料におけるＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの濃度から、最大硫化物の質量％での平均組成を算出する。

上記において［Ｘ］は元素Ｘの「ｍｏｌ％」単位で定量された値を指す。

ＣａＳ：１．０〜１００％
ＣａＳは、脱硫反応によって生成する硫化物である。前記最大硫化物の平均組成におけるＣａＳ濃度が１．０％以上になると、延伸した粗大な硫化物の生成を抑制する効果が得られる。硫化物としてＣａＳだけが存在しても、つまり、ＣａＳ濃度が１００％であっても構わない。したがって、前記最大硫化物の平均組成におけるＣａＳ濃度を１．０〜１００％とした。

なお、硫化物がＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物、またはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなる場合の前記最大硫化物の平均組成におけるＣａＳ濃度は、１００％に近い値であっても構わない。

ＭｇＳ：０〜２０％
精錬段階にて鋼中にＭｇが取込まれ、硫化物中にＭｇＳが混入する場合がある。前記最大硫化物の平均組成におけるＭｇＳ濃度が２０％を上回ると、前述した酸化物中のＭｇＯ濃度が増加し、点列状の粗大な酸化物の生成を招くため、ＭｇＳ濃度は２０％以下に制限する。なお、硫化物中にＭｇＳは存在していなくても構わない。したがって、前記最大硫化物の平均組成におけるＭｇＳ濃度を０〜２０％とした。

なお、前記最大硫化物の平均組成におけるＣａＳ濃度が１．０％以上になると、延伸した粗大な硫化物の生成が抑制される。このため、残部としてのＭｎＳの濃度は、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物の場合には、ＣａＳ濃度が１．０％の場合の９９．０％であってもよい。また、ＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物の場合には、ＣａＳ濃度が１．０％で、ＭｇＯ濃度が０％に近い値の場合の９９．０％に近い値であってもよい。

前述した最大酸化物の平均組成および最大硫化物の平均組成は、例えば、次に述べる製造方法によって得ることができる。

先ず、転炉で酸化精錬を行った後、転炉からの出鋼時にＡｌを添加して脱酸処理を行い、その後さらに除滓処理を実施する。

次いで、ＣａＯ：３０〜７０％、Ａｌ₂Ｏ₃：５〜４０％、ＳｉＯ₂：１０％以下（０％を含まない）、ＭｇＯ：０〜１０％、ＣａＦ₂：０〜３０％、ＣａＯ／ＳｉＯ₂：６．０以上およびＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃：１．５〜１５．０を含有するスラグを、溶鋼１トン当たり、５〜２０ｋｇの範囲で調整し、アーク式加熱装置付き真空溶鋼撹拌装置（以下、「ＶＡＤ」という。）でＡｒガスによる撹拌および精錬処理を実施して、所定の範囲、つまり、Ｓが０．００８％以下となるまで十分に脱硫処理を行う。次いで、ＲＨ真空脱ガス装置（以下、「ＲＨ」という。）にて３０分程度の処理を行ってＯ（酸素）の含有量を低減させる。その後、連続鋳造して横断面が３００ｍｍ×４００ｍｍの鋳片にする。

さらに、鋳片を分塊圧延および棒鋼圧延で、圧下比が１０以上の熱間圧延を実施する。

なお、上記成分のスラグ組成およびＶＡＤでの処理は、酸化物および硫化物の組成制御を目的とするものである。そして、ＲＨ真空脱ガス装置における処理は、Ｏ（酸素）含有量低減を目的として実施する処理である。

また、圧下比とは鋳片の断面積を最終の圧下によって得られた浸炭軸受鋼鋼材の断面積で除した値を示す。圧下比を１０以上とすることにより、安定して、複数からなる群にて存在する酸化物間の距離を大きくし、また延伸した酸化物または硫化物を分断することになって、一体として判断される介在物を低減させることができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼１〜２５を、次のプロセスによって製造した。

表１中の鋼１〜１５および鋼１９〜２５は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、一方、鋼１６〜１８は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼である。

先ず、７０ｔ転炉で酸化精錬を行った後、転炉からの出鋼時にＡｌを添加して脱酸処理を行い、その後さらに除滓処理を行った。

次いで、ＶＡＤにより、Ａｒ雰囲気下で表２に示す条件にスラグを調整し、表３に示す条件でＡｒガスによる撹拌を行った。

その後さらに、ＲＨによる処理を表４に示す時間で実施し、その後、連続鋳造して３００ｍｍ×４００ｍｍの鋳片にした。

上記のようにして得られた鋳片を１２５０℃で均熱した後、１１００〜１０５０℃の温度域で分塊圧延して表５に示すサイズの鋼片にし、さらにその鋼片を１２００℃に加熱した後、１１００〜１０２０℃の温度域で棒鋼圧延して、直径１２０〜７０ｍｍの棒鋼を製造した。

なお、鋼１９および鋼２０については分塊圧延のみを実施して鋼片とし、棒鋼圧延は行わなかった。

試験番号１〜１８および試験番号２１〜２５の棒鋼と、試験番号１９および試験番号２０の鋼片を２００ｍｍの長さに切断した後、ミクロ試料を採取した。

具体的には、試験番号１〜１８および試験番号２１〜２５の棒鋼については、長手方向縦断面に対して表面と中心の中間位置であるＲ／２部（「Ｒ」は棒鋼の半径を表す。）から、１０ｍｍ×１０ｍｍのミクロ試料を３０個作製した。

また、試験番号１９および試験番号２０の鋼片については、Ｔ／４部（「Ｔ」は鋼片の幅を表す。）から１０ｍｍ×１０ｍｍのミクロ試料を３０個作製した。

上記のようにして採取したミクロ試料１００ｍｍ²中に存在する介在物について、まず、酸化物であるのか硫化物であるのかを調査した。

次いで、酸化物と硫化物の２種類の介在物について、最大の介在物の長径と短径を測定し、√ＡＲＥＡ_max＝（長径×短径）^1/2として、各鋼の３０個それぞれについて√ＡＲＥＡ_maxを求めた。

また、測定した介在物の長径（Ｌ）を短径（Ｗ）で除してアスペクト比を求め、酸化物と硫化物のそれぞれについて、３０個の最大介在物のアスペクト比を算術平均して、平均のアスペクト比を求めた。

介在物の長径は、単体または複数からなる群にて存在する介在物の端と端を結んだ最大の辺とし、その長径の辺と平行な線で挟んだ介在物の最大幅を短径とした。また、群にて存在する介在物では、隣接する２つの介在物間の距離と小さい方の介在物径√ＡＲＥＡとを比較し、小さい方の介在物径√ＡＲＥＡの値が隣接する２つの介在物間の距離よりも大きな場合には両者は一体と判断し、また小さい方の介在物径√ＡＲＥＡの値が隣接する２つの介在物間の距離より小さな場合には両者が別々の介在物と判断した。

そして、前述の〈１〉〜〈６〉に従い、横軸に√ＡＲＥＡ_max、縦軸に基準化変数ｙをとって極値統計用紙に測定した３０個のデータをプロットし、最小二乗法によって近似直線を求めた。

そして、極値統計処理を行い、３００００ｍｍ²中に存在する酸化物と硫化物の２種類の介在物について、最大介在物の√ＡＲＥＡ_maxを予測した。

また、測定した３０箇所の最大酸化物と最大硫化物それぞれの平均組成は、前述の方法で調査した。

すなわち、酸化物については、エネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）によって、酸化物を構成する酸化物を構成する元素の量を「ｍｏｌ％」で定量し、前述の方法でＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度を求め、３０個それぞれの試料におけるＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の濃度から、最大酸化物の質量％での平均組成を算出した。

硫化物については、エネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）によって、硫化物中のＣａ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓの含有量を「ｍｏｌ％」で定量し、前述の方法でＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの濃度を求め、３０個それぞれの試料におけるＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの濃度から、最大酸化物の質量％での平均組成を算出した。

また、各鋼について、前記の試験番号１〜１８および試験番号２１〜２５の直径７０〜１２０ｍｍの棒鋼ならびに試験番号１９および試験番号２０の鋼片を２５０ｍｍの長さに切断した。

試験番号１〜１８の直径７０〜１２０ｍｍの棒鋼の中心から、棒鋼の長手方向が素形材の厚みとなるように、直径が６０ｍｍで厚みが５．５ｍｍの素形材をスライスして採取した。また、試験番号１９の１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片および試験番号２０の１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片については中心偏析の影響を極力避けるため、図１に示すようにＴ／４部が素形材の中心で、鋼片の長手方向が素形材の厚みとなるように、直径が６０ｍｍで厚みが５．５ｍｍの素形材を採取した
上記直径が６０ｍｍで厚みが５．５ｍｍの素形材を、図２に示すヒートパターンで「浸炭焼入れ−焼戻し」した後、素形材の表面をラッピング加工して転動疲労試験片を作製して、転動疲労試験に供した。なお、図２中の「Ｃｐ」は、「炭素ポテンシャル」を、また、「Ｏ．Ｑ．」は「油焼入れ」を表す。焼戻し後の冷却は大気中放冷とし、図２では「Ａ．Ｃ．」と表記した。

転動疲労試験は、スラスト型の転動疲労試験機を用いて、最大接触面圧５２３０ＭＰａ、繰り返し速度１８００ｃｐｍ（ｃｙｃｌｅ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）の条件で、試験数を１０として行った。

表６に、転動疲労試験の詳細条件を示す。

転動疲労試験結果は、ワイブル分布確率紙上にプロットし、１０％破損確率を示すＬ₁₀寿命を「転動疲労寿命」として、転動疲労特性を評価した。

表７に、上記各種の調査結果をまとめて示す。

表７に示すように、本発明で規定する条件を全て満たす鋼材を素材とする試験番号１〜１５の本発明例の場合、Ｌ₁₀寿命は１８．４×１０⁶以上であって、転動疲労特性に優れていることが明らかである。

これに対して、鋼の化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の試験番号１６〜１８の場合、転動疲労寿命が短い。

すなわち、試験番号１６および試験番号１７は、鋼１６および鋼１７のＳの含有量がそれぞれ、０．０１２％および０．０１０％で、本発明で規定する値を上回っており、また硫化物中のＣａＳ濃度が本発明で規定する値を下回っている。このため、延伸した粗大な硫化物となってしまい、Ｌ₁₀寿命がそれぞれ、１．０×１０⁶および１．２×１０⁶と短い。

試験番号１８は、鋼１８のＯ含有量が０．００２０％で、本発明で規定する値を上回っている。このため、酸化物が粗大となってしまい、Ｌ₁₀寿命が０．８×１０⁶と短い。

次いで、鋼の化学組成が本発明で規定する条件を満足しても、酸化物および硫化物の予測√ＡＲＥＡ_maxおよび平均のアスペクト比が本発明で規定する条件から外れた試験番号１９と試験番号２０の場合、転動疲労寿命が短い。

すなわち、試験番号１９および試験番号２０は酸化物と硫化物の√ＡＲＥＡ_maxおよび平均のアスペクト比が本発明で規定する値を上回っている。このため、粗大な酸化物や硫化物の影響によりＬ₁₀寿命がそれぞれ、１．３×１０⁶および１．４×１０⁶と短い。

また、鋼の化学組成が本発明で規定する条件を満足しても、最大酸化物の平均組成および最大硫化物の平均組成の少なくとも一方が本発明で規定する条件から外れた試験番号２１〜２５の場合、転動疲労寿命が短い。

すなわち、試験番号２１においては、酸化物中のＣａＯ濃度が本発明で規定する値を上回っている。このため、大型の酸化物が生成してしまい、Ｌ₁₀寿命が１．５×１０⁶と短い。

試験番号２２においては、酸化物中のＭｇＯ濃度が本発明で規定する値を上回っている。このため、点列状の酸化物が粗大となってしまい、Ｌ₁₀寿命が１．４×１０⁶と短い。

試験番号２３においては、酸化物中のＳｉＯ₂濃度が本発明で規定する値を上回っている。このため、延伸した粗大な酸化物となってしまい、Ｌ₁₀寿命が２．１×１０⁶と短い。

試験番号２４においては、硫化物中のＣａＳ濃度が本発明で規定する値を下回っている。このため、硫化物が延伸した粗大な硫化物となってしまい、Ｌ₁₀寿命が２．０×１０⁶と短い。

試験番号２５においては、硫化物中のＭｇＳ濃度が本発明で規定する値を上回っている。このため、酸化物中のＭｇＯ濃度が上昇し、点列状の酸化物が粗大になってしまい、Ｌ₁₀寿命が１．８×１０⁶と短い。

本発明の浸炭軸受鋼鋼材は、安定して良好な転動疲労寿命を得ることができる。このため、「玉軸受」、「コロ軸受」等の転がり軸受の素材として用いるのに好適である。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１０〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｃｒ：０．４〜２．０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％およびＯ：０．００１５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有する浸炭軸受鋼鋼材であって、
   該鋼材の長手方向縦断面１００ｍｍ²中の最大酸化物径である酸化物の√ＡＲＥＡ_maxと最大硫化物径である硫化物の√ＡＲＥＡ_maxの測定をそれぞれ３０箇所において行い、極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ²中における酸化物の予測最大径である酸化物の予測√ＡＲＥＡ_maxが５０μｍ以下であり、硫化物の予測最大径である硫化物の予測√ＡＲＥＡ_maxが６０μｍ以下であり、かつ前記３０箇所の最大酸化物および最大硫化物の平均アスペクト比がそれぞれ、５．０以下であり、
   さらに、前記３０箇所の最大酸化物の平均組成における質量％での含有量が、ＣａＯ：２．０〜２０％、ＭｇＯ：０〜２０％およびＳｉＯ₂：０〜１０％で、かつ残部がＡｌ₂Ｏ₃であって、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の２元系酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯとＡｌ₂Ｏ₃の３元系酸化物、ＣａＯ、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の３元系酸化物およびＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の４元系酸化物のうちのいずれかからなり、かつ、前記３０箇所の最大硫化物の平均組成における質量％での含有量が、ＣａＳ：１００％のＣａＳの１元系硫化物、または、ＣａＳ：１．０％以上、ＭｇＳ：０〜２０％で、かつ残部がＭｎＳであって、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物またはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなる、
   ことを特徴とする浸炭軸受鋼鋼材。
2. Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ：１．０％以下およびＮｉ：２．０％以下のうちの１種以上を含有する、請求項１に記載の浸炭軸受鋼鋼材。

Images