(57)【要約】【課題】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】表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、超音波探傷法により鋼材体積300mm3当たりに検出される介在物径が20μm以上の非金属介在物の個数が12個以下であることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼であって、
鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、
超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3あたりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下である
ことを特徴とする転がり疲労寿命に優れた鋼。
【請求項２】
表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼であって、
鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、
超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3以上で検出される非金属介在物の最大介在物径が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鋼。
【請求項３】
表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼の評価方法であって、
鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、
超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3あたりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下であると評価する
ことを特徴とする転がり疲労寿命に優れた鋼の評価方法。
【請求項４】
前記非金属介在物は、超音波探傷法により総体積1500ｍｍ3以上を探傷し検出されたものであることを特徴とする請求項３に記載の転がり疲労寿命に優れた鋼の評価方法。
【請求項５】
表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼の評価方法であって、
鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、
超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3以上で検出される非金属介在物の最大介在物径が60μｍ以下であると評価する
ことを特徴とする転がり疲労寿命に優れた鋼の評価方法。
【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、表面硬さを５８ＨＲＣ以上に硬化させて使用される機械部品や装置に用いられる鋼及びその評価方法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等の特殊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、鋼中酸素含有量が１０ppm未満であり、かつ、電子ビーム溶融法により浮上・凝集させた酸化物系介在物の表面露出面積が、１グラム当たり２０μｍ2以下であることを特徴とする高清浄度軸受用鋼が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。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、汎用の長寿命の鋼が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、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が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。また、最大介在物径が100μｍ以下の介在物については極値統計法を、100μｍ以上の介在物については探傷周波数を5〜25MHzとした超音波探傷法の併用による評価方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平６−１９２７９０号公報
【特許文献２】特開２００２−２２０６３８号公報
【特許文献３】特開平１１−１９４１２１号公報
【特許文献４】特願２００５−１３７７８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、引用文献１〜３に記載の鋼では、転がり疲労寿命に優れた鋼（例えば、スラスト型転がり疲労試験にて、最大ヘルツ応力Pmax＝5.3GpaでL10寿命＞1×107cycleが得られる鋼）を安定して提供する際に、20μｍを超える非金属介在物の発生は極めて偶発的、低い確率で発生するので、検出が非常に困難であり、また、従来の技術では、小さな被検面積であり大体積を検査しようとすると多大な時間を要するため、鋼材の良否を判断することができない。また、引用文献１に記載の鋼では、介在物の融解・凝集により正確な介在物径や個数を評価することができない。
【０００６】
また、引用文献４に記載の方法では、最大介在物径が100μｍ以下の介在物については極値統計法を、100μｍ以上の介在物については探傷周波数を5〜25MHzとした超音波探傷法の併用による評価方法を提案している。そのため、極値統計法では上述の通り、小さな被検面積であり、探傷周波数を5〜25MHzとした超音波探傷法では、最大介在物径が100μｍ以上としており、同文献に記載の通り、使用中の軸受が計算寿命未満でアクシデンタルに早期破損することに対する信頼性を評価するための方法提案であり、かつ、20μｍ超、100μｍ未満の介在物を評価出来ないことから、L10寿命＞1×107cycleが得られる鋼を安定して提供できる方法とはいい難い。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、超音波探傷法により大体積で鋼中の非金属介在物を検出し、その個数と大きさとを制限することにより、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】
【０００８】
本発明は、表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3あたりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下である転がり疲労寿命に優れた鋼である。
【０００９】
また、本発明は、表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、超音波探傷法により鋼材体積300 ｍｍ3以上で検出される非金属介在物の最大介在物径が60μｍ以下である転がり疲労寿命に優れた鋼である。
【００１０】
また、本発明は、表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼の評価方法であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3あたりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下であると評価する転がり疲労寿命に優れた鋼の評価方法である。
【００１１】
また、本発明は、表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる鋼の評価方法であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3以上で検出される非金属介在物の最大介在物径が60μｍ以下であると評価する転がり疲労寿命に優れた鋼の評価方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法によれば、超音波探傷法により大体積で鋼中の非金属介在物を検出し、その個数と大きさとを制限することにより、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が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態である転がり疲労寿命に優れた鋼について、図を参照して詳細に説明をする。
【００１４】
本発明の実施形態の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法は、表面硬さを58HRC以上とする機械部品に用いる機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼、高炭素クロム軸受鋼、あるいは成分改良鋼であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下で、かつ超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3当たりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下である鋼及びその評価方法である。
【００１５】
軸受の転動疲労においては、鋼からある大きさ以上の非金属介在物を少なくすることが重要である。更に軸受の転走面下に大きな非金属介在物が存在すれば、はく離を発生させることから、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特に重要である。
【００１６】
本発明者らは、軸受の転動疲労において、計算寿命未満で早期にはく離を発生させる非金属介在物の介在物径としては20μｍ以上であることを見出した。従って、介在物径が20μｍ以上の介在物の頻度が極めて少なければ、軸受の転走面下の危険部位に存在する確率も極めて低くなる。
【００１７】
本実施形態の鋼及びその評価方法は、鋼材体積300ｍｍ3当たりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下の鋼としたものである。
【００１８】
図１は、介在物個数とＬ10寿命との関係を示す図である。超音波探傷による300ｍｍ3当たりの介在物径が20μｍ以上の介在物検出数が12個以下であれば、Ｌ10寿命が10.0×106サイクル以上を満足することを示している。これに対し、介在物検出数が12個を超える場合には、Ｌ10寿命が10.0×106サイクル未満となることを示している。
【００１９】
また、酸素含有量は増えると、酸化物系介在物の頻度が多くなり、かつ最大介在物径も大きくなる。硫黄含有量についても同様のことが言え、発明者らが研究を鋭意進めた結果、酸素含有量は6ppm以下、硫黄含有量は0.008質量%以下でなければ、本発明の介在物量と最大介在物径を安定的に満足出来ないことを見出した。このような考え方に基づいた介在物の評価としては、超音波探傷法が非常に有効である。
【００２０】
本実施形態の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法では超音波探傷が適用されるが、超音波探傷を行う装置、探触子は様々な種類が既に市販されており、本発明ではこれらのものを用いることができる。好ましい探触子としては、焦点型高周波探触子などが挙げられる。フラット型探触子の検出能は１／２波長といわれているが、焦点型探触子では１／４波長であり、焦点型探触子は本発明の清浄度評価方法が好適に用いられる10〜200μｍ程度の介在物の検出により好適である。探触子周波数は20〜125ＭＨｚ程度が好ましい。特に、超音波探傷を行う際の好ましい探触子としては、30〜100ＭＨｚ程度である。
【００２１】
本実施形態の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法においては、超音波探傷法により総体積1500ｍｍ3以上を探傷し、非金属介在物を検出することが好ましい。
【００２２】
超音波探傷において、介在物個数を確認するための総体積を1500ｍｍ3以上としたのは、それ以下では従来の測定方法でも充分可能な処理時間であり、かつ、安定した転動疲労寿命が得られる鋼を提供する上で、精度の点から満足できる評価データを得るためである。
【００２３】
図３は、超音波探傷体積と介在物検出個数との関係を示す図である。超音波探傷体積が1500ｍｍ3以上であれば、介在物検出個数に差が無いことを示している。これに対し、1500ｍｍ3未満であれば、大小バラツキを有していることを示している。
【００２４】
本実施形態の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法においては、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の鋼であって、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下で、かつ超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3以上で検出される非金属介在物の最大介在物径が60μｍ以下とすることも極めて重要である。
【００２５】
図２は、最大介在物径とＬ10寿命との関係を示す図である。超音波探傷による300ｍｍ3中において検出された介在物の最大介在物径が60μｍ以下であれば、Ｌ10寿命が10.0×106サイクル以上を満足することを示している。これに対し、最大介在物径が60μｍを超える場合には、Ｌ10寿命が10.0×106サイクル未満となることを示している。
【００２６】
本実施形態において、最大介在物径を確認するための体積を300ｍｍ3以上としたのは、それ以下では、従来の測定方法でも充分可能な処理時間であり、かつ、安定した転動疲労寿命が得られる鋼を提供する上で、精度の点から満足できる評価データを得るためである。
【００２７】
なお、最大介在物径についての超音波探傷は、鋼材体積300ｍｍ3以上としているが、1500ｍｍ3以上探傷することが望ましい。
【００２８】
以上、説明したように本実施形態の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法によれば、超音波探傷法により大体積で鋼中の非金属介在物を検出し、その個数と大きさとを制限することにより、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が可能となる。
【実施例】
【００２９】
次に、実施例を挙げて本発明の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３０】
表１に供試材の成分組成を示す。表１の供試材はA〜L、Q〜Zについては、軸受用鋼であるＪＩＳのＳＵＪ２鋼を、MについてはJISのS53C鋼を、NについてはJISのSCM420鋼を、OについてはJISのSCR420鋼を、PについてはJISのSNCM420鋼を用いた。各種介在物の大きさを変化させるため、供試材のA〜E、Q〜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連続鋳造により鋳塊を製造した。
【００３１】
供試材のF、G、T〜V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H〜P、W〜Z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。
【００３２】
【表１】
2008121035.tif 000002
【００３３】
上記で得られた鋳塊に熱間加工を施してφ６５材とした。
【００３４】
（スラスト型試験）
A〜MとQ〜Z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。N〜Pの鋼材は925℃にて焼きならしを施し、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930℃で浸炭処理した後、油冷により焼入れし、次いで180℃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で行った。
【００３５】
（超音波試験）
また、A〜MとQ〜Zの鋼材については、800℃にて球状化焼鈍を施し、L断面試験片を切り出し、焼入れ焼戻し処理を行った後、平面研磨を行い厚さ10ｍｍに仕上げて、超音波探傷試験を行った。N〜Pの鋼材については925℃にて焼きならしを施し、L断面試験片を切り出した後、平面研磨を行い厚さ10ｍｍに仕上げて、超音波探傷試験を行った。超音波探傷には、焦点型高周波探触子（50MHz）を備えた超音波探傷装置を用いた。得られた介在物による反射波強度から、鋼材体積300ｍｍ3当たりの20μｍ以上の介在物検出数と最大介在物径を求めた。
【００３６】
なお、最大介在物径の算出は、以下の検量線式を用いた。
【００３７】
Ｙ＝0.34Ｘ＋11.85 
ただし、Ｙ：介在物径（μｍ）
Ｘ：補正後反射波強度（％）
相関係数ｒ＝0.96
【００３８】
上記検量線式は、超音波探傷による反射波強度と、酸溶解法による介在物径をそれぞれ小さいものから大きいものの順にならべて、超音波探傷による強度と、酸溶解法により測定された介在物径とを対応させて図示し、近似直線を生成することにより導出されたものである。
【００３９】
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、300ｍｍ3中の介在物検出数、及び、最大介在物径を表２に示す。
【００４０】
【表２】
2008121035.tif 000003
【００４１】
表２において、実施例の供試材のＡ〜P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Ｊの１０．２×１０6以上である。
【００４２】
この場合の鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、鋼材体積300ｍｍ3当たりに検出される介在物径が20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個以下であるのは、実施例の供試材のＡ〜Pであり、本発明の請求項１、３の発明を満足するものである。
【００４３】
また、鋼中の酸素含有量が6ppm以下、硫黄含有量が0.008質量%以下であり、超音波探傷法により鋼材体積300ｍｍ3以上で検出される非金属介在物の最大介在物径が60μｍ以下であるのは、実施例の供試材のＡ〜Pであり、本発明の請求項２、５の発明を満足するものである。
【００４４】
これに対し、比較例の供試材のQ〜Zは鋼材体積300ｍｍ3当たりに検出される20μｍ以上の非金属介在物の個数が12個を超え、鋼材体積300ｍｍ3中において検出された介在物の最大介在物径が60μｍを超えているもので、本発明の範囲外のものである。これら比較例の供試材のQ〜Zは、Ｌ10寿命が最大のものでも供試材Uの9.9×106以下と本実施例のものに比し劣っている。よって、本発明の転がり疲労寿命に優れた鋼及びその評価方法の妥当性が実証された。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】介在物個数とＬ10寿命との関係を示す図である。
【図２】最大介在物径とＬ10寿命との関係を示す図である。
【図３】超音波探傷体積と介在物検出個数との関係を示す図である。
【図１】
2008121035.tif 000004
【図２】
2008121035.tif 000005
【図３】
2008121035.tif 000006