JP2022103819A - 水素環境下における転動疲労寿命に優れた軸受用鋼、この軸受用鋼で形成された軸受および軸受部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素が侵入する環境下において転動疲労寿命に優れた軸受用鋼を提供する。【解決手段】 軸受用鋼は、Ｃ：０．１２～０．５０質量％、Ｓｉ：０．１５～０．６５質量％、Ｍｎ：０．３０～１．８０質量％、Ｃｒ：０．７０～３．５０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下の化学成分を有する。残部はＦｅ及び不可避不純物からなる。最大介在物径√area_maxが５０μｍよりも大きく、かつ１２０μｍ以下である。ここで、軸受用鋼には、さらに、Ｍｏ：０．０６～０．７０質量％や、Ｎｉ：０．３０～２．００質量％の化学成分を含ませることができる。【選択図】 なし

Description

本発明は、水素が侵入する環境下において、非金属介在物を起点としたはく離を抑制して転動疲労寿命に優れた軸受用鋼と、この軸受用鋼で形成された軸受および軸受部品に関する。

近年、風力発電などで使用される軸受においては、水素が関与したはく離が生じることが問題となっている。軸受の使用中に水素が鋼中に侵入する環境下では、一般的な非金属介在物を起点として発生するはく離だけでなく、水素の関与によって特徴的な疲労組織が母相に形成されることに起因したはく離（母相はく離）が発生することが知られている。

特許文献１には、水素環境下において、転動疲労寿命に優れた高清浄度軸受鋼が開示されている。この軸受鋼は、Ｃ（０．１３～０．３５質量％）、Ｓｉ（０．２０～０．６５質量％）、Ｍｎ（０．５０～１．２０質量％）、Ｐ（０．０３０質量％以下）、Ｓ（０．０３０質量％以下）、Ｃｒ（２．３０～３．５０質量％）、Ｎｉ（０．１０～０．５０質量％）及びＭｏ（０．０３～０．５０質量％）から選択した１種または２種の化学成分を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼である。

ここで、鋼材断面１００ｍｍ^２中の非金属介在物のうち、最大介在物径の測定を３０か所において行い、極値統計法により予測される３００００ｍｍ^２中における最大介在物径の予測値√ａｒｅａ ｍａｘは５０μｍ以下である。また、当該鋼を浸炭焼入焼戻した際または浸炭窒化焼入焼戻した際の鋼材最表面から１００～３００μｍ位置における母相成分中に固溶したＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏの合計が３．０％以上である。そして、残留γ量が２５～５０ｖｏｌ％であって、その他残部はマルテンサイトを主とする組織である。

特開２０１８－０５３２９１号公報

一般的な転動疲労環境下においては、最大介在物径√area_maxの小径化が転動疲労に伴うはく離の抑制に有効であることが知られている。しかしながら、汎用の大気溶解鋼材の製造過程において介在物径を５０μｍ以下に微細に制御することは容易ではなく、はく離寿命の長寿命化対策として非金属介在物の過度の小径化を追求することは現実的ではなかった。

特許文献１に記載の化学成分に似た化学成分を含有する軸受用鋼について、本願発明者らは、さらに鋭意研究を進めた。鋼中に存在する非金属介在物のサイズに着目して、水素が侵入する環境下における転動疲労寿命と非金属介在物のサイズの関係性について詳細に検討したところ、最大介在物径√area_maxが５０μｍを超える領域でも非金属介在物がはく離起点とはならずに上述の母相はく離が優先的に起こって、はく離を生じる場合があることを見出した。したがって、非金属介在物を必要以上に微細化したとしても母相のはく離寿命が部品の寿命を律速することとなるので、最大介在物径√area_maxを５０μｍ以下にまで小さくしなくとも、水素が侵入する環境下において非金属介在物を起点とするはく離を抑えて、実用的に必要な転動疲労寿命を確保できる最大介在物径√area_maxを見出したことにより、本発明を完成するに至った。

本発明の目的は、水素が侵入する環境下において非金属介在物起点のはく離を抑えて、転動疲労寿命に優れた軸受用鋼と、この軸受用鋼で形成された軸受および軸受部品を提供することにある。

本発明である軸受用鋼は、Ｃ：０．１２～０．５０質量％、Ｓｉ：０．１５～０．６５質量％、Ｍｎ：０．３０～１．８０質量％、Ｃｒ：０．７０～３．５０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下の化学成分を有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる。そして、最大介在物径√area_maxが５０μｍよりも大きく、かつ１２０μｍ以下である。

軸受用鋼には、さらに、Ｍｏ：０．０６～０．７０質量％の化学成分を含ませることができる。また、軸受用鋼には、さらに、Ｎｉ：０．３０～２．００質量％の化学成分を含ませることができる。

軸受用鋼には、さらに、Ｖ：０．０１～０．２０質量％、Ｎｂ：０．０１～０．２０質量％、Ｔｉ：０．０１～０．２０質量％から選択した１種又は２種以上の化学成分を含ませることができる。

軸受用鋼の硬さは５８ＨＲＣ以上とすることができる。また、軸受用鋼中の酸素含有量は８ｐｐｍ以下とすることができる。

本発明である軸受用鋼を用いて、軸受を形成したり、軸受の一部を構成する軸受部品や軸受に類似した作動機構を有する部品を形成したりすることができる。

本発明によれば、水素が侵入する環境下において、実用上必要とされる寿命に対して非金属介在物を起点とするはく離を抑制することができる。

本実施形態である軸受用鋼は、軸受の全体で用いられたり、軸受を構成する一部の部品（軸受部品）や軸受に類似した作動機構を有する部品で用いられたりする。

本実施形態である軸受用鋼は、以下に説明する化学成分と、残部として、Ｆｅ及び不可避不純物を有する。化学成分は、溶鋼分析（ＪＩＳ Ｇ０３２０）もしくは鋼材や部品の化学分析によって求められる。軸受用鋼中の化学成分は、軸受用鋼の製造工程における溶鋼精錬工程において調整することができる。以下、各化学成分の含有率について説明する。

（Ｃの含有率）
Ｃの含有率は、０．１２～０．５０質量％である。Ｃは、軸受用鋼から部品を作製する際の部品芯部の硬さに関与する焼入れ性、熱間や冷間での鍛造性、機械加工性に影響を与える元素である。Ｃの含有率を０．１２～０．５０質量％とすることにより、軸受用鋼からなる部品芯部の強度を確保できるとともに、被削性および鍛造性等の加工性が阻害されることを抑制できる。

Ｃの含有率が０．１２質量％未満である場合には、芯部において十分な硬さが得られず、芯部の強度が低下してしまう。一方、Ｃの含有率が０．５０質量％よりも高い場合には、鋼材の硬さが増加することにより、被削性および鍛造性等の加工性が阻害されてしまう。ここで、Ｃの含有率は０．１８質量％以上であることが好ましい。

（Ｓｉの含有率）
Ｓｉの含有率は、０．１５～０．６５質量％である。Ｓｉは、脱酸に必要な元素であり、また、鋼材の強度を高めて、転動疲労に伴う鋼材の組織変化の抑制や、転動疲労寿命の向上に寄与する元素である。これらの効果を得るためには、Ｓｉの含有率を０．１５質量％以上とする必要がある。一方、Ｓｉの含有率を０．６５質量％よりも高くすると、鋼材の硬さが増加することにより、被削性および鍛造性等の加工性を阻害したり、浸炭の阻害を引き起こすことにより、浸炭又は浸炭窒化を行っても十分な材料強度が得られなかったりする。

（Ｍｎの含有率）
Ｍｎの含有率は、０．３０～１．８０質量％である。Ｍｎは、焼入性の確保に必要な元素であり、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に残留オーステナイト量を増加させることにより、転動疲労において水素に起因する疲労の進行により現れる母相組織の白色組織変化の発達を抑制することができる元素である。これらの効果を得るためには、Ｍｎの含有率を０．３０質量％以上とする必要がある。ここで、Ｍｎの含有率は０．５０質量％以上であることが好ましい。さらに望ましくは、Ｍｎの含有率が０．７５質量％以上であると良い。

一方、Ｍｎの含有率が１．８０質量％よりも高くなると、鋼材の硬さが増加することにより、被削性および鍛造性等の加工性が阻害されてしまうとともに、ＭｎがＳと結合してＭｎＳが生成されることにより、転動疲労において応力の集中作用をもたらし、水素を起因とした白色組織変化の起点となることがある。ここで、Ｍｎの含有率は１．２０質量％以下であることが好ましい。

（Ｐの含有率）
Ｐの含有率は、０．０３０質量％以下とする。Ｐは不可避不純物の元素であり、Ｐの含有率が０．０３０質量％よりも高い場合には、鋼材の脆化を引き起こし、疲労強度が低下してしまう。ここで、Ｐの含有率は、０．０２０質量％以下であることが好ましい。なお、本実施形態の軸受用鋼には、Ｐや後述するＳ以外の不可避不純物が含まれることがある。

（Ｓの含有率）
Ｓの含有率は、０．０３０質量％以下である。Ｓは不可避不純物の元素であり、Ｓの含有率が０．０３０質量％よりも高い場合には、冷間加工性を阻害し、疲労強度が低下してしまう。ここで、Ｓの含有率は、０．０２５質量％以下であることが好ましく、より望ましくは０．０１０質量％以下である。なお、本実施形態の軸受用鋼には、Ｓや上述したＰ以外の不可避不純物が含まれることがある。

（Ｃｒの含有率）
Ｃｒの含有率は、０．７０～３．５０質量％である。Ｃｒは、焼入れ性の確保に必要な元素であり、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に、残留オーステナイト量を増加させることにより、水素を起因とした母相組織の白色組織変化を抑制することができる元素である。Ｃｒは、微細で均質な残留オーステナイトを形成する上で有効であり、水素を起因とした白色組織変化の発達を抑制する効果を高めることができる。これらの効果を得るためには、Ｃｒの含有率を０．７０質量％以上とする必要がある。Ｃｒの含有率は、さらに望ましくは１．００質量％以上であり、さらに望ましくは１．６０質量％以上であると良い。

一方、Ｃｒの含有率が３．５０質量％よりも高い場合には、浸炭又は浸炭窒化時に、鋼材の最表面において酸化物が形成されることにより、浸炭を阻害し、軸受用鋼の強度を低下させてしまう。また、Ｃｒは、浸炭時に粗大炭化物を形成し、この粗大炭化物の周囲において、水素を起因とした白色組織変化が発生しやすくなる。

（Ｍｏの含有率）
本実施形態の軸受用鋼には、上述した化学成分に加えて、Ｍｏを含ませることができる。この場合には、Ｍｏの含有率は、０．０６～０．７０質量％である。Ｍｏは、鋼材の焼入性を高め、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に、残留オーステナイト量を増加させることができるとともに、組織を均質化して残留オーステナイトを均一に分布させる上で有効であり、水素が侵入する環境下での母相の疲労の進行を遅らせる作用がある。これらの効果を得るためには、Ｍｏの含有率を０．０６質量％以上とする必要がある。より望ましくは０．１０質量％以上である。一方、Ｍｏの過度の添加は、鋼材のコストを上昇させてしまうとともに、白色組織変化を抑制する効果は、Ｍｏの含有率が０．７０質量％で飽和するため、Ｍｏの含有率は０．７０質量％以下とするのが良い。ここで、Ｍｏの含有率は０．５０質量％以下、さらに望ましくは０．３７質量％以下であることが好ましい。

（Ｎｉの含有率）
本実施形態の軸受用鋼には、上述した化学成分に加えて、Ｎｉを含ませることができる。この場合には、Ｎｉの含有率は、０．３０～２．００質量％である。Ｎｉは、鋼材の焼入性を高めることができるとともに、鋼材を浸炭又は浸炭窒化した際に、残留オーステナイト量を増加させることができる。これらの効果を得るためには、Ｎｉの含有率を０．３０質量％以上とする必要がある。ここで、Ｎｉの含有率は０．４０質量％以上であることが好ましい。一方、Ｎｉの過度の添加は、鋼材のコストを上昇させてしまう。また、Ｎｉの過度の添加は、浸炭又は浸炭窒化時に塊状の比較的大きな残留オーステナイトが形成しやすくなり、残留オーステナイトによる水素を起因とした白色組織変化の発達を抑制する効果が失われてしまう。この点を考慮して、Ｎｉの含有率を２．００質量％以下とする。ここで、Ｎｉの含有率は１．８０質量％以下、さらに望ましくは１．５０質量％以下であることが好ましい。

（Ｖの含有率）
本実施形態の軸受用鋼には、上述した化学成分に加えて、Ｖを含ませることができる。Ｖは、結晶粒を微細化し、粒界における水素濃度を低減することで水素を起因とした白色組織変化を抑制する元素である。また、Ｖは浸炭または浸炭窒化時にサブミクロンオーダーの炭化物および炭窒化物を形成することで水素トラップとして機能し、白色組織変化の抑制に有効に作用する。十分な効果を得るには、Ｖは０．０１質量％以上の添加が必要である。一方、Ｖの添加による結晶粒微細化や、炭化物および炭窒化物析出による白色組織変化の抑制効果は、０．２０質量％までのＶの添加で飽和し、Ｖを過度に添加すると粗大な炭化物および炭窒化物を析出するため、かえって悪影響を及ぼす。そのため、Ｖの含有率は０．２０質量％以下とするのが良い。そこで、Ｖの含有率は０．０１～０．２０質量％とする。

（Ｎｂの含有率）
本実施形態の軸受用鋼には、上述した化学成分に加えて、Ｎｂを含ませることができる。Ｎｂは、結晶粒を微細化し、粒界における水素濃度を低減することで水素を起因とした白色組織変化を抑制する元素である。また、Ｎｂは浸炭または浸炭窒化時にサブミクロンオーダーの炭化物および炭窒化物を形成することで水素トラップとして機能し、白色組織変化の抑制に有効であり、これらの十分な効果を得るには、Ｎｂは０．０１質量％以上の添加が必要である。一方、Ｎｂの添加による結晶粒微細化や、炭化物および炭窒化物の析出による白色組織変化の抑制効果は、０．２０質量％までのＮｂの添加で飽和し、Ｎｂを過多に添加すると粗大な炭化物および炭窒化物を析出するため、返って悪影響を及ぼす。そのため、Ｎｂの含有率は０．２０質量％以下とするのが良い。そこで、Ｎｂの含有率は０．０１～０.２０質量％とする。

（Ｔｉの含有率）
本実施形態の軸受用鋼には、上述した化学成分に加えて、Ｔｉを含ませることができる。Ｔｉは、結晶粒を微細化し、粒界における水素濃度を低減することで水素を起因とした白色組織変化を抑制する元素である。また、Ｔｉは浸炭又は浸炭窒化時にサブミクロンオーダーの炭化物および炭窒化物を形成することで水素トラップとして機能し、白色組織変化の抑制に有効である。これらの十分な効果を得るには、Ｔｉは０．０１質量％以上の添加が必要である。一方、Ｔｉの添加による結晶粒微細化、炭化物および炭窒化物の析出による白色組織変化の抑制効果は、０．２０質量％のＴｉの添加で飽和し、Ｔｉを過多に添加すると粗大な炭化物および炭窒化物を析出するため、返って悪影響を及ぼす。そのため、Ｔｉの含有率は０．２０質量％以下とするのが良い。そこで、Ｔｉの含有率は０．０１～０．２０質量％とする。

（最大介在物径√area_max）
最大介在物径√area_maxは、５０μｍよりも大きく、１２０μｍ以下である。最大介在物径√area_maxとは、鋼材に含まれる非金属介在物の最大の大きさであり、後述する方法によって求めることができる。

最大介在物径√area_maxが１２０μｍよりも大きい場合には、水素が侵入する環境下において、非金属介在物を起点としたはく離（以下、「介在物起点型はく離」という）が発生しやすくなる。一方、最大介在物径√area_maxが１２０μｍ以下である場合には、母相に生成した疲労組織を起点としたはく離（以下、「母相はく離」という）が発生することはあるものの、水素が侵入する環境下において介在物起点型はく離が発生することを抑制できる。これにより、実用上必要な部品の寿命を確保することができる。ここで、最大介在物径√area_maxは１００μｍ以下であることがさらに好ましい。なお、最大介在物径√area_maxを５０μｍよりも大きくすることにより、介在物径を微細に制御しなくてもよくなる。

次に、最大介在物径√area_maxの求め方について説明する。

試験片の中周部から試料を採取し、試料を鏡面研磨した後、光学顕微鏡により試料を観察する。ここで、１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲を１つの視野（以下、「基準検鏡面積Ｓ_０」という、Ｓ_０＝１００ｍｍ^２）とし、基準検鏡面積Ｓ_０内に存在する最大の非金属介在物を探索する。探索した基準検鏡面積Ｓ_０内の最大の非金属介在物の大きさを測定し、介在物径を√（長径ａ×短径ｂ）により求め、１つの基準検鏡面積Ｓ_０内の最大介在物径√area_max_sを決定する。

ここで、長径ａ及び短径ｂの決め方について説明する。非金属介在物の長径ａは、単体の非金属介在物又は、複数の群として存在する非金属介在物について、端と端を結んだ最大の辺とし、長径ａの辺と平行な線で挟んだ非金属介在物の最大幅を短径ｂとした。ここで、複数の群として存在する非金属介在物については、隣り合う２つの非金属介在物の間の距離ｄと、小さい方の非金属介在物の大きさ（√area）とを比較し、小さい方の非金属介在物の大きさ（√area）が非金属介在物間の距離ｄよりも大きい場合には、２つの非金属介在物は一体であるとみなす。一方、小さい方の非金属介在物の大きさ（√area）が非金属介在物間の距離ｄよりも小さい場合には、２つの非金属介在物は別々の非金属介在物であるとみなす。これらは非金属介在物の長径ａ及び短径ｂの決定に対して考慮される。

上述した作業を互いに異なる３０個分の視野において行い、最大介在物径√area_max_sが小さい非金属介在物から順に極値統計グラフ上にプロットし、最小二乗法を用いて最大介在物分布の回帰直線を求め、この回帰直線を利用して予測面積Ｓ（Ｓ＝３０，０００ｍｍ^２）内に存在する最大介在物径を算出する（参考；「金属疲労微小欠陥と介在物の影響」村上敬宜著，養賢堂，1993.3）。このように求められた最大介在物径が、本実施形態における最大介在物径√area_maxとなる。

（硬さ）
軸受用鋼を使用する際の表面硬さは５８ＨＲＣ以上とすることができる。この硬さは、ロックウェル硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ２２４５）による硬さである。軸受用鋼の硬さが５８ＨＲＣ未満である場合には、転動疲労寿命が大きく低下してしまう。より望ましくは、軸受用鋼の硬さが６０ＨＲＣ以上である。この硬さは、またロックウェル硬さ試験以外の試験方法によって求めた硬さをロックウェル硬さ試験による硬さに換算したものでも良い。

（酸素含有量）
軸受用鋼中に不純物として含まれる酸素含有量は８ｐｐｍ以下とすることができる。酸素含有量は、ＪＩＳ Ｇ１２３９の規定に準じて測定することができる。酸素含有量を８ｐｐｍ以下にすることで、鋼中において、大型の非金属介在物の存在頻度を低減することができる。より望ましくは酸素含有量が６ｐｐｍ以下である。

（試験片の用意）
実施例（後述する実施例１～６）及び比較例（後述する比較例１～５）について、下記表１に示す化学組成と、残部としてＦｅならびに不可避不純物を有する鋼を用意した。比較例３～５の鋼種（鋼材２）は、ＪＩＳ Ｇ４８０５に規定されているＳＵＪ２である。

上述した鋼（１００ｋｇ）を真空溶解炉で溶製し、鋼を１１５０℃において直径６５ｍｍに鍛伸した。これらの鋼材に対して、鋼材１は９００℃で１時間保持した後に空冷する焼ならしを行った。鋼材２は８６５℃で１時間保持した後に空冷する焼ならしと、最高点加熱温度（８００℃）で保持した後に徐冷を行う球状化焼なましを行った。次に、機械加工によって、鋼材を外径６０ｍｍ、内径２０ｍｍ及び厚さ８ｍｍに粗加工し、鋼材の片面をバフ研磨仕上げしてスラスト型転動疲労試験片を作製した。

次に、先端直径０．２０ｍｍのマイクロドリルを用いることにより、試験片のバフ研磨面に直径０．２ｍｍで深さ１ｍｍのドリルホールを加工した。このドリルホールに、非金属介在物の模擬として人工球形のＡｌ_２Ｏ_３粒子を投入した。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３粒子としては、直径が５２μｍ（実施例１，比較例３）、６０μｍ（実施例２，比較例４）、７０μｍ（実施例３，比較例５）、８０μｍ（実施例４）、１００μｍ（実施例５）、１２０μｍ（実施例６）、１３０μm（比較例１）、１５０μｍ（比較例２）であるＡｌ_２Ｏ_３粒子をそれぞれ用いた。

次に、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）加工によって、Ａｌ_２Ｏ_３粒子と母相の密着化を行った。具体的には、まず、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の抜け止めを施して、低炭素鋼製のケースに試験片を収容し、試験片の内径穴部に芯金を入れてからケースを密閉した。そして、ケースの内部を真空脱気した後、１４７ＭＰａ及び１１７０℃で５時間保持した後に徐冷することにより、Ａｌ_２Ｏ_３粒子と母相とを密着化させた。これにより、非金属介在物（Ａｌ_２Ｏ_３粒子）及び母相の界面に隙間の無い状態を意図的に作りだした。

ＨＩＰ加工を行った後、鋼材１から作製した試験片（実施例１～６，比較例１、２）については上述と同様の焼ならしを施してから、また、鋼材２から作製した試験片（比較例３～５）については上述と同様の焼ならしと球状化焼なましを施してから、引張加工を付与するための形状（外径φ５４ｍｍ、厚さ６．２ｍｍ）を有する中間材にいったん加工してから、引張加工を加えることにより埋設したＡｌ_２Ｏ_３粒子と母相の間に隙間を形成させた。その後、鋼材１から作製した試験片（実施例１～６、比較例１、２）については、浸炭処理（９３０℃で３時間の浸炭処理後油冷）を施した後、焼戻処理（１８０℃で１．５時間の加熱保持後空冷）を行うことにより、鋼材の表面硬さを６２ＨＲＣに調整した。鋼材２から作製した試験片（比較例３～５）については、焼入れ処理（加熱温度８３５℃、加熱後油冷）を施した後、焼戻処理（１８０℃で１．５時間の加熱保持後空冷）を行うことにより、硬さを６２ＨＲＣに調整した。

次に、熱処理時の酸化スケールを平面研削によって除去した後、試験片中のＡｌ_２Ｏ_３粒子の位置を５０ＭＨｚの超音波探傷（ＵＴ）により特定した。この位置情報に基づいて研削及びバフ研磨仕上げを行い、後述するスラスト型転動疲労試験において、高せん断応力深さ域内にＡｌ_２Ｏ_３粒子が配置されるように調整した。

下記表２には、実施例１～６及び比較例１～５について、人工的に埋設したＡｌ_２Ｏ_３粒子の直径と試験片の硬さをまとめた。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径は、作製した鋼中に製造過程で不可避的に生成し残存した非金属介在物としてスラスト型転動疲労試験片に包含されるものより大きいので、人工的に埋設したＡｌ_２Ｏ_３粒子の直径を上述した最大介在物径√area_maxとみなすことができる。

（スラスト型転動疲労試験）
下板として試験片（実施例１～６及び比較例１～５）を用い、上板として、ＳＵＪ２製単式スラスト軸受のレース（型番５１３０５）を用い、上板及び下板の間に３個の転動体（直径３／８インチのＳＵＪ２製の鋼球）を１２０°ピッチで等分に配置した。ここで、試験片（下板）においては、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の埋設位置の直上を転動体が通過するように、転動体の軌道位置に埋設位置を合わせる。

転動体及び試験片の接触部分に４．５ＧＰａの最大ヘルツ接触応力が加わるように荷重を付与した。また、負荷サイクル速度を１８００サイクル／ｍｉｎとし、潤滑をＩＳＯ ＶＧ６８油浴への浸漬方式とした。この条件において、スラスト型転動疲労試験を常温で実施した。ここで、本実施例の条件下においてせん断応力が最大となる０．０９ｍｍ深さ付近に試験片内部のＡｌ_２Ｏ_３粒子が位置するように、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の埋設深さを予め調整しておく。

一方、水素が侵入する環境下におけるはく離寿命を測定するために、下記表３に示す条件で陰極チャージ法によってスラスト型転動疲労試験に先立ち、試験片（実施例１～６及び比較例１～５）に水素を添加した。

上述したスラスト型転動疲労試験において、はく離までの応力繰り返し数を測定し、その繰り返し数をはく離寿命として求めた。

一方、はく離の要因を調査し、はく離の種類を２種類に分類した。はく離後の外観を観察し、はく離位置の関係に基づいて、はく離の種類を２種類に分類した。また、はく離部分の断面をバフ研磨後にナイタールによって腐食して光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより、はく離の起点を特定した。Ａｌ_２Ｏ_３粒子（非金属介在物の模擬）を埋設した部分からはく離が生じている場合には、「介在物起点型はく離」と判断した。また、埋設したＡｌ_２Ｏ_３粒子を起点とする「介在物起点型はく離」ではなく、母相に生成した疲労組織を起点としたはく離の場合は「母相はく離」と判断した。

下記表４には、実施例１～６及び比較例１～５について、人工的に埋設したＡｌ_２Ｏ_３粒子の直径（最大介在物径√area_maxとみなす）、各スラスト試験片のはく離要因と、基準値としての平均寿命（以下、「平均寿命（基準）」という）に対するはく離寿命（寿命／平均寿命（基準））を示す。ここで、平均寿命（基準）は、比較例３～５のはく離寿命（母相はく離）の平均値とした。

上記表４によれば、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径（最大介在物径√area_max）が１２０μｍ以下である場合（実施例１～６）には、母相はく離が支配的に起こった。Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径が（最大介在物径√area_max）１３０μｍ以上である場合（比較例１、２）には、介在物起点型はく離が支配的に起こった。

早期はく離が生じるか否かは、上記表４より、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径（最大介在物径√area_max）で決定され、その要因については転動疲労に伴い発生した非金属介在物起点のき裂の進展範囲が関与している。Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径（最大介在物径√area_max）が１２０μｍより大きい場合（比較例１、２）、非金属介在物を起点としたき裂の進展が広範囲に及ぶため、母相はく離よりも早い時間で非金属介在物を起点としたはく離に至る。一方で、Ａｌ_２Ｏ_３粒子の直径（最大介在物径√area_max）が１２０μｍ以下の場合（実施例１～６）には、非金属介在物を起点としたき裂の進展が局所化するため、非金属介在物を起点としたはく離に至る前に母相の白色組織を起点とした母相はく離が発生し、そのはく離寿命は非金属介在物を起点とするはく離に比べて長寿命化することが示された。

また、上記表４に示す値（寿命／平均寿命（基準））に関して、実施例１～６は、平均寿命（基準）（比較例３～５）の５．５～６．５倍であり、鋼材１，２の違いにより母相はく離の寿命が異なっている。比較例３～５の平均寿命（基準）は軸受の基本定格寿命（１００万回転の軸受寿命が得られる信頼度９０％寿命）と概ね同等であり、この点を考慮すると、本発明の化学成分を有する軸受用鋼は、水素侵入環境下において、母相はく離、介在物起点型はく離の長寿命化対策に有効であることが示された。

したがって、水素侵入環境下における早期はく離対策として、本発明である軸受用鋼の化学成分による水素侵入環境下の転動疲労寿命の向上に加え、非金属介在物径の制御が重要であることが明らかになった。非金属介在物径の制御については、非金属介在物の小径化に伴い母相はく離が支配的になることから、非金属介在物の最大径√area maxを５０μｍ以下に過度に小径化する必要はない。ただし、非金属介在物径の大型化に伴い、非金属介在物を起点とした短寿命はく離が生じるため、それを抑制するためには、少なくとも最大介在物径√area_maxを１２０μｍ以下とする必要がある。

本発明により、軸受用鋼中の非金属介在物を過度に小径化するための製造コストの上昇を抑えることができ、なおかつ水素が侵入する環境下において転動疲労寿命に優れた軸受用鋼を得ることができる。

Claims (9)

1. Ｃ：０．１２～０．５０質量％、Ｓｉ：０．１５～０．６５質量％、Ｍｎ：０．３０～１．８０質量％、Ｃｒ：０．７０～３．５０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下の化学成分を有し、
   残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
   最大介在物径√area_maxが５０μｍよりも大きく、かつ１２０μｍ以下であることを特徴とする軸受用鋼。
2. 前記軸受用鋼は、Ｍｏ：０．０６～０．７０質量％の化学成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の軸受用鋼。
3. 前記軸受用鋼は、Ｎｉ：０．３０～２．００質量％の化学成分を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の軸受用鋼。
4. 前記軸受用鋼は、Ｖ：０．０１～０．２０質量％、Ｎｂ：０．０１～０．２０質量％、Ｔｉ：０．０１～０．２０質量％から選択した１種又は２種以上の化学成分を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の軸受用鋼。
5. 硬さが５８ＨＲＣ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の軸受用鋼。
6. 軸受用鋼中の酸素含有量が８ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の軸受用鋼。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の軸受用鋼で形成された軸受。
8. 請求項１から６のいずれか１つに記載の軸受用鋼で形成された軸受部品。
9. 請求項１から６のいずれか１つに記載の軸受用鋼で形成された転動疲労が負荷される部品。