TW201631180A - 具有優異轉動疲勞特性之軸承用鋼材及軸承零件 - Google Patents
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Abstract
本發明之軸承用鋼材，其係含有特定之鋼中成分，含有於鋼中的短徑1μm以上之氧化物系夾雜物滿足下述(1)及(2)。
(1)平均組成係將CaO、Al2O3、SiO2、TiO2各自含有特定量，CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%。
(2)於氧化物系夾雜物與鋼之界面的生成有TiN的氧化物系夾雜物之個數比例為氧化物系夾雜物全體之30%以上。
Description
本發明係關於轉動疲勞特性優異之軸承用鋼材及軸承零件。詳細而言，本發明係關於使用在各種產業機械或汽車等之，作為滾子、滾針、滾珠、座圈等之軸承用之轉動體使用時，發揮優異的轉動疲勞特性的軸承用鋼材，以及由如此的軸承用鋼材可得到的軸承零件。
在使用於各種產業機械或汽車等之領域的軸承用之轉動體，由徑向(與旋轉體之軸垂直方向)被施加高的重覆應力。因此，於軸承用之轉動體係要求轉動疲勞特性優異。向轉動疲勞特性之要求，其係對應於產業機械類之高性能化、輕量化，逐年變得越來越嚴格，為了軸承零件更進一步提高耐久性，所以要求於軸承用鋼材係有更良好的轉動疲勞特性。
先前，認為轉動疲勞特性係與在鋼中所產生的氧化物系夾雜物之中，亦主要是如使用了Al脫氧鋼時所產生的Al2O3等之硬質氧化物系夾雜物之個數密度有密切相關，藉由降低上述硬質氧化物系夾雜物之個數密度而
改善轉動疲勞特性。因此，在製鋼製程中，進行有降低鋼中之氧含量而改善轉動疲勞特性的嘗試。
然而近年來，隨著有關轉動疲勞特性、和氧化物系夾雜物所代表的非金屬系夾雜物之關係的研究進行，判明了氧化物系夾雜物之個數密度與轉動疲勞特性未必有相關關係。也就是，已明暸轉動疲勞特性係在非金屬系夾雜物之尺寸，例如與非金屬系夾雜物之面積之平方根有密切的相關關係，在改善轉動疲勞特性上，相較於降低非金屬系夾雜物之個數密度，將非金屬系夾雜物之尺寸變小為較有效。
於是，提案有一種方法，其並非使用如先前的Al脫氧鋼，而是極力抑制鋼中之Al含有量，同時以設為Si脫氧鋼，將產生的氧化物之組成，控制為非Al2O3主體而是設為SiO2、CaO等之主體的組成，由此，以輥軋步驟使非金屬系夾雜物延伸、切斷而降低非金屬系夾雜物之尺寸，改善轉動疲勞特性。
例如於專利文獻1中，提案有一種軸承鋼材，其特徵係將氧化物之平均組成以質量%，CaO：10~60%、Al2O3：20%以下、MnO：50%以下以及MgO：15%以下，剩餘部分由SiO2及雜質所構成，同時於鋼材之長邊方向縱剖面之10處所之100mm2之面積中所存在的氧化物之最大厚度之算術平均之值與硫化物之最大厚度之算術平均之值，各自為8.5μm以下。
另外，於專利文獻2，揭示有一種高清淨度
Si脫氧鋼材，其係於上述專利文獻1所記載之氧化物系夾雜物，以特定量含有作為先前不具有的氧化物成分的ZrO2。
另外，於專利文獻3，記載有一種彈簧用鋼和該製造方法，其係控制REM夾雜物之產生，消除氧化鋁、TiN及MnS之有害的夾雜物之不良影響，具有優異的耐疲勞特性。詳細而言係於上述專利文獻3中，記載有一種方法，其係將氧化鋁向REM-Al-O-S夾雜物改質而可防止粗大化，而且將S作為REM-Al-O-S夾雜物進行固定化而抑制粗大MnS，進而，於REM-Al-O-S之夾雜物中使TiN複合而減少有害的TiN之個數密度。
另外，專利文獻4係由本案申請人所揭示的技術。詳細而言，於上述專利文獻4，記載有一種軸承用鋼材，其係於以Si脫氧所得到的氧化物系夾雜物中含有TiO2而可抑制上述氧化物系夾雜物之結晶化，抑制母相之鋼與氧化物系夾雜物之界面所發生的空洞而可得到轉動疲勞特性極其優異的軸承用鋼材。
[專利文獻1]日本國特開2009-30145號公報
[專利文獻2]日本國特開2010-202905號公報
[專利文獻3]日本國特開2013-108171號公報
[專利文獻4]日本國特開2014-25083號公報
然而，在上述專利文獻1中，未述及關於鋼與氧化物系夾雜物之界面之空洞，因為未進行抑制空洞的努力，所以不算是可得到充分的轉動疲勞特性。
於上述專利文獻2，完全沒有關於上述界面剝離所生的空洞的記載。說起來僅是著眼於非金屬系夾雜物全體之微細化的技術，在實施例之評估，亦不過以ASTM E 45法之C系夾雜物評分之算術平均值來評估。因而，以如此的方法來製造的鋼材，未必一定可發揮優異的轉動疲勞特性。
另外，在上述專利文獻3，因為氧化物系夾雜物係由如REM或Al般的強脫氧元素所構成，未以如Si般的弱脫氧元素作為主體，所以無法抑制了在氧化物系夾雜物與鋼之界面所產生的剝離。
在軸承用鋼材的耐轉動疲勞特性之改善要求變強，於上述專利文獻4之軸承用鋼材亦被期望轉動疲勞特性更加提高。
本發明係鑑於上述情事而為者，其目的為提供一種新的軸承用鋼材，其係轉動疲勞特性非常優異，可抑制早期剝離。
關於可用以解決上述課題的本發明的轉動疲勞特性優異的軸承用鋼材，其係含有以質量%C：0.8~1.1%、Si：0.15~0.8%、Mn：0.1~1.0%、Cr：1.3~1.8%、P：超過0%，0.05%以下、S：超過0%，0.015%以下、Al：0.0002~0.005%、Ca：0.0002~0.002%、Ti：0.0005~0.010%、N：0.0030~0.010%、O：超過0%，0.0030%以下，剩餘部分係由鐵及不可避免的雜質所構成，鋼中所含有的短徑1μm以上之氧化物系夾雜物，在滿足下述(1)及(2)之要件處有要點。
(1)平均組成係以質量%含有CaO：10~50%、Al2O3：10~50%、SiO2：20~70%、TiO2：1.0~40%，剩餘部分係由雜質所構成，同時滿足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%。
(2)於前述氧化物系夾雜物與鋼之界面，生成有TiN的氧化物系夾雜物之個數比例為氧化物系夾雜物全體之30%以上。
在本發明之理想的實施例中，於上述鋼材之長邊方向平行地切斷的面所存在的前述氧化物系夾雜物之長寬比(長徑/短徑)之平均係被抑制在3.0以下。
於本發明，使用上述之軸承用鋼材所得到的軸承零件亦包含於本發明之範圍內。
如藉由本發明，則鋼材之化學成分組成及鋼
中所含有的氧化物系夾雜物之組成被適切地控制，所以可提供轉動疲勞特性極度優異，可抑制早期剝離的軸承用鋼材。如此的軸承用鋼材，其不僅作為滾子、滾針、滾珠等，主要是作為重覆賦與徑向之荷重的軸承零件之素材而為有用，而且作為被重覆賦與軸向之荷重的軸承零件之素材亦為有用，不僅是荷重之賦與方向，還可安定地改善轉動疲勞特性。
本發明者們係在揭示了前述的專利文獻4之後，亦為了提供於轉動疲勞特性更加優異的軸承用鋼材，所以更進一步重覆研討。該結果，判明了若於以Si脫氧所得到的氧化物系夾雜物與鋼之界面有生成有TiN，則該界面之密著性提高而抑制空隙，結果更加改善轉動疲勞特性。更進一步發現到為了使特定比例之TiN產生，例如將分塊輥軋、分塊鍛造、熱軋等之前所進行的加熱時之保持時間，比先前較長地控制即可，進而完成了本發明。
以下，將完成本發明的經過，以上述專利文獻4，更進一步以與上述專利文獻3之關係而詳細地說明。
本發明者們係與上述專利文獻4相同，以「即使不進行以Al所致的脫氧處理，不僅在荷重之賦與方向而且可安定地改善轉動疲勞特性，可抑制早期剝離的軸承用之Si脫氧鋼材之提供」作為目的，由提供轉動疲
勞特性之等級係較上述專利文獻4更加優異的Si脫氧鋼材之觀點，加以重覆研討。
已知以Si脫氧所得到的氧化物系夾雜物係容易變為非晶質，以熱軋等容易延伸。因此，於氧化物系夾雜物產生異向性。該結果，在鋼材之轉動疲勞特性亦產生異向性，所以不理想。另一方面，在控制氧化物系夾雜物之組成而以熱加工等之高溫區域進行結晶化，亦可成為多晶體。然而，成為多晶體的氧化物系夾雜物，其係相較於母相的鋼而變形阻抗高，所以在熱加工或冷加工時於鋼(母相)與氧化物系夾雜物之界面容易產生空隙。產生於界面的空隙，會對轉動疲勞特性帶來不良影響，所以不理想。
於是本發明者們，專心致力研討關於一種不僅以Si脫氧所得到的上述氧化物系夾雜物之組成而且藉由控制TiN之生成狀況而抑制空隙之產生的方法。該結果，發現了若在以Si脫氧所得到的上述氧化物系夾雜物與母相的鋼之界面使特定量之生成有TiN，則可抑制上述界面之剝離，轉動疲勞特性顯著地提高。
尚，關於TiN，如前述的專利文獻3所示地，多數盛行有對疲勞特性有害的報告。然而，上述報告係全部關於如專利文獻3般的在Al脫氧鋼所生成的TiN。也就是，在Al脫氧鋼的情況，因為Al2O3等「其他，MgO．Al2O3、(Ca，Al)系氧化物等亦含有」之脫氧生成物係在熔鋼中以固相生成，所以將上述脫氧生成物作為生成核而
容易生成TiN。另外，Al2O3等係因為在熔鋼中凝聚而容易粗大化，所以在Al2O3等生成的TiN亦有粗大化的傾向。該結果，可認為Al2O3等之上述脫氧生成物和由TiN所構成的複合夾雜物係有粗大化的傾向，會對轉動疲勞特性帶來不良影響。另外，為了將粗大化的Al2O3等之大部分以TiN被覆，此係有使大量的生成有TiN的必要，反而招致複合夾雜物之粗大化，對轉動疲勞特性帶來不良影響。再加上，於無法以TiN被覆的Al2O3等之氧化物系夾雜物與鋼之界面係因為產生剝離，所以該剝離成為原因而鋼材之轉動疲勞特性下降。
如此即使在先前以來，著眼於氧化物系夾雜物與鋼之界面生成有TiN的技術係有多數揭示，但都是如專利文獻3所示般的以Al脫氧鋼設為對象者，無法揭示著將有害的TiN之個數密度降低而無害化的技術。在上述專利文獻3之方法中，無法在對轉動疲勞特性有害的氧化物系夾雜物與鋼之界面所生成的剝離加以抑制。
相對於此，在本發明中將Si脫氧鋼作為對象，如Al2O3般的容易粗大化的脫氧生成物係不生成。詳細如後述而本發明之鋼材，其係生成以特定範圍含有SiO2，滿足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%的脫氧生成物。這些脫氧生成物，其係與以Al2O3等之Al脫氧所生成的脫氧生成物相比為低融點，在熔鋼中難以凝聚，有難以粗大化的傾向。因此，即使將以Si脫氧所生成的脫氧生成物作為生成核而生成TiN而形成複合夾雜物，該複合夾雜
物仍是保持在較微細的狀況。另外，TiN，眾所皆知其係與晶體結構為bcc的α-Fe之晶格匹配性優異。因此，藉由TiN，上述複合夾雜物與鋼之密著性變良好，該結果，可認為能抑制上述複合夾雜物與鋼之界面之剝離。該結果，判明了轉動疲勞特性有飛躍性的改善的傾向。
尚，為了確保特定量之TiN，其係如前述般的在分解輥軋等之前所進行的加熱時之保持時間，有較先前更長地進行的必要。此點，在上述專利文獻4，其係為了改善轉動疲勞特性，著眼於將以Si脫氧鋼所得的氧化物系夾雜物維持在非晶質體之情事，上述加熱時之保持時間係與先前相同，完全未進行特別的關注。當提高在上述專利文獻4的轉動疲勞特性之等級，本發明者們研討的結果，判明若將至今未留意，把上述加熱時之保持時間以長於先前的方式進行，則於上述氧化物系夾雜物與鋼之界面生成TiN，氧化物系夾雜物與鋼之界面之密著性提高而可抑制空隙，更加改善轉動疲勞特性，進而完成本發明。
以下，關於本發明之軸承用鋼材詳細地說明。如上述般的有關本發明的轉動疲勞特性優異的軸承用鋼材，其特徵係以質量%，含有C：0.8~1.1%、Si：0.15~0.8%、Mn：0.1~1.0%、Cr：1.3~1.8%、P：超過0%，0.05%以下、S：超過0%，0.015%以下、Al：0.0002~0.005%、Ca：0.0002~0.002%、Ti：0.0005~0.010%、N：0.0030~0.010%、O：超過0%，0.0030%以下，剩餘部分係由鐵及不可避免的雜質所構成，鋼中所含有的短徑1μm以上之氧化物系夾雜物，
在滿足下述(1)及(2)之要件。
(1)平均組成係以質量%含有CaO：10~50%、Al2O3：10~50%、SiO2：20~70%、TiO2：1.0~40%，剩餘部分係由雜質所構成，同時滿足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%。
(2)於前述氧化物系夾雜物與鋼之界面有生成有TiN的氧化物系夾雜物之個數比例為30%以上。
首先，關於鋼中成分進行說明。
C係使淬火硬度增大，用以維持在室溫、高溫的強度而賦與耐磨耗性之必需之元素。為了使如此的效果發揮，C係至少有含有0.8%以上的必要。然而，若C含有量超過1.1%而成為過剩，則於軸承之芯部變得容易生成巨大碳化物，成為對轉動疲勞特性帶來不良影響。C含有量之理想下限係0.85%以上，較理想為0.90%以上。另外，C含有量之理想上限係1.05%以下，較理想為1.0%以下。
Si係除了作為脫氧元素有效地作用以外，具有提高淬火、回火軟化阻抗而提高硬度的作用。為了有效地發揮如此的效果，Si含有量係有設為0.15%以上的必要。然而，若Si含有量變得過剩而超過0.8%，則不僅於鍛造時模具壽命下降，而且變得招致成本增加。Si含有量之理想下限
係0.20%以上，較理想為0.25%以上。另外，Si含有量之理想上限係0.7%以下，較理想為0.6%以下。
Mn係使鋼材基質之固溶強化及淬火性提高的元素。若Mn含有量係低於0.1%則該效果不發揮，若高於1.0%則為低級氧化物的MnO含有量增加，除了使轉動疲勞特性惡化以外，加工性或切削性顯著下降。Mn含有量之理想下限係0.2%以上，較理想為0.3%以上。另外，Mn含有量之理想上限係0.8%以下，較理想為0.6%以下。
Cr係藉由淬火性之提高和安定的碳化物之形成，使強度及耐磨耗性提高，由此而對轉動疲勞特性之改善為有效的元素。為了發揮如此的效果，Cr含有量係有設為1.3%以上的必要。然而，若Cr含有量變得過剩而超過1.8%，則碳化物粗大化，使轉動疲勞特性及切削性下降。Cr含有量之理想下限係1.35%以上，較理想為1.4%以上。另外，Cr含有量之理想上限係1.7%以下，較理想為1.6%以下。
P係於晶界偏析而對轉動疲勞特性帶來不良影響的雜質元素。特別是，若P含有量超過0.05%，則轉動疲勞特
性之下降變得顯著。因而，P含有量係有控制在0.05%以下的必要。理想係設0.03%以下，較理想係設0.02%以下者為佳。尚，P係於鋼材不可避免地含有的雜質，將該量設為0%之情事係在工業生產上為困難。
S係形成硫化物的元素，若該含有量超過0.015%，則因為粗大的硫化物殘存，所以轉動疲勞特性劣化。因而，S之含有量係有控制在0.015%以下的必要。由轉動疲勞特性之提高的觀點，S含有量係越低越好，理想係設為0.007%以下，較理想係設為0.005%以下為佳。尚，S係於鋼材不可避免地含有的雜質，將該量設為0%之情事係在工業生產上為困難。
Al係脫氧元素，為了控制氧化物系夾雜物之平均組成，所以有控制Al之含有量的必要。在本發明係因為進行以Si所致的脫氧，所以如Al脫氧鋼般的以氧化精鍊後之Al添加所致的脫氧處理係不進行。若Al含有量變多，超過0.005%，則將Al2O3設為主體的硬質的氧化物之生成量變多，而且輥軋後亦作為粗大的氧化物而殘存，所以轉動疲勞特性劣化。因而，將Al含有量之上限設為0.005%以下。Al含有量，理想為0.002%以下、較理想為0.0015%以下。但是，若Al含有量未達0.0002%，則氧化
物中之Al2O3含有量變得過少，多量地含有SiO2的氧化物系夾雜物生成而轉動疲勞特性劣化。另外，為了將Al含有量控制於未達0.0002%，其係為了抑制Al之混入，所以不僅鋼中成分，助熔劑中之Al2O3含有量亦有變少的必要，但在為高碳鋼的軸承鋼中Al2O3含有量少的助熔劑非常高價而並不經濟。因而，將Al含有量之下限設為0.0002%。理想為0.0003%以上、較理想為0.0005%以上。
Ca係控制氧化物中之CaO含有量，對於改善轉動疲勞特性為有效。為了使如此的效果發揮，Ca含有量係設為0.0002%以上。然而，若Ca含有量過剩而超過0.002%，則在氧化物組成的CaO之比例變得過高，氧化物粗大化而轉動疲勞特性下降。因而，Ca含有量係設為0.002%以下。Ca含有量之理想下限係0.0003%以上，較理想為0.0005%以上。另外，Ca含有量之理想上限係0.0015%以下，較理想為0.0010%以下。
Ti係賦與本發明特徵的元素。藉由添加特定量之Ti，於氧化物系夾雜物與鋼之界面生成特定量之TiN，可抑制上述界面之剝離。該結果，改善轉動疲勞特性。而且，可控制氧化物系夾雜物中之TiO2濃度，對於長寬比之降低化(詳細於後述。)亦為有效地作用，轉動疲勞特性
更加提高。為了得到如此的效果，Ti含有量係有設為0.0005%以上的必要。但是，Ti之含有量變多而超過0.010%，則TiN變得粗大化，同時招致TiO2系氧化物之粗大化，轉動疲勞特性惡化。因而，將Ti含有量之上限設為0.010%以下。Ti含有量之理想下限係0.0008%以上，較理想為0.0011%以上。另外，Ti含有量之理想上限係0.0050%以下，較理想為0.0030%以下。
N係與上述Ti相同，為賦與本發明特徵的元素。藉由添加特定量之N，於氧化物系夾雜物與鋼之界面生成TiN，可抑制上述界面之剝離。該結果，改善轉動疲勞特性。為了得到如此的效果，N含有量係有設為0.0030%以上的必要。但是，若N之含有量變多而超過0.010%，則因為TiN變得粗大化，所以轉動疲勞特性惡化。因而，N含有量之上限係設為0.010%以下。N含有量之理想下限係0.0035%以上，較理想為0.004%以上。另外，N含有量之理想上限係0.008%以下，較理想為0.007%以下。
O係不理想的雜質元素。若O之含有量變多而超過0.0030%，則粗大的氧化物變得容易生成，在熱軋及冷軋後亦作為粗大的氧化物而殘存，對轉動疲勞特性帶來不良影響。因而，O含有量之上限係設為0.0030%以下。為了
改善轉動疲勞特性，其係儘可能降低O含有量為佳，例如O含有量之理想的上限為0.0025%以下，較理想為0.0020%以下。尚，O含有量之下限，其係由轉動疲勞特性改善之觀點係不特別限定，若考慮經濟性，則理想為0.0004%以上，較理想為0.0008%以上。因為為了將O含有量控制在未達0.0004%，其係有必要仔細地進行由熔鋼除去O，但因熔鋼處理時間變長等而並不經濟。
含有於本發明的元素係如上所述，剩餘部分係鐵及不可避免的雜質。作為上述不可避免的雜質，可舉出依原料、資材、製造設備等之狀況而帶入的元素，可容許例如As、H、Ni等之混入。
接著，關於存在於鋼材中的氧化物系夾雜物而進行說明。在如前述般的本發明，其特徵係含有於鋼中的短徑1μm以上之氧化物系夾雜物係滿足下述(1)及(2)之要件。
(1)平均組成係以質量%含有CaO：10~50%、Al2O3：10~50%、SiO2：20~70%、TiO2：1.0~40%，剩餘部分係由雜質所構成，同時滿足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%。
(2)於前述氧化物系夾雜物與鋼之界面，生成有TiN的氧化物系夾雜物之個數比例為氧化物系夾雜物全體之30%以上。
在本發明中，特別是著眼於短徑1μm以上之氧化物系夾雜物的理由係依以下所述。也就是，轉動疲勞
特性係一般而言，氧化物系夾雜物之尺寸越大，不良影響越大。於是，有對轉動疲勞特性帶來不良影響的可能性，為了評估尺寸大的氧化物系夾雜物，所以設為控制上述尺寸之氧化物系夾雜物。
以下，依序說明。
CaO係對將SiO2設為主體的氧化物之液相線溫度下降為有效。因此，有抑制氧化物之粗大化，於氧化物系夾雜物與鋼之界面使生成有TiN的效果。該結果，改善轉動疲勞特性。另外，於CaO係有將氧化物系夾雜物結晶化的效果。因此，於氧化物系夾雜物之長寬比降低擔任重要的角色。如此的效果，其係藉由將在氧化物系夾雜物的平均組成的CaO含有量控制於10%以上而可得。然而，若CaO含有量過高，則因為氧化物系夾雜物粗大化而轉動疲勞特性會惡化，所以有將該上限設為50%以下的必要。氧化物系夾雜物中所佔的CaO含有量之理想下限為20%以上，較理想為25%以上。另外，CaO含有量之理想上限係45%以下，較理想為40%以下。
Al2O3係有將SiO2設為主體的氧化物之液相線溫度下降的效果。因此，有抑制氧化物之粗大化，於氧化物系夾雜物鋼與鋼之界面使生成有TiN的效果。該結果，改善轉
動疲勞特性。另外，於Al2O3係有將氧化物系夾雜物結晶化的效果。因此，於氧化物系夾雜物之長寬比降低擔任重要的角色。如此的效果，其係藉由將在氧化物系夾雜物的平均組成的Al2O3含有量控制於10%以上而可得。另一方面，在氧化物系夾雜物之平均組成的Al2O3含有量若超過50%，則在熔鋼中及凝固過程Al2O3(剛玉)結晶相析出結晶、同時與MgO一起MgO．Al2O3(尖晶石)結晶相析出結晶。這些固相為硬質，作為粗大的夾雜物存在，在加工中空洞變得容易生成，使轉動疲勞特性惡化。由這些觀點，在氧化物系夾雜物之平均組成的Al2O3含有量係有設為50%以下的必要。在氧化物系夾雜物的Al2O3含有量之理想下限為20%以上，較理想為25%以上。另外，Al2O3含有量之理想上限係45%以下，較理想為40%以下。
SiO2係有將氧化物系夾雜物之液相線溫度下降的效果。因此，有抑制氧化物之粗大化，於氧化物系夾雜物與鋼之界面使生成有TiN的效果。該結果，改善轉動疲勞特性。為了使如此的效果有效的發揮，其係有於氧化物系夾雜物中使SiO2含有20%以上的必要。然而，若SiO2含有量超過70%，則氧化物粗大化而轉動疲勞特性惡化。另外，因為氧化物延伸而長寬比變大，所以轉動疲勞特性惡化。在氧化物系夾雜物的SiO2含有量之理想下限為25%以上，較理想為30%以上。另外，SiO2含有量之理想上限
係60%以下，較理想為45%以下。
TiO2係有將SiO2設為主體的氧化物之液相線溫度下降的效果。因此，有抑制氧化物之粗大化，於氧化物系夾雜物與鋼之界面使生成有TiN的效果。該結果，改善轉動疲勞特性。如此的效果，其係藉由將在氧化物系夾雜物的平均組成的TiO2含有量控制於1.0%以上而可得。然而，若TiO2含有量過高，則因為氧化物系夾雜物粗大化而轉動疲勞特性會惡化，所以有將該上限設為40%以下的必要。在氧化物系夾雜物的TiO2含有量之理想下限為3%以上，較理想為5%以上。另外，TiO2含有量之理想上限係35%以下，較理想為30%以下。
如上述般CaO、Al2O3、SiO2以及TiO2，係在本發明的氧化物系夾雜物之主要成分，控制各自之含有量，但在本發明中，亦更進一步有適切地控制這些之合計量的必要。藉由這些成分，於氧化物系夾雜物與鋼之界面使特定比例之生成有TiN而可抑制界面之剝離，改善轉動疲勞特性。在上述之合計量未達60%，其係氧化物粗大化，無法充分得到由TiN所致的上述界面控制，轉動疲勞特性會惡化。上述合計量係越多越好，理想的下限係65%以上，較理想為70%以上。尚，該上限係無特別限定，例如100%
亦可。
所謂於上述界面所生成的TiN，其係如後述的實施例之欄所示地，意味著該氧化物系夾雜物、與為母相的鋼(鋼材之基地相)之界面所生成的TiN。此TiN係對轉動疲勞特性之改善非常重要，以於上述界面生成有TiN，而抑制氧化物系夾雜物與為母相的鋼之界面之剝離。對轉動疲勞特性有害的界面剝離被抑制的結果，會改善轉動疲勞特性。於得到如此的效果，其係將於上述界面所生成的TiN之個數比例設為30%以上。上述TiN之個數比例係越多越好，理想的下限係40%以上，較理想為50%以上。尚，該上限係無特別限定，例如100%亦可。
生成有TiN的上述氧化物系夾雜物之個數比例之測定方法，其係以後述的實施例之欄中進行詳細敘述。
被含有於本發明鋼材的氧化物，其係以CaO、Al2O3、SiO2以及TiO2、構成，剩餘部分為雜質。作為在氧化物系夾雜物的雜質，其係可舉出在製造過程等不可避免的含有的雜質。雜質係對氧化物系夾雜物之結晶化狀態或長寬比等帶來不良影響，在所期望的特性可得到的限度可含有，但作為雜質全體(合計量)，大致上控制在
20%以下為理想。具體而言，例如可將REM2O3、MgO、MnO、ZrO2、Na2O、K2O、Li2O、Cr2O3、NbO、FeO、Fe3O4、Fe2O3，各自以10%以下之範圍含有。尚，在本發明，所謂REM，其係意味著含有鑭系元素(由La至Lu之15種元素)以及Sc(鈧)和Y(釔)。在這些元素之中，含有由La、Ce及Y所形成的群中選擇至少1種之元素為理想，較理想為含有La以及/或是Ce者為佳。
更進一步，在本發明中，藉由如上述地將鋼中成分及氧化物組成適切地控制，成為於上述鋼材之長邊方向平行地切斷的面所存在的氧化物系夾雜物之長寬比(長徑/短徑)之平均(以下，有僅稱為長寬比的情況)被降低至3.0以下。由此，可無關於荷重之賦與方向而安定地改善轉動疲勞特性。上述長寬比係越小越好，大致上為2.5以下為理想，2.0以下為更理想。
長寬比之測定方法，在後述的實施例之欄詳細敘述。
接著，關於製造上述鋼材的方法進行說明。在本發明中，以特別可得特定之氧化物之方式，特別留意於熔製步驟、更進一步係熱加工之各步驟而製造即可，此外之步驟係可適宜地選擇於軸承用鋼之製造中通常使用的方法來適用。
用以得到上述氧化物組成的理想的熔製方法係如以下所述。
首先在熔製鋼材時，不進行在通常所實施的
以添加Al所致的脫氧處理，而是實施以添加Si所致的脫氧。於此之熔製時，為了控制CaO及Al2O3之各含有量，所以各自將含有於鋼中的Al含有量如上所述，控制在0.0002~0.005%、將Ca含有量如上述控制在0.0002~0.002%。
另外，TiN之理想的控制方法係如以下所述。首先，依照尋常方法而於熔製時，於鋼中所含有的Ti含有量係以依上述控制在0.0005~0.010%、N含有量係依上述控制在0.0030~0.010%之範圍內之方式，添加Ti、N即可。Ti之添加方法係不特別限定，例如亦可添加含有Ti的鐵系合金而調整，或者是亦可藉由爐渣組成之控制而控制熔鋼中之Ti濃度。N之添加方法亦不特別限定，亦可添加含有N的合金而調整，或是亦可將熔鋼以氣體攪拌時使用氮而控制，亦可控制與熔鋼接觸的氣相中之氮分壓。
更進一步，為了於氧化物系夾雜物與鋼之界面使特定量之生成有TiN，在分解輥軋、分解鍛造、或是熱軋之至少任一之步驟之前所進行的加熱(約700~1300℃)時，將保持時間控制在一定以上為有效。例如，於在分解輥軋或分解鍛造前所進行的加熱時之保持時間，較先前(大致在1~1.5小時左右)更長，控制在約2.0小時以上為有效。保持時間係越長越好，例如2.5小時以上為理想，3.0小時以上為較理想。尚，該上限係無特別限定，但若考慮製造效率等，則大致上控制在20.0小時以下為理想。尚，上述保持時間之範圍，其係因為依各步驟而保持
溫度有差異，所以推薦設定保持溫度之相應的理想保持時間。
另外，作為TiO2之控制方法係無特別限定，根據在該技術範圍通常被使用的方法，於熔製時，被含有於鋼中的Ti含有量係以依上述控制在0.0005~0.010%之範圍內之方式來添加即可。Ti之添加方法係不特別限定，例如亦可添加含有Ti的鐵系合金而調整，或者是亦可藉由爐渣組成之控制而控制熔鋼中之Ti濃度。
尚，SiO2係藉由將其他之氧化物以如上述之方式來控制而得者。
在本發明中，對於如上述般的控制化學成分組成的鋼材，依照一般方法，進行了輥軋及球狀化退火後，進行熱加工或冷加工。
如此進行而得到本發明之鋼材後，作為特定之零件形狀，若進行淬火.回火，就可得到本發明之軸承零件。關於鋼材階段之形狀，亦包含如可適用於如此進行的製造般的線狀‧棒狀之任一者，該尺寸亦可按照最終製品而適宜地決定。
作為上述軸承零件，例如可舉出滾子、滾針、滾珠、座圈等。
以下，藉由實施例而更具體地說明本發明，但本發明係不因下述實施例而受限，可在可適合前‧後述之趣旨的範圍加以變更而實施，其均被包含在本發明之技術上的範圍。
使用小型溶解爐(容量170kg/lch)，熔製下述表1所示的各種化學成分組成之供試鋼(剩餘部分係鐵及不可避免的雜質)，製作鑄片(鑄片上部之直徑為 245mm、鑄片下部之直徑為 210mm，鑄片之高度為480mm)。於熔製時係使用MgO系耐火物之澆桶，不進行通常實施的Al脫氧處理，使用C、Si、Mn及Cr而調整了熔鋼之溶氧量之後，除了下述一部分之例以外，將Ti源、Ca源以此順序投入，控制Ti含有量、Ca含有量。
鋼材No.49係為了比較，實施了以Al添加所致的脫氧處理。另外，鋼材No.36係添加Ca源，同時添加了Mg合金。該結果，在鋼材No.36係氧化物系夾雜物之MgO濃度變高，如表2所示地CaO+Al2O3+SiO2+TiO2之合計量變低。此時，氧化物系夾雜物中之MgO之含有量，其係藉由於熔製時將含有MgO的耐火物使用於熔解爐或精鍊容器、搬送容器等而調整。例如，以調整合金投入後之熔製時間而調整氧化物系夾雜物中之MgO含有量。
尚，在本實施例中，作為前述Ca源而將Ni-Ca合金，作為前述Ti源而將Fe-Ti合金，加以各自使用。另外，N係控制環境中之氮分壓，同時於Ti源添加
前添加氮化錳來調整。
將如此進行而得到的鑄片，在加熱爐中加熱至1100~1300℃之溫度，在此溫度範圍(保持溫度範圍)，保持至表2所記載之「加熱爐保持時間」後，以900~1200℃之溫度進行分塊輥軋。在本實施例中，為了使氧化物系夾雜物與鋼之界面使特定量之生成有TiN，在加熱鑄片的上述加熱爐中將鑄片加熱保持2.0小時以上。之後，在加熱爐中加熱至830~1200℃之溫度，將鋼材保持1.0小時後，以830~1100℃之溫度實施熱軋，得到 65mm之熱軋材料。
將上述熱軋材料，以760~800℃之溫度加熱2~8小時後，以10~15℃/小時之平均冷卻速度冷卻至(Ar1變態點-60℃)之溫度後在大氣放置冷卻(球狀化退火)，使球狀化雪明碳鐵分散而得到球狀化退火材料。如此進行而由所得到的球狀化退火材料切出 60mm、厚30mm之試驗片，以840℃之溫度30分鐘加熱後，進行油淬火，接著以160℃之溫度進行120分鐘回火，製作氧化物系夾雜物之平均組成測定用試驗片。
關於如此進行而得到的各試驗片，由直徑D
之1/4之位置於輥軋方向平行地切斷的面，切出1個20mm×20mm之微試料，研磨剖面。將研磨面使用日本電子DATUM公司製之電子束微探針X光分析計(Electron Probe X-ray Micro Analyzer：EPMA、商品名「JXA8500F」)而觀察，關於短徑為1μm以上之氧化物系夾雜物，將成分組成進行定量分析。此時，將觀察面積設為100mm2(研磨面)，在氧化物系夾雜物之中央部之成分組成，藉由特性X光之波長色散分光而進行定量分析。分析對象元素，其係設為Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(氧)，使用已知物質而將各元素之X光強度與元素濃度之關係事先作為校正曲線而先求出，由設為分析對象的上述氧化物系夾雜物所得到的X光強度與上述校正曲線，將各微試料所含有的元素量進行定量，將該結果進行算術平均而求出夾雜物之平均組成。如此進行而得到的定量結果之中，將氧含量為5%以上之夾雜物設為氧化物。此時，由一個夾雜物觀測到複數之元素的情況，其係由顯示該群元素之存在的X光強度之比換算為各元素之單獨氧化物而算出氧化物之組成。在本發明中，將作為上述單獨氧化物而進行質量換算者進行平均，設為氧化物之平均組成。尚，REM之氧化物，其係若將金屬元素以M表示，則於鋼材中以M2O3、M3O5，MO2等之形態存在，但在本實施例係將所觀測的全部之氧化物換算為M2O3而算出REM氧化物之平均組成。
使用上述氧化物系夾雜物平均組成測定用試驗片，將短徑為1μm以上之任意之氧化物系夾雜物(分析對象元素係Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(氧))選擇100個，測定各自之長徑與短徑，算出各自之氧化物系夾雜物之長寬比(=長徑/短徑)。將該結果進行算術平均而求出氧化物系夾雜物之平均之長寬比。
使用上述氧化物系夾雜物平均組成測定用試驗片，關於觀察面積100mm2(研磨面)，首先，使用電子束微探針X光分析計，在短徑為1μm以上之氧化物系夾雜物(分析對象元素係Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(氧)，選擇5個氧含量為5%以上之夾雜物。關於5個氧化物系夾雜物之選定基準，在觀察面積100mm2之中所存在的氧化物系夾雜物中，由該尺寸最大依序選5個。選定氧化物系夾雜物為最大者的理由，其係因為轉動疲勞特性係可謂氧化物系夾雜物之尺寸越大不良影響度就越大。尚，氧化物系夾雜物之尺寸，其係以表示於上述觀察面的氧化物系夾雜物之面積而比較大小。之後，關於對象之氧化物系夾雜物，薄片化至藉由FIB法(Focused Ion Beam，聚焦離子束加工法)而TEM可觀察氧化物系夾雜物的厚度。裝置係使用日立製作所製之聚焦離
子束加工觀察裝置FB2000A，加速電壓30kV，離子源係使用Ga。之後，將薄片化的氧化物系夾雜物以TEM觀察。裝置係使用日本電子製之電場發射型透過電子顯微鏡JEM-2010F，以Noran製EDX(Energy dispersive X-ray spectrometry)分析裝置Vantage，對氧化物系夾雜物與鋼之界面實施EDX分析。分析對象元素係設為Ca、Al、Si、Ti、Ce、La、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr，選定Ti濃度為30%以上之相，進行對於該相藉由電子束繞射所致的鑑定解析，將表示立方晶之晶體結構者判斷為TiN。此時，於對象之氧化物系夾雜物與鋼之界面(氧化物系夾雜物、與母相的鋼(鋼材之基地相)之界面)生成有TiN的情況(也就是，作為TiN判斷的上述方法已認定TiN存在的情況)，判斷為於氧化物系夾雜物與鋼之界面有生成有TiN的氧化物系夾雜物，測定存在於已測定的5個氧化物系夾雜物中的上述生成有TiN的氧化物系夾雜物之個數比例。
以上述(3)所得到的球狀化退火材料切出 60mm、厚度6mm之試驗片，以840℃之溫度30分鐘加熱後，進行油淬火，接著以160℃之溫度進行120分鐘回火。最後施以最終研磨，製作表面粗糙度Ra 0.04μm以下之軸向轉動疲勞試驗片。使用如此進行而得到的軸向轉動疲勞試驗片，用軸向疲勞試驗機(軸向型轉動疲勞試驗機「FJ-5T」、富士試驗機製作所製)，以負荷速度1200rpm、鋼
球數3個、面壓5.24GPa、中止次數2億次之條件實施軸向轉動疲勞試驗。
作為轉動疲勞壽命之尺度，通常，使用疲勞壽命L10(達到在累積破損機率10%的疲勞破壞之應力重覆數，以下有稱為「L10壽命」的情況)。詳細而言，所謂L10係在將試驗結果畫線於韋伯機率紙而得到的累積破損機率10%的到達疲勞破壞之重覆數之意思(參照「軸承」、岩波全書、曾田範宗著)。關於各鋼材，使用16個試料而進行上述之試驗而決定L10壽命。接著，求出相對於先前鋼之鋼材No.49之L10壽命(1.2×107次)的各鋼材之L10壽命之壽命比，以下述基準評估。
‧不可(轉動疲勞壽命差)：L10壽命未達5.4×107次(未達4.5倍之壽命比)
‧可(轉動疲勞壽命優異)：L10壽命5.4×107次以上、未達6.0×107次(4.5倍以上、未達5.0倍之壽命比)
‧良(轉動疲勞壽命特別優異)：L10壽命6.0×107次以上、未達6.5×107次(5.0倍以上、未達5.4倍之壽命比)
‧優(轉動疲勞壽命更特別優異)：L10壽命6.5×107次以上(5.4倍以上之壽命比)
尚，上述合格基準之最低等級「可」之壽命比(4.5倍以上)，其係超過在前述的專利文獻4之實施例中可得之最高壽命比的表2之試驗No.11、試驗No.35(壽命比3.5倍)者，在本實施例係設定有較上述專利文獻4更高的合格基準。
將這些結果記載於表2。尚，表2之試驗No.係表示使用了相同數字之表1之鋼材No.。另外，表中「E+07」係「×107」之意思，「E+06」係「×106」之意思。
由這些之結果，可如下述的方式進行考察。
首先，可了解表2之試驗No.8~12、15~19、
22~24、27~29、32~35、38~46、48，任一均為滿足在本發明規定的化學成分組成(鋼材之化學成分組成及氧化物組成)及TiN之個數比例的例子，因為氧化物系夾雜物之長寬比亦被合適地控制，所以轉動疲勞壽命優異。
尚，在本實施例中，測定在軸向之轉動疲勞特性，但因為本發明之鋼材係長寬比小，所以可推想徑向之轉動疲勞特性亦為良好。
相對於此，以下之試驗No.係因為不滿足本發明之任一之要件，所以轉動疲勞特性低下。
試驗No.1係使用了鋼中C量多的表1之鋼材No.1之例、試驗No.2係使用了鋼中Mn量多的表1之鋼材No.2之例、試驗No.3係使用了鋼中Cr量多的表1之鋼材No.3之例、試驗No.4係使用了鋼中Cr量少的表1之鋼材No.4之例、試驗No.5係使用了鋼中P多的表1之鋼材No.5之例、試驗No.6係使用了鋼中S量多的表1之鋼材No.6之例，任一均為轉動疲勞特性低下。
試驗No.7係使用了Al含量過剩之表1之鋼材No.7之例，氧化物中之Al2O3含量變高，轉動疲勞特性低下。
另一方面，試驗No.13係使用了Al含量、Ca含量、Ti含量不足的表1之鋼材No.13之例。在上述試驗No.13係因為Al、Ca、Ti之各氧化物全部不合於本發明所規定的範圍，同時TiN亦不生成，亦不合於氧化物系夾雜物之長寬比，所以轉動疲勞特性低下。
試驗No.14係使用了Ca含量多的表1之鋼材No.14之例，氧化物中之CaO含有量多，轉動疲勞特性低下。
另一方面，試驗No.20係使用了Ca含量少的表1之鋼材No.20之例，氧化物中之CaO含有量少，轉動疲勞特性低下。
試驗No.21係使用了Ti含有量多的表1之鋼材No.21之例，氧化物中之TiO2含量多，轉動疲勞特性低下。
另一方面，試驗No.25係使用了Ti含量少的表1之鋼材No.25之例，因為氧化物中之TiO2含量少，TiN亦不生成，所以轉動疲勞特性低下。
試驗No.26係使用了N含量多的表1之鋼材No.26之例，轉動疲勞特性低下。
試驗No.30係使用了N含量少的表1之鋼材No.30之例，因為特定之TiN不生成，所以轉動疲勞特性低下。
試驗No.31係使用了O含量多的表1之鋼材No.30之例，轉動疲勞特性低下。
試驗No.36係使用了(CaO+Al2O3+SiO2+TiO2)之合計量少的表1之鋼材No.36之例，因為特定之TiN不生成，所以轉動疲勞特性低下。
試驗No.37係加熱爐之保持時間短之例，因為特定之TiN不生成，所以轉動疲勞特性低下。
試驗No.47係因為在Al濃度較高的狀態中熔製時間長，所以會進行熔鋼中之Al與氧化物夾雜物中之SiO2之氧化還原反應，SiO2含量不足，轉動疲勞特性低下。
試驗No.49係使用了以Al脫氧處理所得的表1之鋼材No.49(先前之鋁鎮靜鋼)之例，Al含量變得過剩而氧化物中之Al2O3含量變得非常高，設為期望的TiO2等完全不生成，而且因為特定之TiN亦不生成，所以轉動疲勞特性低下。
已將本發明詳細或參照特定之實施態樣而說明，但不逸脫本發明之精神和範圍而可加以各式各樣的變更或修正，此係為該業者可自明。
本申請係基於2015年1月23日申請之日本專利申請(日本特願2015-011560)，該內容係於此作為參照而置入。
本發明之軸承用鋼材係具有優異的轉動疲勞特性，作為滾子或滾針、滾珠、座圈等之軸承用之轉動體而為有用。
Claims (3)
- 一種軸承用鋼材，其係轉動疲勞特性優異，其特徵為以質量%，含有C：0.8~1.1%、Si：0.15~0.8%、Mn：0.1~1.0%、Cr：1.3~1.8%、P：超過0%，0.05%以下、S：超過0%，0.015%以下、Al：0.0002~0.005%、Ca：0.0002~0.002%、Ti：0.0005~0.010%、N：0.0030~0.010%、O：超過0%，0.0030%以下，剩餘部分係由鐵及不可避免的雜質所構成，鋼中所含有的短徑1μm以上之氧化物系夾雜物，滿足下述(1)及(2)之要件。(1)平均組成係以質量%含有CaO：10~50%、Al2O3：10~50%、SiO2：20~70%、TiO2：1.0~40%，剩餘部分係由雜質所構成，同時滿足CaO+Al2O3+SiO2+TiO2≧60%，(2)於前述氧化物系夾雜物與鋼之界面有生成有TiN的氧化物系夾雜物之個數比例為氧化物系夾雜物全體之30%以上。
- 如請求項1之軸承用鋼材，其中，在前述鋼材之長邊方向平行地切斷的面所存在的前述氧化物系夾雜物之長寬比(長徑/短徑)之平均為抑制在3.0以下。
- 一種軸承零件，其特徵為由如請求項1或2之軸承用鋼材所構成。
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