JP2010248568A - Rolling bearing for use in hydrogen atmosphere - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rolling bearing which has long service life even when it is used in hydrogen atmosphere. <P>SOLUTION: In an inner ring 1 and an outer ring 2 of a deep groove ball bearing, the contents of carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum, sulfur, phosphorus and oxygen are within a predetermined range, respectively and the remainder is composed of iron and alloy steel which is an inevitable impurity. In addition, a structure change resistance value is ≥10. Furthermore, a hardening layer is formed in orbital planes 1a, 2a by performing quenching and tempering following carburizing treatment or carbonitriding treatment. The sum of carbon concentration and nitrogen concentration of the hardening layer is 0.5-1.5 mass%, the residual austenite amount is 20-45 vol.%. The surface hardness of the orbital planes 1a, 2a ia Hv 700-780, and hardness of a core part is Hv 550 or less. Compression residual stress in the peripheral direction at a depth position inside the orbital planes 1a, 2a by 100 μm is 100-500 MPa. The maximum peak height Rp of a rough curve in the axial directions of the orbital planes 1a, 2a is ≤0.2 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素雰囲気中で好適に使用される転がり軸受に関する。   The present invention relates to a rolling bearing preferably used in a hydrogen atmosphere.

通常、ガスコンプレッサに組み込まれた転がり軸受は、空気,窒素等の雰囲気中で使用される。よって、この転がり軸受の長寿命化の手法としては、高温環境下での寸法安定性や高速回転時の耐焼付き性の改善などが主なものであった。例えば、特許文献1には、高温焼戻しを施して鋼材の残留オーステナイト量を5質量%以下とした、寸法安定性に優れる転がり軸受が開示されている。   Usually, a rolling bearing incorporated in a gas compressor is used in an atmosphere such as air or nitrogen. Therefore, as a method for extending the life of the rolling bearing, mainly the dimensional stability under a high temperature environment and the improvement of the seizure resistance at the time of high speed rotation. For example, Patent Document 1 discloses a rolling bearing excellent in dimensional stability in which high-temperature tempering is performed and the amount of retained austenite of a steel material is 5% by mass or less.

また、腐食性のガス中で使用される転がり軸受は、優れた耐食性が必要とされる。例えば、特許文献2には、軌道輪がマルテンサイト系ステンレス鋼で構成され、転動体がセラミックスで構成された、耐食性及び耐焼付き性に優れる転がり軸受が開示されている。
一方、水素に対する転がり軸受の長寿命化の手法としては、軌道輪を構成する鋼のクロム含有量を多くする方法が従来から知られている(例えば特許文献3,4を参照)。この手法は、潤滑油の分解によって水素が発生することを考慮したものである。
Further, rolling bearings used in corrosive gas are required to have excellent corrosion resistance. For example, Patent Document 2 discloses a rolling bearing that is excellent in corrosion resistance and seizure resistance, in which a bearing ring is made of martensitic stainless steel and a rolling element is made of ceramics.
On the other hand, as a technique for extending the life of a rolling bearing against hydrogen, a method of increasing the chromium content of steel constituting the race is conventionally known (see, for example, Patent Documents 3 and 4). This method takes into consideration that hydrogen is generated by the decomposition of the lubricating oil.

特開2006−275131号公報JP 2006-275131 A 特開2004−11896号公報JP 2004-11896 A 特開2003−343577号公報JP 2003-343577 A 特開2005−264216号公報JP 2005-264216 A

近年、環境問題の観点から、水素を利用する技術(例えば燃料電池)の開発が進んでおり、水素ガスを圧縮するためのコンプレッサ(以降は水素ガスコンプレッサと記す)が必要とされている。水素ガスコンプレッサに組み込まれる転がり軸受は、水素雰囲気中で使用される場合があり、転がり軸受を構成する鋼中に水素が侵入しやすい。鋼中に水素が侵入すると、転がり接触によって鋼の内部に作用する剪断応力と水素との相互作用により、鋼のマルテンサイト組織に白色組織と呼ばれる組織への変化が生じ、転がり軸受の寿命が著しく低下するおそれがある。   In recent years, from the viewpoint of environmental problems, development of technology using hydrogen (for example, a fuel cell) has progressed, and a compressor (hereinafter referred to as a hydrogen gas compressor) for compressing hydrogen gas is required. A rolling bearing incorporated in a hydrogen gas compressor may be used in a hydrogen atmosphere, and hydrogen is likely to enter the steel constituting the rolling bearing. When hydrogen intrudes into steel, the shear stress acting on the inside of the steel due to rolling contact with hydrogen causes a change in the martensitic structure of the steel into a structure called a white structure, which significantly increases the life of the rolling bearing. May decrease.

また、水素ガスコンプレッサには、自動調心ころ軸受や比較的大型の玉軸受が使用される場合が多いが、これらのタイプの転がり軸受は、転動体と軌道輪との間に発生する滑りの量が多く、摩耗損傷が発生しやすい。通常は金属表面には酸化膜が形成されており、酸化膜によって摩耗損傷が生じにくくなっているが、水素雰囲気中では酸素がなく金属表面に酸化膜が形成しにくいため、摩耗損傷が発生しやすい。さらに、一旦摩耗が生じると、摩耗面は化学的に活性であるので、鋼中への水素の侵入が起こりやすく、上記の組織変化が加速する。   Spherical roller bearings and relatively large ball bearings are often used for hydrogen gas compressors, but these types of rolling bearings are free from slippage between the rolling elements and the race. The amount is large and wear damage is likely to occur. Normally, an oxide film is formed on the metal surface, and the oxide film makes it difficult for wear damage to occur.However, since there is no oxygen in a hydrogen atmosphere and it is difficult to form an oxide film on the metal surface, wear damage occurs. Cheap. In addition, once wear occurs, the wear surface is chemically active, so hydrogen tends to enter the steel, and the above structural change is accelerated.

さらに、白色組織の生成や摩耗損傷によって微小な亀裂が発生すると、亀裂の先端で水素による水素脆化が生じるため、亀裂の進展が容易になる。通常、転がり軸受に発生する亀裂は転がり方向に対して平行に進展して、軌道面が薄く剥がれる剥離を引き起こすが、水素によって亀裂の進展が容易になると、転がり方向に対して垂直な方向、すなわち深さ方向に亀裂が進展する場合がある。亀裂が深さ方向に進展すると、転がり軸受の割損が生じるおそれがある。   Further, when a minute crack is generated due to generation of a white structure or wear damage, hydrogen embrittlement due to hydrogen occurs at the tip of the crack, so that the progress of the crack is facilitated. Normally, a crack generated in a rolling bearing propagates in parallel to the rolling direction and causes separation where the raceway surface is peeled thinly.However, when the crack progresses easily by hydrogen, a direction perpendicular to the rolling direction, that is, a direction perpendicular to the rolling direction, that is, Cracks may develop in the depth direction. If the crack propagates in the depth direction, the rolling bearing may be damaged.

これらのことから、水素ガスコンプレッサに組み込まれる転がり軸受は、鋼中に侵入する水素による前記組織変化に対する対策、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策、及び深さ方向への亀裂の進展に対する対策の3つを兼ね備える必要がある。
しかしながら、特許文献1に開示された転がり軸受は、水素雰囲気中での使用が想定されていないため、上記3つの対策はいずれもなされていなかった。
From these facts, the rolling bearing incorporated in the hydrogen gas compressor is a countermeasure against the structural change due to hydrogen penetrating into steel, a countermeasure against wear damage in a hydrogen atmosphere, and a countermeasure against the progress of cracks in the depth direction. It is necessary to combine three.
However, since the rolling bearing disclosed in Patent Document 1 is not assumed to be used in a hydrogen atmosphere, none of the above three measures has been taken.

また、特許文献2に開示された転がり軸受は、軌道輪がステンレス鋼で構成されているため、鋼中に侵入する水素による前記組織変化に対する対策はなされており、前記組織変化に対する抵抗力が高く、前記組織変化が生じにくくなっているものの、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策及び深さ方向への亀裂の進展に対する対策はいずれもなされていなかった。   In addition, since the rolling bearing disclosed in Patent Document 2 has a raceway made of stainless steel, measures against the structural change due to hydrogen entering the steel are taken, and the resistance to the structural change is high. Although the structure change is less likely to occur, neither a countermeasure against wear damage in a hydrogen atmosphere nor a countermeasure against the progress of cracks in the depth direction has been taken.

さらに、特許文献3,4に開示された転がり軸受は、潤滑油の分解によって発生する微量の水素が鋼中に侵入することを想定しているため、水素雰囲気中で転がり軸受が使用されるというような過酷な環境下では、前記組織変化に対する抵抗力が不十分であった。また、水素雰囲気中での摩耗損傷に対する対策及び深さ方向への亀裂の進展に対する対策も十分ではなかった。   Furthermore, since the rolling bearing disclosed in Patent Documents 3 and 4 assumes that a small amount of hydrogen generated by the decomposition of the lubricating oil enters the steel, the rolling bearing is used in a hydrogen atmosphere. Under such a harsh environment, the resistance to the tissue change was insufficient. In addition, measures against wear damage in a hydrogen atmosphere and measures against crack propagation in the depth direction have not been sufficient.

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷や深さ方向への亀裂の進展が生じにくく長寿命な転がり軸受を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention solves the problems of the prior art as described above, and is resistant to wear damage and cracks in the depth direction in addition to being less likely to change to a white structure even when used in a hydrogen atmosphere. It is an object of the present invention to provide a rolling bearing that does not easily develop and has a long life.

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受は、軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、水素雰囲気中で使用される転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が下記の9つの条件を満足することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, the rolling bearing for a hydrogen atmosphere according to the present invention includes an inner ring having a raceway surface, an outer ring having a raceway surface facing the raceway surface of the inner ring, and a plurality of rolling rings arranged between the raceway surfaces. A rolling bearing comprising a rolling element and used in a hydrogen atmosphere, wherein at least one of the inner ring and the outer ring satisfies the following nine conditions.

条件1:炭素の含有量が0.15質量%以上0.3質量%以下、ケイ素の含有量が0.2質量%以上1質量%以下、マンガンの含有量が0.2質量%以上1.2質量%以下、クロムの含有量が6.5質量%以上9.5質量%以下、モリブデンの含有量が1質量%以下、イオウの含有量が0.02質量%以下、リンの含有量が0.02質量%以下、酸素の含有量が12質量ppm以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている。   Condition 1: Carbon content is 0.15 mass% or more and 0.3 mass% or less, silicon content is 0.2 mass% or more and 1 mass% or less, and manganese content is 0.2 mass% or more. 2 mass% or less, chromium content is 6.5 mass% or more and 9.5 mass% or less, molybdenum content is 1 mass% or less, sulfur content is 0.02 mass% or less, and phosphorus content is The alloy steel is 0.02 mass% or less, the oxygen content is 12 mass ppm or less, and the balance is iron and inevitable impurities.

条件2:前記ケイ素の含有量をSi%、前記マンガンの含有量をMn%、前記クロムの含有量をCr%、前記モリブデンの含有量をMo%とし、2.5×Si%+1.5×Mn%+Cr%+3×Mo%なる式で算出される組織変化抵抗値が10以上である。
条件3:浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて焼入れ及び焼戻しが施されることにより、前記軌道面に硬化層が形成されている。
Condition 2: The content of silicon is Si%, the content of manganese is Mn%, the content of chromium is Cr%, the content of molybdenum is Mo%, 2.5 × Si% + 1.5 × The structure change resistance value calculated by the formula of Mn% + Cr% + 3 × Mo% is 10 or more.
Condition 3: A hardened layer is formed on the raceway surface by performing quenching and tempering after carburizing or carbonitriding.

条件4:前記硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が0.9質量%以上1.5質量%以下である。
条件5:前記硬化層の残留オーステナイト量が20体積%以上45体積%以下である。 条件6:前記軌道面の表面硬さがHv700以上780以下である。
条件7:前記硬化層の内側の芯部の硬さがHv550以下である。
Condition 4: The sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer is 0.9% by mass or more and 1.5% by mass or less.
Condition 5: The amount of retained austenite of the hardened layer is 20% by volume or more and 45% by volume or less. Condition 6: The surface hardness of the raceway surface is Hv 700 or higher and 780 or lower.
Condition 7: The hardness of the core part inside the hardened layer is Hv550 or less.

条件8:前記軌道面から100μm内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力が100MPa以上500MPa以下である。
条件9:前記軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さRpが0.2μm以下である。
本発明の水素雰囲気用転がり軸受は、内輪及び外輪の少なくとも一方が、鋼中での水素の拡散を抑制する元素であるケイ素,マンガン,クロム,及びモリブデンを含有する合金鋼で構成されているため、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくい。また、前記合金鋼中の不純物元素(イオウ,リン,酸素)の含有量、前記軌道面付近の圧縮残留応力、及び前記芯部の硬さが好適値に規定されているため、深さ方向への亀裂の進展が生じにくい。さらに、軌道面の軸方向に沿う粗さ曲線の最大山高さRpが0.2μm以下であるため、金属接触による摩耗が生じにくく、化学的に活性な新生面が生成しにくい。そのため、摩耗損傷が生じにくいことに加えて、鋼中への水素の侵入も抑制される。よって、本発明の水素雰囲気用転がり軸受は、水素雰囲気中で使用されても長寿命である。
Condition 8: The compressive residual stress in the circumferential direction at a depth position inside 100 μm from the raceway surface is 100 MPa or more and 500 MPa or less.
Condition 9: The maximum peak height Rp of the roughness curve in the axial direction of the raceway surface is 0.2 μm or less.
In the rolling bearing for hydrogen atmosphere of the present invention, at least one of the inner ring and the outer ring is made of alloy steel containing silicon, manganese, chromium, and molybdenum, which are elements that suppress the diffusion of hydrogen in steel. Even if it is used in a hydrogen atmosphere, it does not easily change to a white structure. Further, since the content of impurity elements (sulfur, phosphorus, oxygen) in the alloy steel, the compressive residual stress in the vicinity of the raceway surface, and the hardness of the core portion are defined as suitable values, in the depth direction It is difficult for cracks to develop. Furthermore, since the maximum peak height Rp of the roughness curve along the axial direction of the raceway surface is 0.2 μm or less, wear due to metal contact hardly occurs, and a chemically active new surface is hardly generated. Therefore, in addition to being hard to cause wear damage, the penetration of hydrogen into the steel is also suppressed. Therefore, the rolling bearing for hydrogen atmosphere of the present invention has a long life even when used in a hydrogen atmosphere.

本発明の水素雰囲気用転がり軸受においては、前記転動体が、クロムの含有量が5質量%以上18質量%以下の鋼で構成されていることが好ましい。また、前記転動体がセラミックスで構成されていることが好ましい。
以下に、本発明における内輪,外輪,転動体,合金鋼等に関する前記各数値(合金鋼に含有される各合金成分の含有量等)の臨界的意義について説明する。
In the rolling bearing for a hydrogen atmosphere of the present invention, it is preferable that the rolling element is made of steel having a chromium content of 5 mass% to 18 mass%. Moreover, it is preferable that the said rolling element is comprised with ceramics.
Below, the critical significance of each numerical value (content of each alloy component contained in the alloy steel, etc.) relating to the inner ring, outer ring, rolling element, alloy steel, etc. in the present invention will be described.

〔炭素の含有量について〕
炭素(C)は、焼入れによって基地に固溶し、転がり軸受として要求される硬さを得るための元素である。また、他の合金元素と結合して合金鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用も有する。炭素の含有量が0.15質量%未満であると、浸炭処理や浸炭窒化処理において表面の炭素濃度を十分に向上させるために長時間を要するおそれがある。また、芯部の炭素含有量が低すぎて芯部の強度が不十分となる場合がある。一方、炭素の含有量が0.3質量%を超えると、芯部の靱性が不十分となり、深さ方向への亀裂の進展により転がり軸受の割損が生じやすくなるおそれがある。
[Carbon content]
Carbon (C) is an element for obtaining a hardness required as a rolling bearing by solid solution in the base by quenching. Moreover, it has the effect | action which combines with another alloy element and forms hard carbide | carbonized_material in alloy steel, and improves abrasion resistance. If the carbon content is less than 0.15% by mass, it may take a long time to sufficiently improve the carbon concentration on the surface in the carburizing process or the carbonitriding process. Moreover, the carbon content of the core part may be too low and the strength of the core part may be insufficient. On the other hand, if the carbon content exceeds 0.3% by mass, the toughness of the core portion becomes insufficient, and the rolling bearing may be easily broken due to the progress of cracks in the depth direction.

〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素(Si)は、基地に固溶して、焼入れ性を向上させるとともに焼戻し軟化抵抗性を向上させる元素である。また、基地組織を安定化させて、水素の侵入による組織変化を抑制し、転がり寿命の低下を抑制する作用も有する。ケイ素の含有量が0.2質量%未満であると、これらの作用が十分に得られないおそれがある。一方、ケイ素の含有量が1質量%を超えると、浸炭処理又は浸炭窒化処理の際に炭素の侵入を阻害するため、耐転がり疲労性に必要な軌道面の表面硬さが不十分となるおそれがある。なお、合金鋼の品質の安定性を考慮すると、ケイ素の含有量は0.6質量%以上0.8質量%以下であることが好ましい。
[About silicon content]
Silicon (Si) is an element that dissolves in the matrix to improve hardenability and improve temper softening resistance. In addition, it stabilizes the base structure, suppresses changes in the structure due to the penetration of hydrogen, and has an effect of suppressing a decrease in rolling life. If the silicon content is less than 0.2% by mass, these effects may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the silicon content exceeds 1% by mass, carbon intrusion is inhibited during carburizing or carbonitriding, and the surface hardness of the raceway surface required for rolling fatigue resistance may be insufficient. There is. In consideration of the stability of the quality of the alloy steel, the silicon content is preferably 0.6% by mass or more and 0.8% by mass or less.

〔マンガンの含有量について〕
マンガン(Mn)は、基地に固溶して、焼入れ性を向上させる元素である。また、本発明において重要な表面の残留オーステナイトの形成を助ける作用も有する。さらに、置換型元素として基地に固溶して基地組織を安定化することによって、水素による前記組織変化を抑制し、転がり寿命の低下を抑制する作用を有している。
[About manganese content]
Manganese (Mn) is an element that dissolves in the matrix and improves hardenability. It also has an effect of assisting formation of retained austenite on the surface, which is important in the present invention. Furthermore, by solid-dissolving in the base as a substitutional element and stabilizing the base structure, the structure change due to hydrogen is suppressed, and the rolling life is reduced.

マンガンの含有量が0.2質量%未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、マンガンの含有量が1.2質量%を超えると、焼入後の残留オーステナイト量が多くなり過ぎて、転がり軸受として必要な硬さが得られないおそれがある。なお、合金鋼の品質の安定性を考慮すると、マンガンの含有量は0.6質量%以上1質量%以下であることが好ましい。   There exists a possibility that said effect | action may become inadequate that content of manganese is less than 0.2 mass%. On the other hand, if the manganese content exceeds 1.2% by mass, the amount of retained austenite after quenching increases so that the hardness necessary for a rolling bearing may not be obtained. In consideration of the stability of the quality of the alloy steel, the manganese content is preferably 0.6% by mass or more and 1% by mass or less.

〔クロムの含有量について〕
クロム(Cr)は、基地に固溶して、焼入れ性,耐食性等を向上させるとともに、炭素と結合して合金鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、本発明において重要な白色組織への組織変化に対する抵抗力を向上させる作用も有する。すなわち、クロムは、水素が合金鋼中に侵入する速度を低下させる作用を有する。さらに、水素が侵入しても基地組織を安定化させることによって、水素による転がり寿命の低下を抑制する作用を有する。クロムの含有量が6.5質量%未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、クロムの含有量が9.5質量%を超えると、浸炭処理又は浸炭窒化処理の際に炭素の侵入を阻害するため、耐転がり疲労性に必要な軌道面の表面硬さが不十分となるおそれがある。
[Chromium content]
Chromium (Cr) is an element that dissolves in the base and improves hardenability, corrosion resistance, etc., and combines with carbon to form hard carbides in the alloy steel, thereby improving wear resistance. Moreover, it also has the effect | action which improves the resistance with respect to the structure | tissue change to the white structure | tissue important in this invention. That is, chromium has a function of reducing the rate at which hydrogen enters the alloy steel. Furthermore, even if hydrogen invades, it stabilizes the base tissue, thereby suppressing the rolling life due to hydrogen. There exists a possibility that said effect | action may become inadequate that content of chromium is less than 6.5 mass%. On the other hand, if the chromium content exceeds 9.5% by mass, carbon intrusion is inhibited during the carburizing or carbonitriding process, so that the surface hardness of the raceway surface necessary for rolling fatigue resistance is insufficient. There is a risk.

〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン(Mo)は、基地に固溶して、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。また、合金鋼中に硬い炭化物を形成して、耐摩耗性及び転がり寿命を向上させる作用を有する。さらに、クロムと同様に、水素が合金鋼中に侵入する速度を低下させる作用を有する。さらに、水素が侵入しても基地組織を安定化させることによって、水素の侵入による組織変化を抑制し、水素による転がり寿命の低下を抑制する作用を有する。モリブデンの含有量が1質量%を超えると、冷間加工性及び被削性が不十分となるおそれがあるとともに、コストも増加する。なお、合金鋼の品質の安定性を考慮すると、モリブデンの含有量は0.2質量%以上0.6質量%以下であることが好ましい。
[Molybdenum content]
Molybdenum (Mo) has the effect | action which dissolves in a base | substrate and improves hardenability and temper softening resistance. Moreover, it has the effect | action which forms a hard carbide | carbonized_material in alloy steel and improves abrasion resistance and a rolling life. Furthermore, like chromium, it has the effect of reducing the rate at which hydrogen enters the alloy steel. Furthermore, even if hydrogen invades, it stabilizes the base tissue, thereby suppressing the change in structure due to the invasion of hydrogen and suppressing the decrease in rolling life due to hydrogen. If the molybdenum content exceeds 1% by mass, the cold workability and machinability may be insufficient, and the cost increases. In consideration of the stability of the quality of the alloy steel, the molybdenum content is preferably 0.2% by mass or more and 0.6% by mass or less.

〔イオウの含有量について〕
イオウ(S)は硫化マンガン(MnS)を形成して介在物として作用するため、合金鋼中のイオウの含有量は少ない方が好ましい。また、イオウは結晶粒界に偏析して、水素が侵入した際に粒界割れを生じやすくし、靱性を低下させるため、深さ方向への亀裂の進展が容易となるおそれがある。イオウの含有量が0.02質量%を超えると、靱性の低下が著しくなるおそれがある。
[Sulfur content]
Since sulfur (S) forms manganese sulfide (MnS) and acts as an inclusion, it is preferable that the content of sulfur in the alloy steel is small. In addition, sulfur segregates at the crystal grain boundary and easily causes grain boundary cracking when hydrogen penetrates and lowers the toughness, so that there is a risk that the crack progresses in the depth direction. If the sulfur content exceeds 0.02 mass%, the toughness may be significantly lowered.

〔リンの含有量について〕
リン(P)は結晶粒界に偏析して、水素が侵入した際に粒界割れを生じやすくし、靱性を低下させるため、深さ方向への亀裂の進展が容易となるおそれがある。リンの含有量が0.02質量%を超えると、靱性の低下が著しくなるおそれがある。
〔酸素の含有量について〕
酸素(O)は、転がり寿命に悪影響を及ぼす酸化物系の非金属介在物(例えばAl2 3 )を形成するため、合金鋼中の含有量は少ない方が好ましい。酸素の含有量が12質量ppmを超えると、転がり寿命が著しく低下するおそれがある。
[About phosphorus content]
Phosphorus (P) segregates at the grain boundaries, and when hydrogen penetrates, it easily causes grain boundary cracks and lowers toughness. Therefore, there is a possibility that the cracks progress easily in the depth direction. If the phosphorus content exceeds 0.02% by mass, the toughness may be significantly lowered.
[Oxygen content]
Since oxygen (O) forms oxide-based non-metallic inclusions (for example, Al 2 O 3 ) that adversely affect the rolling life, it is preferable that the content in the alloy steel is small. When the oxygen content exceeds 12 ppm by mass, the rolling life may be significantly reduced.

〔組織変化抵抗値について〕
ケイ素,マンガン,クロム,及びモリブデンは、置換型元素として金属組織の基地に固溶して金属組織を強化することによって、水素による前記組織変化を抑制する作用を有している。また、上記4つの元素の一部は合金鋼中の炭素と炭化物又は炭窒化物を形成するが、これらの炭化物及び炭窒化物は水素を強くトラップするので、合金鋼中の水素が応力集中部に集積することが抑制されて、水素の侵入による白色組織への組織変化が抑制される。
[About tissue change resistance]
Silicon, manganese, chromium, and molybdenum have a function of suppressing the change in structure caused by hydrogen by strengthening the metal structure by forming a solid solution in the base of the metal structure as a substitutional element. Some of the above four elements form carbides or carbonitrides with carbon in the alloy steel. These carbides and carbonitrides strongly trap hydrogen, so that the hydrogen in the alloy steel is stress-concentrated. Accumulation in the water is suppressed, and a tissue change to a white tissue due to the penetration of hydrogen is suppressed.

これらの作用の強さは各合金元素によって異なり、合金鋼の前記組織変化に対する抵抗力は、2.5×Si%+1.5×Mn%+Cr%+3×Mo%なる式で算出される組織変化抵抗値で規定することができる。この組織変化抵抗値が10以上であれば、水素雰囲気中で転がり軸受が使用されても前記組織変化が抑制されるため、転がり軸受の転がり寿命の低下が抑制される。   The strength of these actions varies depending on each alloy element, and the resistance of the alloy steel to the structural change is a structural change calculated by the formula 2.5 × Si% + 1.5 × Mn% + Cr% + 3 × Mo%. It can be defined by a resistance value. If this structure change resistance value is 10 or more, even if a rolling bearing is used in a hydrogen atmosphere, the structure change is suppressed, so that a reduction in the rolling life of the rolling bearing is suppressed.

組織変化抵抗値を10以上とすれば転がり軸受の転がり寿命は水素雰囲気中でも長寿命であるが、組織変化抵抗値を13以上とすれば、高面圧,高回転速度,高水素圧等の厳しい水素雰囲気中においても前記組織変化が抑制されるため、転がり軸受の転がり寿命の低下が抑制される。なお、各合金元素の臨界値に関する前述の理由により、組織変化抵抗値は16.8以下であることが好ましい。   If the structure change resistance value is 10 or more, the rolling life of the rolling bearing is long in a hydrogen atmosphere, but if the structure change resistance value is 13 or more, high surface pressure, high rotation speed, high hydrogen pressure, etc. are severe. Since the structure change is suppressed even in a hydrogen atmosphere, a reduction in the rolling life of the rolling bearing is suppressed. In addition, it is preferable that a structure | tissue change resistance value is 16.8 or less for the reason mentioned above regarding the critical value of each alloy element.

〔浸炭処理,浸炭窒化処理について〕
内輪,外輪を製造する際には、例えば、熱間鍛造,旋削加工等により素材を所定の形状に加工して、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後に、焼入れ及び焼戻しを施し、さらに研削加工を施して仕上げる。本発明において用いられる合金鋼は比較的高合金であるため、浸炭処理,浸炭窒化処理を施した際に、炭素や窒素が合金鋼中に侵入しにくい傾向がある。したがって、浸炭処理,浸炭窒化処理を施す前に、前処理として予備酸化処理を行い、緻密でない酸化膜を表面に形成した後に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施すことが好ましい。この予備酸化処理は、酸素が存在する雰囲気中において800℃以上1000℃以下で0.5時間以上1時間以下保持することによって行うことが好ましい。
[About carburizing and carbonitriding]
When manufacturing the inner ring and outer ring, for example, the material is processed into a predetermined shape by hot forging, turning, etc., carburized or carbonitrided, then quenched and tempered, and further subjected to grinding To finish. Since the alloy steel used in the present invention is a relatively high alloy, carbon and nitrogen tend to hardly enter the alloy steel when carburizing and carbonitriding are performed. Therefore, it is preferable to perform a pre-oxidation process as a pre-process before performing the carburizing process or the carbonitriding process, and then performing a carburizing process or a carbonitriding process after forming a non-dense oxide film on the surface. This pre-oxidation treatment is preferably carried out by holding at 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower for 0.5 hour or longer and 1 hour or shorter in an oxygen-existing atmosphere.

〔硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和について〕
硬化層の炭素と窒素は、転がり軸受に必要な軌道面の表面硬さを付与し、摩耗損傷を抑制する作用と、表面の残留オーステナイト量を増加させて水素の拡散速度を低下させ、前記組織変化を抑制する作用とを有している。硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が0.9質量%未満であると、軌道面の表面硬さと硬化層の残留オーステナイト量とが不十分となるおそれがある。一方、1.5質量%を超えると、表面にネット状の炭化物が形成して靱性が低下するおそれがある。品質の安定性を考慮すると、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は1質量%以上1.2質量%以下であることが好ましい。
[About the sum of carbon concentration and nitrogen concentration in the hardened layer]
Carbon and nitrogen in the hardened layer give the surface hardness of the raceway surface necessary for rolling bearings, suppress wear damage, increase the amount of retained austenite on the surface, decrease the hydrogen diffusion rate, and the structure It has the effect | action which suppresses a change. If the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration in the hardened layer is less than 0.9% by mass, the surface hardness of the raceway surface and the amount of retained austenite in the hardened layer may be insufficient. On the other hand, when it exceeds 1.5 mass%, a net-like carbide may be formed on the surface and the toughness may be lowered. Considering the stability of quality, the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration in the cured layer is preferably 1% by mass or more and 1.2% by mass or less.

ただし、本発明において用いられる合金鋼は、前述したように組織変化抵抗値が高いので、炭化物や炭窒化物を形成しやすい傾向にある。よって、通常の浸炭鋼と同じ条件で浸炭処理,浸炭窒化処理を行った場合には、極表面において炭素,窒素が炭化物,炭窒化物を形成するため、内部に炭素,窒素が拡散しにくい。そのため、浸炭処理,浸炭窒化処理を施す際には、雰囲気中の炭素ポテンシャルや窒素ポテンシャルを低くして、表面の炭素濃度と窒素濃度との和を制御することが好ましい。   However, since the alloy steel used in the present invention has a high structure change resistance value as described above, it tends to form carbides and carbonitrides. Therefore, when carburizing and carbonitriding are performed under the same conditions as normal carburized steel, carbon and nitrogen form carbides and carbonitrides on the extreme surface, so that carbon and nitrogen are difficult to diffuse inside. Therefore, when performing carburizing and carbonitriding, it is preferable to control the sum of the carbon concentration and nitrogen concentration on the surface by lowering the carbon potential and nitrogen potential in the atmosphere.

〔硬化層の残留オーステナイト量について〕
硬化層の残留オーステナイト量は、合金鋼の合金成分及び熱処理条件(浸炭処理,浸炭窒化処理,焼入れ,及び焼戻しの条件)によって制御することができる。
残留オーステナイトは、マルテンサイト中に細かく分散しており、軌道面から合金鋼中に侵入した水素を強くトラップして、水素の拡散速度を著しく低下させる作用を有している。この作用により、水素が局所的に濃化することが抑制され、前記組織変化が遅延される。
[Amount of retained austenite in the hardened layer]
The amount of retained austenite in the hardened layer can be controlled by the alloy components of the alloy steel and the heat treatment conditions (the conditions for carburizing, carbonitriding, quenching, and tempering).
Residual austenite is finely dispersed in martensite, and has a function of remarkably reducing the hydrogen diffusion rate by strongly trapping hydrogen that has entered the alloy steel from the raceway surface. This action suppresses the local concentration of hydrogen and delays the tissue change.

硬化層の残留オーステナイト量が20体積%未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、45体積%超過であると、表面硬さが不十分となり転がり寿命が低下るおそれがある。品質の安定性を考慮すると、硬化層の残留オーステナイト量は25体積%以上35%体積以下であることが好ましい。   There exists a possibility that said effect | action may become inadequate that the amount of retained austenites of a hardened layer is less than 20 volume%. On the other hand, if it exceeds 45% by volume, the surface hardness becomes insufficient and the rolling life may be reduced. Considering the stability of quality, the amount of retained austenite in the cured layer is preferably 25% by volume or more and 35% or less by volume.

〔軌道面の表面硬さHvについて〕
軌道面の表面硬さは、転がり軸受の転がり寿命に影響を及ぼす因子であり、Hv700未満であると、転がり軸受の転がり寿命が不十分となるおそれがある。一方、軌道面の表面硬さがHv780超過であると、水素の侵入による強度低下が生じやすくなるおそれがある。なお、最表面の硬さの測定は困難であるため、最表面から100μm内側の深さ位置の硬さを測定し、本発明においてはこれを表面硬さとする。この表面硬さの測定の際には、軌道輪を切断して、切断面における前記深さ位置の硬さを測定する。
[About surface hardness Hv of raceway]
The surface hardness of the raceway surface is a factor that affects the rolling life of the rolling bearing, and if it is less than Hv700, the rolling life of the rolling bearing may be insufficient. On the other hand, if the surface hardness of the raceway surface is more than Hv780, there is a risk that the strength is reduced due to the penetration of hydrogen. In addition, since it is difficult to measure the hardness of the outermost surface, the hardness at the depth position inside 100 μm from the outermost surface is measured, and in the present invention, this is the surface hardness. When measuring the surface hardness, the race is cut and the hardness at the depth position on the cut surface is measured.

〔芯部の硬さについて〕
芯部の硬さは、水素の侵入による深さ方向への亀裂の進展に対して影響を及ぼす因子である。芯部の硬さを低くすることにより、水素の侵入による強度低下が生じにくくなる。また、芯部の硬さを低くすることにより破壊靱性値が大きくなるため、深さ方向への亀裂の進展が生じにくくなる。芯部の硬さHvが550超過であると、上記のような作用が不十分となるおそれがある。
[About the hardness of the core]
The hardness of the core is a factor that affects the progress of cracks in the depth direction due to the penetration of hydrogen. By reducing the hardness of the core, it is difficult for the strength to decrease due to the penetration of hydrogen. Moreover, since the fracture toughness value is increased by lowering the hardness of the core portion, it is difficult for cracks to progress in the depth direction. When the hardness Hv of the core part is more than 550, the above action may be insufficient.

〔圧縮残留応力について〕
周方向の圧縮残留応力は、深さ方向に延びる亀裂の先端を閉じる方向に作用しているため、深さ方向への亀裂の進展を抑制し、転がり軸受の割損を抑制する作用を有する。軌道面には研削加工による圧縮残留応力が付与されているが、軌道面の極表面のみに付与されているため、深さ方向への亀裂の進展を抑制する作用はほとんどない。よって、軌道面から100μm内側の深さ位置に付与されている周方向の圧縮残留応力を規定する必要がある。
[Compressive residual stress]
Since the compressive residual stress in the circumferential direction acts in the direction of closing the tip of the crack extending in the depth direction, the circumferential compressive residual stress has the effect of suppressing the progress of the crack in the depth direction and the cracking of the rolling bearing. Although the compressive residual stress by grinding is given to the raceway surface, since it is given only to the pole surface of the raceway surface, there is almost no action of suppressing the progress of cracks in the depth direction. Therefore, it is necessary to define the circumferential compressive residual stress applied to the depth position 100 μm inside from the raceway surface.

軌道面から100μm内側の深さ位置に付与されている周方向の圧縮残留応力が100MPa未満であると、深さ方向への亀裂の進展が十分に抑制されないおそれがある。一方、周方向の圧縮残留応力が500MPa超過であると、圧縮残留応力とバランスするために軌道輪の内部に発生する引張残留応力が大きくなるので、深さ方向への亀裂の進展が加速される場合がある。   If the circumferential compressive residual stress applied to the depth position 100 μm inside from the raceway surface is less than 100 MPa, the progress of cracks in the depth direction may not be sufficiently suppressed. On the other hand, if the circumferential compressive residual stress exceeds 500 MPa, the tensile residual stress generated inside the bearing ring increases in order to balance the compressive residual stress, so that the crack progress in the depth direction is accelerated. There is a case.

〔軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さRpについて〕
軌道面に突起がある場合には、軌道面と転動体の転動面との間で金属接触が生じやすくなる。水素雰囲気中で金属接触が起こると、酸化膜が形成されにくいため、金属接触が生じた部分は化学的に活性な新生面となり、凝着摩耗が生じやすくなる。また、新生面からは合金鋼中に水素が侵入しやすいため、前記組織変化の発生も加速される。通常、表面粗さの管理には算術平均粗さRaが用いられるが、水素雰囲気中での摩耗損傷の生じやすさと算術平均粗さRaとの間には高い相関性がない。
[About the maximum peak height Rp of the axial roughness curve of the raceway surface]
When there are protrusions on the raceway surface, metal contact is likely to occur between the raceway surface and the rolling surface of the rolling element. When metal contact occurs in a hydrogen atmosphere, an oxide film is difficult to be formed. Therefore, the portion where the metal contact occurs becomes a chemically active new surface, and adhesion wear tends to occur. Further, since hydrogen easily enters the alloy steel from the new surface, the occurrence of the structural change is accelerated. In general, the arithmetic average roughness Ra is used for managing the surface roughness, but there is no high correlation between the likelihood of wear damage in the hydrogen atmosphere and the arithmetic average roughness Ra.

本発明者らは、鋭意検討の結果、軌道面の突起の高さを表す粗さ曲線の最大山高さRpを制御することが、水素雰囲気中での摩耗損傷を抑制することに有効であることを見出した。そして、軌道面の軸方向に沿う粗さ曲線の最大山高さRpが0.2μm超過であると、突起部で金属接触が発生し、軌道面の凝着摩耗及び合金鋼中への水素の侵入が生じやすいことを見出した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that controlling the maximum peak height Rp of the roughness curve representing the height of the protrusion on the raceway surface is effective in suppressing wear damage in a hydrogen atmosphere. I found. If the maximum peak height Rp of the roughness curve along the axial direction of the raceway surface is more than 0.2 μm, metal contact occurs at the protrusions, adhesion wear of the raceway surface, and hydrogen penetration into the alloy steel. We found that is easy to occur.

本発明において用いられる合金鋼は、組織変化抵抗値が高いため、ケイ素,マンガン,クロム,及びモリブデンが硬い炭化物又は炭窒化物を形成する。これらの硬い炭化物及び炭窒化物は研削性を阻害するので、通常の軸受鋼よりも粗さ曲線の最大山高さRpが大きくなりやすい。したがって、粗さ曲線の最大山高さRpを0.2μm以下とするためには、研削加工の際に用いる砥石の種類,切り込み速度,及び周速を好適に選択する必要がある。なお、軌道輪の生産性やコストの面を考慮すると、粗さ曲線の最大山高さRpは0.1μm以上0.2μm以下とすることがより好ましい。   Since the alloy steel used in the present invention has a high structure change resistance value, silicon, manganese, chromium, and molybdenum form a hard carbide or carbonitride. Since these hard carbides and carbonitrides impair grindability, the maximum peak height Rp of the roughness curve tends to be larger than that of ordinary bearing steel. Therefore, in order to set the maximum peak height Rp of the roughness curve to 0.2 μm or less, it is necessary to suitably select the type of grindstone, the cutting speed, and the peripheral speed used in the grinding process. In consideration of the productivity and cost of the bearing rings, the maximum peak height Rp of the roughness curve is more preferably 0.1 μm or more and 0.2 μm or less.

〔転動体を構成する素材について〕
転動体は軌道輪と比べて損傷を受けにくいので、一般的な転がり軸受の転動体を構成する素材である軸受鋼や、軸受鋼に浸炭窒化処理を施したものや、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した肌焼鋼を、本発明における転動体を構成する素材として問題なく採用することができる。
[Materials that make up rolling elements]
Since rolling elements are less susceptible to damage than bearing rings, bearing steel, which is a material constituting rolling elements of general rolling bearings, bearing steel that has been subjected to carbonitriding, carburizing or carbonitriding The case-hardened steel subjected to the above can be employed without any problem as a material constituting the rolling element in the present invention.

ただし、水素圧がより高い厳しい水素雰囲気中で使用される場合、軌道輪と転動体との間の滑りが大きい場合、転がり軸受の回転速度が高速である場合、又は、転がり軸受の受ける荷重が高い場合など、転がり軸受の使用環境が厳しい場合には、転動体を構成する素材として、クロムの含有量が5質量%以上18質量%以下の鋼を用いることが好ましい。クロムは、水素が鋼中に侵入する速度を低下させる作用を有している。また、水素が侵入したとしても基地組織を安定化させることによって、水素の侵入による転がり寿命の低下を抑制する作用を有している。   However, when used in a severe hydrogen atmosphere where the hydrogen pressure is higher, when the slip between the bearing ring and the rolling element is large, when the rotational speed of the rolling bearing is high, or when the load received by the rolling bearing is When the usage environment of the rolling bearing is severe, such as when it is high, it is preferable to use steel having a chromium content of 5 mass% or more and 18 mass% or less as a material constituting the rolling element. Chromium has the effect of reducing the rate at which hydrogen enters the steel. Moreover, even if hydrogen invades, it stabilizes the base structure, thereby suppressing the rolling life from being reduced due to hydrogen intrusion.

クロムの含有量が5質量%未満であると、上記の作用が不十分となるおそれがある。一方、18質量%超過であると、粗大な共晶炭化物が形成され、転がり寿命が不十分となるおそれがある。鋼の品質の安定性を考慮すると、クロムの含有量は12質量%以上18質量%以下とすることがより好ましい。
また、転動体を構成する素材としてセラミックスを用いることができる。セラミックスは水素による強度低下がないことに加えて、軌道輪との間の摩擦係数が小さく軌道輪の摩耗損傷が生じにくいので、転がり軸受の使用環境がより厳しい場合に特に好適である。セラミックスの種類は特に限定されるものではないが、窒化ケイ素や、アルミナとジルコニアとの複合セラミックスが好ましい。
There exists a possibility that said effect | action may become inadequate that content of chromium is less than 5 mass%. On the other hand, if it exceeds 18% by mass, coarse eutectic carbides are formed, and the rolling life may be insufficient. Considering the stability of the quality of the steel, the chromium content is more preferably 12% by mass or more and 18% by mass or less.
Further, ceramics can be used as a material constituting the rolling elements. Ceramics are particularly suitable when the usage environment of the rolling bearing is more severe because the strength of the bearing is small and the friction coefficient with the race is small and wear damage of the race is less likely to occur. The type of ceramic is not particularly limited, but silicon nitride or a composite ceramic of alumina and zirconia is preferable.

本発明の水素雰囲気用転がり軸受は、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷や深さ方向への亀裂の進展が生じにくく長寿命である。   The rolling bearing for a hydrogen atmosphere of the present invention has a long life, in addition to being less likely to undergo a structural change to a white structure even when used in a hydrogen atmosphere, and to be less prone to wear damage and crack propagation in the depth direction.

本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。It is a fragmentary longitudinal cross-section which shows the structure of the deep groove ball bearing which is one Embodiment of the rolling bearing for hydrogen atmosphere which concerns on this invention.

本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明に係る水素雰囲気用転がり軸受の一実施形態である深溝玉軸受の構造を示す部分縦断面図である。
図1の深溝玉軸受は、外周面に軌道面1aを有する内輪1と、内輪1の軌道面1aに対向する軌道面2aを内周面に有する外輪2と、両軌道面1a,2a間に転動自在に配された複数の転動体3と、両軌道面1a,2a間に転動体3を保持する保持器4と、ゴムシール等の密封装置5,5と、を備えている。なお、保持器4及び密封装置5は、備えていなくてもよい。
An embodiment of a rolling bearing for a hydrogen atmosphere according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view showing a structure of a deep groove ball bearing which is an embodiment of a rolling bearing for a hydrogen atmosphere according to the present invention.
The deep groove ball bearing of FIG. 1 includes an inner ring 1 having a raceway surface 1a on an outer peripheral surface, an outer ring 2 having a raceway surface 2a facing the raceway surface 1a of the inner ring 1 on an inner peripheral surface, and both raceway surfaces 1a and 2a. There are provided a plurality of rolling elements 3 arranged so as to be capable of rolling, a cage 4 for holding the rolling elements 3 between both raceway surfaces 1a, 2a, and sealing devices 5, 5 such as rubber seals. The cage 4 and the sealing device 5 may not be provided.

また、内輪1及び外輪2は、炭素の含有量が0.15質量%以上0.3質量%以下、ケイ素の含有量が0.2質量%以上1質量%以下、マンガンの含有量が0.2質量%以上1.2質量%以下、クロムの含有量が6.5質量%以上9.5質量%以下、モリブデンの含有量が1質量%以下、イオウの含有量が0.02質量%以下、リンの含有量が0.02質量%以下、酸素の含有量が12質量ppm以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている(条件1)。   The inner ring 1 and the outer ring 2 have a carbon content of 0.15% by mass to 0.3% by mass, a silicon content of 0.2% by mass to 1% by mass, and a manganese content of 0.8%. 2 mass% or more and 1.2 mass% or less, chromium content is 6.5 mass% or more and 9.5 mass% or less, molybdenum content is 1 mass% or less, and sulfur content is 0.02 mass% or less. The phosphorus content is 0.02 mass% or less, the oxygen content is 12 mass ppm or less, and the balance is composed of iron and an unavoidable impurity alloy steel (condition 1).

そして、この合金鋼においては、ケイ素の含有量をSi%、マンガンの含有量をMn%、クロムの含有量をCr%、モリブデンの含有量をMo%とすると、2.5×Si%+1.5×Mn%+Cr%+3×Mo%なる式で算出される組織変化抵抗値が、10以上である(条件2)。
さらに、内輪1及び外輪2は、浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて焼入れ及び焼戻しが施されて製造されたものであり、軌道面1a,2aには前述のような熱処理により硬化された硬化層(図示せず)が形成されている(条件3)。
In this alloy steel, assuming that the silicon content is Si%, the manganese content is Mn%, the chromium content is Cr%, and the molybdenum content is Mo%, 2.5 × Si% + 1. The tissue change resistance value calculated by the formula 5 × Mn% + Cr% + 3 × Mo% is 10 or more (Condition 2).
Furthermore, the inner ring 1 and the outer ring 2 are manufactured by performing quenching and tempering subsequent to the carburizing process or the carbonitriding process, and the raceway surfaces 1a and 2a are hardened layers cured by the heat treatment as described above. (Not shown) is formed (condition 3).

この硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は、0.9質量%以上1.5質量%以下である(条件4)。また、この硬化層の残留オーステナイト量は、20体積%以上45体積%以下である(条件5)。さらに、軌道面1a,2aの表面硬さは、Hv700以上780以下である(条件6)。さらに、前記硬化層の内側には、前述の熱処理によって硬化されていない芯部(図示せず)が配されているが、この芯部の硬さはHv550以下である(条件7)。さらに、軌道面1a,2aから100μm内側の深さ位置には、100MPa以上500MPa以下の周方向の圧縮残留応力が付与されている(条件8)。さらに、軌道面1a,2aの軸方向の粗さ曲線の最大山高さRpは、0.2μm以下である(条件9)。   The sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of this hardened layer is 0.9 mass% or more and 1.5 mass% or less (Condition 4). Moreover, the amount of retained austenite of this hardened layer is 20 volume% or more and 45 volume% or less (Condition 5). Furthermore, the surface hardness of the raceway surfaces 1a and 2a is Hv 700 or more and 780 or less (Condition 6). Further, a core (not shown) that is not cured by the above-described heat treatment is disposed inside the cured layer, and the hardness of the core is Hv550 or less (Condition 7). Further, a compressive residual stress in the circumferential direction of 100 MPa or more and 500 MPa or less is applied to a depth position inside 100 μm from the raceway surfaces 1 a and 2 a (Condition 8). Furthermore, the maximum peak height Rp of the roughness curves in the axial direction of the raceway surfaces 1a and 2a is 0.2 μm or less (condition 9).

このような深溝玉軸受は、上記条件1〜9を満たしているので、水素雰囲気中で使用されても白色組織への組織変化が生じにくいことに加えて摩耗損傷や深さ方向への亀裂の進展が生じにくく長寿命である。よって、水素ガスを圧縮するコンプレッサに組み込まれる転がり軸受のように、水素雰囲気中で使用される転がり軸受として好適である。これらの条件1〜9は、内輪1及び外輪2のうち一方のみが満たしていればよいが、内輪1及び外輪2の両方が満たしていることが好ましい。   Since such deep groove ball bearings satisfy the above conditions 1 to 9, in addition to being hard to undergo a structural change to a white structure even when used in a hydrogen atmosphere, wear damage and cracks in the depth direction are prevented. It is difficult to develop and has a long life. Therefore, it is suitable as a rolling bearing used in a hydrogen atmosphere like a rolling bearing incorporated in a compressor that compresses hydrogen gas. Although these conditions 1-9 should just satisfy | fill only one of the inner ring | wheel 1 and the outer ring | wheel 2, it is preferable that both the inner ring | wheel 1 and the outer ring | wheel 2 satisfy | fill.

さらに、転動体3は、クロムの含有量が5質量%以上18質量%以下の鋼又はセラミックスで構成されていることが好ましい。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、水素雰囲気用転がり軸受の例として深溝玉軸受をあげて説明したが、本発明は深溝玉軸受以外の他の種類の様々な転がり軸受に対して適用することができる。例えば、アンギュラ玉軸受,自動調心玉軸受,円筒ころ軸受,円すいころ軸受,針状ころ軸受,自動調心ころ軸受等のラジアル形の転がり軸受や、スラスト玉軸受,スラストころ軸受等のスラスト形の転がり軸受である。
Furthermore, it is preferable that the rolling element 3 is comprised with the steel or ceramics whose chromium content is 5 mass% or more and 18 mass% or less.
In addition, this embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to this embodiment. For example, in the present embodiment, a deep groove ball bearing has been described as an example of a hydrogen atmosphere rolling bearing, but the present invention can be applied to various types of rolling bearings other than deep groove ball bearings. . For example, radial rolling bearings such as angular contact ball bearings, self-aligning ball bearings, cylindrical roller bearings, tapered roller bearings, needle roller bearings, and self-aligning roller bearings, and thrust types such as thrust ball bearings and thrust roller bearings This is a rolling bearing.

〔実施例〕
以下に述べるような方法により、転がり軸受を製造した。前述の条件1のような組成の合金鋼を、鍛造及び切削加工又は切削加工のみによって軌道輪の形状に成形加工する。次に、予備酸化処理,浸炭処理(又は浸炭窒化処理),焼入れ,及び焼戻しを該順序で施して、残留オーステナイトを含有する硬化層を表面に形成させた後に、研磨加工を行って仕上げ、軌道輪を完成した。
〔Example〕
Rolling bearings were manufactured by the method described below. The alloy steel having the composition as in the above condition 1 is formed into a shape of a raceway by forging and cutting or only by cutting. Next, pre-oxidation treatment, carburization treatment (or carbonitriding treatment), quenching, and tempering are performed in this order to form a hardened layer containing residual austenite on the surface, and then polishing is performed to finish the track. Completed the wheel.

予備酸化処理は、酸素が存在する雰囲気(例えば空気)中において800〜1000℃で0.5〜1時間保持することによって行った。また、浸炭処理は、RXガスとエンリッチガスの混合ガス雰囲気中において900〜1000℃で4〜20時間保持した後に、空冷又は油冷することにより行った。さらに、浸炭窒化処理は、RXガス,エンリッチガス,及びアンモニアガスの混合ガス雰囲気中において900〜1000℃で4〜20時間保持した後に、空冷又は油冷することにより行った。   The pre-oxidation treatment was performed by holding at 800 to 1000 ° C. for 0.5 to 1 hour in an atmosphere (for example, air) in which oxygen exists. Moreover, the carburizing process was performed by air cooling or oil cooling after holding | maintaining at 900-1000 degreeC for 4 to 20 hours in the mixed gas atmosphere of RX gas and enriched gas. Further, the carbonitriding process was performed by air cooling or oil cooling after holding at 900 to 1000 ° C. for 4 to 20 hours in a mixed gas atmosphere of RX gas, enriched gas, and ammonia gas.

浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に施す焼入れは、950〜1050℃に保持した後に油冷又はガス冷することにより行った。また、この焼入れの後に施す焼戻しは、160〜240℃に保持した後に炉冷又は空冷することにより行った。そして、このようにして得られた軌道輪(内輪及び外輪)に、転動体,保持器,及びシールを組み合わせて転がり軸受とした。   The quenching performed after the carburizing process or the carbonitriding process was performed by oil cooling or gas cooling after holding at 950 to 1050 ° C. Moreover, the tempering performed after this hardening was performed by hold | maintaining at 160-240 degreeC, and cooling by furnace or air. The rolling rings (inner and outer rings) thus obtained were combined with rolling elements, cages and seals to form rolling bearings.

以下に、深溝玉軸受を製造した例を示す。表1の鋼種Bの合金鋼を素材として、上記と同様の方法(熱処理については、浸炭処理及び浸炭窒化処理のうち浸炭窒化処理を採用した)により、呼び番号6316の深溝玉軸受用の内輪及び外輪を製造した。転動体としては、表1の鋼種Oで構成されたボールを用いた。これらの内輪,外輪,及び転動体を組み立てて、呼び番号6316の深溝玉軸受を得た。   Below, the example which manufactured the deep groove ball bearing is shown. Using the alloy steel of steel type B in Table 1 as a raw material, the inner ring for a deep groove ball bearing of the reference number 6316 and the same method as above (the heat treatment adopts carbonitriding among carburizing and carbonitriding) An outer ring was manufactured. As a rolling element, a ball composed of steel type O shown in Table 1 was used. These inner rings, outer rings, and rolling elements were assembled to obtain a deep groove ball bearing having a nominal number 6316.

Figure 2010248568
Figure 2010248568

この深溝玉軸受の内輪及び外輪の軌道面に前記熱処理によって形成された硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和を、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて測定したところ、それぞれ1.5質量%及び1.2質量%であった。また、硬化層の残留オーステナイト量を、X線回折装置を用いて測定したところ、それぞれ25体積%及び30体積%であった。   When the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer formed by the heat treatment on the raceway surfaces of the inner ring and the outer ring of this deep groove ball bearing was measured using an electron beam microanalyzer (EPMA), 1.5 masses each. % And 1.2% by mass. Moreover, when the amount of retained austenite of the hardened layer was measured using an X-ray diffractometer, it was 25% by volume and 30% by volume, respectively.

次に、自動調心ころ軸受を製造した例を示す。表1の鋼種Bの合金鋼を素材として、上記と同様の方法(熱処理については、浸炭窒化処理を採用した)により、呼び番号22218の自動調心ころ軸受用の内輪及び外輪を製造した。転動体としては、表1の鋼種Nで構成されたころを用いた。これらの内輪,外輪,及び転動体を組み立てて、呼び番号22218の自動調心ころ軸受を得た。   Next, the example which manufactured the self-aligning roller bearing is shown. An inner ring and an outer ring for a spherical roller bearing having a nominal number 22218 were manufactured by the same method as described above (carbonitriding was adopted for heat treatment) using alloy steel of steel type B shown in Table 1. As the rolling elements, rollers composed of steel type N shown in Table 1 were used. These inner rings, outer rings, and rolling elements were assembled to obtain a self-aligning roller bearing having a nominal number 22218.

この自動調心ころ軸受の内輪及び外輪の軌道面に前記熱処理によって形成された硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和を、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて測定したところ、それぞれ0.9質量%及び1.1質量%であった。また、硬化層の残留オーステナイト量を、X線回折装置を用いて測定したところ、それぞれ30体積%及び35体積%であった。   When the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer formed by the heat treatment on the raceway surfaces of the inner and outer rings of this self-aligning roller bearing was measured using an electron beam microanalyzer (EPMA). They were 9% by mass and 1.1% by mass. Moreover, when the amount of retained austenite of the hardened layer was measured using an X-ray diffractometer, it was 30% by volume and 35% by volume, respectively.

次に、スラスト玉軸受を製造した例を示す。表1の鋼種A〜Kの合金鋼を素材として、上記と同様の方法により、呼び番号51305のスラスト玉軸受用の内輪及び外輪を製造した。転動体としては、表1の鋼種G(SUJ2),M,N,O又はセラミックスP,Qで構成されたボールを用いた。これらの内輪,外輪,及び転動体を組み立てて、呼び番号51305のスラスト玉軸受を得た。ただし、面圧の調整を容易にするため、ボールの個数は3個とした。   Next, the example which manufactured the thrust ball bearing is shown. Using the alloy steels of steel types A to K shown in Table 1 as raw materials, an inner ring and an outer ring for a thrust ball bearing having a nominal number 51305 were manufactured by the same method as described above. As the rolling elements, balls composed of steel types G (SUJ2), M, N, O or ceramics P, Q shown in Table 1 were used. These inner rings, outer rings, and rolling elements were assembled to obtain a thrust ball bearing having a nominal number 51305. However, the number of balls was three in order to facilitate adjustment of the surface pressure.

これらのスラスト玉軸受について、水素雰囲気下において下記の2つの試験条件で転がり疲労試験を行い、累積破損確率が50%となる寿命(L50)を求めた。
・試験条件A
水素圧 :0.12MPa
面圧 :3.1GPa
回転速度:1000min-1
潤滑油 :ISO粘度グレードがISO VG32である潤滑油
・試験条件B
水素圧 :0.4MPa
面圧 :3.1GPa
回転速度:1000min-1
潤滑油 :ISO粘度グレードがISO VG68である潤滑油
試験条件Aでの試験結果を表2に示す。また、合金鋼の組織変化抵抗値、熱処理の内容(浸炭処理又は浸炭窒化処理)、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、軌道面から100μm内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力、軌道面の算術平均粗さRa、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さRpを、表2に併せて示す。
These thrust ball bearings were subjected to a rolling fatigue test under the following two test conditions in a hydrogen atmosphere to determine the life (L 50 ) at which the cumulative failure probability was 50%.
・ Test condition A
Hydrogen pressure: 0.12 MPa
Surface pressure: 3.1 GPa
Rotational speed: 1000min -1
Lubricating oil: Lubricating oil whose ISO viscosity grade is ISO VG32-Test condition B
Hydrogen pressure: 0.4 MPa
Surface pressure: 3.1 GPa
Rotational speed: 1000min -1
Lubricating oil: Lubricating oil whose ISO viscosity grade is ISO VG68 Table 2 shows the test results under test condition A. Also, the structure change resistance value of alloy steel, the content of heat treatment (carburizing or carbonitriding), the sum of carbon concentration and nitrogen concentration in the hardened layer, the amount of retained austenite in the hardened layer, the surface hardness of the raceway, the core Table 2 also shows the hardness of the surface, the compressive residual stress in the circumferential direction at a depth of 100 μm from the raceway surface, the arithmetic mean roughness Ra of the raceway surface, and the maximum peak height Rp of the raceway surface roughness curve. .

なお、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて測定した。また、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力は、X線回折装置を用いて測定した。さらに、表2における寿命は、比較例5の寿命を1とした場合の相対値で示してある。   The sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration in the cured layer was measured using an electron beam microanalyzer (EPMA). The amount of retained austenite and compressive residual stress were measured using an X-ray diffractometer. Furthermore, the lifetime in Table 2 is shown as a relative value when the lifetime of Comparative Example 5 is 1.

Figure 2010248568
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表2から分かるように、実施例1〜6は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成、組織変化抵抗値、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、圧縮残留応力、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さRpが本発明の範囲内であるため、水素雰囲気中で使用されても寿命低下が少なく、摩耗損傷も生じにくかった。そのため、転がり寿命が長寿命であった。特に、実施例1〜3は、合金組成、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、及び硬化層の残留オーステナイト量がより好ましい範囲内にあるため、より長寿命であった。   As can be seen from Table 2, in Examples 1 to 6, the alloy composition of the alloy steel, the structure change resistance value, the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer, the amount of retained austenite of the hardened layer, the raceway Since the surface hardness of the surface, the hardness of the core, the compressive residual stress, and the maximum peak height Rp of the raceway surface roughness curve are within the scope of the present invention, there is little decrease in life even when used in a hydrogen atmosphere. Also, wear damage was difficult to occur. Therefore, the rolling life was long. In particular, Examples 1 to 3 had a longer life because the alloy composition, the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer, and the amount of retained austenite of the hardened layer were in a more preferable range.

これに対して、比較例1は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、表層部(硬化層)と芯部との硬さの差が大きくなり、その結果、圧縮残留応力が本発明の範囲外となった。そのため、圧縮残留応力に付随する引張残留応力が芯部に発生するので、転がり寿命が低くなった。
また、比較例2は、軌道輪を構成する合金鋼のケイ素含有量が低く、酸素含有量が高い。そのため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、さらに、酸化物系の介在物の量も多くなるので、短寿命であった。
On the other hand, in Comparative Example 1, since the carbon content of the alloy steel constituting the bearing ring is low, the difference in hardness between the surface layer portion (hardened layer) and the core portion becomes large, and as a result, the compressive residual stress Is out of the scope of the present invention. Therefore, a tensile residual stress accompanying the compressive residual stress is generated in the core portion, so that the rolling life is lowered.
In Comparative Example 2, the alloy steel constituting the race ring has a low silicon content and a high oxygen content. For this reason, the resistance to the change in structure due to the penetration of hydrogen is low, and the amount of oxide inclusions increases, resulting in a short life.

さらに、比較例3は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量及びイオウ含有量が高いため、芯部の靱性が低い。そのため、微小な亀裂が発生した際に、深さ方向への亀裂が進展する速度が速くなり、短寿命であった。さらに、比較例4は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、短寿命であった。さらに、比較例5は、合金組成は本発明の範囲内であるが、組織変化抵抗値が10未満であるため短寿命であった。   Furthermore, since the comparative example 3 has high carbon content and sulfur content of the alloy steel which comprises a bearing ring, the toughness of a core part is low. Therefore, when a minute crack is generated, the speed at which the crack progresses in the depth direction is increased, resulting in a short life. Furthermore, since the carbon content of the alloy steel which comprises a bearing ring was low, the comparative example 4 had the low resistance with respect to the said structure | tissue change by the penetration | invasion of hydrogen, and was short life. Further, Comparative Example 5 had a short life because the alloy composition was within the range of the present invention, but the structure change resistance value was less than 10.

さらに、比較例6は、浸炭窒化処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が高いため、それに伴って軌道面の表面硬さが高くなっている。その結果、水素が侵入した際の強度低下が著しく、短寿命であった。さらに、比較例7は、浸炭処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が低いため、それに伴って軌道面の表面硬さが低くなっている。その結果、基地組織の転がり疲労強度が低くなり、短寿命であった。   Furthermore, in Comparative Example 6, the carbonitriding conditions are inappropriate, and the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer is high, and accordingly, the surface hardness of the raceway surface is increased. As a result, the strength was significantly reduced when hydrogen entered, and the life was short. Furthermore, in Comparative Example 7, the carburizing conditions are inappropriate, and the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer is low, and accordingly, the surface hardness of the raceway surface is low. As a result, the rolling fatigue strength of the base structure was lowered and the life was short.

さらに、比較例8は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量及び圧縮残留応力が低い。その結果、水素の侵入による前記組織変化が生じやすく、さらに、発生した微小亀裂も深さ方向へ進展しやすいため、短寿命であった。さらに、比較例9は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量が高い。その結果、軌道面の表面硬さが低くなり、短寿命であった。   Furthermore, in Comparative Example 8, since the quenching and tempering conditions are inappropriate, the amount of retained austenite and the compressive residual stress of the cured layer are low. As a result, the structure change due to the invasion of hydrogen is likely to occur, and further, the generated microcracks tend to progress in the depth direction, resulting in a short life. Furthermore, in Comparative Example 9, since the quenching and tempering conditions are inappropriate, the amount of retained austenite in the cured layer is high. As a result, the surface hardness of the raceway surface was reduced and the service life was short.

さらに、比較例10,11は、実施例5,6とそれぞれ同種の合金鋼を用い、同一の条件で熱処理を行い、研削加工の条件のみ変更して軌道面の表面粗さ(算術平均粗さRa及び粗さ曲線の最大山高さRp)のみ異なるようにしたものである。比較例10,11は、実施例5,6よりも算術平均粗さRaが小さいが、粗さ曲線の最大山高さRpは大きい。そのため、水素雰囲気中で摩耗が生じやすくなり、水素の侵入も加速するため、短寿命であった。   Further, in Comparative Examples 10 and 11, alloy steels of the same type as in Examples 5 and 6 were used, heat treatment was performed under the same conditions, and only the grinding conditions were changed to change the surface roughness (arithmetic mean roughness) of the raceway surface. Only Ra and the maximum peak height (Rp) of the roughness curve are different. In Comparative Examples 10 and 11, the arithmetic average roughness Ra is smaller than those in Examples 5 and 6, but the maximum peak height Rp of the roughness curve is large. For this reason, wear tends to occur in a hydrogen atmosphere and the penetration of hydrogen accelerates, resulting in a short life.

次に、試験条件Bでの試験結果を表3に示す。また、合金鋼の組織変化抵抗値、熱処理の内容(浸炭処理又は浸炭窒化処理)、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、軌道面から100μm内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力、軌道面の算術平均粗さRa、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さRpを、表3に併せて示す。   Next, Table 3 shows the test results under test condition B. Also, the structure change resistance value of alloy steel, the content of heat treatment (carburizing or carbonitriding), the sum of carbon concentration and nitrogen concentration in the hardened layer, the amount of retained austenite in the hardened layer, the surface hardness of the raceway surface, the core Table 3 shows the hardness of the surface, the compressive residual stress in the circumferential direction at a depth of 100 μm from the raceway surface, the arithmetic average roughness Ra of the raceway surface, and the maximum peak height Rp of the raceway roughness curve. .

実施例21〜26及び比較例21〜31の軌道輪は、実施例1〜6及び比較例1〜11の軌道輪とそれぞれ同一であり、転動体の素材のみ異なる。例えば、実施例1と実施例21とでは、軌道輪は同一で転動体のみ異なる。   The track rings of Examples 21 to 26 and Comparative Examples 21 to 31 are the same as the track rings of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 11, respectively, and only the rolling element material is different. For example, in Example 1 and Example 21, the raceway is the same and only the rolling elements are different.

Figure 2010248568
Figure 2010248568

試験条件Bの場合は、水素圧が高いため、転動体についても水素対策が必要である。そこで、転動体を構成する素材として、鋼種M,N,O又はセラミックスP,Qを用いた。なお、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和は、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて測定した。また、残留オーステナイト量及び圧縮残留応力は、X線回折装置を用いて測定した。さらに、表3における寿命は、比較例21の寿命を1とした場合の相対値で示してある。   In the case of test condition B, since the hydrogen pressure is high, measures against hydrogen are also required for the rolling elements. Therefore, steel types M, N, O or ceramics P, Q were used as the material constituting the rolling elements. The sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration in the cured layer was measured using an electron beam microanalyzer (EPMA). The amount of retained austenite and compressive residual stress were measured using an X-ray diffractometer. Furthermore, the lifetime in Table 3 is shown as a relative value when the lifetime of Comparative Example 21 is 1.

表3から分かるように、実施例21〜26は、軌道輪を構成する合金鋼の合金組成、組織変化抵抗値、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、硬化層の残留オーステナイト量、軌道面の表面硬さ、芯部の硬さ、圧縮残留応力、及び軌道面の粗さ曲線の最大山高さRpが本発明の範囲内であるため、高圧の水素雰囲気中で使用されても寿命低下が少なく、摩耗損傷も生じにくかった。そのため、転がり寿命が長寿命であった。特に、実施例21〜23は、合金組成、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和、及び硬化層の残留オーステナイト量がより好ましい範囲内にあるため、より長寿命であった。また、転動体も好ましい素材で構成されているため、転動体に損傷が生じることもなく長寿命であった。   As can be seen from Table 3, in Examples 21 to 26, the alloy composition of the alloy steel constituting the race ring, the structure change resistance value, the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer, the amount of retained austenite of the hardened layer, the raceway The surface hardness of the surface, the hardness of the core, the compressive residual stress, and the maximum peak height Rp of the roughness curve of the raceway surface are within the scope of the present invention, so the life is reduced even when used in a high-pressure hydrogen atmosphere. There was little, and abrasion damage was hard to occur. Therefore, the rolling life was long. In particular, Examples 21 to 23 had a longer life because the alloy composition, the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer, and the amount of retained austenite of the hardened layer were in a more preferable range. Moreover, since the rolling element is also made of a preferable material, the rolling element has a long life without being damaged.

これに対して、比較例21は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、表層部(硬化層)と芯部との硬さの差が大きくなり、その結果、圧縮残留応力が本発明の範囲外となった。そのため、圧縮残留応力に付随する引張残留応力が芯部に発生するので、転がり寿命が低くなった。
また、比較例22は、軌道輪を構成する合金鋼のケイ素含有量が低く、酸素含有量が高い。そのため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、さらに、酸化物系の介在物の量も多くなるので、短寿命であった。
On the other hand, in Comparative Example 21, the carbon content of the alloy steel constituting the bearing ring is low, so the difference in hardness between the surface layer portion (hardened layer) and the core portion becomes large, and as a result, the compressive residual stress Is out of the scope of the present invention. Therefore, a tensile residual stress accompanying the compressive residual stress is generated in the core portion, so that the rolling life is lowered.
In Comparative Example 22, the alloy steel constituting the race ring has a low silicon content and a high oxygen content. For this reason, the resistance to the change in structure due to the penetration of hydrogen is low, and the amount of oxide inclusions increases, resulting in a short life.

さらに、比較例23は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量及びイオウ含有量が高いため、芯部の靱性が低い。そのため、微小な亀裂が発生した際に、深さ方向への亀裂が進展する速度が速くなり、短寿命であった。さらに、比較例24は、軌道輪を構成する合金鋼の炭素含有量が低いため、水素の侵入による前記組織変化に対する抵抗力が低く、短寿命であった。さらに、比較例25は、合金組成は本発明の範囲内であるが、組織変化抵抗値が10未満であるため短寿命であった。   Furthermore, since the comparative example 23 has high carbon content and sulfur content of the alloy steel which comprises a bearing ring, the toughness of a core part is low. Therefore, when a minute crack is generated, the speed at which the crack progresses in the depth direction is increased, resulting in a short life. Further, in Comparative Example 24, since the carbon content of the alloy steel constituting the race was low, the resistance to the structural change due to the penetration of hydrogen was low, and the life was short. Furthermore, although the alloy composition was within the range of the present invention in Comparative Example 25, the structure change resistance value was less than 10, so the life was short.

さらに、比較例26は、浸炭窒化処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が高いため、それに伴って軌道面の表面硬さが高くなっている。その結果、水素が侵入した際の強度低下が著しく、短寿命であった。さらに、比較例27は、浸炭処理の条件が不適で、硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が低いため、それに伴って軌道面の表面硬さが低くなっている。その結果、基地組織の転がり疲労強度が低くなり、短寿命であった。   Further, in Comparative Example 26, the carbonitriding conditions are not suitable, and the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer is high, and accordingly, the surface hardness of the raceway surface is increased. As a result, the strength was significantly reduced when hydrogen entered, and the life was short. Furthermore, in Comparative Example 27, the carburizing conditions are inappropriate, and the sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer is low, and accordingly, the surface hardness of the raceway surface is low. As a result, the rolling fatigue strength of the base structure was lowered and the life was short.

さらに、比較例28は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量及び圧縮残留応力が低い。その結果、水素の侵入による前記組織変化が生じやすく、さらに、発生した微小亀裂も深さ方向へ進展しやすいため、短寿命であった。さらに、比較例29は、焼入れ及び焼戻しの条件が不適であるため、硬化層の残留オーステナイト量が高い。その結果、軌道面の表面硬さが低くなり、短寿命であった。   Further, in Comparative Example 28, the hardening and tempering conditions are unsuitable, so the amount of retained austenite and compressive residual stress of the cured layer is low. As a result, the structure change due to the invasion of hydrogen is likely to occur, and further, the generated microcracks tend to progress in the depth direction, resulting in a short life. Furthermore, in Comparative Example 29, the amount of retained austenite in the hardened layer is high because the conditions for quenching and tempering are inappropriate. As a result, the surface hardness of the raceway surface was reduced and the service life was short.

さらに、比較例30,31は、実施例25,26とそれぞれ同種の合金鋼を用い、同一の条件で熱処理を行い、研削加工の条件のみ変更して軌道面の表面粗さ(算術平均粗さRa及び粗さ曲線の最大山高さRp)のみ異なるようにしたものである。比較例30,31は、実施例25,26よりも算術平均粗さRaが小さいが、粗さ曲線の最大山高さRpは大きい。そのため、水素雰囲気中で摩耗が生じやすくなり、水素の侵入も加速するため、短寿命であった。   Further, in Comparative Examples 30 and 31, alloy steels of the same type as those in Examples 25 and 26 were used, heat treatment was performed under the same conditions, and only the grinding conditions were changed to change the surface roughness (arithmetic average roughness) of the raceway surface. Only Ra and the maximum peak height (Rp) of the roughness curve are different. In Comparative Examples 30 and 31, the arithmetic average roughness Ra is smaller than those in Examples 25 and 26, but the maximum peak height Rp of the roughness curve is large. For this reason, wear tends to occur in a hydrogen atmosphere and the penetration of hydrogen accelerates, resulting in a short life.

1 内輪
1a 軌道面
2 外輪
2a 軌道面
3 転動体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner ring 1a Raceway surface 2 Outer ring 2a Raceway surface 3 Rolling element

Claims (3)

軌道面を有する内輪と、前記内輪の軌道面に対向する軌道面を有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、水素雰囲気中で使用される転がり軸受において、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が下記の9つの条件を満足することを特徴とする水素雰囲気用転がり軸受。
条件1:炭素の含有量が0.15質量%以上0.3質量%以下、ケイ素の含有量が0.2質量%以上1質量%以下、マンガンの含有量が0.2質量%以上1.2質量%以下、クロムの含有量が6.5質量%以上9.5質量%以下、モリブデンの含有量が1質量%以下、イオウの含有量が0.02質量%以下、リンの含有量が0.02質量%以下、酸素の含有量が12質量ppm以下で、且つ、残部が鉄及び不可避的不純物である合金鋼で構成されている。
条件2:前記ケイ素の含有量をSi%、前記マンガンの含有量をMn%、前記クロムの含有量をCr%、前記モリブデンの含有量をMo%とし、2.5×Si%+1.5×Mn%+Cr%+3×Mo%なる式で算出される組織変化抵抗値が10以上である。
条件3:浸炭処理又は浸炭窒化処理に続いて焼入れ及び焼戻しが施されることにより、前記軌道面に硬化層が形成されている。
条件4:前記硬化層の炭素濃度と窒素濃度との和が0.9質量%以上1.5質量%以下である。
条件5:前記硬化層の残留オーステナイト量が20体積%以上45体積%以下である。 条件6:前記軌道面の表面硬さがHv700以上780以下である。
条件7:前記硬化層の内側の芯部の硬さがHv550以下である。
条件8:前記軌道面から100μm内側の深さ位置における周方向の圧縮残留応力が100MPa以上500MPa以下である。
条件9:前記軌道面の軸方向の粗さ曲線の最大山高さRpが0.2μm以下である。
An inner ring having a raceway surface, an outer ring having a raceway surface facing the raceway surface of the inner ring, and a plurality of rolling elements arranged to roll between the raceway surfaces, and used in a hydrogen atmosphere. A rolling bearing for a hydrogen atmosphere, wherein at least one of the inner ring and the outer ring satisfies the following nine conditions.
Condition 1: Carbon content is 0.15 mass% or more and 0.3 mass% or less, silicon content is 0.2 mass% or more and 1 mass% or less, and manganese content is 0.2 mass% or more. 2 mass% or less, chromium content is 6.5 mass% or more and 9.5 mass% or less, molybdenum content is 1 mass% or less, sulfur content is 0.02 mass% or less, and phosphorus content is The alloy steel is 0.02 mass% or less, the oxygen content is 12 mass ppm or less, and the balance is iron and inevitable impurities.
Condition 2: The content of silicon is Si%, the content of manganese is Mn%, the content of chromium is Cr%, the content of molybdenum is Mo%, 2.5 × Si% + 1.5 × The structure change resistance value calculated by the formula of Mn% + Cr% + 3 × Mo% is 10 or more.
Condition 3: A hardened layer is formed on the raceway surface by performing quenching and tempering subsequent to carburizing or carbonitriding.
Condition 4: The sum of the carbon concentration and the nitrogen concentration of the hardened layer is 0.9% by mass or more and 1.5% by mass or less.
Condition 5: The amount of retained austenite of the hardened layer is 20% by volume or more and 45% by volume or less. Condition 6: The surface hardness of the raceway surface is Hv 700 or higher and 780 or lower.
Condition 7: The hardness of the core part inside the hardened layer is Hv550 or less.
Condition 8: The compressive residual stress in the circumferential direction at a depth position inside 100 μm from the raceway surface is 100 MPa or more and 500 MPa or less.
Condition 9: The maximum peak height Rp of the roughness curve in the axial direction of the raceway surface is 0.2 μm or less.
前記転動体が、クロムの含有量が5質量%以上18質量%以下の鋼で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の水素雰囲気用転がり軸受。   2. The rolling bearing for a hydrogen atmosphere according to claim 1, wherein the rolling element is made of steel having a chromium content of 5 mass% to 18 mass%. 前記転動体がセラミックスで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の水素雰囲気用転がり軸受。   The rolling element for a hydrogen atmosphere according to claim 1, wherein the rolling element is made of ceramics.
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