JP2021088751A - 転動部品及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】転動部品において、水素侵入下での使用で生成する白色組織を抑制し、長寿命化を達成する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物の鋼材からなる転動部品において、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍ以下であり、残留オーステナイト量が体積率で２０．０％以下であり、表層硬さが７５０ＨＶ以上であることを特徴とする転動部品。【選択図】図３
Description
本発明は、浸炭焼入れを施し、続いて、高周波加熱と急冷による焼入れ、及び、焼き戻しを行うことで、転動負荷時の白色組織生成を抑制し、水素侵入下における寿命を高めた転動部品とその製造方法に関する。
近年、自動車用部品をはじめとする動力伝達部品は環境負荷軽減を目指して小型軽量化が求められている。さらに、これらの部品には、使用環境の過酷化と長寿命化に対応できる特性も同時に要求されている。
特に、軸受を代表とする転動部品においては、例えば、潤滑油中に水が侵入することや、使用中に潤滑油が分解することによって発生した水素が転動部品中に侵入した場合、使用中に、鋼のマルテンサイト組織が白色組織と呼ばれる組織へと変化し、短期間で転動部品の表面に剥離が発生することが知られている。したがって、転動部品の長寿命化を図るためには、白色組織変化を抑制することが重要である。
この課題に対して、特許文献１には、２回の焼入れ工程によって旧オーステナイト結晶粒の粒度番号を１２番以上にするとともに、Ｃｒを含有する０．０３〜１μｍの炭化物又は炭窒化物を少なくとも１５個／１００μｍ2以上形成して、水素環境下での寿命を向上させる技術が開示されている。しかし、特許文献１の技術は、通常の油焼入れを行っているため、残留オーステナイト量が特段低減することはなく、白色組織が生成する恐れがある。
また、特許文献２には、平均粒径が２０ｎｍ以下のＴｉ炭化物及びＴｉ炭窒化物の少なくとも一方が、少なくとも、表面近傍に面積率で０．５〜２０．１％分散析出し、残留オーステナイト量が２０％以下の転がり軸受が提案されている。しかし、特許文献２の技術は、鋼材を高温で溶体化するため、焼きならしを施しても、旧オーステナイト結晶粒の粒径が十分微細化せず、白色組織が生成する恐れがある。
本発明は、従来技術の課題を踏まえ、転動部品において、水素侵入下での使用で生成する白色組織を抑制することを課題とし、該課題を解決する転動部品（例えば、軸受部品）と、その製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意検討した。その結果、鋼のミクロ組織において、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径、及び、残留オーステナイト量を所要の範囲内に維持すれば、白色組織の生成を抑制できることを見いだした。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなり、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍ以下であり、
残留オーステナイト量が体積率で２０．０％以下であり、
表層硬さが７５０ＨＶ以上である
ことを特徴とする転動部品。
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍ以下であり、
残留オーステナイト量が体積率で２０．０％以下であり、
表層硬さが７５０ＨＶ以上である
ことを特徴とする転動部品。
（２）さらに、質量％で、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．１０％以下の１種又は２種以上を含むことを特徴とする前記（１）に記載の転動部品。
（３）前記（１）又は（２）に記載の転動部品を製造する製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下と、
Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５％、Ｔｉ：０〜０．１０％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする転動部品の製造方法。
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下と、
Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５％、Ｔｉ：０〜０．１０％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする転動部品の製造方法。
（４）前記鋼材は、更に、質量％で、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．１０％以下の１種又は２種以上を含むことを特徴とする（３）に記載の転動部品。
本発明によれば、水素侵入下の使用においても、白色組織が生成せず、長寿命の転動部品（例えば、軸受部品）を提供することができる。
本発明の転動部品（以下「本発明転動部品」ということがある。）は、
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる転動部品において、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍ以下であり、
残留オーステナイト量が体積率で２０．０％以下であり、
表層硬さが７５０ＨＶ以上である
ことを特徴とする。
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる転動部品において、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍ以下であり、
残留オーステナイト量が体積率で２０．０％以下であり、
表層硬さが７５０ＨＶ以上である
ことを特徴とする。
本発明転動部品は、さらに、質量％で、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．１０％以下の１種又は２種以上を含むことを特徴とする。
本発明の転動部品の製造方法（以下「本発明製造方法」ということがある。）は、本発明転動部品を製造する製造方法であって、
本発明転動部品の素材である鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする。
本発明転動部品の素材である鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする。
以下、本発明転動部品及び本発明製造方法について説明する。
まず、本発明転動部品の素材である鋼材（以下「本発明鋼材」ということがある。）の成分組成の限定理由について説明する。以下、成分組成に係る％は質量％を意味する。
（Ａ）成分組成
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、転動部品の焼入れ性を確保するとともに、焼入れ後の芯部強度や靭性を確保するために必須の元素である。
Ｃ：０．１０〜０．３０％
Ｃは、転動部品の焼入れ性を確保するとともに、焼入れ後の芯部強度や靭性を確保するために必須の元素である。
０．１０％未満では、焼入れ後の硬さと靭性を確保できないので、Ｃは０．１０％以上とする。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．１８％以上である。一方、０．３０％を超えると、靭性が低下するので、Ｃは０．３０％以下とする。Ｃが過剰になると、鋼材の硬さが上昇し、熱間鍛造や切削加工等の製造性が低下するので、Ｃは０．２８％以下が好ましい。より好ましくは０．２５％以下である。
Ｓｉ：０．０５〜０．８０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に必要な元素であり、鋼の強度や表面起点剥離寿命の向上に有効な元素である。また、鋼の焼戻し軟化抵抗を高め、部品が高温で使用される際の軟化を防ぐ作用をなす元素である。
Ｓｉは、鋼の脱酸に必要な元素であり、鋼の強度や表面起点剥離寿命の向上に有効な元素である。また、鋼の焼戻し軟化抵抗を高め、部品が高温で使用される際の軟化を防ぐ作用をなす元素である。
０．０５％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｓｉは０．０５％以上とする。好ましくは０．０７％以上、より好ましくは０．０９％以上である。一方、０．８０％を超えると、靭性が低下するので、Ｓｉは上限を０．８０％とする。また、Ｓｉ量が過剰になると、鋼材の硬さ増加が上昇し、切削加工等の製造性が低下するので、Ｓｉは０．７５％以下が好ましい。より好ましくは０．７０％以下である。
Ｍｎ：０．４０〜１．００％
Ｍｎは、焼入れ性を高める元素である。０．４０％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｍｎは０．４０％以上とする。好ましくは０．４５％以上、より好ましくは０．５０％以上である。一方、Ｍｎが１．００％を超えると、鋼材の硬さが上昇し、切削加工等の製造性が低下するので、Ｍｎは１．００％以下とする。好ましく０．８０％以下、より好ましくは０．７５％以下である。
Ｍｎは、焼入れ性を高める元素である。０．４０％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｍｎは０．４０％以上とする。好ましくは０．４５％以上、より好ましくは０．５０％以上である。一方、Ｍｎが１．００％を超えると、鋼材の硬さが上昇し、切削加工等の製造性が低下するので、Ｍｎは１．００％以下とする。好ましく０．８０％以下、より好ましくは０．７５％以下である。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、粒界に偏析して靭性及び疲労強度を阻害し部品強度を低下させる元素である。Ｐが０．０２０％を超えると、部品強度の低下が著しくなるので、Ｐは０．０２０％以下とする。好ましくは０．０１５％以下、より好ましくは０．０１０％以下である。
Ｐは、粒界に偏析して靭性及び疲労強度を阻害し部品強度を低下させる元素である。Ｐが０．０２０％を超えると、部品強度の低下が著しくなるので、Ｐは０．０２０％以下とする。好ましくは０．０１５％以下、より好ましくは０．０１０％以下である。
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは、被削性に有効であるが、一方で、冷間加工性及び靭性を阻害するＭｎＳを形成する元素である。Ｓが０．０１５％を超えると、冷間加工性及び靭性の低下が著しくなるので、Ｓは０．０１５％以下とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００７％以下である。
Ｓは、被削性に有効であるが、一方で、冷間加工性及び靭性を阻害するＭｎＳを形成する元素である。Ｓが０．０１５％を超えると、冷間加工性及び靭性の低下が著しくなるので、Ｓは０．０１５％以下とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００７％以下である。
Ｃｒ：０．６０〜１．５０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高め、また、浸炭処理時に微細な析出物を形成する重要な元素である。この微細な析出物は、水素のトラップサイトとして有効に機能するとともに、旧オーステナイト結晶粒の微細化に有効に機能する。
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高め、また、浸炭処理時に微細な析出物を形成する重要な元素である。この微細な析出物は、水素のトラップサイトとして有効に機能するとともに、旧オーステナイト結晶粒の微細化に有効に機能する。
０．６０％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｃｒは０．６０％以上とする。好ましく０．６２％以上、より好ましくは０．６５％以上である。一方、１．５０％超では、鋼材の硬さが上昇し、切削加工等の製造性が低下するので、Ｃｒは１．５０％とする。好ましくは１．４５％以下、より好ましくは１．４０％以下である。
Ａｌ：０．００５〜０．１００％
Ａｌは、精錬工程で脱酸を行うために使用する元素である。０．００５％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ａｌは０．００５％以上とする。好ましくは０．０１０％以上、より好ましくは０．０１５％以上である。
Ａｌは、精錬工程で脱酸を行うために使用する元素である。０．００５％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ａｌは０．００５％以上とする。好ましくは０．０１０％以上、より好ましくは０．０１５％以上である。
一方、０．１００を超えると、粗大な酸化物が残存し易くなり、表面起点剥離寿命の低下を招くので、Ａｌは０．１００％以下とする。好ましくは０．０７５％以下、より好ましくは０．０５０％以下である。
Ｎ：０．００３〜０．０２５％
Ｎは、Ｎｂと炭窒化物を形成し、結晶粒微細化及び拡散性水素の無害化に寄与する元素である。０．００３％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｎは０．００３％以上とする。好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。
Ｎは、Ｎｂと炭窒化物を形成し、結晶粒微細化及び拡散性水素の無害化に寄与する元素である。０．００３％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｎは０．００３％以上とする。好ましくは０．００７％以上、より好ましくは０．０１０％以上である。
一方、０．０２５０％を超えると、熱間変形能の低下をきたすので、Ｎは０．０２５％以下とする。好ましくは０．０２２％以下、より好ましくは０．０１９％以下である。
Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは、鋼中に不純物として存在して酸化物を形成し、機械特性、なかでも、転動疲労寿命を阻害する元素である。０．００１５％を超えると、酸化物が多くなり、転動疲労寿命が著しく低下するので、Ｏは０．００１５％以下とする。好ましくは０．００１３％以下、より好ましくは０．００１０％以下である。
Ｏは、鋼中に不純物として存在して酸化物を形成し、機械特性、なかでも、転動疲労寿命を阻害する元素である。０．００１５％を超えると、酸化物が多くなり、転動疲労寿命が著しく低下するので、Ｏは０．００１５％以下とする。好ましくは０．００１３％以下、より好ましくは０．００１０％以下である。
本発明鋼材は、上記元素の他、転動部品の特性向上のため、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．１０％以下の１種又は２種以上を任意添加元素として含有してもよい。これらの元素の添加による作用効果を得るための添加量の下限値は、以下に説明する。但し、本発明鋼材は、前記任意添加元素をその作用効果が得られる下限量を下回る範囲で含有していても良い。以下、これらの任意添加元素の作用効果と、成分組成の限定理由について説明する。
Ｍｏ：０〜０．５０％
Ｍｏは、鋼の焼入れ性及び靭性の向上に有効な元素である。さらに、Ｍｏは、浸炭処理時、微細な析出物を形成し、高周波焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。そして、Ｍｏの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。
Ｍｏは、鋼の焼入れ性及び靭性の向上に有効な元素である。さらに、Ｍｏは、浸炭処理時、微細な析出物を形成し、高周波焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。そして、Ｍｏの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。
０．１０％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｍｏは０．１０％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．２０％以上である。一方、０．５０％を超えると、鋼材コストの上昇を招くとともに、熱間加工性や切削性が低下するので、Ｍｏは０．５０％以下とする。好ましくは０．４５％以下である。
Ｖ：０〜０．５０％
Ｖは、鋼の焼入れ性を高め、浸炭処理時に微細な析出物を形成する元素である。そして、Ｖの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。０．１０％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｖは０．１０％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以上である。
Ｖは、鋼の焼入れ性を高め、浸炭処理時に微細な析出物を形成する元素である。そして、Ｖの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。０．１０％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｖは０．１０％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以上である。
一方、０．５０％を超えると、未固溶の粗大な炭化物や炭窒化物が残存し、靭性、熱間加工性、切削性が低下するので、Ｖは０．５０％以下とする。好ましくは０．４０％以下である。
Ｎｂ：０〜０．１０％
Ｎｂは、浸炭処理時に微細な析出物を形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化の抑制し、さらに、高周波焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。そして、Ｎｂの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。
Ｎｂは、浸炭処理時に微細な析出物を形成し、浸炭時のオーステナイト結晶粒の粗大化の抑制し、さらに、高周波焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。そして、Ｎｂの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。
０．０１％未満では、添加効果が十分に得られないので、Ｎｂは０．０１％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．０２％以上である。一方、０．１０％を超えると、切削性が低下する恐れがあるので、Ｎｂは０．１０％以下とする。好ましくは０．０８％以下である。
Ｎｉ：０〜１．００％
Ｎｉは、焼入れ性を向上させ、かつ、焼入れ材の靭性を向上させる元素である。１．００％を超えると、添加効果が飽和し、コストが嵩むので、Ｎｉは１．００％以下とする。好ましくは０．８５％以下である。添加効果を確保する点で、Ｎｉは０．０５％以上が好ましい。
Ｎｉは、焼入れ性を向上させ、かつ、焼入れ材の靭性を向上させる元素である。１．００％を超えると、添加効果が飽和し、コストが嵩むので、Ｎｉは１．００％以下とする。好ましくは０．８５％以下である。添加効果を確保する点で、Ｎｉは０．０５％以上が好ましい。
Ｂ：０〜０．００５％
Ｂは、焼入れ性を向上させる元素であり、また、焼入れ時のオーステナイト粒界におけるＰやＳの偏析を抑制する作用をなす元素でもある。０．００５％を超えると、ＢＮが生成して靭性が低下する場合があるので、Ｂは０．００５％以下とする。好ましくは０．００３％以下である。添加効果を得る点で、Ｂは０．０００３％以上が好ましい。
Ｂは、焼入れ性を向上させる元素であり、また、焼入れ時のオーステナイト粒界におけるＰやＳの偏析を抑制する作用をなす元素でもある。０．００５％を超えると、ＢＮが生成して靭性が低下する場合があるので、Ｂは０．００５％以下とする。好ましくは０．００３％以下である。添加効果を得る点で、Ｂは０．０００３％以上が好ましい。
Ｔｉ：０〜０．１０％
Ｔｉは、微細な析出物を形成して、浸炭時の結晶粒粗大化を抑制し、さらに高周波焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。そして、Ｔｉの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。
Ｔｉは、微細な析出物を形成して、浸炭時の結晶粒粗大化を抑制し、さらに高周波焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒の微細化に寄与する元素である。そして、Ｔｉの微細な析出物は、水素のトラップサイトとして機能する。
０．１０％を超えると、靭性が低下するので、Ｔｉは０．１０％以下とする。より好ましくは０．０８％以下である。添加効果を得る点で、Ｔｉは０．００５％以上が好ましい。
本発明鋼材において、上記元素以外の残部は、Ｆｅ及び不純物である。不純物は、鋼原料（鉱石、スクラップ等）から及び／又は鋼製造工程で不可避的に混入し、本発明鋼材、本発明転動部品、及び、本発明製造方法の実施に悪影響を与えない範囲で許容される元素である。
次に、本発明転動部品のミクロ組織について説明する。
（Ｂ）ミクロ組織
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径：７．０μｍ以下
完成した転動部品の組織は、焼戻したマルテンサイトと残留オーステナイトで構成されるが、転動負荷のもとで白色組織が生成する。白色組織は、水素侵入下で、塑性変形が繰り返されることで生成するので、白色組織の発生を抑制するためには、水素侵入下での繰り返し塑性変形を抑制することが重要である。
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径：７．０μｍ以下
完成した転動部品の組織は、焼戻したマルテンサイトと残留オーステナイトで構成されるが、転動負荷のもとで白色組織が生成する。白色組織は、水素侵入下で、塑性変形が繰り返されることで生成するので、白色組織の発生を抑制するためには、水素侵入下での繰り返し塑性変形を抑制することが重要である。
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍを超えると、局所的な塑性変形が大きくなり、白色組織の生成抑制が困難になるので、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径は７．０μｍ以下とする。好ましくは６．５μｍ以下である。
残留オーステナイト量：体積率で２０．０％以下
残留オーステナイトは、水素の固溶限が高いので、鋼材に侵入してきた水素のトラップサイトとして機能する。しかし、部品の使用中、残留オーステナイトが加工誘起変態してマルテンサイトになると、残留オーステナイトがトラップしていた水素が放出される。
残留オーステナイトは、水素の固溶限が高いので、鋼材に侵入してきた水素のトラップサイトとして機能する。しかし、部品の使用中、残留オーステナイトが加工誘起変態してマルテンサイトになると、残留オーステナイトがトラップしていた水素が放出される。
放出された水素は、局所的な塑性変形を助長するので、白色組織が生成し易くなる。残留オーステナイト量が体積率で２０．０％を超えると、局所的な塑性変形が大きくなり、白色組織の生成抑制が困難になるので、残留オーステナイト量は体積率で２０．０％以下とする。好ましくは体積率で１５．０％以下である。なお、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折で得られたｂｃｃ構造の（２１１）面とｆｃｃ構造の（２２０）面の回折ピークの積分強度比から算出することができる。
次に、本発明転動部品の機械特性について説明する。
（Ｃ）表層硬さ
表層硬さ：７５０ＨＶ以上
白色組織は、水素侵入下で塑性変形が繰り返されることにより生成するので、白色組織の生成を抑制するためには、水素侵入下での繰り返し塑性変形を抑制することが重要である。
表層硬さ：７５０ＨＶ以上
白色組織は、水素侵入下で塑性変形が繰り返されることにより生成するので、白色組織の生成を抑制するためには、水素侵入下での繰り返し塑性変形を抑制することが重要である。
表層硬さが７５０ＨＶ未満であると、繰り返し塑性変形量が増大し、白色組織の生成抑制が困難になり、また、所要の耐摩耗性が得られないので、表層硬さは７５０ＨＶ以上とする。好ましくは７７０ＨＶ以上である。
（Ｄ）内部硬さ
本発明転動部品は、その用途上、内部硬さが２６０ＨＶ以上であることが好ましい。
本発明転動部品は、その用途上、内部硬さが２６０ＨＶ以上であることが好ましい。
以上のミクロ組織及び機械特性を有する転動部品を製造するためには、例えば、浸炭焼入れ後に高周波焼入れを行い、焼戻しを行う。高周波による短時間加熱後、水噴射による急冷を行うことが効果的である。
次に、本発明製造方法について説明する。
（Ｄ）製造方法
本発明転動部品を製造する本発明製造方法は、
本発明鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする。
本発明転動部品を製造する本発明製造方法は、
本発明鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする。
以下、工程条件について説明する。
本発明鋼材の製造
本発明鋼材の製造方法は、特に特定の製造方法に限定されない。常法で、鋼を溶製し、連続鋳造し、得られた鋼片を熱間圧延して製造する。鋼片には、必要に応じ、均熱拡散処理や分塊圧延を施す。本発明鋼材は、例えば、棒鋼であり、必要に応じて、熱間鍛伸、焼準、球状化焼鈍を施してもよい。
本発明鋼材の製造方法は、特に特定の製造方法に限定されない。常法で、鋼を溶製し、連続鋳造し、得られた鋼片を熱間圧延して製造する。鋼片には、必要に応じ、均熱拡散処理や分塊圧延を施す。本発明鋼材は、例えば、棒鋼であり、必要に応じて、熱間鍛伸、焼準、球状化焼鈍を施してもよい。
本発明鋼材は、切削加工性を確保するため、硬さが２７０ＨＶ以下となることが好ましい。例えば、直径３０ｍｍ〜１４０ｍｍの棒鋼を、９２５℃〜９３０℃に加熱し、１〜３時間保持した後、空冷する焼準を行い、焼準後硬さを２７０ＨＶ以下とすることができる。
成形：熱間加工又は冷間加工
本発明鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して転動部品に成形する。成形後、切削加工や仕上げ加工を施してもよい。熱間加工及び冷間加工の加工条件は、転動部品を成形できる条件であればよく、特に特定の加工条件に限定されない。
本発明鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して転動部品に成形する。成形後、切削加工や仕上げ加工を施してもよい。熱間加工及び冷間加工の加工条件は、転動部品を成形できる条件であればよく、特に特定の加工条件に限定されない。
浸炭焼入れ
浸炭焼入れは、通常の方法で行えばよい。例えば、９２０〜１０００℃の温度域で浸炭を行い、浸炭後、油焼入れ又は水焼入れをする。その後、焼戻しを行ってもよい。
浸炭焼入れは、通常の方法で行えばよい。例えば、９２０〜１０００℃の温度域で浸炭を行い、浸炭後、油焼入れ又は水焼入れをする。その後、焼戻しを行ってもよい。
高周波加熱と冷却
浸炭焼入れを施した部品を、さらに、高周波で加熱し、加熱後、水噴射又は気水噴射で冷却する。高周波加熱は、Ａ3点以上、Ａ3点＋１５０℃以下の温度に、３０秒以下加熱するのが好ましい。
浸炭焼入れを施した部品を、さらに、高周波で加熱し、加熱後、水噴射又は気水噴射で冷却する。高周波加熱は、Ａ3点以上、Ａ3点＋１５０℃以下の温度に、３０秒以下加熱するのが好ましい。
高周波で加熱した後は、水の強噴射による水冷、又は、気水の強噴射による気水冷却を行い、７．０μｍ以下の旧オーステナイト結晶粒の平均粒径と、２０％以下の残留オーステナイト体積率を有するミクロ組織、及び、７５０ＨＶ以上の表層硬さを実現する。
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
表１に示す成分組成を有する溶鋼を連続鋳造し、必要に応じ、均熱拡散処理、分塊圧延を施して１６０ｍｍ角の圧延素材とした。続いて、熱間棒鋼圧延で、直径６０ｍｍ（以下、「Φ６０ｍｍ」という。）の棒鋼を製造した。
直径６０ｍｍの棒鋼（以下「Φ６０ｍｍ棒鋼」という。）の一部は、切断後、熱間鍛伸を施して、直径３０ｍｍの棒鋼（以下「Φ３０ｍｍ棒鋼」という。）に仕上げ、さらに、Φ３０ｍｍ棒鋼を、９２５℃に加熱し、１時間保持した後、空冷する焼き準しを行った。
表１において、実施例の鋼１〜１９は、成分組成が、本発明の範囲内にある鋼であり、比較例の鋼２０〜２７は、成分組成が、本発明の範囲外にある鋼である。
［焼準後の硬さの評価］
前記焼準後のΦ３０ｍｍ棒鋼を、長手方向に直交する面で切断し、切断面が観察面となるように樹脂に埋め込んで研磨し、観察面を鏡面仕上げした。鏡面仕上げ後、試験片の表層部において、２．９４Ｎの試験力でビッカース硬さを測定した。
前記焼準後のΦ３０ｍｍ棒鋼を、長手方向に直交する面で切断し、切断面が観察面となるように樹脂に埋め込んで研磨し、観察面を鏡面仕上げした。鏡面仕上げ後、試験片の表層部において、２．９４Ｎの試験力でビッカース硬さを測定した。
焼準後のビッカース硬さの測定は、試験片中心および中心から８ｍｍの位置を４５度間隔で８点，合計９点実施し、その平均値を焼準後の硬さの測定値とした。ビッカース硬さ≦２７０ＨＶの場合は「○」、ビッカース硬さ＞２７０ＨＶの場合は「×」と判定した。
［小ローラー試験片の加工］
前記焼準後のΦ３０ｍｍの棒鋼を、図１に示す小ローラー試験片の粗形状に加工した。粗形状の小ローラー試験片に、図２に示す熱処理（表面Ｃ濃度０．８〜１．２質量％を狙っての浸炭、油焼入れ、焼戻し）を施し、次いで、図３に示す熱処理（ａ：高周波焼入れ、ｂ：焼戻し）を施した。その後、図５に示す小ローラー試験片の形状に加工した。
前記焼準後のΦ３０ｍｍの棒鋼を、図１に示す小ローラー試験片の粗形状に加工した。粗形状の小ローラー試験片に、図２に示す熱処理（表面Ｃ濃度０．８〜１．２質量％を狙っての浸炭、油焼入れ、焼戻し）を施し、次いで、図３に示す熱処理（ａ：高周波焼入れ、ｂ：焼戻し）を施した。その後、図５に示す小ローラー試験片の形状に加工した。
［大ローラー試験片の加工］
ＪＩＳに規定の成分組成を有するＳＵＪ２を連続鋳造し、分塊圧延工程を経て、１６０ｍｍ角の圧延素材とした。続いて、熱間鍛伸によって、直径１４０ｍｍの棒鋼（以下、「Φ１４０ｍｍ棒鋼」という。）を製造した。
ＪＩＳに規定の成分組成を有するＳＵＪ２を連続鋳造し、分塊圧延工程を経て、１６０ｍｍ角の圧延素材とした。続いて、熱間鍛伸によって、直径１４０ｍｍの棒鋼（以下、「Φ１４０ｍｍ棒鋼」という。）を製造した。
Φ１４０ｍｍ棒鋼を、９３０℃に加熱し、３時間保持した後、空冷した。空冷したΦ１４０ｍｍ棒鋼を、図４（ａ）に示す球状化焼鈍した後，図６に示す大ローラー試験片の粗形状に加工した。粗形状の大ローラー試験片に、図４（ｂ，ｃ）に示す熱処理（ｂ：焼入れ、ｃ：焼戻し）を施した後、図７に示す大ローラー試験片の形状に加工した。
［表層硬さ及び内部硬さの評価］
小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部を横断するように切断し、小ローラー試験片の長手方向と直交する切断面が観察面となるように、試験片を樹脂に埋め込み、研磨し、観察面を鏡面仕上げした。
小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部を横断するように切断し、小ローラー試験片の長手方向と直交する切断面が観察面となるように、試験片を樹脂に埋め込み、研磨し、観察面を鏡面仕上げした。
鏡面仕上げ後、試験片の表層部及び内部において、２．９４Ｎの試験力でビッカース硬さを測定した。表層硬さは，試験片表面から５０μｍ深さ位置を９点測定し，その平均値を測定値とした。内部硬さは、試験片中心および中心から８ｍｍの位置を４５度間隔で８点，合計９点測定し、その平均を測定値とした。表層硬さは、表層硬さ≧７５０ＨＶの場合は「○」、表層硬さ＜７５０ＨＶの場合は「×」と判定した。内部硬さは、内部硬さ≧２６０ＨＶの場合は「○」、内部硬さ＜２６０ＨＶの場合は「×」と判定した。
［旧オーステナイト結晶粒の平均粒径の評価］
小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部を横断するように切断し、試験片の長手方向と直交する切断面が観察面となるように、試験片を樹脂に埋め込み、研磨し、観察面を鏡面仕上げした。
小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部を横断するように切断し、試験片の長手方向と直交する切断面が観察面となるように、試験片を樹脂に埋め込み、研磨し、観察面を鏡面仕上げした。
鏡面仕上げ後、表層部を、オーステナイト粒界腐食液で腐食し、光学顕微鏡で１０００倍の写真を撮影し、ＪＩＳ０５５１（２０１３：鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法 付属書Ｃ）に記載の直線試験線による切断方法により、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径を算出した。旧オーステナイト結晶粒の平均粒径≦７．０μｍの場合は「○」、旧オーステナイト粒の平均粒径＞７．０μｍの場合は「×」と判定した。
［残留オーステナイト量の評価］
小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部の外周面を、外周面から２００μｍの深さまで電解研磨した後、Ｘ線を照射し、ｂｃｃ構造の（２１１）面と、ｆｃｃ構造の（２２０）面の回折ピークの積分強度比から、残留オーステナイト量を算出した。残留オーステナイト量≦２０％の場合は「○」、残留オーステナイト量＞２０．０％の場合は「×」と判定した。
小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部の外周面を、外周面から２００μｍの深さまで電解研磨した後、Ｘ線を照射し、ｂｃｃ構造の（２１１）面と、ｆｃｃ構造の（２２０）面の回折ピークの積分強度比から、残留オーステナイト量を算出した。残留オーステナイト量≦２０％の場合は「○」、残留オーステナイト量＞２０．０％の場合は「×」と判定した。
［白色組織抑制特性の評価］
白色組織抑制特性は、小ローラー試験片と大ローラー試験片を用いて、２円筒転がり疲労試験を行って評価した。２円筒転がり疲労試験は、潤滑環境下で、面圧２．５ＧＰａ、すべり率４０％、回転数１５００ｒｐｍの条件で、繰返し数１．０×１０7回まで実施した。
白色組織抑制特性は、小ローラー試験片と大ローラー試験片を用いて、２円筒転がり疲労試験を行って評価した。２円筒転がり疲労試験は、潤滑環境下で、面圧２．５ＧＰａ、すべり率４０％、回転数１５００ｒｐｍの条件で、繰返し数１．０×１０7回まで実施した。
試験後、小ローラー試験片の直径２６．０ｍｍ部の摺動部を横断するように切断し、小ローラー試験片の長手方向と直交する切断面が観察面となるように、試験片を樹脂に埋め込み、研磨し、観察面を鏡面仕上げした。鏡面仕上げ後、観察面をナイタール腐食液で腐食し、光学顕微鏡を用いて、白色組織の有無を観察した。白色組織が観察されなかった場合は「○」、白色組織が観察された場合は「×」と判定した。
表２に、焼準後硬さ、表層硬さ、内部硬さ、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径、残留オーステナイト量、及び、白色組織抑制特性の評価結果を示す。
表２に示すように、成分組成、ミクロ組織、硬さ、及び、表面硬化処理方法が本発明の範囲内にある試験番号１〜１９においては、白色組織抑制特性が優れ、評価は「○」である。
これに対して、試験番号２０〜３０は、鋼の成分組成、ミクロ組織、表層硬さ、又は、表面硬化処理方法が、本発明範囲外であるため、製造性，内部硬さ，もしくは白色組織抑制特性が劣位で、総合的な評価は「×」である。
試験番号２０は、Ｃが少ないため、内部硬さが低い。試験番号２１は、Ｃが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。試験番号２２は、Ｓｉが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。試験番号２３は、Ｍｎが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。試験番号２４は、Ｃｒが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。試験番号２５は、Ｍｏが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。
試験番号２６は、Ｖが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。試験番号２７は、Ｎｂが多いため、焼準後の硬さが高く、切削性に劣る。試験番号２８は、鋼１の成分組成は本発明範囲であるが，浸炭焼入れ・焼戻し後、高周波焼入れ・焼戻しをしていないため、表層硬さが本発明範囲より低く、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が本発明範囲より高く、残留オーステナイト量が本発明範囲よりも高くなり、白色組織が生成した。
試験番号２９は、鋼１１の成分組成は本発明範囲であるが，浸炭焼入れ・焼戻し後、高周波焼入れ・焼戻しをしていないため、表層硬さが本発明範囲より低く、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が本発明範囲より高く、残留オーステナイト量が本発明範囲より高くなり、白色組織が生成した。
試験番号３０は、鋼１７の成分組成は本発明範囲であるが，浸炭焼入れ・焼戻し後、高周波焼入れ・焼戻しをしていないため、表層硬さが本発明範囲より低く、旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が本発明範囲より高く、残留オーステナイト量が本発明範囲より高くなり、白色組織が生成した。
前述したように、本発明によれば、水素侵入下の使用においても、白色組織が生成せず、長寿命の転動部品（例えば、軸受部品）を提供することができる。よって、本発明は、機械部品製造及び利用産業において利用可能性が高いものである。
Claims (4)
- 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなり、
旧オーステナイト結晶粒の平均粒径が７．０μｍ以下であり、
残留オーステナイト量が体積率で２０．０％以下であり、
表層硬さが７５０ＨＶ以上である
ことを特徴とする転動部品。 - さらに、質量％で、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．１０％以下の１種又は２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の転動部品。
- 請求項１又は２に記載の転動部品を製造する製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０％、Ｍｎ：０．４０〜１．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．６０〜１．５０％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｎ：０．００３〜０．０２５％、Ｏ：０．００１５％以下と、
Ｍｏ：０〜０．５０％、Ｖ：０〜０．５０％、Ｎｂ：０〜０．１０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．００５％、Ｔｉ：０〜０．１０％を含み、残部Ｆｅ及び不純物からなる鋼材に、熱間加工又は冷間加工を施して、部品形状に成形する工程、
成形した部品に浸炭焼入れを施す工程、
浸炭焼入れを施した部品を、高周波で加熱し、次いで、水噴射又は気水噴射で冷却する工程を含む
ことを特徴とする転動部品の製造方法。 - 前記鋼材は、更に、質量％で、Ｍｏ：０．１０〜０．５０％、Ｖ：０．１０〜０．５０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．００％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．１０％以下の１種又は２種以上を含むことを特徴とする請求項３に記載の転動部品。
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