(57)【要約】【課題】  耐水素疲労特性に優れた鋼からなる転動部品および転がり軸受を提供する。【解決手段】  Ｃ：０.５〜１.２ｗｔ％、Ｓｉ：０.１〜１ｗｔ％、Ｍｎ：０.１〜１.５ｗｔ％、Ｃｒ：０.１〜２ｗｔ％を含み、かつ０.１ｗｔ％以上の微細なＶ炭化物が分散する鋼から構成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０.５〜１.２ｗｔ％、Ｓｉ：０.１〜１ｗｔ％、Ｍｎ：０.１〜１.５ｗｔ％、Ｃｒ：０.１〜２ｗｔ％を含み、かつ０.１ｗｔ％以上の微細なＶ炭化物が分散する鋼から構成される、転動部品。
【請求項２】
前記転動部品は８００〜１０００℃の温度域から焼き入れられ、前記微細Ｖ炭化物は８００〜１０００℃の温度域で残存していた析出物である、請求項１に記載の転動部品。
【請求項３】
前記鋼が、次の（１）式および（２）式を満たす、請求項１または２に記載の転動部品。
H=5.8[Si] + 11.5[Mn] + 56.2[V] + 15.2[Mo]  ..........（１）
H≦７０  ............................................（２）
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の転動部品を、内輪、外輪および転動体のうちの少なくとも１つに用いた、転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転動部品および転がり軸受に関し、より具体的には、高荷重、稀薄潤滑、滑りを伴う転がり、異物混入潤滑、水混入潤滑などの厳しい条件下において耐久性が要求される用途に適した転動部品および転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受をはじめとする転動部品は、高荷重、稀薄潤滑、転がり滑り、異物混入潤滑、水混入潤滑などの厳しい条件下で使用されると、潤滑剤が分解して水素が発生し、それが鋼中に侵入することにより早期剥離が生じ易くなる。水素は鋼の疲労強度を著しく低下させるため、実用条件下において転動表面または表層内部から容易に亀裂が発生し、伝播して早期剥離に至る。しかし、その早期剥離のうちの多くは、転動表面に繰返し作用する周方向の引張応力が重畳して起きると考えられる。今後、自動車などのコンパクト化や省エネ化に対応するため、転動部品の使用条件は益々厳しくなる傾向にあり、耐水素疲労特性に優れた鋼材が必要となる。
【０００３】
鋼材の耐水素疲労特性を向上させるために、Ｃｒ含有率を高め、鋼表面に不動態膜を形成しやすくすることにより、鋼中への水素の侵入を抑制する技術が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−２８２１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ｃｒ含有率を高めると炭化物が粗大化し、それが応力集中部となって早期剥離が生じることがある。また、不動態膜は水素の拡散を遅らせる効果があるが、発生した水素が鋼表面に吸着するのを促進する効果も併せ持つ。間をおいて時々使われる転動部品であれば、停止時に水素が散逸するため、鋼中への水素の侵入を遅らせることは、早期剥離の防止に有効である。しかし、装置に組み込まれて連続して使われるものであれば、不動態膜が多くの水素を吸着する分、鋼中に侵入する水素量が増すため、早期剥離が生ずることになる。今後、無人で連続稼働される転動部品が増えることが予想され、そのような用途に対しては上記の技術では不十分である。
【０００５】
本発明は、上記のような問題を解決するものであって、耐水素疲労特性に優れた鋼材からなる転動部品および転がり軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の転動部品は、Ｃ：０.５〜１.２ｗｔ％、Ｓｉ：０.１〜１ｗｔ％、Ｍｎ：０.１〜１.５ｗｔ％、Ｃｒ：０.１〜２ｗｔ％を含み、かつ０.１ｗｔ％以上の微細なＶ炭化物が分散する鋼から構成される。
【０００７】
Ｖ炭化物は疲労強度の低下を招く拡散性水素を強力にトラップし、剥離の起点になる非金属介在物などの応力集中源への拡散性水素の集積を抑制する効果がある。上記の拡散性水素をトラップする作用は、焼入れ温度で未固溶状態で残存する微細なＶ炭化物が有する。
【０００８】
転動部品の転動接触部には、通常、高硬さが要求されるため、焼入れした後に低温焼戻して用いられる。上記微細なＶ炭化物は、焼入れ加熱時または浸炭時にＶ炭化物として安定に存在する。上記微細なＶ炭化物は、焼入れした後に低温焼戻ししても安定に残存する。
【０００９】
なお、Ｖは炭素と結合してＶ炭化物を生成するが、窒素とも結合しやすい。鋼中には、Ｎが０.０２５ｗｔ％以下程度含まれるので微細なＶ炭化物には窒素も含まれる場合がある。しかし、炭素濃度が非常に高いのでＶ炭化物と呼ぶこととする。
【００１０】
Ｍｏ炭化物やＴｉ炭化物もＶ炭化物ほどではないものの同様の効果がある。しかしながら、Ｍｏは高濃度に含有しないと焼入れ加熱時または浸炭時ではＭｏ炭化物としては存在せず母地に溶けてしまうため、焼入れした後に低温焼戻しした状態ではＭｏ炭化物は残存しない。Ｔｉは窒素との親和性が強く、非金属介在物の１つであるＴｉ窒化物を形成するため、剥離の起点となる応力集中源が増えることになる。
【００１１】
なお、Ｖは素材硬さを高めるので、中炭素鋼のように焼鈍せずに用いる鋼材の場合は、Ｖ含有率が高すぎると加工性が損なわれる。このため、必要とされる他の合金元素の含有率との兼ね合いで、それぞれの含有率を適当に調整する必要がある。
【００１２】
Ｃ：０.５〜１.２ｗｔ％
Ｃの下限を０．５ｗｔ％としたのは、高周波焼入れ鋼は通常中炭素鋼であるが、Ｃが０．５ｗｔ％未満では高周波焼入れ後に転動接触部に必要とされる硬度が得られなくなるためである。一方、Ｃの上限を１．２ｗｔ％としたのは、ずぶ焼き鋼の場合、焼入れ焼戻し後に残存する未溶解炭化物が粗大化し、靭性が低下するためである。なお、ここでいうＣ濃度すなわち炭素含有率は、転動接触部におけるＣのことであり、浸炭鋼の場合には浸炭後の表層の炭素含有率を指す。
【００１３】
Ｓｉ：０.１〜１ｗｔ％
Ｓｉの下限を０．１ｗｔ％としたのは、元々Ｓｉは精錬における脱酸のために添加されるもので、０.１ｗｔ％以下に減らすこと自体が困難であり、そうすることの意味もないからである。Ｓｉは焼戻しによる軟化を抑える効果があり、高温用途で用いる安価な鋼材には欠かせない。しかし、１ｗｔ％を超えると冷間加工性、熱間加工性が低下するので、それを上限とする。
【００１４】
Ｍｎ：０.１〜１.５ｗｔ％
Ｍｎの下限を０．１ｗｔ％としたのは、Ｍｎは鋼中に不可避的に含まれるＳと化合してＭｎＳを析出するため、Ｓの粒界偏析およびそれに起因する脆化を抑制するためである。また、Ｓｉと同様にＭｎも精錬における脱酸処理などのために鋼中に添加されるものなので、０.１ｗｔ％以下に減らすこと自体が困難であり、そうすることの意味もないからである。Ｍｎは鋼材の焼入性を向上させる有効な元素である。しかし、Ｍｎは含有率が高すぎると素材硬度を上昇させすぎて加工性や被削性を低下させる。そのため、Ｍｎの上限は１．５ｗｔ％とした。
【００１５】
Ｃｒ：
Ｃｒの下限を０．１ｗｔ％としたのは、その程度の量は不純物として含まれ、それより低くすることで各種機械的特性が向上することはないためである。一方、含有率が高すぎることで炭化物が粗大化するため、それが応力集中源となって早期剥離が生じることがある。また、不動態膜（Ｃｒ酸化物膜）は水素の拡散を遅くする効果はあるが、発生した水素が鋼表面に吸着するのを促進する効果も併せ持つためである。したがって、Ｃｒの上限は２ｗｔ％とする。
【００１６】
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの個々の上下限を設定した根拠は上記のとおりだが、それらの組合せについて注意すべきことが２つある。１つは、Ｓｉは高温でもフェライトを安定にするため、Ｃ含有率が共析組成の範囲で、かつＳｉ含有率が高い場合にはＡ3点が上昇する。このため、ＭｎおよびＣｒの含有率によっては焼入れ加熱温度が低過ぎると完全にオーステナイト化しないため焼入れ性が不足することである。もう１つは、ＭｎやＣｒは低温でもオーステナイトを安定にするため、上記Ｃの下限または上限で、かつＭｎやＣｒの含有率が高い場合には、焼入れ加熱温度または浸炭温度が高過ぎるとＶ炭化物が安定に存在しなくなることである。なお、これらの確認には多元系合金の平衡状態図を用いればよい。現在では、多元系合金の平衡状態相を計算により精度よく容易に求めることができる。
【発明の効果】
【００１７】
微細なＶ炭化物を含む鋼材により転動部品を構成することで、高荷重、稀薄潤滑、転がり滑り条件、異物混入潤滑、水混入潤滑などの厳しい条件下で使用され、潤滑剤が分解して水素が発生しても、それが鋼中に侵入することで生じる早期剥離を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
つぎに図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１〜図３は、本発明の実施の形態における転動部品が用いられる軸受を示す図である。図１は、深みぞ玉軸受を示すが、溝が設けられた内輪３と外輪４との間に、保持器６に収納された転動体のボール５が配置されている。上記内輪３、外輪４およびボール５の少なくとも１つに本発明の転動部品が用いられている。上記深みぞ玉軸受は、上記内輪、外輪およびボールを備え、溝の形状が上記深みぞ玉軸受と異なるアンギュラ玉軸受であってもよい。深みぞ玉軸受もまたアンギュラ玉軸受も本発明の転動部品を少なくとも１つ備える転がり軸受である。
【００２０】
図２は、本発明の別の実施の形態である円筒ころ軸受（転がり軸受）を示す図である。この円筒ころ軸受は、転動体５の形状が円筒形である点が図１に示す転がり軸受と相違するだけで他の構成は図１に示す構成と同じである。
【００２１】
また、図３は、本発明のさらに別の実施の形態の円すいころ軸受（転がり軸受）を示す図である。図３に示す円すいころ軸受は円すいの傾きが大きい高傾斜型円すいころ軸受である。転がり軸受であり、内輪３と外輪４と転動体５とが含まれ、それらのうちの少なくとも１つが本発明の転動部品である限り、上記傾斜角度の大小によらず、本発明の実施の形態に対応する。
【００２２】
上記転動部品は、浸炭焼入れ、高周波焼入れを含め、焼入れされたまま、またはその後に焼戻されて用いられる鋼材からなる転動部品である。特に高荷重、稀薄潤滑、滑りを伴う条件、異物混入潤滑、水混入潤滑などの厳しい条件下において耐久性が要求される用途に適した転動部品およびその転動部品を内輪、外輪および転動体の少なくとも１つに用いた軸受である。たとえば転がり軸受の深溝玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受などである。
【００２３】
上記の転動部品は、Ｃ：０．５〜１．２ｗｔ％、Ｓｉ：０．１〜１ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．１〜２ｗｔ％を含み、かつ０．１ｗｔ％以上の微細なＶ炭化物が分散する鋼から構成されることにより、耐水素疲労特性が大幅に向上する。上記の鋼は、８００〜１０００℃の温度域から焼入れられ、微細Ｖ炭化物は焼入れ加熱温度で残存していた析出物とすることができる。
【００２４】
さらに上記の転動部品を形成する鋼が次の（１）式および（２）式を満たすようにできる。
【００２５】
H=5.8[Si] + 11.5[Mn] + 56.2[V] + 15.2[Mo]  ..........（１）
H≦７０  ............................................（２）
上記（１）式および（２）式を満たすことにより被削性の劣化を防止することができる。なお、上記（１）式にはＭｏが含まれているが、鋼中にＭｏが含まれなくてもよい。
【実施例１】
【００２６】
１．軸荷重疲労試験
表１に示す発明例Ａ−１〜Ａ−１０および比較例Ａ−１１〜Ａ−２０の鋼材から、試験部の直径が４ｍｍの疲労試験片を製作した。表１中に示した焼入れ加熱温度からずぶ焼入れした後、１８０℃で焼戻しを施した。熱処理後の硬さは、表１に示すように、いずれもＨＶ７００以上であった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１中のＨの値はＳｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏを（１）式に代入して求めた値である。また表１中のＶ炭化物量は、焼入れ加熱温度において平衡状態にあるときに、安定に存在し得るＶ炭化物量の計算値である。比較例のうちＶを含まない鋼材にはＶ炭化物は存在しないので「−」と記した。なお、比較例Ａ−１１、Ａ−１２はそれぞれＪＩＳ ＳＵＪ２、ＪＩＳ ＳＵＪ３である。
【００２９】
表２に示す本発明例Ｂ−１〜Ｂ−４および比較例Ｂ−５〜Ｂ−１０の鋼材から、試験部の直径が４ｍｍの疲労試験片を製作した。試験部の炭素濃度が内部まで均一に０．８ｗｔ％となるように、適切な浸炭温度で浸炭し、表２に示した焼入れ加熱温度に下げてから焼入れし、次いで１８０℃で焼戻しを施した。熱処理後の硬さは、表２に示すように、いずれもＨＶ７００以上であった。表中のＨの値はＳｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏを（１）式に代入して求めた値である。表中のＶ炭化物量は、焼入れ加熱温度において平衡状態にあるときに、安定に存在し得るＶ炭化物量の計算値である。それが０．０１ｗｔ％未満の鋼材には「<０．０１」と記した。比較例のうちＶを含まない鋼材にはＶ炭化物は存在しないので「−」と記した。なお、比較例Ｂ−５はＪＩＳ ＳＣＭ４２０である。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表３に示す本発明例Ｃ−１および比較例Ｃ−２〜Ｃ−１２の各鋼材から、試験部の直径が４ｍｍの疲労試験片を製作した。そして、試験部が内部まで均一に硬化するように、表３に示した焼入れ加熱温度を狙って高周波加熱し、次いで焼入れして、１５０℃で焼戻しを施した。熱処理後の硬さは、表３に示すように、いずれもＨＶ７００以上であった。表中のＨの値はＳｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏを（１）式に代入して求めた値である。表中のＶ炭化物量は、高周波加熱温度において平衡状態にあるときに、安定に存在し得るＶ炭化物量の計算値である。それが０．０１ｗｔ％未満の鋼材には「<０．０１」と記した。比較例のうちＶを含まない鋼材にはＶ炭化物は存在しないので「−」と記した。なお、比較例Ｃ−２はＪＩＳ Ｓ５３Ｃである。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
疲労試験に先立ち、試験片に陰極電解法により水素チャージを施した。水素チャージには、１．４ｇ／ｌのチオ尿素を含む０．０５ｍｏｌ／ｌの希硫酸水溶液を用いた。鋼材の鋼種によって水素の拡散速度が異なり、また、鋼種が異なると同じ電流密度でも表面の水素濃度が異なる。それらを予め求めた上で、電流密度とチャージ時間を調整し、試験部の内部まで拡散性水素量が均一に３ｗｔｐｐｍとなるようにした。なおここでいう拡散性水素量とは、１８０℃／ｈで常温から３５０℃まで昇温したときにサンプルから放出される水素重量のサンプル重量に対する分率のことである。
【００３４】
試験片に水素チャージした後、直ちに常温大気中で疲労試験を行なった。試験における応力比はＲ＝−１であり、負荷周波数は２０ｋＨｚである。負荷回数が１０8回に達しても未破断であった場合は試験を打ち切った。なお、試験片に導入された拡散性水素は、常温でも鋼中を拡散し、時間が経てば散逸してしまう。しかし、今回行なった試験では高速負荷とし、極短時間で負荷回数が１０8回に達するので、拡散性水素が散逸する余地がない。したがって、疲労強度に及ぼす拡散性水素の影響を合理的に評価することができる。
【００３５】
ずぶ焼入れ鋼の疲労試験結果を、日本材料学界標準ＪＳＭＳ−ＳＤ−６−０２の連続降下型片対数曲線モデルに当てはめてＳＮ回帰曲線を求め、それから１０7回における１０％疲労強度を求めた。表４にその値を示す。Ｖ炭化物が焼入れ加熱温度においてある程度安定に存在する本発明例では、そうでない比較例に対して１０7回における１０％疲労強度は高かった。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
上記ずぶ焼入れ鋼と同様にして求めた浸炭焼入れ鋼、高周波焼入れ鋼の１０7回における１０％疲労強度を、それぞれ表５、６に示す。これらの場合もずぶ焼入れ鋼の場合と同様に、Ｖ炭化物が焼入れ加熱温度においてある程度安定に存在する発明鋼は、そうでない比較例に対して１０7回における１０％疲労強度が高かった。
【００３８】
【表５】
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【００３９】
【表６】
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【００４０】
転動部品の実用最大接触面圧は高くても４ＧＰａ程度であり、４ＧＰａの最大面圧が作用したときに転走表面に繰返し作用する周方向の引張り応力は、転がり摩擦を考慮しても計算上７００ＭＰａ程度である。また、今回の疲労試験では、３ｗｔｐｐｍの拡散性水素を強制的に導入して影響を見たが、実際にはそれほど高濃度の水素が侵入するのは稀なケースと考えられる。すなわち、１０7回における１０％疲労強度が７００ＭＰａ以上であれば、実用に十分耐え得るものと考えられる。この観点から表１〜３を見ると、ずぶ焼入れ、浸炭焼入れ、高周波焼入れを問わず、本発明例はいずれもＶ炭化物を０．１ｗｔ％以上含んでおり、７００ＭＰａ以上の１０％疲労強度を有している。
【００４１】
一方、比較例の１０7回における１０％疲労強度はすべて７００ＭＰａ未満である。したがって、合金元素として少なくともＶを含有し、かつ焼入れ加熱温度において０．１ｗｔ％以上のＶ炭化物が安定に存在することが、耐水素疲労強度を良好に保つための必要条件といえる。
２．加工性試験
上記のように、Ｖは耐水素疲労強度の向上に不可欠である。しかし、Ｖ含有率が高すぎると加工性が損なわれる。そこで、加工性を確認するため、表１の発明例および比較例に対して同一条件で球状化焼鈍した後、厚さ１０ｍｍの試験片を製作した。それに直径２ｍｍのドリルで一定条件で孔をあけ、ドリルが破損するまでに開けられる孔の数を調べた。
【００４２】
図４に表１におけるＨの値と開けた孔数との関係を示す。図４によれば、Ｈの値が７０程度以下ではドリルの寿命は緩やかに低下し、それを超えると急激に寿命が低下した。（１）式からわかるように、Ｖ含有率はＨの値に対する寄与が最も大きい。したがって、耐水素疲労特性と加工性とのバランスを良好に保つためには、むやみにＶ含有率を高くせずに、かつＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ含有率を適正に調整することにより、Ｈの値を７０以下とすることが望ましい。
【００４３】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら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。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の転動部品を用いることにより、微細なＶ炭化物が鋼中に安定に分布して鋼中に侵入した水素をトラップするので水素に起因する繰り返し負荷による早期剥離を抑制することができる。さらにＶ等の組成を調整することにより被削性の劣化を防止することができる。このため、高荷重、稀薄潤滑、滑りを伴う転がり、異物混入潤滑、水混入潤滑などの厳しい条件下において耐久性が要求される用途に広範に用いられることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態における深みぞ玉軸受を示す図である。
【図２】本発明の別の実施の形態における円筒ころ軸受を示す図である。
【図３】本発明のさらに別の実施の形態における円すいころ軸受を示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるＨと、ドリルによる孔あけ数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
３  内輪、４  外輪、５  転動体（ボール、円筒、円すい）、６  保持器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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