JP2004277777A - 疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸化物系介在物の悪影響を解消し、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、音響特性に優れた鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ下記（１）式の関係を満足する範囲量のＲＥＭを含有し、かつ円相当径で粒径１μｍ以上の全ての介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の内のＲＥＭ含有介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の個数割合が、下記（２）式を満足すると共に、前記ＲＥＭ含有介在物中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 濃度が３０質量％以下（０％を含む）であることを特徴とする疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０ …（１）式
ＲＥＭ含有介在物個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式
【選択図】 図１
【解決手段】質量％で、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ下記（１）式の関係を満足する範囲量のＲＥＭを含有し、かつ円相当径で粒径１μｍ以上の全ての介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の内のＲＥＭ含有介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の個数割合が、下記（２）式を満足すると共に、前記ＲＥＭ含有介在物中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 濃度が３０質量％以下（０％を含む）であることを特徴とする疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０ …（１）式
ＲＥＭ含有介在物個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物およびオキシサルファイド系介在物を微細分散させた鋼に関するものであり、特に、酸化物系介在物の悪影響を解消し、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、ならびに音響特性に優れた鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、鋼材に要求される品質は次第に厳格化し、かつ多様化してきており、より清浄度が高く、介在物を無害化した鋼の開発が強く望まれている。
【０００３】
転炉や真空処理容器で精練された溶鋼中には、多量の溶存酸素が含まれており、この過剰酸素は酸素と親和力の強いＡｌにより脱酸されることが一般的であり、脱酸によりアルミナ系介在物を生成する。また、取鍋などはアルミナ系耐火物で構築されている場合が多く、Ａｌ脱酸でなく、ＳｉやＭｎで脱酸した場合においても、溶鋼と耐火物との反応により、耐火物であるアルミナが解離し、溶鋼中にＡｌとして溶出し、このＡｌが再酸化されることで溶鋼中にアルミナが生成する。
【０００４】
これらアルミナ系介在物は、硬質であると共に凝集・合体して粗大なアルミナクラスターとなるため、タイヤコード等の線材の断線の原因、軸受鋼等の棒鋼では転動疲労特性の悪化の原因、更にはＤＩ缶などの薄鋼板では製缶時の割れの原因になることが知られている。特に、軸受鋼の場合には疲労寿命向上の目的から介在物サイズをできるだけ小さくすることが望まれている。
【０００５】
また、ＶＴＲ、ＣＤプレーヤ等の家電製品や計器、医療機器などの一般機器、或いはＯＡ機器やハードディスクドライブ等の電子機器などにおける軸受として用いられるミニチュアベアリングにおいては、小型で比較的軽荷重で使用されるが、装置の作動時に軸受自体から発生する振動や音響が可能な限り低いことが要求される。特に、ハードディスクドライブ用のミニチュアベアリングの場合には、雑音発生を嫌うことから、とりわけ騒音や振動低減に対する要求が厳しい。音響発生および振動発生の主たる原因は、ベアリング表面に露出したＴｉ炭窒化物やアルミナ系介在物のような硬質の非金属介在物であるとされている。
【０００６】
このように、高度に要求された鋼材品質に対応するためには、特に硬質の非金属介在物であるアルミナ系介在物を低減し、清浄度を上げると共に、アルミナ系介在物を改質し、かつ微細化し、無害化することは大きな課題となっている。
【０００７】
アルミナ系介在物の低減・除去については、ＲＨ真空脱ガス装置や粉体吹き込み装置などの二次精練装置の適用による脱酸生成物の低減を中心として、断気、スラグ改質などによる再酸化防止、スラグカットによる混入酸化物系介在物の低減を組合わせ、介在物を低減し、高清浄化を図ってきた。
【０００８】
一方、アルミナ系介在物を改質し微細化、無害化する技術としては、溶鋼中にＭｇ合金を添加することにより、アルミナをスピネル（ＭｇＯ・Ａｌ２ Ｏ３ ）、或いはＭｇＯに改質することでアルミナの凝集による粗大化を防止し、鋼材品質に対するアルミナの悪影響を回避する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。また、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％以上を含有するＡｌキルド鋼を製造するにあたり、溶鋼中にＣａ，ＭｇおよびＲＥＭの２種以上とＡｌとからなる合金を投入し、生成する介在物中のＡｌ２ Ｏ３ を３０〜８５質量％の範囲内に調整するクラスターのないＡｌキルド鋼の製造方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
しかしながら、上述したアルミナ系介在物を除去する方法では、益々厳格さを増す要求レベルを達成することは困難である。また、ＭｇやＲＥＭを添加して介在物を微細化する方法においても以下のような問題点がある。先ず、Ｍｇの場合は次のとおりである。Ｍｇを添加する溶鋼温度は、金属Ｍｇの沸点（１０７０℃）以上であるため、Ｍｇは容易に蒸発する。例え、Ｓｉ，Ａｌ，Ｆｅ−Ｓｉ等と混合して添加したとしても、単なる混合物でありＭｇ活量は１のままであるため、その蒸発挙動は金属Ｍｇ単独で添加した場合と何ら変わりはない。Ａｌ−ＭｇやＳｉ−Ｍｇ等のように合金化した場合、添加時の蒸発ロスはある程度低減できるが、溶鋼中に溶解した後は、金属Ｍｇで添加した場合と同様に蒸発を抑えることはできないため、歩留りは低い。
【００１０】
Ｍｇは真空中で添加した場合、常圧時に比べ、急激に蒸発してしまうため、添加時期としては真空精錬後に別に常圧で添加する工程を設ける必要がある。
【００１１】
更に、表１に示すように、改質によって生成したスピネルは、アルミナほどではないが硬質であるため、ミニチュアベアリングのように振動や音響特性が要求される場合には、未だ十分には対応できないという問題点もある。
【００１２】
次にＲＥＭの場合の従来技術の問題点を述べる。特許文献３に開示されたようなＲＥＭ添加の場合、アルミナクラスター生成防止のため、ＲＥＭ，Ｍｇ，Ｃａから選択された２種以上を添加することにより低融点の複合介在物とするため、スリバー疵防止には有効かもしれないが、介在物を軸受鋼で要求されるレベルのサイズまで低減することはできない。これは、低融点介在物にすると、これら介在物が凝集・合体してより粗大化してしまうからである。
【００１３】
更に、ＲＥＭ添加の場合、ＲＥＭが介在物を球状化し疲労寿命を向上させる作用を有するため、介在物の形態制御のため必要に応じて添加できるが、０．０１０質量％を超える添加は介在物を増加させ、却って疲労寿命が低下するため、ＲＥＭ添加量を０．０１０質量％以下にする必要があることも知られている（例えば、特許文献４）。しかし、そのメカニズムおよび介在物組成の存在状態については何ら解明されていないし、示唆もされていない。
【００１４】
また、ＲＥＭは酸素と結合してＲＥＭ酸化物をつくると共に、硫黄と結合して硫化物をも形成し易い元素である。従って、酸素と結合する以上の量の過剰なＲＥＭが存在すると硫化物を生成し、寧ろ介在物サイズを増大させ、疲労寿命特性に悪影響を与えると考えられる。そこで、介在物サイズを制御するには、ＲＥＭ添加量を制御し、介在物組成を厳密に制御する必要がある。換言すれば、ＲＥＭ添加量を酸素含有量とバランスさせ、過剰なＲＥＭをなくすことで粗大な硫化物形成を防止する必要がある。また、硫化物も疲労寿命特性に影響を与えるため微細にする必要がある。上述したように、ＲＥＭは硫化物を形成し易いので介在物サイズを更に小さくするためには、硫黄含有量を低くすることが必要となる。これらの技術思想は特許文献３には何ら開示されていない。
【００１５】
特許文献４には、ＶＴＲ、ＣＤプレイヤー等の家電製品や計器、医療機器等の一般機器、或いはＯＡ機器やハードディスクドライブ等の電子機器における軸受として用いられるミニチュアベアリングの音響特性向上のために、Ｔｉ：７ｐｐｍ 以下、Ｏ：７ｐｐｍ 以下として、Ｔｉ系介在物量とその大きさの低減を図った軸受鋼が開示されている。また、特許文献５には、軸受鋼により形成し、焼入れまたは浸炭窒化処理後、３５０℃以上の高温焼戻しをし、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を完全に０％とし、かつ表面硬さをＨＲＣ５７以上とした転がり軸受鋼が開示されている。しかし、酸化物系介在物はＡｌ２ Ｏ３ がベースであるために硬質で、Ｔ．Ｏ（トータル酸素）を下げることでその絶対量を減らしたとしても、音響特性を更に改善することはできない。また、Ｍｇ添加によってアルミナを微細なスピネルに改質したとしても、表１に示すようにアルミナほどではないが硬質であるために、十分には対応できない。一方、ＲＥＭ系介在物は表１に示すように軟質であるため、ＲＥＭ添加によって硬質のＡｌ２ Ｏ３ 系介在物を軟質のＲＥＭ系介在物に改質することが音響特性向上には有益である。
【００１６】
【特許文献１】
特開平０５−３１１２２５号公報
【特許文献２】
特開平０９−２６３８２０号公報
【特許文献３】
特開平１１−２７９６９５号公報
【特許文献４】
特開２０００−４５０４８号公報
【特許文献５】
特開平０８−３１２６５１号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような従来法における諸問題を有利に解決し、酸化物およびオキシサルファイド系介在物を微細分散させ、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、ならびに音響特性に優れた鋼を提供することを目的とする。
【００１８】
ここで、ＲＥＭ含有オキシサルファイドとは次に規定するものを指す。ＲＥＭは上述したように酸化物を形成するとともに、硫化物をも形成し易い元素であるので、Ｓが存在した場合、ＲＥＭとＯおよびＳが結合した化合物を形成する。これをＲＥＭオキシサルファイドと呼び、化学量論組成はＲＥＭをＲＥで表すとＲＥ２ Ｏ２ Ｓで表される。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために実験・検討を重ねた結果、介在物を微細化するためのＲＥＭ添加量および介在物組成の最適制御形態および鋼材成分条件について新規に知見したものであり、その要旨は次の通りである。
【００２０】
（１）質量％で、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ下記（１）式の関係を満足する範囲量のＲＥＭを含有し、かつ円相当径で粒径１μｍ以上の全ての介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の内のＲＥＭ含有介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の個数割合が、下記（２）式を満足すると共に、前記ＲＥＭ含有介在物中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 濃度が３０質量％以下（０％を含む）であることを特徴とする疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２１】
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０ …（１）式
ＲＥＭ含有介在物個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式
（２）ＲＥＭがＣｅ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒのいずれも含有するものであることを特徴とする（１）記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２２】
（３）Ｓ：０．００３質量％以下に制限したことを特徴とする（１）または（２）記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２３】
（４）Ｔｉ：０．００１質量％以下に制限したことを特徴とする（１）〜（３）の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２４】
（５）前記鋼が軸受鋼であることを特徴とする（１）〜（４）の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２５】
（６）前記鋼がハードディスクやＡＶ機器等に用いられるミニチュアベアリングに使用されることを特徴とする（１）〜（４）の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００２７】
先ず、本発明で規定する鋼の成分組成とその限定理由について説明する。なお、成分組成は何れも質量％である。
【００２８】
まず、Ａｌ含有量の限定理由について説明する。本発明による鋼は、上述したように、ＲＥＭを添加することにより酸化物組成をＡｌ２ Ｏ３ からＲＥＭ酸化物、あるいはＲＥＭオキシサルファイドに変換するものである。Ａｌは全ての鋼種にとって必須ではないが、Ｔ．Ｏ低減のための脱酸元素として、また鋼の結晶粒度調整に必要な成分である。しかし、Ａｌ量が０．０５％を超えて添加しても結晶粒度調整効果が飽和するばかりか、Ａｌ２ Ｏ３ からＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドへの変換ができず、本発明の目的が達成されないので、上限を０．０５％とした。これは高Ａｌの場合、ＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドよりもＡｌ２ Ｏ３ が安定状態にありＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドに変換できないものと考えている。
【００２９】
次に、Ｔ．Ｏ（トータル酸素）含有量について説明する。本発明におけるＴ．Ｏ含有量とは、鋼中の溶存酸素含有量と酸化物（主としてＡｌ２ Ｏ３ ）を形成している酸素含有量にほぼ一致する。従って、Ｔ．Ｏ含有量が高いほど改質すべき鋼中Ａｌ２ Ｏ３ が多量になることになる。そこで、本発明の効果が期待できる限界Ｔ．Ｏ含有量について検討を加えた結果、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５０％を超えると、Ａｌ２ Ｏ３ 量が多くなり過ぎ、ＲＥＭを添加しても鋼中のＡｌ２ Ｏ３ 全量をＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドへ変換することができず、鋼材中にＡｌ２ Ｏ３ が残存することが判明した。従って、本発明においては、Ｔ．Ｏ含有量を０．００５０％以下とする必要がある。
【００３０】
ＲＥＭは強力な脱酸元素であり、鋼中のＡｌ２ Ｏ３ と反応し、Ａｌ２ Ｏ３ のＯを奪いＲＥＭ酸化物を生成させるために添加される。そのためには、Ａｌ２ Ｏ３ 量、すなわち、Ｔ．Ｏ含有量に応じて一定量以上のＲＥＭを添加しなければ未反応のＡｌ２ Ｏ３ が残存して好ましくない。この点に関して更に実験を重ねた結果、ＲＥＭ含有量とＴ．Ｏ含有量との間に下記（１）式の関係があることを見いだした。
【００３１】
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０…（１）式
ここで、上記（１）式について図１に基づいて説明する。図１は介在物に及ぼすＲＥＭ−Ｔ．Ｏ×２８０／４８の影響をＳ＝０．００５％，Ｓ＝０．００２％の場合のｄｍａｘ，３０００（μ）の値を示したものである。
【００３２】
縦軸のｄｍａｘ，３００００（μ）は、極値統計法で評価した３００００ｍｍ２ に存在する最大介在物サイズ極値統計法による評価手順は下記の通りである。
【００３３】
ｉ）１０×１０ｍｍ（１００ｍｍ２ ）の検鋭サンプルを１６ヶ準備。
【００３４】
ｉｉ）各サンプルでの最大の介在物を特定し、そのサイズを測定。
【００３５】
ｉｉｉ）１６ヶの最大介在物サイズから極値統計処理にて、３００００ｍｍ２ に存在すると考えられる介在物サイズを推定。
【００３６】
先ず、〔Ｓ〕＝０．００５％と〔Ｓ〕＝０．００２％の軸受鋼（Ｔ．Ｏ＝８ｐｐｍ）を溶製し、ＲＥＭをミッシュメタルで添加し、介在物の微細化挙動を調査した。添加するＲＥＭ量を変化させ、その際の介在物サイズに与える影響を評価した。鋼塊から顕微鏡サンプルを採取し、極値統計法により最大介在物サイズを評価し、添加したＲＥＭ量との関係を調査した。実線は、Ｓ＝０．００５％の場合を、一点鎖線は、〔Ｓ〕＝０．００２％の場合を示す。
【００３７】
Ｔ．ＲＥＭ−Ｔ．Ｏ×２８０／４８が−３０以上、５０以下の範囲で、安定的に介在物が微細化していることが分かる。
【００３８】
また、Ｓを０．００２の場合には、さらに介在物が微細化していることが分かる。（なお、これらの介在物組成は後述する（２）式を満足し、Ａｌ２ Ｏ３ 含有量も３０％以下であることも分った。）
すなわち、ＲＥＭ含有量とＴ．Ｏ含有量の関係、〔ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８〕を（１）式に規定するように、−３０以上、５０以下にすることで、未反応のＡｌ２ Ｏ３ の残存を回避し、酸化物を目的とする組成のＲＥＭ酸化物に制御できることが判明した。しかし、上記（１）式で規定するＲＥＭ含有量とＴ．Ｏ含有量の関係において、〔ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８〕を５０以上を超えて添加すると、硫化物形成が激しく粗大な硫化物が生成し、疲労寿命が低下するなど、材質上好ましくない結果となった。また、上記（１）式で〔ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８〕が−３０以下では逆にＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイド生成能力が弱く本発明の目的を達成できない。
【００３９】
次に、粒径１μｍ以上の酸化物系およびオキシサルファイド系介在物の個数割合を規定する理由について説明する。鋼の精錬工程では一部不可避的な混入によるＲＥＭ酸化物系およびＲＥＭオキシサルファイド系介在物以外の介在物が存在する。例えば、脱炭精錬炉からの酸化度の高い流出スラグ量が多く、二次精錬工程でのその酸化度の低減が不十分な場合には、スラグにより溶鋼が再酸化し、Ａｌ２ Ｏ３ 系介在物が増加する。ＲＥＭ源を添加した後、大気とのシールが不十分な場合、ＲＥＭ分はすでにＡｌ２ Ｏ３ 系介在物の改質に使われ、溶存しているＲＥＭ分が存在しないため、大気からの再酸化によりＡｌ２ Ｏ３ 系介在物が増加することになる。さらには、二次精錬でのスラグ塩基度が高い場合には、スラグ／溶鋼間の平衡反応によりスラグからＣａ Ｉｎｐｕｔが生じ、これが原因でＲＥＭにより改質不可能なＣａＯリッチな介在物も生成する。これらの介在物が存在した場合、ＲＥＭ添加による介在物微細化効果を享受できないため、上記の再酸化要因等を徹底的に除外することが必要である。このようにすることにより、ＲＥＭ含有介在物以外の介在物（硫化物、窒化物も含む）個数を全体の２０％未満、すなわち、下記（２）式で規定する関係を満足させることにより、介在物の微細分散が高位安定化され、更なる疲労寿命向上が認められた。
【００４０】
介在物個数の特定方法を下記に示す。
【００４１】
本測定には、Ｘ線マイクロアナライザとコンピュータを結合させた分析・解析機器を用い、下記の要領で評価した。
【００４２】
ｉ）鋼材の測定面積の指定：１視野面積を０．５ｍｍ×０．５ｍｍとし、５視野／サンプルとした。
【００４３】
ｉｉ）電子ビーム照射：電子ビーム径は０．５μｍとし、１視野毎にＸ方向に１０００回、Ｙ方向に１０００回照射し、元素分析した。
【００４４】
ｉｉｉ）介在物の特定：電子ビーム照射による元素分析情報をコンピュータ処理し、介在物を特定した。
【００４５】
ｉｖ）ＲＥＭ含有介在物の特定：電子ビーム照射による元素分析情報をコンピュータ処理し、ＲＥＭ成分を含有している介在物をＲＥＭ含有介在物と特定した。またその組成を定量評価した。
【００４６】
ｖ）個数の特定：さらに上記ｉｉｉ），ｉｖ）の介在物粒子の円相当径を算出し、介在物の大きさを特定するとともに、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×５視野に存在する上記ｉｉｉ），ｉｖ）の個数を測定した。
【００４７】
ＲＥＭ含有（介在物）個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式
介在物中のＡｌ２ Ｏ３ 濃度を３０％以下と規定した理由は、Ａｌ２ Ｏ３ が３０％以上含有されると、Ａｌ２ Ｏ３ 含有量が３０％以下のＲＥＭ酸化物およびＲＥＭオキシサルファイドに比べて硬質となり、疲労寿命の悪化と共に、音響特性に影響することが分かった。そのため、介在物中のＡｌ２ Ｏ３ 濃度の上限を３０％とした。
【００４８】
次にＲＥＭ源として、ミッシュメタルを用いることに関して説明する。
【００４９】
ＲＥＭとは希土類金属（希土類元素）のことであり、周期表３族に属するＳｃ（原子番号２１）、Ｙ（３９）、およびランタノイド（５７〜７１）のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕの１７元素の総称であり、各々、酸化物、オキシサルファイド、硫化物の形成力が異なる。従来文献では、各元素を特定せず、同一の性質をもつものとして取り扱っていた。しかし、例えば図２に示すようにＬａとＣｅでは、同じ酸素あるいはＳレベルでも安定して存在する化合物が異なるのである。
【００５０】
本発明では、種々の元素を検討し、単独で用いるよりＣｅ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒを主成分（＞９８％）とするミッシュメタルで添加することで、安定的に介在物を微細化できることを見出した（図３）。
【００５１】
Ｓ含有量が高いとＲＥＭ硫化物を形成し易くなる。ＲＥＭ硫化物を形成しないまでもＲＥＭオキシサルファイドの化学量論組成よりもＳリッチとなり粗大化する。そのため、図４に示すように、Ｓ含有量は低いことが望ましく、０．００３％以下にすることで粗大な硫化物を形成することなく、更に良好な材質特性が得られる。なお、Ｔｉが０．００１質量％超の場合、硬質のＴｉＮの生成量が顕著に多くなるため、疲労寿命の悪化や音響特性、耐振動特性の悪化が生じるため、Ｓ含有量を０．００１質量％以下とする必要がある。
【００５２】
なお、本発明においては、請求項で規定したＡｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ、Ｓ：０．００３％以下、Ｔｉ：０．００１％以下を含む鋼において、本発明の目的とする鋼材、特に軸受鋼、或いはミニチュアベアリング用鋼として、他の鋼強化成分として、Ｓｉ：０．０１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：０．０１〜１．５％等を添加することもできる。本発明では、Ｃ濃度は特に規定しないが、好ましいＣ濃度の範囲は０．００５％以上１．２％以下である。これは、Ｃが１．２％超では、添加したＲＥＭがＣと炭化物を形成しＡｌ２ Ｏ３ の改質効率が低下する、また０．００５％未満の場合、初期に存在するＡｌ２ Ｏ３ の量が多く、改質効率が低下するためである。
【００５３】
なお、本発明鋼の製造方法は特に限定するものではない。即ち、母溶鋼の溶製は高炉−転炉法あるいは電気炉法のいずれでもよい。また母溶鋼への成分添加も限定するものではなく、各鋼材の特性に必要な成分元素は任意に母溶鋼に添加してよい。また、その添加方法も限定するものではなく、自由落下による添加方法、不活性ガスにて吹込む方法等を自由に採用できる。さらに母溶鋼から鋼塊を製造し、これを圧延する方法も限定するものではない。
【００５４】
ＲＥＭ源の添加に関しては、ＲＨなどの真空精錬後に添加する。例えば、ＲＨにより精錬を行った場合、ＲＨ処理末期に、真空槽上部に設置したホッパーより、真空槽の溶鋼に上部よりミッシュメタル（塊状）として添加すると良い。
【００５５】
以下に本発明の実施例並びに比較例を述べ、本発明の効果について記載する。
【００５６】
【実施例】
（実施例１）
高炉から排出された溶銑に脱Ｐ、脱Ｓ処理を施し、続いて当該溶銑２７０ｔを転炉に装入し酸素吹錬を実施し、所定のＣ，Ｐ，Ｓ含有量の軸受鋼用の母溶鋼を得た。この母溶鋼を取鍋に排出する間およびＬＦ，ＲＨ脱ガス処理中にＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒを添加した。ＬＦでは、転炉から出流した酸化度の高いスラグを還元し、酸化鉄、ＭｎＯの含有率を低下するとともに、ＣａＯ添加によりＣａＯ／ＳｉＯ２ 比を高め、再酸化の原因となる成分を減少させる。またＡｌ２ Ｏ３ 濃度を調整し、介在物吸収能の高いスラグ組成にした。またＲＨ処理では脱水素、介在物除去を行った。さらにＲＨ処理末期にＲＨ真空槽上部に設けた添加ホッパーより所定量のＲＥＭを添加した。ＲＥＭとしては、表２に示す成分のミッシュメタルを用いた。そのサイズは３５〜４５ｍｍであった。
【００５７】
このようにして得た溶鋼から連続鋳造法により鋳片を製造し、当該鋳片を棒鋼圧延し、表３に示す化学成分の軸受用棒鋼（直径６５ｍｍφ）を製造した。この鋼材中に含まれる介在物はＲＥＭ含有介在物の割合が多く、微細なものであった。極値統計法（基準面積：１００ｍｍ２ 、ｎ＝１６、評価面積：３００００ｍｍ２ ）により３００００ｍｍ２ での最大介在物サイズを評価した結果、表３に示す良好なサイズが得られた。また、当該鋼材の転動疲労試験を行った結果、表３に示す良好な成績が得られた。なお、表３に示すＲＥＭ成分の内訳を表４に示した。
（比較例１）
実施例１と同様の方法で表３に示す軸受鋼を製造した。但し、この場合にはＲＨ処理末期のＲＥＭ添加を行わないケース、ＲＥＭ添加量（添加方法は実施例１と同様）を本発明の適正ＲＥＭ量の上限以上、下限以下にしたケースおよびＲＨ以降でシール性をわざと悪化させ、ＲＥＭ含有介在物個数割合が本発明を外れるケースも行った。得られた軸受鋼の介在物サイズ、転動疲労成績を表３に示すが、実施例１に比べ好ましくない結果となった。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
【表４】
【００６２】
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、表５に示す軸受鋼を製造した。この鋼材中に含まれる介在物はＲＥＭ含有介在物の割合が多く、微細なものであった。６５ｍｍφに圧延した棒鋼にて極値統計法（基準面積：１００ｍｍ２ 、ｎ＝１６、評価面積：３００００ｍｍ２ ）により３００００ｍｍ２ での最大介在物サイズを評価した結果、表４に示す良好なサイズが得られた。また、当該鋼材を１０ｍｍφの線材に圧延した後、ミニチュアベアリングに加工し、音響特性および振動特性を評価した結果、表５に示す良好な成績が得られた。なお、表５に示すＲＥＭ成分の内訳を表６に示した。
（比較例２）
実施例２と同様の方法で表４に示す軸受鋼を製造した。但し、この場合にはＲＨ処理末期のＲＥＭ添加を行わないケース、ＲＥＭ添加量（添加方法は実施例１と同様）を本発明の適正ＲＥＭ量の上限以上、下限以下にしたケースおよびＲＨ以降でシール性をわざと悪化させ、ＲＥＭ含有介在物個数割合が本発明を外れるケースも行った。またＴｉがはずれるケースも行った。得られた軸受鋼の介在物サイズ、および音響・振動特性の結果を表４に示すが、実施例２に比べ好ましくない結果となった。
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、鋼中にＲＥＭ系酸化物およびＲＥＭオキシサルファイド系介在物を微細分散させた鋼に関するものであり、特に、酸化物系介在物の悪影響を解消し、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、ならびに音響特性に優れた鋼を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】介在物サイズに及ぼすＲＥＭ−Ｔ．Ｏ×２８０／４８の関係を示す図。
【図２】（ａ）はＣｅの酸化物、オキシサルファイド、硫化物の安定領域を示す図、（ｂ）はＬａの酸化物、オキシサルファイド、硫化物の安定領域を示す図。
【図３】介在物サイズに及ぼすＲＥＭ源の影響を示す図。
【図４】介在物サイズに及ぼす〔Ｓ〕の影響を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物およびオキシサルファイド系介在物を微細分散させた鋼に関するものであり、特に、酸化物系介在物の悪影響を解消し、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、ならびに音響特性に優れた鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、鋼材に要求される品質は次第に厳格化し、かつ多様化してきており、より清浄度が高く、介在物を無害化した鋼の開発が強く望まれている。
【０００３】
転炉や真空処理容器で精練された溶鋼中には、多量の溶存酸素が含まれており、この過剰酸素は酸素と親和力の強いＡｌにより脱酸されることが一般的であり、脱酸によりアルミナ系介在物を生成する。また、取鍋などはアルミナ系耐火物で構築されている場合が多く、Ａｌ脱酸でなく、ＳｉやＭｎで脱酸した場合においても、溶鋼と耐火物との反応により、耐火物であるアルミナが解離し、溶鋼中にＡｌとして溶出し、このＡｌが再酸化されることで溶鋼中にアルミナが生成する。
【０００４】
これらアルミナ系介在物は、硬質であると共に凝集・合体して粗大なアルミナクラスターとなるため、タイヤコード等の線材の断線の原因、軸受鋼等の棒鋼では転動疲労特性の悪化の原因、更にはＤＩ缶などの薄鋼板では製缶時の割れの原因になることが知られている。特に、軸受鋼の場合には疲労寿命向上の目的から介在物サイズをできるだけ小さくすることが望まれている。
【０００５】
また、ＶＴＲ、ＣＤプレーヤ等の家電製品や計器、医療機器などの一般機器、或いはＯＡ機器やハードディスクドライブ等の電子機器などにおける軸受として用いられるミニチュアベアリングにおいては、小型で比較的軽荷重で使用されるが、装置の作動時に軸受自体から発生する振動や音響が可能な限り低いことが要求される。特に、ハードディスクドライブ用のミニチュアベアリングの場合には、雑音発生を嫌うことから、とりわけ騒音や振動低減に対する要求が厳しい。音響発生および振動発生の主たる原因は、ベアリング表面に露出したＴｉ炭窒化物やアルミナ系介在物のような硬質の非金属介在物であるとされている。
【０００６】
このように、高度に要求された鋼材品質に対応するためには、特に硬質の非金属介在物であるアルミナ系介在物を低減し、清浄度を上げると共に、アルミナ系介在物を改質し、かつ微細化し、無害化することは大きな課題となっている。
【０００７】
アルミナ系介在物の低減・除去については、ＲＨ真空脱ガス装置や粉体吹き込み装置などの二次精練装置の適用による脱酸生成物の低減を中心として、断気、スラグ改質などによる再酸化防止、スラグカットによる混入酸化物系介在物の低減を組合わせ、介在物を低減し、高清浄化を図ってきた。
【０００８】
一方、アルミナ系介在物を改質し微細化、無害化する技術としては、溶鋼中にＭｇ合金を添加することにより、アルミナをスピネル（ＭｇＯ・Ａｌ２ Ｏ３ ）、或いはＭｇＯに改質することでアルミナの凝集による粗大化を防止し、鋼材品質に対するアルミナの悪影響を回避する方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。また、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％以上を含有するＡｌキルド鋼を製造するにあたり、溶鋼中にＣａ，ＭｇおよびＲＥＭの２種以上とＡｌとからなる合金を投入し、生成する介在物中のＡｌ２ Ｏ３ を３０〜８５質量％の範囲内に調整するクラスターのないＡｌキルド鋼の製造方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
しかしながら、上述したアルミナ系介在物を除去する方法では、益々厳格さを増す要求レベルを達成することは困難である。また、ＭｇやＲＥＭを添加して介在物を微細化する方法においても以下のような問題点がある。先ず、Ｍｇの場合は次のとおりである。Ｍｇを添加する溶鋼温度は、金属Ｍｇの沸点（１０７０℃）以上であるため、Ｍｇは容易に蒸発する。例え、Ｓｉ，Ａｌ，Ｆｅ−Ｓｉ等と混合して添加したとしても、単なる混合物でありＭｇ活量は１のままであるため、その蒸発挙動は金属Ｍｇ単独で添加した場合と何ら変わりはない。Ａｌ−ＭｇやＳｉ−Ｍｇ等のように合金化した場合、添加時の蒸発ロスはある程度低減できるが、溶鋼中に溶解した後は、金属Ｍｇで添加した場合と同様に蒸発を抑えることはできないため、歩留りは低い。
【００１０】
Ｍｇは真空中で添加した場合、常圧時に比べ、急激に蒸発してしまうため、添加時期としては真空精錬後に別に常圧で添加する工程を設ける必要がある。
【００１１】
更に、表１に示すように、改質によって生成したスピネルは、アルミナほどではないが硬質であるため、ミニチュアベアリングのように振動や音響特性が要求される場合には、未だ十分には対応できないという問題点もある。
【００１２】
次にＲＥＭの場合の従来技術の問題点を述べる。特許文献３に開示されたようなＲＥＭ添加の場合、アルミナクラスター生成防止のため、ＲＥＭ，Ｍｇ，Ｃａから選択された２種以上を添加することにより低融点の複合介在物とするため、スリバー疵防止には有効かもしれないが、介在物を軸受鋼で要求されるレベルのサイズまで低減することはできない。これは、低融点介在物にすると、これら介在物が凝集・合体してより粗大化してしまうからである。
【００１３】
更に、ＲＥＭ添加の場合、ＲＥＭが介在物を球状化し疲労寿命を向上させる作用を有するため、介在物の形態制御のため必要に応じて添加できるが、０．０１０質量％を超える添加は介在物を増加させ、却って疲労寿命が低下するため、ＲＥＭ添加量を０．０１０質量％以下にする必要があることも知られている（例えば、特許文献４）。しかし、そのメカニズムおよび介在物組成の存在状態については何ら解明されていないし、示唆もされていない。
【００１４】
また、ＲＥＭは酸素と結合してＲＥＭ酸化物をつくると共に、硫黄と結合して硫化物をも形成し易い元素である。従って、酸素と結合する以上の量の過剰なＲＥＭが存在すると硫化物を生成し、寧ろ介在物サイズを増大させ、疲労寿命特性に悪影響を与えると考えられる。そこで、介在物サイズを制御するには、ＲＥＭ添加量を制御し、介在物組成を厳密に制御する必要がある。換言すれば、ＲＥＭ添加量を酸素含有量とバランスさせ、過剰なＲＥＭをなくすことで粗大な硫化物形成を防止する必要がある。また、硫化物も疲労寿命特性に影響を与えるため微細にする必要がある。上述したように、ＲＥＭは硫化物を形成し易いので介在物サイズを更に小さくするためには、硫黄含有量を低くすることが必要となる。これらの技術思想は特許文献３には何ら開示されていない。
【００１５】
特許文献４には、ＶＴＲ、ＣＤプレイヤー等の家電製品や計器、医療機器等の一般機器、或いはＯＡ機器やハードディスクドライブ等の電子機器における軸受として用いられるミニチュアベアリングの音響特性向上のために、Ｔｉ：７ｐｐｍ 以下、Ｏ：７ｐｐｍ 以下として、Ｔｉ系介在物量とその大きさの低減を図った軸受鋼が開示されている。また、特許文献５には、軸受鋼により形成し、焼入れまたは浸炭窒化処理後、３５０℃以上の高温焼戻しをし、浸炭窒化層の残留オーステナイト量を完全に０％とし、かつ表面硬さをＨＲＣ５７以上とした転がり軸受鋼が開示されている。しかし、酸化物系介在物はＡｌ２ Ｏ３ がベースであるために硬質で、Ｔ．Ｏ（トータル酸素）を下げることでその絶対量を減らしたとしても、音響特性を更に改善することはできない。また、Ｍｇ添加によってアルミナを微細なスピネルに改質したとしても、表１に示すようにアルミナほどではないが硬質であるために、十分には対応できない。一方、ＲＥＭ系介在物は表１に示すように軟質であるため、ＲＥＭ添加によって硬質のＡｌ２ Ｏ３ 系介在物を軟質のＲＥＭ系介在物に改質することが音響特性向上には有益である。
【００１６】
【特許文献１】
特開平０５−３１１２２５号公報
【特許文献２】
特開平０９−２６３８２０号公報
【特許文献３】
特開平１１−２７９６９５号公報
【特許文献４】
特開２０００−４５０４８号公報
【特許文献５】
特開平０８−３１２６５１号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような従来法における諸問題を有利に解決し、酸化物およびオキシサルファイド系介在物を微細分散させ、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、ならびに音響特性に優れた鋼を提供することを目的とする。
【００１８】
ここで、ＲＥＭ含有オキシサルファイドとは次に規定するものを指す。ＲＥＭは上述したように酸化物を形成するとともに、硫化物をも形成し易い元素であるので、Ｓが存在した場合、ＲＥＭとＯおよびＳが結合した化合物を形成する。これをＲＥＭオキシサルファイドと呼び、化学量論組成はＲＥＭをＲＥで表すとＲＥ２ Ｏ２ Ｓで表される。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために実験・検討を重ねた結果、介在物を微細化するためのＲＥＭ添加量および介在物組成の最適制御形態および鋼材成分条件について新規に知見したものであり、その要旨は次の通りである。
【００２０】
（１）質量％で、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ下記（１）式の関係を満足する範囲量のＲＥＭを含有し、かつ円相当径で粒径１μｍ以上の全ての介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の内のＲＥＭ含有介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の個数割合が、下記（２）式を満足すると共に、前記ＲＥＭ含有介在物中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 濃度が３０質量％以下（０％を含む）であることを特徴とする疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２１】
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０ …（１）式
ＲＥＭ含有介在物個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式
（２）ＲＥＭがＣｅ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒのいずれも含有するものであることを特徴とする（１）記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２２】
（３）Ｓ：０．００３質量％以下に制限したことを特徴とする（１）または（２）記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２３】
（４）Ｔｉ：０．００１質量％以下に制限したことを特徴とする（１）〜（３）の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２４】
（５）前記鋼が軸受鋼であることを特徴とする（１）〜（４）の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２５】
（６）前記鋼がハードディスクやＡＶ機器等に用いられるミニチュアベアリングに使用されることを特徴とする（１）〜（４）の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００２７】
先ず、本発明で規定する鋼の成分組成とその限定理由について説明する。なお、成分組成は何れも質量％である。
【００２８】
まず、Ａｌ含有量の限定理由について説明する。本発明による鋼は、上述したように、ＲＥＭを添加することにより酸化物組成をＡｌ２ Ｏ３ からＲＥＭ酸化物、あるいはＲＥＭオキシサルファイドに変換するものである。Ａｌは全ての鋼種にとって必須ではないが、Ｔ．Ｏ低減のための脱酸元素として、また鋼の結晶粒度調整に必要な成分である。しかし、Ａｌ量が０．０５％を超えて添加しても結晶粒度調整効果が飽和するばかりか、Ａｌ２ Ｏ３ からＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドへの変換ができず、本発明の目的が達成されないので、上限を０．０５％とした。これは高Ａｌの場合、ＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドよりもＡｌ２ Ｏ３ が安定状態にありＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドに変換できないものと考えている。
【００２９】
次に、Ｔ．Ｏ（トータル酸素）含有量について説明する。本発明におけるＴ．Ｏ含有量とは、鋼中の溶存酸素含有量と酸化物（主としてＡｌ２ Ｏ３ ）を形成している酸素含有量にほぼ一致する。従って、Ｔ．Ｏ含有量が高いほど改質すべき鋼中Ａｌ２ Ｏ３ が多量になることになる。そこで、本発明の効果が期待できる限界Ｔ．Ｏ含有量について検討を加えた結果、Ｔ．Ｏ含有量が０．００５０％を超えると、Ａｌ２ Ｏ３ 量が多くなり過ぎ、ＲＥＭを添加しても鋼中のＡｌ２ Ｏ３ 全量をＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイドへ変換することができず、鋼材中にＡｌ２ Ｏ３ が残存することが判明した。従って、本発明においては、Ｔ．Ｏ含有量を０．００５０％以下とする必要がある。
【００３０】
ＲＥＭは強力な脱酸元素であり、鋼中のＡｌ２ Ｏ３ と反応し、Ａｌ２ Ｏ３ のＯを奪いＲＥＭ酸化物を生成させるために添加される。そのためには、Ａｌ２ Ｏ３ 量、すなわち、Ｔ．Ｏ含有量に応じて一定量以上のＲＥＭを添加しなければ未反応のＡｌ２ Ｏ３ が残存して好ましくない。この点に関して更に実験を重ねた結果、ＲＥＭ含有量とＴ．Ｏ含有量との間に下記（１）式の関係があることを見いだした。
【００３１】
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０…（１）式
ここで、上記（１）式について図１に基づいて説明する。図１は介在物に及ぼすＲＥＭ−Ｔ．Ｏ×２８０／４８の影響をＳ＝０．００５％，Ｓ＝０．００２％の場合のｄｍａｘ，３０００（μ）の値を示したものである。
【００３２】
縦軸のｄｍａｘ，３００００（μ）は、極値統計法で評価した３００００ｍｍ２ に存在する最大介在物サイズ極値統計法による評価手順は下記の通りである。
【００３３】
ｉ）１０×１０ｍｍ（１００ｍｍ２ ）の検鋭サンプルを１６ヶ準備。
【００３４】
ｉｉ）各サンプルでの最大の介在物を特定し、そのサイズを測定。
【００３５】
ｉｉｉ）１６ヶの最大介在物サイズから極値統計処理にて、３００００ｍｍ２ に存在すると考えられる介在物サイズを推定。
【００３６】
先ず、〔Ｓ〕＝０．００５％と〔Ｓ〕＝０．００２％の軸受鋼（Ｔ．Ｏ＝８ｐｐｍ）を溶製し、ＲＥＭをミッシュメタルで添加し、介在物の微細化挙動を調査した。添加するＲＥＭ量を変化させ、その際の介在物サイズに与える影響を評価した。鋼塊から顕微鏡サンプルを採取し、極値統計法により最大介在物サイズを評価し、添加したＲＥＭ量との関係を調査した。実線は、Ｓ＝０．００５％の場合を、一点鎖線は、〔Ｓ〕＝０．００２％の場合を示す。
【００３７】
Ｔ．ＲＥＭ−Ｔ．Ｏ×２８０／４８が−３０以上、５０以下の範囲で、安定的に介在物が微細化していることが分かる。
【００３８】
また、Ｓを０．００２の場合には、さらに介在物が微細化していることが分かる。（なお、これらの介在物組成は後述する（２）式を満足し、Ａｌ２ Ｏ３ 含有量も３０％以下であることも分った。）
すなわち、ＲＥＭ含有量とＴ．Ｏ含有量の関係、〔ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８〕を（１）式に規定するように、−３０以上、５０以下にすることで、未反応のＡｌ２ Ｏ３ の残存を回避し、酸化物を目的とする組成のＲＥＭ酸化物に制御できることが判明した。しかし、上記（１）式で規定するＲＥＭ含有量とＴ．Ｏ含有量の関係において、〔ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８〕を５０以上を超えて添加すると、硫化物形成が激しく粗大な硫化物が生成し、疲労寿命が低下するなど、材質上好ましくない結果となった。また、上記（１）式で〔ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８〕が−３０以下では逆にＲＥＭ酸化物、或いはＲＥＭオキシサルファイド生成能力が弱く本発明の目的を達成できない。
【００３９】
次に、粒径１μｍ以上の酸化物系およびオキシサルファイド系介在物の個数割合を規定する理由について説明する。鋼の精錬工程では一部不可避的な混入によるＲＥＭ酸化物系およびＲＥＭオキシサルファイド系介在物以外の介在物が存在する。例えば、脱炭精錬炉からの酸化度の高い流出スラグ量が多く、二次精錬工程でのその酸化度の低減が不十分な場合には、スラグにより溶鋼が再酸化し、Ａｌ２ Ｏ３ 系介在物が増加する。ＲＥＭ源を添加した後、大気とのシールが不十分な場合、ＲＥＭ分はすでにＡｌ２ Ｏ３ 系介在物の改質に使われ、溶存しているＲＥＭ分が存在しないため、大気からの再酸化によりＡｌ２ Ｏ３ 系介在物が増加することになる。さらには、二次精錬でのスラグ塩基度が高い場合には、スラグ／溶鋼間の平衡反応によりスラグからＣａ Ｉｎｐｕｔが生じ、これが原因でＲＥＭにより改質不可能なＣａＯリッチな介在物も生成する。これらの介在物が存在した場合、ＲＥＭ添加による介在物微細化効果を享受できないため、上記の再酸化要因等を徹底的に除外することが必要である。このようにすることにより、ＲＥＭ含有介在物以外の介在物（硫化物、窒化物も含む）個数を全体の２０％未満、すなわち、下記（２）式で規定する関係を満足させることにより、介在物の微細分散が高位安定化され、更なる疲労寿命向上が認められた。
【００４０】
介在物個数の特定方法を下記に示す。
【００４１】
本測定には、Ｘ線マイクロアナライザとコンピュータを結合させた分析・解析機器を用い、下記の要領で評価した。
【００４２】
ｉ）鋼材の測定面積の指定：１視野面積を０．５ｍｍ×０．５ｍｍとし、５視野／サンプルとした。
【００４３】
ｉｉ）電子ビーム照射：電子ビーム径は０．５μｍとし、１視野毎にＸ方向に１０００回、Ｙ方向に１０００回照射し、元素分析した。
【００４４】
ｉｉｉ）介在物の特定：電子ビーム照射による元素分析情報をコンピュータ処理し、介在物を特定した。
【００４５】
ｉｖ）ＲＥＭ含有介在物の特定：電子ビーム照射による元素分析情報をコンピュータ処理し、ＲＥＭ成分を含有している介在物をＲＥＭ含有介在物と特定した。またその組成を定量評価した。
【００４６】
ｖ）個数の特定：さらに上記ｉｉｉ），ｉｖ）の介在物粒子の円相当径を算出し、介在物の大きさを特定するとともに、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×５視野に存在する上記ｉｉｉ），ｉｖ）の個数を測定した。
【００４７】
ＲＥＭ含有（介在物）個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式
介在物中のＡｌ２ Ｏ３ 濃度を３０％以下と規定した理由は、Ａｌ２ Ｏ３ が３０％以上含有されると、Ａｌ２ Ｏ３ 含有量が３０％以下のＲＥＭ酸化物およびＲＥＭオキシサルファイドに比べて硬質となり、疲労寿命の悪化と共に、音響特性に影響することが分かった。そのため、介在物中のＡｌ２ Ｏ３ 濃度の上限を３０％とした。
【００４８】
次にＲＥＭ源として、ミッシュメタルを用いることに関して説明する。
【００４９】
ＲＥＭとは希土類金属（希土類元素）のことであり、周期表３族に属するＳｃ（原子番号２１）、Ｙ（３９）、およびランタノイド（５７〜７１）のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕの１７元素の総称であり、各々、酸化物、オキシサルファイド、硫化物の形成力が異なる。従来文献では、各元素を特定せず、同一の性質をもつものとして取り扱っていた。しかし、例えば図２に示すようにＬａとＣｅでは、同じ酸素あるいはＳレベルでも安定して存在する化合物が異なるのである。
【００５０】
本発明では、種々の元素を検討し、単独で用いるよりＣｅ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒを主成分（＞９８％）とするミッシュメタルで添加することで、安定的に介在物を微細化できることを見出した（図３）。
【００５１】
Ｓ含有量が高いとＲＥＭ硫化物を形成し易くなる。ＲＥＭ硫化物を形成しないまでもＲＥＭオキシサルファイドの化学量論組成よりもＳリッチとなり粗大化する。そのため、図４に示すように、Ｓ含有量は低いことが望ましく、０．００３％以下にすることで粗大な硫化物を形成することなく、更に良好な材質特性が得られる。なお、Ｔｉが０．００１質量％超の場合、硬質のＴｉＮの生成量が顕著に多くなるため、疲労寿命の悪化や音響特性、耐振動特性の悪化が生じるため、Ｓ含有量を０．００１質量％以下とする必要がある。
【００５２】
なお、本発明においては、請求項で規定したＡｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ、Ｓ：０．００３％以下、Ｔｉ：０．００１％以下を含む鋼において、本発明の目的とする鋼材、特に軸受鋼、或いはミニチュアベアリング用鋼として、他の鋼強化成分として、Ｓｉ：０．０１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：０．０１〜１．５％等を添加することもできる。本発明では、Ｃ濃度は特に規定しないが、好ましいＣ濃度の範囲は０．００５％以上１．２％以下である。これは、Ｃが１．２％超では、添加したＲＥＭがＣと炭化物を形成しＡｌ２ Ｏ３ の改質効率が低下する、また０．００５％未満の場合、初期に存在するＡｌ２ Ｏ３ の量が多く、改質効率が低下するためである。
【００５３】
なお、本発明鋼の製造方法は特に限定するものではない。即ち、母溶鋼の溶製は高炉−転炉法あるいは電気炉法のいずれでもよい。また母溶鋼への成分添加も限定するものではなく、各鋼材の特性に必要な成分元素は任意に母溶鋼に添加してよい。また、その添加方法も限定するものではなく、自由落下による添加方法、不活性ガスにて吹込む方法等を自由に採用できる。さらに母溶鋼から鋼塊を製造し、これを圧延する方法も限定するものではない。
【００５４】
ＲＥＭ源の添加に関しては、ＲＨなどの真空精錬後に添加する。例えば、ＲＨにより精錬を行った場合、ＲＨ処理末期に、真空槽上部に設置したホッパーより、真空槽の溶鋼に上部よりミッシュメタル（塊状）として添加すると良い。
【００５５】
以下に本発明の実施例並びに比較例を述べ、本発明の効果について記載する。
【００５６】
【実施例】
（実施例１）
高炉から排出された溶銑に脱Ｐ、脱Ｓ処理を施し、続いて当該溶銑２７０ｔを転炉に装入し酸素吹錬を実施し、所定のＣ，Ｐ，Ｓ含有量の軸受鋼用の母溶鋼を得た。この母溶鋼を取鍋に排出する間およびＬＦ，ＲＨ脱ガス処理中にＡｌ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒを添加した。ＬＦでは、転炉から出流した酸化度の高いスラグを還元し、酸化鉄、ＭｎＯの含有率を低下するとともに、ＣａＯ添加によりＣａＯ／ＳｉＯ２ 比を高め、再酸化の原因となる成分を減少させる。またＡｌ２ Ｏ３ 濃度を調整し、介在物吸収能の高いスラグ組成にした。またＲＨ処理では脱水素、介在物除去を行った。さらにＲＨ処理末期にＲＨ真空槽上部に設けた添加ホッパーより所定量のＲＥＭを添加した。ＲＥＭとしては、表２に示す成分のミッシュメタルを用いた。そのサイズは３５〜４５ｍｍであった。
【００５７】
このようにして得た溶鋼から連続鋳造法により鋳片を製造し、当該鋳片を棒鋼圧延し、表３に示す化学成分の軸受用棒鋼（直径６５ｍｍφ）を製造した。この鋼材中に含まれる介在物はＲＥＭ含有介在物の割合が多く、微細なものであった。極値統計法（基準面積：１００ｍｍ２ 、ｎ＝１６、評価面積：３００００ｍｍ２ ）により３００００ｍｍ２ での最大介在物サイズを評価した結果、表３に示す良好なサイズが得られた。また、当該鋼材の転動疲労試験を行った結果、表３に示す良好な成績が得られた。なお、表３に示すＲＥＭ成分の内訳を表４に示した。
（比較例１）
実施例１と同様の方法で表３に示す軸受鋼を製造した。但し、この場合にはＲＨ処理末期のＲＥＭ添加を行わないケース、ＲＥＭ添加量（添加方法は実施例１と同様）を本発明の適正ＲＥＭ量の上限以上、下限以下にしたケースおよびＲＨ以降でシール性をわざと悪化させ、ＲＥＭ含有介在物個数割合が本発明を外れるケースも行った。得られた軸受鋼の介在物サイズ、転動疲労成績を表３に示すが、実施例１に比べ好ましくない結果となった。
【００５８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、表５に示す軸受鋼を製造した。この鋼材中に含まれる介在物はＲＥＭ含有介在物の割合が多く、微細なものであった。６５ｍｍφに圧延した棒鋼にて極値統計法（基準面積：１００ｍｍ２ 、ｎ＝１６、評価面積：３００００ｍｍ２ ）により３００００ｍｍ２ での最大介在物サイズを評価した結果、表４に示す良好なサイズが得られた。また、当該鋼材を１０ｍｍφの線材に圧延した後、ミニチュアベアリングに加工し、音響特性および振動特性を評価した結果、表５に示す良好な成績が得られた。なお、表５に示すＲＥＭ成分の内訳を表６に示した。
（比較例２）
実施例２と同様の方法で表４に示す軸受鋼を製造した。但し、この場合にはＲＨ処理末期のＲＥＭ添加を行わないケース、ＲＥＭ添加量（添加方法は実施例１と同様）を本発明の適正ＲＥＭ量の上限以上、下限以下にしたケースおよびＲＨ以降でシール性をわざと悪化させ、ＲＥＭ含有介在物個数割合が本発明を外れるケースも行った。またＴｉがはずれるケースも行った。得られた軸受鋼の介在物サイズ、および音響・振動特性の結果を表４に示すが、実施例２に比べ好ましくない結果となった。
【００６３】
【表５】
【表６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、鋼中にＲＥＭ系酸化物およびＲＥＭオキシサルファイド系介在物を微細分散させた鋼に関するものであり、特に、酸化物系介在物の悪影響を解消し、良好な耐疲労寿命特性を有する鋼、ならびに音響特性に優れた鋼を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】介在物サイズに及ぼすＲＥＭ−Ｔ．Ｏ×２８０／４８の関係を示す図。
【図２】（ａ）はＣｅの酸化物、オキシサルファイド、硫化物の安定領域を示す図、（ｂ）はＬａの酸化物、オキシサルファイド、硫化物の安定領域を示す図。
【図３】介在物サイズに及ぼすＲＥＭ源の影響を示す図。
【図４】介在物サイズに及ぼす〔Ｓ〕の影響を示す図。
Claims (6)
- 質量％で、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含む）、Ｔ．Ｏ：０．００５％以下を含み、かつ下記（１）式の関係を満足する範囲量のＲＥＭを含有し、かつ円相当径で粒径１μｍ以上の全ての介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の内のＲＥＭ含有介在物（酸化物、硫化物、オキシサルファイド、窒化物やそれらの複合介在物）の個数割合が、下記（２）式を満足すると共に、前記ＲＥＭ含有介在物中に含まれるＡｌ２ Ｏ３ 濃度が３０質量％以下（０％を含む）であることを特徴とする疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
−３０＜ＲＥＭ（ｐｐｍ）−Ｔ．Ｏ（ｐｐｍ）×２８０／４８＜５０ …（１）式
ＲＥＭ含有介在物個数／全介在物個数＞０．８ …（２）式 - ＲＥＭがＣｅ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｐｒのいずれも含有するものであることを特徴とする請求項１記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
- Ｓ：０．００３質量％以下に制限したことを特徴とする請求項１または２記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
- Ｔｉ：０．００１質量％以下に制限したことを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
- 前記鋼が軸受鋼であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
- 前記鋼がハードディスクやＡＶ機器等に用いられるミニチュアベアリングに使用されることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載の疲労寿命に優れた介在物微細分散鋼。
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