JP2008285722A - 転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受１の外輪１１、内輪１２、玉１３は、０．７〜１．１％の炭素、０．３〜０．７％の珪素、０．３〜０．８％のマンガン、０．５〜１．２％のニッケル、１．３〜１．８％のクロム、０．１〜０．７％のモリブデンおよび０．２〜０．４％のバナジウムを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素＋マンガンは１．０％以下、ニッケル＋クロムは２．３％以上、クロム＋モリブデン＋バナジウムは３．０％以下である鋼から構成され、高炭素含有層が形成され、その表層部の硬度は７２５〜８００ＨＶ、表層部の炭化物の最大粒径は１０μｍ以下、面積率は７〜２０％以下、表層部は内部よりも炭素量が０．２〜０．４％高く、表層部の窒素量は０．１〜０．５質量％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法に関し、より特定的には、高温環境、高すべり環境、希薄潤滑環境、水浸入環境など苛酷な環境下においても使用可能な転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法に関するものである。

近年、転がり軸受を構成する軸受部品などの転動部材は、益々苛酷な環境下で使用されることが多くなっている。たとえば、常温（室温）よりも高い温度環境である高温環境下においては、軸受の潤滑油が劣化したり、潤滑油の粘度が低下したりする結果、潤滑が不十分となり、表面損傷や摩耗が発生する場合がある。また、転動部材同士の間に大きなすべりが発生する高すべり環境下や、軸受の用途に起因して十分な潤滑が実現されない潤滑環境である希薄潤滑環境下においては、油膜切れが発生し、表面損傷が発生する場合がある。また、潤滑油中に水が侵入する環境である水侵入環境においては、侵入した水に起因して摩耗や錆ピットが発生し、これらを起点として転動部材に早期に剥離が発生する場合がある。さらに、軸受内部に侵入した水が分解することにより発生する水素や、不十分な潤滑に起因した転動部材同士の金属接触により出現する金属新生面を触媒として潤滑油が分解することにより発生する水素が転動部材に侵入し、短期間で転走面に剥離が生じる現象（水素脆性剥離）も問題となっている。また、転がり軸受が高温環境下で使用される場合、硬度の低下、使用中の寸法変化（経年寸法変化）、および寸法変化によるクリープを回避するため大きなはめあいを与えて使用されることによる割れの発生、などの問題もある。

これに対し、高温環境下で使用される軸受に関しては、長寿命化等を目的とした多くの検討がなされ、種々の対策が提案されている（たとえば特許文献１〜５参照）。
特開２００６−１０５３６３号公報 特開２００３−１８３７７１号公報 特開２００２−２５７１４４号公報 特開平５−１７９４０４号公報 特開平５−１１８３３６号公報

しかしながら、上記特許文献１〜５に開示された技術を含め、高温環境下での使用を想定した従来の転動部材においては、転動部材を構成する鋼に添加される合金元素の量が多いため加工が困難である、製造コストが高い、などの問題があった。また、軸受の内部に水が侵入する環境下においては、寿命が大幅に低下するという問題点もあった。

そこで、本発明の目的は、転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法を提供することである。

本発明に従った転動部材は、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成されている。高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は１０μｍ以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は７％以上２０％以下である。さらに、当該表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、当該表層部における窒素含有量は０．１質量％以上０．５質量％以下である。

ここで、高炭素含有層は、たとえば浸炭窒化処理により形成された浸炭窒化層である。また、高炭素含有層の表層部とは、高炭素含有層の表面からの距離が０．１ｍｍ以内の領域である。

本発明の転動部材では、転動部材を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、本発明の転動部材では、高炭素含有層の表層部における炭化物の大きさや面積率、転動部材における硬度分布および転動部材における炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本発明の転動部材によれば、転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材を提供することができる。

ここで、本発明の転動部材を構成する鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。

炭素：０．７質量％以上１．１％質量％以下
転動部材に対して浸炭窒化処理などを実施することにより、転動部材の表面を含む領域に高炭素含有層を形成し、転動部材の転動疲労寿命等と向上させることができる。しかし、炭素含有量が０．７質量％未満では、内部の硬度が安定せず、転動部材に大きな荷重が作用した場合に内部の強度が不十分となるおそれがある。したがって、炭素含有量は、内部の硬度を十分に確保するため、ずぶ焼入でも安定して高い硬度を確保可能な０．７質量％以上とした。一方、素材の炭素量が１．１質量％を超えると、加工性が低下し、また浸炭窒化等を実施した場合に転動部材の表層部に大型の炭化物が生成して転動部材の転動疲労寿命等に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、炭素含有量は１．１質量％以下とした。

珪素：０．３質量％以上０．７質量％以下
従来、珪素は安価でありながら、耐熱性を与える元素であるため、積極的に活用されてきた。しかし、高温環境下や水が侵入する環境下において使用される転動部材においては、高い珪素含有量は水素脆性剥離を助長する懸念がある。また、耐熱性は、他の合金元素で補うことが可能である。これらを考慮し、また他の合金元素の添加による加工性、旋削・研削性の低下を考慮し、珪素の含有量は０．７質量％以下とした。一方、珪素は、鋼の素地を強化し、転動部材の強度および転動疲労寿命を向上させる機能を有する。珪素の含有量が０．３質量％未満となると、当該機能が十分に発揮されない。したがって、珪素量は、０．３質量％以上とした。

マンガン：０．３質量％以上０．８質量％以下
マンガンは、転動部材の焼入性の向上、転動疲労寿命の向上のためには必須の合金元素であるが、珪素同様、加工性を阻害する。そのため、他の合金元素の含有量を増加させることによる焼入性の向上、転動疲労寿命の向上とのバランスから、添加量は０．８質量％以下とした。一方、マンガンは、製鋼過程における脱酸に必須の元素であることを考慮し、その含有量は、通常の高合金鋼に含まれるレベルである０．３質量％を下限値とした。

ニッケル：０．５質量％以上１．２質量％以下
ニッケルは、転動部材の高温での転動疲労寿命確保に必須であり、高温での耐食性や耐酸化性を向上させる。この効果を確保するため、ニッケルの含有量は、０．５質量％以上とした。一方、ニッケルの含有量が多いと、転動部材中の残留オーステナイト量が増加し、転動部材に必要な硬度を確保することが困難になる。また、ニッケルは比較的高価な合金元素であり、含有量が増加すると鋼材コストが上昇する。そのため、ニッケルの含有量は、１．２質量％以下とした。

クロム：１．３質量％以上１．８質量％以下
クロムは、転動部材の転動疲労寿命や高温での硬度の確保には必須の元素である。また、転動部材を構成する鋼の素地に溶け込むことで、ニッケルと同様に耐酸化性および耐食性を向上させる。通常の軸受鋼（ＪＩＳ規格）でも、クロムは１質量％以上含まれており、高温環境下において十分な特性を確保するためには、これよりも多い含有量が必要である。したがって、クロムの含有量は、１．３質量％以上とした。一方、クロムは、鋼中において炭化物を形成する。クロムの含有量が多くなり、大型の炭化物が形成された場合、転動疲労寿命を低下させるおそれがあることや、モリブデンやバナジウムなど炭化物を形成する他の合金元素の含有量とのかねあいを考慮して、クロムの含有量は１．８質量％以下とした。

モリブデン：０．１質量％以上０．７質量％以下
モリブデンは鋼の焼入性を向上させること、炭化物を形成することにより焼戻軟化抵抗性を向上させることから、高温環境下における転動部材の転動疲労寿命の確保に必須である。また、モリブデン炭化物や炭窒化物が水素をトラップするとも考えられ、水素脆性剥離の抑制にも効果がある。このような効果を確保するためには、モリブデンの含有量は、０．１質量％以上とする必要がある。一方、モリブデンは高価な元素であり、コスト面からできるだけ含有量は少なく抑える必要があるので、クロムおよびバナジウムの含有量との関係を考慮し、その添加量を０．７質量％以下とした。

バナジウム：０．２質量％以上０．４質量％以下
バナジウムは微細な炭化物を形成して粒界（オーステナイト結晶粒界）に析出し、結晶粒を微細化して転動部材の強度や靱性を向上させる。さらに、炭化物が水素のトラップサイトとして機能し、水素脆性剥離を抑制する効果を有する。特に、転動部材が高温で浸炭窒化処理され、高温焼戻が実施される場合、その効果が顕著になる。このような効果を確保するためには、０．２質量％以上の添加が必要である。一方、バナジウムは高価な元素であり、コスト面からできるだけ添加は少なく抑える必要があるので、クロム、モリブデンの添加量との関係を考慮し、その含有量を０．４質量％以下とした。

なお、リン、硫黄、アルミニウム、チタンなどの不純物元素の含有量は、軸受用鋼では通常低いレベルに抑えられている。本発明の転動部材を構成する鋼においても同様に、不純物元素の含有量は低いレベルに抑制されることが好ましい。具体的には、以下の範囲抑制されることが好ましい。

リン：０．０３質量％以下
偏析による靱性の低下、転動疲労寿命の低下を抑制するため、０．０３質量％以下とすることが好ましい。

硫黄：０．０３質量％以下
マンガンと結合して上記マンガンの効果を低下させるとともに、転動疲労寿命を低下させるおそれのある非金属介在物を形成するので、０．０３質量％以下とすることが好ましい。

アルミニウム：０．０５質量％以下
耐熱性を向上させる効果があるものの、非金属介在物の原因になりやすいので、０．０５質量％以下とすることが好ましい。

チタン：０．００３質量％以下
非金属介在物であるＴｉＮ（窒化チタン）を形成し、転動部材の転動疲労寿命低下の原因となるとともに、水素脆性剥離の剥離起点となるおそれがあるので、０．００３質量％以下とすることが好ましい。

また、本発明者は、転動部材を構成する鋼における各合金元素の含有量のバランスに関して詳細に検討した。その結果、以下の関係を満足することにより、転動部材の高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制を達成し、かつ合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材を提供することができることを見出した。

すなわち、珪素およびマンガンは、いずれも転動部材の加工性を低下させる。珪素の含有量とマンガンの含有量との和が１．０質量％を超えると、加工性が低下し、転動部材の製造コストが上昇するおそれがある。そのため、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は、１．０質量％以下とする必要がある。

また、ニッケルおよびクロムは、上述のように、いずれも転動部材の耐食性および耐酸化性を向上させる。高温環境下で使用される転動部材においては、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は、２．３質量％以上必要である。

クロム、モリブデンおよびバナジウムは、いずれも鋼中において炭化物を形成する傾向がある。クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和が３．０質量％を超えると、鋼中に大型の炭化物が形成され、転動部材の転動疲労寿命や割れ強度が低下するおそれがある。したがって、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、３．０質量％以下とする必要がある。

さらに、本発明の転動部材の硬度、転動部材に含まれる炭化物に関する構成、および転動部材における炭素および窒素の濃度を上記の範囲に限定した理由は以下のとおりである。

転動部材に形成された高炭素含有層の表層部、特に転動部材の転走面下の表層部は転動疲労を受ける。当該表層部の硬度が７２５ＨＶ（６１ＨＲＣ）未満である場合、転動部材の転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上とする必要がある。一方、高炭素含有層の表層部の硬度を８００ＨＶを超える範囲とするためには、当該表層部にクロムなどの炭化物を所定量以上形成する必要がある。この場合、後述のように、転動部材の転動疲労寿命や加工性が低下するおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部の硬度は、８００ＨＶ以下とする必要がある。

転動部材に形成された高炭素含有層の表層部、特に転動部材の転走面下の表層部に存在する大型の炭化物は、転動疲労を受けた場合に応力集中源となり、破壊起点となり得る。当該表層部に、１０μｍを超える炭化物が存在する場合、転動部材の転動疲労寿命が低下するおそれがある。そのため、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下とする必要がある。なお、厳しい環境下で使用される場合、より小さい炭化物が転動疲労寿命を低下させる可能性がある。そのため、上記炭化物の最大粒径は、５μｍ以下であることが好ましい。

転動部材に形成された高炭素含有層の表層部における炭化物量が多くなると、当該表層部の加工性、特に研削を行なう場合の加工性が低下する。表層部における炭化物の面積率が２０％を超えると、当該表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部における炭化物の面積率は、２０％以下とする必要がある。一方、炭化物の面積率が７％未満では、転動部材の耐摩耗性が不足し、転動疲労寿命が低下する可能性がある。そのため、高炭素含有層の表層部における炭化物の面積率は、７％以上とする必要がある。なお、加工性を一層向上させるためには、炭化物の面積率は１５％以下であることが好ましい。

ここで、炭化物とは、たとえばＦｅ_３Ｃ（セメンタイト）、またはクロムやモリブデンなどの合金元素によってＦｅが置換された炭化物（Ｍ３Ｃと示される）、もしくはＭ２３Ｃ６やＭ７Ｃ３などである。

また、表層部における炭素含有量を内部における炭素含有量よりも大きくすることにより、表層部に圧縮応力を形成させ、転動部材の転動疲労寿命等を向上させることができる。転動疲労寿命が明確に向上する程度の圧縮応力、たとえば１５０ＭＰａ以上の圧縮応力を形成させるためには、表層部と内部との炭素含有量の差は０．２質量％以上必要である。一方、上記炭素含有量の差が０．４質量％よりも大きくなると、表層部での炭素含有量が高くなり、表層部に大型の炭化物が多数形成されて転動部材の特性が低下するおそれがある。したがって、表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高いことが必要である。

さらに、表層部に窒素を含有させることにより、焼戻軟化抵抗性を向上させて、転動部材の転動疲労寿命等を向上させることができる。このような窒素の効果を発揮させるためには、表層部の窒素含有量は０．１質量％以上必要である。一方、表層部の窒素含有量が０．５質量％を超えると、脱炭や焼入性の低下の原因となり、転動疲労寿命等が低下するおそれがある。したがって、表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下とする必要がある。

なお、高炭素含有層の表層部における炭化物の最大粒径および面積率は、たとえば、以下のように調査することができる。まず、転動部材を切断し、切断面を研磨した後、ピクラル（ピクリン酸アルコール溶液）にて腐食する。そして、表層部に該当する領域をランダムに２０視野（倍率４００倍、視野面積０．６ｍｍ^２）観察し、画像処理装置などを用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査する。また、上記高炭素含有層の表層部の硬度は、たとえば、転動部材を切断し、高炭素含有層の表層部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査することができる。さらに、上記高炭素含有層の表層部および内部の炭素含有量および窒素含有量は、たとえば、転動部材を切断し、高炭素含有層の表層部および内部をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により分析して調査することができる。

上記転動部材において好ましくは、転動部材を構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である。

モリブデンおよびバナジウムは、上述のように比較的高価な合金元素である。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を、クロムの含有量の半分以下とすることにより、製造コストを抑制することができる。

上記転動部材において好ましくは、転動部材を構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である。

上述のように、珪素は、水素脆性剥離を助長するおそれがある一方、モリブデンおよびバナジウムは水素脆性剥離を抑制する機能を有する。珪素の含有量を、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下とすることにより、転動部材の水素脆性剥離を十分に抑制することができる。

上記転動部材において好ましくは、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層の表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である。

転動部材が高温環境下にて使用された場合、転動部材の硬度が低下し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。これに対し、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合でも、高炭素含有層の表層部、特に転走面下の表層部が５５０ＨＶ以上の硬度を有していることにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。

本発明に従った転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上述の本発明の転動部材である。

本発明の転がり軸受によれば、上記本発明の転動部材を備えていることにより、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転がり軸受を提供することができる。

本発明に従った転動部材の製造方法は、鋼製部材が準備される工程と、当該鋼製部材が焼入硬化される工程と、当該鋼製部材が焼戻される工程とを備えている。鋼製部材が準備される工程では、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼からなり、転動部材の概略形状に成形された鋼製部材が準備される。

鋼製部材が焼入硬化される工程では、準備された鋼製部材に対して、浸炭窒化処理が実施された後、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却されることにより、鋼製部材が焼入硬化される。そして、鋼製部材が焼戻される工程では、焼入硬化された鋼製部材が、１５０℃以上３００℃以下の温度域に加熱されて焼戻される。

本発明の転動部材の製造方法では、鋼製部材が準備される工程において、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制され、かつ高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制が可能な上記成分組成を有する鋼からなる鋼製部材が準備される。そして、当該鋼製部材が焼入硬化される工程において、浸炭窒化処理により高炭素含有層が形成された上で、鋼製部材が焼き戻される工程において適切な温度域に加熱されて焼戻が実施される。その結果、本発明の転動部材の製造方法によれば、転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材を製造することができる。

なお、転動部材が高温環境下で使用された場合の寸法変化を抑制し、耐久性を向上させるためには、鋼製部材が焼戻される工程において、鋼製部材が、２００℃以上の温度域に加熱されて焼戻されることが好ましく、２４０℃以上の温度域に加熱されて焼戻されることがより好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法によれば、転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法を提供することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における転動部材を備えた転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１の要部を拡大して示した概略部分断面図である。図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１における転がり軸受としての深溝玉軸受、転動部材としての軌道輪および玉の構成について説明する。

図１を参照して、実施の形態１の深溝玉軸受１は、環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された環状の内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置され、円環状の保持器１４に保持された転動体としての複数の玉１３とを備えている。外輪１１の内周面には外輪転走面１１Ａが形成されており、内輪１２の外周面には内輪転走面１２Ａが形成されている。そして、内輪転走面１２Ａと外輪転走面１１Ａとが互いに対向するように、外輪１１と内輪１２とは配置されている。さらに、複数の玉１３は、内輪転走面１２Ａおよび外輪転走面１１Ａに接触し、かつ保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより、円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、玉１３においては、その表面全体が転走面である。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。

次に、転がり軸受である深溝玉軸受１を構成する転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３について説明する。図１および図２を参照して、外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。

さらに、外輪１１、内輪１２および玉１３の表面を含む領域には、それぞれの内部１１Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃよりも炭素含有量の大きい高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成されている。高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下である。また、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は、７％以上２０％以下である。さらに、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部における炭素含有量は、内部１１Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃの炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、当該表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である。

実施の形態１の転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３では、外輪１１、内輪１２および玉１３を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、実施の形態１の外輪１１、内輪１２および玉１３では、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部における炭化物の大きさや面積率、外輪１１、内輪１２および玉１３における硬度分布、および外輪１１、内輪１２および玉１３における炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、実施の形態１の外輪１１、内輪１２および玉１３は、外輪１１、内輪１２および玉１３を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材となっている。また、実施の形態１の転がり軸受としての深溝玉軸受１は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転がり軸受となっている。

また、実施の形態１の外輪１１、内輪１２および玉１３においては、これらを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下であることが好ましい。これにより、これらの製造コストを抑制することができる。

また、実施の形態１の外輪１１、内輪１２および玉１３においては、これらを構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下であることが好ましい。これにより、珪素による水素脆性剥離の助長を抑制しつつ、モリブデンおよびバナジウムにより水素脆性剥離を一層抑制することができる。

また、実施の形態１の外輪１１、内輪１２および玉１３においては、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。

次に、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法を説明する。図３は、実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。

図３を参照して、まず工程（Ｓ１００）において、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成される鋼材を準備する鋼材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を有する棒鋼や鋼線などが準備される。

次に工程（Ｓ２００）において、上記鋼材を成形することにより、転動部材の概略形状に成形された鋼製部材を作製する成形工程が実施される。具体的には、たとえば上記棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１および図２に示される外輪１１、内輪１２および玉１３などの概略形状に成形された鋼製部材が作製される。上記工程（Ｓ１００）および（Ｓ２００）は、転動部材の概略形状に成形された鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程を構成する。

次に、工程（Ｓ３００）において、鋼製部材に対して、浸炭窒化処理が実施された後、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却されることにより、当該鋼製部材が焼入硬化される焼入硬化工程が実施される。その後、工程（Ｓ４００）において、焼入硬化された鋼製部材が、１５０℃以上３００℃以下の温度域に加熱されて焼戻される焼戻工程が実施される。上記工程（Ｓ３００）および（Ｓ４００）は、鋼製部材が熱処理される熱処理工程を構成する。この熱処理工程の詳細については後述する。

次に工程（Ｓ５００）において、仕上げ工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された鋼製部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、外輪１１、内輪１２および玉１３などが仕上げられる。これにより、実施の形態１における転動部材の製造方法が完了し、転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３などが完成する。

さらに、工程（Ｓ６００）において、組立て工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ１００）〜（Ｓ５００）において作製された外輪１１、内輪１２および玉１３と、別途準備された保持器１４などとが組合わされて、実施の形態１における転がり軸受としての深溝玉軸受１が組立てられる。これにより、実施の形態１における転がり軸受の製造方法が完了し、転がり軸受としての深溝玉軸受１が完成する。

次に、熱処理工程の詳細について説明する。図４は、実施の形態１における転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。図４において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図４において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。

図４を参照して、工程（Ｓ２００）において作製された鋼製部材は、まず、Ａ_１点以上の温度である温度Ｔ_１に加熱され、時間ｔ_１だけ保持される。このとき、鋼製部材は、たとえばＲＸガスおよびアンモニアガスを含む雰囲気中において加熱される。その結果、鋼製部材の表面付近の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。これにより、浸炭窒化処理が完了する。その後、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却されて、焼入が完了する。以上の手順により、焼入硬化工程が完了する。

さらに、焼入硬化された鋼製部材がＡ_１点以下の温度である温度Ｔ_２に加熱され、ｔ_２だけ保持された後、たとえば室温まで空冷（放冷）されることにより焼戻工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態における熱処理工程が完了する。

ここで、温度Ｔ_１は、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に８２０℃以上８７０℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間ｔ_１は、たとえば６０分間以上３００分間以下である。

また、浸炭窒化処理が実施される際のカーボンポテンシャル（Ｃ_Ｐ）値は、たとえば０．９以上１．４以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に１．０以上１．３以下であることが好ましい。さらに、浸炭窒化処理が実施される際の雰囲気中のアンモニア濃度は、たとえば５体積％以上２０体積％以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に７体積％以上１５体積％以下であることが好ましい。

また、温度Ｔ_２は、たとえば１５０℃以上３００℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に２００℃以上３００℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間ｔ_２は、たとえば６０分間以上１８０分間以下である。

なお、上記実施の形態における熱処理工程において、浸炭窒化処理および焼入の後に、２次焼入が実施されてもよい。これにより、転動部材を構成する鋼のオーステナイト結晶粒（旧オーステナイト結晶粒）の粒度番号を大きく（結晶粒径を小さく）することが可能となり、鋼の組織を微細化することができる。その結果、転動部材の転動疲労寿命、靭性などを向上させることができる。また、２次焼入が実施される場合、鋼の組織を微細化するため、鋼製部材は、温度Ｔ_１よりも高い温度に加熱されることなく焼入が実施されることが好ましい。

ここで、Ａ_１点とは、鋼を加熱するときに、鋼の組織がフェライトからオーステナイトへ変態を開始する温度に相当する点を示す。また、Ｍ_Ｓ点とは、オーステナイト化した鋼を冷却するときに、鋼の組織がマルテンサイト化を開始する温度に相当する点を示す。また、カーボンポテンシャルとは、浸炭脱炭反応が平衡に達し、鋼が含有する炭素濃度が一定の値となったときの、鋼の表層部が含有する炭素濃度を示し、鋼を加熱する雰囲気における浸炭能力を示す値である。すなわち、カーボンポテンシャルが高いほど浸炭能力が高い。雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、たとえば雰囲気ガスの温度と、雰囲気ガスの組成、すなわち一酸化炭素と酸素との濃度、あるいは一酸化炭素と二酸化炭素との濃度とを計測することにより、算出することができる。

上記熱処理工程により、転動部材としての外輪１１、内輪１２および玉１３の表面、より具体的には転走面を含む領域には、浸炭窒化層である高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成される。そして、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部の硬度は７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部に分布する炭化物の最大粒径は１０μｍ以下、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部における炭化物の面積率は７％以上２０％以下とすることができる。さらに、高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部における炭素含有量を内部１１Ｃ、１２Ｃ、１３Ｃよりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、かつ高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂの表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることができる。

上記本実施の形態における転動部材の製造方法では、鋼製部材準備工程において、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制され、かつ高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制が可能な上記成分組成を有する鋼からなる鋼製部材が準備される。そして、焼入硬化工程において、当該鋼製部材に高炭素含有層１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂが形成された上で、焼戻工程において鋼製部材が適切な温度域に加熱されて焼戻が実施される。その結果、上記本実施の形態における転動部材の製造方法によれば、転動部材を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材を製造することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２における転動部材および転がり軸受について説明する。図５は、本発明の一実施の形態である実施の形態２における転動部材を備えた転がり軸受としての自動調心ころ軸受の構成を示す概略断面図である。

図５を参照して、自動調心ころ軸受２は、基本的には図１および図２に基づいて説明した深溝玉軸受１と同様の構成を有している。しかし、軌道輪および転動体の形状等において、実施の形態２における自動調心ころ軸受２は、実施の形態１における深溝玉軸受１とは異なっている。

すなわち、自動調心ころ軸受２は、外輪２１の内周面が、中心が軸受中心に一致する球面形状であり、内輪２２の外周面には２列の軌道溝が形成され、外輪２１と内輪２２との間に、保持器２４により保持される２列の樽型のころ２３を備えている。このような２列の樽型のころ２３を備えることにより、軸の傾きなどに対応する調心性が得られる。なお、ころ２３においては、その外周面全体が転走面である。

転動部材としての自動調心ころ軸受２の軌道輪（外輪２１および内輪２２）と、ころ２３とは、図１に示される深溝玉軸受１の軌道輪（外輪１１および内輪１２）と玉１３とに相当し、同様の構成を有している。すなわち、外輪２１と内輪２２およびころ２３の表面を含む領域には、図２に基づいて説明した外輪１１、内輪１２および玉１３と同様の高炭素含有層が形成されている。

その結果、実施の形態２の外輪２１、内輪２２およびころ２３は、外輪２１、内輪２２およびころ２３を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材となっている。また、実施の形態２の転がり軸受としての自動調心ころ軸受２は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転がり軸受となっている。したがって、自動調心ころ軸受２は、たとえば製紙機械のカレンダロール支持軸受に好適である。

なお、本実施の形態の自動調心ころ軸受２は、実施の形態１において説明した深溝玉軸受１と同様の製造方法により製造することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３における転動部材および転がり軸受について説明する。図６は、本発明の一実施の形態である実施の形態３における転動部材を備えた転がり軸受としての四列円錐ころ軸受の構成を示す概略断面図である。

図６を参照して、四列円錐ころ軸受３は、基本的には図１および図２に基づいて説明した深溝玉軸受１と同様の構成を有している。しかし、軌道輪および転動体の形状等において、実施の形態３における四列円錐ころ軸受３は、実施の形態１における深溝玉軸受１とは異なっている。

すなわち、四列円錐ころ軸受３は、環状の４つの外輪３１と、外輪３１の内側に配置される環状の２つの内輪３２と、外輪３１と内輪３２との間に配置される複数の円錐状のころ３３とを備えている。内輪３２の外周面がそれぞれ２つの外輪３１の内周面に対向するように、４つの外輪３１と２つの内輪３２とは配置されている。さらに、複数のころ３３は、外輪３１の内周面のそれぞれに沿って、外輪３１の内周面に形成された外輪転走面３１Ａと内輪３２の外周面に形成された内輪転走面３２Ａとに接触し、保持器３４により保持されることにより周方向に所定のピッチで配置されて、４列の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、四列円錐ころ軸受３の外輪３１および内輪３２は、互いに相対的に回転可能となっている。なお、ころ３３においては、その外周面全体が転走面である。

転動部材としての四列円錐ころ軸受３の軌道輪（外輪３１および内輪３２）と、ころ３３とは、図１に示される深溝玉軸受１の軌道輪（外輪１１および内輪１２）と玉１３とに相当し、同様の構成を有している。すなわち、外輪３１と内輪３２およびころ３３の表面を含む領域には、図２に基づいて説明した外輪１１、内輪１２および玉１３と同様の高炭素含有層が形成されている。

その結果、実施の形態３の外輪３１、内輪３２およびころ３３は、外輪３１、内輪３２およびころ３３を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転動部材となっている。また、実施の形態３の転がり軸受としての四列円錐ころ軸受３は、転動部材を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、苛酷な環境下においても長寿命な転がり軸受となっている。したがって、四列円錐ころ軸受３は、たとえば鉄鋼圧延設備のロール支持軸受に好適である。

なお、本実施の形態の四列円錐ころ軸受３は、実施の形態１において説明した深溝玉軸受１と同様の製造方法により製造することができる。

また、上記実施の形態１〜３においては、本発明の転動部材および転がり軸受の一例として深溝玉軸受、自動調心ころ軸受、四列円錐ころ軸受およびこれらが備える軌道輪および転動体について説明したが、本発明の転動部材および転がり軸受はこれらに限られず、たとえば、スラスト型の転がり軸受およびスラスト型の転がり軸受が備える軌道輪および転動体であってもよい。

以下、実施例１について説明する。本発明の転動部材を構成する鋼からなる鋼材に対して、本発明の転動部材の製造方法における熱処理工程を実施した試験片（試験片Ｎｏ．１〜４）を作製し、その材質特性を調査する試験を行なった。また、比較例として、本発明の転動部材を構成する鋼の成分範囲外の鋼からなる鋼材に対して、本発明の転動部材の製造方法における熱処理工程を実施した試験片（試験片Ｎｏ．５〜８）、現用鋼である軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対して一般的な熱処理工程であるずぶ焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．９）、および軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対して浸炭窒化焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．１０）を作製し、同様にその材質特性を調査する試験を行なった。試験の具体的手順は以下のとおりである。

まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。はじめに、表１に示す化学成分を有する鋼材を準備した。表１において、主要化学成分については、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）およびバナジウム（Ｖ）の各含有量が質量％で示されており、記載された成分の残部は鉄および不可避的不純物である。そして、上記鋼材を試験片の概略形状に成形し、成形部品とした。試験片の形状は、直径φ１２ｍｍ×長さＬ２２ｍｍの円筒形状である。なお、表１において、比較例の試験片を構成する鋼が化学成分において本発明の転動部材を構成する鋼と異なる点が、備考欄に示されている。

次に、現用鋼からなる成形部品以外の成形部品に対して、図４に基づいて説明した実施の形態１における熱処理工程を実施した。ここで、温度Ｔ_１は８５０℃、時間ｔ_１は１２０分、Ｃ_Ｐ値は１．１〜１．３、浸炭窒化処理における雰囲気中のアンモニア濃度は５体積％、温度Ｔ_２は２８０℃、時間ｔ_２は１２０分間とした。なお、実施例の成形部品については、Ｃ_Ｐ値は、表層部における炭素含有量が内部の炭素含有量よりも０．２〜０．４質量％だけ高くなるように、各鋼材に合わせて１．１〜１．３の範囲で調整した。

一方、ＳＵＪ２からなる成形部品に対しては、８５０℃に加熱して４０分間保持した後、急冷することにより焼入を実施した。その後、当該成形部品を１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施した。（ずぶ焼入；試験片Ｎｏ.９）。さらに、ＳＵＪ２からなる成形部品に対しては、Ｃ_Ｐ値が１．１、ＲＸガスに対して５体積％のアンモニアを添加した雰囲気中で８５０℃に加熱して９０分間保持した後、急冷することにより浸炭窒化および焼入を実施し、２８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施したものも作製した（浸炭窒化焼入；試験片Ｎｏ.１０）。

さらに、焼入および焼戻が実施された成形部品に対して、仕上げ加工を実施することにより、本実施例における試験片を完成させた。

次に、本実施例における材質特性の評価項目および評価方法について説明する。上述の手順により完成した試験片に対し、高炭素含有層の表層部の硬度（表層硬度）、表層部に分布する炭化物の最大粒径（最大炭化物径）、表層部における炭化物の面積率（炭化物面積率）、表層部と内部との炭素含有量の差（表層部炭素増加量）、表層部における窒素濃度（表層部窒素濃度）、表層部における残留応力（表層部残留応力）を測定し、また５００℃の温度に６０分間保持する処理を行なった後の表層部の硬度（５００℃焼戻硬度）を測定し、材質特性の評価を行なった。

最大炭化物径および炭化物面積率の測定は、以下のように行なった。まず、試験片を切断し、切断面を研磨した後、ピクラルにて腐食した。そして、表層部に該当する領域をランダムに２０視野（倍率４００倍、視野面積０．６ｍｍ^２）観察し、画像処理装置を用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査した。また、表層硬度の測定は、試験片を切断し、高炭素含有層の表層部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査した。また、５００℃焼戻硬度は、試験片を５００℃の温度に６０分間保持する処理を行なった後、表層硬度と同様に硬度を測定した。さらに、表層部炭素増加量および表層部窒素濃度は、試験片の軸方向中央部を切断し、切断面における表層部および内部の炭素濃度、表層部の窒素濃度をＥＰＭＡにより測定して評価した。

試験結果を表２に示す。なお、表２において、評価結果が好ましい範囲外となった測定値には、下線が付されている。また、表２において、比較例の試験片が、化学成分において本発明の転動部材と異なる点が備考欄に示されている。さらに、表層部残留応力は、圧縮応力が残留している場合、−（マイナス）を付して表示した。

表２を参照して、表層硬度に関しては、本発明の実施例である試験片Ｎｏ．１〜４のすべてが好ましい範囲である７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下の硬度を有している。一方、比較例である試験片Ｎｏ．７および１０は、７２５ＨＶ未満となっている。そのため、試験片Ｎｏ.７および１０と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。また、試験片Ｎｏ.９は、他の試験片の焼戻の温度が２８０℃であるのに対し、硬度を確保するために焼戻の温度が１８０℃とされている。その結果、５００℃焼戻硬さにおいては硬度の低下が大きくなり、好ましい硬度範囲である５５０ＨＶ以上を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ.９と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、高温環境下において使用される場合、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。

また、最大炭化物径に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．５、６および８において、好ましい範囲である１０μｍ以下を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ．５、６および８と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、大型の炭化物が高炭素含有層の表層部に存在するため、当該炭化物を起点とした剥離が発生し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。

また、炭化物面積率に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．８において、好ましい範囲である７％以上２０％以下を確保することができていない。そのため、炭化物面積率が高い試験片Ｎｏ．８と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。

また、表層部炭素増加量に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．５、９および１０において、好ましい範囲である０．２質量％以上０．４質量％以下を確保することができていない。その結果、表層部炭素増加量の小さい試験片Ｎｏ．５、９および１０においては、表層部残留応力として測定された表層部の圧縮応力が好ましい範囲である１５０ＭＰａ未満となっている。そのため、試験片Ｎｏ．５、９および１０と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、表層部における圧縮応力の形成が不十分となり、転動疲労寿命が十分に向上しない可能性がある。

また、表層部窒素濃度に関しては、浸炭窒化が実施されていない比較例であるＮｏ．９において、好ましい範囲である０．１質量％以上０．５質量％以下を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ．９と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、焼戻軟化抵抗性の向上が不十分となり、特に高温環境下における転動部材の転動疲労寿命等が十分に向上しない可能性がある。

これに対し、本発明の実施例である試験片Ｎｏ.１〜４は、表層硬度、最大炭化物径、炭化物面積率、表層部炭素増加量、表層部窒素濃度、表層部残留応力および５００℃焼戻硬度のすべての材質特性の項目において、好ましいの範囲を確保している。そのため、試験片Ｎｏ.１〜４と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された転動部材は、高温環境下や水の浸入する環境などの苛酷な使用環境においても長寿命であるものと考えられる。

以下、実施例２について説明する。本発明の転動部材の特性を評価するため、本発明の転動部材と同様の構成を有する試験片（試験片Ｎｏ．１〜４）、本発明の範囲外の構成を有する試験片（試験片Ｎｏ．５〜８）、および現用鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対してずぶ焼入または浸炭窒化焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．９および１０）を作製し、その特性を評価する試験を行なった。試験項目は、（１）転動疲労寿命試験、（２）湿潤試験、（３）摩耗試験、（４）超音波疲労試験、（５）ピーリング試験、（６）リング圧壊試験、（７）リング回転割れ疲労試験の７項目である。以下、各試験の試験手順、試験条件について説明する。

（１）転動疲労寿命試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ１２ｍｍ長さＬ２２ｍｍの円筒状の試験片を作製した。そして、表３に示す試験条件で転動疲労寿命試験を行なった。

転動疲労寿命試験は、φ１２点接触試験機を用いて行なわれた。図７は、φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図８は、φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。なお、図８においては、φ１２点接触試験機の一部が断面で示されている。図７および図８を参照して、転動疲労寿命試験の試験機について説明する。

図７および図８を参照して、φ１２点接触試験機９０は、駆動ローラ９２と、案内ローラ９３と、鋼球９４とを備えている。そして、転動疲労寿命試験片９１は、駆動ローラ９２によって駆動され、鋼球９４と接触して回転する。鋼球９４は、案内ローラ９３にガイドされて、転動疲労寿命試験片９１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。潤滑油は強制循環により給油される。以上のようにφ１２点接触試験機９０を運転し、５個の試験片を用いて、１個の試験片で場所を変えて２回の試験ができるので試験数は１０回とし、試験片に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）を調査した。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる転動疲労寿命を算出した。

（２）湿潤試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ１２ｍｍ長さＬ２２ｍｍの円筒状の試験片を作製した。その後、一方の端面にラッピングを行ない、当該端面を鏡面に仕上げた。そして、鏡面仕上げされた当該端面を試験面として、表４に示す試験条件（ＪＩＳ Ｋ２２４６に従った試験条件）で湿潤試験を行なった。

表４に示す温度および湿度の条件に保持した試験装置内に試験片を２０時間保持した後、試験装置を大気に開放して４時間保持した。その後、試験面の面積に対する錆が発生した領域の面積の比である面積比を測定し、当該面積比の逆数を算出することにより、各試験片の錆の発生に対する抵抗性（耐食性）を評価した。面積比の測定は、試験後の試験面を写真撮影し、当該写真を画像処理装置により画像処理することにより行なった。試験片はそれぞれ２個とした。

（３）摩耗試験
この試験は、高温のために潤滑条件が悪い場合の、転動部材の摩耗状態を推定できる試験である。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された平板状の試験片を作製した。その後、試験片の一方の主面を鏡面仕上げし、当該鏡面仕上げされた面を試験面とした。そして、表５に示す試験条件で摩耗試験を行なった。

摩耗試験は、サバン型摩耗試験機を用いて行なわれた。図９は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図１０は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。図９および図１０を参照して、サバン型摩耗試験機について説明する。

図９および図１０を参照して、サバン型摩耗試験機４０は、ロードセル４３とエアスライダ４４とを備えている。平板形状の摩耗試験片４１はエアスライダ４４に保持され、摩耗試験時に負荷される重錘４２による荷重はロードセル４３により検出される。そして、摩耗試験片４１の鏡面研磨された表面と、相手材４５の外周面とを接触させ、相手材４５を回転させる。摩耗試験片４１と相手材４５との接触面には直接潤滑油が供給されず、相手材４５の一部が潤滑油４６に浸漬される。

以上のようにサバン型摩耗試験機４０を運転し、相手材を６０分間回転させた後の試験片の摩耗体積を測定した。そして、当該摩耗体積の逆数で各試験片の耐摩耗性を評価した。

（４）超音波疲労試験
この試験は、引張−圧縮モードでの高速疲労試験であって、表面滑りなどによる表面引張応力に対する疲労強度が評価可能な試験である。また、短時間で評価できるので、電解チャージなどにより水素を鋼中に侵入させた状態で試験を行なうことができる。これにより、水素脆性剥離に対する抵抗性を推定することができる。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された試験片を作製した。試験片の形状は、中央部に、外径が小さくなった部分であるノッチが形成された丸棒状とした。作製された試験片に対して、まず、表６に示す条件で水素チャージを実施した。その後、表７に示す条件で超音波疲労試験を実施した。

超音波疲労試験は、超音波疲労試験機を用いて行なわれた。図１１は、超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１１を参照して、超音波疲労試験機について説明する。

図１１を参照して、超音波疲労試験機５０は、超音波疲労試験片５１が固定される部位に連結されるホーン部５２と、ホーン部５２に接続されるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子５３と、ＰＺＴ振動子５３に接続される増幅器５４と、増幅器５４に接続されたパーソナルコンピュータなどの制御装置５５とを備えている。さらに、超音波疲労試験機５０は、超音波疲労試験片５１がセットされた状態において、超音波疲労試験片５１のホーン部５２に連結される側とは反対側の端部に対向するようにすき間ゲージ５６が配置され、すき間ゲージ５６はオシロスコープ５７に接続される。

そして、超音波疲労試験片５１を超音波疲労試験機５０にセットし、制御装置５５により出力を制御しつつ、増幅器５４を介してＰＺＴ振動子５３に電力を入力することにより、超音波振動を発生させる。この超音波振動をホーン部５２を介して超音波疲労試験片５１に伝達することにより超音波疲労試験片５１を共振させる。このとき、超音波疲労試験片５１の直径が最も細い部分において、軸方向の引張圧縮の応力振幅が最大となる。一方、オシロスコープ５７に接続されたすき間ゲージ５６により、超音波疲労試験片５１の振動の状態を管理する。

以上のように超音波疲労試験機５０を運転し、超音波疲労試験片５１が剥離または破断するまでの応力の繰り返し数を調査した。さらに、当該調査を種々の応力について実施し、その結果が正規分布に従うとの仮定の下、当該結果を統計的に解析して１０％の試験片が応力の繰り返し数１０^７回で破断すると予測される応力（１０^７回疲労強度）を算出し、水素が侵入した状態での疲労強度を評価した。

（５）ピーリング試験
この試験は、試験片を潤滑油膜が切れる条件で転動させ、表面に金属接触による疲れ損傷（ピーリング）を起こさせるもので、潤滑が十分でない場合の表面損傷に対する抵抗性を調査することができる。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表８に示す条件でピーリング試験を実施した。

ピーリング試験は、２円筒型転動試験機を用いて行なわれた。図１２は、２円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１２を参照して、２円筒型転動試験機について説明する。

図１２を参照して、２円筒型転動試験機６０には、第１軸６３まわりに回転可能なように円盤状の相手試験片６１がセットされるとともに、第２軸６４まわりに回転可能なように円盤状の試験片６２がセットされる。第１軸６３と第２軸６４とは平行に配置されており、相手試験片６１と試験片６２とは互いに外周面が接触するように、第１軸６３および第２軸６４のそれぞれの一方の端部にセットされる。また、第１軸６３および第２軸６４の他方の端部には、いずれも回転速度計６５とスリップリング６６とが配置されている。

そして、相手試験片６１に潤滑油が滴下されつつ、駆動軸としての第１軸６３が回転する。これにより、相手試験片６１が回転するとともに、試験片６２が相手試験片６１と接触しつつ、相手試験片６１に従動して回転する。以上のように２円筒型転動試験機６０を運転し、所定の回転数である４．８×１０^５回の回転が終了したところで第１軸６３の回転を停止した。そして、試験片６２が２円筒型転動試験機６０から取り外され、試験片６２の外周面に発生したピーリングの面積が調査され、試験片６２の外周面の面積に対するピーリングの面積の割合（ピーリング面積率）が算出された。そして、当該ピーリング面積率の逆数により、耐ピーリング強度を評価した。

（６）リング圧壊試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施されたリング状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、リング圧壊試験を実施した。

図１３は、リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。図１３を参照して、リング圧壊試験について説明する。

図１３を参照して、圧壊試験片７１は外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍの円環状の形状を有している。そして、荷重方向７２の向きに荷重が徐々に負荷されて、圧壊試験片７１が破壊された時点における荷重が測定される。その後、得られた破壊荷重が、下記に示す曲がり梁の応力計算式（Ａ）〜（Ｃ）により応力値に換算される。

すなわち、図１３の圧壊試験片７１の凸表面（圧壊試験片７１の中心線から＋ｅ_１の距離にある面）における繊維応力をσ_１、凹表面（圧壊試験片７１の中心線から−ｅ_２の距離にある面）における繊維応力をσ_２とすると、σ_１およびσ_２は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０参照）。ここで、Ｎは圧壊試験片７１の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ_１は外半径、ｅ_２は内半径（図１３参照）を表わす。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ_１＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_０）｝［１＋ｅ_１／｛κ（ρ_０＋ｅ_１）｝］・・・（Ａ）
σ_２＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_０）｝［１−ｅ_２／｛κ（ρ_０−ｅ_２）｝］・・・（Ｂ）
κ＝−（１／Ａ）∫_Ａ｛η／（ρ_０＋η）｝ｄＡ・・・（Ｃ）
そして、当該応力値を試験片の圧壊値として評価した。

（７）リング回転割れ疲労試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円環状の試験片を作製した。そして、表９に示す条件でリング回転割れ疲労試験を実施した。

リング回転割れ疲労試験は、リング回転割れ疲労試験機を用いて行なわれた。図１４は、リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１４を参照して、リング回転割れ疲労試験機について説明する。

図１４を参照して、リング回転割れ疲労試験機８０は、円筒状の形状を有する駆動ローラ８２と、負荷ローラ８３と、案内ローラ８４とを備えている。駆動ローラ８２、負荷ローラ８３および案内ローラ８４は、回転軸が平行になるとともに、外周面がリング回転割れ疲労試験片８１に接触可能なように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験機８０は、給油ノズル８６をさらに備え、当該給油ノズル８６によりパッド８５に給油され、リング回転割れ疲労試験片８１に対して潤滑油を給油可能な構成となっている。

次に、試験の手順を説明する。まず、リング回転割れ疲労試験片８１が、駆動ローラ８２、負荷ローラ８３および案内ローラ８４に外周面において接触するように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験片８１は、駆動ローラ８２および負荷ローラ８３により径方向に圧縮される応力を負荷されつつ、駆動ローラ８２が回転することにより駆動され、案内ローラ８４に案内されて回転する。以上のようにリング回転割れ疲労試験機８０を運転し、１０個の試験片を用いて試験数は１０回とし、リング回転割れ疲労試験片８１の外周面に割れが発生するまでの時間を調査し、当該時間を割れ寿命とした。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる寿命を算出し、リング回転割れ疲労強度を評価した。

次に、試験結果について説明する。表１０に本実施例における試験結果を示す。表１０においては、各試験結果が、現用鋼であるＳＵＪ２がずぶ焼入されて作製されたＮｏ．９の試験片の試験結果に対する比で示されている。すなわち、表１０における数値が１よりも大きい場合、現用鋼を用いた従来の試験片よりも特性が優れていたといえる。以下、表１０を参照して、上記（１）〜（７）の試験結果について説明する。

（１）転動疲労寿命試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の寿命は、最大でＮｏ.９の１．９倍（試験片Ｎｏ．６）である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片はいずれもＮｏ.９の２．２倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。

（２）湿潤試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、高い耐食性を有している。しかし、比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の耐食性は、Ｎｏ.９の１．３〜１．８倍である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片はいずれもＮｏ.９の２．１倍以上の耐食性を有しており、比較例に比べてより高い耐食性を有している。

（３）摩耗試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、高い耐摩耗性を有している。しかし、比較例であるＮｏ.８の試験片の耐摩耗性は、表層硬度が高いにもかかわらずＮｏ.９の１．６倍にとどまっている。これは、Ｎｏ.８の試験片は、最大炭化物径および炭化物面積率が好ましい範囲よりも大きいことに起因していると考えられる。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の２．２倍以上の耐摩耗性を有している。

（４）超音波疲労試験
比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の寿命は、Ｎｏ.９の０．９〜１．３倍である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の１．３倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となる傾向を有している。これは、比較例であるＮｏ.５〜８の試験片を構成する鋼の珪素含有量が好ましい範囲よりも多いことや、最大炭化物径が好ましい範囲よりも大きいことが影響しているものと考えられる。

（５）ピーリング試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、耐ピーリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐ピーリング強度が、Ｎｏ.９の２．０倍以下（現用軸受鋼に浸炭窒化焼入を実施した試験片Ｎｏ．１０と同等以下）であるものも含まれる。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の２．２倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより高強度となる傾向が確認される。

（６）リング圧壊試験
現用軸受鋼に浸炭窒化焼入を実施した試験片Ｎｏ．１０は、現用軸受鋼をずぶ焼入した試験片Ｎｏ．９に比べてリング圧壊強度が２０％低下している。これは、浸炭窒化の際に鋼中に水素が侵入したことに起因するものと考えられる。また、比較例であるＮｏ．５〜８の試験片も、浸炭窒化が実施されていることに起因して、リング圧壊強度が試験片Ｎｏ．９の０．７５〜０．９５倍となっている。これに対し、実施例であるＮｏ．１〜４の試験片では、浸炭窒化が実施されているにもかかわらず、試験片Ｎｏ．１０と同等のリング圧壊強度が確保されている。

（７）リング回転割れ疲労試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ．５〜８の試験片は、Ｎｏ.９の１．６〜２．０倍となっている。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、Ｎｏ.９の２．０〜２．５倍の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。

以上（１）〜（７）の試験結果より、本発明の転動部材は、従来の転動部材に比べて、耐久性に優れていることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法は、苛酷な環境下において使用される転動部材、転がり軸受および転動部材の製造方法に、特に有利に適用され得る。

実施の形態１における転動部材を備えた深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。 図１の要部を拡大して示した概略部分断面図である。 実施の形態１における転動部材および転がり軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。 実施の形態１における転動部材の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。 実施の形態２における転動部材を備えた自動調心ころ軸受の構成を示す概略断面図である。 実施の形態３における転動部材を備えた四列円錐ころ軸受の構成を示す概略断面図である。 φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。 φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。 サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。 サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。 超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。 ２円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。 リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。 リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 深溝玉軸受、２ 自動調心ころ軸受、３ 四列円錐ころ軸受、１１，２１，３１ 外輪、１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ 外輪転走面、１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ 高炭素含有層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ 内部、１２，２２，３２ 内輪、１２Ａ，２２Ａ，３２Ａ 内輪転走面、１３ 玉、２３，３３ ころ、１４，２４，３４ 保持器、４０ サバン型摩耗試験機、４１ 摩耗試験片、４２ 重錘、４３ ロードセル、４４ エアスライダ、４５ 相手材、４６ 潤滑油、５０ 超音波疲労試験機、５１ 超音波疲労試験片、５２ ホーン部、５３ 振動子、５４ 増幅器、５５ 制御装置、５６ すき間ゲージ、５７ オシロスコープ、６０ ２円筒型転動試験機、６１ 相手試験片、６２ 試験片、６３ 第１軸、６４ 第２軸、６５ 回転速度計、６６ スリップリング、７１ 圧壊試験片、７２ 荷重方向、８０ リング回転割れ疲労試験機、８１ リング回転割れ疲労試験片、８２ 駆動ローラ、８３ 負荷ローラ、８４ 案内ローラ、８５ パッド、８６ 給油ノズル、９０ φ１２点接触試験機、９１ 転動疲労寿命試験片、９２ 駆動ローラ、９３ 案内ローラ、９４ 鋼球。

Claims (6)

1. ０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成され、
   表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、
   前記高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、
   前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、
   前記表層部における前記炭化物の面積率は、７％以上２０％以下であり、
   前記表層部における炭素含有量は、前記内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、
   前記表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である、転動部材。
2. 前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である、請求項１に記載の転動部材。
3. 前記鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である、請求項１または請求項２に記載の転動部材。
4. ５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、前記表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の転動部材。
5. 軌道部材と、
   前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備え、
   前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の転動部材である、転がり軸受。
6. ０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼からなり、転動部材の概略形状に成形された鋼製部材が準備される工程と、
   前記鋼製部材に対して、浸炭窒化処理が実施された後、Ａ_１点以上の温度からＭ_Ｓ点以下の温度に冷却されることにより、前記鋼製部材が焼入硬化される工程と、
   焼入硬化された前記鋼製部材が、１５０℃以上３００℃以下の温度域に加熱されて焼戻される工程とを備えた、転動部材の製造方法。

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