TWI491743B - Rotational fatigue characteristics of the bearing steel and bearing parts - Google Patents

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Description

轉動疲勞特性優異的軸承用鋼材及軸承零件
本發明係有關作為用於各種產業機械或汽車等之軸承用的轉動體(滾子、針、滾珠、座圈等)使用時，發揮優異的轉動疲勞特性的軸承用鋼材，及由如此般軸承用鋼材所得到的軸承零件。
對用於各種產業機械或汽車等領域之軸承用的轉動體(滾子、針、滾珠、座圈等)，來自徑向方向(與旋轉體之軸為垂直方向)被賦予高的重複應力。因此，對於軸承用的轉動體，要求著優異的轉動疲勞特性。對轉動疲勞特性之要求，為因應產業機械類的高性能化、輕量化，逐年變得嚴苛，為了提昇軸承零件之更進一步的耐久性，對於軸承用鋼材要求著更進一層良好的轉動疲勞特性。
以往，轉動疲勞特性，在鋼中所生成的氧化物系夾雜物之中，主要如使用Al脫氧鋼時所生成的Al2 O3 等之類，其係與硬質氧化物系夾雜物的個數密度有深切關係，因而藉由降低上述硬質氧化物系夾雜物的個數密度， 係認為可改善轉動疲勞特性。因此，在製鋼製程中，已嘗試有降低鋼中的氧含有量後來改善轉動疲勞特性。
不過，在近年持續有關於轉動疲勞特性與氧化物系夾雜物所代表之非金屬系夾雜物之研究中，清楚得知氧化物系夾雜物的個數密度與轉動疲勞特性不一定有相關連之關係。即，轉動疲勞特性係與非金屬系夾雜物的尺寸，例如與非金屬系夾雜物之面積的平方根有密切的相關連關係，為了改善轉動疲勞特性，與其降低非金屬系夾雜物的個數密度，還不如使非金屬系夾雜物的尺寸變小更為有效，此屬明確。
於是，提案著非使用如以往般的Al脫氧鋼，以極力控制鋼中的Al含有量之同時，藉由使成為Si脫氧鋼，將生成的氧化物之組成控制成非Al2 O3 為主體，而是使SiO2 、CaO等為主體的組成，據此，用軋延步驟將使非金屬系夾雜物延伸、分斷以降低非金屬系夾雜物的尺寸，成為改善轉動疲勞特性之方法。
例如在專利文獻1中提案一種軸承鋼材，其特徵係氧化物之平均組成，以質量%為CaO：10~60%、Al2 O3 ：20%以下、MnO：50%以下及MgO：15%以下，且殘餘部分由SiO2 及雜質所構成之同時，在鋼材之縱軸方向縱斷面之10部位的100mm2 的面積中，所存在的氧化物之最大厚度的算術平均值，與硫化物之最大厚度的算術平均值，分別為8.5μm以下。作為製造如此般軸承鋼材之方法，揭示著在二次鍊製的過程中，嚴密的控制爐渣 (slag)的主要構成成分，且將氧化物微細化之同時，對於經由一般的壓下作延伸、分斷為困難的硫化物，係藉由降低S量，且適當地控制壓下比或加工溫度等之壓下條件，不僅是氧化物亦可使硫化物能延伸、分斷之方法。
又，專利文獻2中揭示著一種高潔淨度Si脫氧鋼材，其係在上述專利文獻1所記載之氧化物系夾雜物中，含有指定量的前所未有的ZrO2 作為氧化物成分。又，依據上述專利文獻2，記載著：「該ZrO2 若以少量，則有助於上述氧化物系夾雜物之非晶質相的維持，若形成含有ZrO2 的結晶相之情形時，有抑制其他的結晶相之形成之效果。因此，用熱軋延及冷鍛造性軋延步驟而所殘留之氧化物系夾雜物，較以往更能確實的分斷、微細化，並能抑制粗大夾雜物之生成」。
另一方面，作為著眼於母相的鋼與非金屬系夾雜物之界面的剝離之技術，可舉出專利文獻3。上述專利文獻3提案著藉由控制鋼的楊氏係數與夾雜物的楊氏係數之差為小之方式，來提昇轉動疲勞特性之技術。上述專利文獻3為基礎下述見解而完成者，「在以往的Al脫氧步驟所製造之鋼中的Al量為0.015~0.025%左右，其結果，含有多的Al之夾雜物，與鋼(母相)相比時，由於其楊氏係數變得非常高，故在母相與夾雜物之界面容易形成空洞，經由該空洞之形成，在其空洞的周圍因拉伸應力之作用而容易產生龜裂。又，若在鋼中存在著近似於空洞般的軟質非金屬夾雜物之情形時，在其周圍因為拉伸應力 之作用而容易產生龜裂」；因此專利文獻3中揭示著一種鋼，其係Al為未滿0.010%，並將鋼之楊氏係數設為E1 ，且將夾雜物之大小以(縱方向的最大長度×橫方向的最大長度)1/2 來定義時，將存在於鋼中的檢鏡面積3,000mm2 中，(縱方向的最大長度×橫方向的最大長度)1/2 為15μm以上的夾雜物之平均楊氏係數設定為E2 ，此時，將該等的楊氏係數比E2 /E1 控制在0.3<E2 /E1 <1.6的範圍。
即，上述專利文獻3係認知為，關於E2 /E1 為0.3以下的近似於空洞的軟質非金屬夾雜物，或E2 /E1 為1.6以上的容易形成空洞的非金屬夾雜物，在母相的鋼與非金屬夾雜物之界面有拉伸應力作用，容易產生龜裂，而使轉動疲勞特性惡化，故將楊氏係數比的E2 /E1 控制在0.3<E2 /E1 <1.6的範圍。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[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2009-52111號公報
不過，在上述專利文獻1中，僅評估在使用 推力型(thrust type)的轉動疲勞測試機時為可得到良好的轉動疲勞壽命，依據該方法時，即使有改善推力方向(與旋轉體之軸為相同方向)之轉動疲勞特性，但對於被賦予徑向方向(與旋轉體之軸為垂直方向)之荷重之情形，仍憂心轉動疲勞壽命有降低之情形。其結果，具有無法稱為能依荷重之被賦予方向而穩定改善轉動疲勞特性之問題。更，有關於鋼與氧化物系夾雜物之界面的空洞，由於未進行抑制空洞之對策，故無法稱為能得到充份的轉動疲勞特性。
專利文獻2中亦完全未記載關於因上述界面的剝離所產生的空洞，或在氧化物系夾雜物內部所產生的空洞。說起來，其係僅著眼於非金屬系夾雜物整體之微細化之技術，在實施例的評估中，亦僅使用ASTM E45法之C系夾雜物評點的算術平均值來評估。因此，如此般所製造之鋼材未必可發揮優異的轉動疲勞特性。
又，即使如上述專利文獻3般，將楊氏係數比控制在0.3<E2 /E1 <1.6的範圍之情形時，以Si脫氧所得到的氧化物系夾雜物，清楚得知在熱加工等之高溫領域裡，一部份會結晶化而成為多晶體，或者成為含有複數的結晶體與非晶質相之混合相。成為多晶體的氧化物系夾雜物，在熱加工或冷加工之際，在母相之鋼與氧化物系夾雜物之界面容易產生空洞。又，即使是在多晶體之氧化物系夾雜物之內部，在結晶體與結晶體之界面、或在結晶體與非晶質體之界面亦容易產生空洞，故轉動疲勞壽命會降 低。
如此般，以僅只控制非金屬系夾雜物之最大厚度(意即最大短徑)之方法(專利文獻1)、控制非金屬系夾雜物之非晶質相之比例之方法(專利文獻2)、抑制鋼與非金屬夾雜物之界面之空洞之方法(專利文獻3)時，轉動疲勞特性之改善為不足。更，在被賦予徑向方向的荷重之情形中，轉動疲勞特性之改善為不足的例如專利文獻1的方法，得知非金屬系夾雜物的最大長徑反倒會粗大化，而轉動疲勞特性有產生異方性之危險性。
本發明即有鑑於上述事情，其目的係以提供一種轉動疲勞特性極為優異，並可抑制早期剝離的新穎軸承用鋼材。
本發明相關的軸承用鋼材，其具有下述之要旨，含有C：0.8~1.1%(%為質量%之意，以下若無特殊說明為相同)、Si：0.15~0.8%、Mn：0.1~1.0%、Cr：1.3~1.8%、P：0.05%以下(不含0%)、S：0.015%以下(不含0%)、Al：0.0002~0.005%、Ca：0.0002~0.0020%、Ti：0.0005~0.010%、N：0.0080%以下(不含0%)、O：0.0025%以下(不含0%)，且殘餘部分由鐵及不可避免的雜質所構成，鋼材中所包含的氧化物系夾雜物的平均組成，以質量%為含有CaO：20~50%、Al2 O3 ：20~50%、SiO2 ：20~70%、TiO2 ：3~10%，且殘餘部分為 由雜質所構成。
在本發明之較佳實施形態中，存在於上述鋼材之縱軸方向之平行切斷面的前述氧化物系夾雜物，其縱橫比(長徑/短徑)之平均為抑制在3.0以下者又，在本發明之較佳實施形態中，前述縱橫比(長徑/短徑)之平均為1.0以上。
在本發明中，使用上述軸承用鋼材所得到的軸承零件亦包含在本發明之範圍內。
藉由本發明，由於適當地控制在鋼材的化學成分組成及鋼中所含有的氧化物系夾雜物之組成，故可提供轉動疲勞特性為極優異，並可抑制早期剝離的軸承用鋼材。如此般之軸承用鋼材，不僅適合作為滾子、針、滾珠等，主要為被重複賦予徑向方向的荷重之軸承零件之素材，亦適合於座圈等被重複賦予推力方向的荷重之軸承零件之素材，不論被賦予荷重之方向，亦可穩定地改善轉動疲勞特性。
[實施發明之的最佳形態]
本發明團隊反覆檢討之結果，即使是不進行藉由Al的脫氧處理，亦能提供不論被賦予荷重之方向為可穩定地改善轉動疲勞特性，且能抑制早期剝離之軸承用Si脫氧鋼材。
如同前述般，以Si脫氧所得到的氧化物系夾雜物，在熱加工等之高溫領域會結晶化成為多晶體，而為多晶體之氧化物系夾雜物與母相之鋼相比時，因其變形阻抗為高，故於熱加工或冷加工時，在鋼(母相)和氧化物系夾雜物之界面容易產生空隙。因此，本發明團隊深入檢討有關，藉由控制以Si脫氧所得到的上述氧化物系夾雜物組成來抑制結晶化，以使成為非晶質體來抑制空隙之產生之方法。其結果明確得知，在以Si脫氧所得到的氧化物系夾雜物中，藉由包含以往未含有的TiO2 而可抑制結晶化。具體而言，只要使用含有指定範圍內的作為鋼中成分的Ti，且含有指定範圍內的作為氧化物系夾雜物的TiO2 之Si脫氧鋼材，可達成所期待之目的，遂而完成本發明。
在本發明中，關於氧化物系夾雜物，藉由使成為含有TiO2 之組成而能提昇轉動疲勞特性之詳細理由尚不明確，但認為如下述。
即，在以Si脫氧所得到的含有SiO2 之氧化物系夾雜物中，若使成為含有TiO2 時，會分離成TiO2 濃縮相(A相)和SiO2 濃縮相(B相)之2相。分離成2相之理由係認為，在熔鋼階段TiO2 與SiO2 有分離成2液相之性質之故。其結果，SiO2 濃縮相(B相)中的SiO2 濃度會上昇，可抑制在Si脫氧鋼中容易產生的鈣黃長石(Gehlenite)、尖晶石(Spinel、MgO‧Al2 O3 )等之結晶質化。另一方面，TiO2 濃縮相(A相)亦由於在氧化物系 夾雜物中含有TiO2 ，液相線溫度亦為降低，並可抑制上述鈣黃長石、尖晶石等之結晶質化。其結果，可抑制以往方法所無法避免的在上述含有SiO2 之氧化物系夾雜物之熱加工時之結晶化。其結果，可抑制產生在母相之鋼與氧化物系夾雜物之界面的空洞。更，亦可抑制產生在多晶體之氧化物系夾雜物內部的空洞。其結果，可顯著地提昇轉動疲勞特性。
更，由於SiO2 濃縮相(B相)為高SiO2 濃度，故即使是非晶質於熱加工時之變形阻抗亦為高。因此，可維持非晶質並同時抑制熱加工時之夾雜物之延伸。其結果，由於能將縱橫比(長徑/短徑)抑制為低，故不論被賦予荷重之方向，可穩定地改善轉動疲勞特性並能抑制早期剝離。
相較於此，前述專利文獻1~3中皆未揭示如本發明之，試圖以藉由Ti添加及TiO2 之生成來提昇轉動疲勞特性之所謂本發明之技術思想，且鋼中Ti的含有量為少，而無法得到氧化物中指定的TiO2 濃度。其結果，無法抑制產生在母相之鋼與氧化物系夾雜物之界面的空洞、或產生在氧化物系夾雜物內部的結晶體與結晶體之界面、或結晶體與非晶質體之界面的空洞。更，清楚得知當氧化物系夾雜物的縱橫比超過指定範圍時，則無法確保成為所期望的轉動疲勞特性(參考後述之實施例)。
以下，將本發明作詳細說明。
如同前述般，本發明相關的轉動疲勞特性為優異的軸承用鋼材，其特徴係含有C：0.8~1.1%(%為質量%之意，以下若無特殊說明為相同)、Si：0.15~0.8%、Mn：0.1~1.0%、Cr：1.3~1.8%、P：0.05%以下(不含0%)、S：0.015%以下(不含0%)、Al：0.0002~0.005%、Ca：0.0002~0.0020%、Ti：0.0005~0.010%、N：0.0080%以下(不含0%)、O：0.0025%以下(不含0%)，且殘餘部分由鐵及不可避免的雜質所構成，鋼材中所包含的氧化物系夾雜物的平均組成，以質量%為含有CaO：20~50%、Al2 O3 ：20~50%、SiO2 ：20~70%、TiO2 ：3~10%，且殘餘部分為由雜質所構成。
首先，對於鋼中成分進行說明。
[C：0.8~1.1%]
C係為了使淬火硬度增大，維持在室溫、高溫中之強度並賦予耐磨耗性的必須之元素。為使發揮如此之效果，C必須至少含有0.8%以上。不過，若C含有量超過1.1%而成為過剩時，在軸承的芯部變得容易生成巨大碳化物，對轉動疲勞特性會帶來不好的影響。C含有量，較佳為0.85%以上(又較佳為0.90%以上)，又，較佳為1.05%以下(又較佳為1.0%以下)。
[Si：0.15~0.8%]
Si係除了作為脫氧元素為能有效地作用外，亦具有增強淬火‧回火軟化阻抗並提高硬度之作用。為使發揮如此之效果，Si含有量必須設定為0.15%以上。不過，若Si含有量成為過剩並超過0.8%時，不只鍛造時模具壽命會降低，將會導致成本增加。Si含有量，較佳為0.20%以上(又較佳為0.25%以上)，又，較佳為0.7%以下(又較佳為0.6%以下)。
[Mn：0.1~1.0%]
Mn係使鋼材基質之固溶強化及淬火性提昇之元素。Mn含有量若低於0.1%時，其效果無法發揮，若高於1.0%時，低級氧化物之MnO含有量會增加，除了使轉動疲勞特性惡化外，加工性或被削性則顯著地降低。Mn含有量，較佳為0.2%以上(又較佳為0.3%以上)，又，較佳為0.8%以下(又較佳為0.6%以下)。
[Cr：1.3~1.8%]
Cr係藉由淬火性之提昇和穩定地碳化物之形成，來提昇強度及耐磨耗性，因此，對轉動疲勞特性之改善為有效之元素。為使發揮如此之效果，Cr含有量必須設定為1.3%以上。不過，若Cr含有量成為過剩並超過1.8%時，碳化物為粗大化並使轉動疲勞特性及切削性降低。Cr含有量，較佳為1.4%以上(又較佳為1.5%以上)，又，較佳為1.7%以下(又較佳為1.6%以下)。
[P：0.05%以下(不含0%)]
P係偏析於結晶粒界，而對於轉動疲勞特性為帶來不良影響之雜質元素。特別是，若P含有量超過0.05%時，轉動疲勞特性之降低會變得顯著。因此，必須將P含有量抑制在0.05%以下。較佳為0.03%以下，又較佳為只要設定0.02%以下即可。尚，P為鋼材中所含有的不可避免的雜質，將其量設定為0%，在工業生產上實為困難。
[S：0.015%以下(不含0%)]
S係形成硫化物之元素，若其含有量超過0.015%時，因會殘留粗大的硫化物，故轉動疲勞特性為差。因此，S的含有量必須抑制在0.015%以下。就轉動疲勞特性之提昇之觀點而論，S含有量為越低越宜，較佳為0.007%以下，又較佳為只要設定0.005%以下即可。尚，S為鋼材中所含的不可避免的雜質，將其量設定為0%，在工業生產上實為困難。
[Al：0.0002~0.005%]
Al係不佳之元素，在本發明的鋼材中，Al必須極力設定為少量。因此，不進行氧化精鍊後的藉由添加Al的脫氧處理。Al含有量若變多時，特別是超過0.005%時，以Al2 O3 為主體的硬質氧化物之生成量會變多，且即使是進行壓下後，由於仍會以粗大的氧化物而殘留，故轉動疲 勞特性會劣化。因此，將Al之含有量設定為0.005%以下。尚，Al含有量較佳設定為0.002%以下，又較佳為0.0015%以下。但，若將Al含有量設定為未滿0.0002%時，氧化物中Al2 O3 含有量會變得過少，將會生成含有過多SiO2 之結晶相。又，為了控制Al2 O3 含有量在未滿0.0002%，為抑制Al之混入，不僅是鋼中之成分，亦必須減少助熔劑(flux)中的Al2 O3 含有量，但，在為高碳鋼之軸承鋼中，Al2 O3 含有量為少的助熔劑為非常昂貴且非經濟性。因此，Al含有量係以0.0002%以上(較佳為0.0005%以上)。
[Ca：0.0002~0.0020%]
Ca係控制氧化物中之CaO含有量，並抑制氧化物系夾雜物之結晶化，對於改善轉動疲勞特性為有效。為使發揮如此般效果，Ca含有量設定為0.0002%以上。不過，若Ca含有量成為過剩並超過0.0020%時，在氧化物組成中，CaO的比例會變得過高，而氧化物會結晶化。因此，Ca含有量係以設定為0.0020%以下。Ca含有量，較佳為0.0003%以上(又較佳為0.0005%以上)，又，較佳為0.001%以下(又較佳為0.0008%以下)。
[Ti：0.0005~0.010%]
Ti係本發明之特徵之元素。藉由添加指定量的Ti，並適當地控制氧化物中的TiO2 含有量，可解決至今難以 解決之問題(在以Si脫氧鋼所得到的含有SiO2 之氧化物系夾雜物之熱加工時之結晶化、產生於母相的鋼與氧化物系夾雜物之界面之空洞、產生於多晶體之氧化物系夾雜物內部之空洞)，並更進一步提昇轉動疲勞特性。更，指定量的Ti係亦對縱橫比之降低化為有效地作用，據此，轉動疲勞特性會更加提昇。為得如此般效果，Ti含有量必須設定0.0005%以上。但，若Ti的含有量變多超過0.010%時，TiO2 系氧化物會以作為結晶相而單獨生成。因此，Ti含有量係設定為0.010%以下。Ti含有量，較佳為0.0008%以上(又較佳為0.0011%以上)，又，較佳為0.0050%以下(又較佳為0.0030%以下)。
[N：0.0080%以下(不含0%)]
N係因為生成TiN而使轉動疲勞特性惡化，故建議儘量降低其量，將N含有量之上限設定為0.0080%以下。N含有量，較佳為0.007%以下，又較佳為0.006%以下。
[O：0.0025%以下(不含0%)]
O為不佳之雜質元素。O的含有量越多，特以若超過0.0025%時，粗大的氧化物為容易生成，亦在熱軋延及冷軋延後，作為粗大的氧化物而殘留，對轉動疲勞特性會帶來不好的影響，故設為0.0025%以下。O含有量，較佳為0.0023%以下(又較佳為0.0020%以下)。
在本發明所規定之含有元素係如上述般，殘 餘部分為鐵及不可避免的雜質，作為該不可避免的雜質，隨著原料、資材、製造設備等之狀況而所攜入之元素(例如As、H、N等)的混入為可容許的。
之後，對於存在於鋼材中之氧化物系夾雜物來作說明。如同前述般，在本發明，關於鋼中所含之氧化物，氧化物之平均組成具有以相對於全氧化物之比率(質量%)為含有CaO：20~50%、Al2 O3 ：20~50%、SiO2 ：20~70%、TiO2 ：3~10%，且殘餘部分為由雜質所構成之特徴。
[CaO：20~50%]
Ca係鹼性氧化物，若含在酸性氧化物之SiO2 中時，氧化物之液相線溫度會下降，有抑制氧化物之結晶化之效果。對於降低氧化物系夾雜物的縱橫比擔負重要的角色。如此般效果，係藉由將氧化物之平均組成之CaO含有量控制在在20%以上而可得。不過，若CaO含有量過高時，氧化物會結晶化，故必須設定為50%以下。在氧化物中之CaO含有量，較佳為22%以上(又較佳為25%以上)，又，較佳為43%以下(又較佳為41%以下)。
[Al2 O3 ：20~50%]
Al2 O3 係兩性氧化物，若含在酸性氧化物之SiO2 中時，氧化物之液相線溫度會下降，有抑制氧化物之結晶化之效果。如此般效果，係藉由將氧化物之平均組成之 Al2 O3 含有量控制在20%以上而可得。另一方面，在氧化物之平均組成之含有量若超過50%時，在熔鋼中及凝固過程，會結晶出Al2 O3 (剛石)結晶相，或與MgO同時結晶出MgO‧Al2 O3 (尖晶石)結晶相。或者，在軋延溫度域會生成該等之結晶相。該等之固相為硬質，以作為粗大的夾雜物而存在，並於加工中變得容易生成空洞，使轉動疲勞特性為惡化。就如此之觀點而論，在氧化物之平均組成之Al2 O3 含有量必須設定為50%以下。在氧化物之Al2 O3 含有量，較佳為22%以上(又較佳為25%以上)，又，較佳為43%以下(又較佳為41%以下)。
[SiO2 ：20~70%]
SiO2 係酸性氧化物，對於使氧化物系夾雜物成為非晶質化，為不可或缺之成分。對於為能有效地發揮如此般效果，在氧化物中必須含有SiO2 20%以上。不過，若SiO2 含有量超過70%時，因為生成含有很多SiO2 之結晶相而形成空洞，以致轉動疲勞特性為惡化。在氧化物中之SiO2 含有量，較佳為25%以上(又較佳為30%以上)，又，較佳為50%以下(又較佳為45%以下)。
[TiO2 ：3~10%]
TiO2 係本發明之特徵之氧化物成分，若含在酸性氧化物之SiO2 中時，TiO2 可分離為濃縮相(A相)和SiO2 濃縮相(B相)之2相，兩相皆可抑制結晶質化。其結果， 可實現抑制以Si脫氧鋼所得到的含有SiO2 之氧化物系夾雜物之熱加工時之結晶化、抑制產生於母相的鋼與氧化物系夾雜物之界面之空洞、抑制產生於多晶體之氧化物系夾雜物內部之空洞，並更進一步提昇轉動疲勞特性。更，亦可降低縱橫比。如此般效果，係藉由將氧化物之平均組成之TiO2 含有量控制在3%以上而可得。不過，若TiO2 含有量過高時，TiO2 系氧化物會以作為結晶相而單獨生成，由於會形成空洞並使轉動疲勞特性降低，故設定為10%以下。在氧化物中之TiO2 含有量，較佳為4%以上(又較佳為5%以上)，又較佳為8%以下(又較佳為7%以下)。
如此般地，在本發明鋼材中所含有的氧化物係以CaO、Al2 O3 、SiO2 、及TiO2 所構成，且殘餘部分為雜質。作為雜質，可舉在製造過程等所含的不可避免的雜質。雜質係對於氧化物系夾雜物之結晶化狀態或縱橫比等不會帶來不好的影響，在可得期望特性之限度中可包含之作為雜質整體量(合計量)，大致以控制在20%以下為較佳。具體而言，例如，可含有在ZrO2 約為1%以下，MgO約為8%以下，Na2 O約為5%以下，Cr2 O3 約為5%以下之範圍。又，MnO係容許幅度相較為廣之氧化物，最大可含有在約15%以下之範圍。
更，在本發明，藉由如上述般適當地控制鋼中成分及氧化物組成，存在於上述鋼材之縱軸方向之平行切斷面的氧化物系夾雜物之縱橫比(長徑/短徑)之平均(以下有單以縱橫比簡稱之情形)，會降低至3.0以下。 據此，不論荷重之被賦予之方向，亦可穩定地改善轉動疲勞特性。上述縱橫比係以越小為宜，大致以2.5以下為佳，2.0以下為更佳。尚，縱橫比係以1.0以上，較佳為1.1以上。
縱橫比之測定方法係以後述之實施例的欄位來作詳述。
接著，對於製造上述鋼材之方法來作說明。在本發明，為了得到特別指定的氧化物組成，特別以留意熔製步驟，再者以留意熱加工之各步驟，來予以製造即可，其他以外之步驟係可適宜選擇使用一般用於軸承用鋼之製造的方法。
為能得到上述氧化物組成之較佳熔製方法，係如同下述般。
首先，於熔製鋼材之時，不進行一般所實施的以添加Al之脫氧處理，而是藉由添加Si來實施脫氧。於該熔製時，為了控制CaO及Al2 O3 之各含有量，分別使鋼中所含Al含有量如上述般以0.0002~0.005%、使Ca含有量如上述般以0.0002~0.0020%來進行控制。
又，作為TiO2 之控制方法並無特別限定，依據該技術領域一般使用之方法，於熔製時，使鋼中所含Ti含有量如上述般，只要是能控制在0.0005~0.010%之範圍內來予以添加Ti即可。Ti的添加方法並無特別限定，例如添加含有Ti之鐵系合金來進行調整亦可，或者藉由爐渣組成之控制，來控制熔鋼中的Ti濃度亦無妨。
尚，SiO2 係藉由將其他的氧化物作如上述般控制而可得者。
在本發明，對於如上述般控制化學成分組成之鋼材，係依循常法進行軋延及球狀化退火之後，再進行熱加工或冷加工。
如此般操作得到本發明之鋼材之後，使成為指定的零件形狀若來作淬火‧回火時，可得本發明之軸承零件。關於鋼材階段的形狀，係包含可適用於如此製造般的線狀‧棒狀之任一者，其尺寸亦隨最終製成品可適當地予以決定。
作為上述軸承零件係可舉，例如滾子、針、滾珠、座圈等。
以下，藉由實施例將本發明作更具體的說明，但本發明並不受限於下述實施例，在可適合前‧後述之宗旨的範圍下，加以變更並予以實施為可能，而該等皆包含在本發明之技術範圍內。
[實施例]
使用小型溶解爐(容量150kg/1cah)，熔製於下述表1所示各種化學成分組成的試驗鋼(殘餘部分為鐵及不可避免的雜質)，並製作鑄片(245mm×480mm)。在熔製之際，使用熔製時之MgO系耐火物的澆桶(ladle)，以不進行一般所實施的Al脫氧處理，使用C、Si、Mn、及Cr並調整熔鋼的溶存氧量之後，以 Ti→Ca之順序來投入，控制Ti含有量、Ca含有量。尚，在本實施例，分別作為添加於熔鋼之Ca為使用Ni-Ca合金，作為Ti源為使用Fe-Ti合金。如此般操作所得到的鑄片之化學成分如表1中所示。
將所得到的鑄片在加熱爐中，加熱到1100~1300℃之後，以900~1200℃來實施分塊軋延。之後，以830~1100℃來軋延，實施熱軋延直到指定的徑(65mm)。
將上述熱軋延材，在760~800℃的溫度範圍下加熱2~8小時之後，以10~15℃/時的冷卻速度，冷卻至(Ar1變態點-60℃)的溫度，之後藉由大氣放冷(球狀化退火)，可得到使球狀化雪明碳鐵分散的球狀化退火材。
自上述球狀化退火材裁切出60mm、厚度6mm的試片，於840℃下加熱30分鐘後實施油淬火，以160℃下進行120分鐘回火。最後施予精研磨後，製作表面粗度：0.04μmRa以下的推力轉動疲勞試片。
又，在氧化物之組成(平均組成)、母材(鋼材)及氧化物系夾雜物的縱橫比之測定之際，使用以下的試片。首先，自上述般所得到的球狀化退火材裁切出60mm、厚度30mm的試片，以840℃下加熱30分鐘後實施油淬火，以160℃下進行120分鐘回火。在各試片之直徑D的1/2的位置之鋼材之縱軸方向(相當於軋延方向)，裁切出1個20mmL(軋延方向長度)×5mm(自表層的深度)之顯微樣品(組織觀察用樣品)，並將斷面作研磨。氧化物系夾雜物的平均組成，係使用日本電子DATUM製的電子束微探針分析X射線分析計(Electron Probe X-ray Micro Analyzer：EPMA，商品名「JXA-8500F」)來觀察，對於短徑為1μm以上之氧化物系夾雜 物作成分組成之定量分析。此時，將觀察面積設定為100mm2 (研磨面)，藉由特性X射線之波長分散分光，將在夾雜物的中央部之成分組成作定量分析。分析對象元素係設定為Ca、Al、Si、Ti、Mn、Mg、Na、Cr、Zr、O(氧)，使用既知物質並將各元素之X射線強度和元素濃度之關係作為檢量線而預先求得，將由作為分析對象之上述夾雜物而得之X射線強度，與來自上述檢量線之各樣品所含之元素量作定量，將該結果藉由算術平均而求得平均的夾雜物組成。
[氧化物系夾雜物的縱橫比之測定]
為了測定非金屬夾雜物的縱橫比，在上述氧化物之平均組成測定方法中，將短徑為1μm以上之任意的氧化物系夾雜物(分析對象元素為Ca、Al、Si、Ti、Mn、Mg、Na、Cr、Zr、O(氧))選出100個，分別測定長徑和短徑並分別算出氧化物系夾雜物的縱橫比。將其結果藉由算術平均而求得氧化物系夾雜物之平均縱橫比。
[轉動疲勞特性之評估方法]
使用以上述所得到的推力轉動疲勞試片，用推力疲勞測試機(推力型轉動疲勞測試機(FJ-5T)、富士測試機製作所製)，以負荷速度：1200rpm、鋼球數3個、面壓：5.24GPa、中止次數：2億次的條件下，實施推力轉動疲勞測試。
作為轉動疲勞壽命的標準，一般為使用疲勞壽命L10 (在累積破損機率10%中，直至疲勞破壞之應力重複數，以下有稱為「L10 」之情形)。詳細為所謂的L10 ，係在將測試結果於Weibull機率紙標繪所得到的累積破損機率10%中，直至疲勞破壞之重複數的意思(參考「軸承」、岩波全書、曾田範宗著)。對於各鋼材，使用16個樣品來進行上述測試，並將相對於以往鋼(表1的鋼材No.40)，(I)以L10 壽命之壽命比為2.5倍以上(以L10 壽命為相當於3000萬次以上)者，評估為「轉動疲勞壽命為優異」；(II)3.0倍以上(以L10 壽命為相當於3600萬次以上)者，評估為「轉動疲勞壽命為特別優異」；(III)3.5倍以上(以L10 壽命為相當於4200萬次以上)者，評估為「轉動疲勞壽命為格外優異」。
該等之結果記載於表2中。表2的測試No.，係使用表1的鋼材No.者。在表2的L10 壽命的欄位中，所謂的「E+07」意思為「×107 」。例如在表2的測試No.1的上述欄位所記載的「1.8E+07」意思為「1.8×107 」。
由該等之結果可考察如以下般。
首先，表2之測試No.8~12、15~19、22~24、27~29、31~37、39，皆為滿足於本發明所規定的化學成分組成(鋼材的化學成分組成及氧化物組成)者，由於氧化 物系夾雜物的縱橫比亦為適當地控制，故得知轉動疲勞壽命為優異。
尚，在本實施例，係以推力方向來測定轉動疲勞特性，但，由於本發明之鋼材之縱橫比為小，故可推測徑向方向的轉動疲勞特性亦為良好。
相較於此，以下的測試No.因為不滿足本發明之任一要件，故轉動疲勞特性為降低。
測試No.1係使用鋼中C量為多的表1之鋼材No.1之例，No.2係使用鋼中Mn量為多的表1之鋼材No.2之例，測試No.3係使用鋼中Cr量為多的表1之鋼材No.3之例，測試No.4係使用鋼中Cr量為少的表1之鋼材No.4之例，測試No.5係使用鋼中P量為多的表1之鋼材No.5之例，測試No.6係使用鋼中S量為多的表1之鋼材No.6之例，轉動疲勞特性皆為降低。
測試No.7係使用Al含有量為過剩的鋼種(表1之鋼材No.7)之例，氧化物中的Al2 O3 含有量會變高，而轉動疲勞特性降低。
另一方面，測試No.13係使用Al含有量為不足的鋼種(表1之鋼材No.13)之例，各氧化物之全部都超出本發明所規定之範圍，氧化物系夾雜物的縱橫比亦為超出，而轉動疲勞特性為降低。
測試No.14係使用Ca含有量為多的鋼種(表1之鋼材No.14)之例，氧化物中的CaO含有量為多，轉動疲勞特性為降低。
另一方面，測試No.20係使用Ca含有量為少的鋼種(表1之鋼材No.20)之例，氧化物中的CaO含有量為少，轉動疲勞特性為降低。
測試No.21係使用Ti含有量為多的鋼種(表1之鋼材No.21)之例，氧化物中的TiO2 含有量為多，轉動疲勞特性為降低。
另一方面，測試No.25係使用Ti含有量為少的鋼種(表1之鋼材No.25)之例，氧化物中的TiO2 含有量為少，氧化物系夾雜物的縱橫比亦為變大，轉動疲勞特性為降低。
測試No.26係使用N含有量為多的鋼種(表1之鋼材No.26)之例，轉動疲勞特性為降低。
測試No.30係使用O含有量為多的鋼種(表1之鋼材No.30)之例，轉動疲勞特性為降低。
測試No.38係由於在Al濃度為相較為高的狀態下之熔製時間為長時間，故熔鋼中的Al與氧化物夾雜物中的SiO2 進行了氧化還元反應，SiO2 含有量為不足，而轉動疲勞特性為降低。
測試No.40係使用藉由Al脫氧處理所得到的鋼種(表1之鋼材No.40：以往的鋁全靜鋼)之例，Al含有量變得過剩，而氧化物中的Al2 O3 含有量變得非常地高，由於連所期望的TiO2 等亦完全無法生成，故轉動疲勞特性為降低。
雖已將本專利申請案詳細並參考特定的實施 樣態來予以說明，但對該發明所屬技術領域中具有通常知識者而言，可加入不超出本發明之精神與範圍之各式各樣的變更或修正，此屬明確。
本專利申請案係基於2012年7月24日提出申請之日本專利專利申請(特願2012-163623)，並參考該內容而予以援用。
[產業利用性]
藉由本發明，由於適當地控制鋼材的化學成分組成及鋼中所含之氧化物系夾雜物的組成，故可提供轉動疲勞特性極為優異、可抑制早期剝離的軸承用鋼材。如此般的軸承用鋼材，除了在作為滾子、針、滾珠等，主要為被重複賦予徑向方向的荷重之軸承零件之素材為有用外，在作為座圈等，其係被重複賦予推力方向的荷重之軸承零件之素材亦為有用，不論被賦予荷重之方向，亦可穩定地改善轉動疲勞特性。

Claims (2)

  1. 一種軸承用鋼材，其特徵係含有下述成分，且殘餘部分由鐵及不可避免的雜質所構成，C：0.8~1.1質量%、Si：0.15~0.8質量%、Mn：0.1~1.0質量%、Cr：1.3~1.8質量%、P：較0質量%為大且為0.05質量%以下、S：較0質量%為大且為0.015質量%以下、Al：0.0002~0.005質量%、Ca：0.0002~0.0020質量%、Ti：0.0005~0.010質量%、N：較0質量%為大且為0.0080質量%以下、O：較0質量%為大且為0.0025質量%以下；鋼材中所包含的氧化物系夾雜物的平均組成，以質量%為含有CaO：20~50%、Al2 O3 ：20~50%、SiO2 ：20~70%、TiO2 ：3~10%，且殘餘部分為由雜質所構成，存在於對前述鋼材之縱軸方向之平行切斷面的前述氧化物系夾雜物，其縱橫比(長徑/短徑)之平均為抑制在3.0以下且1.0以上。
  2. 一種由請求項1之軸承用鋼材所構成的軸承零件。
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