(57)【要約】【課題】  熱処理工数を短縮した上で、炭化物を高密度に微細分散することができる機械部品および軸受を提供する。【解決手段】  Ｃ：０.６ｗｔ％以上を含む鋼素材から形成されるころ（転動体）１１であって、そのころ１１が鋼素材の表層に形成された炭素富化層１１ａを有し、その炭素富化層の炭素濃度が１.２ｗｔ％以上であり、炭化物が平均直径で７.５μｍ以下である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素（Ｃ）を０.６ｗｔ％以上含む鋼から形成される機械部品であって、
その機械部品が前記鋼の表層に形成された炭素富化層を有し、
前記炭素富化層の炭素濃度が１.２ｗｔ％以上であり、炭化物が平均直径で７.５μｍ以下である、機械部品。
【請求項２】
内方部材と、外方部材と、前記内方部材と外方部材との間に位置する転動体とを有する軸受であって、
前記内方部材、外方部材および転動体のうちの少なくとも１つの部品が、炭素（Ｃ）を０.６ｗｔ％以上含む鋼から形成され、前記鋼の表層に形成された炭素富化層を有し、
前記炭素富化層の炭素濃度が１.２ｗｔ％以上であり、炭化物が平均直径で７.５μｍ以下である、軸受。
【請求項３】
前記鋼がさらにクロム（Ｃｒ）を０.４５ｗｔ％以上含む、請求項１に記載の機械部品または請求項２に記載の軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性、耐表面損傷性、転がり疲労寿命を向上させた機械部品および軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
高濃度浸炭処理は、高密度の炭化物の微細分散組織を鋼の表層に生成させる処理であり、耐摩耗性、耐表面損傷性、疲労強度が重要視される部位に適用されている（特許文献１〜５参照）。高濃度浸炭処理を施される鋼は、その鋼素材の炭素濃度が０．５ｗｔ％以下の肌焼き鋼である。
【０００３】
高濃度浸炭処理では、鋼中の浸炭分布と炭化物の析出とを制御する必要がある。その炭化物の大きさと量とを制御することを目的に、浸炭処理後に冷却および加熱の工程を数回繰返すことにより、鋼への炭素の拡散とその浸炭層での炭化物の析出を調整する方法が提案されている（上記特許文献１）。
【０００４】
また、炭化物が多く析出した鋼表面は、耐摩耗性、耐表面損傷性に優れ、さらにその炭化物が高密度に微細分散析出しているほど、その部分の疲労強度が向上することが知られている（非特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−４１８６３号公報
【特許文献２】特開平８−８１７３７号公報
【特許文献３】特開平８−３３８４９３号公報
【特許文献４】特開２００２−３０３３８号公報
【特許文献５】特開２００３−１３９１６６号公報
【非特許文献１】光洋製鋼株式会社ＣＡＴ、No.１３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高濃度浸炭処理では、炭化物の高密度な分散析出を材料内部にまで形成するために、高い炭素濃度を材料内部まで分布させる必要がある。高い炭素濃度を材料内部まで分布させるには、高いカーボンポテンシャル（Ｃp）値での長時間の浸炭処理を行なう必要がある。しかし、この方法は、（ｄ1）熱処理工数に長時間かかる点、（ｄ2）その熱処理の間に炭化物の粗大化を引起こすという点で問題があった。
【０００６】
炭化物の粗大化を防ぐ方法としては、浸炭後の工程に低いカーボンポテンシャル値での拡散処理工程を入れるという方法がある。しかし、炭素の拡散と炭化物の分布状態の双方を制御することが難しいという技術的な問題があった。大型製品や熱処理変形が大きい部品では、研磨取代が大きいため、高濃度浸炭組織をより深い位置まで分布させる必要があるが、上述の問題により高濃度浸炭処理を大型製品や熱処理変形が大きい部品に適用することが困難であった。
【０００７】
高濃度浸炭処理とは、表層部に炭化物を分布させ、所定の炭素濃度が固溶しているマルテンサイト相を生成させる処理であるが、その定義はさまざまである。ここでは、浸炭処理した部分の炭素濃度が１.２ｗｔ％以上になっており、その処理部における応力集中元である炭化物が平均直径で７．５μｍ以下、望ましくは５μｍ以下である浸炭処理を高濃度浸炭処理とする。なお、鋼中の炭素は、炭化物の状態、マルテンサイトへの固溶状態、また残留オーステナイトが存在する場合にはその残留オーステナイトへの固溶状態で存在する。上記炭素濃度は、炭素富化層について上記の状態をすべて含んで測定される値である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、熱処理工数を短縮することができ、炭化物を高密度に微細分散することができる機械部品および軸受を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の機械部品は、炭素を０.６ｗｔ％以上含む鋼から形成される機械部品である。そして、その機械部品は鋼の表層に形成された炭素富化層を有し、その炭素富化層の炭素濃度が１.２ｗｔ％以上であり、炭化物が平均直径で７.５μｍ以下である。
【００１０】
また、本発明の軸受は、内方部材と、外方部材と、前記内方部材と外方部材との間に位置する転動体とを有する軸受である。そして、内方部材、外方部材および転動体のうちの少なくとも１つの部品が、炭素を０.６ｗｔ％以上含む鋼から形成され、鋼の表層に形成された炭素富化層を有し、その炭素富化層の炭素濃度が１.２ｗｔ％以上であり、炭化物が平均直径で７.５μｍ以下である。上記の内方部品および外方部品は、転がり軸受などにおける内輪および外輪でもよいし、また内方部材がロッカーアームの転動軸やハブベアリングにおけるハブ輪などであってもよい。転動体は、鋼球、ころ、円すいころなど形状は問わない。
【００１１】
本発明の機械部品および軸受では、上述の高濃度浸炭処理を適用する鋼として、肌焼き鋼に比べ炭素濃度が高いずぶ焼入れ鋼を用いる。炭素濃度が高い鋼に浸炭処理を行なうことにより、所定の浸炭深さを得るために必要な浸炭時間を短くすることができるので、熱処理の処理工数を短縮化でき、有利である。また、浸炭後の炭素の濃度勾配は、炭素濃度が高い鋼のほうが緩やかである。このため、炭素濃度が高い鋼では、拡散時に炭素分布の変化が小さく、炭化物の分布状態の制御を比較的容易に行なうことができる。このため、本発明の機械部品および軸受では、肌焼き鋼に比べ、鋼内部にまで炭化物の高密度な分散析出を短時間で容易に達成することができる。
【００１２】
炭化物の高密度の析出をより容易に得るためには、上記の高濃度浸炭処理を適用する鋼中の炭素濃度が０．６ｗｔ％以上である必要がある。これは、軸受部品の熱処理では、マルテンサイト中の固溶炭素濃度が０．６ｗｔ％程度となるようにヒートパターンなどを設定するので、炭化物の迅速な析出には、鋼の炭素濃度が０．６ｗｔ％以上であるほうが有利なためである。
【００１３】
また、上記高濃度浸炭処理を施すことによって得られる組織である高濃度浸炭組織、すなわち、炭化物が高密度に分散析出した組織を得るには、炭化物形成元素であるクロムが多く含まれている鋼素材のほうが有利である。そのクロム濃度は、一般的なクロム鋼における０．４ｗｔ％以上とすることが望ましい。
【００１４】
本発明で得られた機械部品および軸受は、浸炭処理工程を短縮した上で、通常の高濃度浸炭品（０．５ｗｔ％炭素以下の肌焼き鋼で作った製品）と同等の耐摩耗性と耐表面損傷性を有しており、材料内部で亀裂が発生する転動疲労に対しても通常の高濃度浸炭品と同等の性能を有している。したがって、大型の転動部品および熱処理変形が大きい部品のような研磨取代が大きい製品では、本発明品は大きな効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるころ（転動体）１１を示す図である。上記ころ１１はＣ：０.６ｗｔ％以上を含む鋼素材から形成されている。この鋼素材はさらにＣｒ：０.４ｗｔ％以上を含めばより望ましい。上記ころ１１は表層に炭素富化層１１ａを有している。炭素富化層１１ａでは、炭素濃度が１.２ｗｔ％以上であり、また炭化物の平均直径は７.５μｍ以下である。
【００１６】
炭素濃度の測定は、ＪＩＳに規定する方法で行なうことができる。炭化物の平均直径の測定は、光学顕微鏡の２次元写真から画像解析により炭化物の総面積と数とを測定し、以下の２つの式を用いて算出する。
（１）（炭化物の総面積）／（炭化物の数）＝炭化物１つ当たりの平均面積
（２）３.１４×（炭化物の平均直径／２）2＝炭化物１当たりの平均面積
上記の光学顕微鏡写真に代えて、電子顕微鏡写真を用いてもよい。
【実施例１】
【００１７】
本発明例（ＳＵＪ２製高濃度浸炭品）と、肌焼き鋼を用いた通常の高濃度浸炭品の性能を比較するために、材質、耐摩耗性、清浄油潤滑下における転動寿命および異物混入潤滑下における転動寿命を評価した結果について説明する。
【００１８】
（本発明例）
ＳＵＪ２（１．０ｗｔ％Ｃ、０．１５−０．３５ｗｔ％Ｓｉ、０．６−０．８５ｗｔ％Ｍｎ、０．９−１．２ｗｔ％Ｃｒ、残部Ｆｅ）を高濃度浸炭処理の被処理材（鋼）として準備した。この被処理材を表１のヒートパターンにて浸炭した後、１８０℃×２ｈの焼戻処理を施して試験体Ｎｏ.１〜５を得た。以下、「Ｎｏ.」を省略して試験体１〜５などと記す。
【００１９】
比較例Ａ（肌焼き鋼を用いた通常の高濃度浸炭品）
ＳＣｒ４２０（０．２ｗｔ％Ｃ、０．１５−０．３５ｗｔ％Ｓｉ、０．６−０．８５ｗｔ％Ｍｎ、０．９−１．２ｗｔ％Ｃｒ、残部Ｆｅ）を被処理材として用意した。この被処理材を表１のヒートパターンにて浸炭した後、１８０℃×２ｈの焼戻処理を施して試験体６〜１０を得た。
【００２０】
比較例Ｂ（浸炭処理なし）
ＳＵＪ２（１．０ｗｔ％Ｃ、０．１５−０．３５ｗｔ％Ｓｉ、０．６−０．８５ｗｔ％Ｍｎ、０．９−１．２ｗｔ％Ｃｒ、残部Ｆｅ）を被処理材として用意した。この被処理材を表１のヒートパターンにてずぶ焼入れした後、１８０℃×２ｈの焼戻処理を施して試験体１１を得た。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表２に、浸炭工程時の処理時間と炭化物の析出深さの関係を示す。炭化物が多く析出している深さ範囲は、本発明例、比較例Ａともに浸炭処理時間の増加につれて増加しているが、その増加の程度は、本発明例のほうが処理時間が短いにも拘わらず本発明例のほうが大きい。これは、比較例で用いているＳＣｒ４２０材のベース炭素濃度が、本発明例のＳＵＪ２の炭素濃度に比べて低いため、高濃度の炭素分布を深くまで形成させ難いためである。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
図２に本発明例と比較例の炭化物分布の一例を示す。図には表層付近（０．２ｍｍ深さ位置）と内部（１．０ｍｍ深さ位置）の炭化物の分布状態を示した。本発明例（試験体５）では表層から内部（１ｍｍ）にまで高濃度浸炭組織、すなわち高密度に炭化物が微細分散した組織が観察できた。一方、比較例Ａ（試験体１０）では、内部（１．０ｍｍ深さ位置）において炭化物の析出が少なかった。
【００２５】
以上より高濃度浸炭組織（高密度に炭化物が微細分散した組織）を素材内部の深い位置にまで短い処理時間で分布させるには、素材の炭素濃度が高いずぶ焼入用の鋼を用いることが有利であるといえる。上記実施例では、ずぶ焼入用の鋼としてＳＵＪ２材を用いている。高濃度浸炭に用いる鋼素材としては、炭素濃度が低い浸炭鋼よりも、上記ＳＵＪ２を含め炭素濃度が高いずぶ焼入鋼（素材の炭素濃度が０．５ｗｔ％以上のずぶ焼入鋼）のほうが適当である。
【００２６】
次にサバン型磨耗試験を本発明例と比較例とに対して行なった。サバン型磨耗試験の試験条件は次の通りである。
【００２７】
サバン型磨耗試験の試験条件：
（１）荷重  ５０Ｎ、（２）すべり速度０.０５ｍ／秒で６０分間運転、（３）試験片表面粗さＲａ０.００５μｍ、（４）相手材表面粗さＲａ０.０１μｍ（ＳＵＪ２標準焼入品、硬度ＨＶ７８０）、（５）潤滑：モービル製ベロシティーＮｏ.３
上記の試験条件を用いて行なったサバン型磨耗試験結果を図３に示す。図３には、研磨取代を変化させたときの試験結果を示している。研磨取代が少ない場合、本発明例（試験体５）と比較例Ａ（試験体１０）の耐磨耗性は、比較例Ｂ（試験体１１）に比べいずれも優れていることがわかる。本発明例は、研磨取代が大きい場合でも、比較例Ａと同等の耐摩耗性能を有しており、研磨取代が大きくなってもその性能を維持することがわかる。これは大型の転動部品の熱処理変形が大きい物品のような研磨取代が大きい製品には本発明品が好適であることを示している。
【００２８】
次に異物混入潤滑下の転動寿命試験について説明する。試験条件は次の通りである。
（１）試験片：型番６２０６深溝玉軸受、（２）最大面圧：３.２ＧＰａ，（３）回転数：２０００ｒｐｍ、（４）潤滑油：タービン油ＶＧ５６油１ｌ（リットル）中に高速度鋼ガスアトマイズ粉（粒径〜１５０μｍ）０.４ｇ添加したもの、（５）潤滑油量：油浴中４０ｍｌ（ミリリットル）
表３に上記の試験条件で行った異物混入潤滑下の転動寿命試験結果を示す。本発明例（試験体５）の転動疲労寿命は、比較例Ａ（試験体１０）と同等であり、比較例Ｂ（試験体１１）よりも優れているという結果が得られた。これは異物混入潤滑下の転動寿命においても、本発明品の性能が肌焼き鋼を用いた通常の高濃度浸炭品である比較例Ａ（試験体１０）と遜色なく高い性能を有することを示している。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
さらに、清浄油潤滑下の転動寿命試験について説明する。試験条件は次の通りである。
（１）φ１２×Ｌ２２試片と（３／４）”鋼球での点接触転がり疲労試験、（２）Ｐmax５.８８ＧＰａ、（３）負荷速度４６２４０ｃｐｍ、（４）潤滑：タービンＶＧ６８
表４に上記清浄油潤滑試験条件下の転動寿命試験結果を示す。本発明例（試験体５）の転動寿命は、比較例Ａ（試験体１０）と同等であり、比較例Ｂ（試験体１１）よりも優れているという結果であった。これは、清浄油潤滑下の転動寿命においても、本発明例の性能が上記通常の高濃度浸炭品である比較例Ａ（試験体１０）と遜色なく、高い性能を有することを示している。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
上記の試験結果によれば、上記本発明の実施例における機械部品および軸受は、浸炭処理時間を短縮した上で、従来の肌焼き鋼浸炭処理材と同等の耐磨耗性、異物混入潤滑条件下での耐久性などを、研磨取代が大きい部品などを含めて確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の機械部品および軸受は、浸炭処理時間を短縮した上で、肌焼き鋼を用いた通常の高濃度浸炭品と同等の性能を有するので、自動車部品を中心に多くの機械部品および軸受、とくに大型の部品および熱処理変形が大きく研磨取代が大きい部品を含むものに広く用いられることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態におけるころ（転動体）を示す図である。
【図２】本発明の実施例における本発明例と比較例の炭化物分布の一例を示す図である。
【図３】研磨取代を変化させたときのサバン型磨耗試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  ころ（転動体）、１１ａ  炭素富化層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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