(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．５０％未満、Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０２０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物の化学組成からなり、
その鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ3中に予測される最大介在物径である予測√ＡＲＥＡが４７．５μｍ以下であり、
かつ、超音波疲労試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比が５．８以下であり、
さらに、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、平均組成における質量％での含有量がＣａＯ：２．０〜２０％、ＭｇＯ：０〜２０％およびＳｉＯ2：０〜１０％で、かつ残部がＡｌ2Ｏ3であって、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3の２元系酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯとＡｌ2Ｏ3の３元系酸化物、ＣａＯ、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の３元系酸化物およびＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の４元系酸化物のうちのいずれかからなり、
かつ、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、平均組成における質量％での含有量がＣａＳ：１００％のＣａＳの１元系硫化物、または、ＣａＳ：１．０％以上、ＭｇＳ：０〜２０％で、かつ残部がＭｎＳであって、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物もしくはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなる、
ことを特徴とする高周波焼入れ用鋼材。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．３０％以下およびＮｂ：０．１０％以下のうちの１種以上を含有する、請求項１に記載の高周波焼入れ用鋼材。
【請求項３】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．００５％以下およびＴｉ：０．０５％以下を含有する、請求項１に記載の高周波焼入れ用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波焼入れ用鋼材に関し、詳しくは、等速ジョイントやハブユニット等の機械構造部品に用いられる転動疲労寿命に優れた高周波焼入れ用鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部品の中でも、高い面圧が繰返し作用する「転がり軸受」、「等速ジョイント」や「ハブユニット」といった部品（以下、「転動部品」ともいう。）には、優れた転動疲労特性が必要となる。これらのうちでも、特に「等速ジョイント」や「ハブユニット」の素材には、主としてＪＩＳ  Ｇ  ４０５１（２００９）に記載の「機械構造用炭素鋼鋼材」が用いられており、転動疲労特性が必要な部位のみを高周波焼入れ処理によって硬化させることが行われている。
【０００３】
なお、高周波焼入れのメリットとしては、必要な部位のみ硬化できることや、インライン処理ができるため他のバッチ式の表面処理に比べて工程の自由度が高いこと等が挙げられる。
【０００４】
転動部品の転動疲労特性（転動疲労寿命）は鋼中の非金属介在物（以下、単に「介在物」ともいう。）、特に、酸化物系介在物により低下することが知られている。そのため、従来は、製鋼プロセスによって鋼中の酸素含有量を少なくする試みがなされており、その結果、酸素含有量の低下に伴って、転動疲労寿命も向上してきた。
【０００５】
鋼材の介在物評価方法としては、例えば、非特許文献１および非特許文献２に、極値統計処理によるものが提案されている。
【０００６】
しかしながら、例えば、非特許文献３に記載されているように、近年の製鋼技術の進歩により酸化物系介在物（以下、単に「酸化物」ということがある。）が小径化した結果、相対的に硫化物系介在物（以下、単に「硫化物」ということがある。）のサイズが大きくなる場合があるため、酸化物のみを指標とした対策では、転動疲労寿命のばらつきが大きくなることがある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１〜３に、転動疲労寿命を向上させるための技術が開示されている。
【０００８】
特許文献１に、質量％で、Ｃ ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：０．２０〜０．６０％、Ｓ ：０．０１２％以下、Ａｌ：０．０１５〜０．０４０％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．００１０％以下を含有し、必要に応じてさらに、Ｃｒ：１．００％以下、Ｍｏ：０．５０％以下およびＮｉ：１．５０％以下のいずれか１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、含有する非金属介在物の最大寸法が相当円直径で、それぞれ、酸化物系介在物にあっては１５μｍ以下、窒化物系介在物にあっては５μｍ以下、硫化物系介在物にあっては１５μｍ以下であり、かつ、相当円直径が１μｍ以上である非金属介在物の個数が１ｍｍ2当り、それぞれ、酸化物系介在物にあっては５個以下、窒化物系介在物にあっては１０個以下、硫化物系介在物にあっては５個以下であることを特徴とする「冷間加工性、転動疲労強度およびねじり疲労強度に優れた高周波焼入用鋼」が開示されている。
【０００９】
特許文献２に、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．７５％、Ｓｉ：０．１５〜１．１％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０６％以下、Ａｌ：０．００５〜０．２５％、Ｃｒ：０．２％以下およびＭｏ：０．０５〜０．６％を含有し、必要に応じてさらに、Ｃｕ：１．０％以下、Ｎｉ：０．０５〜３．５％、Ｃｏ：０．０１〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｔｉ：０．１％以下およびＢ：０．００６％以下から選ばれる１種または２種以上を含有し、残部が不可避的不純物からなる鋼組成を有し、１８１．４ｍｍ3に相当する予測最大介在物径が１１μｍ以下、かつ焼入れ後の硬化層の平均旧オーステナイト粒径が１２μｍ以下であることを特徴とする「転動疲労特性に優れた機械構造用部品」が開示されている。
【００１０】
特許文献３に、機械部品に使用する際の鋼の表面硬さが５８ＨＲＣ以上であり、かつ質量割合で、Ｏが２０ｐｐｍ以下、Ａｌが０．０１０％未満を満足する機械構造用鋼であって、介在物径を（縦×横）1/2と定義するとき、その鋼中に存在する検鏡面積３０００ｍｍ2に存在する最大介在物径を有する酸化物系介在物あるいは１５μｍ以上の介在物径を有する全ての酸化物系介在物の組成が、質量％で、ＳｉＯ2：３０％以上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」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２６８３６号公報
【特許文献２】特開２００９−２４２９２３号公報
【特許文献３】特開２００８−２４００１９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】村上敬宜：金属疲労  微小欠陥と介在物の影響（１９９３）、〔養賢堂〕
【非特許文献２】周世栄ら：鉄と鋼  Ｖｏｌ．８７（２００１）Ｎｏ．１２、ｐ．２２
【非特許文献３】長尾実佐樹ら：Ｓａｎｙｏ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｖｏｌ．１２（２００５）Ｎｏ．１、ｐ．３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述の特許文献１で開示されている鋼は、局部的には転動疲労寿命に優れるが、実際の部品のような大きな危険体積下では、粗大な介在物が存在する可能性があり、早期剥離を招く場合がある。
【００１４】
特許文献２で開示されている機械構造用部品は、長手方向縦断面において延伸した、または点列状の、粗大な酸化物、さらには、延伸した粗大な硫化物が存在する可能性があるため、転動疲労寿命が短い場合がある。
【００１５】
特許文献３で開示されている鋼は、延伸した粗大な、酸化物および硫化物が存在している可能性があるため、優れた転動疲労寿命が得られない場合がある。
【００１６】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、転動疲労寿命に優れた高周波焼入れ用鋼材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
転動部品において欠陥が生じる主な形態は、鋼中に存在する介在物に繰返し荷重が加わり、応力集中によって生じたき裂が繰り返し荷重によって徐々に進展し、最終的に剥離に至ることが挙げられる。
【００１８】
そのため、発明者らは、転動疲労寿命に及ぼす介在物の影響を調査した。その結果、転動疲労寿命に影響を与える介在物を検出するには、二次元的な評価ではなく、非特許文献２に示されているように、三次元的に十分な体積が確保された評価が必要であることを確認するとともに、非特許文献１に示されているように、転動疲労寿命向上のためには、超音波疲労試験を用いて十分な体積が確保された評価によって予測される最大介在物径である√ＡＲＥＡを小さくすることが有効であり、その中でも鋼材の長手方向に認められる介在物の長さを短くすることが重要であることを確認した。
【００１９】
そこでさらに、介在物の転動疲労に及ぼす影響を詳細に調査し、その結果下記（ａ）および（ｂ）の知見を得た。
【００２０】
（ａ）酸化物および硫化物の組成を制御することによって、すなわち酸化物中に適量のＣａＯを、硫化物中にＣａＳを含有するように組成を制御することによって、それぞれの介在物の長さを短くすることができ、このために転動疲労寿命が著しく向上する。
【００２１】
（ｂ）転動疲労寿命は、超音波疲労破壊試験の破壊起点となる酸化物および硫化物の種類および平均組成と相関を有する。
【００２２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示す高周波焼入れ用鋼材にある。以下、それぞれ、単に「本発明（１）」〜「本発明（３）」ということがある。また、本発明（１）〜本発明（３）を総称して、「本発明」ということがある。
【００２３】
（１）質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｃｒ：０．０１％以上０．５０％未満、Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％、Ｏ：０．００１５％以下およびＮ：０．０２０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物の化学組成からなり、
その鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ3中に予測される最大介在物径である予測√ＡＲＥＡが４７．５μｍ以下であり、
かつ、超音波疲労試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比が５．８以下であり、
さらに、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、平均組成における質量％での含有量がＣａＯ：２．０〜２０％、ＭｇＯ：０〜２０％およびＳｉＯ2：０〜１０％で、かつ残部がＡｌ2Ｏ3であって、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3の２元系酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯとＡｌ2Ｏ3の３元系酸化物、ＣａＯ、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の３元系酸化物およびＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の４元系酸化物のうちのいずれかからなり、
かつ、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、平均組成における質量％での含有量がＣａＳ：１００％のＣａＳの１元系硫化物、または、ＣａＳ：１．０％以上、ＭｇＳ：０〜２０％で、かつ残部がＭｎＳであって、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物もしくはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなる、
ことを特徴とする高周波焼入れ用鋼材。
【００２４】
（２）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｖ：０．３０％以下およびＮｂ：０．１０％以下のうちの１種以上を含有する、上記（１）に記載の高周波焼入れ用鋼材。
【００２５】
（３）Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．００５％以下およびＴｉ：０．０５％以下を含有する、上記（１）に記載の高周波焼入れ用鋼材。
【００２６】
「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップあるいは環境などから混入する元素であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００２７】
本発明でいう鋼材の「長手方向縦断面」とは、鋼材の圧延方向に平行に切断した面をいう。
【００２８】
また、本発明でいう介在物のアスペクト比とは、介在物の長径（Ｌ）と短径（Ｗ）の比、すなわちＬ／Ｗをいう。
【００２９】
なお、以下、「転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ3中に予測される最大介在物の√ＡＲＥＡ」を、省略して「予測√ＡＲＥＡ」ということがある。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の高周波焼入れ用鋼材は、安定して良好な転動疲労寿命を得ることができる。このため、「等速ジョイント」、「ハブユニット」等の転動部品の素材として用いるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例で用いた超音波疲労試験片について、最大応力の９０％以上の応力範囲となる領域（４６ｍｍ3）を検査基準体積として説明する図である。
【図２】直径８０ｍｍの棒鋼および直径７０ｍｍの棒鋼から実施例で用いた超音波疲労試験片を採取した方法を模式的に説明する図である。なお、「Ｒ」は棒鋼の半径を表す。
【図３】直径１２０ｍｍの棒鋼、直径１００ｍｍの棒鋼、１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片および１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片から実施例で用いた超音波疲労試験片を採取した方法を模式的に説明する図である。なお、「Ｒ」および「Ｔ」はそれぞれ、棒鋼の半径および鋼片の厚さを表す。
【図４】実施例で用いた超音波疲労試験片の板材から切り出したままの粗形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。
【図５】実施例で用いた超音波疲労試験片の仕上げ形状を示す図である。図中の寸法の単位は「ｍｍ」である。
【図６】１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片および１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片から実施例の転動疲労試験に用いた素形材を採取した方法を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素、酸化物および硫化物の含有量の「％」は「質量％」を意味する。
【００３３】
（Ａ）鋼材の化学組成：
Ｃ：０．４０〜０．６０％
Ｃは、高周波焼入れ後に転動部に必要な硬さを確保させる元素であり、０．４０％以上の含有量とする必要がある。しかしながら、Ｃの含有量が０．６０％を超えると、母材が硬くなって、鍛造性が著しく低下するとともに切削時の工具寿命の低下をきたし、さらには高周波焼入れした際の焼割れの原因となる。したがって、Ｃの含有量を０．４０〜０．６０％とした。望ましいＣ含有量の範囲は、０．５０〜０．５８％である。
【００３４】
Ｓｉ：０．１５〜０．３５％
Ｓｉは、高周波焼入れ後に転動部に必要な硬化層深さを確保するのに必要な元素であり、０．１５％以上含有させなければならない。しかしながら、０．３５％を超えてＳｉを含有させても焼入れ性向上効果は飽和し、さらに母材が硬くなって、鍛造性が著しく低下し、また、切削時の工具寿命の低下をきたしてしまう。したがって、Ｓｉの含有量を０．１５〜０．３５％とした。好ましいＳｉ含有量の範囲は、０．１７〜０．３０％である。
【００３５】
Ｍｎ：０．６０〜０．９０％
Ｍｎは、高周波焼入れ後に転動部に必要な硬化層深さを確保するのに必要な元素であり、０．６０％以上含有させなければならない。しかしながら、０．９０％を超えてＭｎを含有させても焼入れ性向上効果は飽和し、さらに母材が硬くなって、鍛造性が著しく低下し、また、切削時の工具寿命の低下をきたしてしまう。したがって、Ｍｎの含有量を０．６０〜０．９０％とした。好ましいＭｎ含有量の範囲は、０．７０〜０．８５％である。
【００３６】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、結晶粒界に偏析して転動疲労寿命を短くしてしまう。特に、その含有量が０．０３０％を超えると、転動疲労寿命の低下が著しくなる。したがって、Ｐの含有量を０．０３０％以下とした。好ましいＰ含有量の範囲は０．０２０％以下である。Ｐの含有量は少なければ少ないほどよい。
【００３７】
Ｓ：０．００８％以下
Ｓは、硫化物を形成する元素であり、その含有量が０．００８％を超えると、粗大な硫化物が残存するため転動疲労寿命を短くしてしまう。したがって、Ｓの含有量を０．００８％以下とした。なお、転動疲労寿命の向上という観点からの好ましいＳの含有量は０．００６％以下である。Ｓの含有量は少なければ少ないほどよい。
【００３８】
Ｃｒ：０．０１％以上０．５０％未満
Ｃｒは、高周波焼入れ後に転動部に必要な硬化層深さを確保するのに必要な元素であり、０．０１％以上含有させなければならない。しかしながら、０．５０％以上Ｃｒを含有させると、切削時の工具寿命の低下をきたしてしまう。したがって、Ｃｒの含有量を０．０１％以上０．５０％未満とした。好ましいＣｒ含有量の範囲は、０．０５〜０．４０％である。
【００３９】
Ａｌ：０．０１０〜０．０４０％
Ａｌは、精錬工程で脱酸を行うために使用する元素であり、０．０１０％以上含有させなければならない。しかし、Ａｌの含有量が０．０４０％を上回ると粗大な酸化物として残存しやすくなり、転動疲労寿命の低下を招くことがある。したがって、Ａｌの含有量を０．０１０〜０．０４０％とした。好ましいＡｌ含有量の範囲は０．０１５〜０．０３５％である。
【００４０】
Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは、好ましくない不純物元素である。Ｏの含有量が多くなって、特に、０．００１５％を超えると、圧下した後に粗大な酸化物として残存し、転動疲労寿命の低下を招く。したがって、Ｏの含有量を０．００１５％以下とした。なお、好ましいＯ含有量の範囲は０．００１２％以下である。Ｏの含有量は少なければ少ないほどよい。
【００４１】
Ｎ：０．０２０％以下
Ｎは、過剰に含有すると粗大な窒化物を生成して、疲労強度の低下を招くおそれがある元素である。したがって、上限を設けて、Ｎの含有量を０．０２０％以下とした。
【００４２】
なお、高周波誘導加熱（以下、単に「高周波加熱」という。）時の結晶粒粗大化の抑制効果を得るために、後述のＶおよびＮｂのうちの１種以上を含有する場合には、これらの元素の窒化物を生成させる必要がある。そのため、ＶおよびＮｂのうちの１種以上を含有する場合には、Ｎ含有量は０．０２０％以下の範囲に抑えつつも、高めに制御することが望ましい。この場合、Ｎ含有量の望ましい範囲は０．０１０〜０．０２０％で、より望ましい範囲は、０．０１２〜０．０２０％である。
【００４３】
また、高周波焼入れ時の焼入れ性向上効果を得るため、後述のＢおよびＴｉを含有する場合には、ＢがＮと結合したＢＮの形成を極力抑制する必要がある。そのため、ＢおよびＴｉを含有する場合には、Ｎ含有量は０．０２０％以下よりもさらに低くすることが望ましい。この場合、Ｎ含有量の望ましい範囲は０．０１０％未満で、より望ましい範囲は、０．００８％以下である。
【００４４】
上記の理由から、本発明（１）に係る高周波焼入れ用鋼材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ａｌ、ＯおよびＮを上述した範囲で含有し、残部はＦｅおよび不純物の化学組成からなることと規定した。
【００４５】
高周波加熱は、短時間といえども高温まで加熱されるため、本発明に係る高周波焼入れ用鋼材は、結晶粒の粗大化を防止する観点から、前記本発明（１）に係る高周波焼入れ用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｖ：０．３０％以下およびＮｂ：０．１０％以下のうちの１種以上を含有することができる（本発明（２）の高周波焼入れ用鋼材）。
【００４６】
以下、任意元素である上記のＶおよびＮｂに関して説明する。
【００４７】
Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、Ｎと結合して窒化物を形成するため、高周波加熱時の結晶粒粗大化を抑制する作用がある。Ｖには、Ｃと結合することで母材の強度を上昇させる作用もある。ただし、０．３０％を超えてＶを含有させても高周波加熱時の結晶粒粗大化を防止する効果が飽和する。さらに、上記の場合には母材の強度が高くなりすぎて被削性が低下してしまう可能性がある。したがって、含有させる場合のＶの含有量を０．３０％以下とした。なお、高周波加熱時の結晶粒粗大化を抑制する作用と母材の強度を上昇させる作用をより有効に発揮させ、しかも十分な被削性を確保するために、含有させる場合のＶ含有量は、０．０１〜０．２０％とすることが望ましい。
【００４８】
Ｎｂ：０．１０％以下
Ｎｂは、Ｎと結合して窒化物を形成するため、高周波加熱時の結晶粒粗大化を抑制する作用がある。Ｎｂには、Ｃと結合することで母材の強度を上昇させる作用もある。ただし、０．１０％を超えてＮｂを含有させても高周波加熱時の結晶粒粗大化を防止する効果が飽和する。さらに、上記の場合には母材の強度が高くなりすぎて被削性が低下してしまう可能性がある。したがって、含有させる場合のＮｂの含有量を０．１０％以下とした。なお、高周波加熱時の結晶粒粗大化を抑制する作用と母材の強度を上昇させる作用をより有効に発揮させ、しかも十分な被削性を確保するために、含有させる場合のＮｂ含有量は、０．０１〜０．１０％とすることが望ましい。
【００４９】
上記のＶおよびＮｂは、いずれか１種のみ、あるいは２種の複合で含有することができる。これらの元素を複合して含有させる場合の合計量は０．４％であってもよいが、０．３％以下とすることが好ましい。
【００５０】
上記の理由から、本発明（２）に係る高周波焼入れ用鋼材は、前記本発明（１）に係る高周波焼入れ用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｖ：０．３０％以下およびＮｂ：０．１０％以下のうちの１種以上を含有することと規定した。
【００５１】
本発明に係る高周波焼入れ用鋼材は、より良好な高周波焼入れ性を確保するという観点から、前記本発明（１）に係る高周波焼入れ用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｂ：０．００５％以下およびＴｉ：０．０５％以下を含有することができる（本発明（３）の高周波焼入れ用鋼材）。
【００５２】
以下、任意元素である上記のＢおよびＴｉに関して説明する。
【００５３】
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、微量で鋼の焼入れ性を大きく向上させて、高周波焼入れ後に転動部に必要な硬化層深さを一層大きくすることができる元素である。しかしながら、Ｂの含有量が０．００５％を超えてもその効果は飽和してしまう。したがって、含有させる場合のＢの含有量を０．００５％以下とした。焼入れ性向上作用を安定して発揮させてより良好な高周波焼入れ性を確保するために、含有させる場合のＢ含有量は、０．０００３〜０．００５％とすることが望ましい。
【００５４】
Ｔｉ：０．０５％以下
Ｂを含有することによって焼入れ性が向上するのは、Ｂが固溶Ｂの状態で存在する場合である。そのため、ＢがＮと結合してＢＮを形成した場合には、Ｂによる焼入れ性向上効果は期待できない。上記理由より、Ｂを含有させる場合には、ＢよりもＮとの親和力が大きいＴｉを含有させる必要がある。しかしながら、０．０５％を超える量のＴｉを含有させても、Ｎを固定する効果が飽和するばかりか、粗大なＴｉＮが多量に生成してしまうため、転動疲労特性が低下する可能性がある。したがって、含有させる場合のＴｉの含有量を０．０５％以下とした。Ｂの焼入れ性向上作用を安定して発揮させるために、前述した量のＢとともに含有させる場合のＴｉの含有量は、０．０１〜０．０５％とすることが望ましい。
【００５５】
上記の理由から、本発明（３）に係る高周波焼入れ用鋼材は、前記本発明（１）に係る高周波焼入れ用鋼材のＦｅの一部に代えて、Ｂ：０．００５％以下およびＴｉ：０．０５％以下を含有することと規定した。
【００５６】
（Ｂ）鋼材の長手方向縦断面における介在物の予測√ＡＲＥＡとアスペクト比
「等速ジョイント」、「ハブユニット」等の転動部品の素材として用いるために、本発明の高周波焼入れ用鋼材は、鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ3に予測される最大介在物径である予測√ＡＲＥＡが５０μｍ以下であり、かつ、超音波試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比が７以下でなければならない。
【００５７】
介在物径の測定方法に関しては、非特許文献３に記載の光学顕微鏡による測定方法を参考にし、本発明では超音波疲労試験の破壊起点である介在物を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、その介在物の長径（Ｌ）と短径（Ｗ）を測定し、介在物径√ＡＲＥＡ＝（Ｌ×Ｗ）1/2とアスペクト比（Ｌ／Ｗ）を求める。
【００５８】
すなわち、介在物の長径は、単体または複数からなる群にて存在する介在物の端と端を結んだ最大の辺とし、その長径の辺と平行な線で挟んだ介在物の最大幅を短径とする。また群にて存在する介在物では、介在物間の距離と小さい方の介在物の大きさ（√ＡＲＥＡ）とを比較し、小さいほうの介在物径√ＡＲＥＡの値が介在物間の距離よりも大きな場合には両者は一体と判断し、また小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値が介在物間の距離より小さな場合には両者が別々の介在物と判断する。
【００５９】
なお、後述の実施例におけるスラスト型の転動疲労試験機を用いた転動疲労試験条件、つまり、最大接触面圧が５２３０ＭＰａ、相手玉の直径が９．５３ｍｍの条件では、ヘルツ接触における接触楕円径が約０．７ｍｍ、転動軌道の直径が３８．５ｍｍであり、最大せん断応力の９０％以上の応力がかかる深さが０．１７ｍｍ程度である。転動疲労試験においては、上述の領域を、はく離が発生する可能性がある危険体積と判断することができ、その具体的な体積は、試験片１枚について、π×３８．５×０．７×０．１７＝１４．４ｍｍ3となる。本発明においては転動疲労特性を、１０％破損確率を示すＬ10寿命で評価し、その際、試験数を１０として、つまり、１０枚の試験片を用いて転動疲労試験を行う。このため、転動疲労試験の危険体積は上記の１４４ｍｍ3となる。
【００６０】
また、超音波疲労試験においては、図１に示すように、最大応力の９０％以上の応力範囲となる領域を、介在物起点で疲労破壊が発生する危険のある検査基準体積と判断することができる。最大応力の９０％がかかる位置の試験片断面は半径が１．５８ｍｍ程度であり、その範囲の長さは６．１４ｍｍ程度である。この領域の体積を積分によって求めると、超音波疲労試験片１本の危険体積は４６ｍｍ3となる。
【００６１】
したがって、「極値統計処理」による介在物の予測√ＡＲＥＡは、例えば、次に示すような手順で推定することができる。
【００６２】
〈１〉作製した超音波疲労試験片において、最大応力の９０％以上の応力範囲となる領域を介在物起点で疲労破壊が発生する危険のある検査基準体積Ｖ0（ｍｍ3）とする。
〈２〉上記Ｖ0中で疲労破壊の起点となった介在物をＶ0中の最大介在物とし、その√ＡＲＥＡ（μｍ）を測定する。
〈３〉上述した測定をｎ本の試験片で行う。ただし、ｎは１０以上の整数であればよい。
〈４〉測定した√ＡＲＥＡを小さい順に並べ直し、それを√ＡＲＥＡj（ｊ＝１〜ｎ）とする。
〈５〉それぞれのｊについて下記の基準化変数ｙjを計算する。
ｙj＝−ｌｎ［−ｌｎ｛ｊ／（ｎ＋１）｝］。
〈６〉極値統計用紙の座標横軸に√ＡＲＥＡ、縦軸に基準化変数ｙをとって、ｊ＝１〜ｎについてプロットし、最小二乗法により近似直線を求める。
〈７〉評価したい体積をＶ（ｍｍ3）、Ｔ＝（Ｖ＋Ｖ0）／Ｖ0として下記の式からｙの値を求め、上記の近似曲線を用いて、前記ｙの値における√ＡＲＥＡを求めれば、これがその評価体積における介在物の予測√ＡＲＥＡである。
ｙ＝−ｌｎ［−ｌｎ｛（Ｔ−１）／Ｔ｝］。
【００６３】
本発明の場合、上述したように、超音波疲労試験の検査基準体積Ｖ0が４６ｍｍ3で、転動疲労試験の危険体積Ｖが１４４ｍｍ3であるので、Ｔ＝（１４４＋４６）／４６＝４．１３を上式に代入すると、ｙの値は１．２８となる。したがって、ｙの値が１．２８の場合の上記の近似曲線における√ＡＲＥＡを求めれば、これが転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ3中における予測√ＡＲＥＡである。
【００６４】
上記のような方法で、鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物径を極値統計処理し、転動疲労試験の危険体積である１４４ｍｍ3中に予測される最大介在物径である予測√ＡＲＥＡが５０μｍを上回ると、後述の実施例に一例を示すように、粗大な介在物によって転動疲労寿命が低下する。なお、望ましい予測√ＡＲＥＡは４５μｍ以下である。
【００６５】
また、超音波疲労試験の破壊起点である介在物のアスペクト比（Ｌ／Ｗ）が７を超えると、延伸した、または点列状の、粗大な酸化物、さらには、延伸した粗大な硫化物によって、転動疲労寿命が低下する。したがって、超音波疲労試験の破壊起点である介在物の平均のアスペクト比を７以下とした。
【００６６】
（Ｃ）超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合
「等速ジョイント」、「ハブユニット」等の転動部品の素材として用いるために、本発明の高周波焼入れ用鋼材は、鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、平均組成における質量％での含有量（以下、「濃度」ということがある。）がＣａＯ：２．０〜２０％、ＭｇＯ：０〜２０％およびＳｉＯ2：０〜１０％で、かつ残部がＡｌ2Ｏ3であって、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3の２元系酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯとＡｌ2Ｏ3の３元系酸化物、ＣａＯ、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の３元系酸化物およびＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の４元系酸化物のうちのいずれかからなるものでなければならない。
【００６７】
本発明の高周波焼入れ用鋼材は、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が酸化物の場合には、上記の条件を満たすことによって、長く延伸した、または点列状の、粗大な酸化物の生成が抑制され、優れた転動疲労寿命を確保することが可能になる。
【００６８】
なお、酸化物に関しては、以下の方法で各酸化物の濃度を算出する。
【００６９】
まず、エネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）によって、酸化物中のＣａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓの含有量を「ｍｏｌ％」で定量する。
【００７０】
ここで、酸化物と硫化物が複合した介在物では、酸化物の構成元素中からＳが検出される場合がある。その場合の酸化物濃度の求め方について説明する。
【００７１】
まず、Ｃａに関してはＣａＳまたはＣａＯのどちらかで検出される。そして、ＣａＳが存在する状況では熱力学的にＭｎＯは存在しないため、Ｍｎは全てＳと結合しているものとする。したがって、酸化物中から［Ｓ］が検出される場合、つまり、［Ｓ］＞［Ｍｎ］の場合には、［Ｍｎ］はすべてＭｎＳを構成し、Ｍｎの酸化物は存在しないとする。そして、［Ｍｎ］に対して余剰な［Ｓ］に相当する［Ｃａ］をＣａＳを構成するＣａとし、さらに、ＣａＳを構成するのに余剰な［Ｃａ］をＣａＯ濃度とする。次いで、［Ｍｇ］、［Ｓｉ］および［Ａｌ］からそれぞれ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3の濃度を求める。
【００７２】
一方、［Ｓ］≦［Ｍｎ］の場合には、［Ｓ］はすべてＭｎＳを構成しているものとし、［Ｃａ］、［Ｍｇ］、［Ｓｉ］および［Ａｌ］からそれぞれ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3の濃度を求める。
【００７３】
なお、低級酸化物であるＦｅxＯおよびＣｒ2Ｏ3については、本発明で規定しているＯ含有量の範囲ではごく微量しか存在しない。したがって、酸化物中から［Ｃｒ］および／または［Ｆｅ］が微量ながら検出された場合であっても、検出された［Ｃｒ］および［Ｆｅ］を除外した元素、すなわち［Ｃａ］、［Ｍｇ］、［Ｓｉ］および［Ａｌ］の合計を１００％として、各酸化物の濃度を求め、最後に、上記のようにして求めたそれぞれの試料におけるＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3の濃度から、超音波疲労試験の破壊起点である酸化物の質量％での平均組成を算出する。
【００７４】
上記において［Ｘ］は元素Ｘの「ｍｏｌ％」単位で定量された値を指す。
【００７５】
以下、本発明で規定する各酸化物について詳しく説明する。
【００７６】
ＣａＯ：２．０〜２０％
塩基性酸化物であるＣａＯは、スラグの主要成分の１つであり、脱硫時の媒溶剤として用いられる。ＣａＯ濃度が２．０％以上になると、長く延伸した、または点列状の、Ａｌ2Ｏ3およびスピネルの生成を抑制する効果が得られる。一方、ＣａＯ濃度が２０％を上回ると、大型のＣａＯを主体とする粗大な酸化物が生成されてしまう。したがって、酸化物の平均組成におけるＣａＯ濃度を２．０〜２０％とした。
【００７７】
ＭｇＯ：０〜２０％
ＭｇＯは塩基性酸化物であり、溶解度が低いため硬質のＭｇＯ（ぺリクレース）相として、さらには、Ａｌ2Ｏ3とともにＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3（スピネル）相として晶出する。これらは点列状の粗大な酸化物となって鋼材中へ残存し、転動疲労寿命を低下させる場合があるため、ＭｇＯ濃度に上限を設け、２０％以下に制限する。なお、酸化物中にＭｇＯは存在していなくても構わない。このため、酸化物の平均組成におけるＭｇＯ濃度を０〜２０％とした。
【００７８】
ＳｉＯ2：０〜１０％
酸性酸化物であるＳｉＯ2は、スラグの主要成分の１つであり、酸化物中に含有される可能性があり、１０％までは許容できるものの、１０％を上回ると酸化物が延伸して粗大となって、転動疲労寿命が低下する場合がある。なお、酸化物中にＳｉＯ2は存在していなくても構わない。したがって、酸化物の平均組成におけるＳｉＯ2濃度を０〜１０％とした。
【００７９】
なお、ＣａＯ濃度が２．０％以上になると、酸化物の残部であるＡｌ2Ｏ3が、長く延伸したり、点列状になることが抑制される。このため、残部としてのＡｌ2Ｏ3の濃度は、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3の２元系酸化物でかつ、ＣａＯ濃度が２．０％の場合の９８．０％であってもよい。
【００８０】
（Ｄ）超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物である場合
「等速ジョイント」、「ハブユニット」等の転動部品の素材として用いるために、本発明の高周波焼入れ用鋼材は、鋼材の長手方向縦断面において、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、平均組成における質量％での含有量（以下、「濃度」ということがある。）が、ＣａＳ：１００％のＣａＳの１元系硫化物、または、ＣａＳ：１．０％以上、ＭｇＳ：０〜２０％で、かつ残部がＭｎＳであって、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物もしくはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなるものでなければならない。
【００８１】
本発明の高周波焼入れ用鋼材は、超音波疲労試験の破壊起点である介在物が硫化物の場合には、上記の条件を満たすことによって、延伸した粗大な硫化物の生成が抑制され、優れた転動疲労寿命を確保することが可能になる。
【００８２】
なお、硫化物に関しては、以下の方法で各硫化物の濃度を算出する。
【００８３】
まず、エネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）によって、硫化物中のＣａ、Ｍｇ、ＭｎおよびＳの含有量を「ｍｏｌ％」で定量する。ついで、［Ｃａ］、［Ｍｇ］、［Ｍｎ］からそれぞれ、ＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの濃度を求める。
【００８４】
最後に、上記のようにして求めたそれぞれの試料におけるＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの濃度から、超音波疲労試験の破壊起点である硫化物の質量％での平均組成を算出する。
【００８５】
上記において［Ｘ］は元素Ｘの「ｍｏｌ％」単位で定量された値を指す。
【００８６】
以下、本発明で規定する各硫化物について詳しく説明する。
【００８７】
ＣａＳ：１．０〜１００％
ＣａＳは、脱硫反応によって生成する硫化物である。ＣａＳ濃度が１．０％以上になると、延伸した粗大な硫化物の生成を抑制する効果が得られる。硫化物としてＣａＳだけが存在しても、つまり、ＣａＳ濃度が１００％であっても構わない。したがって、硫化物の平均組成におけるＣａＳ濃度を１．０〜１００％とした。
【００８８】
なお、硫化物がＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物、またはＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物からなる場合のＣａＳ濃度は、１００％に近い値であっても構わない。
【００８９】
ＭｇＳ：０〜２０％
精錬段階にて鋼中にＭｇが取込まれ、硫化物中にＭｇＳが混入する場合がある。ＭｇＳ濃度が２０％を上回ると、前述した酸化物中のＭｇＯ濃度が増加し、点列状の粗大な酸化物の生成を招くため、ＭｇＳ濃度は２０％以下に制限する。なお、硫化物中にＭｇＳは存在していなくても構わない。したがって、硫化物の平均組成におけるＭｇＳ濃度を０〜２０％とした。
【００９０】
なお、ＣａＳ濃度が１．０％以上になると、延伸した粗大な硫化物の生成が抑制される。このため、残部としてのＭｎＳの濃度は、ＣａＳとＭｎＳの２元系硫化物の場合には、ＣａＳ濃度が１．０％の場合の９９．０％であってもよい。また、ＣａＳ、ＭｇＳとＭｎＳの３元系硫化物の場合には、ＣａＳ濃度が１．０％で、ＭｇＯ濃度が０％に近い値の場合の９９．０％に近い値であってもよい。
【００９１】
前述した酸化物組成および硫化物組成は、例えば、次に述べる製造方法によって得ることができる。
【００９２】
先ず、転炉で酸化精錬を行った後、転炉からの出鋼時にＡｌを添加して脱酸処理を行い、その後さらに除滓処理を実施する。
【００９３】
次いで、ＣａＯ：３０〜７０％、Ａｌ2Ｏ3：５〜４０％、ＳｉＯ2：１０％以下（０％を含まない）、ＭｇＯ：０〜１０％、ＣａＦ2：０〜３０％、ＣａＯ／ＳｉＯ2：６以上およびＣａＯ／Ａｌ2Ｏ3：１．５〜１５を含有するスラグを、溶鋼１トン当たり、５〜２０ｋｇの範囲で調整し、アーク式加熱装置付き真空溶鋼撹拌装置（以下、「ＶＡＤ」という。）でＡｒガスによる撹拌および精錬処理を実施し、ＲＨ真空脱ガス装置にて３０分の処理を実施し、連続鋳造して横断面が３００ｍｍ×４００ｍｍの鋳片にする。
【００９４】
さらに、鋳片を分塊圧延および棒鋼圧延で、圧下比が１０以上の熱間圧延を実施する。
【００９５】
なお、上記成分のスラグ組成およびＶＡＤでの処理は、酸化物および硫化物の組成制御を目的とするものである。そして、ＲＨ真空脱ガス装置における処理は、酸化物系介在物の総量低減を目的として実施する処理である。
【００９６】
また、圧下比とは鋳片の断面積を最終の圧下によって得られた高周波焼入れ用鋼材の断面積で除した値を示す。圧下比を１０以上とすることによって、複数からなる群にて存在する介在物間の距離を大きくし、また延伸した酸化物または硫化物を分断することにより、一体として判断される介在物を低減させるためである。
【００９７】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。
【実施例】
【００９８】
表１に示す化学組成を有する鋼１〜２１を、次のプロセスによって製造した。
【００９９】
表１中の鋼１〜１１および鋼１５〜２１は、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、一方、鋼１２〜１４は、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼である。
【０１００】
【表１】
0005825157.tif 000002
【０１０１】
先ず、７０ｔ転炉で酸化精錬を行った後、転炉からの出鋼時にＡｌを添加して脱酸処理を行い、その後さらに除滓処理を行った。
【０１０２】
次いで、ＶＡＤにより、Ａｒ雰囲気下で表２に示す条件にスラグを調整し、表３に示す条件でＡｒガスによる撹拌を実施した。
【０１０３】
その後さらに、ＲＨ真空脱ガス装置による処理を表４に示す時間で実施した後、連続鋳造して３００ｍｍ×４００ｍｍの鋳片にした。
【０１０４】
上記のようにして得られた鋳片を１２５０℃で均熱した後、１１００〜１０５０℃の温度域で分塊圧延して表５に示すサイズの鋼片とし、さらにその鋼片を１２００℃に加熱した後、１１００〜１０２０℃の温度域で棒鋼圧延して、直径１２０〜７０ｍｍの棒鋼を製造した。
【０１０５】
なお、鋼１５および鋼１６については分塊圧延のみ実施して鋼片とし、棒鋼圧延は行わなかった。
【０１０６】
【表２】
0005825157.tif 000003
【０１０７】
【表３】
0005825157.tif 000004
【０１０８】
【表４】
0005825157.tif 000005
【０１０９】
【表５】
0005825157.tif 000006
【０１１０】
試験番号１〜１４および試験番号１７〜２１の棒鋼と、試験番号１５および試験番号１６の鋼片を２００ｍｍに切断した後、粗形状の超音波疲労試験片を採取した。
【０１１１】
具体的には、試験番号３の直径８０ｍｍの棒鋼ならびに試験番号４〜１４および試験番号１７〜２１の直径７０ｍｍの棒鋼については、図２に示すように長手方向横断面（つまり、棒鋼の圧延方向に垂直に切断した面）に対して表面と中心の中間位置であるＲ／２部（「Ｒ」は棒鋼の半径を表す。）を基準として圧延方向と平行な方向に厚さ１４ｍｍ、幅４５ｍｍ、長さ２００ｍｍの板材を切り出した。
【０１１２】
次に、板材の幅方向の両端をフライス加工よって「平面出し」を行った後、電子ビーム溶接によって上記板材と同一鋼材を両端に溶接し、幅８５ｍｍの板状に仕上げた。
【０１１３】
また、試験番号１の直径１２０ｍｍの棒鋼および試験番号２の直径１００ｍｍの棒鋼ならびに試験番号１５の１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片および試験番号１６の１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片については、図３に示すようにＲ／２部またはＴ／４部（「Ｔ」は鋼片の厚さを表す。）を基準として圧延方向と平行な方向に厚さ１４ｍｍ、幅７５ｍｍ、長さ２００ｍｍの板材を切り出し、電子ビーム溶接は行わなかった。
【０１１４】
次いで、溶接時の熱影響をなくすため、上記の全ての板材を、まず９００℃で６０分間保持した後に大気中で室温まで空冷する焼ならしを行った。図２および図３に示すように圧延方向に対して垂直な方向から、図４に示す粗形状の超音波疲労試験片を各鋼１９本ずつ採取した。
【０１１５】
上記のようにして採取した粗形状の超音波疲労試験片を、周波数２００ｋＨｚ、出力５０ｋＷ、加熱時間２．３秒の条件で高周波焼入れを行った後、１５０℃で１時間加熱して大気中で放冷する焼戻しをおこなった。次いで、仕上げ加工して、図５に示す超音波疲労試験片を作製した。
【０１１６】
なお、図４および図５に示した前述の各試験片における寸法の単位は全て「ｍｍ」である。
【０１１７】
上記仕上げ加工をした超音波疲労試験片を用いて、超音波疲労試験を実施した。
【０１１８】
具体的には、株式会社島津製作所製の超音波疲労試験機ＵＳＦ−２０００を用いて、周波数２０ｋＨｚ、応力振幅７００ＭＰａ、応力比−１の条件で、破壊が起こるまで疲労試験を行った。なお、繰り返し数が１．０×１０7となっても破壊しなかった場合は、応力を２０ＭＰａずつ増加させることによって、破壊が起こるまで疲労試験を実施した。
【０１１９】
破壊した試験片は破壊起点の介在物を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、介在物の長径と短径を測定し、介在物径√ＡＲＥＡ＝（長径×短径）1/2として、各鋼の１９本それぞれについて介在物径√ＡＲＥＡを求めた。また、測定した起点部の介在物の長径（Ｌ）を短径（Ｗ）で除してアスペクト比（Ｌ／Ｗ）を求め、１９本の破壊起点の介在物のアスペクト比を算術平均して、平均のアスペクト比を求めた。
【０１２０】
なお、介在物の長径は、単体または複数からなる群にて存在する介在物の端と端を結んだ最大の辺とし、その長径の辺と平行な線で挟んだ介在物の最大幅を短径とした。また群にて存在する介在物では、介在物間の距離と小さい方の介在物の大きさ（√ＡＲＥＡ）とを比較し、小さいほうの介在物径√ＡＲＥＡの値が介在物間の距離よりも大きな場合には両者は一体と判断、また小さい方の介在物の√ＡＲＥＡの値が介在物間の距離より小さな場合には両者が別々の介在物と判断した。
【０１２１】
超音波疲労試験片は、図１に示すように最大応力の９０％以上の応力範囲となる４６ｍｍ3を検査基準体積Ｖ0とし、転動疲労試験の危険体積であるＶを１４４ｍｍ3として、非特許文献１を参考に、前述した極値統計処理によって、ｙ＝１．２８に予測される最大介在物径である予測√ＡＲＥＡを求めた。
【０１２２】
超音波疲労試験の破壊起点である介在物組成については、エネルギー分散型Ｘ線分光法によってそれぞれの組成を測定した。まず、各鋼１９個の破壊起点の介在物が、酸化物であるか硫化物であるかを判別し、酸化物であるものについては酸化物の平均組成を、硫化物であるものについては硫化物の平均組成を、それぞれ算術平均により求めた。
【０１２３】
また、各鋼について、前記の試験番号１〜１４および試験番号１７〜２１の直径７０〜１２０ｍｍの棒鋼ならびに試験番号１５および試験番号１６の鋼片を２５０ｍｍに切断した。その後さらに、直径７０〜１２０ｍｍの棒鋼の中心から、棒鋼の長手方向が素形材の厚みとなるように、直径が６０ｍｍで厚みが１０ｍｍの素形材をスライスして採取した。また、１８０ｍｍ×１８０ｍｍの鋼片および１６０ｍｍ×１６０ｍｍの鋼片については中心偏析の影響を極力避けるため、図６に示すようにＴ／４部が素形材の中心で、鋼片の長手方向が素形材の厚みとなるように、直径が６０ｍｍで厚みが１０ｍｍの素形材を採取した。
【０１２４】
上記の直径が６０ｍｍで厚みが１０ｍｍの素形材の片側を、周波数２０ｋＨｚ、出力１５０ｋＷ、加熱時間５秒の条件で高周波焼入れを行った後、１５０℃で１時間加熱して大気中で放冷する焼戻しを行った。
【０１２５】
なお、上記のようにして高周波焼入れ−焼戻しした素形材について、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５９（２００８）の規定に則って、有効硬化層深さを測定した。その結果、各素形材の有効硬化層深さは２〜３ｍｍであった。
【０１２６】
このようにして焼入れ−焼戻しした素形材の表面をラッピング加工して転動疲労試験片を作製し、転動疲労試験に供した。
【０１２７】
転動疲労試験は、スラスト型の転動疲労試験機を用いて、最大接触面圧５２３０ＭＰａ、繰り返し速度１８００ｃｐｍ（ｃｙｃｌｅ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）の条件で、試験数を１０として行った。表６に、転動疲労試験の詳細条件を示す。
【０１２８】
【表６】
0005825157.tif 000007
【０１２９】
転動疲労試験結果はワイブル分布確率紙上にプロットし、１０％破損確率を示すＬ10寿命を「転動疲労寿命」として、転動疲労特性を評価した。
【０１３０】
表７に、超音波疲労試験の起点となった介在物の平均組成、予測最大介在物径√ＡＲＥＡ、平均のアスペクト比（平均Ｌ／Ｗ）および転動疲労寿命を示す。なお、試験番号１２は超音波疲労試験の破壊起点に硫化物が存在していなかったので、硫化物平均組成のＣａＳ、ＭｇＳおよびＭｎＳの欄はいずれも「−」と表記した。同様に、試験番号１３は超音波疲労試験の破壊起点に酸化物が存在していなかったので、酸化物平均組成のＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3の欄はいずれも「−」と表記した。
【０１３１】
【表７】
0005825157.tif 000008
【０１３２】
表７に示すように、本発明例の試験番号１、３および５〜１１の場合、鋼１、３および５〜１１の化学組成は本発明で規定する条件を満たし、さらに鋼材の長手方向縦断面における超音波疲労試験の破壊起点である介在物の予測最大介在物径√ＡＲＥＡは４７．５μｍ以下と小さく、平均のアスペクト比も５．８以下で本発明で規定する条件を満たし、また、破壊起点である酸化物の平均組成および破壊起点である硫化物の平均組成についても全て本発明で規定する条件を満たしている。このため、１５．７×１０6以上の転動疲労寿命が得られた。
【０１３３】
これに対して、鋼の化学組成が本発明で規定する条件から外れた比較例の試験番号１２〜１４の場合、転動疲労寿命が短い。
【０１３４】
すなわち、試験番号１２は、鋼１２のＯ含有量が０．００１９％で、本発明で規定する値を上回っているため、酸化物が粗大となってしまい、Ｌ10寿命が３．６×１０6と短い。
【０１３５】
試験番号１３および試験番号１４は、鋼１３および鋼１４のＳの含有量がそれぞれ、０．０１３％および０．０１１％で、本発明で規定する値を上回っており、また硫化物中のＣａＳ濃度が本発明で規定する値を下回っているため、延伸した粗大な硫化物となってしまい、Ｌ10寿命がそれぞれ、２．５×１０6および４．２×１０6と短い。
【０１３６】
次いで、鋼の化学組成が本発明で規定する条件を満足しても、鋼材の長手方向縦断面における超音波疲労試験の破壊起点である介在物の予測√ＡＲＥＡ、および平均のアスペクト比が本発明で規定する条件から外れた試験番号１５と試験番号１６の場合、転動疲労寿命が短い。
【０１３７】
すなわち、試験番号１５および試験番号１６は予測√ＡＲＥＡおよび、平均のアスペクト比が本発明で規定する値を上回っているため、粗大な酸化物や硫化物の影響によりＬ10寿命がそれぞれ、５．５×１０6および５．０×１０6と短い。
【０１３８】
また、鋼の化学組成が本発明で規定する条件を満足しても、鋼材の長手方向縦断面における超音波疲労試験の破壊起点である酸化物の平均組成および破壊起点である硫化物の平均組成の少なくとも一方が本発明で規定する条件から外れた試験番号１７〜２１の場合、転動疲労寿命が短い。
【０１３９】
すなわち、試験番号１７においては、酸化物中のＣａＯ濃度が本発明で規定する値を上回っているため、大型の酸化物が生成してしまい、Ｌ10寿命が６．２×１０6と短い。
【０１４０】
試験番号１８においては、酸化物中のＳｉＯ2濃度が本発明で規定する値を上回っているため、延伸した粗大な酸化物となってしまい、Ｌ10寿命が６．７×１０6と短い。
【０１４１】
試験番号１９においては、酸化物中のＭｇＯ濃度が本発明で規定する値を上回っているため、点列状の酸化物が粗大となってしまい、Ｌ10寿命が７．９×１０6と短い。
【０１４２】
試験番号２０においては、硫化物中のＣａＳ濃度が本発明で規定する値を下回っているため、破壊起点となった硫化物が延伸した粗大な硫化物となってしまい、Ｌ10寿命が８．８×１０6と短い。
【０１４３】
試験番号２１においては、硫化物中のＭｇＳ濃度が本発明で規定する値を上回っているため、酸化物中のＭｇＯ濃度が上昇し、点列状の酸化物が粗大になってしまい、Ｌ10寿命が５．４×１０6と短い。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明の高周波焼入れ用鋼材は、安定して良好な転動疲労寿命を得ることができる。このため、「等速ジョイント」、「ハブユニット」等の転動部品の素材として用いるのに好適である。
【図１】
0005825157.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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