機械部品
【課題】４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品を提供する。
【解決手段】深溝玉軸受１を構成する機械部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１１〜０．１５％の炭素と、０．１〜０．２５％の珪素と、０．１５〜０．３５％のマンガンと、３．２〜３．６％のニッケルと、４〜４．２５％のクロムと、４〜４．５％のモリブデンと、１．１３〜１．３３％のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、転走面１１Ａ，１２Ａ，１３Ａを含む領域には、窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂが形成されており、窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂにおける炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【解決手段】深溝玉軸受１を構成する機械部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１１〜０．１５％の炭素と、０．１〜０．２５％の珪素と、０．１５〜０．３５％のマンガンと、３．２〜３．６％のニッケルと、４〜４．２５％のクロムと、４〜４．５％のモリブデンと、１．１３〜１．３３％のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼から構成され、転走面１１Ａ，１２Ａ，１３Ａを含む領域には、窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂが形成されており、窒素富化層１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂにおける炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品に関し、より特定的には、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなり、表層部に窒素富化層が形成された機械部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素含有量が０．１５質量％以下である鋼からなる機械部品の表層部の強度を向上させる目的で、たとえば浸炭処理を行なうことにより表層部に他の領域に比べて炭素濃度の高い領域を形成した上で、表面を含む領域に他の領域に比べて窒素濃度が高い層である窒素富化層を形成する処理、たとえば窒化処理が行なわれる場合がある。従来の鋼の窒化処理方法としては、鋼をアンモニアなどの窒素源となる気体を含む雰囲気中で加熱することにより、鋼の表層部に窒素を侵入させる窒化処理が代表的である。しかし、クロム含有量の高い鋼、たとえば４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品においては、表層部に化学的に安定な酸化膜が形成される。そのため、クロム含有量の高い鋼からなる機械部品に対して上記窒化処理を実施しても、表層部に窒素が侵入せず、窒素富化層が形成されないという問題があった。
【０００３】
これに対し、鋼からなる被処理物を減圧した炉内に配置し、当該炉内に窒素源となる気体を含む気体を導入した上で、被処理物と被処理物に対向するように配置された部材、たとえば炉壁との間に電位差を生じさせてグロー放電を発生させ、被処理物を構成する鋼の表層部に窒素を侵入させる処理（プラズマ窒化処理）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。そして、プラズマ窒化処理の制御については、たとえばグロー放電の分光分析に基づいて行なう方法や、被処理物を流れる電流の電流密度に基づいて行なう方法が提案されている（たとえば特許文献２および３参照）。これにより、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品の表層部に窒素富化層を形成することが可能となる。
【特許文献１】特開平２−５７６７５号公報
【特許文献２】特開平７−１１８８２６号公報
【特許文献３】特開平９−３６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のように４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品の表層部に窒素富化層を形成した場合でも、当該機械部品の特性が十分に向上しない場合がある。すなわち、上述のような機械部品に応力が繰返し負荷された場合、早期に剥離や破断が発生することがある（疲労強度の低下）。また、上述のような機械部品に衝撃的な応力が負荷された場合、容易に破損が発生することもある（靭性の低下）。つまり、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品においては、単に窒素富化層を形成するのみでは、表層部の硬度は上昇するものの、特に疲労強度や靭性の点で、必ずしも十分な特性が得られない場合があるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った機械部品は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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、窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層が形成されている。そして、窒素富化層における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【０００７】
本発明者は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品に窒素富化層を形成した場合に、疲労強度や靭性が低下する原因について詳細な検討を行なった。その結果、以下のような現象が起こることに起因して、機械部品の疲労強度や靭性が低下することが分かった。
【０００８】
すなわち、上述のようにプラズマ窒化により４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品に窒素富化層を形成した場合、表層部における窒素量が、機械部品を構成する鋼の固溶限（析出物に含まれる窒素も含めた固溶限）を超える。そのため、機械部品を構成する鋼には、結晶粒界に沿って析出する鉄の窒化物（Ｆｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎなど）が形成される。そして、アスペクト比２以上で、かつ７．５μｍ以上の長さで形成された鉄の窒化物（以下、アスペクト比２以上、かつ７．５μｍ以上の長さを有し、結晶粒界に沿って形成される鉄の窒化物を粒界析出物という）は、剥離や破断の起点となるおそれがある。
【０００９】
より具体的には、粒界析出物が形成された機械部品に応力が繰返し負荷された場合、当該粒界析出物が応力の集中源となり、亀裂が発生することがある。そして、この亀裂が進展し、剥離や破断に至るため、機械部品の疲労強度が低下する。また、粒界析出物が形成された機械部品に衝撃的な応力が負荷されると、当該粒界析出物が亀裂の発生や進展を助長するため、靭性が低下する場合がある。つまり、機械部品の表層部において過剰な量の窒素が侵入する結果、粒界析出物が形成され、これが原因となって機械部品の疲労強度や靭性が低下し得る。
【００１０】
これに対し、本発明の機械部品においては、適切な成分組成を有する鋼からなる機械部品の表面を含む領域に０．０５質量％以上の窒素富化層を形成した上で、当該窒素富化層における炭素濃度と窒素濃度との合計値を適切な範囲とすることにより、粒界析出物の形成を抑制することが可能となっている。その結果、本発明の機械部品によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品を提供することができる。以下、本発明の機械部品を構成する鋼の成分範囲および窒素富化層における窒素および炭素の濃度を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１１】
炭素：０．１１質量％以上０．１５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、炭素が０．１１質量％未満では、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。一方、炭素が０．１５質量％を超えると、心部硬度の上昇、靱性の低下という問題が発生し得る。したがって、炭素は０．１１質量％以上０．１５質量％以下とする必要がある。
【００１２】
珪素：０．１質量％以上０．２５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、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。一方、珪素が０．２５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０．２５質量％以下とする必要がある。
【００１３】
マンガン：０．１５質量％以上０．３５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、マンガンが０．１５質量％未満では、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。一方、マンガンが０．３５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０．１５質量％以上０．３５質量％以下とする必要がある。
【００１４】
ニッケル：３．２質量％以上３．６質量％以下
機械部品を構成する鋼において、ニッケルが３．２質量％未満では、耐食性や硬度、靱性の向上という効果が少なくなるという問題が発生し得る。一方、ニッケルが３．６質量％を超えると、残留オーステナイト量の増加という問題が発生し得る。したがって、ニッケルは３．２質量％以上３．６質量％以下とする必要がある。
【００１５】
クロム：４質量％以上４．２５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、クロムが４質量％未満では、焼戻し軟化抵抗の低下という問題が発生し得る。一方、クロムが４．２５質量％を超えると、炭化物の固溶を阻害するという問題が発生し得る。したがって、クロムは４質量％以上４．２５質量％以下とする必要がある。
【００１６】
モリブデン：４質量％以上４．５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、モリブデンが４質量％未満では、焼戻軟化抵抗の低下という問題が発生し得る。一方、モリブデンが４．５質量％を超えると、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。したがって、モリブデンは４質量％以上４．５質量％以下とする必要がある。
【００１７】
バナジウム：１．１３質量％以上１．３３質量％以下
機械部品を構成する鋼において、バナジウムが１．１３質量％未満では、焼戻軟化抵抗の低下やバナジウム添加によるミクロ組織の微細化の効果が少なくなるという問題が発生し得る。一方、バナジウムが１．３３質量％を超えると、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。したがって、バナジウムは１．１３質量％以上１．３３質量％以下とする必要がある。
【００１８】
窒素富化層の窒素濃度：０．０５質量％以上
上記鋼からなる機械部品において、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保するためには、表面を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層が形成されている必要がある。また、耐摩耗性等を一層向上させるためには、機械部品の表面における窒素濃度は、０．１５質量％以上であることが好ましい。
【００１９】
窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値：０．５５質量％以上１．９質量％以下
上記鋼からなる機械部品において、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保するためには、窒素濃度だけでなく炭素濃度をも管理することが重要である。そして、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値が０．５５質量未満では、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保することが難しくなることを、本発明者は見出した。したがって、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、０．５５質量％以上とする必要がある。また、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保することを容易にするためには、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、０．７質量％以上とすることが好ましい。
【００２０】
一方、上記鋼からなる機械部品において、表層部の窒素濃度が高くなると粒界析出物が形成されやすくなり、炭素濃度が高くなるとその傾向がより強くなる。そして、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値が１．９質量％を超えると、粒界析出物の形成を抑制することが難しくなることを、本発明者は見出した。したがって、窒素富化層における窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、１．９質量％以下とする必要がある。また、粒界析出物の形成を一層抑制するためには、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、１．７質量％以下とすることが好ましい。なお、上記炭素濃度および窒素濃度とは、鉄、クロムなどの炭化物や窒化物以外の領域である素地（母相）における濃度をいう。
【００２１】
上記機械部品において好ましくは、上記窒素富化層の厚みは０．１１ｍｍ以上である。軸受、ハブ、等速自在継手、歯車などの機械部品においては、表面および表面直下、具体的には表面からの距離が０．１１ｍｍ以内の領域の強度が重要となる場合が多い。そのため、上記窒素富化層の厚みを０．１１ｍｍ以上とすることにより、機械部品に十分な強度を付与することが可能となる。なお、機械部品の強度を一層十分なものとするためには、上記窒素富化層の厚みは０．１５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
上記機械部品において好ましくは、上記窒素富化層は、８００ＨＶ以上の硬度を有している。表層部に形成される窒素富化層の硬度を８００ＨＶ以上とすることにより、機械部品の強度を一層確実に確保することが可能となる。
【００２３】
上記機械部品において好ましくは、上記窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物の数が、一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下である。
【００２４】
上述のように、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物である粒界析出物は、機械部品の疲労強度、靭性などの特性を低下させるおそれがある。そして、本発明者が上記成分組成を有する鋼からなる機械部品について、機械部品の疲労強度と粒界析出物の数密度との関係について調査したところ、上記窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、粒界析出物が一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個を超える数密度で存在すると、機械部品の疲労強度が低下することが分かった。したがって、窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、粒界析出物の数が一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下であることにより、機械部品の疲労強度を向上させることができる。なお、機械部品の疲労強度を一層向上させるためには、上記粒界析出物の数は、一辺１５０μｍの正方形領域６０視野内に１個以下であることが好ましい。
【００２５】
上記本発明の機械部品は、軸受を構成する部品として用いられてもよい。表層部が窒化されることにより強化され、かつ粒界析出物の発生が抑制された本発明の機械部品は、疲労強度、耐摩耗性等が要求される機械部品である軸受を構成する部品として好適である。
【００２６】
なお、上述の機械部品を用いて、軌道輪と、軌道輪に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えた転がり軸受を構成してもよい。すなわち、軌道輪および転動体の少なくともいずれか一方、好ましくは両方が、上述の機械部品である。表層部が窒化されることにより強化され、かつ粒界析出物の発生が抑制された本発明の機械部品を備えていることにより、当該転がり軸受によれば、長寿命な転がり軸受を提供することができる。
【００２７】
なお、窒素富化層における窒素および炭素の濃度は、たとえばＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により調査することができる。また、上記鉄の窒化物（粒界析出物）の数密度は、たとえば以下のように調査することができる。すなわち、まず機械部品を表面に垂直な断面で切断し、当該断面を研磨する。その後、適切な腐食液にて当該断面腐食した上で、窒素富化層をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）あるいは光学顕微鏡にて観察して写真を撮影する。そして、表面が視野の一辺として規定された一辺１５０μｍの正方形の視野を画像解析装置により解析し、粒界析出物の数を調査する。これをランダムに５視野以上において実施し、５視野あたりの粒界析出物の数を算出する。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明の機械部品によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品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】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１を参照して、深溝玉軸受１は、環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された環状の内輪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、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。
【００３２】
ここで、機械部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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、窒素濃度が０．０５質量％以上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における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。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。
【００３３】
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を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上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における炭素濃度と窒素濃度との合計値が適切な範囲である０．５５質量％以上１．９質量％以下とされることにより、表層部に十分な硬度が付与されるとともに、粒界析出物の形成が抑制されている。その結果、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は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保され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、長寿命な転がり軸受となっている。
【００３４】
さらに、外輪１１、内輪１２および玉１３に形成された外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂの厚みは、０．１１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３に十分な強度が付与される。
【００３５】
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、８００ＨＶ以上の硬度を有していることが好ましい。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３の強度を一層確実に確保することが可能となる。
【００３６】
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を顕微鏡にて観察した場合、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物の数が、一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下であることが好ましい。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３の疲労強度を向上させることができる。
【００３７】
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の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図３および図４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。
【００３８】
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転動部材としての一対の軌道輪２１と、転動部材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。
【００３９】
ここで、図４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、機械部品である軌道輪２１およびニードルころ２３は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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４を参照して、軌道輪２１およびニードルころ２３の表面である軌道輪転走面２１Ａおよびころ転走面２３Ａを含む領域には、窒素濃度が０．０５質量％以上である軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂが形成されている。さらに、軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂにおける炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【００４０】
本変形例における機械部品である軌道輪２１およびニードルころ２３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、表面に形成された軌道輪転走面２１Ａおよびころ転走面２３Ａを含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上である軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂが形成されている。そして、軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂにおける炭素濃度と窒素濃度との合計値が適切な範囲である０．５５質量％以上１．９質量％以下とされることにより、表層部に十分な硬度が付与されるとともに、粒界析出物の形成が抑制されている。その結果、本変形例における機械部品である軌道輪２１およびニードルころ２３は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保され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、長寿命な転がり軸受となっている。
【００４１】
図５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６は、図５の線分ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。また、図７は、図５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８は、図５の要部を拡大して示す概略部分断面図である。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。なお、図５は、図６の線分Ｖ−Ｖに沿う概略断面図に対応する。図５〜図９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。
【００４２】
図５および図６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。
【００４３】
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３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。
【００４４】
次に、等速ジョイント３の動作について説明する。図５および図６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７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。
【００４５】
ここで、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およびアウターレース３２は上記深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２に、ボール３３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、機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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８および図９を参照して、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、窒素濃度が０．０５質量％以上であ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が形成されている。さらに、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における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【００４６】
本変形例における機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３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を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上であ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が形成されている。そして、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における炭素濃度と窒素濃度との合計値が適切な範囲である０．５５質量％以上１．９質量％以下とされることにより、表層部に十分な硬度が付与されるとともに、粒界析出物の形成が抑制されている。その結果、本変形例における機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保され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を備えた自在継手である等速ジョイント３は、長寿命な等速自在継手となっている。
【００４７】
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１０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。
【００４８】
図１０を参照して、まず、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼からなり、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が実施される。具体的には、たとえば、上記成分を含有する棒鋼、鋼線などを素材とし、当該棒鋼、鋼線などに対して切断、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、機械部品としての外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１などの機械部品の概略形状に成形された鋼部材が準備される。
【００４９】
次に、鋼部材準備工程において準備された上述の鋼部材に対して、焼入処理および窒化処理を含む熱処理を行なう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。
【００５０】
次に、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。
【００５１】
さらに、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発明の機械部品である、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。
【００５２】
次に、上述の熱処理工程の詳細について説明する。図１１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１１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１１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。図１０および図１１を参照して、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について説明する。
【００５３】
図１０を参照して、本実施の形態における機械部品の製造方法の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処理される浸炭工程が実施される。具体的には、図１１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の雰囲気中で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の高い浸炭層が形成される。
【００５４】
次に、図１０を参照して、浸炭処理が実施された鋼部材が焼入処理される焼入工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、当該鋼部材が、Ａ１変態点以上の温度である温度Ｔ１からＭＳ点以下の温度に冷却されることにより、焼入硬化される。
【００５５】
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。
【００５６】
次に、図１０を参照して、焼入処理が実施された鋼部材に対し、焼戻処理を行なう第１焼戻工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば鋼部材が減圧雰囲気中（真空中）でＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ２に加熱され、時間ｔ２の間保持された後、冷却されることにより焼戻処理される。これにより、鋼部材の焼入処理による残留応力を緩和し、熱処理によるひずみが抑制される等の効果が得られる。
【００５７】
次に、図１０を参照して、第１焼戻工程が実施された鋼部材に対し、サブゼロ処理を行なう第１サブゼロ工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、鋼部材が、たとえば液体窒素を噴霧されて０℃未満の温度である温度Ｔ３に冷却され、時間ｔ３の間保持されることによりサブゼロ処理される。これにより、鋼部材の焼入処理により生成した残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、鋼の組織が安定化する等の効果が得られる。
【００５８】
次に、図１０を参照して、第１サブゼロ工程が実施された鋼部材に対し、焼戻処理を行なう第２焼戻工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば鋼部材が真空中でＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ４に加熱され、時間ｔ４の間保持された後、冷却されることにより焼戻処理される。これにより、鋼部材のサブゼロ処理による残留応力を緩和し、ひずみが抑制される等の効果が得られる。
【００５９】
次に、図１０を参照して、第２焼戻工程が実施された鋼部材に対し、再度サブゼロ処理を行なう第２サブゼロ工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、鋼部材が、たとえば液体窒素を噴霧されて０℃未満の温度である温度Ｔ５に冷却され、時間ｔ５の間保持されることによりサブゼロ処理される。これにより、鋼部材の焼入処理により生成した残留オーステナイトがさらにマルテンサイトに変態し、鋼の組織が一層安定化する等の効果が得られる。
【００６０】
次に、図１０を参照して、第２サブゼロ工程が実施された鋼部材に対し、再度焼戻処理を行なう第３焼戻工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、上記第２焼戻工程と同様に、鋼部材が真空中でＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ６に加熱され、時間ｔ６の間保持された後、冷却されることにより焼戻処理される。ここで、温度Ｔ６およびｔ６は第２焼戻工程の温度Ｔ４およびｔ４と同様の条件とすることができる。これにより、第２サブゼロ工程における鋼部材のサブゼロ処理により発生し得る残留応力を緩和し、ひずみが抑制される等の効果が得られる。
【００６１】
次に、図１０を参照して、第３焼戻工程が実施された鋼部材に対し、プラズマ窒化処理を行なうプラズマ窒化工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば圧力５０Ｐａ以上５０００Ｐａ以下となるように窒素（Ｎ２）と、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）およびアルゴン（Ａｒ）からなる群から選択される少なくともいずれか１つ以上とが導入されたプラズマ窒化炉に、鋼部材が挿入され、放電電圧５０Ｖ以上１０００Ｖ以下、放電電流０．００１Ａ以上１００Ａ以下の条件下で温度Ｔ７に加熱されて時間ｔ７の間保持された後、冷却されることにより鋼部材がプラズマ窒化処理される。これにより、鋼部材の表層部に窒素が侵入して窒素富化層が形成され、当該表層部の強度が向上する。ここで、温度Ｔ７は、たとえば３００℃以上５５０℃以下、時間ｔ７は１時間以上８０時間以下とすることができる。この温度Ｔ７、時間ｔ７などの熱処理条件は、仕上げ工程で実施される仕上げ加工における取りしろを考慮し、プラズマ窒化処理において形成される粒界析出物層（粒界析出物が形成されている層）の厚みが、仕上げ加工において除去可能な厚み以下となるように決定することができる。
【００６２】
なお、鋼部材を構成する鋼がＡＭＳ規格６２７８（ＡＩＳＩ規格Ｍ５０ＮｉＬ）である場合、プラズマ窒化工程における上記圧力は５０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、放電電圧は５０Ｖ以上６００Ｖ以下、放電電流は０.００１Ａ以上３００Ａ以下、温度Ｔ７は３５０℃以上４５０℃以下、時間ｔ７は１時間以上５０時間以下とすることが好ましい。
【００６３】
次に、図１０を参照して、プラズマ窒化工程が実施された鋼部材に対し、拡散処理を行なう拡散工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば真空中で温度Ｔ８に加熱され、時間ｔ８の間保持されることにより鋼部材が拡散処理される。ここで、温度Ｔ８は、３００℃以上４８０℃以下、好ましくは３００℃以上４３０℃以下、時間ｔ８は５０時間以上３００時間以下とすることができる。これにより、窒化層形成による表層部の硬度上昇が相殺されることを抑制しつつ、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させることができる。そして、この拡散工程を実施することにより、プラズマ窒化工程において窒素が侵入する深さを、仕上げ加工での粒界析出物層の除去が可能な範囲にとどめても、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させることができる。以上の工程により、本実施の形態における熱処理工程は完了する。
【００６４】
以上のように、本実施の形態における鋼の熱処理方法によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼の表層部を窒化処理して高硬度な窒素富化層を形成するとともに、粒界析出物の発生を抑制することができる。
【００６５】
また、上記実施の形態における機械部品の製造方法によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなり、表層部が窒化処理されて高硬度な窒素富化層が形成されるとともに、粒界析出物の発生が抑制された機械部品（外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１など）を製造することができる。その結果、上述のように、本実施の形態における機械部品（外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１など）の表面（外輪転走面１１Ａ、軌道輪転走面２１Ａ、インナーレースボール溝３１Ａの表面など）を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上、炭素濃度と窒素濃度との合計値が０．５５質量％以上１．９質量％以下である厚み０．１１ｍｍ以上、硬度８００ＨＶ以上の窒素富化層を形成するとともに、当該窒素富化層を表面に垂直な断面で切断し、当該断面を光学顕微鏡またはＳＥＭを用いて、表面を含む一辺１５０μｍの正方形の視野をランダムに５視野観察した場合、粒界析出物の検出数を１個以下とすることができる。ここで、窒素富化層における炭素濃度および窒素濃度は、たとえばプラズマ窒化工程において実施されるプラズマ窒化の処理時間、および拡散工程において実施される拡散処理の処理時間を調整することにより、コントロールすることができる。
【００６６】
なお、上記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、表層部の疲労強度、耐摩耗性等が要求される機械部品、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。
【実施例１】
【００６７】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の機械部品と同様の構成を有するサンプルを、上記実施の形態における鋼の熱処理方法を採用した機械部品の製造方法により実際に作製し、表層部における粒界析出物の発生が抑制されていることを確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００６８】
まず、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼であるＡＭＳ規格６２７８（ＡＩＳＩ規格Ｍ５０ＮｉＬ）の鋼材を準備し、これを加工することにより外径φ４０ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、厚みｔ１６ｍｍの試験片を作製した。
【００６９】
次に、この試験片に対し、上記実施の形態において図１１に基づいて説明した鋼の熱処理方法を用いた熱処理工程を実施した。ここで、Ｔ１、ｔ１、Ｔ２、ｔ２、Ｔ３、ｔ３、Ｔ４、ｔ４、Ｔ５、ｔ５、Ｔ６およびｔ６は、第３焼戻工程後の試験片の硬度が５８ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下となるように決定し、Ｔ７は４３０℃、ｔ７は１０時間、Ｔ８は４３０℃、ｔ８は１６０時間とした。また、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の処理温度Ｔ７が４３０℃となるように、放電電圧を２００Ｖ以上４５０Ｖ以下、放電電流を１Ａ以上５Ａ以下の範囲で制御した。さらに、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の炉内の圧力が２６７Ｐａ以上４００Ｐａ以下となるように、窒素（Ｎ２）：水素（Ｈ２）＝１：１の割合で炉内にガスを導入した。
【００７０】
さらに、拡散工程では、窒素雰囲気に調整された雰囲気炉内において試験片が加熱され、試験片の表面における炭素濃度と窒素濃度との和が１．９質量％以下となるように、拡散処理が実施された。以上のように本発明の鋼の熱処理方法が実施された試験片を、本発明の実施例のサンプルとした（実施例Ａ）。
【００７１】
一方、同様に作製されたＡＭＳ規格６２７８からなる試験片に対し、上記実施の形態において図１１に基づいて説明した鋼の熱処理方法から、拡散工程を省略した熱処理工程を実施した。ここで、Ｔ１、ｔ１、Ｔ２、ｔ２、Ｔ３、ｔ３、Ｔ４、ｔ４、Ｔ５、ｔ５、Ｔ６およびｔ６は、第３焼戻工程後の試験片の硬度が５８ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下となるように決定し、Ｔ７は４８０℃、ｔ７は３０時間とした。また、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の処理温度Ｔ７が４８０℃となるように、放電電圧を２００Ｖ以上４５０Ｖ以下、放電電流を１Ａ以上５Ａ以下の範囲で制御した。さらに、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の炉内の圧力が２６７Ｐａ以上４００Ｐａ以下となるように、窒素（Ｎ２）：水素（Ｈ２）：メタン（ＣＨ４）＝７９：８０：１の割合で炉内にガスを導入した。以上の熱処理方法が実施された試験片を、本発明の比較例のサンプルとした（比較例Ａ）。
【００７２】
そして、上述のように作製された実施例Ａおよび比較例Ａのサンプルを表面に垂直な断面にて切断し、当該断面を研磨した。さらに、研磨された断面を腐食液にて腐食した後、表面を含む一辺１５０μｍの正方形の視野をランダムに５視野観察した。
【００７３】
次に、実験結果について説明する。図１２は、実施例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。また、図１３は、実施例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。また、図１４は、実施例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。また、図１５は、比較例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。また、図１６は、比較例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。また、図１７は、比較例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。図１２および図１５において、写真上部がサンプルの表面側に該当する。また、図１３および図１６において、横軸は表面からの深さ（距離）、縦軸は硬度（単位はビッカース硬さ）を示している。また、図１４および図１７において、横軸は表面からの深さ（距離）、縦軸は炭素および窒素の濃度を示しており、細線が炭素濃度、太線が窒素濃度を示している。
【００７４】
図１２を参照して、本発明の実施例Ａのサンプルにおける表層部には、粒界析出物（アスペクト比２以上で、かつ７．５μｍ以上の長さで形成された鉄の窒化物）は観察されず、良好なミクロ組織となっている。また、図１３および図１４を参照して、実施例Ａのサンプルの表面から深さ０．５ｍｍ以内の領域は、９５０ＨＶ以上という十分な硬度を有しているとともに、十分な量の窒素が侵入している。そのため、実施例Ａと同様の熱処理を実施した鋼部材の表面に対して研磨などの仕上げ加工を施すことにより、窒素濃度が０．０５質量％以上、炭素濃度と窒素濃度との合計値が０．５５質量％以上１．９質量％以下、厚み０．１１ｍｍ以上、硬度８００ＨＶ以上の窒素富化層が形成されるとともに、当該窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、粒界析出物が一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下である機械部品を製造することができる。
【００７５】
一方、図１５を参照して、本発明の範囲外である比較例Ａのサンプルにおける表層部には、多数の粒界析出物９０が観察される。また、図１６および図１７を参照して、比較例Ａのサンプルの表面から深さ０．５ｍｍ以内の領域は、実施例Ａと同様に、９５０ＨＶ以上という十分な硬度を有しているとともに、十分な量の窒素が侵入している。そのため、比較例Ａと同様の熱処理を実施した鋼部材の表面に対して研磨などの仕上げ加工を施しても、高硬度な表層部が形成されているものの、表層部に粒界析出物が残存する機械部品が得られる。このような機械部品は、上述のように、十分な疲労強度や靭性を有しているとはいえない。
【００７６】
以上より、上記実施の形態における鋼の熱処理方法を採用した機械部品の製造方法によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された本発明の機械部品を製造可能であることが確認された。
【実施例２】
【００７７】
以下、本発明の実施例２について説明する。上記実施の形態において説明した鋼の熱処理方法の拡散工程における、適切な加熱温度の範囲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。
【００７８】
まず、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼であるＡＭＳ規格６２７８（ＡＩＳＩ規格Ｍ５０ＮｉＬ）の鋼材を準備し、これを加工することにより外径φ４０ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、厚みｔ１６ｍｍの試験片を作製した。
【００７９】
次に、この試験片に対し、上記実施の形態において図１１に基づいて説明した鋼の熱処理方法を用いた熱処理工程のうち、浸炭工程から第３焼戻工程までを上記実施例１の実施例Ａの場合と同様に実施した。そして、当該試験片を４３０℃〜５７０℃の温度に種々の時間保持することにより、拡散工程と同様の工程を実施し、浸炭層の硬度を測定した。より具体的には、試験片の表面からの距離が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の領域において硬度を９点測定し、そのうちの最低硬度を算出した。さらに、当該測定結果を反応速度論に基づき解析し、拡散工程の各加熱温度における加熱処理時間（拡散時間）と浸炭層の硬度との関係を算出した。
【００８０】
一方、同様の試験片に浸炭工程から第３焼戻工程までを上記実施例１の実施例Ａの場合と同様に実施した後、実際にプラズマ窒化工程および拡散工程を実施して、試験片の硬度分布を確認する実験も行なった。プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の処理温度Ｔ７が４８０℃となるように、放電電圧を２００Ｖ以上４５０Ｖ以下、放電電流を１Ａ以上５Ａ以下の範囲で制御し、１時間保持することによりプラズマ窒化を行なった。さらに、プラズマ窒化工程では、プラズマ窒化時の炉内の圧力が２６７Ｐａ以上４００Ｐａ以下となるように、窒素（Ｎ２）：水素（Ｈ２）＝１：１の割合で炉内にガスを導入した。さらに、プラズマ窒化工程が完了した試験片に対して、４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった。そして、拡散工程を実施する前後における試験片の表層部における硬度分布を測定した。
【００８１】
次に、実験の結果について説明する。図１８は、上記反応速度論に基づく解析の結果得られた、拡散工程の各加熱温度における加熱処理時間（拡散時間）と浸炭層の硬度との関係を示す図（アブラミプロット）である。図１８において、横軸は加熱処理時間（拡散時間）、縦軸は浸炭層の硬度を示している。また、図１９は、拡散工程を行なう前の試験片、および４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった試験片の表層部の硬度分布を示す図である。図１９において、横軸は表面からの深さ（距離）、縦軸は硬度を示している。また、図１９において、菱形は拡散工程を行なう前の試験片、四角形は４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった試験片の硬度を示している。
【００８２】
図１８を参照して、試験片の浸炭層の硬度は、拡散温度が高いほど短時間で低下しているが、拡散温度が４８０℃になると、２００時間拡散処理を行なった場合でも硬度の低下幅が５０ＨＶ以下となり、母材の硬度（浸炭層のうちプラズマ窒化による窒素の侵入の影響がない領域における硬度）の低下が表層部の硬度に及ぼす影響が小さくなる。また、拡散温度が４６０℃になると、２００時間拡散処理を行なった場合でも硬度の低下幅が３０ＨＶ以下となり、母材の硬度の低下が表層部の硬度に及ぼす影響が一層小さくなる。さらに、拡散温度が４３０℃になると、２００時間拡散処理を行なった場合でも硬度の低下幅が１０ＨＶ以下となり、母材の硬度の低下は、表層部の硬度にほとんど影響を及ぼさなくなる。
【００８３】
一方、図１９を参照して、４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった場合、実際の母材硬度の低下幅は、図１８の解析結果とほぼ一致しており、図１８の解析結果は、実際の熱処理の結果に一致しているものと考えられる。
【００８４】
以上の実験結果より、拡散工程における加熱温度（拡散温度）は、母材の硬度の低下が表層部の硬度に及ぼす影響を抑制しつつ、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させる観点から、４８０℃以下とする必要があり、４６０℃以下とすることが好ましい。さらに、当該加熱温度を４３０℃以下とすることにより、母材の硬度の低下を表層部の硬度にほとんど影響させることなく、拡散工程を実施することができる。なお、母材の硬度の低下が表層部の硬度に及ぼす影響を抑制する観点からは、拡散工程における加熱温度を一層低くすることが好ましいが、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させるために要する時間が実際の生産工程における許容限度を超えて長くなることを回避するため、当該加熱温度は３００℃以上とすることが好ましい。
【００８５】
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】
【００８６】
本発明の機械部品は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなり、表層部に窒素富化層が形成された機械部品に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の一実施の形態における機械部品を備えた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】第１の変形例である機械部品を備えた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の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【図５】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。
【図６】図５の線分ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。
【図７】図５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８】図５の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【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】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１１】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】実施例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。
【図１３】実施例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。
【図１４】実施例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。
【図１５】比較例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。
【図１６】比較例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。
【図１７】比較例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。
【図１８】拡散工程の各加熱温度における加熱処理時間と浸炭層の硬度との関係を示す図（アブラミプロット）である。
【図１９】試験片の表層部の硬度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
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、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、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、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 粒界析出物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品に関し、より特定的には、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなり、表層部に窒素富化層が形成された機械部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素含有量が０．１５質量％以下である鋼からなる機械部品の表層部の強度を向上させる目的で、たとえば浸炭処理を行なうことにより表層部に他の領域に比べて炭素濃度の高い領域を形成した上で、表面を含む領域に他の領域に比べて窒素濃度が高い層である窒素富化層を形成する処理、たとえば窒化処理が行なわれる場合がある。従来の鋼の窒化処理方法としては、鋼をアンモニアなどの窒素源となる気体を含む雰囲気中で加熱することにより、鋼の表層部に窒素を侵入させる窒化処理が代表的である。しかし、クロム含有量の高い鋼、たとえば４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品においては、表層部に化学的に安定な酸化膜が形成される。そのため、クロム含有量の高い鋼からなる機械部品に対して上記窒化処理を実施しても、表層部に窒素が侵入せず、窒素富化層が形成されないという問題があった。
【０００３】
これに対し、鋼からなる被処理物を減圧した炉内に配置し、当該炉内に窒素源となる気体を含む気体を導入した上で、被処理物と被処理物に対向するように配置された部材、たとえば炉壁との間に電位差を生じさせてグロー放電を発生させ、被処理物を構成する鋼の表層部に窒素を侵入させる処理（プラズマ窒化処理）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。そして、プラズマ窒化処理の制御については、たとえばグロー放電の分光分析に基づいて行なう方法や、被処理物を流れる電流の電流密度に基づいて行なう方法が提案されている（たとえば特許文献２および３参照）。これにより、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品の表層部に窒素富化層を形成することが可能となる。
【特許文献１】特開平２−５７６７５号公報
【特許文献２】特開平７−１１８８２６号公報
【特許文献３】特開平９−３６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のように４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品の表層部に窒素富化層を形成した場合でも、当該機械部品の特性が十分に向上しない場合がある。すなわち、上述のような機械部品に応力が繰返し負荷された場合、早期に剥離や破断が発生することがある（疲労強度の低下）。また、上述のような機械部品に衝撃的な応力が負荷された場合、容易に破損が発生することもある（靭性の低下）。つまり、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品においては、単に窒素富化層を形成するのみでは、表層部の硬度は上昇するものの、特に疲労強度や靭性の点で、必ずしも十分な特性が得られない場合があるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った機械部品は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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、窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層が形成されている。そして、窒素富化層における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【０００７】
本発明者は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品に窒素富化層を形成した場合に、疲労強度や靭性が低下する原因について詳細な検討を行なった。その結果、以下のような現象が起こることに起因して、機械部品の疲労強度や靭性が低下することが分かった。
【０００８】
すなわち、上述のようにプラズマ窒化により４質量％以上のクロムを含有する鋼からなる機械部品に窒素富化層を形成した場合、表層部における窒素量が、機械部品を構成する鋼の固溶限（析出物に含まれる窒素も含めた固溶限）を超える。そのため、機械部品を構成する鋼には、結晶粒界に沿って析出する鉄の窒化物（Ｆｅ３Ｎ、Ｆｅ４Ｎなど）が形成される。そして、アスペクト比２以上で、かつ７．５μｍ以上の長さで形成された鉄の窒化物（以下、アスペクト比２以上、かつ７．５μｍ以上の長さを有し、結晶粒界に沿って形成される鉄の窒化物を粒界析出物という）は、剥離や破断の起点となるおそれがある。
【０００９】
より具体的には、粒界析出物が形成された機械部品に応力が繰返し負荷された場合、当該粒界析出物が応力の集中源となり、亀裂が発生することがある。そして、この亀裂が進展し、剥離や破断に至るため、機械部品の疲労強度が低下する。また、粒界析出物が形成された機械部品に衝撃的な応力が負荷されると、当該粒界析出物が亀裂の発生や進展を助長するため、靭性が低下する場合がある。つまり、機械部品の表層部において過剰な量の窒素が侵入する結果、粒界析出物が形成され、これが原因となって機械部品の疲労強度や靭性が低下し得る。
【００１０】
これに対し、本発明の機械部品においては、適切な成分組成を有する鋼からなる機械部品の表面を含む領域に０．０５質量％以上の窒素富化層を形成した上で、当該窒素富化層における炭素濃度と窒素濃度との合計値を適切な範囲とすることにより、粒界析出物の形成を抑制することが可能となっている。その結果、本発明の機械部品によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品を提供することができる。以下、本発明の機械部品を構成する鋼の成分範囲および窒素富化層における窒素および炭素の濃度を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１１】
炭素：０．１１質量％以上０．１５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、炭素が０．１１質量％未満では、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。一方、炭素が０．１５質量％を超えると、心部硬度の上昇、靱性の低下という問題が発生し得る。したがって、炭素は０．１１質量％以上０．１５質量％以下とする必要がある。
【００１２】
珪素：０．１質量％以上０．２５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、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。一方、珪素が０．２５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０．２５質量％以下とする必要がある。
【００１３】
マンガン：０．１５質量％以上０．３５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、マンガンが０．１５質量％未満では、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。一方、マンガンが０．３５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０．１５質量％以上０．３５質量％以下とする必要がある。
【００１４】
ニッケル：３．２質量％以上３．６質量％以下
機械部品を構成する鋼において、ニッケルが３．２質量％未満では、耐食性や硬度、靱性の向上という効果が少なくなるという問題が発生し得る。一方、ニッケルが３．６質量％を超えると、残留オーステナイト量の増加という問題が発生し得る。したがって、ニッケルは３．２質量％以上３．６質量％以下とする必要がある。
【００１５】
クロム：４質量％以上４．２５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、クロムが４質量％未満では、焼戻し軟化抵抗の低下という問題が発生し得る。一方、クロムが４．２５質量％を超えると、炭化物の固溶を阻害するという問題が発生し得る。したがって、クロムは４質量％以上４．２５質量％以下とする必要がある。
【００１６】
モリブデン：４質量％以上４．５質量％以下
機械部品を構成する鋼において、モリブデンが４質量％未満では、焼戻軟化抵抗の低下という問題が発生し得る。一方、モリブデンが４．５質量％を超えると、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。したがって、モリブデンは４質量％以上４．５質量％以下とする必要がある。
【００１７】
バナジウム：１．１３質量％以上１．３３質量％以下
機械部品を構成する鋼において、バナジウムが１．１３質量％未満では、焼戻軟化抵抗の低下やバナジウム添加によるミクロ組織の微細化の効果が少なくなるという問題が発生し得る。一方、バナジウムが１．３３質量％を超えると、鋼の製造コスト上昇という問題が発生し得る。したがって、バナジウムは１．１３質量％以上１．３３質量％以下とする必要がある。
【００１８】
窒素富化層の窒素濃度：０．０５質量％以上
上記鋼からなる機械部品において、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保するためには、表面を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層が形成されている必要がある。また、耐摩耗性等を一層向上させるためには、機械部品の表面における窒素濃度は、０．１５質量％以上であることが好ましい。
【００１９】
窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値：０．５５質量％以上１．９質量％以下
上記鋼からなる機械部品において、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保するためには、窒素濃度だけでなく炭素濃度をも管理することが重要である。そして、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値が０．５５質量未満では、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保することが難しくなることを、本発明者は見出した。したがって、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、０．５５質量％以上とする必要がある。また、表層部に十分な硬度を付与して耐摩耗性等を確保することを容易にするためには、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、０．７質量％以上とすることが好ましい。
【００２０】
一方、上記鋼からなる機械部品において、表層部の窒素濃度が高くなると粒界析出物が形成されやすくなり、炭素濃度が高くなるとその傾向がより強くなる。そして、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値が１．９質量％を超えると、粒界析出物の形成を抑制することが難しくなることを、本発明者は見出した。したがって、窒素富化層における窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、１．９質量％以下とする必要がある。また、粒界析出物の形成を一層抑制するためには、窒素富化層における窒素濃度と炭素濃度との合計値は、１．７質量％以下とすることが好ましい。なお、上記炭素濃度および窒素濃度とは、鉄、クロムなどの炭化物や窒化物以外の領域である素地（母相）における濃度をいう。
【００２１】
上記機械部品において好ましくは、上記窒素富化層の厚みは０．１１ｍｍ以上である。軸受、ハブ、等速自在継手、歯車などの機械部品においては、表面および表面直下、具体的には表面からの距離が０．１１ｍｍ以内の領域の強度が重要となる場合が多い。そのため、上記窒素富化層の厚みを０．１１ｍｍ以上とすることにより、機械部品に十分な強度を付与することが可能となる。なお、機械部品の強度を一層十分なものとするためには、上記窒素富化層の厚みは０．１５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
上記機械部品において好ましくは、上記窒素富化層は、８００ＨＶ以上の硬度を有している。表層部に形成される窒素富化層の硬度を８００ＨＶ以上とすることにより、機械部品の強度を一層確実に確保することが可能となる。
【００２３】
上記機械部品において好ましくは、上記窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物の数が、一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下である。
【００２４】
上述のように、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物である粒界析出物は、機械部品の疲労強度、靭性などの特性を低下させるおそれがある。そして、本発明者が上記成分組成を有する鋼からなる機械部品について、機械部品の疲労強度と粒界析出物の数密度との関係について調査したところ、上記窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、粒界析出物が一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個を超える数密度で存在すると、機械部品の疲労強度が低下することが分かった。したがって、窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、粒界析出物の数が一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下であることにより、機械部品の疲労強度を向上させることができる。なお、機械部品の疲労強度を一層向上させるためには、上記粒界析出物の数は、一辺１５０μｍの正方形領域６０視野内に１個以下であることが好ましい。
【００２５】
上記本発明の機械部品は、軸受を構成する部品として用いられてもよい。表層部が窒化されることにより強化され、かつ粒界析出物の発生が抑制された本発明の機械部品は、疲労強度、耐摩耗性等が要求される機械部品である軸受を構成する部品として好適である。
【００２６】
なお、上述の機械部品を用いて、軌道輪と、軌道輪に接触し、円環状の軌道上に配置される転動体とを備えた転がり軸受を構成してもよい。すなわち、軌道輪および転動体の少なくともいずれか一方、好ましくは両方が、上述の機械部品である。表層部が窒化されることにより強化され、かつ粒界析出物の発生が抑制された本発明の機械部品を備えていることにより、当該転がり軸受によれば、長寿命な転がり軸受を提供することができる。
【００２７】
なお、窒素富化層における窒素および炭素の濃度は、たとえばＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により調査することができる。また、上記鉄の窒化物（粒界析出物）の数密度は、たとえば以下のように調査することができる。すなわち、まず機械部品を表面に垂直な断面で切断し、当該断面を研磨する。その後、適切な腐食液にて当該断面腐食した上で、窒素富化層をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）あるいは光学顕微鏡にて観察して写真を撮影する。そして、表面が視野の一辺として規定された一辺１５０μｍの正方形の視野を画像解析装置により解析し、粒界析出物の数を調査する。これをランダムに５視野以上において実施し、５視野あたりの粒界析出物の数を算出する。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明の機械部品によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された機械部品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】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１を参照して、深溝玉軸受１は、環状の外輪１１と、外輪１１の内側に配置された環状の内輪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、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。
【００３２】
ここで、機械部品である外輪１１、内輪１２および玉１３は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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、窒素濃度が０．０５質量％以上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における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。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。
【００３３】
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を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上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における炭素濃度と窒素濃度との合計値が適切な範囲である０．５５質量％以上１．９質量％以下とされることにより、表層部に十分な硬度が付与されるとともに、粒界析出物の形成が抑制されている。その結果、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は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保され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、長寿命な転がり軸受となっている。
【００３４】
さらに、外輪１１、内輪１２および玉１３に形成された外輪窒素富化層１１Ｂ、内輪窒素富化層１２Ｂおよび玉窒素富化層１３Ｂの厚みは、０．１１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３に十分な強度が付与される。
【００３５】
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、８００ＨＶ以上の硬度を有していることが好ましい。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３の強度を一層確実に確保することが可能となる。
【００３６】
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を顕微鏡にて観察した場合、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物の数が、一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下であることが好ましい。これにより、外輪１１、内輪１２および玉１３の疲労強度を向上させることができる。
【００３７】
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の要部を拡大して示す概略部分断面図である。図３および図４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。
【００３８】
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転動部材としての一対の軌道輪２１と、転動部材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。
【００３９】
ここで、図４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、機械部品である軌道輪２１およびニードルころ２３は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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４を参照して、軌道輪２１およびニードルころ２３の表面である軌道輪転走面２１Ａおよびころ転走面２３Ａを含む領域には、窒素濃度が０．０５質量％以上である軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂが形成されている。さらに、軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂにおける炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【００４０】
本変形例における機械部品である軌道輪２１およびニードルころ２３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、表面に形成された軌道輪転走面２１Ａおよびころ転走面２３Ａを含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上である軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂが形成されている。そして、軌道輪窒素富化層２１Ｂおよびころ窒素富化層２３Ｂにおける炭素濃度と窒素濃度との合計値が適切な範囲である０．５５質量％以上１．９質量％以下とされることにより、表層部に十分な硬度が付与されるとともに、粒界析出物の形成が抑制されている。その結果、本変形例における機械部品である軌道輪２１およびニードルころ２３は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保され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、長寿命な転がり軸受となっている。
【００４１】
図５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６は、図５の線分ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。また、図７は、図５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８は、図５の要部を拡大して示す概略部分断面図である。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。なお、図５は、図６の線分Ｖ−Ｖに沿う概略断面図に対応する。図５〜図９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。
【００４２】
図５および図６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。
【００４３】
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３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。
【００４４】
次に、等速ジョイント３の動作について説明する。図５および図６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７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。
【００４５】
ここで、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およびアウターレース３２は上記深溝玉軸受１の外輪１１および内輪１２に、ボール３３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、機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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８および図９を参照して、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、窒素濃度が０．０５質量％以上であ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が形成されている。さらに、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における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である。
【００４６】
本変形例における機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３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を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上であ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が形成されている。そして、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における炭素濃度と窒素濃度との合計値が適切な範囲である０．５５質量％以上１．９質量％以下とされることにより、表層部に十分な硬度が付与されるとともに、粒界析出物の形成が抑制されている。その結果、本変形例における機械部品であるインナーレース３１、アウターレース３２およびボール３３は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保され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を備えた自在継手である等速ジョイント３は、長寿命な等速自在継手となっている。
【００４７】
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１０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。
【００４８】
図１０を参照して、まず、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼からなり、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が実施される。具体的には、たとえば、上記成分を含有する棒鋼、鋼線などを素材とし、当該棒鋼、鋼線などに対して切断、鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、機械部品としての外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１などの機械部品の概略形状に成形された鋼部材が準備される。
【００４９】
次に、鋼部材準備工程において準備された上述の鋼部材に対して、焼入処理および窒化処理を含む熱処理を行なう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。
【００５０】
次に、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。
【００５１】
さらに、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発明の機械部品である、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。
【００５２】
次に、上述の熱処理工程の詳細について説明する。図１１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１１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１１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。図１０および図１１を参照して、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について説明する。
【００５３】
図１０を参照して、本実施の形態における機械部品の製造方法の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処理される浸炭工程が実施される。具体的には、図１１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の雰囲気中で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の高い浸炭層が形成される。
【００５４】
次に、図１０を参照して、浸炭処理が実施された鋼部材が焼入処理される焼入工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、当該鋼部材が、Ａ１変態点以上の温度である温度Ｔ１からＭＳ点以下の温度に冷却されることにより、焼入硬化される。
【００５５】
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。
【００５６】
次に、図１０を参照して、焼入処理が実施された鋼部材に対し、焼戻処理を行なう第１焼戻工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば鋼部材が減圧雰囲気中（真空中）でＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ２に加熱され、時間ｔ２の間保持された後、冷却されることにより焼戻処理される。これにより、鋼部材の焼入処理による残留応力を緩和し、熱処理によるひずみが抑制される等の効果が得られる。
【００５７】
次に、図１０を参照して、第１焼戻工程が実施された鋼部材に対し、サブゼロ処理を行なう第１サブゼロ工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、鋼部材が、たとえば液体窒素を噴霧されて０℃未満の温度である温度Ｔ３に冷却され、時間ｔ３の間保持されることによりサブゼロ処理される。これにより、鋼部材の焼入処理により生成した残留オーステナイトがマルテンサイトに変態し、鋼の組織が安定化する等の効果が得られる。
【００５８】
次に、図１０を参照して、第１サブゼロ工程が実施された鋼部材に対し、焼戻処理を行なう第２焼戻工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば鋼部材が真空中でＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ４に加熱され、時間ｔ４の間保持された後、冷却されることにより焼戻処理される。これにより、鋼部材のサブゼロ処理による残留応力を緩和し、ひずみが抑制される等の効果が得られる。
【００５９】
次に、図１０を参照して、第２焼戻工程が実施された鋼部材に対し、再度サブゼロ処理を行なう第２サブゼロ工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、鋼部材が、たとえば液体窒素を噴霧されて０℃未満の温度である温度Ｔ５に冷却され、時間ｔ５の間保持されることによりサブゼロ処理される。これにより、鋼部材の焼入処理により生成した残留オーステナイトがさらにマルテンサイトに変態し、鋼の組織が一層安定化する等の効果が得られる。
【００６０】
次に、図１０を参照して、第２サブゼロ工程が実施された鋼部材に対し、再度焼戻処理を行なう第３焼戻工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、上記第２焼戻工程と同様に、鋼部材が真空中でＡ１変態点未満の温度である温度Ｔ６に加熱され、時間ｔ６の間保持された後、冷却されることにより焼戻処理される。ここで、温度Ｔ６およびｔ６は第２焼戻工程の温度Ｔ４およびｔ４と同様の条件とすることができる。これにより、第２サブゼロ工程における鋼部材のサブゼロ処理により発生し得る残留応力を緩和し、ひずみが抑制される等の効果が得られる。
【００６１】
次に、図１０を参照して、第３焼戻工程が実施された鋼部材に対し、プラズマ窒化処理を行なうプラズマ窒化工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば圧力５０Ｐａ以上５０００Ｐａ以下となるように窒素（Ｎ２）と、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）およびアルゴン（Ａｒ）からなる群から選択される少なくともいずれか１つ以上とが導入されたプラズマ窒化炉に、鋼部材が挿入され、放電電圧５０Ｖ以上１０００Ｖ以下、放電電流０．００１Ａ以上１００Ａ以下の条件下で温度Ｔ７に加熱されて時間ｔ７の間保持された後、冷却されることにより鋼部材がプラズマ窒化処理される。これにより、鋼部材の表層部に窒素が侵入して窒素富化層が形成され、当該表層部の強度が向上する。ここで、温度Ｔ７は、たとえば３００℃以上５５０℃以下、時間ｔ７は１時間以上８０時間以下とすることができる。この温度Ｔ７、時間ｔ７などの熱処理条件は、仕上げ工程で実施される仕上げ加工における取りしろを考慮し、プラズマ窒化処理において形成される粒界析出物層（粒界析出物が形成されている層）の厚みが、仕上げ加工において除去可能な厚み以下となるように決定することができる。
【００６２】
なお、鋼部材を構成する鋼がＡＭＳ規格６２７８（ＡＩＳＩ規格Ｍ５０ＮｉＬ）である場合、プラズマ窒化工程における上記圧力は５０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、放電電圧は５０Ｖ以上６００Ｖ以下、放電電流は０.００１Ａ以上３００Ａ以下、温度Ｔ７は３５０℃以上４５０℃以下、時間ｔ７は１時間以上５０時間以下とすることが好ましい。
【００６３】
次に、図１０を参照して、プラズマ窒化工程が実施された鋼部材に対し、拡散処理を行なう拡散工程が実施される。具体的には、図１１を参照して、たとえば真空中で温度Ｔ８に加熱され、時間ｔ８の間保持されることにより鋼部材が拡散処理される。ここで、温度Ｔ８は、３００℃以上４８０℃以下、好ましくは３００℃以上４３０℃以下、時間ｔ８は５０時間以上３００時間以下とすることができる。これにより、窒化層形成による表層部の硬度上昇が相殺されることを抑制しつつ、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させることができる。そして、この拡散工程を実施することにより、プラズマ窒化工程において窒素が侵入する深さを、仕上げ加工での粒界析出物層の除去が可能な範囲にとどめても、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させることができる。以上の工程により、本実施の形態における熱処理工程は完了する。
【００６４】
以上のように、本実施の形態における鋼の熱処理方法によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼の表層部を窒化処理して高硬度な窒素富化層を形成するとともに、粒界析出物の発生を抑制することができる。
【００６５】
また、上記実施の形態における機械部品の製造方法によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなり、表層部が窒化処理されて高硬度な窒素富化層が形成されるとともに、粒界析出物の発生が抑制された機械部品（外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１など）を製造することができる。その結果、上述のように、本実施の形態における機械部品（外輪１１、軌道輪２１、インナーレース３１など）の表面（外輪転走面１１Ａ、軌道輪転走面２１Ａ、インナーレースボール溝３１Ａの表面など）を含む領域に窒素濃度が０．０５質量％以上、炭素濃度と窒素濃度との合計値が０．５５質量％以上１．９質量％以下である厚み０．１１ｍｍ以上、硬度８００ＨＶ以上の窒素富化層を形成するとともに、当該窒素富化層を表面に垂直な断面で切断し、当該断面を光学顕微鏡またはＳＥＭを用いて、表面を含む一辺１５０μｍの正方形の視野をランダムに５視野観察した場合、粒界析出物の検出数を１個以下とすることができる。ここで、窒素富化層における炭素濃度および窒素濃度は、たとえばプラズマ窒化工程において実施されるプラズマ窒化の処理時間、および拡散工程において実施される拡散処理の処理時間を調整することにより、コントロールすることができる。
【００６６】
なお、上記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、表層部の疲労強度、耐摩耗性等が要求される機械部品、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。
【実施例１】
【００６７】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の機械部品と同様の構成を有するサンプルを、上記実施の形態における鋼の熱処理方法を採用した機械部品の製造方法により実際に作製し、表層部における粒界析出物の発生が抑制されていることを確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００６８】
まず、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼であるＡＭＳ規格６２７８（ＡＩＳＩ規格Ｍ５０ＮｉＬ）の鋼材を準備し、これを加工することにより外径φ４０ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、厚みｔ１６ｍｍの試験片を作製した。
【００６９】
次に、この試験片に対し、上記実施の形態において図１１に基づいて説明した鋼の熱処理方法を用いた熱処理工程を実施した。ここで、Ｔ１、ｔ１、Ｔ２、ｔ２、Ｔ３、ｔ３、Ｔ４、ｔ４、Ｔ５、ｔ５、Ｔ６およびｔ６は、第３焼戻工程後の試験片の硬度が５８ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下となるように決定し、Ｔ７は４３０℃、ｔ７は１０時間、Ｔ８は４３０℃、ｔ８は１６０時間とした。また、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の処理温度Ｔ７が４３０℃となるように、放電電圧を２００Ｖ以上４５０Ｖ以下、放電電流を１Ａ以上５Ａ以下の範囲で制御した。さらに、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の炉内の圧力が２６７Ｐａ以上４００Ｐａ以下となるように、窒素（Ｎ２）：水素（Ｈ２）＝１：１の割合で炉内にガスを導入した。
【００７０】
さらに、拡散工程では、窒素雰囲気に調整された雰囲気炉内において試験片が加熱され、試験片の表面における炭素濃度と窒素濃度との和が１．９質量％以下となるように、拡散処理が実施された。以上のように本発明の鋼の熱処理方法が実施された試験片を、本発明の実施例のサンプルとした（実施例Ａ）。
【００７１】
一方、同様に作製されたＡＭＳ規格６２７８からなる試験片に対し、上記実施の形態において図１１に基づいて説明した鋼の熱処理方法から、拡散工程を省略した熱処理工程を実施した。ここで、Ｔ１、ｔ１、Ｔ２、ｔ２、Ｔ３、ｔ３、Ｔ４、ｔ４、Ｔ５、ｔ５、Ｔ６およびｔ６は、第３焼戻工程後の試験片の硬度が５８ＨＲＣ以上６５ＨＲＣ以下となるように決定し、Ｔ７は４８０℃、ｔ７は３０時間とした。また、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の処理温度Ｔ７が４８０℃となるように、放電電圧を２００Ｖ以上４５０Ｖ以下、放電電流を１Ａ以上５Ａ以下の範囲で制御した。さらに、プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の炉内の圧力が２６７Ｐａ以上４００Ｐａ以下となるように、窒素（Ｎ２）：水素（Ｈ２）：メタン（ＣＨ４）＝７９：８０：１の割合で炉内にガスを導入した。以上の熱処理方法が実施された試験片を、本発明の比較例のサンプルとした（比較例Ａ）。
【００７２】
そして、上述のように作製された実施例Ａおよび比較例Ａのサンプルを表面に垂直な断面にて切断し、当該断面を研磨した。さらに、研磨された断面を腐食液にて腐食した後、表面を含む一辺１５０μｍの正方形の視野をランダムに５視野観察した。
【００７３】
次に、実験結果について説明する。図１２は、実施例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。また、図１３は、実施例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。また、図１４は、実施例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。また、図１５は、比較例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。また、図１６は、比較例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。また、図１７は、比較例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。図１２および図１５において、写真上部がサンプルの表面側に該当する。また、図１３および図１６において、横軸は表面からの深さ（距離）、縦軸は硬度（単位はビッカース硬さ）を示している。また、図１４および図１７において、横軸は表面からの深さ（距離）、縦軸は炭素および窒素の濃度を示しており、細線が炭素濃度、太線が窒素濃度を示している。
【００７４】
図１２を参照して、本発明の実施例Ａのサンプルにおける表層部には、粒界析出物（アスペクト比２以上で、かつ７．５μｍ以上の長さで形成された鉄の窒化物）は観察されず、良好なミクロ組織となっている。また、図１３および図１４を参照して、実施例Ａのサンプルの表面から深さ０．５ｍｍ以内の領域は、９５０ＨＶ以上という十分な硬度を有しているとともに、十分な量の窒素が侵入している。そのため、実施例Ａと同様の熱処理を実施した鋼部材の表面に対して研磨などの仕上げ加工を施すことにより、窒素濃度が０．０５質量％以上、炭素濃度と窒素濃度との合計値が０．５５質量％以上１．９質量％以下、厚み０．１１ｍｍ以上、硬度８００ＨＶ以上の窒素富化層が形成されるとともに、当該窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、粒界析出物が一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下である機械部品を製造することができる。
【００７５】
一方、図１５を参照して、本発明の範囲外である比較例Ａのサンプルにおける表層部には、多数の粒界析出物９０が観察される。また、図１６および図１７を参照して、比較例Ａのサンプルの表面から深さ０．５ｍｍ以内の領域は、実施例Ａと同様に、９５０ＨＶ以上という十分な硬度を有しているとともに、十分な量の窒素が侵入している。そのため、比較例Ａと同様の熱処理を実施した鋼部材の表面に対して研磨などの仕上げ加工を施しても、高硬度な表層部が形成されているものの、表層部に粒界析出物が残存する機械部品が得られる。このような機械部品は、上述のように、十分な疲労強度や靭性を有しているとはいえない。
【００７６】
以上より、上記実施の形態における鋼の熱処理方法を採用した機械部品の製造方法によれば、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなるとともに、表層部に窒素富化層が形成されており、かつ疲労強度および靭性が十分に確保された本発明の機械部品を製造可能であることが確認された。
【実施例２】
【００７７】
以下、本発明の実施例２について説明する。上記実施の形態において説明した鋼の熱処理方法の拡散工程における、適切な加熱温度の範囲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。
【００７８】
まず、０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなる鋼であるＡＭＳ規格６２７８（ＡＩＳＩ規格Ｍ５０ＮｉＬ）の鋼材を準備し、これを加工することにより外径φ４０ｍｍ、内径φ３０ｍｍ、厚みｔ１６ｍｍの試験片を作製した。
【００７９】
次に、この試験片に対し、上記実施の形態において図１１に基づいて説明した鋼の熱処理方法を用いた熱処理工程のうち、浸炭工程から第３焼戻工程までを上記実施例１の実施例Ａの場合と同様に実施した。そして、当該試験片を４３０℃〜５７０℃の温度に種々の時間保持することにより、拡散工程と同様の工程を実施し、浸炭層の硬度を測定した。より具体的には、試験片の表面からの距離が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の領域において硬度を９点測定し、そのうちの最低硬度を算出した。さらに、当該測定結果を反応速度論に基づき解析し、拡散工程の各加熱温度における加熱処理時間（拡散時間）と浸炭層の硬度との関係を算出した。
【００８０】
一方、同様の試験片に浸炭工程から第３焼戻工程までを上記実施例１の実施例Ａの場合と同様に実施した後、実際にプラズマ窒化工程および拡散工程を実施して、試験片の硬度分布を確認する実験も行なった。プラズマ窒化工程においては、プラズマ窒化時の処理温度Ｔ７が４８０℃となるように、放電電圧を２００Ｖ以上４５０Ｖ以下、放電電流を１Ａ以上５Ａ以下の範囲で制御し、１時間保持することによりプラズマ窒化を行なった。さらに、プラズマ窒化工程では、プラズマ窒化時の炉内の圧力が２６７Ｐａ以上４００Ｐａ以下となるように、窒素（Ｎ２）：水素（Ｈ２）＝１：１の割合で炉内にガスを導入した。さらに、プラズマ窒化工程が完了した試験片に対して、４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった。そして、拡散工程を実施する前後における試験片の表層部における硬度分布を測定した。
【００８１】
次に、実験の結果について説明する。図１８は、上記反応速度論に基づく解析の結果得られた、拡散工程の各加熱温度における加熱処理時間（拡散時間）と浸炭層の硬度との関係を示す図（アブラミプロット）である。図１８において、横軸は加熱処理時間（拡散時間）、縦軸は浸炭層の硬度を示している。また、図１９は、拡散工程を行なう前の試験片、および４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった試験片の表層部の硬度分布を示す図である。図１９において、横軸は表面からの深さ（距離）、縦軸は硬度を示している。また、図１９において、菱形は拡散工程を行なう前の試験片、四角形は４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった試験片の硬度を示している。
【００８２】
図１８を参照して、試験片の浸炭層の硬度は、拡散温度が高いほど短時間で低下しているが、拡散温度が４８０℃になると、２００時間拡散処理を行なった場合でも硬度の低下幅が５０ＨＶ以下となり、母材の硬度（浸炭層のうちプラズマ窒化による窒素の侵入の影響がない領域における硬度）の低下が表層部の硬度に及ぼす影響が小さくなる。また、拡散温度が４６０℃になると、２００時間拡散処理を行なった場合でも硬度の低下幅が３０ＨＶ以下となり、母材の硬度の低下が表層部の硬度に及ぼす影響が一層小さくなる。さらに、拡散温度が４３０℃になると、２００時間拡散処理を行なった場合でも硬度の低下幅が１０ＨＶ以下となり、母材の硬度の低下は、表層部の硬度にほとんど影響を及ぼさなくなる。
【００８３】
一方、図１９を参照して、４８０℃で５０時間保持する拡散工程を行なった場合、実際の母材硬度の低下幅は、図１８の解析結果とほぼ一致しており、図１８の解析結果は、実際の熱処理の結果に一致しているものと考えられる。
【００８４】
以上の実験結果より、拡散工程における加熱温度（拡散温度）は、母材の硬度の低下が表層部の硬度に及ぼす影響を抑制しつつ、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させる観点から、４８０℃以下とする必要があり、４６０℃以下とすることが好ましい。さらに、当該加熱温度を４３０℃以下とすることにより、母材の硬度の低下を表層部の硬度にほとんど影響させることなく、拡散工程を実施することができる。なお、母材の硬度の低下が表層部の硬度に及ぼす影響を抑制する観点からは、拡散工程における加熱温度を一層低くすることが好ましいが、鋼に侵入した窒素を所望の領域にまで到達させるために要する時間が実際の生産工程における許容限度を超えて長くなることを回避するため、当該加熱温度は３００℃以上とすることが好ましい。
【００８５】
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】
【００８６】
本発明の機械部品は、４質量％以上のクロムを含有する鋼からなり、表層部に窒素富化層が形成された機械部品に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の一実施の形態における機械部品を備えた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】第１の変形例である機械部品を備えた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の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【図５】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。
【図６】図５の線分ＶＩ−ＶＩに沿う概略断面図である。
【図７】図５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８】図５の要部を拡大して示す概略部分断面図である。
【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】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１１】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】実施例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。
【図１３】実施例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。
【図１４】実施例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。
【図１５】比較例Ａの表面付近におけるミクロ組織の光学顕微鏡写真である。
【図１６】比較例Ａの表面付近における硬度分布を示す図である。
【図１７】比較例Ａの表面付近における炭素および窒素の濃度の分布を示す図である。
【図１８】拡散工程の各加熱温度における加熱処理時間と浸炭層の硬度との関係を示す図（アブラミプロット）である。
【図１９】試験片の表層部の硬度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
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、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、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、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 粒界析出物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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、窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層が形成されており、
前記窒素富化層における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である、機械部品。
【請求項２】
前記窒素富化層の厚みは０．１１ｍｍ以上である、請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
前記窒素富化層は、８００ＨＶ以上の硬度を有している、請求項１または２に記載の機械部品。
【請求項４】
前記窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物の数が、一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械部品。
【請求項５】
軸受を構成する部品として用いられる、請求項４に記載の機械部品。
【請求項１】
０．１１質量％以上０．１５質量％以下の炭素と、０．１質量％以上０．２５質量％以下の珪素と、０．１５質量％以上０．３５質量％以下のマンガンと、３．２質量％以上３．６質量％以下のニッケルと、４質量％以上４．２５質量％以下のクロムと、４質量％以上４．５質量％以下のモリブデンと、１．１３質量％以上１．３３質量％以下のバナジウムとを含有し、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、窒素濃度が０．０５質量％以上である窒素富化層が形成されており、
前記窒素富化層における炭素濃度と窒素濃度との合計値は０．５５質量％以上１．９質量％以下である、機械部品。
【請求項２】
前記窒素富化層の厚みは０．１１ｍｍ以上である、請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
前記窒素富化層は、８００ＨＶ以上の硬度を有している、請求項１または２に記載の機械部品。
【請求項４】
前記窒素富化層を顕微鏡にて観察した場合、アスペクト比２以上、長さ７．５μｍ以上の鉄の窒化物の数が、一辺１５０μｍの正方形領域５視野内に１個以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械部品。
【請求項５】
軸受を構成する部品として用いられる、請求項４に記載の機械部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１２】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１２】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１２７１１４（Ｐ２００９−１２７１１４Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０６１６８（Ｐ２００７−３０６１６８）
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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