(57)【要約】【課題】転動寿命疲労など転がり要素として備えるべき特性を大きく劣化させることなく、かつ製造能率を低下させず、硬化処理に伴なう変形を抑制することができる、転がり要素およびその製造方法を提供する。【解決手段】鋼材から構成される転がり要素であって、鋼材が、質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０１５％以下であり、かつ下記の式（１）〜（４）を満たす。Ｈ　＜　２４０　・・（１）、Ｈ　＝　１４２　＋　１２２Ｃ（％）　−　８．８Ｓｉ（％）　＋　１４．５Ｍｎ（％）　−　２５Ｃｒ（％）　＋　１１３Ｍｏ（％）・・（２）、１．８　＜　Ｋ　＜　４．５　・・（３）、Ｋ＝０．５Ｓｉ（％）　＋　Ｍｎ（％）　＋　Ｃｒ（％）　＋　２Ｍｏ（％）　・・（４）【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材から構成される転がり要素であって、
前記鋼材が、質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、酸素（Ｏ）：０．００５０％以下、Ｎ：０．０１５％以下であり、かつ下記の式を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼である、転がり要素。
Ｈ　＜　２４０　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｈ　＝　１４２　＋　１２２Ｃ（％）　−　８．８Ｓｉ（％）　＋　１４．５Ｍｎ（％）　−　２５Ｃｒ（％）　＋　１１３Ｍｏ（％）・・・（２）
１．８　＜　Ｋ　＜　４．５　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｋ＝０．５Ｓｉ（％）　＋　Ｍｎ（％）　＋　Ｃｒ（％）　＋　２Ｍｏ（％）　・・・・・・・・・・・・・・・（４）
【請求項２】
前記転がり要素の表層部のＣ濃度が、質量％で０．６％以上ある、請求項１に記載の転がり要素。
【請求項３】
前記転がり要素の表層部の硬度がＨＶ６５０以上である、請求項１または２に記載の転がり要素。
【請求項４】
前記転がり要素中の酸素（Ｏ）濃度が０．００１５％以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の転がり要素。
【請求項５】
鋼材から構成される転がり要素の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、酸素（Ｏ）：０．００５０％以下、Ｎ：０．０１５％以下であり、かつ下記の式（１）〜（４）を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を焼入れ温度に加熱し、その後、放冷することにより硬化させる、転がり要素の製造方法。
Ｈ　＜　２４０　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｈ　＝　１４２　＋　１２２Ｃ（％）　−　８．８Ｓｉ（％）　＋　１４．５Ｍｎ（％）　−　２５Ｃｒ（％）　＋　１１３Ｍｏ（％）・・・（２）
１．８　＜　Ｋ　＜　４．５　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｋ＝０．５Ｓｉ（％）　＋　Ｍｎ（％）　＋　Ｃｒ（％）　＋　２Ｍｏ（％）　・・・・・・・・・・・・・・・（４）
【請求項６】
鋼材から構成される転がり要素の製造方法であって、
質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、酸素（Ｏ）：０．００５０％以下、Ｎ：０．０１５％以下であり、かつ下記の式（１）〜（４）を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材をＡｃ１点を超える温度で浸炭処理および浸炭窒化処理のいずれか一方を行い、次いで放冷して硬化させる、転がり要素の製造方法。
Ｈ　＜　２４０　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｈ　＝　１４２　＋　１２２Ｃ（％）　−　８．８Ｓｉ（％）　＋　１４．５Ｍｎ（％）　−　２５Ｃｒ（％）　＋　１１３Ｍｏ（％）・・・（２）
１．８　＜　Ｋ　＜　４．５　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｋ＝０．５Ｓｉ（％）　＋　Ｍｎ（％）　＋　Ｃｒ（％）　＋　２Ｍｏ（％）　・・・・・・・・・・・・・・・（４）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、あらゆる転がり要素、すなわち転がり軸受の部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受に用いられる転がり要素、すなわち転がり軸受の部品において、応力を受ける軌道輪の軌道面や転動体の転動面は、その機能上、所定の硬化層を有する必要がある。この硬化層を得るため、部品には何らかの熱処理工程、たとえば、油焼入れ、高周波焼入れ、レーザ焼入れ工程等において、鋼をマルテンサイトまたはベイナイトに変態させて硬化させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この場合、熱処理工程中の冷却の不均一さの原因となって、部品には熱処理変形が発生する。このため、その変形を矯正するか除去するための後工程が必要となってくる。転がり軸受部品の熱処理変形量を軽減するための公知技術には、以下のようなものがあり、いずれも焼入れ過程中または焼入れ後に型拘束して変形を抑える工程を要するものである。
【０００４】
（１）軸受レース等の環状部品をオーステナイト化後、マルテンサイト変態前の過冷オーステナイトの状態において、所定の型に挿入し、マルテンサイト変態させる（特開昭５６−２３２２８号公報、特開平８−２２５８５１号公報）。
【０００５】
（２）焼入れ後に部品を型に装入し、誘導加熱し保持することにより焼戻しを行ないながら、変形を矯正する（特開平８−２１０３６０号公報）。
【０００６】
しかし、（１）焼入れ時に部品を型に装入してマルテンサイト変態させる技術や、（２）焼入れ後に型拘束を行ないながら焼戻しを行ない変形を矯正する技術は、その製造方法に汎用性が乏しく、かつ、生産効率が低い。
【０００７】
本発明は、転動寿命疲労など転がり要素として備えるべき特性を大きく劣化させることなく、かつ製造能率を低下させず、硬化処理に伴なう変形を抑制することができる、転がり要素およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり要素は、鋼材から構成される転がり要素であって、鋼材が、質量％で、Ｃ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．８％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０〜０．３５％、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｔｉ：０．００３％以下、Ｏ：０．００５０％以下、Ｎ：０．０１５％以下であり、かつ下記の式を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼である。
Ｈ　＜　２４０　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｈ　＝　１４２　＋　１２２Ｃ（％）　−　８．８Ｓｉ（％）　＋　１４．５Ｍｎ（％）　−　２５Ｃｒ（％）　＋　１１３Ｍｏ（％）・・・（２）
１．８　＜　Ｋ　＜　４．５　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｋ＝０．５Ｓｉ（％）　＋　Ｍｎ（％）　＋　Ｃｒ（％）　＋　２Ｍｏ（％）　・・・・・・・・・・・・・・・（４）
上記の鋼材を用いることにより、オーステナイト化後、大気放冷を施して焼入れ硬化することができる。大気放冷では部品の表面と内部との温度差が、水焼入れや油焼入れより非常に小さい。このため、焼入れ冷却（放冷）中の冷却むらが極端に小さくなり、熱処理変形も少なく、かつ、比較的安価な軸受部品の製造が可能となる。
【０００９】
上記鋼に対し、焼入れ後の表面炭素濃度を質量％で０．６％以上にすれば、転がり要素として必要な表層、たとえば表面からの深さが５０μｍの位置で、硬度ＨＶ６５０以上を有し、かつ、転動寿命に優れた転がり要素の製造が可能となる。表層部の硬度を確保するために、浸炭処理および浸炭窒化処理のいずれかを施し、オーステナイト化温度から放冷して硬化させてもよい。浸炭処理または浸炭窒化処理により、鋼材の表層部において硬度ＨＶ６５０以上を確実に確保することができる。また、大気放冷にて焼入れ硬化を行なうので、熱処理工程設備の簡素化が可能となり、油焼入れ時の廃油を生じないなど環境面でも現状より改善される。
【００１０】
次に鋼材の成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．１〜０．８％
Ｃは、鋼の強度と靭性とを確保するために必要であり、０．１％未満では転がり要素として必要な強度や硬度を確保することができない。一方、０．８％を超えると強度は確保できるが靭性が劣化し、また、熱処理変形量も増える。このため、０．１〜０．８％の範囲とする。強度、靭性、および熱処理変形をより望ましい範囲にするためには、０．２〜０．７％の範囲にするのがよい。
【００１１】
Ｓｉ：０．４〜１．５％
Ｓｉは、焼戻しする場合の焼戻し軟化抵抗を高め、また、強度の確保に有効であるので、０．４％以上含むこととする。一方、１．５％を超えると非常に脆くなる。このため、０．４〜１．５％の範囲とする。強度と靭性との均衡をとる上で、０．５〜１．３％の範囲とすることが望ましい。
【００１２】
Ｍｎ：０．３〜１．８％
Ｍｎは、放冷により硬化させる上で、最重要の元素である。０．３％以上含まれないと放冷で硬化させることはできない。また、所定の範囲内であれば、靭性も向上させる。一方、１．８％を超えると、部品に加工する前の材料の硬さを高め、著しく加工性を劣化させるので、１．８％以下とする。硬化と靭性とのバランスをとる上で、０．８〜１．６％の範囲とすることが望ましい。
【００１３】
Ｃｒ：０．５〜２．０％
ＣｒもＭｎほどではないが、大気放冷により硬化させるのに重要な元素である。０．５％以上含むことにより、放冷により硬化させることができる。しかし、２．０％を超えると靭性の劣化が生じるので、０．５〜２．０％の範囲とする。強度と靭性とを両立させる上でより望ましくは、０．６〜１．５％の範囲とする。
【００１４】
Ｍｏ：０〜０．３５％
Ｍｏは、Ｍｎよりも硬化に有効であるが、高価である。このため、含有率ゼロでもよい。しかし、含有させることにより飛躍的に放冷により硬化させることができ、かつ靭性も向上させることができる。
【００１５】
Ａｌ：０．０５０％以下
０．０５０％を超えると浸炭窒化中に大型窒化物を生じたり、溶解、凝固時に粗大なアルミナなどの非金属介在物を生じ、転動疲労寿命を劣化させる。このため、０．０５０％以下とする。
【００１６】
Ｔｉ：０．００３％以下
Ｔｉは０．００３％を超えると、粗大な非金属介在物を生じ、転動疲労寿命を劣化させる。このため、０．００３％以下にしなければならない。
【００１７】
酸素（Ｏ）：０．００５０％以下
酸素（Ｏ）は、０．００５０％を超えると、粗大な酸化物系の非金属介在物を生じ、転動疲労寿命を著しく低下する。このため、０．００５０％以下にしなければならない。より望ましくは０．００１５％以下とする。
【００１８】
Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは、０．０１５％を超えて含まれると、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｎなどと窒化物を形成し、窒化物の量が多い場合または窒化物が大型な場合、転動疲労寿命を劣化させる。
【００１９】
Ｈ　＜　２４０　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｈ　＝　１４２　＋　１２２Ｃ（％）　−　８．８Ｓｉ（％）　＋　１４．５Ｍｎ（％）　−　２５Ｃｒ（％）　＋　１１３Ｍｏ（％）・・（２）
上記のＨが２４０以上になると、機械加工性が劣化する。このため、Ｈは２４０未満とする。
【００２０】
１．８　＜　Ｋ　＜　４．５　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｋ＝０．５Ｓｉ（％）　＋　Ｍｎ（％）　＋　Ｃｒ（％）　＋　２Ｍｏ（％）　・・・・・・・・・・・・・・（４）
上記のＫは、放冷によって硬化させる場合の硬化能を示す指標である。Ｋが１．８以下では焼入性が不足して、空気焼入れによって硬化しない。一方、４．５以上では、部品の熱処理ひずみが大きくなり、空気焼入れによるひずみ低減効果を十分得ることができなくなる。このため、Ｋは１．８を超え、４．５未満の範囲とする。
【００２１】
【実施例】
次に実施例について説明する。図１は、本発明の実施例が対象とする転がり要素が転がり軸受を示す概略断面図である。図１において、この転がり軸受１０は、外輪１と、内輪２と、転動体３とを主に有している。転動体３は、外輪１と内輪２との間に配置された保持器により転動可能に支持されている。本実施例における転がり要素は、転がり軸受の外輪、内輪および転動体の少なくとも１つの軸受部品に該当する。
【００２２】
上記に説明した転がり要素に用いられる鋼材を用いて、大気放冷にて硬化させた転がり要素の特性を調査するため、以下の試験を行った。（ａ１）外径６０ｍｍ×内径５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍのリング状試験片による焼入れ性評価試験、（ａ２）外径８５ｍｍ×内径６０ｍｍ×厚さ１ｍｍのリング状試験片による熱処理変形量評価試験、および（ａ３）針状ころ軸受による転動寿命試験を行なった。なお、比較例としては、ＪＩＳ高炭素クロム軸受鋼２種、ＪＩＳクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５を選択した。上記試験に用いた本発明例および比較例の試験サンプルを表１に示す。
【００２３】
【表１】
2004027260.tif 000003
【００２４】
（ａ１）　焼入れ性能評価試験
表１に示した本発明例および比較例の鋼を用いて作製した外径６０ｍｍ×内径５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍのリング状試験片旋削品を用いた。浸炭鋼については浸炭後大気放冷、ずぶ焼入れ鋼についてはオーステナイト化後大気放冷にて焼入れ硬化させ、その後１８０℃×２ｈの焼戻しを行なった。試験片幅中央部の測定位置（図２（ａ））における焼入れ後硬度の実測値を図２（ｂ）に示す。なお、ここでの浸炭条件は、９５０℃×３２０ｍｉｎ（浸炭工程）→９２０℃×１２８ｍｉｎ（拡散工程）である。カーボンポテンシャル（ＣＰ）値は１．１とした。
【００２５】
本発明例１、２（浸炭鋼）では表面より０．７ｍｍ深さ程度までＨＶ６５０程度に焼入れ硬化されている。さらに、本発明例３、４（ずぶ焼入れ鋼）では大気放冷にて内部まで均一に焼入れ硬化されていることがわかる。比較例１１、１２では、大気放冷では全く硬化されず、焼鈍後の組織に類似していた。
【００２６】
（ａ２）　熱処理変形量試験
表１に示した本発明例および比較例の鋼種を用いた作製した外径８５ｍｍ×内径６０ｍｍ×厚さ１ｍｍのリング状試験片旋削品を用いた。本発明例１、２については浸炭後大気放冷、本発明例３、４についてはオーステナイト化後大気放冷した。比較例１１については浸炭後衝風焼入れ、比較例１２についてはオーステナイト化後衝風焼入れにて硬化させ、熱処理変形量を計測した。比較例は、大気放冷では焼入れ硬化されないため、強制空冷である衝風焼入れを施した。なお、ここでの浸炭条件は、８７０℃×３０ｍｉｎ（浸炭工程）であり、カーボンポテンシャル値は１．１であった。
【００２７】
図３に示した試験片中央部の平面度を熱処理変形量として定義し、大気放冷にて焼入れした本発明例および比較例の熱処理変形量の測定結果を図４に示す。比較例の熱処理変形量は、ばらつき、変形量ともに大きく、最大で２００μｍ以上変形するものがあった。これに対して、本発明例１〜４での最大値は６７μｍであり、平均で３分の１以下に軽減されていた。
【００２８】
（ａ３）　転動疲労試験
上記（ａ２）の熱処理変形量試験で用いた外径８５ｍｍ×内径６０ｍｍ×厚み１ｍｍのリング状試験片に１８０℃×２ｈの焼戻しを施し、転動疲労寿命を調査した。ここでは、転動体には外径３ｍｍ×長さ７．８ｍｍの針状ころを用い、低い油圧パラメータΛ、すなわち厳しい潤滑条件で、かつ相対滑りの大きい条件で試験した。転動寿命試験機の概略図を図５に示し、主な試験条件を表２に示す。
【００２９】
【表２】
2004027260.tif 000004
【００３０】
さらに、寿命に及ぼす不純物の影響を調査するため、転動寿命試験は表１に示した試験サンプルに加え、表３に示す本発明例２および３に対して不純物（アルミニウムおよび酸素）量を減少させた本発明例２Ｂ、３Ｂについての試験も行なった。
【００３１】
【表３】
2004027260.tif 000005
【００３２】
比較例１１（ＪＩＳ−ＳＵＪ２）の転動疲労寿命を１としたときの各試験片の寿命比を図６に示した。比較例１１、１２の寿命に大きな差はないが、Ｌ１０寿命で実施例１、２、４は約２．８〜３．２倍、実施例３は約４倍の長寿命を示している。また、不純物量を減少させた本発明例２Ｂ、３Ｂは、比較例はもとより、合金元素が同じ本発明例２、３よりさらに長寿命である。
【００３３】
以上の結果により、大気放冷にて焼入れ硬化される鋼を転がり要素に適用することにより、冷却の不均一さを大幅に低減して熱処理変形量の少ない機械部品を製造することができる。これにより、後工程が簡略化でき、比較的安価な機械部品の製造が可能となる。また、大気放冷で焼入れ硬化するための化学成分は、転動寿命を向上させる成分と一致するので、この転がり要素を軸受に用いた場合には転動疲労寿命にも優れたものにすることができる。
【００３４】
上記において、本発明の実施例について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の転がり要素およびその製造方法を用いることにより、転動疲労寿命などの特性を劣化させることなく、生産能率を維持しながら熱処理変形の小さい転がり要素を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の転がり要素が用いられる転がり軸受を示す図である。
【図２】実施例の転がり要素試験片における硬度分布を示す図であり、（ａ）は硬度測定位置を示し、（ｂ）は実測値を示す図である。
【図３】熱処理変形量測定用試験片を示す図である。
【図４】熱処理変形量測定結果を示す図である。
【図５】転動疲労試験機を示す図である。
【図６】転動疲労寿命比を示す図である。
【符号の説明】
１　外輪、２　内輪、３　転動体、１０　転がり軸受。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004027260.tif 000009
【図５】
2004027260.tif 000010
【図６】
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