(57)【要約】【課題】  寿命の長い転がり支持装置を、低コストで且つ効率よく製造する。【解決手段】  Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼からなる素材を用いて、オーステナイト域に加熱した後に放冷する第１の工程と、放冷後の素材を、再度オーステナイト域に加熱する第２の工程と、再度オーステナイト域に加熱した後の素材を、オーステナイト再結晶温度以上で塑性加工することにより所定形状とする第３の工程と、塑性加工により所定形状とされた素材に、焼入れ処理および焼戻し処理を施す第４の工程と、からなる熱処理を行う。そして、転がり面をなす表層部に存在する炭化物の最大粒径を０．８μｍ以下とするとともに、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径を６μｍ以下とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼からなる素材を、オーステナイト域に加熱した後に放冷する第１の工程と、
放冷後の素材を、再度オーステナイト域に加熱する第２の工程と、
再度オーステナイト域に加熱した後の素材を、オーステナイト再結晶温度以上で塑性加工することにより所定形状とする第３の工程と、
塑性加工により所定形状とされた素材に、焼入れ処理および焼戻し処理を施す第４の工程と、を行うことを特徴とする鋼の熱処理方法。
【請求項２】
前記第４の工程を、前記第３の工程で塑性加工により所定形状とされた素材を放冷し、再度オーステナイト域に加熱した後に行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼の熱処理方法。
【請求項３】
互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材が前記第二部材に対して相対運動する転がり支持装置において、
前記第一部材、第二部材、および転動体の少なくとも一つは、Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼からなる素材に、前記請求項１に記載の熱処理方法が施されて得られ、
その転がり面をなす表層部に存在する炭化物の最大粒径が０．８μｍであるとともに、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径が６μｍ以下であることを特徴とする転がり支持装置。
【請求項４】
互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材が前記第二部材に対して相対運動する転がり支持装置において、
前記第一部材、第二部材、および転動体の少なくとも一つは、Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼からなる素材に、前記請求項２に記載の熱処理方法が施されて得られ、
その転がり面をなす表層部に存在する炭化物の最大粒径が０．８μｍであるとともに、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径が６μｍ以下であることを特徴とする転がり支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼の熱処理方法およびこれを用いて製造された転がり支持装置（例えば、転がり軸受，ボールねじ，リニアガイド等）に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の使用条件が苛酷になるにつれて、転がり軸受の回転に伴う発熱量が増加する傾向にある。このため、自動車，一般産業機械，工作機械, 鉄鋼機械等用の転がり軸受として使用される玉軸受，アンギュラ玉軸受，円筒ころ軸受，円錐ころ軸受，自動調心ころ軸受等の長寿命化に対する要求がさらに高まってきている。このような転がり軸受の材料としては、高炭素クロム軸受鋼（高炭素鋼）を用いることが一般的である。
【０００３】
転がり軸受の転がり疲れ寿命を向上させる方法としては、浸炭窒化処理により鋼中の炭素および窒素の固溶量を増大させる固溶硬化法や、Ｍｏ（モリブデン）やＶ（バナジウム）等の元素を添加して炭化物を析出させる析出硬化法や、結晶粒の微細化による強化方法等が挙げられる。
このうち、固溶硬化法は浸炭窒化処理に長時間を要し、析出硬化法は添加する元素が増えるため、いずれもコストの上昇につながる。
一方、多結晶材料の結晶粒径と強度との関係については、結晶粒径の−１／２乗に比例して材料の強度が増すというホールペッチ則が知られている。このように、結晶粒径を細かくすることで組成が同じ軸受鋼の強度を高くできるため、結晶粒の微細化による強化方法は、近年注目を集めている。
【０００４】
この方法の一例として、特許文献１では、高炭素鋼からなる素材をオーステナイト化した後、Ａ1 変態点以上の熱間温度域とＡ1 変態点以下の温間温度域とでこの順にそれぞれ塑性加工を施し、再度オーステナイト化した後に焼入れおよび焼戻しを行うことにより、旧オーステナイトの結晶粒径を微細化することが提案されている（図１１参照）。また、高炭素鋼からなる素材は、温間温度域での変形抵抗が大きいという理由から、加工精度の低い熱間温度域で塑性加工を施すのが一般的である。この特許文献１には、高炭素鋼からなる素材を、熱間温度域で粗加工した後に温間温度域で精密加工することにより、加工精度を向上できると記載されている。
【特許文献１】特許第２５２４１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法では、塑性加工を行う二つの温度域での正確な温度制御が必要であるため、塑性加工を施す装置が複雑になり、製造コストが高くなる。また、この方法では、高温で長時間保持する必要があるため、生産性の点でさらなる改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、寿命の長い転がり支持装置を、低コストで且つ効率よく製造できる熱処理方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために、本発明は、鋼からなる素材をオーステナイト域に加熱した後に放冷する第１の工程と、放冷後の素材を再度オーステナイト域に加熱する第２の工程と、再度オーステナイト域に加熱した後の素材をオーステナイト再結晶温度以上で塑性加工することにより所定形状とする第３の工程と、塑性加工により所定形状とされた素材に焼入れ処理および焼戻し処理を施す第４の工程と、を行うことを特徴とする鋼の熱処理方法を提供する。
【０００７】
第１の工程では、鋼からなる素材に、オーステナイト域（過共析鋼ではＡ1 変態点以上の温度域，亜共析鋼ではＡ3 変態点以上の温度域）に加熱した後に放冷する処理（以下、「焼ならし」と記す。）を施すことにより、鋼からなる素材が、ソルバイトのような微細なパーライト組織（セメンタイトとフェライトが層状に重なりあった組織）となる。
第２の工程では、第１の工程で微細なパーライト組織とした鋼からなる素材をオーステナイト域に加熱することにより、パーライト組織中のセメンタイト（炭化物）が短時間で分解・分断されて、オーステナイト組織中に炭素が固溶するため、炭化物が微細化するとともに、炭化物の数が増加する。これにより、オーステナイト組織の核が形成される箇所が増えるとともに、炭化物によるピン止め効果が得られる。すなわち、第１の工程で素材を微細なパーライト組織にすることにより、第２の工程で再度オーステナイト域に加熱する際に結晶粒の成長が抑制される。
【０００８】
第３の工程では、焼ならし後に再度オーステナイト域に加熱された鋼からなる素材を、オーステナイト再結晶温度以上で塑性加工することにより、オーステナイト結晶粒が変形し、歪みが導入される。この第３の工程は、塑性加工をオーステナイト再結晶温度以上で行うため、歪みが導入された直後からオーステナイトの再結晶が始まって新しいオーステナイト結晶粒が形成され、オーステナイト結晶粒の微細化が進行する。この歪みの導入により、塑性加工後の再結晶時にオーステナイトの核が形成される箇所が増えるとともに、炭化物によるピン止め効果が得られるため、オーステナイト結晶粒径を小さくできる。
なお、塑性加工の方法としては、例えば、熱間ローリングミルによるローリング成形や、熱間鍛造が挙げられる。
【０００９】
第４の工程では、塑性加工により所定形状とされた素材に、直ちに焼入れ処理が施されることにより、旧オーステナイトの結晶粒径が微細なマルテンサイト結晶を得ることができる。ここで、第１および第２の工程を行わずに、通常の焼入れ処理および焼戻し処理が施された軸受鋼では、旧オーステナイトの結晶粒径が１５〜２０μｍのマルテンサイト組織となるのに対して、本発明の熱処理方法によれば、旧オーステナイトの結晶粒径が６μｍ以下のマルテンサイト結晶を得ることができる。
【００１０】
本発明の熱処理方法において、第４の工程は、第３の工程で塑性加工終了後の素材に対して直ちに行うことが好ましいが、第３の工程で塑性加工により所定形状とされた素材を放冷し、再度オーステナイト域に加熱した後に行うようにしてもよい。放冷後の加熱方法としては、炉加熱でもよいが、再度オーステナイト域に加熱する際にオーステナイト結晶粒の成長を効果的に抑制するために、高周波加熱により急速に加熱することが好ましい。また、焼入れ処理は、高周波焼入れにより行うことが好ましい。
【００１１】
本発明はまた、互いに対向配置される軌道面を備えた第一部材および第二部材と、前記第一部材と第二部材の間に転動自在に配設された複数個の転動体と、を備え、前記転動体が転動することにより前記第一部材が前記第二部材に対して相対運動する転がり支持装置において、前記第一部材、第二部材、および転動体の少なくとも一つは、Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼からなる素材に、本発明の熱処理方法が施されて得られ、その転がり面をなす表層部に存在する炭化物の最大粒径が０．８μｍ以下であるとともに、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径が６μｍ以下であることを特徴とする転がり支持装置を提供する。
【００１２】
なお、本発明において「転がり支持装置」とは、転がり軸受, ボールねじ, およびリニアガイド等を指す。ここで、転がり支持装置が転がり軸受の場合には、第一部材および第二部材は内輪および外輪を指し、転がり支持装置がボールねじの場合には、第一部材および第二部材はねじ軸およびナットを指し、転がり支持装置がリニアガイドの場合には、第一部材および第二部材は案内レールおよびスライダを指す。
【００１３】
また、本発明で用いる「Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼」は、構成組織としてマルテンサイト，セメンタイト，残留オーステナイトを含む鋼であれば特に限定されず、例えば高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）や高炭素クロム軸受鋼三種（ＳＵＪ３）が挙げられる。なお、Ｃ含有率が０．８質量％未満となると、表層部に炭化物が存在し難くなる。一方、Ｃ含有率が多過ぎると、寿命延長効果が飽和し、製鋼時に巨大炭化物が発生し易くなるため、Ｃ含有率は１．２質量％以下とすることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明における「表層部」とは、表面から所定深さ（例えば、１００μｍ）までの部分を指す。さらに、本発明における「旧オーステナイトの結晶粒径」とは、マルテンサイト組織をエッチングすることで現れる旧オーステナイト粒の平均粒径であり、焼入れによりマルテンサイト組織になる前の、オーステナイト域で保持中のオーステナイト結晶粒径に相当するものである。
【００１５】
本発明の転がり支持装置によれば、Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼からなる素材に本発明の熱処理を施して、転がり面をなす表層部に存在する炭化物と、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径を特定したことにより、転がり疲れ寿命を長くできる。ここで、転がり面をなす表層部に存在する炭化物の最大粒径の下限値は、生産性を考慮して、０．８μｍとすることが好ましく、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径の下限値は、生産性を考慮して、２μｍとすることが好ましい。
【００１６】
このような構成の表層部を得るためには、例えば、Ｃ含有率が０．８質量％以上の鋼として高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）を用いて、以下の条件で上述した熱処理を行えばよい。すなわち、第１の工程は、９００〜１０００℃で１０〜３０分間加熱保持した後に放冷を行う。第２の工程は、７８０〜８２０℃で１０〜３０分間の加熱保持を行う。第３の工程は、７８０〜８２０℃で加工率２５％以上の塑性加工を行う。第４の工程は、塑性加工終了時の７８０〜８２０℃から焼入れた後、１６０〜２７０℃で９０〜１２０分間の加熱保持を行う。また、第３の工程で塑性加工が終了した後に放冷する場合には、放冷後に７８０〜８４０℃で１０〜３０分間の加熱保持を行った後、上述と同様の第４の工程を行う。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱処理方法によれば、第１の工程を行うことで鋼からなる素材を微細パーライト組織とした後に塑性加工することにより、マルテンサイト組織での旧オーステナイトの結晶粒径の微細化を、上述した特許文献１に記載の方法よりも低コストで且つ効率よく行える。
本発明の転がり支持装置によれば、本発明の熱処理方法を用いて、転がり面をなす表層部に存在する炭化物と、前記表層部での旧オーステナイトの結晶粒径を特定したことにより、転がり疲れ寿命の長い転がり支持装置を、上述した特許文献１に記載の方法よりも低コストで且つ効率よく製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の熱処理方法の実施形態について説明する。
本実施形態では、まず、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材に球状化焼鈍処理を施した後に、表１に示す各方法で塑性加工率（圧下率）を変えて熱処理を施すことにより、Ｎｏ．１〜１４の円板状の試験片（直径６０ｍｍ，厚さ６ｍｍ）を作製した。  なお、表１に「Ａ」で示す熱処理は、図１に示す条件で行った。また、表１に「Ｂ」で示す熱処理は、図２に示す条件で行った。さらに、表１に「Ｃ」で示す熱処理は、図３に示す条件で行った。さらに、表１に「Ｄ」で示す熱処理は、図４に示す条件で行った。さらに、表１に「Ｅ」で示す熱処理は、図５に示す条件で行った。ここで、塑性加工の終了温度は、いずれも塑性加工前のオーステナイト域の加熱温度よりも２０℃以下に下がらないようにした。
【００１９】
このようにして得られた試験片について、表層部（表面から１００μｍの深さまでの部分）での旧オーステナイトの結晶粒径（γ結晶粒径）と炭化物の最大粒径（最大炭化物粒径）を、以下のように測定した。
まず、塩化第二鉄と塩酸の混合溶液を用いて試験片の表面をエッチングし、旧オーステナイトの結晶粒界を現出させた。そして、この面を走査型電子顕微鏡により２０００〜３０００倍に拡大して写真を撮影した。この写真を用いて、旧オーステナイトの結晶粒径を測定し、その平均値を算出した。この結果は、表１に併せて示す。
また、炭化物の最大粒径は、前記面を走査型電子顕微鏡により５０００〜１００００倍に拡大して撮影した写真を用いて、１視野中に存在する粒子径が最も大きな炭化物から順に５個選び、その平均値を算出した。この結果は、表１に併せて示す。
【００２０】
図６は、試験片Ｎｏ．７の金属組織を示す電子顕微鏡写真であり、（ａ）は３０００倍で撮影した写真，（ｂ）は７０００倍で撮影した写真である。図７は、試験片Ｎｏ．１４の金属組織を示す電子顕微鏡写真であり、（ａ）は３０００倍で撮影した写真，（ｂ）は７０００倍で撮影した写真である。
図６および図７に示すように、本発明の熱処理方法で形成し、表層部での旧オーステナイトの結晶粒径および炭化物の最大粒径を本発明の範囲内とした試験片Ｎｏ．７では、従来の熱処理方法で形成した試験片Ｎｏ．１４と比べて、旧オーステナイトの結晶粒径が小さくなっていることが分かる。
【００２１】
次に、これらの試験片を転がり軸受の部材として使用する場合を想定し、図８に示すスラスト型寿命試験機を用いて、以下に示す条件で寿命試験を行った。このスラスト型寿命試験機は、図８に示すように、潤滑油１が入った潤滑油槽２と、保持器３で保持された複数個の鋼球４と、回転軸５が一体に取り付けられた回転板６と、から構成されている。そして、各試験片を固定板７として潤滑油槽２内に取り付けて、その上面に鋼球４を介して回転板６を配置した後、スラスト荷重を負荷しつつ回転軸５を回転させることで、寿命試験を行った。なお、この試験は、試験片に剥離が発生するまで行い、この剥離が発生するまでの総回転時間を寿命として測定した。この結果は、各試験片について、ワイブル分布関数に基づくＬ10寿命を算出し、Ｎｏ．１４の寿命を１とした比で表１に併せて示した。〔寿命試験条件〕
面圧：４９００ＭＰａ
回転数：１０００ｍｉｎ-1
潤滑油：♯６８タービン油（油浴）
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１に示すように、本発明の熱処理方法を用いて、表層部での旧オーステナイトの結晶粒径および炭化物の最大粒径を本発明の範囲内とした試験片Ｎｏ．１〜８の寿命は、従来の熱処理方法を用いて形成した試験片Ｎｏ．１４の１．２２倍以上であった。
これに対して、本発明の熱処理方法を用いて、表層部での旧オーステナイトの結晶粒径および炭化物の最大粒径を本発明の範囲外とした試験片Ｎｏ．９〜１１の寿命は、従来の熱処理方法を用いて形成した試験片Ｎｏ．１４と略同程度であった。また、本発明とは異なる熱処理方法を用いることで、表層部での旧オーステナイトの結晶粒径と炭化物の最大粒径を本発明の範囲外とした試験片Ｎｏ．１２，１３の寿命は、従来の熱処理方法を用いて形成した試験片Ｎｏ．１４と略同程度であった。
このようにして得られたデータから、旧オーステナイトの結晶粒径と寿命比との関係を、図９のグラフに示す。図９に示すように、旧オーステナイトの結晶粒径が６μｍ以下になると、寿命比が１．２２以上になることが分かる。
【００２４】
さらに、本発明の熱処理方法を用いて形成した試験片Ｎｏ．１〜１１のデータから、塑性加工率と旧オーステナイトの結晶粒径との関係を、図１０のグラフに示す。図１０に示すように、塑性加工率を２５％以上とすることにより、旧オーステナイトの結晶粒径を６μｍ以下にできることが分かる。また、塑性加工率を３０％以上とすることにより、旧オーステナイトの結晶粒径を確実に６μｍ以下にできることが分かる。
したがって、Ｎｏ．１〜８のいずれかの試験片と同じ方法で転がり支持装置の第一部材、第二部材、および転動体を作製し、これらを用いて転がり支持装置を組み立てることにより、寿命の長い転がり支持装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の熱処理方法の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の熱処理方法の他の例を示す模式図である。
【図３】実施形態で比較例として用いた熱処理方法の一例を示す模式図である。
【図４】実施形態で比較例として用いた熱処理方法の他の例を示す模式図である。
【図５】実施形態で比較例として用いた熱処理方法の他の例を示す模式図である。
【図６】実施形態で得られた試験片Ｎｏ．７の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】実施形態で得られた試験片Ｎｏ．１４の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。
【図８】スラスト型寿命試験機を示す概略構成図である。
【図９】旧オーステナイトの結晶粒径と寿命比との関係を示す図である。
【図１０】塑性加工率と旧オーステナイトの結晶粒径との関係を示す図である。
【図１１】従来の熱処理方法の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      潤滑油
２      潤滑油槽
３      固定板（試験片）
４      保持器
５      鋼球
６      回転板
７      回転軸
【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】
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【図８】
2005314723.tif 000009
【図９】
2005314723.tif 000010
【図１０】
2005314723.tif 000011
【図１１】
2005314723.tif 000012
【図６】
2005314723.tif 000013
【図７】
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