JP6625420B2 - 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の取り組みがなされている。しかし、このような取り組みにより、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して高清浄度化する上に、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、こ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、鋼の清浄度を高めた、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、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。

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。）。

こ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３参照。）。

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Ｃａを含む脱酸剤を添加して脱酸された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、焼入焼戻しを行なう前に、該機械構造用鋼を７８０〜１１００℃に加熱し８０ＭＰａ以上の静水圧を付与することにより該鋼中に含有する粒状に制御され、その周囲に均一な静水圧が付与できるようにした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な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４参照。）。

これらの方法により非金属介在物と母相の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、鋼中の酸素含有量が８ｐｐｍ以下、硫黄含有量が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４００ｍｍ²以下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５参照。）。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、上記でいう、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（特許文献５参照。）。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。

特開２００６−６３４０２号公報 特開平０６−１９２７９０号公報 特許第５４０３９４５号公報 特許第５４０３９４６号公報 特開平２０１４−５５３４６号公報

鉄と鋼、９４（２００８）、ｐ．１３〜２８

上記の特許文献３〜５の３件の提案の発明においては、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５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３ならびに特許文献４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。

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。

発明者らは、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、特許文献３ならびに特許文献４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。

本願の課題を解決するための第１の手段は、以上の知見等に基づくものであり、焼入焼戻後の表面硬さが５８ＨＲＣ以上の機械部品用鋼で、該鋼は、質量割合で、酸素含有量が８ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００８％以下で、ＡｌおよびＣａを含有する脱酸剤による脱酸によって該鋼中の酸化物系非金属介在物形状が粒状であり、その周囲に均一な静水圧の付与可能な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、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。

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の手段に用いる機械部品用鋼において、質量割合で、酸素含有量を８ｐｐｍ以下、硫黄含有量を０．００８％以下とする理由は、鋼中で酸化物系非金属介在物および硫化物系非金属介在物と母相である鋼とが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、寿命に対して有害な作用を及ぼす酸化物系非金属介在物、ならびに硫化物系非金属介在物について、それらの大きさと存在頻度を低減する目的である。より好ましくは、質量割合で、酸素含有量は６ｐｐｍ以下、硫黄含有量は０．００３％以下とする。

さらに、酸化物系非金属介在物形状が粒状であり、その周囲に均一な静水圧の付与を可能にするために、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、酸化物系非金属介在物の形態を適切に制御しておけば、静水圧圧縮応力を付与した際に、酸化物系非金属介在物と母相の鋼との界面の空洞を完全に消滅させる効果、ならびに非金属介在物中の割れ等の内部欠陥を修復する効果が増進される。そのための手段として、通常のＡｌに加えてＣａを含む脱酸剤を添加して脱酸することにより、生成する酸化物系非金属介在物を粒状に制御することにより、非金属介在物の周囲に均一な静水圧が付与できることになる。併せて、酸化物系非金属介在物を粒状形態に制御することにより、当該鋼製部品の転動部分が素材となる鋼材の加工方向に対していかなる向きを向いていたかによって転動疲労寿命に差が生じる、いわゆる異方性が軽減される点も重要な本発明の作用である。

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で鋼に与えられる塑性加工によって、非金属介在物と母相の鋼との間には、隙間が発生したり、さらには、非金属介在物内には、割れ等の内部損傷が発生したりする。それに対する対策として、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、１１０５〜１２２０℃への加熱と、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力の付与により、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状態となり、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なることから、従来にない転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼が得られる。

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に規定の高炭素クロム軸受鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定の機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５２に規定の焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定の機械構造用合金鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ３４４１に規定の機械構造用合金鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３４４５に規定の機械構造用炭素鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−１に規定の冷間圧造用炭素鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−２に規定の冷間圧造用炭素鋼−第２部：線、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−１に規定の冷間圧造用合金鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−２に規定の冷間圧造用合金鋼−第２部：線のいずれか組成であることを特徴とする第１の手段の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

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第１の手段の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

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第１の手段の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼の製造方法である。

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第１の手段の転動疲労寿命に優れた機械部品用鋼である。

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、脱酸方法が規定された鋼に対して、該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に比べても、なお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用部品鋼を得ることができる。

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。 熱間押し出し加工で試作したＳＵＪ２鋼に対し、１１５０℃への加熱と、１４０ＭＰａの静水圧圧縮応力の付与と、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の鋼との界面が密着状態であり、なおかつ非金属介在物の内部損傷が修復されていることを示す。

本願の発明を実施するための形態について説明する。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用鋼としての性能が求められる本発明の鋼としては、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、さらに上記規格の成分類似鋼の中から選択されたいずれかの鋼である。

これらの規格鋼などにおいて、本発明により得られる効果は同様のものである。したがって、本願の発明の実施の形態では、ＪＩＳ Ｇ ４８０５に規定の高炭素クロム軸受鋼の結果を例として示す。ただし、上記の高炭素クロム軸受鋼の化学組成でもって、本発明で対象とする上記の各規格の鋼や鋼材などの化学組成およびこれらと類似の鋼の化学組成の範囲を限定するものではない。

ところで、本発明の鋼として例示の高炭素クロム軸受鋼は、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および冷間圧延あるいは冷間での圧鍛などからなる塑性加工によって、機械部品形状の鋼材形状とされる。なお、本発明における鋼材形状を得るための工程としては、上記の１）〜５）の塑性加工による鋼材形状とする工程であり、その鋼材形状とは形鋼、棒鋼、管材、線材、鋼板および鋼帯を指す。

次に、上記の塑性加工に続いて、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と冷間ヘッダー加工を実施し、あるいは、上記の１）〜５）の組合せの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を実施し、これらの実施の後に、切削加工を行なって機械部品形状の部材に形成される。

なお、本発明における熱間塑性加工における熱間とは当該鋼の再結晶温度以上の温度域を指し、温間塑性加工の温間とは室温より上で再結晶温度より下の温度域を指し、冷間塑性加工の冷間とは室温およびそれ以下の近辺の温度域を指す。

次いで、表面硬さ５８ＨＲＣ以上を得るために、全体焼入れ（すなわちズブ焼入れ）、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ、窒化焼入れ、浸炭浸窒焼入れ、高周波焼入れなどの焼入れと、その焼戻しの処理が、鋼材やその用途に応じて、当該鋼材に対して施され、研磨や研削などの仕上げ処理を経て、本発明が対象とする機械部品が製造される。本発明における焼入焼戻し処理とは上記に記載の処理を指す。

本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、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ことが必要である。その手段としては、１１０５〜１２２０℃に加熱し、１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与することである。例えば、その手段の工法として熱間等方圧プレス法すなわちＨＩＰ法、ホットプレス法、完全閉塞あるいは完全密閉による熱間鍛造法が推奨される。

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、あるいは拡径加工を行うローリング鍛造、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のみ引張応力が付与されるため、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限定理由について述べる。
鋼材の加熱温度が高いほど、鋼材は変形し易くなる。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に、必要な静水圧圧縮応力は比較的低くて良い。そこで、本発明者は鋭意検討したところ、１１０５〜１２２０℃の加熱と１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力の付与で本発明の効果が得られることが知見できたので、本発明では、１１０５〜１２２０℃の加熱と１００ＭＰａ以上の静水圧圧縮応力を付与とする。

ここで、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。先ず、表１に本発明の実施の形態の供試材としてのＮｏ．１〜３の鋼１〜３の化学成分を質量％で示す。表１のＮｏ．３の鋼３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鋼を示す。さらにＯ量、Ｓ量について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表１の鋼１と鋼３、および満たさないものである鋼２のＮｏ．１〜３の３種類を用意した。これらのＮｏ．１〜３の３種類の鋼は、アーク溶解炉にてそれらの溶鋼を酸化精錬し、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、連続鋳造にて鋼塊を鋳造し、これらの鋼塊を熱間圧延して直径７５ｍｍの鋼材に作製した。なお、供試材の鋼１および鋼２は通常のＡｌに加えてＣａを含む脱酸剤を添加して脱酸を行ったもので、表１に示す、Ｃａの欄の鋼１の１１ｐｐｍと鋼２の８ｐｐｍはそれらの脱酸に伴って含有されているものである。供試鋼の鋼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。次に、これらは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て、下記の表３における工程条件１では、据え込みを行なった後にスラスト型の転がり軸受の部材である外径５４ｍｍで厚さ５．８ｍｍの円盤形状の鋼板に切削加工し、その中央に内径２０ｍｍの穴を空けた。表３の工程条件２では、室温より上で再結晶温度より下である温間の６００℃に加熱して、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。表３の工程条件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鍛造を模擬した方法である。

なお、いずれの工程においても、スラスト試験片の転動試験面は素材である鋼の熱間圧延時の圧延方向と概ね平行になるようにした。一般には、この方向でスラスト試験を行うと、熱間圧延方向と垂直な面を転動試験面とした場合に比べて、転動疲労寿命が低下するが、本発明のように酸化物系非金属介在物形態を粒状に制御している場合には、そのような低下が生じにくい。得られた円盤形状品にはそれぞれ熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）処理を施した。この処理条件を下記の表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℃の加熱温度と、１００ＭＰａ以上のプレス圧条件を満足するものである。表２のプレス条件の条件Ｃ〜Ｅは本発明の１１０５〜１２２０℃の加熱と１００ＭＰａ以上のプレス圧を満足しないものである。これらの表２のプレス条件の条件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、転動疲労試験でその寿命評価を行なった。なお、転動疲労試験における転動体には、市販のスラスト型の転がり軸受用の鋼球を使用した。

なお、上記の加熱温度およびプレス圧の条件を満足する実施例として、熱間押出し加工によるＪＩＳ Ｇ ４８０５の高炭素クロム軸受鋼鋼材であるＳＵＪ２鋼に対して、１）焼ならしと球状化焼なましを施した後の鋼断面の顕微鏡写真によるＡｌ₂Ｏ₃系非金属介在物近傍のミクロ組織を図１として示し、２）１１５０℃に加熱し、１４０ＭＰａの静水圧圧縮応力を付与し、さらに焼ならしと焼なましを施した後の鋼断面の顕微鏡写真によるＡｌ₂Ｏ₃系非金属介在物近傍のミクロ組織を図２として示す。

スラスト型転動疲労試験は、最大ヘルツ応力Ｐｍａｘが５２９２ＭＰａとなる条件で行い、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動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において、鋼１のＬ₅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において、鋼１は本発明の製造条件で対象とする機械部品用鋼の構成を満足し、他方、鋼２はＳ量およびＯ量が本発明の製造条件で対象とする機械部品用鋼の構成においてＳの規制上限の０．００８％とＯの規制上限の８ｐｐｍをそれぞれ超えるものであり、一方、鋼３はＳ量およびＯ量が本発明の製造条件で対象とする機械部品用鋼の構成を満足するものの、Ａｌのみの脱酸によって溶製された点からは、Ａｌに加えてＣａを含む脱酸剤によって脱酸された鋼を対象としている本発明の適用対象からは外れるものである。また、表３においてプレス条件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構成を満足する条件からなる。一方、プレス条件Ｃ〜Ｅは、本発明の１１０５〜１２２０℃に加熱し、かつ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である。

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、本発明が適用される機械部品用鋼として化学成分、および脱酸方法の規制を満たすものの、加熱温度ならびに静水圧圧縮応力が本発明の請求項の範囲を満足しないものである表２のプレス条件Ｃ〜Ｅの比較例に比べて、本発明が適用される機械部品用鋼として化学成分、および脱酸方法の規制を満足するものであり、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の範囲を満足する製造条件による表２のプレス条件Ａおよびプレス条件Ｂの発明例は、表３に示すように、Ｌ₅寿命が格段に優れている。

さらに、本発明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か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範囲を満足する製造条件であるプレス条件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かのいずれかの規制を満足せず、かつ加熱温度あるいは静水圧圧縮応力が本発明の請求範囲を満足しない製造条件であるプレス条件Ｃ〜Ｅの比較例に比べて、本発明の製造条件で対象とする機械部品用鋼としての化学成分、および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の範囲を満足する表２のプレス条件Ａおよびプレス条件Ｂの発明例は、表３に示すように、明らかに転動疲労寿命であるＬ₅寿命が優れている。

さらに、通常のＡｌに加えてＣａを含む脱酸剤を添加して脱酸を行った鋼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. 質量割合で、酸素含有量が８ｐｐｍ以下、硫黄含有量が０．００８％以下で、ＡｌおよびＣａを含有する脱酸剤による脱酸を行い、該鋼中の酸化物系非金属介在物形状が粒状であり、その周囲に均一な静水圧の付与可能な機械部品用鋼に対して、最終的に該鋼製部品としての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、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に規定の高炭素クロム軸受鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定の機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５２に規定の焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ Ｇ ４０５３に規定の機械構造用合金鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ３４４１に規定の機械構造用合金鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３４４５に規定の機械構造用炭素鋼鋼管、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−１に規定の冷間圧造用炭素鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０７−２に規定の間圧造用炭素鋼−第２部：線、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−１に規定の冷間圧造用合金鋼−第１部：線材、ＪＩＳ Ｇ ３５０９−２に規定の冷間圧造用合金鋼−第２部：線のいずれか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塑性加工が複数回からなり、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塑性加工が複数回からなり、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塑性加工が複数回からなり、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。