(57)【要約】【課題】転動寿命特性が優れている軸受鋼とその製造方法を提供する。【解決手段】この軸受鋼は、組織内に存在する全酸化物系介在物の個数に対するＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数の割合が８０％以上であり、これは、軸受鋼の組成を有する溶鋼を溶製し、前記溶鋼に、Ｃａ含有量が０．１質量％以下であるＭｇ合金を添加し、ついで、Ａｌを添加する方法、または、軸受鋼の成分組成から成る溶鋼を、塩基度が５以上のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系スラグを用いて精錬し、得られた溶鋼にＡｌを脱酸剤として添加する方法で製造される。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織内に存在する全酸化物系介在物の個数に対するＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数の割合が８０％以上であることを特徴とする転動寿命特性に優れる軸受鋼。
【請求項２】
軸受鋼の組成を有する溶鋼を溶製し、前記溶鋼に、Ｃａ含有量が０．１質量％以下であるＭｇ合金を添加し、ついで、Ａｌを添加することを特徴とする、転動寿命特性に優れる軸受鋼の製造方法。
【請求項３】
軸受鋼の成分組成から成る溶鋼を、塩基度が５以上のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系スラグを用いて精錬し、得られた溶鋼にＡｌを脱酸剤として添加することを特徴とする、転動寿命特性に優れる軸受鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は転動寿命特性に優れる軸受鋼とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ベアリング、ローラなどの素材として使用される軸受鋼に対しては、厳しい転動寿命特性が要求される。この転動寿命特性の優劣は、鋼の製造過程で鋼中に生成・分散する非金属介在物、とりわけ、酸化物系介在物の量と大きさに大きく影響される。
【０００３】
上記した酸化物系介在物の大半は、鋼の脱酸時に脱酸剤として添加されるＡｌによって生成するＡｌ２Ｏ３である。このＡｌ２Ｏ３は、溶鋼に対する界面エネルギーが大きいので、互いに凝集して大きなクラスターを形成する。そして、このクラスターは鋼組織の中に存在し、これが疲労破壊の起点となる。
このような問題に対しては、従来、鋼の酸素濃度を低減して酸化物系介在物、主要にはＡｌ２Ｏ３の生成量を減少させるという努力がなされてきており、現在では、酸素濃度を数ｐｐｍ程度にまで低減することが可能になっている。しかしながら、現状では、それ以上に酸素濃度を低減することはできていないので、軸受鋼への最近の厳しい転動寿命特性の要求に対して充分に対応できていない。
【０００４】
一方、Ａｌ脱酸した溶鋼にＭｇ合金を添加することにより、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３を還元して、当該Ａｌ２Ｏ３をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３（スピネル）に改質する方法が提案されている（特許文献１を参照）。
この方法では、Ｍｇ合金添加によって生成するＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３は、溶鋼に対する界面エネルギーが小さいので、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の凝集（クラスター化）は起こらず、結局は、Ａｌ２Ｏ３の凝集が防止される。
【０００５】
また、予め、Ａｌも含めて所定の成分組成になっていて、全酸素含有量が所定値に規定されている溶鋼にＭｇ合金を添加して、Ａｌ２Ｏ３をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３あるいはＭｇＯに変換することにより、Ａｌ２Ｏ３のクラスター化を防止する方法が提案されている（特許文献２を参照）。
更に、ＭｇＯ：３〜１５％、ＦｅＯ＋Ｆｅ２Ｏ３＋ＭｎＯ：５％以下を含有するＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系スラグの存在下で、溶鋼にＭｇ合金を添加することにより、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯに改質して、Ａｌ２Ｏ３のクラスター化を防止する方法が提案されている（特許文献３を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３１１２２５号公報
【特許文献２】
特開平７−５４１０３号公報
【特許文献３】
特開平７−６２４１７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、脱酸処理時に、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３の略全てをＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３に転化し、もって清浄度が高く、転動寿命に優れる軸受鋼とその製造方法の提供を目的とする。
本発明は、溶鋼中にＭｇ成分を添加することにより溶鋼中のＡｌ２Ｏ３を溶鋼との界面エネルギーの小さいＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３に転化して、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３のクラスター化を防止し、もって転動寿命特性を向上させるという点では、前記した特許文献１〜３の発明と同一の技術思想に立脚しているといってよい。
【０００８】
しかしながら、本発明は、後述する各種の実験から得られた新たな知見、この知見に基づいて開発された新たな技術的手段に依拠してなされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、組織内に存在する全酸化物系介在物の個数に対するＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数の割合が８０％以上であることを特徴とする転動寿命特性に優れる軸受鋼が提供される。
また、本発明においては、軸受鋼の組成を有する溶鋼を溶製し、前記溶鋼に、Ｃａ含有量が０．１質量％以下であるＭｇ合金を添加し、ついで、Ａｌを添加することを特徴とする、転動寿命特性に優れる軸受鋼の製造方法（以下、第１の製造方法という）が提供される。
【００１０】
更に、本発明においては、軸受鋼の成分組成から成る溶鋼を、塩基度が５以上のＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系スラグを用いて精錬し、得られた溶鋼にＡｌを脱酸剤として添加することを特徴とする、転動寿命特性に優れる軸受鋼の製造方法（以下、第２の製造方法という）が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明の軸受鋼について説明する。
本発明が適用対象とする軸受鋼は、ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５でその鋼種が規定されているＳＵＪ１，ＳＵＪ２，ＳＵＪ３，ＳＵＪ４，ＳＵＪ５などの高炭素クロム鋼軸受鋼；ＳＣＲ４２０，ＳＣＭ４２０，ＳＮＣＭ４２０などの浸炭軸受鋼；ＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｊ２などの耐食・耐熱軸受鋼である。
【００１２】
本発明の軸受鋼の場合、その組織内にスピネル構造のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３が存在している。このＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３は、後述する第１の製造方法または第２の製造方法により鋼の溶製時に生成するものであって、溶鋼との界面エネルギーが小さいのでクラスター化をしておらず、全体の大きさが３μｍ以下と微細である。
一方、組織内には、上記したＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３を含めて、例えばＡｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＳｉＯ２，ＣａＯのような酸化物系介在物が存在している。そして、本発明の軸受鋼の場合、全酸化物系介在物の個数のうち８０％以上がＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３で占められていることを最大の特徴とする。
【００１３】
ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数割合が上記した値を満たしている場合には、鋼中のＡｌ２Ｏ３は極めて少量であり、またクラスター化していないので、転動寿命特性の向上を実現することができる。
このような軸受鋼は次のようにして製造される。
最初に、第１の製造方法について説明する。
【００１４】
この製造方法では、所定組成の溶鋼を溶製し、そこにまずＣａ含有量が０．１質量％以下のＭｇ合金を投入し、ついでＡｌを投入する。すなわち、この製造方法の場合、投入するＭｇ合金のＣａ含有量が規制されていることと、Ｍｇ合金投入後にＡｌ添加という投入順序が規定されていることに特徴を有する。
この製造方法は、以下に述べる実験に基づいて確立されたものである。
【００１５】
［実験１］
Ｓｉ：４５．３質量％、Ｍｇ：３．８質量％、Ｃａ：１．１質量％、残部Ｆｅから成るＭｇ合金（１）と、Ｓｉ：４４．７質量％、Ｍｇ：２１．５質量％、Ｃａ：０．０１質量％、残部Ｆｅから成るＭｇ合金（２）を用意した。
一方、高周波真空誘導炉にＭｇＯるつぼをセットし、鋼種ＳＵＪ２（１．０％Ｃ−０．２％Ｓｉ−０．３％Ｍｎ−１．４５％Ｃｒ）を溶製した。
【００１６】
溶鋼に、Ｍｇ合金（１）を添加し、ついでＡｌを添加するという態様と、Ｍｇ合金（２）を添加し、ついでＡｌを添加するという態様の２種類の投入操作を行い、それぞれの場合につき、溶鋼をサンプリングした。
各サンプルにつき、生成している酸化物をＳＥＭ（×１００００）で観察し、またＥＤＸで組成調査を行った。結果は以下のとおりであった。
【００１７】
（１）Ｍｇ合金（１）を添加した場合
酸化物は、ＥＤＸによる組成調査結果によれば、Ａｌ：１３．４質量％、Ｍｇ：３０．２質量％、Ｏ：５１．１質量％、Ｃａ：５．３質量％の組成であった。
ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の組成の理論値は、Ａｌ：３８．０質量％、Ｍｇ：１７．０質量％、Ｏ：４５．０質量％であることを考えれば、上記した酸化物は、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３であるというわけにはいかない。
【００１８】
これは、Ｍｇ合金（１）におけるＣａ成分によって、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３が低融点化して液相となり、サンプル中にＣａ−Ａｌ−Ｍｇ系酸化物として析出した結果であると考えられる。
（２）Ｍｇ合金（２）を添加した場合
ＥＤＸの結果によれば、Ａｌ：３２．４質量％、Ｍｇ：１８．６質量％、Ｏ：４９．０質量％の組成であり、Ｃａ成分は検出されず、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の理論組成に近い値となっている。
【００１９】
したがって、理論値に近い組成のこの酸化物は、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３であると認定することができる。
（３）以上のことから、添加するＭｇ合金にＣａ成分が含有されていると、酸化物は低融点化して、理想組成のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３を生成させることは困難である。
【００２０】
したがって、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３を生成させるためには、Ｃａを含有しないＭｇ合金を使用すべきである。仮にＣａ成分を含有している場合であっても、Ｍｇ合金（２）の結果が示しているように、Ｃａ含有量は０．１％以下に規制されるべきである。
［実験２］
Ｍｇ合金として前記したＭｇ合金（２）を用意し、前記した溶鋼へのＭｇ合金とＡｌの投入順序について調べた。
【００２１】
（１）先入れ材を溶解したのち、溶鋼にＡｌを添加し、その後にＭｇ合金（２）を添加した。
Ｍｇ合金（２）の添加前と、Ｍｇ合金（２）の添加後に溶湯をサンプリングして、それぞれの場合につき酸化物を調査した。
その結果、Ｍｇ合金（２）を添加したのちのサンプルでは、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の外に遊離のＭｇＯが析出していた。
【００２２】
すなわち、この場合には、鋼中にＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の外にＡｌ２Ｏ３が存在していることになる。
（２）最初にＭｇ合金（２）を添加し、その後にＡｌを添加したことを除いては、（１）の場合と同様の処理を行った。
その結果、Ａｌ添加後のサンプルは、大部分の酸化物がＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３となっており、遊離Ａｌ２Ｏ３は存在していなかった。
【００２３】
（３）以上のことから、鋼にＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３のみを生成させるためには、最初に、溶鋼にＭｇ合金を添加し、その後にＡｌを添加すべきである。
その場合、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の生成機構は以下のとおりであると考えられる。
まず、溶鋼にＭｇ合金（２）を添加すると、次式：
Ｍｇ＋Ｏ＝ＭｇＯ      …（１）
の反応が起こってＭｇＯが生成する。
【００２４】
そして、そこにＡｌを添加すると、次式：
３ＭｇＯ＋２Ａｌ＝３Ｍｇ＋Ａｌ２Ｏ３      …（２）
で示されるＭｇＯの還元反応が起こる。
そのとき、溶鋼に対するＭｇの溶解度は非常に小さいので、Ｍｇは溶鋼中で過飽和状態で溶解し、溶鋼中では、次式：
Ａｌ２Ｏ３＋Ｍｇ＋Ｏ＝ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３      …（３）
の反応に基づいてＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３が生成する。
【００２５】
このように、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の生成にとっては、（２）式のＡｌ添加によるＭｇＯの還元と、溶鋼中におけるＭｇの過飽和溶解状態が必須の要件であると考えられる。
すなわち、溶鋼へのＭｇ合金の添加、それに続くＡｌの添加により、Ａｌ２Ｏ３のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３への改質は実現されるのである。
【００２６】
次に、第２の製造方法について説明する。
この方法は、Ｍｇ合金を用いることなく、後述するスラグを用いて溶鋼を溶製し、その溶鋼にＡｌを添加して実施する。
この方法で用いるスラグは、ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系の組成を有するもの、または、ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系の組成を有するものの２種類である。ただし、後者のスラグの場合、塩基度（％ＣａＯ／％ＳｉＯ２）が５以上であることが必要である。
【００２７】
上記した塩基度５以上のスラグの場合、Ｍｇの活量が大きくなってＭｇ成分がスラグから選択的に溶鋼に過飽和状態で溶解して、ついで添加されたＡｌと溶存酸素との間で、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３を生成する。
この製造方法は、以下に述べる実験に基づいて確立されたものである。
［実験３］
高周波大気誘導炉にＭｇＯるつぼをセットし、表１で示した組成の造滓剤をそれぞれ用いて鋼種ＳＵＪ２を温度１６００±１０℃で溶製した。
【００２８】
【表１】
2004323938.tif 000002
【００２９】
造滓剤の滓化後に、溶鋼にＡｌを添加し、サンプリングした。各サンプルにつき、ＳＥＭ観察とＥＤＸによる酸化物の組成調査を行った。
そして、それぞれの鋼における生成した酸化物のうち、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数の割合（％）を求め、それを図１に示した。
なお、スラグ１を用いた場合、生成した酸化物は、３μｍ以下の八面体形状をしており、Ａｌ：３６．７質量％、Ｍｇ：１８．５質量％、Ｏ：４４．８質量％の組成を有し、理論組成と略同一のＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３であった。そして、鋼における酸化物の略全数（１００％）が、図１で示したように、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３であった。スラグとして、塩基度が計算上は無限大であるＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ系スラグを用いると、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３の全量をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３に転化することができる。
【００３０】
一方、ＣａＯ−ＳｉＯ２−（Ａｌ２Ｏ３）−ＭｇＯ系のスラグを用いると、溶鋼中のＡｌ２Ｏ３の全量をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３に転化することはできない。
しかし、図１で明らかなように、スラグの塩基度が重要な因子となっていて、塩基度が高くなるにつれてＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の割合が増加している。
これは、スラグの塩基度が低すぎると、Ｍｇの活量は低下してスラグから溶鋼への溶解量が少なくなって、そのスラグは、Ｍｇの供給源としての機能が低下するからであると考えられる。
【００３１】
図１から明らかなように、製造した鋼におけるＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数割合を８０％以上にするためには、スラグの塩基度は５以上に設定することが必要である。好ましくは８以上である。
なお、造滓剤の組成においてＣａＦ２を配合した理由は、融点を低下させるためである。
【００３２】
【実施例】
（１）鋼の製造
高周波真空誘導炉にセットされたＭｇＯるつぼに、ＳＵＪ２の成分組成となるように各原料を装入した。装入量は５５ｋｇであった。
炉を稼働して、原料を溶解した。なお、この溶鋼は、Ｃ：１．０質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．３質量％、Ｃｒ：１．４５質量％、残部Ｆｅの組成になっている。
【００３３】
Ｓｉ：４４．７質量％、Ｍｇ：２１．５質量％、Ｃａ：０．０１質量％、残部Ｆｅから成るＭｇ合金を用意し、これを溶鋼に１５ｇ投入し、１．５分経過後に、更にＡｌ１１ｇを投入した。
Ａｌ投入から１分後に、溶鋼よりレードルサンプルを採取した。
得られた鋼を実施例鋼１とする。
【００３４】
次に、高周波大気誘導炉にセットされたＭｇＯるつぼに、実施例鋼１におけるＳＵＪ２の成分組成となるように各原料を装入した。装入量は５３ｋｇであった。原料が溶解したのち、ＣａＯ：６０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５質量％、ＭｇＯ：１０質量％、ＣａＦ２：２５質量％の組成で、塩基度が無限大である造滓剤を配合して装入した。
【００３５】
更に、溶鋼にＡｌ１３ｇを投入し、７分経過後に溶鋼からレードルサンプルを採取した。
得られた鋼を実施例鋼２とする。
また、スラグとして、ＣａＯ：４５質量％、ＳｉＯ２：２０質量％、Ａｌ２Ｏ３：１０質量％、ＭｇＯ：１０質量％、ＣａＦ２：１５質量％の組成のものを用いたことを除いては、実施例鋼２の場合と同様にして鋼を製造した。
【００３６】
得られた鋼を比較例鋼とする。
（２）介在物の測定
各鋼につき、その中心線を通って切断して試験片を作製した。各試験片につき、被検面の面積８０ｍｍ２を顕微鏡（倍率４００倍）で観察し、１０視野（合計８００ｍｍ２）中における各種酸化物の個数を計量した。
【００３７】
なお、視野内に酸化物系介在物が観察された場合には、顕微鏡の倍率を１０００倍に高め、その酸化物が八面体形状であるか否かを判別した。八面体形状をしていた場合は、その酸化物をＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３と判定し、そうでない場合はその他の酸化物とした。
以上の結果を表２に示した。
【００３８】
【表２】
2004323938.tif 000003
【００３９】
表２から明らかなように、本発明方法で製造した実施例鋼１，２は、鋼中の酸化物系介在物の８０％以上がＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３になっている。そして、実施例鋼１と実施例鋼２を対比すると、実施例鋼２の方が、実施例鋼１に比べてＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の生成個数が大幅に増加していて、本発明によるスラグ精錬の有用性は明らかである。
【００４０】
とくに、通常のスラグを用いて製造した比較例鋼の場合は、ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の生成個数は極めて少ないことを考えれば、本発明方法の有用性が際だって浮き出ている。
（３）スラスト転動寿命試験
実施例鋼２と比較例鋼のそれぞれを直径７０ｍｍに鍛伸したのち、外径６３ｍｍ、内径２８．７ｍｍ、厚み８．８ｍｍの円環形状の試験片を作製した。各試験片に、温度８３０℃で３０分保持したのちに油冷する焼入れを施し、ついで、温度１６０℃で６０分保持したのち空冷する焼戻しを施し、更に精密加工を行って下記条件で行うスラスト転動疲労試験に供した。
【００４１】
転動体：３／８インチのＳＵＪ２ボール３個、接触応力：Ｐｍａｘ＝５．５ＧＰａ、負荷回転速度：１８００ｒｐｍ、試験温度：常温。
以上の結果を図２に示す。
図２から明らかなように、全酸化物系介在物のうちＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の占める割合が９４％である実施例鋼２は、１０％である比較例鋼に比べてＬ５０値が大きく、優れた転動寿命特性を備えている。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の軸受鋼は、その組織内におけるＡｌ２Ｏ３の８０％以上がＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３に改質されているので、優れた転動寿命特性を備えていて、最近の厳しいスペックに対応できる材料としてその工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】全酸化物の個数に対するＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３の個数割合とスラグの塩基度との関係を示す実験データである。
【図２】スラスト転動疲労試験の結果を示すグラフである。
【図１】
2004323938.tif 000004
【図２】
2004323938.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月30日(2003.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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