JP2011514930A - ベアリング用鋼から形成された回転要素又は回転リング - Google Patents

Abstract

ベアリング用鋼から形成されたベアリング構成要素が開示されており、この構成要素は、外表面を有し、焼入れベイナイト及び／又はマルテンサイトを備え、実質的に均一な化学組成を有し、このベアリング構成要素の少なくとも一部分は、表面近傍における−２５から −１０００ ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイルを有し、表面近傍は該表面の下５００ミクロン又はそれ未満の領域として規定されていることを特徴としている。

Description

本発明は、一般的に金属学の分野及びベアリング用鋼から形成された回転要素又はリングのようなベアリング構成要素に関する。熱処理は、例えば、回転時接触疲労性能などの機械的特性を改善する目的で、ベアリング用鋼の表面領域における残留圧縮応力（ＣＲＳ）を誘起させる。

ベアリングは、２つの部品の間の制限された相対的移動を可能にする装置である。回転要素ベアリングは、内側及び外側軌道輪と、複数の回転要素（ボールベアリング又はローラベアリング）を備えている。長期間にわたる信頼性及び性能にとって、様々な要素が転がり疲労、摩滅、及びクリープに対する耐性を有することが重要である。

金属構成要素を製造するための従来技術は、棒材（ｂａｒ、ｒｏｄ）、管材、又はリングを形成するための熱間圧延又は熱間鍛造を含み、これらに続いて望ましい組成を得るためのソフトフォーミングプロセスが行われる。表面硬化プロセスが良く知られており、最終仕上げされた構成要素の表面の硬度を局所的に増し、例えば、破壊強度及び疲労耐性を改善するために使用される。

多くの表面硬化プロセスが耐回転接触疲労性能を改善するために知られている。ショットピーニングは、丸いショットを金属構成部品の表面に衝突させて表面層を局所的に硬化することを含んでいる。しかしながら、このプロセスは粗い表面仕上げをもたらして別の問題を生じさせ、したがって表面仕上げを改善するための追加的なステップをとる必要を生じさせる。

また、浸炭焼入れは、炭素からなる媒体中において鋼構成要素を加熱して炭素含有量を増加させ、続いて焼入れ及び焼き戻しを行うことによって達成することができる。この熱化学的プロセスは、浸炭として知られており、構成要素の中心部の化学組成とは全く異なる表面の化学組成をもたらす。代替的に、硬い表面層は、中炭素鋼／高炭素鋼の表面をフェライト／オーステナイト変態温度より上まで迅速に加熱し、続いて焼入れし、焼き戻して硬い表面層をもたらすことによって形成することができる。表面の加熱は従来から炎焼入れによって達成されてきたが、レーザによる表面焼入れ及び高周波焼入れが今では使用されている。高周波焼入れは、交互配置された磁場に暴露して鋼構成要素を変態領域内又はそれより上の温度まで加熱し、続いて焼入れするステップを含んでいる。加熱は構成部品の表面において主に生じ、構成部品の中心部は本質的に影響を受けない状態に残される。磁場の透過率は磁場の周波数に反比例し、よって焼き入れの深さは簡単な方法で調整することが出来る。また、磁場の透過率は出力密度及び作用時間にも依存する。

浸炭焼入れの代替法は無心焼入れである。無心焼入れされた構成部品は浸炭焼入れされた構成部品とは異なり、構成部品の全体を通じて硬度が均一であるか、又は略均一である。また、無心焼入れされた構成部品は、例えば浸炭に伴う複雑な熱処理を回避するので、浸炭焼入れされた構成部品よりも通常、安価に製造される。使用される鋼の等級は部品区分の厚みに依存する。約２０ｍｍまでの壁厚みを有する構成部品には、ＤＩＮ１００Ｃｒ６が通常使用される。より大きな区分サイズに対しては、例えばＤＩＮ１００ＣｒＭｏ７−３、ＤＩＮ１００ＣｒＭｎＭｏ７、ＤＩＮ１００ＣｕＭｏ７−４、又はＤＩＮ１００ＣｒＭｎＭｏ８のような合金化度の高い等級が使用される。

無心焼入れされたベアリング鋼の構成部品に対しては、２つの熱処理法、すなわちマルテンサイト焼入れ又はオーステンパーを使用可能である。靭性、硬度、微細構造、残留オーステナイト含有量、及び寸法安定性のような構成部品の特性は、採用された熱処理の特定のタイプに関連するか、又は影響される。

マルテンサイト無心焼入れプロセスは、マルテンサイト開始温度より低い温度に焼入れする前に鋼をオーステナイト化することを含んでいる。次いで、鋼に低温焼き戻しをかけて微細構造を安定化する。マルテンサイト無心焼入れプロセスは通常、ＷＣＳ（ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ：作動接触表面）とＷＣＳより下方約１．５ｍｍ深さとの間において０〜＋１００ＭＰａの残留圧縮応力をもたらす。

ベイナイト無心焼入れプロセスは、マルテンサイト開始温度より高い温度への焼入れに先立って、鋼をオーステナイト化することを含んでいる。焼入れに続いて、等温ベイナイト変態が行われる。ベイナイト無心焼入れは、鋼においてはマルテンサイト無心焼入れプロセスの代わりとして好ましい場合がある。これは、ベイナイト構造が、例えば靭性及び割れ伝播耐性などの優れた機械的特性を有する場合があるからである。ベイナイト無心焼入れプロセスは、ＷＣＳとＷＣＳより下方約１．５ｍｍ深さとの間における０〜１００ＭＰａのＣＲＳをもたらす。

マルテンサイト無心焼入れ及びベイナイト無心焼入れを達成するための多くの従来の熱処理が知られている。

特許文献１は、０．７０〜０．９３重量％のＣ、０．１５〜０．５０重量％のＳｉ、０．５０〜１．１０重量％のＭｎ、及び０．３〜０．６５重量％のＣｒ、及び残部Ｆｅからなり、ＣｒのＣに対する比が０．４〜０．７であるベアリング鋼に関している。

特許文献２は、金属ベアリング部品、特に商業的にはＳＡＥ５２１００（炭素０．９８〜１．１％、マンガン０．２５〜０．４５％、燐及び硫黄がそれぞれ最大でも０．０２５％、珪素０．２〜０．３５％、及びクロム１．３〜１．６％）として表示されるクロム鋼の部品に対して、回転接触疲労寿命を改善する方法に関している。

特許文献３は、浸炭焼入れされたステンレス鋼のベアリング部品と、このベアリングを製造する方法とに関している。

特許文献４は、無心焼入れされたベアリング鋼の部品を熱処理する方法に関している。

特許文献５は、ベアリング及び他の荷重担持部品に使用するための鋼の完全なベイナイト焼入れの方法に関している。

米国特許５８５３６６０号明細書 米国特許第４０２３９８８号明細書 米国特許第５８１３１３号明細書 米国特許第６２０３６３４号明細書 米国特許第６１４９７４３号明細書

本発明は、従来技術に関連する少なくともいくつかの問題を解決することを目的としている。

したがって、第１の特徴において本発明はベアリング用鋼から形成されたベアリング部品を提供し、この部品は外表面を有し、無心焼入れされたベイナイト及び／又はマルテンサイトを備え、実質的に均一な化学組成を有し、このベアリング部品の少なくとも一部分は、表面近傍における−２５から−１０００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイルを有している。

表面近傍は該表面の下５００ミクロン以下の領域、例えば外表面の下５０〜５００ミクロンの範囲の領域として規定することができる。より具体的には、表面近傍は外表面の下３００ミクロン以下、例えば外表面の下５０〜３００ミクロンの範囲にある領域である。

ベアリング部品が、主相として無心焼入れされたベイナイトを備える場合には、残留圧縮応力プロファイルは好ましくは表面近傍において−１００〜−９００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−２００〜−９００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−２５０〜−９００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−３００〜−９００ＭＰａを備える。さらに好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−３００〜−８００ＭＰａを備える。ベイナイトは好ましくは、少なくとも５０体積％の量存在し、より好ましくは少なくとも７５体積％存在する。

好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは、外表面の下０．５〜１ｍｍ深さにおいて−１００〜−５００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは、外表面の下０．５〜１ｍｍ深さにおいて−２００〜−４００ＭＰａを備える。

ベアリング部品が、主相として無心焼入れされたマルテンサイトを備える場合には、残留圧縮応力プロファイルは好ましくは表面近傍において−２５〜−７００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−５０〜−７００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−７５〜−７００ＭＰａを備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−１００〜−７００ＭＰａを備える。さらに好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは表面近傍において−１５０〜−７００ＭＰａを備える。マルテンサイトは好ましくは、少なくとも５０体積％の量存在し、より好ましくは少なくとも７５体積％存在する。

この場合にも、残留圧縮応力プロファイルは、好ましくは外表面の下０．５〜１ｍｍ深さにおいて−１００〜−５００ＭＰａをさらに備える。より好ましくは、残留圧縮応力プロファイルは、外表面の下０．５〜１ｍｍ深さにおいて−２００〜−４００ＭＰａを備える。

ベアリング部品は、例えば１つ以上の回転要素、内側リング、及び外側リングとすることができる。

第２の特徴において、本発明は鋼部品の表面領域において残留圧縮応力を誘起するプロセスを提供し、このプロセスは以下のステップを有する熱処理を備える。
（ｉ）鋼組成を備える部品を提供するステップと、
（ｉｉ）部品の少なくとも１部分に誘導加熱を行い、続いて前記少なくとも１部分を焼入れするステップであって、部品の表面領域における硬度が増加するステップと、
（ｉｉｉ）続いて、マルテンサイト及び／又はベイナイト無心焼入れステップを実行し、マルテンサイト及び／又はベイナイトを備える微細構造を得るステップ。

誘導加熱の間に、部品の前記少なくとも１部は好ましくは０．５〜３ｍｍ、より好ましくは０．７５〜２．５ｍｍ、さらに好ましくは１〜２ｍｍの深さまで加熱される。すなわち、誘導加熱は少なくとも約０．５ｍｍかつ約３ｍｍまでの最大厚みまで貫入することが好ましい。このような深さまでの誘導加熱は、プロセスの他のステップと関連して、部品の表面領域において残留圧縮応力（ＣＲＳ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ）を誘起し、その結果、例えば耐疲労性能のような機械的特性を改善することがわかった。

誘導加熱の間に、部品の前記少なくとも１部の表面は、好ましくは１０００〜１１００℃の温度に、より好ましくは１０２０〜１０８０℃の温度に達する。焼入れ後において、表面の微細構造はマルテンサイト又は少なくとも主相としてのマルテンサイトを備える。マルテンサイトは好ましくは表面微細構造の少なくとも５０体積％、より好ましくは少なくとも７５体積％に存在する。

このプロセスはステップ（ｉｉｉ）の後に、（ｉｖ）部品の少なくとも１部分において誘導加熱を行い、続いて部品の前記少なくとも１部分を焼入れするステップであって、部品の表面領域における硬度が増加するステップをさらに備えている。

第３の特徴において、本発明は鋼部品の表面領域において残留圧縮応力を誘起するプロセスを提供し、このプロセスは以下のステップを有する熱処理を備える。
（ａ）鋼組成を備える部品を提供するステップと、
（ｂ）マルテンサイト及び／又はベイナイト無心焼入れのステップを実行するステップであって、マルテンサイト及び／又はベイナイトを備える微細構造を得るステップと、
（ｃ）部品の前記少なくとも１部分に誘導加熱を行い、続いて少なくとも前記部分を焼入れするステップであって、部品の表面領域における硬度が増加するステップ。

第３の特徴においては、誘導加熱の間に、部品の前記少なくとも１部分は１〜６ｍｍ、より好ましくは２〜５ｍｍの深さまで加熱されることが好ましい。

第３の特徴においては、誘導加熱の間に、部品の前記少なくとも１部分は９００〜１０００℃の温度、より好ましくは９２０〜９８０℃の温度に達することが好ましい。焼入れ後において、表面の微細構造はマルテンサイト又は少なくとも主相としてのマルテンサイトを備える。マルテンサイトは好ましくは表面微細構造の少なくとも５０体積％、より好ましくは少なくとも７５体積％に存在する。このような微細構造は、ステップ（ｂ）がベイナイト無心焼入れステップを備える場合に特に有利である。このような場合、鋼部品はベイナイトのコア（主相としてのベイナイト：ベイナイトは少なくとも５０重量％、より好ましくは少なくとも７５重量％存在する）と、マルテンサイトの表面（副相としてのマルテンサイト）を備える。これは、表面とコアとの間の熱歪を増加させる。

第３の特徴においては、誘導加熱及び焼き入れに引き続いて、部品は好ましくは、焼き戻し、好ましくは約２５０℃までの温度における低温焼き戻しにかけられる。

部品は好ましくはベアリング用の部品、例えば軌道輪及び／又は回転要素である。したがって、第２及び／又は第３の特徴によるプロセスは、好ましくは本発明の第１の特徴による製品を製造するために使用される。

本発明は、以降にさらに記載される。以下の節において、本発明の異なる特徴／実施形態がより詳細に規定される。このように規定される特徴／実施形態のそれぞれは、明確に逆に示されない限り、いずれの別の特徴／実施形態と組み合わせることができる。特に、好ましい、若しくは有利であると記載されたいずれの特徴も、好ましい、若しくは有利であると記載されたいずれの他の特徴と組み合わせることができる。

本発明は、高周波前プロセス又は高周波後プロセスのいずれかを、無心焼き入れ熱処理に関連して含み、それによって、大きな残留圧縮応力（ＣＲＳ）が達成されるように熱歪及び／又は相転移歪を導入する。特に、本発明は、表面近傍において好ましくは−２００〜−９００の範囲にあるＣＲＳを有し、表面か１ｍｍの深さにおいて通常は−３００〜−５００ＭＰａを好ましくは維持するように、ベアリング製品を製造することを可能にする。表面近傍は通常は熱処理された表面の下５００ミクロン未満である。ＣＲＳは、従来のベアリング部品より優れている。

このプロセスは、全ての無心焼き入れベアリング用鋼のグレードに適用することができる。鋼は通常、高炭素クロム鋼又は低合金化ベアリング用鋼のような中炭素鋼（０．３〜０．８％の炭素含有量）又は高炭素鋼（＞０．８％の炭素含有量）である。例として、０．６５〜１．２０重量％Ｃ、０．０５〜１．７０重量％Ｓｉ、１．１〜２．２重量％Ｃｒ、０．１０〜１．１０重量％Ｍｎ、０．０２〜１．０重量％Ｎｉ、０．０２〜０．７０重量％Ｍｏ、不可避的な不純物、及び残部がＦｅ、の組成が上げられる。好適な商業的に入手できる例は、ＤＩＮ１００Ｃｒ６（＝ＳＡＥ５２１００）、ＤＩＮ１００ＣｒＭｏ７−３、ＤＩＮ１００ＣｒＭｎＭｏ７、ＤＩＮ１００ＣｒＭｏ７−４、及びＤＩＮ１００ＣｒＭｎＭｏ８が含まれる。

誘導加熱は好ましくは中周波誘導加熱及び／又は高周波誘導加熱であり、２〜１００ＫＨｚの周波数で好都合に実行される。相互作用時間及び出力レベルは、部品のサイズ及び設計深さによって変化させることができる。

誘導加熱に続いて好ましくは、例えば室温（２０〜２５℃）又は０℃若しくはそれ以下の温度への焼入れが行われる。

第２の特徴においては、誘導加熱のステップは、中周波誘導加熱及び／又は高周波加熱（好ましくは２〜１００ＫＨｚ、より好ましくは５〜２０ＫＨｚ）を用いた典型的には０．５〜３ｍｍ、より典型的には１〜２ｍｍの深さまでの急速表面加熱を好都合に行う。表面は、１０００〜１１００℃、より好ましくは１０２０〜１０８０℃の温度に達することが好ましい。上述したように、誘導加熱の後には、部品は好ましくは、例えば油又は高分子溶液を用いて焼入れされて、表面調整の効果を「固定（ｆｒｅｅｚｅ）」される。

第３の特徴においては、誘導加熱のステップは、中周波誘導加熱及び／又は高周波加熱（好ましくは２〜１００ＫＨｚ、より好ましくは４０〜１３０ＫＨｚ）を用いた典型的には１〜６ｍｍ、より典型的には２〜５ｍｍの深さまでの急速表面加熱を好都合に行う。表面は、９００〜１０００℃、より好ましくは９２０〜９８０℃の温度に達することが好ましい。上述したように、誘導加熱の後には、部品は好ましくは、例えば油又は高分子溶液を用いて焼入れされて、表面調整の効果を「固定（ｆｒｅｅｚｅ）」される。

第２若しくは第３のいずれかのプロセスがマルテンサイト無心焼入れのステップを含む場合には、従来のプロセスを使用することができる。例えば、マルテンサイト無心焼入れのステップは通常、鋼をオーステナイト化し、続いてこの鋼をマルテンサイト開始温度（Ｍｓは通常１８０〜２２０℃、より典型的には１９０〜２００℃、さらにより典型的には約２００℃である）より低温に焼入れするステップを備えている。焼入れは、例えば溶融塩を使用して行うことができる。マルテンサイト無心焼入れのステップに続いて、部品を好ましくは、例えば冷水中に後焼入れし、オーステナイトをさらにマルテンサイト変態させる。後焼入れに続いて、部品を好ましくは低温焼き戻しにかけて微細構造を安定化させる。

同様に、プロセスがベイナイト無心焼入れのステップを含む場合には、既存のプロセスを使用することができる。例えば、ベイナイト無心焼入れのステップは通常、鋼をオーステナイト化し、この鋼をマルテンサイト開始温度（Ｍｓは通常１８０〜２２０℃、より典型的には１９０〜２００℃、さらにより典型的には約２００℃である）より高温に焼入れするステップを備えている。焼入れは、例えば油又は溶融塩を使用して行うことができる。このステップに続き等温ベイナイト変態が行われ、この等温ベイナイト変態は、好ましくは２００〜２５０℃、より好ましくは２１０〜２４０℃の範囲の温度において行われる。鋼は好ましくはこの温度範囲に、鋼のグレード及び区分の厚みによって１〜３０時間、より好ましくは２．５〜２０時間保持される。

マルテンサイト及び／又はベイナイトのうちの一方又は両方が望まれるかどうかに関わらず、鋼は好ましくは（マルテンサイト開始温度より低温／高温への焼入れに先立って）オーステナイト化される。オーステナイト化は当業において既知である。しかし、発明者は、（特に第１の特徴に関連して）通常使用されている焼入れ温度（例えば８４０〜８９０℃）より１０〜５０℃低い焼入れ温度を使用して無心焼入れを行うことによって、ＣＲＳの増加が助長されることを見出した。これは、わずかに過剰にオーステナイト化された表面部分に対して芯部のオーステナイト化が低いことによると信じられている。したがって、相変態の差はより顕著となる。表面部分において相変態が遅いことの利点は、相変態が完全に若しくは部分的に変態した芯部に生じるということであって、塑性変形（相変態は通常、体積の増加を伴う）の可能性を制限し、したがって、最終的な表面応力状態は圧縮状態となる。これら理由によって、オーステナイト化は好ましくは７９０〜８９０℃、より好ましくは７９０〜８８０℃、さらに好ましくは７９０〜８４０℃の範囲の温度にて行われる。鋼はこの温度範囲内に１０〜７０分、より好ましくは２０〜６０分間保持されることが好ましい。

オーステナイト化は通常、雰囲気炉中において行われ、そこで部品はその断面の全体に亘って均一な温度に到達することができる。続いて、均一オーステナイト化及びセメンタイトの溶解が好都合に達成される。

本発明においては、鋼の化学的組成は本質的には変化しない。言い換えると、プロセスは熱化学的富化プロセスを含むことを必要としない。このことは、既存の浸炭焼入れ処理とは対照的である。

最終的な微細構造は、主相としての（焼き戻しされた）マルテンサイトかベイナイトかのいずれか、若しくはこれら２つの相の組み合わせを備える。また、セメンタイトも存在させることができる。通常、微細構造は表面から芯部まで本質的に均一に出現する。しかし、合金要素（例えば、Ｎ、Ｃ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｎ）の特有な偏析が存在する場合がある。

表面内の硬度は通常５０〜７５ＨＲＣ、より典型的には５６〜６８ＨＲＣである。保持されたオーステナイト濃度は通常０〜３０％である。

また、下層芯部は、マルテンサイト及び／又はベイナイト、若しくはこれらの混合物を備える。芯部の微細構造の硬度は通常５０ＨＲＣより高く、より典型的には５６ＨＲＣより高い。芯部の硬度は一般的には６７ＨＲＣを越えることはなく、より典型的には６４ＨＲＣを越えることはない。保持されたオーステナイト濃度は通常は０〜２０％である。

本発明の第３の特徴においては、熱処理ステップは硬度及び微細構造の両方において見られる遷移領域をもたらす。

本発明は、ベアリング製品を、表面近傍において好ましくは−２００〜−９００ＭＰａのＣＲＳを有し、表面下１ｍｍの深さにおいて−３００〜−５００ＭＰａを維持するように生産することを可能にしている。このようなＣＲＳのプロファイルは、既存のベアリング部品に比べて非常に好適である。

第４の特徴においては、本発明は第２及び第３の特徴の組み合わせを含むプロセスを提供する。ここで、第２の特徴に対応する第１の誘導加熱ステップは、相変態の特性に影響するカーバイドの溶解の勾配を主に導く。この誘導加熱ステップに続いて、マルテンサイト及び／又はベイナイト無心焼入れが行われる。次に、第３の特徴に対応する第２の誘導加熱ステップが、表面と芯部との間に熱歪をもたらすように行われる。

高温におけるベアリングの作動に対しては、強い締り嵌めがリングをシャフトに保持するために必要とされる。強い締り嵌めによって大きなフープ応力が生じるので、貫通クラックの危険が増大する。フープ応力のような構造的応力及び取り付け応力が微細構造の応力に重なるので、貫通クラックは破壊的なものとなる場合がある。したがって、大きなＣＲＳは貫通クラックの危険を相対的に低くしつつ、強い締り嵌め状態でベアリングを取り付けることを可能にしている。貫通クラックが生じたとしても、ＣＲＳはクラックを閉じる効果、すなわち故障を生じさせないモードを有する。

本発明は、以下の例及び例示の方法によって提供された添付の図面を参照しつつさらに記載される。

例１の部品に対する残留圧縮応力プロファイルを示す図である。 例１の部品の表面微細構造を示す写真である。 例１の部品の芯部微細構造を示す写真である。 例１の部品の、誘導加熱後、かつベイナイト無心焼入れステップ前の硬度のプロファイルを示す図である。 例１の部品の、誘導加熱及びベイナイト無心焼入れステップ後の硬度のプロファイルを示す図である。 例２の部品に対する熱処理後の圧縮残留応力のプロファイルを標準的なマルテンサイト及び標準的なベイナイトとの比較の形で示した図である。 ベイナイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の例２の部品に対する表面微細構造を示す写真である。 ベイナイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の例２の部品に対する遷移領域微細構造を示す写真である。 ベイナイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の例２の部品に対する芯部微細構造を示す写真である。 例２の部品に対する、ベイナイト焼入れ及び誘導加熱ステップ後の硬度プロファイルを示す図である。 例３の部品に対する、マルテンサイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の圧縮残留応力を示す図である。

例１（予備処理及びベイナイト再焼入れ）
試験部品：１００Ｃｒ６鋼から形成された外径（ＯＤ）１８０ｍｍの球状ローラベアリング（ＳＲＢ）外側リング
予備処理：〜１０ＫＨｚを使用した〜１０５０℃の表面温度の達成及び〜２ｍｍの深さの予備処理のための誘導表面加熱を行い、続いて５％の水焼入れ高分子溶液を用いた焼入れ
ベイナイト無心焼入れ：８２０℃、２０分のソーキング時間を使用した炉中再焼入れと、それに続く焼入れ及び２４０分の〜２３０℃の溶融Ｐｅｔｒｏｆｅｒ ＡＳ１４０塩中の変態と、それに続く静止空気中における冷却

図１は例１の部品に対する圧縮残留応力のプロファイルを示すプロットである。このプロットは、−３００〜−８００ＭＰａの表面近傍のＣＲＳを示している。ＣＲＳは、少なくとも１．２ｍｍまで−３００以下を維持している。

図２ａ及び２ｂは、例１の部品に対する表面微細構造（ａ）及び芯部表面微細構造（ｂ）を示す写真である。これら写真はベイナイト微細構造を示している。表面微細構造は、芯部よりわずかに粗く、より少ない残留カーバイドを有している。

図３は、予備誘導プロセスのみの後の例１の部品に対する硬度のプロファイルを示すプロットである。

図４は、全てのプロセス後の例１の部品に対する硬度のプロファイルを示すプロットである。

例２（ベイナイト無心焼入れ及び後処理）
試験部品：１００Ｃｒ６鋼から形成された外径（ＯＤ）１２０ｍｍを有する筒状ローラベアリング（ＣＲＢ）の内側リング
ベイナイト無心焼入れ：８２０℃、２０分のソーキング時間を使用した炉中再焼入れと、それに続く焼入れ及び２４０分の〜２３０℃の溶融Ｐｅｔｒｏｆｅｒ ＡＳ１４０塩中の変態と、それに続く静止空気中における冷却
後処理：〜８ＫＨｚを使用した〜９４０℃の表面温度及び〜―１．８ｍｍの浸炭深さの達成のための誘導表面加熱を行い、続いて５％の水焼入れ高分子溶液を用いた焼入れと１６０℃、６０分の焼き戻し

図５は、熱処理後の例２の部品の、標準的なマルテンサイト及び標準的ベイナイトと比較した圧縮残留応力を示すプロットである。

図６ａ、６ｂ及び６ｃは、ベイナイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の例２の部品に対する表面微細構造（ａ）、遷移領域微細構造（ｂ）、及び芯部表面微細構造（ｃ）を示す顕微鏡写真である。これら顕微鏡写真はマルテンサイト表面微細構造、遷移領域における焼き戻しされたベイナイト微細構造、及びベイナイト芯部微細構造を示している。

図７は、ベイナイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の例２の部品に対する硬度プロファイルを示すプロットである。硬度プロファイルは遷移領域を示している。

例３（マルテンサイト無心焼入れ及び締り嵌め下における後処理）
試験部品：１００Ｃｒ６鋼から形成された外径（ＯＤ）６２ｍｍを有する深溝ローラベアリング（ＤＧＲＢ）の内側リング
マルテンサイト焼入れ：８６０℃２０分のソーキング時間を使用した炉中再焼入れと、それに続く６０℃の油中での油焼入れ及び６０分の１６０℃での焼き戻し
後処理：大きすぎるサイズのシャフトへの取り付けはフープ応力を生じさせる。〜９０ＫＨｚを使用した〜９４０℃の表面温度及び〜１．８ｍｍの浸炭深さの達成のための誘導表面加熱を行い、続いて５％の水焼入れ高分子溶液を用いた焼入れと１６０℃、６０分の焼き戻し。シャフトからの取り外し。

図８は、マルテンサイト無心焼入れ及び誘導加熱ステップ後の異なるレベルのフープ応力を有する例３の部品に対するＣＲＳプロファイルを示すプロットである。

Claims (35)

1. ベアリング鋼から形成されたベアリング部品であって、
   外表面を有し、無心焼入れされたベイナイト及び／又はマルテンサイトを有し、実質的に均一な化学組成を有し、
   前記ベアリング部品の少なくとも一部分は、表面近傍における−２５から−１０００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイルを有し、前記表面近傍は前記外側表面か５００ミクロン以下の領域として規定されているベアリング部品。
2. 表面近傍における−１００から−９００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載のベアリング部品
3. 表面近傍における−２００から−９００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイルを有することを特徴とする請求項２に記載のベアリング部品
4. 表面近傍における−３００から−８００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイルを有することを特徴とする請求項３に記載のベアリング部品
5. 前記外表面の下０．５〜１ｍｍ深さにおいて−１００〜−５００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイル有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のベアリング部品。
6. 前記外表面の下０．５〜１ｍｍ深さにおいて−２００〜−４００ＭＰａを備える残留圧縮応力プロファイル有することを特徴とする請求項５に記載のベアリング部品。
7. 主相としての無心焼入れされたベイナイトを備えていることを特徴とする請求項１〜６に記載のベアリング部品。
8. 表面近傍において−２５〜−７００ＭＰａを備える圧縮残留応力プロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載のベアリング部品。
9. 表面近傍において−５０〜−７００ＭＰａを備える圧縮残留応力プロファイルを有することを特徴とする請求項８に記載のベアリング部品。
10. 表面近傍において−１５０〜−７００ＭＰａを備える圧縮残留応力プロファイルを有することを特徴とする請求項９に記載のベアリング部品。
11. 主相としての無心焼入れされたマルテンサイトを備えることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のベアリング部品。
12. 前記ベアリング部品が、回転要素、内側リング、及び外側リングのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のベアリング部品。
13. 鋼製ベアリング部品の表面領域に圧縮残留応力を誘起するプロセスであって、
    （ｉ）鋼組成を備えるベアリング部品を提供するステップと、
    （ｉｉ）前記部品の少なくとも１部分に誘導加熱を行い、続いて前記少なくとも１部分を焼入れするステップであって、前記部品の表面領域における硬度を高めるステップと、
    （ｉｉｉ）続いて、マルテンサイト及び／又はベイナイト焼入れを実施して、マルテンサイト及び／又はベイナイトを備える微細構造を得るステップと、
    を有する熱処理を備えるプロセス。
14. 前記誘導加熱中に、前記部品の前記少なくとも１部分は、好ましくは０．５〜３ｍｍ、より好ましくは１〜２ｍｍの深さまで加熱されることを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
15. 前記誘導加熱中に、前記部品の前記少なくとも１部分の表面は１０００〜１１００℃、好ましくは１０２０〜１０８０℃の温度に達することを特徴とする請求項１３又は１４に記載のプロセス。
16. 鋼製ベアリング部品の表面領域に圧縮残留応力を誘起するプロセスであって、
    （ａ）鋼組成を備えるベアリング部品を提供するステップと、
    （ｂ）マルテンサイト及び／又はベイナイト無心焼入れを実施して、マルテンサイト及び／又はベイナイトを備える微細構造を得るステップと、
    （ｃ）前記部品の少なくとも１部分を誘導加熱し、続いて前記部品の前記少なくとも１部分を焼入れするステップであって、前記部品の表面領域における硬度を高めるステップと、
    を有する熱処理を備えるプロセス。
17. 前記誘導加熱中に、前記部品の前記少なくとも１部分は、好ましくは１〜６ｍｍ、より好ましくは２〜５ｍｍの深さまで加熱されることを特徴とする請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記誘導加熱中に、前記部品の前記少なくとも１部分の表面は９００〜１０００℃、好ましくは９２０〜９８０℃の温度に達することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のプロセス。
19. 前記誘導加熱及び前記焼入れに続いて、前記部品を焼き戻しするステップを備えることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載のプロセス。
20. 前記鋼は中炭素鋼又は高炭素鋼であることを特徴とする請求項１３〜１９のいずれか一項に記載のプロセス。
21. 前記鋼は高炭素クロム鋼であることを特徴とする請求項２０に記載のプロセス。
22. 前記誘導加熱は中周波及び／又は高周波誘導加熱であることを特徴とする請求項１３〜２１のいずれか一項に記載のプロセス。
23. 前記誘導加熱は、２〜１００ｋＨｚの周波数で行われることを特徴とする請求項２２に記載のプロセス。
24. 前記誘導加熱に引き続いて焼入れが行われることを特徴とする請求項１３〜２３に記載のプロセス。
25. 前記マルテンサイト無心焼入れのステップは、前記鋼をオーステナイト化し、続いて前記鋼をマルテンサイト開始温度より低温へ焼入れするステップを有することを特徴とする請求項１３〜２４のいずれか一項に記載のプロセス。
26. 前記マルテンサイト無心焼入れに続いて、前記部品は後焼入れされてさらなるオーステナイトからマルテンサイトへの変態を加速することを特徴とする請求項２５に記載のプロセス。
27. 後焼入れに続いて、前記部品は焼き戻しされることを特徴とする請求項２６に記載のプロセス。
28. 前記ベイナイト無心焼入れのステップは、前記鋼をオーステナイト化するステップと、前記鋼を前記マルテンサイト開始温度より高い温度へ焼入れするステップと、続いて等温ベイナイト変態を実施するステップとを備えることを特徴とする請求項１３〜２７のいずれか一項に記載のプロセス。
29. 前記等温ベイナイト変態は、２１０〜２４０℃の範囲の温度で、好ましくは２．５〜２０時間実施されることを特徴とする請求項２８に記載のプロセス。
30. 前記鋼は、７９０〜８９０℃、好ましくは７９０〜８８０℃、より好ましくは７９０〜８４０℃の範囲の温度で、好ましくは２０〜６０分オーステナイト化されることを特徴とする請求項２５〜２９のいずれか一項に記載のプロセス。
31. ステップ（ｉｉｉ）の後に、
    （ｉｖ）前記部品の前記少なくとも１部に誘導加熱を施し、続いて前記部品の前記少なくとも１部分を焼入れするステップであって、前記部品の表面領域における硬度を高めるステップ
    をさらに備えることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のプロセス。
32. 前記プロセスは熱化学的プロセスではないことを特徴とする請求項１３〜３１のいずれか一項に記載のプロセス。
33. 前記部品はベアリング用回転要素又はリングであることを特徴とする請求項１３〜３２のいずれか一項に記載のプロセス。
34. 請求項１３〜３３のいずれか一項に記載のプロセスによって得られる請求項１〜１２のいずれか一項に記載のベアリング部品。
35. 前記表面微細構造が、主相としてのマルテンサイトを備え、前記部品のコア部分が主相としてのベイナイトを備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のベアリング部品。
    
    

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