JP2023081036A - 転動部品及び転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化及び表面からの水素侵入に伴う水素脆性の発生を抑制可能な転動部品を提供する。【解決手段】転動部品は、表面を有し、鋼製である。転動部品は、表面からの深さが２０μｍまでの領域である表層部を備えており、水素利用機器用である。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。表層部における鋼中の窒素濃度は、０．２質量パーセント以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、転動部品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。

特許文献１（特許第３９９０２１２号公報）には、転動部品が記載されている。特許文献１に記載の転動部品は、ＪＩＳ規格に定められている高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２製である。特許文献１に記載の軸受部品は、浸窒処理、焼入れ及び焼戻しが行われることにより形成されている。特許文献１に記載の軸受部品では、鋼中にセメンタイト等が分散されているため、高い耐摩耗性を有している。

特許文献２（特開２０００－２３４１４５号公報）には、転動部品が記載されている。特許文献２に記載の転動部品は、鋼製であり、表面における鋼中の残留オーステナイト量が多くなっている。そのため、特許文献２に記載の転動部品は、異物が混入しやすい環境下で用いられる際の圧痕起点型剥離の発生が抑制されている。

特許第３９９０２１２号公報 特開２０００－２３４１４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の転動部品及び特許文献２に記載の転動部品は、過酷な使用環境下、特に水素に曝される環境下での耐久性に改善の余地がある。より具体的には、特許文献１に記載の転動部品及び特許文献２に記載の転動部品では、残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化、表面からの水素侵入に伴う水素脆性に起因して、過酷な使用環境下での耐久性が不十分となるおそれがある。

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、残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化及び表面からの水素侵入に伴う水素脆性の発生を抑制可能な転動部品を提供するものである。

本発明の第１態様に係る転動部品は、表面を有し、鋼製である。転動部品は、表面からの深さが２０μｍまでの領域である表層部を備えている。転動部品は、水素利用機器用である。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。表層部における鋼中の窒素濃度は、０．２質量パーセント以上である。表層部における鋼中には、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物が析出している。表面からの距離が５０μｍの位置での鋼の硬さは、６４ＨＲＣ以上である。表面からの距離が５０μｍの位置での鋼中の残留オーステナイト量は、２０体積パーセント未満である。

本発明の第２態様に係る転動部品は、表面を有し、鋼製である。転動部品は、表面からの深さが２０μｍまでの領域である表層部を備えている。転動部品は、水素利用機器用である。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。表層部における鋼中の窒素濃度は、０．２質量パーセント以上である。表層部における鋼中には、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物が析出している。表層部における鋼中の上位面積率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、１．３μｍ以下である。表面からの距離が５０μｍの位置での鋼の硬さは、６４ＨＲＣ以上である。表面からの距離が５０μｍの位置での鋼中の残留オーステナイト量は、２５体積パーセント未満である。

上記の転動部品では、鋼が、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。

上記の転動部品では、析出物の最大粒径は、１．０μｍ以下であってもよい。上記の転動部品では、析出物の平均面積率が、２．０パーセント以上であってもよい。上記の転動部品では、表面からの距離が５０μｍの位置での鋼の硬さが、６５．５ＨＲＣ以上であってもよい。

本発明に係る転がり軸受は、内輪と、外輪と、転動体とを備えている。転がり軸受は、水素利用機器用である。内輪、外輪及び転動体の少なくともいずれかは、上記の転動部品である。

本発明の転動部品及び転がり軸受によると、残留オーステナイトの分解に伴う寸法変化及び表面からの水素侵入に伴う水素脆性の発生を抑制可能である。

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。 転がり軸受１００の製造方法の変形例を示す工程図である。 サンプル１の軌道面付近における断面ＳＥＭ像である。 サンプル３の軌道面付近における断面ＳＥＭ像である。 サンプル１の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。 サンプル２の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。 サンプル３の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。 サンプル４の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。 サンプル１からサンプル４の軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中のマルテンサイトブロック粒の平均粒径を示すグラフである。

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。以下の図面では、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。

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、深溝玉軸受である。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、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に平行であり、かつ中心軸Ａを通る断面が示されている。転がり軸受１００は、内輪１０と、外輪２０と、複数の転動体３０と、保持器４０とを有している。内輪１０及び外輪２０は、リング状である。転動体３０は、玉である（球状である）。

中心軸Ａに沿う方向を、軸方向とする。中心軸Ａを通り、かつ中心軸Ａに直交する方向を、径方向とする。中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向を、周方向とする。

内輪１０は、第１端面１０ａと、第２端面１０ｂと、内周面１０ｃと、外周面１０ｄとを有している。第１端面１０ａ、第２端面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、内輪１０の表面を構成している。第１端面１０ａ及び第２端面１０ｂは、軸方向における内輪１０の端面である。第２端面１０ｂは、第１端面１０ａの反対面である。

内周面１０ｃは、周方向に沿って延在している。内周面１０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。図示されていないが、内輪１０は、内周面１０ｃにおいて、軸に嵌め合わされる。内周面１０ｃは、軸方向における一方端において第１端面１０ａに連なっており、軸方向における他方端において第２端面１０ｂに連なっている。

外周面１０ｄは、周方向に沿って延在している。外周面１０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。つまり、外周面１０ｄは、径方向における内周面１０ｃの反対面である。外周面１０ｄは、軸方向における一方端において第１端面１０ａに連なっており、軸方向における他方端において第２端面１０ｂに連なっている。

外周面１０ｄは、軌道面１０ｄａを有している。軌道面１０ｄａは、転動体３０に接触する外周面１０ｄの部分である。軌道面１０ｄａは、周方向に沿って延在している。軌道面１０ｄａは、軸方向における外周面１０ｄの中央部に位置している。断面視において、軌道面１０ｄａは、内周面１０ｃ側に向かって窪む部分円弧形状である。

外輪２０は、第１端面２０ａと、第２端面２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有している。第１端面２０ａ、第２端面２０ｂ、内周面２０ｃ及び外周面２０ｄは、外輪２０の表面を構成している。外輪２０は、内周面２０ｃが外周面１０ｄと間隔を空けて対向している状態で、内輪１０の径方向外側に配置されている。

第１端面２０ａ及び第２端面２０ｂは、軸方向における外輪２０の端面である。第２端面２０ｂは、第１端面２０ａの反対面である。

内周面２０ｃは、周方向に沿って延在している。内周面２０ｃは、中心軸Ａ側を向いている。内周面２０ｃは、軸方向における一方端において第１端面２０ａに連なっており、軸方向における他方端において第２端面２０ｂに連なっている。

内周面２０ｃは、軌道面２０ｃａを有している。軌道面２０ｃａは、転動体３０に接触する内周面２０ｃの部分である。軌道面２０ｃａは、周方向に沿って延在している。軌道面２０ｃａは、軸方向における内周面２０ｃの中央部に位置している。断面視において、軌道面２０ｃａは、外周面２０ｄ側に向かって窪む部分円弧形状である。

外周面２０ｄは、周方向に沿って延在している。外周面２０ｄは、中心軸Ａとは反対側を向いている。つまり、外周面２０ｄは、径方向における内周面２０ｃの反対面である。図示されていないが、外輪２０は、外周面２０ｄにおいてハウジングに嵌め合わされる。外周面２０ｄは、軸方向における一方端において第１端面２０ａに連なっており、軸方向における他方端において第２端面２０ｂに連なっている。

転動体３０は、外周面１０ｄと内周面２０ｃとの間、より具体的には、軌道面１０ｄａと軌道面２０ｃａとの間に配置されている。複数の転動体３０は、周方向に沿って並んでいる。転動体３０は、表面３０ａを有している。保持器４０は、複数の転動体３０を保持している。保持器４０は、隣り合う２つの転動体３０の間の周方向における距離が一定範囲内となるように、複数の転動体３０を保持している。

内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、鋼製である。より具体的には、内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、表１に示される組成（「第１組成」とする）の鋼により形成されている。

炭素は、焼入れ後における転動部品（内輪１０、外輪２０及び転動体３０）の表面における鋼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、転動部品の表面において、十分な硬さを確保することが困難である。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、浸炭処理等により転動部品の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。他方で、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、焼入れ時の割れ（焼割れ）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、焼戻し軟化抵抗が不十分となる。その結果、焼入れ後の焼戻し又は転がり軸受１００の使用時の温度上昇により、転動部品の表面における硬さが低下するおそれがある。また、この場合、転動部品を加工する際の加工性が不十分となる。

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、転動部品を加工する際の加工性がかえって低下する。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、鋼の焼入れ性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、不純物であるマンガン系の非金属介在物が増加してしまう。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、鋼の焼入れ性の確保するため及び浸窒処理に伴って微細な析出物（窒化物、炭窒化物）を形成させる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、鋼の焼入れ性を確保すること及び微細な析出物を十分形成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、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、鋼の焼入れ性を確保するため及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させるために加えられている。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入れ時に析出核となるため、モリブデンは、焼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、鋼の焼入れ性を確保すること及び微細な析出物を十分に形成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、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、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、鋼の焼入れ性を確保するため及び浸窒処理に伴って微細な析出物を形成させる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、鋼の焼入れ性を確保すること及び微細な析出物を十分に形成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、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、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。

内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、表２に示される組成（「第２組成」とする）の鋼により形成されていてもよい。なお、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の全てが第１組成又は第２組成の鋼により形成されている必要はなく、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の少なくともいずれかが第１組成又は第２組成の鋼により形成されていればよい。

図１に示されるように、内輪１０、外輪２０及び転動体３０は、表層部５０を有している。内輪１０では、内輪１０の表面からの深さが２０μｍまでの領域が、表層部５０である。外輪２０では、外輪２０の表面からの深さが２０μｍまでの領域が、表層部５０である。転動体３０では、表面３０ａからの深さが２０μｍまでの領域が表層部５０である。なお、内輪１０では表層部５０が少なくとも軌道面１０ｄａに形成されていればよく、外輪２０では表層部５０が軌道面２０ｃａに形成されていればよい。

また、表層部５０は、内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面の全てに形成されている必要はなく、内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面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部分である。表層部５０における鋼中の窒素濃度は、０．２質量パーセント以上である。表層部５０における鋼中の窒素濃度は、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。なお、表層部５０における鋼中の窒素濃度は、例えば０．５質量パーセント以下である。

表層部５０における鋼中には、析出物が析出している。析出物は、クロム又はバナジウムを主成分としている。析出物は、クロム又はバナジウムを主成分とする窒化物である。析出物は、クロム又はバナジウムを主成分とする炭窒化物であってもよい。析出物は、上記の窒化物及び炭窒化物が混在していてもよい。

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。

析出物の最大粒径は、好ましくは、１．０μｍ以下である。析出物の平均面積率は、好ましくは、２．０パーセント以上である。

析出物の平均面積率は、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。表層部５０の断面画像は、３視野以上で取得され、平均面積率は、それら複数の断面画像から得られた析出物の面積率の平均値である。

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。そして、得られた析出物の粒径のうちで最大のものが、析出物の粒径の最大値とされる。

内輪１０の表面からの深さが５０μｍとなる位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍとなる位置及び転動体３０の表面（表面３０ａ）からの深さが５０μｍとなる位置における鋼の硬さは、６４ＨＲＣ以上である。内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面（表面３０ａ）からの深さが５０μｍとなる位置における鋼の硬さは、６５．５ＨＲＣ以上であってもよい。

内輪１０の表面からの深さが５０μｍとなる位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍとなる位置及び転動体３０の表面（表面３０ａ）からの深さが５０μｍとなる位置における鋼の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４５：２０１６）に規定されているロックウェル硬さ試験法により測定される。

表層部５０における鋼は、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における鋼は、上位面積率が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が１．３μｍ以下であることが好ましい。表層部５０の鋼中において、上位面積率が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、１．６μｍ以下であることが好ましい。

上位面積率が５０パーセント（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、以下の方法により測定される。第１に、表層部５０を含む断面において、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、倍率１５００倍において観察される領域である。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５０パーセント（３０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、上位面積率が５０パーセント（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と見做される。

内輪１０の表面からの深さが５０μｍの位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍの位置及び転動体３０の表面（表面３０ａ）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、例えば２０体積パーセント未満である。内輪１０の表面からの深さが５０μｍの位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍの位置及び転動体３０の表面（表面３０ａ）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、２５体積パーセント未満であってもよい。

内輪１０の表面からの深さが５０μｍの位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍの位置及び転動体３０の表面（表面３０ａ）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、内輪１０の表面からの深さが５０μｍの位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍの位置及び転動体３０の表面（表面３０ａ）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。

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１００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、浸窒処理工程Ｓ２と、第１焼入れ工程Ｓ３と、第１焼戻し工程Ｓ４と、第２焼入れ工程Ｓ５と、第２焼戻し工程Ｓ６と、後処理工程Ｓ７と、組み立て工程Ｓ８とを有している。

準備工程Ｓ１においては、加工対象部材が準備される。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、転動体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。

浸窒処理工程Ｓ２においては、加工対象部材の表面に対する浸窒処理が行われる。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、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度で所定時間保持することにより行われる。第１焼入れ工程Ｓ３においては、加工対象部材に対する焼入れが行われる。この焼入れは、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度で所定時間保持した後に加工対象部材をＭｓ変態点以下の温度まで冷却することにより行われる。

第１焼戻し工程Ｓ４においては、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。この焼戻しは、加工対象部材をＡ_１変態点未満の温度で所定時間保持することにより行われる。

第２焼入れ工程Ｓ５においては、加工対象部材に対する焼入れが行われる。この焼入れは、加工対象部材をＡ_１変態点以上の温度で所定時間保持した後に加工対象部材をＭｓ変態点以下の温度まで冷却することにより行われる。

第２焼戻し工程Ｓ６においては、加工対象部材に対する焼戻しが行われる。この焼戻しは、加工対象部材をＡ_１変態点未満の温度で所定時間加熱保持することにより行われる。

後処理工程Ｓ７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及び転動体３０が形成される。組み立て工程Ｓ８においては、内輪１０、外輪２０及び転動体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。

第２焼入れ工程Ｓ５における保持温度は、浸窒処理工程Ｓ２及び第１焼入れ工程Ｓ３における保持温度よりも低い。浸窒処理工程Ｓ２及び第１焼入れ工程Ｓ３における保持温度は、例えば８５０℃である。第２焼入れ工程Ｓ５における保持温度は、例えば８１０℃である。第１焼戻し工程Ｓ４及び第２焼戻し工程Ｓ６における保持温度及び保持時間は、例えば、それぞれ１８０℃及び２時間である。

図５は、転がり軸受１００の製造方法の変形例を示す工程図である。図５に示されるように、転がり軸受１００の製造方法は、第１焼戻し工程Ｓ４を有していなくてもよく、第２焼入れ工程Ｓ５に代えてサブゼロ処理工程Ｓ９を有していてもよい。サブゼロ処理工程Ｓ９においては、加工対象部材を例えば－１００℃以上室温以下の温度まで冷却することにより行われる。

（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では、内輪１０、外輪２０及び転動体３０が第１組成又は第２組成の鋼で形成されているため、表層部５０における鋼中に微細な析出物が析出する。これにより、内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面における鋼の硬さを確保することができる（より具体的には、内輪１０の表面からの深さが５０μｍの位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍの位置及び転動体３０の表面からの深さが５０μｍの位置における鋼の硬さが６４ＨＲＣ以上とすることができる）とともに、それらの析出物が応力集中源となる（亀裂発生の起点となる）ことを抑制することができる。

転がり軸受１００では、表層部５０における鋼中に微細な析出物が析出し、内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面における鋼の硬さが確保されているため、内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面に金属新生面が形成されることが抑制される。そのため、転がり軸受１００では、内輪１０の表面、外輪２０の表面及び転動体３０の表面に水素が発生しにくい。

転がり軸受１００では、表層部５０における鋼中に析出している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への水素侵入量が低下する。そのため、転がり軸受１００では、水素脆性に起因した早期剥離損傷が生じにくい。

転がり軸受１００では、内輪１０の表面からの深さが５０μｍの位置、外輪２０の表面からの深さが５０μｍの位置及び転動体３０の表面からの深さが５０μｍの位置における鋼中の残留オーステナイト量が２０体積パーセント未満（又は２５体積パーセント未満）とされているため、使用時の温度上昇に伴う残留オーステナイトの分解による内輪１０、外輪２０及び転動体３０の寸法変化を抑制することができる。

表層部５０の鋼中において、上位面積率５０パーセントでの平均粒径が１．３μｍ以下となるようにマルテンサイトブロック粒が微細化されている場合には、表層部５０の高靭性化により、内輪１０、外輪２０及び転動体３０の表面近傍における剪断抵抗が改善される。そのため、この場合、転がり軸受１００の耐久性をさらに改善することができる。

（実施例）
軌道輪のサンプルとして、サンプル１からサンプル４が準備された。サンプル１及びサンプル２は表３に示される組成の鋼により形成され、サンプル３及びサンプル４は表４に示される組成の鋼により形成された。表３に示される鋼の組成は、第１組成（第２組成）に対応しており、表４に示される組成はＪＩＳ規格に定められている高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２の組成に対応している。

サンプル１に対しては、浸窒処理工程Ｓ２、第１焼入れ工程Ｓ３、サブゼロ処理工程Ｓ９及び第２焼戻し工程Ｓ６が行われた。サンプル２に対しては、浸窒処理工程Ｓ２、第１焼入れ工程Ｓ３、第１焼戻し工程Ｓ４、第２焼入れ工程Ｓ５及び第２焼戻し工程Ｓ６が行われた。サンプル３に対しては、浸窒処理工程Ｓ２、第１焼入れ工程Ｓ３及び第２焼戻し工程Ｓ６が行われた。サンプル４に対しては、第１焼入れ工程Ｓ３及び第１焼戻し工程Ｓ４が行われた。

図６は、サンプル１の軌道面付近における断面ＳＥＭ像である。図６中において浮き出している粒子が、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物である。図７は、サンプル３の軌道面付近における断面ＳＥＭ像である。図７中において浮き出している粒子がクロムを主成分とする析出物であり、図７中において灰色の楕円状の粒子がセメンタイトの粒子である。

図６、図７及び表５に示されるように、サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域に、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物が微細（最大粒径が１．０μｍ以下）かつ高密度（平均面積率が２．０パーセント以上）に析出していた。サンプル３では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域に、クロムを主成分とする析出物が析出していたが、当該析出物は粗大化されており、当該析出物の面積率は小さかった。サンプル４では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域に、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物が析出していなかった。

表５に示されるように、サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中の窒素濃度が、０．２質量パーセント以上０．５質量パーセント以下であった。サンプル３では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中の窒素濃度が、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た。サンプル４では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中に、窒素が含まれていなかった。

サンプル１では軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における鋼中の残留オーステナイト量が２０体積パーセント未満になっており、サンプル２では軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における鋼中の残留オーステナイト量が２５体積パーセント未満となっていた。サンプル３では軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における鋼中の残留オーステナイト量が２５体積パーセントを超えており、サンプル４では軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における鋼中の残留オーステナイト量が２０体積パーセント未満となっていた。

サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における鋼の硬さが６４ＨＲＣ以上になっていた。サンプル３及びサンプル４では、軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における鋼の硬さが６４ＨＲＣ未満になっていた。このことから、サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域において、鋼中にクロム又はバナジウムを主成分とする析出物が微細かつ高密度に析出しているため、軌道面近傍における鋼の硬さが確保され、軌道面における水素発生及び軌道面からの水素侵入が抑制されることが明らかになった。また、サンプル１及びサンプル２では、軌道面近傍における鋼中の残留オーステナイト量が２０体積パーセント未満又は２５体積パーセント未満になっていることにより残留オーステナイトの分解に伴う寸法の経時変化が抑制されていることが明らかになった。

サンプル１及びサンプル２では、軌道面近傍における（軌道面からの深さが５０μｍとなる位置における）周方向の圧縮残留応力が、サンプル４と比較して大きくなっていた。また、サンプル１及びサンプル２では、軌道面の耐圧痕形成能が、サンプル３及びサンプル４と比較して優れていた。

図８は、サンプル１の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。図９は、サンプル２の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。図１０は、サンプル３の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。図１１は、サンプル４の軌道面付近における断面のＥＢＳＤによる相マップである。図８から図１１中では、マルテンサイトブロック粒が、白色の領域により示されている。

図１２は、サンプル１からサンプル４の軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中のマルテンサイトブロック粒の平均粒径を示すグラフである。図１２の縦軸は、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中のマルテンサイトブロック粒の平均粒径（単位：μｍ）である。図８から図１２に示されるように、サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中の上位面積率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が１．３μｍ以下になっており、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中の上位面積率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が１．５μｍ以下になっていた。

他方で、サンプル３及びサンプル４では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中の上位面積率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が１．３μｍを超えており、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域における鋼中の上位面積率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が１．５μｍ以下を超えていた。このことから、サンプル１及びサンプル２では、軌道面からの深さが２０μｍまでの領域において、鋼中にクロム又はバナジウムを主成分とする析出物が微細かつ高密度に析出している結果、マルテンサイトブロック粒が微細化され、軌道面近傍における剪断抵抗が改善されること、ひいては軌道面の耐久性が改善されることが明らかになった。

＜水素侵入特性＞
サンプル１及びサンプル４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４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４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４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４からの水素放出量が測定された。

サンプル４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、３．０以上になっていた。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以上１．２以下の範囲内にあった。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、上記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、上記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。

１００ 転がり軸受、１０ 内輪、１０ａ 第１端面、１０ｂ 第２端面、１０ｃ 内周面、１０ｄ 外周面、１０ｄａ 軌道面、２０ 外輪、２０ａ 第１端面、２０ｂ 第２端面、２０ｃ 内周面、２０ｃａ 軌道面、２０ｄ 外周面、３０ 転動体、３０ａ 表面、４０ 保持器、５０ 表層部、Ａ 中心軸、３７１，３７２，３７３，３７４，３７５，３７６ 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 流路、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、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 窒処理工程、Ｓ３ 第１焼入れ工程、Ｓ４ 第１焼戻し工程、Ｓ５ 第２焼入れ工程、Ｓ６ 第２焼戻し工程、Ｓ７ 後処理工程、Ｓ８ 組み立て工程、Ｓ９ サブゼロ処理工程。

Claims (7)

1. 表面を有する鋼製の転動部品であって、
   前記表面からの深さが２０μｍまでの領域である表層部を備え、
   前記転動部品は、水素利用機器用であり、
   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、
   前記表層部における前記鋼中の窒素濃度は、０．２質量パーセント以上であり、
   前記表層部における前記鋼中には、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物が析出しており、
   前記表面からの距離が５０μｍの位置での前記鋼の硬さは、６４ＨＲＣ以上であり、
   前記表面からの距離が５０μｍの位置での前記鋼中の残留オーステナイト量は、２０体積パーセント未満である、転動部品。
2. 表面を有する鋼製の転動部品であって、
   前記表面からの深さが２０μｍまでの領域である表層部を備え、
   前記転動部品は、水素利用機器用であり、
   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、
   前記表層部における前記鋼中の窒素濃度は、０．２質量パーセント以上であり、
   前記表層部における前記鋼中には、クロム又はバナジウムを主成分とする析出物が析出しており、
   前記表層部における前記鋼中の上位面積率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、１．３μｍ以下であり、
   前記表面からの距離が５０μｍの位置での前記鋼の硬さは６４ＨＲＣ以上であり、
   前記表面からの距離が５０μｍの位置での前記鋼中の残留オーステナイト量は、２５体積パーセント未満である、転動部品。
3. 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又は請求項２に記載の転動部品。
4. 前記析出物の最大粒径は、１．０μｍ以下である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の転動部品。
5. 前記析出物の平均面積率は、２．０パーセント以上である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の転動部品。
6. 前記表面からの距離が５０μｍの位置での前記鋼の硬さは６５．５ＨＲＣ以上である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の転動部品。
7. 転がり軸受であって、
   内輪と、
   外輪と、
   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、
   前記内輪、前記外輪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６のいずれか１項に記載の前記転動部品である、転がり軸受。

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