CN107208214A - 滚动疲劳特性优异的轴承用钢材和轴承零件 - Google Patents

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Abstract

本发明的轴承用钢材，含有规定的钢中成分，钢中所包含的短径1μm以上的氧化物系夹杂物，满足下述(1)和(2)。(1)平均组成中，分别以特定量含有CaO、Al2O3、SiO2、TiO2，CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％(2)氧化物系夹杂物与钢的界面中，有TiN生成的氧化物系夹杂物的个数比例占氧化物系夹杂物总体的30％以上。

Description

滚动疲劳特性优异的轴承用钢材和轴承零件
技术领域
本发明涉及滚动疲劳特性优异的轴承用钢材和轴承零件。详细地说，本发明涉及各种工业机械和汽车等所使用的辊、滚针、滚珠、滚道等的作为轴承用的滚动体使用时，发挥着优异的滚动疲劳特性的轴承用钢材，和由这样的轴承用钢材得到的轴承零件。
背景技术
各种工业机械和汽车等的领域中所使用的轴承用的滚动体，从半径方向(与回转体的轴垂直的方向)被施加高重复应力。因此，对于轴承用的滚动体要求滚动疲劳特性优异。对滚动疲劳特性的要求，顺应工业机械类的高性能化、轻量化而逐年严苛，为了轴承零件耐久性的进一步提高，要求轴承用钢材有更进一步良好的滚动疲劳特性。
历来，滚动疲劳特性被认为与钢中生成的氧化物系夹杂物之中的、主要是使用Al脱氧钢时生成的Al2O3等这样的硬质氧化物系夹杂物的个数密度密切相关，通过减少上述硬质氧化物系夹杂物的个数密度，滚动疲劳特性改善。因此，在炼钢工艺中，尝试减少钢中的氧含量面改善滚动疲劳特性。
但是近年来，滚动疲劳特性与氧化物系夹杂物所代表的非金属系夹杂物的关系的相关研究推进，判明氧化物系夹杂物的个数密度与滚动疲劳特性未必存在相关关系。即，滚动疲劳特性与非金属系夹杂物的尺寸，例如非金属系夹杂物的面积的平方根有密切的相关关系，为了改善滚动疲劳特性，相比减少非金属系夹杂物的个数密度，可知减小非金属系夹杂物的尺寸更为有效。
因此，提出有一种方法，不是使用现有这样的Al脱氧钢，而是极力抑制钢中的Al含量，并且作为Si脱氧钢，从而使生成的氧化物的组成不以Al2O3为主体，而是控制为以SiO2、CaO等为主体的组成，由此，在轧制工序中使非金属系夹杂物延伸、分断而降低非金属系夹杂物的尺寸，以改善滚动疲劳特性。
例如在专利文献1中提出有一种轴承钢材，其特征在于，使氧化物的平均组成，以质量％计为CaO：10～60％、Al2O3：20％以下、MnO：50％以下和MgO：15％以下，余量由SiO2和杂质，并且钢材的纵长方向纵断面的10处的100mm2的面积中存在氧化物的最大厚度的算术平均的值与硫化物的最大厚度的算术平均的值，分别为8.5μm以下。
另外，在专利文献2中，公开有一种高洁净度Si脱氧钢材，其在上述专利文献1所述的氧化物系夹杂物中，作为历来所没有的氧化物成分而以规定量含有ZrO2。
另外，在专利文献3中，记述有一种控制REM夹杂物的生成，消除氧化铝、TiN及MnS的有害的夹杂物的不利影响，具有优异的耐疲劳特性的弹簧用钢及其制造方法。详细地说在上述专利文献3中记述有一种方法，其能够将氧化铝改质为REM－Al－O－S夹杂物而防止粗大化，并且，将S作为REM－Al－O－S夹杂物固定化而抑制粗大MnS，此外，使REM－Al－O－S的夹杂物与TiN复合，从而减少有害的TiN的个数密度。
另外，专利文献4是由本案申请人公开的技术。详细地说，在上述专利文献4中记述，在经由Si脱氧所得到的氧化物系夹杂物中含有TiO2，能够抑制上述氧化物系夹杂物的晶体化，抑制母相的钢与氧化物系夹杂物的界面发生的空洞，从而能够得到滚动疲劳特性极其优异的轴承用钢材。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本国特开2009－30145号公报
【专利文献2】日本国特开2010－202905号公报
【专利文献3】日本国特开2013－108171号公报
【专利文献4】日本国特开2014－25083号公报
但是，在上述专利文献1中，关于钢与氧化物系夹杂物的界面的空洞，并未进行抑制空洞的工作，因此不能取得充分的滚动疲劳特性。
在上述专利文献2中，也完全没有关于因上述界面的剥离而发生的空洞的相关记述。根本只是在非金属系夹杂物整体的微细化上放置着眼点的技术，在实施例的评价中，也不过以ASTM E 45法的C系夹杂物评分的算术平均值进行评价。因此，如此制造的钢材，未必发挥着优异的滚动疲劳特性。
另外，在上述专利文献3中，氧化物系夹杂物由REM、Al这样的强脱氧元素构成，而不是以Si这样的弱脱氧元素为主体，因此不能抑制在氧化物系夹杂物与钢的界面生成的剥离。
轴承用钢材的耐滚动疲劳特性的改善要求强烈，在上述专利文献4的轴承用钢材中，也希望滚动疲劳特性的进一步提高。
发明内容
本发明鉴于上述情况而做，其目的在于，提供一种滚动疲劳特性极其优异，能够抑制早期剥离的新型的轴承用钢材。
能够解决上述课题的本发明的滚动疲劳特性优异的轴承用钢材，具有如下要旨，以质量％计含有C：0.8～1.1％、Si：0.15～0.8％、Mn：0.1～1.0％、Cr：1.3～1.8％、P：高于0％并在0.05％以下、S：高于0％并在0.015％以下、Al：0.0002～0.005％、Ca：0.0002～0.002％、Ti：0.0005～0.010％、N：0.0030～0.010％、O：高于0％并在0.0030％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，钢中所含的短径1μm以上的氧化物系夹杂物，满足下述(1)和(2)的要件。
(1)平均组成中，以质量％计含有CaO：10～50％、Al2O3：10～50％、SiO2：20～70％、TiO2：1.0～40％，余量由杂质构成，并且满足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％。
(2)在所述氧化物系夹杂物与钢的界面上TiN生成的氧化物系夹杂物的个数比例为氧化物系夹杂物总体的30％以上。
在本发明的优选的实施例中，与上述钢材的纵长方向平行切断的面中存在的所述氧化物系夹杂物的长宽比(长径/短径)的平均抑制在3.0以下。
在本发明中，使用上述的轴承用钢材得到的轴承零件也包含在本发明的范围内。
根据本发明，钢材的化学成分组成和钢中包含的氧化物系夹杂物的组成得到恰当控制，因此能够提供滚动疲劳特性极其优异，并能够抑制早期剥离的轴承用钢材。这样的轴承用钢材，不仅作为辊、滚针、滚珠等主要被反复施加半径方向的载荷的轴承零件的原材有用，而且作为滚道等还被反复施加轴(スラスト)向的载荷的轴承零件的原材也有用，不论载荷的施加的方向如何，都能够稳定改善滚动疲劳特性。
具体实施方式
本发明者们，在公开前述专利文献4之后，为了提供滚动疲劳特性更优异的轴承用钢材，进一步反复研究。其结果发现，若在经Si脱氧而得到的氧化物系夹杂物与钢的界面有TiN生成，则该界面的密接性提高，空隙得到抑制，结果判明滚动疲劳特性进一步改善。此外还发现，为了使上述规定比例的TiN生成，例如使开坯轧制、开坯锻造、热轧等之前进行的加热时的保持时间，控制得比以往长一些即可，从而完成了本发明。
以下，用上述专利文献4，还有与上述专利文献3的关系，详细地说明达成本发明的原委。
本发明者们，与上述专利文献4同样，以“提供即使不进行利用Al的脱氧处理，也能够不论载荷施加的方向而稳定改善滚动疲劳特性，能够抑制早期剥离的轴承用的Si脱氧钢材”为目的，从提供滚动疲劳特性的水平，比上述专利文献4更优异的Si脱氧钢材的观点出发反复研究。
经Si脱氧得到的氧化物系夹杂物容易为非晶质，可知经过热轧等而容易延伸。因此，氧化物系夹杂物各向异性产生。其结果是，在钢材的滚动疲劳特性中，也产生各向异性，因此不为优选。另一方面，也可以通过控制氧化物系夹杂物的组成，在热加工等的高温域使之晶体化，成为多晶体。但是，成为多晶体的氧化物系夹杂物，相比作为母相的钢来说，变形阻力高，因此在热加工和冷加工时，钢(母相)与氧化物系夹杂物的界面容易发生空隙。发生于界面的空隙，对滚动疲劳特性造成不良影响，因此不为优选。
因此本发明者们，不仅对于由Si脱氧得到的上述氧化物系夹杂物的组成，而且对于通过控制TiN的生成状况而抑制空隙发生的方法进行了锐意研究。其结果发现，若在由Si脱氧得到的上述氧化物系夹杂物与作为母相的钢的界面使规定量的TiN生成，则能够抑制上述界面的剥离，滚动疲劳特性显著提高。
还有，关于TiN，如前述专利文献3所示，多数进行的是其对疲劳特性有害的报告。但是，上述报告如专利文献3，全部是关于在Al脱氧钢中生成的TiN。就是说，Al脱氧钢的情况下，Al2O3等[此外还含有MgO·Al2O3、(Ca,Al)系氧化物等]的脱氧生成物在钢液中以固相生成，因此容易以上述脱氧生成物为生成核而生成TiN。另外，Al2O3等在钢液中容易凝集而粗大化，因此在Al2O3等中生成的TiN也有粗大化的倾向。其结果是，由Al2O3等的上述脱氧生成物和TiN构成的复合夹杂物处于粗大化的倾向，认为会对滚动疲劳特性造成不良影响。另外，为了以TiN被覆粗大化的Al2O3等的大部分，需要使多量的TiN生成，反而招致复合夹杂物的粗大化，对滚动疲劳特性造成不利影响。此外，不能由TiN被覆的Al2O3等的氧化物系夹杂物与钢的界面发生剥离，因此，由于该剥离导致钢材的滚动疲劳特性降低。
如此在过去，多数公开的技术都着眼于在氧化物系夹杂物与钢的界面生成的TiN，但均如专利文献3所示，是以Al脱氧钢为对象，不过公开的是降低有害的TiN的个数密度而使之无害化的技术。在上述专利文献3的方法中，并不能抑制对滚动疲劳特性有害的氧化物系夹杂物在与钢的界面生成的剥离。
相对于此，本发明中以Si脱氧钢为对象，Al2O3等这样容易粗大化的脱氧生成物并不生成。详情后述，但本发明的钢材，在规定范围含有SiO2，生成满足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％的脱氧生成物。这些脱氧生成物，与Al2O3等由Al脱氧而生成的脱氧生成物相比，为低熔点，难以在钢液中凝集，有难以粗大化的倾向。因此，以经由Si脱氧而生成的脱氧生成物为生成核，即使生成TiN而形成复合夹杂物，该复合夹杂物也是比较微细的状态。另外，可知TiN与结晶结构为bcc的α－Fe的晶格匹配性优异。因此，借助TiN，上述复合夹杂物与钢的密接性良好，其结果认为，上述复合夹杂物与钢的界面的剥离得到抑制。其结果判明，滚动疲劳特性有得到飞跃性地改善的倾向。
还有，为了确保规定量的TiN，如前述在分解轧制等之前进行的加热时的保持时间需要持续得比过去长。这一点，在上述专利文献4中完全没有进行特别考虑，其主要着眼点放置于，为了改善滚动疲劳特性，将经由Si脱氧而得到的氧化物系夹杂物维持为非晶质体，而上述加热时的保持时间则与过去同样。在提高上述专利文献4中的滚动疲劳特性的水平时，本发明者们研究的结果判明，若是使至今未留意到的，进行上述加热时的保持时间比过去长，则在上述氧化物系夹杂物与钢的界面生成TiN，氧化物系夹杂物与钢的界面的密接性提高，空隙被抑制，滚动疲劳特性得到更进一步改善，从而完成了本发明。
以下，对于本发明的轴承用钢材详细加以说明。如上述，本发明的滚动疲劳特性优异的轴承用钢材，具有的特征在于，以质量％计，含有C：0.8～1.1％、Si：0.15～0.8％、Mn：0.1～1.0％、Cr：1.3～1.8％、P：高于0％并在0.05％以下、S：高于0％并在0.015％以下、Al：0.0002～0.005％、Ca：0.0002～0.002％、Ti：0.0005～0.010％、N：0.0030～0.010％O：高于0％并在0.0030％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，钢中包含的短径1μm以上的氧化物系夹杂物，满足下述(1)和(2)的要件。
(1)平均组成中，以质量％计，含有CaO：10～50％、Al2O3：10～50％、SiO2：20～70％、TiO2：1.0～40％，余量由杂质构成，并且满足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％。
(2)在所述氧化物系夹杂物与钢的界面有TiN生成的氧化物系夹杂物的个数比例为30％以上。
首先，对于钢中成分进行说明。
[C：0.8～1.1％]
C使淬火硬度增大，维持室温、高温下的强度，是用于赋予耐磨耗性的必须的元素。为了发挥这样的效果，需要至少使C含有0.8％以上。但是，若C含量高于1.1％而变得过剩，则轴承的芯部容易生成巨大碳化物，会对滚动疲劳特性造成不利影响。C含量的优选的下限为0.85％以上，更优选为0.90％以上。另外，C含量的优选的上限为1.05％以下，更优选为1.0％以下。
[Si：0.15～0.8％]
Si除了作为脱氧元素而有效地起作用以外，还具有提高淬火·抗回火软化而提高硬度的作用。为了有效地发挥这样的效果，Si含量需要为0.15％以上。但是，Si含量变得过剩而高于0.8％，则不但锻造时模具寿命降低，而且还会招致成本增加。Si含量的优选的下限为0.20％以上，更优选为0.25％以上。另外，Si含量的优选的上限为0.7％以下，更优选为0.6％以下。
[Mn：0.1～1.0％]
Mn是使钢材基体的固溶强化和淬火性提高的元素。若Mn含量低于0.1％，则这一效果无法发挥，若高于1.0％，则作为低级氧化物的MnO含量增加，除了使滚动疲劳特性恶化以外，加工性和切削性也显著降低。Mn含量的优选的下限为0.2％以上，更优选为0.3％以上。另外，Mn含量的优选的上限为0.8％以下，更优选为0.6％以下。
[Cr：1.3～1.8％]
Cr通过提高淬火性和形成稳定的碳化物，使强度和耐磨耗性提高，是据此在改善滚动疲劳特性上有效的元素。为了发挥这样的效果，Cr含量需要为1.3％以上。但是，若Cr含量变得过剩而高于1.8％，则碳化物粗大化，使滚动疲劳特性和切削性降低。Cr含量的优选的下限为1.35％以上，更优选为1.4％以上。另外，Cr含量的优选的上限为1.7％以下，更优选为1.6％以下。
[P：高于0％并在0.05％以下]
P在结晶晶界偏析，是给滚动疲劳特性带来不利影响的杂质元素。特别是若P含量高于0.05％，则滚动疲劳特性的降低显著。因此，P含量需要抑制在0.05％以下。优选为0.03％以下，可以更优选为0.02％以下。还有，P是钢材中不可避免被包含的杂质，使其量达到0％在工业生产上有困难。
[S：高于0％并在0.015％以下]
S是形成硫化物的元素，若其含量高于0.015％，则粗大的硫化物残存，因此滚动疲劳特性劣化。因此，S的含量需要抑制在0.015％以下。从滚动疲劳特性的提高这样的观点出发，希望S含量越低越好，优选为0.007％以下，可以更优选为0.005％以下。还有，S是钢材中不可避免被包含的杂质，使其量达到0％在工业生产上有困难。
[Al：0.0002～0.005％]
Al是脱氧元素，为了控制氧化物系夹杂物的平均组成，需要控制Al的含量。在本发明中，因为利用Si进行脱氧，所以不用像Al脱氧钢那样在氧化精炼后通过添加Al来进行脱氧处理。若Al含量变多，高于0.005％，则以Al2O3为主体的硬质的氧化物的生成量变多，而且压下之后仍作为粗大的氧化物残存，因此滚动疲劳特性劣化。因此，使Al含量的上限为0.005％以下。Al含量优选为0.002％以下，更优选为0.0015％以下。但是，若Al含量低于0.0002％，则氧化物中的Al2O3含量过少，大量含有SiO2的氧化物系夹杂物生成滚动疲劳特性劣化。另外，为了将Al含量控制在低于0.0002％，需要抑制Al的混入，为此不仅需要钢中成分，而且需要熔剂中的Al2O3含量也少，但在作为高碳钢的轴承钢中，Al2O3含量少的熔剂非常昂贵，不经济。因此，使Al含量的下限为0.0002％。优选为0.0003％以上，更优选为0.0005％以上。
[Ca：0.0002～0.002％]
Ca控制氧化物中的CaO含量，对于改善滚动疲劳特性有效。为了发挥这样的效果，Ca含量为0.0002％以上。但是，若Ca含量变得过剩而高于0.002％，则氧化物组成中的CaO的比例变得过高，氧化物粗大化，滚动疲劳特性降低。因此，Ca含量为0.002％以下。Ca含量的优选的下限为0.0003％以上，更优选为0.0005％以上。另外，Ca含量的优选的上限为0.0015％以下，更优选为0.0010％以下。
[Ti：0.0005～0.010％]
Ti是赋予本发明以特征的元素。通过添加规定量的Ti，在氧化物系夹杂物与钢的界面，可生成规定量的TiN，能够抑制上述界面的剥离。其结果是，滚动疲劳特性改善。此外，能够控制氧化物系夹杂物中的TiO2浓度，对于长宽比的降低化(详情后述。)也有效地发挥作用，滚动疲劳特性进一步提高。为了得到这样的效果，Ti含量需要为0.0005％以上。但是，若Ti的含量变多而高于0.010％，则TiN粗大化，并且招致TiO2系氧化物的粗大化，滚动疲劳特性恶化。因此，使Ti含量的上限为0.010％以下。Ti含量的优选的下限为0.0008％以上，更优选为0.0011％以上。另外，Ti含量的优选的上限为0.0050％以下，更优选为0.0030％以下。
[N：0.0030～0.010％]
N也与上述Ti同样，是赋予本发明以特征的元素。通过添加规定量的N，在氧化物系夹杂物与钢的界面可生成TiN，能够抑制上述界面的剥离。其结果是，滚动疲劳特性改善。为了得到这样的效果，N含量需要为0.0030％以上。但是，若N的含量变多而高于0.010％，则TiN粗大化，因此滚动疲劳特性恶化。因此，N含量的上限为0.010％以下。N含量的优选的下限为0.0035％以上，更优选为0.004％以上。另外，N含量的优选的上限为0.008％以下，更优选为0.007％以下。
[O：高于0％并在0.0030％以下]
O是不为优选的杂质元素。若O的含量变多而高于0.0030％，则粗大的氧化物容易生成，在热轧和冷轧后，仍作为粗大的氧化物残存，给滚动疲劳特性带来不良影响。因此，使O含量的上限为0.0030％以下。为了改善滚动疲劳特性，尽可能降低O含量为宜，例如O含量的优选的上限为0.0025％以下，更优选为0.0020％以下。还有，O含量的下限，从滚动疲劳特性改善的观点出发没有特别限定，但若考虑经济性等，则优选为0.0004％以上，更优选为0.0008％以上。为了将O含量控制在低于0.0004％，需要严密地进行从钢液中除去O，但钢液处理时间变长等缺陷经济性。
本发明中所含的元素如上述，余量是铁和不可避免的杂质。作为上述不可避免的杂质，可列举因原料、物资、制造设备等的状况而混进的元素，例如，As、H、Ni等的混入。
接着，对于钢材中存在的氧化物系夹杂物进行说明。如前述在本发明中，所具有的特征在于，钢中包含的短径1μm以上的氧化物系夹杂物，满足下述(1)和(2)的要件。
(1)平均组成中，以质量％计，含有CaO：10～50％、Al2O3：10～50％、SiO2：20～70％、TiO2：1.0～40％，余量由杂质构成，并且满足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％。
(2)在所述氧化物系夹杂物与钢的界面生成有TiN的氧化物系夹杂物的个数比例占氧化物系夹杂物总体的30％以上。
在本发明中，特别着眼于短径1μm以上的氧化物系夹杂物的理由如下。即，滚动疲劳特性，可以说氧化物系夹杂物的尺寸越大，不良影响度就越大。因此，为了评价可能对滚动疲劳特性带来不良影响的、尺寸大的氧化物系夹杂物，而控制上述尺寸的氧化物系夹杂物。
以下，按顺序说明。
[CaO：10～50％]
CaO对于降低以SiO2为主体的氧化物的液相线温度有效果。因此，其具有抑制氧化物的粗大化，使氧化物系夹杂物与钢的界面生成TiN的效果。其结果是，滚动疲劳特性改善。另外，CaO具有使氧化物系夹杂物晶体化的效果。因此，在降低氧化物系夹杂物的长宽比中承担着重要的任务。这样的效果，通过将氧化物系夹杂物的平均组成中的CaO含量控制在10％以上而取得。但是，若CaO含量过高，则氧化物系夹杂物粗大化，滚动疲劳特性恶化，因此需要使其上限为50％以下。氧化物系夹杂物中所占的CaO含量的优选的下限为20％以上，更优选为25％以上。另外，CaO含量的优选的上限为45％以下，更优选为40％以下。
[Al2O3：10～50％]
Al2O3具有降低以SiO2为主体的氧化物的液相线温度的效果。因此，具有抑制氧化物的粗大化，使氧化物系夹杂物(钢)与钢的界面生成TiN的效果。其结果是改善滚动疲劳特性。另外，Al2O3具有使氧化物系夹杂物晶体化的效果。因此，在降低氧化物系夹杂物的长宽比上发挥重要的作用。这样的效果，能够将氧化物系夹杂物的平均组成中的Al2O3含量控制在10％以上而取得。另一方面，若氧化物系夹杂物的平均组成中的Al2O3含量高于50％，则钢液中和在凝固过程中Al2O3(刚玉)结晶相晶化，或与MgO一起结晶出MgO·Al2O3(尖晶石)结晶相。这些固相为硬质，作为粗大的夹杂物存在，在加工中容易生成空洞，使滚动疲劳特性恶化。从这一观点出发，氧化物系夹杂物的平均组成中的Al2O3含量需要为50％以下。氧化物系夹杂物中的Al2O3含量的优选的下限为20％以上，更优选为25％以上。另外，Al2O3含量的优选的上限为45％以下，更优选为40％以下。
[SiO2：20～70％]
SiO2具有降低氧化物系夹杂物的液相线温度的效果。因此，具有抑制氧化物的粗大化，在氧化物系夹杂物与钢的界面使TiN生成的效果。其结果是改善滚动疲劳特性。为了有效地发挥这样的效果，需要在氧化物系夹杂物中使SiO2含有20％以上。但是，若SiO2含量高于70％，则氧化物粗大化，滚动疲劳特性恶化。另外，氧化物延伸而长宽比变大，因此滚动疲劳特性恶化。氧化物系夹杂物中的SiO2含量的优选的下限为25％以上，更优选为30％以上。另外，SiO2含量的优选的上限为60％以下，更优选为45％以下。
[TiO2：1.0～40％]
TiO2具有降低以SiO2为主体的氧化物的液相线温度的效果。因此，具有抑制氧化物的粗大化，在氧化物系夹杂物与钢的界面使TiN生成的效果。其结果是改善滚动疲劳特性。这样的效果，通过将氧化物系夹杂物的平均组成中的TiO2含量抑制在1.0％以上而取得。但是，若TiO2含量过高，则氧化物粗大化，滚动疲劳特性恶化，因此需要使其上限为40％以下。氧化物系夹杂物中的TiO2含量的优选的下限为3％以上，更优选为5％以上。另外，TiO2含量的优选的上限为35％以下，更优选为30％以下。
[CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％]
如上述CaO、Al2O3、SiO2和TiO2，是本发明中的氧化物系夹杂物的主要成分，并对各自的含量加以控制，但在本发明中，还需要对其合计量也恰当地控制。由此，能够在氧化物系夹杂物与钢的界面使规定比例的TiN生成而抑制界面的剥离，改善滚动疲劳特性。上述的合计量低于60％时，氧化物粗大化，无法充分取得利用TiN进行的上述界面控制，滚动疲劳特性恶化。上述合计量越多越好，优选的下限为65％以上，更优选为70％以上。还有，其上限没有特别限定，例如也可以是100％。
[氧化物系夹杂物与作为母相的钢(钢材的基质相)的界面有TiN生成的氧化物系夹杂物的个数比例为氧化物系夹杂物总体的30％以上]
与谓生成于上述界面的TiN，如后述的实施例一栏中所示，意思是在该氧化物系夹杂物，与作为母相的钢(钢材的基质相)的界面生成的TiN。该TiN对滚动疲劳特性的改善极其重要，在上述界面生成TiN，氧化物系夹杂物与作为母相的钢的界面的剥离得到抑制。对滚动疲劳特性有害的界面剥离受到抑制的结果是，滚动疲劳特性改善。为了得到这样的效果，使上述界面生成的TiN的个数比例为30％以上。上述TiN的个数比例越多越好，优选的下限为40％以上，更优选为50％以上。还有，其上限没有特别限定，例如，也可以是100％。
生成有TiN的上述氧化物系夹杂物的个数比例的测量方法，在后述的实施例一栏中详述。
本发明钢材包含的氧化物，由CaO、Al2O3、SiO2和TiO2构成，余量是杂质。作为氧化物系夹杂物的杂质，可列举在制造过程等之中不可避免地被包含的杂质。杂质对氧化物系夹杂物的晶体化状态和长宽比等不会造成不利影响，以能够取得希望的特性的限度内含有，但作为杂质总体(合计量)，优选控制在大致20％以下。具体来说，例如能够分别在大约10％以下的范围内含有REM2O3、MgO、MnO、ZrO2、Na2O、K2O、Li2O、Cr2O3、NbO、FeO、Fe3O4、Fe2O3。还有，在本发明中，所谓REM，是含有镧系元素(从La至Lu这15种元素)和Sc(钪)和Y(钇)的意思。这些元素之中，优选含有从La、Ce和Y所构成的群中选择的至少一种元素，更优选含有La和/或Ce。
此外在本发明中，如上述通过恰当控制钢中成分和氧化物组成，与上述钢材的纵长方向平行切断的面中存在的氧化物系夹杂物的长宽比(长径/短径)的平均(以下，有仅称为长宽比的情况。)降低至3.0以下。由此，不论载荷的施加方向如何，都能够稳定地改善滚动疲劳特性。上述长宽比越小越好，大体上优选为2.5以下，更优选为2.0以下。
长宽比的测量方法，在后述的实施例一栏中详述。
接着，对于上述钢材的制造方法进行说明。在本发明中，以能够得到特别规定的氧化物组成的方式，特别留意熔炼工序，还有热加工的各工序而进行制造即可，其以外的工序，能够适宜选择轴承用钢的制造通常所采用的方法加以使用。
用于得到上述氧化物组成优选的熔炼方法如下。
首先熔炼钢材时，不进行通常实施的基于Al添加的脱氧处理，而是通过添加Si实施脱氧。在此熔炼时，为了控制CaO和Al2O3的各含量，使钢中包含的Al含量如上述，控制为0.0002～0.005％，Ca含量如上述控制为0.0002～0.002％。
另外，TiN优选的控制方法如下。首先，遵行常规方法熔炼时，钢中包含的Ti含量如上述控制在0.0005～0.010％的范围内，N含量如上述控制在0.0030～0.010％的范围内，如此添加Ti、N即可。Ti的添加方法没有特别限定，例如，可以添加含有Ti的铁系合金进行调整，或者通过熔渣组成的控制，来控制钢液中的Ti浓度。N的添加方法也没有特别限定，可以添加含有N的合金进行调整，或者也可以在对钢液进行气体搅拌时使用氮进行控制，也可以控制与钢液接触的气体相中的氮分压。
此外，为了使氧化物系夹杂物与钢的界面生成规定量的TiN，有效的是在分解轧制、分解锻造或热轧的至少任意一项工序之前进行的加热(约700～1300℃)之时，更长地控制保持时间。例如，有效的是使分解轧制或分解锻造之前所进行的加热时的保持时间比过去(大致1～1.5小时左右)长，控制在大约2.0小时以上。保持时间越长越好，例如优选为2.5小时以上，更优选为3.0小时以上。还有，其上限没有特别限定，但若考虑制造效率等，优选大体控制在20.0小时以下。还有，上述保持时间的范围，根据各工序而保持温度互不相同，因此推荐设定与保持温度相应的优选的保持时间。
另外，作为TiO2的控制方法没有特别限定，基于该技术领域通常使用的方法，在熔炼时，使钢中所含的Ti含量如上述，控制在0.0005～0.010％的范围内，如此添加Ti即可。Ti的添加方法没有特别限定，例如，可以添加含有Ti的铁系合金而进行调整，或者也可以通过熔渣组成的控制来控制钢液中的Ti浓度。
还有，SiO2能够通过以上述方式控制其他的氧化物而取得。
在本发明中，对于以上述方式控制化学成分组成的钢材，遵循常规方法，进行轧制和球化退火后，再进行热加工或冷加工。
如此得到本发明的钢材后，成形为规定的零件形状，经淬火·回火，则能够得到本发明的轴承零件。关于钢材阶段的形状，也包括能够适合这种制造的线状·棒状任意一种，其尺寸也能够根据最终制品而适宜决定。
作为上述轴承零件，例如，可列举辊、滚针、滚珠、滚道等。
以下，通过实施例更具体地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例限制，在能够符合前·后述的宗旨的范围，可以加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
【实施例】
(1)铸片的制造
使用小型熔炉(容量170kg/1ch)，熔炼下述表1所示的各种化学成分组成的供试钢(余量是铁和不可避免的杂质)，制作铸片(铸片上部的直径为铸片下部的直径为铸片的高度为480mm)。熔炼时使用MgO系耐火物的浇包，不进行通常所实施的Al脱氧处理，而是使用C、Si、Mn和Cr调整钢液的溶存氧量后，除了下述一部分的例子，按顺序投入Ti源、Ca源，控制Ti含量、Ca含量。
钢材No.49为了比较，实施通过添加Al进行的脱氧处理。另外，钢材No36在添加Ca源的同时添加Mg合金。其结果是，钢材No.36中氧化物系夹杂物的MgO浓度变高，如表2所示，CaO+Al2O3+SiO2+TiO2的合计量变低。这时，氧化物系夹杂物中的MgO的含量，通过在熔炼时将含有MgO的耐火物用于熔炉、精炼容器和搬送容器等而进行调整。例如，调整合金投入后的熔炼时间，从而调整氧化物系夹杂物中的MgO含量。
还有，在本实施例中，作为所述Ca源，使用Ni－Ca合金，作为所述Ti源，使用Fe－Ti合金。另外，N通过控制气氛中的氮分压，并且在Ti源添加前添加氮化锰来进行调整。
(2)轧制材的制造
将如此得到的铸片，在加热炉中加热至1100～1300℃的温度，在此温度域(保持温度域)，保持表2所述的“加热炉保持时间”后，以900～1200℃的温度进行开坯轧制。在本实施例中，为了在氧化物系夹杂物与钢的界面使规定量的TiN生成，在加热铸片的上述加热炉中将铸片加热保持2.0小时以上。其后，在加热炉中加热至830～1200℃的温度，将钢材保持1.0小时后，以830～1100℃的温度实施热轧，得到的热轧材。
(3)氧化物系夹杂物的平均组成测量用试验片的制作与平均组成的决定
以760～800℃的温度加热上述热轧材2～8小时后，以10～15℃/时的平均冷却速度，冷却至(Ar1相变点－60℃)的温度，之后大气放冷(球化退火)，由此得到使球化渗碳体分散的球化退火材。从如此得到的球化退火材上，切下厚度30mm的试验片，以840℃的温度加热30分钟后，进行油淬火，接着以160℃的温度进行120分钟回火，制作氧化物系夹杂物的平均组成测量用试验片。
对于如此得到的各试验片，在直径D的1/4的位置从与轧制方向平行切断的面上，切下1个20mm×20mm的微小试料，研磨断面。使用日本电子データム社制的电子探针X射线微分析仪(Electron Probe X-ray Micro Analyzer：EPMA，商品名“JXA8500F”)观察研磨面，对于短径为1μm以上的氧化物系夹杂物，就成分组成进行定量分析。这时，使观察面积为100mm2(研磨面)，针对氧化物系夹杂物的中央部的成分组成，通过特征X射线的波长色散光谱进行定量分析。分析对象元素为Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(氧)，使用已知物质预先求得各元素的X射线强度与元素浓度的关系作为检量线，根据由作为分析对象的上述氧化物系夹杂物得到的X射线强度与上述检量线，定量各微小试料包含的元素量，将其结果进行算术平均，求得夹杂物的平均组成。如此得到的定量结果之中，氧含量为5％以上的夹杂物作为氧化物。这时，由一个夹杂物观测多个元素时，根据表示这些元素存在的X射线强度的比，换算成各元素的单独氧化物，计算氧化物的组成。在本发明中，作为上述单独氧化物进行质量换算，将其加以平均，作为氧化物的平均组成。还有，REM的氧化物，若以M表示金属元素，则在钢材中以M2O3、M3O5、MO2等的形态存在，但在本实施例中，将观测到的全部的氧化物换算成M2O3而计算REM氧化物的平均组成。
(4)氧化物系夹杂物的长宽比的决定
使用上述氧化物系夹杂物平均组成测量用试验片，选择100个短径为1μm以上的任意的氧化物系夹杂物(分析对象元素为Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(氧))，测量各自的长径和短径，计算各个氧化物系夹杂物的长宽比(＝长径/短径)。将其结果进行算术平均，从而求得氧化物系夹杂物的平均的长宽比。
(5)在氧化物系夹杂物与钢的界面有TiN生成的氧化物系夹杂物的个数比例的测量
使用上述氧化物系夹杂物平均组成测量用试验片，使观察面积为100mm2(研磨面)，首先，使用电子探针X射线微分析仪，选择5个短径为1μm以上的氧化物系夹杂物(分析对象元素为Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(氧)，氧含量为5％以上的夹杂物)。关于5个氧化物系夹杂物的选择标准，在观察面积100mm2之中存在的氧化物系夹杂物之中，从其尺寸最大的起，按顺序选择5个。氧化物系夹杂物选定尺寸最大的理由在于，氧化物系夹杂物的尺寸越大，可以说对滚动疲劳特性的不利影响程度越大。还有，氧化物系夹杂物的尺寸，以出现在上述观察面的氧化物系夹杂物的面积来比较大小。其后，在对象的氧化物系夹杂物中，通过FIB法(Focused Ion Beam，聚焦离子束加工法)，使氧化物系夹杂物薄片化至可以进行TEM观察的厚度。装置使用日立制作所制的聚焦离子束加工观察装置FB2000A，加速电压30kV，离子源使用Ga。其后，对经过了薄片化的氧化物系夹杂物进行TEM观察。装置使用日本电子制的场致发射型透射电子显微镜JEM－2010F，以Noran制EDX(Energydispersive X-ray spectrometry)分析装置Vantage，对于氧化物系夹杂物与钢的界面实施EDX分析。分析对象元素为Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr，选定Ti浓度为30％以上的相，对于该相进行基于电子衍射的鉴定分析，显示立方晶的结晶结构的判断为TiN。这时，在对象的氧化物系夹杂物与钢的界面(氧化物系夹杂物，与作为母相的钢(钢材的基质相)的界面)有TiN生成时(也就是，以作为TiN判断的上述方法确认到有TiN存在时)，判断为在氧化物系夹杂物与钢的界面有TiN生成的氧化物系夹杂物存在，对所测量的5个氧化物系夹杂物中存在的、有上述TiN生成的氧化物系夹杂物的个数比例进行测量。
(6)轴向滚动疲劳试验片的制造与滚动疲劳试验
从经由上述(3)得到的球化退火材上，切下厚6mm的试验片，以840℃的温度加热30分钟后，进行油淬火，其次以160℃的温度进行120分钟回火。最后实施终抛光，制作表面粗糙度Ra0.04μm以下的轴向滚动疲劳试验片。使用如此得到的轴向滚动疲劳试验片，用轴向疲劳试验机(轴向型滚动疲劳试验机“FJ－5T”，富士试验机制作所制)，以加载速率1200rpm、钢球数3个、表面压力5.24Gpa、中止次数2亿次的条件实施轴向滚动疲劳试验。
作为滚动疲劳寿命的尺度，通常，使用疲劳寿命L10(至累积破损概率10％的疲劳破坏的应力重复次数，以下有称为“L10寿命”的情况。)。详细地说，所谓L10，意思就是将试验结果绘制在威布尔概率纸上，截至所得到的累积破损概率10％的疲劳破坏的重复次数(“轴承”，参照岩波全书，曽田範宗著)。在各钢材中，使用16个试料进行上述的试验，决定L10寿命。接着，求得各钢材的L10寿命对于现有钢的钢材No.49的L10寿命(1.2×107次)的寿命比，按下述标准评价。
·不合格(滚动疲劳寿命差)：L10寿命低于5.4×107次(低于4.5倍的寿命比)
·合格(滚动疲劳寿命优异)：L10寿命在5.4×107次以上、低于6.0×107次(45倍以上、低于5.0倍的寿命比)
·良好(滚动疲劳寿命特别优异)：L10寿命在6.0×107次以上、低于6.5×107次(5.0倍以上、低于5.4倍的寿命比)
·优异(滚动疲劳寿命格外优异)：L10寿命在6.5×107次以上(5.4倍以上的寿命比)
还有，作为上述合格标准的最低水平的“合格”的寿命比(4.5倍以上)，超过前述专利文献4的实施例中能够得到最高寿命比的表2的试验No.11、试验No.35(寿命比3.5倍)，在本实施例中，设定的是比上述专利文献4更高的合格标准。
这些结果记述在表2中。还有，表2的试验No.表示使用了相同数字的表1的钢材No.。另外表中，“E+07”意思是“×107”，“E+06”意思是“×106”。
【表1A】
【表1B】
【表2A】
注：合计＝CaO+Al2O3+SiO2+TiO2
【表2B】
注：合计＝CaO+Al2O3+SiO2+TiO2
根据这些结果，能够进行如下考察。
首先，表2的试验No.8～12、15～19、22～24、27～29、32～35、38～46、48，均是满足本发明中规定的化学成分组成(钢材的化学成分组成和氧化物组成)和TiN的个数比例的例子，氧化物系夹杂物的长宽比也得到恰当控制，因此可知滚动疲劳寿命优异。
还有，在本实施例中，是测量轴向方向的滚动疲劳特性，但因为本发明的钢材其长宽比小，所以可推想半径方向的滚动疲劳特性也良好。
相对于此，以下的试验No.，因为不满足本发明的某一要件，所以滚动疲劳特性降低。
试验No.1是使用了钢中C量多的表1的钢材No.1的例子，试验No.2是使用钢中Mn量多的表1的钢材No.2的例子，试验No.3使用了钢中Cr量多的表1的钢材No.3的例子，试验No.4是使用了钢中Cr量少的表1的钢材No.4的例子，试验No.5是使用了钢中P量多的表1的钢材No.5的例子，试验No.6是使用了钢中S量多的表1的钢材No.6的例子，滚动疲劳特性均降低。
试验No.7是使用了Al含量过剩的表1的钢材No.7的例子，氧化物中的Al2O3含量变高，滚动疲劳特性降低。
另一方面，试验No.13是使用了Al含量、Ca含量、Ti含量不足的表1的钢材No.13的例子。在上述试验No.13中，Al、Ca、Ti的各氧化物全部脱离本发明所规定的范围，并且也没有使TiN生成，也不符合氧化物系夹杂物的长宽比，因此滚动疲劳特性降低。
试验No.14是使用了Ca含量多的表1的钢材No.14的例子，氧化物中的CaO含量多，滚动疲劳特性降低。
另一方面，试验No.20是使用了Ca含量少的表1的钢材No.20的例子，氧化物中的CaO含量少，滚动疲劳特性降低。
试验No.21是使用了Ti含量多的表1的钢材No.21的例子，氧化物中的TiO2含量多，滚动疲劳特性降低。
另一方面，试验No.25是使用了Ti含量少的表1的钢材No.25的例子，氧化物中的TiO2含量少，TiN也没有生成，因此滚动疲劳特性降低。
试验No.26是使用了N含量多的表1的钢材No.26的例子，滚动疲劳特性降低。
试验No.30是使用了N含量少的表1的钢材No.30的例子，规定的TiN没有生成，因此滚动疲劳特性降低。
试验No.31是使用了O含量多的表1的钢材No.30的例子，滚动疲劳特性降低。
试验No.36是使用了(CaO+Al2O3+SiO2+TiO2)的合计量少的表1的钢材No.36的例子，没有生成规定的TiN，因此滚动疲劳特性降低。
试验No.37是加热炉的保持时间短的例子，没有生成规定的TiN，因此滚动疲劳特性降低。
试验No.47在Al浓度比较高的状态下，熔炼时间长，因此钢液中的Al与氧化物夹杂物中的SiO2的氧化还原反应进行，SiO2含量不足，滚动疲劳特性降低。
试验No.49是使用了经由Al脱氧处理得到的表1的钢材No.49(现有的铝脱氧钢)的例子，Al含量过剩而氧化物中的Al2O3含量非常高，希望的TiO2等也完全未生成，并且，也没有生成规定的TiN，因此滚动疲劳特性降低。
详细并参照特定的实施方式说明了本发明，但能够不脱离本发明的精神和范围加以各种变更和修改，这对于从业者来说很清楚。
本申请基于2015年1月23日申请的日本专利申请(专利申请2015－011560)，其内容在此作为参照而编入。
【产业上的可利用性】
本发明的轴承用钢材具有优异的優滚动疲劳特性，作为辊、滚针、滚珠和滚道等的轴承用的滚动体有用。

Claims (3)

1.一种滚动疲劳特性优异的轴承用钢材，其特征在于，以质量％计含有
C：0.8～1.1％、
Si：0.15～0.8％、
Mn：0.1～1.0％、
Cr：1.3～1.8％、
P：高于0％并在0.05％以下、
S：高于0％并在0.015％以下、
Al：0.0002～0.005％、
Ca：0.0002～0.002％、
Ti：0.0005～0.010％、
N：0.0030～0.010％、
O：高于0％并在0.0030％以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，
钢中包含的短径1μm以上的氧化物系夹杂物，满足下述(1)和(2)的要件：
(1)平均组成中，以质量％计，含有CaO：10～50％、Al2O3：10～50％、SiO2：20～70％、TiO2：1.0～40％，余量由杂质构成，并且满足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≥60％；
(2)在所述氧化物系夹杂物与钢的界面生成有TiN的氧化物系夹杂物的个数比例是氧化物系夹杂物总体的30％以上。
2.根据权利要求1所述的轴承用钢材，其中，在与所述钢材的纵长方向平行切断的面中存在的所述氧化物系夹杂物的长宽比(长径/短径)的平均抑制在3.0以下。
3.一种轴承零件，其由权利要求1或2所述的轴承用钢材构成。
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