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  • 特開-転動部品及び転がり軸受 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023178014
(43)【公開日】2023-12-14
(54)【発明の名称】転動部品及び転がり軸受
(51)【国際特許分類】
   F16C 33/62 20060101AFI20231207BHJP
   C22C 38/00 20060101ALI20231207BHJP
   C22C 38/26 20060101ALI20231207BHJP
   F16C 33/64 20060101ALI20231207BHJP
   F16C 33/32 20060101ALI20231207BHJP
   C21D 1/06 20060101ALN20231207BHJP
   C21D 9/40 20060101ALN20231207BHJP
【FI】
F16C33/62
C22C38/00 301N
C22C38/26
F16C33/64
F16C33/32
C21D1/06 A
C21D9/40 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022091031
(22)【出願日】2022-06-03
(71)【出願人】
【識別番号】000102692
【氏名又は名称】NTN株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山田 昌弘
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 美有
(72)【発明者】
【氏名】大木 力
【テーマコード(参考)】
3J701
4K042
【Fターム(参考)】
3J701AA01
3J701AA42
3J701AA52
3J701AA62
3J701BA10
3J701BA53
3J701BA54
3J701BA70
3J701EA02
3J701FA15
3J701FA31
3J701FA60
3J701XB01
3J701XB03
3J701XB33
3J701XE01
3J701XE03
3J701XE14
3J701XE30
4K042AA22
4K042BA03
4K042BA08
4K042BA14
4K042CA06
4K042CA08
4K042CA09
4K042CA13
4K042DA01
4K042DA02
4K042DA06
(57)【要約】
【課題】表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能な転動部品を提供する。
【解決手段】転動部品は、表面を有し、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。転動部品は、表面からの距離が20μmまでの領域である表層部を備えている。鋼は、0.70質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.15質量パーセント以上0.35質量パーセント以下のシリコンと、0.30質量パーセント以上0.60質量パーセント以下のマンガンと、1.30質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.50質量パーセント以下のニオブと、0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.50質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む。表層部中における平均窒素濃度は、0.20質量パーセント以上である。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面を有する焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製の転動部品であって、
前記表面からの距離が20μmまでの領域である表層部を備え、
前記鋼は、0.70質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.15質量パーセント以上0.35質量パーセント以下のシリコンと、0.30質量パーセント以上0.60質量パーセント以下のマンガンと、1.30質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.50質量パーセント以下のニオブと、0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.50質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含み、
前記表層部中における平均窒素濃度は、0.20質量パーセント以上であり、
前記表層部中には、析出物が分散しており、
前記析出物は、ニオブ、バナジウム又はモリブデンが主成分である窒化物若しくはニオブ、バナジウム又はモリブデンを主成分とする炭窒化物であり、
上位粒面積率50パーセントでの前記表層部におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、1.5μm以下である、転動部品。
【請求項2】
前記鋼は、0.80質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.20質量パーセント以上0.30質量パーセント以下のシリコンと、0.40質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のマンガンと、1.40質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.001質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のニオブと、0.20質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.10質量パーセント以上0.30質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む、請求項1に記載の転動部品。
【請求項3】
前記表層部におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、5.0μm以下である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項4】
前記表層部における前記析出物の最大粒径は、1.0μm以下である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項5】
前記表層部における前記析出物の平均面積率は、2.0パーセント以上である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項6】
上位粒面積率50パーセントでの前記表層部におけるセメンタイトの平均粒径は、0.8μm以上である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項7】
前記表層部におけるセメンタイトの平均面積率は、10パーセント以上である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項8】
前記表層部におけるマルテンサイトブロックの上位粒面積率が50パーセントでの平均アスペクト比は、3.3以下である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項9】
前記表面からの距離が50μmとなる位置における残留圧縮応力は、80MPa以上である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項10】
前記表面からの距離が50μmとなる位置における残留オーステナイト量は、10体積パーセント以上である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項11】
前記表面からの距離が50μmとなる位置における硬さは、60HRC以上である、請求項1に記載の転動部品。
【請求項12】
軌道部材と、
転動体とを備え、
前記軌道部材及び前記転動体の少なくともいずれかは、請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の前記転動部品である、転がり軸受。
【請求項13】
水素利用機器用である、請求項12に記載の転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、転動部品及び転がり軸受に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許第3990212号公報(特許文献1)には、転動部品が記載されている。特許文献1に記載の転動部品は、JIS規格に定められている高炭素クロム軸受鋼であるSUJ2を用いて、浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第3990212号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
SUJ2を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における残留オーステナイト量が多い。そのため、SUJ2を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品は、異物混入潤滑下での圧痕起点型剥離への耐久性が高い。
【0005】
しかしながら、SUJ2を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における残留オーステナイト量が多いため、表面における硬さが低下してしまう。そのため、SUJ2を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性が不十分となり、転動疲労寿命が短くなることがある。また、SUJ2を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における耐摩耗性が低下する結果、表面における水素発生及び水素侵入が促進され、水素脆化が引き起こされることがある。
【0006】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能な転動部品及び転がり軸受を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の転動部品は、表面を有し、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。転動部品は、表面からの距離が20μmまでの領域である表層部を備えている。鋼は、0.70質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.15質量パーセント以上0.35質量パーセント以下のシリコンと、0.30質量パーセント以上0.60質量パーセント以下のマンガンと、1.30質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.50質量パーセント以下のニオブと、0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.50質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む。表層部中における平均窒素濃度は、0.20質量パーセント以上である。表層部中には、析出物が分散している。析出物は、ニオブ、バナジウム又はモリブデンが主成分である窒化物若しくはニオブ、バナジウム又はモリブデンを主成分とする炭窒化物である。上位粒面積率50パーセントでの表層部におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、1.5μm以下である。
【0008】
上記の転動部品では、鋼が、0.80質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.20質量パーセント以上0.30質量パーセント以下のシリコンと、0.40質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のマンガンと、1.40質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.001質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のニオブと、0.20質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.10質量パーセント以上0.30質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含んでいてもよい。
【0009】
上記の転動部品では、表層部におけるマルテンサイトブロックの最大粒径が、5.0μm以下であってもよい。
【0010】
上記の転動部品では、表層部における析出物の最大粒径が、1.0μm以下であってもよい。上記の転動部品では、表層部における析出物の平均面積率が、2.0パーセント以上であってもよい。
【0011】
上記の転動部品では、上位粒面積率50パーセントでの表層部におけるセメンタイトの平均粒径が、0.8μm以上であってもよい。上記の転動部品では、表層部におけるセメンタイトの平均面積率が、10パーセント以上であってもよい。
【0012】
上記の転動部品では、上位粒面積率50パーセントでの表層部におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が、3.3以下であってもよい。
【0013】
上記の転動部品では、表面からの距離が50μmとなる位置における残留圧縮応力が、80MPa以上であってもよい。上記の転動部品では、表面からの距離が50μmとなる位置における残留オーステナイト量が、10体積パーセント以上であってもよい。上記の転動部品では、表面からの距離が50μmとなる位置における硬さが、60HRC以上であってもよい。
【0014】
本発明の転がり軸受は、軌道部材と、転動体とを備えている。軌道部材及び転動体の少なくともいずれかは、上記の転動部品である。上記の転がり軸受は、水素利用機器用であってもよい。
【発明の効果】
【0015】
本発明の転動部品及び転がり軸受によると、表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能である。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】転がり軸受100の断面図である。
図2】転がり軸受100の製造方法を示す工程図である。
図3】転がり軸受100の製造方法の変形例を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。実施形態に係る転がり軸受を、転がり軸受100とする。
【0018】
(転がり軸受100の構成)
図1は、転がり軸受100の断面図である。図1に示されるように、転がり軸受100は、例えば深溝玉軸受である。但し、転がり軸受100は、これに限られない。
【0019】
転がり軸受100は、例えば、FCV(Fuel Cell Vehicle)及びEV(Electric Vehicle)のトランスアクスル用、CVT(Continuously Variable Transmission)等のトランスミッション用、モータ(駆動装置、変速機)用、電装部品及び補機(オルタネータ、カーエアコンの電磁クラッチ、ファンカップリング装置、中間プーリ、電動ファンモータ、圧縮機、電動アクチュエータ、電動パワーステアリング)用の転がり軸受である。また、転がり軸受100は、例えば、工作機械の主軸用、鉄道車両(車軸、駆動装置、主電動機)用、変速機用、抄紙機用、建設機械のアクスル用、風力発電機の増速機用の転がり軸受であってもよい。さらに、転がり軸受100は、FCVの高圧水素弁、FCVの水素循環器等の水素利用機器用の転がり軸受であってもよい。
【0020】
転がり軸受100は、内輪10と、外輪20と、複数の転動体30と、保持器40とを有している。内輪10の中心軸を、中心軸Aとする。中心軸Aの方向を軸方向とし、中心軸Aに直交し、かつ中心軸Aを通る方向を径方向とし、中心軸Aを中心とする円周の方向を周方向とする。
【0021】
内輪10は、リング状である。内輪10は、幅面10aと、幅面10bと、内径面10cと、外径面10dとを有している。なお、幅面10a、幅面10b、内径面10c及び外径面10dを合わせて、内輪10の表面ということがある。
【0022】
幅面10a及び幅面10bは、軸方向における内輪10の端面である。幅面10bは、軸方向における幅面10aの反対面である。内径面10cは、周方向に沿って延在している。内径面10cは、中心軸A側を向いている。内径面10cの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面10a及び幅面10bに連なっている。外径面10dは、周方向に沿って延在している。外径面10dは、中心軸Aとは反対側を向いている。つまり、外径面10dは、内径面10cの径方向における反対面である。外径面10dの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面10a及び幅面10bに連なっている。
【0023】
内輪10は、内径面10cにおいて軸(図示を省略)に嵌め合わされる。外径面10dは、軌道面10daを有している。軌道面10daは、転動体30に接触する外径面10dの部分である。軌道面10daは、周方向に沿って延在している。軌道面10daは、軸方向における外径面10dの中央部にある。外径面10dは、内径面10c側に向かって窪んでいる。周方向に直交する断面視において、軌道面10daは、例えば部分円弧状である。
【0024】
外輪20は、リング状である。外輪20は、幅面20aと、幅面20bと、内径面20cと、外径面20dとを有している。なお、幅面20a、幅面20b、内径面20c及び外径面20dを合わせて、外輪20の表面ということがある。
【0025】
幅面20a及び幅面20bは、軸方向における外輪20の端面である。幅面20bは、軸方向における幅面20aの反対面である。内径面20cは、周方向に沿って延在している。内径面20cは、中心軸A側を向いている。内径面20cの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面20a及び幅面20bに連なっている。外径面20dは、周方向に沿って延在している。外径面20dは、中心軸Aとは反対側を向いている。つまり、外径面20dは、内径面20cの径方向における反対面である。外径面20dの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面20a及び幅面20bに連なっている。
【0026】
外輪20は、外径面20dにおいてハウジング(図示を省略)に嵌め合わされる。外輪20は、内径面20cが外径面10dと間隔を空けて対向するように、内輪10の径方向における外側に配置されている。内径面20cは、軌道面20caを有している。軌道面20caは、転動体30に接触する内径面20cの部分である。軌道面20caは、周方向に沿って延在している。軌道面20caは、軸方向における内径面20cの中央部にある。内径面20cは、外径面20d側に向かって窪んでいる。周方向に直交する断面視において、軌道面20caは、例えば部分円弧状である。
【0027】
転動体30は、例えば球状である。複数の転動体30は、軌道面10daと軌道面20caとの間において、周方向に沿って並んでいる。保持器40は、外径面10dと内径面20cとの間に配置されている。保持器40は、隣り合う2つの転動体30の間の間隔が一定範囲内となるように、複数の転動体30を保持している。
【0028】
内輪10は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。内輪10を構成している鋼は、0.70質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.15質量パーセント以上0.35質量パーセント以下のシリコンと、0.30質量パーセント以上0.60質量パーセント以下のマンガンと、1.30質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.50質量パーセント以下のニオブと、0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.50質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む。この鋼の組成を、第1組成ということがある。
【0029】
上記の鋼中における炭素量が0.70質量パーセント以上1.10パーセント以下とされているのは、炭素量が0.70質量パーセント未満である場合に硬さが不十分となるためであり、炭素量が1.10質量パーセント超である場合に焼割れが発生するおそれがあるためである。
【0030】
上記の鋼中におけるシリコン量が0.15質量パーセント以上0.35質量パーセント以下とされているのは、シリコン量が0.15質量パーセント未満である場合に焼戻し軟化抵抗が低下するためであり、シリコン量が0.35質量パーセント超である場合に加工性が低下するためである。
【0031】
上記の鋼中におけるマンガン量が0.30質量パーセント以上0.60質量パーセント以下とされているのは、マンガン量が0.30質量パーセント未満である場合に焼入れ性が不十分となるおそれがあるためであり、マンガン量が0.60質量パーセント超である場合に不純物であるマンガン系の非金属介在物が増加するためである。
【0032】
上記の鋼中におけるクロム量が1.30質量パーセント以上1.60質量パーセント以下とされているのは、クロム量が1.30質量パーセント未満である場合に焼入れ性が不十分になるおそれがあるとともに析出物が十分に形成されないおそれがあるためであり、クロム量が1.60質量パーセント超である場合に析出物が粗大化してしまうおそれがあるためである。
【0033】
上記の鋼がニオブを含んでいるのは、析出物を微細化させるためである。上記の鋼中におけるニオブ量が0.50質量パーセント以下とされているのは、ニオブ量が0.50質量パーセント超である場合に鋼材コストが上昇してしまうためである。上記の鋼がバナジウムを含んでいるのは、析出物を微細化させるためである。上記の鋼中におけるバナジウム量が0.50質量パーセント以下とされているのは、バナジウム量が0.50質量パーセント超である場合に鋼材コストが上昇してしまうためである。
【0034】
上記の鋼がモリブデンを含んでいるのは、析出物を微細化させるとともに焼入れ性を確保するためである。上記の鋼中におけるモリブデン量が0.50質量パーセント以下とされているのは、モリブデン量が0.50質量パーセント超である場合に鋼材コストが上昇してしまうためである。
【0035】
内輪10を構成している鋼は、0.80質量パーセント以上1.10パーセント以下の炭素と、0.20質量パーセント以上0.30質量パーセント以下のシリコンと、0.40質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のマンガンと、1.40質量パーセント以上1.60質量パーセント以下のクロムと、0.001質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のニオブと、0.20質量パーセント以上0.50質量パーセント以下のバナジウムと、0.10質量パーセント以上0.30質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含んでいてもよい。この鋼の組成を、第2組成ということがある。
【0036】
外輪20及び転動体30は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼により形成されている。外輪20を構成している鋼及び転動体30を構成している鋼は、好ましくは、第1組成の鋼又は第2組成の鋼である。但し、外輪20を構成している鋼及び転動体30を構成している鋼は、第1組成及び第2組成以外の鋼により形成されていてもよい。
【0037】
内輪10、外輪20及び転動体30は、表層部50を有している。内輪10の表層部50は内輪10の表面からの距離が20μmまでの領域であり、外輪20の表層部50は外輪20の表面からの距離が20μmまでの領域である。転動体30の表層部50は、転動体30の表面からの距離が20μmまでの領域である。但し、内輪10、外輪20及び転動体30のいずれかは、表層部50を有していなくてもよい。
【0038】
表層部50には、析出物が分散している。この析出物は、ニオブ、バナジウム又はモリブデンが主成分である窒化物若しくはニオブ、バナジウム又はモリブデンを主成分とする炭窒化物である。
【0039】
ニオブ(バナジウム、モリブデン)を主成分とする窒化物は、ニオブ(バナジウム、モリブデン)の窒化物又は当該窒化物のニオブ(バナジウム、モリブデン)のサイトが他の金属元素により置換されているものである。また、ニオブ(バナジウム、モリブデン)を主成分とする炭窒化物は、ニオブ(バナジウム、モリブデン)の炭窒化物又は当該炭窒化物のニオブ(バナジウム、モリブデン)のサイトが他の金属元素により置換されているものである。
【0040】
表層部50中における析出物の平均面積率は、好ましくは、2.0パーセント以上である。表層部50中における析出物の最大粒径は、好ましくは、1.0μm以下である。
【0041】
表層部50における析出物の平均面積率は、走査電子顕微鏡(SEM: Scanning Electron Microscope)を用いて倍率15000倍で表層部50の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。表層部50の断面画像は3視野以上で取得され、平均面積率はそれら複数の断面画像から得られた析出物の面積率の平均値である。
【0042】
表層部50の各々の析出物の粒径は、上記と同様の方法を用いて各々の析出物の面積を取得するとともに当該面積をπで除した値の平方根に2を乗じることにより得られる。そして、得られた析出物の粒径のうちで最大のものが、表層部50における析出物の最大粒径とされる。
【0043】
表層部50における鋼は、マルテンサイトブロックを有している。隣り合う2つのマルテンサイトブロックは、粒界において、結晶方位の差が15°以上になっている。このことを別の観点から言えば、結晶方位にずれがある箇所が存在していても、結晶方位の差が15°未満である場合、当該箇所はマルテンサイトブロックの粒界とは見做されない。マルテンサイトブロックの粒界は、EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)法により決定される。
【0044】
上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、1.5μm以下である。上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、3.3以下であることが好ましい。上位粒面積率30パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、例えば2.0μm以下である。上位粒面積率30パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、例えば3.5以下である。表層部50におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、5.0μm以下であることが好ましい。
【0045】
上位粒面積率50パーセント(30パーセント)での表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、以下の方法により測定される。第1に、表層部50を含む断面において、断面観察が行われる。この際、EBSD法により観察視野に含まれているマルテンサイトブロックが特定される。この観察視野は、倍率1500倍において観察される領域である。第2に、EBSD法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積が解析される。
【0046】
第3に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの合計面積の50パーセント(30パーセント)に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロックの各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、マルテンサイトブロックの面積をπ/4で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロックの円相当径の平均値が、上位粒面積率50パーセント(30パーセント)での表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均粒径と見做される。
【0047】
表層部50の各々のマルテンサイトブロックの粒径は、上記と同様の方法を用いて各々のマルテンサイトブロックの面積を取得するとともに当該面積をπで除した値の平方根に2を乗じることにより得られる。そして、得られたマルテンサイトブロックの粒径のうちで最大のものが、表層部50におけるマルテンサイトブロックの最大粒径とされる。
【0048】
上位粒面積率50パーセント(30パーセント)での表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、以下の方法により測定される。第1に、表層部50を含む断面において、断面観察が行われる。この際、EBSD法により観察視野に含まれているマルテンサイトブロックが特定される。この観察視野は、倍率1500倍において観察される領域である。
【0049】
第2に、EBSD法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の形状を最小二乗法により楕円近似される。この最小二乗法による楕円近似は、S. Biggin and D. J. Dingley, Journal of Applied Crystallography, (1977)10, 376-378に記載の方法にしたがって行われる。この楕円形状において、長軸の寸法を短軸の寸法で除することにより、各々のマルテンサイトブロックのアスペクト比が算出される。第3に、EBSD法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積が解析される。
【0050】
第4に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの合計面積の50パーセント(30パーセント)に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロックのアスペクト比の平均値が、上位粒面積率50パーセント(30パーセント)での表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比と見做される。
【0051】
表層部50における平均窒素濃度は、0.20質量パーセント以上である。表層部50における平均窒素濃度は、電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro Analyzer)により測定される。
【0052】
表層部50には、セメンタイト(FeC)がさらに分散していてもよい。セメンタイトの鉄のサイトの一部は他の金属元素により置換されていてもよく、セメンタイトの炭素のサイトの一部は窒素により置換されていてもよい。上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるセメンタイトの平均粒径は、好ましくは0.8μm以上である。表層部50におけるセメンタイト平均面積率は、好ましくは10パーセント以上である。
【0053】
表層部50におけるセメンタイトの平均面積率は、SEMを用いて倍率15000倍で表層部50の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。表層部50の断面画像は3視野以上で取得され、平均面積率はそれら複数の断面画像から得られたセメンタイトの面積率の平均値である。
【0054】
上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるセメンタイトの平均粒径は、以下の方法により測定される。第1に、SEMを用いて倍率15000倍で表層部50の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。
【0055】
第2に、観察視野に含まれているセメンタイトの各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているセメンタイトの合計面積の50パーセントに達するまで行われる。上記の加算の対象になったセメンタイトの各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、セメンタイトの面積をπ/4で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったセメンタイトの円相当径の平均値が、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるセメンタイトの平均粒径と見做される。
【0056】
内輪10の表面からの距離が50μmとなる位置、外輪20の表面からの距離が50μmとなる位置及び転動体30の表面からの距離が50μmとなる位置を、位置P(図示を省略)とする。位置Pにおける硬さは、60HRC以上であることが好ましい。位置Pにおける硬さは、62HRC以上であることがさらに好ましい。位置Pにおける硬さは、JIS規格(JIS Z 2245:2016)に定められたロックウェル硬さ試験法にしたがって測定される。
【0057】
位置Pにおける残留オーステナイト量は、例えば、10体積パーセント以上である。位置Pにおける残留オーステナイト量は、例えば、35体積パーセント以下である。位置Pにおける残留オーステナイト量は、X線回折法により測定される。すなわち、オーステナイトのX線回折における回折ピークの積分強度とオーステナイト以外の相のX線回折における回折ピークの積分強度とを比較することにより、位置Pにおける残留オーステナイト量が算出される。
【0058】
位置Pにおける残留圧縮応力は、80MPa以上であることが好ましい。内輪10及び外輪20では、位置Pにおける残留圧縮応力が周方向に沿って作用していることが好ましい。位置Pにおける残留圧縮応力は、X線回折法により測定される。
【0059】
(転がり軸受100の製造方法)
以下に、転がり軸受100の製造方法を説明する。
【0060】
図2は、転がり軸受100の製造方法を示す工程図である。図2に示されるように、転がり軸受100の製造方法は、準備工程S1と、浸窒処理工程S2と、第1焼入れ工程S3と、第1焼戻し工程S4と、第2焼入れ工程S5と、第2焼戻し工程S6と、後処理工程S7と、組み立て工程S8とを有している。なお、転がり軸受100の製造方法は、第1焼戻し工程S4及び第2焼入れ工程S5を有していなくてもよい。
【0061】
準備工程S1においては、加工対象部材が準備される。加工対象部材としては、内輪10及び外輪20を形成しようとする場合はリング状の部材が準備され、転動体30を形成しようとする場合は球状の部材が準備される。この加工対象部材は、第1組成又は第2組成の鋼により形成されている。
【0062】
浸窒処理工程S2においては、加工対象部材の表面に対する浸窒処理が行われる。この浸窒処理は、窒素源となるガス(例えばアンモニアガス)を含む雰囲気ガス中において、加工対象部材をA変態点以上の温度で所定時間保持することにより行われる。第1焼入れ工程S3においては、加工対象部材に対する焼入れが行われる。この焼入れは、加工対象部材をA変態点以上の温度で所定時間保持した後に加工対象部材をM変態点以下の温度まで冷却することにより行われる。
【0063】
第1焼戻し工程S4においては、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。この焼戻しは、加工対象部材をA変態点未満の温度で所定時間保持することにより行われる。
【0064】
第2焼入れ工程S5においては、加工対象部材に対する焼入れが行われる。この焼入れは、加工対象部材をA変態点以上の温度で所定時間保持した後に加工対象部材をM変態点以下の温度まで冷却することにより行われる。第2焼入れ工程S5における保持温度は、浸窒処理工程S2及び第1焼入れ工程S3における保持温度以下である。
【0065】
第2焼戻し工程S6においては、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。この焼戻しは、加工対象部材をA変態点未満の温度で所定時間加熱保持することにより行われる。
【0066】
後処理工程S7においては、加工対象部材に対する仕上げ加工(研削・研磨)及び洗浄が行われる。これにより、内輪10、外輪20及び転動体30が形成される。組み立て工程S8においては、内輪10、外輪20及び転動体30が、保持器40とともに組み立てられる。以上により、図1に示される構造の転がり軸受100が製造される。
【0067】
図3は、転がり軸受100の製造方法の変形例を示す工程図である。図3に示されるように、転がり軸受100の製造方法は、第1焼戻し工程S4を有していなくてもよく、第2焼入れ工程S5に代えてサブゼロ処理工程S9を有していてもよい。サブゼロ処理工程S9においては、加工対象部材を室温以下の温度まで冷却することにより行われる。
【0068】
(転がり軸受100の効果)
以下に、転がり軸受100の効果を説明する。
【0069】
転がり軸受100では、内輪10、外輪20及び転動体30が第1組成の鋼により形成されているため、浸窒処理が行われることにより、表層部50に微細な析出物が分散される。また、表層部50に微細な析出物が分散されることにより、表層部50のマルテンサイトブロックが微細化される。そのため、転がり軸受100では、内輪10、外輪20及び転動体30の表面における硬さ、ひいては当該表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性が改善されることになる。
【0070】
転がり軸受100では、内輪10、外輪20及び転動体30の表面における耐摩耗性が改善されているため、当該表面において金属新生面が形成されにくくなり、当該表面において水素が発生しにくい。加えて、表層部50に微細に分散している析出物の近傍は、水素のトラップサイトになる。そのため、転がり軸受100では、表層部50への水素侵入量が低下し、内輪10、外輪20及び転動体30の表面における水素脆化が抑制される。
【0071】
なお、内輪10、外輪20及び転動体30が第2組成の鋼により形成されている場合、浸窒処理が行われることにより、表層部50に微細な析出物が分散されるとともにセメンタイトの析出が促進される。また、表層部50に微細な析出物やセメンタイトが分散されることにより、表層部50においてマルテンサイトブロックが微細化される。そのため、転がり軸受100では、内輪10、外輪20及び転動体30の表面における硬さ、ひいては当該表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性が改善されることになる。上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるセメンタイトの平均粒径が0.8μm以上である場合、耐摩耗性がさらに改善される。表層部50におけるセメンタイトの平均面積率が10パーセント以上である場合、耐摩耗性がさらに改善される。上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.3以下である場合、耐摩耗性がさらに改善される。
【0072】
位置Pにおける圧縮残留応力が80MPa以上である場合、耐圧痕形成性がさらに改善される。位置Pにおける残留オーステナイト量が10体積パーセント以上である場合、異物混入潤滑下での圧痕起点型剥離への耐久性が改善される。
【0073】
(実施例)
転動部品のサンプルとして、サンプル1からサンプル3が準備された。サンプル1からサンプル3は、転がり軸受の軌道輪である。サンプル1は、表1に示されている組成の鋼により形成された。サンプル2及びサンプル3は、表2に示されている組成の鋼により形成された。表1に示される組成は第1組成に対応しており、表2に示される組成はSUJ2の組成に対応している。
【0074】
【表1】
【0075】
【表2】
【0076】
サンプル1に対しては、浸窒処理工程S2、第1焼入れ工程S3、サブゼロ処理工程S9及び第2焼戻し工程S6が行われた。サンプル2に対しては、浸窒処理工程S2、第1焼入れ工程S3及び第2焼戻し工程S6が行われた。サンプル3に対しては、第1焼入れ工程S3及び第1焼戻し工程S4が行われた。
【0077】
【表3】
【0078】
サンプル1からサンプル3に対して、耐摩耗性、耐圧痕形成性及び水素侵入量の評価が行われた。なお、水素侵入量は、以下の方法により評価された。第1に、転動疲労寿命試験前の各サンプルを室温から400℃まで加熱することにより、転動疲労寿命試験前の各サンプルからの水素放出量が測定された。第2に、各サンプルを用いて転がり軸受を構成した上で、50時間の転動疲労寿命試験が行われた。第3に、転動疲労寿命試験後の各サンプルを室温から400℃まで加熱することにより、転動疲労寿命試験後の各サンプルからの水素放出量が測定された。各サンプルの水素侵入量は、転動疲労寿命試験後の水素放出量を転動疲労寿命試験前の水素放出量で除した値により評価された。
【0079】
第1組成の鋼により形成されていることを条件Aとし、表層部50における平均窒素濃度が0.20質量パーセント以上であることを条件Bとする。表3に示されるように、サンプル1は、条件A及び条件Bの双方を満たしていた。サンプル2は、条件Bを満たしているが、条件Aを満たしていなかった。サンプル3は、条件A及び条件Bの双方を満たしていなかった。
【0080】
サンプル1では、表層部50において析出物が高密度(平均面積率が2.0パーセント以上)かつ微細(最大粒径が1.0μm以下)に分散していた。サンプル2では、表層部50において析出物が分散しているものの、サンプル1と比較して析出物の平均面積率が低く、析出物の最大粒径が大きくなっていた。サンプル3では、表層部50において析出物が分散されていなかった。
【0081】
サンプル1では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均粒径が1.5μm以下になっていた。サンプル2及びサンプル3では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均粒径が1.5μmよりも大きくなっていた。サンプル1は、サンプル2及びサンプル3と比較して、耐圧痕形成性及び耐摩耗性が改善されており、水素侵入量が少なくなっていた。このことから、条件A及び条件Bが満たされることにより表層部50に析出物が微細かつ高密度に分散して表層部50におけるマルテンサイトブロックが微細化され、転動部品の表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能であることが明らかになった。
【0082】
【表4】
【0083】
表4に示されるように、サンプル1では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるセメンタイトの平均粒径が0.8μm以上になっており、表層部におけるセメンタイトの平均面積率が10パーセント以上になっていた。他方で、サンプル2及びサンプル3では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるセメンタイトの平均粒径が0.8μm未満になっており、表層部におけるセメンタイトの平均面積率が10パーセント未満になっていた。
【0084】
サンプル1では、表層部50におけるマルテンサイトブロックの最大粒径が5μm以下になっていた。他方で、サンプル2及びサンプル3では、表層部50におけるマルテンサイトブロックの最大粒径が5μm超になっていた。
【0085】
サンプル1では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.3以下になっており、上位粒面積率30パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.5以下になっていた。サンプル2では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.3超になっており、上位粒面積率30パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.5超になっていた。サンプル3では、上位粒面積率50パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.3超になっていたが、上位粒面積率30パーセントでの表層部50におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が3.5以下になっていた。
【0086】
【表5】
【0087】
表5に示されるように、サンプル1からサンプル3では、位置Pにおける残留オーステナイト量が10体積パーセント以上になっていた。サンプル1では、位置Pにおける硬さが、サンプル2及びサンプル3と比較して高くなっていた。サンプル1及びサンプル2では、位置Pにおける周方向の残留圧縮応力が80MPa以上になっていた。サンプル3では、位置Pにおける周方向における残留圧縮応力が80MPa未満になっていた。
【0088】
以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上記の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【0089】
本実施形態は、転動部品及びそれを有する転がり軸受に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【0090】
10 内輪、10a,10b 幅面、10c 内径面、10d 外径面、10da 軌道面、20 外輪、20a,20b 幅面、20c 内径面、20ca 軌道面、20d 外径面、30 転動体、40 保持器、50 表層部、100 転がり軸受、A 中心軸、P 位置、S1 準備工程、S2 窒処理工程、S3 第1焼入れ工程、S4 第1焼戻し工程、S5 第2焼入れ工程、S6 第2焼戻し工程、S7 後処理工程、S8 組み立て工程、S9 サブゼロ処理工程。
図1
図2
図3