JP2023080744A - 転動部材及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】水素脆性に起因した接触面の早期剥離を抑制可能な水素利用機器用の転動部材を提供する。【解決手段】転動部材は、接触面を有する焼き入れが行われた鋼製である。転動部材は、水素利用機器用である。転動部材は、接触面からの深さが２０μｍまでの領域に表層部を備える。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、転動部材及び転がり軸受に関する。より特定的には、本発明は、水素利用機器用の転動部材及び転がり軸受に関する。

転動部材の表面における耐久性を改善するために、従来から、表層部に浸窒処理又は浸炭浸窒処理が行われてきた。例えば特許文献１（特許第３８７３７４１号公報）には、転動部材が記載されている。特許文献１に記載の転動部材では、表面に浸炭浸窒処理が行われており、表層部中に析出物が分散されている。

特許第３８７３７４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転動部材では、表層部中に分散されている析出物の粒径が大きい。そのため、特許文献１に記載の転動部材は、水素利用機器に用いられる場合、すなわち、水素に曝されている環境下では、水素脆性に起因して接触面に早期剥離が生じてしまうおそれがある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、水素脆性に起因した接触面の早期剥離を抑制可能な水素利用機器用の転動部材及び転がり軸受を提供する。

本発明の一態様に係る転動部材は、接触面を有し、焼き入れが行われた鋼製である。転動部材は、水素利用機器用である。転動部材は、接触面からの深さが２０μｍまでの領域に表層部を備える。鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなる。表層部中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下である。接触面に直交する断面視において、表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ^２あたり合計して６０個以上存在し、かつ、表層部での析出物の面積率の合計が１パーセント以上１０パーセント以下である。

上記の転動部材では、鋼は、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなっていてもよい。

上記の転動部材では、表層部中における窒素の含有量が０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下であってもよい。

上記の転動部材では、接触面に直交する断面視において、表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ^２あたり合計して８０個以上存在し、かつ表層部での析出物の面積率の合計が２パーセント以上７パーセント以下であってもよい。

上記の転動部材では、接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率が、２０パーセント以上４０パーセント以下であってもよい。

上記の転動部材では、接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率が、２５パーセント以上３５パーセント以下であってもよい。

上記の転動部材では、接触面からの深さが５０μｍの位置での硬さが、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下であってもよい。

本発明の一態様に係る転がり軸受は、軌道部材と、軌道部材に接触して配置される転動体とを備える。転がり軸受は、水素利用機器用である。軌道部材及び転動体の少なくともいずれかは、上記の転動部材である。

本発明の一態様に係る転動部材及び転がり軸受によると、水素脆性に起因した接触面の早期剥離の抑制が可能となる。

転がり軸受１００の断面図である。 ボール弁２００の拡大断面図である。 水素循環ポンプ３００の断面図である。 転がり軸受１００の製造方法を示す工程図である。 サンプル１の内輪及び外輪の表層部における炭素及び窒素の含有量の分布を示すグラフである。 サンプル１の内輪及び外輪の表層部における代表的な断面ＦＥ－ＳＥＭ画像である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

（実施形態に係る転がり軸受の構成）
以下に、実施形態に係る転がり軸受（以下「転がり軸受１００」とする）の構成を説明する。転がり軸受１００は、例えば、単式平面座スラスト玉軸受である。但し、転がり軸受１００は、これに限られるものではない。転がり軸受１００は、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受又は自動調心ころ軸受であってもよい。

転がり軸受１００は、水素利用機器用である。水素利用機器は、例えば水素ステーション向けのボール弁又は圧縮機である。なお、圧縮機の方式は特に限定されない。例えば、圧縮機は、往復式（レシプロ）、回転式（スクリュ）、遠心式又は軸流式のいずれであってもよい。水素利用機器は、燃料電池車向けの高圧水素減圧弁又は水素循環ポンプであってもよい。転がり軸受１００は、水素に曝される用途に用いられるものであればよい。

図１は、転がり軸受１００の断面図である。図１に示されるように、転がり軸受１００は、中心軸Ａを有している。図１には、中心軸Ａに沿う断面における転がり軸受１００の断面図が示されている。転がり軸受１００は、軌道部材（軌道輪又は軌道盤）と、転動体とを有している。転がり軸受１００において、軌道部材は内輪（軸軌道盤）１０及び外輪（ハウジング軌道盤）２０であり、転動体は玉３０である。転がり軸受１００は、保持器４０をさらに有している。

内輪１０は、環状（リング状）の形状を有している。内輪１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。

第１面１０ａ及び第２面１０ｂは、中心軸Ａに沿う方向（以下「軸方向」とする）における端面を構成している。第２面１０ｂは、第１面１０ａの軸方向における反対面になっている。第１面１０ａは、軌道面１０ａａを有している。第１面１０ａは、軌道面１０ａａにおいて第２面１０ｂ側に窪んでいる。断面視において、軌道面１０ａａは、部分円弧形状を有している。軌道面１０ａａは、玉３０に接触する面であり、内輪１０の接触面を構成している。

内周面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている面である。内周面１０ｃは、軸方向における一方端で第１面１０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面１０ｂに連なっている。

外周面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている面である。すなわち、外周面１０ｄは、中心軸Ａに直交する方向（以下「径方向」という）における内周面１０ｃの反対面になっている。外周面１０ｄは、軸方向における一方端で第１面１０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面１０ｂに連なっている。

外輪２０は、リング状の形状を有している。外輪２０は、第１面２０ａと、第２面２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有している。

第１面２０ａ及び第２面２０ｂは、軸方向における端面を構成している。外輪２０は、第１面２０ａが第１面１０ａに対向するように配置されている。第２面２０ｂは、第１面２０ａの軸方向における反対面になっている。第１面２０ａは、軌道面２０ａａを有している。第１面２０ａは、軌道面２０ａａにおいて第２面２０ｂ側に窪んでいる。断面視において、軌道面２０ａａは、部分円弧形状を有している。軌道面２０ａａは、玉３０に接触する面であり、外輪２０の接触面を構成している。

内周面２０ｃは、中心軸Ａ側を向いている面である。内周面２０ｃは、軸方向における一方端で第１面２０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面２０ｂに連なっている。

外周面２０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている面である。すなわち、外周面２０ｄは、中心軸Ａに直交する方向（以下「径方向」という）における内周面２０ｃの反対面になっている。外周面２０ｄは、軸方向における一方端で第１面２０ａに連なっており、軸方向における他方端で第２面２０ｂに連なっている。

玉３０は、球状の形状を有している。玉３０の数は、複数である。玉３０は、第１面１０ａと第１面２０ａとの間に配置されている。より具体的には、玉３０は、軌道面１０ａａと軌道面２０ａａとの間に配置されている。玉３０は、その表面において、軌道面１０ａａ及び軌道面２０ａａと接触する。すなわち、玉３０の表面は、接触面である。

保持器４０は、玉３０を保持している。保持器４０は、中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向（以下「周方向」とする）において隣り合う２つの玉３０の間隔が一定範囲となるように、玉３０を保持している。

＜軌道部材及び転動体に用いられる鋼＞
内輪１０、外輪２０及び玉３０は、表１に示される組成（以下「第１組成」とする）の鋼により形成されている。内輪１０、外輪２０及び玉３０は、表２に示される組成（以下「第２組成」とする）の鋼により形成されていてもよい。内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼には、焼き入れが行われている。なお、内輪１０、外輪２０及び玉３０の少なくともいずれかが、第１組成（第２組成）の鋼により形成されていればよい。

炭素（Ｃ）は、焼き入れ後における接触面（軌道面１０ａａ、軌道面２０ａａ及び玉３０の表面）の硬さに影響を与える。鋼中の炭素の含有量が０．７０質量パーセント未満である場合、接触面において十分な硬さを確保することが困難である。また、鋼中の炭素の含有量が０．７０質量パーセント未満である場合、浸炭処理等により表面における炭素含有量を補う必要があり、生産効率の低下及び製造コスト増加の要因となる。鋼中の炭素の含有量が１．１０質量パーセントを超える場合、焼き入れ時の割れ（焼き割れ）が発生するおそれがある。そのため、第１組成の鋼では、炭素の含有量が０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下とされている。

シリコンは、鋼の精錬時の脱酸及び浸窒処理前の加工性確保のために加えられている。鋼中のシリコンの含有量が０．１５質量パーセント未満である場合、焼き戻し軟化抵抗が不十分となる。その結果、焼き入れ後の焼き戻し又は転がり軸受１００の使用時の温度上昇により、接触面の硬さが低下するおそれがある。鋼中のシリコンの含有量が０．３５質量パーセントを超える場合、鋼が硬くなり過ぎ、内輪１０（外輪２０、玉３０）を加工する際に用いられる切削工具の工具寿命が短くなるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストが上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、シリコンの含有量が０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下とされている。

マンガンは、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保するために加えられている。鋼中のマンガンの含有量が０．３０質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のマンガンの含有量が０．６０質量パーセントを超える場合、鋼が硬くなり過ぎ、内輪１０（外輪２０、玉３０）を加工する際に用いられる切削工具の工具寿命が短くなるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストが上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、マンガンの含有量が０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下とされている。

クロムは、鋼の焼き入れ性の確保及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させることによる硬さの確保のために加えられている。鋼中のクロムの含有量が１．３０質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のクロムの含有量が１．６０質量パーセントを超える場合、析出物が粗大化され、疲労破壊の起点となるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストが上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、クロムの含有量が１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下とされている。

モリブデンは、鋼の焼き入れ性の確保及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させることによる硬さの確保のために加えられている。なお、モリブデンは、炭素に対して強い親和性があるため、浸窒処理の際に鋼中に未固溶炭化物として析出している。このモリブデンの未固溶炭化物が焼き入れ時に析出核となるため、モリブデンは、焼き入れ後の析出物の量を増加させる。

鋼中のモリブデンの含有量が０．０１質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のモリブデンの含有量が０．５０質量パーセントを超える場合、析出物が粗大化され、疲労破壊の起点となるおそれがある。また、この場合、鋼の材料コストも上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、モリブデンの含有量が０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下とされている。

バナジウムは、鋼の焼き入れ性の確保及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させることによる硬さの確保のために加えられている。鋼中のバナジウムの含有量が０．０１質量パーセント未満である場合、鋼の焼き入れ性及び硬さを確保することが困難である。鋼中のバナジウムの含有量が０．５０質量パーセントを超える場合、析出物が粗大化され、疲労破壊の起点となるおそれがある。この場合、鋼の材料コストも上昇してしまう。そのため、第１組成の鋼では、バナジウムの含有量が０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下とされている。

＜表層部５０＞
図１に示されるように、内輪１０、外輪２０及び玉３０は、それらの表面において、表層部５０を有している。表層部５０は、内輪１０、外輪２０及び玉３０の表面から深さが２０μｍまでの領域である。なお、表層部５０は、少なくとも内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面に形成されていればよい。また、表層部５０は、内輪１０、外輪２０及び玉３０の少なくともいずれかに形成されていればよい。表層部５０は、浸窒処理により形成される。

接触面に直交する断面視において、表層部５０中には、粒径が０．５μｍ以下の析出物が１００μｍ^２あたり合計して６０個以上存在している。接触面に直交する断面視において、表層部５０中には、粒径が０．５μｍ以下の析出物が１００μｍ^２あたり合計して８０個以上存在していることが好ましい。

接触面に直交する断面視において、表層部５０中における析出物の面積率の合計は、１パーセント以上１０パーセント以下である。接触面に直交する断面視において、表層部５０中における析出物の面積率の合計は、２パーセント以上７パーセント以下であることが好ましい。

表層部５０中における窒素の含有量は、０．２質量パーセント以上０．８質量パーセント以下であることが好ましい。表層部５０中における窒素の含有量は、０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下であることがさらに好ましい。但し、表層部５０中における窒素の含有量は、表層部５０中に粒径が１００μｍ^２あたり合計して６０個以上存在させることができ、かつ表層部５０中における析出物の面積率の合計が１パーセント以上１０パーセント以下とすることができれば、上記の範囲内になくてもよい。

表層部５０における窒素の含有量は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）により測定される。

表層部５０中の析出物は、例えば、炭窒化物及び窒化物である。炭窒化物には、鉄の炭化物、鉄の炭化物中の炭素が窒素に置換されたもの及び鉄の炭化物中の鉄が鉄以外の合金元素に置換されたものが含まれる。また、窒化物は、鉄の窒化物である。表層部５０中の析出物は、鋼中に含まれる合金元素の炭化物、炭窒化物又は窒化物であってもよい。

表層部５０の鋼中の析出物は、クロム若しくはバナジウムを主成分とする窒化物又はクロム若しくはバナジウムを主成分とする炭窒化物であってもよい。

クロム（バナジウム）を主成分とする窒化物は、クロム（バナジウム）の窒化物又は当該窒化物中のクロム（バナジウム）のサイトの一部がクロム（バナジウム）以外の合金元素により置換されているものである。

クロム（バナジウム）を主成分とする炭窒化物は、クロム（バナジウム）の炭化物中の炭素のサイトの一部が窒素により置換されているものである。クロム（バナジウム）を主成分とする炭窒化物のクロム（バナジウム）のサイトは、クロム（バナジウム）以外の合金元素により置換されていてもよい。

析出物の面積率は、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：Field Emission Scanning Electron Microscope）を用いて倍率５０００倍で表層部５０の断面画像を取得するとともに、当該断面画像を二値化し、二値化された当該断面画像に対して画像処理を行うことにより算出される。なお、表層部５０の断面画像は、３視野以上で取得され、面積率は、それら複数の断面画像の平均値とされる。

各々の析出物の粒径は、上記と同様の方法を用いて各々の析出物の面積を取得するとともに、当該面積をπで除した値の平方根に２を乗じることにより得られる。

＜鋼中の残留オーステナイト量＞
内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼中の残留オーステナイトの体積率は、接触面からの深さが５０μｍの位置において、２０パーセント以上４０パーセント以下であることが好ましい。内輪１０、外輪２０及び玉３０を構成している鋼中の残留オーステナイトの体積比は、接触面からの深さが５０μｍの位置において、２５パーセント以上３５パーセント以下であることがさらに好ましい。これにより、異物混入環境下における接触面の耐久性を改善することができるとともに、残留オーステナイトの分解に伴う経年変化を抑制することができる。

接触面からの深さが５０μｍの位置における鋼中の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定される。より具体的には、接触面からの深さが５０μｍの位置における鋼中の残留オーステナイト量は、株式会社リガク製のＭＳＦ－３Ｍを用いて測定される。

＜接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さ＞
内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下であることが好ましい。なお、潤滑油の分解に伴って発生する水素に起因した水素脆性を抑制する際には接触面近傍の硬さを向上させて接触面に金属新生面が生じにくくすることが水素発生を抑制するために有効であるが、金属新生面の発生の有無にかかわらず水素が存在する環境下では、内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下でなくてもよい。

内輪１０、外輪２０及び玉３０の接触面からの深さが５０μｍとなる位置における硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９）に規定されているビッカース硬さ試験法により測定される。また、測定時の荷重は、３００ｇｆとされる。

＜表層部５０中のマルテンサイトブロック＞
表層部５０の鋼は、マルテンサイトブロック粒を有している。隣り合う２つのマルテンサイトブロック粒は、粒界において、結晶方位の差が１５°以上になっている。このことを別の観点から言えば、結晶方位にずれがある箇所が存在していても、結晶方位の差が１５°未満である場合、当該箇所は、マルテンサイトブロック粒の結晶粒界とは見做されない。マルテンサイトブロック粒の粒界は、ＥＢＳＤ（Electron Back Scattered Diffraction）法により決定される。

表層部５０の鋼中において、比較面積率が３０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、２．０μｍ以下であることが好ましい。表層部５０の鋼中において、比較面積率が５０パーセントでのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、１．５μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、表層部５０が高靭性化され、接触面（より具体的には、軌道面１０ａａ、軌道面２０ａａ及び玉３０の表面）の剪断抵抗をすることができる。

比較面積率が３０パーセント（５０パーセント）でのマルテンサイトブロック粒の平均粒径は、以下の方法により測定される。第１に、表層部５０を含む内輪１０の断面において、断面観察が行われる。この際、ＥＢＳＤ法により、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒が特定される。この観察視野は、５０μｍ×３５μｍの領域とされる。第２に、ＥＢＳＤ法により得られた結晶方位データから、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積が解析される。

第３に、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の各々の面積を、面積が大きいものから順に加算していく。この加算は、観察視野に含まれているマルテンサイトブロック粒の合計面積の３０パーセント（５０パーセント）に達するまで行われる。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロック粒の各々について、円相当径が算出される。この円相当径は、マルテンサイトブロック粒の面積をπ／４で除した値の平方根である。上記の加算の対象になったマルテンサイトブロック粒の円相当径の平均値が、比較面積率が３０パーセント（５０パーセント）でのマルテンサイトブロック粒の平均粒径と見做される。

上記においては、実施形態に係る転動部材が転がり軸受１００の構成要素である場合について説明をしたが、実施形態に係る転動部材は、滑り軸受であってもよい。

＜実施形態に係る転動部材の適用例＞
実施形態に係る転動部材は、ボール弁２００に用いられる。図２は、ボール弁２００の拡大断面図である。図２に示されるように、ボール弁２００は、ボディ２１０と、シートリテーナ２２０と、ボール２３０と、ステム２３１及びステム２３２と、滑り軸受２４０とを有している。

シートリテーナ２２０は、ボディ２１０の内部に配置されている。シートリテーナ２２０には、内部空間２２０ａと、流路２２０ｂ及び流路２２０ｃとが形成されている。流路２２０ｂ及び流路２２０ｃは、内部空間２２０ａに接続されている。ボール２３０は、内部空間２２０ａに配置されている。内部空間２２０ａの壁面は、シール部２２０ａａにおいてボール２３０の表面に接触している。

ステム２３１及びステム２３２は、それぞれ、ボール２３０の上端及び下端に接続されている。ステム２３１及びステム２３２が中心軸回りに回転することにより、ボール２３０に形成されている貫通穴（図示せず）を介して、流路２２０ｂ及び流路２２０ｃが接続される。ステム２３１及びステム２３２は、ボディ２１０及びシートリテーナ２２０に形成されている貫通穴に通されている。なお、流路２２０ｂ、流路２２０ｃ及びボール２３０に形成されている貫通穴には、水素が流れる。

滑り軸受２４０は、筒状になっており、外周面においてボディ２１０に取り付けられている。滑り軸受２４０は、ステム２３１（ステム２３２）を回転可能に軸支している。滑り軸受２４０は、実施形態に係る転動部材である。すなわち、滑り軸受２４０は、第１組成又は第２組成の鋼製であり、かつ接触面に表層部５０が形成されている。

＜実施形態に係る転がり軸受の適用例＞
図３は、水素循環ポンプ３００の断面図である。水素循環ポンプ３００は、モータハウジング３１０と、ポンプハウジング３２０と、回転軸３３１及び回転軸３３２と、モータステータ３４１及びモータロータ３４２と、ギア３５１及びギア３５２と、ロータ３６１及びロータ３６２と、転がり軸受３７１、転がり軸受３７２、転がり軸受３７３、転がり軸受３７４、転がり軸受３７５及び転がり軸受３７６とを有している。

モータハウジング３１０は、ポンプハウジング３２０に取り付けられている。回転軸３３１の一方端側はモータハウジング３１０内に配置されており、回転軸３３１の他方端側はポンプハウジング３２０内に配置されている。回転軸３３１の一方端及び他方端は、それぞれ、モータハウジング３１０内に配置されている転がり軸受３７１及びポンプハウジング３２０内に配置されている転がり軸受３７２により回転可能に軸支されている。回転軸３３１は、一方端と他方端との間において、ポンプハウジング３２０内に配置されている転がり軸受３７３及び転がり軸受３７４により回転可能に軸支されている。

回転軸３３２は、ポンプハウジング３２０内に配置されている。回転軸３３２の一方端は、ポンプハウジング３２０内に配置されている転がり軸受３７５により回転可能に軸支されている。回転軸３３２は、一方端から離れた位置において、ポンプハウジング３２０内に配置されている転がり軸受３７６により回転可能に軸支されている。

モータステータ３４１は、モータハウジング３１０内に配置されている。モータロータ３４２は、モータステータ３４１と対向するように回転軸３３１に取り付けられている。モータステータ３４１及びモータロータ３４２により、回転軸３３１は回転される。回転軸３３１及び回転軸３３２には、それぞれ、ギア３５１及びギア３５２が取り付けられている。ギア３５１及びギア３５２により、回転軸３３１の回転が、回転軸３３２に伝達される。なお、ギア３５１は転がり軸受３７３と転がり軸受３７４との間にあり、ギア３５２は転がり軸受３７５と転がり軸受３７６との間にある。

ポンプハウジング３２０内には、ポンプ室３２０ａが形成されている。ポンプ室３２０ａ内には、ロータ３６１及びロータ３６２が配置されている。ロータ３６１及びロータ３６２は、それぞれ、回転軸３３１及び回転軸３３２に取り付けられている。回転軸３３１の回転に伴ってロータ３６１が回転するとともに、回転軸３３２の回転に伴ってロータ３６２が回転することにより、ポンプ室３２０ａ内に水素が吸入され、ポンプ室３２０ａ内から水素が吐出される。

転がり軸受３７１、転がり軸受３７２、転がり軸受３７３及び転がり軸受３７５は、深溝玉軸受である。転がり軸受３７４及び転がり軸受３７５は、複列アンギュラ玉軸受である。転がり軸受３７１、転がり軸受３７２、転がり軸受３７３、転がり軸受３７４、転がり軸受３７５及び転がり軸受３７６は、実施形態に係る転がり軸受である。すなわち、転がり軸受３７１、転がり軸受３７２、転がり軸受３７３、転がり軸受３７４、転がり軸受３７５及び転がり軸受３７６では、軌道部材及び転動体が第１組成又は第２組成の鋼製であり、接触面に表層部５０が形成されている。

（実施形態に係る転がり軸受の製造方法）
以下に、転がり軸受の製造方法を説明する。

図４は、転がり軸受１００の製造方法を示す工程図である。図４に示されるように、転がり軸受１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、熱処理工程Ｓ２と、仕上げ工程Ｓ３と、組み立て工程Ｓ４とを有している。熱処理工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。仕上げ工程Ｓ３は、熱処理工程Ｓ２の後に行われる。組み立て工程Ｓ４は、仕上げ工程Ｓ３の後に行われる。

準備工程Ｓ１においては、熱処理工程Ｓ２及び仕上げ工程Ｓ３に供される加工対象部材が準備される。この加工対象部材としては、内輪１０及び外輪２０を形成しようとする場合はリング状の部材が準備され、玉３０を形成しようとする場合は球状の部材が準備される。この加工対象部材は、第１組成又は第２組成の鋼により形成されている。

熱処理工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と、冷却工程Ｓ２２と、焼き戻し工程Ｓ２３とを有している。加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材が、Ａ_１変態点以上の温度に所定時間保持される。また、加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材に対する浸窒処理も行われる。この浸窒処理は、窒素源となるガス（例えばアンモニアガス）を含む雰囲気ガス中において、上記の加熱保持を行うことにより実施される。

冷却工程Ｓ２２は、加熱工程Ｓ２１の後に行われる。冷却工程Ｓ２２においては、加工対象部材が、Ｍｓ変態点以下の温度まで冷却される。この冷却は、例えば、油冷により行われる。焼き戻し工程Ｓ２３は、冷却工程Ｓ２２の後に行われる。焼き戻し工程Ｓ２３においては、加工対象部材が、Ａ_１変態点未満の温度に所定時間保持される。

仕上げ工程Ｓ３においては、加工対象部材に対する仕上げ加工（研削・研磨）及び洗浄が行われる。これにより、内輪１０、外輪２０及び玉３０が準備される。組み立て工程Ｓ４においては、内輪１０、外輪２０及び玉３０が、保持器４０とともに組み立てられる。以上により、図１に示される構造の転がり軸受１００が製造される。

（実施形態に係る転がり軸受の効果）
以下に、転がり軸受１００の効果を説明する。

転がり軸受１００においては、内輪１０、外輪２０及び玉３０が第１組成又は第２組成の鋼により形成されているため、熱処理工程Ｓ２（浸窒処理）が行われることにより、表層部５０に微細な析出物が析出する。表層部５０中の微細な析出物の近傍が水素のトラップサイトになるため、表層部５０における水素侵入量が低下する。そのため、転がり軸受１００においては、水素脆性に起因した早期剥離損傷が生じにくい。

以下に、転がり軸受１００の実施例を説明する。
＜サンプル＞
転がり軸受のサンプルとして、サンプル１及びサンプル２が準備された。サンプル１及びサンプル２は、内径３０ｍｍ、外径４７ｍｍ及び幅１１ｍｍのＪＩＳ規格５１１０６型番の単式スラスト玉軸受である。

サンプル１の内輪及び外輪は、表３に示される組成の鋼により形成された。表３に示される組成は、第１組成及び第２組成の範囲内にある。サンプル２の内輪及び外輪は、表４に示される組成の鋼により形成された。表４に示される組成は、ＪＩＳ規格に定めるＳＵＪ２の組成範囲内にあり、第１組成及び第２組成の範囲外にある。なお、サンプル１及びサンプル２の玉は、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）により形成された。

サンプル１の内輪及び外輪には、熱処理工程Ｓ２が行われた。サンプル２の内輪及び外輪には、熱処理工程Ｓ２が行われていない。より具体的には、サンプル２の内輪及び外輪に対しては、焼き入れ及び焼き戻しが行われているが、浸窒処理が行われていない。

図５は、サンプル１の内輪及び外輪の表層部における炭素及び窒素の含有量の分布を示すグラフである。図５において、横軸は表面からの距離（単位はｍｍ）であり、縦軸は炭素及び窒素の含有量（単位は質量パーセント）である。図５及び表５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪には熱処理工程Ｓ２（浸窒処理）が行われているため、サンプル１の内輪及び外輪における表層部には、窒素が含まれていた。他方で、表５に示されるように、サンプル２の内輪及び外輪には熱処理工程Ｓ２（浸窒処理）が行われていないため、サンプル２の内輪及び外輪における表層部には、窒素が含有されていなかった。

表５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の面積率の合計が２．２パーセント以上７．０パーセント以下であった。サンプル２の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の面積率の合計が０．０７パーセント以上０．２４パーセント以下であった。

表５に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の数が、１００μｍ^２あたり合計して６６個以上４２５個以下であった。サンプル２の内輪及び外輪における表層部中では、析出物の数が、１００μｍ^２あたり合計して８個以上５０個以下であった。

図６は、サンプル１の内輪及び外輪の表層部における代表的な断面ＦＥ－ＳＥＭ画像である。図６に示されるように、サンプル１の内輪及び外輪の表層部においては、析出物が微細化されていた（殆どの析出物の粒径が、０．５μｍ以下であった）。なお、サンプル２の内輪及び外輪の表層部においては、析出物が微細化されていなかった（殆どの析出物の粒径が、０．５μｍを超えていた）。

＜水素侵入特性＞
サンプル１及びサンプル２の軌道部材（内輪及び外輪）の表層部への水素侵入特性を、以下の方法により評価した。この評価では、第１に、上記の使用前のサンプル１及びサンプル２の軌道部材を室温から４００℃まで加熱することにより、使用前のサンプル１及びサンプル２の軌道部材からの水素放出量が測定された。第２に、水素環境下で５０時間使用された後のサンプル１及びサンプル２の軌道部材を室温から４００°まで加熱することにより、水素環境下で５０時間使用された後のサンプル１及びサンプル２の軌道部材からの水素放出量が測定された。

サンプル２では、使用前後での水素放出量の比（すなわち、使用後の水素放出量を使用前の水素放出量で除した値）が、３．２になっていた。他方で、サンプル１では、使用前後での水素放出量の比が、０．９になっていた。この比較から、接触面に表層部５０が形成されることにより表層部５０への水素侵入が抑制され、水素脆性に起因した早期剥離が抑制されることが、実験的に明らかにされた。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、内輪及び外輪等の軌道部材、玉等の転動体及びそれらを用いた転がり軸受に特に有利に適用される。

１０ 内輪、１０ａ 第１面、１０ａａ 軌道面、１０ｂ 第２面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、２０ 外輪、２０ａ 第１面、２０ａａ 軌道面、２０ｂ 第２面、２０ｃ 内周面、２０ｄ 外周面、３０ 玉、４０ 保持器、５０ 表層部、１００ 転がり軸受、２００ ボール弁、２１０ ボディ、２２０ シートリテーナ、２２０ａ 内部空間、２２０ａａ シール部、２２０ｂ，２２０ｃ 流路、２３０ ボール、２３１，２３２ ステム、２４０ 滑り軸受、３００ 水素循環ポンプ、３１０ モータハウジング、３２０ ポンプハウジング、３２０ａ ポンプ室、３３１，３３２ 回転軸、３４１ モータステータ、３４２ モータロータ、３５１，３５２ ギア、３６１，３６２ ロータ、３７１，３７２，３７３，３７４，３７５，３７６ 転がり軸受、Ａ 中心軸、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 熱処理工程、Ｓ３ 仕上げ工程、Ｓ４ 組み立て工程、Ｓ２１ 加熱工程、Ｓ２２ 冷却工程。

Claims (8)

1. 接触面を有する焼き入れが行われた鋼製の転動部材であって、
   前記転動部材は、水素利用機器用であり、
   前記転動部材は、前記接触面からの深さが２０μｍまでの領域である表層部を備え、
   前記鋼は、０．７０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．１５質量パーセント以上０．３５質量パーセント以下のシリコンと、０．３０質量パーセント以上０．６０質量パーセント以下のマンガンと、１．３０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のモリブデンと、０．０１質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなり、
   前記接触面に直交する断面視において、前記表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ^２あたり合計して６０個以上存在し、かつ、前記表層部での前記析出物の面積率の合計が１パーセント以上１０パーセント以下である、転動部材。
2. 前記鋼は、０．９０質量パーセント以上１．１０質量パーセント以下の炭素と、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のシリコンと、０．４０質量パーセント以上０．５０質量パーセント以下のマンガンと、１．４０質量パーセント以上１．６０質量パーセント以下のクロムと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のモリブデンと、０．２０質量パーセント以上０．３０質量パーセント以下のバナジウムとを含有するとともに、残部が鉄及び不可避不純物からなる、請求項１に記載の転動部材。
3. 前記表層部中における窒素の含有量は、０．３質量パーセント以上０．５質量パーセント以下である、請求項１又は請求項２に記載の転動部材。
4. 前記接触面に直交する断面視において、前記表層部中には粒径が０．５０μｍ以下の析出物が１００μｍ^２あたり合計して８０個以上存在し、かつ、前記表層部での前記析出物の面積率の合計が２パーセント以上７パーセント以下である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の転動部材。
5. 前記接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率は、２０パーセント以上４０パーセント以下である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の転動部材。
6. 前記接触面からの深さが５０μｍの位置での残留オーステナイト量の体積率は、２５パーセント以上３５パーセント以下である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の転動部材。
7. 前記接触面からの深さが５０μｍの位置での硬さは、６５３Ｈｖ以上８００Ｈｖ以下である、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の転動部材。
8. 転がり軸受であって、
   軌道部材と、
   前記軌道部材に接触して配置される転動体とを備え、
   前記転がり軸受は、水素利用機器用であり、
   前記軌道部材及び前記転動体の少なくともいずれかは、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の前記転動部材である、転がり軸受。

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