JP5094126B2 - 転がり、摺動部品およびその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、転がり、摺動部品およびその製造方法、さらに詳しくは、たとえば異物が混入した潤滑油が用いられる転がり軸受の軌道輪および転動体として使用される転がり部品、またはすべり軸受部品として用いられるのに適した転がり、摺動部品およびその製造方法に関する。
この明細書および特許請求の範囲において、転がり、摺動部品とは、純然たる転がり接触、純然たるすべり接触、および転がり接触とすべり接触とが混在する接触を行う部品をいうものとする。
異物が混入した潤滑油を用いて使用される転がり軸受や、たとえば自動車の燃費向上を目的として小型、軽量化が図られた転がり軸受の軌道輪および転動体として、JIS ＳＵＪ２などの軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼）より所定の形状に形成された加工済み部品素材を、カーボンポテンシャルが１．２％以上である浸炭雰囲気中において８４０〜８７０℃で３時間以上加熱することにより浸炭処理を施した後急冷し、さらに焼戻し処理を施すことにより製造され、表面から最大せん断応力が作用する深さまでの範囲の表層部の全炭素量が１．０〜１．６wt％となされるとともに、前記表層部のマトリックス中の固溶炭素量が０．６〜１．０wt％となされ、さらに前記表層部に炭化物が析出しているとともに、前記炭化物の量が面積率で５〜２０％でかつその粒径が３μｍ以下となされた転がり、摺動部品が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、部品の小型化やより過酷な環境下でさらなる長寿命が求められる用途では、特許文献１記載の転がり、摺動部品を上回る高性能化が望まれる。特に異物が混入した潤滑油中で転がり、摺動部品を使用する場合には、そうでない場合に比べて寿命が大きく低下することが知られており、そのための対策が強く求められていた。異物が混入した潤滑油中での長寿命化を図るための対策として、従来、浸炭処理後の転がり、摺動部品の表層部に、軟質な残留オーステナイトを２０％程度存在させることが行われている。すなわち、残留オーステナイトは、異物を噛み込んだときに生成される圧痕周辺における応力集中を緩和する効果があるため、圧痕の生成を原因とする亀裂の発生および進展を遅延する効果を有している。したがって、従来の転がり、摺動部品のさらなる高性能化を図るには、表層部の残留オーステナイト量をさらに増加させ、たとえば３０％を越える多量とすることが考えられている。
しかしながら、JIS ＳＵＪ２で表層部の残留オーステナイト量を増量した場合には以下の大きな問題がある。すなわち、残留オーステナイトは軟質の組織であるため、その量が４０％以上となると６２以上のロックウェルＣ硬さ（以下、ＨＲＣと称する）を得ることが難しくなり、軸受として必要とされる強度が確保できなくなる。この問題を解決するために、JIS ＳＵＪ２からなる加工済み部品素材に高濃度浸炭（表層部の炭素量をたとえば１．６wt％以上にする）を施すことが考えられる。ところが、JIS ＳＵＪ２の場合、浸炭処理を施すことにより表層部に析出する炭化物はセメンタイトのようなビッカース硬度が１１５０〜１７６０のＭ３Ｃ型炭化物｛＝Ｆｅ３Ｃ、（Ｆｅ、Ｃｒ）３Ｃ｝が多く、このＭ３Ｃ型炭化物は、他の合金炭化物（Ｍ７Ｃ３、ＭＣ）に比べ浸炭時の炭化物成長速度が速く（参考文献：高山：日本金属学会誌、11、45（1981）、1195）、かつ硬さが低い（Ｍ７Ｃ３およびＭＣはピッカース硬度が１８００以上である）という性質を有する。したがって、炭化物の平均粒径が大きくなるため、分散析出強化量が低下し、炭化物析出による硬度向上効果が小さくなるという問題がある。また、炭化物の粗大化を誘発し、その結果、転がり寿命改善効果が十分に得られなくなるという問題がある。
但し、Ｃｒを増量してＭ７Ｃ３型炭化物を利用し、異物混入下での転動寿命を改善しようとする試み自体は、新規なものではなく、例えば特許文献２等に記載の発明が既に提案されている。しかしながら、この発明は浸炭後の炭化物の種類、面積率については記載されているものの、個数、大きさ等の分布状態については特に記載がなく、単に粗大化防止が必要と記載されているにすぎない。そのため、炭化物の微細化が十分とならず、残留オーステナイト量を５０％程度と多量にした場合には高硬度を維持できなくなるとともに、十分な寿命改善効果が得られないという問題がある。
また、特許文献３において、既存の肌焼鋼を用いて、全て浸炭、または浸炭窒化処理を適用し、ある程度の表面硬さを確保し、さらには残留オーステナイト量を高めて、異物が混入した潤滑環境での転動寿命を向上させる方法が提案されているが、前述したJIS ＳＵＪ２の場合と同じ間題が発生し、優れた転がり寿命が得られないという問題がある。
特開２００４−５２１０１号公報 特公平６−１１８９９号公報 特開平１−５５４２３号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、特に異物が混入した潤滑油が用いられる転がり軸受の軌道輪および転動体や、滑り軸受部品などとして使用した場合、一層の長寿命化を図ることができる転がり、摺動部品およびその製造方法を提供することにある。
請求項１の発明による転がり、摺動部品は、
Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ表面に浸炭処理された表層部を有する鋼により形成され、表層部の全析出炭化物の面積率が９〜３０％であるとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物がＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型であり、表層部の炭化物の平均粒径が０．２〜０．４μｍ、表層部の残留オーステナイト量が３５〜６０％となされているものである。
ここで、表層部とは、浸炭処理により、内部に比較して明確に多量のＣを含有する部分であって、転がり、摺動面における寿命に影響を及ぼす深さ部分であり、たとえば異物油中で使用される転がり、摺動部品では最表面を基準として０〜５０μｍの範囲である。なお、以下も同様である。
請求項１の発明は、表層部の残留オーステナイト量を多量にしても高硬度を維持することが可能であり、かつ異物が混入した潤滑下での寿命を向上させることを目的として、詳細に検討した結果、下記の知見を得ることにより完成されたものである。
(1)表面の高炭素濃度の浸炭層内に析出し、浸炭処理後に析出したままで残存する未固溶炭化物は、一般的な機械構造用鋼ではＭ３Ｃ型炭化物であるが、請求項１の発明のように、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物を高硬度でかつ粗大化し難いＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型にすると、浸炭後の表層部の炭化物粒径を、Ｍ３Ｃ型炭化物が主の鋼に比べ微細とすることができ、異物混入下での寿命を大幅に向上できる。また、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物は前述した通り高硬度であるため、多量の残留オーステナイト存在下であっても高硬度を維持できる。
(2)上記(1)の効果を高めるために、表層部の炭化物をより微細に析出させるには、請求項２の発明のように、Ｃｒを多量に含有する鋼を、浸炭前に加工性改善のために行われる球状化焼鈍によって多量の析出物が存在した状態としておき、さらに高炭素濃度の浸炭処理を行う。その結果、浸炭処理により素材表面から侵入した炭素が炭化物として析出、成長する際、浸炭処理前に析出済みの多数の未固溶炭化物を析出核として炭化物の微細析出が可能となり、かつ炭化物の粗大化も抑制される。そして、その効果により、異物混入下での寿命の向上を図ることができる。
なお、球状化焼鈍後の炭化物の状態としては、平均粒径が０．１〜０．５μｍであって、０．１μｍ以上の大きさの炭化物の析出数が１，５００，０００個以上／ｍｍ２とすることが望ましい。このような微細な析出状態とするには、８００℃付近の温度に加熱し２５℃／ｈ以下というゆっくりとした速度で徐冷することが必要である。このような析出状態とされている加工済み部品素材を後述の高濃度浸炭処理することにより、平均粒径が０．２〜０．４μｍで且つ多量に炭化物が析出した表層部を有する部品を得ることができる。
ここで、浸炭処理中においては、その加熱によって、浸炭処理前に存在していた一部の炭化物が固溶し、その固溶量が多い場合には、浸炭処理後における炭化物の数、量が減少することになる。従って、浸炭処理後において存在する炭化物の数、量は浸炭処理前に存在していた炭化物がどれだけ固溶せず残存するかによって変化する。浸炭処理後にどの程度固溶せずに残存していたかは、内部の未浸炭層中に存在する炭化物数を測定すれば、概ね把握することが可能である。具体的には、未浸炭層中の残存炭化物量が３００，０００個／ｍｍ２以上であることが望ましい。未浸炭層の残存炭化物量が多くなるように浸炭処理することにより、浸炭層中においては、Ｍ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の炭化物を主とする微細炭化物が多量に析出した状態を得ることができ、かつ前述した通りＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物は、浸炭時の成長速度がＭ３Ｃ型炭化物に比べ遅いため、浸炭後の粒径を小さくすることができ、その結果異物混入下での寿命を大幅に向上できる。なお、未固溶炭化物が大きく減少しないようにするには、浸炭温度を生産性に影響が大きくでない範囲で低めの温度に設定するようにすれば良い。
請求項１の発明の転がり、摺動部品において、各数値の限定理由は次の通りである。
Ｃ含有量
Ｃは焼入処理後の硬さを上昇させ、強度確保のための内部硬さを得るために必要な元素である。また、Ｃは浸炭処理前において未固溶炭化物を多量に残存させ、これを浸炭処理後にも微細かつ多量に残存した状態とすることにより、優れた寿命を得ることを可能にするための必須元素である。したがって、未固溶炭化物生成のために必要となる十分な量のＣを添加しておかなければならず、その下限値を０．７wt％とした。しかしながら、Ｃを過剰に含有すると、球状化焼鈍後の硬さを上昇させ、浸炭前の機械加工性が低下するとともに、後述するように従来の軸受鋼よりもＣｒを多く添加している影響から、鋼材製造時に疲労破壊の起点となり易い粗大な共晶炭化物が生成し易くなるため、上限値を０．９wt％とした。
Ｓｉ含有量
Ｓｉは鋼の精錬時の脱酸のために必要な元素であるとともに、炭化物に固溶し難い性質を有することから、Ｓｉを含有していると炭化物の粗大成長にとって障害となり、その成長を抑制する効果を有する元素である。したがって、前記効果を得るために少量の含有は不可欠となるため、その下限値を０．０５wt％とした。しかしながら、Ｓｉを過剰に含有するとフェライトの強化によって球状化焼鈍後の硬さを上昇させ、浸炭前の機械加工性が低下するため、上限値を０．７０wt％とした。
Ｍｎ含有量
Ｍｎはオーステナイトを安定化させる元素であり、その増量によって容易に残留オーステナイト量を増加させることができるため、下限値を０．０５wt％とした。しかしながら、Ｍｎの増量は浸炭加熱時に炭化物の固溶温度の低下をもたらすことから、過剰に含有すると未固溶炭化物量が減少し、浸炭層での炭化物析出による硬度向上効果が小さくなるとともに優れた寿命を確保することが困難になる。また、Ｍｎの増量は、熱間加工性、機械加工性を低下させるという問題もある。そこで、本発明では、必要とする残留オーステナイト量の確保は、主としてＣの増量によって得ることとし、最低限必要な焼入性確保のために、上限値を０．７wt％とした。Ｍｎ含有量の上限値は０．５０wt％であることが好ましい。
Ｃｒ含有量
Ｃｒは本発明にとって最も重要な炭化物形成元素であり、浸炭処理前の段階で多量の未固溶炭化物を生成させ、浸炭処理時にその炭化物が析出核として作用することにより、浸炭処理後の表面浸炭層に微細炭化物（特に高硬度を有するＭ ７ Ｃ ３ 型および／またはＭ ２３ Ｃ ６ 型炭化物）を析出させ、高寿命を得ることを可能にするために不可欠の元素である。したがって、前記効果を十分に得るためには、従来の軸受鋼に比べ多量に含有する必要があり、下限値を３．２wt％とした。しかしながら、過剰に含有すると疲労破壊の起点となる粗大な共晶炭化物の生成を防止することが困難になるとともに、コストが高くなるため、上限値を５．０wt％とした。
Ａｌ含有量
Ａｌは鋼の精錬時の脱酸のために必要な元素であるが、含有量が多くなるとアルミナ系非金属介在物が増加して、鋼材製造時に割れ、表面疵などが発生し易くなるばかりでなく、転動疲労時の剥離起点となる。従って、Ａｌの添加は脱酸に必要な最低限量に抑制することが望ましく、上限値を０．０４wt％とした。
Ｐ含有量
Ｐはオーステナイト粒界に偏析して鋼の靭性を低下させるため、上限値を０．０３wt％とした。
Ｓ含有量
ＳはＭｎと結合することでＭｎＳを形成し、被削性が向上することが知られている。しかしながら、Ｓを多く含有するとＭｎＳが粗大化し、転動疲労時の剥離起点となるため、上限値を０．０３wt％とした。
Ｔｉ含有量
ＴｉはＮと結合することで非金属介在物であるＴｉＮを生成し、転動疲労寿命を低下させることが知られている。このＴｉＮ介在物はＴｉの含有量の増加に伴って増加、粗大化するため、上限値を０．００５wt％とした。また、前記理由によりＴｉ含有量は上限値内であっても少ない方が好ましい。
Ｏ含有量
Ｏの多くは鋼中のＡｌや、不純物として存在する微量のＣａと結合することにより、酸化物系介在物となって鋼中に存在する。これらの酸化物系介在物は転動疲労時の剥離起点となることが知られており、転動疲労寿命を低下させる。したがって、従来より、製鋼メーカーとしては鋼中のＯ量を極力減少させるための技術開発を行ってきた。そのような背景からＯの上限値を０．００１５wt％とした。また、前記理由によりＯ含有量は上限値内であっても少ない方が好ましい。
Ｍｏ含有量
ＭｏはＣｒよりもＣとの親和力の強い炭化物形成元素であり、浸炭温度における炭化物の固溶温度を上昇させ、未固溶炭化物量を増加させる元素である。したがって、本発明にとって浸炭処理後の表面浸炭層の微細炭化物量を増加させ、硬度を上昇させるために重要な元素である。また、Ｍｏは鋼の焼入性を向上させるとともに、残留オーステナイト量の増加にも寄与し、さらにＭ ２３ Ｃ ６ 型炭化物を効果的に析出させる効果を有する元素である。したがって、Ｍｏは後述するＶも含めた２種の元素のうち１種以上を添加して、表面硬度の上昇を図ることとしたのである。しかしながら、過剰の含有はコスト高となるばかりでなく、鋼材製造時に疲労破壊の起点となる粗大な共晶炭化物が生成してしまうため、含有量を１．０wt％未満とした。なお、下限値は特に限定していないが、前記効果を得るためには０．１０wt％以上含有させることが好ましい。
Ｖ含有量
ＶはＣとの親和力の非常に強い炭化物形成元素であるとともに、生成されたＶ炭化物であるＶＣは、Ｍｏの炭化物と比較して固溶温度が高いため、後述する本発明の製造方法の浸炭温度域では、浸炭処理前に存在していたＶＣの多くは固溶することがない。したがって、その未固溶炭化物は浸炭処理時に浸炭層における炭化物の析出核となり、炭化物の微細化に寄与するため、前述のＭｏも含めた元素のうち１種以上を添加して硬度の上昇および寿命の改善を図ることとしたのである。特に、ＶＣは浸炭時の加熱によって、その多くが固溶しないことから、Ｍｏに比べ表面硬度上昇効果が大きいので、ＭｏおよびＶのうち、Ｍｏ単独添加よりはＶ単独添加の方が高い硬さを得ることができる。しかしながら、Ｖを過剰に含有するとＣの拡散を阻害するため、浸炭表面の炭素濃度が上昇しにくくなるとともに、ＶＣの生成によって固溶炭素量が減少し、必要とする残留オーステナイト量が確保しにくくなるので、含有量を０．５０wt％未満とした。なお、下限値は特に限定していないが、前記効果を得るためには０．０５wt％以上含有させることが好ましい。
全析出炭化物中のＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の量
Ｍ７Ｃ３型およびＭ２３Ｃ６型炭化物は、高硬度の炭化物であり、これらを前述した通り微細に析出させるとともに、全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上含有させることによって高寿命を得ることが可能となる。なお、Ｍ３Ｃ型炭化物よりも高硬度でかつ粗大化し難いＭ７Ｃ３型およびＭ２３Ｃ６型炭化物は、後述するように、主として、炭化物形成元素であるＣｒを、従来鋼に比べて多量（３．２〜５．０wt％）に含有させることや、Ｍｏを適量添加することによって、優先的に析出させることが可能になる。
表層部の炭化物の面積率および炭化物の平均粒径
後述する実施例および比較例の評価試験の結果から、Ｌ１０寿命比（JIS ＳＵＪ２の焼き入れ、焼き戻し品のＬ１０寿命を１とした場合の寿命比）が１０以上になるのは、炭化物の面積率と平均粒径とＬ１０寿命比との関係を表す図１に鎖線Ａで示す領域であることが判明したので、鎖線Ａで示す長寿命領域における面積率の下限９％を面積率の下限値とし、同じく平均粒径の上限０．４μｍを平均粒径の上限値とした。また、面積率の上限値である３０％は、この上限値を超えると粗大な炭化物が発生し、転がり疲労き裂の起点となって、転がり、摺動部品の短寿命化につながることから決定した。さらに、平均粒径の下限値である０．２μｍは、浸炭プロセスにおいてこの下限値未満になると面積率９％以上を実現することが現在の工学技術上困難と判断されることから決定した。
なお、従来においては、平均粒径と面積率の関係は、一般的には面積率が大となればなるほど平均粒径も大となる関係であったが、請求項１の発明では面積率大でも平均粒径小とするところが新規な点である。そのためには前述した通り、浸炭処理前に球状化焼鈍処理によって炭化物を微細かつ多量に析出させておき、その炭化物のうちの多くが浸炭処理後に残存するような条件で処理することがポイントとなる。
表層部の残留オーステナイト量
表層部の残留オーステナイト量が３５〜６０％であると、潤滑油中に混人した異物により発生する表層部の圧縮応力を緩和できるとともに、き裂の発生および進展を抑制することができ、その結果転がり、摺動部品を用いた転がり軸受の一層の長寿命化を図ることができる。しかしながら、残留オーステナイト量が３５％未満であるとこのような効果が小さく、６０％を超えると、高硬度のＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の炭化物を析出させて硬度低下の抑制を図ったとしても、表層部の硬さをＨＲＣ６２以上にすることが困難であるとともに、軸受性能として重要な寸法安定性が悪くなるという間題が発生する。
請求項２の発明による転がり、摺動部品は、
Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ表面に浸炭処理された表層部を有する鋼により形成され、表層部の炭化物の平均粒径が０．２〜０．４μｍ、表層部の炭化物の面積率が９〜３０％、表層部の残留オーステナイト量が３５〜６０％となされているものである。
本発明は、浸炭後の炭化物粒径を微細として、異物混入下での寿命を向上することが特徴であり、そのためには浸炭加熱による粒成長速度の遅いＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型炭化物をＭ３Ｃ型炭化物に比較して優先的に析出させる必要がある。そのためにはＣとＣｒ量の最適化が重要であり、請求項２においてその範囲を明確にしたものである。炭化物を微細化させるためのポイントについては、前述した請求項１の発明と全く同一である。
請求項２の発明の転がり、摺動部品において、各数値の限定理由は、請求項１の発明と同様である。
なお、前述したように、従来においては、平均粒径と面積率の関係は、一般的には面積率が大となればなるほど平均粒径も大となる関係であったが、請求項２の発明では面積率大でも平均粒径小とするところが新規な点であり、それを実現したポイントは、Ｃ含有量およびＣｒ含有量の最適化を図った請求項２の材料成分からなる鋼を球状化焼鈍し、微細な炭化物を多量に析出させた状態とした上で、高濃度浸炭することにより、合金炭化物を析出させることである。
請求項３の発明による転がり、摺動部品は、請求項１または２の発明において、表層部の全炭素量が１．２〜１．８wt％となされているものである。
請求項３の発明の転がり、摺動部品において、表層部の全炭素量を１．２〜１．８wt％にした限定理由は次の通りである。
すなわち、後述する実施例の評価試験の結果から、請求項１の発明の前述した合金組成を有する材料において、カーボンポテンシャルが１．３％の浸炭雰囲気中において８７０〜９５０℃に加熱して浸炭処理を施した場合の表層部の炭化物面積率と表層部の炭素量との関係は、図２に示すような相関関係となって、回帰式Ｙ＝０．０３０８Ｘ＋０．９２５６が得られ、この回帰式に前述の面積率９〜３０％の値を代入することにより、１．２〜１．８wt％の範囲に設定した。
請求項４の発明による転がり、摺動部品は、請求項１、２または３の発明において、表層部の炭化物の面積率が１０〜１５％となされているものである。
請求項５の発明による転がり、摺動部品は、請求項１〜４のうちのいずれかの発明において、表層部の残留オーステナイト量が４０〜５０％となされているものである。
請求項６の発明による転がり軸受は、内外両輪および転動体を備えており、内外両輪および転動体のうちの少なくとも１つが、請求項１〜５のうちのいずれかに記載の部品からなるものである。
請求項７の発明による転がり、摺動部品の製造方法は、
Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を球状化焼鈍処理により多量の炭化物が析出した状態とした後、所定の形状に形成して加工済み部品素材を製造し、カーボンポテンシャルが１．０〜１．５％の浸炭雰囲気中で８７０〜９５０℃に加熱して浸炭処理を施した後急冷し、さらに焼戻し処理を施すことにより、表層部の全析出炭化物の５０％以上をＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型とし、表層部の炭化物の平均粒径を０．２〜０．４μｍ、表層部の炭化物の面積率を９〜３０％、表層部の残留オーステナイト量を３５〜６０％とすることを特徴とするものである。
諸求項７の発明において、浸炭処理における各数値の限定理由は次の通りである。なお、浸炭後の表層部の全析出炭化物中のＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の量の限定理由については、請求項１の発明の場合と同じである。さらに、浸炭後の表層部の炭化物の平均粒径、表層部の炭化物の面積率、および表層部の残留オーステナイト量の限定理由については、請求項１および２の発明の場合と同じである。
浸炭処理温度
浸炭処理温度が８７０℃未満であると、炭素の拡散速度が遅くなり、要求される熱処理品質を得るには多大な時間とコストを要し、しかも多量の煤が発生する。また、９５０℃を超えると、浸炭処理前の未固溶炭化物の固溶量が増加し、浸炭処理後の析出炭化物の減少および粗大化が生じるとともに、オーステナイト結晶粒の粗大化に伴い、その結晶粒界に粗大な炭化物が析出し、転がり、摺動部品としての機能を低下させる。また、成分によっては高温に処理するとＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の比率が減少し、成長速度の速いＭ３Ｃ型炭化物が増加して、一層炭化物の粗大化が促進される場合もある。したがって、浸炭処理温度は８７０〜９５０℃の範囲内で選ぶべきである。このような適切な温度で処理することで、浸炭前に生成された未固溶炭化物の固溶が抑制され、浸炭後に多量かつ微細に炭化物が析出した状態を得ることができ、寿命が大きく改善される。なお、通常、浸炭処理の最後に焼き入れ処理をする少し前（３０分程度前）に、焼き入れ温度の調整のため若干温度を変更することがよく行われるが、ここでいう浸炭処理温度とは変更前の温度のことである。
浸炭処理雰囲気のカーボンポテンシャル
浸炭処理温度を８７０〜９５０℃に設定して処理中の炭化物の固溶および成長を抑制するとともに、カーボンポテンシャルを１．０％以上にすることにより、平均粒径０．２〜０．４μｍ以下の微細な炭化物を、面積率で９〜３０％となるように表層部に多量に分散析出させることができ、その結果異物が混入した潤滑油中で大幅に寿命を改善できる。なお、カーボンポテンシャルの上限値は、大量の煤の発生を防止するために１．５％とする。
請求項１の発明の転がり、摺動部品によれば、表層部の全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物が、高硬度で微細なＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型であり、それを浸炭処理前の炭化物析出状態も考慮して浸炭処理することにより、平均粒径が０．２〜０．４μｍとなるように非常に微細に析出させている。また本発明は、表面浸炭層に多量の残留オーステナイトを含有させている。その結果、多量の残留オーステナイトが、圧痕エッジ部の応力集中緩和効果および疲労強度向上効果を発揮するとともに、転がり、摺動部品を用いた転がり軸受や、すべり軸受の長寿命化を図ることができる。しかも、この転がり軸受は、当然のことながら清浄な潤滑油を用いて使用した場合にも長寿命となる。
さらに、請求項１の発明の転がり、摺動部品によれば、全添加元素の範囲を最適化しているので、Ｍ ７ Ｃ ３ 型、Ｍ ２３ Ｃ ６ 型の炭化物を多量かつ微細に析出させるのに有利な成分となっており、かつ疲労破壊の起点となるＴｉやＡｌの介在物も小さく抑えられるので、高寿命の転がり、摺動部品を得ることができる。
請求項２の発明の転がり、摺動部品によれば、高硬度で微細なＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型の炭化物を表層部に多量に析出させることができるので、浸炭時の炭化物の成長を確実に抑制することができる。また、請求項１の発明と同様に多量の残留オーステナイトが、圧痕エッジ部の応力集中緩和効果および疲労強度向上効果を発揮し、潤滑油の清浄度に関係なく、高寿命の転がり、摺動部品を得ることができる。
請求項３の発明の転がり、摺動部品によれば、表層部の全炭素量を適切な範囲にすることによって、浸炭処理後の表層部の炭化物の面積率が適切な範囲に制御され、転がり、摺動部品を用いた転がり軸受や、すべり軸受の長寿命化を図ることができる。
請求項４の発明の転がり、摺動部品によれば、表層部の炭化物の面積率を最適化しているので、寿命向上効果が一層優れたものになる。
請求項５の発明の転がり、摺動部品によれば、表層部の残留オーステナイト量を最適化しているので、寿命向上効果が一層優れたものになる。
請求項６の発明の転がり軸受によれば、異物が混入した潤滑油中および清浄潤滑油中での寿命が延びる。
請求項７の発明の転がり、摺動部品の製造方法によれば、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物が多量かつ微細に析出させた部品を確実に得ることができるので、転がり、摺動部品の寿命改善に大きく貢献できる。
以下、この発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。
実施例１〜１０および比較例１〜１８
表１に示す組成を有する１７種の鋼材を用意し、前述した通り、優れた加工性を得るとともに、浸炭後の高硬度を得るために、浸炭前に多量の炭化物を析出させた状態とする必要性から、これらの鋼材に球状化焼鈍処理を施した後、型番６２０６の転がり軸受に用いられる２８種類の内輪素材を形成し、これらの内輪素材に図３〜図９に示す条件で熱処理を施して内輪（実施例１〜１０および比較例１〜１８）を製造した。なお、球状化焼鈍後で浸炭処理前の炭化物の析出個数を測定するため、浸炭処理前の試験片について走査型電子顕微鏡で１万倍に拡大して観察し、個数を測定した。
Figure 0005094126
なお、表１において、すべての鋼の残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
図３に示す熱処理条件１は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で６時間加熱保持した後、８０℃に油冷するものである。
図４に示す熱処理条件２は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において８５０℃で４時間加熱保持した後、８０℃に油冷するものである。
図５に示す熱処理条件３は、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６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いてカーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持し、ついで８０℃に油冷するものである。
図６に示す熱処理条件４は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９６０℃で６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いてカーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持し、ついで８０℃に油冷するものである。
図７に示す熱処理条件５は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において８５０℃で８時間加熱保持した後、８０℃に油冷するものである。
図８に示す熱処理条件６は、８５０℃で４０分間加熱保持した後、８０℃に油冷するものである。
図９に示す熱処理条件７は、カーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において８５０℃で６時間加熱保持した後、この加熱に引き続いてカーボンポテンシャル１．３％の浸炭雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱保持し、ついで８０℃に油冷するものである。
なお、前述した熱処理条件１〜７においては、図示は省略したが、最後に１６０℃で２時間加熱保持した後、空冷する焼戻し処理が施される。
前述した熱処理条件１〜７のうち、熱処理条件１および３が請求項８の発明の条件を満足する熱処理条件であり、熱処理条件２、４、５、６および７は請求項８の発明の条件を満足しない。
このようにして製造された実施例１〜１０および比較例１〜１８の内輪の鋼種と、熱処理条件と、熱処理後の内輪の軌道面の表面硬さ(HRC)、軌道面の表層部の全炭素量、軌道面の表層部に析出した炭化物の最大粒径、軌道面の表層部に析出した炭化物の平均粒径、表面から深さ５０μｍの位置でのＸ線回折によって残留オーステナイト量をそれぞれ測定した。また、浸炭処理前と同様、浸炭処理後についても、炭化物の析出状態を確認するため、未浸炭層の析出数を走査型電子顕微鏡（１万倍）で測定した。なお、浸炭処理温度を調整し、その結果浸炭時における炭化物固溶の程度が最適であるかを判断するのに、浸炭後の未浸炭層における炭化物析出数を測定すれば良いことについては、前記した通りである。この測定により最適な浸炭処理温度の範囲を判断することができる。
さらに、表層部の炭化物の種類については、Ｘ線回析によって、それぞれの炭化物に相当するピーク強度を求め、その強度比から、Ｍ７Ｃ３型とＭ２３Ｃ６型の炭化物の合計面積率を算出した。結果を表２に示す。
Figure 0005094126
寿命試験
実施例１〜１０および比較例１〜１８の内輪を、JIS ＳＵＪ２からなりかつ通常の浸炭窒化処理が施されてなる外輪および玉と組み合わせて型番６２０６Ｃ３の玉軸受を組立てた。そして、これらの玉軸受を使用し、異物が混入した潤滑油を用いて寿命試験を行った。試験条件は表３に示す通りである。
Figure 0005094126
なお、表３に示す試験機は、同時に２個の玉軸受の試験を行うことが可能であり、表３中のラジアル荷重は、１つの玉軸受のラジアル荷重を意味する。
寿命試験の結果も表２に示す。
表２中のＬ１０寿命比は、試験機に同じ内輪を備えた玉軸受を２個セットし、いずれかの玉軸受の内輪が破損するまでの時間を計測するという試験を５回繰り返し、破損までの時間の平均をとってＬ１０寿命とし、比較例１８(JIS ＳＵＪ２、焼き入れ焼き戻し品)のＬ１０寿命を１として求めたものである。
表２に示す結果から明らかなように、請求項１、２および６の発明の要件のうち一部の条件を満たしていない比較例１〜１８については、得られる寿命が大きく低下していることが明らかとなった。
すなわち、比較例１〜５、７、９、１１〜１４、１６および１７については、表層部の炭化物の平均粒径が０．４μｍを超えているため、寿命が低下している。 このうち、比較例１〜５、７は、成分が本発明で指定した範囲外であることによる影響で炭化物の析出状態が狙いとする状態からはずれたことにより寿命が低下したものであり、特に比較例３は、Ｃｒ量が少ないためにＭ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の比率が面積率で２０％と大きく低下（Ｍ３Ｃ型炭化物の比率が増加）したことにより、炭化物が粗大化して寿命が低下したものである。また、比較例５、７は、Ｍｏ（比較例５）又はＣ（比較例７）を過剰に含有している影響で、粗大な共晶炭化物が生成し、粒径が大きくなって寿命が低下したものである。
また、比較例９、１１〜１３は浸炭温度が９６０℃と高すぎるため、炭化物が粗大化したものであるが、このうち、比較例９、１１については単に浸炭温度が高いことのみが寿命低下の原因ではなく、処理温度が高いことによって、浸炭加熱時の成長速度が速いＭ３Ｃ型炭化物の量が増加し、Ｍ７Ｃ３型とＭ２３Ｃ６型の炭化物の面積率が５０％未満となったことが、粒が粗大化し寿命低下を引き起こした大きな原因である。
また比較例６、８、１０および１８については、表層部の残留オーステナイト量が不足しているため、寿命が低下している。
このうち、比較例８、１０は、浸炭温度が低く、浸炭処理中のＣの拡散が不十分となったことが寿命低下の理由であり、比較例６はＶ過剰添加により浸炭性が低下するとともに、ＶＣの多量生成によって、マトリックス中のＣの固溶量が低下し、残留オーステナイト量が減少して寿命が低下したものである。さらに、比較例１８は、成分が範囲外であることに加え、浸炭処理をしていないため、硬度、残留オーステナイト量が共に著しく低く、寿命も大きく劣る。
次に比較例１５〜１７は、ＳＵＪ２を高濃度浸炭した比較例であるが、前述した通り、生成される炭化物中に、硬度が高く、成長速度の遅いＭ７Ｃ３型とＭ２３Ｃ６型の炭化物は全く存在しないため、浸炭時の成長速度が速く、全て平均粒径が０．４μmを超えて粗大化し、かつ比較例１７のように残留オーステナイトが４０％を超えると、表面硬さがＨＲＣ６２未満となり、寿命が大きく低下した。また、表２には示していないが、本発明で指定した範囲内の成分であっても、浸炭条件の調整で意図的に残留オーステナイト量を６０％超とした場合には、ＨＲＣ６２以上の硬さを得られず、寿命が低下した。
前述した比較例に対し、実施例１〜１０については、ハイス鋼粉という異物が混入した厳しい条件下で試験を行っているにもかかわらず、すべて比較例１８（JIS ＳＵＪ２の焼き入れ焼き戻し品）と比較して、１０倍を超える優れた寿命が得られることが確認できた。
なお、表に数値は示していないが、評価方法の説明箇所にて記載した通り、浸炭処理前（球状化焼鈍後）と浸炭処理後の未浸炭層における炭化物析出状態を調査した。その結果、実施例１〜１０や比較例のうち、成分が本発明の条件を満足しているものについては、全て１，５００，０００個／ｍｍ２以上（１６５〜２０５万個／ｍｍ２）の炭化物が存在していることが確認でき、これを適切な条件で浸炭した実施例１〜１０は、浸炭後に３００，０００個／ｍｍ２以上の炭化物が未浸炭層に認められた。
これに対し、浸炭前に十分な数の微細炭化物を有していても、比較例９、１１〜１３のように高すぎる温度で浸炭した場合や、ＳＵＪ２（Ｑ鋼）のように、成分が適切でない等の理由で浸炭前に十分な数の炭化物が得られない（Ｑ鋼は１０８万個／ｍｍ２）場合には、全て浸炭後に３００，０００個／ｍｍ２以上の炭化物を確保できず、優れた寿命を得ることもできなかった。
この結果より、高寿命を得るためには、従来鋼に比べＣｒを多量に添加する等、成分の最適化を図った上で、さらに浸炭処理前に多量かつ微細に炭化物が析出した状態としておき、生産性に悪影響を及ぼさない範囲で、浸炭温度を低めに設定して炭化物ができるだけ固溶しにくい条件で浸炭処理し、浸炭後においても浸炭層に多量かつ微細に炭化物が析出した状態とすることが重要であることが確認できた。
実施例および比較例の評価試験の結果から求められた炭化物の面積率と平均粒径とＬ１０寿命比との関係を表すグラフである。 実施例の評価試験の結果から求められた表層部の炭化物面積率と表層部の炭素量との関係を表すグラフである。 熱処理条件１を示す線図である。 熱処理条件２を示す線図である。 熱処理条件３を示す線図である。 熱処理条件４を示す線図である。 熱処理条件５を示す線図である。 熱処理条件６を示す線図である。 熱処理条件７を示す線図である。

Claims (7)

  1. Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ表面に浸炭処理された表層部を有する鋼により形成され、表層部の全析出炭化物の面積率が９〜３０％であるとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物がＭ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型であり、表層部の炭化物の平均粒径が０．２〜０．４μｍ、表層部の残留オーステナイト量が３５〜６０％となされている転がり、摺動部品。
  2. Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ表面に浸炭処理された表層部を有する鋼により形成され、表層部の炭化物の平均粒径が０．２〜０．４μｍ、表層部の炭化物の面積率が９〜３０％、表層部の残留オーステナイト量が３５〜６０％となされている転がり、摺動部品。
  3. 表層部の全炭素量が１．２〜１．８wt％となされている請求項１または２記載の転がり、摺動部品。
  4. 表層部の炭化物の面積率が１０〜１５％となされている請求項１、２または３記載の転がり、摺動部品。
  5. 表層部の残留オーステナイト量が４０〜５０％となされている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の転がり、摺動部品。
  6. 内外両輪および転動体を備えており、内外両輪および転動体のうちの少なくとも１つが、請求項１〜５のうちのいずれかに記載の部品からなる転がり軸受。
  7. Ｃ：０．７〜０．９wt％、Ｓｉ：０．０５〜０．７wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．７wt％、Ｃｒ：３．２〜５．０wt％、Ａｌ：０．０４wt％以下、Ｐ：０．０３wt％以下、Ｓ：０．０３wt％以下、Ｔｉ：０．００５wt％以下およびＯ：０．００１５wt％以下を含み、さらにＭｏ：１．０wt％未満およびＶ：０．５０wt％未満のうちの少なくとも１種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼に球状化焼鈍処理を施して多量の炭化物が析出した状態とした後、所定の形状に加工して加工済み部品素材を製造し、その後カーボンポテンシャルが１．０〜１．５％の浸炭雰囲気中で８７０〜９５０℃に加熱して浸炭処理を施した後急冷し、さらに焼戻し処理を施すことにより、表層部の全析出炭化物の面積率を９〜３０％とするとともに、表層部に存在する全析出炭化物のうち、面積率で５０％以上の炭化物をＭ ７ Ｃ ３ 型および／またはＭ ２３ Ｃ ６ 型とし、さらに表層部の炭化物の平均粒径を０．２〜０．４μｍ、表層部の残留オーステナイト量を３５〜６０％とすることを特徴とする転がり、摺動部品の製造方法。
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