(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炭素鋼より成る素材を、加熱して成形する熱間加工工程と、
大気中にて球状化焼鈍処理を施し加工性を向上させる大気焼鈍工程と、
所定の部品寸法に仕上げる冷間加工工程と、
焼入焼戻を行ない必要な硬度を得る最終熱処理工程とを備える、転動部品の製造方法であって、
前記最終熱処理工程において、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、前記熱間加工工程において加熱される前に前記素材が含有する熱処理前炭素量以上に保ち、浸炭窒化処理することにより、前記熱間加工工程と前記大気焼鈍工程とにおいて前記素材の表層部に発生する脱炭層が含有する炭素量を、前記熱処理前炭素量以上とすることを特徴とする、転動部品の製造方法。
【請求項２】
前記素材は、前記熱間加工工程において加熱される前に、０．９５質量％以上１．１質量％以下の炭素を含有し、
前記カーボンポテンシャルは、１．０％以上１．１％以下とすることを特徴とする、請求項１に記載の転動部品の製造方法。
【請求項３】
前記浸炭窒化処理による前記素材への炭素侵入深さを、前記脱炭層の深さよりも深くすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の転動部品の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の転動部品の製造方法により製造される、転がり軸受用の軌道輪。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の転動部品の製造方法により製造される、円錐ころ軸受用の軌道輪。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の軌道輪を備える、軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転動部品の製造方法、軌道輪および軸受に関し、特に、生産効率の向上が可能な高炭素鋼製の転動部品の製造方法、当該製造方法により製造される軌道輪、およびその軌道輪を備える軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受を構成する転動部品には、焼入が容易かつ焼入後の硬度が高いという特性を生かして、高炭素クロム軸受鋼であるＪＩＳ  Ｇ４８０５に規定されるＳＵＪ２が広く用いられている。従来、ＳＵＪ２のような高炭素鋼より成る素材を用いて転動部品を製造する場合には、熱間加工し、球状化焼鈍後冷間加工し、さらに焼入焼戻を行ない高硬度にして製造している。
【０００３】
図１２は、従来の転動部品の製造方法を示す流れ図である。図１２を参照して、転がり軸受の軌道輪、すなわち内輪と外輪との製造方法を例に説明する。まず工程（Ｓ３０）において、ＳＵＪ２のような高炭素鋼より成る素材である丸棒を準備する。次に工程（Ｓ３１）において、素材を切断する。次に工程（Ｓ３２）において、切断された素材を加熱し、熱間鍛造により成形して素材ブランクリングとする。熱間鍛造後に冷却されると、高炭素鋼は網目状に析出するセメンタイト（炭化物）とパーライト組織になるが、この状態では硬度が高く加工しにくいため、その後の機械加工工程に悪影響を与える。そこで、次に工程（Ｓ３３）において、大気中で素材ブランクリングに球状化焼鈍を施し、加工性を向上させると共にミクロ組織を改善する。すなわち、素材ブランクリングにおいて、炭化物が一部溶解しパーライトの層状組織が破壊されて、炭化物が球状化し、鋼中に微細な球状炭化物が存在する組織となる。これにより、素材ブランクリングの加工性を向上させる。次に工程（Ｓ３４）において、素材ブランクリングを冷間鍛造することにより成形して、内輪と外輪とを採取する一体形状の段付きリングとする。次に工程（Ｓ３５）において、段付きリングを輪断し分離して、内輪と外輪との原形となる被削リングとする。
【０００４】
次に工程（Ｓ３６）において、旋削により被削リングを所定の寸法に加工して成形部品とする。ここで、工程（Ｓ３２）の熱間鍛造および工程（Ｓ３３）の大気焼鈍において、素材ブランクリングの表層部に厚さ０．１ｍｍ以上の脱炭層が形成される。ここで、脱炭層とは、たとえば大気炉中のような、鋼が含有する炭素と雰囲気ガスの成分（たとえば二酸化炭素、水分など）とが反応する雰囲気中で、鋼製品を加熱することにより鋼が含有する炭素が失われて、鋼製品の表層部において形成される、鋼が含有する炭素量が低下している領域を示す。よって、工程（Ｓ３５）の分離後においては、冷間鍛造により引き伸ばされ薄くはなっているものの、輪断部以外は脱炭層が存在する。このため、工程（Ｓ３６）においては、被削リングの全面を旋削して脱炭層を除去する必要がある。
【０００５】
次に工程（Ｓ３７）において、成形部品をＡ１点以上の温度に加熱し、その後Ｍｓ点以下の温度に冷却される、焼入が行なわれる。これにより、鋼がマルテンサイト組織になり硬化する。ここで、Ａ１点とは、鋼を加熱するときに、鋼の組織がフェライトからオーステナイトへ変態を開始する温度に相当する点を示す。また、Ｍｓ点とは、オーステナイト化した鋼を冷却するときに、鋼の組織がマルテンサイト化を開始する温度に相当する点を示す。
【０００６】
次に工程（Ｓ３８）において、焼入された成形部品をＡ１点以下の温度に加熱して鋼の組織と性質を調整する、焼戻が行なわれる。焼入後の鋼は非常に硬いがもろいために、焼戻によって、組織ならびに機械的性質の安定化、じん性の改善、残留応力の軽減あるいは除去に伴う寸法精度の安定化を行なう。これにより、必要な鋼の硬度を得る。次に工程（Ｓ３９）において、成形部品の表面を研削して仕上げる。以上のような製造方法によって、完成品としての転動部品が製造される。
【０００７】
完成品の転動部品に脱炭層が残留する場合、転動部品表層部の炭素が少ない状態が発生する。この場合、転動部品の表面硬度が確保できない、転動部品の表層部に引張応力が発生するなどの問題が生じ、転動部品として極めて危険な材質となる。ＳＵＪ２のような高炭素鋼では、工程（Ｓ３７）の焼入において、通常は浸炭される雰囲気で焼入がされない。そのため、素材には十分な削り代を設け、工程（Ｓ３６）の全面旋削において脱炭層を除去している。しかし、被削リングの表面全体を旋削することは、多大な工数を要しコストアップの原因となる、素材の歩留まりが低下するなどの問題点がある。
【０００８】
このような問題点に対し、熱間鍛造後、焼鈍時の雰囲気炭素量を制御して復炭を図る冷間ローリング用材料、製造方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。また、熱間鍛造後復炭焼鈍を行なうことを特徴とする転動装置が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【０００９】
図１３は、従来の転動部品の他の製造方法、すなわち熱間鍛造後復炭焼鈍を行なう製造方法を示す流れ図である。図１３を参照して、転がり軸受の軌道輪、すなわち内輪と外輪との製造方法を例に説明する。まず工程（Ｓ３０）において、ＳＵＪ２のような高炭素鋼より成る素材である丸棒を準備する。次に工程（Ｓ３１）において、素材を切断する。次に工程（Ｓ３２）において、切断された素材を加熱し、熱間鍛造により成形して素材ブランクリングとする。
【００１０】
次に工程（Ｓ４３）において、素材ブランクリングを雰囲気ガスのカーボンポテンシャルが管理される炉で球状化焼鈍を施し、素材ブランクリングの加工性を向上させると共にミクロ組織を改善する。同時に、工程（Ｓ３２）の熱間鍛造において素材ブランクリングの表層部に形成される脱炭層における、炭素濃度を向上させる。ここで、カーボンポテンシャルとは、浸炭脱炭反応が平衡に達し鋼が含有する炭素濃度が一定の値となったときの、鋼が含有する炭素濃度を示し、鋼を加熱する雰囲気における浸炭能力を示す値である。すなわち、カーボンポテンシャルが高いほど浸炭能力が高い。また、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、雰囲気ガスの温度と、雰囲気ガスの組成、すなわち一酸化炭素と酸素との濃度、あるいは一酸化炭素と二酸化炭素との濃度とを計測することにより、計算することができる。
【００１１】
次に工程（Ｓ３４）において、素材ブランクリングを冷間鍛造することにより成形して、内輪と外輪とを採取する一体形状の段付きリングとする。次に工程（Ｓ３５）において、段付きリングを輪断し分離して、内輪と外輪との原形となる被削リングとする。次に工程（Ｓ４６）において、旋削により被削リングを所定の寸法に加工して成形部品とする。ここでは工程（Ｓ４３）の復炭焼鈍により素材ブランクリングの脱炭層へ炭素が補われているので、脱炭層除去のために被削リングの表面の全面を旋削する必要はなく、寸法仕上げのために被削リングの表面の一部を旋削すればよい。
【００１２】
次に工程（Ｓ３７）において、成形部品の焼入が行なわれ、鋼がマルテンサイト組織になり硬化する。次に工程（Ｓ３８）において、成形部品の焼戻が行なわれ、必要な鋼の硬度を得る。次に工程（Ｓ３９）において、成形部品の表面を研削して仕上げる。以上のような製造方法によって、完成品としての転動部品が製造される。
【００１３】
その他、焼鈍そのものを廃止して軸受軌道輪を製造する技術として、熱間ローリング加工後再加熱して焼入する製造方法（たとえば特許文献３参照）、熱間鍛造後の素材ブランクリングを温間ローリング加工して軸受軌道輪にする製造方法（たとえば特許文献４参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２８５２３３号公報
【特許文献２】特開２００３−１９４０７２号公報
【特許文献３】特開平９−１７６７４０号公報
【特許文献４】特開平１１−３４７６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述の通り、脱炭層を除去するために被削リングの表面全体を旋削する製造方法では、多大な工数を要しコストアップの原因となる、素材の歩留まりが低下するなどの問題点がある。特許文献１および２で開示されている、熱間鍛造後復炭焼鈍する製造方法では、脱炭層は無くせるが、焼鈍のような高温長時間の処理工程を復炭雰囲気で行なうには専用炉が必要となり、コストアップに繋がる。特許文献３で開示されている製造方法においても、熱間ローリング加工のための加熱炉として、脱炭を防止するため、窒素ガスや還元性ガスに雰囲気ガスを置換した雰囲気炉を必要とし、コストアップに繋がる。また、特許文献４で開示されている製造方法では、脱炭層深さは小さくなるが表層部に脱炭層が形成されるため、温間ローリング加工後には脱炭層の旋削が必要となる。よって、従来の製造方法では、生産効率の向上と製造コストの低減の点において、必ずしも十分とはいえず更なる改良の余地がある。
【００１５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、生産効率の向上と製造コストの低減が可能な高炭素鋼製の転動部品の製造方法を提供することである。また、この発明の他の目的は、上記転動部品の製造方法を用いて、低コストな軌道輪および軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明に係る転動部品の製造方法は、熱間加工工程と、大気焼鈍工程と、冷間加工工程と、最終熱処理工程とを備える。熱間加工工程においては、高炭素鋼より成る素材を、加熱して成形する。大気焼鈍工程においては、大気中にて球状化焼鈍処理を施し加工性を向上させる。冷間加工工程においては、所定の部品寸法に仕上げる。最終熱処理工程においては、焼入焼戻を行ない必要な硬度を得る。そして、最終熱処理工程において、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、熱間加工工程において加熱される前に素材が含有する熱処理前炭素量以上に保ち、浸炭窒化処理する。これにより、熱間加工工程と大気焼鈍工程とにおいて素材の表層部に発生する脱炭層が含有する炭素量を、熱処理前炭素量以上とする。
【００１７】
この場合は、通常長時間の加熱を行なう最終熱処理工程において、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを制御し、素材の脱炭層について、熱間加工工程と大気焼鈍工程とにおいて脱炭した炭素を補う。よって、復炭焼鈍のような特別な復炭処理工程を設けることなく、素材の表層部の脱炭層を復炭できる。また、焼入後において脱炭層のない素材を提供できることから、脱炭層除去のために素材の表面を旋削する必要がない。したがって、工程を簡略化できるので、生産能率の向上と製造コストの低減を達成することができる。さらに、完成品の転動部品の表層部が含有する炭素量を熱処理前炭素量以上とすることから、転動部品の表面硬度を向上できる。したがって、転動部品の転動疲労強度を向上することができる。
【００１８】
好ましくは、素材は、熱間加工工程において加熱される前に、０．９５質量％以上１．１質量％以下の炭素を含有する。そして、最終熱処理工程における雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、１．０％以上１．１％以下とする。
【００１９】
この場合は、最終熱処理工程における雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、脱炭する前に素材が含有する炭素量以上に保つことにより、脱炭層に確実に炭素を補うことができる。また、カーボンポテンシャルの上限値を規定し、カーボンポテンシャルを高めすぎないことにより、炭化物が粗大化しない雰囲気に保つことができる。
【００２０】
また好ましくは、浸炭窒化処理による素材への炭素侵入深さを、脱炭層の深さよりも深くする。
【００２１】
この場合は、熱間加工工程と大気焼鈍工程とにおいて素材の表層部に発生する脱炭層の深さを予め測定し、それよりも深く炭素が侵入するような時間浸炭窒化処理する。これにより、浸炭窒化処理後、完成品の転動部品の表層部が含有する炭素量を、確実に熱処理前炭素量以上とすることができる。
【００２２】
この発明に係る転がり軸受用の軌道輪は、上述の製造方法により製造される。この場合は、製造工程を簡略化できるので、転がり軸受用の軌道輪の生産能率の向上と製造コストの低減を達成することができる。また、転動疲労強度に優れている軌道輪を備えることにより、長寿命な転がり軸受を提供することができる。
【００２３】
この発明に係る円錐ころ軸受用の軌道輪は、上述の製造方法により製造される。この場合は、製造工程を簡略化できるので、円錐ころ軸受用の軌道輪の生産能率の向上と製造コストの低減を達成することができる。また、転動疲労強度に優れている軌道輪を備えることにより、長寿命な円錐ころ軸受を提供することができる。
【００２４】
この発明に係る軸受は、上述の製造方法により製造される軌道輪を備える。この場合は、軌道輪の製造工程を簡略化できるので、軸受の生産能率の向上と製造コストの低減を達成することができる。また、転動疲労強度に優れている軌道輪を備えることにより、長寿命な軸受を提供することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、この発明に係る転動部品の製造方法では、通常長時間の加熱を行なう最終熱処理工程において、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを制御し、素材の脱炭層について、熱間加工工程と大気焼鈍工程とにおいて脱炭した炭素を補う。よって、復炭焼鈍のような特別な復炭処理工程を設けることなく、素材の表層部の脱炭層を復炭できる。また、焼入後において脱炭層のない素材を提供できることから、脱炭層除去のために素材の表面を旋削する必要がない。したがって、工程を簡略化できるので、生産能率の向上と製造コストの低減を達成することができる。さらに、完成品の転動部品の表層部が含有する炭素量を熱処理前炭素量以上とすることから、転動部品の表面硬度を向上できる。したがって、転動部品の転動疲労強度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいてこの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返さない。
【００２７】
図１は、この発明の一実施の形態である転動部品を備える転がり軸受としての、深溝玉軸受の構成を示す断面模式図である。図１を参照して、この実施の形態における転がり軸受としての深溝玉軸受の構成について説明する。
【００２８】
図１において、この深溝玉軸受１は、転動部品としての環状の外輪２と、外輪２の内側に配置される転動部品としての環状の内輪３と、転動部品としての玉４と、円環状の保持器５とを備える。複数の玉４は、外輪２の内周面と内輪３の外周面とに接触し、かつ保持器５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２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００２９】
この実施の形態の転動部品としての深溝玉軸受１の軌道輪（すなわち外輪２と内輪３）と、玉４との表層部は、熱間加工工程において加熱される前に素材が含有する熱処理前炭素量以上の炭素量を含有する。すなわち、外輪２と内輪３と玉４とは、その表層部の炭素量が中心部の炭素量より多くなっている。ここで表層部とは、たとえば表面から深さ０．５ｍｍ以内、好ましくは０．２ｍｍ以内の層をいう。よって転動部品は高い表面硬度を有している。そして、転動疲労強度に優れている転動部品を備えることにより、深溝玉軸受１は長寿命となっている。
【００３０】
図２は、転がり軸受の変形例である円筒ころ軸受の構成を示す断面模式図である。図２を参照して、転がり軸受の変形例である円筒ころ軸受の構成について説明する。図２において、この円筒ころ軸受６は、外輪２と内輪３との間に、保持器５により保持される複数の円筒状のころ７を備える。複数のころ７は、外輪２の内周面と内輪３の外周面とに接触し、かつ保持器５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、円筒ころ軸受６の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００３１】
転動部品としての円筒ころ軸受６の軌道輪（すなわち外輪２と内輪３）と、ころ７との表層部は、熱間加工工程において加熱される前に素材が含有する熱処理前炭素量以上の炭素量を含有する。よって転動部品は高い表面硬度を有している。そして、転動疲労強度に優れている転動部品を備えることにより、円筒ころ軸受６は長寿命となっている。
【００３２】
図３は、転がり軸受の他の変形例である円錐ころ軸受の構成を示す断面模式図である。図３を参照して、転がり軸受の他の変形例である円錐ころ軸受の構成について説明する。図３において、この円錐ころ軸受８は、外輪２と内輪３との間に、保持器５により保持される複数のテーパ状のころ（円錐ころ）７を備える。この円錐ころ軸受８は、外輪２の内周面と内輪３の外周面ところ７の円錐の頂点とが軸受の中心線上の１点で交わるように設計されている。このため、ころ７は、外輪２の内周面と内輪３の外周面とからうける合成力によって、内輪３のつば部に押し付けられて案内されながら転がる。かつ、複数のころ７が保持器５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、円錐ころ軸受８の外輪２および内輪３は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００３３】
転動部品としての円錐ころ軸受８の軌道輪（すなわち外輪２と内輪３）と、ころ７との表層部は、熱間加工工程において加熱される前に素材が含有する熱処理前炭素量以上の炭素量を含有する。よって転動部品は高い表面硬度を有している。そして、転動疲労強度に優れている転動部品を備えることにより、円錐ころ軸受８は長寿命となっている。
【００３４】
次に、この発明の転動部品の製造方法を説明する。図４は、転動部品の製造方法を示す流れ図である。図４を参照して、転がり軸受の軌道輪、すなわち内輪と外輪との製造方法を例に説明する。
【００３５】
まず工程（Ｓ１０）において、高炭素鋼より成る素材である棒鋼や丸鋼を準備する。素材としては、たとえば高炭素クロム軸受鋼であるＪＩＳ  ＳＵＪ２あるいはＪＩＳ  ＳＵＪ３を用いることができる。より具体的には、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下の珪素と、０．５０質量％以下のマンガンと、１．３０質量％以上１．６０質量％以下のクロムと、０．０８質量％以下のモリブデンとを含有し、不純物として０．０２５質量％以下のリンと、０．０２５質量％以下の硫黄と、０．２５質量％以下のニッケルと、０．２５質量％以下の銅とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼を用いることができる。あるいは、０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素と、０．４０質量％以上０．７０質量％以下の珪素と、０．９０質量％以上１．１５質量％以下のマンガンと、０．９０質量％以上１．２０質量％以下のクロムと、０．０８質量％以下のモリブデンとを含有し、不純物として０．０２５質量％以下のリンと、０．０２５質量％以下の硫黄と、０．２５質量％以下のニッケルと、０．２５質量％以下の銅とを含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼を用いることができる。これらに限らず、高炭素鋼、すなわち０．７質量％以上２．０質量％以下の炭素を含有する鋼であれば、素材として用いることができる。
【００３６】
次に工程（Ｓ１１）において、素材を所定長さに切断する。次に工程（Ｓ１２）において、切断された素材を１０５０℃以上１１００℃以下の温度、たとえば１０７５℃に加熱し、３０分以上の時間、たとえば６０分保持した後、熱間加工により、たとえば据え込みや打ち抜きなどの熱間鍛造により、成形して素材ブランクリングとする。熱間鍛造後に冷却されると、高炭素鋼は網目状に析出するセメンタイト（炭化物）とパーライト組織になるが、この状態では硬度が高く加工しにくいため、その後の機械加工工程に悪影響を与える。
【００３７】
そこで、次に工程（Ｓ１３）において、大気中で素材ブランクリングに球状化焼鈍を施し、加工性を向上させると共にミクロ組織を改善する。すなわち、素材ブランクリングにおいて、炭化物が一部溶解しパーライトの層状組織が破壊されて、炭化物が球状化し、鋼中に微細な球状炭化物が存在する組織となる。これにより、素材ブランクリングの加工性を向上させる。球状化焼鈍処理としては、たとえば、Ａ１点直上の温度、たとえば７５０℃まで加熱し、１時間〜２時間保持した後に徐冷する熱処理を施すことができる。またたとえば、Ａ１点の上下２０℃〜３０℃において、たとえば７００℃から７５０℃の温度域において、加熱と冷却を繰返す熱処理を施すことができる。
【００３８】
大気中で行なわれる工程（Ｓ１２）の熱間鍛造や、工程（Ｓ１３）の大気焼鈍において、素材ブランクリングの表層部に厚さ０．１ｍｍ以上の脱炭層が形成される。
【００３９】
次に素材ブランクリングを冷間加工することにより、所定の部品寸法に仕上げる。工程（Ｓ１４）において、素材ブランクリングを冷間鍛造することにより成形して、内輪と外輪とを採取する一体形状の段付きリングとする。冷間鍛造を行なう前に、球状化焼鈍後の素材ブランクリングに潤滑剤となる金属石けんを塗布する場合もある。次に工程（Ｓ１５）において、段付きリングを輪断し分離して、内輪と外輪との原形となるニアネットシェイプ形状の被削リングとする。被削リングにショットブラストを施して汚れやバリを除去する場合もある。次に工程（Ｓ１６）において、旋削により被削リングを所定の寸法に加工して成形部品とする。ここでは所定の部品寸法に仕上げるために被削リングの表面の一部を旋削すればよく、脱炭層除去のために被削リングの表面の全面を旋削する必要はない。
【００４０】
次に成形部品の最終熱処理を行なう。工程（Ｓ１７）において、成形部品をＡ１点以上の温度に加熱する。たとえば、バッチ炉あるいは連続炉を用いて、８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃まで加熱し、６０分以上１５０分以下の時間、たとえば９０分保持することができる。その後たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ｍｓ点以下の温度に冷却される、焼入が行なわれる。これにより、鋼がマルテンサイト組織になり硬化する。
【００４１】
このとき、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、熱処理前炭素量以上、すなわち工程（Ｓ１２）の熱間鍛造において加熱される前に素材が含有する炭素量以上に保つ。これにより、大気中で行なわれる工程（Ｓ１２）の熱間鍛造や工程（Ｓ１３）の大気焼鈍において素材ブランクリングの表層部に発生する脱炭層へ復炭して、成形部品の表層部が含有する炭素量を、熱処理前炭素量以上とする。また、カーボンポテンシャルの上限値を規定し、カーボンポテンシャルを高めすぎないことにより、炭化物が粗大化しない雰囲気に保つことができる。たとえば、素材として０．９５質量％以上１．１０質量％以下の炭素を含有するＳＵＪ２を使用するとき、カーボンポテンシャルを１．０％以上１．１％以下とすることができる。より具体的には、カーボンポテンシャルを、熱処理前炭素量（質量％）＋０．０３以上熱処理前炭素量（質量％）＋０．１０以下、好ましくは熱処理前炭素量（質量％）＋０．０５以上熱処理前炭素量（質量％）＋０．１０以下とすることができる。雰囲気ガスのカーボンポテンシャルの下限値を熱処理前炭素量より若干高めることで、鋼中への炭素の拡散を加速させ、できるだけ早く成形部品の表層部が熱処理前炭素量と同等あるいはやや高い炭素量を含有するように復炭させることができる。一方、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルの上限値を規定することにより、粗大な炭化物が成形部品の表面や表層部に形成されることに伴う研削加工性の低下や、黒皮部の割れ強度低下などを防止することができる。たとえば、素材のＳＵＪ２が含有する炭素量が１．００質量％であれば、カーボンポテンシャルを、１．０５％以上１．１０％以下とすることができる。このとき同時に、雰囲気ガスであるＲＸガスにアンモニアガスを添加して、浸炭窒化処理することにより、成形部品の表面を硬化させる。アンモニアガスの添加量は、ＲＸガス比３体積％以上１０体積％以下、たとえば５体積％とすることができる。
【００４２】
次に工程（Ｓ１８）において、焼入された成形部品をＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱して鋼の組織と性質を調整する、焼戻が行なわれる。焼入後の鋼は非常に硬いがもろいために、焼戻によって、組織ならびに機械的性質の安定化、じん性の改善、残留応力の軽減あるいは除去に伴う寸法精度の安定化を行なう。これにより、必要な鋼の硬度を得る。次に工程（Ｓ１９）において、成形部品の表面を研削して仕上げる。以上のような製造方法によって、完成品としての転動部品が製造される。
【００４３】
これにより、通常長時間の加熱を行なう最終熱処理工程、すなわち工程（Ｓ１７）の浸炭窒化焼入において、カーボンポテンシャルを制御し、工程（Ｓ１２）の熱間鍛造と工程（Ｓ１３）の大気焼鈍とにおいて脱炭した炭素を補う。よって、復炭焼鈍のような特別な復炭処理工程を設けることなく、成形部品表層部の脱炭層を復炭できる。また、焼入後において脱炭層のない成形部品を提供できることから、工程（Ｓ１６）の旋削において、脱炭層除去のために被削リングの表面を旋削する必要がない。よって、旋削する必要のある部分が少なくなり旋削工数を低減でき、工程を簡略化できる。また、旋削工数が少ないため、旋削に使用する工具の磨耗量も低減することができる。その上、旋削される部分が少ないため、転動部品の製造に必要な素材の量を低減できるので素材の歩留まりが向上し、また削りくずなどの廃棄物の発生量を低減することができる。したがって、生産能率の向上と製造コストの低減を達成することができる。さらに、完成品の転動部品の表層部が含有する炭素量を熱処理前炭素量以上とすることから、転動部品の表面硬度を向上できる。したがって、転動部品の転動疲労強度を向上することができる。
【００４４】
ここで、工程（Ｓ１７）において、浸炭窒化処理する時間を、浸炭窒化処理による成形部品への炭素侵入深さを脱炭層の深さよりも深くするような時間として、制御することができる。すなわち、脱炭層の深さを予め測定し、それよりも深く炭素が侵入するような時間浸炭窒化処理することができる。脱炭層の深さは、たとえば浸炭窒化前の成形部品の表層部を切り出し研磨した上で、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）にて表層部の炭素濃度分布を計測し、炭素濃度が減少している深さより推定することができる。また、浸炭窒化処理の必要時間は、浸炭窒化処理後の成形部品表層部の炭素濃度分布をＥＰＭＡにて計測することにより、炭素濃度が成形部品の中心部より高くなっている領域の深さから炭素侵入深さを推定し、炭素侵入深さと浸炭窒化処理時間との関係を得て、得られた関係式を用いて規定することができる。たとえば、８５０℃で浸炭窒化処理する場合、炭素侵入深さＤ（ｍｍ）と浸炭窒化処理時間Ｈ（時間）との間には、  Ｄ＝０．３５〜０．４√Ｈ  の関係がある。
【００４５】
図９は、各製造工程における鋼が含有する炭素量を説明する模式図である。図９において、１．０質量％の炭素を含有する鋼を用いて転動部品を製造するとき、大気焼鈍後においては表層部に脱炭層が形成される。たとえば０．７質量％の炭素を含有する脱炭層が表層部に形成され、脱炭層の深さをＬ１とする。そして、浸炭窒化処理する時間を制御し、浸炭窒化処理による鋼への炭素侵入深さを脱炭層の深さよりも深くする。たとえば鋼表層部に炭素が侵入することにより、１．１質量％の炭素を含有する炭素侵入層が形成され、炭素侵入層の深さをＬ２とする。この場合、Ｌ１とＬ２とには、Ｌ１＜Ｌ２の関係が成立する。これにより、浸炭窒化処理後、鋼の表層部が含有する炭素量を、確実に熱処理前炭素量以上とすることができる。
【００４６】
次に、この発明の転動部品の製造方法の変形例を説明する。図５は、転動部品の製造方法の変形例を示す流れ図である。図５に示す転動部品の製造方法と、上述した図４に示す転動部品の製造方法とは、基本的に同様の工程を備えている。しかし、図５に示す転動部品の製造方法では、図４において工程（Ｓ１３）から工程（Ｓ１５）に相当する工程が、図５に示すような工程（Ｓ２３）から工程（Ｓ２４）となっている点で、図４に示す転動部品の製造方法とは異なっている。
【００４７】
具体的には、工程（Ｓ１２）の熱間鍛造により素材ブランクリングとした後に、通常行なわれる球状化焼鈍を行なわずに、工程（Ｓ２３）において、素材ブランクリングをそのまま温間でのリングローリング加工により成形圧延して内輪と外輪との原形となる被削リングとする。この温間加工によって炭化物の球状化が進行するのと同時に強加工が加わるので、炭化物が微細化しながら球状化する。
【００４８】
温間加工の加熱条件は以下のように設定することができる。すなわち、未溶解のパーライトを残留させないためには６００℃以上で温間加工するする必要がある。一方、温度の上げすぎでオーステナイト変態量が多くなりすぎてパーライトを再生させるような事態を防止するためには、８２０℃以下で温間加工する必要がある。よりよく軟化させるためには、加工温度を炭化物の球状化率が高い６８０℃以下８００℃以上とすることが好ましい。
【００４９】
次に工程（Ｓ２４）において、軟化冷却を行なう。これにより、冷却後に炭化物を細かく微細にして球状化することができる。ここで、冷却後の硬さを下げるためには温間加工後の冷却速度を徐冷制御する必要がある。冷却速度はできるだけ遅いほうが好ましく、十分軟化させるためには５℃／秒以下に設定する必要がある。しかし、生産性やコストを考慮すると１℃／秒以上にする必要がある。よりよく軟化させるためには、３℃／秒以下の冷却速度が好ましい。
【００５０】
これにより、素材の熱間加工後にそのまま温間加工を行なうにあたり、加熱条件やその後の冷却速度を徐冷制御することで、冷却後には炭化物が微細球状化した組織とすることができる。したがって、熱間加工後の球状化焼鈍処理を省略することが可能となるため、さらに工程を簡略化でき、さらなる生産能率向上と製造コストの低減を達成することができる。
【００５１】
次に、最終熱処理工程、すなわち浸炭窒化焼入工程および焼戻工程における熱処理方法について詳細に説明する。図６は、転動部品の製造方法に含まれる最終熱処理工程、すなわち浸炭窒化焼入工程および焼戻工程における、熱処理方法を説明する図である。図６において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図６において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図６を参照して、熱処理方法の詳細を説明する。
【００５２】
図６を参照して、冷間加工により所定の寸法に仕上げられた成形部品は、Ａ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上１５０分間以下の時間、たとえば９０分間保持される。このとき、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、熱処理前炭素量以上に保ち、さらに雰囲気ガスであるＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気において加熱される。これにより、成形部品の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される浸炭窒化処理が実施される。その後、成形部品が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却される。これにより、浸炭窒化焼入工程が完了し、成形部品は焼入硬化される。
【００５３】
さらに、焼入硬化された成形部品はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、転動部品の最終熱処理工程が完了する。
【００５４】
これにより、通常長時間の加熱を行なう浸炭窒化焼入工程において、カーボンポテンシャルを制御し、鋼の表層部において脱炭した炭素を補う。よって、復炭焼鈍のような特別な復炭処理工程を設けることなく、製品の脱炭を復炭できる。
【００５５】
図７は、転動部品の製造方法に含まれる最終熱処理工程、すなわち浸炭窒化焼入工程および焼戻工程における、熱処理方法の変形例を説明する図である。図７において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図７において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図７を参照して、熱処理方法の変形例の詳細を説明する。
【００５６】
図７を参照して、冷間加工により所定の寸法に仕上げられた成形部品は、Ａ１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上１５０分間以下の時間、たとえば９０分間保持される。このとき、雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを、熱処理前炭素量以上に保ち、さらに雰囲気ガスであるＲＸガスにアンモニアガスを添加した雰囲気において加熱される。これにより、成形部品の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される浸炭窒化処理が実施される。その後、成形部品が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に冷却される。これにより、１次焼入が完了する。
【００５７】
さらに、１次焼入が実施された成形部品がＡ１点以上の温度である７３０℃以上８３０℃以下の温度、たとえば８００℃に再び加熱される再加熱が実施され、その後３０分間以上１２０分間以下の時間、たとえば５０分間保持される。このとき、浸炭窒化処理において調整された炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度となるように、たとえば脱炭を防止するため、たとえばＲＸガスを含む雰囲気において加熱される。さらに、成形部品が、たとえば油冷されることにより、Ａ１点以上の温度からＭｓ点以下の温度に急冷されて焼入硬化される。これにより、２次焼入が完了する。
【００５８】
さらに、２次焼入が完了した成形部品はＡ１点以下の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。これにより、焼戻工程が完了する。以上の手順により、転動部品の最終熱処理工程が完了する。
【００５９】
上記の熱処理は、図６において説明した熱処理方法、すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入する熱処理方法（普通焼入）よりも、表層部を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。また、オーステナイト結晶粒の粒径を、普通焼入を行なう場合の２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。したがって、上記の熱処理により製造される転動部品は、転動疲労特性がより長寿命であり、割れ強度をより向上させ、経年寸法変化率をより減少させることができる。なお、オーステナイト結晶粒とは、焼入加熱中に相変態したオーステナイトの結晶粒のことであり、冷却によりマルテンサイトに変態した後も常温において残存しているものをいう。
【００６０】
図８は、転動部品の製造方法に含まれる最終熱処理工程、すなわち浸炭窒化焼入工程および焼戻工程における、熱処理方法の他の変形例を説明する図である。図８において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図８において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。図８を参照して、熱処理方法の他の変形例の詳細を説明する。
【００６１】
図８に示す熱処理方法と、上述した図７に示す熱処理方法とは、温度および時間の条件を含めて基本的に同様の工程である。しかし、図８に示す熱処理方法では、浸炭窒化に引き続いて油冷を実施して１次焼入を完了するのではなく、まずＡ１点以下の温度に冷却した後、室温（常温）まで冷却することなく再びＡ１点以上の温度に再加熱する点で、図７に示す熱処理方法とは異なっている。
【００６２】
これにより、一度焼入を実施し室温まで冷却した後に再加熱する場合に比べて、再加熱に要する時間およびエネルギーを小さくすることが可能となるため、製造コストを低減し得る点において有利である。なお、浸炭窒化後に引き続く冷却温度はＡ１点よりも低い温度、すなわち鉄のオーステナイトからフェライトへの変態点以下の温度であればよく、たとえば６５０℃以上７００℃以下とすることができる。
【実施例１】
【００６３】
以下、本発明の実施例について説明する。従来の転動部品の製造方法、すなわち最終熱処理工程の前に被削リング表面の全面研削を行なわず、かつ復炭しない雰囲気で最終熱処理を行なう方法でサンプルを製造した。また、同じ素材を用いて、図４に示すこの発明の転動部品の製造方法で他のサンプルを製造した。そして、焼入および焼戻完了後のサンプルの表層部のミクロ組織を顕微鏡で観察し、さらに炭素濃度分布をＥＰＭＡにより計測した。
【００６４】
図１０は、従来の製造方法による転動部品の表層部を示す図である。図１１は、この発明の製造方法による転動部品の表層部を示す図である。図１０および図１１において、（Ａ）は、ピクラル（ピクリン酸アルコール溶液）を用いて腐食させ観察可能な状態とした転動部品表層部のミクロ組織の光学顕微鏡写真（倍率４００倍）である。また（Ｂ）は、転動部品の表面からの深さと炭素濃度との関係を示すグラフであり、横軸は転動部品の表面からの深さ（単位：ｍｍ）を示し、縦軸はＥＰＭＡにより計測した炭素濃度（単位：質量％）を示す。
【００６５】
図１０（Ｂ）を参照して、転動部品の表面から０．１ｍｍ深さまでの炭素濃度は０．６〜０．８質量％であり、表面から０．１ｍｍ以上の深さの内部と比較して炭素濃度が低くなっている。すなわち、表層部に脱炭層が発生していることがわかる。図１０（Ａ）において、白地が転動部品の観察面を示し、黒点が炭素を示す。転動部品の表面付近は黒点が少なく、表層部に発生した脱炭層において炭素濃度が低くなっていることが観察される。
【００６６】
一方、図１１（Ｂ）を参照して、転動部品の表面から０．０６ｍｍ深さまでの炭素濃度が、表面から０．０６ｍｍ以上の深さの内部と比較して高くなっている。すなわち、浸炭窒化処理によって転動部品の表層部が復炭して、さらに素材が加熱される前に含有する炭素量以上となっていることがわかる。図１１（Ａ）において、写真の上部が転動部品の表層部を示し、転動部品の表面付近に黒点が多くなっており、転動部品の表面付近の炭素濃度が高くなっていることが観察される。
【００６７】
以上より、最終熱処理工程において浸炭窒化処理された転動部品は、表層部が含有する炭素量が、素材が加熱される前に含有する炭素量以上となっている。これにより転動部品の表面硬度は向上され、転動疲労強度も向上しているといえる。さらに、転動疲労強度に優れている転動部品を転がり軸受に用いることにより、長寿命な転がり軸受を提供することができる。
【００６８】
これまでの説明においては、転動部品としての軌道輪（内輪と外輪）と、転動体（玉またはころ）とを備える転がり軸受を例に説明したが、この発明は種々の転動部品に適用することができる。たとえば、ボールねじにおけるねじ軸およびナット、リニアガイド装置における案内レールおよびスライダ、直動ベアリングにおける軸および外筒などに適用することができる。
【００６９】
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。この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。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の一実施の形態の転動部品を備えた転がり軸受としての深溝玉軸受の構成を示す断面模式図である。
【図２】転がり軸受の変形例である円筒ころ軸受の構成を示す断面模式図である。
【図３】転がり軸受の他の変形例である円錐ころ軸受の構成を示す断面模式図である。
【図４】転動部品の製造方法を示す流れ図である。
【図５】転動部品の製造方法の変形例を示す流れ図である。
【図６】転動部品の製造方法に含まれる最終熱処理工程における熱処理方法を説明する図である。
【図７】熱処理方法の変形例を説明する図である。
【図８】熱処理方法の他の変形例を説明する図である。
【図９】各製造工程における鋼が含有する炭素量を説明する模式図である。
【図１０】従来の製造方法による転動部品の表層部を示す図である。（Ａ）はミクロ組織の光学顕微鏡写真であり、（Ｂ）は、転動部品の表面からの深さと炭素濃度との関係を示すグラフである。
【図１１】この発明の製造方法による転動部品の表層部を示す図である。（Ａ）はミクロ組織の光学顕微鏡写真であり、（Ｂ）は、転動部品の表面からの深さと炭素濃度との関係を示すグラフである。
【図１２】従来の転動部品の製造方法を示す流れ図である。
【図１３】従来の転動部品の他の製造方法を示す流れ図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  深溝玉軸受、２  外輪、３  内輪、４  玉、５  保持器、６  円筒ころ軸受、７  ころ、８  円錐ころ軸受。
【図１】
0004712603.tif 000002
【図２】
0004712603.tif 000003
【図３】
0004712603.tif 000004
【図４】
0004712603.tif 000005
【図５】
0004712603.tif 000006
【図６】
0004712603.tif 000007
【図７】
0004712603.tif 000008
【図８】
0004712603.tif 000009
【図９】
0004712603.tif 000010
【図１２】
0004712603.tif 000011
【図１３】
0004712603.tif 000012
【図１０】
0004712603.tif 000013
【図１１】
0004712603.tif 000014