滚动滑动构件、使用滚动滑动构件的滚动轴承和制造滚动滑动构件的方法与流程

本发明涉及滚动滑动构件、使用该滚动滑动构件的滚动轴承以及制造滚动滑动构件的方法。

背景技术：

滚动轴承被广泛使用于各种领域中。例如，在车辆滑动门中，使用滚动轴承(滚子轴承)，使得能够沿着被设置在车体的每一侧上的滑轨平滑地打开和关闭滑动门。滚动轴承也被用于工业机械、仓库等的滑动门中。用于滑动门的滚动轴承需要强度高，以便能够支撑滑动门的重量且不被例如当打开或关闭门时发生的冲击载荷损坏或变形。传统上，这种类型的滚动轴承采用SUS440C，SUS440C是马氏体型的，且属于不锈钢中硬度最高的一类。

顺便提及，滑动门的滑轨可以在直接暴露于外部环境(周围气氛)的这种状态下安装。在这种情况下，滚动轴承也被要求耐腐蚀性高，因为它们被放在容易暴露于洗车用清洗液、防冻剂的氯化钙水溶液等的这种暴露于水的环境中。尽管SUS440C硬度高，但是它在不锈钢中耐腐蚀性在低水平。作为结果，在暴露于水的环境中使用由SUS440C制成的滚动轴承与它们易于生锈的问题相关联。

专利文献1公开了一种马氏体型不锈钢，其硬度和耐腐蚀性高，因此可以被适当地用来形成轴承。在专利文献1中，通过将N的含量设定得比传统马氏体型不锈钢中高并优化C和N的总含量和含量比率C/N，增加硬度。另一方面，通过添加诸如Mo的耐腐蚀性增加元素并以固溶体的形式在基质中添加适量的N，增加耐腐蚀性。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特许4952888

技术实现要素：

发明要解决的问题

由于展现高硬度和耐腐蚀性，专利文献1中公开的马氏体型不锈钢当然适合于形成轴承。然而，在使用这种不锈钢制造例如滚动轴承的外环时，它在车床上被车削成具有预定尺寸的环，然后经受热处理以确保一定硬度。通常，这种热处理在空气(含氧气氛)中进行。因此，空气中的氧与不锈钢的表面中的铁反应，由此形成氧化铁基涂层(称为氧化皮)。氧化皮是产品中不需要的涂层，因此氧化皮去除加工是必要的，氧化皮去除加工是麻烦的。

此外，在空气中的热处理中，成分的含量变化，例如在例如距不锈钢的表面0.7mm的深度的区域中，N的含量增加(氮吸收)，且C的含量减少(脱碳)。在去除氧化皮时，去除加工(被称为“用于去除氧化皮等的加工”，其包括氧化皮去除加工和用于将已经发生成分变化的部分去除的加工)需要在考虑已经发生诸如氮吸收和脱碳的成分变化的部分的去除的情况下进行。因此，在用于去除氧化皮等的加工中，需要去除距表面约1mm的深度的部分，以防止氧化皮、氮吸收区域和脱碳区域残留。因此，用于去除氧化皮等的加工造成大的材料损失。

防止通过热处理而形成氧化皮、氮吸收区域和脱碳区域的一种方法是在例如真空气氛(无氧气氛)中进行热处理。如果在真空气氛中进行热处理，则不形成氧化皮、氮吸收区域和脱碳区域，因此不需要用于去除氧化皮等的加工。但是，出现一个问题：即使使用展现高耐腐蚀性的不锈钢，在真空气氛中的热处理也导致在表面上形成锈(即耐腐蚀性降低)。对于该问题，在专利文献1中，没有关注省略用于去除氧化皮等的加工，并且没有针对由此引起的耐腐蚀性降低采取对策。

本发明人已经努力研究调查以上问题的起因，且已经首先发现：在离表面具有数十纳米的深度的非常薄的纳米级表面层部中Cr的缺乏使得难以形成有效钝化膜。

已经作出本发明以解决以上问题，并且本发明的一个目的因此是提供滚动滑动构件以及使用该滚动滑动构件的滚动轴承和制造该滚动滑动构件的方法，该滚动滑动构件硬度高，且即使在经受不需要任何用于去除氧化皮等的加工的过程之后也继续可靠地具有钝化膜。

解决问题的手段

首先，本发明提供一种滚动滑动构件，包括：0.15质量％或更大且小于0.70质量％的C；0.05至1.00质量％的Si；0.05至1.00质量％的Mn；0.03质量％或更小的P；0.03质量％或更小的S；0.001至0.500质量％的Cu；0.05至0.50质量％的Ni；11.0至18.0质量％的Cr；0.05至2.00质量％的Mo；0.01至0.50质量％的W；0.01至0.50质量％的V；0.05至0.40质量％的N；0.02质量％或更小的O；0.080质量％或更小的Al；0.0005至0.0050质量％的B；规定C和N的总含量大于0.4质量％且小于0.7质量％，并且含量比率C/N是0.75或更大；并且其余为Fe和不可避免的杂质，其中在距所述滚动滑动构件的表面具有至少40nm的深度的表面层部中不存在Cr缺乏层。

该滚动滑动部件的根本组成与专利文献1中公开的相同。通过在表面层部中不存在Cr缺乏层的附加特征，即使由不需要任何用于去除氧化皮等的加工的过程制造滚动滑动部件，滚动滑动部件也可靠地具有钝化膜。作为结果，能够确保高硬度和耐腐蚀性。

根据本发明的滚动滑动构件意指具有与配对构件相对滚动接触或滑动接触的接触表面的金属构件。滚动滑动构件的具体实例是滚动轴承、直线轴承和滚珠螺杆的构成构件。直线轴承是一种轴承，其中具有相应的直滚道表面且彼此对置的第一滚道构件和第二滚道构件通过被设置在第一滚道构件和第二滚道构件之间的多个滚动体的滚动而相对于彼此作直线运动。直线轴承中使用的滚动体的实例是滚珠和滚子。另一种类型的直线轴承是循环直线轴承，滚动体在该循环直线轴承中循环。滚珠螺杆是一种轴承，其中螺杆轴和螺母的每一个面对表面形成有螺纹槽，滚珠(多个滚动体)可滚动地设置在该螺纹槽中。

滚动轴承包括外环；内环；多个滚动体，所述多个滚动体可滚动地设置在所述外环和所述内环之间；和保持装置，所述保持装置保持所述多个滚动体，使得所述多个滚动体在周向方向上以预定间隔布置。在上述各种滚动滑动构件中，最优选使用根据本发明的滚动滑动构件作为滚动轴承的外环。这是因为：尽管内环、滚动体和保持装置也是滚动滑动构件，但外环是滚动轴承的最外面的部件，因此当被放在暴露于水的环境中和暴露于水分、盐分等时最易于生锈。

另外，本发明也提供一种制造滚动滑动构件的方法，所述方法包括：对马氏体钢构件进行真空热处理，以获得55HRC或更高的硬度，所述马氏体钢构件包括：0.15质量％或更大且小于0.70质量％的C；0.05至1.00质量％的Si；0.05至1.00质量％的Mn；0.03质量％或更小的P；0.03质量％或更小的S；0.001至0.500质量％的Cu；0.05至0.50质量％的Ni；11.0至18.0质量％的Cr；0.05至2.00质量％的Mo；0.01至0.50质量％的W；0.01至0.50质量％的V；0.05至0.40质量％的N；0.02质量％或更小的O；0.080质量％或更小的Al；0.0005至0.0050质量％的B；规定C和N的总含量大于0.4质量％且小于0.7质量％，并且含量比率C/N是0.75或更大；并且其余为Fe和不可避免的杂质；和之后进行将所述马氏体钢构件的表面层部去除的加工。

在以上制造方法中，进行将所述表面层部去除的所述加工的区域可以是距所述马氏体钢构件的表面具有至少40nm的深度的区域。这是因为：在进行真空热处理以省去用于去除氧化皮等的加工的情况下，Cr缺乏层倾向于被形成在距表面具有40nm的深度的区域中。因此，通过将距表面具有至少40nm的深度的区域去除，能够有效地防止耐腐蚀性的减小。

在将该滚动滑动构件用作滚动轴承的外环的情况下，在所述外环的至少外周表面和侧表面上进行将表面层部去除的所述加工就足够。也就是说，不必总是在外环的内表面上进行将表面层部去除的加工。这是因为：在滚动轴承的滚道被密封构件密封的情况下，水不易于侵入到达滚道，因此在外环的形成有滚道的内表面上几乎不引起锈的形成。

在本发明中，表示数值范围的表达“AA至BB”意指“大于(或高于)或等于AA且小于(或低于)或等于BB”，除非另有规定。

发明的优点

与专利文献1中公开的滚动滑动构件在根本组成上相同，根据本发明的滚动滑动构件固有地展现高硬度和耐腐蚀性。通过在表面层部中不存在Cr缺乏层的附加特征，滚动滑动部件可靠地具有钝化膜。因此，即使由不需要任何用于去除氧化皮等的加工的过程制造滚动滑动部件，它也不具有由于Cr缺乏层的存在而形成的氧化铁基涂层。因此能够确保高耐腐蚀性。因此，即使将滚动滑动构件用作在暴露于水的环境中使用的滚动轴承的外环，也能够有效地防止生锈。作为结果，在空气中盐浓度高且传统滚动滑动构件难以使用的海滨地区中，能够使用该滚动滑动构件。

在根据本发明的制造滚动滑动构件的方法中，由于在真空气氛(无氧气氛)中进行热处理，因此不形成氧化皮、氮吸收区域和脱碳区域。因此，在热处理之后，不需要进行任何用于去除氧化皮等的加工，用于去除氧化皮等的加工在传统上是必不可少的。通过进行将表面层部去除的加工的附加特征，能够去除通过真空热处理形成的Cr缺乏层。因为将表面层部去除的加工以nm级进行就足够，所以去除的材料的量比以mm级将表面层部去除的用于去除氧化皮等的加工中去除的材料的量小得多。将表面层部去除的这种加工因此在材料成本方面也是有利的。此外，由于去除加工的循环时间与去除材料的量成比例，因此循环时间的缩短能够增加单位时间的产量。

附图说明

[图1]图1是示出普通滚动轴承的结构的局部剖视透视图。

[图2]图2是具有用于密封驱动表面的密封构件的滚动轴承的截面图。

[图3]图3是示出在表面层部中Cr存在的程度的曲线图。

具体实施方式

首先，将描述作为滚动滑动构件的基础的马氏体钢材的根本组成。这种滚动滑动构件在根本组成上与专利文献1中公开的滚动滑动构件相同，且具有作为市场上的产品的DSR-40N。更具体地，根本组成包括：0.15质量％或更大且小于0.70质量％的C；0.05至1.00质量％的Si；0.05至1.00质量％的Mn；0.03质量％或更小的P；0.03质量％或更小的S；0.001至0.500质量％的Cu；0.05至0.50质量％的Ni；11.0至18.0质量％的Cr；0.05至2.00质量％的Mo；0.01至0.50质量％的W；0.01至0.50质量％的V；0.05至0.40质量％的N；0.02质量％或更小的O；0.080质量％或更小的Al；0.0005至0.0050质量％的B；规定C和N的总含量大于0.4质量％且小于0.7质量％，并且含量比率C/N是0.75或更大；并且其余为Fe和不可避免的杂质。

碳(C)用于确保必要的强度和耐腐蚀性，并通过与诸如Cr、Mo、W、V和Nb的碳化物形成元素结合而形成碳化物。碳也用于通过在淬火时在基质中形成固溶体来确保必要的硬度，从而使得基质具有马氏体结构。

作为一种间隙元素，N使耐腐蚀性和硬度两者都增加。当将N以固溶体的形式添加到基质中时，耐腐蚀性增加。元素Ni、Cr和V增加溶解氮的量。

作为表面层钝化膜的主要成分的铬(Cr)增加耐腐蚀性。铜(Cu)也增加耐腐蚀性，且在抑制盐酸的侵蚀特别有效。钼(Mo)也增加耐腐蚀性。

硅(Si)主要作为脱氧剂而被添加或用于添加氮。锰(Mn)增加淬火性能，且具有通过将不可避免地包含的S固定来防止韧性减小的效果。钨(W)增加淬火性能。铝(Al)作为脱氧剂而被添加。硼(B)强化晶界，从而降低在淬火或零下处理时断裂的发生概率。在钢中不可避免地包含磷(P)、S和O。

除了以上基本元素之外，滚动滑动构件还可以包含以下含量范围中的以下元素：

0.001质量％≤Co≤0.500质量％

0.001质量％≤Se≤0.300质量％

0.001质量％≤Te≤0.300质量％

0.0002质量％≤Ca≤0.1000质量％

0.001质量％≤Pb≤0.200质量％

0.001质量％≤Nb≤0.300质量％

0.001质量％≤Ta≤0.300质量％

Ti≤0.200质量％

0.001质量％≤Zr≤0.300质量％。

在使用以上马氏体钢材制造滚动滑动构件的情况下，材料通过铸造或锻造而形成为预定形状，然后经受热处理例如淬火、零下处理和回火，以获得一定硬度和用于其它目的。在需要高尺寸精度的情况下，优选的是：将通过铸造或锻造形成的构件切割成预定尺寸，以便具有粗略形状。

通过将钢材加热到1020℃至1150℃的淬火温度或固溶处理温度，然后通过油淬火、气体冷却等以预定冷却速率快速冷却它，进行淬火处理。在零下处理中，在淬火后不久，使用0℃或更低的冷冻混合物或制冷剂，使钢材再次快速冷却。例如，能够使用干冰、干冰加酒精(-80℃)、二氧化碳气体(-130℃)或液氮(-196℃)作为冷冻混合物或制冷剂。在回火处理中，经受零下处理的钢材被加热到150℃至450℃。作为以上热处理的结果，钢材被给予至少大于或等于55HRC的洛氏硬度，该硬度相当于SUS440C的值。

上述热处理在真空气氛中进行。也优选通过引入氮气等在惰性气体气氛中而不是在真空气氛中进行热处理。由于在无氧气氛中进行以上热处理，在滚动滑动构件的表面中不形成氧化皮、氮吸收区域或脱碳区域，因此在热处理后不需要进行任何用于去除氧化皮等的加工。

然而，我们发现：在距表面约40nm的深度(厚度)的区域内，形成Cr含量明显小的Cr缺乏层。因此，如果在热处理之后在不经受任何加工的情况下使用钢材，则由于Cr不足而不形成有效钝化膜，并且作为钢材中的铁与空气中的氧结合的现象的结果而代替地形成氧化铁涂层，从而导致耐腐蚀性的大幅减小。如这里使用的术语“Cr缺乏层”意指Cr含量明显小于滚动滑动构件的固有范围11.0至18.0质量％的层。

鉴于以上，在热处理后需要去除非常薄的表面层部。待去除的层距表面的厚度(深度)至少大于或等于40nm，优选大于或等于100nm。如果将距表面的厚度大于或等于40nm的层去除，则能够适当地去除明显的Cr缺乏层。如果将距表面的厚度大于或等于100nm的层去除，则能够完全去除Cr缺乏层。另一方面，虽然对要去除的层的厚度的上限没有特别限制，但是优选的是：该上限至少小于用于去除氧化皮等的传统加工的厚度(0.7mm)。这是因为：如果考虑到材料成本和生产性(加工时间的缩短)，则希望将去除的材料量减少到最小必要水平。因此，较优选的是待去除的层的厚度小于或等于距表面100μm，并且更优选的是它小于或等于距表面150nm。对用于将表面层部去除的加工方法没有特别限制；能够采用能够将表面层部去除的任何方法，例如抛光、滚筒抛光、切割和化学处理。

以上述方式生产的滚动滑动构件耐腐蚀性高，因为在其表面中可靠地形成有效钝化膜。就点蚀电位而言，这种滚动滑动构件相当于据说耐腐蚀性高的SUS630。因此，该滚动滑动构件适合于作为在暴露于水的环境中使用的构件，且能够被用作滚动轴承，该滚动轴承用于例如被安装在汽车、工业机器、仓库等中的滑动门，以便直接暴露于外部环境(周围气氛)。在这些用途中，该滚动滑动构件特别适合用作滚动轴承的外环。

如图1中所示，这种类型的普通滚动轴承1包括：外环2；内环3；可滚动地设置在外环2和内环3之间的多个滚动体4；以及保持装置5，该保持装置5用于保持滚动体4，使得滚动体4在周向方向上以预定间隔布置。因为以这种方式，外环2是滚动轴承1的最外面的部件，所以当在暴露于水的环境中使用滚动轴承1时外环2最易于生锈。如果外环2生锈，则产生的锈粉末粘到滑轨并可能损害它的外观。因此优选使用根据本发明的滚动滑动构件作为外环2。

在这种情况下，基本上，需要在外环2的外周表面、侧表面和内周表面(与内环3对置的表面)中的全部表面上进行将Cr缺乏层去除的加工。然而，在滚动轴承中有如下滚动轴承：与图2中所示的用于滑动门的滚动轴承10中一样，在外环12和内环13之间的空间被密封构件16密封。在具有这种结构的滚动轴承10中，在外环2的仅外周表面和侧表面上进行将Cr缺乏层去除的加工可能就足够。在图2中，符号14表示滚动体，并且符号15表示用于在周向方向上以预定间隔保持滚动体14的保持装置。

在用于滑动门的这种滚动轴承10中，在许多情况下，外环12的包括滚道表面在内的内周表面不像在传统情况中那样在经受切割和真空热处理之后经受诸如抛光的精整。更具体地，在普通滚动轴承1中，经常发现：仅在作为弯曲表面的滚道表面(内周表面)上进行精整，而不在侧面和外周表面上进行精整。另一方面，在本发明中，仅在侧表面或外周表面上进行精整，而在滚道表面上不进行精整；在这方面，本发明与传统情况正好相反。因此，在这种用于滑动门的滚动轴承10中，能够减少时间和劳动以及加工成本。

在将滚动轴承用于暴露于水的环境中的情况下，内环也可能生锈。因此优选也使用根据本发明的滚动滑动构件作为内环。与外环的情况一样，基本上，优选在外周表面(与外环对置的表面)、侧表面和内周表面中的全部表面上进行将Cr缺乏层去除的加工。然而，在外环和内环之间的空间由密封构件密封的图2中所示的情况下，可以仅在内周表面和侧表面上进行将Cr缺乏层去除的加工。

滚动体和保持装置可以由与已知的普通滚动轴承的材料相同的材料制成。例如，滚动体可以由碳钢或SUJ2制成。例如，保持装置可以由诸如增强聚酰胺的树脂基材料制成。

实例

测量并评估在表1中所示的各组热处理条件下处理的滚动轴承的外环的硬度(洛氏硬度)。结果也在表1中示出。对于外环的尺寸，外径是24mm，内径是18mm，并且宽度是8mm。使用DSR-40N作为马氏体钢材。通过切削棒材而不使所得材料经受将表面层去除的加工(例如抛光)来生产外环。使用真空炉进行热处理。通过将氮气引入到炉中，进行在淬火后进行的快速冷却。

表1

由表1的结果证实：通过在以上组热处理条件下对DSR-40N进行真空热处理，能够使洛氏硬度大于或等于55HRC。

随后，使用制造实例1的外环来测量和评估执行/不执行表面层部去除加工对耐腐蚀性的影响。采用制造实例1的外环作为工作实例，通过将距表面具有100μm的深度的表面层部抛光掉，使该外环的外周表面经受表面层部去除加工。另一方面，采用未经受表面层部去除加工的制造实例1的外环本身作为比较例。关于耐腐蚀性，根据JIS G 0577:2014测量点蚀电位。JIS G 0577:2014的内容通过引用并入这里。

工作实例(有表面层部去除)的测量点蚀电位是116mV，相当于通常所说的耐腐蚀性高的SUS630的值。相比之下，比较例的测量点蚀电位是-12mV。因此，尽管在比较例(没有表面层部去除)中虽然它硬度高，但不能获得适当的耐腐蚀性，证实在实例(有表面层部去除)中，确保高硬度和高耐腐蚀性两者。

随后，调查为什么表面层部去除的执行/不执行导致耐腐蚀性的差异。在调查中，使用俄歇电子光谱分析仪，通过从最外表面层部开始重复元素成分分析和通过离子溅射进行材料层的纳米级去除，分析深度方向上的元素成分分布。通过换算离子溅射时间获得深度。结果在图3中示出。

从图3中所示的结果看出：在比较例(没有表面层部去除)中，在距表面具有约40nm的深度的区域(即，Cr缺乏区域)中Cr比率明显小于在深度约100nm的区域中的基准(恒定)Cr比率。因此，发现耐腐蚀性减小的原因是在表面附近没有形成有效钝化膜。从以上测量结果看出：在表面层部去除加工中，待去除层的厚度(深度)从表面起至少大于或等于40nm就足够。也就是说，期望通过将距表面具有40nm或更大的深度的表面层部去除来建立表面部的Cr比率恒定的状态，即不存在Cr缺乏层。

相比之下，在工作实例(有表面层部去除)中，看出在距表面具有10nm或更大的深度的区域内不存在Cr缺乏层。此外，即使在2nm的深度处也检测到足够大的Cr比率，这意味着甚至基本上在表面处也大致不存在Cr缺乏层。也就是说，可以说：随着位置从表面起越来越深，Cr比率保持几乎恒定。因此，已经发现：在工作实例中几乎没有Cr缺乏层出现，并且因为Cr存在于表面附近，能够确保高耐腐蚀性。

本申请基于2016年2月19日提交的日本专利申请第2016-030498号，其内容通过引用并入这里。

附图标记和符号的说明

1、10:滚动轴承

2、12:外环

3、13:内环

4、14:滚动体

5、15:保持装置

16:密封构件