JP2015034324A - 転がり疲労寿命に優れた鋼 - Google Patents

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Abstract

【課題】 鋼中の酸素、硫黄、Ａｌの含有量と、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成比とその全酸化物中の個数比率を規制し、Ｌ1寿命と転がり疲労寿命に優れた機械部品用鋼を提供する。
【解決手段】 酸素含有量８ｐｐｍ以下、硫黄含有量０．００８％以下、Ａｌ含有量０．００５〜０．０３０％で、鋼材体積１０００ｍｍ3当りに超音波探傷で検出される介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満の非金属介在物の個数が１２．０個以下で、かつ、超音波探傷で鋼材重量２．５ｋｇ当りに検出される介在物径１００μｍ以上の非金属介在物数が２．０個以下で、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物のＭｇＯ／Ａｌ2Ｏ3の質量％比を０．２５〜１．５０とし、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物中の個数比率を７０％以上とした転がり疲労寿命に優れた鋼。
【選択図】 なし

Description

本発明は、軸受、ギア、ハブユニット、トロイダル型ＣＶＴ装置、等速ジョイント、クランクピンなどの優れた転がり疲労寿命が要求される、表面硬さを５８ＨＲＣ以上に硬化させて使用される機械部品や装置として適用される鋼に関するものである。
近年、各種機械装置の高性能化によって、転がり疲労寿命が求められる機械部品や装置の使用環境は過酷化している。それに伴い、これらの部品や装置の寿命向上ならびに信頼性向上に対する要求が高まっている。このような要求に対し、鋼材面の対策としては、鋼成分の適正化や転がり疲労寿命に有害な不純物元素の低減が行われており、寿命の向上ならびに信頼性の向上が図られている。
鋼組成に含有の不純物元素のうち、例えば、酸素はアルミナなどの破損の起点となりうる酸化物系介在物を構成する元素である。したがって、特に有害性が高い酸素に関しては、ｐｐｍオーダーへの低減が行われている。さらに高い品質が求められる場合には、ＶＡＲ、ＥＳＲなどの特殊溶解によって、さらなる酸素量の低減が行われる場合もある。また、他の不純物元素に関しても、その含有量を０．０１質量％オーダーまで低減することによって、それらの悪影響を防止する対策がとられている。
ところで、鋼中の酸素量が少ない高清浄度鋼は種々提案されている。これらの提案の中で、鋼中の酸化物個数に関して、｛(ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3個数＋ＭｇＯ個数)／全酸化物系介在物個数｝の値を０．８０以上とする高炭素系高寿命軸受鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、特許文献１には、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3の組成範囲は特に示されておらず、また表示も、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3ではなく、化学量論組成であることを示すＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3と分子式で表記されていることから、質量％で２８．３％のＭｇＯと７１．７％のＡｌ2Ｏ3からなる化合物として示されている。さらに、アルミナ系とスピネル系との合計個数が全酸化物個数の６０％未満である高炭素クロム軸受鋼およびその製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２内に限り、アルミナ系とは（ＭｇＯ）も（ＳｉＯ2）も３％未満で、かつ（ＣａＯ）も（ＣａＯ）／（（ＣａＯ）＋（Ａｌ2Ｏ3））の比で０．０８以下であるものであり、スピネル系とは３％〜２０％の範囲の（ＭｇＯ）に残部が（Ａｌ2Ｏ3）である２元系に、１５％以内の（ＣａＯ）および／または１５％以内の(ＳｉＯ2)が混入する場合があるスピネル型結晶構造のものであるとして定義されている。さらに、鋼中の酸素含有量が１０ｐｐｍ未満であり、かつ、電子ビーム溶融法により浮上させて凝集させた酸化物系介在物の表面露出面積が１グラム当たり２０μｍ2以下である高清浄度軸受用鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。一方、本願発明の狙いとする転がり疲労寿命に優れた鋼、すなわち、スラスト型転がり疲労試験にて、Ｌ1寿命（同一ロットの試験片を同じ条件で試験した場合に、そのうちの９９％の試験片がはく離することなく回転するｃｙｃｌｅ数）に優れた鋼を安定して提供する際に、Ｌ1寿命に影響を及ぼすような２０μｍを超える非金属介在物の発生は極めて偶発的、かつ、低い確率で発生するので、それらの発生の検出は非常に困難であり、かつ、特許文献３に記載の鋼では、介在物の融解および凝集が起こるため、正確な介在物径や個数を評価することができない。また、従来技術による非金属介在物の評価方法では、被検面積が小さいために鋼材の大体積を検査しようとすると多大な時間を要するため、鋼材の良否を判断することができない。
また、最大介在物径が略１００μｍ以下の介在物については極値統計法を適用し、略１００μｍ以上の介在物については探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとした超音波探傷法を適用するなどの両手法を併用した評価方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。この記載の方法では、最大介在物径が１００μｍ未満である非金属介在物については極値統計法を適用し、１００μｍ以上である非金属介在物については探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとした超音波探傷法を適用するなどの併用による評価方法を提案している。しかしながら、極値統計法は上述と同様に被検面積が小さく、２０μｍ以上、かつ、１００μｍ未満である非金属介在物について見た場合の鋼材の良否を十分に判断できる手法とは言い難い。一方で、探傷周波数を５〜２５ＭＨｚとした超音波探傷法で検出している介在物径が１００μｍ以上であるため、やはり２０μｍ以上で１００μｍ未満の介在物についての十分な評価が出来ていないことから、Ｌ1寿命に優れた鋼を安定して提供できる評価方法とはいい難い。また、さらに１００μｍ以下の介在物について探傷周波数を２０〜１２５ＭＨｚとした超音波探傷法により評価することにより、転がり疲労寿命に優れた鋼としての介在物の個数と大きさを規定した鋼が提案されている（例えば、特許文献５参照）。ところで、この特許文献５に記載の方法では、硫黄含有量が０．００８質量％以下で、かつ、超音波探傷法により鋼材体積３００ｍｍ3当たりに検出される介在物径が２０μｍ以上である非金属介在物の個数を３００ｍｍ3当たりに１２個以下であるように規定した、転がり疲労寿命に優れた鋼（スラスト型転がり疲労試験にて、最大ヘルツ応力Ｐmax＝５．３ＧＰａでＬ10寿命＞１．０×１０7ｃｙｃｌｅが得られる鋼）およびその評価方法を提案している。ただし、使用中の軸受が計算寿命より極めて早期に破損することに対する信頼性は評価されていないため、早期破損に対する信頼性の目安となるＬ1寿命（同一ロットの試験片を同じ条件で試験した場合に、そのうちの９９％の試験片がはく離することなく回転するｃｙｃｌｅ数）に優れた鋼を安定して提供できる鋼ではない。
特開平８−３６８２号公報 特開２００６−２０００２７号公報 特開平６−１９２７９０号公報 特開２００６−３１７１９２号公報 特開２００８−１２１０３５号公報
本発明は、転がり疲労寿命が求められる機械部品における、計算寿命に対して極めて早期の破損を抑制することを目的としている。そこで、発明者らは、その信頼性の目安としてＬ1寿命（すなわち、同一ロットの試験片を同じ条件で試験した場合に、そのうちの９９％の試験片がはく離することなく回転するｃｙｃｌｅ数）に注目した。このＬ1寿命については、従来技術では全く評価されていなかった。
そこで、発明者らは、転がり疲労寿命を向上させるための非金属介在物の制御に関し、とりわけ転がり疲労寿命に対して有害度の高い酸化物系非金属介在物の影響を軽減する手段に関して鋭意検討した。その結果、従来技術において、むしろ避ける必要があるとされてきた、鋼中の硬質の酸化物系介在物において、Ａｌ2Ｏ3やＭｇＯを含有するものについて、それらの組成比率や個数比率を適切に改質すること、さらに加えて超音波探傷法により一定量あたりの鋼中の非金属介在物個数が規制されたものとすることにより、Ｌ1寿命が向上することを見出した。
すなわち、転がり疲労寿命が求められる部品に対し、特に計算寿命に対する極く早期のはく離を抑制可能なＬ1寿命に優れた鋼とするために、鋼中の酸素含有量を質量割合で８ｐｐｍ以下、硫黄含有量を０．００８質量％以下、Ａｌ含有量を０．００５〜０．０３０質量％とし、非金属介在物に関して、超音波探傷法により、鋼材の体積１０００ｍｍ3当りに検出される、介在物の径（以下「介在物径」という。）が２０μｍ以上で１００μｍ未満である、非金属介在物の個数が１２．０個以下であり、さらに、超音波探傷法により、鋼材の重量の２．５ｋｇ当りに検出される、介在物径が１００μｍ以上である、非金属介在物の個数が２．０個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を、０．２５〜１．５０、より好ましくは０．３０〜１．３０の範囲に規制し、かつＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上、好ましくは８０％以上に規制すれば良いことが分かった。なお、ここで定義するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系非金属介在物には、質量％で１５％以下のＣａＯ、および／または質量％で１５％以下のＳｉＯ2を含有したものを含めて良い。酸素含有量を質量割合で８ｐｐｍ以下、硫黄含有量を０．００８質量％以下とする理由は、酸化物系介在物、ならびに比較的軟質で延伸しやすい硫化物系介在物の大きさと存在の頻度を低減するためである。より好ましくは酸素含有量は質量割合で６ｐｐｍ以下、硫黄含有量は０．００３質量％以下とする。さらに、軟質の介在物に改質させないため、かつ硬質であるものの鋼中で凝集してクラスター状となりやすい純アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の生成を抑制するため、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０３０質量％、より好ましくは０．００８〜０．０３０質量％、さらに好ましくは０．０１１〜０．０３０質量％とする必要がある。
酸化物系介在物の平均組成を規制し、かつ、酸化物系介在物の全酸化物系介在物に占める個数比率を上記の７０％以上、好ましくは８０％以上に規制した鋼においては、酸化物が高融点を有する組成であるために、鋼の鋳塊を製造する過程において溶鋼中から小径の酸化物が球状に近い形で晶出する。このように球状に近い形で晶出しても、その後に溶鋼中で凝集したクラスター状となり易い純アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を抑制しているため、溶鋼が凝固した後の鋳塊内において酸化物系介在物は小径でかつ球状に近い形で分散することになる。
さらに、熱間加工で鋳塊を圧延して棒鋼とし、その後、該棒鋼を素材として、さらなる熱間加工や冷間加工により部品素材となる棒鋼や鋼管にあるいは鍛造品にした場合には、酸化物系介在物は熱間あるいは冷間の加工温度域において母相の鋼より著しく硬質な介在物であるので、加工中に母相に追従して変形しにくいため、加工後も比較的球状に近い形状を維持することができる。
その後、部品素材となる棒鋼や鋼管は、必要に応じて、例えば、ＣＲＦのようなさらなる冷間加工を経た後に、切削加工され、さらに適正な熱処理により、転がり疲れを受ける部品に所望される表面硬さ５８ＨＲＣ以上に調整された後に、機械部品として使用されるが、転がり疲れを受ける部品の転送面下の最大応力作用方向は、部品の素材となった鋼材中の非金属介在物の最小断面となる方向、例えば、比較的に軟質で熱間加工により延伸するような酸化物系介在物や硫化物系介在物においては、圧延方向と垂直な方向とは、必ずしも一致しない場合がある。
そこで、発明者らは、高温で比較的軟質であり、熱間加工で延伸する酸化物系介在物を含有させた鋼を試験的に溶製し、該鋼の熱間圧延鋼材を素材として、酸化物系介在物の最大断面方向となる圧延方向と一致する面を転送面として、スラスト式の転がり疲労寿命試験を行い、極く短寿命でのはく離に対する信頼性指標としたＬ1寿命を評価したところ、圧延方向と垂直な方向を転送面とした場合に比べて、Ｌ1寿命が低下することを見出した。これは、高温で軟質な酸化物組成を有する介在物は、その融点が低いために、発生頻度は稀であるものの、大型化した介在物が鋼中に残存し、かつ、その介在物の熱間圧延後における最大断面（すなわち、欠陥の大きさとみなせる）となる方向が最大応力作用方向とほぼ一致したためと推測され、通常の部品寿命の指標として評価されるＬ10寿命（同一ロットの試験片を同じ条件で試験した場合に、そのうちの９０％の試験片がはく離することなく回転するｃｙｃｌｅ数）には現れにくいが、これはＬ1寿命の評価により明確となったものである。硫化物についても熱間で軟質化しやすい組成の酸化物系介在物と同様に、加工にともなう介在物の延伸によって圧延方向とそれに対して垂直な方向では、介在物の最大断面の大きさに差が生じるため、前記の通り、部品の転送面の取り方によってはＬ1寿命に劣る場合が起こり得る。
それに対して、発明者らが提案する鋼中で酸化物を形成する酸素の含有量、ならびに硫化物を形成する硫黄の含有量をともに低減し、かつ鋼中の酸化物系介在物が小径でかつ球状に近い形状で分散させた鋼においては、前記の結果とは異なって、圧延方向と一致する面を転送面とするスラスト式の転がり疲労寿命試験におけるＬ1寿命が改善されていることを見出し、本発明に至ったものである。すなわち、部品の素材となる鋼中の酸化物や硫化物の大きさや存在頻度を十分に低減するとともに、とりわけ転がり疲労寿命に対して有害度の高い鋼中の酸化物系介在物を、小径でかつ球状に近い形状で分散させることにより、部品に加工した場合の転送面が元の素材の圧延方向あるいは延伸方向に対して、如何なる方向に配置されたとしても、常に転がり疲労における最大応力作用方向に対する介在物断面積を最小化することができるため、転がり疲れに対する有害性が軽減され、転がり疲労寿命が向上する。さらに加えて、本願発明は超音波探傷法により、一定量あたりの鋼に含まれる非金属介在物の個数を適切に規制したものとすることにより、極く短寿命でのはく離の指標となるＬ1寿命に優れた鋼が安定して得られる。
本発明が解決しようとする課題に対して、特許文献１〜５に記載の鋼はいずれもＬ1寿命が評価されておらず、部品の計算寿命に対して極く早期のはく離に対する信頼性が保証された鋼ではない。また、特許文献１に記載の鋼では、鋼中の酸化物個数に関して、｛(ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3＋ＭｇＯ個数)／全酸化物系介在物個数｝の値を０．８０以上に規制しているが、酸化物組成をＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3ないしＭｇＯの化学量論組成を有する酸化物主体に改質することが必須条件であり、そのためには精錬過程におけるＭｇ添加、および鋼材中のＭｇ含有が必須となるため、製造コストアップを招き、汎用性に劣っている。また、酸素含有量や硫黄含有量の規制についても十分とは言えず、鋼中の非金属介在物の含有頻度も評価していないため、Ｌ1寿命に優れた鋼を安定して提供できる技術ではない。
また、引用文献２に記載の鋼では、アルミナ系（Ａｌ2Ｏ3主体）とスピネル系（ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系）との合計個数が全酸化物個数の６０％未満であるように規制して介在物組成の軟質化制御を行うことによって、Ｌ10寿命を向上させているのに対し、本発明はＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の合計個数が全酸化物個数の７０％以上であるように規制することで極く短寿命でのはく離に対する信頼性の指標としたＬ1寿命を向上させたものであり、技術的思想が全く異なっている。
また、特許文献３〜５はいずれも鋼中の硬質の酸化物系介在物における、その化学組成や個数比率の改質に関して何らの示唆もされていない。また、特許文献３に記載の鋼では、酸化物系介在物の表面露出面積を評価するための鋼試料が１〜５ｇ程度と少なく、また、電子ビーム溶解法によって介在物の融解および凝集が起こるため、本願発明の目的である極く短寿命でのはく離に対する信頼性を向上させるのに必要な一定量あたりの鋼の清浄度を評価する指標としては十分なものとは言えない。
また、特許文献４に記載の鋼では、２０μｍ以上、かつ、１００μｍ未満である非金属介在物についての十分な評価が出来ていないことから、また、特許文献５に記載の鋼では、介在物径が２０μｍ以上である非金属介在物の個数を３００ｍｍ3当たりに１２個以下であるように規定しているが、その規制は本願発明に照らして十分なものではないことから、いずれもＬ1寿命に優れた鋼を安定して提供できる方法とは言い難い。
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、本発明が解決しようとする課題は、鋼中の酸素含有量、硫黄含有量、およびＡｌ含有量を規制するとともに、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物が全酸化物に占める個数比率、ならびに鋼中の一定量あたりの２０μｍ以上、かつ、１００μｍ未満である非金属介在物個数、および鋼中の一定量あたりの１００μｍ以上の非金属介在物個数を規制することにより、極めて早期はく離の指標であるＬ1寿命の向上を図って、転がり疲労寿命に優れた機械部品用の鋼を提供することである。
上記の課題を解決するための手段は、第１の手段では、表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼に係るものである。すなわち、この鋼の鋼中の酸素含有量が質量割合で８ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００８質量％以下、Ａｌ含有量が０．００５〜０．０３０質量％であって、超音波探傷法により、鋼材の体積１０００ｍｍ3当りに検出される、介在物の径（以下「介在物径」という。）が２０μｍ以上で１００μｍ未満である、非金属介在物の個数が１２．０個以下である。さらに、超音波探傷法により、鋼材の重量の２．５ｋｇ当りに検出される、介在物径が１００μｍ以上である、非金属介在物の個数が２．０個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を０．２５〜１．５０の範囲に規制し、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上としたことからなる、転がり疲労寿命に優れた鋼である。
第２の手段では、表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼に係るものである。すなわち、この鋼の鋼中の酸素含有量が質量割合で６ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００３質量％以下、Ａｌ含有量が０．００５〜０．０３０質量％であって、超音波探傷法により、鋼材の体積１０００ｍｍ3当りに検出される、介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である、非金属介在物の個数が９．０個以下である。さらに、超音波探傷法により、鋼材の重量の２．５ｋｇ当りに検出される、介在物径が１００μｍ以上である、非金属介在物の個数が１．５個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を０．２５〜１．５０の範囲に規制し、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上としたことからなる、転がり疲労寿命に優れた鋼である。
第３の手段では、介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数は、超音波探傷法により総体積１５００ｍｍ3以上を探傷することにより評価されたものであり、かつ、介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数は、超音波探傷法により総重量３．０ｋｇ以上を探傷することにより評価されたものである、第１の手段または第２の手段の転がり疲労寿命に優れた鋼である。
第４の手段では、転がり疲労寿命に優れた鋼は、ＪＩＳ規格において規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ）、ＳＡＥ規格またはＡＳＴＭ規格Ａ２９５において規定される５２１００、ＤＩＮ規格において規定される１００Ｃｒ６、ならびにＪＩＳ規格において規定される機械構造用炭素鋼鋼材（ＳＣ）、もしくは機械構造用合金鋼鋼材のうちの中のいずれか１種の鋼材が挙げられる。このＪＩＳ規格において規定される機械構造用合金鋼材としては、その中のクロム鋼（ＳＣｒ）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、またはニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ）から選択したいずれか１種の鋼である、第１の手段〜第３の手段のいずれか１手段の転がり疲労寿命に優れた鋼である。
また、例えばＳＡＥ規格の４３２０、５１２０、４１４０、１０５３、１０５５などのようにＪＩＳ規格に対応した外国規格鋼についても本発明の適用が可能である。
本発明の転がり疲労寿命に優れた鋼では、鋼中の酸素含有量、硫黄含有量、Ａｌ含有量を規制するとともに、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物が全酸化物に占める個数比率を規制し、さらに、超音波探傷法により鋼中の非金属介在物を大体積で検出して非金属介在物の個数の制限された鋼とすることにより、転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼を得ることができる。
本発明の実施の形態である転がり疲労寿命に優れた鋼について、表を参照して以下に詳細に説明をする。
本発明の実施の形態である転がり疲労寿命に優れた鋼は、請求項１の発明の実施の形態では、表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼であって、この鋼の鋼中の酸素含有量が質量割合で８ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００８質量％以下、Ａｌ含有量が０．００５〜０．０３０質量％である。さらに、２５〜１２５ＭＨｚの超音波探傷法により、鋼材体積１０００ｍｍ3当たりに検出される、介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である、非金属介在物の個数が１２．０個以下である。さらに、５〜２５ＭＨｚの超音波探傷法により、鋼材重量２．５ｋｇ当りに検出される、介在物径が１００μｍ以上である、非金属介在物の個数が２．０個以下である。さらに、この鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を０．２５〜１．５０の範囲に規制し、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上とした転がり疲労寿命に優れた鋼である。
請求項２の発明の実施の形態では、表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼であって、この鋼の鋼中の酸素含有量が質量割合で６ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００３質量％以下、Ａｌ含有量が０．００５〜０．０３０質量％である。さらに、２５〜１２５ＭＨｚの超音波探傷法により、鋼材の体積１０００ｍｍ3当りに検出される、介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である、非金属介在物の個数が９．０個以下である。さらに、５〜２５ＭＨｚの超音波探傷法により、鋼材重量２．５ｋｇ当りに検出される、介在物径が１００μｍ以上である、非金属介在物の個数が１．５個以下である。さらに、この鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を０．２５〜１．５０の範囲に規制し、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上とした転がり疲労寿命に優れた鋼である。
請求項３の発明の実施の形態では、介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数は、２５〜１２５ＭＨｚの超音波探傷法により総体積１５００ｍｍ3以上を探傷することにより評価されたものである。さらに、介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数は、５〜２５ＭＨｚの超音波探傷法により総重量３．０ｋｇ以上の探傷により評価されたものである請求項１または２における転がり疲労寿命に優れた鋼である。
請求項４の発明の実施の形態では、転がり疲労寿命に優れた鋼としては、軸受をはじめとする転動疲労寿命が要求される用途に用いられる鋼種であることが望ましい。具体的には、ＪＩＳ規格において規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ）、ＳＡＥ規格またはＡＳＴＭ規格Ａ２９５において規定される５２１００、ＤＩＮ規格において規定される１００Ｃｒ６、ＪＩＳ規格において規定される機械構造用炭素鋼鋼材、もしくは機械構造用合金鋼鋼材の中のいずれか１種の鋼材の鋼材が挙げられる。このＪＩＳ規格において規定される機械構造用合金鋼材としては、その中のクロム鋼（ＳＣｒ）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、またはニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ）から選択したいずれかいずれか１種の鋼からなる鋼材で、また、例えばＳＡＥ規格の４３２０、５１２０、４１４０、１０５３、１０５５などのようにＪＩＳ規格に対応した外国規格鋼についても本発明の適用が可能であり、請求項１〜３のいずれか１項における転がり疲労寿命に優れた鋼である。
上記の超音波探傷法においては、既に様々な種類の超音波探傷装置や探触子が市販されており、これらのものを利用することができる。好ましい探触子として、焦点型高周波探触子などが挙げられる。フラット型探触子の検出能は１／２波長といわれているが、焦点型探触子では１／４波長であり、精度の良い評価に対しては焦点型探触子が好適である。なお、本実施の形態の介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満の介在物については、探触子の周波数は２５〜１２５ＭＨｚ程度が好ましく、特に好ましくは３０〜１００ＭＨｚ程度である。また、本実施の形態の介在物径が１００μｍ以上の介在物については、探触子の周波数は５〜２５ＭＨｚ程度が好ましく、これらは既に上記の請求項３の実施の形態のとおりである。
超音波探傷において、介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満の介在物について介在物個数を確認するための総体積を１５００ｍｍ3以上とし、介在物径が１００μｍ以上の介在物について介在物個数を確認するための総重量を３．０ｋｇ以上とした理由は、安定した転がり疲労寿命が得られる鋼を提供する上で、評価精度の点から満足できる評価結果を得るために必要なためである。なお、かつ、本実施の形態の超音波探傷法における評価体積および評価重量は、従来の顕微鏡観察を主体とする評価方法では、処理時間が膨大となるので、現実的には評価不可能なものである。超音波探傷を行なうにあたっては、試験片の表面から探触子の周波数に応じた深さまでの不感帯領域を評価体積から除外し、必要に応じて熱処理等による組織異常や超音波探傷における測定ノイズの影響を受けやすい試験片の端部を焦点位置での超音波ビームの探傷範囲から除外した上で、探触子の周波数、性能に応じた水中焦点距離範囲に基づいて超音波探傷における評価体積を１５００ｍｍ3以上（介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満の介在物の個数を確認する場合）、ならびに超音波探傷における評価重量を３．０ｋｇ以上（介在物径が１００μｍ以上の介在物の個数を確認する場合）を確保する必要がある。
本発明の鋼の母溶鋼の溶製は電気炉法または高炉−転炉法のいずれで行っても良い。続いて、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の個数比率を評価する方法については以下に説明する。
本実施の形態の転がり疲労寿命に優れた鋼においては、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の個数比率を精度良く評価するため、鋼材断面の任意の箇所から選んだ少なくとも４０ｍｍ2以上の被検面積における介在物径が１μｍ以上の酸化物介在物について、エネルギー分散型Ｘ線分析により酸化物組成の成分分析と酸化物数のカウントを行うものとする。その組成分析結果と酸化物カウント数に基づき、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の個数比率を算出すれば良い。なお、硫化物や窒化物と複合した酸化物については硫化物や窒化物を構成する元素については、その元素については除外してＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成を求めるものとした。
以上、説明したように本実施の形態の転がり疲労寿命に優れた鋼によれば、鋼中の酸素含有量、硫黄含有量、およびＡｌ含有量を規制するとともに、超音波探傷法により鋼中の非金属介在物を大体積で検出し、さらに、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物が全酸化物に占める個数比率を規制することにより、転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼を提供することが可能となる。
次に、実施例である供試材１〜２８および比較例である供試材２９〜３４を挙げて、本発明の転がり疲労寿命に優れた鋼をより具体的に説明する。ただし、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に供試材の成分組成を示す。表１の供試材１〜１０および供試材２９〜３２については高炭素クロム軸受鋼であるＪＩＳのＳＵＪ２鋼を、供試材１１および供試材１２についてはＳＡＥ規格において規定される５２１００を、供試材１３および供試材１４についてはＡＳＴＭ規格Ａ２９５において規定される５２１００を、供試材１５および供試材１６についてはＤＩＮ規格において規定される１００Ｃｒ６を、供試材１７についてはＪＩＳのＳＵＪ３鋼を、供試材１８についてはＪＩＳのＳＵＪ５鋼を、供試材１９および供試材３３についてはＪＩＳのＳＣｒ４２０鋼を、供試材２０についてはＳＡＥの５１２０鋼を、供試材２１および供試材３４についてはＪＩＳのＳＣＭ４２０鋼を、供試材２２についてはＪＩＳのＳＮＣＭ４２０鋼を、供試材２３についてはＳＡＥの４３２０鋼を、供試材２４についてはＪＩＳのＳＣＭ４３５鋼を、供試材２５についてはＳＡＥの４１４０鋼を、供試材２６についてはＪＩＳのＳ５３Ｃ鋼を、供試材の２７についてはＪＩＳのＳ５５Ｃ鋼を、供試材２８についてはＳＡＥの１０５３鋼を用いた。供試材１〜３４は、アーク溶解炉で溶製し、続いて取鍋精錬し、さらに真空脱ガス装置で脱ガスを行い連続鋳造により鋳塊を製造した。
その際、実施例の供試材１〜２８については、事前に溶鋼の精錬過程において適宜試料を採取して介在物組成を確認しながら、スラグ組成を適切に調整して目的とする酸化物組成範囲と個数比率を満足するように検討した上で、母溶鋼の溶製を行った。一方、比較例の供試材２９および供試材３０については、母溶鋼の精錬過程において溶鋼中へのＡｌの添加を抑制し、Ｓｉ脱酸を主に実施することにより軟質介在物への改質を行った。また、比較例の供試材３１〜３４は母溶鋼の精錬過程で溶鋼中にＡｌを積極添加して脱酸を行うことによりＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物が少なく、Ａｌ2Ｏ3を主体とする酸化物となるように改質を行った。
Figure 2015034324
（スラスト型転がり疲労試験）
供試材１〜１８と供試材２９〜３２の鋼材は８００℃にて球状化焼鈍を施し、鋼材の長手方向に対し平行な方向から外径５２ｍｍで、内径２０ｍｍで、厚さ５．８ｍｍの円盤からなる試験片を作製した。この試験片を８３５℃で２０分保持した後、油冷により焼入れし、次いで１７０℃で９０分の焼戻し処理を行い、所望の５８ＨＲＣ以上の硬さを得て、その後に表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験を行った。供試材１９〜２３、供試材３３、供試材３４の鋼材は、９２５℃にて焼ならしを施した後、また、供試材２４、供試材２５の鋼材は、８７０℃で焼ならしを施した後、鋼材の長手方向に対し平行な方向から外径５２ｍｍで、内径２０ｍｍで、厚さ８．３ｍｍの円盤からなる試験片を作製した。この試験片を９３０℃で浸炭処理した後、油冷により焼入れし、次いで１８０℃で９０分の焼戻し処理を行い、所望の５８ＨＲＣ以上の硬さを得て、その後に表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験を行った。供試材２６〜２８の鋼材は８７０℃で焼ならしを施し、鋼材の長手方向に対し平行な方向から外径５２ｍｍで、内径２０ｍｍで、厚さ８．３ｍｍの円盤からなる試験片を作製した。この試験片を高周波焼入れした後、次いで１８０℃で９０分の焼戻し処理を行い、所望の５８ＨＲＣ以上の硬さを得て、その後に表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験を行った。スラスト型転がり疲労試験は最大ヘルツ応力Ｐmax：５．３ＧＰａで行った。なお、Ｌ1寿命を求めるうえでは、１．５×１０7ｃｙｃｌｅ程度での打ち切り試験とし、試験評価時間の短縮を図った。
（酸化物組成および個数比率の評価）
鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比が０．２５〜１．５０であり、かつＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率が７０％以上であることを評価するにあたり、供試材１〜１８と供試材２９〜３２の鋼材は８００℃にて球状化焼鈍を施した後、供試材１９〜２３、供試材３３、供試材３４の鋼材は、９２５℃にて焼ならしを施した後、また、供試材２４〜２８の鋼材は８７０℃で焼ならしを施した後、いずれも鋼材の長手方向に対し平行な方向から長手方向に１０ｍｍ、径方向に１０ｍｍの被検査面積１００ｍｍ2で厚さ７ｍｍの試験片を切り出し、研磨時の非金属介在物の脱落を防止する目的でいずれも焼入焼戻しを行った後、被検査面に鏡面研磨を施し、エネルギー分散型Ｘ線分析により酸化物組成の成分分析と酸化物数のカウントを行った。その組成分析結果と酸化物カウント数に基づき、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の個数比率を算出した。
これらの供試材の各試験片について、表面硬さ、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、およびＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の個数比率を表２に示す。
Figure 2015034324
表２において、比較例の供試材２９〜３４は、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、および／または鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物個数の個数比率が、本発明の請求範囲外のものである。これら比較材の供試材２９〜３４に対し、鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比、および鋼中のＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の個数比率のいずれもが、本発明の請求範囲を満足する実施例の供試材１〜２８は比較例に比して、後述するように、Ｌ1寿命に優れている。
（超音波試験）
介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物を評価するに当たり、供試材１〜１８、供試材２９〜３２の鋼材については８００℃にて球状化焼鈍を施し、Ｌ断面試験片を切り出し、焼入焼戻し処理を行った後、供試材１９〜２３、供試材３３、供試材３４の鋼材については９２５℃にて焼ならしを施し、Ｌ断面試験片を切り出し、焼入焼戻し処理を行なった後、供試材２４〜２８の鋼材については８７０℃にて焼ならしを施し、Ｌ断面試験片を切り出し、焼入焼戻し処理を行なった後、超音波の伝達損失を軽減する目的でいずれも平面研磨を行った。平面研磨により、いずれも厚さ１０ｍｍに仕上げて、超音波探傷試験を行った。超音波探傷には、焦点型高周波探触子（５０ＭＨｚ）を備えた超音波探傷装置を用いた。また、超音波探傷体積は３０００ｍｍ3とした。得られた介在物による反射波のデータから、鋼材の体積１０００ｍｍ3当たりの２０μｍ以上で１００μｍ未満の介在物の検出個数を求めた。
また、介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物を評価するに当たり、供試材１〜１８、供試材２９〜３２の鋼材については、８００℃にて球状化焼鈍を施し、Ｌ断面試験片を切り出した後、供試材１９〜２３、供試材３３、供試材３４の鋼材については９２５℃にて焼ならしを施し、Ｌ断面試験片を切り出した後、供試材２４〜２８の鋼材については８７０℃にて焼ならしを施し、Ｌ断面試験片を切り出した後、いずれも平面研磨を行って厚さ４５ｍｍに仕上げて、超音波探傷試験を行った。超音波探傷には、焦点型高周波探触子（１０ＭＨｚ）を備えた超音波探傷装置を用いた。また、超音波探傷重量は１０．０ｋｇとした。得られた介在物による反射波のデータから、鋼材の重量２．５ｋｇ当たりの１００μｍ以上の介在物検出個数を求めた。
これらの供試材の各試験片について、表面硬さ、５０ＭＨｚの焦点型高周波探触子で評価した超音波探傷による鋼材の体積１０００ｍｍ3当たりの介在物検出個数、１０ＭＨｚの焦点型高周波探触子で評価した超音波探傷による鋼材の重量２．５ｋｇ当たりの介在物検出数およびスラスト型転がり疲労試験によるＬ1 寿命を表３に示す。
Figure 2015034324
表３において、実施例の供試材１〜５、供試材１１、供試材１３、供試材１５、供試材１８〜２０、供試材２５〜２７は本発明を満足するものであり、Ｌ1寿命（比較例３２を基準とする相対値）が最低のものでも、供試材１の３．３である。
この場合の鋼中の酸素含有量は質量割合で８ｐｐｍ以下、硫黄含有量は０．００８質量％以下であり、超音波探傷法により鋼材体積１０００ｍｍ3当たりに検出される介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数は１２．０個以下であり、かつ、鋼材重量２．５ｋｇ当たりに検出される介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数は２．０個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比が０．２５〜１．５０の範囲にあり、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率が７０％以上である、本発明の請求項１および請求項３の発明を満足するものである。
また、鋼中の酸素含有量が質量割合で６ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００３質量％以下であり、超音波探傷法により鋼材の体積１０００ｍｍ3当たりに検出される介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数が９．０個以下であり、かつ、鋼材重量２．５ｋｇ当たりに検出される介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数が１．５個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比が０．２５〜１．５０の範囲にあり、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率が７０％以上である、実施例の供試材６〜１０、供試材１２、供試材１４、供試材１６、供試材１７、供試材２１〜２４、供試材２８は、本発明の請求項２および請求項３の発明を満足するものであり、Ｌ1寿命（比較例３２を基準とする相対値）が最低のものでも供試材１２の４．３であり、転がり疲労寿命にいっそう優れた鋼となっている。
これに対し、比較例の供試材２９〜３４は鋼材体積１０００ｍｍ3当たりに検出される２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数が１２．０個を超え、かつ、鋼材重量２．５ｋｇ当たりに検出される１００μｍ以上である非金属介在物の個数が２．０個を超えているもので、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比が０．２５〜１．５０の範囲を外れ、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率が７０％を下回るなど、本発明の範囲外のものである。これら比較例の供試材２９〜３４は、Ｌ1寿命（比較例３２を基準とする相対値）が最大のものでも供試材３１の２．２と本実施例のものに比して劣っている。

Claims (4)

  1. 表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼であって、鋼中の酸素含有量が質量割合で８ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００８質量％以下、Ａｌ含有量が０．００５〜０．０３０質量％であり、超音波探傷法により鋼材の体積１０００ｍｍ3当りに検出される介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数が１２．０個以下であり、かつ、超音波探傷法により鋼材重量２．５ｋｇ当りに検出される介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数が２．０個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を０．２５〜１．５０の範囲に規制し、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上としたことを特徴とする転がり疲労寿命に優れた鋼。
  2. 表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼であって、鋼中の酸素含有量が質量割合で６ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００３質量％以下、Ａｌ含有量が０．００５〜０．０３０質量％であり、超音波探傷法により鋼材の体積１０００ｍｍ3当りに検出される介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数が９．０個以下であり、かつ、超音波探傷法により鋼材重量２．５ｋｇ当りに検出される介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数が１．５個以下であり、かつ、鋼中に存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の平均組成における（ＭｇＯ）／（Ａｌ2Ｏ3）の質量％比を０．２５〜１．５０の範囲に規制し、かつ、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系酸化物の全酸化物系介在物に占める個数比率を７０％以上としたことを特徴とする転がり疲労寿命に優れた鋼。
  3. 介在物径が２０μｍ以上で１００μｍ未満である非金属介在物の個数は、超音波探傷法により総体積１５００ｍｍ3以上を探傷することにより評価されたものであり、かつ、介在物径が１００μｍ以上である非金属介在物の個数は、超音波探傷法により総重量３．０ｋｇ以上を探傷することにより評価されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の転がり疲労寿命に優れた鋼。
  4. 転がり疲労寿命に優れた鋼は、ＪＩＳ規格において規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材、ならびにＳＡＥ規格またはＡＳＴＭ規格Ａ２９５において規定される５２１００、ならびにＤＩＮ規格において規定される１００Ｃｒ６、ならびにＪＩＳ規格において規定される機械構造用炭素鋼鋼材、もしくは機械構造用合金鋼鋼材の中のクロム鋼、クロムモリブデン鋼およびニッケルクロムモリブデン鋼から選択したいずれか１種の鋼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の転がり疲労寿命に優れた鋼。
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