(57)【要約】【課題】耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させた転動装置及び音響耐久性を向上させた転動装置、並びにそれらの製造方法を提供する。【解決手段】転がり軸受１を構成する転動体４を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれた合金鋼から構成する。そして、この転動体４の表面に、表面硬さがＨｖ８００〜１１００、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％の窒化層４ａを形成し、且つ、Ｄａ２％深さ位置４ｂにおいて、窒素濃度を０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度を０．６％以上、硬さをＨｖ６００以上とすることで、耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させる。また、この転動体４の表面に、表面硬さがＨｖ８００以上、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％、残留オーステナイト量が３％以下の窒化層４ａを形成することで、音響耐久性を向上させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼から構成されているとともに、
前記合金鋼で構成された前記部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％の窒化層が形成され、且つ、前記表面から前記転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置において、窒素濃度が０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度が０．６％以上、硬さがＨｖ６００以上となっていることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼から構成されているとともに、
前記合金鋼で構成された前記部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００以上で、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％で、表面の残留オーステナイト量が３％以下の窒化層が形成されていることを特徴とする転動装置。
【請求項３】
前記合金鋼で構成された前記部材は、転動体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の転動装置。
【請求項４】
外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成するとともに、
前記合金鋼で構成された前記部材に、浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を施し、さらに窒化処理を施すことを特徴とする転動装置の製造方法。
【請求項５】
外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成するとともに、
前記合金鋼で構成された前記部材に、浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を施し、さらにピーニング処理を施すことを特徴とする転動装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、リニアガイド、ボールねじなどの転動装置及びその製造方法に関し、特に、高面圧下や異物混入下など潤滑条件の厳しい環境、又は、優れた音響耐久性が要求される環境で適用可能とする為に有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転動装置の一例として転がり軸受を構成する外輪、内輪、転動体などの転動部品は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）や肌焼鋼（ＳＣＲ４２０）などの鋼材から構成されている。これらの鋼材には、ずぶ焼や、浸炭処理或いは浸炭窒化処理などの表面硬化処理が施されることにより、高面圧下での繰り返しせん断応力に耐え、転がり疲労寿命を確保可能なＨＲＣ５８以上の硬さが付与されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−４５０４９号公報においては、転動部品を構成する鋼材に浸炭窒化処理を施すことで、その鋼材の表面窒素濃度を０．２〜０．８％とすることにより、耐摩耗性及び耐焼き付き性に優れた転がり軸受が提案されている（第一従来例）。
同様に、特開平１３−１９３７４３号公報においては、少なくとも転動体を高Ｃｒ鋼材で構成するとともに、この高Ｃｒ鋼材に窒化処理を施すことで、高Ｃｒ鋼材の表面に硬さがＨｖ１０００以上の窒化層を形成することにより、耐フレッチング特性及び耐摩耗性を改善させた転がり軸受が提案されている（第二従来例）。
【０００４】
また、近年、転動装置の低トルク化及び静粛性が切望されてきており、転動体と軌道輪とが直接接触することによって発生するフレッチング摩耗や、衝撃荷重が加わった時に発生する軌道面の永久変形を抑制することで、音響耐久性を改善させた転がり軸受が種々提案されている。
例えば、特開２００１−７４０５３号公報においては、窒化処理によって軌道面に窒化層を形成することでフレッチング摩耗を抑制し、音響耐久性を改善させた転がり軸受が提案されている（第三従来例）。
【０００５】
同様に、特開平１３−２８０３４８号公報においては、高温焼き戻しによって軌道面表面の残留オーステナイト量を０％近くまで低減させることで、軸受の組み立て時や落下などの衝撃荷重による圧痕形成を抑制し、音響耐久性を改善させた転がり軸受が提案されている（第四従来例）。
さらに、特許０２８５２４３３号公報においては、浸炭或いは浸炭窒化処理によって転動面の窒素濃度を向上させた後、高い温度で焼き戻し処理を行うことで、軸受の組み立て時や落下などの衝撃荷重による圧痕形成を抑制し、音響耐久性を改善させた転がり軸受が提案されている（第五従来例）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第一従来例で示した転がり軸受においては、表面窒素濃度が０．２〜０．８％の範囲であり、残留オーステナイト量が多く、音響耐久性が悪かった。
また、耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させるために、浸炭窒化処理を適用しているが、この処理は８００℃以上の高い処理温度で行う必要があるため、ＮＨ３　の分解が進行し、窒化能力が不十分であるという不具合もあった。
【０００７】
上記第二従来例に示した転がり軸受においては、窒化処理を施すことで表面窒素濃度を向上させているが、この窒化処理は４００〜６００℃の比較的低い処理温度で行うため、芯部硬さがＨｖ６００以下となる場合もあった。ここで、芯部硬さが不十分であると、転がり疲労特性が悪化し、転がり疲労寿命が確保できなくなってしまう。
【０００８】
このため、窒化処理を施す転動部品を、例えば、Ｃｒが大量に添加されたマルテンサイト系ステンレス鋼材等高Ｃｒ鋼材から構成する必要があり、このＣｒ量に比例して、表面硬さがＨｖ１３００を超えるほどに硬化してしまう。よって、研磨コストが高いのみならず、表面層が特に脆く、異物混入下の潤滑条件においては、表面起点の剥離が発生しやすくなるため、清浄な環境でしか適用することができないという不具合があった。
【０００９】
さらに、第二従来例において行う窒化処理は、浸炭や浸炭窒化処理などの高温処理とは異なり、深い硬化層を得られないため、その用途は小径やミニアチュア軸受などに限定されていた。
上記第三従来例に示した転がり軸受においては、窒化層を形成する処理時間が長いうえに、心部の強度が要求されるため、結果的に高合金鋼材を用いる必要がありコストが増大してしまうという不具合があった。
【００１０】
上記第四従来例に示した転がり軸受においては、残留オーステナイト量を０％近くまで低減していることによって、切削性及び表面硬度が低下してしまうため、転がり寿命が低下してしまうという不具合があった。
上記第五従来例に示した転がり軸受においては、使用温度によって焼き戻し温度が決定されるが、使用温度が低い場合には残留オーステナイトが分解されない恐れがあり、窒素濃度を向上させても必ずしも音響耐久性を向上させることができないという不具合があった。一方、使用温度が高い場合には、窒素濃度を高くして焼き戻し軟化抵抗性を向上させても高温での焼き戻しによる表面硬さの低下は避けられず、結果的にフレッチング摩耗が問題となってしまう恐れがあった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高負荷下や異物混入下などの潤滑条件が厳しい環境であっても、優れた耐摩耗性及び耐焼き付き性を確保できるとともに、様々な形状の転動装置に適用でき、且つ、低コストで実現可能な転動装置及びその製造方法を提供することを第一の課題としている。
また、本発明は、フレッチング耐久性を向上させ、優れた音響耐久性を確保することで、低トルク化及び静粛性が要求される転動装置に適用でき、且つ、低コストで実現可能な転動装置及びその製造方法を提供することを第二の課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、▲１▼脆さが問題とならない表面硬さを備えた窒化層を形成するために、Ｃｒ含有量を低減させた低合金鋼から構成し、▲２▼Ｃｒ量の減少に伴う窒化処理時の軟化を抑制するために、焼き戻し軟化抵抗性のあるＳｉを添加し、▲３▼深い硬化層を得るために、窒化処理の前処理として浸炭窒化処理を行うことによって、第一の課題である耐摩耗性及び耐焼付き性を改善できることを見出した。
【００１３】
また、▲５▼浸炭窒化処理に要する処理時間及びコストを削減させるために、Ｃｒ含有量を低減させた低合金鋼から構成し、▲６▼表面硬さを確保するために、表面窒素濃度を向上させ、且つ、残留オーステナイトの分解を遅らせるＳｉを添加し、▲７▼この残留オーステナイト量を調整するために、ピーニング処理を行うことによって、第二の課題である音響耐久性を改善できることを見出した。
【００１４】
すなわち、本発明における第一の転動装置は、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼から構成されているとともに、前記合金鋼で構成された前記部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％の窒化層が形成され、且つ、前記表面から前記転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置において、窒素濃度が０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度が０．６％以上、硬さがＨｖ６００以上となっていることを特徴としている。
【００１５】
本発明における第二の転動装置は、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材が、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼から構成されているとともに、前記合金鋼から構成された部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００以上で、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％で、表面の残留オーステナイト量が３％以下の窒化層が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
ここで、本発明における第一及び第二の転動装置において、合金鋼から構成された部材を、転動体とすることが好ましい。
本発明における第一の転動装置の製造方法は、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成するとともに、前記合金鋼で構成された前記部材に、浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を施し、さらに窒化処理を施すことを特徴としている。
【００１７】
本発明における第二の転動装置の製造方法は、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成するとともに、前記合金鋼で構成された前記部材に、浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を施し、さらにピーニング処理を施すことを特徴としている。
【００１８】
ここで、ピーニング処理とは、金属などからなる被加工面を叩く（ピーニングする）ことでその被加工面の表面改質を行う機械的硬化処理を指し、例えば、被加工面に微細な金属球（ショット）を高速度であてることで残留応力を改善するショットピーニング処理や、被加工面にレーザのエネルギーを集光することにより発生するプラズマの衝撃波を利用して残留応力を改善するレーザピーニング処理などが挙げられる。
【００１９】
次に、本発明の第一の転動装置における各数値限定の臨界的意義について説明する　。
〔Ｃｒ：０．５〜２．０重量％〕
Ｃｒは、浸炭窒化処理及び窒化処理時に、窒素濃度を向上させ、転動装置として必要な強度を得るため不可欠な元素である。ここで、必要な強度を得るために、Ｃｒが０．５重量％以上含有されている必要があるため、下限値を０．５重量％とした。一方、Ｃｒの含有量が２．０重量％を超えると、窒化処理前に行う浸炭窒化処理時における炭素の拡散性が悪化するとともに、窒化処理後の表面硬さが高くなってしまうため、研磨コストが増大するとともに、窒化層が脆くなり、異物混入の潤滑条件下での寿命が短くなってしまう。よって、Ｃｒの上限値を２．０重量％とした。
〔Ｓｉ：０．５〜２．０重量％〕
Ｓｉは、溶鋼時において脱酸剤として作用するとともに、焼き戻し軟化抵抗性を向上させ、窒化処理時における芯部硬さの低下を抑制するために必要な元素である。また、Ｓｉは、オーステナイトの分解を遅らせるという機能も有する。ここで、十分な脱酸効果を得るために、Ｓｉの含有量を０．５重量％以上とする必要があるため、その下限値を０．５重量％とした。一方、Ｓｉの含有量が２．０重量％を超えると、機械的強度、被削性、及び鍛造性の低下や、上述したＣｒと同様に浸炭窒化処理時における炭素の拡散性が悪化してしまう。よって、Ｓｉの上限値を２．０重量％とした。
〔Ｍｎ：０．１〜１．５重量％〕
Ｍｎは、製鋼時において脱酸剤として作用するとともに、焼入れ性を向上させるために必要な元素である。ここで、脱酸剤としての効果及び焼入れ性を向上させるために、Ｍｎの含有量を０．１重量％以上とする必要があるため、その下限値を０．１重量％とした。一方、Ｍｎの含有量が１．５重量％を超えると、鍛造性及び被削性の低下を阻害するため、その上限値を１．５重量％とした。但し、Ｍｎはオーステナイト安定化元素であるため、残留オーステナイト量が増加して十分な焼入れ硬さが得られなくなるおそれもあるため、その上限値を０．８重量％とするのが好ましい。
〔Ｃ：０．２〜１．２重量％〕
Ｃは、焼入れ・焼き戻し処理により、素地をマルテンサイト化して鋼材に硬さを付与し、転動装置として必要な転がり疲労強度を得るために不可欠な元素である。ここで、本発明においては、浸炭窒化処理によってＣを鋼材表面から侵入させるが、この時のＣ含有量が低いと、必要な硬さを得るために長時間の浸炭窒化処理が必要となってしまうため、Ｃの含有量が０．２重量％以上である必要がある。よって、Ｃの下限値は０．２重量％とした。一方、Ｃの含有量が１．２重量％を超えると、巨大な炭化物が析出し、これらが欠陥となって転がり疲労寿命が析出し易くなってしまう、その上限値を１．２重量％とした。
〔窒化層の表面硬さ：Ｈｖ８００〜１１００、窒化層の表面窒素濃度：０．５〜２．０重量％〕
窒化層は、転動装置における耐摩耗性及び耐焼き付き性を向上させる作用を有し、この窒化層の硬度と、窒化層中に含まれる窒化物の分布状態によって、研磨精度の差が生じる。ここで、表面窒素濃度が０．５重量％未満で、且つ、表面硬さがＨｖ８００未満であると、窒化層の強度が十分でなくなるため、軌道面が損傷し、転がり疲労寿命を低下させてしまう。よって、窒化層の表面窒素濃度の下限値を０．５重量％とし、且つ、窒化層の表面硬さの下限値をＨｖ８００とした。一方、表面窒素濃度が２．０重量％を超え、且つ、表面硬さがＨｖ１１００を超えると、形成された窒化層を研磨するコストが高騰するのみならず、異物混入下での潤滑条件における転がり疲労寿命を悪化させる。よって、窒化層の表面窒素濃度の上限値を２．０重量％とし、且つ、窒化層の表面硬さの上限値をＨｖ１１００とした。
〔合金鋼で構成された転動部品の表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置における窒素濃度：０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度：０．６％以上、硬さ：Ｈｖ６００以上〕
転動体と、外方部材及び内方部材の軌道面との接触によって生じる繰り返しせん断応力下においても、良好な転がり疲労特性を有するためには、最大せん断応力が作用する合金鋼の表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置において十分な強度が必要とされる。そのために、窒素及び炭素の合計の濃度を増加させることと、ＳｉやＣｒなどの焼き戻し軟化抵抗性元素或いはＮなどの二次硬化性元素の添加が不可欠となる。つまり、最大せん断応力が作用する深さ位置において、十分な強度を確保するためには、少なくともＨｖ６００以上の硬さを確保しなくてはならず、窒素濃度を０．５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度を０．６％以上とする必要がある。
【００２０】
次いで、第二の転動装置における各数値限定の臨界的意義について説明する。なお、第二の転動装置において、合金鋼を構成する形成材料の各数値限定の臨界的意義については、上述した第一の転動装置と同様である。
〔表面硬さ：Ｈｖ８００以上、表面窒素濃度：０．３〜１．５重量％、表面の残留オーステナイト量：３％以下〕
フレッチング耐久性を向上させるためには、浸炭窒化処理によって軌道面に窒素を侵入させ、表面に窒化物を析出させることが効果的である。ここで、フレッチング耐久性を向上させるために有効な表面窒素濃度として、少なくとも０．３％重量以上とする必要がある。一方、表面窒素濃度が１．５重量％を超えると、残留オーステナイト量の増加を招き、結果的に従来例で示したようにフェライト域で行われる窒化処理を採用することになり、コストが大幅に増大してしまうため、好ましくない。
【００２１】
また、フレッチング耐久性を向上させるためには、表面硬さをＨｖ８００以上とする必要がある。
さらに、合金鋼は、焼き入れ処理を施すことで大部分がマルテンサイト組織となるが、このマルテンサイト組織に一部冷却時に変態しきれなかった残留オーステナイト組織が存在すると合金鋼の強度が低下してしまう。この合金鋼の強度低下は、フレッチング摩耗の原因となるのみならず、衝撃荷重が加わると軌道面の永久変形が生じてしまい、音響耐久性が低下してしまう。よって、浸炭窒化処理を施した後、焼き入れ・焼き戻し処理の後にピーニング処理を施すことで、表面の残留オーステナイト量を減少させ、表面硬さを向上させる必要がある。ここで、音響耐久性を向上させるために、窒化層の残留オーステナイト量を少なくとも３％以下とした。
【００２２】
このように構成された本発明における第一の転動装置によれば、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、上記構成の合金鋼から構成するとともに、その合金鋼から構成した部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％の窒化層を形成したことによって、高負荷下や異物混入下など潤滑条件の厳しい環境で適用しても、優れた耐摩耗性、耐焼き付き性を確保することできるとともに、研磨コストを低減させることが可能となる。
【００２３】
また、合金鋼から構成した部材の表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置において、窒素濃度を０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度を０．６％以上、且つ、硬さをＨｖ６００以上としたことによって、転動部品に作用する最大せん断応力に耐え、転がり疲労寿命を向上させることが可能となる。
【００２４】
本発明における第二の転動装置によれば、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、上記構成の合金鋼から構成するとともに、上記合金鋼で構成された前記部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００以上で、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％で、表面の残留オーステナイト量が３％以下の窒化層を形成することによって、フレッチング耐久性を向上させることができるため、優れた音響耐久性を確保することが可能となる。
【００２５】
特に、本発明の第一及び第二の転動装置における合金鋼から構成された部材を、転動体とすることによって、窒化層が形成される表面積を最小限に抑えることができるため、処理に要するコストを低減させるとともに、窒化層の表面窒素濃度向上に起因する切削性の低下を最小限に抑えることが可能となる。
本発明における第一の転動装置の製造方法によれば、外方部材、内方部材、転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成するとともに、この合金鋼から構成された部材に、浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を施し、さらに、窒化処理を施すことによって、浸炭窒化処理において部材内部に窒素が拡散し、これらの窒素が窒化処理において窒化物形成元素と結合して硬化するようになる。このため、Ｃｒの含有量が少ない低合金鋼に、低温処理で行う窒化処理を施しても、深い有効硬化層を得ることができるようになり、転がり疲労寿命を向上させるとともに、小型の転動装置のみならず、大型の転動装置に適用することが可能となる。
【００２６】
また、本発明における第二の転動装置の製造方法によれば、外方部材、内方部材、転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成するとともに、この合金鋼から構成された部材に、浸炭窒化処理を施した後、焼き入れ・焼き戻し処理を施し、さらにピーニング処理を施すことによって、浸炭窒化処理後の部材表面に、表面窒素濃度の高い窒化層を容易に形成することができるとともに、残留オーステナイト量を調整することができるため、高温で焼き戻し処理を行っても表面硬さを確保することができるようになる。よって、フレッチング耐久性を向上させ、優れた音響耐久性を確保することが可能となる。
【００２７】
なお、本発明における転動装置とは、外方部材と、内方部材と、この外方部材及び内方部材との間に転動自在に配設された転動体とから構成された、例えば、転がり軸受、リニアガイド、或いはボールねじ等の装置を指す。ここで、転動装置が転がり軸受の場合、外方部材は外輪を、内方部材は内輪をそれぞれ指す。また、転動装置がリニアガイドの場合、外方部材はスライダを、内方部材は案内レールをそれぞれ指す。さらに、転動装置がボールねじの場合、外方部材はナットを、内方部材はねじ軸をそれぞれ指す。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
〔第一実施形態〕
図１は、本発明における転動装置の一例として、転がり軸受の一構成例を示す部分断面図である。図２は、図１に示す転がり軸受を構成する転動体の硬さと、表面からの距離との関係を示す図である。
【００２９】
本実施形態における転がり軸受（転動装置）１は、外輪（外方部材）２と、内輪（内方部材）３と、この外輪２と内輪３との間に転動可能に配設される複数の転動体４と、この転動体４を転動可能に支持する保持器５と、から構成されている。
外輪２及び内輪３は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２、ＪＩＳ）から構成されている。
【００３０】
転動体４は、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成されている。
この転動体４の表面には、窒化層４ａが形成されており、図２に示すように、この窒化層は、表面硬さがＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％となっている。
【００３１】
また、転動体４の表面から、この転動体４の直径Ｄａの２％分内部に入り込んだ深さ位置（以下、Ｄａ２％深さ位置と称す）４ｂは、窒素濃度が０．０５％以上で、窒素及び炭素の合計の濃度が０．６％以上で、硬さがＨｖ６００以上となっている。
次に、上記構成を有する転動体４の一製造工程について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の転がり軸受を構成する転動体の一製造工程を示す図である。
【００３２】
まず、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼を用いて、転動体４となる素球を作製する。
次に、この素球に、図３に示すように、前処理として、８４０〜９８０℃で浸炭窒化処理を施し、素球内部に０．３％程度の窒素を拡散させた後、８２０〜１０３０℃で焼入れ処理を施し、続いて１６０〜２００℃で焼き戻し処理を施す。
【００３３】
なお、浸炭窒化処理は、例えば、所定のエンリッチガス及びＮＨ３　ガスを含んだ雰囲気中で加熱することで行うようにする。
次いで、４００〜５００℃で窒化処理を施し、前処理の浸炭窒化処理時に素球内部に侵入していた窒素を、Ｆｅ、Ｃｒなどの窒化物形成元素と結合させる。ここで、表面硬さがＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％の窒化層４ａが表面に形成され、且つ、Ｄａ２％深さ位置４ｂにおいて、窒素濃度が０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度が０．６％以上、硬さがＨｖ６００以上である転動体４を完成させる。
【００３４】
なお、窒化処理は、一般的に、ガス窒化法、塩浴窒化法、イオン窒化法などが挙げられ、具体的には、Ｎｖ超窒化法（エア・ウォーター株式会社製）や、パルソナイト処理（日本パーカライジング株式会社製）などが適用できる。特に、窒化処理時における芯部軟化を抑制するために、５００℃以下の低温で窒化処理を行うことが好ましい。
【００３５】
上記第一実施形態における転がり軸受１において、転動体４をＣｒ含有量の少ない低Ｃｒ合金鋼から構成したことによって、転動部品を構成する素材にかかるコストを低減させるのみならず、窒化処理による表面硬化を抑制することが可能となる。このため、表面研磨にかかるコストを低減させるとともに、異物混入下など潤滑条件が厳しい環境で使用しても、表面起点の剥離発生を抑制することが可能となる。
【００３６】
また、転動体４を構成する合金鋼の表面に、表面硬さＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度０．５〜２．０重量％の窒化層４ａを形成したことによって、高負荷下など潤滑条件が厳しい環境で使用しても、表面損傷を抑制し、優れた耐摩耗性及び耐焼き付き性を確保することが可能となる。
さらに、転動体４を構成する合金鋼において、最大せん断応力が作用するＤａ２％深さ位置４ｂにおける窒素濃度を０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度を０．６％以上とし、硬さをＨｖ６００以上としたことによって、窒化層の表面硬さがＨｖ１１００以下であっても、優れた耐摩耗性及び耐焼き付き性を確保することが可能となる。
【００３７】
さらに、転動体４に浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を行い、その後、窒化処理を施すことで表面硬化を行うことによって、処理温度の低い窒化処理であっても、深い硬化層を得ることが可能となる。このため、小径やミニアチュア軸受などの小型転動装置への適用に限定されず、一般工作機械や鉄鋼、自動車、食品機械等の大型転動装置に適用することも可能となる。
〔第二実施形態〕
本実施形態における転がり軸受は、第一実施形態で示した転がり軸受において、外輪２、内輪３、及び転動体４における窒化層の構成が異なるものとなっている。
【００３８】
すなわち、外輪２及び内輪３は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２、ＪＩＳ）にずぶ焼きを施したものから構成している。
転動体４は、Ｃｒが０．５〜２．０重量％、Ｓｉが０．５〜２．０重量％、Ｍｎが０．１〜１．５重量％、Ｃが０．２〜１．２重量％の範囲で含まれる合金鋼から構成している。
【００３９】
この転動体４の表面には、窒化層４ａが形成されており、この窒化層４ａは、表面硬さがＨｖ８００以上で、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％であるとともに、表面の残留オーステナイト量が３％以下となっている。
次に、上記構成を有する転動体４の一製造工程について説明する。
まず、第一実施形態と同様に、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼を用いて、転動体４となる素球を作製する。
【００４０】
次に、この素球に、８２０〜８７０℃で浸炭窒化処理及び焼き入れ処理を施した後、１６０〜３００℃で焼き戻し処理を施すことで、表面硬さがＨｖ８００以上で、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％の窒化層４ａが素球表面に形成される。
なお、浸炭窒化処理は、例えば、ＲＸガス、ブタンガス、及びＮＨ３　ガスを含んだ雰囲気中で加熱することで行うようにする。
【００４１】
また、次工程であるピーニング処理の前に適度な残留オーステナイトを残存させることで、加工硬化能が大きく、且つ、表面硬さが高くなるため、最終の残留オーステナイト量を３％以下に調整可能な範囲で残留オーステナイト量が存在するように、焼き戻し温度を低めに設定することが好ましい。
次いで、ピーニング処理によって、窒化層４ａに機械的硬化加工（強加工及びラップ加工）を施すことで、窒化層４ａの表面に存在する残留オーステナイト量を３％以下に調整させ、転動体４を完成させる。
【００４２】
ここで、ピーニング処理は、窒化層４ａの表面の残留オーステナイト量を調整可能であれば特に限定されず、例えば、ショットピーニング処理や、レーザピーニング処理などが挙げられる。
このピーニング処理による残留オーステナイト量は、ピーニング処理時のバレルボックス中に入れる素球の数を増加させて空間容積を従来より小さくし、各素球が衝突する際のエネルギー量を低下させるとともに、ピーニング処理の所要時間を異ならせることによって調整することができる。
【００４３】
上記第二の実施形態における転がり軸受１において、転動体４を構成する合金鋼の表面に、表面硬さＨｖ８００以上で、表面窒素濃度０．３〜１．５重量％であるとともに、表面の残留オーステナイト量が３％以下の窒化層４ａを形成したことによって、優れたフレッチング耐久性を確保することができるため、転動装置における音響耐久性を向上させることが可能となる。
【００４４】
また、転動体４に浸炭窒化処理を施した後、焼入れ・焼き戻し処理を施し、その後、ピーニング処理を施すことで表面の残留オーステナイト量を調整することによって、高温で焼き戻し処理を行っても、表面硬さ及びフレッチング耐久性を向上させることができるため、優れた音響耐久性を確保することが可能となる。さらに、転動体４にピーニング処理を施すことによって、残留オーステナイト量を低減し、表面硬さを確保するためのフェライト域での窒化処理を施す必要がなくなるため、表面硬化処理に要する時間及びコストを大幅に削減させることが可能となる。
【００４５】
なお、上記第一及び第二の実施形態において、転動部品として転動体４のみに本発明を適用した例について説明したが、外輪２、内輪３、及び転動体４の少なくともいずれか一つの部材に本発明が適用されるのであれば、いずれの部材に適用するようにしてもかまわないし、それら全ての部材に適用するようにしてもかまわない。特に、内輪２や外輪３に適用する場合、その表面全体に窒化層４ａを形成するようにしてもかまわないが、少なくとも転動体４との軌道面に窒化層４ａが形成されるのであれば、本発明の効果を得ることができる。
【００４６】
また、本実施形態において、転動装置として転がり軸受１について説明したが、これに限らず、例えば、リニアガイド、ボールねじ等いずれの転動装置に適用することも可能である。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の効果を実施例に基づき検証する。
＜実施例１＞
まず、表１に示す合金鋼より３／８インチの素球を作製した後、以下に示すいずれかの条件で熱処理を行った。なお、いずれの熱処理条件においても、浸炭窒化処理は、所定のエンリッチガス及びＮＨ３　ガスを含んだ雰囲気中で行った。
【００４８】
熱処理条件▲１▼・８４０〜９８０℃で５〜１０時間の浸炭窒化処理を施す。
・８２０〜１０３０℃に加熱した後、焼入れ・焼き戻し処理を　施す。
・Ｎｖ超窒化処理（合金鋼表面の酸化膜をフッ化処理で除去し　、窒素の浸透性を高めた後に行う窒化処理、エア・ウォータ　ー株式会社商品名）を施す。
【００４９】
熱処理条件▲２▼・８４０〜９６０℃で５〜１０時間の浸炭処理を施す。
・８２０〜１０３０℃に加熱した後、焼入れ・焼き戻し処理を　施す。
・熱処理条件一と同様のＮｖ超窒化処理を施す。
熱処理条件▲３▼・８４０〜９６０℃で５〜１０時間の浸炭窒化処理を施す。
【００５０】
・８２０〜１０３０℃に加熱した後、焼入れ・焼き戻し処理を　施す。
熱処理条件▲４▼・１０３０℃で焼きいれ・焼き戻し処理を施す。
・熱処理条件一と同様のＮｖ超窒化処理を施す。
熱処理条件▲５▼・８４０℃で０．５時間保持した後、焼入れ処理を施す。
【００５１】
・１８０℃で２時間の焼き戻し処理を施す。
その後、以下の条件で測定した試験結果を表１に示す。
〔硬化層深さ〕
試験素球の断面硬さプロファイルから、ＨＲＣ５８となる位置までの深さを示した。
〔表面硬さ〕
マイクロビッカース硬度計を用い、完成球表面の５点を荷重０．９８Ｎで測定し、その平均硬さで示した。
〔表面窒素濃度、Ｄａ２％深さ位置における窒素濃度、及びＤａ深さ位置２％における窒素及び炭素の合計の濃度〕
いずれもＥＰＭＡ（電子プローブ微量分析、島津製作所製）を用いて、加速電圧１５Ｋｖで、それぞれの特性Ｘ線強度を測定することで算出した。
〔異物混入下での寿命試験〕
表１に示した合金鋼から円板状の材料を作製し、上述したいずれかの熱処理を施した。そして、スラスト形軸受鋼試験機（「特殊鋼便覧（第一版）」、電気製鋼研究所編、理工学社、第１０〜２１頁記載）を用いて、以下の条件下スラスト寿命試験を行った。ここで、本試験に際して、各試験片の１０％に、顕微鏡又は肉眼で観察できるクラック、フレーキングが発生した時点を寿命（Ｌ１０寿命）と判定し、結果を表１及び図４に示した。なお、試験結果は、表１中に示した比較例７の平均測定値を１とし、これに対する比で示した。
（スラスト寿命試験条件）
・Ｎ＝１０００ｍｉｎ−１
・Ｐｍａｘ　＝３．０ＧＰａ
・潤滑油：♯６８タービン油
・ゴミ：Ｆｅ３Ｃ系粉、３００ｐｐｍ（径７４〜１４７μ、硬さＨｖ８７０）
〔焼き付き限界試験〕
耐焼き付き性の評価は、図５に示す四球式焼き付き限界試験機を用いて、以下の条件下で行った。つまり、図５に示すように、油浴６内で、互いに接触するように配置した３つの固定球４Ａの上面で回転球４Ｂを回転させ、急激にトルクが上昇した時点を焼き付き限界とし、この結果を表１及び図６に示す。なお、試験結果は、比較例８の平均測定値を１として、これに対する比で示した。図６は、表面窒素濃度と、摩擦条件を示すＰＶ値（Ｐ：面圧、Ｖ：速度）との関係を示すグラフである。
（焼き付き限界試験条件）
・荷重：９８０Ｎ
・回転数：３０００ｍｍ−１
・潤滑油：ジェットオイルＩＩ
・ボール径：３／８インチ
【００５２】
【表１】
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【００５３】
表１示す結果より、実施例１〜実施例８においては、いずれも異物混入下の寿命及び耐焼き付き性に優れていることが確認できた。特に、Ｃｒ及びＳｉの含有量を比較的多めに添加した実施例２においては、異物混入下など潤滑条件の厳しい環境での寿命及び耐焼き付き性をいずれも大幅に向上させていることが確認できた。
【００５４】
また、実施例８は、軸受鋼と同様に高い弾性を有し、繰り返しせん断応力による転がり疲労破壊に対する配慮もなされたばね鋼（ＳＵＰ１２）に相当し、素材の清浄度は軸受鋼と同様に高いとともに、弁ばねに使用されているので、線材として供給されやすい。よって、本発明における鋼球やころなどの転動体として好適に利用することができる。
【００５５】
図４に示す結果より、窒化層の表面硬さがＨｖ８００以下では軌道面が損傷していることが分かる。また、表面硬さＨｖ１１００以上では、脆化が著しく表面の窒化層が早期剥離している。また、本発明における窒化層の表面硬さの範囲Ｈｖ８００〜１１００内であっても、２％Ｄａ深さ位置での硬さがＨｖ６００以下の場合には、転がり疲労特性が劣化し、異物混入寿命が低下してしまうが、２％Ｄａ深さ位置での硬さがＨｖ６００以上とすると、異物混入寿命を改善できることが確認できた。
【００５６】
図６に示す結果より、表面窒素濃度が０．５重量％以上において、耐焼き付き性を示すＰＶ値比を向上させていることが確認できた。また、表面窒素濃度が２．０重量％以上となってしまうと、耐焼き付き性は確保できるが、窒化層の加工性及び異物混入寿命が悪化していることが確認できた。
一方、比較例１の結果より、Ｓｉの含有量が本発明の下限値以下としたため、Ｄａ２％の深さ位置における硬さが確保できないとともに、異物混入下など潤滑条件の厳しい環境での寿命が短かったことが確認できた。
【００５７】
また、比較例２及び比較例７の結果より、Ｃｒの含有量を本発明の上限値以上としたため、窒化層の表面硬さ及び表面窒素濃度が本発明の下限値以下となっており、異物混入下など潤滑条件が厳しい環境での寿命が短いことが確認できた。同様に、窒化処理を施さなかった比較例６においても、窒化層の表面硬さが及び表面窒素濃度が本発明の下限値以下となっており、異物混入下など潤滑条件が厳しい環境での寿命が短かったことが確認できた。
【００５８】
さらに、比較例３の結果より、Ｃｒの含有量を本発明の下限値以下としたため、Ｄａ２％の深さ位置における硬さが確保できないとともに、異物混入下など潤滑条件が厳しい環境での寿命が短かったことが確認できた。
さらに、比較例４の結果より、異物混入下の寿命や焼き付き限界試験においては、実施例と同様の値を得ることができていたが、Ｓｉの含有量を本発明の上限値以上としたため、成型時の加工性が問題となっていた。
【００５９】
さらに、比較例５の結果より、窒化処理の前処理として、浸炭窒化処理が施されなかったため、窒化層の表面窒素濃度が低く、Ｄａ２％深さ位置における硬さが本発明の下限値以下となってしまい、窒化層の表面硬さが本発明の範囲内であっても、異物混入下など潤滑条件が厳しい環境での寿命が短かったことが確認できた。
【００６０】
さらに、比較例８の結果より、窒化層の表面窒素濃度が本発明の下限値以下としたため、耐焼き付き性が不十分であったことが確認できた。
＜実施例２＞
まず、表２に示す合金鋼により５／３２インチの素球を作製した後、以下に示す条件で熱処理を行った。
（熱処理条件）
・８２０〜８７０℃（ＲＸガス＋ブタンガス＋アンモニアガス雰囲気中）で、２〜４時間のの浸炭窒化処理を施した後、焼き入れ処理を施す。
・１６０〜３００℃の温度で焼き戻し処理を施す。
【００６１】
そして、熱処理後の素球に、比較例として一部を除いて、以下に示す条件でショットピーニング処理を行い、機械的硬化加工（強加工及びラップ加工）を施した。
（ピーニング処理条件）
・バレルボックスの空間容積：０．１ｍ３　
・素球の充填量：２５ｋｇ
・回転数：２００ｒｐｍ
・回転時間：３００ｍｉｎ
その後、完成球を、ＳＵＪ２製の内外輪及び波形プレス保持器を組み込んで、玉軸受（♯６０８）を完成させた。そして、この玉軸受の機能評価を以下に示す条件で行い、結果を表２に示す。なお、表２中、表面硬さ及び表面窒素濃度は、実施例１と同様の条件で測定した。
〔音響耐久性評価試験〕
与圧１．２ｋｇｆ、回転数７２００ｒｐｍ、温度７０℃で５００時間回転させた後、再度、与圧１．２ｋｇｆ、回転数１８００ｒｐｍで音圧測定を行うことで、音響寿命を測定し、結果を表２及び図７に示す。なお、評価結果は、サンプル数ｎ＝１０回測定したときの平均値を求め、比較例１の測定平均値を１としたときの比で表した。
〔フレッチング耐久性試験〕
上述の玉軸受を、以下の条件で揺動させた後、アキシアル振動加速度（Ｇ値）を測定し、揺動前のＧ値との差で表し、結果を表２及び図８に示す。なお、評価結果は、比較例１の測定値を１としたときの比で表した。
（フレッチング耐久性試験条件）
・与圧：１．２ｋｇｆ
・揺動条件：２°
・周波数：３０Ｈｚ
・揺動回数：３０万回
・サンプル数：ｎ＝１０
【００６２】
【表２】
2004052997.tif 000004
【００６３】
表２に示す結果より、実施例１１〜実施例２１においては、いずれもフレッチング耐久性及び音響耐久性に優れていることが確認できた。特に、Ｃｒの含有量を比較的多めに添加した実施例１６においては、フレッチング耐久性及び音響耐久性の評価が特に優れていることが確認できた。
図７に示す結果より、窒化層の表面窒素濃度が０．３重量％未満では、フレッチング耐久性が悪化していることが分かる。また、窒化層の表面窒素濃度が１．５重量％を超えると、フレッチング耐久性は良好であるが、音響耐久性が劣化してしていることが分かる。
【００６４】
図８に示す結果より、窒化層における表面の残留オーステナイト量が３％以上であると、転動体表面に微小な圧痕が形成され、音響耐久性が著しく劣化していることが分かる。
一方、比較例１１、比較例１３、比較例１５、比較例１７、比較例１９、及び比較例２２の結果より、窒化層における表面の残留オーステナイト量を本発明の範囲外としたことによって、転動体の表面に微小な圧痕が形成され、音響耐久性が不十分であったことが確認できた。
【００６５】
また、比較例１１〜比較例１３及び比較例１６〜１８、並びに比較例２３の結果より、窒化層の表面窒素濃度を本発明の範囲外としたことによって、フレッチング耐久性が不十分であったことが確認できた。
さらに、比較例１２〜比較例１４、比較例１６、比較例１８、比較例２０、及び比較例２４の結果より、窒化層の表面硬さを本発明の範囲外としたことによって、フレッチング耐久性が不十分であったことが確認できた。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第一の転動装置によれば、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、Ｃｒを０．５〜２．０重量％、Ｓｉを０．５〜２．０重量％、Ｍｎを０．１〜１．５重量％、Ｃを０．２〜１．２重量％の範囲で含む合金鋼から構成するとともに、この合金鋼から構成された部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００〜１１００で、表面窒素濃度が０．５〜２．０重量％の窒化層を形成したことによって、高負荷下や異物混入下など潤滑条件の厳しい環境で適用しても、優れた耐摩耗性、耐焼き付き性を確保することが可能となる。
【００６７】
また、最大せん断応力が作用する、転動部品の表面から転動体の直径の２％分内部に入り込んだ深さ位置において、窒素濃度を０．０５％以上、窒素及び炭素の合計の濃度を０．６％以上、硬さをＨｖ６００以上としたことによって、表面硬度がＨｖ１１００以下であっても、優れた耐摩耗性、耐焼き付き性を確保することが可能となる。
【００６８】
本発明の第二の転動装置によれば、外方部材、内方部材、及び転動体の少なくともいずれか一つの部材を、上記構成の合金鋼から構成するとともに、上記合金鋼で構成された前記部材の表面に、表面硬さがＨｖ８００以上で、表面窒素濃度が０．３〜１．５重量％で、表面の残留オーステナイト量が３％以下の窒化層を形成したことによって、フレッチング耐久性を向上させることができるため、優れた音響耐久性を確保することが可能となる。
【００６９】
本発明の第一の転動装置の製造方法によれば、深い有効硬化層を形成することができるため、小型の転動装置に限定されず、大型の転動装置としても好適に適用可能な第一の転動装置を容易に実現することができる。
本発明の第二の転動装置の製造方法によれば、窒化層中の残留オーステナイト量を調整することができるため、窒化層の表面硬さを大幅に向上させることが可能となる。よって、低トルク化及び静粛性が求められる転動装置としても好適に適用可能な第二の転動装置を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における転動装置の一例として、転がり軸受を示す部分断面図である。
【図２】図１に示す転がり軸受を構成する転動体の硬さと、表面からの距離との関係を示す図である。
【図３】図１に示す転がり軸受を構成する転動体の一製造工程を示す図である。
【図４】転動体の表面硬さと、異物混入下の寿命との関係を示すグラフである。
【図５】四球式焼き付き限界試験機を示す模式図である。
【図６】転動体の窒化層における表面窒素濃度と、摩擦条件を示すＰＶ値との関係を示すグラフである。
【図７】転動体の窒化層における表面窒素濃度と、フレチング耐久性との関係を示すグラフである。
【図８】転動体の窒化層における残留オーステナイト量と、音響耐久性との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　転がり軸受（転動装置）
２　　外輪（外方部材）
３　　内輪（内方部材）
４　　転動体
４ａ　窒化層
４ｂ　転導体の直径Ｄａの２％分内部に入り込んだ深さ位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004052997.tif 000009
【図６】
2004052997.tif 000010
【図７】
2004052997.tif 000011
【図８】
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