特許 7320780 機械部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-27

(45)【発行日】2023-08-04

(54)【発明の名称】機械部品

(51)【国際特許分類】

   C23C 8/70 20060101AFI20230728BHJP

   C21D 1/06 20060101ALI20230728BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20230728BHJP

   C22C 38/18 20060101ALI20230728BHJP

   C23C 8/80 20060101ALI20230728BHJP

   F16C 19/06 20060101ALI20230728BHJP

   F16C 33/32 20060101ALI20230728BHJP

   F16C 33/58 20060101ALI20230728BHJP

【ＦＩ】

C23C8/70

C21D1/06 Z

C22C38/00 301N

C22C38/18

C23C8/80

F16C19/06

F16C33/32

F16C33/58

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019125268

(22)【出願日】2019-07-04

(65)【公開番号】P2021011598

(43)【公開日】2021-02-04

【審査請求日】2022-06-27

(73)【特許権者】

【識別番号】399030060

【氏名又は名称】学校法人 関西大学

(73)【特許権者】

【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】西本 明生

(72)【発明者】

【氏名】水田 浩平

(72)【発明者】

【氏名】大木 力

【審査官】瀧口 博史

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－０３４７６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ ８／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼製の機械部品であって、
前記機械部品の表面には、ホウ素が固溶した拡散層が形成されており、
前記拡散層において、ホウ素は、前記鋼中に固溶しており、かつ鉄との化合物を形成しておらず、
前記拡散層におけるホウ素の濃度は、前記機械部品の内部におけるホウ素の濃度よりも高い、機械部品。

【請求項2】

前記鋼は、０．９５質量パーセント以上１．１質量パーセント以下の炭素と、０．３質量パーセント以下のケイ素と、０．５質量パーセント以下のマンガンと、１．４質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロムとを含有している、請求項１に記載の機械部品。

【請求項3】

前記表面におけるホウ素の濃度は、０．１質量パーセント以上８質量パーセント未満である、請求項１又は請求項２に記載の機械部品。

【請求項4】

前記表面における硬さは、８００Ｈｖ以上１２００Ｈｖ以下である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の機械部品。

【請求項5】

前記拡散層の厚さは、０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の機械部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、機械部品に関する。より具体的には、本発明は、鋼製の機械部品に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、侵入型元素である炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）を鋼で構成されている機械部品の表面に侵入・拡散させて、表面の固溶強化を行う表面処理（浸炭処理、浸窒処理）が広く知られている。

【0003】

ホウ素を用いた機械部品の表面処理として、特開２００２－３２３０５１号公報（特許文献１）に記載の方法が知られている。特許文献１に記載の表面処理方法においては、機械部品の表面（転がり軸受の外輪の軌道面）にホウ化層が形成されている。ホウ化層は、ホウ化鉄（Ｆｅ_２Ｂ、ＦｅＢ）で形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００２－３２３０５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ホウ化鉄は脆い。そのため、特許文献１に記載の転がり軸受の外輪においては、ホウ化層が脆性破壊の原因となる。

【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、表面における脆性破壊の発生を抑制しつつ、表面における硬さの改善が可能な機械部品及び機械部品の製造方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る機械部品は、鋼製である。機械部品の表面には、ホウ素（Ｂ）が固溶した拡散層が形成されている。拡散層におけるホウ素の濃度は、機械部品の内部におけるホウ素の濃度よりも高い。

【0008】

記の機械部品において、鋼は、０．９５質量パーセント以上１．１質量パーセント以下の炭素と、０．３質量パーセント以下のケイ素と、０．５質量パーセント以下のマンガンと、１．４質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のマンガンとを含有していてもよい。

【0009】

上記の機械部品において、表面におけるホウ素の濃度は０．１質量パーセント以上８質量パーセント未満であってもよい。

【0010】

上記の機械部品において、表面における硬さは８００Ｈｖ以上１２００Ｈｖ以下であってもよい。上記の機械部品において、拡散層の厚さは、０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であってもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様に係る機械部品及び機械部品の製造方法によると、機械部品の表面における脆性破壊の発生を抑制しつつ、表面における硬さの改善することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】外輪１０の上面図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。

【図3】図２の領域ＩＩＩにおける拡大図である。

【図4】外輪１０の製造方法を示す工程図である。

【図5】試験片の断面ＳＥＭ像である。

【図6】試験片のＥＰＭＡ分析結果である。

【図7】Ｆｅ_２Ｂの層及び拡散層１１の界面からの距離と試験片の硬さとの関係を示すグラフである。

【図8】拡散層１１におけるホウ素濃度と硬さとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は原則として繰り返さないものとする。

【0014】

（実施形態に係る機械部品の構成）
以下に、実施形態に係る機械部品の構成を説明する。

【0015】

実施形態に係る機械部品は、例えば、転がり軸受の外輪１０である。実施形態に係る機械部品は、これに限られるものではない。例えば、実施形態に係る機械部品は、転がり軸受の内輪又は転動体であってもよい。以下においては、外輪１０を実施形態に係る機械部品の例として説明する。

【0016】

図１は、外輪１０の上面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図１及び図２に示されるように、外輪１０は、上面１０ａと、底面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。上面１０ａ、底面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、外輪１０の表面を構成している。

【0017】

上面１０ａ及び底面１０ｂは、外輪１０の中心軸１０ｅに沿う方向における端面を構成している。底面１０ｂは、上面１０ａの反対面である。内周面１０ｃは、外輪１０の軌道面を構成している。内周面１０ｃは、上面１０ａ及び底面１０ｂに連なっている。外周面１０ｄは、上面１０ａ及び底面１０ｂに連なっている。

【0018】

外輪１０は、鋼製である。なお、外輪１０を構成する鋼は、焼き入れ硬化されている。外輪１０を構成する鋼は、例えば０．９５質量パーセント以上１．１質量パーセント以下の炭素と、０．０１質量パーセント以上０．３質量パーセント以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．０１質量パーセント以上０．５質量パーセント以下のマンガン（Ｍｎ）と、１．４質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロム（Ｃｒ）とを含有している。但し、外輪１０を構成する鋼の組成は、これに限られるものではない。

【0019】

図３は、図２の領域ＩＩＩにおける拡大図である。外輪１０の表面には、拡散層１１が形成されている。拡散層１１中には、ホウ素が固溶している。拡散層１１におけるホウ素の濃度は、外輪１０の内部におけるホウ素の濃度よりも大きくなっている。外輪１０の表面に形成されているのは拡散層１１であるため、外輪１０の表面には、ホウ素と鉄との化合物（例えば、Ｆｅ_２Ｂ、ＦｅＢ）が存在していない。

【0020】

拡散層１１中のホウ素濃度は、外輪１０の表面において、０．１質量パーセント以上８質量パーセント未満であることが好ましい。なお、鋼中におけるホウ素の固溶限は、８質量パーセントである。

【0021】

拡散層１１は、厚さＴＨを有している。厚さＴＨは、０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。外輪１０の表面から外輪１０の内部に向かって硬さを測定していくと、外輪１０の表面から外輪１０の内部に向かって硬さが順次低下していき、ついには一定の値となる。この硬さが一定になるまでの外輪１０の表面からの距離が、拡散層１１の厚さＴＨとされる。

【0022】

外輪１０の表面における硬さは、８００Ｈｖ以上１２００Ｈｖ以下であることが好ましい。外輪１０の表面における硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９）に規定されたビッカース硬さ試験法にしたがって測定される。

【0023】

（実施形態に係る機械部品の製造方法）
以下に、実施形態に係る機械部品の製造方法を説明する。なお、上記と同様に、外輪１０の製造方法を、実施形態に係る機械部品の製造方法の例として説明する。

【0024】

図４は、外輪１０の製造方法を示す工程図である。図４に示されるように、実施形態に係る機械部品の製造方法（外輪１０の製造方法）は、準備工程Ｓ１と、浸硼工程Ｓ２と、焼き入れ工程Ｓ３と、焼き戻し工程Ｓ４と、後処理工程Ｓ５とを有している。

【0025】

準備工程Ｓ１においては、リング形状（環状形状）の加工対象部材が準備される。加工対象部材は、鋼により形成されている。この鋼は、外輪１０を構成している鋼と同一の鋼である。

【0026】

浸硼工程Ｓ２においては、加工対象部材の表面に、拡散層１１が形成される。拡散層１１の形成は、放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering、ＳＰＳ）法を用いて行われる。放電プラズマ焼結法においては、第１に、加工対象部材の表面にホウ素を含有する粉体を接触させた状態で、加工対象部材が治具内に収納される。

【0027】

ホウ素を含有する粉体は、例えば、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）で形成されている。治具は、グラファイトで形成されている。治具内の雰囲気は、真空とされる。治具内の真空度は、１０Ｐａ以下とすることが好ましい。

【0028】

放電プラズマ焼結法においては、第２に、表面にホウ素を含有する粉体が接触している加工対象部材は、加圧されながら加熱される。この際の加圧力は、例えば１１ＭＰａである。

【0029】

なお、上記により加工対象部材の表面には拡散層１１が形成されるが、加工対象部材の表面には、ホウ素と鉄との化合物も形成されている。

【0030】

焼き入れ工程Ｓ３においては、加工対象部材の焼き入れが行われる。焼き入れ工程Ｓ３は、加熱保持工程Ｓ３１と、冷却工程Ｓ３２とを有している。加熱保持工程Ｓ３１は、加工対象部材を、所定の保持温度において、所定時間保持することにより行われる。この所定の保持温度は、加工対象部材を構成する鋼のＡ_１変態点以上の温度である。加熱保持工程Ｓ３１により、加工対象部材を構成する鋼に含まれるフェライト相の一部が、オーステナイト相に変態する。

【0031】

冷却工程Ｓ３２においては、加工対象部材は、上記の所定の加熱温度から、加工対象部材を構成する鋼のＭ_Ｓ点以下の温度に冷却される。冷却工程Ｓ３２により、加熱保持工程Ｓ３１において生成されたオーステナイト相からマルテンサイト相が生成され、加工対象部材が焼き入れ硬化される。

【0032】

焼き戻し工程Ｓ４においては、加工対象部材に対する焼き戻しが行われる。焼き戻し工程Ｓ４は、加工対象部材を、所定の温度において、所定の時間保持することにより行われる。この所定の温度は、加工対象部材を構成する鋼のＡ_１変態点未満の温度である。

【0033】

後処理工程Ｓ５においては、加工対象部材に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ５においては、例えば、加工対象部材の洗浄、加工対象部材の表面に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。後処理工程Ｓ５では、浸硼工程Ｓ２において加工対象部材の表面に形成されたホウ素と鉄との化合物が除去され、加工対象部材の表面に拡散層１１が露出する。以上により、実施形態に係る機械部品（外輪１０）が製造される。

【0034】

（実施形態に係る機械部品の効果）
以下に、実施形態に係る機械部品の効果を説明する。

【0035】

上記のとおり、実施形態に係る機械部品においては、表面にホウ素が固溶した拡散層１１が形成されている。このことを別の観点からいえば、実施形態に係る機械部品の表面には、ホウ素と鉄との化合物が存在していない。ホウ素と鉄との化合物は脆いために脆性破壊の原因となるが、実施形態に係る機械部品においては、表面にホウ素と鉄との化合物が存在しないため、脆性破壊の発生を抑制することができる。

【0036】

実施形態に係る機械部品の表面は、ホウ素の固溶により固溶強化されている。また、ホウ素の固溶により、表面において、実施形態に係る機械部品の焼き入れ性が改善されている。以上から、実施形態に係る機械部品によると、表面において脆性破壊の発生を抑制しつつ、表面における硬さの改善することが可能である。

【0037】

（実施例）
以下に、実施形態に係る機械部品の実施例を説明する。

【0038】

＜試験片＞
試験片として、直径１９ｍｍ、厚さ５ｍｍの部材が準備された。この試験片を構成する鋼は、表１に示されるように、１．０質量パーセントの炭素、０．２６質量パーセントのケイ素、０．４１質量パーセントのマンガン及び１．３９質量パーセントのクロムを含有している。

【0039】

【表1】

【0040】

＜浸硼処理条件＞
試験片に対する放電プラズマ焼結法を行うに際しては、ホウ素を含有する粉体として、ホウ化炭素の粉体が用いられた。放電プラズマ焼結法を行うに際して試験片に印加される圧力は、１１ＭＰａとされた。試験片が収納された治具内の真空度は、１０Ｐａ以下とされた。放電プラズマ焼結法における加熱は、８５０℃で６時間行われた。

【0041】

＜焼き入れ・焼き戻し条件＞
試験片に対する加熱保持工程Ｓ３１は、７９０℃において、０．５時間保持することにより行われた。試験片に対する冷却工程Ｓ３２は油冷により行われた。試験片に対する焼き戻し工程Ｓ４は、１８０℃において２時間保持した後に空冷することにより行われた。上記の浸硼処理条件及び焼き入れ・焼き戻し条件は、表２に示されている。

【0042】

【表2】

【0043】

＜組織観察結果及び元素分析結果＞
図５は、試験片の断面ＳＥＭ像である。図６は、試験片のＥＰＭＡ分析結果である。図６中において、横軸は試験片の表面からの距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸はホウ素の濃度（単位：質量パーセント）である。図５に示されるように、試験片の表面には、浸硼工程Ｓ２を行うことにより、ホウ素と鉄との化合物により構成される層及び拡散層１１が形成されていた。ホウ素と鉄との化合物で構成される層は、試験片の表面に近い側にＦｅＢの層を含んでおり、その直下にＦｅ_２Ｂの層を含んでいた。拡散層１１は、Ｆｅ_２Ｂの層の直下に形成されていた。

【0044】

図６に示されるように、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）により、ホウ素は、Ｆｅ_２Ｂの層及び拡散層１１の界面から０．０７ｍｍ程度の深さまで検知することができた。なお、Ｆｅ_２Ｂの層と拡散層１１との界面から０．０７ｍｍ以上離れた位置ではＥＰＭＡによりホウ素を検知することができなかったが、後述するように、ホウ素は、Ｆｅ_２Ｂの層と拡散層１１との界面からさらに離れた位置まで拡散しているものと考えられる。

【0045】

＜硬さ試験結果＞
図７は、Ｆｅ_２Ｂの層及び拡散層１１の界面からの距離と試験片の硬さとの関係を示すグラフである。なお、図７中において、横軸はＦｅ_２Ｂの層及び拡散層１１の界面からの距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸は試験片の硬さ（単位：Ｈｖ）である。図７に示されるように、Ｆｅ_２Ｂの層との界面において、拡散層１１の硬さは、１２００Ｈｖに達していた。Ｆｅ_２Ｂの層及び拡散層１１の界面からの距離が０．３ｍｍ以上離れた位置においては、硬さが７５０Ｈｖ程度で一定となっていた。このことから、ＥＰＭＡでは検知することはできないものの、ホウ素は、Ｆｅ_２Ｂの層及び拡散層１１の界面からの距離が０．３ｍｍ程度の深さまで拡散していると考えられる。

【0046】

図８は、拡散層１１におけるホウ素濃度と硬さとの関係を示すグラフである。なお、図８中において、横軸は拡散層１１におけるホウ素濃度（単位：質量パーセント）であり、縦軸は拡散層１１の硬さ（単位：Ｈｖ）である。図８に示されるように、拡散層１１中のホウ素濃度が上昇するほど、拡散層１１の硬さが上昇していた。具体的には、拡散層１１中のホウ素濃度が０．１質量パーセント以上とすることにより、拡散層１１の硬度が８００Ｈｖ以上となっており、拡散層１１中のホウ素濃度を約１．４質量パーセントとすることにより、拡散層１１の硬度が１２００Ｈｖとなっていた。

【0047】

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、上述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、上述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】

【0048】

上記の実施形態は、鋼製の機械部品及び鋼製の機械部品の製造方法に特に有利に適用される。

【符号の説明】

【0049】

１０ 外輪、１０ａ 上面、１０ｂ 底面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１０ｅ 中心軸、１１ 拡散層、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 浸硼工程、Ｓ３ 焼き入れ工程、Ｓ４ 焼き戻し工程、Ｓ５ 後処理工程、Ｓ３１ 加熱保持工程、Ｓ３２ 冷却工程、ＴＨ 厚さ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】