(57)【要約】【課題】  異物混入潤滑下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命が長く、且つ、優れた耐衝撃特性を備えた転がり支持装置を提供する。【解決手段】  内輪、外輪、転動体のうち少なくとも一つに対して、Ｃ：０．１０〜０．８％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜３．０％、Ｍｏ：０．１０〜２．０％、Ｓｉ：０．１５〜３．０％、残部：Ｆｅ及び不可避不純物の鋼からなる素材を所定形状に加工する工程と、Ａc1変態点以上の温度で浸炭処理後、Ａr1変態点未満の温度に冷却する工程と、４００℃以上Ａc1変態点以下の温度で窒化処理を行う工程と、Ａc1変態点以上の温度に加熱後、焼入れ及び焼戻しを行う工程と、をこの順で施す。そして、その転がり面に、芯部側から順にＣ含有率が０．５〜１．２％の浸炭層とＮ含有率が０．２〜１．０％の窒化層との二層からなり、ＨＲＣ５８以上で、γR が２０〜４０％の硬化層を形成する。【選択図】  図１
2006241480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び第二部材間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、
前記第一部材、前記第二部材、及び前記転動体のうち少なくとも一つは、
Ｃ含有率が０．１０質量％以上０．８質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．１５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．２質量％以上１．５質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｏ含有率が０．１０質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材で構成されているとともに、
その転がり面に、芯部側から順にＣ含有率が０．５質量％以上１．２質量％以下の浸炭層とＮ含有率が０．２質量％以上１．０質量％以下の窒化層との二層からなり、硬さがＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイトが２０体積％以上４０体積％以下である硬化層が形成されていることを特徴とする転がり支持装置。
【請求項２】
互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び第二部材間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置の前記第一部材、前記第二部材、及び前記転動体を製造する方法において、
Ｃ含有率が０．１０質量％以上０．８質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．１５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．２質量％以上１．５質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｏ含有率が０．１０質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工する工程と、  Ａc1変態点以上の温度で浸炭処理を行った後に、Ａr1変態点未満の温度に冷却する工程と、
４００℃以上Ａc1変態点以下の温度で窒化処理を行う工程と、
Ａc1変態点以上の温度に加熱した後に、焼入れ及び焼戻しを行う工程と、
をこの順で施すことにより、
その転がり面に、芯部側から順にＣ含有率が０．５質量％以上１．２質量％以下の浸炭層とＮ含有率が０．２質量％以上１．０質量％以下の窒化層との二層からなり、硬さがＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイトが２０体積％以上４０体積％以下である硬化層を形成することを特徴とする転がり支持装置の転動部材の製造方法。
【請求項３】
鋼からなる素材にＡc1変態点以上の温度で浸炭処理を行った後、Ａr1変態点未満の温度に冷却する工程と、
４００℃以上Ａc1変態点以下の温度で窒化処理を行う工程と、
Ａc1変態点以上の温度に加熱した後に、焼入れ及び焼戻しを行う工程と、
をこの順で施すことを特徴とする鋼の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受、リニアガイド、ボールねじ等の転がり支持装置、転がり支持装置の転動部材の製造方法、及び鋼の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、転がり軸受の転動部材（内輪、外輪、転動体）の素材としては、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）等の各種合金鋼が使用されている。
ところが、近年、転がり軸受に加わる荷重が大きくなる一方、転がり軸受の小型化が要求されてきており、転がり軸受に加わる面圧が増大する傾向がある。
また、回転部材の高速回転化や機械の密閉化に伴って、転がり軸受の使用温度が高くなってきており、転がり軸受の転がり面に潤滑膜が形成され難い傾向がある。
【０００３】
特に、各種機械のトランスミッション用等の転がり軸受においては、面圧が増大したり、潤滑膜が形成され難い条件に加えて、潤滑油中に金属の切粉、削り屑、バリ、摩耗粉等の異物が混入され易い潤滑条件（以下、「異物混入潤滑下」と記す。）で使用されるため、内輪、外輪、及び転動体が異物により損傷し、転がり疲れ寿命が短くなる傾向がある。  このため、本出願人は、異物混入潤滑下における転がり疲れ寿命を向上させるために、特許文献１に記載の転がり軸受を提案している。
【０００４】
この特許文献１には、内輪、外輪、及び転動体のうち少なくとも一つに対して、Ｃ含有率が０．１０質量％以上１．０質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．１５質量％以上１．０質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．２０質量％以上１．５質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５０質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｏ含有率が０．１０質量％以上２．０質量％以下で、Ｎｉ含有率が０．２０質量％以上１．０質量％以下の合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、浸炭窒化処理を行うことにより、その表層部におけるＣとＮの合計含有率を１．０質量％以上２．０質量％以下で、Ｃに対するＮの含有比が０．８以上２．０以下とすることが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２では、Ｃｒ含有鋼鋼材に対して、浸炭処理を行った後、浸炭窒化処理を行い、さらに、焼入れ及び焼戻しを行うことが提案されている。
【特許文献１】特開平６−１５９３６８号公報
【特許文献２】特許第２７２４４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１及び２に記載の発明においては、表層部に炭窒化物を析出させた浸炭窒化層を形成することで耐摩耗特性や耐焼付き性を向上させているが、これらの炭窒化物等が亀裂発生の起点となり易いという問題がある。
また、上述した特許文献１及び２に記載の発明においては、Ａc1変態点以上の高温で長時間保持する浸炭窒化処理を行っているため、芯部の結晶粒径が粗大化し、優れた靱性を付与することが難しいという問題もある。
【０００７】
すなわち、上述した特許文献１及び２に記載の発明においては、転がり支持装置として必要な転がり疲れ寿命を備えつつ、優れた耐衝撃特性を付与するという点でさらなる改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、異物混入潤滑下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命が長く、且つ、優れた耐衝撃特性を備えた転がり支持装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明に係る転がり支持装置は、互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び第二部材間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置において、前記第一部材、前記第二部材、及び前記転動体のうち少なくとも一つは、Ｃ含有率が０．１０質量％以上０．８質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．１５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．２質量％以上１．５質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｏ含有率が０．１０質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材で構成されているとともに、その転がり面に、芯部側から順にＣ含有率が０．５質量％以上１．２質量％以下の浸炭層とＮ含有率が０．２質量％以上１．０質量％以下の窒化層との二層からなり、硬さがＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイトが２０体積％以上４０体積％以下である硬化層が形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係る転がり支持装置の転動部材の製造方法は、互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材及び第二部材と、前記第一部材及び第二部材間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材及び前記第二部材の一方が他方に対して相対運動する転がり支持装置の前記第一部材、前記第二部材、及び前記転動体を製造する方法において、Ｃ含有率が０．１０質量％以上０．８質量％以下で、Ｓｉ含有率が０．１５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｎ含有率が０．２質量％以上１．５質量％以下で、Ｃｒ含有率が０．５質量％以上３．０質量％以下で、Ｍｏ含有率が０．１０質量％以上２．０質量％以下で、残部がＦｅ及び不可避不純物である鋼からなる素材を所定形状に加工する工程と、Ａc1変態点以上の温度で浸炭処理を行った後に、Ａr1変態点未満の温度に冷却する工程と、４００℃以上Ａc1変態点以下の温度で窒化処理を行う工程と、Ａc1変態点以上の温度に加熱した後に、焼入れ及び焼戻しを行う工程と、をこの順で施すことにより、その転がり面に、芯部側から順にＣ含有率が０．５質量％以上１．２質量％以下の浸炭層とＮ含有率が０．２質量％以上１．０質量％以下の窒化層との二層からなり、硬さがＨＲＣ５８以上で、残留オーステナイトが２０体積％以上４０体積％以下である硬化層を形成することを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明に係る鋼の熱処理方法は、鋼からなる素材にＡc1変態点以上の温度で浸炭処理を行った後、Ａr1変態点未満の温度に冷却する工程と、４００℃以上Ａc1変態点以下の温度で窒化処理を行う工程と、Ａc1変態点以上の温度に加熱した後に、焼入れ及び焼戻しを行う工程と、をこの順で施すことを特徴とするものである。
【００１１】
なお、本発明において転がり支持装置とは、転がり軸受、ボールねじ、及びリニアガイド等を指す。ここで、転がり支持装置が転がり軸受の場合には、第一部材及び第二部材は内輪及び外輪を指し、転がり支持装置がボールねじの場合には、第一部材及び第二部材はねじ軸及びナットを指し、転がり支持装置がリニアガイドの場合には、第一部材及び第二部材は案内レール及びスライダを指す。
本発明では、転がり支持装置に必要な転がり疲れ寿命と優れた耐衝撃特性を付与するために、特定の鋼からなる素材を用いて特定の熱処理を施すことにより、転がり支持装置を構成する転動部材の転がり面に特定の硬化層を形成した。
【００１２】
まず、本発明で使用する鋼について、詳細に説明する。
〔Ｃ：０．１０質量％以上０．８質量％以下〕
Ｃ（炭素）は、浸炭及び窒化処理後の鋼の芯部硬さに影響を与える。転がり支持装置として必要な芯部硬さを得るために、素材をなす鋼のＣ含有率は０．１０質量％以上とする。一方、Ｃ含有率が多過ぎると、熱間加工性、被削性、及び靱性が低下するため、素材をなす鋼のＣ含有率は０．８質量％以下とする。
〔Ｓｉ：０．１５質量％以上３．０質量％以下〕
Ｓｉ（珪素）は、鋼の焼入れ性や焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、熱処理時に窒素濃度を増加させる作用を有する。この作用を得るために、Ｓｉ含有率は０．１５質量％以上とする。一方、Ｓｉ含有率が多過ぎると、上記作用の効果が飽和するとともに、熱処理時に靱性を低下させるδ−フェライトが生成するため、Ｓｉ含有率は３．０質量％以下とする。
【００１３】
〔Ｍｎ：０．２質量％以上１．５質量％以下〕
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の焼入れ性を向上させる作用を有する。この作用を得るために、Ｍｎ含有率は０．２質量％以上とする。一方、Ｍｎ含有率が多過ぎると、被削性が低下するため、Ｍｎ含有率は１．５質量％以下とする。
〔Ｃｒ：０．５質量％以上３．０重量％以下〕
Ｃｒ（クロム）は、鋼の焼入れ性や焼戻し軟化抵抗性を向上させるとともに、窒化層中に微細なＣｒ炭窒化物やＣｒ窒化物として析出して表層部を硬化させる作用を有する。この作用を得るために、Ｃｒ含有率は０．５質量％以上とする。一方、Ｃｒ含有率が多過ぎると、粗大な炭化物が生成して靱性を低下させるため、Ｃｒ含有率は３．０質量％以下とする。
【００１４】
〔Ｍｏ：０．１０質量％以上２．０質量％以下〕
Ｍｏ（モリブデン）は、鋼の焼入れ性を向上させるとともに、窒化層中に微細なＭｏ炭窒化物やＭｏ窒化物として析出して表層部を硬化させる作用を有する。また、芯部にはＭｏ2 Ｃとして析出して芯部を硬化させる作用も有する。これらの作用を得るために、Ｍｏ含有率は０．１０質量％以上とする。一方、Ｍｏ含有率が多過ぎると、被削性が低下したり、素材コストが増大するとともに、窒化処理時に大量の窒化物が析出して靱性を低下させる。よって、Ｍｏ含有率は２．０質量％以下とする。
〔残部：Ｆｅ及び不可避不純物〕
本発明で使用する鋼は、上述した必須成分（Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ）以外は、実質的にＦｅ（鉄）からなるが、不可避不純物として、Ｓ（硫黄），Ｐ（リン），Ａｌ（アルミニウム），Ｔｉ（チタン），Ｏ（酸素）等が含有されていてもよい。
【００１５】
次に、上記特定の鋼からなる素材を所定形状に加工した後に施す熱処理について、詳細に説明する。
〔熱処理について〕
まず、上述した特定の鋼からなる素材を鍛造または切削加工により所定形状に加工した後、Ａc1変態点（約７３０℃）以上の温度（例えば、７３０〜１０００℃、好ましくは、８００〜９５０℃）で浸炭処理を行う。
具体的には、混合ガス（ＲＸガス＋エンリッチガス）を導入した炉内で、必要な深さの浸炭層が得られるまで（例えば、数時間から数十時間）加熱保持することにより行う。
この浸炭処理は、転がり支持装置を構成する転動部材の転がり面に、耐高面圧特性を付与するために必要な処理である。この浸炭処理により、表層部に、Ｃ含有率が０．５〜１．５質量％で、Ｆｅ炭化物が析出した浸炭層が形成される。
その後、Ａr1変態点（約７３０℃）未満の温度（例えば、３００℃以下、好ましくは、室温〜１００℃）に冷却する。
【００１６】
具体的には、水や油で冷却する急冷や空気中で冷却する放冷により冷却する。ここで、本発明で使用する鋼にはＭｏが含有されているため、冷却処理時のパーライト変態が抑制されて、急冷の場合には内部組織が主にマルテンサイト組織になり、放冷の場合には内部組織が主にマルテンサイト組織とベイナイト組織とからなり、冷却速度が遅くなる程ベイナイト組織の割合が増大する。
この冷却処理は、内部組織を窒素吸収量の多いフェライトとするために必要な処理である。
その後、４００℃以上Ａc1変態点以下の温度（例えば、４００〜７３０℃、好ましくは、５００〜６００℃）で窒化処理を行う。
具体的には、アンモニアを導入した炉内で、必要な深さの窒化層が得られるまで（例えば、２０時間）加熱保持することにより行う。
【００１７】
窒化処理の初期段階には、マルテンサイト組織から炭化物（セメンタイト）が析出するが、窒化処理が進むにつれて、窒素が拡散して炭化物が消失し、ＣｒやＭｏの炭窒化物及び窒化物が微細に析出してくる。そして、窒素が拡散することで消失した炭化物は窒化層の底部で再び析出する。一方、窒化処理の影響を受けない芯部では、マルテンサイトの回復が進むと同時に、Ｍｏ2 Ｃが炭化物の分散状態とは無関係に微細に析出する。
【００１８】
この窒化処理は、転がり支持装置を構成する転動部材の転がり面に耐高面圧特性及び耐衝撃特性を付与するために必要な処理である。この窒化処理により、前工程で表層部に形成された浸炭層の上面に、Ｎ含有率が０．５〜１．５質量％で、ＣｒやＭｏの炭化物及び炭窒化物が析出した窒化層が形成される。このとき、窒化処理を４００℃以上Ａc1変態点以下で行うことにより、芯部の結晶粒径の粗大化を抑制できるため、優れた靱性を付与できる。
【００１９】
ここで、窒化処理を４００℃未満の温度で行うと、炭窒化物や窒化物の生成が遅く、窒化層が形成され難くなり、一方、Ａc1変態点を超える温度で行うと、窒化処理が進むにつれて炭素が芯部に拡散するため、硬化層の残留オーステナイト量が低下して転がり疲れ寿命が短くなるとともに、芯部の結晶粒径が粗大化して靱性を低下させる。なお、窒化処理の時間は、靱性改善効果を得るために、１時間以上行うことが好ましい。
【００２０】
その後、Ａc1変態点以上の温度（例えば、７３０〜９５０℃、好ましくは、８００〜９５０℃）に再加熱した後、焼入れ及び焼戻し処理を行う。
この焼入れ及び焼戻し処理は、転がり支持装置を構成する転動部材の転がり面に、必要な転がり疲れ寿命を付与するために必要な処理である。
この焼入れ及び焼戻し処理により、窒化層では、表面から芯部に向かって窒素が拡散するため、窒化層の厚みが大きくなり、浸炭層のＣ含有率は０．５〜１．２％となり、窒化層のＮ含有率は０．２〜１．０％となる。また、窒化層では、微細に析出したＣｒやＭｏの炭窒化物及び窒化物により、高温保持中のオーステナイト結晶粒の成長が抑制されるため、オーステナイト結晶粒の微細なマルテンサイト組織を形成できる。
【００２１】
一方、浸炭層や芯部では、前工程で析出したＭｏ2 Ｃが高温保持中のオーステナイト結晶粒の成長を抑制する。よって、浸炭層や芯部でも、オーステナイト結晶粒の微細なマルテンサイト組織を形成できる。
ここで、窒化処理時間を一定にした場合、窒化層は焼入れ前の加熱温度（焼入れ温度）が高い程厚くなる傾向にあるが、焼入れ温度が高くなり過ぎると窒化層中のＮ含有率が大幅に低下して、残留オーステナイト量が減少し、転がり疲れ寿命が短くなる。
【００２２】
よって、焼入れ温度は、必要な転がり疲れ寿命と優れた耐衝撃特性を得るために、Ａc1変態点以上９５０℃以下とすることが好ましい。また、転動部材の靱性を向上させるために、芯部のオーステナイト結晶粒径が２０μｍ以下となるような条件で焼入れ処理を行うことが好ましい。さらに、焼戻し処理は、１００℃以上３００℃以下の温度で行うことが好ましい。
【００２３】
続いて、転がり支持装置を構成する転動部材の転がり面に形成される硬化層について、詳細に説明する。
〔硬化層について〕                                                            
転がり面に必要な転がり疲れ寿命と優れた耐衝撃特性とを付与するために、芯部側から順にＣ含有率が０．５質量％以上１．２質量％以下の浸炭層と、Ｎ含有率が０．２質量％以上１．０質量％以下の窒化層との二層からなる硬化層を形成する。
ここで、浸炭層のＣ含有率が０．５質量％未満であると、転がり面に必要な転がり疲れ寿命を付与できなくなり、一方、１．２質量％超過であると、粗大な炭化物が析出し、靱性が劣化する。また、窒化層のＮ含有率が０．２質量％未満であると、転がり面に必要な転がり疲れ寿命及び耐衝撃特性を付与できなくなり、一方、１．０質量％超過であると、粗大な炭窒化物が析出し、靱性が劣化する。
【００２４】
窒化層に析出する炭窒化物や窒化物は、浸炭層に析出する炭化物と比べて、微細であるため、亀裂発生の起点となり難い。また、窒化層に存在する残留オーステナイトは、浸炭層に存在する残留オーステナイトと比べて熱安定性に優れているため、残留オーステナイトによる径時的な寸法変化を抑制できる。
すなわち、転がり面の芯部側に、耐高面圧特性を備えた浸炭層を形成し、且つ、転がり面の表面側に、亀裂発生の起点となり難い炭窒化物や窒化物が析出した窒化層を形成したことにより、転がり支持装置として必要な転がり疲れ寿命を備えつつ、優れた耐衝撃特性を備えることができる。
【００２５】
また、異物混入潤滑下で使用した場合であっても、必要な耐圧痕性を得るために、硬化層の硬さ (例えば、表面から５００μｍの深さまでの硬さ）は、ＨＲＣ５８以上、好ましくはＨＲＣ６０以上とした。
さらに、異物混入潤滑下で使用した場合であっても、圧痕縁への応力集中を抑制し、圧痕縁からの亀裂の進展を抑制するために、硬化層の残留オーステナイト量は１０体積％以上、好ましくは２０体積％以上とした。一方、硬化層の残留オーステナイト量が多過ぎると、硬度が不足する場合があるため、その上限を４０体積％以下、好ましくは３５体積％以下とした。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る転がり支持装置によれば、第一部材、第二部材、及び転動体のうち少なくとも一つを、特定の鋼からなる素材で構成し、且つ、転がり面に芯部側から順に浸炭層と窒化層との二層からなる特定の硬化層を形成し、さらに、硬化層の硬さ及び残留オーステナイト量を特定したことにより、異物混入潤滑下で使用した場合でも、転がり疲れ寿命が長く、優れた耐衝撃特性を備えることができる。
【００２７】
本発明に係る転がり支持装置の転動部材の製造方法によれば、転がり疲れ寿命が長く、且つ、優れた耐衝撃特性を備えた転動部材を製造できるため、異物混入潤滑下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命が長く、且つ、優れた耐衝撃特性を備えた転がり支持装置を実現できる。
本発明に係る鋼の熱処理方法によれば、浸炭処理を行った後、特定の温度条件での窒化処理を行い、さらに焼入れ及び焼戻し処理を行うことによって、鋼の表面に、芯部側から順に浸炭層と窒化層との二層からなる特定の硬化層を形成できるとともに、芯部の結晶粒径の粗大化を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
〔第一実施形態〕
まず、表１に示す各組成の鋼を所定形状に加工した後、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１では図１に示す熱処理を以下に示す条件で行い、Ｎｏ．２２では図２に示す熱処理を施すことにより、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受用内輪及び外輪と、表面から２ｍｍの深さまで曲率半径Ｒが１０ｍｍのＵノッチが形成されたシャルピー衝撃試験片（５５ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ）と、を作製した。
〔熱処理条件〕
・浸炭処理：温度９５０℃，処理時間４時間
・窒化処理：温度５７０℃，処理時間２０時間
・焼入れ処理前の加熱：８６０℃，処理時間１時間
・焼戻し処理：温度１６０℃，処理時間２時間
【００２９】
これにより、熱処理後のＮｏ．１〜Ｎｏ．２１のスラスト玉軸受用内輪及び外輪の各軌道面と、シャルピー衝撃試験片の表面には、芯部側から順に浸炭層と窒化層の二層からなる硬化層を形成した。また、Ｎｏ．２２のスラスト玉軸受用内輪及び外輪の各軌道面と、シャルピー衝撃試験片の表面には、浸炭窒化層からなる硬化層を形成した。
そして、得られたシャルピー衝撃試験片において、硬化層の表面硬さを、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４５に規定されたロックウェル硬さ試験法を用いて測定した。この結果は、表１に併せて示した。
また、得られたシャルピー衝撃試験片において、硬化層（表面から１００μｍの深さまでの部分）の残留オーステナイト量（γR ）を、Ｘ線回折装置により測定した。この結果は、表１に併せて示した。
【００３０】
さらに、得られたシャルピー衝撃試験片を用いて、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に規定された金属材料衝撃試験方法によりシャルピー衝撃値を測定した。この結果は、実際に得られたシャルピー衝撃値と、Ｎｏ．２２を１とした時の比とを、表１に併せて示す。
さらに、得られた内輪及び外輪と、ＳＵＪ２製で焼入れ及び焼戻しが施された玉とを用いて、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受（外径：５２ｍｍ，内径：２５ｍｍ、軸方向高さ：１８ｍｍ）を組み立てた。そして、この軸受に対して、異物混入潤滑下で使用することを想定した以下に示す条件で寿命試験を行った。
【００３１】
この寿命試験は、内輪又は外輪に剥離が生じるまでスラスト玉軸受の運転を行い、剥離が生じるまでの時間を寿命として算出した。この結果は、各スラスト玉軸受において、ワイブル分布関数に基づくＬ10寿命を計算し、比較例であるＮｏ．２２の寿命を１とした時の比として、表１に併せて示した。
〔寿命試験条件〕
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
荷重：８８２０Ｎ
最大面圧：３．９ＧＰａ
潤滑油：♯６８タービンオイル (油浴）
異物：セメンタイト粉末 (潤滑油に１０００ｐｐｍ混入）
【００３２】
【表１】
2006241480.tif 000003
【００３３】
表１に示すように、鋼の組成や硬化層の構成（浸炭層のＣ含有率，窒化層のＮ含有率，硬さ，残留オーステナイト量）がいずれも本発明の範囲内であるＮｏ．１〜Ｎｏ．１１の内輪及び外輪を用いたスラスト玉軸受では、いずれもＮｏ．２２と略同等の寿命と、Ｎｏ．２２の１．８倍以上のシャルピー衝撃値との両方が得られた。
一方、Ｎｏ．１２では、素材をなす鋼中のＣ含有率が本発明の範囲よりも少なかったため、強度が不足し、短寿命であった。
Ｎｏ．１３では、素材をなす鋼中のＣ含有率が本発明の範囲よりも多かったため、シャルピー衝撃値が小さかった。
【００３４】
Ｎｏ．１４では、素材をなす鋼中のＳｉ含有率が本発明の範囲よりも少なかったため、窒化層中のＮ含有率と硬化層の残留オーステナイト量が少なく、短寿命であった。
Ｎｏ．１５では、素材をなす鋼中のＳｉ含有率が本発明の範囲よりも多かったため、δ−フェライトが生成し、シャルピー衝撃値が小さかった。
Ｎｏ．１６では、素材をなす鋼中のＭｎ含有率が本発明の範囲よりも少なかったため、硬化層中の残留オーステナイト量が少なく、短寿命であった。
Ｎｏ．１７では、素材をなす鋼中のＭｎ含有率が本発明の範囲よりも多かったため、硬化層の残留オーステナイト量が多く、且つ、硬化層の硬さが不足し、短寿命であった。
【００３５】
Ｎｏ．１８では、素材をなす鋼中のＣｒ含有率が本発明の範囲よりも少なかったため、焼入れ時に硬度の低下が生じて硬化層の硬さが不足し、短寿命であった。
Ｎｏ．１９では、素材をなす鋼中のＣｒ含有率が本発明の範囲よりも多かったため、窒化層中の炭窒化物や窒化物の析出量が多く、これらの析出物を起点とする亀裂が生じたことにより、シャルピー衝撃値が小さかった。  
Ｎｏ．２０では、素材をなすＭｏ含有率が本発明の範囲よりも少なかったため、焼入れ時に硬度の低下が生じて硬化層の硬さが不足し、短寿命であった。
Ｎｏ．２１では、素材をなすＭｏ含有率が本発明の範囲よりも多かったため、窒化層中の炭窒化物や窒化物の析出量が多く、これらの析出物を起点とする亀裂が生じたことにより、シャルピー衝撃値が小さかった。
【００３６】
〔第二実施形態〕
まず、表１に示したＮｏ．１の鋼からなる素材を所定形状に加工した後、Ｎｏ．３０〜５６には図１に示す熱処理を表２に示す各条件で行い、Ｎｏ．５７には図２に示す熱処理を行うことにより、上述と同様に、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受用内輪及び外輪と、シャルピー衝撃試験片と、を作製した。なお、図１に示す熱処理のうち、焼入れ処理の時間は全て１時間とし、焼戻し処理は全て１６０℃で２時間保持することにより行った。
【００３７】
そして、得られたシャルピー衝撃試験片において、上述と同様の条件で、硬化層の硬さと、硬化層の残留オーステナイト量と、シャルピー衝撃値と、を測定した。これらの結果は、表２に併せて示す。
また、得られた内輪及び外輪と、ＳＵＪ２製で焼入れ及び焼戻しが施された玉とを用いて、呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受を組み立てた。そして、この軸受に対して、異物混入潤滑下で使用することを想定した上述と同様の条件で、寿命試験を行った。この結果は、表２に併せて示す。
【００３８】
【表２】
2006241480.tif 000004
【００３９】
表２に示すように、鋼の組成や硬化層の構成（浸炭層のＣ含有率，窒化層のＮ含有率，硬さ，残留オーステナイト量，熱処理条件）がいずれも本発明の範囲内であるＮｏ．３０〜Ｎｏ．５０の内輪及び外輪を備えたスラスト玉軸受では、Ｎｏ．５６と略同等の寿命と、Ｎｏ．５６の１．５倍以上のシャルピー衝撃値との両方が得られた。
【００４０】
一方、Ｎｏ．５１では、窒化処理の温度が本発明の範囲よりも低かったため、窒化層中の炭窒化物や窒化物の析出量が少なく、浸炭処理中に析出した炭化物が粗大なまま残留したことにより、シャルピー衝撃値が小さかった。
Ｎｏ．５２では、窒化処理の温度が本発明の範囲よりも高かったため、硬化層の残留オーステナイト量が少なく、短寿命であった。
【００４１】
Ｎｏ．５３では、窒化処理の時間が本発明の好ましい範囲よりも短すぎたため、窒化層中の炭窒化物や窒化物の析出量が少なく、浸炭処理中に析出した炭化物が粗大なまま残留したことにより、シャルピー衝撃値が小さかった。
Ｎｏ．５４では、焼入れ温度が本発明の範囲よりも低く、焼入れが不完全であったため、硬化層に残留オーステナイトが得られず、短寿命であった。
Ｎｏ．５５では、焼入れ温度が本発明の好ましい範囲よりも高すぎたため、硬化層の残留オーステナイト量が多く、短寿命であった。
【００４２】
表２の結果に基づいて、窒化処理温度と、寿命及びシャルピー衝撃値との関係を示す図３のグラフを作成した。
図３に示すように、窒化処理の温度を４００℃以上Ａc1変態点（８００℃）以下とすることにより、Ｎｏ．５６と略同等の寿命を備えつつ、シャルピー衝撃値を大きくできることが分かった。
また、表２に示す結果に基づいて、窒化処理時間と、寿命及びシャルピー衝撃値との関係を示す図４のグラフを作成した。
図４に示すように、Ｎｏ．５６と略同等の寿命を備えつつ、シャルピー衝撃値を大きくするためには、窒化処理の処理時間を１時間以上とすることが好ましいことが分かった。
【００４３】
さらに、表２に示す結果に基づいて、焼入れ前の温度（焼入れ温度）と、寿命及びシャルピー衝撃値との関係を示す図５のグラフを作成した。
図５に示すように、Ｎｏ．５６と略同等の寿命を備えつつ、シャルピー衝撃値を大きくするためには、焼入れ温度をＡc1変態点（８００℃）以上９５０℃以下とすることが好ましいことが分かった。
続いて、表２に示すＮｏ．３０とＮｏ．５６のシャルピー衝撃試験片の表層部において、深さ方向のＣ含有率及びＮ含有率の分布をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）により測定した。図６は、Ｎｏ．３０のシャルピー衝撃試験片の表層部の深さ方向におけるＣ含有率及びＮ含有率の変化を模式的に示す図である。図７は、Ｎｏ．５６のシャルピー衝撃試験片の表層部の深さ方向におけるＣ含有率及びＮ含有率の変化を模式的に示す図である。
【００４４】
図６及び図７に示すように、本発明の熱処理 (浸炭→窒化→焼入れ焼戻し）を施したＮｏ．３０のシャルピー衝撃試験片では、比較例である従来の熱処理 (浸炭窒化→焼入れ焼戻し）を施したＮｏ．５６のシャルピー衝撃試験片鋼と比べて、表面近傍のＣ含有率が少なく、Ｎ含有率が多くなっていることが分かる。
続いて、表２に示すＮｏ．３０とＮｏ．５６のシャルピー衝撃試験片において、表面から約１００μｍの深さまでの部分を走査型電子顕微鏡を用いて実際に観察した。図８は、Ｎｏ．３０のシャルピー衝撃試験片の表層部における電子顕微鏡である。図９は、５６のシャルピー衝撃試験片の表層部における電子顕微鏡写真である。
【００４５】
図８及び図９に示すように、本発明の熱処理を施したＮｏ．３０のシャルピー衝撃試験片では、比較例である従来の熱処理を施したＮｏ．５６のシャルピー衝撃試験片と比べて、析出物が少なく、微細な金属組織が得られていることが分かった。ここで、Ｘ線による析出物の同定を行った結果、Ｎｏ．５６のシャルピー衝撃試験片で見られる析出物の多くはＦｅ炭化物であるのに対し、Ｎｏ．３０のシャルピー衝撃試験片で見られる析出物の多くはＣｒやＭｏの炭窒化物及び窒化物であることが確認された。
【００４６】
以上説明したように、特定の合金鋼からなる素材を所定形状に加工した後、Ａc1変態点以上の温度での浸炭処理と、Ａr1変態点未満の温度までの冷却と、４００℃以上Ａc1変態点以下の温度での窒化処理と、焼入れ及び焼戻しとをこの順で施して、転がり面に、芯部側から順に浸炭層と窒化層との二層からなり、硬さと残留オーステナイト量とが特定された硬化層を形成したことにより、異物混入潤滑下で使用した場合であっても、転がり疲れ寿命が長く、且つ、優れた耐衝撃特性を備えたスラスト玉軸受が得られることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る鋼の熱処理方法の一例を示す模式図である。
【図２】実施形態で用いた従来の熱処理を示す模式図である。
【図３】窒化処理の温度と、寿命及びシャルピー衝撃値と、の関係を示すグラフである。
【図４】窒化処理の時間と、寿命及びシャルピー衝撃値と、の関係を示すグラフである。
【図５】焼入れ前の加熱温度と、寿命及びシャルピー衝撃値と、の関係を示すグラフである。
【図６】Ｎｏ．３０のシャルピー衝撃試験片の表層部における深さ方向のＣ含有率及びＮ含有率の変化を示す模式図である。
【図７】Ｎｏ．５６のシャルピー衝撃試験片の表層部における深さ方向のＣ含有率及びＮ含有率の変化を示す模式図である。
【図８】Ｎｏ．３０のシャルピー衝撃試験片の表面から１００μｍの深さ位置を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図９】Ｎｏ．５６のシャルピー衝撃試験片の表面から１００μｍの深さ位置を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１】
2006241480.tif 000005
【図２】
2006241480.tif 000006
【図３】
2006241480.tif 000007
【図４】
2006241480.tif 000008
【図５】
2006241480.tif 000009
【図６】
2006241480.tif 000010
【図７】
2006241480.tif 000011
【図８】
2006241480.tif 000012
【図９】
2006241480.tif 000013