JP5668283B2 - 転がり摺動部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、転がり摺動部材の製造方法に関する。
近年、自動車や産業機械の動力伝達機構等の高能率化や小型化のために、これらの機構に用いられている転がり軸受は、高速条件、高面圧条件等の過酷な環境下で使用されることが多くなっている。なかでも、使用環境の高速化や高面圧化に伴って、転がり軸受の使用温度が高温となるため、転がり軸受は、高温条件（例えば、３００℃程度）においても、長い転動疲労寿命を有することが求められている。
そこで、転がり摺動部材に用いられる鋼材として、ケイ素の含有量が０．５〜２．０質量％であり、モリブデンの含有量が０．３〜２．５質量％である鋼材を用いることにより、１５０〜２５０℃の温度域における転動疲労寿命を確保することが提案されている（特許文献１）。
しかしながら、前記特許文献１に記載の鋼材を用いた場合、加工しにくく、コストが増大するという欠点がある。
一方、３００℃程度の高温下においても長い転動疲労寿命を確保するため、ビッカース硬さ７４０以上の表面硬さを有する転がり摺動部材が求められている。
一方、３００℃程度の高温下においても長い転動疲労寿命を確保するため、ビッカース硬さ７４０以上の表面硬さを有する転がり摺動部材が求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、３００℃程度の高温までの広い温度範囲において、良好な転動疲労寿命を確保するのに十分な表面硬さを示す転がり摺動部材を低コストで得ることができる、転がり摺動部材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の転がり摺動部材の製造方法は、相手部材との間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触または両接触を含む接触をする転がり摺動部材の製造方法であって、
０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、かつ残部が鉄および不可避不純物である鋼材を、所定の形状に加工して、素形材を得る前加工工程、
前記素形材に対して、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において、当該素形材を８５０〜９００℃で加熱し、急冷する浸炭窒化処理を施し、中間素材を得る浸炭窒化処理工程、
前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、２５０℃を超え、３００℃以下の温度で当該中間素材を加熱する焼もどし処理を施す焼もどし処理工程、および
前記焼もどし処理後の中間素材に、仕上げ加工を施すことにより、表面から５０μｍの深さの位置のビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）以上であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素の含有量が１．１〜１．６質量％であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素の含有量が０．１〜１．０質量％であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層には、バナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子および／またはバナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子を有しており、かつ表面から１０μｍまでの範囲の表面層における前記粒子の面積率が１〜１０％である転がり摺動部材を得る仕上げ加工工程
を含むことを特徴としている。
０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、かつ残部が鉄および不可避不純物である鋼材を、所定の形状に加工して、素形材を得る前加工工程、
前記素形材に対して、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において、当該素形材を８５０〜９００℃で加熱し、急冷する浸炭窒化処理を施し、中間素材を得る浸炭窒化処理工程、
前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、２５０℃を超え、３００℃以下の温度で当該中間素材を加熱する焼もどし処理を施す焼もどし処理工程、および
前記焼もどし処理後の中間素材に、仕上げ加工を施すことにより、表面から５０μｍの深さの位置のビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）以上であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素の含有量が１．１〜１．６質量％であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素の含有量が０．１〜１．０質量％であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層には、バナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子および／またはバナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子を有しており、かつ表面から１０μｍまでの範囲の表面層における前記粒子の面積率が１〜１０％である転がり摺動部材を得る仕上げ加工工程
を含むことを特徴としている。
本発明の転がり摺動部材の製造方法では、０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、かつ残部が鉄および不可避不純物である鋼材から得られた素形材を、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において、８５０〜９００℃で加熱して、急冷し（浸炭窒化処理）、かつ浸炭窒化処理後の中間素材を、２５０℃を超え、３００℃以下の温度に加熱する（焼もどし処理）。
これにより、得られる転がり摺動部材の表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素の含有量を１．１〜１．６質量％、表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さが６２〜６７）、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素の含有量を０．１〜１．０質量％、表面から１０μｍまでの範囲の表面層に、バナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子および／またはバナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子を存在させ、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における前記粒子の面積率を１〜１０％とすることができる。
このように、本発明の転がり摺動部材の製造方法では、得られる転がり摺動部材の表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さが６２〜６７）とすることができるので、３００℃の高温条件下で使用した場合であっても、良好な転動疲労寿命を確保するのに十分な表面硬さを確保することができる。
したがって、本発明の転がり摺動部材の製造方法によれば、３００℃程度の高温までの広い温度範囲においても、良好な転動疲労寿命を確保するのに十分な表面硬さを示す転がり摺動部材を得ることができる。
しかも、本発明の転がり摺動部材の製造方法では、０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、かつ残部が鉄および不可避不純物である鋼材が用いられているので、例えば、高温用軸受鋼のＳＫＨ４やＭ５０（バナジウム、マグネシウムおよびタングステンを含む軸受鋼）に比べて、加工がしやすく、低コストで、転がり摺動部材を製造することができる。
これにより、得られる転がり摺動部材の表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素の含有量を１．１〜１．６質量％、表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さが６２〜６７）、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素の含有量を０．１〜１．０質量％、表面から１０μｍまでの範囲の表面層に、バナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子および／またはバナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子を存在させ、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における前記粒子の面積率を１〜１０％とすることができる。
このように、本発明の転がり摺動部材の製造方法では、得られる転がり摺動部材の表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さが６２〜６７）とすることができるので、３００℃の高温条件下で使用した場合であっても、良好な転動疲労寿命を確保するのに十分な表面硬さを確保することができる。
したがって、本発明の転がり摺動部材の製造方法によれば、３００℃程度の高温までの広い温度範囲においても、良好な転動疲労寿命を確保するのに十分な表面硬さを示す転がり摺動部材を得ることができる。
しかも、本発明の転がり摺動部材の製造方法では、０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、かつ残部が鉄および不可避不純物である鋼材が用いられているので、例えば、高温用軸受鋼のＳＫＨ４やＭ５０（バナジウム、マグネシウムおよびタングステンを含む軸受鋼）に比べて、加工がしやすく、低コストで、転がり摺動部材を製造することができる。
また、転がり摺動部材における製鋼時に析出する粗大な共晶炭化物の量が少なくなり、転がり軸受での疲労破壊が抑制されるとともに、焼入れ後や、浸炭窒化および焼もどし後において、十分な硬さが確保される。
また、本発明の転がり摺動部材の製造方法では、前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、−５０〜−１００℃で当該中間素材を冷却するサブゼロ処理を施すサブゼロ処理工程をさらに含み、前記サブゼロ処理後に、前記焼もどし処理を行なってもよい。
前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、サブゼロ処理を施すことにより、残留オーステナイトをマルテンサイトに変化させて、得られる転がり摺動部材における寸法安定性および耐磨耗性を向上させることができる。
前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、サブゼロ処理を施すことにより、残留オーステナイトをマルテンサイトに変化させて、得られる転がり摺動部材における寸法安定性および耐磨耗性を向上させることができる。
本発明の転がり摺動部材の製造方法によれば、３００℃程度の高温までの広い温度範囲において、良好な転動疲労寿命を確保するのに十分な表面硬さを示す転がり摺動部材を低コストで得ることができるという優れた効果が奏される。
以下、添付の図面により本発明の一実施形態に係る転がり摺動部材の製造方法を説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる製造方法により製造された転がり摺動部材（外内輪および転動体）を備えた転がり軸受としての玉軸受の構造を示す概略説明図である。
玉軸受１０は、内周面に軌道部１ａを有する外輪１と、外周面に軌道部２ａを有する内輪２と、外内輪１，２の両軌道部１ａ，２ａ間に配置された複数個の転動体としての玉３と、複数個の玉３を周方向に所定間隔毎に保持する保持器４とを備えている。
玉軸受１０では、２５０℃を超え、３００℃以下の温度での焼もどし処理後における外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さが６２〜６７）となっている。これにより、３００℃程度の高温までの広い温度範囲において、当該玉軸受１０を良好な状態で使用することができる。また、玉軸受１０によれば、表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）以上となっていることから、異物が混入した潤滑油中で玉軸受１０を使用した際に前記異物を噛みこんだときに生成される圧痕の寸法を小さくすることができる。さらに、玉軸受１０によれば、表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが９００（ロックウェルＣ硬さが６７）以下となっていることから、脆化を防止することができる。なお、前記ビッカース硬さは、前記内輪を表面から深さ方向に切断した後、前記表面から５０μｍの深さの位置にビッカース圧子をあてて測定した値である。また、ロックウェルＣ硬さは、測定されたビッカース硬さを変換することにより求めた値である。
外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面から１０μｍまでの範囲の表面層には、バナジウム窒化物からなる粒子および／またはバナジウム炭窒化物からなる粒子が存在している。前記粒子の粒径は、オロワン機構による分散強化により降伏応力を向上させる観点から、好ましくは０．２μｍ以上であり、オストワルド成長により粒子の粗大化を誘発させる観点から、好ましくは２μｍ以下である。
また、外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面には、セメンタイトおよびＭ7Ｃ3型炭化物およびＭ23Ｃ6型炭化物が析出している。
また、外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面には、セメンタイトおよびＭ7Ｃ3型炭化物およびＭ23Ｃ6型炭化物が析出している。
外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面から１０μｍまでの範囲の表面層における前記粒子の面積率は、オロワン機構による分散強化により降伏応力を向上させて、十分な静的負荷容量を確保する観点から、１％以上であり、鋼材中への過剰な窒素の浸入を抑制し、所要の炭素量を確保することで前記表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さ７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さ６２〜６７）を確保し、十分な静的負荷容量を確保する観点から、１０％以下である。なお、本明細書において、前記粒子の面積率とは、表面から１０μｍまでの範囲の表面層におけるバナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子とバナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子とを併せたものの面積率をいう。
外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素の含有量は、圧痕などの表面損傷部への応力集中の緩和効果のある残留オーステナイト量を確保し、かつ高い表面硬さにする観点から、１．１質量％以上であり、前記表面層における炭化物の粗大析出物（例えば、粒径が１０μｍを超える析出物）の存在量を少なくすることにより、寿命を一層向上させる観点から、１．６質量％以下である。
外内輪１，２の軌道部１ａ，２ａおよび玉３それぞれの表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素の含有量は、オロワン機構による分散強化により降伏応力を向上させて、十分な静的負荷容量を確保する観点から、０．１質量％以上であり、鋼材中への過剰な窒素の浸入を抑制し、所要の炭素量を確保することで転がり摺動部材としての表面ビッカース硬さ（表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さ）７４０〜９００（ロックウェルＣ硬さ６２〜６７）を得、長寿命化を図るとともに、十分な静的負荷容量を確保する観点から、１．０質量％以下である。
つぎに、かかる転がり摺動部材の製造方法の例として、前記外輪および内輪の製造方法を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る外輪の製造方法の工程図である。また、図３は、本発明の一実施形態に係る内輪の製造方法の工程図である。
まず、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有する鋼材からなる外輪の環状素材１３〔図２（ａ）参照〕を製造し、得られた環状素材１３に切削加工などを施して、軌道面１１ａ、端面１１ｂ、内周面１１ｃおよび外周面１１ｄをそれぞれ所定形状に加工して、外輪の素形材１４を得る〔「前加工工程」、図２（ｂ）参照〕。
一方、前記外輪の環状素材１３と同じ鋼材からなる内輪の環状素材２３〔図３（ａ）参照〕に切削加工等を施して、軌道面２１ａ、端面２１ｂ、内周面２１ｃおよび外周面２１ｄをそれぞれ所定形状に加工して、内輪の素形材２４を得る〔図３（ｂ）参照〕。
一方、前記外輪の環状素材１３と同じ鋼材からなる内輪の環状素材２３〔図３（ａ）参照〕に切削加工等を施して、軌道面２１ａ、端面２１ｂ、内周面２１ｃおよび外周面２１ｄをそれぞれ所定形状に加工して、内輪の素形材２４を得る〔図３（ｂ）参照〕。
前記鋼材としては、０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、残部が鉄および不可避不純物である鋼材を用いることができる。
かかる鋼材によれば、外内輪１，２それぞれの表面における製鋼時に析出する粗大な共晶炭化物の量が少なくなり、転がり軸受での疲労破壊を抑制することができるとともに、焼入れ後や、浸炭窒化および焼もどし後において、十分な硬さを確保することができる。
かかる鋼材によれば、外内輪１，２それぞれの表面における製鋼時に析出する粗大な共晶炭化物の量が少なくなり、転がり軸受での疲労破壊を抑制することができるとともに、焼入れ後や、浸炭窒化および焼もどし後において、十分な硬さを確保することができる。
前記鋼材において、炭素は、次工程の浸炭窒化処理工程を行なう際に鋼材の硬さを上昇させ、強度確保のための内部硬さを得るための元素である。また、炭素は、後述する浸炭窒化処理前において、鋼材中に未固溶の炭化物を多量に残存させ、これを浸炭窒化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、転がり疲れ寿命を向上させることを可能にするための元素である。
前記鋼材中に含まれる炭素の含有量は、鋼材中に未固溶の炭化物を十分に残存させる観点から、０．７質量％以上であり、浸炭窒化処理前の加工性を十分に得るとともに、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の生成を抑制する観点から、０．９質量％以下である。
前記鋼材中に含まれる炭素の含有量は、鋼材中に未固溶の炭化物を十分に残存させる観点から、０．７質量％以上であり、浸炭窒化処理前の加工性を十分に得るとともに、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の生成を抑制する観点から、０．９質量％以下である。
また、前記鋼材において、クロムは、浸炭窒化処理前の段階において、浸炭窒化処理時に析出核として作用する多量の未固溶の炭化物を生成させ、浸炭窒化後の表面浸炭窒化層に微細炭化物（Ｍ7Ｃ3型炭化物、Ｍ23Ｃ6型炭化物）、微細炭窒化物〔Ｍ7（Ｃ，Ｎ）3型炭窒化物、Ｍ23（Ｃ，Ｎ）6型炭窒化物〕および微細窒化物（ＣｒＮ、ＶＮ）を析出させることにより、転がり摺動部材の転がり疲れ寿命を向上させるとともに、後述の焼もどし処理工程による焼もどし軟化に対する抵抗性を向上させるための元素である。また、クロムは、鋼材中における炭窒化物および窒化物の生成促進による鋼材の最表面層における窒化反応の促進を行うとともに、浸炭反応の抑制（過剰浸炭組織の発生の抑制）を行う。
前記効果を得るために観点から、鋼材中に含まれるクロムの含有量は、３．２質量％以上であり、疲労破壊の起点となる共晶炭化物の生成の抑制を容易に行う観点およびコストを低減させる観点から、５．０質量％以下である。
前記効果を得るために観点から、鋼材中に含まれるクロムの含有量は、３．２質量％以上であり、疲労破壊の起点となる共晶炭化物の生成の抑制を容易に行う観点およびコストを低減させる観点から、５．０質量％以下である。
前記鋼材において、バナジウムは、炭素との親和力が非常に強い元素であり、炭化物を形成する元素である。また、炭素とバナジウムとから生成される炭化バナジウムは、炭化モリブデンに比べて、固溶温度が高いため、本発明の転がり摺動部材の製造に際する浸炭窒化処理の温度範囲では、浸炭窒化処理前に存在していた炭化バナジウムの多くは、固溶せず、未固溶の炭化バナジウムとして鋼材中に存在することになる。かかる未固溶の炭化バナジウムは、浸炭窒化処理時における炭化物（ＶＣ）、炭窒化物〔Ｖ（Ｃ，Ｎ）〕および窒化物〔（Ｃｒ，Ｖ）Ｎ〕などの析出核として働くとともに、前記炭化物、炭窒化物、窒化物などの析出物の微細化に寄与し、鋼材の硬さや転がり疲れ寿命を向上させることができる。あわせて、バナジウムは、鋼材中のクロム以上に、炭窒化物および窒化物の生成促進による鋼材の最表面層における窒化反応の促進および浸炭反応の抑制（過剰浸炭組織の発生の抑制）を行うことができる。また、バナジウムは、後述の焼もどし処理工程による焼もどし軟化に対する抵抗性を向上させるための元素として働く。前記効果を得るために観点から、鋼材中に含まれるバナジウムの含有量は、０．０５質量％以上であり、炭化バナジウムの生成を抑制することにより、固溶炭素量を十分に確保し、残留オーステナイト量を十分に確保する観点から、０．５質量％未満である。
前記鋼材において、ケイ素は、鋼の精錬時の脱酸のために必要な元素である。また、ケイ素は、炭化物に固溶しにくい性質を有するため、炭化物の粗大成長を抑制する効果を有する元素である。
前記効果を得る観点から、鋼材中に含まれるケイ素の含有量は、０．０５質量％以上であり、浸炭窒化処理前において、十分な加工性を確保するとともに、鋼材および加工等に要するコストを低減させる観点から、０．７０質量％以下である。
前記効果を得る観点から、鋼材中に含まれるケイ素の含有量は、０．０５質量％以上であり、浸炭窒化処理前において、十分な加工性を確保するとともに、鋼材および加工等に要するコストを低減させる観点から、０．７０質量％以下である。
前記鋼材において、マンガンは、鋼材中のオーステナイトを安定化させる元素である。また、マンガンは、鋼材中に含まれる量を増やすことによって、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元素である。
前記効果を得る観点から、鋼材中に含まれるマンガンの含有量は、０．０５質量％以上であり、鋼材中における未固溶の炭化物の量を増加させ、炭化物を析出させて、鋼材の硬さを向上させるとともに、転がり疲れ寿命を向上させる観点ならびに十分な熱間加工性および機械加工性を得る観点から、０．７質量％以下であり、好ましくは０．５０質量％以下である。
前記効果を得る観点から、鋼材中に含まれるマンガンの含有量は、０．０５質量％以上であり、鋼材中における未固溶の炭化物の量を増加させ、炭化物を析出させて、鋼材の硬さを向上させるとともに、転がり疲れ寿命を向上させる観点ならびに十分な熱間加工性および機械加工性を得る観点から、０．７質量％以下であり、好ましくは０．５０質量％以下である。
前記鋼材において、モリブデンは、クロムより炭素との親和力の強い元素であり、炭化物および炭窒化物の生成に関与する元素である。また、モリブデンは、本発明の転がり摺動部材を製造する際の浸炭窒化処理の温度における炭化物および炭窒化物の固溶温度を上昇させ、未固溶の炭化物および炭窒化物を増加させる元素である。したがって、モリブデンは、浸炭窒化処理後の表面浸炭窒化層中における微細炭化物量および炭窒化物量を増加させ、鋼材の硬さを上昇させるための重要な元素である。また、モリブデンは、鋼材の焼入れ性を向上させるとともに、鋼材における残留オーステナイト量を増加させる。さらに、モリブデンは、炭化物（Ｍ23Ｃ6型炭化物）および炭窒化物〔Ｍ23（Ｃ、Ｎ）6型炭窒化物〕を効率よく析出させる元素である。
前記効果を得る観点から、鋼材中に含まれるモリブデンの含有量は、０．１０質量％以上であり、コストを低減させる観点および疲労破壊の起点となる粗大な共晶炭化物の生成を抑制する観点から、１．０質量％以下である。
前記効果を得る観点から、鋼材中に含まれるモリブデンの含有量は、０．１０質量％以上であり、コストを低減させる観点および疲労破壊の起点となる粗大な共晶炭化物の生成を抑制する観点から、１．０質量％以下である。
つぎに、得られた外輪の素形材１４（中間素材）および内輪の素形材２４（中間素材）を、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において、８５０〜９００℃で所定時間加熱保持し、その後、所定温度に急冷する〔「浸炭窒化処理工程」、図２（ｃ）および図３（ｃ）参照〕。
浸炭窒化雰囲気におけるカーボンポテンシャルは、外内輪１，２の表面における硬さを十分な硬さとする観点から、０．９％以上であり、外内輪１，２における前記バナジウム窒化物またはバナジウム炭窒化物を含む析出物の面積率を前述の範囲とするとともに、過剰浸炭組織の発生を抑制する観点から、１．３％以下である。
また、浸炭窒化雰囲気におけるアンモニアガス濃度は、過剰浸炭組織の発生を抑制するとともに、次工程の焼もどし処理工程による焼もどし軟化に対する抵抗性を向上させる観点から、２体積％以上であり、過剰窒化による脆化を防止する観点から、５体積％以下である。
浸炭窒化雰囲気における加熱保持温度は、十分な硬化層を形成させる観点から、８５０℃以上であり、転がり摺動部材中への過剰な炭素の侵入を抑制して、過剰浸炭組織の発生を抑制するとともに、粗大炭化物の析出を抑制する観点から、９００℃以下である。
また、加熱保持時間は、表面層の強化に十分な浸炭深さを得る観点から、４時間以上である。
また、加熱保持時間は、表面層の強化に十分な浸炭深さを得る観点から、４時間以上である。
急冷は、冷却油の油浴中における油冷により行われる。冷却油の油浴温度は、通常、６０〜１８０℃であればよい。
つぎに、前記浸炭窒化処理後の外輪の素形材１４（中間素材）および内輪の素形材２４（中間素材）を、２５０℃を超え、かつ３００℃以下の温度で加熱保持する焼もどし処理を行う〔「焼もどし処理工程」、図２（ｄ）および図３（ｄ）参照〕。
焼もどし処理における加熱保持温度は、３００℃程度の高温条件での使用に十分な寸法安定性を確保し、十分な耐熱性を確保する観点から、２５０℃を超える温度であり、残留オーステナイトの過剰な分解を抑制するとともに、製造コストを低減させる観点から、３００℃以下である。
また、焼もどし処理における加熱保持時間は、３００℃程度の高温条件での使用に十分な寸法安定性を確保し、十分な耐熱性を確保する観点から、０．５時間以上である。
焼もどし処理における加熱保持温度は、３００℃程度の高温条件での使用に十分な寸法安定性を確保し、十分な耐熱性を確保する観点から、２５０℃を超える温度であり、残留オーステナイトの過剰な分解を抑制するとともに、製造コストを低減させる観点から、３００℃以下である。
また、焼もどし処理における加熱保持時間は、３００℃程度の高温条件での使用に十分な寸法安定性を確保し、十分な耐熱性を確保する観点から、０．５時間以上である。
その後、焼もどし処理工程後の外輪の素形材１４（中間素材）の軌道面１１ａ、端面１１ｂ、外周面１１ｄに対して、研磨仕上げ加工や超仕上げ加工を施して、所定精度に仕上げる〔図２（ｅ）参照、「仕上げ加工工程」〕。このようにして、目的の外輪１１を得ることができる。
一方、焼もどし処理工程後の内輪の素形材２４（中間素材）の軌道面２１ａ、端面２１ｂ、内周面２１ｄに対して研磨仕上げ加工や超仕上げ加工を施して、所定精度に仕上げる〔図３（ｅ）参照〕。このようにして、目的の内輪２１を得ることができる。
一方、焼もどし処理工程後の内輪の素形材２４（中間素材）の軌道面２１ａ、端面２１ｂ、内周面２１ｄに対して研磨仕上げ加工や超仕上げ加工を施して、所定精度に仕上げる〔図３（ｅ）参照〕。このようにして、目的の内輪２１を得ることができる。
なお、本発明の転がり摺動部材の製造方法においては、図４に示されるように、浸炭窒化処理工程〔図４（ｃ）参照〕後に、浸炭窒化処理後の中間素材に対して、−１００〜−５０℃で当該中間素材を冷却するサブゼロ処理を施すサブゼロ処理工程〔図４（ｄ）参照〕を行なってもよい。この場合、サブゼロ処理工程後に、焼もどし処理工程〔図４（ｅ）参照〕を行なえばよい。なお、図４には、この変形例にかかる製造方法として、内輪の製造方法を示しているが、前記変形例にかかる製造方法は、外輪の製造にも採用することができる。
サブゼロ処理における冷却温度は、コストを低減する観点から、好ましくは−１００℃以上であり、耐摩耗性を向上させる観点から、好ましくは−５０℃以上である。
また、サブゼロ処理における冷却時間は、残留オーステナイトをマルテンサイトに変化させる観点から、好ましくは１時間以上である。
このようにサブゼロ処理を行なうことにより、残留オーステナイトをマルテンサイトに変化させることにより、得られる転がり摺動部材の経時的な寸法変化を抑制して、寸法安定性を向上させ、かつ耐磨耗性を向上させることができる。
サブゼロ処理における冷却温度は、コストを低減する観点から、好ましくは−１００℃以上であり、耐摩耗性を向上させる観点から、好ましくは−５０℃以上である。
また、サブゼロ処理における冷却時間は、残留オーステナイトをマルテンサイトに変化させる観点から、好ましくは１時間以上である。
このようにサブゼロ処理を行なうことにより、残留オーステナイトをマルテンサイトに変化させることにより、得られる転がり摺動部材の経時的な寸法変化を抑制して、寸法安定性を向上させ、かつ耐磨耗性を向上させることができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。
〔実施例１〜４および比較例１〜７〕
表１に示す組成を有する２種類の鋼材ＡおよびＢそれぞれを用いて、型番６２０６の玉軸受の外輪、内輪および転動体を製造するための素形材それぞれを製造した。表１の鋼材Ｂは、軸受綱であるＪＩＳ ＳＵＪ２である。なお、転動体の直径は、９．５２５ｍｍとした。
表１に示す組成を有する２種類の鋼材ＡおよびＢそれぞれを用いて、型番６２０６の玉軸受の外輪、内輪および転動体を製造するための素形材それぞれを製造した。表１の鋼材Ｂは、軸受綱であるＪＩＳ ＳＵＪ２である。なお、転動体の直径は、９．５２５ｍｍとした。
つぎに、得られた素形材に、図５〜図１５に示す熱処理条件で熱処理を施して、実施例１〜４および比較例１〜７の内輪を製造した。
図５に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．１％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例１）。
図６に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が５体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例２）。
図７に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．０％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例３）。
図８に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．１％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、−５５℃で１時間冷却〔サブゼロ処理〕し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例４）。
図９に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが０．８％の雰囲気中において８３０℃で０．５時間加熱して、ズブ焼入れを行った後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例１）。
図１０に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％の浸炭雰囲気中において８５０℃で５時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例２）。
図１１に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８５０℃で４時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例３）。
図１２に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが０．８％の雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱して、ズブ焼入れを行った後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例４）。
図１３に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％の浸炭雰囲気中において９００℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例５）。
図１４に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が１体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例６）。
図１５に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が１５体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例７）。
図６に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が５体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例２）。
図７に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．０％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例３）。
図８に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．１％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、−５５℃で１時間冷却〔サブゼロ処理〕し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（実施例４）。
図９に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが０．８％の雰囲気中において８３０℃で０．５時間加熱して、ズブ焼入れを行った後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例１）。
図１０に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％の浸炭雰囲気中において８５０℃で５時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例２）。
図１１に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が２体積％の浸炭窒化雰囲気中において８５０℃で４時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例３）。
図１２に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが０．８％の雰囲気中において９００℃で０．５時間加熱して、ズブ焼入れを行った後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例４）。
図１３に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％の浸炭雰囲気中において９００℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例５）。
図１４に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が１体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例６）。
図１５に示される熱処理条件は、素形材を、カーボンポテンシャルが１．２％、アンモニアガス濃度が１５体積％の浸炭窒化雰囲気中において８６０℃で７時間加熱した後、８０℃に油冷し、その後、３００℃で２時間加熱〔焼もどし処理〕するものである（比較例７）。
〔試験例１〕
実施例１〜４、比較例１〜７の内輪について、焼もどし処理（３００℃）後における表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さ（またはロックウェルＣ硬さ）、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素含有量、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素含有量、析出物形態、およびバナジウム系析出物（バナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子およびバナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子）の面積率を調べた。
実施例１〜４、比較例１〜７の内輪について、焼もどし処理（３００℃）後における表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さ（またはロックウェルＣ硬さ）、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素含有量、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素含有量、析出物形態、およびバナジウム系析出物（バナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子およびバナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子）の面積率を調べた。
実質的な表面層の硬さを測定するため、表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さは、前記内輪を表面から深さ方向に切断した後、前記表面から５０μｍの深さの位置にビッカース圧子をあてて測定した。また、ロックウェルＣ硬さは、測定されたビッカース硬さより換算して求めた。表面から１０μｍまでの範囲における炭素含有量および表面から１０μｍまでの範囲における窒素含有量は、それぞれ、前記内輪を表面から深さ方向に切断した後、前記表面から１０μｍまでの範囲における各含有量を測定することにより求めた。
前記析出物形態は、前記内輪を表面から深さ方向に切断した後、前記表面から１０μｍまでの範囲を観察することにより評価した。バナジウム系析出物（バナジウム炭窒化物からなる粒子およびバナジウム窒化物からなる粒子）の面積率は、前記内輪を表面から深さ方向に切断した後、前記表面から１０μｍまでの範囲で測定した。なお、前記析出物形態およびバナジウム系析出物（バナジウム炭窒化物およびバナジウム窒化物）の面積率は、８００μｍ2の測定視野において、加速電圧：１５．０ｋＶ、照射電流：２．０１６×１０-7Ａおよびスキャン倍率：３０００倍の条件で、電解放出型電子プローブマイクロアナライザを用いて、炭素、窒素およびバナジウムをマッピングし、画像処理装置で面積率を算出した。
また、実施例１〜４、比較例１〜７の内輪について、焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さ（またはロックウェルＣ硬さ）に基づき、合否を判定した。合否の判定基準は、以下のとおりである。
○：焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）以上であり、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に適している
×：焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）未満であり、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に不適である
これらの結果を表２に示す。表２中、「ビッカース硬さ（ロックウェルＣ硬さ）」は、焼もどし処理（３００℃）後における表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さ（またはロックウェルＣ硬さ）、「炭素含有量」は、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素含有量、「窒素含有量」は、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素含有量、「バナジウム系析出物の面積率」は、バナジウム炭窒化物からなる粒子およびバナジウム窒化物からなる粒子の面積率をそれぞれ示す。
○：焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）以上であり、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に適している
×：焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）未満であり、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に不適である
これらの結果を表２に示す。表２中、「ビッカース硬さ（ロックウェルＣ硬さ）」は、焼もどし処理（３００℃）後における表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さ（またはロックウェルＣ硬さ）、「炭素含有量」は、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素含有量、「窒素含有量」は、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素含有量、「バナジウム系析出物の面積率」は、バナジウム炭窒化物からなる粒子およびバナジウム窒化物からなる粒子の面積率をそれぞれ示す。
表２に示された結果から、実施例１〜４の内輪では、焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）以上となっており、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に適していることがわかる。一方、比較例１〜７の内輪では、焼もどし処理（３００℃）後におけるビッカース硬さが７４０（ロックウェルＣ硬さが６２）未満であり、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に不適であることがわかる。
したがって、これらの結果から、鋼材Ａからなる素形材を、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において８５０〜９００℃で加熱し、その後、急冷し（浸炭窒化処理）、浸炭窒化処理後の中間素材に対して、２５０℃を超え、３００℃以下の温度で当該中間素材を加熱し（焼もどし処理）、焼もどし処理後の中間素材に、仕上げ加工を施すことにより、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に適した硬さを有する転がり摺動部材を得ることができることがわかる。
したがって、これらの結果から、鋼材Ａからなる素形材を、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において８５０〜９００℃で加熱し、その後、急冷し（浸炭窒化処理）、浸炭窒化処理後の中間素材に対して、２５０℃を超え、３００℃以下の温度で当該中間素材を加熱し（焼もどし処理）、焼もどし処理後の中間素材に、仕上げ加工を施すことにより、３００℃程度の高温までの広い範囲の温度条件での使用に適した硬さを有する転がり摺動部材を得ることができることがわかる。
１ 外輪、１ａ 軌道部、２ 内輪、２ａ 軌道部、４ 保持器、１０ 玉軸受、
１１ 外輪
１１ 外輪
Claims (2)
- 相手部材との間で相対的に転がり接触もしくは滑り接触または両接触を含む接触をする転がり摺動部材の製造方法であって、
０．７〜０．９質量％の炭素と、０．０５〜０．７０質量％のケイ素と、０．０５〜０．７質量％のマンガンと、３．２〜５．０質量％のクロムと、０．１〜１．０質量％のモリブデンと、０．０５質量％以上０．５質量％未満のバナジウムとを含有し、かつ残部が鉄および不可避不純物である鋼材を、所定の形状に加工して、素形材を得る前加工工程、
前記素形材に対して、カーボンポテンシャル０．９〜１．３％で、アンモニアガス濃度が２〜５体積％の浸炭窒化雰囲気において、当該素形材を８５０〜９００℃で加熱し、急冷する浸炭窒化処理を施し、中間素材を得る浸炭窒化処理工程、
前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、２５０℃を超え、３００℃以下の温度で当該中間素材を加熱する焼もどし処理を施す焼もどし処理工程、および
前記焼もどし処理後の中間素材に、仕上げ加工を施すことにより、表面から５０μｍの深さの位置でのビッカース硬さが７４０以上であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における炭素の含有量が１．１〜１．６質量％であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層における窒素の含有量が０．１〜１．０質量％であり、表面から１０μｍまでの範囲の表面層には、バナジウム窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子および／またはバナジウム炭窒化物からなる粒径０．２〜２μｍの粒子を有しており、かつ表面から１０μｍまでの範囲の表面層における前記粒子の面積率が１〜１０％である転がり摺動部材を得る仕上げ加工工程
を含むことを特徴とする転がり摺動部材の製造方法。 - 前記浸炭窒化処理後の中間素材に対して、−５０〜−１００℃で当該中間素材を冷却するサブゼロ処理を施すサブゼロ処理工程をさらに含み、
前記サブゼロ処理後に、前記焼もどし処理を行なう、請求項１に記載の転がり摺動部材の製造方法。
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