JP2019039522A - 転動部品及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる転動部品を提供する。
【解決手段】本発明の一態様に係る転動部品は、表面に焼入硬化層を備える。本発明の一態様に係る転動部品は、鋼製である。焼入硬化層は、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有する。少なくとも一部が硫化マンガンに覆われる酸化物系介在物の個数は、酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える。
【選択図】図１

Description

本発明は、転動部品及び転がり軸受に関する。

転がり軸受は、水が混入する条件下、すべりを伴う条件下又は通電が起きる条件下等において使用されると、水又は潤滑剤が分解することによって（以下においては、この反応を水素発生反応ということがある）水素が発生する。この発生した水素は、表面から転がり軸受の内部に侵入する。鋼中の水素は、水素脆性の原因となる。

従来から、特開２０００−２８２１７８号公報（特許文献１）に記載の転がり軸受及び特許第４４３４６８５号公報（特許文献２）に記載の転がり軸受が知られている。

特許文献１に記載の転がり軸受においては、転がり軸受を構成する鋼に、クロム（Ｃｒ）が多く添加されている。このＣｒは、転がり軸受の表面に不動態膜を形成させる。この不動態膜は、表面から転がり軸受の内部に水素が浸入することを抑制する。

特許文献２に記載の転がり軸受においては、転がり軸受の表面に、酸化膜が形成されている。この酸化膜は、転がり軸受の表面において、水素発生反応が起きることを抑制する。

特開２０００−２８２１７８号公報 特許第４４３４６８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転がり軸受においては、Ｃｒが多く添加されることにより、炭化物が粗大化しやすい。粗大化した炭化物は、応力集中源となるおそれがある。

特許文献２に記載の転がり軸受は、過酷な環境下で使用された場合、酸化膜が剥離しやすい。酸化膜が剥離した新生面においては、水素発生反応が生じるおそれがある。そのため、特許文献２に記載の転がり軸受は、過酷な環境下で使用された場合に、水素の侵入を抑制することが困難である。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みたものである。より具体的には、本発明は、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる転動部品を提供する。

本発明の一態様に係る転動部品は、表面に焼入硬化層を備える。本発明の一態様に係る転動部品は、鋼製である。焼入硬化層は、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有する。少なくとも一部が硫化マンガンに覆われる酸化物系介在物の個数は、酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える。

鋼中に侵入した水素は、引張応力場に集積する性質がある。結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲においては、応力集中が生じやすい。そのため、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲には、水素が集積しやすい。すなわち、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲においては、水素脆性が生じやすい。

硫化マンガン（ＭｎＳ）は、柔らかい（硬度が低い）。そのため、ＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の周囲では、応力集中が緩和される。そのため、本発明の一態様に係る転動部品によると、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる。

上記の転動部品において、焼入硬化層は、窒素を含有していてもよい。この場合には、表面の硬度が上昇することにより、転動部品の寿命が改善される。上記の転動部品において、焼入硬化層中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下であってもよい。焼入硬化層中の窒素濃度が高くなり過ぎると、焼入硬化層中にＣｒの窒化物が多く形成され、鋼中のＣｒ濃度が低下する。その結果、焼入硬化層の焼入性が低下する。そのため、この場合には、焼入硬化層の焼入性を確保することができる。

上記の転動部品において、焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率は、１０パーセント以上４０パーセント以下であってもよい。オーステナイト相は、マルテンサイト相よりも水素拡散係数が小さい。そのため、焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率が大きいほど、焼入硬化層の水素拡散係数が低下する。一方で、焼入硬化層中のオーステナイト相は、転動部品を使用している間にマルテンサイト相に変態する場合がある。そのため、焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率が大きすぎると、寸法安定性が低下する。したがって、この場合には、寸法安定性を維持しつつ、水素拡散係数を低下させることができる。

上記の転動部品において、焼入硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であってもよい。転動部品の表面は、接触応力を受けても変形しないことが求められるため、転動部品の表面にある焼入硬化層には、硬度が要求される。一方で、焼入硬化層の硬度が過度に高い場合、靱性が低下する。そのため、この場合には、転動部品表面の靱性を確保しつつ、接触応力が印加されることによる転動部品表面の変形を抑制することができる。

本発明の一態様に係る転がり軸受は、内輪と、外輪と、内輪と外輪の間に配置される転動体とを備える。内輪、外輪及び転動体の少なくとも１つは、上記の転動部品である。

本発明の一態様に係る転動部品及び転がり軸受によると、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる。

実施形態に係る転動部品１０の断面図である。 図１の領域ＩＩにおける拡大図である。 水素拡散係数の測定装置２０の模式図である。 実施形態に係る転動部品１０の製造方法を示す工程図である。 実施形態に係る転がり軸受１００の断面図である。 転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面において、同一又は相当する部分に同一符号を付し、その説明は繰り返さないものとする。

（実施形態に係る転動部品の構成）
以下に、実施形態に係る転動部品１０の構成を説明する。図１は、実施形態に係る転動部品１０の断面図である。図１に示すように、実施形態に係る転動部品１０は、スラスト玉軸受の内輪（軸軌道盤）である。但し、実施形態に係る転動部品１０は、これに限られるものではない。実施形態に係る転動部品１０は、スラスト玉軸受の外輪（ハウジング軌道盤）であってもよい。実施形態に係る転動部品１０は、スラスト玉軸受の転動体であってもよい。

実施形態に係る転動部品１０は、鋼製である。実施形態に係る転動部品１０に用いられる鋼は、例えばＪＩＳ規格（ＪＩＳ４８０５：２００８）に定める高炭素クロム軸受鋼である。実施形態に係る転動部品１０に用いられる鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ４８０５：２００８）に定めるＳＵＪ２又はＳＵＪ３であってもよい。実施形態に係る転動部品１０に用いられる鋼は、ＡＭＳ６４９１に定めるＭ５０等の高速度鋼であってもよい。

実施形態に係る転動部品１０は、リング状形状を有している。実施形態に係る転動部品１０は、上面１０ａと、底面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。底面１０ｂは、上面１０ａの反対面である。内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、上面１０ａ及び底面１０ｂに連なっている。上面１０ａは、実施形態に係る転動部品１０の軌道面となっている。

図２は、図１の領域ＩＩにおける拡大図である。図２に示すように、実施形態に係る転動部品１０は、焼入硬化層１１を有している。焼入硬化層１１は、実施形態に係る転動部品１０の表面にある。より具体的には、焼入硬化層１１は、実施形態に係る転動部品１０の上面１０ａにある。

焼入硬化層１１は、酸化物系介在物と、硫化マンガン（ＭｎＳ）とを含有している。酸化物系介在物には、例えばアルミニウムの酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）やカルシウムの酸化物等が含まれる。酸化物系介在物には、結晶粒径が基準値以上のものがある。酸化物系介在物の大きさ（結晶粒径）は、顕微鏡やＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectrometry）により測定される。

ＭｎＳは、結晶粒径が基準値以上の酸化物系介在物の少なくも一部を覆っている。ここで、ＭｎＳが酸化物系介在物の少なくとも一部を覆っているとは、ＭｎＳが酸化物系介在物の表面の少なくとも一部に接していることをいう。ＭｎＳが酸化物系介在物の少なくとも一部を覆っているか否かの判断は、焼入硬化層１１の断面を光学顕微鏡で観察することにより行われる。

結晶粒径が基準値以上で、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数は、結晶粒径が基準値以上の酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超えている。このことを別の観点からいえば、結晶粒径が基準値以上の酸化物系介在物の全個数をＸ、結晶粒径が基準値以上であり、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数をＹとした場合に、Ｙ／Ｘ＞０．４との関係が満たされている。

Ｙ／Ｘの値は、好ましくは０．５以上である。さらに好ましくは、Ｙ／Ｘの値は０．９以上である。上記の基準値は、３μｍ以上である。上記の基準値は、５μｍ以上であってもよい。上記の基準値は、１０μｍ以上であってもよい。

Ｙ／Ｘの値は、以下の手順にしたがって測定される。第１に、焼入硬化層１１の断面から３０ｍｍ×３０ｍｍの領域（以下において、この領域を測定領域という）を特定する。この測定領域の位置は、任意である。第２に、この測定領域を光学顕微鏡で観察することにより、結晶粒径が基準値以上の酸化物系介在物を、結晶粒径が大きいものから順に１７個特定する（以下において、これらの酸化物系介在物を測定対象介在物という）。すなわち、Ｘの値を１７とする。第３に、この測定対象介在物を光学顕微鏡で観察することにより、少なくとも一部がＭｎＳで覆われている測定対象介在物を特定し、Ｙの値を得る。そして、このＸの値及びＹの値を用いて、Ｙ／Ｘを決定する。

好ましくは、焼入硬化層１１における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓよりも小さい。焼入硬化層１１における水素拡散係数は、２．１×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層１１における水素拡散係数は、１．９×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層１１における水素拡散係数は、１．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層１１における水素拡散係数は、１．４×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。焼入硬化層１１における水素拡散係数は、０．１５×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。

水素拡散係数は、電気化学的水素透過法により測定される。図３は、水素拡散係数の測定装置２０の模式図である。図３に示すように、測定装置２０は、アノード槽２１と、カソード槽２２と、アノード電極２３と、カソード電極２４と、ガルバノスタット２５と、ポテンショスタット２６とを有している。アノード槽２１とカソード槽２２は、試験片２７により分断されている。試験片２７は、厚さＬを有している。厚さＬは、例えば１ｍｍである。アノード電極２３及びカソード電極２４は、白金（Ｐｔ）により形成されている。

アノード槽２１には、アノード液２８が入れられている。アノード液２８は、１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液である。カソード槽２２には、カソード液２９が入れられている。カソード液２９は、０．０５ｍｏｌ／Ｌの硫酸にチオ尿酸を混ぜたものである。アノード電極２３は、アノード液２８に浸漬されている。カソード電極２４は、カソード液２９に浸漬されている。

ガルバノスタット２５の端子の一方は、カソード電極２４に接続されている。ガルバノスタット２５の端子の他方は、試験片２７に接続されている。ポテンショスタット２６の端子の一方は、アノード電極２３に接続されている。ポテンショスタット２６の端子の他方は、試験片２７に接続されている。

水素拡散係数の測定においては、第１に、ガルバノスタット２５により、試験片２７に電流が供給される。これにより、試験片２７のカソード液２９側に、水素が発生する。この発生した水素は、カソード液２９側の表面から、試験片２７の内部に侵入する。

水素拡散係数の測定においては、第２に、ポテンショスタット２６により、試験片２７に電圧が印加される。これにより、試験片２７のカソード液２９側の表面から試験片２７の内部に侵入した水素は、試験片２７のアノード液２８側の面に引き寄せられる。

試験片２７のアノード液２８側の面に到達した水素は、イオン化する。これにより、イオン化電流が流れる。イオン化電流が流れ始めるまでの時間をｔｂ、試験片２７の厚さをＬとした場合に、水素拡散係数は、Ｌ^２／（１５．３×ｔｂ）により求められる。なお、水素拡散係数の測定は、２０℃以上２５℃以下の範囲内において行われる。

焼入硬化層１１は、マルテンサイト相と、オーステナイト相とを含んでいる。焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、１０パーセント以上４０パーセント以下であることが好ましい。

焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率の測定は、Ｘ線回折により行われる。すなわち、焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、焼入硬化層１１におけるオーステナイト相の回折ピークとマルテンサイト相の回折ピークとの強度比を測定することにより、決定される。

焼入硬化層１１は、窒素を含有していてもよい。焼入硬化層１１中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下であることが好ましい。焼入硬化層１１中における窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）により測定される。

焼入硬化層１１の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であることが好ましい。焼入硬化層１１の硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２４５：２０１６に定める方法にしたがって測定される。

（実施形態に係る転動部品の製造方法）
以下に、実施形態に係る転動部品１０の製造方法を説明する。図４は、実施形態に係る転動部品１０の製造方法を示す工程図である。図４に示すように、実施形態に係る転動部品１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、焼き入れ工程Ｓ２と、焼き戻し工程Ｓ３と、後処理工程Ｓ４を有している。焼き入れ工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。焼き戻し工程Ｓ３は、焼き入れ工程Ｓ２の後に行われる。後処理工程Ｓ４は、焼き戻し工程Ｓ３の後に行われる。

準備工程Ｓ１においては、実施形態に係る転動部品１０の製造方法が実施されることにより転動部品１０となる加工対象物が準備される。この加工対象物は、転動部品１０が例えばスラスト玉軸受の内輪又は外輪である場合、鋼製のリング状部材である。この加工対象物は、転動部品１０が例えばスラスト玉軸受の転動体である場合、鋼製の球状部材である。

加工対象物を構成する鋼は、例えば軸受鋼である。好ましくは、加工対象物を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ４８０５：２００８）に定められる高炭素クロム軸受鋼である。加工対象物を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ４８０５：２００８）に定められるＳＵＪ２又はＳＵＪ３であってもよい。加工対象物を構成する鋼は、ＡＭＳ６４９１に定めるＭ５０等の高速度鋼であってもよい。

転炉で精錬された溶鋼をスラブにする際の冷却速度が速い場合、ＭｎＳは、酸化物系介在物とは別々に析出する傾向がある。他方、転炉で精錬された溶鋼をスラブにする際の冷却速度が遅い場合、ＭｎＳは、酸化物系介在物を析出核として析出する傾向がある。そのため、転炉で精錬された溶鋼をスラブにする際の冷却速度を調整することにより、ＭｎＳにより被覆されている酸化物系介在物の比率を調整することができる。

焼き入れ工程Ｓ２においては、加工対象物を構成する鋼に対する焼き入れが行われる。焼き入れ工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と、冷却工程Ｓ２２とを有している。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象物の加熱が行われる。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象物は、加工対象物を構成する鋼のＡ_１点以上の温度（以下においては、この温度を加熱温度という）まで加熱される。加熱温度は、例えば８００℃以上９００℃以下である。

加熱工程Ｓ２１における加工対象物の加熱は、例えば加熱炉内で行われる。加熱炉内の雰囲気は、例えばＲＸガスである。加熱炉内の雰囲気には、窒素を含有するガスが添加されてもよい。窒素を含有するガスの具体例は、アンモニアガスである。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象物が加熱温度まで昇温された後、当該加熱温度で所定時間（以下においては、この時間を保持時間という）保持される。

保持時間が長くなるほど、又は加熱温度が高くなるほど、加熱工程Ｓ２１において、加工対象物を構成する鋼材中の炭素がオーステナイト相に溶け出す。オーステナイト相中の炭素量が多いほど、残留オーステナイト相が多くなる傾向がある。そのため、保持時間及び加熱温度を制御することにより、焼入硬化層１１中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

鋼材中のオーステナイト安定化元素の量が増加すると、残留オーステナイト相が多くなる傾向にある。そのため、加工対象物を構成する鋼材にオーステナイト安定化元素である合金元素を多く含む鋼種を用いる又は加熱工程Ｓ２１において加熱雰囲気に窒素を含有するガスを添加することにより、焼入硬化層１１中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

加工対象物を構成する鋼材中の窒素は、加工対象物を構成する鋼材中のＣｒ等との間で窒化物を形成する。この窒化物は、加工対象物を構成する鋼材中に微細に分散することにより、加工対象物を構成する鋼材を硬化させる。また、窒化物は水素のトラップサイトになるため、水素拡散係数が小さくなる。そのため、加熱工程Ｓ２１において、窒素を含有するガスの濃度、加熱温度及び保持時間を制御することにより、焼入硬化層１１の硬度及び水素拡散係数を制御することができる。

冷却工程Ｓ２２においては、加工対象物の冷却が行われる。冷却工程Ｓ２２においては、加工対象物は、加熱温度から加工対象物を構成する鋼のＭ_Ｓ点以下の温度（以下においては、冷却温度という）まで冷却される。冷却工程Ｓ２２における加工対象物の冷却は、従来周知の任意の冷媒を用いて行われる。加工対象物の冷却に用いられる冷媒は、例えば油又は水である。

なお、冷却工程Ｓ２２における冷却温度及び冷却速度は、冷却工程Ｓ２２において生じるマルテンサイト相の量（別の観点からいえば、冷却工程Ｓ２２後においてもオーステナイト相のまま残留する量）に影響する。そのため、冷却温度及び冷却速度を制御することによっても、焼入硬化層１１中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

焼き戻し工程Ｓ３においては、加工対象物を構成する鋼が焼き戻される。加工対象物の焼き戻しは、加工対象物をＡ_１点未満の温度（以下においては、焼き戻し温度という）で所定時間（以下においては、焼き戻し時間という）保持することにより行われる。焼き戻し温度は、例えば１８０℃である。焼き戻し時間は、例えば２時間である。

焼き戻し工程Ｓ３においては、冷却工程Ｓ２２によってもマルテンサイト相とならなかったオーステナイト相が、フェライト相と炭化物相とに分解される。フェライト相及び炭化物相へと分解されるオーステナイト相の量は、焼き戻し温度及び焼き戻し時間を制御することにより、変化する。そのため、焼き戻し温度及び焼き戻し時間を制御することによっても、焼入硬化層１１中のオーステナイト相の体積比率を制御することができる。

後処理工程Ｓ４においては、加工対象物に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ４においては、例えば、加工対象物の洗浄、加工対象物に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。以上により、転動部品１０の製造が行われる。

（実施形態に係る転がり軸受の構成）
以下に、実施形態に係る転がり軸受１００の構成を説明する。図５は、実施形態に係る転がり軸受１００の断面図である。図５に示すように、転がり軸受１００は、スラスト玉軸受である。但し、転がり軸受１００は、これに限られるものではない。

転がり軸受１００は、内輪３０と、外輪４０と、転動体５０と、保持器６０とを有している。内輪３０及び外輪４０は、各々の軌道面が対向するように配置されている。転動体５０は、内輪３０と外輪４０との間に配置されている。保持器６０は、内輪３０と外輪４０との間に配置されている。保持器６０には、貫通穴が設けられている。保持器６０の貫通穴に転動体５０が通されることにより、周方向における転動体５０同士の間隔が保持されている。保持器６０は、例えば樹脂材料により形成されている。内輪３０、外輪４０及び転動体５０の少なくとも１つは、上記の転動部品１０である。すなわち、内輪３０及び外輪４０の軌道面並びに転動体５０の転動面のうちの少なくとも１つには、上記の焼入硬化層１１が設けられている。

（実施形態に係る転動部品及び実施形態に係る転がり軸受の効果）
以下に、実施形態に係る転動部品１０及び実施形態に係る転がり軸受１００の効果を説明する。鋼中に侵入した水素は、引張応力場に集積する性質がある。結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲には、応力集中が生じやすい。そのため、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物の周囲には、水素が集積されることによる水素脆性が生じやすい。

ＭｎＳは、柔らかい（ＭｎＳの硬度は、１５０Ｈｖ程度である）。そのため、ＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の周囲では、応力集中が緩和される。転動部品１０においては、結晶粒径が３μｍ以上であり、かつ少なくとも一部がＭｎＳにより覆われている酸化物系介在物の個数は、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超えている。そのため、転動部品１０及び転がり軸受１００においては、水素の集積が抑制されることにより、水素脆性の発生を抑制することができる。

焼入硬化層１１における水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さい場合、表面から侵入した水素が焼入硬化層１１の内部に拡散するために、より長時間を要する。そのため、この場合には、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができる。

窒素は、転動部品１０を構成する鋼中の合金元素との間で窒化物を形成する。そのため、焼入硬化層１１が窒素を含有している場合には、焼入硬化層１１中の窒化物の含有量が増加する結果、焼入硬化層１１の水素拡散係数が低下するとともに、焼入硬化層１１の硬度が上昇する。

焼入硬化層１１中の窒素濃度が０．６重量パーセントを超えると、窒素と反応して窒化物となるＣｒが多くなる。窒素と反応して窒化物となったＣｒは、焼入硬化層１１の焼入性の向上に寄与しない。他方で、焼入硬化層１１中の窒素濃度が０．０５重量パーセント未満では、窒化物の形成量が少なく、焼入硬化層１１の硬度上昇及び水素拡散係数低減に与える影響が少ない。そのため、焼入硬化層１１中の窒素濃度が、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下の場合、窒素導入に伴う硬度上昇及び水素拡散係数低減を行いつつ、焼入硬化層１１の焼入性を確保することができる。

オーステナイト相は、マルテンサイト相よりも水素拡散係数が小さい。そのため、焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率が大きいほど、焼入硬化層１１の水素拡散係数が低下する。一方で、焼入硬化層１１中のオーステナイト相は、転動部品１０を使用している間にマルテンサイト相に変態する場合がある。焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率が大きすぎると、寸法安定性が低下する。したがって、焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下である場合には、寸法安定性を維持しつつ、水素拡散係数を低下させることができる。

転動部品１０の表面（軌道面）は、接触応力を受けても変形しないことが求められる。そのため、転動部品１０の表面にある焼入硬化層１１には、硬度が要求される。一方で、焼入硬化層１１の硬度が過度に高い場合、靱性が低下する。したがって、転動部品１０において焼入硬化層１１の硬度が５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である場合、転動部品１０の表面における靱性を確保しつつ、接触応力が印加されることによる転動部品１０の表面の変形を抑制することができる。

（転動疲労試験）
以下に、実施形態に係る転動部品１０及び実施形態に係る転がり軸受１００に対して実施した転動疲労試験を説明する。

＜供試材＞
表１に、転動疲労試験に供した供試材の作製条件、Ｙ／Ｘの値、焼入硬化層１１中における窒素濃度、焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率及び焼入硬化層１１における水素拡散係数を示す。表１に示すように、供試材１〜供試材５に用いられた鋼種は、ＳＵＪ２である。供試材６及び供試材７に用いられた鋼種は、ＳＵＪ３である。供試材８に用いられた鋼種は、Ｍ５０である。

供試材１、供試材４〜供試材７の焼入硬化層１１において、Ｙ／Ｘの値は、０．２４であった。供試材２及び供試材３の焼入硬化層１１において、Ｙ／Ｘの値は、０．４１であった。供試材８の焼入硬化層１１において、Ｙ／Ｘの値は、０．１０であった。

供試材１、供試材２、供試材６及び供試材８に対する加熱工程Ｓ２１は、８５０℃の加熱温度、ＲＸガス雰囲気中において行われた。供試材３、供試材４、供試材５及び供試材６に対する加熱工程Ｓ２１は、８５０℃の加熱温度、アンモニアガスを添加したＲＸガス雰囲気中において行われた。なお、供試材４及び供試材７においては、焼入硬化層１１中の窒素濃度が０．２重量パーセントとなるようにアンモニアガスの濃度が調整され、供試材３及び供試材５においては、焼入硬化層１１中の窒素濃度が０．４重量パーセントとなるようにアンモニアガスの濃度が調整された。供試材１〜供試材８に対しては、焼き戻し工程Ｓ３は、１８０℃の焼き戻し温度、２時間（１２０分）の焼き戻し時間で行われた。

供試材１の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、８．９パーセントであった。供試材２の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、９．１パーセントであった。供試材３の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、３０．２パーセントであった。供試材４の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、２１．７パーセントであった。供試材５の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、２９．６パーセントであった。供試材６中の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、２０．３パーセントであった。供試材７の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、３１．８パーセントであった。供試材８の焼入硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、３．３パーセントであった。

供試材１の焼入硬化層１１中における水素拡散係数は、２．６３×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材２の焼入硬化層１１中における水素拡散係数は、２．６２×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材３の焼入硬化層１１中における水素拡散係数は、１．６０×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。

供試材４の焼入硬化層１１の水素拡散係数は、２．０９×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材５の焼入硬化層１１の水素拡散係数は、１．６０×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材６の焼入硬化層１１の水素拡散係数は、１．８８×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材７の焼入硬化層１１の水素拡散係数は、１．４０×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材８の焼入硬化層１１の水素拡散係数は、０．１５×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。

＜転動疲労試験方法＞
各供試材を用いて、スラスト玉軸受を構成した。なお、このスラスト玉軸受の転動体は、ＳＵＳ４４０Ｃ製の鋼球とした。このスラスト玉軸受には、潤滑剤として、グリコール系潤滑油に純水を混合したもの用いた。これにより、このスラスト玉軸受は、水素が軌道面から侵入しうる状況とされた。

転動疲労試験は、このスラスト玉軸受に４．９ｋＮのアキシャル荷重を加えた状態で（この状態において、軌道面と転動体との間における最大接触面圧は、弾性ヘルツ接触計算で２．３ＧＰａとなる）、内輪を外輪に対して相対的に回転させることにより行われた。図６は、転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。図６に示すように、内輪の外輪に対する相対的な回転は、０．５秒間を１サイクルとして行われた。

この０．５秒間のうち、最初の０．１秒間においては、回転速度が０回転／分から２５００回転／分まで直線的に増加した。次の０．３秒間においては、回転速度が２５００回転／分で保持された。次の０．１秒間においては、回転速度が２５００回転／分から０回転／分まで直線的に減少した。

＜転動疲労試験結果＞
表２に、転動疲労試験結果を示す。表２中において、Ｌ_１０及びＬ_５０は、各供試材を用いて構成したスラスト玉軸受の剥離寿命（軌道面にフレーキングが生じるまでの時間）を２母数ワイブル分布にあてはめて求めた１０パーセント寿命及び５０パーセント寿命であり、ｅは当該２母数ワイブル分布のワイブルスロープ（形状母数）である。

表２に示すように、供試材２を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材１を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示している。供試材２においては、Ｙ／Ｘの値が０．４を超えている一方、供試材１においては、Ｙ／Ｘの値が０．４の値が０．４以下である。この比較から、Ｙ／Ｘの値が０．４を超えることにより、表面からの水素の浸入に伴う水素脆性の発生を抑制できることが実験的に明らかにされた。

供試材４〜供試材８を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材１を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示している。供試材１においては、焼入硬化層１１の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以上である一方、供試材４〜供試材８においては、焼入硬化層１１の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満であった。この比較から、焼入硬化層１１が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満の水素拡散係数を有することにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができることが実験的に明らかとされた。

上記のとおり、供試材１の焼入硬化層１１は、オーステナイト相の体積比率が１０パーセント未満である一方、供試材４〜供試材７の焼入硬化層１１は、オーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下の範囲内にあった。この比較から、焼入硬化層１１中のオーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下の範囲内にあることにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生を抑制することができることが実験的に明らかとされた。

供試材７を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材６を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示していた。供試材６の焼入硬化層１１は、窒素を含んでいない一方、供試材７の焼入硬化層１１は、窒素を含んでいる。この比較から、焼入硬化層１１が窒素を含むことにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生をさらに抑制することができることが実験的に明らかとされた。

供試材３を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材２を用いて構成したスラスト玉軸受よりも長い剥離寿命を示している。供試材２においては焼入硬化層１１の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以上である一方、供試材３においては焼入硬化層１１の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満であった。この比較から、焼入硬化層１１が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満の水素拡散係数を有し、かつＹ／Ｘの値が０．４を超えていることにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生をさらに抑制できることが実験的に明らかとされた。

供試材２においては、オーステナイト相の体積比率が１０パーセント未満である一方で、供試材３においては、オーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下の範囲内にあった。この比較から、焼入硬化層１１中のオーステナイト相の体積比率が１０パーセント以上４０パーセント以下の範囲内にあり、かつＹ／Ｘの値が０．４を超えていることにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生をさらに抑制できることが実験的に明らかとされた。

供試材３の焼入硬化層１１は、窒素を含んでいる一方、供試材２の焼入硬化層１１は、窒素を含んでいない。この比較から、焼入硬化層１１が窒素を含有し、かつＹ／Ｘの値が０．４を超えていることにより、表面から水素が浸入することに伴う水素脆性の発生をさらに抑制できることが実験的に明らかとされた。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、転動部品、及び当該転動部品を用いた転がり軸受に特に有利に適用される。

１０ 転動部品、１０ａ 上面、１０ｂ 底面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１１ 焼入硬化層、２０ 測定装置、２１ アノード槽、２２ カソード槽、２３ アノード電極、２４ カソード電極、２５ ガルバノスタット、２６ ポテンショスタット、２７ 試験片、２８ アノード液、２９ カソード液、３０ 内輪、４０ 外輪、５０ 転動体、６０ 保持器、１００ 転がり軸受、Ｌ 厚さ、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 焼き入れ工程、Ｓ３ 焼き戻し工程、Ｓ４ 後処理工程、Ｓ２１ 加熱工程、Ｓ２２ 冷却工程。

Claims (7)

1. 表面に焼入硬化層を備える鋼製の転動部品であって、
   前記焼入硬化層は、結晶粒径が３μｍ以上の酸化物系介在物と、硫化マンガンとを含有し、
   少なくとも一部が前記硫化マンガンに覆われる前記酸化物系介在物の個数は、前記酸化物系介在物の全個数の４０パーセントを超える、転動部品。
2. 前記焼入硬化層は、窒素を含有する、請求項１に記載の転動部品。
3. 前記焼入硬化層中における窒素濃度は、０．０５重量パーセント以上０．６重量パーセント以下である、請求項２に記載の転動部品。
4. 前記焼入硬化層中におけるオーステナイト相の体積比率は、１０パーセント以上４０パーセント以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の転動部品。
5. 前記焼入硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の転動部品。
6. 前記焼入硬化層における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓより小さい、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の転動部品。
7. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪の間に配置される転動体とを備え、
   前記内輪、前記外輪及び前記転動体の少なくとも１つは、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の前記転動部品である、転がり軸受。

Images