JP2013167005A - 転がり接触部品、転がり軸受、自在継手およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｍｏを添加しない素材を採用しつつＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する転がり接触部品および転がり軸受を提供する。
【解決手段】外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、表面に他の部材と転がり接触すべき外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉接触面１３Ａを有し、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉接触面１３Ａを含むように外輪浸炭層１１Ｂ、内輪浸炭層１２Ｂおよび玉浸炭層１３Ｂが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は転がり接触部品、転がり軸受、自在継手およびそれらの製造方法に関し、より特定的には、モリブデンを添加しない素材を採用しつつＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する転がり接触部品、転がり軸受、自在継手およびそれらの製造方法に関するものである。

転がり軸受や自在継手など、部品同士が転がり接触しつつ動作する機械要素を構成する転がり接触部品は、成形された鋼に浸炭処理または浸炭窒化処理が実施されて製造される場合がある。具体的には、クロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＣｒ鋼）、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格ＳＣＭ鋼）、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格ＳＮＣＭ鋼）などが、浸炭処理または浸炭窒化処理を前提とした転がり接触部品の素材として採用される。これらの素材の間では、主要な合金元素であるＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）の含有量が異なる。そのため、これらの素材を採用すると、浸炭処理または浸炭窒化処理の後に実施される焼入硬化の結果、異なった硬さ分布を有する部品が得られる。したがって、部品の大きさ、肉厚などに応じて、適切な鋼が素材として選択される。浸炭処理または浸炭窒化処理が施されて製造される転がり接触部品に関しては、その素材の組成、熱処理等について種々の検討がなされている（たとえば、特許文献１〜４参照）。

特開２００３−２６８４９７号公報 特開２００６−９７０９６号公報 特開平８−３１１６０３号公報 特開昭６３−３０３２２２号公報

上記浸炭処理または浸炭窒化処理を前提とした素材の中で、ＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０は中型サイズの転がり軸受等に採用される代表的な鋼である。中型サイズの転がり軸受等は、たとえば産業機械や自動車などに用いられる。

一方、最近の資源高騰で鋼に添加される多くの合金元素の価格が上昇傾向にある。特に、レアメタルの価格高騰は著しい。そして、埋蔵量の少ない代表的なレアメタルであるモリブデン（Ｍｏ）は、算出国が偏よっていることもあり、今後の安定的な入手が困難になるおそれもある。そのため、合金成分としてＭｏを含むＳＣＭ４２０は、その価格および供給が不安定になる可能性がある。

本発明は上記問題点に対応するためになされたものであり、その目的は、モリブデンを添加しない素材を採用しつつＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する転がり接触部品、転がり軸受および自在継手を提供することである。

本発明に従った転がり接触部品は、０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、表面に他の部材と転がり接触すべき転がり接触部を有し、転がり接触部を含むように浸炭層または浸炭窒化層が形成されている。

本発明者は、Ｍｏを添加しない素材を採用しつつ、ＳＣＭ４２０を素材とするものと遜色ない転がり接触部品の特性を達成し得る鋼の成分組成について検討を行なった。その結果、上記成分組成を採用し、従来と同様の浸炭処理または浸炭窒化処理を行なうことにより、転がり接触部品にＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を付与できることが明らかとなり、本発明に想到した。本発明の転がり接触部品によれば、Ｍｏを添加しない素材を採用しつつＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する転がり接触部品を提供することができる。上記成分組成は、以下のような思想に基づき決定された。

すなわち、Ｍｏは、鋼の焼入性を向上させる。また、炭化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる。さらに、マルテンサイト中に固溶することで焼戻軟化抵抗性を向上させ、組織変化の発生を抑制することにより転動疲労寿命を向上させる。Ｍｏを添加しないことにより失われるこのような優れた作用を、以下のように他の元素の添加量を調整することにより補完した。

珪素（Ｓｉ）は焼戻し軟化抵抗性を高め、転動疲労寿命を向上させる効果を有する。ＳＣＭ４２０よりもＳｉの含有量を高めることにより、Ｍｏ不添加によるこれらの特性低下を補った。一方、Ｓｉの添加量が多くなりすぎると、素材の冷間加工性が低下する。また、浸炭処理あるいは浸炭窒化処理の際における粒界酸化が助長される。これらの点、および後述するマンガンおよびクロムの添加量との関係を考慮し、中央値を０．５質量％に決定した。そして、鋼の生産性の観点から成分のばらつきの許容幅を加え、Ｓｉの添加量を０．４５質量％以上０．５５質量％に設定した。

マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼入性を向上させる。また、Ｍｎは、焼入硬化後における残留オーステナイト量を増加させることにより転動疲労寿命を向上させる。ＳＣＭ４２０よりもＭｎの含有量を高めることにより、Ｍｏ不添加によるこれらの特性低下を補った。一方、Ｍｎの添加量が多くなりすぎると、靭性が低下する。また、素材の冷間加工性が低下する。これらの点、および珪素およびクロムの添加量との関係を考慮し、中央値を１．１質量％に決定した。そして、鋼の生産性の観点から成分のばらつきの許容幅を加え、Ｍｎの添加量を１．０５質量％以上１．１５質量％に設定した。

クロム（Ｃｒ）は、炭化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる。また、Ｃｒは、焼入性の向上にも寄与する。ＳＣＭ４２０よりもＣｒの含有量を高めることにより、Ｍｏ不添加によるこれらの特性低下を補った。一方、Ｃｒの添加量が多くなりすぎると、過剰な炭化物が形成され、加工性が低下する。これらの点、および珪素およびマンガンの添加量との関係を考慮し、中央値を１．４５質量％に決定した。そして、鋼の生産性の観点から成分のばらつきの許容幅を加え、Ｃｒの添加量を１．４０質量％以上１．５０質量％に設定した。

不純物元素については、従来のＳＣＭ４２０と同様に管理することが望ましい。特に、Ａｌ（アルミニウム）およびＴｉ（チタン）については結晶粒を微細化する観点から添加することも考えられる。しかし、これらの元素は転動疲労寿命を低下させるＴｉＮやＡｉ_２Ｏ_３などの非金属介在物を形成するため、本発明においては極力低減することが好ましい。

上記転がり接触部品は、転がり軸受の部品として使用されてもよい。ＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する本発明の転がり接触部品は、軌道部材（軌道輪）、転動体などの転がり軸受の部品として好適である。

上記転がり接触部品は、自在継手の部品として使用されてもよい。ＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する本発明の転がり接触部品は、軌道部材（インナーレース、アウターレース）、トルク伝達部材（ボール、ローラー）などの自在継手の部品として好適である。

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記本発明の転がり接触部品である。これにより、モリブデンを添加しない素材を採用しつつＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する部品を備えた転がり軸受を提供することができる。

本発明に従った自在継手は、第１の軸部材に接続された軌道部材と、軌道部材に接触し、軌道部材の表面上を転走および摺動可能に配置されたトルク伝達部材と、トルク伝達部材および軌道部材を介して第１の軸部材に接続された第２の軸部材とを備え、第１の軸部材または第２の軸部材の一方に伝達された軸周りの回転が、第１の軸部材または第２の軸部材の他方に伝達される自在継手である。この自在継手は、軌道部材およびトルク伝達部材の少なくともいずれか一方が、状基本発明の転がり接触部品である。これにより、モリブデンを添加しない素材を採用しつつＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する部品を備えた自在継手を提供することができる。

本発明に従った転がり接触部品の製造方法は、０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼からなり、他の部材と転がり接触すべき転がり接触部となるべき領域を有する形状に成形された成形部材を準備する工程と、成形部材に浸炭処理または浸炭窒化処理を実施する工程と、浸炭処理または浸炭窒化処理が実施された成形部材を焼入硬化する工程とを備えている。これにより、上記本発明の転がり接触部品を製造することができる。

上記転がり接触部品の製造方法においては、成形部材を準備する工程では、転がり軸受の部品の形状に成形された成形部材が準備されてもよい。これにより、転がり軸受の部品として使用可能な転がり接触部品を製造することができる。

上記転がり接触部品の製造方法においては、成形部材を準備する工程では、自在継手の部品の形状に成形された成形部材が準備されてもよい。これにより、自在継手の部品として使用可能な転がり接触部品を製造することができる。

本発明に従った転がり軸受の製造方法は、軌道部材を準備する工程と、転動体を準備する工程と、軌道部材と転動体とを組み合わせて転がり軸受を組み立てる工程とを備えている。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、上記本発明の転がり接触部品の製造方法により製造される。これにより、上記本発明の転がり軸受を製造することができる。

本発明に従った自在継手の製造方法は、軌道部材を準備する工程と、トルク伝達部材を準備する工程と、軌道部材とトルク伝達部材とを組み合わせて自在継手を組み立てる工程とを備えている。そして、軌道部材およびトルク伝達部材の少なくともいずれか一方は、上記本発明の転がり接触部品の製造方法により製造される。これにより、上記本発明の自在継手を製造することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の転がり接触部品、転がり軸受およびそれらの製造方法によれば、モリブデンを添加しない素材を採用しつつＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有する転がり接触部品および転がり軸受を提供することができる。

深溝玉軸受の構造を示す概略断面図である。 図１の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 等速ジョイント（固定ジョイント）の構成を示す概略断面図である。 図３の線分ＩＶ−ＩＶに沿う概略断面図である。 図３の固定ジョイントが角度をなした状態を示す概略断面図である。 図３の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 図４の要部を拡大して示す概略部分断面図である。 熱処理パターンを示す概略図である。 点接触転動寿命試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。 点接触転動寿命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。 円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。 試験片の断面における硬度分布を示す図である。 転動疲労試験の結果を示す図である。

以下、図面に基づいて本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、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、本実施の形態における転がり接触部品を備えた転がり軸受について説明する。図１を参照して、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、その表面である玉接触面１３Ａにおいて内輪転走面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。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。外輪１１、内輪１２および玉１３は、それぞれ転がり接触部としての外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉接触面１３Ａを有する転がり接触部品である。

ここで、転がり接触部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成されている。そして、図２を参照して、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉接触面１３Ａを含む領域には、それぞれ内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃよりも炭素濃度が高い浸炭層である外輪浸炭層１１Ｂ、内輪浸炭層１２Ｂおよび玉浸炭層１３Ｂが形成されている。ここで、上記不純物は、鋼の原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものなどの不可避的不純物を含む。また、上記外輪浸炭層１１Ｂ、内輪浸炭層１２Ｂおよび玉浸炭層１３Ｂは、それぞれ内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃよりも炭素濃度および窒素濃度が高い浸炭窒化層であってもよい。

上記外輪１１、内輪１２および玉１３は、Ｍｏが添加されず、Ｍｏの不添加により低下し得る特性をＳｉ、ＭｎおよびＣｒの添加量の調整により補完した鋼からなり、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉接触面１３Ａを含む領域に浸炭層または浸炭窒化層が形成された転がり接触部品となっている。そのため、本実施の形態における外輪１１、内輪１２および玉１３は、Ｍｏを添加しない素材を採用しつつ、ＳＣＭ４２０を素材とするものと遜色ない特性を有する転がり接触部品となっている。このように、Ｍｏの添加しない鋼を素材として採用することにより、素材の安定的な入手および素材コストの低減を達成することができる。

次に、上記外輪１１、内輪１２、玉１３およびこれらを備えた深溝玉軸受１の製造方法について説明する。

まず、０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼からなり、外輪１１、内輪１２および玉１３の形状に成形された成形部材が作製される。具体的には、上記成分組成を有する鋼材が準備され、鍛造、切削等の加工が実施されることにより、外輪１１、内輪１２および玉１３の形状に成形された成形部材が作製される。

次に、得られた成形部材に浸炭処理または浸炭窒化処理が実施される。浸炭処理および浸炭窒化処理の条件は、ＳＣＭ４２０を素材として軸受部品を製造する場合と同様の条件を採用することができる。浸炭処理または浸炭窒化処理された成形部材は、Ａ_１点以上の温度域からＭ_Ｓ点以下の温度域に冷却されることにより、焼入硬化される。その後、Ａ_１点以下の温度域に加熱する焼戻処理が実施される。そして、外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉接触面１３Ａに対応する領域の研磨処理などの仕上げ処理が実施されることにより、外輪１１、内輪１２および玉１３が完成する。さらに、外輪１１、内輪１２および玉１３と、別途準備された保持器１４などが組み合わされることにより、深溝玉軸受１が組み立てられる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の他の実施の形態である実施の形態２の自在継手としての等速ジョイント（固定ジョイント）の構成を示す概略断面図である。また、図４は、図３の線分ＩＶ−ＩＶに沿う概略断面図である。また、図５は、図３の固定ジョイントが角度をなした状態を示す概略断面図である。なお、図３は、図４の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略断面図に対応する。また、図６は、図３の要部を拡大して示す概略部分断面図である。また、図７は、図４の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図３〜図７を参照して、本発明の実施の形態２における自在継手としての固定ジョイントについて説明する。

図３を参照して、実施の形態２の固定ジョイント３は、第２の軸部材としての軸３５に連結された軌道部材としてのインナーレース３１と、インナーレース３１の外周側を囲むように配置され、第１の軸部材としての軸３６に連結された軌道部材としてのアウターレース３２と、インナーレース３１とアウターレース３２との間に配置されたトルク伝達部材としてのボール３３と、ボール３３を保持するケージ３４とを備えている。ボール３３は、インナーレース３１の外周面に形成されたインナーレースボール溝３１Ａと、アウターレース３２の内周面に形成されたアウターレースボール溝３２Ａとにボール３３の表面であるボール転走面３３Ａにおいて接触して配置され、脱落しないようにケージ３４によって保持されている。

インナーレース３１の外周面およびアウターレース３２の内周面のそれぞれに形成されたインナーレースボール溝３１Ａとアウターレースボール溝３２Ａとは、図３に示すように、軸３５および軸３６の中央を通る軸が一直線上にある状態において、それぞれ当該軸上のジョイント中心Ｏから当該軸上の左右に等距離離れた点Ａおよび点Ｂを曲率中心とする曲線（円弧）状に形成されている。すなわち、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに接触して転動するボール３３の中心Ｐの軌跡が、点Ａ（インナーレース中心Ａ）および点Ｂ（アウターレース中心Ｂ）に曲率中心を有する曲線（円弧）となるように、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａのそれぞれは形成されている。これにより、固定ジョイントが角度をなした場合（軸３５および軸３６の中央を通る軸が交差するように固定ジョイントが動作した場合）においても、ボール３３は、常に軸３５および軸３６の中央を通る軸のなす角（∠ＡＯＢ）の２等分線上に位置する。

次に、固定ジョイント３の動作について説明する。図３および図４を参照して、固定ジョイント３においては、軸３５、３６の一方に軸まわりの回転が伝達されると、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに嵌め込まれたボール３３を介して、軸３５、３６の他方の軸に当該回転が伝達される。

ここで、図５に示すように軸３５、３６が角度θをなした場合、ボール３３は、前述のインナーレース中心Ａおよびアウターレース中心Ｂに曲率中心を有するインナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに案内されて、中心Ｐが∠ＡＯＢの二等分線上となる位置に保持される。また、ジョイント中心Ｏからインナーレース中心Ａまでの距離と、アウターレース中心Ｂまでの距離とが等しくなるように、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａが形成されているため、ボール３３の中心Ｐからインナーレース中心Ａおよびアウターレース中心Ｂまでの距離はそれぞれ等しく、三角形ＯＡＰと三角形ＯＢＰとは合同である。その結果、ボール３３の中心Ｐから軸３５、３６までの距離Ｌは互いに等しくなり、軸３５、３６の一方が軸まわりに回転した場合、他方も等速で回転する。このように、固定ジョイント３は、軸３５、３６が角度をなした場合でも、等速性を確保することができる。なお、ケージ３４は、軸３５、３６が回転した場合に、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａからボール３３が飛び出すことをインナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａとともに防止すると同時に、固定ジョイント３のジョイント中心Ｏを決定する機能を果たしている。

すなわち、実施の形態２における自在継手としての固定ジョイント３は、第１の軸部材としての軸３６に接続された軌道部材としてのアウターレース３２と、アウターレース３２に接触し、アウターレース３２に形成されたアウターレースボール溝３２Ａの表面上を転走および摺動可能に配置されたトルク伝達部材としてのボール３３と、ボール３３およびアウターレース３２を介して軸３６に接続された第２の軸部材としての軸３５とを備えている。また、固定ジョイント３は、軸３６または軸３５の一方に伝達された軸周りの回転が、軸３６または軸３５の他方に伝達される自在継手である。

さらに、ボール３３は、自在継手である固定ジョイント３において、第１の軸部材としての軸３６に接続された軌道部材としてのアウターレース３２と第２の軸部材としての軸３５との間において転動および摺動可能に介在し、軸３６または軸３５の一方に伝達された軸周りの回転を軸３６または軸３５の他方に伝達する自在継手用トルク伝達部材である。

ここで、図６および図７を参照して、転がり接触部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成されている。

そして、図６および図７を参照して、インナーレースボール溝３１Ａ（溝表面）、アウターレースボール溝３２Ａ（溝表面）およびボール転走面３３Ａを含む領域には、それぞれ内部３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃよりも炭素濃度が高い浸炭層であるインナーレース浸炭層３１Ｂ、アウターレース浸炭層３２Ｂおよびボール浸炭層３３Ｂが形成されている。ここで、上記不純物は、鋼の原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものなどの不可避的不純物を含む。また、上記インナーレース浸炭層３１Ｂ、アウターレース浸炭層３２Ｂおよびボール浸炭層３３Ｂは、それぞれ内部３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃよりも炭素濃度および窒素濃度が高い浸炭窒化層であってもよい。

上記インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、Ｍｏが添加されず、Ｍｏの不添加により低下し得る特性をＳｉ、ＭｎおよびＣｒの添加量の調整により補完した鋼からなり、インナーレースボール溝３１Ａ、アウターレースボール溝３２Ａおよびボール転走面３３Ａを含む領域に浸炭層または浸炭窒化層が形成された転がり接触部品となっている。そのため、本実施の形態におけるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、Ｍｏを添加しない素材を採用しつつ、ＳＣＭ４２０を素材とするものと遜色ない特性を有する転がり接触部品となっている。このように、Ｍｏの添加しない鋼を素材として採用することにより、素材の安定的な入手および素材コストの低減を達成することができる。また、耐ピーリング強度や耐スミアリング強度に優れる本発明の転がり接触部品を備えた本実施の形態における固定ジョイント３は、ボール３３が転動しつつ摺動することにより発生し得るピーリングやスミアリングが抑制されるため、耐久性に優れた自在継手となっている。なお、インナーレース３１、アウターレース３２、ボール３３およびこれらを備えた固定ジョイント３は、上記外輪１１、内輪１２、玉１３およびこれらを備えた深溝玉軸受１と同様の製造方法により製造することができる。

また、上記実施の形態においては、外輪１１、内輪１２および玉１３がいずれも本発明の転がり接触部品である深溝玉軸受１について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られず、外輪１１、内輪１２および玉１３のうち少なくともいずれか１つが本発明の転がり接触部品であればよい。また、上記実施の形態においては、本発明の転がり軸受の一例としてラジアル玉軸受である深溝玉軸受について説明したが、本発明の転がり軸受はこれに限られず、ラジアルころ軸受であってもよいし、スラストころ軸受やスラスト玉軸受であってもよい。

また、上記実施の形態においては、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３がいずれも本発明の転がり接触部品である固定ジョイントについて説明したが、本発明の自在継手はこれに限られず、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３のうち少なくともいずれか１つが本発明の転がり接触部品であればよい。さらに、上記実施の形態においては、本発明の自在継手の一例として固定ジョイントについて説明したが、本発明の自在継手はこれに限られず、他の形式の自在継手であってもよい。

本発明における転がり接触部品の特性を確認するための実験を行なった。実験手順は以下の通りである。

素材として、本発明の転がり接触部品を構成する鋼の成分組成の範囲を満足する鋼材を準備した（実施例）。一方、比較のため、ＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０の鋼材も準備した（比較例）。素材の具体的な成分組成を表１に示す。なお、表１において実施例のＭｏ含有量は不純物のレベルであり「−」で示されている。

そして、上記実施例および比較例の鋼材を用いて試験片を作製し、以下の実験を行なった。

（１）熱処理特性試験
上記鋼材から直径12ｍｍ、長さ22ｍｍの試験片[(2)の転動寿命試験片を利用]を作製した。そして、当該試験片に浸炭処理、焼入硬化処理および焼戻処理を順次実施する熱処理を行なった。そして、熱処理の完了した試験片の表面硬度（端面硬度）、断面における硬度分布および表面における残留オーステナイト量の測定を行なった。

試験片に対する熱処理は、図８に示す熱処理パターンに基づいて実施した。図８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８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８を参照して、上記試験片が装入された炉内の温度を温度Ｔ_１（９５０℃）に上昇させ、Ｒガスを１０．０ｍ^３／ｈの流量で供給した。このとき、炉内のカーボンポテンシャルはＣＰ_１（１．２％）とされた。そして、この状態を時間ｔ_１（３３０分間）だけ維持した。次に、炉内のカーボンポテンシャルをＣＰ_２（１．１％）に低下させ、この状態を時間ｔ_２（１５０分間）だけ維持した。次に、炉内の温度をＴ_２（８５０℃）に下げるとともにカーボンポテンシャルをＣＰ_３（０．８％）に低下させ、この状態を時間ｔ_３（３０分間）だけ維持した。そして、試験片を１００℃に維持された焼入油中に浸漬することにより、焼入硬化した。さらに、焼入硬化された試験片を温度Ｔ_３（１８０℃）に加熱して時間ｔ_４（１２０分間）だけ保持することにより、焼戻処理を実施した。

また、上記実施例および比較例の鋼材について、ＪＩＳ Ｇ０５６１に規定される焼入性試験を実施した。

（２）転動疲労寿命試験
直径φ１２ｍｍ×長さＬ２２ｍｍの試験片を作製し、上記手順で熱処理し、その後、仕上げ加工を施した。そして、点接触転動寿命試験機を用いて、実施例および比較例の試験片について寿命試験を実施した。

図９および図１０を参照して、点接触転動寿命試験機２は、駆動ローラ２２と、案内ローラ２３と、鋼球２４とを備えている。そして、試験片２１は、駆動ローラ２２によって駆動され、鋼球２４と接触して回転する。鋼球２４は、案内ローラ２３にガイドされて、試験片２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。以上のように点接触転動寿命試験機２を運転し、試験片２１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。試験条件を表２に示す。

（３）シャルピー衝撃試験
Ｕノッチのシャルピー衝撃試験片（ノッチ底の曲率半径：１．０ｍｍ）を作製し、上記熱処理を実施した。そして、表面研磨を実施することなく、シャルピー衝撃試験を実施した。

（４）破壊靱性の測定
上記熱処理を実施した試験片に、浸炭層の厚みよりも長い８．２〜１１．５ｍｍの予亀裂を形成した。その後、試験片を静的に破断させることにより、内部（心部）のモードＩ破壊靭性値（Ｋ_ＩＣ）を測定した。

（５）耐摩耗性試験
上記熱処理を実施した試験片について、サバン型摩耗試験機を用いて耐摩耗性を調査する実験を行なった。

図１１および図１２を参照して、サバン型摩耗試験機６は、ロードセル６３とエアスライダ６４とを備えている。平板形状の摩耗試験片６１はエアスライダ６４に保持され、摩耗試験時に負荷される重錘６２による荷重はロードセル６３により検出される。そして、摩耗試験片６１の鏡面研磨された表面と、相手材６５の外周面とを接触させ、相手材６５を回転させる。摩耗試験片６１と相手材６５との接触面には直接潤滑油が供給されず、相手材６５の一部が潤滑油６６に浸漬される。

以上のようにサバン型摩耗試験機６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（摩耗量）を測定した。そして、当該摩耗量の逆数で各試験片の耐摩耗性を評価した。試験条件を表３に示す。

（６）割れ強度試験
外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ、幅１０ｍｍのリングを作製し、上記熱処理を実施した。その後、表面全体を研磨仕上げし、径方向に圧縮することにより静的な割れ強度を調査した。

（７）ピーリング試験
上記熱処理を実施した試験片について、粗面相手の転動試験で潤滑油膜が切れる条件で転動させ、ピーリングの発生量を調査した。

図１３を参照して、円筒型転動試験機５には、第１軸５３まわりに回転可能なように円盤状の相手試験片５１がセットされるとともに、第２軸５４まわりに回転可能なように円盤状の試験片５２がセットされる。第１軸５３と第２軸５４とは平行に配置されており、相手試験片５１と試験片５２とは互いに外周面が接触するように、第１軸５３および第２軸５４のそれぞれの一方の端部にセットされる。また、第１軸５３および第２軸５４の他方の端部には、いずれも回転速度計５５とスリップリング５６とが配置されている。

そして、相手試験片５１に潤滑油が滴下されつつ、駆動軸としての第１軸５３が回転する。これにより、相手試験片５１が回転するとともに、試験片５２が相手試験片５１と接触しつつ、相手試験片５１に従動して回転する。以上のように円筒型転動試験機５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５３の回転を停止した。そして、試験片５２が円筒型転動試験機５から取り外され、試験片５２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５２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。試験条件を表４に示す。

（８）スミアリング試験
上記熱処理を実施した試験片について、上記（７）と同じ試験機を用い、試験片にスミアリングが発生する相対回転速度を調査した。試験条件を表５に示す。

次に、試験結果について説明する。
（１）熱処理特性試験
焼入性試験の結果を表６に、その他の試験結果を表７に示す。また、試験片の断面硬度分布を図１４に示す。

表６を参照して、焼入端からの距離５ｍｍ、９ｍｍおよび１３ｍｍのいずれの位置においても硬度に差はほとんど見られない。また、図１４に示すように、試験片の断面における硬度分布も、実施例と比較例とでほぼ一致している。さらに、表７に示すように、表面硬度（端面硬度）、高硬度領域の厚み、有効硬化層深さ、心部硬さ、残留オーステナイト量のいずれについても、実施例と比較例との間にほとんど差は見られない。このことから、実施例の鋼は、ＳＣＭ４２０と同等の熱処理特性を有しているといえる。

（２）転動疲労寿命試験
転動疲労寿命試験の試験結果を表８および図１５に示す。なお、図１５においてデータ点に矢印が付されたものは、試験片に剥離が発生しない状態で試験が中止されたことを表している。

表８および図１５に示すように、累積破損確率１０％に対応するＬ_１０寿命、５０％に対応するＬ_５０寿命ともに、実施例は比較例の２倍程度の寿命を有している。このことから、実施例の鋼からなる転がり接触部品は、転動疲労寿命において比較例の鋼からなる転がり接触部品よりも優れているといえる。

（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験の試験結果を表９に示す。なお、表９には比較のため、同様の条件で実施したＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０およびＪＩＳ規格ＳＵＪ２の試験結果についても示した。

表９を参照して、実施例の衝撃値は、ＳＣＭ４２０の衝撃値の７５％程度となっている。これは、実施例の鋼はＳｉの含有量がＳＣＭ４２０に比べて高いため、浸炭処理時に表面に形成される粒界酸化層の厚みが大きくなったためであると考えられる。一方、ＳＣＭ４２０と同様に転がり接触部品の素材として一般的に採用され、実施例およびＳＣＭ４２０よりも内部硬度が小さいＳＣｒ４２０および内部硬度が大きいＳＵＪ２の衝撃値については、内部硬度の小さいＳＣｒ４２０は衝撃値が実施例およびＳＣＭ４２０よりも遥かに大きく、内部硬度の大きいＳＵＪ２は遥かに小さい。このように、シャルピー衝撃値に対しては、内部硬度の影響が極めて大きく、ＳＣＭ４２０に対する実施例の衝撃値の低下は、実用上問題にならない程度のものである考えられる。

（４）破壊靱性
破壊靱性の測定結果を表１０に示す。

表１０に示すように、破壊靭性値に有意な差は見られない。このことから、本発明の転がり接触部品は、ＳＣＭ４２０からなる転がり接触部品と同等の靭性を有しているものといえる。

（５）耐摩耗性試験
耐摩耗性試験の結果を表１１に示す。

表１１に示すように、耐摩耗性については、実施例は比較例に対して同等あるいはそれ以上の耐摩耗性を有している。このことから、本発明の転がり接触部品は、ＳＣＭ４２０からなる転がり接触部品と同等以上の耐摩耗性を有しているものといえる。

（６）割れ強度試験
割れ強度試験の結果を表１２に示す。

表１２に示すように、実施例と比較例との間には、割れ強度に有意な差は見られず、いずれも３ＧＰａという十分に高い値がえられている。このことから、本発明の転がり接触部品は、ＳＣＭ４２０からなる転がり接触部品と同等であって、十分な割れ強度を有しているものといえる。

（７）ピーリング試験
ピーリング試験の結果を表１３に示す。

表１３に示すように、実施例は比較例に比べて耐ピーリング強度が高い。このことから、本発明の転がり接触部材は、浸炭されたＳＣＭ４２０からなる従来の転がり接触部品に比べて、油膜が切れるような条件下にて使用される場合に、高い耐久性を有するものといえる。

（８）スミアリング試験
スミアリング試験の結果を表１４に示す。

表１４に示すように、実施例は比較例に比べてスミアリングが発生する速度比が大きくなっている。このことから、本発明の転がり接触部材は、浸炭されたＳＣＭ４２０からなる従来の転がり接触部品に比べて、すべりが大きい条件下にて使用される場合に、高い耐久性を有するものといえる。

（９）試験結果のまとめ
表１５に、転動疲労寿命（転動寿命）、衝撃値（衝撃強度）、破壊靱性、耐摩耗性、割れ強度、耐ピーリングおよび耐スミアリングの試験結果をまとめて示す。表１５において、数値は比較例（ＳＣＭ４２０）の結果を１とした場合の比を表している。

上述のように、実施例の鋼は、ＳＣＭ４２０と同等の熱処理特性を有している。そして、表１５に示すように、転がり接触部品として最も重要な転動寿命において実施例は比較例を上回る。一方、表面を研磨等しない状態（黒皮状態）における衝撃強度において実施例は比較例をやや下回る。しかし、転がり軸受などを構成する転がり接触部品が黒皮状態で衝撃を受けるような使用条件は考えにくく、実質的な問題は生じないものと考えられる。このことから、浸炭処理が実施された本発明の転がり接触部品は、Ｍｏを添加しない素材を採用しつつＳＣＭ４２０を素材とするものと同等以上の特性を有するものといえる。

また、転動寿命、衝撃強度および耐摩耗性に関して、上記実施例および比較例の熱処理を浸炭処理から浸炭窒化処理に変更したものについて、同様の実験を行なった場合の結果を表１５に示す。浸炭窒化の場合の結果は、ＳＣＭ４２０に浸炭窒化処理を施した場合の結果を１とした比で示されている。浸炭窒化処理を実施した場合における実施例の転動寿命の向上はＳＣＭ４２０以上であり、比較例との寿命差はさらに広がった。また、衝撃強度については、実施例と比較例とでほとんど差が無くなった。これは、浸炭処理にくらべて浸炭窒化処理においては粒界酸化層が形成されにくいためであると考えられる。また、浸炭窒化処理を実施した場合における実施例の耐摩耗性の向上はＳＣＭ４２０以上である。このことから、実施例の鋼への浸炭窒化処理の適用は、ＳＣＭ４２０の場合以上の効果を奏するものといえる。

さらに、耐ピーリング強度や耐スミアリング強度については、実施例は比較例を上回っている。このことから、高速かつ低荷重用途にて用いられる転がり軸受や、自在継手を構成する部品に、本発明の転がり接触部品は特に好適であるといえる。

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。本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。

本発明の転がり接触部品、転がり軸受およびそれらの製造方法は、浸炭処理または浸炭窒化処理が施される転がり接触部品、転がり軸受およびそれらの製造方法に、特に有利に適用され得る。

１ 深溝玉軸受、２ 点接触転動寿命試験機、３ 固定ジョイント、５ 円筒型転動試験機、６ サバン型摩耗試験機、１１ 外輪、１１Ａ 外輪転走面、１１Ｂ 外輪浸炭層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ 内部、１２ 内輪、１２Ａ 内輪転走面、１２Ｂ 内輪浸炭層、１３ 玉、１３Ａ 玉接触面、１３Ｂ 玉浸炭層、１４ 保持器、２１ 試験片、２２ 駆動ローラ、２３ 案内ローラ、２４ 鋼球、３１ インナーレース、３１Ａ インナーレースボール溝、３１Ｂ インナーレース浸炭層、３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃ 内部、３２ アウターレース、３２Ａ アウターレースボール溝、３２Ｂ アウターレース浸炭層、３３ ボール、３３Ａ ボール転走面、３３Ｂ ボール浸炭層、３４ ケージ、３５，３６ 軸、５１ 相手試験片、５２ 試験片、５３，５４ 軸、５５ 回転速度計、５６ スリップリング、６１ 摩耗試験片、６２ 重錘、６３ ロードセル、６４ エアスライダ、６５ 相手材、６６ 潤滑油。

Claims (10)

1. ０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、
   表面に他の部材と転がり接触すべき転がり接触部を有し、
   前記転がり接触部を含むように浸炭層または浸炭窒化層が形成された、転がり接触部品。
2. 転がり軸受の部品として使用される、請求項１に記載の転がり接触部品。
3. 自在継手の部品として使用される、請求項１に記載の転がり接触部品。
4. 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２に記載の転がり接触部品である、転がり軸受。
5. 第１の軸部材に接続された軌道部材と、
   前記軌道部材に接触し、前記軌道部材の表面上を転走および摺動可能に配置されたトルク伝達部材と、
   前記トルク伝達部材および前記軌道部材を介して前記第１の軸部材に接続された第２の軸部材とを備え、
   前記第１の軸部材または前記第２の軸部材の一方に伝達された軸周りの回転が、前記第１の軸部材または前記第２の軸部材の他方に伝達される自在継手であって、
   前記軌道部材および前記トルク伝達部材の少なくともいずれか一方は、請求項３に記載の転がり接触部品である、自在継手。
6. ０．１５質量％以上０．２５質量％以下の炭素と、０．４５質量％以上０．５５質量％以下の珪素と、１．０５質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、１．４０質量％以上１．５０質量％以下のクロムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼からなり、他の部材と転がり接触すべき転がり接触部となるべき領域を有する形状に成形された成形部材を準備する工程と、
   前記成形部材に浸炭処理または浸炭窒化処理を実施する工程と、
   浸炭処理または浸炭窒化処理が実施された前記成形部材を焼入硬化する工程とを備えた、転がり接触部品の製造方法。
7. 前記成形部材を準備する工程では、転がり軸受の部品の形状に成形された前記成形部材が準備される、請求項６に記載の転がり接触部品の製造方法。
8. 前記成形部材を準備する工程では、自在継手の部品の形状に成形された前記成形部材が準備される、請求項６に記載の転がり接触部品の製造方法。
9. 軌道部材を準備する工程と、
   転動体を準備する工程と、
   前記軌道部材と前記転動体とを組み合わせて転がり軸受を組み立てる工程とを備え、
   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７に記載の転がり接触部品の製造方法により製造される、転がり軸受の製造方法。
10. 軌道部材を準備する工程と、
    トルク伝達部材を準備する工程と、
    前記軌道部材と前記トルク伝達部材とを組み合わせて自在継手を組み立てる工程とを備え、
    前記軌道部材および前記トルク伝達部材の少なくともいずれか一方は、請求項８に記載の転がり接触部品の製造方法により製造される、自在継手の製造方法。

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