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特開2024-66396耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼および鋼製機械部品
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024066396
(43)【公開日】2024-05-15
(54)【発明の名称】耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼および鋼製機械部品
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20240508BHJP
C22C 38/18 20060101ALI20240508BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20240508BHJP
C21D 9/40 20060101ALN20240508BHJP
C21D 1/06 20060101ALN20240508BHJP
C21D 1/10 20060101ALN20240508BHJP
C21D 1/32 20060101ALN20240508BHJP
C21D 8/06 20060101ALN20240508BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301Z
C22C38/18
C22C38/58
C21D9/40 A
C21D1/06 A
C21D1/10 H
C21D1/32
C21D8/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023054137
(22)【出願日】2023-03-29
(31)【優先権主張番号】P 2022174618
(32)【優先日】2022-10-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000180070
【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(74)【代理人】
【識別番号】100128473
【弁理士】
【氏名又は名称】須澤 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100160886
【弁理士】
【氏名又は名称】久松 洋輔
(74)【代理人】
【識別番号】100180699
【弁理士】
【氏名又は名称】成瀬 渓
(72)【発明者】
【氏名】藤岡 優馬
(72)【発明者】
【氏名】藤松 威史
(72)【発明者】
【氏名】石橋 いずみ
(72)【発明者】
【氏名】前田 尚輝
【テーマコード（参考）】
4K032
4K042
【Ｆターム（参考）】
4K032AA01
4K032AA05
4K032AA06
4K032AA07
4K032AA11
4K032AA12
4K032AA16
4K032AA19
4K032AA22
4K032AA23
4K032AA24
4K032AA27
4K032AA29
4K032AA31
4K032AA32
4K032AA35
4K032AA36
4K032BA02
4K032CA02
4K032CA03
4K032CD05
4K032CF02
4K032CF03
4K042AA22
4K042AA25
4K042BA02
4K042BA03
4K042BA04
4K042CA06
4K042CA08
4K042CA09
4K042CA10
4K042CA12
4K042CA13
4K042DA01
4K042DA02
4K042DA06
4K042DB01
4K042DC02
4K042DC03
4K042DC04
4K042DD02
4K042DD05
4K042DE02
4K042DE03
4K042DE06
(57)【要約】
【課題】従前より長寿命化した鋼を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．１８～１．１０％、Ｓｉ：０．２０～１．１５％、Ｍｎ：０．２０～１．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．７０～３．５０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、マルテンサイト変態開始温度が該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であり、鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼および鋼製機械部品。
【選択図】なし
【解決手段】Ｃ：０．１８～１．１０％、Ｓｉ：０．２０～１．１５％、Ｍｎ：０．２０～１．８０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：０．７０～３．５０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、マルテンサイト変態開始温度が該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であり、鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼および鋼製機械部品。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、
下記の式（１）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
ここで、式（１）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、
下記の式（１）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
ここで、式（１）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
【請求項2】
前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
【請求項3】
前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
【請求項4】
質量％で、
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いた鋼製機械部品であって、
下記の式（２）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（２）
ここで、式（２）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いた鋼製機械部品であって、
下記の式（２）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（２）
ここで、式（２）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
【請求項5】
前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項４に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項４に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
【請求項6】
前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項４または５に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする請求項４または５に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、異物が混入して潤滑油が汚染された環境下でも長寿命が得られる機械構造用鋼および鋼製機械部品に関する。
【背景技術】
【0002】
軸受はその使用環境として清浄な潤滑環境下で使用されない場合がある。たとえば、自動車や各種産業機器の変速機内に組み込まれた軸受では、変速機部品の摺動に伴う摩耗粉等が潤滑油を汚染し、それらの摩耗粉が軸受内部にも混入することが起こり得る。また、鉄鋼圧延機のように鉄粉塵やスケールを噛み込む可能性がある用途にも軸受は用いられている。このような軸受使用環境下において、硬質な異物（摩耗粉、鉄粉塵、スケール等）が軸受の転動体と軌道の間に噛み込まれることで軌道上に圧痕を形成することがある。すると、圧痕の上を転動体が周回することとなり、それによる転がり疲れの過程で圧痕周縁への応力集中が生じて軌道の表面からき裂が発生し、そのき裂が部品内部を伝播することでやがて剥離に至る、すなわち表面起点型剥離が引き起こされる。
【0003】
従来から、こうした表面起点型剥離による破損に対しては、部品の表面近傍における硬さを高めること、および残留オーステナイト量（残留γ量）を増量することが有効であるとされている。
【0004】
前者は、たとえば駆動系部品の構成材が摩耗して生じた異物についてその硬さに対して、軸受部品の硬さをそれ以上に高めることで圧痕を付きにくくするものである。一般的な駆動系部品は、ロックウェル硬さで５８ＨＲＣ以上（ビッカース硬さで約６５０ＨＶ以上）に調整されていることが多く、そこから生じる異物も同程度の硬さを持つ可能性がある。そこで、その異物の硬さを上回る硬さを軸受に付与することは圧痕を軽減することに寄与する。
【0005】
後者は、焼入れされた母相の硬さに比べて軟らかいγ層を部品の表面付近で増やすことにより、圧痕が付与された際に圧痕周縁に生じる盛上りを抑制する効果があるとされ、圧痕への応力集中作用を弱める狙いがある。
【0006】
このように、部品の硬さを高めることと残留γ量を増量させることは、いずれも圧痕周縁部におけるき裂の発生自体を抑制することを目的としている。
【0007】
また、特許文献１には、浸炭焼入焼戻しまたは浸炭窒化焼戻しされたミクロ組織の構成相である残留オーステナイトとマルテンサイトについて、その形態・体積分率を適切に制御することによって内部のき裂伝播を抑制し耐異物環境下での長寿命を意図した軸受用鋼が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０２１－１５５８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
たしかに、特許文献１の提案は、異物混入環境下における長寿命を志向して、ミクロ組織の状態を制御しようと試みるものである。しかし、この提案は、き裂発生についての検討は十分ではないことから、長寿命化手段としては未だ十分とはいえず、さらに工夫する余地が残されていた。
【0010】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、異物混入環境下の転がり疲れにおける表面起点型剥離の要因であるき裂の発生を抑制し従来よりも長寿命化しうる鋼を提供することである。具体的には、ミクロ組織制御として、マルテンサイト組織のブロックサイズを適切に制御することによって、従前より長寿命化した鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、高周波焼入焼戻しが施された鋼、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼き戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼のミクロ組織について、特に表層付近のマルテンサイト組織のブロックサイズを微細にすることによって、異物環境下の転がり疲れにおける寿命が向上することを見出した。
【0012】
続いて、異物が混入して軌道表面に圧痕が付与される環境を模擬した転がり疲れ試験を実施し、き裂の発生挙動とマルテンサイト組織のブロックサイズとの関係性を調べたところ、表層のマルテンサイト組織のブロックサイズが微細であるとき、き裂の発生が抑制されることを突き止めた。
【0013】
これらの知見に基づいて、本願発明者らは、浸炭焼入焼戻しまたは浸炭窒化焼入焼戻しされた鋼または高周波焼入れされた鋼またはそれらの熱処理を組み合わせて施した鋼、またはこれらの熱処理に焼入焼戻しを組み合わせて施した鋼のマルテンサイト組織のブロックサイズを所定範囲に制御して微細化することにより、部品のはく離寿命の延長が可能なことを見出し、本発明に至った。上記課題を解決するための手段は、以下のとおりである。
【0014】
（１） 質量％で、
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、
下記の式（１）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
ここで、式（１）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量（母相中に固溶している元素含有量）が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であって、
下記の式（１）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
ここで、式（１）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量（母相中に固溶している元素含有量）が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
【0015】
（２）前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（１）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（１）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
【0016】
（３）前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼。
【0017】
（４） 質量％で、
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いた鋼製機械部品であって、
下記の式（２）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（２）
ここで、式（２）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いた鋼製機械部品であって、
下記の式（２）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓの値（℃）が、該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置では２２０℃以下であること、及び
該鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下であることを特徴とする耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（２）
ここで、式（２）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
【0018】
（５） 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（４）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ｎｉ：０．１０～４．０％、
Ｍｏ：０．０３～１．００％、
Ｖ：０．１０～０．３５％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（４）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
【0019】
（６） 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（４）または（５）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
Ａｌ：０．０２～０．２％、
Ｔｉ：０．０５～０．３％、
Ｎｂ：０．０３～０．１％、
のうち１種以上をさらに含有することを特徴とする上記（４）または（５）に記載の耐転がり疲れ特性に優れた鋼製機械部品。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、ミクロ組織制御として、マルテンサイト組織のブロックサイズを制御することによって、従前より長寿命化した鋼を提供することができる。本発明によれば異物混入環境下において、代表的な軸受用素材であるＪＩＳ規定の高炭素クロム軸受用鋼材ＳＵＪ２に比して４倍以上の転がり疲れ寿命を有し、異物混入環境下での寿命特性に優れるため、部品のさらなる長寿命化が可能である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本実施の形態について説明する。まず、本実施形態の軸受用鋼などの機械構造用鋼および鋼製機械部品の化学成分について、その成分範囲の規定理由ならびに当該鋼のミクロ組織についての規定理由や、マルテンサイト変態開始温度を規定する理由や、マルテンサイト組織のブロックサイズの規定理由について以下に説明する。なお、化学成分の％は質量％であり、残留γ量の％はｖｏｌ％である。また、マルテンサイト変態温度Ｍｓの単位は℃である。また、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、本実施形態の鋼製機械部品は、仕上げとして行われる表面研磨前の鋼製機械部品である。本実施形態の鋼製機械部品は、最終的に表面から１００μｍ程度の深さ位置まで研磨が行われて完成品の部品として利用される。
【0022】
＜成分範囲の規定理由について＞
本実施形態の鋼および鋼製機械部品は、質量％で、
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる化学組成を有する。
本実施形態の鋼および鋼製機械部品は、質量％で、
Ｃ：０．１８～１．１０％、
Ｓｉ：０．２０～１．１５％、
Ｍｎ：０．２０～１．８０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ｃｒ：０．７０～３．５０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる化学組成を有する。
【0023】
Ｃ：０．１８～１．１０％
Ｃは、鋼製部品を焼入れしたときの芯部の焼入れ性、あるいは鋼製部品の鍛造性や機械加工性に影響する元素である。Ｃは０．１８％未満では十分な芯部の硬さが得られずに強度が低下するので、Ｃは０．１８％以上の添加が必要である。また、Ｃはマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、ブロックサイズの微細化にも寄与する。また、残留γの増量にも寄与する。一方、Ｃは１．１０％より多く添加すると、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性を阻害する。そこで、Ｃは０．１８～１．１０％とし、好ましくは、０．２０～１．０５％とする。さらに好ましくは０．２５～１．００％とする。特に高周波焼入れのみにより硬化処理を行う場合は芯部が焼入れされないため必要な芯部の硬さの確保にあたり、０．５２～１．００％とし、さらに好ましくは０．５８～１．００％、いっそう好ましくは０．６５～０．９５％とする。
Ｃは、鋼製部品を焼入れしたときの芯部の焼入れ性、あるいは鋼製部品の鍛造性や機械加工性に影響する元素である。Ｃは０．１８％未満では十分な芯部の硬さが得られずに強度が低下するので、Ｃは０．１８％以上の添加が必要である。また、Ｃはマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、ブロックサイズの微細化にも寄与する。また、残留γの増量にも寄与する。一方、Ｃは１．１０％より多く添加すると、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性を阻害する。そこで、Ｃは０．１８～１．１０％とし、好ましくは、０．２０～１．０５％とする。さらに好ましくは０．２５～１．００％とする。特に高周波焼入れのみにより硬化処理を行う場合は芯部が焼入れされないため必要な芯部の硬さの確保にあたり、０．５２～１．００％とし、さらに好ましくは０．５８～１．００％、いっそう好ましくは０．６５～０．９５％とする。
【0024】
Ｓｉ：０．２０～１．１５％
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であり、さらに、高温環境での鋼素材の強度を高め、疲労の進行の抑制により、転がり疲れ寿命の向上につながる元素である。これらの効果を十分に得るためには、Ｓｉは０．２０％以上の添加が必要である。また、Ｓｉは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。水素の影響が重畳して疲労に対して影響を及ぼす場合にもＳｉの増量には効果がある。一方、Ｓｉは１．１５％より多くなると、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性を阻害し、また、鋼素材に対して浸炭を行う際には浸炭の阻害を起こしやすくなり、十分な材料強度が得られない。そこで、Ｓｉは０．２０～１．１５％とし、好ましくは０．２５～０．８０％とし、より好ましくは０．２５～０．６５％とする。
Ｓｉは、脱酸に必要な元素であり、さらに、高温環境での鋼素材の強度を高め、疲労の進行の抑制により、転がり疲れ寿命の向上につながる元素である。これらの効果を十分に得るためには、Ｓｉは０．２０％以上の添加が必要である。また、Ｓｉは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。水素の影響が重畳して疲労に対して影響を及ぼす場合にもＳｉの増量には効果がある。一方、Ｓｉは１．１５％より多くなると、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性を阻害し、また、鋼素材に対して浸炭を行う際には浸炭の阻害を起こしやすくなり、十分な材料強度が得られない。そこで、Ｓｉは０．２０～１．１５％とし、好ましくは０．２５～０．８０％とし、より好ましくは０．２５～０．６５％とする。
【0025】
Ｍｎ：０．２０～１．８０％
Ｍｎは、焼入れ性の確保に必要な元素であると同時に、γ安定化元素であるため、鋼素材を焼入れした際、残留γ量を増加させ、異物混入環境下の圧痕周縁におけるき裂の発生と伝播の抑制に寄与する元素である。また、Ｍｎは、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、ブロックサイズの微細化にも寄与する。さらに、Ｍｎは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。これらの効果を十分に得るには、Ｍｎは０．２０％以上の添加が必要である。一方、Ｍｎは１．８０％より多くなると、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性を阻害する。そこで、Ｍｎは０．２０～１．８０％とし、好ましくは、０．４５～１．６０、さらに好ましくは、０．６５～１．２５％とする。
Ｍｎは、焼入れ性の確保に必要な元素であると同時に、γ安定化元素であるため、鋼素材を焼入れした際、残留γ量を増加させ、異物混入環境下の圧痕周縁におけるき裂の発生と伝播の抑制に寄与する元素である。また、Ｍｎは、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、ブロックサイズの微細化にも寄与する。さらに、Ｍｎは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。これらの効果を十分に得るには、Ｍｎは０．２０％以上の添加が必要である。一方、Ｍｎは１．８０％より多くなると、鋼素材の硬さが増加し、被削性および鍛造性等の加工性を阻害する。そこで、Ｍｎは０．２０～１．８０％とし、好ましくは、０．４５～１．６０、さらに好ましくは、０．６５～１．２５％とする。
【0026】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、０．０３０％より多く含有されると、鋼素材を脆化させ、疲労強度を低下させる元素である。そこで、Ｐは０．０３０％以下に制限する。
Ｐは、０．０３０％より多く含有されると、鋼素材を脆化させ、疲労強度を低下させる元素である。そこで、Ｐは０．０３０％以下に制限する。
【0027】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓは、０．０３０％より多く含有されると、鋼素材の冷間加工性を阻害し、疲労強度を低下させる元素である。そこで、Ｓは０．０３０％以下に制限する。
Ｓは、０．０３０％より多く含有されると、鋼素材の冷間加工性を阻害し、疲労強度を低下させる元素である。そこで、Ｓは０．０３０％以下に制限する。
【0028】
Ｃｒ：０．７０～３．５０％
Ｃｒは、焼入れ性の確保に必要な元素であり、鋼素材を焼入れした際に、残留γ量を増加させ、異物混入環境下の圧痕周縁におけるき裂の発生と伝播の抑制に寄与する元素である。Ｃｒはマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、ブロックサイズの微細化にも寄与する。浸炭を伴う熱処理後に再び焼入れを行う際（通常焼入れや高周波焼入れによる。二次焼入れと称される）にもＣｒ系の微細炭化物が形成される作用でマルテンサイト組織のブロックサイズを特に微細化する効果もある。さらにＣｒは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。また、Ｃｒは微細で均質に分散した残留γを形成するのに有効であり、異物混入環境下の圧痕周縁におけるき裂の発生と伝播の抑制効果をさらに高める。これらの効果を得るには、Ｃｒは０．７０％以上の添加が必要である。一方、Ｃｒは過剰になると浸炭または浸炭窒化を行う時に、鋼材最表面で酸化物を形成することで浸炭阻害を引き起こしやすくなり、また、高周波焼入れを行う際には母相へのＣの固溶の進行を遅延させやすく、いずれも強度不足につながる元素であるので、Ｃｒは３．５０％以下とする必要がある。そこで、Ｃｒは０．７０～３．５０％とし、好ましくは０．７０～３．００％とし、さらに好ましくは０．９０～２．７０％とし、いっそう好ましくは１．５５～２．５０％する。特に浸炭処理（ガス浸炭処理）を行う場合には、１．５５％以上の添加を行うのが好ましい。ただし、高濃度浸炭を行う場合または浸炭窒化を行う場合または真空浸炭を行う場合または高周波焼入れを行う場合には、１．５５％未満の添加でもよい。
Ｃｒは、焼入れ性の確保に必要な元素であり、鋼素材を焼入れした際に、残留γ量を増加させ、異物混入環境下の圧痕周縁におけるき裂の発生と伝播の抑制に寄与する元素である。Ｃｒはマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、ブロックサイズの微細化にも寄与する。浸炭を伴う熱処理後に再び焼入れを行う際（通常焼入れや高周波焼入れによる。二次焼入れと称される）にもＣｒ系の微細炭化物が形成される作用でマルテンサイト組織のブロックサイズを特に微細化する効果もある。さらにＣｒは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。また、Ｃｒは微細で均質に分散した残留γを形成するのに有効であり、異物混入環境下の圧痕周縁におけるき裂の発生と伝播の抑制効果をさらに高める。これらの効果を得るには、Ｃｒは０．７０％以上の添加が必要である。一方、Ｃｒは過剰になると浸炭または浸炭窒化を行う時に、鋼材最表面で酸化物を形成することで浸炭阻害を引き起こしやすくなり、また、高周波焼入れを行う際には母相へのＣの固溶の進行を遅延させやすく、いずれも強度不足につながる元素であるので、Ｃｒは３．５０％以下とする必要がある。そこで、Ｃｒは０．７０～３．５０％とし、好ましくは０．７０～３．００％とし、さらに好ましくは０．９０～２．７０％とし、いっそう好ましくは１．５５～２．５０％する。特に浸炭処理（ガス浸炭処理）を行う場合には、１．５５％以上の添加を行うのが好ましい。ただし、高濃度浸炭を行う場合または浸炭窒化を行う場合または真空浸炭を行う場合または高周波焼入れを行う場合には、１．５５％未満の添加でもよい。
【0029】
次に、任意成分について説明する。本実施形態では上記化学組成のＦｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｉ：０．１０～４．００％、Ｍｏ：０．０３～１．００％、Ｖ：０．１０～０．３５％のうち１種以上をさらに含んでもよい。
【0030】
Ｎｉ：０．１０～４．００％
Ｎｉは、添加により鋼の焼入れ性を高める元素であると同時に、γ安定化元素であるため、鋼素材を焼入れした際に残留γ量の増加をもたらす。また、Ｎｉは、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、マルテンサイト組織のブロックサイズの微細化にも寄与する。さらに、Ｎｉは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。これらの効果を十分に得るには、Ｎｉは０．１０％以上の添加が必要である。一方、Ｎｉは過剰に添加すると、素材コストが大きく増加するので、４．００％を上限として添加するのが良い。そこで、Ｎｉは添加する場合には０．１０～４．００％とする。好ましくは、０．２５～２．５０％とする。さらに好ましくは、０．５０～１．４０％とする。
Ｎｉは、添加により鋼の焼入れ性を高める元素であると同時に、γ安定化元素であるため、鋼素材を焼入れした際に残留γ量の増加をもたらす。また、Ｎｉは、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、マルテンサイト組織のブロックサイズの微細化にも寄与する。さらに、Ｎｉは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。これらの効果を十分に得るには、Ｎｉは０．１０％以上の添加が必要である。一方、Ｎｉは過剰に添加すると、素材コストが大きく増加するので、４．００％を上限として添加するのが良い。そこで、Ｎｉは添加する場合には０．１０～４．００％とする。好ましくは、０．２５～２．５０％とする。さらに好ましくは、０．５０～１．４０％とする。
【0031】
Ｍｏ：０．０３～１．００％
Ｍｏは、添加により鋼材の焼入性を高める元素であり、また、鋼素材を焼入れした際に、残留γ量を増加し、組織を均質化し、残留γを均質に分布させるのに有効である。また、Ｍｏは、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、マルテンサイト組織のブロックサイズの微細化にも寄与する。さらに、Ｍｏは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。これらの効果を十分に得るためには、Ｍｏは０．０３％以上が必要である。一方、Ｍｏの効果は１．００％で飽和し、過剰に添加すると素材コストが大きく増加するので、Ｍｏは１．００％以下の添加とする。そこで、Ｍｏは添加する場合には０．０３～１．００％とする。好ましくは、０．１０～０．６５％とする。さらに好ましくは、０．１５～０．３５％とする。
Ｍｏは、添加により鋼材の焼入性を高める元素であり、また、鋼素材を焼入れした際に、残留γ量を増加し、組織を均質化し、残留γを均質に分布させるのに有効である。また、Ｍｏは、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓを低下させることで、マルテンサイト組織のブロックサイズの微細化にも寄与する。さらに、Ｍｏは、残留γの安定度を高める作用もあり、これも疲労の進行を遅らせる。これらの効果を十分に得るためには、Ｍｏは０．０３％以上が必要である。一方、Ｍｏの効果は１．００％で飽和し、過剰に添加すると素材コストが大きく増加するので、Ｍｏは１．００％以下の添加とする。そこで、Ｍｏは添加する場合には０．０３～１．００％とする。好ましくは、０．１０～０．６５％とする。さらに好ましくは、０．１５～０．３５％とする。
【0032】
Ｖ：０．１０～０．３５％
Ｖは、添加により、微細な炭化物または炭窒化物を形成して、それを通じてマルテンサイト結晶粒に変態後のブロックサイズを微細化する効果がある。その効果は、高周波焼入れの際、あるいは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入れののちに、再び焼入れまたは高周波焼入れを行う際に発揮される。その効果を得るためには０．１０％以上の添加が必要である。一方、Ｖは過剰に添加すると素材コストが大きく増加し、また、粗大なＶ炭化物を形成して鋼の加工性を低下させるため、０．３５％以下の添加とする。そこで、Ｖを添加する場合には０．１０～０．３５％とする。好ましくは、０．１５～０．３５％、より好ましくは０．２０～０．３２％とする。
Ｖは、添加により、微細な炭化物または炭窒化物を形成して、それを通じてマルテンサイト結晶粒に変態後のブロックサイズを微細化する効果がある。その効果は、高周波焼入れの際、あるいは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入れののちに、再び焼入れまたは高周波焼入れを行う際に発揮される。その効果を得るためには０．１０％以上の添加が必要である。一方、Ｖは過剰に添加すると素材コストが大きく増加し、また、粗大なＶ炭化物を形成して鋼の加工性を低下させるため、０．３５％以下の添加とする。そこで、Ｖを添加する場合には０．１０～０．３５％とする。好ましくは、０．１５～０．３５％、より好ましくは０．２０～０．３２％とする。
【0033】
Ａｌ：０．０２～０．２％、Ｔｉ：０．０５～０．３％、Ｎｂ：０．０３～０．１％
さらに、任意成分として、上記化学組成のＦｅの一部に代えてＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂのうち１種以上を上記の範囲で含んでもよい。Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂはいずれも微細な析出物を形成することを通じて、マルテンサイト結晶粒に変態後のブロックサイズを微細化する効果があることから、それぞれ所定量以上の添加を行っても良い。それぞれの添加量の上限の規制は、ブロックサイズを微細化する効果が飽和することと、材料コストが増大することならびに鋼の加工性を低下させることによる。
さらに、任意成分として、上記化学組成のＦｅの一部に代えてＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂのうち１種以上を上記の範囲で含んでもよい。Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂはいずれも微細な析出物を形成することを通じて、マルテンサイト結晶粒に変態後のブロックサイズを微細化する効果があることから、それぞれ所定量以上の添加を行っても良い。それぞれの添加量の上限の規制は、ブロックサイズを微細化する効果が飽和することと、材料コストが増大することならびに鋼の加工性を低下させることによる。
【0034】
本実施形態の鋼の化学組成において、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。不純物とは、原材料に含まれる成分、または、製造の工程で混入する成分であって、意図的に含有させたものではない成分を指す。さらに、不純物は、意図的に含有させた成分であっても、鋼材の性能に影響を与えない範囲の量で含有する成分も含む。
【0035】
本実施形態の耐転がり疲れ特性に優れた機械構造用鋼および鋼製機械部品は、上記化学組成を有する鋼および当該鋼を用いた機械部品について、さらに以下の硬化熱処理を行ったものである。すなわち、本実施形態の鋼および鋼製機械部品は、浸炭焼入焼戻し又は浸炭窒化焼入焼戻し又は高周波焼入焼戻しした状態、又はこれらの熱処理を組み合わせて行った状態のもの、もしくはこれらの熱処理と組み合わせて焼入焼戻しを行った状態のものである。より具体的には本実施形態の鋼および鋼製機械部品は、硬化熱処理として、
（ａ）高周波焼入焼戻しした状態のもの、又は、
（ｂ）浸炭焼入焼戻し、浸炭窒化焼入焼戻し、浸炭後徐冷、高周波焼入焼戻しのいずれかの処理の後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施した状態のもの
であるのが好ましい。なお、硬化熱処理はこれらに限定されず、本発明で規定するマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値の上限以下に制御することができれば、浸炭焼入焼戻し又は浸炭窒化焼入焼戻し又は高周波焼入焼戻しを行うが、二次的な焼入れは行わないものであってもよい。本実施形態の鋼および鋼製機械部品は、マルテンサイト組織を有し、さらに浸炭又は浸炭窒化が行われた場合の鋼の表層部には、浸炭層または浸炭窒化層を有する。
（ａ）高周波焼入焼戻しした状態のもの、又は、
（ｂ）浸炭焼入焼戻し、浸炭窒化焼入焼戻し、浸炭後徐冷、高周波焼入焼戻しのいずれかの処理の後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施した状態のもの
であるのが好ましい。なお、硬化熱処理はこれらに限定されず、本発明で規定するマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値の上限以下に制御することができれば、浸炭焼入焼戻し又は浸炭窒化焼入焼戻し又は高周波焼入焼戻しを行うが、二次的な焼入れは行わないものであってもよい。本実施形態の鋼および鋼製機械部品は、マルテンサイト組織を有し、さらに浸炭又は浸炭窒化が行われた場合の鋼の表層部には、浸炭層または浸炭窒化層を有する。
【0036】
上記硬化熱処理のうち、高周波焼入焼戻し処理が行われることは特に好ましい。高周波焼入焼戻し処理は、急速加熱・急速冷却が可能であり、後述のマルテンサイトブロックをより確実に微細化し、ブロックサイズを制御できるためである。
【0037】
浸炭焼入焼戻し処理には、通常のガス浸炭焼入焼戻しに加え、高濃度浸炭焼入焼戻し、真空浸炭焼入焼戻し、真空高濃度浸炭焼入焼戻しが含まれる。
【0038】
＜高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置を評価する理由＞
高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入れの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置では、部品として仕上げした状態では部品の最表面付近に相当する。最表面付近では、硬質の異物が混入する軸受の使用環境下の転がり疲れにおいて異物が軌道面に噛みこまれて生じた圧痕の周縁から表面起点でき裂が生じ、そのき裂は、比較的高い繰り返しの応力の影響を受ける。作用応力としては、引張応力とせん断応力が考えられる。主として、この領域付近において転がり疲れの作用によってき裂が発生することが寿命を左右すると考えられる。そこで、この深さ領域付近におけるき裂の発生を抑制することが重要となる。そのために、高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置において、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ、マルテンサイト組織のブロックサイズの平均値、残留γの量を規定する。
高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入れの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置では、部品として仕上げした状態では部品の最表面付近に相当する。最表面付近では、硬質の異物が混入する軸受の使用環境下の転がり疲れにおいて異物が軌道面に噛みこまれて生じた圧痕の周縁から表面起点でき裂が生じ、そのき裂は、比較的高い繰り返しの応力の影響を受ける。作用応力としては、引張応力とせん断応力が考えられる。主として、この領域付近において転がり疲れの作用によってき裂が発生することが寿命を左右すると考えられる。そこで、この深さ領域付近におけるき裂の発生を抑制することが重要となる。そのために、高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置において、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ、マルテンサイト組織のブロックサイズの平均値、残留γの量を規定する。
【0039】
＜高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを２２０℃以下とする理由＞
高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入れの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品におけるマルテンサイト組織のブロックサイズを所定の大きさ以下に微細に制御することにより、異物混入環境下での転がり疲れ寿命を向上させることができる。そのためには、前記硬化熱処理が施された状態の鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを２２０℃以下とするとよい。他方、これらの深さ位置におけるＭｓ点の温度が２２０℃を上回る場合には、ブロックサイズを所定の大きさ以下にできなくなることから、疲労寿命の向上が難しくなる。なお、Ｍｓの下限値は限定されないが、１２０℃以上であればよい。
高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入れの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品におけるマルテンサイト組織のブロックサイズを所定の大きさ以下に微細に制御することにより、異物混入環境下での転がり疲れ寿命を向上させることができる。そのためには、前記硬化熱処理が施された状態の鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓを２２０℃以下とするとよい。他方、これらの深さ位置におけるＭｓ点の温度が２２０℃を上回る場合には、ブロックサイズを所定の大きさ以下にできなくなることから、疲労寿命の向上が難しくなる。なお、Ｍｓの下限値は限定されないが、１２０℃以上であればよい。
【0040】
なお、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓは、高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の試料の化学成分を用いて、以下の式（１）の計算で求めることができる。なお、鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト変態開始温度であるから、Ｃについては前記の硬化熱処理が行われた鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの位置の炭素濃度を用いる。炭素濃度の測定は、実施例に記載のＥＰＭＡ測定によって行う。Ｃ以外の元素については、当該鋼の化学成分量（母相中に固溶している元素含有量）を用いる。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
ここで、式（１）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
Ｍｓ＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
ここで、式（１）の右辺の元素記号の箇所には質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
【0041】
＜高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入れ後または浸炭窒化焼入れ後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面からの深さが、最表面から１００μｍ深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値が１．５μｍ以下である理由＞
鋼の表層領域である、鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズを微細化させて平均値を１．５μｍ以下とすることによって、き裂の発生が特に抑制される。また、発生した表層のき裂を大型化させにくい効果もあってはく離の抑制に寄与する。よって、上記硬化熱処理された鋼および鋼製機械部品の、最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値を１．５μｍ以下とする。
鋼の表層領域である、鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズを微細化させて平均値を１．５μｍ以下とすることによって、き裂の発生が特に抑制される。また、発生した表層のき裂を大型化させにくい効果もあってはく離の抑制に寄与する。よって、上記硬化熱処理された鋼および鋼製機械部品の、最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値を１．５μｍ以下とする。
【0042】
なお、本実施形態の鋼材および鋼製機械部品は、上述の通り１００μｍ程度、表面が研磨されて最終的な完成品の部品に仕上げされる。したがって、仕上げ後の部品においては、最表面付近におけるマルテンサイト組織のブロックサイズが上記範囲に制御されることになるので、部品の表層部におけるき裂の発生が抑制される。なお、ブロックサイズの下限値は限定されないが、過剰に微細化してもき裂発生を抑える効果は飽和するため０．３μｍ以上とすればよい。
【0043】
本実施形態において、マルテンサイト組織の各ブロックは、隣り合うマルテンサイト組織の結晶方位のずれが１５°以上となる境界に囲まれた領域であり、この領域内は晶癖面が同じでかつ結晶方位が同じ組織（ラス）の集団から構成される。そして、マルテンサイト組織のブロックサイズの平均値とは以下のＥＢＳＤ（electron backscatter diffraction）法で求められるマルテンサイトブロックの円相当径の平均値である。すなわち、最終的な上記硬化熱処理を行った試験片について、硬化熱処理面に垂直に試験片を切断し、その断面の鏡面研磨を行い、研磨面をコロイダルシリカで研磨する。そして、試験片の研磨面（切断面）について、硬化熱処理を行った表面（鋼材および鋼製機械部品の最表面に対応する試験片の最表面）から１００μｍの深さ位置を中心として深さ方向前後１０μｍずつ（合計２０μｍ）×４０μｍの領域についてＥＢＳＤ画像を撮影し、その画像に含まれる各マルテンサイトブロックについて円相当径を算出し、それらの平均値を鋼の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値とする。なお、ＥＢＳＤ画像としては、少なくとも２０個以上のマルテンサイトブロックが含まれるようにして画像を撮影したものを用いる。マルテンサイトブロックが２０個以上含まれる場合に、上記の撮影範囲を狭くする（例えば深さ方向前後１０μｍずつを含めるのは上記のままで、幅を２０μｍとするなど）ことは適宜行っても良い。
【0044】
なお、本実施形態において、高周波焼入焼戻しが施された鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置における残留オーステナイト（残留γ）量を６～３０ｖｏｌ％としてもよい。残留γは異物混入環境下の転がり疲れにおける圧痕周縁の盛上りを軽減させ、き裂の発生抑制に有効に作用するためである。さらに、マルテンサイト組織の周囲に隣接して残留γが存在することで、異物混入環境下の転がり疲れの進行を遅らせる作用もある。これらの効果を得るために、残留γ量は６ｖｏｌ％以上としてもよい。
【0045】
一方、残留γ量が３０ｖｏｌ％より多くなると、転がり疲れ部品として必要な鋼の硬さが得られず、また使用中の寸法安定性を悪化させる。そのためγ量は３０ｖｏｌ％以下とすればよい。
【0046】
そこで、高周波焼入焼戻しが施された該鋼および鋼製機械部品、もしくは浸炭焼入焼戻し後または浸炭窒化焼入焼戻し後または浸炭後徐冷の後または高周波焼入焼戻しの後に、再び焼入焼戻しまたは高周波焼入焼戻しを施された該鋼および鋼製機械部品の最表面から１００μｍの深さ位置における残留γ量は６～３０ｖｏｌ％としてもよく、より望ましくは、残留γ量は７～２５ｖｏｌ％としてもよく、さらに望ましくは、残留γ量は１０～２４ｖｏｌ％としてもよい。
【実施例0047】
実施例を挙げてさらに具体的に説明する。表１の試料Ｎｏ．Ａ～Ｗに示す化学成分（質量％）の鋼を真空溶解炉でそれぞれ１００ｋｇ溶製した。比較例のＮｏ．Ｓ～ＶはＣｒの下限値（０．７０％）を下回っている。比較例鋼Ｎｏ．ＷはＪＩＳ規定の高炭素クロム軸受鋼鋼材であるＳＵＪ２である。
【0048】
【表1】
【0049】
表１において、Ｃ’は後述の熱処理を行って作製した、研磨前のスラスト型転がり疲れ試験片を用いて、その断面を研磨して深さ方向にＥＰＭＡ測定を行って求めた、試験片の表面から１００μｍの位置の炭素濃度の値である。なお、炭化物が母相内に微細に析出している場合はＣ’の測定値にその影響が出にくいように電子線を細く絞ることが可能となるＦＥ－ＥＰＭＡを使うことが望ましい。
【0050】
さて、Ｎｏ．Ａ～Ｉ、Ｎｏ．Ｓ～Ｖの鋼は、１２５０℃で直径６５ｍｍに鍛伸して、９００℃で１時間保持した後、空冷して焼ならしを行った。他方、Ｎｏ．Ｊ～Ｒの鋼、および比較例鋼Ｎｏ．ＷのＳＵＪ２については、１１５０℃で直径６５ｍｍに鍛伸して、８７０℃で１時間保持した後、空冷して焼ならしを行った。さらにＮｏ．Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒの鋼、および比較例鋼ＷのＳＵＪ２については焼ならし後に８００℃で球状化焼鈍しを実施した。その後、Ｎｏ．Ａ～Ｗの鋼を、外径６０ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ６．２ｍｍのスラスト型転がり疲れ試験片へと粗加工した。なお、実施の形態はこの試験片の形状に限らない。たとえば、軸受等の部品形状でもよい。
【0051】
続いて、Ｎｏ．Ａ～Ｗの鋼について、スラスト型転がり疲れ試験片の硬化熱処理を行った。熱処理は表２に示す要領により行った。比較例の加工Ｎｏ．１９、２０については浸炭を伴う熱処理ののち、二次焼入焼戻しを行っていないものである。
【0052】
【表2】
【0053】
なお、表２に示した熱処理は一例であり、これ以外の熱処理により、本発明の範囲を満たすようにしてもよい。
【0054】
［異物環境下スラスト型転がり疲れ寿命試験］
以上の熱処理を行った後に、全ての試験片について、試験面を０．１０ｍｍ研磨し、さらに反対側を研磨することで高さを６．０ｍｍに仕上げた。また、これらの試験面は、バフ研磨にて鏡面仕上げとした。以上のとおり作製したスラスト型転がり疲れ試験片を使用し、異物が混入する潤滑環境を想定した寿命を測定するために、スラスト型転がり疲れ試験を行って、はく離までの転がり疲れ寿命（サイクル数、ここではＬ５０寿命で評価。）を評価した。
以上の熱処理を行った後に、全ての試験片について、試験面を０．１０ｍｍ研磨し、さらに反対側を研磨することで高さを６．０ｍｍに仕上げた。また、これらの試験面は、バフ研磨にて鏡面仕上げとした。以上のとおり作製したスラスト型転がり疲れ試験片を使用し、異物が混入する潤滑環境を想定した寿命を測定するために、スラスト型転がり疲れ試験を行って、はく離までの転がり疲れ寿命（サイクル数、ここではＬ５０寿命で評価。）を評価した。
【0055】
条件については、最大ヘルツ接触応力は５．２ＧＰａ、転動体は３／８インチ鋼球を三球使用し、潤滑はＩＳＯ ＶＧ１０の油浴潤滑とした条件下で、クリーン潤滑環境で１０，０００サイクル転送後に硬質の異物（高硬度ハイス鋼製粉末、硬さ８３０Ｈｖ、粒径１００～１７０μｍ、異物の混入割合は潤滑油１リットル当たり高硬度粉末ハイス粉を１ｇ混入）を投入してスラスト型転がり疲れ寿命試験を行い、剥離したサイクル数を寿命とした。
【0056】
［マルテンサイト変態開始温度Ｍｓの算出］
また、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓの計算のために、上記した熱処理後の試験片（試験面の０．１０ｍｍ研磨前のもの）を用いて、その断面を研磨して断面深さ方向にＥＰＭＡ測定を行って、試験片の表面から１００μｍの位置の炭素濃度値（式（１）のＣの値を指し、表１においてはこれをＣ'の値として示す。）を求め、下記の（式１）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓをそれぞれ算出した。
Ｍｓ（℃）＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
また、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓの計算のために、上記した熱処理後の試験片（試験面の０．１０ｍｍ研磨前のもの）を用いて、その断面を研磨して断面深さ方向にＥＰＭＡ測定を行って、試験片の表面から１００μｍの位置の炭素濃度値（式（１）のＣの値を指し、表１においてはこれをＣ'の値として示す。）を求め、下記の（式１）で求められるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓをそれぞれ算出した。
Ｍｓ（℃）＝５３９－４２３Ｃ－３０．４Ｍｎ－１２．１Ｃｒ－１７．７Ｎｉ－７．５Ｍｏ・・・式（１）
【0057】
ここで、式（１）の右辺のＣ以外の元素記号の箇所には表１の質量％で表される当該元素の含有量が代入される。含有しない元素が存在する場合は、該当する元素の含有量をゼロとして値を求める。なお、Ｍｓの値の単位は℃である。
【0058】
なお、Ｃ’の値について、上記した熱処理後に母相内に光学顕微鏡で観察可能な大きさの炭化物が分散している鋼は、ＦＥ－ＥＰＭＡを用いて上記深さ位置で炭化物の影響の無い母相部におけるＣ’の測定を行い、それをもとにＭｓの値を算出している。具体的には、本実施例においては、Ｎｏ．Ｌ、Ｍ、Ｎ，Ｒならびに比較例鋼Ｎｏ．Ｗが該当する。比較例鋼Ｎｏ．Ｗは８４０℃での焼入れを行っており、その温度では炭素の一部は炭化物（セメンタイト）を形成して母相には固溶していないため、表１のＣ'は炭化物の析出の無い母相部のＣ'を示しており、このＣ'をもとにＭＳの値を算出している。Ｎｏ．Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｒの鋼も炭化物の析出の無い母相部のＣ’をもとにＭｓの値を算出している。
【0059】
［残留γ量の測定］
続いて、残留γ量の測定について説明する。
続いて、残留γ量の測定について説明する。
【0060】
熱処理後の試験片（試験面の０．１０ｍｍ研磨前のもの）を用いて最表面から１００μｍの位置の深さとなるまで表面を電解研磨した後に、Ｘ線回折法を用いて残留γ量の測定を行った。
【0061】
［硬度の測定］
また、硬度の測定ために、仕上げ研磨されたスラスト型転がり疲れ試験片の最表面の硬度（ビッカース硬さ（ＨＶ））を、ビッカース硬度計で測定した。測定時の荷重は、３００ｇｆであった。
また、硬度の測定ために、仕上げ研磨されたスラスト型転がり疲れ試験片の最表面の硬度（ビッカース硬さ（ＨＶ））を、ビッカース硬度計で測定した。測定時の荷重は、３００ｇｆであった。
【0062】
［マルテンサイト組織のブロックサイズの平均値の測定］
マルテンサイト組織のブロックサイズは以下の方法で求めた。上記した熱処理後の試験片（試験面表面を０．１０ｍｍ研磨する前の段階のもの）について、硬化熱処理面に垂直に試験片を切断し、その断面の鏡面研磨を行い、研磨面をコロイダルシリカで研磨した。そして、試験片の研磨面（切断面）について、硬化熱処理面（鋼材の最表面に対応する試験片の最表面）から１００μｍの深さ位置を中心として深さ方向前後１０μｍずつ（合計２０μｍ）×４０μｍの領域についてＥＢＳＤ画像を撮影し、その画像に含まれる各マルテンサイトブロックの円相当径を算出し、それらの平均値をその試験片の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値として求めた。
マルテンサイト組織のブロックサイズは以下の方法で求めた。上記した熱処理後の試験片（試験面表面を０．１０ｍｍ研磨する前の段階のもの）について、硬化熱処理面に垂直に試験片を切断し、その断面の鏡面研磨を行い、研磨面をコロイダルシリカで研磨した。そして、試験片の研磨面（切断面）について、硬化熱処理面（鋼材の最表面に対応する試験片の最表面）から１００μｍの深さ位置を中心として深さ方向前後１０μｍずつ（合計２０μｍ）×４０μｍの領域についてＥＢＳＤ画像を撮影し、その画像に含まれる各マルテンサイトブロックの円相当径を算出し、それらの平均値をその試験片の最表面から１００μｍの深さ位置におけるマルテンサイト組織のブロックサイズの平均値として求めた。
【0063】
［異物環境下スラスト型転がり疲れ寿命試験中の圧痕周縁のき裂発生頻度の算出］
異物環境下スラスト型転がり疲れ寿命試験において、異物投入後、５×１０５サイクルでの打切り試験（ｎ数は1枚）を行い、光学顕微鏡(デジタルマイクロスコープ)で軌道上全周を観察し、き裂を伴う圧痕の個数を確認した。確認したき裂を伴う圧痕個数を、軌道上全周の圧痕個数で除してき裂発生頻度（％）を算出した。
異物環境下スラスト型転がり疲れ寿命試験において、異物投入後、５×１０５サイクルでの打切り試験（ｎ数は1枚）を行い、光学顕微鏡(デジタルマイクロスコープ)で軌道上全周を観察し、き裂を伴う圧痕の個数を確認した。確認したき裂を伴う圧痕個数を、軌道上全周の圧痕個数で除してき裂発生頻度（％）を算出した。
【0064】
表３に、各加工Ｎｏ．について、上記の各種測定結果、並びに、はく離寿命の評価結果を示す。
【0065】
【表3】
【0066】
表３において、本発明に規定する範囲を満足する実施例である加工Ｎｏ．１～１８は、本発明に規定する範囲を満たさない比較例である加工Ｎｏ．１９～２３に対して、異物混入環境下における転がり疲れ寿命に優れていることが明らかである。
【0067】
寿命試験中の圧痕周縁のき裂発生頻度について、実施例である加工Ｎｏ．１～１８は、比較例である加工Ｎｏ．１９～２３に対してき裂の発生頻度が低く、表面のマルテンサイト組織のブロックサイズが微細であることにより、き裂の発生が抑制されていることが示された。
【0068】
上記のき裂観察の結果から、実施例では、き裂の発生抑制による効果が顕著に表れることで、異物環境下における長寿命を達成することが確認された。以上の評価結果から、本発明の優位性は明らかである。
【0069】
以上のように、本発明の手段によると、異物が混入するような過酷な転がり疲れ環境下において、代表的な軸受用素材であるＪＩＳ規定の高炭素クロム軸受鋼鋼材ＳＵＪ２に比して４倍以上の疲労寿命を有し、異物混入環境下での寿命特性に優れることから、部品の長寿命化に効果を奏するものとなる。このことは、使用中に鋼中に異物が侵入し、圧痕を起因とする転がり疲れによるき裂が発生する実際の使用環境を模擬して、最大接触面圧５．２ＧＰａでスラスト型転がり疲れ試験機を用いて、クリーン潤滑環境下で転送した後に、硬質異物を模擬した粉末を投入しはく離までの寿命を評価することによって確認されており、代表的な軸受用素材であるＪＩＳ規定の高炭素クロム軸受鋼鋼材ＳＵＪ２に対して４倍以上の疲労寿命を有し、異物混入環境下での寿命特性に優れることから、本発明の手段は、部品の長寿命化に効果を奏するといえる。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明に係る機械構造用鋼および鋼製機械部品を用いると、たとえば、ボールベアリング、ころ、ボールレースなどの軸受部品をはじめとした種々の製品が好適に製造されうる。