(57)【要約】【課題】  製鋼の溶解時に酸化物系非金属介在物の低減および小径化のために長時間の取鍋精錬や脱ガス処理をしなくても得られ、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３，０００ｍｍ2に存在する最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物あるいは１５μｍ以上の介在物径を有する全ての酸化物系非金属介在物の組成が質量％でＳｉＯ2：３０％以上とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
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３，０００ｍｍ2に存在する最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物あるいは１５μｍ以上の介在物径を有する全ての酸化物系非金属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。
【請求項２】
鋼中に存在する酸化物系非金属介在物の内、検鏡面積３，０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の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、ピストンピンなど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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の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、鋼材の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化が行われ、寿命の向上ならびに信頼性の向上が図られている。
【０００３】
不純物元素のうちＡｌ2Ｏ3その他の酸化物系非金属介在物は、破損の起点となるため、特に有害であることが知られている。さらに、それらの酸化物系非金属介在物の径が大きいほど、転がり疲労寿命は短くなることが知られている。そのため酸化物系非金属介在物量を少なく、すなわち、鋼の清浄度が高く、介在物径が２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物の極めて少ない高清浄度鋼の製造方法が種々提案されている。
【０００４】
この高清浄度鋼の一般的な製造プロセスは、１）アーク溶解炉または転炉による溶鋼の酸化精錬、２）取鍋精錬炉（ＬＦ）による還元精錬、３）還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）による還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）、４）連続鋳造または一般造塊による鋼塊の鋳造および５）鋼塊の圧延、圧鍛による加工および熱処理による製品鋼材の工程で製造される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この場合に、鋼材中の酸化物系非金属介在物を低減するために、取鍋精錬炉で脱酸材合金を投入して脱酸による還元精錬が行われ、さらに取鍋精錬や真空脱ガスにおいて生成酸化物を凝集・合体させて浮上分離させている。その際に除去できずに残留した酸化物が最終製品における破損の起点となる。
【０００６】
取鍋精錬炉で投入する一般的な脱酸材合金としては、強力な脱酸材であるＡｌを主体としてＳｉ、Ｍｎなどを複合添加している（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
このような従来の方法で製造された鋼材を用いても、短寿命で破損することを抑制することは十分にできていない。そのため、鋼材中の酸化物系非金属介在物を低減し、さらに小径化しようとすると、取鍋精錬時間や脱ガス時間を長時間にわたって処理する必要があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３４２５１２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０００２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、製鋼の溶解時に酸化物系非金属介在物の低減および小径化のために、長時間の取鍋精錬や脱ガス処理をしなくても製造できる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】
【００１０】
軸受その他の機械部品において転動疲労寿命を改善するためには、これらの機械部品用の鋼から、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。さらに軸受その他の機械部品の転走面下に大きな酸化物系非金属介在物が存在すれば、はく離を発生させ、破損に至ることから、軸受その他の機械部品の転走面下の危険部位に出現する酸化物系非金属介在物を小さくすることが軸受その他の機械部品の寿命向上に対して特に重要であることが知られている。
【００１１】
本発明者らが鋭意検討した結果、上記の点に加えて、母相と酸化物系非金属介在物との界面や酸化物系非金属介在物と酸化物系非金属介在物の界面に空洞が存在する場合には、空洞が存在しない場合に比べて寿命が劣化することを他に先駆けて見出した。すなわち、同じ大きさの酸化物系非金属介在物であっても、空洞があれば短寿命はく離を引起し易い。これは軸受において、軸受のボールがレース上を転動中に、空洞が存在しない母相と密着した非金属介在物であれば、圧縮応力下のせん断応力によるき裂進展過程のみを経て、はく離に至る。これに対して母相との界面に空洞が存在する酸化物系非金属介在物の場合には、主応力による初期き裂がまず生成し、その後に圧縮応力下のせん断応力によるき裂進展を経てはく離に至るため、疲労初期の欠陥としては、同径の母相と密着した酸化物系非金属介在物以上の有害性を有する。一般的な鋼の中に含有する酸化物系非金属介在物は、実質的にＡｌ2Ｏ3、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＭｎＯから成り、その組成は溶鋼組成や、脱酸合金や、原材料などに影響される。そして、従来からのＡｌを主体とした脱酸材による脱酸工程を経た鋼材を用いた場合には、その鋼中にＡｌ2Ｏ3、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3やＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3といったＡｌ2Ｏ3系の非金属介在物が主体となる。そして、これらの非金属介在物では、鋼材のマトリックとの界面や、集積した酸化物系非金属介在物間に空洞が存在することが判った。
【００１２】
これらの空洞は、鋼材の製造工程における凝固、熱間加工後の冷却時などに、酸化物系非金属介在物と母材自体の収縮能の違いや変形能の違いによって生成する。集積した酸化物系非金属介在物間の空洞については、鋼材の熱間加工時あるいは軸受転走時の酸化物系非金属介在物の割れに伴っても生成する。
【００１３】
母相との界面に空洞が生成せず、かつ、この鋼材の熱間加工時に割れない酸化物系非金属介在物の組成について検討した結果、ＳｉＯ2を基本組成とする必要があることが判った。本発明は以上の新たに得た知見に基づきなされたものである。
【００１４】
すなわち、上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、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３，０００ｍｍ2に存在する最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物あるいは１５μｍ以上の介在物径を有する全ての酸化物系非金属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である。
【００１５】
請求項２の発明では、鋼中に存在する酸化物系非金属介在物のうち、検鏡面積３，０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の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。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明の鋼は、上記の手段とすることで、製鋼の溶解時に酸化物系非金属介在物の低減および小径化のために長時間の取鍋精錬や脱ガス処理をしなくても得られ、表面硬さを５８ＨＲＣ以上として使用することができ、転がり疲労寿命に優れ、かつ短寿命はく離が抑制されているなど、極めて優れた機械用部品用の鋼である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の手段の実施の形態を述べるに先立ち、本発明の鋼における化学組成およびそれらに含まれる酸化物系非金属介在物の組成とサイズの限定理由を以下に述べる。なお、ｐｐｍおよび％は質量割合で示す。
【００１８】
Ｏ：２０ｐｐｍ以下、望ましくは１０ｐｐｍ以下
Ｏは鋼中に残存して軸受の転走中に、はく離の起点となる酸化物系非金属介在物を形成するので２０ｐｐｍ以下とするが、可能な限り低い方が望ましい。望ましくは１０ｐｐｍ以下である。本発明では、１５μｍ以上の大きさを有するＡｌ2Ｏ3系の非金属介在物の生成を可能な限り避ける必要がある。そのためには、転炉または電気炉による酸化精錬後の脱酸工程において、極めて強い脱酸力を有するＡｌを投入せずに、ＳｉやＭｎなど合金形状は問わないで脱酸を行う必要がある。その場合には、Ａｌを投入した脱酸に比べてＯは高くなる。しかし、２０ｐｐｍ以下であれば、本発明の効果は得られ、かつ検鏡面積３，０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下を安定して満足することができる。
【００１９】
Ａｌ：０．０１０％未満、望ましくは０．００８％未満
従来のＡｌを投入した脱酸工程を経た場合の、鋼中のＡｌ量は０．０１５〜０．０２５％程度である。この程度のＡｌ量を含有する場合、Ａｌ2Ｏ3を多量に含む酸化物となり易い。そのため、出来るだけＡｌは少ない方が望ましく、０．０１０％未満が望ましい。また、脱酸工程にてＡｌを投入せずに脱酸を行っても、原材料やスラグおよび炉材からＡｌが混入する場合がある。Ａｌが混入したとしても、脱酸合金にＡｌを使用しなければ、Ａｌで０．００８％未満は容易に達成することができ、かつ本発明のとおり、ＳｉＯ2：３０％以上からなる酸化物系非金属介在物の組成を容易に得ることができる。一方でＡｌの混入を防止するために、原材料や炉材質を厳選した場合には、製造原価の高騰を招く。
【００２０】
最大介在物径を有する酸化物系非金属介在物あるいは１５μｍ以上の介在物径を有する全ての酸化物系非金属介在物の組成がＳｉＯ2：３０％以上とする理由
酸化物系非金属介在物組成の内、ＳｉＯ2：３０％未満であれば、母相と酸化物系非金属介在物の界面に空洞が生成し、転がりにおける短寿命はく離を招き易くなる。特に、Ａｌ2Ｏ3やＣａＯが増えれば、増えるほど短寿命はく離が顕著になる。さらに、鋼中にＡｌを含有する場合には、たとえ僅かな含有量であっても、Ａｌ2Ｏ3の標準自由エネルギーが他の酸化物に比べて低いため、Ａｌ2Ｏ3系酸化物の生成は不可避である。しかしながら、Ａｌの含有量が本発明の範囲内であれば、生成するＡｌ2Ｏ3系酸化物は小さい。また、その大きさが２０μｍ以下であれば、従来から知られているように転がり疲労に対する有害度は小さい。
【００２１】
鋼中に存在する酸化物系非金属介在物のうち、検鏡面積３，０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径が７０μｍ以下とする理由
鋼中にＡｌ2Ｏ3、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3やＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3といったＡｌ2Ｏ3系の非金属介在物が主体である鋼であれば、２０μｍ以上の大型の酸化物系非金属介在物を極めて少なくすることが重要であるが、１５μｍ以上の介在物径を有する酸化物系非金属介在物の組成がＳｉＯ2：３０％以上であれば、母相と酸化物系非金属介在物の界面に空洞が生成しないため、転がりにおける短寿命はく離を抑制することができる。ただし、それでも最大介在物径が７０μｍ以上を有する場合には、短寿命はく離を招きかねない。
【００２２】
本発明の実施の形態の実施条件と得られた効果について具体的に説明する。先ず、表１に本発明の実施の形態の供試材Ａ〜Ｋの成分組成を示す。本発明が適用可能な鋼は、高周波焼入れ、ズブ焼入れ、ベイナイト焼入れにより５８ＨＲＣ以上の硬さが得られる鋼である。本供試材では、同焼入れ方法を適用する頻度の高い鋼であるＪＩＳ  Ｇ  ４８０５の成分を満足する鋼、その改良（例えば高Ｃｒ化、高Ｓｉ化）した鋼、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１の成分を満足する鋼のうち、Ｃ≧０．４２％を満足する鋼、およびその改良（例えば高Ｃｒ化）した鋼について実施した。これらの供試材は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。溶製時に供試材Ａ〜ＧおよびＪ〜Ｋは脱酸材として金属ＡｌやＡｌ合金を添加せず、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ（何れについてもＡｌ含有量は不可避不純物として５％未満）のみを添加した。供試材Ｈ〜Ｉは脱酸材として金属ＡｌやＡｌ合金も加えた。得られた鋳塊に熱間加工を施してφ６５の鋼材とした。供試材Ｆ以外の鋼材は８００℃にて球状化焼鈍を施し、鋼材の長手方向に対して垂直に切断加工して外径φ６０×内径φ２０×厚さ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。これを表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験を行った。一方、供試材Ｆについては、７５０℃にて球状化焼鈍を施し、鋼材の長手方向に対し垂直に切断加工して外径φ６０×内径φ２０×厚さ５．８ｍｍの円盤からなる試験片を作製した。この試験片を高周波焼入れし、１５０℃で６０分の焼戻処理を行い、所望の５８ＨＲＣ以上の硬さを得た後、表面研磨を行ってスラスト型転がり疲労試験を行った。この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。
【００２３】
【表１】
2008240019.tif 000002
【００２４】
さらに、各供試材における酸化物系非金属介在物径と組成評価については、上記と同様に熱間加工を施してφ６５材とし、スラスト型転がり疲労試験片と同様な球状化焼鈍を施した後に、各供試材のφ６５材の直径Ｄの１／４の表面部から圧延方向と平行な面より１０×１０ｍｍのミクロ試料を３０個を切り出した。これらのミクロ試料を上記と同様な焼入・焼戻し処理を行った後に、試料測定面を研磨して、各１００ｍｍ2中に存在する酸化物系非金属介在物のうち、（縦×横）1/2で１５μｍ以上を有する酸化物系非金属介在物の大きさをそれぞれ測定し、３０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径を評価した。さらにエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置により介在物組成を定量した。
【００２５】
表１において、供試材のＡ〜Ｇは本発明の構成要件を満足するものである。質量割合で、Ａｌ含有量は最高でも供試材Ａの０．００９％であり、Ｏ含有量は最高でも供試材Ｃの２０ｐｐｍである。供試材Ｈ〜Ｋのうち、供試材Ｈと供試材ＩはＡｌ含有量が本発明の範囲外であり、表１の備考に記載のように供試材Ｊと供試材Ｋは脱酸不足でＯ含有量が本発明の範囲外である。
【００２６】
これらの表１に示す各供試材からなる各試験片について、３０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径と、１５μｍ以上を有する酸化物系非金属介在物の主要物であるＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ＋ＭｎＯ、ＭｇＯの平均組成と、およびこれらの１５μｍ以上を有する酸化物系非金属介在物のなかで最もＳｉＯ2の構成量が少ない試験片の酸化物系非金属介在物のＳｉＯ2量について、それぞれ表２に示す。
【００２７】
【表２】
2008240019.tif 000003
なお、ＭｇＯ欄の−は１％未満を示す。
【００２８】
表２において、供試材Ａ〜Ｇは本発明の請求項１および請求項２を満足する。一方、１５μｍ以上を有する酸化物系非金属介在物のうちで、最もＳｉＯ2の構成量が少ない酸化物系非金属介在物のＳｉＯ2量については、供試材Ａ〜Ｇは、表１で本発明の成分範囲を満足するものである。さらに、最もＳｉＯ2の構成量が少ない酸化物系非金属介在物のＳｉＯ2量は、最低のもので供試材Ａの２０％である。
【００２９】
さらに、上記における焼入・焼戻し後の表面硬さとスラスト型転がり疲労試験を行った各供試材の１０枚の試験片のうち、１×１０7サイクル未満ではく離した１０枚中の枚数およびＬ10寿命を表３に示す。
【００３０】
【表３】
2008240019.tif 000004
【００３１】
表３において、本発明の構成を満足する供試材のＡ〜Ｇは、表面硬さは６１．５ＨＲＣ以上で、１×１０7サイクル未満ではく離した試験片は１０枚中で０枚であり、かつＬ10寿命が最低のものでも供試材Ｇの１０．７×１０6サイクル以上である。これに対し、本発明の以外のものである供試材Ｈ〜Ｋは、１×１０7サイクル未満ではく離した試験片は供試材Ｈ、供試材Ｉおよび供試材Ｋでは１０枚中で２枚であり、供試材Ｊでは１０枚中で１枚である。さらにＬ10寿命は最大のもので９．５×１０6サイクル未満であり、本発明のものに比し劣っている。