JP7420855B2 - 機械部品 - Google Patents

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Description

本発明は、機械部品に関する。
例えば、特開２０１３－１１９９３０号公報（特許文献１）には、軸受部品が記載されている。特許文献１に記載の軸受部品は、表面において、他の部品と接触する。特許文献１に記載の軸受部品は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。鋼は、０．９０質量パーセント以上１．０５質量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珪素と、０．０１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、１．３０質量パーセント以上１．６５質量パーセント以下のクロムとを含有し、かつ残部が鉄及び不可避不純物からなる。
特許文献１に記載の軸受部品では、表面に対して浸窒処理が行われており、表面における窒素濃度が０．２５質量パーセント以上になっている。特許文献１に記載の軸受部品では、表面における残留オーステナイト量が、６体積パーセント以上１２体積パーセント以下である。特許文献１に記載の軸受部品では、高温で焼戻しが行われることにより、表面における静的負荷容量が改善されている。
特開２０１３－１１９９３０号公報
電気自動車（ＢＥＶ）に搭載されるモータ、ギアボックス、デファレンシャル等には、軸受が用いられている。また、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）やエンジン自動車に搭載される電動ＶＴＣ（可変バルブ機構）、電動コンプレッサ、トランスミッション、アクスル等にも、軸受が用いられている。これらの用途において軸受の静的負荷容量が向上されると、軸受の小型化ひいては周辺の機械部品の小型化が可能となる。
燃料電池車（ＦＣＶ）や水素ステーション等の水素環境下で使用される水素利用機器に搭載される軸受でも、静的負荷容量が向上されることにより軸受の小型化が可能となり、水素利用機器の効率が向上する可能性がある。しかしながら、特許文献１に記載の軸受部品では、表面における静的負荷容量に改善の余地がある。
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、表面における静的負荷容量が改善された機械部品を提供するものである。
本発明の機械部品は、表面を有し、かつ焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製である。機械部品は、表面に形成されている浸窒層を備えている。鋼は、０．９５質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．３０質量パーセント未満の珪素と、０．５０質量パーセント未満のマンガンと、０．００８０質量パーセント未満の硫黄と、１．３質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロムとを含有し、かつ残部が鉄及び不可避不純物からなる。表面における平均窒素濃度は、０．１０質量パーセント以上になっている。表面における硬さは、８５０Ｈｖ以上になっている。表面における残留オーステナイト量は、２０体積パーセント以下になっている。
上記の機械部品では、表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅が、７．２°以上８．０°以下であってもよい。表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置は、１２８°以上であってもよい。
上記の機械部品では、表面におけるマルテンサイトの転位密度が１．１×１０１５ｍ－２以上であってもよい。表面におけるオーステナイトの転位密度は、２．５×１０１４ｍ－２以上であってもよい。
上記の機械部品では、表面における残留オーステナイト量、表面における平均窒素濃度及び表面におけるオーステナイトの転位密度をそれぞれＡ（単位：体積パーセント）、Ｂ（単位：質量パーセント）及びＣ（単位：ｍ－２）とした際、４．３３２＋０．００５×Ａ－０．５８０×Ｂ－０．２９５×ＬｏｇＣ≦０との関係が満たされていてもよい。
上記の機械部品では、表面における残留オーステナイト量、表面における平均窒素濃度及び表面におけるマルテンサイトの転位密度をそれぞれＡ（単位：体積パーセント）、Ｂ（単位：質量パーセント）及びＤ（単位：ｍ－２）とした際、－４７．７３－０．０２５×Ａ－２．１４１×Ｂ＋３．１５５×ＬｏｇＤ≧０との関係が満たされていてもよい。
上記の機械部品では、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際に表面に形成される圧痕の深さが、０．２μｍ以下であってもよい。上記の機械部品では、表面における静的負荷容量が、６．０ＧＰａ以上であってもよい。
本発明の機械部品によると、表面における静的負荷容量を改善可能である。
内輪１０の断面図である。 内輪１０の製造方法を示す工程図である。 サンプル１からサンプル６の表面における最大接触面圧と圧痕深さをセラミック球の直径で除した値との関係を示すグラフである。 ボールねじ２０の断面図である。 転がり軸受１００の断面図である。
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。
実施形態に係る機械部品は、例えば、転がり軸受の軌道輪である。実施形態に係る機械部品は、転がり軸受の転動体、シャフト、ボールねじ等の摺動部材であってもよい。実施形態に係る機械部品はこれらに限られるものではないが、以下においては、深溝玉軸受の内輪１０を実施形態に係る機械部品の例として説明する。
（内輪１０の構成）
以下に、内輪１０の構成を説明する。
図１は、内輪１０の断面図である。図１に示されるように、内輪１０は、表面を有している。より具体的には、内輪１０は、表面として、幅面１０ａと、幅面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄ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に沿う方向を、軸方向とする。軸方向に直交し、かつ中心軸Ａを通る方向を、径方向とする。中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向を、周方向とする。
幅面１０ａ及び幅面１０ｂは、軸方向における内輪１０の端面を構成している。幅面１０ｂは、幅面１０ａの反対面である。内周面１０ｃは、周方向に沿って延在している。内周面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内周面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。内輪１０は、内周面１０ｃにおいて、軸（図示せず）に嵌め合わされている。
外周面１０ｄは、周方向に沿って延在している。外周面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。つまり、外周面１０ｄは、径方向における内周面１０ｃの反対面である。外周面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。
外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａを有している。軌道面１０ｄａは、転動体と接触する外周面１０ｄの部分である。軌道面１０ｄａは、軸方向における外周面１０ｄの中央にある。軌道面１０ｄａは、周方向に沿って延在している。外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａにおいて、内周面１０ｃ側に窪んでいる。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。
内輪１０は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼製である。すなわち、内輪１０を構成している鋼は、マルテンサイトと、残留オーステナイトとを含んでいる。内輪１０の表面（幅面１０ａ、幅面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄ）に対しては、浸窒処理が行われている。つまり、内輪１０の表面には、浸窒層１１が形成されている。なお、窒素は、浸窒層１１にある鋼中に固溶しており、浸窒層１１中において窒化物を形成していない。
内輪１０を構成している鋼は、０．９５質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．３０質量パーセント未満の珪素と、０．５０質量パーセント未満のマンガンと、０．００８０質量パーセント未満の硫黄と、１．３質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロムとを含有している。内輪１０を構成している鋼の残部は、鉄及び不可避不純物からなる。なお、内輪１０を構成している鋼は、珪素、マンガン及び硫黄を含有していなくてもよい。
内輪１０を構成している鋼の具体例としては、軸受鋼が挙げられる。軸受鋼の具体例としては、ＪＩＳ規格に規定されているＳＵＪ２、ＡＳＴＭ規格に規定されている５２１００、ＩＳＯ規格に規定されている１００Ｃｒ６及びＧＢ規格に規定されているＧＣｒ１５等が挙げられる。
内輪１０の表面における平均窒素濃度は、０．１０質量パーセント以上である。内輪１０の表面における平均窒素濃度は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer：電子線マイクロアナライザ）を用いた線分析により測定される。なお、この際、窒素濃度が明らかな標準試料を用いて、検量線が作成される。
内輪１０の表面における残留オーステナイト量は、２０体積パーセント以下である。内輪１０の表面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。この測定は、Ｃｒ管球型Ｘ線回折装置を用いて行われる。Ｃｒ管球型Ｘ線回折装置では、Ｃｒ－Ｋα線の波長が２．２９０９３×１０－１０ｍとされ、管電圧が３０ｋＶとされ、管電流が１０ｍＡとされ、コリメータサイズが２ｍｍ×２ｍｍとされる。
内輪１０の表面における硬さは、８５０Ｈｖ以上である。内輪１０の表面における硬さは、ＪＩＳ規格に定められているビッカース硬さ試験法にしたがって測定される。内輪１０の表面における硬さが測定される際の荷重は、３００ｇとされる。内輪１０の表面における硬さは、異なる３点以上において測定され、それらの測定値の平均値が用いられる。
内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅は、好ましくは、７．２°以上８．０°以下である。内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピークの位置（２θ）は、好ましくは、１２８°以上である。内輪１０の表面におけるオーステナイトの格子面間隔は、好ましくは、１．２７５×１０－１０ｍ以下である。
内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイル及びオーステナイトのＸ線プロファイルは、Ｃｒ管球型Ｘ線回折装置を用いることにより得られる。Ｃｒ管球型Ｘ線回折装置では、Ｃｒ－Ｋα線の波長が２．２９０９３×１０－１０ｍとされ、管電圧が３０ｋＶとされ、管電流が１０ｍＡとされ、コリメータサイズが２ｍｍ×２ｍｍとされる。内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルは２θが１４２．７５°以上１７０．８°以下の範囲内で測定され、内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルは２θが１１４．７５°以上１４２．８°以下の範囲内で測定される。
内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイル及びオーステナイトのＸ線プロファイルは、バックグラウンド処理される。内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピークの位置は、半値幅の中心位置から求められる。
内輪１０の表面におけるオーステナイトの格子面間隔は、内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルに以下のＢｒａｇｇの式を適用することにより算出される。この式において、ｄは内輪１０の表面におけるオーステナイトの格子面間隔（単位：ｍ）であり、λはＣｒ管球型Ｘ線回折装置で用いられるＣｒ－Ｋα線の波長（単位：ｍ）であり、θは内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける回折角（単位：°）である。
Figure 0007420855000001
内輪１０の表面におけるマルテンサイトの転位密度は、好ましくは、１．１×１０１５ｍ－２以上である。内輪１０の表面におけるオーステナイトの転位密度は、好ましくは、２．５×１０１４ｍ－２以上である。
内輪１０の表面におけるマルテンサイトの転位密度及びオーステナイトの転位密度は、Ｃｏ管球型Ｘ線回折装置を用いて測定される。より具体的には、第１に、内輪１０の表面におけるマルテンサイト及びオーステナイトのＸ線プロファイルが、Ｃｏ管球型Ｘ線回折装置を用いて取得される。Ｃо管球型Ｘ線回折装置では、Ｃｏ－Ｋα線の波長が１．７８８９×１０－１０ｍとされ、管電圧が４０ｋＶとされ、管電流が５０ｍＡとされ、コリメータサイズが直径１ｍｍとされる。内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイト及びオーステナイトのＸ線プロファイルは、２θが３０°以上１３５°以下の範囲内で測定される。
第２に、Ｒｉｅｔｖｅｌｄ解析が行われた上で、内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイト及びオーステナイトのＸ線プロファイルのピークの半値幅が、結晶子サイズとひずみとに分離される。第３に、この結晶子サイズ及びひずみを以下のＷｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌの式に適用することにより、内輪１０の表面におけるマルテンサイトの転位密度及びオーステナイトの転位密度が得られる。この式において、ρは転位密度（単位：ｍ－２）であり、εは上記のひずみであり、ｂはバーガースベクトルの長さである（ｂ＝０．２５×１０－９ｍ）。
Figure 0007420855000002
なお、内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルでは、｛１１０｝面、｛２００｝面、｛２１１｝面及び｛２２０｝面のピークが測定対象とされる。また、内輪１０の表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルでは、｛１１１｝面、｛２００｝面、｛２２０｝面、｛３１１｝面及び｛２２２｝面のピークが測定対象とされる。上記においてＲｉｅｔｖｅｌｄ解析が行われるのは、弾性率の異なるマルテンサイトの｛２００｝面及びオーステナイトの｛２００｝面の影響を低減するためである。
内輪１０の表面（軌道面１０ｄａ）に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際に形成される圧痕の深さは、０．２μｍ以下であることが好ましい。この圧痕の深さは、セラミック球を内輪１０の表面にオートグラフを用いて最大接触面圧が４．５ＧＰａとなるように接触させた後に、内輪１０の表面をレーザ顕微鏡の白色干渉機能を用いて測定される。なお、この際の荷重負荷速度は３Ｎ／秒とされ、負荷荷重到達後に１２０秒間の荷重保持が行われる。
内輪１０の表面における静的負荷容量は、６．０ＧＰａ以上であることが好ましい。内輪１０の表面における静的負荷容量の測定においては、第１に、上記と同様に、オートグラフを用いて最大接触面圧を変化させて内輪１０の表面に圧痕を形成する。第２に、変化させた最大接触面圧毎に、圧痕の深さをセラミック球の直径で除した値を算出する。圧痕の深さをセラミック球の直径で除した値が１／１００００となる際の最大接触面圧が、内輪１０の表面における静的負荷容量である。
内輪１０の表面における残留オーステナイト量、内輪１０の表面における平均窒素濃度及び内輪１０の表面におけるオーステナイトの転位密度を、それぞれ、Ａ（単位：体積パーセント）、Ｂ（単位：質量パーセント）、Ｃ（単位：ｍ－２）とする。内輪１０では、４．３３２＋０．００５×Ａ－０．５８０×Ｂ－０．２９５×ＬｏｇＣ≦０との関係が満たされていることが好ましい。
内輪１０の表面におけるマルテンサイトの転位密度を、Ｄ（単位：ｍ－２）とする。内輪１０の表面では、－４７．７３－０．０２５×Ａ－２．１４１×Ｂ＋３．１５５×ＬｏｇＤ≧０との関係が満たされていることが好ましい。
（内輪１０の製造方法）
以下に、内輪１０の製造方法を説明する。
図２は、内輪１０の製造方法を示す工程図である。図２に示されるように、内輪１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、浸窒処理工程Ｓ２と、焼入れ工程Ｓ３と、サブゼロ処理工程Ｓ４と、焼戻し工程Ｓ５と、後処理工程Ｓ６とを有している。
準備工程Ｓ１では、加工対象部材が準備される。浸窒処理工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１後に行われる。浸窒処理工程Ｓ２では、窒素源を含む雰囲気ガス中において加工対象部材をＡ１変態点以上の温度で保持することにより行われる。浸窒処理工程Ｓ２は、後処理工程Ｓ６後に内輪１０の表面となる位置まで窒素が侵入・拡散するように行われる。焼入れ工程Ｓ３は、浸窒処理工程Ｓ２後に行われる。焼入れ工程Ｓ３では、加工対象部材が、Ａ１変態点以上の温度で保持された後に、ＭＳ変態点以下の温度まで冷却される。
サブゼロ処理工程Ｓ４は、焼入れ工程Ｓ３後に行われる。サブゼロ処理工程Ｓ４では、加工対象部材が、－１００℃超室温以下の温度まで冷却される。これにより、焼入れ工程Ｓ３において加工対象部材を構成している鋼中に形成された残留オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態する。サブゼロ処理工程Ｓ４に代えて、クライオ処理工程Ｓ７が行われてもよい。クライオ処理工程Ｓ７では、加工対象部材が、－１００℃以下の温度まで冷却される。これにより、焼入れ工程Ｓ３において加工対象部材を構成している鋼中に形成された残留オーステナイトの一部がマルテンサイトに変態する。
サブゼロ処理工程Ｓ４及びクライオ処理工程Ｓ７における冷媒としては、例えば、液体窒素、液体ヘリウム等が用いられる。好ましくは、サブゼロ処理工程Ｓ４及びクライオ処理工程Ｓ７は、焼入れ工程Ｓ３の終了後２時間以内に行われる。
焼戻し工程Ｓ５は、サブゼロ処理工程Ｓ４（クライオ処理工程Ｓ７）後に行われる。焼戻し工程Ｓ５では、加工対象部材が、Ａ１変態点未満の温度に保持される。これにより、加工対象部材を構成している鋼中のマルテンサイトの一部が分解される。焼戻し工程Ｓ５における保持温度は、例えば１８０℃以上２２０℃以下である。焼戻し工程Ｓ５における保持時間は、例えば２時間である。
後処理工程Ｓ６は、焼戻し工程Ｓ５後に行われる。後処理工程Ｓ６では、加工対象部材の表面に対する機械加工（例えば、研削及び研磨）が行われる。以上により、図１に示される構造の内輪１０が製造される。
（内輪１０の効果）
以下に、内輪１０の効果を説明する。
特許文献１に記載されているように、軌道輪の表面における静的負荷容量を改善するために、高温（例えば２３０℃以上）で焼戻しを行うことが考えられる。しかしながら、この場合、焼入れにより形成されたマルテンサイトが焼戻しにより過度に分解されることにより軌道輪の表面における硬さが低下し、軌道輪の表面における静的負荷容量が不十分になってしまうことがある。
他方で、内輪１０では、窒素が浸窒層１１に固溶していることにより、内輪１０の表面が固溶強化されている。また、内輪１０では、サブゼロ処理工程Ｓ４（クライオ処理工程Ｓ７）が行われていることにより、表面における残留オーステナイト量が減少（マルテンサイトが増加）しているとともに、表面における残留オーステナイト及びマルテンサイト中の転位密度が増加している。その結果、内輪１０では、表面における硬さが、８５０Ｈｖ以上になっている。そのため、内輪１０によると、表面における静的負荷容量が、高温での焼戻しを行う場合と比較して改善されている。
より具体的には、内輪１０の表面における残留オーステナイト量が２０体積パーセント以下、内輪１０の表面における平均窒素濃度が０．１０質量パーセント以上、かつ内輪１０の表面における硬さが８５０Ｈｖ以上であることにより、内輪１０の表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さが０．２μｍ以下となり、内輪１０の表面における静的負荷容量が６．０ＧＰａ以上となる。
なお、窒素はオーステナイト安定化元素であり、浸窒処理は軌道輪の表面における残留オーステナイトを富化するために行われる。そのため、浸窒処理が行われる場合、サブゼロ処理（又はクライオ処理）を行って表面における残留オーステナイト量を低減することは、通常行われない。
（静的負荷容量及び圧痕深さの評価）
実施形態に係る機械部品の表面における静的負荷容量を評価するため、サンプル１からサンプル６が準備された。サンプル１からサンプル６の形状は、直径８５ｍｍ×厚さ５ｍｍの平板状である。サンプル１からサンプル６は、ＪＩＳ規格に定められているＳＵＪ２により形成されている。表１には、サンプル１からサンプル６に対する熱処理の詳細が示されている。
Figure 0007420855000003
サンプル１では、熱処理として、浸窒処理工程Ｓ２、焼入れ工程Ｓ３、クライオ処理工程Ｓ７及び焼戻し工程Ｓ５が行われた。サンプル２及びサンプル３では、熱処理として、浸窒処理工程Ｓ２、焼入れ工程Ｓ３、サブゼロ処理工程Ｓ４及び焼戻し工程Ｓ５が行われた。すなわち、サンプル１からサンプル３は、実施形態に係る機械部品を模したサンプルである。サンプル１からサンプル３に対する焼戻し工程Ｓ５では、保持温度が１８０℃とされた。
サンプル４では、熱処理として、浸窒処理工程Ｓ２、焼入れ工程Ｓ３及び焼戻し工程Ｓ５が行われ、サブゼロ処理工程Ｓ４（又はクライオ処理工程Ｓ７）は行われなかった。また、サンプル４に対する焼戻し工程Ｓ５では、高温での（具体的には、２３０℃での）焼戻しが行われた。
サンプル５では、熱処理として、浸窒処理工程Ｓ２、焼入れ工程Ｓ３及び焼戻し工程Ｓ５が行われ、サブゼロ処理工程Ｓ４（又はクライオ処理工程Ｓ７）は行われなかった。サンプル５に対する焼戻し工程Ｓ５では、保持温度が１８０℃とされた。サンプル６では、熱処理として、焼入れ工程Ｓ３及び焼戻し工程Ｓ５が行われ、浸窒処理工程Ｓ２及びサブゼロ処理工程Ｓ４（又はクライオ処理工程Ｓ７）は行われなかった。サンプル５に対する焼戻し工程Ｓ５では、保持温度が１８０℃とされた。
サンプル１からサンプル６に対して、表面における平均窒素濃度、表面における硬さ、表面における残留オーステナイト量、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さ及び表面における静的負荷容量の測定が行われた。
表面における平均窒素濃度、表面における硬さ、表面における残留オーステナイト量、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さ及び表面における静的負荷容量の測定結果は、表２に示されている。図３は、サンプル１からサンプル６の表面における最大接触面圧と圧痕深さをセラミック球の直径で除した値との関係を示すグラフである。なお、セラミック球の直径は、３／８インチ（９．５２５ｍｍ）とされた。
Figure 0007420855000004
表面における平均窒素濃度が０．１０質量パーセント以上であること、表面における硬さが８５０Ｈｖ以上であること及び表面における残留オーステナイト量が２０体積パーセント以下であることを、それぞれ、条件１、条件２及び条件３とする。表２に示されるように、サンプル１からサンプル３では、条件１、条件２及び条件３の全てが満たされていた。他方で、サンプル４からサンプル６では、条件１、条件２及び条件３の少なくともいずれかが満たされていなかった。
表１及び図３に示されるように、サンプル１からサンプル３では、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さが０．２μｍ以下になっているとともに、表面における静的負荷容量が６．０ＧＰａ以上になっていた。他方で、サンプル４からサンプル６では、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さが０．２μｍ超になっているとともに、表面における静的負荷容量が６．０ＧＰａ未満になっていた。この比較から、条件１、条件２及び条件３が満たされることにより、表面における静的負荷容量が改善されることが、実験的にも明らかになった。
サンプル１－１からサンプル１－３、サンプル２－１からサンプル２－３及びサンプル３－１からサンプル３－３は、それぞれ、サンプル１、サンプル２及びサンプル３と同様の熱処理が行われたサンプルである。サンプル４－１からサンプル４－４は、サンプル４と同様の熱処理が行われたサンプルである。これらのサンプルの鋼種及び形状は、それぞれ、ＳＵＪ２及び直径８５ｍｍ×厚さ５ｍｍの平板状である。
Figure 0007420855000005
表３に示されるように、サンプル１－１からサンプル１－３、サンプル２－１からサンプル２－３及びサンプル３－１からサンプル３－３では、条件１、条件２及び条件３の全てが満たされていた。他方で、サンプル４－１からサンプル４－４では、条件１、条件２及び条件３の少なくともいずれかが満たされていなかった。
サンプル１－１からサンプル１－３、サンプル２－１からサンプル２－３及びサンプル３－１からサンプル３－３では、表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅が７．２°以上８．０°以下であり、表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置が１２８°以上であった。
他方で、サンプル４－１からサンプル４－４では、表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅が７．２°未満であり、表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置が１２８°未満であった。
この比較から、条件１、条件２及び条件３が満たされている場合には、表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅が７．２°以上８．０°以下となるとともに、表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置が１２８°以上となることが明らかになった。
このことを別の観点から言えば、高温での焼戻し工程Ｓ５が行われずにサブゼロ処理工程Ｓ４又はクライオ処理工程Ｓ７が行われることにより、表面においてマルテンサイトの転位密度が高くなってＸ線プロファイルにおける半値幅が増加するとともに、表面においてオーステナイトの転位密度が高くなって｛２２０｝面を示すピーク位置が高角側にシフトす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、サンプル２及びサンプル３では、表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅が７．２°以上８．０°以下となるとともに、表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置が１２８°以上となっていた。また、サンプル１、サンプル２及びサンプル３では、表面におけるマルテンサイトの転位密度及びオーステナイトの転位密度が、それぞれ１．１×１０１５ｍ－２以上及び２．５×１０１４ｍ－２以上になっていた。
他方で、サンプル４では、表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅が７．２°未満となるとともに、表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置が１２８°未満となっていた。また、サンプル４では、表面におけるマルテンサイトの転位密度及びオーステナイトの転位密度が、それぞれ１．１×１０１５ｍ－２未満及び２．５×１０１４ｍ－２未満になっていた。
Figure 0007420855000006
表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さと表面における残留オーステナイト量（Ａ：単位は体積パーセント）、表面における平均窒素濃度（Ｂ：単位は質量パーセント）及び表面におけるオーステナイトの転位密度（Ｃ：単位はｍ－２）との関係について重回帰分析を行った。この重回帰分析の結果として、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さ（単位：μｍ）は、４．５３２＋０．００５×Ａ－０．５８０×Ｂ－０．２９５×ＬｏｇＣとの式で推定された。この式の決定係数（Ｒ２）は、０．９４である。そのため、４．３３２＋０．００５×Ａ－０．５８０×Ｂ－０．２９５×ＬｏｇＣ≦０との関係が満たされている場合、表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際の圧痕の深さを０．２μｍ以下とすることができる。
表面における静的負荷容量と表面における残留オーステナイト量（Ａ：単位は体積パーセント）、表面における平均窒素濃度（Ｂ：単位は質量パーセント）及び表面におけるマルテンサイトの転位密度（Ｄ：単位はｍ－２）との関係について重回帰分析を行った。この重回帰分析の結果として、表面における静的負荷容量（単位：ＧＰａ）は、－４１．７３－０．０２５×Ａ－２．１４１×Ｂ＋３．１５５×ＬｏｇＤとの式で推定された。この式の決定係数（Ｒ２）は、０．９４である。そのため、－４７．７３－０．０２５×Ａ－２．１４１×Ｂ＋３．１５５×ＬｏｇＤ≧０との関係が満たされている場合、表面における静的負荷容量を６．０ＧＰａ以上とすることができる。
（実施形態に係る機械部品の他の例）
以下に、内輪１０以外の実施形態に係る機械部品の例を説明する。
図４は、ボールねじ２０の断面図である。図４に示されるように、ボールねじ２０は、ねじ軸２１と、ボールナット２２と、複数のボール２３と、シール部材２４とを有している。ボールねじ２０におけるボール２３の循環方式は、特に限定されない。ボールねじ２０におけるボール２３の循環方式は、例えば、チューブ式、リターンチューブ（パイプ）式、デフレクタ式、エンドデフレクタ式、エンドキャップ式、こま式等である。
ねじ軸２１は、外周面２１ａを有している。外周面２１ａには、ねじ溝２１ｂが形成されている。ボールナット２２は、ねじ軸２１の中心軸の方向に沿って延在している穴が形成されている。この穴の内壁面が、ボールナット２２の内周面２２ａである。内周面２２ａには、ねじ溝２２ｂが形成されている。ねじ軸２１は、外周面２１ａが内周面２２ａと対向するようにボールナット２２に挿入されている。ボール２３は、ねじ溝２１ｂとねじ溝２２ｂとの間に配置されている。ねじ軸２１が通されるボールナット２２の穴は、シール部材２４により閉塞されている。シール部材２４に形成されている穴にも、ねじ軸２１が通されている。
ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３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。この鋼は、０．９５質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．３０質量パーセント未満の珪素と、０．５０質量パーセント未満のマンガンと、０．００８０質量パーセント未満の硫黄と、１．３質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロムとを含有している。この鋼の残部は、鉄及び不可避不純物からなる。この鋼は、例えば、軸受鋼（ＪＩＳ規格に規定されているＳＵＪ２、ＡＳＴＭ規格に規定されている５２１００、ＩＳＯ規格に規定されている１００Ｃｒ６及びＧＢ規格に規定されているＧＣｒ１５等）である。
ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３は、表面に浸窒層１１（図４中において図示せず）が形成されており、表面における平均窒素濃度が０．１０質量パーセント以上になっている。ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３は、表面における硬さが、８５０Ｈｖ以上になっている。ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３は、表面における残留オーステナイト量が２０体積パーセント以下になっている。すなわち、ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３は、実施形態に係る機械部品である。
ボールねじ２０は、ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３の表面における静的負荷容量が改善されるため、高負荷容量化が可能であるとともに、小型軽量化も可能である。ボールねじ２０が小型化されることにより、周辺部品や構造部材の小型化も可能になる。
但し、ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３のうちの少なくとも１つが、上記の鋼の組成、上記の表面における硬さ、上記の表面における窒素濃度及び上記の表面における残留オーステナイト量を満たしていればよい。このことを別の観点から言えば、ボールねじ２０は、ねじ軸２１、ボールナット２２及びボール２３の少なくともいずれかが実施形態に係る機械部品であればよい。
ねじ軸２１をその中心軸回りに回転させることにより、ねじ軸２１の回転動力は、ボール２３を介してボールナット２２に伝達され、ボールナット２２がねじ軸２１の中心軸の方向に沿って移動する。すなわち、ボールねじ２０は、モータ等の回転運動を直動運動に変換する装置である。ボールねじ２０は、例えば、電動アクチュエータ、位置決め装置、電動ジャッキ、サーボシリンダ、電動サーボプレス機、メカニカルプレス機、電動ブレーキ装置、トランスミッション、電動パワーステアリング装置、電動射出成形機等に用いられる。
（内輪１０を用いた転がり軸受１００）
図５は、転がり軸受１００の断面図である。図５に示されるように、転がり軸受１００は、内輪１０と、外輪３０と、複数の転動体４０と、保持器５０とを有している。
外輪３０は、幅面３０ａと、幅面３０ｂと、内周面３０ｃと、外周面３０ｄとを有している。幅面３０ａ及び幅面３０ｂは、軸方向における外輪３０の端面を構成している。幅面３０ｂは、幅面３０ａの反対面である。内周面３０ｃ及び外周面３０ｄは、周方向に沿って延在している。内周面３０ｃ及び外周面３０ｄは、それぞれ、中心軸Ａ側及び中心軸Ａとは反対側を向いている。外輪３０は、外周面３０ｄにおいてハウジング（図示せず）に嵌め合わされる。外輪３０は、内周面３０ｃが外周面１０ｄと対向するように、内輪１０の径方向における外側に配置されている。
内周面３０ｃは、軌道面３０ｃａを有している。軌道面３０ｃａは、転動体４０と接触する内周面３０ｃの部分である。軌道面３０ｃａは、軸方向における内周面３０ｃの中央にある。軌道面３０ｃａは、周方向に沿って延在している。内周面３０ｃは、軌道面３０ｃａにおいて、外周面３０ｄ側に窪んでいる。周方向に直交する断面視において、軌道面３０ｃａは、例えば部分円弧状である。軌道面３０ｃａは、軌道面１０ｄａと対向している。
転動体４０は、例えば球状である。転動体４０は、軌道面１０ｄａと軌道面３０ｃａとの間に配置されている。複数の転動体４０は、周方向において間隔を空けて並んでいる。保持器５０は、隣り合う２つの転動体４０の間の間隔が一定範囲内になるように、複数の転動体４０を保持している。保持器５０は、外周面１０ｄと内周面３０ｃとの間に配置されている。
外輪３０及び転動体４０は、例えば、実施形態に係る機械部品である。すなわち、外輪３０及び転動体４０は、焼入れ及び焼戻しの行われた鋼により形成されており、当該鋼は０．９５質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．３０質量パーセント未満の珪素と、０．５０質量パーセント未満のマンガンと、０．００８０質量パーセント未満の硫黄と、１．３質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロムとを含有し、かつ残部が鉄及び不可避不純物からなる。また、外輪３０及び転動体４０は、表面における平均窒素濃度、硬さ及び残留オーステナイト量がそれぞれ０．１０質量パーセント以上、８５０Ｈｖ以上及び２０体積パーセント以下になっている。但し、外輪３０及び転動体４０は、実施形態に係る機械部品でなくてもよい。
今回開示された実施形態は全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の実施形態ではなく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が含まれることが意図される。
１０ 内輪、１０ａ，１０ｂ 幅面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１０ｄａ 軌道面、１１ 浸窒層、２０ ボールねじ、２１ ねじ軸、２１ａ 外周面、２１ｂ ねじ溝、２２ ボールナット、２２ａ 内周面、２２ｂ ねじ溝、２３ ボール、２４ シール部材、３０ 外輪、３０ａ，３０ｂ 幅面、３０ｃ 内周面、３０ｃａ 軌道面、３０ｄ 外周面、４０ 転動体、５０ 保持器、Ａ 中心軸、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 浸窒処理工程、Ｓ３ 焼入れ工程、Ｓ４ サブゼロ処理工程、Ｓ５ 焼戻し工程、Ｓ６ 後処理工程、Ｓ７ クライオ処理工程。

Claims (7)

  1. 他の部品に接触する表面を有し、かつ焼入れ及び焼戻しが行われた鋼製の機械部品であって、
    前記表面に形成されている浸窒層を備え、
    前記鋼は、０．９５質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．３０質量パーセント未満の珪素と、０．５０質量パーセント未満のマンガンと、０．００８０質量パーセント未満の硫黄と、１．３質量パーセント以上１．６質量パーセント以下のクロムとを含有し、かつ残部が鉄及び不可避不純物からなり、
    前記表面における平均窒素濃度は、０．１０質量パーセント以上になっており、
    前記表面における硬さは、８５０Ｈｖ以上になっており、
    前記表面における残留オーステナイト量は、２０体積パーセント以下になっている、機械部品。
  2. 前記表面に対するＸ線回折により得られるマルテンサイトのＸ線プロファイルにおける半値幅は、７．２°以上８．０°以下であり、
    前記表面に対するＸ線回折により得られるオーステナイトのＸ線プロファイルにおける｛２２０｝面を示すピーク位置は、１２８°以上であり、
    前記表面に対するＸ線回折は、波長が２．２９０９３×１０ －１０ ｍのＣｒ－Ｋα線を用いて行われる、請求項１に記載の機械部品。
  3. 前記表面におけるマルテンサイトの転位密度は、１．１×１０１５ｍ－２以上であり、
    前記表面におけるオーステナイトの転位密度は、２．５×１０１４ｍ－２以上である、請求項１に記載の機械部品。
  4. 前記表面における残留オーステナイト量、前記表面における平均窒素濃度及び前記表面におけるオーステナイトの転位密度をそれぞれＡ（単位：体積パーセント）、Ｂ（単位：質量パーセント）及びＣ（単位：ｍ－２）とした際、４．３３２＋０．００５×Ａ－０．５８０×Ｂ－０．２９５×ＬｏｇＣ≦０との関係が満たされている、請求項１に記載の機械部品。
  5. 前記表面における残留オーステナイト量、前記表面における平均窒素濃度及び前記表面におけるマルテンサイトの転位密度をそれぞれＡ（単位：体積パーセント）、Ｂ（単位：質量パーセント）及びＤ（単位：ｍ－２）とした際に、－４７．７３－０．０２５×Ａ－２．１４１×Ｂ＋３．１５５×ＬｏｇＤ≧０との関係が満たされている、請求項１に記載の機械部品。
  6. 前記表面に４．５ＧＰａの最大接触面圧が加わった際に前記表面に形成される圧痕の深さは、０．２μｍ以下である、請求項１に記載の機械部品。
  7. 前記表面における静的負荷容量は、６．０ＧＰａ以上である、請求項１に記載の機械部品。
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