JP2004169848A - 転動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を提供する。
【解決手段】内側軌道輪１１、外側軌道輪１３及び球状転動体１５は、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されている。また、内側軌道輪１１、外側軌道輪１３及び球状転動体１５は、表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしている。
【選択図】 図１
【解決手段】内側軌道輪１１、外側軌道輪１３及び球状転動体１５は、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されている。また、内側軌道輪１１、外側軌道輪１３及び球状転動体１５は、表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、直動案内軸受装置（リニアガイド）等の転動装置に係り、特に、工作機械、エンジン、トランスミッション、過給機などのように潤滑条件が厳しい環境下で使用される転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受等の転動装置は、外方部材（転がり軸受の場合は「外側軌道輪」、ボールねじの場合は「ナット」、リニアガイドの場合は「スライダ」を指す。）と、この外方部材の内方に配置された内方部材（転がり軸受の場合は「内側軌道輪」または「軸体」、ボールねじの場合は「ねじ軸」、リニアガイドの場合は「案内レール」を指す。）と、この内方部材と外方部材との間に配設された複数の転動体とを備えており、外方部材または内方部材の一方が回転もしくは直線運動をすると外方部材および内方部材に相対向して形成された転動面を転動体が転動するようになっている。
【０００３】
このような転動装置の転動体は外方部材および内方部材との間で接触圧力を受けながら転がり運動をするため、外方及び内方部材や転動体の素材としては、硬くて負荷に耐え、転がり疲労寿命が長く、滑りに対する耐摩耗性が良好である材料が要求される。そこで、このような要求を満たすため、従来においては、ＪＩＳ鋼種であるＳＵＪ２やＳＵＪ３等の軸受鋼が転動体等の素材として使用されている。
【０００４】
転がり軸受では、その軌道輪や転動体が高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、その剪断応力に耐えて転がり疲労寿命を確保するべく、前述したＳＵＪ２やＳＵＪ３等の軸受鋼に熱処理を施し、表面硬度をＨＲＣ５８〜６４としたものが使用されている。
また、疲労強度に優れた機械構造用部品およびその製造方法として、特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１４５５１７号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、転動装置を使用する機械の高負荷化、高速化が進んでおり、これに伴い転動装置の使用条件が過酷になる傾向が顕著になってきている。特に、高速化による滑りの増大や温度上昇に伴う潤滑油の低粘度化による潤滑能力不足により耐摩耗性が著しく低下し、寿命が短縮されるという問題がある。また、特許文献１に開示されたものでは、Ｃｒ含有量が少ないため、十分な耐摩耗性が得られないという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記に述べたような、高速化に伴う潤滑不良に対しては、耐摩耗性を向上させることが有効である。摩耗を抑制するためには表面の窒素濃度を高くして、耐摩耗性向上に有効な微細窒化物を析出させることが効果的である。本発明では焼入れ前に窒化処理を行い、表面の窒素濃度を向上させておく手法を採用した。また、窒素（Ｎ）はオーステナイト安定化元素であるため、焼入れ後の残留オーステナイト量を高くすることができる。残留オーステナイトを一定量含ませると異物混入潤滑下における寿命低下を抑制することができるという効果があるため、転動装置自身やその周辺の構成部品の摩耗粉が混入しやすい機械（例えばエンジン用トランスミッション等）などでは、特に好適に使用できる。
【０００９】
そこで、請求項１の発明は、外方部材と、この外方部材の内方に配置された内方部材と、この内方部材と前記外方部材との間に配列された複数の転動体とを備えてなる転動装置であって、前記外方部材、内方部材および転動体のうち少なくとも一つが、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成され、かつ完成品表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の転動装置において、前記完成品最表面層の残留オーステナイトが１５体積％以上で４５体積％以下であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の転動装置において、前記完成品表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３記載の転動装置において、前記完成品表面層の残留オーステナイトが１５体積％以上で４５体積％以下であることを特徴とする。請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の転動装置は、前記鋼が３．０重量％以下のＭｏを含むことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が２．０重量％以下のＷを含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が２．０重量％以下のＶを含むことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が１．０重量％以下のＭｎを含むことを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が１．５重量％以下のＳｉを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明における各数値限定の臨界的意義を以下に説明する。
［Ｉ］母材について
（１）Ｃｒ：３．０重量％以上７．５重量％以下
Ｃｒ（クロム）はＣｒ炭化物や窒化物を生成して硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる効果がある。十分な耐摩耗性を確保するためには、Ｃｒを３重量％以上含ませることが好ましい。また、Ｃｒを多量に添加しても添加効果が飽和するだけでなく、窒化処理によって得られる窒素富化層厚さが減少するなど熱処理生産性が低下するため、Ｃｒの上限添加量は７．５重量％とすることが好ましい。なお、例えば高振動や高荷重等の諸条件により油膜形成が困難となる場合には、白色組織（Ｗｈｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に伴う早期剥離が発生することがあるが、Ｃｒはこのような組織変化を抑制することができるという効果も有している。
（２）Ｃ：０．３重量％以上１．１重量％以下
Ｃ（炭素）は、基地をマルテンサイト化することにより強度を増加させる元素である。そのため、Ｃの含有量は０．３重量％以上とすることが好ましいが、Ｃを過剰に添加すると製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転がり寿命や靭性を低下させる原因となる。また、粗大な共晶炭化物は固溶し難いため、素材の加熱及び保持が短時間で行われる高周波焼入れなどでは、焼入れ硬さが不十分になったり、オーバーヒート（過度焼入れ）の原因になったりすることがある。この傾向は炭素の含有量が１．１重量％を超えると顕著になることから、炭素含有量の上限は１．１重量％、より好ましくは０．９重量％以下とすることが望ましい。
（３）必要に応じて添加される元素
Ｍｏ（モリブデン）は、炭化物や窒化物を生成して機械的強度や硬度を向上させると共に耐摩耗性や耐焼付き性を向上させる元素であり、さらに焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させる元素でもある。従って、Ｍｏを必要に応じて添加することが望ましい、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は３．０重量％以下とすることが好ましい。
【００１４】
Ｗ（タングステン）もＭｏと同様な添加効果を有する元素であり、必要に応じて添加することが望ましいが、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は２．０重量％以下とすることが好ましい。
Ｖ（バナジウム）は強力な炭化物や窒化物の生成元素であり、耐摩耗性や強度を向上させるのに有用な元素であると共に焼戻し軟化抵抗性を増大させる元素でもある。しかし、多量に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性が低下するため、添加量は２．０重量％以下とすることが好ましい。なお、上記のＭｏ、Ｗ、ＶはＣｒと同様に組織変化を抑制することができるため、白色組織等の組織変化が原因となる剥離が発生する転動部材では、積極的に添加されることが好ましい。
（４）製鋼上不可欠な元素について
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、０．１重量％以上添加されることが望ましい。また、焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに窒化物を生成して耐焼付き性を向上させるために、より好ましくは０．４５重量％以上添加するが、多量に添加すると靭性を低下させるため、上限を１．５重量％とすることが望ましい。
【００１５】
Ｍｎ（マンガン）は脱酸剤として０．１重量％以上必要であるが、多量に添加すると鍛造性や被削性が低下するだけでなく、ＳやＰなどの不純物と共存して耐食性を低下させるため、上限を１．０重量％程度とすることが望ましい。
（５）不可避不純物について
鋼中に含まれる不純物について重要なものに酸化物系介在物がある。鋼中の酸素含有量が多くなると疲労破壊の起点になる粗大な酸化物系介在物の存在量が多くなり、転がり寿命が低下する。また、窒化層に粗大な酸化物系介在物が存在すると窒化層の早期剥離が発生する虞があることから、酸素含有量はできるだけ低く抑えられることが望ましい。鋼中の酸素含有量は１５ｐｐｍ以下、より好ましくは１２ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００１６】
なお、本発明における合金鋼には、これらの添加元素以外にも不可避の不純物として、Ｐ（リン）、Ｓ（イオウ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｐｂ（鉛）、Ｃａ（カルシウム）、Ｚｒ（ジルコニア）、Ｔｅ（テルル）、Ｓｂ（アンチモン）等が含有される。
［ＩＩ］完成品品質について
本発明でいう完成品最表面層とは表面から１０μｍ深さまでの全域を指し、完成品表面層とは完成品最表面層を含み、表面から転動体直径Ｄａの２％深さまでの全域を指している。
（１）完成品表面層及び完成品最表面層のＣ＋Ｎ濃度
Ｎ（窒素）は、Ｃと同様に基地をマルテンサイト化する効果を有し、さらに焼戻し軟化抵抗性にも優れるため、高温使用での硬度向上に重要な元素である。通常、鋼中に窒素を含ませる場合には製鋼時に窒素を添加するが、窒化処理によると比較的高い窒素濃度が得られやすいため、本発明者らは窒化処理によって表面に窒素を添加する方法の適用可否について検討を行った。しかし、窒素を過剰に添加するとＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低下し、十分に焼入れ硬化されない虞がある。Ｍｓ点はＮだけでなくＣやＣｒなどの添加元素によっても変化する。そこで、本発明者らは検討を行った結果、完成品表面層及び完成品最表面層における炭素と窒素の濃度が下記の式（１）で示される条件を満たせば、焼戻しによって完成品表面層の硬さをＨｖ６５０以上とすることができるという知見を得、十分な転動寿命や耐摩耗性を得ることが可能であることを見出した。
【００１７】
（０．８６Ｎ＋Ｃ）≦１．７−０．０５７×［Ｃｒ当量］ ‥‥（１）
ただし、［Ｃｒ当量］＝Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ ‥‥（２）
また、式（１）を満たしても表面層のＣとＮの合計濃度が０．５重量％に満たない場合は、完成品の硬さがＨｖ６５０以上とならず、十分な転動寿命が得られない。十分な転動寿命を得るためには、式（３）の条件を満たすことが望ましい。
【００１８】
Ｃ＋Ｎ≧０．５重量％ ‥‥（３）
また、表面層のビッカース硬さはＨｖ６５０以上、好ましくはＨｖ７００以上とすることが望ましい。
（２）完成品最表面のＮ濃度
最表面に形成されている窒素富化層は、ＦｅやＣｒなどの合金元素の窒化物（γ’：Ｆｅ４ＮやＣｒＮなど）を主体として形成されており、優れた耐摩耗性を発揮する。優れた耐摩耗性や耐焼付き性を得るためには、少なくとも表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層において、窒素濃度を０．０５重量％以上、より好ましくは０．２重量％以上とすることが望ましい。
（３）芯部硬さについて
芯部硬さは、高温や高荷重の条件下で使用されるときには荷重や使用温度の影響による変形を抑制するために、Ｈｖ３００以上とすることが好ましく、より好ましくはＨｖ４００以上とする。なお、高荷重及び高温下で使用されない場合においては、この限りではない。
（４）完成品表面層及び完成品最表面層の残留オーステナイトについて
残留オーステナイト（γＲ）は、異物混入潤滑下において転動面に形成される圧痕による応力集中を緩和するという効果をもたらすため、必要に応じて適量の残留オーステナイトを完成品表面層及び完成品最表面層に存在させることが好ましい。この場合の残留オーステナイト量としては、１５体積％以上４５体積％以下、より好ましくは２０体積％以上４０体積％以下であることが望ましい。
【００１９】
このようにすれば、特にバリなどの金属異物が混入して潤滑油が劣化しやすい環境下、例えば自動車、農業機械、建設機械および鉄鋼機械等で使用されるトランスミッションや、無段変速機用（トロイダルＣＶＴ、ベルトＣＶＴ）エンジン補機（オルタネータ、コンプレッサー等）においても好適に使用できる。
［ＩＩＩ］本発明による転動装置の熱処理方法について
（１）窒化処理に先立つ熱処理について
高温または高荷重の条件で使用される転動装置においては、芯部硬さが余りにも低いと外部応力や熱などによって変形や曲がりが生じる場合がある。そのため、完成品の芯部硬さはＨｖ３００以上、好ましくはＨｖ４００以上とすることが望ましい。
【００２０】
本発明の焼入れ方法には高周波焼入れを採用することが好ましいが、高周波焼入れでは芯部さが十分に得られない場合がある。従って、高周波焼入れを採用する場合には窒化処理に先立って焼入れ焼戻しを行って全体の硬さをＨｖ３００以上に調質しておくことが好ましい。
（２）窒化処理について
窒化処理については、ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化、軟窒化などのいずれの方法を選択してもよい。窒化処理後に行う高周波焼入れは、加熱及び保持時間が短いため、窒素の拡散はほとんど起こらないと考えてよく、従って、高周波焼入れ前には適当な窒化層パターンを得ておくことが必要となる。
【００２１】
高周波焼入れ後に仕上げ加工を行うため、高周波焼入れ前の窒化層深さは少なくとも仕上げ加工の取り代以上としておく。なお、仕上げ加工の取り代は部材や焼入れ方法によって異なるため、必要とされる窒化層のパターンはそれぞれの部材ごとに定める。また、熱処理後の加工取り代を小さくするために、前加工の加工精度を高めておいてもよい。
【００２２】
窒化の処理温度や時間は上記の窒化層のパターンを満たす温度や時間であれば、特に限定されないが、窒化処理で生じる歪みを極力抑えたり、あるいは組織の粗大化を抑制したりするために、Ａｃ１変態点未満の温度、好ましくは５００℃以下で窒化処理を行うことが望ましい。
低温窒化処理の好ましい形態の一例としては、比較的低温で処理が可能なＮｖ窒化プロセス（エア・ウオーター株式会社の商品名）がある。Ｎｖ窒化プロセスは窒化処理前に、例えばＮＦ３（三フッ化窒素）等のフッ素系ガスを用いて２５００℃〜４００℃でフッ化処理を行うプロセスとＮＨ３ガスによる窒化処理を行うプロセスとからなる。フッ化処理は窒化反応を阻害するＣｒ酸化物を除去し、表面を活性化するフッ化層を形成するため、処理時間が短く、低温でも非常に均一な窒化層を形成することが可能となる。
（３）焼入れ焼戻しについて
焼入れは、高周波焼入れで行うことが好ましい。高周波焼入れは、加熱から冷却までの熱処理時間が短く、窒化処理によって生成された窒素濃度分布が殆ど変化することがないため、高い窒素濃度を得ることが可能となる。さらに、高周波焼入れはワークの表面のみを焼入れする方法であるため、ずぶ焼入れよりもワーク全体としての熱処理変形が減少し、後加工の取り代を少なくできるという利点もある。冷却は十分な焼入れ硬さが得られる方法であれば、油冷や水冷などの方法を用いても構わない。また、短時間加熱を行うことができる焼入れ方法であれば、どのような方法を採用してもよく、例えばレーザ焼入れ、火炎焼入れなどが適用可能である。
【００２３】
また、母相中にＣやＮ、さらにはＣｒなどの合金元素が多いほどＭｓ点が低下するが、Ｍｓ点が室温以下まで低下するような合金成分の場合などではサブゼロを行う。通常のサブゼロは−６０℃付近で処理されることが多いが、−６０℃の処理で十分に焼入れされない場合は、−１９０℃程度で処理する超サブゼロを行ってもよい。
（４）仕上げ加工について
熱処理を施した転動部材は、研削や研磨及び超仕上などを行って目的の形状寸法にする。仕上げ加工後の窒化層厚さをより深く得るためには、仕上げ加工取り代は極力少なくすることが望ましい。例えば、熱処理変形が小さい小型の部材などでは、要求される寸法精度を満たすことができれば研削工程を省いてもよい。また、リニアガイドなど棒状の製品では、必要に応じて曲げ加工を行ってもよい。また、前述したように完成品表面のＣ、Ｎ及びＣｒ含有量の関係が重量比で０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×［Ｃｒ当量］及び０．５≦Ｃ＋Ｎを満たすように取り代を設定する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。同図に示すように、転がり軸受１０は、外周面に転動体軌道溝１２を有する内側軌道輪１１と、この内側軌道輪１１の外周面と対向する内周面に転動体軌道溝１４を有する外側軌道輪１３と、この外側軌道輪１３の転動体軌道溝１４と内側軌道輪１１の転動体軌道溝１２との間に配列された複数の球状転動体１５と、これらの球状転動体１５を内側軌道輪１１及び外側軌道輪１３の円周方向に一定の間隔で保持する保持器１６と防塵用シール１７とを備えて構成されている。
【００２５】
内側軌道輪１１、外側軌道輪１３及び球状転動体１５は、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されており、表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしている。
【００２６】
次に、このように構成された転がり軸受の作用について説明する。
本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、次のような実験を行った。すなわち、表１に示す材料Ａ〜Ｒで図３に示すような試験片３１を全部で２１個作製し、これらの試験片３１に対して表２に示す熱処理Ａ〜Ｆを選択的に施した後、図２に示す最表面層２１（表面から１０μｍ深さまでの領域）と表面層２２（表面から転動体直径の２％深さまでの領域）におけるＮ濃度及びＣ濃度をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）にて分析するとともに、最表面層２１と表面層２２のビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ試験機にて測定した。なお、マイクロビッカース硬さ試験機による硬さ測定は、荷重５０ｇ、負荷時間３０秒の条件でそれぞれ１０回ずつ測定し、その平均値を最表面層２１及び表面層２２のビッカース硬さとした。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
また、本発明者らは、各試験片に対して摩耗試験と焼付き試験を行った。ここでの摩耗試験は、面圧：３ＧＰ、滑り速度０．５ｍ／ｓ、滑り距離１０００ｍ、潤滑油粘度ＩＳＯ ＶＧ６８、試験温度：４０℃の試験条件で行った。また、図３に示すサバン式摩耗及び焼付き試験機を使用し、試験片であるピン３１（表面粗さ：０．１Ｒａ以下）をリング２（表面粗さ：０．１Ｒａ以下）の外周面に押し当てた状態でリング３２を円周方向に回転させて行った。そして、試験終了後、摩耗したピン３１の摩耗痕の任意の３点を表面形状測定器で測定し、測定した摩耗痕形状から摩耗面積を求め、３点の平均をとって各ピン３１の摩耗量を算出した。なお、潤滑はリング３２を潤滑油３４中に浸すことにより行った。また、リング３２はＳＵＪ２からなる素材に通常のずぶ焼入れ及び焼戻しを施し、表面硬さがＨｖ６５０以上のものを使用した。
【００３０】
焼付き試験は、面圧：３ＧＰ、滑り速度０〜０．５ｍ／ｓ、潤滑油粘度ＩＳＯＶＧ６８、試験温度：４０℃の試験条件で行った。また、図３に示すピン３１とリング３２との接触部に発生する摩擦トルクをロードセル３４で測定し、ロードセル３４の測定値が定常状態の５倍以上となった時点を焼付きと判断した。そして、そのときの面圧と滑り速度から焼付きＰＶ値を算出した。
【００３１】
上述した各試験片３１の表面層Ｎ濃度、最表面層Ｎ濃度、表面層Ｃ濃度、最表面層Ｃ濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、摩耗量比及び焼付きＰＶ値を表３に、また表３のビッカース硬さと式（１）との関係を図４に示す。
【００３２】
【表３】
【００３３】
表３及び図４から明らかなように、試験片番号１〜１４の試験片は、その表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が式（１）で表される条件、すなわち０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たしており、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがＨｖ６５０以上であることがわかる。これに対し、試験片番号１６の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が式（１）で表される条件を満たしているが、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがＨｖ６５０未満となっている。これは、表面層及び最表面層におけるＮとＣの合計濃度がＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしていないためである。なお、比較例１７は素材のＣ量が規定量より多く、高周波焼入れにおいてオーバーヒートを発生したため、その後の評価は行わなかった。
【００３４】
表３の最表面層Ｎ濃度と摩耗量比との関係を図５に、また表３の最表面層Ｎ濃度と焼付きＰＶ値との関係を図６に示す。表３に示すように、試験片番号１〜１４の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしているため、良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示しており、特に最表面層のＮ濃度が０．２重量％以上の試験片（試験片番号１〜８及び１０〜１４）は、より良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示している。これに対し、図５及び図６に示すように、試験片番号１８及び１９の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が上記の条件を満たさないため、ビッカース硬さが十分でなく、試験片番号２１の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号１６の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの合計濃度が０．５重量％未満であるため、試験片番号２１の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号２０の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮ濃度が０．０５重量％を下回っているため、耐摩耗性及び耐焼付き性が十分でないことがわかる。さらに、試験片番号１５の試験片は、試験片番号２１の試験片に比べて良好な耐摩耗性が得られるものの、Ｃｒの含有量が３．０重量％を下回っているため、試験片番号１〜１４の試験片に比べて耐摩耗性が低い。
【００３５】
また、本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、表１に示す材料Ａ〜Ｒで図７に示すような円盤状試験片７２を全部で２１個作製し、これらの試験片７２に対して表２に示す熱処理Ａ〜Ｆを選択的に施した後、前記と同様に、各試験片の表面層Ｎ濃度、最表面層Ｎ濃度、表面層Ｃ濃度、最表面層Ｃ濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量を測定した。さらに、図７に示すスラスト型寿命試験機を用いて異物混入寿命試験を面圧：４ＧＰ、異物径：７４〜１４７μｍ、異物硬さ：Ｈｖ８７０、異物材質：セメンタイト系金属、異物混入量：１０ｍｇ、試験回数：１０回の試験条件で行った。
【００３６】
ここでの異物混入寿命試験は、潤滑油槽７１の底面に下面を固定された下レース（試験片）７２の上面に複数個のボール（ボール材質：ＳＵＪ２）７３を下レース７２の円周方向に沿って配置し、下レース７２と対向する上レース（上レース材質：ＳＵＪ２）７４をプーリ７５及びベルト７６を介して図示しないモータの動力により１０００ｍｉｎ−１の回転速度で円周方向に回転させて行った。そして、異物混入寿命試験の試験結果から、各試験片のＬ１０寿命比を算出した。なお、表面層残留オーステナイト量および最表面層残留オーステナイト量はＸ線回析装置で測定した。また、図７中７７は黄銅製保持器、７８は潤滑油を示している。
【００３７】
上述した各試験片７２の表面層Ｎ濃度、最表面層Ｎ濃度、表面層Ｃ濃度、最表面層Ｃ濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量及びＬ１０寿命比を表４に、また表４の表面層残留オーステナイト量とＬ１０寿命比との関係を図８に示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
表４に示す試験結果から、試験片番号３１〜４７の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがＨｖ６５０以上となるのに対し、試験番号４８〜５０の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがＨｖ６５０を下回ることがわかる。これは、試験片番号３１〜４７の試験片は表面層と最表面層のＮ及びＣが０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）およびＣ＋ＮＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしているのに対し、試験番号４８〜５０の試験片は表面層と最表面層のＮ及びＣが上記の条件を満たしていないためと考えられる。
【００４０】
また、試験片番号３１〜４４の試験片（実施例）は、試験片番号４５〜５０の試験片（比較例）に比較して、異物混入寿命Ｌ１０が高い値を示していることがわかる。これは、試験片番号３１〜４４の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が１５〜４５体積％であるのに対し、試験片番号４５〜４７の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が１５体積％未満で、試験片番号４８〜５０の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が４５体積％を上回るためと考えられる。
【００４１】
以上のことから、完成品表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことにより、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。また、表面層と最表面層の残留オーステナイト量を１５〜４５体積％とすることにより、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動体等の耐摩耗性と耐焼付き性が向上するので、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。
【図２】最表面層と表面層を説明するための説明図である。
【図３】サバン式摩耗及び焼付き試験機の概略構成を示す図である。
【図４】硬さ測定試験の試験結果を示す図である。
【図５】摩耗試験の試験結果を示す図である。
【図６】焼付き試験の試験結果を示す図である。
【図７】スラスト型寿命試験機の概略構成を示す図である。
【図８】異物混入寿命試験の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１１ 内側軌道輪
１２ 転動体軌道溝
１３ 外側軌道輪
１４ 転動体軌道溝
１５ 転動体
１６ 保持器
１７ 防塵用シール
２１ 最表面層
２２ 表面層
３１ ピン（試験片）
３２ リング
３３ ロードセル
３４ 潤滑油
７１ 潤滑油槽
７２ 下レース（試験片）
７３ 転動体
７４ 上レース
７５ プーリ
７６ ベルト
７７ 保持器
７８ 潤滑油
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、ボールねじ、直動案内軸受装置（リニアガイド）等の転動装置に係り、特に、工作機械、エンジン、トランスミッション、過給機などのように潤滑条件が厳しい環境下で使用される転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受等の転動装置は、外方部材（転がり軸受の場合は「外側軌道輪」、ボールねじの場合は「ナット」、リニアガイドの場合は「スライダ」を指す。）と、この外方部材の内方に配置された内方部材（転がり軸受の場合は「内側軌道輪」または「軸体」、ボールねじの場合は「ねじ軸」、リニアガイドの場合は「案内レール」を指す。）と、この内方部材と外方部材との間に配設された複数の転動体とを備えており、外方部材または内方部材の一方が回転もしくは直線運動をすると外方部材および内方部材に相対向して形成された転動面を転動体が転動するようになっている。
【０００３】
このような転動装置の転動体は外方部材および内方部材との間で接触圧力を受けながら転がり運動をするため、外方及び内方部材や転動体の素材としては、硬くて負荷に耐え、転がり疲労寿命が長く、滑りに対する耐摩耗性が良好である材料が要求される。そこで、このような要求を満たすため、従来においては、ＪＩＳ鋼種であるＳＵＪ２やＳＵＪ３等の軸受鋼が転動体等の素材として使用されている。
【０００４】
転がり軸受では、その軌道輪や転動体が高面圧下で繰り返し剪断応力を受けるため、その剪断応力に耐えて転がり疲労寿命を確保するべく、前述したＳＵＪ２やＳＵＪ３等の軸受鋼に熱処理を施し、表面硬度をＨＲＣ５８〜６４としたものが使用されている。
また、疲労強度に優れた機械構造用部品およびその製造方法として、特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１４５５１７号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、転動装置を使用する機械の高負荷化、高速化が進んでおり、これに伴い転動装置の使用条件が過酷になる傾向が顕著になってきている。特に、高速化による滑りの増大や温度上昇に伴う潤滑油の低粘度化による潤滑能力不足により耐摩耗性が著しく低下し、寿命が短縮されるという問題がある。また、特許文献１に開示されたものでは、Ｃｒ含有量が少ないため、十分な耐摩耗性が得られないという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記に述べたような、高速化に伴う潤滑不良に対しては、耐摩耗性を向上させることが有効である。摩耗を抑制するためには表面の窒素濃度を高くして、耐摩耗性向上に有効な微細窒化物を析出させることが効果的である。本発明では焼入れ前に窒化処理を行い、表面の窒素濃度を向上させておく手法を採用した。また、窒素（Ｎ）はオーステナイト安定化元素であるため、焼入れ後の残留オーステナイト量を高くすることができる。残留オーステナイトを一定量含ませると異物混入潤滑下における寿命低下を抑制することができるという効果があるため、転動装置自身やその周辺の構成部品の摩耗粉が混入しやすい機械（例えばエンジン用トランスミッション等）などでは、特に好適に使用できる。
【０００９】
そこで、請求項１の発明は、外方部材と、この外方部材の内方に配置された内方部材と、この内方部材と前記外方部材との間に配列された複数の転動体とを備えてなる転動装置であって、前記外方部材、内方部材および転動体のうち少なくとも一つが、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成され、かつ完成品表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の転動装置において、前記完成品最表面層の残留オーステナイトが１５体積％以上で４５体積％以下であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の転動装置において、前記完成品表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３記載の転動装置において、前記完成品表面層の残留オーステナイトが１５体積％以上で４５体積％以下であることを特徴とする。請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の転動装置は、前記鋼が３．０重量％以下のＭｏを含むことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が２．０重量％以下のＷを含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が２．０重量％以下のＶを含むことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が１．０重量％以下のＭｎを含むことを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の転動装置において、前記鋼が１．５重量％以下のＳｉを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明における各数値限定の臨界的意義を以下に説明する。
［Ｉ］母材について
（１）Ｃｒ：３．０重量％以上７．５重量％以下
Ｃｒ（クロム）はＣｒ炭化物や窒化物を生成して硬度を確保し、耐摩耗性を向上させる効果がある。十分な耐摩耗性を確保するためには、Ｃｒを３重量％以上含ませることが好ましい。また、Ｃｒを多量に添加しても添加効果が飽和するだけでなく、窒化処理によって得られる窒素富化層厚さが減少するなど熱処理生産性が低下するため、Ｃｒの上限添加量は７．５重量％とすることが好ましい。なお、例えば高振動や高荷重等の諸条件により油膜形成が困難となる場合には、白色組織（Ｗｈｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に伴う早期剥離が発生することがあるが、Ｃｒはこのような組織変化を抑制することができるという効果も有している。
（２）Ｃ：０．３重量％以上１．１重量％以下
Ｃ（炭素）は、基地をマルテンサイト化することにより強度を増加させる元素である。そのため、Ｃの含有量は０．３重量％以上とすることが好ましいが、Ｃを過剰に添加すると製鋼時に粗大な共晶炭化物が生成されやすくなり、転がり寿命や靭性を低下させる原因となる。また、粗大な共晶炭化物は固溶し難いため、素材の加熱及び保持が短時間で行われる高周波焼入れなどでは、焼入れ硬さが不十分になったり、オーバーヒート（過度焼入れ）の原因になったりすることがある。この傾向は炭素の含有量が１．１重量％を超えると顕著になることから、炭素含有量の上限は１．１重量％、より好ましくは０．９重量％以下とすることが望ましい。
（３）必要に応じて添加される元素
Ｍｏ（モリブデン）は、炭化物や窒化物を生成して機械的強度や硬度を向上させると共に耐摩耗性や耐焼付き性を向上させる元素であり、さらに焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させる元素でもある。従って、Ｍｏを必要に応じて添加することが望ましい、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は３．０重量％以下とすることが好ましい。
【００１４】
Ｗ（タングステン）もＭｏと同様な添加効果を有する元素であり、必要に応じて添加することが望ましいが、過剰に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性も低下するため、添加量は２．０重量％以下とすることが好ましい。
Ｖ（バナジウム）は強力な炭化物や窒化物の生成元素であり、耐摩耗性や強度を向上させるのに有用な元素であると共に焼戻し軟化抵抗性を増大させる元素でもある。しかし、多量に添加するとコストアップとなるだけでなく、加工性や靭性が低下するため、添加量は２．０重量％以下とすることが好ましい。なお、上記のＭｏ、Ｗ、ＶはＣｒと同様に組織変化を抑制することができるため、白色組織等の組織変化が原因となる剥離が発生する転動部材では、積極的に添加されることが好ましい。
（４）製鋼上不可欠な元素について
Ｓｉ（ケイ素）は、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、０．１重量％以上添加されることが望ましい。また、焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに窒化物を生成して耐焼付き性を向上させるために、より好ましくは０．４５重量％以上添加するが、多量に添加すると靭性を低下させるため、上限を１．５重量％とすることが望ましい。
【００１５】
Ｍｎ（マンガン）は脱酸剤として０．１重量％以上必要であるが、多量に添加すると鍛造性や被削性が低下するだけでなく、ＳやＰなどの不純物と共存して耐食性を低下させるため、上限を１．０重量％程度とすることが望ましい。
（５）不可避不純物について
鋼中に含まれる不純物について重要なものに酸化物系介在物がある。鋼中の酸素含有量が多くなると疲労破壊の起点になる粗大な酸化物系介在物の存在量が多くなり、転がり寿命が低下する。また、窒化層に粗大な酸化物系介在物が存在すると窒化層の早期剥離が発生する虞があることから、酸素含有量はできるだけ低く抑えられることが望ましい。鋼中の酸素含有量は１５ｐｐｍ以下、より好ましくは１２ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００１６】
なお、本発明における合金鋼には、これらの添加元素以外にも不可避の不純物として、Ｐ（リン）、Ｓ（イオウ）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｐｂ（鉛）、Ｃａ（カルシウム）、Ｚｒ（ジルコニア）、Ｔｅ（テルル）、Ｓｂ（アンチモン）等が含有される。
［ＩＩ］完成品品質について
本発明でいう完成品最表面層とは表面から１０μｍ深さまでの全域を指し、完成品表面層とは完成品最表面層を含み、表面から転動体直径Ｄａの２％深さまでの全域を指している。
（１）完成品表面層及び完成品最表面層のＣ＋Ｎ濃度
Ｎ（窒素）は、Ｃと同様に基地をマルテンサイト化する効果を有し、さらに焼戻し軟化抵抗性にも優れるため、高温使用での硬度向上に重要な元素である。通常、鋼中に窒素を含ませる場合には製鋼時に窒素を添加するが、窒化処理によると比較的高い窒素濃度が得られやすいため、本発明者らは窒化処理によって表面に窒素を添加する方法の適用可否について検討を行った。しかし、窒素を過剰に添加するとＭｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低下し、十分に焼入れ硬化されない虞がある。Ｍｓ点はＮだけでなくＣやＣｒなどの添加元素によっても変化する。そこで、本発明者らは検討を行った結果、完成品表面層及び完成品最表面層における炭素と窒素の濃度が下記の式（１）で示される条件を満たせば、焼戻しによって完成品表面層の硬さをＨｖ６５０以上とすることができるという知見を得、十分な転動寿命や耐摩耗性を得ることが可能であることを見出した。
【００１７】
（０．８６Ｎ＋Ｃ）≦１．７−０．０５７×［Ｃｒ当量］ ‥‥（１）
ただし、［Ｃｒ当量］＝Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ ‥‥（２）
また、式（１）を満たしても表面層のＣとＮの合計濃度が０．５重量％に満たない場合は、完成品の硬さがＨｖ６５０以上とならず、十分な転動寿命が得られない。十分な転動寿命を得るためには、式（３）の条件を満たすことが望ましい。
【００１８】
Ｃ＋Ｎ≧０．５重量％ ‥‥（３）
また、表面層のビッカース硬さはＨｖ６５０以上、好ましくはＨｖ７００以上とすることが望ましい。
（２）完成品最表面のＮ濃度
最表面に形成されている窒素富化層は、ＦｅやＣｒなどの合金元素の窒化物（γ’：Ｆｅ４ＮやＣｒＮなど）を主体として形成されており、優れた耐摩耗性を発揮する。優れた耐摩耗性や耐焼付き性を得るためには、少なくとも表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層において、窒素濃度を０．０５重量％以上、より好ましくは０．２重量％以上とすることが望ましい。
（３）芯部硬さについて
芯部硬さは、高温や高荷重の条件下で使用されるときには荷重や使用温度の影響による変形を抑制するために、Ｈｖ３００以上とすることが好ましく、より好ましくはＨｖ４００以上とする。なお、高荷重及び高温下で使用されない場合においては、この限りではない。
（４）完成品表面層及び完成品最表面層の残留オーステナイトについて
残留オーステナイト（γＲ）は、異物混入潤滑下において転動面に形成される圧痕による応力集中を緩和するという効果をもたらすため、必要に応じて適量の残留オーステナイトを完成品表面層及び完成品最表面層に存在させることが好ましい。この場合の残留オーステナイト量としては、１５体積％以上４５体積％以下、より好ましくは２０体積％以上４０体積％以下であることが望ましい。
【００１９】
このようにすれば、特にバリなどの金属異物が混入して潤滑油が劣化しやすい環境下、例えば自動車、農業機械、建設機械および鉄鋼機械等で使用されるトランスミッションや、無段変速機用（トロイダルＣＶＴ、ベルトＣＶＴ）エンジン補機（オルタネータ、コンプレッサー等）においても好適に使用できる。
［ＩＩＩ］本発明による転動装置の熱処理方法について
（１）窒化処理に先立つ熱処理について
高温または高荷重の条件で使用される転動装置においては、芯部硬さが余りにも低いと外部応力や熱などによって変形や曲がりが生じる場合がある。そのため、完成品の芯部硬さはＨｖ３００以上、好ましくはＨｖ４００以上とすることが望ましい。
【００２０】
本発明の焼入れ方法には高周波焼入れを採用することが好ましいが、高周波焼入れでは芯部さが十分に得られない場合がある。従って、高周波焼入れを採用する場合には窒化処理に先立って焼入れ焼戻しを行って全体の硬さをＨｖ３００以上に調質しておくことが好ましい。
（２）窒化処理について
窒化処理については、ガス窒化、塩浴窒化、イオン窒化、軟窒化などのいずれの方法を選択してもよい。窒化処理後に行う高周波焼入れは、加熱及び保持時間が短いため、窒素の拡散はほとんど起こらないと考えてよく、従って、高周波焼入れ前には適当な窒化層パターンを得ておくことが必要となる。
【００２１】
高周波焼入れ後に仕上げ加工を行うため、高周波焼入れ前の窒化層深さは少なくとも仕上げ加工の取り代以上としておく。なお、仕上げ加工の取り代は部材や焼入れ方法によって異なるため、必要とされる窒化層のパターンはそれぞれの部材ごとに定める。また、熱処理後の加工取り代を小さくするために、前加工の加工精度を高めておいてもよい。
【００２２】
窒化の処理温度や時間は上記の窒化層のパターンを満たす温度や時間であれば、特に限定されないが、窒化処理で生じる歪みを極力抑えたり、あるいは組織の粗大化を抑制したりするために、Ａｃ１変態点未満の温度、好ましくは５００℃以下で窒化処理を行うことが望ましい。
低温窒化処理の好ましい形態の一例としては、比較的低温で処理が可能なＮｖ窒化プロセス（エア・ウオーター株式会社の商品名）がある。Ｎｖ窒化プロセスは窒化処理前に、例えばＮＦ３（三フッ化窒素）等のフッ素系ガスを用いて２５００℃〜４００℃でフッ化処理を行うプロセスとＮＨ３ガスによる窒化処理を行うプロセスとからなる。フッ化処理は窒化反応を阻害するＣｒ酸化物を除去し、表面を活性化するフッ化層を形成するため、処理時間が短く、低温でも非常に均一な窒化層を形成することが可能となる。
（３）焼入れ焼戻しについて
焼入れは、高周波焼入れで行うことが好ましい。高周波焼入れは、加熱から冷却までの熱処理時間が短く、窒化処理によって生成された窒素濃度分布が殆ど変化することがないため、高い窒素濃度を得ることが可能となる。さらに、高周波焼入れはワークの表面のみを焼入れする方法であるため、ずぶ焼入れよりもワーク全体としての熱処理変形が減少し、後加工の取り代を少なくできるという利点もある。冷却は十分な焼入れ硬さが得られる方法であれば、油冷や水冷などの方法を用いても構わない。また、短時間加熱を行うことができる焼入れ方法であれば、どのような方法を採用してもよく、例えばレーザ焼入れ、火炎焼入れなどが適用可能である。
【００２３】
また、母相中にＣやＮ、さらにはＣｒなどの合金元素が多いほどＭｓ点が低下するが、Ｍｓ点が室温以下まで低下するような合金成分の場合などではサブゼロを行う。通常のサブゼロは−６０℃付近で処理されることが多いが、−６０℃の処理で十分に焼入れされない場合は、−１９０℃程度で処理する超サブゼロを行ってもよい。
（４）仕上げ加工について
熱処理を施した転動部材は、研削や研磨及び超仕上などを行って目的の形状寸法にする。仕上げ加工後の窒化層厚さをより深く得るためには、仕上げ加工取り代は極力少なくすることが望ましい。例えば、熱処理変形が小さい小型の部材などでは、要求される寸法精度を満たすことができれば研削工程を省いてもよい。また、リニアガイドなど棒状の製品では、必要に応じて曲げ加工を行ってもよい。また、前述したように完成品表面のＣ、Ｎ及びＣｒ含有量の関係が重量比で０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×［Ｃｒ当量］及び０．５≦Ｃ＋Ｎを満たすように取り代を設定する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。同図に示すように、転がり軸受１０は、外周面に転動体軌道溝１２を有する内側軌道輪１１と、この内側軌道輪１１の外周面と対向する内周面に転動体軌道溝１４を有する外側軌道輪１３と、この外側軌道輪１３の転動体軌道溝１４と内側軌道輪１１の転動体軌道溝１２との間に配列された複数の球状転動体１５と、これらの球状転動体１５を内側軌道輪１１及び外側軌道輪１３の円周方向に一定の間隔で保持する保持器１６と防塵用シール１７とを備えて構成されている。
【００２５】
内側軌道輪１１、外側軌道輪１３及び球状転動体１５は、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成されており、表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層と表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしている。
【００２６】
次に、このように構成された転がり軸受の作用について説明する。
本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、次のような実験を行った。すなわち、表１に示す材料Ａ〜Ｒで図３に示すような試験片３１を全部で２１個作製し、これらの試験片３１に対して表２に示す熱処理Ａ〜Ｆを選択的に施した後、図２に示す最表面層２１（表面から１０μｍ深さまでの領域）と表面層２２（表面から転動体直径の２％深さまでの領域）におけるＮ濃度及びＣ濃度をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）にて分析するとともに、最表面層２１と表面層２２のビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ試験機にて測定した。なお、マイクロビッカース硬さ試験機による硬さ測定は、荷重５０ｇ、負荷時間３０秒の条件でそれぞれ１０回ずつ測定し、その平均値を最表面層２１及び表面層２２のビッカース硬さとした。
【００２７】
【表１】
【表２】
また、本発明者らは、各試験片に対して摩耗試験と焼付き試験を行った。ここでの摩耗試験は、面圧：３ＧＰ、滑り速度０．５ｍ／ｓ、滑り距離１０００ｍ、潤滑油粘度ＩＳＯ ＶＧ６８、試験温度：４０℃の試験条件で行った。また、図３に示すサバン式摩耗及び焼付き試験機を使用し、試験片であるピン３１（表面粗さ：０．１Ｒａ以下）をリング２（表面粗さ：０．１Ｒａ以下）の外周面に押し当てた状態でリング３２を円周方向に回転させて行った。そして、試験終了後、摩耗したピン３１の摩耗痕の任意の３点を表面形状測定器で測定し、測定した摩耗痕形状から摩耗面積を求め、３点の平均をとって各ピン３１の摩耗量を算出した。なお、潤滑はリング３２を潤滑油３４中に浸すことにより行った。また、リング３２はＳＵＪ２からなる素材に通常のずぶ焼入れ及び焼戻しを施し、表面硬さがＨｖ６５０以上のものを使用した。
【００３０】
焼付き試験は、面圧：３ＧＰ、滑り速度０〜０．５ｍ／ｓ、潤滑油粘度ＩＳＯＶＧ６８、試験温度：４０℃の試験条件で行った。また、図３に示すピン３１とリング３２との接触部に発生する摩擦トルクをロードセル３４で測定し、ロードセル３４の測定値が定常状態の５倍以上となった時点を焼付きと判断した。そして、そのときの面圧と滑り速度から焼付きＰＶ値を算出した。
【００３１】
上述した各試験片３１の表面層Ｎ濃度、最表面層Ｎ濃度、表面層Ｃ濃度、最表面層Ｃ濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、摩耗量比及び焼付きＰＶ値を表３に、また表３のビッカース硬さと式（１）との関係を図４に示す。
【００３２】
【表３】
表３及び図４から明らかなように、試験片番号１〜１４の試験片は、その表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が式（１）で表される条件、すなわち０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たしており、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがＨｖ６５０以上であることがわかる。これに対し、試験片番号１６の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が式（１）で表される条件を満たしているが、表面層及び最表面層におけるビッカース硬さがＨｖ６５０未満となっている。これは、表面層及び最表面層におけるＮとＣの合計濃度がＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしていないためである。なお、比較例１７は素材のＣ量が規定量より多く、高周波焼入れにおいてオーバーヒートを発生したため、その後の評価は行わなかった。
【００３４】
表３の最表面層Ｎ濃度と摩耗量比との関係を図５に、また表３の最表面層Ｎ濃度と焼付きＰＶ値との関係を図６に示す。表３に示すように、試験片番号１〜１４の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしているため、良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示しており、特に最表面層のＮ濃度が０．２重量％以上の試験片（試験片番号１〜８及び１０〜１４）は、より良好な耐摩耗性と耐焼付き性を示している。これに対し、図５及び図６に示すように、試験片番号１８及び１９の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの濃度が上記の条件を満たさないため、ビッカース硬さが十分でなく、試験片番号２１の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号１６の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮとＣの合計濃度が０．５重量％未満であるため、試験片番号２１の試験片に比べて耐摩耗性や耐焼付き性が劣っている。また、試験片番号２０の試験片は、表面層及び最表面層におけるＮ濃度が０．０５重量％を下回っているため、耐摩耗性及び耐焼付き性が十分でないことがわかる。さらに、試験片番号１５の試験片は、試験片番号２１の試験片に比べて良好な耐摩耗性が得られるものの、Ｃｒの含有量が３．０重量％を下回っているため、試験片番号１〜１４の試験片に比べて耐摩耗性が低い。
【００３５】
また、本発明者らは、耐久寿命の長い転動装置と耐摩耗性に優れた転動装置用合金鋼を得るために、表１に示す材料Ａ〜Ｒで図７に示すような円盤状試験片７２を全部で２１個作製し、これらの試験片７２に対して表２に示す熱処理Ａ〜Ｆを選択的に施した後、前記と同様に、各試験片の表面層Ｎ濃度、最表面層Ｎ濃度、表面層Ｃ濃度、最表面層Ｃ濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量を測定した。さらに、図７に示すスラスト型寿命試験機を用いて異物混入寿命試験を面圧：４ＧＰ、異物径：７４〜１４７μｍ、異物硬さ：Ｈｖ８７０、異物材質：セメンタイト系金属、異物混入量：１０ｍｇ、試験回数：１０回の試験条件で行った。
【００３６】
ここでの異物混入寿命試験は、潤滑油槽７１の底面に下面を固定された下レース（試験片）７２の上面に複数個のボール（ボール材質：ＳＵＪ２）７３を下レース７２の円周方向に沿って配置し、下レース７２と対向する上レース（上レース材質：ＳＵＪ２）７４をプーリ７５及びベルト７６を介して図示しないモータの動力により１０００ｍｉｎ−１の回転速度で円周方向に回転させて行った。そして、異物混入寿命試験の試験結果から、各試験片のＬ１０寿命比を算出した。なお、表面層残留オーステナイト量および最表面層残留オーステナイト量はＸ線回析装置で測定した。また、図７中７７は黄銅製保持器、７８は潤滑油を示している。
【００３７】
上述した各試験片７２の表面層Ｎ濃度、最表面層Ｎ濃度、表面層Ｃ濃度、最表面層Ｃ濃度、表面層ビッカース硬さ、最表面層ビッカース硬さ、表面層残留オーステナイト量、最表面層残留オーステナイト量及びＬ１０寿命比を表４に、また表４の表面層残留オーステナイト量とＬ１０寿命比との関係を図８に示す。
【００３８】
【表４】
表４に示す試験結果から、試験片番号３１〜４７の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがＨｖ６５０以上となるのに対し、試験番号４８〜５０の試験片は表面層及び最表面層のビッカース硬さがＨｖ６５０を下回ることがわかる。これは、試験片番号３１〜４７の試験片は表面層と最表面層のＮ及びＣが０．８６Ｎ＋Ｃ≦１．７−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）およびＣ＋ＮＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たしているのに対し、試験番号４８〜５０の試験片は表面層と最表面層のＮ及びＣが上記の条件を満たしていないためと考えられる。
【００４０】
また、試験片番号３１〜４４の試験片（実施例）は、試験片番号４５〜５０の試験片（比較例）に比較して、異物混入寿命Ｌ１０が高い値を示していることがわかる。これは、試験片番号３１〜４４の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が１５〜４５体積％であるのに対し、試験片番号４５〜４７の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が１５体積％未満で、試験片番号４８〜５０の試験片は表面層と最表面層の残留オーステナイト量が４５体積％を上回るためと考えられる。
【００４１】
以上のことから、完成品表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことにより、潤滑条件が厳しい環境下でも耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。また、表面層と最表面層の残留オーステナイト量を１５〜４５体積％とすることにより、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を得ることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、転動体等の耐摩耗性と耐焼付き性が向上するので、潤滑条件が厳しい環境下でもより耐久寿命に優れた転動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る転がり軸受の断面図である。
【図２】最表面層と表面層を説明するための説明図である。
【図３】サバン式摩耗及び焼付き試験機の概略構成を示す図である。
【図４】硬さ測定試験の試験結果を示す図である。
【図５】摩耗試験の試験結果を示す図である。
【図６】焼付き試験の試験結果を示す図である。
【図７】スラスト型寿命試験機の概略構成を示す図である。
【図８】異物混入寿命試験の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１１ 内側軌道輪
１２ 転動体軌道溝
１３ 外側軌道輪
１４ 転動体軌道溝
１５ 転動体
１６ 保持器
１７ 防塵用シール
２１ 最表面層
２２ 表面層
３１ ピン（試験片）
３２ リング
３３ ロードセル
３４ 潤滑油
７１ 潤滑油槽
７２ 下レース（試験片）
７３ 転動体
７４ 上レース
７５ プーリ
７６ ベルト
７７ 保持器
７８ 潤滑油
Claims (9)
- 外方部材と、この外方部材の内方に配置された内方部材と、この内方部材と前記外方部材との間に配列された複数の転動体とを備えてなる転動装置であって、前記外方部材、内方部材および転動体のうち少なくとも一つが、０．３〜１．１重量％のＣと３．０〜７．５重量％のＣｒとを含む鋼に窒化処理、高周波焼入れ及び焼戻しを順次施した素材から形成され、かつ完成品表面から１０μｍ深さまでの完成品最表面層における炭素及び窒素の濃度が（０．８６Ｎ＋Ｃ）≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ＋１．７５Ｖ））の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことを特徴とする転動装置。
- 前記完成品最表面層の残留オーステナイトが１５体積％以上で４５体積％以下であることを特徴とする請求項１記載の転動装置。
- 前記完成品表面から転動体直径の２％深さまでの完成品表面層における炭素及び窒素の濃度が０．８６Ｎ＋Ｃ≦２．０５−０．０５７×（Ｃｒ＋２Ｍｎ＋０．５（Ｍｏ＋０．５Ｗ）＋１．７５Ｖ）の条件を満たすと共にＣ＋Ｎ≧０．５重量％の条件を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の転動装置。
- 前記完成品表面層の残留オーステナイトが１５体積％以上で４５体積％以下であることを特徴とする請求項３記載の転動装置。
- 前記鋼は、３．０重量％以下のＭｏを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、２．０重量％以下のＷを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、２．０重量％以下のＶを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、１．０重量％以下のＭｎを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の転動装置。
- 前記鋼は、１．５重量％以下のＳｉを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の転動装置。
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