(57)【要約】【課題】準高温環境における硬度低下の抑制および寸法安定性の向上とともに、硬度レベルの向上を達成可能な鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法、機械部品および当該機械部品を含む転がり軸受を提供する。【解決手段】鋼の熱処理方法は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼を準備する工程と、当該鋼を、Ａ１点以上の温度において浸炭窒化することにより、鋼の表面を含む領域に窒素富化層を形成する工程と、鋼を、窒素富化層のＭＳ点を超え、ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度に保持することにより、窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように窒素富化層をベイナイト変態させる工程とを備えている。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼を準備する工程と、
前記鋼を、Ａ１点以上の温度において浸炭窒化することにより、前記鋼の表面を含む領域に内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層を形成する工程と、
前記鋼を、前記窒素富化層のＭＳ点を超え、前記ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度に保持することにより、前記窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように前記窒素富化層をベイナイト変態させる工程とを備えた、鋼の熱処理方法。
【請求項２】
０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼を準備する工程と、
前記鋼を、Ａ１点以上の温度において浸炭窒化することにより、前記鋼の表面を含む領域に内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層を形成する工程と、
前記鋼を、前記窒素富化層のＭＳ点を超え、前記ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度に保持することにより、前記窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように前記窒素富化層をベイナイト変態させる工程とを備えた、鋼の熱処理方法。
【請求項３】
鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼部材を準備する工程と、
前記鋼部材に対して熱処理を実施する工程とを備え、
前記熱処理は、請求項１または２に記載の鋼の熱処理方法を用いて実施される、機械部品の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の機械部品の製造方法により製造された、機械部品。
【請求項５】
０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、
表面を含む領域には、内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層が形成され、
前記浸炭窒化層は、ベイナイト組織を含み、残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されている、機械部品。
【請求項６】
０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、
表面を含む領域には、内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層が形成され、
前記浸炭窒化層は、ベイナイト組織を含み、残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されている、機械部品。
【請求項７】
前記窒素富化層は、０．８質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．８質量％以下の窒素とを含んでいる、請求項５または６に記載の機械部品。
【請求項８】
軸受を構成する部品として用いられる、請求項４〜７のいずれか１項に記載の機械部品。
【請求項９】
軌道部材と、
前記軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備え、
前記軌道部材および前記転動体の少なくともいずれか一方は、請求項８に記載の機械部品である、転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法、機械部品および転がり軸受に関し、より特定的には、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素を含有する鋼の熱処理方法、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素を含有する鋼からなる機械部品の製造方法、機械部品および当該機械部品を含む転がり軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、転がり軸受などの機械要素が用いられる装置の高性能化に伴い、機械要素が従来よりも高温の環境下で使用される場合が多くなっている。機械要素を構成する部品である機械部品が鋼からなる場合、高温に曝されることにより機械部品が軟化し、十分な耐久性が確保できないという問題が生じ得る。２００℃を超えるような高温環境下において鋼からなる機械部品が使用される場合、当該機械部品を構成する鋼には、３質量％を超えるクロムやモリブデンなどの合金元素を多量に含んだ耐熱性に優れた鋼が採用される。これにより、機械部品が高温に曝された場合でも、機械部品の軟化が抑制され、十分な耐久性が確保される。
【０００３】
一方、機械部品が１００℃以上２００℃以下の温度域である準高温環境で使用される場合でも、上述のような耐熱性に優れた鋼を機械部品の素材として採用すれば、十分な耐久性が確保される。しかし、上記耐熱性に優れた鋼からなる機械部品は、準高温環境において使用される機械部品として要求される特性に対して過剰な特性を有している場合が多い一方、多量の合金元素の含有に起因して、加工や熱処理が難しく、製造コストが大幅に上昇するという問題がある。さらに、近年、クロムなどの金属の価格が高騰している。このような状況を考慮すると、準高温環境で使用される機械部品を構成する鋼としては、合金元素の添加量が抑制された鋼が採用されることが好ましい。
【０００４】
また、機械要素が用いられる装置の高性能化に伴い、機械要素に対しては寸法精度の向上、特に使用中の寸法変化量の低減が求められている。そのため、機械要素を構成する機械部品に対しても、寸法安定性の向上が要求されている。
【０００５】
合金元素の添加量が抑制された鋼の準高温環境における硬度低下を抑制し、かつ寸法安定性を向上させる方法として、鋼の組織をベイナイト化する方法が知られている。ベイナイト組織は準高温環境において安定であるため、ベイナイト組織を含む機械部品は、準高温環境における硬度の低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上する。このベイナイト組織は、上記準高温環境における硬度低下の抑制、寸法安定性の向上の他にも優れた特性を有しており、これを利用した機械部品が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−５０２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ベイナイト組織は、準高温環境における硬度低下が小さいものの、焼入硬化により形成されるマルテンサイト組織に比べて硬度レベルが低いため、高い応力が負荷される環境下で使用される機械部品への適用は難しいという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、準高温環境における硬度低下の抑制および寸法安定性の向上とともに、硬度レベルの向上を達成可能な鋼の熱処理方法、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品の製造方法、機械部品および当該機械部品を含む転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の局面における鋼の熱処理方法は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼を準備する工程と、当該鋼を、Ａ１点以上の温度において浸炭窒化することにより、鋼の表面を含む領域に内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層を形成する工程と、当該鋼を、窒素富化層のＭＳ点を超え、ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度に保持することにより、窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように窒素富化層をベイナイト変態させる工程とを備えている。
【０００９】
上述のように、鋼をベイナイト変態させることにより形成されるベイナイト組織は、焼入硬化により形成されるマルテンサイト組織に比べて硬度レベルが低い。したがって、当該ベイナイト組織を高い応力が負荷される環境下で使用される機械部品に適用するためには、ベイナイト組織の硬度レベルを向上させる必要がある。
【００１０】
一方、鋼の表面硬化方法として、鋼をＡ１点以上の温度において浸炭窒化することにより表面付近に窒素を侵入させた窒素富化層（鉄中に窒素を侵入させて固溶体を形成させた層）を形成する方法が知られている。ここで、鋼に浸炭窒化処理を実施した場合、鋼への窒素の侵入に起因して、硬度レベルの上昇だけでなく、鋼の組織中に含まれる残留オーステナイト量が多くなるという効果が生じる。残留オーステナイトを組織中に含む機械部品においては、使用中に当該残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、機械部品の表面に圧縮応力が生成する場合がある。この場合、機械部品の表層部における亀裂の発生および伝播が抑制され、機械部品の耐久性が向上するという効果を奏する。しかしながら、残留オーステナイトのマルテンサイトへの変態は体積変化を伴うため、浸炭窒化が実施された機械部品は寸法安定性が低下するという問題を生じる。そのため、浸炭窒化による鋼の表面硬化処理は、残留オーステナイトを積極的に利用可能な機械部品、すなわち寸法安定性よりもむしろ圧縮応力の生成等の効果が重視される機械部品を構成する鋼の熱処理に適用されている。その結果、寸法安定性を重視してベイナイト組織を含む機械部品に対しては、硬度レベルを向上させる手段として、浸炭窒化は採用されなかった。
【００１１】
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明者は、準高温環境における硬度低下の抑制および寸法安定性の向上とともに、硬度レベルを向上させる鋼の熱処理方法について詳細に検討した。その結果、鋼を浸炭窒化して窒素富化層を形成した上で、当該鋼を窒素富化層のＭＳ点よりも僅かに高い温度に冷却し、残留オーステナイト量が５体積％以下となるのに十分な時間保持してベイナイト変態させることにより、寸法安定性を確保しつつ、ベイナイト組織を有する鋼の硬度レベルを、高い応力が負荷される環境下で使用される機械部品に対しても十分な程度に向上させることが可能であることを見出した。
【００１２】
本発明の一の局面における鋼の熱処理方法においては、合金元素の添加量が抑制された上記成分組成を有する鋼に対して浸炭窒化を行ない、窒素富化層を形成した上で、当該鋼を、窒素富化層のＭＳ点を超え、ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度に保持することにより、窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように窒素富化層をベイナイト変態させるプロセスが採用される。そのため、鋼の表面を含む領域に形成された窒素富化層は、ベイナイト組織を含み、残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制される。したがって、本発明の一の局面における鋼の熱処理方法によれば、合金元素の添加量が抑制された鋼の準高温環境における硬度低下の抑制および寸法安定性の向上とともに、硬度レベルの向上を達成可能な鋼の熱処理方法を提供することができる。
【００１３】
本発明の他の局面における鋼の熱処理方法は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼を準備する工程と、当該鋼を、Ａ１点以上の温度において浸炭窒化することにより、鋼の表面を含む領域に内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層を形成する工程と、当該鋼を、窒素富化層のＭＳ点を超え、ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度に保持することにより、窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように窒素富化層をベイナイト変態させる工程とを備えている。
【００１４】
本発明の他の局面における鋼の熱処理方法は、基本的には上記本発明の一の局面における鋼の熱処理方法と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明の他の局面における鋼の熱処理方法では、熱処理後の鋼の用途等を考慮し、準備される鋼が、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含む点で、上記本発明の一の局面における鋼の熱処理方法とは異なっている。
【００１５】
本発明の他の局面における鋼の熱処理方法によれば、準備される鋼が、２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含むことにより、合金元素の添加量を抑制しつつ、硬度レベルをさらに向上させるとともに、準高温環境における硬度低下を一層抑制することができる。なお、硬度レベルの向上および準高温環境における硬度低下の抑制をより確実なものとするためには、クロム含有量は０．８質量％以上、モリブデン含有量は０．１質量％以上、ニッケル含有量は０．１質量％以上とすることが望ましい。
【００１６】
ここで、Ａ１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。
【００１７】
また、窒素富化層をベイナイト変態させる工程において鋼が保持される上記温度（以下、ベイナイト変態温度という）がＭＳ点よりも５０℃高い温度を超えると、鋼の硬度が低くなり、機械部品として使用した場合の耐久性が低下するおそれがある。そのため、ベイナイト変態温度はＭＳ点よりも５０℃高い温度以下とする必要があり、３０℃高い温度以下とすることが望ましい。一方、鋼がＭＳ点以下の温度に冷却されると、当該鋼はマルテンサイト変態する。そのため、ベイナイト変態温度はＭＳ点よりも高いことが必要であるが、温度制御の精度等を考慮し、ＭＳ点よりも１０℃高い温度以上とすることが好ましい。
【００１８】
さらに、窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下となるように窒素富化層をベイナイト変態させるためには、Ａ１点以上の温度に加熱した鋼をベイナイト変態温度に十分な時間保持する必要がある。当該保持時間は、ベイナイト変態温度および鋼の成分組成などの条件により変化するため、当該条件に合わせて設定する必要があるが、上記成分組成の鋼において、残留オーステナイト量を５体積％以下とするためには、６０分間以上とすることが好ましく、１２０分間以上とすることにより、残留オーステナイト量を、より好ましい範囲である２体積％以下に低減することができる。また、ベイナイト変態温度に鋼が保持される際、当該鋼の温度は、上記温度の範囲において変動してもよいが、残留オーステナイト量を容易に制御したい場合、一定の温度とすることが望ましい。さらに、窒素富化層が形成された後、Ａ１点からベイナイト変態温度までの冷却速度は、強度の低いパーライトの生成を抑制する観点から、パーライト変態を抑制可能な冷却速度とすることが好ましく、具体的にはＡ１点から５００℃までの冷却速度を２００℃／秒以上とすることが好ましい。以下、上記鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１９】
炭素：０．１質量％以上０．４質量％未満
機械部品を構成する鋼において、炭素が０．１質量％未満では、機械部品の表層部に浸炭を行ない、表層部の炭素濃度を増加させる際、当該浸炭に長時間を要し、機械部品の製造コストが上昇するおそれがある。一方、炭素が０．４質量％以上となると、機械部品の靱性が不十分となるおそれがある。したがって、炭素は０．１質量％以上０．４質量％未満とする必要がある。
【００２０】
珪素：０．１質量％以上１．１質量％以下
機械部品を構成する鋼において、珪素が０．１質量％未満では、機械部品の耐久性が低下するおそれがある。一方、珪素が１．１質量％を超えると、素材の硬度が上昇し、冷間加工性が低下するという問題が発生し得る。したがって、珪素は０．１質量％以上１．１質量％以下とする必要がある。
【００２１】
マンガン：０．５質量％以上１．５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、マンガンが０．５質量％未満では、機械部品の耐久性が低下するおそれがある。一方、マンガンが１．５質量％を超えると、素材の硬度が上昇し冷間加工性が低下するという問題が発生し得る。したがって、マンガンは０．５質量％以上１．５質量％以下とする必要がある。
【００２２】
本発明に従った機械部品の製造方法は、鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼部材を準備する工程と、鋼部材に対して熱処理を実施する工程とを備えている。そして、当該熱処理は、上記鋼の熱処理方法を用いて実施される。
【００２３】
本発明の機械部品の製造方法によれば、機械部品の概略形状に成形された鋼部材に対して、準高温環境における硬度低下の抑制および寸法安定性の向上を達成するとともに、硬度レベルを向上させることが可能な上記本発明の鋼の熱処理方法が実施されるため、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品を製造することができる。
【００２４】
本発明の一の局面における機械部品は、上記機械部品の製造方法により製造されている。本発明の一の局面における機械部品によれば、上記本発明の機械部品の製造方法により製造されていることにより、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品を提供することができる。
【００２５】
本発明の他の局面における機械部品は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成されている。表面を含む領域には、内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層が形成されている。そして、当該窒素富化層は、ベイナイト組織を含み、残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されている。
【００２６】
本発明の他の局面における機械部品においては、上記適切な成分組成からなる機械部品の表面を含む領域に窒素富化層が形成され、当該窒素富化層はベイナイト組織を含んでいる。すなわち、当該機械部品においては、表層部に形成されたベイナイト組織の窒素濃度が高められている。上述のように、ベイナイト組織は準高温環境において安定であるため、本発明の他の局面における機械部品においては、準高温環境における硬度の低下が抑制されている。また、当該ベイナイト組織の窒素濃度が高められていることにより、ベイナイト組織の硬度レベルが向上している。さらに、窒素富化層の残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されることにより、寸法安定性が向上している。その結果、本発明の他の局面における機械部品によれば、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品を提供することができる。
【００２７】
本発明のさらに他の局面における機械部品は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼から構成されている。表面を含む領域には、内部よりも窒素濃度が高い層である窒素富化層が形成されている。そして、当該窒素富化層は、ベイナイト組織を含み、残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されている。
【００２８】
本発明のさらに他の局面における機械部品は、基本的には上記本発明の他の局面における機械部品と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。しかし、本発明のさらに他の局面における機械部品では、機械部品の用途等を考慮し、当該機械部品を構成する鋼が、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含む点で、上記本発明の他の局面における機械部品とは異なっている。
【００２９】
本発明のさらに他の局面における機械部品によれば、機械部品を構成する鋼が、２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含むことにより、合金元素の添加量を抑制しつつ、硬度レベルをさらに向上させるとともに、準高温環境における硬度低下を一層抑制することができる。なお、硬度レベルの向上および準高温環境における硬度低下の抑制をより確実なものとするためには、クロム含有量は０．８質量％以上、モリブデン含有量は０．１質量％以上、ニッケル含有量は０．１質量％以上とすることが望ましい。
【００３０】
ここで、上記他の局面およびさらに他の局面における機械部品においては、窒素富化層の残留オーステナイト量は２体積％以下であることが好ましい。これにより、機械部品の寸法安定性が一層向上する。また、一般に、転がり軸受などの機械部品においては、当該機械部品の表層部、具体的には表面を含む厚み０．１５ｍｍ程度の領域の強度が重要になる場合が多い。そのため、上記他の局面およびさらに他の局面における機械部品においては、窒素富化層の厚みは０．１５ｍｍ以上であることが好ましい。さらに、上記窒素富化層は、硬度レベルを向上させる観点から、ベイナイト組織と、マルテンサイト組織と、５体積％以下の残留オーステナイトとからなっていることが好ましく、寸法安定性を向上させる観点から、ベイナイト組織が８０％体積以上を占めていることが好ましい。
【００３１】
上記他の局面およびさらに他の局面における機械部品において好ましくは、窒素富化層は、０．８質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．８質量％以下の窒素とを含んでいる。
【００３２】
炭素の含有量は、鋼の硬度に大きな影響を及ぼす。そして、機械部品を構成する鋼の硬度は、当該機械部品の耐久性を支配する重要な要因の１つである。鋼中の炭素含有量が０．８質量％未満では、機械部品の用途によっては表層部の硬度が不十分となるおそれがある。そのため、窒素富化層における炭素含有量は０．８質量％以上であることが好ましい。また、鋼中の炭素含有量が１．２質量％を超えると、鋼中に大型の鉄の炭化物が形成され、機械部品の耐久性に悪影響を与えるおそれがある。そのため、窒素富化層における炭素含有量は、１．２質量％以下であることが好ましい。
【００３３】
一方、窒素富化層における窒素含有量が０．１質量％未満では、ベイナイト組織の硬度レベルを向上させる効果が小さくなる。そのため、窒素富化層における窒素含有量は０．１質量％以上であることが好ましい。また、鋼中の窒素含有量が０．８質量％を超えると、鋼中にボイドが形成され、当該鋼からなる機械部品の耐久性を低下させるおそれがある。そのため、窒素富化層における窒素含有量は、０．８質量％以下とすることが好ましい。
【００３４】
上記機械部品は、軸受を構成する部品として用いられてもよい。準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した本発明の機械部品は、軸受を構成する部品として好適である。
【００３５】
本発明に従った転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触し、円環状の軌道上に配置される複数の転動体とを備えている。そして、軌道部材および転動体の少なくともいずれか一方は、上記機械部品である。これにより、準高温環境における耐久性および寸法安定性が向上した転がり軸受を提供することができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上の説明から明らかなように、本発明の鋼の熱処理方法によれば、準高温環境における硬度低下の抑制および寸法安定性の向上とともに、硬度レベルの向上を達成可能な鋼の熱処理方法を提供することができる。また、本発明の機械部品の製造方法、機械部品および転がり軸受によれば、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品の製造方法、機械部品および当該機械部品を含む転がり軸受を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面に基づいて本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り返さない。
【００３８】
図１は、本発明の一実施の形態における機械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概略断面図である。また、図２は、図１の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態における転がり軸受としての深溝玉軸受について説明する。
【００３９】
図１を参照して、深溝玉軸受１は、軌道部材としての環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された軌道部材としての環状の内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置され、円環状の保持器１４に保持された転動体としての複数の玉１３とを備えている。外輪１１の内周面には外輪転走面１１Ａが形成されており、内輪１２の外周面には内輪転走面１２Ａが形成されている。そして、内輪転走面１２Ａと外輪転走面１１Ａとが互いに対向するように、外輪１１と内輪１２とは配置されている。さらに、複数の玉１３は、その表面である玉転走面１３Ａにおいて内輪転走面１２Ａおよび外輪転走面１１Ａに接触し、かつ保持器１４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１１および内輪１２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００４０】
ここで、機械部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成されている。そして、図２を参照して、外輪１１、内輪１２および玉１３の表面である外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転走面１３Ａを含む領域には、内部１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃよりも窒素濃度が高い層である外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂがそれぞれ形成されている。さらに、外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂは、ベイナイト組織を含み、残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されている。ここで、上記不純物は、鋼の原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものなどの不可避的不純物を含む。
【００４１】
本実施の形態における機械部品である外輪１１、内輪１２および玉１３においては、上記適切な成分組成を有する鋼からなるとともに、表面に形成された外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転走面１３Ａを含む領域に、それぞれ外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂが形成されている。そして、外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂは、ベイナイト組織を含んでいる。すなわち、外輪１１、内輪１２および玉１３においては、表層部に形成されたベイナイト組織の窒素濃度が、外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂにより高められている。そのため、外輪１１、内輪１２および玉１３においては、準高温環境における表層部の硬度の低下が抑制されるとともに、硬度レベルが向上している。さらに、外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂの残留オーステナイト量が５体積％以下に抑制されることにより、寸法安定性が向上している。その結果、外輪１１、内輪１２および玉１３は、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品となっている。また、外輪１１、内輪１２および玉１３を備えた転がり軸受である深溝玉軸受１は、準高温環境における耐久性および寸法安定性が向上した転がり軸受となっている。
【００４２】
ここで、上記外輪１１、内輪１２および玉１３は、上記鋼に代えて、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼から構成されていてもよい。これにより、合金元素の添加量を抑制しつつ、硬度レベルをさらに向上させるとともに、準高温環境における硬度低下を一層抑制することができる。
【００４３】
さらに、外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂは、０．８質量％以上１．２質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．８質量％以下の窒素とを含んでいることが好ましい。これにより、表層部、特に外輪転走面１１Ａ、内輪転走面１２Ａおよび玉転走面１３Ａにおける硬度を十分に確保しつつ、過剰な炭素による大型の炭化物の形成や過剰な窒素によるボイドの形成を抑制し、外輪１１、内輪１２および玉１３の耐久性を向上させることができる。
【００４４】
図３は、本実施の形態における第１の変形例である機械部品を備えた転がり軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。また、図４は、図３のうち軌道輪の要部を拡大して示す概略部分断面図である。また、図５は、図３のうちニードルころを拡大して示す概略断面図である。図３〜図５を参照して、第１の変形例であるスラストニードルころ軸受について説明する。
【００４５】
図３を参照して、スラストニードルころ軸受２は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された軌道部材としての一対の軌道輪２１と、転動体としての複数のニードルころ２３と、円環状の保持器２４とを備えている。複数のニードルころ２３は、一対の軌道輪２１の互いに対向する主面に形成された軌道輪転走面２１Ａに、その外周面であるころ転走面２３Ａにおいて接触し、かつ保持器２４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、スラストニードルころ軸受２の一対の軌道輪２１は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００４６】
ここで、図３〜図５を参照して、本変形例におけるスラストニードルころ軸受２の軌道輪２１は、上記深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２に、ニードルころ２３は玉１３に該当し、同様の構成を有しており、同様の効果を奏する。すなわち、軌道輪２１およびニードルころ２３は、上記外輪１１、内輪１２および玉１３と同様の鋼からなっている。そして、軌道輪転走面２１Ａを含む領域には外輪窒素富化層１１Ｂおよび内輪窒素富化層１２Ｂに相当する軌道輪窒素富化層２１Ｂ（内部２１Ｃよりも窒素濃度が高い層）が、ころ転走面２３Ａを含む領域には玉窒素富化層１３Ｂに相当するころ窒素富化層２３Ｂ（内部２３Ｃよりも窒素濃度が高い層）がそれぞれ形成されている。その結果、軌道輪２１およびニードルころ２３は、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品となっている。また、軌道輪２１およびニードルころ２３を備えた転がり軸受であるスラストニードルころ軸受２は、準高温環境における耐久性および寸法安定性が向上した転がり軸受となっている。
【００４７】
図６は、本実施の形態における第２の変形例である機械部品を備えた等速ジョイントの構成を示す概略断面図である。また、図７は、図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩに沿う概略断面図である。また、図８は、図６の等速ジョイントが角度をなした状態を示す概略断面図である。また、図９は、図６の要部を拡大して示す概略部分断面図である。また、図１０は、図７の要部を拡大して示す概略部分断面図である。なお、図６は、図７の線分ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図に対応する。図６〜図１０を参照して、第２の変形例である等速ジョイントについて説明する。
【００４８】
図６および図７を参照して、等速ジョイント３は、軸３５に連結されたインナーレース３１と、インナーレース３１の外周側を囲むように配置され、軸３６に連結されたアウターレース３２と、インナーレース３１とアウターレース３２との間に配置されたトルク伝達用のボール３３と、ボール３３を保持するケージ３４とを備えている。ボール３３は、インナーレース３１の外周面に形成されたインナーレースボール溝３１Ａと、アウターレース３２の内周面に形成されたアウターレースボール溝３２Ａとにボール転走面３３Ａにおいて接触して配置され、脱落しないようにケージ３４によって保持されている。
【００４９】
インナーレース３１の外周面およびアウターレース３２の内周面のそれぞれに形成されたインナーレースボール溝３１Ａとアウターレースボール溝３２Ａとは、図６に示すように、軸３５および軸３６の中央を通る軸が一直線上にある状態において、それぞれ当該軸上のジョイント中心Ｏから当該軸上の左右に等距離離れた点Ａおよび点Ｂを曲率中心とする曲線（円弧）状に形成されている。すなわち、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに接触して転動するボール３３の中心Ｐの軌跡が、点Ａ（インナーレース中心Ａ）および点Ｂ（アウターレース中心Ｂ）に曲率中心を有する曲線（円弧）となるように、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａのそれぞれは形成されている。これにより、等速ジョイントが角度をなした場合（軸３５および軸３６の中央を通る軸が交差するように等速ジョイントが動作した場合）においても、ボール３３は、常に軸３５および軸３６の中央を通る軸のなす角（∠ＡＯＢ）の２等分線上に位置する。
【００５０】
次に、等速ジョイント３の動作について説明する。図６および図７を参照して、等速ジョイント３においては、軸３５、３６の一方に軸まわりの回転が伝達されると、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに嵌め込まれたボール３３を介して、軸３５、３６の他方の軸に当該回転が伝達される。ここで、図８に示すように軸３５、３６が角度θをなした場合、ボール３３は、前述のインナーレース中心Ａおよびアウターレース中心Ｂに曲率中心を有するインナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａに案内されて、中心Ｐが∠ＡＯＢの二等分線上となる位置に保持される。ここで、ジョイント中心Ｏからインナーレース中心Ａまでの距離と、アウターレース中心Ｂまでの距離とが等しくなるように、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａが形成されているため、ボール３３の中心Ｐからインナーレース中心Ａおよびアウターレース中心Ｂまでの距離はそれぞれ等しく、三角形ＯＡＰと三角形ＯＢＰとは合同である。その結果、ボール３３の中心Ｐから軸３５、３６までの距離Ｌは互いに等しくなり、軸３５、３６の一方が軸まわりに回転した場合、他方も等速で回転する。このように、等速ジョイント３は、軸３５、３６が角度をなした場合でも、等速性を確保することができる。なお、ケージ３４は、軸３５、３６が回転した場合に、インナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａからボール３３が飛び出すことをインナーレースボール溝３１Ａおよびアウターレースボール溝３２Ａとともに防止すると同時に、等速ジョイント３のジョイント中心Ｏを決定する機能を果たしている。
【００５１】
ここで、図６〜図１０を参照して、本変形例における等速ジョイント３のインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、それぞれ上記深溝玉軸受１の内輪１２、外輪１１および玉１３該当し、同様の構成を有しており、同様の効果を奏する。すなわち、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、上記外輪１１、内輪１２および玉１３と同様の鋼からなっている。そして、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３の表面に形成されたインナーレースボール溝３１Ａの表面、アウターレースボール溝３２Ａの表面およびボール転走面３３Ａを含む領域には、それぞれ内輪窒素富化層１２Ｂ、外輪窒素富化層１１Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂに相当するインナーレース窒素富化層３１Ｂ、アウターレース窒素富化層３２Ｂおよびボール窒素富化層３３Ｂ（内部３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃよりも窒素濃度が高い層）が形成されている。その結果、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、準高温環境における硬度低下が抑制されるとともに寸法安定性が向上し、かつ硬度レベルが向上した機械部品となっている。また、インナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３を備えた等速ジョイント３は、準高温環境における耐久性および寸法安定性が向上した等速ジョイントとなっている。
【００５２】
次に、上記本発明の一実施の形態における機械部品、および上記機械部品を備えた転がり軸受、等速ジョイントなどの機械要素の製造方法について説明する。図１１は、本発明の一実施の形態における機械部品および当該機械部品を備えた機械要素の製造方法の概略を示す図である。
【００５３】
図１１を参照して、本実施の形態における機械部品および機械要素の製造方法では、まず、工程（Ｓ１００）として、鋼材準備工程が実施される。具体的には、この工程（Ｓ１００）では、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼、たとえばＪＩＳ規格ＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４２０などからなる棒鋼、鋼線などが準備される。なお、工程（Ｓ１００）においては、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼からなる鋼、たとえばＪＩＳ規格ＳＭｎ４２０、ＳＭｎ４３３などからなる棒鋼、鋼線などが準備されてもよい。
【００５４】
次に、工程（Ｓ２００）として、成形工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ２００）では、工程（Ｓ１００）において準備された鋼材に対して、切断、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、当該鋼材が機械部品としての外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１などの概略形状に成形される。この工程（Ｓ１００）および（Ｓ２００）は、鋼からなり、機械部品の概略形状に成形された鋼部材を準備する鋼部材準備工程を構成する。
【００５５】
次に、工程（Ｓ３００）として実施される浸炭窒化工程、および工程（Ｓ４００）として実施されるベイナイト変態工程を含む熱処理工程が実施される。この熱処理工程の詳細については後述する。
【００５６】
次に、工程（Ｓ５００）として、熱処理工程が実施された鋼部材に対して、仕上げ加工などが施される仕上げ工程が実施される。具体的には、たとえば、熱処理工程が実施された鋼部材の内輪転走面１２Ａ、軌道輪転走面２１Ａ、アウターレースボール溝３２Ａなどに対する研磨加工が実施される。これにより、本実施の形態における機械部品は完成し、本実施の形態における機械部品の製造方法は完了する。
【００５７】
さらに、工程（Ｓ６００）として、完成した機械部品が組合わされて機械要素が組立てられる組立て工程が実施される。具体的には、上述の工程により製造された本実施の形態における機械部品である、たとえば外輪１１、内輪１２、玉１３と保持器１４とが組合わされて、深溝玉軸受１が組立てられる。これにより、本発明の機械部品を備えた機械要素が製造される。
【００５８】
次に、上記熱処理工程の詳細について説明する。図１２は、本実施の形態における機械部品の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細を説明するための図である。図１２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１２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。
【００５９】
図１１を参照して、本実施の形態における熱処理工程においては、まず、被処理物としての鋼部材が浸炭窒化処理される浸炭窒化工程（工程（Ｓ３００））が実施される。具体的には、図１２を参照して、たとえば鋼部材が一酸化炭素と水素を含む浸炭ガスとアンモニアガスとの混合雰囲気中でＡ１変態点以上の温度である温度Ｔ１に加熱され、時間ｔ１の間保持されることにより、鋼部材の表層部に炭素および窒素が侵入する。これにより、鋼部材の表面を含む領域に、当該表面を含む領域以外の領域である内部領域に比べて炭素濃度および窒素の高い浸炭窒化層が形成される。この浸炭窒化層は、上記本実施の形態における外輪窒素富化層１１Ｂ、軌道輪窒素富化層２１Ｂ、インナーレース窒素富化層３１Ｂなどに相当する。
【００６０】
次に、図１２を参照して、浸炭窒化処理が終了した鋼部材が、Ａ１点以上の温度から窒素富化層のＭＳ点以上ＭＳ点よりも５０℃高い温度以下の温度である温度Ｔ２に冷却される冷却工程が実施される。具体的には、浸炭窒化処理が実施された鋼部材が、たとえばソルト浴に浸漬され、温度Ｔ２に冷却される。この冷却工程における鋼部材の冷却は、鋼部材がパーライト変態しない冷却速度で実施される。鋼部材がパーライト変態しない冷却速度は、たとえば鋼部材を構成する鋼のＣＣＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；連続冷却変態）線図を考慮して決定することができる。
【００６１】
次に、図１２を参照して、鋼部材が温度Ｔ２に保持されるベイナイト変態工程（工程（Ｓ４００））が実施される。具体的には、工程（Ｓ４００）では、冷却工程において温度Ｔ２に冷却された鋼部材が、温度Ｔ２に時間ｔ２の間保持されることにより、当該鋼部材に形成された窒素富化層（外輪窒素富化層１１Ｂ、軌道輪窒素富化層２１Ｂ、インナーレース窒素富化層３１Ｂなど）がベイナイト変態し、ベイナイト組織が形成される。その後、鋼部材が窒素富化層のＭＳ点以下の温度に、たとえば空冷されることにより、本実施の形態における熱処理工程は完了する。ここで、温度Ｔ１、Ｔ２および時間ｔ１、ｔ２は、鋼部材の組成や当該熱処理工程が適用される機械部品の用途等に合わせて決定することができるが、たとえば温度Ｔ１は８５０℃以上９７０℃以下、Ｔ２は１８０℃以上２５０℃以下、時間ｔ１は１時間以上５時間以下、時間ｔ２は０．５時間以上６時間以下とすることができる。
【００６２】
以上の熱処理工程を含む機械部品および機械要素の製造方法により、上記実施の形態における深溝玉軸受１、スラストニードルころ軸受２および等速ジョイント３などの機械要素および当該機械要素を構成する上記実施の形態における機械部品を製造することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、本発明の機械部品の一例として、深溝玉軸受、スラストニードルころ軸受、等速ジョイントを構成する機械部品について説明したが、本発明の機械部品はこれに限られず、準高温環境において使用され得る機械部品、たとえばハブ、ギア、シャフト等を構成する機械部品であってもよい。また、本発明の鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法、機械部品および転がり軸受に適用可能な鋼としては、具体的には、ＪＩＳ規格ＳＭｎ４２０、ＳＭｎ４３３、ＳＭｎ４３８、ＳＭｎＣ４２０、ＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４２０、ＳＣｒ４３０、ＳＣｒ４３５、ＳＣｒ４４０、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４１８、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４２１、ＳＣＭ４３０、ＳＣＭ４３２、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０、ＳＣＭ８２２、ＳＮＣＭ２２０、ＳＮＣＭ２４０などが挙げられる。
【実施例１】
【００６４】
以下、本発明の実施例１について説明する。上記実施の形態における熱処理工程により熱処理を行なったサンプルを作製し、当該サンプルの材料特性および耐久性を調査する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００６５】
まず、サンプルの作製方法について説明する。サンプルの作製においては、まず、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素と、０．１質量％以上１．１質量％以下の珪素と、０．５質量％以上１．５質量％以下のマンガンとを含有し、さらに２．０質量％以下のクロム、０．５質量％以下のモリブデンおよび０．５質量％以下のニッケルからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を含み、残部鉄および不純物からなる鋼であるＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０からなる鋼材を準備し、後述する各試験項目に応じたサンプルの形状に対応する鋼部材に成形した。その後、当該鋼部材に対して以下の４通りの熱処理を実施した上で、仕上げ加工を実施することによりサンプルを作製した。熱処理は、本発明の機械部品と同様の構成を有するサンプルを作製する実施例の熱処理と、本発明の範囲外のサンプルを作製する比較例Ａ〜Ｃの熱処理とを実施した。
【００６６】
（実施例）
図１２に基づいて説明した上記実施の形態における熱処理工程により当該鋼部材を熱処理した。ここで、図１２を参照して、浸炭窒化工程は、雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ）値を１．０５、未分解アンモニアの濃度を０．２５体積％に制御したＲＸガスおよびアンモニアの混合ガス雰囲気の炉内に鋼部材を挿入して加熱することにより行なった。ここで、温度Ｔ１は９４０℃、時間ｔ１は２００分間とした。より詳細に説明すると、２００分間のうち、最初の１５０分間は雰囲気中にアンモニアを添加せず、ＣＰ値１．０５の雰囲気中で浸炭処理のみを実施した後、残りの５０分間は雰囲気中にアンモニアを添加し、ＣＰ値１．０５、未分解アンモニアの濃度０．２５体積％の雰囲気中で浸炭窒化処理を実施した。その後ベイナイト変態工程は、浸炭窒化が実施された鋼部材を焼入ソルト浴中に浸漬し、一定温度で保持することにより実施した。このとき、温度Ｔ２は２５０℃、時間ｔ２は４時間とした。これにより、鋼部材の表面における窒素濃度は０．５質量％程度、窒素の侵入深さは０．４ｍｍ程度となり、窒素が侵入した表層部はベイナイト組織となっていた。この鋼部材に仕上げ加工を実施することにより、サンプルを完成させた（浸炭窒化＋ベイナイト変態；実施例）。
【００６７】
（比較例Ａ）
上記実施例と同様にＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０の鋼材から鋼部材を作製し、同様の条件で浸炭窒化工程を実施した。その後、当該鋼部材を１００℃に保持された焼入油中に浸漬し、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却することにより、焼入を実施した。さらに、当該鋼部材を１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施した後、２５０℃に加熱して１２０分間保持することにより高温焼戻を実施した。これにより、上記実施例と同様に、鋼部材の表面における窒素濃度は０．５質量％程度、窒素の侵入深さは０．４ｍｍ程度となっていた。この鋼部材に仕上げ加工を実施することにより、サンプルを完成させた（浸炭窒化＋焼入＋高温焼戻；比較例Ａ）。
【００６８】
（比較例Ｂ）
上記実施例と同様にＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０の鋼材から鋼部材を作製した。そして、ＣＰ値が１．０５に調整されたＲＸガス雰囲気の炉内に当該鋼部材を挿入して９４０℃に加熱し、２００分間保持した。このとき、ＲＸガスにはアンモニアガスを添加しなかったため、鋼部材には窒素は侵入していない。その後、実施例と同様に２５０℃に保持した焼入ソルト浴中に浸漬して４時間保持することにより、鋼部材の表層部をベイナイト変態させた。この鋼部材に仕上げ加工を実施することにより、サンプルを完成させた（浸炭＋ベイナイト変態；比較例Ｂ）。
【００６９】
（比較例Ｃ）
上記実施例と同様にＪＩＳ規格ＳＣＭ４２０の鋼材から鋼部材を作製した。そして、ＣＰ値が１．０５に調整されたＲＸガス雰囲気の炉内に当該鋼部材を挿入して９４０℃に加熱し、２００分間保持した。その後、当該鋼部材を１００℃に保持された焼入油中に浸漬し、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却することにより、焼入を実施した。さらに、当該鋼部材を１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施した後、２５０℃に加熱して１２０分間保持することにより高温焼戻を実施した。この鋼部材に仕上げ加工を実施することにより、サンプルを完成させた（浸炭＋焼入＋高温焼戻；比較例Ｃ）。
【００７０】
次に、材料特性および耐久性の調査方法について説明する。材料特性および耐久性の調査は、（１）硬度、（２）残留オーステナイト量、（３）寸法安定性、（４）割れ強度、（５）割れ疲労強度、（６）試験片の転動疲労寿命、（７）円錐ころ軸受の転動疲労寿命（清浄油）、（８）円錐ころ軸受の転動疲労寿命（異物混入油）、（９）シャルピー衝撃値の９項目について実施した。以下、各項目の調査方法について説明する。
【００７１】
（１）硬度
直径φ１２ｍｍ、長さＬ２２ｍｍの円筒型の試験片（以下φ１２試験片という）およびＪＩＳ規格３０２０６型番円錐ころ軸受の内輪および外輪を作製し、その硬度を測定した。測定位置は、φ１２試験片、円錐ころ軸受の内輪および外輪ともに、その端面とし、当該測定位置をロックウェル硬度計により測定した。
【００７２】
（２）残留オーステナイト量
（１）と同様のφ１２試験片および３０２０６型番円錐ころ軸受の内輪および外輪の作製において、仕上げ加工を省略し、その端面から深さ０．１５ｍｍの位置（仕上げ加工後の表面に相当する位置）における残留オーステナイト量を測定した。残留オーステナイト量の測定は、マルテンサイト（２１１）面に対応するＸ線の回折強度と、オーステナイト（２００）面に対応するＸ線の回折強度とに基づき算出した。
【００７３】
（３）寸法安定性
ＪＩＳ規格３０２０６型番円錐ころ軸受の外輪を作製し、当初の外径と、２３０℃に加熱し、２時間保持した後の外径との比を算出することにより評価した。
【００７４】
（４）割れ強度
外径φ２４ｍｍ、内径φ１６．５ｍｍ、厚みｔ３．７５ｍｍのリング状の試験片を作製し、アムスラー型試験機により当該試験片を径方向に圧縮し、破壊した時点における応力値を割れ強度として記録した。そして、比較例Ａに対する強度の比を割れ強度比として評価した。
【００７５】
（５）割れ疲労強度
（４）と同様の外径φ２４ｍｍ、内径φ１６．５ｍｍ、厚みｔ３．７５ｍｍのリング状の試験片を作製し、油圧加振機（島津製作所製  サーボパルサー）により、径方向に５０Ｈｚの繰返し速度で内周面に８００〜１５００ＭＰａの応力が負荷される条件で試験片に繰返し応力を負荷した。そして、試験片が破壊した応力の繰り返し数と荷重とを記録し、これを複数回実施した上で、試験結果を統計的に処理し、試験片が１０８回の応力負荷の繰り返しで破壊すると予測される応力値（１０８回強度）を算出した。そして、これを比較例Ｃの１０８回強度との比で評価した。
【００７６】
（６）試験片の転動疲労寿命
φ１２試験片の転動疲労寿命試験は、点接触転動寿命試験機を用いて行なわれた。図１３は、点接触転動寿命試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図１４は、点接触転動寿命試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。図１３および図１４を参照して、点接触転動寿命試験機について説明する。
【００７７】
図１３および図１４を参照して、点接触転動寿命試験機９０は、駆動ローラ９２と、案内ローラ９３と、鋼球９４とを備えている。そして、φ１２試験片９１は、駆動ローラ９２によって駆動され、鋼球９４と接触して回転する。鋼球９４は、案内ローラ９３にガイドされて、φ１２試験片９１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。以上のように点接触転動寿命試験機９０を運転し、５個のφ１２試験片９１を用いて、各φ１２試験片９１について２箇所ずつ試験を実施することにより試験回数を１０回とし、φ１２試験片９１に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）を調査した。鋼球９４の直径は１９．０５ｍｍ、鋼球９４とφ１２試験片９１との接触応力Ｐｍａｘは５．８８ＧＰａ、応力の負荷速度は４６２４０回／分、潤滑油はタービン油ＶＧ６８とした。得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる転動疲労寿命（Ｌ１０寿命）を算出した。そして、比較例Ｃの転動疲労寿命に対する比で転動疲労寿命を評価した。
【００７８】
（７）円錐ころ軸受の転動疲労寿命（清浄油）
ＪＩＳ規格３０２０６型番の円錐ころ軸受を作製し、ラジアル荷重Ｆｒ：１７．６４ｋＮ、アキシアル荷重Ｆａ：１．５ｋＮ、潤滑：タービン油ＶＧ６８の循環給油の条件下で、外輪を固定し、内輪を２０００ｒｐｍの回転速度で回転させた。潤滑油には異物を混入しない清浄油を用いた。そして、剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）を調査して統計的に解析し、Ｌ１０寿命を算出した。そして、比較例ＣのＬ１０寿命に対する比で転動疲労寿命を評価した。
【００７９】
（８）円錐ころ軸受の転動疲労寿命（異物混入油）
潤滑を、１０質量％が１００〜１８０μｍ、９０質量％が５０μｍ以下の粒径を有する硬さ８００ＨＶのＪＩＳ規格ＳＫＨ材（高速度工具鋼）の粉末を１Ｌ（リットル）あたり０．４ｇ混入させたタービン油ＶＧ６８の油浴潤滑とする点を除き、（７）と同様の条件下でＪＩＳ規格３０２０６型番の円錐ころ軸受のＬ１０寿命を調査した。そして、比較例ＣのＬ１０寿命に対する比で転動疲労寿命を評価した。
【００８０】
（９）シャルピー衝撃値
ＪＩＳ規格Ｚ２２４２に従い、ノッチ深さ２ｍｍ、ノッチ底半径１ｍｍのＵノッチを形成した試験片を用いてシャルピー衝撃試験を実施した。そして、比較例Ａの衝撃値に対する比でシャルピー衝撃値を評価した。
【００８１】
次に、試験結果について説明する。上記（１）〜（９）の試験結果を表１に示す。
【００８２】
【表１】
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【００８３】
（１）硬度
表１を参照して、実施例の硬度は６０．８ＨＲＣ、比較例Ａの硬度は６１ＨＲＣであり、これらは高い応力が負荷される環境下で使用される機械部品としても十分に使用可能な硬度レベルとなっている。一方、比較例ＢおよびＣの硬度はいずれも５８．５ＨＲＣ以下となっており、実施例および比較例Ａに比べて明確に低硬度となっている。また、実施例および比較例Ｂの測定結果から、窒素を侵入させることにより、ベイナイト組織の硬度レベルが明確に向上することが確認される。
【００８４】
（２）残留オーステナイト量
表１に示すように、実施例および比較例Ａ〜Ｃのいずれにおいても、残留オーステナイト量は１％未満となっている。これは、実施例および比較例Ａ〜Ｃのいずれにおいても、ベイナイト変態あるいは高温焼戻が２５０℃という高温で実施されているため、残留オーステナイトの分解がほぼ完了しているためであると考えられる。
【００８５】
（３）寸法安定性
表１に示すように、実施例および比較例Ａ〜Ｃのいずれにおいても、寸法変化量は０に近い値となっている。このことから、実施例および比較例Ａ〜Ｃと同様の構成を有する機械部品は、準高温環境において使用された場合でも、十分な寸法安定性が確保されているといえる。
【００８６】
（４）割れ強度
表１を参照して、割れ強度は高いほうから、実施例、比較例Ｂ、比較例Ｃ、比較例Ａの順となっていた。また、一般に、浸炭窒化処理を行なった場合、鋼の静的な割れ強度は、浸炭処理を行なった場合に比べてやや低下する傾向にある。しかし、上記結果から、浸炭窒化処理を実施した場合でも、その後に鋼をベイナイト変態させることにより、割れ強度の大幅な向上が可能であることが分かった。
【００８７】
（５）割れ疲労強度
表１を参照して、浸炭窒化処理を行なったものは、浸炭処理を行なったものに比べて割れ疲労強度が高くなる傾向にあり、かつベイナイト変態処理を行なったものは焼入後に高温焼戻を行なったものに比べて割れ疲労強度が高くなる傾向にある。そして、浸炭窒化処理とベイナイト変態処理とを組み合わせた実施例の割れ強度が最も高くなっていた。
【００８８】
（６）試験片の転動疲労寿命
表１を参照して、浸炭窒化処理を行なったものは、浸炭処理を行なったものに比べて転動疲労寿命が向上する傾向にある。そして、浸炭窒化処理とベイナイト変態処理とを組み合わせた実施例の転動疲労寿命が最も長くなっており、浸炭窒化処理を実施することなく浸炭処理後に焼入を実施し、高温焼戻を行なった比較例Ｃの２．６倍の転動疲労寿命となっていた。
【００８９】
（７）円錐ころ軸受の転動疲労寿命（清浄油）
表１を参照して、円錐ころ軸受による転動寿命試験においても、上記（６）と同様の傾向が確認された。そして、浸炭窒化処理とベイナイト変態処理とを組み合わせた実施例の転動疲労寿命は、浸炭窒化処理を実施することなく浸炭処理後に焼入を実施し、高温焼戻を行なった比較例Ｃの２．３倍となっていた。
【００９０】
（８）円錐ころ軸受の転動疲労寿命（異物混入油）
表１を参照して、硬質の異物が侵入する環境下においても、上記（６）および（７）と同様の傾向が確認された。そして、浸炭窒化処理とベイナイト変態処理とを組み合わせた実施例の転動疲労寿命は、浸炭窒化処理を実施することなく浸炭処理後に焼入を実施し、高温焼戻を行なった比較例Ｃの２．１倍となっていた。
【００９１】
（９）シャルピー衝撃値
表１を参照して、ベイナイト変態処理を行なったものは、焼入後に高温焼戻を行なったものに比べて衝撃値が高くなる傾向が確認された。
【００９２】
以上の実験結果より、本発明の実施例によれば、寸法安定性および靭性を確保しつつ、清浄油による潤滑環境だけでなく異物が混入する潤滑環境においても耐久性に優れた機械部品を提供できることが確認された。
【００９３】
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。本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。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の鋼の熱処理方法、機械部品の製造方法、機械部品および転がり軸受は、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素を含有する鋼の熱処理方法、０．１質量％以上０．４質量％未満の炭素を含有する鋼からなる機械部品の製造方法、機械部品および当該機械部品を含む転がり軸受に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施の形態における深溝玉軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【図３】本実施の形態における第１の変形例であるスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３のうち軌道輪の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【図５】図３のうちニードルころを拡大して示す概略断面図である。
【図６】本実施の形態における第２の変形例である等速ジョイントの構成を示す概略断面図である。
【図７】図６の線分ＶＩＩ−ＶＩＩに沿う概略断面図である。
【図８】図６の等速ジョイントが角度をなした状態を示す概略断面図である。
【図９】図６の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【図１０】図７の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【図１１】本発明の一実施の形態における機械部品および当該機械部品を備えた機械要素の製造方法の概略を示す図である。
【図１２】熱処理工程の詳細を説明するための図である。
【図１３】点接触転動寿命試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図１４】点接触転動寿命試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１  深溝玉軸受、２  スラストニードルころ軸受、３  等速ジョイント、１１  外輪、１１Ａ  外輪転走面、１１Ｂ  外輪窒素富化層、１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ  内部、１２  内輪、１２Ａ  内輪転走面、１２Ｂ  内輪窒素富化層、１３  玉、１３Ａ  玉転走面、１３Ｂ  玉窒素富化層、１４，２４  保持器、２１  軌道輪、２１Ａ  軌道輪転走面、２１Ｂ  軌道輪窒素富化層、２１Ｃ，２３Ｃ  内部、２３  ニードルころ、２３Ａ  ころ転走面、２３Ｂ  ころ窒素富化層、３１  インナーレース、３１Ａ  インナーレースボール溝、３１Ｂ  インナーレース窒素富化層、３１Ｃ，３２Ｃ，３３Ｃ  内部、３２  アウターレース、３２Ａ  アウターレースボール溝、３２Ｂ  アウターレース窒素富化層、３３  ボール、３３Ａ  ボール転走面、３３Ｂ  ボール窒素富化層、３４  ケージ、３５，３６  軸、９０  点接触転動寿命試験機、９１  φ１２試験片、９２  駆動ローラ、９３  案内ローラ、９４  鋼球。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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