JP2022107971A - 軸受部品及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性が改善された軸受部品を提供する。【解決手段】軸受部品は、表面を有し、鋼製である。軸受部品は、表面からの距離が２０μｍまでの領域である表層部を備える。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。表層部の鋼は、マルテンサイトブロック粒と、析出物とを有する。析出物は、クロム若しくはバナジウムを主成分とする窒化物又はクロム若しくはバナジウムを主成分とする炭窒化物である。【選択図】図２

Description

本発明は、軸受部品及び転がり軸受に関する。

特許文献１（特許第５４８９１１１号公報）には、軸受部品が記載されている。特許文献１に記載の軸受部品は、鋼製の加工対象部材に対して、浸窒、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成されている。特許文献１に記載の軸受部品では、表層部の鋼中にセメンタイトが分散されているため、高い耐摩耗性を有している。

特許文献２（特許第６０２３４２２号公報）には、軸受部品が記載されている。特許文献２に記載の軸受部品は、鋼製の加工対象部材に対して、浸窒、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成されている。特許文献２に記載の軸受部品では、表層部の鋼中における残留オーステナイト量が大きいため、異物混入潤滑下における圧痕起点型剥離に対する耐久性が高い。

特許第５４８９１１１号公報 特許第６０２３４２２号公報

本発明者らが鋭意検討したところ、特許文献１に記載の軸受部品及び特許文献２に記載の軸受部品は、耐久性にさらに改善の余地がある。本発明は、耐久性が改善された軸受部品及び転がり軸受を提供するものである。

本発明の軸受部品は、表面を有し、鋼製である。軸受部品は、表面からの距離が２０μｍまでの領域である表層部を備える。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である。表層部の鋼は、マルテンサイトブロック粒と、析出物とを有する。析出物は、クロム若しくはバナジウムを主成分とする窒化物又はクロム若しくはバナジウムを主成分とする炭窒化物である。表層部の鋼中において、マルテンサイトブロックの最大粒径は、５．０μｍ以下である。表層部の鋼中において、マルテンサイトブロックの｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値は、３．２５倍ランダム以下である。

上記の軸受部品では、鋼が、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウムと、０．１０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物であってもよい。

上記の軸受部品では、表層部の鋼中における析出物の面積率が、２．０パーセント以上であってもよい。

上記の軸受部品では、表層部の鋼中において、析出物の最大粒径が、０．５μｍ以下であってもよい。

上記の軸受部品では、表層部の鋼が、セメンタイトをさらに有していてもよい。表層部の鋼中において、セメンタイトの最大粒径は、１．５μｍ以下であってもよい。

上記の軸受部品では、表層部の鋼中において、比較面積率が３０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径が、２．０μｍ以下であってもよい。

上記の軸受部品では、表層部の鋼中において、比較面積率が５０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径が、１．５μｍ以下であってもよい。

上記の軸受部品では、表層部の鋼中における窒素濃度が、０．１５質量パーセント以上であってもよい。

上記の軸受部品では、表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼中の残留オーステナイトの体積比が、１５パーセント以上であってもよい。

上記の軸受部品では、表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼の硬さが、５８ＨＲＣ以上であってもよい。

上記の軸受部品では、表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼中の残留オーステナイトの体積比が、２５パーセント以上３５パーセント以下であってもよい。表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼の硬さが、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であってもよい。

本発明の転がり軸受は、内輪と、外輪と、転動体とを備える。内輪、外輪及び転動体のうちの少なくともいずれかは、上記の軸受部品である。

本発明の軸受部品及び本発明の転がり軸受によると、耐久性が改善される。

内輪１０の断面図である。 図１中のＩＩにおける拡大図である。 内輪１０の製造方法を示す工程図である。 転がり軸受１００の断面図である。 サンプル１の軌道盤の軌道面近傍における窒素濃度及び炭素濃度の測定結果を示すグラフである。 サンプル２の軌道盤の軌道面近傍における窒素濃度及び炭素濃度の測定結果を示すグラフである。 サンプル１の軌道盤の表層部におけるＳＥＭ画像である。 サンプル２の軌道盤の表層部におけるＳＥＭ画像である。 サンプル１の軌道盤の表層部におけるＥＢＳＤの相マップである。 サンプル２の軌道盤の表層部におけるＥＢＳＤの相マップである。 サンプル３の軌道盤の表層部におけるＥＢＳＤの相マップである。 サンプル１～サンプル３の軌道盤の表層部におけるマルテンサイトブロック粒の平均粒径を示す棒グラフである。 転動疲労寿命試験の結果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。ここでは、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

実施形態に係る軸受部品は、例えば、転がり軸受の内輪１０である。以下においては、内輪１０を実施形態に係る軸受部品の例として説明する。但し、実施形態に係る軸受部品は、これに限られない。実施形態に係る軸受部品は、転がり軸受の外輪又は転がり軸受の転動体であってもよい。

（内輪１０の構成）
図１は、内輪１０の断面図である。図１に示されるように、内輪１０は、リング状である。内輪１０の中心軸を、中心軸Ａとする。内輪１０は、幅面１０ａと、幅面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。幅面１０ａ、幅面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、内輪１０の表面を構成している。

以下においては、中心軸Ａの方向を、軸方向とする。また、以下においては、軸方向に沿って見た際に中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向を、周方向とする。さらに、以下においては、軸方向に直交する方向を、径方向とする。

幅面１０ａ及び幅面１０ｂは、軸方向における内輪１０の端面である。幅面１０ｂは、軸方向における幅面１０ａの反対面である。

内周面１０ｃは、周方向に延在している。内周面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内周面１０ｃは、軸方向における一方端で幅面１０ａに連なっており、軸方向における他方端で幅面１０ｂに連なっている。内輪１０は、内周面１０ｃにおいて、軸（図示せず）に嵌め合わされる。

外周面１０ｄは、周方向に延在している。外周面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。すなわち、外周面１０ｄは、径方向における内周面１０ｃの反対面である。外周面１０ｄは、軸方向における一方端で幅面１０ａに連なっており、軸方向における他方端で幅面１０ｂに連なっている。

外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａを有している。軌道面１０ｄａは、周方向に延在している。外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａにおいて、内周面１０ｃ側に窪んでいる。断面視において、軌道面１０ｄａは、部分円形状である。軌道面１０ｄａは、軸方向において外周面１０ｄの中央にある。軌道面１０ｄａは、転動体（図１中において図示せず）に接触する外周面１０ｄの一部である。

内輪１０は、鋼製である。より具体的には、内輪１０は、焼入れ及び焼戻しが行われている鋼製である。内輪１０を構成している鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコン、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガン、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロム、０．５０質量パーセント以下のバナジウム及び０．５０質量パーセント以下のモリブデンを含んでいる。なお、この鋼では、モリブデンの含有量は０．０１質量パーセント以上であり、バナジウムの含有量は０．０１質量パーセント以上である。

内輪１０を構成している鋼中の炭素が０．７０質量パーセント以上であるのは、硬さを改善するためである。内輪１０を構成している鋼中の炭素が１．１０質量パーセント以下であるのは、焼割れを抑制するためである。

内輪１０を構成している鋼中のシリコンが０．１５質量パーセント以上であるのは、焼戻し軟化抵抗を高めるため及び加工性を改善するためである。内輪１０を構成している鋼中のシリコンが０．３５質量パーセント以下であるのは、シリコン量が過剰となると加工性がかえって低下するためである。

内輪１０を構成している鋼中のマンガンが０．３０質量パーセント以上であるのは、焼入れ性確保のためである。内輪１０を構成している鋼中のマンガンが０．６０質量パーセント以下であるのは、マンガン量が過剰となると鋼中にマンガン系の非金属介在物が増加するためである。

内輪１０を構成している鋼中のクロムが１．３０質量パーセント以上であるのは、焼入れ性を確保するため並びに窒化物及び炭窒化物を形成させるためである。内輪１０を構成している鋼中のクロムが１．６０質量パーセント以下であるのは、粗大な析出物が形成されることを抑制するためである。

内輪１０を構成している鋼中にバナジウムが含まれているのは、窒化物及び炭窒化物を微細化するためである。内輪１０を構成している鋼中のバナジウムが０．５０質量パーセント以下であるのは、バナジウム添加に伴うコスト増大を抑制するためである。

内輪１０を構成している鋼中にモリブデンが含まれているのは、窒化物及び炭窒化物を微細化するため並びに焼入れ性の改善のためである。内輪１０を構成している鋼中のモリブデンが０．５０質量パーセント以下であるのは、モリブデン添加に伴うコスト増大を抑制するためである。

内輪１０を構成している鋼は、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコン、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガン、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロム、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウム、０．１０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンを含んでいてもよい。なお、内輪１０を構成している鋼の残部は、鉄及び不可避不純物である。

図２は、図１中のＩＩにおける拡大図である。図２に示されるように、内輪１０では、表面からの距離が２０μｍまでの領域が、表層部１１になっている。内輪１０の表面に対しては、例えば、浸窒処理が行われている。その結果、表層部１１の鋼中における窒素濃度は、例えば、０．１５質量パーセント以上になっている。表層部１１の鋼中における窒素濃度は、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下であることが好ましい。表層部１１の鋼中における窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて測定される。

表層部１１の鋼中には、析出物が分散している。析出物は、クロム若しくはバナジウムを主成分とする窒化物又はクロム若しくはバナジウムを主成分とする炭窒化物である。

クロム（バナジウム）を主成分とする窒化物は、クロム（バナジウム）の窒化物又は当該窒化物中のクロム（バナジウム）のサイトの一部がクロム（バナジウム）以外の合金元素により置換されているものである。

クロム（バナジウム）を主成分とする炭窒化物は、クロム（バナジウム）の炭化物中の炭素のサイトの一部が窒素により置換されているものである。クロム（バナジウム）を主成分とする炭窒化物のクロム（バナジウム）のサイトは、クロム（バナジウム）以外の合金元素により置換されていてもよい。

表層部１１の鋼中において、析出物の面積率は、２．０パーセント以下であることが好ましい。表層部１１の鋼中において、析出物の最大粒径は、０．５μｍ以下であることが好ましい。

表層部１１の鋼中における析出物の面積率及び最大粒径は、以下の方法により測定される。第１に、表層部１１を含む内輪１０の断面において、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用いて断面画像（以下「ＳＥＭ画像」とする）が取得される。このＳＥＭ画像を取得する際の倍率は、１５０００倍とされる。

第２に、取得されたＳＥＭ画像に対して、画像処理が行われる。より具体的には、ＳＥＭ画像中において析出物は白色に見えるため、ＳＥＭ画像中において白色になっている部分の各々の面積及び合計の面積を、画像処理により算出する。

ＳＥＭ画像中において白色になっている部分の合計面積は、表層部１１の鋼中における析出物の面積率と見做される。ＳＥＭ画像中において白色になっている各々の部分の面積の最大値をπ／４で除した値の平方根が、表層部１１の鋼中における析出物の最大粒径と見做される。

表層部１１の鋼中には、セメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）がさらに分散していてもよい。セメンタイト中の鉄のサイトの一部は合金元素により置換されていてもよく、セメンタイト中の炭素のサイトの一部は窒素により置換されていてもよい。表層部１１の鋼中におけるセメンタイトの最大粒径は、１．５μｍ以下であることが好ましい。

表層部１１の鋼中におけるセメンタイトの最大粒径は、以下の方法により測定される。第１に、表層部１１を含む内輪１０の断面において、ＳＥＭ画像が取得される。このＳＥＭ画像を取得する際の倍率は、１５０００倍とされる。第２に、取得されたＳＥＭ画像に対して、画像処理が行われる。より具体的には、ＳＥＭ画像中においてセメンタイトは楕円状の灰色に見えるため、ＳＥＭ画像中において楕円状の灰色になっている部分の各々の面積を、画像処理により算出する。そして、ＳＥＭ画像中において楕円状の灰色になっている各々の部分の面積の最大値をπ／４で除した値の平方根が、表層部１１の鋼中におけるセメンタイトの最大粒径と見做される。

内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼中の残留オーステナイトの体積比は、１５パーセント以上であることが好ましい。内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼中の残留オーステナイトの体積比は、２５パーセント以上３５パーセント以下であることがさらに好ましい。

鋼中の残留オーステナイトの体積比は、Ｘ線回折法により測定される。すなわち、オーステナイトのＸ線回折における回折ピークの積分強度とオーステナイト以外の相のＸ線回折における回折ピークの積分強度とを比較することにより、鋼中の残留オーステナイトの体積比が算出される。

内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼の硬さは、５８ＨＲＣ以上であることが好ましい。内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼の硬さは、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下であることがさらに好ましい。鋼の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４５：２０１６）に定められたロックウェル硬さ試験法にしたがって測定される。

表層部１１の鋼は、マルテンサイトブロック粒を有している。隣り合う２つのマルテンサイトブロック粒は、粒界において、結晶方位の差が１５°以上になっている。このことを別の観点から言えば、結晶方位にずれがある箇所が存在していても、結晶方位の差が１５°未満である場合、当該箇所は、マルテンサイトブロック粒の結晶粒界とは見做されない。マルテンサイトブロック粒の粒界は、ＥＢＳＤ（Electron Back Scattered Diffraction）法により決定される。

表層部１１の鋼中において、マルテンサイトブロック粒の最大粒径は、５．０μｍ以下である。表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、以下の方法により測定される。

第１に、表層部１１を含む内輪１０の断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒が特定される。この観察視野は、５０μｍ×３５μｍの領域とされる。第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積が解析される。観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積のうちの最大値をπ／４で除した値の平方根が、表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロックの最大粒径と見做される。

表層部１１の鋼中において、比較面積率が３０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、２．０μｍ以下であることが好ましい。表層部１１の鋼中において、比較面積率が５０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、１．５μｍ以下であることが好ましい。

比較面積率が３０パーセント（５０パーセント）でのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、以下の方法により測定される。第１に、表層部１１を含む内輪１０の断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒が特定される。この観察視野は、５０μｍ×３５μｍの領域とされる。第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積が解析される。

第３に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の合計面積の３０パーセント（５０パーセント）に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロック粒の各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、マルテンサイトブロック粒の面積をπ／４で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロック粒の円相当径の平均値が、比較面積率が３０パーセント（５０パーセント）でのマルテンサイトブロック粒の平均粒径と見做される。

表層部１１の鋼中において、マルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値は、３．２５倍ランダム以下である。表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値は、以下の方法により測定される。

第１に、表層部１１を含む内輪１０の断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒が特定される。この観察視野は、５０μｍ×３５μｍの領域とされる。第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、球面調和関数を用いたH.J. Bunge，Mathematische Methoden der Texturanalyse，Akademie－Verlag（１９６９）に記載の方法にしたがって、マルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度分布が解析される。この結晶方位密度分布内における最も高い結晶方位密度の値が、｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値と見做される。

表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が小さいほど、表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の形成方位のランダム性が高いことになる。

（内輪１０の製造方法）
図３は、内輪１０の製造方法を示す工程図である。図３に示されるように、内輪１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸窒工程Ｓ２と、焼入れ工程Ｓ３と、焼戻し工程Ｓ４と、後処理工程Ｓ５とを有している。浸窒工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。焼入れ工程Ｓ３は、浸窒工程Ｓ２の後に行われる。焼戻し工程Ｓ４は、焼入れ工程Ｓ３の後に行われる。後処理工程Ｓ５は、焼戻し工程Ｓ４の後に行われる。

準備工程Ｓ１では、加工対象部材が準備される。加工対象部材は、内輪１０と同じ鋼で形成されているリング状の部材である。

浸窒工程Ｓ２では、加工対象部材の表面に対して、浸窒処理が行われる。浸窒処理は、加工対象部材を、窒素源（例えば、アンモニア）を含む雰囲気中において、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点以上の温度で保持することにより行われる。

焼入れ工程Ｓ３では、加工対象部材に対して、焼入れが行われる。焼入れは、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点以上の温度で保持し、その後に加工対象部材を構成している鋼のＭ_Ｓ変態点以下の温度まで急冷することにより行われる。焼入れ工程Ｓ３における加熱保持の温度は、浸窒工程Ｓ２における加熱保持の温度以下であることが好ましい。焼入れ工程Ｓ３は、２回行われてもよい。２回目の焼入れ工程Ｓ３における加熱保持温度は、１回目の焼入れ工程Ｓ３における加熱保持温度よりも低いことが好ましい。これにより、加工対象部材の表層部に、析出物が微細かつ多量に分散される。

焼戻し工程Ｓ４では、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。焼戻しは、加工対象部材を、加工対象部材を構成している鋼のＡ_１変態点未満の温度で保持することにより行われる。後処理工程Ｓ５では、加工対象部材の表面に対する機械加工（研削、研磨）及び洗浄等が行われる。以上により、図１及び図２に示される構造の内輪１０が形成される。

なお、表層部１１の鋼中に析出物が微細かつ多量に分散されることにより、マルテンサイトブロック粒が形成されやすい方位が特定の方位に偏らないため、表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が小さくなる。また、表層部１１の鋼中に析出物が微細かつ多量に分散されることにより、マルテンサイトブロック粒が大きくなりにくくなるため、表層部１１の鋼中におけるマルテンサイトブロック粒の最大粒径が、５．０μｍ以下になる。

（内輪１０の効果）
内輪１０では、表層部１１の鋼中において、最大粒径が５．０μｍ以下となるようにマルテンサイトブロック粒が微細化されているとともに、｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が３．２５倍ランダム以下となるようにマルテンサイトブロック粒の形成方位がランダム化されている。その結果、内輪１０では、表層部１１が高靭性化により、転動体と接触する内輪１０の表面（具体的には、軌道面１０ｄａ）の剪断抵抗が改善されている。このように、内輪１０によると、耐久性が改善されている。

表層部１１の鋼中における析出物の面積率が２．０パーセント以上になっている場合、すなわち、表層部１１の鋼中に析出物が高密度で分散している場合、転動体と接触する内輪１０の表面（具体的には、軌道面１０ｄａ）の剪断抵抗が改善されることにより、耐久性がさらに改善される。

表層部１１の鋼中における析出物の最大粒径が０．５μｍである場合、表層部１１の鋼中に析出物が高密度かつ微細に分散しているため、耐摩耗性及び靱性が改善されることになり、内輪１０の耐久性がさらに改善される。表層部１１の鋼中におけるセメンタイトの最大粒径が１．５μｍ以下である場合、セメンタイトの微細な分散により、内輪１０の耐摩耗性及び靱性がさらに改善される。

表層部１１の鋼中において比較面積率３０パーセント（５０パーセント）での平均粒径が２．０μｍ（１．５μｍ）以下となるようにマルテンサイトブロック粒が微細化されている場合、表層部１１における靭性が改善されることにより、内輪１０の耐久性がさらに改善される。

内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置における鋼中の残留オーステナイトの体積比が１５パーセント以上（２５パーセント以上３５パーセント以下）である場合、異物混入環境下での圧痕起点型剥離に対する耐久性が改善される。内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置における鋼の硬さが５８ＨＲＣ以上（５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下）である場合、内輪１０の耐摩耗性がさらに改善される。

（実施形態に係る転がり軸受）
以下に、実施形態に係る転がり軸受（「転がり軸受１００」とする）を説明する。

図４は、転がり軸受１００の断面図である。図４に示されるように、転がり軸受１００は、深溝玉軸受である。但し、転がり軸受１００は、これに限られない。転がり軸受１００は、例えば、スラスト玉軸受であってもよい。転がり軸受１００は、内輪１０と、外輪２０と、転動体３０と、保持器４０とを有している。

外輪２０は、幅面２０ａと、幅面２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有している。外輪２０の表面は、幅面２０ａ、幅面２０ｂ、内周面２０ｃ及び外周面２０ｄにより構成されている。

幅面２０ａ及び幅面２０ｂは、軸方向における外輪２０の端面である。幅面２０ｂは、軸方向における幅面２０ａの反対面である。

内周面２０ｃは、周方向に延在している。内周面２０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内周面２０ｃは、軸方向における一方端で幅面２０ａに連なっており、軸方向における他方端で幅面２０ｂに連なっている。外輪２０は、内周面２０ｃが外周面１０ｄと対向するように配置されている。

内周面２０ｃは、軌道面２０ｃａを有している。軌道面２０ｃａは、周方向に延在している。内周面２０ｃは、軌道面２０ｃａにおいて、外周面２０ｄ側に窪んでいる。断面視において、軌道面２０ｃａは、部分円形状である。軌道面２０ｃａは、軸方向において内周面２０ｃの中央にある。軌道面２０ｃａは、転動体３０に接触する内周面２０ｃの一部である。

外周面２０ｄは、周方向に延在している。外周面２０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。すなわち、外周面２０ｄは、径方向における内周面２０ｃの反対面である。外周面２０ｄは、軸方向における一方端で幅面２０ａに連なっており、軸方向における他方端で幅面２０ｂに連なっている。外輪２０は、外周面２０ｄにおいて、ハウジング（図示せず）に嵌め合わされる。

転動体３０は、球状である。転動体３０は、外周面１０ｄ（軌道面１０ｄａ）と内周面２０ｃ（軌道面２０ｃａ）との間に配置されている。保持器４０は、リング状であり、外周面１０ｄと内周面２０ｃとの間に配置されている。保持器４０は、周方向において隣り合う２つの転動体３０の間隔が一定範囲内となるように、転動体３０を保持している。

外輪２０及び転動体３０は、内輪１０と同一の鋼で形成されていてもよい。また、外輪２０の表層部（外輪２０の表面からの距離が２０μｍまでの領域）及び転動体３０の表層部（転動体３０の表面からの距離が２０μｍまでの領域）は、表層部１１と同一の構成になっていてもよい。

（転動疲労寿命試験）
実施形態に係る軸受部品の効果を確認するために、転動疲労寿命試験を行った。転動疲労寿命試験には、サンプル１、サンプル２及びサンプル３が用いられた。サンプル１～サンプル３は、ＪＩＳ規格に定められている５１１０６型番のスラスト玉軸受である。

サンプル１では、軌道盤（内輪及び外輪）が、第１鋼材により形成された。サンプル２及びサンプル３では、軌道盤が、第２鋼材により形成された。第１鋼材及び第２鋼材の組成は、表１に示されている。表１に示されるように、第１鋼材及び第２鋼材の成分は、モリブデン及びバナジウムの含有量を除いて、ほぼ同一である。なお、第２鋼材は、ＪＩＳ規格に定められている高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２に対応している。

図５は、サンプル１の軌道盤の軌道面近傍における窒素濃度及び炭素濃度の測定結果を示すグラフである。図６は、サンプル２の軌道盤の軌道面近傍における窒素濃度及び炭素濃度の測定結果を示すグラフである。図５及び図６の横軸は、軌道面からの距離（単位：ｍｍ）であり、図５及び図６の縦軸は、炭素又は窒素の濃度（単位：質量パーセント）である。図５及び図６に示されるように、サンプル１及びサンプル２では、軌道盤の表面に対して浸窒処理が行われた。この浸窒処理が行われる際の加熱保持温度は、８５０℃とされた。他方で、サンプル３では、軌道盤の表面に対して、浸窒処理が行われなかった。

表２には、サンプル１～サンプル３の軌道盤の表層部（軌道面からの距離が２０μｍまでの領域）における窒素濃度が示されている。表２に示されるように、サンプル１及びサンプル２の軌道盤の表層部の鋼中では、窒素濃度が０．３パーセント以上０．５パーセント以下であった。サンプル３の軌道盤の表層部の鋼中では、窒素濃度が０．０パーセントであった。

サンプル１～サンプル３の軌道盤に対しては、焼入れ及び焼戻しが行われた。焼入れの際の加熱保持温度は、８５０℃とされた。焼戻しの際の加熱保持温度は、１８０℃とされた。焼戻しの際の加熱保持時間は、２時間とされた。

図７は、サンプル１の軌道盤の表層部におけるＳＥＭ画像である。図８は、サンプル２の軌道盤の表層部におけるＳＥＭ画像である。図７及び図８のＳＥＭ画像中において、白色の部分が析出物であり、楕円状の灰色の部分がセメンタイトである。

表３に示されるように、サンプル１の軌道盤の表層部の鋼中では、析出物の面積率は、２．７パーセントであった。表３に示されるように、サンプル２の表層部の鋼中では、析出物の面積率は、１．６パーセントであった。すなわち、サンプル１の軌道盤の表層部では、サンプル２の軌道盤の表層部と比較して、析出物が高密度に分散していた。この比較から、０．５質量パーセント以下のバナジウム及びモリブデンを添加することにより、軌道盤の表層部の鋼中において析出物が高密度に分散されることが明らかになった。

サンプル１の軌道盤の表層部では、析出物の最大粒径が、０．５μｍであった。サンプル２の軌道盤の表層部では、析出物の最大粒径が、１．１μｍであった。すなわち、サンプル１の軌道盤の表層部では、サンプル２の軌道盤の表層部と比較して、析出物が微細に分散していた。この比較から、０．５質量パーセント以下のバナジウム及びモリブデンを添加することにより、軌道盤の表層部の鋼中において析出物が高密度かつ微細に分散されることが明らかになった。

表４に示されるように、サンプル１及びサンプル２の軌道盤の表層部では、セメンタイトの最大粒径が、１．５μｍ以下であった。サンプル３の軌道盤の表層部では、セメンタイトの最大粒径が、１．５μｍを超えていた。

表５に示されるように、サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼中の残留オーステナイトの体積比が、１５パーセント以上であった。サンプル３では、軌道面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼中の残留オーステナイトの体積比が、１５パーセント未満であった。サンプル１～サンプル３では、軌道面からの距離が５０μｍとなる位置において、鋼の硬さが、５８ＨＲＣ以上であった。

図９は、サンプル１の軌道盤の表層部におけるＥＢＳＤの相マップである。図１０は、サンプル２の軌道盤の表層部におけるＥＢＳＤの相マップである。図１１は、サンプル３の軌道盤の表層部におけるＥＢＳＤの相マップである。図９～図１１中において、マルテンサイトブロック粒は、白色になっている。

図９～図１１及び表６に示されるように、サンプル１の軌道盤の表層部では、マルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が３．２５倍ランダム以下になっていた。他方で、サンプル１の軌道盤の表層部では、マルテンサイトブロック粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が３．２５倍ランダム以下を超えていた。

図９～図１１及び表７に示されるように、サンプル１の軌道盤の表層部では、マルテンサイトブロック粒の最大粒径が５．０μｍ以下になっていた。他方で、サンプル２及びサンプル３の軌道盤の表層部では、マルテンサイトブロック粒の最大粒径が５．０μｍを超えていた。

図１２は、サンプル１～サンプル３の軌道盤の表層部におけるマルテンサイトブロック粒の平均粒径を示す棒グラフである。図１２のグラフの縦軸は、マルテンサイトブロック粒の平均粒径（単位：μｍ）である。

図１２に示されるように、サンプル１の軌道盤の表層部では、比較面積率が３０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径が、２．０μｍ以下であった。他方で、サンプル２及びサンプル２の軌道盤の表層部では、比較面積率が３０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径が、２．０μｍを超えていた。

サンプル１の軌道盤の表層部では、比較面積率が５０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径が、１．５μｍ以下であった。他方で、サンプル２及びサンプル２の軌道盤の表層部では、比較面積率が５０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径が、１．５μｍを超えていた。

図１３は、転動疲労寿命試験の結果を示すグラフである。なお、図１３のグラフの横軸は寿命（単位：時間）を示しており、図１３のグラフの縦軸は累積破損確率（単位：パーセント）を示している。転動疲労寿命試験は、表８に示されている条件で行われた。すなわち、転動体と軌道盤との最大接触面圧は２．３ＧＰａとされ、軌道盤は０回転／分と２５００回転／分との間で急速な加減速が行われ、潤滑液はポリグリコール油に純水を加えたものが用いられた。

図１３及び表９に示されるように、サンプル１は、サンプル２よりも優れた転動疲労寿命を示した。より具体的には、サンプル１のＬ_１０寿命（累積破損確率が１０パーセントにとなる寿命）はサンプル３のＬ_１０寿命の２．７倍であり、サンプル２のＬ_１０寿命はサンプル３のＬ_１０寿命の２．１倍であった。

上記のとおり、サンプル１の軌道盤の表層部では、マルテンサイト粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が３．２５倍ランダム以下であるとともに、マルテンサイト粒の最大粒径が５．０μｍ以下であった。他方で、サンプル２及びサンプル３の軌道盤の表層部では、マルテンサイト粒の｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値が３．２５倍ランダムを超えているとともに、マルテンサイト粒の最大粒径が５．０μｍを超えていた。この比較から、実施形態に係る軸受部品によると耐久性が改善されることが明らかになった。

また、上記のとおり、サンプル１の軌道盤の表層部では、サンプル１の軌道盤の表層部では、サンプル２の軌道盤の表層部よりも析出物が微細かつ高密度に分散していた。この比較から、表層部における析出物の面積率及び最大粒径をそれぞれ２．０パーセント以上及び０．５μｍ以下とすることにより、実施形態に係る軸受部品の耐久性がさらに改善されることが明らかになった。

また、サンプル２のＬ_１０寿命は、サンプル３のＬ_１０寿命よりも長かった。上記のとおり、サンプル２の軌道盤の表層部ではセメンタイトの最大粒径が１．５μｍ以下であった一方で、サンプル３の軌道盤の表層部ではセメンタイトの最大粒径が１．５μｍを超えていた。また、サンプル２の軌道盤では軌道面からの距離が５０μｍとなる位置における残留オーステナイトの体積比が１５パーセント以上になっている一方で、サンプル３の軌道盤では軌道面からの距離が５０μｍとなる位置における残留オーステナイトの体積比が１５パーセント未満になっていた。

この比較から、軸受部品の表層部においてセメンタイトの最大粒径を１．５μｍ以下にすること及び軸受部品の表面からの距離が５０μｍとなる位置において残留オーステナイトの体積比を１５パーセント以上とすることにより、軸受部品の耐久性が改善されることが明らかになった。

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、上記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、上記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。

本実施形態は、軸受部品及びそれを有する転がり軸受に特に有利に適用される。

１０ 内輪、１０ａ，１０ｂ 幅面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１０ｄａ 軌道面、１１ 表層部、２０ 外輪、２０ａ，２０ｂ 幅面、２０ｃ 内周面、２０ｃａ 軌道面、２０ｄ 外周面、３０ 転動体、４０ 保持器、１００ 転がり軸受、Ａ 中心軸、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 浸窒工程、Ｓ３ 焼入れ工程、Ｓ４ 焼戻し工程、Ｓ５ 後処理工程。

Claims (12)

1. 表面を有する鋼製の軸受部品であって、
   前記表面からの距離が２０μｍまでの領域である表層部を備え、
   前記鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物であり、
   前記表層部の前記鋼は、マルテンサイトブロック粒と、析出物とを有し、
   前記析出物は、クロム若しくはバナジウムを主成分とする窒化物又はクロム若しくはバナジウムを主成分とする炭窒化物であり、
   前記表層部の前記鋼中において、前記マルテンサイトブロックの最大粒径は、５．０μｍ以下であり、
   前記表層部の前記鋼中において、前記マルテンサイトブロックの｛０１１｝面の結晶方位密度の最大値は、３．２５倍ランダム以下である、軸受部品。
2. 前記鋼は、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウムと、０．１０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンとを含み、かつ残部が鉄及び不可避不純物である、請求項１に記載の軸受部品。
3. 前記表層部の前記鋼中における前記析出物の面積率は、２．０パーセント以上である、請求項１又は請求項２に記載の軸受部品。
4. 前記表層部の前記鋼中において、前記析出物の最大粒径は、０．５μｍ以下である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の軸受部品。
5. 前記表層部の前記鋼は、セメンタイトをさらに有し、
   前記表層部の前記鋼中において、前記セメンタイトの最大粒径は、１．５μｍ以下である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の軸受部品。
6. 前記表層部の前記鋼中において、比較面積率が３０パーセントでの前記マルテンサイトブロック粒の平均粒径は、２．０μｍ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. 前記表層部の前記鋼中において、比較面積率が５０パーセントでの前記マルテンサイトブロック粒の平均粒径は、１．５μｍ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. 前記表層部の前記鋼中における窒素濃度は、０．１５質量パーセント以上である、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の軸受部品。
9. 前記表面からの距離が５０μｍとなる位置において、前記鋼中の残留オーステナイトの体積比は、１５パーセント以上である、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の軸受部品。
10. 前記表面からの距離が５０μｍとなる位置において、前記鋼の硬さは、５８ＨＲＣ以上である、請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の軸受部品。
11. 前記表面からの距離が５０μｍとなる位置において、前記鋼中の残留オーステナイトの体積比は、２５パーセント以上３５パーセント以下であり、
    前記表面からの距離が５０μｍとなる位置において、前記鋼の硬さは、５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下である、請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載の軸受部品。
12. 内輪と、
    外輪と、
    転動体とを備え、
    前記内輪、前記外輪及び前記転動体のうちの少なくともいずれかは、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の前記軸受部品である、転がり軸受。

Images