CN117980521A - 机械部件和滚动轴承 - Google Patents

Abstract

机械部件(10)是钢制成的具有表面(10a,10b,10c,10d)。钢已实施了淬火和回火。机械部件具备位于表面的渗氮层(11)和比渗氮层更远离表面的芯部。表面的钢中的氮浓度在0.01质量％以上。表面的钢的硬度在820Hv以上。芯部的钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上且9体积％以下。芯部的钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^‑2以上。钢为高碳钢或轴承钢。

Description

机械部件和滚动轴承

技术领域

本发明涉及机械部件和滚动轴承。更具体而言，本发明涉及由实施了淬火和回火的钢制成的机械部件及具备该机械部件的滚动轴承。

背景技術

汽车的电动化正在取得进展，主要集中于电动汽车(BEV：Battery ElectricVehicle)、插电式混合动力电动汽车(PHEV：Plug-in Hybrid Electric Vehicle)、混合动力电动汽车(HEV：Hybrid Electric Vehicle)。例如，正逐渐使用电动车轴(e-axles)、电动制动器、电动VTC(可变气门机构)、电动压缩机等来取代发动机。

对于电动汽车，为了以更少的电量延长行驶距离(提高电费效率)，期望将单元做得更小、更轻，并且电机旋转得更快、输出更高。因此，要求各种部件小型化、旋转速度更高、强度更高。例如，随着电机的旋转速度提高或小型化，滚动轴承的发热量会增加，导致滚动轴承在使用时温度升高。此外，为了降低滚动轴承等的扭矩，很可能会发生润滑油的粘度降低、油量或油脂量减少，如果发生这种情况，则滚动轴承的发热量将进一步增加。因此，对电动汽车中使用的滚动轴承要求高温下的尺寸稳定性和维持高硬度。

实施了淬火和回火的滚动轴承的构成材料的组织包括马氏体、残留奥氏体、未固溶碳化物和氮化物等析出物。适量的残留奥氏体被认为对于提高清洁油滚动疲劳寿命和压痕起点型滚动疲劳寿命是有效的。

在实施了淬火和回火的滚动轴承中，当使用温度升高时，残留奥氏体会发生分解。其结果是，由于因残留奥氏体分解引起的体积膨胀，滚动轴承的构成部件的尺寸会发生变化。此外，当滚动轴承的轨道圈的尺寸变化率增大时，可能会出现发生蠕变，随着轨道面与滚动体之间的间隙减小而导致接触面压增大和由此引起的早期损伤，以及随着尺寸精度下降而异常噪音、振动增大等问题。

日本特开2001-99163号公报(专利文献1)中记载了滚动轴承的轨道圈。专利文献1所记载的轨道圈是由实施了淬火和回火的钢制成的。专利文献1所记载的轨道圈的钢中的残留奥氏体量实质上为0。根据专利文献1记载的轨道圈，能够抑制因使用而引起的尺寸的经时变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-99163号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，专利文献1所记载的轨道圈的表面的钢的硬度低于752Hv。在残留奥氏体量少的状态下，当轨道圈表面的钢的硬度变低时，压痕起点型滚动疲劳寿命会降低。因此，专利文献1所记载的轨道圈的压痕起点型滚动疲劳寿命还有提高的余地。

本发明是鉴于如上所述的现有技术的问题点而完成的。更具体而言，本发明提供一种能够抑制尺寸的经时变化并且能够提高表面的压痕起点型滚动疲劳寿命的机械部件和滚动轴承。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的第一形态的机械部件由钢制成并且具有表面。钢已实施了淬火和回火。机械部件具备位于表面的渗氮层和比渗氮层更远离表面的芯部。表面的钢中的氮浓度在0.01质量％以上。表面的钢的硬度在820Hv以上。芯部的钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上且9体积％以下。芯部的钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上。钢为高碳钢或轴承钢。

在本发明的第一形态的机械部件中，芯部的所述钢中的马氏体的位错密度可以在6.0×10¹⁴m^-2以上。

本发明的第二形态的机械部件由钢制成并且具有表面。钢已实施了淬火和回火。机械部件具备位于表面的渗氮层和比渗氮层更远离表面的芯部。表面的钢中的氮浓度在0.01质量％以上。表面的钢的硬度在820Hv以上。芯部的钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上且5体积％以下。芯部的钢中的残留奥氏体的位错密度在1.0×10¹⁵m^-2以上。钢为低碳钢或渗碳钢。

在本发明的第一形态或本发明的第二形态的机械部件中，当将表面的钢中的氮浓度记为X(单位：质量％)、将表面的钢中的马氏体的位错密度记为Y(单位：m^-2)时，可以满足934923.48+379.96×X-330.96×Y²-5.41×10⁴×lοgY+783.83×lοgX²≥0的关系。

在本发明的第一形态的机械部件中，钢可以含有0.77质量％以上的碳、4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。

在本发明的第二形态的机械部件中，钢可以含有0.01质量％以上且少于0.77质量％的碳、4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。

在本发明的第一形态或第二形态的机械部件中，在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率可以在40×10^-5以下。在本发明的第一形态或第二形态的机械部件中，在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率可以在15×10^-5以下。尺寸变化率是指用上述保持后的机械部件的尺寸减去上述保持前的机械部件的尺寸而得到的值(上述保持前后的机械部件的尺寸差)除以上述保持前的机械部件的尺寸而得的值。

本发明的滚动轴承具备内圈、外圈和滚动体。内圈、外圈和滚动体中的至少一者是上述的机械部件。

发明效果

根据本发明的第一形态或第二形态的机械部件以及本发明的滚动轴承，能够抑制尺寸的经时变化并且能够提高表面的压痕起点型滚动疲劳寿命。

附图的简要说明

图1是内圈10的剖视图。

图2A是外圈30的剖视图。

图2B是滚动体40的剖视图。

图2C是实施方式的滚动轴承的剖视图。

图3是示出内圈10的制造方法的工序图。

图4是加工对象构件20的剖视图。

图5A是加工对象构件50的剖视图。

图5B是加工对象构件60的剖视图。

图6是示出形成有压痕的轨道圈的表面形状的示意图。

图7是示出轨道圈表面的钢的硬度与压痕周围的凸出部之间关系的图。

具体实施方式

参照附图对于本发明的实施方式进行详细说明。在以下附图中，对相同或相应部分标以相同参照符号，重复说明不再赘述。

(实施方式的机械部件的构成)

以下对实施方式的机械构件的构成进行说明。实施方式的机械部件例如是滚动轴承的轨道圈。实施方式的机械部件可以是滚动轴承的滚动体。实施方式的机械部件可以是齿轮、轮轴(axel)、轴(shaft)、滚珠丝杠等滑动构件，或者可以是壳体等结构构件。在此，以滚动轴承的内圈10作为实施方式的机械部件的一例进行说明。

实施方式的机械部件可以是电动车轴中所使用的滚动轴承的构成部件(轨道圈(内圈、外圈)、滚动体(滚珠、滚子)等)。实施方式的机械部件也可以是电动车轴中所使用的齿轮、轮轴、轴等部件。通常的电动车轴是由驱动电机、减速器、逆变器等构成的三轴结构单元。另外，有的电动车轴为由驱动电机、行星减速器、逆变器等构成的同轴结构单元，或由驱动电机、CVT(无级变速器)、逆变器等构成的单元。电动车轴的减速器内所使用的滚动轴承中可能会混入由于齿轮及壳体的摩擦磨损而产生的异物。因此，减速器中所使用的滚动轴承的构成部件不仅要求高温下的尺寸稳定性和高负载容量，还要求即使混入异物也不会发生过早损坏。此外，为了节省减速机内部的空间及使减速机小型化，要求减速机中所使用的滚动轴承具有高负载容量。而且，由于与电动车轴的减速器中所使用的滚动轴承部件同样的理由，电动车轴中所使用的齿轮、轮轴、轴等也要求高温下的尺寸稳定性、耐异物性以及高负载容量。

实施方式的机械部件也可以是电动制动器中所使用的滚动轴承或滚珠丝杠的构成部件。电动制动器例如由电机、减速齿轮、滚珠丝杠、气缸、控制设备等构成。滚珠丝杠是由具有轨道面的丝杠轴、具有轨道面的螺母(外圈)、配置在轴的轨道面与螺母的轨道面之间的滚动体(滚珠)、管道、回珠槽(日文：こま)、端盖等构成的部件。电动制动器中所使用的滚动轴承和滚珠丝杠也要求高温下的尺寸稳定性、耐异物性和高负载容量。

电动压缩机用于进行室内冷却及容易达到高温的电池和车载电子设备的冷却。实施方式的机械部件也可以是用于电动压缩机的滚动轴承。电动压缩机中所使用的滚动轴承也要求高温下的尺寸稳定性、耐异物性和高负载容量。

实施方式的机械部件的用途不限于汽车用途。在其他用途中，滚动轴承、滚珠丝杠、轴、销等滑动部件因使用环境恶劣所以也要求高尺寸稳定性、对圆度、圆柱度和同轴度等几何公差的稳定性。例如，机床的主轴用滚动轴承的构成部件也要求高精度和尺寸稳定性。

电动执行器、定位装置、电动千斤顶、伺服气缸、电动伺服压力机、机械压力机、变速器、电动推杆转向器、电动注塑成形机等中所使用的滚珠丝杠也要求高温下的高尺寸稳定性、耐异物性和高负载容量。轴和销等滑动部件在转速越高时越容易变得高温，因此要求高温下的尺寸稳定性。

以下对内圈10的构成进行说明。

图1是内圈10的剖视图。如图1所示，内圈10具有第一端面10a、第二端面10b、内周面10c和外周面10d。另外，第一端面10a、第二端面10b、内周面10c以及外周面10d构成内圈10的表面。内圈10是环状的。

以内圈10的中心轴为中心轴A。以沿中心轴A的方向为轴向。以与中心轴A正交且通过中心轴A的方向为径向。以沿着以中心轴A为中心的圆周的方向为周向。

第一端面10a和第二端面10b是内圈10在轴向上的端面。第二端面10b是在轴向上与第一端面10a相反的面。

内周面10c沿着周向延伸。内周面10c朝向中心轴A侧。内周面10c在轴向上的一端和另一端分别与第一端面10a和第二端面10b连接。虽然没有图示，但内圈10在内周面10c处与轴嵌合。

外周面10d沿着周向延伸。外周面10d朝向与中心轴A相反一侧。即、外周面10d是在径向上与内周面10c相反的面。外周面10d在轴向上的一端和另一端分别与第一端面10a和第二端面10b连接。外周面10d具有轨道面10da。轨道面10da是外周面10d的与滚动体(未图示)接触的部分。轨道面10da例如位于外周面10d的轴向中央。轨道面10da在周向上延伸。在剖视下，轨道面10da为局部圆弧状。

内圈10是钢制成的。构成内圈10的钢已经实施了淬火和回火。构成内圈10的钢例如是高碳钢。高碳钢是指碳浓度在0.77质量％以上的过共析钢。构成内圈10的钢也可以是轴承钢。轴承钢是指碳浓度在0.9质量％以上且1.05质量％以下、铬浓度在0.9质量％以上且1.7质量％以下的高碳铬钢。构成内圈10的钢还可以是低碳钢或渗碳钢。低碳钢是指小于0.77质量％的亚共析钢。渗碳钢是指碳浓度在0.1质量％以上且0.5质量％以下的包含铬、钼、镍中任意一种的钢。

作为高碳钢的具体例，可例举JIS标准中规定的SK85等。作为轴承钢的具体例，可例举JIS标准中规定的SUJ2、SUJ3、SUJ4和SUJ5，ASTM标准中规定的50100、51100、52100、A485 Grade 1，ISO标准中规定的100Cr6、100CrMnSi4-4、100CrMnSi6-4、100CrMo7、100CrMo7-3和100CrMnMoSi8-4-6，DIN中规定的105Cr4，以及GB/T中规定的GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCrSiMo、GCr18Mo。作为低碳钢的具体例，可例举JIS标准中规定的S55C、S53C、S50C、S45C、S25C和S15C，AISI标准中规定的1045、1046、1050、1053和1055，ISO标准中规定的C45、C45E、C45R、C55、C55E和C55R，以及GB/T中规定的45、50Mn和55等。作为渗碳钢的具体例，可例举JIS标准中规定的SCr420、SCr435、SCM420、SCM435、SNCM420和SNCM815，AISI标准中规定的5120、4118、4135、4320、8620、5135和9315，ISO标准中规定的20Cr4、20CrMo4、20NiCrMo7、18NiCrMo14-6、17NiCrMo6-4、37Cr4和25CrMo4、34CrMo4，以及GB/T中规定的G20CrMo、G20CrNi2Mo等。

构成内圈10的钢中的碳浓度例如在0.77质量％以上。构成内圈10的钢中的碳浓度也可以在0.01质量％以上且小于0.77质量％。此外，构成内圈10的钢可以含有4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。在该情况下，构成内圈10的钢也可以不含铬和钼。

内圈10的表面已经实施了渗氮或渗碳渗氮处理。即、内圈10在表面具有渗氮层11(内圈10的表面为渗氮层11)。在渗氮层11中，钢中固溶有氮。以内圈10中比渗氮层11更远离表面的部分作为芯部12。换言之，芯部12是内圈10的渗氮层11以外的内部部位。在芯部12中，钢中未固溶氮。内圈10表面的钢中的氮浓度在0.01质量％以上。内圈10表面的钢中的氮浓度也可以在0.1质量％以上。内圈10表面的氮浓度例如可通过使用EPMA(Electron ProbeMicro Analyzer：电子探针显微分析仪)来测定。在利用EMPA进行测定时，使用氮浓度已知的标准试样来绘制校准曲线。

内圈10表面的钢的硬度在820Hv以上。内圈10表面的钢的硬度通过JIS标准(JIS Z2244:2009)中规定的维氏硬度试验方法来测定。另外，测定内圈10表面的钢硬度时的载荷为300g。内圈10的表面的钢的硬度通过在至少3个以上的位置处进行测定并对所获得的测定值取平均值而获得。

当构成内圈10的钢为高碳钢或轴承钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体量在9体积％以下。在该情况下，芯部12的钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上。当构成内圈10的钢为低碳钢或渗碳钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体量在5体积％以下。在该情况下，芯部12的钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上。

芯部12的钢中的残留奥氏体量可使用X射线衍射法来测定。在利用X射线衍射法测定芯部12的钢中的残留奥氏体量时，使用Cr管球型X射线衍射装置。Cr管球型X射线衍射装置中，Cr-Kα射线的波长为2.29093×10^-10m，管电压为30kV，管电流为10mA，准直器尺寸为2mm×2mm。在测定芯部12的钢中的残留奥氏体的量时，优选对内圈10进行电解抛光，使得残留奥氏体不发生加工诱发的相变。

当构成内圈10的钢为高碳钢或轴承钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上。当构成内圈10的钢为高碳钢或轴承钢时，优选芯部12的钢中的马氏体的位错密度在6×10¹⁴m^-2以上。当构成内圈10的钢为低碳钢或渗碳钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在1.0×10¹⁵m^-2以上。

将内圈10表面的钢中的氮浓度记为X(单位：质量％)、将内圈10表面的钢中的马氏体的位错密度记为Y(单位：m^-2)、将内圈10表面的钢的硬度记为Z(单位：Hv)。该情况下，Z可通过935743.48+379.96×X-330.96×Y²-5.41×10⁴×lοgY+783.83×lοgX²(式1)算出。式1通过试验求出使X和Y改变时的Z值后进行多元回归分析而得到。根据式1，为了使内圈10表面的钢的硬度在820Hv以上，只要满足934923.48+379.96×X-330.96×Y²-5.41×10⁴×lοgY+783.83×lοgX²≧0(式2)的关系即可。

芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度以及内圈10表面的钢中的马氏体的位错密度通过使用钴(Co)管球型X射线衍射装置来测定。更具体而言，第一，使用钴(Co)管球型X射线衍射装置测定芯部12(内圈10表面)的奥氏体和马氏体的X射线轮廓。Co管球型X射线衍射装置中，Co-Kα射线的波长为1.7889×10^-10m，管电压为40kV，管电流为50mA，准直器尺寸为直径1mm。芯部12(内圈10表面)的奥氏体和马氏体的X射线轮廓在2θ为30°以上且135°以下的范围内测定。第二，在进行Rietveld分析的基础上，将通过X射线衍射得到的马氏体和奥氏体的X射线轮廓的峰的半值宽度分离为微晶尺寸和应变。第三，通过将分离出的微晶尺寸和应变应用到下面的威廉姆森-霍尔(Williamson-Hall)公式，获得马氏体的位错密度和奥氏体的位错密度。该公式中，ρ为位错密度(单位：m-²)，ε为上述应变，b为伯格斯矢量的长度(b＝0.25×10^-9m)。

[数1]

数1

另外，在通过对芯部12(内圈10表面)进行X射线衍射而得到的马氏体的X射线轮廓中，{110}面、{200}面、{211}面和{220}面的峰为测定对象。而在通过对芯部12(内圈10表面)进行X射线衍射而得到的奥氏体的X射线轮廓中，{111}面、{200}面、{220}面、{311}面和{222}面的峰为测定对象。上述进行Rietveld分析的原因是为了减少弹性模量不同的马氏体的{200}面和奥氏体的{200}面的影响。

在160℃保持2500小时后的内圈10的尺寸变化率在40×10^-5以下。优选地，在160℃保持2500小时后的内圈10的尺寸变化率在15×10^-5以下。内圈10的尺寸变化率通过用上述保持后的内圈10的尺寸减去上述保持前的内圈10的尺寸而得的值除以上述保持前的内圈10的尺寸来算出。

＜变形例＞

图2A是外圈30的剖视图。图2B是滚动体40的剖视图。如图2A所示，实施方式的机械部件也可以是滚动轴承的外圈30。如图2B所示，实施方式的机械部件还可以是滚动体40。另外，外圈30和滚动体40的构成除形状外，与内圈10的构成相同，图2C是实施方式的滚动轴承的剖视图。实施方式的滚动轴承(滚动轴承100)具有内圈10、外圈30、滚动体40和保持器70。滚动轴承100中，只要内圈10、外圈30和滚动体40中的至少一者是实施方式的机械部件即可。

(实施方式的机械部件的制造方法)

以下对内圈10的制造方法进行说明。

图3是示出内圈10的制造方法的工序图。如图3所示，内圈10的制造方法具有准备工序S1、渗氮工序S2、淬火工序S3、冷却工序S4、回火工序S5和后处理工序S6。

在准备工序S1中准备加工对象构件20。图4是加工对象构件20的剖视图。如图4所示，加工对象构件20为环状，且具有第一端面20a、第二端面20b、内周面20c和外周面20d。第一端面20a、第二端面20b、内周面20c和外周面20d是在后处理工序S6结束后分别成为第一端面10a、第二端面10b、内周面10c和外周面10d的面。加工对象构件20由与内圈10相同的钢形成。

在渗氮工序S2中对加工对象构件20进行渗氮处理。加工对象构件20的渗氮处理通过在包含氮源的气氛气体中加热保持加工对象构件20来进行。渗氮工序S2中的加热温度和气氛气体中的氮浓度被设定为使得在加工对象构件20的表面上不形成化合物层。通过进行渗氮工序S2，氮从加工对象构件20的表面渗入内部，氮固溶在加工对象构件20中。另外，渗氮工序S2进行到后处理工序S6进行后氮到达内圈10的比表面的位置更靠内部的位置。

也可以对加工对象构件20进行渗碳渗氮处理来代替渗氮工序S2。加工对象构件20的渗碳渗氮处理通过在包含氮源和碳源的气氛气体中加热保持加工对象构件来进行。渗碳渗氮工序中的加热温度以及气氛气体中的碳浓度和氮浓度被设定为使得在加工对象构件20的表面上不形成化合物层。通过进行渗碳渗氮工序，碳和氮从加工对象构件20的表面渗入内部，碳和氮固溶在加工对象构件20中。另外，渗碳渗氮工序进行到后处理工序S6进行后碳和氮到达内圈10的比表面的位置更靠内部的位置。

在淬火工序S3中，对加工对象构件20进行淬火。加工对象构件20的淬火通过将加工对象构件20加热并保持在构成加工对象构件20的钢的A₁相变点以上的温度、然后冷却到构成加工对象构件20的钢的Ms相变点以下的温度来进行。通过进行淬火工序S3，在构成加工对象构件20的钢中生成马氏体和残留奥氏体。另外，在进行淬火工艺S3之后，可以通过再次将加工对象构件20加热到A₁相变点以上来重复淬火工艺S3。通过进行多次淬火工序S3，晶粒变得微细，冷却工序S4的效果提高。

在冷却工序S4中，对加工对象构件20进行零下处理。在冷却工序S4中，也可以对加工对象构件20进行深冷处理(日文：クライオ処理)(超零下处理)。在零下处理中，加工对象构件20被冷却至高于-100℃且在室温以下的温度。在深冷处理中，加工对象构件20被冷却至-100℃以下的温度。通过进行冷却工序S4，构成加工对象构件20的钢中的一部分残留奥氏体相变成马氏体。另外，在进行冷却工序S4之前，为了防止裂纹，也可以进行低温回火工序或清洗工序。

在回火工序S5中，对加工对象构件20进行回火。加工对象构件20的回火通过将加工对象构件20加热至低于构成加工对象构件20的钢的A₁相变点的温度来进行。更具体而言，加工对象构件20的回火通过将加工对象构件20加热到大约180℃的温度来进行。在后处理工序S6中，对加工对象构件20的表面进行磨削、研磨等机械加工。通过以上工序，制造图1所示的结构的内圈10。另外，在回火工序S5中，在180℃以上的温度下对加工对象构件20进行加热的情况下，加热温度越高，马氏体的位错密度越低，硬度也越低。另一方面，如果进行冷却工序S4，则马氏体的位错密度不易因回火工序S5中的加热而降低，因此，虽然硬度随着加热温度的升高而降低，但仍能够获得比通常更高的硬度。

＜变形例＞

图5A是加工对象构件50的剖视图。图5B是加工对象构件60的剖视图。在像图5A所示那样实施方式的机械部件是外圈30的情况下，使用作为环状构件的加工对象构件50作为加工对象构件。而在像图5B所示那样实施方式的机械部件是滚动体40的情况下，使用作为球状构件的加工对象构件60作为加工对象构件。加工对象构件50和加工对象构件60除形状外，其构成与加工对象构件20相同。

(实施方式的机械部件的效果)

作为用于抑制实施了淬火和回火的钢制的轨道圈或滚动体的尺寸的经时变化的对策，考虑通过进行高温下回火来实现残留奥氏体量的减少。但是，当进行高温下回火时，虽然可以抑制因残留奥氏体量的减少而引起的尺寸的经时变化，但会导致轨道圈或滚动体表面的钢的硬度降低。

当异物夹在轨道圈的表面和滚动体之间时，在轨道圈的表面会形成压痕。图6是示出形成有压痕的轨道圈表面形状的示意图。如图6所示，轨道圈的表面在压痕的周围凸起。图7是示出轨道圈表面的钢的硬度与压痕周围的凸出部之间关系的图。图7中，横轴为硬度(单位：Hv)，横轴是压痕周围的凸出量(单位：μm)。如图7所示，随着轨道圈表面的钢的硬度减小，压痕周围的凸出量增大。

当压痕周围的凸出量增大时，在压痕周围的凸出部处会发生应力集中，容易发生以压痕为起点的疲劳破坏。因此，在通过进行高温下回火来抑制尺寸的经时变化的情况下，存在轨道圈的滚动疲劳寿命不足的可能性。

在钢中的残留奥氏体量低、且该残留奥氏体的周围被位错密度高(即、变形能力差)的马氏体包围的状态下，残留奥氏体受到来自马氏体的约束或应力而晶格面间距(晶格常数)变小，结果是钢中残留奥氏体的位错密度变高。这样的残留奥氏体由于在因分解引起的体积膨胀时也受到周围的位错密度高的马氏体的约束，因此即使残留奥氏体随着使用而分解，因该分解引起的尺寸变化也小。

内圈10通过进行零下处理或深冷处理，从而芯部12的钢中的残留奥氏体的量减少。更具体而言，内圈10中，当构成内圈10的钢是高碳钢或轴承钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体量在9体积％以下，当构成内圈10的钢是低碳钢或渗碳钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体量在5体积％以下。

此外，内圈10中，由于进行了零下处理或深冷处理，因此芯部12的钢中的马氏体的位错密度高，其结果是，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度也高。更具体而言，内圈10中，当构成内圈10的钢是高碳钢或轴承钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上，当构成内圈10的钢是低碳钢或渗碳钢时，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在1.0×10¹⁵m^-2以上。

根据以上所述，在芯部12的钢中产生了残留奥氏体被位错密度高的马氏体包围的状态，因此即使芯部12的钢中的残留奥氏体由于因内圈10的使用引起的温度上升而发生分解，也会由于因该分解引起的体积膨胀被周围的位错密度高的马氏体约束而不易发生尺寸变化。由此，内圈10中，因使用而导致的尺寸的经时变化受到了抑制。

此外，由于没有对内圈10实施高温下回火，因此内圈10的表面中的马氏体的分解进展轻微。而且，内圈10表面的钢中的氮浓度在0.01质量％以上，并且内圈10表面的钢经固溶强化。其结果是，内圈10表面的钢的硬度在820Hv以上。如图7所示，当内圈10表面的钢的硬度在820Hv以上时，压痕周围的凸出量急剧减少。因此，根据内圈10，压痕起点型滚动疲劳寿命也提高。通过提高内圈10表面的钢的硬度，在内圈10表面上不容易形成压痕，从而提高使用内圈10的滚动轴承的静态负载容量。

另外，在滚动体的表面有时通过加压工序施加高的残留压缩应力，与轨道圈(内圈、外圈)的表面相比更不易形成压痕。因此，即使仅将轨道圈制成实施方式的机械部件，也可提高滚动轴承的压痕起点型滚动疲劳寿命。

(硬度的评价试验)

为了评价由实施了淬火和回火的钢制成的机械部件表面的硬度、马氏体的位错密度以及氮浓度的关系，准备了样品1～19。样品1～19为内径54mm、外径60mm、宽度15mm的环状。对于样品1～19，如表1所示，改变钢种、样品表面的钢中的氮浓度、以及样品表面的钢中的马氏体的位错密度。表1的“满足式2”栏中记载的“OK”和“NG”分别表示满足上述的式2和不满足上述的式2。

[表1]

另外，各样品表面的钢中的氮浓度通过改变渗氮处理或渗碳渗氮处理中的加热温度和保持时间来调整。各样品表面的钢中马氏体的位错密度通过改变零下处理或深冷处理中的冷却温度和保持时间来调整。

样品1～7和样品9～14满足上述的式2。而样品8和样品15～19不满足上述的式2。

样品1～7和样品9～14的样品表面的钢的硬度在820Hv以上。而样品8和样品15～19的样品表面的钢的硬度低于820Hv。由该比较可知，通过满足上述的式2，机械部件表面的钢的硬度在820Hv以上，滚动疲劳寿命提高。从另一个角度来说，可知通过提高机械部件表面的钢中的氮浓度和机械部件表面的钢中的马氏体的位错密度，可以提高机械部件表面的钢的硬度，进而提高机械部件的滚动疲劳寿命。

(尺寸的经时变化的评价试验)

为了评价尺寸的经时变化，使用了上述的样品3～7和样品9～14。表2中示出了样品3～7和样品9～14的芯部的钢中的残留奥氏体量，以及样品3～7和样品9～14的芯部的钢中的位错密度。

[表2]

各样品的芯部12的钢中的马氏体的位错密度以及各样品的芯部12的钢中的马氏体中的残留奥氏体量通过改变零下处理或深冷处理中的冷却温度和保持时间来调整。

当钢为高碳钢或轴承钢时，如果芯部12的钢中的马氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上，则满足条件A。而当钢为低碳钢或渗碳钢时，如果芯部12的钢中的马氏体的位错密度在1.0×10¹⁵m^-2以上，则满足条件A。

当钢为高碳钢或轴承钢时，如果样品的芯部12的钢中的残留奥氏体量在9体积％以下，则满足条件B。而当钢为低碳钢或渗碳钢时，如果样品的芯部12的钢中的残留奥氏体量在5体积％以下，则满足条件B。

样品3～7和样品9～11满足条件A和条件B。而样品12～14不满足条件A和条件B。

样品3～7和样品9～11在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率在40×10^-5以下。而样品12～14在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率大于50×10^-5。由该比较可知，通过满足条件A和条件B，可抑制机械部件的尺寸的经时变化。

当钢为高碳钢或轴承钢时，如果样品的芯部12的钢中的马氏体的位错密度在6.0×10¹⁴m^-2以上，则满足条件C。样品3～5满足条件C，且在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率在15×10^-5以下。而样品9～11不满足条件C，在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率大于15×10^-5。由该比较可知，通过满足条件C，可进一步抑制机械部件的尺寸的经时变化。

(变形例的内圈10的构成)

变形例的内圈10表面的钢中的氮浓度例如在0.3质量％以上。变形例的内圈10表面的钢中的氮浓度优选在0.4质量％以上。变形例的内圈10表面的钢的硬度例如在850Hv以上。在160℃下保持2500小时后的变形例的内圈10表面的钢的硬度优选在850Hv。

构成变形例的内圈10的钢为高碳钢或轴承钢。构成变形例的内圈10的钢优选含有小于0.77质量％的碳、4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。

变形例的内圈10中，芯部12的钢中的残留奥氏体量在9体积％以下。变形例的内圈10中，芯部12的钢中的残留奥氏体量例如在0.1体积％以上。变形例的内圈10中，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上。变形例的内圈10中，芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度优选在6×10¹⁴m^-2以上。

根据上述的式1，为了使变形例的内圈10表面的钢的硬度在850Hv以上，优选变形例的内圈10满足934893.48+379.96×X-330.96×Y²-5.41×10⁴×lοgY+783.83×lοgX²≧0(式3)的关系。

另外，变形例的内圈10的制造方法与内圈10的制造方法相同，因此在此省略说明。此外，变形例的内圈10的效果与内圈10的效果相同，因此也在此省略说明。另外，变形例的内圈10表面的钢的硬度与压痕周围的凸出部之间关系示于图6中。

(硬度的评价试验)

为了评价由实施了淬火和回火的钢制成的机械部件表面的硬度、马氏体的位错密度以及氮浓度的关系，准备了样品20～38。样品20～38为内径54mm、外径60mm、宽度15mm的环状。对于样品20～38，如表3所示，改变钢种、样品表面的钢中的氮浓度、以及样品表面的钢中的马氏体的位错密度。表3的“满足式3”的栏中记载的“OK”和“NG”分别表示满足上述的式3和不满足上述的式3。

[表3]

另外，各样品表面的钢中的氮浓度通过改变渗氮处理或渗碳渗氮处理中的加热温度和保持时间来调整。各样品表面的钢中马氏体的位错密度通过改变零下处理或深冷处理中的冷却温度和保持时间来调整。样品20～24、样品28和样品30～33满足上述的式3。而样品25～27、样品29和样品34～38不满足上述的式3。

此外，样品20～24、样品28和样品30～33的样品表面的钢的硬度在850Hv以上。而样品25～27、样品29和样品34～38的样品表面的钢的硬度低于850Hv。由该比较可知，通过满足上述的式3，机械部件表面的钢的硬度在850Hv以上，滚动疲劳寿命提高。从另一个角度来说，可知通过提高机械部件表面的钢中的氮浓度和机械部件表面的钢中的马氏体的位错密度，可以提高机械部件表面的钢的硬度，进而提高机械部件的滚动疲劳寿命。

(尺寸的经时变化的评价试验)

为了评价尺寸的经时变化，使用了上述的样品22、样品28和样品31。表4中示出了样品22、样品28和样品31的芯部12的钢中的残留奥氏体量，以及样品22、样品28和样品31的芯部12的钢中的位错密度。

[表4]

各样品的芯部12的钢中的马氏体的位错密度以及各样品的芯部12的钢中的残留奥氏体量通过改变零下处理或深冷处理中的冷却温度和保持时间来调整。

将样品的芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上记为条件D。将样品的芯部12的钢中的残留奥氏体量在9体积％以下记为条件E。

样品22和样品28满足条件D和条件E。而样品31不满足条件D和条件E。样品22和样品28在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率在40×10^-5以下。而样品31在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率大于50×10^-5。由该比较可知，通过满足条件D和条件E，可抑制机械部件的尺寸的经时变化。

将样品的芯部12的钢中的残留奥氏体的位错密度在6×10¹⁴m^-2以上记为条件F。样品22满足条件F，且在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率在15×10^-5以下。而样品28不满足条件F，且在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率大于15×10^-5。由该比较可知，通过满足条件F，可进一步抑制机械部件的尺寸的经时变化。

将样品表面的氮浓度在0.4质量％以上记为条件G。样品22满足条件G，且在160℃下保持2500小时后的表面的硬度在850Hv以上。而样品28不满足条件G，且在160℃下保持2500小时后的表面的硬度小于850Hv。由该比较可知，通过满足条件G，即使在高温环境下使用后也可维持机械部件表面的硬度。

如上对本发明的实施方式进行了说明，但是上述实施方式可以进行各种变形。此外，本发明的范围并不限定于上述实施方式。本发明的范围由权利要求书表示，意在包含与权利要求书等同的含义及范围内的所有变更。

符号说明

A中心轴、S1准备工序、S2渗氮工序、S3淬火工序、S4冷却工序、S5回火工序、S6后处理工序、10内圈、10a第一端面、10b第二端面、10c内周面、10d外周面、10da轨道面、11渗氮层、12芯部、20加工对象构件、20a第一端面、20b第二端面、20c内周面、20d外周面、30外圈、40滚动体、50,60加工对象构件、70保持器、100滚动轴承。

Claims (13)

1.一种机械部件，其为由实施了淬火和回火的钢制成的具有表面的机械部件，其具备渗氮层和芯部，所述渗氮层位于所述表面且固溶有氮，所述芯部位于比所述渗氮层更远离所述表面的位置，

所述表面的所述钢中的氮浓度在0.01质量％以上，

所述表面的所述钢的硬度在820Hv以上，

所述芯部的所述钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上且9体积％以下，

所述芯部的所述钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上，

所述钢为高碳钢或轴承钢。

2.如权利要求1所述的机械部件，其中，所述芯部的所述钢中的马氏体的位错密度在6.0×10¹⁴m^-2以上。

3.一种机械部件，其为由实施了淬火和回火的钢制成的具有表面的机械部件，其具备渗氮层和芯部，所述渗氮层位于所述表面且固溶有氮，所述芯部位于比所述渗氮层更远离所述表面的位置，

所述表面的所述钢中的氮浓度在0.01质量％以上，

所述表面的所述钢的硬度在820Hv以上，

所述芯部的所述钢中的残留奥氏体量在0.1体积％以上且5体积％以下，

所述芯部的所述钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁵m^-2以上，

所述钢为低碳钢或渗碳钢。

4.如权利要求1所述的机械部件，其中，当将所述表面的所述钢中的氮浓度记为X(单位：质量％)、将所述表面的所述钢中的马氏体的位错密度记为Y(单位：m^-2)时，满足934923.48+379.96×X-330.96×Y²-5.41×10⁴×lοgY+783.83×lοgX²≧0的关系。

5.如权利要求1所述的机械部件，其中，所述钢含有0.77质量％以上的碳、4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。

6.如权利要求2所述的机械部件，其中，所述钢含有0.01质量％以上且小于0.77质量％的碳、4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。

7.如权利要求1所述的机械部件，其中，在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率在40×10^-5以下。

8.如权利要求1所述的机械部件，其中，在160℃下保持2500小时后的尺寸变化率在15×10^-5以下。

9.一种机械部件，其为由实施了淬火和回火的钢制成的具有表面的机械部件，其具备渗氮层和芯部，所述渗氮层位于所述表面且固溶有氮，所述芯部位于比所述渗氮层更远离所述表面的位置，

所述表面的所述钢中的氮浓度在0.3质量％以上，

所述表面的所述钢的硬度在850Hv以上，

所述芯部的所述钢中的残留奥氏体量在9体积％以下，

所述芯部的所述钢中的残留奥氏体的位错密度在4.0×10¹⁴m^-2以上，

所述钢为高碳钢或轴承钢。

10.如权利要求9所述的机械部件，其中，当将所述表面的所述钢中的氮浓度记为X(单位：质量％)、将所述表面的所述钢中的马氏体的位错密度记为Y(单位：m^-2)时，满足934893.48+379.96×X-330.96×Y²-5.41×10⁴×lοgY+783.83×lοgX²≧0的关系。

11.如权利要求9或10所述的机械部件，其中，在160℃下保持2500小时后的所述表面的所述钢的硬度在850Hv以上。

12.如权利要求10所述的机械部件，其中，所述钢含有小于0.77质量％的碳、4.0质量％以下的铬、0.10质量％以上且0.70质量％以下的硅、和0.25质量％以下的钼。

13.一种滚动轴承，其具备内圈、外圈和滚动体，

所述内圈、所述外圈和所述滚动体中的至少一者是权利要求1～12中的任一项所述的轴承部件。