JP2020051456A - 軸受部品 - 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軸受部品を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る軸受部品は、鋼製である。軌道輪は、焼き入れ硬化層を有している。焼き入れ硬化層は、表面に形成されている。焼き入れ硬化層中における水素拡散係数は、２．６×１０−１１ｍ２／ｓ未満である。表面面と鋼のファイバーフローとがなす角度は、１５°以上である。表面における周方向の残留圧縮応力は７００ＭＰａ以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、軸受部品に関する。

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軸受部品を提供する。

（１）本発明の一態様に係る軸受部品は、鋼製である。軌道輪は、焼き入れ硬化層を有している。焼き入れ硬化層は、表面に形成されている。焼き入れ硬化層中における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満である。表面と鋼のファイバーフローとがなす角度は、１５°以上である。表面における周方向の残留圧縮応力は７００ＭＰａ以上である。

上記（１）の軸受部品において、表面の算術平均粗さは、０．１μｍ以下であってもよい。表面のスキューネスは、０未満であってもよい。

上記（１）の軸受部品において、鋼中における酸素濃度は、５質量ｐｐｍ以上であってもよい。

上記（１）の軸受部品において、表面における焼き入れ硬化層は、窒素を含有していてもよい。上記（１）の軸受部品において、表面における焼き入れ硬化層中の窒素濃度は、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。

上記（１）の軸受部品において、焼き入れ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。

上記（１）の軸受部品において、表面における焼き入れ硬化層の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であってもよい。

上記（１）の軸受部品において、鋼は、ＪＩＳ規格に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかであってもよい。

（２）本発明の他の態様に係る軸受部品は、表面を有する鋼製の軸受部品本体と、表面上に形成された酸化膜とを備えている。表面と鋼のファイバーフローとがなす角度は、１５°以上である。表面における周方向の残留圧縮応力は、７００ＭＰａ以上である。酸化膜の厚さは、０．５μｍ以上２μｍ以下である。

上記（２）の軸受部品において、表面の算術平均粗さは、０．１μｍ以下であってもよい。表面のスキューネスは、０未満であってもよい。

上記（２）の軸受部品において、鋼中における酸素濃度は、５質量ｐｐｍ以上であってもよい。

上記（２）の転がり軸受において、鋼は、ＪＩＳ規格に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかであってもよい。

上記（１）及び（２）の軸受部品によると、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。

軌道輪１０の上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 図２の領域ＩＩＩ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。 軌道輪１０の製造方法を示す工程図である。 軌道輪１０の効果を説明するための第１の説明図である。 軌道輪１０の効果を説明するための第２の説明図である。 第１転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。 第２実施形態に係る転がり軸受の軸受部品の斜視図である。 図９のＸ−Ｘにおける断面図である。 転動体３０の製造方法を示す工程図である。 第２転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は原則として繰り返さないものとする。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る軸受部品について説明する。

＜第１実施形態に係る軸受部品の構成＞
第１実施形態に係る軸受部品は、スラスト玉軸受の軌道輪１０（軸軌道盤）である。但し、第１実施形態に係る軸受部品は、これに限られるものではない。第１実施形態に係る軸受部品は、例えば、その他の転がり軸受の軌道輪であってもよい。

軌道輪１０は、鋼で形成されている。軌道輪１０を構成する鋼は、例えば、軸受鋼である。軌道輪１０を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められた高炭素クロム軸受鋼であることが好ましい。より具体的には、軌道輪１０を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかであることが好ましい。

軌道輪１０を構成する鋼中における酸素濃度は、５質量ｐｐｍ以上であることが好ましい。なお、鋼中の酸素濃度は、不活性ガス融解−赤外線吸収法（ＪＩＳ Ｇ １２３９：２０１４）により測定される。

図１は、軌道輪１０の上面図である。図１に示されるように、軌道輪１０は、環状（リング状）の形状を有している。図２は、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。図２に示されるように、軌道輪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。上面１０ａ及び底面１０ｂは、中心軸１０ｅにおける端面を構成している。上面１０ａは、軌道輪１０の軌道面を構成している。

上面１０ａには、軌道溝１０ａａが形成されている。軌道溝１０ａａにおいて、上面１０ａは、底面１０ｂ側に窪んでいる。断面視において、軌道溝１０ａａは、部分円形状を有している。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、一方端において上面１０ａに連なっている。内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、他方端において底面１０ｂに連なっている。

軌道輪１０を構成する鋼中には、鍛造に伴うファイバーフローＦＦ（鍛流線）が形成されている。なお、図２中において、ファイバーフローＦＦは、点線で示されている。ファイバーフローＦＦと軌道面（上面１０ａ）とがなす角度は、断面視において、１５°以上となっている。ファイバーフローＦＦと軌道面とがなす角度は、軌道輪１０の断面をエッチングすることによりファイバーフローＦＦを現出させた後に実測される。

図３は、図２の領域ＩＩＩにおける拡大図である。図３に示されるように、軌道輪１０は、上面１０ａにおいて、焼き入れ硬化層１１を有している。焼き入れ硬化層１１中における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満である。

焼き入れ硬化層１１中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。焼き入れ硬化層１１中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。

焼き入れ硬化層１１中における水素拡散係数は、１．６．１×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよく、１．４×１０^−１１ｍ^２／ｓ以下であってもよい。

上記の水素拡散係数は、電気化学的水素透過法により測定される。図４は、水素拡散係数の測定装置２０の模式図である。図４に示されるように、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とは、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中には、アノード液２８が貯留されている。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中には、カソード液２９が貯留されている。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、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。

試験片２７の内部に侵入した水素は、試験片２７中を拡散しながら移動する。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。

焼き入れ硬化層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。焼き入れ硬化層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。

焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率は、焼き入れ硬化層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。

焼き入れ硬化層１１は、少なくとも上面１０ａにおいて、窒素を含有していてもよい。好ましくは、上面１０ａにおける焼き入れ硬化層１１中の窒素濃度は、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。なお、焼き入れ硬化層１１中における窒素濃度は、ＥＰＭＡにより測定される。

上面１０ａにおける焼き入れ硬化層１１の硬度は、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であることが好ましい。焼き入れ硬化層１１の硬度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ２２４５：２０１６）に定められた方法にしたがって測定される。

上面１０ａにおける圧縮残留応力は、７００ＭＰａ以下である。圧縮残留応力は、軌道輪１０の周方向に沿って測定される。圧縮残留応力の測定は、Ｘ線応力測定法にしたがって測定される。

上面１０ａの算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．１μｍ以下であることが好ましい。上面１０ａのスキューネス（Ｒｓｋ）は、０未満であることが好ましい。上面１０ａの算術平均粗さ及びスキューネスは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３）に定められた方法により測定される。

＜第１実施形態に係る軸受部品の製造方法＞
図５は、軌道輪１０の製造方法を示す工程図である。図５に示されるように、軌道輪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、加工工程Ｓ４と、表面処理工程Ｓ５とを有している。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。加工工程Ｓ４は、焼き戻し工程Ｓ３の後に行われる。表面処理工程Ｓ５は、加工工程Ｓ４の後に行われる。

準備工程Ｓ１においては、焼き入れ工程Ｓ２、焼き戻し工程Ｓ３及び表面処理工程Ｓ５を経ることにより軌道輪１０となる加工対象物が準備される。この加工対象物は、鋼製の環状（リング状）部材である。なお、加工対象物は、例えば鍛造により成型される。

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（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められた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（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかであってもよい。

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、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。なお、Ａ_１点とは、鋼中のフェライト相がオーステナイト相への相変態を開始する温度である。

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、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、焼き入れ硬化層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オーステナイト安定化元素の量が増加すると、焼き入れ硬化層１１中の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、焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層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、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。Ｍｓ点とは、加熱工程Ｓ２１において形成されたオーステナイト相がマルテンサイト相への変態を開始する温度である。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、焼き入れ硬化層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、低炭素マルテンサイト相と炭化物相とに分解される。低炭素マルテンサイト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、焼き入れ硬化層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。

加工工程Ｓ４においては、加工対象部材に対する研削、研磨等の機械加工が行われる。これにより、加工対象部材が、概ね軌道輪１０の形状に成形される。

表面処理工程Ｓ５においては、加工対象物の上面（表面処理工程Ｓ５後に上面１０ａとなる面）に対して、塑性加工が行われる。この塑性加工は、例えばバニシング加工により行われる。このバニシング加工は、加工対象物を中心軸周りに回転させながら、加工対象物の上面にバニシングツールを押圧することにより行われる。なお、バニシングツールと加工対象物の上面との間の最大接触応力は、例えば８．２ＧＰａである。これにより、加工対象物の上面が塑性変形して残留圧縮応力が付与されるとともに、加工対象物の上面の平坦性（算術平均粗さ、スキューネス）が改善される。

なお、表面処理工程Ｓ５において行われる加工対象物の上面に対する塑性加工は、これに限られない。例えば、表面処理工程Ｓ５は、バニシング加工に代えて、ショットピーニング、ウォータージェット加工、超音波衝撃処理により行われてもよい。

＜第１実施形態に係る軸受部品の効果＞
上記のとおり、軌道輪１０において、焼き入れ硬化層１１中における水素拡散係数は、２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満である。そのため、軌道輪１０においては、表面から侵入した水素が焼き入れ硬化層１１の内部に拡散するためにより長時間を要する。

鋼中において、非金属介在物ＮＭＩは、ファイバーフローＦＦの方向に引き伸ばされた形状・分布となっている。そのため、ファイバーフローＦＦと軌道輪の軌道面とがなす角度が大きい場合には、非金属介在物ＮＭＩが、軌道面から露出する可能性が高くなる。

図６は、軌道輪１０の効果を説明するための第１の説明図である。図７は、軌道輪１０の効果を説明するための第２の説明図である。非金属介在物ＮＭＩと母材との間には、図６に示されるように、空隙Ｇが存在している。

軌道輪と転動体との接触による応力は、軌道輪の周方向に沿って作用する。上記の空隙Ｇは、この応力に対して、開口き裂として作用してしまう。このような開口き裂の先端には応力が集中し、水素が蓄積されやすく、水素脆性が引き起こされやすい。

しかしながら、軌道輪１０においては、上面１０ａに対して、軌道輪１０の周方向に沿って残留圧縮応力が残るように塑性加工が行われているため、図７に示されるように、非金属介在物ＮＭＩと母材との間の空隙Ｇが消失している。すなわち、軌道輪１０においては、応力集中による水素集積が生じる箇所が減少している。

以上により、軌道輪１０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。

窒素は、軌道輪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、焼き入れ硬化層１１が窒素を含有している場合には、焼き入れ硬化層１１中の窒化物の含有量が増加する結果、焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数が低下するとともに、焼き入れ硬化層１１の硬度が上昇する。

焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層１１の焼入性の向上に寄与しない。他方で、焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層１１の焼入性を確保することができる。

軌道輪１０の上面１０ａには、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、焼き入れ硬化層１１には、硬度が要求される。一方で、焼き入れ硬化層１１の硬度が過度に高い場合、靱性が低下する。したがって、焼き入れ硬化層１１の硬度が５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である場合には、軌道輪１０の軌道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軌道輪１０の軌道面における変形を抑制することができる。

（転動疲労試験）
以下に、焼き入れ硬化層１１中の水素拡散係数と軌道輪１０の転動疲労寿命との関係を確認するために行った第１転動疲労試験を説明する。

＜供試材＞
表１に、第１転動疲労試験に供した供試材の焼き入れ硬化層１１中における窒素濃度、焼き入れ硬化層１１中におけるオーステナイト相の体積比率及び焼き入れ硬化層１１中における水素拡散係数を示す。

表１に示されるように、供試材１〜供試材３に用いられた鋼種は、ＳＵＪ２である。供試材４及び供試材５に用いられた鋼種は、ＳＵＪ３である。

供試材１及び供試材４に対する加熱工程Ｓ２１は、８５０℃の加熱温度で、ＲＸガス雰囲気中において行われた。供試材２、供試材３及び供試材５に対する加熱工程Ｓ２１は、８５０℃の加熱温度で、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。

供試材２及び供試材５においては、焼き入れ硬化層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た。供試材３においては、焼き入れ硬化層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５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の焼き入れ硬化層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の焼き入れ硬化層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３の焼き入れ硬化層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４中の焼き入れ硬化層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５の焼き入れ硬化層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１の焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数は、２．６３×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材２の焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数は、２．０９×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。

供試材３の焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数は、１．６０×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材４の焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数は、１．８８×１０^−１１ｍ^２／ｓであった。供試材５の焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数は、１．４０×１０^−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。

第１転動疲労試験は、スラスト玉軸受に４．９ｋＮのアキシャル荷重を加えた状態（この状態では、軌道面と転動体との間における最大接触面圧が弾性ヘルツ接触計算で２．３ＧＰａとなる）で、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８は、第１転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。図８に示されるように、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、第１転動疲労試験の結果を示す。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に示されるように、供試材２〜供試材５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。上記のとおり、供試材１においては、焼き入れ硬化層１１の水素拡散係数が２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ以上である一方で、供試材２〜供試材５においては、焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層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の焼き入れ硬化層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２〜供試材５の焼き入れ硬化層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、焼き入れ硬化層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できることが実験的に明らかとされた。

供試材５を用いて構成したスラスト玉軸受は、供試材４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。上記のとおり、供試材４の焼き入れ硬化層１１は、窒素を含んでいない一方、供試材５の焼き入れ硬化層１１は、窒素を含んでいる。この比較から、焼き入れ硬化層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できることが実験的に明らかとされた。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る軸受部品について説明する。なお、以下においては、第１実施形態に係る軸受部品と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。

＜第２実施形態に係る軸受部品の構成＞
第２実施形態に係る軸受部品は、ラジアルニードル軸受の転動体３０である。但し、第２実施形態に係る軸受部品は、これに限られない。第２実施形態に係る軸受部品は、例えば、ラジアルニードル軸受の内輪又は外輪であってもよい。

図９は、第２実施形態に係る転がり軸受の軸受部品の斜視図である。図１０は、図９のＸ−Ｘにおける断面図である。図９及び図１０に示されるように、転動体３０は、転動体本体３１と、酸化膜３２とを有している。

転動体本体３１は、鋼で形成されている。転動体本体３１を構成する鋼は、例えば軸受鋼である。転動体本体３１を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められた高炭素クロム軸受鋼であることが好ましい。より具体的には、転動体本体３１を構成する鋼は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかであることが好ましい。

好ましくは、転動体本体３１を構成する鋼中における酸素濃度は、５質量ｐｐｍ以上である。

転動体本体３１は、円柱状の形状を有している。転動体本体３１は、外周面３１ａを有している。外周面３１ａは、転動体本体３１の転動面を構成している。

図示されていないが、転動体本体３１を構成する鋼中には、ファイバーフローＦＦが形成されている。このファイバーフローＦＦと外周面３１ａとがなす角度は、断面視において、１５°以上となっている。転動体本体３１は、外周面３１ａにおいて、焼き入れ硬化層１１を有している。

外周面３１ａにおける周方向の圧縮残留応力は、７００ＭＰａ以下である。外周面３１ａの算術平均粗さは、０．１μｍ以下であることが好ましい。外周面３１ａのスキューネスは、０未満であることが好ましい。

酸化膜３２は、外周面３１ａ上に形成されている。酸化膜３２は、例えば、鉄（Ｆｅ）の酸化物で形成されている。酸化膜３２の厚さ（厚さＴ）は、０．５μｍ以上２μｍ以下である。

＜第２実施形態に係る軸受部品の製造方法＞
図１１は、転動体３０の製造方法を示す工程図である。図１１に示されるように、転動体３０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、加工工程Ｓ４と、表面処理工程Ｓ５とを有している。転動体３０の製造方法は、さらに酸化膜形成工程Ｓ６を有している。酸化膜形成工程Ｓ６は、表面処理工程Ｓ５の後に行われる。

酸化膜形成工程Ｓ６においては、酸化膜３２の形成が行われる。酸化膜３２の形成は、例えば、水酸化ナトリウムを主成分とする溶液に浸漬することにより行われる。なお、厚さＴは、溶液濃度、浸漬時間により制御することができる。

＜第２実施形態に係る軸受部品の効果＞
上記のとおり、厚さＴは、０．５μｍ以上となっている。そのため、転動体３０においては、表面に新生面が生じにくい。すなわち、転動体３０の表面においては、水素発生反応が生じにくい。したがって、転動体３０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。

上記のとおり、厚さＴは、２μｍ以下となっている。そのため、酸化膜３２が厚くなるほど、転動体３０の表面における表面粗さが悪化する。そのため、転動体３０によると、転動体３０の表面における表面粗さの悪化を抑制することができる。

（第２転動疲労試験）
以下に、酸化膜３２の効果を確認するために行った第２転動疲労試験を説明する。

＜供試材＞
表３に、第２転動疲労試験に供した供試材の作製条件を示す。表３に示されるように、供試材１及び供試材２に用いられた鋼種は、ＳＵＪ２である。供試材１及び供試材２に対する加熱工程Ｓ２１は、加熱温度８５０℃、ＲＸガス雰囲気中において行われた。供試材１に対しては、厚さＴが０．５μｍとなるように酸化膜形成工程Ｓ６が行われた。供試材２に対しては、酸化膜形成工程Ｓ６が行われなかった。

＜転動試験方法＞
各供試材で形成された転動体により、ラジアルニードル軸受が作製された。第２転動疲労試験は、このラジアルニードル軸受に１３．５ｋＮのラジアル荷重を加えた状態で（なお、この状態における内輪の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２．６ＧＰａとなり、外輪の軌道面と転動体との最大接触面圧は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１２は、第２転動疲労試験における回転条件を示すグラフである。図１２に示されるように、内輪の外輪に対する相対的な回転は、４秒間を１サイクルとして行われた。

この４秒間のうち、最初の１秒間においては、回転速度は、５００回転／分に保持された。その次の１秒間においては、回転速度は３０００回転／分まで直線的に増加した。その次の１秒間においては、回転速度は３０００回転／分に保持された。その次の１秒間においては、回転速度は３０００回転／分から５００回転／分まで直線的に減少した。

＜転動疲労試験結果＞
表４に、第２転動疲労試験の結果を示す。表４に示されるように、供試材２を用いたラジアルニードル軸受においては、最短寿命が１２．３時間であり、平均寿命が１４．６時間であった。他方で、供試材１を用いたラジアルニードル軸受においては、最短寿命が６３．５時間であり、平均寿命が６４．４時間であった。この比較から、転動体本体３１の表面に厚さＴが０．５μｍ以上２μｍ以上の酸化膜３２が形成されることにより、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にされた。

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 軌道輪、１０ａ 上面、１０ａａ 軌道溝、１０ｂ 底面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１０ｅ 中心軸、１１ 焼き入れ硬化層、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 転動体、３１ 転動体本体、３１ａ 外周面、３２ 酸化膜、ＦＦ ファイバーフロー、Ｇ 空隙、Ｌ 厚さ、ＮＭＩ 非金属介在物、Ｔ 厚さ、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 焼き入れ工程、Ｓ３ 焼き戻し工程、Ｓ４ 加工工程、Ｓ５ 表面処理工程、Ｓ６ 酸化膜形成工程、Ｓ２１ 加熱工程、Ｓ２２ 冷却工程。

Claims (12)

1. 鋼製の軸受部品であって、
   前記軸受部品は、表面に形成された焼き入れ硬化層を有しており、
   前記焼き入れ硬化層中における水素拡散係数は２．６×１０^−１１ｍ^２／ｓ未満であり、
   前記表面と前記鋼のファイバーフローとがなす角度は１５°以上であり、
   前記表面における周方向の残留圧縮応力は７００ＭＰａ以上である、軸受部品。
2. 前記表面の算術平均粗さは０．１μｍ以下であり、
   前記表面のスキューネスは０未満である、請求項１に記載の軸受部品。
3. 前記鋼中における酸素濃度は５質量ｐｐｍ以上である、請求項１又は請求項２に記載の軸受部品。
4. 前記表面における前記焼き入れ硬化層は窒素を含有している、請求項１〜請求項２のいずれか１項に記載の軸受部品。
5. 前記表面における前記焼き入れ硬化層中の窒素濃度は、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４に記載の軸受部品。
6. 前記焼き入れ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５のいずれか１項に記載の軸受部品。
7. 前記表面における前記焼き入れ硬化層の硬度は５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の軸受部品。
8. 前記鋼は、ＪＩＳ規格に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかである、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の軸受部品。
9. 表面を有する鋼製の軸受部品本体と、前記表面上に形成された酸化膜とを備え、
   前記表面と前記鋼のファイバーフローとがなす角度は１５°以上であり、
   前記表面における周方向の残留圧縮応力は７００ＭＰａ以上であり、
   前記酸化膜の厚さは、０．５μｍ以上２μｍ以下である、軸受部品。
10. 前記表面の算術平均粗さは０．１μｍ以下であり、
    前記表面のスキューネスは０未満である、請求項９に記載の軸受部品。
11. 前記鋼中における酸素濃度は５質量ｐｐｍ以上である、請求項９又は請求項１０に記載の軸受部品。
12. 前記鋼は、ＪＩＳ規格に定められたＳＵＪ２及びＳＵＪ３のいずれかである、請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の軸受部品。

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