WO2006068205A1

WO2006068205A1 - 転がり、摺動部品およびその製造方法

Info

Publication number: WO2006068205A1
Application number: PCT/JP2005/023565
Authority: WO
Inventors: Katsuhiko Kizawa; Tsuyoshi Mikami; Tomoaki Nishikawa; Terumoto Fujiwara
Original assignee: Jtekt Corporation; Aichi Steel Corporation
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-06-29
Also published as: KR20070091345A; EP1837413B1; EP1837413A4; CN100532614C; CN101087896A; EP1837413A1; JP5094126B2; JPWO2006068205A1

Abstract

　異物が混入した潤滑油が用いられる転がり軸受に使用した場合、一層の長寿命化を図ることができる転がり、摺動部品を提供する。転がり、摺動部品を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する。表層部の全析出炭化物の面積率を９～３０％とする。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Ｍ７Ｃ３型および／またはＭ２３Ｃ６型とする。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。

Description

転がり、摺動部品およびその製造方法

技術分野

[0001] 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、またはすベ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。

[0002] 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。

背景技術

[0003] 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、軽量ィ匕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 8 40〜870°C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、表面力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ツタス中の固溶炭素量が 0. 6〜1. 0 ％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 3 μ m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)。

[0004] し力しながら、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、異物を嚙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。

[0005] し力しながら、 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、その量力 0%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力 150〜1760の M C型炭化物 { =Fe C、（Fe、 Cr) C}が多ぐこの M C型炭化

3 3 3 3 物は、他の合金炭化物（M C、 MC)に比べ浸炭時の炭化物成長速度が速く（参考

7 3

文献：高山：日本金属学会誌、 11、 45 (1981)、 1195)、かつ硬さが低い（M Cおよび

7 3

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、転力 ^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。

[0006] 但し、 Crを増量して M C型炭化物を利用し、異物混入下での転動寿命を改善しよ

7 3

うとする試み自体は、新規なものではなぐ例えば特許文献 2等に記載の発明が既に提案されている。し力しながら、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ぐ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。

[0007] 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。

特許文献 1 :特開 2004— 52101号公報

特許文献 2：特公平 6 - 11899号公報

特許文献 3：特開平 1— 55423号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 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。

課題を解決するための手段

[0009] 請求項 1の発明による転がり、摺動部品は、

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 M C型および

7 3 Zまたは M C型であり、表層部の炭化

23 6

物の平均粒径が 0. 2〜0. 4 /ζ πι、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。

[0010] 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 0〜50 mの範囲である。なお、以下も同様である。

[0011] 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。

[0012] (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 M C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 M C型および Zまたは M C型にすると、浸炭後

7 3 23 6

の表層部の炭化物粒径を、 M C型炭化物が主の鋼に比べ微細とすることができ、異

3

物混入下での寿命を大幅に向上できる。また、 M C型、 M C型炭化物は前述した

7 3 23 6

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。

[0013] (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。

[0014] 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. 5 μ mであつて、 0. 1 m以上の大きさの炭化物の析出数が 1, 500, 000個以上 Zmm²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°C付近の温度に加熱し 25 °CZh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. 4 m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。

[0015] 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 Zmm²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、 M C型および Zまたは M C型の炭化物を主とする微細炭化物が多量に析出した

7 3 23 6

状態を得ることができ、かつ前述した通り M C型、 M C型炭化物は、浸炭時の成

7 3 23 6

長速度が M C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

3

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、。

[0016] 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。

[0017] 全析出炭化物中の M C型および

7 3 Zまたは M C型の量

23 6

M C型および M C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

7 3 23 6

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、 M C

3 型炭化物よりも高硬度でかつ粗大化し難い M C型および M C型炭化物は、後述するように、主として、炭化物形

7 3 23 6

成元素である Crを、従来鋼に比べて多量（3. 2〜5. Owt%)に含有させることや、 M o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。

[0018] 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、 L

10寿命比 (JIS SUJ2の焼き入れ、焼き戻し品の L 寿命を 1とした場合の寿命比）が 10以上になるのは、炭化

10

物の面積率と平均粒径と L 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

10

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. 4 /z m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。この上限値の好ましい値は 20%であり、さらに好ましくは 15%である。さらに、平均粒径の下限値である 0. 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。

[0019] 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つたが、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、浸炭処理前に球状ィ匕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。

[0020] 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。し力しながら、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ぐ 60%を超えると、高硬度の M C型およびたは M C型の炭化物

7 3 Zま

23 6 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。

[0021] 請求項 2の発明による転がり、摺動部品は、

C : 0. 7〜0. 9wt%、Cr: 3. 2〜5. Owt%を含み、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. 、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。

[0022] 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 M C型および

7 3 Zまたは M C型炭化物を M C型炭化物に比較して優先的に析出させる必要がある。

23 6 3

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。

[0023] 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次の通りである。なお、表層部の炭化物の面積率および炭化物の平均粒径、および表層部の残留オーステナイト量については、請求項 1の発明と同様である。

[0024] 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を多く添カロして、る影響から、鋼材製造時に疲労破壊の起点となり易、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。

[0025] 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 C型およ

7 3 び Zまたは M C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

23 6

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、従来の軸受鋼に比ベ多量に含有する必要があり、下限値を 3. 2wt%とした。し力しながら、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. Owt%とした。

[0026] 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つたが、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の材料成分力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。

[0027] 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. 8^%となされているものである。

[0028] 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。

[0029] 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°C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. 0308 Χ+0. 9256力得られ、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。

[0030] 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 10〜20%となされているものである。

[0031] 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力 0〜50%となされているものである。

[0032] 請求項 6の発明による転がり、摺動部品は、請求項 1〜5のうちのいずれかの発明【こおヽて、 C:0. 7〜0. 9wt%, Si:0. 05〜0. 7wt%, Mn:0. 05〜0. 7wt%, Cr: 3. 2〜5. Owt%、 A1:0. 04wt%以下、 P:0. 03wt%以下、 S:0. 03wt%以下、 Ti:0 . 005wt%以下および 0:0. 0015wt%を含み、さらに Mo: 1. Owt%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力なる鋼により形成されて、ることを特徴とするものである。

[0033] なお、 C、 Crの成分限定理由は、請求項 2と同一である。また、 C、 Crを除く成分限定理由については後述する。

[0034] 請求項 7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つ力請求項 1〜6のうちのいずれかに記載の部品からなるものである。

[0035] 請求項 8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. Owt%、 A1:0. 04wt%以下、 P:0. 03wt%以下、 S:0. 03wt%以下、 Ti:0. 005wt %以下および 0:0. 0015wt%以下を含み、さらに Mo:l. Owt%未満および V:0. 5 Owt%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°C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 M C型および

7 3 Zまたは M C型

23 6 とし、表層部の炭化物の平均粒径を 0. 2〜0. 4 /ζ πι、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。

[0036] 諸求項 6および 8の発明において、用いる鋼の Cおよび Crを除いた各元素の含有量、ならびに請求項 8の発明における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、用いる鋼の Cおよび Crの含有量の限定理由については、請求項 2 の発明の場合と同じである。また、浸炭後の表層部の全析出炭化物中の M C型お

7 3 よび Zまたは M C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

23 6

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。

[0037] Si含有量

Siは鋼の精鍊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ィヒ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。

[0038] Mn含有量

Mnはオーステナイトを安定ィヒさせる元素であり、その増量によって容易に残留ォ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。しカゝしながら、 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力、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!、。

[0039] A1含有量

A1は鋼の精鍊時の脱酸のために必要な元素である力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ぐ転動疲労時の剥離起点となる。従って、 A1の添力卩は脱酸に必要な最低限量に抑制することが望ましぐ上限値を 0. 04wt%とした。

[0040] P含有量

Pはオーステナイト粒界に偏祈して鋼の靭性を低下させるため、上限値を 0. 03wt %とした。

[0041] 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。し力しながら、 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。

[0042] 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カロ、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、方が好まし！/、。

[0043] O含有量

Oの多くは鋼中の A1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。そのような背景力も 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、方が好まし！/ヽ。

[0044] 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、残留ォーステナイト量の増カロにも寄与し、さらに M C型炭化物を効果的に析出させる効果

23 6

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種以上を添カ卩して、表面硬度の上昇を図ることとしたのである。し力しながら、過剰の含有はコスト高となるば力りでなぐ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. Owt%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。

[0045] 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。し力しながら、 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《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、。

[0046] 浸炭処理温度

浸炭処理温度が 870°C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、し力も多量の煤が発生する。また、 950 °C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 M C型、 M C型炭化物の比率が減

7 3 23 6

少し、成長速度の速い M C型炭化物が増力!]して、一層炭化物の粗大化が促進され

3

る場合もある。したがって、浸炭処理温度は 870〜950°C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力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。

[0047] 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°C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. 4 m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。

発明の効果

[0048] 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 M C型および

7 3 Zまたは M C型であり

23 6

、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. 4 m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、多量の残留ォーステナイトが、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。

[0049] 請求項 2の発明の転がり、摺動部品によれば、請求項 1の発明に対し、さらに C含有量および Cr含有量の最適化を行った結果、高硬度で微細な M C型および

7 3 Zまたは M C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ぐ高寿命の転がり、摺動部品を得ることができる

[0050] 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。

[0051] 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。

[0052] 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。

[0053] 請求項 6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、請求項 2と同様に M C型、 M C型の炭化物を多量かつ微細に析出させる

7 3 23 6

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 A1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。

[0054] 請求項 7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。

[0055] 請求項 8の発明の転がり、摺動部品の製造方法によれば、 M C型、 M C型炭化

7 3 23 6 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。

発明を実施するための最良の形態

[0056] 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。

[0057] 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。

[表 1]

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力なる [0059] 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°Cで 6時間加熱保持した後、 80°Cに油冷するものである。

[0060] 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°Cで 4時間加熱保持した後、 80°Cに油冷するものである。

[0061] 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°C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°Cで 0. 5時間加熱保持し、ついで 80°Cに油冷するものである。

[0062] 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°C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°Cで 0. 5時間加熱保持し、ついで 80°Cに油冷するものである。

[0063] 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°Cで 8時間加熱保持した後、 80°Cに油冷するものである。

[0064] 図 8に示す熱処理条件 6は、 850°Cで 40分間加熱保持した後、 80°Cに油冷するものである。

[0065] 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°C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°Cで 0. 5時間加熱保持し、ついで 80°Cに油冷するものである。

[0066] 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°C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。

[0067] 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。

[0068] このようにして製造された実施例 1〜： LO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、表面力深さ 50 m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、 M C型と M C型の炭化物の合

7 3 23 6

計面積率を算出した。結果を表 2に示す。

[表 2]

物物全残留オ炭化炭化炭素量表硬さ熱処理面テのの物スC炭化 MMー/23<;

寿命寿命0比0 h L 1 L1， oo <D σ> 卜 O σι

件ナイ量均粒径積率 () (C)条平面%HR積率面の σ)

O ο O o s> 6 6

d o o o

d o o

to n

to

< -

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。

[表 3]

[0071] 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。

[0072] 寿命試験の結果も表 2に示す。

[0073] 表 2中の L 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

10

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つて L 寿命とし、比較例 180IS SUJ2、焼き入れ焼き戻し品)の

10

L 寿命を 1として求めたものである。

10

[0074] 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力となった。

[0075] 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. 4 /z m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 M C型、 M C型炭化物の比率が面積率で 20%と

7 3 23 6

大きく低下 (M C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

3

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、粒径が大きくなつて寿命が低下したものである。 [0076] また、比較例 9、 11〜13は浸炭温度が 960°Cと高すぎるため、炭化物が粗大化したものである力このうち、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ぐ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 M C型炭化物の量が増加し、 M C型と M C型の炭化物の面積率が 50%未

3 7 3 23 6

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。

[0077] 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。

[0078] このうち、比較例 8、 10は、浸炭温度が低ぐ浸炭処理中の Cの拡散が不十分となつ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ぐ寿命も大きく劣る。

[0079] 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、硬度が高ぐ成長速度の遅い M C

7 3型と M C

23 6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ぐ全て平均粒径が 0. 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

[0080] 前述した比較例に対し、実施例 1〜： LO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。

[0081] 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 Zmm²以上（165〜205万個 Zmm²)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 Zmm²以上の炭化物が未浸炭層に認められた。

[0082] 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 Zmm²)場合には、全て浸炭後に 300, 000個 Zmm²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力つた。

[0083] 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!/、条件で浸炭処理し、浸炭後にお!/、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。

図面の簡単な説明

[0084] [図 1]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 L 寿命比との関係を表すグラフである。

10

[図 2]実施例の評価試験の結果力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。

[図 3]熱処理条件 1を示す線図である。

[図 4]熱処理条件 2を示す線図である。

[図 5]熱処理条件 3を示す線図である。

[図 6]熱処理条件 4を示す線図である。

[図 7]熱処理条件 5を示す線図である。

[図 8]熱処理条件 6を示す線図である。

[図 9]熱処理条件 7を示す線図である。

Claims

請求の範囲

[1] 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 M C型および

7 3 Zまたは M C型であり、表層部の炭化物の

23 6

平均粒径が 0. 2〜0.4/ζπι、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%、 Cr:3. 2〜5. Owt%を含み、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. 、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 10〜20%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] C:0. 7〜0. 9wt%、 Si:0. 05〜0. 7wt%、 Mn:0. 05〜0. 7wt%、 Cr:3. 2〜5. 0 wt%、 A1:0. 04wt%以下、 P:0. 03wt%以下、 S:0. 03wt%以下、 Ti:0. 005wt% 以下および 0:0. 0015wt%を含み、さらに Mo:l. Owt%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力なる鋼により形成されていることを特徴とする請求項 1〜5のうちのいずれかに記載の転がり、摺動部

P

PPo

[7] 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つ力請求項 1〜6のうちのいずれかに記載の部品力なる転がり軸受。

[8] C:0. 7〜0. 9wt%、 Si:0. 05〜0. 7wt%、 Mn:0. 05〜0. 7wt%、 Cr:3. 2〜5. 0 wt%、 A1:0. 04wt%以下、 P:0. 03wt%以下、 S:0. 03wt%以下、 Ti:0. 005wt% 以下および 0:0. 0015wt%以下を含み、さらに Mo:l. Owt%未満および V:0. 50w t%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力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°C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 C型および

7 3

Zまたは M C型とし、さらに表層部の炭化物の平均粒径を 0. 2〜0. 、表層

23 6

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。