JP2012062526A - 圧延軸受鋼鋼材 - Google Patents

Abstract

【課題】転動疲労寿命に優れた圧延軸受鋼鋼材の提供。
【解決手段】O≦0.0010％及びS≦0.004のJIS G 4805（2008）に規定の高炭素クロム軸受鋼鋼材の化学組成を満たす鋼材で、該鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理して求めた危険体積144mm³中の予測最大介在物径√AREA≦45μｍ、破壊起点である介在物の平均のアスペクト比≦7であり、更に破壊起点の介在物が酸化物の場合には、平均組成における含有量がCaO：2.0〜20％、MgO：0〜20％及びSiO₂：0〜10％で、かつ残部がAl₂O₃であって、特定の2元系、3元系及び4元系の酸化物のうちの何れかからなり、かつ、破壊起点の介在物が硫化物の場合には、平均組成における含有量がCaS：100％のCaSの1元系硫化物、又はCaS：1.0％以上、MgS：0〜20％で、かつ残部がMnSであって、特定の2元系又は3元系の硫化物からなる圧延軸受鋼鋼材。
【選択図】なし

Description

本発明は、圧延軸受鋼鋼材に関し、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寿命に優れた圧延軸受鋼鋼材に関する。

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および非特許文献２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３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系介在物が小径化した結果、相対的に硫化物系介在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１〜３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、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」が開示されている。

特許文献２に、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．７５％、Ｓｉ：０．１５〜１．１％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０６％以下、Ａｌ：０．００５〜０．２５％、Ｃｒ：０．２％以下およびＭｏ：０．０５〜０．６％を含有し、必要に応じてさらに、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：０．０５〜３．５％、Ｃｏ：０．０１〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．１％以下およびＢ：０．００６％以下から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部が不可避的不純物からなる鋼組成を有し、１８１．４ｍｍ³に相当する予測最大介在物径が１１μｍ以下、かつ焼入れ後の硬化層の平均旧オーステナイト粒径が１２μｍ以下であることを特徴とする「転動疲労特性に優れた機械構造用部品」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」が開示されている。

特開２００６−６３４０２号公報 特開２００９−２４２９２３号公報 特開２００８−２４００１９号公報

村上敬宜：金属疲労 微小欠陥と介在物の影響（１９９３）、〔養賢堂〕 周世栄ら：鉄と鋼 Ｖｏｌ．８７（２００１）Ｎｏ．１２、Ｐ２２ 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、局部的には転動疲労寿命に優れるが、実際の部品のような大きな危険体積下では、粗大な介在物が存在する可能性があり、早期剥離を招く場合がある。

特許文献２で開示されている機械構造用部品は、長手方向縦断面において延伸した、または点列状の、粗大な酸化物、さらには、延伸した粗大な硫化物が存在する可能性があるため、転動疲労寿命が短い場合がある。

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。

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圧延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、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、転動疲労寿命に影響を与える介在物を検出するには、二次元的な評価ではなく、非特許文献２に示されているように、三次元的に十分な体積が確保された評価が必要であることを確認するとともに、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、超音波疲労試験を用いて十分な体積が確保された評価によって予測される最大介在物径である√ＡＲＥＡ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、超音波疲労破壊試験の破壊起点となる酸化物および硫化物の種類および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、下記に示す圧延軸受鋼鋼材にある。

質量％で、Ｏが０．００１０％以下であり、かつＳが０．００４％以下であるＪＩＳ Ｇ ４８０５（２００８）に規定された高炭素クロム軸受鋼鋼材の化学組成を満足する鋼材であって、その鋼材の長手方向縦断面において、
超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ³中に予測される最大介在物径√ＡＲＥＡが４５μｍ以下であり、かつ超音波疲労試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比が７以下であり、
さらに、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、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、
超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、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、
ことを特徴とする圧延軸受鋼鋼材。

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

また、本発明でいう介在物のアスペクト比とは、介在物の長径（Ｌ）と短径（Ｗ）の比、すなわちＬ／Ｗをいう。

なお、以下、「転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ³中に予測される最大介在物径√ＡＲＥＡ」を、省略して「予測最大介在物径√ＡＲＥＡ」ということがある。

本発明の圧延軸受鋼鋼材は、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。

直径８０ｍｍの棒鋼および直径７０ｍｍの棒鋼から実施例で用いた超音波疲労試験片を採取した方法を模式的に説明する図である。 直径１２０ｍｍの棒鋼、直径１００ｍｍの棒鋼、１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片および１４０ｍｍ×１４０ｍｍの鋼片から実施例で用いた超音波疲労試験片を採取した方法を模式的に説明する図である。 実施例で用いた超音波疲労試験片の板材から切り出したままの粗形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。 実施例で用いた超音波疲労試験片の仕上げ形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。 実施例で用いた超音波疲労試験片の最大応力の９０％までの範囲である４６ｍｍ³を危険体積として説明する図である。 １６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片および１４０ｍｍ×１４０ｍｍ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。

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：
「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、本発明の圧延軸受鋼鋼材は、質量％で、Ｏが０．００１０％以下であり、かつＳが０．００４％以下であるＪＩＳ Ｇ ４８０５（２００８）に規定された高炭素クロム軸受鋼鋼材の化学組成を満足する鋼材、すなわち、ＯおよびＳの含有量が上記範囲にあるＳＵＪ２〜５でなければならない。

本発明の圧延軸受鋼鋼材は、上記のうちでも、その化学組成が、ＯおよびＳの含有量が上記範囲にあるＳＵＪ２であることが特に好ましい。

以下、本発明の圧延軸受鋼鋼材において、ＯおよびＳの含有量を上記の範囲に制限する理由について説明する。

Ｏ：０．００１０％以下
Ｏは、酸化物を生成する元素であり、極力低下させる必要がある。Ｏの含有量が多くなって、特に０．００１０％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０．００１０％以下とした。Ｏの含有量は０．０００８％以下であることが好ましい。

Ｓ：０．００４％以下
Ｓは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が０．００４％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０．００４％以下とした。Ｓの含有量は０．００３％以下とすることが好ましい。

本発明の圧延軸受鋼鋼材において、脱酸元素であるＡｌの含有量は次の量にすることが好ましい。

Ａｌ：０．０４０％以下
Ａｌは、精錬工程で脱酸を行うために使用する元素である。しかし、Ａｌの含有量が０．０４０％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ことがあるので、Ａｌの含有量は０．０４０％以下とするのが望ましい。

（Ｂ）鋼材の長手方向縦断面における介在物の予測最大介在物径√ＡＲＥＡとアスペクト比
「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、本発明の圧延軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向横断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ³に予測される最大介在物径である√ＡＲＥＡが４５μｍ以下であり、かつ超音波試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比が７以下でなければならない。

鋼材の長手方向横断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を非特許文献１に記載の方法で極値統計処理を行い、非特許文献３に記載されている危険体積、すなわち１４４ｍｍ³中に予測される最大介在物径である√ＡＲＥＡが４５μｍを上回ると、粗大な介在物によって転動疲労寿命が低下する。なお、望ましい予測最大介在物径√ＡＲＥＡは４０μｍ以下である。

介在物径の測定方法に関しては、非特許文献３に記載の光学顕微鏡による測定方法を参考にし、本発明では超音波疲労試験の破壊起点である介在物の長径（Ｌ）と短径（Ｗ）を測定し、介在物径√ＡＲＥＡ＝（Ｌ×Ｗ）^1/2を測定する。

すなわち、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、介在物間の距離と小さい方の介在物の大きさ（√ＡＲＥＡ）とを比較し、小さいほうの介在物径√ＡＲＥＡの値が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、また小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値が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する。

超音波疲労試験の破壊起点である介在物のアスペクト比が７を超えると、延伸した、または点列状の、粗大な酸化物、さらには、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、超音波疲労試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比を７以下とした。

（Ｃ）超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合
「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、本発明の圧延軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、平均組成における含有量（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。

本発明の圧延軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面における介在物が酸化物の場合には、上記の条件を満たすことによって、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。

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。ＣａＯ濃度が２．０％以上になると、長く延伸した、または点列状の、Ａｌ₂Ｏ₃およびスピネル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う。したがって、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ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（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、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、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、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）超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物である場合
「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、本発明の圧延軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、平均組成における含有量（以下、「濃度」ということがある。）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。

本発明の圧延軸受鋼鋼材は、鋼材の長手方向縦断面における介在物が硫化物の場合には、上記の条件を満たすことによって、延伸した粗大な硫化物の生成が抑制され、優れた転動疲労寿命を確保することが可能になる。

ＣａＳ：１．０〜１００％
ＣａＳは、脱硫反応によって生成する硫化物である。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、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。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、硫化物の平均組成におけるＭｇＳ濃度を０〜２０％とした。

なお、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。

前述した酸化物組成および硫化物組成は、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以上およびＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃：１．５〜１５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、ＲＨ真空脱ガス装置にて３０分の処理を実施し、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、酸化物系介在物の総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圧延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って、複数からなる群にて存在する介在物間の距離を大きくし、一体として判断される介在物を低減させるためである。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。

表１に示すＪＩＳ Ｇ ４８０５（２００８）に記載の高炭素クロム軸受鋼鋼材ＳＵＪ２の化学組成を有する鋼１〜２１を、次のプロセスによって製造した。

表１中の鋼１〜１１および鋼１５〜２１は、化学成分が本発明で規定する範囲内にあるＳＵＪ２の化学組成を有する鋼であり、一方、鋼１２〜１４は、化学成分が本発明で規定する条件から外れたＳＵＪ２の化学組成を有する鋼である。なお、鋼１〜２１の全てについて、Ｍｏ含有量は０．０８％を下回っていた。

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ガスによる撹拌を実施した。

その後さらに、ＲＨ真空脱ガス装置による処理を表４に示す時間で実施した後、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とし、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１５および鋼１６については分塊圧延のみ実施して鋼片とし、棒鋼圧延は行わなかった。

試験番号１〜１４および試験番号１７〜２１の棒鋼と、試験番号１５および試験番号１６の鋼片を２００ｍｍに切断した後、粗形状の超音波疲労試験片を採取した。

具体的には、試験番号３の直径８０ｍｍの棒鋼ならびに試験番号４〜１１および試験番号１７〜２１の直径７０ｍｍの棒鋼については、図１に示すように長手方向横断面（つまり、棒鋼の圧延方向に直角に切断した面）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。）を基準として圧延方向と平行な方向に厚さ１４ｍｍ、幅４５ｍｍ、長さ２００ｍｍの板材を切り出した。

次に、板材の幅方向の両端をフライス加工よって「平面出し」を行った後、電子ビーム溶接によって上記板材と同一鋼材を両端に溶接し、幅８５ｍｍの板状に仕上げた。

また、試験番号１の直径１２０ｍｍの棒鋼および試験番号２の直径１００ｍｍの棒鋼ならびに試験番号１５の１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片および試験番号１６の１４０ｍｍ×１４０ｍｍの鋼片については、図２に示すようにＲ／２部またはＴ／４部（「Ｔ」は鋼片の幅を表す。）を基準として圧延方向と平行な方向に厚さ１４ｍｍ、幅７５ｍｍ、長さ２００ｍｍの板材を切り出し、電子ビーム溶接は行わなかった。

次いで、溶接時の熱影響をなくすため、上記の全ての板材を、まず８６０℃で６０分間保持した後に大気中で室温まで空冷する焼ならしを行った。さらに、７９５℃にて６時間保持した後、炉冷して球状化焼なましを行い、図１および図２に示すように幅方向から、図３に示す粗形状の超音波疲労試験片を各鋼１９本ずつ採取した。

上記のようにして採取した粗形状の超音波疲労試験片を、８３０℃で３０分加熱した後、油焼入れし、さらに、１８０℃で１時間加熱した後、大気中で室温まで放冷して焼戻しを行った。次いで、仕上げ加工して、図４に示す超音波疲労試験片を作製した。

なお、図３および図４に示した前述の各試験片における寸法の単位は全て「ｍｍ」である。

上記仕上げ加工をした超音波疲労試験片を用いて、超音波疲労試験を実施した。

具体的には、株式会社島津製作所製の超音波疲労試験機ＵＳＦ−２０００を用いて、周波数２０ｋＨｚ、応力振幅９００ＭＰａ、応力比−１の条件で、破壊が起こるまで疲労試験を行った。なお、繰り返し数が１．０×１０⁷となっても破壊しなかった場合は、応力を２０ＭＰａずつ増加させることによって、破壊が起こるまで疲労試験を実施した。

破壊した試験片は破壊起点の介在物を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、介在物の長径と短径を測定し、介在物径√ＡＲＥＡ＝（長径×短径）^1/2として、各鋼の１９本それぞれについて介在物径√ＡＲＥＡを求めた。また、測定した起点部の介在物の長径（Ｌ）を短径（Ｗ）で除してアスペクト比を求め、１９本の破壊起点の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。

なお、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、介在物間の距離と小さい方の介在物の大きさ（√ＡＲＥＡ）とを比較し、小さいほうの介在物径√ＡＲＥＡの値が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、また小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値が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。

超音波疲労試験片は、図５に示すように最大応力の９０％までの範囲である４６ｍｍ³を試験片１本あたりの危険体積とした。そして、上記の４６ｍｍ³を基準体積Ｖ₀とし、予測体積Ｖを１４４ｍｍ³として、非特許文献１を参考に、極値統計処理によってＹ＝１．２８における予測最大介在物径である√ＡＲＥＡを求めた。

超音波疲労試験の破壊起点である介在物組成については、エネルギー分散型Ｘ線分光法によってそれぞれの組成を測定した。まず、各鋼１９個の破壊起点の介在物が、酸化物であるか硫化物であるかを判別し、酸化物であるものについては酸化物の平均組成を、硫化物であるものについては硫化物の平均組成を、それぞれ算術平均により求めた。

また、各鋼について、前記の試験番号１〜１４および試験番号１７〜２１の直径７０〜１２０ｍｍの棒鋼ならびに試験番号１５および試験番号１６の鋼片を２５０ｍｍに切断し、７８０℃にて６時間保持した後、炉冷して球状化焼なましを行った。その後さらに、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、１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片および１４０ｍｍ×１４０ｍｍの鋼片については中心偏析の影響を極力避けるため、図６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、８３０℃で３０分加熱した後、油焼入れし、さらに、１８０℃で１時間加熱した後、大気中で室温まで放冷して焼戻しを行った。このようにして焼入れ−焼戻しした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、転動疲労試験に供した。

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、超音波疲労試験の起点となった介在物の平均組成、予測最大介在物径√ＡＲＥＡ、平均のアスペクト比（平均Ｌ／Ｗ）および転動疲労寿命を示す。なお、試験番号１２は超音波疲労試験の破壊起点に硫化物が存在していなかったので、硫化物平均組成のＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの欄はいずれも「−」と表記した。同様に、試験番号１３は超音波疲労試験の破壊起点に酸化物が存在していなかったので、酸化物平均組成のＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃の欄はいずれも「−」と表記した。

表７に示すように、本発明例の試験番号１〜１１の場合、鋼１〜１１の化学組成は本発明で規定する条件を満たし、さらに鋼材の長手方向縦断面における超音波疲労試験の破壊起点である介在物の予測最大介在物径√ＡＲＥＡは４５μｍ以下と小さく、平均のアスペクト比も７以下であり、また、破壊起点である酸化物の平均組成および破壊起点である硫化物の平均組成についても全て本発明で規定する条件を満たしている。このため、４．６×１０⁷以上の転動疲労寿命が得られた。

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１２〜１４の場合、転動疲労寿命が短い。

すなわち、試験番号１２は、鋼１２のＯ含有量が０．００１２％で、本発明で規定する値を上回っているため、酸化物が粗大となってしまい、Ｌ₁₀寿命が０．５×１０⁷と短い。

試験番号１３および試験番号１４は、鋼１３および鋼１４のＳの含有量がそれぞれ、０．００７％および０．００６％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、０．６×１０⁷および０．８×１０⁷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、鋼材の長手方向縦断面における超音波疲労試験の破壊起点である介在物の予測最大介在物径√ＡＲＥＡ、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１５と試験番号１６の場合、転動疲労寿命が短い。

すなわち、試験番号１５および試験番号１６は予測最大介在物径√ＡＲＥＡ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、１．０×１０⁷および１．７×１０⁷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、鋼材の長手方向縦断面における超音波疲労試験の破壊起点である酸化物の平均組成および破壊起点である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１７〜２１の場合、転動疲労寿命が短い。

すなわち、試験番号１７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ため、大型の酸化物が生成してしまい、Ｌ₁₀寿命が１．５×１０⁷と短い。

試験番号１８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ため、延伸した粗大な酸化物となってしまい、Ｌ₁₀寿命が１．４×１０⁷と短い。

試験番号１９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ため、点列状の酸化物が粗大となってしまい、Ｌ₁₀寿命が１．６×１０⁷と短い。

試験番号２０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ため、破壊起点となった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２．１×１０⁷と短い。

試験番号２１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１．２×１０⁷と短い。

本発明の圧延軸受鋼鋼材は、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 (1)

1. 質量％で、Ｏが０．００１０％以下であり、かつＳが０．００４％以下であるＪＩＳ Ｇ ４８０５（２００８）に規定された高炭素クロム軸受鋼鋼材の化学組成を満足する鋼材であって、その鋼材の長手方向縦断面において、
   超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ³中に予測される最大介在物径√ＡＲＥＡが４５μｍ以下であり、かつ超音波疲労試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比が７以下であり、
   さらに、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、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、
   超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、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、
   ことを特徴とする圧延軸受鋼鋼材。