(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．５０超〜０．６５％未満、
Ｓｉ：０．０５〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｃｒ：３．０〜５．０％未満、
Ａｌ：０．１０％未満を含有し、
かつ、Ｍｏ，Ｗの１種または２種が
Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．００超〜６．００％、
および、Ｖ，Ｎｂの１種または２種が
Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．０２〜１．４８％、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を焼入れ、焼戻しによって二次硬化させたことを特徴とする転動部品用鋼。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼に加えて、Ｏ：≦２０ｐｐｍとすることを特徴とする転動部品用鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼に加えて、Ｎ：≦５００ｐｐｍとすることを特徴とする転動部品用鋼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼において、炭化物サイズを１０μｍ以下に制御することを特徴とする転動部品用鋼。
【請求項５】
請求項４に記載の転動部品用鋼を加工してなることを特徴とする転動部品。
【請求項６】
請求項５に記載の転動用鋼部品を浸炭処理または浸炭窒化処理を施したことを特徴とする転動部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等のエンジン補機用軸受、または高振動、衝撃荷重下で使用される軸受、および転動、摺動部品、さらに、トロイダル式無段変速機用部品として使用される転動疲労寿命に優れた転動部品鋼および転動部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な軸受には高炭素クロム鋼ＪＩＳ  ＳＵＪ２が多く使用されている。また、高温など苛酷な条件下で使用される軸受にはＡＮＳＩ  Ｍ５０が使用されている。一方、近年は産業機械および自動車部品は、高性能化、高出力化および小型、軽量化によって、駆動系部品や軸受などの転動部材の使用環境が、益々苛酷なものになっている。そのために、転動部材が高振動下、高荷重化で使用された場合、従来鋼では、転動面下に特異な組織変化が発生し、早期破損するといった問題がある。この破損原因となる組織変化の生成過程については、緒説が唱えられているが、未だ明らかでない。
【０００３】
また、一般的な軸受では、使用温度の上昇に伴って軸受の硬さが低下することにより、寿命が低下することが知られている。高温条件下で使用される軸受鋼Ｍ５０はＣｒ，Ｍｏ，Ｖなる合金元素添加により、高温硬さを有するようにしたものである。しかし、Ｃ量が高く、巨大炭化物が存在するため、前処理での加工性が悪く、また巨大炭化物を起点とする早期剥離が起こり、かえって寿命が低下してしまうという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば特開平５−２５５８０９号公報では、白色組織は転動面下の最大剪断応力位置に炭素原子が拡散、固着し生じたものであり、白色組織はマトリックスに比べ非常に硬く脆いため、白色組織から亀裂が生成し、マトリックスに伝播、進展して早期剥離に到るとしている。この考えに基づき炭素の拡散を抑制するために鋼中の炭素量を低減し、Ｃｒ，Ｍｏを添加した鋼が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、白色組織を詳細に観察すると、結晶粒がｎｍオーダーまで微細化した組織であり、これは試験軸受が炭素量の異なるＪＩＳ  ＳＣＲ４２０肌焼鋼であり、ＪＩＳ  ＳＵＪ２高炭素鋼であっても変わりはない。また、白色組織とマトリックスとの界面は極めて明瞭であることから、拡散現象が関与したとは考え難い。当然ながら、炭素の拡散を防ぐことを目的とした対策では組織変化を抑制することができず、寿命も向上しない。また、炭素量も高いため、靱性の改善も不十分である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、最適な成分組成に限定し、二次硬化による微細な析出物をマトリックスに分散させることで、白色組織の生成を抑制し、組織変化後も靱性の高いマトリックスによって、亀裂の発生を抑制して寿命の向上を図る転動部品用鋼および転動部品を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：０．５０超〜０．６５％未満、Ｓｉ：０．０５〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：３．０〜５．０％未満、Ａｌ：０．１０％未満を含有し、かつ、Ｍｏ，Ｗの１種または２種が、Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．００超〜６．００％、および、Ｖ，Ｎｂの１種または２種が、Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．０２〜１．４８％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を焼入れ、焼戻しによって二次硬化させたことを特徴とする転動部品用鋼。
【０００７】
（２）前記（１）に記載の鋼に加えて、Ｏ：≦２０ｐｐｍとすることを特徴とする転動部品用鋼。
（３）前記（１）または（２）に記載の鋼に加えて、Ｎ：≦５００ｐｐｍとすることを特徴とする転動部品用鋼。
【０００８】
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の鋼において、炭化物サイズを１０μｍ以下に制御することを特徴とする転動部品用鋼。
（５）前記（４）に記載の転動部品用鋼を加工してなることを特徴とする転動部品。
（６）前記（５）に記載の転動用鋼部品を浸炭処理または浸炭窒化処理を施したことを特徴とする転動部品にある。
【０００９】
以下、本発明について詳細に説明する。
先ず、鋼の組織変化を観察すると、組織変化部は結晶粒径がナノメータまで微細化したもので、局部的な応力集中が起こり、微少なクラックが発生し、その微少なクラック部に更なる応力集中、応力の複雑化が起こり、その局部的な塑性変形が繰り返される時に、転位の交差滑りが発生することによって、結晶粒が数十ナノメータまで微細化される組織変化が起こったと考えられる。
【００１０】
このような組織変化の抑制対策として、本発明においては合金元素を添加し、高温焼戻しにより二次硬化させることで、マトリックス中に微細な炭化物を分散させる。この微細炭化物の分散強化によって、マトリックスの靱性を強化し、微少クラック発生および伝播を抑制する。また、鋼中に存在する非金属介在物等を起点として微少クラックが発生した場合においても、微細分散した析出物が転移の運動を低減し、塑性変形を防ぐため、組織変化が抑制できる。
【００１１】
また、組織変化後の亀裂進展対策として、白色組織が生成した場合、白色組織はマトリックスに比べ硬くて脆いため亀裂が発生し、マトリックスへ容易に進展し、剥離に至る可能性がある。白色組織に起因する亀裂に対しても、マトリックスへの微細炭化物分散による靱性強化により、亀裂進展を抑制できる。さらに、本発明においては、マトリックスの炭化物サイズを制御し、かつ合金元素である、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂを適量添加することにより、高温使用時の硬さと強度を有するようにした。従って、従来高温軸受用鋼Ｍ５０に比べ、Ｃ量が低く炭化物サイズが小さいため、転動寿命は大きく改善される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る成分組成の限定理由について述べる。
Ｃ：０．５０超〜０．６５％未満
Ｃは焼入れ、焼き戻し後の硬度を確保するために必要な元素であり、０．５０％以下では、その効果が不充分である。また、０．６５％以上高くすると巨大炭化物が生成するために、靱性が低下し、寿命、衝撃値を低下させる。従って、その範囲を０．５０超〜０．６５％未満とした。
【００１３】
Ｓｉ：０．０５〜２．０％
Ｓｉは製鋼での脱酸効果、二次硬化促進のために添加する。しかし、０．０５％未満では、脱酸効果が不充分であり、また、２．０％を超える添加は、靱性を劣化させると共に、二次硬化への寄与も少なくなる。従って、その範囲を０．０５〜２．０％とした。
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは焼入性のために添加する。しかし、０．１％未満ではその効果は得られず、２．０％を超える添加は加工性を低下させるので、その範囲を０．１〜２．０％とした。
【００１４】
Ｃｒ：３．０〜５．０％未満
Ｃｒは焼入性を改善し、焼戻し軟化抵抗性や高温強度を高める。また、摩耗性を確保するために、３．０％以上の添加が必要である。しかし、５．０％以上だと高温強度を低下させる。さらに、浸炭窒化処理の際、浸炭窒化層の硬さを上昇させることから、その範囲を３．０〜５．０％未満とした。
【００１５】
Ｍｏ＋１／２Ｗ：２．００超〜６．００％
Ｍｏ，Ｗは焼入性、耐熱性を高め、焼戻し時に軟化抵抗および二次硬化に寄与する。また、分散析出した二次炭化物により、組織変化を抑制する。さらに、Ｃｒと同様に浸炭窒化層の硬さを上昇させる。しかし、Ｍｏ＋１／２Ｗの値が２．００以下では効果がない。ＷはＭｏの２倍の効果があることから、Ｍｏ＋１／２Ｗの値を２．００超〜６．００％とした。
【００１６】
Ｖ＋１／２Ｎｂ：０．０２〜３．００％
Ｖ，Ｎｂは二次硬化時に、鋼中に微細な炭化物を析出させる。この析出物の分散強化により、高振動下、高荷重下での繰返し疲労において、クラックの発生を抑制し、それに伴って発生する組織変化の発生を抑制する。また、耐熱性も高める。しかし、Ｖ＋１／２Ｎｂの値が２．００％以下では効果がない。ＮｂはＶの２倍の効果を有することから、そのＶ＋１／２Ｎｂの値を０．０２〜３．００％とした。
【００１７】
Ａｌ：０．１０％未満
Ａｌは製鋼での脱酸効果促進のために添加する。また、脱酸効果とは別にＡｌには結晶粒度調整効果もあるので、浸炭時の結晶粗大化防止を目的に０．０１０％以上添加してもよい。しかし、いずれの場合も０．１０％以上の過剰添加では、非金属介在物を多く生じ、転動寿命を低下されるため、０．１０％未満とした。
【００１８】
Ｏ：≦２０ｐｐｍ
Ｏは２０ｐｐｍを超えると酸化物系介在物が増加し、転動寿命が大きく低下するため、２０ｐｐｍ以下とした。
Ｎ：≦５００ｐｐｍ
Ｎは窒化物を生成し、結晶粒度調整および靱性強化に有効であるため添加する。しかし、５００ｐｐｍを超えると非金属介在物を多く生じ、転動寿命を低下させるため、５００ｐｐｍ以下とした。
【００１９】
炭化物サイズを１０μｍ以下
炭化物の大きさを１０μｍ以下に規制する理由は、転動中に高負荷が掛かると炭化物の欠損、脱落により早期剥離を引き起こすため、炭化物の大きさを１０μｍ以下とすることで、早期剥離を防ぐことが出来る。しかし、１０μｍを超える大きさでは、その効果が得られないことから、その上限を１０μｍとした。
【００２０】
焼入れ、焼戻し温度
焼入れ温度は１０００〜１１５０℃の高温焼入れを行い、２０〜４０分の保持後油冷を行う。また、焼戻し温度は４５０〜７００℃にて８０〜１００分保持後空冷を２回繰り返す。このような高温での焼戻しは硬さを確保し、組織変化を抑制する二次硬化を目的としている。この時、残留オーステナイト量は１２％未満となっていた。さらには、残留オーステナイト量が８％未満となるような成分、熱処理条件を選定するのが望ましい。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す成分組成の鋼を６０ｔ炉にて出鋼し、１．３ｔを造塊し、この鋼塊をソーキングした後１１００℃で加熱、鍛伸し試験片を製作した。この試験片を加工し熱処理を行った。その時の焼入れ温度は１０００〜１１５０℃、３０分保持、油冷を行った。また、焼戻し温度は、４５０〜７００℃で９０分保持、空冷×２回行った。その時の転動疲労寿命の評価として、出来た転動部品用鋼より加工により軸受を作製し、自動車用オルタネータのプーリー側に装着し、耐久寿命試験で実施し試験は室温、高温（１５０℃）の２条件で行った。その結果を表２に示す。
【００２２】
【表１】
0003748203.tif 000002
【００２３】
【表２】
0003748203.tif 000003
【００２４】
表２に示すように、Ｎｏ．１〜６は比較例であり、Ｎｏ．７〜１０は本発明例である。Ｎｏ．１〜６の比較鋼は、いずれもＣ成分が本発明鋼の条件外であり、かつ、Ｎｏ．１，Ｎｏ．２は、いずれもＣｒ、およびＭｏ＋１／２Ｗが低く、Ｎｏ．３はＭｏ＋１／２Ｗが低く、Ｎｏ．５はＣｒが高く、Ｎｏ．６はＣｒが低く、Ｍｏ＋１／２Ｗが低い。従って、いずれも組織変化が発生し、耐久寿命が短いことが判る。
【００２５】
（実施例２）
表３に示す成分組成の鋼を６０ｔ炉にて出鋼し、１．３ｔを造塊し、この鋼塊をソーキングした後１１００℃で加熱、鍛伸し試験片を製作した。この試験片を加工し熱処理を行った。その時の焼入れ温度は１０００〜１１５０℃、３０分保持、油冷を行った。また、焼戻し温度は、４５０〜７００℃で９０分保持、空冷×２回行った。その時の転動疲労寿命の評価として、出来た転動部品用鋼より加工により軸受を作製し、自動車用オルタネータのプーリー側に装着し、耐久寿命試験で実施し試験は室温、高温（１５０℃）の２条件で行った。その結果を表４に示す。
【００２６】
【表３】
0003748203.tif 000004
【００２７】
【表４】
0003748203.tif 000005
【００２８】
表４に示すように、Ｎｏ．１〜３は比較例であり、Ｎｏ．４〜７は本発明例である。Ｎｏ．１〜３の比較鋼は、いずれもＣ成分が本発明鋼の条件外であり、かつ、Ｎｏ．１，Ｎｏ．２は、いずれもＣｒが高く、かつ炭化物サイズが大きい。従って、Ｎｏ．３は、組織変化が発生し、Ｎｏ．１〜３のいずれも耐久寿命の短いことが判る。
【００２９】
【発明の効果】
以上のべたように、本発明により転動部材における白色組織の生成自体を低減すると共に、白色組織に起因する亀裂の発生と進展を高靱性な母材で抑制することで、寿命の向上を図ることが出来る極めて優れた効果を奏するものである。