(57)【要約】【課題】最終製品素材の炭化物の状態を、製造工程の途中の段階で定量的に把握し、最終製品素材に残存した炭化物の大きさを、軸受としての寿命に及ぼす影響が問題のない程度に管理する軸受鋼の製造方法を提供する。【解決手段】Ｃ：０．９〜１．２ｍａｓｓ％およびＣｒ：１．２〜１．６ｍａｓｓ％を含有する軸受鋼の製造において、厚さ３００〜４００ｍｍの鋳片の、分塊圧延前の加熱温度を１２２０〜１２７０℃、加熱時間を３〜５時間とし、前記鋳片の断面積をＳ１、前記鋳片を分塊圧延して得られた鋼片の断面積をＳ２とし、前記鋼片の縦断面における中心偏析の幅の最大値Ｌ（ｍｍ）とした場合において、Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足することを特徴とする軸受鋼の製造方法。前記鋼片を圧延して得られる最終製品素材において残存した炭化物の最大幅は、１０μｍ以下であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．９〜１．２ｍａｓｓ％およびＣｒ：１．２〜１．６ｍａｓｓ％を含有する軸受鋼の製造において、
厚さ３００〜４００ｍｍの鋳片の、分塊圧延前の加熱温度を１２２０〜１２７０℃、加熱時間を３〜５時間とし、
前記鋳片の断面積をＳ１（ｍｍ2）、前記鋳片を分塊圧延して得られた鋼片の断面積をＳ２（ｍｍ2）とし、前記鋼片の縦断面における中心偏析の幅の最大値Ｌ（ｍｍ）とした場合において、
Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足することを特徴とする軸受鋼の製造方法。
【請求項２】
前記鋼片を圧延して得られる最終製品素材において、炭化物の最大幅を１０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の軸受鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受鋼の製造方法に関し、特に、最終製品素材に残存した炭化物の、軸受としての寿命に対する影響を抑制できる軸受鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸受鋼の連続鋳造において、軸受鋼の連続鋳造鋳片は、加熱炉で加熱された後、分塊圧延を経て鋼片とされ、さらにこの鋼片は圧延されて、最終的な軸受鋼としての製品（最終製品素材）となる。
【０００３】
軸受鋼の製造時には、連続鋳造鋳片（以下単に「鋳片」ともいう。）の中心部に偏析元素のマクロ偏析（中心偏析）が生じる。中心偏析が生じた部分（以下、「中心偏析が生じた部分」を単に「中心偏析」ともいう。）では、ＣおよびＣｒ成分の濃化にともない、粗大な共晶炭化物（セメンタイト、以下単に「炭化物」ともいう。）が生じる。
【０００４】
鋳片の中心偏析に起因する粗大な炭化物は、鋳片、鋼片の加熱時に溶解、拡散が促進されるため、鋳造から分塊圧延を経て製品に至るまでの間、その大きさは種々変遷し、消滅または縮小される。しかし、炭化物が大きなまま製品に残存すると、製品性能の劣化をまねく。特に粗大な炭化物が最終製品素材に残存すると、軸受として最も重要な寿命に大きく影響し、短い期間で破損を生じることとなる。そのため、中心偏析およびこれに起因する粗大な炭化物は、従来から厳密に管理すべきものとされてきた。
【０００５】
特許文献１においては、軸受鋼の製造において連続鋳造時に軽圧下を加えて中心偏析を解消し、得られた鋳片を１１５０〜１２６０℃に２〜５時間加熱するソーキングを行って分塊圧延することにより、巨大炭化物を低減する方法が記載されている。
【０００６】
さらに特許文献２には、高炭素軸受鋼の連続鋳造において中心偏析を低減するための鋳造条件として、鋳造速度、比水量および溶鋼過熱度、ならびにメニスカス距離とロール勾配との関係について規定し、その詳細が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２９９５５０号公報
【特許文献２】特開２００８−２６４８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１および２に記載の方法は、中心偏析、ひいては炭化物を低減するのに有効であると考えられる。しかし、最終製品素材における炭化物の状態を満足できる状態とするには、鋳片の偏析を定量的にどこまで低減すればよいかを明確にしておくことが望ましい。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、最終製品素材における炭化物の大きさ、状態を、製造工程の途中の段階で定量的に把握するための指標を得ることができ、炭化物の大きさ、分布状態について軸受としての寿命に対する影響が、問題のないレベルの最終製品素材を得ることができる、軸受鋼の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、Ｃ：０．９〜１．２ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１．２〜１．６ｍａｓｓ％の軸受鋼の厚さ３００〜４００ｍｍの鋳片を分塊圧延することによって製造した鋼片について検討した。その結果、分塊圧延後の鋼片における偏析状態を確認することによって、最終製品素材の炭化物の状態を定量的に把握することができることを知見した。
【００１１】
本発明は、上記の検討結果に基づいてなされたものであり、その要旨は下記の（１）および（２）に示す軸受鋼の製造方法にある。
【００１２】
（１）Ｃ：０．９〜１．２ｍａｓｓ％およびＣｒ：１．２〜１．６ｍａｓｓ％を含有する軸受鋼の製造において、厚さ３００〜４００ｍｍの鋳片の、分塊圧延前の加熱温度を１２２０〜１２７０℃、加熱時間を３〜５時間とし、前記鋳片の断面積をＳ１（ｍｍ2）、前記鋳片を分塊圧延して得られた鋼片の断面積をＳ２（ｍｍ2）とし、前記鋼片の縦断面における中心偏析の幅の最大値Ｌ（ｍｍ）とした場合において、Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足することを特徴とする軸受鋼の製造方法。
【００１３】
（２）前記鋼片を圧延して得られる最終製品素材において、炭化物の最大幅を１０μｍ以下とすることを特徴とする前記（１）に記載の軸受鋼の製造方法。
【００１４】
本発明、および本明細書の記載において、「軸受鋼」とは、鋼種、またはこの鋼種の鋼からなる鋳片、鋼片もしくは最終製品素材を意味する。
【００１５】
本明細書の記載において、「鋳片」とは連続鋳造によって得られた鋳造物、「鋼片」とは鋳片を分塊圧延して得られた加工物、「最終製品素材」とは鋼片を圧延して得られた加工物をいう。
【００１６】
中心偏析について「幅」とは、鋳片または鋼片の厚さ方向の幅をいう。また、「最大偏析幅」とは、鋳片又は鋼片における中心偏析のうち、幅が最大のものの幅をいう。
【００１７】
炭化物について「幅」とは、鋳片又は鋼片における炭化物については、鋳片または鋼片の厚さ方向の幅をいい、最終製品素材における炭化物については横断面における任意方向の幅をいう。また、「最大幅」とは、鋳片、鋼片または最終製品素材における炭化物のうち幅が最大のものの幅をいう。
【００１８】
また、以下の記述において、軸受鋼の成分組成についての「ｍａｓｓ％」を、単に「％」とも表記する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の軸受鋼の製造方法によれば、軸受鋼の鋳造時に中心偏析が生じた結果生じる共晶炭化物を、最終製品素材において軸受としての寿命に及ぼす影響が問題のない大きさに管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】中心偏析と炭化物の存在する鋳片断面の模式図である。
【図２】炭化物の存在する鋼片断面の顕微鏡写真である。
【図３】各試験における、鋼片の最大偏析幅Ｌと最終製品素材における炭化物の最大幅Ｗとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の方法を上述の通り規定した理由および本発明の好ましい態様について説明する。
【００２２】
１．本発明の規定理由
１−１．基本理論
Ｃ：０．９〜１．２％、Ｃｒ：１．２〜１．６％の軸受鋼の鋳片では、鋳造時において、中心偏析した残溶鋼が凝固する際にさらにミクロ偏析してＣおよびＣｒが濃化し、溶解度積を超えることによって共晶炭化物が晶出すると考えられる。鋳片の中心偏析が大きければ大きいほど、炭化物のサイズは大きくなる。
【００２３】
１−２．加熱時間
この鋳片は、分塊圧延する前に加熱炉に入れて加熱する。その加熱時間は、工程の効率化の観点からは、できるだけ短時間とすることが望ましい。一方、炭化物を加熱炉で一旦再溶解させ、拡散効果によってＣとＣｒの偏析を低減させるには、できるだけ長時間とすることが効果的である。
【００２４】
本発明者らの検討の結果、分塊圧延する前の鋳片の加熱時間は、ＣとＣｒの偏析を低減する効果を得るには最低２時間必要であることがわかった。そして、工程の効率化の観点から可能な最大の加熱時間は５時間であった。
【００２５】
１−３．加熱温度
また、加熱温度も拡散効果の観点からできるだけ高温にすることが望ましい。しかし、あまりに高温にするとミクロ偏析した部分が溶融し、鋼片の新たな欠陥となる。本発明者らの検討の結果、新たな欠陥の発生を抑制できる加熱温度の上限が１２７０℃であることがわかった。一方、２〜５時間の加熱時間で、効果的な拡散効果を得てＣとＣｒの偏析を低減するには、少なくとも１２２０℃とする必要があることがわかった。
【００２６】
１−４．鋼片における最大偏析幅
以上の加熱時間および加熱温度の制限のもと、最終製品素材において粗大な炭化物が存在しない状態、具体的には横断面における最大幅が１０μｍを超える炭化物が存在しない状態とするには、鋼片における最大偏析幅Ｌ（ｍｍ）を、下記（１）式で規定することが必要であることを見出した。以下にその理由について詳細に説明する。
Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5  …（１）
【００２７】
２．鋼片における最大偏析幅Ｌの規定理由
２−１．炭化物の溶解および拡散状態の指標
分塊圧延前の鋳片の加熱によって炭化物を溶解、拡散させるのは、炭化物が大きければ大きいほど困難になる。そのため、炭化物の溶解、拡散を確実に総ての鋳片の内部で促進できたことを確認するための指標としては、鋳片の最大クラスの炭化物を用いればよい。
【００２８】
２−２．最大偏析幅と炭化物の最大幅との相関関係
図１は、中心偏析と炭化物の存在する鋳片断面の模式図である。図１に示す鋳片１の断面には、中心偏析２と炭化物３が現れている。鋳片について、種々調査したところ、図１に示す中心偏析２のうち鋳片厚さ方向の幅が最大のものの幅（最大偏析幅）と、炭化物３のうち鋳片厚さ方向の幅が最大のものの幅（最大幅）との間には相関関係があることがわかった。このことから、鋳片１において最大偏析幅を有する中心偏析２に、鋳片１内の最大の炭化物３が存在すると考えることができる。
【００２９】
図２は、炭化物の存在する鋼片断面の顕微鏡写真である。図２には、鋼片中のＣｒ系炭化物の顕微鏡写真を示し、その炭化物の最大幅について示した。
【００３０】
ここでいう、中心偏析の幅および炭化物の幅とは、Ｃ、Ｃｒ等の偏析元素の拡散方向を考慮して定義したものである。すなわち、加熱炉での加熱により鋳片中の炭化物が溶解し、細くなっていく過程は、鋳片において偏析元素の濃度勾配の最も大きい箇所で最も著しい。この偏析元素の濃度勾配の最も大きい箇所は、中心偏析でいうと、鋳片厚さ方向の幅が最も大きい部分であり、その濃度勾配の方向は鋳片厚さ方向である。炭化物は、鋳片内において一般的に、鋳片幅方向に長いストリング状を呈し、鋳片の加熱により鋳片厚さ方向に細くなっていく。そのため、炭化物の大きさの変化を把握するには、炭化物の鋳片厚さ方向の幅の最大値（上述の「最大幅」）をとらえれば良い。
【００３１】
このように、鋳片でその最大偏析幅、炭化物の最大値を規定すれば良い。しかし、鋳片では、鋳片厚さ方向へのマクロ偏析の広がりが不定形であるため鋳片で観察した中心偏析の幅は測定精度が悪く、また、鋳片内の炭化物の状況は加熱炉の温度および鋳片の在炉時間によって変化する。重要なのは製品素材での炭化物の分布状況を把握することである。そこで、鋼片の最大偏析幅を規定することに着目した。
【００３２】
すなわち、鋳片と製品の中間段階である分塊圧延後の鋼片では、鋳片より断面は小さくなっているものの、中心偏析は圧延方向に長く延ばされ、厚さ方向の不定形な形状も緩和される。そのため、鋼片では鋳片と比較して最大の偏析幅の確認を実施しやすい。さらに、鋳片の分塊圧延以降、鋼片を最終製品素材まで加工するに際しては、炭化物は熱的にほとんど影響を受けず、最終製品素材での炭化物の受けた影響は、鋼片の炭化物の圧延変形にともなう幾何的な縮小のみであることが本発明者らの調査により判った。これは、一般的に鋼片の圧延前の加熱は、鋳片の分塊圧延時の加熱と比較して、時間が短くかつ温度も分塊圧延に較べ低めであることによると考えられる。このことから、鋼片における炭化物の分布状況は、圧延変形にともなってサイズこそ違うものの、最終製品素材における炭化物の分布状況に直接相関するものと考えて良い。
【００３３】
２−３．鋼片における炭化物の分布状況および最大偏析幅と、最終製品素材における炭化物の分布状況との関係
また、鋼片の最大偏析幅も、鋳片での炭化物の分布状態および最終製品素材での炭化物の分布状態に直接相関するものと考えて良い。すなわち、鋼片の最大偏析幅をＬ、鋳片の断面積をＳ１、鋼片の断面積をＳ２とし、ａを定数とすると、下記（２）式の関係があると仮定できる。（Ｓ２／Ｓ１）0.5は、面積の０．５乗の単位は長さとなるので、鋳片の分塊圧延による最大偏析幅の縮小率に相当する。
Ｌ＝ａ×（Ｓ２／Ｓ１）0.5…（２）
【００３４】
本発明者らは、後述の実施例で説明するように、鋼片の最大偏析幅と、直径７０ｍｍの最終製品素材における炭化物の最大幅との関係について調査した。鋼片のサンプリング方法等の詳細については後述する。
【００３５】
その結果、図３に示すように、鋼片の最大偏析幅Ｌ（ｍｍ）と最終製品素材における炭化物の最大幅Ｗ（μｍ）との間には、下記（３）式の関係があることを見出した。
Ｗ＝２．３４５×Ｌ−８．０８７  …（３）
（３）式から、最終製品素材における炭化物の最大幅Ｗが１０μｍであるときの鋼片の最大偏析幅ＬLIMITは、７．７１ｍｍであることがわかる。
【００３６】
また、後述の実施例に示した試験のうち、鋳片から鋼片への加工時の減面率（鋳片の断面積と鋼片の断面積の差を鋳片の断面積で除した値）が最も小さい試験（鋳片の断面サイズが幅４４０ｍｍ×厚さ３２０ｍｍ、鋼片の断面サイズが幅１６０ｍｍ×厚さ１６０ｍｍの場合）で、鋼片の炭化物の圧延変形にともなう幾何的な縮小が最も小さくなる条件となる。したがって、この試験条件で最終製品素材における炭化物の最大幅Ｗが１０μｍ以下を実現できる鋼片の最大偏析幅がＬLIMIT（７．７１ｍｍ）未満であれば、これよりも減面率が大きい他の試験においても鋼片の最大偏析幅がＬLIMIT未満を満足することができる。
【００３７】
幅４４０ｍｍ×厚さ３２０ｍｍの鋳片の断面積Ｓ１は１４０８００ｍｍ2、幅１６０ｍｍ×厚さ１６０ｍｍの鋼片の断面積Ｓ２は２５６００ｍｍ2であることから、これらの値を（２）式に代入することにより、ａ＝１８．０８≒１８が導出される。
【００３８】
したがって、鋼片の最大偏析幅Ｌを、下記（１）式で規定すれば、最終製品素材の炭化物の最大の大きさが１０μｍを超えないようにすることが可能である。
Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5  …（１）
【００３９】
ちなみに、（１）式において、Ｓ１＝Ｓ２とすることで鋳片で要求される最大偏析幅の上限としては１８ｍｍを得る。
【００４０】
実際、直径７０ｍｍの最終製品素材の炭化物の分布状態が良好であった場合の鋳片の最大偏析幅は、約１８ｍｍ以下であった。このように、鋼片の最大偏析幅Ｌを、Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5とすることで、炭化物の分布状態の良好な最終製品素材を得ることができる。
【００４１】
３．鋼片の最大偏析幅Ｌについて、（１）式を満足させる方法
鋼片の最大偏析幅Ｌを、Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5とする方法としては、上述の特許文献１に記載のような、鋳造中に軽圧下等を実施することで鋳片の最大偏析幅を低減しておく方法が挙げられる。また、鋼片の段階での抜き取り検査等で確認した最大偏析幅が１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5以上である場合はその鋼片は以降の工程にまわさない方法等でも良い。
【実施例】
【００４２】
本発明の軸受鋼の製造方法の効果を確認するため、以下に示す試験を実施して、その結果を評価した。
【００４３】
１．試験条件
１−１．鋳造条件
連続鋳造装置として、最大円弧径１５ｍの５点垂直曲げ、１点矯正のブルーム連続鋳造機を使用した。鋳片は、断面サイズが幅４４０ｍ×厚さ３２０ｍｍ、組成が１ｍａｓｓ％Ｃ−１．４ｍａｓｓ％Ｃｒの軸受鋼とし、鋳造速度０．７５ｍ／ｍｉｎで鋳造した。
【００４４】
鋳片の中心偏析の程度を変化させるため、鋳型内に電磁攪拌のための磁場を印加した場合としなかった場合について試験を実施した。磁場の印加は、周波数３Ｈｚ、最大磁束密度６Ｔ（テスラ）で実施した。表１に示すように、本発明例１〜１０および比較例１〜４は磁場を印加し電磁攪拌を実施した試験であり、比較例５〜８は磁場を印加せず（非印加）電磁攪拌を実施しなかった試験である。電磁攪拌を実施した場合、鋳片の中心部が等軸晶で充填され、中心偏析が軽減されることは従来から知られている。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
連続鋳造された鋳片は、加熱炉で１２５０〜１２７０℃に加熱し、拡散処理した。各試験の加熱時間および加熱温度は、「分塊前の加熱条件」として表１に示した。
【００４７】
１−２．最終製品素材への加工条件
拡散処理を施した鋳片は、分塊圧延を行い、断面サイズが１６０ｍｍ×１６０ｍｍおよび１４０ｍｍ×１４０ｍｍの鋼片とした。さらに、各鋼片は、長さ１ｍに分割し、１１００〜１０００℃に加熱した後、直径７０ｍｍの最終製品素材に加工した。
【００４８】
１−３．中心偏析の確認条件
長さ１ｍの鋼片のうち、定常部から切り出したものの端部から長さ２００ｍｍの試料を切り出して、偏析確認用のサンプルとした。各サンプルの、鋳片の中心偏析の存在位置に相当する厚さ方向の中心を通る縦断面を研削、研磨した後、酸腐食（例えば、飽和ピクリン酸溶液を使用）することにより、鋼片の中心偏析を検出し、最大偏析幅Ｌを求めた。
【００４９】
最終製品素材については、両端部を含めて均等に分割し、長さ７０ｍｍの試料を６個切り出して、炭化物確認用のサンプルとした。各サンプルは、中心を通る縦断面を研削、研磨し、酸腐食（例えば、ピクラール液を使用）した後、顕微鏡により残存炭化物を観察した。そして、観察された炭化物のうち、鋳片厚さ方向の幅が最大のものの鋳片厚さ方向の幅（最大幅）を求めた。
【００５０】
２．試験結果
上記条件で作製した鋼片および最終製品素材について、評価を行った。評価結果は、前記表１に試験条件と併せて示した。評価項目は、鋼片について「最大偏析幅Ｌ」および「１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5の値」、最終製品素材について「炭化物の最大幅Ｗ」とした。
【００５１】
図３は、各試験における、鋼片の最大偏析幅Ｌと最終製品素材における炭化物の最大幅Ｗとの関係を示す図である。表１および図３からわかるように、鋼片の最大偏析幅Ｌ（ｍｍ）と最終製品素材における炭化物の最大幅Ｗ（μｍ）との間には下記（３）式の関係があることがわかった。
Ｗ＝２．３４Ｌ＋８．０９  …（３）
【００５２】
また、分塊前の加熱条件が同一の場合、鋼片サイズが小さい方が鋼片の最大偏析幅Ｌが小さくなっていた。これは、加熱による拡散効果は同じであるため、分塊圧延による断面積の減少の効果（減面効果）によるものである。
【００５３】
Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足した本発明例１〜１０では、最終製品素材の最大炭化物幅Ｗはいずれも８μｍ以下と小さく、軸受としての寿命に及ぼす影響の小さい１０μｍ以下であった。
【００５４】
一方、Ｌ≧１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5であった比較例１〜８では、最終製品素材の最大炭化物幅Ｗが１１μｍ以上と大きい値であった。特に、電磁攪拌を適用しなかった比較例５〜８では、電磁攪拌を適用した比較例１〜４と比較しても明らかに鋼片の最大偏析幅Ｌは大きい値であった。このように、電磁攪拌が、鋼片の最大偏析幅Ｌを低減させる効果を有することは明確であり、電磁攪拌を含めた鋳造条件を変更し、改善することにより、鋼片の最大偏析幅ＬがＬ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足させることができることも示唆される。
【００５５】
本発明の方法を適用する場合、基本的に最終製品素材までの圧延は、鋼片の段階で断面の最大偏析幅Ｌを確認した際にＬ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足する鋼片について実施する。本試験では、比較のため、比較例としてＬ≧１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5の鋼片に対しても最終製品素材までの圧延を実施した。
【００５６】
同じ鋳造でも、二次冷却の変動や、ロールアライメントの熱間での不整発生等により、偏析が局所的に悪化する場合がしばしばある。そのため、本発明では、鋼片の最大偏析幅Ｌについて、Ｌ＜１８×（Ｓ２／Ｓ１）0.5を満足させる方法の一つとして、鋼片の段階での抜き取り検査等で最大偏析幅Ｌを確認し、規定を満たさないものは排除する方法を提唱するものである。
【００５７】
なお、本発明者らは、最大直径７０ｍｍの最終製品素材を念頭に、（２）式の係数ａとして１８を設定した。しかし、直径が７０ｍｍを超える最終製品素材が必要な場合でも本発明の方法において係数ａを決定した手順に従い係数ａを求めることで管理できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の軸受鋼の製造方法によれば、軸受鋼の鋳造時に中心偏析が生じた結果生じる共晶炭化物を、最終製品素材において軸受としての寿命に及ぼす影響が問題のない大きさに管理することができる。
【００５９】
したがって、本発明の軸受鋼の製造方法は、最終製品素材において共晶炭化物の軸受としての寿命に及ぼす影響を小さくする方法として好適である。
【符号の説明】
【００６０】
１：鋳片、  ２：中心偏析、  ３：炭化物
【図１】
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【図３】
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【図２】
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