JP2023178014A - 転動部品及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能な転動部品を提供する。【解決手段】転動部品は、表面を有し、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。転動部品は、表面からの距離が２０μｍまでの領域である表層部を備えている。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む。表層部中における平均窒素濃度は、０．２０質量パーセント以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、転動部品及び転がり軸受に関する。

例えば特許第３９９０２１２号公報（特許文献１）には、転動部品が記載されている。特許文献１に記載の転動部品は、ＪＩＳ規格に定められている高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２を用いて、浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成されている。

特許第３９９０２１２号公報

ＳＵＪ２を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における残留オーステナイト量が多い。そのため、ＳＵＪ２を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品は、異物混入潤滑下での圧痕起点型剥離への耐久性が高い。

しかしながら、ＳＵＪ２を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における残留オーステナイト量が多いため、表面における硬さが低下してしまう。そのため、ＳＵＪ２を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性が不十分となり、転動疲労寿命が短くなることがある。また、ＳＵＪ２を用いて浸窒処理、焼入れ及び焼戻しを行うことにより形成された転動部品では、表面における耐摩耗性が低下する結果、表面における水素発生及び水素侵入が促進され、水素脆化が引き起こされることがある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能な転動部品及び転がり軸受を提供するものである。

本発明の転動部品は、表面を有し、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。転動部品は、表面からの距離が２０μｍまでの領域である表層部を備えている。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む。表層部中における平均窒素濃度は、０．２０質量パーセント以上である。表層部中には、析出物が分散している。析出物は、ニオブ、バナジウム又はモリブデンが主成分である窒化物若しくはニオブ、バナジウム又はモリブデンを主成分とする炭窒化物である。上位粒面積率５０パーセントでの表層部におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、１．５μｍ以下である。

上記の転動部品では、鋼が、０．８０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．００１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．２０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．１０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含んでいてもよい。

上記の転動部品では、表層部におけるマルテンサイトブロックの最大粒径が、５．０μｍ以下であってもよい。

上記の転動部品では、表層部における析出物の最大粒径が、１．０μｍ以下であってもよい。上記の転動部品では、表層部における析出物の平均面積率が、２．０パーセント以上であってもよい。

上記の転動部品では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部におけるセメンタイトの平均粒径が、０．８μｍ以上であってもよい。上記の転動部品では、表層部におけるセメンタイトの平均面積率が、１０パーセント以上であってもよい。

上記の転動部品では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が、３．３以下であってもよい。

上記の転動部品では、表面からの距離が５０μｍとなる位置における残留圧縮応力が、８０ＭＰａ以上であってもよい。上記の転動部品では、表面からの距離が５０μｍとなる位置における残留オーステナイト量が、１０体積パーセント以上であってもよい。上記の転動部品では、表面からの距離が５０μｍとなる位置における硬さが、６０ＨＲＣ以上であってもよい。

本発明の転がり軸受は、軌道部材と、転動体とを備えている。軌道部材及び転動体の少なくともいずれかは、上記の転動部品である。上記の転がり軸受は、水素利用機器用であってもよい。

本発明の転動部品及び転がり軸受によると、表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能である。

転がり軸受１００の断面図である。 転がり軸受１００の製造方法を示す工程図である。 転がり軸受１００の製造方法の変形例を示す工程図である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。実施形態に係る転がり軸受を、転がり軸受１００とする。

（転がり軸受１００の構成）
図１は、転がり軸受１００の断面図である。図１に示されるように、転がり軸受１００は、例えば深溝玉軸受である。但し、転がり軸受１００は、これに限られない。

転がり軸受１００は、例えば、ＦＣＶ（Fuel Cell Vehicle）及びＥＶ（Electric Vehicle）のトランスアクスル用、ＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）等のトランスミッション用、モータ（駆動装置、変速機）用、電装部品及び補機（オルタネータ、カーエアコンの電磁クラッチ、ファンカップリング装置、中間プーリ、電動ファンモータ、圧縮機、電動アクチュエータ、電動パワーステアリング）用の転がり軸受である。また、転がり軸受１００は、例えば、工作機械の主軸用、鉄道車両（車軸、駆動装置、主電動機）用、変速機用、抄紙機用、建設機械のアクスル用、風力発電機の増速機用の転がり軸受であってもよい。さらに、転がり軸受１００は、ＦＣＶの高圧水素弁、ＦＣＶの水素循環器等の水素利用機器用の転がり軸受であってもよい。

転がり軸受１００は、内輪１０と、外輪２０と、複数の転動体３０と、保持器４０とを有している。内輪１０の中心軸を、中心軸Ａとする。中心軸Ａの方向を軸方向とし、中心軸Ａに直交し、かつ中心軸Ａを通る方向を径方向とし、中心軸Ａを中心とする円周の方向を周方向とする。

内輪１０は、リング状である。内輪１０は、幅面１０ａと、幅面１０ｂと、内径面１０ｃと、外径面１０ｄとを有している。なお、幅面１０ａ、幅面１０ｂ、内径面１０ｃ及び外径面１０ｄを合わせて、内輪１０の表面ということがある。

幅面１０ａ及び幅面１０ｂは、軸方向における内輪１０の端面である。幅面１０ｂは、軸方向における幅面１０ａの反対面である。内径面１０ｃは、周方向に沿って延在している。内径面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内径面１０ｃの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面１０ａ及び幅面１０ｂに連なっている。外径面１０ｄは、周方向に沿って延在している。外径面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。つまり、外径面１０ｄは、内径面１０ｃの径方向における反対面である。外径面１０ｄの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面１０ａ及び幅面１０ｂに連なっている。

内輪１０は、内径面１０ｃにおいて軸（図示を省略）に嵌め合わされる。外径面１０ｄは、軌道面１０ｄａを有している。軌道面１０ｄａは、転動体３０に接触する外径面１０ｄの部分である。軌道面１０ｄａは、周方向に沿って延在している。軌道面１０ｄａは、軸方向における外径面１０ｄの中央部にある。外径面１０ｄは、内径面１０ｃ側に向かって窪んでいる。周方向に直交する断面視において、軌道面１０ｄａは、例えば部分円弧状である。

外輪２０は、リング状である。外輪２０は、幅面２０ａと、幅面２０ｂと、内径面２０ｃと、外径面２０ｄとを有している。なお、幅面２０ａ、幅面２０ｂ、内径面２０ｃ及び外径面２０ｄを合わせて、外輪２０の表面ということがある。

幅面２０ａ及び幅面２０ｂは、軸方向における外輪２０の端面である。幅面２０ｂは、軸方向における幅面２０ａの反対面である。内径面２０ｃは、周方向に沿って延在している。内径面２０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内径面２０ｃの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面２０ａ及び幅面２０ｂに連なっている。外径面２０ｄは、周方向に沿って延在している。外径面２０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。つまり、外径面２０ｄは、内径面２０ｃの径方向における反対面である。外径面２０ｄの軸方向における一方端及び他方端は、それぞれ幅面２０ａ及び幅面２０ｂに連なっている。

外輪２０は、外径面２０ｄにおいてハウジング（図示を省略）に嵌め合わされる。外輪２０は、内径面２０ｃが外径面１０ｄと間隔を空けて対向するように、内輪１０の径方向における外側に配置されている。内径面２０ｃは、軌道面２０ｃａを有している。軌道面２０ｃａは、転動体３０に接触する内径面２０ｃの部分である。軌道面２０ｃａは、周方向に沿って延在している。軌道面２０ｃａは、軸方向における内径面２０ｃの中央部にある。内径面２０ｃは、外径面２０ｄ側に向かって窪んでいる。周方向に直交する断面視において、軌道面２０ｃａは、例えば部分円弧状である。

転動体３０は、例えば球状である。複数の転動体３０は、軌道面１０ｄａと軌道面２０ｃａとの間において、周方向に沿って並んでいる。保持器４０は、外径面１０ｄと内径面２０ｃとの間に配置されている。保持器４０は、隣り合う２つの転動体３０の間の間隔が一定範囲内となるように、複数の転動体３０を保持している。

内輪１０は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。内輪１０を構成している鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む。この鋼の組成を、第１組成ということがある。

上記の鋼中における炭素量が０．７０質量パーセント以上１．１０パーセント以下とされているのは、炭素量が０．７０質量パーセント未満である場合に硬さが不十分となるためであり、炭素量が１．１０質量パーセント超である場合に焼割れが発生するおそれがあるためである。

上記の鋼中におけるシリコン量が０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下とされているのは、シリコン量が０．１５質量パーセント未満である場合に焼戻し軟化抵抗が低下するためであり、シリコン量が０．３５質量パーセント超である場合に加工性が低下するためである。

上記の鋼中におけるマンガン量が０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下とされているのは、マンガン量が０．３０質量パーセント未満である場合に焼入れ性が不十分となるおそれがあるためであり、マンガン量が０．６０質量パーセント超である場合に不純物であるマンガン系の非金属介在物が増加するためである。

上記の鋼中におけるクロム量が１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下とされているのは、クロム量が１．３０質量パーセント未満である場合に焼入れ性が不十分になるおそれがあるとともに析出物が十分に形成されないおそれがあるためであり、クロム量が１．６０質量パーセント超である場合に析出物が粗大化してしまうおそれがあるためである。

上記の鋼がニオブを含んでいるのは、析出物を微細化させるためである。上記の鋼中におけるニオブ量が０．５０質量パーセント以下とされているのは、ニオブ量が０．５０質量パーセント超である場合に鋼材コストが上昇してしまうためである。上記の鋼がバナジウムを含んでいるのは、析出物を微細化させるためである。上記の鋼中におけるバナジウム量が０．５０質量パーセント以下とされているのは、バナジウム量が０．５０質量パーセント超である場合に鋼材コストが上昇してしまうためである。

上記の鋼がモリブデンを含んでいるのは、析出物を微細化させるとともに焼入れ性を確保するためである。上記の鋼中におけるモリブデン量が０．５０質量パーセント以下とされているのは、モリブデン量が０．５０質量パーセント超である場合に鋼材コストが上昇してしまうためである。

内輪１０を構成している鋼は、０．８０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．００１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．２０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．１０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含んでいてもよい。この鋼の組成を、第２組成ということがある。

外輪２０及び転動体３０は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼により形成されている。外輪２０を構成している鋼及び転動体３０を構成している鋼は、好ましくは、第１組成の鋼又は第２組成の鋼である。但し、外輪２０を構成している鋼及び転動体３０を構成している鋼は、第１組成及び第２組成以外の鋼により形成されていてもよい。

内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、表層部５０を有している。内輪１０の表層部５０は内輪１０の表面からの距離が２０μｍまでの領域であり、外輪２０の表層部５０は外輪２０の表面からの距離が２０μｍまでの領域である。転動体３０の表層部５０は、転動体３０の表面からの距離が２０μｍまでの領域である。但し、内輪１０、外輪２０及び転動体３０のいずれかは、表層部５０を有していなくてもよい。

表層部５０には、析出物が分散している。この析出物は、ニオブ、バナジウム又はモリブデンが主成分である窒化物若しくはニオブ、バナジウム又はモリブデンを主成分とする炭窒化物である。

ニオブ（バナジウム、モリブデン）を主成分とする窒化物は、ニオブ（バナジウム、モリブデン）の窒化物又は当該窒化物のニオブ（バナジウム、モリブデン）のサイトが他の金属元素により置換されているものである。また、ニオブ（バナジウム、モリブデン）を主成分とする炭窒化物は、ニオブ（バナジウム、モリブデン）の炭窒化物又は当該炭窒化物のニオブ（バナジウム、モリブデン）のサイトが他の金属元素により置換されているものである。

表層部５０中における析出物の平均面積率は、好ましくは、２．０パーセント以上である。表層部５０中における析出物の最大粒径は、好ましくは、１．０μｍ以下である。

表層部５０における析出物の平均面積率は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ： Scanning Electron Microscope）を用いて倍率１５０００倍で表層部５０の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。表層部５０の断面画像は３視野以上で取得され、平均面積率はそれら複数の断面画像から得られた析出物の面積率の平均値である。

表層部５０の各々の析出物の粒径は、上記と同様の方法を用いて各々の析出物の面積を取得するとともに当該面積をπで除した値の平方根に２を乗じることにより得られる。そして、得られた析出物の粒径のうちで最大のものが、表層部５０における析出物の最大粒径とされる。

表層部５０における鋼は、マルテンサイトブロックを有している。隣り合う２つのマルテンサイトブロックは、粒界において、結晶方位の差が１５°以上になっている。このことを別の観点から言えば、結晶方位にずれがある箇所が存在していても、結晶方位の差が１５°未満である場合、当該箇所はマルテンサイトブロックの粒界とは見做されない。マルテンサイトブロックの粒界は、ＥＢＳＤ（Electron Back Scattered Diffraction）法により決定される。

上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、１．５μｍ以下である。上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、３．３以下であることが好ましい。上位粒面積率３０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、例えば２．０μｍ以下である。上位粒面積率３０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、例えば３．５以下である。表層部５０におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、５．０μｍ以下であることが好ましい。

上位粒面積率５０パーセント（３０パーセント）での表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、以下の方法により測定される。第１に、表層部５０を含む断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により観察視野に含まれているマルテンサイトブロックが特定される。この観察視野は、倍率１５００倍において観察される領域である。第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積が解析される。

第３に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの合計面積の５０パーセント（３０パーセント）に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロックの各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、マルテンサイトブロックの面積をπ／４で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロックの円相当径の平均値が、上位粒面積率５０パーセント（３０パーセント）での表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均粒径と見做される。

表層部５０の各々のマルテンサイトブロックの粒径は、上記と同様の方法を用いて各々のマルテンサイトブロックの面積を取得するとともに当該面積をπで除した値の平方根に２を乗じることにより得られる。そして、得られたマルテンサイトブロックの粒径のうちで最大のものが、表層部５０におけるマルテンサイトブロックの最大粒径とされる。

上位粒面積率５０パーセント（３０パーセント）での表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比は、以下の方法により測定される。第１に、表層部５０を含む断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により観察視野に含まれているマルテンサイトブロックが特定される。この観察視野は、倍率１５００倍において観察される領域である。

第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の形状を最小二乗法により楕円近似される。この最小二乗法による楕円近似は、S. Biggin and D. J. Dingley, Journal of Applied Crystallography, （1977）10, 376-378に記載の方法にしたがって行われる。この楕円形状において、長軸の寸法を短軸の寸法で除することにより、各々のマルテンサイトブロックのアスペクト比が算出される。第３に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積が解析される。

第４に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロックの合計面積の５０パーセント（３０パーセント）に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロックのアスペクト比の平均値が、上位粒面積率５０パーセント（３０パーセント）での表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比と見做される。

表層部５０における平均窒素濃度は、０．２０質量パーセント以上である。表層部５０における平均窒素濃度は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）により測定される。

表層部５０には、セメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）がさらに分散していてもよい。セメンタイトの鉄のサイトの一部は他の金属元素により置換されていてもよく、セメンタイトの炭素のサイトの一部は窒素により置換されていてもよい。上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるセメンタイトの平均粒径は、好ましくは０．８μｍ以上である。表層部５０におけるセメンタイト平均面積率は、好ましくは１０パーセント以上である。

表層部５０におけるセメンタイトの平均面積率は、ＳＥＭを用いて倍率１５０００倍で表層部５０の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。表層部５０の断面画像は３視野以上で取得され、平均面積率はそれら複数の断面画像から得られたセメンタイトの面積率の平均値である。

上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるセメンタイトの平均粒径は、以下の方法により測定される。第１に、ＳＥＭを用いて倍率１５０００倍で表層部５０の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。

第２に、観察視野に含まれているセメンタイトの各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているセメンタイトの合計面積の５０パーセントに達するまで行われる。上記の加算の対象になったセメンタイトの各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、セメンタイトの面積をπ／４で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったセメンタイトの円相当径の平均値が、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるセメンタイトの平均粒径と見做される。

内輪１０の表面からの距離が５０μｍとなる位置、外輪２０の表面からの距離が５０μｍとなる位置及び転動体３０の表面からの距離が５０μｍとなる位置を、位置Ｐ（図示を省略）とする。位置Ｐにおける硬さは、６０ＨＲＣ以上であることが好ましい。位置Ｐにおける硬さは、６２ＨＲＣ以上であることがさらに好ましい。位置Ｐにおける硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４５：２０１６）に定められたロックウェル硬さ試験法にしたがって測定される。

位置Ｐにおける残留オーステナイト量は、例えば、１０体積パーセント以上である。位置Ｐにおける残留オーステナイト量は、例えば、３５体積パーセント以下である。位置Ｐにおける残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。すなわち、オーステナイトのＸ線回折における回折ピークの積分強度とオーステナイト以外の相のＸ線回折における回折ピークの積分強度とを比較することにより、位置Ｐにおける残留オーステナイト量が算出される。

位置Ｐにおける残留圧縮応力は、８０ＭＰａ以上であることが好ましい。内輪１０及び外輪２０では、位置Ｐにおける残留圧縮応力が周方向に沿って作用していることが好ましい。位置Ｐにおける残留圧縮応力は、Ｘ線回折法により測定される。

（転がり軸受１００の製造方法）
以下に、転がり軸受１００の製造方法を説明する。

図２は、転がり軸受１００の製造方法を示す工程図である。図２に示されるように、転がり軸受１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸窒処理工程Ｓ２と、第１焼入れ工程Ｓ３と、第１焼戻し工程Ｓ４と、第２焼入れ工程Ｓ５と、第２焼戻し工程Ｓ６と、後処理工程Ｓ７と、組み立て工程Ｓ８とを有している。なお、転がり軸受１００の製造方法は、第１焼戻し工程Ｓ４及び第２焼入れ工程Ｓ５を有していなくてもよい。

準備工程Ｓ１においては、加工対象部材が準備される。加工対象部材としては、内輪１０及び外輪２０を形成しようとする場合はリング状の部材が準備され、転動体３０を形成しようとする場合は球状の部材が準備される。この加工対象部材は、第１組成又は第２組成の鋼により形成されている。

浸窒処理工程Ｓ２においては、加工対象部材の表面に対する浸窒処理が行われる。この浸窒処理は、窒素源となるガス（例えばアンモニアガス）を含む雰囲気ガス中において、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度で所定時間保持することにより行われる。第１焼入れ工程Ｓ３においては、加工対象部材に対する焼入れが行われる。この焼入れは、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度で所定時間保持した後に加工対象部材をＭ_Ｓ変態点以下の温度まで冷却することにより行われる。

第１焼戻し工程Ｓ４においては、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。この焼戻しは、加工対象部材をＡ_１変態点未満の温度で所定時間保持することにより行われる。

第２焼入れ工程Ｓ５においては、加工対象部材に対する焼入れが行われる。この焼入れは、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度で所定時間保持した後に加工対象部材をＭ_Ｓ変態点以下の温度まで冷却することにより行われる。第２焼入れ工程Ｓ５における保持温度は、浸窒処理工程Ｓ２及び第１焼入れ工程Ｓ３における保持温度以下である。

第２焼戻し工程Ｓ６においては、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。この焼戻しは、加工対象部材をＡ_１変態点未満の温度で所定時間加熱保持することにより行われる。

後処理工程Ｓ７においては、加工対象部材に対する仕上げ加工（研削・研磨）及び洗浄が行われる。これにより、内輪１０、外輪２０及び転動体３０が形成される。組み立て工程Ｓ８においては、内輪１０、外輪２０及び転動体３０が、保持器４０とともに組み立てられる。以上により、図１に示される構造の転がり軸受１００が製造される。

図３は、転がり軸受１００の製造方法の変形例を示す工程図である。図３に示されるように、転がり軸受１００の製造方法は、第１焼戻し工程Ｓ４を有していなくてもよく、第２焼入れ工程Ｓ５に代えてサブゼロ処理工程Ｓ９を有していてもよい。サブゼロ処理工程Ｓ９においては、加工対象部材を室温以下の温度まで冷却することにより行われる。

（転がり軸受１００の効果）
以下に、転がり軸受１００の効果を説明する。

転がり軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び転動体３０が第１組成の鋼により形成されているため、浸窒処理が行われることにより、表層部５０に微細な析出物が分散される。また、表層部５０に微細な析出物が分散されることにより、表層部５０のマルテンサイトブロックが微細化される。そのため、転がり軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の表面における硬さ、ひいては当該表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性が改善されることになる。

転がり軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の表面における耐摩耗性が改善されているため、当該表面において金属新生面が形成されにくくなり、当該表面において水素が発生しにくい。加えて、表層部５０に微細に分散している析出物の近傍は、水素のトラップサイトになる。そのため、転がり軸受１００では、表層部５０への水素侵入量が低下し、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の表面における水素脆化が抑制される。

なお、内輪１０、外輪２０及び転動体３０が第２組成の鋼により形成されている場合、浸窒処理が行われることにより、表層部５０に微細な析出物が分散されるとともにセメンタイトの析出が促進される。また、表層部５０に微細な析出物やセメンタイトが分散されることにより、表層部５０においてマルテンサイトブロックが微細化される。そのため、転がり軸受１００では、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の表面における硬さ、ひいては当該表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性が改善されることになる。上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるセメンタイトの平均粒径が０．８μｍ以上である場合、耐摩耗性がさらに改善される。表層部５０におけるセメンタイトの平均面積率が１０パーセント以上である場合、耐摩耗性がさらに改善される。上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．３以下である場合、耐摩耗性がさらに改善される。

位置Ｐにおける圧縮残留応力が８０ＭＰａ以上である場合、耐圧痕形成性がさらに改善される。位置Ｐにおける残留オーステナイト量が１０体積パーセント以上である場合、異物混入潤滑下での圧痕起点型剥離への耐久性が改善される。

（実施例）
転動部品のサンプルとして、サンプル１からサンプル３が準備された。サンプル１からサンプル３は、転がり軸受の軌道輪である。サンプル１は、表１に示されている組成の鋼により形成された。サンプル２及びサンプル３は、表２に示されている組成の鋼により形成された。表１に示される組成は第１組成に対応しており、表２に示される組成はＳＵＪ２の組成に対応している。

サンプル１に対しては、浸窒処理工程Ｓ２、第１焼入れ工程Ｓ３、サブゼロ処理工程Ｓ９及び第２焼戻し工程Ｓ６が行われた。サンプル２に対しては、浸窒処理工程Ｓ２、第１焼入れ工程Ｓ３及び第２焼戻し工程Ｓ６が行われた。サンプル３に対しては、第１焼入れ工程Ｓ３及び第１焼戻し工程Ｓ４が行われた。

サンプル１からサンプル３に対して、耐摩耗性、耐圧痕形成性及び水素侵入量の評価が行われた。なお、水素侵入量は、以下の方法により評価された。第１に、転動疲労寿命試験前の各サンプルを室温から４００℃まで加熱することにより、転動疲労寿命試験前の各サンプルからの水素放出量が測定された。第２に、各サンプルを用いて転がり軸受を構成した上で、５０時間の転動疲労寿命試験が行われた。第３に、転動疲労寿命試験後の各サンプルを室温から４００℃まで加熱することにより、転動疲労寿命試験後の各サンプルからの水素放出量が測定された。各サンプルの水素侵入量は、転動疲労寿命試験後の水素放出量を転動疲労寿命試験前の水素放出量で除した値により評価された。

第１組成の鋼により形成されていることを条件Ａとし、表層部５０における平均窒素濃度が０．２０質量パーセント以上であることを条件Ｂとする。表３に示されるように、サンプル１は、条件Ａ及び条件Ｂの双方を満たしていた。サンプル２は、条件Ｂを満たしているが、条件Ａを満たしていなかった。サンプル３は、条件Ａ及び条件Ｂの双方を満たしていなかった。

サンプル１では、表層部５０において析出物が高密度（平均面積率が２．０パーセント以上）かつ微細（最大粒径が１．０μｍ以下）に分散していた。サンプル２では、表層部５０において析出物が分散しているものの、サンプル１と比較して析出物の平均面積率が低く、析出物の最大粒径が大きくなっていた。サンプル３では、表層部５０において析出物が分散されていなかった。

サンプル１では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均粒径が１．５μｍ以下になっていた。サンプル２及びサンプル３では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均粒径が１．５μｍよりも大きくなっていた。サンプル１は、サンプル２及びサンプル３と比較して、耐圧痕形成性及び耐摩耗性が改善されており、水素侵入量が少なくなっていた。このことから、条件Ａ及び条件Ｂが満たされることにより表層部５０に析出物が微細かつ高密度に分散して表層部５０におけるマルテンサイトブロックが微細化され、転動部品の表面における耐圧痕形成性及び耐摩耗性を改善可能であるとともに、表面における水素脆性の発生を抑制可能であることが明らかになった。

表４に示されるように、サンプル１では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるセメンタイトの平均粒径が０．８μｍ以上になっており、表層部におけるセメンタイトの平均面積率が１０パーセント以上になっていた。他方で、サンプル２及びサンプル３では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるセメンタイトの平均粒径が０．８μｍ未満になっており、表層部におけるセメンタイトの平均面積率が１０パーセント未満になっていた。

サンプル１では、表層部５０におけるマルテンサイトブロックの最大粒径が５μｍ以下になっていた。他方で、サンプル２及びサンプル３では、表層部５０におけるマルテンサイトブロックの最大粒径が５μｍ超になっていた。

サンプル１では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．３以下になっており、上位粒面積率３０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．５以下になっていた。サンプル２では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．３超になっており、上位粒面積率３０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．５超になっていた。サンプル３では、上位粒面積率５０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．３超になっていたが、上位粒面積率３０パーセントでの表層部５０におけるマルテンサイトブロックの平均アスペクト比が３．５以下になっていた。

表５に示されるように、サンプル１からサンプル３では、位置Ｐにおける残留オーステナイト量が１０体積パーセント以上になっていた。サンプル１では、位置Ｐにおける硬さが、サンプル２及びサンプル３と比較して高くなっていた。サンプル１及びサンプル２では、位置Ｐにおける周方向の残留圧縮応力が８０ＭＰａ以上になっていた。サンプル３では、位置Ｐにおける周方向における残留圧縮応力が８０ＭＰａ未満になっていた。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上記の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

本実施形態は、転動部品及びそれを有する転がり軸受に特に有利に適用される。

１０ 内輪、１０ａ，１０ｂ 幅面、１０ｃ 内径面、１０ｄ 外径面、１０ｄａ 軌道面、２０ 外輪、２０ａ，２０ｂ 幅面、２０ｃ 内径面、２０ｃａ 軌道面、２０ｄ 外径面、３０ 転動体、４０ 保持器、５０ 表層部、１００ 転がり軸受、Ａ 中心軸、Ｐ 位置、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 窒処理工程、Ｓ３ 第１焼入れ工程、Ｓ４ 第１焼戻し工程、Ｓ５ 第２焼入れ工程、Ｓ６ 第２焼戻し工程、Ｓ７ 後処理工程、Ｓ８ 組み立て工程、Ｓ９ サブゼロ処理工程。

Claims (13)

1. 表面を有する焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製の転動部品であって、
   前記表面からの距離が２０μｍまでの領域である表層部を備え、
   前記鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含み、
   前記表層部中における平均窒素濃度は、０．２０質量パーセント以上であり、
   前記表層部中には、析出物が分散しており、
   前記析出物は、ニオブ、バナジウム又はモリブデンが主成分である窒化物若しくはニオブ、バナジウム又はモリブデンを主成分とする炭窒化物であり、
   上位粒面積率５０パーセントでの前記表層部におけるマルテンサイトブロックの平均粒径は、１．５μｍ以下である、転動部品。
2. 前記鋼は、０．８０質量パーセント以上１．１０パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．００１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のニオブと、０．２０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムと、０．１０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、残部を構成している鉄及び不可避不純物とを含む、請求項１に記載の転動部品。
3. 前記表層部におけるマルテンサイトブロックの最大粒径は、５．０μｍ以下である、請求項１に記載の転動部品。
4. 前記表層部における前記析出物の最大粒径は、１．０μｍ以下である、請求項１に記載の転動部品。
5. 前記表層部における前記析出物の平均面積率は、２．０パーセント以上である、請求項１に記載の転動部品。
6. 上位粒面積率５０パーセントでの前記表層部におけるセメンタイトの平均粒径は、０．８μｍ以上である、請求項１に記載の転動部品。
7. 前記表層部におけるセメンタイトの平均面積率は、１０パーセント以上である、請求項１に記載の転動部品。
8. 前記表層部におけるマルテンサイトブロックの上位粒面積率が５０パーセントでの平均アスペクト比は、３．３以下である、請求項１に記載の転動部品。
9. 前記表面からの距離が５０μｍとなる位置における残留圧縮応力は、８０ＭＰａ以上である、請求項１に記載の転動部品。
10. 前記表面からの距離が５０μｍとなる位置における残留オーステナイト量は、１０体積パーセント以上である、請求項１に記載の転動部品。
11. 前記表面からの距離が５０μｍとなる位置における硬さは、６０ＨＲＣ以上である、請求項１に記載の転動部品。
12. 軌道部材と、
    転動体とを備え、
    前記軌道部材及び前記転動体の少なくともいずれかは、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の前記転動部品である、転がり軸受。
13. 水素利用機器用である、請求項１２に記載の転がり軸受。

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