專利名稱：軸承零件、滾動軸承及軸承零件的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種軸承零件、滾動軸承及軸承零件的制造方法，尤其涉及一種能使耐磨損性提高的軸承零件、滾動軸承及軸承零件的制造方法。
背景技術：
近年來，機械的輕量化、緊湊化進步，該機械中使用的滾動軸承的尺寸也變小。因此，處于使滾動軸承內產生的面壓力(軌道構件與滾動體之間的接觸面壓力)變高的傾向。 此外，當因作為該結果而產生的溫度上升導致潤滑油劣化或低粘度化而不充分地形成油膜時，以滾動體與軌道構件(內圈、外圈)之間的接觸面產生金屬接觸，從而有時在該接觸面中產生磨損。特別地，在下式(1)所示的油膜參數Λ的值不足1這樣的潤滑條件下，磨損會變為較大的問題。A=V(CIX)1Ah(I)在此，符號Iltl是油膜厚度，α工及α 2分別是軌道面及滾動體的表面粗度RMS。在軌道構件的軌道面(滾走面)、滾動體的表面(與軌道構件的接觸面)上產生因磨損而引起的凹凸的情況下，由于該凹凸成為應力集中源或脫落的鐵粉咬入軌道面，因而可能使滾動軸承的壽命降低。作為上述滾動軸承的磨損變為問題的應用，可列舉出例如鋼鐵的連續鑄造設備的導向輥子中使用的自動調心滾子軸承。在連續鑄造設備的導向輥子中，因鋼水的重量和高熱量而產生熱膨脹、撓曲。因此，在對導向輥子進行支承的滾動軸承(以下，稱為導向輥子用軸承)中，較多地使用能允許內圈的調心且具有較高的軸向載荷負載能力的自動調心滾子軸承。由于導向輥子用軸承在極低速的內圈旋轉且高負載載荷的條件下被使用，因此，在不易形成油膜且固定負載區域的外圈的滾走面上產生磨損。特別地，已知因自動調心滾子軸承的滾子的形狀為桶狀而產生差動滑動，從而在純滾動部與滑動部之間產生磨損差，并在外圈滾走面上產生兩山形狀的偏磨損。由于在上述偏磨損的結果中所形成的兩個突起部上產生應力集中，因此，有時是提早產生剝離的原因。此外，由于大量地噴灑用于對鋼水進行凝固的冷卻水，因此，也會產生水和水蒸汽浸入軸承內。對于在這種嚴酷的潤滑條件下所使用的導向輥子用軸承，要求能抑制構成軸承的軸承零件(軌道構件、滾動體等)的磨損。另外，在構成以與軸高度嵌合的方式使用的軸承的軸承零件的鋼中采用滲碳鋼， 為了防止因拉伸應力而引起的壽命降低、內圈開裂，該滲碳鋼被進行滲碳處理，能在表層形成壓縮殘余應力。在進行完滲碳處理的滲碳鋼中，由于硬度比表層的滲碳部的硬度低的芯部的斷裂韌性優異，因此，與整體被均勻地硬化的鋼(JIS標準SUJ2等)相比，抗開裂的抵抗性較高。即便在導向輥子用軸承中，也可避免因突然的軸承斷裂而引起的輥子的脫落，因此，廣泛地使用滲碳鋼。此外，作為使耐磨損性、異物混入潤滑下的軸承壽命提高的方法，還可利用滲碳氮化處理。由于滲碳氮化處理另外也具有抑制母材在高溫下的硬度降低的效果，因此，除了鋼鐵的連續鑄造設備用的滾動軸承之外，也可廣泛地使用于壓延設備用的滾動軸承、制紙機械的干燥滾筒用的滾動軸承等中。然而，對于這些軸承要求更長的壽命，僅通過單單進行滲碳氮化處理，不能確保足夠的耐磨損性。包含上述現有技術，為提高軸承零件的耐磨損性，主要提出了以下兩個方針。首先，第一方針是表面硬度的提高。表面硬度的提高是能通過例如上述滲碳氮化處理加以實現的。目前，由于對由鋼構成的軸承零件進行淬火以提高硬度，因此，耐磨損性也是優異的， 但能通過進行氮化處理進一步提高表面硬度，從而能進一步提高耐磨損性(例如，參照日本專利特開平8-311603號公報(專利文獻1))。另一方面，第二方針是高硬度析出物量的增加。由于微細的高硬度析出物大量地存在，從而提高了耐磨損性。鋼中的添加元素對高硬度析出物的生成進行較大地影響。具體而言，通過將V(釩)、Al (鋁)、Cr (鉻)、Ti (鈦)、Mo(鉬)等添加到鋼中，此外，還進行滲碳氮化處理等，從而來生成高硬度析出物(例如，參照日本專利特開平8-49057號公報(專利文獻2))。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本專利特開平8-311603號公報專利文獻2 日本專利特開平8-49057號公報
發明內容
發明所要解決的技術問題然而，在包含上述專利文獻1所記載的方案，通過滲碳氮化處理僅提高表面硬度的方案中，存在很難使耐磨損性充分地提高這樣的問題。特別地， 在以提高斷裂韌性值作為目的而采用碳含有量處于0. 3質量％以下的鋼作為材料的情況下，僅通過滲碳氮化處理使耐磨損性充分地提高是困難的。另一方面，通過采納以下方案 采用大量添加Cr、Mo、V等合金元素的鋼并進行滲碳氮化處理，從而能實現較高的耐磨損性。然而，不能認為這種合金元素的資源供給是充分的，可能存在供給的不穩定化、隨著該不穩定化而引起的價格的高漲等，因此，較為理想的是極力降低合金元素朝鋼的添加。因此，本發明的目的在于提供一種采用將碳含有量降低至0. 3質量％以下而能確保較高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性的軸承零件、滾動軸承及軸承零件的制造方法。解決技術問題所采用的技術方案本發明的一種情況的軸承零件由鋼構成，該鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0.7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1.0質量％以下的錳，且其余部分由鐵及雜質構成。在包括表面的區域中形成有碳濃度比其他區域的碳濃度高的富碳層和氮濃度比其它區域的氮濃度高且與所述富碳層重疊的富氮層。此外，包含于富氮層中的表面的氮濃度處于0. 3質量％以上。另外，本發明的另一種情況的軸承零件由以下鋼構成，這種鋼含有0. 15質量％以上0.3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0.7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，此外，還包含從由0. 4質量％以上2. 0質量％以下的鉻、0. 15質量％以上 0. 5質量％以下的鉬、1. 0質量％以上2. 0質量％以下的鎳及0. 1質量％以上1. 0質量％以下的釩構成的組中選擇出的至少一種以上的元素，且其余部分由鐵及雜質構成。在包括表面的區域中形成有碳濃度比其他區域的碳濃度高的富碳層和氮濃度比其它區域的氮濃度高且與所述富碳層重疊的富氮層。此外，包含于富氮層中的表面的氮濃度處于0.3質量％ 以上。本發明人對以下方案進行了詳細的研究，該方案采用能確保較高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料并使軸承零件具有足夠的耐磨損性。其結果是，發現了以下見解，從而想到了本發明。S卩，作為使耐磨損性提高的方法，如上所述，一般有表面硬度的上升和高硬度析出物的生成。在此，磨損量V—般通過以下的式( 來表示。V = K(WL/H》.《2)在此，符號W是載荷，符號L是摩擦距離，符號H是硬度，符號K是常數。即，磨損量與硬度成反比例。然而，很難將由淬火硬化后的鋼構成的軸承零件的硬度進一步提高至兩倍、三倍。因此，很難通過將軸承零件高硬度化來使耐磨損性大幅提高兩倍、三倍。另一方面，為了生成高硬度析出物，需大量地添加V、Cr等合金元素，但如上所述， 從資源供給的觀點來看，極力降低這種合金元素的添加是較為理想的。另外，上述合金元素通過滲碳氮化處理等與侵入母材的氮結合而生成氮化物，從而作為高硬度析出物加以析出。因此，當對大量地添加有上述合金元素的鋼進行滲碳氮化處理時，處于表面附近的氮濃度升高而氮的侵入深度變淺的傾向。在此，由于通常在高溫下進行滲碳氮化處理，因此，因熱處理而產生的變形量變大。為了修正因該熱處理而引起的變形，需對進行完滲碳氮化處理的軸承零件進行加工余量較大的加工。因此，在因滲碳氮化而引起的氮的侵入深度較淺的情況下，通過該加工也可能會去除氮濃度較高的層(富氮層)的大部分或全部。對此，本發明人著眼于使磨損的模式提前從嚴重磨損轉變為微緩磨損的方法，以作為提高耐磨損性的新的方案。在此，嚴重磨損是指在滑動速度及接觸面壓力較高的情況下所產生的磨損的進行較快的狀態。另一方面，微緩磨損是指在滑動速度及接觸面壓力較低的情況下所觀察到的磨損的進行較慢的狀態。當以比磨損量來比較上述嚴重磨損和微緩磨損時，嚴重磨損為大致10_7 10_8mm2/N，而微緩磨損則處于10_9mm2/N以下，它們的磨損速度大幅不同(參照山本雄二、外1名著、“摩擦學(日文卜，4 # 口 7—)”、理工學社)。 比磨損量是指磨損體積除以載荷與磨損距離的積得到的值，且值越小耐磨損性就越優異的
)固、ο為了提高耐磨損性，使該從嚴重磨損朝微緩磨損的轉移(嚴重一微緩磨損轉換 (日文〉Ε 7 - 7 O K摩耗遷移))提早產生是重要的，該時期越早就越能抑制磨損量。 一般地，通過生成氧化膜等表面保護膜，從而容易產生嚴重一微緩磨損轉換。為了形成表面保護膜，選擇在化學性上吸附性較高的材料、環境是有效的。由于被淬火后的鋼的馬氏體組織是在室溫下熱力學不穩定的組織，因此，活性較高，且容易產生環境氣體的化學吸附。因此，可認為在由淬火后的鋼構成的軸承零件中會產生嚴重一微緩磨損轉換(例如，參照“磨損(日文摩耗)”、笹田直著、養賢社)。此外，可認為，還能通過進行氮化處理(滲碳氮化處理)來提前實現轉換。但是，在通過采用碳含有量處于0.3質量％以下的鋼作為材料而能確保較高的斷裂韌性值的軸承零件中，因以下理由即使進行了滲碳氮化處理的情況下， 也很難充分地提前實現上述轉換。S卩，一般在滲碳氮化處理中，添加于環境氣體中的氨(NH3)氣體作為氮的供給源起作用。具體而言，通過使下式(3)所示的反應進行來實現氮朝鋼中的供給。NH3 — N+3/2H2 …(3)在此，符號N是指固溶于鋼中的氮。S卩，式(3)表示若在爐內的環境氣體中不存在 NH3氣體則氮朝鋼中的固溶不會進行。另一方面，在同時進行滲碳處理和氮化處理的滲碳氮化處理中，在構成被處理物即軸承零件的鋼的碳含有量處于0. 3質量％以下的情況下，該被處理物被加熱到超過 920°C的高溫而進行滲碳氮化處理。這是為了使碳以較高的侵入速度侵入因碳含有量較低而A1變態點升高的軸承零件的緣故。在這種高溫下進行完滲碳氮化的情況下，包含于環境氣體中的NH3氣體的大部分處于被分解為氫(H2)和氮( )的狀態，從而使在未分解的狀態下存在的NH3氣體的比例變低。在此，在一般的氣體滲碳氮化處理中，NH3氣體的添加率相對于有助于滲碳的吸熱型的變性氣體處于百分之幾左右(10%以下)(例如，參照“鋼鐵材料便覽(日文鉄鋼材料便覧)”pl46)。此外，在這種NH3氣體的添加率中，大部分NH3氣體分解，軸承零件的表面的氮濃度處于0. 1質量％以下。即使表面的氮濃度處于該程度，也能獲得例如在潤滑中硬質的異物混入的條件下所使用的軸承零件的長壽命化、在高溫下使用的軸承零件中所要求的回火軟化抵抗性的提高等效果，因此，對由碳含有量處于0. 3質量％以下的鋼構成的軸承零件在能獲得較低的表面氮濃度的條件下進行滲碳氮化處理。然而，根據本發明人的研究，可知從使斷裂韌性值的提高和耐磨損性提高都能實現的觀點來看，進一步提高由碳含有量處于0. 3質量％以下的鋼構成的軸承零件的表面的氮濃度是較為理想的。更具體而言，可知通過使表面的氮濃度處于0. 3質量％以上，能提前實現嚴重一微緩磨損轉換，能使軸承零件的耐磨損性充分地提高。對此，在上述本發明的軸承零件中，采用鋼作為材料，該鋼通過使碳含有量處于 0.3質量％以下來確保較高的斷裂韌性值，此外，還具有降低了合金元素的添加的合理的成分組成。另外，通過在包含表面的區域中形成富碳層以確保足夠的硬度，并使表面的氮濃度處于0. 3質量％以上，從而提前實現嚴重一微緩磨損轉換，并實現較高的耐磨損性。其結果是，根據本發明的軸承零件，能提供一種采用能確保較高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性的軸承零件。軸承零件的耐磨損性隨著表面的氮濃度上升而提高，但處于當超過0. 3質量％時耐磨損性的提高飽和的傾向。另一方面， 當表面的氮濃度超過0. 8質量％時，可能會阻止形成相同的侵入型固溶體的碳的擴散，因此，氮濃度處于0.8質量％以下是較為理想的。以下，對將鋼的成分范圍限定于上述范圍的理由進行說明。碳0. 15質量％以上0.3質量％以下當碳不足0. 15質量％時，可能使芯部的硬度降低而導致強度不足。另外，滲碳所需的時間變長。另一方面，當碳超過0.3質量％時，斷裂韌性值變為不足夠。因此，需將碳設為0. 15質量％以上0. 3質量％以下。硅0. 15質量％以上0.7質量％以下當硅不足0. 15質量％時，也許不能確保足夠的淬火軟化抵抗性。另一方面，當硅超過0. 7質量％時，可能使滲碳性變差。因此，需將硅設為0. 15質量％以上0. 7質量％以下。
錳0. 15質量％以上1.0質量％以下當錳不足0. 15質量％時，可能使淬火性不足。另一方面，當錳超過1.0質量％時， 可能會較多地生成MnS (硫化錳)等非金屬夾雜物。因此，需將錳設為0. 15質量％以上1. 0 質量％以下。鉻0. 4質量％以上2.0質量％以下通過將鉻添加至0.4質量％以上，從而可容易地提高軸承零件的表面的氮濃度。 為了使該效果更顯著，較為理想的是使鉻處于0. 8質量％以上。另一方面，當鉻超過2. 0質量％時，不僅材料的成本提高，而且會與侵入鋼的氮結合而形成氮化物，可能會減小氮的侵入深度。因此，也可在構成本發明的軸承零件的鋼中添加0. 4質量％以上2. 0質量％以下的鉻。鉬0. 15質量％以上0.5質量％以下通過將鉬添加至0. 15質量％以上，從而可容易地提高軸承零件的表面的氮濃度。 另一方面，當鉬超過0.5質量％時，材料的成本提高。因此，也可在構成本發明的軸承零件的鋼中添加0. 15質量％以上0.5質量％以下的鉬。鎳1.0質量％以上2.0質量％以下通過將鎳添加至1. 0質量％以上，從而使淬火性進一步變好。另一方面，當鎳超過2. 0質量％時，材料的成本提高。因此，也可在構成本發明的軸承零件的鋼中添加1. 0質量％以上2. 0質量％以下的鎳。釩0. 1質量％以上1.0質量％以下通過將釩添加至0. 1質量％以上，從而可容易地提高軸承零件的表面的氮濃度。 另一方面，當釩超過1.0質量％時，不僅材料的成本提高，而且會與侵入鋼的氮結合而形成氮化物，可能會減小氮的侵入深度。因此，也可在構成本發明的軸承零件的鋼中添加0. 1質量％以上1.0質量％以下的釩。在上述本發明的另一種情況的軸承零件中，能將上述鋼設為從由JIS標準(日本工業標準)SCr420、SCM420或SNCM420構成的組中選擇出的任一種鋼。在JIS標準G4053中作為機械結構用合金鋼限定的上述鋼是以下鋼含有0. 23質量％以下的碳，且不僅合金元素的添加量較少，而且因是標準鋼而取得材料也容易。通過采用這種鋼作為材料，從而能使軸承零件的斷裂韌性值提高，并能將降低了合金元素的添加的鋼作為材料。此外，若由上述三種鋼中的任一種鋼構成的軸承僅進行通常的滲碳氮化，則表面的氮濃度變得不足夠，但通過使表面的氮濃度上升至0. 3質量％以上，從而能提前實現嚴重一微緩磨損轉換，并能實現較高的耐磨損性。如上所述，通過在構成上述本發明的另一種情況的軸承零件的鋼中采用SCr420、SCM420或SNCM420，從而提供一種采用能確保更高的斷裂韌性值且進一步降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠耐磨損性的軸承零件。在上述軸承零件中，較為理想的是，包含于富碳層中的上述表面的碳濃度處于0. 6 質量％以上1.2質量％以下。通過將表面的碳濃度設為0.6質量％以上，從而能充分地提高淬火后的表面硬度。另一方面，當表面的碳濃度超過1. 2質量％時，因過度滲碳而在晶粒邊界析出碳化物， 變脆，可能使強度降低。因此，較為理想的是，使上述表面的碳濃度處于0. 6質量％以上1. 2質量％以下。本發明的滾動軸承包括軌道構件；以及與軌道構件接觸并配置于圓環狀的軌道上的多個滾動體。此外，軌道構件和/或滾動體是上述本發明的軸承零件。由于作為軌道構件和/或滾動體包括上述本發明的軸承零件，因而根據本發明的滾動軸承，能提供一種使較高的斷裂韌性值和足夠耐磨損性都能實現的滾動軸承。上述本發明的滾動軸承也可以是自動調心滾子軸承。由于自動調心滾子軸承的滾動體即滾子具有桶形的形狀，因此，在軌道構件與滾動體之間產生差動滑動，軸承零件的磨損成為問題。因此，對于自動調心滾子軸承采用耐磨損性優異的本發明的滾動軸承是較為理想的。上述本發明的滾動軸承也可用作將用于對連續鑄造出的鑄造物進行引導的連續鑄造輥子支承成能相對于支承該連續鑄造輥子的構件自由旋轉的軸承(導向輥子用軸承)。在導向輥子用軸承中，由于軌道構件以極低速旋轉且負載有較高的載荷，因此，不易形成油膜，磨損容易成為問題。因此，采用耐磨損性優異的本發明的滾動軸承是較為理想的。本發明的一種情況的軸承零件的制造方法包括準備由鋼構成并被成形加工的成形構件的工序；以及通過在包含一氧化碳及氨的環境氣體中對成形構件進行加熱來對成形構件進行滲碳氮化處理的工序，其中，上述鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、 0. 15質量％以上0. 7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，且其余部分由鐵及雜質構成。此外，在對成形構件進行滲碳氮化處理的工序中，在調節環境氣體以使未分解氨濃度處于0. 2體積％以上的狀態下，成形構件被加熱到920°C以上960°C以下的溫度區域。另外，本發明的另一種情況的軸承零件的制造方法包括準備由鋼構成并被成形加工的成形構件的工序；以及通過在包含一氧化碳及氨的環境氣體中對成形構件進行加熱來對成形構件進行滲碳氮化處理的工序，其中，上述鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0.7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1.0質量％以下的錳，此外，還包含從由0. 4質量％以上2. 0質量％以下的鉻、0. 15質量％以上0. 5質量％以下的鉬、1. 0質量％以上2. 0質量％以下的鎳及0. 1質量％以上1. 0質量％以下的釩構成的組中選擇出的至少一種以上的元素，且其余部分由鐵及雜質構成。此外，在對成形構件進行滲碳氮化處理的工序中，在調節環境氣體以使未分解氨濃度處于0. 2質量％以上的狀態下，成形構件被加熱到920°C以上960°C以下的溫度區域。在本發明的軸承零件的制造方法中，采用具有碳含有量處于0.3質量％以下并降低了合金元素的添加的合適的成分組成的鋼作為材料。藉此，可確保較高的韌性。此外，通過進行滲碳氮化處理，可提供表面的足夠硬度。此外，通過在調節環境氣體以使未分解氨濃度處于0. 2體積％以上的狀態下將成形構件加熱到920°C以上960°C以下的溫度區域來進行滲碳氮化處理。這樣，通過加熱到高溫并實現較高的未分解氨濃度，從而使碳朝成形構件 (軸承零件)較高的侵入速度和軸承零件的表面的較高的氮濃度都能實現。其結果是，根據本發明的軸承零件的制造方法，能容易制造上述本發明的軸承零件。在上述本發明的另一種情況的軸承零件的制造方法中，上述鋼也可以是從由JIS標準SCr420、SCM420或SNCM420構成的組中選擇出的任一種鋼。藉此，能提供一種采用能確保更高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性的軸承零件。發明效果如上所述，根據本發明的軸承零件、滾動軸承及軸承零件的制造方法，能提供一種采用將碳含有量降低至0. 3質量％以下以確保較高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性的軸承零件、滾動軸承及軸承零件的制造方法。
圖1是表示連續鑄造導向輥子裝置的結構的示意剖視圖。圖2是表示自動調心滾子軸承的結構的示意剖視圖。圖3是將圖2的主要部分放大表示的示意局部剖視圖。圖4是表示帶自動調心圈的圓筒滾子軸承的結構的示意剖視圖。圖5是將圖4的主要部分放大表示的示意局部剖視圖。圖6是表示導向輥子用軸承的制造方法的大致情況的流程圖。圖7是用于說明包含于導向輥子用軸承的制造方法中的熱處理工序的詳細情況的圖。圖8是表示薩文磨損試驗機的主要部分的結構的示意圖。圖9是表示薩文磨損試驗機的主要部分的結構的示意圖。圖10是表示表面氮濃度與比磨損量之間的關系的圖。圖11是表示實施例A的表面附近的析出物的狀態的SEM照片。圖12是表示實施例B的表面附近的析出物的狀態的SEM照片。圖13是表示比較例A的表面附近的析出物的狀態的SEM照片。圖14是表示磨損量的歷時變化的圖。圖15是表示NH3氣體的添加率與環境氣體中的NH3氣體濃度之間的關系的圖。圖16是表示SCM420的表面附近的碳及氮的濃度分布的圖。圖17是表示SNCM420的表面附近的碳及氮的濃度分布的圖。圖18是表示V添加鋼的表面附近的碳及氮的濃度分布的圖。
具體實施例方式以下，根據附圖對本發明的實施方式進行說明。在以下附圖中，對相同或相當的部分標注相同的參照符號并不重復其說明。以下，參照圖1 圖5對本發明一實施方式進行說明。參照圖1，包含于連續鑄造導向輥子裝置50中的連續鑄造輥子51在中央部具有圓柱狀的輥子部511，該輥子部511與連續鑄造出的鑄造物接觸以用于對該鑄造物進行引導。另外，在連續鑄造輥子51的一端部形成有直徑比輥子部511的直徑小的圓柱狀的固定端輥頸512A。此外，在連續鑄造輥子51 的另一端部形成有直徑比輥子部511的直徑小的圓柱狀的自由端輥頸512B，該自由端輥頸 512B是位于連續鑄造輥子51的因熱膨脹而產生的軸向上的伸展被吸收的一側的輥頸。另外，用于保持連續鑄造輥子51的機架53具有圓筒狀的通孔即輥子保持部53A。此外，以固定端輥頸512A及自由端輥頸512B貫穿輥子保持部53A的方式配置連續鑄造輥子51及機架53。此外，在固定端輥頸512A的外周面與輥子保持部53A的內周面之間配置有自動調心滾子軸承20。另外，在自由端輥頸512B的外周面與輥子保持部53A的內周面之間配置有帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30。藉此，連續鑄造輥子51被保持成能相對于機架 53繞軸自由旋轉，從而能對連續鑄造出的鑄造物進行引導。S卩，自動調心滾子軸承20及帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30是將用于對連續鑄造出的鑄造物進行引導的連續鑄造輥子 51支承成能相對于對連續鑄造輥子51進行支承的機架53自由旋轉的導向輥子用軸承。接著，對自動調心滾子軸承20及帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30進行說明。參照圖2，自動調心滾子軸承20包括作為軸承零件即軌道構件的環狀的兩個外圈21 ；配置于外圈21的內側的環狀的內圈22 ；以及配置于外圈21與內圈22之間并保持于圓環狀的保持器M的呈桶狀的形狀的多個滾子23 (滾動體)。在外圈21的內周面形成有外圈滾走面21A，在內圈22的外周面形成有內圈滾走面 22A。此外，兩個外圈21和一個內圈22被配置成使內圈滾走面22A與兩個外圈滾走面21A 相對。另外，多個滾子23沿各個外圈滾走面21A在滾子接觸面23A(外周面)上與外圈滾走面2IA和內圈滾走面22A接觸，并因被保持器M保持成沿周向以規定間距配置而被自由滾動地保持在兩列圓環狀的軌道上。根據以上結構，能使自動調心滾子軸承20的外圈21 和內圈22彼此相對地旋轉。另外，外圈滾走面21A成為以軸承中心C2為中心的球面。因此，外圈21及內圈22 能在與滾子23的滾走方向垂直的截面上以軸承中心C2為中心構成角度。其結果是，參照圖1，即便在連續鑄造輥子51因對鑄造物進行引導而撓曲的情況下，機架53也能隔著自動調心滾子軸承20將連續鑄造輥子51穩定地保持成能自由旋轉。此外，參照圖2及圖3，構成自動調心滾子軸承20的軸承零件即外圈21、內圈22 及滾子23由以下鋼構成，這種鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0. 7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，且其余部分由鐵及雜質構成。參照圖3，在包括外圈滾走面21A、內圈滾走面22A及滾子接觸面23A的區域中形成有富碳層21B、22B、2!3B和富氮層21D、22D、23D，其中，上述富碳層21B、22B、23B的碳濃度比其它區域即芯部區域21C、22C、23C的碳濃度高，上述富氮層21D、22D、23D的氮濃度比芯部區域21C、22C、23C的氮濃度高并與富碳層21B、22B、2!3B重疊。此外，包含于富氮層21D、22D、 23D中的外圈滾走面21A、內圈滾走面22A及滾子接觸面23A的氮濃度處于0. 3質量％以上。 在此，上述雜質包括來自鋼的原料的或在制造工序中混入的等不可避免的雜質。另一方面，參照圖4，帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30包括作為軸承零件的環狀的外圈31 ；配置于外圈31的內側的環狀的內圈32 ；配置于外圈31與內圈32之間的呈圓筒狀的形狀的多個滾子33 ；以及在形成于內周面的滑動面35A上與外圈31的外周面31E接觸的環狀的自動調心圈35。在外圈31的內周面形成有外圈滾走面31A，在內圈32的外周面形成有內圈滾走面32A。此外，以內圈滾走面32A與外圈滾走面31A相對的方式配置外圈31和內圈32。另外，多個滾子33與外圈滾走面31A和內圈滾走面32A在滾子接觸面33A(外周面)上接觸， 并因沿周向排列配置而被自由滾動地保持在圓環狀的軌道上。根據以上結構，能使帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30的外圈31及內圈32彼此相對地旋轉。
另外，外圈31的外周面31E和自動調心圈35的滑動面35A成為以軸承中心C3為中心的球面，并被構成為能彼此滑動。因此，外圈31及自動調心圈35能在與滾子33的滾走方向垂直的截面上以軸承中心C3為中心構成角度。其結果是，參照圖1，即便在連續鑄造輥子51因對鑄造物進行引導而撓曲的情況下，機架53也能隔著帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30將連續鑄造輥子51穩定地保持成能自由旋轉。此外，參照圖4及圖5，構成帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30的軸承零件即外圈 31、內圈32、滾子33及自動調心圈35由具有與上述自動調心滾子軸承20的外圈21、內圈 22及滾子23相同的成分組成的鋼構成。另外，參照圖5，在包括外圈31、內圈32、圓筒滾子 33及自動調心圈35的表面即外圈滾走面31A、內圈滾走面32A、滾子接觸面33A及滑動面 35A的區域中形成有富碳層31B、32B、3!3B、35B和富氮層31D、32D、33D、35D，其中，上述富碳層31B、32B、3!3B、35B的碳濃度比其它區域即芯部區域31C、32C、33C、35C的碳濃度高，上述富氮層31D、32D、33D、35D的氮濃度比芯部區域31C、32C、33C、35C的氮濃度高，并與富氮層 31B、32B、33B、35B重疊。此外，包含于富氮層31D、32D、33D、35D中的外圈滾走面31A、內圈滾走面32A、滾子接觸面33A及滑動面35A的氮濃度處于0. 3質量％以上。在此，上述雜質包括來自鋼的原料的或在制造工序中混入的等不可避免的雜質。在本實施方式的軸承零件即外圈21、31、內圈22、32、滾子23、33及自動調心圈35 中，采用碳含有量處于0. 3質量％以下而能確保較高的斷裂韌性值、此外還具有降低了合金元素的添加的恰當的成分組成的上述鋼作為材料。另外，在包括表面即外圈滾走面21A、 31A、內圈滾走面22A、32A、滾子接觸面23A、33A及滾動面35A的區域中形成有富碳層21B、 22B、23B、31B、32B、33B、35B來確保足夠的硬度，并因富氮層31D、32D、33D、35D的表面的氮濃度處于0. 3質量％以上而提早實現嚴重一微緩磨損轉換，從而實現了較高的耐磨損性。 其結果是，本實施方式的外圈21、31、內圈22、32、滾子23、33及自動調心圈35成為以下軸承零件采用能確保較高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性。另外，本實施方式的作為滾動軸承的自動調心滾子軸承20及帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30成為能兼具較高的斷裂韌性值和足夠的耐磨損性的滾動軸承。此外，本實施方式的連續鑄造導向輥子裝置50因包括上述自動調心滾子軸承20及帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30而成為在耐久性上優異的軋機。在此，上述外圈21、31、內圈22、32、滾子23、33及自動調心圈35也可由如下鋼構成，以代替上述鋼，這種鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0. 7 質量％以下的硅及0. 15質量％以上1.0質量％以下的錳，此外，還包含從由0.4質量％以上2. 0質量％以下的鉻、0. 15質量％以上0. 5質量％以下的鉬、1. 0質量％以上2. 0質量％ 以下的鎳及0. 1質量％以上1. 0質量％以下的釩構成的組中選擇出的至少一種以上的元素，且其余部分由鐵及雜質構成。藉此，由于容易提高外圈21、31、內圈22、32、滾子23、33 及自動調心圈35的表面中的氮濃度，因此，能容易地提高耐磨損性。特別地，通過采用SCr420、SCM420或SNCM420來代替上述鋼，從而能獲得采用能確保更高的斷裂韌性值且進一步降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性的外圈21、31、內圈22、32、滾子23、33及自動調心圈35。此外，包含于富碳層21B、22B、23B、31B、32B、33B、35B中的表面、即外圈滾走面21A、31A、內圈滾走面22A、32A、滾子接觸面23A、33A及滑動面35A中的碳濃度處于0. 6質量％以上1.2質量％以下是較為理想的。藉此，能獲得作為軸承所需且足夠的表面硬度。接著，參照圖6，對本實施方式的軸承零件及滾動軸承的制造方法進行說明。在本實施方式的軸承零件及滾動軸承的制造方法中，首先，作為工序(SlO)，進行成形構件準備工序。在該工序(SlO)中，準備含有0. 15質量％以上0.3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0.7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1.0質量％以下的錳，此外，還包含從由0.4質量％以上2. 0質量％以下的鉻、0. 15質量％以上0. 5質量％以下的鉬、1. 0質量％以上2. 0 質量％以下的鎳及0. 1質量％以上1. 0質量％以下的釩構成的組中選擇出的至少一種以上的元素，且其余部分由鐵及雜質構成的鋼、例如JIS標準SCr420、SCM420或SNCM420等的鋼條、鋼絲等。此外，通過對該鋼條、鋼絲等剛材進行切斷、鍛造、車削等加工，來將該鋼材加工成形為作為軸承零件的外圈21、內圈22及滾子23等的形狀，準備成形構件。接著，進行包含作為工序(S20)而進行的滲碳氮化工序、作為工序(S30)而進行的一次淬火工序、作為工序(S40)而進行的二次淬火工序及作為工序(S50)而進行的回火工序的熱處理工序。對該熱處理工序的具體情況在后敘述。接著，作為工序(S60)，對進行完熱處理工序的成形構件進行實施精加工等的精加工工序。具體而言，例如對進行完熱處理工序的成形構件的外圈滾走面21A、內圈滾走面 22A及滾子接觸面23A等進行研磨加工。藉此，本實施方式的軸承零件完成，本實施方式的軸承零件的制造方法結束。此外，作為工序(70)，還進行組裝滾動軸承的組裝工序。具體而言，將通過上述工序而被制造出的本實施方式的軸承零件即外圈21、31、內圈22、32、滾子23、33及自動調心圈35等組合，從而將自動調心滾子軸承20及帶自動調心圈的圓筒滾子軸承30組裝。藉此， 本實施方式的滾動軸承完成。接著，參照圖7，對上述熱處理工序的詳細情況進行說明。在圖7中，橫向表示時間 t，越往右表示時間經過越長。另外，在圖7中，縱向表示溫度T，越往上表示溫度越高。參照圖7，在本實施方式的熱處理工序中，首先，執行對作為被處理物的成形構件進行滲碳氮化處理的滲碳氮化工序(工序S20)。在該工序(S20)中，工序(SlO)中所準備的成形構件在包含一氧化碳及氨的環境氣體中被加熱，以進行滲碳氮化處理。具體而言，上述成形構件因在例如基礎氣體即吸熱型的變性氣體中添加富氣而被調節到期望的碳勢值， 并在添加有NH3氣體的環境氣體中被加熱到A1點以上的溫度即920°C以上960°C以下的滲碳氮化溫度1\。藉此，成形構件被滲碳氮化處理，從而在包括成形構件的表面的區域形成有富碳層及富氮層。此時，對環境氣體進行調節，以使上述環境氣體中的未分解氨濃度(未被分解而存在于環境氣體中的NH3氣體在環境氣體中的濃度)處于0. 2體積％以上。接著，進行一次淬火工序(工序(S30))。在該工序(S30)中，工序(S20)中被滲碳氮化處理后的成形構件處于A1點以上的溫度，通過從比上述滲碳氮化溫度T1低的一次淬火溫度T2被冷卻到Ms點以下的溫度區域而進行淬火硬化。此外，還進行二次淬火工序(工序(S40))。在該工序(S40)中，工序(S30)中被淬火硬化后的成形構件處于A1點以上的溫度，通過在被加熱到比上述一次淬火溫度T2低的二次淬火溫度T3后被冷卻至Ms點以下的溫度而進行淬火硬化。藉此，對在工序(S20)中形成有富碳層的成形構件的表面施加足夠硬度。
接著，進行回火工序(工序(S50))。在該工序(S50)中，通過將在工序(S40)中被淬火硬化后的成形構件加熱至A1點以下的溫度來進行回火處理。藉此，因淬火硬化處理而導入成形構件的應變被緩和。通過上述工序，本實施方式中的熱處理工序完成。在上述熱處理工序的工序(S20)中，通過在調節環境氣體以使未分解氨濃度變為 0. 2體積％以上這樣的較高的值的狀態下，將成形構件加熱到920°C以上960°C以下的溫度區域，從而對成形構件進行滲碳氮化處理。這樣，通過在加熱到高溫并確保較高的未分解氨濃度的環境氣體中進行滲碳氮化，從而能使碳朝成形構件的較高的侵入速度和成形構件的表面中的較高的氮濃度、更具體而言是0. 3質量％以上的氮濃度都實現。另外，在上述熱處理工序的工序(S20)中，不是通過在進行完滲碳處理后，以比滲碳處理低的溫度進行氮化處理來實現成形構件的滲碳氮化處理，而是對成形構件同時進行滲碳處理和氮化處理。藉此，縮短了滲碳氮化處理所需的時間。另外，在以比滲碳處理低的溫度進行氮化處理的情況下，成形構件中的氮的侵入深度變淺。在此，滲碳氮化處理使被處理物因熱處理而產生的變形較大。因此，因精加工工序中的磨削加工等而引起的加工余量較大的情況也較多。因此，在氮的侵入深度較淺的情況下，精加工后的軸承零件的表面的氮濃度或許會變得不足夠。對此，通過在920°C以上這樣的高溫下與滲碳處理同時進行氮化處理，從而能充分確保氮的侵入深度，以容易制造出表面的氮濃度處于0. 3質量％以上的軸承零件。如上所述，根據本發明的軸承零件的制造方法，能容易制造上述本發明的軸承零件。通過包括以上熱處理工序的制造方法，能制造出上述實施方式的軸承零件。在此， A1點是指在對鋼進行加熱的情況下相當于鋼的組織從鐵素體開始變態為奧氏體的溫度的點。此外，Ms點是指當奧氏體化后的鋼被冷卻時相當于開始馬氏體化的溫度的點。另外，在本申請中，表面(外圈滾走面21A、31A、內圈滾走面22A、32A、滾子接觸面23A、33A及滑動面 35A)中的氮濃度是指在從表面開始的深度為50μπι以內的區域中固溶于母材中的氮濃度的平均值。(實施例1)以下，對實施例1進行說明。為了定量地檢驗鋼中的固溶氮的抑制磨損效果，以把握提早產生嚴重一微緩磨損轉換所需的表面氮濃度，進行了檢驗表面氮濃度與耐磨損性之間的關系的實驗。實驗的步驟如下所示。在實驗中，以下表1所示的五種鋼作為材料。表1中記載的數值是用質量％的單位來表示各元素的含有量的。另外，未添加記載有符號一的元素，其余部分由鐵及雜質構成。[表1]
權利要求
1.一種軸承零件(21、22、23、31、32、33、；35)，其特征在于，所述軸承零件01、22、23、31、32、33、35)由鋼構成，該鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0. 7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，且其余部分由鐵及雜質構成，在包括表面OlA、22A、23A、31A、32A、33A、35A)的區域中形成有碳濃度比其他區域 (21C、22C、23C、31C、32C、33C、35C)的碳濃度高的富碳層(21B、22B、23B、31B、32B、33B、 35B)和氮濃度比其它區域OlC、22C、23C、31C、32C、33C、35C)的氮濃度高、且與所述富碳層 (21B、22B、23B、31B、32B、33B、35B)重疊的富氮層(21D、22D、23D、31D、32D、33D、35D)，包含于所述富氮層(21D、22D、23D、31D、32D、33D、35D)中的所述表面(21A、22A、23A、 31A、32A、33A、;35A)的氮濃度處于0. 3質量％以上。
2.如權利要求1所述的軸承零件(21、22、23、31、32、33、35)，其特征在于，包含于所述富碳層(21B、22B、23B、31B、32B、33B、35B)中的所述表面(21A、22A、23A、 31A、32A、33A、35A)的碳濃度處于0. 6質量％以上1. 2質量％以下。
3.一種滾動軸承00、30)，其特征在于，包括 軌道構件(21、22、31、32)；以及多個滾動體(23、33)，這多個滾動體(23,33)與所述軌道構件(21、22、31、32)接觸，并配置于圓環狀的軌道上，所述軌道構件(21、22、31、3幻和/或所述滾動體(23、3；3)是權利要求1所述的軸承零件(21、22、23、31、32、33)。
4.如權利要求3所述的滾動軸承(20)，其特征在于， 所述滾動軸承00)是自動調心滾子軸承。
5.如權利要求3所述的滾動軸承00、30)，其特征在于，將用于對連續鑄造出的鑄造物進行引導的連續鑄造輥子(51)支承成能相對于支承所述連續鑄造輥子(51)的構件(53)自由旋轉。
6.一種軸承零件(21、22、23、31、32、33、；35)，其特征在于，所述軸承零件01、22、23、31、32、33、35)由鋼構成，該鋼含有0. 15質量％以上0. 3質量％以下的碳、0. 15質量％以上0. 7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，此外，還包含從由0. 4質量％以上2. 0質量％以下的鉻、0. 15質量％以上0. 5質量％以下的鉬、1. 0質量％以上2. 0質量％以下的鎳及0. 1質量％以上1. 0質量％以下的釩構成的組中選擇出的至少一種以上的元素，且其余部分由鐵及雜質構成，在包括表面OlA、22A、23A、31A、32A、33A、35A)的區域中形成有碳濃度比其他區域 (21C、22C、23C、31C、32C、33C、35C)的碳濃度高的富碳層(21B、22B、23B、31B、32B、33B、 35B)和氮濃度比其它區域OlC、22C、23C、31C、32C、33C、35C)的氮濃度高、且與所述富碳層 (21B、22B、23B、31B、32B、33B、35B)重疊的富氮層(21D、22D、23D、31D、32D、33D、35D)，包含于所述富氮層(21D、22D、23D、31D、32D、33D、35D)中的所述表面(21A、22A、23A、 31A、32A、33A、;35A)的氮濃度處于0. 3質量％以上。
7.如權利要求6所述的軸承零件(21、22、23、31、32、33、35)，其特征在于，所述鋼是從由日本工業標準SCr420、SCM420或SNCM420構成的組中選擇出的任一種鋼。
8.如權利要求6所述的軸承零件(21、22、23、31、32、33、35)，其特征在于，包含于所述富碳層(21B、22B、23B、31B、32B、33B、35B)中的所述表面(21A、22A、23A、 31A、32A、33A、35A)的碳濃度處于0. 6質量％以上1. 2質量％以下。
9.一種滾動軸承00、30)，其特征在于，包括 軌道構件(21、22、31、32)；以及多個滾動體(23、33)，這多個滾動體(23、33)與所述軌道構件(21、22、31、32)接觸，并配置于圓環狀的軌道上，所述軌道構件(21、22、31、3幻和/或所述滾動體(23、3；3)是權利要求6所述的軸承零件(21、22、23、31、32、33、35)。
10.如權利要求9所述的滾動軸承(20)，其特征在于， 所述滾動軸承00)是自動調心滾子軸承。
11.如權利要求9所述的滾動軸承00、30)，其特征在于，將用于對連續鑄造出的鑄造物進行引導的連續鑄造輥子(51)支承成能相對于支承所述連續鑄造輥子(51)的構件(53)自由旋轉。
12.—種軸承零件的制造方法，其特征在于，包括準備由鋼構成并被成形加工的成形構件的工序(SlO)，該鋼含有0. 15質量％以上0. 3 質量％以下的碳、0. 15質量％以上0. 7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，且其余部分由鐵及雜質構成；以及通過在包含一氧化碳及氨的環境氣體中對所述成形構件進行加熱來對所述成形構件進行滲碳氮化處理的工序(S20)，在對所述成形構件進行滲碳氮化處理的工序(S20)中，在調節所述環境氣體以使未分解氨濃度處于0. 2體積％以上的狀態下，所述成形構件被加熱到920°C以上960°C以下的溫度區域。
13.一種軸承零件的制造方法，其特征在于，包括準備由鋼構成并被成形加工的成形構件的工序(SlO)，該鋼含有0. 15質量％以上0. 3 質量％以下的碳、0. 15質量％以上0. 7質量％以下的硅及0. 15質量％以上1. 0質量％以下的錳，此外，還包含從由0. 4質量％以上2. 0質量％以下的鉻、0. 15質量％以上0. 5質量％ 以下的鉬、1. 0質量％以上2. 0質量％以下的鎳及0. 1質量％以上1. 0質量％以下的釩構成的組中選擇出的至少一種以上的元素，且其余部分由鐵及雜質構成；以及通過在包含一氧化碳及氨的環境氣體中對所述成形構件進行加熱來對所述成形構件進行滲碳氮化處理的工序(S20)，在對所述成形構件進行滲碳氮化處理的工序(S20)中，在調節所述環境氣體以使未分解氨濃度處于0. 2體積％以上的狀態下，所述成形構件被加熱到920°C以上960°C以下的溫度區域。
14.如權利要求13所述的軸承零件的制造方法，其特征在于，所述鋼是從由日本工業標準SCr420、SCM420或SNCM420構成的組中選擇出的任一種鋼。
全文摘要
一種采用能確保較高的斷裂韌性值且降低了合金元素的添加的鋼作為材料，并具有足夠的耐磨損性的軸承零件即外圈(21)、內圈(22)、滾子(23)由鋼構成，該鋼含有0.15～0.3質量％的C、0.15～0.7質量％的Si、0.15～1.0質量％的Mn，且其余部分由鐵及雜質構成，在包括滾走面(21A、22A、23A)的區域中形成有富碳層(21B、22B、23B)和富氮層(21D、22D、23D)。此外，包含于富氮層(21D、22D、23D)中的滾走面(21A、22A、23A)的氮濃度處于0.3質量％以上。
文檔編號F16C23/08GK102362000SQ201080014048
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月17日 優先權日2009年3月25日
發明者毛利信之 申請人:Ntn株式會社