針状ころ軸受および針状ころ
【課題】合金元素の含有量を抑制しつつ、苛酷な環境下で長寿命な針状ころ軸受および針状ころを提供する。
【解決手段】スラストニードルころ軸受１の軌道輪１１およびニードルころ１３は、０．７〜１．１％の炭素、０．３〜０．７％の珪素、０．３〜０．８％のマンガン、０．５〜１．２％のニッケル、１．３〜１．８％のクロム、０．１〜０．７％のモリブデンおよび０．２〜０．４％のバナジウムを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素＋マンガンは１．０％以下、ニッケル＋クロムは２．３％以上、クロム＋モリブデン＋バナジウムは３．０％以下である鋼から構成され、高炭素含有層が形成され、その表層部の硬度は７２５〜８００ＨＶ、表層部の炭化物の最大粒径は１０μｍ以下、面積率は７〜２０％以下、表層部は内部よりも炭素量が０．２〜０．４％高く、表層部の窒素量は０．１〜０．５％である。
【解決手段】スラストニードルころ軸受１の軌道輪１１およびニードルころ１３は、０．７〜１．１％の炭素、０．３〜０．７％の珪素、０．３〜０．８％のマンガン、０．５〜１．２％のニッケル、１．３〜１．８％のクロム、０．１〜０．７％のモリブデンおよび０．２〜０．４％のバナジウムを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素＋マンガンは１．０％以下、ニッケル＋クロムは２．３％以上、クロム＋モリブデン＋バナジウムは３．０％以下である鋼から構成され、高炭素含有層が形成され、その表層部の硬度は７２５〜８００ＨＶ、表層部の炭化物の最大粒径は１０μｍ以下、面積率は７〜２０％以下、表層部は内部よりも炭素量が０．２〜０．４％高く、表層部の窒素量は０．１〜０．５％である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、針状ころ軸受および針状ころに関し、より特定的には、苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受および針状ころに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転動体としてのころの直径が５ｍｍ以下であって、当該ころの長さが当該ころの直径の３倍以上１０倍以下である針状ころを備えた針状ころ軸受は、転動体の軌道面に垂直な断面における主に荷重を受ける方向の軸受の高さが小さく、寸法の割には負荷容量が大きい。また、針状ころ軸受は、高い剛性を得やすいという特徴も有している。そのため、針状ころ軸受は様々な用途への適用が期待されている。針状ころ軸受においては、その構造上、転動体である針状ころと軌道輪などの針状ころ軸受用軌道部材との間においてすべりが発生しやすい。そのため、針状ころおよび針状ころ軸受用軌道部材（針状ころ軸受部品）は、すべりを伴った転動疲労を受けることにより、使用環境が苛酷となる場合も多い。
【０００３】
これに対し、針状ころ軸受の長寿命化等を目的とした多くの検討がなされ、種々の対策が提案されている（たとえば特許文献１〜５参照）。
【特許文献１】特開２００３−３０１８４９号公報
【特許文献２】特開２００４−９２７４５号公報
【特許文献３】特開２００５−２２６６８３号公報
【特許文献４】特開２００５−２９１３４２号公報
【特許文献５】特開２００５−３４４７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年、針状ころ軸受が使用される産業機械、輸送機械等の更なる高性能化を目的として、産業機械、輸送機械等の内部において針状ころ軸受が支持する部材の回転速度が上昇するとともに、急激な加減速が付与される場合が多くなっている。また、回転速度の上昇や加減速時の加速度の上昇を容易にするため、潤滑剤の粘度が抑制される傾向にある。そのため、針状ころ軸受を構成する軌道輪などの軌道部材や転動体である針状ころ（針状ころ軸受部品）の転走面は、高温化するとともに、転走面におけるすべりが増大し、油膜切れによる針状ころ軸受部品同士の金属接触が発生する場合もある。その結果、転走面付近が焼戻されて硬度が低下するとともに、転走面に引張応力が作用し、これに起因したピーリング、表面亀裂、割れなどが発生するという問題が生じている。また、針状ころ軸受部品同士の金属接触により出現する金属新生面を触媒として、潤滑剤が分解して水素が発生し、当該水素の針状ころ軸受部品への侵入により、短期間で転走面に剥離が生じる現象（水素脆性剥離）も問題となっている。
【０００５】
一方、上記問題点を解消するための従来の技術においては、針状ころ軸受部品を構成する鋼に添加される合金元素の量が多いため加工が困難である、製造コストが高い、などの問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受、および加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制された鋼からなり、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従った針状ころ軸受は、一対の軌道部材と、一対の軌道部材の間に配置される複数の針状ころとを備え、当該針状ころは、直径が５ｍｍ以下であり、長さが直径の３倍以上１０倍以下である針状ころ軸受である。この針状ころ軸受は、上記軌道部材および針状ころ、すなわち針状ころ軸受部品のうち少なくともいずれか１つが、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。
【０００８】
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成されている。高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は１０μｍ以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は７％以上２０％以下である。さらに、当該表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、当該表層部における窒素含有量は０．１質量％以上０．５質量％以下である。
【０００９】
ここで、高炭素含有層は、たとえば浸炭窒化処理により形成された浸炭窒化層である。また、高炭素含有層の表層部とは、高炭素含有層の表面からの距離が０．１ｍｍ以内の領域である。
【００１０】
本発明の針状ころ軸受が備える軌道部材および針状ころ（針状ころ軸受部品）の少なくともいずれか１つにおいては、針状ころ軸受部品を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、当該針状ころ軸受部品では、高炭素含有層の表層部における炭化物の大きさや面積率、針状ころ軸受部品における硬度分布および針状ころ軸受部品における炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本発明の針状ころ軸受によれば、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受を提供することができる。
【００１１】
ここで、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１２】
炭素：０．７質量％以上１．１％質量％以下
針状ころ軸受部品に対して浸炭窒化処理などを実施することにより、針状ころ軸受部品の表面を含む領域に高炭素含有層を形成し、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等と向上させることができる。しかし、炭素含有量が０．７質量％未満では、内部の硬度が安定せず、針状ころ軸受部品に大きな荷重が作用した場合に内部の強度が不十分となるおそれがある。したがって、炭素含有量は、内部の硬度を十分に確保するため、ずぶ焼入でも安定して高い硬度を確保可能な０．７質量％以上とした。一方、素材の炭素量が１．１質量％を超えると、加工性が低下し、また浸炭窒化等を実施した場合に針状ころ軸受部品の表層部に大型の炭化物が生成して針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、炭素含有量は１．１質量％以下とした。
【００１３】
珪素：０．３質量％以上０．７質量％以下
従来、珪素は安価でありながら、耐熱性を与える元素であるため、積極的に活用されてきた。しかし、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下において使用される針状ころ軸受部品においては、高い珪素含有量は水素脆性剥離を助長する懸念がある。また、耐熱性は、他の合金元素で補うことが可能である。これらを考慮し、また他の合金元素の添加による加工性、旋削・研削性の低下を考慮し、珪素の含有量は０．７質量％以下とした。一方、珪素は、鋼の素地を強化し、針状ころ軸受部品の強度および転動疲労寿命を向上させる機能を有する。珪素の含有量が０．３質量％未満となると、当該機能が十分に発揮されない。したがって、珪素量は、０．３質量％以上とした。
【００１４】
マンガン：０．３質量％以上０．８質量％以下
マンガンは、針状ころ軸受部品の焼入性の向上、転動疲労寿命の向上のためには必須の合金元素であるが、珪素同様、加工性を阻害する。そのため、他の合金元素の含有量を増加させることによる焼入性の向上、転動疲労寿命の向上とのバランスから、添加量は０．８質量％以下とした。一方、マンガンは、製鋼過程における脱酸に必須の元素であることを考慮し、その含有量は、通常の高合金鋼に含まれるレベルである０．３質量％を下限値とした。
【００１５】
ニッケル：０．５質量％以上１．２質量％以下
ニッケルは、針状ころ軸受部品の高温での転動疲労寿命確保に必須であり、高温での耐食性や耐酸化性を向上させる。この効果を確保するため、ニッケルの含有量は、０．５質量％以上とした。一方、ニッケルの含有量が多いと、針状ころ軸受部品中の残留オーステナイト量が増加し、針状ころ軸受部品に必要な硬度を確保することが困難になる。また、ニッケルは比較的高価な合金元素であり、含有量が増加すると鋼材コストが上昇する。そのため、ニッケルの含有量は、１．２質量％以下とした。
【００１６】
クロム：１．３質量％以上１．８質量％以下
クロムは、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命や高温での硬度の確保には必須の元素である。また、針状ころ軸受部品を構成する鋼の素地に溶け込むことで、ニッケルと同様に耐酸化性および耐食性を向上させる。通常の軸受鋼（ＪＩＳ規格）でも、クロムは１質量％以上含まれており、高温環境下において十分な特性を確保するためには、これよりも多い含有量が必要である。したがって、クロムの含有量は、１．３質量％以上とした。一方、クロムは、鋼中において炭化物を形成する。クロムの含有量が多くなり、大型の炭化物が形成された場合、転動疲労寿命を低下させるおそれがあることや、モリブデンやバナジウムなど炭化物を形成する他の合金元素の含有量とのかねあいを考慮して、クロムの含有量は１．８質量％以下とした。
【００１７】
モリブデン：０．１質量％以上０．７質量％以下
モリブデンは鋼の焼入性を向上させること、炭化物を形成することにより焼戻軟化抵抗性を向上させることから、高温環境下における針状ころ軸受部品の転動疲労寿命の確保に必須である。また、モリブデン炭化物や炭窒化物が水素をトラップするとも考えられ、水素脆性剥離の抑制にも効果がある。このような効果を確保するためには、モリブデンの含有量は、０．１質量％以上とする必要がある。一方、モリブデンは高価な元素であり、コスト面からできるだけ含有量は少なく抑える必要があるので、クロムおよびバナジウムの含有量との関係を考慮し、その添加量を０．７質量％以下とした。
【００１８】
バナジウム：０．２質量％以上０．４質量％以下
バナジウムは微細な炭化物を形成して粒界（オーステナイト結晶粒界）に析出し、結晶粒を微細化して針状ころ軸受部品の強度や靱性を向上させる。さらに、炭化物が水素のトラップサイトとして機能し、水素脆性剥離を抑制する効果を有する。特に、針状ころ軸受部品が高温で浸炭窒化処理され、高温焼戻が実施される場合、その効果が顕著になる。このような効果を確保するためには、０．２質量％以上の添加が必要である。一方、バナジウムは高価な元素であり、コスト面からできるだけ添加は少なく抑える必要があるので、クロム、モリブデンの添加量との関係を考慮し、その含有量を０．４質量％以下とした。
【００１９】
なお、リン、硫黄、アルミニウム、チタンなどの不純物元素の含有量は、軸受用鋼では通常低いレベルに抑えられている。本発明の針状ころ軸受部品を構成する鋼においても同様に、不純物元素の含有量は低いレベルに抑制されることが好ましい。具体的には、以下の範囲抑制されることが好ましい。
【００２０】
リン：０．０３質量％以下
偏析による靱性の低下、転動疲労寿命の低下を抑制するため、０．０３質量％以下とすることが好ましい。
【００２１】
硫黄：０．０３質量％以下
マンガンと結合して上記マンガンの効果を低下させるとともに、転動疲労寿命を低下させるおそれのある非金属介在物を形成するので、０．０３質量％以下とすることが好ましい。
【００２２】
アルミニウム：０．０５質量％以下
耐熱性を向上させる効果があるものの、非金属介在物の原因になりやすいので、０．０５質量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
チタン：０．００３質量％以下
非金属介在物であるＴｉＮ（窒化チタン）を形成し、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命低下の原因となるとともに、水素脆性剥離の剥離起点となるおそれがあるので、０．００３質量％以下とすることが好ましい。
【００２４】
また、本発明者は、針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼における各合金元素の含有量のバランスに関して詳細に検討した。その結果、以下の関係を満足することにより、針状ころ軸受部品の高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制を達成し、かつ合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品を提供することができることを見出した。
【００２５】
すなわち、珪素およびマンガンは、いずれも針状ころ軸受部品の加工性を低下させる。珪素の含有量とマンガンの含有量との和が１．０質量％を超えると、加工性が低下し、針状ころ軸受部品の製造コストが上昇するおそれがある。そのため、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は、１．０質量％以下とする必要がある。
【００２６】
また、ニッケルおよびクロムは、上述のように、いずれも針状ころ軸受部品の耐食性および耐酸化性を向上させる。高温環境下で使用される針状ころ軸受部品においては、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は、２．３質量％以上必要である。
【００２７】
クロム、モリブデンおよびバナジウムは、いずれも鋼中において炭化物を形成する傾向がある。クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和が３．０質量％を超えると、鋼中に大型の炭化物が形成され、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命や割れ強度が低下するおそれがある。したがって、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、３．０質量％以下とする必要がある。
【００２８】
さらに、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品の硬度、針状ころ軸受部品に含まれる炭化物に関する構成、および針状ころ軸受部品における炭素および窒素の濃度を上記の範囲に限定した理由は以下のとおりである。
【００２９】
針状ころ軸受部品に形成された高炭素含有層の表層部、特に針状ころ軸受部品の転走面下の表層部は転動疲労を受ける。当該表層部の硬度が７２５ＨＶ（６１ＨＲＣ）未満である場合、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上とする必要がある。一方、高炭素含有層の表層部の硬度を８００ＨＶを超える範囲とするためには、当該表層部にクロムなどの炭化物を所定量以上形成する必要がある。この場合、後述のように、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命や加工性が低下するおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部の硬度は、８００ＨＶ以下とする必要がある。
【００３０】
針状ころ軸受部品に形成された高炭素含有層の表層部、特に針状ころ軸受部品の転走面下の表層部に存在する大型の炭化物は、転動疲労を受けた場合に応力集中源となり、破壊起点となり得る。当該表層部に、１０μｍを超える炭化物が存在する場合、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命が低下するおそれがある。そのため、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下とする必要がある。なお、厳しい環境下で使用される場合、より小さい炭化物が転動疲労寿命を低下させる可能性がある。そのため、上記炭化物の最大粒径は、７μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。
【００３１】
針状ころ軸受部品に形成された高炭素含有層の表層部における炭化物量が多くなると、当該表層部の加工性、特に研削を行なう場合の加工性が低下する。表層部における炭化物の面積率が２０％を超えると、当該表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部における炭化物の面積率は、２０％以下とする必要がある。一方、炭化物の面積率が７％未満では、針状ころ軸受部品の耐摩耗性が不足し、転動疲労寿命が低下する可能性がある。そのため、高炭素含有層の表層部における炭化物の面積率は、７％以上とする必要がある。なお、加工性を一層向上させるためには、炭化物の面積率は１５％以下であることが好ましい。
【００３２】
ここで、炭化物とは、たとえばＦｅ３Ｃ（セメンタイト）、またはクロムやモリブデンなどの合金元素によってＦｅが置換された炭化物（Ｍ３Ｃと示される）、もしくはＭ２３Ｃ６やＭ７Ｃ３などである。
【００３３】
また、表層部における炭素含有量を内部における炭素含有量よりも大きくすることにより、表層部に圧縮応力を形成させ、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等を向上させることができる。転動疲労寿命が明確に向上する程度の圧縮応力、たとえば１５０ＭＰａ以上の圧縮応力を形成させるためには、表層部と内部との炭素含有量の差は０．２質量％以上必要である。一方、上記炭素含有量の差が０．４質量％よりも大きくなると、表層部での炭素含有量が高くなり、表層部に大型の炭化物が多数形成されて針状ころ軸受部品の特性が低下するおそれがある。したがって、表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高いことが必要である。
【００３４】
さらに、表層部に窒素を含有させることにより、焼戻軟化抵抗性を向上させて、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等を向上させることができる。このような窒素の効果を発揮させるためには、表層部の窒素含有量は０．１質量％以上必要である。一方、表層部の窒素含有量が０．５質量％を超えると、脱炭や焼入性の低下の原因となり、転動疲労寿命等が低下するおそれがある。したがって、表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下とする必要がある。
【００３５】
なお、高炭素含有層の表層部における炭化物の最大粒径および面積率は、たとえば、以下のように調査することができる。まず、針状ころ軸受部品を切断し、切断面を研磨した後、ピクラル（ピクリン酸アルコール溶液）にて腐食する。そして、表層部に該当する領域をランダムに２０視野（倍率４００倍、視野面積０．６ｍｍ２）観察し、画像処理装置などを用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査する。また、上記高炭素含有層の表層部の硬度は、たとえば、針状ころ軸受部品を切断し、高炭素含有層の表層部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査することができる。さらに、上記高炭素含有層の表層部および内部の炭素含有量および窒素含有量は、たとえば、針状ころ軸受部品を切断し、高炭素含有層の表層部および内部をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により分析して調査することができる。
【００３６】
上記針状ころ軸受において好ましくは、針状ころ軸受部品を構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である。
【００３７】
モリブデンおよびバナジウムは、上述のように比較的高価な合金元素である。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を、クロムの含有量の半分以下とすることにより、製造コストを抑制することができる。
【００３８】
上記針状ころ軸受において好ましくは、針状ころ軸受部品を構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である。
【００３９】
上述のように、珪素は、水素脆性剥離を助長するおそれがある一方、モリブデンおよびバナジウムは水素脆性剥離を抑制する機能を有する。珪素の含有量を、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下とすることにより、針状ころ軸受部品の水素脆性剥離を十分に抑制することができる。
【００４０】
上記針状ころ軸受において好ましくは、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層の表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である。
【００４１】
針状ころ軸受が高温環境下にて使用された場合、針状ころ軸受部品の硬度が低下し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。これに対し、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合でも、高炭素含有層の表層部、特に転走面下の表層部が５５０ＨＶ以上の硬度を有していることにより、高温環境下における針状ころ軸受の転動疲労寿命が十分に確保される。
【００４２】
本発明に従った針状ころは、直径が５ｍｍ以下であって、長さが直径の３倍以上１０倍以下である針状ころである。この針状ころは、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。
【００４３】
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、表層部における炭化物の面積率は、７％以上２０％以下である。さらに、表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である。
【００４４】
針状ころ軸受部品である本発明の針状ころでは、針状ころを構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、当該針状ころでは、高炭素含有層の表層部における炭化物の大きさや面積率、針状ころにおける硬度分布および針状ころにおける炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本発明の針状ころによれば、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制された鋼からなり、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころを提供することができる。
【００４５】
上記針状ころにおいて好ましくは、針状ころを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である。
【００４６】
モリブデンおよびバナジウムは、上述のように比較的高価な合金元素である。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を、クロムの含有量の半分以下とすることにより、製造コストを抑制することができる。
【００４７】
上記針状ころにおいて好ましくは、針状ころを構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である。
【００４８】
上述のように、珪素は、水素脆性剥離を助長するおそれがある一方、モリブデンおよびバナジウムは水素脆性剥離を抑制する機能を有する。珪素の含有量を、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下とすることにより、針状ころの水素脆性剥離を十分に抑制することができる。
【００４９】
上記針状ころにおいて好ましくは、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層の表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である。
【００５０】
針状ころが高温環境下にて使用された場合、針状ころの硬度が低下し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。これに対し、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合でも、高炭素含有層の表層部、特に転走面下の表層部が５５０ＨＶ以上の硬度を有していることにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。
【発明の効果】
【００５１】
以上の説明から明らかなように、本発明の針状ころ軸受および針状ころによれば、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受、および加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制された鋼からなり、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００５３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における針状ころ軸受部品を備えた針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１のスラストニードルころ軸受が備える針状ころ軸受部品としての軌道輪の概略部分断面図である。また、図３は、図１のスラストニードルころ軸受が備える針状ころ軸受部品としてのニードルころの概略断面図である。図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１における針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受、針状ころ軸受用軌道部材としての軌道輪およびニードルころ（針状ころ）の構成について説明する。
【００５４】
図１を参照して、実施の形態１のスラストニードルころ軸受１は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された針状ころ軸受部品（軌道部材）としての一対の軌道輪１１と、針状ころ軸受部品（針状ころ）としての複数のニードルころ１３と、円環状の保持器１４とを備えている。複数のニードルころ１３は、ニードルころ１３の外周面であるころ転走面１３Ａにおいて、一対の軌道輪１１の互いに対向する一方の主面に形成された軌道輪転走面１１Ａに接触し、かつ保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受１の一対の軌道輪１１は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００５５】
次に、針状ころ軸受であるスラストニードルころ軸受１を構成する針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３について説明する。図１〜図３を参照して、軌道輪１１および針状ころ１３は、転動体としてのころの直径が５ｍｍ以下であって、当該ころの長さがころの直径の３倍以上１０倍以下である針状ころ１３を備えた針状ころ軸受１を構成する針状ころ軸受部品である。そして、軌道輪１１および針状ころ１３は、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。
【００５６】
さらに、軌道輪１１および針状ころ１３の表面を含む領域には、それぞれの内部１１Ｃ，１３Ｃよりも炭素含有量の大きい高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂが形成されている。高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下である。また、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下、好ましくは７μｍ以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は、７％以上２０％以下である。さらに、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部における炭素含有量は、内部１１Ｃ，１３Ｃの炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、当該表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である。
【００５７】
本実施の形態の針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３では、軌道輪１１および針状ころ１３を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３では、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部における炭化物の大きさや面積率、軌道輪１１および針状ころ１３における硬度分布、および軌道輪１１および針状ころ１３における炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３は、軌道輪１１および針状ころ１３を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面１１Ａ，１３Ａにおけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品となっている。また、本実施の形態の針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受１は、針状ころ軸受部品を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面１１Ａ，１３Ａにおけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受となっている。
【００５８】
また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３においては、これらを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下であることが好ましい。これにより、これらの製造コストを抑制することができる。
【００５９】
また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３においては、これらを構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下であることが好ましい。これにより、珪素による水素脆性剥離の助長を抑制しつつ、モリブデンおよびバナジウムにより水素脆性剥離を一層抑制することができる。
【００６０】
また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３においては、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。
【００６１】
次に、本実施の形態における針状ころ軸受部品および針状ころ軸受の製造方法を説明する。図４は、実施の形態１における針状ころ軸受部品および針状ころ軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。
【００６２】
図４を参照して、まず工程（Ｓ１００）において、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成される鋼材を準備する鋼材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を有する棒鋼や鋼線などが準備される。
【００６３】
次に工程（Ｓ２００）において、上記鋼材を成形することにより、針状ころ軸受部品の概略形状に成形された鋼製部材を作製する成形工程が実施される。具体的には、たとえば上記棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図２および図３に示される軌道輪１１および針状ころ１３などの概略形状に成形された鋼製部材が作製される。上記工程（Ｓ１００）および（Ｓ２００）は、針状ころ軸受部品の概略形状に成形された鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程を構成する。
【００６４】
次に、工程（Ｓ３００）において、鋼製部材に対して、浸炭窒化処理が実施された後、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却されることにより、当該鋼製部材が焼入硬化される焼入硬化工程が実施される。その後、工程（Ｓ４００）において、焼入硬化された鋼製部材が、１５０℃以上３００℃以下の温度域に加熱されて焼戻される焼戻工程が実施される。上記工程（Ｓ３００）および（Ｓ４００）は、鋼製部材が熱処理される熱処理工程を構成する。この熱処理工程の詳細については後述する。
【００６５】
次に工程（Ｓ５００）において、仕上げ工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された鋼製部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、軌道輪１１および針状ころ１３などが仕上げられる。これにより、本実施の形態における針状ころ軸受部品の製造方法が完了し、針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３などが完成する。
【００６６】
さらに、工程（Ｓ６００）において、組立て工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ１００）〜（Ｓ５００）において作製された軌道輪１１および針状ころ１３と、別途準備された保持器１４などとが組合わされて、上記実施の形態における針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受１が組立てられる。これにより、本実施の形態における針状ころ軸受の製造方法が完了し、針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受１が完成する。
【００６７】
次に、熱処理工程の詳細について説明する。図５は、実施の形態１における針状ころ軸受部品の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。図５において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図５において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。
【００６８】
図５を参照して、工程（Ｓ２００）において作製された鋼製部材は、まず、Ａ１点以上の温度である温度Ｔ１に加熱され、時間ｔ１だけ保持される。このとき、鋼製部材は、たとえばＲＸガスおよびアンモニアガスを含む雰囲気中において加熱される。その結果、鋼製部材の表面付近の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。これにより、浸炭窒化処理が完了する。その後、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却されて、焼入が完了する。以上の手順により、焼入硬化工程が完了する。
【００６９】
さらに、焼入硬化された鋼製部材がＡ１点以下の温度である温度Ｔ２に加熱され、ｔ２だけ保持された後、たとえば室温まで空冷（放冷）されることにより焼戻工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態における熱処理工程が完了する。
【００７０】
ここで、温度Ｔ１は、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に８２０℃以上８７０℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間ｔ１は、たとえば６０分間以上３００分間以下である。
【００７１】
また、浸炭窒化処理が実施される際のカーボンポテンシャル（ＣＰ）値は、たとえば０．９以上１．４以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に１．０以上１．３以下であることが好ましい。さらに、浸炭窒化処理が実施される際の雰囲気中のアンモニア濃度は、たとえば５体積％以上２０体積％以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に７体積％以上１５体積％以下であることが好ましい。
【００７２】
また、温度Ｔ２は、たとえば１５０℃以上３００℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に２００℃以上３００℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間ｔ２は、たとえば６０分間以上１８０分間以下である。
【００７３】
なお、上記実施の形態における熱処理工程において、浸炭窒化処理および焼入の後に、２次焼入が実施されてもよい。これにより、針状ころ軸受部品を構成する鋼のオーステナイト結晶粒（旧オーステナイト結晶粒）の粒度番号を大きく（結晶粒径を小さく）することが可能となり、鋼の組織を微細化することができる。その結果、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命、靭性などを向上させることができる。また、２次焼入が実施される場合、鋼の組織を微細化するため、鋼製部材は、温度Ｔ１よりも高い温度に加熱されることなく焼入が実施されることが好ましい。
【００７４】
ここで、Ａ１点とは、鋼を加熱するときに、鋼の組織がフェライトからオーステナイトへ変態を開始する温度に相当する点を示す。また、ＭＳ点とは、オーステナイト化した鋼を冷却するときに、鋼の組織がマルテンサイト化を開始する温度に相当する点を示す。また、カーボンポテンシャルとは、浸炭脱炭反応が平衡に達し、鋼が含有する炭素濃度が一定の値となったときの、鋼の表層部が含有する炭素濃度を示し、鋼を加熱する雰囲気における浸炭能力を示す値である。すなわち、カーボンポテンシャルが高いほど浸炭能力が高い。雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、たとえば雰囲気ガスの温度と、雰囲気ガスの組成、すなわち一酸化炭素と酸素との濃度、あるいは一酸化炭素と二酸化炭素との濃度とを計測することにより、算出することができる。
【００７５】
上記熱処理工程により、針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３の表面、より具体的には転走面１１Ａ，１３Ａを含む領域には、浸炭窒化層である高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどが形成される。そして、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部の硬度は７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部に分布する炭化物の最大粒径は１０μｍ以下、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部における炭化物の面積率は７％以上２０％以下とすることができる。さらに、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部における炭素含有量を内部１１Ｃ、１３Ｃなどよりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、かつ高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることができる。
【００７６】
上記本実施の形態における針状ころ軸受部品の製造方法では、鋼製部材準備工程において、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制され、かつ高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制が可能な上記成分組成を有する鋼からなる鋼製部材が準備される。そして、焼入硬化工程において、当該鋼製部材に高炭素含有層１１Ｂ、１３Ｂなどが形成された上で、焼戻工程において鋼製部材が適切な温度域に加熱されて焼戻が実施される。その結果、上記本実施の形態における針状ころ軸受部品の製造方法によれば、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品を製造することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
図６は、本発明の一実施の形態である実施の形態２の針状ころ軸受部品を備えた針状ころ軸受としてのラジアルニードルころ軸受の構成を示す概略図である。図６を参照して、本発明の実施の形態２における針状ころ軸受としてのラジアルニードルころ軸受、針状ころ軸受部品としての軌道輪および針状ころの構成について説明する。
【００７８】
図６を参照して、実施の形態２のラジアルニードルころ軸受２と、実施の形態１のスラストニードルころ軸受１とは、基本的に同様の構成を有しており、同様の効果を有しているが、軌道輪の構成において異なっている。すなわち、ラジアルニードルころ軸受２は、針状ころ軸受部品（軌道輪）としての環状の外輪２１と、外輪２１の内側に配置された針状ころ軸受部品（軌道輪）としての環状の内輪２２と、外輪２１と内輪２２との間に配置され、円環状の保持器２４に保持された針状ころ軸受部品（転動体）としての複数のニードルころ２３とを備えている。外輪２１の内周面には外輪転走面２１Ａが形成されており、内輪２２の外周面には内輪転走面２２Ａが形成されている。そして、内輪転走面２２Ａと外輪転走面２１Ａとが互いに対向するように、外輪２１と内輪２２とは配置されている。さらに、複数のニードルころ２３は、内輪転走面２２Ａおよび外輪転走面２１Ａにその外周面であるころ転走面が接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、ラジアルニードルころ軸受２の外輪２１および内輪２２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００７９】
ここで、図１〜図３および図６を参照して、実施の形態２の外輪２１および内輪２２は実施の形態１の軌道輪１１に、実施の形態２のニードルころ２３は実施の形態１のニードルころ１３相当し、同様の構成および効果を有している。そのため、これらを構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品となっている。また、本実施の形態の針状ころ軸受としてのラジアルニードルころ軸受２は、針状ころ軸受部品を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受となっている。なお、本実施の形態のラジアルニードルころ軸受２は、実施の形態１において説明したスラストニードルころ軸受１と同様の製造方法により製造することができる。
【００８０】
また、上記実施の形態１および２においては、本発明の針状ころ軸受および針状ころ軸受部品の一例としてスラストニードルころ軸受、ラジアルニードルころ軸受およびこれらが備える軌道輪およびニードルころについて説明したが、本発明の針状ころ軸受および針状ころ軸受用軌道部材はこれらに限られない。たとえば、針状ころ軸受部品である軌道部材は、針状ころが表面を転走するように使用される軸や板などであってもよい。すなわち、本発明の針状ころ軸受部品としての軌道部材は、針状ころが転走するための転走面が形成された部材であればよい。
【実施例１】
【００８１】
以下、実施例１について説明する。本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼からなる鋼材に対して、本発明の針状ころ軸受部品の製造方法における熱処理工程を実施した試験片（試験片Ｎｏ．１〜４）を作製し、その材質特性を調査する試験を行なった。また、比較例として、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼の成分範囲外の鋼からなる鋼材に対して、本発明の針状ころ軸受部品の製造方法における熱処理工程を実施した試験片（試験片Ｎｏ．５〜８）、現用鋼である軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対して一般的な熱処理工程であるずぶ焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．９）、および軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対して浸炭窒化焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．１０）を作製し、同様にその材質特性を調査する試験を行なった。試験の具体的手順は以下のとおりである。
【００８２】
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。はじめに、表１に示す化学成分を有する鋼材を準備した。表１において、主要化学成分については、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）およびバナジウム（Ｖ）の各含有量が質量％で示されており、記載された成分の残部は鉄および不可避的不純物である。そして、上記鋼材を試験片の概略形状に成形し、成形部品とした。試験片の形状は、直径φ１２ｍｍ×長さＬ２２ｍｍの円筒形状である。なお、表１において、比較例の試験片を構成する鋼が化学成分において本発明の針状ころ軸受部品を構成する鋼と異なる点が、備考欄に示されている。
【００８３】
【表１】
【００８４】
次に、現用鋼からなる成形部品以外の成形部品に対して、図５に基づいて説明した熱処理工程を実施した。ここで、温度Ｔ１は８５０℃、時間ｔ１は１２０分、ＣＰ値は１．１〜１．３、浸炭窒化処理における雰囲気中のアンモニア濃度は５体積％、温度Ｔ２は２８０℃、時間ｔ２は１２０分間とした。なお、実施例の成形部品については、ＣＰ値は、表層部における炭素含有量が内部の炭素含有量よりも０．２〜０．４質量％だけ高くなるように、各鋼材に合わせて１．１〜１．３の範囲で調整した。
【００８５】
一方、ＳＵＪ２からなる成形部品に対しては、８５０℃に加熱して４０分間保持した後、急冷することにより焼入を実施した。その後、当該成形部品を１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施した。（ずぶ焼入；試験片Ｎｏ.９）。さらに、ＳＵＪ２からなる成形部品に対しては、ＣＰ値が１．１、ＲＸガスに対して５体積％のアンモニアを添加した雰囲気中で８５０℃に加熱して９０分間保持した後、急冷することにより浸炭窒化および焼入を実施し、２８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施したものも作製した（浸炭窒化焼入；試験片Ｎｏ.１０）。
【００８６】
さらに、焼入および焼戻が実施された成形部品に対して、仕上げ加工を実施することにより、本実施例における試験片を完成させた。
【００８７】
次に、本実施例における材質特性の評価項目および評価方法について説明する。上述の手順により完成した試験片に対し、高炭素含有層の表層部の硬度（表層硬度）、表層部に分布する炭化物の最大粒径（最大炭化物径）、表層部における炭化物の面積率（炭化物面積率）、表層部と内部との炭素含有量の差（表層部炭素増加量）、表層部における窒素濃度（表層部窒素濃度）、表層部における残留応力（表層部残留応力）を測定し、また５００℃の温度に６０分間保持する処理を行なった後の表層部の硬度（５００℃焼戻硬度）を測定し、材質特性の評価を行なった。
【００８８】
最大炭化物径および炭化物面積率の測定は、以下のように行なった。まず、試験片を切断し、切断面を研磨した後、ピクラルにて腐食した。そして、表層部に該当する領域をランダムに２０視野（倍率４００倍、視野面積０．６ｍｍ２）観察し、画像処理装置を用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査した。また、表層硬度の測定は、試験片を切断し、高炭素含有層の表層部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査した。また、５００℃焼戻硬度は、試験片を５００℃の温度に６０分間保持する処理を行なった後、表層硬度と同様に硬度を測定した。さらに、表層部炭素増加量および表層部窒素濃度は、試験片の軸方向中央部を切断し、切断面における表層部および内部の炭素濃度、表層部の窒素濃度をＥＰＭＡにより測定して評価した。
【００８９】
試験結果を表２に示す。なお、表２において、評価結果が好ましい範囲外となった測定値には、下線が付されている。また、表２において、比較例の試験片が、化学成分において本発明の針状ころ軸受部品と異なる点が備考欄に示されている。さらに、表層部残留応力は、圧縮応力が残留している場合、−（マイナス）を付して表示した。
【００９０】
【表２】
【００９１】
表２を参照して、表層硬度に関しては、本発明の実施例である試験片Ｎｏ．１〜４の全てが好ましい範囲である７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下の硬度を有している。一方、比較例である試験片Ｎｏ．７および１０は、７２５ＨＶ未満となっている。そのため、試験片Ｎｏ.７および１０と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。また、試験片Ｎｏ.９は、他の試験片の焼戻の温度が２８０℃であるのに対し、硬度を確保するために焼戻の温度が１８０℃とされている。その結果、５００℃焼戻硬さにおいては硬度の低下が大きくなり、好ましい硬度範囲である５５０ＨＶ以上を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ.９と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、高温環境下において使用される場合、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。
【００９２】
また、最大炭化物径に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．５、６および８において、好ましい範囲である１０μｍ以下を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ．５、６および８と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、大型の炭化物が高炭素含有層の表層部に存在するため、当該炭化物を起点とした剥離が発生し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。
【００９３】
また、炭化物面積率に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．８において、好ましい範囲である７％以上２０％以下を確保することができていない。そのため、炭化物面積率が高い試験片Ｎｏ．８と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。
【００９４】
また、表層部炭素増加量に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．５、９および１０において、好ましい範囲である０．２質量％以上０．４質量％以下を確保することができていない。その結果、表層部炭素増加量の小さい試験片Ｎｏ．５、９および１０においては、表層部残留応力として測定された表層部の圧縮応力が好ましい範囲である１５０ＭＰａ未満となっている。そのため、試験片Ｎｏ．５、９および１０と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、表層部における圧縮応力の形成が不十分となり、転動疲労寿命が十分に向上しない可能性がある。
【００９５】
また、表層部窒素濃度に関しては、浸炭窒化が実施されていない比較例であるＮｏ．９において、好ましい範囲である０．１質量％以上０．５質量％以下を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ．９と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、焼戻軟化抵抗性の向上が不十分となり、特に高温環境下における針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等が十分に向上しない可能性がある。
【００９６】
これに対し、本発明の実施例である試験片Ｎｏ.１〜４は、表層硬度、最大炭化物径、炭化物面積率、表層部炭素増加量、表層部窒素濃度、表層部残留応力および５００℃焼戻硬度のすべての材質特性の項目において、好ましい範囲を確保している。そのため、試験片Ｎｏ.１〜４と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な使用環境においても長寿命であるものと考えられる。
【実施例２】
【００９７】
以下、実施例２について説明する。本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品の特性を評価するため、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品と同様の構成を有する試験片（試験片Ｎｏ．１〜４）、本発明の範囲外の構成を有する試験片（試験片Ｎｏ．５〜８）、および現用鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対してずぶ焼入または浸炭窒化焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．９および１０）を作製し、その特性を評価する試験を行なった。試験項目は、
（１）転動疲労寿命試験、（２）湿潤試験、（３）摩耗試験、（４）超音波疲労試験、（５）ピーリング試験、（６）スミアリング試験、（７）リング圧壊試験、（８）リング回転割れ疲労試験、（９）軸受寿命試験の９項目である。以下、各試験の試験手順、試験条件について説明する。
【００９８】
（１）転動疲労寿命試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ１２ｍｍ長さＬ２２ｍｍの円筒状の試験片を作製した。そして、表３に示す試験条件で転動疲労寿命試験を行なった。
【００９９】
【表３】
【０１００】
転動疲労寿命試験は、φ１２点接触試験機を用いて行なわれた。図７は、φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図８は、φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。なお、図８においては、φ１２点接触試験機の一部が断面で示されている。図７および図８を参照して、転動疲労寿命試験の試験機について説明する。
【０１０１】
図７および図８を参照して、φ１２点接触試験機３０は、駆動ローラ３２と、案内ローラ３３と、鋼球３４とを備えている。そして、転動疲労寿命試験片３１は、駆動ローラ３２によって駆動され、鋼球３４と接触して回転する。鋼球３４は、案内ローラ３３にガイドされて、転動疲労寿命試験片３１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。潤滑油は強制循環により給油される。以上のようにφ１２点接触試験機３０を運転し、５個の試験片を用いて、１個の試験片で場所を変えて２回の試験ができるので試験数は１０回とし、試験片に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）を調査した。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる転動疲労寿命を算出した。
【０１０２】
（２）湿潤試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ１２ｍｍ長さＬ２２ｍｍの円筒状の試験片を作製した。その後、一方の端面にラッピングを行ない、当該端面を鏡面に仕上げた。そして、鏡面仕上げされた当該端面を試験面として、表４に示す試験条件（ＪＩＳ Ｋ２２４６に従った試験条件）で湿潤試験を行なった。
【０１０３】
【表４】
【０１０４】
表４に示す温度および湿度の条件に保持した試験装置内に試験片を２０時間保持した後、試験装置を大気に開放して４時間保持した。その後、試験面の面積に対する錆が発生した領域の面積の比である面積比を測定し、当該面積比の逆数を算出することにより、各試験片の錆の発生に対する抵抗性（耐食性）を評価した。面積比の測定は、試験後の試験面を写真撮影し、当該写真を画像処理装置により画像処理することにより行なった。試験片はそれぞれ２個とした。
【０１０５】
（３）摩耗試験
この試験は、高温のために潤滑条件が悪い場合の、針状ころ軸受部品の摩耗状態を推定できる試験である。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された平板状の試験片を作製した。その後、試験片の一方の主面を鏡面仕上げし、当該鏡面仕上げされた面を試験面とした。そして、表５に示す試験条件で摩耗試験を行なった。
【０１０６】
【表５】
【０１０７】
摩耗試験は、サバン型摩耗試験機を用いて行なわれた。図９は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図１０は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。図９および図１０を参照して、サバン型摩耗試験機について説明する。
【０１０８】
図９および図１０を参照して、サバン型摩耗試験機４０は、ロードセル４３とエアスライダ４４とを備えている。平板形状の摩耗試験片４１はエアスライダ４４に保持され、摩耗試験時に負荷される重錘４２による荷重はロードセル４３により検出される。そして、摩耗試験片４１の鏡面研磨された表面と、相手材４５の外周面とを接触させ、相手材４５を回転させる。摩耗試験片４１と相手材４５との接触面には直接潤滑油が供給されず、相手材４５の一部が潤滑油４６に浸漬される。
【０１０９】
以上のようにサバン型摩耗試験機４０を運転し、相手材を６０分間回転させた後の試験片の摩耗体積を測定した。そして、当該摩耗体積の逆数で各試験片の耐摩耗性を評価した。
【０１１０】
（４）超音波疲労試験
この試験は、引張−圧縮モードでの高速疲労試験であって、表面滑りなどによる表面引張応力に対する疲労強度が評価可能な試験である。また、短時間で評価できるので、電解チャージなどにより水素を鋼中に侵入させた状態で試験を行なうことができる。これにより、水素脆性剥離に対する抵抗性を推定することができる。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された試験片を作製した。試験片の形状は、中央部に、外径が小さくなった部分であるノッチが形成された丸棒状とした。作製された試験片に対して、まず、表６に示す条件で水素チャージを実施した。その後、表７に示す条件で超音波疲労試験を実施した。
【０１１１】
【表６】
【０１１２】
【表７】
【０１１３】
超音波疲労試験は、超音波疲労試験機を用いて行なわれた。図１１は、超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１１を参照して、超音波疲労試験機について説明する。
【０１１４】
図１１を参照して、超音波疲労試験機５０は、超音波疲労試験片５１が固定される部位に連結されるホーン部５２と、ホーン部５２に接続されるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子５３と、ＰＺＴ振動子５３に接続される増幅器５４と、増幅器５４に接続されたパーソナルコンピュータなどの制御装置５５とを備えている。さらに、超音波疲労試験機５０は、超音波疲労試験片５１がセットされた状態において、超音波疲労試験片５１のホーン部５２に連結される側とは反対側の端部に対向するようにすき間ゲージ５６が配置され、すき間ゲージ５６はオシロスコープ５７に接続される。
【０１１５】
そして、超音波疲労試験片５１を超音波疲労試験機５０にセットし、制御装置５５により出力を制御しつつ、増幅器５４を介してＰＺＴ振動子５３に電力を入力することにより、超音波振動を発生させる。この超音波振動をホーン部５２を介して超音波疲労試験片５１に伝達することにより超音波疲労試験片５１を共振させる。このとき、超音波疲労試験片５１の直径が最も細い部分において、軸方向の引張圧縮の応力振幅が最大となる。一方、オシロスコープ５７に接続されたすき間ゲージ５６により、超音波疲労試験片５１の振動の状態を管理する。
【０１１６】
以上のように超音波疲労試験機５０を運転し、超音波疲労試験片５１が剥離または破断するまでの応力の繰り返し数を調査した。さらに、当該調査を種々の応力について実施し、その結果が正規分布に従うとの仮定の下、当該結果を統計的に解析して１０％の試験片が応力の繰り返し数１０７回で破断すると予測される応力（１０７回疲労強度）を算出し、水素が侵入した状態での疲労強度を評価した。
【０１１７】
（５）ピーリング試験
この試験は、試験片を潤滑油膜が切れる条件で転動させ、表面に金属接触による疲れ損傷（ピーリング）を起こさせるもので、潤滑が十分でない場合の表面損傷に対する抵抗性を調査することができる。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表８に示す条件でピーリング試験を実施した。
【０１１８】
【表８】
【０１１９】
ピーリング試験は、２円筒型転動試験機を用いて行なわれた。図１２は、２円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１２を参照して、２円筒型転動試験機について説明する。
【０１２０】
図１２を参照して、２円筒型転動試験機６０には、第１軸６３まわりに回転可能なように円盤状の相手試験片６１（第１試験片）がセットされるとともに、第２軸６４まわりに回転可能なように円盤状の試験片６２（第２試験片）がセットされる。第１軸６３と第２軸６４とは平行に配置されており、相手試験片６１と試験片６２とは互いに外周面が接触するように、第１軸６３および第２軸６４のそれぞれの一方の端部にセットされる。また、第１軸６３および第２軸６４の他方の端部には、いずれも回転速度計６５とスリップリング６６とが配置されている。
【０１２１】
そして、相手試験片６１に潤滑油が滴下されつつ、駆動軸としての第１軸６３が回転する。これにより、相手試験片６１が回転するとともに、試験片６２が相手試験片６１と接触しつつ、相手試験片６１に従動して回転する。以上のように２円筒型転動試験機６０を運転し、所定の回転数である４．８×１０５回の回転が終了したところで第１軸６３の回転を停止した。そして、試験片６２が２円筒型転動試験機６０から取り外され、試験片６２の外周面に発生したピーリングの面積が調査され、試験片６２の外周面の面積に対するピーリングの面積の割合（ピーリング面積率）が算出された。そして、当該ピーリング面積率の逆数により、耐ピーリング強度を評価した。
【０１２２】
（６）スミアリング試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表９に示す条件でスミアリング試験を実施した。
【０１２３】
【表９】
【０１２４】
スミアリングは、上記ピーリング試験において使用した２円筒型転動試験機を用いて行なわれた。まず、ピーリング試験と同様に、試験片を試験機にセットした。そして、第１試験片６１に潤滑油を滴下しつつ、第１試験片６１が２００ｒｐｍの回転速度で回転するとともに、第２試験片６２の回転速度を２００ｒｐｍから徐々に増加させ、試験片の表面にスミアリングが生じた時点で試験を中止し、そのときの相対回転速度を記録した。そして、この相対回転速度により、各試験片のスミアリングに対する抵抗性を評価した。なお、スミアリングの生じた相対回転速度が大きいほど、スミアリングの発生に対する抵抗性が大きいことを示している。
【０１２５】
（７）リング圧壊試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施されたリング状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、リング圧壊試験を実施した。
【０１２６】
図１３は、リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。図１３を参照して、リング圧壊試験について説明する。
【０１２７】
図１３を参照して、圧壊試験片７１は外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍの円環状の形状を有している。そして、荷重方向７２の向きに荷重が徐々に負荷されて、圧壊試験片７１が破壊された時点における荷重が測定される。その後、得られた破壊荷重が、下記に示す曲がり梁の応力計算式（Ａ）〜（Ｃ）により応力値に換算される。
【０１２８】
すなわち、図１３の圧壊試験片７１の凸表面（圧壊試験片７１の中心線から＋ｅ１の距離にある面）における繊維応力をσ１、凹表面（圧壊試験片７１の中心線から−ｅ２の距離にある面）における繊維応力をσ２とすると、σ１およびσ２は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０参照）。ここで、Ｎは圧壊試験片７１の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ１は外半径、ｅ２は内半径（図１３参照）を表わす。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ１＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ０）｝［１＋ｅ１／｛κ（ρ０＋ｅ１）｝］・・・（Ａ）
σ２＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ０）｝［１−ｅ２／｛κ（ρ０−ｅ２）｝］・・・（Ｂ）
κ＝−（１／Ａ）∫Ａ｛η／（ρ０＋η）｝ｄＡ・・・（Ｃ）
そして、当該応力値を試験片の圧壊値として評価した。
【０１２９】
（８）リング回転割れ疲労試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円環状の試験片を作製した。そして、表１０に示す条件でリング回転割れ疲労試験を実施した。
【０１３０】
【表１０】
【０１３１】
リング回転割れ疲労試験は、リング回転割れ疲労試験機を用いて行なわれた。図１４は、リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１４を参照して、リング回転割れ疲労試験機について説明する。
【０１３２】
図１４を参照して、リング回転割れ疲労試験機８０は、円筒状の形状を有する駆動ローラ８２と、負荷ローラ８３と、案内ローラ８４とを備えている。駆動ローラ８２、負荷ローラ８３および案内ローラ８４は、回転軸が平行になるとともに、外周面がリング回転割れ疲労試験片８１に接触可能なように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験機８０は、給油ノズル８６をさらに備え、当該給油ノズル８６によりパッド８５に給油され、リング回転割れ疲労試験片８１に対して潤滑油を給油可能な構成となっている。
【０１３３】
次に、試験の手順を説明する。まず、リング回転割れ疲労試験片８１が、駆動ローラ８２、負荷ローラ８３および案内ローラ８４に外周面において接触するように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験片８１は、駆動ローラ８２および負荷ローラ８３により径方向に圧縮される応力を負荷されつつ、駆動ローラ８２が回転することにより駆動され、案内ローラ８４に案内されて回転する。以上のようにリング回転割れ疲労試験機８０を運転し、１０個の試験片を用いて試験数は１０回とし、リング回転割れ疲労試験片８１の外周面に割れが発生するまでの時間を調査し、当該時間を割れ寿命とした。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる寿命を算出し、リング回転割れ疲労強度を評価した。
【０１３４】
（９）軸受寿命試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１、２、６、および８〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された内径φ６０ｍｍ、外径φ８５ｍｍ、厚みｔ２ｍｍのスラストニードルころ軸受の軌道輪を作製した。そして、当該軌道輪と、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなり、浸炭窒化処理が実施されたニードルころとを組み合わせてスラストニードルころ軸受を作製した。このスラストニードルころ軸受を表１１に示す条件で動作させ、軌道輪に剥離が発生するまでの時間を当該軸受の寿命として評価した。なお、試験数はそれぞれ２個とし、その平均値で寿命を評価した。
【０１３５】
【表１１】
【０１３６】
次に、試験結果について説明する。表１２に本実施例における試験結果を示す。表１２においては、各試験結果が、現用鋼であるＳＵＪ２がずぶ焼入されて作製されたＮｏ．９の試験片の試験結果に対する比で示されている。すなわち、表１２における数値が１よりも大きい場合、現用鋼を用いた従来の試験片よりも特性が優れていたといえる。なお、軸受寿命試験については、試験により得られた寿命（平均値）が記載されている。以下、表１２を参照して、上記（１）〜（９）の試験結果について説明する。
【０１３７】
【表１２】
【０１３８】
（１）転動疲労寿命試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の寿命は、最大でＮｏ.９の１．９倍（試験片Ｎｏ．６）である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片はいずれもＮｏ.９の２．２倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。
【０１３９】
（２）湿潤試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、高い耐食性を有している。しかし、比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の耐食性は、Ｎｏ.９の１．３〜１．８倍である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片はいずれもＮｏ.９の２．１倍以上の耐食性を有しており、比較例に比べてより高い耐食性を有している。
【０１４０】
（３）摩耗試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、高い耐摩耗性を有している。しかし、比較例であるＮｏ.８の試験片の耐摩耗性は、表層硬度が高いにもかかわらずＮｏ.９の１．６倍にとどまっている。これは、Ｎｏ.８の試験片は、最大炭化物径および炭化物面積率が好ましい範囲よりも大きいことに起因していると考えられる。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の２．２倍以上の耐摩耗性を有している。
【０１４１】
（４）超音波疲労試験
比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の寿命は、Ｎｏ.９の０．９〜１．３倍である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の１．３倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となる傾向を有している。これは、比較例であるＮｏ.５〜８の試験片を構成する鋼の珪素含有量が好ましい範囲よりも多いことや、最大炭化物径が好ましい範囲よりも大きいことが影響しているものと考えられる。
【０１４２】
（５）ピーリング試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、耐ピーリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐ピーリング強度が、Ｎｏ.９の２．０倍以下（現用軸受鋼に浸炭窒化焼入を実施した試験片Ｎｏ．１０と同等以下）であるものも含まれる。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の２．２倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより高強度となる傾向が確認される。
【０１４３】
（６）スミアリング試験
Ｎｏ．１〜８の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、耐スミアリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐スミアリング強度が、Ｎｏ.１０の１．３倍以下であるものも含まれる（Ｎｏ.７、８）。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の１．６〜１．７倍の耐スミアリング強度を有しており、安定して高強度となっている。これは、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片を構成する鋼が高い耐熱性を有しているためであると考えられる。
【０１４４】
（７）リング圧壊試験
現用軸受鋼に浸炭窒化焼入を実施した試験片Ｎｏ．１０は、現用軸受鋼をずぶ焼入した試験片Ｎｏ．９に比べてリング圧壊強度が２０％低下している。これは、浸炭窒化の際に鋼中に水素が侵入したことに起因するものと考えられる。また、比較例であるＮｏ．５〜８の試験片も、浸炭窒化が実施されていることに起因して、リング圧壊強度が試験片Ｎｏ．９の０．７５〜０．９５倍となっている。これに対し、実施例であるＮｏ．１〜４の試験片では、浸炭窒化が実施されているにもかかわらず、試験片Ｎｏ．９と同等のリング圧壊強度が確保されている。
【０１４５】
（８）リング回転割れ疲労試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ．５〜８の試験片は、Ｎｏ.９の１．６〜２．０倍となっている。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、Ｎｏ.９の２．０〜２．５倍の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。
【０１４６】
（９）軸受寿命試験
Ｎｏ．１、２、６および８の軸受は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９およびＮｏ.１０の軸受に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ．６および８の軸受は、６９時間〜７２時間で軌道輪に剥離が発生した。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ.１および２の軸受は８５時間以上の寿命を有しており、いずれも軌道輪が剥離する前に、ＳＵＪ２からなり浸炭窒化が実施されたニードルころが先に剥離した。
【０１４７】
以上（１）〜（９）の試験結果より、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品は、従来の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品に比べて、耐久性に優れていることが確認された。
【０１４８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべ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。この発明の範囲は上記した説明ではなくて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、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明の針状ころ軸受および針状ころは、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても使用される針状ころ軸受および針状ころに、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】実施の形態１における針状ころ軸受部品を備えたスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１のスラストニードルころ軸受が備える軌道輪の概略部分断面図である。
【図３】図１のスラストニードルころ軸受が備えるニードルころの概略断面図である。
【図４】実施の形態１における針状ころ軸受部品および針状ころ軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。
【図５】実施の形態１における針状ころ軸受部品の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。
【図６】実施の形態２の針状ころ軸受部品を備えたラジアルニードルころ軸受の構成を示す概略図である。
【図７】φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図８】φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【図９】サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図１０】サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【図１１】超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【図１２】２円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【図１３】リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。
【図１４】リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１ スラストニードルころ軸受、２ ラジアルニードルころ軸受、１１ 軌道輪、１１Ａ 軌道輪転走面、１１Ｂ，１３Ｂ 高炭素含有層、１１Ｃ，１３Ｃ 内部、１３，２３ ニードルころ、１３Ａ ころ転走面、１４，２４ 保持器、２１ 外輪、２１Ａ 外輪転走面、２２ 内輪、２２Ａ 内輪転走面、３０ φ１２点接触試験機、３１ 転動疲労寿命試験片、３２ 駆動ローラ、３３ 案内ローラ、３４ 鋼球、４０ サバン型摩耗試験機、４１ 摩耗試験片、４２ 重錘、４３ ロードセル、４４ エアスライダ、４５ 相手材、４６ 潤滑油、５０ 超音波疲労試験機、５１ 超音波疲労試験片、５２ ホーン部、５３ 振動子、５４ 増幅器、５５ 制御装置、５６ すき間ゲージ、５７ オシロスコープ、６０ ２円筒型転動試験機、６１ 第１試験片（相手試験片）、６２ 第２試験片（試験片）、６３ 第１軸、６４ 第２軸、６５ 回転速度計、６６ スリップリング、７１ 圧壊試験片、７２ 荷重方向、８０ リング回転割れ疲労試験機、８１ リング回転割れ疲労試験片、８２ 駆動ローラ、８３ 負荷ローラ、８４ 案内ローラ、８５ パッド、８６ 給油ノズル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、針状ころ軸受および針状ころに関し、より特定的には、苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受および針状ころに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転動体としてのころの直径が５ｍｍ以下であって、当該ころの長さが当該ころの直径の３倍以上１０倍以下である針状ころを備えた針状ころ軸受は、転動体の軌道面に垂直な断面における主に荷重を受ける方向の軸受の高さが小さく、寸法の割には負荷容量が大きい。また、針状ころ軸受は、高い剛性を得やすいという特徴も有している。そのため、針状ころ軸受は様々な用途への適用が期待されている。針状ころ軸受においては、その構造上、転動体である針状ころと軌道輪などの針状ころ軸受用軌道部材との間においてすべりが発生しやすい。そのため、針状ころおよび針状ころ軸受用軌道部材（針状ころ軸受部品）は、すべりを伴った転動疲労を受けることにより、使用環境が苛酷となる場合も多い。
【０００３】
これに対し、針状ころ軸受の長寿命化等を目的とした多くの検討がなされ、種々の対策が提案されている（たとえば特許文献１〜５参照）。
【特許文献１】特開２００３−３０１８４９号公報
【特許文献２】特開２００４−９２７４５号公報
【特許文献３】特開２００５−２２６６８３号公報
【特許文献４】特開２００５−２９１３４２号公報
【特許文献５】特開２００５−３４４７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年、針状ころ軸受が使用される産業機械、輸送機械等の更なる高性能化を目的として、産業機械、輸送機械等の内部において針状ころ軸受が支持する部材の回転速度が上昇するとともに、急激な加減速が付与される場合が多くなっている。また、回転速度の上昇や加減速時の加速度の上昇を容易にするため、潤滑剤の粘度が抑制される傾向にある。そのため、針状ころ軸受を構成する軌道輪などの軌道部材や転動体である針状ころ（針状ころ軸受部品）の転走面は、高温化するとともに、転走面におけるすべりが増大し、油膜切れによる針状ころ軸受部品同士の金属接触が発生する場合もある。その結果、転走面付近が焼戻されて硬度が低下するとともに、転走面に引張応力が作用し、これに起因したピーリング、表面亀裂、割れなどが発生するという問題が生じている。また、針状ころ軸受部品同士の金属接触により出現する金属新生面を触媒として、潤滑剤が分解して水素が発生し、当該水素の針状ころ軸受部品への侵入により、短期間で転走面に剥離が生じる現象（水素脆性剥離）も問題となっている。
【０００５】
一方、上記問題点を解消するための従来の技術においては、針状ころ軸受部品を構成する鋼に添加される合金元素の量が多いため加工が困難である、製造コストが高い、などの問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受、および加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制された鋼からなり、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従った針状ころ軸受は、一対の軌道部材と、一対の軌道部材の間に配置される複数の針状ころとを備え、当該針状ころは、直径が５ｍｍ以下であり、長さが直径の３倍以上１０倍以下である針状ころ軸受である。この針状ころ軸受は、上記軌道部材および針状ころ、すなわち針状ころ軸受部品のうち少なくともいずれか１つが、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。
【０００８】
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成されている。高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は１０μｍ以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は７％以上２０％以下である。さらに、当該表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、当該表層部における窒素含有量は０．１質量％以上０．５質量％以下である。
【０００９】
ここで、高炭素含有層は、たとえば浸炭窒化処理により形成された浸炭窒化層である。また、高炭素含有層の表層部とは、高炭素含有層の表面からの距離が０．１ｍｍ以内の領域である。
【００１０】
本発明の針状ころ軸受が備える軌道部材および針状ころ（針状ころ軸受部品）の少なくともいずれか１つにおいては、針状ころ軸受部品を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、当該針状ころ軸受部品では、高炭素含有層の表層部における炭化物の大きさや面積率、針状ころ軸受部品における硬度分布および針状ころ軸受部品における炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本発明の針状ころ軸受によれば、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受を提供することができる。
【００１１】
ここで、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼の成分範囲を上記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１２】
炭素：０．７質量％以上１．１％質量％以下
針状ころ軸受部品に対して浸炭窒化処理などを実施することにより、針状ころ軸受部品の表面を含む領域に高炭素含有層を形成し、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等と向上させることができる。しかし、炭素含有量が０．７質量％未満では、内部の硬度が安定せず、針状ころ軸受部品に大きな荷重が作用した場合に内部の強度が不十分となるおそれがある。したがって、炭素含有量は、内部の硬度を十分に確保するため、ずぶ焼入でも安定して高い硬度を確保可能な０．７質量％以上とした。一方、素材の炭素量が１．１質量％を超えると、加工性が低下し、また浸炭窒化等を実施した場合に針状ころ軸受部品の表層部に大型の炭化物が生成して針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、炭素含有量は１．１質量％以下とした。
【００１３】
珪素：０．３質量％以上０．７質量％以下
従来、珪素は安価でありながら、耐熱性を与える元素であるため、積極的に活用されてきた。しかし、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下において使用される針状ころ軸受部品においては、高い珪素含有量は水素脆性剥離を助長する懸念がある。また、耐熱性は、他の合金元素で補うことが可能である。これらを考慮し、また他の合金元素の添加による加工性、旋削・研削性の低下を考慮し、珪素の含有量は０．７質量％以下とした。一方、珪素は、鋼の素地を強化し、針状ころ軸受部品の強度および転動疲労寿命を向上させる機能を有する。珪素の含有量が０．３質量％未満となると、当該機能が十分に発揮されない。したがって、珪素量は、０．３質量％以上とした。
【００１４】
マンガン：０．３質量％以上０．８質量％以下
マンガンは、針状ころ軸受部品の焼入性の向上、転動疲労寿命の向上のためには必須の合金元素であるが、珪素同様、加工性を阻害する。そのため、他の合金元素の含有量を増加させることによる焼入性の向上、転動疲労寿命の向上とのバランスから、添加量は０．８質量％以下とした。一方、マンガンは、製鋼過程における脱酸に必須の元素であることを考慮し、その含有量は、通常の高合金鋼に含まれるレベルである０．３質量％を下限値とした。
【００１５】
ニッケル：０．５質量％以上１．２質量％以下
ニッケルは、針状ころ軸受部品の高温での転動疲労寿命確保に必須であり、高温での耐食性や耐酸化性を向上させる。この効果を確保するため、ニッケルの含有量は、０．５質量％以上とした。一方、ニッケルの含有量が多いと、針状ころ軸受部品中の残留オーステナイト量が増加し、針状ころ軸受部品に必要な硬度を確保することが困難になる。また、ニッケルは比較的高価な合金元素であり、含有量が増加すると鋼材コストが上昇する。そのため、ニッケルの含有量は、１．２質量％以下とした。
【００１６】
クロム：１．３質量％以上１．８質量％以下
クロムは、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命や高温での硬度の確保には必須の元素である。また、針状ころ軸受部品を構成する鋼の素地に溶け込むことで、ニッケルと同様に耐酸化性および耐食性を向上させる。通常の軸受鋼（ＪＩＳ規格）でも、クロムは１質量％以上含まれており、高温環境下において十分な特性を確保するためには、これよりも多い含有量が必要である。したがって、クロムの含有量は、１．３質量％以上とした。一方、クロムは、鋼中において炭化物を形成する。クロムの含有量が多くなり、大型の炭化物が形成された場合、転動疲労寿命を低下させるおそれがあることや、モリブデンやバナジウムなど炭化物を形成する他の合金元素の含有量とのかねあいを考慮して、クロムの含有量は１．８質量％以下とした。
【００１７】
モリブデン：０．１質量％以上０．７質量％以下
モリブデンは鋼の焼入性を向上させること、炭化物を形成することにより焼戻軟化抵抗性を向上させることから、高温環境下における針状ころ軸受部品の転動疲労寿命の確保に必須である。また、モリブデン炭化物や炭窒化物が水素をトラップするとも考えられ、水素脆性剥離の抑制にも効果がある。このような効果を確保するためには、モリブデンの含有量は、０．１質量％以上とする必要がある。一方、モリブデンは高価な元素であり、コスト面からできるだけ含有量は少なく抑える必要があるので、クロムおよびバナジウムの含有量との関係を考慮し、その添加量を０．７質量％以下とした。
【００１８】
バナジウム：０．２質量％以上０．４質量％以下
バナジウムは微細な炭化物を形成して粒界（オーステナイト結晶粒界）に析出し、結晶粒を微細化して針状ころ軸受部品の強度や靱性を向上させる。さらに、炭化物が水素のトラップサイトとして機能し、水素脆性剥離を抑制する効果を有する。特に、針状ころ軸受部品が高温で浸炭窒化処理され、高温焼戻が実施される場合、その効果が顕著になる。このような効果を確保するためには、０．２質量％以上の添加が必要である。一方、バナジウムは高価な元素であり、コスト面からできるだけ添加は少なく抑える必要があるので、クロム、モリブデンの添加量との関係を考慮し、その含有量を０．４質量％以下とした。
【００１９】
なお、リン、硫黄、アルミニウム、チタンなどの不純物元素の含有量は、軸受用鋼では通常低いレベルに抑えられている。本発明の針状ころ軸受部品を構成する鋼においても同様に、不純物元素の含有量は低いレベルに抑制されることが好ましい。具体的には、以下の範囲抑制されることが好ましい。
【００２０】
リン：０．０３質量％以下
偏析による靱性の低下、転動疲労寿命の低下を抑制するため、０．０３質量％以下とすることが好ましい。
【００２１】
硫黄：０．０３質量％以下
マンガンと結合して上記マンガンの効果を低下させるとともに、転動疲労寿命を低下させるおそれのある非金属介在物を形成するので、０．０３質量％以下とすることが好ましい。
【００２２】
アルミニウム：０．０５質量％以下
耐熱性を向上させる効果があるものの、非金属介在物の原因になりやすいので、０．０５質量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
チタン：０．００３質量％以下
非金属介在物であるＴｉＮ（窒化チタン）を形成し、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命低下の原因となるとともに、水素脆性剥離の剥離起点となるおそれがあるので、０．００３質量％以下とすることが好ましい。
【００２４】
また、本発明者は、針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼における各合金元素の含有量のバランスに関して詳細に検討した。その結果、以下の関係を満足することにより、針状ころ軸受部品の高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制を達成し、かつ合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品を提供することができることを見出した。
【００２５】
すなわち、珪素およびマンガンは、いずれも針状ころ軸受部品の加工性を低下させる。珪素の含有量とマンガンの含有量との和が１．０質量％を超えると、加工性が低下し、針状ころ軸受部品の製造コストが上昇するおそれがある。そのため、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は、１．０質量％以下とする必要がある。
【００２６】
また、ニッケルおよびクロムは、上述のように、いずれも針状ころ軸受部品の耐食性および耐酸化性を向上させる。高温環境下で使用される針状ころ軸受部品においては、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は、２．３質量％以上必要である。
【００２７】
クロム、モリブデンおよびバナジウムは、いずれも鋼中において炭化物を形成する傾向がある。クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和が３．０質量％を超えると、鋼中に大型の炭化物が形成され、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命や割れ強度が低下するおそれがある。したがって、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、３．０質量％以下とする必要がある。
【００２８】
さらに、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品の硬度、針状ころ軸受部品に含まれる炭化物に関する構成、および針状ころ軸受部品における炭素および窒素の濃度を上記の範囲に限定した理由は以下のとおりである。
【００２９】
針状ころ軸受部品に形成された高炭素含有層の表層部、特に針状ころ軸受部品の転走面下の表層部は転動疲労を受ける。当該表層部の硬度が７２５ＨＶ（６１ＨＲＣ）未満である場合、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命が不十分となるおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上とする必要がある。一方、高炭素含有層の表層部の硬度を８００ＨＶを超える範囲とするためには、当該表層部にクロムなどの炭化物を所定量以上形成する必要がある。この場合、後述のように、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命や加工性が低下するおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部の硬度は、８００ＨＶ以下とする必要がある。
【００３０】
針状ころ軸受部品に形成された高炭素含有層の表層部、特に針状ころ軸受部品の転走面下の表層部に存在する大型の炭化物は、転動疲労を受けた場合に応力集中源となり、破壊起点となり得る。当該表層部に、１０μｍを超える炭化物が存在する場合、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命が低下するおそれがある。そのため、当該表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下とする必要がある。なお、厳しい環境下で使用される場合、より小さい炭化物が転動疲労寿命を低下させる可能性がある。そのため、上記炭化物の最大粒径は、７μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。
【００３１】
針状ころ軸受部品に形成された高炭素含有層の表層部における炭化物量が多くなると、当該表層部の加工性、特に研削を行なう場合の加工性が低下する。表層部における炭化物の面積率が２０％を超えると、当該表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。そのため、高炭素含有層の表層部における炭化物の面積率は、２０％以下とする必要がある。一方、炭化物の面積率が７％未満では、針状ころ軸受部品の耐摩耗性が不足し、転動疲労寿命が低下する可能性がある。そのため、高炭素含有層の表層部における炭化物の面積率は、７％以上とする必要がある。なお、加工性を一層向上させるためには、炭化物の面積率は１５％以下であることが好ましい。
【００３２】
ここで、炭化物とは、たとえばＦｅ３Ｃ（セメンタイト）、またはクロムやモリブデンなどの合金元素によってＦｅが置換された炭化物（Ｍ３Ｃと示される）、もしくはＭ２３Ｃ６やＭ７Ｃ３などである。
【００３３】
また、表層部における炭素含有量を内部における炭素含有量よりも大きくすることにより、表層部に圧縮応力を形成させ、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等を向上させることができる。転動疲労寿命が明確に向上する程度の圧縮応力、たとえば１５０ＭＰａ以上の圧縮応力を形成させるためには、表層部と内部との炭素含有量の差は０．２質量％以上必要である。一方、上記炭素含有量の差が０．４質量％よりも大きくなると、表層部での炭素含有量が高くなり、表層部に大型の炭化物が多数形成されて針状ころ軸受部品の特性が低下するおそれがある。したがって、表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高いことが必要である。
【００３４】
さらに、表層部に窒素を含有させることにより、焼戻軟化抵抗性を向上させて、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等を向上させることができる。このような窒素の効果を発揮させるためには、表層部の窒素含有量は０．１質量％以上必要である。一方、表層部の窒素含有量が０．５質量％を超えると、脱炭や焼入性の低下の原因となり、転動疲労寿命等が低下するおそれがある。したがって、表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下とする必要がある。
【００３５】
なお、高炭素含有層の表層部における炭化物の最大粒径および面積率は、たとえば、以下のように調査することができる。まず、針状ころ軸受部品を切断し、切断面を研磨した後、ピクラル（ピクリン酸アルコール溶液）にて腐食する。そして、表層部に該当する領域をランダムに２０視野（倍率４００倍、視野面積０．６ｍｍ２）観察し、画像処理装置などを用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査する。また、上記高炭素含有層の表層部の硬度は、たとえば、針状ころ軸受部品を切断し、高炭素含有層の表層部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査することができる。さらに、上記高炭素含有層の表層部および内部の炭素含有量および窒素含有量は、たとえば、針状ころ軸受部品を切断し、高炭素含有層の表層部および内部をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により分析して調査することができる。
【００３６】
上記針状ころ軸受において好ましくは、針状ころ軸受部品を構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である。
【００３７】
モリブデンおよびバナジウムは、上述のように比較的高価な合金元素である。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を、クロムの含有量の半分以下とすることにより、製造コストを抑制することができる。
【００３８】
上記針状ころ軸受において好ましくは、針状ころ軸受部品を構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である。
【００３９】
上述のように、珪素は、水素脆性剥離を助長するおそれがある一方、モリブデンおよびバナジウムは水素脆性剥離を抑制する機能を有する。珪素の含有量を、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下とすることにより、針状ころ軸受部品の水素脆性剥離を十分に抑制することができる。
【００４０】
上記針状ころ軸受において好ましくは、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層の表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である。
【００４１】
針状ころ軸受が高温環境下にて使用された場合、針状ころ軸受部品の硬度が低下し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。これに対し、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合でも、高炭素含有層の表層部、特に転走面下の表層部が５５０ＨＶ以上の硬度を有していることにより、高温環境下における針状ころ軸受の転動疲労寿命が十分に確保される。
【００４２】
本発明に従った針状ころは、直径が５ｍｍ以下であって、長さが直径の３倍以上１０倍以下である針状ころである。この針状ころは、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。
【００４３】
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、表層部における炭化物の面積率は、７％以上２０％以下である。さらに、表層部における炭素含有量は、内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である。
【００４４】
針状ころ軸受部品である本発明の針状ころでは、針状ころを構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、当該針状ころでは、高炭素含有層の表層部における炭化物の大きさや面積率、針状ころにおける硬度分布および針状ころにおける炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本発明の針状ころによれば、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制された鋼からなり、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころを提供することができる。
【００４５】
上記針状ころにおいて好ましくは、針状ころを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である。
【００４６】
モリブデンおよびバナジウムは、上述のように比較的高価な合金元素である。モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和を、クロムの含有量の半分以下とすることにより、製造コストを抑制することができる。
【００４７】
上記針状ころにおいて好ましくは、針状ころを構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である。
【００４８】
上述のように、珪素は、水素脆性剥離を助長するおそれがある一方、モリブデンおよびバナジウムは水素脆性剥離を抑制する機能を有する。珪素の含有量を、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下とすることにより、針状ころの水素脆性剥離を十分に抑制することができる。
【００４９】
上記針状ころにおいて好ましくは、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層の表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である。
【００５０】
針状ころが高温環境下にて使用された場合、針状ころの硬度が低下し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。これに対し、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合でも、高炭素含有層の表層部、特に転走面下の表層部が５５０ＨＶ以上の硬度を有していることにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。
【発明の効果】
【００５１】
以上の説明から明らかなように、本発明の針状ころ軸受および針状ころによれば、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受、および加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制された鋼からなり、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００５３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における針状ころ軸受部品を備えた針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１のスラストニードルころ軸受が備える針状ころ軸受部品としての軌道輪の概略部分断面図である。また、図３は、図１のスラストニードルころ軸受が備える針状ころ軸受部品としてのニードルころの概略断面図である。図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１における針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受、針状ころ軸受用軌道部材としての軌道輪およびニードルころ（針状ころ）の構成について説明する。
【００５４】
図１を参照して、実施の形態１のスラストニードルころ軸受１は、円盤状の形状を有し、互いに一方の主面が対向するように配置された針状ころ軸受部品（軌道部材）としての一対の軌道輪１１と、針状ころ軸受部品（針状ころ）としての複数のニードルころ１３と、円環状の保持器１４とを備えている。複数のニードルころ１３は、ニードルころ１３の外周面であるころ転走面１３Ａにおいて、一対の軌道輪１１の互いに対向する一方の主面に形成された軌道輪転走面１１Ａに接触し、かつ保持器１４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、スラストニードルころ軸受１の一対の軌道輪１１は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００５５】
次に、針状ころ軸受であるスラストニードルころ軸受１を構成する針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３について説明する。図１〜図３を参照して、軌道輪１１および針状ころ１３は、転動体としてのころの直径が５ｍｍ以下であって、当該ころの長さがころの直径の３倍以上１０倍以下である針状ころ１３を備えた針状ころ軸受１を構成する針状ころ軸受部品である。そして、軌道輪１１および針状ころ１３は、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成されている。
【００５６】
さらに、軌道輪１１および針状ころ１３の表面を含む領域には、それぞれの内部１１Ｃ，１３Ｃよりも炭素含有量の大きい高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂが形成されている。高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下である。また、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下、好ましくは７μｍ以下であり、当該表層部における炭化物の面積率は、７％以上２０％以下である。さらに、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部における炭素含有量は、内部１１Ｃ，１３Ｃの炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、当該表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である。
【００５７】
本実施の形態の針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３では、軌道輪１１および針状ころ１３を構成する鋼において、水素脆性剥離を助長するおそれのある珪素の含有量が低減されるとともに、クロム、バナジウム、モリブデンなどの合金元素の含有量のバランスが適切に調整されつつ含有量が抑制されている。また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３では、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部における炭化物の大きさや面積率、軌道輪１１および針状ころ１３における硬度分布、および軌道輪１１および針状ころ１３における炭素および窒素の濃度が適切な範囲に調整されている。その結果、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３は、軌道輪１１および針状ころ１３を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面１１Ａ，１３Ａにおけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品となっている。また、本実施の形態の針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受１は、針状ころ軸受部品を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面１１Ａ，１３Ａにおけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受となっている。
【００５８】
また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３においては、これらを構成する鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下であることが好ましい。これにより、これらの製造コストを抑制することができる。
【００５９】
また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３においては、これらを構成する鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下であることが好ましい。これにより、珪素による水素脆性剥離の助長を抑制しつつ、モリブデンおよびバナジウムにより水素脆性剥離を一層抑制することができる。
【００６０】
また、本実施の形態の軌道輪１１および針状ころ１３においては、５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂの表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、高温環境下における転動疲労寿命が十分に確保される。
【００６１】
次に、本実施の形態における針状ころ軸受部品および針状ころ軸受の製造方法を説明する。図４は、実施の形態１における針状ころ軸受部品および針状ころ軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。
【００６２】
図４を参照して、まず工程（Ｓ１００）において、０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成される鋼材を準備する鋼材準備工程が実施される。具体的には、たとえば上記成分を有する棒鋼や鋼線などが準備される。
【００６３】
次に工程（Ｓ２００）において、上記鋼材を成形することにより、針状ころ軸受部品の概略形状に成形された鋼製部材を作製する成形工程が実施される。具体的には、たとえば上記棒鋼や鋼線などに対して鍛造、旋削などの加工が実施されることにより、図２および図３に示される軌道輪１１および針状ころ１３などの概略形状に成形された鋼製部材が作製される。上記工程（Ｓ１００）および（Ｓ２００）は、針状ころ軸受部品の概略形状に成形された鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程を構成する。
【００６４】
次に、工程（Ｓ３００）において、鋼製部材に対して、浸炭窒化処理が実施された後、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却されることにより、当該鋼製部材が焼入硬化される焼入硬化工程が実施される。その後、工程（Ｓ４００）において、焼入硬化された鋼製部材が、１５０℃以上３００℃以下の温度域に加熱されて焼戻される焼戻工程が実施される。上記工程（Ｓ３００）および（Ｓ４００）は、鋼製部材が熱処理される熱処理工程を構成する。この熱処理工程の詳細については後述する。
【００６５】
次に工程（Ｓ５００）において、仕上げ工程が実施される。具体的には、熱処理工程が実施された鋼製部材に対して研削加工などの仕上げ加工が実施されることにより、軌道輪１１および針状ころ１３などが仕上げられる。これにより、本実施の形態における針状ころ軸受部品の製造方法が完了し、針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３などが完成する。
【００６６】
さらに、工程（Ｓ６００）において、組立て工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ１００）〜（Ｓ５００）において作製された軌道輪１１および針状ころ１３と、別途準備された保持器１４などとが組合わされて、上記実施の形態における針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受１が組立てられる。これにより、本実施の形態における針状ころ軸受の製造方法が完了し、針状ころ軸受としてのスラストニードルころ軸受１が完成する。
【００６７】
次に、熱処理工程の詳細について説明する。図５は、実施の形態１における針状ころ軸受部品の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。図５において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図５において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。
【００６８】
図５を参照して、工程（Ｓ２００）において作製された鋼製部材は、まず、Ａ１点以上の温度である温度Ｔ１に加熱され、時間ｔ１だけ保持される。このとき、鋼製部材は、たとえばＲＸガスおよびアンモニアガスを含む雰囲気中において加熱される。その結果、鋼製部材の表面付近の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。これにより、浸炭窒化処理が完了する。その後、鋼製部材が、たとえば油中に浸漬されることにより（油冷）、Ａ１点以上の温度からＭＳ点以下の温度に冷却されて、焼入が完了する。以上の手順により、焼入硬化工程が完了する。
【００６９】
さらに、焼入硬化された鋼製部材がＡ１点以下の温度である温度Ｔ２に加熱され、ｔ２だけ保持された後、たとえば室温まで空冷（放冷）されることにより焼戻工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態における熱処理工程が完了する。
【００７０】
ここで、温度Ｔ１は、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に８２０℃以上８７０℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間ｔ１は、たとえば６０分間以上３００分間以下である。
【００７１】
また、浸炭窒化処理が実施される際のカーボンポテンシャル（ＣＰ）値は、たとえば０．９以上１．４以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に１．０以上１．３以下であることが好ましい。さらに、浸炭窒化処理が実施される際の雰囲気中のアンモニア濃度は、たとえば５体積％以上２０体積％以下であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に７体積％以上１５体積％以下であることが好ましい。
【００７２】
また、温度Ｔ２は、たとえば１５０℃以上３００℃以下の温度であり、本実施の形態における鋼製部材を構成する鋼の成分組成を考慮すると、特に２００℃以上３００℃以下の温度であることが好ましい。一方、時間ｔ２は、たとえば６０分間以上１８０分間以下である。
【００７３】
なお、上記実施の形態における熱処理工程において、浸炭窒化処理および焼入の後に、２次焼入が実施されてもよい。これにより、針状ころ軸受部品を構成する鋼のオーステナイト結晶粒（旧オーステナイト結晶粒）の粒度番号を大きく（結晶粒径を小さく）することが可能となり、鋼の組織を微細化することができる。その結果、針状ころ軸受部品の転動疲労寿命、靭性などを向上させることができる。また、２次焼入が実施される場合、鋼の組織を微細化するため、鋼製部材は、温度Ｔ１よりも高い温度に加熱されることなく焼入が実施されることが好ましい。
【００７４】
ここで、Ａ１点とは、鋼を加熱するときに、鋼の組織がフェライトからオーステナイトへ変態を開始する温度に相当する点を示す。また、ＭＳ点とは、オーステナイト化した鋼を冷却するときに、鋼の組織がマルテンサイト化を開始する温度に相当する点を示す。また、カーボンポテンシャルとは、浸炭脱炭反応が平衡に達し、鋼が含有する炭素濃度が一定の値となったときの、鋼の表層部が含有する炭素濃度を示し、鋼を加熱する雰囲気における浸炭能力を示す値である。すなわち、カーボンポテンシャルが高いほど浸炭能力が高い。雰囲気ガスのカーボンポテンシャルは、たとえば雰囲気ガスの温度と、雰囲気ガスの組成、すなわち一酸化炭素と酸素との濃度、あるいは一酸化炭素と二酸化炭素との濃度とを計測することにより、算出することができる。
【００７５】
上記熱処理工程により、針状ころ軸受部品としての軌道輪１１および針状ころ１３の表面、より具体的には転走面１１Ａ，１３Ａを含む領域には、浸炭窒化層である高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどが形成される。そして、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部の硬度は７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部に分布する炭化物の最大粒径は１０μｍ以下、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部における炭化物の面積率は７％以上２０％以下とすることができる。さらに、高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部における炭素含有量を内部１１Ｃ、１３Ｃなどよりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、かつ高炭素含有層１１Ｂ，１３Ｂなどの表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることができる。
【００７６】
上記本実施の形態における針状ころ軸受部品の製造方法では、鋼製部材準備工程において、加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制され、かつ高温での硬度および耐摩耗性の向上のほか、焼戻軟化抵抗性の向上、さらには水素脆性剥離の抑制が可能な上記成分組成を有する鋼からなる鋼製部材が準備される。そして、焼入硬化工程において、当該鋼製部材に高炭素含有層１１Ｂ、１３Ｂなどが形成された上で、焼戻工程において鋼製部材が適切な温度域に加熱されて焼戻が実施される。その結果、上記本実施の形態における針状ころ軸受部品の製造方法によれば、針状ころ軸受部品を構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量を抑制しつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品を製造することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
図６は、本発明の一実施の形態である実施の形態２の針状ころ軸受部品を備えた針状ころ軸受としてのラジアルニードルころ軸受の構成を示す概略図である。図６を参照して、本発明の実施の形態２における針状ころ軸受としてのラジアルニードルころ軸受、針状ころ軸受部品としての軌道輪および針状ころの構成について説明する。
【００７８】
図６を参照して、実施の形態２のラジアルニードルころ軸受２と、実施の形態１のスラストニードルころ軸受１とは、基本的に同様の構成を有しており、同様の効果を有しているが、軌道輪の構成において異なっている。すなわち、ラジアルニードルころ軸受２は、針状ころ軸受部品（軌道輪）としての環状の外輪２１と、外輪２１の内側に配置された針状ころ軸受部品（軌道輪）としての環状の内輪２２と、外輪２１と内輪２２との間に配置され、円環状の保持器２４に保持された針状ころ軸受部品（転動体）としての複数のニードルころ２３とを備えている。外輪２１の内周面には外輪転走面２１Ａが形成されており、内輪２２の外周面には内輪転走面２２Ａが形成されている。そして、内輪転走面２２Ａと外輪転走面２１Ａとが互いに対向するように、外輪２１と内輪２２とは配置されている。さらに、複数のニードルころ２３は、内輪転走面２２Ａおよび外輪転走面２１Ａにその外周面であるころ転走面が接触し、かつ保持器２４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、ラジアルニードルころ軸受２の外輪２１および内輪２２は、互いに相対的に回転可能となっている。
【００７９】
ここで、図１〜図３および図６を参照して、実施の形態２の外輪２１および内輪２２は実施の形態１の軌道輪１１に、実施の形態２のニードルころ２３は実施の形態１のニードルころ１３相当し、同様の構成および効果を有している。そのため、これらを構成する鋼において加工性の低下や製造コストの上昇等を招来する合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受部品となっている。また、本実施の形態の針状ころ軸受としてのラジアルニードルころ軸受２は、針状ころ軸受部品を構成する鋼において合金元素の含有量が抑制されつつ、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても長寿命な針状ころ軸受となっている。なお、本実施の形態のラジアルニードルころ軸受２は、実施の形態１において説明したスラストニードルころ軸受１と同様の製造方法により製造することができる。
【００８０】
また、上記実施の形態１および２においては、本発明の針状ころ軸受および針状ころ軸受部品の一例としてスラストニードルころ軸受、ラジアルニードルころ軸受およびこれらが備える軌道輪およびニードルころについて説明したが、本発明の針状ころ軸受および針状ころ軸受用軌道部材はこれらに限られない。たとえば、針状ころ軸受部品である軌道部材は、針状ころが表面を転走するように使用される軸や板などであってもよい。すなわち、本発明の針状ころ軸受部品としての軌道部材は、針状ころが転走するための転走面が形成された部材であればよい。
【実施例１】
【００８１】
以下、実施例１について説明する。本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼からなる鋼材に対して、本発明の針状ころ軸受部品の製造方法における熱処理工程を実施した試験片（試験片Ｎｏ．１〜４）を作製し、その材質特性を調査する試験を行なった。また、比較例として、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品を構成する鋼の成分範囲外の鋼からなる鋼材に対して、本発明の針状ころ軸受部品の製造方法における熱処理工程を実施した試験片（試験片Ｎｏ．５〜８）、現用鋼である軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対して一般的な熱処理工程であるずぶ焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．９）、および軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対して浸炭窒化焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．１０）を作製し、同様にその材質特性を調査する試験を行なった。試験の具体的手順は以下のとおりである。
【００８２】
まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。はじめに、表１に示す化学成分を有する鋼材を準備した。表１において、主要化学成分については、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）およびバナジウム（Ｖ）の各含有量が質量％で示されており、記載された成分の残部は鉄および不可避的不純物である。そして、上記鋼材を試験片の概略形状に成形し、成形部品とした。試験片の形状は、直径φ１２ｍｍ×長さＬ２２ｍｍの円筒形状である。なお、表１において、比較例の試験片を構成する鋼が化学成分において本発明の針状ころ軸受部品を構成する鋼と異なる点が、備考欄に示されている。
【００８３】
【表１】
【００８４】
次に、現用鋼からなる成形部品以外の成形部品に対して、図５に基づいて説明した熱処理工程を実施した。ここで、温度Ｔ１は８５０℃、時間ｔ１は１２０分、ＣＰ値は１．１〜１．３、浸炭窒化処理における雰囲気中のアンモニア濃度は５体積％、温度Ｔ２は２８０℃、時間ｔ２は１２０分間とした。なお、実施例の成形部品については、ＣＰ値は、表層部における炭素含有量が内部の炭素含有量よりも０．２〜０．４質量％だけ高くなるように、各鋼材に合わせて１．１〜１．３の範囲で調整した。
【００８５】
一方、ＳＵＪ２からなる成形部品に対しては、８５０℃に加熱して４０分間保持した後、急冷することにより焼入を実施した。その後、当該成形部品を１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施した。（ずぶ焼入；試験片Ｎｏ.９）。さらに、ＳＵＪ２からなる成形部品に対しては、ＣＰ値が１．１、ＲＸガスに対して５体積％のアンモニアを添加した雰囲気中で８５０℃に加熱して９０分間保持した後、急冷することにより浸炭窒化および焼入を実施し、２８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を実施したものも作製した（浸炭窒化焼入；試験片Ｎｏ.１０）。
【００８６】
さらに、焼入および焼戻が実施された成形部品に対して、仕上げ加工を実施することにより、本実施例における試験片を完成させた。
【００８７】
次に、本実施例における材質特性の評価項目および評価方法について説明する。上述の手順により完成した試験片に対し、高炭素含有層の表層部の硬度（表層硬度）、表層部に分布する炭化物の最大粒径（最大炭化物径）、表層部における炭化物の面積率（炭化物面積率）、表層部と内部との炭素含有量の差（表層部炭素増加量）、表層部における窒素濃度（表層部窒素濃度）、表層部における残留応力（表層部残留応力）を測定し、また５００℃の温度に６０分間保持する処理を行なった後の表層部の硬度（５００℃焼戻硬度）を測定し、材質特性の評価を行なった。
【００８８】
最大炭化物径および炭化物面積率の測定は、以下のように行なった。まず、試験片を切断し、切断面を研磨した後、ピクラルにて腐食した。そして、表層部に該当する領域をランダムに２０視野（倍率４００倍、視野面積０．６ｍｍ２）観察し、画像処理装置を用いて炭化物の最大粒径および面積率を調査した。また、表層硬度の測定は、試験片を切断し、高炭素含有層の表層部の硬度をビッカース硬度計により測定することにより調査した。また、５００℃焼戻硬度は、試験片を５００℃の温度に６０分間保持する処理を行なった後、表層硬度と同様に硬度を測定した。さらに、表層部炭素増加量および表層部窒素濃度は、試験片の軸方向中央部を切断し、切断面における表層部および内部の炭素濃度、表層部の窒素濃度をＥＰＭＡにより測定して評価した。
【００８９】
試験結果を表２に示す。なお、表２において、評価結果が好ましい範囲外となった測定値には、下線が付されている。また、表２において、比較例の試験片が、化学成分において本発明の針状ころ軸受部品と異なる点が備考欄に示されている。さらに、表層部残留応力は、圧縮応力が残留している場合、−（マイナス）を付して表示した。
【００９０】
【表２】
【００９１】
表２を参照して、表層硬度に関しては、本発明の実施例である試験片Ｎｏ．１〜４の全てが好ましい範囲である７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下の硬度を有している。一方、比較例である試験片Ｎｏ．７および１０は、７２５ＨＶ未満となっている。そのため、試験片Ｎｏ.７および１０と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。また、試験片Ｎｏ.９は、他の試験片の焼戻の温度が２８０℃であるのに対し、硬度を確保するために焼戻の温度が１８０℃とされている。その結果、５００℃焼戻硬さにおいては硬度の低下が大きくなり、好ましい硬度範囲である５５０ＨＶ以上を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ.９と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、高温環境下において使用される場合、十分な転動疲労寿命を確保できない可能性がある。
【００９２】
また、最大炭化物径に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．５、６および８において、好ましい範囲である１０μｍ以下を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ．５、６および８と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、大型の炭化物が高炭素含有層の表層部に存在するため、当該炭化物を起点とした剥離が発生し、転動疲労寿命が低下するおそれがある。
【００９３】
また、炭化物面積率に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．８において、好ましい範囲である７％以上２０％以下を確保することができていない。そのため、炭化物面積率が高い試験片Ｎｏ．８と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、表層部の加工性が低下して加工コストの上昇、加工精度の低下等の問題を生じるおそれがある。
【００９４】
また、表層部炭素増加量に関しては、比較例である試験片Ｎｏ．５、９および１０において、好ましい範囲である０．２質量％以上０．４質量％以下を確保することができていない。その結果、表層部炭素増加量の小さい試験片Ｎｏ．５、９および１０においては、表層部残留応力として測定された表層部の圧縮応力が好ましい範囲である１５０ＭＰａ未満となっている。そのため、試験片Ｎｏ．５、９および１０と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、表層部における圧縮応力の形成が不十分となり、転動疲労寿命が十分に向上しない可能性がある。
【００９５】
また、表層部窒素濃度に関しては、浸炭窒化が実施されていない比較例であるＮｏ．９において、好ましい範囲である０．１質量％以上０．５質量％以下を確保することができていない。そのため、試験片Ｎｏ．９と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、焼戻軟化抵抗性の向上が不十分となり、特に高温環境下における針状ころ軸受部品の転動疲労寿命等が十分に向上しない可能性がある。
【００９６】
これに対し、本発明の実施例である試験片Ｎｏ.１〜４は、表層硬度、最大炭化物径、炭化物面積率、表層部炭素増加量、表層部窒素濃度、表層部残留応力および５００℃焼戻硬度のすべての材質特性の項目において、好ましい範囲を確保している。そのため、試験片Ｎｏ.１〜４と同様の成分組成を有する鋼からなり、同様に熱処理された針状ころ軸受部品は、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な使用環境においても長寿命であるものと考えられる。
【実施例２】
【００９７】
以下、実施例２について説明する。本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品の特性を評価するため、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品と同様の構成を有する試験片（試験片Ｎｏ．１〜４）、本発明の範囲外の構成を有する試験片（試験片Ｎｏ．５〜８）、および現用鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）に対してずぶ焼入または浸炭窒化焼入を実施した試験片（試験片Ｎｏ．９および１０）を作製し、その特性を評価する試験を行なった。試験項目は、
（１）転動疲労寿命試験、（２）湿潤試験、（３）摩耗試験、（４）超音波疲労試験、（５）ピーリング試験、（６）スミアリング試験、（７）リング圧壊試験、（８）リング回転割れ疲労試験、（９）軸受寿命試験の９項目である。以下、各試験の試験手順、試験条件について説明する。
【００９８】
（１）転動疲労寿命試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ１２ｍｍ長さＬ２２ｍｍの円筒状の試験片を作製した。そして、表３に示す試験条件で転動疲労寿命試験を行なった。
【００９９】
【表３】
【０１００】
転動疲労寿命試験は、φ１２点接触試験機を用いて行なわれた。図７は、φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図８は、φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。なお、図８においては、φ１２点接触試験機の一部が断面で示されている。図７および図８を参照して、転動疲労寿命試験の試験機について説明する。
【０１０１】
図７および図８を参照して、φ１２点接触試験機３０は、駆動ローラ３２と、案内ローラ３３と、鋼球３４とを備えている。そして、転動疲労寿命試験片３１は、駆動ローラ３２によって駆動され、鋼球３４と接触して回転する。鋼球３４は、案内ローラ３３にガイドされて、転動疲労寿命試験片３１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。潤滑油は強制循環により給油される。以上のようにφ１２点接触試験機３０を運転し、５個の試験片を用いて、１個の試験片で場所を変えて２回の試験ができるので試験数は１０回とし、試験片に剥離が発生するまでの荷重の負荷回数（寿命）を調査した。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる転動疲労寿命を算出した。
【０１０２】
（２）湿潤試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された直径φ１２ｍｍ長さＬ２２ｍｍの円筒状の試験片を作製した。その後、一方の端面にラッピングを行ない、当該端面を鏡面に仕上げた。そして、鏡面仕上げされた当該端面を試験面として、表４に示す試験条件（ＪＩＳ Ｋ２２４６に従った試験条件）で湿潤試験を行なった。
【０１０３】
【表４】
【０１０４】
表４に示す温度および湿度の条件に保持した試験装置内に試験片を２０時間保持した後、試験装置を大気に開放して４時間保持した。その後、試験面の面積に対する錆が発生した領域の面積の比である面積比を測定し、当該面積比の逆数を算出することにより、各試験片の錆の発生に対する抵抗性（耐食性）を評価した。面積比の測定は、試験後の試験面を写真撮影し、当該写真を画像処理装置により画像処理することにより行なった。試験片はそれぞれ２個とした。
【０１０５】
（３）摩耗試験
この試験は、高温のために潤滑条件が悪い場合の、針状ころ軸受部品の摩耗状態を推定できる試験である。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された平板状の試験片を作製した。その後、試験片の一方の主面を鏡面仕上げし、当該鏡面仕上げされた面を試験面とした。そして、表５に示す試験条件で摩耗試験を行なった。
【０１０６】
【表５】
【０１０７】
摩耗試験は、サバン型摩耗試験機を用いて行なわれた。図９は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。また、図１０は、サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。図９および図１０を参照して、サバン型摩耗試験機について説明する。
【０１０８】
図９および図１０を参照して、サバン型摩耗試験機４０は、ロードセル４３とエアスライダ４４とを備えている。平板形状の摩耗試験片４１はエアスライダ４４に保持され、摩耗試験時に負荷される重錘４２による荷重はロードセル４３により検出される。そして、摩耗試験片４１の鏡面研磨された表面と、相手材４５の外周面とを接触させ、相手材４５を回転させる。摩耗試験片４１と相手材４５との接触面には直接潤滑油が供給されず、相手材４５の一部が潤滑油４６に浸漬される。
【０１０９】
以上のようにサバン型摩耗試験機４０を運転し、相手材を６０分間回転させた後の試験片の摩耗体積を測定した。そして、当該摩耗体積の逆数で各試験片の耐摩耗性を評価した。
【０１１０】
（４）超音波疲労試験
この試験は、引張−圧縮モードでの高速疲労試験であって、表面滑りなどによる表面引張応力に対する疲労強度が評価可能な試験である。また、短時間で評価できるので、電解チャージなどにより水素を鋼中に侵入させた状態で試験を行なうことができる。これにより、水素脆性剥離に対する抵抗性を推定することができる。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された試験片を作製した。試験片の形状は、中央部に、外径が小さくなった部分であるノッチが形成された丸棒状とした。作製された試験片に対して、まず、表６に示す条件で水素チャージを実施した。その後、表７に示す条件で超音波疲労試験を実施した。
【０１１１】
【表６】
【０１１２】
【表７】
【０１１３】
超音波疲労試験は、超音波疲労試験機を用いて行なわれた。図１１は、超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１１を参照して、超音波疲労試験機について説明する。
【０１１４】
図１１を参照して、超音波疲労試験機５０は、超音波疲労試験片５１が固定される部位に連結されるホーン部５２と、ホーン部５２に接続されるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子５３と、ＰＺＴ振動子５３に接続される増幅器５４と、増幅器５４に接続されたパーソナルコンピュータなどの制御装置５５とを備えている。さらに、超音波疲労試験機５０は、超音波疲労試験片５１がセットされた状態において、超音波疲労試験片５１のホーン部５２に連結される側とは反対側の端部に対向するようにすき間ゲージ５６が配置され、すき間ゲージ５６はオシロスコープ５７に接続される。
【０１１５】
そして、超音波疲労試験片５１を超音波疲労試験機５０にセットし、制御装置５５により出力を制御しつつ、増幅器５４を介してＰＺＴ振動子５３に電力を入力することにより、超音波振動を発生させる。この超音波振動をホーン部５２を介して超音波疲労試験片５１に伝達することにより超音波疲労試験片５１を共振させる。このとき、超音波疲労試験片５１の直径が最も細い部分において、軸方向の引張圧縮の応力振幅が最大となる。一方、オシロスコープ５７に接続されたすき間ゲージ５６により、超音波疲労試験片５１の振動の状態を管理する。
【０１１６】
以上のように超音波疲労試験機５０を運転し、超音波疲労試験片５１が剥離または破断するまでの応力の繰り返し数を調査した。さらに、当該調査を種々の応力について実施し、その結果が正規分布に従うとの仮定の下、当該結果を統計的に解析して１０％の試験片が応力の繰り返し数１０７回で破断すると予測される応力（１０７回疲労強度）を算出し、水素が侵入した状態での疲労強度を評価した。
【０１１７】
（５）ピーリング試験
この試験は、試験片を潤滑油膜が切れる条件で転動させ、表面に金属接触による疲れ損傷（ピーリング）を起こさせるもので、潤滑が十分でない場合の表面損傷に対する抵抗性を調査することができる。上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表８に示す条件でピーリング試験を実施した。
【０１１８】
【表８】
【０１１９】
ピーリング試験は、２円筒型転動試験機を用いて行なわれた。図１２は、２円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１２を参照して、２円筒型転動試験機について説明する。
【０１２０】
図１２を参照して、２円筒型転動試験機６０には、第１軸６３まわりに回転可能なように円盤状の相手試験片６１（第１試験片）がセットされるとともに、第２軸６４まわりに回転可能なように円盤状の試験片６２（第２試験片）がセットされる。第１軸６３と第２軸６４とは平行に配置されており、相手試験片６１と試験片６２とは互いに外周面が接触するように、第１軸６３および第２軸６４のそれぞれの一方の端部にセットされる。また、第１軸６３および第２軸６４の他方の端部には、いずれも回転速度計６５とスリップリング６６とが配置されている。
【０１２１】
そして、相手試験片６１に潤滑油が滴下されつつ、駆動軸としての第１軸６３が回転する。これにより、相手試験片６１が回転するとともに、試験片６２が相手試験片６１と接触しつつ、相手試験片６１に従動して回転する。以上のように２円筒型転動試験機６０を運転し、所定の回転数である４．８×１０５回の回転が終了したところで第１軸６３の回転を停止した。そして、試験片６２が２円筒型転動試験機６０から取り外され、試験片６２の外周面に発生したピーリングの面積が調査され、試験片６２の外周面の面積に対するピーリングの面積の割合（ピーリング面積率）が算出された。そして、当該ピーリング面積率の逆数により、耐ピーリング強度を評価した。
【０１２２】
（６）スミアリング試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円盤状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、表９に示す条件でスミアリング試験を実施した。
【０１２３】
【表９】
【０１２４】
スミアリングは、上記ピーリング試験において使用した２円筒型転動試験機を用いて行なわれた。まず、ピーリング試験と同様に、試験片を試験機にセットした。そして、第１試験片６１に潤滑油を滴下しつつ、第１試験片６１が２００ｒｐｍの回転速度で回転するとともに、第２試験片６２の回転速度を２００ｒｐｍから徐々に増加させ、試験片の表面にスミアリングが生じた時点で試験を中止し、そのときの相対回転速度を記録した。そして、この相対回転速度により、各試験片のスミアリングに対する抵抗性を評価した。なお、スミアリングの生じた相対回転速度が大きいほど、スミアリングの発生に対する抵抗性が大きいことを示している。
【０１２５】
（７）リング圧壊試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施されたリング状の試験片を作製した。そして、作製された試験片を用いて、リング圧壊試験を実施した。
【０１２６】
図１３は、リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。図１３を参照して、リング圧壊試験について説明する。
【０１２７】
図１３を参照して、圧壊試験片７１は外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、幅１５ｍｍの円環状の形状を有している。そして、荷重方向７２の向きに荷重が徐々に負荷されて、圧壊試験片７１が破壊された時点における荷重が測定される。その後、得られた破壊荷重が、下記に示す曲がり梁の応力計算式（Ａ）〜（Ｃ）により応力値に換算される。
【０１２８】
すなわち、図１３の圧壊試験片７１の凸表面（圧壊試験片７１の中心線から＋ｅ１の距離にある面）における繊維応力をσ１、凹表面（圧壊試験片７１の中心線から−ｅ２の距離にある面）における繊維応力をσ２とすると、σ１およびσ２は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０参照）。ここで、Ｎは圧壊試験片７１の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ１は外半径、ｅ２は内半径（図１３参照）を表わす。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ１＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ０）｝［１＋ｅ１／｛κ（ρ０＋ｅ１）｝］・・・（Ａ）
σ２＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ０）｝［１−ｅ２／｛κ（ρ０−ｅ２）｝］・・・（Ｂ）
κ＝−（１／Ａ）∫Ａ｛η／（ρ０＋η）｝ｄＡ・・・（Ｃ）
そして、当該応力値を試験片の圧壊値として評価した。
【０１２９】
（８）リング回転割れ疲労試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された円環状の試験片を作製した。そして、表１０に示す条件でリング回転割れ疲労試験を実施した。
【０１３０】
【表１０】
【０１３１】
リング回転割れ疲労試験は、リング回転割れ疲労試験機を用いて行なわれた。図１４は、リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。図１４を参照して、リング回転割れ疲労試験機について説明する。
【０１３２】
図１４を参照して、リング回転割れ疲労試験機８０は、円筒状の形状を有する駆動ローラ８２と、負荷ローラ８３と、案内ローラ８４とを備えている。駆動ローラ８２、負荷ローラ８３および案内ローラ８４は、回転軸が平行になるとともに、外周面がリング回転割れ疲労試験片８１に接触可能なように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験機８０は、給油ノズル８６をさらに備え、当該給油ノズル８６によりパッド８５に給油され、リング回転割れ疲労試験片８１に対して潤滑油を給油可能な構成となっている。
【０１３３】
次に、試験の手順を説明する。まず、リング回転割れ疲労試験片８１が、駆動ローラ８２、負荷ローラ８３および案内ローラ８４に外周面において接触するように配置される。そして、リング回転割れ疲労試験片８１は、駆動ローラ８２および負荷ローラ８３により径方向に圧縮される応力を負荷されつつ、駆動ローラ８２が回転することにより駆動され、案内ローラ８４に案内されて回転する。以上のようにリング回転割れ疲労試験機８０を運転し、１０個の試験片を用いて試験数は１０回とし、リング回転割れ疲労試験片８１の外周面に割れが発生するまでの時間を調査し、当該時間を割れ寿命とした。そして、得られた寿命を統計的に解析し、累積破損確率が１０％となる寿命を算出し、リング回転割れ疲労強度を評価した。
【０１３４】
（９）軸受寿命試験
上記実施例１の試験片Ｎｏ．１、２、６、および８〜１０と同様の化学成分を有し、同様の熱処理が実施された内径φ６０ｍｍ、外径φ８５ｍｍ、厚みｔ２ｍｍのスラストニードルころ軸受の軌道輪を作製した。そして、当該軌道輪と、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２からなり、浸炭窒化処理が実施されたニードルころとを組み合わせてスラストニードルころ軸受を作製した。このスラストニードルころ軸受を表１１に示す条件で動作させ、軌道輪に剥離が発生するまでの時間を当該軸受の寿命として評価した。なお、試験数はそれぞれ２個とし、その平均値で寿命を評価した。
【０１３５】
【表１１】
【０１３６】
次に、試験結果について説明する。表１２に本実施例における試験結果を示す。表１２においては、各試験結果が、現用鋼であるＳＵＪ２がずぶ焼入されて作製されたＮｏ．９の試験片の試験結果に対する比で示されている。すなわち、表１２における数値が１よりも大きい場合、現用鋼を用いた従来の試験片よりも特性が優れていたといえる。なお、軸受寿命試験については、試験により得られた寿命（平均値）が記載されている。以下、表１２を参照して、上記（１）〜（９）の試験結果について説明する。
【０１３７】
【表１２】
【０１３８】
（１）転動疲労寿命試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の寿命は、最大でＮｏ.９の１．９倍（試験片Ｎｏ．６）である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片はいずれもＮｏ.９の２．２倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。
【０１３９】
（２）湿潤試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、高い耐食性を有している。しかし、比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の耐食性は、Ｎｏ.９の１．３〜１．８倍である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片はいずれもＮｏ.９の２．１倍以上の耐食性を有しており、比較例に比べてより高い耐食性を有している。
【０１４０】
（３）摩耗試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、高い耐摩耗性を有している。しかし、比較例であるＮｏ.８の試験片の耐摩耗性は、表層硬度が高いにもかかわらずＮｏ.９の１．６倍にとどまっている。これは、Ｎｏ.８の試験片は、最大炭化物径および炭化物面積率が好ましい範囲よりも大きいことに起因していると考えられる。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の２．２倍以上の耐摩耗性を有している。
【０１４１】
（４）超音波疲労試験
比較例であるＮｏ.５〜８および１０の試験片の寿命は、Ｎｏ.９の０．９〜１．３倍である。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の１．３倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となる傾向を有している。これは、比較例であるＮｏ.５〜８の試験片を構成する鋼の珪素含有量が好ましい範囲よりも多いことや、最大炭化物径が好ましい範囲よりも大きいことが影響しているものと考えられる。
【０１４２】
（５）ピーリング試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、耐ピーリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐ピーリング強度が、Ｎｏ.９の２．０倍以下（現用軸受鋼に浸炭窒化焼入を実施した試験片Ｎｏ．１０と同等以下）であるものも含まれる。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の２．２倍以上の寿命を有しており、比較例に比べてより高強度となる傾向が確認される。
【０１４３】
（６）スミアリング試験
Ｎｏ．１〜８の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、耐スミアリング強度が高くなっている。しかし、比較例においては、耐スミアリング強度が、Ｎｏ.１０の１．３倍以下であるものも含まれる（Ｎｏ.７、８）。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、いずれもＮｏ.９の１．６〜１．７倍の耐スミアリング強度を有しており、安定して高強度となっている。これは、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片を構成する鋼が高い耐熱性を有しているためであると考えられる。
【０１４４】
（７）リング圧壊試験
現用軸受鋼に浸炭窒化焼入を実施した試験片Ｎｏ．１０は、現用軸受鋼をずぶ焼入した試験片Ｎｏ．９に比べてリング圧壊強度が２０％低下している。これは、浸炭窒化の際に鋼中に水素が侵入したことに起因するものと考えられる。また、比較例であるＮｏ．５〜８の試験片も、浸炭窒化が実施されていることに起因して、リング圧壊強度が試験片Ｎｏ．９の０．７５〜０．９５倍となっている。これに対し、実施例であるＮｏ．１〜４の試験片では、浸炭窒化が実施されているにもかかわらず、試験片Ｎｏ．９と同等のリング圧壊強度が確保されている。
【０１４５】
（８）リング回転割れ疲労試験
Ｎｏ．１〜８および１０の試験片は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９の試験片に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ．５〜８の試験片は、Ｎｏ.９の１．６〜２．０倍となっている。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ．１〜４の試験片は、Ｎｏ.９の２．０〜２．５倍の寿命を有しており、比較例に比べてより長寿命となっている。
【０１４６】
（９）軸受寿命試験
Ｎｏ．１、２、６および８の軸受は、いずれも従来の構成を有するＮｏ.９およびＮｏ.１０の軸受に対して、長寿命となっている。しかし、比較例であるＮｏ．６および８の軸受は、６９時間〜７２時間で軌道輪に剥離が発生した。これに対し、本発明の実施例であるＮｏ.１および２の軸受は８５時間以上の寿命を有しており、いずれも軌道輪が剥離する前に、ＳＵＪ２からなり浸炭窒化が実施されたニードルころが先に剥離した。
【０１４７】
以上（１）〜（９）の試験結果より、本発明の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品は、従来の針状ころ軸受が備える針状ころ軸受部品に比べて、耐久性に優れていることが確認された。
【０１４８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべ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。この発明の範囲は上記した説明ではなくて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、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明の針状ころ軸受および針状ころは、転走面におけるすべりが大きく、高温に曝されるなどの苛酷な環境下においても使用される針状ころ軸受および針状ころに、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】実施の形態１における針状ころ軸受部品を備えたスラストニードルころ軸受の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１のスラストニードルころ軸受が備える軌道輪の概略部分断面図である。
【図３】図１のスラストニードルころ軸受が備えるニードルころの概略断面図である。
【図４】実施の形態１における針状ころ軸受部品および針状ころ軸受の製造方法の概略を示す流れ図である。
【図５】実施の形態１における針状ころ軸受部品の製造方法に含まれる熱処理工程を説明するための図である。
【図６】実施の形態２の針状ころ軸受部品を備えたラジアルニードルころ軸受の構成を示す概略図である。
【図７】φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図８】φ１２点接触試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【図９】サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略正面図である。
【図１０】サバン型摩耗試験機の主要部の構成を示す概略側面図である。
【図１１】超音波疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【図１２】２円筒型転動試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【図１３】リング圧壊試験の試験片の形状を示す概略断面図である。
【図１４】リング回転割れ疲労試験機の主要部の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１ スラストニードルころ軸受、２ ラジアルニードルころ軸受、１１ 軌道輪、１１Ａ 軌道輪転走面、１１Ｂ，１３Ｂ 高炭素含有層、１１Ｃ，１３Ｃ 内部、１３，２３ ニードルころ、１３Ａ ころ転走面、１４，２４ 保持器、２１ 外輪、２１Ａ 外輪転走面、２２ 内輪、２２Ａ 内輪転走面、３０ φ１２点接触試験機、３１ 転動疲労寿命試験片、３２ 駆動ローラ、３３ 案内ローラ、３４ 鋼球、４０ サバン型摩耗試験機、４１ 摩耗試験片、４２ 重錘、４３ ロードセル、４４ エアスライダ、４５ 相手材、４６ 潤滑油、５０ 超音波疲労試験機、５１ 超音波疲労試験片、５２ ホーン部、５３ 振動子、５４ 増幅器、５５ 制御装置、５６ すき間ゲージ、５７ オシロスコープ、６０ ２円筒型転動試験機、６１ 第１試験片（相手試験片）、６２ 第２試験片（試験片）、６３ 第１軸、６４ 第２軸、６５ 回転速度計、６６ スリップリング、７１ 圧壊試験片、７２ 荷重方向、８０ リング回転割れ疲労試験機、８１ リング回転割れ疲労試験片、８２ 駆動ローラ、８３ 負荷ローラ、８４ 案内ローラ、８５ パッド、８６ 給油ノズル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の軌道部材と、前記一対の軌道部材の間に配置される複数の針状ころとを備え、前記針状ころは、直径が５ｍｍ以下であり、長さが前記直径の３倍以上１０倍以下である針状ころ軸受であって、
前記軌道部材および前記針状ころのうち少なくともいずれか１つが、
０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成され、
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、
前記高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、
前記表層部における前記炭化物の面積率は、７％以上２０％以下であり、
前記表層部における炭素含有量は、前記内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、
前記表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である、針状ころ軸受。
【請求項２】
前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である、請求項１に記載の針状ころ軸受。
【請求項３】
前記鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である、請求項１または２に記載の針状ころ軸受。
【請求項４】
５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、前記表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の針状ころ軸受。
【請求項５】
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、７μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の針状ころ軸受。
【請求項６】
直径が５ｍｍ以下であって、長さが前記直径の３倍以上１０倍以下である針状ころであって、
０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成され、
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、
前記高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、
前記表層部における前記炭化物の面積率は、７％以上２０％以下であり、
前記表層部における炭素含有量は、前記内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、
前記表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である、針状ころ。
【請求項７】
前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である、請求項６に記載の針状ころ。
【請求項８】
前記鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である、請求項６または７に記載の針状ころ。
【請求項９】
５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、前記表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の針状ころ。
【請求項１０】
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、７μｍ以下である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の針状ころ。
【請求項１】
一対の軌道部材と、前記一対の軌道部材の間に配置される複数の針状ころとを備え、前記針状ころは、直径が５ｍｍ以下であり、長さが前記直径の３倍以上１０倍以下である針状ころ軸受であって、
前記軌道部材および前記針状ころのうち少なくともいずれか１つが、
０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成され、
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、
前記高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、
前記表層部における前記炭化物の面積率は、７％以上２０％以下であり、
前記表層部における炭素含有量は、前記内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、
前記表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である、針状ころ軸受。
【請求項２】
前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である、請求項１に記載の針状ころ軸受。
【請求項３】
前記鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である、請求項１または２に記載の針状ころ軸受。
【請求項４】
５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、前記表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の針状ころ軸受。
【請求項５】
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、７μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の針状ころ軸受。
【請求項６】
直径が５ｍｍ以下であって、長さが前記直径の３倍以上１０倍以下である針状ころであって、
０．７質量％以上１．１％質量％以下の炭素と、０．３質量％以上０．７質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．８質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上１．２質量％以下のニッケルと、１．３質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．１質量％以上０．７質量％以下のモリブデンと、０．２質量％以上０．４質量％以下のバナジウムとを含有し、残部鉄および不純物からなり、珪素の含有量とマンガンの含有量との和は１．０質量％以下であり、ニッケルの含有量とクロムの含有量との和は２．３質量％以上であり、クロムの含有量とモリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は３．０質量％以下である鋼から構成され、
表面を含む領域には、内部よりも炭素含有量の大きい高炭素含有層が形成され、
前記高炭素含有層の表層部の硬度は、７２５ＨＶ以上８００ＨＶ以下であり、
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、１０μｍ以下であり、
前記表層部における前記炭化物の面積率は、７％以上２０％以下であり、
前記表層部における炭素含有量は、前記内部の炭素含有量よりも０．２質量％以上０．４質量％以下だけ高く、
前記表層部における窒素含有量は、０．１質量％以上０．５質量％以下である、針状ころ。
【請求項７】
前記鋼において、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和は、クロムの含有量の半分以下である、請求項６に記載の針状ころ。
【請求項８】
前記鋼において、珪素の含有量は、モリブデンの含有量とバナジウムの含有量との和以下である、請求項６または７に記載の針状ころ。
【請求項９】
５００℃の温度に６０分間保持する処理が行なわれた場合の、前記表層部の硬度は、５５０ＨＶ以上である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の針状ころ。
【請求項１０】
前記表層部に分布する炭化物の最大粒径は、７μｍ以下である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の針状ころ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−５７５８９（Ｐ２００９−５７５８９Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２４３８５（Ｐ２００７−２２４３８５）
【出願日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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