JP5830244B2 - 軸受及びその熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は軸受用鋼線材、軸受用鋼線材の製造方法、軸受の熱処理方法、軸受及び軸受用鋳片の均熱拡散処理方法に関し、より詳細には、耐摩耗性、耐疲労特性などに優れた高強度高炭素軸受鋼を製造するための熱処理方法、上記熱処理に提供される高炭素軸受鋼用線材及び上記線材の製造方法と上記熱処理により製造される高炭素軸受鋼及び軸受用線材の製造に提供される鋳片の均熱拡散処理方法に関する。

軸受とは、回転している機械の軸を一定の位置に固定させ、軸の自重と軸にかかる荷重を支持しながら軸を回転させる役割をする機械要素を意味する。

回転する機械では、単位時間当りに数多くの回転が発生し、それにより回転する軸を支持する軸受には繰り返し荷重が回転数に比例して伝達される。このように軸受に繰り返し荷重が伝達されるため、軸受は繰り返し荷重による疲労破壊に対する抵抗性が高くなければならず、耐摩耗性に優れている必要がある。上記のような軸受を製造するためには、その素材となる鋼の組成を適切に制御し、それを製鋼−連続鋳造−圧延の過程を通じて鋼線材を製造した後、上記製造された鋼線材を軸受に加工する過程が必要である。

上記軸受の素材としては、従来から約１．０重量％の炭素と１．５重量％程度のクロムを含有した高炭素クロム鋼が最も多く用いられていた。

一般的に、高炭素クロム軸受鋼は、転炉−真空脱ガス（ＲＨ）−連続鋳造の工程を通じてブルームに製造されることが多い。このとき、転炉工程では溶銑を溶鋼に転換させる吹錬作業が行われ、真空脱ガス工程で介在物含量の１つ尺度となる全酸素（Ｔ．［Ｏ］）含量を最大限低める作業が行われる。得られたブルームは、鋳片の中心部に存在する偏析と巨大炭化物を除去するための均熱拡散処理（ｓｏａｋｉｎｇ）とそれによる自然空冷処理をした後に、圧延されてビレットに製造される。上記製造されたビレットは線材圧延を通じて線材に製造される。

軸受加工は、得られた線材を伸線及び球状化熱処理を通じて軸受の伝動体であるボールやローラー、または内外輪の形状に加工した後、十分な疲労強度と耐摩耗性を有するように硬化熱処理を行う方式から成る。

このとき、軸受に用いられる通常の硬化熱処理は、焼き入れ（Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）後に、焼き戻し（Ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）処理をする、いわゆるＱＴ工程により行われる。上記焼き入れ処理は、鋼がオステナイト化される温度であるＡｃ３温度以上に軸受を加熱した後に急冷する工程であり、鋼の内部組職を一定の無拡散変態によりオステナイトから硬質であるマルテンサイトにするためのものである。上記焼き入れにより生成されるマルテンサイトは、硬度は非常に高いが、靱性が非常に脆弱である性質を有するため、軸受としてすぐ使用することができない。従って、軸受の靱性を改善するために上記焼き戻し処理が焼き入れ処理に後続する。上記焼き戻し処理は、無拡散変態により形成されたマルテンサイトに対する分解析出過程であり、軸受を一定の温度で維持することでマルテンサイト内に過飽和され存在する炭素を炭化物で析出させて、焼き入れにより誘発された残留応力を軽減または除去し、硬直された微細組職を解く処理である。すなわち、焼き戻し処理によると、マルテンサイト内の微細な炭化物を析出し、またマルテンサイトが焼き戻されたマルテンサイト（Ｔｅｍｐｅｒｅｄ Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）に変わるということが大きい特徴である。

上記のような過程により製造された軸受鋼は、内部が焼き戻されたマルテンサイトと炭化物からなり、約６０ＨＲＣ以上の表面硬度を有する。しかし、上記ＱＴ過程により熱処理された軸受であっても、転がり接触のような過酷な条件で用いられる場合は、その耐摩耗性と耐疲労特性の不十分である場合が多い。

これは、焼き戻されたマルテンサイトの内部に形成された炭化物が鋼材の靱性に不利な影響を及ぼすためであり、鋼材の内部組職を１００％焼き戻されたマルテンサイトに近い組職にする場合に生じる問題である。その結果、上記のように、硬度は非常に高いが、靱性や延性が相当に劣悪であり、焼き戻し処理により焼き戻されたマルテンサイト化したとしても、靱性と延性の改善効果が不十分であるという問題が発生する。

その上、ＱＴ処理のためには、少なくとも２時間以上が必要であり、それによる原価上昇及び生産性低下の問題も内包している。

国際公開第２００４／０２２７９４号パンフレット

本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためのもので、本発明の一側面によると、従来のＱＴ処理に比べて靱性が大きく向上される新しい軸受鋼を、焼き入れ−分配という熱処理を通じて製造するのに有利な軸受鋼用線材が提供される。

本発明の他の一側面によると、比較的短い熱処理時間でも、従来のＱＴ処理に比べて靱性が大きく向上される新しい軸受鋼の熱処理方法と上記方法により製造される軸受が提供される。

また、本発明の他の一側面によると、上記本発明の一側面による軸受の製造に有用に用いられる軸受用鋼線材が提供される。

また、本発明のさらに他の一側面によると、鋳片内部の偏析を除去することで、上述した良質の軸受を提供するのに有利な鋳片の均熱拡散処理方法が提供される。

本発明の一側面による軸受の熱処理方法は、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含む軸受形状の鋼部品を焼き入れる段階と、上記焼き入れた部品をＭｓ−１００℃〜Ｍｓの温度で１０分以上、分配処理する段階を含むことを特徴とする。

上記熱処理方法のより好ましい具現例では、上記焼き入れる段階と上記分配処理する段階の間に、上記焼き入れた部品を１分以上維持する段階をさらに含むことが好ましい。

このとき、上記軸受形状の鋼部品は、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％、アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことが有利である。

また、上記軸受形状の鋼部品は、不純物としてＰとＳをそれぞれ０．０２５重量％以下含むことが好ましい。

また、上記焼き入れた部品を維持する処理は１０分以下で行われることが効果的である。

また、上記分配処理は３０分以下で行われることが好ましい。

本発明のさらに他の一側面として、上記軸受の熱処理方法により製造された軸受は、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含み、内部組職がマルテンサイトと残留オステナイトから成ることが好ましい。

このとき、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％、アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことが好ましい。

また、上記残留オステナイトは、面積分率で５〜１５％含まれるのが効果的である。

また、上記内部組職のうち球状化処理により炭化物を除外した如何なる形態の炭化物も実質的に含まれないのが効果的である。

本発明のさらに他の一側面である本発明の軸受鋼用線材は、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含むことを特徴とする。

このとき、上記軸受鋼線材は、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％、アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことが好ましい。

また、上記軸受鋼線材は、不純物としてＰとＳをそれぞれ０．０２５重量％以下含むことが好ましい。

本発明のさらに他の側面である軸受用線材の製造方法は、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含む鋳片を均熱拡散し、鋼片を圧延した後に冷却して軸受用線材を製造する方法であり、上記冷却速度を１℃／秒以下にすることを特徴とする。

このとき、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％、アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことが好ましい。

本発明のさらに他の側面である軸受用鋳片の均熱拡散処理方法は、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含む軸受用鋳片を用意した後、内部に存在する偏析を除去する均熱拡散処理方法であり、上記均熱拡散処理方法は１１９０〜１２５０℃の温度で１時間以上行うことを特徴とする。

このとき、上記軸受用鋳片は、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％、アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことが好ましい。

また、上記軸受用鋳片は、不純物としてＰとＳをそれぞれ０．０２５重量％以下含むことが有利である。

また、上記均熱拡散処理は６時間以下行うことが効果的である。

本発明によると、従来のＱＴ熱処理より靱性が著しく向上された軸受を提供することができ、製造された軸受の耐摩耗性と耐疲労特性が大きく向上されることができる。

ＱＴ法とＱＰ法を比較した概路図である。 本発明の一実施例で、発明鋼２に対して焼き入れ−焼き戻し処理と焼き入れ−分配処理をした後の組職を観察した顕微鏡組職写真である。 本発明の一実施例で、発明鋼７に対して焼き入れ−焼き戻し処理と焼き入れ−分配処理をした後の組職を観察した顕微鏡組職写真である。 本発明の一実施例で使用した軸受用部品のマルテンサイト変態開始温度を測定した結果を示すグラフである。 従来例により製造された軸受（ａ）と発明例により製造された軸受（ｂ）を比較した顕微鏡組職写真である。 本発明の実施例で使用された鋳片の内部に偏析が存在することを観察した顕微鏡写真である。 各均熱拡散処理条件による内部組職の顕微鏡写真である。

以下で本発明を詳しく説明する。

本発明の発明者らは、上述した従来技術の問題点を解決するために鋭意検討したところ、軸受の靱性を向上させるためには、内部組職としてマルテンサイトのみを形成させるのではなく、オステナイトを残留させ、残留オステナイト化する必要があるということを見出し、本発明に至った。

しかし、一般的に使用される高炭素クロム軸受の成分系では、マルテンサイトを形成するために軸受をオステナイト化し、急冷する過程によると、内部に形成される残留オステナイトの割合が不十分である上、生成された残留オステナイトも、軸受の使用過程で軸受に加わる荷重により再びマルテンサイトに変態される、いわゆる塑性誘起変態により、最終的には焼き戻されたマルテンサイトとマルテンサイトの組職のみからなる軸受鋼が得られる。

また、上記残留オステナイトからマルテンサイトへの変態過程は、寸法変化を伴うため、上記変態過程により軸受の寸法精度が著しく損なわれ、それによる騷音が生じたり、軸受の疲労破壊及び摩耗が著しく加速化するなどの問題が生じ得る。

従って、軸受鋼では、残留オステナイトを形成することほど、上記残留オステナイトに応力が加わってもマルテンサイトに変態しないように安定化させることが重要である。

本発明者らは、本発明の課題を解決するための先決条件として、残留オステナイトが適切な分率で形成され、かつ上記残留オステナイトを安定化させることができる方法として、軸受鋼用鋼材の成分を従来の軸受とは異なる成分で制御し、ＱＰ（Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）法と呼ばれる新しいプロセスを適用することが効果的であるということを導出することができた。

すなわち、ＱＰ法とは、特許文献１で初めて提案されたもので、焼き入れた後に分配（Ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）処理をする方法のことを言う。分配処理は、焼き入れて内部にマルテンサイトと残留オステナイトを含む鋼を、低温で加熱して維持することで、マルテンサイト内に存在する炭素が炭化物を形成せず残留オステナイトの中に拡散され、残留オステナイトを低温でより安定させる方法のことを言う。図１は上記ＱＴ処理（ａ）とＱＰ処理（ｂ）を比較したものである。図面におけるＭｓとＭｆは、それぞれマルテンサイトの変態開始温度と変態終了温度を意味する。図面でも分かるように、ＱＰ処理では残留オステナイトの残留が必須であるため、上記焼き入れ温度はＭｓとＭｆの間であることがより好ましい。

従って、上記分配処理によると、内部に炭化物が実質的に存在しないマルテンサイトと安定した残留オステナイトが形成される。

しかし、上記のように公知のＱＰ処理をすぐに軸受鋼に適用することはできない。すなわち、軸受鋼の場合は、内部に炭素が多量含まれており、これを分配処理温度で処理しても炭素が残留オステナイトに拡散できず、マルテンサイト内部に析出される可能性が大きいため、残留オステナイトを安定化する本来の目的が達成できないという問題がある。

従って、分配処理時に、残留オステナイトに炭素が容易に拡散し、安定した残留オステナイトが形成できるように鋼の組成を変更する必要がある。それで本発明者らは、このような小課題を解決するためには、鋼中に含まれる炭素の含量を０．５０〜１．２０重量％にすると共に、ケイ素の含量を従来から広く使用されていた１００Ｃｒ６（ＳＡＥ５２１００＝ＪＩＳ−ＳＵＪ２）軸受に含まれた含量より著しく高い含量である１．０〜２．０重量％に成分変更することが、分配過程で炭素が残留オステナイトに拡散するのに効果的であるということが分かった。

すなわち、ケイ素は、炭素と同様に周期律表の第４族に属する元素で、炭素と位置競争をする元素である。従って、ケイ素の含量が高いと、炭素が熱力学的に非常に不安になるため、マルテンサイトから炭素に対する固溶度がより高い残留オステナイトに拡散するようになる。その結果、残留オステナイトはより安定化されて本発明で意図する効果を奏することができる。以下、炭素とケイ素の含量を上記のように制限した理由をさらに具体的に説明する。

Ｃ：０．５０〜１．２０重量％
炭素は、軸受の強度を確保する非常に重要な元素である上、本発明では残留オステナイトを安定化させるのに必須の元素である。若し、炭素の含量が低いと、軸受の強度と疲労強度が低くて軸受部品として不適合であるため、炭素の含量は０．５０重量％以上であることが好ましい。一方、炭素の含量が高すぎると、未溶解の巨大炭化物が残存し、疲労強度を低下させるだけでなく、焼き入れる前の加工性が落ちるため、上記炭素含量の上限は１．２０重量％とする。上記範囲において、より好ましい軸受鋼の組成は、二つのパターンに分かれることもあり、その中の１つは従来の１００Ｃｒ６（ＳＡＥ５２１００＝ＪＩＳ−ＳＵＪ２）鋼に分類される高炭素軸受鋼の炭素と類似する炭素含量を有する鋼で、上記鋼の中には炭素が約０．９５〜１．０５重量％の範囲で含まれる。他の１つは炭素含量が０．５〜０．７重量％で、比較的に低い範囲の中炭素軸受鋼の炭素含量と類似する範囲の炭素含量を有する。

Ｓｉ：１．０〜２．０重量％
ケイ素は、上述のように従来の軸受では具現しにくかった分配処理を可能にするために、１．０重量％以上添加されることが好ましい。但し、ケイ素の含量が高すぎると、炭素との位置競争の反応により脱炭が起きる恐れがあり、Ｃと同様に、焼き入れる前の加工性が落ちるため、上記ケイ素の含量は２．０重量％を上限とする。

すなわち、本発明の軸受及びこれを製造するための線材は、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含む成分から成る。ここで‘含む’という用語は、上記元素のみから成るのではなく、上記元素以外の他の元素を一緒に含むことができるという開放された意味を有し、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、従来に数多く提供された軸受鋼の組成と規格、そして、技術分野で提供されていた通常の知識から上記元素以外に含まれることができる元素を容易に選択し、鋼の組成に含ませることができる。

但し、これに対する１つの例として、上記軸受または鋼線材は、下記の成分を１種または２種以上をさらに含むことがより好ましい。以下、追加可能な成分に対して説明する。

Ｍｎ：０．２０〜１．００重量％
マンガンは、鋼の焼き入れ性を改善し強度を確保するのに重要な元素である。従って、上記Ｍｎは０．２０重量％以上含まれることが好ましい。但し、マンガンの含量が高すぎると、焼き入れる前の加工性が落ちるため、上記マンガンの含量は１．００重量％以下にする。上記添加理由を考慮したさらに好ましいマンガンの含量は０．２５〜０．４５重量％である。

Ｃｒ：０．１０〜１．６０重量％
クロムは、鋼の焼き入れ性を改善し硬化能を付与し、鋼の組職を微細化するのに効果的な元素であるため、０．１０重量％以上添加することが好ましく、効果をより極大化するためには１．３０重量％以上添加することがより好ましい。しかし、クロムの含量が高すぎると、その効果が飽和するため、上記クロムの含量は１．６０重量％以下にする。

Ａｌ：０．１重量％以下
アルミニウムは、鋼の溶剤時に強力な脱酸剤として作用し、鋼を清浄化する効果を有し、鋼中の窒素と化合物を形成して結晶粒を微細化する元素であるため、含有されていてもよい。しかし、０．１重量％以上添加した場合は、鋼の清浄化作用が却って低下する上、疲労寿命も低下するため、上記アルミニウムの含量は０．１重量％以下にする。上記Ａｌは添加されないこともあるため、アルミニウムの含量の下限は特に決める必要はない。

Ｎｉ：１．０重量％以下
ニッケルは、鋼の焼き入れ性を向上させ、焼き入れた部分の靱性を向上させる元素であり、１．０重量％を上限として添加する。特に、銅の添加時には熱間脆化を抑制するために、ニッケルをＣｕ添加量の１／２以上添加することが好ましい。上記ニッケルも添加されないこともあるため、ニッケル含量の下限を特に決める必要はない。

Ｃｕ：１．０重量％以下
銅は、焼き入れ性を向上させ、焼き入れた部分の硬度を高める効果があるために添加し、１．０重量％以上添加すると、その効果が飽和するため、１．０重量％以下で添加する。上記銅も添加されないこともあるため、銅の含量の下限を特に決める必要がない。

また、軸受及びこれを製造するためには、不可避に不純物が含まれることもある。上記不純物の量は軸受の量に大きな悪影響を及ぼさない程度までは含まれてもよく、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、容易にその量を制限し、その範囲に合うように精錬し、不純物の含量が制御された軸受用線材及び軸受を製造することができる。但し、その中でも、特に、リン（Ｐ）と硫黄（Ｓ）、酸素（Ｔｏｔ．Ｏ）及びチタニウム（Ｔｉ）は軸受の物性に及ぶ影響が大きいので、より好ましい含量に対して特別に説明する。

Ｐ：０．０２５重量％以下
リンは、結晶粒界に偏析されて鋼材の靱性を低下させる元素である。従って、その含量を積極的に制限することがより好ましい。但し、製鋼過程などの負荷を考慮すると、その含量を０．０２５重量％以下に制限することが好ましく、０．０２重量％以下にすることがより好ましい。

Ｓ：０．０２５重量％以下
硫黄は、鋼の被削性を高める作用をするが、リンと同様に、粒界に偏析されて靱性を低下させる上、マンガンと結合して硫化物を形成し、疲労寿命を低下させるという悪影響を及ぼすため、その含量を制限することが好ましい。製鋼過程などの負荷を考慮すると、その含量を０．０２５重量％以下にすることが好ましく、０．０２重量％以下にすることがより好ましい。

Ｏ：１２ｐｐｍ以下
酸素は、酸化性介在物の指標で、軸受の疲労強度に影響を及ぼす。すなわち、鋼中の酸素の含量が高いと、酸化性介在物が多量分布されて軸受の疲労強度を減少させるという悪影響を及ぼす。従って、上記酸素は、酸素／窒素分析機によるＴｏｔ．Ｏの基準で１２ｐｐｍ以下含まれることが好ましい。

Ｔｉ：０．０１重量％以下
チタニウムは、窒素と結合して粗大な窒化物を形成し、疲労寿命を低下させるため、その含量を０．０１重量％以下に厳しく制限した方が良い。

上述した組成の本発明の軸受鋼は、以後軸受に加工してから、後述する焼き入れ−分配熱処理を行うと、内部に存在する残留オステナイトが充分に安定化できる程度に炭素の分配が適切に行われることで、軸受の使用時に、塑性誘起変態過程により残留オステナイトがマルテンサイトに変態してしまうという問題を解決することができるという有利な効果がある。

本発明のさらに他の一側面は、上述の組成を有する軸受形状の部品をオステナイト化した後、急冷する焼き入れ過程を行ってから、分配熱処理を行う過程から成る。焼き入れ過程は、本発明が属する技術分野で通常に知られているものと類似する。上記焼き入れは、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）以下の温度まで材料を急冷（水冷または油冷）する必要があり、上記マルテンサイト変態開始温度としては、次のような式を用いることができる。

［式１］Ｍｓ（℃）＝５１２−４５３Ｃ−１６．９Ｎｉ＋１５Ｃｒ−９．５Ｍｏ＋２１７（Ｃ）^２−７１．５（Ｃ）（Ｍｎ）−６７．６（Ｃ）（Ｃｒ）

ここで、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎなどは、各該当元素の重量％を意味する。

その後、分配熱処理過程は本発明の軸受鋼の組成上の特性を深く考慮して決めなければならない。すなわち、本発明はＳｉ含量を通常の軸受より高くし、ＳｉによるＣの拡散を助長することで、マルテンサイト内に多量に存在していたＣが残留オステナイトに拡散できるようにする条件を具備する必要がある。このとき、分配熱処理温度を精密に制御できないと、マルテンサイト組職と残留オステナイト組職の間のＣ分配が本発明で意図したようにならない。それにより、残留オステナイトが確実に安定化しにく状況になるため、分配熱処理温度を定義する必要がある。

Ｃの分配が確実に行われるためには、Ｓｉが自分の位置を維持し、上記Ｓｉにより不安定化されたＣが拡散されるようにすることが有利であるため、Ｓｉは拡散されず、Ｃは拡散されるようにすることがよい。従って、Ｓｉの拡散が起きない範囲で、Ｃを最大限拡散させる必要があるため、上記分配熱処理温度はＭｓ−１００℃〜Ｍｓ間の範囲であることが好ましい。但し、上記Ｍｓ−１００℃の温度が鋼の組成により低すぎると、炭素の拡散速度が遅くて拡散に多くの時間が必要となる恐れがあるため、上記分配処理温度の下限を１００℃にすることがより好ましい。

従って、本発明の焼き入れ−分配熱処理は、軸受形状の部品を焼き入れた後、再びＭｓ−１００℃〜Ｍｓの間の温度で加熱して一定時間維持する方式で行われる。このとき、上記分配処理時間としては、炭素の拡散が起きる十分な時間で、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、過度な繰り返し実験なしに容易に導出することができるため、本発明で特に限定する必要がない。但し、１つのガイドラインを提示するなら、約１０分以上の時間であれば、十分である。分配処理時間の上限を特に決める必要はないが、生産性の低下の問題などを考慮すると、約３０分以下にすることが好ましい。

従って、本発明の一側面による軸受熱処理方法は、上述した本発明の有利な組成を有し、軸受形状に加工された部品を焼き入れ処理する段階と、上記維持された部品をＭｓ−１００℃〜Ｍｓの温度で１０分以上分配処理する段階から成る。

本発明のより好ましいさらに他の一具現例によると、本発明の合金組成により適合しながら、独特な焼き入れ分配過程が提供される。以下では、その過程についてより詳細に説明する。

上述したように、焼き入れ過程は通常の焼き入れ過程と類似する。但し、その後の分配熱処理過程は、上述した本発明の一側面による過程または特許文献１に記載されたものとは異なり、本発明の一側面は軸受鋼の熱処理の後、硬度と靱性を確保するために下記のような独特な過程を提供する。

すなわち、本発明の一側面では、焼き入れ処理後に、すぐ分配熱処理を行うのではなく、焼き入れ処理をした軸受を一定時間以上維持させる過程が必要である。すなわち、本発明は、材料に対する焼き入れ−維持−分配処理をすることを工程上のもう一つの特徴とする。本発明で‘維持’とは、加熱しないで焼き入れ終了温度のまま試片を維持することを意味する。

本発明の発明者らの研究結果によると、焼き入れた試片を維持することは残留オステナイトを安定化させるのに非常に効果的な過程である。すなわち、焼き入れた直後の試片は、表面と中心部の間に温度差が生じるが、このような試片をすぐに昇温すると、組職が不均一になる恐れがある。従って、これを防止するために焼き入れた後に、ある程度の時間の間維持する過程が必要である。上記焼き入れた後の維持時間は１分以上であることが好ましい。また、上記焼き入れた後、試片を続けて維持しても差し支えないため、焼き入れ後の維持時間の上限を特に制限する必要はない。但し、過度の時間維持すると、生産性に問題が生じ得るため、これを考慮し、上記維持時間を３０分以下にすることがより好ましい。

焼き入れてから軸受を維持した後には、分配処理をすることが好ましい。本発明では、上述のように上記分配処理温度をＭｓ−１００℃〜Ｍｓの温度に限定する。上記分配処理温度が低すぎると、本発明で意図する分配処理の効果を得ることが困難であるため、上記分配処理温度はＭｓ−１００℃以上であることが好ましい。但し、上記Ｍｓ−１００℃の温度が鋼の組成により過度に低い場合は、炭素の拡散速度が遅くて拡散に多くの時間が必要となる恐れがあるため、上記分配処理温度の下限を１００℃にすることがより好ましい。一方、分配処理温度が高すぎると、焼き戻し脆化（ｔｅｍｐｅｒ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）が発生する恐れがあり、また、分配処理により炭素のみがオステナイト領域に拡散されなければならないが、却ってシリコンが逆拡散されてしまう恐れがあるため、好ましくない。従って、上記分配処理温度はＭｓ温度以下に限定することが好ましい。

十分な分配処理効果を得るためには、上記分配処理は１０分以上行うことが好ましい。分配処理はマルテンサイトに固溶されていた炭素を残留オステナイトの方に拡散させる一方的な過程であるため、その処理時間が長くても特に問題になることはない。従って、処理時間の上限を特に決める必要はない。但し、分配処理時間を長くすると、生産性が低下する恐れがあり、約３０分程度分配処理すると、それ以上大きな効果の向上はないため、その時間を３０分以下にすることがより好ましい。このような分配処理に要求される時間は、従来のＱＴ法で焼き戻し処理に要求される時間に比べて著しく短い時間であり、生産性の向上に大きく寄与できる。

従って、本発明のさらに他の一側面による軸受熱処理方法は、上述した本発明の有利な組成を有し、軸受形状に加工された部品を焼き入れる段階と、上記焼き入れ処理をした軸受部品を１分以上維持する段階と、上記維持された部品をＭｓ−１００℃〜Ｍｓの温度で１０分以上分配処理する段階から成る。

従来のＱＴ処理方法により製造された軸受は、内部に焼き戻されたマルテンサイトと炭化物が形成された形態の組職を有するが、本発明の各側面により製造された軸受は、内部にマルテンサイトと残留オステナイトが存在する組職を有する。

また、本発明により製造された軸受鋼の内部に存在する残留オステナイトの割合は、面積分率で５〜１５％であることが好ましい。上記残留オステナイトは、上述のように軸受の靱性を向上させるのに必須な組職であるので、その割合が５％以上であることが好ましい。但し、残留オステナイトの割合が高すぎると、炭素が分散されて拡散するため、残留オステナイトの安定化が不十分であり得る。それにより残留オステナイトのうち一部がマルテンサイトに変態してしまう恐れがある。このような場合、軸受の寸法精度が酷く損なわれる恐れがあり、不良の寸法精度によって軸受が使用中に、破損してしまう恐れがある。従って、上記残留オステナイトの割合の上限は１５％に決めることが好ましい。

また、本発明の軸受は、従来のＱＴ法により製造された軸受とは異なり、マルテンサイトの内部に炭化物が実質的に形成されない組職を有することが好ましい。但し、後述するように製造された線材は伸線と球状化熱処理を経るが、上記球状化熱処理により生成された炭化物はマルテンサイトの内部に一部生成されることもあるため、これは別論とする。上記球状化熱処理による炭化物は、粒度が約０．５μｍ以上、好ましくは２μｍ以下であり、通常の焼き入れ−焼き戻し処理による超微細炭化物とは容易く区別される。すなわち、焼き入れ−焼き戻し処理による炭化物は、光学顕微鏡では探索が不可能で、電子顕微鏡を利用してこそ確認できる程度の微細炭化物であるが、球状化熱処理による炭化物は相対的に粗大な炭化物であり、区別が容易である。球状化熱処理による炭化物は、靱性に大きな悪影響を及ぼさず、却って耐摩耗性を向上させる役割もし、存在しても差し支えない。

上記のような有利な特徴を有する本発明の軸受は、軸受鋼用線材を通常の方法で伸線及び球状化熱処理を経て製造する軸受形状に加工された後、軸受熱処理に提供することが好ましい。そのため、本発明の軸受鋼線材は、焼き入れ−分配処理時に炭素の分配により残留オステナイトが安定化されるのに有利な上述の軸受鋼の組成を有する必要がある。より具体的には、炭素：０．５０〜１．２０重量％とケイ素：１．０〜２．０重量％を含むことを特徴とする。残りの追加的な成分と不純物の特徴については既に説明した。

このとき、上記軸受鋼用線材は、鋳片に対して均熱拡散処理をした後、鋼片を圧延する通常の圧延過程を経た後、後続する伸線及び球状化熱処理に適合する物性を有するように１℃／秒以下の冷却速度で極徐冷する過程により製造されることがより好ましい。それは上記極徐冷過程により素材の延性が向上し伸線が容易になるためである。

また、上記のように線材を製造するために提供される鋳片は、鋳造中に発生した内部偏析により均熱拡散処理されることが好ましいが、現在まで、上記のような新しい成分系に対する均熱拡散処理方法は提案されていない。従って、本発明のさらに他の一側面は、以下で説明するように、上記成分系に対する詳しい均熱拡散処理方法を提供する。均熱拡散処理では、特に、処理温度と処理時間が重要な条件であるため、それに対して説明する。

処理温度：１１９０〜１２５０℃
本発明で提案する成分系で炭素を容易に拡散させるためには、処理温度は１１９０℃以上にならなければならない。処理温度が低いと、鋳片の中心に位置する巨大炭化物が完全に溶解及び拡散されにくいため、好ましくない。逆に、処理温度が高すぎると、エネルギーを不必要に消耗する上、鋳片の表面で脱炭が起こり、脱炭の起こった部分は硬度が足らず軸受として使用するのには困難であり、このような部分を除去するホットスカーフィング作業が必要となり、工程上に負荷がかかり、素材の損失が発生するなどの問題が生じ得る。従って、処理温度の上限は１２５０℃とする。

処理時間：１時間以上
処理時間も偏析された成分の拡散に大きく影響を及ぼす因子である。十分な拡散を誘導するためには、上記処理時間を１時間以上維持する必要がある。より好ましくは、上記処理時間を１．５時間以上維持する必要がある。但し、処理時間を長くしても均熱拡散処理の効率が減少することはないため、処理時間の上限は特に決める必要がない。但し、素材の脱炭と処理費用などを考慮して上記処理時間の上限は６時間にすることが好ましい。

従って、本発明の一側面による軸受用鋼の鋳片の均熱拡散熱処理方法は、１１９０〜１２５０℃の温度で１時間以上行うことを特徴とする。

以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。但し、下記する実施例は本発明を例示し具体化するためのものであり、本発明の権利範囲を制限するためのものではないという点に留意する必要がある。本発明の権利範囲は特許請求の範囲に記載の事項とこれにより合理的に類推できる事項により決まる。

（実施例）
軸受組成の影響の観察
成分の影響による分配効果を観察するために、下記の表１のような組成を有する軸受状部品を用意した。表に記載されていない成分はトレーサー（ｔｒａｃｅｒ）程度しか含まれず、大きな影響は及ぼさないことを意味する。

上記各組成の軸受のうち高炭素鋼軸受の組成である比較鋼１、発明鋼１〜発明鋼４に対しては、８４０℃で３０分間加熱した後、７０℃の温度に急冷してから５分間維持し、再び上記数学式１で導出されたＭｓを基準にＭｓ−１０℃の温度で１０分維持して軸受を製造した。各高炭素軸受に対する焼き入れ−分配処理の効果と焼き入れ−焼き戻し（ＱＴ）処理の効果を比較するために、焼き入れ−焼き戻し処理も共に行った。焼き入れ処理は同様の方式で行うが、加熱するとき、１８０℃の温度に昇温して３０分間維持することで、焼き戻されるようにした。

また、中炭素鋼軸受の組成である比較鋼２及び発明鋼５〜発明鋼８に対しては、９００℃で３０分間加熱した後、１５０℃に急冷してから１０分間維持し、再び２５０℃で１０分間維持して軸受を製造した。各中炭素鋼軸受に対する焼き入れ−分配（ＱＰ）処理の効果と焼き入れ−焼き戻し（ＱＴ）処理の効果を比較するために、焼き入れ−焼き戻し処理も共に行った。焼き入れ処理は同様の方式で行うが、加熱時、２６０℃の温度に昇温して１０分間維持することで、焼き戻されるようにした。

上記過程により製造された軸受の硬度と残留オステナイトの割合を測定した結果を表２に示した。

上記表１で分かるように、シリコン含量が相対的に低くて本発明で規定する範囲に属さない比較鋼１、２は、焼き入れ−分配処理をしても残留オステナイトの分率が４％未満で、通常、最小６．８７％である発明鋼に比べて残留オステナイトの分率が低いことが分かる。残留オステナイトの分率が４％未満の場合は、残留オステナイトに拡散する炭素量が不十分で、それにより軸受の靱性が不良となる。

また、比較鋼１、２の硬度は、それぞれ類似する炭素含量を有する発明鋼１〜発明鋼４及び発明鋼５〜発明鋼８に比べて低いことが分かる。これにより、Ｓｉ含量が十分でないと、所望の硬度を得ることが困難であるということが分かる。

その上、同じ成分系を有しても、焼き入れ−焼き戻し処理をするより焼き入れ−分配処理をする場合が遥かに高い硬度と残留オステナイト含量を有することを確認することができた。

また、図２と図３は、それぞれ発明鋼２と発明鋼７に対して焼き入れ−焼き戻し処理をした場合（ａ）と焼き入れ−分配処理をした場合（ｂ）を比較したものであり、図面でも分かるように、（ｂ）の場合に比べて（ａ）の場合が残留オステナイトの割合が遥かに不足していることが分かる。

焼き入れた後の維持時間の効果の観察
発明例
Ｆｅ−０．９７２％Ｃ−１．７１％Ｓｉ−０．３４９％Ｍｎ−０．０１９％Ｐ−０．００９％Ｓ−０．０３２％Ａｌ−１．４６Ｃｒ−０．０５１Ｎｉ−０．００９Ｃｕ−０．００５Ｔｉ−０．０００９Ｏ（酸素）の成分を有する鋼線材を伸線及び球状化熱処理した後軸受形状に加工した。

これを８４０℃で３０分間加熱した後、Ｍｓ温度より低い１００℃の油に急冷してマルテンサイトの微細組職を得る焼き入れ処理を行った。その後、５分間維持した後、１５０℃の温度に昇温して１０分間維持し発明例の軸受を製造した。

従来例
上記発明例と同様の方式で焼き入れた後、１８０℃の温度で１時間維持する方式で焼き戻し処理を行い従来例の軸受を製造した。

組職比較
上記発明例と従来例により得られた軸受の内部組職を図５に示した。図５の顕微鏡写真でも分かるように、従来例（図５の（ａ））により得られた軸受は、内部に焼き戻されたマルテンサイトが主な組職として成っており、炭化物が上記焼き戻されたマルテンサイト内に分布していることが分かる。しかし、本発明による発明例（図５の（ｂ））はマルテンサイトと残留オステナイトからなっており、炭化物がほとんど存在しないことが分かる。また、従来例と本発明による発明例の残留オステナイトの分率を比較した結果、従来例の残留オステナイトの割合は０．６４％程度に過ぎなかったが、発明例の残留オステナイトの割合は８．０％であり、本発明で定義する残留オステナイトの割合を満たしていることが分かった。

硬度
従来例と発明例の硬度を比較した。従来例の場合は硬度が６０．２ＨＲＣであるが、発明例の場合は硬度が６２ＨＲＣ水準で、発明例を従来例と比較すると、同等以上の優れた硬度を有していることを確認することができた。

従って、本発明による方法で軸受を製造すると、高い硬度値により軸受鋼の転がり疲労寿命も向上すると判断される。

均熱拡散処理効果の観察
Ｆｅ−０．９７２％Ｃ−１．７１％Ｓｉ−０．３４９％Ｍｎ−０．０１９％Ｐ−０．００９％Ｓ−０．０３２％Ａｌ−１．４６Ｃｒ−０．０５１Ｎｉ−０．００９Ｃｕ−０．００５Ｔｉ−０．０００９Ｏのタンディッシュ成分を有し、連続鋳造方式で鋳造された３００ｍｍ×４００ｍｍ大きさの断面を有する鋳片の中心部から２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍ大きさの試片を採取した。図６に上記鋳片の内部に巨大炭化物が形成されたことを撮影した顕微鏡写真を示した。

上記採取した鋳片に対して表３に記載のようなさまざまな温度と維持時間で均熱拡散処理を行い、鋳片の断面を観察して巨大炭化物が完全に除去されたか否かを観察し、その結果も表３に示した。表において、×と表示したものは巨大炭化物が完全に除去されず、残存している場合を、○と表示したものは炭化物が完全に除去された場合を意味する。

表で分かるように、０．５時間均熱拡散処理した場合は、その温度に関わらず炭化物を完全に除去することができないことが分かった。しかし、１時間均熱拡散熱処理した場合は、熱処理温度が１１９０℃及び１２００℃の場合は巨大炭化物が多少残存し、完全な均熱拡散処理の効果を得ることができなかったが、残りの温度では微細な炭化物が僅かに残存しているだけで、巨大炭化物はほとんど存在せず、十分な処理効果を得ることができることを確認することができた。

また、処理時間が１．５時間を経過してからは、本発明で規定する１１９０℃以上の温度では巨大炭化物が全て除去されたことを確認することができた。

これを裏付ける結果として、表１に記載された条件のうち一部の処理温度及び処理時間による試片の顕微鏡写真を図７に示した。図７の（ａ）と図７の（ｂ）はそれぞれ１２００℃と１２２５℃で、０．５時間処理した結果であり、巨大炭化物がほとんど除去されなかったことを確認することができる。しかし、図７の（ｃ）は１２００℃で、１．５時間処理した結果であり、巨大炭化物は大部分除去され、微細な炭化物だけが一部残存していることを確認することができた。このような微細な炭化物は、巨大炭化物に比べて軸受の疲労寿命に及ぼす悪影響が非常に少ない。図７の（ｄ）は１２２５℃で、１時間処理した結果であり、ここでも良好に巨大炭化物が除去されたことを確認することができる。従って、本発明の有利な効果を確認することができた。

Claims (5)

1. 炭素：０．５０〜１．２０重量％、ケイ素：１．０〜２．０重量％、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％を含み残部鉄及び不可避的不純物より成る軸受形状の鋼部品を焼き入れる段階と、
   前記焼き入れた部品を前記焼き入れる段階の終了後加熱しないまま１分以上１０分以下維持する段階と、
   前記焼き入れた部品をＭｓ−１００℃〜Ｍｓの温度で１０分以上かつ３０分以下分配処理する段階と、
   を含み、
   前記分配処理する段階後、内部組織がマルテンサイトと残留オーステナイトから成り、前記残留オーステナイトは、面積分率で５〜１５％含まれ、前記内部組織は、炭化物を含まないか又は球状化処理による炭化物のみを含むことを特徴とする軸受の熱処理方法。
2. 前記軸受形状の鋼部品は、アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の軸受の熱処理方法。
3. 前記軸受形状の鋼部品は、不純物としてＰとＳをそれぞれ０．０２５重量％以下で含むことを特徴とする請求項１に記載の軸受の熱処理方法。
4. 炭素：０．５０〜１．２０重量％、ケイ素：１．０〜２．０重量％、マンガン：０．２０〜１．００重量％、クロム：１．３０〜１．６０重量％を含み残部鉄及び不可避的不純物より成り、内部組職がマルテンサイトと残留オーステナイトから成り、前記残留オーステナイトは、面積分率で５〜１５％含まれ、前記内部組職は、炭化物を含まないか又は球状化処理による炭化物のみを含むことを特徴とする軸受。
5. アルミニウム：０．１重量％以下、ニッケル：１．０重量％以下及び銅：１．０重量％以下の中から選択される１種または２種以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の軸受。

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