JP2014152378A - 軸受部品 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な軸受部品を提供する。
【解決手段】軸受部品（外輪１１、内輪１２および玉１３）は、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．３５質量％以下の珪素と、０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含み、残部不純物からなる鋼からなり、転走面（外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａ）または転動面１３Ａを含む表層部に浸炭窒化層が形成されている。浸炭窒化層が形成されていない領域における析出物の面積率は、７％以下である。表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上３５体積％以下であり、かつ、軸受部品（外輪１１、内輪１２および玉１３）全体の平均残留オーステナイト量が１８体積％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受部品に関するものであり、より特定的には、転走面または転動面を含む表層部に浸炭窒化層が形成された軸受部品に関するものである。

転がり軸受などの軸受部品の耐久性を向上させる対策として、浸炭窒化処理が知られている（たとえば、特許文献１参照）。浸炭窒化処理は、鋼をＡ_１変態点以上に加熱して炭素および窒素を侵入拡散させた後に焼入れを行う処理であり、転がり軸受において重要な性能である異物混入潤滑下の寿命延命に有効である。

特開２０１２−３１４５６号公報

しかしながら、近年の軸受部品への耐久性向上の要求を考慮すると、従来の軸受部品では、用途によってはその寿命が十分とはいえない場合がある。また、浸炭窒化処理の採用によって、経年寸法変化率が大きくなり、軸受部品の寸法安定性が低下することが問題となる場合もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な軸受部品を提供することである。

本発明に従った軸受部品は、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．３５質量％以下の珪素と、０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含み、残部不純物からなる鋼からなり、転走面または転動面を含む表層部に浸炭窒化層が形成された軸受部品である。上記軸受部品では、浸炭窒化層が形成されていない領域における析出物の面積率が７％以下である。また、上記軸受部品では、表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上３５体積％以下であり、かつ、上記軸受部品全体の平均残留オーステナイト量が１８体積％以下である。

本発明者は、軸受部品の耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立するための方策について検討を行った。その結果、以下のような知見を得て、本発明に想到した。

軸受部品において、内輪および外輪の転走面や玉の転動面のように他の部品と接触する面およびその直下では、亀裂などの損傷が発生し易い。このとき、本発明者の検討によると、軸受部品の転走面または転動面を含む領域である表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上にまで増大させることにより、寿命が大きく向上する。一方で、表層部における残留オーステナイト量が３５体積％を超えると、転走面または転動面における硬度が低下する。したがって、軸受部品の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上３５体積％以下とすることにより、硬度の低下を抑制しつつ寿命を向上させることができる。

ここで、本明細書において「表層部」とは、後述するように転走面または転動面から深さ２０μｍまでの領域をいう。つまり、表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上３５体積％以下とは、表層部における残留オーステナイト量の最小値が２０体積％以上であり、かつ最大値が３５体積％以下であることをいう。

また、軸受部品を構成する鋼は、炭化物などの析出物を溶け込ませることにより固溶強化することができる。ここで、焼入前の鋼における炭化物の面積率は一定であるため、浸炭窒化処理後における内部の炭化物の面積率により鋼中への炭素の固溶量を推測することができる。本発明者の検討によると、浸炭窒化層が形成されていない領域である内部の析出物の面積率を７％以下とすることにより、当該内部における炭素の固溶量が増大し、その結果寿命が大きく向上する。このような析出物の面積率は、浸炭窒化処理における処理温度を高くすることにより達成することができる。

また、軸受部品全体における残留オーステナイト量が増加すると、これが軸受部品の使用中に分解することにより経年変化率が大きくなる。ここで、軸受部品の耐久性については、転走面または転動面を含む表層部における残留オーステナイト量が支配的である。これに対して、経年変化率に対しては、軸受部品全体における残留オーステナイト量が影響する。そこで、表層部における残留オーステナイト量を増加させつつ、軸受部品全体の残留オーステナイト量を低減することにより耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立させることを検討したところ、表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上３５体積％以下とし、かつ軸受部品全体の平均残留オーステナイト量を１８体積％以下とすることにより、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立可能であることが明らかとなった。

本発明に従った軸受部品では、転走面または転動面を含む表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上３５体積％以下であり、かつ軸受部品全体の平均残留オーステナイト量が１８体積％以下である。また、浸炭窒化層が形成されていない領域における析出物の面積率が７％以下である。したがって、本発明に従った軸受部品によれば、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な軸受部品を提供することができる。

ここで、本発明に従った軸受部品を構成する鋼の成分組成を上記範囲に設定した理由について説明する。

炭素：０．９５質量％以上１．１０質量％以下
炭素含有量は、焼入硬化後における軸受部品の転走面または転動面の硬度に大きな影響を与える。鋼の炭素含有量が０．９５質量％未満では、焼入硬化後における転走面または転動面に十分な硬度を付与することが困難となる。あるいは、浸炭処理などで表面の炭素量を補う必要が生じ、生産効率の低下、製造コストの上昇の原因となる。一方、炭素含有量が１．１０質量％を超えると、焼入硬化の際の割れの発生（焼割れ）が懸念される。そのため、炭素含有量は０．９５質量％以上１．１０質量％以下とした。

珪素：０．３５質量％以下
珪素は、鋼中の水素吸蔵量を増加させ、水素脆性を助長する。鋼の珪素含有量が０．３５質量％を超えると、水素が鋼に入り易い用途において水素脆性による剥離が起こり易くなる。そのため、珪素含有量は０．３５質量％以下（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２よりも低い濃度）とした。

マンガン：０．５０質量％以下
マンガンは、鋼の焼入性と焼入前の鋼の硬度に寄与する。しかし、マンガン含有量が０．５質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、冷間加工における加工性が低下する。そのため、マンガン含有量は０．５０質量％以下とした。

クロム：１．３０質量％以上２．００質量％以下
クロムは、鋼の焼入性の向上に寄与する。また、本発明の軸受部品では、水素脆性による剥離を防ぐために珪素含有量が低くなっているため、焼入性が低下している。そこで、珪素含有量を低くしたことによる焼入性の低下を補うために、クロム含有量の下限値はＪＩＳ規格ＳＵＪ２の場合と同様に１．３０質量％としつつ、クロム含有量の上限値をＪＩＳ規格ＳＵＪ２の場合（１．６０質量％）よりも高い２．００質量％とした。

上記軸受部品において、表層部における窒素濃度の平均値は、０．２質量％以上であってもよい。これにより、当該表層部における耐久性が向上し、その結果耐久性が向上した軸受部品を提供することができる。

上記軸受部品では、転走面および転動面以外の面に析出物が存在していてもよい。転走面および転動面以外の面に析出物が存在する場合には、浸炭窒化層が形成されていない領域における炭素濃度が固溶限濃度に達しているため、寿命が向上する。その結果、より耐久性が向上した軸受部品を提供することができる。

上記軸受部品では、転走面または転動面におけるビッカース硬度が７００ＨＶ以上であってもよい。これにより、当該表層部における耐久性が一層向上し、その結果耐久性が一層向上した軸受部品を提供することができる。

上記軸受部品では、未分解アンモニア分圧をＰ_Ｎ、水素分圧をＰ_Ｈとした場合に、以下の式（１）で定義されるａ_ｃ ^＊が０．８８以上１．２７以下、式（２）で定義されるαが０．０１２以上０．０２０以下となるように浸炭窒化処理を行うことにより浸炭窒化層が形成されていてもよい。

本発明者の検討によると、αの値が０．０１２以下においては、浸炭窒化処理により所定時間内に鋼に侵入する窒素侵入量はαの値が大きくなるにつれて、ほぼ一定の割合で増加するが、αの値が０．０１２を超えると上記窒素侵入量の増加割合は低下する。したがって、αの値を０．０１２以上とすることにより、浸炭窒化における鋼への窒素の導入を効率よく実施することができる。一方、αの値が０．０２０を超えると所定時間内の窒素侵入量が飽和するとともに、スーティング（熱処理炉内に煤が発生して処理対象物に付着する現象）が発生し易くなり、処理対象物において表面浸炭などの品質上の不具合が発生するおそれがある。そのため、αの値は、０．０２０以下とすることが好ましく、０．０１８以下とすることがより好ましい。

さらに、ａ_ｃ ^＊の値は、鋼の表層部が脱炭することを防止するために０．８８以上とすることが好ましい。一方、ａ_ｃ ^＊の値が１．２７を超えると、鋼の表層部に過大な炭化物（セメンタイト：Ｆｅ_３Ｃ）が形成され、鋼の特性に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、ａ_ｃ ^＊の値は１．２７以下とすることが好ましい。さらに、ａ_ｃ ^＊の値を１．００よりも大きくすると、スーティングが発生するおそれがあるとともに、鋼が過浸炭となる。そのため、特に過浸炭を防止する観点から、ａ_ｃ ^＊の値は１．００以下とすることがより好ましい。このように、αが０．０１２以上０．０２０以下、ａ_ｃ ^＊が０．８８以上１．２７以下となる雰囲気下で浸炭窒化処理を行うことにより、軸受部品の表層部における炭素濃度が適切に保持されるとともに、浸炭窒化処理の効率化が図られる。その結果、軸受部品の製造コストの低減を図ることができる。

上記軸受部品では、８５０℃以上９００℃以下の温度で浸炭窒化処理を行うことにより浸炭窒化層が形成されていてもよい。そして、上記軸受部品は、浸炭窒化処理の後、１８０℃以上２２０℃以下の温度で焼戻処理が施されていてもよい。

上記熱処理条件は、浸炭窒化層が形成されていない領域における析出物の面積率、表層部における残留オーステナイト量、および軸受部品全体の平均残留オーステナイト量を上記範囲内にするための条件として好適である。

上記軸受部品では、加熱温度を５００℃、保持時間を１時間とした熱処理を行った後において、浸炭窒化層におけるビッカース硬度が、浸炭窒化層が形成されていない領域におけるビッカース硬度より１３０ＨＶ以上高くなっていてもよい。

本発明者の検討によると、浸炭窒化層における窒素濃度が０．２質量％以上０．３質量％以下である場合には、上記熱処理（加熱温度が５００℃、保持時間が１時間）を行った後の浸炭窒化層におけるビッカース硬度と、浸炭窒化層が形成されていない領域におけるビッカース硬度との差分（以下、断面硬度差分という）が高確率で１３０ＨＶ以上になる。したがって、浸炭窒化処理により浸炭窒化層を形成し、上記熱処理後を行った後の断面硬度差分が１３０ＨＶ以上であるか否かを判別することにより、軸受部品中に窒素濃度が０．２質量％以上の領域が含まれているか否かを確認することができる。その結果、当該断面硬度差分が１３０ＨＶ以上である場合には、軸受部品中に窒素濃度が０．２質量％以上の領域が高確率で含まれることを保証することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に従った軸受部品によれば、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な軸受部品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。 円錐ころ軸受の構造を示す概略断面図である。 軸受部品の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 軸受部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程の詳細を説明するための図である。 図４の雰囲気制御工程に含まれる未分解ＮＨ_３分圧制御工程を説明するための図である。 図４の雰囲気制御工程に含まれるＨ_２分圧制御工程を説明するための図である。 図４の浸炭窒化工程に含まれる加熱パターン制御工程における加熱パターンの一例を示す図である。 ａ_ｃ ^＊の値が０．８である場合の炭素濃度および窒素濃度分布を示す図である。 ａ_ｃ ^＊の値が０．９５である場合の炭素濃度および窒素濃度分布を示す図である。 αの値が０．０２７である場合の窒素濃度分布を示す図である。 αの値が０．００５である場合の窒素濃度分布を示す図である。 研削加工後の表面から深さ方向における窒素濃度分布を示す図である。 研削加工後の表面から深さ方向における窒素濃度分布を示す図である。 研削加工後の表面から深さ方向における窒素濃度分布を示す図である。 研削加工後の表面から深さ方向における窒素濃度分布を示す図である。 研削加工後の表面から深さ方向における窒素濃度分布を示す図である。 寿命試験後において破損した後の軌道輪の圧痕の断面を示す図である。 異物混入潤滑寿命のワイブルプロットである。 表面における残留オーステナイト量と異物混入潤滑寿命との関係を示す図である。 厚み方向における残留オーステナイト量の分布を示す図である。 残留オーステナイト量と経年寸法変化率との関係を示す図である。 断面硬度差分と窒素濃度との関係を示す図である。

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、その説明は繰返さない。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係る転がり軸受である深溝玉軸受１の構造について説明する。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である複数の玉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。内輪１２は、内輪転走面１２Ａが外輪転走面１１Ａと対向するように外輪１１の内側に配置されている。複数の玉１３は、転動面１３Ａにおいて外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａ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ている。これにより、複数の玉１３は、外輪１１および内輪１２の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。このような構成により、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。また、外輪１１、内輪１２および玉１３は、後述する本実施の形態に係る軸受部品である。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係る他の転がり軸受である円錐ころ軸受２の構造について説明する。円錐ころ軸受２は、環状の外輪２１および内輪２２と、転動体である複数のころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。外輪２１の内周面には外輪転走面２１Ａが形成されており、内輪２２の外周面には内輪転走面２２Ａが形成されている。内輪２２は、内輪転走面２２Ａが外輪転走面２１Ａと対向するように外輪２１の内側に配置されている。

ころ２３は、転動面２３Ａにおいて外輪転走面２１Ａおよび内輪転走面２２Ａに接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されている。これにより、ころ２３は、外輪２１および内輪２２の円環状の軌道上に転動自在に保持されている。また、円錐ころ軸受２は、外輪転走面２１Ａを含む円錐、内輪転走面２２Ａを含む円錐、およびころ２３が転動した場合の回転軸の軌跡を含む円錐のそれぞれの頂点が軸受の中心線上の１点で交わるように構成されている。このような構成により、円錐ころ軸受２の外輪２１および内輪２２は、互いに相対的に回転可能となっている。また、外輪２１、内輪２２およびころ２３は、外輪１１、内輪１２および玉１３と同様に、本実施の形態に係る軸受部品である。

本実施の形態に係る軸受部品（外輪１１，２１、内輪１２，２２、玉１３およびころ２３）は、０．９５質量％以上１．１質量％以下の炭素と、０．５質量％以下のマンガンと、０．０５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、１．３０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含み、残部不純物からなる鋼からなっている。上記軸受部品において転走面（外輪転走面１１Ａ，２１Ａ、内輪転走面１２Ａ，２２Ａ）または転動面（転動面１３Ａ，２３Ａ）を含む表層部には、浸炭窒化層が形成されている。

上記軸受部品では、表層部における窒素濃度の平均値が０．２質量％以上となっており、かつ当該表層部における炭素濃度が０．９質量％以上１．３質量％以下となっている。また、上記軸受部品では、表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上３５体積％以下となっており、好ましくは２５体積％以上３５体積％以下となっている。また、上記軸受部品では、全体の平均残留オーステナイト量が１８体積％以下となっており、好ましくは１５体積％以下となっている。また、上記転走面（外輪転走面１１Ａ，２１Ａ、内輪転走面１２Ａ，２２Ａ）または転動面（転動面１３Ａ，２３Ａ）におけるビッカース硬度は、７００ＨＶ以上となっている。これにより、上記軸受部品（外輪１１，２１、内輪１２，２２、玉１３およびころ２３）は、耐久性の向上と寸法安定性との向上とを両立することが可能な軸受部品となっている。

上記軸受部品では、浸炭窒化層が形成されていない領域（母地）における析出物の面積率が７％以下になっており、好ましくは５％になっている。析出物とは、鉄の炭化物または当該炭化物の炭素の一部が窒素に置き換わった炭窒化物などであり、Ｆｅ−Ｃ系の化合物およびＦｅ−Ｃ−Ｎ系の化合物を含む。また、この炭窒化物は、クロムなど、鋼に含まれる合金成分を含んでいてもよい。このように析出物の面積率を低くして母地への炭素などの固溶量を増加させることにより、軸受部品の寿命をより向上させることができる。また、上記軸受部品では、母地の炭素濃度が固溶限濃度に達しているため、母地中へ固溶することができない炭素が、析出物として上記転走面（外輪転走面１１，２１Ａ、内輪転走面１２Ａ，２２Ａ）以外の面（たとえば、外輪１１，２１の外周面、内輪１２，２２の内周面、または外輪１１，２１および内輪１２，２２の幅面など）上に存在している。なお、上記転走面上に析出物が存在しないのは、上記転走面は浸炭窒化処理が施されて浸炭窒化層が形成されることにより炭素の固溶限濃度が上昇しているためである。

また、上記軸受部品では、加熱温度を５００℃、保持時間を１時間とした熱処理を行った後において、浸炭窒化層におけるビッカース硬度が、浸炭窒化層が形成されていない領域（母地）におけるビッカース硬度より１３０ＨＶ以上高くなっている。これにより、後述するように軸受部品中に窒素濃度が０．２質量％以上の領域が高確率で含まれることを保証することができる。

次に、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法について説明する。本実施の形態に係る軸受部品の製造方法では、上記本実施の形態に係る軸受部品である外輪１１，２１、内輪１２，２２、玉１３およびころ２３が製造される。

図３を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として、鋼材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、まず、０．９５質量％以上１．１質量％以下の炭素と、０．５質量％以下のマンガンと、０．０５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、１．３０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含み、残部不純物からなる鋼材が準備される。そして、当該鋼材が軸受部品の概略形状に成形される。たとえば、棒鋼、鋼線などを素材とし、当該棒鋼、鋼線などに対して切断、鍛造、旋削などの加工が施されることにより、軸受部品である外輪１１，２１、内輪１２，２２、または玉１３およびころ２３などの概略形状に成形された鋼材が準備される。

次に、工程（Ｓ２０）として、焼入硬化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、上記工程（Ｓ１０）において準備された鋼材に対して、浸炭窒化処理を施した後、Ａ_１変態点以上の温度からＭ_ｓ点（マルテンサイト変態開始点）以下の温度へ冷却される。この工程（Ｓ２０）の詳細については後述する。

次に、工程（Ｓ３０）として、焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ３０)では、上記工程（Ｓ２０）において焼入硬化された鋼材に対して、Ａ_１点以下の温度の加熱処理が施される。より具体的には、浸炭窒化処理の後、Ａ_１点以下の温度である１８０℃以上２２０℃以下の温度（たとえば２１０℃）で鋼材を所定の時間保持することにより当該鋼材に焼戻処理が施され、その後室温の空気により冷却される（空冷）。これにより、鋼材の靭性などを向上させることができる。

次に、工程（Ｓ４０)として、仕上げ加工が施される。この工程（Ｓ４０）では、焼戻処理が施された鋼材の外輪転走面１１Ａ，２１Ａ、内輪転走面１２Ａ，２２Ａおよび転動面１３Ａ，２３Ａに対する研削加工が実施される。これにより、本実施の形態に係る軸受部品である軸受部品である外輪１１，２１、内輪１２，２２、玉１３およびころ２３（図１および図２参照）が製造され、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法が完了する。また、製造された外輪１１、内輪１２および玉１３が組み合わされることにより深溝玉軸受１（図１参照）が製造され、また外輪２１、内輪２２およびころ２３が組み合わされることにより円錐ころ軸受２（図２参照）が製造される。

次に、焼入硬化工程（Ｓ２０）について詳細に説明する。図４は、当該焼入硬化工程（Ｓ２０）を詳細に説明するための図である。また、図５は、図４の雰囲気制御工程に含まれる未分解アンモニア（ＮＨ_３）分圧制御工程を説明するための図である。また、図６は、図４の雰囲気制御工程に含まれる水素（Ｈ_２）分圧制御工程を説明するための図である。また、図７は、図４の浸炭窒化工程に含まれる加熱パターン制御工程における加熱パターン（温度履歴）の一例を示す図である。図７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。図４〜図７を参照して、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法に含まれる焼入硬化工程（Ｓ２０）の詳細について説明する。

図４を参照して、焼入硬化工程（Ｓ２０）においては、まず、鋼材が浸炭窒化される浸炭窒化工程が実施される。その後、鋼材がＡ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。そして、浸炭窒化工程においては、上記工程（Ｓ１０）において準備された鋼材を、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素および水素を含む雰囲気中で加熱することにより浸炭窒化処理が施される。

浸炭窒化工程は、熱処理炉内の雰囲気が制御される雰囲気制御工程３０と、熱処理炉内において被処理物である鋼材に付与される温度履歴が制御される加熱パターン制御工程４０とを備えている。この雰囲気制御工程３０と加熱パターン制御工程４０とは、独立に、かつ並行して実施することができる。そして、雰囲気制御工程３０は、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧が制御される未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１と、熱処理炉内の水素分圧が制御されるＨ_２分圧制御工程３２と、熱処理炉内の一酸化炭素および二酸化炭素の少なくともいずれか一方の分圧が制御されるＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程３３とを含んでいる。

ＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程５３では、式（１）を参照して、熱処理炉内の一酸化炭素および二酸化炭素の少なくともいずれか一方の分圧が制御されることにより、ａ_ｃ ^＊が制御される。

そして、雰囲気制御工程３０においては、式（１）で定義されるａ_ｃ ^＊が０．８８以上１．２７以下、式（２）のαが０．０１２以上０．０２０以下の範囲になるように、未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１、Ｈ_２分圧制御工程３２およびＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程３３が実施される。

具体的には、図５を参照して、未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１では、まず、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧を測定する未分解ＮＨ_３分圧測定工程（Ｓ１１）が実施される。未分解アンモニア分圧の測定は、たとえばガスクロマトグラフを用いて実施することができる。そして、工程（Ｓ１１）において測定された未分解アンモニア分圧に基づいて、熱処理炉へのアンモニアガスの供給量を増減させるＮＨ_３供給量調節工程（Ｓ１３）の実施の要否を判断する、未分解ＮＨ_３分圧判断工程（Ｓ１２）が実施される。当該判断は、αの値が０．０１２以上０．０２０以下の範囲になるように予め決定された目標の未分解アンモニア分圧と、測定された未分解アンモニア分圧とを比較し、測定された未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧になっているかどうかを判定することにより実施される。

未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧になっていない場合には、熱処理炉内の未分解アンモニア分圧を増減させるための工程（Ｓ１３）が実施された後、工程（Ｓ１１）が再度実施される。工程（Ｓ１３）は、たとえば、熱処理炉に配管を介して連結されたアンモニアガスのボンベから単位時間に熱処理炉に流入するアンモニアの量（アンモニアガスの流量）を当該配管に取り付けられたマスフローコントローラなどを備えた流量制御装置により調節することにより実施することができる。すなわち、測定された未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧よりも高い場合、上記流量を低下させ、低い場合、上記流量を増加させることにより、工程（Ｓ１３）を実施することができる。この工程（Ｓ１３）において、測定された未分解アンモニア分圧と目標の未分解アンモニア分圧との間に所定の差がある場合、どの程度流量を増減させるかについては、予め実験的に決定したアンモニアガスの流量の増減と未分解アンモニア分圧の増減との関係に基づいて決定することができる。

一方、未分解アンモニア分圧が目標の未分解アンモニア分圧になっている場合には、工程（Ｓ１３）が実施されることなく、工程（Ｓ１１）が再度実施される。

また、Ｈ_２分圧制御工程３２は、上述の未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１と同様に実施される。すなわち、図６を参照して、Ｈ_２分圧制御工程３２では、まず、熱処理炉内の水素分圧を測定するＨ_２分圧測定工程（Ｓ２１）が実施される。水素分圧の測定は、たとえば熱伝導ガス分析計を用いて実施することができる。そして、工程（Ｓ２１）において測定された水素分圧に基づいて、熱処理炉への水素ガスの供給量を増減させるＨ_２供給量調節工程（Ｓ２３）の実施の要否を判断する、水素分圧判断工程（Ｓ２２）が実施される。当該判断は、αの値が０．０１２以上０．０２０以下の範囲になるように予め決定された目標の水素分圧と、測定された水素分圧とを比較し、測定された水素分圧が目標の水素分圧になっているかどうかを判定することにより実施される。

水素分圧が目標の水素分圧になっていない場合には、熱処理炉内の水素分圧を増減させるための工程（Ｓ２３）が実施された後、工程（Ｓ２１）が再度実施される。工程（Ｓ２３）は、たとえば、熱処理炉に配管を介して連結された水素ガスのボンベから単位時間に熱処理炉に流入する水素の量（水素ガスの流量）を当該配管に取り付けられたマスフローコントローラなどを備えた流量制御装置により調節することにより実施することができる。すなわち、測定された水素分圧が目標の水素分圧よりも高い場合、上記流量を低下させ、低い場合、上記流量を増加させることにより、工程（Ｓ２３）を実施することができる。この工程（Ｓ２３）において、測定された水素分圧と水素分圧との間に所定の差がある場合、どの程度流量を増減させるかについては、アンモニアの場合と同様に、予め実験的に決定した水素ガスの流量の増減と水素分圧の増減との関係に基づいて決定することができる。

一方、水素分圧が目標の水素分圧になっている場合には、工程（Ｓ２３）が実施されることなく、工程（Ｓ２１）が再度実施される。

図４を参照して、ＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程３３では、エンリッチガスとしてのプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス、ブタンガス（Ｃ_４Ｈ_１０）などの供給量が調節されることにより、ＣＯおよびＣＯ_２の分圧の少なくともいずれか一方の分圧が制御され、ａ_ｃ ^＊が調整される。具体的には、たとえば、赤外線ガス濃度測定装置を用いて雰囲気中の一酸化炭素の分圧Ｐ_ＣＯおよび二酸化炭素の分圧Ｐ_ＣＯ２が測定される。そして、当該測定値に基づいて、以下の式（１）で定義されるａ_ｃ ^＊が０．８８以上１．２７以下の範囲内の目標の値となるように、エンリッチガスとしてのプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガス、ブタンガス（Ｃ_４Ｈ_１０）などの供給量が調節される。

ここで、αの値は、式（２）を参照して、未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１、Ｈ_２分圧制御工程３２およびＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程３３により、それぞれ未分解アンモニア分圧、水素分圧およびａ_ｃ ^＊の少なくともいずれか１つを変化させることにより制御することができる。すなわち、αの値は、たとえば未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１およびＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程３３により、未分解アンモニア分圧およびａ_ｃ ^＊を一定に保持した状態で、Ｈ_２分圧制御工程３２により水素分圧を変化させて制御してもよいし、Ｈ_２分圧制御工程３２およびＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程３３により、水素分圧およびａ_ｃ ^＊値を一定に保持した状態で、未分解ＮＨ_３分圧制御工程３１により未分解アンモニア分圧を変化させて制御してもよい。

さらに、図４を参照して、加熱パターン制御工程４０では、鋼材に付与される加熱履歴が制御される。具体的には、図７に示すように、鋼材が上述の雰囲気制御工程３０によって制御された雰囲気中で、Ａ_１点以上の温度である８５０℃以上９００℃以下の温度、たとえば８８０℃に加熱されて所定の時間保持される。当該保持時間が経過するとともに加熱パターン制御工程は終了し、同時に雰囲気制御工程も終了する。その後、図４を参照して、鋼材が油中に浸漬（油冷）されることにより、Ａ_１点以上の温度からＭ_ｓ点以下の温度に冷却される冷却工程が実施される。以上の工程により、鋼材の表層部が浸炭窒化されるとともに焼入硬化される。

以上のように、本実施の形態に係る軸受部品の製造方法では、工程（Ｓ２０）において８５０℃以上９００℃以下の温度（たとえば８８０℃）で浸炭窒化処理を行うことにより浸炭窒化層が形成され、また、工程（Ｓ３０)において１８０℃以上２２０℃以下の温度（たとえば２１０℃）で焼戻処理が施される。これにより、浸炭窒化層が形成されていない領域（母地）に多量の炭素が固溶し、かつ表層部における残留オーステナイト量と全体の平均オーステナイト量とのバランスをとることにより耐久性の向上と寸法安定性の向上とが両立された上記本実施の形態に係る軸受部品である外輪１１，２１、内輪１２，２２、玉１３およびころ２３を製造することができる。また、工程（Ｓ２０）においては、未分解アンモニア分圧をＰ_Ｎ、水素分圧をＰ_Ｈとした場合に、上記式（１）で定義されるａ_ｃ ^＊が０．８８以上１．２７以下、上記式（２）で定義されるαが０．０１２以上０．０２０以下となるように浸炭窒化処理が行われる。これにより、上記軸受部品の表層部における炭素濃度が適切に保持されるとともに、浸炭窒化処理の効率化を図ることができる。その結果、上記軸受部品の製造コストの削減を図ることができる。

（１） 浸炭窒化処理時の雰囲気管理について
浸炭窒化処理時の雰囲気と炭素濃度および窒素濃度分布との関係について調査した。まず、浸炭窒化処理時の雰囲気と炭素濃度分布との関係について調査した。図８は、ａ_ｃ ^＊の値が０．８０、αの値が０．０１７の雰囲気下で２．５時間浸炭窒化処理を行った場合の炭素濃度および窒素濃度分布を示している（比較例）。また、図９は、ａ_ｃ ^＊の値が０．９５、αの値が０．０１７の雰囲気下で２．５時間浸炭窒化処理を行った場合の炭素濃度および窒素濃度分布を示している（実施例）。図８および図９において、横軸は表面からの距離（ｍｍ）を示し、縦軸は炭素濃度および窒素濃度（質量％）を示している。また、図８および図９中における「Ｃ」および「Ｎ」は、炭素濃度および窒素濃度の分布をそれぞれ示している。

図８および図９を参照して、実施例および比較例ではαの値が同じであるため、窒化については実施例および比較例のそれぞれにおいて正常に行われていた。しかし、比較例では表面付近の炭化物が消失して炭素濃度が低下しており、さらに母相においても僅かに脱炭が確認されたのに対し（図８参照）、実施例では表面付近の炭素濃度は母相における炭素濃度とほぼ同等となっていた（図９参照）。この結果から、浸炭窒化処理時の雰囲気を管理することにより（適切なａ_ｃ ^＊値とすることにより）、鋼の表層部における適切な炭素濃度を保持することが可能であることが確認された。

次に、浸炭窒化処理時の雰囲気と窒素濃度分布との関係について調査した。図１０は、ａ_ｃ ^＊の値が１、αの値が０．０１７の雰囲気下で５時間浸炭窒化処理を行った場合の窒素濃度分布を示している（実施例）。また、図１１は、ａ_ｃ ^＊の値が１、αの値が０．００５の雰囲気下で５時間浸炭窒化処理を行った場合の窒素濃度分布を示している（比較例）。図１０および図１１を参照して、実施例および比較例では浸炭窒化処理の時間は同じであるが、比較例では実施例よりも窒素侵入量が少なく、窒素濃度が低くなった。この結果から、浸炭窒化処理時の雰囲気を適切に管理することにより（適切なα値とすることにより）、窒素の侵入速度が向上し、浸炭窒化処理の効率化が可能であることが確認された。

（２） 表面部の定義について
浸炭窒化処理は異物混入潤滑下における寿命（以下、圧痕起点はく離寿命という）を延命するために有効であることが知られている一方、鋼中の窒素濃度と異物混入潤滑寿命との関係は明らかにされていない。そこで、窒素濃度を正確に管理したＳＵＪ２材について異物混入潤滑試験を行った。

試験軸受には、テーパー軸受（ＪＩＳ規格軸受型番：３０２０６、内径：３０ｍｍ、外径：６２ｍｍ、幅：１７．２５ｍｍ、転動体：１７個）を用いた。試験軸受の内輪、外輪および転動体は、上記本実施の形態に係る軸受部品の製造方法により製造した。これにより、図１２〜図１６に示す窒素濃度分布を有する軸受部品が得られた。図１２〜図１６において、横軸は研削加工後の表面（転走面または転動面）から深さ方向における距離を示し、縦軸は窒素濃度を示している。このように、浸炭窒化処理の時間および研削加工による取代を適切に設定することにより、転走面または転動面における窒素濃度が正確に管理された軸受部品が得られている。

異物混入潤滑試験は、転がり軸受の潤滑油中に粒径が１００〜１８０μｍのガスアトマイズ粉（ビッカース硬度：８００ＨＶ程度）を混入させて運転し、その破損寿命を評価するものである。粒径を１００〜１８０μｍとしている理由は、市場においても最大で１００μｍ程度の粒径を持つ硬質異物が混入する場合があるためである。

図１７に、異物混入潤滑試験により破損した後の軸受部品の圧痕の形状（断面図）を示す。図１７において、横軸は表面（転走面または転動面）に沿った基準点からの距離、縦軸は高さを示している。横軸の基準点から０．３ｍｍ付近までが当初の表面、０．３ｍｍ〜１．１ｍｍ付近までが圧痕、１．１ｍｍ以上の領域が剥離部である。図１７より、硬質異物により形成された圧痕は１５〜２０μｍの深さであることが確認された。

また、圧痕の盛り上がりの形状は圧痕深さまでの材料の組織により決まると考えられる。また、窒素濃度により軸受鋼の組織は変化する。これらのことから、圧痕起点型はく離寿命は、表面の窒素濃度だけではなく、表面から圧痕深さ（２０μｍ）までの窒素濃度の影響を受けると考えられる。そのため、本明細書では、研削および仕上げ加工を施した転走面または転動面などの表面から２０μｍまでの深さの領域を「表層部」として定義し、当該「表層部」における窒素濃度の平均値、または当該「表層部」における残留オーステナイト量などを規定している。

（３） 内部の炭化物の面積率について
次に、内部の炭化物の面積率と異物混入潤滑寿命との関係について調査した。軸受鋼は、炭化物を溶け込ませることにより固溶強化することができる。焼入前の軸受鋼の炭化物の面積率は一定であるため、浸炭窒化処理後における内部の炭化物の面積率により炭素の固溶量を推測することができる。ここで、軸受の寿命に影響するのは研削後の表面の品質であるのに関わらず、内部の炭化物の面積率から母地中への炭素の固溶量を推測している理由は、浸炭窒化処理により表面が窒化されて炭素の固溶限濃度が上昇するため、母地への炭化物の固溶量を推測するのが困難だからである。表１に、熱処理条件と内部の析出物（炭化物）の面積率（％）との関係を示す。

表１の熱処理条件は、「焼入温度−焼戻温度−研削後最表面の窒素濃度」の表示により示されている。たとえば８００℃−１８０℃−０．１ｍａｓｓ％の表示は、焼入温度が８００℃、焼戻温度が１８０℃、表層部の窒素濃度が０．１質量％であることを示している。表１より、加熱温度が高くなるに伴い内部の析出物の面積率は小さくなることが確認された。つまり、浸炭窒化処理時の処理温度を高くすることにより母地における炭素の固溶限濃度が上昇し、炭素の固溶量が増大するため析出物の量が少なくなる。また、炭素の固溶限濃度が上昇した状態において析出物が存在している場合には母地における炭素濃度が固溶限濃度に達していることになり、表面の母地も炭素濃度が高くなる。

図１８に、異物混入潤滑寿命の試験結果を示す（試験方法は上記の通り）。図１８において、横軸は寿命（試験開始から剥離が発生するまでの時間）（ｈ）を示し、縦軸は累積破損確率（％）を示している。また、図１８の凡例には、表１と同様に、「焼入温度−焼戻温度−研削後最表面の窒素濃度」が表示されている。図１８に示すように、内部の析出物の面積率が小さい場合（８８０℃−２１０℃−０．４ｍａｓｓ％）には、脱炭させた場合（８８０℃−２１０℃−０．４ｍａｓｓ％ＤＣ）、高温焼戻をした場合（８５０℃−２４０℃−０．４ｍａｓｓ％）およびＳＵＪ２材を普通焼入した場合（８５０℃−１８０℃−０ｍａｓｓ％（ＳＵＪ２普通焼入））に比べて寿命が長くなった。なお、高温焼戻した場合には母地中の炭素濃度の減少および残留オーステナイトの減少のために寿命が短くなり、また脱炭した場合には母地中の炭素濃度の減少のために寿命が短くなった。

（４） 表層部における残留オーステナイト量について
次に、表層部における残留オーステナイト量と寿命との関係について調査した。図１９に、表層部における窒素濃度を一定とし、焼戻温度を変化させて残留オーステナイト量を変化させた時の異物混入潤滑寿命を測定した結果を示す。図１９において、横軸は残留オーステナイト量（体積％）、縦軸はＬ_１０寿命（時間）を示している。図１９に示すように、残留オーステナイト量の増加に伴ってＬ_１０寿命も長くなっており、特に残留オーステナイト量を２０体積％以上とすることによりＬ_１０寿命が大きく向上している。一方、残留オーステナイト量の増大に伴ってＬ_１０寿命の向上は飽和する傾向にあり、残留オーステナイト量が３５体積％を超えるときには、Ｌ_１０寿命の向上は緩やかとなっている。さらに、残留オーステナイト量が３５体積％を超えるときには、表面の硬度が６５０ＨＶ程度にまで低下する。このことから、異物潤滑寿命を長くするためには、表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上３５体積％以下にすることが必要であることが分かった。

（５） 全体の平均残留オーステナイト量について
次に、経年寸法変化に及ぼす残留オーステナイト量の影響を調査した。まず、外径φ６０ｍｍ、内径φ５４ｍｍ、幅ｔ１５ｍｍのリング状試験片を、焼入温度、焼戻温度および表層部の窒素濃度を変化させて作製した。この試験片に対して、１２０℃に加熱して２５００時間保持する熱処理を実施し、当該熱処理前後での外径の寸法差を熱処理前の外径で除して経年寸法変化率を算出した。

図２０は、各熱処理条件における残留オーステナイト量の分布を示している。図２０において、横軸は表面からの距離（ｍｍ）を示し、縦軸は残留オーステナイト量（体積％）を示している。この図２０の残留オーステナイト量の分布から試験片内の残留オーステナイト量の平均値を算出するとともに、先に算出した対応する試験片の経年寸法変化率との関係を調査した。図２１は、試験片全体の平均残留オーステナイト量と経年寸法変化率との関係を示している。

図２１に示すように、平均残留オーステナイト量と経年寸法変化率とは比例関係にある。また、図２１より、加熱温度１２０℃で２５００時間保持した場合の経年寸法変化率を６０×１０^−５以下にするためには、平均残留オーステナイト量を１８体積％以下とすればよいことが分かる。

（６） 高温焼戻後の断面硬度差分について
高温焼戻後の断面硬度差分と窒素濃度との関係について調査した。図２２は、加熱温度が５００℃、保持時間が１時間の熱処理（高温焼戻）後における窒素濃度と断面硬度差分との関係を示している。「断面硬度差分」とは、高温焼戻後の浸炭窒化層におけるビッカース硬度と、浸炭窒化層が形成されていない領域におけるビッカース硬度との差分である。図２２において、横軸は窒素濃度（質量％）を示し、縦軸は断面硬度差分（ΔＨＶ）を示している。

図２２より、高温焼戻後の断面硬度差分は、窒素濃度が０．２〜０．３質量％の範囲において最も大きくなることが分かる。また、窒素濃度が０．２〜０．３質量％の範囲においては、９５％以上の高確率で断面硬度差分が１３０ＨＶ以上となる。したがって、高温焼戻後の断面硬度差分を測定し、その測定値が１３０ＨＶ以上であるか否かを判別することにより、軸受部品中に窒素濃度が０．２質量％以上である領域が含まれているか否かを確認することができる。そして、当該測定値が１３０ＨＶ以上である場合には、軸受部品中に窒素濃度が０．２質量％以上である領域が含まれることを保証することができる。

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。

本発明の軸受部品は、転走面または転動面を含む表層部に浸炭窒化層が形成された軸受部品において、特に有利に適用され得る。

１ 深溝玉軸受、２ 円錐ころ軸受、１１，２１ 外輪、１１Ａ，２１Ａ 外輪転走面、１２，２２ 内輪、１２Ａ，２２Ａ 内輪転走面、１３ 玉、１３Ａ，２３Ａ 転動面、１４，２４ 保持器、２３ ころ、３０ 雰囲気制御工程、３１ 未分解ＮＨ_３分圧制御工程、３２ Ｈ_２分圧制御工程、３３ ＣＯ／ＣＯ_２分圧制御工程、４０ 加熱パターン制御工程。

Claims (7)

1. ０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．３５質量％以下の珪素と、０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含み、残部不純物からなる鋼からなり、転走面または転動面を含む表層部に浸炭窒化層が形成された軸受部品であって、
   前記浸炭窒化層が形成されていない領域における析出物の面積率が７％以下であり、
   前記表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上３５体積％以下であり、かつ、前記軸受部品全体の平均残留オーステナイト量が１８体積％以下である、軸受部品。
2. 前記表層部における窒素濃度の平均値は、０．２質量％以上である、請求項１に記載の軸受部品。
3. 前記転走面および前記転動面以外の面に析出物が存在している、請求項１または２に記載の軸受部品。
4. 前記転走面または前記転動面におけるビッカース硬度が７００ＨＶ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸受部品。
5. 未分解アンモニア分圧をＰ_Ｎ、水素分圧をＰ_Ｈとした場合に、以下の式（１）で定義されるａ_ｃ ^＊が０．８８以上１．２７以下、式（２）で定義されるαが０．０１２以上０．０２０以下となるように浸炭窒化処理を行うことにより前記浸炭窒化層が形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の軸受部品。
   

   

   
6. ８５０℃以上９００℃以下の温度で浸炭窒化処理を行うことにより前記浸炭窒化層が形成されており、
   前記浸炭窒化処理の後、１８０℃以上２２０℃以下の温度で焼戻処理が施されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸受部品。
7. 加熱温度を５００℃、保持時間を１時間とした熱処理を行った後において、前記浸炭窒化層におけるビッカース硬度が、前記浸炭窒化層が形成されていない領域におけるビッカース硬度より１３０ＨＶ以上高い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の軸受部品。

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