(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械部品であって、
０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼からなり、
表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち他の部品と接触する接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上であり、
前記機械部品全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下であり、
前記接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上である、機械部品。
【請求項２】
機械部品であって、
０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼からなり、
表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち他の部品と接触する接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上であり、
前記機械部品全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下であり、
前記接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上である、機械部品。
【請求項３】
前記表層部の前記部分には、前記接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在している、請求項１または２に記載の機械部品。
【請求項４】
軸受を構成する部品である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械部品。
【請求項５】
軌道部材と、
前記軌道部材に接触して配置される複数の転動体とを備え、
前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項４に記載の機械部品である、転がり軸受。
【請求項６】
０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼を成形することにより成形部材を作製する工程と、
前記成形部材を浸炭窒化処理する工程と、
浸炭窒化処理された前記成形部材を焼入硬化処理する工程と、
焼入硬化処理された前記成形部材を１８０度以上２４０度以下の焼戻温度で焼戻処理する工程と、
焼戻処理された前記成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面を形成する工程とを備え、
前記成形部材を浸炭窒化処理する工程では、前記接触面を形成する工程において表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち前記接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上となるように前記成形部材が浸炭窒化処理され、
前記成形部材を焼戻処理する工程では、前記成形部材全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下となるように前記成形部材が焼戻処理され、
前記接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上となるように前記成形部材を浸炭窒化処理する工程、前記成形部材を焼入硬化処理する工程、前記成形部材を焼戻処理する工程および前記接触面を形成する工程が実施され、
前記表層部の前記部分には、前記接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在するように、前記成形部材を浸炭窒化処理する工程、前記成形部材を焼入硬化処理する工程、前記成形部材を焼戻処理する工程および前記接触面を形成する工程が実施される、機械部品の製造方法。
【請求項７】
０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼を成形することにより成形部材を作製する工程と、
前記成形部材を浸炭窒化処理する工程と、
浸炭窒化処理された前記成形部材を焼入硬化処理する工程と、
焼入硬化処理された前記成形部材を１８０度以上２４０度以下の焼戻温度で焼戻処理する工程と、
焼戻処理された前記成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面を形成する工程とを備え、
前記成形部材を浸炭窒化処理する工程では、前記接触面を形成する工程において表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち前記接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上となるように前記成形部材が浸炭窒化処理され、
前記成形部材を焼戻処理する工程では、前記成形部材全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下となるように前記成形部材が焼戻処理され、
前記接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上となるように前記成形部材を浸炭窒化処理する工程、前記成形部材を焼入硬化処理する工程、前記成形部材を焼戻処理する工程および前記接触面を形成する工程が実施され、
前記表層部の前記部分には、前記接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在するように、前記成形部材を浸炭窒化処理する工程、前記成形部材を焼入硬化処理する工程、前記成形部材を焼戻処理する工程および前記接触面を形成する工程が実施される、機械部品の製造方法。
【請求項８】
前記成形部材を焼入硬化処理する工程では、前記表層部の前記部分となるべき領域が、焼入温度から６００℃までの温度範囲において平均２０℃／ｓｅｃ以上、かつ前記焼入温度から４００℃までの温度範囲において平均３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却されることにより、前記成形部材が焼入硬化される、請求項６または７に記載の機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法に関し、より特定的には、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受などの鋼からなる機械部品の耐久性を向上させる対策として、焼入処理に先立って部品の表層部に炭素および窒素を導入する浸炭窒化処理が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この浸炭窒化処理により、たとえば転がり軸受の転動疲労寿命、特に転がり軸受内に硬質の異物が侵入する環境（異物侵入環境）における寿命が向上することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１１８３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年の機械部品への耐久性向上の要求を考慮すると、従来の浸炭窒化処理では、用途によってはその耐久性は十分とはいえない場合がある。また、浸炭窒化処理の採用によって、経年寸法変化率が大きくなり、機械部品の寸法安定性が低下することが問題となる場合もある。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一の局面に従った機械部品は、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼からなり、表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち他の部品と接触する接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上であり、機械部品全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下である。接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上である。
【０００７】
また、本発明の他の局面に従った機械部品は、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼からなり、表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち他の部品と接触する接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上であり、機械部品全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下である。接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上である。
【０００８】
本発明者は、他の部品と接触しつつ使用される機械部品において、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立する方策について検討を行なった。その結果、以下のような知見を得て、本発明に想到した。
【０００９】
機械部品において、転がり軸受の転走面のように他の部品と接触する表面（接触面）およびその直下では、亀裂などの損傷が発生し易い。そのため、当該接触面に浸炭窒化処理を施すことにより、耐久性の向上を図ることができる。このとき、本発明者の検討によると、接触面である表面から深さ２０μｍまでの領域における平均窒素濃度（本願明細書、特許請求の範囲および要約書において「表層部」とは表面から深さ２０μｍまでの領域をいい、「表層部における窒素濃度」とは表層部における平均窒素濃度をいう）を０．３質量％以上にすることにより、接触面の耐久性が向上する。一方、焼入硬化された鋼の窒素濃度が上昇すると、残留オーステナイト量が増加し、これが機械部品の使用中に分解することにより経年変化率が大きくなる。
【００１０】
ここで、接触面の耐久性については、表層部、すなわち表面から２０μｍ以内のごく薄い層における窒素濃度が支配的である。これに対し、経年変化率に対しては、機械部品全体における残留オーステナイト量が影響する。そこで、表層部の窒素濃度を増加させつつ、機械部品全体の残留オーステナイト量を低減することにより耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立させることを検討したところ、接触面下の表層部における窒素濃度を０．３質量％以上とし、かつ全体の平均残留オーステナイト量を２０体積％以下とすることにより、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立可能であることが明らかとなった。このような表層部の窒素濃度と全体の残留オーステナイト量との組み合わせは、たとえば通常の浸炭窒化処理に比べて高い濃度の窒素を部品表面に導入した上で、通常の温度よりも高い温度で焼戻処理を実施することにより達成することができる。
【００１１】
本発明の機械部品においては、接触面下の表層部における窒素濃度を０．３質量％以上とし、かつ全体の平均残留オーステナイト量を２０体積％以下としている。その結果、本発明の機械部品によれば、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な機械部品を提供することができる。
【００１２】
ここで、本発明の機械部品を構成する鋼の成分組成を上記範囲に設定した理由について説明する。
【００１３】
炭素：０．６０質量％以上１．５０質量％以下
炭素含有量は、焼入硬化後における機械部品の接触面の硬度に大きな影響を与える。鋼の炭素含有量が０．６０質量％未満では、焼入硬化後における接触面に十分な硬度を付与することが困難となる。あるいは、浸炭処理などで表面の炭素量を補う必要が生じ、生産効率の低下、製造コストの上昇の原因となる。一方、炭素含有量が１．５０質量％を超えると、焼入硬化の際の割れの発生（焼割れ）が懸念される。そのため、炭素含有量は０．６０質量％以上１．５０質量％以下とした。
【００１４】
珪素：０．１５質量％以上２．５０質量％以下
珪素は、鋼の焼戻軟化抵抗の向上に寄与する。鋼の珪素含有量が０．１５質量％未満では、焼戻軟化抵抗が不十分となり、焼入硬化後の焼戻や、機械部品の使用中における温度上昇により接触面の硬度が大幅に低下する可能性がある。一方、珪素含有量が２．５０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、素材を機械部品に成形する際の冷間加工における加工性が低下する。そのため、珪素含有量は０．１５質量％以上２．５０質量％以下とした。
【００１５】
マンガン：０．３０質量％以上１．５０質量％以下
マンガンは、鋼の焼入性の向上に寄与する。マンガン含有量が０．３０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、マンガン含有量が１．５０質量％を超えると、焼入前の素材の硬度が高くなり、冷間加工における加工性が低下する。そのため、マンガン含有量は０．３０質量％以上１．５０質量％以下とした。
【００１６】
クロム：０．２０質量％以上２．００質量％以下
クロムは、鋼の焼入性の向上に寄与する。クロム含有量が０．２０質量％未満では、この効果が十分に得られない。一方、クロム含有量が２．００質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、クロム含有量は０．２０質量％以上２．００質量％以下とした。
【００１７】
ニッケル：０．５質量％以下
ニッケルも、鋼の焼入性の向上に寄与する。ニッケルは、本発明の機械部品を構成する鋼において必須の成分ではないが、大型の機械部品など、機械部品を構成する鋼に高い焼入性が求められる場合に添加することができる。しかし、ニッケル含有量が０．５質量％を超えると、焼入後における残留オーステナイト量が多くなり、寸法安定性が低下する。そのため、機械部品を構成する鋼に０．５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。
【００１８】
モリブデン：０．２質量％以下
モリブデンも、鋼の焼入性の向上に寄与する。しかし、モリブデン含有量が０．２質量％を超えると、素材コストが高くなるという問題が生じる。そのため、機械部品を構成する鋼に０．２質量％以下の範囲で添加することが好ましい。
【００１９】
上記機械部品においては、接触面下の上記表層部には、接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在していてもよい。
【００２０】
直径０．５μｍ以下という微細な炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上の割合で表層部に存在することで表層部が強化されることにより、表層部の耐久性が一層向上し、耐久性に優れた機械部品が得られる。ここで、炭窒化物とは、鉄の炭化物または当該炭化物の炭素の一部が窒素に置き換わったものであり、Ｆｅ−Ｃ系の化合物およびＦｅ−Ｃ−Ｎ系の化合物を含む。また、この炭窒化物は、クロムなど、鋼に含まれる合金元素を含んでいてもよい。
【００２１】
上記機械部品においては、接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であってもよい。このようにすることにより、接触面の耐久性、特に異物混入環境における接触面の耐久性を向上させることができる。
【００２２】
上記機械部品は、軸受を構成する部品であってもよい。接触面の耐久性が向上し、かつ寸法安定性に優れた本発明の機械部品は、転がり軸受などの軸受を構成する部品として好適である。
【００２３】
上記機械部品は、転がり軸受の内輪であって、上記接触面とは異なる面である内径表面における窒素濃度が０．０５質量％以下であってもよい。残留オーステナイトの分解による寸法変化は、部品寸法の膨張として現れる場合が多い。一方、転がり軸受の内輪は、その内径面が軸などの外周面に嵌め込まれて使用される場合が多い。そのため、内径が膨張すると、内輪の軸に対する嵌め込み状態が不安定になるおそれがある。これに対し、内径面における窒素濃度を０．０５質量％以下にまで低減することで、上記問題の発生を抑制することができる。
【００２４】
本発明に従った転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触して配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上記本発明の機械部品である。本発明の転がり軸受によれば、上記本発明の機械部品を構成部品として備えていることにより、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な転がり軸受を提供することができる。
【００２５】
本発明の一の局面に従った機械部品の製造方法は、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼を成形することにより成形部材を作製する工程と、成形部材を浸炭窒化処理する工程と、浸炭窒化処理された成形部材を焼入硬化処理する工程と、焼入硬化処理された成形部材を１８０度以上２４０度以下の焼戻温度で焼戻処理する工程と、焼戻処理された成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面を形成する工程とを備えている。成形部材を浸炭窒化処理する工程では、接触面を形成する工程において表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上となるように成形部材が浸炭窒化処理される。成形部材を焼戻処理する工程では、成形部材全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下となるように成形部材が焼戻処理される。接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上となるように成形部材を浸炭窒化処理する工程、成形部材を焼入硬化処理する工程、成形部材を焼戻処理する工程および接触面を形成する工程が実施される。
【００２６】
また、本発明の他の局面に従った機械部品の製造方法は、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼を成形することにより成形部材を作製する工程と、成形部材を浸炭窒化処理する工程と、浸炭窒化処理された成形部材を焼入硬化処理する工程と、焼入硬化処理された成形部材を１８０度以上２４０度以下の焼戻温度で焼戻処理する工程と、焼戻処理された成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面を形成する工程とを備えている。成形部材を浸炭窒化処理する工程では、接触面を形成する工程において表面から深さ２０μｍまでの領域である表層部のうち接触面を含む部分における窒素濃度が０．３質量％以上となるように成形部材が浸炭窒化処理される。成形部材を焼戻処理する工程では、成形部材全体の平均残留オーステナイト量が８体積％以上２０体積％以下となるように成形部材が焼戻処理される。接触面から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量が２０体積％以上となるように成形部材を浸炭窒化処理する工程、成形部材を焼入硬化処理する工程、成形部材を焼戻処理する工程および接触面を形成する工程が実施される。そして、表層部の上記部分には、接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在するように、成形部材を浸炭窒化処理する工程、成形部材を焼入硬化処理する工程、成形部材を焼戻処理する工程および接触面を形成する工程が実施される。
【００２７】
本発明の一の局面および他の局面における機械部品の製造方法によれば、それぞれ接触面下の表層部に接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在する上記一の局面および他の局面における機械部品を製造することができる。
【００２８】
上記機械部品の製造方法においては、成形部材を焼入硬化処理する工程では、接触面下の表層部となるべき領域が、焼入温度から６００℃までの温度範囲において平均２０℃／ｓｅｃ以上、かつ焼入温度から４００℃までの温度範囲において平均３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却されることにより、成形部材が焼入硬化されてもよい。これにより、浸炭窒化処理によって焼入性が低下した表層部となるべき領域が、確実に焼入硬化される。
【発明の効果】
【００２９】
以上の説明から明らかなように、本発明の機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法によれば、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示した概略部分断面図である。
【図３】スラストころ軸受の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３の軌道輪の概略部分断面図である。
【図５】図３のころの概略断面図である。
【図６】転がり軸受の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図７】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。
【図８】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。
【図９】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。
【図１０】表面付近の窒素濃度分布を示す図である。
【図１１】剥離発生後における剥離部付近の形状を示す図である。
【図１２】圧痕の形状の一例を示す図である。
【図１３】転動疲労寿命試験の結果を示す図である。
【図１４】表層部の窒素濃度と転動疲労寿命との関係を示す図である。
【図１５】表面付近の残留オーステナイト量の分布を示す図である。
【図１６】残留オーステナイト量と経年寸法変化率との関係を示す図である。
【図１７】表面付近の炭素および窒素の濃度分布を示す図である。
【図１８】表面付近の炭素および窒素の濃度分布を示す図である。
【図１９】試験片表面のＳＥＭ写真である。
【図２０】試験片表面のＳＥＭ写真である。
【図２１】試験片表面のＳＥＭ写真である。
【図２２】試験片表面のＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３２】
まず、図１および図２を参照して、機械部品である軸受部品を備えた機械要素としての転がり軸受を例に、本発明の一実施の形態について説明する。深溝玉軸受１は、軸受部品である第１軌道部材としての外輪１１と、軸受部品である第２軌道部材としての内輪１２と、軸受部品である複数の転動体としての玉１３と、保持器１４とを備えている。外輪１１には、円環状の第１転走面しての外輪転走面１１Ａが形成されている。内輪１２には、外輪転走面１１Ａに対向する円環状の第２転走面としての内輪転走面１２Ａが形成されている。また、複数の玉１３には、転動体転走面としての玉転動面１３Ａ（玉１３の表面）が形成されている。外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａは、これらの軸受部品の接触面である。そして、当該玉１３は、外輪転走面１１Ａおよび内輪転走面１２Ａの各々に玉転動面１３Ａにおいて接触し、円環状の保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００３３】
図２を参照して、軸受部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる焼入硬化された鋼、たとえばＪＩＳ規格高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２からなっている。そして、接触面としての外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａを含む領域には、内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃに比べて窒素濃度が高い窒素富化層１１Ｄ，１２Ｄ，１３Ｄが、それぞれ形成されている。窒素富化層１１Ｄ，１２Ｄ，１３Ｄの表面である接触面としての外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａからの距離が２０μｍ以内である表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂにおける平均窒素濃度は、０．３質量％以上となっている。さらに、外輪１１全体、内輪１２全体および玉１３全体のそれぞれにおける残留オーステナイト量は、２０体積％以下となっている。
【００３４】
本実施の形態における軸受部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、接触面下の表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂにおける窒素濃度が０．３質量％以上となっており、かつ外輪１１全体、内輪１２全体および玉１３全体のそれぞれにおける平均残留オーステナイト量が２０体積％以下となっている。その結果、外輪１１、内輪１２および玉１３は、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な機械部品となっている。
【００３５】
なお、外輪１１、内輪１２および玉１３を構成する鋼は、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有していてもよい。これにより、鋼の焼入性が向上し、大型の転がり軸受の軸受部品を得ることができる。
【００３６】
また、外輪１１、内輪１２および玉１３においては、接触面（外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ）下の表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂには、接触面に垂直な断面において直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在していることが好ましい。このように微細な炭窒化物が表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂに多数存在することにより、表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂの耐久性が一層向上し、耐久性に優れた外輪１１、内輪１２および玉１３が得られる。上記炭化物は上記領域に１０個以上存在していることがより好ましい。なお、上記炭化物の存在量（数）は、たとえば上記領域を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、観察結果を画像解析処理することにより確認することができる。
【００３７】
さらに、外輪１１、内輪１２および玉１３においては、接触面（外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ）から深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量は２０体積％以上であることが好ましい。これにより、接触面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａの耐久性、特に異物混入環境における接触面の耐久性を向上させることができる。
【００３８】
また、図１を参照して、上記内輪１２の内径表面１２Ｅにおける窒素濃度は、０．０５質量％以下とすることができる。これにより、内輪１２の軸などの部材に対する嵌め込み状態が安定する。
【００３９】
次に、図３〜図５を参照して、他の実施の形態における軸受部品（機械部品）を備えた転がり軸受について説明する。スラストニードルころ軸受２は、上記深溝玉軸受１と基本的には同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、スラストニードルころ軸受２は、軌道部材および転動体の構成において、深溝玉軸受１とは異なっている。すなわち、スラストニードルころ軸受２は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された軌道部材としての一対の軌道輪２１と、転動体としての複数のニードルころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。複数のニードルころ２３は、ニードルころ２３の外周面であるころ転動接触面２３Ａにおいて、一対の軌道輪２１の互いに対向する一方の主面に形成された軌道輪転走面２１Ａに接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受２の一対の軌道輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００４０】
そして、スラストニードルころ軸受２の軌道輪２１は、深溝玉軸受の外輪１１および内輪１２に、スラストニードルころ軸受２のニードルころ２３は深溝玉軸受の玉１３にそれぞれ相当し、同様の素材からなるとともに、同様の窒素濃度および残留オーステナイト量の窒素富化層２１Ｄ，２３Ｄ、内部２１Ｃ，２３Ｃ、表層部２１Ｂ，２３Ｂ、軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａを有している。これにより、軌道輪２１およびニードルころ２３は、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが可能な機械部品となっている。
【００４１】
次に、上記実施の形態における軸受部品および転がり軸受の製造方法について説明する。図６を参照して、まず、工程（Ｓ１０）として鋼材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、残部不純物からなる鋼、または０．６０質量％以上１．５０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上２．５０質量％以下の珪素と、０．３０質量％以上１．５０質量％以下のマンガンと、０．２０質量％以上２．００質量％以下のクロムとを含有し、さらに０．５質量％以下のニッケルおよび０．２質量％以下のモリブデンの少なくともいずれか一方を含有し、残部不純物からなる鋼、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２、ＳＵＪ３、ＳＵＪ４、ＳＵＪ５などの高炭素クロム軸受鋼からなる鋼材が準備される。具体的には、たとえば上記成分組成を有する棒鋼や鋼線などが準備される。
【００４２】
次に、工程（Ｓ２０）として成形工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、たとえば工程（Ｓ１０）において準備された棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図１〜図５に示される外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などの形状に成形された成形部材が作製される。
【００４３】
次に、工程（Ｓ３０）として浸炭窒化工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において作製された成形部材が浸炭窒化処理される。この浸炭窒化処理は、たとえば以下のように実施することができる。まず、上記成形部材が７８０℃以上８２０℃以下程度の温度域で、３０分間以上９０分間以下の時間予熱される。次に、予熱された成形部材が、エンリッチガスとしてのプロパンガスやブタンガスが添加されることによりカーボンポテンシャルが調整されたＲＸガスなどの吸熱型ガスに、さらにアンモニアガスが導入された雰囲気中において加熱されて浸炭窒化処理される。浸炭窒化処理の温度は、たとえば８２０℃以上８８０℃以下とすることができる。また、浸炭窒化処理の時間は、成形部材に形成すべき窒素富化層の窒素濃度に合わせて設定することができ、たとえば４時間以上７時間以下とすることができる。これにより、成形部材の脱炭を抑制しつつ窒素富化層を形成することができる。
【００４４】
次に、工程（Ｓ４０）として焼入工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において浸炭窒化処理されることにより窒素富化層が形成された成形部材が、所定の焼入温度から急冷されることにより焼入処理される。この焼入温度は、たとえば８２０℃以上８８０℃以下とすることができ、８５０℃以上８８０℃以下とすることが好ましい。焼入処理は、たとえば所定の温度に保持された冷却材としての焼入油中に成形部材を浸漬することにより実施することができる。また、この工程（Ｓ４０）では、成形部材において接触面下の表層部となるべき領域が、焼入温度から６００℃までの温度範囲において平均２０℃／ｓｅｃ以上、かつ焼入温度から４００℃までの温度範囲において平均３０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却されることが好ましい。これにより、工程（Ｓ３０）の浸炭窒化処理によって焼入性が低下した表層部となるべき領域を確実に焼入硬化することができる。
【００４５】
次に、工程（Ｓ５０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼入処理された成形部材が焼戻処理される。具体的には、たとえば１８０℃以上２４０℃以下の温度域に加熱された雰囲気中において成形部材が０．５時間以上３時間以下の時間保持されることにより、焼戻処理が実施される。さらに、焼戻温度は、１８０℃以上２１０℃以下とされてもよい。
【００４６】
次に、工程（Ｓ６０）として仕上げ加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において焼戻処理された成形部材を加工することにより他の部品と接触する面である接触面が、すなわち深溝玉軸受１の外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ、ならびにスラストニードルころ軸受２の軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａが形成される。仕上げ加工としては、たとえば研削加工を実施することができる。以上の工程により、本実施の形態における軸受部品である外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３などが完成する。
【００４７】
さらに、工程（Ｓ７０）として組立工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）において作製された外輪１１、内輪１２、玉１３、軌道輪２１、ニードルころ２３と、別途準備された保持器１４，２４などとが組合わされて、上記実施の形態における深溝玉軸受１やスラストニードルころ軸受２が組立てられる。これにより、本実施の形態における転がり軸受の製造方法が完了する。
【００４８】
ここで、上記工程（Ｓ３０）では、後続の工程（Ｓ６０）における仕上げ加工によって接触面下の表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，２１Ｂ，２３Ｂにおける窒素濃度が０．３質量％以上となるように成形部材が浸炭窒化処理される。つまり、工程（Ｓ６０）での取り代などを考慮して、接触面完成後における表層部の窒素濃度を０．３質量％以上とすることが可能なように窒素量を調整した窒素富化層１１Ｄ，１２Ｄ，１３Ｄ，２１Ｄ，２３Ｄが形成される。
【００４９】
さらに、上記工程（Ｓ５０）では、成形部材全体の平均残留オーステナイト量が２０体積％以下となるように成形部材が焼戻処理される。
【００５０】
また、完成品において、接触面である深溝玉軸受１の外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転動面１３Ａ、ならびにスラストニードルころ軸受２の軌道輪転走面２１Ａおよび転動接触面２３Ａから深さが５０μｍである領域における残留オーステナイト量を２０体積％以上とするためには、たとえば工程（Ｓ３０）において形成される窒素濃度分布、工程（Ｓ４０）における焼入温度、工程（Ｓ５０）における焼戻温度、工程（Ｓ６０）における取り代などを調整することができる。
【００５１】
さらに、内輪１２の内径表面１２Ｅにおける窒素濃度を０．０５質量％以下とするためには、たとえば内径表面１２Ｅを治具やコーディング層にて覆ったうえで、工程（Ｓ３０）を実施すればよい。
【００５２】
また、接触面に垂直な断面において、表層部１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，２１Ｂ，２３Ｂに直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２あたり５個以上存在する状態とするためには、たとえば工程（Ｓ４０）における焼入温度、工程（Ｓ５０）における焼戻温度などを調整することができる。
【実施例１】
【００５３】
転がり軸受の軌道輪の耐久性に及ぼす表層部の窒素濃度の影響を調査する実験を行なった。具体的には、軌道輪（内輪）の転走面に圧痕を形成した状態で転動疲労寿命試験を実施した。実験の手順は以下の通りである。
【００５４】
試験は、ＪＩＳ規格６２０６型番の深溝玉軸受（内径３０ｍｍ、外径６２ｍｍ、幅１６ｍｍ、転動体９個、ＳＵＪ２製）により実施した。まず、上記実施の形態と同様の手順により内輪を作製した。このとき、浸炭窒化処理時の雰囲気における未分解アンモニア分圧、水素分圧、炭素の活量、熱処理時間、焼入温度を調整することにより、内輪表面付近に侵入する窒素の濃度分布を制御した。また、比較のため、浸炭窒化を実施しない内輪も作製した。その結果、図７〜図１０の４通りの窒素濃度分圧を有する内輪が得られた。ここで、図７〜図１０において、横軸は表面（転走面）からの距離を示しており、縦軸は窒素濃度を示している。
【００５５】
次に、得られた内輪に圧痕を形成した。ここで、実際の使用環境を模擬した転がり軸受寿命の評価方法として、異物混入潤滑下での寿命試験が実施される場合がある。この試験方法は、転がり軸受の潤滑油中にガスアトマイズにて作製された粒径１００〜１８０μｍの粒子（硬度８００ＨＶ程度）を混入させて運転し、その破損寿命を評価するものである。粒径を１００〜１８０μｍとしている理由は、実際の使用環境において最大で１００μｍ程度の粒径を持つ硬質異物が混入する場合があるためである。図１１に、この異物混入潤滑下での寿命試験により破損した軌道輪の表面形状（圧痕形状）を示す。図１１において、横軸は表面（転走面）に沿った基準点からの距離、縦軸は高さを示している。横軸の基準点から０．３ｍｍ付近までが当初の転走面、０．３ｍｍ〜１．１ｍｍ付近までが圧痕、１．１ｍｍ以上の領域が剥離部に対応する。図１１から、上記硬質の異物によって形成される圧痕は１５〜２０μｍ程度の深さであることが分かる。
【００５６】
また、圧痕の盛上がり部の形状およびミクロ組織が、寿命を決める大きな要因となる。圧痕の盛り上がり部の形状は、圧痕深さまでの材料のミクロ組織で決まると考えられる。また、窒素濃度によって鋼のミクロ組織は変化する。これらのことから、硬質の異物が侵入する環境下での寿命は、表面の窒素濃度だけではなく、表面から圧痕深さまでの窒素濃度に左右されると考えられる。
【００５７】
そして、上述のように圧痕深さは最大で約２０μｍになる。このことから、本願明細書等では、表面から深さ２０μｍまでの領域を表層部とし、表層部における平均窒素濃度を「表層部の窒素濃度」と定義している。この表層部の窒素濃度は、具体的には、表面に垂直な断面についてＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）により深さ方向に線分析を行ない、表面から２０μｍ深さまでの平均値を算出することにより、調査することができる。
【００５８】
以上の検討結果を踏まえて、内輪には、転走面の溝底部中央に円すい形ダイヤモンドのロックウェル硬さ測定用圧子（頂角１２０°の円錐の頂点に曲率０．２ｍｍの球面を持つ圧子）を荷重１９６Ｎで押し付けて圧痕を形成した。形成した圧痕の形状を三次元表面形状装置で測定したところ、圧痕周縁部の盛り上がり形状が圧痕中心を対称軸として軸方向、円周方向に対しほぼ対称形状であることが確認された。図１２に代表的な圧痕形状を示す。付与した圧痕は内輪１個当り３０個であり、周方向に等間隔に（すなわち中心角１２°ごとに）形成した。
【００５９】
このようにして作製された内輪に、浸炭窒化処理を施さず、かつ圧痕を形成しない通常の外輪のほか、転動体、保持器等を組み合わせて軸受を組立てた。そして、得られた軸受を寿命試験に供した。試験結果を図１３に示す。
【００６０】
図１３において、横軸は寿命（試験開始から剥離が発生するまでの時間）、縦軸は累積破損確率である。また、図１３の凡例において、「焼入温度−焼戻温度−表層窒素濃度」が表示されている。たとえば、８５０℃−１８０℃−Ｎ０．４％の表示は、焼入温度が８５０℃、焼戻温度が１８０℃、表層部の窒素濃度が０．４質量％であることを示している。図１３を参照して、表層部の窒素濃度が上昇するに従って、寿命が長くなっていることが分かる。ここで、表層部の窒素濃度と累積破損確率が１０％となる時間（Ｌ１０寿命）との関係を図１４に示す。図１４に示すように、表層部の窒素濃度の上昇に伴ってＬ１０寿命も長くなっているものの、窒素濃度の上昇に従ってＬ１０寿命の向上は飽和する傾向にあり、窒素濃度０．３質量％以上では、寿命の向上は緩やかとなっている。このことから、表層部の窒素濃度を０．３質量％以上とすることが、長寿命化に有効であることが分かる。
【実施例２】
【００６１】
経年寸法変化に及ぼす残留オーステナイト量の影響を調査する実験を行なった。ＳＵＪ２を素材として、外径φ６０ｍｍ、内径φ５４ｍｍ、幅ｔ１５ｍｍのリング状試験片を、焼入温度、焼戻温度、および表層部の窒素濃度を変化させて作製した。この試験片に対して、２３０℃に加熱して２時間保持する熱処理を実施し、当該熱処理前後での外径の寸法差を熱処理前の外径で除して経年寸法変化率を算出した。試験結果を表１に示す。一方、上記試験片の残留オーステナイト量の分布を図１５に示す。この図１５の残留オーステナイト量の分布から試験片内の平均値を算出するとともに、先に算出した対応する試験片の経年寸法変化率との関係を調査した。試験片全体の平均残留オーステナイト量と経年寸法変化率との関係を図１６に示す。
【００６２】
【表１】
0006023422.tif 000002
【００６３】
表１および図１６を参照して、焼戻温度を２１０℃にまで上昇させて試験片全体の平均残留オーステナイト量を低減することにより、経年寸法変化率を低減できることが確認される。そして、平均残留オーステナイト量を２０体積％以下、好ましくは１５体積％以下とすることが経年寸法変化率低減の観点からは有効で、特に１１体積％以下とすることにより、経年寸法変化率を１００×１０−５未満にまで低減できることが分かる。
【実施例３】
【００６４】
接触面下の表層部における炭窒化物の分布状態を調査する実験を行なった。上記実施の形態の場合と同様の手順において、浸炭窒化処理の際の炭素の活量を調整して、炭化物の固溶による消失を抑制した条件でＳＵＪ２からなる試験片を作製した。この製造条件は、上記実施例１において長寿命が確認された試験片の製造条件に対応する。具体的には、焼入温度は８５０℃、焼戻温度は１８０℃、表層部の窒素濃度は０．３質量％である（実施例Ａ）。一方、比較のため、表面付近に脱炭が生じる条件で同様に試験片を作製した（比較例）。比較例および実施例Ａの試験片における表面付近の炭素濃度および窒素濃度の分布を、それぞれ図１７および図１８に示す。
【００６５】
図１７および図１８を参照して、比較例の試験片では表面付近の炭素濃度が低下し、脱炭が確認されるのに対し、実施例Ａの試験片では表面付近の炭素濃度は内部とほぼ同等のレベルが維持されている。比較例の表層部のＳＥＭ写真および実施例Ａの表層部のＳＥＭ写真を、それぞれ図１９および図２０に示す。また、焼入温度を８８０℃、焼戻温度を２１０℃、表層部の窒素濃度を０．３質量％とした試験片（実施例Ｂ）の表層部のＳＥＭ写真を図２１および図２２に示す。
【００６６】
ここで、上記実施例１において長寿命が確認された製造条件に対応する実施例Ａおよび実施例Ｂについて、表層部のＳＥＭ写真（表面に垂直な断面のＳＥＭ写真）に基づいて、析出強化に寄与すると考えられる直径０．５μｍ以下の炭窒化物の個数を算出した。表２に算出結果を示す。
【００６７】
【表２】
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【００６８】
１００μｍ２内の領域に存在する炭窒化物の個数を各試験片について３回（３箇所）調査し、その平均値を算出した。表２に示すように、長寿命が確認された実施例ＡおよびＢにおいては、直径０．５μｍ以下の炭窒化物が１００μｍ２内に５個以上存在していることが確認された。
【００６９】
上記実施の形態および実施例においては、本発明の機械部品の一例として転がり軸受の構成部品について説明したが、本発明の機械部品はこれに限られず、自在継手の構成部品、歯車など、他の部品と接触する接触面を有する種々の機械部品に適用することができる。
【００７０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法は、耐久性の向上と寸法安定性の向上とを両立することが求められる機械部品、転がり軸受および機械部品の製造方法に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００７２】
１  深溝玉軸受、２  スラストニードルころ軸受、１１  外輪、１１Ａ  外輪転走面、１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，２１Ｂ，２３Ｂ  表層部、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ，２１Ｃ，２３Ｃ  内部、１１Ｄ，１２Ｄ，１３Ｄ，２１Ｄ，２３Ｄ  窒素富化層、１２  内輪、１２Ａ  内輪転走面、１２Ｅ  内径表面、１３  玉、１３Ａ  玉転動面、１４，２４  保持器、２１  軌道輪、２１Ａ  軌道輪転走面、２３Ａ  転動接触面。
【図１】
0006023422.tif 000004
【図２】
0006023422.tif 000005
【図３】
0006023422.tif 000006
【図４】
0006023422.tif 000007
【図５】
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【図６】
0006023422.tif 000009
【図７】
0006023422.tif 000010
【図８】
0006023422.tif 000011
【図９】
0006023422.tif 000012
【図１０】
0006023422.tif 000013
【図１１】
0006023422.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0006023422.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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