JP6295665B2

JP6295665B2 - 浸炭軸受用鋼

Info

Publication number: JP6295665B2
Application number: JP2014001630A
Authority: JP
Inventors: 隼也山本; 根石　豊; 豊根石; 秀貴安倍; 真志東田; 松本　斉; 斉松本; 直樹松井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: JP2015129335A

Description

本発明は、浸炭軸受用鋼に関し、詳しくは、転動疲労特性（転動疲労寿命）に優れた浸炭軸受用鋼に関する。

ベアリング等の機械構造部品や、「等速ジョイント」、「ハブユニット」といった自動車用部品には、高い面圧が繰返し作用する。したがって、上記の部品（以下、まとめて「転動部材」という。）には、優れた転動疲労特性が必要となる。

転動部材の使用環境は、近年、例えば、エンジンの高出力化や部品の小型化、軽量化のニーズによって、ますます高面圧化、高温化して過酷なものとなっている。このため、転動部材にはより一層長い転動疲労寿命が求められるようになってきた。

上記の要求に対し、転動部材の素材については、一般的に、転動部位の剥離の原因となるようなＡｌ_２Ｏ_３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。

しかしながら、例えば、非特許文献１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、最近では、製鋼プロセスによって鋼中のＯ（酸素）やＳ（硫黄）の含有量を少なくする、酸化物や硫化物のサイズを小さくする、介在物の形態自体を制御する、といった試みがなされ、例えば、特許文献１および２に種々の技術が開示されている。

具体的には、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／ｍｍ^３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、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／ｍｍ^２）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号公報国際公開第２０１０／１１６５５５号

長尾実佐樹ら：ＳａｎｙｏＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔＶｏｌ．１２（２００５）Ｎｏ．１、ｐ．３８

前述の特許文献１で開示されている技術は、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で開示されている技術は、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、その目的は、転動疲労特性を、より安定して高めることができる浸炭軸受用鋼を提供することである。

一般に、転動疲労は、鋼材中に存在する介在物に繰返し荷重が加わり、応力集中によって亀裂が生じ、その後、繰返し荷重によって亀裂が徐々に進展し、最終的に剥離に至る現象である、と理解されている。

そこで、本発明者らは、前記した課題を解決するために、介在物の組成と形態に着目して検討を行い、下記の（ａ）〜（ｄ）の重要な知見を得た。

（ａ）硫化物の組成を制御することによって、具体的には、例えば、溶鋼中にＣａを添加して、硫化物中に（Ｍｎ、Ｃａ）ＳおよびＣａＳを含有するように組成を制御することによって、転動疲労の応力集中源となる粗大な硫化物を分散、小径化できる。

（ｂ）Ｏの含有量を低減させた場合でも、酸化物がＡｌ_２Ｏ_３を主体とするものである場合には、凝集、合体して粗大な介在物として存在することがあり、このときには良好な転動疲労寿命が得られない可能性がある。

（ｃ）上述したＣａの添加を、アルミキルド鋼（以下、「Ａｌキルド鋼」という。）の溶鋼段階で行った場合には、脱酸生成物Ａｌ_２Ｏ_３はＣａと反応し、低融点組成酸化物の（Ａｌ、Ｃａ）Ｏに変化する。このとき、溶鋼中で酸化物は球状化し、凝集粗大化が抑制される。

（ｄ）上記（ｃ）項の溶鋼中に添加したＣａは、溶鋼中のＳと、Ａｌキルド鋼の脱酸生成物であるＡｌ_２Ｏ_３の両方と反応し、この２つの反応は競合するため、溶鋼に含まれるＳの量によって、Ａｌ_２Ｏ_３と反応するＣａの量は変化する。よって、溶鋼段階で酸化物の組成を適切に変化させて粗大化を抑制し、転動疲労寿命を向上させるためには、Ｃａ、ＯおよびＳの量を適正な関係に制御する必要がある。

そこで次に、本発明者らは、Ｃａ添加が酸化物および硫化物の組成と形態に及ぼす影響を調査した。

その結果、下記の（ｅ）および（ｆ）に示すように、鋼中に含まれるＣａ量とＯ量の比である〔Ｃａ／Ｏ〕およびＳ量を適正な範囲に制御すれば、粗大な酸化物の形成を抑制できることが判明した。

（ｅ）Ｃａを添加した後の酸化物の組成は、〔Ｃａ／Ｏ〕を指標として表すことができる。そして、
〔０．７≦Ｃａ／Ｏ≦２．０〕
を満たせば、粗大な酸化物の形成を抑制することができる。

（ｆ）ただし、Ｓが多く含まれる場合には、ＣａはＳとも反応する。このため、たとえ鋼中に含まれるＣａ量とＯ量が上記（ｅ）で述べた関係式を満たしても、鋼中に存在するＳ量によっては、適切な酸化物の組成制御ができないために、粗大な酸化物が生じる場合がある。しかし、鋼中に含まれるＣａ量、Ｏ量およびＳ量が、上記〔０．７≦Ｃａ／Ｏ≦２．０〕を満たしたうえでさらに〔Ｃａ／Ｏ≧１２５０Ｓ−５．８〕を満たせば、安定して粗大な酸化物および点列状の酸化物の形成を抑制することができる。

本発明は、上記の技術的思想とそれに基づく知見によって完成されたものであり、その要旨は、下記の浸炭軸受用鋼にある。

（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１％以上０．４％未満、Ｓｉ：０．０２〜１．３％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１０％未満、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３〜０．００３０％、Ｏ：０．００３０％以下およびＮ：０．００２〜０．０３０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とからなり、
下記の[1]式および[2]式を満足する、浸炭軸受用鋼。
０．７≦Ｃａ／Ｏ≦２．０・・・[1]
Ｃａ／Ｏ≧１２５０Ｓ−５．８・・・[2]
ただし、式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。

（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．５％以下およびＭｏ：１．５％以下のうちの１種以上を含有する、上記（１）に記載の浸炭軸受用鋼。

（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．１０％以下およびＮｂ：０．０３％以下のうちの１種以上を含有する、上記（１）または（２）に記載の浸炭軸受用鋼。

（４）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．００３０％以下およびＴｉ：０．０１％未満を含有する、上記（１）から（３）までのいずれかに記載の浸炭軸受用鋼。

本発明の浸炭軸受用鋼を素材とする転動部材は、近年の過酷な使用環境下においても、転動疲労による破損に対して良好な耐久性を有し、安定して長い転動疲労寿命を有する。このため、本発明の浸炭軸受用鋼は、ベアリング等の機械構造部品、さらには、等速ジョイント、ハブユニット等の自動車用部品、といった各種転動部材の素材として好適に用いることができる。

鋼中のＣａ／ＯとＳ量が、粗大な酸化物や点列状の酸化物の形成に及ぼす影響について説明する図で、図中の太枠で囲んだ領域が、本発明の浸炭軸受用鋼が満たすべき領域である。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、以下の説明における各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．１％以上０．４％未満
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、０．１％以上のＣを含有させる必要がある。一方、０．４%以上の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０．１％以上０．４％未満とした。Ｃの含有量は０．１２％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、Ｃの含有量は０．３５％以下とすることが好ましく、０．３０％以下とすれば一層好ましい。

Ｓｉ：０．０２〜１．３％
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０．０２％未満では前記の効果が不十分である。一方、Ｓｉの含有量が１．３％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０．０２〜１．３％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：０．２〜２．０％
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、０．２％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０．２〜２．０％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０．６％以上とすることが好ましい。なお、Ｍｎの含有量は０．９％以下とすることが好ましい。

Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不純物として鋼中に含まれ、結晶粒界に偏析して転動疲労寿命を低下させる。特に、その含有量が０．０５％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０５％以下とした。Ｐの含有量は、極力低くすることがよく、好ましくは０．０２％以下である。

Ｓ：０．０１０％未満
Ｓは、不純物として鋼中に含まれる。Ｓは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が０．０１０％以上になると、粗大な硫化物が残存するため転動疲労寿命を低下させる。したがって、Ｓの含有量を０．０１０％未満とした。なお、転動疲労寿命の向上という観点からは、Ｓの含有量は、極力低くすることがよく、好ましくは０．００６％以下、より好ましくは０．００２％以下である。なお、Ｓの含有量は後述の[2]式も満たす必要がある。

Ｃｒ：０．５０〜２．００％
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、０．５０％以上のＣｒ含有量が必要である。しかしながら、Ｃｒを２．００％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０．５０〜２．００％とした。Ｃｒの含有量は０．６０％以上とすることが好ましく、また１．５０％以下とすることが好ましい。

Ａｌ：０．０１〜０．１０％
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０．０１％未満では上記効果が不十分である。一方、０．１０％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０．０１〜０．１０％とした。Ａｌの含有量は、０．０２％以上とすることが好ましく、また０．０４％以下とすることが好ましい。

Ｃａ：０．０００３〜０．００３０％
Ｃａは、酸化物として、適量の（Ａｌ、Ｃａ）Ｏを形成するとともに、硫化物中に固溶し（Ｍｎ、Ｃａ）ＳとＣａＳを形成する。（Ａｌ、Ｃａ）Ｏを形成することによって、界面エネルギーが低下し、酸化物の凝集力が低下することで、酸化物の粗大化が抑制される。この効果によって、転動疲労寿命の低下を抑制できる。また硫化物に対しては（Ｍｎ、Ｃａ）ＳとＣａＳを形成することで延伸・粗大化を抑制する効果がある。さらに晶出形態が変化するため、硫化物系介在物が均一分散する。これらの効果によって、転動疲労寿命の低下を抑制できる。上述したＣａの各効果は、Ｃａの含有量が０．０００３％以上で発揮される。しかしながら、Ｃａの含有量が０．００３０％を超えると、前記の効果が飽和するだけではなく、特に、酸化物の粗大化を招き、結果として転動疲労寿命の低下を招く場合がある。したがって、Ｃａの含有量を０．０００３〜０．００３０％とした。Ｃａの含有量は０．０００５％以上とすることが好ましく、また０．００２５％以下とすることが好ましい。なお、Ｃａの含有量は後述の[1]式および[2]式も満たす必要がある。

Ｏ：０．００３０％以下
Ｏは、不純物として鋼中に含まれ、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０．００３０％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０．００３０％以下とした。好ましいＯの含有量は０．００２５％以下であり、さらに好ましくは０．００２０％以下である。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。なお、Ｏの含有量は後述の[1]式および[2]式も満たす必要がある。

Ｎ：０．００２〜０．０３０％
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０．００２％未満では上記効果が不十分である。一方、０．０３０％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０．００２〜０．０３０％とした。なお、焼入れ性向上効果を得るため、後述するように、ＢおよびＴｉを含有する場合には、ＢとＮの結合を極力抑制する必要がある。そのため、ＢおよびＴｉを含有する場合には、Ｎ含有量の上限は０．０３０％よりもさらに低くすることが望ましい。この場合、より望ましい上限は０．００４％である。

Ｃａ／Ｏ：０．７〜２．０、かつ（１２５０Ｓ−５．８）以上
本発明の浸炭軸受用鋼は、Ｃａ／Ｏが下記の[1]式を満足する化学組成でなければならない。
０．７≦Ｃａ／Ｏ≦２．０・・・[1]
ただし、式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。

Ｃａ／Ｏは、Ｃａを添加した後の酸化物組成の指標である。Ｃａ／Ｏが０．７未満のときは、Ａｌ_２Ｏ_３は低融点酸化物である（Ａｌ、Ｃａ）Ｏに完全に変化せず、Ａｌ_２Ｏ_３を主体とした粗大なスピネルまたは点列状のＡｌ_２Ｏ_３の酸化物群を形成し、転動疲労寿命低下の原因となる。一方、Ｃａ／Ｏが２．０を上回るときは、ＣａＯを主体とする高融点の粗大な酸化物または点列状のＣａＯの酸化物が形成されやすくなり、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Ｃａ／Ｏは０．７〜２．０の範囲とした。

本発明の浸炭軸受用鋼は、さらにＣａ／Ｏが下記の[2]式を満足する化学組成でなければならない。
Ｃａ／Ｏ≧１２５０Ｓ−５．８・・・[2]
ただし、式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。

これは、たとえＣａ／Ｏが上記０．７〜２．０の範囲であっても、添加されたＣａは酸化物だけではなく、鋼中のＳとも反応するため、酸化物の粗大化や点列状化を抑制できない場合があるからである。

すなわち、〔Ｃａ／Ｏ＜１２５０Ｓ−５．８〕の場合、ＣａＳ形成のために消費されるＣａの量が多くなり、酸化物組成の変化に使われるＣａの量が不足する。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするスピネルが生成して、酸化物の粗大化が生じたり点列状のＡｌ_２Ｏ_３の酸化物群を形成したりして、転動疲労寿命が低下する。したがって、〔Ｃａ／Ｏ≧１２５０Ｓ−５．８〕とした。なお、Ｓに対する係数である１２５０は、ＣａＳ形成に伴うＣａの減少係数を意味する。

図１に、上述のＣａ／ＯとＳ量の関係を整理して示す。なお、図中の太枠で囲んだ領域が、本発明の浸炭軸受用鋼が満たすべき領域である。

なお、上記の[1]式および[2]式を満足させるには、例えば、溶鋼をＡｌで脱酸処理し、その後に、Ｃａ−Ｓｉ合金を加えてＣａ量を調整すればよい。

本発明の浸炭軸受用鋼は、その化学組成が、上述の各元素と、残部がＦｅおよび不純物とからなるものである。

なお、「不純物」とは、鋼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であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

本発明の浸炭軸受用鋼には、上述のＦｅの一部に代えて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂから選択される１種以上の元素ならびに／または、ＢおよびＴｉを含有させてもよい。

Ｃｕ：１．０％以下
Ｃｕは、転動疲労強度を高める効果を有する。Ｃｕには、焼入れ性を向上させる効果もある。このため、Ｃｕを含有させてもよい。しかしながら、Ｃｕの含有量が１．０％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Ｃｕの量に上限を設け、１．０％以下とした。含有させる場合のＣｕの量は、０．５％以下であることが好ましい。

一方、前記したＣｕの効果を安定して得るためには、Ｃｕの含有量は０．０５％以上であることが好ましく、０．０７％以上であれば一層好ましい。

Ｎｉ：３．５％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３．５％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、３．５％以下とした。含有させる場合のＮｉの量は、２．０％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０．０５％以上であることが好ましく、０．０７％以上であれば一層好ましい。

Ｍｏ：１．５％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、１．５％以下とした。含有させる場合のＭｏの量は、０．５％以下であることが好ましく、０．３％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、０．０３％以上であれば一層好ましい。

上記のＣｕ、ＮｉおよびＭｏは、そのうちのいずれか１種のみ、または、２種以上の複合で含有させることができる。なお、これらの元素の２種以上を複合して含有させる場合の合計量の上限は、６．０％である。

Ｖ：０．１０％以下
Ｖは、Ｎと結合して窒化物を形成し、結晶粒の粗大化を抑制する作用がある。さらに、Ｖには、Ｃと結合することで母材の強度を上昇させる作用もある。したがって、Ｖを含有させてもよい。ただし、０．１０％を超えてＶを含有させても結晶粒粗大化を抑制する効果が飽和し、さらに母材の強度が高くなりすぎて被削性が低下してしまう場合がある。そのため、Ｖを含有させる場合には、その含有量を０．１０％以下とした。

一方、前記したＶの効果は、その含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０１５％である。

Ｎｂ：０．０３％以下
Ｎｂは、Ｎと結合して窒化物を形成し、結晶粒粗大化を抑制する作用がある。さらに、Ｎｂには、Ｃと結合することで母材の強度を上昇させる作用もある。したがって、Ｎｂを含有させてもよい。ただし、０．０３％を超えてＮｂを含有させても結晶粒粗大化を抑制する効果が飽和し、さらに、粗大な化合物が生成し、転動疲労強度が低下してしまう場合がある。そのため、Ｎｂを含有させる場合には、その含有量を０．０３％以下とした。十分な転動疲労強度を確保するためのＮｂ含有量の上限は、好ましくは０．０２５％である。

一方、前記したＮｂの効果は、その含有量が０．０１％以上の場合に安定して得られる。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．０１２％である。
上記のＶおよびＮｂ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。なお、これらの元素を複合して含有させる場合の合計量の上限は、０．１３％である。

本発明に係る浸炭軸受用鋼には、より良好な焼入れ性を確保するために、次に述べる量のＢとＴｉを複合して含有させてもよい。

Ｂ：０．００３０％以下
Ｂは、微量の含有で鋼の焼入れ性を大きく向上させて、転動部に必要な硬化層深さを一層大きくすることができる元素である。したがって、Ｂを含有させてもよい。しかしながら、Ｂの含有量が０．００３０％を超えてもその効果は飽和してしまう。そのため、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．００３０％以下とした。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００２０％である。

一方、前記したＢの効果は、その含有量が０．０００５％以上の場合に安定して得られる。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００７％である。

Ｔｉ：０．０１％未満
Ｂを含有することによって焼入れ性が向上するのは、Ｂが化合物ではなく、固溶状態で存在する場合である。そのため、ＢがＮと結合してＢＮを形成した場合には、Ｂによる焼入れ性向上効果は期待できない。したがって、上記の量のＢを含有させる際、ＢよりもＮとの親和力が大きく窒化物形成能が強いＴｉを複合して含有させる。しかしながら、０．０１％以上の量のＴｉを含有させても、Ｎを固定する効果が飽和するばかりか、粗大なＴｉＮが多量に生成してしまうため、転動疲労特性が低下する場合がある。そのため、Ｂと複合して含有させる場合のＴｉの含有量を０．０１％未満とした。

一方、前記したＴｉの効果は、その含有量が０．００７％以上の場合に安定して得られる。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００８％である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有する鋼１〜２８を真空溶解炉を用いて溶製し、１５０ｋｇ鋼塊を作製した。溶製に際しては、Ａｌで脱酸処理を施し、その後に、Ｃａ−Ｓｉ合金を加えてＣａ含有量を調整した。

表１中の鋼１〜１８は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、鋼１９〜２８は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の鋼である。

各鋼塊を一旦室温まで冷却した後、化学組成に応じて、１２００〜１３００℃の温度域の温度に加熱した後、仕上げ温度を１０００〜１１５０℃として熱間鍛造し、直径８０ｍｍの丸棒とした。なお、熱間鍛造後の冷却は大気中での放冷とした。

次いで、上記直径８０ｍｍの各丸棒に、８５０℃で３０分加熱した後、大気中で室温まで放冷する焼準処理を施した。

上記のようにして得た鋼１〜２８の直径８０ｍｍの丸棒の中心から、丸棒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。

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、素形材の片方のスライス面をラッピング加工して転動疲労試験片を作製し、ラッピング加工した面が試験面となるようにして、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、繰返し速度１８００ｃｐｍ（ｃｙｃｌｅｐｅｒｍｉｎｕｔｅ）の条件で、試験数を１０として行った。試験部は、試験片の中心から半径１９．２５ｍｍの環状領域とした。鋼球（相手玉）として、ＪＩＳＧ４８０５（２００８）に規定されたＳＵＪ２の焼入れ−焼戻し玉を用いた。

表２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Ｌ_１０寿命を「転動疲労寿命」として評価した。なお、転動疲労寿命の長寿命化の判断については、Ｌ_１０寿命が１０．０×１０^６以上を満足した場合を長寿命化とし、これを目標とした。

表３に、上記のようにして求めた転動疲労寿命を示した。

表３に示すように、本発明で規定した化学組成を満足する鋼１〜１８を用いた試験番号１〜１８の場合は、転動疲労寿命（Ｌ_１０寿命）は１０．０×１０^６以上で、長い転動疲労寿命が得られている。

これに対して、試験番号１９〜２８の場合は、用いた鋼１９〜２８の化学組成が本発明で規定する条件から外れている。このため、上記各試験番号の場合、転動疲労寿命が短く目標に達していない。

試験番号１９は、用いた鋼１９が[1]式を満たさないので、すなわち、Ｃａ／Ｏが２．１８と高く、本発明で規定する値を超えるため、ＣａＯ系の、粗大な酸化物や点列状の酸化物が形成されやすくなり、Ｌ_１０寿命は６．０６×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２０は、用いた鋼２０が[1]式を満たさないので、すなわち、Ｃａ／Ｏが０．５６と低く、本発明で規定する値を下回るため、酸化物は高融点の凝集しやすいものとなり、その結果Ａｌ_２Ｏ_３系の、粗大な酸化物や点列状の酸化物が形成されやすくなり、Ｌ_１０寿命は３．１６×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２１は、用いた鋼２１が[2]式を満たさないので、すなわち、Ｃａ／Ｏが１．１４、〔１２５０Ｓ−５．８〕が１．５８であって、〔Ｃａ／Ｏ＜１２５０Ｓ−５．８〕であるので、Ａｌ_２Ｏ_３系の、粗大な酸化物や点列状の酸化物が形成されて、Ｌ_１０寿命は３．３０×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２２は、用いた鋼２２のＣａ含有量が０．００３１％と高く、本発明で規定する値を超える。このため、粗大な酸化物や点列状の酸化物が形成されやすくなり、Ｌ_１０寿命は４．４７×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２３は、用いた鋼２３のＣａ含有量が本発明で規定する値を下回る０．０００１％と低いことに加えて、Ｃａ／Ｏが０．１０と低く[1]式を満たさないので、酸化物は高融点の凝集しやすいものとなり、その結果粗大化し、Ｌ_１０寿命は４．９９×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２４は、用いた鋼２４のＯ含有量が０．００３６％と高く、本発明で規定する値を超える。このため、粗大な酸化物が多く残存しやすくなって、Ｌ_１０寿命は２．２６×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２５は、用いた鋼２５のＳ含有量が本発明で規定する値を超える０．０１１４％と高いことに加えて、[2]式を満たさない、すなわち、Ｃａ／Ｏが０．８０、〔１２５０Ｓ−５．８〕が８．４５であって、〔Ｃａ／Ｏ＜１２５０Ｓ−５．８〕であるため、粗大な硫化物が多く生成し、また、多くのＣａおよびＳがＣａＳを形成するため、Ａｌ_２Ｏ_３と反応するＣａは少なくなり、融点が高いＡｌ_２Ｏ_３を主とする酸化物が凝集し、Ｌ_１０寿命は１．５４×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２６は、用いた鋼２６が[1]式を満たさないので、すなわち、鋼２６には、転動疲労寿命を高めるためにＣｕおよびＮｉを含有させたものの、そのＣａ／Ｏが０．４８と低く、本発明で規定する値を下回る。このため、酸化物は高融点の凝集しやすいものとなり、その結果Ａｌ_２Ｏ_３系の、粗大な酸化物や点列状の酸化物が形成されやすくなって、Ｌ_１０寿命は５．２１×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２７は、用いた鋼２７が[1]式を満たさないので、すなわち、鋼２７には、結晶粒の粗大化を抑制するためにＮｂを含有させたものの、そのＣａ／Ｏが２．２９と高く、本発明で規定する値を超える。このため、ＣａＯ系の、粗大な酸化物や点列状の酸化物が形成されやすくなって、Ｌ_１０寿命は７．３２×１０^６と短く、目標に未達であった。

試験番号２８は、用いた鋼２８のＮｂ含有量が０．０３４２％と高く、本発明で規定する値を超える。このため、Ｎｂが、ＣおよびＮと結合して粗大なＮｂ（Ｃ、Ｎ）が生成し、Ｌ_１０寿命は５．０６×１０^６と短く、目標に未達であった。

Claims

化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１％以上０．４％未満、Ｓｉ：０．０２〜０．７０％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１０％未満、Ｃｒ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｃａ：０．０００３〜０．００３０％、Ｏ：０．００３０％以下およびＮ：０．００２〜０．０３０％と、
残部：Ｆｅおよび不純物とからなり、
下記の[1]式および[2]式を満足する、浸炭軸受用鋼。
０．７≦Ｃａ／Ｏ≦２．０・・・[1]
Ｃａ／Ｏ≧１２５０Ｓ−５．８・・・[2]
ただし、式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を意味する。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：３．５％以下およびＭｏ：１．５％以下のうちの１種以上を含有する、請求項１に記載の浸炭軸受用鋼。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．１０％以下およびＮｂ：０．０３％以下のうちの１種以上を含有する、請求項１または２に記載の浸炭軸受用鋼。
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．００３０％以下およびＴｉ：０．０１％未満を含有する、請求項１から３までのいずれかに記載の浸炭軸受用鋼。