JP5241185B2 - 転がり疲労寿命に優れた鋼の製造方法 - Google Patents

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、ピストンピンなどの転がり疲労寿命が求められ、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に用いられる鋼の製造方法に関するものである。

近年、各種の機械装置の高性能化にともない、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非常に厳しくなり、転がり軸受の寿命の向上ならびに信頼性の向上が強く求められている。このような要求に対し、鋼材の面からの対策としては、鋼成分の適正化や不純物元素の低減化が行われ、寿命の向上ならびに信頼性の向上が図られている。ところで、転がり軸受には、ＪＩＳ Ｇ ４８０５ １３．ａにて規定されている高炭素クロム軸受鋼が多く用いられている。この軸受鋼では、脱酸で除去しきれずに残留した極微量の硬質の酸化物介在物が転動疲労寿命を支配する要因となっている。そこで鋼中に含まれる酸化物系介在物の総量を示す指標となる鋼中の酸素含有量を２０ｐｐｍ以下とした清浄鋼が軸受鋼とされている。この鋼中の酸素含有量を達成するために、例えばＳｉやＭｎに比べて脱酸力の強いＡｌを脱酸剤として鋼中に添加し、鋼中のＡｌ量を質量割合で０．０１５〜０．０２５％程度としている。

ところで、不純物元素のうちＡｌ₂Ｏ₃その他の酸化物系非金属介在物は、破損の起点となるため、特に有害であることが知られている。さらに、それらの酸化物系非金属介在物の径が大きいほど、転がり疲労寿命は短くなることが知られている。そのため酸化物系非金属介在物量を少なく、すなわち、鋼の清浄度が高く、介在物径が２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物の極めて少ない高清浄度鋼の製造方法が種々提案されている。

この高清浄度鋼の一般的な製造プロセスは、１）アーク溶解炉または転炉による溶鋼の酸化精錬、２）取鍋精錬炉（ＬＦ）による還元精錬、３）還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）による還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）、４）連続鋳造または一般造塊による鋼塊の鋳造および５）鋼塊の圧延、圧鍛による加工および熱処理による製品鋼材の工程からなる方法で製造される（例えば、特許文献１参照。）。

この場合に、鋼材中の酸化物系非金属介在物を低減するために、取鍋精錬炉で脱酸剤合金を投入して脱酸による還元精錬が行われ、さらに取鍋精錬や真空脱ガスにおいて生成酸化物を凝集・合体させて浮上分離させている。その際に除去できずに残留した酸化物が最終製品における破損の起点となる。

このように取鍋精錬炉において投入する一般的な脱酸剤合金としては、強力な脱酸剤であるＡｌを主体とし、これにＳｉ、Ｍｎなどを複合添加している。ところで、転炉または電気炉による酸化精錬後の脱酸及びその後の成分調整のための合金添加において、脱酸力が強いＡｌを使わないで、実質的にＡｌを含まないＦｅ−Ｓｉまたは金属Ｓｉで脱酸および成分調整するものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、Ａｌ以外の元素により脱酸した溶鋼に、非脱酸剤フラックスを吹き込んで予備脱酸を行い、次いで、フラックス精錬を行うとともにそのフラックス精錬の間にＡｌを添加して脱酸する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００１−３４２５１２号公報 特開２００６−２０００２７号公報 特開平１０−２９８６３１号公報 特開平０９−４１０２３号公報 特開２００５−２６４３３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、製鋼の溶解時に酸化物系非金属介在物の組成を制御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製造する方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段を示す。先ず、請求項１の発明は、アーク溶解炉または転炉にて製造された溶鋼を取鍋精錬炉にて精錬し、脱ガスを行った後、鋳造して鋳塊を製造する鋼の製造工程において、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、０．０１６％以下(ただし、０を含まない）のＳを含有し、Ｃが０．４２％以上を満足し、Ｏが２０ｐｐｍ以下、Ａｌが０．０１０％未満を満足する機械構造用鋼の製造方法であって、溶鋼を精錬する際にＡｌ以外でかつＳｉを含有する脱酸剤によって脱酸を行い、次いで溶鋼中の溶存酸素量が３０ｐｐｍ以下となった時点で、溶鋼中のＡｌが質量割合で０．０１０％未満を満足するＡｌ量を含有する脱酸剤により脱酸す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の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１の手段の鋼の製造方法において、鋳造または造塊後の鋼中に存在する検鏡面積３，０００ｍｍ²中に存在する下記の式で示す最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物および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割合でＳｉＯ₂を３０％以上に制御す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の製造方法である。
最大介在物径＝（縦×横）^1/2

請求項３の発明は、鋼中に存在する酸化物系非金属介在物のうち、検鏡面積３，０００ｍｍ²中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項２の手段の転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼の製造方法である。

本発明の鋼の製造方法における鋼の化学組成およびそれらに含まれる酸化物の組成と大きさの限定理由を述べる。なお、以下、ｐｐｍおよび％は質量割合で示す。

Ｏ：２０ｐｐｍ以下（望ましくは１５ｐｐｍ以下、より望ましくは１０ｐｐｍ以下）
Ｏは鋼中に残存して、軸受転走中に、はく離の起点となる酸化物系介在物を形成するので、可能な限り低い方が望ましい。望ましくは１５ｐｐｍ以下、より望ましくは１０ｐｐｍ以下である。本発明では、１５μｍ以上の大きさを有するＡｌ₂Ｏ₃系の介在物の生成を可能な限り避ける必要がある。そのためには、転炉または電気炉による酸化精錬後の脱酸工程において、極めて強い脱酸力を有するＡｌを可能な限り投入せずに、ＳｉやＭｎなどをそれらの合金形状は問わないで添加して脱酸を行う必要がある。その場合には、Ａｌを投入した脱酸に比べてＯは高くなる。しかし、２０ｐｐｍ以下、望ましくは１５ｐｐｍ以下、より望ましくは１０ｐｐｍ以下、であれば、本発明の効果は得られる。

Ａｌ：０．０１０％未満（望ましくは０．００８％未満）
従来のＡｌを投入した脱酸工程を経た場合の、鋼中のＡｌ量は０．０１５〜０．０２５％程度である。この程度のＡｌ量を含有する場合、Ａｌ₂Ｏ₃を多量に含む酸化物となり易い。そのため、出来るだけＡｌは少ない方が望ましく、０．０１０％未満が望ましい。また、脱酸工程にてＡｌを投入することなくその他の脱酸合金により脱酸を行っても、スクラップといった原材料やスラグおよび炉材からＡｌが混入する場合がある。Ａｌが混入したとしても、脱酸合金にＡｌを使用しなければ、Ａｌで０．００８％未満は容易に達成することができる。かつ、本発明の請求項２の手段のとおり、ＳｉＯ₂を３０％以上とした酸化物系非金属介在物の組成を容易に得ることができる。一方でＡｌの混入を防止するために、原材料や炉材質を厳選した場合には、製造原価の高騰を招く。

本発明の請求項２の手段において、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ＳｉＯ₂を３０％以上とする理由
酸化物系非金属介在物組成のうち、ＳｉＯ₂が３０％未満であれば、母相と酸化物系非金属介在物の界面に空洞が生成し、転がりにおける短寿命はく離を招き易くなる。特に、Ａｌ₂Ｏ₃やＣａＯが増えれば、増えるほど短寿命はく離が顕著になる。さらに、鋼中にＡｌを含有する場合には、たとえ僅かな含有量であっても、Ａｌ₂Ｏ₃の標準自由エネルギーが他の酸化物に比べて低いため、Ａｌ₂Ｏ₃系酸化物の生成は不可避である。しかしながら、Ａｌの含有量が本発明の範囲内であれば、生成するＡｌ₂Ｏ₃系酸化物は小さい。また、その大きさが２０μｍ以下であれば、従来から知られているように転がり疲労に対する有害度は小さい。

本発明の請求項３の手段において、鋼中に存在する酸化物系非金属介在物のうち、検鏡面積３，０００ｍｍ²中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下とする理由
鋼中にＡｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃やＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃といったＡｌ₂Ｏ₃系の非金属介在物が主体である鋼であれば、２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物を極めて少なくすることが重要であるが、１５μｍ以上の介在物径を有する酸化物系非金属介在物の組成がＳｉＯ₂が３０％以上であれば、母相と酸化物系非金属介在物の界面に空洞が生成しないため、転がりにおける短寿命はく離を抑制することができる。ただし、それでも最大介在物径が７０μｍを超える場合には、短寿命はく離を招きかねない。

溶鋼を精錬する際にＡｌ以外でかつＳｉを含有する脱酸剤によって脱酸を行う理由は以上の手段に述べた理由のとおりである。しかしながら、Ａｌを添加することなく脱酸した場合、介在物中における低級酸化物であるＦｅＯやＭｎＯの濃度が高くなるので、溶鋼中の酸素ポテンシャルが高くなり、かつ、酸素量は低減し難い（特許文献４の段落０００５を参照。）。

そこで、溶鋼を精錬する際に溶鋼中の溶存酸素量が３０ｐｐｍ以下となった時点で、溶鋼中のＡｌが０．０１０％未満を満足するＡｌ量を含有する脱酸剤により脱酸することに着目した。

仮に、溶鋼中の溶存酸素量が３０ｐｐｍを超えたままで、溶鋼中のＡｌが０．０１０％未満を満足するＡｌ量を含有する脱酸剤により脱酸すると、酸素低減効果は小さい。一方、溶鋼中のＡｌが０．０１０％以上のＡｌ量を含有する脱酸剤により脱酸すると、溶鋼中に存在するＳｉＯ₂がＡｌ₂Ｏ₃系介在物に改質されてしまうため、狙いとする介在物が得られない。

そこで溶鋼中の溶存酸素量が３０ｐｐｍ以下となった時点で、溶鋼中のＡｌが０．０１０％未満を満足するＡｌ量を含有する脱酸剤により脱酸すると、溶鋼中の溶存酸素とＡｌが結びつき、Ａｌ₂Ｏ₃系介在物が生成する程度であるため、酸素量は、請求項に記載の狙いの量まで下げることが可能であるとともに、生成するＡｌ₂Ｏ₃系介在物は微小な介在物として存在するため、転がり疲労寿命に影響を及ぼす介在物はＳｉＯ₂となる。

本願発明の鋼の製造方法は、上記の手段とすることで、製鋼の溶解時に酸化物系非金属介在物の組成を制御することにより得られ、鋼の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として使用することができ、転がり疲労寿命に優れ、かつ短寿命はく離が抑制されているなど、極めて優れた機械用部品用の鋼を製造することができる。

本発明を実施するための最良の形態について、以下の実施条件と得られた効果について具体的に説明する。表１に示す鋼の成分組成を有する供試材を溶解炉により溶製した。次いで、溶製した鋼のうち、供試材Ａ〜Ｇについては、取鍋精錬工程でＦｅ−Ｓｉ合金とＦｅ−Ｍｎ合金を脱酸剤として添加して脱酸を開始した。次に、溶存酸素量が３０ｐｐｍ以下となった時点で溶鋼中のＡｌ成分量を確認した上で、０．０１０％未満を満足する量の金属ＡｌあるいはＡｌ合金を脱酸剤として、添加し脱酸を継続した。さらに脱ガス処理を行って鋳造し、得られた鋼材を熱間加工を施してφ６５材とした。

供試材Ｈ〜Ｉについては、取鍋精錬工程でＦｅ−Ｓｉ合金とＦｅ−Ｍｎ合金を脱酸剤として添加して脱酸を開始した。さらに脱ガス処理を行って鋳造し、熱間加工を施してφ６５材とした。供試材Ｊ〜Ｋについては、取鍋精錬工程でＦｅ−Ｓｉ合金とＦｅ−Ｍｎ合金を脱酸剤として添加して脱酸を開始した。溶存酸素量が３０ｐｐｍ以下となった時点で溶鋼中のＡｌ成分量を確認した上で、０．０１０％を超える量の金属ＡｌあるいはＡｌ合金を脱酸剤として、添加し脱酸を継続した。さらに脱ガス処理を行い鋳造し、得られた鋼材を熱間加工を施してφ６５材とした。

本発明が適用可能な鋼の製造方法は、高周波焼入れ、ズブ焼入れ、ベイナイト焼入れにより５８ＨＲＣ以上の硬さが得られる鋼の製造方法である。本発明の方法による鋼の供試材は、上記の各種の焼入れ方法を適用する頻度の高い鋼である、ＪＩＳ Ｇ ４８０５の成分を満足する鋼、その改良（例えば高Ｃｒ化、高Ｓｉ化）した鋼、ＪＩＳ Ｇ ４０５１の成分を満足する鋼のうちＣ≧０．４２％を満足する鋼、および、その改良（例えば高Ｃｒ化）した鋼であり、したがって、これらについて実施した。

供試材Ｇ以外の鋼材は、８００℃にて球状化焼鈍を施し、鋼材の長手方向に対して垂直にφ６０ｍｍ×φ２０ｍｍ×５．８ｍｍ径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以上の硬さを得た後、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Ｇについては、７５０℃にて球状化焼鈍を施し、鋼材の長手方向に対して垂直にφ６０ｍｍ×φ２０ｍｍ×５．８ｍｍ径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、１５０℃で６０分の焼戻し処理を行い、所望の５８ＨＲＣ以上の硬さを得た後、表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験を行った。以上のスラスト型転がり疲労試験は最大ヘルツ応力Ｐｍａｘが５２９２ＭＰａで行った。

さらに、各供試材における酸化物系介在物径と組成評価について、熱間加工を施して、スラスト型転がり疲労試験片と同様な球状化焼鈍を施した後、供試材の直径Ｄの１／４Ｄ部から圧延方向と平行な面より１０ｍｍ×１０ｍｍのミクロ試料を３０個切り出した。これらのミクロ試料を上記と同様な焼入・焼戻し処理を行った後に、試料の測定面を研磨して、各１００ｍｍ²中に存在する介在物のうち、（縦×横）^1/2で１５μｍ以上を有する介在物の大きさをそれぞれ測定し、３，０００ｍｍ²中に存在する最大介在物径を評価した。さらに、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置により介在物組成を定量した。

表１において、供試材のＡ〜Ｇは本発明の方法の構成要件を満足する鋼である。質量割合で、Ａｌ含有量は最高でも供試材Ａの０．００９％である。Ｏ含有量は最高でも供試材Ｂの２０ｐｐｍである。比較例である供試材Ｈ〜Ｋのうち、表１の備考に記載のように、供試材Ｈと供試材Ｉは脱酸剤として金属ＡｌあるいはＡｌ合金を添加しなかったため、Ｏ含有量が本発明の範囲外である。供試材Ｊと供試材Ｋは脱酸時に金属ＡｌあるいはＡｌ合金を鋼中Ａｌ量が０．０１０％を超えるほど添加したため、Ａｌ含有量が本発明方法による鋼よりも多く、これらのものは本発明の方法の範囲外の方法のものである。

これらの表１に示す各供試材からなる各試験片について、３，０００ｍｍ² 中に存在する最大介在物径と、１５μｍ以上を有する酸化物系非金属介在物の主要物であるＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ＋ＭｎＯ、ＭｇＯの各平均組成、および、これらの１５μｍ以上である酸化物系非金属介在物のなかで、最もＳｉＯ₂の構成量が少ない試験片の酸化物系非金属介在物のＳｉＯ₂量について、それぞれ表２に最低ＳｉＯ₂量として示す。

表２において、供試材Ａ〜Ｇは本発明の請求項２および請求項３の方法を満足する。一方、１５μｍ以上を有する酸化物系非金属介在物のうちで、最もＳｉＯ₂の構成量が少ない酸化物系非金属介在物のＳｉＯ₂ 量については、供試材Ａ〜Ｇは、表１で本発明の方法における鋼の成分範囲を満足するものである。さらに、最もＳｉＯ₂の構成量が少ない酸化物系非金属介在物のＳｉＯ₂量は、最低のもので供試材Ａの２０％である。

さらに、上記における焼入・焼戻し後の表面硬さとスラスト型転がり疲労試験を行った各供試材における１０枚の試験片のうち、１×１０⁷サイクル未満ではく離した１０枚中の枚数およびＬ₁₀寿命を表３に示す。

表３において、本発明の方法における鋼の構成を満足する供試材のＡ〜Ｇは、表面硬さは６１．６ＨＲＣ以上で、１×１０⁷サイクル未満で、はく離した試験片は１０枚中で０枚であり、かつ、Ｌ₁₀寿命が最低のものでも、供試材Ｇの１０．９×１０⁶サイクル以上であった。これに対し、本発明の方法の鋼以外のものである供試材Ｈ〜Ｋは、１×１０⁷サイクル未満で、はく離した試験片は供試材Ｈでは１０枚中１枚であり、供試材Ｉおよび供試材Ｊでは１０枚中で２枚であり、供試材Ｋでは１０枚中で３枚であった。さらに、Ｌ₁₀ 寿命は最大のもので９．２×１０⁶サイクルであり、本発明の方法の鋼に比し劣っていた。

Claims (3)

1. アーク溶解炉または転炉にて製造された溶鋼を取鍋精錬炉にて精錬し、脱ガスを行った後、鋳造して鋳塊を製造する鋼の製造工程において、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、０．０１６％以下(ただし、０を含まない）のＳを含有し、Ｃが０．４２％以上、Ｏが２０ｐｐｍ以下、Ａｌが０．０１０％未満を満足する機械構造用鋼の製造方法であって、溶鋼を精錬する際にＡｌ以外でかつＳｉを含有する脱酸剤によって脱酸を行い、次いで溶鋼中の溶存酸素量が３０ｐｐｍ以下となった時点で、溶鋼中のＡｌが０．０１０％未満を満足するＡｌ量を含有する脱酸剤により脱酸す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の製造方法。
2. 請求項１に記載の鋼の製造方法において、鋳造または造塊後の鋼中に存在する検鏡面積３，０００ｍｍ²中に存在する下記の式で示す最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物および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割合でＳｉＯ₂を３０％以上に制御す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の製造方法。
   最大介在物径＝（縦×横）^1/2
3. 鋼中に存在する酸化物系非金属介在物の内、検鏡面積３，０００ｍｍ²中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼の製造方法。