(57)【要約】【課題】転動疲労の要因である組織変化を抑制すると共に、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制することで転動疲労寿命を向上させ得る転動疲労寿命に優れた鋼を提供する。【解決手段】本発明は、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００質量％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０質量％とすることによってＭｎ／Ｓ原子％比を０．６〜１．４とし、円相当直径で０．１〜３μｍの微細なＭｎＳを主成分とする微細硫化物を均一に多数存在させ、この微細に分散した硫化物により、鋼の転動中の組織変化を抑制し、かつ、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制して転動疲労寿命を向上させる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４５〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼。
【請求項２】
請求項１記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％の１種又は２種以上を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼。
【請求項３】
請求項１記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００５０、Ｎ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼。
【請求項４】
請求項３記載の鋼成分に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％の１種又は２種以上を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
機械構造用鋼あるいは軸受鋼として使用される転動疲労寿命に優れた鋼で、鋼中にＭｎＳを主成分とする微細に分散した硫化物の作用により、マトリックスを分散強化し、転動疲労寿命を向上させた鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼や軸受鋼などの転動疲労寿命を必要とする鋼には、中・高炭素鋼をズブ焼入れ焼戻し、高周波焼入れ焼戻した鋼を使用するか、あるいは浸炭鋼を使用している。転動疲労寿命を低下させる要因としては、転動下における鋼の組織変化が挙げられる。しかし、ズブ焼入れ焼戻し、高周波焼入れ焼戻しにて使用される中・高炭素鋼、特に中炭素鋼は、この組織変化が早期に発生し転動疲労寿命を低下させている。また、高周波焼入れ時に結晶粒が粗大化し、組織が粗くなった場合、その転動疲労寿命は著しく低下する。その理由は、これらの材料は転動疲労中に早期に組織変化を引き起こすためである。
【０００３】
そこで、出願人はすでに、転動部材において、鋼中にＴｉ炭化物、Ｔｉ炭窒化を微細に分散析出させることにより転動疲労中の組織変化を抑制し、かつ焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制して鋼の転動疲労寿命を向上させる鋼を開発し出願している（特許文献１参照。）。
【０００４】
転動疲労寿命を低下させる要因としては、上記したとおり転動下での鋼の組織変化が挙げられるが、ズブ焼入れ焼戻し、高周波焼入れ焼戻しにて使用される中・高炭素鋼、特に中炭素鋼は、この組織変化が早期に発生して転動疲労寿命を低下させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２５１８０６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、転動疲労の要因である組織変化を抑制すると共に、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制することで転動疲労寿命を向上させ得る転動疲労寿命に優れた鋼を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００質量％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０質量％とすることによってＭｎ／Ｓ原子％比を０．６〜１．４とし、円相当直径で０．１〜３μｍの微細なＭｎＳを主成分とする微細硫化物を均一に多数存在させ、この微細に分散した硫化物により、鋼の転動中の組織変化を抑制し、かつ焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制して転動疲労寿命を向上させるものである。
【０００８】
すなわち、上記の課題を解決するための手段は、請求項１の発明では、質量％で、Ｃ：０．４５〜１．２０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．０５〜１．００％、Ｓ：０．０５〜０．４０％を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼である。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％の１種又は２種以上を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼である。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００５０、Ｎ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼である。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項３の手段の鋼成分に加えて、質量％で、Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％の１種又は２種以上を含有し、Ｍｎ／Ｓは原子％比で０．６〜１．４であり、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、ＭｎＳを主成分とする微細硫化物を１ｍｍ２当たり５０００個以上含有することを特徴とする転動疲労寿命に優れた鋼である。
【００１２】
本発明における微細硫化物とは、上記のとおりＭｎＳを主成分とした晶出あるいは析出によって生成する介在物で、円相当直径で０．１〜３μｍのものを指している。これらの介在物中には、ＭｎとＳ以外に、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｏ等のマトリックス中の元素やＴｉ等の硫化物あるいは炭硫化物生成元素を含む場合もある。またこれらの微細硫化物以外に通常の大型硫化物が存在していても良い。
【００１３】
次に本願発明の鋼成分の限定理由を説明する。以下％は質量％を指す。
【００１４】
Ｃ：０．４５〜１．２０％
Ｃは、０．４５％未満では焼入れ時の表面硬さが低くなり、１．２０％を超えると焼入れ時の表面硬さは飽和し、かつ加工性が低下する。そこでＣ：０．４５〜１．２０％とする。
【００１５】
Ｓｉ：０．０５〜０．５０％
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素で、さらに転動疲労中の組織変化の遅延及び焼入性に効果のある元素であるが、０．０５％未満では脱酸効果は十分でなく、０．５０％を超えると加工性が著しく低下する。そこでＳｉ：０．０５〜０．５０％とする。
【００１６】
Ｍｎ：０．０５〜１．００％
Ｍｎは、微細ＭｎＳを生成するのに必要であり、またＦｅＳ生成による熱間加工性の低下を防止する元素で、下限値の０．０５％は微細ＭｎＳによる転動疲労寿命の向上に必要な最小量である。上限値の１．００％はＳの上限値と共にＭｎ／Ｓ原子％比＝１．４を満たす値である。そこでＭｎ：０．０５〜１．００％とする。
【００１７】
Ｓ：０．０５〜０．４０％
Ｓは、微細ＭｎＳを生成するのに必要であり、下限値の０．０５％は微細ＭｎＳによる転動疲労寿命の向上に必要な最小量である。上限値の０．４０％はＭｎの上限値と共にＭｎ／Ｓ原子％比＝１．４を満たす値で、これ以上添加しても微細ＭｎＳによる転動疲労寿命の向上が飽和する。そこでＳ：０．０５〜０．４０％とする。
【００１８】
Ｃｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％の１種又は２種以上
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは、転動疲労寿命向上に効果のある元素で、選択的に添加できる。しかし、少な過ぎると転動疲労寿命向上に効果がなく、多過ぎるとその効果は飽和し、コストアップとなる。そこでＣｒ：０．２０〜２．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．００％、Ｎｉ：０．１０〜３．５０％の１種又は２種以上とする。
【００１９】
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは、極微量の添加によって鋼の焼入性を著しく向上させる元素であるが、０．０００５％未満ではその効果は十分でなく、０．００５０％を超えると逆に焼入性を低下させ靱性も低下する。そこでＢ：０．０００５〜０．００５０％とする。
【００２０】
Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、Ｂと結合してＢＮを生成すると、焼入性向上に寄与する有効なＢが減少することとなる。そこでＢＮの生成を防止するため、Ｎ：０．０１％以下とする。
【００２１】
Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｔｉは、ＢよりＮと優先的に結合してＴｉＮを生成する。ＢＮ生成を防止するために０．０１％以上含有させる必要がある。しかし、０．０５％を超えて含有させてもその効果は飽和する。そこでＴｉ：０．０１〜０．０５％とする。
【００２２】
上記したように本発明における微細硫化物とは、ＭｎＳを主成分とした晶出あるいは析出によって生成する介在物であり、かつ円相当直径で０．１〜３μｍのものを指している。これらの介在物中には、ＭｎとＳ以外に、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｏなどのマトリックス中の元素やＴｉなどの硫化物あるいは炭硫化物生成元素を含む場合もある。またこれらの微細硫化物以外に、通常の大型硫化物が存在していても良い。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本願の発明の実施の形態を以下の実施例を通じて説明する。
【００２４】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する各鋼を１００ｋｇ真空溶解炉にて溶製して鋼塊を得た。これらの鋼塊を１２００℃に加熱した後、φ６５ｍｍに鍛伸し、焼きならし後、φ６０ｍｍ×４．５ｍｍ厚の円板からなるスラスト型寿命試験片に加工し、転動疲労寿命試験を実施した。なお、表１においてＰは不純物量として含有されるものである。
【００２５】
転動疲労寿命試験の試験条件を示す。表１に示す鋼からなる種々の供試材を上記のとおりφ６５ｍｍに鍛伸・焼きならし後、さらにφ６０ｍｍ×４．５ｍｍ厚の円板に加工したスラスト型寿命試験片を８５０℃から油焼入れし、１５０℃で焼戻し処理を行い、スラスト型転動寿命試験を行った。試験条件は最大ヘルツ応力５．２４ＧＰａ、応力繰り返し数１８００ｃｐｍで、累積破損確率１０％（Ｌ１０）の繰り返し数の比で評価した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１において、発明鋼１〜７は、炭素含有量がＳ５３Ｃ鋼を基本とする鋼に相当するもので、それぞれＭｎ：０．２２〜０．３１％、Ｓ：０．１４４〜０．１７３％、Ｍｎ／Ｓ原子％比：１前後に調整している。なお、表１において、発明鋼１に比してさらに添加または低減されている成分に下線を付して示している。発明鋼２は発明鋼１にＣｒを添加し、発明鋼３は発明鋼１にＭｏを添加し、発明鋼４は発明鋼１にＮｉを添加したものである。さらに発明鋼５は発明鋼１にＢを添加し、Ｎを低減し、Ｔｉを添加したものである。発明鋼６は発明鋼１にＣｒを添加し、Ｎを低減し、さらにＢおよびＴｉを添加したもので、発明鋼７は発明鋼１にＮｉを添加し、Ｎを低減し、さらにＢおよびＴｉを添加したものである。
【００２８】
発明鋼８〜１０は、炭素含有量がＳ５３Ｃ鋼を基本とする鋼に相当するもので、それぞれＭｎ／Ｓ原子％比：１前後にして、Ｍｎ、Ｓ量を増加または低減させたものである。
【００２９】
発明鋼１１〜１２は軸受鋼に相当する鋼であり、従って、発明鋼１に比してＣおよびＣｒを増加している。さらに発明鋼１と同程度のＭｎ、Ｓを添加したものである。
【００３０】
比較鋼１〜６は、Ｍｎ、Ｓ量またはＭｎ／Ｓ原子％比を除いて、それぞれ発明鋼１〜６に類似した組成の鋼で、Ｍｎ、Ｓ量が下限外れのもの、またはＭｎ／Ｓ原子％比が上限外れのもので、微細硫化物の１ｍｍ２当たりの個数が５０００個未満である。
【００３１】
比較鋼７、８、９はＭｎ、Ｓ量またはＭｎ／Ｓ原子％比を除いて、それぞれ発明鋼１、２、６に類似した組成の鋼で、Ｍｎ／Ｓ原子％比が下限外れのものである。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２に示すように、比較鋼１〜６と比較して、発明鋼１〜６はいずれも転動疲労寿命が向上している。比較鋼７〜９は、微細硫化物の個数が１ｍｍ２当たり５０００個以上と多く存在しており、転動疲労寿命は向上しているものの、Ｍｎ／Ｓ原子％比が本発明の範囲の０．６未満であり、このためＦｅＳが生成するので熱間加工性が低下している。発明鋼１と比較して、発明鋼２〜４はＣｒ、ＭｏまたはＮｉを添加し、発明鋼５はＢおよびＴｉを添加し、発明鋼６はＣｒ、ＢおよびＴｉを添加し、発明鋼７はＮｉ、ＢおよびＴｉを添加し、発明鋼１１、１２はＣ増量およびＣｒ増量によって、それぞれ転動疲労寿命が向上している。さらに、発明鋼９、１０は、Ｍｎ、Ｓ増量による硫化物個数の増加に伴い、転動疲労寿命が向上している。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明は転動疲労の要因である鋼の組織変化を抑制すると共に、焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制することにより転動疲労寿命を向上させるもので、Ｍｎ添加量を０．０５〜１．００質量％、Ｓ添加量を０．０５〜０．４０質量％とすることによってＭｎ／Ｓ原子％比を０．６〜１．４とし、円相当直径で０．１〜３μｍの微細なＭｎＳを主成分とする微細硫化物を鋼中に均一に１ｍｍ２当たり５０００個以上多数存在させ、この微細に分散した硫化物により、転動疲労中の組織変化を抑制すると共に焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制することで従来にない優れた転動疲労寿命有する鋼である。