(57)【要約】【課題】  従来の指標である酸化物以外の指標により、転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼を提供する。【解決手段】  機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ2中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ2中における硫化物の最大介在物径の予測値√area maxが４０μｍ以下であることを特徴とする転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ2中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ2中における硫化物の最大介在物径の予測値√area maxが４０μｍ以下であることを特徴とする転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼。
【請求項２】
機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ2中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ2中における酸化物、硫化物、窒化物の各介在物の最大介在物径の予測値√area maxのうち最大の値が６０μｍ以下であることを特徴とする転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受、ギア、ハブユニット、トロイダル型ＣＶＴ装置、等速ジョイント、ピストンピン等の転がり疲労寿命が求められる機械部品や装置に対し、表面硬さが５８ＨＲＣ以上に硬化させて使用される鋼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種機械装置の高性能化にともない、転がり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、鋼材面からの対策としては、鋼成分の適正化や不純物元素の低減が行われ、寿命の向上ならびに信頼性の向上がはかられている。
【０００３】
例えば、不純物元素のうちアルミナ等の酸化物系介在物を構成し、破損の起点となるため特に有害である酸素に関しては、ｐｐｍオーダーでの低減が行われており、特に高い信頼性が求められる場合には、ＶＡＲ、ＥＳＲ等の特種溶解による酸素量の低減が行われている。また、他の不純物元素に関しても、１／１００％オーダーまで低減することにより、それらの悪影響を防止する対策がとられている。
【０００４】
そこで、鋼中の酸素量が少ない高清浄度鋼が種々提案されてきたが、これらの提案の中で最短寿命と関連した清浄度評価項目を見出し、酸化物系非金属介在物の粒子径分布からその累積分布の対数減少率及び単位体積または単位面積当たりに存在する推定介在物径を求め、それらに基づいて清浄度を求めてなる鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また硫化物系介在物の最大長さが１００μｍ以下で、かつ長さが４０μｍを超えるものの個数が単位面積１６０ｍｍ２当たり５０個以下である転動部品用鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、精錬のプロセス制約を受けず、製造コストの増加を招くことなく、汎用の超寿命鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。さらに、我々は疲労強度が要求される部品設計の際に必要となる、所定体積中に存在が予測される最大介在物の大きさを保証した鋼を提案している（例えば、特許文献４参照。）。
【０００５】
ところで、このような従来技術ではある小さな被検面積での介在物評価結果をもとに材料の良否を判断しているため、局部的な部分においては清浄度の良好な鋼であっても軸受のボール、コロが転走する表面下の大きな危険体積では検鏡時には見つからないような大きな介在物が現出し早期剥離を招く問題がある。
【０００６】
また、最近の鋼では製鋼技術の進歩により酸化物が小径化してきており、相対的に硫化物の大きさが大きくなっており、酸化物を指標とした鋼では転動寿命のバラツキが大きい問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２５５８７号公報
【特許文献２】特開平４−２８０９４１号公報
【特許文献３】特開２００２−２２０６３８号公報
【特許文献４】特開平１１−１９４１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、上記の従来技術の問題点の原因を究明し、その問題点を解消し、従来の指標である酸化物以外の指標により、転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは研究を鋭意進めた結果、軸受の転動疲労においては、鋼からある大きさ以上の介在物を少なくすることが重要なのではなく、酸化物、硫化物、窒化物のいずれの非金属介在物であっても、軸受の転走面下に大きな非金属介在物が存在すれば、剥離を発生させることを見出し、軸受の転走面下の危険部位に出現する非金属介在物の大きさを小さくすることが軸受の寿命向上に対して重要であることを見出した。
【００１０】
さらに、最近の鋼では酸化物、硫化物、窒化物といった非金属介在物の中で、酸化物や窒化物の介在物に比べ硫化物の介在物の大きさが大きくなった結果、転動寿命に対して硫化物の影響が大きくなっていることを見出し、このことから極値統計法を用いた硫化物の最大介在物径の評価が転動寿命を予測することに対し、非常に有効であることを見出したものである。
【００１１】
この考え方に基づく鋼中の介在物の評価として、介在物の大きさと出現頻度から鋼中の介在物の大きさを統計的手法により評価する極値統計法による介在物評価方法を用い、かつ、従来の数１００ｍｍ2の評価面積に比べてはるかに大きな３００００ｍｍ2の評価面積において、鋼中の酸化物、硫化物、窒化物の各介在物の最大介在物径の予測値√area maxを用い、鋼中の介在物の評価をおこなって、軸受のＬ10寿命との相関を見たところ、転動面下に存在する鋼中の硫化物の最大介在物径の予測値を４０μｍ以下と規定することにより良好な転動寿命が得られることを見出し、本発明の手段を開発した。さらに、検討を進めた結果、上記の３００００ｍｍ2の評価面積において、転動面下に存在する鋼中の酸化物、硫化物、窒化物の各介在物の最大介在物径の予測径のうち、最大の値を６０μｍ以下とすることが重要であることを見出し、本発明の手段を開発したものである。
【００１２】
本発明が解決するための手段は、請求項１の発明では、機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ2中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ2中における硫化物の最大介在物径の予測値√area maxが４０μｍ以下であることを特徴とする転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼である。
【００１３】
請求項２の発明では、機械部品に使用される際に鋼材の表面硬さを５８ＨＲＣ以上として用いる機械構造用鋼、軸受鋼などの機械部品用の鋼において、鋼材断面１００ｍｍ2中の非金属介在物の最大介在物径の測定を３０箇所において行い極値統計処理を用いて算出される３００００ｍｍ2中における酸化物、硫化物、窒化物の各介在物の最大介在物径の予測値√area maxのうち最大の値が６０μｍ以下であることを特徴とする転がり疲労寿命に優れた機械用部品に使用される鋼である。
【００１４】
以上の手段において、機械構造用鋼とはＪＩＳで規定するＳＣ鋼、ＳＭｎ鋼、ＳＣｒ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼を示しており、軸受鋼とはＪＩＳで規定するＳＵＪ鋼およびそれらにＡｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ、Ｐｂ、Ｓを合計０．５％以下添加した改良鋼などを示している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、先ず鋼材中の酸化物、硫化物、窒化物などの非金属介在物うちで、硫化物からなる非金属介在物の最大介在物径を極値統計法によりその予測値を４０μｍ以下と規定することで、良好な転動寿命を有する鋼を得ることができ、また、さらに鋼材中の酸化物、硫化物、窒化物などの非金属介在物うちで、それらのいずれかの非金属介在物の最大介在物径を極値統計法によりその予測値を６０μｍ以下と規定することで、より一層に良好な転動寿命を有する鋼を得ることができるなど、本発明は従来にない優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を表および図面を参照して説明する。表１は供試材の成分組成を示す。表１の供試材はいずれも軸受用鋼であるＪＩＳのＳＵＪ２鋼を用い、各種介在物の大きさを変化させるため、供試材のＢ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｍ、Ｒ、Ｔについては、アーク溶解炉で溶製し、続いて取鍋精錬し、さらに真空脱ガス装置で脱ガスを行い連続鋳造により鋳塊を製造した。供試材のＡ、Ｌ、Ｓについては、アーク溶解炉で溶製し、続いて取鍋精錬し、さらに真空脱ガス装置で脱ガスを行いインゴットにより鋳塊を製造したものである。残りの供試材のＥ、Ｇ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｕ、Ｖについては、１００ｋｇ真空溶解炉により溶製して鋳塊を製造したものである。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
上記で得られた鋳塊に熱間加工を施してφ６５材とした。さらに供試材のＲ、Ｔについては熱間加工を施しφ１６７材としたものであり、この場合は硫化物径の予測値の大きさが上記のφ６５材よりも大きく、例えば、Ｒ材は、表１に見られるとおり、Ｊ材と同一の組成の鋼材であるが、硫化物径の予測値の大きさはＪ材のそれに比して大きいものである。
【００１９】
これらの鋼材は８００℃にて球状化焼鈍を施し、鋼材長手方向に対し垂直にφ６０×φ２０×５．８ｍｍの円盤からなる試験片を作製した。この試験片を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以上の硬さを得た後に、表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験をおこなった。スラスト型転がり疲労試験は最大ヘルツ応力Ｐｍａｘ：５２９２ＭＰａでおこなった。さらに各供試材における最大介在物径の予測値は、熱間加工を施した供試材の１／４Ｄ部から圧延方向と平行な面より１０×１０ｍｍのミクロ試料を３０個作製し、その１００ｍｍ2中に存在する介在物のうち最大の介在物の大きさを３０個測定し、極値統計手法を用いて３００００ｍｍ2中に存在する最大介在物径を予測した。これを酸化物、硫化物、窒化物の３種類の介在物についてそれぞれおこなった。これらの供試材の各試験片について、スラスト型転がり疲労試験によるＬ10寿命、表面硬さ、３００００ｍｍ2中の最大介在物径の予測値を表２に示す。なお、表２において、黒塗りは各供試材における酸化物、硫化物、窒化物の各最大介在物径の予測値のうち最大の値のものを示す。なお、窒化物はその大部分はＴｉＮである。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
表２において、供試材のＡ〜Ｍは本発明を満足するものであり、Ｌ10寿命が最低のものでもＧの１１．０×１０6以上である。この場合の３００００ｍｍ2中における硫化物の最大介在物径の予測値√area maxが４０μｍ以下のものは、供試材のＡ、Ｃ、Ｄ、Ｆ〜Ｉ、Ｋ、Ｍであり、本発明の請求項１の発明を満足するものであり、供試材のＢ、Ｅ、Ｊ、Ｌは硫化物は４０〜６０μｍの範囲にあり、かつ、酸化物、窒化物においても予測値√area maxが６０μｍ以下であり、これらは本発明の請求項２の発明を満足するものである。これに対し、供試材のＮ〜Ｖは３００００ｍｍ2中における介在物の最大介在物径の予測値√area maxが硫化物、酸化物、窒化物のいずれかが６０μｍを超えているもので、本発明の範囲外のものである。これらの供試材のＮ〜ＶはＬ10寿命が最大のものでも供試材Ｔの６．６×１０6以下と本発明のものに比し劣っている。
【００２２】
図１は、３００００ｍｍ2中の硫化物の最大介在物径の予測値が６０μｍ以下で、かつ、Ｌ10寿命が１．０×１０7サイクル以上であり、このうち、上記のとおり、供試材のＡ、Ｃ、Ｄ、Ｆ〜Ｉ、Ｋ、Ｍは硫化物の最大介在物径の予測値√area maxが４０μｍ以下であり、これらは請求項１を満足することを示している。供試材のＢ、Ｅ、Ｊ、Ｌは硫化物の最大介在物径の予測値√area maxは４０〜６０μｍの範囲にあるが、酸化物、窒化物のそれは６０μｍ以下であり、これらは本発明の請求項２の発明を満足することを示しているある。これに対し、供試材のＮ〜ＶはＬ10寿命が１．０×１０7サイクル未満であり、本発明を満足しないものである。
【００２３】
図２は、各供試材における酸化物、硫化物、窒化物の最大介在物径の予測値のうち、最大の値を示すものを、黒の塗潰しで示したものである。本発明のＬ10寿命が１．０×１０7サイクル以上であるものでは、供試材のＧ、Ｈは酸化物の値が最大であるが、いずれの供試材も酸化物、硫化物、窒化物の全てのものの予測値は６０．０μｍ以下である。これに対し、供試材のＮ〜ＶはＬ10寿命が１．０×１０7サイクル未満であるものは、酸化物あるいは硫化物のいずれかが予測値は６０．０μｍを超えていることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】３００００ｍｍ2中の硫化物の最大介在物径の予測値とＬ10寿命の関係を示すグラフである。
【図２】３００００ｍｍ2中の酸化物、硫化物、窒化物の各介在物の最大介在物径の予測値とＬ10寿命の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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