JP2017106074A - 軸受構成部材及びその製造方法並びに転がり軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】安価に製造でき、異物混入条件下においても、長い寿命を確保できる軸受構成部材及びその製造方法並びに転がり軸受を提供する。【解決手段】転がり軸受である円すいころ軸受１において、軸受構成部材としての外内輪１０，２０をＣ０．３〜０．４５質量％とＳｉ０．５質量％以下とＭｎ０．４〜１．５質量％とＣｒ０．３〜２質量％とＭｏ０．１〜０．３５質量％とＶ０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材の表面層が浸炭窒化層である母材で構成し、転がり摺動面である軌道面１０ａ，２０ａの表面から５０μｍの深さの位置における表面ビッカース硬さを７００〜８００、内部硬さをビッカース硬さで５５０〜６９０、前記表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量を少なくとも３０体積％とする。【選択図】図１

Description

本発明は、軸受構成部材及びその製造方法並びに当該軸受構成部材を備えた転がり軸受に関する。
転がり軸受の潤滑には、潤滑油が用いられている。この潤滑油中には、摩耗粉などの異物が混入していることがある。このような異物混入条件下に転がり軸受が使用された場合、外内輪又は転動体に異物が押し付けられて、外内輪又は転動体の表面が損傷することがある。異物によって生じた表面損傷部は、応力集中による疲労剥離の起点となり、転がり軸受の寿命を低下させる原因となっている。そこで、軸受構成部材の原材料として、ニッケル、クロム及びモリブデンそれぞれの含有量が多い鋼材を用いることにより、異物混入条件下での転がり軸受の寿命を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−２６７５２号公報
しかし、前記特許文献１に記載の鋼材は、ニッケル、クロム及びモリブデンの含有量が多いため、軸受構成部材の製造コストの増大を招くおそれがある。
ところで、建設機械などに用いられる中型の転がり軸受では、製造時における鋼材の焼入れ性を確保するために、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ鋼）又はニッケルクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ鋼）が用いられている。しかし、前記中型の転がり軸受は、比較的大きい鋼材が用いられていることから、内部まで十分な硬さを確保するために、図１６に示されるように９３０分間にも及ぶ長時間の浸炭処理又は浸炭窒化処理を行なう必要がある。また、前記ＳＣＭ鋼及びＳＮＣＭ鋼においては、長時間の浸炭処理又は浸炭窒化処理に伴って結晶粒が粗大化し、靱性が低下する。そのため、鋼材として前記ＳＣＭ鋼又はＳＮＣＭ鋼が用いられた場合、浸炭焼入れ処理又は浸炭窒化焼入れ処理に加え、粗大化した結晶粒を小さくするために、図１６に示されるように、二次焼入れを行なう必要がある。そのため、前記ＳＣＭ鋼及びＳＮＣＭ鋼には、製造時における工程数が多くなり、製造コストの増大を招くという欠点がある。
本発明は、このような実状に鑑みてなされたもので、安価に製造することができ、異物混入条件下においても、長い寿命を確保することができる軸受構成部材及びその製造方法並びに転がり軸受を提供することを目的とする。
本発明の軸受構成部材は、相手部材との間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触又は両接触を含む接触をする転がり摺動面を有する軸受構成部材であって、炭素０．３〜０．４５質量％と、ケイ素０．５質量％以下と、マンガン０．４〜１．５質量％と、クロム０．３〜２質量％と、モリブデン０．１〜０．３５質量％と、バナジウム０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材の表面層が浸炭窒化層である母材からなり、前記転がり摺動面の表面から５０μｍの深さの位置における表面ビッカース硬さが７００〜８００であり、内部硬さがビッカース硬さで５５０〜６９０であり、前記表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量が少なくとも３０体積％であることを特徴としている。
本発明の軸受構成部材は、前記転がり摺動面の表面から５０μｍの深さの位置における表面ビッカース硬さが７００〜８００、内部硬さがビッカース硬さで５５０〜６９０、前記表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量が少なくとも３０体積％となっている。したがって、本発明の軸受構成部材は、異物混入条件下においても、長い寿命を確保することができる。また、前記組成を有する鋼材は、低コストであり、しかも加工性に優れる。したがって、本発明の軸受構成部材は、安価に製造することができる。
本発明の転がり軸受は、内周に軌道面を有する外輪と、外周に軌道面を有する内輪と、前記外内輪の両軌道面の間に配置された複数個の転動体とを有する転がり軸受であって、前記外輪、内輪及び転動体のうちの少なくとも１つが、前述した軸受構成部材であることを特徴としている。したがって、本発明の転がり軸受は、前述した軸受構成部材を備えているので、前述の優れた作用効果を奏する。
前記転がり軸受は、中型円すいころ軸受であることが好ましい。この場合、ニッケル、クロム及びモリブデンを多く含む鋼材から得られる従来の中型円すいころ軸受と比べて、短時間で、より安価に製造することができ、しかも異物混入条件下においても、ニッケル、クロム及びモリブデンを多く含む鋼材から得られる従来の中型円すいころ軸受と同等以上の長い寿命を確保することができる。
本発明の軸受構成部材の製造方法は、前記軸受構成部材を製造する軸受構成部材の製造方法であって、炭素０．３〜０．４５質量％と、ケイ素０．５質量％以下と、マンガン０．４〜１．５質量％と、クロム０．３〜２質量％と、モリブデン０．１〜０．３５質量％と、バナジウム０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材から形成された素形材に対し、カーボンポテンシャル１〜１．３及びアンモニア濃度１〜６体積％の浸炭窒化雰囲気下で８３０〜９３０℃に加熱保持した後、焼入れを行なう浸炭窒化焼入れ工程、及び、前記浸炭窒化焼入れ工程後の素形材に対し、１５０〜２５０℃での焼戻しを行なう焼戻し工程を含むことを特徴としている。
本発明の軸受構成部材の製造方法は、前記組成を有する鋼材から形成された素形材に対し、カーボンポテンシャル１〜１．３及びアンモニア濃度１〜６体積％の浸炭窒化雰囲気下で８３０〜９３０℃に加熱保持した後、焼入れを行なう浸炭窒化焼入れ処理と、１５０〜２５０℃での焼戻しを行なう焼戻し処理とを行なうため、前述の優れた作用効果を奏する軸受構成部材を得ることができる。
本発明の軸受構成部材及びその製造方法並びに当該軸受構成部材を備えた転がり軸受によれば、安価に製造することができ、異物混入条件下においても、長い寿命を確保することができる。
本発明の一実施形態に係る転がり軸受の一例である円すいころ軸受を示す要部断面図である。 図１に示される円すいころ軸受の概略説明図である。 本発明の一実施形態に係る軸受構成部材である外輪の製造方法の各工程を示す工程図である。 実施例１における熱処理条件を示す線図である。 実施例２における熱処理条件を示す線図である。 実施例３における熱処理条件を示す線図である。 実施例４における熱処理条件を示す線図である。 実施例５における熱処理条件を示す線図である。 比較例１における熱処理条件を示す線図である。 比較例２における熱処理条件を示す線図である。 比較例３における熱処理条件を示す線図である。 比較例４における熱処理条件を示す線図である。 比較例５における熱処理条件を示す線図である。 試験例１において、表面残留オーステナイト量と異物油中寿命（Ｌ10寿命）との関係を調べた結果を示すグラフである。 試験例１において、表面ビッカース硬さと異物油中寿命（Ｌ10寿命）との関係を調べた結果を示すグラフである。 従来の軸受構成部材の製造時において、原材料としてＳＮＣＭ鋼を用いた場合の熱処理条件を示す線図である。
［転がり軸受及び軸受構成部材］
以下、添付の図面により本発明の一実施形態に係る転がり軸受及び軸受構成部材を説明する。なお、以下においては、外輪及び内輪が本発明の一実施形態に係る軸受構成部材である場合を例として挙げて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受の一例である円すいころ軸受を示す要部断面図である。
図１に示される円すいころ軸受１は、外輪１０と、外輪１０の内周側に当該外輪１０と同心に配置された内輪２０と、外内輪１０，２０間に配列された複数の円すいころ３０と、これら複数の円すいころ３０を保持する保持器４０とを備えている。
外内輪１０，２０は、軸受鋼、浸炭鋼などの軸受用鋼を用いて環状に形成された部材である。外輪１０は、その内周に、円すいころ３０が転動する軌道面１０ａが周方向に沿って形成されている。内輪２０は、その外周に、円すいころ３０が転動する軌道面２０ａが周方向に沿って形成されている。外輪１０は、軌道面１０ａが内輪２０の軌道面２０ａに対向した状態となるように内輪２０と同心に配置されている。
複数の円すいころ３０は、外内輪１０，２０の間に配置されている。これらの円すいころ３０は、それぞれ、外内輪１０，２０の軌道面１０ａ，２０ａ上を転動することができる。これにより、外内輪１０，２０が相対回転自在となっている。円すいころ３０の表面（転動面３０ａ）は、相手部材である外内輪１０，２０それぞれとの間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触又は両接触を含む接触をする転がり摺動面である。
保持器４０は、外内輪１０，２０と同心の環状部材である。保持器４０は、金属、合成樹脂等を用いて形成されている。保持器４０は、外内輪１０，２０の間で円すいころ３０を保持している。
本実施形態に係る円すいころ軸受１においては、外内輪１０，２０及び円すいころ３０のうちの少なくとも１つが、後述の本発明の一実施形態に係る軸受構成部材であればよい。本実施形態に係る転がり軸受は、例えば、産業機械、建設機械などに用いられる中型転がり軸受、好ましくは中型円すいころ軸受である。なお、本明細書において、「中型転がり軸受」とは、軸受外径が９０〜５２０ｍｍ、軌道輪（外内輪）の肉厚が９〜３５ｍｍ、転動体の外径が１０〜５２ｍｍである軸受をいう。なお、転がり軸受が円すいころ軸受である場合、外輪の肉厚は図１におけるＴ１、内輪の肉厚は図１におけるＴ２、転動体の外径は図１におけるＤである。
本実施形態に係る軸受構成部材としての外輪１０の内周には、複数の円すいころ３０が転動する軌道面１０ａが形成されている。軌道面１０ａは、相手部材である円すいころ３０との間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触又は両接触を含む接触をする転がり摺動面である。
また、本実施形態に係る軸受構成部材としての内輪２０の外周には、軌道面１０ａに対向するとともに、複数の円すいころ３０が転動する軌道面２０ａが形成されている。軌道面２０ａは、相手部材である円すいころ３０との間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触又は両接触を含む接触をする転がり摺動面である。
本実施形態において、外輪１０は、鋼材１１ａの表面層が浸炭窒化層１１ｂである母材１１からなる。また、内輪２０は、鋼材２１ａの表面層が浸炭窒化層２１ｂである母材２１からなる。
鋼材１１ａ，２１ａは、炭素０．３〜０．４５質量％と、ケイ素０．５質量％以下と、マンガン０．４〜１．５質量％と、クロム０．３〜２質量％と、モリブデン０．１〜０．３５質量％と、バナジウム０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材である。前記不可避不純物は、鋼材を製造する際に、原料などから混入する物質であって、本発明の目的を阻害しない範囲で許容される物質を意味する。前記不可避不純物としては、リン、硫黄、銅、ニッケル等が挙げられる。外内輪１０，２０は、原材料として、前記組成を有する鋼材が用いられているため、製造時において、加工しやすく、安価に製造することができる。
炭素は、軸受構成部材の製造時における鋼材の焼入れ性を確保し、かつ次工程の浸炭窒化焼入れを行なう際に、鋼材の硬さを向上させ、強度確保のための内部硬さを得るための元素である。鋼材における炭素の含有量は、上記の観点から、０．３質量％以上、好ましくは０．３５質量％以上、さらに好ましくは０．３８質量％以上であり、浸炭窒化焼入れ処理前において、十分な加工性を得る観点から、０．４５質量％以下、好ましくは０．４２質量％以下である。
ケイ素は、鋼の精錬時の脱酸のために必要な元素である。鋼材におけるケイ素の含有量は、浸炭窒化焼入れ処理前において、十分な加工性を確保するとともに、材料コスト及び加工コストを低減させる観点から、０．５質量％以下、好ましくは０．３５質量％以下である。なお、鋼材におけるケイ素の含有量の下限は、通常、好ましくは０．０１質量％、より好ましくは０．０２質量％である。
マンガンは、軸受構成部材の製造時における鋼材の焼入れ性を高めて浸炭窒化焼入れ処理後の鋼材の硬さを向上させるための元素である。鋼材中に含まれるマンガンの含有量は、鋼材の焼入れ性を高めて浸炭窒化焼入れ処理後の鋼材の硬さを向上させる観点から、０．４質量％以上、好ましくは０．４５質量％以上であり、母材の過剰な硬さ上昇を抑制して軸受構成部材の製造時における切削加工時における工具寿命の低下を抑制する観点から、１．５質量％以下、好ましくは１．３質量％以下、より好ましくは１質量％以下、さらに好ましくは０．７５質量％以下である。
クロムは、軸受構成部材の製造時における鋼材の焼入れ性を高めるとともに、バナジウム及びモリブデンとの複合添加によって浸炭窒化処理時に微細な析出物を形成させて硬さを向上させるための元素である。鋼材中に含まれるクロムの含有量は、転がり摺軌部材の製造時における鋼材の焼入れ性を高めるとともに、浸炭窒化処理時に微細な析出物を形成させて硬さを向上させる観点から、０．３質量％以上、好ましくは０．５質量％以上であり、疲労破壊の起点となる粗大析出物の生成を抑制するとともに、材料コスト及び加工コストを低減させる観点から、２質量％以下、好ましくは１．８質量％以下である。
モリブデンは、クロムと同様に鋼材の焼入れ性を高め、バナジウム及びクロムとの複合添加によって浸炭窒化処理時に微細な析出物を形成させて硬さを向上させるための元素である。また、モリブデンは、炭素に対して強い親和力を有する。浸炭窒化焼入れ処理前には、鋼材中において、多くのモリブデンが、未固溶炭化物として析出している。前記未固溶炭化物は、浸炭窒化時における析出核として働く。したがって、モリブデンは、浸炭窒化後の析出物量を増加させる効果を発揮する。鋼材中に含まれるモリブデンの含有量は、硬さを向上させる観点から、０．１質量％以上、好ましくは０．２質量％以上であり、疲労破壊の起点となる粗大析出物の生成を抑制するとともに、材料コスト及び加工コストを低減させる観点から、０．３５質量％以下、好ましくは０．３質量％以下である。
バナジウムは、クロム及びモリブデンと同様に、鋼材の焼入れ性を高め、クロム及びモリブデンとの複合添加によって浸炭窒化処理時に微細な析出物を形成させて硬さを向上させるための元素である。また、バナジウムは、炭素に対して強い親和力を有する。鋼材中に含まれるバナジウムの含有量は、硬さを向上させる観点から、０．２質量％以上、好ましくは０．２１質量％以上、より好ましくは０．２２質量％以上であり、十分な炭素量の固溶を阻害する粗大析出物の生成を抑制するとともに、材料コスト及び加工コストを低減させる観点から、０．４質量％以下、好ましくは０．３８質量％以下、より好ましくは０．３６質量％以下である。
リンは、不可避不純物である。したがって、鋼材中に含まれるリンの含有量は、できる限り低いほうが好ましい。鋼材中に含まれるリンの含有量は、好ましくは０．０１５質量％以下、より好ましくは０．０１３質量％以下である。
硫黄は、不可避不純物である。したがって、鋼材中に含まれる硫黄の含有量は、できる限り低いほうが好ましい。鋼材中に含まれる硫黄の含有量は、好ましくは０．００５質量％以下、より好ましくは０．００４質量％以下である。
銅は、不可避不純物である。したがって、鋼材中に含まれる銅の含有量は、できる限り低いほうが好ましい。鋼材中に含まれる銅の含有量は、好ましくは０．２質量％以下、より好ましくは０．１質量％以下である。
ニッケルは、不可避不純物である。ニッケルは、高価であることから、鋼材中に含まれるニッケルの含有量は、できる限り低いほうが好ましい。鋼材中に含まれるニッケルの含有量は、好ましくは０．２質量％以下、より好ましくは０．１質量％以下である。
浸炭窒化層１１ｂ，２１ｂは、炭素含有量が０．７〜１．２質量％であり、窒素含有量が０．１５〜０．６質量％である層をいう。浸炭窒化層１１ｂ，２１ｂは、前記組成を有する鋼材に後述の浸炭窒化処理を施すことによって形成させることができる。
浸炭窒化層１１ｂ，２１ｂにおける炭素の含有量は、十分な表面硬さを確保する観点から、０．７質量％以上、好ましくは０．７５質量％以上、より好ましくは０．８質量％以上であり、粗大な炭窒化物等の残存を抑制する観点から、１．２質量％以下、好ましくは１．１質量％以下、より好ましくは１．０５質量％以下、より好ましくは１．００質量％以下である。
浸炭窒化層１１ｂ，２１ｂにおける窒素の含有量は、残留オーステナイトと微細な炭窒化物を生成させる観点から、０．１５質量％以上、好ましくは０．１８質量％以上、より好ましくは０．２質量％以上であり、過剰な残留オーステナイトの生成を抑制する観点から、０．６質量％以下、好ましくは０．５８質量％以下、より好ましくは０．５６質量％以下、より好ましくは０．５４質量％以下である。
外内輪１０，２０の軌道面１０ａ，２０ａの表面から５０μｍの深さの位置における表面ビッカース硬さは、転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さを確保する観点から、７００以上、好ましくは７２０以上であり、残留オーステナイト量の低下による異物混入条件下での寿命の低下を抑制する観点から、８００以下、好ましくは７８０以下である。外内輪１０，２０は、かかる範囲の表面ビッカース硬さを有するので、転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さを確保することができる。なお、本明細書において、前記表面ビッカース硬さは、軸受構成部材の転がり摺動面の表面から深さ方向に切断した後、前記転がり摺動面の表面から５０μｍの深さの位置にビッカース圧子をあてて測定した値である。
外内輪１０，２０の内部硬さは、軸受構成部材としての十分な圧壊強度を確保する観点から、ビッカース硬さで、５５０以上、好ましくは５７０以上であり、軸受構成部材としての十分な靱性を確保する観点から、ビッカース硬さで、６９０以下、好ましくは６７０以下である。外内輪１０，２０は、かかる範囲の表面ビッカース硬さを有するので、転がり軸受の部材として用いるのに十分な強度を確保することができる。なお、軸受構成部材が円すいころ軸受１を構成する部材である場合、外輪１０の「内部硬さ」は、軸線を含む断面において、転がり摺動面１０ａの母線の幅方向中央部を通り、かつ前記母線と直交する仮想線Ｌに沿った肉厚の１／２の深さの位置１２（図２参照）における硬さである。内輪２０の「内部硬さ」は、軸線を含む断面において、転がり摺動面２０ａの母線の幅方向中央部を通り、かつ前記母線と直交する仮想線Ｍに沿った肉厚の１／２の深さの位置２２（図２参照）における硬さである。また、円すいころ３０の「内部硬さ」は、軸線を含む断面において、転がり摺動面３０ａの外輪１０側の第１の母線の幅方向中央部を通り、かつ前記第１の母線と直交する第１の仮想線Ｎ１と、転がり摺動面３０ａの内輪２０側の第２の母線の軸方向中央部を通り、かつ前記第２の母線と直交する第２の仮想線Ｎ２との交点３２（図２参照）における硬さである。
外内輪１０，２０の軌道面１０ａ，２０ａの表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量は、少なくとも３０体積％である。外内輪１０，２０の軌道面１０ａ，２０ａの表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量は、異物混入条件下における寿命を十分に確保する観点から、好ましくは３５体積％以上、より好ましくは３７体積％以上であり、転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さを確保する観点から、好ましくは５０体積％以下、より好ましくは４８体積％以下である。
［軸受構成部材の製造方法］
本実施形態に係る軸受構成部材は、前記鋼材から形成された素形材に対し、カーボンポテンシャル１〜１．３及びアンモニア濃度１〜６体積％の浸炭窒化雰囲気下で８３０〜９３０℃に加熱保持した後、焼入れを行なう浸炭窒化焼入れ工程、及び前記浸炭窒化焼入れ工程後の素形材に対し、１５０〜２５０℃での焼戻しを行なう焼戻し工程を含む方法によって得られる。
以下、前記軸受構成部材の製造方法の例として、外輪の製造方法を説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る軸受構成部材である外輪の製造方法の各工程を示す工程図である。
まず、前記鋼材から、軌道面１０ａ、外周面１０ｂ及び端面１０ｃ，１０ｄそれぞれを形成する部分に研磨取代を有する外輪の素形材Ｗ１を得る〔「前加工工程」、図３（ａ）参照〕。
本実施形態に係る製造方法では、高価なニッケルの含有量が０．２質量％以下の前記鋼材が用いられている。したがって、低い材料コストで軸受構成部材を製造することができる。前記鋼材は、前記組成を有する溶鋼を用い、慣用の方法により製造することができる。
つぎに、得られた素形材Ｗ１を浸炭窒化炉内にセットする。その後、素形材Ｗ１に対して浸炭窒化処理を施した後〔「浸炭窒化工程」、図３（ｂ）参照〕、浸炭窒化処理後の素形材Ｗ１を、急冷（焼入れ）する〔「焼入れ工程」、図３（ｃ）参照〕。なお、「浸炭窒化工程」および「焼入れ工程」を「浸炭窒化焼入れ工程」ともいう。
前記浸炭窒化処理は、素形材Ｗ１を、カーボンポテンシャル１〜１．３及びアンモニア濃度１〜６体積％の雰囲気（浸炭窒化雰囲気）中において、８３０〜９３０℃の浸炭窒化温度に加熱することによって行なうことができる。
前記浸炭窒化雰囲気のカーボンポテンシャルは、十分な量の炭窒化物を鋼材の表層部に分散させ、当該表面における硬さを転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さとする観点から、１以上であり、粗大な炭窒化物の生成を抑制して、異物混入条件下における軸受構成部材の寿命を向上させる観点から、１．３以下である。
前記浸炭窒化雰囲気のアンモニア濃度は、十分な量の炭窒化物を鋼材の表層部に分散させ、当該表面における硬さを転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さとする観点から、１体積％以上、より好ましくは２体積％以上であり、粗大な炭窒化物の生成を抑制して、異物混入条件下における寿命を向上させる観点から、６体積％以下、より好ましくは５体積％以下である。
前記浸炭窒化温度は、炭素及び窒素の十分な拡散速度を確保して浸炭窒化時間の増大を抑制し、製造コストを低減する観点から、８３０℃以上であり、浸炭窒化雰囲気中のアンモニアの分解を抑制して鋼材中への炭素及び窒素の固溶量を十分に確保し、十分な量の炭窒化物を鋼材の表面中に分散させる観点から、９３０℃以下である。
また、浸炭窒化時間は、十分な量の炭窒化物を鋼材の表層部に分散させ、当該表面における硬さを転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さとする観点から、通常、好ましくは１８０分間以上、より好ましくは２４０分間以上である。なお、浸炭窒化時間は、長いほど、炭素及び窒素が鋼材中に拡散するため、必要に応じて長くすることができる。
前記急冷（焼入れ）は、例えば、冷却油の油浴中における油冷等により行なわれる。
つぎに、浸炭窒化焼入れ処理後の素形材に対し、焼戻し処理を施す〔「焼戻し工程」、図３（ｄ）〕。焼戻し処理は、素形材を１５０〜２５０℃の焼戻し温度に加熱し、空冷することによって行なうことができる。
前記焼戻し温度は、転がり軸受の部材として用いるのに十分な靱性を確保する観点から、１５０℃以上であり、転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さを確保する観点から、２５０℃以下である。
前記焼戻し時間は、転がり軸受の部材として用いるのに十分な靱性を確保する観点から、通常、好ましくは３０分間以上、より好ましくは４０分間以上であり、転がり軸受の部材として用いるのに十分な硬さを確保する観点から、好ましくは２４０分間以下、より好ましくは２１０分間以下である。
その後、焼戻し工程後の中間素材に対し、仕上げ加工を施し、軸受構成部材である外輪１０を得る〔「仕上げ加工」、図３（ｅ）〕。前記仕上げ加工は、焼戻し工程後の中間素材の軌道面１０ａ、外周面１０ｂ及び端面１０ｃ，１０ｄそれぞれを形成する部分に対して、研磨仕上げ加工を施すとともに、軌道面１０ａに対して超仕上げ加工を施して、所定精度に仕上げること等によって行なうことができる。得られた外輪１０では、軌道面１０ａ、外周面１０ｂ及び端面１０ｃ，１０ｄは、研磨部となっている。
つぎに、実施例等により、本発明の一実施形態に係る軸受構成部材及びその製造方法の作用効果を検証する。
実施例１〜５及び比較例１〜５
表１に示される鋼材を所定形状に加工して、円すいころ軸受（型番ＴＲＡ０６０７Ｒ）用外内輪及び円すいころ軸受（型番ＴＲＡ０６０７Ｒ）用円すいころそれぞれの素形材を製造した。
つぎに、得られた素形材に、熱処理を施した後、研磨仕上げを施し、実施例１〜５及び比較例１〜５の円すいころ軸受を得た。実施例１〜５及び比較例１〜５それぞれにおける熱処理条件を表２及び図４〜１３に示す。
図４に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル１．３及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間の加熱及び８０℃までの油冷を行ない（浸炭窒化焼入れ）、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（実施例１）。
図５に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル１．２５及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間加熱及び８０℃まで油冷（浸炭窒化焼入れ）し、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（実施例２）。
図６に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル１．２及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間加熱及び８０℃まで油冷し（浸炭窒化焼入れ）、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（実施例３）。
図７に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル１．１５及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間加熱及び８０℃まで油冷し（浸炭窒化焼入れ）、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（実施例４）。
図８に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル１及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間加熱及び８０℃まで油冷し（浸炭窒化焼入れ）、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（実施例５）。
図９に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル０．９及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間加熱及び８０℃まで油冷し（浸炭窒化焼入れ）、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（比較例１）。
図１０に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル０．８及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、８６０℃で３６０分間加熱及び８０℃まで油冷し（浸炭窒化焼入れ）、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（比較例２）。
図１１に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭窒化炉内で、カーボンポテンシャル１．２５及びアンモニア濃度２体積％の浸炭窒化雰囲気中において、９００℃で９００分間加熱（浸炭窒化）し、得られた素形材を、浸炭炉内で、カーボンポテンシャル０．８５の浸炭雰囲気中において、８６０℃で１５分間加熱（焼入れ前保持）及び８０℃まで油冷し、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び８０℃まで空冷（焼戻し）し、得られた素形材を８３０℃で４０分間加熱及び８０℃まで油冷（二次焼入れ）し、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（比較例３）。
図１２に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭炉内で、カーボンポテンシャル１．５の浸炭雰囲気中において、９５０℃で６１５分間加熱（浸炭）し、得られた素形材を、浸炭炉内で、カーボンポテンシャル０．９の浸炭雰囲気中において、８５０℃で１５分間加熱（焼入れ前保持）及び８０℃まで油冷し、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）し、得られた素形材を８１０℃で４０分間加熱及び８０℃まで油冷（二次焼入れ）し、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（比較例４）。
図１３に示される熱処理条件は、素形材を、浸炭炉内で、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２８５分間加熱（浸炭）し、得られた素形材を、浸炭炉内で、カーボンポテンシャル１．０５の浸炭雰囲気中において、８５０℃で１５分間加熱（焼入れ前保持）及び８０℃まで油冷し、得られた素形材を１６０℃で１２０分間加熱及び空冷（焼戻し）する条件である（比較例５）。
試験例１
実施例１〜５及び比較例１〜５で得られた円すいころ軸受に用いられた内輪について、軌道面の表面から５０μｍの深さの位置での表面ビッカース硬さ、内部硬さ（内部ビッカース硬さ）、軌道面の表面から１０μｍまでの深さの範囲における表面残留オーステナイト量及び異物が混入した潤滑油中での寿命（異物油中寿命）を調べた。
表面ビッカース硬さは、実施例１〜５及び比較例１〜５で得られた内輪をその表面から深さ方向に切断した後、軌道面の表面から５０μｍの深さの位置にビッカース圧子をあて、ビッカース硬さ試験機を用いて測定した。
内部硬さ（内部ビッカース硬さ）は、実施例１〜５及び比較例１〜５で得られた内輪をその表面から深さ方向に切断した後、図２の位置２２にビッカース圧子をあて、ビッカース硬さ試験機を用いて測定した。
表面残留オーステナイト量は、軌道面の表面から１０μｍまでの深さの範囲において、Ｘ線回折法により、α相（マルテンサイト）とγ相（オーステナイト）との積分強度の比を算出することによって調べた。
異物油中寿命は、表３に示される条件で転動疲労試験を行ない、その結果から求められる１０％破損確率を示すＬ10寿命を調べることによって評価した。１０％破損確率は、転動疲労試験の結果をワイブル確率紙上にプロットすることによって求めた。
試験例１において、実施例１〜５及び比較例１〜５それぞれで得られた内輪の軌道面の表面から５０μｍの深さの位置での表面ビッカース硬さ、内部硬さ（内部ビッカース硬さ）、前記軌道面の表面から１０μｍまでの深さの範囲における表面残留オーステナイト量及び異物油中寿命（Ｌ10寿命）を調べた結果を表４に示す。また、試験例１において、表面残留オーステナイト量と異物油中寿命（Ｌ10寿命）との関係を調べた結果を図１４、表面ビッカース硬さと異物油中寿命（Ｌ10寿命）との関係を調べた結果を図１５に示す。図１４及び図１５中、黒丸は各実施例で得られた結果、黒四角は各比較例で得られた結果を示す。
表４、図１４及び図１５に示された結果から、実施例１〜５で得られた内輪においては、表面ビッカース硬さが７００〜８００、表面残留オーステナイト量が３０％以上（３４〜５４％）であることがわかる。実施例１〜５で得られた円すいころ軸受の異物油中寿命（Ｌ10寿命）は、２．００×１０6rev以上であることがわかる。これに対し、比較例１、２、４及び５で得られた内輪においては、表面ビッカース硬さが７００〜８００、表面残留オーステナイト量が２０〜３１％であることがわかる。また、比較例１、２、４及び５で得られた円すいころ軸受の異物油中寿命（Ｌ10寿命）が１．５×１０6rev未満であることがわかる。なお、比較例３で得られた円すいころ軸受は、十分な異物油中寿命（Ｌ10寿命）を有しているものの、製造時において、９時間を超える長い浸炭時間を必要とし、しかも粗大化した結晶粒の大きさを小さくするために二次焼入れを必要とする。そのため、比較例３で得られた円すいころ軸受の製造コストは、実施例１〜５で得られた円すいころ軸受と比べて、高くなっている。
また、表４に示された結果から、実施例１〜５で得られた外輪の内部硬さ（内部ビッカース硬さ）は、６００以上であることがわかる。したがって、実施例１〜５で得られた外輪は、軸受構成部材として十分な強度を有することがわかる。
以上の結果から、炭素０．３〜０．４５質量％と、ケイ素０．５質量％以下と、マンガン０．４〜１．５質量％と、クロム０．３〜２質量％と、モリブデン０．１〜０．３５質量％と、バナジウム０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材の表面層が浸炭窒化層である母材からなり、前記転がり摺動面の表面から５０μｍの深さの位置における表面ビッカース硬さが７００〜８００であり、内部硬さ（内部ビッカース硬さ）が５５０〜６９０であり、前記表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量が少なくとも３０体積％である軸受構成部材によれば、安価に製造することができ、異物混入条件下においても、長い寿命を確保することができることがわかる。
１：円すいころ軸受、１０：外輪、１０ａ：軌道面、１０ｂ：外周面、１０ｃ，１０ｄ：端面、１１，２１：母材、１１ａ，２１ａ：鋼材、１１ｂ，２１ｂ：浸炭窒化層、２０：内輪、２０ａ：軌道面、３０：円すいころ、４０：保持器、Ｗ１：素形材

Claims (4)

  1. 相手部材との間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触又は両接触を含む接触をする転がり摺動面を有する軸受構成部材であって、
    炭素０．３〜０．４５質量％と、ケイ素０．５質量％以下と、マンガン０．４〜１．５質量％と、クロム０．３〜２質量％と、モリブデン０．１〜０．３５質量％と、バナジウム０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材の表面層が浸炭窒化層である母材からなり、
    前記転がり摺動面の表面から５０μｍの深さの位置における表面ビッカース硬さが７００〜８００であり、
    内部硬さがビッカース硬さで５５０〜６９０であり、
    前記表面から１０μｍまでの深さの範囲における残留オーステナイト量が少なくとも３０体積％であることを特徴とする軸受構成部材。
  2. 内周に軌道面を有する外輪と、外周に軌道面を有する内輪と、前記外内輪の両軌道面の間に配置された複数個の転動体とを有する転がり軸受であって、
    前記外輪、内輪及び転動体のうちの少なくとも１つが、請求項１に記載の軸受構成部材からなることを特徴とする転がり軸受。
  3. 前記転がり軸受が中型円すいころ軸受である請求項２に記載の転がり軸受。
  4. 請求項１に記載の軸受構成部材を製造する軸受構成部材の製造方法であって、
    炭素０．３〜０．４５質量％と、ケイ素０．５質量％以下と、マンガン０．４〜１．５質量％と、クロム０．３〜２質量％と、モリブデン０．１〜０．３５質量％と、バナジウム０．２〜０．４質量％とを含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼材から形成された素形材に対し、カーボンポテンシャル１〜１．３及びアンモニア濃度１〜６体積％の浸炭窒化雰囲気下で８３０〜９３０℃に加熱保持した後、焼入れを行なう浸炭窒化焼入れ処理を施す浸炭窒化焼入れ工程、及び、
    前記浸炭窒化焼入れ工程後の素形材に対し、１５０〜２５０℃での焼戻しを行なう焼戻し工程
    を含む軸受構成部材の製造方法。
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