KR20150067358A - 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법 - Google Patents

베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

베어링 부품인 외륜(11), 내륜(12), 볼(13)은, 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강으로 이루어지고, 다른 부품과 구름 접촉하는 면인 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)부터 깊이 20㎛ 이내의 영역인 표층 영역(11B, 12B, 13B)에서의 평균 질소 농도가 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하이고, 표층 영역(11B, 12B, 13B)에는, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재한다.

Description

베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법{BEARING ELEMENT, ROLLING BEARING AND PROCESS FOR PRODUCING BEARING ELEMENT}
본 발명은 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법에 관한 것으로서 보다 특정적으로는, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법에 관한 것이다.
베어링 부품의 내구성을 향상시키는 방책으로서, 소입(quenching) 처리에 앞서서 베어링 부품의 표층부에 탄소 및 질소를 도입하는 침탄 질화 처리가 알려져 있다. (예를 들면 일본 특개평5-118336호 공보(특허 문헌 1), 일본 특개2012-31456호 공보(특허 문헌 2) 참조). 이 침탄질화 처리에 의해, 구름베어링의 전동 피로 수명, 특히 구름베어링 내에 경질의 이물이 침입하는 환경(이물 침입 환경)에서의 수명이 개선되는 것이 알려져 있다. 침탄질화 처리는, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 분위기 중에서 강으로 이루어지는 베어링 부품을 A1 변태점 이상의 온도 영역으로 가열하여, 베어링 부품의 표층부에 탄소를 침입시켜, 또는 표층부의 탈탄을 억제하면서, 표층부에 질소를 침입시키는 처리이다.
이 침탄질화 처리에 관해서는, 이하의 식(1)에 의해 정의되는 ac* 및 식(2)에 의해 정의되는 α를 적절한 범위로 조정함에 의해, 표층부의 탄소 농도를 적절한 레벨로 유지함과 함께, 질소 침입 속도를 향상시켜, 침탄질화 처리의 효율화를 도모하는 것이 제안되어 있다(예를 들면 일본 특개2007-277648호 공보(특허 문헌 3) 참조).
[수 1]
Figure pct00001
특허 문헌 1 : 일본 특개평5-118336호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특개2012-31456호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특개2007-277648호 공보
그러나, 상술한 바와 같은 침탄질화 처리를 베어링 부품에 실시한 경우에도, 사용 환경에 따라서는 내구성이 부족한 경우가 있다는 문제가 있다. 또한, 침탄질화 처리의 채용에 의해, 경년 치수 변화율이 커져서, 베어링 부품의 치수 안정성이 저하되는 것이 문제가 되는 경우도 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 내구성의 향상과 치수 안정성의 향상을 양립하는 것이 가능한 베어링 부품을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 베어링 부품은, 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강(鋼)으로 이루어지고, 다른 부품과 구름 접촉하는 면인 접촉면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역인 표층 영역에서의 평균 질소 농도가 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하이고, 표층 영역에는, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물(탄질화물을 포함하다)이 100㎛2당 5개 이상 존재한다.
본 발명자는, 베어링 부품에 침탄질화 처리를 시행한 경우에도 내구성이 부족하다는 현상의 원인을 상세히 검토하였다. 그 결과, 이하와 같은 지견을 얻어, 본 발명에 이르게 되었다.
베어링 부품의 표층 영역(접촉면부터의 깊이가 20㎛ 이하인 영역)에 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재하는 상태로 함에 의해, 당해 탄화물의 석출 강화에 의해 베어링 부품의 정적 부하 용량이 향상한다. 여기서, 표층 영역에 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재하는 상태란, 베어링 부품의 접촉면에 수직한 단면으로 베어링 부품을 절단하고, 얻어진 단면의 표층 영역을 현미경으로 관찰한 경우에 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 확인되는 상태를 말한다. 또한, 표층 영역의 평균 질소 농도를 0.2질량% 이상으로 함에 의해, 베어링 부품의, 이물 혼입 환경에서의 내구성(수명) 및 청정유 윤활 환경에서의 내구성이 충분히 향상한다.
그러나, 상기 강과 같이 비교적 크롬을 많이 포함하는 강에 질소를 침입시킨 경우, 질소가 침입한 영역의 탄소의 고용한(solid solubility limit)이 커진다. 그 결과, 탄화물이 감소하고, 경우에 따라서는 소실한다. 또한, 표층 영역의 질소 농도가 0.7질량%를 초과하면, 표층 영역의 소입성이 저하되어 불완전 소입 조직이 형성되기 쉬워진다. 이와 같은 문제를 해소하기 위해서는, 침탄질화 처리의 후에 확산 처리를 실시하는 것이 유효하다. 그렇지만, 전혀 대책을 강구하는 일 없게 확산 처리를 실시하면, 표층 영역에서 질소의 이탈이 발생하여 질소 농도가 저하되고, 베어링 부품의 표면 부근에 내부에 비하여 질소 농도가 높은 질소 부화층(nitrogen-rich layer)이 형성되어 있음에도 불구하고, 내구성에 크게 영향을 주는 표층 영역의 질소 농도가 불충분하게 되고, 이것이 베어링 부품의 내구성 향상을 방해하고 있는 것이 분명해졌다. 즉, 베어링 부품에 침탄질화 처리를 행하여 질소 부화층을 형성한 경우, 질소량 과다에 기인하는 불완전 소입 조직의 형성이나, 탄화물의 감소, 소실이 일어난다. 확산 처리가 실시되어 질소량 과다가 해소된 경우에는, 질소 부화층이 형성되어 있음에도 불구하고, 표층 영역의 질소 농도가 불충분하게 된다. 본 발명자는, 이와 같은 현상이 베어링 부품의 내구성 향상을 방해하고 있음을 발견하고, 이것을 해소함에 의해 베어링 부품의 내구성 향상을 달성하였다.
본 발명의 베어링 부품에서는, 표층 영역(다른 부품과 구름 접촉하는 면인 접촉면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역)에, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재하도록 함에 의해, 베어링 부품의 정적 부하 용량을 충분히 확보하고 있다. 그리고, 당해 표층 영역의 평균 질소 농도를 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하로 함에 의해, 질소 침입에 의한 내구성의 향상과, 질소 침입에 의한 불완전 소입 조직의 형성 회피를 양립하고 있다. 표층 영역에 도입한 질소를 표면에서 이탈시키지 않도록 함으로써, 상기 특징은 달성할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 베어링 부품에 의하면, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 「접촉면」이란, 궤도륜 등의 궤도 부재에서의 전주면(raceway surface), 볼이나 롤러 등의 전동체의 전동면(볼 표면, 롤러의 외주면)을 의미한다.
여기서, 상기 베어링 부품을 구성하는 강의 성분 조성을 상기 범위로 설정한 이유에 관해 설명한다.
탄소 : 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하
탄소 함유량은, 소입 경화 후에 있어서의 베어링 부품의 경도 및 탄화물량에 큰 영향을 준다. 강의 탄소 함유량을 0.95질량% 이상으로 함에 의해, 열처리에 의해 강 중에 많은 탄소를 도입하는 일 없고, 충분한 경도 및 탄화물량을 달성할 수 있다. 한편, 탄소 함유량이 1.10질량%를 초과하면, 강의 제조 시점에서 대형의 탄화물이 형성되고, 이것이 베어링 부품의 내구성에 악영향을 미칠 우려가 있다. 그 때문에, 탄소 함유량은 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하로 하였다.
규소 : 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만
규소는, 강의 소려(Tempering) 연화 저항의 향상에 기여한다. 규소 함유량이 0.05질량% 미만에서는, 소려 연화 저항이 불충분하게 되고, 소입 경화 후의 소려나, 베어링 부품의 사용 중에서의 온도 상승에 의해 접촉면의 경도가 허용 범위를 초과하여 저하될 가능성이 있다. 한편, 규소 함유량이 0.3질량% 이상이 되면, 소입 전의 소재의 경도가 높아져서, 소재를 베어링 부품으로 성형할 때의 냉간 가공에서의 가공성이 저하된다. 그 때문에, 규소 함유량은 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만으로 하였다. 또한, 규소는, 베어링 부품의 수소 취성 박리를 조장한다. 그 때문에, 규소 함유량의 하한치는, 가장 일반적인 베어링용 강인 JIS 규격 SUJ2보다도 낮게 설정하고 있다. 즉, 수소 취성 박리의 억제를 중시하는 경우, 규소 함유량은 SUJ2보다도 낮은 0.15질량% 미만으로 할 수 있다.
망간 : 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하
망간은, 강의 소입성의 향상에 기여한다. 망간 함유량이 0.10질량% 미만에서는, 이 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, 망간 함유량이 0.50질량%를 초과하면, 소입 전의 소재의 경도가 높아져서, 냉간 가공에서의 가공성이 저하된다. 그 때문에, 망간 함유량은 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하로 하였다.
크롬 : 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하
크롬은, 강의 소입성의 향상 및 베어링 부품의 전동 피로 수명의 개선에 기여한다. 크롬 함유량이 1.30질량% 미만에서는, 이 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, 크롬 함유량이 2.00질량%를 초과하면, 소재 비용이 높아진다는 문제가 생긴다. 그 때문에, 크롬 함유량은 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하로 하였다. 또한, 수소 취성 박리의 대책으로서 규소 함유량을 저감한 경우, 강의 소입성이 불충분하게 될 우려가 있다. 이 소입성의 부족은, 크롬 첨가량의 증가로 보충할 수 있다. 그 때문에, 크롬 함유량의 상한치는, 가장 일반적인 베어링용 강인 JIS 규격 SUJ2보다도 높게 설정하고 있다. 특히, 수소취성박리(hydrogen embrittlement peeling)의 억제를 중시하여 규소 함유량을 SUJ2보다도 낮은 0.15질량% 미만으로 한 경우, 크롬 함유량은 SUJ2보다도 높은 1.60질량%를 초과하는 것으로 할 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 표면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역 전역에서 평균 질소 농도가 0.7질량% 이하이다.
이와 같이 함에 의해, 베어링 부품의 접촉면 뿐만 아니라, 접촉면 이외의 영역, 예를 들면 오목면부 등, 질소 부화층 형성 후에 연삭 가공되지 않는 영역에서도 불완전 소입 조직의 형성이 억제된다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 접촉면의 경도는 700HV 이상이다. 이에 의해, 엄한 환경에서 사용되는 베어링 부품에 대해서도, 충분한 정적 부하 용량을 부여할 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 접촉면에서의 잔류 오스테나이트량(量)이 20체적% 이상 35체적% 이하이다. 이에 의해, 접촉면에서의 충분한 경도를 유지하면서, 이물 혼입 환경에서의 베어링 부품의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 전체의 평균 잔류 오스테나이트량이 18체적% 이하이다. 이와 같이 함에 의해, 베어링 부품의 치수 안정성의 향상(경년 치수 변화의 억제)을 달성할 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 500℃에 1시간 유지한 후, 접촉면에 수직한 단면에서 깊이 방향으로 경도 분포를 측정한 경우, 경도의 최대치와 최소치와의 차가 130HV 이상이다. 이와 같은 베어링 부품에서는, 충분한 농도의 질소의 도입이 확보되어 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 상기 표층 영역에는 침탄질화층이 형성되어 있다. 또한, 침탄질화층이 형성되지 않은 영역에서의 석출물의 면적률(面積率)이 바람직하게는 7% 이하이다.
베어링 부품을 구성하는 강은, 탄화물 등의 석출물을 용입(溶入)함에 의해 고용 강화할 수 있다. 여기서, 소입 전의 강에서의 탄화물의 면적률은 일정하기 때문에, 침탄질화 처리 후에 있어서의 내부의 탄화물의 면적률에 의해 강 중에의 탄소의 고용량을 추측할 수 있다. 본 발명자의 검토에 의하면, 침탄질화층이 형성되지 않은 영역인 내부의 석출물의 면적률을 7% 이하로 함에 의해, 당해 내부에서의 탄소의 고용량이 증대해, 그 결과 수명이 크게 향상한다. 이와 같은 석출물의 면적률은, 침탄질화 처리에서의 처리 온도를 높게 함에 의해 달성할 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 상기 접촉면 이외의 면에 석출물이 존재하고 있다. 상기 접촉면 이외의 면에 석출물이 존재하는 경우에는, 상기 표층 영역 이외의 영역에서의 탄소 농도가 고용한 농도에 달하고 있기 때문에, 수명이 향상한다. 그 결과, 보다 내구성이 향상한 베어링 부품을 제공할 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 미분해 암모니아 분압을 PN, 수소 분압을 PH로 한 경우에, 이하의 식(1)으로 정의되는 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, 식(2)으로 정의되는 α가 0.012 이상 0.020 이하가 되도록 침탄질화 처리를 행함에 의해 상기 표층 영역이 질화되어 있어도 좋다.
[수 2]
Figure pct00002
본 발명자의 검토에 의하면, α의 값이 0.012 이하에서는, 침탄질화 처리에 의해 소정 시간 내에 강에 침입하는 질소 침입량은 α의 값이 커짐에 따라, 거의 일정한 비율로 증가하지만, α의 값이 0.012를 초과하면 상기 질소 침입량의 증가 비율은 저하된다. 따라서 α의 값을 0.012 이상으로 함에 의해, 침탄질화에서의 강에의 질소의 도입을 효율적으로 실시할 수 있다. 한편, α의 값이 0.020을 초과하면 소정 시간 내의 질소 침입량이 포화함과 함께, 수우팅(열처리로 내에 매연이 발생하여 처리 대상물에 부착하는 현상)이 발생하기 쉽게 되고, 처리 대상물에서 표면 침탄 등의 품질상의 부적합함이 발생할 우려가 있다. 그 때문에, α의 값은, 0.020 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.018 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, ac*의 값은, 강의 표층부가 탈탄되는 것을 방지하기 위해 0.88 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, ac*의 값이 1.27을 초과하면, 강의 표층부에 과대한 탄화물(세멘타이트 : Fe3C)이 형성되고, 강의 특성에 악영향을 미칠 우려가 있다. 그 때문에, ac*의 값은 1.27 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, ac*의 값을 1.00보다도 크게 하면, 수우팅(sooting)이 발생할 우려가 있음과 함께, 강이 과침탄으로 된다. 그 때문에, 특히 과침탄을 방지하는 관점에서, ac*의 값은 1.00 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, α가 0.012 이상 0.020 이하, ac*가 0.88 이상 1.27 이하가 되는 분위기하에서 침탄질화 처리를 행함에 의해, 베어링 부품의 표층부에서의 탄소 농도가 적절하게 유지됨과 함께, 침탄질화 처리의 효율화가 도모된다. 그 결과, 베어링 부품의 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 820℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 침탄질화 처리를 행함에 의해 상기 표층 영역이 질화되어 있다. 또한, 상기 베어링 부품에서 바람직하게는, 침탄질화 처리의 후, 170℃ 이상 220℃ 이하의 온도로 소려 처리가 시행되어 있어도 좋다.
상기 열처리 조건은, 상기 표층 영역 이외의 영역에서의 석출물의 면적률, 접촉면에서의 잔류 오스테나이트량, 및 베어링 부품 전체의 평균 잔류 오스테나이트량을 상기 범위 내로 하기 위한 조건으로서 알맞다.
본 발명에 따른 구름베어링은, 궤도 부재와, 궤도 부재에 접촉하여 배치되는 전동체를 구비하고 있다. 그리고, 궤도 부재 및 전동체의 적어도 어느 한쪽은, 상기 베어링 부품이다. 본 발명의 구름베어링은, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품을 궤도 부재 및 전동체의 적어도 어느 하나로서 포함하고 있음에 의해, 높은 내구성을 갖고 있다.
본 발명에 따른 베어링 부품의 제조 방법은, 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.3 질량 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강으로 이루어지는 성형체를 준비하는 공정과, 성형체를, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 침탄질화 분위기 중에서 침탄질화 온도로 가열함에 의해, 성형체를 침탄질화하는 공정과, 침탄질화된 성형체를, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 확산 분위기 중에서 상기 침탄질화 온도 이하의 온도인 확산 온도로 유지함에 의해, 성형체 중의 질소를 확산시키는 공정을 구비하고 있다. 그리고, 미분해 암모니아 분압을 PN, 수소 분압을 PH로 하고, ac*를 이하의 식(1), α를 이하의 식(2)으로 정의한 경우, 침탄질화 분위기에서의 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, α가 0.012 이상 0.020 이하로 설정되고, 확산 분위기에서의 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, α가 0.003 이상 0.012 이하로 설정된다.
[수 3]
Figure pct00003
본 발명의 베어링 부품의 제조 방법에서는, 상기 적절한 성분 조성을 갖는 강으로 이루어지는 성형체에 대해, 침탄질화 처리 및 확산 처리가 순차적으로 실시된다. 이 확산 처리가 실시됨에 의해, 성형체 내에서의 국소적인 질소 과다가 해소되고, 불완전 소입 조직의 형성이 억제된다. 그리고, 확산 처리를 실시하는데 즈음하여 상기 ac*뿐만 아니라 α도 적절한 값으로 조정함에 의해, 확산 처리에서의 표층 영역에서의 질소의 이탈을 억제하고, 적절한 질소 함유량을 갖는 표층 영역을 얻을 수 있다. 그 결과, 본 발명의 베어링 부품의 제조 방법에 의하면, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품을 제조할 수 있다.
상기 베어링 부품의 제조 방법에서는, 성형체 중의 질소를 확산시키는 공정보다도 후에, 성형체를 170℃ 이상 220℃ 이하의 온도 영역으로 가열하여 냉각하는 소려 처리가 실시되는 공정을 또한 구비하고 있어도 좋다. 이에 의해, 베어링 부품의 접촉면에 적절한 경도를 부여하고, 충분한 정적 부하 용량을 확보할 수 있다.
이상의 설명으로부터 명확한 것처럼, 본 발명의 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법에 의하면, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 베어링 부품에 의하면, 내구성의 향상과 치수 안정성의 향상을 양립하는 것이 가능한 베어링 부품을 제공할 수 있다.
도 1은 딥 그로브 볼 베어링의 구성을 도시하는 개략 단면도.
도 2는 도 1의 주요부를 확대하여 도시한 개략 부분 단면도.
도 3은 스러스트 롤러 베어링의 구성을 도시하는 개략 단면도.
도 4는 도 3의 궤도륜의 개략 부분 단면도.
도 5는 도 3의 롤러의 개략 단면도.
도 6은 구름베어링의 제조 방법의 개략을 도시하는 플로 차트.
도 7은 원추 롤러 베어링의 구조를 도시하는 개략 단면도.
도 8은 베어링 부품의 제조 방법에 포함되는 소입 경화 공정의 상세를 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 8의 분위기 제어 공정에 포함되는 미분해 NH3 분압 제어 공정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 8의 분위기 제어 공정에 포함되는 H2 분압 제어 공정을 설명하기 위한 도면.
도 11은 도 8의 침탄질화 공정에 포함되는 가열 패턴 제어 공정에서의 가열 패턴의 한 예를 도시하는 도면.
도 12는 ac*를 0.8로 한 경우의 표면 부근에서의 탄소 및 질소의 농도를 도시하는 도면.
도 13은 ac*를 0.95로 한 경우의 표면 부근에서의 탄소 및 질소의 농도를 도시하는 도면.
도 14는 α를 0.017로 한 경우의 표면 부근에서의 질소의 농도를 도시하는 도면.
도 15는 α를 0.005로 한 경우의 표면 부근에서의 질소의 농도를 도시하는 도면.
도 16은 질소 농도와 경도 및 반치폭과의 관계를 도시하는 도면.
도 17은 표층 영역에서의 평균 질소 농도가 1.0질량%인 경우의 마이크로 조직을 도시하는 사진.
도 18은 α가 0인 경우의 표면 부근에서의 질소의 농도를 도시하는 도면.
도 19는 α가 0.005인 경우의 표면 부근에서의 질소의 농도를 도시하는 도면.
도 20은 표면 경도와 압흔(dent) 깊이와의 관계를 도시하는 도면.
도 21은 전주면 직하의 질소 농도 분포를 도시하는 도면.
도 22는 전주면 직하의 질소 농도 분포를 도시하는 도면.
도 23은 전주면 직하의 질소 농도 분포를 도시하는 도면.
도 24는 전주면 직하의 질소 농도 분포를 도시하는 도면.
도 25는 전주면 직하의 질소 농도 분포를 도시하는 도면.
도 26은 박리 발생 후에 있어서의 박리부 부근의 형상을 도시하는 도면.
도 27은 압흔의 형상의 한 예를 도시하는 도면.
도 28은 표층 영역에서의 평균 질소 농도와 압흔 기점형 박리 수명과의 관계를 도시하는 도면.
도 29는 표층 영역에서의 평균 질소 농도와 청정유 윤활 수명과의 관계를 도시하는 도면.
도 30은 잔류 오스테나이트량과 압흔 기점형 박리 수명과의 관계를 도시하는 도면.
도 31은 표면 부근에서의 잔류 오스테나이트량의 분포를 도시하는 도면.
도 32는 잔류 오스테나이트량과 치수 변화율과의 관계를 도시하는 도면.
도 33은 500℃에 1시간 유지하여 냉각한 후의 경도차와 질소 농도와의 관계를 도시하는 도면.
도 34는 탄화물이 소실한 상태를 도시하는 SEM 사진.
도 35는 탄화물이 유지된 상태를 도시하는 SEM 사진.
도 36은 압흔 깊이에 미치는 탄화물의 존재의 영향을 도시하는 도면.
도 37은 이물 혼입 윤활 수명의 와이블 플롯.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시의 형태를 설명한다. 또한, 이하의 도면에서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고, 그 설명은 반복하지 않는다.
(실시의 형태 1)
우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 베어링 부품인 궤도륜 및 볼을 구비한 구름베어링을 예로, 본 발명의 한 실시의 형태에 관해 설명한다. 딥 그로브 볼 베어링(1)은, 베어링 부품인 제1 궤도 부재로서의 외륜(11)과, 베어링 부품인 제2 궤도 부재로서의 내륜(12)과, 베어링 부품인 복수의 전동체로서의 볼(13)과, 유지기(14)를 구비하고 있다. 외륜(11)에는, 원환형상의 제1 전주면으로서의 외륜 전주면(11A)이 형성되어 있다. 내륜(12)에는, 외륜 전주면(11A)에 대향하는 원환형상의 제2 전주면으로서의 내륜 전주면(12A)이 형성되어 있다. 또한, 복수의 볼(13)에는, 전동체 전주면으로서의 볼 전동면(13A)(볼(13)의 표면)이 형성되어 있다. 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)은, 이들의 베어링 부품의 접촉면이다. 그리고, 당해 볼(13)은, 외륜 전주면(11A) 및 내륜 전주면(12A)의 각각에 볼 전동면(13A)에서 접촉하고, 원환형상의 유지기(14)에 의해 둘레 방향으로 소정의 피치로 배치됨에 의해 원환형상의 궤도상에 전동 자유롭게 유지되어 있다. 이상의 구성에 의해, 딥 그로브 볼 베어링(1)의 외륜(11) 및 내륜(12)은, 서로 상대적으로 회전 가능하게 되어 있다.
도 2를 참조하여 베어링 부품인 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)은, 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강, 예를 들면 JIS 규격 고탄소 크롬 축수강인 SUJ2로 되어 있다. 그리고, 접촉면으로서의 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)을 포함하는 영역에는, 내부(11C, 12C, 13C)에 비하여 질소 농도가 높은 질소 부화층(11D, 12D, 13D)이, 각각 형성되어 있다. 질소 부화층(11D, 12D, 13D)의 표면인 접촉면으로서의 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)부터의 거리가 20㎛ 이내인 표층 영역(11B, 12B, 13B)에서의 평균 질소 농도는, 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하로 되어 있다. 또한 표층 영역(11B, 12B, 13B)에서의 탄소 농도는 0.9질량% 이상 1.3질량% 이하로 되어 있다. 또한, 표층 영역(11B, 12B, 13B)에는, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재한다.
본 실시의 형태에서의 베어링 부품인 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)은, 접촉면 아래의 표층 영역(11B, 12B, 13B)에서의 질소 농도가 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하로 되어 있고, 또한 표층 영역(11B, 12B, 13B)에는, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재한다. 그 결과, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)은, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품으로 되어 있다. 또한, 상기 탄화물은 상기 영역에 10개 이상 존재하고 있는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 탄화물의 존재량(수)은, 예를 들면 상기 영역을 주사형 전자현미경(SEM)에 관찰하고, 관찰 결과를 화상 해석 처리함에 의해 확인할 수 있다.
또한, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)은, 표면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역 전역에서의 평균 질소 농도가 0.7질량% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)의 접촉면 뿐만 아니라, 접촉면 이외의 영역, 예를 들면 오목면부 등, 질소 부화층 형성 후에 연삭 가공되지 않는 영역에서도 불완전 소입 조직의 형성이 억제된다.
또한, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)의 접촉면인 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)의 경도는 700HV 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)이 엄한 환경에서 사용되는 경우에도, 충분한 정적 부하 용량을 확보할 수 있다.
또한, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)의 접촉면인 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)에서의 잔류 오스테나이트량은, 20체적% 이상 35체적% 이하인 것이 바람직하고, 25체적% 이상 35체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A)에서의 충분한 경도를 유지하면서, 이물 혼입 환경에서의 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)에서는, 전체의 평균 잔류 오스테나이트량이 18체적% 이하인 것이 바람직하고, 15체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)의 치수 안정성의 향상을 달성할 수 있다.
또한, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)을 500℃에 1시간 유지한 후, 접촉면에 수직한 단면에서의 깊이 방향으로 경도 분포를 측정한 경우, 경도의 최대치와 최소치와의 차가 130HV 이상인 것이 바람직하다. 이와 같은 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)에서는, 충분한 농도의 질소의 도입이 확보되어 있다.
또한, 표층 영역(11B, 12B, 13B)에는 침탄질화층이 형성되어 있고, 당해 침탄질화층이 형성되지 않은 영역에서의 석출물의 면적률이 7% 이하인 것이 바람직하고, 5% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한 석출물이란, 철의 탄화물 또는 당해 탄화물의 탄소의 일부가 질소로 치환된 탄질화물 등이고, Fe-C계의 화합물 및 Fe-C-N계의 화합물을 포함한다. 또한, 이 탄질화물은, 크롬 등, 강에 포함되는 합금 성분을 포함하고 있어도 좋다. 이와 같이 석출물의 면적률을 낮게 하여 모지(base)에의 탄소 등의 고용량을 증가시킴에 의해, 베어링 부품의 수명을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 외륜(11), 내륜(12) 및 볼(13)의 접촉면인 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A) 이외의 면에 석출물이 존재하고 있는 것이 바람직하다.
다음에, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 다른 실시의 형태에서의 베어링 부품을 구비한 구름베어링에 관해 설명한다. 스러스트 니들롤러 베어링(2)은, 상기 딥 그로브 볼 베어링(1)과 기본적으로는 같은 구성을 가지며, 같은 효과를 이룬다. 그러나, 스러스트 니들롤러 베어링(2)은, 궤도 부재 및 전동체의 구성에 있어서, 딥 그로브 볼 베어링(1)과는 다르다. 즉, 스러스트 니들롤러 베어링(2)은, 원반형상의 형상을 가지며, 서로 한쪽의 주면이 대향하도록 배치된 궤도 부재로서의 한 쌍의 궤도륜(21)과, 전동체로서의 복수의 니들롤러(23)와, 원환형상의 유지기(24)를 구비하고 있다. 복수의 니들롤러(23)는, 니들롤러(23)의 외주면인 롤러 전동 접촉면(23A)에서, 한 쌍의 궤도륜(21)의 서로 대향하는 한쪽의 주면에 형성된 궤도륜 전주면(21A)에 접촉하고, 또한 유지기(24)에 의해 둘레 방향으로 소정의 피치로 배치됨에 의해 원환형상의 궤도상에 전동 자유롭게 유지되어 있다. 이상의 구성에 의해, 스러스트 니들롤러 베어링(2)의 한 쌍의 궤도륜(21)은, 서로 상대적으로 회전 가능하게 되어 있다.
그리고, 스러스트 니들롤러 베어링(2)의 궤도륜(21)은, 딥 그로브 볼 베어링(1)의 외륜(11) 및 내륜(12)에, 스러스트 니들롤러 베어링(2)의 니들롤러(23)는 딥 그로브 볼 베어링의 볼(13)에 각각 상당하고, 같은 소재로 이루어짐과 함께, 같은 질소 농도 및 탄화물(탄질화물을 포함한다)의 분포 상태 등이 달성되어 있다. 즉, 궤도륜(21) 및 니들롤러(23)는, 딥 그로브 볼 베어링(1)의 경우와 같은 구성을 갖는 궤도륜 전주면(21A)(외륜 전주면(11A) 및 내륜 전주면(12A)에 대응), 전동 접촉면(23A)(볼 전동면(13A)에 대응), 표층 영역(21B, 23B)(표층 영역(11B, 12B, 13B)에 대응), 내부(21C, 23C)(내부(11C, 12C, 13C)에 대응) 및 질소 부화층(21D, 23D)(질소 부화층(11D, 12D, 13D)에 대응)을 갖고 있다. 이에 의해, 궤도륜(21) 및 니들롤러(23)는, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능한 베어링 부품으로 되어 있다.
다음에, 상기 실시의 형태에서의 베어링 부품 및 구름베어링의 제조 방법에 관해 설명한다. 도 6을 참조하여 우선, 공정(S10)으로서 성형체 준비 공정이 실시된다. 이 공정(S10)에서는, 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.35 질량 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강, 예를 들면 JIS 규격 SUJ2로 이루어지는 강재가 준비된다. 구체적으로는, 예를 들면 상기 성분 조성을 갖는 봉강이나 강선 등이 준비된다. 그리고, 당해 강재에 대해 단조, 선삭(旋削) 등의 가공이 실시됨에 의해, 도 1 내지 도 5에 도시되는 외륜(11), 내륜(12), 볼(13), 궤도륜(21), 니들롤러(23) 등의 형상으로 성형된 성형체가 제작된다.
다음에, 공정(S20)으로서 침탄질화 공정이 실시된다. 이 공정(S20)에서는, 공정(S10)에서 준비된 성형체가 침탄질화 처리된다. 이 침탄질화 처리는, 예를 들면 이하와 같이 실시할 수 있다. 우선, 상기 성형체가 780℃ 이상 820℃ 이하 정도의 온도 영역에서, 30분간 이상 90분간 이하의 시간 예열된다. 다음에, 예열된 성형체가, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 침탄질화 분위기 중에서 침탄질화 온도로 가열됨에 의해, 성형체가 침탄질화된다. 이 때, 당해 침탄질화 분위기에서의 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, α가 0.012 이상 0.020 이하로 설정된다. 구체적으로는, 엔리치 가스로서의 프로판 가스나 부탄 가스가 첨가됨에 의해 ac*가 조정된 RX 가스 등의 흡열형 가스에, 다시 암모니아 가스가 도입되어 α가 조정된 분위기 중에서, 성형체가 가열되어 침탄질화 처리된다. 침탄질화 처리의 온도(침탄질화 온도)는, 예를 들면 820℃ 이상 900℃ 이하로 할 수 있고, 820℃ 이상 880℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 침탄질화 처리의 시간은, 소망하는 질소 부화층의 질소 농도에 맞추어서 설정할 수 있는데, 예를 들면 4시간 이상 10시간 이하로 할 수 있다. 이에 의해, 성형체의 표층 영역에 탄화물을 적절하게 분포시키면서, 질소 부화층을 형성할 수 있다.
다음에, 공정(S30)으로서 확산 공정이 실시된다. 이 공정(S30)에서는, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 확산 분위기 중에서 상기 침탄질화 온도 이하의 온도인 확산 온도로 유지됨에 의해, 성형체 중의 질소를 내부로 확산시키는 확산 처리가 실시된다. 이 때, 당해 확산 분위기에서의 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, α가 0.003 이상 0.012 이하로 설정된다. 구체적으로는, 엔리치 가스로서의 프로판 가스나 부탄 가스가 첨가됨에 의해 ac*가 조정된 RX 가스 등의 흡열형 가스에, 다시 암모니아 가스가 도입되어 α가 조정된 분위기 중에서, 성형체가 가열되고 확산 처리가 실시된다. 확산 처리의 온도(확산 온도)는, 예를 들면 780℃ 이상 900℃ 이하로 할 수 있고, 820℃ 이상 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 확산 처리의 시간은, 예를 들면 1시간 이상 5시간 이하로 할 수 있다. 이에 의해, 성형체의 표층 영역에서의 탄화물의 적절한 분포 상태를 유지하면서, 질소를 확산시켜서 불완전 소입 조직의 형성을 억제함과 함께, 표면에서의 질소의 이탈을 억제하여 표층 영역에서의 질소 농도를 적절한 범위로 조정할 수 있다.
다음에, 공정(S40)으로서 소입 공정이 실시된다. 이 공정(S40)에서는, 공정(S20) 내지 (S30)에서의 질소 부화층이 형성된 성형체가, 소정의 소입 온도로부터 급냉시켜짐에 의해 소입 처리된다. 이 소입 온도는, 예를 들면 820℃ 이상 900℃ 이하로 할 수 있고, 850℃ 이상 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 소입 처리는, 예를 들면 소정의 온도로 유지된 냉각제로서의 소입유 중에 성형체를 침지함에 의해 실시할 수 있다. 또한, 이 공정(S40)에서는, 성형체에서 접촉면 아래의 표층부가 되어야 할 영역이, 소입 온도로부터 600℃까지의 온도 범위에서의 평균 20℃/sec 이상, 또한 소입 온도로부터 400℃까지의 온도 범위에서의 평균 30℃/sec 이상의 냉각 속도로 냉각되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 질소 부화층의 형성에 의해 소입성이 저하되는 표층부가 되어야 할 영역을 확실하게 소입 경화할 수 있다.
다음에, 공정(S50)으로서 소려 공정이 실시된다. 이 공정(S50)에서는, 공정(S40)에서의 소입 처리된 성형체가 소려 처리된다. 구체적으로는, 예를 들면 170℃ 이상 220℃ 이하(바람직하게는 180℃ 이상 210℃ 이하)의 온도 영역으로 가열된 분위기 중에서 성형체가 0.5시간 이상 4시간 이하의 시간 유지됨에 의해, 소려 처리가 실시된다.
다음에, 공정(S60)으로서 사상(finishing) 가공 공정이 실시된다. 이 공정(S60)에서는, 공정(S50)에서 소려 처리된 성형체를 가공함에 의해 다른 부품과 접촉하는 면인 접촉면이, 즉 딥 그로브 볼 베어링(1)의 외륜 전주면(11A), 내륜 전주면(12A) 및 볼 전동면(13A), 및 스러스트 니들롤러 베어링(2)의 궤도륜 전주면(21A) 및 전동 접촉면(23A)이 형성된다. 사상 가공으로서는, 예를 들면 연삭 가공을 실시할 수 있다. 이상의 공정에 의해, 본 실시의 형태에서의 베어링 부품인 외륜(11), 내륜(12), 볼(13), 궤도륜(21), 니들롤러(23) 등이 완성한다.
또한, 공정(S70)으로서 조립 공정이 실시된다. 이 공정(S70)에서는, 공정(S10) 내지 (S60)에서의 제작된 외륜(11), 내륜(12), 볼(13), 궤도륜(21), 니들롤러(23)와, 별도 준비된 유지기(14, 24) 등이 조합되어, 상기 실시의 형태에서의 딥 그로브 볼 베어링(1)이나 스러스트 니들롤러 베어링(2)이 조립된다. 이에 의해, 본 실시의 형태에서의 구름베어링의 제조 방법이 완료된다.
여기서, 접촉면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역인 표층 영역에서의 평균 질소 농도를 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하로 하기 위해서는, 상기 공정(S20) 내지 (S30)에서는, 후속의 공정(S60)에서의 사상 가공에 의해 접촉면 아래의 표층 영역(11B, 12B, 13B, 21B, 23B)에서의 질소 농도가 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하로 되도록 성형체에 질소 부화층이 형성된다. 즉, 공정(S60)에서의 가공 여유 등을 고려하고, 접촉면 완성 후에 있어서의 표층부의 질소 농도를 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하로 하는 것이 가능하도록 질소량을 조정한 질소 부화층(11D, 12D, 13D), 21D, 23D가 형성된다. 이 때, 사상 가공에 의해 표층부가 제거되지 않는 영역(예를 들면, 오목면부)에서도 질소 농도를 0.7질량% 이하로 하여 불완전 소입 조직의 발생을 억제한 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 공정(S30)의 완료 시점에 있어서, 표층 영역의 질소 농도를 0.7질량% 이하로 조정하여 둘 필요가 있다.
또한, 접촉면의 경도를 700HV 이상으로 하기 위해서는, 공정(S50)에서의 가열 온도를 적절하게 설정할 필요가 있다. 구체적으로는, 소려 온도를, 예를 들면 170℃ 이상 220℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 외륜(11), 내륜(12), 볼(13), 궤도륜(21), 니들롤러(23)의 잔류 오스테나이트량을 적절한 값으로 조정하기 위해서는, 공정(S40)에서의 소입 온도를 조정할 필요가 있다.
이상과 같은 순서에 의해, 본 실시의 형태에서의 베어링 부품 및 구름베어링을 제조할 수 있다.
또한, 상기 실시의 형태에서 설명한 딥 그로브 볼 베어링 및 스러스트 롤러 베어링, 및 그들을 구성하는 베어링 부품은, 본 발명의 구름베어링 및 베어링 부품의 한 예이다. 본 발명의 구름베어링 및 베어링 부품은, 여러 가지의 형태의 구름베어링에 적용할 수 있다.
(실시의 형태 2)
다음에, 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 구름베어링인 원추 롤러 베어링(4)의 구조에 관해 설명한다. 원추 롤러 베어링(4)은, 환형상의 외륜(41) 및 내륜(42)과, 전동체인 복수의 롤러(43)와, 원환형상의 유지기(44)를 구비하고 있다. 외륜(41)의 내주면에는 외륜 전주면(41A)이 형성되어 있고, 내륜(42)의 외주면에는 내륜 전주면(42A)이 형성되어 있다. 내륜(42)은, 내륜 전주면(42A)이 외륜 전주면(41A)과 대향하도록 외륜(41)의 내측에 배치되어 있다.
롤러(43)는, 전동면(43A)에서 외륜 전주면(41A) 및 내륜 전주면(42A)에 접촉하고, 또한 유지기(44)에 의해 둘레 방향으로 소정의 피치로 배치되어 있다. 이에 의해, 롤러(43)는, 외륜(41) 및 내륜(42)의 원환형상의 궤도상에 전동 자유롭게 유지되어 있다. 또한, 원추 롤러 베어링(4)은, 외륜 전주면(41A)을 포함하는 원추, 내륜 전주면(42A)을 포함하는 원추, 및 롤러(43)가 전동한 경우의 회전축의 궤적을 포함하는 원추의 각각의 정점이 베어링의 중심선상의 1점에 교차하도록 구성되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 원추 롤러 베어링(4)의 외륜(41) 및 내륜(42)은, 서로 상대적으로 회전 가능하게 되어 있다. 또한, 외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43)는, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품이다.
본 실시의 형태에 관한 베어링 부품(외륜(41), 내륜(42), 롤러(43))는, 상기 실시의 형태 1에 관한 베어링 부품과 기본적으로 같은 조성을 갖는 강으로 이루어지고, 상기 실시의 형태 1에 관한 베어링 부품과 기본적으로 같은 구성을 갖고 있다.
다음에, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품 및 구름베어링의 제조 방법에 관해 설명한다. 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법에서는, 기본적으로 실시의 형태 1에 관한 베어링 부품 및 구름베어링의 제조 방법과 같은 공정이 실시됨에 의해, 상기 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품인 외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43) 및 원추 롤러 베어링(4)이 제조된다.
도 6을 참조하여 우선, 공정(S10)으로서 성형체 준비 공정이 실시된다. 이 공정(S10)에서는, 상기 실시의 형태 1의 경우와 같은 조성을 갖는 강재가 준비되고, 당해 강재가 가공되어 외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43) 등의 개략 형상으로 성형된 성형체가 제작된다.
다음에, 공정(S20) 내지 (S60)이, 상기 실시의 형태 1의 경우와 마찬가지로 실시된다. 이에 의해, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품인 외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43)(도 7 참조)가 제조되고, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법이 완료된다. 그리고, 조립 공정(S70)에서 외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43)가 조합됨에 의해 원추 롤러 베어링(4)(도 7 참조)이 제조되고, 본 실시의 형태에 관한 구름베어링의 제조 방법이 완료된다. 또한, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법에서는 확산 공정(S30)이 생략되어도 좋고, 이 경우에도 마찬가지로 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품(외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43))를 제조할 수 있다.
다음에, 소입 경화 공정인 공정(S20) 내지 공정(S40)에 관해 상세히 설명한다. 도 8은, 침탄질화 공정(S20) 및 소입 공정(S40)을 상세히 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8에서는 침탄질화 공정(S20)의 후에 실시되어야 할 확산 공정(S30)의 기재가 생략되어 있다. 또한, 도 9는, 도 8의 분위기 제어 공정에 포함되는 미분해 암모니아(NH3) 분압 제어 공정을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 10은, 도 8의 분위기 제어 공정에 포함되는 수소(H2) 분압 제어 공정을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 11은, 도 8의 침탄질화 공정에 포함되는 가열 패턴 제어 공정에서의 가열 패턴(온도 이력)의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 11에서, 횡방향은 시간을 나타내고 있고, 우측으로 갈수록 시간이 경과하고 있는 것을 나타내고 있다. 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법에 포함되는 소입 경화 공정인 공정(S20) 내지 (S40)의 상세에 관해 설명한다.
도 8을 참조하여 우선, 강재가 침탄질화되는 침탄질화 공정이 실시된다. 그리고 확산 공정(도시 생략)이 실시된 후에, 강재가 A1점 이상의 온도로부터 Ms점 이하의 온도로 냉각되는 소입 공정이 실시된다. 그리고, 침탄질화 공정에서는, 상기 공정(S10)에서의 준비된 강재를, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 분위기 중에서 가열함에 의해 침탄질화 처리가 시행된다.
침탄질화 공정은, 열처리로 내의 분위기가 제어되는 분위기 제어 공정(50)과, 열처리로 내에서 피처리물인 강재에 부여되는 온도 이력이 제어되는 가열 패턴 제어 공정(60)을 구비하고 있다. 이 분위기 제어 공정(50)과 가열 패턴 제어 공정(60)은, 독립적으로, 또한 병행하여 실시할 수 있다. 그리고, 분위기 제어 공정(50)은, 열처리로 내의 미분해 암모니아 분압이 제어되는 미분해 NH3 분압 제어 공정(51)과, 열처리로 내의 수소 분압이 제어되는 H2 분압 제어 공정(52)과, 열처리로 내의 일산화탄소 및 이산화탄소의 적어도 어느 한쪽의 분압이 제어되는 CO/CO2 분압 제어 공정(53)을 포함하고 있다.
CO/CO2 분압 제어 공정(53)에서는, 식(1)을 참조하여, 열처리로 내의 일산화탄소 및 이산화탄소의 적어도 어느 한쪽의 분압이 제어됨에 의해, ac*가 제어된다.
그리고, 분위기 제어 공정(50)에서는, 식(1)으로 정의되는 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, 식(2)의 α가 0.012 이상 0.020 이하의 범위가 되도록, 미분해 NH3 분압 제어 공정(51), H2 분압 제어 공정(52) 및 CO/CO2 분압 제어 공정(53)이 실시된다.
구체적으로는, 도 9를 참조하여 미분해 NH3 분압 제어 공정(51)에서는, 우선, 열처리로 내의 미분해 암모니아 분압을 측정하는 미분해 NH3 분압 측정 공정(S11)이 실시된다. 미분해 암모니아 분압의 측정은, 예를 들면 가스 크로마토그래피를 이용하여 실시할 수 있다. 그리고, 공정(S11)에서 측정된 미분해 암모니아 분압에 의거하여, 열처리로의 암모니아 가스의 공급량을 증감시키는 NH3 공급량 조절 공정(S13)의 실시의 필요여부를 판단하는, 미분해 NH3 분압 판단 공정(S12)이 실시된다. 당해 판단은, α의 값이 0.012 이상 0.020 이하의 범위가 되도록 미리 결정된 목표의 미분해 암모니아 분압과, 측정된 미분해 암모니아 분압을 비교하고, 측정된 미분해 암모니아 분압이 목표의 미분해 암모니아 분압으로 되어 있는지의 여부를 판정함에 의해 실시된다.
미분해 암모니아 분압이 목표의 미분해 암모니아 분압으로 되어 있지 않은 경우에는, 열처리로 내의 미분해 암모니아 분압을 증감시키기 위한 공정(S13)이 실시된 후, 공정(S11)이 재차 실시된다. 공정(S13)은, 예를 들면, 열처리로에 배관을 통하여 연결된 암모니아 가스의 봄베로부터 단위 시간에 열처리로에 유입하는 암모니아의 양(암모니아 가스의 유량)을 당해 배관에 부착된 매스 플로 컨트롤러 등을 구비한 유량 제어 장치에 의해 조절함에 의해 실시할 수 있다. 즉, 측정된 미분해 암모니아 분압이 목표의 미분해 암모니아 분압보다도 높은 경우, 상기 유량을 저하시키고, 낮은 경우, 상기 유량을 증가시킴에 의해, 공정(S13)을 실시할 수 있다. 이 공정(S13)에서, 측정된 미분해 암모니아 분압과 목표의 미분해 암모니아 분압과의 사이에 소정의 차가 있는 경우, 어느 정도 유량을 증감시키든지에 관해서는, 미리 실험적으로 결정한 암모니아 가스의 유량의 증감과 미분해 암모니아 분압의 증감과의 관계에 의거하여 결정할 수 있다.
한편, 미분해 암모니아 분압이 목표의 미분해 암모니아 분압으로 되어 있는 경우에는, 공정(S13)이 실시되는 일 없이, 공정(S11)이 재차 실시된다.
또한, H2 분압 제어 공정(52)은, 상술한 미분해 NH3 분압 제어 공정(51)과 마찬가지로 실시된다. 즉, 도 10을 참조하여 H2 분압 제어 공정(52)에서는, 우선, 열처리로 내의 수소 분압을 측정하는 H2 분압 측정 공정(S21)이 실시된다. 수소 분압의 측정은, 예를 들면 열전도 가스 분석계를 이용하여 실시할 수 있다. 그리고, 공정(S21)에서 측정된 수소 분압에 의거하여, 열처리로에의 수소 가스의 공급량을 증감시키는 H2 공급량 조절 공정(S23)의 실시의 필요여부를 판단하는, 수소 분압 판단 공정(S22)이 실시된다. 당해 판단은, α의 값이 0.012 이상 0.020 이하의 범위가 되도록 미리 결정된 목표의 수소 분압과, 측정된 수소 분압을 비교하여, 측정된 수소 분압이 목표의 수소 분압으로 되어 있는지의 여부를 판정함에 의해 실시된다.
수소 분압이 목표의 수소 분압으로 되어 있지 않은 경우에는, 열처리로 내의 수소 분압을 증감시키기 위한 공정(S23)이 실시된 후, 공정(S21)이 재차 실시된다. 공정(S23)은, 예를 들면, 열처리로에 배관을 통하여 연결된 수소 가스의 봄베로부터 단위 시간에 열처리로에 유입하는 수소의 양(수소 가스의 유량)을 당해 배관에 장착된 매스 플로 컨트롤러 등을 구비한 유량 제어 장치에 의해 조절함에 의해 실시할 수 있다. 즉, 측정된 수소 분압이 목표의 수소 분압보다도 높은 경우, 상기 유량을 저하시키고, 낮은 경우, 상기 유량을 증가시킴에 의해, 공정(S23)을 실시할 수 있다. 이 공정(S23)에서, 측정된 수소 분압과 수소 분압과의 사이에 소정의 차가 있는 경우, 어느 정도 유량을 증감시키든지에 관해서는, 암모니아의 경우와 마찬가지로, 미리 실험적으로 결정한 수소 가스의 유량의 증감과 수소 분압의 증감과의 관계에 의거하여 결정할 수 있다.
한편, 수소 분압이 목표의 수소 분압으로 되어 있는 경우에는, 공정(S23)이 실시되는 일 없이, 공정(S21)이 재차 실시된다.
도 8을 참조하여 CO/CO2 분압 제어 공정(53)에서는, 엔리치 가스로서의 프로판(C3H8) 가스, 부탄 가스(C4H10) 등의 공급량이 조절됨에 의해, CO 및 CO2의 분압의 적어도 어느 한쪽의 분압이 제어되어, ac*가 조정된다. 구체적으로는, 예를 들면, 적외선 가스 농도 측정 장치를 이용하여 분위기 중의 일산화탄소의 분압(PCO) 및 이산화탄소의 분압(PCO2)이 측정된다. 그리고, 당해 측정치에 의거하여, 식(1)으로 정의되는 ac*가 0.88 이상 1.27 이하의 범위 내의 목표의 값으로 되도록, 엔리치 가스로서의 프로판(C3H8) 가스, 부탄 가스(C4H10) 등의 공급량이 조절된다.
여기서, α의 값은, 식(2)을 참조하여, 미분해 NH3 분압 제어 공정(51), H2 분압 제어 공정(52) 및 CO/CO2 분압 제어 공정(53)에 의해, 각각 미분해 암모니아 분압, 수소 분압 및 ac*의 적어도 어느 하나를 변화시킴에 의해 제어할 수 있다. 즉, α의 값은, 예를 들면 미분해 NH3 분압 제어 공정(51) 및 CO/CO2 분압 제어 공정(53)에 의해, 미분해 암모니아 분압 및 ac*를 일정하게 유지한 상태에서, H2 분압 제어 공정(52)에 의해 수소 분압을 변화시켜서 제어하여도 좋고, H2 분압 제어 공정(52) 및 CO/CO2 분압 제어 공정(53)에 의해, 수소 분압 및 ac*값을 일정하게 유지한 상태에서, 미분해 NH3 분압 제어 공정(51)에 의해 미분해 암모니아 분압을 변화시켜서 제어하여도 좋다.
또한, 도 8을 참조하여 가열 패턴 제어 공정(60)에서는, 강재에 부여되는 가열 이력이 제어된다. 구체적으로는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 강재가 상술한 분위기 제어 공정(50)에 의해 제어된 분위기 중에서, A1점 이상의 온도인 820℃ 이상 900℃ 이하의 온도(바람직하게는 820℃ 이상 880℃ 이하의 온도, 예를 들면 880℃)로 가열되어 소정의 시간 유지된다. 당해 유지 시간이 경과함과 함께 가열 패턴 제어 공정은 종료하고, 동시에 분위기 제어 공정도 종료한다. 그 후, 도 8을 참조하여 확산 공정(도시 생략)이 실시된 후에 강재가 유중에 침지(유냉)됨에 의해, A1점 이상의 온도로부터 Ms점 이하의 온도로 냉각되는 소입 공정이 실시된다. 이상의 공정에 의해, 강재의 표층부가 침탄질화됨과 함께 소입 경화된다.
이상과 같이, 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법에서는, 공정(S20)에서 820℃ 이상 900℃ 이하(예를 들면 880℃)로 침탄질화 처리를 행함에 의해 침탄질화층이 형성되고, 또한, 공정(S50)에서 170℃ 이상 220℃ 이하의 온도(예를 들면 210℃)로 소려 처리가 시행된다. 이에 의해, 침탄질화층이 형성되지 않은 영역(모지)에 다량의 탄소가 고용하고, 또한 표층부에서의 잔류 오스테나이트량과 전체의 평균 오스테나이트량과의 발란스를 취함에 의해 내구성의 향상과 치수 안정성의 향상이 양립된 상기 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품인 외륜(41), 내륜(42) 및 롤러(43)를 제조할 수 있다. 또한, 공정(S20)에서는, 미분해 암모니아 분압을 PN, 수소 분압을 PH로 한 경우에, 상기 식(1)으로 정의되는 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, 상기 식(2)으로 정의되는 α가 0.012 이상 0.020 이하가 되도록 침탄질화 처리가 행하여진다. 이에 의해, 상기 베어링 부품의 표층부에서의 탄소 농도가 적절하게 유지됨과 함께, 침탄질화 처리의 효율화를 도모할 수 있다. 그 결과, 상기 베어링 부품의 제조 비용의 삭감을 도모할 수 있다.
실시례
(실시례 1)
침탄질화 처리시에 있어서의 분위기 관리의 필요성에 관해 확인하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, ac* 및 α의 값을 변화시켜서 SUJ2로 이루어지는 시험편에 침탄질화 처리를 행하여, 표면 부근의 탄소 농도 및 질소 농도를 확인하는 실험을 행하였다.
도 12에 ac*를 0.80, α를 0.017로 조정한 분위기 중에서 2.5시간의 침탄질화 처리를 실시한 경우의 탄소 및 질소 농도 분포를 도시한다. 또한, 도 13에 ac*를 0.95, α를 0.017로 한 분위기 중에서 2.5시간의 침탄질화 처리를 실시한 경우의 탄소 및 질소 농도 분포를 도시한다. 도 12 및 도 13에 있어서, 세선이 탄소 농도 분포, 태선이 질소 농도 분포를 나타내고 있다. α는 같은 값이므로 양자 모두 질화는 정상적으로 되고 있지만, 도 12는 ac*가 0.88 미만이기 때문에, 표면 부근의 탄화물이 소실하고, 또한 모상의 탄소도 약간 빠져 있다.
또한, 도 14에 ac*를 1, α를 0.017로 한 분위기 중에서 5시간의 침탄질화 처리를 실시한 경우의 질소 농도 분포를, 도 15에 ac*를 1, α를 0.005로 한 분위기 중에서 5시간의 침탄질화 처리를 실시한 경우의 질소 농도 분포를 도시한다. 침탄질화의 처리시간은 같지만, α가 작은 도 15에서는, α가 적절한 범위에 있는 도 14와 비교하여 질소 침입량이 적다.
이상의 실험 결과로부터, 침탄질화 처리시에 있어서의 ac* 및 α의 관리는 중요함을 알 수 있다. 그리고, ac*를 0.88 내지 1.27, α를 0.012 내지 0.02의 범위로 유지할 필요가 있다고 말할 수 있다.
(실시례 2)
침탄질화 처리 후의 확산 처리의 필요성에 관해 확인하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, SUJ2로 이루어지는 시험편에 조건을 바꾼 침탄질화 처리를 행하여 질소 농도가 다른 샘플을 제작하고, 질소 농도와 표면 경도 및 반치폭(half width)과의 관계를 조사하는 실험을 행하였다. 여기서, 「반치폭」은, Cr관구의 Kα선을 이용하여 측정된 마르텐사이트에 대응하는 피크(142.3 내지 170.2°)의 반치폭을 의미한다.
도 16에, 실험의 결과 얻어진 표층 영역에서의 질소 농도(평균 질소 농도)와 표면 경도 및 반치폭과의 관계를 도시한다. 도 16을 참조하면, 표층 영역에서의 질소 농도가 0.7질량% 이상인 경우에, 경도가 700HV 이하가 되고, 반치폭이 7. 0 이하로 되어 있다. 이것으로부터, 표층 영역에서의 질소 농도가 0.7질량% 이상인 경우에 당해 영역에 불완전 소입 조직이 발생하고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 17은 표층 영역에서의 질소 농도가 1.0질량%인 경우에서의 마이크로 조직의 사진이다. 이 사진으로부터, 표면 부근에 불완전 소입 조직이 형성되어 있는 것이 확인된다. 이상과 같이, 표면 부근에서의 불완전 소입 조직의 형성을 회피하는 관점에서, 특히 전동 피로 수명에 대해 영향이 큰 표층 영역에서의 질소 농도는 0.7질량% 이하로 하여야 할 것이 확인된다.
또한, 비교적 고농도의(예를 들면 0.2질량% 이상의) 질소 부화층을 효율적으로 형성하기 위해서는, 침탄질화 처리에서 피처리물의 표면에 고농도의 질소 부화층을 형성한 후, 확산 처리를 행하는 프로세스의 채용이 바람직하다. 이 때, 확산 처리에 의해 표면 부근의 질소 농도를 0.7질량% 이하로 하여 둠에 의해, 불완전 소입 조직의 형성을 억제할 수 있다. 확산 처리에 의해 부품 전체의 표층부의 질소 농도를 0.7질량% 이하로 하여 두면, 후처리 공정에서 가공되지 않는 영역(예를 들면 오목면부)에서도, 불완전 소입 조직이 제품 내에 잔존하는 것이 억제된다.
(실시례 3)
확산 처리에서의 분위기 관리의 필요성에 관해 확인하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, SUJ2로 이루어지는 시험편에 침탄질화 처리를 행한 후, α의 값을 변화시켜서 확산 처리를 실시하고, 표층 영역의 질소 농도에 미치는 α의 값의 영향을 조사하는 실험을 행하였다. 도 18은 α를 0으로 한 경우, 도 19는 α를 0.005로 한 경우의 표면 부근의 질소 농도 분포를 도시하고 있다.
도 18에 도시하는 바와 같이, α가 0, 즉 PN이 0인 분위기 중에서 확산 처리를 실시한 경우, 표면에서 질소가 이탈하여 표층 영역의 질소 농도가 저하되어 있음을 알 수 있다. 한편, α의 값을 0.005로 함에 의해, 상기 질소의 이탈은 억제되고, 적절한 질소 농도를 갖는 표층 영역을 얻을 수 있고 있음을 알 수 있다. 이것으로부터, 확산 처리에서도, α의 값을 관리하는 것이 중요함을 알 수 있다. 그리고, 본 발명자의 검토에 의하면, α의 값을 0.003 내지 0.012의 범위로 설정함에 의해, 적절한 질소 농도를 갖는 표층 영역을 얻을 수 있다.
침탄질화 처리 후의 확산 처리에서는, 분위기 중에 암모니아가 도입된 일 없이, 카본 포텐셜만이 조정되는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 이와 같은 확산 처리에 의해 표층 영역의 질소 농도가 저하되고, 베어링 부품의 내구성 향상이 방해되어 있던 것이라고 생각된다. 그리고, 확산 처리에 있어서 α의 값을 0.003 내지 0.012의 범위로 설정함에 의해, 베어링 부품의 내구성 향상이 달성된다.
(실시례 4)
표면 경도와 정적 부하 용량과의 관계를 조사하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, SUJ2로 이루어지는 시험편을 준비하고, 침탄질화 처리, 확산 처리, 소입 처리를 동일 조건으로 행한 후, 소려 온도를 변화시켜서 표면 경도가 다른 샘플을 제작하였다. 그리고, 당해 샘플의 표면 경도를 측정함과 함께, 샘플의 표면에 직경 φ9.525㎜의 질화규소제의 볼을 일정한 하중으로 꽉눌러서, 압흔을 형성하였다. 그리고, 형성된 압흔(하중을 제하한 후의 잔류 압흔)의 깊이를 조사하였다. 실험 결과를 도 20에 도시한다. 도 20에서, 횡축은 표면 부하된 응력, 종축은 압흔의 깊이를 나타내고 있다.
도 20을 참조하면, 표면 경도가 낮아짐에 따라, 압흔의 깊이는 깊어지고 있다. 그리고, 표면 경도가 700HV 이상인 경도 730HV의 경우만, 높은 정적 부하 용량이 요구되는 용도에서 사용되는 경우에도 허용된 압흔 깊이의 범위로 되어 있다. 이것으로부터, 베어링 부품의 접촉면에서의 경도는 700HV 이상인 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
(실시례 5)
구름베어링의 궤도륜의 내구성에 미치는 표층부의 질소 농도의 영향을 조사하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, 궤도륜(내륜)의 전주면에 압흔을 형성한 상태에서 전동 피로 수명 시험을 실시하였다. 실험의 순서는 이하와 같다.
시험은, JIS 규격 6206형번의 딥 그로브 볼 베어링(내경 30㎜, 외경 62㎜, 폭 16㎜, 전동체 9개, SUJ2제)에 의해 실시하였다. 우선, 상기 실시의 형태와 같은 순서에 의해 내륜을 제작하였다. 이 때, 침탄질화 처리시의 분위기에서의 미분해 암모니아 분압, 수소 분압, 탄소의 활량, 열처리 시간, 소입 온도 등을 조정함에 의해, 내륜 표면 부근에 침입하는 질소의 농도 분포를 제어하였다. 또한, 비교를 위해, 침탄질화를 실시하지 않은 내륜도 제작하였다. 그 결과, 도 21 내지 도 25의 5가지의 질소 농도 분포를 갖는 내륜이 얻어졌다. 여기서, 도 21 내지 도 25에서, 횡축은 표면(전주면)부터의 거리를 나타내고 있고, 종축은 질소 농도를 나타내고 있다. 또한, 질소의 농도 분포 측정은, 각 조건에 관해 2회씩 실시하고, 도 21 내지 도 25에는, 2회의 측정 결과가 겹쳐서 표시되어 있다.
다음에, 얻어진 내륜에 압흔을 형성하였다. 여기서, 실제의 사용 환경을 모의한 구름베어링 수명의 평가 방법으로서, 이물 혼입 윤활하에서의 수명 시험이 실시되는 경우가 있다. 이 시험 방법은, 구름베어링의 윤활유 중에 가스아토마이즈로 제작된 입경 100 내지 180㎛의 입자(경도 800HV 정도)를 혼입시켜서 운전하고, 그 파손 수명을 평가하는 것이다. 입경을 100 내지 180㎛로 하고 있는 이유는, 실제의 사용 환경에서의 최대로 100㎛ 정도의 입경을 갖는 경질 이물이 혼입되는 경우가 있기 때문이다. 이와 같은 이물 혼입 윤활하에서는, 경질 이물에 의해 베어링 부품에 압흔이 형성되고, 당해 압흔이 기점이 되어 박리하는 압흔 기점형 박리가 발생한다. 도 26에, 이 이물 혼입 윤활하에서의 수명 시험에 의해 파손된 궤도륜의 표면 형상(압흔 형상)을 도시한다. 도 26에서, 횡축은 표면(전주면)에 따른 기준점부터의 거리, 종축은 높이를 나타내고 있다. 횡축의 기준점부터 0.3㎜ 부근까지가 당초의 전주면, 0.3㎜ 내지 1.1㎜ 부근까지가 압흔, 1.1㎜ 이상의 영역이 박리부에 대응한다. 도 26으로부터, 상기 경질의 이물에 의해 형성된 압흔은 15 내지 20㎛ 정도의 깊이인 것을 알 수 있다.
또한, 압흔의 부풀어오른 부분의 형상 및 마이크로 조직이, 수명을 정하는 큰 요인이 된다. 압흔의 부풀어오른 부분의 형상은, 압흔 깊이까지의 재료의 마이크로 조직으로 정하여진다고 생각된다. 또한, 질소 농도에 의해 강의 마이크로 조직은 변화한다. 이들의 것으로부터, 경질의 이물이 침입하는 환경하에서의 수명은, 표면의 질소 농도만이 아니고, 표면부터 압흔 깊이까지의 질소 농도에 좌우된다고 생각된다.
그리고, 상술한 바와 같이 압흔 깊이는 최대로 약 20㎛가 된다. 이것으로부터, 본원 명세서 등에서는, 표면부터 깊이 20㎛까지의 영역을 표층 영역(표층부)으로 하고, 표층 영역(표층부)에서의 평균 질소 농도에 주목하고 있다. 이 표층 영역에서의 평균 질소 농도는, 구체적으로는, 표면에 수직한 단면에 관해 EPMA(Electron Probe Micro Analysis)에 의해 깊이 방향으로 선분석(線分析)을 행하고, 표면부터 20㎛ 깊이까지의 평균치를 산출함에 의해, 조사할 수 있다.
이상의 검토 결과에 입각하여, 내륜에는, 전주면의 홈 저부 중앙에 원추형 다이아몬드의 로크웰 경도 측정용 압자(정각 120°의 원추의 정점에 곡률 0.2㎜의 구면을 갖는 압자)를 하중 196N로 꽉눌러서 압흔을 형성하였다. 형성한 압흔의 형상을 3차원 표면 형상 장치로 측정한 바, 압흔 주연부의 부풀어오른 형상이 압흔 중심을 대칭축으로 하여 축방향, 원주 방향에 대해 거의 대칭 형상인 것이 확인되었다. 도 27에 대표적인 압흔 형상을 도시한다. 부여한 압흔은 내륜 1개당 30개이고, 둘레 방향으로 등 간격으로(즉 중심각 12°마다) 형성하였다.
이와 같이 하여 제작된 내륜에, 침탄질화 처리를 시행하지 않고, 또한 압흔을 형성하지 않는 통상의 외륜 외에, 전동체, 유지기 등을 조합시켜서 베어링을 조립하였다. 그리고, 얻어진 베어링을 수명 시험에 제공하였다. 시험 결과를 도 28에 도시한다. 또한, 마찬가지의 순서에서 압흔 형성을 생략한 베어링도 작성하고, 통상의 청정유 윤활 환경에서의 수명도 조사하였다. 청정유 윤활 환경에서의 수명의 시험 결과를 도 29에 도시한다.
도 28 및 도 29에서, 횡축은 표층 영역의 평균 질소 농도, 종축은 누적 파손 확률이 10%가 되는 시간(L10 수명)이다. 도 28을 참조하면, 표층 영역의 평균 질소 농도가 0.2질량% 이상인 경우에, 압흔 기점형 박리 수명이 평균 질소 농도 0인 경우에 비하여 2배 이상으로 되어 있다. 또한, 도 29를 참조하면, 표층 영역의 평균 질소 농도가 0.2질량% 이상인 경우에, 청정유 윤활 환경에서의 수명에 대해서도, 평균 질소 농도 0인 경우에 비하여 2배 이상으로 되어 있다.
이상의 실험 결과로부터, 질소 부화층의 형성(침탄질화 처리)의 명확한 효과를 얻기 위해서는, 표층 영역의 평균 질소 농도는 0.2질량% 이상으로 하여야 할 것이 확인되었다. 또한, 상기 실시례 2에서 설명한 실험 결과로부터, 불완전 소입 조직의 형성 억제를 위해서는, 표층 영역의 평균 질소 농도를 0.7질량% 이하로 하여야 할 것도 고려하면, 적절한 표면 질소 농도는 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하라고 말할 수 있다.
(실시례 6)
접촉면에서의 잔류 오스테나이트량과 압흔 기점형 박리 수명과의 관계를 조사하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, 표층 영역의 평균 질소 농도를 일정(0.4질량%)하게 하고, 소려 온도를 변화시킴에 의해 잔류 오스테나이트량을 변화시킨 샘플을 제작하고, 상기 실시례 5에서 설명한 압흔 기점형 박리 수명 시험을 실시하였다. 실험 결과를 도 30에 도시한다. 도 30에서의 횡축은 내륜의 전주면에서의 잔류 오스테나이트량, 종축은 L10 수명을 나타내고 있다.
도 30을 참조하면, 잔류 오스테나이트량이 증가함에 따라 압흔 기점형 박리 수명은 길어지고 있다. 그리고, 잔류 오스테나이트량이 20체적% 이상인 경우에, 압흔 기점형 박리 수명이 상기 실시례 5에서의 평균 질소 농도 0의 경우에 비하여 2배 이상으로 되어 있다. 한편, 잔류 오스테나이트량이 35체적%를 초과하면, 전주면(접촉면)에서의 경도가 부족할 우려가 있다. 이상의 검토 결과로부터, 접촉면에서의 잔류 오스테나이트량은 20체적% 이상 35체적% 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
(실시례 7)
부품 전체의 잔류 오스테나이트량과 치수 안정성과의 관계를 조사하는 실험을 행하였다. 구체적으로는, 외경(φ) : 60㎜, 내경(φ) : 54㎜, 축방향 길이(t) : 15㎜의 SUJ2로 이루어지는 링형상 시험편을 준비하고, 다른 조건으로 침탄질화 처리 등의 열처리를 실시함에 의해, 전체의 평균 잔류 오스테나이트량이 다른 소입 경화된 샘플로 하였다. 샘플의 잔류 오스테나이트량 분포를 도 31에 도시한다. 도 31에서의 횡축은 표면부터의 거리, 종축은 잔류 오스테나이트량을 나타내고 있다. 이 도 31에 의거하여 샘플 전체의 평균 잔류 오스테나이트량을 산출하였다. 도 31의 범례에서, 「소입 온도-소려 온도-표층 영역의 평균 질소 농도」가 표시되어 있다. 예를 들면, 850℃-180℃-0.4mass%N의 표시는, 소입 온도가 850℃, 소려 온도가 180℃, 표층 영역의 평균 질소 농도가 0.4질량%인 것을 나타내고 있다.
이들의 샘플을 120℃에 2500시간 유지하는 처리를 실시하였다. 그리고, 당해 처리의 전후에 있어서의 샘플의 외경을 측정하고, 그 변화율(변화량을 변화전의 외경으로 나눈 값)에 의해 치수 안정성을 평가하였다. 여기서, 상기 120℃에 2500시간 유지하는 처리는, 실제 기기에서 장기간을 경유하여 나타나는 경년 치수 변화를 가속하여 발생시키는 것이다. 시험 결과를 표 1에 표시한다. 또한, 도 32에 평균 잔류 오스테나이트량과 치수 변화율과의 관계를 도시한다. 도 32에서, 횡축은 각 샘플 전체에서의 평균 잔류 오스테나이트량, 종축은 외경의 치수 변화율을 나타내고 있다.
[표 1]
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표 1 및 도 32를 참조하면, 경년 치수 변화율을 바람직한 값인 60×10-5 이하로 하는 관점에서, 부품 전체의 평균 잔류 오스테나이트량은 18질량% 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
(실시례 8)
상기 실시례 5에서 설명한 바와 같이, 충분한 내구성을 베어링 부품에 부여하기 위해서는, 표층 영역에서의 평균 질소 농도는 0.2질량% 이상으로 할 필요가 있다. 여기서, 질소 농도는, 상술한 바와 같이, 예를 들면 EPMA에 의해 확인할 수 있다. 그러나, 베어링 부품의 양산 프로세스에서 EPMA를 이용한 품질 확인을 실시하는 것은, 품질 확인 작업을 번잡한 것으로 한다. 그 때문에, 양산 프로세스에서의 품질 확인은, 보다 간편한 방법에 의해 실시되는 것이 바람직하다. 그래서, 본 발명자는 강 중에 침입한 질소가 소려 연화 저항을 향상시키는 것을 이용하여, 품질 확인을 실시하는 방법을 검토하였다.
구체적으로는, 질소 농도가 다른 소입 경화된 샘플(침탄질화 처리 완료)을 준비하고, 당해 샘플에 대해 500℃에 1시간 유지하는 열처리를 행하고, 당해 열처리 후에 있어서의 샘플의 단면 경도 분포를 측정하는 실험을 행하였다. 여기서, 샘플의 중심부에는 질소는 침입하고 있지 않고, 당해 중심부는 소려 연화 저항이 가장 작다. 그 때문에, 중심부의 경도가 가장 낮아진다. 한편, 질소가 침입한 표층부는, 질소 농도에 응한 소려 연화 저항을 갖는다. 그 때문에, 표층부는, 중심부보다도 경도가 높고, 질소 농도에 대응한 경도를 갖는다. 도 33에 질소 농도와 경도차와의 관계를 도시한다. 도 33에서 횡축은 질소 농도, 종축은 단면 경도 분포에서의 최대치와 최소치와의 차를 나타내고 있다.
도 33을 참조하면, 상기 열처리 후의 경도차는, 질소 농도가 0.2 내지 0.3질량%정도의 경우에 가장 크게 되어 있다. 또한, 질소 농도가 0.2질량% 이상 0.3질량% 이하의 범위에서는, 95% 이상의 확률로 경도차가 130HV 이상으로 되어 있다. 그 때문에, 500℃에 1시간 유지한 후, 표면에 수직한 단면에서 깊이 방향으로 경도 분포를 측정한 경우, 경도의 최대치와 최소치와의 차가 130HV 이상이라면, 질소 농도가 0.2질량% 이상이라고 판단할 수 있다. 이와 같은 판단 수법을 채용함에 의해, 베어링 부품의 품질 확인을 간편하게 실시할 수 있다.
(실시례 9)
Cr를 함유하는 JIS 규격 SUJ2 등의 베어링강은, 침탄질화 처리 등에 의해 강 중에 질소를 침입시키면, 모재 중의 Cr 농도가 저하되어, 오스테나이트 단상 영역이 확대하기 때문에, 탄소의 고용한 농도가 상승한다. 그 결과, 특히 대책을 강구한 일 없이 고농도의 (예를 들면 0.2질량% 이상의 질소 부화층을 형성하는 것 같은) 침탄질화 처리를 시행하면, 탈탄은 생기지 않더라도, 탄화물(탄질화물을 포함한다)이 감소 또는 소실한다. 여기서, 베어링 부품의 고강도화의 관점에서는, 탄화물을 잔존시켜, 당해 탄화물에 의한 석출 강화 기능을 이용하는 것이 바람직하다고 생각된다. 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법에서는, ac*의 값을 0.88 이상 1.27 이하로 설정하고, 질소 부화층의 탄소 고용한의 상승보다도 빨리 침탄을 행함으로써, 탄화물의 소실을 억제하고 있다. 이 탄화물 잔존의 효과를 확인하는 실험을 행하였다. 도 34는 종래의 침탄질화 처리 방법에 의해 침탄질화 처리를 실시한 SUJ2로 이루어지는 샘플의 단면 SEM 사진이다. 도 34의 사진에서는, 탄화물이 거의 소실하고 있다. 이에 대해, 도 35는 본 실시의 형태에 관한 베어링 부품의 제조 방법에서 채용되는 침탄질화방법(ac*의 값을 1로 한 것)에 의해 침탄질화 처리를 실시한 SUJ2로 이루어지는 샘플의 단면 SEM 사진이다. 도 35의 사진에서는, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당에 5개 이상 존재하고 있다.
그리고, 상기 탄화물의 효과를 확인하기 위해, SUJ2로 이루어지는 시험편에 침탄질화 처리를 다른 조건으로 실시하고, 탄화물의 존재량(수밀도)을 변화시키면서, 경도를 750HV로 한 샘플을 제작하고, 당해 샘플의 표면에 직경 φ9.525㎜의 질화규소제의 볼을 꽉누름에 의해, 형성되는 압흔 깊이를 측정하는 실험을 행하였다. 실험 결과를 도 36에 도시한다. 도 36에서, 횡축은 질화규소제의 볼의 꽉누르는 압력, 종축은 볼의 꽉누름에 의해 형성된 압흔의 깊이를 나타내고 있다. 또한, 도 36에서 정방형 표시는 탄화물이 소실한 샘플, 마름모 표시는 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당에 5개 이상 존재 샘플의 측정 결과에 대응한다.
도 36을 참조하면, 경도가 같음에도 불구하고, 탄화물이 소실한 샘플에 비하여, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물(탄질화물)이 100㎛2당에 5개 이상 존재하는 샘플에서는, 압흔의 깊이가 작게 되어 있는 것이 확인된다. 이상의 실험 결과로부터, 베어링 부품의 정적 부하 용량 향상의 관점에서, 베어링 부품의 표층 영역에는 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물(탄질화물)이 100㎛2당에 5개 이상 존재하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
(실시례 10)
다음에, 내부의 탄화물의 면적률과 이물 혼입 윤활 수명과의 관계에 관해 조사하였다. 베어링강은, 탄화물을 용입함에 의해 고용 강화할 수 있다. 소입 전의 베어링강의 탄화물의 면적률은 일정하기 때문에, 침탄질화 처리 후에 있어서의 내부의 탄화물의 면적률에 의해 탄소의 고용량을 추측할 수 있다. 여기서, 베어링의 수명에 영향을 주는 것은 연삭 후의 표면의 품질임에도 불구하고, 내부의 탄화물의 면적률로부터 모지 중에의 탄소의 고용량을 추측하고 있는 이유는, 침탄질화 처리에 의해 표면이 질화되어 탄소의 고용한 농도가 상승하기 때문에, 모지에의 탄화물의 고용량을 추측하는 것이 곤란하기 때문이다. 표 2에, 열처리 조건과 내부의 석출물(탄화물)의 면적률(%)과의 관계를 표시한다.
[표 2]
Figure pct00005
표 2의 열처리 조건은, 「소입 온도-소려 온도-연삭후 최표면의 질소 농도」의 표시에 의해 나타나고 있다. 예를 들면 800℃-180℃-0.1mass%N의 표시는, 소입 온도가 800℃, 소려 온도가 180℃, 표층부의 질소 농도가 0.1질량%인 것을 나타내고 있다. 표 2로부터, 가열 온도가 높아짐에 수반하여 내부의 석출물의 면적률은 작아지는 것이 확인되었다. 즉, 침탄질화 처리시의 처리 온도를 높게 함에 의해 모지에서의 탄소의 고용한 농도가 상승하고, 탄소의 고용량이 증대하기 때문에 석출물의 양이 적어진다. 또한, 탄소의 고용한 농도가 상승한 상태에서의 석출물이 존재하고 있는 경우에는 모지(base)에서의 탄소 농도가 고용한 농도에 달하고 있는 것으로 되어, 표면의 모지도 탄소 농도가 높아진다.
도 37에, 이물 혼입 윤활 수명의 시험 결과를 도시한다(시험 방법은 상기와 같음). 도 37에서, 횡축은 수명(시험 시작부터 박리가 발생할 때까지의 시간)(h)을 나타내고, 종축은 누적 파손 확률(%)을 나타내고 있다. 또한, 도 37의 범례에는, 표 2와 마찬가지로, 「소입 온도-소려 온도-연삭 후 최표면의 질소 농도」가 표시되어 있다. 도 37에 도시하는 바와 같이, 내부의 석출물의 면적률이 작은 경우(880℃-210℃-0.4mass%)에는, 탈탄시킨 경우(880℃-210℃-0.4mass%DC), 고온 소려를 한 경우(850℃-240℃-0.4mass%) 및 SUJ2재를 보통 소입한 경우(850℃-180℃-0.4mass%(SUJ2 보통 소입))에 비하여 수명이 길어졌다. 또한, 고온 소려란 경우에는 모지 중의 탄소 농도의 감소 및 잔류 오스테나이트의 감소 때문에 수명이 짧아지고, 또한 탈탄한 경우에는 모지 중의 탄소 농도의 감소 때문에 수명이 짧아졌다.
금회 개시된 실시의 형태 및 실시례는 모든 점에서 예시이고, 제한적인 것이 아니다라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미, 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법은, 엄한 사용 환경에서도 높은 내구성을 확보하는 것이 요구되는 베어링 부품, 구름베어링 및 베어링 부품의 제조 방법에, 특히 유리하게 적용될 수 있다.
1 : 딥 그로브 볼 베어링
2 : 스러스트 니들롤러 베어링
4 : 원추 롤러 베어링
11, 41 : 외륜
11A, 41A : 외륜 전주면
11B, 12B, 13B, 21B, 23B : 표층 영역
11C, 12C, 13C, 21C, 23C : 내부
11D, 12D, 13D, 21D, 23D : 질소 부화층
12, 42 : 내륜
12A, 42A : 내륜 전주면
13 : 볼
13A : 볼 전동면
14, 24, 44 : 유지기
21 : 궤도륜
21A : 궤도륜 전주면
23 : 니들롤러
23A : 전동 접촉면
43A : 전동면
43 : 롤러
50 : 분위기 제어 공정
51 : 미분해 NH3 분압 제어 공정
52 : H2 분압 제어 공정
53 : CO/CO2 분압 제어 공정
60 : 가열 패턴 제어 공정

Claims (13)

  1. 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강으로 이루어지고,
    다른 부품과 구름 접촉하는 면인 접촉면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역인 표층 영역에서의 평균 질소 농도가 0.2질량% 이상 0.7질량% 이하이고,
    상기 표층 영역에는, 직경 0.5㎛ 이하의 탄화물이 100㎛2당 5개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  2. 제 1항에 있어서,
    표면부터 깊이 20㎛ 이내의 영역 전역에서의 평균 질소 농도가 0.7질량% 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 접촉면의 경도는 700HV 이상인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉면에서의 잔류 오스테나이트량이 20체적% 이상 35체적% 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전체의 평균 잔류 오스테나이트량이 18체적% 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    500℃에 1시간 유지한 후, 상기 접촉면에 수직한 단면에서의 깊이 방향으로 경도 분포를 측정한 경우, 경도의 최대치와 최소치와의 차가 130HV 이상인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표층 영역에는 침탄질화층이 형성되어 있고,
    상기 침탄질화층이 형성되지 않은 영역에서의 석출물의 면적률이 7% 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  8. 제1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉면 이외의 면에 석출물이 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    미분해 암모니아 분압을 PN, 수소 분압을 PH로 한 경우에, 이하의 식(1)으로 정의되는 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, 식(2)으로 정의되는 α가 0.012 이상 0.020 이하가 되도록 침탄질화 처리를 행함에 의해 상기 표층 영역이 질화되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
    [수 1]
    Figure pct00006
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    820℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 침탄질화 처리를 행함에 의해 상기 표층 영역이 질화되어 있고,
    상기 침탄질화 처리의 후, 170℃ 이상 220℃ 이하의 온도로 소려 처리가 시행되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  11. 궤도 부재와,
    상기 궤도 부재에 접촉하여 배치되는 전동체를 구비하고,
    상기 궤도 부재 및 상기 전동체의 적어도 어느 한쪽은, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 베어링 부품인 것을 특징으로 하는 구름베어링.
  12. 0.95질량% 이상 1.10질량% 이하의 탄소와, 0.05질량% 이상 0.3질량% 미만의 규소와, 0.10질량% 이상 0.50질량% 이하의 망간과, 1.30질량% 이상 2.00질량% 이하의 크롬을 함유하고, 잔부 철 및 불순물로 이루어지는 강으로 이루어지는 성형체를 준비하는 공정과,
    상기 성형체를, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 침탄질화 분위기 중에서 침탄질화 온도로 가열함에 의해, 상기 성형체를 침탄질화하는 공정과,
    침탄질화된 상기 성형체를, 암모니아, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 확산 분위기 중에서 상기 침탄질화 온도 이하의 온도인 확산 온도로 유지함에 의해, 상기 성형체 중의 질소를 확산시키는 공정을 구비하고,
    미분해 암모니아 분압을 PN, 수소 분압을 PH로 하고, ac*를 이하의 식(1), α를 이하의 식(2)으로 정의한 경우, 상기 침탄질화 분위기에서의 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, α가 0.012 이상 0.020 이하로 설정되고, 상기 확산 분위기에서의 ac*가 0.88 이상 1.27 이하, α가 0.003 이상 0.012 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 베어링 부품의 제조 방법.
    [수 2]
    Figure pct00007
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 성형체 중의 질소를 확산시키는 공정보다도 후에, 상기 성형체를 170℃ 이상 220℃ 이하의 온도 영역으로 가열하여 냉각하는 소려 처리가 실시되는 공정을 더 구비한 것을 특징으로 하는 베어링 부품의 제조 방법.
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