(57)【要約】      （修正有）【課題】鋼材中に含有する非金属介在物と母相の鋼の界面状態を制御した転動疲労寿命に優れた軸受外輪の粗部材の製造方法を提供する。【解決手段】圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼からなる素材を軸受外輪の粗部材に加工する方法において、冷間ローリング前の粗部材の外径寸法を１００％とするとき、この外径寸法に比して１０５％以上から１２０％以下とした下記式（１）の拡径率で冷間ローリングにより軸受外輪の粗部材の外径寸法に形成して、空洞３の減少されＡｌ2Ｏ3系非金属介在物２を有する冷間ローリング後の粗部材からなる転動疲労寿命に優れたラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の製造方法。ここで、拡径率＝（冷間ローリング後の粗部材の外径寸法／冷間ローリンング前の粗部材の外径寸法）×１００％・・・（１）で、外径寸法とは、粗部材アキシャル方向中央での寸法である。【選択図】図１
2012006043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の粗部材に冷間ローリングにより塑性加工する方法において、冷間ローリング前の粗部材の外径寸法を１００％とするとき、この外径寸法に比して１０５％以上から１２０％以下とした下記式（１）の拡径率で冷間ローリングによりラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の外径寸法に形成して冷間ローリング後の粗部材とする方法を特徴とするラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法。
ここで、拡径率＝（冷間ローリング後の粗部材の外径寸法／冷間ローリング前の粗部材の外径寸法）×１００％・・・（１）であり、また、外径寸法とは、粗部材アキシャル方向中央での寸法である。
【請求項２】
ラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の粗部材に冷間ローリングにより塑性加工する方法において、請求項１に記載のラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の外径寸法に替えてラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の内径寸法とし、この冷間ローリング前の素部材の内径寸法を１００％とするとき、この内径寸法に比して１０５％以上から１３０％以下とした下記式（２）の拡径率で冷間ローリングによりラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の内径寸法に形成して冷間ローリング後の粗部材とする方法を特徴とするラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法。
ここで、拡径率＝（冷間ローリング後の粗部材の内径寸法／冷間ローリング前の粗部材の内径寸法）×１００％・・・（２）であり、また、内径寸法とは、粗部材の最長内径寸法である。
【請求項３】
圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼からなる冷間ローリング前の粗部材の素材は、素材中に含有する酸化物系介在物の最大大きさが４０μｍ以下である圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法。
【請求項４】
素材中に含有する酸化物系介在物の最大大きさが４０μｍ以下である圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼を用いる方法は、質量割合で、含有する酸素量が８ｐｐｍ以下で、硫黄量が０．００８％以下である圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼を素材として用いることを特徴とする請求項３に記載のラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアル型の軸受やアンギュラ−型の軸受などの機械部品を構成する素材に含有の非金属介在物が、これら部品の破損起点となって惹起される転動疲労寿命に対して優れた機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の機械装置の高性能化に伴い、転動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ている。
【０００３】
鋼成分の不純物元素のうち、これらからなるＡｌ2Ｏ3、ＭｎＳ、ＴｉＮやその他の非金属介在物は鋼部品の鋼中に存在するとき、鋼部品の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、これらの非金属介在物の径が大きいほど、鋼部品の転動疲労寿命は短くなることが知られている。そのため、鋼中に含有される非金属介在物の量を少なく、すなわち鋼の清浄度が高く、介在物の径が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が種々提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
【０００４】
これらの特許文献１や特許文献２で提案されているような高清浄度鋼からなる鋼材を用いても、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、鋼材中の非金属介在物を低減し、さらに、この非金属介在物を小径化しようとする開発が盛んに行なわれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−６３４０２号公報
【特許文献２】特開平６−１９２７９０号公報
【特許文献３】特開平８−４２５７６号公報
【特許文献４】特開２００６−２９９４１９公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】鉄と鋼、９４（２００８）、ｐ．１３（日本鉄鋼協会）
【非特許文献２】ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ、２２（２００９）、ｐ．１２９７（日本鉄鋼協会）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態を制御した粗部材とすることで、鋼の製造時に非金属介在物の低減およびその小径化を図った鋼材では安定しない転動疲労寿命を優れたものとした機械用部品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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鋼材から、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非金属介在物が存在すれば、これらの機械部品にはく離を発生させ、破損に至らせることから、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り、このことは知られている。そこで、量産の製造工程において、非金属介在物を小径化する方策が多く発明されているが、しかし、短寿命で破損することを安定的に抑制することは十分にできていなかった。
【０００９】
本発明者らは軸受その他の機械部品の転動疲労における破損すなわちはく離に至る過程について、鋭意詳細に検討した。その結果、非金属介在物からき裂発生および進展によりはく離に至る過程において、非金属介在物の周囲への応力集中効果により、き裂が開口して変位する初期き裂（以下「開口型の初期き裂」という。）過程を経ることを見出した。その後、せん断応力によるき裂の伝ぱを経て破損に至ることは従来の知見通りである。このことは、本発明者らが見出した開口型の初期き裂が起こらなければ、その後のき裂伝ぱや破損が起こらないことを意味している。また開口型の初期き裂は非金属介在物と母相との界面に物理的な隙間すなわち空洞が生じていることを前提として起こるのであり、空洞が生じていなければ、開口型のき裂は生じ難くなるために長寿命化することを検証している（非特許文献１および非特許文献２参照。）。すなわち、母相との界面に空洞が生じている大型の酸化物系非金属介在物が存在すれば、短寿命で破損する確率を高めることとなる。
【００１０】
この空洞は、鋼材の製造過程、部材に成形していく過程において必ず行なわれる何らかの塑性加工、すなわち、熱間圧延、冷間圧延、熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造、ローリング鍛造、冷間転造、冷間ヘッダー加工ならびに引抜き加工などによって生じることも見出した。すなわち、熱間圧延鋼材から試験片を切り出し、イオンミリングを行った後に、走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて非金属介在物周囲の空洞の有無を観察した影像を図１の非金属介在物周囲の概念図１にて示す。なお、図１において、符号の２はＡｌ2Ｏ3系非金属介在物であり、符号の３は空洞の部位である。特に機械構造用鋼では、通常Ａｌによる脱酸が行なわれる。その際に生成するＡｌ2Ｏ3系非金属介在物２は母材との変形能の違いや形状から特に母相との界面に空洞が生成しやすい。さらに、この空洞は塑性加工によって非金属介在物を起点として鋼材が延伸する側に生じることを確認している。
【００１１】
転動疲労により介在物周囲に作用する応力値が高い位置と、空洞が生じる位置が一致すると、非常に高い応力集中効果により、初期き裂の長さが長くなり、空洞が生じる位置が一致しない場合に比べて短寿命で破損し易くなる。転動疲労により介在物の周囲に作用する応力値が高い位置は、転動体が移動する方向を０°とした場合に０〜３０°である。
【００１２】
昨今、軸受の内輪や外輪は圧延棒鋼から熱間鍛造ならびにローリング鍛造により成形した粗部材を用いて製造される割合が高まっている。また、特許文献３における転動体のように、転動疲労時に非金属介在物の欠陥が開口することによる早期はく離を抑制するために、拡径率を高めることが提案されている。しかしながら、拡径率を高めることは、空洞が非金属介在物を起点として、転動体が移動する方向に生じることとなるので、転動疲労時の非金属介在物の欠陥が開口することが抑制されても、既に生じている空洞の存在により早期はく離を引き起こす可能性が高まる。
【００１３】
また、ローリング鍛造により成形した粗部材に含まれる酸化物系非金属介在物を調査すると、√ＡＲＥＡすなわち（長径×短径）の平方根で４０μｍを超える酸化物の周囲で、転動体が移動する方向に空洞が存在することを確認することができた。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、ラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の粗部材に冷間ローリングにより塑性加工する方法において、冷間ローリング前の粗部材の外径寸法を１００％とするとき、この外径寸法に比して１０５％以上から１２０％以下とした下記式（１）の拡径率で冷間ローリングによりラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の外径寸法に形成して冷間ローリング後の粗部材とする方法を特徴とするラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法である。
ここで、拡径率＝（冷間ローリング後の粗部材の外径寸法／冷間ローリング前の粗部材の外径寸法）×１００％・・・（１）であり、また、外形寸法とは、粗部材アキシャル方向中央での寸法である。
【００１５】
請求項２の発明では、ラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の粗部材に冷間ローリングにより塑性加工する方法において、請求項１に記載のラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の外径寸法に替えてラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の内径寸法とし、この冷間ローリング前の粗部材の内径寸法を１００％とするとき、この内径寸法に比して１０５％以上から１３０％以下とした下記式（２）の拡径率で冷間ローリングによりラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の内径寸法に形成して冷間ローリング後の粗部材とする方法を特徴とするラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法である。
ここで、拡径率＝（冷間ローリング後の粗部材の内径寸法／冷間ローリング前の粗部材の内径寸法）×１００％・・・（２）であり、また、内径寸法とは、粗部材の最長内径寸法である。
【００１６】
請求項３の発明では、圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼からなる冷間ローリング前の粗部材の素材は、素材中に含有する酸化物系介在物の最大大きさが４０μｍ以下である圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼を用いることを特徴とする請求項１または２の手段のラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法である。
【００１７】
請求項４の発明では、素材中に含有する酸化物系介在物の最大大きさが４０μｍ以下である圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼を用いる方法は、質量割合で、含有する酸素量が８ｐｐｍ以下で、硫黄量が０．００８％以下である圧延棒鋼あるいは鍛造棒鋼を素材として用いることを特徴とする請求項３の手段のラジアル型軸受外輪もしくはアンギュラ−型軸受外輪の転動疲労寿命に優れた粗部材の製造方法である。
【００１８】
本願発明の粗部材は、上記の手段とすることで、鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態が制御され、鋼の製造時に非金属介在物の低減およびその小径化を図った鋼材を用いただけでは安定しない転動疲労寿命が大幅に改善することが見込まれる極めて優れた機械部品の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
上記の本発明の手段とすることにより、鋼材中に含有する非金属介在物と母相である鋼との界面状態が制御されることで、鋼の製造時に非金属介在物の低減およびその小径化を図った鋼材を用いただけでは安定しない転動疲労寿命が改善され、優れた機械用部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】熱間圧延した鋼材から試料を切り出し、イオンミリングを行なった後に、走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）にて非金属介在物周囲の空洞の有無を観察した影像を非金属介在物周囲の概念図として示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
軸受に求められる鋼には、一般的にＪＩＳ  Ｇ  ４８０５に規定されている高炭素クロム軸受鋼鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定されている機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５２に規定されている焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼）、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３に規定されている機械構造用合金鋼鋼材およびそれぞれの関連外国規格鋼、さらにそれぞれの成分類似鋼と成分改良鋼の鋼材が使用されている。ところで、本発明の方法における圧延棒鋼ならびに鍛延棒鋼とは上記に記載の化学成分を満足する鋼からなる棒鋼を指す。
【００２２】
これらの棒鋼に用いる鋼は、一般的に、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）鋼塊の熱間圧延あるいは冷間圧延による塑性加工の各工程を経て、本発明の方法で用いる棒鋼が製造される。
【００２３】
次いで、これらの方法で製造された棒鋼を切断して得た円板状の素材から、熱間鍛造、亜熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造、熱間ローリング鍛造あるいはこれらの組合せからなる塑性加工と、必要に応じて軟化や組織調整を目的とした熱処理あるいは旋削を行なった後に、これを冷間ローリングを経て粗部材に成形される。
【００２４】
なお、本発明の方法における熱間塑性加工の熱間とは、当該鋼の再結晶温度以上を指し、温間塑性加工の温間とは室温以上でかつ再結晶温度未満を指し、冷間塑性加工の冷間とは室温およびその近辺の温度を指す。
【００２５】
従来から、冷間ローリングを行う前に鋼材を拡径する鍛造が行われれて粗部材とされているので、冷間ローリングを行う前の粗部材の時点で、既に非金属介在物を起点として転動体が移動する方向に空洞が生じている場合がある。そのために、安定して優れた転動疲労寿命を有する製品を得るためには、この空洞を消滅させる塑性加工が必要である。冷間ローリングは、拡径する加工であるものの、径方向には、圧縮応力が作用することが解析されている。そのために、元の径の１０５％以上の拡径率で冷間ローリングをすれば、空洞は径方向の作用応力によって消滅し、かつこの時の周方向に作用する引張応力は小さいので、径は拡大はしない。一方、外径で元の径の１２０％を超え、内径で元の径の１３０％を超えた拡径率で冷間ローリングしてリング製品とすれば、素材中の空洞に対しては径方向の作用応力よりも周方向の作用応力の方が律速となるため、空洞は維持されるかもしくは新たに生成されることとなる。
【００２６】
次いで、冷間ローリングにより形成したリング製品において表面硬さ５８ＨＲＣ以上を得るために、ズブ焼入れによる全体焼入れ、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ、窒化焼入れ、浸炭浸窒焼入れ、高周波焼入れなどの焼入焼戻し処理が鋼種や用途に応じて施された後、研磨や研削などの仕上げ処理を経て、本発明で対象とする機械部品が製造される。本発明における焼入焼戻し処理方法とは上記に記載の各種の焼入焼戻し処理を指す。
【００２７】
次に、本発明の方法に用いる素材の棒鋼の鋼中に含有の酸素量を８ｐｐｍ以下とし、硫黄量を０．００８％以下とする限定理由について述べる。
酸素含有量は８ｐｐｍを超えて増えると、酸化物系介在物の頻度が多くなり、かつ酸化物系介在物の最大大きさも大きくなる。鋭意調査してきた結果、８ｐｐｍ以下とすることにより酸化物系介在物の最大大きさを４０μｍ以下に抑制できる確率が高まることがわかった。また、硫黄量についても、同様なことがいえ、硫黄量が０．００８％を超えて増えると、硫黄系介在物の頻度が多くなり、かつ硫黄系介在物の最大大きさも大きくなる。ただし、硫黄系介在物は、酸化物系介在物のように、その周囲に空洞を生じないが、寿命に対する有害性を有するので、０．００８％以下とする。
【００２８】
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、以下に具体的に説明する。先ず、表１に本発明の実施の形態である供試材の成分組成を示す。本供試材ではＪＩＳ  Ｇ  ４８０５の成分を満足する鋼であるＳＵＪ２鋼についての２例を表１において鋼種のＳＵＪ２ＡおよびＳＵＪ２Ｂと名づけた。なお、これらの鋼種は表１に示す化学成分と、残部Ｆｅと不可避不純物からなるものである。アーク溶解炉にて、これらの鋼種の溶鋼を、慣用の手段である、酸化精錬し、取鍋精錬炉（ＬＦ）にて還元精錬し、還流式真空脱ガス装置（ＲＨ）にて還流真空脱ガス処理（ＲＨ処理）し、得られた溶鋼を連続鋳造にて鋼塊を鋳造し、鋼塊を熱間圧延して棒鋼を作製した。
【００２９】
【表１】
2012006043.tif 000003
【００３０】
棒鋼からなる各供試材における酸化物系介在物径について、表２に示す鋼種ＳＵＪ２Ａと鋼種ＳＵＪ２Ｂである棒鋼の圧延方向と平行な面より１０ｍｍ×１０ｍｍのミクロ試料を３０個切り出した。試料の測定面を研磨して、各１００ｍｍ2中に存在する最大介在物を、√ＡＲＥＡである（長径×短径）1/2でそれぞれ測定し、３，０００ｍｍ2中に存在する最大介在物径を極値統計法により予測し、これらの最大介在物径を表２に介在物大きさとして示した。鋼種ＳＵＪ２Ａでは最大介在物径は４１μｍであり、鋼種ＳＵＪ２Ｂでは最大介在物径は５３μｍで、これらは４０μｍを超えており、酸化物の周囲で、転動体が移動する方向に空洞が存在することが判明した。
【００３１】
【表２】
2012006043.tif 000004
【００３２】
さらに、上記の棒鋼を切断して得たビレットを熱間鍛造し、その後に旋削を経て外径６０ｍｍ、内径４０ｍｍのリング状粗部材を作製した。この場合、表４に示す、工程条件１では、冷間ローリング鍛造を行なわなかったもので、拡径率は１００％である。工程条件２は、外径６３ｍｍ、内径４２ｍｍのリング状粗部材に冷間ローリング鍛造した。外径の拡径率は元の外径の１０５％、内径の拡径率は元の内径の１０５％である。工程条件３は、外径６６ｍｍ、内径４８ｍｍのリング状粗部材に冷間ローリング鍛造した。外径の拡径率は元の外径の１１０％、内径の拡径率は元の内径の１２０％である。工程条件４は、外径７２ｍｍ、内径５２ｍｍのリング状粗部材に冷間ローリング鍛造した。外径の拡径率は元の外径の１２０％、内径の拡径率は元の内径の１３０％である。工程条件５は、外径７８ｍｍ、内径５２ｍｍのリング状粗部材に冷間ローリング鍛造した。外径の拡径率は元の外径の１３０％、内径の拡径率は元の内径の１３０％となる。工程条件６は、外径７２ｍｍ、内径５６ｍｍのリング状粗部材に冷間ローリング鍛造した。外径の拡径率は元の外径の１２０％、内径の拡径率は元の内径の１４０％である。これらの工程条件において、工程条件２と３と４は本発明における実施例、工程条件１と５と６は比較例である。
【００３３】
次いで、上記の工程条件１〜６のそれぞれのリング状粗部材から直径が１２ｍｍで長さが２２ｍｍの円筒試験片の形状に切削加工した。次いで、これらの円筒試験片を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、５８ＨＲＣ以上の硬さを得た。さらに研磨を施して、円筒型の試験片に仕上げて、ラジアル型転動疲労寿命評価を行なった。このラジアル型転動疲労寿命試験の試験機の概略は特許文献４の図７に示されている通りで、その試験要件は表３に示すように、相手転動体は径３／４インチ（１９．０５ｍｍ、接触面圧は５．８８６Ｐａ、負荷速度は４６２４０ｃｐｍ、潤滑油はタービンＶＧ６８である。
【００３４】
【表３】
2012006043.tif 000005
【００３５】
試験は、工程条件１〜６において、鋼種ＳＵＪ２Ａと鋼種ＳＵＪ２Ｂのそれぞれについて１０回づつ行なった。その結果から、ワイブル分布関数に基づいて短寿命側から１０％の試験片にはく離が生じるまでの総回転数を求め、これをＬ10寿命とした。これらの焼入・焼戻し後の表面硬さとスラスト型転動疲労試験を行った各条件の１０枚の試験片の寿命から評価したＬ10寿命を表４に示した。
【００３６】
【表４】
2012006043.tif 000006
【００３７】
表４において、工程条件２と工程条件３と工程条件４の本発明の実施例は、工程条件１と工程条件５と工程条件６の比較例に比べて、転動疲労寿命が格段に優れていることが判る。
【符号の説明】
【００３８】
１  非金属介在物周囲の概念図
２  Ａｌ2Ｏ3系非金属介在物
３  空洞の部位
【図１】
2012006043.tif 000007