JP6618345B2 - 転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非金属介在物が破損起点となるような軸受、ギア、ハブユニット、無段変速機、等速ジョイント、ピストンピンなどの優れた転動疲労寿命が求められ、表面硬さを５８ＨＲＣ以上に硬化して使用される機械部品用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、転動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、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、鋼成分の適正化や不純物元素の低減化などの取り組みがなされている。しかし、このような取り組みで、高清浄度とされた鋼材を用いても、十分に短寿命破損を抑制することはできていない。そこで、鋼材中の非金属介在物を低減（高清浄度化）し、さらに該非金属介在物を小径化しようとする試みが行われている。良く知られるＡｌ₂Ｏ₃、ＭｎＳ、ＴｉＮのような鋼中の非金属介在物は、鋼部品の転動疲労における内部はく離の起点として有害であるとの考え方は根強い。これらの非金属介在物の径が大きいほど、鋼部品の転動疲労寿命が低下することからも、上記の考え方は概ね正しいとみられる。したがって、非金属介在物量を少なくした、すなわち、鋼の清浄度を高めて、介在物径が２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物を極めて少なくした高清浄度鋼が種々提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照。）。しかし、これらにおいても安定して非金属介在物を小径化することは必ずしも容易ではない。

また、一方、質量％でＡｌ：０．００３％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｚｒ：０．００１０％以下およびＳｉ：０．０５〜４．０％を含有する、Ｓｉ脱酸鋼であって、かつこのＳｉ脱酸鋼中の介在物が質量％でＳｉＯ₂：４５％以上、アルカリ金属Ｒ（Ｒ＝Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ）の酸化物（Ｒ₂Ｏ）：０．５〜１０％を含有することを特徴とする疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法に関する発明が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。ただし、この発明は、従来の鋼と比較して、有害な大型介在物が少なく、しかも残留した介在物も延性のある介在物であり、かつその介在物は微細に分散されたものであり、疲労強度に優れたＳｉ脱酸鋼およびその製造方法を提案したものであり、その効果は回転曲げ疲労試験により確認されているが、転動疲労寿命に対して有害な硫化物系介在物に対しては、何らの規制もなされておらず、必ずしも転動疲労寿命が優れたものではない。

一方、本発明者らは、転動疲労における破損すなわちはく離に至る過程を、人工欠陥材のき裂化過程の観察を行なうことにより詳細に検討し、空洞や非金属介在物周囲の隙間の存在がき裂発生に対して支配的な役割を果たす可能性が高いことを示した（例えば、非特許文献１参照。）。それらの知見に基づき、本発明者らは、機械構造用鋼の一部もしくは全体を焼入焼戻し処理する方法により５８ＨＲＣ以上を得る機械部品の製造方法において、該機械構造用鋼が鋼材形状を得るための工程あるいはその後の機械部品形状を得るための工程で塑性加工を受けた後、焼入焼戻しを行う前に、８００〜１１００℃に加熱し１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することにより該鋼中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面を密着する処理を行うことを特徴とする転動疲労寿命に優れた機械部品の製造方法を提案している（例えば特許文献４。）。

さらには、本発明者らは機械構造用鋼の一部もしくは全体を焼入焼戻し処理方法により５８ＨＲＣ以上を得る機械部品の製造方法において、通常のＡｌに加えてＳｉを含む酸化剤を添加して、あるいは、Ａｌからなる脱酸剤を添加することなく、脱酸されて、生成する酸化物系非金属介在物を、Ａｌ₂Ｏ₃・ＭｇＯ系の酸化物系非金属介在物に比べて、軟質化させて、母相との変形能の差を小さくするようにしたこの機械構造用鋼が鋼材形状を得るための工程あるいはその後の機械部品形状を得るための工程で塑性加工を受けた後、焼入焼戻しが行われる前に、この機械構造用鋼を７８０〜１１００℃に加熱し８０ＭＰａ以上の静水圧を付与することによりこの鋼中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面を密着する処理を行うことを特徴とする転動疲労寿命に優れた機械部品の製造方法を提案している（例えば、特許文献５。）。

これらの方法により母相と鋼の界面を密着することにより、従来に無い大幅な寿命向上を達成している。この母相と鋼の界面のような物理的な隙間は、鋼材の製造過程や部材に成形していく過程において必ず行なわれる何らかの塑性加工、すなわち、熱間圧延、冷間圧延、熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造、ローリング鍛造、冷間転造、冷間ヘッダー加工ならびに引抜き加工などによって生じる場合があることが指摘されている。また、本発明者らは表面硬さを５８ＨＲＣ以上とする機械部品に用いる鋼部材であって、鋼中のＯ量が８ｐｐｍ以下、Ｓ量が０．００８質量％以下で、転動体が負荷を受けて回転する転動面から、転動面に平行に被検面積４０ｍｍ²以上から４００ｍｍ²以下の大きさの試験片を採取して観察を行う際に、実効有害長さが１０μｍ以上、実効有害幅が２μｍ以上の介在物を全て観察し、以下で定義される隙間率をそれぞれの介在物について算出し、観察された全介在物の隙間率の平均が８％以下で、かつ、観察された全介在物のうち、隙間率１．０％未満の介在物が観察された全介在物に占める割合を隙間ゼロ個数率としたとき、隙間ゼロ個数率が３０％以上となることを特徴とする転がり疲労寿命に優れた鋼部材について提案している（例えば、特許文献６参照。）。なお、同発明において、隙間率とは以下のように定義されている。
隙間率＝隙間部分の面積÷（隙間部分の面積＋介在物面積）

また、ここでいう実効有害長さは、実際の介在物に加えて介在物周囲の隙間を含めた長さであり、実効有害幅は、実際の介在物に加えて介在物周囲の隙間も含めた幅である（例えば、特許文献４参照。）。これらの発明者らによる発明はいずれも介在物と母相の界面の制御に主眼が置かれたものとなっている。

これらの特許文献４〜６の３件の発明においては、非金属介在物と母相との密着について十分な関心が払われている。しかし、特許文献６では、非金属介在物中に内在する損傷については何ら言及されておらず、考慮の対象では無かった。また、特許文献４ならびに特許文献５においては、静水圧応力を付与する温度と静水圧圧縮応力が必要十分には高くないため、介在物と母相である鋼との界面の密着については明白な効果があるものの、塑性加工にともなって介在物自体に導入された割れなどの内部損傷の修復については効果が小さかった。発明者らは、この介在物の内部損傷に着眼することによって、さらなる寿命向上の余地があることを見出した。すなわち、そのような内部損傷にともなって介在物にはエッジの鋭い部分が生成されやすく、そこが応力集中を助長して転動疲労寿命に対して悪影響を与えることから、その内部損傷自体の修復に着眼するものである。

特開２００６−６３４０２号公報 特開平０６−１９２７９０号公報 特開２００５−２６４３３５号公報 特許第５４０３９４５号公報 特許第５４７３２４９号公報 特開平２０１４−５５３４６号公報

鉄と鋼、９４（２００８）、ｐ．１３〜２０

本発明が解決しようとする課題は、化学成分の限定、介在物組成の制限、鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態の改善、さらには非金属介在物中に内在される損傷の修復を図った鋼材とすることで、非金属介在物と母相との界面状態を改善した鋼に比べてもなお優れた転動疲労寿命を発揮する機械部品用鋼の製造方法を提供することである。

発明者は、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２を素材として作製した金属粉末と、少量のＡｌ₂Ｏ₃の粉末を混合したものを金属製コンテナに充填し、封止したのち熱間で押出し加工を行った。次いで、８７０℃の焼ならしと最高点温度８００℃の球状化焼なましを施したのち、その断面のミクロ組織を観察した。また、押出し加工した鋼に対して、特許文献４ならびに特許文献５に提案されている温度域より高い１１５０℃に加熱したのち、１４０ＭＰａの静水圧圧縮応力を付与した後、同様の焼ならし、および球状化焼なましを施したのちの断面のミクロ組織を観察した。その結果、図２に示すように、適切な条件での静水圧圧縮応力付与により、介在物と母相である鋼との界面の密着が図られるのみならず、介在物中の割れが修復されていることを突き止めた。

この知見に基づき、以下の課題を解決するための手段を得た。

第１の手段では、Ａｌに加えてＳｉを含む酸化剤を添加する脱酸、もしくはＡｌ脱酸剤を無添加とする脱酸が行われた、質量割合で、Ｏ:≦８ｐｐｍ、Ｓ：≦０．００８％を有し、かつ、生成された酸化物系非金属介在物はＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系の酸化物系非金属介在物に比して軟質化されており、母相の鋼との変形能による差が小さくされた機械部品用鋼に対して、最終的に該鋼製部品としての切削加工とそれに続く焼入焼戻しにより表面硬さ５８ＨＲＣ以上を付与する工程に先立ち、１１０５〜１２２０℃に加熱し、さらに１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することにより、当該鋼中に含有される非金属介在物と母相である鋼との界面を密着状態とし、なおかつ非金属介在物中の内部損傷を修復することを特徴とする転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

なお、上記の手段における鋼製部品の製造方法としての切削加工とそれに続く焼入焼戻し工程に先立つ静水圧圧縮応力を付与する際の加熱温度は、望ましくは１１２０℃から１２２０℃であり、より望ましくは１１２０℃から１２００℃である。

ところで、第１の手段に用いられる機械部品用鋼において、質量割合で、Ｏ量を８ｐｐｍ以下、Ｓ量を０．００８％以下とする理由は、鋼中で母相である鋼と密着状態で存在する場合であっても、鋼を部品に成形したのちの部品表面に表出した状態となった場合には、寿命に対して有害な作用を及ぼす酸化物系介在物、ならびに硫化物系介在物について、その大きさと存在頻度を低減するためである。これらでは、より好ましくは、質量割合で、Ｏ量を６ｐｐｍ以下、Ｓ量を０．００３％以下とする。さらに、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系の酸化物系非金属介在物に比べて軟質化させた酸化物を含有させた鋼とするために、本発明に用いられる機械部品用鋼は通常のＡｌに加えてＳｉを含む脱酸剤を添加するか、もしくはＡｌからなる脱酸剤を添加することなく、それぞれ脱酸を行うものとする。

通常は、一般的な機械構造用鋼はＡｌによる脱酸が行なわれている。そのために生成する酸化物系非金属介在物は、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系やＡｌ₂Ｏ₃系が多くなる。これらは、いずれも硬質の介在物であり、かつ精錬以降に凝集し、ＪＩＳ Ｇ ０５５５に規定されているグループＢに分類される形状をとり易いという問題がある。この問題があることから、静水圧を付与した際に、酸化物系非金属介在物と母相との界面に存在する空洞を完全に消滅させ、なおかつ非金属介在物中の内部損傷が修復されたものとするための、適正な静水圧圧縮応力付与時の条件範囲が限られる。そこで、鋼中に含有される酸化物系非金属介在物の変形能を母相に近いものとすれば、静水圧圧縮応力を付与した際に、主に酸化物系非金属介在物と母相との界面に存在する空洞を完全に消滅させる効果が増進する。さらに、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系に比べて軟質な酸化物系介在物とすれば、鋼の塑性加工に伴う介在物の内部損傷を修復する効果が増進する。すなわち、その手段としては、通常のＡｌに加えてＳｉを含む脱酸材を添加して、あるいは、Ａｌからなる脱酸剤を添加することなく、脱酸することにより、生成する酸化物系非金属介在物を軟質化させて、母相との変形能の差を小さくすることである。

ところで、鋼材形状を得るための工程あるいはその後の機械部品形状を得るための工程中において、鋼に与えられる塑性加工によって、介在物と母相との間に隙間が発生したり、さらに介在物内には割れ等の損傷が発生したりする。そこで、これらの隙間や損傷の発生対策として、最終的に該鋼製部品としての切削加工とそれに続く焼入焼戻しにより表面硬さ５８ＨＲＣ以上を付与する工程に先立って、鋼を１１０５〜１２２０℃に加熱し、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することにより、該鋼中に含有される非金属介在物と母相である鋼との界面を密着させ、かつ介在物中の内部損傷が修復された鋼とすることで、従来に無い転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼が得られるのである。

さらに第２の手段では、機械部品用鋼の製造方法は、その鋼組成が、ＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定されている高炭素クロム軸受鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されている機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５２に規定されている焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定されている機械構造用合金鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ３４４１に規定されている機械構造用合金鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３４４５に規定されている機械構造用炭素鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−１に規定されている冷間圧造用炭素鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−２に規定されている冷間圧造用炭素鋼−第２部：線、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−１に規定されている冷間圧造用合金鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−２に規定されている冷間圧造用合金鋼−第２部：線のいずれかの組成であることを特徴とする第１の手段による転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

さらに第３の手段では、機械部品用鋼の製造方法は、その鋼材形状を得るための工程あるいはその後の機械部品形状を得るための工程で受ける塑性加工が複数回の工程からなり、これらの複数回の工程中の切削加工を除く最後の塑性加工が熱間塑性加工であることを特徴とする第１の手段による転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

さらに第４の手段では、機械部品用鋼の製造方法は、その鋼材形状を得るための工程あるいはその後の機械部品形状を得るための工程で受ける塑性加工が複数回の工程からなり、これらの複数回の中の切削加工を除く最後の塑性加工が温間塑性加工であることを特徴とする第１の手段による転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

さらに第５の手段では、機械部品用鋼の製造方法は、その鋼材形状を得るための工程あるいはその後の機械部品形状を得るための工程で受ける塑性加工が複数回の工程からなり、これらの複数回の中の切削加工を除く最後の塑性加工が冷間塑性加工であることを特徴とする第１の手段による転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

上記の本発明の手段とすることにより、化学成分が限定され、介在物が規制された鋼に対して、該鋼材中に含有の非金属介在物と母相である鋼との界面状態の改善、さらに非金属介在物中に内在される損傷が修復された鋼材を製造することができるので、非金属介在物と母相との界面状態を改善した鋼と比較しても、優れた転動疲労寿命を発揮する、表面硬さが５８ＨＲＣ以上で、かつ、はく離の可能性の極めて低い、転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼を製造することができる。

熱間押出し加工で試作のＳＵＪ２鋼に対し、焼ならしと球状化焼なましを施した、Ａｌ₂Ｏ₃系非金属介在物近傍の断面のミクロ組織（腐食はピクラールによる）の顕微鏡写真である。 熱間押出し加工で試作のＳＵＪ２鋼に対し、１１５０℃の加熱後、１４０ＭＰａの静水圧圧縮応力を付与し、さらに焼ならしと球状化焼なましを施した、Ａｌ₂Ｏ₃系非金属介在物近傍の断面のミクロ組織（腐食はピクラールによる）の顕微鏡写真で、鋼中の非金属介在物と母相鋼との界面が密着状態で内部損傷が修復されていることを示す。

軸受、ギア、ハブユニット、無段変速機、等速ジョイント、ピストンピンなどの機械部品に求められる本発明における機械部品用鋼には、一般的にＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定されている高炭素クロム軸受鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されている機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５２に規定されている焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定されている機械構造用合金鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ３４４１に規定されている機械構造用合金鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３４４５に規定されている機械構造用炭素鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−１に規定されている冷間圧造用炭素鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ３５０７−２に規定されている冷間圧造用炭素鋼−第２部：線、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−１に規定されている冷間圧造用合金鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−２に規定されている冷間圧造用合金鋼−第２部：線、およびそれぞれの関連外国規格鋼、が用いられる。ところで、上記した本発明としての機械部品用鋼の実施により得られる効果はいずれも同様のものであるので、ここでは、ＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定されている高炭素クロム軸受鋼鋼材における実施の形態について説明するものとする。ただし、この鋼炭素クロム軸受鋼の化学組成の範囲により、本願発明で対象とする上記の全ての機械部品用鋼の化学組成を限定するものではない。

本願発明で対象とする上記のＪＩＳ規格の鋼は、一般的に、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）連続鋳造法または造塊法による鋼塊の鋳造、および５）鋼塊の熱間圧延あるいは熱間での圧鍛による、または冷間圧延あるいは冷間での圧鍛による、塑性加工工程を経て製造される。本発明における鋼材形状を得るための工程とは上記に記載の１）〜５）の各工程を指し、鋼材形状とは形鋼、棒鋼、管材、線材、鋼板、および鋼帯を指す。

次いで、熱間鍛造、亜熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造、ローリング鍛造、冷間転造、冷間ヘッダー加工ならびに引抜き加工、場合によっては引抜き加工と冷間ヘッダー加工、さらには上記の各加工の組合せからなる塑性加工と、必要に応じて軟化や組織調整を目的とした熱処理とを施し、さらに切削加工を行なって、機械部品形状の部材に成形する。本発明における機械部品形状を得るための工程とは上記に記載の各加工の工程を指す。

なお、本発明における熱間鍛造などの熱間塑性加工における熱間とは加工される素材である当該鋼の再結晶温度以上の温度域を指し、温間鍛造などの温間塑性加工における温間とは室温より上で再結晶温度より下の温度域をそれぞれ指し、冷間鍛造などの冷間塑性加工における冷間とは室温およびその近辺の温度域を指す。

上記の機械部品形状の部材への成形に続いて、表面硬さ５８ＨＲＣ以上を得るために、全体焼入れ（ズブ焼入れ）、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ、窒化焼入れ、浸炭浸窒焼入れ、または高周波焼入れなどとその後の焼戻しなどである、焼入焼戻し処理が鋼材や用途に応じて施されて、研磨や研削などの仕上げ処理を経て、本願発明が対象とする機械部品が製造される。本願発明における焼入焼戻し処理方法とは上記に記載の処理を指す。

本願発明の効果を得るためには、最終的に該鋼製部品としての切削加工とそれに続く焼入焼戻しにより表面硬さ５８ＨＲＣ以上を付与する工程に先立って、当該鋼を１１０５〜１２２０℃に加熱し、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することによりこの鋼中に含有される非金属介在物と母相である鋼との界面が密着され、かつ非金属介在物中の内部損傷が、図２の顕微鏡写真にみられるように、修復された状態とする必要がある。その手段としては、１１０５〜１２２０℃に加熱した後に１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することが可能な手段が適する。例えば、その手段としては、熱間等方圧プレスすなわちＨＩＰ、ホットプレス、完全閉塞あるいは完全密閉による熱間鍛造が推奨される。

なお、金型による完全密閉をしないで行う、熱間鍛造、亜熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造、また、拡径加工を行うローリング鍛造、また、冷間ヘッダー加工ならびに引抜き加工では、鋼材に等しく静水圧圧縮応力を付与できないか、もしくは特定方向に引張応力が付与されるために、非金属介在物と母相である鋼との界面に隙間を生じたり、非金属介在物内部に割れを生じたりする場合があるために、また特に冷間工法や温間工法では静水圧圧縮応力を付与する際の加熱温度不足のため、本発明の効果は得られない。

次に、静水圧圧縮応力を付与する際の温度および圧力の限定理由について述べる。鋼材は、その加熱温度が高いほど変形し易くなる。したがって、鋼材の加熱温度が高いほど酸化物系非金属介在物と母相との界面に存在する隙間すなわち空洞を消滅させるため、ならびに非金属介在物中の割れなどの損傷を修復するため、必要な静水圧圧縮応力は比較的低くて良い。本発明者が鋭意検討した結果、１１０５〜１２２０℃に加熱して、かつ１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力が付与できれば、本発明の効果が得られていることから、本発明の手段では１１０５〜１２２０℃に加熱して、かつ１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与するものとする。

本発明の実施の形態の実施条件と得られた効果について具体的に説明する。このため、表１に実施の形態の供試材としてのＮｏ．１〜４の鋼１〜４の化学成分を質量％で示す。表１には、ＪＩＳ Ｇ ４８０５の成分を満足する鋼である高炭素クロム軸受鋼のなかのＳＵＪ２鋼について示し、さらに、化学成分のうちのＯ量とＳ量については、本発明の請求範囲の製造方法で対象とする鋼の規制を満たす鋼１と鋼３、および満たさないものである鋼２の計３種類を用意した。これらの鋼は、その溶鋼をアーク溶解炉にて酸化精錬し、取鍋精錬炉（ＬＦ）にて還元精錬し、還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）にて還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）し、連続鋳造にて鋳造により鋼塊とし、これらの鋼塊を熱間圧延にて鋼材とした。次にこの鋼材を８００℃にて球状化焼なましを施した。

本発明の実施の形態の実施条件と得られた効果についてさらに具体的に説明する。先ず、表１に本発明の実施の形態の供試材である鋼１〜鋼３の成分組成をそれぞれ示す。この供試材である鋼１〜鋼３は、いずれもＳＵＪ２鋼であるが、鋼２については本発明の請求範囲の製造方法で対象とする機械部品用鋼における化学成分の規制を外れるものである。いずれの区分の鋼種も上記したように、アーク溶解炉での溶鋼の酸化精錬、取鍋精錬炉（ＬＦ）での還元精錬、還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）での還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）、連続鋳造での鋼塊の鋳造に続く、鋼塊の熱間圧延により、直径６５ｍｍの鋼材を作製した。なお、供試材の鋼１ならびに鋼２は脱酸時にＡｌを添加することなく、ＳｉとＭｎで脱酸を行なったもので、表１に示すＡｌの０．００３％ならびに０．００２％は不可避不純物として含有されているものである。鋼３については一般的に行なわれているＡｌによる脱酸を行なったものである。これらは、その後、熱間圧延した鋼材に対して８００℃にて球状化焼なましを施した。

上記の球状化焼なましした鋼材に対し、表３に示す、工程条件１では、スラスト型の転動疲労試験のため外径６０ｍｍで厚さ５．８ｍｍの鋼板の中央に内径２０ｍｍの穴を空けた円盤形状に切削加工した。工程条件２では、室温以上で再結晶温度以下である温間の６２０℃に加熱して据え込みを行なった後にスラスト型の転動疲労試験のための円盤形状に切削加工した。工程条件３では、冷間据え込みを行なった後に上記と同様の円盤形状に切削加工した。これらの据え込み加工はいずれも鍛造を模擬したものである。

得られた円盤形状品にそれぞれ熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）処理を施した。この処理条件を表２に示す。表２のプレス条件の条件Ａと条件Ｂは、本発明の１１０５〜１２２０℃の加熱と、１００ＭＰａ以上のプレス圧の条件を満足するものである。プレス条件の条件Ｃ、条件Ｄ、および条件Ｅにおいては、本発明の１１０５〜１２２０℃の加熱と、１００ＭＰａ以上のプレス圧の条件とのいずれかを満足しないものである。これらプレス条件の条件Ａ〜Ｅの円盤形状品に対して、通常のＳＵＪ２鋼の場合の適正な焼入焼戻し前ミクロ組織に調整するための焼ならしと球状化焼なましを施してから、焼入焼戻処理を付与した。このときの焼ならしは８６５℃で１時間保持後に空冷する条件、また、球状化焼なましは８００℃の条件にて行っているが、適正な焼入焼戻し前ミクロ組織に調整するための熱処理条件は鋼種に応じて選定されるものとし、不要な場合は省略しても良い。次いで、条件Ａ〜Ｅの円盤形状品に対して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。さらに切削、研磨を施して、スラスト型転動試験を行うための円盤試験片に仕上げて、転動疲労寿命評価を行なった。なお、転動体は市販のスラスト型の転がり軸受用の鋼球を使用した。

スラスト型転がり疲労試験は最大ヘルツ応力Ｐｍａｘが５２９２ＭＰａとなる条件で、上記の各プレス条件の条件Ａ〜Ｅに対して、それぞれ２０回ずつ行なった。その結果から、ワイブル分布関数に基づき、短寿命側から総試験片数の５％の割合の試験片に、はく離が生じるまでの総回転数を求め、これをＬ₅寿命とした。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、各条件に対するＬ₅寿命を下記の表３に示す。なお、各条件の試験片において１×１０⁸ｃｙｃｌｅに到達した場合は、実用上十分な寿命が得られていることから、はく離に至らなくても試験を中止することとした。

なお、表３の鋼１のＬ₅寿命の欄における記号「→」は２０枚の試験片のいずれも１×１０⁸ｃｙｃｌｅで、はく離しなかったことを意味する。表３における鋼１は、本発明の請求範囲の製造条件で対象とする鋼の構成を満足し、他方で、鋼２は、Ｓ量およびＯ量が請求範囲の製造条件で対象とする鋼の規制上限を超えるもので、また、鋼３はＳ量およびＯ量は請求範囲を満たすものの、Ａｌ脱酸により溶製した点から本発明の請求範囲の製造条件で対象とする鋼を外れるものである。また、表３における、プレス条件Ａとプレス条件Ｂは、本発明の１１０５〜１２２０℃に加熱し、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与するとする本発明の請求項の構成を満足する製造条件からなる。一方、プレス条件Ｃ〜Ｅは本発明の１１０５〜１２２０℃に加熱し、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与する本発明の構成を満足しない製造条件のものである。本発明の請求範囲の製造条件で対象とする機械部品用鋼の化学成分、脱酸方法の規制を満足し、かつ加熱温度ならびに静水圧圧縮応力が本発明の請求項を満足する製造条件によるプレス条件Ａおよびプレス条件Ｂの発明例は、最終工程が、熱間塑性加工、温間塑性加工、冷間塑性加工のいずれであるかにかかわらず、本発明の請求範囲の製造条件で対象とする機械部品用鋼の化学成分、脱酸方法の規制を満足するものの、加熱温度ならびに静水圧圧縮応力が本発明の請求範囲の製造条件を満足しないプレス条件Ｃ〜Ｅの比較例に比べて転動疲労寿命が格段に優れている。さらに本発明の請求範囲の製造条件で対象とする機械部品用鋼の化学成分か脱酸方法のいずれかの規制を満たさないものの、加熱温度ならびに静水圧圧縮応力が本発明の請求項を満足する製造条件によるプレス条件Ａおよびプレス条件Ｂの比較例に比べて、あるいは、本発明の請求範囲の製造条件で対象とする機械部品用鋼の化学成分か脱酸方法のいずれかの規制を満たさず、なおかつ加熱温度ならびに静水圧圧縮応力が本発明の請求範囲の製造条件を満足しないプレス条件Ｃ〜Ｅの比較例に比べて、明らかに転動疲労寿命が優れている。さらに、ＳｉとＭｎで脱酸を行なった鋼１に対して本発明の製造条件を適用した場合は、通常のＡｌ脱酸により溶製した鋼３に比べて、最適な静水圧圧縮応力付与時の条件範囲がより低い圧縮応力にまで拡張されている点でも優れている。

Claims (5)

1. Ａｌに加えてＳｉを含む酸化剤を添加する脱酸、もしくはＡｌ脱酸剤を無添加とする脱酸が行われた、質量割合で、Ｏ:≦８ｐｐｍ、Ｓ：≦０．００８％を有し、かつ、生成された酸化物系非金属介在物はＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系の酸化物系非金属介在物に比して軟質化されており、母相の鋼との変形能による差が小さくされた機械部品用鋼に対して、最終的に該鋼製部品としての切削加工とそれに続く焼入焼戻しにより表面硬さ５８ＨＲＣ以上を付与する工程に先立ち、１１０５〜１２２０℃、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することにより該鋼中の非金属介在物と母相である鋼との界面を密着状態とし、なおかつ非金属介在物中の内部損傷を修復することを特徴とする転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法。
2. 機械部品用鋼の製造方法は、その鋼組成が、ＪＩＳ Ｇ ４８０５の高炭素クロム軸受鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５１の機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５２の焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ Ｇ ４０５３の機械構造用合金鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ３４４１の機械構造用合金鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３４４５の機械構造用炭素鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−１の冷間圧造用炭素鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−２の冷間圧造用炭素鋼−第２部：線、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−１の冷間圧造用合金鋼−第１部：線材、もしくはＪＩＳ Ｇ ３５０９−２の冷間圧造用合金鋼−第２部：線のいずれかの鋼組成であることを特徴とする請求項１に記載の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法。
3. 機械部品用鋼の製造方法は、その鋼材形状を得るための工程あるいはその工程に続く機械部品形状を得るための工程で受ける複数回の塑性加工からなり、これらの複数回の工程のうちの切削加工を除く最後の塑性加工が熱間塑性加工であることを特徴とする請求項１に記載の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法。
4. 機械部品用鋼の製造方法は、その鋼材形状を得るための工程あるいはその工程に続く機械部品形状を得るための工程で受ける複数回の塑性加工からなり、これらの複数回の工程のうちの切削加工を除く最後の塑性加工が温間塑性加工であることを特徴とする請求項１に記載の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法。
5. 機械部品用鋼の製造方法は、その鋼材形状を得るための工程あるいはその工程に続く機械部品形状を得るための工程で受ける複数回の塑性加工からなり、これらの複数回の工程のうちの切削加工を除く最後の塑性加工が冷間塑性加工であることを特徴とする請求項１に記載の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法。