JP2008001943A - 転がり、摺動部品およびその製造方法 - Google Patents

転がり、摺動部品およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】長寿命化を図ることができるとともに、静的負荷容量が増大して静止時および低速回転時の塑性変形による圧痕に対する耐圧痕性が向上した転がり、摺動部品を提供する。
【解決手段】転がり、摺動部品を、Ｃ：０．７〜０．９wt％およびＣｒ：３．２〜５．０wt％を含み、かつ表面に浸炭処理が施された表層部を有する鋼により形成する。表層部の全析出炭化物の面積率を１５〜２５％とする。表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物をＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型とする。表層部の炭化物の平均粒径を０．３〜０．６μｍとするとともに最大粒径を４μｍとする。表面硬さをロックウェルＣ硬さで６２以上とする。表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量を０．９５〜１．１５wt％とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、転がり、摺動部品およびその製造方法、さらに詳しくは、たとえば異物が混入した潤滑油が用いられる転がり軸受の軌道輪および転動体として使用される転がり部品、またはすべり軸受部品として用いられるのに適した転がり、摺動部品およびその製造方法に関する。
この明細書および特許請求の範囲において、転がり、摺動部品とは、純然たる転がり接触、純然たるすべり接触、および転がり接触とすべり接触とが混在する接触を行う部品をいうものとする。
異物が混入した潤滑油を用いて使用される転がり軸受や、たとえば自動車の燃費向上を目的として小型、軽量化が図られた転がり軸受の軌道輪および転動体として、JIS ＳＵＪ２などの軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼）より所定の形状に形成された加工済み部品素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、さらに焼戻し処理を施すことにより製造され、表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６wt％となされるとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量が０．６〜１．０wt％となされ、さらに前記表層部に炭化物が析出しているとともに、前記炭化物の量が面積率で５〜２０％でかつその粒径が３μｍ以下となされた転がり、摺動部品が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、部品の小型化やより過酷な環境下でさらなる長寿命が求められる用途では、特許文献１記載の転がり、摺動部品を上回る高性能化が望まれる。特に異物が混入した潤滑油中で転がり、摺動部品を使用する場合には、そうでない場合に比べて寿命が大きく低下することが知られており、そのための対策が強く求められていた。異物が混入した潤滑油中での長寿命化を図るための対策として、従来、浸炭処理後の転がり、摺動部品の表層部に、軟質な残留オーステナイトを２０％程度存在させることが行われている。すなわち、残留オーステナイトは、異物を噛み込んだときに生成される圧痕周辺における応力集中を緩和する効果があるため、圧痕の生成を原因とする亀裂の発生および進展を遅延する効果を有している。したがって、従来の転がり、摺動部品のさらなる高性能化を図るには、表層部の残留オーステナイト量をさらに増加させ、たとえば３０％を越える多量とすることが考えられている。
しかしながら、JIS ＳＵＪ２で表層部の残留オーステナイト量を増量した場合には以下の大きな問題がある。すなわち、残留オーステナイトは軟質の組織であるため、その量が４０％以上となると６２以上のロックウェルＣ硬さ（以下、ＨＲＣと称する）を得ることが難しくなり、静的負荷容量が不足して静止時や低速回転時の過大荷重および衝撃荷重に起因する局部的な永久変形が生じて、軸受の円滑な回転が妨げられることになる。この問題を解決するために、JIS ＳＵＪ２からなる加工済み部品素材に高濃度浸炭（表層部の炭素量をたとえば１．６wt％以上にする）を施すことが考えられる。ところが、JIS ＳＵＪ２の場合、浸炭処理を施すことにより表層部に析出する炭化物はセメンタイトのようなビッカース硬度が１１５０〜１７６０のＭ３Ｃ型炭化物｛＝Ｆｅ３Ｃ、（Ｆｅ、Ｃｒ）３Ｃ｝が多く、このＭ３Ｃ型炭化物は、他の合金炭化物（Ｍ７Ｃ３、ＭＣ）に比べ浸炭時の炭化物成長速度が速く（参考文献：高山：日本金属学会誌、11、45（1981）、1195）、かつ硬さが低い（Ｍ７Ｃ３およびＭＣはピッカース硬度が１８００以上である）という性質を有する。したがって、炭化物の平均粒径が大きくなるため、分散析出強化量が低下し、炭化物析出による硬度向上効果が小さくなるという問題がある。また、炭化物の粗大化を誘発し、その結果、転がり寿命改善効果が十分に得られなくなるという問題がある。
但し、Ｃｒを増量してＭ７Ｃ３型炭化物を利用し、異物混入下での転動寿命を改善しようとする試み自体は、新規なものではなく、例えば特許文献２等に記載の発明が既に提案されている。しかしながら、この発明は浸炭後の炭化物の種類、面積率については記載されているものの、個数、大きさ等の分布状態については特に記載がなく、単に粗大化防止が必要と記載されているにすぎない。そのため、炭化物の微細化が十分とならず、残留オーステナイト量を５０％程度と多量にした場合には高硬度を維持できなくなるとともに、十分な寿命改善効果が得られないという問題がある。
また、特許文献３において、既存の肌焼鋼を用いて、全て浸炭、または浸炭窒化処理を適用し、ある程度の表面硬さを確保し、さらには残留オーステナイト量を高めて、異物が混入した潤滑環境での転動寿命を向上させる方法が提案されているが、前述したJIS ＳＵＪ２の場合と同じ間題が発生し、優れた転がり寿命が得られないという問題がある。
特開２００４−５２１０１号公報 特公平６−１１８９９号公報 特開平１−５５４２３号公報
この発明の目的は、前記問題を解決し、特に異物が混入した潤滑油が用いられる転がり軸受の軌道輪および転動体や、滑り軸受部品などとして使用した場合、一層の長寿命化を図ることができるとともに、静的負荷容量が増大して静止時および低速回転時の過大荷重および衝撃荷重に起因する局部的な永久変形量が少なくなること、すなわち耐圧痕性が向上した転がり、摺動部品およびその製造方法を提供することにある。
請求項１の発明による転がり、摺動部品は、
表面に浸炭処理が施された表層部を有する鋼により形成され、表層部の全析出炭化物の面積率が１５〜２５％であるとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物がＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型であり、表層部の炭化物の平均粒径が０．３〜０．６μｍであるとともに、同じく最大粒径が４μｍであり、表面硬さがロックウェルＣ硬さで６２以上となされ、表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量が０．９５〜１．１５wt％となされているものである。
ここで、表層部とは、浸炭処理により、内部に比較して明確に多量のＣを含有する部分であって、転がり、摺動面における寿命に影響を及ぼす深さ部分であり、たとえば異物油中で使用される転がり、摺動部品では最表面を基準として０〜５０μｍの範囲である。なお、以下も同様である。
請求項１の発明の転がり、摺動部品において、各数値の限定理由は次の通りである。
表層部の全析出炭化物の面積率
後述する実施例および比較例の評価試験の結果から、寿命比（JIS ＳＵＪ２の焼き入れ、焼き戻し品のＬ１０寿命を１とした場合のＬ１０寿命比）が１０以上になるとともに、圧痕深さ比（JIS ＳＵＪ２の焼き入れ、焼き戻し品の圧痕深さを１とした場合の深さ比）が０．９以下になるのは、前記寿命比と前記圧痕深さ比との関係を表す図１において鎖線のハッチングを付した領域Ａに存在する転がり、摺動部品であることが判明し、これらの転がり、摺動部品の全析出炭化物の面積率と残留オーステナイト中の固溶炭素量が、両者の関係を表す図２において鎖線のハッチングを付した領域Ｂであることが判明した。これらの結果に基づき、図２に示す領域Ｂにおける炭化物の面積率の下限である１５％を面積率の下限値とした。また、面積率の上限値である２５％は、この上限値を超えると粗大な炭化物が発生し、転がり疲労き裂の起点となって、転がり、摺動部品の短寿命化につながることから決定した。
全析出炭化物中のＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の量
表面の高炭素濃度の浸炭層内に析出し、浸炭処理後に析出したままで残存する未固溶炭化物は、一般的な機械構造用鋼ではＭ３Ｃ型炭化物であるが、請求項１の発明のように、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物を高硬度でかつ粗大化し難いＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型にすると、浸炭後の表層部の炭化物粒径を、Ｍ３Ｃ型炭化物が主の鋼に比べ微細とすることができ、異物混入下での寿命を大幅に向上できる。また、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物は前述した通り高硬度であるため、多量の残留オーステナイト存在下であっても高硬度を維持でき、上述した耐圧痕性が向上する。なお、Ｍ３Ｃ型炭化物よりも高硬度でかつ粗大化し難いＭ７Ｃ３型およびＭ２３Ｃ６型炭化物は、たとえば、後述するように、主として、炭化物形成元素であるＣｒを、従来鋼に比べて多量（３．２〜５．０wt％）に含有させることや、Ｍｏを適量添加することによって、優先的に析出させることが可能になる。
表層部の炭化物の平均粒径および最大粒径
表層部の炭化物の平均粒径が小さすぎると、表層部の全析出炭化物の面積率を１５〜２５％という高面積率にすることができない。しかも、平均粒径を０．３μｍ未満にすることは現実的には困難である。したがって、平均粒径の下限値を０．３μｍとした。また、平均粒径が大きすぎると、分散強化量が低下し、表層部の残留オーステナイト量中の固溶炭素量を所定量にした場合に所定の硬度が得られないので、その上限値を０．６μｍとした。
表層部の炭化物の最大粒径が大きすぎると、内部欠陥として作用し、清浄油中での寿命が低下するので、その上限値を４μｍとした。
表面硬さ
表面硬さが小さすぎると、静的負荷容量が不足して静止時や低速回転時の過大荷重および衝撃荷重に起因する局部的な永久変形が生じる。したがって、表面硬さをＨＲＣ６２以上に限定した。
表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量
後述する実施例および比較例の評価試験の結果から、寿命比（JIS ＳＵＪ２の焼き入れ、焼き戻し品のＬ１０寿命を１とした場合のＬ１０寿命比）が１０以上になるとともに、圧痕深さ比（JIS ＳＵＪ２の焼き入れ、焼き戻し品の圧痕深さを１とした場合の深さ比）が１０以上になるのは、前記寿命比と前記圧痕深さ比との関係を表す図１に示す領域Ａに存在する転がり、摺動部品であることが判明し、これらの転がり、摺動部品の残留オーステナイト中の固溶炭素量が、両者の関係を表す図２に示す領域Ｂであることが判明した。これらの結果に基づき、図２に示す領域Ｂにおける固溶炭素量の下限である０．９５wt％を残留オーステナイト中の固溶炭素量の下限値とし、同じく上限である１．１５wt％を残留オーステナイト中の固溶炭素量の上限値とした。
請求項２の発明による転がり、摺動部品は、請求項１の発明において、Ｃ：０．７〜０．９wt％およびＣｒ：３．２〜５．０wt％を含む鋼により形成されているものである。
本発明は、浸炭後の炭化物粒径を微細として、異物混入下での寿命を向上することが特徴の１つであり、そのためには浸炭加熱による粒成長速度の遅いＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型炭化物をＭ３Ｃ型炭化物に比較して優先的に析出させる必要がある。そのためにはＣとＣｒ量の最適化が重要であり、請求項２においてその範囲を明確にしたものである。
請求項２の発明の転がり、摺動部品において、各数値の限定理由は次の通りである。
Ｃ含有量
Ｃは焼入処理後の硬さを上昇させ、強度確保のための内部硬さを得るために必要な元素である。また、Ｃは浸炭処理前において未固溶炭化物を多量に残存させ、これを浸炭処理後にも微細かつ多量に残存した状態とすることにより、優れた寿命を得ることを可能にするための必須元素である。したがって、未固溶炭化物生成のために必要となる十分な量のＣを添加しておかなければならず、その下限値を０．７wt％とした。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、球状化焼鈍後の硬さを上昇させ、浸炭前の機械加工性が低下するとともに、後述するように従来の軸受鋼よりもＣｒを多く添加している影響から、鋼材製造時に疲労破壊の起点となり易い粗大な共晶炭化物が生成し易くなるため、上限値を０．９wt％とした。
Ｃｒ含有量
Ｃｒは本発明にとって最も重要な炭化物形成元素であり、浸炭処理前の段階で多量の未固溶炭化物を生成させ、浸炭処理時にその炭化物が析出核として作用することにより、浸炭処理後の表面浸炭層に微細炭化物（特に高硬度を有するＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型炭化物）を析出させ、高寿命を得ることを可能にするために不可欠の元素である。したがって、前記効果を十分に得るためには、従来の軸受鋼に比べ多量に含有する必要があり、下限値を３．２wt％とした。しかしながら、過剰に含有すると疲労破壊の起点となる粗大な共晶炭化物の生成を防止することが困難になるとともに、コストが高くなるため、上限値を５．０wt％とした。
なお、従来においては、平均粒径と面積率の関係は、一般的には面積率が大となればなるほど平均粒径も大となる関係であったが、請求項１の発明では面積率大でも平均粒径の粗大化を可能な限り抑制するところが新規な点であり、それを実現したポイントは、Ｃ含有量およびＣｒ含有量の最適化を図った請求項２の材料成分からなる鋼を球状化焼鈍し、微細な炭化物を多量に析出させた状態とした上で、高濃度浸炭することにより、合金炭化物を析出させることである。
請求項３の発明による転がり、摺動部品は、請求項１または２の発明において、表層部の全炭素量が１．４〜１．８wt％となされているものである。
請求項３の発明の転がり、摺動部品において、表層部の全炭素量を１．４〜１．８wt％としたした限定理由は次の通りである。
すなわち、表層部の全炭素量が少なすぎると、残留オーステナイト量中の固溶炭素量を所定量にするとともに、炭化物の面積率を１５〜１５％という高面積率とした上で、表面硬さをＨＲＣ６２以上にすることができず、長寿命化および耐圧痕性の向上の両立を図ることができない。したがって、全炭素量の下限値を１．４wt％とした。また、表層部の全炭素量が多すぎると、粗大炭化物（フリーカーバイト）が発生することが不可避となり、転がり寿命、特に清浄油中での転がり寿命に悪影響を及ぼす。したがって、全炭素量の上限値を１．８wt％とした。
請求項４の発明による転がり、摺動部品は、請求項１、２または３の発明において、Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成されていることを特徴とするものである。
なお、Ｃ、Ｃｒの成分限定理由は、請求項２の発明と同一である。また、Ｃ、Ｃｒを除く成分限定理由については後述する。
請求項５の発明による転がり軸受は、内外両輪および転動体を備えており、内外両輪および転動体のうちの少なくとも１つが、請求項１〜４のうちのいずれかに記載の部品からなるものである。
請求項６の発明による転がり、摺動部品の製造方法は、
Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼に球状化焼鈍処理を施して多量の炭化物が析出した状態とした後、所定の形状に加工して加工済み部品素材を製造し、その後カーボンポテンシャルが１．０〜１．５％の浸炭雰囲気中で８７０〜９５０℃に加熱して１次浸炭処理を施した後急冷し、ついでカーボンポテンシャルが１．０〜１．５％の浸炭雰囲気中で８７０〜９１０℃に加熱して２次浸炭処理を施した後急冷し、さらに焼戻し処理を施すことにより、表層部の全析出炭化物の面積率を１５〜２５％とするとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物をＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型とし、表層部の炭化物の平均粒径を０．３〜０．６μｍとするとともに同じく最大粒径を４μｍとし、表面硬さをロックウェルＣ硬さで６２以上とし、さらに表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量を０．９５〜１．１５wt％とすることを特徴とするものである。
請求項４および６の発明において、用いる鋼のＣおよびＣｒを除いた各元素の含有量、ならびに請求項６の発明における浸炭処理における各数値の限定理由は次の通りである。なお、用いる鋼のＣおよびＣｒの含有量の限定理由については、請求項２の発明の場合と同じである。また、浸炭後の表層部の全析出炭化物の面積率、浸炭後の表層部の全析出炭化物中のＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の量、浸炭後の表層部の炭化物の平均粒径および最大粒径、表面硬さ、ならびに浸炭後の表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量の限定理由については、請求項１の発明の場合と同じである。
Ｓｉ含有量
Ｓｉは鋼の精錬時の脱酸のために必要な元素であるとともに、炭化物に固溶し難い性質を有することから、Ｓｉを含有していると炭化物の粗大成長にとって障害となり、その成長を抑制する効果を有する元素である。したがって、前記効果を得るために少量の含有は不可欠となるため、その下限値を０．０５wt％とした。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有するとフェライトの強化によって球状化焼鈍後の硬さを上昇させ、浸炭前の機械加工性が低下するため、上限値を０．７０wt％とした。
Ｍｎ含有量
Ｍｎはオーステナイトを安定化させる元素であり、その増量によって容易に残留オーステナイト量を増加させることができるため、下限値を０．０５wt％とした。しかしながら、Ｍｎの増量は浸炭加熱時に炭化物の固溶温度の低下をもたらすことから、過剰に含有すると未固溶炭化物量が減少し、浸炭層での炭化物析出による硬度向上効果が小さくなるとともに優れた寿命を確保することが困難になる。また、Ｍｎの増量は、熱間加工性、機械加工性を低下させるという問題もある。そこで、本発明では、必要とする残留オーステナイト量の確保は、主としてＣの増量によって得ることとし、最低限必要な焼入性確保のために、上限値を０．７wt％とした。Ｍｎ含有量の上限値は０．５０wt％であることが好ましい。
Ａｌ含有量
Ａｌは鋼の精錬時の脱酸のために必要な元素であるが、含有量が多くなるとアルミナ系非金属介在物が増加して、鋼材製造時に割れ、表面疵などが発生し易くなるばかりでなく、転動疲労時の剥離起点となる。従って、Ａｌの添加は脱酸に必要な最低限量に抑制することが望ましく、上限値を０．０４wt％とした。
Ｐ含有量
Ｐはオーステナイト粒界に偏析して鋼の靭性を低下させるため、上限値を０．０３wt％とした。
Ｓ含有量
ＳはＭｎと結合することでＭｎＳを形成し、被削性が向上することが知られている。しかしながら、Ｓを多く含有するとＭｎＳが粗大化し、転動疲労時の剥離起点となるため、上限値を０．０３wt％とした。
Ｔｉ含有量
ＴｉはＮと結合することで非金属介在物であるＴｉＮを生成し、転動疲労寿命を低下させることが知られている。このＴｉＮ介在物はＴｉの含有量の増加に伴って増加、粗大化するため、上限値を０．００５wt％とした。また、前記理由によりＴｉ含有量は上限値内であっても少ない方が好ましい。
Ｏ含有量
Ｏの多くは鋼中のＡｌや、不純物として存在する微量のＣａと結合することにより、酸化物系介在物となって鋼中に存在する。これらの酸化物系介在物は転動疲労時の剥離起点となることが知られており、転動疲労寿命を低下させる。したがって、従来より、製鋼メーカーとしては鋼中のＯ量を極力減少させるための技術開発を行ってきた。そのような背景からＯの上限値を０．００１５wt％とした。また、前記理由によりＯ含有量は上限値内であっても少ない方が好ましい。
Ｍｏ含有量
ＭｏはＣｒよりもＣとの親和力の強い炭化物形成元素であり、浸炭温度における炭化物の固溶温度を上昇させ、未固溶炭化物量を増加させる元素である。したがって、本発明にとって浸炭処理後の表面浸炭層の微細炭化物量を増加させ、硬度を上昇させるために重要な元素である。また、Ｍｏは鋼の焼入性を向上させるとともに、残留オーステナイト量の増加にも寄与し、さらにＭ２３Ｃ６型炭化物を効果的に析出させる効果を有する元素である。したがって、Ｍｏは後述するＶも含めた２種の元素のうち１種以上を添加して、表面硬度の上昇を図ることとしたのである。しかしながら、過剰の含有はコスト高となるばかりでなく、鋼材製造時に疲労破壊の起点となる粗大な共晶炭化物が生成してしまうため、含有量を１．０wt％未満とした。なお、下限値は特に限定していないが、前記効果を得るためには０．１０wt％以上含有させることが好ましい。
Ｖ含有量
ＶはＣとの親和力の非常に強い炭化物形成元素であるとともに、生成されたＶ炭化物であるＶＣは、Ｍｏの炭化物と比較して固溶温度が高いため、後述する本発明の製造方法の浸炭温度域では、浸炭処理前に存在していたＶＣの多くは固溶することがない。したがって、その未固溶炭化物は浸炭処理時に浸炭層における炭化物の析出核となり、炭化物の微細化に寄与するため、前述のＭｏも含めた元素のうち１種以上を添加して硬度の上昇および寿命の改善を図ることとしたのである。特に、ＶＣは浸炭時の加熱によって、その多くが固溶しないことから、Ｍｏに比べ表面硬度上昇効果が大きいので、ＭｏおよびＶのうち、Ｍｏ単独添加よりはＶ単独添加の方が高い硬さを得ることができる。しかしながら、Ｖを過剰に含有するとＣの拡散を阻害するため、浸炭表面の炭素濃度が上昇しにくくなるとともに、ＶＣの生成によって固溶炭素量が減少し、必要とする残留オーステナイト量が確保しにくくなるので、含有量を０．５０wt％未満とした。なお、下限値は特に限定していないが、前記効果を得るためには０．０５wt％以上含有させることが好ましい。
１次浸炭処理温度
浸炭処理温度が８７０℃未満であると、炭素の拡散速度が遅くなり、要求される熱処理品質を得るには多大な時間とコストを要し、しかも多量の煤が発生する。また、９５０℃を超えると、浸炭処理前の未固溶炭化物の固溶量が増加し、浸炭処理後の析出炭化物の減少および粗大化が生じるとともに、オーステナイト結晶粒の粗大化に伴い、その結晶粒界に粗大な炭化物が析出し、転がり、摺動部品としての機能を低下させる。また、成分によっては高温に処理するとＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の比率が減少し、成長速度の速いＭ３Ｃ型炭化物が増加して、一層炭化物の粗大化が促進される場合もある。したがって、浸炭処理温度は８７０〜９５０℃の範囲内で選ぶべきである。このような適切な温度で処理することで、浸炭前に生成された未固溶炭化物の固溶が抑制され、浸炭後に多量かつ微細に炭化物が析出した状態を得ることができ、寿命が大きく改善される。なお、通常、浸炭処理の最後に焼き入れ処理をする少し前（３０分程度前）に、焼き入れ温度の調整のため若干温度を変更することがよく行われるが、ここでいう浸炭処理温度とは変更前の温度のことである。
１次浸炭処理雰囲気のカーボンポテンシャル
浸炭処理温度を８７０〜９５０℃に設定して処理中の炭化物の固溶および成長を抑制するとともに、カーボンポテンシャルを１．０％以上にすることにより、平均粒径０．３〜０．６μｍ以下でかつ最大粒径４μｍ以下の微細な炭化物を、面積率で１５〜２５％となるように表層部に多量に分散析出させることができ、その結果異物が混入した潤滑油中で大幅に寿命を改善できる。なお、カーボンポテンシャルの上限値は、大量の煤の発生を防止するために１．５％とする。
２次浸炭処理温度
２次浸炭処理温度が８７０℃未満であると、大量の煤が発生して設備のメンテナンス費用がアップしたり、炭素の拡散速度が低下することにより浸炭時間が長時間となって製造コストがアップする。また、２次浸炭処理温度が９１０℃を超えると炭化物の粗大化が促進され、最大粒径を４μｍ以下にすることができなくなる。したがって、２次浸炭処理温度は８７０〜９１０℃とするべきである。
２次浸炭処理雰囲気のカーボンポテンシャル
このカーボンポテンシャルの限定理由は、１次浸炭処理雰囲気のカーボンポテンシャルの場合と同様である。
請求項１の発明の転がり、摺動部品によれば、清浄な潤滑油を用いた場合はもちろんのこと、異物が混入した潤滑油を用いた場合においても一層の長寿命化を図ることができるとともに、静的負荷容量が増大して耐圧痕性が向上し、静止時および低速回転時の過大荷重および衝撃荷重に起因する局部的な永久変形量を少なくすることができる。
請求項２の発明の転がり、摺動部品によれば、請求項１の発明に対し、さらにＣ含有量およびＣｒ含有量の最適化を行った結果、高硬度で微細なＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の炭化物を表層部に多量に析出させることができるので、浸炭時の炭化物の成長を確実に抑制することができる。
請求項３の発明の転がり、摺動部品によれば、表層部の全炭素量を適切な範囲にすることによって、浸炭処理後の表層部の炭化物の面積率が適切な範囲に制御され、転がり、摺動部品を用いた転がり軸受や、すべり軸受の長寿命化を図ることができる。
請求項４の発明の転がり、摺動部品によれば、全添加元素の範囲を最適化しているので、請求項２と同様にＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型の炭化物を多量かつ微細に析出させるのに有利な成分となっており、かつ疲労破壊の起点となるＴｉやＡｌの介在物も小さく抑えられるので、高寿命の転がり、摺動部品を得ることができる。
請求項５の発明の転がり軸受によれば、異物が混入した潤滑油中および清浄潤滑油中での寿命が延びる。しかも、耐圧痕性が向上し、静止時および低速回転時の過大荷重および衝撃荷重に起因する局部的な永久変形量を少なくすることができる。
請求項６の発明の転がり、摺動部品の製造方法によれば、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物が多量かつ微細に析出させた部品を確実に得ることができるので、転がり、摺動部品の寿命改善および静的負荷容量の増大による耐圧痕性の向上に大きく貢献できる。
以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。
実施例１〜６および比較例１〜１６
表１に示す組成を有する４種の鋼材を用意し、前述した通り、優れた加工性を得るとともに、浸炭後の高硬度を得るために、浸炭前に多量の炭化物を析出させた状態とする必要性から、これらの鋼材に球状化焼鈍処理を施した後、型番６２０６の転がり軸受に用いられる２２種類の内輪素材を形成し、これらの内輪素材に熱処理条件１〜２２で熱処理を施して内輪（実施例１〜６および比較例１〜１６）を製造した。
Figure 2008001943
なお、表１において、すべての鋼の残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
熱処理条件１は、１次浸炭処理、２次浸炭処理および焼戻し処理を含む。図３に示すように、１次浸炭処理は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９３０℃で６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持するものであり、その後８０℃に油冷する。同じく図３に示すように、２次浸炭処理は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持するものであり、その後８０℃に油冷する。焼戻し処理は、１６０℃で２時間加熱保持した後空冷するものである。
熱処理条件２は、熱処理条件１の焼戻し処理温度を２００℃にしたものである。
熱処理条件３は、熱処理条件１と同じである。
熱処理条件４は、熱処理条件１の焼戻し処理温度を２００℃にしたものである。
熱処理条件５は１次浸炭処理、２次浸炭処理および焼戻し処理を含む。図４に示すように、１次浸炭処理は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で５時間加熱保持した後、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持するものであり、その後８０℃に油冷する。同じく図４に示すように、２次浸炭処理は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において８８０℃で３時間加熱保持した後、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において８８０℃で０．５時間加熱保持するものであり、その後８０℃に油冷する。焼戻し処理は、１６０℃で２時間加熱保持した後空冷するものである。
熱処理条件６は、熱処理条件５の焼戻し処理温度を２００℃にしたものである。
熱処理条件７は、図５に示すように、８３０℃で４０分間加熱保持した後８０℃に油冷して焼き入れ処理を施し、ついで１８０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件８は、熱処理条件７の焼き入れ処理の際の加熱温度を９００℃にしたものである。
熱処理条件９は、図６に示すように、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において８５０℃で３．５時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで１６０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件１０は、図７に示すように、カーボンポテンシャル１．２５％の浸炭雰囲気中において９３０℃で３時間加熱保持し、この加熱引き続いてカーボンポテンシャル１．１％の浸炭雰囲気中において９３０℃で２時間加熱保持し、さらにこれらの加熱に引き続いて適切な雰囲気中において８５０℃で０．５時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで１８０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件１１は、図８に示すように、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で５．５時間加熱保持し、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において８７０℃で０．５時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで１６０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件１２は、図９に示すように、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で５．５時間加熱保持し、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで１６０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件１３は、熱処理条件１１の浸炭処理における浸炭雰囲気中での加熱温度および時間を９３０℃、６時間にしたものである。
熱処理条件１４は、熱処理条件１１の浸炭処理における浸炭雰囲気中での加熱温度および時間を９３０℃、６時間にし、浸炭性ガスの存在しない大気中においての加熱温度を９００℃にしたものである。
熱処理条件１５は、熱処理条件１４の焼戻し温度を１８０℃にしたものである。
熱処理条件１６は、熱処理条件１４の焼戻し温度を２００℃にしたものである。
熱処理条件１７は、図１０に示すように、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９３０℃で６時間加熱保持し、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで９００℃で１時間加熱保持した後８０℃に油冷して焼き入れ処理を施し、ついで１６０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件１８は、１次浸炭処理、２次浸炭処理および焼戻し処理を含む。図１１に示すように、１次浸炭処理は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９３０℃で６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持するものであり、その後８０℃に油冷する。同じく図１１に示すように、２次浸炭処理は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において８５０℃で０．５時間加熱保持するものであり、その後８０℃に油冷する。焼戻し処理は、１６０℃で２時間加熱保持した後空冷するものである。
熱処理条件１９は、熱処理条件１７の焼き入れ処理の際の加熱温度を９５０℃にしたものである。
熱処理条件２０は、熱処理条件１８の２次浸炭処理における適切な雰囲気中での加熱温度を９５０℃にしたものである。
熱処理条件２１は、図１２に示すように、カーボンポテンシャル１．２９％の浸炭雰囲気中において８５０℃で８時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで１６０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
熱処理条件２２は、図１３に示すように、カーボンポテンシャル１．２９％の浸炭雰囲気中において８５０℃で８時間加熱保持し、この加熱に引き続いて適切な雰囲気中において９５０℃で０．５時間加熱保持して浸炭処理を施した後８０℃に油冷し、ついで１６０℃で２時間加熱保持した後空冷して焼戻し処理を施すものである。
このようにして製造された実施例１〜６および比較例１〜１６の内輪の鋼種、熱処理条件、熱処理後の内輪の軌道面の表面硬さ(HRC)、軌道面の表層部の全炭素量、軌道面の表層部に析出した炭化物の面積率、軌道面の表層部に析出した炭化物の最大粒径および平均粒径、残留オーステナイト（γＲ）中の固溶炭素量、ならびにＭ７Ｃ３型とＭ２３Ｃ６型の炭化物の合計面積率を表２に示す。
Figure 2008001943
寿命試験
実施例１〜６および比較例１〜１６の内輪を、JIS ＳＵＪ２からなりかつ通常の浸炭窒化処理が施されてなる外輪および玉と組み合わせて型番６２０６Ｃ３の玉軸受を組立てた。そして、これらの玉軸受を使用し、異物が混入した潤滑油を用いて寿命試験を行った。試験条件は表３に示す通りである。
Figure 2008001943
なお、表３に示す試験機は、同時に２個の玉軸受の試験を行うことが可能であり、表３中のラジアル荷重は、１つの玉軸受のラジアル荷重を意味する。
耐圧痕性試験
実施例１〜６および比較例１〜１６の内輪の耐圧痕性を調べることを目的として、実施例１〜６および比較例１〜１６の内輪の場合と同様に、表１に示す組成を有する４種の鋼材に球状化焼鈍処理を施した後、２２種類の耐圧痕性試験用の平板状の試験片を用意し、これらの試験片に上述した熱処理条件１〜２２で熱処理を施した。そして、図１４に示すように、各試験片(1)上に鋼球(2)を配置し、表４に示す条件で、治具(3)を介してアムスラーヘッド(3)により鋼球(2)を試験片(1)に押し付けて圧痕を形成し、３次元形状測定器により圧痕深さを測定した。なお、２２種類の試験片(1)の鋼種、熱処理条件、熱処理後の内輪の軌道面の表面硬さ(HRC)、軌道面の表層部の全炭素量、軌道面の表層部に析出した炭化物の面積率、軌道面の表層部に析出した炭化物の最大粒径および平均粒径、残留オーステナイト（γＲ）中の固溶炭素量、ならびにＭ７Ｃ３型とＭ２３Ｃ６型の炭化物の合計面積率は、当然のことながら表２に示す通りである。
Figure 2008001943
Ｌ１０寿命比および圧痕深さ比も表２に示す。
表２中のＬ１０寿命比は、試験機に同じ内輪を備えた玉軸受を２個セットし、いずれかの玉軸受の内輪が破損するまでの時間を計測するという試験を５回繰り返し、破損までの時間の平均をとってＬ１０寿命とし、比較例１(JIS ＳＵＪ２、焼き入れ焼き戻し品)のＬ１０寿命を１として求めたものである。また、圧痕深さ比は、同じく比較例１(JIS ＳＵＪ２、焼き入れ焼き戻し品)の圧痕深さを１として求めたものである。
表２に示す結果から明らかなように、実施例１〜６においては、長寿命化を図ることができるとともに、静的負荷容量が増大して静止時および低速回転時の塑性変形による圧痕に対する耐圧痕性が向上する。これに対し、比較例１〜１６においては寿命および耐圧痕性のうちの少なくともいずれか一方において、性能が劣っている。
実施例および比較例の転がり、摺動部品の評価試験の結果から求められたＬ１０寿命比と圧痕深さ比との関係を表すグラフである。 実施例および比較例の転がり、摺動部品の全析出炭化物の面積率と残留オーステナイト中の固溶炭素量との関係を表すグラフである。 熱処理条件１の１次浸炭処理および２次浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件５の１次浸炭処理および２次浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件７の焼き入れ処理を示す線図である。 熱処理条件９の浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件１０の浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件１１の浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件１２の浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件１７の浸炭処理および焼き入れ処理を示す線図である。 熱処理条件１８の１次浸炭処理および２次浸炭処理を示す線図である。 熱処理条件２１の浸炭処理および焼き入れ処理を示す線図である。 熱処理条件２２の１次浸炭処理および２次浸炭処理を示す線図である。 耐圧痕性試験において試験片に圧痕を形成する方法を示す概略図である。

Claims (6)

  1. 表面に浸炭処理が施された表層部を有する鋼により形成され、表層部の全析出炭化物の面積率が１５〜２５％であるとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物がＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型であり、表層部の炭化物の平均粒径が０．３〜０．６μｍであるとともに、同じく最大粒径が４μｍであり、表面硬さがロックウェルＣ硬さで６２以上となされ、表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量が０．９５〜１．１５wt％となされている転がり、摺動部品。
  2. Ｃ：０．７〜０．９wt％およびＣｒ：３．２〜５．０wt％を含む鋼により形成されている請求項１記載の転がり、摺動部品。
  3. 表層部の全炭素量が１．４〜１．８wt％となされている請求項１または２記載の転がり、摺動部品。
  4. Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の転がり、摺動部品。
  5. 内外両輪および転動体を備えており、内外両輪および転動体のうちの少なくとも１つが、請求項１〜４のうちのいずれかに記載の部品からなる転がり軸受。
  6. Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼に球状化焼鈍処理を施して多量の炭化物が析出した状態とした後、所定の形状に加工して加工済み部品素材を製造し、その後カーボンポテンシャルが１．０〜１．５％の浸炭雰囲気中で８７０〜９５０℃に加熱して１次浸炭処理を施した後急冷し、ついでカーボンポテンシャルが１．０〜１．５％の浸炭雰囲気中で８７０〜９１０℃に加熱して２次浸炭処理を施した後急冷し、さらに焼戻し処理を施すことにより、表層部の全析出炭化物の面積率を１５〜２５％とするとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物をＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型とし、表層部の炭化物の平均粒径を０．３〜０．６μｍとするとともに同じく最大粒径を４μｍとし、表面硬さをロックウェルＣ硬さで６２以上とし、さらに表層部の残留オーステナイト中の固溶炭素量を０．９５〜１．１５wt％とすることを特徴とする転がり、摺動部品の製造方法。
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