轴承部件及滚动轴承的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轴承部件及滚动轴承，更具体而言，涉及廉价且屈服强度和寿命提高 了的轴承部件，以及包含该轴承部件的滚动轴承。
【背景技术】
[0002] 作为提高滚动轴承中包含的轴承部件的耐久性的措施，已知碳氮共渗处理（参 见例如日本专利公开第2007-277648号（PTD 1)和日本专利公开第2008-267402号（PTD 2))。上述碳氮共渗处理是热处理，在该热处理中，将钢加热至&转变点以上的温度，使碳 和氮渗透和扩散至钢中，然后进行淬火。上述碳氮共渗处理可有效地延长刮擦接触寿命，该 刮擦接触寿命是滚动轴承的重要性能。
[0003] 滚动轴承的其他重要功能包括机械旋转运动时的较低扭矩，为了实现该目的，降 低旋转中的能量损失是重要的。导致滚动轴承在旋转中能量损失的原因包括：滚动粘性阻 力、滑差、弹性滞后损失或润滑油的搅拌阻力。基于滚动轴承中的球轴承和滚针轴承的比 较，球轴承中因滚动粘性阻力差异而引起的能量损失较少。因此，从机械旋转运动中较低扭 矩的观点来看，可以说球轴承是更优选的结构。
[0004] 与球轴承相比，因为滚针轴承的轴承部件（滚动轴承环或滚珠）之间的接触面积 较大，所以施加至轴承部件的接触压力较小。所以，从承受较大的荷重的角度来看，滚针轴 承是有效的。然而，当球轴承产生大的荷重时，接触压力会过大，在滚动轴承环或滚珠中发 生塑性变形。于是，机械的旋转运动中的扭矩增大，产生异常噪音或发生旋转精度的降低， 结果难以满足作为轴承的作用。由此，将导致轴承功能障碍的过度负载（接触压力）称为 滚动轴承的"静荷载能力"。所以，就降低滚动轴承的扭矩而言，优选采用由不易发生塑性变 形（屈服强度高）的材料制成的球轴承。
[0005] 作为不易发生塑性变形的代表性的材料，包括陶瓷材料，例如氮化硅。该陶瓷材料 不易发生塑性变形，但同时也难以加工。所以，在采用陶瓷材料作为轴承的材料时，会有加 工成本增加的问题。所以，要求开发一种包括加工成本在内的总成本低且不易发生塑性变 形的材料来代替陶瓷材料。"不易发生塑性变形"与由HV硬度或HRC硬度表示的硬度无关， 而是与接近弹性极限或屈服强度的塑性变形量小的区域有关。
[0006] 引文列表
[0007] 专利文献
[0008] PTD 1:日本专利公开第2007-277648号
[0009] PTD 2:日本专利公开第2008-267402号
【发明内容】
[0010] 发明所要解决的技术问题
[0011] 考虑到近年来对轴承部件的耐久性提高的需求，根据用途，通过传统的碳氮共渗 处理可能难以提供足够的耐久性。此外，以往在具有对降低扭矩有利的结构的球轴承中，如 果不使用氮化硅等加工成本高的材料，会难以防止塑性变形。
[0012] 本发明是鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于提供廉价且屈服强度和寿命提 高了的轴承部件，以及包含该轴承部件的滚动轴承。
[0013] 解决问题的方案
[0014] 本发明的轴承部件由钢组成，该钢包含0. 95质量％以上且1. 1质量％以下的碳、 低于0. 3质量％的娃、低于0. 5质量％的猛、低于0. 008质量％的硫和1. 4质量％以上且低 于1. 6质量％的铬，剩余部分由铁和杂质构成；所述轴承部件在包含接触面的表面部分形 成有碳氮共渗层，所述接触面是与其他部件接触的表面。在上述轴承部件中，上述表面部分 中的氮的平均浓度为〇. 3质量％以上且0. 6质量％以下，并且所述表面部分中的氮浓度的 变动在0. 1质量％以下。在上述轴承部件中，上述表面部分中的残留奥氏体的量为8体积％ 以下。
[0015] 本发明人对于在不使用高加工成本的材料的条件下提高屈服强度和寿命的方案 进行了认真研究。结果，本发明人获得了以下发现并得到了本发明。
[0016] 在轴承部件中，在与其他部件接触的接触面（例如滚动轴承环的滚道面，或滚珠 与滚针的滚动接触面）及该接触面的正下方的部分容易产生裂纹等损伤。为了解决该问 题，通过对接触面实施碳氮共渗处理能够提高上述轴承部件的耐久性。
[0017] 根据本发明人的研究，当包含上述接触面的上述表面部分中的氮浓度低于0. 2质 量％时，上述轴承部件的刮擦接触寿命变短。因此，为了抑制上述轴承部件的寿命变短，上 述表面部分中的上述氮浓度需要为0. 2质量％以上。当上述表面部分中的氮浓度超过0. 7 质量％时，基质中的铬的大部分都消失。于是，淬透性降低，结果容易发生不完全淬火。因 此，为了抑制淬透性的降低和不完全淬火的发生，上述表面部分中的氮浓度需要为0.7质 量％以下。
[0018] 上述轴承部件通过对成型的钢产品进行碳氮共渗处理或回火处理等热处理，然后 对上述接触面进行精整加工来制造。由于上述热处理，上述钢产品可能会变形（例如滚动 轴承环可能是椭圆形且圆形度可能会变差），并且在精整加工中磨削余量会变化。因此，在 传统的轴承部件中，上述表面部分中的氮浓度的变动成为很大的问题。
[0019] 与此相对，在本发明的轴承部件中，上述表面部分中的氮的平均浓度为0.3质 量％以上且0. 6质量％以下，并且上述表面部分中的氮浓度的变动减少至0. 1质量％或更 低。因此，在上述轴承部件中，上述表面部分中的氮浓度为0. 2质量％以上且0. 7质量％以 下，抑制了刮擦接触寿命的减少。因此，根据本发明中的上述轴承部件，能够更可靠地提供 寿命提尚了的轴承部件。
[0020] 根据本发明人的研究，通过使回火处理中的加热温度比传统例中的温度更高，上 述表面部分中的残留奥氏体的量降低至8体积％以下，从而材料的屈服强度提高。即，在上 述表面部分中的残留奥氏体的量降为8体积％以下的上述轴承部件中，能够在不使用氮化 硅等加工成本高的材料的情况下抑制材料的塑性变形。
[0021] 如上所述，上述轴承部件的寿命可通过增加上述表面部分中的氮浓度来提高。但 是，在传统的轴承部件中，随着表面部分中的氮浓度的增加，材料的屈服强度降低，由此难 以同时实现屈服强度的提高和寿命的提高。与此相对，根据本发明人的研究，在回火温度比 传统例中更高时，可以克服屈服强度和寿命之间的相反关系。即，在通过提高回火温度而将 表面部分中的残留奥氏体的量设为8体积％以下，由此将上述表面部分中的氮浓度增加至 上述范围时，也能抑制屈服强度的降低。因此，根据本发明中的上述轴承部件，能够提供廉 价且屈服强度和寿命提高了的轴承部件。
[0022] 根据本发明的轴承部件中，上述"表面部分"是指在上述轴承部件的厚度方向上自 上述接触面起延伸至20 μ m深度的区域。上述"表面部分中的氮的平均浓度"及"表面部分 中的氮浓度的变动"在下述的本发明的实施方式中进行定义。
[0023] 下面，将构成本发明的轴承部件的钢的成分组成设定为上述范围的理由进行说 明。
[0024] 碳：0.95质量％以上且1. 1质量％以下
[0025] 碳含量对淬硬后的轴承部件的硬度和碳化物的量有很大影响。当钢中的碳含量为 0.95质量％以上时，无需通过热处理在钢中引入大量的碳，也能获得足够的硬度和碳化物 的量。当碳含量超过1. 1质量％时，在钢的制造时形成大的碳化物，该碳化物会严重影响轴 承部件的耐久性。因此，碳含量为0. 95质量％以上且1. 1质量％以下。
[0026] 娃：低于0.3质量％
[0027] 硅使钢中的氢的吸留量增加并加速氢脆。当钢中的硅含量为0.3质量％以上时， 在氢容易进入钢中的应用中，容易发生由氢脆引起的剥落。因此，在上述轴承部件中，钢中 的娃含量低于〇. 3质量％。
[0028] 锰：低于0.5质量％
[0029] 锰对钢的淬透性和淬火前的钢的硬度有贡献。但是，当锰含量为0. 5质量％以上 时，淬火前的材料的硬度高，且冷工艺中的加工性降低。因此，锰含量低于〇. 5质量％。
[0030] 硫：低于0.008质量％
[0031] 硫与锰等化学键合，形成例如硫化锰等非金属夹杂物。该非金属夹杂物会严重影 响轴承的寿命。因此，在上述轴承部件中，钢中的硫含量为低于0. 008质量％。
[0032] 铬：1. 4质量％以上且低于1.6质量％
[0033] 铬有助于钢的淬透性的提高。本发明的轴承部件中，为了防止氢脆引起剥落而使 硅含量较低，所以淬透性也降低。于是，为了补偿因减少硅含量而引起的淬透性的降低，上 述轴承部件中，钢的铬含量为1. 4质量％以上且低于1. 6质量％。
[0034] 在上述轴承部件中，上述表面部分中的残留奥氏体的量可以为5体积％以下。
[0035] 当回火温度进一步增加时，上述表面部分中的残留奥氏体的量减少至5体积％以 下。如此，能进一步提高材料的屈服强度。
[0036] 在上述轴承部件中，上述轴承部件在厚度方向上的氮浓度的倾度可以为-15 (1/m) 以上。上述氮浓度的倾度按照后述的实施例中的说明进行确定。由此，能容易地减少对上 述接触面进行精整加工后的上述表面部分中的氮浓度的变动。
[0037] "氮浓度的倾度"可以是在对上述接触面进行研磨处理等精整加工之前的氮浓度 的倾度，或者是对上述接触面进行精整加工后（即作为产品的状态）的氮浓度的倾度。即， 在上述轴承部件中，在对上述接触面进行精整加工前氮浓度的倾度为-15 (Ι/m)以上，或者 在精整加工后氮浓度的倾度为-15 (Ι/m)以上，或者精整加工前和精整加工后氮浓度的倾 度都为-15 (Ι/m)以上。
[0038] 在上述轴承部件中，上述表面部分在每100 μ m2内可以包含5个以上的碳氮化物， 该碳氮化物的直径为0. 3 μπι以上且0. 5 μπι以下。
[0039] 根据本发明人的研究，在上述表面部分在每100 μm2内包含5个以上的碳氮化物， 且该碳氮化物的直径为〇. 3 μ m以上且0. 5 μ m以下时，由于该碳氮化物的析出强化，上述轴 承部件的静荷载能力提高。因此，通过将上述表面部分中的上述碳氮化物的存在量规定在 上述范围内，能进一步提高上述轴承部件的静荷载能力。在该情况下，上述表面部分中的碳 浓度为〇. 9质量％以上且1. 1质量％以下。
[0040] 这里，上述"表面部分在每100 μ m2内包含5个以上的碳氮化物，且该碳氮化物的 直径为0. 3 μ m以上且0. 5 μ m以下"是指，在沿着与上述接触面垂直的截面切割上述轴承部 件，对得到的截面的表面部分用显微镜进行观察时，在每100 μπι2内观察到5个以上的直径 为0. 3 μπι以上且0. 5 μπι以下的碳氮化物。上述"碳氮化物"是指铁的碳化物或该碳化物 中的部分碳被氮取代而得的物质，包括Fe-C类化合物和Fe-C-N类化合物。该碳氮化物可 以包含铬等钢中含有的合金元素。
[0041] 在上述轴承部件中，包含非研磨表面的非研磨部分中的氮浓度低于0.7质量％， 上述非研磨表面是上述接触面以外的表面。
[0042] 根据本发明人的研究，上述非研磨部分中的氮浓度为0.7质量％以上时，淬透性 降低，且容易产生不完全淬火的组织。因此，为了抑制淬透性的降低和不完全淬火的组织的 产生，上述非研磨部分中的氮浓度优选低于0. 7质量％。上述"非研磨部分"是指在上述轴 承部件的厚度方向上自非研磨表面延伸至20μπι深度的区域。在该情况下，自上述非研磨 表面起在〇. 1mm深度的位置处的硬度为700HV以上。
[0043] 在上述轴承部件中，在加热温度设为500°C和保持时间设为1小时的热处理之后， 自上述接触面起在深度为〇. 4(mm)的位置处的维氏硬度比上述轴承部件的厚度方向上未 形成碳氮共渗层的区域中的维氏硬度高至少80HV。
[0044] 由此，可确保上述接触面中的氮浓度为0. 4质量％以上。
[0045] 在上述轴承部件中，上述碳氮共渗层可通过实施下述条件的碳氮共渗处理来形 成：下述式⑴中定义的a/为0. 88以上且1. 27以下，式⑵中定义的α为〇. 012以上且 0. 020以下，
[0047] Pco: -氧化碳的分压（atm)，
[0048] Pco2:二氧化碳的分压（atm)，
[0051] 其中？(^表不未分解的氨气的分压，P H表不氢气的分压。
[0052] 根据本发明人的进一步研究，结果发现，在α值为0.012以下时，随着α值的增 加，通过碳氮共渗处理在规定的时间内渗入钢中的氮的渗透量以大致恒定的比率增加。然 而，当α值超过0.012时，氮的渗透量的增加比率降低。因此，通过将α值设定为0.012 以上，在碳氮共渗处理中能有效地将氮引入钢中。在α值超过0.020时，在规定时间内的 氮的渗透量达到饱和且容易发生熏黑（在热处理炉中产生烟黑并附着在被处理物上的现 象），由此，在被处理物上可能会发生表面渗碳等质量上的弊端。因此，α值优选为0.012 以上且0. 020以下，更优选为0. 013以上且0. 018以下。
[0053] 还有，为了防止钢的表面部分的脱碳，a/值优选为0.88以上。当a/的值超过 1.27时，在钢的表面部分会形成过大的碳化物（渗碳体：Fe3C)，这有可能严重影响钢的特 性。因此，a/值优选为0.88以上且1.27以下，更优选为0.9以上且1.1以下。当a/值大 于1. 00时，可能会发生熏黑，且钢会过度渗碳。因此，特别是从防止过度渗碳的观点考虑， a/值更优选为1.00以下。由此，通过在α为0.012以上且0.020以下、a ^为0.88以上且 1. 27以下的气氛中实施碳氮共渗处理，可以将轴承部件的表面部分中的碳浓度保持在适当 水平，使碳氮共渗处理变得高效。结果，能减少轴承部件的制造成本。
[0054] 在轴承部件中，上述碳氮共渗层可通过实施下述条件的碳氮共渗处理来形成：γ =&。/(^中定义的γ的值在2以上且5以下的范围内，其中，a。表示上述轴承部件中的碳活 度，CN表示在放置有上述轴承部件的热处理炉内的未分解的氨气的浓度。
[0055] 本发明人对碳氮共渗处理中热处理