WO2013046678A1 - 軸受用造塊材および製造方法 - Google Patents

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稔 本庄
清史 上井
三田尾　眞司
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Ｊｆｅスチール株式会社
Ntn株式会社
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    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
    • F16C33/121—Use of special materials

Definitions

  • the present invention relates to a bearing ingot material having excellent rolling fatigue life characteristics suitable as a bearing material used in automobiles, wind power generation, transportation machinery, electrical machinery and precision machinery, and other general industrial machinery, and the like. It relates to a manufacturing method.
  • High-carbon chromium steel (JIS G4805 standard SUJ2) is often used as steel for this type of bearing.
  • bearing steel is one of the important properties that have excellent rolling fatigue life characteristics, but this rolling fatigue life is considered to be reduced by non-metallic inclusions or eutectic carbides in the steel. ing.
  • Patent Document 3 proposes a technique for improving the rolling fatigue life characteristics by controlling the central segregation rate of carbon and the oxygen content and sulfur content in the steel.
  • high carbon chromium steel contains 0.95% by mass or more of C and is very hard. Although the steel has good wear resistance, segregation that occurs in the center of the slab (hereinafter abbreviated as center segregation). In addition, since a large eutectic carbide is formed in the slab, there is a problem of reducing the rolling fatigue life. Therefore, it is used after punching out the center part of the slab to make it a waste material or by performing a long-time diffusion treatment (hereinafter abbreviated as soaking) and dissipating them sufficiently.
  • soaking a long-time diffusion treatment
  • Patent Document 4 a specific component composition such as 0.6 to 1.2% by mass, and the longitudinal cross section at the center line of the longitudinal cross section passing through the axis of a linear or rod-shaped rolled material.
  • the total cross-sectional area of carbides having a thickness of 2 ⁇ m or more and appearing in the center region within D / 8 (D: width of the vertical cross section) on one side from the axis is included with respect to the vertical cross-sectional area.
  • a method of 0.3% or less is disclosed.
  • the same document quantitatively reveals the effect of the amount of giant carbides on the rolling fatigue life characteristics, and shows that giant eutectic carbides that lower the rolling fatigue life remain in the steel.
  • Patent Document 5 discloses a bearing steel having a specific component composition such as C: 0.50 to 1.50% by mass and Sb: 0.0010 to 0.0150% by mass, less decarburization layer formation, and excellent heat treatment productivity. Yes.
  • a specific component composition such as C: 0.50 to 1.50% by mass and Sb: 0.0010 to 0.0150% by mass, less decarburization layer formation, and excellent heat treatment productivity.
  • Sb the formation of a decarburized layer of steel is reduced, and the purpose is to improve the heat treatment productivity by omitting the cutting or grinding process after the heat treatment. Careful application is required because of its high toxicity.
  • Sb is added, Sb is concentrated in the center segregation part, and the center segregation is deteriorated. In the portion where Sb is concentrated, local hardening occurs, so that a difference in hardness from the base material occurs, which becomes the starting point of rolling fatigue failure, and may cause a decrease in rolling fatigue life.
  • Patent Document 6 discloses that the cast material is once rolled into a billet. A method for soaking is disclosed.
  • low carbon alloy steel may be used instead of the above-described high carbon chrome steel.
  • case-hardened steel is most frequently used after high-carbon chromium steel.
  • the case-hardened steel has a C content of 0.23% by mass or less, and appropriate amounts of Mn, Cr, Mo, Ni, etc. are added to obtain the necessary hardenability and mechanical strength, and carburizing from the viewpoint of improving fatigue strength.
  • the surface is hardened by carbonitriding.
  • a case-hardened steel that can be carburized in a short time is disclosed by setting the activation energy of carbon diffusion in the steel to be 34000 kcal or less.
  • Patent Document 8 has a specific chemical composition such as C: 0.1 to 0.45%, the austenite grain size of the carburized layer is 7 or more, and the surface carbon content is 0.9 to 1.5%.
  • a technique related to a carburized material excellent in rolling fatigue characteristics having a surface retained austenite amount of 25 to 40% is disclosed.
  • an object of the present invention is to provide a method for suppressing the segregation degree and the generation of coarse non-metallic inclusions in the segregation part, even in the case of bearing steel made of ingot material.
  • the inventors have intensively studied the means for solving the above-mentioned problems.
  • the additive amount of C, Si, Mn, Cr and Al is optimized with respect to the conventional bearing steel, and the manufacturing conditions are optimized.
  • the degree of segregation can be reduced and the formation of coarse non-metallic inclusions can be suppressed.
  • Bearing steel with excellent rolling life characteristics which can reduce the segregation degree in the V segregation part and reverse V segregation part, and suppress the formation of coarse non-metallic inclusions, which has been a problem particularly with ingot materials. It was found that can be provided.
  • the inventors manufactured bearing steel with varying amounts of C, Si, Mn, Cr, Al, and Mo, and changed the degree of segregation expressed by the following formula (1) with an ingot material, As a result of earnest investigation of the structure and rolling fatigue life characteristics, it was found that even if it is an agglomerated material, the rolling fatigue life characteristics are improved if the component composition and the segregation degree satisfy the predetermined range. . In addition, as a result of manufacturing bearing steels with different forging ratios at the time of forging using ingot materials, and intensive investigation of the structure and rolling fatigue life characteristics, the forging ratios are within the specified range even for ingot materials. If the steel satisfies the above, it has been found that the rolling fatigue life characteristics are improved, and the present invention has been completed.
  • the gist configuration of the present invention is as follows. 1.
  • the ingot material for a bearing according to 1 above which contains one or two selected from Cu: 0.005% by mass to 0.5% by mass and Ni: 0.005% by mass to 1.00% by mass.
  • W 0.001% to 0.5% by mass
  • Nb 0.001 mass% or more and 0.1 mass% or less
  • Ti 0.001% by mass to 0.1% by mass
  • Zr 0.001% by mass or more and 0.1% by mass or less
  • V 0.002% by mass or more and 0.5% by mass or less, containing one or more kinds selected from the above 1 or 2, Ingot-making material for bearings.
  • B The agglomerated material for a bearing according to any one of 1 to 3 above, which contains 0.0002 mass% or more and 0.005 mass% or less.
  • the steel having the component composition described in any one of 1 to 4 above is made into a slab by an ingot casting method, and then forged at a forging ratio of 2.0 or more, and in a temperature range from 1150 ° C to less than 1350 ° C
  • the said forging molding ratio shall be the physical training described in JIS G0701.
  • the present invention it is possible to stably produce an agglomerated material for a bearing having a rolling fatigue resistance characteristic far superior to that of a conventional bearing steel. For this reason, it is possible to produce bearing steel having a small cross section to a large cross section, which contributes to an increase in the size of a wind power generator, a transport machine, and other general industrial machines, and has an industrially beneficial effect.
  • C 0.56 mass% or more and 0.70 mass% or less
  • C is an element effective for increasing the strength of the steel and improving the rolling fatigue life characteristics of the steel.
  • C is contained by 0.56 mass% or more.
  • the content exceeds 0.70% by mass, giant eutectic carbides are produced during the casting of the material, leading to a reduction in rolling fatigue life.
  • the C content is 0.56 mass% or more and 0.70 mass% or less.
  • it is 0.56 mass% or more and 0.67 mass% or less.
  • Si 0.15% by mass or more and less than 0.50% by mass Si is an element added as a deoxidizer and for enhancing the strength of steel by solid solution strengthening and improving the rolling fatigue life characteristics of steel, In the present invention, 0.15% by mass or more is added. However, addition of 0.50% by mass or more combines with oxygen in the steel and remains in the steel as an oxide, leading to deterioration of rolling fatigue life characteristics. Further, when concentrated in the segregation part, eutectic carbide is easily generated. From the above, the upper limit of Si is set to less than 0.50% by mass. Preferably, they are 0.15 mass% or more and 0.45 mass% or less.
  • Mn 0.60% by mass or more and 1.50% by mass or less
  • Mn is an element added to improve the hardenability, increase the toughness of the steel, and improve the rolling fatigue life characteristics of the steel material. Add 0.60% by mass or more. However, addition exceeding 1.50% by mass reduces the rolling fatigue life characteristics. Moreover, when it concentrates in a segregation part, it makes it easy to produce
  • Cr 0.50% by mass or more and 1.10% by mass or less
  • Cr is an element added to increase the toughness of the steel and improve the rolling fatigue life characteristics of the steel.
  • 0.50% by mass. Add at least%.
  • the upper limit of Cr is 1.10% by mass.
  • it is 0.60 mass% or more and 1.10 mass% or less.
  • Mo 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less
  • Mo is an element that improves hardenability and strength after tempering and improves the rolling fatigue life characteristics of steel, and is added by 0.05% by mass or more.
  • addition over 0.5% by mass forms a concentrated layer of Mo in the V segregation, reverse V segregation or central segregation part, worsens the degree of Mo segregation, and lowers the rolling fatigue life resistance of the steel. Therefore, the upper limit of Mo is 0.5% by mass.
  • it is 0.05 mass% or more and 0.40 mass% or less.
  • P 0.025% by mass or less
  • P is a harmful element that lowers the base metal toughness and rolling fatigue life of steel, and is preferably reduced as much as possible.
  • P is 0.025 mass% or less.
  • it is 0.020 mass% or less.
  • S 0.025 mass% or less S exists in steel as MnS which is a nonmetallic inclusion. Since bearing steel has few oxides that are likely to be the starting point of rolling fatigue, the presence of a large amount of MnS, which is likely to be the starting point of rolling fatigue after the oxide, causes a reduction in the rolling fatigue life. Therefore, it is preferable to reduce as much as possible, and in the present invention, it is 0.025% by mass or less. Preferably, it is 0.020 mass% or less. Industrially, it is difficult to make the S content 0%, and the content is often 0.0001% by mass or more.
  • Al 0.005% by mass or more and 0.500% by mass or less
  • Al is an element added as a deoxidizing agent and as a nitride to refine austenite grains and improve toughness and rolling fatigue life characteristics. It is necessary to add 0.005 mass% or more. However, if added over 0.500 mass%, coarse oxide inclusions will be present in the steel, leading to a reduction in the rolling fatigue life characteristics of the steel. From the above, the upper limit of the Al content is 0.500% by mass. Preferably, it is 0.450 mass% or less.
  • O 0.0015% by mass or less
  • O combines with Si and Al to form a hard oxide-based non-metallic inclusion, which causes a reduction in rolling fatigue life. Therefore, O should be as low as possible, and should be 0.0015% by mass or less. Preferably, it is 0.0012 mass% or less. Industrially, it is difficult to reduce the O content to 0%, and the content is often 0.0003% by mass or more.
  • N 0.0030% by mass or more and 0.015% by mass or less N is combined with Al to form nitride-based nonmetallic inclusions, refines austenite grains, and improves toughness and rolling fatigue life characteristics. Add more. However, if added over 0.015% by mass, a large amount of nitride inclusions are present in the steel, leading to a reduction in rolling fatigue life characteristics. Moreover, since N (free N) which does not produce
  • the predicted value of the maximum inclusion diameter at 30000 mm 2 calculated by extreme value statistics is 60 ⁇ m or less.
  • the inventors prepared an ingot material in accordance with the component composition shown in Table 1 and the production conditions shown in Table 2.
  • the segregation degree of Mo according to the formula (1) (hereinafter also simply referred to as segregation degree), the maximum inclusion diameter, and rolling fatigue life characteristics were investigated.
  • the reference steel A-1 is JIS SUJ2 equivalent steel, which is very commonly used as a bearing steel.
  • the degree of segregation, the maximum inclusion diameter, and the rolling fatigue life characteristics were carried out by the same test methods as in the examples described later.
  • the segregation degree, nonmetallic inclusion diameter and rolling fatigue life characteristics were investigated respectively.
  • each test piece was sampled from a portion corresponding to the bottom side of the ingot-making material of the steel piece after forging.
  • the predicted value of the maximum inclusion diameter at 30000 mm 2 calculated by extreme value statistics is set to 60 ⁇ m or less. This is because the critical volume in the rolling fatigue test being conducted is equivalent to 30000 mm 2 in terms of area, so here the predicted value of the maximum inclusion diameter at 30000 mm 2 was used.
  • the heating temperature 1 in Table 5 is the temperature during the heat treatment of the ingot material for forging and reducing the segregation degree
  • the heating temperature 2 is performed after forging to further reduce the segregation degree. This is the temperature during the heat treatment.
  • the degree of segregation, the maximum inclusion diameter, and the rolling fatigue life characteristics were carried out by the same test methods as in the examples described later. From this forged steel slab, specimens for observation of non-metallic inclusions and EPMA mapping as shown in FIG.
  • each test piece was sampled from a portion corresponding to the bottom side of the ingot-making material of the steel piece after forging.
  • the inventors produced bearing steels according to the composition shown in Table 7, and investigated the segregation degree, maximum inclusion diameter, and rolling fatigue life characteristics.
  • the degree of segregation, the maximum inclusion diameter, and the rolling fatigue life characteristics were carried out by the same test methods as in the examples described later.
  • the segregation degree was changed by changing the Mo amount under the same manufacturing conditions.
  • the ingot is made into an ingot of 1350mm x 1250mm cross section (top side) and 1280 x 830mm cross section (bottom side) by the ingot method. And forged for 48 hours at 1270 ° C. Then, it forged to a 650 mm square cross section.
  • the segregation degree of Mo, the diameter of non-metallic inclusions and the rolling fatigue life characteristics were investigated respectively.
  • each test piece was sampled from a portion corresponding to the bottom side of the ingot-making material of the steel piece after forging.
  • Table 8 shows the above survey results. From the table, it can be seen that when the Mo segregation degree is 2.8 or less, the rolling fatigue life characteristics are improved. On the other hand, when the segregation degree exceeds 2.8, the rolling fatigue life characteristics are hardly improved. From the above, it was found that the rolling fatigue life characteristics are improved by setting the segregation degree to 2.8 or less. In addition, when there is no segregation of Mo in the steel, the segregation degree is 1.0, so the lower limit of the segregation degree is preferably 1.0.
  • Cr, P, and S can be cited as elements other than Mo as elements that cause segregation that adversely affects the rolling fatigue life. These also need to have a segregation degree of 2.8 or less, but these elements have a higher diffusion rate than Mo. Therefore, if the segregation degree of Mo is 2.8 or less, the segregation degree of these elements is smaller than 2.8. Therefore, we focused only on the segregation degree of Mo and specified this value.
  • the present invention even if it is an agglomerated material produced by the ingot-making method, it is possible to suppress the formation of eutectic carbides, so that it is particularly effective when applied to an ingot-made material produced by the ingot-making method. There is. And it becomes possible to respond
  • Cu and Ni increase the hardenability and strength after tempering and improve the rolling fatigue life characteristics of steel. It is an element and can be selected and added according to the required strength. In order to obtain such an effect, it is preferable to add 0.005% by mass or more of Cu and Ni. However, if Cu is added in an amount of 0.5% by mass and Ni is added in excess of 1.00% by mass, the machinability of the steel is lowered. Therefore, Cu and Ni are preferably added at the upper limit of 0.5% by mass and 1.00% by mass, respectively. .
  • the following components can be further added in addition to the above components in order to increase the strength and improve the rolling fatigue life characteristics of the steel.
  • W 0.001 to 0.5 mass%
  • Nb 0.001 to 0.1 mass%
  • Ti 0.001 to 0.1 mass%
  • Zr 0.001 to 0.1 mass%
  • V 0.002 to 0.5 mass%
  • W or more Nb, Ti, Zr, and V are elements that increase the hardenability and strength of the steel after tempering and improve the rolling fatigue life characteristics of the steel, and should be selected and added according to the required strength. Can do.
  • W, Nb, Ti and Zr at 0.001% by mass or more and V at 0.002% by mass or more, respectively.
  • W and V are added in amounts exceeding 0.5% by mass, and Nb, Ti, and Zr are added in excess of 0.1% by mass, the machinability of the steel is lowered. Therefore, it is preferable to add these values as the upper limit.
  • B 0.0002 to 0.005 mass% B is an element that increases the strength of the steel after tempering by increasing the hardenability and improves the rolling fatigue life characteristics of the steel, and can be added as necessary. In order to acquire this effect, it is preferable to add at 0.0002 mass% or more. However, if adding over 0.005 mass%, the workability deteriorates, so B is preferably added in the range of 0.0002 to 0.005 mass%.
  • the components other than the above are Fe and inevitable impurities.
  • unavoidable impurities include Sb, Sn, As, Hf, and the like.
  • the ingot material for bearing having the above component composition is melted by a known refining method such as a vacuum melting furnace or a converter, and further a degassing step, and then made into a slab by the ingot method.
  • the slab is made into a bearing part through a molding process such as rolling and forging. Since segregation of Mo occurs in the center portion of the obtained slab, it is necessary to perform a process for reducing the degree of segregation of Mo to 2.8 or less. As this treatment, the following heat treatment is required.
  • Heating temperature 1150 ° C or higher and lower than 1350 ° C
  • V segregation segregation in the casting direction
  • reverse V segregation segregation in the direction opposite to the casting direction
  • the heating temperature is set to 1150 ° C or higher and lower than 1350 ° C.
  • they are 1150 degreeC or more and 1300 degrees C or less.
  • Heat holding time more than 10 hours
  • the segregation degree of Mo, V segregation, and reverse V segregation In order to reduce the degree of segregation, it is effective to raise the heating temperature, but there is a limit. Therefore, heating and holding for over 10 hours is performed to reduce the degree of segregation.
  • the heating and holding time is 10 hours or less, the reduction in the degree of segregation is small, and the above effect cannot be obtained. Therefore, in the present invention, the heating and holding time is limited to more than 10 hours. There is no specific upper limit, but in reality it is 100 hours.
  • the heat treatment may be performed in a plurality of times, and in this case, the total holding time at 1150 ° C. to less than 1350 ° C. in each heat treatment may be more than 10 hours.
  • the slab is hot forged to have a desired cross-sectional shape, but the heat treatment described above may be performed in the slab heating stage (heating before forging) when performing hot forging, Moreover, you may heat-process a slab separately from the heating before forging. Furthermore, you may make it heat-process on said conditions after hot forging.
  • the forging ratio is 2.0 or more.
  • internal defects such as zaku, which is a gathering of coarse porosity, are likely to occur inside the slab produced by the ingot-making method, and are reduced by hot forging.
  • non-metallic inclusions present in the steel are divided and refined.
  • the forging ratio is 2.0 or more.
  • the wrought ratio is less than 2.0, defects such as coarse zaku and coarse non-metallic inclusions will be present, causing internal cracks in the bearing steel and reducing the rolling fatigue life characteristics. It becomes like this. From the above, it is necessary to perform physical training with a forging ratio of 2.0 or more.
  • a preferable wrought molding ratio is 2.5 or more.
  • the upper limit does not need to be set, but in reality it is less than 8.0.
  • the wrought molding ratio refers to the wrought molding ratio in the actual training described in JISG 0701. That is, it means the ratio A / a between the cross-sectional area A before forging and the cross-sectional area a after forging.
  • Maximum inclusion diameter forged steel pieces (T 1/2, T 2 /2) unit (center) and (T 1/2, T 2 /4) section (T 1 T 2 is angularly forging Microstructure observation from side length of steel slab: Fig. 1), or from D / 4 part and D / 2 part (D is the diameter of round-forged steel slab: Fig. 2) so that the cross section in the drawing direction becomes the observation surface 30 samples were taken with an optical microscope at a magnification of 200x and 100 mm 2 (test surface 10 mm x 10 mm in Fig. 3), and the lengths of the minor axis and major axis of each nonmetallic inclusion were measured.
  • the maximum inclusion diameter in 30000 mm 2 was calculated by extreme value statistics. Predicted and adopted this.
  • the prediction of the maximum inclusion diameter by extreme value statistics is the extreme value described in "Phase II report of the Evaluation Method Study Group for Nonmetallic Inclusions in Bearing Steel" by the Japan Society of Tribology, Type 2 Study Group. Statistical methods were used. Moreover, each test piece was extract
  • the degree of segregation was determined using an electron beam microanalyzer (hereinafter referred to as EPMA) using a sample in which the above-described nonmetallic inclusions were evaluated.
  • the measurement conditions of EPMA are: Beam diameter: 30 ⁇ m ⁇ , acceleration voltage: 20 kV, current: 4 ⁇ 10 ⁇ 7 A.
  • the line analysis is performed as shown in FIG. 4 on the line including the portion where the Mo intensity value is high in the performed region, and the maximum value C Mo (max) and the average value C Mo (ave) of the Mo intensity are obtained. Asked.
  • the segregation degree was defined as the ratio C Mo (max) / C Mo (ave) between the maximum value and the average value of the strength.
  • the rolling fatigue life characteristics are preferably evaluated by actually using forging, cutting, quenching / tempering, and actually using it, but this requires a long time for evaluation. Therefore, the rolling fatigue life characteristics were evaluated by a radial type rolling fatigue life tester.
  • Billet after forging (T 1/2, T 2 /4) section (T 1 T 2 is the length of the side of the square forged steel pieces: 5), or D / 4 parts (D is the round forging From the diameter of the steel slab: Fig.
  • a 60mm ⁇ x 5.3mm disc was cut out, heated to 950 ° C and held for 20 minutes, quenched with oil at 25 ° C, and then heated to 170 ° C and held for 1.5 hours
  • the test surface was mirror-finished by performing surface polishing on a 60 mm ⁇ ⁇ 5 mm disk.
  • the test piece thus obtained was subjected to a rolling fatigue test using a thrust rolling fatigue tester so that the steel ball rolls on a circumference of about 38 mm in diameter and a maximum contact stress of 5.8 GPa is applied. Provided.
  • each test piece was sampled from a portion corresponding to the bottom side of the ingot-making material of the steel piece after forging.
  • B 10 life For the evaluation, the number of stress loads until peeling occurred on the test piece was determined for 10 to 15 test pieces, and was arranged using the Weibull paper in relation to the cumulative failure probability and the number of stress loads. cumulative failure probability of 10% (hereinafter, referred to as B 10 life) were determined.
  • the B 10 life criteria steel For (A-1 SUJ2 equivalent steel), when improved by 10% or more, rolling fatigue life characteristics is determined to have increased.
  • Table 11 shows the results of the segregation degree, non-metallic inclusion diameter, and rolling fatigue life characteristic test.
  • Steels of No. D-1 to D-7, D-12 to D-16 and D-26 to D-31 satisfying the component composition and segregation degree C Mo (max) / C Mo (ave) according to the present invention are It can be seen that the segregation degree and non-metallic inclusions are also controlled within the scope of the present invention and have good rolling fatigue life characteristics.
  • steels No. D-23 to D-25 whose production conditions do not satisfy the scope of the present invention even when the component composition is within the scope of the present invention have a large degree of segregation or non-metallic inclusions.
  • the rolling fatigue life characteristics are hardly improved.
  • the steels of Nos. D-8 to D-11 and D-17 to D-22 whose component compositions do not satisfy the scope of the present invention are resistant to rolling fatigue even if the production conditions are within the scope of the present invention. It can be seen that the life characteristics are hardly improved.
  • bearing steel excellent in rolling fatigue life characteristics can be manufactured by an inexpensive method by the ingot method, and an industrially very valuable bearing steel can be provided.

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Abstract

　造塊材による軸受鋼にあっても、偏析部における偏析度および最大介在物径を抑制する方途について提供する。　Ｃ：0.56質量％以上0.70質量％以下、Si：0.15質量％以上0.50質量％未満、Mn：0.60質量％以上1.50質量％以下、Cr：0.50質量％以上1.10質量％以下、Mo：0.05質量％以上0.5質量％以下、Ｐ：0.025質量％以下、Ｓ：0.025質量％以下、Al：0.005質量％以上0.500質量％以下、Ｏ：0.0015質量％以下およびＮ：0.0030質量％以上0.015質量％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらに偏析度が2.8以下であり、極値統計によって算出される30000mm2における最大介在物径の予測値が60μm以下とする。

Description

軸受用造塊材および製造方法
　本発明は、自動車、風力発電、輸送機械、電気機械および精密機械や、その他一般産業機械などに用いられる軸受の素材として好適な、優れた転動疲労寿命特性を有する軸受用造塊材とその製造方法に関するものである。
　この種の軸受に供する鋼としては、高炭素クロム鋼（JIS　Ｇ4805規格　ＳＵＪ２）が多く利用されている。一般に、軸受鋼は、転動疲労寿命特性に優れることが重要な性質の一つであるが、この転動疲労寿命は、鋼中の非金属介在物あるいは共晶炭化物によって低下するものと考えられている。
　最近の研究では、転動疲労寿命の低下に及ぼす影響として、鋼中の非金属介在物の影響が最も大きいと考えられており、鋼中酸素量の低減を通じて非金属介在物の量および大きさを制御することによって、軸受寿命を向上させる方策がとられてきた。
　例えば、特許文献１および２などに提案があり、これらは、鋼中の酸化物系非金属介在物の組成、形状あるいは分布状態をコントロールする技術であるが、非金属介在物の少ない軸受鋼を製造するには、高価な溶製設備あるいは従来設備の大幅な改造が必要であり、経済的な負担が大きいという問題がある。
　さらに、特許文献３には、炭素の中心偏析率並びに鋼中の酸素量および硫黄含有量を制御することによって、転動疲労寿命特性を向上させようとする技術が提案されているが、前述したように、酸素含有量を更に減少させ、更なる非金属介在物の少ない軸受鋼を製造するためには、高価な溶製設備あるいは従来設備の大幅な改造が必要であり、経済的な負担が大きいことが問題になる。
　そこで、鋼中の非金属介在物の低減のみならず、鋼中の共晶炭化物を低減することについても注目されてきている。例えば、高炭素クロム鋼は、0.95質量％以上のＣを含有し非常に硬質であり、鋼の耐摩耗性は良好ではあるものの、鋳片中心部に発生する偏析（以下、中心偏析と略す）の程度が高くなり、さらには鋳片中に巨大な共晶炭化物が生成するため、転動疲労寿命を低下させる問題があった。そのため、鋳片中央部を打ち抜いて廃材とするか、長時間の拡散処理（以下、ソーキングと略す）を実施し、これらを十分に消散させてから用いられている。
　このような偏析の問題に関して、特許文献４では、Ｃ：0.6～1.2質量％など特定の成分組成を有し、線状または棒状圧延材における軸心を通る縦断面の中心線において、該縦断面の軸心を含み該軸心線から片側に夫々Ｄ/８（Ｄ：該縦断面の幅）以内の中心領域に現れる、厚さ２μｍ以上の炭化物の総断面積を、前記縦断面積に対して0.3％以下とする方法が開示されている。さらに、同文献には、転動疲労寿命特性に及ぼす巨大炭化物量の影響が定量的に明らかにされ、転動疲労寿命を低下させる巨大共晶炭化物が鋼中に残存することを示している。
　特許文献５には、Ｃ：0.50～1.50質量％およびSb：0.0010～0.0150質量％などの特定の成分組成を有し、脱炭層の形成が少なく、熱処理生産性に優れた軸受鋼が開示されている。同文献に記載の技術では、Sbを添加することで、鋼の脱炭層の形成が少なく、熱処理後の切削あるいは研削工程の省略による熱処理生産性の向上を目的としているが、Sｂは人体に対して強い毒性の疑いがあるため適用には慎重さが求められる。また、Sbを添加すると中心偏析部にSbが濃化し、中心偏析を悪化させる。Sbが濃化した部分では、局所的な硬化を生じるため、母材との硬度差が生じ、転動疲労破壊の起点となり、転動疲労寿命の低下をもたらす可能性がある。
　ここで、高炭素クロム軸受鋼の鋳造時に生じる中心偏析および該中心偏析部に生じる巨大共晶炭化物を消散するため、例えば、特許文献６には、鋳造材をいったん圧延してビレットにし、このビレットをソーキングする方法が開示されている。
　しかしながら、ソーキング中の鋼中温度は不均一であるため、部分的にソーキング温度が固相線を超える温度になった場合、再び部分的に溶解が始まり、共晶反応を起こして更なる巨大共晶炭化物が生成するという問題点もあった。
　そのため、軸受の用途によっては、上述した高炭素クロム鋼ではなく、低炭素合金鋼を使用する場合がある。例えば、肌焼き鋼は、高炭素クロム鋼に次いで多く利用されている。しかし、肌焼き鋼は、Ｃ量を0.23質量％以下とし、必要な焼入れ性と機械的強度を得るために適量のMn、Cr、MoおよびNiなどが添加され、疲労強度向上の観点から、浸炭または浸炭窒化処理により表面を硬化させている。
　例えば、特許文献７には、Ｃ：0.10～0.35％などの、特定の化学組成を有し、Ｑ＝34140－605［％Si］＋183［％Mn］＋136［％Cr］＋122［％Mo］で定義される、鋼中の炭素拡散の活性化エネルギーを34000kcal以下とすることにより、短時間で浸炭可能な肌焼鋼が開示されている。
　同様に、特許文献８には、Ｃ：0.1～0.45％などの、特定の化学組成を有し、浸炭層のオーステナイト結晶粒度が７番以上、表面の炭素含有量が0.9～1.5％であり、表面の残留オーステナイト量が25～40％である転動疲労特性に優れた浸炭材に関する技術が開示されている。
　しかしながら、上述した浸炭あるいは浸炭窒化を行うことによって、転動疲労寿命特性が向上するものの、製造コストの上昇を招いたり、歪や寸法変化が大きくて歩留まりが低下するため、製品コストの上昇を招くことが問題であった。
　また、軸受鋼の用途によっては大断面化が必要になるため、浸炭あるいは浸炭窒化を行う設備の大幅な改造が必要であり、経済的な負担が大きいことも問題となる。
特開平１－３０６５４２号公報 特開平３－１２６８３９号公報 特開平７－１２７６４３号公報 特許第３００７８３４号公報 特開平５－２７１８６６号公報 特開平３－７５３１２号公報 特許第４０６６９０３号公報 特許第４０５０８２９号公報
　さて、風力発電、輸送機械、その他一般産業機械は年々大型化しており、これらに用いる軸受鋼の更なる大断面化が急務となっていた。この軸受鋼の大断面化には、従来、連続鋳造で製造されていた素材を造塊法にて製造することによって、小断面から大断面まで対応することが可能となるが、この造塊法で製造された鋼(以下、造塊材と言う)では、Ｖ偏析部や逆Ｖ偏析部のような偏析部が軸受鋼の転走面に現出すると、却って転動疲労寿命特性が低下することが、特に問題となる。なぜなら、造塊材は、連続鋳造材の場合と比較して偏析度合いが高く、従って、偏析度や非金属介在物の大きさも大きくなるため、これらを抑制することが重要になる。
　そこで、本発明は、造塊材による軸受鋼にあっても、上記した偏析部における偏析度や粗大な非金属介在物の生成を抑制する方途について提供することを目的とする。
　発明者らは、前記課題を解決する手段について鋭意究明したところ、従来の軸受鋼に対して、Ｃ、Si、Mn、CrおよびAlの添加量を適正化するとともに、製造条件を最適化することで、偏析度の低減、粗大な非金属介在物の生成の抑制が可能であることを見出した。特に造塊材で問題となっていた、Ｖ偏析部や逆Ｖ偏析部での偏析度の低減、粗大な非金属介在物の生成を抑制することができ、転動寿命特性に優れた軸受鋼を提供可能であることを知見した。
　すなわち、発明者らは、Ｃ、Si、Mn、Cr、AlおよびMo量を変化させ、かつ後述の（１）式で表される偏析度を変化させた軸受鋼を造塊材で製作し、その組織および転動疲労寿命特性を鋭意調査した結果、造塊材であっても成分組成および偏析度が所定の範囲を満足する鋼であれば、転動疲労寿命特性が向上することを見出した。また、鍛造時の鍛錬成形比を変化させた軸受鋼を造塊材で製作し、その組織および転動疲労寿命特性を鋭意調査した結果、造塊材であっても鍛錬成形比が所定の範囲を満足する鋼であれば、転動疲労寿命特性が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。
　本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．Ｃ：0.56質量％以上0.70質量％以下、
　Si：0.15質量％以上0.50質量％未満、
　Mn：0.60質量％以上1.50質量％以下、
　Cr：0.50質量％以上1.10質量％以下、
　Mo：0.05質量％以上0.5質量％以下、
　Ｐ：0.025質量％以下、
　Ｓ：0.025質量％以下、
　Al：0.005質量％以上0.500質量％以下、
　Ｏ：0.0015質量％以下および
　Ｎ：0.0030質量％以上0.015質量％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、下記（１）式にて定義される偏析度が2.8以下であり、さらに極値統計によって算出される30000mm２における最大介在物径の予測値が60μm以下であることを特徴とする軸受用造塊材。
　　　　　　　　　　　　　　記
　ＣMo(max)／ＣMo(ave)≦2.8　…（１）
　　但し、ＣMo(max)はMoの強度値の最大値、並びにＣMo(ave)はMoの強度値の平均値
２．上記成分組成に加えて、さらに、
　Cu：0.005質量％以上0.5質量％以下および
　Ni：0.005質量％以上1.00質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする前記１に記載の軸受用造塊材。
３．上記成分組成に加えて、さらに、
　Ｗ：0.001質量％以上0.5質量％以下、
　Nb：0.001質量％以上0.1質量％以下、
　Ti：0.001質量％以上0.1質量％以下、
　Zr：0.001質量％以上0.1質量％以下および
　Ｖ：0.002質量％以上0.5質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする前記１または２のいずれかに記載の軸受用造塊材。
４．上記成分組成に加えて、さらに、
　Ｂ：0.0002質量％以上0.005質量％以下
を含有することを特徴とする前記１から３のいずれかに記載の軸受用造塊材。
５．前記１から４のいずれかに記載の成分組成を有する鋼を、造塊法にて鋳片とし、その後、鍛錬成形比が2.0以上になる鍛造、および、1150℃以上1350℃未満の温度域で10時間超加熱する加熱処理を行うことを特徴とする軸受用造塊材の製造方法。
　ここで、上記鍛錬成形比は、JIS Ｇ0701に記載の実体鍛錬とする。
　本発明によれば、従来の軸受鋼に比べて遥かに優れた耐転動疲労寿命特性を有する軸受用造塊材を安定して製造することが可能となる。また、このため、小断面から大断面の軸受鋼の製造を実現することができ、風力発電機や輸送機械、その他一般産業機械の大型化にも寄与し、産業上有益な効果がもたらされる。
角鍛造後の鋼片からミクロ組織観察用サンプルを採取する際の採取位置と被検面サイズを示す図である。 丸鍛造後の鋼片からミクロ組織観察用サンプルを採取する際の採取位置と被検面サイズを示す図である。 ＥＰＭＡでの被検面積を示す図である。 ＥＰＭＡにおいてライン分析を実施する位置を示す図である。 角鍛造後の鋼片から転動疲労寿命評価用サンプルを採取する際の採取位置と試験片サイズを示す図である。 丸鍛造後の鋼片から転動疲労寿命評価用サンプルを採取する際の採取位置と被検面サイズを示す図である。
　次に、本発明の軸受鋼について詳細に説明する。
　まず、本発明の軸受鋼における成分組成の各成分含有量の限定理由から順に説明する。
Ｃ：0.56質量％以上0.70質量％以下
　Ｃは、鋼の強度を高め、鋼の転動疲労寿命特性を向上するのに有効な元素であり、本発明では0.56質量％以上含有させる。一方、0.70質量％を超えて含有すると、素材の鋳造中に巨大共晶炭化物が生成し、転動疲労寿命の低下を招く。以上のことから、Ｃ量は0.56質量％以上0.70質量％以下とする。好ましくは、0.56質量％以上0.67質量％以下である。
Si：0.15質量％以上0.50質量％未満
　Siは、脱酸剤として、また、固溶強化により鋼の強度を高め、鋼の耐転動疲労寿命特性を向上するために添加される元素であり、本発明では、0.15質量％以上添加する。しかし、0.50質量％以上の添加は、鋼中の酸素と結合し、酸化物として鋼中に残存して転動疲労寿命特性の劣化を招く。さらに、偏析部に濃化した場合には、共晶炭化物を生成し易くする。以上のことから、Siの上限は0.50質量％未満とする。好ましくは、0.15質量％以上0.45質量％以下である。
Mn：0.60質量％以上1.50質量％以下
　Mnは、焼入れ性を向上し、鋼の強靭性を高め、鋼材の耐転動疲労寿命特性を向上するために添加される元素であり、本発明では、0.60質量％以上添加する。しかし、1.50質量％を超える添加は、転動疲労寿命特性を低下させる。また、偏析部に濃化した場合には、非金属介在物を生成し易くする。以上のことから、Mnの上限は1.50質量％とする。好ましくは、0.60質量％以上1.45質量％以下である。
Cr：0.50質量％以上1.10質量％以下
　Crは、Mnと同様に鋼の強靭性を高め、鋼材の耐転動疲労寿命特性を向上するために添加される元素であり、本発明では、0.50質量％以上添加する。しかし、1.10質量％を超える添加は、共晶炭化物を生成させ易くして、転動疲労寿命特性を低下させるため、Crの上限は1.10質量％とする。好ましくは、0.60質量％以上1.10質量％以下である。
Mo：0.05質量％以上0.5質量％以下
　Moは、焼入れ性や焼戻し後の強度を高め、鋼の転動疲労寿命特性を向上する元素であり、0.05質量％以上添加する。しかし、0.5質量％を超える添加は、Ｖ偏析、逆Ｖ偏析あるいは中心偏析部にMoの濃化層を形成し、Moの偏析度を悪化させ、鋼材の耐転動疲労寿命特性の低下をまねくため、Moの上限は0.5質量％とする。好ましくは、0.05質量％以上0.40質量％以下である。
Ｐ：0.025質量％以下
　Ｐは、鋼の母材靭性、転動疲労寿命を低下させる有害な元素であり、できるかぎり低減することが好ましい。特に、Ｐの含有量が0.025質量％を超えると、母材靭性および転動疲労寿命の低下が大きくなる。よって、Ｐは0.025質量％以下とする。好ましくは、0.020質量％以下である。なお、工業的にはＰ含有量を０％とすることは困難であり、0.002質量％以上含有されることが多い。
Ｓ：0.025質量％以下
　Ｓは、非金属介在物であるMnSとして鋼中に存在する。軸受鋼は転動疲労の起点となり易い酸化物が少ないため、酸化物に次いで転動疲労の起点となり易いMnSが鋼中に多量に存在すると転動疲労寿命の低下を招く。従って、できるかぎり低減することが好ましく、本発明では、0.025質量％以下とする。好ましくは、0.020質量％以下である。なお、工業的にはＳ含有量を０％とすることは困難であり、0.0001質量％以上含有されることが多い。
Al：0.005質量％以上0.500質量％以下
　Alは、脱酸剤として、また、窒化物として生成させオーステナイト粒を微細化し、靭性並びに転動疲労寿命特性を向上させるために添加される元素であり、0.005質量％以上添加する必要がある。しかし、0.500質量％を超えて添加すると、粗大な酸化物系介在物が鋼中に存在するようになり、鋼の転動疲労寿命特性の低下を招く。以上のことから、Al含有量の上限は0.500質量％とする。好ましくは、0.450質量％以下である。
Ｏ：0.0015質量％以下
　Ｏは、SiやAlと結合し、硬質な酸化物系非金属介在物を形成するため、転動疲労寿命の低下を招く。従って、Ｏは可能な限り低い方が良く、0.0015質量％以下とする。好ましくは、0.0012質量％以下である。なお、工業的にはＯ含有量を０％とすることは困難であり、0.0003質量％以上含有されることが多い。
Ｎ：0.0030質量％以上0.015質量％以下
　Ｎは、Alと結合して窒化物系非金属介在物を形成し、オーステナイト粒を微細化し、靭性並びに転動疲労寿命特性を向上させるため、0.0030質量％以上添加する。しかし、0.015質量％を超えて添加すると、窒化物系介在物が鋼中に多量に存在するため、転動疲労寿命特性の低下を招く。また、鋼中で窒化物として生成しないＮ（フリーＮ）が多量に存在するようになり、靭性の低下を招くため、Ｎ含有量の上限は0.015質量％とする。好ましくは、0.010質量％以下とする。
極値統計によって算出される30000mm２における最大介在物径の予測値が60μm以下
　次に、発明者らは、表１に示す成分組成、表２に示す製造条件に従って造塊材を作製し、上記した式（１）に従うMoの偏析度（以下、単に偏析度ともいう）、最大介在物径および転動疲労寿命特性を調査した。なお、基準鋼Ａ－１は軸受鋼として非常に一般的に使用されている、JIS　SUJ２相当鋼である。偏析度、最大介在物径および転動疲労寿命特性は、後述の実施例と同様の試験方法で実施した。鍛造後の鋼片から、図１に示すように非金属介在物観察用およびＥＰＭＡマッピング用の試験片を、ならびに図５に示すように転動疲労試験片を、それぞれ採取し、後述する試験法で偏析度、非金属介在物径ならびに転動疲労寿命特性をそれぞれ調査した。
　ここで、試験片は、それぞれ鍛造後の鋼片の、造塊材のボトム側に相当する部分から採取した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　これらの評価結果を、表３に示す。鍛錬成形比（ボトム側）が2.0未満の条件No.1-2および1-3によって得られた造塊材は、最大介在物径が大きくなるため、転動疲労寿命特性が基準のNo.1-1（鋼No.A-1）に比べてほとんど改善していない。鍛錬成形比が2.0以上で製造され、最大介在物径が60μｍ以下であるNo.1-4～1-8の造塊材は、No.1-1（鋼No.A-1）に比べて優れた転動疲労寿命特性を有していることが分かる。以上のことから、鍛錬成形比を2.0以上に制御して、鋼中に粗大な非金属介在物が生成するのを抑制することによって、転動疲労寿命特性が向上することが判明した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　従って、造塊材における非金属介在物の最大径を60μｍ以下に規制することが、転動疲労寿命特性の向上に有効である。ここで、非金属介在物の最大径を規制するに当たっては、極値統計によって算出される30000mm２における最大介在物径の予測値を60μm以下とする。なぜなら、実施している転動疲労試験での危険体積が面積にして30000mm２相当であるため、ここでは30000mm２における最大介在物径の予測値とした。
偏析度（ＣMo(max)／ＣMo(ave)）≦2.8
　また、発明者らは、表４に示す成分組成並びに表５に示す製造方法に従って軸受鋼を作製し、偏析度、最大介在物径および転動疲労寿命特性を調査した。なお、表５における加熱温度１は、鍛造を行うため、かつ偏析度低減のための造塊材の加熱処理時の温度であり、加熱温度２は、偏析度をさらに低減するために鍛造後に行った加熱処理時の温度である。偏析度、最大介在物径および転動疲労寿命特性は、後述の実施例と同様の試験方法で実施した。この鍛造後の鋼片から、図１に示すように非金属介在物観察用およびＥＰＭＡマッピング用試験片を、ならびに図５に示すように転動疲労試験片を、それぞれ採取し、後述する試験法で偏析度、非金属介在物径ならびに転動疲労寿命特性をそれぞれ調査した。
　ここで、試験片は、それぞれ鍛造後の鋼片の、造塊材のボトム側に相当する部分から採取した。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　これらの評価結果を、表６に示す。鍛錬成形比が2.0未満の条件No.2-2および2-3によって得られた造塊材は、偏析度が大きくなって、転動疲労寿命特性が基準のNo.2-1（鋼No.A-1）に比べてほとんど改善していない。鍛錬成形比が2.0以上で製造され、偏析度が2.8以下であるNo.2-4～2-8の造塊材は、No.2-1（鋼No.A-1）に比べて優れた転動疲労寿命特性を有していることが分かる。以上のことから、鍛錬成形比を2.0以上に制御して偏析度を2.8以下にすれば、転動疲労寿命特性は向上することが判明した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　さらに、発明者らは、表７に示す成分組成に従って軸受鋼を作製し、偏析度、最大介在物径および転動疲労寿命特性を調査した。偏析度、最大介在物径および転動疲労寿命特性は、後述の実施例と同様の試験方法で実施した。転動疲労寿命特性に及ぼす偏析度の影響を調査するため、製造条件は同じにして、Mo量を変化することで偏析度を変化させた。すなわち、転炉で溶製した後、造塊法で1350mm×1250mm断面（トップ側）、1280×830mm断面（ボトム側）の造塊材（インゴット）とし、得られた造塊材を800mm角断面に鍛造し、1270℃で48時間の均熱処理を実施した。その後、650mmの角断面に鍛造した。鍛造後の鋼片から、図１に示すように非金属介在物観察用およびＥＰＭＡマッピング用の試験片を、ならびに図５に示すように転動疲労試験片を、それぞれ採取し、後述する試験法でMo偏析度、非金属介在物の径ならびに転動疲労寿命特性をそれぞれ調査した。ここで、試験片は、それぞれ鍛造後の鋼片の、造塊材のボトム側に相当する部分から採取した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　上記した調査結果を、表８に示す。同表から、Mo偏析度が2.8以下になると、転動疲労寿命特性が改善されることがわかる。一方、偏析度が2.8超となると、転動疲労寿命特性がほとんど改善していない。以上のことから、偏析度を2.8以下とすることによって、転動疲労寿命特性が向上することが判明した。なお、鋼中のMoの偏析がなくなる場合には、偏析度が1.0となるため、偏析度の下限は1.0であることが好ましい。
　ここで、転動疲労寿命に悪影響を及ぼす偏析が生じる元素として、Mo以外ではCr，Ｐ，Ｓが挙げられる。これらも偏析度を2.8以下とする必要があるが、これら元素はMoに比べて拡散速度が大きい。そのため、Moの偏析度を2.8以下とすれば、これら元素の偏析度は2.8よりも小さい値となる。したがってMoの偏析度のみに注目しこの値を特定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　なお、本発明では、造塊法によって製造した造塊材であっても、共晶炭化物の生成を抑制することが可能であるから、造塊法によって製造される造塊材に適用すると特に効果がある。そして、軸受鋼の素材を造塊材とすることで、小断面から大断面までの軸受製品に対応することが可能となる。
　さらに、上記した基本成分に加えて、以下に示す各成分を適宜添加することが可能である。
　Cu：0.005～0.5質量％およびNi：0.005～1.00質量％のうちから選ばれる１種または２種
　CuおよびNiは、焼入れ性や焼戻し後の強度を高め、鋼の転動疲労寿命特性を向上する元素であり、必要とする強度に応じて選択して添加することができる。このような効果を得るためには、CuおよびNiは0.005質量％以上添加することが好ましい。しかし、Cuは0.5質量％、Niは1.00質量％を超えて添加すると、却って鋼の被削性が低下するため、CuおよびNiは0.5質量％および1.00質量％をそれぞれ上限として添加することが好ましい。
　同様に、本発明の軸受鋼では、強度を高めたり、鋼の転動疲労寿命特性を向上させたりするため、上記成分に加えてさらに、以下の成分を添加することができる。
Ｗ：0.001～0.5質量％、Nb：0.001～0.1質量％、Ti：0.001～0.1質量％、Zr：0.001～0.1質量％およびＶ：0.002～0.5質量％のうちの１種または２種以上
　Ｗ、Nb、Ti、ZrおよびＶは、いずれも焼入れ性や焼戻し後の鋼の強度を高め、鋼の転動疲労寿命特性を向上する元素であり、必要とする強度に応じて選択して添加することができる。このような効果を得るためには、Ｗ、Nb、TiおよびZrは、それぞれ0.001質量％以上、Ｖは0.002質量％以上で添加することが好ましい。しかし、ＷおよびＶは0.5質量％、Nb、Ti、Zrは0.1質量％を超えて添加すると、却って鋼の被削性が低下するため、これらの値を上限として添加することが好ましい。
Ｂ：0.0002～0.005質量％
　Ｂは、焼入れ性の増大により焼戻し後の鋼の強度を高め、鋼の転動疲労寿命特性を向上する元素であり、必要に応じて添加することができる。この効果を得るためには、0.0002質量％以上で添加することが好ましい。しかし、0.005質量％を超えて添加すると、加工性が劣化するため、Ｂは0.0002～0.005質量％の範囲で添加することが好ましい。
　本発明の軸受用造塊材においては、上記以外の成分は、Feおよび不可避的不純物である。ここに、不可避的不純物としては、Sb、Sn、AsおよびHf等が挙げられる。
　次に、本発明の軸受用造塊材を製造する条件について説明する。
　上記の成分組成を有する軸受用造塊材は、真空溶解炉または転炉、さらには脱ガス工程などの公知の精錬法にて溶製し、次いで、造塊法によって鋳片とされる。鋳片は、さらに圧延、鍛造等の成形工程を経て軸受部品とされる。
　得られた鋳片の中心部にはMoの偏析が生じているので、上述したMoの偏析度を2.8以下にまで低減させるための処理を行う必要がある。この処理として、以下に示す加熱処理が必要である。
加熱温度：1150℃以上1350℃未満
　鋼の転動疲労寿命特性向上のために、中心偏析部でのMoの偏析度を低減する必要がある。また、造塊法にて鋳造した場合には、鋳片の中央付近には、鋳造方向の偏析（Ｖ偏析）、鋳造方向と逆方向の偏析（逆Ｖ偏析）が生じやすいが、所定条件で加熱を行うことにより、この偏析を低減させることもできる。加熱温度が1150℃未満の場合、偏析度の低減が小さく、上記効果を得ることができない。加熱温度が1350℃以上になると、偏析度が大きい部分で溶融が起こり、鋼材に割れが発生する。以上のことから加熱温度は1150℃以上1350℃未満とする。好ましくは、1150℃以上1300℃以下である。
加熱保持時間：10時間超
　前述したとおり、鋼の転動疲労寿命特性向上のためには、Moの偏析度および、Ｖ偏析、逆Ｖ偏析を低減する必要がある。偏析度の低減のためには、加熱温度を高くすることが効果的であるが限界がある。したがって、10時間超の加熱保持を行い、偏析度を低減する。加熱保持時間が10時間以下の場合、偏析度の低減が小さく、上記した効果を得ることができない。そのために、本発明では、加熱保持時間を10時間超に限定した。上限はとくに定める必要はないが、現実的には100時間である。
　なお、加熱処理を複数回に分けて行ってもよく、この場合、各加熱処理における1150℃以上1350℃未満での保持時間の合計時間が10時間超となればよい。また、鋳片には熱間鍛造を行って所望の断面形状とされるが、上記した加熱処理は熱間鍛造を行うにあたっての鋳片の加熱段階（鍛造前加熱）で行ってもよいし、また、鍛造前加熱とは別に鋳片に加熱処理を行ってもよい。さらに、熱間鍛造後に上記の条件で加熱処理を行うようにしてもよい。
　さらに、鍛造時には、鍛錬成形比が2.0以上となる延伸を行う必要がある。上述したように、造塊法により製造された鋳片の内部には、粗大なポロシティの集まりであるザクなどの内部欠陥が発生し易いため、熱間鍛造により低減させる。また、鋼中に存在する非金属介在物を分断し微細化する。この効果を得るためには、鍛錬成形比を2.0以上とすることが好ましい。鍛錬成形比が2.0未満の場合、粗大なザクなどの欠陥および粗大な非金属介在物が存在するようになり、軸受鋼に加工中に内部割れが発生したり、転動疲労寿命特性が低下するようになる。以上のことから、鍛錬成形比は2.0以上とする実体鍛錬を行う必要がある。さらに、好ましい鍛錬成形比は2.5以上である。上限はとくに定める必要はないが、現実的には8.0未満である。
　なお、鍛錬成形比とは、ＪＩＳＧ　０７０１に記載の実体鍛錬における鍛錬成形比のことを指す。すなわち、鍛造前の断面積Ａと鍛造後の断面積ａとの比Ａ／ａを意味する。
　表９に示す成分組成を有する鋼を転炉により溶製し、次いで造塊法により表10に示す条件にて鍛造および加熱を施し、軸受用造塊材とした。なお、表10における加熱１および２は、鍛造を行うための加熱であるが、偏析を低減する目的も兼ねている。加熱３は、鍛造後に偏析度を低減するための加熱である。この鍛造品について、Moの偏析度、非金属介在物径および転動疲労寿命特性を、以下のように調査した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
［最大介在物径］
　最大介在物径は、鍛造した鋼片の（Ｔ１/２，Ｔ２/２）部（中心部）および（Ｔ１/２，Ｔ２/４）部（Ｔ１＝Ｔ２は角鍛造した鋼片の辺の長さ：図１）、あるいはＤ/４部およびＤ/２部（Ｄは丸鍛造した鋼片の直径：図２）から延伸方向断面が観察面になるようにミクロ組織観察用サンプルを採取し、光学顕微鏡にて倍率200倍で100mm２の観察（図３の被検面10mm×10mm）を30個行って、それぞれにおける非金属介在物の短軸および長軸の長さを測定し、{（短軸長さ）×（長軸長さ）}1/2により介在物径に換算し、これら測定値に基づいて、極値統計により30000mm２中の最大介在物径を予測し、これを採用した。ここで、極値統計による最大介在物径の予測は、日本トライポロジー学会第２種研究会による「軸受鋼における非金属介在物の評価法研究会フェーズII報告書」に記載されている、極値統計法を用いた。また、試験片はそれぞれ、鍛造後の鋼片の、造塊材のボトム側に相当する部分から採取した。
［偏析度］
　偏析度は、上記した非金属介在物を評価したサンプルを用いて、電子線マイクロアナライザ（以下、EPMAと示す）を利用して求めた。EPMAの測定条件は、ビーム径：30μｍφ、加速電圧：20ｋＶ、電流：４×10－７Ａにて、図３に示すように、サンプルの中央部６mm×６mmの面分析を行い、面分析を行った領域のうち、Mo強度値が高い部分を含む線上にて図４に示すようにライン分析を実施し、Moの強度の最大値ＣMo(max)と平均値ＣMo(ave)とを求めた。また、その強度の最大値と平均値との比ＣMo(max)／ＣMo(ave)をもって、偏析度と定義した。
［耐転動疲労寿命特性］
　転動疲労寿命特性は、実際に鍛造、切削、焼入れ・焼戻しを行い、実際に使用して評価するのが好ましいが、これでは、評価に長時間を有する。そのため、転動疲労寿命特性の評価は、ラジアル型の転動疲労寿命試験機により評価した。鍛造後の鋼片の（Ｔ１/２，Ｔ２/４）部（Ｔ１＝Ｔ２は角鍛造した鋼片の辺の長さ：図５）、あるいはＤ／４部（Ｄは丸鍛造した鋼片の直径：図６）より、60mmφ×5.3mmの円盤を切り出し、950℃に加熱後20分保持し、25℃の油にて焼入れを行い、その後、170℃に加熱後1.5時間保持する焼戻しを行い、60mmφ×5mmの円盤に平面研磨を行い試験面を鏡面に仕上げた。かくして得られた試験片は、スラスト転動疲労試験機を用いて、直径約38mmの円周上を鋼球が転がるようにし、5.8GPaのヘルツ最大接触応力がかかるようにして転動疲労試験に供した。ここで、試験片は、それぞれ鍛造後の鋼片の、造塊材のボトム側に相当する部分から採取した。
　その評価は、試験片に剥離が発生するまでの応力負荷回数を10枚～15枚の試験片に対して求め、ワイブル紙を用いて累積破損確率と応力負荷回数との関係で整理した後、累積破損確率10％(以下、Ｂ10寿命と示す)を求めた。このＢ10寿命が基準鋼（A－1：SUJ2相当鋼）に対して、10%以上向上した場合に、転動疲労寿命特性が向上したと判断した。
　表11に、偏析度、非金属介在物径および転動疲労寿命特性試験の結果を示す。本発明に従う成分組成、偏析度ＣMo(max)／ＣMo(ave)を満たす、No.Ｄ－１～Ｄ－７、Ｄ－12～Ｄ－16およびＤ－26～Ｄ－31の鋼は、偏析度、非金属介在物も本発明の範囲内に制御され、良好な転動疲労寿命特性を有していることが分かる。これに対して、成分組成が本発明の範囲内であっても、製造条件が本発明の範囲を満足しないNo.Ｄ－23～Ｄ－25の鋼は、偏析度または非金属介在物が大きくなり、耐転動疲労寿命特性がほとんど改善していないことがわかる。また、成分組成が本発明の範囲を満たさないNo.Ｄ－８～Ｄ－11およびＤ－17～Ｄ－22の鋼は、製造条件が本発明の範囲内であっても、耐転動疲労寿命特性がほとんど改善していないことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　本発明の造塊材を用いれば、転動疲労寿命特性に優れた軸受鋼を造塊法による安価な手法にて製造することができ、産業上非常に価値の高い軸受鋼を提供できる。
 
 

Claims (5)

  1. 　Ｃ：0.56質量％以上0.70質量％以下、
    　Si：0.15質量％以上0.50質量％未満、
    　Mn：0.60質量％以上1.50質量％以下、
    　Cr：0.50質量％以上1.10質量％以下、
    　Mo：0.05質量％以上0.5質量％以下、
    　Ｐ：0.025質量％以下、
    　Ｓ：0.025質量％以下、
    　Al：0.005質量％以上0.500質量％以下、
    　Ｏ：0.0015質量％以下および
    　Ｎ：0.0030質量％以上0.015質量％以下
    を含み、残部Feおよび不可避的不純物の成分組成を有し、下記（１）式にて定義される偏析度が2.8以下であり、さらに極値統計によって算出される30000mm２における最大介在物径の予測値が60μm以下であることを特徴とする軸受用造塊材。
    　　　　　　　　　　　　　　記
    　　ＣMo(max)／ＣMo(ave)≦2.8　…（１）
    　　但し、ＣMo(max)はMoの強度値の最大値、並びにＣMo(ave)はMoの強度値の平均値 
  2. 　上記成分組成に加えて、さらに、
    　Cu：0.005質量％以上0.5質量％以下および
    　Ni：0.005質量％以上1.00質量％以下
    のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の軸受用造塊材。 
  3. 　上記成分組成に加えて、さらに、
    　Ｗ：0.001質量％以上0.5質量％以下、
    　Nb：0.001質量％以上0.1質量％以下、
    　Ti：0.001質量％以上0.1質量％以下、
    　Zr：0.001質量％以上0.1質量％以下および
    　Ｖ：0.002質量％以上0.5質量％以下
    のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の軸受用造塊材。
  4. 　上記成分組成に加えて、さらに、
    　Ｂ：0.0002質量％以上0.005質量％以下
    を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の軸受用造塊材。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載の成分組成を有する鋼を、造塊法にて鋳片とし、その後、鍛錬成形比が2.0以上になる鍛造、および、1150℃以上1350℃未満の温度域で10時間超加熱する加熱処理を行うことを特徴とする軸受用造塊材の製造方法。
     
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